(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発生させる超音波発生源と、該超音波発生源を駆動する駆動回路とを備えた攪拌部と、
前記駆動回路から前記超音波発生源に供給される駆動電流を、電磁誘導により該駆動電流とは電気的に絶縁して検出する波形検出部と、
該波形検出部からの検出波形に基づいて、前記駆動回路を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする自動分析装置。
【請求項２】
請求項１記載の自動分析装置において、
前記超音波発生源はトランスを介して駆動電力が供給され、前記波形検出部は該トランスに磁気的に結合されていることを特徴とする自動分析装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の自動分析装置において、
前記制御部は前記波形検出部で検出された信号波形と、予め準備した必要な攪拌状態が得られる時の信号波形を比較し、比較結果に基づいて前記駆動回路を制御することを特徴とする自動分析装置。
【請求項４】
請求項３記載の自動分析装置において、
前記制御部での比較はパターンマッチングを行い、比較する両波形の類似度が予め設定した範囲に入るように超音波発生源に印加する電圧を調整するものであることを特徴とする自動分析装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の自動分析装置において、
前記波形検出部の信号波形を用いて攪拌状態の推定を行うことを特徴とする自動分析装置。
【請求項６】
請求項１記載の自動分析装置において、
前記超音波発生源は駆動電力を印加するための複数の電極を備える圧電素子であり、前記波形検出部で検出された信号波形に基づいて、前記圧電素子の駆動電力を印加する電極の数を変化させることを特徴とする自動分析装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載の自動分析装置において、
前記波形検出部は超音波の照射が不要な時間も前記超音波発生源からの出力波形を測定し、超音波の発生の有無を検出す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、試薬等を使用して分析対象である検体の成分分析を行う分析部と、検体と試薬等攪拌する攪拌部と、分析部，攪拌部等を統括制御する制御部等を備えた自動分析装置において、超音波発生源を音源とし、超音波による振動，音響流動，音響放射圧等を利用して試薬等と検体の攪拌を行う機能を備えた自動分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自動分析装置の攪拌部では、反応容器中に直接ヘラ状の攪拌棒等を入れ、回転または、往復運動させることにより検体と試薬等の混合，攪拌を行う方法が一般的であった。しかし、攪拌棒の洗浄が十分に行えない場合には、攪拌棒に付着した試薬または検体が、次の分析結果に影響を与えるキャリーオーバーと言われる現象が起こる可能性があったため、超音波による攪拌が提案されてきている。
【０００３】
超音波を用いた攪拌は、キャリーオーバーの問題が生じないというメリットをもつ一方、被攪拌物への照射条件をうまく調整しないと、充分な攪拌ができない恐れがあったため、照射条件を調整するための各種方法が提案されている。例えば、特開２００１−１２４７８４号公報には、発生した超音波の強度を測定するセンサを設置し、センサ出力に応じて超音波発生源の発生する周波数を変化させることにより、一定の強度の超音波出力が得られるようにして、常に均一な攪拌が実行できるような技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
超音波発生源とは別体に超音波センサを設けることは、機構の複雑化による信頼性低下やコストの上昇が懸念される。
【０００５】
超音波による攪拌を効率的に行おうとする場合、超音波の照射される領域に反射材を設置することもあることから、外部センサを設置することが不可能となる場合が生じる。
【０００６】
また、超音波の放射圧や超音波により誘起される流速を測定する外部センサでは有効測定領域や角度，音源からの距離等の物理的条件に左右されやすく、高い位置精度が要求される。
【０００７】
温度センサ等も超音波照射エネルギーを測定する上では有効であるが、応答速度が遅いため攪拌状態のモニタとしては不十分である。
【０００８】
さらに、複数の電極を使用し、超音波の照射位置が変更されるシステムでは、センサ位置も変化させるか、電極毎にセンサを設ける必要があるためコストが上昇する。
【０００９】
本発明の目的は、簡単な構成で一定の強度の超音波出力が得られるような攪拌機構を備える自動分析装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の構成は以下の通りである。
【００１１】
試薬と分析対象である検体を反応させて検体の成分分析を行う分析部と、超音波発生源を音源として超音波を発生させる超音波発生源と、超音波発生源を駆動する駆動回路とを備えた攪拌部と、を備えた自動分析装置において、更に、超音波発生源から発生した超音波の波形を検出する波形検出部と、該波形検出部からの検出波形に基づいて、前記駆動回路を制御する制御部を備えており、該波形検出部は前記超音波発生源または前記駆動回路と一体で形成されている自動分析装置。
【００１２】
すなわち、波形検出部は従来のように超音波発生源または駆動回路と別体、例えば被攪拌物が収容される反応容器の表面や、照射された超音波が被攪拌物を透過して到達する部位に設置するものではなく、超音波発生源または駆動回路と一体で設けるものである。これにより、構成が簡単になるとともに、超音波発生源毎に必要になる駆動周波数および駆動電圧の調整作業を簡素化することができる。超音波発生源から発生する波形を検出する波形検出部から得られた信号により、超音波発生源を駆動する駆動波形を変化させ、発生する超音波の強度を変化し、攪拌状態を変化させる機能を付加した攪拌部を備える。
【００１３】
【発明の実施の形態】
自動分析装置の攪拌部において超音波を用いることは、検体や試薬等に非接触で攪拌が行え、他の検体や試薬等を汚染しないことと、攪拌棒が不要なため、反応容器を小型化でき、検体、および試薬の量を少なくすることができる利点があるが、超音波発生源に超音波を発生させ、超音波によって攪拌を行おうとする場合、検体と試薬の攪拌に十分な超音波の音圧を発生させるには、音源を構成する要素である圧電素子電極に、変位が最大になる機械的共振周波数で十分な変位量を発生させる電圧振幅を持った電力を供給する必要があり、超音波発生源の特性のばらつきで共振周波数が異なることを考慮すると、同一の振幅，周波数の電力供給を行って超音波発生源を駆動しても、発生する超音波の音圧強度が異なり、攪拌状態に差が生じることが考えられる。
【００１４】
共振周波数のばらつきは、共振周波数が存在すると推定される範囲内で、周波数をスイープすることにより吸収することができるが、電圧に関しては、複数の超音波発生源を同時に駆動しようとする場合、総負荷としてインピーダンスの低下および隣接電極との相互作用により、駆動波形が変化し、発生する超音波の強度が変化することがある。
【００１５】
また、装置に搭載した後、超音波発生源に後天的に発生した傷，脱分極，音源表面への付着物等により超音波発生源の特性が変化することも考えられる。
【００１６】
更に超音波攪拌実行中においても、攪拌対象の入った容器内に気泡が張り付き、音響放射圧により生起される旋回流を阻害することにより駆動波形が変化するとともに、攪拌状態が変化することがある。
【００１７】
本発明の目的は、超音波攪拌に使用する超音波発生源の違いによらず分析結果の信頼性を高め、煩雑な調整作業を軽減することと、超音波による攪拌を行ううえで攪拌状態を検出し、自動分析装置の信頼性を高めることにある。
【００１８】
以下本発明を実施例により詳細に説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は、本発明による自動分析装置における一実施例の概略構成図である。
【００２０】
図１において、自動分析装置１０１は、制御部１０２，格納部１０３，分析部１０４，攪拌部１０５により構成されている。
【００２１】
制御部１０２は、各部の詳細な動作制御を行う電子回路や記憶装置により各部の動作を制御する。
【００２２】
格納部１０３は、検体１０６を入れた検体格納部１０７と試薬１０９を入れた試薬格納部１１４から構成されている。
【００２３】
分析部１０４は、分析部の反応容器１０８中で、検体１０６と試薬１０９が反応させたものに光源１１７から光を透過させ、分光器１１８で組成分析を行う。
【００２４】
攪拌部１０５は、検体格納部１０７から反応容器１０８に吐出された検体と、試薬格納部１１４から反応容器１０８に吐出された試薬１０９を、圧電素子110で発生した超音波１１１により攪拌を行う。
【００２５】
攪拌部１０５と分析部１０４にある反応容器１０８は、反応槽１１２にためられた水を代表とする保温媒体１１３に浸っており、一定の温度に保たれている。
【００２６】
また、これら複数の反応容器１０８は、反応ディスク１１５上に配置され、反応ディスクモータ１１６を制御部１０２で制御することにより、反応ディスク
１１５と共に回転又は移動し、攪拌部１０５と分光器１１８との間を行き来する。
【００２７】
図２は、攪拌部の概略構成図である。
【００２８】
攪拌部１０５の圧電素子１１０への印加波形を検出できる印加波形検出部119として、同一圧電素子内に設けた電極を使用する。
【００２９】
攪拌部１０５は、制御部１０２で設定された駆動条件で駆動回路１２０を制御し、圧電素子１１０を駆動して超音波１１１を照射する。
【００３０】
圧電素子１１０は反応槽１１２に取り付けられており、保温媒体１１３としての水を超音波１１１の伝達媒体として利用する。故障が発生した場合に、保温媒体１１３への漏電の危険性を考慮し、圧電素子１１０の保温媒体１１３と接触する側の面はＧＮＤ電極とし、さらに絶縁層を設けて保温媒体１１３と接触する構造とする。
【００３１】
分析毎に攪拌対象となる液量が変化する自動分析装置１０１における使用条件において、良好な攪拌状態を得るためには、液量によって超音波１１１を照射する位置を変更する必要があるため、圧電素子１１０は一枚の圧電材の上に複数の電極を備え、同時に漏水検出電極２０３と印加波形検出電極２０２を設ける。漏水検出、および、印加波形検出は開閉器等により構成される圧電素子選択部201で任意の電極を選択できるようにすることも可能である。
【００３２】
電極に印加された電圧により圧電素子１１０が機械的に伸縮することにより、超音波１１１を発生するが、同時に、圧電素子１１０に設けた印加波形検出電極２０２にも圧電作用により電圧が発生するため、印加波形検出部１１９により発生した電圧を測定し、制御部１０２にフィードバックする。
【００３３】
制御部１０２は、予め必要な攪拌状態が得られる時の印加波形検出部１１９の出力波形から設定した比較用波形と現在の出力波形を比較して、両波形の類似度が設定した範囲に入るまで、制御部１０２の指令に基づき、圧電素子１１０に印加する電圧を調整する。
【００３４】
圧電素子選択部２０１は、液量によって超音波１１１の照射すべき高さにあった電極を制御部１０２の命令により選択する。また、攪拌が必要ない反応容器１０８での攪拌が実施されないように、超音波１１１の照射が不要なときには、駆動回路１２０との接続を遮断する。さらに、次の照射を行う前に、圧電素子１１０での漏水がないかをチェックを行う漏水検出電極２０３と漏水検出部204との接続を行う。
【００３５】
図３は、圧電素子の周波数と電気的インピーダンスの概略関係図である。
【００３６】
圧電素子の持つ超音波強度の周波数特性には、ある周波数において極大となる機械的共振周波数が存在する。圧電素子の場合、機械的共振周波数は電気的インピーダンスの共振点３０３近傍に存在しているが、圧電素子１１０それぞれによって微妙に異なっており、特に超音波強度の周波数特性に急峻なピークを持ち、圧電素子１１０の共振点３０３のばらつきが大きい圧電材を使用する場合、ある圧電素子で検体１０６と試薬１０９を混合，攪拌するのに十分の音圧が得られた場合でも、同じ生産工程で作られた別の圧電素子に対して、同じ周波数を印加しても、検体１０６と試薬１０９を攪拌するのに十分の音圧が得られない場合がある。
【００３７】
また、同じ圧電材の上に構成された電極間でも、機械的に動きやすい位置に配置した圧電材中央付近の電極と機械的に拘束されやすい圧電材周辺部に構成された電極とでは、電気的インピーダンスに違いが見られ、同じ電圧を印加しても同じ音圧は得られない。
【００３８】
さらに、同じ圧電材上の複数電極を同時に駆動しようとする場合には、単一電極でのインピーダンス特性３０４に比べ、複数電極でのインピーダンス特性305の方が電気的インピーダンスは低くなり、共振点３０３も低くなる傾向が見られる。
【００３９】
駆動回路１２０を他励発振方式のパワーアンプで構成した場合、攪拌部１０５を複数箇所に設け、１台の駆動回路１２０で複数の圧電素子１１０の複数の電極を同時に駆動することも可能ではあるが、駆動する負荷の数により、共振点，出力電圧とも変化してしまう。
【００４０】
図４は、圧電素子に印加する発振周波数の変化方法の概略図である。
【００４１】
共振点３０３の変化を吸収する手段としては、予め共振点３０３の変化する幅が分かっている場合には、最低周波数ｆminから最高周波数ｆmaxまでをカバーするように三角波によるリニアスイープ等の周波数変調波形４０２を与えることで、発振周波数を強制的に変化させることが可能であるが、圧電素子１１０が最も強力な超音波１１１を発生できる機械的共振周波数以外の周波数で駆動している時間が存在することとなり、時間平均での超音波強度は低下してしまう。
【００４２】
周波数変調をかける変調周波数を低くしたり、印加電圧をＯＮ／ＯＦＦまたは振幅を大小と変化させることにより、反応容器１０８内に液体の脈動を発生させて攪拌効率を向上することが可能であるが、脈動効果による補助があっても攪拌が十分でない場合が発生することも十分考慮する必要があり、超音波１１１の出力強度を直接または間接的にモニタし、フィードバックをかけて出力強度を調節することが、安定な攪拌状態を作り出すための根本的解決策である。
【００４３】
図５は、攪拌時の検出波形の一例の概略図である。
【００４４】
圧電素子１１０は電圧を印加することにより圧電作用により伸縮を起こし超音波１１１を発生するが、同時に外力により電圧を発生する。超音波１１１は、音響インピーダンスの差がある部分で反射することから、反応容器１０８内に気泡が存在し、音響放射圧により生起される旋回流を阻害している状態では気泡から反射された超音波１１１が圧電素子１１０へ戻ってくるため、反射波の影響により印加波形が変化する。気泡が反応容器１０８内で回転し始めると反射波の影響はなくなり、印加波形は圧電素子１１０に印加することを意図していた波形と等しくなる。
【００４５】
安定な攪拌状態を得るためには、音響放射圧により生起される旋回流が安定して発生している際に観られる印加波形になるように制御を行えばよく、印加電圧が弱い、あるいは系全体のインピーダンスが高く音響放射圧により生起される旋回流が発生していない場合の波形の特徴を示していれば、印加電圧を高くし、良好な攪拌状態での印加波形５０３に近づける。
【００４６】
また、印加波形を監視することにより、良好な攪拌状態での印加波形５０３が観測されない場合には、攪拌不良が発生していることを知ることができる。
【００４７】
図６は、検出波形により出力制御を行う手順例である。
【００４８】
超音波駆動信号の周波数に比較して十分なサンプリング周波数および処理能力を有している場合には、下記手順で出力制御を行うことにより安定した攪拌状態を得ることができる。
ステップ１（Ｓ１）
１周期分の印加波形検出部１１９による検出波形のサンプリングを行う。
ステップ２（Ｓ２）
検出波形の最大値，最小値から振幅と周波数の正規化を行う。
ステップ３（Ｓ３）
既知の攪拌状態が良好な際に得られる検出波形を予めリファレンスとして設定しておき、検出された波形との比較を行う。
ステップ４（Ｓ４）
リファレンスとの差分の抽出を行う。
ステップ５（Ｓ５）
抽出した差分から特徴点を探す。攪拌状態が良好であれば、リファレンスとの差はほとんど無く、気泡が旋回流を阻害している場合には、波形の１周期内にピーク以外に極大極小点が存在することが多くリファレンスとの差分に大きな変化が表れる。
【００４９】
素子が熱破壊等で圧電性を失っている場合には、正弦波の形状をとらず、差分はピーク点以外でリファレンスとの乖離が見られる。
ステップ６（Ｓ６）
検出波形が良好な攪拌状態を示している場合は、現状の駆動状態を維持する。
ステップ７（Ｓ７）
気泡が旋回流を阻害している特長が見られる場合には、旋回流の妨げとなる気泡を排除する必要があり、一時的に出力を増強する必要があり、印加電圧振幅を増加させる。
【００５０】
印加電圧振幅増加後もステップ１（Ｓ１）に戻り同様に検出波形から現状の状態を把握し、制御を進める。
ステップ８（Ｓ８）
素子の破壊の特徴を示す波形が見られる場合には、印加電圧振幅を増大させても攪拌状態は変化することがなく、一様に攪拌不良となる。
【００５１】
素子が破壊されている場合には、素子の駆動を止め素子破壊のエラーを表示する。
【００５２】
（実施例２）
図７は、回路的に超音波出力調節を行う構成の概略図である。
【００５３】
駆動回路をＳＥＰＰで構成した場合、駆動回路１２０は発振部７０１，プリアンプ７０２，バイアス回路７０３等から構成される。
【００５４】
発振部７０１は、最終的に圧電素子１１０に印加される電圧波形の基となる基本波形を発振する部分であり、各種発振波形を出力する機能を備えている。
【００５５】
プリアンプ７０２は、電圧増幅を行う部分であり、場合によっては複数段の増幅段から構成される。
【００５６】
バイアス回路７０３は、プッシュプル動作による電流増幅を行うために、プリアンプ７０２で増幅された電圧波形を後段のＦＥＴの動作点に合わせるための回路である。
【００５７】
圧電素子１１０に印加される電力は、電流増幅段から直接圧電素子１１０に供給しても構わないが、大きな電圧振幅を得る目的と圧電素子１１０とのインピーダンスマッチングをとるためにトランス７０４を使用することも可能である。
【００５８】
回路的に超音波出力の調節を行うためには、実施例１のように圧電素子１１０に印加波形検出電極２０２を設けてもよいが、トランス７０４を使用した場合には、トランス７０４に別の巻き線を設けて圧電素子１１０への電流波形を検出することが可能である。
【００５９】
図８は、駆動電流を検出して超音波出力を調節する構成の概略図である。
【００６０】
図７のトランス７０４を広義で捉えた電流検出部８０５とすると、電流検出部８０５は、駆動回路１２０から圧電素子１１０に電力を供給する際に、金属やフェライトで閉磁路を構成した場合、電磁誘導により同じ閉磁路に交差する導体に電流が流れることを利用して電流を検出することが可能である。
【００６１】
圧電素子１１０の駆動周波数が速く、ディジタル処理が間に合わない場合には、ハードウェアで平均化処理等を行い、圧電素子１１０への供給電力をもって攪拌力の評価とすることも可能である。
【００６２】
電流検出部８０５で圧電素子１１０への供給電流を検出し、電流電圧変換部８０１により、電圧に変換する。変換された電圧は、整流部８０２で整流し、フィルタ部８０３で波形整形した後、積分部８０４で積分して平均電流を検出する。
【００６３】
圧電素子１１０への印加電圧を予め決めておけば、平均電圧と平均電流を乗算することにより平均電力を算出することができる。
【００６４】
平均電力から攪拌力を推定し、平均電力が不十分であれば印加電圧を増すといった制御を行うことが可能である。
【００６５】
また、制御を行わなくても攪拌に十分な電力が供給できていない場合には、攪拌不足が発生しているとの警告を発するといった使用方法も考えられる。
【００６６】
実際の攪拌力と平均電力には相関があるが、より厳密に攪拌力を評価することを考えるのであれば、有効電力の検出が必要である。
【００６７】
図９は、状態による検出電流波形の概略図である。
【００６８】
超音波出力強度が大きい場合には、検出電流振幅が大となり、超音波出力強度が小さい場合には、検出電流振幅は小となる。攪拌が可能である最低強度の時の電流波形と素子が破壊されている場合の検出電流波形を比較しても、素子が破壊されている場合の検出電流波形の振幅の方が小さいので、電流振幅のみの監視でも十分に素子の状態を監視することが可能である。
【００６９】
電圧波形で素子の状態を監視した場合には、正常な状態と破壊時の電圧振幅の差は極めて小さいため電流波形の検出を行うのが、素子の状態監視には有効である。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によると、自動分析装置において、超音波による検体と試薬等の攪拌を行う攪拌部に、超音波発生源印加波形を検出する印加波形検出部を設置し、印加波形を用いて出力制御を行うことによって、超音波発生源の個々に電気的特性のばらつきがある場合や、複数の超音波発生源を同時に駆動した場合の合成された負荷の影響による電気的特性の変化の影響を軽減することが可能であり、攪拌部の調整作業を簡素化できるとともに、超音波の出力を安定化させて攪拌状態を安定化することにより、分析の信頼性を向上させることができる。
【００７１】
また、印加波形検出部を設けることにより、超音波発生源の劣化等による発生超音波の強度不足の検出や、不要時の超音波出力有無の検出、および攪拌状態の良否が検出でき、自動分析装置の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】自動分析装置における一実施例の概略構成図。
【図２】攪拌部の概略構成図。
【図３】圧電素子の周波数と電気的インピーダンスの概略関係図。
【図４】圧電素子に印加する発振周波数の変化方法の概略図。
【図５】攪拌時の検出波形の一例の概略図。
【図６】検出波形により出力制御を行う手順例。
【図７】回路的に超音波出力調節を行う構成の概略図。
【図８】駆動電流を検出して超音波出力を調節する構成の概略図。
【図９】状態による検出電流波形の概略図。
【符号の説明】
１０１…自動分析装置、１０２…制御部、１０３…格納部、１０４…分析部、１０５…攪拌部、１０６…検体、１０７…検体格納部、１０８…反応容器、109…試薬、１１０…圧電素子、１１１…超音波、１１２…反応槽、１１３…保温媒体、１１４…試薬格納部、１１５…反応ディスク、１１６…反応ディスクモータ、１１７…光源、１１８…分光器、１１９…印加波形検出部、１２０…駆動回路、２０１…圧電素子選択部、２０２…印加波形検出電極、２０３…漏水検出電極、２０４…漏水検出部、３０１…インピーダンス軸、３０２…周波数軸、３０３…共振点、３０４…単一電極でのインピーダンス特性、３０５…複数電極でのインピーダンス特性、４０１，５０１，９０４…時間軸、４０２…周波数変調波形、５０２…電圧軸、５０３…良好な攪拌状態での印加波形、５０４…気泡により攪拌が阻害されている状態の印加波形、７０１…発振部、７０２…プリアンプ、７０３…バイアス回路、７０４…トランス、８０１…電流電圧変換部、８０２…整流部、８０３…フィルタ部、８０４…積分部、８０５…電流検出部、９０１…出力大時検出電流波形、９０２…出力小時検出電流波形、９０３…素子は開示検出電流波形、９０５…電流軸、ｆmax…最高周波数、ｆｃ…中心周波数、ｆmin…最低周波数、Ｓ１〜Ｓ８…検出波形により出力制御を行う際の動作フローのステップ。
【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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