JP2000213978A

JP2000213978A - シ―ルドドライブを有する液面検知装置

Info

Publication number: JP2000213978A
Application number: JP11017823A
Authority: JP
Inventors: Daii Sho; 大偉蕭; Hiroaki Ishizawa; 宏明石澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2000-08-04
Anticipated expiration: 2019-01-27
Also published as: JP3585389B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成で安価でありながら、サンプリング
アームの上下、回転運動による浮遊容量変化による液面
検知への影響を抑制し、高精度な液面検知を行うことが
できる液面検知装置を実現する。【解決手段】液体５は保持部４の容器３に分注されその
液面はプローブ６で検出される。液面検知装置はプロー
ブ６をシールドドライにしたものでありプローブ６の内
側管６ａと外側管６ｂとの間にオペアンプでシールドド
ライブを構成し外側管６ｂを接地せずに内側管６ａと同
電位で低インピーダンスとする。内側管６ａと外側管６
ｂとは同電位なので互いの間の静電容量は０でプローブ
６の下降や配線の位置ずれによる静電容量の変動がなく
プローブ６が液面に接触した時の容量とプローブ６が下
降した時の容量の差がプローブ６と保持部４間の容量に
なり安定した液面検知が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液面検知装置に係
わり、特に自動分析装置において試料、試薬又はそれら
の反応液である液体をプローブを用いて容器に分注し、
その分注された液体の液面をプローブを用いて検出する
タイプの液面検知装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動分析装置においては、試料、試薬又
はそれらの反応液である液体をプローブを用いて容器に
分注し、その分注された液体の液面をプローブを用いて
検出するタイプの液面検知装置が用いられることがあ
る。

【０００３】上述した液面検出装置における液面検出方
式にはいくつかのタイプがあるが、液面検出時にプロー
ブの液体に対する浸入量をできるだけ少なくし得るのに
有効な静電容量式のものが多く用いられている。

【０００４】従来の静電容量式の液面検出法としては、
静電容量を検出するための一対の電極を構成する必要が
あるが、一般的にプローブを一電極、また、同時に活電
部として働かせ、接地された液体容器保持部との間の静
電容量を検出する手法が用いられる。そして、プローブ
と液体容器保持部との間の静電容量を検出パラメータと
して、ブリッジ回路などの手段を用いてインピーダンス
の変化を液面検出部に取込み、液面の有無を検出してい
る。

【０００５】例えば、特開平６−３３９５号公報に記載
されたものは、ブリッジ回路などのバランス回路でバイ
アス電流を０にするのはできないために、液面に接触し
た時の容量とプローブが下降運動を行った時点の容量と
を比較して、容量の変化量により液面の有無を判断す
る。

【０００６】つまり、上記公報記載のものにおいては、
プローブが下降運動を行う時点での静電容量をインピー
ダンスに換算し、サンプルホールド回路に、電圧という
形で記憶させる。その後にコンパレータを使用して、サ
ンプルホールド回路に記憶した電圧と、プローブの液面
接触時の電圧とを比較して、液面接触時の電圧が記憶し
た電圧より数十ｍＶ高ければ液面有りと判断する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の液面
検知装置において、サンプリングアームが上下、回転運
動をしている時に、上記プローブ、液面検知基板のパタ
ーン、プローブと液面検知基板をつなぐ配線などが浮遊
容量を有しているため、配線の位置ずれや基板のパター
ンとグランドとの距離変化やグローブの振動などで静電
容量の変化が発生する。

【０００８】これにより、プローブが液面に接触する前
に容量の変化が発生し、プローブが液面に接触しないま
まの状態で空中に停止してしまい、液面検知不能となる
原因となっている。

【０００９】また、上記液面検知装置において、人の接
触や動きなどによる自然帯電でサンプリングアームが帯
電した場合には、サンプリングアーム内の基板パターン
浮遊容量と上記配線の浮遊容量が変化し、基準となるホ
ールド電圧が不安定になり、液面誤検知の原因となって
いる。

【００１０】また、液面検知回路において、ブリッジ回
路などの回路で容量バランスをとっている。このため、
基板上で使う抵抗やコンデンサなどの素子のバラツキと
基板に接続するプローブの容量とのパラツキがバイアス
電圧に影響し、場合によっては、このバラツキにより、
液面検知不能になることも有りうる。

【００１１】上記容量変化を、ノイズとしてとらえ、こ
のノイズを低減する容量型液面検出装置が、特開平５−
３４０７８９号公報に記載されている。この公報におい
ては、プローブ（液体移送針）に同軸配列となった信号
電極及び補償電極とを配置し、信号電極と補償電極との
間にシールドドライブを用い、両端の電圧差を生じさせ
ないようにして、ノイズを低減している。

【００１２】しかしながら、上記公報記載の容量型液面
検出装置にあっては、プローブに同軸電極配列を配置す
る構成となっているため、このプローブの製造が困難で
あり、製造コストが高くなってしまうという問題があ
る。

【００１３】ここで、液面検知回路のブリッジ回路など
のバランス回路において、バランスをうまくとるために
は上記プローブの容量管理が大変重要になっている。プ
ローブは、内外二重の金属管から作られており、ピコフ
ァラット単位での品質管理となるため、プローブ製造の
おける歩留まりが悪く、原価が上がっている。

【００１４】また、液面検知回路においては、上述した
ように、サンプリングアームが下降する時点での電圧を
サンプルホールド回路に記憶して、この記憶した電圧
と、プローブが液面に接触した時の電圧とをコンパレー
タで比較して液面検知の有無を判断する。このように、
サンプルホールド回路を液面検知回路基板に組み込んだ
ことによって、基板の大きさおよび使用部品が多くな
り、液面検知装置全体の信頼性が低下するとともに原価
が上がる原因となっている。

【００１５】また、液面検知回路において、ブリッジ回
路などの回路で容量バランスをとっている。このため、
基板上で使う抵抗やコンデンサなどの素子のバラツキと
基板に接続するプローブの容量とのバラツキがバイアス
電圧に影響し、場合によっては、このバラツキにより、
液面検知不能になることも有りうる。

【００１６】本発明の目的は、簡単な構成で安価であり
ながら、サンプリングアームの上下、回転運動による浮
遊容量変化による液面検知への影響を抑制し、高精度な
液面検知を行うことができる液面検知装置を実現するこ
とである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、次のように構成される。（１）血液、尿などの検体または試薬等の液体を分注す
るための分注用プローブを有し、この分注用プローブ
を、容器に収容された液体の液面を検知する液面検知セ
ンサとして働かせ、上記プローブが液面に接触したとき
のプローブと容器保持部との間の静電容量の変化により
液面検知を行う液面検知装置において、上記プローブ
は、静電容量変化検出用の金属二重管を有し、この金属
二重管のうちの外側管及び内側管は非接地で同電位であ
り、これら内側管と外側管とを低インピーダンスドライ
ブを行うシールドドライブ手段と、上記シールドドライ
ブ手段からの出力信号に基づいて、上記プロ−ブが液面
に接触したか否かを検出する液面検知回路とを備える。

【００１８】（２）好ましくは、上記（１）において、
上記プローブを支持する回動可能なアームヘッドを備
え、このアームヘッドは、上記液面検知回路をその内部
に有し、上記アームヘッドの内層は金属、金属蒸着、あ
るいは金属ペーストでシールドされている。

【００１９】（３）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記プローブと液面検知回路との接続線をシール
ド線とする。

【００２０】（４）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記液面検知回路は、上記シールドドライブ手段
からの出力信号と所定の基準値とを比較する比較回路を
有する。

【００２１】（５）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記プローブはシールドされている。

【００２２】静電容量変化検出用の金属二重管のプロー
ブの外側管を接地せずに内側管と同電位の低インピーダ
ンスドライブにしたので、プローブの上下運動などによ
る浮遊容量の変化を防ぐことができる。

【００２３】また、液面検知回路をアームヘッドの内部
にいれて、アームヘッドの内層を金属あるいは金属蒸
着、金属ペーストでシールドした場合、アームヘッドの
帯電、アームの上下運動などによる基板パターンの浮遊
容量の変化を防ぐことができる。

【００２４】プローブと液面検知回路とを接続する配線
をシールド線にした場合、上下、回転運動による振動で
液面検知回路とプローブ間の配線の浮遊容量の変化を防
ぐことができる。

【００２５】液面検知で使う基準値電圧を定常値０にす
れば、液面検知回路では基準電圧値の記憶に用いるサン
プルホールド回路を省略することができる。

【００２６】プローブをシールドドライブにすること
で、見かけ上で容量を０とすれば、上記プローブ生産上
において、プローブの容量の管理が不要となり、生産が
容易となる。

【００２７】プローブをシールドドライブとすること
で、プローブに曲がりが発生しても、静電容量の変化が
見かけ上で０とすることができ、プローブの曲がりが分
注に影響しない程度であれば、プローブ交換などのメン
テナンスが不要で、かつ、正確な液面検知を維持するこ
とができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態であ
る液面検知装置が適用された液体分注装置の全体概略構
成図であり、図２は本発明の一実施形態が適用された液
面検知装置の液体分注機構部の概略図である。

【００２９】まず、図２において、サンプリング機構１
のサンプリングアーム２は上下すると共に回転する。試
料である液体５は液体容器保持部４に配置された容器３
に分注され、その分注された液体５の液面はプローブ６
を用いて、後述する液面検出装置により検出される。ま
た、分注された液体５はサンプリング機構１によりプロ
ーブ６を用いて吸引される。

【００３０】ここで、サンプリングアーム２（アームヘ
ッド）は、後述する液面検知回路をその内部に有し、こ
のサンプリングアーム２の内層は金属、金属蒸着、ある
いは金属ペーストでシールドされている。このようにす
れば、アームヘッドの帯電、アームの上下運動などによ
る基板パターンの浮遊容量の変化を防ぐことができる。

【００３１】図３は、図１に示した液体分注装置におけ
る液面検出回路を示す図である。この液面検出回路３０
は静電容量式のものである。図３において、交流発振回
路７から出力される交流信号は、プローブ６を通して検
出される静電容量値の変化を検出すべく検出回路８に入
力される。交流信号としては一般的には正弦波が用いら
れるが、方形波、三角波等が用いられてもよい。

【００３２】検出回路８では交流信号の状態のまま、検
出された静電容量の変化を増幅し、その増幅した信号を
整流回路９に入力する。そして、整流回路９では入力さ
れた交流信号を直流信号に変換し、比較回路１０に入力
する。

【００３３】比較回路１０では入力された直流信号に基
づいて、静電容量の変化を変化前後で比較し、プローブ
６と容器３内の液体の液面との接触の有無、つまり、液
面検出の有無を表す検出信号１５を出力する。

【００３４】比較回路１０が直流信号で動作するように
するのは、そのほうが回路が簡素化され、安価となるか
らである。検体が少量の場合は、通常、静電容量の変化
は１０^-12ファラッド（１ｐＦ）以下となり、この変化
量に対応する出力電圧の変化も数１０ｍＶである。この
ため、浮遊容量の変動が液面の誤検知の原因となりう
る。

【００３５】次に、図１において、この液面検知装置
は、検出回路８は、オペアンプ２０を有し、オペアンプ
２０の非反転入力端子は、プローブ６の内側管６ａに接
続され、オペアンプ２０の反転入力端子は、プローブ６
の外側管６ｂに接続されている。そして、オペアンプ２
０の出力端子は、このオペアンプ２０の反転入力端子に
接続されている。このように、本発明の一実施形態にお
いては、プローブ６をシールドドライブにしたものであ
り、プローブ６の内側管６ａと外側管６ｂとの間にオペ
アンプでシールドドライブを構成し、外側管６ｂをグラ
ンド（ＧＮＤ）に落とさずに、内側管６ａと同電位で低
インピーダンスとする。

【００３６】内側管６ａと外側管６ｂとは同電位である
ため、見かけ上で内側管６ａと外側管６ｂとの間の静電
容量は０になる。このため、プローブ６が下降しても、
配線の位置がずれても、これらによる静電容量の変動が
なくなる。そして、プローブ６が液面に接触することに
より増えた静電容量は、プローブ６と液体保持容器３と
の間の静電容量である。

【００３７】なお、プローブ６と液面検知回路３０との
接続線はシールド線となっている。

【００３８】図４はプローブ６が下降を行う時点と、液
面に到達する寸前と、液面に接触したときとの検出静電
容量の変化を示す図である。図４において、（ａ）はプ
ローブ６の下降による浮遊容量の変化がない場合の状況
を示している。容量変化がΔＣよりも大きい場合（静電
容量Ｃ１）は、液面あり、小さいときは液面なしと判断
する。

【００３９】図４の（ａ）の容量の変化量はプローブ６
と液体容器保持部４との間の静電容量であり、静電容量
Ｃ１はΔＣより大（Ｃ１＞ΔＣ）となっており、正常に
液面検知ができる。

【００４０】次に、図４の（ｂ）の場合は、プローブ６
の下降により、液面に接触する寸前の浮遊容量が下降時
点よりＣ４だけ大きくなっている場合の例である。この
図４の（ｂ）の例の場合、液面に接触したときの容量変
化Ｃ２は、Ｃ２＝Ｃ１＋Ｃ４となる。このときでも正常
に液面検知はできるが、プローブ６が液面に入る寸前の
容量変化（Ｃ４）が大きいため、ノイズが混入すると、
容量変化Ｃ４にノイズ分が加算され、ΔＣより大となっ
て、プローブ６は、すぐ空中停止されてしまう恐れがあ
る。

【００４１】次に、図４の（ｃ）の場合は、プローブ６
の下降による容量変化は、Ｃ５だけマイナスの容量変化
となっている。プローブ６が液面に接触する寸前の容量
は小さく、下降時点の容量はマイナスとなっているた
め、液面に接触するときの容量変化はＣ３＝Ｃ１−Ｃ５
となり、Ｃ３がΔＣより小さければ、液面検知はできな
くなる。

【００４２】図５は、本発明の一実施形態に係わるシー
ルドドライブを採用した液面検知比較回路１０を示す。
また、図６は、図５の回路と構成を比べるための図であ
り、シールドドライブを採用していない液面検知比較回
路の概略図である。図６において、液面検知比較回路
は、検出抵抗１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、コンデンサ１０
Ｄ、アナログスイッチ１０Ｈ、コンパレータ１０Ｅから
構成されており、端子１０Ｆから静電容量検出回路の出
力電圧を印加し、端子１０Ｇから液面検知検出信号を出
力する。

【００４３】つまり、端子１０Ｆは、アナログスイッチ
１０Ｈを介してコンパレータ１０Ｅのプラス入力端子に
接続される。

【００４４】また、端子１０Ｆとアナログスイッチ１０
Ｈとの接続点は、抵抗１０Ａ及び抵抗１０Ｂを介して接
地される。また、抵抗１０Ａと抵抗１０Ｂとの接続点
は、抵抗１０Ｃを介してコンパレータ１０Ｅのマイナス
入力端子に接続される。さらに、アナログスイッチ１０
Ｈとコンパレータ１０Ｅとの接続点は、コンデンサ１０
Ｄを介して接地される。そして、コンパレータ１０Ｅの
出力端子は、端子１０Ｇに接続される。

【００４５】アナログスイッチ１０Ｈは、プローブ６の
下降位置検出信号に基づき発生される停止制御信号に従
って接点を開閉するよう構成されており、コンデンサ１
０Ｄが静電容量変化の基準値記憶手段として構成され、
コンパレータ１０Ｅが液面検知手段として構成されてい
る。

【００４６】プローブ６の下降位置検出信号は、プロー
ブ６が回転して移動し、プローブ６が下降位置に入った
時点で発生する。プローブ６が下降を開始した時点で下
降位置検出信号は出力されなくなり、停止制御信号によ
りアナログスイッチ１０Ｈが開かれ、同状態での静電容
量検出回路８の出力電圧がコンデンサ１０Ｄに基準電圧
として設定される。そして、コンデンサ１０Ｄの放電時
間内は、基準電圧を維持する。

【００４７】コンデンサ１０Ｄの放電時間内にプローブ
６がさらに下降し、液面にプローブ６が接触すると、静
電容量検出回路８の出力電圧が数十ｍＶ上昇し、コンパ
レータ１０Ｅのマイナス端子の電圧がコンデンサ１０Ｄ
から放電される基準電圧よりも高くなる。よって、端子
１０Ｇからは液面検知信号として信号が出力される。

【００４８】一方、図５において、液面検知比較回路１
０は、検出抵抗１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、分圧抵抗１０
Ｋ、１０Ｊ、コンパレータ１０Ｅから構成されており、
端子１０Ｆから静電容量検出回路の出力電圧を印加し、
端子１０Ｇから液面検知検出信号を出力する。

【００４９】つまり、端子１０Ｆは、抵抗１０Ａ及び抵
抗１０Ｂを介して接地される。また、抵抗１０Ａと抵抗
１０Ｂとの接続点は、抵抗１０Ｃを介してコンパレータ
１０Ｅのマイナス入力端子に接続される。さらに、アナ
ログスイッチ１０Ｈとコンパレータ１０Ｅとの接続点
は、コンデンサ１０Ｄを介して接地される。

【００５０】また、コンパレータ１０Ｅのプラス入力端
子は、抵抗１０Ｋと抵抗１０Ｊとの接続点にされる。抵
抗１０Ｋには停止制御信号が供給され、抵抗１０Ｊは接
地される。そして、コンパレータ１０Ｅの出力端子は、
端子１０Ｇに接続される。

【００５１】図５に示すように、本発明では一般に使わ
れている比較回路（図６に示した回路）で使われている
アナログスイッチと電圧ホールド用コンデンサとを省略
化することで回路を簡素化することにできる。つまり、
コンパレータ１０Ｅだけを使って、静電容量検出回路の
出力電圧と、抵抗１０Ｋ及び１０Jとの分圧電圧と比較
する。

【００５２】理論上、比較回路のバイアス電圧は０Ｖと
なるが、抵抗やコンデンサなどの素子のバラツキを考え
て、抵抗１０Ｊの分圧電圧は、ある程度の裕度を持たせ
て、十数ｍＶに設定し、プローブ６が下降して液面に接
触した時に端子１０Ｆに静電容量検出回路の出力電圧が
数十ｍＶ上がり、コンパレータ１０Ｅで十数ｍＶの抵抗
１０Ｋ及び１０Ｊの分圧電圧と、上記静電容量検出回路
の出力電圧とを比較して、液面検知信号を出力する。

【００５３】図５に示した液面検知比較回路１０によれ
ば、比較する基準値を従来の回路（図６の回路）より大
幅に下げることができたため、ごく微量の検体でも正確
に液面検知を行うことができる。

【００５４】なお、プローブ６の内外層６ａ、６ｂの間
にシールドドライブを構成するときに、このための専用
のトランジスタ、ＩＣなどを使用せずに、液面検知比較
回路１０上のものを利用することも可能である。

【００５５】以上説明した本発明の一実施形態によれ
ば、プローブ６をシールドドライブとすることにより、
サンプリングアームの下降、回転動作によるプローブ配
線、基板パターンの浮遊容量の変化に対する液面検知へ
の影響を無くすと同時に液面検知回路を簡素化すること
ができる。

【００５６】また、本発明の一実施形態によれば、プロ
ーブ６の内側管と外側管とは同電位であれば、互いに同
軸である必要はない。これにより、プローブの製造が容
易であり、低価格で実現することが可能である。

【００５７】したがって、本発明の一実施形態によれ
ば、簡単な構成で安価でありながら、サンプリングアー
ムの上下、回転運動による浮遊容量変化による液面検知
への影響を抑制し、高精度な液面検知を行うことができ
る液面検知装置を実現することができる。

【００５８】また、分注に影響しない程度のプローブの
曲がりによる静電容量変化であれば、液面検知に対して
悪影響は無いので、プローブ交換らのメンテナンスが不
要となる。

【００５９】なお、以上に説明した本発明の一実施形態
において、容器３に分注されるべき液体は試料のみなら
ず、試薬であってもよいし、あるいは試料と試薬の反応
液であってもよい。また、液体容器保持部４はサンプル
ディスクのみならず、ライン上のサンプルラックなどで
あってもよい。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、液面検知機構のアーム
ヘットの下降、回転運動による浮遊容量の変動を防ぐこ
とができ、微量な検体でもより正確な液面検知ができ
る。

【００６１】さらに液面検知回路を簡素化することがで
き、基板の信頼性をアップすることができる。それにプ
ローブの容量管理が必要でなくなるために、生産の歩留
まりを上げ、製品の原価低減につながる。

【００６２】したがって、簡単な構成で安価でありなが
ら、サンプリングアームの上下、回転運動による浮遊容
量変化による液面検知への影響を抑制し、高精度な液面
検知を行うことができる液面検知装置を実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である液面検知装置が適用
された液体分注装置の全体概略構成図である。

【図２】本発明の一実施形態が適用された液面検知装置
の液体分注機構部の概略図である。

【図３】図１に示した液体分注装置における液面検出回
路を示す図である。

【図４】プローブが下降を行う時点と液面に到達する寸
前と液面に接触したときの検出静電容量の変化を示す図
である。

【図５】本発明の一実施形態に係わるシールドドライブ
を採用した液面検知比較回路を示すずである。

【図６】シールドドライブを採用していない液面検知比
較回路の概略図である。

【符号の説明】

１サンプリング機構２サンプリングアーム３容器４液体容器保持部５液体６プローブ６ａ内側管６ｂ外側管７交流発振回路８検出回路９整流回路１０比較回路１０Ａ抵抗１０Ｂ抵抗１０Ｃ抵抗１０Ｅコンパレータ１０Ｆ端子１０Ｇ端子１０Ｈアナログスイッチ１０Ｊ抵抗１０Ｋ抵抗２０オペアンプ３０液面検知回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】血液、尿などの検体または試薬等の液体を
分注するための分注用プローブを有し、この分注用プロ
ーブを、容器に収容された液体の液面を検知する液面検
知センサとして働かせ、上記プローブが液面に接触した
ときのプローブと容器保持部との間の静電容量の変化に
より液面検知を行う液面検知装置において、上記プローブは、静電容量変化検出用の金属二重管を有
し、この金属二重管のうちの外側管及び内側管は非接地
で同電位であり、これら内側管と外側管とを低インピーダンスドライブを
行うシールドドライブ手段と、上記シールドドライブ手段からの出力信号に基づいて、
上記プロ−ブが液面に接触したか否かを検出する液面検
知回路と、を備えることを特徴とするシールドドライブをを有する
液面検知装置。
【請求項２】請求項１記載のシールドドライブを有する
液面検知装置において、上記プローブを支持する回動可
能なアームヘッドを備え、このアームヘッドは、上記液
面検知回路をその内部に有し、上記アームヘッドの内層
は金属、金属蒸着、あるいは金属ペーストでシールドさ
れていることを特徴とするシールドドライブを有する液
面検知装置。
【請求項３】請求項１記載のシールドドライブを有する
液面検知装置において、上記プローブと液面検知回路と
の接続線をシールド線としたことを特徴とするシールド
ドライブを有する液面検知装置。
【請求項４】請求項１記載のシールドドライブを有する
液面検知装置において、上記液面検知回路は、上記シー
ルドドライブ手段からの出力信号と所定の基準値とを比
較する比較回路を有することを特徴とするシールドドラ
イブを有する液面検知装置。
【請求項５】請求項１記載のシールドドライブを有する
液面検知装置において、上記プローブはシールドされて
いることを特徴とするシールドドライブを有する液面検
知装置。