JP4413834B2 - 液体供給装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定量の液体を送出する液体供給装置及び方法に関し、例えば試料の分析を行う分析装置の薬液供給部又は洗浄液供給部に適用して好適である。

分析装置では、反応セルに薬液を供給して試薬との反応を行わせ、その後、洗浄液を供給することにより反応セルを洗浄するようにしている。正確な反応処理を行わせるため、薬液については所定量を供給することが求められている。また反応セルの洗浄にあたっては、必要以上の洗浄液を消費しないように所定量の洗浄液で洗浄を行うことが求められている。所定量の薬液や洗浄液を供給するために、例えば、ダイヤフラムポンプ等の定流量ポンプが用いられている。ダイヤフラムポンプは、電磁弁やモータ駆動によりダイヤフラムを往復運動させることにより、吸気弁と吐出弁とを連動して開閉させ、流体を供給する構造となっている。

特開２００４−２５５８６２号公報

しかしながら、ダイヤフラムポンプを備えた液体供給装置を、特に液体吐出量の高精度な制御を要する用途、例えば血清等の試料の分析を行う分析装置の薬液供給部や洗浄液供給部に適用する場合に、以下のような問題が発生する。

ダイヤフラムポンプ等の定流量ポンプは、ダイヤフラムを往復運動させる構造のポンプであり、吐出と吸込みとを繰り返すため、一定時間内での流量は安定しているが均一な流れにはならず、いわゆる脈動が生じてしまう。従って、所定量の薬液や洗浄液が供給されるように制御することが困難であるという問題がある。

この点、定流量ポンプとしていわゆるシリンジポンプを適用することも可能である。しかしながら、シリンジポンプは吐出量の調整を容易に行うことができる反面、高価であり、汎用性に乏しいという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、所望の一定量の送液を容易且つ確実に実現し、分析装置の薬液供給部や洗浄液供給部のように薬液（洗浄液）の吐出量の高精度な制御を要する用途にも十分に適用することのできる液体供給装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

本発明の液体供給装置は、液体を所定量毎に吐出する定流量ポンプと、前記定流量ポンプから吐出された液体を貯留する液体貯留手段と、前記定流量ポンプの駆動を制御するとともに、前記液体貯留手段に貯留された液体を、前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力が送液量の規定値に達するまで送出する制御手段と、液体の送出管路を開閉するバルブとを含み、前記液体貯留手段は、内部の雰囲気の圧力を測定する圧力センサと、内部の雰囲気の圧力を調節自在とする調圧弁とを備え、前記圧力センサ及び前記調圧弁により、内部の雰囲気の圧力が液体の貯留量の指標とされてなるエアバッファであり、前記制御手段は、前記バルブを閉じた状態で前記定流量ポンプを駆動させ、前記圧力センサが前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力を測定し、当該圧力が所定値に達したと判断した際に前記定流量ポンプの駆動を停止させた後、前記バルブを開放し、前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力が前記規定値に対応する値に達したと判断した際に前記バルブを閉じる。

本発明の液体供給装置の一態様では、前記液体貯留手段は、内部に貯留される液体量が調節自在とされている。

本発明の液体供給装置の一態様では、前記制御手段は、前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力が所定値に達したと判断して前記定流量ポンプの駆動を停止させた後、前記バルブを開放したときに、前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力により液体を送出する加圧時間を調整して、液体の送出量を制御する。

本発明の液体供給方法は、液体を所定量毎に吐出する定流量ポンプと、前記定流量ポンプから吐出された液体を貯留し、内部の雰囲気の圧力が液体の貯留量の指標とされてなる液体貯留手段とを用いて、前記定流量ポンプの駆動を開始する手順と、前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力が所定値に達したと判断した際に前記定流量ポンプの駆動を停止させる手順と、前記液体貯留手段に貯留された液体を送出する手順と、前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力が前記所定値に対応する値に達したと判断した際に、液体の送出を停止させる手順とを含む。

本発明によれば、所望の一定量の送液を容易且つ確実に実現し、分析装置の薬液供給部や洗浄液供給部のように薬液（洗浄液）の吐出量の高精度な制御が可能となる。

以下、本発明を適用した好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（液体供給装置の基本構成）
図１は、本実施形態による液体供給装置の概略構成を示す模式図である。
この液体供給装置は、液体を所定量毎に吐出する定流量ポンプ１と、定流量ポンプ１と配管６で接続されており、定流量ポンプ１から吐出された液体を貯留する液体貯留手段であるエアバッファ２と、定流量ポンプ１の駆動を制御するとともに、エアバッファ２に貯留された液体を、送液量の規定値に達するまで送出する制御部３と、エアバッファ２と配管６で接続されており、液体の送出管路を開閉するバルブ４と、バルブ４を介して送出された液体を吐出する液体ノズル５とを備えて構成されている。

定流量ポンプ１は、バイモルポンプに代表される小型・軽量、安価で汎用性の高いポンプである。また、バルブ４は、制御部３からの指示に基づいて開閉動作をして、液体の送出及びその停止を行う。

エアバッファ２は、内部の雰囲気、ここでは空気の圧力（空気圧）が液体の貯留量の指標とされており、内部の空気圧を測定する圧力センサ１１と、内部の空気圧を調節自在とする調圧弁１２とを備えており、内部の容積（空気及び液体の貯留部）が可変とされてなるものである。

本発明以外におけるエアバッファの適用例としては、例えば特許文献１では、インクジェットプリンタにおいて、インクと気泡とを貯留するエアバッファを各インク供給チャンネルに対応して複数設け、各エアバッファから相互に等しい排気量で気泡の排出を行う技術が開示されている。

制御部３は、定流量ポンプ１、エアバッファ２及びバルブ４とそれぞれ電気的に接続されており、バルブ４を閉じた状態で定流量ポンプ１を駆動させ、エアバッファ２内の空気の圧力が所定値に達したと判断した際に定流量ポンプ１の駆動を停止させる。その後、制御部３は、バルブ４を開放し、エアバッファ２内の空気圧により液体を送出する。そして、制御部３は、エアバッファ２内の空気圧が規定値に対応する値に達したと判断した際に、バルブ４を閉じてエアバッファ２からの液体の送出を停止させる。

ここで、エアバッファ２内の空気圧による送液量は、その加圧時間により一義に規定されることから、制御部３を、エアバッファ２内の空気圧が所定値に達したと判断してバルブ４を開放したときに、エアバッファ２内の空気圧により液体を送出する加圧時間を調節して送液量を制御するように構成しても良い。

（液体供給装置の基本動作）
ここで、図１に示す液体供給装置を用いた液体供給方法について説明する。
図２は、本実施形態による液体供給装置の基本動作を示すフロー図である。

先ず、バルブ４が閉ざされた状態において、制御部３は、定流量ポンプ１を駆動して液体の吐出を開始させる（ステップＳ１）。
ここで、定流量ポンプ１は例えばダイヤフラムポンプであれば、ダイヤフラムの振動周期で液体を吐出する。吐出された液体はエアバッファ２内に貯留されてゆく。エアバッファ２内には予め所定圧の空気が封入されており、液体が貯留されてゆくにつれてエアバッファ２内の空気圧が上昇する。エアバッファ２内の液体量は、エアバッファ２内の空気圧に対応して当該空気圧により一義に規定されている。当該空気圧は、エアバッファ２に設置された圧力センサ１１により測定されている。

続いて、制御部３は、圧力センサ１１によるエアバッファ２内の空気圧の測定値を継続的に認識し、予め定められた液体の所定量に対応する空気圧に達したか否かを判断する（ステップＳ２）。当該空気圧に達したと判断した際に、定流量ポンプ１の駆動を停止させる（ステップＳ３）。
このとき、エアバッファ２内では、閉ざされたバルブ４により空気圧に拮抗して、所定量の液体が貯留された状態となる。

続いて、制御部３は、バルブ４を開放する（ステップＳ４）。
バルブ４の開放により、エアバッファ２が加圧源として機能し、内部の空気圧によりエアバッファ２内に貯留された液体が送出され、液体ノズル５から吐出されてゆく。

続いて、制御部３は、エアバッファ２内の空気圧が予め定められた液体の規定値に対応する値に達したか否かを判断する（ステップＳ５）。当該規定値に達したと判断した際に、バルブ４を閉じてエアバッファ２からの送液を停止させる（ステップＳ６）。

なお、上記の例では、エアバッファ２から液体を送出する際に、制御部３がエアバッファ２内の空気圧を継続的に認識する場合について説明したが、上述したように、エアバッファ２内の空気圧による送液量が加圧時間の関数として一義に規定されることを利用して、当該加圧時間を調節して送液量を制御するようにしても良い。

本実施形態では、定流量ポンプ１の駆動によりエアバッファ２内に規定値よりも多い所定量の液体を貯留させておき、送液時にエアバッファ２内の空気圧又は加圧時間で送液量を制御する場合について例示したが、液体の所定量を規定値として、即ち定流量ポンプ１の駆動によりエアバッファ２内に規定値の液体を貯留し、バルブ４の開放によりエアバッファ２内の液体を全て送出する構成も考えられる。

以上説明したように、本実施形態においては、エアバッファ２を加圧源として用い、エアバッファ２内の空気圧により規定値の液体を送出する構成を採る。この構成により、定流量ポンプ１の脈動による吐出量のバラツキが、送出される液体量に反映されることなく、予め定められた規定値分だけ正確に送液することが可能となる。

（本実施形態による液体供給装置の分析装置への適用例）
以下、本実施形態による液体供給装置を分析装置の洗浄液供給部として適用した一例について説明する。
図３は、本実施形態による液体供給装置を洗浄液供給部として備えた分析装置の概略構成を示す模式図である。

この分析装置は、試料を反応セルに分注して試薬と反応させる反応処理と、反応後に反応セルから残液を吸引し、更に反応セル及びノズル等を洗浄する洗浄処理とが可能である。

周方向に沿って反応セルが並べられたテーブル３０１まわりには、試料を各反応セルに分注するための分注ノズル３０２と、各反応セル内の試料を攪拌するためのセル攪拌器３０３と、各反応セルを洗浄するための洗浄ノズル３０４とが配置される。

また、テーブル３０１まわりには、容器状の形状を有し、分注ノズル３０２又はセル攪拌器３０３が挿入された状態でこれらを洗浄する洗浄器３０５ａ、３０５ｂが配設される。図３の分析装置では、洗浄器３０５ａが分注ノズル３０２に、洗浄器３０５ｂがセル攪拌器３０３にそれぞれ対応して設けられている。洗浄器３０５ａ、３０５ｂは、その内部に精製水又は洗浄液が充填された状態で、分注ノズル３０２又はセル攪拌器３０３が挿入されることで、これらの外面を洗浄することができる。

さらに、分析装置には、精製水が充填された精製水タンク３０６、洗浄液（洗剤等）が充填された洗浄液タンク３０７、反応後の残液等の廃液を貯えるための廃液用タンク３０８、３０９が設けられる。

精製水タンク３０６は、ポンプ３１０ａが配設された配管３１０を介して分注ノズル３０２、洗浄ノズル３０４、洗浄器３０５ａ、３０５ｂに接続する。なお、配管３１０は、後述する三方弁３１６の位置で配管３１０ｂ、３１０ｃに分岐している。配管３１０ｂは分注ノズル３０２、洗浄器３０５ａ、３０５ｂに接続し、配管３１０ｃは洗浄ノズル３０４に接続している。三方弁３１０ｂは、ポンプ３１０ａの駆動によって、精製水は精製水タンク３０６から分注ノズル３０２、洗浄ノズル３０４、及び各洗浄器３０５ａ、３０５ｂに供給される。

また、洗浄液タンク３０７は、本実施形態の洗浄液供給部１００が配設された配管３１１を介して洗浄ノズル３０４、洗浄器３０５ａ、３０５ｂに接続する。この洗浄液供給部１００は、上述した定流量ポンプ１、エアバッファ２、制御部３及びバルブ４を備えて構成されている。洗浄液供給部１００の作用によって、洗浄液は洗浄液タンク３０７から洗浄ノズル３０４（液体ノズル５に相当する）及び各洗浄器３０５ａ、３０５ｂに供給される。なおこの場合、制御部３は、定流量ポンプ１、エアバッファ２及びバルブ４のみならず、ポンプ３１０ａ，３１２ａ、３１３ａ等の分析装置を構成する各部を総括制御する。

また、廃液用タンク３０８、３０９は、ポンプ３１２ａ、３１３ａが配設された配管３１２、３１３を介して洗浄ノズル３０４、各洗浄器３０５ａ、３０５ｂに接続する。ポプ３１２ａ、３１３ａの駆動によって、反応セル内の廃液は洗浄ノズル３０４から吸引され廃液用タンク３０８、３０９に廃棄され、洗浄器３０５ａ、３０５ｂに溜まった廃液は吸引されて廃液用タンク３０８に廃棄される。

また、分析装置には、三方弁３１５が、シリンダ３１４、分注ノズル３０２、及び配管３１０をつなぐ形で設けられている。三方弁３１５は、ポンプ３１０ａで吸い上げられた精製水について、シリンダ３１４、分注ノズル３０２、及び配管３１０の間で精製水の供給先を切り替えて分注ノズル３０２による分注処理及び洗浄処理を実現するものである。すなわち、三方弁３１５は、配管３１０とシリンダ３１４とを直結するように切り替えることで精製水をシリンダ３１４に注入でき、シリンダ３１４に精製水が注入された状態でシリンダ３１４と分注ノズル３０２とを直結するように切り替えることで精製水の水圧による分注動作（試料の吸引・吐出動作）を行わせることができる。また、配管３１０と分注ノズル３０２とを直結するように切り替えることで、精製水を分注ノズル３０２から排出させて分注ノズル３０２内部の洗浄を行わせることができる。分注ノズル３０２内部の洗浄の際には、分注ノズル３０２は予め洗浄器３０５ａに挿入しておき、洗浄液を洗浄器３０５ａに排出する。

また、配管３１０における分注ノズル３０２と洗浄ノズル３０４との分岐点にも三方弁３１６が設けられている。三方弁３１６は、ポンプ３１０ａで吸引した精製水を分注ノズル３０２又は洗浄ノズル３０４のいずれかに供給するように経路を切り替えることができる。分注ノズル３０２では、精製水は分注処理及び洗浄処理の両方の目的に用いられるが、分注処理のために精製水をシリンダ３１４に供給する際に、洗浄処理に用いられる洗浄ノズル３０４にも同時に精製水が供給されると、シリンダ３１４への精製水の流入量が減少したり、洗浄ノズル３０４から精製水が流出したりして分注処理に支障が出る。このため、精製水の供給経路をいずれか一つに切り替える目的で三方弁３１６が設けられている。

また、配管３１０における分注ノズル３０２と洗浄器３０５ａとの分岐点にも三方弁３１７が設けられ、分注ノズル３０２と洗浄器３０５ｂとの分岐点にも三方弁３１８が設けられている。三方弁３１７、３１８は、ポンプ３１０ａで吸引した精製水を分注ノズル３０２又は洗浄器３０５ａ、３０５ｂのいずれかに供給するように経路を切り替えることができる。三方弁３１７、３１８も、三方弁３１６と同様の理由により、各分岐点において精製水の供給経路をいずれか一つに切り替える目的で設けられている。

三方弁３１５〜３１８による精製水の供給経路の切り替え動作について、処理別に説明する。なお、三方弁３１５〜３１８の切り替え動作は、図示しない弁制御部によって制御される。分注ノズル３０２による分注処理の場合、まず三方弁３１６において、ポンプ３１０ａ、分注ノズル３０２側の配管３１０ｂを直結するように弁が切り替わり、ポンプ３１０ａの駆動によって分注ノズル３０２へ精製水が供給される。この際、三方弁３１８、３１７については予め、分注ノズル３０２側に精製水が供給されるよう弁を切り替えておく。供給された精製水が三方弁３１５に到達すると、三方弁３１５は、まずシリンダ３１４と配管３１０ｂとを直結するように弁が切り替わり、これによりシリンダ３１４に精製水が注入される。分注処理に必要な量の精製水が注入されると、三方弁３１５はシリンダ３１４と分注ノズル３０２とを直結するように弁が切り替わって精製水の注入が停止され、更にポンプ３１０ａが停止されると、配管３１０ｂからの精製水の供給を終了する。以後、分注ノズル３０２は、シリンダ３１４のピストン動作によって、精製水の水圧を利用した分注処理が可能となる。

分注ノズル３０２による洗浄処理の場合、三方弁３１６、３１７、３１８の切り替え動作は、上述した分注処理の場合と同様である。ポンプ３１０ａにより精製水が三方弁３１５に到達すると、三方弁３１５は、配管３１０と分注ノズル３０２とを接続するように弁が切り替わる。これにより、分注ノズル３０２から精製水が排出され、分注ノズル３０２の内部の洗浄が行われる。

洗浄ノズル３０４による洗浄処理の場合は、三方弁３１６において、ポンプ３１０ａと、洗浄ノズル３０４側の配管３１０ｃを接続するように弁が切り替わり、ポンプ３１０ａの駆動によって洗浄ノズル３０４へ精製水が排出され、反応セルの洗浄が可能となる。

洗浄器３０５ａ、３０５ｂへの精製水の供給の場合、まず三方弁３１６によって、ポンプ３１０ａと、分注ノズル３０２側の配管３１０ｂとを直結するように弁が切り替わり、ポンプ３１０ａの駆動により分注ノズル３０２側へ精製水が供給される。この状態で三方弁３１７において洗浄器３０５ａと配管３１０ｂとを直結するように弁が切り替わると、洗浄器３０５ａ内に精製水が供給され、次に三方弁３１８において洗浄器３０５ｂと配管３１０ｂとを接続するように弁が切り替わると、精製水は洗浄器３０５ｂに供給される。

なお、上述した各処理において、三方弁３１５〜３１８は、切り替えの際に弁の開放度合いを調整して、精製水の流入量を調整するようにしてもよい。

また、図３では図示を省略するが、洗浄器３０５ａ、３０５ｂの開口部近傍に、廃液用タンク３０８又は３０９に廃液を排出させるためにポンプが配設された配管を接続するようにしてもよい。このような構成により、洗浄器３０５ａ、３０５ｂから廃液が溢れ出しそうな状況において、ポンプを駆動させて当該配管を介して廃液を吸引し廃液用タンク３０８又は３０９に廃棄でき、洗浄器３０５ａ、３０５ｂから廃液が溢れ出すことによる汚染を防止することができる。

次に、図３に示した分析装置における洗浄処理の動作について説明する。図３の分析装置では、反応セルがノンディスポーザブル（セミディスポーザブル）となっており、反応セルに反応処理後の残液等が残っていると、次回の反応処理に影響を及ぼすおそれがあるため、各反応セルを洗浄することが必要である。同様に、分注ノズル３０２がノンディスポーザブル（セミディスポーザブル）である場合も、汚染防止のため洗浄することが必要である。セル攪拌器３０３においても同様である。

そこで、各反応セルでの反応処理過程又は反応処理後に洗浄処理を行う。すなわち、洗浄ノズル３０４を反応セル内に挿入し、ポンプ３１２ａ、３１３ａを駆動することにより反応セル内の廃液を吸引して、廃液用タンク３０８、３０９に廃棄する。そして、ポンプ３１０ａ、洗浄液供給部１００を作動することにより、洗浄ノズル３０４から反応セル内に洗浄液や精製水を供給し（吐出）し、更にポンプ３１２ａ、３１３ａを駆動してそれを吸引して廃液用タンク３０８、３０９に廃棄することを繰り返して、反応セルを洗浄する。なお、洗浄液により洗浄を行う場合は、最後に精製水の吐出／吸引を繰り返して、反応セル内をゆすぐ。

また、洗浄器３０５ａ、３０５ｂに対し、ポンプ３１０ａを駆動することにより精製水が供給され、次に洗浄液供給部１００を作動することにより洗浄液が供給され、これらの混合液に分注ノズル３０２及びセル攪拌器３０３を挿入してこれらの外面を洗浄する。また、分注ノズル３０２については、洗浄器３０５ａに挿入された状態で、ポンプ３１０ａを駆動して精製水を分注ノズル３０２に供給して排出させ、内面を洗浄する。そして、ポンプ３１２ａ、３１３ａを駆動することにより洗浄器３０５ａ、３０５ｂ内の洗浄後の液体（廃液）を吸引して、廃液用タンク３０８に廃棄する。

以上説明したように、本実施形態によれば、所望の一定量の送液を容易且つ確実に実現し、分析装置の洗浄液供給部のように薬液（洗浄液）の吐出量の高精度な制御が可能となる。

本実施形態による薬液供給装置の概略構成を示す模式図である。 本実施形態による薬液供給装置の基本動作を示すフロー図である。 本実施形態による薬液供給装置を洗浄液供給部として備えた分析装置の概略構成を示す模式図である。

符号の説明

１ 定流量ポンプ
２ エアバッファ
３ 制御部
４ 電磁弁
５ 薬液ノズル
６ 配管
１１ 圧力センサ
１２調圧弁
１００ 洗浄液供給部

Claims (4)

1. 液体を所定量毎に吐出する定流量ポンプと、
   前記定流量ポンプから吐出された液体を貯留する液体貯留手段と、
   前記定流量ポンプの駆動を制御するとともに、前記液体貯留手段に貯留された液体を、前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力が送液量の規定値に達するまで送出する制御手段と、
   液体の送出管路を開閉するバルブと
   を含み、
   前記液体貯留手段は、内部の雰囲気の圧力を測定する圧力センサと、内部の雰囲気の圧力を調節自在とする調圧弁とを備え、前記圧力センサ及び前記調圧弁により、内部の雰囲気の圧力が液体の貯留量の指標とされてなるエアバッファであり、
   前記制御手段は、
   前記バルブを閉じた状態で前記定流量ポンプを駆動させ、前記圧力センサが前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力を測定し、当該圧力が所定値に達したと判断した際に前記定流量ポンプの駆動を停止させた後、
   前記バルブを開放し、前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力が前記規定値に対応する値に達したと判断した際に前記バルブを閉じることを特徴とする液体供給装置。
2. 前記液体貯留手段は、内部に貯留される液体量が調節自在とされていることを特徴とする請求項１に記載の液体供給装置。
3. 前記制御手段は、前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力が所定値に達したと判断して前記定流量ポンプの駆動を停止させた後、前記バルブを開放したときに、前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力により液体を送出する加圧時間を調整して、液体の送出量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の液体供給装置。
4. 液体を所定量毎に吐出する定流量ポンプと、前記定流量ポンプから吐出された液体を貯留し、内部の雰囲気の圧力が液体の貯留量の指標とされてなる液体貯留手段とを用いて、
   前記定流量ポンプの駆動を開始する手順と、
   前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力が所定値に達したと判断した際に前記定流量ポンプの駆動を停止させる手順と、
   前記液体貯留手段に貯留された液体を送出する手順と、
   前記液体貯留手段内の雰囲気の圧力が前記所定値に対応する値に達したと判断した際に、液体の送出を停止させる手順と
   を含むことを特徴とする液体供給方法。

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