(57)【要約】  ピペット針部と容器に収容されている液体との接触を検出する液面センサ。装置は、超音波を伝送するのに好適な材料を用いて形成されたピペット針部（１１）、ピペット針部を保持する針保持器、ピペット針部に伝送される超音波パルスを発生し、針部の先端（１７）で反射された反射パルスを受信し、さらに、反射パルスに相当する電気出力信号を発生する電子機械変換器（１５）、駆動信号を発生し、また、この信号を、対応した超音波パルスを発生する電子機械変換器（１５）に入力する電子回路手段（３１）であって、ここで、超音波パルスは、ピペット針部（１１）の先端（１７）に伝送される、ピペット針部（１１）の先端（１７）が容器（１３）に収容されている液体（１２）の自由表面（１４）に接触する、針部（１１）の位置を検出するために、電気出力信号を監視する電子回路手段（３１）、および針保持器および該針部を自動的に移動し、針部（１１）をピペット動作位置に配置し、さらに、針部（１１）の先端（１７）を容器（１３）に収容されている液体（１２）の自由表面（１４）に向けて動かすことができる移動手段（２１、２２）を有する。
2010522870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピペット針部の先端と容器に収容されている液体との接触を検出する方法であって、前記検出は、前記ピペット針部がピペット動作を実行するために前記容器内の前記液体に向けて移動する時間間隔内に実施される方法において、
（ａ）前記ピペット針部の先端（１７）から所定距離離れて位置する、前記針部（１１）の一部に機械的に結合されている電子機械変換器（１５）により超音波パルスを前記ピペット針部（１１）に加えることと、
（ｂ）前記超音波パルスを前記ピペット針部に前記加えることにより発生した機械的パルスを、前記ピペット針部（１１）を介して伝送することと、ここで、
（ｃ）前記機械的パルスを伝送することは、前記変換器（１５）により発生した機械的パルスを前記ピペット針部（１１）の前記先端（１７）に向けて伝送することおよび前記先端で反射された機械的パルスを反対方向に伝送することを含む、
（ｄ）前記反射された機械的パルスを前記電子機械変換器（１５）により受信することにより対応する電気出力信号を発生することと、
（ｅ）前記電気出力信号を監視し、飛行時間または信号位相分析によりそれに含まれる少なくとも１つの特定成分を選び、前記ピペット針部（１１）が前記容器（１３）に収容されている前記液体（１２）の自由表面（１４）に接触する、前記針部（１１）の位置を検出するために、前記出力信号の前記少なくとも１つの選ばれた成分のパラメータの所定の特性の時間による変化を評価し、さらに、前記評価の結果を意味する結果的な信号を提供することとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記超音波パルスは、前記針部（１１）および前記電子機械変換器（１５）に機械的に結合されている連結部材（１６）を介して前記ピペット針部に加えられ、前記連結部材（１６）は、前記ピペット針部の前記先端（１７）から所定距離離れて位置する、前記針部（１１）の一部に結合されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記針部は、選ばれた波の振動モードを有する超音波パルスが加えられることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４】
前記針部は、縦波の振動モードを有する超音波パルスが加えられることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記針部は、横波の振動モードを有する超音波パルスが加えられることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記連結部材（１６）は、前記針部の前記先端（１７）で反射された反射超音波の縦波成分を前記電子機械変換器（１５）に選択的に伝送することを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項７】
前記出力信号の前記少なくとも１つの特定成分を前記選ぶことは、前記反射された機械的パルスの縦波モードに対応するその成分を選ぶことを含むことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記出力信号の前記少なくとも１つの特定成分を前記選ぶことは、前記反射された機械的パルスの横波モードに対応するその成分を選ぶことを含むことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記出力信号の前記少なくとも１つの特定成分を前記選ぶことは、前記反射された機械的パルスの縦波モードに対応するその第１の成分を選ぶことおよび前記反射された機械的パルスの横波モードに対応する前記出力信号の第２の成分を選ぶことを含むことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの特定成分は、受信した出力信号の固定飛行時間値により選ばれることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の成分は、受信した出力信号の第１の固定飛行時間値により選ばれ、また、前記第２の成分は、受信した出力信号の第２の固定飛行時間値により選ばれることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記評価することは、前記出力信号の前記少なくとも１つの選ばれた成分の振幅および／または位相の時間による変化を評価することを含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記評価することは、前記ピペット針部（１１）の前記先端（１７）と容器（１３）に収容されている液体（１２）および／または前記液体（１２）の上部に位置する気泡および／または前記容器の開口を閉鎖する蓋との接触を検出するために、前記出力信号の前記少なくとも１つの選ばれた成分の振幅および／または位相を所定値と比較することを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記ピペット針部（１１）に加えられた超音波パルスは、ラム波超音波パルスの選ばれたモードに属することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
ピペット針部と容器に収容されている液体との接触を検出する液面センサにおいて、
（ａ）超音波を伝送するのに好適な材料を用いて形成されており、また、一方の端部に、液体に対するピペット動作を行うことができる先端（１７）を備えるピペット針部（１１）と、
（ｂ）前記ピペット針部（１１）を保持する針保持器と、
（ｃ）前記ピペット針部（１１）に機械的に結合されている電子機械変換器（１５）と、ここで、前記電子機械変換器は、前記ピペット針部（１１）に伝送される超音波パルスを発生し、前記針部（１１）の前記先端（１７）で反射された反射パルスを受信し、さらに、前記反射パルスに相当する電気出力信号を発生する傾向にある、
（ｄ）（ｅ）前記電子機械変換器（１５）に接続された電子回路手段（３１）と、ここで、前記電子回路手段（３１）は、
（ｅ．１）駆動信号を発生し、また、この信号を、前記ピペット針部（１１）の前記先端（１７）に伝送される対応した超音波パルスを発生する前記電子機械変換器（１５）に入力する電気信号発生手段と、
（ｅ．２）前記電子機械変換器（１５）の前記電気出力信号を受信して処理し、飛行時間または信号位相分析により前記出力信号の少なくとも１つの特定成分を選び、前記ピペット針部（１１）の前記先端（１７）が前記容器（１３）に収容されている前記液体（１２）の自由表面（１４）に接触する、前記針部１１の位置を検出するために、前記出力信号の前記少なくとも１つの選ばれた成分のパラメータの所定の特性の時間による変化を評価し、さらに、前記評価の結果を意味する結果的な信号を提供する電気信号処理手段とを備える、
（ｇ）前記針保持器および前記針部を自動的に移動し、前記針部をピペット動作位置に配置し、さらに、前記針部の前記先端を前記容器に収容されている前記液体の前記自由表面に向けて動かすことができる移動手段とを有する液面センサ。
【請求項１６】
前記針部および前記電子機械変換器に結合されている連結部材をさらに有し、前記連結部材は、前記ピペット針部の前記先端から所定距離離れて位置する前記針部の一部に機械的に結合されており、前記連結部材は、前記針部に超音波パルスを加え、また、前記針部の前記先端で反射された前記反射パルスを前記電子機械変換器に伝送するようになっていることを特徴とする請求項１５記載の液面センサ。
【請求項１７】
前記ピペット針部（１１）に超音波を伝送するためには第１の電子機械変換器（２５）が用いられ、また、前記反射された超音波パルスを受信するためには第２の電子機械変換器（２７）が用いられることを特徴とする請求項１５記載の液面センサ。
【請求項１８】
前記ピペット針部（１１）に超音波を伝送するためには第１の電子機械変換器（２５）およびそれに結合された第１の連結部材（２６）が用いられ、また、前記反射された超音波パルスを受信するためには第２の電子機械変換器（２７）およびそれに結合された第２の連結部材（２８）が用いられることを特徴とする請求項１６記載の液面センサ。
【請求項１９】
前記連結部材（１６）は、前記電子機械変換器（１５）により放出された超音波の縦波成分を前記針部（１１）に伝送するようになっていることを特徴とする請求項１６記載の液面センサ。
【請求項２０】
前記連結部材（１６）は、前記電子機械変換器（１５）により放出された超音波の横波成分を前記針部（１１）に伝送するようになっていることを特徴とする請求項１６記載の液面センサ。
【請求項２１】
前記連結部材（１６）は、前記針部の前記先端（１７）で反射された反射超音波パルスの縦波成分を前記電子機械変換器（１５）に選択的に伝送するようになっていることを特徴とする請求項１６記載の液面センサ。
【請求項２２】
前記連結部材（１６）は、前記針部の前記先端（１７）で反射された反射超音波パルスの横波成分を前記電子機械変換器（１５）に選択的に伝送するようになっていることを特徴とする請求項１６記載の液面センサ。
【請求項２３】
前記駆動信号は高周波のパルス信号であることを特徴とする請求項１５〜２２のいずれか１項に記載の液面センサ。
【請求項２４】
前記電子回路手段は、前記出力信号の前記少なくとも１つの選ばれた成分の振幅または位相の時間による変化を評価する手段を有することを特徴とする請求項１５または１６のいずれか１項に記載の液面センサ。
【請求項２５】
前記出力信号の前記少なくとも１つの選ばれた成分の振幅および／または位相の時間による変化を前記評価する手段は、所定のアルゴリズムによることを特徴とする請求項２４記載の液面センサ。
【請求項２６】
前記出力信号の前記少なくとも１つの選ばれた成分の振幅および／または位相の時間による変化を前記評価する手段は、反射された超音波の振幅または位相の変化を検出し、また、前記針部（１１）内の不連続部の存在若しくは前記針部（１１）と外部オブジェクトまたは媒体との接触を意味する出力信号を発生させる手段を有することを特徴とする請求項２４記載の液面センサ。
【請求項２７】
前記出力信号の前記少なくとも１つの選ばれた成分の振幅および／または位相の時間による変化を前記評価する手段は、反射された超音波の振幅または位相の変化を検出し、また、前記針部（１１）の前記先端（１７）の前記容器に収容されている前記液体（１２）中への針入深さに対応する出力信号を発生させる手段を有することを特徴とする請求項２４記載の液面センサ。
【請求項２８】
前記電子機械変換器（１５）は、ラム波超音波パルスの選ばれたモードに属する超音波パルスを前記ピペット針部（１１）に加えるようになっていることを特徴とする請求項１５記載の液面センサ。
【請求項２９】
前記電子機械変換器（１５）および前記連結部材（１６）は、ラム波超音波パルスの選ばれたモードに属する超音波パルスを前記ピペット針部（１１）に加えるようになっていることを特徴とする請求項１６〜２５のいずれか１項に記載の液面センサ。
【請求項３０】
ピペット針部により一定体積の液体を、容器（１３）に収容されている液体（１２）に投与するまたは容器（１３）に収容されている液体（１２）から吸引するピペット装置において、請求項１０〜１９のいずれか１項に記載の液面センサを有することを特徴とするピペット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピペット針部と容器に収容されている液体との接触を検出する方法および液面センサに関する。
【０００２】
本発明は、さらに、ピペット針部により一定体積の液体を、容器に収容されている液体に投与するまたは容器に収容されている液体から吸引することができるピペット装置に関し、後者の装置は、上述した種類の液面センサを有する。
【背景技術】
【０００３】
液面検出は、自動化された化学分析装置において重要な役割を果たしていて、ピペット操作をより良く制御できるようにする。ピペット操作を行う場合、ピペット針部が、収容されている試料を吸引するまたは一定体積の別の液体を容器内の液体に投与するために容器に収容されている液体に接触する。残留量を縮小し、また、ピペット装置についての所望の精度を達成するためには、ピペット針部と容器の収容物との接触が、最小限であるようになっていることが必要である。このためには、液体に対するピペット針部先端の針入深さを最小にすることが望ましい。液面検出は、このために重要な役割を果たす。
【０００４】
液面を検出する多くの方法は、普通の状況下においては信頼性が高いものであるが、ピペット装置の操作がピペット針部による容器閉鎖体の穿刺を含むときまたはピペット針部が容器に収容されている液体の表面に達する前に気泡と接触するときには、役立たなくなる。
【０００５】
通常は試薬の保管に用いられる、カバーにより閉鎖された液体容器の場合には、ピペット装置の液面センサは、容器のカバーまたは閉鎖体（メンブレン、箔）の下方に位置する液面を検出できるものでなければならない。その場合には、化学分析装置に広く用いられている静電容量式液面センサは適切に動作することができず、濡れたカバーに対向したとき、誤って液面検出を表示する。また、静電容量式液面検出器も、しばしば液面の上に位置する気泡を、それがあたかも液面であるかのように誤って検出する。
【発明の概要】
【０００６】
したがって、本発明の第１の目的は、ピペット針部と容器に収容されている液体との接触を確実に検出し、よって、ピペット針部の先端が該液体の自由表面に接触する位置を確実に判定することができる方法および液面センサを提供することである。
【０００７】
本発明の第１の観点によると、上述した第１の目的は、各々請求項１および１５に記載されている方法と液面センサにより達成される。好ましい実施形態は、各々従属請求項２〜１４および従属請求項１６〜２６に記載されている。
【０００８】
本発明によると、超音波パルスがピペット針部を介して放出され、また、ピペット針部の流体供給先端において反射されたパルスが検出される。この方法は、連続波としての超音波が用いられるシステムとは明らかに異なることに留意すべきである。超音波パルスは、たとえば適切な周波数を有する、短い継続時間の電気信号のパルスを圧電トランスデューサに加えることにより発生する。連続波としての超音波は、たとえば一定振幅と適切な周波数を有する電気信号を圧電トランスデューサに加えることにより発生する。
【０００９】
本発明による方法および液面センサの主たる利点は、連続波に替えて超音波パルスを加えることにより、接触および放出材、このケースにおいてはピペット針部といずれかの外部オブジェクトまたは媒体の間で接触が起こる位置または距離を判定するために超音波パルスの飛行時間を用いることが可能になるということである。また、針部そのものの、最終的には異常事態を生ずる欠陥の有無を判定することも可能である。したがって、上述した第１の目的は、液面に達するためにピペット針部が容器のカバーを穿刺しなければならない場合にも、また、液面に達するためにピペット針部が気泡の中を通過しなければならない場合にも達成可能である。さらに、本発明による方法および液面センサにより成し得る、その先端が液体の自由表面に接触するときのピペット針部の位置の判定は、容器に収容されている液体に対する針部先端の針入深さが最小になるようピペット針部を制御して移動することを可能にする。
【００１０】
本発明の第２の目的は、ピペット装置にピペット針部が存在するか否か、そのようなピペット針部は変形していないか否か、またはピペット針部が本体と望まない接触をしていないか否かの確認をさらに行うことができる液面センサを提供することである。
【００１１】
本発明の第２の観点によると、上述した第２の目的は、請求項２６記載の液面センサの実施形態により達成される。
【００１２】
本発明の第３の目的は、該容器に収容されている該液体に対する該針部先端の針入深さの測定をさらに行うことができる液面センサを提供することである。
【００１３】
本発明の第３の観点によると、上述した第３の目的は、請求項２７記載の液面センサの実施形態により達成される。
【００１４】
本発明の第４の目的は、たとえ気泡が該液体の上に存在するおよび／または蓋が該容器の開口を閉鎖していて、ピペット動作を実行するためにピペット針部により穿刺しなければならない場合にも、ピペット針部により一定体積の液体を、容器に収容されている液体に確実に投与するまたは容器に収容されている液体から確実に吸引することができるピペット装置を提供することである。
【００１５】
本発明の第４の観点によると、上述した第４の目的は、請求項３０記載のピペット装置により達成される。
【００１６】
ここで、添付図面を参照しつつ、好ましい実施形態を用いて本発明について説明する。これらの実施形態は、本発明についての理解を容易にするために示すものであり、限定するものであると理解すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ピペット針部が容器内の液体から離間しているときの、本発明によるピペット装置の構成を示す模式図である。
【図２】ピペット針部が容器内の液体に接触する瞬間の、図１の構成を示す模式図である。
【図３】図２の一部の拡大図である。
【図４】ピペット針部を介して伝播する超音波の放出および反射の方向を示す模式図である。
【図５】図１に示したピペット装置の変更例に用いられた圧電トランスデューサおよび連結部材の模式図である。
【図６】針保持器４１の斜視図である。
【図７】図６の針保持器４１の構成要素への分解斜視図である。
【図８】図６の針保持器４１の切断斜視図である。
【図９】図６の針保持器４１の断面図である。
【図１０】図６の針保持器４１の可動部４５の切断斜視図である。
【図１１】図２の電子回路３１の構造をより詳細に示すブロック図である。
【図１２】図１１の受信器６４の復調・増幅器６６の出力端子７３に出力された、超音波センサ６１の未処理（ＲＡＷ）出力信号の振幅−時間ダイアグラムである。
【図１３】容器１３が開放されており（カバー無し）、また、容器１３内に気泡が存在せず、液面が容器１３の上方に設定された基準点から計測した針部針入深さ８８．３ｍｍの位置にあるときに液面検出により得られた、例としての信号振幅（縦軸）−針部針入深さ（横軸）ダイアグラムであり、信号は、ＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）６８の出力端子７７に出力された液面検出信号である。
【図１４】容器１３が開放されており（カバー無し）、また、容器１３内に気泡が存在しており、液面が容器１３の上方に設定された基準点から計測した針部針入深さ６４ｍｍの位置にあるときに液面検出により得られた、例としての信号振幅（縦軸）−針部針入深さ（横軸）ダイアグラムであり、信号は、ＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）６８の出力端子７７に出力された液面検出信号である。
【図１５】容器１３がカバーにより閉鎖されていて（ピペット針部が図１の液面１４に向けて移動するとき容器１３のカバーを穿刺する）、また、容器１３内に気泡が存在しておらず、液面が容器１３の上方に設定された基準点から計測した針部針入深さ８１ｍｍの位置にあるときに液面検出により得られた、例としての信号振幅（縦軸）−針部針入深さ（横軸）ダイアグラムであり、信号は、ＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）６８の出力端子７７に出力された液面検出信号である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しつつ、好ましい実施形態について説明する。
【００１９】
本発明による液面センサの実施例
以下、ピペット針部と容器に収容されている液体との接触を検出するための、本発明による液面センサの第１の実施形態について図１〜図５を参照しつつ説明する。
【００２０】
図１〜図３に示すように、液面センサは、ピペット針部１１、Ｘ−Ｙ−Ｚ移動装置２２のアーム２１端部の針保持器、電子機械変換器１５、電子機械変換器１５に接続されている電子回路手段３１および針保持器と針部１１を自動的に移動するための移動手段２１、２２を有する。
【００２１】
以下に説明する好ましい実施形態において、電子機械変換器は、たとえば圧電トランスデューサである。
【００２２】
図１〜図５を参照して説明する好ましい実施形態において、液面センサは、ピペット針部１１および圧電トランスデューサ１５に結合されている連結部材１６を有する。別のより簡単な、本発明による液面センサの実施形態において、圧電トランスデューサ１５は、ピペット針部に、たとえば接着剤により直接、すなわち圧電トランスデューサ１５とピペット針部１１の間に配置される連結部材を用いることなく結合されている。
【００２３】
以下、圧電トランスデューサ１５とピペット針部１１の間に配置された連結部材を備える液面センサの好ましい実施形態について説明する。
【００２４】
圧電トランスデューサ１５、連結部材１６およびピペット針部１１は、互いに組み立てられて、図６〜図１０を参照して以下により詳細に説明する超音波センサ６１を構成する。
【００２５】
ピペット針部１１は、超音波を伝送するのに好適な材料を用いて形成されており、また、一方の端部に、液体に対するピペット動作を行うことができる先端１７を有する。針部１１の反対側の端部２９は、針部１１を用いて所定の体積の試料を吸引および投与できるようにするポンピング手段に対しピペット針部を流体連通にする導管１８に接続されている。
【００２６】
アーム２１端部の針保持器は、ピペット針部１１を保持するとともに、それを互いに直交する３方向Ｘ、Ｙ、Ｚに移動する。
【００２７】
圧電トランスデューサ１５は、針部１１に伝送される超音波パルスを発生し、針部の先端１７で反射された反射パルスを受信し、さらに、反射パルスに対応する電気出力信号を発生する。２つの端子１９、２０が、圧電トランスデューサ１５を、電気信号生成手段３１および圧電トランスデューサ１５から送出された出力信号を監視する電気信号モニタリング手段３１に接続する。
【００２８】
連結部材１６は、ピペット針部１１の先端１７から所定距離離れて位置する、針部１１の一部に機械的に結合されている。連結部材１６は、超音波パルスを針部１１に加え、また、針部の先端１７で反射された反射パルスを圧電トランスデューサ１５に伝送するようになっている。
【００２９】
電子回路手段３１は、
駆動信号を発生し、また、この信号を、連結部材１６およびピペット針部１１を介してその先端１７に伝送される対応した超音波パルスを発生する圧電トランスデューサ１５に入力する電気信号発生手段、および
圧電トランスデューサ１５の電気出力信号を受信して処理し、飛行時間または信号位相分析により出力信号の少なくとも１つの特定成分を選び、ピペット針部１１の先端１７が容器１３に収容されている液体１２の自由表面１４に接触する、針部１１の位置を検出するために、出力信号の少なくとも１つの選ばれた成分のパラメータの所定の特性の時間による変化を評価し、さらに、評価の結果を意味する結果的な信号を提供する電気信号処理手段を有する。
【００３０】
移動手段２１、２２は、針保持器および針部を自動的に移動して、針部１１をピペット動作位置に配置する。移動手段２１、２２は、針部１１の先端１７を容器１３に収容されている液体１２の自由表面１４に向けておよび自由表面１４から離れるように動かすことができるようになっている。
【００３１】
図４は、ピペット針部を介して伝播する超音波の、伝送および反射の方向を模式的に示す。図４には、下記の方向と角度が示されている：
Ｖ；圧電トランスデューサが放出した波の方向
Ｌ；両向き矢印により示すように縦方向に振動している反射波の方向
Ｌ’；縦方向に振動している入射超音波の方向
Ｔ；両向き矢印により示すように横方向に振動している反射波の方向
Ｔ’；横方向に振動している入射超音波の方向。振動の形態は、図４の符号Ｔ’に近接する左側に模式的に示されている。
θL；連結部材１６により決まる屈折角
θ’L；連結部材１６により決まる屈折角
θT；連結部材１６により決まる屈折角
θ’T；連結部材１６により決まる屈折角
【００３２】
図５に示した好ましい実施形態においては、超音波パルスの伝送および受信を行うために別々のトランスデューサと連結部材が用いられる。第１の圧電トランスデューサ２５およびそれに結合された第１の連結部材２６が、超音波を針部１１に伝送するために用いられ、第２の圧電トランスデューサ２７およびそれに結合された第２の連結部材２８が、反射された超音波パルスを受信するために用いられる。２つの端子３２、３３が、圧電トランスデューサ２５を電気信号生成手段３１と、圧電トランスデューサ２５から送出された出力信号を監視する電気信号モニタリング手段３１に接続する。２つの端子３４、３５が、圧電トランスデューサ２７を電気信号生成手段３１と、圧電トランスデューサ２７から送出された出力信号を監視する電気信号モニタリング手段３１に接続する。
【００３３】
図５に示した実施形態の変更例において、第１の圧電トランスデューサ２５および第２の圧電トランスデューサ２７は、ピペット針部１１に直接、すなわち各々のトランスデューサと針部の間にいずれの連結部材をも用いることなく結合されている。
【００３４】
好ましい実施形態において、連結部材１６は、圧電トランスデューサ１５が放出した超音波の縦波成分を針部１１に伝送するようになっている。
【００３５】
別の好ましい実施形態において、連結部材１６は、圧電トランスデューサ１５が放出した超音波の横波成分を針部１１に伝送するようになっている。
【００３６】
好ましい実施形態において、連結部材１６は、針部の先端１７で反射された反射超音波パルスの縦波成分を圧電トランスデューサに選択的に伝送するようになっている。
【００３７】
好ましい実施形態において、連結部材１６は、針部の先端１７で反射された反射超音波パルスの横波成分を圧電トランスデューサに選択的に伝送するようになっている。
【００３８】
好ましい実施形態において、電子回路手段３１は、出力信号の少なくとも１つの選ばれた成分の振幅または位相の時間による変化を評価する手段を有する。
【００３９】
好ましい実施形態において、出力信号の少なくとも１つの選ばれた成分の振幅および／または位相の時間による変化を評価する手段は、所定のアルゴリズムによる。
【００４０】
好ましい実施形態において、出力信号の少なくとも１つの選ばれた成分の振幅および／または位相の時間による変化を評価する手段は、反射された超音波の振幅または位相の変化を検出し、また、針部１１内の不連続部の存在若しくは針部１１と外部オブジェクトまたは媒体との接触を意味する出力信号を発生させる手段を有する。
【００４１】
好ましい実施形態において、出力信号の少なくとも１つの選ばれた成分の振幅および／または位相の時間による変化を評価する手段は、反射された超音波の振幅または位相の変化を検出し、また、針部１１の先端１７の容器１３に収容されている液体１２中への針入深さに対応する出力信号を発生させる手段を有する。
【００４２】
好ましい実施形態において、圧電トランスデューサ１５および連結部材１６は、ラム波超音波パルスの選ばれたモードに属する超音波パルスをピペット針部１１に加えるようになっている。
【００４３】
本発明による方法の実施例
ピペット針部の先端と容器に収容されている液体との接触を検出する本発明による方法において、検出は、ピペット針部がピペット動作を実行するために容器内の液体に向けて移動する時間間隔内に実施される第１の実施形態について、以下に説明する。
【００４４】
この第１の実施形態による方法は、たとえば本明細書に記載された種類の液面センサを用いて実施され、
（ａ）ピペット針部１１の先端１７から所定距離離れて位置する、針部１１の一部に機械的に結合されている圧電トランスデューサ１５により超音波パルスをピペット針部１１に加えること、
（ｂ）超音波パルスをピペット針部１１に加えることにより発生した機械的パルスを、ピペット針部１１を介して伝送すること、ここで、
（ｃ）機械的パルスを伝送することは、トランスデューサ１５により発生した機械的パルスをピペット針部１１の先端１７に向けて伝送することおよび先端１７で反射された機械的パルスを反対方向に伝送することを含む、
（ｄ）反射された機械的パルスを圧電トランスデューサ１５により受信することにより対応する電気出力信号を発生すること、および
（ｅ）電気出力信号を監視し、飛行時間または信号位相分析によりそれに含まれる少なくとも１つの特定成分を選び、さらに、ピペット針部１１の先端１７が容器１３に収容されている液体１２の自由表面１４に接触する、針部１１の位置を検出するために、出力信号の少なくとも１つの選ばれた成分のパラメータの所定の特性の時間による変化を評価し、さらに、評価の結果を意味する結果的な信号を提供することを含む。
【００４５】
好ましい実施形態において、超音波パルスは、針部（１１）および圧電トランスデューサ（１５）に機械的に結合されている連結部材（１６）を介してピペット針部に加えられ、連結部材（１６）は、ピペット針部の先端（１７）から所定の距離離れて位置する、ピペット針部（１１）の一部に結合されている。圧電トランスデューサ（１５）とピペット針部（１１）の間に配置された連結部材を用いることを含む、本発明による方法の実施形態について、以下に説明する。
【００４６】
好ましい実施形態において、選ばれた波の振動モードを有する超音波パルスが、針部１１に加えられる。
【００４７】
好ましい実施形態において、縦波の振動モードを有する超音波パルスが、針部１１に加えられる。
【００４８】
別の実施形態において、横波の振動モードを有する超音波パルスが、針部１１に加えられる。
【００４９】
好ましい実施形態において、連結部材１６は、針部１１の先端１７で反射された反射超音波の縦波成分を圧電トランスデューサ１５に選択的に伝送する。
【００５０】
別の実施形態において、連結部材１６は、針部１１の先端１７で反射された反射超音波の横波成分を圧電トランスデューサ１５に選択的に伝送する。
【００５１】
好ましい実施形態において、出力信号の少なくとも１つの特定成分を選ぶことは、反射された機械的パルスの所定の縦波モードに対応する少なくとも１つのその成分を選ぶことを含む。
【００５２】
別の実施形態において、出力信号の少なくとも１つの特定成分を選ぶことは、反射された機械的パルスの所定の横波モードに対応する少なくとも１つのその成分を選ぶことを含む。
【００５３】
好ましい実施形態において、出力信号の少なくとも１つの特定成分は、受信した出力信号の固定飛行時間値により選ばれる。
【００５４】
別の好ましい実施形態において、出力信号の少なくとも１つの特定成分を選ぶことは、該反射された機械的パルスの縦波モードに対応するその第１の成分を選ぶことおよび該反射された機械的パルスの横波モードに対応する該出力信号の第２の成分を選ぶことを含む。好ましい実施形態において、第１の成分は、受信した出力信号の第１の固定飛行時間値により選ばれ、また、第２の成分は、受信した出力信号の第２の固定飛行時間値により選ばれる。これらの実施形態は、ピペット針部１１の先端１７と容器１３内の液体１２の自由表面１４との接触を検出する際に、より高い信頼性と精度をもたらすという利点を提供する。
【００５５】
好ましい実施形態において、評価することは、出力信号の少なくとも１つの選ばれた成分の振幅および／または位相の時間による変化を評価することを含む。
【００５６】
好ましい実施形態において、評価することは、ピペット針部１１の先端１７と容器１３に収容されている液体１２および／または液体１２の上部に位置する気泡および／または容器の開口を閉鎖する蓋との接触を検出するために、出力信号の少なくとも１つの選ばれた成分の振幅および／または位相を所定値と比較することを含む。
【００５７】
好ましい実施形態において、ピペット針部１１に加えられた超音波パルスは、ラム波超音波パルスの選ばれたモードに属する。
【００５８】
本発明による液面センサ用の針保持器の実施例
以下、図６〜図１０を参照しつつ、本発明による液面センサ用の針保持器の実施例について説明する。
【００５９】
図６は、ハウジング４２を備える針保持器４１の斜視図である。ハウジング４２は、針保持器４１、よってピペット針部１１を互いに直交する３方向Ｘ−Ｙ−Ｚに動かすためのＸ−Ｙ−Ｚ移動装置のアーム２１に針保持器４１を連結する連結部５０を有する。針保持器４１は、超音波センサ６１（図６には示さず）を図２の電子回路３１に接続する電気的接続部４８を有する。針保持器４１は、ハウジング４２内に設けられた可動部４５（図６には示さず）の位置を調節するための回転式ノブ５１をさらに有する。回転式ノブ５１は、針保持器４１の側壁４４に隣接している。針保持器４１内に装着されたピペット針部１１の長さ方向対称軸３０は、図６に示した座標軸Ｘ−Ｙ−ＺのＺ軸に合わされている。
【００６０】
図７は、図６の針保持器４１の構成要素への分解斜視図である。図６を参照してすでに説明した部品の他に、図７は、ハウジング４２内に設けられた下記の構成要素を示す、すなわち、バネ５６、可動部４５、カムディスク４９、圧電トランスデューサ１５を含む超音波センサ６１、音響レンズ５２、スタートアップレングス５５およびその先端１７に終端をなすピペット針部１１の下部である。たとえばアルミニウムにより形成されている音響レンズ５２と、たとえばプレキシグラス（商標）により形成されているスタートアップレングス５５は、図１〜図３に示したような、圧電トランスデューサ１５およびピペット針部１１に結合された連結部材１６を構成する。可動部４５は、ピペット針部を導入可能な開口５９を備え、また、電気的接続部４８を装着することができる基部６０を有する。
【００６１】
図８は、図６の針保持器４１の切断斜視図である。図９は、針保持器４１の、図６に示した面Ｘ−Ｚに沿った断面図である。図６と図７を参照してすでに説明した部品の他に、図８と図９は、ピペット針部１１と超音波センサ６１が、可動部４５内にどのように配置されているかを示す。図８と図９は、バネ５６の上部が、針保持器４１のハウジング４２の壁４３に取り付けられており、また、バネ５６の下部が、ピペット針部１１の１つの側部を押圧するように配置されていることを示す。可動部４５の位置、よって針部１１のＸ方向の位置は、回転式ノブ５１によりカムディスク４９の角度位置を調節することにより調節可能である。ノブ５１、よってカムディスク４９を第１の方向に回転させることにより、可動部４５、よって針部１１がバネ５６に向けての変位を起こし、これにより、針部１１は、針保持器４１内のその動作位置に移動する。ノブ５１、よってカムディスク４９を第１の方向とは反対の第２の方向に回転させることにより、可動部４５、よって針部１１がバネ５６から離れる向きへの変位を起こし、これにより、針部１１を可動部４５内のその位置から取り外すことが可能になる。
【００６２】
可動部４５は、構成要素１５、５２、５５により構成される超音波センサ６１を収容するチャンバ５３を有する。チャンバ５３は、一方では圧電トランスデューサをハウジング４２の壁により反射された超音波から保護する防音材であり、また、他方では圧電トランスデューサ１５の電気的接地極を液面センサの接地極に電気的に接続する導電性のポッタント（pottant）が充填されていることが好ましい。圧電トランスデューサ１５に電気的に接触している電気接続線４７の端部は、電気絶縁体５４に埋め込まれている。
【００６３】
図１０は、図６の針保持器４１の可動部４５の切断斜視図である。図６〜図１０を参照してすでに説明した部品に加え、図１０は、針部１１の下部が連結部材１６の一部であるスタートアップレングス５５の溝６９に配置されていることを示す。溝６９の大きさは、針部１１の断面外端の概ね二分の一が溝６９の中にぴったり嵌合するよう選ばれる。
【００６４】
本発明による液面センサの圧電トランスデューサを駆動し、また、圧電トランスデューサの出力信号を処理する電子回路の実施例
以下、図１１〜図１５を参照しつつ、本発明による液面センサの圧電トランスデューサの出力信号を評価する電子回路の実施例について説明する。
【００６５】
図１１は、図２の電子回路３１のブロック図および図６〜図１０を参照して上述した超音波センサ６１を示す。図１１に示すように、電子回路３１は、送信器６２、マイクロコントローラ・ＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器）回路６３、受信器６４およびＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）回路６８を有する。
【００６６】
図１１は、種々のブロック間の下記の接続を示す。
７１；送信器６２の出力側と超音波センサ６１の間の電気的接続
７２；超音波センサ６１と受信器６４の入力側の間の電気的接続
７３；復調・増幅器６６の出力端子
７４；同期整流器６７の出力側とマイクロコントローラ・ＡＤＣ６３の入力側の間の電気接続
７５；マイクロコントローラの出力側と送信器６２の入力側の間の電気的接続
７６；マイクロコントローラ・ＡＤＣ６３の出力側とＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）６８の間の電気的接続
７７；ＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）６８の出力端子
【００６７】
図１２は、図１１の受信器６４の復調・増幅器６６の出力端子７３に出力された、超音波センサ６１の未処理（RAW）出力信号の振幅−時間ダイアグラムである。超音波センサ６１の未処理出力信号の部分８１は、ピペット針部１１の縦振動モードに対応する。超音波センサ６１の未処理出力信号の部分８２は、ピペット針部１１の横振動モードに対応する。
【００６８】
図１３は、容器１３が開放されており（カバー無し）、また、容器１３内に気泡が存在しておらず、液面が容器１３の上方に設定された基準点から計測した針部針入深さ８８．３ｍｍの、図１３に破線で示した位置にあるときに液面検出により得られた、例としての信号振幅（縦軸）−針部針入深さ（横軸）ダイアグラムである。図１３に示した信号は、ＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）６８の出力端子７７に出力された液面検出信号である。
【００６９】
図１４は、容器１３が開放されていて（カバー無し）、また、容器１３内に気泡が存在しており、液面が容器１３の上方に設けられた基準点から計測した針部針入深さ６４ｍｍの、図１４に破線で示した位置にあるときに液面検出により得られた、例としての信号振幅（縦軸）−針部針入深さ（横軸）ダイアグラムである。図１４に示した信号は、ＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）６８の出力端子７７に出力された液面検出信号である。
【００７０】
図１５は、容器１３がカバーにより閉鎖されていて（ピペット針部が図１の液面１４に向けて移動するとき容器１３のカバーを穿刺する）、また、容器１３内に気泡が存在しておらず、液面が容器１３の上方に設定された基準点から計測した針部針入深さ８１ｍｍの、図１５に破線で示した位置にあるときに液面検出により得られた、例としての信号振幅（縦軸）−針部針入深さ（横軸）ダイアグラムである。図１５に示した信号は、ＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）６８の出力端子７７に出力された液面検出信号である。
【００７１】
好ましい実施形態において、ＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）６８の出力端子７７に出力された液面検出信号は、ピペット針部と容器１３内の液体１２の自由表面１４との接触を意味する信号を発生させるために、たとえば信号の振幅を所定の閾値と比較するまたは信号の振幅の時間についての一次導関数を所定の閾値と比較するなどの、さらなる処理が行なわれる。そのような信号は、ピペット装置の動作を最適にするために、たとえばピペット操作時に、針部１１の先端１７の液体１２中への針入深さが確実に所定の最小値に等しくなるようにするために用いるのに適している。
【００７２】
本発明によるピペット装置の実施例
本発明によるピペット装置は、ピペット針部により一定体積の液体を、容器１３に収容されている液体１２に投与するまたは容器１３に収容されている液体から吸引することができる装置である。本発明によるピペット装置は、先に説明した種類の液面センサを有することを特徴とする。
【００７３】
特定の用語を用いて本発明の好ましい実施形態についての説明を行ったが、そのような説明は、単に例示だけを目的としており、当業者には明白な変更例および変形例は、後記の請求項およびそれらの等価物の範囲に包含されると了解されるものとする。
【符号の説明】
【００７４】
１１  ピペット針部
１２  液体
１３  容器
１４  液面
１５  電子機械変換器／圧電トランスデューサ
１６  連結部材
１７  ピペット針部の先端
１８  ピペット針部１１に接続された導管
１９  電気接続リード線
２０  電気接続リード線
２１  Ｘ−Ｙ−Ｚ移動装置のアーム
２２  Ｘ−Ｙ−Ｚ移動装置
２３  針保持器のハウジング部
２４  針保持器のハウジング部
２５  電子機械変換器／圧電トランスデューサ
２６  連結部材
２７  電子機械変換器／圧電トランスデューサ
２８  連結部材
２９  導管１８に接続された針部１１の端部
３０  ピペット針部１１の長さ方向対称軸
３１  信号を発生するためのおよびピペット針部の先端で反射された超音波に対応する信号を評価するための電子回路
３２  電気接続リード線
３３  電気接続リード線
３４  電気接続リード線
３５  電気接続リード線
４１  針保持器
４２  ハウジング
４３  ハウジングの壁
４４  ハウジングの壁
４５  針保持器の可動部
４６  針部１１の先端部を収容する空洞
４７  電気接続線
４８  電気的接続部
４９  カムディスク
５０  Ｘ−Ｙ−Ｚ移動装置２２のアーム２１に連結するための連結部
５１  回転式ノブ
５２  音響レンズ
５３  可動部４５内のチャンバ
５４  電気絶縁体
５５  スタートアップレングス
５６  バネ
５７  針部１１の上部
５８  孔
５９  開口
６０  接続部４８の基部
６１  超音波センサ
６２  送信器
６３  マイクロコントローラ・ＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器）回路
６４  受信器
６５  高周波増幅器
６６  復調・増幅器
６７  同期整流器
６８  ＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）回路
６９  スタートアップレングス５５の溝
７１  送信器６２の出力側と超音波センサ６１の間の電気的接続
７２  超音波センサ６１と受信器６４の入力側の間の電気的接続
７３  復調・増幅器６６の出力端子
７４  同期整流器６７の出力側とマイクロコントローラ・ＡＤＣ６３の入力側の間の電気接続
７５  マイクロコントローラの出力側と送信器６２の入力側の間の電気的接続
７６  マイクロコントローラ・ＡＤＣ６３の出力側とＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）６８の間の電気的接続
７７  ＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）６８の出力端子
８１  ピペット針部１１の縦振動モードに対応する、超音波センサ６１の未処理出力信号の部分
８２  ピペット針部１１の横振動モードに対応する、超音波センサ６１の未処理出力信号の部分
Ｖ  電子機械変換器、たとえば圧電トランスデューサが放出した波の方向
Ｌ  両向き矢印により示すように縦方向に振動している反射波の方向
Ｌ’  縦方向に振動している入射超音波の方向
Ｔ  両向き矢印により示すように横方向に振動している反射波の方向
Ｔ’  横方向に振動している入射超音波の方向。振動の形態は、図４の符号Ｔ’に近接する左側に模式的に示されている。
θL  連結部材１６により決まる屈折角
θ’L  連結部材１６により決まる屈折角
θT  連結部材１６により決まる屈折角
θ’T  連結部材１６により決まる屈折角
【図１】
2010522870.tif 000003
【図２】
2010522870.tif 000004
【図３】
2010522870.tif 000005
【図４】
2010522870.tif 000006
【図５】
2010522870.tif 000007
【図６】
2010522870.tif 000008
【図７】
2010522870.tif 000009
【図８】
2010522870.tif 000010
【図９】
2010522870.tif 000011
【図１０】
2010522870.tif 000012
【図１１】
2010522870.tif 000013
【図１２】
2010522870.tif 000014
【図１３】
2010522870.tif 000015
【図１４】
2010522870.tif 000016
【図１５】
2010522870.tif 000017
【国際調査報告】
2010522870.tif 000018
2010522870.tif 000019
2010522870.tif 000020