(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送液装置であって、
流体が流れる空間を有する送液室と、
前記送液室に流体が供給される入口と、
前記送液室内の流体が吐出される出口と、
前記送液室を構成する一つの面に形成される変形可能なダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムは、前記ダイヤフラムを前記送液室の容積が増加する方向に変形させること外側の流体を前記入口から前記送液室内に導入し、前記ダイヤフラムを前記送液室の容積が減少する方向に変形させることで前記送液室内の流体を前記出口から外側に吐出するよう形成され、
前記入口には、外側から前記送液室内に流体が導入されるときは抵抗が小さく、前記送液室内から外側に吐出されるときにはそれより抵抗が大きい入口弁と、
前記出口には、前記送液室内から外側に吐出されるときには抵抗が小さく、外側から前記送液室内に流体が導入されるときにはそれより抵抗が大きい出口弁と、を備え、
前記入口弁または入口弁の少なくとも一方は、
前記入口或は出口に対向して形成された着座部と、
前記着座部を支持し、弾性変形可能に形成された梁と、を備え、
前記弁が閉じた状態では前記梁は弾性変形しており、前記梁はその弾性変形により前記着座部を前記入口或は出口に押し付けているよう形成される、ことを特徴とする送液装置。
【請求項２】
送液装置であって、
流体が流れる空間を有する送液室と、
前記送液室に流体が供給される入口と、
前記送液室内の流体が吐出される出口と、
前記送液室を構成する一つの面はに形成される変形可能なダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムは、前記ダイヤフラムを前記送液室の容積が増加する方向に変形させること外側の流体を前記入口から前記送液室内に導入し、前記ダイヤフラムを前記送液室の容積が減少する方向に変形させることで前記送液室内の流体を前記出口から外側に吐出するよう形成され、
前記入口には、外側から前記送液室内に流体が導入されるときは抵抗が小さく、前記送液室内から外側に吐出されるときにはそれより抵抗が大きい入口弁と、
前記出口には、前記送液室内から外側に吐出されるときには抵抗が小さく、外側から前記送液室内に流体が導入されるときにはそれより抵抗が大きい出口弁と、を備え、
前記送液室は、前記ダイヤフラムと対向する面に、前記ダイヤフラムと対向して前記入口と前記出口を備え、前記出口は流体の流路の端部に位置し、前記送液室壁面と前記出口とを連絡する斜面を有する、ことを特徴とする送液装置。
【請求項３】
請求項１或いは２において、
前記送液室は、前記ダイヤフラムと対向する面に、前記ダイヤフラムと対向して前記入口と前記出口を備え、前記出口は流体の流路の端部に位置し、前記送液室壁面と前記出口とを連絡する斜面を有することを特徴とする送液装置。
【請求項４】
請求項1から３の何れかにおいて、前記着座部は複数の両持梁により支持されていることを特徴とする送液装置。
【請求項５】
請求項1から４の何れかにおいて、前記送液室の前記ダイヤフラムと対向する側の面を略２分する線で区分した一方側の周辺部に前記入口を、他方側の周辺部に前記出口を設けたことを特徴とする送液装置。
【請求項６】
複数の反応容器と複数の試薬容器を保持し、前記試薬容器の各々に送液装置を設け、所定の位置でサンプルおよび試薬が供給される反応容器ホルダと、前記サンプルの物性を計測する計測手段とを備えた自動分析装置において、
前記送液装置を前記試薬容器の下部に設け、前記送液装置は、
流体が流れる空間を有する送液室と、
前記送液室に流体が供給される入口と、
前記送液室内の流体が吐出される出口と、
前記送液室を構成する一つの面に形成される変形可能なダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムは、前記ダイヤフラムを前記送液室の容積が増加する方向に変形させること外側の流体を前記入口から前記送液室内に導入し、前記ダイヤフラムを前記送液室の容積が減少する方向に変形させることで前記送液室内の流体を前記出口から外側に吐出するよう形成され、
前記入口には、外側から前記送液室内に流体が導入されるときは抵抗が小さく、前記送液室内から外側に吐出されるときにはそれより抵抗が大きい入口弁と、
前記出口には、前記送液室内から外側に吐出されるときには抵抗が小さく、外側から前記送液室内に流体が導入されるときにはそれより抵抗が大きい出口弁と、を備え、
前記入口弁または入口弁の少なくとも一方は、
前記入口或は出口に対向して形成された着座部と、
前記着座部を支持し、弾性変形可能に形成された梁と、を備え、
前記弁が閉じた状態では前記梁は弾性変形しており、前記梁はその弾性変形により前記着座部を前記入口或は出口に押し付けているよう形成される、ことを特徴とする自動分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は送液装置に係り、特に毎秒数μＬから数百μＬの送液を行うマイクロポンプを用いた送液装置およびそれを用いた自動分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロポンプとしては、特表平４−５０２７９６号公報に記載されたものがある。このマイクロポンプは入口弁室、送液室、出口弁室、の３つの部屋からなり、送液室内へ流体が入っていく入口の位置を送液室中央より周辺部にずらすことで送液室内の入口のある反対側に気泡を集め、その部分に出口となるオリフィスを設けてそこから気泡を抜き取るというもので、これにより送液室内の気泡を効率的に除去する。また、弁の締切り性を上げるためにダイアフラム型弁の着座部に薄膜を成膜し、それにより弁と弁ポートとの密着性を上げている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記ポンプ構造では、送液室内の気泡は除去できても、送液室の出口オリフィスから先の出口弁室内の気泡を除去することができず、ポンプの吐出特性に対する気泡の影響を完全になくすことは難しい。また、三つの部屋から成るため、平面サイズが大きくなり、低コスト化のネックとなる。弁の締切り性はダイアフラム型弁に与圧を与えることで高くしているが、ダイアフラムに加わる液体の抵抗により高周波での駆動は難しく、吐出流量を毎秒数百μＬまで上げていくことは困難である。
【０００４】
本発明の目的は、ポンプの吐出特性に対する気泡の影響を取り除き、かつ簡単構成で高周波駆動の可能なマイクロポンプを実現した。また、それを試薬供給部に用いることによって、高精度の試薬供給の可能な自動分析装置を実現することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、入口弁と出口弁を送液室と一体にし、かつ、弁の位置を送液室の周辺部に偏在させることで入口から出口へと気泡の流れをスムーズにし、送液の際に圧力変動が問題となる送液室内に気泡が残らないようにする。また、弁の着座部に数μｍ以上の高さの突起を設けることで両持ち梁を歪ませて弁に与圧を与えて締切り性を高め、かつ、弁として変位方向に対して表面積の小さな両持ち梁構造を用いることで周辺流体の抵抗を低減して周波数応答性を改善する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１に本発明第１の実施例の送液装置の断面図を、図２に本発明第１の実施例の送液装置の送液室の平面図を示す。
【０００７】
送液装置は、吐出ノズル基板１１０上に設けられた出口弁基板１２０と、前記出口弁基板上に設けられた送液室基板１３０と、送液室基板１３０上に設けられたダイアフラム基板１４０の４枚の基板から構成されている。吐出ノズル基板１１０には吐出ノズル１１１が形成されている。出口弁基板１２０には出口弁１２１と入口流路１２２、入口ポート１２３が形成されている。送液室基板１３０には送液室１３１と入口弁１３２、出口ポート１３３と入口流路１３４が形成されている。ダイアフラム基板１４０にはダイアフラム１４１と剛体部１４２、入口流路１４３と入口１４４、が各々形成されている。
【０００８】
この送液装置の送液手順は以下の通りである。
【０００９】
まず、送液装置の送液室１３１内の気体を液体に置き換えるため、送液装置の入口１４４には、導入する液体を送り込む液体導入装置（図示せず）を接続する。液体導入装置から入口１４４に液体が加圧送液されると、液体流路１４３、１３４、１２２を通って入口弁１３２に加圧された液体が到達し、その加圧力により入口弁１３２が開いて入口より液体が送液室１３１に流れ込む。この際、ダイアフラム１４１の下の平板状の流路に表面張力で液体が自然に流れ込む場合には、その平板状の流路を流れる流量よりも大きな流量の液体を、液体導入装置から送液室１３１内に送り込むことが必要である。
【００１０】
入口１４４から液体が流入すると、入口部にある気体は液体により平板流路へと押し流され入口部が液体に満たされる。また、ダイアフラム１４１下の平板状の流路に、液体が自分自身では流れ込んで行かない場合には、液体導入装置からの送液の速度は任意で良く、液体導入装置より押し込まれる液体によって入口側から気体が押し流されて行き、出口側に追い込まれ全ての気体が送液室１３１から押し出される。送液室内が液体で満たされたら入口１４４に接続された液体導入装置を吐出流体の入った容器と交換して接続し、送液準備が完了する。
【００１１】
なお、送液室１３１内を気体から液体に置き換える方法として、吐出ノズル１１１に真空ポンプを接続し、入口１４４に吐出流体（液体）の入った容器を接続しても前記と同様に行える。真空装置により吐出ノズル１１１から送液装置内の気体が吸い取られると、出口弁１２１の背圧が送液室１３１内圧力より低くなって出口弁が開き、送液室１３１内の気体が吸い出される。これにより、送液室１３１内の圧力が入口ポート１２３の圧力よりも低くなり、入口弁１３２が開き、入口流路１２２、１３４、１４３内の気体が送液室１３１内に吸い込まれていく。
【００１２】
この結果、吐出流体が入った容器から吐出流体が入口流路１２２、１３４、１４３内に流入し、入口弁１３２まで到達する。真空ポンプで引き続けることにより、気体と同様に液体も入口弁１３２を開いて入口より液体が送液室１３１に流れ込む。この際、ダイアフラム１４１の下の平板状の流路に表面張力で液体が自然に流れ込む場合には、その平板状の流路を流れる流量よりも大きな流量の液体を真空ポンプにより吸引し、送液室１３１内を液体が満たすように吸い込むことが必要である。それにより、入口部にある気体は液体より平板流路へと押し流され入口部が液体で満たされる。
【００１３】
また、ダイアフラム１４１下の平板状の流路に流体が自分自身では流れ込んで行かない場合には、真空ポンプからの吸引力は任意で良く、真空ポンプにより吸引される液体によって入口から気体が押し流されて行き、出口に追い込まれ全ての気体が送液室１３１から押し出される。
【００１４】
送液室内が液体で満たされたら吐出ノズル１１１から真空ポンプと分離し、送液準備が完了する。次に送液動作について説明する。
【００１５】
送液は、まず、後述するようなアクチュエータによりダイアフラム１４１を送液室１３１側に押し込むと、送液室１３１の容積が減少し、その減少した容積分の液体が出口弁１２１を押し開けて出口ポート１３３から送液室１３１外へと流れ出し、吐出ノズル１１１より吐出される。次に、アクチュエータを駆動してダイアフラム１４１を送液室１３１の容積が大きくなる方向に変形させると、増加した容積分だけの流体が入口弁１３２を押し開けて入口ポート１２３から送液室１３１内に流入する。この動作を繰り返すことで送液が行われる。
【００１６】
本実施例の特徴は３つある。第一に、送液室２０１と入口弁２０２、２０３、２０４、吐出ポート２０５が同じ送液室基板２００内に加工されている点である（図２）。これにより、入口から吐出ノズルまでの容積（デッドボリューム）が小さくなり、一度に動かす流体量が少なくなるので流体の慣性力を最小にでき、周波数応答性が良くなる。また、送液室内が一体成形できるために気泡の付着をまねく段差構造等をなくすことが可能となり、周波数応答性を阻害する気泡の残留を防止できる。
【００１７】
第二の特徴は、送液室２０１の形状を流路型にし、流路の両端を出入口２０２、２０５にしている点である。これにより、入口２０２から入ってきた液体が流路を流れるときに気体を出口２０４側に自然に押し流すことが可能となり気泡の除去を容易にしている。
【００１８】
第三の特徴は、図３に示すように、弁の着座部３０１の突起をシリコン加工で弁と一体成形することで高段差で耐久性のある突起を成形している点である。これにより、弁着座部３０１の高さを任意に設定することで弁とポートとの密着性を制御して、用途に合せて弁の締切り性を向上することが可能となり、送液装置の周波数特性を改善できる。また、弁着座部３０１を弁の変位方向に対して表面積の小さな梁３０２で支えることで弁の変位時の周辺流体の抵抗を低減して弁の周波数特性を改善できる。
【００１９】
なお、送液の際のダイアフラムの駆動波形は、図４に示すように正弦波のような常にダイアフラムが変形し続けるようなものではなく、ダイアフラムの最大変形時にその変形状態をしばらく維持するような駆動波形がよい。これにより、ダイアフラムの変形が止まっている間に入口弁、出口弁ともに完全に閉じることができ、弁の締切り性を向上することができる。
【００２０】
送液装置を動かす際のダイアフラムの駆動手段の一例を図５に示す。これは、ダイアフラムの駆動に積層圧電素子５０２を用いたもので、ダイアフラム１４１と積層圧電素子５０２の固定は、ケーシング５０３により行われる。ポンプ５０１とケーシング５０３は固着され、また、ケーシング５０３と積層圧電素子５０２、積層圧電素子５０２とポンプ５０１の剛体部１４２は各々固着されている。
【００２１】
なお、積層圧電素子には電極が設けられ、電極間に高周波の電圧を印加することでポンプが駆動される。なおこの他にも、ダイアフラム間に電極を設け直接ダイアフラムを駆動する方法等もある。
【００２２】
図６に本発明の送液装置を自動分析装置に適用する際の実装状態の一例を示す。図６（ａ）は自動分析装置の全体構成を、図６（ｂ）には試薬供給部の詳細図を、図６（ｃ）に試薬送液装置を設けた試薬容器を示す。
【００２３】
自動分析装置では、血清サンプルと試薬とを反応させて健康状態を計測するが、血清サンプルと反応させる試薬の計量吐出に本発明の送液装置を適用した例を示した。
【００２４】
図６（ａ）に示すように、自動分析装置６００は次のように構成されている。
【００２５】
まず、測定すべきサンプルが収納されたサンプル容器を少なくとも１つ以上収納できるサンプル容器ホルダー６１１と、サンプル容器ホルダー６１１に収納されたサンプル容器をサンプル吸引位置まで移送するためのサンプル容器ホルダー回転駆動機構６１２を備えている。
更に、サンプルと少なくとも１種類以上の試薬を入れて反応させるための反応容器を少なくとも１つ以上収納することのできる反応容器ホルダー６２３と、反応容器ホルダー６２３に収納された反応容器をサンプル吐出位置、第１試薬吐出位置及び第２試薬吐出位置まで移送するための反応容器ホルダー回転駆動機構６２２を備えている。
【００２６】
また、サンプル吸引位置まで移送されたサンプル容器内にノズルを挿入してサンプル容器からサンプルを吸引してサンプル吐出位置の反応容器内に所要量分注するサンプルピペッタ６２８と、サンプルピペッタ６２８を洗浄するサンプルピペッタ洗浄機構（図示せず）とを有している。また、反応容器ホルダー６２３には反応容器内のサンプル及び試薬を一定温度に保つための恒温槽と、測定項目に対応する第１試薬を収納した第１試薬容器６３０と、第１試薬容器６３０を少なくとも１つ以上収納することのできる第１試薬容器ホルダー６４０と、第１試薬容器ホルダー６４０に収納された第１試薬容器６３０を第１試薬吐出位置まで移送する第１試薬容器ホルダー回転駆動機構６３２とを備えている。
【００２７】
更に、第１試薬吐出位置まで移送された第１試薬容器６３０から第１試薬吐出位置のサンプルの入っている反応容器に第１試薬を所要量分注する第１試薬ポンプユニットと、本図では第１試薬容器ホルダーと同一構成の第２試薬を収納した第２試薬ホルダー６４０設けて有る。
【００２８】
なお、図示してはいないが反応容器ホルダーの周囲には、反応容器に入れたサンプルと少なくとも１種類以上の試薬を混ぜ合わせる撹拌機構を備えている。更に、反応容器に入れたサンプルと少なくとも１種類以上の試薬の反応による吸光度の変化を測定する光学分光計測部と、光学分光計測が終了した反応容器を洗浄する反応容器洗浄機構等が配置されている。
【００２９】
本例では、試薬の入っている試薬容器６３０の直接送液装置６５０を取り付けて、試薬容器から直接試薬と吐出するように用いる。このように、試薬容器６３０に前述の実施例で説明した送液装置６５０を設けることにより、従来別に設けていた試薬供給装置を設ける必要がなくなり、装置の小型化が図れると共に、試薬供給装置による異なる試薬の混入が防止でき、かつ気泡の影響による送液不良を防止でき、精度区試薬を供給でき、高精度の分析が可能になる。
【００３０】
図７に本発明の第２の実施例の送液室平面図を示す。送液装置は、図１の構成と同一部位は同一部品番号を付してある。図１と異なる点は送液室の周辺形状を所定の曲率を有する曲線で構成し点にある。その他は図１と同じで、動作も図１で説明した動作と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【００３１】
次に本実施例の特徴を説明する。
【００３２】
第一に、送液室２０１と入口弁２０２、２０３、２０４、吐出ポート２０５が同じ送液室基板２００内に加工されている点である。これにより、入口から吐出ノズルまでの容積（デッドボリューム）が小さくなり、一度に動かす流体量が少なくなるので流体の慣性力を最小にでき、周波数応答性が良くなる。また、送液室内が一体成形できる。また、気泡の付着をまねく段差や角部等をなくすことが可能となり、周波数応答性を阻害する気泡の残留を防止できる。
【００３３】
第二の特徴は、送液室２０１の形状を流線型にし、流路の両端を出入口２０２、２０５にしている点である。これにより、入口２０２から入ってきた液体が流線型に沿って流れるときに気体を出口２０４側に自然に押し流すことが可能となり気泡の除去を容易にしている。
【００３４】
なお、弁の着座部等の構成は第１の実施例と同じで同じ効果が得られる。
【００３５】
さらに、本実施例を図６の自動分析装置に適用することのできることは言うまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の送液装置の構成とすることにより、送液室内に気泡の残留をなくすことができ、これによってダイアフラムを高周波駆動することができ、低消費電力で高精度の送液を実現できる。
【００３７】
また、本送液装置を自動分装置の試薬供給容器に設け試薬供給を行なうことにより、従来別に設けて回転駆動されていた試薬供給装置が不要となり、装置の小型化を図れる共に、反応容器に精度良い量の試薬を供給でき、それにより精度の高い分析が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の断面図。
【図２】本発明の第１の実施例の送液室基板平面図。
【図３】本発明の弁構造。
【図４】本発明のダイアフラム駆動波形の一例。
【図５】本発明の実装構造例。
【図６】本発明の送液装置の自動分析装置への適用例。
【図７】本発明の第２の実施例の送液室基板平面図。
【符号の説明】
１１０…吐出ノズル基板、１１１…吐出ノズル、１２０…出口弁基板、１２１…出口側弁、１２２…入口流路、１２３…入口ポート、１３０…送液室基板、１３１…送液室、１３２…入口弁、１３３…出口ポート、１３４…入口流路、１４０…ダイアフラム基板、１４１…ダイアフラム、１４２…剛体部、１４３…入口流路、１４４…入口、２００…送液室基板、２０１…送液室、２０２…入口、２０３…弁着座部、２０４…弁支持梁、２０５…出口ポート、２０６…入口流路、３０１…弁着座部、３０２…弁支持梁、４０１…ダイアフラム駆動波形、４０２…ダイアフラム最大変位点、４０３…ダイアフラム最小変位点、５０１…ポンプ、５０２…積層圧電素子、５０３…ケーシング、６０１…試薬容器、６０２…送液装置。
【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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