JP7309731B2 - 超音波洗浄器およびこれを用いた自動分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、血清や尿などのサンプルを分注する試料プローブを洗浄する超音波洗浄器、および超音波洗浄器を備え、サンプルと試薬を混ぜ合わせることで成分分析を行う自動分析装置に関する。

自動分析装置では、同一試料プローブを繰り返し使用してサンプルを分注するため、別のサンプルを吸引する前には試料プローブ先端の洗浄を行う。試料プローブ先端の洗浄が不十分であると、前のサンプル成分を次のサンプルに持ち込み（キャリーオーバ）してしまい、測定精度が悪化する。しかしながら、高スループット性能の自動分析装置では高速に分注処理を行うため、試料プローブ洗浄に十分な時間を使えない。特許文献１では、ランジュバン振動子を洗浄槽の底部に備えた超音波洗浄器を用いて、液中に発生したキャビテーションでノズルの試料付着物を除去することが開示されている。

特開平４－１６９８５０号公報

超音波を用いる洗浄器では、取れにくい汚れに対して超音波振動子の駆動周波数を低周波（２０～１００ｋＨｚ）に設定して使うことが多い。低周波での洗浄は、液中に発生するキャビテーション（液中に生じた圧力差で泡の発生と消滅が起きる現象）を利用している。しかし、キャビテーションは、液中に一様に発生するわけではなく、超音波強度の強弱によってキャビテーションの強度も変化する。超音波強度が強くなる領域は、駆動する周波数によって発生する間隔が異なり、液の音速（水では約１５００ｍ／ｓ）を超音波振動子の駆動周波数で割った距離ごとにキャビテーションが強い領域ができる。例えば、５０ｋＨｚで駆動したときには、１波長が３０ｍｍ（λ）の定在波が生じ、その半波長である１５ｍｍ（λ／２）間隔でキャビテーション強度が強い領域が生じる。また、超音波を発生する振動面付近もキャビテーション強度が強い領域となる。

このため、特許文献１のようにランジュバン振動子を洗浄槽の下部に備えた超音波洗浄器では、キャビテーションの効果を得るため２０～１００ｋＨｚで駆動すると、キャビテーションが強くなる領域は７．５ｍｍ（１００ｋＨｚ駆動）～３７．５ｍｍ（２０ｋＨｚ駆動）間隔で生じる。キャビテーション強度は、駆動源である振動子に近いほど強い。また、キャビテーションが強くなる領域の範囲は狭いため、試料プローブの洗浄範囲は限定的となり洗浄ムラが発生しやすい。さらに、振動子を洗浄槽の下部に備える構造の超音波洗浄器は、ステンレス槽の底部を振動子で加振することで内部の液に超音波を発生するため、底部の面積が大きくなる。このため、本発明においてはランジュバン振動子の先端に振動ヘッドを設け、液面付近で振動ヘッドを共振振動させることにより、大きな変位を発生させる。

ところで、洗浄には、大きく分けて洗浄液の化学効果を利用する洗浄と、キャビテーションや直進流のような物理効果を利用する洗浄があり、強力な洗浄効果を得るためには両方を効果的に利用することが望ましい。ここで、振幅の大きい振動源を液面付近に配置させると液面が不安定な挙動を示し、振動ヘッドへせり上がりが発生する。振動ヘッドへ発生するせり上がりは、振動子の動作に対して大きな負荷となり、振動子の動作不良を引き起こす。動作不良は、液面を不安定にさせ、洗浄液がプローブおよび振動子、洗浄槽外へ飛散する。仮に飛散した物質が試料容器や反応セルに混入すれば、試料の分析の妨げとなる。

本発明の一実施の態様である超音波洗浄器によれば、洗浄液をためる洗浄槽と、超音波振動子と、超音波振動子から洗浄槽に向けて延伸される首と、鉛直方向にその長手方向を有する円筒孔を有する先端部とを有する振動ヘッドと、首及び円筒孔に対応する開口を有する第１のカバーとを有し、第１のカバーは、洗浄槽を覆うように、洗浄液の液面に接する高さに設置される。

超音波洗浄の安定稼動および、超音波洗浄槽のメンテナンス頻度低減に寄与する。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

自動分析装置の概略図である。 超音波洗浄器の斜視図である。 超音波洗浄器の上面図である。 Ａ－Ａ’に沿った超音波洗浄器の断面図である。 超音波振動子及び振動ヘッドの側面図である。 １次振動モードでの振動ヘッドの変形を示す図である。 ２次振動モードでの振動ヘッドの変形を示す図である。 振動ヘッドを取り付けた超音波振動子のインピーダンス波形である。 振動ヘッドの首に洗浄液が大きくせり上がった場合における超音波振動子のインピーダンス波形である。 超音波洗浄器の振動ヘッドと洗浄槽の部分を表す図である。 振動ヘッド、超音波振動子に対するコーティングの一例である。 振動ヘッド、超音波振動子に対するコーティングの一例である。 超音波振動子に与える電圧制御の一例である。 超音波振動子に与える電圧制御の一例である。 超音波振動子に与える電圧制御の一例である。 超音波洗浄器に液面カバーを設置した一例である。 超音波洗浄器に液面カバーを設置した一例である。 超音波洗浄器に液面カバー、飛散防止カバー及びせり上がり抑制カバーを設置した一例である。 超音波洗浄器に液面カバー、飛散防止カバー及びシール材を設けたせり上がり抑制カバーを設置した一例である。 液面カバーにシール材を設けた一例である。 飛散防止カバーにシール材を設けた一例である。 シール材の形状の一例である。 シール材の形状の一例である。 シール材の形状の一例である。 シール材の形状の一例である。 シール材の形状の一例である。 超音波洗浄器に液面カバー、シール材を設けた飛散防止カバー及びせり上がり抑制カバーを設置した一例である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は自動分析装置１００の概略図である。分析対象の血液や尿などの生体試料（以下、単に試料と称する）は試料容器１５に収容される。１つ以上の試料容器１５が試料ラック１６に搭載され、試料搬送機構１７によって搬送される。試料の分析に用いる試薬は試薬ボトル１０に収容され、複数の試薬ボトル１０が試薬ディスク９に周方向に並べて配置されている。試料と試薬とは反応容器２内で混合して反応させられる。複数の反応容器２が反応ディスク１の周方向に並べて配置されている。試料は、試料搬送機構１７により試料分注位置に搬送された試料容器１５から、第１または第２の試料分注機構１１，１２により、反応容器２に試料を分注する。一方、試薬は試薬ボトル１０から、試薬分注機構７，８により、反応容器２に試薬を分注する。反応容器２に分注された試料と試薬の混合液（反応液）は、攪拌機構５，６によって攪拌され、分光光度計４により、図示しない光源から反応容器２の反応液を介して得られる透過光を測定することにより、反応液の吸光度が測定される。自動分析装置１００における分析処理として、分光光度計４が測定した混合液（反応液）の吸光度から試薬に応じた分析項目の所定成分の濃度等などが算出される。測定済みの反応容器２は洗浄機構３により洗浄される。

第１（第２）の試料分注機構１１（１２）は、その先端を下方に向けて配置された試料プローブ１１ａ（１２ａ）を有しており、試料プローブ１１ａ（１２ａ）には、試料用ポンプ１９が接続されている。第１（第２）の試料分注機構１１（１２）は、水平方向への回転動作及び上下動作が可能なように構成されており、試料プローブ１１ａ（１２ａ）を試料容器１５に挿入して試料を吸引し、試料プローブ１１ａ（１２ａ）を反応容器２に挿入して試料を吐出することにより、試料容器１５から反応容器２への試料の分注を行う。第１（第２）の試料分注機構１１（１２）の稼動範囲には、試料プローブ１１ａ（１２ａ）を洗浄液により洗浄する超音波洗浄器２３（２４）が配置されている。洗浄液として水以外を用いた場合に、水により洗浄に用いた洗浄液を取り除くため、試料プローブ１１ａ（１２ａ）を洗浄する洗浄槽１３（１４）が配置されている。

試薬分注機構７，８は、その先端を下方に向けて配置された試薬プローブ７ａ，８ａを有しており、試薬プローブ７ａ，８ａには、試薬用ポンプ１８が接続されている。試薬分注機構７，８は、水平方向への回転動作及び上下動作が可能なように構成されており、試薬プローブ７ａ，８ａを試薬ボトル１０に挿入して試薬を吸引し、試薬プローブ７ａ，８ａを反応容器２に挿入して試薬を吐出することにより、試薬ボトル１０からから反応容器２への試薬の分注を行う。試薬分注機構７，８の稼動範囲には、試薬プローブ７ａ，８ａを洗浄液により洗浄する洗浄槽３２，３３が配置されている。

攪拌機構５，６は、水平方向への回転動作及び上下動作が可能なように構成されており、反応容器２に挿入することにより試料と試薬の混合液（反応液）の攪拌を行う。攪拌機構５，６の稼動範囲には、攪拌機構５，６を洗浄液により洗浄する洗浄槽３０，３１が配置されている。また、洗浄機構３には、洗浄用ポンプ２０が接続されている。

これら自動分析装置１００の全体の動作は制御部２１により制御される。なお、図１においては、図示の簡単のため、自動分析装置１００を構成する各機構と制御部２１との接続を一部省略して示している。

図２Ａから図２Ｄを用いて超音波洗浄器２３，２４の構成例を説明する。図２Ａは超音波洗浄器２３，２４の斜視図、図２Ｂは上面図、図２ＣはＡ－Ａ’（図２Ｂ）に沿った断面図、図２Ｄは超音波振動子及び振動ヘッドの側面図である。

超音波洗浄器２３，２４は、フロントマス２０１とバックマス２０２の間に１つ以上の圧電素子２０３を挟み、フロントマス２０１とバックマス２０２をボルト２０４で締結することで構成される超音波振動子（ボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ：Bolt-clamped Langevin Type Transducer））２０５、振動ヘッド２０９、洗浄液を貯水する洗浄槽２０６が設けられたベース部２０７を有する。ここでは、超音波振動子２０５のボルト２０４の軸方向をＸ方向、ベース部２０７の上面（水平面）においてＸ方向と垂直な方向をＹ方向、水平面に垂直な方向、すなわち鉛直方向をＺ方向と定義している。

超音波振動子２０５はフランジ部２０８を備え、ベース部２０７に固定されている。図ではフランジ部２０８の下側でベース部２０７に固定しているが、フランジ部２０８の上側にもフランジを固定する部材を設け、当該部材とベース部２０７とを接続することにより、フランジ部２０８の全周を均等に固定することも可能である。また、フランジ部２０８とベース部２０７とが接する部分にはフランジ部２０８やベース部２０７の磨耗や騒音を防止するため、フランジ部２０８を一部固定したり、ゴムなどの緩衝材を入れたりしても良い。

ただし、フランジ部２０８においても僅かながら微小振動をしていることから、フランジ部２０８をベース部２０７に固着してしまうと、フランジ部２０８からベース部２０７に振動が伝達し、その分振動ヘッド２０９へ伝わるエネルギーが減少してしまう。したがって、フランジ部２０８の固定においては、超音波振動子２０５が自立する範囲において、自由端とすることが望ましい。具体的には、フランジ部２０８の微小振動がベース部２０７に伝達されるのを抑制し、超音波振動子２０５を高効率に振動させるために、フランジ部２０８とベース部２０７との間には隙間を設けることが望ましい。

超音波振動子２０５のフロントマス側の先端に洗浄槽２０６に向けて延伸される振動ヘッド２０９を有する。振動ヘッド２０９の先端部２１０は円筒形状であり、洗浄槽２０６とは接しない位置で洗浄槽２０６に溜められた洗浄液に浸かる位置にくるように調整される。円筒形状の振動ヘッド先端部２１０には、試料プローブの先端外径よりも大きい円筒孔２１１が設けられている。なお、フロントマス２０１と振動ヘッド２０９とは別々に作製してボルト等で固定してもよいし、一体で作製してもよい。また、洗浄槽２０６には洗浄液を供給する配管２１２が設けられ、一定量の洗浄液を供給することで洗浄槽２０６内にある洗浄液をオーバーフローさせることにより置換することができる。すなわち、洗浄液供給配管２１２から供給された洗浄液は、洗浄槽２０６の側壁の上端からあふれて、洗浄槽２０６の外周にある液受け２１３に流れ、排水路２１４から排出されることにより、洗浄槽２０６内の洗浄液の高さ（液位）は、洗浄液を供給するたびに一定となる。

図示しないが、金属ブロック（２０１・２０２）と圧電素子２０３の間及び複数の圧電素子２０３の間には電極（例えば銅板）が挟まれており、これら電極に対して所定の周波数の正弦波電圧を印加することで、ボルト２０４の軸方向に超音波振動子２０５が駆動される。特に、フロントマス２０１の形状をホーン形状（圧電素子２０３側と振動ヘッド側とで径を変化させる形状）とすることで、圧電素子２０３の発生する振幅を増幅できることが知られており、ホーンの長さや形状を駆動したい周波数に合わせて設計することで、少ない電力で大振幅が得られる。図ではコニカルホーン形状を示しているが、他の形状（エクスポネンシャルホーンなど）でも問題ない。

さらに、ホーン形状のフロントマス２０１の先端に細長い振動ヘッド２０９を設け、超音波振動子２０５の振動に同期して共振させることにより、振動ヘッド先端部２１０において大変位を発生させることができる。これにより、超音波振動子２０５に印加する電気エネルギーを効率的に振動ヘッド先端部２１０の振動（運動エネルギー）に変換することができる。

超音波洗浄器２３，２４で試料プローブ１１ａ，１２ａを洗浄するときには、所定の低周波数で圧電素子２０３を駆動し、振動ヘッド先端部２１０の円筒孔２１１に試料プローブを洗浄範囲（試料プローブの先端から５ｍｍ程度の範囲）が浸かるように挿入し、一定時間洗浄液に浸漬しておくことにより、試料プローブの外周部に着いた汚れをキャビテーションによって除去する。洗浄後は、試料プローブを超音波洗浄器から引き抜き、洗浄槽２０６の洗浄液をオーバーフローにより交換することで、次に試料プローブを洗浄するときには新しい洗浄液で洗浄することができ、キャリーオーバを抑えることができる。これらの制御は、制御部２１により、所定の装置シーケンスにしたがって実行される。

超音波洗浄器２３，２４は、洗浄液中にキャビテーションを発生させるのに適した２０～１００ｋＨｚの周波数で圧電素子２０３を駆動し、洗浄槽２０６内の振動ヘッド２０９を共振させ、その大変位の振動（周波数は駆動周波数と同じ）により超音波振動を発生させる。これにより、振動ヘッド２０９の周囲、特に振動の腹（最も振幅が大きくなる部分）を中心にキャビテーションが発生する。開放端である振動ヘッド先端部２１０は振動の腹となるので、円筒孔２１１内に発生するキャビテーションにより、試料プローブ先端を集中的に洗浄する。なお、洗浄液として水を使用してもキャビテーションによる高い洗浄効果が得られることに変わりなく、例えば温水であってもタンパク質などの汚れに対して有効であり、目的とする洗浄効果に応じた洗浄液を使用すればよい。

図３Ａ～Ｃを用いて、振動ヘッド２０９の振動について説明する。振動ヘッド２０９は共振振動にともなう変形の仕方によって複数の振動モードを有する。図３Ａに振動ヘッド２０９の１次振動モードの変形、図３Ｂに振動ヘッド２０９の２次振動モードの変形、図３Ｃに振動ヘッドを取り付けた超音波振動子のインピーダンス波形を示す。

振動ヘッド２０９の共振周波数は複数あり、共振時、それぞれで異なった変形が生じる。図３Ａは１次振動モードであり、振動ヘッド先端部２１０がＸ方向に振れる振動モードである。図３Ｂは２次振動モードであり、振動ヘッド先端部２１０がＸ方向に振れるとともに、振動ヘッド先端部２１０の中間に振動の節（最も振動が小さくなる部分）ができて、鉛直方向（Ｚ方向）に振れる振動モードである。なお、図では振動モードの違いを分かりやすくするため、変形を誇張して示している。

図３Ｃは横軸に周波数、縦軸にインピーダンスを示した図である。振動ヘッド２０９の共振点４１０と超音波振動子２０５の共振点４１１（超音波振動子２０５がボルト２０４の軸方向に伸縮するモード）とが示されている。共振点４１０は、１次振動モードの共振点であっても、２次振動モードの共振点であってもよいが、洗浄に使用する振動モードであり、その共振周波数がキャビテーションを発生しやすい２０～１００ｋＨｚの範囲に存在する必要がある。さらに、共振点４１０と共振点４１１とが近接し、これらの差の絶対値が１０ｋＨｚ以下となるように、振動ヘッド２０９と超音波振動子２０５とを設計することが望ましい。共振点を近づけることにより、その相互作用により効率よく電気エネルギーを振動ヘッド先端部２１０の振動に変換することができるためである。

図４は本実施例の超音波洗浄器の振動ヘッド２０９と洗浄槽２０６の部分を表す図である。振動ヘッド２０９は２次振動モードの共振点で振動させるものとし、Ｘ方向の振動とＺ方向の振動とを併せ持つ。先に述べたように、振動ヘッド先端部２１０は洗浄槽２０６内の洗浄液中に位置され、試料プローブを円筒孔２１１に挿入して試料プローブの洗浄を行う。これにより、円筒孔２１１の内壁近傍で発生するキャビテーションにより試料プローブの洗浄を行う。ここで振動ヘッド２０９が超音波振動すると、振動ヘッド２０９の周囲に液面のせり上がり３１０が発生し、部分的に洗浄槽２０６の淵よりも高い水位になる。そのため、円筒孔２１１の位置が、振動ヘッド２０９の首３０４（振動ヘッド２０９のうち、フロントマス２０１と振動ヘッド先端部２１０との間にあるＺ方向に延びる部分）に近い位置にあると、洗浄時に試料プローブが洗浄液につかる範囲が広がり、例えば設定した範囲５ｍｍに対して７ｍｍまで濡れる。洗浄液として水以外を使用している場合には、洗浄液を落とすため試料プローブの洗浄部分に対して水洗浄を行う必要があるが、この水洗浄の工程で洗浄範囲を拡大する必要が出てくる。洗浄範囲を拡大すると、スループットが低下したり、試料プローブに水が残りやすくなり試料を薄めたりする問題がある。このため、ヘッド先端長さ２１５は、液面のせり上がり３１０に試料プローブが接触しない程度に円筒孔２１１の位置が振動ヘッド２０９の首３０４から離れる長さとすることが望ましい。

洗浄液のせり上がり現象により、首３０４に付着した洗浄液の水分が蒸発し、その成分が析出する可能性がある。この課題と対策について図５及び図６を用いて説明する。

図３Ａに示した１次振動モードの場合、図５に示すように、振動の腹（振幅が最も大きい部分）２２１は振動ヘッド２０９の先端に現れ、振動の節（振幅が最も小さい部分）２２０は首３０４の付け根（振動ヘッド２０９と超音波振動子２０５との接続部分）に現れる。振動ヘッド先端部２１０の振動により生じた洗浄液のせり上がり現象により、洗浄液は振幅の小さい振動の節２２０まで到達する。洗浄液が蒸発したとき、析出し易い液性であった場合、振動の節２２０まで到達した洗浄液は空気層との界面が存在するため、そこで析出現象が発生する。洗浄液が析出した場合、振動の腹２２１の近傍においては変位が大きいことから、析出した物質を首３０４から剥離することが可能であるが、振幅の小さい振動の節２２０の近傍においては、析出した洗浄液を剥離することが困難であり、時間経過と共に析出した物質が肥大化する可能性がある。

そこで少なくとも節２２０に疎水性あるいは親水性のコーティング膜５０１を施すことにより、析出した洗浄液の固着を防止する。例えば、フッ素樹脂膜などのコーティング膜を節２２０となる部分の近傍に形成する。疎水性コーティングの場合は、洗浄液をとどまりにくくすることにより、洗浄液の析出を防止し、親水性コーティングの場合は、洗浄液をコーティングされた領域に薄く広げることで洗浄液の析出を防止する効果がある。図５に示すように、コーティング膜５０１の範囲は、振動の節２２０と振動の腹２２１との間にコーティング界面を持ち、振動の節２２０側がコーティングされるようにする。振動の腹２２１を含めてコーティングすると、振動ヘッド２０９の振幅が大きいことにより、コーティング膜５０１が剥離する可能性があり、長期の使用には適さないためである。振動の節２２０側のコーティング膜については、振動ヘッド２０９まであるいはフロントマス２０１全体に施してもよい。

同様に、図３Ｂに示した２次振動モードの場合、図６に示すように振動の腹（振幅が最も大きい部分）２２３は振動ヘッド２０９の中間部に現れ、振動の節（振幅が最も小さい部分）として、第１の振動の節２２２が首３０４の付け根（振動ヘッド２０９と超音波振動子２０５との接続部分）、第２の振動の節２２４が振動ヘッド２０９の先端に現れる。振動ヘッド先端部２１０の振動により生じた洗浄液のせり上がり現象により、洗浄液は振幅の小さい振動の節２２２まで到達する。洗浄液が蒸発したとき、析出し易い液性であった場合、振動の節２２２まで到達した洗浄液は空気層との界面が存在するため、そこで析出現象が発生する。洗浄液が析出した場合、振動の腹２２３の近傍においては変位が大きいことから、析出した物質を首３０４から剥離することが可能であるが、振幅の小さい振動の節２２２の近傍においては、析出した洗浄液を剥離することが困難であり、時間経過と共に析出した物質が肥大化する可能性がある。

そこで少なくとも第１の節２２２に疎水性あるいは親水性のコーティング膜５０２を施すことにより、析出した洗浄液の固着を防止する。例えば、フッ素樹脂などのコーティング膜を第１の節２２２となる部分の近傍に形成する。図６に示すように、コーティング膜５０２の範囲は、第１の振動の節２２２と振動の腹２２３との間にコーティング界面を持ち、第１の振動の節２２２側がコーティングされるようにする。振動の腹２２３を含めてコーティングすると、振動ヘッド２０９の振幅が大きいことにより、コーティング膜５０２が剥離する可能性があり、長期の使用には適さないためである。第１の振動の節２２２側のコーティング膜については、振動ヘッド２０９まであるいはフロントマス２０１全体に施してもよい。

さらに、超音波洗浄中においては、図４に示したように液面が振動ヘッド２０９の首３０４にせり上がる（３１０，３１１）のみならず、液面（特にせり上がり部分）が暴れることにより、その周囲に洗浄液の飛散を引き起こす場合がある。特に、動作初期においては、圧電素子２０３へ図７Ａに示すような急激な電圧印加４１４を行うと、液面が急激に変化し、暴れた洗浄液により飛び散りを引き起こす。このため、圧電素子２０３の振動をより小さい振幅の状態で開始させる。たとえば、図７Ｂに示すような印加電圧を漸増させるソフトスタート制御（電圧印加４１５）や、図７Ｃに示すような印加電圧を段階的に増加させるステップ制御（電圧印加４１６）を行う。これにより、超音波振動子２０５および液面の急激な挙動変化を防ぎ、洗浄液の飛散を抑制することが可能となる。

しかしながら、このような制御だけでは洗浄液の飛散を完全に抑えることはできない。圧電素子２０３の振動振幅を抑えた状態で超音波振動子２０５の振動を開始させると、電圧印加初期において、洗浄液中の振動ヘッド先端部２１０には洗浄液が負荷として作用することにより、洗浄液に浸漬していない首３０４が先に振動をし始める。これにより、電圧印加初期においては、超音波振動子２０５の正常な動作時に形成されるせり上がり３１０，３１１（図４参照）よりも大きなせり上がりが形成される。大きくせり上がった洗浄液は首３０４に対する負荷となり、超音波振動子２０５は、超音波振動子２０５単体が示すインピーダンス特性（図３Ｃ参照）とは異なるインピーダンス特性を示すようになる。例えば、図３Ｄの例では、首への洗浄液のせり上がりの影響を受けて、振動ヘッド２０９の共振点４１０が共振点４１２に、超音波振動子２０５の共振点４１１が共振点４１３にシフトしている。

このようにインピーダンス特性が変化し非効率な動作モードとなった超音波振動子２０５は動作不良を起こす。振動ヘッド先端部２１０の振幅は低減し、その結果試料プローブ１１ａ、１２ａの洗浄効果も低下する。この動作不良は、首３０４にせり上がった洗浄液が何らかの外乱因子によって破壊されない限り継続する。外乱因子の一例は、試料プローブ１１ａ、１２ａの洗浄槽への挿入である。円筒孔２１１に試料プローブ１１ａ、１２ａが挿入されることにより、洗浄槽全体のインピーダンスが変化し、動作不良モードから正常な動作モードへ移行する。しかし、動作モードが移行する際、首３０４は非定常かつ不安定な動作を示すために、洗浄液の暴れは最も大きくなり、挿入中の試料プローブ１１ａ、１２ａ、フロントマス２０１背面などに洗浄液が付着するリスクが増大する。

このように、超音波振動子２０５の振動制御のみでは洗浄液の飛散を抑えることができないことから、洗浄槽に対して、液面を安定化し、洗浄液のせり上がりを抑える機構及び洗浄液の飛散を防止する機構を設けることが望ましい。

まず、図８に示すように、洗浄槽を覆うように、洗浄液の液面に接する高さに液面カバー６０１を設置する（図８の上段に上面図、下段に断面図を示している。図９～１１Ａも同様である。）。液面カバー６０１には、円筒孔２１１及び首３０４に対応する開口が設けられ、洗浄槽２０６への振動ヘッド、試料プローブの挿入が可能とされている。液面に接する高さに液面カバー６０１を設置することにより、洗浄液と液面カバーとの間に界面張力を作用させ、洗浄液の液面を安定させることができる。洗浄液は一般にｐＨの高い溶液であるため、液面カバー６０１の材質は、洗浄液により腐食されないよう、洗浄液に耐えうる金属とする。また、金属は超音波振動子２０５から発生する超音波の反射が安定し易く、強度も高いことから省スペース化にも寄与する。形状としては、図８のような一体化構造が理想であるが、図９のように分離した構造においても、液面カバー６０２、６０３間の隙間を極力狭くなるように設置することで代用可能である。分割することにより、液面カバーを洗浄槽に設置することが容易になる。

さらに、円筒孔２１１に挿入される試料プローブ１１ａ、１２ａへの洗浄液飛散防止を目的として、図１０に示すように円筒孔２１１と首３０４の間に飛散防止カバー６０４を設置する。材質は、液面カバーと同じとする。首３０４は振動するため、液面カバー６０１と首３０４との間の隙間をなくすことはできない。このため、この隙間より飛散防止カバー６０４と首３０４との間に洗浄液のせり上がりが発生し、洗浄液は振幅の小さい振動の節２２０（１次振動モード）または２２２（２次振動モード）まで到達する（図５及び図６参照）。このため、洗浄液が析出し易い液性であった場合、振動の節２２０あるいは２２２の高さまで到達した洗浄液は、空気層との界面が存在するため、飛散防止カバー６０４に対してもフロントマス２０１あるいは振動ヘッド２０９と同じ高さで析出現象が発生する。このため、振動ヘッド２０９あるいはフロントマス２０１について施されたコーティング膜５０１（５０２）と同じ高さとなる位置まで、飛散防止カバー６０４に対して疎水性あるいは親水性のコーティングを行い、析出した洗浄液の固着を防止する。これは、振動ヘッド２０９あるいはフロントマス２０１へのコーティング界面の位置を定めた理由と同じであり、振動の腹２２１あるいは２２３の高さまでコーティングを施すと、振動ヘッド２０９の大きな振幅の影響を受けコーティング膜５０３が剥離する可能性があり、長期の使用には適さないためである。

また、振動ヘッド２０９の全周を囲うように飛散防止カバー６０４を設けてしまうと、飛散防止カバー６０４と振動ヘッド２０９の間の狭い空間を勢いよく洗浄水がせり上がり、飛散防止カバー６０４の上から周囲に飛散するおそれがある。このため、飛散防止カバー６０４では、首３０４の背面側（首３０４の、円筒孔２１１側の面に対向する面）は開放されている。このため、首３０４の背面側にせり上がった洗浄液が、振動ヘッド２０９と超音波振動子２０５との接続部分に接触するリスクが存在する。そこで、首３０４の背面側については、首３０４の付け根（振動ヘッド２０９と超音波振動子２０５との接続部分）と液面カバー６０１との間に液面カバー６０１と平行となるようにせり上がり抑制カバー６０５を設置する。せり上がり抑制カバー６０５の材質も他のカバーと同じとする。これにより、液面カバー６０１上に発生するせり上がりの上昇を抑えることが可能となる。また、首３０４の前面に飛散防止カバー６０４を配置し、首３０４の背面にせり上がり抑制カバー６０５を配置することで、洗浄動作の障害にならないようにこれらのカバーを洗浄槽に設置することが容易にされている。

首３０４へのせり上がりをさらに抑制するため、図１１Ａに示すようなせり上がり抑制カバー６０５と首３０４との間にシール材（緩衝材）７０１となるゴムを設ける。シール材７０１は、洗浄液に耐えられる材質とし、洗浄液液面から振動ヘッド２０９と超音波振動子２０５との接続部分の間に設置し、シール材（緩衝材）７０１が首３０４に接触される。よって、図１１Ｂに示すように、シール材７０１を、たとえば液面カバー６０１に設置してもよい。また、図１１Ｃに示すように、首３０４の前面側（首３０４の、円筒孔２１１側の面）に対して、飛散防止カバー６０４と首３０４との間にシール材７０２を設置することも可能である。シール材７０２が首３０４に接触するように配置されることにより、飛散防止カバー６０４と首３０４との間のせり上がりの抑制を図ることができる。

超音波振動子２０５は、１次振動モード（図３Ａ参照）の場合、図５に示すように、振動の腹（振幅が最も大きい部分）２２１は振動ヘッド２０９の先端に現れ、振動の節（振幅が最も小さい部分）２２０は首３０４の付け根（振動ヘッド２０９と超音波振動子２０５との接続部分）に現れる。２次振動モード（図３Ｂ参照）の場合、図６に示すように、振動の腹（振幅が最も大きい部分）２２３は振動ヘッド２０９の中間部に現れ、振動の節（振幅が最も小さい部分）として、第１の振動の節２２２が首３０４の付け根（振動ヘッド２０９と超音波振動子２０５との接続部分）、第２の振動の節２２４が振動ヘッド２０９の先端に現れる。シール材７０１の設置位置は、首３０４への負荷とならないように、振動の腹２２１、２２３をなるべく避けるような位置とすることが望ましい。しかし、シール材の首３０４へ接触する面積を小さくしたり、シール材の硬度を柔らかくしたりして、首３０４への負荷を低減することにより、振動の腹２２１、２２３へ設置することは可能である。

図１２Ａ～Ｅに、シール材形状の例を示す。図１２Ａのシール材７０３は首３０４への接触面積を小さくして、首３０４への負荷を低減している。図１２Ｂのシール材７０４は首３０４への接触箇所を２箇所とし、首３０４へ発生するせり上がりをより抑制することができる。図１２Ｃのシール材７０５は首３０４への接触面積を極力大きくすることで、せり上がりを完全に抑制することが期待できる。その一方で、例示する形状例の中で首３０４への負荷が最も大きい形状であることから、シール材７０５の硬度を低く抑えるなどの工夫が必要となる。図１２Ｄのシール材７０６の形状は、２次振動モードの場合に、首３０４の振動の腹２２３を避けて設置するための形状例であり、せり上がりの抑制とともに、超音波振動子２０５の動作抑制を極力抑えることが可能となる。図１２Ｅのシール材７０７の形状は、洗浄ヘッド先端部２１０の振幅が小さく、せり上がりが小さい場合に、振動ヘッド２０９と超音波振動子２０５との接続部分への洗浄液の接触を抑えることができる。

液面カバー、飛散防止カバー、せり上がり抑制カバー、さらにシール材を設置することにより、洗浄液の液面の安定化ならびに首３０４へせり上がりの抑制を図ることが可能となる一方、洗浄液の挙動を抑制し過ぎると、洗浄液が円筒孔２１１に設けた液面カバーの孔から噴出する可能性がある。よって、図１３に示すように、洗浄槽の側壁の一部に切かき８０１を設ける。これにより、カバーおよびシール材の設置により、洗浄槽内の内圧が高まった場合は、切かき８０１から洗浄液が流出することにより、高まった洗浄液の圧力を逃がすことが可能となる。

本実施例では、生化学自動分析装置の試料の分注を例に説明したが、本発明の超音波洗浄器は試薬分注プローブや免疫自動分析装置の分注プローブなど、他の臨床検査装置の分注ノズル、ＩＳＥ（イオン選択電極）プローブにおいても同様に洗浄可能である。

１：反応ディスク、２：反応容器、３：洗浄機構、４：分光光度計、５，６：攪拌機構、７，８：試薬分注機構、７ａ，８ａ：試薬プローブ、９：試薬ディスク、１０：試薬ボトル、１１，１２：試料分注機構、１１ａ，１２ａ：試料プローブ、１３，１４：試料プローブ用洗浄槽、１５：試料容器、１６：試料ラック、１７：試料搬送機構、１８：試薬用ポンプ、１９：試料用ポンプ、２０：洗浄用ポンプ、２１：制御部、２３，２４：超音波洗浄器、３０，３１：攪拌機構用洗浄槽、３２，３３：試薬プローブ用洗浄槽、１００：自動分析装置、２０１：フロントマス、２０２：バックマス、２０３：圧電素子、２０４：ボルト、２０５：超音波振動子（ＢＬＴ）、２０６：洗浄槽、２０７：ベース部、２０８：フランジ部、２０９：振動ヘッド、２１０：振動ヘッド先端部、２１１：円筒孔、２１２：洗浄液供給配管、２１３：液受け、２１４：排水路、２１５：ヘッド先端長さ、２２０：１次振動モード時の振動の節、２２１：１次振動モード時の振動の腹、２２２：２次振動モード時の第１の振動の節、２２３：２次振動モード時の振動の腹、２２４：２次振動モード時の第２の振動の節、３０４：振動ヘッドの首、３１０，３１１：洗浄液のせり上がり、４１０，４１２：振動ヘッドの共振点、４１１，４１３：超音波振動子の共振点、４１４，４１５，４１６：印加電圧波形、５０１，５０２，５０３：コーティング膜、６０１，６０２，６０３：液面カバー、６０４：飛散防止カバー、６０５：せり上がり抑制カバー、７０１～７０７：シール材、８０１：切かき。

Claims (13)

1. 洗浄液をためる洗浄槽と、
   超音波振動子と、
   前記超音波振動子から前記洗浄槽に向けて延伸される首と、鉛直方向にその長手方向を有する円筒孔を有する先端部とを有する振動ヘッドと、
   前記首及び前記円筒孔に対応する開口を有し、前記洗浄槽を覆うように、前記洗浄液の液面に接する高さに設置される第１のカバーと、
   前記第１のカバーの前記首に対応する開口と前記首との隙間からの前記洗浄液の挙動を抑える他のカバーとを有する超音波洗浄器。
2. 請求項１において、
   前記第１のカバーは、複数の部分に分離されており、
   前記複数の部分からなる前記第１のカバーが、前記洗浄槽を覆うように、前記洗浄液の液面に接する高さに設置される超音波洗浄器。
3. 請求項１において、
   前記第１のカバーと前記首との間に設けられる第１のシール材を有し、
   前記第１のシール材は前記首に接触するように設置される超音波洗浄器。
4. 請求項１において、
   前記他のカバーとして、前記首と前記円筒孔との間に設置される第２のカバーを有し、
   前記円筒孔は、試料プローブの洗浄時に、前記試料プローブを挿入するために設けられ、
   前記超音波振動子は、前記振動ヘッドが共振振動する周波数で駆動され、
   前記第２のカバーにより、前記振動ヘッドの振動により前記洗浄槽から前記試料プローブに前記洗浄液が飛散することを抑制する超音波洗浄器。
5. 請求項４において、
   前記振動ヘッドには、前記振動ヘッドが共振振動するときの振動の腹となる領域から振動の節となる領域との間に界面を有し、前記振動の節となる領域を覆う、疎水性あるいは親水性の特性を持ったコーティング膜が形成されており、
   前記第２のカバーの、前記振動ヘッドの前記コーティング膜と同じ高さとなる位置には、疎水性あるいは親水性の特性を持ったコーティング膜が形成されている超音波洗浄器。
6. 請求項５において、
   前記コーティング膜はフッ素樹脂膜である超音波洗浄器。
7. 請求項４において、
   前記第２のカバーは、前記首を囲うように設けられ、かつ前記首の、前記円筒孔側の面に対向する面は開放されている超音波洗浄器。
8. 請求項４において、
   前記第２のカバーと前記首との間に設けられる第２のシール材を有し、
   前記第２のシール材は前記首に接触するように設置される超音波洗浄器。
9. 請求項１において、
   前記他のカバーとして、前記超音波振動子と前記振動ヘッドとの接続部分と前記第１のカバーとの間に、前記第１のカバーと平行となるように設置される第３のカバーを有する超音波洗浄器。
10. 請求項９において、
    前記第３のカバーは、前記首の、前記円筒孔側の面に対向する面側に設置される超音波洗浄器。
11. 請求項９において、
    前記第３のカバーと前記首との間に設けられる第３のシール材を有し、
    前記第３のシール材は前記首に接触するように設置される超音波洗浄器。
12. 請求項１において、
    前記超音波振動子は、前記振動ヘッドが共振振動する周波数で駆動され、
    前記超音波振動子の駆動において、ソフトスタート制御またはステップ制御が行われる超音波洗浄器。
13. 請求項１に記載の超音波洗浄器と、
    試料を吸引する試料プローブを有する試料分注機構と、
    前記超音波洗浄器と試料分注機構とを制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記試料プローブを前記超音波洗浄器の前記振動ヘッドの前記円筒孔に挿入して、前記超音波洗浄器の前記超音波振動子を前記振動ヘッドが共振振動する周波数で駆動させることにより、前記試料プローブの洗浄を行う自動分析装置。

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