(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル基部とそれに装着されるノズルチップとで構成され、試料を吸引する中空のノズルと、
前記ノズルを搬送するノズル搬送機構と、
前記ノズル基部に設けられ、前記ノズルの基端側からノズル内部空間に超音波を放射し、反射波を受波する超音波センサと、
前記超音波センサからの受信信号に基づいてノズル内に吸引された試料の液面を検出するノズル内液面検出手段と、
を含み、
前記超音波センサの送受波面は前記ノズル内部空間に臨んでおり、そこからノズル先端側へ超音波が放射されることを特徴とする分注装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記検出された液面に基づいて、ノズル先端から液面までの高さを演算する液面高さ演算手段を有することを特徴とする分注装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、
前記検出された液面に基づいて前記ノズル内に吸引された試料の吸引量を演算する吸引量演算手段を含むことを特徴とする分注装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置において、
試料吐出時における液面の下降量に基づいて前記ノズルから吐出された試料の吐出量を演算する吐出量演算手段を含むことを特徴とする分注装置。
【請求項５】
請求項１記載の装置において、
試料保持状態における液面の変動に基づいて液漏れを判定する液漏れ判定手段を含むことを特徴とする分注装置。
【請求項６】
請求項１記載の装置において、
試料吸引時における液面の変動に基づいて吸引異常を判定する吸引異常判定手段を含むことを特徴とする分注装置。
【請求項７】
請求項６記載の装置において、
前記検出された液面に基づいて、ノズル先端から液面までの高さを演算する液面高さ演算手段を有し、
前記吸引異常判定手段は、吸引時におけるノズル先端から液面までの高さの時間的な変動が適正範囲から外れた場合に吸引異常を判定することを特徴とする分注装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は試料吸引装置、特に自動分注装置における超音波を利用した液面検出に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分注装置は、試料（元検体）が入った試料容器から試料を吸引し、その吸引試料を複数の容器に分配するための装置である。かかる分注装置において、試料の吸引・吐出は、吸引圧力及び吐出圧力を発生する分注ポンプにエアチューブを介して接続されたノズルによって行われる。近年、金属製のノズル基部に、樹脂などからなるノズルチップを装着し、ノズルを部分的にディスポーザブル化したものが普及している。なお、本明細書では、便宜上、試料の吸引のみを行う装置も分注装置の概念に含めることにする。
【０００３】
分注装置において分注精度を高めるためには、ノズルによって吸引した試料の液量（吸引量）やノズルから吐出した試料の液量（吐出量）を正確に管理する必要がある。そこで、従来、ノズルの長手方向に沿って光を透過させ、透過光量の変化に基づいて液量の監視を行うことが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の透過光を利用した液量監視においては、不透明又は透明性の低いノズルが用いられると測定が不可能又は測定精度が低下するという問題があった。また、ノズル自体が透明であっても、着色された試料を吐出する場合には、吐出後においてもノズル内面に試料が付着して、液面が明確に測定できないという問題もある。
【０００５】
なお、分注装置において、分注精度の向上及び分注の信頼性を高めるためには、吸引異常及び液漏れの検出を行うことが望まれる。そのため、従来においては、ノズルに連結された配管系の内圧を監視して、内圧の異常変動に基づいて吸引異常及び液漏れを判定していた。しかし、これらの手法は、ノズル内の液面の変動自体を直接的に監視するものではない。
【０００６】
なお、特開平７−１４６１６８号公報や特開平６−３４１９９８号公報には、超音波振動子を備えた超音波伝播体を利用して液面検出を行うことが記載されているが、いずれもノズル内の液面検出を行うものではない。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、ノズル内の液面を直接監視して、吸引量及び吐出量を高精度に測定することにある。
【０００８】
また、本発明の目的は、超音波による液面検出を利用して、吸引量、吐出量、液漏れ、吸引異常を判定できる分注装置を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の目的は、ノズル固有の導波管のような形態を利用して、液面検出のための超音波の集束と外来ノイズの遮断を達成できる分注装置を提供することにある。
【００１０】
さらに、本発明の目的は、着色、非着色を問わずノズル内の液面検出を行える分注装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、ノズル基部とそれに装着されるノズルチップとで構成され、試料を吸引する中空のノズルと、前記ノズルを搬送するノズル搬送機構と、前記ノズル基部に設けられ、前記ノズルの基端側からノズル内部空間に超音波を放射し、反射波を受波する超音波センサと、前記超音波センサからの受信信号に基づいてノズル内に吸引された試料の液面を検出するノズル内液面検出手段と、を含み、前記超音波センサの送受波面は前記ノズル内部空間に臨んでおり、そこからノズル先端側へ超音波が放射されることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、ノズルには超音波センサが設けられ、その超音波センサからノズル内部空間に超音波が送波される。そして、ノズル内の液面にて反射した反射波が超音波センサにて受波される。よって、受信信号を監視すれば、所定レベル以上のエコーとして液面を判別できる。この場合、送信時から液面エコー発生時までの時間はノズル内における試料の液面の高さに相関するものである。
【００１３】
ノズルはそれ自体が音波路として機能し、送波された超音波が発散することなく、ノズル基端側から先端側へ導かれる。このことは反射波についても同様であり、反射波も発散することなく、ノズル内を戻って超音波センサにて受波される。また、ノズルの壁面は外来ノイズの遮蔽部材として機能する。よって、ノズル内での超音波の送受波によれば、Ｓ／Ｎ比を向上することができ、高精度の液面検出を実現できる。
【００１４】
本発明の好適な態様では、前記検出された液面の高さを演算する液面高さ演算手段を有する。すなわち、送信時から液面反射波が得られるまでの時間から、超音波センサから液面までの超音波伝搬距離を演算でき、ノズル内部の長さからその伝搬距離を引けばノズル先端から液面までの高さを容易に求められる。もちろん、反射波が生じるまでの反射波時間は、液面の高さの関数となるので、テーブルなどを利用すれば反射波時間から直接的に液面の高さを演算できる。
【００１５】
本発明の好適な態様では、前記検出された液面に基づいて前記ノズル内に吸引された試料の吸引量を演算する吸引量演算手段を含み、また、試料吐出時における液面の下降量に基づいて前記ノズルから吐出された試料の吐出量を演算する吐出量演算手段を含む。すなわち、ノズル内部の形態が既知であれば、液面の高さから液量（吸引量）を演算でき、また液面の下降量から吐出量も演算できる。
本発明の好適な態様では、試料保持状態における液面の変動に基づいて液漏れを判定する液漏れ判定手段を含む。すなわち、配管系のいずれかの箇所やノズル基部とノズルチップとの間の嵌合部でリーク（エア吸い込み）が発生すると、液漏れが生じ、ノズル内に吸引した試料の液面が徐々に下がることになるので、その液面の時間的な変動を検出して、液漏れを判定するものである。
【００１６】
また、本発明の好適な態様では、試料吸引時における液面の変動に基づいて吸引異常を判定する吸引異常判定手段を含む。ここで、前記吸引異常判定手段は、望ましくは、吸引時における液面高さの時間的な変動が適正範囲から外れた場合に吸引異常を判定する。
【００１７】
すなわち、試料吸引時にノズル先端開口のつまりや上記リークが発生すると、液面の変動も異常となるので、分注の信頼性を向上するために、吸引異常を判定するものである。
【００１８】
以上のように、本発明によれば、試料吸引、試料保持、試料吐出の一連の分注工程で超音波による液面検出を有効に活用できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１には、本発明に係る分注装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成図である。試料の吸引及び吐出を行うノズル１０は、この実施形態において、金属製のノズル基部１２と透明な樹脂などで成形されたノズルチップ１４とで構成される。ノズル基部１２の下端には、外面がテーパ状のチップ装着部１２Ａが形成され、そのチップ装着部１２Ａ内に、ノズルチップ１４の上端部１４Ａが着脱自在に嵌合する。このノズルチップ１４は、いわゆるディスポーザブルとして使用されるものであり、１つの試料の分注後には、次の試料の分注に先立ってノズルチップ１４が交換される。
【００２１】
ノズル１０は、全体として中空パイプ状の形態を有し、別の観点から見れば導波管構造を有している。ノズル基部１２の上端部１２Ｂには、超音波振動子を内蔵した小型の超音波センサ１８が埋設されている。その超音波センサ１８の送受波面は、ノズル１０内部空間に臨んでいる。すなわち、超音波センサ１８の送受波面は、その直下に存在するノズル先端部の内側を向いている。ノズルチップ１４は、その先端部が先細に成形されてテーパ状となっており、その先端には微小孔としての開口１４Ｂが形成されている。なお、その開口１４Ｂの直径は、例えば、０．５〜０．７ｍｍである。
【００２２】
容器２０内には吸引対象としての試料２２が入れられており、その容器２０はラックにより垂直に保持されている。なお、図１には、ノズル１０内に所定量の試料が吸引され、その液面が超音波計測により検出されている状態が示されている。
【００２３】
ノズル基部１２の内部空間は、図１のように分岐されており、その分岐路１２Ｃにはエアチューブ２６を介してエアポンプ２８が連結されている。このエアポンプ２８は、分注ポンプとして機能するもので、具体的にはシリンジ３０とピストン３２とで構成される。シリンジ３０に対するピストン３２の移動量に応じて、吸引圧力又は吐出圧力が発生する。その圧力変化は、エアチューブ２６を介してノズル１０の内部に伝達され、試料の吸引や吐出が行われる。ポンプ２８はポンプ駆動機構３４によって機械的に駆動される。ノズル１０は、ノズル搬送機構３６によって昇降自在、水平移動自在に保持されている。具体的には、ノズル基部１２がノズル搬送機構３６に保持されている。
【００２４】
図１において、主制御部３８は例えばコンピュータで構成されるものであり、分注制御部４０及びノズル内液面検出部（以下、液面検出部）４２を有する。
【００２５】
分注制御部４０は、吸引時・吐出時におけるノズル昇降制御及びポンプ駆動制御に加え、超音波を利用した液面検出のための制御を行っている。分注制御部４０から送信トリガが送信部４４に与えられると、送信部４４から超音波センサ１８に対して送信信号が供給され、これにより超音波センサ１８から超音波パルスが放射される。この超音波パルスは、ノズル１０内部空間（空気内）を伝搬し、ノズル１０内の試料の液面で反射した反射波が超音波センサ１８にて受波される。その受信信号は、受信部４６で増幅、検波、ノイズ除去などの処理がなされた後、ノズル内液面検出部４２に送られ、そこで受信信号に基づいてノズル１０内の液面が検出される。
【００２６】
超音波センサ１８から放射される超音波パルスの中心周波数は、伝搬媒体が空気であること及びノズル１０の内部形態を考慮しつつ、例えば数十ＫＨｚから数Ｍｈｚの間のいずれかの値に設定される。その超音波パルスの送信繰り返し周期は、超音波センサ１８からノズル先端までの距離を超音波パルスが往復する時間よりも大きい値に設定される。超音波パルスを構成する波の波数は、距離分解能や信号強度を考慮して適宜設定するのが望ましい。
【００２７】
図１において、分注制御部４０は、液面高さ演算部５０、吸引量演算部５２、吐出量演算部５４、液漏れ判定部５６及び吸引異常判定部５８を有する。以下各構成について詳述する。
【００２８】
液面高さ演算部５０は、ノズル内液面検出部４２により検出された液面に基づいて、その液面の高さを演算するものである。図２には、受信信号が波形として模式的に例示されている。図２（Ａ）に示すように、受信信号には液面に相当する位置に液面エコー１０２が生じている。したがって、所定のしきい値１００によりその液面エコー１０２を判別すれば、送信時から液面エコー発生時までの時間ｔ1 を求めることができる。そして、そのｔ1 に空気中における超音波の速度を乗算すれば、図３における超音波センサ１８から液面までの距離ｈ1 を演算することができる。ノズルチップ１４の長さは既知であり、したがって超音波センサ１８からノズルチップ１４の先端までの距離ｈ0 も既知となるため、そのｈ0 からｈ1 を引けば求めたい液面の高さｈ2 を簡単に演算することができる。なお、図１に示したノズル内液面検出部４２は図２（Ａ）に示したようにしきい値１００による液面エコー１０２の判別及び時間ｔ1 の計測を行っている。そして、液面高さ演算部５０が、上述のように時間ｔ1 から液面高さｈ2 を演算している。
【００２９】
このように液面高さｈ2 が求まると、吸引量演算部５２は、ノズル１０内に吸引された試料２２の液量を演算する。すなわち、ノズルチップ１４の内部の形態は既知であるため、液面の高さｈ2 から吸引量を演算することができる。この場合、例えばｔ1 から直接的にｈ2 や吸引量などを求めるテーブルを利用してもよい。また、ノズルチップ１４の種類によってそのようなテーブルを切換えて使用してもよい。
【００３０】
図１に示した吐出量演算部５４は、液面の下降量から吐出量を演算するものである。図２（Ｂ）に示すように、最初に液面エコー１０４が時間ｔ1 で生じており、試料吐出後における液面エコー１０６が時間ｔ2 で生じているような場合、それぞれの時間において液量を上述のように演算できるので、各時間における液量の差から図４に示すように吐出量Ｕを求めることができる。なおノズルチップ１４の内径がｔ1 からｔ2 で一定の場合においては図２（Ｂ）に示すようにｔ1 とｔ2 の時間差ｔ3 から直接的に吐出量Ｕを求めてもよい。
【００３１】
図１に示す液漏れ判定部５６は、吸引や吐出を行っていない試料保持状態において、ノズル内の液量を監視することにより配管系などで発生するリークに起因する液漏れを判定するものである。具体的には、図５に示すように、ポンプ停止状態において、液面の変動ΔＵが生じた場合、液漏れが発生したと判定する。
【００３２】
なお、このような液漏れの監視は、例えば試料吸引直後の液量を記憶しておいて、吐出直前において再度液量を測定し、液量に差があった場合にアラームを発生させてもよい。あるいはそのような液面の比較によらずに液面エコーが発生するまでの時間を比較することによっても液面変動を確認することができる。
【００３３】
次に、図１に示した吸引異常判定部５８について説明する。吸引異常判定部５８は、吸引時における液面高さの時間的な変動を監視して吸引異常を判定するものである。図７（Ａ）には、正常吸引を行った場合の液面高さ変動がグラフ２００として示されている。本実施形態では、吸引異常判定部５８が図７（Ｂ）に示すように正常のグラフ２００に対して上側及び下側に一定間隔、隔てつつ判定曲線２０２Ｕ及び２０２Ｌを設定しており、実際の液面高さのグラフ２０４がそのような２つの判定曲線で囲まれる領域から外れた場合に吸引異常を判定している。図７（Ｂ）には、配管系などにリークが発生し、これによって充分な吸引圧力で試料の吸引を行えない状態が示されている。図示のように、液面高さを示すグラフ２０４の勾配が正常のものよりも小さくなっている。
【００３４】
一方、図７（Ｃ）には、つまりが発生した場合のグラフ２０６が示されている。すなわち、図６に示すようにノズルチップ１４の先端開口が試料２２内に浮遊していた異物２００などによって閉塞した場合、ポンプによって吸引圧を発生させても試料の液面は上昇しない。その状態が図７（Ｃ）に示されており、つまりが発生した時点から、曲線２０２Ｕ及び２０２Ｌで囲まれる領域からグラフ２０６が外れている。そこで、吸引異常判定部５８は、そのような判定領域からのグラフの飛び出しに基づいて吸引異常を示すアラームを発生させている。
【００３５】
なお、図７に示した曲線２０２Ｕ及び２０２Ｌで囲まれる判定領域は、要求される吸引異常の判定精度や誤判定排除などを考慮して適宜設定するのが望ましい。例えば、時間経過の増大にしたがって判定領域の幅を大きくすることなども可能である。
【００３６】
次に、図８を用いて本実施形態の分注装置の動作について説明する。
【００３７】
まず、試料２２を入れた容器２０の上方にノズル１０が位置決めされた状態において、Ｓ１０１では、ノズル搬送機構３６によってノズル１０が下方に引き下げられ、Ｓ１０２において、ノズル先端の液面内への挿入量を一定に維持させながら試料の吸引が行われる。
【００３８】
Ｓ１０３では、上述したように超音波センサ１８による超音波の送受波に基づいて液面検出が行われる。この場合、吸引量演算部５２が吸引量の演算を行い、すなわち吸引量が常時監視される。これと共に、吸引異常判定部５８が吸引異常を常に監視しており、図７に示したようなリークやつまりが発生した場合には、Ｓ１０７においてアラームが発生する。
【００３９】
Ｓ１０４では、監視している吸引量が設定した値に到達したか否かが判定され、吸引量が設定値に到達した場合には、Ｓ１０５において吸引が停止され、さらにＳ１０６においてノズル１０がノズル搬送機構３６によって上方に引き上げられる。そして、Ｓ１０８においては、必要に応じてノズルが水平方向に搬送される。このようなノズル上昇やノズルの移動の際には、液漏れ判定部５６が機能し、図８に示す例では常に液面の変動が監視されており、液面変動が発生した場合にはＳ１０７で液漏れのアラームが発生している。もちろん、吸引直後の液量と吐出直前の液量とを比較して液漏れを判定してもよい。
【００４０】
Ｓ１０９では、ノズル搬送機構３６によってノズル１０が吐出を行う容器に向けて下方に引き下げられ、Ｓ１１０では吐出が開始される。そして、Ｓ１１２では、再び超音波センサ１８による超音波の送受波が実行され、液面の高さ変動が監視される。この場合、吐出量演算部５４が吐出量の演算を行う。Ｓ１１３では、その演算された吐出量が設定された値に到達したか否かが判定されており、吐出量が設定量に到達した場合には、Ｓ１１４において吐出が停止され、その後、Ｓ１１５においてノズル１０がノズル搬送機構３６によって上方に引き上げられる。Ｓ１１６においては、次の容器に対し試料の吐出を続行するか否かが判定され、続行する場合にはＳ１０８からの各ステップが繰り返し実行される。
【００４１】
以上の実施形態によれば、ノズル１０に超音波センサ１８を設けることによって各種の演算や判定を実現することができ、高精度の分注を達成できる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ノズル内の液面を直接的に監視でき、吸引量や吐出量を高精度に演算することが可能である。また、本発明によれば、超音波による液面検出を利用して吸引量や吐出量に加えて液漏れや吸引異常を判定することが可能である。さらに、本発明によれば、ノズル固有の形態を利用して液面検出のための超音波の集束と外来ノイズの遮断を同時に実現できる。また、本発明によれば、着色されたノズルに対しても液面検出を行えるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る分注装置の全体構成を示す図である。
【図２】  受信信号の波形を示す波形図である。
【図３】  液量の演算原理を示す図である。
【図４】  吐出量の演算原理を示す図である。
【図５】  液漏れが生じた場合の液面の変動を示す図である。
【図６】  異物によってノズル先端開口がつまった状態を示す図である
【図７】  吸引異常判定のための判定範囲を示す図である。
【図８】  本発明に係る分注装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０  ノズル、１２  ノズル基部、１４  ノズルチップ、１８  超音波センサ２２  試料、２８  ポンプ、３４  ポンプ駆動機構、３６  ノズル搬送機構、３８  主制御部、４０  分注制御部、４２  ノズル内液面検出部、５０  液面高さ演算部、５２  吸引量演算部、５４  吐出量演算部、５６  液漏れ判定部、５８吸引異常判定部。
【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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