JP4677076B2 - 液面検知装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液面を検知する液面検知装置に関するものであり、特に、ポンプにより配管を介してノズルの先端から気体を吸引又は吐出させながらノズルを液面へ向けて下降させ、配管の内圧が変化したときにノズルの先端が液面に接触したと判断する液面検知装置に関するものである。
このような液面検知装置は、例えば血液や尿などの試料を測定する生化学自動分析装置に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
このような液面検知方法は、例えば特開平２−１９６９６４号公報や特開平２−２４３９６０号公報などに記載されている。
特開平２−１９６９６４号公報に記載の液面検知方法は、ノズルチップ（チップ）内に予め空気を吸引しておく工程と、チップを検体チューブ上方に移動させる工程と、吸引している空気を吐出させながらチップを検体チューブ内の液面に向けて下降させる工程と、チップの下降開始から所定時間後にサンプリングして得られたエアホース（配管）内圧を基準値として設定する工程と、チップ吸入口が液面との接触によって閉止状態となることによる上記基準値に対する配管内圧変化を検出し、これが確認されたときにノズル先端が液面に到達したものと判定する工程とを含むものである。
【０００３】
特開平２−２４３９６０号公報に記載の液面検知方法は、ポンプとピペット（チップに相当）と連接する流系（配管に相当）の圧力を検出する圧力センサーを設け、ポンプを動作させながらピペットを下降させ、圧力センサーで検出される流系内の圧力変化から液面を検出するものである。
これらの液面検知方法では、チップの先端が液面に接触すると、チップの先端からの空気の吐出が液面により妨げられて配管の内圧が上昇するので、そのときのチップの先端位置を液面位置と判断できる。
【０００４】
例えば血液や尿などの試料を測定する自動分析装置では自動分注における試料の分注量の微少な違いが測定値に大きく反映することが知られている。そこで、試料の液面を検知してチップの浸入深さを最小限にすることにより、チップの外壁への試料の付着を少なくし、分注量の精度を向上させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
例えば試料が血液や尿などの液体の場合、試料が収容された容器内の試料液面より上の位置に泡や膜が存在していることがある。液面より上に泡や膜が存在している状態で液面検知を行なうと、チップの先端が泡や膜に接触したときに配管の内圧が上昇するため、制御部はそのチップの先端位置が液面位置であると判断して吸引動作を開始させてしまうので、試料を正確に吸引することができない。
そこで本発明は、液面上に泡や膜が存在していても液面を正確に検知することができる液面検知装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の基礎となる液面検知方法は、ポンプによりノズルの先端から気体を吸引又は吐出させながらノズルを液面へ向けて下降させる下降ステップと、ノズルにつながる配管の内圧が変化したときにポンプの吸引又は吐出及びノズルの下降を停止させる検知ステップと、配管の内圧が許容変化量範囲内で所定時間以上継続したときに、ノズルの先端が液面に接触したと判断する判断ステップとを含む。
ここで、ノズルの語は、先端にチップが取り付けられている場合にはそのチップも含めてノズルと称している。
【０００７】
本発明にかかる液面検知装置は、気体を吸引及び吐出してノズルの先端から液体の吸引及び吐出を行なわせるポンプと、ノズルを昇降させるノズル駆動機構と、ノズルにつながる配管の内圧を測定する圧力センサーと、ポンプ及びノズル駆動機構を制御してノズルの先端から気体を吸引又は吐出させながらノズルを液面へ向けて下降させ、圧力センサーにより配管の内圧の変化が検出されたときにポンプ及びノズル駆動機構の動作を停止させ、圧力センサーの出力が許容変化量範囲内で所定時間以上継続したときにノズルの先端が液面に接触したと判断する制御部とを備えたものである。
【０００８】
本発明にかかる液面検知装置では、ノズルにつながる配管の内圧が変化したときにポンプの吸引又は吐出及びノズルの下降を停止させ、配管の内圧が許容変化量範囲内で所定時間以上継続したか否かを判定する。配管の内圧の変化が液面上に存在する泡や膜に起因するものである場合、その圧力変化は一時的な現象であり、ノズル先端からの気体の吸引又は吐出を停止すると、配管の内圧は時間の経過とともに大気開放時の圧力に近づく方へ変動する。一方、配管の内圧の変化が液面に起因するものである場合は、ノズル先端からの気体の吸引又は吐出を停止し、時間が経過しても、配管の内圧はほとんど変動しない。
このように、本発明にかかる液面検知装置では、配管の内圧の変化を検出するとともにポンプの吸引又は吐出及びノズルの下降を停止させ、その後の圧力変動を監視することにより、配管の内圧の変化が液面に起因するものか、又は泡や膜に起因するものかを判断することができるので、泡や膜による誤検知を抑制することができ、液面を正確に検知することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる液面検知装置において、検知ステップにおける内圧変化の判断は内圧の微分信号としきい値との比較により行ない、判断ステップにおける判断は内圧の圧力信号自体に基づいて行なうことが好ましい。その結果、ノズルの先端の閉塞をより迅速に検出することができ、かつ内圧の大きさの変動をより正確に監視することができる。
【００１０】
本発明にかかる液面検知装置において、制御部は、ノズルが大気に開放されているときの圧力センサーの出力を、この制御部のＡＤ（アナログ・デジタル）コンバータの入力レンジのセンターにするＡＬＣ（Auto Level Control）回路をさらに備えている。
例えば１０マイクロリットル程度の微量の試料の分注を行なう装置では、ノズルやノズルとポンプ間のチューブ等の配管の内径が小さく、ノズル先端が液面に接触したときの配管の内圧の変化も小さいので、圧力センサーの出力を大きなゲインで増幅しなければならない。しかし、大きなゲインで増幅すると、温度変化による圧力センサーや増幅器のオフセットの変化、もしくは経年変化による偏差の影響により、ダイナミックレンジが振り切れたり、一定値が確保できない虞れがある。そこで、ＡＬＣ回路により、ノズルが大気に開放されているときの圧力センサーの出力を、ＡＤコンバータの入力レンジのセンターにしておき、液面検知を開始する直前にＡＬＣ回路をオフにすることにより、配管の内圧の大きさに応じた出力を適当なレンジで監視することができる。
【００１１】
制御部は、圧力センサーの出力の変化率を出力する微分回路をさらに備え、微分回路の出力の変化に基づいて配管の内圧の変化を検出することが好ましい。圧力の大きさに応じた出力の変化に基づいて配管の内圧の変化を検出することに加えて、圧力センサーの出力の変化率に基づいて配管の内圧の変化を検出することにより、配管の内圧の変化をより迅速に検出することができる。
圧力センサーはノズルの先端付近に設置されていることが好ましい。その結果、ポンプの吸引又は吐出開始時のノズルの内圧の変化に基づく圧力センサーの出力の変動を抑制することができる。
【００１２】
【実施例】
図１は一実施例としての分注装置を示す概略構成図である。図２はその一実施例のブロック図である。
容器１に収容された試料３の一部を内部に採取する使い捨て式のチップ５ａがノズル５の一端に着脱可能に取り付けられている。ノズル５はアーム５ｂに設置されており、ノズル駆動機構７によりアーム５ｂとともに昇降移動させられる。
ノズル５の他端はチューブ９を介してポンプ１１に接続されている。
【００１３】
ノズル５にはチップ５ａ、ノズル５、チューブ９及びポンプ１１を含む配管の内圧を測定する圧力センサー１３が備えられている。圧力センサー１３はノズル５の先端付近に設置されており、ポンプ１１の吸引又は吐出開始時におけるノズル５の内圧の変化に基づく圧力センサー１３の出力の変動を抑制することができる。圧力センサー１３としてはＦＰＭ−０７ＰＧ（株式会社フジクラの製品）を用いた。
【００１４】
図２は本実施例の制御系を示したもので、図１のノズル５、チップ５ａ、アーム５ｂ、ノズル駆動機構７、チューブ９及びポンプ１１はノズルユニット１９として示す。ノズルユニット１９には、ノズル駆動機構７の動作を制御するためのノズル駆動回路７ａとポンプ１１の動作を制御するためのポンプ駆動回路１１ａが電気的に接続されている。ノズル駆動回路７ａ及びポンプ駆動回路１１ａはＣＰＵ１７に電気的に接続されており、ＣＰＵ１７により動作が制御される。
ノズルユニット１９の圧力センサー１３は信号処理部１５に電気的に接続されている。信号処理部１５にはバッファＡＭＰ（増幅器をＡＭＰと記す。）２３と、圧力信号ＡＭＰ２５と、ＡＬＣ回路２７と、微分信号ＡＭＰ２９が設けられている。本発明を構成する微分回路は微分信号ＡＭＰ２９により実現される。
【００１５】
図３は圧力センサー１３及び信号処理部１５の一例を示す回路図である。
圧力センサー１３の出力はバッファＡＭＰ２３に入力される。バッファＡＭＰ２３は圧力センサー１３の出力を例えば１００倍に増幅して圧力信号ＡＭＰ２５及び微分信号ＡＭＰ２９へ出力する。圧力信号ＡＭＰ２５はバッファＡＭＰ２３によって増幅された出力をさらに約５０倍に増幅してＣＰＵ１７へ出力する。ＡＬＣ回路２７は圧力信号ＡＭＰ２５の入力側に接続されており、ＣＰＵ１７によりオン／オフの切替えが制御され、オンのときに圧力信号ＡＭＰ２５の出力をＣＰＵ１７へ取り込むＡＤコンバータ（図示略）の入力レンジのセンターに維持する機能を果たす。微分信号ＡＭＰ２９はバッファＡＭＰ２３によって増幅された出力の変化率をＣＰＵ１７へ出力する。
【００１６】
図４はこの実施例の液面検知動作及び試料吸引動作を示すフローチャートである。図１から図４を参照してその動作を説明する。
ＣＰＵ１７によりＡＬＣ回路２７をオンにして、圧力信号ＡＭＰ２５の出力をＣＰＵ１７へ取り込むＡＤコンバータの入力レンジのセンターに維持しておく（ステップＳ１）。ＣＰＵ１７によりノズル駆動回路７ａを制御してノズル駆動機構７を作動させて、ノズル５及びチップ５ａを容器１の真上のサンプリング位置へ移動させる（ステップＳ２）。
【００１７】
ＣＰＵ１７によりＡＬＣ回路２７をオフにした後（ステップＳ３）、ポンプ駆動回路１１ａを制御してポンプ１１を吐出動作させて、チューブ９及びノズル５を介してチップ５ａの先端から空気の吐出を開始させる（ステップＳ４）。
チップ５ａの先端から空気を吐出させながら、ＣＰＵ１７によりノズル駆動回路７ａを制御してノズル駆動機構７を作動させて、ノズル５及びチップ５ａを試料３の液面へ向けて下降させる（ステップＳ５）。このとき、ＣＰＵ１７により圧力信号ＡＭＰ２５の出力及び微分信号ＡＭＰ２９の出力を監視している（ステップＳ６）。
【００１８】
図５から図８は、試料３として全血を用いたときの圧力信号ＡＭＰ２５の出力波形及び微分信号ＡＭＰ２９の出力波形を示す図であり、図５は真の液面によるもの、図６は泡によるもの、図７は膜によるもの、図８はチップ内の液だれによるものを示す。縦軸は信号強度、横軸は時間を示す。
図５から図８において、２５ａは圧力信号ＡＭＰ２５の出力波形（以下、圧力信号波形という）であり、ＡＬＣ回路２７はオフになっているが、オフにされる前のＡＬＣ回路２７の作用によりセンターレベル３１から開始している。２９ａは微分信号ＡＭＰ２９の出力波形（以下、微分信号波形という）である。
【００１９】
図５から図８も参照しながら実施例の動作の説明を続けると、チップ５ａの先端が試料３の液面、泡もしくは膜に接触して閉塞されたとき、又はチップ内の液だれによりチップ５ａの先端が閉塞されたとき、ノズル５の内圧が上昇し、微分信号波形２９ａが立ち下がる（微分信号ＡＭＰ２９はこのような極性になるように接続されている。）とともに圧力信号波形２５ａも立ち上がる。微分信号波形２９ａの立ち下がりがしきい値を越えたとき、ＣＰＵ１７によりノズル駆動回路７ａを制御してノズル駆動機構７の動作を停止させてノズル５及びチップ５ａの下降を停止させ、ポンプ駆動回路１１ａを制御してポンプ１１の動作を停止させるとともに（ステップＳ７）、圧力信号波形２５ａの監視を続ける（ステップＳ８）。
【００２０】
チップ５ａの先端が真の液面に接触した場合、ノズル５の内圧はほぼ一定に維持される。図５に示すように、微分信号波形２９ａは立ち下がる前の出力に戻るが、圧力信号波形２５ａの出力は立ち上がった状態で維持される。ＣＰＵ１７は、圧力信号波形２５ａ及び微分信号波形２９ａの変化後、圧力信号波形２５ａの立ち上がった状態が許容変化量範囲内で所定の判断時間にわたって継続されたときに、チップ５ａの先端が真の液面に接触したと判断する。許容変化量とその判断時間は適当に設定することができる。例えば、許容変化量を５０％とし、判断時間を６秒とする。そして、チップ５ａの先端を液面から、所定量の試料３を確実に吸引でき、かつ最小限の深さまで浸入させ、ポンプ１１を吸引動作させてチップ５ａ内に試料３を吸引させる（ステップＳ９）。試料３の吸引後、ノズル５及びチップ５ａを上昇させる（ステップＳ１０）。
【００２１】
一方、ステップＳ６での圧力上昇が泡（図６参照）や膜（図７参照）、チップ内の液だれ（図８参照）に起因するものである場合、一旦上昇したノズル５の内圧は時間が経過すると大気開放時の状態に近づく。そのため、立ち上がった圧力信号波形２５ａはセンターレベル３１に近づく。ＣＰＵ１７は、圧力信号波形２５ａ及び微分信号波形２９ａの変化後、圧力信号波形２５ａが６秒間の判断時間の間に許容変化量範囲内を越えて変動した場合、チップ５ａの先端は真の液面に接触していないと判断し、ノズル５及びチップ５ａの下降を再開させる（ステップＳ１１）。
【００２２】
このように、本発明によれば泡や膜、チップ内の液だれによる液面の誤検知を回避することができ、真の液面を検知することができる。また、液面上に小さい泡のみが存在する場合、その小さい泡はノズル５ａの先端から吐出される空気により払い除けられるので、正常に液面を検知することができる。
また、予想される液面位置より高い位置で圧力信号波形２５ａ又は微分信号波形２９ａの変動が検出された場合は、外来ノイズやチップ内の液だれ等の原因による誤検知として認識させ、再動作させるようにしておくことが好ましい。
【００２３】
また、本発明によれば、試料の粘度の違いも判断することができる。図９は試料３として７０％エタノールを用い、真の液面を検知したときの圧力信号ＡＭＰ２５の出力波形及び微分信号ＡＭＰ２９の出力波形を示す図である。縦軸は信号強度、横軸は時間を示す。２５ｂは圧力信号波形を示し、２９ｂ微分信号波形を示し、３１はセンターレベルを示す。図９の信号強度は図５のものと同じゲインでの測定値である。
【００２４】
試料３として全血を用いたとき（図５参照）と７０％エタノールを用いたとき（図９参照）を比較すると、全血又は７０％エタノールの液面とチップの先端とが接触して圧力信号波形２５ａ，２５ｂが立ち上がった状態において、全血液面検知時における圧力信号波形２５ａのセンターレベル３１からの出力強度値Ａは７０％エタノール液面検知時における圧力信号波形２５ｂのセンターレベル３１からの出力強度値Ｂに比べて大きい。すなわち、圧力信号波形が立ち上がった状態において、試料の粘度の大きさに応じた出力強度値が示される。これにより、試料の粘度の違いを判断することができる。
【００２５】
上記の実施例の分注装置ではノズルの先端にチップを着脱可能に設けているが、本発明はこれに限定されるものではなく、チップを用いずにノズル内に試料を吸引及び吐出する分注装置にも適用することができる。
上記の実施例では、図５から図９に示すように、配管の内圧の上昇を上に凸に表示し、内圧の変化率の増加を下に凸に表示するように増幅器の極性を定めているが、本発明はこれに限定されるものではなく、増幅器の極性はいずれでもよい。
また、上記の実施例ではチップの先端から空気を吐出させながらノズルを下降させて配管の内圧の上昇を監視しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、チップの先端から空気を吸引させながらノズルを下降させて配管の内圧の減少を監視するようにしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明にかかる液面検知装置では、ノズルにつながる配管の内圧が変化したときにポンプの吸引又は吐出及びノズルの下降を停止させ、配管の内圧が許容変化量範囲内で所定時間以上継続したか否かを判定するようにしたので、配管の内圧の変化が液面に起因するものか、又は泡や膜等に起因するものかを判断することができ、泡や膜による誤検知を抑制することができ、液面を正確に検知することができる。
【００２７】
本発明において、検知ステップは内圧の微分信号としきい値との比較により行ない、判断ステップは内圧の圧力信号自体に基づいて行なうようにすれば、ノズルの先端の閉塞をより迅速に検出することができ、かつ内圧の大きさの変動をより正確に監視することができる。
【００２８】
本発明にかかる液面検知装置において、制御部は、ノズルが大気に開放されているときの圧力センサーの出力を、この制御部のＡＤコンバータの入力レンジのセンターにするＡＬＣ回路をさらに備えているので、圧力センサーの出力を適当なレンジで監視することができる。
【００２９】
制御部は圧力センサーの出力の変化率を出力する微分回路をさらに備え、微分回路の出力の変化に基づいて配管の内圧の変化を検出するようにすれば、ノズルの内圧の変化をより迅速に検出することができる。
圧力センサーをノズルの先端付近に設置するようにすれば、ポンプの吸引又は吐出開始時のノズルの内圧の変化に基づく圧力センサーからの出力の変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一実施例としての分注装置を示す概略構成図である。
【図２】 同実施例の制御系を示すブロック図である。
【図３】 同実施例の圧力センサー及び信号処理部の一例を示す回路図である。
【図４】 同実施例の液面検知動作及び試料吸引動作を示すフローチャートである。
【図５】 試料として全血を用い、チップの先端が真の液面に接触したときの圧力信号ＡＭＰの出力波形及び微分信号ＡＭＰの出力波形を示す図である。
【図６】 試料として全血を用い、チップの先端が泡に接触したときの圧力信号ＡＭＰの出力波形及び微分信号ＡＭＰの出力波形を示す図である。
【図７】 試料として全血を用い、チップの先端が膜に接触したときの圧力信号ＡＭＰの出力波形及び微分信号ＡＭＰの出力波形を示す図である。
【図８】 試料として全血を用い、チップ内の液だれによりチップの先端が閉塞したときの圧力信号ＡＭＰの出力波形及び微分信号ＡＭＰの出力波形を示す図である。
【図９】 試料として７０％エタノールを用い、液面を検知したときの圧力信号ＡＭＰ２５の出力波形及び微分信号ＡＭＰ２９の出力波形を示す図である。
【符号の説明】
１ 容器
３ 試料
５ ノズル
５ａ チップ
５ｂ アーム
７ ノズル駆動機構
７ａ ノズル駆動回路
９ チューブ
１１ ポンプ
１１ａ ポンプ駆動回路
１３ 圧力センサー
１５ 信号処理部
１７ ＣＰＵ
１９ ノズルユニット
２３ バッファＡＭＰ
２５ 圧力信号ＡＭＰ
２５ａ，２５ｂ 圧力信号波形
２７ ＡＬＣ回路
２９ 微分信号ＡＭＰ
２９ａ，２９ｂ 微分信号波形
３１ センターレベル

Claims (3)

1. 気体を吸引及び吐出してノズルの先端から液体の吸引及び吐出を行なわせるポンプと、
   試料を収容した容器の真上のサンプリング位置へ前記ノズルを移動させるとともに、前記サンプリング位置で前記ノズルを昇降させるノズル駆動機構と、
   前記ノズルにつながる配管の内圧を測定する圧力センサーと、
   ＡＤコンバータを介して前記圧力センサーの出力を取り込み、前記ポンプ及び前記ノズル駆動機構を制御して前記ノズルの先端から気体を吸引又は吐出させながら前記ノズルを液面へ向けて下降させ、前記圧力センサーにより前記配管の内圧の変化が検出されたときに前記ポンプ及び前記ノズル駆動機構の動作を停止させ、前記圧力センサーの出力が許容変化量範囲内で所定時間以上継続したときに前記ノズルの先端が液面に接触したと判断する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記圧力センサーの出力を前記ＡＤコンバータの入力レンジのセンターにするＡＬＣ回路をさらに備え、前記ノズルが大気に開放されていて前記ノズルが前記サンプリング位置に位置決めされるまでは前記ＡＬＣ回路を作動させて前記圧力センサーの出力を前記ＡＤコンバータの入力レンジのセンターにし、前記ノズルが前記サンプリング位置に位置決めされた後に前記ＡＬＣ回路をオフにすることにより、液面を検知するときは前記ＡＬＣ回路を作動させないようにすることを特徴とする液面検知装置。
2. 前記制御部は、前記圧力センサーの出力の変化率を出力する微分回路をさらに備え、前記微分回路の出力の変化に基づいて前記配管の内圧の変化を検出する請求項１に記載の液面検知装置。
3. 前記圧力センサーは前記ノズルの先端付近に設置されている請求項１又は２に記載の液面検知装置。

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