(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体界面接触時の静電容量変化を検出するためのプローブと、このプローブが物体界面に接触した時の静電容量変化を検出する静電容量変化検出回路と、この静電容量変化検出回路からの検出信号に基づいて物体界面位置を判別する界面判別回路とを備え、物体界面を検知する界面検知装置であって、
前記静電容量変化検出回路は、前記プローブが前記物体界面非接触時における前記プローブによる静電容量変化の初期調整ポイントが可変設定せしめられる可変調整器を有し、
当該可変調整器は、前記静電容量変化検出回路の最小出力静電容量ポイントから変位した位置で、かつ、前記プローブが物体界面に到達した際の静電容量変化検出回路による出力変化が最小出力静電容量ポイントを跨らない状態で増加するように、前記初期調整ポイントを設定することを特徴とする界面検知装置。
【請求項２】
請求項１記載の界面検知装置において、
前記静電容量変化検出回路は、正弦波発振器と、
複数の抵抗をブリッジ接続して分岐する二系統の並列回路を構成し、前記正弦波発振器からの正弦波を二系統の並列回路の入力端に入力すると共に、一方の並列回路の抵抗間の接続点に前記プローブを接続し、かつ、他方の並列回路の抵抗間の接続点と前記プローブが接続された接続点との間にて前記プローブからの静電容量変化に伴うアンバランス信号を生成するブリッジ回路と、
このブリッジ回路のアンバランス信号を増幅する増幅器と、
前記プローブによる静電容量変化の初期調整ポイントが可変設定せしめられる可変調整器と、を有することを特徴とする界面検知装置。
【請求項３】
請求項１記載の界面検知装置において、
前記プローブは、上下方向に進退自在であることを特徴とする界面検知装置。
【請求項４】
検体又は試薬が収容された容器を有し、検体を自動分析する自動分析装置において、
前記容器に収容された液体の液面を検知する液面検知装置として請求項１ないし３いずれかに記載の界面検知装置を用いたことを特徴とする自動分析装置。
【請求項５】
請求項４記載の自動分析装置において、
前記プローブは前記容器内の液体を吸引あるいは分注する吸引分注ピペットと兼用されることを特徴とする自動分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液面等の界面を検知する界面検知装置に係り、特に、界面接触時の静電容量変化に基づいて界面を検知する態様の界面検知装置及びこれを用いた自動分析装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、血清などの検体中の物質を定量する自動分析装置では、検体をサンプリングする際や試薬を吸引分注する際に、検体のサンプリング量や試薬の分注量を決定する上で、検体又は試薬などの試料の液面を検知し、この検知情報を利用して検体のサンプリング動作や試薬の吸引分注動作を実行することが通常行われている。
従来この種の自動分析装置で用いられる液面検知装置としては、静電容量変化式のものが既に提供されている（例えば特許第２６１１９７５号公報参照）。
これは、検出プローブが試料の液面に接触したときの静電容量変化をブリッジ回路にて取り出し、この変化に基づいて試料の液面を検知するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、試料がもともと少ない場合などにあっては、検出プローブが試料の液面に接触した際の静電容量変化に伴うブリッジ回路の出力が小さく、試料の液面を誤検知する懸念があった。
この場合において、ブリッジ回路の出力をアンプ等を用いて最大限に増幅することは可能であるが、ブリッジ回路の出力を必要以上に増幅すると、ノイズなどが入り易く、却って、液面検知精度をより低下させる原因になってしまい、好ましいとは言えない。
【０００４】
本発明は、以上の技術的課題を解決するために為されているものであって、試料などが少ない条件下であっても、試料などの界面を正確に検知することを可能とした界面検知装置及びこれを用いた自動分析装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、図１に示すように、物体界面接触時の静電容量変化を検出するためのプローブ１と、このプローブ１が物体界面に接触した時の静電容量変化を検出する静電容量変化検出回路２と、この静電容量変化検出回路２からの検出信号に基づいて物体界面位置を判別する界面判別回路３とを備え、物体界面を検知する界面検知装置であって、前記静電容量変化検出回路２は、前記プローブ１が前記物体界面非接触時における前記プローブ１による静電容量変化の初期調整ポイントＰ0が可変設定せしめられる可変調整器４を有し、当該可変調整器４は、前記静電容量変化検出回路２の最小出力静電容量ポイントＰminから変位した位置で、かつ、前記プローブ１が物体界面に到達した際の静電容量変化検出回路２による出力変化が最小出力静電容量ポイントＰ0を跨らない状態で増加するように、前記初期調整ポイントＰ0を設定することを特徴とするものである。
要するに、本発明は、静電容量変化検出回路２からの出力を大きく確保し、物体界面接触時の静電容量の変化が小さい条件下でも確実にその変化を検知することを企図したものである。
【０００６】
このような技術的手段において、本発明は、物体界面を検知するものを広く含むものである。
ここで、物体界面とは、気相と液相との界面である液面の他に、気相と固相との界面である固体表面、あるいは、複数種の液体界面など広く含む。
このため、本発明の対象には、液面検知装置は勿論のこと、二層分離態様の液体界面を検知する装置、更には、クリーンルームなど所定の条件を満たす環境室において、例えば湿気や漏水を検知する装置など、物体界面を静電容量変化に基づいて検知するものであれば広く含まれる。
【０００７】
また、プローブ１は、物体界面接触時に静電容量変化が生ずる物体（液体に限られない）を前提とし、物体界面を検知可能な部材を広く含むものであり、例えば導電性（代表的には金属製）であることが望ましい。
ここで、プローブ１としては固定型、可動型のいずれをも含む。
例えば物体界面位置を所定位置に制御する場合には、固定型プローブ１を用いるようにすればよいし、また、物体界面位置が未定である場合（例えば刻々と変化する液面位置を検知するような場合）には、可動型プローブ１を用い、物体界面の検知を能動的に行うようにすればよい。
更に、液面検知などを行う上で、可動型プローブ１の好ましい態様としては、プローブ１は上下方向に進退自在であることが好ましい。
本態様において、「上下方向に進退」とは上下方向成分を含んでいればよく、鉛直方向から若干傾斜した方向に進退する態様も含む。
【０００８】
また、静電容量変化検出回路２は、静電容量変化を検出し得るものは適宜選定されるが、代表的には、ブリッジ回路が使用される。
この種の静電容量変化検出回路２としては、例えば正弦波発振器と、複数の抵抗をブリッジ接続して分岐する二系統の並列回路を構成し、前記正弦波発振器からの正弦波を二系統の並列回路の入力端に入力すると共に、一方の並列回路の抵抗間の接続点に前記プローブ１を接続し、かつ、他方の並列回路の抵抗間の接続点と前記プローブ１が接続された接続点との間にて前記プローブ１からの静電容量変化に伴うアンバランス信号を生成するブリッジ回路と、このブリッジ回路のアンバランス信号を増幅する増幅器と、前記プローブ１による静電容量変化の初期調整ポイントＰ0が可変設定せしめられる可変調整器４と、を有するものが挙げられる。
更に、界面判別回路３としては、静電容量変化検出回路２の出力に基づいて界面位置を判別し得るものであれば、既存の各種回路要素を組み合わせて適宜選定して差し支えない。
更にまた、可変調整器４としては可変コンデンサなどが使用される。
【０００９】
また、「初期調整ポイントＰ0」は、静電容量変化検出回路２の最小出力静電容量ポイントＰminより変位していることを要件とする。
このため、初期調整ポイントＰ0は、最小出力静電容量ポイントＰminに対して左右いずれに変位していてもよい。
但し、プローブ１が物体界面に接触した条件下でその出力変化が最小出力静電容量ポイントＰminを跨って変化すると、正確な変化分を測定できないため、「プローブ１が物体界面に到達した際の静電容量変化検出回路２による出力変化が最小出力静電容量ポイントＰminを跨らない状態で起こる」という要件が必要である。
【００１０】
特に、本発明では、初期調整ポイントＰ0としては、プローブ１が物体界面に到達した際の静電容量変化検出回路２による静電容量変化出力が増加する位置に初期調整ポイントＰ0を設定する態様が採用されている。
この場合、静電容量変化出力が増加する方向に設定すれば、変化分をより確実に検出できる点で好ましい。
【００１１】
また、本発明は、界面検知装置に限られるものではなく、これを用いた自動分析装置をも対象とする。
この場合、本発明は、図１に示すように、検体又は試薬が収容された容器５を有し、検体を自動分析する自動分析装置において、容器５に収容された液体６の液面を検知する液面検知装置として上述した界面検知装置を用いるようにすればよい。
この態様によれば、微少検体についても、静電容量変化を大きく確保できる点で界面（液面）検知精度を高めることができる。
このとき、プローブ１としては、装置構成を簡略化するという観点からすれば、可動型プローブを使用することが好ましい。
勿論、固定型プローブを使用することは可能であるが、この場合には、例えば容器５自体を所定位置に移動させる機構を付加するようにすればよい。
【００１２】
また、自動分析装置において、プローブ１は独立の機能部品として構成して差し支えないが、自動分析装置で使用する際のプローブ１の好ましい態様としては、容器５内の液体６を吸引あるいは分注する吸引分注ピペットと兼用するようにし、プローブ１と吸引分注ピペットとを共用化することが装置構成の簡略化の点で好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図２は本発明が適用された自動分析装置の実施の一形態を示す。
同図において、本実施の形態に係る自動分析装置はラテックス凝集反応法を利用した免疫学的分析用として構成されたものであり、複数の検体（本例では例えば血清）を夫々サンプリングする検体サンプリング装置１０と、サンプリングされた検体に対して所定の試薬（本例では例えばラテックス試薬）を分注した後、両者を攪拌させて検体と試薬とを反応させ、反応結果を光学的に測定する検体反応測定装置２０とを備えている。
【００１４】
本実施の形態において、検体サンプリング装置１０は、所要数の図示外のサンプルカップ（検体カップ）や図示外の希釈カップなどが同心円のループ状に保持されたディスク状のサンプルテーブル１１と、検体（本例では血清）をサンプリングする（検体吸引動作及び検体分注動作）ための検体ピペッティング機構１２とを備えている。
ここで、サンプルテーブル１１は、所定の検体吸引ステージに検査対象となる検体あるいは希釈された検体が収容されたサンプルカップや希釈カップを間欠的に移送するものである。
一方、検体ピペッティング機構１２は上下動及び回転動作自在なサンプルピペット１３を有し、サンプルカップ内の検体を所要量吸引したり、あるいは、必要に応じて希釈カップ内に検体及び希釈液を分注したり、あるいは、後述するキュベットに対してサンプリングした検体を分注するものである。
【００１５】
また、検体反応測定装置２０は、所要数の図示外のキュベット（反応セル）が所定のピッチ間隔でループ状に保持される反応テーブル２１と、この反応テーブル２１と同軸に設けられ且つ所定の試薬（本例ではラテックス試薬）を収容した試薬ボトルが保持された試薬テーブル２２と、試薬ボトル内の試薬を吸引してキュベット内に分注する試薬ピペッティング機構２３（具体的には２３ａ，２３ｂ）と、所定の検査ステージにて検体と試薬との反応を光学的に測定する光学測定装置（図示せず）とを備えている。
本例では、反応テーブル２１はステップ回転駆動してキュベットを一定方向に間欠移送するようになっており、一方、試薬テーブル２２は反応テーブル２１とは別個独立に回転駆動されるようになっている。
また、本例では、試薬ピペッティング機構２３（２３ａ，２３ｂ）は複数の試薬を分注する際の作業性を考慮して例えば２つ設けられており、夫々試薬を吸引分注するための試薬ピペット２４を具備している。
【００１６】
尚、図２中、符号２７は反応テーブル２１内に新たなキュベットを供給し、検査が終了したキュベットを廃棄するキュベット供給廃棄装置、３１は、検査結果を表示する液晶ディスプレイ、３２は検査メニュー等を指示する操作パネル、３３は検査結果等を出力するプリンタ、３４は検査結果等のデータをフレキシブルディスク等の記録媒体に保管する際に使用する記録媒体ドライブである。
【００１７】
特に、本実施の形態では、ピペット４０（図３参照：本例のサンプルピペット１３又は試薬ピペット２４に相当）に対するピペット制御系（特には液面検知装置）に特徴がある。
すなわち、本実施の形態に係るピペット制御系は、図３に示すように、ピペット４０を上下動及び回転させるピペット移動機構４１（検体ピペッティング機構１２又は試薬ピペッティング機構２３ａ，２３ｂに相当）と、ピペット４０に対して吸引又は分注動作を行わせる吸引分注機構４２と、前記ピペット移動機構４１及び吸引分注機構４２に所定の制御信号を送出する例えばマイクロコンピュータにて構成される制御装置３０と、前記ピペット４０をサンプルカップや試薬ボトルなどの容器４３に収容される液体（検体や試薬など）４５の液面検知用プローブとして使用し、液面検知信号を前記制御装置３０に送出する液面検知装置５０とを備えている。
【００１８】
次に、本実施の形態で用いられる液面検知装置５０の一例を図４に示す。
同図において、液面検知装置５０は、容器４３に収容された液体４５に接触したときの静電容量変化を検出するためのプローブ（ピペット）４０と、このプローブ４０が前記液体４５に接触したときの静電容量変化を検出する静電容量変化検出回路５１〜５６と、この静電容量変化検出回路５１〜５６の出力に基づいて液面を判別する液面判別回路５７〜６３とを備えている。
【００１９】
本実施の形態では、プローブ（ピペット）４０は液体４５に接触した際に静電容量変化を検出し得るように導電性材料（通常金属材料）にて構成されている。
また、静電容量変化検出回路５１〜５６の各回路要素について説明する。
図４において、符号５１は発振周波数及び発振レベルが調整可能な正弦波発振器（例えばウイーンブリッジ発振器）であり、例えば１７０ｋＨｚの発振周波数で約３Ｖの発振レベルに調整される。
また、符号５２は４つの抵抗５３ａ〜５３ｄ（抵抗５３ａ，５３ｃの抵抗値、抵抗５３ｂ，５３ｄの抵抗値が夫々等しい）をブリッジ接続し、かつ、抵抗５３ａ，５３ｃ間の接続部に正弦波発振器５１が接続されるブリッジ回路であり、このブリッジ回路５２の片方にある抵抗５３ａ，５３ｂ間には前記プローブ（ピペット）４０が接続される一方、前記ブリッジ回路５２の他方にある抵抗５３ｃ，５３ｄ間には例えば可変コンデンサからなる可変調整器５５が接続されている。
尚、本実施の形態では、ブリッジ回路５２とプローブ４０との間には例えば１０００ｐＦでカップリングしたローカットフィルタ５４が設けられ、誘導ハムノイズを可能な限り除去するようになっている。
【００２０】
また、符号５６は初段アンプ（例えば３つのオペアンプにて構成）であり、ブリッジ回路５２のプローブ４０接続部と可変調整器５５接続部との差分出力を入力し、所定のゲイン（本例では例えば３倍程度のゲイン）に増幅するようになっている。
尚、この初段アンプ５６については、ブリッジ回路５２からの出力レベルを調整できるように、ゲイン調整可能な構成（ゲイン調整用抵抗などを具備）を採用することが好ましい。
【００２１】
また、液面判別回路５７〜６３の各回路要素について説明する。
符号５７は次段アンプであり、本例では、後段の半波整流時の半波増幅率を設定し、かつ、ピーク整流回路を兼ねたものになっている。
本例では、次段アンプ５７のゲインは約２０倍であり、その出力電圧は整流後の直流電圧で６〜７Ｖ程度に設定される。
そして、符号５８は次段アンプ５７の出力を整流する整流回路、５９は整流回路５８の出力を次段の微分回路との干渉を避けるバッファ、６０はバッファ５９通過後の出力を微分する微分回路、６１は微分回路６０の出力を必要レベルまで増幅する調整アンプである。
ここで、この調整アンプ６１のゲインについては調整可能としておき、検知液量に応じて可変調整し、感度調整することが好ましく、最高感度に設定するようにすれば、検知液量が１００μｌ以下でも液面検知が可能になる。
【００２２】
更に、符号６２は波形成形回路としてのコンパレータであり、例えば前段の調整アンプ６１で増幅された微分出力がリファレンス出力（例えば６．５Ｖ）を超えた条件下で、Ｌ（Low）→Ｈ（High）となる単発パルスを発生するようになっている。
そして、符号６３はオープンコレクタ出力回路であり、アクティブなＬ（Low）レベルの信号を制御装置３０に入力するようになっている。
【００２３】
このような液面検知装置５０を使用するに際しては、静電容量変化検出回路５１〜５６の出力レベルを初期調整することが必要である。
本実施の形態における静電容量変化検出回路５１〜５６の初期調整手法を図５（ａ）に示す。
同図において、初段アンプ５６の出力Ｓの初期調整ポイントＰ0は、可変調整器５５の静電容量Ｖmを適宜調整することにより行われる。
このとき、初期調整ポイントＰ0は、最小出力静電容量ポイントＰminから変位し、かつ、プローブ４０が液体４５の液面に接触した時の静電容量変化ΔＣに伴う出力変化分ΔＳが増加する方向になる位置に設定される。
【００２４】
次に、本実施の形態に係る自動分析装置、特には、液面検知装置の作動について説明する。
今、図３に示すように、プローブ（ピペット）４０が容器４３内の液体（検体又は試薬）４５に向かって降下し、まだ、液面には到達していない状態にあると仮定する。
このとき、液面検知装置５０では、正弦波発振器５１から所定の高周波信号がブリッジ回路５２へ供給され、このブリッジ回路５２のＡ部には例えば図７（Ａ）に示すような正弦波信号（本例では、例えばＶａ＝４．２Ｖ）が与えられる。
すると、プローブ４０が液面に到達していない条件下であれば、初段アンプ５６の出力は、図６（ａ）（ｂ）に示すように、初期調整ポイントＰ0をピーク点とした正弦波形が得られる。
ところが、図７（Ｂ）に示すように、この正弦波形はピークレベルＶb1（例えば３００〜５００ｍＶ）が変化しないため、後段の液面判別回路５７〜６３によって液面判別信号は生成されない。
【００２５】
この後、前記プローブ４０が降下していき、プローブ４０の先端が液面に到達すると、静電容量変化検出回路５１〜５６の出力が増加する。
すなわち、プローブ４０の先端が液面に接触すると、プローブ４０に対する静電容量が変化し、ブリッジ回路５２にアンバランス信号が生成される。
すると、このアンバランス信号の生成に伴って、静電容量変化検出回路５１〜５６の出力（具体的には初段アンプ５６の出力）は、図６（ａ）（ｃ）に示すように、静電容量変化ΔＣに対する出力変化分ΔＳだけ振幅が増加した正弦波形が得られる。
このとき、図７（Ｂ）に示すように、初段アンプ５６からの出力（正弦波形）は、ピークレベルがＶb1からＶb2に増加する。
【００２６】
この状態において、次段アンプ５７の出力に着目すると、例えばアンプ５７のゲインは約２０倍程度であり、図７（Ｃ）に示すように、次段アンプ５７の出力は、ピークレベルがＶc1からＶc2に変化し、整流回路５８は次段アンプ５７の出力を整流し、整流回路５８の出力は、図７（Ｄ）に示すように、Ｖd1（例えば約４Ｖ程度）からＶd2（液量に依存）に変化する。
このような出力変化が生じた条件下（プローブ４０が液面に到達した条件下）では、微分回路６０は、図７（Ｅ）に示すように、ピークレベルＶeの微分出力を得る。
このピークレベルＶeとしては、感度調整によって異なるが、例えば検知液量が１００μｌで２００ｍＶ程度に調整可能である。
【００２７】
この後、微分回路６０の出力は、調整アンプ６１にて例えば約４０倍に増幅され、調整アンプ６１の出力は、図７（Ｆ）に示すように、ピークレベルＶfの微分出力になる。
この調整アンプ６１の出力がコンパレータ６２に入力されると、図７（Ｆ）（Ｇ）に示すように、所定の閾値レベルＶTH（例えば６．５Ｖ）を超えた条件下で、単発パルスが精製される。
しかる後、コンパレータ６２からの出力は、図７（Ｈ）に示すように、オープンコレクタ出力回路６３にて、アクティブなＬ（Low）レベルの信号に変換された後、制御装置３０に入力される。
【００２８】
この状態において、制御装置３０は、プローブ（ピペット）４０が液面に到達したことを認識し、この液面検知情報に基づいて、ピペット移動機構４１及び吸引分注機構４２に対し所定の制御信号を送出し、検体のサンプリング動作や試薬の吸引分注動作などを実行する。
【００２９】
このような液面検知過程において、本実施の形態では、図５（ａ）に示すように、初期調整ポイントＰ0を変位設定しているため、プローブ４０が液面に到達した際の静電容量変化ΔＣに伴う初段アンプ５６の出力変化分ΔＳが大きく確保される。このため、プローブ４０が液面に接触したときの静電容量変化ΔＣが小さくても、その液面検知は正確に行われる。
ここで、図５（ｃ）に示すように、例えば初期調整ポイントＰ0を最小出力静電容量ポイントＰminに合わせた比較の態様にあっては、プローブ４０が液面に到達した際の静電容量変化ΔＣに伴う初段アンプ５６の出力変化は、最小出力静電容量ポイントＰminから緩やかに変化する部分で行われるため、プローブ４０が液面に到達した際の静電容量変化ΔＣに伴う初段アンプ５６の出力変化分ΔＳ"は非常に小さいことが理解される。
【００３０】
尚、本実施の形態では、図５（ａ）に示すように、初期調整ポイントＰ0を設定したが、これに限られるものではなく、例えば図５（ｂ）に示すように、初期調整ポイントＰ0は、最小出力静電容量ポイントＰminから変位し、かつ、プローブ４０が液体４５の液面に接触した時の静電容量変化ΔＣに伴う出力変化分ΔＳ'が減少する方向になる位置に設定されるようにしてもよい。
但し、本態様にあっては、初期調整ポイントＰ0を設定するに当たり、前記出力変化が最小出力静電容量ポイントＰminを跨らないように留意することが必要である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明に係る界面検知装置によれば、静電容量変化検出回路からの出力を大きく確保できるように、当該静電容量検出回路に可変調整器を付加し、この可変調整器により、静電容量変化の初期調整ポイントを最小出力静電容量ポイントから変位し、かつ、プローブが物体界面に到達した際の静電容量変化検出回路による出力変化が最小出力静電容量ポイントを跨らない状態で増加するように、初期調整ポイントを設定したので、プローブが物体界面に接触した際の静電容量変化が小さい条件下であっても、静電容量変化検出回路の出力変化を確実に取り出すことが可能になり、その分、物体界面を正確に検知することができる。
また、この種の界面検知装置を液面検知装置として用いた自動分析装置によれば、検体又は試薬などの液体がごく微量であったとしても、当該液面を正確に検知することが可能になるため、検体のサンプリング量や試薬の分注量などをより正確に制御することが可能になり、その分、自動分析装置の分析精度をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る界面検知装置及びこれを用いた自動分析装置の概要を示す説明図である。
【図２】  本発明が適用された自動分析装置の実施の一形態を示す説明図である。
【図３】  本実施の形態で用いられる自動分析装置のピペット制御系を示す説明図である。
【図４】  本実施の形態に係る液面検知装置の詳細を示す説明図である。
【図５】  （ａ）は本実施の形態に係る液面検知装置の性能を示す説明図、（ｂ）は変形の形態に係る液面検知装置の性能を示す説明図、（ｃ）は比較の形態に係る液面検知装置の性能を示す説明図である。
【図６】  （ａ）は本実施の形態に係る液面検知装置の初期設定状態を示す説明図、（ｂ）は液面検知装置においてプローブ（ピペット）が液面に非接触状態にある条件下の出力状態を示す説明図、（ｃ）は同プローブが液面に接触した条件下の出力状態を示す説明図である。
【図７】  (Ａ)ないし(Ｈ)は図４のＡ部ないしＨ部の出力波形を示す説明図である。
【符号の説明】
１…プローブ，２…静電容量変化検出回路，３…界面判別回路，４…可変調整器，５…容器，６…液体，Ｐ0…初期調整ポイント，Ｐmin…最小出力静電容量ポイント
【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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