JP5114316B2 - 分注装置 - Google Patents

Description

本発明は、容器内の液面位置を検出する液面検出装置を備えた分注装置に係り、特に音響信号を利用して液面位置を検出する液面検出装置を備えた分注装置に関する。

液体を一方の容器から他方の容器に移すため分注プローブと呼ばれるノズルを用いて液体を一旦プローブ内に吸い込んだ後、他方の容器に吐出する装置が用いられる場合がある。この場合ノズルを吸引対象の液体に深く浸漬させすぎると該液体がプローブのまわりに付着し、他の容器への吐出時にこの付着した液体も同時に落下することにより、分注量の精度が低下するという問題が生じる。特に微少量の液体を分注する場合にはこの問題は顕著である。また、同一の分注プローブで異なる液体を分注する場合は、ノズルを介して異なる液体どうしが混ざり合う、いわゆるコンタミネーションの問題も発生する。この問題を解決するため、分注プローブを吸引対象の液体に浸漬する前に液体の液面位置を検知し、該液面位置からわずかに下の位置でノズルを停止させて吸引する方法が取られる。この液面位置の検出方法としては、ノズルチップ（ピペット）から空気を吸引または吐出してノズルチップ先端が液面に到達して閉塞されたときの圧力変化を検出して、液面位置を検出する方法が知られている。この方法の応用として、圧力変化を精度良く検出するために、特許文献１，２ではノズル内部の空気を振動させて、その圧力の変化を検出して液面を検出する方法が提案されている。

特開２００５−２０１８３３号公報 特開２００５−２０７８９８号公報

このような空気を振動させて液面を検知する場合、空気を振動させる振動子に不具合があると液面を正常に検出できなくなる。一方で、振動子は外からは見えない位置に設置されることが多いため、不具合があっても操作者はそれを認識できないという問題点があった。本発明の目的は、振動子の異常の有無を検出できることができる液面検知手段を備えた分注装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明の構成は以下の通りである。

分注プローブ内の空気を振動させ、その振動数変化に基づき液面を検出する液面検出手段を備えた分注装置であって、空気を振動させるダイアフラムと、該ダイアフラムを駆動する駆動手段と、空気の圧力変化を検出する圧力検出器と、前記圧力検出器の圧力検出信号が一定になるよう前記駆動手段の制御出力を制御する制御部とを備え、前記制御出力の変化分が規定値よりも大きい場合に、前記ダイアフラムの異常を報知する手段を備えることを特徴とする分注装置。

例えば、分注装置は、起動時と、ある周期で、たとえば２０ラック分の分注終了時に、ＸＹＺ機構の原点出しを行うとともに、チップ未装着状態で振動圧が一定になるように、ダイアフラムへの加振印加電圧を制御し、その時の制御出力値を記憶しておき、次の制御動作時まで、その値で振動させることにより、一定圧での加振を行う。

ＭＶ＝（ＳＶ−ＰＶ）Ｋｐ（１＋（１／ｓ）Ｔｉ）： ＰＩ（比例・積分制御）
ＭＶ：制御出力 ＳＶ：設定値 ＰＶ：測定値 Ｋｐ：比例ゲイン
Ｔｉ：積分時定数
加振系の異常検出においては、制御出力ＭＶが大きく変化した時に異常が発生したと考えられ、この変化を検出することで、ダイアフラムの破損等の異常検出が達成できる。

液面検出用振動子の異常を検出できる分注装置が提供できる。

以下、本発明の実施例を図１に示す一実施例により説明する。図１は、検体分注装置に使用される分注ヘッドの一実施例の概要を説明する断面図である。この分注ヘッドは、図示していないＸＹＺ移動機構に取り付けられ、血清や尿等の検体の分注動作を行う。ここで分注ヘッド機構系は、主に、ノズルチップ１を装着するノズル基部２と検体を吸引吐出するための真空吸引部及び、吸引・吐出時の圧力変化を電気信号に変換する圧力検出器６，液面検出時に内部空気を振動させるための加振源であるダイアフラム７とそれを駆動するソレノイド３，空気の通路となる空洞９，１０，１１、信号処理回路８とから構成され、真空吸引部はベローズ圧縮・伸張用ステッピングモータ４によりベローズ５を圧縮・伸張してノズルチップ１の先端孔から検体を吸引・吐出する。信号処理回路８は図示していない外部信号処理回路に接続され、マイクロプロセッサ等により、信号検出，分注処理，異常処理等が行われる。

液面検出時には、ベローズ５を圧縮状態で停止させておき、ソレノイド３を駆動しダイアフラム７を振動させて、内部空気を振動させる。内部空気室９に圧力検出器６を取付け、内部空気室９の圧力変動を検出する。ノズル基部２にノズルチップ１が装着されていない状態で、圧力検出器６の出力が一定になるように、ソレノイド３の駆動電圧（または電流）を制御する。

ソレノイド３により駆動されるダイアフラム７により、内部の空気は圧縮，膨張を繰り返し、図２に示すように、負圧，正圧の振動を行う。

振動周波数を適切に選ぶと、図２に示すように、ノズル基部２にノズルチップを装着していないときに比べ、ノズルチップ１をノズル基部２に装着したとき、さらに、ノズルチップ１の先端が液面に接触して閉塞されたときに、内部の振動している空気圧変動は低下し、圧力検出器６の出力は低下する。図２に示す振動波形を整流し図３に示す直流信号を得、その変化を検出してノズルチップ１装着，ノズルチップ１先端の液面接触を検出する。

このとき、最適振動周波数は、図１に示すノズル基部２の内部空洞１０とノズルチップ内部空洞１２の寸法で決まるヘルムホルツ共振周波数になる。ヘルムホルツ共振は図４に示すように、２つの空洞１０１と１０２により構成される空洞共振であり、その共振周波数ｆ０は、
ｆ０≒(ｃ／２π)・√(Ｓ１／(Ｌ１・Ｖ２))
である。ここに、ｃは音速、Ｓ１は空洞１０１の断面積、Ｌ１は空洞１０１の長さ、Ｖ２は空洞１０２の内容積、πは円周率である。
（参考文献：音響工学原論 上巻、Ｐ.２７２ 伊藤毅著、コロナ社、Ｓ３０.４.３０）

図４の空洞１０１が図１のノズル基部２の内部空洞１０、図４の空洞１０２が図１のノズルチップ１の内部空洞１２に相当し、前記共振周波数ｆ０でダイアフラム７を振動させることで、図１の空洞９の振動はヘルムホルツ共振により吸収され、振幅が小さくなる。ノズルチップ１が装着されていない状態では共振は起こらず、空洞９の振幅は大きい。ノズルチップ１が装着され、液面によりノズルチップ１の先端が閉塞されると共振が起こり、空洞９の振幅は小さくなり、図２，図３に示すように圧力検出器の出力が低下し、液面に接触したことが検出できる。

このように、各部の寸法と音速ｃから計算できるヘルムホルツ共振周波数で振動させることで感度良く液面接触が検出できる。

なお、共振周波数ｆｏは音速にも依存するので、分注装置の使用温度範囲の中央温度または最も使用する温度で算出すればよい。加振周波数と圧力検出出力との関係の概念を図７に示す。ヘルムホルツ共振周波数ｆｏにおいて出力は最低を示し、ノズルチップ未装着，ノズルチップ装着と液面接触前後の出力変化分は最大になる。検出に必要な出力変化分が確保できる範囲であれば、加振周波数の実使用周波数は計算によるｆｏから数％のずれは許容できる。なお、ベローズ５の内部空洞とベローズ５への空気路１１で決まるヘルムホルツ共振周波数は液面検出に影響のない周波数まで離すように空気路１１を設計する。

ノズルチップを装着していない状態において振動させたときに、ソレノイド３やダイアフラム７，圧力検出器６の感度等の差異により、圧力検出器の出力振幅は変化する。特に、半導体圧力センサはスパンやオフセットの温度変動があるので、ノズルチップ１を装着していない状態において、圧力検出信号が一定になるようにソレノイド３の駆動電圧または電流を制御することでさらに液面検出を安定化することができる。制御系の一例を図５に示す。６は圧力検出器で、その出力は信号処理部１１１により図３に示すような信号に変換し、制御部１１０にプロセス変数ＰＶとして入力する。制御部１１０ではプロセス変数ＰＶと設定値ＳＶとの偏差εを作る。この偏差εに比例・積分（ＰＩ）演算を行い、制御出力ＭＶを得る。この制御出力ＭＶをソレノイド３の駆動回路１１４に入力し、制御出力ＭＶに比例したソレノイド３の駆動信号（駆動電圧または電流）を得る。この定値制御系により、圧力検出器６の信号が設定値ＳＶに一致するように制御される。

設定値ＳＶを図３に示す電圧Ｖ０に設定し、ノズルチップ１を装着しない状態で、この定値ＰＩ制御によりソレノイド３の駆動信号ＭＶを求め、ノズルチップ装着，液面検出の期間、このＭＶを保持することで、圧力検出器の出力は、図３に示すように、一定電圧Ｖ０から、ノズルチップ装着時信号Ｖ１，液面接触時信号Ｖ２の信号変化を安定に得ることができる。制御部１１０はマイクロプロセッサによるプログラムでディジタル制御系で構成することもできる。その場合は圧力検出器の信号はＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換してマイクロプロセッサに取り込み、制御出力ＭＶはＤ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換やＰＷＭ（パルス幅変調）信号によりマイクロプロセッサから出力する。制御時と制御なしの信号の例を図６に示す。制御なしの場合は、ソレノイドやダイアフラム，圧力検出器の特性で決まる値Ｖｃｏになる。温度や個々の部品によりＶｃｏはばらつき、液面検出はＶｃｏからの変化になり、Ｖｃｏが高い場合や低い場合は安定な検出は困難である。定値ＰＩ制御を行った場合は、制御出力ＭＶｏにより、圧力検出器６の出力はＶ０近傍（±α：αは設定可能とする）に収束し、常にＶ０からＶ１，Ｖ２と変化するので安定な液面検出ができる。

ダイアフラム等の加振系に異常があると、ＶｃはＶｃｘに落ち込み、それをＶ０まで上昇させるため、ＭＶｘはＭＶｏから変化する。制御出力の初期値または正常値ＭＶｏをマイクロプロセッサ１０００内のメモリ（不揮発性メモリが望ましい）に保存しておき、ＭＶｏとＭＶｘとの変化分を演算し、変化分が規定値より小さければ良、大きければ異常と判定し、分注動作を停止し、アラームを出力する。

制御出力の初期値または正常値ＭＶｏは装置や周囲温度の変動で変化するが、その変化分は振動系、特にダイアフラムの異常に比べ、変化は少ない。変化分の判定値は設定できるようにしておき、試運転時等にチューニングできるようにしても良い。

マイクロプロセッサ１０００による実施例の構造を図８に、フローチャートを図９示す。ノズルチップの種別または内部寸法や容積等を入力し、ヘルムホルツ共振周波数を計算または予め作成して入力しておいたテーブルを参照して算出し、また、ＰＩ制御により求められた制御値によるＰＷＭ信号と合成して加振信号を生成し、ソレノイド３を駆動する。なお、ヘルムホルツ共振周波数の信号とＰＷＭ信号との合成は、マイクロプロセッサ１０００外のソレノイド駆動回路で行っても良い。

本液面検出装置は、検体分注装置以外にも、任意の位置の液面を検出する装置に適用することができる。ノズルチップの交換を必要としない水位計等に適用する場合、先端の開口部が閉塞されることで液面を検出する本方式では液面接触以前は先端が開いていなければならないので、例えば、ベローズ５を延ばした状態で液面検出し、先端に付いた液体をベローズ５を圧縮して吐出させ、ノズルチップ先端を開放することで対応することができる。

本例では、ヘルムホルツ共振による液面検出を例に説明したが、内部の空気を振動させて、圧力振幅変化，振動位相変化，共振周波数変化等から液面を検出する方式等に、本方式は適用可能である。

このように本方式の液面検出装置は種々の液面検出に応用することができる。

この液面検出系の異常を、吸引動作に入る前に検出することで、分注の高信頼化が達成できる。さらに、ノズルチップを装着する前に検出することで、ノズルチップの取り外しのための係員の作業がなく、また、装着したノズルチップを無駄に廃棄することもなく、効率よく異常検出ができる。

振動系の異常，ダイアフラムの破損等による検体のリークが防止でき、分注装置としての信頼化が図れる。

本発明の一実施例で、分注ヘッドの断面の一例を示す図である。 本発明の一実施例に示す圧力検出器の出力信号の振動波形の変化の例を示す図である。 本発明の一実施例に示す振動波形を整流した電圧変化の例を示す図である。 本発明の検出原理であるヘルムホルツ共振の原理を示す図である。 本発明の一実施例に示す圧力振幅を一定に制御する制御系の例を示す図である。 本発明の一実施例に示す圧力振幅を一定に制御したときと、制御なしのとき、振動系異常時の圧力信号変化の例を示す図である。 本発明の一実施例に示す加振周波数と圧力検出出力の例を示す図である。 本発明をマイクロプロセッサにより実施したときの構成の例を示す図である。 本発明の一実施例に示すマイクロプロセッサのプログラムのフローチャートの例を示す図である。

符号の説明

１ ノズルチップ
２ ノズル基部
３ ソレノイド
６ 圧力検出器
７ ダイアフラム
１０ ノズル基部空洞
１２ ノズルチップ空洞
１１０ 制御部
１０００ マイクロプロセッサ

Claims (4)

1. 分注プローブ内の空気を振動させ、その振動数変化に基づき液面を検出する液面検出手段を備えた分注装置であって、
   空気を振動させるダイアフラムと、該ダイアフラムを駆動する駆動手段と、空気の圧力変化を検出する圧力検出器と、前記圧力検出器の圧力検出信号が一定になるよう前記駆動手段の制御出力を制御する制御部とを備え、
   前記制御出力の変化分が規定値よりも大きい場合に、前記ダイアフラムの異常を報知する手段を備えることを特徴とする分注装置。
2. 請求項１記載の分注装置において、
   前記制御出力の変化分は、分注プローブが予め定めた位置にあり、かつ分注プローブ先端にノズルチップが装着されない状態で取得したものであることを特徴とする分注装置。
3. 請求項１または２記載の分注装置において、
   前記制御部は、前記制御出力の変化分が規定値よりも大きい場合、前記ダイアフラムの異常を報知することにより、分注動作開始前に分注動作を停止することを特徴とする分注装置。
4. 請求項１〜３のいずれか記載の分注装置において、
   前記駆動手段は、ソレノイドであることを特徴とする分注装置。

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