JP6337147B2 - サンプリングノズルおよびこれを用いた自動分析装置並びにサンプリングノズルの製造方法 - Google Patents

サンプリングノズルおよびこれを用いた自動分析装置並びにサンプリングノズルの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、血清や尿などのサンプルと試薬を混ぜ合わせることで成分分析を行う自動分析装置において、ゴム栓で密封されたサンプル容器からゴム栓を貫通し内部のサンプルを吸引するサンプリングノズルに関する。
血液などのサンプルを入れる容器は、サンプルの劣化や液漏れを防止するためにゴムなどでできた栓で封入して使われる。このようなサンプル容器を使う自動分析装置の中には、サンプル容器の開栓を行わずに閉栓したままの状態でサンプルを分注し分析できるＣＴＳ（Ｃｌｏｓｅｄ Ｔｕｂｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）に対応した装置がある。ＣＴＳ対応の自動分析装置は、厚みが６ｍｍ程度のゴム栓を貫通するために先端が鋭利なノズル（以後、ＣＴＳノズルとも言う）を有した分注機構を備え、ＣＴＳノズルで栓を貫通させて容器内のサンプルを吸引する。一般的なＣＴＳノズルは、特許文献１のように中空部を有する金属管の先端の片面を斜めにカットすることで、先端部を鋭利にしている。
また、ＣＴＳノズルには、特許文献２や特許文献３のように中空金属管の先端部にニードルのような刃を持たせ、サンプルの吸引を行う開口部をノズルの側面としたタイプのノズルもある。
一方、特許文献４のようにノズルとは別にゴム栓を開口するための穿孔針を備え、穿孔針が広げたゴム栓の開口部にノズルを通過させてサンプルを吸引する方法もある。
特表平７−５０６６６８号公報 特開２０１０−２５８０４号公報 特開２０１４−６６７０６号公報 実用新案登録第３１８０１２０号公報
いわゆるＣＴＳノズルにおいては、分注精度が確保できる構造であり、尚且つ以下２つの要素を考慮することが重要である。１つ目は、ＣＴＳノズルをゴム栓に挿入したときに発生するゴムの切り屑を低減できる構造であること。２つ目は、ノズルの寿命が長いことである。
例えば、特許文献１のようにサンプル容器のゴム栓をＣＴＳノズルで貫通し、内部のサンプルを分注するＣＴＳでは、ＣＴＳノズルがゴム栓を挿抜したときにゴムの切り屑が発生することがある。ゴム栓から引き抜いたＣＴＳノズルにゴムの切り屑が付着すると、ノズルの移動やサンプルの吐出などのタイミングで切り屑が装置上に落下する。落下した切り屑が、反応セル内のサンプルなどに混ざると検査精度に影響を与える虞があるため好ましくない。また、反応セル以外に落下した場合も装置を汚すため、ＣＴＳノズルを挿抜したときに発生するゴムの切り屑を低減することが望まれる。
特許文献１のＣＴＳノズルにおいてゴムの切り屑が発生し易い理由としては、円錐状テーパ角度１６とカット角１８との構造的なバランスが考慮されておらずＣＴＳノズルをゴム栓に挿入したときの負荷がカット角１８側の面に偏るためである。このため、カット角１８側に偏ったゴム圧がかかる。偏ったゴム圧によりゴムとノズルとの摩擦力が挿入時に大きくなり、この結果ゴムが削られ易くなりゴムの切り屑が発生する。従い、特許文献１における構造のノズルは比較的ゴムの切り屑が発生し易い構造であるという課題があり、ゴムの切り屑の課題については何ら考慮されていない。
また、自動分析装置のＣＴＳノズルは、分注後にノズルの内部や外部を洗浄することで繰り返し使用され、１日に数千サンプルを取り扱うこともある。また、検査件数の増加に対応するため、ノズルを高速にゴム栓に挿抜する必要があり、ノズルの先端は次第に磨耗し、ゴム栓を切り開く性能は劣化していく。従い、ノズルの先端の摩耗がし難い構造のノズルが望まれる。
一方、特許文献２や３のような先端がニードル形状のノズルでは、吸引口が側面にあるため吸引したサンプルを吐出するときに、サンプルの液切れが悪くなること（分注精度の悪化）やノズル内部の洗浄ムラが発生しやすくなるなどの別の本質的な課題がある。
特に、特許文献３では、先端８の領域に力成分が半径方向に互いに打ち消すように、傾斜と面積が選択されることを開示している。ノズルの構造的なバランスが考慮されおりある程度の摩擦力の低減効果は期待できる構造である。しかしながら、面２６は針先端に配置されておらず、真に針先端での構造的なバランスについては何ら考慮されていない。真に針先端での構造的なバランスが取られていない、つまり局所的な針先端において力の負荷分散が適切になされない場合には、僅かながら力の偏りが生じその結果として、挿入時に針が僅かながら傾いて挿入される。この結果として、垂直に挿入した場合に比べノズル先端の摩耗が生じ易い。これは、ゴムとノズルの摩擦力が大きくなる箇所が生じることになるため、ゴムの切り屑が発生し易いことにも繋がる。
特許文献４では、ゴム栓を開口するための専用の針やそれを上下駆動するための機構が必要となるため、装置が複雑になりコストが増える。
上記のように、これまでのＣＴＳノズルは、分注精度が確保できる構造であって、ゴムの切り屑を低減できること、かつ、ノズルの寿命が比較的長いこと、の両方を充分満足できる構造のノズルが見当たらなかった。そして、将来的なゴム栓へのノズルの挿入速度の高速化は、これらの課題を顕在化させるためこれらの課題を同時に解決することを発明者は考えた。発明者は鋭意検討に努めた結果、実施例に開示する構造のＣＴＳノズルを発明するに至った。
そこで、本発明では繰り返し使用に耐え切り屑の発生が少ないＣＴＳノズルを提供することを目的とする。
本発明の代表的なものを挙げると以下のとおりである。
本発明は、ゴム付きのサンプリング容器を貫通し内部のサンプルを吸引する円筒形のサンプリングノズルにおいて、サンプルを吸引するための開口部を含み、前記サンプリングノズルの長さ方向に延在する中空部と、前記中空部が配置された管の端部に備えられ、前記開口部を取り囲む平面を有する第１の面と、前記第１の面の反対方向に備えられた第２の面と、前記第１の面と前記第２の面の交線で形成された前記サンプリングノズルの先端部と、を備え、前記中空部は前記先端部付近で屈曲せずに前記開口部を含み、前記第２の面は、前記円筒形の円周方向に湾曲し、前記長さ方向に対して直線的に傾斜する曲面を有し、前記第２の面の前記サンプリングノズルの根元側の端部と前記先端部の距離は、前記第１の面の前記サンプリングノズルの根元側の端部と前記先端部の距離よりも短いサンプリングノズルである。
本発明のサンプリングノズル（ＣＴＳノズル）では、真の針先端となるノズル先端部に２面の切削面（以下、切断面や面とも言う）を設けることで、ノズルをゴム栓に挿入したときにゴムから受ける圧力（ノズルがゴムに押し付けられる力）がノズルの片面に偏らず、ノズルの２面（第１の面と第２の面）に分散する。ゴムから受ける圧力が分散することで、ノズルの切削面がゴムに押し付けられる力は小さくなり、ノズルの切削面とゴムの摩擦によって発生していたゴムの切り屑の発生を低減できる。また、ゴムとの摩擦が低減することで、ノズル先端部の磨耗が抑えられる。
また、製造方法においては、本発明は、（ａ）長さ方向に延在する中空部を有する管を準備する工程と、（ｂ）前記管の軸に軸対照な曲面であって、前記中空部を屈曲させることなく、前記管の先端に前記円筒形の円周方向に湾曲し、前記長さ方向に対して直線的に傾斜する曲面を形成する工程と、（ｃ）前記曲面上の点と、前記曲面が配置された箇所よりも前記管の根元側の点とを通過する平面で直線的に加工し、前記中空部を取り囲む面、かつ、前記曲面との交線で前記サンプリングノズルの先端部を形成する工程と、を有する。
以上のように、ノズル先端部に上記の第１と第２の面に相当する２面の切削面を設けることでゴムの切り屑の発生を抑え、ゴムの摩擦によって磨耗していたノズルのカット面の寿命を延ばすことを可能とする。
本発明によれば、ゴム栓を貫通して内部のサンプルを直接吸引するＣＴＳに対応した自動分析装置で、ＣＴＳノズルをゴム栓に挿抜したときに発生するゴムの切り屑を低減し、ノズル寿命を延ばすことができる。
本発明の閉栓容器から直接分注する自動分析装置の上面図である。 一般的なＣＴＳノズルの先端部の断面図と外観図である。 一般的なＣＴＳノズルをゴム栓に挿入したときの断面図である。 一般的なＣＴＳノズルの先端部の断面図と外観図である。 本発明のＣＴＳノズルの形状の一例である。 本発明のＣＴＳノズルの形状の一例である。 本発明のＣＴＳノズルをゴム栓に挿入したときの断面図である。 本発明のＣＴＳノズルにおける切削部の角度の定義を示す図である。 本発明のＣＴＳノズルの製作手順の一例である。
以下、図１から図９を参照し、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は本発明の自動分析装置の構成を示す図である。自動分析装置１０は、試薬容器１１を複数搭載する試薬ディスク１２と、試薬とサンプルを混ぜ合わせて反応を測定する反応ディスク１３と、試薬の吸引や吐出を行う試薬用分注機構１４と、サンプルの吸引や吐出を行うサンプル分注機構１５から構成される。試薬用分注機構１４は試薬分注用の試薬用ノズル２１を備え、サンプル分注機構１５はサンプル分注用のＣＴＳノズル２２を備える。装置に投入されたサンプルは、ゴム栓２３で閉栓されたサンプル容器（試験管）２４に封入された状態で、ラック２５に搭載されて搬送される。ラック２５には複数のサンプル容器２４が搭載される。なお、サンプルは血清や全血などの血液由来のサンプル又は尿などである。
サンプル分注機構１５は、ＣＴＳノズル２２を、サンプル容器２４からサンプル吸引を行う吸引位置、セル２８に吐出を行う吐出位置、および、ＣＴＳノズル２２の先端を洗浄する洗浄槽２０がある洗浄位置へ移動させる。さらに、サンプル分注機構１５は、吸引位置、吐出位置、および、洗浄位置ではサンプル容器２４、反応セル１３、洗浄槽２０の高さの夫々合わせて、ＣＴＳノズル２２を下降させる。サンプル容器２４での下降動作では、ＣＴＳノズル２２をサンプル容器２４のゴム栓２３に貫通させ、サンプル容器２４内にあるサンプルにＣＴＳノズル２２先端を入れてサンプル吸引が行われる。前述の通りゴム栓２３を取り外すことなく、ＣＴＳノズル２２でゴム栓２３を貫通させて直接分注を行うため、ＣＴＳノズル２２の先端部は、ゴム栓２３を貫くために先鋭である。
以上のような動作を行うため、サンプル分注機構１５は上下左右にＣＴＳノズル２２を移動できる構成となっている。また、ＣＴＳノズル２２は１つのサンプルを分注したあとで洗浄されて、別のサンプルを同じＣＴＳノズル２２で分注する。このようにＣＴＳノズル２２は繰り返し分注に使用される。
サンプル吸引が行われた後、セル２８にサンプルが吐出され、セル２８内でサンプルと試薬の混合液を光学的に測定することにより、サンプルに含まれる所定成分の濃度等を算出することができる。自動分析装置の分析の詳細については公知であるためここでの詳細な説明は省略する。
図２は一般的なＣＴＳノズルの先端部の断面図（ａ）と外観図（ｂ）の一例である。一般的なＣＴＳノズル２００は、内部が中空の金属製の管でできており、先端部分を斜めにカットすることでカット面２０１を有し先端が鋭利になっている。ＣＴＳノズル２００の先端部には、先端カットによって楕円状の開口部２０２があり、開口部２０２からサンプルの吸引や吐出を行う。また、ＣＴＳノズル２００の根元側には配管と接続する部分（図示せず）があり、中空部２０３は水で充填された配管とつながり、さらに配管にはポンプ（図示せず）がつながる。ＣＴＳノズル２００の中空部２０３内の圧力は、ポンプの動作によって変化できるので、ＣＴＳノズル２００でサンプルの吸引や吐出が行える。
前述の通り、ノズルは繰り返しゴム栓に貫通させ使用するため、ＣＴＳノズル２００の先端部２０４は鋭利過ぎると肉厚が薄くなり欠けやすくなる。そのため、先端部２０４にはある程度の肉厚が必要であり、特に高速に繰り返しゴム栓２３に挿入する装置に搭載するＣＴＳノズル２００の先端は１回のみ使用する注射針に比べると鋭角になっていない。
図３は一般的なＣＴＳノズル２００をゴム栓２３に挿入したときの断面図である。ＣＴＳノズル２００の先端部２０４がゴム栓２３を切断し、斜めにカットされたカット面２０１がゴムを押しのけて、ゴム栓２３の切断部分を押し広げながらＣＴＳノズル２００はゴム内を通過する。カット面２０１が押しのけたゴムは、ゴムの復元力によってカット面２０１へゴムの圧力を与えることになる。しかし、ＣＴＳノズル２００は、カット面２０１が片側にあるため、ゴムの変形はカット面２０１側が大きく、ゴムから受ける圧力はＣＴＳノズル２００のカット面２０１側に偏ることになる。そのため、ゴム栓２３の切断面とカット面２０１の間には大きな摩擦力が発生する。さらに、通常ＣＴＳノズル２００のカット面２０１は、レーザ加工機などで切断されるが、ＣＴＳノズル２００の側面に比べると表面が粗く、ゴム栓２３との摩擦でゴムの切り屑が発生しやすい。また、前述のような摩擦力のためＣＴＳノズル２００はゴムに対して傾いて挿入される傾向にある。
図４は図３（ＣＴＳノズル２００）とは別のＣＴＳノズル４００の例である。例えば、特許文献１のように円錐状テーパが設けられたノズルである（特許文献１の円錐状テーパ角度１６で得られるテーパ）。図は夫々、ＣＴＳノズルの先端部の断面図（ａ）、側面から見た外観図（ｂ）、開口部から見た外観図（ｃ）、斜視図（ｄ）である。
ＣＴＳノズル４００は、内部が中空の金属製の管の先端部にテーパ４０１を設け、さらに先端を斜めに切断することでカット面４０２を有し先端４０３が鋭利になっている。先端部にテーパ４０１を設けることで、ゴムを通過する際の荷重は低減できるが、テーパ長が短いとノズル挿入によってゴムが急激な変化をし、ノズルには強いゴム圧がかかり挿入荷重の増加とゴムの切り屑が発生する。そのため、ＣＴＳノズル４００のような形状では、テーパ端４０４を少なくとも先端カット端４０５よりノズルの根元側の位置としテーパ角度を小さくする必要がある。しかし、テーパ角を小さくしたとき（テーパ長を長くしたとき）、ＣＴＳノズル４００の先端は、ＣＴＳ２００と同様にゴムはノズルのカット面４０２側に偏ってあたることで切り屑が発生する。また、ＣＴＳノズル４００は、先端部全体にテーパ４０１があるため、先端の肉厚は全体的に薄くなり、繰り返しの使用で欠けやすくなる。
図５は本発明のＣＴＳノズル形状の一例である。ＣＴＳノズル２２は、根元側ストレート部５０１の外径がφ１．６ｍｍで、先端側ストレート部５０２（先端から３．５ｍｍ）の外径がφ０．８ｍｍで、根元側ストレート部５０１と先端側ストレート部５０２との間に中間テーパ部５０３があり、さらに先端側ストレート部５０２より先端側に先端側テーパ部５０４を有し、内部にストレートの中空部５０５を有する（図５（ａ））。中空部５０５は、ＣＴＳノズルの長さ方向に延在する。図では、断面図（ｂ）、外観図（ｃ）、（ｄ）を示している。なお、根元側ストレート部５０１は円筒形であり、先端側ストレート部５０２はテーパ箇所を除き円筒形である。従い、サンプリングノズルの基本的な形状は円筒形である。ここで、本明細書ではストレート部とは、その断面において外面と断面の向かい合う線同士が略平行な円筒形を意味する。また、ストレートの中空部とは、その断面において中空部と管との向かい合う境界線が略平行な円筒形の空洞であることを意味する。
なお、ＣＴＳノズル２２の根元側には、一般のＣＴＳノズル２００と同様に配管に接続され、ポンプの動作によって、サンプルの吸引や吐出が行える。
ゴム栓２３にＣＴＳノズル２２を挿入するとき、一般のＣＴＳノズル２００の例で前述したとおり変形したゴムの復元力がＣＴＳノズル２２に圧力として作用する。ＣＴＳノズル２２を搭載したサンプル分注機構１５は、高速（９０ｍｍ／ｓ〜３００ｍｍ／ｓ）にゴム栓２３にＣＴＳノズル２２を挿入するが、テーパ部５０３の長さが短いとゴムは急激な変形が必要となり、ＣＴＳノズルに作用する圧力が増大することで挿入時の荷重は増大する。そのため、テーパ部５０３の長さはできるだけ長くすることが望ましく、例えば２０ｍｍ以上とすることが好ましい。
また、本発明のＣＴＳノズル２２の先端には、前述の通り先端側テーパ部５０４があり、先端ストレート部５０２の先端を、切断面５０８と先端側テーパ部５０４の切削面を夫々斜めに削ることで、ＣＴＳノズル２２の先端部５０６は鋭利となっている（（ｂ）参照）。切断面５０８は、開口部５０７を楕円状とする切断面である。切断面５０８は、中空部が配置された管の端部に備えられ、開口部５０７を取り囲む平面を有するカット面（第１の面）である。また、先端側テーパ部５０４は、このカット面の反対側に備えられたテーパ部（第２の面）である。そして、先端部５０６は、切断面５０８（第１の面）と先端側テーパ部５０４（第２の面）の交線で形成されている先端部である。なお、符号５０８は特に管を切断する面であるため切断面と称しているが切削面と同義であり単に切削面と言う場合もある。
また、中空部５０５はサンプルを吸引するための開口部５０７を含み、分注精度の悪化を防ぐため、先端部付近で屈曲していない。
ＣＴＳノズル２２の先端部５０６の角度は、切断面５０８の切断角度と先端側テーパ部５０４の角度によって決まり、２７．５度付近が望ましい（角度の詳細については後述する）。
ＣＴＳノズル２２の切断面５０８は、例えばレーザ加工機などの切断機で切断するが、切削面の淵５０９には角ができる。切削面に角のある状態でＣＴＳノズル２２をゴム栓２３に挿入すると切削面の淵５０９がゴムを削りゴムの切り屑を発生するため、切削面の淵の部分を丸める加工（例えばブラスト研磨など）を行うことが好ましい。
また、ＣＴＳノズル２２の開口部の根元側の淵５０９が鋭角であると、ゴム栓２３に挿入したときに先端部５０６と同様にゴムに対して刃として作用するため、ＣＴＳノズル２２の開口部５０７内に入ってきたゴムをＣＴＳノズルの根元側の淵５０９で切断し、ＣＴＳノズル２２の中空部５０５を詰まらせてしまう。ゴム栓２３の切り屑の詰まり防止のためにも、ＣＴＳノズル２２の切削面の淵を丸める加工を行うことが好ましい。
本発明では、先端側テーパ部５０４（第２の面）を設けたことが特徴であるため、これについて図６を用いて説明する。
図６は本発明のＣＴＳノズル形状の一例の補足図である。ＣＴＳノズルを開口部５０７から見た図（ａ）と要部斜視図の拡大図である（ｂ）。
まず本発明に係るＣＴＳノズルの１点目の特徴は、先端側テーパ部５０４となる切削面の根元側の端部の位置である。図５（ａ）、（ｂ）、（ｄ）および図６（ｂ）で示すようにこの端部は比較的先端側に位置付けられていることが分かる。この端部を境に先端に向かって肉厚が薄くなるためこの端部は先端に近づけている。肉厚部分が薄くなる部分の長さが短くできるため強度の面でメリットがある。従いこの構成はノズル寿命の長期化に寄与する。少なくともこの端部は切断面５０８の端部よりも先端側に近づけることが重要であり、構成上の特徴として、先端側テーパ部５０４（第２の面）のＣＴＳノズルの根元側端部と先端部との距離は、切断面５０８（第１の面）のＣＴＳノズルの根元側の端部と先端部との距離よりも短い。なお、この距離は傾斜した面上の距離ではなく軸方向の距離を比較することを意味する。
次に２点目の特徴は、先端部５０６を形成する先端側テーパ部５０４における円筒形の円周方向に対して湾曲した曲面である。図６（ａ）で示すように先端側テーパ部５０４が円周方向に対して曲面であることが分かる。肉厚が薄くなっている部分が曲面であるため先端側テーパ部が平面である場合に比べ切断面５０８側から受ける力を分散し易く先端が欠けにくい構造となっている。また、曲面とすることで表面積を大きくでき曲面側で受ける力を大きくすることができ、切断面５０８と先端側テーパ部５０４とにかかる力において適度なバランスを確保することができる。
また、本発明のＣＴＳノズル２２は先端側テーパ部５０４が曲面であるため、ＣＴＳノズル２２の先端５０６には幅が広い刃が構成できる。ＣＴＳノズル２２をゴム栓２３に貫通したときは、ＣＴＳノズル２２が通過した部分のゴムはＣＴＳノズル２２の根元径（本実施例では１．６ｍｍ）以上の大きさに押し広げることになるが、先端５０６の幅が広いことでゴム栓２３に大きな切り口が開けられ、ゴムを小さい力で押し広げられる。特に本発明のＣＴＳノズル２２の形状においては、ストレート部５０２の外径幅と同じ幅に先端部５０６の刃となる部分を持つことで、ストレート部５０２がゴムを通過するときにはわずかな力で挿入でき、その後のテーパ部５０３がゴムを通過するときにゴムを緩やかに押し広げ、最後に最も外径が太い根元側ストレート部５０１が通過することになり、ゴムが無理に押し広げられないことで、ゴムの切り屑の発生を減らすことができる。
また、３点目の特徴は、先端側テーパ部５０４がＣＴＳノズルの長さ方向に対して直線的に傾斜していることである。図５（ａ）、（ｂ）、（ｄ）および図６（ｂ）で示すように長さ方向に対して直線的に傾斜していることが分かる。切断面５０８も長さ方向に対して直線的に傾斜する面であることから、ゴム圧を均等に分散し易くなりノズルが斜めに挿入することを防ぐことができる。斜めに挿入することが防げることで、ゴムの切り屑を低減でき、ノズルの長寿命化に寄与する。例えば、先端側テーパ部５０４が直線的に傾斜していないとすると、ゴム圧を受ける面の角度が、ノズルがゴムに挿入される深さによって変わり安定しないので、ノズルが僅かに斜めに挿入される傾向がある。特に本発明のノズルと同タイプの吸引口が真下にある構造では先端部がノズルの肉厚部近傍に偏って配置されているため先端部がノズル中心付近に配置されている特許文献２や３のノズルと比較し、ゴムに挿入された直後のゴム圧の分散バランスの不安定さがノズル挿入の垂直性に大きな影響を与える。従い、先端側テーパ部５０４は円周方向に対しては曲面でありつつも長さ方向に対しては直線的に傾斜していることが重要である。
これらの３点の特徴を備えることにより、ＣＴＳノズルの強度の他、ゴム栓に挿抜したときに発生するゴムの切り屑を低減し、かつノズル寿命を延ばすことができる。
また、上記３点が本発明に係るＣＴＳノズルの特徴であるが、好ましくは以下の構成をとすることが望ましい。
まず、切断面５０８の傾斜角が先端側テーパ部５０４の傾斜角よりも大きいことである。これについては図８で詳細を述べる。
また、ストレート部５０２の側面から先端部５０６までの距離５１０と、中空部５０５の端から先端部５０６までの距離５１１を定義したとき、刃となる先端部５０６の位置は、距離５１０が距離５１１より大きくなるように選択することが望ましい。言い換えると、開口部５０７側から見たときに、先端部５０６は、ノズルの肉厚範囲内に位置付けられ、先端部は肉厚範囲内の外側よりも開口部５０７側に近い位置に位置付けられている。これについても後述する。
また、先端テーパ部５０４と切断面５０８の面積との差で力分散のバランスを確保することが望ましい。これについても後述する。
また、図５で示したように、根元側ストレート部と、根元側ストレート部よりも外径の小さい先端側ストレート部と、根元側ストレート部と先端側ストレート部との間に配置されたテーパ部とを備え、先端部は先端側ストレート部の先端に配置されていることが望ましい。
また、根元側ストレート部、先端側ストレート部、テーパ部、先端部は互いに溶接されることなく同一の部材であることが望ましい。
図７は本発明のＣＴＳノズルをゴム栓２３に挿入したときの断面図である。本発明のＣＴＳノズル２２をゴム栓２３に挿入すると、先端部５０６がゴムを切断し、ＣＴＳノズル２２の通過によってゴムは先端側テーパ部５０４とノズル先端の切断面５０８の２面でそれぞれの方向にゴムを押しのけて、切断部分を押し広げながらＣＴＳノズル２２は通過する。ＣＴＳノズル２２がゴム栓２３を通過するとき、ゴムの復元力によって先端側テーパ部５０４とノズル先端の切断面５０８はゴムから圧力を受けるが、ＣＴＳノズル２２の先端が複数方向にゴムを押しのけるため、ゴムからの圧力は分散する。また、図示する左右２方向のみならず、先端側テーパ部の曲面により図右側の矢印は紙面の手前や奥方向に対してもゴムを押しのけることができる。そのため、切断面５０８とゴム栓２３との間の摩擦力は、一般的なＣＴＳノズル２００に比べ低くなり、ＣＴＳノズルの切削面とゴムの摩擦によって発生していたゴムの切り屑の発生を低減できる。
さらに、ＣＴＳノズル２２の先端に２面の切削面（５０４と５０８）を設けることで、ゴム栓２３に挿入したときにゴムから受ける圧力が偏り難いため、ノズルが斜めに挿入されることを防ぎゴム栓２３に垂直に挿入できる。特に、真に先端部での構造的なバランスが確保できるためノズルが斜めに挿入されることを防ぐことができる。また、ゴムから受ける圧力が分散することで、ＣＴＳノズル２２の切断面５０８は、ゴムとの摩擦が低減され、切断面５０８の磨耗が抑えられる。
また、前述したように、先端側テーパ部５０４は図８の断面図において直線的な形状であることも重要である。切断面５０８が直線的な形状であり裏面の先端側テーパ部５０４も直線であることで、ノズル先端の挿入時に安定してゴム圧を均等に分散しやすくなりノズルが斜めに挿入することを防ぐことができる。
ここで、切断面５０８の形状について説明する。切断面５０８（第１のテーパ部）は開口部５０７を取り囲む平面である。この開口部５０７は管に対して斜めに切断されて形成された箇所であるため楕円形状である。仮に先端側テーパ部５０４が無ければ切断面５０８の外周は均等な肉厚を斜めに切削されているため楕円形状であるが、先端側テーパ部５０４が形成されているため切断面５０８は開口部５０７の長径方向において僅かに削られている。すなわち切断面５０８の平面は開口部５０７の長径方向において先端部側の方が根元側よりも短くなっている。ここでの長短は切断面５０８の平面上の長さを比較しているが、図６（ａ）の向きにおいても符号５１０の箇所が削られており符号５１１の箇所が残されていることからこの長短関係を把握することができる。また、図５（ｃ）において根元側の肉厚の切断面５０８が幅広になっていることからもこの関係を把握することができる。
また、前述のようなゴム圧の分散効果を好適に得るため、先端側テーパ部５０４の面積とノズル先端の切断面５０８の刃として機能している部分の面積（図６においてノズル中心からノズル先端５０６の部分、以降ノズル先端の切断面５１２と呼ぶ）が同等程度であることが好ましい。ゴム栓２３に挿入直後のゴム圧のバランスを適切に確保することがノズルの斜め挿入を効果的に防ぐことができるためである。例えば、これらの面積の差を０．１ｍｍ2以内に抑えることが望ましい。
言い換えると、開口部５０７の楕円形状の短径を境として略同心楕円形状の切断面５０８は根元側と先端部側とに２分割することができ、この先端部側に分割された面積と、先端側テーパ部５０４の面積との差を０．１ｍｍ2以内に抑えることが望ましい。なお、切断面５０８の根元側の面積によりゴム圧のバランスの偏りが生じることになるがある程度の深さまでノズルが挿入されていることによりノズルの斜め挿入への影響は無視することができる。また、先に述べたように、先端側テーパ部５０４（第２の面）が円周方向に曲面であるため、ＣＴＳノズル２２の先端５０６には幅が広い湾曲した刃が構成でき、ゴムを小さい力で押し広げることができるため、ノズルの斜め挿入への影響を無視できる程度に抑えることができる。
図８は本発明のＣＴＳノズル２２における切削部の角度の定義を示す図である。本発明のＣＴＳノズル２２は前述の通り、ノズル先端５０６の部分に先端側テーパ部５０４とノズル先端の切断面５０８があり、ＣＴＳノズル２２の断面図において切断部５０８の直線とＣＴＳノズル２２の中心線の間の角度（傾斜角）を角度Ａ（８０１）と定義し、先端側テーパ部５０４の直線とＣＴＳノズル２２の中心線の間の角度（傾斜角）を角度Ｂ（８０２）と定義し、ＣＴＳノズル２２の先端角度を角度Ｃ（８０３）と定義する。角度Ｃ（８０３）は、角度Ａ（８０１）と角度Ｂ（８０２）を足し合わせた角度である。また、ＣＴＳノズル２２の先端から切断面５０８の端までの長さをＬａ（８０４）、ＣＴＳノズル２２の先端から先端側テーパ部５０４（第２の面）の端までの長さをＬｂ（８０５）と定義する。
ＣＴＳノズル２２の先端部５０６は、前述の通りゴムを押しのけて、切断面５０４への圧力を低減し切り屑の発生を低減する効果があるが、切り屑の発生には切断面５０４との摩擦以外にも影響する因子がある。例えば、ＣＴＳノズル２２の詰まりの原因となる開口部の根元側の淵５０９の部分が鋭角であるためにゴムを削ることで切り屑が発生する場合や、ＣＴＳノズル２２の先端部５０６が鈍角であるために切断性能が低くなり、ＣＴＳノズル２２の先端部５０６がゴムを押しつぶしながら切断し切り口を荒らして切り屑を発生する場合がある。つまり、切り屑の発生には、角度Ａ（８０１）や角度Ｃ（８０３）も関係する。
表１に角度Ａ（８０１）と角度Ｂ（８０２）の組み合わせを変えて作ったＣＴＳノズル２２を使い、ゴム栓２３に挿抜を行ったときの切り屑の発生率を示す。
Figure 0006337147
一定速度（１５０ｍｍ／ｓ）で直動できる機構に表１記載の各条件のＣＴＳノズル２２を固定して、ＣＴＳノズル２２の進行方向にはゴム栓２３の付いた状態のサンプル容器２４を固定して、ＣＴＳノズル２２を一定速度でゴム栓２３に挿抜し、ＣＴＳノズル２２に付着した切り屑の有無を確認した。表１から、ＣＴＳノズル２２の先端角度Ｃ（８０３）が２７．０度と２８．５度の条件においてゴムの切り屑の付着はなかった。表１の結果から角度Ａ（８０１）が１５．０度、角度Ｂ（８０２）が１２．５度、角度Ｃ（８０３）は２７．５度（角度Ａ（８０１）が１５．０度、角度Ｂ（８０２）が１２．５度）のＣＴＳノズル２２を作り、ゴム栓２３に挿抜を行い切り屑の付着を確認したところ、表１の条件５および条件６と同じく切り屑の付着はなかった。
以上の結果から、切り屑の低減に対して、先端角度Ｃ（８０３）を２５．５度より大きく３０．０度未満の範囲の角度とすることが望ましいことが分かる。さらに望ましい範囲は２６．０度以上２９．５度以下の範囲であることが望ましい。さらに望ましい範囲は２６．５度以上２９．０以下の範囲であり、さらに望ましい範囲は２７．０度以上２８．５度以下の範囲である。
次に、表面積について確認した。角度Ａ（８０１）を９．０〜１８．０度の範囲で変更したときノズル先端の切断面５１２の表面積は０．３９〜０．９７ｍｍ2（角度が小さく方が表面積は大きくなる）となり、角度Ｂ（８０２）を１２．０〜１５．０度の範囲で変更したとき先端側テーパ部５０４の表面積は０．３６〜０．４４ｍｍ2（角度が小さく方が表面積は小さくなる）となる。前述の通り、ゴム圧の分散効果を好適に得るため、ノズル先端の切断面５１２と先端側テーパ部５０４の表面積は同程度であることが好ましいが、先端角度Ｃ（８０３）は鋭角である方がゴムの切断性能が高まることから、表１の結果から先端角度Ｃ８０３は３０．０度未満の範囲が望ましい。本発明の構成によれば、ノズル先端の切断面５１２と先端側テーパ部５０４の角度の調整で先端角度Ｃ８０３を調整可能である。
角度Ａ（８０１）を１５度とするとノズル先端の切断面５１２の表面積は０．４４ｍｍ 2で、角度Ｂ（８０２）を１２．５度とすると０．３８ｍｍ2で、両面の表面積は同等で先端の角度Ｃは２７．５度と２９．５度以下となる。また両面積の差は０．０６ｍｍ2である。この差は限りなく同等であることが望ましいが、０．１ｍｍ2以下であればこの差は許容できる。これは角度Ｃ（８０３）を変更せずともＣＴＳノズルの肉厚に依存する値であるため肉厚の厚さを決めるのに有効な指標となる。
さらに、ＣＴＳノズル２２をゴムに挿入したときには、先端側テーパ部５０４とノズル先端の切断面５１２のそれぞれの表面積と角度によってゴムの分散化効果が決まる。そのため、角度Ａ（８０１）と角度Ｂ（８０２）が近い角度で、かつ切断面５１２と先端側テーパ部５０４の表面積が近い値となることが好ましい。以上のような条件を満たすには、先端側テーパ部５０４の位置は、ノズルの開口部５０７の根元側の端よりも先端側にあり、Ｌｂ（８０５）はＬａ（８０４）よりも小さい値となる。なお、先端側テーパ部５０４は先端に位置付けられるものであり、先端側テーパ部５０４の根元側の端部は開口部５０７の楕円中心（開口部の楕円とノズルの中心軸との交点）よりも先端側に位置付けられることが望ましい。
また、先端側テーパ部５０４の表面積を確保するために、ストレート部５０２の側面から先端部５０６までの距離５１０と、中空部５０５の端から先端部５０６までの距離５１１は、距離５１０が距離５１１より大きくなるように選択することが望ましい（図６（ａ）参照）。さらに、ノズル先端５０６は、前述の通り肉厚が薄いと繰り返し使用により磨耗が進行するため、Ｌｂ（８０５）の長さを短くし肉厚を確保することが好ましい。以上により、本発明のＣＴＳノズル２２では、Ｌｂ（８０５）がＬａ（８０４）よりも短く、角度Ａ（８０１）を１５．０度、角度Ｂ（８０２）を１２．０度以上１５．０度未満の範囲とすることが望ましい。従い先述のように角度Ａ（８０１）は角度Ｂ（８０２）よりも大きいことが望ましい。
また、前記の３つの特徴点を備えたＣＴＳノズルは例えば９０ｍｍ／ｓ以上の高速でゴム栓２３に挿入される分注動作に対して特に効果があり、さらには図８で説明したような具体的な構造を備えていることが望ましい。低速の場合にはゴムとノズルとの摩擦力が小さいためゴム屑の課題が生じ難いためである。なお、望ましくは１００ｍｍ／ｓ以上で用いられる場合や１５０ｍｍ／ｓ以上で用いられる場合等、速ければ速い程、摩擦力の影響が大きくなるためこれらの速度以上で用いられることでより効果が得られる。
また、ＣＴＳノズル２２においては、図５で示したようにＣＴＳノズル２２の先端部に先端側テーパ部５０４（および切断面５１２）、ストレート部５０２、テーパ部５０３、ストレート部５０１を有することが望ましい。これにより、ゴムを鋭角である先端５０６で切断し、その後先端側テーパ部５０４と切断面５１２がゴムを分散し、テーパ部５０３がゴムを緩やかに押し広げる。ＣＴＳノズル２２をサンプル分注機構１５に搭載することで、ゴム栓２３の挿抜時に発生するゴムの切り屑を少なくし、さらにＣＴＳノズル２２の先端磨耗を抑えることで交換期間を長くすることができる。
また、試料の微量分注ではセル２８に先端を接触させた状態で試料を吐出する場合がある。先端側テーパ部５０４で切削されていることにより切削面５０８側から見た切削面５０８先端は比較的緩やかな曲線となっている（図５（ｃ）の先端参照）。先端の曲線が緩やかであれば先端接触時に相対的に広い範囲でセル底と接触できるため本発明のＣＴＳノズルは先端を接触させた状態で試料を吐出する場合に適している。広い範囲でセル底と接触できると吐出する液玉のセル底との接触面積を大きくすることができ、試料である液玉のノズル先端への持ち帰りを適切に防ぎ、セル底への微量分注を行い易くすることができる。従い、自動分析装置の構成としてサンプル分注機構を備え、このサンプル分注機構は、ＣＴＳノズル内の試料をセルに吐出する際にセルの底に先端部を接触させた状態で試料を吐出することが望ましい。
次にＣＴＳノズルの製造方法について説明する。
図９は本発明のＣＴＳノズル形状を製作する方法の一例である。本発明のＣＴＳノズル２２は、一般的なＣＴＳノズル２００と同様に金属製の管を加工して製作し、例えばステンレス鋼材の中空管（内径φ０．４ｍｍ）を用いる。ストレートの中空部５０５を有するストレート管９０１（図９（ａ））は単一の部品であり、ストレート管９０１を旋盤などの切削機械を用いて切削加工９０２を行うことで、先端側テーパ部５０４と、先端ストレート部５０２と、根元テーパ部５０３と、根元ストレート部５０１に形成される（図９（ｂ）、（ｃ））。なお、この加工は管を軸中心に回転させながら切削加工するためどの向きから見てもこの形状である。この先端側テーパ部５０４について、この加工によりテーパ角や面形状が決まる。つまり２点目と３点目の特徴点を考慮した加工が必要となる。この先端側テーパ部となる先端の形状は円筒形の円周方向に対して湾曲し長さ方向に対して直線的に傾斜する面である。なお、この時点では回転させながら切削加工しているため要部曲面は円錐形の一部の曲面を有している。
次に、図９（ｃ）の形状に対し、さらに、切断機（例えばレーザ加工機）で切断加工９０３を行うことで図５（ａ）に示した本発明のＣＴＳノズル２２を製作することができる。ここでは１点目の特徴を考慮した加工が必要となる。つまり、この切断加工９０３では、先端側テーパ部５０４より根元側を切削端部とし、他方の切削端部は先端側テーパ部の傾斜面の途中に設ける。切削加工９０２と切断加工９０３の加工角度によってノズル先端５０６の位置（５１０と５１１）やノズル先端５０６の刃角を決定できる。以上のような工程においては、ＣＴＳノズル２２の形状を製造する上で加工が単純であるためばらつきが少なく、さらに低コストで製造が可能である。なお、根元ストレート部５０１を別部材として溶接することも可能であるがこのように単一部材から切り出して製造することが望ましい。
図９の製造工程の要点を言い換えると以下のとおりである。まず、長さ方向に延在する中空部を有する管を準備する。次に、管の軸に軸対照な曲面であって、管の先端に円筒形の円周方向に切削する。これにより、円周方向に湾曲し、かつ長さ方向に対して直線的に傾斜する曲面が形成される。なお、軸対照な曲面とは円錐形の底面近くの曲面の一部であり、この切削は中空部を屈曲させない状態で行われる。次に、この曲面上の点と、この曲面が配置された箇所よりも管の根元側（ＣＴＳノズルとなったときの根元側）の点とを通過する平面、つまり切断線９０３で直線的に加工し、中空部を取り囲む面、かつ、（平面と）この曲面との交線で前記サンプリングノズルの先端部を形成する。すなわち、先端部は、管の先端をテ―パ加工した形状に対して、斜め方向に加工して一部を取り除いた残りの部分から構成されている。
また望ましくは、曲面を切削する工程は、根元側ストレート部５０１よりも外径の小さい先端側ストレート部５０２と、これらの間の根元側テーパ部５０３とを形成する工程を含み、この曲面を切削する工程は、先端側ストレート部５０２の先端を切削する工程を含む。また望ましくは、前述のように切断面の淵の部分を丸める加工（例えばブラスト研磨など）を行うことが好ましいため、中空部を取り囲む面と中空部で挟まれた管の鋭角部を丸める工程を含む。
なお、本発明のＣＴＳノズルにおいては、前述の特徴点以外にも望ましい形状を有するが先端部を形成するための曲面と平面の加工位置や加工角度を調節することで当業者であれば容易に製造方法も特定できる。例えば、先端部の位置が肉厚範囲内の外側よりも開口部側に近い位置に位置付ける場合には、前述の切削面５０８を形成するための加工面に含まれる曲面上の点の位置を調節すればよい。また、先端部の角度を２６．０度以上２９．５度以下とするためには夫々の面のテーパ角を調整すればよい。
また、先端部においては他の面で切削して複雑な先端形状とするのではなく曲面と平面の２面で形成されることがコストの面から望ましい。
実施例で示したＣＴＳノズル２２の諸寸法は一例であり、テーパ部の長さ、および材質は、ノズル先端の２面の切削面によるゴムの切り屑の低減効果や磨耗抑制効果には影響せず、本発明の実施形態を拘束するものではない。
１０ 自動分析装置
１１ 試薬容器
１２ 試薬ディスク
１３ 反応ディスク
１４ 試薬分注機構
１５ サンプル分注機構
２１ 試薬用ノズル
２２ ＣＴＳノズル
２３ ゴム栓
２４ サンプル容器
２５ サンプルラック
２８ セル
２００ 一般的なＣＴＳノズル
２０１ カット面
２０２ 開口部
２０３ 中空部
２０４ 先端部
４０１ テーパ
４０２ カット面
４０３ ノズル先端
４０４ テーパ端
４０５ カット端
５０１ 根元側ストレート部
５０２ 先端側ストレート部
５０３ 根元側テーパ部
５０４ 先端側テーパ部
５０５ 中空部
５０６ ノズル先端（刃）
５０７ ノズル開口部
５０８ ノズル先端の切断面
５０９ ノズル開口部の淵
５１０ ノズル側面から刃までの距離
５１１ ノズル開口部端から刃までの距離
５１２ ノズル中心線から刃までの切断面面積
８０１ 角度Ａ
８０２ 角度Ｂ
８０３ 角度Ｃ
８０４ 長さＬａ
８０５ 長さＬｂ
９０１ 中空管
９０２ 旋盤加工線
９０３ 切断線

Claims (12)

  1. ゴム付きのサンプリング容器を貫通し内部のサンプルを吸引する円筒形のサンプリングノズルにおいて、
    サンプルを吸引するための開口部を含み、前記サンプリングノズルの長さ方向に延在する中空部と、
    前記中空部が配置された管の端部に備えられ、前記開口部を取り囲む平面を有する第１の面と、
    前記第１の面の反対方向に備えられた第２の面と、
    前記第１の面と前記第２の面の交線で形成された前記サンプリングノズルの先端部と、を備え、
    前記中空部は前記先端部付近で屈曲せずに前記開口部を含み、
    前記第２の面は、前記円筒形の円周方向に湾曲し、前記長さ方向に対して直線的に傾斜する、前記円筒形の中心軸を軸とする円錐形の一部からなる曲面を有し、
    前記第２の面の前記サンプリングノズルの根元側の端部と前記先端部の距離は、前記第１の面の前記サンプリングノズルの根元側の端部と前記先端部の距離よりも短いことを特徴とするサンプリングノズル。
  2. 請求項１記載のサンプリングノズルにおいて、
    前記第１の面の傾斜角は、前記第２の面の傾斜角よりも大きいことを特徴とするサンプリングノズル。
  3. 請求項１記載のサンプリングノズルにおいて、
    前記開口部側から見たときに、前記先端部は、前記サンプリングノズルの肉厚範囲内に位置付けられ、前記先端部は前記肉厚範囲内の外側よりも前記開口部側に近い位置に位置付けられていることを特徴とするサンプリングノズル。
  4. 請求項１記載のサンプリングノズルにおいて、
    前記第１のテーパ部の前記開口部は楕円形状であり、前記楕円形状の長径方向において前記平面は前記先端部側の方が前記根元側の方よりも短いことを特徴とするサンプリングノズル。
  5. 請求項４記載のサンプリングノズルにおいて、
    前記惰円形状の短径を境として前記根元側と前記先端部側とに２分割された前記平面のうち、前記先端側部側に分割された面積と、前記第２の面との面積との差が０．１ｍｍ２以下であることを特徴とするサンプリングノズル。
  6. 請求項１記載のサンプリングノズルにおいて、
    前記先端部の角度は、２６．０度以上２９．５度以下の範囲であることを特徴とするサンプリングノズル。
  7. 請求項１記載のサンプリングノズルにおいて、
    第１のストレート部と、前記第１のストレート部よりも外径の小さい第２のストレート部と、前記第１のストレート部と前記第２のストレート部との間に配置されたテーパ部とを備え、前記先端部は前記第２のストレート部の先端に配置されていることを特徴とするサンプリングノズル。
  8. 請求項７記載のサンプリングノズルにおいて、
    前記第１のストレート部、前記第２のストレート部、前記テーパ部、前記先端部は互いに溶接されることなく同一の部材であることを特徴するサンプリングノズル。
  9. 請求項１記載のサンプリングノズルを備えたサンプル分注機構を有する自動分析装置において、前記サンプル分注機構は、前記サンプリングノズル内の試料をセルに吐出する際に前記セルの底に前記先端部を接触させた状態で試料を吐出することを特徴とする自動分析装置。
  10. ゴム付きのサンプリング容器を貫通し内部のサンプルを吸引する円筒形のサンプリングノズルの製造方法において、
    （ａ）長さ方向に延在する中空部を有する管を準備する工程と、
    （ｂ）前記管の軸に軸対照な曲面であって、前記中空部を屈曲させることなく、前記管の先端に前記円筒形の円周方向に湾曲し、前記長さ方向に対して直線的に傾斜する、前記円筒形の中心軸を軸とする円錐形の一部からなる曲面を形成する工程と、
    （ｃ）前記曲面上の点と、前記曲面が配置された箇所よりも前記管の根元側の点とを通過する平面で直線的に加工し、前記中空部を取り囲む面、かつ、前記曲面との交線で前記サンプリングノズルの先端部を形成する工程と、
    を有することを特徴とするサンプリングノズルの製造方法。
  11. 請求項１０に記載のサンプリングノズルの製造方法において、
    前記（ｂ）工程は、第１のストレート部よりも外径の小さい第２のストレート部と、前記第１のストレート部と前記第２のストレート部との間のテーパ部と、を形成する工程を含み、前記（ｂ）工程における曲面を切削する工程は、前記第２のストレート部の先端を切削する工程であることを特徴とするサンプリングノズルの製造方法。
  12. 請求項１０に記載のサンプリングノズルの製造方法において、
    さらに以下の（ｄ）工程を有することを特徴とするサンプリングノズルの製造方法。
    （ｄ）前記中空部を取り囲む面と前記中空部で挟まれた前記管の鋭角部を丸める工程。
JP2016564788A 2014-12-18 2015-12-07 サンプリングノズルおよびこれを用いた自動分析装置並びにサンプリングノズルの製造方法 Active JP6337147B2 (ja)

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