JP2008170379A - 攪拌装置及び自動分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容器と音波発生手段との間における音波の透過率の変動を抑え、装置相互間の攪拌性能のバラつきを抑制することが可能な攪拌装置及び自動分析装置を提供すること。
【解決手段】液体を保持する容器７と、容器に接合され、液体を攪拌する音波を液体へ照射する表面弾性波素子２２とを備え、表面弾性波素子２２は、容器との間に接合層を介さずに接合され、又は、容器との間に低温はんだを介して接合されている攪拌装置２０及び自動分析装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は、攪拌装置及び自動分析装置に関するものである。

従来、音波によって液体を攪拌、混合する音波発生手段を備えた分析装置は、装置毎の攪拌、混合に関する性能のバラつきを少なくするため、前記液体を保持し、音波伝達媒体となる容器の壁の音波伝達方向の厚さを、伝搬する音波の半波長の整数倍を避けた値としたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。これは、音波伝達媒体の音波伝達方向の厚さが伝搬する音波の半波長の整数倍であると音波の透過率が最大となるが、厚さが少しでも変化すると、透過率が大きく変動して透過する音波エネルギーが大きく変化してしまうからである。

特開平１０−３００６５１号公報

ところで、特許文献１に開示された分析装置は、容器に音波発生手段を接着している。音波の透過率は、接着剤の厚さによっても変動することから、特許文献１の分析装置は、接着剤の厚さの違いによって分析装置相互間で攪拌性能にバラつきが生じてしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、容器と音波発生手段との間における音波の透過率の変動を抑え、装置相互間の攪拌性能のバラつきを抑制することが可能な攪拌装置及び自動分析装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に係る攪拌装置は、液体を保持する容器と、前記容器に接合され、前記液体を攪拌する音波を当該液体へ照射する音波発生手段と、を備え、前記音波発生手段は、前記容器との間に接合層を介さずに接合され、又は、前記容器との間に低温はんだを介して接合されていることを特徴とする。

また、請求項２に係る攪拌装置は、上記の発明において、前記音波発生手段は、常温接合法によって前記容器に接合されていることを特徴とする。

また、請求項３に係る攪拌装置は、上記の発明において、前記常温接合法は、オプティカルコンタクトによる接合法であることを特徴とする。

また、請求項４に係る攪拌装置は、上記の発明において、前記音波発生手段は、前記容器とは異なる材料から形成されていることを特徴とする。

また、請求項５に係る攪拌装置は、上記の発明において、前記音波発生手段は、超音波接合法によって前記容器に接合されていることを特徴とする。

また、請求項６に係る攪拌装置は、上記の発明において、前記音波発生手段は、前記容器へ接合される圧電基板と、前記圧電基板上に設けられ、前記液体を攪拌する音波を発生する櫛歯状電極と、を有する表面弾性波素子であることを特徴とする。

また、請求項７に係る攪拌装置は、上記の発明において、前記櫛歯状電極は、前記容器及び前記圧電基板を介して前記液体に隣接する前記容器の外側に配置されることを特徴とする。

また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項８に係る自動分析装置は、複数の異なる液体を攪拌して反応させ、反応液の光学的特性を測定して前記反応液を分析する自動分析装置であって、前記攪拌装置を用いて検体と試薬とを攪拌して反応させ、反応液を光学的に分析することを特徴とする。

本発明の攪拌装置は、音波発生手段が、容器との間に接合層を介さずに接合され、又は、容器との間に低温はんだを介して接合され、本発明の自動分析装置は、この攪拌装置を備えているので、容器と音波発生手段との間における音波の透過率の変動が抑えられ、攪拌装置相互間の攪拌性能のバラつきを抑制することができるという効果を奏する。

（実施の形態１）
以下、本発明の攪拌装置及び自動分析装置にかかる実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、実施の形態１の自動分析装置を示す概略構成図である。図２は、実施の形態１の自動分析装置で使用する反応容器及び反応ホイールの一部を攪拌装置の概略構成図と共に示す斜視図である。図３は、実施の形態１の攪拌装置の構成を示すブロック図を、攪拌装置を構成する反応容器の斜視図と共に示す図である。図４は、図３の反応容器の側壁に取り付ける表面弾性波素子の斜視図である。

自動分析装置１は、図１に示すように、作業テーブル２上に検体テーブル３、検体分注機構５、反応ホイール６、測光装置１０、洗浄装置１１、試薬分注機構１２及び試薬テーブル１３が設けられ、攪拌装置２０を備えている。

検体テーブル３は、図１に示すように、駆動手段によって矢印で示す方向に回転され、外周には周方向に沿って等間隔で配置される収納室３ａが複数設けられている。各収納室３ａは、検体を収容した検体容器４が着脱自在に収納される。

検体分注機構５は、反応ホイール６に保持された複数の反応容器７に検体を分注する手段であり、図１に示すように、検体テーブル３の複数の検体容器４から検体を順次反応容器７に分注する。

反応ホイール６は、検体テーブル３とは異なる駆動手段によって図１に矢印で示す方向に回転され、外周には周方向に沿って複数の凹部６ａが等間隔で設けられている。反応ホイール６は、各凹部６ａの半径方向両側に測定光が通過する開口６ｂ（図２参照）が形成されている。反応ホイール６は、一周期で時計方向に（１周−１反応容器）／４周分回転し、四周期で反時計方向に凹部６ａの１個分回転する。反応ホイール６の外周には、測光装置１０、洗浄装置１１及び攪拌装置２０が配置されている。

反応容器７は、容量が数ｎＬ〜数十μＬと微量な容器であり、測光装置１０の光源から出射された分析光（３４０〜８００ｎｍ）に含まれる光の８０％以上を透過する透明素材、例えば、パイレックス（登録商標）のような熱膨張係数の小さい耐熱強化ガラスを含むガラス，環状オレフィンやポリスチレン等の合成樹脂が使用される。反応容器７は、図２及び図３に示すように、側壁７ａ，７ｂと底壁７ｃ（図５参照）とによって液体を保持する水平断面が正方形の液体保持部７ｄが形成され、液体保持部７ｄの上部に開口７ｅを有する四角筒形状のキュベットである。反応容器７は、側壁７ａに取り付けられる表面弾性波素子２２と共に攪拌装置２０を構成しており、液体保持部７ｄの内面には検体や試薬等の液体に対する親和性処理が施されている。反応容器７は、側壁７ａを反応ホイール６の半径方向に向けると共に、側壁７ｂを反応ホイール６の周方向に向けて、凹部６ａに配置される。このため、反応容器７は、対向する側壁７ａの下部が保持した液体の光学測定のための測光窓７ｆ（図２，図３参照）として使用される。

測光装置１０は、図１に示すように、反応ホイール６の外周に配置され、反応容器７に保持された液体を分析する分析光（３４０〜８００ｎｍ）を出射する光源と、液体を透過した分析光を分光して受光する受光器とを有している。測光装置１０は、前記光源と受光器が反応ホイール６の凹部６ａを挟んで半径方向に対向する位置に配置されている。

洗浄装置１１は、検体分注機構５と測光装置１０との間の反応ホイール６外周に配置され、反応容器７から液体や洗浄液を排出する排出手段と、洗浄液の分注手段とを有している。洗浄装置１１は、測光終了後の反応容器７から測光後の液体を排出した後、洗浄液を分注する。洗浄装置１１は、洗浄液の分注と排出の動作を複数回繰り返すことにより、反応容器７の内部を洗浄する。このようにして洗浄された反応容器７は、再度、新たな検体の分析に使用される。

試薬分注機構１２は、反応ホイール６に保持された複数の反応容器７に試薬を分注する手段であり、図１に示すように、反応ホイール６と試薬テーブル１３との近傍に配置されている。試薬分注機構１２は、試薬テーブル１３の所定の試薬容器１４から試薬を順次反応容器７に分注する。

試薬テーブル１３は、検体テーブル３及び反応ホイール６とは異なる駆動手段によって図１に矢印で示す方向に回転され、扇形に成形された収納室１３ａが周方向に沿って複数設けられている。各収納室１３ａは、試薬容器１４が着脱自在に収納される。複数の試薬容器１４は、それぞれ検査項目に応じた所定の試薬が満たされ、外面には収容した試薬に関する情報を表示する情報記録媒体（図示せず）が貼付されている。

ここで、試薬テーブル１３の外周には、図１に示すように、試薬容器１４に貼付した前記情報記録媒体に記録された試薬の種類，ロット及び有効期限等の情報を読み取り、制御部１６へ出力する読取装置１５が設置されている。

制御部１６は、検体テーブル３、検体分注機構５、反応ホイール６、測光装置１０、洗浄装置１１、試薬分注機構１２、試薬テーブル１３、読取装置１５、分析部１７、入力部１８、表示部１９及び攪拌装置２０等と接続され、例えば、分析結果を記憶する記憶機能を備えたマイクロコンピュータ等が使用される。制御部１６は、自動分析装置１の各部の作動を制御すると共に、前記情報記録媒体の記録から読み取った情報に基づき、試薬のロットや有効期限等が予め設定した範囲外の場合、分析作業を停止するように自動分析装置１を制御し、或いはオペレータに警告を発する。

分析部１７は、制御部１６を介して測光装置１０に接続され、受光器が受光した光量に基づく反応容器７内の液体の吸光度から検体の成分濃度等を分析し、分析結果を制御部１６に出力する。入力部１８は、制御部１６へ検査項目等を入力する操作を行う部分であり、例えば、キーボードやマウス等が使用される。表示部１９は、分析内容や警報等を表示するもので、ディスプレイパネル等が使用される。

攪拌装置２０は、反応ホイール６の下面に設置されて反応ホイール６と一体に回転し、表面弾性波素子２２を駆動して発生する音波によって反応容器７に保持された液体を攪拌する。攪拌装置２０は、反応容器７の他に、図２及び図３に示すように、表面弾性波素子２２に電力を送電する送電体２１と、表面弾性波素子２２とを有している。

送電体２１は、ＲＦ送信アンテナ２１ａ、駆動回路２１ｂ及びコントローラ２１ｃを有している。送電体２１は、数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ程度の高周波交流電源から供給される電力をＲＦ送信アンテナ２１ａから駆動信号として表面弾性波素子２２に発信する。ＲＦ送信アンテナ２１ａは、反応ホイール６の凹部６ａ側壁に取り付けられている。

駆動回路２１ｂは、コントローラ２１ｃからの制御信号に基づいて発振周波数を変更可能な発振回路を有しており、数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ程度の高周波の発振信号をＲＦ送信アンテナ２１ａへ出力する。コントローラ２１ｃは、駆動回路２１ｂの作動を制御し、例えば、表面弾性波素子２２が発する音波の特性（周波数，強度，位相，波の特性）、波形（正弦波，三角波，矩形波，バースト波等）或いは変調（振幅変調，周波数変調）等を制御する。また、コントローラ２１ｃは、内蔵したタイマに従って駆動回路２１ｂが発振する発振信号の周波数を切り替えることができる。

表面弾性波素子２２は、ＲＦ送信アンテナ２１ａから発信される駆動信号（電力）を受信して音波を発生する音波発生手段である。表面弾性波素子２２は、図３及び図４に示すように、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）等からなる圧電基板２２ａ上に櫛歯状電極（ＩＤＴ）からなる振動子２２ｂとアンテナ２２ｃが形成されている。振動子２２ｂは、ＲＦ送信アンテナ２１ａから発信される駆動信号（電力）をアンテナ２２ｃで受信することによって音波を発生する発音部である。振動子２２ｂは、反応容器７及び圧電基板２２ａを介して反応容器７が保持した液体に隣接する反応容器７の外側に配置される。即ち、表面弾性波素子２２は、図５及び図６に示すように、振動子２２ｂを外側に向けて側壁７ａに取り付けられる。

このとき、表面弾性波素子２２は、常温接合法であるオプティカルコンタクトによって反応容器７の側壁７ａに直接接合される。このオプティカルコンタクトによる接合法は、接着剤を用いず分子間力によって２つの物体を接合する方法である。この接合法を用いる場合、反応容器７及び圧電基板２２ａは、互いに接合され、音波が透過する面となる側壁７ａと圧電基板２２ａの振動子２２ｂを設けていない裏面の表面粗さを振動子２２ｂの発生する音波の波長よりも小さくなるように平滑に研磨加工し、厳密なクリーニングを施しておく。次に、側壁７ａと圧電基板２２ａの裏面を接触させる。すると、圧電基板２２ａが、側壁７ａに密着状態で接合され、反応容器７に表面弾性波素子２２が取り付けられる。次いで、側壁７ａと圧電基板２２ａとが接合された接合面の周囲をセラック又はラッカー等の封止剤で封止し、接合部を保護する。

このように、オプティカルコンタクトによる接合法は、接合を常温で行うため材料は歪みにくく、接合する材料の種類が異なり、線膨張係数が違っていても、接合後の歪に起因した材料の剥離の心配が少ないという利点を有している。ここで、反応容器７及び圧電基板２２ａは、音波が透過する面の表面粗さを振動子２２ｂの発生する音波の波長よりも小さくしておけば、反応容器７や圧電基板２２ａの表面における発生した音波の散乱によって、音波が一定の方向に出射されずに、反応容器７に保持された液体の攪拌効率が低下してしまうという不具合が発生するおそれがない。なお、表面弾性波素子２２は、圧電基板２２ａ，振動子２２ｂ及びアンテナ２２ｃの厚みを含め、構成を明示するために実際の厚さを無視して模式的に描いており、他の実施の形態においても同様である。

以上のように構成される自動分析装置１は、回転する反応ホイール６によって周方向に沿って搬送されてくる複数の反応容器７に試薬分注機構１２が試薬容器１４から試薬を順次分注する。試薬が分注された反応容器７は、反応ホイール６によって周方向に沿って搬送され、検体分注機構５によって検体テーブル３に保持された複数の検体容器４から検体が順次分注される。そして、検体が分注された反応容器７は、反応ホイール６によって攪拌装置２０へ搬送され、分注された試薬と検体が順次攪拌されて反応する。このようにして検体と試薬が反応した反応液は、反応ホイール６が再び回転したときに測光装置１０を通過し、光源から出射された分析光が透過する。このとき、反応容器７内の試薬と検体の反応液は、光源から出射された後、透過した分析光が受光器で測光され、制御部１６によって成分濃度等が分析される。そして、分析が終了した反応容器７は、洗浄装置１１によって洗浄された後、再度検体の分析に使用される。

このとき、攪拌装置２０は、制御部１６を介して入力部１８から予め入力された制御信号に基づき、反応ホイール６の停止時にコントローラ２１ｃが駆動回路２１ｂに駆動信号を入力する。これにより、表面弾性波素子２２は、振動子２２ｂが外側に配置され、固体に覆われていないので、入力される駆動信号の周波数に応じて振動子２２ｂが励振を抑制されることなくエネルギー損失を小さく抑えて駆動され、図６に示すように、バルク波Ｗbを誘起する。誘起されたバルク波Ｗbは、圧電基板２２ａを伝搬してから反応容器７の側壁７ａへ入射し、側壁７ａ内を矢印で示すように伝搬した後、液体Ｌへ漏れ出してゆく。ここで、攪拌装置２０は、適宜の材料を選択することによって圧電基板２２ａの音響インピーダンスと反応容器７の音響インピーダンスを略同じにすると、圧電基板２２ａと反応容器７との間で音波の干渉をなくすと共に、伝搬ロスを抑制することができ、効率の良い液体の攪拌を実現することができる。

この結果、漏れ出したバルク波によって反応容器７内の液体Ｌ中には、図５に示すように、振動子２２ｂの斜め上方向に向かう流れＦccが生じると共に、振動子２２ｂの斜め下方向に向かう流れＦcwが生じ、分注された試薬と検体とが攪拌される。

このとき、攪拌装置２０は、オプティカルコンタクトによって表面弾性波素子２２の圧電基板２２ａが側壁７ａに接合されている。このため、攪拌装置２０は、振動子２２ｂの発生した音波が圧電基板２２ａから反応容器７の側壁７ａへ直接入射することから、表面弾性波素子２２と反応容器７との間における音波の透過率の変動がなく、装置相互間の攪拌性能のバラつきが抑制される。また、自動分析装置１は、無線によって攪拌装置２０に表面弾性波素子２２の駆動電力を供給するので、電力供給機構を簡単な構成にすることができるうえ、電力供給の際に、部品相互が接触しないので、故障し難いという利点がある。

ここで、反応容器７に表面弾性波素子２２をオプティカルコンタクトによって接合した場合と、従来のように接着剤によって接合した場合における音波の透過率の違いを比較する。比較に当たっては、接着剤として紫外線硬化樹脂を使用し、接着剤の厚さを０〜２０μｍの範囲でそれぞれ異ならせて圧電基板２２ａを反応容器７の側壁７ａに接合した攪拌装置２０を用い、振動子２２ｂを中心周波数で駆動した場合に発生する音波の表面弾性波素子２２と反応容器７との間における透過率を算出した。このときの算出結果を図７に示す。

図７に示すように、オプティカルコンタクトによる接合の場合、圧電基板２２ａと反応容器７の側壁７ａとの間の接着剤の厚さはゼロであり、図７から透過率は約９５％となる。これに対し、接着剤による接合の場合、接着剤の厚さに応じて透過率は１５〜９５％の間で増減する。従って、攪拌装置２０は、反応容器７と表面弾性波素子２２とをオプティカルコンタクトによって接合すると、表面弾性波素子２２と反応容器７との間における音波の透過率が接着剤によって接合した場合に比べて一定に保持されるので、装置相互間の攪拌性能のバラつきを抑制することができる。

一般に、バルク波を含めて音波の透過率は、伝搬する媒質の音響インピーダンス(密度ρ×音速Ｃ)の他に、接着剤の厚さと周波数とによって大きく変化する。図８は、攪拌装置における表面弾性波素子の駆動周波数（ＭＨｚ）と混合時間（sec）との関係を示す図である。具体的には、反応容器７と表面弾性波素子２２とをオプティカルコンタクトで接合した攪拌装置１と、反応容器７と表面弾性波素子２２とを紫外線硬化樹脂からなる厚さ０．５μｍの接着剤で接着したことを除き攪拌装置１と構成が同一の攪拌装置を用い、駆動周波数（ＭＨｚ）を変化させて同一量の液体を攪拌した場合に均一に攪拌するのに要した混合時間（sec）の測定結果を示している。

この場合、反応容器７と表面弾性波素子２２とを接着剤で接着した攪拌装置は、接着剤の厚さと音波の伝搬経路の音響インピーダンスは一定であり、周波数のみが変化する。このため、攪拌装置は、接着剤を透過するバルク波の波数が変化し、これに伴って透過率が変化したものと推測される。そして、攪拌装置は、接着剤を透過するバルク波が最適な波数ｋ(＝接着剤の厚さが各モードの音波の１波長の逆数）になったときにバルク波の透過率が増加し、混合時間が短縮される結果、混合時間の極大値となる山や極小値となる谷が出現するものと考えられる。

但し、反応容器７と表面弾性波素子２２とをオプティカルコンタクトで接合した攪拌装置１の場合、接着剤の厚さがゼロとなるため、上記のような山や谷が出現することはなく、共振周波数ｆrから離れるに従って攪拌性能が低下し、混合時間が略単調に増加してゆく。このように、反応容器７と表面弾性波素子２２とをオプティカルコンタクトによって接合した攪拌装置１は、周波数変化に伴う攪拌性能の変動が接着剤を使用した攪拌装置に比べて小さく抑えられ、攪拌性能が安定し、装置相互間の攪拌性能のバラつきを抑制することができるという利点がある。

ここで、攪拌装置２０は、表面弾性波素子２２の振動子２２ｂが発生した音波が反応容器７内の液体Ｌに入射するまでの伝搬経路上に第一の媒質として圧電基板２２ａ、第二の媒質として反応容器７の側壁７ａが存在する。このとき、これら媒質の素材として、圧電基板２２ａはニオブ酸リチウム、反応容器７は耐熱強化ガラスとし、密度をρ、縦波の速度をＶL、横波の速度をＶS、縦波のインピーダンスをＺL（＝ρ・ＶL）、横波のインピーダンスをＺS（＝ρ・ＶS）とする。

すると、圧電基板２２ａは、ρB＝４．７０ｇ／ｃｍ³，ＶLB＝４８００ｍ／ｓ，ＶSB＝３５００ｍ／ｓより、ＺLB＝２２．５６ＭＲａｙｌ，ＺSB＝１６．４５ＭＲａｙｌとなる。反応容器７は、ρC＝２．３２ｇ／ｃｍ³，ＶLC＝５６４０ｍ／ｓ，ＶSC＝３２８０ｍ／ｓより、ＺLC＝１３．１ＭＲａｙｌ，ＺSC＝７．６ＭＲａｙｌとなる。

このとき、振動子２２ｂが音波を発生した場合、図９に示すように、音波は、圧電基板２２ａ内では横波ＳB（ＺSB＝１６．４５ＭＲａｙｌ）の音波モードが存在する。また、反応容器７の側壁７ａ内では、圧電基板２２ａ内の横波ＳBに起因する縦波ＬC(ＳB)（ＺLC＝１３．１ＭＲａｙｌ）と横波ＳC(ＳB)（ＺSC＝７．６ＭＲａｙｌ）の二つの音波モードが存在する。ここで、振動子２２ｂが二方向性櫛歯状電極の場合、図９においては、音波の縦波及び横波は、振動子２２ｂの中央を通り圧電基板２２ａの板面に垂直な線Ｌsの上下に対称に生ずるが、図面表示の簡単のため線Ｌsの上側の縦波及び横波についてのみ図示している。

従って、攪拌装置２０は、反応容器７及び液体Ｌの素材を上記のように選択すると、隣接する媒質間の音響インピーダンスの差から、図９に示すように、振動子２２ｂが発生した音波により、主に横波ＳBが圧電基板２２ａ内を伝搬し、圧電基板２２ａから反応容器７に入射する。すると、反応容器７内を伝搬する音波のモードは、圧電基板２２ａと反応容器７の側壁７ａとの境界における音響インピーダンスの差が略同じ縦波ＬC(ＳB)が主となる。このように、境界における音響インピーダンスの差の大小関係によって縦波或いは横波の入射、伝搬のし易さを判断することができる。但し、攪拌装置２０は、圧電基板２２ａの音響インピーダンスと反応容器７の音響インピーダンスを略同じにすると、圧電基板２２ａと反応容器７との間で音波の干渉をなくすと共に、伝搬ロスを抑制することができ、効率の良い液体の攪拌を実現することができることは上述の通りである。

ここで、攪拌装置２０は、図１０に示す反応容器７のように、表面弾性波素子２４を底壁７ｃ下面にオプティカルコンタクトによって接合してもよい。表面弾性波素子２４は、図１１に示すように、基板２４ａの表面の中央に櫛型電極（ＩＤＴ）からなる振動子２４ｂが設けられ、受電手段となるアンテナ２４ｃは振動子２４ｂを囲むようにして一体に設けられている。このとき、表面弾性波素子２４は、図１２に示すように、振動子２２ｂを反応容器７の外側に向け、オプティカルコンタクトによって底壁７ｃに接合する。また、攪拌装置２０は、送電体２１のＲＦ送信アンテナ２１ａを反応ホイール６の凹部６ａ底壁に設ける。

なお、反応容器７に表面弾性波素子を接合する接合法として、常温接合法であるオプティカルコンタクトの他、例えば、反応容器７の表面や圧電基板２２，２４表面の接合の妨げとなる表面層を除去することにより、表面の原子の結合手同士を直接結合させ、強固な接合を実現する表面活性化接合法を用いても良い。この接合法の場合、表面層を除去するにはイオンビームやプラズマ等によるスパッタエッチングを利用することができる。その他、真空中で反応容器の表面や表面弾性波素子の圧電基板表面にアルゴン等の不活性な原子のビームを照射し、清浄な表面を露出させた後、真空中で反応容器と表面弾性波素子の圧電基板とを接合しても良い。

（実施の形態２）
次に、本発明の攪拌装置及び自動分析装置にかかる実施の形態２について、図面を参照しつつ詳細に説明する。実施の形態１は、表面弾性波素子に無線によって電力を供給したが、実施の形態２は、有線によって表面弾性波素子に電力を供給している。図１３は、実施の形態２の自動分析装置の概略構成図である。図１４は、図１３の自動分析装置の構成を示すブロック図である。図１５は、図１３の自動分析装置で使用される攪拌装置の表面弾性波素子と、表面弾性波素子を取り付けた反応容器とを示す斜視図である。図１６は、表面弾性波素子が取り付けられ、図１３の自動分析装置で使用される反応容器を送電体と共に示す斜視図である。ここで、実施の形態２の自動分析装置は、攪拌装置が実施の形態１の攪拌装置２０と同じ反応容器を使用しているので、反応容器については同じ符号を使用して説明している。

自動分析装置３０は、図１３及び図１４に示すように、試薬テーブル３１，３２、反応ホイール３３、検体容器移送機構３７、測光系４２、洗浄機構４３、制御部４５及び攪拌装置５０を備えている。

試薬テーブル３１，３２は、図１３に示すように、それぞれ周方向に配置される複数の試薬容器３１ａ，３２ａを保持し、図示しない駆動手段に回転されて試薬容器３１ａ，３２ａを周方向に搬送する。

反応ホイール３３は、図１３に示すように、複数の反応容器７が周方向に沿って配列され、図示しない駆動手段によって正転或いは逆転されて反応容器７を搬送する。反応容器７は、近傍に設けた試薬分注機構３５，３６によって試薬テーブル３１，３２の試薬容器３１ａ，３２ａから試薬が分注される。ここで、試薬分注機構３５，３６は、それぞれ水平面内を矢印方向に回動するアーム３５ａ，３６ａに試薬を分注するプローブ３５ｂ，３６ｂが設けられ、洗浄水によってプローブ３５ｂ，３６ｂを洗浄する洗浄手段を有している。

反応容器７は、図１４に示すように、側壁７ａに取り付けられる表面弾性波素子５４と共に攪拌装置５０を構成している。

検体容器移送機構３７は、図１３に示すように、フィーダ３８に配列した複数のラック３９を矢印方向に沿って１つずつ移送する移送手段であり、ラック３９を歩進させながら移送する。ラック３９は、検体を収容した複数の検体容器３９ａを保持している。ここで、検体容器３９ａは、検体容器移送機構３７によって移送されるラック３９の歩進が停止するごとに、水平方向に回動する駆動アーム４１ａとプローブ４１ｂとを有する検体分注機構４１によって検体が各反応容器７へ分注される。このため、検体分注機構４１は、洗浄水によってプローブ４１ｂを洗浄する洗浄手段（図示せず）を有している。

測光系４２は、試薬と検体とが反応した反応容器７内の液体を分析するための分析光（３４０〜８００ｎｍ）を出射するもので、図１３に示すように、発光部４２ａ，分光部４２ｂ及び受光部４２ｃを有している。発光部４２ａから出射された分析光は、反応容器７内の液体を透過し、分光部４２ｂと対向する位置に設けた受光部４２ｃによって受光される。受光部４２ｃは、制御部４５と接続されている。

洗浄機構４３は、ノズル４３ａによって反応容器７内の液体を吸引して排出した後、ノズル４３ａによって洗剤や洗浄水等の洗浄液等を繰り返し注入し、吸引することにより、測光系４２による分析が終了した反応容器７を洗浄する。

制御部４５は、自動分析装置３０の各部の作動を制御すると共に、発光部４２ａの出射光量と受光部４２ｃが受光した光量に基づく反応容器７内の液体の吸光度に基づいて検体の成分濃度等を分析し、例えば、マイクロコンピュータ等が使用される。制御部４５は、図１３及び図１４に示すように、キーボード等の入力部４６及びディスプレイパネル等の表示部４７と接続されている。

攪拌装置５０は、表面弾性波素子５４を駆動して発生する音波によって反応容器７に保持された液体を攪拌するもので、反応容器７の他に、図１３及び図１４に示すように、送電体５１と表面弾性波素子５４とを有している。送電体５１は、反応ホイール３３外周の互いに対向する位置に反応容器７と水平方向に対向させて配置され、数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ程度の高周波交流電源から供給される電力を表面弾性波素子５４に送電する。送電体５１は、駆動回路とコントローラとを備えており、図１６に示すように、表面弾性波素子５４の電気端子５４ｄに当接するブラシ状の接触子５１ａを有している。このとき、送電体５１は、図１３に示すように、配置決定部材５２に支持されており、反応ホイール３３の回転が停止したときに接触子５１ａから電気端子５４ｄに電力を送電する。

配置決定部材５２は、制御部４５によって作動が制御され、送電体５１から電気端子５４ｄに電力を送電する送電時に、送電体５１を移動させて送電体５１と電気端子５４ｄとの反応ホイール３３の周方向並びに半径方向における相対配置を調整するもので、例えば、２軸ステージが使用される。具体的には、配置決定部材５２は、反応ホイール３３が回転し、送電体５１から電気端子５４ｄに電力を送電していない非送電時は、作動が停止されて、送電体５１と電気端子５４ｄとを一定の距離に保持している。そして、配置決定部材５２は、反応ホイール３３が停止し、送電体５１から電気端子５４ｄに電力を送電する送電時には、制御部４５の制御の下に作動して送電体５１を移動させ、送電体５１と電気端子５４ｄとが対向するように反応ホイール３３の周方向に沿った位置を調整すると共に、送電体５１と電気端子５４ｄとを近接させて接触子５１ａと電気端子５４ｄとを接触させることで送電体５１と電気端子５４ｄとの相対配置を決定する。

ここで、攪拌装置５０は、自動分析装置３０の制御部４５を配置決定手段として使用し、反応ホイール３３を回転駆動するモータ等の駆動手段を制御部４５によって制御することにより反応ホイール３３の周方向に沿った送電体５１と電気端子５４ｄとの相対配置を調整してもよい。このように、配置決定部材５２は、送電体５１と電気端子５４ｄとが対向するように少なくとも反応ホイール３３の周方向に沿った送電体５１と電気端子５４ｄとの相対配置を調整することができればよい。一方、送電体５１と電気端子５４ｄとの相対配置は、例えば、送電体５１側に反射センサを設け、反応容器７或いは表面弾性波素子５４の特定個所に設けた反射体からの反射を利用する等によって検出する。このとき、検出した相対配置のデータは制御部４５に入力しておく。

表面弾性波素子５４は、図１５及び図１７に示すように、圧電基板５４ａの一方の面に櫛歯状電極（ＩＤＴ）からなる振動子５４ｂが設けられると共に、バスバー５４ｃが他方の面まで延設され、バスバー５４ｃの端部に電気端子５４ｄが設けられた音波発生手段である。振動子５４ｂは、送電体５１から送電された電力によって音波を発生する発音部である。表面弾性波素子５４は、自動分析装置３０に反応容器７をセットしたとき、振動子５４ｂを構成する複数の櫛歯状電極が鉛直方向に配列されるように、表面弾性波素子５４を反応容器７の側壁７ａに取り付ける。このとき、表面弾性波素子５４は、振動子５４ｂを反応容器７の外側に向けて反応容器７の側壁７ａにオプティカルコンタクトによって接合する。

ここで、受電手段となる電気端子５４ｄを含めて表面弾性波素子５４は、測光系４２による測光を妨げないように、図１５及び図１７に示すように、側壁７ａの下部を避けて側壁７ａの上下方向中間位置に配置し、側壁７ａの下部を測光窓７ｆとして使用する。表面弾性波素子５４は、振動子５４ｂとして櫛歯状電極（ＩＤＴ）を使用するので、構造が簡単で小型な構成とすることができる。なお、振動子５４ｂは、櫛歯状電極（ＩＤＴ）に代えてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用してもよい。

以上のように構成される自動分析装置３０は、制御部４５の制御の下に作動し、回転する反応ホイール３３によって周方向に沿って搬送されてくる複数の反応容器７に試薬分注機構３５，３６が試薬容器３１ａ，３２ａから試薬を順次分注する。試薬が分注された反応容器７は、検体分注機構４１によってラック３９に保持された複数の検体容器３９ａから検体が順次分注される。そして、試薬と検体が分注された反応容器７は、反応ホイール３３が停止する都度、攪拌装置５０によって順次攪拌されて試薬と検体とが反応し、反応ホイール３３が再び回転したときに測光系４２を通過する。このとき、反応容器７内の液体は、発光部４２ａから出射された後、透過した分析光が受光部４２ｃで測光され、制御部４５によって成分濃度等が分析される。そして、分析が終了した反応容器７は、洗浄機構４３によって洗浄された後、再度検体の分析に使用される。

このとき、攪拌装置５０は、反応ホイール３３が停止したときに送電体５１が接触子５１ａから電気端子５４ｄに電力を送電する。これにより、表面弾性波素子５４は、振動子５４ｂが駆動され、バルク波を誘起する。この誘起されたバルク波が、圧電基板５４ａ内を液体Ｌ側へ伝搬した後、オプティカルコンタクトによって接合された反応容器７の側壁７ａへ直接伝搬し、音響インピーダンスが近い液体中へ漏れ出してゆく。この結果、反応容器７内には、液体Ｌ中の振動子５４ｂに対応する位置を起点として、図１８に矢印で示すように、斜め上方向に向かう流れＦccと、斜め下方向に向かう流れＦcwが、それぞれ生じる。この２つの流れによって、反応容器７は、保持した液体Ｌが攪拌される。このとき、攪拌装置５０は、配置決定部材５２によって送電体５１を電気端子５４ｄに近接させると共に、送電体５１と電気端子５４ｄとが対向するように位置を調整するので、送電体５１から電気端子５４ｄへの送電が円滑に行われる。

また、反応容器７は、振動子５４ｂを液体Ｌに隣接する側壁７ａとは反対の外側に向け、表面弾性波素子５４がオプティカルコンタクトによって側壁７ａに接合されている。このため、攪拌装置５０は、振動子５４ｂが発生した音波が圧電基板５４ａ内を伝搬した後、側壁７ａへ伝搬し、隣接する液体Ｌに入射する。従って、自動分析装置３０は、使用する攪拌装置５０における側壁７ａの音響インピーダンスと圧電基板５４ａの音響インピーダンスとを略同じにすると、側壁７ａと圧電基板５４ａとの間のバルク波の干渉をなくすと共に、音波の伝搬経路が短いため、音波の伝搬ロスを抑制し、液体Ｌの攪拌効率を向上させることができる。しかも、攪拌装置５０は、反応容器７と表面弾性波素子５４との接合にオプティカルコンタクトによる接合法を使用し、接合を常温で行うため、接合する材料の種類が異なり、線膨張係数が違っていても、接合後の歪に起因した材料の剥離の心配が少ないという利点を有している。

従って、攪拌装置５０は、表面弾性波素子５４が発生した音波の伝搬効率に優れており、構造も簡単である。この結果、攪拌装置５０を使用した自動分析装置３０は、従来の分析装置に比べて小型化が可能であり、メンテナンスも容易になるという利点がある。また、表面弾性波素子５４は、圧電基板５４ａの外側に振動子５４ｂが配置され、振動子５４ｂは大気に曝されて固体に覆われていないので、振動子５４ｂの励振が抑制され難く、駆動の際のエネルギー損失を小さく抑えることができる。

なお、実施の形態２の攪拌装置５０は、送電体５１がブラシ状の接触子５１ａを電気端子５４ｄに当接させて電力を表面弾性波素子５４に送電するように構成した。しかし、攪拌装置５０は、表面弾性波素子５４に送電する際、反応ホイール３３が停止した後、ラックとピニオンとを有する配置決定部材５２によって送電体５１を反応容器７に近接させ、図１９に示すように、送電体５１に設けたばね付き端子５１ｂが電気端子５４ｄへ当接するように構成してもよい。このような構成とした場合、自動分析装置３０は、反応ホイール３３を回転させて反応容器７を搬送するときに、ばね付き端子５１ｂが表面弾性波素子５４と干渉しないように、配置決定部材５２によって送電体５１を反応容器７から遠ざける。

また、攪拌装置５０は、試薬や検体を含む液体の攪拌のために反応ホイール３３が停止した際、攪拌対象の液体を保持した反応容器７が停止する位置若しくは攪拌停止位置の近傍に送電体５１を配置する。これにより、攪拌装置５０は、電送距離を短くすることができ、電送効率を向上させることができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の攪拌装置にかかる実施の形態３について、図面を参照しつつ詳細に説明する。実施の形態１，２の攪拌装置は、表面弾性波素子をオプティカルコンタクトによって反応容器に接合したが、実施の形態３の攪拌装置は、低温はんだを用いて表面弾性波素子を反応容器に接合している。図２０は、実施の形態３の攪拌装置の構成を示すブロック図を、攪拌装置を構成する反応容器の斜視図と共に示す図である。図２１は、保持した液体中に生ずる流れを示す反応容器の断面図である。図２２は、図２１に示す反応容器のＣ部拡大図である。ここで、実施の形態３の攪拌装置は、実施の形態１の攪拌装置２０と同じ構成部分に同じ符号を使用して説明している。

攪拌装置６０は、図２０及び図２１に示すように、振動子２２ｂを外側に向け、測光窓７ｆを避けて測光窓７ｆ上部の側壁７ａに表面弾性波素子２２の圧電基板２２ａが側壁７ａ低温はんだ２３によって接合されている。このとき、攪拌装置６０は、側壁７ａと圧電基板２２ａと間に側壁７ａ及び圧電基板２２ａに音響インピーダンスが近い低温はんだ２３を配置し、超音波接合により表面弾性波素子２２を反応容器７の側壁７ａに接合する。

従って、攪拌装置６０は、表面弾性波素子２２を駆動すると、図２２に示すように、誘起されるバルク波Ｗbが、圧電基板２２ａ内を伝搬し、低温はんだ２３から反応容器７の側壁７ａへ入射し、側壁７ａ内を伝搬した後、液体Ｌへ漏れ出してゆく。この結果、漏れ出したバルク波によって反応容器７内の液体Ｌ中には、図２１に示すように、振動子２２ｂの斜め上方向に向かう流れＦccが生じると共に、振動子２２ｂの斜め下方向に向かう流れＦcwが生じ、分注された試薬と検体とが攪拌される。

このとき、攪拌装置６０は、低温はんだ２３によって表面弾性波素子２２の圧電基板２２ａが側壁７ａに接合されている。ここで、低温はんだ２３、圧電基板２２ａ及び反応容器７の音響インピーダンスはほぼ等価であるため、攪拌装置６０は、表面弾性波素子２２と反応容器７との間における音波の透過率の変動がなく、装置相互間の攪拌性能のバラつきが抑制される。また、自動分析装置１は、無線によって攪拌装置６０に表面弾性波素子２２の駆動電力を供給するので、電力供給機構を簡単な構成にすることができるうえ、電力供給の際に、部品相互が接触しないので、故障し難いという利点がある。

ここで、反応容器７に表面弾性波素子２２を低温はんだ２３によって接合した場合と、接着剤によって接合した場合における音波の透過率の違いを測定した。測定に当たっては、接着剤として紫外線硬化樹脂を使用し、低温はんだ２３及び接着剤の厚さを０〜４０μｍの範囲で変化させて圧電基板２２ａを反応容器７の側壁７ａに接合した攪拌装置６０を用い、振動子２２ｂを中心周波数で駆動した場合に発生する音波の表面弾性波素子２２と反応容器７との間における透過率を測定した。このとき、透過率は、実施の形態１と同じ方法により測定した。このときの測定結果を図２３に示す。

図２３に示すように、低温はんだ２３で接合した場合、透過率は約８０〜１００％の間で増減し、変化幅が約２０％であったのに対し、接着剤で接合した場合、透過率は約１５〜９５％の間で増減し、変化幅は約８０％であった。従って、攪拌装置６０は、反応容器７と表面弾性波素子２２とを低温はんだ２３によって接合すると、表面弾性波素子２２と反応容器７との間における音波の透過率の変化が、接着剤によって接合した場合に比べて略一定に保持されるので、装置相互間の攪拌性能のバラつきを抑制することができる。

また、反応容器７と表面弾性波素子２２とを接合する低温はんだ２３の厚さを、それぞれ２０μｍ，４５μｍとし、攪拌装置６０における表面弾性波素子２２から反射されてくる電力反射率を駆動周波数６０〜９０ＭＨｚの範囲で測定したところ図２４に示す結果が得られた。このとき、表面弾性波素子２２から反射されてくる反射電力はＳＷＲ計によって測定した。

図２４に示すように、反応容器７と表面弾性波素子２２とを低温はんだ２３によって接合した攪拌装置６０は、低温はんだ２３の厚さが倍以上異なっても、電力反射率が殆ど同じ程度であり、表面弾性波素子２２と反応容器７との間における音波の透過率の変化が略一定に保持されることと相俟って、攪拌性能の変動が殆どないことが分かる。

一方、電力反射率は、反応容器７と表面弾性波素子２２とを低温はんだ２３によって接合した場合と、反応容器７と表面弾性波素子２２とを接着剤で接着した場合では、図２５に示すように異なる。図２５は、攪拌装置６０において、接着剤として紫外線硬化樹脂を使用し、低温はんだ２３及び接着剤の厚さをそれぞれ２０μｍ、０．５μｍとした場合に、駆動周波数６０〜８７ＭＨｚの範囲で測定した電力反射率の測定結果を示す図である。

反応容器７と表面弾性波素子２２とを低温はんだ２３によって接合した場合、電力反射率は、図２５に示すように、駆動周波数によって増減を示すが、滑らかに変化する。これに対し、接着剤で接着した場合、電力反射率は、駆動周波数によって増減を示しつつ、攪拌に寄与しない不要振動に起因する微細な振動が多く発生する。この場合、本発明者らの実験によれば、これら微細な不要振動は、接着剤の厚さに依存して発生のしかたが変動し、この結果、攪拌装置６０の攪拌性能がバラつく原因となることが分かった。従って、反応容器７と表面弾性波素子２２とを低温はんだ２３によって接合すると、攪拌装置６０は、装置相互間の攪拌性能のバラつきを抑制することができる。

また、図２６は、攪拌装置における表面弾性波素子の駆動周波数（ＭＨｚ）と混合時間（sec）との関係を示す図である。具体的には、反応容器７と表面弾性波素子２２とを厚さ２０μｍの低温はんだ２３によって接合した攪拌装置６０と、反応容器７と表面弾性波素子２２とを紫外線硬化樹脂からなる厚さ０．５μｍの接着剤で接着したことを除き攪拌装置６０と構成が同一の攪拌装置を用い、駆動周波数（ＭＨｚ）を変化させて同一量の液体を攪拌した場合に均一に攪拌するのに要した混合時間（sec）の測定結果を示している。

図２６に示す結果から明らかなように、反応容器７と表面弾性波素子２２とを低温はんだ２３によって接合した攪拌装置６０は、周波数変化に伴う攪拌性能の変動が接着剤を使用した攪拌装置に比べて大きいが、特定の駆動周波数、特に、８０〜８４ＭＨｚの駆動周波数で駆動すると、攪拌性能の変動が小さく抑えられ、攪拌性能が安定しているという利点がある。

なお、実施の形態３の攪拌装置６０は、攪拌装置５０のように有線によって電力を供給してもよい。

実施の形態１の自動分析装置を示す概略構成図である。 実施の形態１の自動分析装置で使用する反応容器及び反応ホイールの一部を攪拌装置の概略構成図と共に示す斜視図である。 実施の形態１の攪拌装置の構成を示すブロック図を、攪拌装置を構成する反応容器の斜視図と共に示す図である。 図３の反応容器の側壁に取り付ける表面弾性波素子の斜視図である。 保持した液体中に生ずる流れを示す図３に示す反応容器の断面図である。 図５に示す反応容器のＡ部拡大図である。 表面弾性波素子と反応容器との間の接着剤の厚さと表面弾性波素子と反応容器との間における透過率との関係を示す図である。 攪拌装置における表面弾性波素子の駆動周波数（ＭＨｚ）と混合時間（sec）との関係を示す図である。 音波の伝搬経路上に存在する圧電基板と反応容器の側壁の音響インピーダンス並びに縦波と横波の伝搬を説明する拡大断面図である。 実施の形態１の攪拌装置で使用する反応容器の変形例を示す断面図である。 図１０に示す反応容器で使用する表面弾性波素子の正面図である。 図１０に示す反応容器のＢ部拡大図である。 実施の形態２の自動分析装置の概略構成図である。 図１３の自動分析装置の構成を示すブロック図である。 図１３の自動分析装置で使用される攪拌装置の表面弾性波素子と、表面弾性波素子を取り付けた反応容器とを示す斜視図である。 表面弾性波素子が取り付けられ、図１３の自動分析装置で使用される反応容器を送電体と共に示す斜視図である。 表面弾性波素子が取り付けられた反応容器の正面図である。 図１７に示す反応容器のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 接触子をばね付き端子に代えた送電体の変形例を反応容器と共に示した斜視図である。 実施の形態３の攪拌装置の構成を示すブロック図を、攪拌装置を構成する反応容器の斜視図と共に示す図である。 保持した液体中に生ずる流れを示す反応容器の断面図である。 図２１に示す反応容器のＣ部拡大図である。 低温はんだを用いた攪拌装置と、接着剤として紫外線硬化樹脂を使用した攪拌装置において、これらの厚さと表面弾性波素子と反応容器との間における音波の透過率との測定結果を示す図である。 低温はんだの厚さが異なる場合における、攪拌装置の電力反射率に関する周波数特性図である。 低温はんだを用いた攪拌装置と、接着剤として紫外線硬化樹脂を使用した攪拌装置において、駆動周波数６０〜８７ＭＨｚの範囲で測定した電力反射率の測定結果を示す図である。 低温はんだを用いた攪拌装置と、接着剤として紫外線硬化樹脂を使用した攪拌装置において、表面弾性波素子の駆動周波数（ＭＨｚ）と混合時間（sec）との関係を示す図である。

符号の説明

１ 自動分析装置
２ 作業テーブル
３ 検体テーブル
４ 検体容器
５ 検体分注機構
６ 反応ホイール
７ 反応容器
１０ 測光装置
１１ 洗浄装置
１２ 試薬分注機構
１３ 試薬テーブル
１４ 試薬容器
１５ 読取装置
１６ 制御部
１７ 分析部
１８ 入力部
１９ 表示部
２０ 攪拌装置
２１ 送電体
２２，２４ 表面弾性波素子
２３ 低温はんだ
３０ 自動分析装置
３１，３２ 試薬テーブル
３３ 反応ホイール
３５，３６ 試薬分注機構
３７ 検体容器移送機構
３８ フィーダ
３９ ラック
４１ 検体分注機構
４２ 測光系
４３ 洗浄機構
４５ 制御部
４６ 入力部
４７ 表示部
５０ 攪拌装置
５１ 送電体
５２ 配置決定部材
５４ 表面弾性波素子
６０ 攪拌装置

Claims (8)

1. 液体を保持する容器と、
   前記容器に接合され、前記液体を攪拌する音波を当該液体へ照射する音波発生手段と、
   を備え、
   前記音波発生手段は、前記容器との間に接合層を介さずに接合され、又は、前記容器との間に低温はんだを介して接合されていることを特徴とする攪拌装置。
2. 前記音波発生手段は、常温接合法によって前記容器に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置。
3. 前記常温接合法は、オプティカルコンタクトによる接合法であることを特徴とする請求項２に記載の攪拌装置。
4. 前記音波発生手段は、前記容器とは異なる材料から形成されていることを特徴とする請求項３に記載の攪拌装置。
5. 前記音波発生手段は、超音波接合法によって前記容器に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置。
6. 前記音波発生手段は、
   前記容器に接合される圧電基板と、
   前記圧電基板上に設けられ、前記液体を攪拌する音波を発生する櫛歯状電極と、
   を有する表面弾性波素子であることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置。
7. 前記櫛歯状電極は、前記容器及び前記圧電基板を介して前記液体に隣接する前記容器の外側に配置されることを特徴とする請求項６に記載の攪拌装置。
8. 複数の異なる液体を攪拌して反応させ、反応液の光学的特性を測定して前記反応液を分析する自動分析装置であって、請求項１〜７のいずれか一つに記載の攪拌装置を用いて検体と試薬とを攪拌して反応させ、反応液を光学的に分析することを特徴とする自動分析装置。

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