JP2009095297A

JP2009095297A - 培養装置

Info

Publication number: JP2009095297A
Application number: JP2007270961A
Authority: JP
Inventors: Kyoji Nakamura; 協司中村
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2009-05-07

Abstract

【課題】多種多様な培養容器を搬送できる容器搬送装置を備えた培養装置を提供する。
【解決手段】第１の培養容器と、容器の側面よりも外側に張り出した鍔部を有する第２の培養容器とを併用して試料の培養が可能な培養装置である。この培養装置は、対向配置された一対のアームと、この一対のアームの間隔を調整するアーム開閉機構と、アーム開閉機構を駆動させるモータとを有する容器搬送装置を備えている。そして、一対のアームの対向する内面には第１の培養容器を搬送するときに第１の培養容器の側面に当接する容器保持部がそれぞれ形成されている。また、一対のアームの上面には第２の培養容器を搬送するときに第２の培養容器の鍔部下面に当接する担持部がそれぞれ形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数種類の培養容器を搬送可能な容器搬送装置を備えた培養装置に関する。

従来から、所定の雰囲気に維持された恒温室において培養容器内の細胞を培養する培養装置が知られている。このような培養装置では、複数種類の培養容器を用いて試料の培養を行うものも公知である。例えば、特許公報１には、遠心管および円形のシャーレをそれぞれ把持可能な多関節ロボットを備えた培養装置が開示されている。
特開２００６−１４９２６８号公報

ところで、培養容器の搬送機能を有する培養装置では、鍔付きの培養容器および鍔なしの培養容器や、円形の培養容器および角形の培養容器とのように、多種多様な培養容器を搬送可能とすることがなお要請されている。

本発明は上記従来技術の課題を解決するものであって、多種多様な培養容器を搬送できる容器搬送装置を備えた培養装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の形態は、第１の培養容器と、容器の側面よりも外側に張り出した鍔部を有する第２の培養容器とを併用して試料の培養が可能な培養装置である。この培養装置は、対向配置された一対のアームと、この一対のアームの間隔を調整するアーム開閉機構と、アーム開閉機構を駆動させるモータとを有する容器搬送装置を備えている。そして、一対のアームの対向する内面には第１の培養容器を搬送するときに第１の培養容器の側面に当接する容器保持部がそれぞれ形成されている。また、一対のアームの上面には第２の培養容器を搬送するときに第２の培養容器の鍔部下面に当接する担持部がそれぞれ形成されている。

本発明の第２の形態は、容器奥行方向に沿って容器の両側面が平行をなす形状の第１の培養容器と、容器奥行方向に沿って容器の両側面が曲線状に突出する形状の第２の培養容器とを併用して試料の培養が可能な培養装置である。この培養装置は、対向配置された一対のアームと、この一対のアームの間隔を調整するアーム開閉機構と、アーム開閉機構を駆動させるモータとを有する容器搬送装置を備えている。

そして、一対のアームの対向する内面には、第１の培養容器を搬送するときに第１の培養容器の側面と接触する第１容器保持部と、第１容器保持部よりもアーム内側にくぼんでおり、第２の培養容器を搬送するときに第２の培養容器の側面に少なくとも２点で接触する第２容器保持部とがそれぞれ対向する位置に形成されている。

本発明の一の形態では、一対のアームの対向面で第１の培養容器を挟持でき、一対のアームの上面で鍔付きの第２の培養容器を担持できる。

本発明の他の形態では、容器の両側面が平行な第１の培養容器を第１容器保持部で挟持することができ、容器の両側面が曲線状の第２の培養容器を第２容器保持部で挟持できる。

（培養装置の全体構成の説明）
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の培養装置の一実施形態を示している。

この実施形態の培養装置１１は、上部ケーシング１２と下部ケーシング１３とを有している。培養装置１１の組立状態において、上部ケーシング１２は下部ケーシング１３の上に載置されている。なお、上部ケーシング１２と下部ケーシング１３との内部空間は、ベースプレート１４によって上下に仕切られている。

上部ケーシング１２の内部には、生体細胞などの試料の培養を行う恒温室１５が形成されている。この恒温室１５は、温度調整装置と湿度調整装置とを有している（温度調整装置、湿度調整装置の図示は省略する）。そして、恒温室１５は、温度調整装置および湿度調整装置によって、試料の培養に適した環境（例えば温度３７℃、湿度９０％の雰囲気）に維持されている。一方、下部ケーシング１３の内部には、後述の観察ユニット（２２）の本体部分（３３）や、培養装置１１の各部の統括的な制御を行うコントローラ（不図示）が収納されている。

図２、図３は恒温室１５の内部を示す平面図である。恒温室１５の前面には、大扉１６、中扉１７、小扉１８が配置されている。大扉１６は、上部ケーシング１２および下部ケーシング１３の前面を覆っている。中扉１７は、上部ケーシング１２の前面を覆っており、大扉１６の開放時に恒温室１５と外部との環境を隔離する。小扉１８は、培養容器１９を搬出入するための扉であって、中扉１７に取り付けられている。この小扉１８から培養容器１９を搬出入することで、恒温室１５の環境変化を抑制することが可能となる。なお、大扉１６、中扉１７、小扉１８は、パッキンＰ１，Ｐ２，Ｐ３によりそれぞれ気密性が維持されている。

また、恒温室１５には、ストッカー２１、観察ユニット２２、容器搬送装置２３、ポンプ２４、タンク２５、ノズル部２６、搬送台２７が配置されている。ここで、搬送台２７は、小扉１８の手前に配置されており、培養容器１９を小扉１８から搬出入する。なお、搬送台２７と小扉１８との周囲には、容器の搬出入時に外気の侵入を抑制するために、恒温室１５から独立した調整室（不図示）を設けるようにしてもよい。

ストッカー２１は、上部ケーシング１２の前面（図２の下側）からみて恒温室１５の左側に配置される。ストッカー２１は複数の棚を有しており、ストッカー２１の各々の棚には培養容器１９を複数収納することができる。そして、各々の培養容器１９には生体細胞などの試料が培地とともに収容される。ここで、本実施形態での培養容器１９としては、ディッシュ，ウェルプレート，フラスコ等の形状の異なる複数種類の容器を使用することができる。また、本実施形態の培養装置１１では、両側面にフランジ２８ａを有するトレー状のホルダー２８に培養容器１９を載置して取り扱うことも可能である。

観察ユニット２２は、上部ケーシング１２の前面からみて恒温室１５の右側に配置される。この観察ユニット２２では、培養容器１９内の試料のタイムラプス観察を実行することができる。

この観察ユニット２２は、上部ケーシング１２のベースプレート１４の開口部に嵌め込まれて配置される。観察ユニット２２は、試料台３１と、試料台３１の上方に張り出したスタンドアーム３２と、顕微光学系および撮像装置を内蔵した本体部分３３とを有している。そして、試料台３１およびスタンドアーム３２は恒温室１５に配置される一方で、本体部分３３は下部ケーシング１３内に収納される。

試料台３１は透光性の材質で構成されており、その上に培養容器１９が載置することができる。この試料台３１は水平方向に移動可能に構成されており、上面に載置した培養容器１９の位置を調整することができる。また、スタンドアーム３２にはＬＥＤ光源が内蔵されている。そして、スタンドアーム３２によって試料台３１の上側から培養容器１９を照明することで、本体部分３３による試料の位相差観察が可能となる。

容器搬送装置２３は、上部ケーシング１２の前面からみて恒温室１５の中央に配置される。この容器搬送装置２３は、ストッカー２１、観察ユニット２２の試料台３１および搬送台２７との間で培養容器１９の受け渡しを行う。なお、容器搬送装置２３の各部材は、例えばステンレスなどの耐蝕性に優れた材料で構成されている。

図２、図３に示すように、容器搬送装置２３は、多関節アームを有する垂直ロボット３４と、回転ステージ３５と、ミニステージ３６と、アーム部３７とを有している。回転ステージ３５は、垂直ロボット３４の先端部に回転軸３５ａを介して水平方向に１８０°回転可能に取り付けられている。そのため、回転ステージ３５は、ストッカー２１、試料台３１および搬送台２７に対して、アーム部３７をそれぞれ対向させることができる。なお、図２ではアーム部３７を試料台３１の方向に向けた状態を示し、図３ではアーム部３７をストッカー２１の方向に向けた状態を示している。

また、ミニステージ３６は、回転ステージ３５に対して水平方向に摺動可能に取り付けられている。ミニステージ３６には培養容器１９を保持するアーム部３７が取り付けられている。そして、ミニステージ３６は、回転ステージ３５に設けられたモータおよび駆動機構（ともに不図示）によってアーム部３７とともに摺動し、培養容器１９の受け渡しを行う。なお、アーム部３７の構成については後述する。

上記の容器搬送装置２３では、（１）ストッカー２１内での培養容器１９の入れ替え、（２）ストッカー２１、観察ユニット２２、搬送台２７の間での培養容器１９の受け渡し、（３）ノズル部２６を用いた培地交換操作、を実行することができる。

ポンプ２４、タンク２５、ノズル部２６は恒温室１５で培地交換を行うために設けられている。ノズル部２６は、培養容器１９内の古くなった培地を吸引する培地廃棄ノズルと、培養容器１９内に新たな培地を注入する培地注入ノズルを有している（個々のノズルの図示は省略する）。そして、ポンプ２４の動作によって、培養容器１９からタンク２５への培地の廃棄と、タンク２５から培養容器１９への培地の注入が行われる。

（アーム部の構成の説明）
以下、図４から図９を参照しつつ、容器搬送装置２３のアーム部３７の構成をさらに説明する。アーム部３７は、一対のアーム４１と、アーム開閉機構４２と、モータ４３と、これらを内蔵するケーシング４４とを有している。なお、モータ４３を恒温室１５の雰囲気と隔離するために、ケーシング４４内でモータ４３の配置される空間は、アーム開閉機構４２と区分けされており、モータ４３の回転軸（後述の第１軸４６）とケーシング４４との間はオイルシール４５で密封されている。

一対のアーム４１は、アーム開閉機構４２によって水平方向に開閉可能となっている。そして、アーム部３７は、一対のアーム４１の開閉によって培養容器１９を挟持または担持する。なお、培養容器１９の損傷防止およびアーム４１の保持性能を向上させるため、各アーム４１の表面はゴムなどの弾性部材によって被覆されている。

各アーム４１の内面側（他のアームと対向する面）には、アーム４１の組立状態において互いに平行をなす第１容器保持面４１ａと、第１容器保持面４１ａよりも内側にくぼんだ第２容器保持面４１ｂとが形成されている。なお、各アーム４１の第１容器保持面４１ａおよび第２容器保持面４１ｂは各々の位置が対向するように設定されている。

ここで、各アーム４１には、第２容器保持面４１ｂとなるくぼみがアーム４１の長手方向（延長方向）に複数形成されている。そして、各々のくぼみの大きさはそれぞれ異なっており、アーム４１の先端に近づくにつれて、くぼみの間隔（アーム４１の長手方向におけるくぼみの幅）が小さくなるように設定されている。

各アーム４１の上面には、それぞれ２つの台座状の突起部４１ｃが形成されている。そして、一対のアーム４１に設けられた合計４つの突起部４１ｃの上端位置は一定の高さに揃えられている。

アーム開閉機構４２は、第１軸４６と、第１歯車４７および第２歯車４８と、第２軸４９とを有している。第１軸４６の一端はモータ４３に接続されている。また、第１軸４６の他端側には、減速ギア５０およびカップリング５１を介して第１歯車４７が取り付けられている。そして、第１歯車４７は第２歯車４８と噛合している。

また、第２軸４９は２つの軸受け５２によって軸支されている。第２軸４９の一端側は段付部分が形成されており、この段付部分には第２歯車４８が回動可能に取り付けられている。第２軸４９の段付部分の端部にはワッシャ５３が固定されている。第２歯車４８とワッシャ５３との間にはバネ５４が配置されている。そのため、第２歯車４８は、第２軸４９の他端側に向けてバネ５４で付勢されている。そして、第２軸４９は、バネ５４の付勢によって接触した第２歯車４８とともに摩擦によって回転することとなる。

さらに、第２軸４９において軸受け５２に挟まれた区間には、それぞれ逆向きにねじを切った２つのアーム送り部４９ａが形成されている。そして、各アーム送り部４９ａには、アーム４１の基端部がそれぞれ螺合されている。そのため、第２軸４９の回転に伴って、アーム送り部４９ａに螺合された一対のアーム４１が水平方向に開閉することとなる。なお、アーム４１の回転止めのために、各アーム４１の基端部にはケーシング４４の溝に係合するカムフロアー５５がそれぞれ設けられている。

ここで、一対のアーム４１で培養容器１９を保持するときのアーム部３７の動作を簡単に説明する。まず、モータ４３の駆動に伴い第１軸４６とともに第１歯車４７が回転する。そして、第１歯車４７と噛合する第２歯車４８の回転に伴って第２軸４９が回転する。この第２軸４９の回転によって、各アーム送り部４９ａにそれぞれ螺合する一対のアーム４１が移動して培養容器１９を挟み込むこととなる。

また、一対のアーム４１が培養容器１９を挟み込むと、培養容器１９を挟み込む方向に第２軸４９を回転させるときに要するトルクは増加することとなる。そして、トルクの増加により第２軸４９にバネ５４で押圧されていた第２歯車４８が空転するようになり、培養容器１９を挟み込む方向への第２軸４９の回転が停止する。したがって、一対のアーム４１が培養容器１９を挟み込むと、モータ４３からアーム４１への伝動が機械的に遮断されるので、容器の変形，損傷をより確実に防止することが可能となる。

図５，図６は、容器の両側面が曲線状に突出する円形状の培養容器１９をアーム部３７で保持する状態を示した図である。具体的に、図５（ａ）はピペットチップをアーム部３７で保持した状態を示す図である。図５（ｂ）は、円形のシャーレ（３５ｍｍデッシュ）の保持状態を示した図である。図６（ａ）は、円形のシャーレ（６０ｍｍデッシュ）の保持状態を示した図である。図６（ｂ）は、円形のシャーレ（１００ｍｍデッシュ）の保持状態を示した図である。

円形状の培養容器１９を搬送するときには、アーム部３７はアーム４１内側にくぼんだ第２容器保持面４１ｂによって培養容器１９を挟持する。これにより、円形状の培養容器１９を搬送するときには片側のアーム４１と培養容器１９の側面とが少なくとも２点で接触して容器を支持するので、一対のアーム４１で培養容器１９を安定して保持できる。

また、一対のアーム４１には間隔の異なる複数のくぼみが形成されているので、培養容器１９の直径に応じて第２容器保持面４１ｂを変更することで、直径の異なる円形の培養容器１９の搬送にも対応できる。なお、アーム４１のくぼみは先端に近づくにつれて間隔が小さくなるため、直径の大きな培養容器１９はアーム４１の基端側で挟持され、直径が小さい培養容器１９はアーム４１の先端側で挟持される。そのため、培養容器１９を安定した状態で搬送することが容易である。なお、図５において、ピペットチップと３５ｍｍデッシュとは同一の第２容器保持面４１ｂを使用して挟持されているが、ピペットチップの場合には第２容器保持面４１ｂの接線部で容器を支持しており、３５ｍｍデッシュの場合には第１容器保持面４１ａと第２容器保持面４１ｂとの角で容器を支持している。

また、図７および図８は、容器の奥行方向に沿って両側面が平行をなす矩形状の培養容器１９をアーム部３７で保持する状態を示した図である。図７（ａ）は、矩形状のフラスコ（２５ｃｍ²フラスコ）の保持状態を示した図である。図７（ｂ）は、矩形状のフラスコ（７５ｃｍ²フラスコ）の保持状態を示した図である。矩形状の培養容器１９を搬送するときには、アーム部３７はアーム４１内側の平坦な第１容器保持面４１ａを用いて培養容器１９を挟持する。これにより、矩形状の培養容器１９を搬送するときには培養容器１９の側面と各アーム４１の第１容器保持面４１ａがそれぞれ面接触して容器を支持するので、一対のアーム４１で培養容器１９を安定して保持できる。また、図８は、矩形状の培養容器１９（１２ウェルプレート）の保持状態を示した図である。

さらに、図９は、容器の側面よりも外側に張り出した鍔部を両側面に有するフランジ２８ａ付きのホルダー２８の保持状態を示した図である。なお、ホルダー２８の上面には、培養容器１９を位置決めするためのガイド（ピン、位置決め穴など）が設けられており、所定の位置に培養容器１９を固定してホルダー２８ごと搬送することが可能である。

フランジ付きのホルダー２８を搬送するときには、アーム部３７は各アーム４１の上面の突起部４１ｃをそれぞれ培養容器１９のフランジ下面に当接させてすくい上げることで、一対のアーム４１の間にホルダー２８を架け渡した状態で搬送できる（図９（ｂ）参照）。なお、フランジ付きのホルダー２８を搬送するときには、アーム４１の第１容器保持面４１ａでホルダー２８を挟持して搬送することも可能である。

本実施形態の容器搬送装置２３では、円形の培養容器１９、矩形状の培養容器１９をいずれも搬送することが可能である。また、メーカーごとに寸法が若干異なる同一種類の容器についても対応することが可能である。

さらに、本実施形態では、例えば、ホルダー２８に載置された培養容器１９を個別に取り上げて搬送することや、培養容器１９をホルダー２８ごと搬送することがいずれも可能となる。特に、複数の培養容器１９が載置されたホルダー２８では、複数の培養容器１９を一度に運ぶことが可能となる。また、複数の培養容器１９が載置されたホルダー２８において、特定の培養容器１９の培地交換を行う場合には、培地を交換する培養容器１９のみを搬送して容器を傾ける工程が生じるが、本実施形態のアーム部３７は個別に容器を把持できるのでかかる動作にも対応することが可能となる。

（実施形態の補足事項）
（１）上記実施形態では、多関節ロボットからなる垂直ロボット３４で容器搬送装置２３を構成した例を説明したが、例えば、さらに水平ロボットを組み合わせて容器搬送装置２３を構成してもよい。また、上記実施形態のミニステージ３６およびアーム部３７と、直動ステージとを組み合わせて容器搬送装置２３を構成してもよい。

（２）上記実施形態のアーム部３７では、培養容器１９に対する過剰な挟み込みを摩擦伝動機構による機械的な構成で防止する例を示したが、例えば、センサによる容器の挟み込みの検知や、モータ４３の付加電流値の検出などによる電気的手法で行ってもかまわない。

（３）上記実施形態では、フランジ付きのホルダー２８を介して培養容器１９をアーム４１で担持する例を説明したが、培養容器１９の両側面に顎部（フランジ）が形成されている場合には、培養容器１９をアーム４１で直接担持しても勿論かまわない。

（４）上記実施形態では、アーム４１の上面に突起部４１ｃを形成した例を説明したが、アーム４１の上面を平坦にして培養容器などのフランジを支持するようにしてもよい。

なお、本発明は、その精神またはその主要な特徴から逸脱することなく他の様々な形で実施することができる。そのため、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明は、特許請求の範囲によって示されるものであって、本発明は明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内である。

本発明の培養装置の一実施形態を示す説明図恒温室の内部を示す平面図恒温室の内部を示す平面図（ａ）アーム部の平面視断面図、（ｂ）アーム部の背面視断面図、（ｃ）アーム部の側面視断面図（ａ）ピペットチップをアーム部で保持した状態を示す図、（ｂ）円形のシャーレの保持状態を示す図（ａ），（ｂ）円形のシャーレの保持状態を示す図（ａ），（ｂ）矩形状のフラスコの保持状態を示す図矩形状のウェルプレートの保持状態を示す図（ａ）フランジ付きのホルダーの保持状態を示した平面図，（ｂ）フランジ付きのホルダーの保持状態を示した側面図

符号の説明

１１…培養装置、１５…恒温室、１９…培養容器、２１…ストッカー、２２…観察ユニット、２３…容器搬送装置、２８…ホルダー、２８ａ…フランジ、３４…垂直ロボット、３５…回転ステージ、３６…ミニステージ、３７…アーム部、４１…アーム、４１ａ…第１容器保持面、４１ｂ…第２容器保持面、４１ｃ…突起部、４２…アーム開閉機構、４３…モータ、４４…ケーシング、４５…オイルシール、４６…第１軸、４７…第１歯車、４８…第２歯車、４９…第２軸、４９ａ…アーム送り部、５３…ワッシャ、５４…バネ

Claims

第１の培養容器と、容器の側面よりも外側に張り出した鍔部を有する第２の培養容器とを併用して試料の培養が可能な培養装置であって、
対向配置された一対のアームと、前記一対のアームの間隔を調整するアーム開閉機構と、前記アーム開閉機構を駆動させるモータとを有する容器搬送装置を備え、
前記一対のアームの対向する内面には前記第１の培養容器を搬送するときに前記第１の培養容器の側面に当接する容器保持部がそれぞれ形成され、かつ、前記一対のアームの上面には前記第２の培養容器を搬送するときに前記第２の培養容器の鍔部下面に当接する担持部がそれぞれ形成されていることを特徴とする培養装置。
請求項１に記載の培養装置において、
前記担持部は、前記アームの本体の上側に配置されるとともに、各々の上端位置が揃えられた突起で形成されていることを特徴とする培養装置。
容器奥行方向に沿って容器の両側面が平行をなす形状の第１の培養容器と、容器奥行方向に沿って容器の両側面が曲線状に突出する形状の第２の培養容器とを併用して試料の培養が可能な培養装置であって、
対向配置された一対のアームと、前記一対のアームの間隔を調整するアーム開閉機構と、前記アーム開閉機構を駆動させるモータとを有する容器搬送装置を備え、
前記一対のアームの対向する内面には、前記第１の培養容器を搬送するときに前記第１の培養容器の側面と接触する第１容器保持部と、前記第１容器保持部よりもアーム内側にくぼんでおり、前記第２の培養容器を搬送するときに前記第２の培養容器の側面に少なくとも２点で接触する第２容器保持部とがそれぞれ対向する位置に形成されていることを特徴とする培養装置。
請求項３に記載の培養装置において、
前記一対のアームには、アームの長手方向に対して各々のくぼみの大きさが異なる複数の前記第２容器保持部が形成されていることを特徴とする培養装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の培養装置において、
前記アームの培養容器に当接する部分が弾性部材で被覆されていることを特徴とする培養装置。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の培養装置において、
前記アーム開閉機構は、前記モータからの動力を伝動する第１伝動部と、前記第１伝動部に接触して前記アームに対して動力を摩擦で伝動する第２伝動部とを有し、
前記第１伝動部および前記第２伝動部は、前記一対のアームが培養容器を挟み込んだときに増加する抵抗力によって前記アームへの動力の伝動を遮断することを特徴とする培養装置。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の培養装置において、
前記モータが配置された空間は、前記試料を培養する環境から隔離されていることを特徴とする培養装置。