(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部開口部を有する少なくとも１個の反応容器と、前記開口部からサンプルを供給するサンプル供給手段及び試薬を供給する試薬供給手段と、反応中あるいは反応が終了した前記サンプルの物性を計測する計測手段とを備えた化学分析装置において、前記反応容器外部に設けられ、前記反応容器に供給された試薬を含むサンプルの液面が片側に持ち上がるように非接触で液面を変化させるとともに、持ち上がった液面に音波を照射する音波発生手段とを有し、この音波発生手段は１枚の圧電素子に電極を分割して設けた構成であり、しかも気液界面における音響放射圧により前記反応容器内のサンプルを流動させることを特徴とする化学分析装置。
【請求項２】
上部開口部を有する少なくとも１個の反応容器と、前記開口部からサンプルを供給するサンプル供給手段及び試薬を供給する試薬供給手段と、反応中あるいは反応が終了した前記サンプルの物性を計測する計測手段とを備えた化学分析装置において、前記反応容器外部に設けられ、前記反応容器に供給された試薬を含むサンプルに音波を照射可能で分割電極を有する１枚の圧電素子からなる音波発生手段を備え、この音波発生手段は液相のサンプルおよびサンプルと大気との界面である気液界面に音波を照射し、サンプルの液面を片側に持ち上げ、持ち上げた液面に音波を照射するものであり、気液界面における音響放射圧により前記反応容器内のサンプルを流動させることを特徴とする化学分析装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載の化学分析装置において、前記圧電素子の電極がアレイ状に分割されたことを特徴とする化学分析装置。
【請求項４】
請求項１または２のいずれかに記載の化学分析装置において、前記圧電素子の電極がマトリクス状に分割されたことを特徴とする化学分析装置。
【請求項５】
請求項１または２のいずれかに記載の化学分析装置において、前記圧電素子の一方側の面の電極を分割した構成としたことを特徴とした化学分析装置。
【請求項６】
請求項５に記載の化学分析装置において、前記圧電素子の電極がアレイ状に分割されたことを特徴とする化学分析装置。
【請求項７】
請求項５に記載の化学分析装置において、前記圧電素子の電極がマトリクス状に分割されたことを特徴とする化学分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学分析装置に係り、特に、試薬とサンプルとの攪拌に関する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第４，４５１，４３３号公報に記載されている化学分析装置では分析対象となるサンプル、試薬を反応容器に供給するための自動サンプル分注機構、自動試薬分注機構、反応容器内のサンプル・試薬を攪拌するための自動攪拌機構、反応中あるいは反応が終了したサンプルの物性を計測するための計測器、計測が終了したサンプルを吸引・排出し、反応容器を洗浄するための自動洗浄機構、これらの動作をコントロールする制御機構などから構成されている。特に、上記自動攪拌機構ではサンプルと試薬を攪拌するためにヘラあるいは、スクリューを液面下まで自動的に下降させ、ヘラの根元に接続されているモータを駆動し、ヘラを回転する事によって攪拌する方式を用いている。
【０００３】
また、特開平８−１４６００７号公報には、ヘラやスクリューを用いずに、超音波の照射によって生じる被攪拌物自体の音響流を用いてサンプルと試薬を非接触で攪拌し混合する方法が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記第一の従来技術では、ターンテーブルの円周上に収納した各反応容器内の液体をヘラやスクリュー等を用いてバッチ的に攪拌している。このため、攪拌後の液がヘラやスクリューに付着して、次の試料検査に持ち越されてしまう(キャリーオーバー)。その結果、次のサンプルや試薬が汚染されてしまい、検査における正確な分析に悪影響が及ぼされるという問題がある。
【０００５】
また、分析項目の多様化に伴い、一度に多項目にわたって検査を行う為、一項目当たりに割り当てられるサンプル量が少なくなってしまう事や、高価な試薬が検査に使われるようになってきている。このため、微量のサンプル及び試薬で検査ができる化学分析装置、つまり検査自体の微量化が望まれてきている。しかし、微量体積では、上述のヘラへの付着が、攪拌の前後における体積変化をもたらすという問題がある。
【０００６】
また、近年このような化学分析装置が設置される医療施設には、この他にも様々な機器が導入されつつあり、設置スペースの面から、装置全体のより一層の小型化が望まれている。ところで、装置全体の大きさを支配する主な構成要素は、反応容器及びサンプル・試薬ボトルを格納するそれぞれのターンテーブルの寸法である。処理速度を維持しつつ装置全体を小型化するための方策の一つとして、反応容器の寸法を小さくし、それらが円周上に格納されるターンテーブルの寸法(直径)を、その収納数を維持したまま小さくする事が考えられる。しかし、反応容器を小型化すると現行方式のヘラ攪拌では、その位置め精度の限界よりヘラを反応容器内にスムーズに入れる事が困難になったり、また、ヘラ自体が反応容器の中に入らなくなってしまうという問題等が生じる。
【０００７】
上記第二の従来技術である、超音波による非接触での攪拌方法では、各検査試料間のコンタミネーションの問題は解決されている。また、この攪拌方法ではヘラやスクリューを用いずに、被攪拌物に対し完全に非接触で攪拌するため、液の付着も発生せず上述した問題点は解決される。この攪拌方法では反応容器の外部から音波を照射し、反応容器内の被攪拌物に適当な音場強度分布を与えて音響流動を誘起させる事が基本的な原理である。ところで、より微量化していくと、反応容器そのものも小型化する事になり、反応容器の表面積も小さくなるため、音響流動の発生に必要な音響エネルギーを与える事が困難となってくる。また、音響流によって攪拌に有効な循環流れを発生させるためには、内部に音場の先鋭的な強度の分布を形成させる必要がある。しかし、容器がより小型化されると、容器内の音場の相対的な強度差が小さくなるといった等の問題から、短時間での効率のよい攪拌が困難となる。
【０００８】
本発明第一の目的は、化学分析装置において、より効率のよいサンプル・試薬の攪拌混合を可能とし、かつ、キャリーオーバーを完全に防止するにある。
【０００９】
本発明第二の目的は、化学分析装置において、より効率のよいサンプル・試薬の攪拌混合を可能とし、かつ、検査自体をより微量で行なうことを可能とするにある。
【００１０】
本発明第三の目的は、化学分析装置において、より効率のよいサンプル・試薬の攪拌混合を可能とし、かつ、より小型化するにある。
【００１１】
本発明第四の目的は、化学分析装置において、より効率のよいサンプル・試薬の攪拌混合を可能とし、かつ、より簡易な方法で信頼性の高い攪拌機構を実現するにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、化学分析装置の外部から非接触で反応容器に供給されたサンプルの液面を片側に持ち上げて傾けた後に、この傾いた液面に向かって音波を照射する音波発生手段を設けて、壁面摩擦の影響を一切受けない気液界面付近での音響放射圧が支配的な流動を発生させることによって達成される。
【００１４】
また、音波発生手段はより簡易性、信頼性を得るために一枚の圧電素子に対して電極を分割したものを使用する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１および図２を用いて説明する。図１は本実施例の化学分析装置の構成を示す傾視図である。図２は図１に示す化学分析装置に装備されている、被攪拌物に対して非接触で攪拌混合を行なう、非侵襲（非接触）攪拌装置の構成を示す縦断面図である。
【００１６】
本化学分析装置は、主に反応容器１０２を格納する反応ディスク１０１と、反応ディスク１０１に格納されている反応容器の恒温状態を保つ為の恒温槽１１４と、サンプルカップ１０４を収納するサンプル用ターンテーブル１０３と、試薬ボトル１０６を格納する試薬用ターンテーブル１０５と、サンプル、試薬をそれぞれ反応容器に分注するサンプリング分注機構１０７と、試薬分注機構１０８と、分注されたサンプルと試薬を反応容器内で攪拌する攪拌機構１０９と、反応容器内の混合物質の反応過程、及び反応後の級光度を測定する測光機構１１０と、検査(測光)が終了した後に反応容器を洗浄する洗浄機構１１１とより構成される。これらの各構成要素は、検査を開始する前に予めコンソール１１３より設定された情報（分析項目、分析を行なう体積）に基づいて、自動的にコントローラ１１２より作成されるプログラムに従って動作する。
【００１７】
上記攪拌機構１０９は、図２に示すように、反応容器２０１外部の下方と側方にそれぞれ設けられた、二つの音波発生手段（以下音源と呼ぶ）から構成されている。各音源は、それぞれ独立に駆動できるようなセグメントが、アレイ状に配置２０５、２０６された構造になっている。そして、適切なセグメントを駆動ドライバ２０７より選択することによって、任意の位置から音波を照射する事が可能である。照射された音波は、恒温水２１１中を伝播して、反応容器に伝達され反応容器内に入射する。本実施例においては、被測定液２０２の攪拌は音波で行われ、攪拌機構は音波発生手段となっている。
【００１８】
以上のような構成において、本化学分析装置は以下のように動作する。まず、サンプルカップ１０４からサンプリング機構１０７によって、反応容器内１０２にサンプルが分注される。次に、その反応容器を格納したターンテーブルは、試薬分注位置まで回転し、試薬ボトル１０６から試薬分注機構１０８によって、その反応容器内に試薬が分注される。さらに、ターンテーブルは、攪拌機構１０９が設置されている位置まで回転する。そこで、反応容器内のサンプル試薬の攪拌混合が行なわれる。攪拌が終了した時点から測定が開始され、反応が終了した時点で洗浄機構１１１において反応容器内のサンプル・試薬混合物は吸引され、洗浄処理が施される。このような一連のプロセスが、複数のサンプルに対して逐一バッチ処理的に進められていく。
【００１９】
次に図２の攪拌装置の縦断面図を用いて、反応容器内の被攪拌対象物を非接触で攪拌する装置について、その基本的な動作を説明する。装置全体の制御を行うメインコントローラ１１２に接続された音源の駆動ドライバ２０７は、攪拌する液量すなわち分注されているサンプルと試薬の量と、それを攪拌するタイミングに関する情報２０４を受け取る。
【００２０】
まず、駆動ドライバ２０７は、液量に関する情報から反応容器内に満たされている被測定液の液面高さ２０８を計算する。その計算結果に基づいて、液面を含めた最適な音波照射領域を側方および下方音源について決定する。そして、それぞれの照射領域に対応する音源のセグメント２０５、２０６を選択して駆動する。このとき、下方の音波強度は、図２の実線で示す液面２０９のように、片側に持ち上がる程度の強さとする。また、側方の音波強度は、下方の音波強度以上の強度で液面が対向する反応容器壁へ向かって流動するように照射する。これによって、反応容器内の被測定液は矢示２１０のような旋回流が発生して流動する。この流動によってサンプルと試薬は混合される。ところで、本実施例における攪拌・混合の原理は、従来の反応容器の外部から音波を照射し、反応容器内の被測定液内部に適当な音場強度分布を与えて音響流動を誘起させる方法とは異なる。本実施例では、壁面摩擦の影響を一切受けない気液界面付近での音響放射圧が支配的な流動を利用しているため、音響流動を利用した方法に比べより小さな音波で被測定液を攪拌・混合する事が可能である。
【００２１】
このように反応容器に満たされた被測定液に対して、全く接触することなく混合を行うことができるので、上述したヘラやスクリューによる攪拌方法が持つ付着に伴なうキャリーオーバー、コンタミネーション、反応容器の小型化に伴なうヘラの位置決め精度といった問題を完全に回避することができる。
【００２２】
次に、本実施例で用いた音源の詳細について図３を用いて説明する。図３は、音源をアレイ状音源とした時の例である。前述のように、本実施例における攪拌機構の音源は、液量に合わせて音波の照射領域を制御する必要がある。本実施例では、それぞれ独立に駆動することが可能な音源（以下セグメントと呼ぶ）３０２を複数個アレイ状に配置（以下アレイ音源と呼ぶ）し、各セグメントに対し、電圧３０３を選択的に印加することにより、所望の領域３０１へ音波を照射している。このようなアレイ音源は、図３(b)に示すように各セグメントに印加する電圧３０６の位相をずらすことで、アレイ音源３０５に対して任意の方向３０４へ音波を照射することも可能である。
【００２３】
本実施例では、上述したアレイ音源を図４（ａ）に示すよう一枚の圧電素子に対して、片面側の電極を分割４０１するという簡易的な方法を採用した。このように分割した電極に対し、図４（ｂ）に示すように、所望の照射領域４０２に対応する電極４０３に選択的に電圧４０４を印加することによって、アレイ状に配置された音源と機能的に等価な音源を実現した。なお、分割しない面側の電極を、分割した面側の圧電素子面に一部折り返した、折り返し部４０５を設けることによって、駆動ドライバーからの電線の接続を一つの面に集中させることができる。本実施例では、このような電極加工を施した一枚の圧電素子を用いる事で、攪拌機構の低コスト化を実現した。このような音源は、量産時に極めて有利で、電極パターンをスクリーン印刷等で成形すれば製作時間の短縮も可能である。また、構造が極めて単純なため、攪拌機構としての高信頼性も得られる。
【００２４】
また、従来のロボットアームを備えたヘラなどに比べ、サイズも大幅に小型化されるため、装置全体の小型化にも寄与する。
【００２５】
次に、図５を用いて本発明の他の実施例を説明する。図５は、音源の一方面側の電極をマトリックス状に分割した場合の斜視図である。
【００２６】
図４に示した音源の実施例では、照射する音波の領域は一方向にしか制御することができない。そこで、図５に示すように電極をマトリクス状５０１に分割し、同様に選択的に駆動電圧を印加すれば、音波の照射領域を矢示５０３方向に加え、矢示５０２方向にも制御することが可能となる。ところで、今後ますます装置が小型化、検査が微量化すると、それに伴い反応容器の寸法も小さくなる。その場合、音波を照射すべき領域が狭くなるので、反応ディスクに格納された反応容器の位置決め誤差が問題となってくる。しかし、このように音波の照射領域を２次元的に制御可能としておけば、反応容器の位置決め誤差による被照射領域の偏差も、音波の照射領域の制御によって対処することができる。
【００２７】
分割する電極のセグメントを小さくすれば、それだけ空間分解能の高い音波照射領域の制御が可能となる。しかし、駆動ドライバからの電線を接続する場合、それだけ接続点が多くなり配線が煩雑になる。そこで、このような問題を回避しつつ、図４と同様な機能を持つ音源の一例として、図６に示すような電極の分割方法がある。図６は本発明のさらに他の実施例を示した斜視図である。
【００２８】
この構成は、一方側の面の電極を水平方向６０１に、他方の面側の電極を垂直方向６０２に分割したものである。本実施例では、折り返してある電極側６０２を、もう一方の分割された電極601と垂直方向に分割するしてある。図５に示した電極の分割数を縦横それぞれｎ分割、ｍ分割したとすれば、接続する電線の数はｎ×ｍ本になる。これに対して、図６に示す電極分割方法によればｎ＋ｍ本で済む。しかし、これらの音源自体の製作性で見れば、分割電極が片側電極だけで済む図５の方が低いことは言うまでもない。
【００２９】
なお、これまで述べてきた実施例では、圧電素子の電極の分割パターンを格子型とし、各セグメントは矩形形状をしている。しかし、セグメントの形状は、特に矩形でなくても円や楕円のような形状でもよい。予め音波を照射する領域が限定されていれば、その領域に対応した適切な電極形状、電極配置を施しておけば上記実施例と同様に、音源を移動させる可動部を持たせることなく、音波の照射領域を制御することが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、より効率のよいサンプル・試薬の攪拌混合を可能とし、かつ、キャリーオーバーを防止することができる。
【００３１】
また、より効率のよいサンプル・試薬の攪拌混合を可能とし、かつ、検査自体をより微量で行う事ができる。
【００３２】
また、より効率のよいサンプル・試薬の攪拌混合を可能とし、かつ、装置全体をより小型化する事ができる。
【００３３】
また、より効率のよいサンプル・試薬の攪拌混合を可能とし、かつ、より簡易な方法で信頼性の高い攪拌機構を実現する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である化学分析装置全体構成を示す傾視図である。
【図２】図１に示す実施例の部分の詳細を示す縦断面図である。
【図３】図２に示すアレイ状音源とした例を説明する概念図である。
【図４】図２に示すアレイ状音源の具体的な実施例である。
【図５】図２に示す音源を更に高機能化した実施例である。
【図６】図５の更に他の実施例である。
【符号の説明】
１０１…反応ディスク、１０２…反応容器、１０３…サンプル用ターンテーブル、１０４…サンプルカップ、１０５…試薬ボトル、１０６…試薬用ターンテーブル、１０７…サンプリング機構、１０８…試薬分注機構、１０９…攪拌機構、１１０…測光機構、１１１…洗浄機構、１１２…コントローラ、１１３…コンソール、１１４…恒温槽、２０１…反応容器、２０２…被測定液、２０３…恒温水、204…メインコントローラからの信号、２０５…側方アレイ音源、２０６…下方アレイ音源、２０７…駆動ドライバ、208…音波を照射していないときの液面、２０９…音波を照射したときの液面、２１０…旋回流、２１１…恒温水、３０１，３０４…音波の照射領域、３０２，３０５…アレイ状音源、３０３，３０６…各セグメントに対する印加電圧波形、４０１…分割した電極、４０２…音波照射領域、４０３…選択されて駆動している電極、４０４…印加電圧、５０１…マトリクス状に分割された電極、５０２…音波照射領域の制御可能な方向、５０３…垂直な音波照射領域の制御可能な方向、６０１…水平方向に分割された一方面側の電極、６０２…垂直方向に分割された他方面側の電極。
【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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