JP3573852B2 - Ultrasonic sensor and dispensing device using the same - Google Patents
Ultrasonic sensor and dispensing device using the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP3573852B2 JP3573852B2 JP30844595A JP30844595A JP3573852B2 JP 3573852 B2 JP3573852 B2 JP 3573852B2 JP 30844595 A JP30844595 A JP 30844595A JP 30844595 A JP30844595 A JP 30844595A JP 3573852 B2 JP3573852 B2 JP 3573852B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wave
- time
- reference point
- waveform
- ultrasonic sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
- Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
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１２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。
【０００６】
そこで、従来は、図１２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８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９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９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。
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波の立上がり時点を検知する第１検知手段と、受信波の波形に現われる複数のピーク点を検出し、これらのピーク点を結ぶ放物線状の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波の立上がり時刻と、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、波形に現われる複数のピーク点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、複数のピーク点を結ぶ２次曲線で表わされる仮想包絡線は、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。
【００１２】
具体的には、前記演算手段は、受信波の波形基準点の時刻に所定のオフセット時間を加算して、受信波の第１波の立上がり時刻を算出する加算手段と、送信波の第１波の立上がり時点から受信波の立上がり時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演算手段とから構成されている。
或いは、前記演算手段は、送信波の第１波の立上がり時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所定のオフセット時間を加算し、その加算結果に基づいて、測定対象までの距離を算出する第２演算手段とから構成されている。
【００１３】
上記２つの具体的構成において、前者の構成では、先ず受信波の波形基準点の時刻に所定のオフセット時間を加算することによって、受信波の第１波の立上がり時刻を算出し、その後、送信波の第１波の立上がり時点から受信波の立上がり時点までの経過時間を算出している。
一方、後者の構成では、先ず送信波の第１波の立上が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、その後、該算出結果にオフセット時間を加算することによって、送信波の第１波の立上がり時点から受信波の立上がり時点までの経過時間を算出している。
従って、上記２つの具体的構成の何れにおいても、送信波の第１波の立上がり時点から受信波の第１波の立上がり時点までの経過時間を算出することが出来る。
【００１４】
本発明に係る第２の超音波センサは、送信波の波形に現われる複数のピーク点を検出し、これらのピーク点を結ぶ２次曲線で表わされる仮想包絡線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、受信波の波形に現われる複数のピーク点を検出し、これらの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。
【００１５】
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、送信波についての波形基準点から第１波の立上り時点までの時間（オフセット時間）と、受信波についての波形基準点から第１波の立上り時点までの時間（オフセット時間）は、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から受信波の波形基準点までの経過時間は、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一致することになる。
【００１６】
上記第１及び第２の超音波センサによれば、図９に示す如く、送信波の立上がり時点から受信波の立上が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。
【００１７】
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次曲線によって精度良く表わされる。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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１３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。
【００２２】
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１１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。
【００２３】
【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の測定が可能である。
又、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。
【００２４】
【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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、或いは波形基準点が検知され、その結果がメモリ（９）に格納される。ここで、波形基準点は、送信波に現われる複数の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。
【００２７】
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、一定周波数（１０ＭＨｚ）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。
【００２８】
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。
【００２９】
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波の立上がり時刻を導出する。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波の立上が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。
【００３０】
図５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波の立上がり時刻Ｔ１を記憶する。
【００３１】
次にステップＳ３にて、受信波のサンプリング及びＡ／Ｄ変換を行ない、ステップＳ４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Ｓ５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。
【００３２】
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波の立上がり時刻Ｔ２を算出する。
【数１】
Ｔ２＝ｔ２＋Ｔｏ
【００３３】
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ているが、振動子（２）の経年変化を考慮して、定期的に修正を施すことが望ましい。
【００３４】
続いてステップＳ１１にて、送信波及び受信波の第１波の立上がり時刻Ｔ１、Ｔ２に基づき、下記数２から送信波の第１波の立上がり時点から受信波の第１波の立上がり時点までの経過時間ΔＴを算出する。
【数２】
ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１
【００３５】
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。
【００３６】
最後に、ステップＳ１３にて、送信波の第１波の立上がり時点から受信波の第１波の立上が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
【００３７】
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について具体的に説明する。
図６に示す如く、先ずステップＳ１４にて、必要なカウンタ変数ｎ及びｍ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。
【００３８】
次にステップＳ１６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Ｓ１５へ戻る。
ステップＳ１６にて、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Ｓ１７へ移行して、ｎ−１番目のデータをｍ番目のピーク値とする。
【００３９】
続いて、ステップＳ１８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Ｓ１５へ戻る。
【００４０】
ステップＳ１８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Ｓ１９へ移行して、各ピーク点のデータに最小自乗法を適用し、各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Ｓ２０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。
【００４１】
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がり時刻Ｔ２を算出し、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を算出しているが、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ことによっても、同じ結果を得ることが出来る。
【００４２】
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６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。
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７に示す如く、ステップＳ２１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Ｓ２２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。
【００４３】
次にステップＳ２３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Ｓ２４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Ｓ２２へ戻る。
ステップＳ２４にてＮｏと判断された場合は、ステップＳ２５に移行し、カウンタ変数ｉを初期化する。
【００４４】
続いてステップＳ２６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Ｓ２７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Ｓ２６へ戻る。
ステップＳ２７にてＹｅｓと判断された場合は、ステップＳ２８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６に示す通りである。次にステップＳ２９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Ｓ３０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Ｓ３０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Ｓ３１にてｉをカウントアップする。
【００４５】
そして、ステップＳ３２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Ｓ３３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Ｓ３３にて、Ｎｏと判断された場合は、ステップＳ３１へ戻り、Ｙｅｓと判断された場合は、ステップＳ３４へ移行する。ステップＳ３４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６に示す通りである。
【００４６】
その後、ステップＳ３５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８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８】
ΔＴ′＝ｔ２−ｔ１
【００４７】
次にステップＳ３６では、図５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Ｓ３７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９から測定対象までの距離Ｌを算出する。
【数９】
Ｌ＝ｃ×ΔＴ′／２
【００４８】
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。
【００４９】
図１０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）と共に超音波センサ（１）が下向きに取り付けられている。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。
【００５０】
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１１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。
【００５１】
従って、図１３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。
超音波センサ（１）による測定結果は、図１０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。
【００５２】
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。
【００５３】
上記分注装置においては、超音波センサ（１）によって液面位が高精度に測定されるので、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、ピペット（１６）の先端面に不要な試薬が付着する虞れはない。
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。
【００５４】
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、送信波の第１波の立上がり時点から受信波の立上が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波の立上が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波の立上が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】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６】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７】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８】超音波センサの測定原理を説明する図である。
【図９】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１０】本発明に係る分注装置の一部破断正面図である。
【図１１】該分注装置の要部を表わす拡大断面図である。
【図１２】従来の分注装置の一部破断正面図である。
【図１３】図１１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. 12, the dispensing apparatus is configured by attaching a dispensing head (15) to an output part 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.
[0006]
Therefore, conventionally, as shown in FIG. 12, an ultrasonic sensor (1) is attached to the side of the dispensing head (15), the distance to the liquid surface of the reagent (22) is measured, and the measured value is stored in the 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. 8, a transmission wave is emitted from the ultrasonic sensor (1) to the measurement target (24), and is reflected by the measurement target (24) to return. 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. 9 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 edge of the first wave is defined as the rising point 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.
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 detects a rising point of a first wave of a transmission wave, detects a plurality of peak points appearing in a waveform of a reception wave, and connects the peak points. A second detecting means for detecting a waveform reference point at which a time axis coordinate becomes a minimum value in the parabolic virtual envelope; a rising time of a first wave of the transmission wave detected by the first detecting means; Computing means for calculating the distance to the measurement target based on the time of the waveform reference point of the received wave detected by the method and the 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, as shown in FIG. 3, the rising point of the first wave of the received wave is a predetermined offset time from the waveform reference point at which the time axis coordinate becomes minimum in the virtual envelope connecting the plurality of peak points P appearing in the waveform. Is determined as the rising time of the first wave. Here, since all the waves included in the waveform are attenuated at the same attenuation rate, a virtual envelope represented by a quadratic curve connecting a plurality of peak points is obtained from the geometric relationship shown in FIG. As shown by the broken line in b), 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.
[0012]
Specifically, the calculating means adds a predetermined offset time to the time of the waveform reference point of the received wave to calculate a rise time of the first wave of the received wave, A first calculating means for calculating an elapsed time from a rising time point of the received wave to a rising time point of the received wave, and a second calculating means for calculating a distance to a measurement object based on a time calculation value by the first calculating means. I have.
Alternatively, the calculating means includes a first calculating means for calculating an elapsed time from a rising point of the first wave of the transmission wave to a waveform reference point of the receiving wave, and a predetermined offset time added to the time calculated by the first calculating means. And a second calculating means for calculating the distance to the object to be measured based on the result of the addition.
[0013]
In the above two specific configurations, in the former configuration, the rise time of the first wave of the reception wave is calculated by first adding a predetermined offset time to the time of the waveform reference point of the reception wave, and thereafter, the transmission wave The elapsed time from the rising point of the first wave to the rising point of the received wave is calculated.
On the other hand, in the latter configuration, first, the elapsed time from the rising point of the first wave of the transmission wave to the waveform reference point of the reception wave is calculated, and then, the offset time is added to the calculation result, whereby the second time of the transmission wave is calculated. The elapsed time from the rising point of one wave to the rising point of the received wave is calculated.
Therefore, in any of the above two specific configurations, it is possible to calculate the elapsed time from the rising point of the first wave of the transmitted wave to the rising point of the first wave of the received wave.
[0014]
The second ultrasonic sensor according to the present invention detects a plurality of peak points appearing in the waveform of a transmission wave, and sets the time axis coordinate of the virtual envelope represented by a quadratic curve connecting these peak points to the minimum. First detecting means for detecting a waveform reference point as a value, a plurality of peak points appearing in the waveform of the received wave, and a waveform reference point at which a time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope connecting these peak points Detecting means for detecting the time, 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 measurement target based on a time calculation value by the first calculating means. And a second calculating means for calculating the distance.
[0015]
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, the time (offset time) from the waveform reference point of the transmission wave to the rise time of the first wave and the time (offset time) from the waveform reference point of the reception wave to the rise time of the first wave are geometrical. As is evident, they are identical to each other. Therefore, the elapsed time from the waveform reference point of the transmitted wave to the waveform reference point of the received wave coincides with the elapsed time from the rising point of the first wave of the transmitted wave to the rising point of the first wave of the received wave. .
[0016]
According to the first and second ultrasonic sensors, as shown in FIG. 9, by calculating indirectly the elapsed time ΔT from the rising point of the transmission wave to the rising point of the receiving wave, it 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.
[0017]
In the first and second ultrasonic sensors, the virtual envelope is specifically represented by a quadratic curve with high accuracy.
[0018]
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.
[0019]
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.
[0020]
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.
[0021]
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 the conventional dispensing apparatus in which the ultrasonic sensor (1) does not include the tube piece (23), as shown in FIG. 13, the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic sensor (1) is diffused and a part of the 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.
[0022]
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. 11, distance measurement is performed with the opening of the tube 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.
[0023]
【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 and has no error in principle, so that high-accuracy measurement can be performed even with an ultrasonic wave having a relatively low frequency. It is possible.
Further, 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.
[0024]
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.
[0025]
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).
[0026]
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.
Data sent from the A / D converter (13) via the bus line (14) is processed by the CPU (8) to detect the rising point of the first wave of the transmission wave or the waveform reference point. The result is stored in the memory (9). Here, the waveform reference point is a vertex when a virtual envelope connecting a plurality of 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 has a minimum value.
[0027]
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 constant frequency (10 MHz), and the result is converted into digital data by an A / D converter (13) and supplied to a microcomputer (25). You. 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.
[0028]
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.
[0029]
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 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 a minimum value. 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.
[0030]
FIG. 5 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).
[0031]
Next, in step S3, sampling of the received wave and A / D conversion are performed, and in step S4, the sampling data is stored in the memory (9). In step S5, it is determined whether or not the data storage area remains in the memory (9). If 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.
[0032]
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
[0033]
Here, the offset time To is a value unique to the ultrasonic sensor (1) and is obtained experimentally in advance, but is periodically corrected in consideration of the aging of the vibrator (2). It is desirable to apply.
[0034]
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
(Equation 2)
ΔT = T2-T1
[0035]
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.
[0036]
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 following equation 4 to the measurement object is calculated. calculate.
(Equation 4)
L = c × ΔT / 2
[0037]
The procedure for deriving the waveform reference point of the received wave in step S9 of the above procedure will be specifically described.
As shown in FIG. 6, first, in step S14, necessary counter variables n and m are initialized, and in step S15, n-th data is fetched from the memory (9).
[0038]
Next, in step S16, the absolute values of the n-th, n-1st, and n-2th data are compared with each other, and if the absolute value of the n-1st data is not the maximum, n is counted up. Then, the process returns to step S15.
When it is determined in step S16 that the absolute value of the (n-1) -th data is the maximum, the process proceeds to step S17, and the (n-1) -th data is set as the m-th peak value.
[0039]
Subsequently, in step S18, the absolute value of the m-th peak value is compared with the absolute value of the (m-1) -th peak value, and if the absolute value of the (m-1) -th peak value is smaller, , N, and m, and returns to step S15.
[0040]
If it is determined in step S18 that the absolute value of the (m-1) -th peak value is larger, the process proceeds to step S19, where the least square method is applied to the data of each peak point, and each peak point is determined. The connected virtual envelope is approximated by a quadratic curve using the time t as a function and the amplitude value V as a variable: t = aV 2 + bV + c.
In step S20, a point at which the time axis coordinate becomes the minimum value in the virtual envelope, that is, a point (t2, V2) 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 = aVo 2 + 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.
[0041]
In the above measurement method, the rising 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 rising time of the first wave of the transmitted wave. Although the elapsed time ΔT up to the rising point is calculated, the same result can be obtained by calculating the elapsed time from the waveform reference point of the transmission wave to the waveform reference point of the reception wave.
[0042]
In this case, the microcomputer (25) in FIG. 1 executes the same arithmetic processing as in FIG. 6 on the sampling data of the transmission wave supplied from the A / D converter (13) in the transmission mode. The waveform reference point of the transmitted wave is detected.
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. 7, in step S21, a drive pulse is supplied to the vibrator (2) to generate a transmission wave, and in step S22, sampling of the transmission wave and the reception wave and A / D conversion are performed. .
[0043]
Next, in step S23, the sampling data is stored in the memory (9). In the step S24, 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 S22.
If No is determined in step S24, the process proceeds to step S25, and the counter variable i is initialized.
[0044]
Subsequently, in step S26, the i-th data Di is extracted from the memory (9). In step S27, it is determined whether or not the absolute value of the data Di is greater than the threshold level. If the determination is No, i is counted up and the process returns to step S26.
If it is determined Yes in step S27, the process proceeds to step S28 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. Next, in step S29, the i-th data Di is extracted from the memory (9), and in step S30, it is determined whether the transmission of the transmission wave has been completed. If No is determined in step S30, the process returns to step S29. If Yes is determined, i is counted up in step S31.
[0045]
Then, in step S32, the i-th data Di is taken out from the memory (9), and in step S33, 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 S33, the process returns to step S31. If Yes is determined, the process proceeds to step S34. In step S34, 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.
[0046]
Thereafter, in step S35, based on 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 (8). .
(Equation 8)
ΔT '= t2-t1
[0047]
Next, in step S36, the sound speed c is calculated from the
(Equation 9)
L = c × ΔT ′ / 2
[0048]
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.
[0049]
FIG. 10 shows a dispensing apparatus equipped with the ultrasonic sensor (1). The ultrasonic sensor (1) is provided together with the dispensing head (15) at the output of the three-axis drive table mechanism (18). Mounted downward. 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.
[0050]
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. 11, the opening of the cylindrical 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).
[0051]
Accordingly, unlike the conventional example shown in FIG. 13, 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.
The measurement result by the ultrasonic sensor (1) is sent to the controller (19) shown in FIG. 10 and is used for positioning control of the dispensing head (15).
[0052]
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).
[0053]
In the above dispensing apparatus, since the liquid level is measured with high accuracy by the ultrasonic sensor (1), the dispensing head (15) is accurately positioned at the time of discharging the reagent, and the tip of the pipette (16) is There is no danger of unnecessary reagents adhering to the surface.
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.
[0054]
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-described 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 rising time of the first wave of the wave is adopted. First, the elapsed time from the rising time of the first wave of the transmitting 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 for explaining that a waveform reference point does not change depending on the attenuation rate of amplitude.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a procedure for obtaining a measurement distance.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a procedure for obtaining a waveform reference point.
FIG. 7 is a flowchart showing another procedure for obtaining a measurement distance.
FIG. 8 is a diagram illustrating the measurement principle of the ultrasonic sensor.
FIG. 9 is a diagram illustrating the occurrence of a measurement error in the conventional method.
FIG. 10 is a partially cutaway front view of the dispensing apparatus according to the present invention.
FIG. 11 is an enlarged sectional view showing a main part of the dispensing device.
FIG. 12 is a partially cutaway front view of a conventional dispensing device.
FIG. 13 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 (8)
送信波の第１波の立上がり時点を検知する第１検知手段と、 受信波の波形に現われる複数のピーク点を検出し、これらのピーク点を結ぶ２次曲線で表わされる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波の立上がり時刻と、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。Along with transmitting a transmission wave toward the measurement target, receiving the reception wave reflected and returning from the measurement target, the distance to the measurement target is determined based on the time measurement from transmission of the transmission wave to reception of the reception wave. In the ultrasonic sensor to measure,
A first detecting means for detecting a rising point of the first wave of the transmission wave, to detect a plurality of peak points appearing in the waveform of the reception wave, the time axis in the virtual envelope represented by a quadratic curve connecting these peak point Second detection means for detecting a waveform reference point at which coordinates have a minimum value;
Based on the rising 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.
送信波の波形に現われる複数のピーク点を検出し、これらのピーク点を結ぶ２次曲線で表わされる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、
受信波の波形に現われる複数のピーク点を検出し、これらのピーク点を結ぶ２次曲線で表わされる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。Along with transmitting a transmission wave toward the measurement target, receiving the reception wave reflected and returning from the measurement target, the distance to the measurement target is determined based on the time measurement from transmission of the transmission wave to reception of the reception wave. In the ultrasonic sensor to measure,
First detection means for detecting a plurality of peak points appearing in the waveform of the transmission wave, and detecting a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope represented by a quadratic curve connecting these peak points;
Second detection means for detecting a plurality of peak points appearing in the waveform of the received wave, and detecting a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope represented by a quadratic curve connecting these peak points;
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波の立上がり時点を検知する第１検知手段と、
受信波の波形に現われる複数のピーク点を検出し、これらのピーク点を結ぶ２次曲線で表わされる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波の立上がり時刻と、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 pipetting head for sucking and discharging liquid is protruded downward at an output part of a head driving mechanism, a side of the dispensing head transmits a transmission wave toward a measurement object. And an ultrasonic sensor that measures the distance to the measurement target based on the time measurement from the transmission of the transmission wave to the reception of the reception wave, receiving the reception wave reflected and returned by the measurement target, In the dispensing device mounted downward, the ultrasonic sensor
First detecting means for detecting a rising point of the first wave of the transmission wave;
Second detection means for detecting a plurality of peak points appearing in the waveform of the received wave, and detecting a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope represented by a quadratic curve connecting these peak points;
Based on the rising 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.
送信波の波形に現われる複数のピーク点を検出し、これらのピーク点を結ぶ２次曲線で表わされる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、
受信波の波形に現われる複数のピーク点を検出し、これらのピーク点を結ぶ２次曲線で表わされる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 pipetting head for sucking and discharging liquid is protruded downward at an output part of a head driving mechanism, a side of the dispensing head transmits a transmission wave toward a measurement object. And an ultrasonic sensor that measures the distance to the measurement target based on the time measurement from the transmission of the transmission wave to the reception of the reception wave, receiving the reception wave reflected and returned by the measurement target, In the dispensing device mounted downward, the ultrasonic sensor
First detection means for detecting a plurality of peak points appearing in the waveform of the transmission wave, and detecting a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope represented by a quadratic curve connecting these peak points;
Second detection means for detecting a plurality of peak points appearing in the waveform of the received wave, and detecting a waveform reference point at which the time axis coordinate has a minimum value in a virtual envelope represented by a quadratic curve connecting these peak points;
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.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30844595A JP3573852B2 (en) | 1995-10-31 | 1995-10-31 | Ultrasonic sensor and dispensing device using the same |
| EP96103959A EP0732598B1 (en) | 1995-03-15 | 1996-03-13 | Ultrasonic sensor and pipetting apparatus using same |
| US08/617,951 US5705750A (en) | 1995-03-15 | 1996-03-13 | Ultrasonic sensor and pipetting apparatus using same |
| DE69612777T DE69612777T2 (en) | 1995-03-15 | 1996-03-13 | Ultrasonic sensor and pipetting device using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30844595A JP3573852B2 (en) | 1995-10-31 | 1995-10-31 | Ultrasonic sensor and dispensing device using the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09127244A JPH09127244A (en) | 1997-05-16 |
| JP3573852B2 true JP3573852B2 (en) | 2004-10-06 |
Family
ID=17981119
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30844595A Expired - Fee Related JP3573852B2 (en) | 1995-03-15 | 1995-10-31 | Ultrasonic sensor and dispensing device using the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3573852B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7012497B2 (en) | 2017-10-04 | 2022-01-28 | 上田日本無線株式会社 | Propagation time measuring device, gas concentration measuring device and propagation time measuring program |
| JP7063714B2 (en) * | 2018-05-10 | 2022-05-09 | 三菱重工サーマルシステムズ株式会社 | Position estimation device, air conditioning system, position estimation method and program |
| JP7245070B2 (en) * | 2019-02-19 | 2023-03-23 | 積水マテリアルソリューションズ株式会社 | Information processing device, program, trash container |
-
1995
- 1995-10-31 JP JP30844595A patent/JP3573852B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09127244A (en) | 1997-05-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0732598B1 (en) | Ultrasonic sensor and pipetting apparatus using same | |
| US4910717A (en) | Apparatus for measuring distances | |
| US5987994A (en) | Ultrasonic method for material monitoring | |
| JP3547888B2 (en) | Ultrasonic sensor and dispensing device using the same | |
| JP3123895B2 (en) | Ultrasonic sensor and dispensing device using the same | |
| JP3573852B2 (en) | Ultrasonic sensor and dispensing device using the same | |
| JP3117372B2 (en) | Ultrasonic distance measuring device | |
| JPH11125638A (en) | Dispensing apparatus | |
| JP2977327B2 (en) | Sugar content measuring device for beverages in closed containers | |
| JPH0767857A (en) | Ultrasonic person's height measuring instrument | |
| WO2007097456A1 (en) | Micro liquid quantity measuring device, and micro liquid quantity measuring method | |
| JPH10332459A (en) | Liquid level detecting method | |
| JPH04200539A (en) | Ultrasonic wave probe and blood flow measuring instrument | |
| JP2651269B2 (en) | Ultrasonic thickness gauge | |
| RU2195635C1 (en) | Method of measurement of level of liquid and loose media | |
| JPH0915011A (en) | Ultrasonic wave transmitter and receiver device | |
| JPH01118790A (en) | Ultrasonic distance measuring instrument | |
| JP3026105B2 (en) | Ultrasonic level detection method and apparatus | |
| SU1603290A1 (en) | Apparatus for ultrasonic inspection of surface layer of materials | |
| JP2000180146A (en) | Ultrasonic wave thickness measuring device | |
| JP3088614B2 (en) | Array flaw detection method and device therefor | |
| JPH01118724A (en) | Ultrasonic level gauge | |
| JPH01143991A (en) | Ultrasonic distance measuring instrument | |
| JPH06138106A (en) | Ultrasonic flaw detector | |
| JPH04236947A (en) | Ultrasonic probe under operation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040310 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040323 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040524 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040622 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040630 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |