JP3860313B2 - 超音波液面検知装置及びこの装置を用いた液面検知方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分析用液体（血清，血漿，尿又は試薬等）の液面検知に超音波を利用した超音波液面検知装置に関し、特に自動分析装置へ投入する容器内の液体の液面高さを算出する超音波液面検知装置および液面検知方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から臨床検査分野において、人体から摂取した血液，尿又は分泌物等の検体に含まれる情報を基に、各人の健康状態を判定する検査が一般的に行われている。特に近年では、検査時間の短縮化及び検査に要する作業の省力化の他に、検査時におけるウイルス感染の防止や、人的作業ミスの防止等が注目される傾向がある。このような背景の基に開発された自動分析装置や、分析装置に検体をかける前工程における、検体の仕分け作業を行う自動分注においては、吸引ノズルを用いて自動で検体容器に収容される検体を所定量吸引している。
【０００３】
また、試薬についても検体の場合と同様、別の或いは同じ吸引ノズルを用いて、所定量の試薬を自動で吸引している。
以上述べた吸引ノズルによる吸引に際して、検体又は試薬の液面高さは、従来から何らかの検知手段を用いて求めており、その求めた結果に基づいて分注ノズルの挿入量が決定されていた。なお、この場合の液面検知としては、コンタミネーションや、キャリーオーバーを防止するために、検体又は試薬と検知手段とは非接触であることが望ましかった。
【０００４】
以下に、実開昭５７−１６８７２号公報を参照して、従来の液面検知技術に関して説明をする。図６に示す分注装置１は、超音波発振器２と超音波受信器３とから成る液面検知のための検知プローブ４と、該検知プローブ４で検知した検知情報を基に所定量下降して検体５を吸引する分注ノズル６とから構成されている。
【０００５】
検知プローブ４は、超音波を利用して検体液面５ａを検知するために、不図示の固定部材によって分注対象となる検体５を収容した検体容器７上方に固定配置される。また、分注ノズル６は、検知プローブ４により検出された検体液面５ａ情報に応じた昇降が可能となるようにラック８が固着されており、このラック８に可逆モータ９の出力軸に取り付けられているピニオン１０が噛合することで、図中で上下に両矢印で示しているように分注ノズル６を検体液面５ａに向けて昇降可能にしていた。従来は、このように検体容器７内の検体液面５ａの高さを検知した後、検体を所定量分注するようにしていた。
【０００６】
詳述すると、検体容器７上方の定位置に固定された検知プローブ４（超音波発振器２）から所定周波数の超音波を検体容器７に向けて発振する。検知プローブ４（超音波受信器３）は、検体容器７内の検体液面５ａで反射された反射波を受信し、発振から受信されるまでの時間を基に検知プローブ４から検体液面５ａまでの距離を算出する。次いで、算出した距離に基づき、可逆モータ９の回転を制御して、その回転制御によって、分注ノズル６の下降量を制御していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
通常、臨床検査分野において用いられている検体容器７等の容器には様々な種類があるが、その中で容器の径が検知プローブ４の挿入可能な程度であれば特に問題が生じることはないが、容器によっては、検知プローブ４の挿入不可能な程度の径、例えば１０mm前後の細径の容器を用いた場合に、以下のような問題が生じていた。
【０００８】
これは、検知プローブ４による液面検知が、主に容器の上方からの検知に限定されてしまっていることが要因として挙げられる。即ち、超音波は拡散する特性があるため、細径の容器に収容された検体の液面高さ情報を測定しようとした場合、検体液面５ａから反射した反射波の受信より先に、検体容器７の上端縁７ａで反射した超音波パルスの方が先に検知プローブ（超音波受信器３）４によって受信されてしまうことがある（図７参照）。
【０００９】
通常、この反射波は微弱なため、検体液面５ａ以外で反射した反射波を検知することは少ないが、検体容器７の上端縁７ａ全周からの反射が干渉を起こした場合、この反射波が大きくなり、液面高さが検知できない場合がある。
【００１０】
また、検知状況の具合よっては、検体液面５ａからの反射波自体が、弱め合う干渉を起こして、検体液面５ａで反射した反射波が検知できない場合もある。
本発明の目的は、液体を収容した容器内の液面を検知するに際して、容器の上端縁を検知して、液面からの反射波の干渉等によって生ずる問題を解決して、正確に液体の液面を検知することができる超音波液面検知装置及びこの装置を用いた液面検知方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、容器内に収容された分析用液体の液面高さ情報を得るための超音波検知プローブを備えた超音波液面検知装置において、容器の上端縁高さ情報を得る高さ検知手段と、超音波検知プローブと容器との相対位置を変更する変更手段と、高さ検知手段で得た容器の上端縁高さ情報と超音波検知プローブで得た液面高さ情報とに基づいて変更手段を制御する制御手段とを具備したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、容器内に収容された分析用液体の液面高さ情報を得るための超音波検知プローブを備えた超音波液面検知装置において、容器の上端縁高さ情報を得る高さ検知手段と、超音波検知プローブと容器との相対位置を変更する変更手段と、高さ検知手段で得た容器の上端縁高さ情報と超音波検知プローブで得た液面高さ情報とに基づいて変更手段を制御する制御手段と、高さ検知手段で得た容器の上端縁高さ情報に基づいて、超音波検知プローブで得た情報が液面以外の高さ情報であるか否かを判別する手段とを備えており、判別する手段によって、判定手段の出力に応じて、再度液面を検知するために、変更手段を制御して超音波検知プローブと容器との相対位置を変更することを特徴とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項３記載の発明は、容器内に収容された分析用液体の液面高さ情報を得る超音波検知プローブを備えた超音波液面検知方法において、超音波検知プローブと容器とを相対的に水平移動させながら、超音波検知プローブによって得られた容器の上端縁高さ情報と上記液面高さ情報に基づいて、容器内の液面を検知することを特徴とする。
【００１４】
請求項１に係る発明は、高さ検知手段で得た容器の上端縁高さ情報と超音波検知プローブで得た液面高さ情報とに基づいて、超音波検知プローブと容器との相対位置を変更することによつて、液面高さを正確に検知することができる。
【００１５】
請求項２に係る発明は、高さ検知手段で得た容器の上端縁高さ情報に基づいて、超音波検知プローブで得た情報が液面以外の高さ情報であるか否かを判別することによって、再度液面を検知するために、変更手段を制御して超音波検知プローブと容器との相対位置を変更することができるものである。
【００１６】
請求項３に係る発明は、超音波検知プローブと容器とを相対的に移動させながら、超音波検知プローブによって得られた高さ情報に基づいて、容器内の検体液面を迅速に検知することができるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳述する。
（第１の実施形態）
図１は、第１実施形態の液面検知装置を備えた分注装置のシステム構成図である。異なる液体（以下、「検体」と称する）５を夫々収容した複数の検体容器７は、検体ラック１１に夫々挿入配置されており、該検体ラック１１を載置した搬送ラインは、検体容器７を液面検知位置と分注ノズル６による検体分注位置に順番に位置決めを行う。
【００１８】
液面検知位置に搬送される検体容器７の側方には、検体ラック１１に収容された検体容器７の上端縁７ａの高さ位置を検知するための、高さが異なる３つの高さ検知センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃを所定間隔に配置してあり、各高さ検知センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、集中処理部１３に接続される。
【００１９】
液面検知位置に位置決めされた検体容器７上方には、超音波発振器２及び超音波受信器３を備えた検知プローブ４が位置決めされており、この検知プローブ４は、検体容器７の開口部側に向けて超音波を発振すると共に、検体液面５ａで反射して戻ってきた反射波を受信できるように検知状態が変更可能な保持具１４に保持される。
【００２０】
集中処理部１３にコントロール回路１５を介して接続されている保持具１４は、集中処理部１３からのコマンドを受けると、そのコマンドを受けたコントロール回路１５は、保持具１４を制御して、検体容器７（鉛直方向を基準となる軸と仮定して）に対して、検知プローブ４の検知状態を上下方向（Ｚ軸）１６，水平方向（Ｘ軸，Ｙ軸）１７，回動方向（θ）１８又は傾斜角度（γ°）１９の変化量の何れか或いはその複合で変更可能且つ変更量の制御を変更可能に構成する（図２参照）。
【００２１】
検知プローブ４は、超音波受信器３によって受信した反射波信号を増幅するアンプ機能を備えた演算回路２０を介して集中処理部１３に接続される。
また、集中処理部１３には、高さ検知センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの検知信号と演算回路２０の出力に応じて、保持具１４による検知プローブ４の検知状態の変更を制御するコントロール回路１５が接続される。さらに、集中処理部１３に、分注ノズル６の上下動を制御するためのモータ制御回路２１が接続される。
【００２２】
分注ノズル６は、検体容器７から所定量の検体５を吸引するために、配管４ａを介して、シリンジ２２に接続されている。さらに、分注ノズル６は、一対のプーリ２３、２４に掛け渡されたタイミングベルト２５に取付けられている。上記プーリ２３は、可逆モータ９に接続されており、モータ制御回路２１を制御することでプーリ２３の回転方向と回転数とを制御し、検体容器７に向けて分注ノズル６を上下動させる。
【００２３】
上述した実施形態の動作を、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。先ず、ラック搬送装置によって、複数本の検体容器７を保持した検体ラック１１を液面検知位置まで搬送する（ステップＳ１）。
【００２４】
検体容器７が液面検知位置に搬送されると、高さ検知センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの検知情報によって、検体容器７の上端縁７ａの高さ情報を集中処理部１３に出力する。次いで、高さ情報を得た集中処理部１３は、検体容器７の上端縁７ａから検知プローブ４までの距離（以下「検体容器の高さ情報」と称する）を算出する（ステップＳ２）。
【００２５】
次いで、検知プローブ（超音波発振器２）４から検体容器７内の検体液面５ａに対して、超音波を発振する。発振された超音波は、検体液面５ａで反射した後、検知プローブ４（超音波受信器３）で受信される。演算回路２０は、受信した超音波が超音波発振器２から発振されてから、検体液面５ａで反射して、超音波受信器３によって受信されるまでに要した時間を基に、検体容器７内の検体液面５ａから検知プローブ４までの距離（以下「液面高さ情報」と称する）を算出し、この液面高さ情報を集中処理部１３に出力する（ステップＳ３）。
【００２６】
集中処理部１３は、液面高さ情報と検体容器７の高さ情報とを比較する（ステップＳ４）。
ここで、仮に液面高さ情報と検体容器７の高さ情報とが一致した場合又は超音波受信器３で反射波が受信できていなかった場合、集中処理部１３は、検知プローブ４で検体液面５ａを再検知する旨のコマンドをコントロール回路１５に出力する（ステップＳ５）。
【００２７】
コマンドを受けたコントロール回路１５は、検知プローブ４の検知状態を予め設定されている変更量に従って保持具１４を制御する（ステップＳ６）。
その後、ステップＳ３、ステップＳ４の工程を行なうようにする。
【００２８】
なお、ステップＳ４で、正常な液面検知が行なわれていた場合、検体分注位置まで検体容器７を搬送して位置決めした後、検知プローブ４から検体容器７の検体液面５ａまでの距離情報を算出する（ステップＳ７）。
【００２９】
次いで、ステップＳ７で算出した距離情報をコントロール回路１５からモータ制御回路２１に出力する。モータ制御回路２１は、可逆モータ９の回転方向と回転数とを制御して、プーリ２３，２４間で吸引ノズル６の下降量を制御する。さらに、シリンジ２２を制御して、吸引ノズル６から所定量の検体５を吸引した後、別の位置にある反応容器（図示せず）内に所定量の検体を分注する（ステップＳ８）。
【００３０】
第１実施形態によれば、分注前の液面高さ情報を算出する際に、検体容器７の上端縁７ａで反射した反射波による影響がある場合或いは検体液面５ａから反射した反射波が超音波の干渉等による影響で得られない場合、検知プローブ４の検知状態を変更して再検知を行うようにしたので、正確な液面を検知することができる。
【００３１】
なお、検知プローブの変更量としては、実際、非常に微量に設定してあり、例えば水平方向（Ｘ軸，Ｙ軸）１７で変更する場合、変更量としては、０．１〜０．２mm程度に設定する。
【００３２】
また、変更回数に関しても、特に１回のみに限定されるものではなく、例えば必要な回数行うようにすることもできる。
また、高さの異なる検体容器７が検体ラック１１ａ，１１ｂ，１１ｃに収容されていたとしても、高さ検知センサ１２からの出力に基づいて、集中処理部１３で検知情報を算出し、その検知情報に応じて検知プローブ４の検知状態、ここでは、高さを検体容器７毎に迅速に変更することによつて、超音波の拡散による影響を抑えることができる。
（第２実施形態）
図４は、第２の実施形態の液面検知装置を示したものである。第２実施形態の液面検知装置と第１実施形態の液面検知装置との相違点は、検体容器２６，２７，２８の高さ検知センサ１２を備えていない点と、検知プローブ４を保持する保持具１４が検体容器列の線上での水平移動（検体ラック１１の長手方向）に限定した点である。なお、第１実施形態と同じ構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
なお、検知プローブ４が位置している高さ位置については、検体ラック１１に収容される複数の検体容器２６，２７，２８で一番長い検体容器２７（２８）の上端縁２７ａ，２７ｂ（２８ａ，２８ｂ）上方の位置にくるようにするのが好適である。これは、一般に超音波が拡散し易い性質を有していることを考慮したものであり、仮に検体容器の上端縁と検知プローブとの距離が離れすぎていたとすれば、検知プローブ４（超音波発振器２）から発振した超音波は拡散してしまい検体容器の上端縁で反射した超音波が検知プローブ４（超音波受信器３）で受信して影響を受けてしまう可能性がある。このような影響を防止する意味で一番長い検体容器２７（２８）上方近傍の位置、例えば５mm程度の隙間を有するように検知プローブ４を位置決めすることで、超音波の拡散による影響を小さくするようにしていた。
【００３４】
また、検知プローブ４の走査領域は、検体ラック１１に収容された検体容器２６，２７，２８の内、検体ラック１１両端にある検体容器２６，２８の外周（上端縁２６ａ，２８ｂ）を検知できる程度、即ち検体ラック１１より少し長い程度の移動領域であることが好ましい。なお、ここでは説明上、検体ラック１１に保持されている検体容器を３本で説明したが、検体ラック１１に保持される検体容器の数は、特に３本に限定されるものではない。
【００３５】
超音波受信器３により受信された反射波は、演算回路２０で処理された後に集中処理部１３に出力され、検体容器２６，２７，２８内の液面高さ情報を算出する。なお、図５は、検知プローブの走査時間（横軸）と検知プローブから検体液面までの距離（縦軸）、検体容器の上端縁までの距離（縦軸）及び検体ラックまでの距離（縦軸）との関係を示したものであり、詳述すると検知プローブ４が、検体容器２６，２７，２８を走査して得た反射波に基づき、横軸に検知プローブ４の走査時間を取り、縦軸に走査時間に基づいて算出した検知プローブ４からの距離を表したものである。
【００３６】
次いで、集中処理部１３は、反射波パルス２９ａ，２９ｂ，３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂが、検体容器２６，２７の上端縁２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂであることを判定すると共に、反射波パルス３２が検体ラック１１であると判断する。
【００３７】
さらに、これら反射波パルス３０ａ，３０ｂ及び３１ａ，３１ｂで挟まれた反射波パルス３０ｃ，３１ｃが、検体容器２７，２８内の検体液面から反射したものであるとの判断を行う。
【００３８】
また、検体容器２６の上端縁２６ａ，２６ｂからの反射波パルス２９ａ，２９ｂの間に、検体液面２６ｃからの反射波パルスが弱い場合に起因し、正常な反射波パルス２９ｃの他に誤検知部分（反射波パルス）２９ｄや反射波パルスが受信できないことに起因した検知不能部分（パルスの欠損部分）２９ｅを検知してしまった場合、集中処理部１３は、誤検知部分２９ｄ及び検知不能部分２９ｅを異常波形であると判断し、正常な反射波パルス２９ｅを判別する。
【００３９】
第２実施形態によれば、検体容器内の検体の液面高さ情報を、同一液面の液面検知を短時間のうちに数回から数十回の行うことができるので、正確な液面高さ情報を得ることができる。
【００４０】
さらに、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、種々変更が可能である。例えば、第２実施形態において、検知プローブを移動させる代りに、検体ラック（検体容器列）を一定速度で移動させるようにすることもできる。
【００４１】
また、検知プローブと検体容器とを共に相対的に水平移動するような検知状態の変更を可能にすると、装置自体をさらに小型化することができる。
また、再検知を検知プローブの検知状態の変更で行わないでも、検体容器の検知状態を変更することによっても制御することができる。
【００４２】
また、高さ検知センサの配置場所は、検体容器の上端縁の高さを検知可能な場所であれば、特に搬送ライン上に限定されるものではなく、検体容器の高さ情報が分かる位置でさえあれば、何処でも高さ検知センサを設けることができる。
【００４３】
この様にすると、次に検知すべき検体容器上端縁の高さを知ることができるので、その検体容器上端縁の高さに応じた位置に、速やかに検知プローブの高さを位置決めしておくことができる。
【００４４】
また、高さ検知センサの数に関しても特別に規定されるものではなく、例えば１個の高さ検知センサを上下動可能に設けておき、検体容器上端の高さを検知するようにすることもできる。
【００４５】
また、高さ検知センサとして、超音波を用いたセンサであってもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は、容器内に収容された液体の液面高さ検知の際に、容器の上端縁からの反射波による影響或いは反射波の干渉等を除去して、液面の正確な検知を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１実施形態に係る液面検知を行う分注装置を示したシステム構成図である。
【図２】図２は、検知プローブの検知状態の変更を示した斜視図である。
【図３】図３は、第１実施形態に係るフローチャートである。
【図４】図４は、第２実施形態に係る液面検知を示した略図である。
【図５】図５は、第２実施形態に係る液面検知で求めた走査時間−距離との関係を示した関係図である。
【図６】図６は、液面検知を行う従来の分注装置を示した構成図である。
【図７】図７は、従来の問題点を示す略図である。
【符号の説明】
１ 分注装置
２ 超音波発振器
３ 超音波受信器
４ 検知プローブ
４ａ 配管
５ 検体
５ａ 検体液面
６ 分注ノズル
７ 検体容器
７ａ 上端縁
８ ラック
９ 可逆モータ
１０ ピニオン
１１ 検体ラック
１２，１２ａ〜１２ｃ 高さ検知センサ
１３ 集中処理部
１４ 保持具
１５ コントロール回路
１６ 上下方向（Ｚ軸）
１７ 水平方向（Ｘ軸，Ｙ軸）
１８ 回動方向（θ）
１９ 傾斜角度（γ°）
２０ 演算回路
２１ モータ制御回路
２２ シリンジ
２３，２４ プーリ
２５ タイミングベルト
２６，２７，２８ 検体容器
２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂ 上端縁
２６ｃ 検体液面
２９ａ〜２９ｅ，３０ａ〜３０ｃ，３１ａ〜３１ｃ，３２ 反射波パルス

Claims (3)

1. 容器内に収容された液体の液面高さ情報を得るための超音波検知プローブを備えた超音波液面検知装置において、
   容器の上端縁高さ情報を得るための高さ検知手段と、
   超音波検知プローブと容器との相対位置を変更するための変更手段と、
   高さ検知手段で得られた容器の上端縁高さ情報と超音波検知プローブで得られた液面高さ情報とに基づいて変更手段を制御するための制御手段とを具備したことを特徴とする超音波液面検知装置。
2. 容器内に収容された液体の液面高さ情報を得るための超音波検知プローブを備えた超音波液面検知装置において、
   容器の上端縁高さ情報を得るための高さ検知手段と、
   超音波検知プローブと容器との相対位置を変更するための変更手段と、
   高さ検知手段で得られた容器の上端縁高さ情報と超音波検知プローブで得られた液面高さ情報とに基づいて変更手段を制御する制御手段と、
   高さ検知手段で得られた容器の上端縁高さ情報に基づいて、超音波検知プローブで得られた情報が液面以外の高さ情報であるか否かを判別する手段とを備えており、判定手段の出力に応じて、再度液面を検知するために、変更手段を制御して超音波検知プローブと容器との相対位置を変更することを特徴とする超音波液面検知装置。
3. 容器内に収容された分析用液体の液面高さ情報を得る超音波検知プローブを備えた超音波液面検知方法において、
   超音波検知プローブと容器とを相対的に水平移動させながら、超音波検知プローブによって得られた容器の上端縁高さ情報と上記液面高さ情報に基づいて、容器内の液面を検知することを特徴とする液面検知方法。

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