(57)【要約】【課題】本発明は、従来の構成を変更することなしに吐出液を微量化する分注装置を提供するものである。【解決手段】流路２を介してプローブ１が接続されたシリンジ３と、前記シリンジ３に内挿されたプランジャ４と、前記プランジャ４を往復運動させる駆動部５とからなり、前記プローブ１、前記シリンジ３および流路２内に充填された圧力伝達液を介して前記プローブ１の先端からサンプル液を吸引および吐出する分注装置において、前記プローブ１と前記シリンジ３間と前記流体供給源８とを接続する流体移動経路２に連続的に流量を切り替える切り替え弁７を備えたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を介してプローブが接続されたシリンジと、前記シリンジに内挿されたプランジャと、前記プランジャを往復運動させる駆動部とからなり、前記プローブ、前記シリンジおよび流路内に充填された圧力伝達液を介して前記プローブの先端からサンプル液を吸引および吐出する分注装置において、
前記プローブと前記シリンジ間と前記流体供給源とを接続する流体移動経路に連続的に流量を切り替える切り替え弁を備えたことを特徴とする分注装置。
【請求項２】
前記切り替え弁は、電流比例型の電磁弁であることを特徴とする請求項１記載の分注装置。
【請求項３】
前記切り替え弁が、少なくとも１つ前記流体移動経路に備えられたことを特徴とする請求項１記載の分注装置。
【請求項４】
前記切り替え弁と前記駆動部は、１台の制御装置で制御されることを特徴とする請求項１記載の分注装置。
【請求項５】
シリンジに内挿されたプランジャを駆動部により動作させ、前記シリンジおよび流路内に充填された圧力伝達液を介して前記プローブの先端からサンプル液を吸引および吐出する分注装置の制御方法において、
前記プローブと前記シリンジ間と前記流体供給源とを接続する流体移動経路に配置した切り替え弁により連続的に流量を切り替えることを特徴とする分注装置の制御方法。
【請求項６】
前記切り替え弁は、前記駆動装置が前記プランジャを動作させ、前記サンプル液を吐出している時に所定流量に相当するように開口することを特徴とする請求項５記載の分注装置の制御方法。
【請求項７】
前記切り替え弁は、前記駆動装置が前記サンプル液を吐出するように前記プランジャを動作させた際の吐出信号を基点として経過時間から所定流量に相当するように開口することを特徴とする請求項５記載の分注装置の制御方法。
【請求項８】
前記切り替え弁は、前記駆動装置が前記サンプル液を吐出するように前記プランジャを動作させ、前記プランジャの移動量から所定流量に相当するように開口することを特徴とする請求項５記載の分注装置の制御方法。
【請求項９】
前記切り替え弁は、少なくとも２つからなり、前記駆動装置が前記プランジャを動作させ、前記サンプル液を吐出している時に所定流量に相当するように同期して開口することを特徴とする請求項５記載の分注装置の制御方法。
【請求項１０】
シリンジに内挿されたプランジャを駆動部により動作させ、前記シリンジおよび流路内に充填された圧力伝達液を介して前記プローブの先端からサンプル液を吸引および吐出する分注装置の制御方法において、
前記プローブと前記シリンジ間と前記流体供給源とを接続する流体移動経路に配置した切り替え弁により連続的に流量を切り替えることを特徴とする分注装置の吐出方法。
【請求項１１】
前記切り替え弁は、前記駆動装置が前記プランジャを動作させ、前記サンプル液を吐出している時に所定流量に相当するように開口し、圧力伝達液の分岐流路を形成することを特徴とする請求項１０記載の分注装置の吐出方法。
【請求項１２】
前記切り替え弁を開口し、圧力伝達液の流量が変化させ、吐出流量を減少させることを特徴とする請求項１０記載の分注装置の吐出方法。
【請求項１３】
前記流体移動経路の流速が前記流体移動経路の断面積と前記切り替え弁の開口面積の比から求められ、所定の吐出量が得られることを特徴とする請求項１０記載の分注装置の吐出方法。
【請求項１４】
前記流体移動経路の流速が前記流体移動経路の断面積と前記切り替え弁が、少なくとも２つからなり、前記切り替え弁の開口面積の比から求められ、所定の吐出量が得られることを特徴とする請求項１０記載の分注装置の吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を分注する分注装置に係り、特に自動分析装置における微量の液体を分注する際の分注量の正確性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生化学等の自動分析においては、試験管内の検体をノズル状のプローブにより吸引し、検査に応じて別の試験管に移し分けるという分注作業が行われる。この際、所定量の液体を精度よく吐出するための分注装置が用いられる。このような分注装置では用途により構成が異なる。すなわち、検体の汚染を嫌う場合には吐出部先端が使い捨てのチップになっており、繰り返し使う場合には金属製のプローブを用いて洗浄している。また、洗浄の際にはプローブ内面にも洗浄液を流す必要があるため、外部に洗浄用の供給源を設けてバルブによる制御を行っている。生化学分析の反応漕への検体の分注に対しては金属プローブが用いられている。プローブの洗浄工程を有する分注装置は図８のような構成によって動作している（例えば、特許文献１参照）。検体を吸入する際、バルブ１０８はプローブ１０２とシリンジ１１２の間の流路は開かれており、液体供給源に繋がる流路は閉められている。プローブ内とシリンジ内およびその間の流路がすべて圧力伝達液により満たされている状態でプローブ先端を検体に漬けて、モータポンプ１２２によりシリンジの容積が増える方向にプランジャ１２０を動かすと負圧によって検体がプローブに吸引される。次にポンプモータ１２２によりプランジャを所定量だけシリンジの容積が減少する方向に動かすことによって検体に変位および圧力を加えることで吐出させている。この際、検体と圧力伝達液が混合して検体の濃度が変化しないように圧力伝達液と検体の間に僅かな空気層を設けることが通常行われている。吐出が終わるとさらにプランジャをシリンジの容積が減少する方向に移動させて残液を排出するが、この作業だけではプローブ内面をきれいにすることができないため、バルブ１０８を使って液体供給源に繋がる流路を開く。すると液体供給部からプローブを通って洗浄液（一般的には純水）が排出されることでプローブ内面を洗浄することができる。このように従来の分注装置では吐出時には液体供給部と連通するバルブを閉じた状態で使っていた。
しかしながら、生化学分析用の分注装置では高価な試薬の使用量を減らすために、検体の吐出の微量化が必要とされるようになってきた。微量化については、従来の電磁モータ駆動の分注装置では移動量が小さくなりすぎて、十分な移動速度を得ることができずに表面張力に打ち勝つだけのエネルギーを発生することができなくなり、液が吐出できなくなるという問題があった。このような問題に対して駆動源を圧電素子として圧力だけで液を飛ばす方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。圧電素子を吐出の駆動源とする分注装置は図９のような構成になっている。プローブ（キャピラリー２４２）の周囲に圧電素子からなる衝撃力発生装置２０５を配置し、圧電素子を作動させることにより、その衝撃力がキャピラリー内の液体２０８に伝わり、ノズル１内のキャピラリー２４１に保持している被噴射液体２０７に作用し、液体噴射口２０３から微量な液滴（被噴射液体２０７）が噴射する。
【特許文献１】特許第３６９４３７０号公報（第３−７頁、図１）
【特許文献２】特開平１１−２０１９７６号公報（第２−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の洗浄工程を有する分注装置では、吐出時に液体供給部と連通するバルブを閉じた状態で使っていたため、微量化していくと電磁モータ駆動の分注装置では移動量が小さくなりすぎて、十分な移動速度を得ることができずに表面張力に打ち勝つだけのエネルギーを発生することができなくなり、液が吐出できなくなるという問題があった。このような問題に対して駆動源を圧電素子として圧力だけで液を飛ばす方法を用いた場合には、別途液を吸入するための駆動装置が必要となるため、装置の構成が複雑化するといった問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、従来の構成を変更することなしに吐出液を微量化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】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成および制御したのである。
請求項１に記載の発明は、流路を介してプローブが接続されたシリンジと、前記シリンジに内挿されたプランジャと、前記プランジャを往復運動させる駆動部とからなり、前記プローブ、前記シリンジおよび流路内に充填された圧力伝達液を介して前記プローブの先端からサンプル液を吸引および吐出する分注装置において、前記プローブと前記シリンジ間と前記流体供給源とを接続する流体移動経路に連続的に流量を切り替える切り替え弁を備えたものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記切り替え弁が、電流比例型の電磁弁からなるものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記切り替え弁が、少なくとも１つ前記流体移動経路に備えられたものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記切り替え弁と前記駆動部が、１台の制御装置で制御されるものである。
また、請求項５に記載の発明は、シリンジに内挿されたプランジャを駆動部により動作させ、前記シリンジおよび流路内に充填された圧力伝達液を介して前記プローブの先端からサンプル液を吸引および吐出する分注装置の制御方法において、前記プローブと前記シリンジ間と前記流体供給源とを接続する流体移動経路に配置した切り替え弁により連続的に流量を切り替えるものである。
また、請求項６に記載の発明は、前記切り替え弁が、前記駆動装置が前記プランジャを動作させ、前記サンプル液を吐出している時に所定流量に相当するように開口するものである。
また、請求項７に記載の発明は、前記切り替え弁が、前記駆動装置が前記サンプル液を吐出するように前記プランジャを動作させた際の吐出信号を基点として経過時間から所定流量に相当するように開口するものである。
また、請求項８に記載の発明は、前記切り替え弁が、前記駆動装置が前記サンプル液を吐出するように前記プランジャを動作させ、前記プランジャの移動量から所定流量に相当するように開口するものである。
また、請求項９に記載の発明は、前記切り替え弁が、少なくとも２つからなり、前記駆動装置が前記プランジャを動作させ、前記サンプル液を吐出している時に所定流量に相当するように同期して開口するものである。
また、請求項１０に記載の発明は、シリンジに内挿されたプランジャを駆動部により動作させ、前記シリンジおよび流路内に充填された圧力伝達液を介して前記プローブの先端からサンプル液を吸引および吐出する分注装置の制御方法において、前記プローブと前記シリンジ間と前記流体供給源とを接続する流体移動経路に配置した切り替え弁により連続的に流量を切り替えるものである。
また、請求項１１に記載の発明は、前記切り替え弁が、前記駆動装置が前記プランジャを動作させ、前記サンプル液を吐出している時に所定流量に相当するように開口し、圧力伝達液の分岐流路を形成するものである。
また、請求項１２に記載の発明は、前記切り替え弁を開口し、圧力伝達液の流量が変化させ、吐出流量を減少させるものである。
また、請求項１３に記載の発明は、前記流体移動経路の流速が前記流体移動経路の断面積と前記切り替え弁の開口面積の比から求められ、所定の吐出量が得られるものである。
また、請求項１４に記載の発明は、前記流体移動経路の流速が前記流体移動経路の断面積と前記切り替え弁が、少なくとも２つからなり、前記切り替え弁の開口面積の比から求められ、所定の吐出量が得られるものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１から１４に記載の発明によると、これまでの方法では検体の吐出時には電磁弁を閉じていたが、吐出時に電磁弁を所定量開き流量を調整することで、これまで表面張力の影響で吐出させることができなかった微量域での吐出が可能になる。すなわち、分注装置の構成を変えることなく電磁弁を変更することで微量化することができる。また、従来と同じ開閉のみの電磁弁を用いた場合も複数個の弁を使用することで吐出量を段階的に微量化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明の分注装置のシステム構成図である。図において、１はプローブ、２は流路、３はシリンジ、４はプランジャ、５は駆動部、６は制御装置、７は切り替え弁、８は流体供給源、９は駆動部配線、１０は切り替え弁配線となっている。
本発明が従来技術と異なる部分は、切り替え弁の構造であり、従来の切り替え弁が開閉のみで駆動しており、特に吐出する際には弁を閉じていたのに対し、本発明では吐出量を微量化かつ調整可能にするため、切り替え弁を所定量開いて流路内の圧力伝達液の流量を調整している点にある。
以上の構成の分注装置による分注動作は次のように行われる。図示しない２つのモータ（以降、昇降モータ、回転モータ）によって、プローブ１の先端をサンプル液１１に近接させたのち、制御装置６の信号に基づき、駆動部５がシリンジ３の内部容積が増加する方向にプランジャ４をわずかに動かす。この動作によってプローブ６の先端に微量の空気が吸引される。この空気層は次に吸引されるサンプル液１１とプローブ内に充填されている圧力伝達液が混合しないように分離層として配置するものである。その後、昇降モータによってプローブ１の先端をサンプル液１１に挿入する。そこで所定の量だけサンプル液１１を吸入するように制御装置６の信号に基づき、駆動部５がシリンジ１の内部容積が増加する方向にプランジャ４を動かす。サンプル液１１の吸入が完了したのち、制御装置６の信号に基づき、駆動部５がシリンジ３の内部容積が減少する方向にプランジャ４を高速に動かす。プランジャが動いている間の任意のタイミングで切り替え弁７に所定の電流を印加して切り替え弁の流量を変化させる。サンプル液１１の吐出が完了したのち、制御装置６の信号に基づき、駆動部５がシリンジ１の内部容積が減少する方向にプランジャ４を動かし、サンプル液１１の残液を排出するとともにプローブ１の内面を水洗いする。残液の排出後、切り替え弁７を開くと流路２を介して流体供給源８から圧力伝達液が供給される。この際、圧力伝達液の供給はノズル位置と流体供給源の高さの差に起因する圧力差（ヘッド差）により行われる。ヘッド差は、吐出時に弁開放し逆流されるための抗力となるため、微量吐出には不利に働く。したがって、ノズル内面の洗浄効果を落とさない範囲で吐出時の圧力より十分小さく設定する方が望ましいが、困難な場合には別途ポンプ（図示せず）を追加し、洗浄時に使用することでヘッド差を不要にすることも可能である。この状態で制御装置６の信号に基づき、駆動部５がシリンジ３の内部容積が増加する方向にプランジャ４を動かすことでプローブ１内に圧力伝達液を満たした状態でプランジャを初期位置に戻すことができる。以上がサンプル液１１の吐出に関する一連の動きである。切り替え弁には比例ソレノイドを用いた電流比例型の電磁弁が用いられる。この電流比例型の切り替え弁は通常のＯＮ−ＯＦＦ弁と異なり、電流値に比例的に変位する電磁アクチュエータによって流量を連続的に制御することができるため、吐出量を任意に設定することが可能となる。図２は電流比例型の切り替え弁の流量特性である。印加する電流値を変えることで切り替え弁内部の開口面積を変化させ、流量を調整することができる。
次に、図３を用いて従来の構成で吐出の微量化が困難であることについて説明する。吐出量はプランジャの移動量に依存するため、微量化するためにはプランジャの移動距離を短くしなければならない。次に移動距離を短くした際の駆動部の挙動について説明する。ほとんどの分注装置では駆動部は回転型モータとボールねじ等の直動変換機構を組み合わせたもの若しくはリニア移動型のモータから構成されている。図３にこのようなモータの速度パターンを示す。モータの移動距離が十分ある場合には一般に速度は図３（Ａ）のような台形パターンとなる。ここで、移動距離は速度パターンで作られた面積に相当する。吐出の際、特に１μＬ以下の微量吐出の際にはノズル先端の液表面張力に打ち勝つエネルギーを液体に与えるため、所定の速度、加速度を有するモータの動きが必要となる。これに対して移動距離を短くしていくと定速部が短くなっていき、図３（Ｂ）のように三角形状となる。さらに移動距離を縮めるためには図３（Ｃ）のように最高速度を落とさなければならなくなり、この結果、速度が低下することでサンプル液の吐出が困難になる。したがって所定の速度を維持しつつ移動距離を短くする方法が必要となる。
次に、図４を用いて本実施例による微量化の方法を説明する。吐出量はモータでリニア駆動されるプランジャの移動距離とその動きを伝える圧力伝達液の流量に依存する。モータの加減速はモータの有するトルクにより限界があるため、ここでは、圧力伝達液の流量を変化させることで吐出量を減少させる方法を用いる。流量を変化させる手段として電流比例型の切り替え弁を使用する。切り替え弁を開くということは圧力伝達液の流れが分岐されることになる。流路を流れる圧力伝達液の流速をＱ、流路の断面積をＡとし、切り替え弁の開口部の面積をＢ、開口後の流速をＱ’とすると、Ｑ’は以下のように表される。
Ｑ’＝Ｑ×Ａ／（Ａ＋Ｂ）      （１）
【０００８】
図４は、時間と流速の関係を表したもので、流速パターンで作られた面積は流量に相当する。図４（Ａ）は、切り替え弁を閉じた状態で吐出したときの流路内を流れる圧力伝達液の流速のパターンを示したものである。切り替え弁を閉じた状態ではプランジャの動きがそのまま圧力伝達液に伝わるため、微量吐出の領域では図３（Ｂ）に示したような三角波パターンとなる。図４（Ａ’）はプランジャの移動速度が最大になった時点で切り替え弁を開いた時の圧力伝達液の流速パターンを示している。切り替え弁を開口することで流速はＱからＱ’へ低下する。流量は流速パターンの面積なので、図４（Ａ）と図４（Ａ’）を比較すると、切り替え弁の開口により流量が減少することがわかる。このように流量を減少させることで、これまでモータの動きにより制限され、微量化できなかった領域での吐出が可能となる。
本実施例における切り替え弁を開くタイミングを含めた動作シーケンスを図５に示す。駆動部に吐出動作の信号を送信した時点を基点に時間調整する方法（手段１）とさらに駆動部がエンコーダ信号を有する場合は、エンコーダ値の設定値に達した時点で切り替え弁を開くことでさらに正確にタイミングを制御する方法（手段２）の２通りの場合について記述している。
【実施例２】
【０００９】
図６に構成図を示す。流路２と流体供給源８の間にそれぞれが並列になるように複数個の切り替え弁７を配置している。切り替え弁は開閉のみの状態で同時に使用することで流量を高速に制御することを特徴としている。流路と液体供給源の間の流量調整は開口する切り替え弁７の組み合わせで行う。切り替え弁７１の開口時の面積を１ｘ、替え弁７２の開口時の面積を２ｘ、替え弁７３の開口時の面積を４ｘ、切り替え弁７４の開口時の面積を８ｘとすると切り替え弁を２個乃至３個組み合わせることで、１ｘ〜１０ｘまでの開口面積を１ｘ刻みで調整することが可能になる。開口面積Ｂ’と切り替え弁７１、７２、７３、７４の開閉状態の関係を図７に示す。ここで調整した開口面積により圧力伝達液の流行を変えることができる。流量Ｑ”は次式にて表される。
Ｑ”＝Ｑ×Ａ／（Ａ＋Ｂ’）        （２）
動作フローに関しては、実施例１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施例を示す分注装置のシステム構成図
【図２】切り替え弁の流量特性
【図３】モータの速度パターン
【図４】切り替え弁使用の有無による液体流速の比較
【図５】本発明に第１の実施例における動作フロー
【図６】本発明の第２実施例を示す分注装置のシステム構成図
【図７】本発明の第２実施例における開口面積と切り替え弁開閉状態の関係
【図８】従来の分注装置の構成図
【図９】従来の分注装置の構成図
【符号の説明】
【００１１】
１  プローブ
２  流路
３  シリンジ
４  プランジャ
５  駆動部
６  制御装置
７  切り替え弁
８  流体供給源
９  駆動装置配線
１０切り替え弁配線
【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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