(57)【要約】【課題】分注異常検出や分注量推定を高精度に実施するため、ノズル近傍の微小な圧力変化を測定することができる小型の圧力センサを備えた分注装置を提供する。【解決手段】本発明に係る分注装置は、分注する液体の流路の途中に圧力センサを配置し、圧力センサは前記液体を通過させる第１流路を有し、前記第１流路と接する第１面の剛性は第２面の剛性よりも低い。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を分注する分注装置であって、
前記液体を吸引または吐出するノズル、
前記液体の圧力を測定する圧力センサ、
を備え、
前記圧力センサは、前記液体を通過させる第１流路を有し、
前記圧力センサは、前記第１流路と接する第１および第２面を有し、
前記第１面の剛性は、前記第２面の剛性よりも小さく、
前記圧力センサは、前記第１面の歪みに基づき前記圧力を測定する第１測定素子を有しており、
前記分注装置はさらに、前記第１流路と前記ノズルを接続することにより前記液体を前記第１流路から前記ノズルまで通過させる、センサ−ノズル間流路を備える
ことを特徴とする分注装置。
【請求項２】
前記第１面が前記第２面よりも薄く構成されていることにより、前記第１面の剛性は前記第２面の剛性よりも小さい
ことを特徴とする請求項１記載の分注装置。
【請求項３】
前記第１流路は、前記圧力センサを貫通するように形成されており、
前記第１面は凹部を有し、
前記凹部における前記第１面の厚さは、前記第２面の厚さよりも薄い
ことを特徴とする請求項２記載の分注装置。
【請求項４】
前記分注装置は、前記ノズルを保持するアームと、前記アームを移動させることにより前記ノズルを移動させる駆動部とを備え、
前記アームの内部には、前記液体を通過させる第２流路が形成されており、
前記圧力センサは、前記第１流路と前記第２流路が連通するように、前記アームの内部に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の分注装置。
【請求項５】
前記分注装置は、前記ノズルを備え、
前記圧力センサは、前記ノズルの一部として形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の分注装置。
【請求項６】
前記分注装置は、前記液体を通過させる第３流路が形成された配管部材を備え、
前記圧力センサは、前記配管部材を嵌合させる嵌合穴を有し、
前記配管部材が前記嵌合穴に対して嵌合することにより、前記第１流路と前記第３流路が連通するように配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の分注装置。
【請求項７】
前記圧力センサはさらに、前記第１面の歪みに基づき前記圧力を測定する第２測定素子を有し、
前記分注装置はさらに、前記液体の体積を求める演算部を備え、
前記演算部は、前記第１および第２測定素子による測定結果の差分により前記液体の流量を求めるとともに、前記流量を時間積分することにより、前記ノズルが吸引しまたは前記ノズルから吐出された前記液体の体積を求める
ことを特徴とする請求項１記載の分注装置。
【請求項８】
前記第１流路は、前記第１流路が延伸する方向に沿った前記圧力センサの中心軸から前記第１面に向かってオフセットした位置に配置されている
ことを特徴とする請求項５記載の分注装置。
【請求項９】
前記圧力センサは、前記第１流路を挟む第１部材と第２部材を有し、
前記第１部材の厚さは、前記第２部材の厚さよりも薄く、
前記第１測定素子は、前記第１部材に埋め込まれている
ことを特徴とする請求項１記載の分注装置。
【請求項１０】
前記圧力センサは、前記第１部材の表面を覆うことにより前記第１部材の剛性を補強するキャップを備える
ことを特徴とする請求項９記載の分注装置。
【請求項１１】
前記キャップが前記第１部材と対向する対向面と、前記第１部材との間には、間隙部分が形成されている
ことを特徴とする請求項１０記載の分注装置。
【請求項１２】
前記分注装置はさらに、前記ノズルを上下方向に移動させる駆動機構を備え、
前記圧力センサは、前記ノズルと前記駆動機構との間において前記液体が通過する経路上に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の分注装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を吸引または吐出する分注装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
分注装置は、サンプルまたは試薬などの液体を一定量に取り分ける分注を実施する装置であり、血液分析装置などにおいて採用されている。分注装置は、細長いノズル、ノズルに接続する配管、圧力の供給によりノズル先端から液体分注を可能とするシリンジ、配管内の圧力を測定する圧力センサ、を備える。圧力センサは、配管内の詰まりなどの分注異常を検出するために使われている。これに加えて圧力センサは、液体の吸引時と吐出時との間の圧力変化から、分注量を推定することが望まれている。
【０００３】
分注量の推定に際しては、ノズル近傍の微小な圧力変化を測定するために、ノズル近傍のアーム部に設置可能な小型の圧力センサが必要である。このような小型圧力センサとして、下記特許文献１は、分注装置内の２つの配管（ステンレス材）の間に柔軟性のあるシリコン樹脂チューブを接続し、樹脂チューブの変形を圧電フィルムによって測定し、樹脂チューブの変形から圧力を測定する圧力センサを開示している。
【０００４】
下記特許文献２は、配管に接続される上流側接続口と下流側接続口とを有した圧力センサ構造を開示している。特許文献２は、配管の上部にセンサ本体が設置される構造を有しており、上流側接続口から下流側接続口に続く配管の中間部に開口部があり、その開口部をセンサ本体の受圧面で封止している。さらに、開口部に気泡が溜まらないように、配管内の流れの方向を開口部の方向に変えるための突起を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１１４４７１号公報
【特許文献２】特開２００６−２０７９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のようにチューブの変形を用いて圧力を測定する場合、シリコン樹脂チューブの変形がチューブ円周上全体に分散されるので、圧力の変化に対する圧電フィルム貼り付け部分の変形量が小さくなる。これにより測定感度が低下する。また、チューブの柔軟性により振動などの外乱を受けやすいので、測定ノイズが発生し、測定精度が低下する。さらに、シリコン樹脂チューブとステンレスチューブとの間の接続部分の段差により、気泡発生の恐れがある。
【０００７】
特許文献２のように配管の中間部に突起を形成すると圧力損失や乱流が発生するので、同文献の圧力センサ構造は、微小圧力の測定には不向きである。また、突起部を設けて流路を折り曲げた構造は、センサの小型化に対しても不向きである。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、分注異常検出や分注量推定を高精度に実施するため、ノズル近傍の微小な圧力変化を測定することができる小型の圧力センサを備えた分注装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る分注装置は、分注する液体の流路の途中に圧力センサを配置し、圧力センサは前記液体を通過させる第１流路を有し、前記第１流路と接する第１面の剛性は第２面の剛性よりも低い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る分注装置によれば、微小な圧力変化を計測することができ、かつ気泡がたまりにくい小型圧力センサを備えた分注装置を提供することができる。微小な圧力変化を計測できることにより、分注異常検出や分注量推定を高精度に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１に係る分注装置１の基本構成を示す図である。
【図２】液体を吸引した直後の配管８内の状態を示す。
【図３】圧力センサ１５の構造例を示す図である。
【図４】図３下段の領域Ｂを拡大した図である。
【図５】圧力センサ１５による測定結果を用いて液体２２の分注量を測定する２つ目の方法を説明する図である。
【図６】実施形態２に係る分注装置１が備える圧力センサ１５の構造例を示す図である。
【図７】図６下段の領域Ｄを拡大した図である。
【図８】実施形態３に係る分注装置１が備える圧力センサ１５の構造例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る分注装置１の基本構成を示す図である。分注装置１の流路系は、ノズル２、シリンジポンプ４、電磁弁５、ギアポンプ６、システム水タンク７を有し、各部品は配管８によって接続されている。シリンジポンプ４は、容器９、プランジャ１０、ボールねじ１１、駆動モータ１２を備える。駆動モータ１２は、サンプル分注機構１３などを駆動するモータと同様に制御部１４によって制御される。アーム１６内のノズル２近傍には、小型の圧力センサ１５が配置されている。サンプル分注機構１３は、アーム１６を上下方向に移動し、または水平面内で回転させることにより、ノズル２を所望の位置に移動させる。制御部１４は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアを用いて構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアを演算装置が事項することにより構成することもできる。
【００１３】
図２は、液体を吸引した直後の配管８内の状態を示す。配管８内は、シリンジ圧力を伝達するためのシステム水２１で満たされており、シリンジポンプ４による圧力変化によってノズル２から液体２２を吸引・吐出することができる。ノズル２から液体２２を吸引するときは、電磁弁５を閉にした状態で、シリンジポンプ４内のプランジャ１０を引く。ノズル２から液体を吐出するときは、電磁弁５を閉にした状態で、シリンジポンプ４内のプランジャ１０を容器９に押し込む。
【００１４】
サンプルなどの液体２２を吸引する場合は、液体２２が配管８内の中のシステム水２１と混ざらないように、分節空気２３を吸引した後で液体２２を吸引する。液体２２を吐出した後はノズル２を洗浄する。ノズル２を洗浄する際には、ノズル２の外壁に洗浄用の水をあてると同時に、流路内部のシステム水２１を押し出す。洗浄工程においてノズル２内のシステム水２１を押し出す際には、ギアポンプ６の圧力を利用することにより、シリンジポンプ４で押し出すときよりも高圧でシステム水２１が送り出される。
【００１５】
圧力センサ１５の配置位置としては、図２が示すように、分注時に吸引した液体２２もしくは分節空気２３が圧力センサに触れない範囲で、なるべくノズル２に近づけて配置することが望ましい。ノズル２から遠い位置に圧力センサ１５を配置すると、ノズル２から圧力センサ１５までの配管長が長くなり、周囲温度の変化による配管８の熱膨張の影響を受けるからである。またノズル２から圧力センサ１５までの距離が離れると、ポンプの駆動による振動などの外乱影響を受けやすくなるので、ノズル２の微小な圧力変化を測定することが困難になる。したがって圧力センサ１５は、できる限りノズル２に近づけることが望ましい。
【００１６】
具体的には、圧力センサ１５は、ノズル２を上下移動させる機構（図１においてはサンプル分注機構１３）とアーム１６との接点よりもノズル２に近い側に配置することが望ましい。分注装置１がアーム１６を備えていない場合であっても、移動機構の可動部分よりもノズル２に近い側に配置することが望ましい。ノズル２からこれ以上離れると、外乱や熱膨張の影響が大きくなるからである。
【００１７】
図３は、圧力センサ１５の構造例を示す図である。図３上段は流路に平行な側断面図である。図３下段は流路に垂直な断面図である。圧力センサ１５は、筐体３２と歪み測定素子３１を備える。本実施例の筐体３２の流路に垂直な断面形状は円形になっているが、限定するものではなく四角形などの形状でもよい。筐体３２は、同軸穴３３とねじ穴３４を有する。同軸穴３３は配管８の内径と同じ直径と中心を有する。継手３７も配管８の内径と同じ直径を有する配管３８を有する。継手３７は、ねじ穴３４に嵌合することができる。ねじ穴３４は、継手３７をねじ穴３４に嵌合したとき、配管３８と同軸穴３３が直線Ａ上で接続されるように構成されている。これにより、配管３８と同軸穴３３が配管８と接続され、サンプル流路を形成することができる。
【００１８】
筐体３２の外壁の一方側の面３６（第１面）には凹部３５が設けられている。筐体３２は、凹部３５を有する部分が他方側の面よりも薄くなっている。したがって凹部３５側の面は他方側の面よりも剛性が低い。歪み測定素子３１は、面３６上に配置されている。システム水２１が同軸穴３３内を流れることにより内部圧力が変化し、凹部３５の面３６がたわみ変形する。歪み測定素子３１がその歪みを測定することにより、筐体３２内の圧力を測定する。歪み測定素子３１は、歪みゲージ、歪みセンサチップ、圧電素子などによって構成することができる。
【００１９】
図４は、図３下段の領域Ｂを拡大した図である。図４において、同軸穴３３の内面に圧力（図中のＰ）がかかっている。面３６の変位Δｄは薄い壁の部分に集中し、壁が厚くなるにつれて徐々に減少する。したがって、歪み測定素子３１を歪みがより集中する歪み部分４１または歪み部分４２に設置することにより、歪みの測定精度が向上する。さらにその歪みから圧力Ｐを算出することができるので、圧力の測定精度も向上する。
【００２０】
歪み部分４１においては歪み測定素子３１が収縮する方向に圧力がかかり、歪み部分４２においては歪み測定素子３１が伸長する方向に圧力がかかる。歪み測定素子３１をこれら２つの部位に配置して２つの測定結果を併用することにより、測定精度が向上する。いずれか一方のみを用いることもできる。
【００２１】
圧力センサ１５による測定結果を用いて分注異常を検出する方法としては、以下のものが考えられる。正常状態や異常状態など各種分注状態における圧力を基準データとしてあらかじめ制御部１４上に保存しておく。分注装置１のオペレーション時において、制御部１４は基準データから正常範囲と異常範囲を定め、異常範囲の圧力波形が得られたときに分注異常と判断する。図２に示したように、ノズル２の近傍に圧力センサ１５を配置することにより、正常状態と異常状態の圧力差を精度よく判定することができる。
【００２２】
制御部１４が圧力センサ１５による測定結果を用いて液体２２の分注量を測定する方法としては、以下の２つの方法が考えられる。
【００２３】
１つ目の方法は、圧力測定値とシステム水２１の流量との間の関係をあらかじめ求めておき、圧力から得られたシステム水２１の流量を時間積分して液体２２の分注量を求めるものである。
【００２４】
図５は、圧力センサ１５による測定結果を用いて液体２２の分注量を測定する２つ目の方法を説明する図である。図５上段が示すように、２つの圧力センサ１５と１５’を任意の間隔Ｌで並べるか、または図５下段が示すように、２つの歪み測定素子３１と３１’を任意の間隔Ｌ’で並べた２つの凹部３５と３５’を設け、それらの圧力測定値の差によりシステム水２１の流量を求める。その後の手順は１つ目の方法と同じである。
【００２５】
２つ目の方法において、圧力測定値の差とシステム水２１との間の流量の関係は下記式１で表される。Ｑはシステム水２１の流量、△ｐは圧力センサ１５と１５’との間または歪み測定素子３１と３１’との間の圧力差、ｆは無次元の摩擦損失係数、Ｌは圧力センサ１５と１５’との間または歪み測定素子３１と３１’との間の距離、ρはシステム水２１の密度、Ｄは同軸穴３３の内径（配管８の内径と同じ）である：
Ｑ＝（３２・Δｐ）／（ｆ・Ｌ・ρ・π２・Ｄ４）・・・式１
【００２６】
＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る分注装置１は、流路を形成する同軸穴３３の歪みを用いて圧力を測定するので、流路の経路上に圧力センサ１５を一体化して形成することができる。これにより圧力センサ１５を小型化し、ノズル２近傍に配置することができる。したがってノズル２近傍の微小な圧力変化を測定できるので、ノズル詰まりや空吸いなどの異常を精度よく検出するとともに、分注量を精度よく測定することができる。
【００２７】
＜実施の形態２＞
図６は、本発明の実施形態２に係る分注装置１が備える圧力センサ１５の構造例を示す図である。図６上段は流路と平行な側断面図である。図６下段は流路に垂直な断面図である。
【００２８】
本実施形態２において、圧力センサ１５は実施形態１と同様に、筐体３２と歪み測定素子３１を備える。継手３７は、配管３８を直線Ｃ上に接続するために用いられる。ただし本実施形態２において、同軸穴３３は筐体３２の中心から筐体３２の外表面に向かって距離Ｓだけオフセットしている。これにより歪み測定素子３１を配置する側の面が薄くなるので、凹部３５を設ける必要はない。
【００２９】
同軸穴３３がオフセットしているので、継手３７も同軸穴３３と連通する位置までオフセットした穴６６を備える。継手３７を穴６４に嵌合することにより、穴６６と同軸穴３３が連通するように構成されている。穴６４は、継手３７を押し込むことによって接続することができるように構成することが望ましいが、実施形態１のねじ穴３４を用いることもできる。
【００３０】
図７は、図６下段の領域Ｄを拡大した図である。図７において、同軸穴３３の内面に圧力Ｐがかかっている。筐体３２の変位Δｄは壁が薄い部分に集中し、壁が厚くなるにつれて徐々に減少する。したがって、歪み測定素子３１を歪みがより集中している歪み部分７１に設置することにより、歪みの測定効率が向上し、高感度で圧力を測定することができる。
【００３１】
＜実施の形態２：まとめ＞
本実施形態２に係る分注装置１は、実施形態１と同様に小型の圧力センサ１５をノズル２近傍に配置することにより、ノズル２近傍の微小な圧力変化を測定できる。また本実施形態２においては凹部３５が必要ないので、筐体３２を加工する工程が簡易化される利点がある。他方で同軸穴３３を形成する際に加工精度が必要であるので、求められる仕様などに応じて実施形態１と２を適宜選択すればよい。
【００３２】
＜実施の形態３＞
図８は、本発明の実施形態３に係る分注装置１が備える圧力センサ１５の構造例を示す図である。図８上段は流路に平行な側断面図である。図８下段は流路に垂直な断面図である。本実施形態３における圧力センサ１５は筐体３２と歪み測定部８０３を備える。歪み測定部８０３は歪みセンサチップであり、流路の外壁の一部として使用されている（システム水２１と直接接触する）。
【００３３】
筐体３２は、歪み測定部８０３（第１部材）、ベース８０４（第２部材）、キャップ８０５を配置する凹部８０６を備える。凹部８０６は、筐体３２の流路８１４を紙面の上下方向に縦断して形成される。歪み測定部８０３、ベース８０４、キャップ８０５によって構成されるユニットをセンサアセンブリ８０２と呼ぶ。筐体３２は、センサアセンブリ８０２をクランプ用継手８０７でクランプしてシールするための、位置決め穴８０８とクランプ用ねじ穴８０９を有している。
【００３４】
筐体３２は、配管接続用継手８１１を接続するねじ穴８１２を有する。配管接続用継手８１１は、流路８１４と同軸穴３３を接続するための部材である。筐体３２はさらに、クランプ側から配管８を接続するため、クランプ用継手８０７を介して配管接続用継手８１１’を接続するクランプ用継手ねじ穴８１３を有する。
【００３５】
センサアセンブリ８０２、クランプ用継手８０７、配管接続用継手８１１を用いることにより、流路８１４／配管８／同軸穴３３を、段差なく同軸上に形成することができる。センサアセンブリ８０２のクランプによるシーリングを実現するため、ゴム、ガスケットなどのシーリング材を挟んでもよい。
【００３６】
歪み測定素子３１は、歪み測定部８０３のもっとも薄い面に組み込まれ、この面の変形を測定する。歪み測定素子３１は歪みによって抵抗が変化するので、歪み測定素子３１の抵抗変化により圧力を算出することができる。
【００３７】
信号パッド８１５は、歪み測定部８０３上に配置され、歪み測定素子３１と電気的に接続されている。ワイヤ８１６を介して、基板８１８上の端子８１７と信号パッド８１５を接続する。端子８１７と信号パッド８１５を介して、歪み測定素子３１による測定結果を取得することができる。
【００３８】
配管内のシステム水２１の圧力変化を受けて歪み測定部８０３がたわむことにより歪み測定素子３１の抵抗が変化する。この抵抗と圧力との間の対応関係をあらかじめデータテーブルとして記録しておくことにより、圧力を測定できる。例えば、圧力と抵抗値の関係を定式化して、測定した抵抗値を圧力に変換してもよい。歪み測定素子３１の抵抗変化の求め方としては、例えばホイートストンブリッジの４つの抵抗のうち１つを歪み測定素子３１に置き換え、ホイートストンブリッジの出力から抵抗変化を求めることができる。
【００３９】
歪み測定部８０３とベース８０４は、配管８の内径と同じ同軸穴３３が同軸上に形成されるように、図８下段が示すように同軸穴３３を上下から挟む形状に形成されている。これにより、流路８１４と配管８との間の接続部分に段差を生じないので、圧力損失や気泡の巻き込みを防止できる。
【００４０】
歪み測定部８０３は、ステンレススティール、シリコン、ガラスなどのヤング率の高い材料で作ることができる。ベース８０４とキャップ８０５は、より剛性が高いステンレススティール、シリコン、アルミニウム、パイレックスガラスなどで作ることができる。歪み測定素子３１を配置する部分を薄くするため、歪み測定部８０３をベース８０４よりも薄く形成してもよい。
【００４１】
歪み測定部８０３とベース８０４を接合する方法としては、パーツの材質により好ましいものを選定する。シリコンとパイレックスガラスの場合は、陽極接合が好ましい。金属同士または金属とシリコンを接合している場合、メタル接合または半田等のロウ付けが好ましい。半田づけの場合は半田の濡れ性を向上するための薄膜形成が必要である。例えばアルミニウムとシリコンを基材とする場合、チタン／白金／金の３層構成の薄膜をアルミニウムとシリコンの表面にそれぞれスパッタで形成することで接合できる。歪み測定部８０３とベース８０４は接着剤によって接合してもよい。
【００４２】
キャップ８０５と歪み測定部８０３との間には空隙が形成されている。例えばポンプの故障などによって流路に高い圧力がかかった場合であっても、歪み測定部８０３の歪みは空隙部分を上限として抑制される。これにより歪み測定部８０３が破壊することを防止できる。
【符号の説明】
【００４３】
１：分注装置
２：ノズル
４：シリンジポンプ
５：電磁弁
６：ギアポンプ
７：システム水タンク
８：配管
９：容器
１０：プランジャ
１１：ボールねじ
１２：駆動モータ
１３：サンプル分注機構
１４：制御部
１５：圧力センサ
１６：アーム
２１：システム水
２２：液体
２３：分節空気
３１、３１’：歪み測定素子
３２：筐体
３３：同軸穴
３４：ねじ穴
３５、３５’：凹部
４１、４２、７１：歪み部分
８０３：歪み測定部
８０４：ベース
８０５：キャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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