JP3662951B2 - 液位感知プローブおよび制御回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、容器中の液体の表面を検出する方法および装置に関し、さらに詳細には、容器中の液体の表面を検出し、液体の表面に対するプローブの位置を制御するために、自動血液／血漿サンプリング・システムで使用される方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明を適用できる自動／血液血漿サンプリング・システムの一例は、たとえば、１９８９年１２月１日に出願され、現在は放棄されている米国特許出願第０７／４４３９５１号の一部継続出願である、１９９２年２月１１日に出願された米国特許出願第０７／８３３９５１号に記載されている。この一部継続出願の主題は、引用によって本明細書に合体されている。貫通サンプリング・プローブの一例は、１９９２年４月２７日に出願された米国特許出願第０７／８７４３７１号で開示されている。この出願の主題は、引用によって本明細書に合体されている。サンプリング・プローブの他の例は、１９９３年１月１２日に発行された米国特許第５１７８０１９号で開示されている。この特許の主題は引用によって本明細書に合体されている。ロボット・アーム制御装置に関連するメモリ制御装置の一例は、本出願と同時に出願された米国特許出願（整理番号ＯＲＴＥＫ００３８）で開示されている。この出願の主題は、引用によって本明細書に合体されている。米国特許出願第０７／８３３９５１号、米国特許出願第０７／８７４３７１号および前記本出願の同時出願、ならびに米国特許第５１７８０１９号の主題はそれぞれ、本出願と同じ出願人に譲渡されている。
【０００３】
血漿や試薬などの流体サンプルをキュベットの反応ウエ ルに自動的に分与する自動サンプル・ハンドリング・システムは既知である。そのような器具は、凝血時間を測定し、他のバイオアッセイを自動的に実施するための生化学分析の分野で有用である。このような器具は、化学検定を自動的に実施するための化学検定の分野でも有用である。血液および血漿のバイオアッセイを実施するための自動サンプル・ハンドリング・システムは、米国特許出願第０７／４４３９５１号に記載されている。
【０００４】
この特定のシステムでは、血液や血漿などの流体サンプルが、試験管などの容器に格納される。該容器は、ゴム製中隔をによって真空密封されており、試験のために測定された量のサンプルを抜き取るには、該中隔を貫通しなければならない。引用によって本明細書に合体された米国特許出願第０７／８７４３７１号は、貫通させて測定された量の液体をサンプリングするのに適した貫通サンプリング・プローブの例を開示している。
【０００５】
米国特許出願第０７／４４３９５１号のシステムは、サンプル分析の前に流体サンプルおよび試薬が劣化するのを防ぐためにサンプルおよび試薬を比較的低温で格納するために提供された温度調整ハウジングを含む。温度調整ハウジングは通常、流体サンプルおよび試薬を１０℃の温度に維持する。実際の分析は一般に、標準的な人間の体温の３７℃（９８．６゜F）で実施される。したがって、分析の前に流体サンプルおよび試薬を３７℃まで加熱しておく必要がある。引用によって本明細書に合体された米国特許第５１７９０１９号は、分析の前に流体サンプルおよび試薬を加熱しておくのに有用なサンプル・プローブ装置を開示している。
【０００６】
米国特許出願０７／４４３９５１号の貫通サンプリング・プローブは作動時に、試薬を自動的に吸引して分与するために試薬容器と反応キュベットとの間でプローブを操作するロボット・アームによって上下させられる。サンプルであれ試薬であれ、液体の表面は、プローブの移動を正確に制御するために検出される。基本的に、液体の表面は、自動血液／血漿サンプリング・システムの本体に対するプローブのキャパシタンスの変化を検出することによって検出される。
【０００７】
米国カリフォルニア州 SunnyvaleのCAVRO Scientific Instruments,Inc. から供給される現在入手可能な液面感知装置は、少量の液体を正確に感知できず、同時に、サンプリング・プローブを保持する可動ラック・アセンブリ上に容易に取り付けるために寸法が非常に小さくなっている。高感度のＣＡＶＲＯ液面感知装置は、１０ｘ７５ｍｍのガラス管で試験すると、希釈度１：１０００の１０μｌの生理食塩液を検出することができる。米国ネバダ州RenoのHamiltonによって製造されている他の液位感知装置も、少量の液体を感知せず、同時に、サンプリング・プローブを保持する可動ラック・アセンブリ上に取り付けるのに丁度よい寸法を有する。本発明は、密封中隔を貫通している間でさえ、少量の液体、たとえば、プラスチック製の３ｍｌ試薬ビン中の３００μｌより少ない液量の食塩液の表面を確実に感知する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、バイオアッセイ装置用の貫通サンプリング・プローブなどのプローブが液体の表面と接触したときに液体の表面を正確に感知する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記および他の目的は、容器中の液体の表面と接触するためのサンプリング・プローブと、サンプリング・プローブが液体の表面と接触したときに振幅が変化する、定周波数を有する第１の出力信号を生成するためにサンプリング・プローブに結合された発振器回路と、第１の出力信号の振幅を第１の基準振幅と比較して、第１の出力信号の振幅が基準信号に対して変化したときに変化信号を生成するために発振器回路に結合された比較器と、変化信号に応答して、液体の表面に対するサンプリング・プローブの位置を制御する制御装置とを含む、容器中の液体の表面に対するサンプリング・プローブの位置を制御するための、バイオアッセイ用の液位センサ制御回路を提供することによって達成される。
【００１０】
他の態様によれば、本発明によるバイオアッセイ装置用の液位センサ制御回路は、第１の出力信号に関して整流された出力信号を生成するために第１の出力信号に結合された整流器も含み、比較器は、整流された出力信号の振幅を第１の基準振幅と比較して変化信号を生成する。
【００１１】
本発明のサンプリング・プローブは、密封された容器中の液体をサンプリングするための貫通サンプリング・プローブであってよく、サンプリングされた液体を加熱するためのヒータを含むことができる。さらに、発振器回路および比較器は、サンプリング・プローブを保持するラック・アセンブリに取り付けることができる。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、液体の表面に対するサンプリング・プローブの位置を制御するための液位センサ制御回路は、サンプリング・プローブが液体の表面と接触していないときに第１の振幅を有し、サンプリング・プローブが液体の表面と接触したときに第１の振幅と異なる第２の振幅を有する、定周波数出力信号を生成するためにサンプリング・プローブに結合された発振器と、定周波数出力信号の整流された出力を生成するために発振器に結合された整流器回路と、フィルタされた信号を生成するために、整流された出力に結合されたフィルタと、定周波数信号の振幅が第１の振幅から第２の振幅に変化したことを検出し、応答で変化信号を生成するためにフィルタに結合された検出回路と、変化信号に応答して、液体の表面に対するサンプリング・プローブの位置を制御する制御回路とを含む。液位センサ制御回路は、発振器の利得を制御するために整流器の出力に結合された利得回路と、定周波数出力信号の整流された出力を増幅するための増幅器とを含むこともできる。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、サンプリング・プローブが液体の表面と接触したことを検出する方法は、サンプリング・プローブが液体の表面と接触していないときに第１の振幅を有し、サンプリング・プローブが液体の表面と接触したときに第２の振幅を有する、定周波数発振信号を生成するステップと、定周波数信号の振幅が第１の振幅のときに第３の振幅を有し、定周波数信号の振幅が第２の振幅のときに第４の振幅を有するように、定周波数出力信号の出力を整流するステップと、定周波数信号の整流された出力の振幅が第３の振幅から第４の振幅に変化したことを検出するステップと、第３の振幅から、サンプリング・プローブが液体の表面と接触中であることを示す第４の振幅への変化が検出されたことに応答して変化信号を生成するステップとを含む。
【００１４】
本発明による方法はさらに、変化信号に応答して液体の表面に対するサンプリング・プローブの位置を制御するステップと、定周波数信号の整流された出力が第３の振幅から第４の振幅に変化したことを検出したときに定周波数信号の第２の振幅を第１の振幅に戻すステップとを含むことができる。
【００１５】
【実施例】
図１は、自動血液／血漿サンプリング・システム用のプローブの実施例の概略ブロック図と、該実施例と本発明による液体センサ回路および制御回路との関係を示す。ロボット・アーム１０は、たとえば米国特許出願第０７／４４３９５１号に記載されたように、試薬を自動的に吸引して分与するために、プローブ１１を、槽１３などの試薬容器の間でキュベット（図示せず）へ操作する。ロボット・アーム１０は、矢印１２で示された方向に沿ってプローブ１１を上下させて、測定された量の液体を液体槽１３から取り出し、あるいは該液体を反応キュベットに分与する。一般に、プローブ１１は、槽１３に浸して、測定された容積の試薬を吸引するための狭い先端１４ａを有する金属製管１４を含む。プローブ１１は、尖った先端を有することによって、ゴム製中隔で密閉された容器を貫通し、測定された量の液体を容器から吸引するように適応することもできる。
【００１６】
前述のように、ある種の応用分野では、プローブが、試薬が分与されるキュベットに向かってロボット・アーム１０によって移動されている間に、プローブ１１中の試薬を加熱することが望ましい。このような応用分野では、プローブ１１は任意選択のヒータ１５を備えている。ヒータ１５は、管１４に巻き付けられ、本体１８と共通の接地を共用する電源１７にワイヤ１６によって電気的に接続された、コイル・ニクロム線を含むことが好ましい。電源１７は、特定の応用分野の要件に応じてＤＣ電源でもＡＣ電源でもよい。
【００１７】
測定された量の試薬を槽１３から吸引するために、プローブ１１が試薬の表面と接触したことを検出する必要がある。前記で論じたように、これは通常、キャパシタンス測定装置を使用して、管１４が槽１３中の試薬と接触したときに、本体１８で形成された接地面に対する管１４のキャパシタンスの変化を検出することによって行われる。管１４は、本体１８に対する第１のキャパシタンスＣP を提供する。任意選択のヒータ１５を提供すると、ヒータ１５は器具本体１８と共通の接地を有し、したがって、キャパシタンスに関して本体１８の一部になる。したがって、任意選択のヒータ１５は管１４に対する第２のキャパシタンスＣ H を提供する。液体槽１３は、プローブ１１と器具本体１８の間に追加キャパシタンスＣL を提供する。したがって、プローブ１１が液体の表面に接触する前は、キャパシタンス測定装置によって測定される総キャパシタンスＣT1は次のとおりである。
【００１８】
【数１】
【００１９】
任意選択のヒータを提供すると、ＣH はゼロに等しく、総キャパシタンスＣT1はＣP である。プローブ１１が液体の表面と接触した後、キャパシタンス測定装置によって測定される総キャパシタンスＣT2は次のとおりである。
【００２０】
【数２】
【００２１】
キャパシタンス測定装置によって追加キャパシタンスＣL が検出されたことは、プローブ１１が容器１３中の液体の表面と接触したことを示す。しかし、任意選択のヒータ１５によって発生するキャパシタンスＣH の存在が非常に大きくてキャパシタンス測定装置がＣT1がＣL だけ変化したことを感知する能力が制限される恐れがある。
【００２２】
本発明の液体センサ回路および液位センサ制御回路は、任意選択のヒータが存在するときでもプローブとシステム本体の間のキャパシタンスの変化を確実に感知する。そればかりでなく、本発明による液位センサ・システムは、密封中隔を貫通する間でさえ、プラスチック製の３ｍｌ試薬ビン中の３００μｌより少ない液量の食塩液の表面を確実に感知する。
【００２３】
図２は、プローブ１１と、本発明による液位センサ制御回路とを含む、ロボット・アーム１０の好ましい実施例を全体的に示す斜視図である。プローブ１１は、サンプリング・プローブでも、前述の米国特許出願第０７／８７４３７１号で開示されたものなどの、医療サンプル収集管を密封するために使用されるゴム製キャップを貫通するための貫通サンプリング・プローブでもよい。プローブ１１が貫通サンプリング・プローブの場合、前述の米国特許出願第０７／８７４３７１号で開示された貫通プローブに従って尖らせることが好ましい。さらに、プローブ１１が貫通サンプリング・プローブのときは、容器のキャップを貫通するときに容器中の液体の表面を検出するように適応される。プローブ１１は、容器１３に入ってそれ自体を液体の表面に対して正確に位置決めする間に、血液や血漿などの、容器１３中の導電性液体の液気界面を感知する。
【００２４】
プローブ１１は、水平親ねじモータ２４によって駆動される親ねじ２３で水平軸２２に沿って制御可能に移動する。プローブ１１を軸２５に沿って上下させるための垂直移動は、垂直モータ２７で駆動されるギア・ラック２６と、ピニオン・アセンブリ（図示せず）とによって提供される。モータ２４および２７はそれぞれ、関連するモータ制御装置から受け取る信号によって選択的に制御される。該モータ制御装置は、本発明の液位センサ制御回路の一部である。モータ制御回路３２はたとえば、図３の概略ブロック図に示されている。モータ２７は、プローブ１１が貫通プローブのときに、密封された容器の中隔を介してプローブ１１を駆動するのに十分なトルクを提供する。
【００２５】
液位センサ制御回路３０は、図３および図４に示されており、液気界面を感知するためにプローブ１１に結合されている。液位センサ制御回路の一部は、プローブ１１を２８で保持するラック・アセンブリに取り付けられたプリント回路３０は基板上に位置する。回路３０の他の部分は、２９で取り付けられたプリント回路基板上に位置する。もちろん、本発明による液位センサ制御回路は、単一のプリント回路基板上に一緒に配置することができる。
【００２６】
マイクロコントローラ３１は、２軸アーム制御装置であり、すなわち、マイクロコントローラ３１および２つのモータ制御装置は、プローブ１１を保持するラック・アセンブリの水平位置と、液体の表面に対するプローブの垂直位置とを監視して制御する。マイクロコントローラ３１およびモータ制御装置３２は、プローブ１１の位置を液体センサ回路４０から受け取る信号と相関させ（図３および図４）、容器内の液体の高さを判定する。フレックス・ケーブル２１は本発明による制御システムの様々な部分間で電気信号を結合する。前述のように、プローブ１１には、サンプリングされた流体を反応チャンバ中に分与する前に事前加熱しておくための加熱コイルを取り付けることもできる。
【００２７】
図３は、本発明による液体センサ回路４０を有する液位センサ制御回路３０の概略ブロック図である。プローブ１１は、定周波数発振器回路３３に結合されている。発振器回路３３の定周波数出力は、発振器の整流された出力を生成するために整流回路３４に結合されている。整流器回路３４の出力は、低域フィルタ３５に結合されており、発振器の振幅レベルを制御するために発振器にフィードバックされる。比較器３６も、発振器回路３３の整流された出力の振幅変化を検出するために整流器回路３４の出力に結合されている。比較器３６の出力は、振幅の変化が検出されたときに割込みパルスを生成するために単安定マルチバイブレータ３７に結合されている。
【００２８】
割込みパルスは、プローブ１１が液体の表面と接触したことを示し、制御回路は、分析すべき所定の量の液体を吸引するのにプローブ１１を液体の表面からどれだけ下降させられるかを判定することによって応答する。マイクロコントローラ３１は、プローブ１１の位置を制御するための制御信号をモータ制御装置３２に提供する。モータ制御装置３２は、適当な駆動信号をドライバ３８に出力することによって、マイクロコントローラ３１から出力された制御信号に応答する。モータ２７は、ドライバ３８からの出力信号に応答してプローブ１１を垂直に駆動する。モータ２７に関連するコード・ホイル３９は、プローブ１１の垂直位置を監視するための信号をモータ制御装置３２に出力する。
【００２９】
図４は、本発明による液体センサ回路４０の細部を示す概略図である。発振器回路３３は、定周波数で発振するようにＬ１０１、Ｃ１５３、およびＣ１５５によって形成されたタンク回路を含むコルピッツ発振器として構成される。タンク回路は、プローブ１１に容量結合されている。プローブ１１は、液体センサ回路４０への単極入力であり、発振器回路３３のタンク回路に容量結合されている。プローブ１１が、本発明の状況では液体である導電材料に接触すると、プローブと、自動血液／血漿サンプリング・システムの本体１８で形成された接地面との間のキャパシタンス増加によって、定周波数発振器出力の振幅がわずかに小さくなる。この振幅の変化は検出され、出力がマイクロコントローラ３１への割込みを活動化する単安定マルチバイブレータをトリガするために使用される。
【００３０】
図４を参照すると、発振器回路３３は、それぞれコルピッツ発振器３３およびエミッタ・ホロワとして構成されたトランジスタＱ１０５およびＱ１０６を含む。もちろん、発振器３３は、発振器の利得が制御可能に調整できるかぎり、ピアス発振器回路構成やハートレー発振器回路構成などの他の周知の発振器回路として構成することができる。コルピッツ発振器のタンク回路は、以下の数式によって与えられる定共振周波数を有するＬ１０１、Ｃ１５３、およびＣ１５５によって形成される。
【００３１】
【数３】
【００３２】
この特定の周波数は、標準構成要素値を使用する容量性液体感知の最適感度、すなわち、所与の最小量の液体に対する液体センサ回路４０からの最大応答を提供する。液体センサ回路４０の構成要素に利用可能な空間に応じて、たとえば４００ＫＨｚないし１ＭＨｚの他の周波数も使用することができる。Ｑ１０５のコレクタで利用可能な信号は、発振器に正のフィードバックを提供するようにＬ１０１およびＣ１５５に結合されている。＋５Ｖと接地の間に結合された抵抗器Ｒ１５４およびＲ１４５は、トランジスタＱ１０５のベースのバイアス・レベルを設定する。＋５Ｖ電源とＱ１０５のコレクタとの間に結合された抵抗器Ｒ１５６と、Ｑ１０５のエミッタと接地の間に結合されたＲ１５８とはそれぞれ、トランジスタＱ１０５のコレクタとエミッタ用のバイアス・レベルを設定する。エミッタ抵抗器Ｒ１５８は、発振器のＡＣ利得も制限する。トランジスタＱ１０５は、たとえばＴＨＰＴ３９０４などの任意の適当なトランジスタであってよい。
【００３３】
ＭＯＳＦＥＴトランジスタＱ１０８のドレーンは、Ｑ１０５のエミッタに結合されているが、トランジスタＱ１０８のソースはキャパシタＣ１５６を介して接地に結合されている。トランジスタＱ１０８は、Ｃ１５６を介してＡＣ信号をバイパスすることによって、トランジスタＱ１０８のゲートに印加される電圧が増加するにつれて、発振器のＡＣ利得を増加させるように作動する。増幅器のフィードバック・ネットワーク利得およびオープン・ループ利得の積が１を超えると、回路５３が発振する。トランジスタＱ１０８は、たとえば２Ｎ７００２などの任意の適当なトランジスタであってよい。
【００３４】
トランジスタＱ１０６は、発振器出力を緩衝するためのエミッタ・ホロワとして構成される。トランジスタＱ１０６のベースは、トランジスタＱ１０５のコレクタに結合されている。トランジスタＱ１０６のコレクタは＋５Ｖ電源に結合されているが、エミッタはエミッタ抵抗器Ｒ１５５を介して接地に結合されている。ノードＺ１０５は、トランジスタＱ１０６のエミッタに結合されている。安定状態では、ノードＺ１０５でのＡＣ信号レベルは約１．６Ｖピーク・ピーク値である。
【００３５】
整流器回路３４は、キャパシタＣ１５８と、ダイオードＤ１１２およびＤ１１３と、バッファＵ１２７Ｂと、増幅器Ｕ１２７Ａとを含む。キャパシタＣ１５８は、トランジスタＱ１０６のエミッタからの発振器信号をダイオードＤ１１２およびＤ１１３に結合する。ダイオードＤ１１２およびＤ１１３はそれぞれ、キャパシタＣ１５８を介して結合されたＡＣ電圧を半波整流するためのダイオードとして構成された、ＴＨＰＴ３９０４などのトランジスタである。もちろん、Ｄ１１２およびＤ１１３用のトランジスタの代わりにダイオードを使用することができ、全波整流回路構成を使用することもできる。抵抗器Ｒ１５７およびキャパシタＣ１６２は、半波整流信号をフィルタして約３５０ｍＶのＤＣレベルをノードＺ１０４で提供するためにダイオードＤ１１２およびＤ１１３に接続されている。バッファＵ１２７Ｂは、整流された出力を緩衝する。図のように、バッファＵ１２７Ｂは、単位利得用に構成されたＬＭ３５６などの作動可能な増幅器であるが、出力が容量性負荷で少なくとも３．７Ｖまでスイングする場合、たとえば専用集積回路バッファやエミッタ・ホロワとして構成されたトランジスタなど、どんな単位利得回路構成でも使用することができる。
【００３６】
バッファＵ１２７Ｂの出力は、抵抗器Ｒ１４９を介して増幅器Ｕ１２７Ａの反転入力に接続されている。増幅器Ｕ１２７Ａは、ＬＭ３５６などの集積回路作動可能増幅器で形成しても、本発明の目的に十分な利得帯域幅積およびＤＣオフセット性能が提供されるように離散構成要素で形成してもよい。増幅器Ｕ１２７Ａの出力は、バッファＵ１２７Ｂの出力が約−５．６だけ増幅されるように、負のフィードバックを提供する並列に組み合わされた抵抗器Ｒ１４６とＣ１５７を介して再び反転入力に結合されている。抵抗器Ｒ１５２およびＲ１５０は、約８００ｍＶの基準電圧を生成するために＋５Ｖと接地の間に結合されている。この基準電圧は、増幅器Ｕ１２７Ａの非反転入力に結合され、約６．６だけ増幅される。言い換えると、Ｕ１２７Ｂからの緩衝された出力電圧は、８００ｍＶ基準レベルと比較され、差分が増幅される。したがって、発振器３３の整流された出力が減少すると、Ｕ１２７Ａの出力が増加する。
【００３７】
増幅器Ｕ１２７Ａの出力は、低域フィルタ３５、Ｒ１４７、およびＣ１５９によってフィルタされ、ＭＯＳＦＥＴトランジスタＱ１０８のゲートに結合されている。トランジスタＱ１０８のゲートに印加されるフィルタされた電圧が増加すると、ＡＣ信号が公称安定状態レベルに戻るまで発振器のＡＣ利得が増加する。すなわち、Ｑ１０５のエミッタでのＡＣ信号を接地に分流し、コルピッツ発振器のループ利得を増加させる、低域フィルタ３５の出力が増大するにつれて、トランジスタＱ１０８の導電性が増大する。低域フィルタ３５の出力は、サーボ機構によって発振器出力を固定レベルにするように働き、プローブおよびラック・システムの機械的振動または任意選択のプローブ・ヒータの存在、あるいはその両方によって発生する、プローブ入力での電気インピーダンスの変化を調整する。
【００３８】
低域フィルタ３５のＲ１４７およびＣ１５９と、増幅器Ｕ１２７Ａのフィードバック・ループ中のＲ１４６およびＣ１５７とによって生成されるサーボ・ループ中のＲＣ時間定数により、Ｕ１２７Ａの出力は、プローブ１１が導電材料と接触して発振器回路３３の定発振周波数を変化させるときに発生する遷移を含む。この振幅の遷移は比較器３６に結合されている。
【００３９】
比較器３６は、比較器として構成された、キャパシタＣ１４８と、増幅器Ｕ１２８Ｂと、増幅器Ｕ１２８Ａとを含む。振幅の遷移は、Ｃ１４８を介して増幅器Ｕ１２８ＢにＡＣ結合されており、該増幅器で、該遷移はたとえば約１１だけ増幅され、増幅器Ｕ１２８Ａの反転入力に結合される。抵抗器ディバイダ・ネットワークＲ１５９およびＲ１６０は、増幅器Ｕ１２８Ａの非反転入力に結合された約２７５ｍＶの基準電圧を生成する。増幅器Ｕ１２８Ｂの出力が２７５ｍＶの基準レベルを上回るとき、比較器として構成された増幅器Ｕ１２８Ａの出力はローになり、単安定マルチバイブレータ３７をトリガする。
【００４０】
マルチバイブレータ３７は、液体の表面が感知されたことを伝える、マイクロコントローラ３１の割込み入力に結合された１０ミリ秒のパルス出力を生成するように構成された、たとえばＬＭ５５５で形成される。もちろん、集積回路で形成するか、それとも離散構成要素で形成するかにかかわらず、適切なパルスを生成する、増幅器Ｕ１２８Ａの出力に応答するマルチバイブレータ回路ならどれでもマルチバイブレータ３７に使用することができる。
【００４１】
液体センサ回路４０用の＋５Ｖ電源は、任意選択のプローブ・ヒータに電力を供給するためにも使用される＋１５Ｖ電源から導かれる。電圧基準Ｕ１２９は、自動血液／血漿サンプリング・システムのディジタル回路によって生成される電気雑音から液体センサ回路４０を絶縁し、擬液気界面割込み信号を発生させる＋１５Ｖ電源上に出現させるための、安定な＋５Ｖ電源を提供する。電圧基準Ｕ１２９はまた、プローブ・ヒータが活動状態のときにプローブ・ヒータを＋１５Ｖ電源に断続的に接続することによって＋１５Ｖ電源上に生成される電気雑音から液体センサ回路４０を絶縁する。プローブ・ヒータは、さらに擬割込み信号を回避するために、「move to liquid」コマンドが実行されたときにマイクロコントローラ３１によってしばらくの間ディスエーブルされる。液気界面が感知された後、あるいはプローブ１１の最大シーク距離が達成されたとき、ヒータがイネーブルされる。
【００４２】
液体センサ回路４０を使用して、プローブ・アセンブリのホーム位置を見つけることもできる。プローブ・アセンブリの行程の上端に、接地されたスプリング・ピンを取り付ける。プローブ・アセンブリ上のポストがこのピンと接触すると、発振器３３の振幅が小さくなり、液体センサ回路４０は割込みパルスを生成する。
【００４３】
液体センサ回路４０は、ラック・アセンブリ保持プローブ１１上で図２の２８に取り付けられるように、表面取付け技術を使用して小形のアセンブリが得られるように製造することが好ましい。しかし、本発明による制御回路全体またはその一部は、表面取付け技術によって製造することができ、あるいはそのために、応用分野特有の集積回路（ＡＳＩＣ）であってよい。
【００４４】
現在本発明の好ましい実施例とみなされるものについて説明したが、当業者には、本明細書に記載され、添付の特許請求の範囲で定義された、本発明から逸脱せずに、前記実施例で述べた構造、比率、および条件に多数の変更を加えられることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】プローブと、本発明による液体センサ制御回路との一実施例の概略ブロック図である。
【図２】プローブと、本発明による液位センサ制御回路とを含むロボット・アームの斜視図である。
【図３】本発明による液位センサ制御回路の概略ブロック図である。
【図４】本発明による液位センサ制御回路の概略図である。
【符号の説明】
１０ ロボット・アーム
１１ プローブ
１３ 槽
１４ 金属製管
１５ 任意選択のヒータ
１７ 電源
１８ 本体
２３ 親ねじ
２４ 親ねじモータ
２６ ギヤ・ラック
３０ 液位センサ制御回路
３２ モータ制御装置
４０ 液体センサ回路
【産業上の利用分野】
本発明は、容器中の液体の表面を検出する方法および装置に関し、さらに詳細には、容器中の液体の表面を検出し、液体の表面に対するプローブの位置を制御するために、自動血液／血漿サンプリング・システムで使用される方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明を適用できる自動／血液血漿サンプリング・システムの一例は、たとえば、１９８９年１２月１日に出願され、現在は放棄されている米国特許出願第０７／４４３９５１号の一部継続出願である、１９９２年２月１１日に出願された米国特許出願第０７／８３３９５１号に記載されている。この一部継続出願の主題は、引用によって本明細書に合体されている。貫通サンプリング・プローブの一例は、１９９２年４月２７日に出願された米国特許出願第０７／８７４３７１号で開示されている。この出願の主題は、引用によって本明細書に合体されている。サンプリング・プローブの他の例は、１９９３年１月１２日に発行された米国特許第５１７８０１９号で開示されている。この特許の主題は引用によって本明細書に合体されている。ロボット・アーム制御装置に関連するメモリ制御装置の一例は、本出願と同時に出願された米国特許出願（整理番号ＯＲＴＥＫ００３８）で開示されている。この出願の主題は、引用によって本明細書に合体されている。米国特許出願第０７／８３３９５１号、米国特許出願第０７／８７４３７１号および前記本出願の同時出願、ならびに米国特許第５１７８０１９号の主題はそれぞれ、本出願と同じ出願人に譲渡されている。
【０００３】
血漿や試薬などの流体サンプルをキュベットの反応ウエ ルに自動的に分与する自動サンプル・ハンドリング・システムは既知である。そのような器具は、凝血時間を測定し、他のバイオアッセイを自動的に実施するための生化学分析の分野で有用である。このような器具は、化学検定を自動的に実施するための化学検定の分野でも有用である。血液および血漿のバイオアッセイを実施するための自動サンプル・ハンドリング・システムは、米国特許出願第０７／４４３９５１号に記載されている。
【０００４】
この特定のシステムでは、血液や血漿などの流体サンプルが、試験管などの容器に格納される。該容器は、ゴム製中隔をによって真空密封されており、試験のために測定された量のサンプルを抜き取るには、該中隔を貫通しなければならない。引用によって本明細書に合体された米国特許出願第０７／８７４３７１号は、貫通させて測定された量の液体をサンプリングするのに適した貫通サンプリング・プローブの例を開示している。
【０００５】
米国特許出願第０７／４４３９５１号のシステムは、サンプル分析の前に流体サンプルおよび試薬が劣化するのを防ぐためにサンプルおよび試薬を比較的低温で格納するために提供された温度調整ハウジングを含む。温度調整ハウジングは通常、流体サンプルおよび試薬を１０℃の温度に維持する。実際の分析は一般に、標準的な人間の体温の３７℃（９８．６゜F）で実施される。したがって、分析の前に流体サンプルおよび試薬を３７℃まで加熱しておく必要がある。引用によって本明細書に合体された米国特許第５１７９０１９号は、分析の前に流体サンプルおよび試薬を加熱しておくのに有用なサンプル・プローブ装置を開示している。
【０００６】
米国特許出願０７／４４３９５１号の貫通サンプリング・プローブは作動時に、試薬を自動的に吸引して分与するために試薬容器と反応キュベットとの間でプローブを操作するロボット・アームによって上下させられる。サンプルであれ試薬であれ、液体の表面は、プローブの移動を正確に制御するために検出される。基本的に、液体の表面は、自動血液／血漿サンプリング・システムの本体に対するプローブのキャパシタンスの変化を検出することによって検出される。
【０００７】
米国カリフォルニア州 SunnyvaleのCAVRO Scientific Instruments,Inc. から供給される現在入手可能な液面感知装置は、少量の液体を正確に感知できず、同時に、サンプリング・プローブを保持する可動ラック・アセンブリ上に容易に取り付けるために寸法が非常に小さくなっている。高感度のＣＡＶＲＯ液面感知装置は、１０ｘ７５ｍｍのガラス管で試験すると、希釈度１：１０００の１０μｌの生理食塩液を検出することができる。米国ネバダ州RenoのHamiltonによって製造されている他の液位感知装置も、少量の液体を感知せず、同時に、サンプリング・プローブを保持する可動ラック・アセンブリ上に取り付けるのに丁度よい寸法を有する。本発明は、密封中隔を貫通している間でさえ、少量の液体、たとえば、プラスチック製の３ｍｌ試薬ビン中の３００μｌより少ない液量の食塩液の表面を確実に感知する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、バイオアッセイ装置用の貫通サンプリング・プローブなどのプローブが液体の表面と接触したときに液体の表面を正確に感知する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記および他の目的は、容器中の液体の表面と接触するためのサンプリング・プローブと、サンプリング・プローブが液体の表面と接触したときに振幅が変化する、定周波数を有する第１の出力信号を生成するためにサンプリング・プローブに結合された発振器回路と、第１の出力信号の振幅を第１の基準振幅と比較して、第１の出力信号の振幅が基準信号に対して変化したときに変化信号を生成するために発振器回路に結合された比較器と、変化信号に応答して、液体の表面に対するサンプリング・プローブの位置を制御する制御装置とを含む、容器中の液体の表面に対するサンプリング・プローブの位置を制御するための、バイオアッセイ用の液位センサ制御回路を提供することによって達成される。
【００１０】
他の態様によれば、本発明によるバイオアッセイ装置用の液位センサ制御回路は、第１の出力信号に関して整流された出力信号を生成するために第１の出力信号に結合された整流器も含み、比較器は、整流された出力信号の振幅を第１の基準振幅と比較して変化信号を生成する。
【００１１】
本発明のサンプリング・プローブは、密封された容器中の液体をサンプリングするための貫通サンプリング・プローブであってよく、サンプリングされた液体を加熱するためのヒータを含むことができる。さらに、発振器回路および比較器は、サンプリング・プローブを保持するラック・アセンブリに取り付けることができる。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、液体の表面に対するサンプリング・プローブの位置を制御するための液位センサ制御回路は、サンプリング・プローブが液体の表面と接触していないときに第１の振幅を有し、サンプリング・プローブが液体の表面と接触したときに第１の振幅と異なる第２の振幅を有する、定周波数出力信号を生成するためにサンプリング・プローブに結合された発振器と、定周波数出力信号の整流された出力を生成するために発振器に結合された整流器回路と、フィルタされた信号を生成するために、整流された出力に結合されたフィルタと、定周波数信号の振幅が第１の振幅から第２の振幅に変化したことを検出し、応答で変化信号を生成するためにフィルタに結合された検出回路と、変化信号に応答して、液体の表面に対するサンプリング・プローブの位置を制御する制御回路とを含む。液位センサ制御回路は、発振器の利得を制御するために整流器の出力に結合された利得回路と、定周波数出力信号の整流された出力を増幅するための増幅器とを含むこともできる。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、サンプリング・プローブが液体の表面と接触したことを検出する方法は、サンプリング・プローブが液体の表面と接触していないときに第１の振幅を有し、サンプリング・プローブが液体の表面と接触したときに第２の振幅を有する、定周波数発振信号を生成するステップと、定周波数信号の振幅が第１の振幅のときに第３の振幅を有し、定周波数信号の振幅が第２の振幅のときに第４の振幅を有するように、定周波数出力信号の出力を整流するステップと、定周波数信号の整流された出力の振幅が第３の振幅から第４の振幅に変化したことを検出するステップと、第３の振幅から、サンプリング・プローブが液体の表面と接触中であることを示す第４の振幅への変化が検出されたことに応答して変化信号を生成するステップとを含む。
【００１４】
本発明による方法はさらに、変化信号に応答して液体の表面に対するサンプリング・プローブの位置を制御するステップと、定周波数信号の整流された出力が第３の振幅から第４の振幅に変化したことを検出したときに定周波数信号の第２の振幅を第１の振幅に戻すステップとを含むことができる。
【００１５】
【実施例】
図１は、自動血液／血漿サンプリング・システム用のプローブの実施例の概略ブロック図と、該実施例と本発明による液体センサ回路および制御回路との関係を示す。ロボット・アーム１０は、たとえば米国特許出願第０７／４４３９５１号に記載されたように、試薬を自動的に吸引して分与するために、プローブ１１を、槽１３などの試薬容器の間でキュベット（図示せず）へ操作する。ロボット・アーム１０は、矢印１２で示された方向に沿ってプローブ１１を上下させて、測定された量の液体を液体槽１３から取り出し、あるいは該液体を反応キュベットに分与する。一般に、プローブ１１は、槽１３に浸して、測定された容積の試薬を吸引するための狭い先端１４ａを有する金属製管１４を含む。プローブ１１は、尖った先端を有することによって、ゴム製中隔で密閉された容器を貫通し、測定された量の液体を容器から吸引するように適応することもできる。
【００１６】
前述のように、ある種の応用分野では、プローブが、試薬が分与されるキュベットに向かってロボット・アーム１０によって移動されている間に、プローブ１１中の試薬を加熱することが望ましい。このような応用分野では、プローブ１１は任意選択のヒータ１５を備えている。ヒータ１５は、管１４に巻き付けられ、本体１８と共通の接地を共用する電源１７にワイヤ１６によって電気的に接続された、コイル・ニクロム線を含むことが好ましい。電源１７は、特定の応用分野の要件に応じてＤＣ電源でもＡＣ電源でもよい。
【００１７】
測定された量の試薬を槽１３から吸引するために、プローブ１１が試薬の表面と接触したことを検出する必要がある。前記で論じたように、これは通常、キャパシタンス測定装置を使用して、管１４が槽１３中の試薬と接触したときに、本体１８で形成された接地面に対する管１４のキャパシタンスの変化を検出することによって行われる。管１４は、本体１８に対する第１のキャパシタンスＣP を提供する。任意選択のヒータ１５を提供すると、ヒータ１５は器具本体１８と共通の接地を有し、したがって、キャパシタンスに関して本体１８の一部になる。したがって、任意選択のヒータ１５は管１４に対する第２のキャパシタンスＣ H を提供する。液体槽１３は、プローブ１１と器具本体１８の間に追加キャパシタンスＣL を提供する。したがって、プローブ１１が液体の表面に接触する前は、キャパシタンス測定装置によって測定される総キャパシタンスＣT1は次のとおりである。
【００１８】
【数１】
任意選択のヒータを提供すると、ＣH はゼロに等しく、総キャパシタンスＣT1はＣP である。プローブ１１が液体の表面と接触した後、キャパシタンス測定装置によって測定される総キャパシタンスＣT2は次のとおりである。
【００２０】
【数２】
キャパシタンス測定装置によって追加キャパシタンスＣL が検出されたことは、プローブ１１が容器１３中の液体の表面と接触したことを示す。しかし、任意選択のヒータ１５によって発生するキャパシタンスＣH の存在が非常に大きくてキャパシタンス測定装置がＣT1がＣL だけ変化したことを感知する能力が制限される恐れがある。
【００２２】
本発明の液体センサ回路および液位センサ制御回路は、任意選択のヒータが存在するときでもプローブとシステム本体の間のキャパシタンスの変化を確実に感知する。そればかりでなく、本発明による液位センサ・システムは、密封中隔を貫通する間でさえ、プラスチック製の３ｍｌ試薬ビン中の３００μｌより少ない液量の食塩液の表面を確実に感知する。
【００２３】
図２は、プローブ１１と、本発明による液位センサ制御回路とを含む、ロボット・アーム１０の好ましい実施例を全体的に示す斜視図である。プローブ１１は、サンプリング・プローブでも、前述の米国特許出願第０７／８７４３７１号で開示されたものなどの、医療サンプル収集管を密封するために使用されるゴム製キャップを貫通するための貫通サンプリング・プローブでもよい。プローブ１１が貫通サンプリング・プローブの場合、前述の米国特許出願第０７／８７４３７１号で開示された貫通プローブに従って尖らせることが好ましい。さらに、プローブ１１が貫通サンプリング・プローブのときは、容器のキャップを貫通するときに容器中の液体の表面を検出するように適応される。プローブ１１は、容器１３に入ってそれ自体を液体の表面に対して正確に位置決めする間に、血液や血漿などの、容器１３中の導電性液体の液気界面を感知する。
【００２４】
プローブ１１は、水平親ねじモータ２４によって駆動される親ねじ２３で水平軸２２に沿って制御可能に移動する。プローブ１１を軸２５に沿って上下させるための垂直移動は、垂直モータ２７で駆動されるギア・ラック２６と、ピニオン・アセンブリ（図示せず）とによって提供される。モータ２４および２７はそれぞれ、関連するモータ制御装置から受け取る信号によって選択的に制御される。該モータ制御装置は、本発明の液位センサ制御回路の一部である。モータ制御回路３２はたとえば、図３の概略ブロック図に示されている。モータ２７は、プローブ１１が貫通プローブのときに、密封された容器の中隔を介してプローブ１１を駆動するのに十分なトルクを提供する。
【００２５】
液位センサ制御回路３０は、図３および図４に示されており、液気界面を感知するためにプローブ１１に結合されている。液位センサ制御回路の一部は、プローブ１１を２８で保持するラック・アセンブリに取り付けられたプリント回路３０は基板上に位置する。回路３０の他の部分は、２９で取り付けられたプリント回路基板上に位置する。もちろん、本発明による液位センサ制御回路は、単一のプリント回路基板上に一緒に配置することができる。
【００２６】
マイクロコントローラ３１は、２軸アーム制御装置であり、すなわち、マイクロコントローラ３１および２つのモータ制御装置は、プローブ１１を保持するラック・アセンブリの水平位置と、液体の表面に対するプローブの垂直位置とを監視して制御する。マイクロコントローラ３１およびモータ制御装置３２は、プローブ１１の位置を液体センサ回路４０から受け取る信号と相関させ（図３および図４）、容器内の液体の高さを判定する。フレックス・ケーブル２１は本発明による制御システムの様々な部分間で電気信号を結合する。前述のように、プローブ１１には、サンプリングされた流体を反応チャンバ中に分与する前に事前加熱しておくための加熱コイルを取り付けることもできる。
【００２７】
図３は、本発明による液体センサ回路４０を有する液位センサ制御回路３０の概略ブロック図である。プローブ１１は、定周波数発振器回路３３に結合されている。発振器回路３３の定周波数出力は、発振器の整流された出力を生成するために整流回路３４に結合されている。整流器回路３４の出力は、低域フィルタ３５に結合されており、発振器の振幅レベルを制御するために発振器にフィードバックされる。比較器３６も、発振器回路３３の整流された出力の振幅変化を検出するために整流器回路３４の出力に結合されている。比較器３６の出力は、振幅の変化が検出されたときに割込みパルスを生成するために単安定マルチバイブレータ３７に結合されている。
【００２８】
割込みパルスは、プローブ１１が液体の表面と接触したことを示し、制御回路は、分析すべき所定の量の液体を吸引するのにプローブ１１を液体の表面からどれだけ下降させられるかを判定することによって応答する。マイクロコントローラ３１は、プローブ１１の位置を制御するための制御信号をモータ制御装置３２に提供する。モータ制御装置３２は、適当な駆動信号をドライバ３８に出力することによって、マイクロコントローラ３１から出力された制御信号に応答する。モータ２７は、ドライバ３８からの出力信号に応答してプローブ１１を垂直に駆動する。モータ２７に関連するコード・ホイル３９は、プローブ１１の垂直位置を監視するための信号をモータ制御装置３２に出力する。
【００２９】
図４は、本発明による液体センサ回路４０の細部を示す概略図である。発振器回路３３は、定周波数で発振するようにＬ１０１、Ｃ１５３、およびＣ１５５によって形成されたタンク回路を含むコルピッツ発振器として構成される。タンク回路は、プローブ１１に容量結合されている。プローブ１１は、液体センサ回路４０への単極入力であり、発振器回路３３のタンク回路に容量結合されている。プローブ１１が、本発明の状況では液体である導電材料に接触すると、プローブと、自動血液／血漿サンプリング・システムの本体１８で形成された接地面との間のキャパシタンス増加によって、定周波数発振器出力の振幅がわずかに小さくなる。この振幅の変化は検出され、出力がマイクロコントローラ３１への割込みを活動化する単安定マルチバイブレータをトリガするために使用される。
【００３０】
図４を参照すると、発振器回路３３は、それぞれコルピッツ発振器３３およびエミッタ・ホロワとして構成されたトランジスタＱ１０５およびＱ１０６を含む。もちろん、発振器３３は、発振器の利得が制御可能に調整できるかぎり、ピアス発振器回路構成やハートレー発振器回路構成などの他の周知の発振器回路として構成することができる。コルピッツ発振器のタンク回路は、以下の数式によって与えられる定共振周波数を有するＬ１０１、Ｃ１５３、およびＣ１５５によって形成される。
【００３１】
【数３】
この特定の周波数は、標準構成要素値を使用する容量性液体感知の最適感度、すなわち、所与の最小量の液体に対する液体センサ回路４０からの最大応答を提供する。液体センサ回路４０の構成要素に利用可能な空間に応じて、たとえば４００ＫＨｚないし１ＭＨｚの他の周波数も使用することができる。Ｑ１０５のコレクタで利用可能な信号は、発振器に正のフィードバックを提供するようにＬ１０１およびＣ１５５に結合されている。＋５Ｖと接地の間に結合された抵抗器Ｒ１５４およびＲ１４５は、トランジスタＱ１０５のベースのバイアス・レベルを設定する。＋５Ｖ電源とＱ１０５のコレクタとの間に結合された抵抗器Ｒ１５６と、Ｑ１０５のエミッタと接地の間に結合されたＲ１５８とはそれぞれ、トランジスタＱ１０５のコレクタとエミッタ用のバイアス・レベルを設定する。エミッタ抵抗器Ｒ１５８は、発振器のＡＣ利得も制限する。トランジスタＱ１０５は、たとえばＴＨＰＴ３９０４などの任意の適当なトランジスタであってよい。
【００３３】
ＭＯＳＦＥＴトランジスタＱ１０８のドレーンは、Ｑ１０５のエミッタに結合されているが、トランジスタＱ１０８のソースはキャパシタＣ１５６を介して接地に結合されている。トランジスタＱ１０８は、Ｃ１５６を介してＡＣ信号をバイパスすることによって、トランジスタＱ１０８のゲートに印加される電圧が増加するにつれて、発振器のＡＣ利得を増加させるように作動する。増幅器のフィードバック・ネットワーク利得およびオープン・ループ利得の積が１を超えると、回路５３が発振する。トランジスタＱ１０８は、たとえば２Ｎ７００２などの任意の適当なトランジスタであってよい。
【００３４】
トランジスタＱ１０６は、発振器出力を緩衝するためのエミッタ・ホロワとして構成される。トランジスタＱ１０６のベースは、トランジスタＱ１０５のコレクタに結合されている。トランジスタＱ１０６のコレクタは＋５Ｖ電源に結合されているが、エミッタはエミッタ抵抗器Ｒ１５５を介して接地に結合されている。ノードＺ１０５は、トランジスタＱ１０６のエミッタに結合されている。安定状態では、ノードＺ１０５でのＡＣ信号レベルは約１．６Ｖピーク・ピーク値である。
【００３５】
整流器回路３４は、キャパシタＣ１５８と、ダイオードＤ１１２およびＤ１１３と、バッファＵ１２７Ｂと、増幅器Ｕ１２７Ａとを含む。キャパシタＣ１５８は、トランジスタＱ１０６のエミッタからの発振器信号をダイオードＤ１１２およびＤ１１３に結合する。ダイオードＤ１１２およびＤ１１３はそれぞれ、キャパシタＣ１５８を介して結合されたＡＣ電圧を半波整流するためのダイオードとして構成された、ＴＨＰＴ３９０４などのトランジスタである。もちろん、Ｄ１１２およびＤ１１３用のトランジスタの代わりにダイオードを使用することができ、全波整流回路構成を使用することもできる。抵抗器Ｒ１５７およびキャパシタＣ１６２は、半波整流信号をフィルタして約３５０ｍＶのＤＣレベルをノードＺ１０４で提供するためにダイオードＤ１１２およびＤ１１３に接続されている。バッファＵ１２７Ｂは、整流された出力を緩衝する。図のように、バッファＵ１２７Ｂは、単位利得用に構成されたＬＭ３５６などの作動可能な増幅器であるが、出力が容量性負荷で少なくとも３．７Ｖまでスイングする場合、たとえば専用集積回路バッファやエミッタ・ホロワとして構成されたトランジスタなど、どんな単位利得回路構成でも使用することができる。
【００３６】
バッファＵ１２７Ｂの出力は、抵抗器Ｒ１４９を介して増幅器Ｕ１２７Ａの反転入力に接続されている。増幅器Ｕ１２７Ａは、ＬＭ３５６などの集積回路作動可能増幅器で形成しても、本発明の目的に十分な利得帯域幅積およびＤＣオフセット性能が提供されるように離散構成要素で形成してもよい。増幅器Ｕ１２７Ａの出力は、バッファＵ１２７Ｂの出力が約−５．６だけ増幅されるように、負のフィードバックを提供する並列に組み合わされた抵抗器Ｒ１４６とＣ１５７を介して再び反転入力に結合されている。抵抗器Ｒ１５２およびＲ１５０は、約８００ｍＶの基準電圧を生成するために＋５Ｖと接地の間に結合されている。この基準電圧は、増幅器Ｕ１２７Ａの非反転入力に結合され、約６．６だけ増幅される。言い換えると、Ｕ１２７Ｂからの緩衝された出力電圧は、８００ｍＶ基準レベルと比較され、差分が増幅される。したがって、発振器３３の整流された出力が減少すると、Ｕ１２７Ａの出力が増加する。
【００３７】
増幅器Ｕ１２７Ａの出力は、低域フィルタ３５、Ｒ１４７、およびＣ１５９によってフィルタされ、ＭＯＳＦＥＴトランジスタＱ１０８のゲートに結合されている。トランジスタＱ１０８のゲートに印加されるフィルタされた電圧が増加すると、ＡＣ信号が公称安定状態レベルに戻るまで発振器のＡＣ利得が増加する。すなわち、Ｑ１０５のエミッタでのＡＣ信号を接地に分流し、コルピッツ発振器のループ利得を増加させる、低域フィルタ３５の出力が増大するにつれて、トランジスタＱ１０８の導電性が増大する。低域フィルタ３５の出力は、サーボ機構によって発振器出力を固定レベルにするように働き、プローブおよびラック・システムの機械的振動または任意選択のプローブ・ヒータの存在、あるいはその両方によって発生する、プローブ入力での電気インピーダンスの変化を調整する。
【００３８】
低域フィルタ３５のＲ１４７およびＣ１５９と、増幅器Ｕ１２７Ａのフィードバック・ループ中のＲ１４６およびＣ１５７とによって生成されるサーボ・ループ中のＲＣ時間定数により、Ｕ１２７Ａの出力は、プローブ１１が導電材料と接触して発振器回路３３の定発振周波数を変化させるときに発生する遷移を含む。この振幅の遷移は比較器３６に結合されている。
【００３９】
比較器３６は、比較器として構成された、キャパシタＣ１４８と、増幅器Ｕ１２８Ｂと、増幅器Ｕ１２８Ａとを含む。振幅の遷移は、Ｃ１４８を介して増幅器Ｕ１２８ＢにＡＣ結合されており、該増幅器で、該遷移はたとえば約１１だけ増幅され、増幅器Ｕ１２８Ａの反転入力に結合される。抵抗器ディバイダ・ネットワークＲ１５９およびＲ１６０は、増幅器Ｕ１２８Ａの非反転入力に結合された約２７５ｍＶの基準電圧を生成する。増幅器Ｕ１２８Ｂの出力が２７５ｍＶの基準レベルを上回るとき、比較器として構成された増幅器Ｕ１２８Ａの出力はローになり、単安定マルチバイブレータ３７をトリガする。
【００４０】
マルチバイブレータ３７は、液体の表面が感知されたことを伝える、マイクロコントローラ３１の割込み入力に結合された１０ミリ秒のパルス出力を生成するように構成された、たとえばＬＭ５５５で形成される。もちろん、集積回路で形成するか、それとも離散構成要素で形成するかにかかわらず、適切なパルスを生成する、増幅器Ｕ１２８Ａの出力に応答するマルチバイブレータ回路ならどれでもマルチバイブレータ３７に使用することができる。
【００４１】
液体センサ回路４０用の＋５Ｖ電源は、任意選択のプローブ・ヒータに電力を供給するためにも使用される＋１５Ｖ電源から導かれる。電圧基準Ｕ１２９は、自動血液／血漿サンプリング・システムのディジタル回路によって生成される電気雑音から液体センサ回路４０を絶縁し、擬液気界面割込み信号を発生させる＋１５Ｖ電源上に出現させるための、安定な＋５Ｖ電源を提供する。電圧基準Ｕ１２９はまた、プローブ・ヒータが活動状態のときにプローブ・ヒータを＋１５Ｖ電源に断続的に接続することによって＋１５Ｖ電源上に生成される電気雑音から液体センサ回路４０を絶縁する。プローブ・ヒータは、さらに擬割込み信号を回避するために、「move to liquid」コマンドが実行されたときにマイクロコントローラ３１によってしばらくの間ディスエーブルされる。液気界面が感知された後、あるいはプローブ１１の最大シーク距離が達成されたとき、ヒータがイネーブルされる。
【００４２】
液体センサ回路４０を使用して、プローブ・アセンブリのホーム位置を見つけることもできる。プローブ・アセンブリの行程の上端に、接地されたスプリング・ピンを取り付ける。プローブ・アセンブリ上のポストがこのピンと接触すると、発振器３３の振幅が小さくなり、液体センサ回路４０は割込みパルスを生成する。
【００４３】
液体センサ回路４０は、ラック・アセンブリ保持プローブ１１上で図２の２８に取り付けられるように、表面取付け技術を使用して小形のアセンブリが得られるように製造することが好ましい。しかし、本発明による制御回路全体またはその一部は、表面取付け技術によって製造することができ、あるいはそのために、応用分野特有の集積回路（ＡＳＩＣ）であってよい。
【００４４】
現在本発明の好ましい実施例とみなされるものについて説明したが、当業者には、本明細書に記載され、添付の特許請求の範囲で定義された、本発明から逸脱せずに、前記実施例で述べた構造、比率、および条件に多数の変更を加えられることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】プローブと、本発明による液体センサ制御回路との一実施例の概略ブロック図である。
【図２】プローブと、本発明による液位センサ制御回路とを含むロボット・アームの斜視図である。
【図３】本発明による液位センサ制御回路の概略ブロック図である。
【図４】本発明による液位センサ制御回路の概略図である。
【符号の説明】
１０ ロボット・アーム
１１ プローブ
１３ 槽
１４ 金属製管
１５ 任意選択のヒータ
１７ 電源
１８ 本体
２３ 親ねじ
２４ 親ねじモータ
２６ ギヤ・ラック
３０ 液位センサ制御回路
３２ モータ制御装置
４０ 液体センサ回路
Claims (19)
- 容器中の液体の表面と接触するためのプローブと、
プローブに結合された、振幅と定周波数とを有する第１の出力信号を生成するための発振器回路であって、フィルタ手段が前記発振器回路と通信し、第１の出力信号の振幅を制御することによって発振器の出力信号を一定のレベルにサーボ制御し、プローブが液体の表面と接触したときに第１の出力信号の振幅が容量の変化に応答して変化する発振器回路と、
発振器回路に結合された、第１の出力信号を第１の基準振幅と比較し、第１の出力信号の振幅が基準信号に対して変化したときに変化信号を生成するための比較器であって、変化信号はプローブによって検出された液体の表面を表示する比較器とを備えることを特徴とする、容器中の液体の表面を感知するための液位センサ回路。 - さらに、第１の出力信号に結合された、第１の出力信号に関する整流された出力信号を生成するための整流器を備え、比較器が、整流された出力信号を第１の基準振幅と比較して変化信号を生成することを特徴とする、請求項１に記載の液位センサ回路。
- プローブが、サンプリング・プローブであり、プローブと共に含まれるサンプリングされた液体を加熱するためのヒータを含むことを特徴とする、請求項１に記載の液位センサ回路。
- 発振器回路および比較器が、プローブを保持するラック・アセンブリに取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の液位センサ回路。
- 変化信号に応答して液体の表面に対するプローブの位置を制御するための制御装置をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の液位センサ回路。
- プローブが、密封された容器のシールを貫通し、密封された容器中の液体をサンプリングするための貫通サンプリング・プローブであり、制御装置が、変化信号に応答して、密封された容器中の液体の表面に対するプローブの位置を制御することを特徴とする、請求項５に記載の液位センサ回路。
- 前記フィルタが低域フィルタである、請求項１に記載の液位センサ回路。
- プローブに結合された、プローブが液体の表面と接触していないときに第１の振幅を有し、プローブが液体の表面と接触したときに容量の変化に応答して第１の振幅と異なる第２の振幅を有する、定周波数出力信号を生成するための発振器と、
発振器に結合された、定周波数出力信号の整流された出力を生成するための整流器手段と、
整流器手段と発振器との間に結合された、発振器の出力信号を出力信号の第１の振幅に制御することによって固定されたレベルにサーボ制御するためのフィルタと、
整流器手段に結合された、定周波数信号の振幅が第１の振幅から第２の振幅に変化したことを検出し、応答で変化信号を生成して検出された液体の表面を示すための検出器手段とを備えることを特徴とする、液体の表面に対するプローブの位置を感知するための液位センサ回路。 - さらに、整流器の出力に結合された、発振器の利得を制御するための利得制御回路を備えることを特徴とする、請求項８に記載の液位センサ回路。
- プローブがサンプリング・プローブであり、プローブと共に含まれるサンプリングされた液体を加熱するためのヒータを含むことを特徴とする、請求項８に記載の液位センサ回路。
- 整流器が、定周波数出力信号の整流された出力を増幅するための増幅器を含むことを特徴とする、請求項８に記載の液位センサ回路。
- 発振器、整流器手段、フィルタ、および検出器手段が、サンプリング・プローブを保持するラック・アセンブリに取り付けられていることを特徴とする、請求項８に記載の液位センサ回路。
- 変化信号に応答して液体の表面に対するプローブの位置を制御する 制御装置手段をさらに備える、請求項８に記載の液位センサ回路。
- プローブが、密封された容器のシールを貫通し、密封された容器中の液体をサンプリングするための貫通サンプリング・プローブであり、制御装置手段が、変化信号に応答して、密封された容器中の液体の表面に対するサンプリング・プローブの位置を制御することを特徴とする、請求項１３に記載の液位センサ回路。
- 前記フィルタが低域フィルタである、請求項８に記載の液位センサ回路。
- プローブが液体の表面と接触していないときに第１の振幅を有し、プローブが液体の表面と接触したときに容量の変化に応答して第２の振幅に変化する、定周波数発振信号を発振器によって生成するステップと、
発振信号を発振出力信号の第１の振幅に制御することによって固定されたレベルにサーボ制御するための発振器に結合されたフィルタによって、発振信号をフィルタリングするステップと、
定周波数信号の振幅が第１の振幅のときに第３の振幅を有し、定周波数信号の振幅が第２の振幅のときに第４の振幅を有するように、フィルタに結合された整流器によって定周波数出力信号の出力を整流するステップと、
定周波数信号の整流された出力の振幅が第３の振幅から第４の振幅に変化したことを検出するステップと、
第３の振幅から、プローブが液体の表面と接触中であることを示す第４の振幅への変化を検出したことに応答して変化信号を生成するステップとを備えることを特徴とする、プローブが液体の表面と接触したことを検出する方法。 - さらに、変化信号に応答して、液体の表面に対するプローブの位置を制御するステップを備えることを特徴とする、請求項１６に記載の、プローブが液体の表面と接触したことを検出する方法。
- プローブが、密封された容器中の液体をサンプリングするための貫通サンプリング・プローブであり、さらに、密封された容器中の液体の表面に対するプローブの位置を制御するステップを備えることを特徴とする、請求項１７に記載の、プローブが液体の表面と接触したことを検出する方法。
- さらに、定周波数信号の整流された出力の振幅が第３の振幅から第４の振幅に変化したときに、定周波数信号の第２の振幅を第１の振幅に戻すステップを備えることを特徴とする、請求項１６に記載の、プローブが液体の表面と接触したことを検出する方法。
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