(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の吸引や吐出を行うプローブと、
前記プローブに接続された配管と、
前記配管に接続され、前記配管内の圧力を変化させるポンプと、
前記配管に配置され、前記配管に充填された流体の液位を制御する液位制御装置と、
前記プローブを先端に備えた上下駆動を行うアームを備え、
前記液位制御装置を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記プローブにより試料を吸引した後、前記アームの上昇動作が停止する前に、前記配管に充填された液体の液位を、前記プローブの移動動作に伴い前記プローブの内部の流体に働く慣性力に起因する体積変化分、予め上昇させることで試料の前記プローブからの飛び出しを防ぎ、
前記上昇動作の停止後、試料の吐出を行う前に上昇させた液体の液位が下降するように前記液位制御装置を制御することを特徴とする分注装置。
【請求項２】
請求項１記載の分注装置において、
前記液位制御装置は、ピエゾアクチュエータと、前記ピエゾアクチュエータにより駆動されるダイヤフラムを有することを特徴とする分注装置。
【請求項３】
請求項１記載の分注装置において、
前記液位制御装置は、電磁式ブランジャと、前記電磁式ブランジャにより駆動されるダイヤフラムを有することを特徴とする分注装置。
【請求項４】
請求項１記載の分注装置において、
前記制御装置は、前記配管の圧力変化の周波数と位相情報を基に、前記圧力変化を打ち消すよう、前記周波数と前記位相情報と逆位相で前記液位制御装置を制御することを特徴とする分注装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動分析装置などに組み込み、試薬や血清などの液体試料の分注処理に用いる分注装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動分析装置に対する市場要求として、検査コスト低減のため時間当たりの検査数を増すことを目的とした検査の高速化や、患者の負担軽減や試薬使用量の低減のための分注量の微量化がある。そのため、自動分析装置内で試薬や血清の分注を行う分注装置の高速化と微量化対応が求められている。しかし、分注機構はアーム先端の細長いプローブで血清や試薬といった液体試料を扱うため、高速動作した場合に試料が飛散する現象が発生することがある。検体や試薬の飛散が発生した場合は、分注精度が悪化し、検体と試薬の比率が設定値と異なってしまうため、検査精度に影響を及ぼしてしまう問題がある。
【０００３】
前記のような試料が飛散する現象では、プローブ側面に吸引時に試料が付着し、付着した試料がアーム動作によって飛散する場合と、プローブ内部の試料が押し出されて飛散する場合とがある。前者のケースは、プローブの材質や形状、あるいは引き抜き時の動作を付着量が少なくなるように設計することで対策している。後者のケースは、特許文献１のように配管内圧力を負圧とすることで、液垂れを防ぐなどの対策が考えられる。特許文献１では、分注装置の配管系に空気漏れ等の異常が起こり、配管の内圧が変化した場合に、シリンジポンプを駆動して配管系の負圧を増加させ液垂れを防ぐ方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１９４８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
プローブ先端から試料が飛び出し、その飛び出した試料が飛散し、検査精度に影響を及ぼす問題があるが、分注装置の動作中の試料の飛び出しは、プローブを移動する動作に伴い内部の流体に働く慣性力の影響が大きい。そのため、分注装置を高速化しようとすると、試料の飛散が発生しやすくなる。
【０００６】
以上のような問題に対しては、前述の特許文献１の技術のようにシリンジポンプを駆動して配管系に負圧をかけることで、プローブ先端の試料の液面を上昇させて、試料の飛び出しを抑制できるが、シリンジポンプに用いられているボールねじ機構部のバックラッシによる位置決め誤差の影響を受け、設定量の試料を吐出することができなくなり、試料を吐出する時に分注精度が悪化する問題がある。
【０００７】
そこで、本発明では、分注精度を悪化させることなく、プローブ移動時の試料の飛び出しを抑制することで、高速動作と分注精度の向上を実現する、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】
【０００８】
本発明の代表的なものを挙げると、試料の吸引や吐出を行うプローブと、プローブに接続された配管と、配管に接続され、配管内の圧力を変化させるポンプと、配管に配置され、配管に充填された流体の液位を制御する液位制御装置と、を備えた分注装置である。
【０００９】
本発明の分注装置では、吸引や吐出動作を行うシリンジポンプ以外に、配管内の流体を引き込むことができる液位制御装置を追加することで、シリンジポンプを動作させるときに問題となるバックラッシの影響を受けることなく、プローブ内の試料の液面位置を制御可能とする。試料の吸引動作後から吐出動作前までの間、液位操作器によって配管内の流体を引き込むことで、プローブ内の試料の液面位置は上昇し、プローブの移動による液の飛び出しを要因とする飛散を防ぎ、吐出前には引き込んだ流体を元に戻すことで、プローブ内の試料の液面位置を元に戻すことで、分注精度に影響を与えない。
【００１０】
前記の配管内の流体を引き込む機構の代わりに、プローブ内の試料が飛び出すときに発生する配管内の圧力変化を抑制するアキュームレータのような蓄圧器を追加した場合も、同様の効果を得ることができる。
【００１１】
以上のような分注装置のプローブからの試料の飛び出しを抑制する方法を実現可能な構成により、試料の飛散による分注精度の悪化を低減し、高速動作と分注精度の向上が可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、プローブの試料の液面位置の操作、もしくは配管内の圧力変化を抑制することで、試料の飛び出しによる飛散を防ぎ、高速動作と高い分注精度を実現可能な分注装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の自動分析装置の分注装置に関する機器の構成を示す図である。
【図２】分注装置のモータ指令加速度と試料飛び出し量およびモータ指令加速度と加速度センサ測定値との関係を示す図である。
【図３】従来の分注装置の制御ブロックを示す図である。
【図４】本発明における分注装置の制御ブロックの一例を示す図である。
【図５】プローブ上昇時における速度波形と加速度センサ測定値および配管内圧力変化を示す図である。
【図６】本発明における分注動作の流れを示す図である。
【図７】本発明におけるピエゾアクチュエータを用いた液位操作器の一例を示す図である。
【図８】本発明における電磁アクチュエータを用いた液位操作器の一例を示す図である。
【図９】本発明における圧力変化を抑制する畜圧器の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図１から図９を引用し、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、試料として血清を例に説明するが、試薬を扱う場合に関しても基本的には同様である。
【００１５】
図１は、従来の自動分析装置の分注装置に関する機器の構成を示す図である。分注装置１０は、アームの上下動作と、アームの回転動作が可能な構造で、アームの先端には試料の吸引や吐出を行うプローブ１１を有する。分注装置１０は、血清が格納された試験管が並ぶサンプルディスク２１で血清を吸引して、試薬と血清を混合し反応を確認する反応ディスク２２で血清の吐出を行う。サンプルディスク２１から反応ディスク２２までの間、分注装置１０はアームの上昇や下降動作、アームの回転動作を行うことで、目的の位置にプローブを位置決めする。プローブ１１には、配管５０内の圧力を計測する圧力センサ３１と、吸引や吐出動作を行うシリンジポンプ３２と、配管５０の開閉を行う電磁弁３３と、配管５０内に充填されたシステム水をプローブ１１内部の洗浄を行うときに送り出すギアポンプ３４と、システム水を貯水するタンク３５とが配管で接続される。前述のように、シリンジポンプ３２は、ボールねじ機構で構成され、ステッピングモータの駆動によって、プローブ１１からの吸引や吐出動作を行う。
【００１６】
図２（ａ）は、分注装置のモータ指令加速度を変化させたときのプローブ１１から飛び出した試料の量との関係を示す図である。分注装置を高速動作させるためには、分注装置のモータ指令加速度を上げることが必要となるが、モータ指令加速度を上げることで、プローブからの試料の飛び出し量が増加するために、試料が飛散しやすくなり、分注精度を悪化することになる。モータの指令加速度を上げると、プローブ１１に作用する加速度も増加するため、前述の通りプローブ１１内の流体に慣性力が働き、プローブ１１から試料の飛び出しが発生する。
【００１７】
図２（ｂ）は、アームの上昇動作においてモータ指令加速度を変化させたときのプローブ１１付近の構造体に発生した鉛直方向の加速度との関係を示す図である。駆動モータとプローブまでの構造によって特性は異なるが、加速度センサ測定値はモータ指令加速度が増幅される傾向となる。図２（ｂ）のような関係や、駆動モータからプローブ１１までの伝達特性を計測することで、モータ指令加速度からプローブ１１に作用する加速度を算出することができる。
【００１８】
図３は、従来の分注装置の制御ブロックを示す図である。分注装置１０は、前述の通りアームの上下動作と回転動作をするため、それぞれの動作を行うためのモータを備え、プローブ１１は分注装置のアーム内部で配管５０と接続する。分注装置を制御するための分注装置制御部３００は、分注装置の動作シーケンスを管理する分注シーケンス処理部３０１と、分注動作を実行する分注動作制御部３０２と、モータに駆動指令を与えるモータ制御部３０３と、シリンジポンプのモータに駆動指令を与えるシリンジ制御部３０４と、圧力センサ３１からの信号により配管内の圧力を検出する圧力検出入力部３０５と、分注シーケンスの情報を保持する分注シーケンスデータ３０６と、モータ駆動パラメータを保持する分注動作パラメータ３０７と、上位計算機３２０と通信を行う上位通信処理部３１０とからなる。分注装置のモータやシリンジポンプ３２のモータには、分注装置制御部３００からの駆動指令を、モータ駆動部３３０を介して与えることで駆動する。圧力センサは、主に配管内の異常検知のため、血清を扱う分注装置においては特にプローブ内の血清のつまり等の検知を目的として、分注装置制御部で監視を行う構成となっている。
【００１９】
以下、実施例１および２を用いて本発明について説明する。
【実施例１】
【００２０】
図４は、本発明における分注装置の制御ブロックを示す図である。分注装置１０とシリンジポンプ３２の間の配管に、液位制御装置４０を追加し、分注装置制御部３００内の液位操作部４０１によって、配管内の流体の引き込みプローブ内の試料の液面位置の制御をする。より具体的には、配管内には流体が充填されており、分注装置制御部３００は、この流体の液位を制御することにより、間接的に試料の液面位置を制御する。
【００２１】
以上の構成で、分注装置制御部３００は、分注動作制御部３０２から吸引動作の完了後に、液位操作部４０１を介して、配管内の流体の引き込みを行うように液位制御装置４０を駆動する。配管内の流体が液位制御装置内に引き込まれることで、プローブ１１の内部の試料の液面位置は引き込んだ流体の体積分だけ引き上げられる。吐出動作前には、分注動作制御部３０２によって、液位操作部４０１を介して、引き込んだ流体を戻すように、液位制御装置４０を動作させることで、プローブ１１の内部の試料の液面位置は、液位制御装置４０で操作する前の状態に戻る。
【００２２】
さらに、分注装置１０のアーム先端には加速度センサ４１を追加し、プローブ付近に働く加速度を測定可能な構成とすることもできる。なお、加速度センサ４１は、モータ指令加速度とプローブ付近に働く加速度との関係を一度確認すれば、取り外しても良い。圧力センサ３１からの配管内の圧力値は、圧力測定部４０２にて圧力変化が発生するタイミングや圧力変化の周波数や周波数の位相に関する情報を、配管内圧力データ４０３に記録する。
【００２３】
前述の通り、プローブ１１内の試料の飛び出しは、プローブ１１内部の流体に働く慣性力によるもので、流体に働く加速度を加速度センサ４１などで測定することで、液面位置の引き上げ量を決定することができる。例えば、加速度センサ４１で測定したプローブ１１と同方向の加速度の値がａ［ｍ／ｓ2］であったとし、プローブ１１内の流体の体積がＶ［ｍ3］、配管５０の断面積がＳ［ｍ2］とする。プローブ１１内の流体は、ここでは仮に一様な密度ρであると定義する。プローブ１１内の流体に働く慣性力は、ρＶａで表すことができ、この慣性力を配管の断面積で割ることで、圧力変化量ΔＰは求まり、ΔＰ＝ρＶａ／Ｓで表すことができる。ここで、ΔＰ＝ρＶａ／Ｓの式に、圧力センサ３１にて測定した圧力変化値と、プローブ１１に働く加速度を与えることで、体積の変化量を求めることができる。このように求めた体積の変化量は、プローブ１１から飛び出す液量なので、同量の配管内の流体を引き込むことで、プローブ先端の液面位置を液が飛び出さない高さに上げ、液の飛び出しを防ぐことができる。前述のように飛び出す液量を計算で求める方法以外にも、実際の飛び出し量を予めカメラ等で確認しても良い。
【００２４】
なお、液位制御装置４０は、圧力変化が発生するタイミングや周波数や周波数の位相に関する情報を記録した配管内圧力データ４０３を使うことで、プローブ内の試料の液面の振動を抑制する制御を行うことも可能である。詳細は後述する。
【００２５】
図５は、プローブを上昇動作させたときのプローブ速度波形と、そのときの加速度センサの鉛直方向測定値と、配管内の圧力変化を示す図である。図５（ａ）は、アームの上下動作を行うモータに台形波形の駆動パターンを与え、上昇動作をさせた時の速度変化を示すものである。図５（ｂ）は、図５（ａ）の駆動を行ったときのプローブ付近に発生する鉛直方向の加速度を加速度センサで測定したときの波形である。図５（ｃ）は、同じく図５（ａ）の駆動を行ったときの配管内の圧力変化を圧力センサで測定したときの波形である。プローブには、図５（ｂ）のようにアーム上昇動作の加減速で振動が発生し、上昇動作完了後も振動が残留する。図５（ｃ）のように配管内の圧力変化もアーム上昇動作の加減速のタイミングで振動が発生する。このことは、前述で説明した通り、プローブ内の流体に働く慣性力によってプローブから飛び出してしまい、流体が飛び出したことで配管内の圧力が変化するためである。
【００２６】
図６は、分注動作の流れを示す図である。分注装置１０は、まずアームを吸引位置へ回転６０１させ、シリンジポンプ３２を使い、プローブ１１を用いて空気吸引６０２する。プローブ１１を血清が格納された試験管に挿入するため、分注装置１０は、アームを吸引位置へ下降６０３させ、シリンジポンプ３２によって血清を吸引動作６０４させる。吸引後、分注装置１０は、アーム回転をするためアームを回転位置へ上昇６０５させ、吐出位置へ回転動作６０７を行う。この際、アームが上昇し停止する前に、液位制御装置４０により流体の液位を制御する動作、液位操作６０６を行う。液位操作６０６は吐出動作が行われる前までに元の状態に戻しておけば良いが、図６では、吐出位置へ回転動作６０７の最中に元の状態に戻している。分注装置１０は、吸引した血清を吐出するため、プローブ１１を反応ディスク２２の吐出位置へ下降６０８させる。分注装置１０は、吐出位置で、シリンジポンプ３２によって血清の吐出動作６０９を行う。分注装置１０は、吐出後は、アームを回転位置へ上昇６１０させ、洗浄位置にてプローブ洗浄処理６１１を行う。
【００２７】
以上の分注動作において、吸引動作６０４から吐出動作６０９の間が、液の飛散が発生することで検査精度に影響を与える。そのため、吸引動作６０４後に液位制御装置４０によって配管内の流体を引き込み、吐出動作６０９の前に引き込んだ流体を元に戻すことで、プローブの移動による液の飛び出しを要因とする飛散を防ぎ、分注精度の向上が可能となる。特に、図５（Ｃ）にプローブ速度の停止時間で配管内圧力が大きく変化するため、このタイミングで液の飛散が生じやすいので、図６では、回転位置へ上昇６０５が終了するタイミング、すなわちプローブの停止前に、液位操作６０６を行っている。
【００２８】
言い換えれば、分注装置制御部３００は、プローブにより試料を吸引した後に配管に充填された流体の液位を上昇させ、その後、試料の吐出を行う前に上昇させた流体の液位を下降するように液位制御装置４０を制御している。また、最低限の動作として、少なくとも、分注装置制御部３００は、アームの上昇動作が停止する前に、流体の液位を上昇させるよう液位制御装置を制御している。なお、特許文献１の技術のように、シリンジポンプによる試料の吸引動作と吐出動作の間に、配管系の負圧を増加させることは行わない。
【００２９】
このように、シリンジポンプとは別に、液位制御装置を新たに設け、上述の制御を行うことで、シリンジポンプが負圧を増加させることに伴う、分注精度が悪化する問題を解決し、高速動作と分注精度の向上が可能となる。
【００３０】
図７は、本発明におけるピエゾアクチュエータを用いたときの液位制御装置４０の一例である。図７の液位制御装置４０の例では、ピエゾアクチュエータ７０１内のピエゾ素子７０２により微小変位を発生するアクチュエータを使い、ピエゾ素子７０２の変位を配管内の流体に伝えるため、ダイヤフラム７０３を用いて、配管内の流体を制御できる構成である。前述したように、プローブの試料の液面位置を上げるためには、ダイヤフラム７０３を上げるようにピエゾアクチュエータ７０１を駆動させる。このとき、ピエゾアクチュエータ７０１には、前述のように求めた飛び出し量を操作できるだけの変位量を発生する必要がある。ピエゾ素子７０２の変位だけでは、目標とする体積を操作できない場合には、変位拡大機構などを設けることで対応できる。引き上げた液面位置を戻すには、ダイヤフラム７０３を元の位置に戻すように、ピエゾアクチュエータ７０１を駆動させればよい。
【００３１】
以上のような操作を、プローブからの試料の飛び出しが問題となる吸引動作から吐出動作まで行うことで、試料の飛散を抑制できる。なお、図７では、ピエゾアクチュエータ７０１を使ったが、ボイスコイルモータなど微小変位の位置決めが可能なアクチュエータであれば良い。
【００３２】
ピエゾアクチュエータ７０１を用いることで、事前に配管内圧力データ４０３に記録した配管内の圧力変化の周波数に合わせて、ダイヤフラム７０３を上下させ、配管内の圧力が上がるタイミングで圧力を下げ、配管内の圧力が下がるタイミングで圧力を上げるというように、逆位相の圧力が発生するような操作をすることで、圧力変化量を低減させることができる。以上のような方法を用いることで、プローブ内部の試料の液面振動を抑えることができるため、試料の吐出処理を高精度に行うことができる。言い換えると、液位制御装置は、配管の圧力変化の周波数と位相情報を基に、圧力変化を打ち消すよう、周波数と当該位相情報と逆位相で液位制御装置を制御することで、試料の飛散を抑制することができる。
【００３３】
図８は、本発明における電磁アクチュエータを用いた場合の液位制御装置４０の一例である。図８の液位制御装置４０の例では、配管内の流体にダイヤフラム８０１が接するように接続し、コイル８０２へ通電をしていないときには、プランジャ８０４がばね８０３によって引き上げられるため、ダイヤフラム８０１は配管内の流体を引き込むように作用する。コイル８０２への通電を行うと、プランジャ８０４は押し下げられて、ダイヤフラム８０１は配管内に引き込んだ流体を押し戻すように駆動する。前述の液位制御装置４０と同様に、プローブからの試料の飛び出しが問題となる吸引動作から吐出動作まで、コイル８０２への通電を切り流体を引き込むことで、プローブ内の試料の液面位置を上昇させ、吐出前にコイル８０２に通電することで、試料の液面位置を元に戻すことができる。
【００３４】
電磁アクチュエータ、電磁式ブランジャを使った例では、ＯＮとＯＦＦの２値制御となるため、プローブ内の試料の液面を所望の位置とするには、予めプランジャ８０４やダイヤフラム８０１などの機構を設計する必要がある。
【００３５】
図７や図８のように、液面を制御する方法では、制御する液量が少ない方が液面の操作を行ったときに発生する液振動が小さくなるため、前述のように求めた飛び出し量と同等程度の量を操作できるようにすることが望ましい。また、急な液の引き込み操作は、圧力の急激な変化を発生させて振動するため、図７のようなアクチュエータを使って液面を操作する場合には、駆動速度に台形波形やＳ字波形を用いて、流体の振動を抑えた操作を行うことが望ましい。
【実施例２】
【００３６】
図９は、本発明における圧力変化を抑制する蓄圧器の一例を示す図である。図９はアキュームレータで、ガス容器９０１と容器９０２とからなり、配管内の圧力変化をガス容器９０１が吸収し、流体の振動を抑制するものである。液位制御装置４０の代わりに、アキュームレータのような、配管内の流体の圧力変化が生じたときに内部の気体の体積が変化することで、圧力変化を吸収する蓄圧器を追加することで、プローブ内の流体に慣性力が働いたとき、ガス容器９０１がショックアブソーバと同様の働きをし、プローブ内の試料が飛び出すことを防ぐことができる。
【００３７】
図７から図９のいずれかのような働きをする機構を、分注装置１０とシリンジポンプ３２の間の配管に追加することで、プローブからの試料の飛び出しを抑制することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０  分注装置
１１  プローブ
２１  サンプルディスク
２２  反応ディスク
３１  圧力センサ
３２  シリンジポンプ
３３  電磁弁
３４  ギアポンプ
３５  タンク
４０  液位制御装置
４１  加速度センサ
３００  分注装置制御部
３０１  分注シーケンス処理部
３０２  分注動作制御部
３０３  モータ制御部
３０４  シリンジ制御部
３０５  圧力検出入力部
３０６  分注シーケンスデータ
３０７  分注動作パラメータ
３１０  上位通信処理部
３２０  上位計算機
３３０  モータ駆動部
４０１  液位操作部
４０２  圧力測定部
４０３  配管内圧力データ
６０１  吸引位置へ回転
６０２  空気吸引
６０３  吸引位置へ下降
６０４  吸引動作
６０５、６１０  回転位置へ上昇
６０６  液位操作
６０７  吐出位置へ回転動作
６０８  吐出位置へ下降
６０９  吐出動作
６１１  プローブ洗浄処理
７０１  ピエゾアクチュエータ
７０２  ピエゾ素子
７０３、８０１  ダイヤフラム
８０２  コイル
８０３  ばね
８０４  プランジャ
９０１  ガス容器
９０２  容器
【図１】
0005433656.tif 000002
【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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【図９】
0005433656.tif 000010