(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
血液、尿などの検体または試薬等の液体を分注するための分注用プローブを有し、この分注用プローブを、容器に収容された液体の液面を検知する液面検知センサとして働かせ、上記プローブが液面に接触したときのプローブと容器保持部との間の静電容量の変化により液面検知を行う液面検知装置において、
上記プローブは、静電容量変化検出用の金属二重管を有し、この金属二重管のうちの外側管及び内側管は非接地で同電位であり、
これら内側管と外側管とを低インピーダンスドライブを行うシールドドライブ手段と、
上記シールドドライブ手段からの出カ信号に基づいて、上記プローブが液面に接触したか否かを検出する液面検知回路と、
上記プローブを支持し、回動可能であって、上記液面検知回路をその内部に有し、その内層は金属、金属蒸着、あるいは金属ペーストでシールドされているアームヘッドと、
を備えることを特徴とするシールドドライブを有する液面検知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液面検知装置に係わり、特に自動分析装置において試料、試薬又はそれらの反応液である液体をプローブを用いて容器に分注し、その分注された液体の液面をプローブを用いて検出するタイプの液面検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動分析装置においては、試料、試薬又はそれらの反応液である液体をプローブを用いて容器に分注し、その分注された液体の液面をプローブを用いて検出するタイプの液面検知装置が用いられることがある。
【０００３】
上述した液面検出装置における液面検出方式にはいくつかのタイプがあるが、液面検出時にプローブの液体に対する浸入量をできるだけ少なくし得るのに有効な静電容量式のものが多く用いられている。
【０００４】
従来の静電容量式の液面検出法としては、静電容量を検出するための一対の電極を構成する必要があるが、一般的にプローブを一電極、また、同時に活電部として働かせ、接地された液体容器保持部との間の静電容量を検出する手法が用いられる。そして、プローブと液体容器保持部との間の静電容量を検出パラメータとして、ブリッジ回路などの手段を用いてインピーダンスの変化を液面検出部に取込み、液面の有無を検出している。
【０００５】
例えば、特開平６−３３９５号公報に記載されたものは、ブリッジ回路などのバランス回路でバイアス電流を０にするのはできないために、液面に接触した時の容量とプローブが下降運動を行った時点の容量とを比較して、容量の変化量により液面の有無を判断する。
【０００６】
つまり、上記公報記載のものにおいては、プローブが下降運動を行う時点での静電容量をインピーダンスに換算し、サンプルホールド回路に、電圧という形で記憶させる。その後にコンパレータを使用して、サンプルホールド回路に記憶した電圧と、プローブの液面接触時の電圧とを比較して、液面接触時の電圧が記憶した電圧より数十ｍＶ高ければ液面有りと判断する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の液面検知装置において、サンプリングアームが上下、回転運動をしている時に、上記プローブ、液面検知基板のパターン、プローブと液面検知基板をつなぐ配線などが浮遊容量を有しているため、配線の位置ずれや基板のパターンとグランドとの距離変化やグローブの振動などで静電容量の変化が発生する。
【０００８】
これにより、プローブが液面に接触する前に容量の変化が発生し、プローブが液面に接触しないままの状態で空中に停止してしまい、液面検知不能となる原因となっている。
【０００９】
また、上記液面検知装置において、人の接触や動きなどによる自然帯電でサンプリングアームが帯電した場合には、サンプリングアーム内の基板パターン浮遊容量と上記配線の浮遊容量が変化し、基準となるホールド電圧が不安定になり、液面誤検知の原因となっている。
【００１０】
また、液面検知回路において、ブリッジ回路などの回路で容量バランスをとっている。このため、基板上で使う抵抗やコンデンサなどの素子のバラツキと基板に接続するプローブの容量とのパラツキがバイアス電圧に影響し、場合によっては、このバラツキにより、液面検知不能になることも有りうる。
【００１１】
上記容量変化を、ノイズとしてとらえ、このノイズを低減する容量型液面検出装置が、特開平５−３４０７８９号公報に記載されている。この公報においては、プローブ（液体移送針）に同軸配列となった信号電極及び補償電極とを配置し、信号電極と補償電極との間にシールドドライブを用い、両端の電圧差を生じさせないようにして、ノイズを低減している。
【００１２】
しかしながら、上記公報記載の容量型液面検出装置にあっては、プローブに同軸電極配列を配置する構成となっているため、このプローブの製造が困難であり、製造コストが高くなってしまうという問題がある。
【００１３】
ここで、液面検知回路のブリッジ回路などのバランス回路において、バランスをうまくとるためには上記プローブの容量管理が大変重要になっている。プローブは、内外二重の金属管から作られており、ピコファラット単位での品質管理となるため、プローブ製造のおける歩留まりが悪く、原価が上がっている。
【００１４】
また、液面検知回路においては、上述したように、サンプリングアームが下降する時点での電圧をサンプルホールド回路に記憶して、この記憶した電圧と、プローブが液面に接触した時の電圧とをコンパレータで比較して液面検知の有無を判断する。このように、サンプルホールド回路を液面検知回路基板に組み込んだことによって、基板の大きさおよび使用部品が多くなり、液面検知装置全体の信頼性が低下するとともに原価が上がる原因となっている。
【００１５】
また、液面検知回路において、ブリッジ回路などの回路で容量バランスをとっている。このため、基板上で使う抵抗やコンデンサなどの素子のバラツキと基板に接続するプローブの容量とのバラツキがバイアス電圧に影響し、場合によっては、このバラツキにより、液面検知不能になることも有りうる。
【００１６】
本発明の目的は、簡単な構成で安価でありながら、サンプリングアームの上下、回転運動による浮遊容量変化による液面検知への影響を抑制し、高精度な液面検知を行うことができる液面検知装置を実現することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成される。
（１）血液、尿などの検体または試薬等の液体を分注するための分注用プローブを有し、この分注用プローブを、容器に収容された液体の液面を検知する液面検知センサとして働かせ、上記プローブが液面に接触したときのプローブと容器保持部との間の静電容量の変化により液面検知を行う液面検知装置において、上記プローブは、静電容量変化検出用の金属二重管を有し、この金属二重管のうちの外側管及び内側管は非接地で同電位であり、これら内側管と外側管とを低インピーダンスドライブを行うシールドドライブ手段と、上記シールドドライブ手段からの出カ信号に基づいて、上記プローブが液面に接触したか否かを検出する液面検知回路と、上記プローブを支持し、回動可能であって、上記液面検知回路をその内部に有し、その内層は金属、金属蒸着、あるいは金属ペーストでシールドされているアームヘッドとを備える。
【００２２】
静電容量変化検出用の金属二重管のプローブの外側管を接地せずに内側管と同電位の低インピーダンスドライブにしたので、プローブの上下運動などによる浮遊容量の変化を防ぐことができる。
【００２３】
また、液面検知回路をアームヘッドの内部にいれて、アームヘッドの内層を金属あるいは金属蒸着、金属ペーストでシールドした場合、アームヘッドの帯電、アームの上下運動などによる基板パターンの浮遊容量の変化を防ぐことができる。
【００２４】
プローブと液面検知回路とを接続する配線をシールド線にした場合、上下、回転運動による振動で液面検知回路とプローブ間の配線の浮遊容量の変化を防ぐことができる。
【００２５】
液面検知で使う基準値電圧を定常値０にすれば、液面検知回路では基準電圧値の記憶に用いるサンプルホールド回路を省略することができる。
【００２６】
プローブをシールドドライブにすることで、見かけ上で容量を０とすれば、上記プローブ生産上において、プローブの容量の管理が不要となり、生産が容易となる。
【００２７】
プローブをシールドドライブとすることで、プローブに曲がりが発生しても、静電容量の変化が見かけ上で０とすることができ、プローブの曲がりが分注に影響しない程度であれば、プローブ交換などのメンテナンスが不要で、かつ、正確な液面検知を維持することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態である液面検知装置が適用された液体分注装置の全体概略構成図であり、図２は本発明の一実施形態が適用された液面検知装置の液体分注機構部の概略図である。
【００２９】
まず、図２において、サンプリング機構１のサンプリングアーム２は上下すると共に回転する。試料である液体５は液体容器保持部４に配置された容器３に分注され、その分注された液体５の液面はプローブ６を用いて、後述する液面検出装置により検出される。また、分注された液体５はサンプリング機構１によりプローブ６を用いて吸引される。
【００３０】
ここで、サンプリングアーム２（アームヘッド）は、後述する液面検知回路をその内部に有し、このサンプリングアーム２の内層は金属、金属蒸着、あるいは金属ペーストでシールドされている。このようにすれば、アームヘッドの帯電、アームの上下運動などによる基板パターンの浮遊容量の変化を防ぐことができる。
【００３１】
図３は、図１に示した液体分注装置における液面検出回路を示す図である。この液面検出回路３０は静電容量式のものである。図３において、交流発振回路７から出力される交流信号は、プローブ６を通して検出される静電容量値の変化を検出すべく検出回路８に入力される。交流信号としては一般的には正弦波が用いられるが、方形波、三角波等が用いられてもよい。
【００３２】
検出回路８では交流信号の状態のまま、検出された静電容量の変化を増幅し、その増幅した信号を整流回路９に入力する。そして、整流回路９では入力された交流信号を直流信号に変換し、比較回路１０に入力する。
【００３３】
比較回路１０では入力された直流信号に基づいて、静電容量の変化を変化前後で比較し、プローブ６と容器３内の液体の液面との接触の有無、つまり、液面検出の有無を表す検出信号１５を出力する。
【００３４】
比較回路１０が直流信号で動作するようにするのは、そのほうが回路が簡素化され、安価となるからである。検体が少量の場合は、通常、静電容量の変化は１０−１２ファラッド（１ｐＦ）以下となり、この変化量に対応する出力電圧の変化も数１０ｍＶである。このため、浮遊容量の変動が液面の誤検知の原因となりうる。
【００３５】
次に、図１において、この液面検知装置は、検出回路８は、オペアンプ２０を有し、オペアンプ２０の非反転入力端子は、プローブ６の内側管６ａに接続され、オペアンプ２０の反転入力端子は、プローブ６の外側管６ｂに接続されている。そして、オペアンプ２０の出力端子は、このオペアンプ２０の反転入力端子に接続されている。このように、本発明の一実施形態においては、プローブ６をシールドドライブにしたものであり、プローブ６の内側管６ａと外側管６ｂとの間にオペアンプでシールドドライブを構成し、外側管６ｂをグランド（ＧＮＤ）に落とさずに、内側管６ａと同電位で低インピーダンスとする。
【００３６】
内側管６ａと外側管６ｂとは同電位であるため、見かけ上で内側管６ａと外側管６ｂとの間の静電容量は０になる。このため、プローブ６が下降しても、配線の位置がずれても、これらによる静電容量の変動がなくなる。そして、プローブ６が液面に接触することにより増えた静電容量は、プローブ６と液体保持容器３との間の静電容量である。
【００３７】
なお、プローブ６と液面検知回路３０との接続線はシールド線となっている。
【００３８】
図４はプローブ６が下降を行う時点と、液面に到達する寸前と、液面に接触したときとの検出静電容量の変化を示す図である。
図４において、（ａ）はプローブ６の下降による浮遊容量の変化がない場合の状況を示している。容量変化がΔＣよりも大きい場合（静電容量Ｃ１）は、液面あり、小さいときは液面なしと判断する。
【００３９】
図４の（ａ）の容量の変化量はプローブ６と液体容器保持部４との間の静電容量であり、静電容量Ｃ１はΔＣより大（Ｃ１＞ΔＣ）となっており、正常に液面検知ができる。
【００４０】
次に、図４の（ｂ）の場合は、プローブ６の下降により、液面に接触する寸前の浮遊容量が下降時点よりＣ４だけ大きくなっている場合の例である。この図４の（ｂ）の例の場合、液面に接触したときの容量変化Ｃ２は、Ｃ２＝Ｃ１＋Ｃ４となる。このときでも正常に液面検知はできるが、プローブ６が液面に入る寸前の容量変化（Ｃ４）が大きいため、ノイズが混入すると、容量変化Ｃ４にノイズ分が加算され、ΔＣより大となって、プローブ６は、すぐ空中停止されてしまう恐れがある。
【００４１】
次に、図４の（ｃ）の場合は、プローブ６の下降による容量変化は、Ｃ５だけマイナスの容量変化となっている。プローブ６が液面に接触する寸前の容量は小さく、下降時点の容量はマイナスとなっているため、液面に接触するときの容量変化はＣ３＝Ｃ１−Ｃ５となり、Ｃ３がΔＣより小さければ、液面検知はできなくなる。
【００４２】
図５は、本発明の一実施形態に係わるシールドドライブを採用した液面検知比較回路１０を示す。また、図６は、図５の回路と構成を比べるための図であり、シールドドライブを採用していない液面検知比較回路の概略図である。
図６において、液面検知比較回路は、検出抵抗１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、コンデンサ１０Ｄ、アナログスイッチ１０Ｈ、コンパレータ１０Ｅから構成されており、端子１０Ｆから静電容量検出回路の出力電圧を印加し、端子１０Ｇから液面検知検出信号を出力する。
【００４３】
つまり、端子１０Ｆは、アナログスイッチ１０Ｈを介してコンパレータ１０Ｅのプラス入力端子に接続される。
【００４４】
また、端子１０Ｆとアナログスイッチ１０Ｈとの接続点は、抵抗１０Ａ及び抵抗１０Ｂを介して接地される。また、抵抗１０Ａと抵抗１０Ｂとの接続点は、抵抗１０Ｃを介してコンパレータ１０Ｅのマイナス入力端子に接続される。さらに、アナログスイッチ１０Ｈとコンパレータ１０Ｅとの接続点は、コンデンサ１０Ｄを介して接地される。そして、コンパレータ１０Ｅの出力端子は、端子１０Ｇに接続される。
【００４５】
アナログスイッチ１０Ｈは、プローブ６の下降位置検出信号に基づき発生される停止制御信号に従って接点を開閉するよう構成されており、コンデンサ１０Ｄが静電容量変化の基準値記憶手段として構成され、コンパレータ１０Ｅが液面検知手段として構成されている。
【００４６】
プローブ６の下降位置検出信号は、プローブ６が回転して移動し、プローブ６が下降位置に入った時点で発生する。プローブ６が下降を開始した時点で下降位置検出信号は出力されなくなり、停止制御信号によりアナログスイッチ１０Ｈが開かれ、同状態での静電容量検出回路８の出力電圧がコンデンサ１０Ｄに基準電圧として設定される。そして、コンデンサ１０Ｄの放電時間内は、基準電圧を維持する。
【００４７】
コンデンサ１０Ｄの放電時間内にプローブ６がさらに下降し、液面にプローブ６が接触すると、静電容量検出回路８の出力電圧が数十ｍＶ上昇し、コンパレータ１０Ｅのマイナス端子の電圧がコンデンサ１０Ｄから放電される基準電圧よりも高くなる。よって、端子１０Ｇからは液面検知信号として信号が出力される。
【００４８】
一方、図５において、液面検知比較回路１０は、検出抵抗１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、分圧抵抗１０Ｋ、１０Ｊ、コンパレータ１０Ｅから構成されており、端子１０Ｆから静電容量検出回路の出力電圧を印加し、端子１０Ｇから液面検知検出信号を出力する。
【００４９】
つまり、端子１０Ｆは、抵抗１０Ａ及び抵抗１０Ｂを介して接地される。また、抵抗１０Ａと抵抗１０Ｂとの接続点は、抵抗１０Ｃを介してコンパレータ１０Ｅのマイナス入力端子に接続される。さらに、アナログスイッチ１０Ｈとコンパレータ１０Ｅとの接続点は、コンデンサ１０Ｄを介して接地される。
【００５０】
また、コンパレータ１０Ｅのプラス入力端子は、抵抗１０Ｋと抵抗１０Ｊとの接続点にされる。抵抗１０Ｋには停止制御信号が供給され、抵抗１０Ｊは接地される。そして、コンパレータ１０Ｅの出力端子は、端子１０Ｇに接続される。
【００５１】
図５に示すように、本発明では一般に使われている比較回路（図６に示した回路）で使われているアナログスイッチと電圧ホールド用コンデンサとを省略化することで回路を簡素化することにできる。つまり、コンパレータ１０Ｅだけを使って、静電容量検出回路の出力電圧と、抵抗１０Ｋ及び１０Ｊとの分圧電圧と比較する。
【００５２】
理論上、比較回路のバイアス電圧は０Ｖとなるが、抵抗やコンデンサなどの素子のバラツキを考えて、抵抗１０Ｊの分圧電圧は、ある程度の裕度を持たせて、十数ｍＶに設定し、プローブ６が下降して液面に接触した時に端子１０Ｆに静電容量検出回路の出力電圧が数十ｍＶ上がり、コンパレータ１０Ｅで十数ｍＶの抵抗１０Ｋ及び１０Ｊの分圧電圧と、上記静電容量検出回路の出力電圧とを比較して、液面検知信号を出力する。
【００５３】
図５に示した液面検知比較回路１０によれば、比較する基準値を従来の回路（図６の回路）より大幅に下げることができたため、ごく微量の検体でも正確に液面検知を行うことができる。
【００５４】
なお、プローブ６の内外層６ａ、６ｂの間にシールドドライブを構成するときに、このための専用のトランジスタ、ＩＣなどを使用せずに、液面検知比較回路１０上のものを利用することも可能である。
【００５５】
以上説明した本発明の一実施形態によれば、プローブ６をシールドドライブとすることにより、サンプリングアームの下降、回転動作によるプローブ配線、基板パターンの浮遊容量の変化に対する液面検知への影響を無くすと同時に液面検知回路を簡素化することができる。
【００５６】
また、本発明の一実施形態によれば、プローブ６の内側管と外側管とは同電位であれば、互いに同軸である必要はない。これにより、プローブの製造が容易であり、低価格で実現することが可能である。
【００５７】
したがって、本発明の一実施形態によれば、簡単な構成で安価でありながら、サンプリングアームの上下、回転運動による浮遊容量変化による液面検知への影響を抑制し、高精度な液面検知を行うことができる液面検知装置を実現することができる。
【００５８】
また、分注に影響しない程度のプローブの曲がりによる静電容量変化であれば、液面検知に対して悪影響は無いので、プローブ交換らのメンテナンスが不要となる。
【００５９】
なお、以上に説明した本発明の一実施形態において、容器３に分注されるべき液体は試料のみならず、試薬であってもよいし、あるいは試料と試薬の反応液であってもよい。また、液体容器保持部４はサンプルディスクのみならず、ライン上のサンプルラックなどであってもよい。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、液面検知機構のアームヘットの下降、回転運動による浮遊容量の変動を防ぐことができ、微量な検体でもより正確な液面検知ができる。
【００６１】
さらに液面検知回路を簡素化することができ、基板の信頼性をアップすることができる。それにプローブの容量管理が必要でなくなるために、生産の歩留まりを上げ、製品の原価低減につながる。
【００６２】
したがって、簡単な構成で安価でありながら、サンプリングアームの上下、回転運動による浮遊容量変化による液面検知への影響を抑制し、高精度な液面検知を行うことができる液面検知装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である液面検知装置が適用された液体分注装置の全体概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態が適用された液面検知装置の液体分注機構部の概略図である。
【図３】図１に示した液体分注装置における液面検出回路を示す図である。
【図４】プローブが下降を行う時点と液面に到達する寸前と液面に接触したときの検出静電容量の変化を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係わるシールドドライブを採用した液面検知比較回路を示すずである。
【図６】シールドドライブを採用していない液面検知比較回路の概略図である。
【符号の説明】
１      サンプリング機構
２      サンプリングアーム
３      容器
４      液体容器保持部
５      液体
６      プローブ
６ａ    内側管
６ｂ    外側管
７      交流発振回路
８      検出回路
９      整流回路
１０    比較回路
１０Ａ  抵抗
１０Ｂ  抵抗
１０Ｃ  抵抗
１０Ｅ  コンパレータ
１０Ｆ  端子
１０Ｇ  端子
１０Ｈ  アナログスイッチ
１０Ｊ  抵抗
１０Ｋ  抵抗
２０    オペアンプ
３０    液面検知回路
【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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