JP3547888B2 - Ultrasonic sensor and dispensing device using the same - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、距離測定に用いる超音波センサと、試薬、検体等の分注や希釈を行なう分注装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に分注装置は、図１７に示す様に、コントローラ（１９）によって制御される３軸駆動テーブル機構（１８）の出力部に分注ヘッド（１５）を取り付けて構成され、分注ヘッド（１５）には、試薬を吸入、吐出すべきピペット（１６）が下向きに突設されている。
【０００３】
分注台（１７）上に設置されたプレート（２０）の各凹部（２１）へ試薬を分注する際には、３軸駆動テーブル機構（１８）の動作により分注ヘッド（１５）を移動させて、ピペット（１６）の先端部をプレート（２０）の凹部（２１）へ接近させ、ピペット（１６）内の試薬を凹部（２１）へ吐出する。試薬の希釈や混合を行なう場合には、凹部（２１）内に他の試薬（２２）が既に注入されており、ピペット（１６）から滴下する試薬を凹部（２１）内の試薬（２２）の液面に接触させて、表面張力を開放することによって、試薬の吐出を行なう。
このとき、ピペット（１６）自体が凹部（２１）内の試薬（２２）と接触すると、ピペット（１６）に付着した試薬が次の分注工程で他の試薬に混入するため、ピペット（１６）の先端面が試薬（２２）の液面よりも僅かに浮上した位置で、試薬の吐出を行なう必要がある。
【０００４】
上記の如く試薬の希釈や混合を行なう場合には、コントローラ（１９）による制御の下、分注ヘッド（１５）を下降させて、ピペット（１６）をプレート（２０）の凹部（２１）内の試薬（２２）の液面に対して可及的に接近させるのであるが、試薬（２２）の液面位は凹部（２１）毎にまちまちであるため、その都度、試薬（２２）の液面位を測定して、ピペット（１６）の高さ位置を調整する必要がある。この際、試薬（２２）の液面位の測定には、０．１ｍｍ程度の精度が要求される。
【０００５】
距離測定の精度の点では、レーザ測長器を用いることが有利であるが、この場合、レーザ光が試薬に照射されることになるため、透明の試薬や、光化学反応を起こす試薬については適用出来ない。又、液面には表面張力による凹凸があり、反射方向は一様でないので、反射波の受光感度の点で問題がある。
【０００６】
そこで、従来は、図１７の如く分注ヘッド（１５）の側部に超音波センサ（１）を取り付けて、試薬（２２）の液面までの距離を測定し、該測定値をコントローラ（１９）による３軸駆動テーブル機構（１８）の制御にフィードバックすることが行なわれている。
【０００７】
超音波センサ（１）による距離測定においては、図１２に示す如く超音波センサ（１）から測定対象（２４）へ向けて送信波を発すると共に、測定対象（２４）にて反射されて戻ってくる受信波を超音波センサ（１）で受け、送信波の発信から受信波の受信までの時間計測に基づいて、測定対象までの距離を測定する。
ここで、送信波は、振動子の機械インピーダンスによって、図１３に示す如く振幅が徐々に増大した後、徐々に減小する波形となる。又、これに伴って、受信波も同様の波形となる。尚、送信波と受信波とは周波数が同一であって、且つ受信波に含まれる複数の波のピーク値は、対応する送信波の波のピーク値に対して夫々、一定の減衰率を有することになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
送信波の発信から受信波の受信までの時間計測は、正確には、送信波の第１波の立上りから受信波の第１波の立上りまでの期間を対象として行なう必要があるが、受信波の第１波の立上りについては、ノイズによる誤検出を避けるため、図１３に示す如く、波形の振幅値が一定のスレッショルドレベルを越えた時点を以て、第１波の立上り時点としている。
この結果、従来の超音波センサの測定値には、超音波の数波長分の誤差が発生することになる。
又、受信波の大きさは、測定距離の大小や測定対象の表面の平面状態によって変化し、これによってスレッショルドレベルを越える時点は変化する。従って、上記誤差は、受信波の大きさによってまちまちとなる。
この誤差を最小限に抑えるためには、振動子の周波数を上げればよいが、これによって超音波伝搬中の振幅の減衰が著しくなり、測定感度が低下する。
【０００９】
本発明の目的は、比較的低い周波数の超音波によっても高精度の測定が可能な超音波センサ、及び該超音波センサを装備した分注装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る第１の超音波センサは、送信波の第１波の立上り時点を検知する第１検知手段と、送信波の周波数の２ｎ倍（ｎは１以上の整数）の周波数で受信波のサンプリングを行なうサンプリング手段と、サンプリング手段から得られる受信波のサンプリング点の内、ピークと見做される複数の見做しピーク点を抽出する抽出手段と、抽出手段から得られる受信波の複数の見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点を検知する第２検知手段と、第１検知手段によって検知された送信波の第１波の立上り時刻と、第２検知手段によって検知された受信波の波形基準点の時刻と、所定のオフセット時間とに基づいて、測定対象までの距離を算出する演算手段とを具えている。
【００１１】
上記第１の超音波センサにおいて、送信波については、振動子に対する駆動パルスの供給開始時点に基づいて、第１波の立上り時点を検知することが出来る。
一方、受信波の第１波の立上り時点は図３に示す様に、抽出手段から得られる複数の見做しピーク点Ｐを結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点から、所定のオフセット時間が経過した時点を以て、第１波の立上り時点とする。ここで、波形に含まれる何れの波も同一の減衰率で減衰するので、その幾何学的関係から、複数の見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線は、図４（ａ）（ｂ）に破線で示す如く減衰の大きさに拘わらず、同一の波形基準点を通過する。
即ち、波形基準点から第１波の立上り時点までの時間（オフセット時間）は、測定対象までの距離に拘わらず一定となる。よって、このオフセット時間は、センサ固有の値として、予め実験的に求めておくことが出来る。
又、抽出手段は、送信波の周波数の２ｎ倍（ｎは１以上の整数）の一定周波数でサンプリングされた受信波のサンプリング点の中から複数の見做しピーク点を抽出する。ここで、送信波と受信波とは周波数が同一であって、受信波の真のピーク点Ｐｏの周期は、図５及び図６に示す様に一定であるので、見做しピーク点Ｐが、図示の如く真のピーク点Ｐｏからずれていても、その時間軸方向のずれ量ΔＳは全ての波において同一である。従って、幾何学的関係から、真のピーク点Ｐｏを結ぶ仮想包絡線と、見做しピーク点Ｐを結ぶ仮想包絡線とは、同一の波形基準点を通過することとなる。
【００１２】
具体的には、ｎは１であって、前記抽出手段は、見做しピーク点として受信波のサンプリング点の全てを抽出し、第２検知手段は、これらのサンプリング点を結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点を検知する。
【００１３】
該具体的構成においては、受信波のサンプリング周波数は送信波の周波数の２倍であるので、図５の如くサンプリング点の１つが仮に１つの波の真のピーク点Ｐｏに一致したとすると、他のサンプリング点も全て他の波の真のピーク点Ｐｏに一致することになる。又、サンプリング点が真のピーク点Ｐｏからずれているとしても上述の如く、全てのサンプリング点の時間軸方向のずれ量は同一である。従って、これらのサンプリング点即ち見做しピーク点Ｐを結ぶ仮想包絡線によって、波形基準点を求めることが出来る。
【００１４】
又、具体的には、ｎは２以上であって、前記抽出手段は、受信波のサンプリング点を相互に比較して、ピークと見做される複数の見做しピーク点を抽出し、第２検知手段は、これらの見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点を検知する。
【００１５】
該具体的構成においては、図６の如く時間軸方向のずれ量が異なる複数のサンプリング点が受信波の周期で繰り返し発生することになるが、これらのサンプリング点の中から複数の見做しピーク点Ｐを抽出すれば、これらの見做しピーク点Ｐの時間軸方向のずれ量ΔＳは同一となる。従って、これらの見做しピーク点Ｐを結ぶ仮想包絡線によって、波形基準点を求めることが出来る。
【００１６】
更に、具体的には、超音波センサを平坦な基準面上に所定距離をおいて設置した状態で、超音波センサから該基準面へ向けて所定周波数の送信波を発信させて送信波の第１波の立上り時刻と受信波の波形基準点の時刻を実測し、該実測値と、前記所定距離を送信波が往復するのに要する時間の理論値とに基づいて、受信波の波形基準点から第１波の立上り時点までの時間を算出し、該算出結果を前記オフセット時間として設定するオフセット時間算出手段を具えている。
【００１７】
該具体的構成においては、図７に示す如く、実測によって、送信波の第１波の立上り時刻Ｔ１から受信波の波形基準点の時刻ｔ２までの時間Ｔｅが得られる。一方、送信波の第１波の立上り時刻Ｔ１から受信波の第１波の立上り時刻Ｔ２までの時間Ｔｒは、前記所定距離から理論的に計算することが出来る。従って、理論値Ｔｒから実測値Ｔｅを減算することにより、受信波の波形基準点の時刻ｔ２から第１波の立上り時刻Ｔ２までの時間、即ちオフセット時間Ｔｏを算出することが出来る。
【００１８】
本発明に係る第２の超音波センサは、送信波の周波数の２ｎ倍（ｎは１以上の整数）の周波数で送信波及び受信波のサンプリングを行なうサンプリング手段と、サンプリング手段から得られる送信波及び受信波の夫々のサンプリング点の内、ピークと見做される複数の見做しピーク点を抽出する抽出手段と、抽出手段から得られる送信波の複数の見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点を検知する第１検知手段と、抽出手段から得られる受信波の複数の見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点を検知する第２検知手段と、送信波の波形基準点から受信波の波形基準点までの経過時間を算出する第１演算手段と、第１演算手段による時間算出値に基づいて、測定対象までの距離を算出する第２演算手段とを具えている。
【００１９】
上記第２の超音波センサにおいては、送信波と受信波の両方について波形基準点が検知され、送信波の波形基準点から受信波の波形基準点までの経過時間を以て、送信波の第１波の立上り時点から受信波の第１波の立上り時点までの経過時間とする。この場合、図７に示す如く、送信波についての波形基準点ｔ１から第１波の立上り時点Ｔ１までの時間（オフセット時間Ｔｏ）と、受信波についての波形基準点ｔ２から第１波の立上り時点Ｔ２までの時間（オフセット時間Ｔｏ）は、幾何学的に明らかな様に、互いに同一となる。よって、送信波の波形基準点ｔ１から受信波の波形基準点ｔ２までの経過時間ΔＴは、送信波の第１波の立上り時点Ｔ１から受信波の第１波の立上り時点Ｔ２までの経過時間ΔＴ′と一致することになる。
又、抽出手段は、送信波の周波数の２ｎ倍（ｎは１以上の整数）の一定周波数でサンプリングされた送信波及び受信波のサンプリング点の中から夫々、複数の見做しピーク点を抽出する。ここで、送信波と受信波とは周波数が同一であって、送信波及び受信波の真のピーク点Ｐｏの周期は、図５及び図６に示す様に一定であるので、見做しピーク点Ｐが図示の如く真のピーク点Ｐｏからずれていても、その時間軸方向のずれ量ΔＳは全ての波において同一である。従って、幾何学的関係から、真のピーク点Ｐｏを結ぶ仮想包絡線と、見做しピーク点Ｐを結ぶ仮想包絡線とは、同一の波形基準点を通過することとなる。
【００２０】
具体的には、ｎは１であって、前記抽出手段は、見做しピーク点として送信波及び受信波のサンプリング点の全てを抽出し、第１検知手段及び第２検知手段は夫々、これらのサンプリング点を結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点を検知する。
【００２１】
該具体的構成において、送信波及び受信波のサンプリング周波数は送信波の周波数の２倍であるので、図５の如くサンプリング点の１つが仮に１つの波の真のピーク点Ｐｏに一致したとすると、他のサンプリング点も全て他の波の真のピーク点Ｐｏに一致することになる。又、サンプリング点が真のピーク点Ｐｏからずれているとしても上述の如く、全てのサンプリング点の時間軸方向のずれ量は同一である。従って、これらのサンプリング点即ち見做しピーク点Ｐを結ぶ仮想包絡線によって、波形基準点を求めることが出来る。
【００２２】
又、具体的には、ｎは２以上であって、前記抽出手段は、送信波及び受信波の夫々についてサンプリング点を相互に比較して、ピークと見做される複数の見做しピーク点を抽出し、第１検知手段及び第２検知手段は夫々、これらの見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点を検知する。
【００２３】
該具体的構成においては、図６の如く真のピーク点Ｐｏからのずれ量が異なる複数のサンプリング点が周期的に発生することになるが、これらのサンプリング点の中から複数の見做しピーク点Ｐを抽出すれば、これらの見做しピーク点Ｐの時間軸方向のずれ量ΔＳは同一となる。従って、これらの見做しピーク点Ｐを結ぶ仮想包絡線によって、送信波及び受信波の波形基準点を求めることが出来る。
【００２４】
上記第１及び第２の超音波センサによれば、図１３に示す如く、送信波の立上り時点から受信波の立上り時点までの経過時間ΔＴを間接的に算出することによって、従来方式では不可避であった測定誤差を解消することが出来る。
又、仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる点を波形基準点としており、波形基準点の検知は電圧レベルとは無関係に行なわれるので、図３に二点鎖線で示す様に、波形検出時のグランドレベルが波形の振幅中心からずれた場合においても、波形基準点の検知に影響はなく、その検知位置が移動することはない。従って、グランドレベルのずれによる測定誤差が生じることはない。
【００２５】
上記第１及び第２の超音波センサにおいて、仮想包絡線は、具体的には、２本の交差する直線又は２次曲線によって精度良く表わされる。
【００２６】
又、本発明に係る分注装置は、分注ヘッド（１５）の側部に、上記本発明に係る第１の超音波センサ或いは第２の超音波センサを下向きに取り付けたものである。
【００２７】
該分注装置においては、超音波センサの測定対象は、プレート（２０）の凹部（２１）に注入された液体の液面であって、超音波センサ（１）からの超音波の往復時間が測定されて、液面までの距離が算出される。
【００２８】
分注装置の具体的構成において、測定対象は、プレート（２０）の凹部（２１）に注入された液体の液面であって、超音波センサ（１）の超音波出射部には、中央部に超音波通路を設けた筒片（２３）が下向きに取り付けられ、該筒片（２３）の超音波通路は、前記凹部（２１）の開口形状と同一或いは実質的に同一の断面形状に形成されている。
【００２９】
該具体的構成においては、超音波センサ（１）から出射された超音波が、筒片（２３）の超音波通路に案内されて、拡散することなく、プレート（２０）の凹部（２１）へ導かれる。
超音波センサ（１）に筒片（２３）を具えない従来の分注装置においては、図１８に示す如く、超音波センサ（１）から出射された超音波が拡散して、一部の波がプレート（２０）の凹部（２１）の開口縁に照射され、該開口縁での反射による受信波が超音波センサ（１）にて検知されて、正確な測定値Ｈが得られない問題があった。
【００３０】
これに対し、本発明の分注装置においては、筒片（２３）の超音波通路がプレート（２０）の凹部（２１）の開口形状と同一或いは実質的に同一の断面形状に形成されており、図１５の如く、筒片（２３）の開口部をプレート（２０）の凹部（２１）へ可及的に接近させた状態で距離測定が行なわれる。従って、超音波センサ（１）から出射された一部の波が凹部（２１）の開口縁に照射されることはなく、全ての波が凹部（２１）内へ導かれて、該凹部（２１）内の液体の液面で反射されることになる。
この結果、正確な測定値Ｈが得られるのである。
【００３１】
又、第１の超音波センサを具えた分注装置の具体的構成において、超音波センサ（１）は更に、筒片（２３）の開口部をプレート（２０）の平坦部に密着させた状態で、超音波センサ（１）から該平坦部へ向けて所定周波数の送信波を発信させて送信波の第１波の立上り時刻と受信波の波形基準点の時刻を実測し、該実測値と、前記筒片（２３）の超音波通路を送信波が往復するのに要する時間の理論値とに基づいて、受信波の波形基準点から第１波の立上り時点までの時間を算出し、該算出結果を前記オフセット時間として設定するオフセット時間算出手段を具えている。
【００３２】
該具体的構成においては、筒片（２３）の開口部をプレート（２０）の平坦部に密着させて、オフセット時間の算出が行なわれる。ここで、超音波センサ（１）の超音波出射部から該平坦部までの距離は、筒片（２３）の長さに一致し、筒片（２３）の長さは既知であるので、図７における送信波の第１波の立上り時刻Ｔ１から受信波の第１波の立上り時刻Ｔ２までの時間Ｔｒを理論的に求めることが出来る。従って、該理論値Ｔｒから、送信波の第１波の立上り時刻Ｔ１から受信波の波形基準点の時刻ｔ２までの時間の実測値Ｔｅを減算することにより、オフセット時間Ｔｏを算出することが出来る。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に係る超音波センサは、測定精度が超音波の波長や受信波の大きさに依存せず、原理的に誤差の無い測定方式を採用しているので、比較的低い周波数の超音波によっても高精度且つ高分解能の測定が可能である。又、送信波及び受信波のサンプリング周波数を送信波の周波数の偶数倍の低い周波数に設定した場合にも、高精度の測定値が得られる。
本発明に係る超音波センサを用いた分注装置においては、超音波センサによる高精度の測長によって、分注ヘッドの位置決めを高精度に行なうことが出来る。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
図１に示す本発明の超音波センサ（１）は、振動子（２）についての動作モードを切換えスイッチ（３）により送信モードと受信モードに切り換えるものであって、送信モードにおいては、クロック発生器（４）から駆動パルス発生器（５）へ４００ｋＨｚのクロックを供給して、４００ｋＨｚの駆動パルスを作成する。該駆動パルスは増幅器（６）にて増幅し、切換えスイッチ（３）を経て振動子（２）へ供給する。ここで、駆動パルスは図２（ａ）の如く一定のピーク値を有する数個のパルスであるが、振動子（２）の機械インピーダンスによって、振動子（２）に発生する振動は、図２（ｂ）の如く振幅が徐々に増大した後、徐々に減小する波形となる。
【００３５】
又、図１の如く増幅器（６）の出力はサンプリング回路（１２）へ供給され、これによってサンプリングされた信号がＡ／Ｄ変換器（１３）にてデジタルデータに変換され、バスライン（１４）を経てマイクロコンピュータ（２５）へ供給される。ここで、サンプリングは送信波の２ｎ倍（ｎは１以上の整数）の周波数で行なわれる。
【００３６】
マイクロコンピュータ（２５）は、クロック発生器（１０）からの基準クロックに基づいて動作するタイマ（７）、ＣＰＵ（８）及びメモリ（９）を具え、駆動パルス発生器（５）からのタイマーＯＮ／ＯＦＦ信号がタイマ（７）に入力されることによって、タイマ（７）の計時動作が開始される。
又、Ａ／Ｄ変換器（１３）からバスライン（１４）を経て送られてくるデータは、ＣＰＵ（８）により処理されて、送信波の第１波の立上り時点が検知され、その結果がメモリ（９）に格納される。
【００３７】
一方、受信モードにおいては、図１に示す振動子（２）によって受信波が検知され、その検知信号が増幅器（１１）を経てサンプリング回路（１２）へ供給される。サンプリング回路（１２）では、送信波の周波数の２ｎ倍（ｎは１以上の整数）の周波数で波形の振幅値のサンプリングが行なわれ、その結果がＡ／Ｄ変換器（１３）にてデジタルデータに変換され、マイクロコンピュータ（２５）へ供給される。マイクロコンピュータ（２５）では、サンプリングされた時刻ｔをｘ座標、サンプリングされた振幅値Ｖをｙ座標とする２次元座標データとして、波形の変化をメモリ（９）に格納する。
【００３８】
尚、ノイズを除去するために、受信波の波形のサンプリングに際しては、適度な大きさのスレッショルドレベルを設け、振幅値の絶対値が該スレッショルドレベル以下であるデータは排除する。
【００３９】
その後、マイクロコンピュータ（２５）は、受信波の波形基準点を検知して受信波の第１波の立上り時刻を導出する。ここで、波形基準点は、受信波に現われる複数の見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線を２次曲線で表わした場合の頂点、即ち該２次曲線の時間軸座標が最小値となる点である。そして、送信波の第１波の立上り時点から受信波の第１波の立上り時点までの経過時間に基づいて、測定対象までの距離Ｌを算出する。
この様にして得られた測定対象までの距離Ｌの算出結果は、必要に応じてプリンターによって出力され、或いはディスプレイに表示される。
【００４０】
上記サンプリング回路（１２）によるサンプリング周波数を送信波の周波数の２倍（ｎ＝１）に設定した場合、図５の如くサンプリング点の１つが仮に１つの波の真のピーク点Ｐｏに一致したとすると、他のサンプリング点も全て他の波の真のピーク点Ｐｏに一致することになる。又、サンプリング点が真のピーク点Ｐｏからずれているとしても、全てのサンプリング点の時間軸方向のずれ量は同一である。従って、これらのサンプリング点即ち見做しピーク点Ｐを結ぶ仮想包絡線によって、波形基準点を求めることが出来る。
一方、上記サンプリング回路（１２）によるサンプリング周波数を送信波の周波数の２ｎ倍（ｎ≧２）に設定した場合、図６の如く真のピーク点Ｐｏからのずれ量が異なる複数のサンプリング点が受信波の周期で繰り返し発生することになるが、これらのサンプリング点の中から複数の見做しピーク点Ｐを抽出すれば、これらの見做しピーク点Ｐの時間軸方向のずれ量ΔＳは同一となる。従って、これらの見做しピーク点Ｐを結ぶ仮想包絡線によって、波形基準点を求めることが出来る。
【００４１】
図８は、送信波発生から測定対象までの距離Ｌの算出までの手続きを表わしている。
ステップＳ１にて、振動子（２）に駆動パルスを供給して送信波を発生させ、ステップＳ２にて、メモリ（９）に送信波の第１波の立上り時刻Ｔ１を記憶する。
【００４２】
次にステップＳ３にて、送信波の周波数の２ｎ倍（ｎ≧１）の周波数で受信波のサンプリング及びＡ／Ｄ変換を行なう。ステップＳ４では、サンプリングデータをメモリ（９）へ保存し、ステップＳ５にて、メモリ（９）にデータ格納領域が残っているか否かを判断し、Ｙｅｓと判断された場合は、ステップＳ３へ戻る。
ステップＳ５にてＮｏと判断された場合は、ステップＳ６に移行し、カウンタ変数ｉを初期化する。
【００４３】
続いてステップＳ７にて、前記メモリ（９）からｉ番目のデータＤｉの取り出しを行なう。ステップＳ８では、該データＤｉの絶対値がスレッショルドレベルより大きいか否かを判断し、Ｎｏと判断された場合は、ｉをカウントアップしてステップＳ７へ戻る。
ステップＳ８にてＹｅｓと判断された場合は、ステップＳ９へ移行して、受信波の波形基準点の時刻ｔ２を導出する。ステップＳ９の具体的手順については後述する。次にステップＳ１０では、該受信波の波形基準点の時刻ｔ２と所定のオフセット時間Ｔｏに基づいて、下記数１から受信波の第１波の立上り時刻Ｔ２を算出する。
【数１】
Ｔ２＝ｔ２＋Ｔｏ
【００４４】
ここで、オフセット時間Ｔｏは、超音波センサ（１）に固有の値であって、予め実験的に求められた一定の値を採用することも可能であるが、より精度の高い測長のためには、その都度オフセット時間Ｔｏを算出することが望ましい。オフセット時間の具体的な算出方法については後述する。
【００４５】
続いて、ステップＳ１１にて、送信波及び受信波の第１波の立上り時刻Ｔ１、Ｔ２に基づき、下記数２から送信波の第１波の立上り時点から受信波の第１波の立上り時点までの経過時間ΔＴを算出する。
【数２】
ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１
【００４６】
そしてステップＳ１２では、下記数３から音速ｃを算出する。
【数３】
ｃ＝０．６０７×ｔｖ＋３３１．５
ここで、ｔｖは温度センサによって検出される測定時の空気温度である。この様に、音速は温度に依存するので、高精度の測長のためには、その都度、温度を測定して音速を算出することが必要である。
【００４７】
最後に、ステップＳ１３にて、送信波の第１波の立上り時点から受信波の第１波の立上り時点までの経過時間ΔＴと、音速ｃに基づき、下記数４から測定対象までの距離Ｌを算出する。
【数４】
Ｌ＝ｃ×ΔＴ／２
【００４８】
上記手続きのステップＳ９における受信波の波形基準点の導出手順を、サンプリング周波数が送信波の周波数の２倍の場合と、４以上の偶数倍の場合について、具体的に説明する。
【００４９】
サンプリング周波数が送信波の周波数の２倍の場合
図９に示す如く、先ずステップＳ１４にて、必要なカウンタ変数ｎを初期化し、ステップＳ１５では、メモリ（９）からｎ番目のデータの取り出しを行なう。
次にステップＳ１６にて、ｎ番目のデータの絶対値と、ｎ−１番目のデータの絶対値とを比較して、ｎ−１番目のデータの絶対値の方が小さいときは、ｎをカウントアップして、ステップＳ１５へ戻る。
【００５０】
ステップＳ１６にて、ｎ−１番目のデータの絶対値の方が大きいと判断されたときは、ステップＳ１７へ移行して、各サンプリング点のデータに最小自乗法を適用し、各サンプリング点を結んだ仮想包絡線を、時間ｔを関数、振幅値Ｖを変数とする２次曲線：ｔ＝ａＶ２＋ｂＶ＋ｃで近似する。
そして、ステップＳ１８では、仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる点、即ち前記２次曲線において傾きｄｔ／ｄＶが０となる点（ｔ２，Ｖ２）を算出する。この点は、下記数５を満たす振幅値Ｖ２及び時間ｔ２として求めることが出来、これらの値Ｖ２、ｔ２は夫々、下記数６及び数７によって算出される。
【数５】
ｄｔ／ｄＶ＝２ａＶ＋ｂ＝０
【数６】
Ｖ２＝−ｂ／２ａ
【数７】
ｔ２＝ａＶｏ２＋ｂＶｏ＋ｃ
これによって得られた点（ｔ２，Ｖ２）が波形基準点となり、上記受信波の波形基準点の時刻ｔ２が導出されることとなる。
【００５１】
サンプリング周波数が送信波の周波数の４以上の偶数倍の場合
図１１に示す如く、先ずステップＳ４１にて、必要なカウンタ変数ｎ及びｍを初期化し、ステップＳ４２では、メモリ（９）からｎ番目のデータの取り出しを行なう。
【００５２】
次にステップＳ４３にて、ｎ番目、ｎ−１番目、及びｎ−２番目のデータの絶対値を互いに比較して、ｎ−１番目のデータの絶対値が最大でない場合は、ｎをカウントアップして、ステップＳ４２へ戻る。
ステップＳ４３にて、図６に示す如く、ｎ−１番目のデータの絶対値が最大であるとの判断が為されたときは、ステップＳ４４へ移行して、ｎ−１番目のサンプリング点をｍ番目の見做しピーク点Ｐとする。
【００５３】
続いて、図１１のステップＳ４５にて、ｍ番目のピーク値の絶対値と、ｍ−１番目のピーク値の絶対値とを比較して、ｍ−１番目のピーク値の絶対値の方が小さいときは、ｎ及びｍをカウントアップして、ステップＳ４２へ戻る。
【００５４】
ステップＳ４５にて、ｍ−１番目のピーク値の絶対値の方が大きいと判断されたときは、ステップＳ４６へ移行して、各見做しピーク点のデータに最小自乗法を適用し、各見做しピーク点を結んだ仮想包絡線を、時間ｔを関数、振幅値Ｖを変数とする２次曲線：ｔ＝ａＶ２＋ｂＶ＋ｃで近似する。
そして、ステップＳ４７では、仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる点、即ち前記２次曲線において傾きｄｔ／ｄＶが０となる点（ｔ２，Ｖ２）を算出する。この点は、上記数５を満たす振幅値Ｖ２及び時間ｔ２として求めることが出来、これらの値Ｖ２、ｔ２は夫々、上記数６及び数７によって算出される。
これによって得られた点（ｔ２，Ｖ２）が波形基準点となり、上記受信波の波形基準点の時刻ｔ２が導出されることとなる。
【００５５】
次に、前記オフセット時間の算出方法について具体的に説明する。
超音波センサ（１）を平坦な基準面上に所定距離Ｈｏだけ離して位置決めする。この際、所定距離は基準スケールを用いて設定することが出来る。この状態で、超音波センサ（１）から該基準面へ向けて所定周波数の送信波を発信させ、図８におけるステップＳ１からステップＳ９までの手続きを実行して、送信波の第１波の立上り時刻Ｔ１と受信波の波形基準点の時刻ｔ２を実測し、時刻Ｔ１から時刻ｔ２までの時間Ｔｅを導出する。
【００５６】
一方、前記所定距離Ｈｏを送信波が往復するのに要する時間Ｔｒを下記数８から理論的に算出する。
【数８】
Ｔｒ＝Ｈｏ×２／ｃ
ここで、ｃは音速であり、図８におけるステップＳ１２と同様に前記数３から算出される。
【００５７】
次に、図７から明らかなように、前記実測値Ｔｅと前記理論値Ｔｒに基づき、下記数９によって受信波の波形基準点ｔ２から第１波の立上り時点Ｔ２までの時間、即ちオフセット時間Ｔｏを算出することが出来る。
【数９】
Ｔｏ＝Ｔｒ−Ｔｅ
【００５８】
上記測定方式では、受信波の波形基準点の時刻ｔ２にオフセット時間Ｔｏを加算することによって受信波の立上り時刻Ｔ２を算出し、送信波の第１波の立上り時点Ｔ１から受信波の第１波の立上り時点Ｔ２までの経過時間ΔＴを算出しているが、図７に示す如く、送信波におけるオフセット時間Ｔｏと受信波におけるオフセット時間Ｔｏは同一であるので、送信波の波形基準点ｔ１から受信波の波形基準点ｔ２までの経過時間ΔＴ′を算出することによっても、同じ結果を得ることが出来る。
【００５９】
この場合、図１のマイクロコンピュータ（２５）は、送信モードにて、Ａ／Ｄ変換器（１３）から供給される送信波のサンプリングデータに対して、図９或いは図１１と同様の演算処理を実行し、送信波の波形基準点を検知する。ここで、波形基準点は、送信波に現われる複数の見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線を２次曲線で表わした場合の頂点、即ち該２次曲線の時間軸座標が最小値となる点である。
そして、送信波の波形基準点から受信波の波形基準点までの経過時間ΔＴ′（＝ΔＴ）に基づいて、測定対象までの距離Ｌを算出する。
即ち、図１０に示す如く、ステップＳ１９にて、振動子（２）に駆動パルスを供給して送信波を発生させ、ステップＳ２０にて、送信波及び受信波のサンプリング及びＡ／Ｄ変換を行なう。ここで、サンプリングは、送信波の周波数の２倍或いは４以上の偶数倍の周波数で行なう。
【００６０】
次にステップＳ２１にて、サンプリングデータをメモリ（９）へ保存する。ステップＳ２２では、メモリ（９）にデータ格納領域が残っているか否かを判断し、Ｙｅｓと判断された場合は、ステップＳ２０へ戻る。
ステップＳ２２にてＮｏと判断された場合は、ステップＳ２３に移行し、カウンタ変数ｉを初期化する。
【００６１】
続いてステップＳ２４にて、前記メモリ（９）からｉ番目のデータＤｉの取り出しを行なう。ステップＳ２５では、該データＤｉの絶対値がスレッショルドレベルより大きいか否かを判断し、Ｎｏと判断された場合は、ｉをカウントアップしてステップＳ２４へ戻る。
ステップＳ２５にてＹｅｓと判断された場合は、ステップＳ２６へ移行して、送信波の波形基準点の時刻ｔ１を導出する。波形基準点の導出手順は図９或いは図１１に示す通りである。次にステップＳ２７にて、メモリ（９）からｉ番目のデータＤｉの取り出しを行ない、ステップＳ２８にて、送信波の送信が終了したか否かを判断する。ステップＳ２８にてＮｏと判断された場合は、ステップＳ２７へ戻り、Ｙｅｓと判断された場合は、ステップＳ２９にてｉをカウントアップする。
【００６２】
そして、ステップＳ３０では、メモリ（９）からｉ番目のデータＤｉの取り出しを行い、ステップＳ３１にて、該データＤｉの絶対値がスレッショルドレベルより大きいか否かを判断する。ステップＳ３１にて、Ｎｏと判断された場合は、ステップＳ２９へ戻り、Ｙｅｓと判断された場合は、ステップＳ３２へ移行する。ステップＳ３２では、受信波の波形基準点の時刻ｔ２を導出する。波形基準点の導出手順は図９或いは図１１に示す通りである。
【００６３】
その後、ステップＳ３３にて、送信波及び受信波の波形基準点の時刻ｔ１、ｔ２に基づき、下記数１０から送信波の波形基準点から受信波の波形基準点までの経過時間ΔＴ′を算出する。
【数１０】
ΔＴ′＝ｔ２−ｔ１
【００６４】
次にステップＳ３４では、図８におけるステップＳ１２と同様に上記数３から音速ｃを算出する。最後に、ステップＳ３５にて、送信波の波形基準点から受信波の波形基準点までの経過時間ΔＴ′と、音速ｃに基づき、下記数１１から測定対象までの距離Ｌを算出する。
【数１１】
Ｌ＝ｃ×ΔＴ′／２
【００６５】
上記超音波センサ（１）によれば、比較的低い周波数の超音波によっても、高精度、高感度の測長が可能である。
又、波形基準点に基づいて測定対象までの距離を測定しているので、図３に二点鎖線で示す様に、波形検出時のグランドレベルが波形の振幅中心からずれた場合においても、グランドレベルのずれによる測定誤差が生じることはなく、常に高精度の測定値が得られる。
更に、送信波及び受信波のサンプリング周波数を送信波の周波数と関係付けているので、低い周波数、例えば送信波の周波数の２乃至１０倍の周波数によるサンプリングによっても波形基準点の導出が可能である。
又、上記オフセット時間の算出方法を採用することによってオフセット時間をその都度算出すれば、より高精度の測長が可能である。
【００６６】
図１４は、分注装置に上記超音波センサ（１）を装備したものであって、３軸駆動テーブル機構（１８）の出力部に、分注ヘッド（１５）及び超音波センサ（１）が下向きに取り付けられており、これらは３軸駆動テーブル機構（１８）の駆動によって常に一体に移動する。又、超音波センサ（１）の超音波出射部には、断面円形の筒片（２３）が垂直に取り付けられている。該筒片（２３）の内径は、プレート（２０）の凹部（２１）の内径（約７ｍｍ）と同一に形成されている。又、筒片（２３）の長さは６０ｍｍである。
【００６７】
分注台（１７）上のプレート（２０）に対して分注を行なう場合、先ず、超音波センサ（１）によって、プレート（２０）の凹部（２１）に既に注入されている試薬（２２）の液面位を測定する。この場合、図１５の如く筒片（２３）の開口部をプレート（２０）の凹部（２１）の開口部に可及的に接近させ、開口部どうしを同一軸心上で対向させる。
この状態で、超音波センサ（１）から超音波を発すると、該超音波は筒片（２３）の内周面に案内されて、拡散することなく、プレート（２０）の凹部（２１）に導かれる。そして、試薬（２２）の液面で反射された超音波が再び筒片（２３）の内周面に案内されて、超音波センサ（１）へ戻ることになる。
従って、図１８に示す従来例の様に送信波の一部が凹部（２１）開口縁で反射されることはなく、高精度の測長が可能となる。
【００６８】
ところで、オフセット時間Ｔｏの算出においては、上記基準スケールの代わりに筒片（２３）を利用すると共に、基準面としてプレート（２０）の平坦部を利用することが出来る。
即ち、図１６に示す如く、筒片（２３）の下端開口部をプレート（２０）の平坦部に密着させ、超音波センサ（１）から平坦部へ向けて超音波を発信させる。ここで、超音波センサ（１）の超音波出射部から該平坦部までの距離Ｈｏは、筒片（２３）の長さに一致し、筒片（２３）の長さは既知（本実施例においては６０ｍｍ）であるので、図７における送信波の第１波の立上り時刻Ｔ１から受信波の第１波の立上り時刻Ｔ２までの時間Ｔｒを理論的に求めることが出来る。そして、該理論値Ｔｒから、送信波の第１波の立上り時刻Ｔ１から受信波の波形基準点の時刻ｔ２までの時間の実測値Ｔｅを減算することにより、オフセット時間Ｔｏを算出することが出来る。この様に、筒片（２３）を用いることによって、超音波センサ（１）を位置決めするので、前記基準スケールは不要となる。
【００６９】
超音波センサ（１）によって得られた測定結果は、図１４に示すコントローラ（１９）へ送られて、分注ヘッド（１５）の位置決め制御に供される。
即ち、超音波センサ（１）による測定結果に基づいて３軸駆動テーブル機構（１８）を動作させ、分注ヘッド（１５）のピペット（１６）の先端面を、プレート（２０）の凹部（２１）内の試薬（２２）の液面から０．２〜０．６ｍｍの高さに位置せしめる。
その後、ピペット（１６）に連繋するプランジャー装置（図示省略）の動作によって、ピペット（１６）内の試薬を吐出する。この際、ピペット（１６）から吐出される試薬は滴状となって、プレート（２０）の凹部（２１）内の試薬（２２）の液面と接触し、表面張力が開放されることによって、プレート（２０）上へ滴下することになる。
【００７０】
上記分注装置においては、本発明に係る超音波センサ（１）が採用されているので、プレート（２０）の凹部（２１）内の試薬（２２）の液面状態に拘わらず、液面位が高精度に測定され、この結果、試薬吐出時の分注ヘッド（１５）の位置決めが正確に行なわれる。従って、ピペット（１６）の先端面に不要な試薬が付着することはない。
尚、筒片（２３）の内径が凹部（２１）の内径よりも小さい場合にも、同様に凹部開口縁での反射が防止されるが、受信波が弱くなってＳ／Ｎ比が悪化する虞れがあるため、この場合は、Ｓ／Ｎ比を改善する方策が必要となる。
【００７１】
上記実施の形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
例えば、上記実施の形態では２次曲線によって仮想包絡線を表わしているが、２本の交差する直線による近似も可能であり、この場合、２本の直線の交差点が波形基準点となる。
又、上記実施の形態では、送信波の第１波の立上り時点から受信波の立上り時点までの経過時間を算出する際、受信波の波形基準点の時刻にオフセット時間を加算することによって、受信波の第１波の立上り時刻を算出する方式を採用しているが、先ず送信波の第１波の立上り時点から受信波の波形基準点までの経過時間を算出し、該算出結果にオフセット時間を加算する方式も採用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波センサの構成を示すブロック図である。
【図２】駆動パルスと、振動子に発生する振動の波形図である。
【図３】波形基準点を説明する図である。
【図４】振幅の減衰率によって波形基準点が変化しないことを説明する図である。
【図５】見做しピーク点が真のピーク点からずれることによって波形基準点が変化しないことを説明する図である。
【図６】真のピーク点とサンプリング点の関係を説明する図である。
【図７】オフセット時間の算出原理を説明する図である。
【図８】測定距離を求める手順を表わすフローチャートである。
【図９】サンプリング周波数が送信波の周波数の２倍である場合の波形基準点を求める手順を表わすフローチャートである。
【図１０】測定距離を求める他の手順を表わすフローチャートである。
【図１１】サンプリング周波数が送信波の周波数の４以上の偶数倍である場合の波形基準点を求める手順を表わすフローチャートである。
【図１２】超音波センサの測定原理を説明する図である。
【図１３】従来方式における測定誤差の発生を説明する図である。
【図１４】本発明に係る分注装置の一部破断正面図である。
【図１５】該分注装置の要部を表わす拡大断面図である。
【図１６】該分注装置におけるオフセット時間の算出方法を説明する図である。
【図１７】従来の分注装置の一部破断正面図である。
【図１８】図１５に対応する従来装置の拡大断面図である。
【符号の説明】
（１） 超音波センサ
（２） 振動子
（３） 切換えスイッチ
（５） 駆動パルス発生器
（２５） マイクロコンピュータ
（１８） ３軸駆動テーブル機構
（２３） 筒片
（２０） プレート
（２１） 凹部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic sensor used for distance measurement and a dispensing device for dispensing or diluting a reagent, a specimen, or the like.
[0002]
[Prior art]
In general, as shown in FIG. 17, the dispensing apparatus is configured by attaching a dispensing head (15) to an output portion of a three-axis drive table mechanism (18) controlled by a controller (19). ), A pipette (16) for sucking and discharging the reagent is provided to project downward.
[0003]
When dispensing a reagent into each recess (21) of the plate (20) placed on the dispensing table (17), the dispensing head (15) is moved by the operation of the triaxial drive table mechanism (18). Then, the tip of the pipette (16) approaches the recess (21) of the plate (20), and the reagent in the pipette (16) is discharged to the recess (21). When diluting or mixing the reagent, another reagent (22) has already been injected into the recess (21), and the reagent dropped from the pipette (16) is added to the reagent (22) in the recess (21). The reagent is discharged by contacting the liquid surface to release the surface tension.
At this time, when the pipette (16) itself comes into contact with the reagent (22) in the concave portion (21), the reagent attached to the pipette (16) is mixed with another reagent in the next dispensing step. It is necessary to discharge the reagent at a position where the front end surface of the sample floats slightly above the liquid surface of the reagent (22).
[0004]
When the reagent is diluted or mixed as described above, the dispensing head (15) is lowered under the control of the controller (19), and the pipette (16) is placed in the recess (21) of the plate (20). The liquid surface of the reagent (22) is brought as close as possible to the liquid surface of the reagent (22). It is necessary to measure the position and adjust the height position of the pipette (16). At this time, the measurement of the liquid level of the reagent (22) requires an accuracy of about 0.1 mm.
[0005]
In terms of distance measurement accuracy, it is advantageous to use a laser length measuring device.However, in this case, since the reagent is irradiated with laser light, it is not applicable to a transparent reagent or a reagent that causes a photochemical reaction. Can not. In addition, the liquid surface has irregularities due to surface tension, and the reflection direction is not uniform. Therefore, there is a problem in the light receiving sensitivity of the reflected wave.
[0006]
Therefore, conventionally, an ultrasonic sensor (1) is attached to the side of the dispensing head (15) as shown in FIG. 17 to measure the distance to the liquid surface of the reagent (22), and the measured value is stored in a controller (19). ) Is fed back to the control of the three-axis drive table mechanism (18).
[0007]
In the distance measurement by the ultrasonic sensor (1), as shown in FIG. 12, a transmission wave is emitted from the ultrasonic sensor (1) to the measurement target (24), and is reflected by the measurement target (24) and returned. The incoming wave is received by the ultrasonic sensor (1), and the distance to the object to be measured is measured based on the time measurement from transmission of the transmission wave to reception of the reception wave.
Here, the transmission wave has a waveform whose amplitude gradually increases and then gradually decreases as shown in FIG. 13 due to the mechanical impedance of the vibrator. Along with this, the received wave also has a similar waveform. Note that the transmission wave and the reception wave have the same frequency, and the peak values of the plurality of waves included in the reception wave have a constant attenuation rate with respect to the peak values of the corresponding transmission waves. Will be.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
It is necessary to measure the time from the transmission of the transmission wave to the reception of the reception wave accurately for the period from the rise of the first wave of the transmission wave to the rise of the first wave of the reception wave. In order to avoid erroneous detection due to noise, the rising of the first wave is defined as the rising of the first wave when the amplitude value of the waveform exceeds a certain threshold level as shown in FIG.
As a result, an error corresponding to several wavelengths of the ultrasonic wave occurs in the measured value of the conventional ultrasonic sensor.
Also, the magnitude of the received wave changes depending on the magnitude of the measurement distance and the planar state of the surface of the measurement object, and accordingly, the point of time exceeding the threshold level changes. Therefore, the error varies depending on the size of the received wave.
In order to minimize this error, the frequency of the vibrator may be increased, but this significantly reduces the amplitude during propagation of the ultrasonic wave, and lowers the measurement sensitivity.
[0009]
An object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor capable of performing high-accuracy measurement even with ultrasonic waves having a relatively low frequency, and a dispensing device equipped with the ultrasonic sensor.
[0010]
[Means for solving the problem]
A first ultrasonic sensor according to the present invention includes a first detection unit that detects a rising point of a first wave of a transmission wave, and a reception wave at a frequency of 2n times (n is an integer of 1 or more) the frequency of the transmission wave. Sampling means for performing sampling, sampling means for extracting a plurality of assumed peak points regarded as peaks among sampling points of the reception waves obtained from the sampling means, and a plurality of reception waves obtained from the extraction means. A second detection means for detecting a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope connecting the assumed peak points, and a rising time of a first wave of a transmission wave detected by the first detection means. Computing means for calculating a distance to a measurement target based on the time of the waveform reference point of the received wave detected by the second detecting means and a predetermined offset time.
[0011]
In the first ultrasonic sensor, the rising point of the first wave can be detected for the transmission wave based on the start time of the supply of the driving pulse to the vibrator.
On the other hand, the rising point of the first wave of the received wave is, as shown in FIG. 3, from the waveform reference point at which the time axis coordinate becomes the minimum value in the virtual envelope connecting the plurality of assumed peak points P obtained from the extracting means. The point in time when the predetermined offset time has elapsed is defined as the rising point of the first wave. Here, since all the waves included in the waveform are attenuated at the same attenuation rate, a virtual envelope connecting a plurality of deemed peak points is shown in FIGS. 4A and 4B from the geometric relationship. As shown by the broken line, the light passes through the same waveform reference point regardless of the magnitude of the attenuation.
That is, the time (offset time) from the waveform reference point to the rising point of the first wave is constant regardless of the distance to the measurement target. Therefore, this offset time can be experimentally obtained in advance as a value unique to the sensor.
Further, the extracting means extracts a plurality of assumed peak points from the sampling points of the received wave sampled at a constant frequency of 2n times (n is an integer of 1 or more) the frequency of the transmitted wave. Here, the transmission wave and the reception wave have the same frequency, and the period of the true peak point Po of the reception wave is constant as shown in FIGS. 5 and 6. As shown in the figure, even if it deviates from the true peak point Po, the deviation amount ΔS in the time axis direction is the same for all waves. Therefore, from the geometrical relationship, the virtual envelope connecting the true peak points Po and the virtual envelope connecting the assumed peak points P pass through the same waveform reference point.
[0012]
Specifically, n is 1 and the extraction means extracts all of the sampling points of the received wave as deemed peak points, and the second detection means extracts a virtual envelope connecting these sampling points. A waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value is detected.
[0013]
In this specific configuration, the sampling frequency of the received wave is twice the frequency of the transmitted wave, so if one of the sampling points coincides with the true peak point Po of one wave as shown in FIG. Will also coincide with the true peak points Po of other waves. Further, even if the sampling point is shifted from the true peak point Po, as described above, all the sampling points have the same shift amount in the time axis direction. Therefore, a waveform reference point can be obtained from a virtual envelope connecting these sampling points, that is, the assumed peak points P.
[0014]
Specifically, n is 2 or more, and the extracting means compares the sampling points of the received waves with each other to extract a plurality of considered peak points regarded as peaks. The second detecting means detects a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope connecting these assumed peak points.
[0015]
In this specific configuration, as shown in FIG. 6, a plurality of sampling points having different shift amounts in the time axis direction are repeatedly generated in the period of the received wave. If the point P is extracted, the shift amount ΔS in the time axis direction between these assumed peak points P becomes the same. Therefore, a waveform reference point can be obtained from a virtual envelope connecting these assumed peak points P.
[0016]
Further, specifically, in a state where the ultrasonic sensor is installed at a predetermined distance on a flat reference surface, a transmission wave of a predetermined frequency is transmitted from the ultrasonic sensor toward the reference surface, and a second one of the transmission waves is transmitted. The rise time of one wave and the time of the waveform reference point of the received wave are actually measured, and the waveform reference point of the received wave is determined based on the measured value and the theoretical value of the time required for the transmission wave to reciprocate the predetermined distance. From the time to the rising point of the first wave, and an offset time calculating means for setting the calculation result as the offset time.
[0017]
In this specific configuration, as shown in FIG. 7, a time Te from the rise time T1 of the first wave of the transmission wave to the time t2 of the waveform reference point of the reception wave is obtained by actual measurement. On the other hand, the time Tr from the rise time T1 of the first wave of the transmission wave to the rise time T2 of the first wave of the reception wave can be theoretically calculated from the predetermined distance. Accordingly, by subtracting the measured value Te from the theoretical value Tr, the time from the time t2 of the waveform reference point of the received wave to the rising time T2 of the first wave, that is, the offset time To can be calculated.
[0018]
A second ultrasonic sensor according to the present invention includes a sampling unit that samples a transmission wave and a reception wave at a frequency 2n times (n is an integer of 1 or more) the frequency of a transmission wave, and a transmission wave obtained from the sampling unit. Extracting means for extracting a plurality of assumed peak points regarded as peaks among sampling points of each received wave, and a virtual envelope connecting a plurality of considered peak points of the transmitted wave obtained from the extracting means A first detecting means for detecting a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value on the line, and a time envelope coordinate having a minimum value on a virtual envelope connecting a plurality of assumed peak points of the received wave obtained from the extracting means. Second detecting means for detecting a waveform reference point, a first calculating means for calculating an elapsed time from a waveform reference point of a transmission wave to a waveform reference point of a receiving wave, and a time calculated by the first calculating means. , Measurement vs And it comprises a second calculating means for calculating the distance to.
[0019]
In the second ultrasonic sensor, the waveform reference point is detected for both the transmission wave and the reception wave, and the first wave of the transmission wave is determined based on the elapsed time from the waveform reference point of the transmission wave to the waveform reference point of the reception wave. Is the elapsed time from the rising point of the received wave to the rising point of the first wave of the received wave. In this case, as shown in FIG. 7, the time (offset time To) from the waveform reference point t1 for the transmission wave to the rising time T1 of the first wave, and the rising time of the first wave from the waveform reference point t2 for the reception wave. The time until T2 (offset time To) is the same as each other, as is geometrically clear. Therefore, the elapsed time ΔT from the transmission wave waveform reference point t1 to the reception wave waveform reference point t2 is the elapsed time ΔT from the rise time T1 of the first wave of the transmission wave to the rise time T2 of the first wave of the reception wave. ′.
The extracting means extracts a plurality of deemed peak points from the sampling points of the transmission wave and the reception wave sampled at a constant frequency of 2n times (n is an integer of 1 or more) the frequency of the transmission wave. I do. Here, the transmission wave and the reception wave have the same frequency, and the period of the true peak point Po of the transmission wave and the reception wave is constant as shown in FIGS. Even if the point P deviates from the true peak point Po as shown, the deviation amount ΔS in the time axis direction is the same for all waves. Therefore, from the geometrical relationship, the virtual envelope connecting the true peak points Po and the virtual envelope connecting the assumed peak points P pass through the same waveform reference point.
[0020]
Specifically, n is 1 and the extracting means extracts all of the sampling points of the transmitted wave and the received wave as the deemed peak points, and the first detecting means and the second detecting means respectively The waveform reference point at which the time axis coordinate has the minimum value in the virtual envelope connecting the sampling points is detected.
[0021]
In this specific configuration, since the sampling frequency of the transmission wave and the reception wave is twice the frequency of the transmission wave, if one of the sampling points coincides with the true peak point Po of one wave as shown in FIG. , And all other sampling points also coincide with the true peak points Po of the other waves. Further, even if the sampling point is shifted from the true peak point Po, as described above, all the sampling points have the same shift amount in the time axis direction. Therefore, a waveform reference point can be obtained from a virtual envelope connecting these sampling points, that is, the assumed peak points P.
[0022]
Also, specifically, n is 2 or more, and the extracting means compares the sampling points for each of the transmitted wave and the received wave with each other, and determines a plurality of considered peak points regarded as peaks. And the first detection means and the second detection means respectively detect a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope connecting these assumed peak points.
[0023]
In this specific configuration, as shown in FIG. 6, a plurality of sampling points having different amounts of deviation from the true peak point Po are periodically generated. If the point P is extracted, the shift amount ΔS in the time axis direction between these assumed peak points P becomes the same. Therefore, the waveform reference points of the transmission wave and the reception wave can be obtained from the virtual envelope connecting these assumed peak points P.
[0024]
According to the first and second ultrasonic sensors, as shown in FIG. 13, the elapsed time ΔT from the rising point of the transmitted wave to the rising point of the received wave is indirectly calculated, which is inevitable in the conventional method. A measurement error that has occurred can be eliminated.
In addition, the point at which the time axis coordinate becomes the minimum value in the virtual envelope is used as the waveform reference point. Since the detection of the waveform reference point is performed irrespective of the voltage level, as shown by the two-dot chain line in FIG. Even when the ground level at the time of detection deviates from the center of the amplitude of the waveform, the detection of the waveform reference point is not affected, and the detection position does not move. Therefore, no measurement error occurs due to the deviation of the ground level.
[0025]
In the first and second ultrasonic sensors, the virtual envelope is precisely represented by two intersecting straight lines or quadratic curves.
[0026]
In the dispensing apparatus according to the present invention, the first ultrasonic sensor or the second ultrasonic sensor according to the present invention is attached to the side of the dispensing head (15) downward.
[0027]
In the dispensing device, the object to be measured by the ultrasonic sensor is the liquid surface of the liquid injected into the concave portion (21) of the plate (20), and the reciprocating time of the ultrasonic wave from the ultrasonic sensor (1) is It is measured and the distance to the liquid level is calculated.
[0028]
In the specific configuration of the dispensing device, the measurement object is a liquid surface of the liquid injected into the concave portion (21) of the plate (20), and the ultrasonic emission portion of the ultrasonic sensor (1) has a central portion. A cylindrical piece (23) provided with an ultrasonic path is attached downward, and the ultrasonic path of the cylindrical piece (23) is formed in the same or substantially the same cross-sectional shape as the opening shape of the concave portion (21). Have been.
[0029]
In this specific configuration, the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic sensor (1) is guided into the ultrasonic passage of the tubular piece (23) and is not diffused to the concave portion (21) of the plate (20). Be guided.
In a conventional dispensing apparatus in which the ultrasonic sensor (1) does not include the tube piece (23), as shown in FIG. 18, the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic sensor (1) is diffused, and a part of the ultrasonic wave is dispersed. Is irradiated to the opening edge of the concave portion (21) of the plate (20), and the received wave due to the reflection at the opening edge is detected by the ultrasonic sensor (1), so that an accurate measurement value H cannot be obtained. there were.
[0030]
On the other hand, in the dispensing device of the present invention, the ultrasonic passage of the tubular piece (23) is formed to have the same or substantially the same cross-sectional shape as the opening shape of the concave portion (21) of the plate (20). As shown in FIG. 15, the distance is measured with the opening of the tubular piece (23) as close as possible to the recess (21) of the plate (20). Therefore, some waves emitted from the ultrasonic sensor (1) do not irradiate the opening edge of the concave portion (21), and all the waves are guided into the concave portion (21), and ) Will be reflected by the liquid surface.
As a result, an accurate measurement value H is obtained.
[0031]
Also, in the specific configuration of the dispensing device provided with the first ultrasonic sensor, the ultrasonic sensor (1) further has a state in which the opening of the cylindrical piece (23) is in close contact with the flat part of the plate (20). Then, a transmission wave of a predetermined frequency is transmitted from the ultrasonic sensor (1) toward the flat portion, and the rise time of the first wave of the transmission wave and the time of the waveform reference point of the reception wave are measured, and the measured values are compared with the measured values. Calculating the time from the waveform reference point of the received wave to the rising point of the first wave based on the theoretical value of the time required for the transmitted wave to reciprocate in the ultrasonic path of the tube piece (23); An offset time calculating means for setting a calculation result as the offset time is provided.
[0032]
In the specific configuration, the offset time is calculated by bringing the opening of the tubular piece (23) into close contact with the flat part of the plate (20). Here, the distance from the ultrasonic wave emitting portion of the ultrasonic sensor (1) to the flat portion corresponds to the length of the cylindrical piece (23), and the length of the cylindrical piece (23) is known. 7, the time Tr from the rise time T1 of the first wave of the transmission wave to the rise time T2 of the first wave of the reception wave can be theoretically obtained. Therefore, the offset time To can be calculated by subtracting the measured value Te of the time from the rise time T1 of the first wave of the transmitted wave to the time t2 of the waveform reference point of the received wave from the theoretical value Tr. .
[0033]
【The invention's effect】
The ultrasonic sensor according to the present invention employs a measurement method in which the measurement accuracy does not depend on the wavelength of the ultrasonic wave or the size of the received wave and has no error in principle. Can also measure with high accuracy and high resolution. Also, when the sampling frequency of the transmission wave and the reception wave is set to a lower frequency that is an even multiple of the frequency of the transmission wave, a highly accurate measurement value can be obtained.
In the dispensing apparatus using the ultrasonic sensor according to the present invention, the positioning of the dispensing head can be performed with high accuracy by the highly accurate length measurement by the ultrasonic sensor.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
The ultrasonic sensor (1) of the present invention shown in FIG. 1 switches an operation mode of a vibrator (2) between a transmission mode and a reception mode by a changeover switch (3), and generates a clock in the transmission mode. A clock of 400 kHz is supplied from the device (4) to the drive pulse generator (5) to generate a drive pulse of 400 kHz. The drive pulse is amplified by the amplifier (6) and supplied to the vibrator (2) via the changeover switch (3). Here, the drive pulse is several pulses having a constant peak value as shown in FIG. 2A, but the vibration generated in the vibrator (2) due to the mechanical impedance of the vibrator (2) is as shown in FIG. After the amplitude gradually increases as shown in (b), the waveform gradually decreases.
[0035]
Also, as shown in FIG. 1, the output of the amplifier (6) is supplied to a sampling circuit (12), whereby the sampled signal is converted into digital data by an A / D converter (13), and the bus line (14) Is supplied to the microcomputer (25). Here, sampling is performed at a frequency of 2n times (n is an integer of 1 or more) the transmission wave.
[0036]
The microcomputer (25) includes a timer (7) that operates based on a reference clock from the clock generator (10), a CPU (8), and a memory (9), and turns on a timer from the drive pulse generator (5). When the / OFF signal is input to the timer (7), the timer (7) starts counting time.
The data sent from the A / D converter (13) via the bus line (14) is processed by the CPU (8) to detect the rising time of the first wave of the transmission wave, and to determine the result. Stored in the memory (9).
[0037]
On the other hand, in the reception mode, a received wave is detected by the vibrator (2) shown in FIG. 1, and the detection signal is supplied to the sampling circuit (12) via the amplifier (11). In the sampling circuit (12), the amplitude value of the waveform is sampled at a frequency of 2n times (n is an integer of 1 or more) the frequency of the transmission wave, and the result is converted into digital data by the A / D converter (13). And supplied to the microcomputer (25). The microcomputer (25) stores the change in the waveform in the memory (9) as two-dimensional coordinate data in which the sampled time t is the x coordinate and the sampled amplitude value V is the y coordinate.
[0038]
In order to remove noise, an appropriate threshold level is provided when sampling the waveform of the received wave, and data whose absolute value of the amplitude value is equal to or smaller than the threshold level is excluded.
[0039]
Thereafter, the microcomputer (25) detects the waveform reference point of the received wave and derives the rise time of the first wave of the received wave. Here, the waveform reference point is a vertex when a virtual envelope connecting a plurality of assumed peak points appearing in the received wave is represented by a quadratic curve, that is, a point at which the time-axis coordinate of the quadratic curve has the minimum value. It is. Then, the distance L to the measurement target is calculated based on the elapsed time from the rising point of the first wave of the transmission wave to the rising point of the first wave of the receiving wave.
The calculation result of the distance L to the measurement object obtained in this way is output by a printer or displayed on a display as necessary.
[0040]
When the sampling frequency of the sampling circuit (12) is set to twice (n = 1) the frequency of the transmission wave, one of the sampling points is assumed to coincide with the true peak point Po of one wave as shown in FIG. Then, all the other sampling points also coincide with the true peak points Po of the other waves. Further, even if the sampling points are shifted from the true peak point Po, the shift amounts in the time axis direction of all the sampling points are the same. Therefore, a waveform reference point can be obtained from a virtual envelope connecting these sampling points, that is, the assumed peak points P.
On the other hand, when the sampling frequency of the sampling circuit (12) is set to 2n times (n ≧ 2) the frequency of the transmission wave, a plurality of sampling points having different shift amounts from the true peak point Po are received as shown in FIG. Although it occurs repeatedly at the cycle of the wave, if a plurality of assumed peak points P are extracted from these sampling points, the shift amount ΔS of these assumed peak points P in the time axis direction is the same. It becomes. Therefore, a waveform reference point can be obtained from a virtual envelope connecting these assumed peak points P.
[0041]
FIG. 8 shows a procedure from generation of a transmission wave to calculation of a distance L to a measurement target.
In step S1, a drive pulse is supplied to the vibrator (2) to generate a transmission wave, and in step S2, the rising time T1 of the first wave of the transmission wave is stored in the memory (9).
[0042]
Next, in step S3, sampling of the received wave and A / D conversion are performed at a frequency 2n times (n ≧ 1) the frequency of the transmitted wave. In step S4, the sampling data is stored in the memory (9). In step S5, it is determined whether or not a data storage area remains in the memory (9). When the determination is Yes, the process returns to step S3. .
If No is determined in step S5, the process proceeds to step S6, and the counter variable i is initialized.
[0043]
Subsequently, in step S7, the i-th data Di is extracted from the memory (9). In step S8, it is determined whether or not the absolute value of the data Di is larger than the threshold level. If the determination is No, i is counted up and the process returns to step S7.
If Yes is determined in step S8, the process proceeds to step S9 to derive the time t2 of the waveform reference point of the received wave. The specific procedure of step S9 will be described later. Next, in step S10, based on the time t2 of the waveform reference point of the received wave and the predetermined offset time To, the rising time T2 of the first wave of the received wave is calculated from the following equation (1).
(Equation 1)
T2 = t2 + To
[0044]
Here, the offset time To is a value unique to the ultrasonic sensor (1), and may be a constant value experimentally obtained in advance. It is desirable to calculate the offset time To each time. A specific method of calculating the offset time will be described later.
[0045]
Subsequently, in step S11, based on the rising times T1 and T2 of the first wave of the transmission wave and the reception wave, from the following
(Equation 2)
ΔT = T2-T1
[0046]
In step S12, the sound speed c is calculated from the following equation (3).
(Equation 3)
c = 0.607 × tv + 331.5
Here, tv is the air temperature at the time of measurement detected by the temperature sensor. As described above, since the sound speed depends on the temperature, it is necessary to calculate the sound speed by measuring the temperature in each case for highly accurate length measurement.
[0047]
Finally, in step S13, based on the elapsed time ΔT from the rising point of the first wave of the transmission wave to the rising point of the first wave of the receiving wave and the sound velocity c, the distance L from the
(Equation 4)
L = c × ΔT / 2
[0048]
The procedure for deriving the waveform reference point of the received wave in step S9 of the above procedure will be specifically described for the case where the sampling frequency is twice the frequency of the transmitted wave and the case where the sampling frequency is an even multiple of four or more.
[0049]
When the sampling frequency is twice the frequency of the transmitted wave
As shown in FIG. 9, first, in step S14, a necessary counter variable n is initialized, and in step S15, the n-th data is fetched from the memory (9).
Next, in step S16, the absolute value of the n-th data is compared with the absolute value of the (n-1) -th data. If the absolute value of the (n-1) -th data is smaller, n is counted. And returns to step S15.
[0050]
If it is determined in step S16 that the absolute value of the (n-1) th data is larger, the process proceeds to step S17, where the least squares method is applied to the data at each sampling point to connect each sampling point. Is a quadratic curve with time t as a function and amplitude value V as a variable: t = aV2+ BV + c.
Then, in step S18, a point (t2, V2) at which the time axis coordinate becomes a minimum value in the virtual envelope, that is, a point at which the slope dt / dV becomes 0 in the quadratic curve is calculated. This point can be obtained as an amplitude value V2 and a time t2 satisfying the
(Equation 5)
dt / dV = 2aV + b = 0
(Equation 6)
V2 = -b / 2a
(Equation 7)
t2 = aVo2+ BVo + c
The point (t2, V2) obtained in this way becomes the waveform reference point, and the time t2 of the waveform reference point of the received wave is derived.
[0051]
When the sampling frequency is an even multiple of 4 or more of the transmission wave frequency
As shown in FIG. 11, first, in step S41, necessary counter variables n and m are initialized, and in step S42, the n-th data is taken out from the memory (9).
[0052]
Next, in step S43, the absolute values of the n-th, n-1st, and n-2th data are compared with each other. If the absolute value of the n-1st data is not the maximum, n is counted up. Then, the process returns to step S42.
In step S43, as shown in FIG. 6, when it is determined that the absolute value of the (n-1) th data is the maximum, the process proceeds to step S44, and the (n-1) th sampling point is set to m The peak point P is assumed to be considered.
[0053]
Subsequently, in step S45 in FIG. 11, the absolute value of the m-th peak value is compared with the absolute value of the (m-1) -th peak value. If smaller, n and m are counted up, and the process returns to step S42.
[0054]
When it is determined in step S45 that the absolute value of the (m-1) -th peak value is larger, the process proceeds to step S46, and the least square method is applied to the data of each deemed peak point. A virtual envelope connecting the assumed peak points is represented by a quadratic curve with time t as a function and amplitude value V as a variable: t = aV2+ BV + c.
Then, in step S47, a point (t2, V2) at which the time axis coordinate has a minimum value in the virtual envelope, that is, a point at which the slope dt / dV becomes 0 in the quadratic curve is calculated. This point can be obtained as the amplitude value V2 and the time t2 satisfying the
The point (t2, V2) obtained in this way becomes the waveform reference point, and the time t2 of the waveform reference point of the received wave is derived.
[0055]
Next, a method for calculating the offset time will be specifically described.
The ultrasonic sensor (1) is positioned on the flat reference surface with a predetermined distance Ho. At this time, the predetermined distance can be set using the reference scale. In this state, a transmission wave of a predetermined frequency is transmitted from the ultrasonic sensor (1) toward the reference plane, and the procedure from step S1 to step S9 in FIG. The time T1 and the time t2 of the waveform reference point of the received wave are actually measured, and the time Te from the time T1 to the time t2 is derived.
[0056]
On the other hand, the time Tr required for the transmission wave to reciprocate over the predetermined distance Ho is theoretically calculated from the following equation (8).
(Equation 8)
Tr = Ho × 2 / c
Here, c is the speed of sound, which is calculated from
[0057]
Next, as is apparent from FIG. 7, based on the actual measurement value Te and the theoretical value Tr, the time from the waveform reference point t2 of the received wave to the rising time T2 of the first wave, that is, the offset time To, is obtained by the following equation (9). Can be calculated.
(Equation 9)
To = Tr-Te
[0058]
In the measurement method, the rise time T2 of the received wave is calculated by adding the offset time To to the time t2 of the waveform reference point of the received wave, and the first wave of the received wave is calculated from the rise time T1 of the first wave of the transmitted wave. The elapsed time ΔT up to the rising time T2 is calculated. However, as shown in FIG. 7, since the offset time To in the transmission wave and the offset time To in the reception wave are the same, the reception time from the waveform reference point t1 of the transmission wave The same result can be obtained by calculating the elapsed time ΔT ′ up to the waveform reference point t2 of the wave.
[0059]
In this case, the microcomputer (25) of FIG. 1 performs the same arithmetic processing as that of FIG. 9 or FIG. 11 on the transmission wave sampling data supplied from the A / D converter (13) in the transmission mode. Execute to detect the waveform reference point of the transmitted wave. Here, the waveform reference point is a vertex when a virtual envelope connecting a plurality of assumed peak points appearing in the transmission wave is represented by a quadratic curve, that is, a point at which the time axis coordinate of the quadratic curve becomes the minimum value. It is.
Then, based on the elapsed time ΔT ′ (= ΔT) from the waveform reference point of the transmission wave to the waveform reference point of the reception wave, the distance L to the measurement target is calculated.
That is, as shown in FIG. 10, in step S19, a drive pulse is supplied to the vibrator (2) to generate a transmission wave, and in step S20, sampling of the transmission wave and the reception wave and A / D conversion are performed. . Here, sampling is performed at a frequency that is twice the frequency of the transmission wave or an even multiple of four or more.
[0060]
Next, in step S21, the sampling data is stored in the memory (9). In the step S22, it is determined whether or not the data storage area remains in the memory (9). When the determination is Yes, the process returns to the step S20.
If No is determined in step S22, the process proceeds to step S23, and the counter variable i is initialized.
[0061]
Subsequently, in step S24, the i-th data Di is extracted from the memory (9). In step S25, it is determined whether or not the absolute value of the data Di is larger than the threshold level. If the determination is No, i is counted up and the process returns to step S24.
If it is determined to be Yes in step S25, the process proceeds to step S26 to derive the time t1 of the waveform reference point of the transmission wave. The procedure for deriving the waveform reference point is as shown in FIG. 9 or FIG. Next, at step S27, the i-th data Di is extracted from the memory (9), and at step S28, it is determined whether or not the transmission of the transmission wave has been completed. If No is determined in step S28, the process returns to step S27. If Yes is determined, i is counted up in step S29.
[0062]
Then, in step S30, the i-th data Di is taken out from the memory (9), and in step S31, it is determined whether or not the absolute value of the data Di is larger than the threshold level. If No is determined in step S31, the process returns to step S29, and if Yes is determined, the process proceeds to step S32. In step S32, time t2 of the waveform reference point of the received wave is derived. The procedure for deriving the waveform reference point is as shown in FIG. 9 or FIG.
[0063]
Thereafter, in step S33, based on the times t1 and t2 of the waveform reference points of the transmission wave and the reception wave, the elapsed time ΔT ′ from the waveform reference point of the transmission wave to the waveform reference point of the reception wave is calculated from the following equation (10). .
(Equation 10)
ΔT '= t2-t1
[0064]
Next, in step S34, the sound velocity c is calculated from the
(Equation 11)
L = c × ΔT ′ / 2
[0065]
According to the ultrasonic sensor (1), highly accurate and highly sensitive length measurement can be performed even with an ultrasonic wave having a relatively low frequency.
In addition, since the distance to the measurement target is measured based on the waveform reference point, as shown by the two-dot chain line in FIG. There is no measurement error due to the level shift, and a highly accurate measurement value is always obtained.
Further, since the sampling frequencies of the transmission wave and the reception wave are related to the frequency of the transmission wave, the waveform reference point can be derived by sampling at a low frequency, for example, 2 to 10 times the frequency of the transmission wave. .
Further, if the offset time is calculated each time by adopting the above-described method of calculating the offset time, more accurate length measurement can be performed.
[0066]
FIG. 14 shows a dispensing apparatus equipped with the above ultrasonic sensor (1). A dispensing head (15) and an ultrasonic sensor (1) are provided at an output portion of a three-axis drive table mechanism (18). They are attached downward, and they are always moved integrally by the drive of the three-axis drive table mechanism (18). A cylindrical piece (23) having a circular cross section is vertically attached to the ultrasonic wave emitting portion of the ultrasonic sensor (1). The inner diameter of the cylindrical piece (23) is formed to be the same as the inner diameter (about 7 mm) of the concave portion (21) of the plate (20). The length of the tube piece (23) is 60 mm.
[0067]
When dispensing the plate (20) on the dispensing table (17), first, the reagent (22) already injected into the recess (21) of the plate (20) by the ultrasonic sensor (1). Measure the liquid level. In this case, as shown in FIG. 15, the opening of the tubular piece (23) is made as close as possible to the opening of the recess (21) of the plate (20), and the openings are made to face each other on the same axis.
In this state, when an ultrasonic wave is emitted from the ultrasonic sensor (1), the ultrasonic wave is guided to the inner peripheral surface of the tubular piece (23), and diffuses into the concave portion (21) of the plate (20) without being diffused. Be guided. Then, the ultrasonic wave reflected on the liquid surface of the reagent (22) is guided again to the inner peripheral surface of the tubular piece (23), and returns to the ultrasonic sensor (1).
Therefore, unlike the conventional example shown in FIG. 18, a part of the transmission wave is not reflected at the opening edge of the concave portion (21), and the length can be measured with high accuracy.
[0068]
By the way, in calculating the offset time To, the cylindrical piece (23) can be used instead of the reference scale, and the flat portion of the plate (20) can be used as the reference surface.
That is, as shown in FIG. 16, the lower end opening of the tubular piece (23) is brought into close contact with the flat portion of the plate (20), and the ultrasonic sensor (1) emits ultrasonic waves toward the flat portion. Here, the distance Ho from the ultrasonic wave emitting portion of the ultrasonic sensor (1) to the flat portion corresponds to the length of the cylindrical piece (23), and the length of the cylindrical piece (23) is known (this embodiment). Is 60 mm), the time Tr from the rise time T1 of the first wave of the transmission wave to the rise time T2 of the first wave of the reception wave in FIG. 7 can be theoretically obtained. Then, the offset time To can be calculated by subtracting the measured value Te of the time from the rise time T1 of the first wave of the transmission wave to the time t2 of the waveform reference point of the reception wave from the theoretical value Tr. . As described above, since the ultrasonic sensor (1) is positioned by using the tubular piece (23), the reference scale is not required.
[0069]
The measurement result obtained by the ultrasonic sensor (1) is sent to the controller (19) shown in FIG. 14 and is used for positioning control of the dispensing head (15).
That is, the triaxial drive table mechanism (18) is operated based on the measurement result by the ultrasonic sensor (1), and the tip end surface of the pipette (16) of the dispensing head (15) is set in the concave portion (21) of the plate (20). ) Is positioned at a height of 0.2 to 0.6 mm from the liquid level of the reagent (22).
Thereafter, the reagent in the pipette (16) is discharged by the operation of a plunger device (not shown) connected to the pipette (16). At this time, the reagent discharged from the pipette (16) is in the form of drops, comes into contact with the liquid surface of the reagent (22) in the concave portion (21) of the plate (20), and the surface tension is released. It will drop on the plate (20).
[0070]
In the above dispensing apparatus, the ultrasonic sensor (1) according to the present invention is employed, so that the liquid level of the reagent (22) in the recess (21) of the plate (20) is not affected. Is measured with high precision, and as a result, the positioning of the dispensing head (15) at the time of reagent ejection is performed accurately. Therefore, unnecessary reagents do not adhere to the tip surface of the pipette (16).
When the inner diameter of the cylindrical piece (23) is smaller than the inner diameter of the concave portion (21), reflection at the concave opening edge is similarly prevented, but the received wave is weakened and the S / N ratio is deteriorated. In this case, there is a need to improve the S / N ratio.
[0071]
The description of the above embodiments is for the purpose of describing the present invention, and should not be construed as limiting the invention described in the claims or reducing the scope thereof. Further, the configuration of each part of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made within the technical scope described in the claims.
For example, in the above embodiment, the virtual envelope is represented by a quadratic curve, but approximation by two intersecting straight lines is also possible. In this case, the intersection of the two straight lines is the waveform reference point.
Further, in the above embodiment, when calculating the elapsed time from the rising point of the first wave of the transmission wave to the rising point of the reception wave, the offset time is added to the time of the waveform reference point of the reception wave. The method of calculating the rise time of the first wave of the wave is adopted. First, the elapsed time from the rise time of the first wave of the transmitted wave to the waveform reference point of the received wave is calculated, and the calculated result is offset time. Can be adopted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a waveform diagram of a driving pulse and a vibration generated in a vibrator.
FIG. 3 is a diagram illustrating a waveform reference point.
FIG. 4 is a diagram illustrating that a waveform reference point does not change depending on an amplitude attenuation rate.
FIG. 5 is a diagram illustrating that a waveform reference point does not change due to a shift of an assumed peak point from a true peak point.
FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a true peak point and a sampling point.
FIG. 7 is a diagram illustrating a principle of calculating an offset time.
FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for obtaining a measurement distance.
FIG. 9 is a flowchart illustrating a procedure for obtaining a waveform reference point when the sampling frequency is twice the frequency of a transmission wave.
FIG. 10 is a flowchart illustrating another procedure for obtaining a measurement distance.
FIG. 11 is a flowchart illustrating a procedure for obtaining a waveform reference point when the sampling frequency is an even multiple of 4 or more of the frequency of a transmission wave.
FIG. 12 is a diagram illustrating the measurement principle of the ultrasonic sensor.
FIG. 13 is a diagram illustrating the occurrence of a measurement error in the conventional method.
FIG. 14 is a partially cutaway front view of the dispensing apparatus according to the present invention.
FIG. 15 is an enlarged sectional view showing a main part of the dispensing device.
FIG. 16 is a diagram illustrating a method of calculating an offset time in the dispensing apparatus.
FIG. 17 is a partially cutaway front view of a conventional dispensing apparatus.
FIG. 18 is an enlarged sectional view of the conventional device corresponding to FIG.
[Explanation of symbols]
(1) Ultrasonic sensor
(2) Transducer
(3) Changeover switch
(5) Drive pulse generator
(25) Microcomputer
(18) 3-axis drive table mechanism
(23) Tube piece
(20) Plate
(21) Recess
Claims (12)
送信波の第１波の立上り時点を検知する第１検知手段と、
前記所定周波数の２ｎ倍（ｎは１以上の整数）の周波数で受信波のサンプリングを行なうサンプリング手段と、
サンプリング手段から得られる受信波のサンプリング点の内、ピークと見做される複数の見做しピーク点を抽出する抽出手段と、
抽出手段から得られる受信波の複数の見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点を検知する第２検知手段と、
第１検知手段によって検知された送信波の第１波の立上り時刻と、第２検知手段によって検知された受信波の波形基準点の時刻と、所定のオフセット時間とに基づいて、測定対象までの距離を算出する演算手段
とを具えたことを特徴とする超音波センサ。While transmitting a transmission wave of a predetermined frequency toward the measurement target, receiving the reception wave reflected and returned by the measurement target, based on the time measurement from transmission of the transmission wave to reception of the reception wave, to the measurement target Ultrasonic sensor for measuring the distance of
First detecting means for detecting a rising point of the first wave of the transmission wave;
Sampling means for sampling a received wave at a frequency of 2n times (n is an integer of 1 or more) the predetermined frequency;
Extracting means for extracting a plurality of considered peak points regarded as peaks among the sampling points of the received wave obtained from the sampling means;
Second detection means for detecting a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope connecting a plurality of assumed peak points of the received wave obtained from the extraction means;
Based on the rise time of the first wave of the transmission wave detected by the first detection means, the time of the waveform reference point of the reception wave detected by the second detection means, and a predetermined offset time, An ultrasonic sensor comprising calculation means for calculating a distance.
前記所定周波数の２ｎ倍（ｎは１以上の整数）の周波数で送信波及び受信波のサンプリングを行なうサンプリング手段と、
サンプリング手段から得られる送信波及び受信波の夫々のサンプリング点の内、ピークと見做される複数の見做しピーク点を抽出する抽出手段と、
抽出手段から得られる送信波の複数の見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点を検知する第１検知手段と、
抽出手段から得られる受信波の複数の見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点を検知する第２検知手段と、
送信波の波形基準点から受信波の波形基準点までの経過時間を算出する第１演算手段と、
第１演算手段による時間算出値に基づいて、測定対象までの距離を算出する第２演算手段
とを具えたことを特徴とする超音波センサ。While transmitting a transmission wave of a predetermined frequency toward the measurement target, receiving the reception wave reflected and returned by the measurement target, based on the time measurement from transmission of the transmission wave to reception of the reception wave, to the measurement target Ultrasonic sensor for measuring the distance of
Sampling means for sampling a transmission wave and a reception wave at a frequency of 2n times (n is an integer of 1 or more) the predetermined frequency;
Extracting means for extracting a plurality of deemed peak points regarded as peaks among respective sampling points of the transmission wave and the reception wave obtained from the sampling means;
First detection means for detecting a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope connecting a plurality of assumed peak points of the transmission wave obtained from the extraction means;
Second detection means for detecting a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope connecting a plurality of assumed peak points of the received wave obtained from the extraction means;
First calculating means for calculating an elapsed time from a waveform reference point of the transmission wave to a waveform reference point of the reception wave;
An ultrasonic sensor comprising: a second calculating means for calculating a distance to a measurement object based on a time calculation value by the first calculating means.
送信波の第１波の立上り時点を検知する第１検知手段と、
前記所定周波数の２ｎ倍（ｎは１以上の整数）の周波数で受信波のサンプリングを行なうサンプリング手段と、
サンプリング手段から得られる受信波のサンプリング点の内、ピークと見做される複数の見做しピーク点を抽出する抽出手段と、
抽出手段から得られる受信波の複数の見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点を検知する第２検知手段と、
第１検知手段によって検知された送信波の第１波の立上り時刻と、第２検知手段によって検知された受信波の波形基準点の時刻と、所定のオフセット時間とに基づいて、測定対象までの距離を算出する演算手段
とを具えていることを特徴とする分注装置。In a dispensing apparatus in which a dispensing head in which a pipette for sucking and discharging liquid is projected downward is attached to an output part of a head driving mechanism, a side of the dispensing head has a predetermined frequency toward a measurement object. An ultrasonic wave that emits a transmission wave, receives a reception wave reflected back from the measurement target, and measures a distance to the measurement target based on a time measurement from transmission of the transmission wave to reception of the reception wave. In dispensers where the sensor is mounted downwards, the ultrasonic sensor is
First detecting means for detecting a rising point of the first wave of the transmission wave;
Sampling means for sampling a received wave at a frequency of 2n times (n is an integer of 1 or more) the predetermined frequency;
Extracting means for extracting a plurality of considered peak points regarded as peaks among the sampling points of the received wave obtained from the sampling means;
Second detection means for detecting a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope connecting a plurality of assumed peak points of the received wave obtained from the extraction means;
Based on the rise time of the first wave of the transmission wave detected by the first detection means, the time of the waveform reference point of the reception wave detected by the second detection means, and a predetermined offset time, A dispensing device comprising: a calculating means for calculating a distance.
前記所定周波数の２ｎ倍（ｎは１以上の整数）の周波数で送信波及び受信波のサンプリングを行なうサンプリング手段と、
サンプリング手段から得られる送信波及び受信波のサンプリング点の内、ピークと見做される複数の見做しピーク点を抽出する抽出手段と、
抽出手段から得られる送信波の複数の見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点を検知する第１検知手段と、
抽出手段から得られる受信波の複数の見做しピーク点を結ぶ仮想包絡線において時間軸座標が最小値となる波形基準点を検知する第２検知手段と、
送信波の波形基準点から受信波の波形基準点までの経過時間を算出する第１演算手段と、
第１演算手段による時間算出値に基づいて、測定対象までの距離を算出する第２演算手段
とを具えていることを特徴とする分注装置。In a dispensing apparatus in which a dispensing head in which a pipette for sucking and discharging liquid is projected downward is attached to an output part of a head driving mechanism, a side of the dispensing head has a predetermined frequency toward a measurement object. An ultrasonic wave that emits a transmission wave, receives a reception wave reflected back from the measurement target, and measures a distance to the measurement target based on a time measurement from transmission of the transmission wave to reception of the reception wave. In dispensers where the sensor is mounted downwards, the ultrasonic sensor is
Sampling means for sampling a transmission wave and a reception wave at a frequency of 2n times (n is an integer of 1 or more) the predetermined frequency;
Extraction means for extracting a plurality of considered peak points regarded as peaks among the sampling points of the transmission wave and the reception wave obtained from the sampling means,
First detection means for detecting a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope connecting a plurality of assumed peak points of the transmission wave obtained from the extraction means;
Second detection means for detecting a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope connecting a plurality of assumed peak points of the received wave obtained from the extraction means;
First calculating means for calculating an elapsed time from a waveform reference point of the transmission wave to a waveform reference point of the reception wave;
A dispensing apparatus comprising: a second computing means for calculating a distance to a measurement target based on a time calculation value by the first computing means.
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