JPH09264772A

JPH09264772A - 分注装置

Info

Publication number: JPH09264772A
Application number: JP8074925A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Takeda; 雅明竹田; Toru Matsuda; 徹松田
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 1997-10-07
Anticipated expiration: 2016-03-28
Also published as: JP3964946B2

Abstract

(57)【要約】【課題】分注装置において、ノズル内の液面を直接監
視し、吸引量や吐出量などを高精度に演算する。【解決手段】ノズル１０はノズル基部１２とノズルチ
ップ１４とで構成され、ノズル基部１２には超音波セン
サ１８が設けられている。この超音波センサ１８によっ
て液面内の試料の液面が検出される。ノズル内で超音波
の送受波が行われるため、超音波の集束を高めることが
でき、また外来ノイズを遮断できる。液面検出結果に基
づいて、吸引量、吐出量の演算や液漏れ判定及び吸引異
常の判定が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は試料吸引装置、特に
自動分注装置における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】分注装置において分注精度を高めるために
は、ノズルによって吸引した試料の液量（吸引量）やノ
ズルから吐出した試料の液量（吐出量）を正確に管理す
る必要がある。そこで、従来、ノズルの長手方向に沿っ
て光を透過させ、透過光量の変化に基づいて液量の監視
を行うことが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の透過光を利用した液量監視においては、不透明又は
透明性の低いノズルが用いられると測定が不可能又は測
定精度が低下するという問題があった。また、ノズル自
体が透明であっても、着色された試料を吐出する場合に
は、吐出後においてもノズル内面に試料が付着して、液
面が明確に測定できないという問題もある。

【０００５】なお、分注装置において、分注精度の向上
及び分注の信頼性を高めるためには、吸引異常及び液漏
れの検出を行うことが望まれる。そのため、従来におい
ては、ノズルに連結された配管系の内圧を監視して、内
圧の異常変動に基づいて吸引異常及び液漏れを判定して
いた。しかし、これらの手法は、ノズル内の液面の変動
自体を直接的に監視するものではない。

【０００６】なお、特開平７−１４６１６８号公報や特
開平６−３４１９９８号公報には、超音波振動子を備え
た超音波伝播体を利用して液面検出を行うことが記載さ
れているが、いずれもノズル内の液面検出を行うもので
はない。

【０００７】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、ノズル内の液面を直接監視し
て、吸引量及び吐出量を高精度に測定することにある。

【０００８】また、本発明の目的は、超音波による液面
検出を利用して、吸引量、吐出量、液漏れ、吸引異常を
判定できる分注装置を提供することにある。

【０００９】また、本発明の目的は、ノズル固有の導波
管のような形態を利用して、液面検出のための超音波の
集束と外来ノイズの遮断を達成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、着色、非着色を
問わずノズル内の液面検出を行え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、本発明は、試料を吸引する中空のノズルと、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ノズル内に吸引された試料の液面
を検出するノズル内液面検出手段と、を含むことを特徴
とする。

【００１２】上記構成によれば、ノズルには超音波セン
サが設けられ、その超音波センサからノズル内部空間に
超音波が送波される。そして、ノズル内の液面にて反射
した反射波が超音波センサにて受波される。よって、受
信信号を監視すれば、所定レベル以上のエコーとして液
面を判別できる。この場合、送信時から液面エコー発生
時までの時間はノズル内における試料の液面の高さに相
関するものである。

【００１３】ノズルはそれ自体が音波路として機能し、
送波された超音波が発散することなく、ノズル基端側か
ら先端側へ導かれる。このことは反射波についても同様
であり、反射波も発散することなく、ノズル内を戻って
超音波センサにて受波される。また、ノズルの壁面は外
来ノイズの遮蔽部材として機能する。よって、ノズル内
での超音波の送受波によれば、Ｓ／Ｎ比を向上すること
ができ、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、前記検出された
液面の高さを演算する液面高さ演算手段を有する。すな
わち、送信時から液面反射波が得られるまでの時間か
ら、超音波センサから液面までの超音波伝搬距離を演算
でき、ノズル内部の長さからその伝搬距離を引けばノズ
ル先端から液面までの高さを容易に求められる。もちろ
ん、反射波が生じるまでの反射波時間は、液面の高さの
関数となるので、テーブルなどを利用すれば反射波時間
から直接的に液面の高さを演算できる。

【００１５】本発明の好適な態様では、前記検出された
液面に基づいて前記ノズル内に吸引された試料の吸引量
を演算する吸引量演算手段を含み、また、試料吐出時に
おける液面の下降量に基づいて前記ノズルから吐出され
た試料の吐出量を演算する吐出量演算手段を含む。すな
わち、ノズル内部の形態が既知であれば、液面の高さか
ら液量（吸引量）を演算でき、また液面の下降量から吐
出量も演算できる。本発明の好適な態様では、試料保持
状態における液面の変動に基づいて液漏れを判定する液
漏れ判定手段を含む。すなわち、配管系のいずれかの箇
所やノズル基部とノズルチップとの間の嵌合部でリーク
（エア吸い込み）が発生すると、液漏れが生じ、ノズル
内に吸引した試料の液面が徐々に下がることになるの
で、その液面の時間的な変動を検出して、液漏れを判定
するものである。

【００１６】また、本発明の好適な態様では、試料吸引
時における液面の変動に基づいて吸引異常を判定する吸
引異常判定手段を含む。ここで、前記吸引異常判定手段
は、望ましくは、吸引時間に対し液面高さが適正範囲か
ら外れた場合に吸引異常を判定する。

【００１７】すなわち、試料吸引時にノズル先端開口の
つまりや上記リークが発生すると、液面の変動も異常と
なるので、分注の信頼性を向上するために、吸引異常を
判定するものである。

【００１８】以上のように、本発明によれば、試料吸
引、試料保持、試料吐出の一連の分注工程で超音波によ
る液面検出を有効に活用できる。

【００１９】

【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。

【００２０】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とし
て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。

【００２１】ノズル１０は、全体として中空パイプ状の
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。

【００２２】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内に所定
量の試料が吸引され、その液面が超音波計測により検出
されている状態が示されている。

【００２３】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。

【００２４】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
ノズル内液面検出部（以下、液面検出部）４２を有す
る。

【００２５】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内部空間
（空気内）を伝搬し、ノズル１０内の試料の液面で反射
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、ノズル内液面検出部４２に送られ、
そこで受信信号に基づいてノズル１０内の液面が検出さ
れる。

【００２６】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。

【００２７】図１において、分注制御部４０は、液面高
さ演算部５０、吸引量演算部５２、吐出量演算部５４、
液漏れ判定部５６及び吸引異常判定部５８を有する。以
下各構成について詳述する。

【００２８】液面高さ演算部５０は、ノズル内液面検出
部４２により検出された液面に基づいて、その液面の高
さを演算するものである。図２には、受信信号が波形と
して模式的に例示されている。図２（Ａ）に示すよう
に、受信信号には液面に相当する位置に液面エコー１０
２が生じている。したがって、所定のしきい値１００に
よりその液面エコー１０２を判別すれば、送信時から液
面エコー発生時までの時間ｔ1 を求めることができる。
そして、そのｔ1 に空気中における超音波の速度を乗算
すれば、図３における超音波センサ１８から液面までの
距離ｈ1 を演算することができる。ノズルチップ１４の
長さは既知であり、したがって超音波センサ１８からノ
ズルチップ１４の先端までの距離ｈ0 も既知となるた
め、そのｈ0からｈ1 を引けば求めたい液面の高さｈ2
を簡単に演算することができる。なお、図１に示したノ
ズル内液面検出部４２は図２（Ａ）に示したようにしき
い値１００による液面エコー１０２の判別及び時間ｔ1
の計測を行っている。そして、液面高さ演算部５０が、
上述のように時間ｔ1 から液面高さｈ2 を演算してい
る。

【００２９】このように液面高さｈ2 が求まると、吸引
量演算部５２は、ノズル１０内に吸引された試料２２の
液量を演算する。すなわち、ノズルチップ１４の内部の
形態は既知であるため、液面の高さｈ2 から吸引量を演
算することができる。この場合、例えばｔ1 から直接的
にｈ2 や吸引量などを求めるテーブルを利用してもよ
い。また、ノズルチップ１４の種類によってそのような
テーブルを切換えて使用してもよい。

【００３０】図１に示した吐出量演算部５４は、液面の
下降量から吐出量を演算するものである。図２（Ｂ）に
示すように、最初に液面エコー１０４が時間ｔ1 で生じ
ており、試料吐出後における液面エコー１０６が時間ｔ
2 で生じているような場合、それぞれの時間において液
量を上述のように演算できるので、各時間における液量
の差から図４に示すように吐出量Ｕを求めることができ
る。なおノズルチップ１４の内径がｔ1 からｔ2 で一定
の場合においては図２（Ｂ）に示すようにｔ1とｔ2 の
時間差ｔ3 から直接的に吐出量Ｕを求めてもよい。

【００３１】図１に示す液漏れ判定部５６は、吸引や吐
出を行っていない試料保持状態において、ノズル内の液
量を監視することにより配管系などで発生するリークに
起因する液漏れを判定するものである。具体的には、図
５に示すように、ポンプ停止状態において、液面の変動
ΔＵが生じた場合、液漏れが発生したと判定する。

【００３２】なお、このような液漏れの監視は、例えば
試料吸引直後の液量を記憶しておいて、吐出直前におい
て再度液量を測定し、液量に差があった場合にアラーム
を発生させてもよい。あるいはそのような液面の比較に
よらずに液面エコーが発生するまでの時間を比較するこ
とによっても液面変動を確認することができる。

【００３３】次に、図１に示した吸引異常判定部５８に
ついて説明する。吸引異常判定部５８は、吸引時におけ
る液面高さの時間的な変動を監視して吸引異常を判定す
るものである。図７（Ａ）には、正常吸引を行った場合
の液面高さ変動がグラフ２００として示されている。本
実施形態では、吸引異常判定部５８が図７（Ｂ）に示す
ように正常のグラフ２００に対して上側及び下側に一定
間隔、隔てつつ判定曲線２０２Ｕ及び２０２Ｌを設定し
ており、実際の液面高さのグラフ２０４がそのような２
つの判定曲線で囲まれる領域から外れた場合に吸引異常
を判定している。図７（Ｂ）には、配管系などにリーク
が発生し、これによって充分な吸引圧力で試料の吸引を
行えない状態が示されている。図示のように、液面高さ
を示すグラフ２０４の勾配が正常のものよりも小さくな
っている。

【００３４】一方、図７（Ｃ）には、つまりが発生した
場合のグラフ２０６が示されている。すなわち、図６に
示すようにノズルチップ１４の先端開口が試料２２内に
浮遊していた異物２００などによって閉塞した場合、ポ
ンプによって吸引圧を発生させても試料の液面は上昇し
ない。その状態が図７（Ｃ）に示されており、つまりが
発生した時点から、曲線２０２Ｕ及び２０２Ｌで囲まれ
る領域からグラフ２０６が外れている。そこで、吸引異
常判定部５８は、そのような判定領域からのグラフの飛
び出しに基づいて吸引異常を示すアラームを発生させて
いる。

【００３５】なお、図７に示した曲線２０２Ｕ及び２０
２Ｌで囲まれる判定領域は、要求される吸引異常の判定
精度や誤判定排除などを考慮して適宜設定するのが望ま
しい。例えば、時間経過の増大にしたがって判定領域の
幅を大きくすることなども可能である。

【００３６】次に、図８を用いて本実施形態の分注装置
の動作について説明する。

【００３７】まず、試料２２を入れた容器２０の上方に
ノズル１０が位置決めされた状態において、Ｓ１０１で
は、ノズル搬送機構３６によってノズル１０が下方に引
き下げられ、Ｓ１０２において、ノズル先端の液面内へ
の挿入量を一定に維持させながら試料の吸引が行われ
る。

【００３８】Ｓ１０３では、上述したように超音波セン
サ１８による超音波の送受波に基づいて液面検出が行わ
れる。この場合、吸引量演算部５２が吸引量の演算を行
い、すなわち吸引量が常時監視される。これと共に、吸
引異常判定部５８が吸引異常を常に監視しており、図７
に示したようなリークやつまりが発生した場合には、Ｓ
１０７においてアラームが発生する。

【００３９】Ｓ１０４では、監視している吸引量が設定
した値に到達したか否かが判定され、吸引量が設定値に
到達した場合には、Ｓ１０５において吸引が停止され、
さらにＳ１０６においてノズル１０がノズル搬送機構３
６によって上方に引き上げられる。そして、Ｓ１０８に
おいては、必要に応じてノズルが水平方向に搬送され
る。このようなノズル上昇やノズルの移動の際には、液
漏れ判定部５６が機能し、図８に示す例では常に液面の
変動が監視されており、液面変動が発生した場合にはＳ
１０７で液漏れのアラームが発生している。もちろん、
吸引直後の液量と吐出直前の液量とを比較して液漏れを
判定してもよい。

【００４０】Ｓ１０９では、ノズル搬送機構３６によっ
てノズル１０が吐出を行う容器に向けて下方に引き下げ
られ、Ｓ１１０では吐出が開始される。そして、Ｓ１１
２では、再び超音波センサ１８による超音波の送受波が
実行され、液面の高さ変動が監視される。この場合、吐
出量演算部５４が吐出量の演算を行う。Ｓ１１３では、
その演算された吐出量が設定された値に到達したか否か
が判定されており、吐出量が設定量に到達した場合に
は、Ｓ１１４において吐出が停止され、その後、Ｓ１１
５においてノズル１０がノズル搬送機構３６によって上
方に引き上げられる。Ｓ１１６においては、次の容器に
対し試料の吐出を続行するか否かが判定され、続行する
場合にはＳ１０８からの各ステップが繰り返し実行され
る。

【００４１】以上の実施形態によれば、ノズル１０に超
音波センサ１８を設けることによって各種の演算や判定
を実現することができ、高精度の分注を達成できる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ノズル内の液面を直接的に監視でき、吸引量や吐出量を
高精度に演算することが可能である。また、本発明によ
れば、超音波による液面検出を利用して吸引量や吐出量
に加えて液漏れや吸引異常を判定することが可能であ
る。さらに、本発明によれば、ノズル固有の形態を利用
して液面検出のための超音波の集束と外来ノイズの遮断
を同時に実現できる。また、本発明によれば、着色され
たノズルに対しても液面検出を行えるという利点があ
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】受信信号の波形を示す波形図である。

【図３】液量の演算原理を示す図である。

【図４】吐出量の演算原理を示す図である。

【図５】液漏れが生じた場合の液面の変動を示す図で
ある。

【図６】異物によってノズル先端開口がつまった状態
を示す図である

【図７】吸引異常判定のための判定範囲を示す図であ
る。

【図８】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。

【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、３
６ノズル搬送機構、３８主制御部、４０分注制御
部、４２ノズル内液面検出部、５０液面高さ演算
部、５２吸引量演算部、５４吐出量演算部、５６
液漏れ判定部、５８吸引異常判定部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料を吸引する中空のノズルと、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ノズル内に
吸引された試料の液面を検出するノズル内液面検出手段
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、前記検出された液面の高さを演算する液面高さ演算手段
を有することを特徴とする分注装置。
【請求項３】請求項１記載の装置において、前記検出された液面に基づいて前記ノズル内に吸引され
た試料の吸引量を演算する吸引量演算手段を含むことを
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、試料吐出時における液面の下降量に基づいて前記ノズル
から吐出された試料の吐出量を演算する吐出量演算手段
を含むことを特徴とする分注装置。
【請求項５】請求項１記載の装置において、試料保持状態における液面の変動に基づいて液漏れを判
定する液漏れ判定手段を含む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、試料吸引時における液面の変動に基づいて吸引異常を判
定する吸引異常判定手段を含む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、前記吸引異常判定手段は、吸引時間に対し液面高さが適
正範囲から外れた場合に吸引異常を判定することを特徴
とする分注装置。