(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の試料を吸引する中空のノズルと、
前記ノズルに連結されたポンプと、
前記ノズルを昇降させる昇降機構と、
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前記昇降機構を制御する制御手段と、
を含み、
前記制御手段は、
前記ノズルの下降時に前記ポンプを吸引動作させて前記ノズル内を負圧にする下降吸引制御手段と、
前記受信信号に基づいて、前記ノズルの先端が前記容器内の試料に接触して前記ノズル内に試料が吸引された状態を判定し、これにより前記容器内の試料の液面を検出する液面検出手段と、
を含む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、
前記制御手段は、前記検出された液面に基づいて試料内へのノズル先端部の挿入量を制御する挿入量制御手段を含むことを特徴とする分注装置。
【請求項３】
請求項２記載の装置において、
前記挿入量制御手段は、試料吸引による液面下降に追従させて前記ノズルを下降させる追従制御を行う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、
前記液面検出手段は、前記受信信号に基づいて、前記ノズル内に吸引された試料からの液面エコーを判別することを特徴とする分注装置。
【請求項５】
請求項４記載の装置において、
前記液面検出手段は、ゲート信号に基づく監視期間において前記受信信号における前記液面エコーを監視する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、
前記ノズルは、前記昇降機構に支持されたノズル基部と、前記ノズル基部に装着されるノズルチップと、で構成され、
前記超音波センサは前記ノズル基部に配置された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、
前記超音波センサは、前記ノズル基部の上端部に、送受波面をノズル内部空間の下方側に向けて配置されたことを特徴とする分注装置。
【請求項８】
請求項６記載の装置において、
前記超音波センサは、前記ノズル基部の筒状構造に合致して円環状に形成された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】
本発明は分注装置に関し、特に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】
ところで、上記のような分注装置において、試料容器から試料を吸引する場合には、ノズルを試料容器の上方に位置決めした後、ノズルを徐々に下降させてノズル先端を試料内に挿入させる必要がある。その場合、ノズル先端（ノズル開口）が液面よりも下方に位置していないと、エアを吸引してしまい分注誤差を招く。その一方、試料内にあまり深くノズルを進入させると、ノズル外壁面に付着する試料の量が無視できなくなり、ノズル搬送時に液滴が飛散したり、あるいは吐出量に誤差が発生したりする。そこで、試料内へのノズル先端の挿入量は、エア吸引を引き起こさない限りにおいてできるだけ少ない方がよい。すなわち、吸引時において、試料の液面高さに対応しつつノズル先端の位置を制御する必要がある。なお、吸引進行に伴って液面が下降するため、その下降に追従させてノズル先端の位置を下降させる必要がある。
【０００４】
いずれにおいても、高精度の分注を行う場合には、試料容器内における液面を検出することが必要である。このため、従来においては、エア吐出を利用する方法、静電容量変化を利用する方法、超音波を利用した方法などが提案されている。
【０００５】
上記の超音波を利用した液面検出方法としては、超音波送受波器を試料容器の上方に位置決めして超音波の送波を行い、液面で反射した反射波を検出することにより、液面を検出する方法（空中における超音波放射方法）が挙げられる。また、特開平７−１４６１６８号公報に開示された装置では、試料容器の上方から、超音波振動子を備えた超音波伝播体（実部材）を下降させ、その超音波伝播体が液面に接触することに起因する超音波伝播体の超音波振動の変化（端面反射の低下）を利用して液面の検出を行う方法（超音波伝播体を利用した方法）が実現されている。なお、この従来文献では、円錐形状の超音波伝播体の他に、ノズルと一体化された超音波伝播体が開示されている。特開平６−３４１９９８号公報にも同様の装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の空中における超音波放射方法では、超音波送受波器から放射される超音波のビームが広がってしまうような場合、あるいは試料容器の直径が小さいような場合には、本来検出したい液面以外の構造物（例えば、試料容器自体）からの反射波も検出してしまい、Ｓ／Ｎ比が低下し、誤検出の可能性がある。この問題は、試料容器の縁付近に液滴が付着している場合や試料容器が若干傾いていたりする場合にも発生する。さらに、試料容器内において、液面より上に膜が存在していたり、あるいは液面より上に気泡層が形成されていたりすると、それによる反射波が検出されて液面が誤って判定される可能性がある。
【０００７】
上記の超音波伝播体を利用した方法では、ノズル基部とノズルチップとからなるディスポーザブル型のノズルには適用し難い面があり、すなわち超音波振動が異種の部材間で不必要に反射して効率的な超音波の伝搬を確保できない可能性がある。
【０００８】
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、装置の構造を複雑化することなく、超音波のパワーを検出対象に絞り込むことができ、かつ、外来ノイズの影響を受けにくい液面検出手段を備えた分注装置を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の目的は、ノズル固有の形態が内蔵する音響路としての機能を液面検出に活用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、ディスポーザブル型のノズルに対し、超音波を利用した液面検出を適用でき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、本発明に係る分注装置は、容器内の試料を吸引する中空のノズルと、前記ノズルに連結されたポンプと、前記ノズルを昇降させる昇降機構と、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前記昇降機構を制御する制御手段と、を含み、前記制御手段は、前記ノズルの下降時に前記ポンプを吸引動作させて前記ノズル内を負圧にする下降吸引制御手段と、前記受信信号に基づいて、前記ノズルの先端が前記容器内の試料に接触して前記ノズル内に試料が吸引された状態を判定し、これにより前記容器内の試料の液面を検出する液面検出手段と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、ノズルの内部空間には、超音波センサからの超音波がノズル基端側から放射され、ノズル先端部で反射した反射波が超音波センサによって受波される。この場合、ノズル下降時にノズル内が負圧となっているのでノズル先端が容器内の試料の液面に接触すると、ノズル内に試料が入り込む。ノズル先端部内における試料の有無に応じて受信信号の波形が異なるので、その受信信号の変化をもって試料容器内の液面を検出できる。挿入量制御手段は、試料内へのノズル先端部の進入量を一定にするために、液面検出結果を利用して昇降機構を制御する。
【００１３】
ノズルは本来的に中空に形成されており、それ自体、導波管に類似した形態を有する。よって、ノズル基端側からノズル内部空間に超音波を放射すれば、超音波は広がることなく空気中を先端部側へ伝搬し、先端部内で反射された後も広がることなく基端部側へ戻ってくる。よって、超音波の送波時及び受波時の両面において、超音波集束のための部材を別途用意することなく、超音波の集束を達成できる利点がある。また、ノズル自体によって外来ノイズが相当程度遮断されるため、ノイズの影響を受け難いという利点がある。よって、本発明によれば、Ｓ／Ｎ比を向上させて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、前記制御手段は、前記検出された液面に基づいて試料内へのノズル先端部の挿入量を制御する挿入量制御手段を含む。ここで、前記挿入量制御手段は、望ましくは試料吸引による液面下降に追従させて前記ノズルを下降させる追従制御を行う。
【００１５】
上記構成は、ノズルの下降と共に吸引を行わせて、ノズル先端が液面に接触した時に少量の試料をノズル内へ吸引させ、その吸引試料の存在を超音波で検出することにより、試料容器内の液面を間接的に検出するものである。
【００１６】
なお、ノズルの先端開口が比較的大きく、それが液面で閉塞されて受信信号に変化が現れるような場合には、その変化を判別して直接的に液面を検出することも可能である。
【００１７】
本発明の好適な態様では、前記ノズルは、前記昇降機構に支持されたノズル基部と、前記ノズル基部に装着されるノズルチップと、で構成され、前記超音波センサは、前記ノズル基部に配置される。ここで、前記超音波センサは、前記ノズル基部の上端部に、送受波面をノズル内部空間の下方側に向けて配置される。あるいは、前記超音波センサは、前記ノズル基部の筒状構造に合致して円環状に形成される。なお、超音波センサとしては、送波用及び受波用として別体の超音波素子を設けてもよいが、一体化されたものを用いてもよい。
【００１８】
【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。
【００１９】
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に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。
【００２０】
ノズル１０は、全体として中空パイプ状を形態を有し、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。
【００２１】
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２４により垂直に保持されている。なお、図１には、ノズル１０内に少量の試料が吸引され、それが超音波計測により判別されて液面が検出された状態が示されている。
【００２２】
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。
【００２３】
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及び元検体液面検出部（以下、液面検出部）４２を有する。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の内部空間（空気内）を伝搬し、ノズル１０の先端部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、液面検出部４２に送られ、そこで受信信号に基づいて元検体の液面すなわち容器２０内の試料の液面が検出される。
【００２４】
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。
【００２５】
上記の液面検出に当たっては後に詳述するように２つの手法を適用できる。第１の手法は、ノズル１０の下降と共に吸引を行わせ、ノズル１０の先端が液面に接触して少量の試料がノズル１０内に吸い込まれた時のノズル内液面の反射を利用するものである（図１参照）。第２の手法は、吸引を同時進行で行わせることなくノズル１０を下降させて、ノズル１０の先端が液面に接触してノズル先端の開口１４Ｂが閉塞した時の反射波の変化を利用するものである（図２参照）。第２の手法は、比較的にノズル先端の開口が大きく、閉塞による反射波の変化が顕著に現れる場合にのみ適用でき、液面自体を直接的に検出できる。しかし、通常のノズル先端の開口は微小孔であるため、閉塞により十分な反射波の変化が現れない可能性もあるので、基本的に第１の手法を採用するのが望ましい。
【００２６】
第１の手法では、ノズル内に液面が発生して強い反射が認められた場合に、間接的に元検体の液面を検出するものである。もちろん、第２の手法では、ノズル先端が液面内に進入してから遅れて元検体の液面が検出されることになるが、図３に示すように、試料の液面検出時には、ノズル１０の先端の挿入量Ｄが液面から常に一定値になるように、検出レベルが設定されているため、第２の手法でも支障はない。この場合、図３に示すように、試料吸引に伴って容器２０内の液面が下降するため、その下降に追従させて挿入量Ｄが維持されるように、ノズル１０の下降制御を行う。ただし、ノズル１０の先端が容器２０の底に接触する前にノズル１０の下降及び吸引を強制的に終了させる。
【００２７】
なお、液面検出時にノズル１０内に吸引される試料の量は、あらかじめ求めておくことができるので、吸引量に誤差が生じることはない。また、すべての試料を吐出した時にノズル内壁に付着する試料を見込んで、若干余剰吸引を行うような分注においては、そのような余剰吸引量として液面検出時の初期吸引量を設定することができる。
【００２８】
従来のエア吐出による液面検出では、液面検出時点でノズルを停止させ、気泡発生防止などのためにノズルをいったん引き上げるなどの制御が必要であったが、上記第１及び第２の手法によれば、ノズルを停止させることなく、液面検出から試料吸引までを連続した一連の動作として行えるという利点がある。
【００２９】
図４には、受信信号に基づく液面検出の原理が示されている。なお、図４に示した各受信信号は発明理解のために模式的に例示したものである。
【００３０】
図４（Ａ）及び（Ｂ）には、上記第１の手法による液面検出原理が示されており、各図の横軸ｔは時間軸であり、縦軸Ｅは受信信号の強度（エコー強度）である。図４（Ａ）に示すように、ノズル１０の下降とともに吸引を行わせた下降途中段階ではまだノズル先端は液面に到達しておらず、受信信号には先端部エコー１００のみが発生している。ノズル１０は、先細の形状を有するため、ノイズ１０内部に放射された超音波は平面反射とは異なって、乱反射による弱い反射波となり、それが先端部エコー１００として現れている。図４（Ｂ）には、ノズル１０の先端が液面に接触して少量の試料がノズル１０内に吸引された状態（図１参照）が示され、この場合、受信信号にはノズル１０内に液面が形成されたことによる液面エコー１０２が発生している。液面エコー１０２は、先端部エコー１００よりもその強度が大きく、また超音波センサに若干近い位置で生じている。よって、しきい値１０４を先端部エコー１００よりもやや大きい値に設定しておけば、液面エコー１０２を容易に判別することが可能である。このしきい値１０４の設定レベルに応じて、液面検出時点での初期吸引量を自在に設定できる。
【００３１】
図４（Ａ）及び（Ｂ）に示したように、液面エコーが発生する時間的範囲はノズル長などから求めておくことができるので、目的とする液面エコーが発生する可能性がある期間だけ受信信号を監視してもよい。その場合には、図４（Ｃ）に示すような監視期間だけ値が１とされ、それ以外の値が０とされたゲート信号１０６に基づいてその監視を行うこともできる。
【００３２】
図４（Ｄ）には、第２の手法による液面検出の原理が示されている。破線はノズル１０の先端開口が閉塞されていない状態での先端部エコー１００を示しており、実線はノズル１０の先端開口が液面により閉塞された状態で発生する閉塞エコー１０８を示している。図示のように単なる先端部エコー１００に対し、閉塞エコー１０８が大きければ、それらの両者間にしきい値１１０を設定することによって、閉塞エコー１０８のみを識別でき、すなわち吸引を行うことなく液面検出を達成できる。ただし、先端部エコー１００と閉塞エコー１０８の差異を識別困難な場合には、上記第１の手法を適用するのが望ましい。
【００３３】
次に、図１に示した主制御部３８の動作を図５に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００３４】
まず、Ｓ１０１では、容器２０の上方に位置決めされたノズル１０がノズル搬送機構３６によって下方に徐々に引き下げられる。これと共に、ポンプ駆動機構３４によってポンプ２８が駆動され、ノズル１０内が負圧とされる。Ｓ１０２では、Ｓ１０１と同時またはその直後から超音波センサ１８によって液面検出が開始される。すなわち、ノズルの下降と同時に超音波センサ１８によって送受波が行われる。
【００３５】
Ｓ１０３では、元検体液面検出部４２によって受信部４６から出力された受信信号のレベルが監視される。そして、元検体液面検出部４２は、Ｓ１０４において受信信号のレベルと所定のしきい値１０４とを比較し、ノズル１０内に試料が吸引されてノズル内に液面が形成されることによる液面エコー１０２の有無を判定する。Ｓ１０４において、図２に示した液面エコー１０２が検出されると、Ｓ１０５において、分注制御部４０は、必要に応じて、元検体の液面の高さを演算する。分注制御部４０では、容器２０の内径やその形態が既知であるため、そのような情報と液面の高さから例えば容器２０内における試料２２の量を演算することが可能である。もちろん、必ずしも液面の実際の高さを演算することなく試料の吸引を行うことは可能である。
【００３６】
Ｓ１０６では、分注制御部４０の制御によって、図３に示したようにノズル先端の試料２２内への挿入量を一定の値Ｄに維持させつつ液面の下降に伴ってノズル１０を下降させる追従制御が行われる。このような追従制御によれば、必要以上にノズル１０の外面に試料を付着させることなく、さらにエア吸引も防止できるという利点がある。この場合、ノズル１０の下降速度は、単位時間当たりの吸引量、容器２０の内径などから演算することが可能である。
【００３７】
Ｓ１０７では、ノズル１０内に必要量の試料が吸引されたか否かが判断され、必要量の試料が吸引された場合には、Ｓ１０８においてノズル１０の下降が停止され、これと共にポンプ２８による吸引も停止される。そして、Ｓ１０９においてノズル１０が上方に引き上げられ、必要に応じて水平方向に搬送され、吸引された試料の分注が行われる．
なお、上記のＳ１０５では、本実施形態では超音波センサ１８による超音波の送受波が停止しているが、必要に応じて超音波の送受波を続行させ、試料吸引時における各種の監視などを行わせてもよい。なお、図５に示したフローチャートは、上記の第１の手法による液面検出が適用されたものであり、上記の第２の手法による液面検出を行う場合には、Ｓ１０１においてノズル下降のみを行わせ、Ｓ１０６から試料の吸引を開始させる。
【００３８】
図６〜図８には、図１に示した超音波センサ１８の各種の実施形態が示されている。図６に示す超音波センサ５０では、送信用の超音波振動子５２と受信用の超音波振動子５４とが設けられ、すなわち送受波それぞれに対して超音波振動子が設けられている。それらの超音波振動子５２及び５４は、不必要な方向への超音波の放射を吸収するためのバッキング材５６によって囲まれており、超音波はノズル１０内部にのみ放射され、一方、ノズル１０の内部からの反射波のみが受波される。
【００３９】
図７には、他の実施形態が示されている。図７に示す超音波センサ５８は、送受信兼用の超音波振動子６０を有する。なお、この超音波振動子６０もバッキング材５６によって囲まれている。
【００４０】
図６及び図７に示した超音波振動子５２，５４，６０に対しては、例えばその送受波面に整合部材や音響レンズなどを設けることも可能である。
【００４１】
図８には、さらに他の実施形態が示されている。この図８に示す超音波センサ６２では、ノズル基端部１２が筒状構造を有することに対応してリング状の超音波振動子６４で構成されている。すなわちこの超音波振動子６４は、チップ装着部としても機能しており、超音波振動子６４の下方端面から超音波が送波され、また超音波が受波される。もちろん、超音波センサを構成する超音波振動子としては上記以外にも各種の超音波振動子を用いることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、装置の構造を複雑化することなく、超音波のパワーを検出対象に絞り込むことができ、かつ、外来ノイズの影響を受けにくい液面検出を実現することができる。また、本発明によれば、ノズル固有の形態を音響路として機能させて液面検出に利用することができ、さらに、ディスポーザブル型のノズルに対して、超音波を利用した液面検出を適用することが可能である。
【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】  ノズルの先端開口が液面によって閉塞された状態を示す図である。
【図３】  ノズル部の先端を試料内に一定量挿入させた状態を示す図である。
【図４】  受信信号に基づく液面検出原理を示す波形図である。
【図５】  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。
【図６】  超音波センサの実施形態を示す図である。
【図７】  超音波センサの実施形態を示す図である。
【図８】  超音波センサの実施形態を示す図である。
【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、４０  分注制御部、４２  元検体液面検出部。
【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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