(57)【要約】サンプルの加熱装置は、マトリクス状のサンプルウェルが設けられた金属製シートの形態の試料キャリアと、この試料キャリアに加熱電流を流す手段と、複数の電流源とを含んで構成される。各電流源は、試料キャリアに対して直列に接続されるとともに、相互に接続されており、異なる複数の可能通電経路を提供する。試料キャリアは、領域を制限して選択的に加熱される。一形態では、供給電流が交流である。また、他の形態では、供給電流が直流である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス状のサンプルウェルが設けられた金属製シートの形態の試料キャリアと、
この試料キャリアに加熱電流を流す手段と、
複数の電流源とを含んで構成され、
各電流源は、前記試料キャリアに接続されるとともに、相互に接続されて、異なる複数の可能通電経路を提供し、
前記試料キャリアは、領域を制限して選択的に加熱されるサンプルの加熱装置。
【請求項２】
４つの電流源が設けられた請求項１に記載のサンプルの加熱装置。
【請求項３】
供給される電流が交流である請求項１又は２に記載のサンプルの加熱装置。
【請求項４】
前記電流源は、２次変圧器ループを夫々含んで構成され、
この２次変圧器ループは、前記試料キャリアに対して直列に接続されるとともに、これに関連させて設けられた１次巻線に供給される交流電流に応答して、交流電流を供給する請求項３に記載のサンプルの加熱装置。
【請求項５】
各２次ループに個別の１次巻線が設けられ、各１次巻線が交流電源に接続された請求項４に記載のサンプルの加熱装置。
【請求項６】
前記ループのうち少なくとも１つにおける１以上の交流電流の、他の交流電流に対する相対位相を変化させて、前記試料キャリアに流れる電流の通過位置を変化させるように適合されたコントローラが設けられた請求項４又は５に記載のサンプルの加熱装置。
【請求項７】
２次ループにおける１８０°の位相変化が、１次巻線がこの２次ループを作動させる際に電流の方向を反転させることにより選択される請求項６に記載のサンプルの加熱装置。
【請求項８】
前記電流源により供給される電流が直流である請求項１又は２に記載のサンプルの加熱装置。
【請求項９】
前記電流源が直流電源を含んで構成される請求項８に記載のサンプルの加熱装置。
【請求項１０】
前記直流電源が線形、スイッチモード又はバッテリ電源である請求項９に記載のサンプルの加熱装置。
【請求項１１】
前記電流源のうち１以上のものの、他のものに対する極性を変化させて、前記試料キャリアに流れる電流の通過位置を変化させるように適合されたコントローラが設けられた請求項８に記載のサンプルの加熱装置。
【請求項１２】
各電流源からの電流の大きさを制御して、試料キャリアを流れる電流による加熱の程度を制御する温度コントローラが設けられた請求項１〜１１のいずれかに記載のサンプルの加熱装置。
【請求項１３】
前記試料キャリアに複数の温度センサが設置され、検出された温度が前記温度コントローラにフィードバックされることで、前記試料キャリアの局部温度の監視及び制御が可能とされる請求項１２に記載のサンプルの加熱装置。
【請求項１４】
前記温度コントローラは、前記試料キャリア内で予め設定された熱サイクルが提供されるようにプログラム可能である請求項１２又は１３に記載のサンプルの加熱装置。
【請求項１５】
前記温度コントローラは、前記電流源を制御するための、デジタル−アナログ変換器を備えるコンピュータと、前記温度センサからの温度情報のフィードバックを提供するアナログ−デジタル変換器とを含んで構成される請求項１３又は１４に記載のサンプルの加熱装置。
【請求項１６】
図面に記載された請求項１〜１５のいずれかに記載のサンプルの加熱装置。
【請求項１７】
マトリクス状のサンプルウェルが設けられた金属製シートの形態の試料キャリアを提供することと、
このウェルのうち複数にサンプルを収容することと、
前記試料キャリアに通電することとを含んで構成され、
電流は、複数の電流源により供給し、
各電流源を前記試料キャリアに接続するとともに、相互に接続して、異なる複数の可能通電経路を設定し、領域を制限して前記試料キャリアが選択的に加熱されるようにしたサンプルの加熱方法。
【請求項１８】
請求項１〜１６のいずれかに記載の装置により行われる請求項１７に記載のサンプルの加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプルを試料キャリア内で加熱する装置に関し、詳細には、試料キャリア内のサンプルの選択加熱のため、試料キャリアの領域を加熱する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの分野において、多数のくぼみ又はプレスによるサンプルサイトを有するサポートシート型試料キャリアが、小さなサンプルが加熱され又は熱サイクルにかけられる様々なプロセスで使用される。
一例として、ＤＮＡサンプルの組み換えのためのポリメラーゼ連鎖反応法（以下「ＰＣＲ」という。）がある。このサンプルには、迅速、かつ正確な熱サイクルが要求され、典型的には、多数のウェルが形成されたブロック内に配置され、予め設定された繰り返しのサイクルにおいて、選択された幾つかの温度を循環させる。シート全体の温度、詳細には、各ウェル内の温度は、可能な限り均一にすることが要求される。
【０００３】
サンプルは、通常、容積が１〜２００マイクロリットルの溶液とされるのが一般的であり、単体プレートの一部とすることができる個別のサンプルチューブ又はサンプルチューブの配列に収容される。熱プロセスでは、その容積当たりのサンプル内の温度ばらつきを最小限に抑えることが望まれる。液状サンプルで測定される温度ばらつきは、温度変化率の増大に伴い拡大し、このばらつきのため、実用上採用可能な最大温度変化率が制限される。
【０００４】
この試料キャリアを加熱する従来の方法は、ワイヤ、ストリップ及びフィルムエレメント等の付加型加熱装置及びペルチェ効果型熱電装置の使用、あるいは別個に加熱した流体をキャリアに向け又はその周囲に流通させる間接法の使用を含む。
この従来の加熱方法には、加熱対象の試料キャリアから離れた位置にあるヒータで熱を発生させる、という点に問題がある。
【０００５】
すなわち、ヒータからキャリアシートへ熱エネルギーを伝達させることが必要となり、熱エネルギーの伝達は、付加型加熱エレメントによる場合は、絶縁バリアを介して行われ、流体伝達機構による場合は、ヒータからシートへ流体が物理的に移動することにより行われる。
ブロックからヒータを分離することは、温度制御ループにおける時間ディレイ、すなわち、「ラグ」の発生原因となる。言い換えると、加熱エレメントへの電力供給は、ブロック温度を同時又はほぼ同時に上昇させることにはならない。ヒータとブロックとの間の熱ギャップ又は熱バリアの存在のため、熱エネルギーをヒータからブロックへ伝達させる場合は、ヒータをブロックよりも高温にする必要がある。このため、ヒータへの電力供給を停止したとしてもブロック温度の上昇が直ちには停止しない、という別の問題がある。
【０００６】
温度制御ループにおけるラグは、ブロックの温度変化率が増大するほど大きくなる。このことで、温度制御に不正確さが来されるとともに、採用し得る実用的な温度変化率が制限される。
熱均一性、更にはラグに関する不正確さは、付加型加熱エレメントが採用される場合に、このエレメントがブロック上の特定部位に取り付けられ、このエレメントにより発生させた熱をその特定部位からブロック全体に伝達させる必要があるために生じる。熱をブロックのある部分から他の部分に伝達させるため、ブロックの先の部分を他の部分よりも高温にする必要がある。
【０００７】
熱エレメント、特に、ペルチェ効果型装置の付加に伴う他の問題は、ブロックと熱装置との間の境界部に対し、包含する材料の熱膨張係数の相違による機械的ストレスが働くことである。熱サイクルのため、熱装置の信頼性や熱境界の完全性を損なわせる周期的なストレスが生じる。
ＰＣＴ出願ＧＢ９７／００１９５号には、試料キャリアが金属製であり、かつこの金属製試料キャリアに対し、抵抗による直接加熱を提供するために交流電流を供給する新規な方法が記載されている。このＰＣＴ出願の明細書には、キャリアを加熱することの様々な特徴が記載されており、本明細書において、この記載全体をその一部として組み込む。
【０００８】
ＰＣＴ出願ＧＢ０１／０１２８４号には、試料キャリアを介して交流電流を流し、抵抗加熱によりキャリアを直接に加熱する試料キャリアの加熱方法が記載されている。この加熱方法による追加の利点は、各試料ウェル内に配置した磁気応答型スターラを通電電流により振動させ得ることである。この特許出願の記載全体を本明細書に組み込む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
抵抗による直接加熱には、実用上の電力制限がなく、およそあらゆる点で、特に、急速な熱サイクルによるＰＣＲサンプルに関して好ましい加熱手段である。しかしながら、この直接加熱には、適用例によっては必要となる試料キャリアの領域加熱が困難である、という問題がある。領域加熱では、キャリアの異なる領域又は部分が、異なる程度で加熱される。領域加熱は、幾つかの加熱エレメントを採用して、キャリアに取り付けることにより比較的容易に実現される。このエレメントにより提供される選択加熱は、キャリアの領域加熱を達成させる。言うまでもなく、この方法には、前述の従来技術に関するあらゆる問題が伴う。このため、試料キャリアの間接加熱に関する問題を伴わないキャリアの領域加熱システムが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一形態によれば、サンプルの加熱装置が提供される。この装置は、マトリクス状のサンプルウェルが設けられた金属製シートの形態の試料キャリアと、この試料キャリアに加熱電流を流す手段と、複数の電流源とを含んで構成され、各電流源が試料キャリアに接続されるとともに、相互に接続されて、異なる複数の可能通電経路が設定され、試料キャリアは、領域を制限して選択的に加熱される。
【００１１】
一実施形態では、供給される電流が交流電流とされる。この場合に、電流源は、２次変圧器ループを夫々含んで構成され、このループは、試料キャリアに対して直列に接続されるとともに、このループに対して設けられた１次巻線に供給される交流電流に応答して、交流電流を供給する。
各２次ループに個別の１次巻線を設けることができ、各１次巻線は、交流電源に接続される。
【００１２】
この装置には、少なくとも１つのループにおける１以上の交流電流の、他の交流電流に対する相対位相を変化させることで、試料キャリアに流れる電流の通過位置を変化させるように適合されたコントローラが設けられるのが好ましい。
２次ループにおける１８０°の位相変化は、１次巻線が２次ループを作動させる際に電流の方向を反転させることにより選択される。
【００１３】
具体的な実施形態では、各々が変圧器の２次ループである３つの交流源が設けられる。これらの交流源は、直線で囲まれた試料キャリアの両側に接続することができる。好ましい実施形態では、各々が以上と同様に構成された４つの交流源が設けられる。
本発明の他の形態によれは、電流源により供給される電流が直流電流とされる。この場合に、直流源は、線形、スイッチモード又はバッテリ電源等とすることができる直流電源を含んで構成される。
【００１４】
この形態に係る好ましい装置には、１以上の直流源の、他のものに対する極性を変化させることで、試料キャリアに流れる電流の通過位置を変化させるように適合されたコントローラが設けられるのが好ましい。
以上の各形態に係る装置には、好ましい構成のもと、各電流源からの電流の大きさを制御することで、試料キャリアの通電電流による加熱の程度を制御する温度コントローラを設けることができる。
【００１５】
試料キャリアには、複数の温度センサを設けることができ、温度コントローラへの温度のフィードバックを形成することで、試料キャリアの局部温度の監視及び制御が可能とされる。
温度コントローラは、試料キャリアを予め設定された熱サイクルにおくことで、サンプルを熱サイクルにかけるようにプログラムすることができる。
【００１６】
温度コントローラには、電流源を制御するための、デジタル−アナログ変換器を含んで構成されるコンピュータと、温度センサからの温度情報のフィードバックを提供するアナログ−デジタル変換器とが設けられるとよい。
本発明によれば、マトリクス状のサンプルウェルが設けられた金属製シートの形態の試料キャリアを提供することと、サンプルをウェルのうち複数に収容することと、試料キャリアに通電することとを含んで構成されるサンプルの加熱方法が提供される。電流は、複数の電流源により供給する。各電流源を試料キャリアに接続するとともに、相互に接続して、異なる複数の可能通電経路を設定し、領域を制限して試料キャリアを選択的に加熱する。
【００１７】
言うまでもなく、この方法は、ここに述べる装置により行われる。
試料キャリアに接続される電流源は、シートよりも抵抗が低いループ又は他の伝導体を含むのが好ましい。この方法によれば、２次ループを介して電流を流すことで、シートを介して同じ電流を流す場合よりも少ない熱が発生する。このことは、シートの加熱及び冷却効率がともに高められるので、実用上有利である。勿論、ループ又は他の伝導体の素材及び／又は寸法の選択により抵抗を減少させることができる。
【００１８】
シートを冷却するためのシステムを設けることができる。このシステムは、ガス又は液体冷却システムとして構成することが可能であるが、ファンによるガス冷却システムとするのが好ましい。ファンは、これによる冷却が、与えられた温度制御レジームに包含されるように、温度コントローラにより作動させることができる。
（試料キャリアシート）
シートは、熱及び電気伝導率が高い銀又はその類似素材で構成することができ、０．３ｍｍの厚さの領域に薄肉部を有するのが一般的である。シートには、マトリクス状のサンプルウェルが設けられる。サンプルウェルには、サンプルを直接に収容させるか、ウェル内に緊密に収められる形状のサンプルポット又は試験管を保持させることができる。
【００１９】
シートにおいて、規則的に配列されたウェルをプレスにより設けて、ブロックを形成するとともに、ベースグリッド又は孔の開いたシートを、ウェルの先端部がその閉口端で結合するように取り付けて、極めて強固な三次元構造を形成することができる。適用例のなかには、ブロックの機械的強度が要求されるものもある。ベースグリッドが採用される場合は、加熱電流を、このグリッドの金属を介して通電させる。ベースグリッドは、ブロックと同じ金属からなるのが好ましい。
【００２０】
金属製シートを銀製の中実シート（ウェルを構成するくぼみを設けることができる。）とすることができる一方、金属化プラスチックトレイ（プレスによるウェルを設けることができる。）を採用することもでき、このトレイでは、析出金属が抵抗加熱エレメントを構成する。
他の例として、薄い金属トレイ（同様に、プレスによるウェルを設けることができる。）を電気形成し、金属を生体適合ポリマーによりコーティグすることもできる。
【００２１】
以上の方法は、金属製加熱エレメントと、生体親和性があるサンプル容器との間の密接な接触を可能とする。このことは、温度制御と、ウェル内の試剤の実際の温度が検出される場合の温度変化率との点で、熱性能を格段に向上させる。
プラスチックトレイは、１回きりの使い捨て器具とするのが一般的である。プラスチックトレイに加熱エレメントを組み込むことは、コストを増大させるが、その使い捨て器具に関する増大したあらゆるコストを補う以上に、ＰＣＲサイクルの所要時間を削減する。
【００２２】
ファンによる冷却が採用される場合は、合成トレイの底部に対する遮蔽物をなくすべきである。ＰＣＲサイクルの最後に合成トレイ又はブロックを使用した準雰囲気冷却が必要である場合は、冷却した液体による噴射冷却を採用することができる。この液体の沸点は、液体がトレイ又はブロックの金属上に残留して、加熱が阻害されることのないように、ＰＣＲサイクルの低ポイントよりも低い温度とする。このことで、液体の気化潜熱により冷却効果が増大する。
【００２３】
この装置には、金属製シートと２次ループのバスバーとの間に境界域を設けることができる。この境界域は、シートの素材に近い物理的及び電気的特性を持たせるべきであり、同じシート状素材で構成するのが一般的である。
（加熱）
加熱電流は、変圧器システムにより供給される交流電流とすることができ、この変圧器システムにおいて、加熱電力は、変圧器の１次巻線への供給電力を調整することにより制御される。加熱対象であるシートは、変圧器の２次回路の一部として構成することができる。２次巻線は、シートに対して直列に接続された１又は複数の金属製ループとすることができる。このようにすれば、高伝導性シートの加熱に要求される高電流及び低電圧を、変圧器の１次巻線に供給される高電圧及び低電流を調整することで、簡単に制御することができる。
【００２４】
複数の、好ましい実施形態では、３及び（最も好ましくは）４つの変圧器を設けることができる。各変圧器には、特定の商用１次巻線を備えるトロイダルコアと、このコアを介してループさせるとともに、金属製シートに直列に接続させて、単巻きの２次ループを形成する単一のバスバーとを設けることができる。このため、４つの変圧器が設けられる場合は、金属製シートに直列に接続された４つのバスバーが設けられる。
【００２５】
交流電流による抵抗直接加熱では、加熱電流により各ウェル内に振動磁界が形成され、ＰＣＴ出願ＧＢ０１／０１２８４号に記載されているタイプのサンプルアジテータを採用することが可能とされる。この出願の記載内容全体を本明細書に組み込む。
（シート）
シートの底部は、ベースグリッドが取り付けられる場合でも、表面積の大きな開放構造とするのが好ましい。そのような表面は、強制空気冷却には理想的である。また、シートの金属と流れている空気との自由又は完全な接触を阻害する付加エレメントは、存在しないのが好ましい。
【００２６】
シート全体に渡る均一な冷却効果を促進するため、空気ダクトを設けることができる。冷却効率の制御を可能とするため、空気の流れを比例制御下におくことができる。空気に動きを与える装置、たとえば、１以上のファン等の機械エレメントの制御応答速度は、加熱システムの電子制御による迅速な応答と比較して遅い。このため、加熱システムをファンとともに使用して、冷却時におけるシートの温度変化を制御することができる。
【００２７】
シートと直列な２次巻線には、変圧器のコアを介する１以上のループを設けることができる。
加熱電流を制御する電源手段は、変圧器のコアの材料量を削減することが可能な高周波交流電源とすることができる。
シートの熱均一性は、シートのあらゆる点における、その点の熱特性に適合させた加熱電力の消失に依存する。たとえば、シート又はブロックの中央付近にある点は、温度制御される金属により包囲されており、他方、シート又はブロックの端縁にある点は、温度制御される金属が一側に位置し、他側は、周囲の空気に曝されている。シートのジオメトリは、熱均一性を達成する目的に適合させることができる。シート又はブロックの、サンプルサイト又はウェルのジオメトリは、標準化された規則的な配列とされるのが一般的である。工業規格による配列は、１１０×７５ｍｍの矩形プレート又はブロックに設けられた４８，９６又は３８４個のウェルからなる。このレイアウトは、任意であり、７６８又は１５３６個のウェルからなる、より大きな配列を採用することもできる。
【００２８】
典型的には、変更され得るジオメトリの因子は、シートが形成される金属の厚さ、及びベースグリッドが採用される場合は、グリッドのプレートにおけるウェブのジオメトリである。
本発明は、シートの領域に対する選択加熱を可能とする。このため、温度制御を採用し、要求される加熱配分を実現する。加熱システムの能動制御を採用して均一化し又はこれに近付け、あるいは要求される選択加熱を達成する。
（領域制御の方法）
領域制御された加熱では、制御領域は、ブロック（「ブロック」とは、シート上又はシート内に収容された試料サンプルの配列をいう。）の加熱時に電流がシートを流れる、異なる多数の経路を提供することにより定められる。好ましい実施形態において、これは、ＰＣＴ出願ＧＢ９７／００１９５に開示されている装置で使用されるような１つの大型変圧器に代えて、各々が１次巻線を備える幾つかの小型変圧器を設けることにより実現される。各変圧器の２次ループには、シートが組み込まれる。この２次ループは、１次巻線のコアを経由する。このため、各変圧器の１次巻線を介する電流のＲＭＳ値は、個々に制御される。
【００２９】
変圧器からシートに流れる交流電流の相対位相を制御することもでき、これにより極めて多くの可能通電経路が設定される。これは、１以上の変圧器の１次巻線への接続を電気的に反転させるか、あるいは反転が要求される各変圧器に２つの１次巻線を設けるとともに、一方の巻線を他方の巻線とは方向を反対にして（時間をずらして）作動させることにより達成される。いずれの方法も、ブロックに供給される幾つかの電流のうち１以上の相対位相を、１８０°だけ変化させるための簡単な手段を提供する。このため、ＲＭＳ値及び多数の小型変圧器に供給される電流の相対位相を変化させることで、シートを介する、異なる多くの加熱電流経路が実現される。
【００３０】
シートの適切な部位に多数の温度センサを設置して、幾つかの部位におけるブロック温度のフィードバックを形成することができる。この温度制御ループは、コンピュータ又は他の電子制御システムを使用して形成することができる。制御システムは、温度センサから測定温度を入力するとともに、適切なアルゴリズムに従いＲＭＳ値及び変圧器の１次側に供給される電流の相対位相を制御するための出力信号を発生させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に図面を参照して、本発明の実施形態を例示として説明する。
（３つの交流源を備える場合の詳細な説明）
本実施形態に係る装置によれば、多数（ここでは、３８４個）の小さなサンプルを、プログラムにより予め設定可能な幾つかの温度の間で繰り返し、かつ急速な熱サイクルにかけるとともに、各温度において、サンプルを設定時間に渡り設定温度に維持することができる。ウェルを３８４個とする選択は、特に重要なことではない。工業規格による消耗する及び付属の装置では、２４，４８，９６，３４８又は１５３６個のウェルの配列が形成されており、本実施形態に係る装置のブロック又は配列には、これらの数のいずれが採用されてもよい。３８４個のサンプルは、シートにプレスされた、ベースプレートが取り付けられた３８４個のウェルの配列に保持される。この構成は、一般的に３８４ウェルブロックと呼ばれる。
【００３２】
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、装置の作動部分を、明確さのためにファン及びバッフルプレートを取り外した状態で示している。実際には、このサブユニットをフェラスメタル又はミューメタルボックスに封入して、磁気シールドを形成する。加熱リッドを使用して、３８４個のウェルの各々に、サンプル容器を堅固にプレスすることができる。
シート１０は、電気形成された、１１０×７５ｍｍ及び平均厚さが０．３３ｍｍの矩形の銀製プレートからなる。シートには、３８４（＝２４×１６）個のウェルの配列がプレスにより形成されている。各ウェルは、深さが７ｍｍの円錐状であり、各ウェルの開口端は、直径が３．５ｍｍである。この円錐ウェルの狭い閉口端は、孔が設けられた、厚さが０．５ｍｍの銀製ベースプレートにより結合される。このベースプレートの孔は、直径が３．５ｍｍであり、ウェルに対応させて間隔を空けて配置されている。
【００３３】
この構造は、機械的に強固であり、ベースプレートの孔を介する空気の流れが確保されている。
バッフルプレートを備える図示しないファンシステムは、ブロック１０の下方に配置されており、トッププレートの底面から突出するウェルの周辺に向け、周囲の空気をベースプレートの孔を介して流通させるとともに、周囲に循環させる。
【００３４】
ファンシステムの速度を調整することで、冷却度合いが制御される。加熱システムを使用して、局所的な温度ばらつきを修正することで、冷却時における要求温度分布の維持が容易となる。
断面で２５×３ｍｍの３つの銅製バスバー１２が設けられる。各バスバー１２は、幅が７５ｍｍのブロックの側部に対し、境界部１４を介して結合されており、境界部１４は、ブロックの熱的及び電気的特性を９０°の屈曲部にかけて効果的に継続させる。各バスバー１２は、ブロックの他方の側部（幅は、７５ｍｍである。）に対して境界部を介して接続してループを形成するまでに、トロイダル型変圧器のコア１３を経由している。境界部１４は、加熱電流がバスバー１２からブロックのトッププレート及びベースプレートの双方に流れるだけの伝導性を有する。バスバー１２は、ブロック及び境界部１４よりも抵抗が低い。このため、バスバー１２を電流が流れることにより発生する熱は、同じ電流がブロック及び境界部１４を流れることにより発生する熱よりも少ない。
【００３５】
ブロック１０は、電気抵抗が低い（典型的には、長軸方向で０．００１オーム未満）ので、急速加熱効果のためにブロックに流す合計電流が高くなり（典型的には、１０００〜２０００Ａ）、この電流を発生させるのに要求される電圧が低くなる（典型的には、０．２５Ｖ）。
ブロックの長軸に垂直な２つの線内でシートに直接にろう付けされた、図示しない６つの熱電対が設けられる。各線において、熱電対は、シートの短軸の一端、中間及び他端に配置されている。２つの線は、長軸の中間及びシートの一端に設定される。
【００３６】
熱電対からの信号は、増幅されて、アナログ信号からデジタル信号に変換され、パーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ」という。）に取り込まれる。ＰＣは、１２ビット及び４チャンネルのデジタル−アナログ変換器を制御する。３つのチャンネルは、３つのトロイダル型変圧器の各１次巻線に供給される電流のＲＭＳ値を制御する比例位相角コントローラを制御するのに使用される。残りのチャンネルは、ファンの速度を比例制御するのに使用される。トロイダル型変圧器のうち２つは、反対の方向に接続された２つの１次巻線を備えている。コンピュータは、２つの変圧器の各々に設けられた２つの１次巻線のいずれに電力を供給するかを適宜に選択することができる。
【００３７】
電流及びファンによる冷却の制御によりシートの加熱及び冷却を制御するため、適切なソフトウェアが提供される。このソフトウェアについてここでは詳述しないが、制御機能及びレジームを達成するソフトウェアの作成は、加熱制御用にプログラムされたコンピュータに関する当業者が持つ通常の知識の範囲内である。
（変圧器の作動制御）
３つの変圧器１３は、符号Ｐ１，Ｐ２及びＰ３により示されている。これらのうち２つ（Ｐ２及びＰ３）は、方向が反対に設定されている。このため、明白に異なる１４の通電モードが可能とされる。更に異なる組み合わせも可能であるが、そのような追加の組み合わせは、いずれもここで説明される１４の組み合わせの１つと電気的に等価又は反対の関係にあるため、加熱効果の点で異ならない。多くの通電モードには、銅製バスバー及びブロックの間の重要な境界部が主として含まれる。電流の大きさは、全モードで変更することができる。
（通電モード）
反転不可変圧器Ｐ１を正方向に採用し、
変圧器オン＝１、
変圧器オフ＝０、
変圧器反転＝−１とする。
【００３８】
ここで、３つの変圧器Ｐ１〜Ｐ３に関して次のモード１〜１４が得られる。
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図２〜１５は、これらのモードに関する通電パターンを示している。これらの図では、太線により概略の通電経路が示されており、変圧器Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３について付された矢印は、各モードにおける変圧器の相対方向を示している。これらの図は、概略を示すものであり、通電経路の正確な分析を提供することを目的としたものではない。図は、領域加熱の概念を説明するため、３つの変圧器のすべてに均一な電力をかけた場合の電流の流れを大まかに示すものである。
【００３９】
通電経路は、変圧器により得られる加熱効果に対応する。伝導のため、これらの領域の周囲に熱が拡散されるが、比較的に位置が制限された加熱が可能とされる。ＰＣにより制御されるモード１〜１４の連続スイッチングにより、１つの通電経路領域と比較して、多様な個別領域の同時加熱が可能とされる。典型的には、スイッチング速度は、交流周期の半分ほどで達成される。
（直流電流による実施形態）
図１６は、直流電流による実施形態に係る一連の４つのモードを概念的に示している。試料キャリアブロックは、符号２００により示されている。図示の通りの極性を有する２つの直流電源２０１，２０２が設けられている。電源は、正リード又は負リードとなるリード２０３，２０４を夫々有している。これらのリードは、キャリアに対し、対角関係にある各角部で接続されている。ブロック２００を介する概略の通電経路が、図中太線により示されている。
【００４０】
キャリアを介する通電経路は、電源のうち、一方又は双方のオン及びオフを切り換えることにより変化させることができる。
図１６（Ａ）では、電源２０１がオンされるとともに、電源２０２がオフされて、キャリアの対角線上に通電経路が形成されている。
図１６（Ｂ）では、電源２０１がオフされるとともに、電源２０２がオンされて、他の対角線に沿う通電経路が形成されている。
【００４１】
図１６（Ｃ）では、電源２０１及び２０２がともにオンされて、キャリアの上端及び下端領域において、水平方向の流れが形成されている。
図１６（Ｄ）では、電源２０１の極性が反転される一方、電源２０２の極性が維持されており、キャリアブロックの左端及び右端領域において、垂直方向の流れが形成されている。
【００４２】
ここでは、加熱を通電経路沿いの部位に集中させることで、概してそのときの通電経路による局所加熱を実現することができる。加熱部位を変化させるため、上記のモードの間でスイッチングを行うことができる。交流電流による実施形態では、電流の大きさを変化させて、加熱の程度を制御するとともに、温度センサによるフィードバックを採用して、加熱を監視及び制御することができる。
【００４３】
以上の直流に関する実施形態は、交流電源ユニットを使用して実現することができる。この場合の通電経路は、同様のものとなり、領域加熱も、同様にして達成される。
（４つの電流源を設けた場合の、交流電流による実施形態）
図１７〜２８は、本発明の他の実施形態に係る、図１〜１５に示した装置に近似する４つの電流源又は４つの変圧器を備える交流装置に関する。
【００４４】
図１７（Ａ）及び１７（Ｂ）は、この装置の中核を構成するトロイダル型変圧器のコイル１３、バスバー１２及びブロック１０の配置を示している。ここでも、明確さのためにファン及び空気ダクトシステムは示されていない。
図１７（Ａ）では、変圧器のコイル１３のうち３つが関連するバスバー１２とともに示されているが、第４の変圧器及びブロックは、明確さのために省略されている。この第４のトロイダル型変圧器のコイル１３’及びその関連のバスバー１２’は、図１７（Ｂ）に示されている。（図１７（Ａ）に示されている）３つの変圧器のバスバー１２は、ブロック１０に対し、境界部１４を介して直接的に接続されている。残りの変圧器１３’のバスバー１２’は、ブロック１０に対し、他のバスバー１２のうち２つを介して接続されている。詳細には、第４の変圧器のバスバー１２’は、ブロック１０に対し、対角線上の各角部でブロック１０に接続されたバスバー１２を介して接続されている。
【００４５】
ブロック１０に直接的に接続される先の３つの変圧器１３及びその関連のバスバー１２は、図１〜１５により説明した３つの変圧器による実施形態のものと実質的に同一の構成である。第４の変圧器１３’及びその関連のバスバー１２’は、このシステムに対する追加の要素に該当する。以下により明らかとなるように、第４の変圧器の追加は、３つの変圧器による実施形態と比較して、加熱効果のより良好な制御を可能とする。詳細には、４つの変圧器によるシステムは、ブロック１０の４つの端部の各々における加熱効果の独立制御を可能とするので、特に有利である。
【００４６】
上述の実施形態と同様に、この装置は、あらゆる工業規格によるウェルの配列により動作することが理解される。本実施形態では、図１７（Ｂ）に示すように、９６ウェルブロック１０が設けられる。ここでは、ブロック１０のシートは、電気形成された、１１０×７５ｍｍ及び平均厚さが０．３３ｍｍの矩形の銀製プレートからなる。各ウェルは、深さが１３ｍｍの円錐状であり、各ウェルの開口端は、直径が６ｍｍである。上述の実施形態と同様に、各円錐ウェルの狭い閉口端は、穿孔された、厚さが０．５ｍｍの銀製ベースプレートにより結合されている。このベースプレートの孔は、直径が７．５ｍｍであり、ウェルに対応させて間隔を空けて配置されている。ここでは、（図１７（Ａ）及び１７（Ｂ）に示されていない）９つの熱電対が設けられており、シートに対して３つの線内で直接にろう付けされている。シート１０の各端部に熱電対の線が１つずつ設定され、シート１０の中間部にこれらの線と平行に他の線が設定される。
【００４７】
他の点では、この装置の構成は、図１〜１５により説明したものと同様である。
図１８は、図１７（Ａ）及び１７（Ｂ）に示す装置の制御システムのブロック図である。図１８に示す要素に加え、安全及び初期化システムの構成が設けられることに留意する。しかしながら、それらの動作は、この制御システムの通常動作を構成するものではないので、明確さのために省略している。
【００４８】
制御システムは、ソフトウェア１０１の制御下で動作する組込式コンピュータ１００を含んで構成される。このコンピュータ１００は、ＬＣＤ１０２、キーパッド１０３、固体基板１０４、通信ポート１０５及びデジタル入力／出力モジュール１０６を含んで構成される５つの関連する入力／出力装置を備えている。デジタル入力／出力モジュール１０６は、コンピュータ１００とこれ以外のシステム構成要素との間のインターフェースとして機能する。
【００４９】
１０チャンネルの熱電対増幅器１０８に対し、前述の９つの熱電対１０７が冷接点補償付きで接続されている。この熱電対増幅器１０８に接続された第１０の熱電対１０７は、この装置の加熱リッド１０９の温度を検出するように配置されている。熱電対増幅器１０８の出力は、１６チャンネルのアナログ−デジタル変換器１１０に入力される。このアナログ−デジタル変換器１１０の出力は、デジタル入力／出力モジュール１０６に入力される。
【００５０】
４チャンネルのサーミスタ増幅器１１１からの４つのラインが、１６チャンネルのアナログ−デジタル変換器１１０に接続されている。このサーミスタ増幅器１１１には、４つのサーミスタ１１２からの信号が入力される。サーミスタ１１２のうち１つは、大気の温度を検出するために使用され、他の１つは、排出空気（冷却システムから排出される。）の温度を検出するために使用され、残りの２つは、バスバー１２のうち２つの温度を検出するために使用される。ここでも、サーミスタ１１２からの情報は、１６チャンネルのアナログ−デジタル変換器１１０及びデジタル入力／出力モジュール１０６を介してコンピュータ１００に入力される。
【００５１】
以上の検出要素に加え、デジタル入力／出力モジュール１０６は、コンピュータ１００を制御要素にも接続させている。デジタル入力／出力モジュール１０６は、８チャンネルのデジタル−アナログ変換器１１３に接続されている。
このデジタル−アナログ変換器１１３は、１対の３０ボルト型、比例制御式直流電源１１４に接続されており、各電源１１４は、対応する冷却ファン１１５を作動させる。
【００５２】
また、デジタル−アナログ変換器１１３は、加熱電流の形成に使用される変圧器１３（ＴＲ１〜ＴＲ４）の動作制御に使用される４つの比例位相角コントローラ１１６に接続されている。この位相角コントローラ１１６のうち２つは、対応する変圧器ＴＲ１，ＴＲ４の１次側を流れる電流の制御に使用されるトライアック１１７に対し、直接に接続されている。他の位相角コントローラ１１６の出力は、対応するトライアックセレクタ１１８を介して対応する２つのトライアック１１７を制御するのに使用される。このトライアックセレクタ１１８には、デジタル入力／出力モジュール１０６の出力が直接に入力される。
【００５３】
各トライアックセレクタ１１８は、対応するトライアック１１７の対を作動させて、対応する変圧器ＴＲ１，ＴＲ２の１次巻線を流れる電流の方向又は位相を、これらの変圧器１３を介する電流の流れが反転されるように制御するのに使用される。
この制御システム及びその動作に関し、更に詳述する。
４つの変圧器ＴＲ１〜ＴＲ４は、中心にタップが設けられた２０００回巻きの１次巻線を備えるトロイダル型コアであり、実際には、各コアにおいて、２つの１０００回巻きの１次巻線が設けられる。図１７（Ａ）及び１７（Ｂ）に示すように、２次巻線は、銅製バスバー１２，１２’からなる。デザインの対称性及び通電による加熱効果が方向とは無関係であるとの事実から、実用的な範囲で通電パターンを形成するには、４つの変圧器のうち２つ（ＴＲ１及びＴＲ２）だけの方向を反転可能とすることが必要となる。変圧器ＴＲ１及びＴＲ２の方向は、これらの変圧器（ＴＲ１，ＴＲ２）の各々に接続された２つのトライアック１１７のいずれを作動させるかを選択することにより反転させる。安全上の理由から、トライアック１１７には、制御信号と交流電圧との間に光アイソレーションが形成される。
【００５４】
変圧器の１次巻線に供給される交流電力のＲＭＳ値は、位相角制御回路１１６により調整される。この位相角制御回路１１６は、交流電圧の周期に同期させて、また、デジタル−アナログ変換器１１３を介して位相角制御回路１１６に印加される電圧により、終局的には、コンピュータ１００からの指令に従い定められる特定のＲＭＳパワーレベルを形成するために算出された時点において、トライアック１１７のスイッチをオンする。
【００５５】
デジタル−アナログ変換器１１３には、２つの電源１１４の出力電圧を制御して、ブロックが要求の通りに冷却されるように対応するファンを制御するための電圧信号も入力される。
コンピュータ１００は、ソフトウェア１０１による制御のもと、ファン１１５によるブロックの冷却、変圧器１１３を介するブロックの加熱及び適切な通電パターンに関する要求を適宜に判定するものであるとよい。
【００５６】
コンピュータ１００及びソフトウェア１０１は、プログラム上の熱サイクルをもとに、ブロック１０に取り付けられた９つの熱電対１０７により検出された、ブロック１０のうち９つの部位における温度のフィードバックに応答して、加熱及び冷却の要求に関する判定を下す。４つのサーミスタ１１２から入力される追加の情報は、熱入力及び冷却の要求に関する演算の高精度化のために使用される。
【００５７】
誘導ピックアップの影響を最小限に抑えるため、熱電対１０７及びサーミスタ１１２と対応する増幅器１０８，１１１との接続に捻りワイヤの対が採用されている。
図１９〜２８は、４つの電源ユニットＰ１〜Ｐ４からの加熱電流を流す銅製バスバー１２に対し、境界部１４を介して電気的に接続されたウェルブロック１０の電気的な構成を示している。図１９〜２８に示す状態、特に、通電経路（太線によりその概略を示す。）は、４つの電源を備えるあらゆるセットアップについて等しく適用される。図１９〜２８は、図１７及び１８により説明したタイプの装置を使用して実現することができる、異なる加熱モードを示している。
【００５８】
しかしながら、直流又は交流電源ユニット（ＰＳＵｓ）のいずれが採用されてもよいことに留意する。交流ＰＳＵの相対位相を１８０°だけ変化させることは、直流ＰＳＵの極性を反転させることと厳密に等価である。各ＰＳＵは、これが供給する電流の大きさを比例制御することができ、ＰＳＵにより供給される電流の相対位相又は極性、すなわち、その瞬時流れの方向が１８０°だけ切り換えられるように、方向（交流の場合）又は極性（直流の場合）を反転させることができる。前述のように、異なる多くの部位における温度を示すことによりブロックの制御システムへのフィードバックを提供するため、熱電対１０７がブロックに取り付けられる。
【００５９】
図１７及び１８に示す実施形態に関し、加熱が４つの変圧器１３及びその関連のバスバー１２により供給される電流によることは、言うまでもない。図１９〜２８の各々において、各ＰＳＵは、変圧器１３のうち１つを示している。前述のように、各トロイダル型変圧器のコイル１３は、２つの多数巻きの１次巻線を備えている。この２つの１次巻線は、２つの１次巻線のいずれを作動させるかを選択することにより反対の方向に作動させて、相対位相の１８０°の変化を形成するように構成することができる。図１９〜２８でＰＳＵｓに関連付けた矢印は、対応するモードで作動状態にあるＰＳＵｓの相対位相を示している。関連付けた矢印のないＰＳＵｓは、そのモードでは停止されている。
【００６０】
図１９〜２８に示す通電経路では、２つのＰＳＵｓＰ１及びＰ２の位相反転が可能なように示されていることに留意する。これらのＰＳＵｓは、図１７及び１８により説明した実施形態における反転可能な変圧器ＴＲ１，ＴＲ２に対応する。すべての電源を反転可能として実施することも、勿論可能である。より多くの通電経路を形成することも可能であるが、２つの反転可能な電源を設けることが便利又は最も便利であると考えられる。反転可能な電源Ｐ１及びＰ２に代え、電源Ｐ２及びＰ３を反転可能とすることもできる。電源Ｐ４は、４つの変圧器が設けられる実施形態における追加の変圧器１３’に対応し、反転可能とする必要がないことに留意する。
【００６１】
図１９，２０及び２１は、基本的な通電経路を示しており、これを介して熱が長辺（すなわち、これに対してバスバー１２が接続されていない。）沿いに伝達するとともに、ブロックの中間部が制御される。実際には、示される電流の大きさを個々に制御することが可能であるので、図２２に示すように、ＰＳＵｓＰ１，Ｐ２及びＰ３のすべてを作動させるとともに、各々により異なる大きさの電流を供給して、熱電対からの信号に応答して制御システムにより設定された所望の加熱を提供することができる。
【００６２】
ブロックの短辺（又はバスバーが取り付けられる側部）は、同時又は個別に加熱することができる。加熱に関するこれらの異なるモードは、図２３，２４及び２５に示されている。これらの加熱効果を得るために採用される電源の組み合わせが、対応する図に示されている。ブロックの短辺（すなわち、バスバーが接続される側部）を独立に加熱可能であることは、バスバー１２のヒートシンク効果を補償するうえで特に重要である。
【００６３】
図２６は、ブロックの中央部を介する通電経路が形成されるモードを示している。（図１８に示す形態の）制御システムは、多様な加熱モードの間を速やかに切り換えることができる。交流システムの場合は、一交流周期内でモードを切り換えることができる。このことは、時間領域制御が採用可能であることを意味する。たとえば、ブロックの中央部を集中的に加熱するため、図２０及び２６に示す加熱モードを交互に採用することができる。
【００６４】
図２７及び２８は、ブロックの作動領域内の温度分布を調節及び最適化するのに採用される典型的な通電経路の例を示している。
図２７で採用されている構成では、中間のバスバーを介する電流は、２つの外側のバスバーを介する電流の合計である。このため、図２７に示す通電経路では、境界部の中央で最大加熱効果が発揮される。このモードは、中間のバスバーに通電されず、中間のバスバーのヒートシンク効果により境界部の中央における温度が低下される図２３に示すモードが採用された直後に採用することができる。同様に、図２８に示す通電パターンを、図１９に示すモード後に採用することができる。勿論、３つの変圧器による実施形態で採用される通電経路は、いずれも４つの変圧器による実施形態に適用することができる。
【００６５】
この装置及びこの明細書に表された思想を適用して、電源を異なる組み合わせで、異なる方向及び異なる大きさにより作動させることで、異なる多くの加熱効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態に係る３つの変圧器及び関連するバスバーの斜視図
【図２】同上装置の作動領域を介する、第１の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図３】同上装置に関する第２の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図４】同上装置に関する第３の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図５】同上装置に関する第４の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図６】同上装置に関する第５の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図７】同上装置に関する第６の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図８】同上装置に関する第７の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図９】同上装置に関する第８の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図１０】同上装置に関する第９の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図１１】同上装置に関する第１０の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図１２】同上装置に関する第１１の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図１３】同上装置に関する第１２の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図１４】同上装置に関する第１３の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図１５】同上装置に関する第１４の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図１６】直流電流による場合の、一連の異なる通電モードの概念図
【図１７】４つの変圧器を備える場合の、本発明の他の実施形態に係る装置の斜視図
【図１８】同上装置の制御システムの構成図
【図１９】４つの電源を備える装置の作動領域を介する、第１の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図２０】同上装置に関する第２の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図２１】同上装置に関する第３の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図２２】同上装置に関する第４の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図２３】同上装置に関する第５の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図２４】同上装置に関する第６の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図２５】同上装置に関する第７の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図２６】同上装置に関する第８の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図２７】同上装置に関する第９の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【図２８】同上装置に関する第１０の変圧器作動モードにおける通電経路の概略図
【符号の説明】
【００６７】
１０…シート、１２…バスバー、１３…変圧器のコア、１４…境界部。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際公開パンフレット】
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2005501570.tif 000083
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005501570.tif 000084
【国際調査報告】
2005501570.tif 000085
2005501570.tif 000086
2005501570.tif 000087
2005501570.tif 000088