JP7079352B2 - ピペット装置の近接感知のために無脈動空気流を生成する小型圧電空気ポンプ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書にその内容全体が組み込まれている、２０１８年７月３日に出願した米国仮出願第６２／６９３，５７２号の優先権を主張するものである。

本発明は、一般に、圧電空気ポンプに関し、より詳細には、ピペット装置の近接感知のために無脈動空気流を生成する小型圧電空気ポンプに関する。

患者の体液または膿瘍から採取された液体サンプルの分析により、患者の診断および治療に関連する様々なタイプの分析試験を実施することができる。これらのアッセイは、一般に、患者サンプルを含む管またはバイアルが装填された自動臨床分析装置を用いて実施される。分析装置は、バイアルから液体サンプルを抽出し、そのサンプルを特別な反応キュベットまたは管（一般に反応容器と呼ばれる）の中で様々な試薬と合わせる。通常、サンプル－試薬溶液は、分析される前に、インキュベートされるか、他のやり方で処理される。分析測定、たとえば比濁読み取り、蛍光測定読み取り 、吸収読み取りなどは、多くの場合、サンプル－試薬組み合わせと相互作用するインタロゲート放射線のビームを使用して実施される。測定は終点またはレート値の決定を可能にし、その値から、周知の較正技術を使用して、患者の健康状態に関連する被分析物の量を決定することもできる。

いくつかの分析装置およびあるピペット採取装置は、ベルヌーイの定理に依拠し、使い捨てチップなどの物体および液体自由表面を液体サンプル試験に関連する自動プロセスで感知する。ベルヌーイの定理を用いて物体を感知するように、サンプルプローブは、中を流れる空気の連続的な供給を有さなければならない。サンプルプローブが物体に近づくと、圧力トランスデューサが供給流の運動エネルギーからポテンシャルエネルギーへの変換を感知する。感知アルゴリズムは、物体検出のために供給流の運動エネルギーからポテンシャルエネルギーへの変換を検出しなければならないので、圧力の脈動を最小にしなければならない。

ベルヌーイの定理に依拠する１つの現在の方法は、物体感知の間プローブに空気を供給する回転ベーンポンプを含む。各ベーンがポンプハウジングのポートを通過するとき、大きな圧力脈動が生み出される。流れの方向を制御する１つまたはそれ以上の内部弁を含むポンプは、脈動空気流を生成することがある。外部脈動ダンプナは、圧力の急上昇を調整し、サンプルプローブへの供給流を滑らかにすることにしばしば使用される。滑らかな定常流は、サンプルプローブが物体に近づいているかを制御システムが確実に検出するために必要である。

いくつかの従来のシステムは、無脈動流生成の課題の解決を試みているが、それらは、概してコスト効果が高くない。たとえば、特許文献１には、感知される表面に対して下方に流体を連続的に出す垂直方向に動くことができるノズルを用いて液体表面レベルを感知および制御する自動制御システムが記載されている。しかし、この開示は、定圧供給が必要であることしか触れておらず、滑らかな定常空気流の生成方法については記載していない。特許文献２には、サンプル流体を吸引し分注する装置での別の現在の方法が記載されている。プローブの遠位端における定常の滑らかな空気流の供給を達成するために、蛇管または蛇状ブロックの形態の脈動ダンパおよびベント管が必要である。この脈動ダンパの追加は、アセンブリを複雑にし、不必要な費用を追加する。

米国特許第３，４９４，１９１号 米国特許第６，１５８，２６９号

本開示は、従来技術の上記および他の問題を克服することを対象とする。

本発明の実施形態は、コスト効果が高くコンパクトなやり方で滑らかな層流を提供しつつサンプルプローブの近接または位置の感知を実施するためにサンプルプローブシステムと一緒に使用することができる圧電ポンプを有する空気供給システムを用いて従来技術の課題を解決する。

いくつかの実施形態では、サンプルプローブシステムは、サンプルプローブアセンブリと、空気供給アセンブリと、制御システムとを含む。サンプルプローブアセンブリは、トランスデューサと、サンプルプローブとを含む。空気供給アセンブリは、空気流がサンプルプローブから退出するようにサンプルプローブアセンブリに空気流を供給するように構成された圧電ポンプを含む。制御システムは、トランスデューサによって検出される空気流の圧力変化に基づいてサンプルプローブの相対位置を決定する。

他の実施形態では、サンプルプローブシステムは、サンプルプローブアセンブリと、空気供給アセンブリと、制御システムとを含む。サンプルプローブアセンブリは、トランスデューサと、サンプルプローブとを含む。空気供給アセンブリは、空気流がサンプルプローブから退出するようにサンプルプローブアセンブリに空気流を供給するように構成された圧電ポンプを含む。圧電ポンプは、入口開口部と出口ノズルとを含む外側ハウジングと、入口開口部に流体連結された、外側ハウジング内に画成された取入チャネルと、外側ハウジング内に位置し、サンプルプローブアセンブリへと空気流を生成するように空気を取入チャネルから吸い込み出口ノズルから空気を排出するように構成され、圧電素子を含む、内部ポンプとを含む。制御システムは、空気流を生成するために圧電素子に電圧を印加し、トランスデューサによって検出される空気流の圧力変化に基づいてサンプルプローブの相対位置を決定する。

他の実施形態では、化学分析装置は、複数の容器を支持するように構成された反応カルーセルと、サンプル流体管を輸送するためのサンプル流体管輸送システムと、サンプル流体の部分をサンプル流体管から吸引し反応カルーセルによって支持されている複数の容器に分注するように構成された液体サンプル採取プローブと、化学分析装置内で自動制御動作を実行するように構成された制御コンピュータとを含む。液体サンプル採取プローブは、サンプルプローブアセンブリと、空気供給アセンブリとを含む。サンプルプローブアセンブリは、トランスデューサと、サンプルプローブとを含む。空気供給アセンブリは、空気流がサンプルプローブから退出するようにサンプルプローブアセンブリに空気流を供給するように構成された圧電ポンプを含む。制御コンピュータは、トランスデューサによって検出される空気流の圧力変化に基づいてサンプルプローブの相対位置を決定するように構成される。

本発明の追加の構成および利点は、添付の図面を参照しながら進める以下の例示的な実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の上記および他の態様は、以下の詳細な説明を添付図面と関連させて読むことにより、最も良く理解される。本発明を例示するために、図面には現在好ましい実施態様が示されているが、本発明は、開示される特定の手段に限定されないと理解されよう。図面には以下の図が含まれる。

例示的な化学分析装置の上面図である。 ある実施形態で使用される反応容器およびキュベットを輸送するためのカルーセルの一部分の上面図である。 ある実施形態で使用されるキュベットの斜視図である。 ある実施形態で使用される別のタイプの反応容器の斜視図である。 従来のサンプルプローブシステムの一例の図である。 開示の実施形態と一致する例示的なサンプルプローブシステムの図である。 図５Ａ～５Ｃは、図４のサンプルプローブシステムの実施形態の例示的な概略線図である。 開示の実施形態と一致する例示的な圧電ポンプの断面図である。

本開示の実施形態は、サンプルプローブシステムに組み入れられた圧電プローブを含む。圧電ポンプは、無脈動空気流を生成し、制御システムがベルヌーイの定理によりサンプルプローブの位置を確実に検出できるようにする。いくつかの実施形態では、内部弁は乱流またはそうでなければ非層流を引き起こす恐れがあるが、圧電ポンプは、そうした内部弁なしで動作する。圧電ポンプは、圧電材料の周期的または非周期的な振動により動作することができる。サンプルプローブシステムは圧電ポンプのフィードバック制御をさらに含むことができ、それによってシステムは製造バイアスもしくは標高を補償することができ、および／または、フィルタ交換の必要性もしくは詰りがあるかどうかなどの問題があることを使用者に警告することができるフィードバックシステムが提供される。

図１は、図２とあわせて、たとえば参照によって本明細書にその全体を組み入れる米国特許第７，２５８，４８０号に記載される化学分析装置を含むことができる、本発明を有利に実施することができる自動化学分析装置１０の要素を概略的に示している。分析装置１０は、反応カルーセル１２を含む。反応カルーセル１２は、キュベットポート２０が形成された外側カルーセル１４、および容器ポート２２が形成された内側カルーセル１６を支持する。外側カルーセル１４および内側カルーセル１６は、開口溝１８によって隔てられている。キュベットポート２０は、従来の臨床およびイムノアッセイのアッセイのための様々な試薬およびサンプル液体を含む、図２Ａに見られるような複数の反応キュベット２４を受けるように適用される。容器ポート２２は、超高感度発光イムノアッセイ用の特殊試薬を含む、図２Ｂに示されるような複数の反応容器２５を受けるように適用される。キュベットと反応容器は、本明細書で使用されるような様々な形状を有することができるが、混合方法は、反応容器２５またはキュベット２４の内容物に適用することができる。反応容器およびキュベットという用語は、広義かつ相互的に解釈されるべきである。反応容器は、たとえば、キュベット、バイアル、管または試薬と溶液を混合するための他の適当な容器を含むことができる。

反応カルーセル１２は、一定の方向の段階的な動きを用いて回転可能であり、段階的な動きは一定の停止時間によって区切られ、停止時間中には、反応カルーセル１２は静止したままであり、センサなどのコンピュータ制御されたアッセイ作動装置１３、試薬添加ステーションおよび混合ステーションなどが、必要に応じて、キュベット２４に含まれたアッセイ混合物に対して作用する。

分析装置１０は、分析装置１０内の様々な分析手段１７（たとえば検出ユニット）によって実施されるアッセイを実施するためのコンピュータ１５によって実行されるソフトウェアによって制御される。分析手段は、たとえば、反応容器またはキュベット内の反応の結果を解釈するための１つまたはそれ以上の光度計、濁度計、比濁計、電極、電磁石および／またはＬＯＣＩ（登録商標）リーダを含むことができる。本明細書に記載の各工程は、分析装置１０が利用できるコンピュータ１５などの１つまたはそれ以上のプロセッサで実行されるプログラミング命令によって直接的にまたはそれに応答して実施可能であると理解されたい。これらのソフトウェア命令は、ハードドライブ、固体メモリ、光ディスクまたはフラッシュメモリなどを含む、任意の従来の手段を介した実行のために記憶される。

図１に見られるように、二方向入出サンプル流体管輸送システム３４は、サンプル流体管４０のような開口したサンプル流体容器を含むサンプル流体管ラック３８を、白抜き矢印３５Ａによって示すように、入力レーン３５の第１の端部のラック入力装填位置から入力レーン３５の第２の端部まで輸送する機構を含む。サンプル管４０に含まれた液体標本を、その上に配置されたバーコード化された印を従来のバーコードリーダを用いて読むことによって識別し、とりわけ、患者の身元、実施予定の試験、サンプルアリコートを分析装置１０内に保持するかどうか、および保持するならば、どれくらいの期間かを決定することができる。さらに、バーコード化された印をサンプル管ラック３８上に配置し、分析装置１０全体に設置された多数のバーコードリーダを使用して、サンプル管４０およびサンプル管ラック３８の位置の確認、制御および追跡を行うことも一般に実施される。

液体サンプル採取プローブ４２は、入力レーン３５の第２の端部の近くに位置し、サンプル流体管４０からサンプル流体のアリコート部分を吸引し、そのサンプル流体のアリコート部分をアリコート容器アレイ４４の複数の容器のうちの１つまたはそれ以上の中に分注するように動作可能である。これは、アッセイを容易にし、分析装置１０によって環境チャンバ４８内に保持されるサンプル流体アリコートを提供するための量のサンプル流体を提供する。サンプル流体がラック３８のすべてのサンプル流体管４０から吸引され、アレイ４４中のアリコート容器の中に分注され、アリコート容器アレイ収納輸送システム５０に維持された後、ラック３８を、白抜きの矢印３６Ａで示されるように、オペレータのアクセス可能な分析装置１０の前面区域に移動させて、分析装置１０から降ろすことができる。

サンプル吸引プローブ５４は、コンピュータ１５によって制御され、トラック（図示せず）内のサンプル採取位置に位置するアレイ４４中の個々のアリコート容器から制御された量のサンプルを吸引したのち、１つまたはそれ以上の被分析物に関する分析装置１０による試験のために、吸引されたサンプルの適量が１つまたはそれ以上のキュベット２４の中に分注される分注位置に動かされるように適用される。サンプルが反応キュベット２４に分注された後、従来の移送手段が、必要に応じて、アリコート容器アレイ収納分注モジュール５６内のアリコート容器アレイ４４を、アリコート容器アレイ輸送システム５０、環境チャンバ４８および廃棄処分域（図示せず）の間で動かす。

温度制御された収納域またはサーバ２６、２７および２８は、いくつかの異なるアッセイを実施するウェル３２中に試薬を含む、たとえば参照によって本明細書に組み入れる米国特許第６，９４３，０３０号に記載されているものなど、入力トレー２９を介してシステムに装填される細長いマルチコンパートメント試薬カートリッジ３０の在庫を含む。コンピュータ１５は、試薬カートリッジ３０の動きおよび配置を制御し、追跡することができる。サーバ２６、２７および２８からの試薬は、１つまたはそれ以上の試薬プローブアーム６０、６１および６２によって取り扱うことができる。

自動化学分析装置１０の液体サンプル採取プローブ４２は、液体サンプルに接近しそれを採取することに使用することができるサンプル採取プローブの一例である。上記その他の類似のピペット装置では、サンプルに対するサンプル採取プローブの相対位置を検出するために、近接感知が使用される。たとえば、近接感知は、プローブプランジャが所定量のサンプルを採取するように起動されるように、使い捨てチップがサンプルの表面に到達したことを判定することに使用することができる。近接感知を実施するために、サンプルプローブシステムは、液体レベル感知のための空気ポンプを含むことができる。空気流は空気ポンプからサンプルプローブマニホルドを通って圧力トランスデューサへと流れて最後に使い捨てチップに達し、使い捨てチップが圧送されてきた空気流を液体中にパージすることができる。システムは、（たとえば、流れがサンプルまたは他の材料によって遮断されたことによる）動圧から静水圧への変化による圧力読取値の急激な変化を感知したとき、新しい媒体への接近を感知することができる。

図３は、従来のサンプルプローブシステム１００の概略線図である。サンプルプローブシステム１００は、サンプルプローブアセンブリ１１０および空気供給アセンブリ１２０を含む。空気供給アセンブリ１２０は、空気流をサンプルプローブアセンブリ１１０に供給する。サンプルプローブアセンブリ１１０がサンプルに接近すると、空気流が遮断され、サンプルへの接点または距離が決定される。

サンプルプローブアセンブリ１１０は、たとえば、サンプルポンプ１１２、トランスデューサ１１４、およびサンプルプローブ１１６を含む。サンプルポンプ１１２は、サンプルプローブ１１６へのサンプルの受け入れおよび送達を制御するポンプまたは弁である。たとえば、サンプルポンプ１１２は、サンプルプランジャが液体サンプルをプランジャの直線運動によりサンプルプローブ１１６のチップに吸い込みその液体サンプルを逆動作で排出するように、サンプルプランジャを制御することができる。トランスデューサ１１４は、検出システム（図示せず）に接続されており、サンプルプローブ１１６における空気流の変化に基づいた信号を供給するように構成される。一般に、トランスデューサという用語は、この場合、サンプルプローブ１１６からの空気流の変化を検出するように構成された任意のセンサ（たとえば、圧力センサ）を述べることに使用される。

空気供給アセンブリ１２０は、たとえば、空気ポンプ１２２、フィルタ１２４、およびパルスダンプナマニホルド１２６を含む。空気ポンプ１２２は、空気流を生成するように構成された機構である。空気ポンプ１２２は、たとえば、回転ブレードおよび空気ポンプ１２２から出る流れを制御する１つまたはそれ以上の弁を有する回転ベーンポンプを含むことができる。空気流は空気ポンプ１２２を出て、空気流を作り望ましくない微粒子を除去する助けとなるフィルタ１２４を通って流れる。図１に示されるように、空気ポンプ１２２およびフィルタ１２４を出る空気流は脈動流である。これは、たとえば、各ベーンの回転と共に脈動する偏流を生成する回転ブレードの性質によって引き起こされることがある。さらに、１つまたはそれ以上の弁の使用は、流れを何度か遮断し、滑らかな流れを妨げる。

パルスダンプナマニホルド１２６は、空気ポンプ１２２およびフィルタ１２４を出た脈流の影響を低減させるために、空気供給アセンブリ１２０内に存在する。パルスダンプナマニホルド１２６は、空気流をより滑らかにすることができ空気がさらに下流へと流れるときの圧力振動を減少させる、たとえば長い管または導管とすることができる。脈動流がサンプルプローブアセンブリ１１０に達することができてしまうと、トランスデューサ１１４が誤った読取値を取得することがあり、検出システムによるサンプルに対するサンプルプローブ１１６の位置の確実な検出ができなくなる恐れがある。パルスダンプナマニホルド１２６は、１つまたはそれ以上の弁および１つまたはそれ以上のベントを含むことができ、それによって流れから圧力脈動が除去され、サンプルプローブアセンブリ１１０についての滑らかな層流が生み出される。

本開示の実施形態は、圧電ポンプを含む。圧電ポンプは、無脈動流を生成し、それによってパルスダンプナまたは同様の要素が必要なくなる。圧電ポンプは、一定圧力流を供給し、それをサンプルプローブアセンブリに直接送り込むことができる。これは、サンプルプローブシステムを簡素化し、コストの削減になる。圧電ポンプは可変電圧で動作することができるので、圧電ポンプの動作を調整し製造により引き起こされる任意のバイアス、標高または他の要因を除去するために、論理制御ループをシステムソフトウェア内に組み入れることができる。

図４は、本発明の開示の実施形態による例示的なサンプルプローブシステム２００の概略線図である。サンプルプローブシステム２００は、サンプルプローブアセンブリ２１２、空気供給アセンブリ２１４および制御システム２１６を含む。サンプルプローブアセンブリ２１２は、サンプルポンプ２１８、トランスデューサ２２０およびサンプルプローブ２２２を含む。サンプルプローブ２２２は、たとえば、当業界で既知のやり方でサンプルを採取するように構成された、使い捨てチップおよびプローブプランジャを含むことができる。サンプルポンプ２１８は、サンプル液体をサンプルプローブ２２２に吸い込むおよび／またはそこから排出するためにプローブプランジャを制御する。空気供給アセンブリ２１４は、トランスデューサ２２０がサンプルプローブ２２２（たとえば、サンプルに接触するサンプルプローブ２２２）の相対位置の感知に関する信号を制御システム２１６に確実に提供することができるように、無脈動空気流をサンプルプローブアセンブリ２１２にもたらす。トランスデューサ２２０は、サンプルプローブ２２２のチップでの流れの変化を検出するように構成された任意の感知デバイス（たとえば、圧力センサ）とすることができる。たとえば、トランスデューサ２２０は、サンプルプローブ２２２での静圧の急上昇を検出することができる。静圧の急上昇は、サンプルプローブ２２２が表面（たとえば、サンプルの液面）に接近していることを示す。トランスデューサ２２０は、信号を制御システム２１６にもたらす。制御システム２１６は、たとえば液体サンプルに対するサンプルプローブ２２２の位置決めを決定するために信号を分析するように構成される。

いくつかの実施形態では、空気供給アセンブリ２１４は、フィルタ２２４、圧電ポンプ２２６およびポンプ弁２２８を含む。圧電ポンプ２２６は、一定圧の空気流をポンプ弁２２８に供給するように構成される。フィルタ２２４は、空気供給アセンブリ２１４内に位置し、空気流を、サンプルプローブアセンブリ２１２への供給前に清浄化（たとえば空気微粒子を除去）する。ポンプ弁２２８は、選択的に、空気の流れをサンプルプローブアセンブリ２１２に到達させることができるように構成される。たとえば、ポンプ弁２２８は、サンプルポンプ２１８が液体サンプルを吸い込む、運ぶおよび／または排出するとき、サンプルプローブアセンブリ２１２へ向かう空気流を止めるように構成される。ポンプ弁２２８は、加えて、または別法として、システムから圧力をブリードできるように構成されたブリード弁２２９を含むこともできる。圧電ポンプ２２６は、材料への電圧の印加により固体材料の形状および構造の変化が生じる圧電材料の能力に依拠する、ブレードレスポンプである。圧電ポンプ２２６は、内部弁を含んでもまたは含まなくてもよい。その代わりに、圧電ポンプ２２６は、空気力学的に、空気の排気中はより効率的になり、吸気中はより抵抗的になるように設計される。

図５Ａ～図５Ｃは、サンプルプローブシステム２００の例示的な実施形態の概略図を含む。図５Ａは、圧電ポンプ２２６Ａ、ポンプ弁２２８Ａ、サンプルポンプ２１８Ａ、トランスデューサ２２０Ａおよびサンプルプローブ２２２Ａを含む、サンプルプローブシステム２００Ａを示している。サンプルプローブ２２２Ａは、使い捨てチップおよびサンプルプローブプランジャからなる。この実施形態では、サンプルプローブシステム２００Ａは、ブリード弁およびフィルタが省かれている。

図５Ｂは、圧電ポンプ２２６Ｂ、空気フィルタ２２４Ｂ、ポンプ弁２２８Ｂ、サンプルポンプ２１８Ｂ、トランスデューサ２２０Ｂおよびサンプルプローブ２２２Ｂを含む、サンプルプローブシステム２００Ｂを示している。この実施形態は、空気流から望ましくない微粒子を除去する空気フィルタ２２４Ｂを含む。空気フィルタ２２４Ｂは、この実施形態では、圧電ポンプ２２６Ｂの下流に位置する。

図５Ｃは、空気フィルタ２２４Ｃ、圧電ポンプ２２６Ｃ、ブリード弁２２９Ｃ、ポンプ弁２２８Ｃ、サンプルポンプ２１８Ｃ、トランスデューサ２２０Ｃおよびサンプルプローブ２２２Ｃを含む、サンプルプローブシステム２００Ｃを示している。この実施形態は、空気フィルタ２２４Ｃとブリード弁２２９Ｃの両方を含む。この実施形態では、空気フィルタ２２４Ｃは、圧電ポンプ２２６Ｃの上流に位置する。この構成は、圧電ポンプ２２６Ｃの入口側で空気を濾過することでよりコンパクトな構造の提供の助けとなり得る。この空気フィルタ２２４Ｃの位置は、やはりまた、空気フィルタ２２４Ｃのより簡単な交換を可能にする。この実施形態では、空気フィルタ２２４Ｃ、圧電ポンプ２２６Ｃ、ブリード弁２２９Ｃおよびポンプ弁２２８Ｃは、単一の小型マニホルドに組み合わせることができる。追加のブリード弁２２９Ｃの使用により追加の構成要素が追加されるが、内部圧力のより確実な制御を可能にすることで漏れまたは損傷の危険がより低くなる。

各サンプルプローブシステム２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃにおいて、構成要素の数が少ないことで、従来の空気ポンプよりコストの削減になり、サンプルプローブアセンブリに直接もたらされる滑らかな層流を生成する単純かつ効率的な手段が提供される。空気フィルタは、圧電ポンプの下流または上流のどちらに配置してもよく、または全く省くこともできる。ブリード弁を含むことができるが、これは必須構成要素ではない。様々な構成をサンプルプローブシステムの特定の適用例に合わせることができる。

図４に戻ると、制御システム２１６は、トランスデューサ２２０に電子的に接続されており、サンプルプローブ２２２からの空気流の変化（たとえば、静圧の変化）を示す、トランスデューサ２２０からの信号を受けるように構成される。この方法では、制御システム２１６は、サンプルに対するサンプルプローブ２２２の位置を検出するように構成される。たとえば、制御システム２１６は、ベースラインまたは閾値流量または圧力値に較正され、液体サンプルの表面に対するサンプルプローブ２２２の位置を示す偏差を検出することができる。

いくつかの実施形態では、制御システム２１６は、さらに、圧電ポンプ２２６に電圧を印加するように構成される。たとえば、制御システム２１６は、圧電ポンプ２２６に電圧波形を印加することができ、それによってポンプが動き空気流が生成される。電圧波形は、周期的（たとえば、一貫性のある振幅変化および周波数の正弦波）または非周期的（たとえば、一貫性のない振幅および周波数）であってよい。制御システム２１６は、圧電ポンプ２２６によって生成される空気流を制御する（たとえば、流量を増加または減少させる）ために電圧波形を変えるように構成することができる。たとえば、制御システム２１６は、圧電ポンプ２２６に接続されたフィードバック制御２８０をさらに含むことができる。フィードバック制御２８０は、圧電ポンプ２２６に印加される電圧波形を変えることによって圧電ポンプ２２６の動作を調整するソフトウェア制御として制御システム２１６に組み込まれる。

図６は、圧電ポンプ２２６の例示的な一実施形態の断面図である。圧電ポンプ２２６は、外側ハウジング２３０、および内部ポンプ２３２を含む。外側ハウジング２３０は、入口側２３４および出口側２３６を含む。外側ハウジング２３０は、入口側２３４に入口開口部２３８、出口側１２６に出口ノズル２４０、および取入チャネル２４２を画成する。取入チャネル２４２は、入口開口部２３８を出口ノズル２４０に連結する。入口開口部２３８は、空気を取入チャネル２４２に供給し、内部ポンプ２３２は、出口ノズル２４０から空気を排出するように働く。入口開口部２３８は、滑らかな流れを取入チャネル２４２にもたらすように寸法設定され、構成される。たとえば、入口開口部２３８は、乱流を抑制する助けとなるテーパ状縁を含むことができる。

内部ポンプ２３２は、外側ハウジング２３０内に位置し、空気チャンバ２４６を画成する複数の壁２４４を含む。複数の壁２４４は、ダイヤフラム壁２４８を含む。ダイヤフラム壁２４８は、可撓性材料から形成され、好ましくは、出口ノズル２４０の反対の外側ハウジング２３０の入口側２３４に、空気チャンバ２４６の境界を形成する。複数の壁２４４は、取入チャネル２４２を空気チャンバ２４６に連結するアパーチャ２５０をさらに含む。アパーチャ２５０は、好ましくは、外側ハウジング２３０の出口側２３６に、入口開口部２３８とは反対の、ダイヤフラム壁２４８と出口ノズル２４０との間に位置する。内部ポンプ２３２は、圧電素子２５２をさらに含む。圧電素子２５２は、ダイヤフラム壁２４８に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、圧電素子２５２は、ダイヤフラム壁２４８を形成することができる。

圧電素子２５２は、電気結線により供給される入力電圧に基づいて伸縮するように構成される任意の圧電材料であってよい。たとえば、圧電素子２５２は、所定電圧が印加されると収縮し、所定電圧が除去されると伸張して元のサイズに戻ることができる。ダイヤフラム壁２４８は、圧電素子２５２の伸縮の結果として曲がるように構成される。具体的には、ダイヤフラム壁２４８には圧電素子２５２が取り付けられているので、圧電素子２５２の収縮によって、収縮する圧電素子２５２と一緒に動くため、ダイヤフラム壁２４８が曲がることができる。圧電素子２５２が伸張すると、ダイヤフラム壁２４８は、その静止位置へと戻る。圧電素子の伸縮によるダイヤフラム壁２４８の動きおよび／または屈曲によって、空気チャンバ２４６の体積が変わる。たとえば、空気チャンバ２４６の体積は、圧電素子２５２が収縮位置にあるとき、より大きくなり、圧電素子２５２が伸張位置にあるとき、より小さくなり得る。したがって、ダイヤフラム壁２４８の繰り返しの動きによりポンプ作用が生じ、それによって、圧電素子２５２が収縮したときに空気が取入チャネル２４２からアパーチャ２５０を通って空気チャンバ２４６に吸い込まれ、圧電素子２５２が伸張したときに空気が空気チャンバ２４６から排出され、最後に出口ノズル２４０から出る。

電気結線は、ダイヤフラム壁２４８の繰り返しの動き、したがって出口ノズル２４０を通る一定気流を生成するポンプ作用を誘起するために、周期的な電圧を圧電素子２５２にもたらすように構成される。開示の実施形態によれば、圧電素子２５２は、電気結線から入力電圧を受ける２０ｋＨｚ超の超音波ポンプである。超音波ポンプの動作により、出口ノズル２４０を通る排出流が小体積の高周波数の微小パルスからなり、結果的に無脈動流になる。

図６に示されるように、圧電ポンプ２２６は、矩形断面の外側ハウジング２３０を有する矩形要素として形成することができる。さらに、内部ポンプ２３２を形成する複数の壁２４４は、空気チャンバ２４６も矩形になるように形成することができる。一実施形態では、外側ハウジング２３０は、２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形の寸法を有し、高さが１．５ｍｍ～２ｍｍ（たとえば、１．８５ｍｍ）である。

取入チャネル２４２は、内部ポンプ２３２を囲繞し、空気を入口開口部２３８からアパーチャ２５０へと送達する。入口開口部２３８は、取入チャネル２４２に入口開口部２３８を介して空気がより簡単に供給されるように、出口ノズル２４０より大きいことが好ましく、それによって出口ノズル２４０を逆に通る吸気流が阻止される。このように、取入チャネル２４２に逆に吸い込まれずに空気チャンバ２４６から排出される空気によって出口ノズル２４０を通って空気が外に押し出される定常流が生成され、したがって圧電ポンプ２２６は弁なしで形成される。

動作時には、サンプルプローブシステム２００の制御システム２１６は、サンプルプローブアセンブリ２１２をサンプル採取位置へと動かすアームまたは他のロボット要素を制御する。たとえば、制御システム２１６は、分析装置１０の一要素（たとえば、コンピュータ１５）であってよく、サンプルプローブアセンブリ２１２は、自動可動アームにより制御される液体サンプル採取プローブ４２に相当する。しかし、他のピペット装置およびイムノアッセイシステムが開示の１つまたはそれ以上の構成を組み込んでもよいと理解されたい。

制御システム２１６は、電圧波形を電気結線２５４を介して圧電素子２５２に印加するように構成される。印加される電圧は、６～２０Ｖの間が好ましいが、これに限定されない。試験の間、これらの電圧はサンプルプローブ２２２での十分な圧力および望ましい流量の空気流を生成した。印加される電圧は、ダイヤフラム壁２４８の超音波振動を生成するのに十分な電圧とすることができる。たとえば、電圧は、約２４～２７ｋＨｚの周波数で印加することができる。しかし、電圧波形は、必ずしも周期的でなくてよいと理解されたい。いくつかの例では、非周期的な電圧波形を印加することができる。

圧電素子２５２に印加される電圧波形は、一定の層流の空気流を出口ノズル２４０から排出するポンプ作用を誘起する。ダイヤフラム壁２４８で誘起される超音波振動は、出口流中に微小パルスを生成する。この微小パルスは、無視できる程度であり、出口ノズル２４０で消散し、出口ノズル２４０から出る無脈動空気流を生成する。無脈動空気流は、変動を低減し、トランスデューサ２２０がサンプルプローブ２２２の相対位置を示す信号を確実に生成できるようにする。制御システム２１６は、トランスデューサ２２０と通信し、サンプルプローブ２２２の位置を識別しそれに応じて１つまたはそれ以上の動作を実施するようにソフトウェアによる分析を実施する。たとえば、制御システム２１６は、サンプルプローブ２２２のチップからサンプルを吸い込むようにサンプルポンプ２１８によってプローブプランジャを起動させることができる。

いくつかの実施形態では、制御システム２１６は、さらに、圧電ポンプ２２６を調整するために、トランスデューサ２２０からの信号に基づいて電圧波形を調節する。たとえば、トランスデューサ２２０は、サンプルプローブ２２２での圧力振動を示す信号を生成することができ、制御システム２１６は、圧力振動を減少させ滑らかな層流をより良く生成することができるように、印加される電圧波形を調節する。別の例では、制御システム２１６は、検出したベースラインからの偏差を補償するために圧力波形を調節することができる。たとえば、制御システム２１６は、サンプルプローブ２２２での空気流の流量または圧力と閾値を比較し、圧電ポンプ２２６への入力電圧を調節することができる。このように、制御システム２１６は、製造バイアス、標高などによって引き起こされる偏差を補償するように構成される。いくつかの実施形態では、制御システム２１６は、サンプルプローブ２２２で偏差または予想外の値が検出されたときに使用者に警告することができる。たとえば、制御システム２１６は、フィルタ交換が必要であることを決定し、使用者に警告することができる。

開示のサンプルプローブシステムには、圧電ポンプが組み込まれている。圧電ポンプは、追加の構成要素およびスペースと引き換えに脈動を低減する脈動減衰マニホルドまたは他のデバイスを必要とせずに無脈動流を生成する。その結果、サンプルプローブシステムの空気供給アセンブリは、構成要素が少ないので単純になり、さらに、従来のポンプより占めるスペースが狭くて済むので、コストおよびスペース効率が向上する。圧電ポンプの電子制御は、さらに、サンプルプローブシステムが製造バイアスおよび標高を含む様々な状態を克服しフィルタ汚れのような状態を検出できるようにするフィードバック制御を可能にする。

本開示の実施形態は、ハードウェアおよびソフトウェアの任意の組み合わせで実施可能である。加えて、本開示の実施形態は、たとえば非一時的なコンピュータ可読媒体を有する製造品（たとえば１つまたはそれ以上のコンピュータプログラム製品）に含めることができる。ここで、媒体は、たとえば、本開示の実施形態の機構を提供し容易にするためのコンピュータ可読プログラムコードを具現化している。製造品は、コンピュータシステムの一部に含めることも別売りすることもできる。

様々な態様および実施形態が本明細書において開示されてきたが、他の態様および実施形態も当業者には明らかであろう。本明細書に開示の様々な態様および実施形態は、例示を目的としており、限定を意図するものではなく、真の範囲および趣旨は以下にある特許請求の範囲によって示される。

本明細書で使用する実行可能ソフトウェアアプリケーションは、たとえばユーザコマンドまたは入力に応じて、たとえばオペレーティングシステム、コンテキストデータ取得システムまたは他の情報処理システムの所定の機能を実装するようにプロセッサを調整するコードまたは機械可読命令を含む。実行可能プロシージャは、１つまたはそれ以上の特定のプロセスを実行するための、コードもしくは機械可読命令のセグメント、サブルーチン、またはコードの他の別個のセクション、または実行可能アプリケーションの一部分である。これらのプロセスは、入力データおよび／またはパラメータの受信、受信された入力データに対する動作の実行、および／または受信された入力パラメータに応答した機能の実行、ならびに結果の出力データおよび／もしくはパラメータの提供を含むことができる。

本明細書における機能およびプロセス工程は、ユーザコマンドに応答して自動的または全体的または部分的に実施することができる。自動的に実施されるアクティビティ（工程を含む）は、ユーザが直接的にアクティビティを開始することなく、１つまたはそれ以上の実行可能命令またはデバイスオペレーションに応答して実施される。

図面のシステムおよびプロセスは、排他的ではない。同じ目的を達成するために、本発明の原理に従って他のシステム、プロセス、およびメニューを導出することができる。本発明を、特定の実施形態を参照して説明してきたが、本明細書に図示および記載された実施形態および変形形態は、例示のみを目的としたものと理解されたい。現在の設計に対する変更を、本発明の範囲から逸脱することなく当業者によって実施することができる。本明細書に記載されているように、様々なシステム、サブシステム、エージェント、マネージャ、およびプロセスは、ハードウェア構成要素、ソフトウェア構成要素、および／またはこれらの組み合わせを使用して実装することができる。本明細書の特許請求の範囲の要素は、いずれも、「する手段」という語句を用いて明示的に記載されていない限り、米国特許法第１１２条（ｆ）の規定に該当しない。

Claims (18)

1. サンプルプローブシステムであって：
   トランスデューサとサンプルプローブとを含むサンプルプローブアセンブリと；
   空気流がサンプルプローブから退出するようにサンプルプローブアセンブリに無脈動の空気流を供給するように構成された圧電ポンプを含む空気供給アセンブリと；
   トランスデューサによって検出される空気流の圧力変化に基づいてサンプルプローブの相対位置を決定するように構成された制御システムと
   を含む、前記サンプルプローブシステム。
2. サンプルプローブは、プローブプランジャと、使い捨てチップとを含む、請求項１に記載のサンプルプローブシステム。
3. サンプルプローブアセンブリは、サンプルポンプをさらに含む、請求項１に記載のサンプルプローブシステム。
4. 空気供給アセンブリは、空気フィルタをさらに含む、請求項１に記載のサンプルプローブシステム。
5. 空気供給アセンブリは、１つまたはそれ以上の弁をさらに含む、請求項１に記載のサンプルプローブシステム。
6. １つまたはそれ以上の弁は、ポンプ弁と、ブリード弁とを含む、請求項５に記載のサンプルプローブシステム。
7. 制御システムは、空気流を生成するように圧電ポンプに電圧を印加するように構成される、請求項１に記載のサンプルプローブシステム。
8. 制御システムは、トランスデューサからの信号に基づいて印加電圧波形を調節するように構成されたフィードバック制御をさらに含む、請求項７に記載のサンプルプローブシス
   テム。
9. 印加電圧の調節は、印加電圧の振幅または周波数のうちの少なくとも一方を調節することを含む、請求項８に記載のサンプルプローブシステム。
10. サンプルプローブシステムであって：
    トランスデューサとサンプルプローブとを含むサンプルプローブアセンブリと；
    空気流がサンプルプローブから退出するようにサンプルプローブアセンブリに無脈動の空気流を供給するように構成された圧電ポンプを含む空気供給アセンブリであり、ここで、圧電ポンプは：
    入口開口部と出口ノズルとを含む外側ハウジングと；
    入口開口部に流体連結された、外側ハウジング内に画成された取入チャネルと；
    外側ハウジング内に位置し、サンプルプローブアセンブリへと空気流を生成するように空気を取入チャネルから吸い込み出口ノズルから空気を排出するように構成され、圧電素子を含む、内部ポンプとを含む、
    空気供給アセンブリと；
    空気流を生成するために圧電素子に電圧を印加し、トランスデューサによって検出される空気流の圧力変化に基づいてサンプルプローブの相対位置を決定するように構成された制御システムと
    を含む、前記サンプルプローブシステム。
11. 内部ポンプは、取入チャネルに流体連結された空気チャンバを画成する複数の壁を含む、請求項１０に記載のサンプルプローブシステム。
12. 複数の壁は、ダイヤフラム壁を含み、該ダイヤフラム壁は、可撓性材料から形成され、圧電素子に印加される電圧に基づいて形状を変えるように構成される、請求項１１に記載のサンプルプローブシステム。
13. 圧電素子は、ダイヤフラム壁に取り付けられる、請求項１２に記載のサンプルプローブシステム。
14. 圧電素子は、ダイヤフラム壁と一体に形成される、請求項１２に記載のサンプルプローブシステム。
15. 制御システムは、トランスデューサからの信号に基づいて印加電圧を調節するように構成されたフィードバック制御をさらに含む、請求項１０に記載のサンプルプローブシステム。
16. 印加電圧は、６～２０Ｖの振幅を含む、請求項１０に記載のサンプルプローブシステム。
17. 印加電圧は、２０ｋＨｚより高い周波数を含む、請求項１０に記載のサンプルプローブシステム。
18. 化学分析装置であって：
    複数の容器を支持するように構成された反応カルーセルと；
    サンプル流体管を輸送するためのサンプル流体管輸送システムと；
    サンプル流体の部分をサンプル流体管から吸引し反応カルーセルによって支持されている複数の容器に分注するように構成された液体サンプル採取プローブと、
    化学分析装置内で自動制御動作を実行するように構成された制御コンピュータと
    を含み、
    ここで、液体サンプル採取プローブは：
    トランスデューサとサンプルプローブとを含むサンプルプローブアセンブリと；
    空気流がサンプルプローブから退出するようにサンプルプローブアセンブリに無脈動の空気流を供給するように構成された圧電ポンプを含む空気供給アセンブリとを含み、
    ここで、制御コンピュータは、トランスデューサによって検出される空気流の圧力変化に基づいてサンプルプローブの相対位置を決定するように構成される、
    前記化学分析装置。

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