JP2005140573A - 分注ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】小型でコストを低減でき、正確な液量の計測ができ、かつ高精度な液量制御を行うことができる分注ポンプを提供する。
【解決手段】流体を吸入、吐出するポンプ本体１と流体を誘導する管２とを備えた分注ポンプにおいて、管２の内面に流体の流量を計測する流量センサ３を設け、管２の先端に微小孔を有するフィルタ４とを設けた分注ポンプ。流量センサ３は、フィルム基板上に短冊状に形成された電極を有し、管２の先端と、所望の流量となる内面位置の少なくとも２箇所に配置する。管２先端に取り付けたフィルタ４を流体が通過する際、流体が層流状態になり、また、フィルタ４を微細な孔形状にすることで、混入する気泡も分割され微小化する。層流状態になることから、吸入・吐出される流体は圧力変動が生じにくく、正確な流量計測ができる。さらに、気泡が微小化することから、気泡による流量計測のノイズの影響を低減することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微量の流体を送液する分注ポンプに関する。

従来の分注ポンプとしては、たとえば特許文献１に開示されたものが知られている。
図６はその従来の分注ポンプの構成例を示すもので、この分注ポンプを用いた自動メスアップシステムは、標線付容器１０と、レーザセンサ１２と、予備光電センサ１４と、センサ支持・駆動機構１６と、シーケンスコントローラ１８と、ハンドリング部２０と、分注部２２からなる。標線付容器１０は無色透明な試験管であり、一定量の溶液の液面レベル位置に一本の標線１０ａが予め設けられている。また、標線付容器１０は、図示しないロボットシステムにより、装着・離脱される。レーザセンサ１２は、平行レーザ光により前記標線付容器１０を検出してそれらに応じたアナログの電圧信号を出力するものであって、レーザセンサ１２は、発光源１２ａ１と集束レンズ１２ａ２を有するレーザ発光器１２ａ、受光レンズ１２ｂ１と受光素子１２ｂ２とスリット１２ｂ３を有するレーザ受光器１２ｂおよびレーザアンプ１２ｃから構成されている。予備光電センサ１４は、標線１０ａの一定距離下方の液面レベルを検出するものであって、発光器１４ａ、受光器１４ｂおよび予備光源センサアンプ１４ｃから構成されている。分注部２２は、分注ノズル２２ａ、分注器２２ｂ、分注器コントローラ２２ｃから構成されている。

出力信号はシーケンスコントローラ１８に入力される。レーザ発光器１２ａから照射した平行レーザ光が液面または、標線１０ａに入射すると、レーザ受光器１２ｂは平行レーザの遮へい面積に相当したアナログ信号を出力する。標線付容器１０に溶液を分注器２２で液滴し、その位置をレーザセンサで読み取る。さらに、シーケンスコントローラ１８を用いて、センサ支持・駆動機構１６でレーザセンサ１２を昇降させ、かつ分注器２２ｂで液滴を繰り返す。標線位置に液面が達すると、平行レーザ光が完全に遮へいされたことをレーザ受光器１２ｂで検出すると、液面と標線１０ａが同水位になったことを確認できる。

特開平６−２９５２０８号公報

しかしながら、上記従来の分注ポンプにおいては、レーザと光学レンズを組み合わせて液量を計測しながら、所望の液量を分注器で液滴していたが、装置が大型化するとともに、コストが嵩むという問題があった。また、容器内に気泡などが混入すると、レーザ光が液面を検出することができず、そのため正確な液量の計測ができないという問題があった。
さらに、精密に液量を制御する場合、液滴の直径が１μｍ以下では、液の表面張力によりノズル先端から液を吐出できないため、高精度な液量制御ができない等の問題が生じていた。
そこで、本発明は、小型でコストを低減でき、正確な液量の計測ができ、かつ高精度な液量制御を行うことができる分注ポンプを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明の第１の構成は、流体を吸入、吐出するポンプ本体と流体を誘導する管とを備えた分注ポンプにおいて、前記管の内面に設けられ、流体の流量を計測する流量センサと、前記管の先端に設置され、微小孔を有するフィルタとを設けたことを特徴とする分注ポンプである。
この第１の構成においては、管先端に取り付けたフィルタを流体が通過する際、流体が層流状態になり、また、フィルタを微細な孔形状にすることで、混入する気泡も分割され微小化する。層流状態になることから、吸入・吐出される流体は圧力変動が生じにくく、正確な流量計測ができる。さらに、気泡が微小化することから、気泡による流量計測のノイズの影響を低減することができる。

本発明の第２の構成は、第１の構成において、前記管の内面に設けられた流量センサは、フィルム基板上に短冊状に形成された電極を有し、前記管の先端と、所望の流量となる内面位置の少なくとも２箇所に配置したことを特徴とする分注ポンプである。
この第２の構成においては、短冊状電極に微弱電流を流しておくと、管の内面に接触する流体により、電極面の温度抵抗係数が変化し、流量に応じた電圧変化を検出することができる。この結果、流量の高精度な計測が可能となる。短冊状電極をフォトリソグラフィー技術等により２００μｍ以下に微細加工すると、電極間ピッチは、μｍサイズで作製できる。すなわち、高い分解能で水位を検出することで、正確に流量を計測することが可能となる。

本発明の第３の構成は、流体を吸入、吐出するポンプ本体と流体を誘導する管とを備えた分注ポンプにおいて、前記管内の圧力を検出する圧力センサと、前記ポンプ本体を駆動するモータの回転位置に対するプランジャの位置を検出する位置センサと、前記ポンプ本体と前記管との間に配置した振動体と、前記プランジャの位置と前記圧力センサの検出値から運転速度パターンを生成する制御回路とを備えた分注ポンプである。
この第３の構成においては、一定量の流量を吸引・吐出する場合は、モータの回転位置に対するプランジャの位置を検出する位置センサの検出値から流量を制御する。
吐出完了時にできる管先端の液だまりを吐出するときは、管内の圧力を検出する圧力センサの検出値からプランジャを移動することで管内の内圧を高め、液内の空気を圧縮するよう制御する。最終的には所望の圧力センサの圧力値になった段階で振動体により管を振動させ、液滴の表面張力よりも大きな外力が与えられることで液滴は容器へ精度良く滴下される。

本発明の第４の構成は、前記振動体が、リング型積層圧電素子で構成されたことを特徴とする分注ポンプである。
この第４の構成においては、振動体をリング型積層圧電素子で構成し、電極に交流電圧を印加することで管を振動させることができる。
本発明の第５の構成は、前記リング型積層圧電素子が、前記圧力センサと前記振動体の２つの機能を兼用する分注ポンプである。
圧電素子は、電極に交流電圧を印加すると振動する作用のほかに、圧力を与えると電極に圧電気が生じる作用を有するので、振動体と圧力センサとを兼用することができる。
本発明の第６の構成は、前記制御回路が、位置制御モード、圧力制御モードの切替を行う分注ポンプである。
制御回路は、吸引時は位置制御モードを用い、容器内の流体を所望した量で吸引する。吐出時は、所定流量までは位置制御モードでプランジャの位置を制御し、位置決め完了後にできる管先端の液だまりは、圧力制御モードで吐出する。

本発明によれば、次の効果を奏する。
（１）管の内面に、流体の流量を計測する流量センサを設け、管の先端に微小孔を有するフィルタを設けたことにより、管先端に取り付けたフィルタを流体が通過する際、流体が層流状態になり、また、混入する気泡も分割され微小化する。これにより、吸入・吐出される流体は圧力変動が生じにくく、正確な流量計測ができ、また気泡による流量計測のノイズの影響を低減することができる。
（２）流量センサを、フィルム基板上に短冊状に形成された電極を有する構成とし、管の先端と、所望の流量となる内面位置の少なくとも箇所に配置したことにより、流量に応じた電圧変化を検出することができ、流量の高精度な計測が可能となる。
（３）管内の圧力を検出する圧力センサと、ポンプ本体を駆動するモータの回転位置に対するプランジャの位置を検出する位置センサと、ポンプ本体と管との間に配置した振動体と、プランジャの位置と圧力センサの検出値から運転速度パターンを生成する制御回路とを備えることにより、位置センサの検出値に基づいた流量制御ができ、また、圧力センサの検出値に基づいて、吐出完了時にできる管先端の液だまりを吐出することができる。
（４）振動体をリング型積層圧電素子で構成することにより、電極に交流電圧を印加することで管を振動させることができる。
（５）リング型積層圧電素子を用いることで、圧力センサと振動体の２つの機能を兼用することができる。
（６）制御回路を、位置制御モード、圧力制御モードの切替を行う構成とすることにより、吸引時は位置制御モードを用い、容器内の流体を所望した量で吸引し、吐出時は、所定流量までは位置制御モードで制御し、位置決め完了後にできる管先端の液だまりは、圧力制御モードで吐出することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る分注ポンプを、図１〜図５に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る分注ポンプの断面図である。本実施形態の分注ポンプは、ポンプ本体１、管２、流量センサ３、フィルタ４、モータ５で構成される。モータ５によって駆動されるポンプ本体１は管２に連結され、流体の吸入・吐出を行っている。管２の内面には短冊状の形態に電極が設けられた流量センサ３と、先端には複数個の孔からなるフィルタ４が設けられている。
図２および図３に、流量センサ３の形状と計測例を示す。管２の内径が１ｍｍの場合で、電極３ａの材料にＮｉを用い、電極間のピッチは３μｍである。管２の内面に接触する流体により、金電極３ａ面の温度が変化し、Ｎｉの温度抵抗係数により、流量に応じた電圧変化を検出することができる。

図４にフィルタ４の形状を示す。フィルタ４の孔４ａは１００μｍの直径で、ＹＡＧやエキシマレーザなどにより加工された鉄などの金属物、または、フォトリソグラフィーにより作製されたシリコンなどからできており、管２先端に具備されている。
この第１実施形態の分注ポンプによれば、短冊状の電極３ａに微弱電流を流しておくと、管２の内面に接触する流体により、金電極面の温度が変化し、金の温度抵抗係数により、流量に応じた電圧変化を検出することができる。この結果、流量を計測することができる。このとき、短冊状の電極３ａをフォトリソグラフィー技術による微細加工すると電極間ピッチは、μｍサイズで作製できる。すなわち、高い分解能で水位を検出することで、正確に流量を計測することが可能である。
また、管２の先端に取り付けたフィルタ４を流体が通過する際、層流状態にすることができる。また、微細な孔形状にすることで混入する気泡も分割され微小化することから、気泡による流量計測のノイズの影響を低減することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態の分注ポンプを、図５に基づいて説明する。
図５において、分注ポンプは、ポンプ本体１、管２、モータ５、プランジャ６、リング型積層圧電素子７、および直動機構８で構成される。モータ５とリング型圧電素子７は制御回路９によって制御される。吸引時は位置制御モードを用いてモータ５を駆動し、吐出時は、所定流量までは位置制御モードでプランジャ６の位置を制御し、位置決め完了後にできる管先端の液だまりは、圧力制御モードで吐出する。
ポンプ本体１は管２にリング型積層圧電素子７を介して連結され、流体の吸入・吐出を行っている。プランジャ６の位置は、モータ５のエンコーダにより検出され、回転角度に伴う送りねじからなる直動機構８で直線動作に変換され、制御される。リング型積層圧電素子７は、プランジャ６の移動により変化する管２内の圧力を、圧電効果を用いて検出する。また、リング型積層圧電素子７は、逆圧電効果を用いた振動体としても用いられる。

次に、容器（図示せず）内の流体を吸引し、別の容器へ吐出する動作について具体的に説明する。
吸引時は位置制御モードを用い、モータ５を用いて、容器内の流体を所望した量で吸引する。吐出時は所定流量まで位置制御モードでプランジャ６の位置を制御する。位置決め完了後にできる管２先端の液だまりを吐出するときは、管２内の圧力を検出するリング型積層圧電素子７の検出値からプランジャ６を移動することで管２内の内圧を高め、液内の空気を圧縮するよう制御する。最終的には、所望の圧力値になった段階でリング型積層圧電素子７の電極に交流電圧を印加し、逆圧電効果により管２を振動させ、液滴の表面張力よりも大きな外力が与えられることで液滴は容器へ精度良く滴下される。

本発明は、小型でコストを低減でき、正確な液量の計測ができ、かつ高精度な液量制御を行うことができる分注ポンプとして、バイオ関係や医療の分野に適用できる。

本発明の第１実施形態の分注ポンプの構成を示す断面図である。 第１実施形態の流量センサの構成を示す図である。 第１実施形態の流量センサの計測例を示す図である。 第１実施形態におけるフィルタの構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態の分注ポンプの構成を示す断面図である。 従来の分注ポンプの構成を示す図である。

符号の説明

１ ポンプ本体
２ 管
３ 流量センサ
３ａ 電極（金電極）
４ フィルタ
４ａ 孔
５ モータ
６ プランジャ
７ リング型積層圧電素子
８ 直動機構
９ 制御回路

Claims (6)

1. 流体を吸入、吐出するポンプ本体と流体を誘導する管とを備えた分注ポンプにおいて、
   前記管の内面に設けられ、流体の流量を計測する流量センサと、前記管の先端に設置され、微小孔を有するフィルタとを設けたことを特徴とする分注ポンプ。
2. 前記管の内面に設けられた流量センサは、フィルム基板上に短冊状に形成された電極を有し、前記管の先端と、所望の流量となる内面位置の少なくとも２箇所に配置したことを特徴とする第１の請求項記載の分注ポンプ。
3. 流体を吸入、吐出するポンプ本体と流体を誘導する管とを備えた分注ポンプにおいて、
   前記管内の圧力を検出する圧力センサと、前記ポンプ本体を駆動するモータの回転位置に対するプランジャの位置を検出する位置センサと、前記ポンプ本体と前記管との間に配置した振動体と、前記プランジャの位置と前記圧力センサの検出値から運転速度パターンを生成する制御回路とを備えたことを特徴とする分注ポンプ。
4. 前記振動体が、リング型積層圧電素子で構成されたことを特徴とする請求項３記載の分注ポンプ。
5. 前記リング型積層圧電素子が、前記圧力センサと前記振動体の２つの機能を兼用するものであることを特徴とする請求項４記載の分注ポンプ。
6. 前記制御回路が、位置制御モード、圧力制御モードの切替を行うことを特徴とする請求項３から５のいずれかの項に記載の分注ポンプ。

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