JP4009548B2 - 分注装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分注装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
少量の液体を自動的に分注する分注装置が広く用いられている。分注装置では、ディスポーザブルのノズルチップを装着し、このノズルチップの先端開口（下端開口）から液体を吸入・吐出する。自動化された分注装置では、各種のエラー状態を検知する必要がある。分注装置において発生し得るエラーの１つとして、ショートサンプルエラーがある。ショートサンプルエラーは、ノズルチップ内に液体を吸入しているとき、吸入先の容器内の液体が足りなくなり、途中からノズルチップ内に気体を吸入してしまうという現象（エラー）である。
【０００３】
従来の分注装置では、液体を吸入するための気体流路内に流量センサを設置して、この流量センサで検出された気体流量の変化によって、ショートサンプルエラーの発生を検知している（例えば、特許文献１参照）。また、ノズルチップ内の圧力レベルを積算し、その積算値を所定の基準値と比較してショートサンプルエラーを検出する分注装置もある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
しかしながら、上記の方法では、微量の液体を分注する分注装置の場合には、気体流量およびその変化が微弱過ぎたり、圧力レベルの積算値が小さ過ぎたりするために、ショートサンプルエラーを検知することができなかった。近年では、従来よりもさらに微量の分注を行うことが分注装置に要求されているので、微量分注の場合にもショートサンプルエラーを検知することができる分注装置が要望されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２３９３２３号公報
【特許文献２】
特開平２−１９６９６３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、微量の分注を行う際にもショートサンプルエラーの発生を確実に検知することができる分注装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）〜（１０）の本発明により達成される。
【０００８】
（１） 着脱自在に装着したノズルチップの先端開口から液体を吸入・吐出する分注装置であって、
気体を吸入・吐出するポンプと、
前記ポンプの作動により気体が流入・流出する開口を有し、前記ノズルチップが着脱自在に装着されるチップ装着部と、
前記チップ装着部を少なくとも上下方向に移動させる移動手段と、
前記ポンプおよび前記移動手段の作動を制御する制御手段と、
前記チップ装着部に装着された前記ノズルチップ内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記ノズルチップ内に液体を吸入しているとき、吸入先の容器内の液体が足りなくなり、途中から前記ノズルチップ内に気体を吸入してしまう現象であるショートサンプルエラーの発生を検知するショートサンプルエラー検知手段とを備え、
前記ショートサンプルエラー検知手段は、液体を吸入している途中で前記ノズルチップの先端開口から気体が入り始める瞬間に前記先端開口付近に生じた気液界面に作用する液体の表面張力によって前記ノズルチップ内の圧力が急激に低下することを、前記圧力検出手段により検出された圧力に基づいて検知することにより、ショートサンプルエラーの発生を検知することを特徴とする分注装置。
【０００９】
（２） 前記ショートサンプルエラー検知手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力を所定の判定値と比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定する上記（１）に記載の分注装置。
【００１０】
（３） 前記ショートサンプルエラー検知手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力を時間で１回微分した値を所定の判定値と比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定する上記（１）に記載の分注装置。
【００１１】
（４） 前記ショートサンプルエラー検知手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力を時間で２回微分した値を所定の判定値と比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定する上記（１）に記載の分注装置。
【００１２】
（５） 前記ショートサンプルエラー検知手段は、液体の吸入を開始した直後における前記圧力検出手段の検出結果を除外して、ショートサンプルエラーの発生の有無を判定する上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の分注装置。
【００１３】
（６） 前記ノズルチップの先端開口の内径は、０．０５〜０．８ｍｍである上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の分注装置。
【００１４】
（７） 前記ノズルチップの実質容量は、０．５〜１０００μＬである上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の分注装置。
【００１５】
（８） 前記ショートサンプルエラー検知手段によりショートサンプルエラーの発生を検知した場合、前記制御手段は、そのショートサンプルエラーの発生までに前記ノズルチップ内に吸入した液体の量を推定し、その推定された液体吸入量に基づいて、その後の分注動作を制御する上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の分注装置。
【００１６】
（９） 前記制御手段は、前記推定された液体吸入量と予め設定された１回の分注量とに基づいて分注可能な回数を推定し、その回数の分注が終わるまで分注動作を続行する上記（８）に記載の分注装置。
【００１７】
（１０） 前記チップ装着部に装着された前記ノズルチップを交換する交換手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記推定された液体吸入量と予め設定された１回の分注量とに基づいて分注可能な回数を推定し、その回数の分注が終わるまで分注動作を続行し、分注した回数が予め設定された回数に達していない場合には、前記チップ装着部に装着された前記ノズルチップを交換して新たに液体を吸入し、足りない分の回数の分注動作を行う上記（８）に記載の分注装置。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の分注装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の分注装置の実施形態を示す斜視図、図２は、図１に示す分注装置におけるｘ軸方向移動手段を示す斜視図、図３は、図１に示す分注装置におけるｙ軸方向移動手段、ｚ軸方向移動手段および分注ヘッドを示す斜視図、図４は、図１に示す分注装置におけるポンプ、チップ装着部およびノズルチップを示す縦断面図である。
【００２０】
なお、以下では、説明の都合上、水平な一方向（装置の左右方向）をｘ軸方向、ｘ軸方向に対し垂直かつ水平な方向（装置の前後方向）をｙ軸方向、鉛直方向（上下方向）をｚ軸方向と言う。また、図１中では、分注ヘッド、アーム等の細部を省略して図示する。
【００２１】
図１に示すように、分注装置１は、装置本体２と、該装置本体２に対し移動可能に設置された分注ヘッド３とを備えている。この分注装置１は、患者から採取した例えば血液または血清等の血液成分、尿等の液体状の親検体（元検体）を分注して小分けにする（取り分ける）ことにより検査用の子検体を作成したり、あるいは、少量の試薬（薬液）を予め設定された吐出位置に吐出して付与したりするような分注動作を行う装置である。
【００２２】
装置本体２は、作業台２１と、作業台２１の後ろ側に立設された機器収納部２２と、機器収納部２２の上方に設けられた第２の機器収納部２３と、第２の機器収納部２３の片側の部分から前方に突出する突出部２４とを有している。
【００２３】
作業台２１上には、検体（液体）を収納する例えば試験管のような容器が複数並べて配置（載置）される。本実施形態では、作業台２１上には、複数の試験管を立てた状態で行列状に保持する試験管ラック１００を複数載置可能になっている。そして、親検体を収納した試験管や、子検体を収納する試験管は、それぞれ、これらの試験管ラック１００に保持される。
【００２４】
また、作業台２１上における試験管ラック１００の後方には、チップラック２００を載置可能になっている。チップラック２００は、ディスポーザブル（使い捨て）のノズルチップ３００を立てた状態で行列状に複数並べて保持し得るようになっている。
【００２５】
装置本体２には、分注ヘッド３を支持するアーム１１が設置されている。アーム１１は、その長手方向がｙ軸方向となる姿勢で配置され、その後端部は、機器収納部２２に支持されている。機器収納部２２には、後述するｘ軸方向移動手段４が設けられており、この作動により、アーム１１は、装置本体２に対しｘ軸方向に移動する。
【００２６】
分注ヘッド３は、アーム１１の長手方向、すなわちｙ軸方向に沿って移動可能に支持されている。分注ヘッド３は、後述するｙ軸方向移動手段５の作動により、装置本体２に対しｙ軸方向に移動する。
【００２７】
分注ヘッド３は、ｘ軸方向移動手段４およびｙ軸方向移動手段５の作動の組み合わせにより、作業台２１の上方の空間（作業空間）において、ｘｙ平面内で移動可能になっている。
【００２８】
突出部２４の前面には、例えばタッチパネルで構成された表示手段２５が設置されている。表示手段２５には、例えば各種条件を設定する入力画面等が表示され、操作者は、表示手段２５に指で触れることにより、各種条件の設定等を行う。また、表示手段２５には、例えば分注装置１の状態、エラーの発生等の情報も表示される。
【００２９】
図２に示すように、ｘ軸方向移動手段４は、機器収納部２２に設置されたガイドレール１２の案内によりｘ軸方向に沿って移動可能に設置されたスライドブロック（移動体）４１と、ガイドレール１２の両端付近にそれぞれ設置された駆動プーリー（ベルト車）４２および従動プーリー（ベルト車）４３と、駆動プーリー４２を回転駆動するパルスモーター（ステッピングモーター）４４と、駆動プーリー４２および従動プーリー４３に掛け回されたベルト４５とを有している。
【００３０】
スライドブロック４１は、突出形成された固定部４１１にてベルト４５の一部に固定されている。スライドブロック４１には、アーム１１の後端部が固定されている。
【００３１】
パルスモーター４４が駆動プーリー４２を回転駆動すると、ベルト４５が回転し、ベルト４５に牽引されてスライドブロック４１がｘ軸方向に移動する。これに伴って、アーム１１もｘ軸方向に移動する。スライドブロック４１およびアーム１１は、パルスモーター４４の正転／逆転の切り換えにより、装置本体２に対し右方向または左方向に移動する。
【００３２】
ベルト４５は、駆動プーリー４２および従動プーリー４３の外周面に形成された歯と噛み合う歯を有する歯付きベルトで構成されており、駆動プーリー４２および従動プーリー４３に対し滑りを生じないようになっている。
【００３３】
図３に示すように、ｙ軸方向移動手段５は、図示しないガイドレールの案内によりアーム１１の長手方向に沿って移動可能に設置されたスライドブロック（移動体）５１と、アーム１１の後端付近に設置された駆動プーリー（ベルト車）５２と、アーム１１の前端付近に設置された従動プーリー（ベルト車）５３と、アーム１１の後端付近に設置され、駆動プーリー５２を回転駆動するパルスモーター（ステッピングモーター）５４と、駆動プーリー５２および従動プーリー５３に掛け回されたベルト５５とを有している。
【００３４】
スライドブロック５１は、ベルト５５の一部に固定されている。スライドブロック５１には、分注ヘッド３のフレーム３１が固定されている。
【００３５】
パルスモーター５４が駆動プーリー５２を回転駆動すると、ベルト５５が回転し、ベルト５５に牽引されてスライドブロック５１がアーム１１の長手方向すなわちｙ軸方向に移動する。これに伴って、分注ヘッド３も、ｙ軸方向に移動する。スライドブロック５１および分注ヘッド３は、パルスモーター５４の正転／逆転の切り換えにより、装置本体２に対し前方または後方に移動する。
【００３６】
ベルト５５は、駆動プーリー５２および従動プーリー５３の外周面に形成された歯と噛み合う歯を有する歯付きベルトで構成されており、駆動プーリー５２および従動プーリー５３に対し滑りを生じないようになっている。
【００３７】
分注ヘッド３は、ｚ軸方向に長い部材で構成された骨格をなすフレーム３１と、ノズルチップ３００を装着可能なチップ装着部３２とを有している。
【００３８】
図４に示すように、チップ装着部３２は、その内部に通気流路３２１が形成されたほぼ管状の部材で構成されている。チップ装着部３２の構成材料は、例えばステンレス鋼、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅系合金等の各種金属材料であるのが好ましい。
【００３９】
ノズルチップ３００は、合成樹脂材料で構成された管状の部材（成形品）であり、好ましくは少なくともその先端側（下端側）の部分が先細りになっている。このノズルチップ３００は、その基端開口（上端開口）３０２に、チップ装着部３２の下端部が挿入して嵌合することにより、チップ装着部３２に着脱自在に装着される。また、ノズルチップ３００は、半透明または透明である（光透過性を有している）のが好ましい。
【００４０】
図３に示すように、分注ヘッド３のフレーム３１には、空気（気体）を吸入・吐出するポンプ７が設置されている。本実施形態では、ポンプ７は、シリンダ７１とプランジャ（ピストン）７２とを有するシリンジポンプ（ピストンポンプ）で構成されている。図４に示すように、ポンプ７と、チップ装着部３２の上端開口部とは、可撓性を有する配管チューブ３３で接続されており、互いの内部空間が連通している。ポンプ７が作動すると、配管チューブ３３を空気（気体）が通ってチップ装着部３２の下端開口３２２から空気（気体）が流入・流出し、これにより、ノズルチップ３００内の圧力を増減させて、ノズルチップ３００の先端開口３０１から液体を吸入・吐出することができる。
【００４１】
分注ヘッド３のフレーム３１には、ポンプ７のプランジャ７２を移動させるポンプ駆動手段１４が設置されている。ポンプ駆動手段１４は、図示を省略するが、例えば、ボールねじ（送りねじ）機構とこれを駆動するパルスモーター（図示せず）とによってプランジャ７２をシリンダ７１に対して移動させるように構成されている。ポンプ７の作動は、このポンプ駆動手段１４を介して、後述する制御手段１３によって制御される。
【００４２】
図４に示すように、分注装置１では、チップ装着部３２に装着されたノズルチップ３００内の気圧を検出する圧力センサ（圧力検出手段）１６が設けられている。本実施形態では、圧力センサ１６は、チップ装着部３２に装着されたノズルチップ３００内に連通している配管チューブ３３内の気圧を検出することで、ノズルチップ３００内の圧力を検出することとしている。なお、圧力センサ１６は、チップ装着部３２に装着されたノズルチップ３００内に連通するところであればいかなる位置に設置されていてもよい。
【００４３】
チップ装着部３２は、フレーム３１に対しｚ軸方向に移動可能に設置されており、ｚ軸方向移動手段６の作動により、装置本体２に対しｚ軸方向に移動（昇降）する。
【００４４】
図３に示すように、ｚ軸方向移動手段６は、フレーム３１に対し図示しないガイドレールの案内によりｚ軸方向に沿って移動可能に設置されたスライドブロック（移動体）６１と、フレーム３１の上端付近および下端付近にそれぞれ設置された従動プーリー（ベルト車）６２および６３と、ベルト６４とを有している。
【００４５】
スライドブロック６１は、固定部材６７を介して、ベルト６４の一部に固定されている。スライドブロック６１には、支持部６８を介して、チップ装着部３２が固定されている。
【００４６】
スライドブロック５１の内部には、ベルト６４を駆動する駆動プーリー（図示せず）が設置されており、ベルト６４は、従動プーリー６２および６３に掛け回されるとともに、その中間の部分においてスライドブロック５１内に引き込まれ、この駆動プーリーにも掛け回されている。
【００４７】
スライドブロック５１内の駆動プーリーは、アーム１１の後端付近に設置されたパルスモーター（ステッピングモーター）６５により回転駆動される。すなわち、図３に示すように、アーム１１には、アーム１１の長手方向に沿って延びるプロペラシャフト６６が回転可能に設置されており、パルスモーター６５の出力軸は、このプロペラシャフト６６に接続されている。プロペラシャフト６６は、スライドブロック５１およびその内部の駆動プーリーを貫通しており、スライドブロック５１は、プロペラシャフト６６を挿通した状態でｙ軸方向に移動する。スライドブロック５１内の駆動プーリーは、スライドブロック５１のプロペラシャフト６６に対する位置によらず、プロペラシャフト６６とともに回転するようになっている。
【００４８】
パルスモーター６５がプロペラシャフト６６を介してスライドブロック５１内の駆動プーリーを回転駆動すると、ベルト６４が回転し、ベルト６４に牽引されて、スライドブロック６１がｚ軸方向すなわち鉛直方向に移動する。これに伴って、チップ装着部３２およびノズルチップ３００も、ｚ軸方向に移動（昇降）する。チップ装着部３２およびノズルチップ３００は、パルスモーター６５の正転／逆転の切り換えにより、上昇または下降する。
【００４９】
なお、以下の説明では、ｘ軸方向移動手段４、ｙ軸方向移動手段５およびｚ軸方向移動手段６を総称して、チップ装着部３２を３次元方向に移動させるノズル移動手段１５と呼ぶことがある。
【００５０】
このような分注装置１の基本的な分注動作は、次のようなものである。まず、ノズル移動手段１５を作動して、分注ヘッド３を吸入先の容器４００の上方に移動した後、チップ装着部３２および装着されたノズルチップ３００を下降させて当該容器４００内にノズルチップ３００を挿入する。この状態でポンプ７を作動してノズルチップ３００内の圧力を減少させることにより、ノズルチップ３００内に液体を吸入する。
【００５１】
次いで、ノズルチップ３００を上昇させてから吐出先の容器の位置に分注ヘッド３を移動させる。次いで、ノズルチップ３００を吐出先の容器内に下降させ、ポンプ７を作動してノズルチップ３００内の圧力を増大させることにより、吸入した液体を吐出する。
【００５２】
続いて、異なる検体を分注する場合には、コンタミネーションを防止するため、次のようにしてノズルチップ３００を交換する。使用済みノズルチップ３００の取り外しは、分注ヘッド３を装置本体２に設置されたチップリムーバ２６（図３参照）の位置に移動させて行う。チップリムーバ２６は、チップ装着部３２がほぼ隙間なく挿入可能な幅の切欠き２６１を有する板状の部材であり、この切欠き２６１にチップ装着部３２を挿入してチップ装着部３２を上昇させると、ノズルチップ３００の上端がチップリムーバ２６の下面に当接することにより、ノズルチップ３００がチップ装着部３２から離脱する。次いで、分注ヘッド３をチップラック２００の上方に移動させ、起立保持された新しいノズルチップ３００に向かってチップ装着部３２を下降させることにより、当該ノズルチップ３００をチップ装着部３２に装着する。上記のように、分注装置１は、チップ装着部３２に装着されたノズルチップ３００を交換する交換手段を備えている。
【００５３】
図５は、図１に示す分注装置の概略的なブロック図、図６は、ショートサンプルエラー検知手段の回路構成を示す図、図７は、ショートサンプルエラーが発生する瞬間のノズルチップの先端開口付近を拡大して示す断面図、図８は、本発明の分注装置においてノズルチップ内に液体を吸入する際のノズルチップ内の圧力（気圧）を縦軸に、時間を横軸にとって示すグラフである。
【００５４】
図５に示すように、分注装置１は、各部の作動を制御する制御手段１３を備えている。制御手段１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１３１と、記憶部（記憶手段）１３２とを有している。
【００５５】
記憶部１３２は、プログラムやデータ等を記憶（記録）する、ＣＰＵ１３１に読み取り可能な記憶媒体（記録媒体）を有している。この記憶媒体は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory：揮発性、不揮発性のいずれをも含む）、ＦＤ（Floppy Disk（「Floppy」は登録商標））、ＨＤ（Hard Disk）、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read-Only Memory）等のような、磁気的、光学的記録媒体、もしくは半導体メモリで構成されている。この記憶媒体は、記憶部１３２に固定的に設けたもの、もしくは着脱自在に装着するものであり、この記憶媒体には、分注装置１の各部に対応する各種アプリケーションプログラム、分注装置１の制御動作を実行するためのプログラム等の各種プログラムおよび各種データが予め記憶されているとともに、各プログラムで処理されたデータおよび制御手段１３に接続された各部からの入力データ等が記憶される。
【００５６】
制御手段１３には、ポンプ駆動手段１４、ノズル移動手段１５および表示手段２５がそれぞれ接続されている。制御手段１３は、記憶部１３２に記憶された各種プログラムおよびデータを必要に応じて読み出し、そのプログラムおよびデータに基づいて、これらの各部の作動を制御する。なお、ポンプ駆動手段１４、ノズル移動手段１５に対する制御手段１３の制御は、オープンループ制御でも、クローズドループ制御でもよい。
【００５７】
さらに、制御手段１３には、後述するショートサンプルエラー検知手段１７と、圧力センサ１６により検出された気圧に基づいて、吸入しようとする液体の液面（液面の高さ）を検出する液面検出手段１８とがそれぞれ接続されている。
【００５８】
以下、分注装置１が行う液面検出工程について説明する。
液体をノズルチップ３００内に吸入しようとする際に、分注装置１は、液面検出工程を行う。液面検出工程では、制御手段１３は、ポンプ７から気体を吐出しながら、吸入先の容器４００内の液体の液面に向かってノズルチップ３００の先端開口３０１を下降させるように、ポンプ７およびノズル移動手段１５の作動を制御する。すなわち、ノズルチップ３００は、先端開口３０１から空気を吐出しながら容器４００内の液面に向かって下降する。
【００５９】
ノズルチップ３００が降下して先端開口３０１が液面下に没すると、ノズルチップ３００内の空気は、逃げ場を失い、ポンプ７によって圧縮されて気圧が上昇する（図８参照）。よって、液面検出手段１８は、液面検出工程において圧力センサ１６により検出された気圧が上昇したとき、ノズルチップ３００の先端開口３０１が液面下に没したものと判定することができ、これによって液面（液面の高さ）を検出する。なお、液面検出手段１８は、圧力センサ１６によって検出した気圧またはその時間微分値を所定の判定値（基準値）と比較することによって、この判定を行うように構成されている。
【００６０】
液面検出手段１８は、液面を検出すると、その検出信号を制御手段１３に出力する。制御手段１３は、液面検出手段１８から入力された検出信号に基づいて、ノズルチップ３００の下降を停止し、液体の吸入動作を開始する。液体の吸入動作中には、ノズルチップ３００の位置は停止したままでもよく、液面の降下に追随して先端開口３０１が下降するように制御してもよい。
【００６１】
なお、分注装置１では、吸入すべき液体の液面の高さが予め分かっている場合や、吸入先の容器４００の深さが極めて浅いものである場合などには、上述のような液面検出工程を行わず、ノズルチップ３００の先端開口３０１を所定の位置まで下降させてから液体の吸入を開始することとしてもよい。
【００６２】
さて、このような分注装置１における分注動作では、ノズルチップ３００内に液体を吸入しているとき、吸入先の容器４００内の液体が足りなくなり、途中からノズルチップ３００内に空気（気体）を吸入してしまう現象（エラー）であるショートサンプルエラーが発生する場合がある。図４は、このショートサンプルエラーが発生した状態を示している。ショートサンプルエラーが発生すると、予め設定された量（正規の量）の液体がノズルチップ３００内に吸入されない（液体の吸入量が足りない）こととなるため、分注装置１では、このショートサンプルエラーの発生を検知する必要がある。
【００６３】
本発明の分注装置１では、このようなショートサンプルエラーの発生を、圧力センサ１６により検出されたノズルチップ３００内の圧力（気圧）に基づいて検知するショートサンプルエラー検知手段１７を備えている。
【００６４】
以下、本発明の分注装置１におけるショートサンプルエラー検知手段１７について説明するが、その作用・効果を分かり易く説明するために、まず、比較例の分注装置におけるショートサンプルエラー検出方法について説明する。
【００６５】
図１１は、比較例の分注装置においてノズルチップ内に液体を吸入する際のノズルチップ内の圧力（気圧）を縦軸に、時間を横軸にとって示すグラフである。この比較例の分注装置は、分注する液体の量が本発明の分注装置よりも多いものであり、図１１は、２０００μＬの液体を吸入する場合のグラフである。
【００６６】
図１１に示すように、ノズルチップ内への液体の吸入を開始すると、ノズルチップ内の圧力は、低下していく。これは、ノズルチップ先端の細管部を流れる液体の粘性圧損（管摩擦損失）や動圧に比例する管路の圧力損失、さらにはノズルチップ内に吸入された液体の重量による水頭圧のためである。そして、液体を吸入している途中でショートサンプルエラーが発生すると、ノズルチップ先端の細管部を流れる液体がなくなるので、前記粘性圧損や管路の圧力損失が消え、また水頭圧も減少することから、同図に示すように、ノズルチップ内の圧力が急激に上昇する。比較例のショートサンプルエラー検出方法では、このノズルチップ内の圧力の急激な上昇を捉えて、ショートサンプルエラーの発生を検知している。
【００６７】
しかしながら、分注する液体の量が微量である場合には、ショートサンプルエラー発生時のノズルチップ内の圧力上昇がごく僅かなものになってしまう。その理由は、微量分注の場合には、液体の吸入速度が低いためにノズルチップ先端の細管部での液体の流量が少なく、また液体の吸入量も微量であることから、前記の粘性圧損や管路の圧力損失、および水頭圧の影響が小さいため、ショートサンプルエラー発生時にこれらの事象が消失、低減しても、ノズルチップ内の圧力変化に現れにくいためであると考えられる。このようなことから、上記の比較例の方法では、ショートサンプルエラーの発生を検出することができなかった。
【００６８】
そこで、本発明者らは、微量分注の場合であってもショートサンプルエラーの検出を可能とするべく、鋭意研究を重ねた結果、以下に説明するような本発明を完成するに至った。本発明者らの得た知見によれば、微量分注の場合、ノズルチップ３００内に液体を吸入する際のノズルチップ３００内の圧力は、図８のように変化する。図８は、３０μＬの液体をノズルチップ３００内に吸入する場合である。
【００６９】
図８に示すように、微量分注においては、ノズルチップ３００内の圧力は、液体吸入開始直後（図８中の矢印Ａ部）を過ぎて安定状態になると、緩やかに減少していく（図８中の矢印Ｂ部）。正常な吸引状態のときには、図中の破線で示すように、ノズルチップ３００内の圧力は、このまま緩やかな減少を続ける。これに対し、ショートサンプルエラーが発生すると、ノズルチップ３００内の圧力は、急激に減少した後、急上昇する負圧方向のピークを生じる（図８中の矢印Ｃ部）。
【００７０】
本発明者らは、微量分注の場合に、ショートサンプルエラーが発生したときにこのような図８中の矢印Ｃで示すピークを生じる理由は、次のようなものであることを見出した。
【００７１】
まず、ショートサンプルエラーが発生する前（図８中の矢印Ｂ部）におけるノズルチップ３００内の圧力ｐ（ｔ）は、ベルヌーイの定理により、下記式（Ｉ）で表される。
ｐ（ｔ）＝ｐ０−ρｇｈ−Δｐ ・・・（Ｉ）
前記式（Ｉ）において、ｐ０は、大気圧を表す。また、ρは、吸入する液体の密度、ｇは、重力加速度、ｈは、ノズルチップ３００内に吸入された液体の液面の高さをそれぞれ表し、ρｇｈは、ノズルチップ３００内に吸入された液体の水頭圧である。また、Δｐは、管摩擦損失を表す。
【００７２】
水頭圧ρｇｈは、ノズルチップ３００内に吸入された液体の量の関数であり、すなわち、液体の吸入流量Ｑと吸入開始からの経過時間（時刻）ｔとの関数であるため、関数ｐ１（Ｑ，ｔ）で表すことができる。
【００７３】
また、管摩擦損失Δｐは、実際にはそのほとんどがノズルチップ３００の先端開口３０１付近で発生し、また、先端開口３０１付近における平均流速ｖに比例する。ｖ＝Ｑ／（πｄ２／４）であるから（ｄは、先端開口３０１の内径）、管摩擦損失Δｐは、吸入流量Ｑのみの関数であり，関数ｐ２（Ｑ）で表すことができる。
【００７４】
よって、前記式（Ｉ）は、下記のように書き直すことができる。
ｐ（ｔ）＝ｐ０−ｐ１（Ｑ，ｔ）−ｐ２（Ｑ） ・・・（II）
吸入流量Ｑが一定である場合には、前記式（II）から分かるように、図８中の矢印Ｂ部におけるノズルチップ３００内の圧力は、時刻ｔの関数となり、緩やかに減少することが示される。
なお、式（II）は、α、βを定数として、ｐ（ｔ）＝ｐ０−Ｑ×（α＋βｔ）のように簡略化することもできる。
【００７５】
さて、液体を吸入している途中（途上）でショートサンプルエラーが発生する瞬間、すなわち、ノズルチップ３００の先端開口３０１から空気（気体）が入り込む瞬間には、先端開口３０１付近は、図７に示すような状態となる。図７に示すように、ショートサンプルエラーが発生する瞬間には、先端開口３０１から入り込んだ空気によって、先端開口３０１付近にほぼ球面状の気液界面（液面）Ｓが形成される。気液界面Ｓが形成されると、気液界面Ｓに作用する表面張力によるラプラス圧が発生し、ノズルチップ３００内の圧力は、このラプラス圧の分だけ小さくなる。このラプラス圧の絶対値は、液体の表面張力をσ、気液界面Ｓの曲率半径をｒとしたとき、２σ／ｒで表される。すなわち、ラプラス圧の絶対値は、気液界面Ｓの曲率半径ｒが小さいほど大きくなる。
【００７６】
気液界面Ｓの曲率半径ｒが最も小さくなるのは、図７に示すように、気液界面Ｓが半球状になった状態であり、このときの気液界面Ｓの曲率半径ｒは、先端開口３０１の内径ｄの２分の１であるので、ｒ＝ｄ／２になる。よって、ラプラス圧の絶対値は、ｒ＝ｄ／２のときに、最大となり、その最大値は、４σ／ｄとなる。
【００７７】
以上より、ショートサンプルエラーが発生した瞬間の図７に示す状態のときには、このときの時刻をｔ０とすると、ノズルチップ３００内の圧力には、前記式（II）にラプラス圧４σ／ｄの分の寄与が加わって、下記式のようになる。
ｐ（ｔ０）＝ｐ０−ｐ１（Ｑ，ｔ０）−ｐ２（Ｑ）−４σ／ｄ ・・・（III）
ショートサンプルエラーが発生すると、気液界面Ｓの影響により、ノズルチップ３００内の圧力は、前記式（II）で示す値から、前記式（III）で示す値に急激に変化する。本発明者らは、これが図８中の矢印Ｃで示す負圧方向のピークが生じる原因であることを見出した。以上のような知見に基づき、本発明者らは、圧力センサ１６よって検出したノズルチップ３００内の圧力に基づき、図８中の矢印Ｃで示す負圧方向のピークを捉えることにより、ショートサンプルエラーが発生したのを検知することができることを見出したのである。
【００７８】
ここで、ラプラス圧は、上記のように４σ／ｄで表されるので、ラプラス圧の影響は、ノズルチップ３００の先端開口３０１の内径ｄに反比例して大きく現れる。よって、図１１に示すように、分注量が比較的多い比較例の分注装置の場合には、ノズルチップの容量が大きく、その先端開口の内径も大きいので、図８中の矢印Ｃで示すようなピークは顕著には表れない。
【００７９】
逆に、ラプラス圧の影響（図８中の矢印Ｃで示すピーク）は、ノズルチップ３００の先端開口３０１の内径ｄが小さいほど、大きく現れるので、本発明の分注装置１におけるショートサンプルエラー検出方法は、ノズルチップ３００の内径ｄや容量が小さい微量分注の場合に、確実にショートサンプルエラーの発生を検知することができる。
【００８０】
このようなことから、本発明では、ノズルチップ３００の大きさが比較的小さいものであるのが好ましく、具体的には、ノズルチップ３００の先端開口３０１の内径ｄは、０．０５〜０．８ｍｍであるのが好ましく、０．０５〜０．５ｍｍであるのがより好ましい。また、ノズルチップ３００の実質容量（使用時に実際に液体を吸入する量）は、０．５〜１０００μＬであるのが好ましく、０．５〜１００μＬであるのがより好ましい。
【００８１】
また、本発明では、図７に示すような、ショートサンプルエラーが発生した瞬間の圧力変化を捉えるので、ショートサンプルエラーの発生を迅速に（即座に）検知することができる。
【００８２】
次に、図６に基づいて、ショートサンプルエラー検知手段１７の回路構成について説明する。
図６に示すように、本実施形態のショートサンプルエラー検知手段１７は、電流電圧変換回路１７１と、大気圧測定用ＡＤＣ（アナログ／デジタルコンバータ）１７２と、判定値演算部１７３と、判定値設定メモリ１７４と、ＤＡＣ（デジタル／アナログコンバータ）１７５と、コンパレータ１７６と、判定部１７７とを有しており、圧力センサ１６により検出された圧力を所定の判定値（基準値）ｐｔと比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定するように構成されている。
【００８３】
本実施形態における判定値ｐｔは、図８に示すように、前記式（II）で算出されるショートサンプルエラーが発生していない状態での圧力値と、前記式（III）で算出されるショートサンプルエラーが発生したときの負圧方向ピークの圧力値との間に位置する値である。この判定値ｐｔは、前記式を用いた計算に基づいて設定してもよく、また、経験（実験）に基づいて設定してもよい。
【００８４】
ショートサンプルエラー検知手段１７は、以下に説明するように、液体の吸入が開始された後、圧力センサ１６により検出された圧力（気圧）が判定値ｐｔ以下まで降下した場合、ショートサンプルエラーが発生したものと判定する。
【００８５】
本実施形態では、ショートサンプルエラー検知手段１７では、圧力センサ１６を、大気圧を測定する手段としても利用する。すなわち、ノズルチップ３００の先端開口３０１が吸入先の容器４００の液面に接触する前に圧力センサ１６から出力された大気圧を表す電流信号は、電流電圧変換回路１７１により電圧信号に変換された後、大気圧測定用ＡＤＣ１７２に入力される。
【００８６】
判定値設定メモリ１７４には、判定値ｐｔを得るために用いる設定値データが予め格納されている。判定値演算部１７３には、判定値設定メモリ１７４に格納された設定値データを表すデジタル信号と、大気圧測定用ＡＤＣ１７２から出力された大気圧データを表すデジタル信号とが入力される。判定値演算部１７３は、この二つを演算処理して判定値ｐｔを算出する。
【００８７】
算出された判定値ｐｔを表すデジタル信号は、ＤＡＣ１７５によりアナログ信号（電圧信号）に変換された後、コンパレータ１７６に入力される。また、圧力センサ１６から出力されたノズルチップ３００内の圧力を表す電流信号は、電流電圧変換回路１７１により電圧信号に変換された後、コンパレータ１７６に入力される。
【００８８】
コンパレータ１７６は、上記の二つの入力信号の電圧の高低を比較し、その結果、Ｈｉｇｈレベル信号またはＬｏｗレベル信号を判定部１７７へ出力する。判定部１７７は、コンパレータ１７６から入力された信号に基づき、ノズルチップ３００内の圧力が判定値ｐｔ以下に降下した場合には、ショートサンプルエラーが発生したものと判定し、そうでない場合には、ショートサンプルエラーは発生していないものと判定する。判定部１７７は、この判定結果を表す信号を制御手段１３へ出力する。
【００８９】
以上のような本実施形態のショートサンプルエラー検知手段１７では、大気圧の変動を考慮して判定値ｐｔを算出するので、より正確に判定を行うことができる。なお、本発明では、ショートサンプルエラーの発生の有無の判定に用いる判定値は、大気圧によらないものであってもよい。
【００９０】
また、ショートサンプルエラー検知手段１７（判定部１７７）は、液体の吸入を開始した直後における圧力センサ１６の検出結果を除外して（無視して）、ショートサンプルエラーの発生の有無を判定するのが好ましい。これにより、液体の吸入開始直後の圧力が安定してないときの圧力変動（図８中の矢印Ａで示す部分）をショートサンプルエラーであると誤認してしまうのをより確実に防止することができる。
【００９１】
また、本発明では、ショートサンプルエラー検知手段１７の構成は、前述したものに限定されない。例えば、ショートサンプルエラー検知手段１７の他の構成としては、圧力センサ１６により検出された圧力を時間で１回微分した値（１次微分値）を所定の判定値（前記の判定値とは異なる）と比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定する（例えば、圧力の１次微分値が判定値より小さくなった場合、ショートサンプルエラーが発生したと判定する）ように構成されたものでもよい。また、ショートサンプルエラー検知手段１７のさらに他の構成としては、圧力センサ１６により検出された圧力を時間で２回微分した値（２次微分値）を所定の判定値（前記の判定値とは異なる）と比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定する（例えば、圧力の２次微分値にマイナス方向のピークとプラス方向のピークとが連続して生じた場合、ショートサンプルエラーが発生したと判定する）ように構成されたものでもよい。
【００９２】
また、本発明では、ショートサンプルエラー検知手段１７は、本実施形態のようにハード的に構成されたものに限らず、ソフト的に構成されていてもよい。
【００９３】
また、ショートサンプルエラー検知手段１７がショートサンプルエラーの発生を検知した場合には、制御手段１３は、表示手段２５にその旨を表示し、オペレーターにその旨を報知するとともに、ポンプ駆動手段１４の作動を停止させるのが好ましい。
【００９４】
本発明では、ショートサンプルエラーの発生を検知した場合のエラー処理としては、その旨を報知したり、分注動作を中断したりするだけであってもよいが、本発明の分注装置では、以下に説明するようなエラー処理を行うこととしてもよい。
【００９５】
図９および図１０は、本発明の分注装置におけるショートサンプルエラーの発生を検知した場合のエラー処理の一例を示すフローチャートである。
【００９６】
図９および図１０に示すエラー処理では、ショートサンプルエラー検知手段１７によりショートサンプルエラーの発生を検知した場合、制御手段１３は、そのショートサンプルエラーの発生までにノズルチップ３００内に吸入した液体の量を推定し、その推定された液体吸入量に基づいて、その後の分注動作を制御する。
【００９７】
すなわち、制御手段１３は、推定された液体吸入量と予め設定された１回の分注量とに基づいて分注可能な回数を推定し、その回数の分注が終わるまで分注動作を続行する。これにより、ショートサンプルエラーが発生した場合であっても、それまでに吸入した液体を廃棄することなく、可能な限りの回数の分注を続行するので、液体を無駄にすることがない。
【００９８】
その後、制御手段１３は、分注した回数が予め設定された回数に達していない場合には、チップ装着部３２に装着されたノズルチップ３００をチップリムーバ２６を用いて交換し、新しいノズルチップ３００に新たに液体を吸入して、足りない分の回数の分注動作を行う。これにより、予め設定された回数の分注を行うことができる。
【００９９】
以下、図９および図１０に基づいて、より詳細に説明する。
図９に示すように、分注装置１は、分注動作を開始すると、チップ装着部３２に新しいノズルチップ３００を装着する（ステップＳ００１）。そして、制御手段１３は、予め入力（設定）された１回の分注量Ｖ、分注回数ｎ、エクセス量Ｖｅｘに基づいて、ノズルチップ３００内への液体の吸引量（吸入量）を設定する（ステップＳ００２）。すなわち、液体の吸引量は、Ｖ×ｎ＋Ｖｅｘとなる。なお、エクセス量Ｖｅｘとは、ノズルチップ３００に最終的に付着・残存する量の液体を見込んだものである。
【０１００】
そして、分注装置１は、ノズル移動手段１５を作動させてノズルチップ３００を吸入先の容器４００に移動させ（ステップＳ００３）、液体吸引動作（吸入動作）を開始する（ステップＳ００４）。
【０１０１】
液体吸引動作を行っている最中には、ショートサンプルエラー検知手段１７がショートサンプルエラーの発生を監視している（ステップＳ００５）。そして、ショートサンプルエラーが発生することなく、設定された量の液体を吸入できたときには、ノズルチップ３００を吐出先の容器の位置に移動して（ステップＳ００６）、設定された通り、分注量Ｖ、分注回数ｎで（ｎ個所に）、分注を行う（ステップＳ００７）。その後、チップリムーバ２６によってノズルチップ３００を取り外して破棄し（ステップＳ００８）、分注動作を終了する。
【０１０２】
これに対し、ステップＳ００５においてショートサンプルエラーの発生を検知した場合には、制御手段１３は、分注動作を一時停止させるとともに、それまでにノズルチップ３００内に吸入できた液体の量を推定する。この推定は、液体吸引（吸入）開始からショートサンプルエラー発生までの時間に吸入流量を乗算することにより得られる（ステップＳ００９）。あるいは、ショートサンプルエラー発生時におけるポンプ７のプランジャ７２の位置から推定してもよい。
【０１０３】
次いで、制御手段１３は、ステップＳ００２で設定した液体吸引量と、ステップＳ００８で推定された実際の液体吸入量との差から、不足液量Ｖ’を推定する（ステップＳ０１０）。さらに、制御手段１３は、分注可能な回数ｎ’を算出する（ステップＳ０１１）。ｎ’は、Ｖ×ｎ＋Ｖｅｘ−Ｖ’＞Ｖ×ｎ’を満足する最大の整数ｎ’を求めることにより、算出することができる。
【０１０４】
図１０に示すように、分注装置１は、ステップＳ０１１で算出された分注可能な回数ｎ’に基づいて判断を行い（ステップＳ０１２）、次のような分注動作を行う。
【０１０５】
まず、ｎ’＝０の場合、すなわち１回も分注できないときには、そのノズルチップ３００を破棄して新しいノズルチップ３００に交換した後（ステップＳ０１３）、残りｎ回の分注をやり直す（ステップＳ０１４）。その後、そのノズルチップ３００を破棄して（ステップＳ０１５）、分注動作を終了する。
【０１０６】
また、ステップＳ０１２において０＜ｎ’＜ｎの場合には、ノズルチップ３００を吐出先の容器の位置に移動して（ステップＳ０１６）、分注量Ｖ、分注回数ｎ’で（ｎ’個所に）、分注を行う（ステップＳ０１７）。その後、ノズルチップ３００を破棄して新しいノズルチップ３００に交換した後（ステップＳ０１８）、残り（ｎ−ｎ’）回の分注をやり直す（ステップＳ０１９）。その後、そのノズルチップ３００を破棄して（ステップＳ０２０）、分注動作を終了する。
【０１０７】
さらに、ステップＳ０１２においてｎ’＝ｎの場合、すなわち設定された回数の分注が可能である場合には、ノズルチップ３００を吐出先の容器の位置に移動して（ステップＳ０２１）、当初の設定の通りに、分注量Ｖ、分注回数ｎで（ｎ個所に）、分注を行う（ステップＳ０２２）。その後、そのノズルチップ３００を破棄して（ステップＳ０２３）、分注動作を終了する。
【０１０８】
このように、図９および図１０に示すエラー処理を行う場合には、ショートサンプルエラーの発生までにノズルチップ３００に吸引できた液体の量に応じて、その後の分注動作を無駄なく合理的に行うことができ、例えば検体、試薬等の液体の無駄や、時間のロスを最小限にすることができる。
【０１０９】
以上、本発明の分注装置を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明の分注装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができ、また、任意の構成物が付加されていてもよい。
【０１１０】
また、本発明では、分注する液体は、検体、試薬（薬液）等、いかなる液体でもよい。
【０１１１】
また、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各移動手段は、ベルトを利用したものに限定されることなく、いかなる構造を利用したものでもよく、例えば、ボールねじ等の送りねじ、ラック＆ピニオンギア、リニアモータなどを利用した任意の構成とすることができる。
【０１１２】
また、チップ装着部を移動させる移動手段は、前述した実施形態では３次元方向に移動させるものであったが、チップ装着部を少なくとも上下方向に移動させるものであればよい。
【０１１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、微量の分注を行う際にもショートサンプルエラーの発生を確実に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分注装置の実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示す分注装置におけるｘ軸方向移動手段を示す斜視図である。
【図３】図１に示す分注装置におけるｙ軸方向移動手段、ｚ軸方向移動手段および分注ヘッドを示す斜視図である。
【図４】図１に示す分注装置におけるポンプ、チップ装着部およびノズルチップを示す縦断面図である。
【図５】図１に示す分注装置の概略的なブロック図である。
【図６】ショートサンプルエラー検知手段の回路構成を示す図である。
【図７】ショートサンプルエラーが発生する瞬間のノズルチップの先端開口付近を拡大して示す断面図である。
【図８】本発明の分注装置においてノズルチップ内に液体を吸入する際のノズルチップ内の圧力（気圧）を縦軸に、時間を横軸にとって示すグラフである。
【図９】本発明の分注装置におけるショートサンプルエラーの発生を検知した場合のエラー処理の一例を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の分注装置におけるショートサンプルエラーの発生を検知した場合のエラー処理の一例を示すフローチャートである。
【図１１】比較例の分注装置においてノズルチップ内に液体を吸入する際のノズルチップ内の圧力（気圧）を縦軸に、時間を横軸にとって示すグラフである。
【符号の説明】
１ 分注装置
１１ アーム
１２ ガイドレール
１３ 制御手段
１３１ ＣＰＵ
１３２ 記憶部
１４ ポンプ駆動手段
１５ ノズル移動手段
１６ 圧力センサ
１７ ショートサンプルエラー検知手段
１７１ 電流電圧変換回路
１７２ 大気圧測定用ＡＤＣ
１７３ 判定値演算部
１７４ 判定値設定メモリ
１７５ ＤＡＣ
１７６ コンパレータ
１７７ 判定部
１８ 液面検出手段
２ 装置本体
２１ 作業台
２２ 機器収納部
２３ 第２の機器収納部
２４ 突出部
２５ 表示手段
２６ チップリムーバ
２６１ 切欠き
３ 分注ヘッド
３１ フレーム
３２ チップ装着部
３２１ 通気流路
３２２ 下端開口
３３ 配管チューブ
４ ｘ軸方向移動手段
４１ スライドブロック
４１１ 固定部
４２ 駆動プーリー
４３ 従動プーリー
４４ パルスモーター
４５ ベルト
５ ｙ軸方向移動手段
５１ スライドブロック
５２ 駆動プーリー
５３ 従動プーリー
５４ パルスモーター
５５ ベルト
６ ｚ軸方向移動手段
６１ スライドブロック
６２、６３ 従動プーリー
６４ ベルト
６５ パルスモーター
６６ プロペラシャフト
６７ 固定部材
６８ 支持部
７ ポンプ
７１ シリンダ
７２ プランジャ
１００ 試験管ラック
２００ チップラック
３００ ノズルチップ
３０１ 先端開口
３０２ 基端開口
４００ 容器
Ｓ 気液界面
【発明の属する技術分野】
本発明は、分注装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
少量の液体を自動的に分注する分注装置が広く用いられている。分注装置では、ディスポーザブルのノズルチップを装着し、このノズルチップの先端開口（下端開口）から液体を吸入・吐出する。自動化された分注装置では、各種のエラー状態を検知する必要がある。分注装置において発生し得るエラーの１つとして、ショートサンプルエラーがある。ショートサンプルエラーは、ノズルチップ内に液体を吸入しているとき、吸入先の容器内の液体が足りなくなり、途中からノズルチップ内に気体を吸入してしまうという現象（エラー）である。
【０００３】
従来の分注装置では、液体を吸入するための気体流路内に流量センサを設置して、この流量センサで検出された気体流量の変化によって、ショートサンプルエラーの発生を検知している（例えば、特許文献１参照）。また、ノズルチップ内の圧力レベルを積算し、その積算値を所定の基準値と比較してショートサンプルエラーを検出する分注装置もある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
しかしながら、上記の方法では、微量の液体を分注する分注装置の場合には、気体流量およびその変化が微弱過ぎたり、圧力レベルの積算値が小さ過ぎたりするために、ショートサンプルエラーを検知することができなかった。近年では、従来よりもさらに微量の分注を行うことが分注装置に要求されているので、微量分注の場合にもショートサンプルエラーを検知することができる分注装置が要望されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２３９３２３号公報
【特許文献２】
特開平２−１９６９６３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、微量の分注を行う際にもショートサンプルエラーの発生を確実に検知することができる分注装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）〜（１０）の本発明により達成される。
【０００８】
（１） 着脱自在に装着したノズルチップの先端開口から液体を吸入・吐出する分注装置であって、
気体を吸入・吐出するポンプと、
前記ポンプの作動により気体が流入・流出する開口を有し、前記ノズルチップが着脱自在に装着されるチップ装着部と、
前記チップ装着部を少なくとも上下方向に移動させる移動手段と、
前記ポンプおよび前記移動手段の作動を制御する制御手段と、
前記チップ装着部に装着された前記ノズルチップ内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記ノズルチップ内に液体を吸入しているとき、吸入先の容器内の液体が足りなくなり、途中から前記ノズルチップ内に気体を吸入してしまう現象であるショートサンプルエラーの発生を検知するショートサンプルエラー検知手段とを備え、
前記ショートサンプルエラー検知手段は、液体を吸入している途中で前記ノズルチップの先端開口から気体が入り始める瞬間に前記先端開口付近に生じた気液界面に作用する液体の表面張力によって前記ノズルチップ内の圧力が急激に低下することを、前記圧力検出手段により検出された圧力に基づいて検知することにより、ショートサンプルエラーの発生を検知することを特徴とする分注装置。
【０００９】
（２） 前記ショートサンプルエラー検知手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力を所定の判定値と比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定する上記（１）に記載の分注装置。
【００１０】
（３） 前記ショートサンプルエラー検知手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力を時間で１回微分した値を所定の判定値と比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定する上記（１）に記載の分注装置。
【００１１】
（４） 前記ショートサンプルエラー検知手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力を時間で２回微分した値を所定の判定値と比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定する上記（１）に記載の分注装置。
【００１２】
（５） 前記ショートサンプルエラー検知手段は、液体の吸入を開始した直後における前記圧力検出手段の検出結果を除外して、ショートサンプルエラーの発生の有無を判定する上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の分注装置。
【００１３】
（６） 前記ノズルチップの先端開口の内径は、０．０５〜０．８ｍｍである上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の分注装置。
【００１４】
（７） 前記ノズルチップの実質容量は、０．５〜１０００μＬである上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の分注装置。
【００１５】
（８） 前記ショートサンプルエラー検知手段によりショートサンプルエラーの発生を検知した場合、前記制御手段は、そのショートサンプルエラーの発生までに前記ノズルチップ内に吸入した液体の量を推定し、その推定された液体吸入量に基づいて、その後の分注動作を制御する上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の分注装置。
【００１６】
（９） 前記制御手段は、前記推定された液体吸入量と予め設定された１回の分注量とに基づいて分注可能な回数を推定し、その回数の分注が終わるまで分注動作を続行する上記（８）に記載の分注装置。
【００１７】
（１０） 前記チップ装着部に装着された前記ノズルチップを交換する交換手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記推定された液体吸入量と予め設定された１回の分注量とに基づいて分注可能な回数を推定し、その回数の分注が終わるまで分注動作を続行し、分注した回数が予め設定された回数に達していない場合には、前記チップ装着部に装着された前記ノズルチップを交換して新たに液体を吸入し、足りない分の回数の分注動作を行う上記（８）に記載の分注装置。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の分注装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の分注装置の実施形態を示す斜視図、図２は、図１に示す分注装置におけるｘ軸方向移動手段を示す斜視図、図３は、図１に示す分注装置におけるｙ軸方向移動手段、ｚ軸方向移動手段および分注ヘッドを示す斜視図、図４は、図１に示す分注装置におけるポンプ、チップ装着部およびノズルチップを示す縦断面図である。
【００２０】
なお、以下では、説明の都合上、水平な一方向（装置の左右方向）をｘ軸方向、ｘ軸方向に対し垂直かつ水平な方向（装置の前後方向）をｙ軸方向、鉛直方向（上下方向）をｚ軸方向と言う。また、図１中では、分注ヘッド、アーム等の細部を省略して図示する。
【００２１】
図１に示すように、分注装置１は、装置本体２と、該装置本体２に対し移動可能に設置された分注ヘッド３とを備えている。この分注装置１は、患者から採取した例えば血液または血清等の血液成分、尿等の液体状の親検体（元検体）を分注して小分けにする（取り分ける）ことにより検査用の子検体を作成したり、あるいは、少量の試薬（薬液）を予め設定された吐出位置に吐出して付与したりするような分注動作を行う装置である。
【００２２】
装置本体２は、作業台２１と、作業台２１の後ろ側に立設された機器収納部２２と、機器収納部２２の上方に設けられた第２の機器収納部２３と、第２の機器収納部２３の片側の部分から前方に突出する突出部２４とを有している。
【００２３】
作業台２１上には、検体（液体）を収納する例えば試験管のような容器が複数並べて配置（載置）される。本実施形態では、作業台２１上には、複数の試験管を立てた状態で行列状に保持する試験管ラック１００を複数載置可能になっている。そして、親検体を収納した試験管や、子検体を収納する試験管は、それぞれ、これらの試験管ラック１００に保持される。
【００２４】
また、作業台２１上における試験管ラック１００の後方には、チップラック２００を載置可能になっている。チップラック２００は、ディスポーザブル（使い捨て）のノズルチップ３００を立てた状態で行列状に複数並べて保持し得るようになっている。
【００２５】
装置本体２には、分注ヘッド３を支持するアーム１１が設置されている。アーム１１は、その長手方向がｙ軸方向となる姿勢で配置され、その後端部は、機器収納部２２に支持されている。機器収納部２２には、後述するｘ軸方向移動手段４が設けられており、この作動により、アーム１１は、装置本体２に対しｘ軸方向に移動する。
【００２６】
分注ヘッド３は、アーム１１の長手方向、すなわちｙ軸方向に沿って移動可能に支持されている。分注ヘッド３は、後述するｙ軸方向移動手段５の作動により、装置本体２に対しｙ軸方向に移動する。
【００２７】
分注ヘッド３は、ｘ軸方向移動手段４およびｙ軸方向移動手段５の作動の組み合わせにより、作業台２１の上方の空間（作業空間）において、ｘｙ平面内で移動可能になっている。
【００２８】
突出部２４の前面には、例えばタッチパネルで構成された表示手段２５が設置されている。表示手段２５には、例えば各種条件を設定する入力画面等が表示され、操作者は、表示手段２５に指で触れることにより、各種条件の設定等を行う。また、表示手段２５には、例えば分注装置１の状態、エラーの発生等の情報も表示される。
【００２９】
図２に示すように、ｘ軸方向移動手段４は、機器収納部２２に設置されたガイドレール１２の案内によりｘ軸方向に沿って移動可能に設置されたスライドブロック（移動体）４１と、ガイドレール１２の両端付近にそれぞれ設置された駆動プーリー（ベルト車）４２および従動プーリー（ベルト車）４３と、駆動プーリー４２を回転駆動するパルスモーター（ステッピングモーター）４４と、駆動プーリー４２および従動プーリー４３に掛け回されたベルト４５とを有している。
【００３０】
スライドブロック４１は、突出形成された固定部４１１にてベルト４５の一部に固定されている。スライドブロック４１には、アーム１１の後端部が固定されている。
【００３１】
パルスモーター４４が駆動プーリー４２を回転駆動すると、ベルト４５が回転し、ベルト４５に牽引されてスライドブロック４１がｘ軸方向に移動する。これに伴って、アーム１１もｘ軸方向に移動する。スライドブロック４１およびアーム１１は、パルスモーター４４の正転／逆転の切り換えにより、装置本体２に対し右方向または左方向に移動する。
【００３２】
ベルト４５は、駆動プーリー４２および従動プーリー４３の外周面に形成された歯と噛み合う歯を有する歯付きベルトで構成されており、駆動プーリー４２および従動プーリー４３に対し滑りを生じないようになっている。
【００３３】
図３に示すように、ｙ軸方向移動手段５は、図示しないガイドレールの案内によりアーム１１の長手方向に沿って移動可能に設置されたスライドブロック（移動体）５１と、アーム１１の後端付近に設置された駆動プーリー（ベルト車）５２と、アーム１１の前端付近に設置された従動プーリー（ベルト車）５３と、アーム１１の後端付近に設置され、駆動プーリー５２を回転駆動するパルスモーター（ステッピングモーター）５４と、駆動プーリー５２および従動プーリー５３に掛け回されたベルト５５とを有している。
【００３４】
スライドブロック５１は、ベルト５５の一部に固定されている。スライドブロック５１には、分注ヘッド３のフレーム３１が固定されている。
【００３５】
パルスモーター５４が駆動プーリー５２を回転駆動すると、ベルト５５が回転し、ベルト５５に牽引されてスライドブロック５１がアーム１１の長手方向すなわちｙ軸方向に移動する。これに伴って、分注ヘッド３も、ｙ軸方向に移動する。スライドブロック５１および分注ヘッド３は、パルスモーター５４の正転／逆転の切り換えにより、装置本体２に対し前方または後方に移動する。
【００３６】
ベルト５５は、駆動プーリー５２および従動プーリー５３の外周面に形成された歯と噛み合う歯を有する歯付きベルトで構成されており、駆動プーリー５２および従動プーリー５３に対し滑りを生じないようになっている。
【００３７】
分注ヘッド３は、ｚ軸方向に長い部材で構成された骨格をなすフレーム３１と、ノズルチップ３００を装着可能なチップ装着部３２とを有している。
【００３８】
図４に示すように、チップ装着部３２は、その内部に通気流路３２１が形成されたほぼ管状の部材で構成されている。チップ装着部３２の構成材料は、例えばステンレス鋼、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅系合金等の各種金属材料であるのが好ましい。
【００３９】
ノズルチップ３００は、合成樹脂材料で構成された管状の部材（成形品）であり、好ましくは少なくともその先端側（下端側）の部分が先細りになっている。このノズルチップ３００は、その基端開口（上端開口）３０２に、チップ装着部３２の下端部が挿入して嵌合することにより、チップ装着部３２に着脱自在に装着される。また、ノズルチップ３００は、半透明または透明である（光透過性を有している）のが好ましい。
【００４０】
図３に示すように、分注ヘッド３のフレーム３１には、空気（気体）を吸入・吐出するポンプ７が設置されている。本実施形態では、ポンプ７は、シリンダ７１とプランジャ（ピストン）７２とを有するシリンジポンプ（ピストンポンプ）で構成されている。図４に示すように、ポンプ７と、チップ装着部３２の上端開口部とは、可撓性を有する配管チューブ３３で接続されており、互いの内部空間が連通している。ポンプ７が作動すると、配管チューブ３３を空気（気体）が通ってチップ装着部３２の下端開口３２２から空気（気体）が流入・流出し、これにより、ノズルチップ３００内の圧力を増減させて、ノズルチップ３００の先端開口３０１から液体を吸入・吐出することができる。
【００４１】
分注ヘッド３のフレーム３１には、ポンプ７のプランジャ７２を移動させるポンプ駆動手段１４が設置されている。ポンプ駆動手段１４は、図示を省略するが、例えば、ボールねじ（送りねじ）機構とこれを駆動するパルスモーター（図示せず）とによってプランジャ７２をシリンダ７１に対して移動させるように構成されている。ポンプ７の作動は、このポンプ駆動手段１４を介して、後述する制御手段１３によって制御される。
【００４２】
図４に示すように、分注装置１では、チップ装着部３２に装着されたノズルチップ３００内の気圧を検出する圧力センサ（圧力検出手段）１６が設けられている。本実施形態では、圧力センサ１６は、チップ装着部３２に装着されたノズルチップ３００内に連通している配管チューブ３３内の気圧を検出することで、ノズルチップ３００内の圧力を検出することとしている。なお、圧力センサ１６は、チップ装着部３２に装着されたノズルチップ３００内に連通するところであればいかなる位置に設置されていてもよい。
【００４３】
チップ装着部３２は、フレーム３１に対しｚ軸方向に移動可能に設置されており、ｚ軸方向移動手段６の作動により、装置本体２に対しｚ軸方向に移動（昇降）する。
【００４４】
図３に示すように、ｚ軸方向移動手段６は、フレーム３１に対し図示しないガイドレールの案内によりｚ軸方向に沿って移動可能に設置されたスライドブロック（移動体）６１と、フレーム３１の上端付近および下端付近にそれぞれ設置された従動プーリー（ベルト車）６２および６３と、ベルト６４とを有している。
【００４５】
スライドブロック６１は、固定部材６７を介して、ベルト６４の一部に固定されている。スライドブロック６１には、支持部６８を介して、チップ装着部３２が固定されている。
【００４６】
スライドブロック５１の内部には、ベルト６４を駆動する駆動プーリー（図示せず）が設置されており、ベルト６４は、従動プーリー６２および６３に掛け回されるとともに、その中間の部分においてスライドブロック５１内に引き込まれ、この駆動プーリーにも掛け回されている。
【００４７】
スライドブロック５１内の駆動プーリーは、アーム１１の後端付近に設置されたパルスモーター（ステッピングモーター）６５により回転駆動される。すなわち、図３に示すように、アーム１１には、アーム１１の長手方向に沿って延びるプロペラシャフト６６が回転可能に設置されており、パルスモーター６５の出力軸は、このプロペラシャフト６６に接続されている。プロペラシャフト６６は、スライドブロック５１およびその内部の駆動プーリーを貫通しており、スライドブロック５１は、プロペラシャフト６６を挿通した状態でｙ軸方向に移動する。スライドブロック５１内の駆動プーリーは、スライドブロック５１のプロペラシャフト６６に対する位置によらず、プロペラシャフト６６とともに回転するようになっている。
【００４８】
パルスモーター６５がプロペラシャフト６６を介してスライドブロック５１内の駆動プーリーを回転駆動すると、ベルト６４が回転し、ベルト６４に牽引されて、スライドブロック６１がｚ軸方向すなわち鉛直方向に移動する。これに伴って、チップ装着部３２およびノズルチップ３００も、ｚ軸方向に移動（昇降）する。チップ装着部３２およびノズルチップ３００は、パルスモーター６５の正転／逆転の切り換えにより、上昇または下降する。
【００４９】
なお、以下の説明では、ｘ軸方向移動手段４、ｙ軸方向移動手段５およびｚ軸方向移動手段６を総称して、チップ装着部３２を３次元方向に移動させるノズル移動手段１５と呼ぶことがある。
【００５０】
このような分注装置１の基本的な分注動作は、次のようなものである。まず、ノズル移動手段１５を作動して、分注ヘッド３を吸入先の容器４００の上方に移動した後、チップ装着部３２および装着されたノズルチップ３００を下降させて当該容器４００内にノズルチップ３００を挿入する。この状態でポンプ７を作動してノズルチップ３００内の圧力を減少させることにより、ノズルチップ３００内に液体を吸入する。
【００５１】
次いで、ノズルチップ３００を上昇させてから吐出先の容器の位置に分注ヘッド３を移動させる。次いで、ノズルチップ３００を吐出先の容器内に下降させ、ポンプ７を作動してノズルチップ３００内の圧力を増大させることにより、吸入した液体を吐出する。
【００５２】
続いて、異なる検体を分注する場合には、コンタミネーションを防止するため、次のようにしてノズルチップ３００を交換する。使用済みノズルチップ３００の取り外しは、分注ヘッド３を装置本体２に設置されたチップリムーバ２６（図３参照）の位置に移動させて行う。チップリムーバ２６は、チップ装着部３２がほぼ隙間なく挿入可能な幅の切欠き２６１を有する板状の部材であり、この切欠き２６１にチップ装着部３２を挿入してチップ装着部３２を上昇させると、ノズルチップ３００の上端がチップリムーバ２６の下面に当接することにより、ノズルチップ３００がチップ装着部３２から離脱する。次いで、分注ヘッド３をチップラック２００の上方に移動させ、起立保持された新しいノズルチップ３００に向かってチップ装着部３２を下降させることにより、当該ノズルチップ３００をチップ装着部３２に装着する。上記のように、分注装置１は、チップ装着部３２に装着されたノズルチップ３００を交換する交換手段を備えている。
【００５３】
図５は、図１に示す分注装置の概略的なブロック図、図６は、ショートサンプルエラー検知手段の回路構成を示す図、図７は、ショートサンプルエラーが発生する瞬間のノズルチップの先端開口付近を拡大して示す断面図、図８は、本発明の分注装置においてノズルチップ内に液体を吸入する際のノズルチップ内の圧力（気圧）を縦軸に、時間を横軸にとって示すグラフである。
【００５４】
図５に示すように、分注装置１は、各部の作動を制御する制御手段１３を備えている。制御手段１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１３１と、記憶部（記憶手段）１３２とを有している。
【００５５】
記憶部１３２は、プログラムやデータ等を記憶（記録）する、ＣＰＵ１３１に読み取り可能な記憶媒体（記録媒体）を有している。この記憶媒体は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory：揮発性、不揮発性のいずれをも含む）、ＦＤ（Floppy Disk（「Floppy」は登録商標））、ＨＤ（Hard Disk）、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read-Only Memory）等のような、磁気的、光学的記録媒体、もしくは半導体メモリで構成されている。この記憶媒体は、記憶部１３２に固定的に設けたもの、もしくは着脱自在に装着するものであり、この記憶媒体には、分注装置１の各部に対応する各種アプリケーションプログラム、分注装置１の制御動作を実行するためのプログラム等の各種プログラムおよび各種データが予め記憶されているとともに、各プログラムで処理されたデータおよび制御手段１３に接続された各部からの入力データ等が記憶される。
【００５６】
制御手段１３には、ポンプ駆動手段１４、ノズル移動手段１５および表示手段２５がそれぞれ接続されている。制御手段１３は、記憶部１３２に記憶された各種プログラムおよびデータを必要に応じて読み出し、そのプログラムおよびデータに基づいて、これらの各部の作動を制御する。なお、ポンプ駆動手段１４、ノズル移動手段１５に対する制御手段１３の制御は、オープンループ制御でも、クローズドループ制御でもよい。
【００５７】
さらに、制御手段１３には、後述するショートサンプルエラー検知手段１７と、圧力センサ１６により検出された気圧に基づいて、吸入しようとする液体の液面（液面の高さ）を検出する液面検出手段１８とがそれぞれ接続されている。
【００５８】
以下、分注装置１が行う液面検出工程について説明する。
液体をノズルチップ３００内に吸入しようとする際に、分注装置１は、液面検出工程を行う。液面検出工程では、制御手段１３は、ポンプ７から気体を吐出しながら、吸入先の容器４００内の液体の液面に向かってノズルチップ３００の先端開口３０１を下降させるように、ポンプ７およびノズル移動手段１５の作動を制御する。すなわち、ノズルチップ３００は、先端開口３０１から空気を吐出しながら容器４００内の液面に向かって下降する。
【００５９】
ノズルチップ３００が降下して先端開口３０１が液面下に没すると、ノズルチップ３００内の空気は、逃げ場を失い、ポンプ７によって圧縮されて気圧が上昇する（図８参照）。よって、液面検出手段１８は、液面検出工程において圧力センサ１６により検出された気圧が上昇したとき、ノズルチップ３００の先端開口３０１が液面下に没したものと判定することができ、これによって液面（液面の高さ）を検出する。なお、液面検出手段１８は、圧力センサ１６によって検出した気圧またはその時間微分値を所定の判定値（基準値）と比較することによって、この判定を行うように構成されている。
【００６０】
液面検出手段１８は、液面を検出すると、その検出信号を制御手段１３に出力する。制御手段１３は、液面検出手段１８から入力された検出信号に基づいて、ノズルチップ３００の下降を停止し、液体の吸入動作を開始する。液体の吸入動作中には、ノズルチップ３００の位置は停止したままでもよく、液面の降下に追随して先端開口３０１が下降するように制御してもよい。
【００６１】
なお、分注装置１では、吸入すべき液体の液面の高さが予め分かっている場合や、吸入先の容器４００の深さが極めて浅いものである場合などには、上述のような液面検出工程を行わず、ノズルチップ３００の先端開口３０１を所定の位置まで下降させてから液体の吸入を開始することとしてもよい。
【００６２】
さて、このような分注装置１における分注動作では、ノズルチップ３００内に液体を吸入しているとき、吸入先の容器４００内の液体が足りなくなり、途中からノズルチップ３００内に空気（気体）を吸入してしまう現象（エラー）であるショートサンプルエラーが発生する場合がある。図４は、このショートサンプルエラーが発生した状態を示している。ショートサンプルエラーが発生すると、予め設定された量（正規の量）の液体がノズルチップ３００内に吸入されない（液体の吸入量が足りない）こととなるため、分注装置１では、このショートサンプルエラーの発生を検知する必要がある。
【００６３】
本発明の分注装置１では、このようなショートサンプルエラーの発生を、圧力センサ１６により検出されたノズルチップ３００内の圧力（気圧）に基づいて検知するショートサンプルエラー検知手段１７を備えている。
【００６４】
以下、本発明の分注装置１におけるショートサンプルエラー検知手段１７について説明するが、その作用・効果を分かり易く説明するために、まず、比較例の分注装置におけるショートサンプルエラー検出方法について説明する。
【００６５】
図１１は、比較例の分注装置においてノズルチップ内に液体を吸入する際のノズルチップ内の圧力（気圧）を縦軸に、時間を横軸にとって示すグラフである。この比較例の分注装置は、分注する液体の量が本発明の分注装置よりも多いものであり、図１１は、２０００μＬの液体を吸入する場合のグラフである。
【００６６】
図１１に示すように、ノズルチップ内への液体の吸入を開始すると、ノズルチップ内の圧力は、低下していく。これは、ノズルチップ先端の細管部を流れる液体の粘性圧損（管摩擦損失）や動圧に比例する管路の圧力損失、さらにはノズルチップ内に吸入された液体の重量による水頭圧のためである。そして、液体を吸入している途中でショートサンプルエラーが発生すると、ノズルチップ先端の細管部を流れる液体がなくなるので、前記粘性圧損や管路の圧力損失が消え、また水頭圧も減少することから、同図に示すように、ノズルチップ内の圧力が急激に上昇する。比較例のショートサンプルエラー検出方法では、このノズルチップ内の圧力の急激な上昇を捉えて、ショートサンプルエラーの発生を検知している。
【００６７】
しかしながら、分注する液体の量が微量である場合には、ショートサンプルエラー発生時のノズルチップ内の圧力上昇がごく僅かなものになってしまう。その理由は、微量分注の場合には、液体の吸入速度が低いためにノズルチップ先端の細管部での液体の流量が少なく、また液体の吸入量も微量であることから、前記の粘性圧損や管路の圧力損失、および水頭圧の影響が小さいため、ショートサンプルエラー発生時にこれらの事象が消失、低減しても、ノズルチップ内の圧力変化に現れにくいためであると考えられる。このようなことから、上記の比較例の方法では、ショートサンプルエラーの発生を検出することができなかった。
【００６８】
そこで、本発明者らは、微量分注の場合であってもショートサンプルエラーの検出を可能とするべく、鋭意研究を重ねた結果、以下に説明するような本発明を完成するに至った。本発明者らの得た知見によれば、微量分注の場合、ノズルチップ３００内に液体を吸入する際のノズルチップ３００内の圧力は、図８のように変化する。図８は、３０μＬの液体をノズルチップ３００内に吸入する場合である。
【００６９】
図８に示すように、微量分注においては、ノズルチップ３００内の圧力は、液体吸入開始直後（図８中の矢印Ａ部）を過ぎて安定状態になると、緩やかに減少していく（図８中の矢印Ｂ部）。正常な吸引状態のときには、図中の破線で示すように、ノズルチップ３００内の圧力は、このまま緩やかな減少を続ける。これに対し、ショートサンプルエラーが発生すると、ノズルチップ３００内の圧力は、急激に減少した後、急上昇する負圧方向のピークを生じる（図８中の矢印Ｃ部）。
【００７０】
本発明者らは、微量分注の場合に、ショートサンプルエラーが発生したときにこのような図８中の矢印Ｃで示すピークを生じる理由は、次のようなものであることを見出した。
【００７１】
まず、ショートサンプルエラーが発生する前（図８中の矢印Ｂ部）におけるノズルチップ３００内の圧力ｐ（ｔ）は、ベルヌーイの定理により、下記式（Ｉ）で表される。
ｐ（ｔ）＝ｐ０−ρｇｈ−Δｐ ・・・（Ｉ）
前記式（Ｉ）において、ｐ０は、大気圧を表す。また、ρは、吸入する液体の密度、ｇは、重力加速度、ｈは、ノズルチップ３００内に吸入された液体の液面の高さをそれぞれ表し、ρｇｈは、ノズルチップ３００内に吸入された液体の水頭圧である。また、Δｐは、管摩擦損失を表す。
【００７２】
水頭圧ρｇｈは、ノズルチップ３００内に吸入された液体の量の関数であり、すなわち、液体の吸入流量Ｑと吸入開始からの経過時間（時刻）ｔとの関数であるため、関数ｐ１（Ｑ，ｔ）で表すことができる。
【００７３】
また、管摩擦損失Δｐは、実際にはそのほとんどがノズルチップ３００の先端開口３０１付近で発生し、また、先端開口３０１付近における平均流速ｖに比例する。ｖ＝Ｑ／（πｄ２／４）であるから（ｄは、先端開口３０１の内径）、管摩擦損失Δｐは、吸入流量Ｑのみの関数であり，関数ｐ２（Ｑ）で表すことができる。
【００７４】
よって、前記式（Ｉ）は、下記のように書き直すことができる。
ｐ（ｔ）＝ｐ０−ｐ１（Ｑ，ｔ）−ｐ２（Ｑ） ・・・（II）
吸入流量Ｑが一定である場合には、前記式（II）から分かるように、図８中の矢印Ｂ部におけるノズルチップ３００内の圧力は、時刻ｔの関数となり、緩やかに減少することが示される。
なお、式（II）は、α、βを定数として、ｐ（ｔ）＝ｐ０−Ｑ×（α＋βｔ）のように簡略化することもできる。
【００７５】
さて、液体を吸入している途中（途上）でショートサンプルエラーが発生する瞬間、すなわち、ノズルチップ３００の先端開口３０１から空気（気体）が入り込む瞬間には、先端開口３０１付近は、図７に示すような状態となる。図７に示すように、ショートサンプルエラーが発生する瞬間には、先端開口３０１から入り込んだ空気によって、先端開口３０１付近にほぼ球面状の気液界面（液面）Ｓが形成される。気液界面Ｓが形成されると、気液界面Ｓに作用する表面張力によるラプラス圧が発生し、ノズルチップ３００内の圧力は、このラプラス圧の分だけ小さくなる。このラプラス圧の絶対値は、液体の表面張力をσ、気液界面Ｓの曲率半径をｒとしたとき、２σ／ｒで表される。すなわち、ラプラス圧の絶対値は、気液界面Ｓの曲率半径ｒが小さいほど大きくなる。
【００７６】
気液界面Ｓの曲率半径ｒが最も小さくなるのは、図７に示すように、気液界面Ｓが半球状になった状態であり、このときの気液界面Ｓの曲率半径ｒは、先端開口３０１の内径ｄの２分の１であるので、ｒ＝ｄ／２になる。よって、ラプラス圧の絶対値は、ｒ＝ｄ／２のときに、最大となり、その最大値は、４σ／ｄとなる。
【００７７】
以上より、ショートサンプルエラーが発生した瞬間の図７に示す状態のときには、このときの時刻をｔ０とすると、ノズルチップ３００内の圧力には、前記式（II）にラプラス圧４σ／ｄの分の寄与が加わって、下記式のようになる。
ｐ（ｔ０）＝ｐ０−ｐ１（Ｑ，ｔ０）−ｐ２（Ｑ）−４σ／ｄ ・・・（III）
ショートサンプルエラーが発生すると、気液界面Ｓの影響により、ノズルチップ３００内の圧力は、前記式（II）で示す値から、前記式（III）で示す値に急激に変化する。本発明者らは、これが図８中の矢印Ｃで示す負圧方向のピークが生じる原因であることを見出した。以上のような知見に基づき、本発明者らは、圧力センサ１６よって検出したノズルチップ３００内の圧力に基づき、図８中の矢印Ｃで示す負圧方向のピークを捉えることにより、ショートサンプルエラーが発生したのを検知することができることを見出したのである。
【００７８】
ここで、ラプラス圧は、上記のように４σ／ｄで表されるので、ラプラス圧の影響は、ノズルチップ３００の先端開口３０１の内径ｄに反比例して大きく現れる。よって、図１１に示すように、分注量が比較的多い比較例の分注装置の場合には、ノズルチップの容量が大きく、その先端開口の内径も大きいので、図８中の矢印Ｃで示すようなピークは顕著には表れない。
【００７９】
逆に、ラプラス圧の影響（図８中の矢印Ｃで示すピーク）は、ノズルチップ３００の先端開口３０１の内径ｄが小さいほど、大きく現れるので、本発明の分注装置１におけるショートサンプルエラー検出方法は、ノズルチップ３００の内径ｄや容量が小さい微量分注の場合に、確実にショートサンプルエラーの発生を検知することができる。
【００８０】
このようなことから、本発明では、ノズルチップ３００の大きさが比較的小さいものであるのが好ましく、具体的には、ノズルチップ３００の先端開口３０１の内径ｄは、０．０５〜０．８ｍｍであるのが好ましく、０．０５〜０．５ｍｍであるのがより好ましい。また、ノズルチップ３００の実質容量（使用時に実際に液体を吸入する量）は、０．５〜１０００μＬであるのが好ましく、０．５〜１００μＬであるのがより好ましい。
【００８１】
また、本発明では、図７に示すような、ショートサンプルエラーが発生した瞬間の圧力変化を捉えるので、ショートサンプルエラーの発生を迅速に（即座に）検知することができる。
【００８２】
次に、図６に基づいて、ショートサンプルエラー検知手段１７の回路構成について説明する。
図６に示すように、本実施形態のショートサンプルエラー検知手段１７は、電流電圧変換回路１７１と、大気圧測定用ＡＤＣ（アナログ／デジタルコンバータ）１７２と、判定値演算部１７３と、判定値設定メモリ１７４と、ＤＡＣ（デジタル／アナログコンバータ）１７５と、コンパレータ１７６と、判定部１７７とを有しており、圧力センサ１６により検出された圧力を所定の判定値（基準値）ｐｔと比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定するように構成されている。
【００８３】
本実施形態における判定値ｐｔは、図８に示すように、前記式（II）で算出されるショートサンプルエラーが発生していない状態での圧力値と、前記式（III）で算出されるショートサンプルエラーが発生したときの負圧方向ピークの圧力値との間に位置する値である。この判定値ｐｔは、前記式を用いた計算に基づいて設定してもよく、また、経験（実験）に基づいて設定してもよい。
【００８４】
ショートサンプルエラー検知手段１７は、以下に説明するように、液体の吸入が開始された後、圧力センサ１６により検出された圧力（気圧）が判定値ｐｔ以下まで降下した場合、ショートサンプルエラーが発生したものと判定する。
【００８５】
本実施形態では、ショートサンプルエラー検知手段１７では、圧力センサ１６を、大気圧を測定する手段としても利用する。すなわち、ノズルチップ３００の先端開口３０１が吸入先の容器４００の液面に接触する前に圧力センサ１６から出力された大気圧を表す電流信号は、電流電圧変換回路１７１により電圧信号に変換された後、大気圧測定用ＡＤＣ１７２に入力される。
【００８６】
判定値設定メモリ１７４には、判定値ｐｔを得るために用いる設定値データが予め格納されている。判定値演算部１７３には、判定値設定メモリ１７４に格納された設定値データを表すデジタル信号と、大気圧測定用ＡＤＣ１７２から出力された大気圧データを表すデジタル信号とが入力される。判定値演算部１７３は、この二つを演算処理して判定値ｐｔを算出する。
【００８７】
算出された判定値ｐｔを表すデジタル信号は、ＤＡＣ１７５によりアナログ信号（電圧信号）に変換された後、コンパレータ１７６に入力される。また、圧力センサ１６から出力されたノズルチップ３００内の圧力を表す電流信号は、電流電圧変換回路１７１により電圧信号に変換された後、コンパレータ１７６に入力される。
【００８８】
コンパレータ１７６は、上記の二つの入力信号の電圧の高低を比較し、その結果、Ｈｉｇｈレベル信号またはＬｏｗレベル信号を判定部１７７へ出力する。判定部１７７は、コンパレータ１７６から入力された信号に基づき、ノズルチップ３００内の圧力が判定値ｐｔ以下に降下した場合には、ショートサンプルエラーが発生したものと判定し、そうでない場合には、ショートサンプルエラーは発生していないものと判定する。判定部１７７は、この判定結果を表す信号を制御手段１３へ出力する。
【００８９】
以上のような本実施形態のショートサンプルエラー検知手段１７では、大気圧の変動を考慮して判定値ｐｔを算出するので、より正確に判定を行うことができる。なお、本発明では、ショートサンプルエラーの発生の有無の判定に用いる判定値は、大気圧によらないものであってもよい。
【００９０】
また、ショートサンプルエラー検知手段１７（判定部１７７）は、液体の吸入を開始した直後における圧力センサ１６の検出結果を除外して（無視して）、ショートサンプルエラーの発生の有無を判定するのが好ましい。これにより、液体の吸入開始直後の圧力が安定してないときの圧力変動（図８中の矢印Ａで示す部分）をショートサンプルエラーであると誤認してしまうのをより確実に防止することができる。
【００９１】
また、本発明では、ショートサンプルエラー検知手段１７の構成は、前述したものに限定されない。例えば、ショートサンプルエラー検知手段１７の他の構成としては、圧力センサ１６により検出された圧力を時間で１回微分した値（１次微分値）を所定の判定値（前記の判定値とは異なる）と比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定する（例えば、圧力の１次微分値が判定値より小さくなった場合、ショートサンプルエラーが発生したと判定する）ように構成されたものでもよい。また、ショートサンプルエラー検知手段１７のさらに他の構成としては、圧力センサ１６により検出された圧力を時間で２回微分した値（２次微分値）を所定の判定値（前記の判定値とは異なる）と比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定する（例えば、圧力の２次微分値にマイナス方向のピークとプラス方向のピークとが連続して生じた場合、ショートサンプルエラーが発生したと判定する）ように構成されたものでもよい。
【００９２】
また、本発明では、ショートサンプルエラー検知手段１７は、本実施形態のようにハード的に構成されたものに限らず、ソフト的に構成されていてもよい。
【００９３】
また、ショートサンプルエラー検知手段１７がショートサンプルエラーの発生を検知した場合には、制御手段１３は、表示手段２５にその旨を表示し、オペレーターにその旨を報知するとともに、ポンプ駆動手段１４の作動を停止させるのが好ましい。
【００９４】
本発明では、ショートサンプルエラーの発生を検知した場合のエラー処理としては、その旨を報知したり、分注動作を中断したりするだけであってもよいが、本発明の分注装置では、以下に説明するようなエラー処理を行うこととしてもよい。
【００９５】
図９および図１０は、本発明の分注装置におけるショートサンプルエラーの発生を検知した場合のエラー処理の一例を示すフローチャートである。
【００９６】
図９および図１０に示すエラー処理では、ショートサンプルエラー検知手段１７によりショートサンプルエラーの発生を検知した場合、制御手段１３は、そのショートサンプルエラーの発生までにノズルチップ３００内に吸入した液体の量を推定し、その推定された液体吸入量に基づいて、その後の分注動作を制御する。
【００９７】
すなわち、制御手段１３は、推定された液体吸入量と予め設定された１回の分注量とに基づいて分注可能な回数を推定し、その回数の分注が終わるまで分注動作を続行する。これにより、ショートサンプルエラーが発生した場合であっても、それまでに吸入した液体を廃棄することなく、可能な限りの回数の分注を続行するので、液体を無駄にすることがない。
【００９８】
その後、制御手段１３は、分注した回数が予め設定された回数に達していない場合には、チップ装着部３２に装着されたノズルチップ３００をチップリムーバ２６を用いて交換し、新しいノズルチップ３００に新たに液体を吸入して、足りない分の回数の分注動作を行う。これにより、予め設定された回数の分注を行うことができる。
【００９９】
以下、図９および図１０に基づいて、より詳細に説明する。
図９に示すように、分注装置１は、分注動作を開始すると、チップ装着部３２に新しいノズルチップ３００を装着する（ステップＳ００１）。そして、制御手段１３は、予め入力（設定）された１回の分注量Ｖ、分注回数ｎ、エクセス量Ｖｅｘに基づいて、ノズルチップ３００内への液体の吸引量（吸入量）を設定する（ステップＳ００２）。すなわち、液体の吸引量は、Ｖ×ｎ＋Ｖｅｘとなる。なお、エクセス量Ｖｅｘとは、ノズルチップ３００に最終的に付着・残存する量の液体を見込んだものである。
【０１００】
そして、分注装置１は、ノズル移動手段１５を作動させてノズルチップ３００を吸入先の容器４００に移動させ（ステップＳ００３）、液体吸引動作（吸入動作）を開始する（ステップＳ００４）。
【０１０１】
液体吸引動作を行っている最中には、ショートサンプルエラー検知手段１７がショートサンプルエラーの発生を監視している（ステップＳ００５）。そして、ショートサンプルエラーが発生することなく、設定された量の液体を吸入できたときには、ノズルチップ３００を吐出先の容器の位置に移動して（ステップＳ００６）、設定された通り、分注量Ｖ、分注回数ｎで（ｎ個所に）、分注を行う（ステップＳ００７）。その後、チップリムーバ２６によってノズルチップ３００を取り外して破棄し（ステップＳ００８）、分注動作を終了する。
【０１０２】
これに対し、ステップＳ００５においてショートサンプルエラーの発生を検知した場合には、制御手段１３は、分注動作を一時停止させるとともに、それまでにノズルチップ３００内に吸入できた液体の量を推定する。この推定は、液体吸引（吸入）開始からショートサンプルエラー発生までの時間に吸入流量を乗算することにより得られる（ステップＳ００９）。あるいは、ショートサンプルエラー発生時におけるポンプ７のプランジャ７２の位置から推定してもよい。
【０１０３】
次いで、制御手段１３は、ステップＳ００２で設定した液体吸引量と、ステップＳ００８で推定された実際の液体吸入量との差から、不足液量Ｖ’を推定する（ステップＳ０１０）。さらに、制御手段１３は、分注可能な回数ｎ’を算出する（ステップＳ０１１）。ｎ’は、Ｖ×ｎ＋Ｖｅｘ−Ｖ’＞Ｖ×ｎ’を満足する最大の整数ｎ’を求めることにより、算出することができる。
【０１０４】
図１０に示すように、分注装置１は、ステップＳ０１１で算出された分注可能な回数ｎ’に基づいて判断を行い（ステップＳ０１２）、次のような分注動作を行う。
【０１０５】
まず、ｎ’＝０の場合、すなわち１回も分注できないときには、そのノズルチップ３００を破棄して新しいノズルチップ３００に交換した後（ステップＳ０１３）、残りｎ回の分注をやり直す（ステップＳ０１４）。その後、そのノズルチップ３００を破棄して（ステップＳ０１５）、分注動作を終了する。
【０１０６】
また、ステップＳ０１２において０＜ｎ’＜ｎの場合には、ノズルチップ３００を吐出先の容器の位置に移動して（ステップＳ０１６）、分注量Ｖ、分注回数ｎ’で（ｎ’個所に）、分注を行う（ステップＳ０１７）。その後、ノズルチップ３００を破棄して新しいノズルチップ３００に交換した後（ステップＳ０１８）、残り（ｎ−ｎ’）回の分注をやり直す（ステップＳ０１９）。その後、そのノズルチップ３００を破棄して（ステップＳ０２０）、分注動作を終了する。
【０１０７】
さらに、ステップＳ０１２においてｎ’＝ｎの場合、すなわち設定された回数の分注が可能である場合には、ノズルチップ３００を吐出先の容器の位置に移動して（ステップＳ０２１）、当初の設定の通りに、分注量Ｖ、分注回数ｎで（ｎ個所に）、分注を行う（ステップＳ０２２）。その後、そのノズルチップ３００を破棄して（ステップＳ０２３）、分注動作を終了する。
【０１０８】
このように、図９および図１０に示すエラー処理を行う場合には、ショートサンプルエラーの発生までにノズルチップ３００に吸引できた液体の量に応じて、その後の分注動作を無駄なく合理的に行うことができ、例えば検体、試薬等の液体の無駄や、時間のロスを最小限にすることができる。
【０１０９】
以上、本発明の分注装置を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明の分注装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができ、また、任意の構成物が付加されていてもよい。
【０１１０】
また、本発明では、分注する液体は、検体、試薬（薬液）等、いかなる液体でもよい。
【０１１１】
また、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各移動手段は、ベルトを利用したものに限定されることなく、いかなる構造を利用したものでもよく、例えば、ボールねじ等の送りねじ、ラック＆ピニオンギア、リニアモータなどを利用した任意の構成とすることができる。
【０１１２】
また、チップ装着部を移動させる移動手段は、前述した実施形態では３次元方向に移動させるものであったが、チップ装着部を少なくとも上下方向に移動させるものであればよい。
【０１１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、微量の分注を行う際にもショートサンプルエラーの発生を確実に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分注装置の実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示す分注装置におけるｘ軸方向移動手段を示す斜視図である。
【図３】図１に示す分注装置におけるｙ軸方向移動手段、ｚ軸方向移動手段および分注ヘッドを示す斜視図である。
【図４】図１に示す分注装置におけるポンプ、チップ装着部およびノズルチップを示す縦断面図である。
【図５】図１に示す分注装置の概略的なブロック図である。
【図６】ショートサンプルエラー検知手段の回路構成を示す図である。
【図７】ショートサンプルエラーが発生する瞬間のノズルチップの先端開口付近を拡大して示す断面図である。
【図８】本発明の分注装置においてノズルチップ内に液体を吸入する際のノズルチップ内の圧力（気圧）を縦軸に、時間を横軸にとって示すグラフである。
【図９】本発明の分注装置におけるショートサンプルエラーの発生を検知した場合のエラー処理の一例を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の分注装置におけるショートサンプルエラーの発生を検知した場合のエラー処理の一例を示すフローチャートである。
【図１１】比較例の分注装置においてノズルチップ内に液体を吸入する際のノズルチップ内の圧力（気圧）を縦軸に、時間を横軸にとって示すグラフである。
【符号の説明】
１ 分注装置
１１ アーム
１２ ガイドレール
１３ 制御手段
１３１ ＣＰＵ
１３２ 記憶部
１４ ポンプ駆動手段
１５ ノズル移動手段
１６ 圧力センサ
１７ ショートサンプルエラー検知手段
１７１ 電流電圧変換回路
１７２ 大気圧測定用ＡＤＣ
１７３ 判定値演算部
１７４ 判定値設定メモリ
１７５ ＤＡＣ
１７６ コンパレータ
１７７ 判定部
１８ 液面検出手段
２ 装置本体
２１ 作業台
２２ 機器収納部
２３ 第２の機器収納部
２４ 突出部
２５ 表示手段
２６ チップリムーバ
２６１ 切欠き
３ 分注ヘッド
３１ フレーム
３２ チップ装着部
３２１ 通気流路
３２２ 下端開口
３３ 配管チューブ
４ ｘ軸方向移動手段
４１ スライドブロック
４１１ 固定部
４２ 駆動プーリー
４３ 従動プーリー
４４ パルスモーター
４５ ベルト
５ ｙ軸方向移動手段
５１ スライドブロック
５２ 駆動プーリー
５３ 従動プーリー
５４ パルスモーター
５５ ベルト
６ ｚ軸方向移動手段
６１ スライドブロック
６２、６３ 従動プーリー
６４ ベルト
６５ パルスモーター
６６ プロペラシャフト
６７ 固定部材
６８ 支持部
７ ポンプ
７１ シリンダ
７２ プランジャ
１００ 試験管ラック
２００ チップラック
３００ ノズルチップ
３０１ 先端開口
３０２ 基端開口
４００ 容器
Ｓ 気液界面
Claims (10)
- 着脱自在に装着したノズルチップの先端開口から液体を吸入・吐出する分注装置であって、
気体を吸入・吐出するポンプと、
前記ポンプの作動により気体が流入・流出する開口を有し、前記ノズルチップが着脱自在に装着されるチップ装着部と、
前記チップ装着部を少なくとも上下方向に移動させる移動手段と、
前記ポンプおよび前記移動手段の作動を制御する制御手段と、
前記チップ装着部に装着された前記ノズルチップ内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記ノズルチップ内に液体を吸入しているとき、吸入先の容器内の液体が足りなくなり、途中から前記ノズルチップ内に気体を吸入してしまう現象であるショートサンプルエラーの発生を検知するショートサンプルエラー検知手段とを備え、
前記ショートサンプルエラー検知手段は、液体を吸入している途中で前記ノズルチップの先端開口から気体が入り始める瞬間に前記先端開口付近に生じた気液界面に作用する液体の表面張力によって前記ノズルチップ内の圧力が急激に低下することを、前記圧力検出手段により検出された圧力に基づいて検知することにより、ショートサンプルエラーの発生を検知することを特徴とする分注装置。 - 前記ショートサンプルエラー検知手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力を所定の判定値と比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定する請求項１に記載の分注装置。
- 前記ショートサンプルエラー検知手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力を時間で１回微分した値を所定の判定値と比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定する請求項１に記載の分注装置。
- 前記ショートサンプルエラー検知手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力を時間で２回微分した値を所定の判定値と比較し、その比較結果に基づいてショートサンプルエラーの発生の有無を判定する請求項１に記載の分注装置。
- 前記ショートサンプルエラー検知手段は、液体の吸入を開始した直後における前記圧力検出手段の検出結果を除外して、ショートサンプルエラーの発生の有無を判定する請求項１ないし４のいずれかに記載の分注装置。
- 前記ノズルチップの先端開口の内径は、０．０５〜０．８ｍｍである請求項１ないし５のいずれかに記載の分注装置。
- 前記ノズルチップの実質容量は、０．５〜１０００μＬである請求項１ないし６のいずれかに記載の分注装置。
- 前記ショートサンプルエラー検知手段によりショートサンプルエラーの発生を検知した場合、前記制御手段は、そのショートサンプルエラーの発生までに前記ノズルチップ内に吸入した液体の量を推定し、その推定された液体吸入量に基づいて、その後の分注動作を制御する請求項１ないし７のいずれかに記載の分注装置。
- 前記制御手段は、前記推定された液体吸入量と予め設定された１回の分注量とに基づいて分注可能な回数を推定し、その回数の分注が終わるまで分注動作を続行する請求項８に記載の分注装置。
- 前記チップ装着部に装着された前記ノズルチップを交換する交換手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記推定された液体吸入量と予め設定された１回の分注量とに基づいて分注可能な回数を推定し、その回数の分注が終わるまで分注動作を続行し、分注した回数が予め設定された回数に達していない場合には、前記チップ装着部に装着された前記ノズルチップを交換して新たに液体を吸入し、足りない分の回数の分注動作を行う請求項８に記載の分注装置。
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