JP5167063B2

JP5167063B2 - 細胞培養装置

Info

Publication number: JP5167063B2
Application number: JP2008265301A
Authority: JP
Inventors: 寛末岡
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2028-10-14
Also published as: JP2010094042A

Description

本発明は、加熱装置および細胞培養装置に関するものである。

空気などの層を媒介として生体試料を暖める細胞培養装置において、従来、装置内の急激な温度変化を抑える方法が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特許文献１には、生体試料の培養環境を維持するための密封構造と、個別に開閉可能な積層された２枚の大扉とを有する細胞培養装置が開示されている。２枚の大扉には開閉可能な小扉がそれぞれ対向する位置に設けられており、この小扉から試料の出し入れをすることで、試料交換時の開口面積を最小限にし、装置内の温度変化を抑制している。

特許文献２には、試料の出し入れ用の開口部を開放する際にエアーカーテンを作り出し、装置内への外気の侵入を防ぐことで、装置内の温度変化を抑制する細胞培養装置が開示されている。
特開２００７−２０９２５７号公報特開２００６−１６６７４７号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示されている方法では、試料出し入れのための開口部の面積を小さくする必要があり、試料を出し入れする際の作業性が悪化してしまう。一方、作業性を向上させるために開口部を大きくした場合には、開口部を開放した際に装置内の温度が低下してしまう。この際、温度制御系は、加熱を行っているにも関わらず装置内の温度が上昇しないと認識してしまい、加熱部への出力を増大させる。この状態から扉を閉じると、扉が開かれている状態で目標温度を達成しようとする加熱部による訂正動作が、扉が閉じられた状態においてもそのまま適用されてしまう。その結果、温度復帰時に装置内の温度がオーバーシュートしてしまい、試料にダメージを与えてしまうという不都合があった。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、試料出し入れ時の作業性を確保しつつ、温度復帰時のオーバーシュートを防止することができる加熱装置および細胞培養装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１の態様は、試料を収納する密閉構造の筐体と、該筐体に設けられ、前記筐体内に試料を出し入れするための扉と、該扉の開閉状態を検出する開閉センサと、前記筐体内を加熱する加熱部と、前記筐体内の温度を検出する温度センサと、該温度センサにより検出された温度に基づいて前記加熱部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記開閉センサが、前記扉が開状態から閉状態に変化したことを検出した場合に、積分制御の積分偏差を初期化することにより温度復帰時の積分制御によるオーバーシュートを防止することを特徴とする、加熱装置を有する細胞培養装置である。

上記態様によれば、温度センサにより検出された筐体内の温度に基づいて、制御部により加熱部が制御され、筐体内の試料が加熱される。また、筐体内に試料を出し入れするために扉を開き、その後扉を開状態から閉状態とすると、開閉センサにより扉が閉じられたことが検出される。

ここで、扉を開いたことによって筐体内の温度が低下すると、積分制御の積分偏差が増大して筐体内を迅速に加熱しようとするが、この状態から扉を閉じると、制御部によって積分制御の積分偏差がリセットされる。これにより、扉が開かれている状態で目標温度を達成しようとする加熱部による訂正動作が、扉が閉じられた状態においてもそのまま適用されてしまうという不都合を防止し、筐体内の温度のオーバーシュートを抑制して、試料にダメージを与えてしまうことを防止することができる。

上記態様において、前記制御部は、前記開閉センサにより前記扉の開状態が検出された場合には積分制御を停止し、前記開閉センサにより前記扉の閉状態が検出された場合には積分制御を開始することとしてもよい。

このようにすることで、扉の開状態において積分制御を停止することによって積分偏差を一定に維持し、扉が閉状態となった際に、一定に維持された積分偏差で積分制御を再開することができる。これにより、加熱部に対して偏差を過剰に出力することを防止することができ、筐体内の温度のオーバーシュートを抑制して、試料にダメージを与えてしまうことを防止することができる。

上記態様において、前記制御部は、前記温度センサにより検出された温度と設定温度との偏差に基づいて制御量を演算する演算部と、該演算部において用いられる制御ゲインおよび設定温度を格納する不揮発メモリと、積分偏差を格納する揮発メモリとを有し、前記揮発メモリに格納された積分偏差を消去することで、積分制御の積分偏差を初期化することとしてもよい。

このようにすることで、扉を開状態から閉状態とした際に、揮発メモリに格納された積分偏差が消去され、新たに積分される積分偏差および温度センサにより検出された温度と不揮発メモリに格納された設定温度との偏差に基づいて、演算部により制御量を演算することができる。これにより、加熱部に対して偏差を過剰に出力することを防止することができ、筐体内の温度のオーバーシュートを抑制して、試料にダメージを与えてしまうことを防止することができる。

上記態様において、前記制御部は、前記扉の開状態を前記開閉センサにより検出した場合に、前記加熱部の制御を停止することとしてもよい。
このようにすることで、制御を容易なものとすることができるとともに、扉の外部へ逃げてしまう熱量を抑えることでエネルギーの損失を低減することができる。

本発明の第２の態様は、試料を収納する密閉構造の筐体と、該筐体に設けられ、前記筐体内に試料を出し入れするための扉と、該扉の開閉状態を検出する開閉センサと、前記筐体内を加熱する加熱部と、前記筐体内の温度を検出する温度センサと、該温度センサにより検出された温度に基づいて前記加熱部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記開閉センサにより前記扉の開状態が検出されている間には、前記加熱部の目標温度を前記温度センサにより検出された温度に設定する細胞培養装置である。

ここで、扉を開いたことによって筐体内の温度が低下すると、積分制御の積分偏差が増大して筐体内を迅速に加熱しようとするが、この状態において開閉センサにより扉の開状態が検出されている間には、加熱部の目標温度が温度センサにより検出された温度に設定される。これにより、扉が開かれている状態で積分制御の積分偏差が累積してしまうことを防止し、扉を閉じた際に加熱部による急激な加熱を防止することができる。その結果、筐体内の温度がオーバーシュートして試料にダメージを与えてしまうことを防止することができる。
また、扉の開閉状態に関わらず、制御部による加熱部の制御を継続することができるため、安定的な温度制御が可能となる。

本発明の第３の態様は、上記のいずれかの加熱装置を備える細胞培養装置である。
上記態様によれば、筐体内の温度のオーバーシュートを抑制し、熱に敏感な細胞に対してダメージを与えてしまうことを防止することができる。

本発明によれば、試料出し入れ時の作業性を確保しつつ、温度復帰時のオーバーシュートを防止することができるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る細胞培養装置１について、図面を参照して以下に説明する。
図１に示すように、細胞培養装置１は、生体試料を収納し培養環境を保つために密閉構造とされた筐体１０１と、筐体１０１の内部温度を制御する温度制御ユニット（制御部）１０６と、筐体１０１と温度制御ユニット１０６とを接続する外部制御ユニット１０７とを主な構成要素として備えている。

筐体１０１は、筐体１０１の内部温度を上昇させる加熱ユニット（加熱部）１０５と、筐体１０１の内部温度を検出する温度センサ１０４と、筐体１０１の内部に試料を出し入れするために筐体１０１の外面に設けられた扉１０２と、扉１０２の開閉状態を検出する開閉センサ１０３とを有している。

温度制御ユニット１０６は、パラメータなどの変更や初期化を行うための信号を外部と通信する外部通信部１０６ａと、温度センサ１０４により検出された温度と予め設定された設定温度との偏差に基づいてＰＩＤ制御量を演算するＰＩＤ制御演算部（演算部）１０６ｂと、ＰＩＤ制御演算部１０６ｂで用いられるＰＩＤ制御パラメータおよび設定温度などを格納する不揮発メモリ１０６ｃと、積分制御の積分偏差を格納する揮発メモリ１０６ｄとを有している。

加熱ユニット１０５および温度センサ１０４は、温度制御ユニット１０６に接続されている。外部通信部１０６ａは外部制御ユニット１０７に接続されており、外部制御ユニット１０７は開閉センサ１０３に接続されている。

温度制御ユニット１０６は、温度センサ１０４により検出された筐体１０１の内部温度に基づいて加熱ユニット１０５を制御すると共に、扉１０２が開状態となった場合に、揮発メモリ１０６ｄに格納された積分偏差を消去することで、積分制御の積分偏差を初期化するようになっている。

上記構成を有する細胞培養装置１の作用について以下に説明する。
細胞培養装置１の電源が投入されると、温度制御ユニット１０６により、温度センサ１０４により検出された筐体１０１の内部温度が読み取られる。この温度データと不揮発メモリ１０６ｃに保存されているＰＩＤ制御パラメータおよび設定温度とに基づいて、ＰＩＤ制御演算部１０６ｂにより加熱ユニット１０５の出力値が決定される。温度制御ユニット１０６は、加熱ユニット１０５の出力値を制御することで、筐体１０１の内部温度を所定の温度に維持する。

この状態において、試料の出し入れなどのために扉１０２が開かれると、開閉センサ１０３は、扉１０２が開かれたことを外部制御ユニット１０７に通知する。外部制御ユニット１０７は、扉１０２が開状態であることを認識すると、外部通信部１０６ａを介して揮発メモリ１０６ｄの内容を初期化する。ここで、初期化される内容は、揮発メモリ１０６ｄに格納されている少なくとも積分偏差の情報である。外部制御ユニット１０７は、積分偏差の情報を初期化することで、温度制御ユニット１０６の温度制御を停止させると共に、加熱ユニット１０５の出力を低下あるいはＯＦＦにする。

そして、再び扉１０２が閉められると、開閉センサ１０３は外部制御ユニット１０７に扉が閉められたことを通知する。外部制御ユニット１０７は、扉１０２が閉状態であることを認識すると、外部通信部１０６ａを介して揮発メモリ１０６ｄの初期化を解除すると共に、温度制御ユニット１０６の温度制御を再開させて筐体１０１の内部温度を所定の温度に復帰させる。

ここで、比較例として、従来の細胞培養装置における扉開閉時の温度変化を図５に示す。
図５に示すように、従来の細胞培養装置においては、試料出し入れのために開口部を開けると筐体内の温度が低下してしまう（図５のＡ部分）。ここで、従来の細胞培養装置は、開口部の開状態においても閉状態と同様の温度制御を行っているため、開口部の開放中には、温度制御ユニットはヒータによる加熱を行っているにも関わらず筐体内の温度が上がらないと認識をしてしまい、ヒータ出力が常に高い状態になる（図５のＢ部分）。この状態から扉を閉じると、扉を開いている状態において累積されたヒータ出力の積分偏差が、扉が閉じられた状態においてもそのまま適用されてしまう。その結果、筐体内を温度が急激に上昇して（図５のＣ部分）、温度復帰時に装置内の温度がオーバーシュートしてしまい（図５のＤ部分）、試料にダメージを与えてしまうという不都合があった。

これに対して、本実施形態に係る細胞培養装置１によれば、図２に示すように、扉１０２を開くことにより、加熱ユニット１０５の出力が低下あるいはＯＦＦにされると共に、揮発メモリ１０６ｄの積分制御の積分偏差がリセットされる。これにより、扉１０２が開かれている状態で目標温度を達成しようとする加熱ユニット１０５による訂正動作が、扉１０２が閉じられた状態においてもそのまま適用されてしまうという不都合を防止することができる。その結果、筐体１０１内の温度のオーバーシュートを抑制して、試料にダメージを与えてしまうことを防止することができる。

なお、本実施形態において、揮発メモリ１０６ｄの積分制御の積分偏差をリセットするタイミングは、扉１０２が開状態とされた際であるとして説明したが、これに代えて、扉１０２が開状態から閉状態に変化した際としてもよい。

また、本実施形態の第１の変形例として、図３に示すように、外部制御ユニット１０７を省略して、開閉センサ１０３と温度制御ユニット１０６とを直接接続し、開閉センサ１０３により温度制御ユニット１０６の電源制御を行うこととしてもよい。
このような構成を有する細胞培養装置２によれば、扉１０２が開かれると開閉センサ１０３が温度制御ユニット１０６の電源を切ることで、扉１０２開放中の温度制御を停止することができる。これにより、装置構成をより簡易なものとすることができる。

また、本実施形態の第２の変形例として、図４に示すように、開閉センサ１０３を直接温度制御ユニット１０６に接続し、開閉センサ１０３が扉１０２の開状態を温度制御ユニット１０６に通知すると、温度制御ユニット１０６が加熱ユニット１０５の温度制御を停止することとしてもよい。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る細胞培養装置について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る細胞培養装置が第１の実施形態と異なる点は、扉の開状態が検出されている間には、加熱ユニットの目標温度を温度センサにより検出された温度に設定する点である。以下、本実施形態の細胞培養装置４について、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。なお、装置構成は図１に示す第１の実施形態と同様であるため、第１の実施形態と同一の符号を用いて説明する。ただし、外部制御ユニット１０７は温度センサ１０４および開閉センサ１０３に接続されている。

本実施形態に係る細胞培養装置４の作用について以下に説明する。
外部制御ユニット１０７は、開閉センサ１０３から扉１０２が開いたことが通知されると、温度センサ１０４より筐体１０１の内部温度を読み込み、温度制御ユニット１０６に出力する。温度制御ユニット１０６は、外部制御ユニット１０７から出力された内部温度を不揮発メモリ１０６ｃに格納して目標温度として設定し、加熱ユニット１０５の温度制御を行う。開閉センサ１０３により扉１０２が開状態であることが検出されている間には、上記の動作を所定の周期で繰り返す。

そして、再び扉１０２が閉められると、開閉センサ１０３は外部制御ユニット１０７に扉が開いたことを通知する。外部制御ユニット１０７は、扉１０２が閉状態であることを認識すると、外部通信部１０６ａを介して不揮発メモリ１０６ｃの目標温度を、扉１０２を開く前の目標温度に変更し、筐体１０１の内部温度を復帰させる。

以上のように、本実施形態に係る細胞培養装置４によれば、開閉センサ１０３により扉１０２の開状態が検出されている間には、加熱ユニット１０５の目標温度が温度センサ１０４により検出された温度に設定される。これにより、扉１０２が開かれている状態で積分制御の積分偏差が累積してしまうことを防止し、扉１０２を閉じた際に加熱ユニット１０５による急激な加熱を防止することができる。その結果、筐体１０１内の温度がオーバーシュートして試料にダメージを与えてしまうことを防止することができる。

また、扉１０２の開閉状態に関わらず、温度制御ユニット１０６による加熱ユニット１０５の温度制御を継続することができるため、安定的な温度制御が可能となる。
なお、本実施形態に係る細胞培養装置４についても、前述の第１の実施形態における各変形例を適用して同様の効果を得ることも可能である。

本発明の実施形態に係る細胞培養装置の全体構成を示すブロック図である。図１の細胞培養装置の内部温度の変化状態を説明する図である。第１の変形例に係る細胞培養装置の全体構成を示すブロック図である。第２の変形例に係る細胞培養装置の全体構成を示すブロック図である。従来の細胞培養装置の内部温度の変化状態を説明する図である。

符号の説明

１，２，３，４細胞培養装置
１０１筐体
１０２扉
１０３開閉センサ
１０４温度センサ
１０５加熱ユニット
１０６温度制御ユニット
１０６ａ外部通信部
１０６ｂＰＩＤ制御演算部
１０６ｃ不揮発メモリ
１０６ｄ揮発メモリ
１０７外部制御ユニット

Claims

試料を収納する密閉構造の筐体と、
該筐体に設けられ、前記筐体内に試料を出し入れするための扉と、
該扉の開閉状態を検出する開閉センサと、
前記筐体内を加熱する加熱部と、
前記筐体内の温度を検出する温度センサと、
該温度センサにより検出された温度に基づいて前記加熱部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記開閉センサが、前記扉が開状態から閉状態に変化したことを検出した場合に、積分制御の積分偏差を初期化することにより温度復帰時の積分制御によるオーバーシュートを防止することを特徴とする、加熱装置を有する細胞培養装置。
前記制御部は、前記開閉センサにより前記扉の開状態が検出された場合には積分制御を停止し、前記開閉センサにより前記扉の閉状態が検出された場合には積分制御を開始する請求項１に記載の細胞培養装置。
前記制御部は、前記温度センサにより検出された温度と設定温度との偏差に基づいて制御量を演算する演算部と、該演算部において用いられる制御ゲインおよび設定温度を格納する不揮発メモリと、積分偏差を格納する揮発メモリとを有し、
前記揮発メモリに格納された積分偏差を消去することで、積分制御の積分偏差を初期化する請求項１に記載の細胞培養装置。
前記制御部は、前記扉の開状態を前記開閉センサにより検出した場合に、前記加熱部の制御を停止する請求項１に記載の細胞培養装置。
試料を収納する密閉構造の筐体と、
該筐体に設けられ、前記筐体内に試料を出し入れするための扉と、
該扉の開閉状態を検出する開閉センサと、
前記筐体内を加熱する加熱部と、
前記筐体内の温度を検出する温度センサと、
該温度センサにより検出された温度に基づいて前記加熱部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記開閉センサにより前記扉の開状態が検出されている間には、前記加熱部の目標温度を前記温度センサにより検出された温度に設定する細胞培養装置。