JP7441153B2 - 超音波洗浄機及び自動分析装置 - Google Patents

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Description

本発明は、サンプルと試薬とを混ぜ合わせることにより、サンプルの成分を分析する自動分析装置に関し、特に、サンプルを分注するノズルを洗浄する超音波洗浄機及び自動分析装置に関する。
自動分析装置は、同一ノズルを繰り返し使用し、サンプルを分注するため、別のサンプルを吸引する前には、ノズルの先端を水流で洗い流すノズル洗浄を行う必要がある。
しかし、高スループット性能を有する自動分析装置は、高速にサンプルを分注するため、ノズル洗浄に十分な時間を使用することができない。
このため、ノズルの先端にサンプルの成分由来の汚れが蓄積することがあり、ノズルの先端に汚れが蓄積すると、分注量のばらつきや、前のサンプルを次のサンプルに持ち込むキャリーオーバが発生する恐れがあり、分析精度が悪化する恐れがある。
こうした技術分野における背景技術として、ＷＯ２０１７／００２７４０号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、ＢＬＴ（ボルト締めランジュバン型振動子）の超音波振動を拡大する振動部を、洗浄槽の内部の側面側に有し、ＢＬＴを駆動することにより、洗浄槽の内部に供給される洗浄液に対して、超音波振動によるキャビテーションをノズルの周囲にムラなく発生させ、効果的にノズル洗浄を行う超音波洗浄機が記載されている（要約参照）。
ＷＯ２０１７／００２７４０号公報
一般的に、超音波洗浄機では、音圧が高い領域で、キャビテーション（液中に発生する圧力差により、泡の発生と消滅とが起きる現象）の強度が強くなり、洗浄効果が高くなる。
音圧を高くするためには、超音波を照射（超音波振動を発生）する振動面の振動を増幅する方法や複数の振動面から同領域に超音波を照射する方法などがある。特に、複数の振動面から超音波を照射する方法の場合に、音圧を高くするためには、同位相で超音波を照射する必要がある。
特許文献１には、ＢＬＴの超音波振動を使用し、超音波振動によるキャビテーションを発生させ、ノズル洗浄を行う超音波洗浄機が記載されている。
しかし、特許文献１には、音圧を高くするために、複数の振動面から超音波を照射し、同位相で超音波を照射する超音波洗浄機は、記載されていない。
そこで、本発明は、複数の振動面から超音波を照射し、同位相で超音波を照射し、超音波振動によるキャビテーションをノズルの周囲に効果的に発生させ、洗浄効果が高い超音波洗浄機及び自動分析装置を提供する。
上記した課題を解決するため、本発明の超音波洗浄機は、サンプル又は試薬を吸引するノズルを洗浄する洗浄槽と、圧電素子をフロントマスとバックマスとで挟み込んだ超音波振動子と、を有し、超音波振動子の先端に設置されるフロントマスの先端には、対向する、上板と下板との振動板を形成し、ノズルを、上板と下板との間の領域で、超音波洗浄し、上板の共振周波数と下板の共振周波数との間に、超音波振動子の駆動周波数が設定されることを特徴とする。
また、本発明の自動分析装置は、本発明の超音波洗浄機を有することを特徴とする。
本発明によれば、複数の振動面から超音波を照射し、同位相で超音波を照射し、超音波振動によるキャビテーションをノズルの周囲に効果的に発生させ、洗浄効果が高い超音波洗浄機及び自動分析装置を提供することができる。
なお、上記した以外の課題、構成及び効果については、下記する実施例の説明により、明らかにされる。
実施例１に記載する超音波洗浄機２６を有する自動分析装置１０を説明する説明図である。 実施例１に記載する超音波洗浄機２６を説明する上面図である。 実施例１に記載する超音波洗浄機２６を説明する斜視図である。 実施例１に記載する超音波洗浄機２６を説明する断面図である。 実施例１に記載する超音波洗浄機２６を説明する超音波振動子２０１の先端の拡大図である。 実施例１に記載するフロントマス２０４の先端（２枚の振動板）が振動したときの振動方向（ａ）と音圧分布（ｂ）とを説明する説明図である。 比較例に記載するフロントマス２０４の先端（２枚の振動板）が振動したときの振動方向（ａ）と音圧分布（ｂ）とを説明する説明図である。 超音波振動子２０１と２枚の振動板との周波数応答を説明する説明図であり、（ａ）は超音波振動子２０１の共振周波数が最も大きい場合、（ｂ）は超音波振動子２０１の共振周波数が最も小さい場合、（ｃ）は実施例１に記載する超音波振動子２０１の共振周波数と２枚の振動板の共振周波数との関係、を示すものである。 実施例２に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する説明図である。 実施例３に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する説明図である。 実施例４に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する説明図である。 実施例５に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する説明図である。 実施例６に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する説明図である。 実施例７に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する説明図である。 実施例８に記載する超音波洗浄機２６を説明する説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は上面図、である。
以下、図面を使用し、本発明の実施例を説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合には、その説明を省略する場合がある。
先ず、実施例１に記載する超音波洗浄機２６を有する自動分析装置１０を説明する。
図１は、実施例１に記載する超音波洗浄機２６を有する自動分析装置１０を説明する説明図である。
自動分析装置１０は、サンプル（試料）と試薬とを混ぜ合わせることにより、サンプルの成分を分析する。自動分析装置１０は、複数の試薬容器１１を搭載する試薬ディスク１２と、試薬とサンプルとを混ぜ合わせ、反応させる反応ディスク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用分注機構１５と、を有する。
試薬用分注機構１４は、試薬を分注する試薬用ノズル２１を有する。
サンプル用分注機構１５は、サンプルを分注するサンプル用ノズル２２を有する。
そして、実施例１では、自動分析装置１０は、サンプル用ノズル２２の先端を超音波洗浄する超音波洗浄機２６を有する。なお、自動分析装置１０は、試薬用ノズル２１の先端を超音波洗浄する超音波洗浄機を有してもよい。
つまり、自動分析装置１０は、同一のサンプル用ノズル２２を繰り返し使用し、サンプルを分注するため、超音波洗浄機２６は、一般的には、別のサンプルを吸引する前に、サンプル用ノズル２２の先端を水流で洗い流すノズル洗浄を行う。
自動分析装置１０に投入されるサンプルは、サンプル容器（試験管や採血管）２３に入れられた状態で、サンプルラック２４に搭載され、搬送される。サンプルラック２４には、複数のサンプル容器２３が搭載される。なお、このサンプルは、血清や全血などの血液由来のものや尿などである。
また、サンプル用分注機構１５は、サンプル用ノズル２２を、サンプル容器２３からサンプルの吸引を行う吸引位置、セル２５にサンプルの吐出を行う吐出位置、及び、サンプル用ノズル２２の先端を洗浄する超音波洗浄機２６が設置される超音波洗浄位置、サンプル用ノズル２２の先端を水流で洗い流すための洗浄槽（図示せず）が設置される洗浄位置、へ移動（動作）させる。
なお、セル２５は、反応ディスク１３の周方向に複数個に分割して設置される。
更に、サンプル用分注機構１５は、吸引位置、吐出位置、及び、洗浄位置で、サンプル容器２３、セル２５、又は、超音波洗浄機２６（洗浄槽）の高さに合わせて、サンプル用ノズル２２を下降（動作）させる。
このような動作を行うため、サンプル用分注機構１５は、サンプル用ノズル２２を各位置（吸引位置、吐出位置、及び、洗浄位置）へ回転移動させ、各位置で上下移動させる。なお、サンプル用分注機構１５の制御は、駆動制御部（図示せず）で行う。
また、自動分析装置１０は、測定部（図示せず）を有する。そして、自動分析装置１０は、セル２５に収容された、サンプルと試薬とを混ぜ合わせた混合液を、測定部で分析（測光）する。つまり、自動分析装置１０は、サンプルの所定の成分の濃度などを分析し、サンプルの成分を分析する。なお、測定部は、例えば、光源と光度計とを有し、光度計は、例えば、吸光光度計又は散乱光度計である。
超音波洗浄機２６は、サンプルと接触したサンプル用ノズル２２の先端を超音波洗浄する。
サンプル用ノズル２２の先端を超音波洗浄するタイミングは、サンプル用分注機構１５がサンプルを吐出した直後、サンプル用分注機構１５が一定回数の分注を終了した後、１日の最初や最後の自動分析装置１０のメンテナンス時間、又は、自動分析装置１０の休止中などである。なお、超音波洗浄機２６の制御は、駆動制御部（図示せず）で行う。
また、自動分析装置１０は、高スループット性能が要求される場合がある。高速にサンプルを分注するためには、分析処理中は、数秒程度の短時間で、サンプルの吸引、吐出、洗浄を行う必要がある。このため、ノズル洗浄に十分な時間を使用することができない場合がある。つまり、この１サイクルの動作（サンプルの吸引、吐出、洗浄）中に、超音波洗浄を行うと、スループット性能が低下する恐れがある。
そこで、分析の種類に応じて、超音波洗浄を行うことが好ましい。一種類のサンプルに対して、複数の分析装置で分析を行う場合（例えば、先ず低感度の分析を行い、次に高感度の分析を行う場合）がある。そして、こうした場合には、高感度の分析を行うサンプルには、超音波洗浄を行い、低感度の分析のみを行う場合には、超音波洗浄を行わず、全体のスループット性能を向上させるシーケンスを使用する。
このように、分析処理中に、或る測定部で分析されるサンプルが、別の測定部で分析される場合あって、特に、前の分析におけるサンプルの成分の持ち越しが、後の分析に大きく影響する場合に、超音波洗浄を行う。これにより、全体のスループット性能を向上させることができる。なお、この場合、１回の洗浄時間は数秒程度である。
また、分析処理中以外のタイミングであっても、緊急の分析要求に対応するため、自動分析装置１０は短時間で分析可能な状態に遷移する必要があり、１分以上の長時間のノズル洗浄は行えない。
このように、自動分析装置１０は、短時間で、効率良く、ノズル洗浄を行う超音波洗浄機２６が要求される。つまり、自動分析装置１０は、超音波振動によるキャビテーションをサンプル用ノズル２２の周囲に効果的に発生させ、洗浄効果が高い超音波洗浄機２６が要求される。
次に、実施例１に記載する超音波洗浄機２６を説明する。
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄは、実施例１に記載する超音波洗浄機２６を説明する説明図であり、図２Ａは超音波洗浄機２６の上面図、図２Ｂは超音波洗浄機２６の斜視図、図２Ｃは超音波洗浄機２６の断面図（図２ＡのＡ－Ａ断面）、図２Ｄは超音波振動子２０１の先端（フロントマス２０４）の拡大図、である。
超音波洗浄機２６は、超音波振動子２０１と、サンプルを吸引するサンプル用ノズル２２の先端を洗浄する洗浄槽２０２が一体形成されるベース２０３と、を有する。
超音波振動子２０１は、フロントマス（洗浄ヘッド）２０４と、複数の圧電素子２０５（例えば、圧電セラミックス）と、複数の電極２０６と、バックマス２０７と、を有する。
また、フロントマス２０４には、超音波振動子２０１をベース２０３に固定するフランジ２０９が設置される。超音波振動子２０１を設置したフランジ２０９を、ベース２０３に設置されるスリットに差し込むことにより、超音波振動子２０１のＸ方向及びＹ方向の位置を固定する。
また、フロントマス２０４の先端（後述する振動板の上板２２１及び振動板の下板２２２）には、サンプル用ノズル２２の先端を挿入する孔（洗浄孔）２１０が形成される。そして、サンプル用ノズル２２を、洗浄孔２１０に向けて下降し、洗浄槽２０２の内部に溜められた洗浄液に、浸漬する。
なお、実施例１では、超音波振動子２０１は、洗浄槽２０２に満たされた洗浄液の液面（洗浄槽２０２の液面）に対して、水平に近い角度で（又は、水平に）設置され、振動板の超音波照射面と洗浄槽２０２の液面との角度が平行に近く（又は、平行に）設置される。
超音波振動子２０１は、一般的なＢＬＴ（ボルト締めランジュバン型振動子）と同様に、フロントマス２０４とバックマス２０７とにより、圧電素子２０５と電極２０６とを挟み込み、ボルト２０８によりボルト締めして、固定する。図２Ｃ参照。
また、洗浄槽２０２には、流路２１１が形成される。流路２１１は、自動分析装置１０に設置される洗浄液のタンク（図示せず）やシリンジポンプ（図示せず）と連通する流路と接続する。これにより、洗浄槽２０２への洗浄液の供給や洗浄槽２０２からの洗浄液の回収を行う。図２Ｃ参照。
なお、洗浄槽２０２の外側に洗浄液を受ける溝を形成し、洗浄槽２０２に洗浄液を供給し、洗浄液をあふれさせて、洗浄液を回収することもできる。
そして、実施例１に記載する超音波振動子２０１の先端に設置されるフロントマス２０４の先端には、逆位相で振動（逆位相で振動する周波数で駆動）し、上板２２１と下板２２２との対向する２枚の振動板が形成される。図２Ｄ参照。
なお、洗浄槽２０２の内部に溜められた洗浄液の液位は、少なくとも上板２２１と同程度の高さ、又は、それ以上の高さが好ましい。つまり、上板２２１と下板２２２との間の空間に、洗浄液が満たされる状態となる必要がある。
また、洗浄槽２０２の内部のサイズ（大きさ及び深さ）は、洗浄槽２０２がフロントマス２０４と接触せず、フロントマス２０４の先端に形成される２枚の振動板である上板２２１と下板２２２とが、洗浄液に浸漬可能であればよい。
更に、実施例１では、２枚の振動板である上板２２１と下板２２２との形状を変える。特に、実施例１では、上板２２１の一部（根元部）に、厚さを変えた部分（厚さが部分的に厚い部分（形状）：肉厚部）を形成し、上板２２１と下板２２２との質量差で、上板２２１と下板２２２との剛性を変える。
なお、肉厚部は、上板２２１又は下板２２２のいずれかに形成され、また、振動板の根元部又は先端部に形成される。
つまり、実施例１では、上板２２１と下板２２２との剛性を変えるため、上板２２１と下板２２２との重さを変える。特に、実施例１では、下板２２２の重さを上板２２１の重さよりも軽くする。これにより、上板２２１と下板２２２とを逆位相で振動させることができる。なお、下板２２２の重さを上板２２１の重さよりも重くしてもよい。
なお、上板２２１と下板２２２とは、例えば、幅４ｍｍ、長手方向長さ１１ｍｍ、厚さ１ｍｍ、上板２２１の根元部の厚さ２．５ｍｍであり、上板２２１と下板２２２との間の距離２ｍｍ、洗浄孔２１０の直径３ｍｍ、上板２２１と下板２２２との間の根元部の長手方向長さ３ｍｍである。
また、上板２２１と下板２２２との距離が近いほど音圧を高める効果がある。このため、上板２２１と下板２２２との距離は最大でも１０ｍｍ程度であることが好ましい。サンプル用ノズル２２とサンプルとが接触する範囲は、数ミリ程度であり、十分にサンプル用ノズル２２を洗浄することができる。
また、サンプル用ノズル２２は、サンプル用分注機構１５により、上下移動することができる。このため、上板２２１と下板２２２との間の領域に対して、サンプル用ノズル２２を上下させ、広い範囲を洗浄することもできる。例えば、先ず、サンプル用ノズル２２の先端部分の数ミリを洗浄し、サンプル用ノズル２２を数ミリ下降し、次の数ミリを洗浄し、また、サンプル用ノズル２２を数ミリ降下し、次の数ミリを洗浄する。この動作を繰り返すことにより、広い範囲を洗浄することができる。なお、サンプル用ノズル２２を最初に深く挿入し、サンプル用ノズル２２を上昇させながら洗浄することもできる。サンプル用ノズル２２の移動方向や移動距離によらず洗浄することができる。
このように、実施例１に記載する自動分析装置１０は、サンプル用ノズル２２を、上板２２１と下板２２２との間の領域で、超音波洗浄する際、サンプル用ノズル２２の高さを変えて超音波洗浄する。
なお、実施例１では、上板２２１と下板２２２とが同じ材料（密度）を使用し、上板２２１の質量と下板２２２の質量とを変えるために、長さ、厚さ、量（突起部や肉厚部を形成）を変える。また、上板２２１の質量と下板２２２の質量とを変えるために、上板２２１と下板２２２とを、同一形状とし、異なる材料（密度）で形成してもよい。
また、長さ、厚さ、量（突起部や肉厚部を形成）を組み合わせて変えてもよい。例えば、上板２２１と下板２２２との厚さと長さとを変えてもよい。また、厚さと長さとが異なる形状において、上板２２１と下板２２２との幅を広げてもよい。また、洗浄孔２１０を、孔ではなく、先端まで切り開く形状でもよい。
実施例１では、上板２２１と下板２２２との剛性を変えることにより、上板２２１と下板２２２とを逆位相で振動させることができる。
上板２２１と下板２２２とを逆位相で振動させることにより、上板２２１と下板２２２との間の領域（中空部）に、音圧が集中（増幅）する領域を発生させることができる。つまり、上板２２１と下板２２２とを逆位相で振動させることにより、中空部に、同位相で超音波を照射することができ、同位相で超音波を照射することより、音圧が集中する領域を発生させることができる。
このように、実施例１によれば、複数の振動面（２面）から、同位相で超音波を照射することにより、音圧が集中する領域（音圧を高める領域）を発生させることができる。
そして、音圧が集中する領域に、サンプル用ノズル２２の先端を挿入することにより、良好な洗浄効果を得ることができる。
このように、実施例１に記載する超音波洗浄機２６は、超音波振動子２０１を有し、超音波振動子２０１の先端には、洗浄ヘッド（フロントマス２０４）が設置され、洗浄ヘッド（フロントマス２０４）の先端（端部）には、振動板となり、剛性が異なる、上板２２１と下板２２２とを有する。なお、振動板の材料としては、例えば、アルカリ性洗剤に対応可能な耐薬品性のＳＵＳ材などが使用される。
そして、上板２２１と下板２２２との長さ、厚さ、質量を変えることにより、上板２２１と下板２２２との剛性を変える。
このように、実施例１によれば、超音波振動によるキャビテーションをサンプル用ノズル２２の周囲に効果的に発生させ、サンプル用ノズル２２の先端に付着した汚れを効果的に洗浄する、洗浄効果が高い超音波洗浄機２６を有する自動分析装置１０を提供することができる。
ここで、フロントマス２０４の先端（２枚の振動板）が振動したときの振動方向（ａ）と音圧分布（ｂ）とを説明する。
図３Ａは、実施例１に記載するフロントマス２０４の先端（２枚の振動板）が振動したときの振動方向（ａ）と音圧分布（ｂ）とを説明する説明図である。
図３Ｂは、比較例に記載するフロントマス２０４の先端（２枚の振動板）が振動したときの振動方向（ａ）と音圧分布（ｂ）とを説明する説明図である。
フロントマス２０４の先端に形成される２枚の振動板である上板２２１と下板２２２とは、フロントマス２０４が加振されることにより、逆位相か、同位相か、で振動する。
図３Ａ（ａ）は、逆位相で振動したときの上板２２１と下板２２２との変形形状を示し、図３Ｂ（ａ）は、同位相で振動したときの上板２２１と下板２２２との変形形状を示す。
図３Ａ（ａ）に示すように、逆位相では、上板２２１と下板２２２とは逆方向に振動する。このため、上板２２１が下向き（－Ｚ方向）に変形するときに、下板２２２は上向き（＋Ｚ方向）に変形し、上板２２１が上向き（＋Ｚ方向）に変形するときに、下板２２２は下向き（－Ｚ方向）に変形する。
一方、図３Ｂ（ａ）に示すように、同位相では、上板２２１と下板２２２とは同方向に振動する。このため、上板２２１が上向き（＋Ｚ方向）に変形するときに、下板２２２も上向き（＋Ｚ方向）に変形し、上板２２１が下向き（－Ｚ方向）に変形するときに、下板２２２も下向き（－Ｚ方向）に変形する。
また、図３Ａ（ｂ）は、上板２２１と下板２２２とが逆位相に振動したときに発生する超音波の位相（音圧分布）を示し、図３Ｂ（ｂ）は、上板２２１と下板２２２とが同位相に振動したときに発生する超音波の位相（音圧分布）を示す。
図３Ａ（ｂ）に示すように、上板２２１と下板２２２とが逆位相で振動する周波数で駆動すると、上板２２１と下板２２２との間の領域（中空部）に発生する超音波振動は同位相となり、音圧を強める方向に作用する。
一方、図３Ｂ（ｂ）に示すように、上板２２１と下板２２２とが同位相で振動する周波数で駆動すると、上板２２１と下板２２２との間の領域（中空部）に発生する超音波振動は逆位相となり、音圧を弱める方向（超音波同士が打ち消す（音圧を打ち消す）方向）に作用する。
このように、実施例１によれば、上板２２１と下板２２２とを逆位相で振動させ、中空部に、同位相で超音波を照射することにより、中空部に、音圧が集中する領域（音圧が高まる（強まる）領域）を発生させることができ、超音波振動によるキャビテーションを、サンプル用ノズル２２の周囲に効果的に発生させることができる。
なお、実施例１では、振動板の中央付近にある洗浄孔２１０のある領域で音圧を高めるため、振動板が２次の振動モード（中央付近の変位が大きい）を使用する。
また、振動板が１次の振動モード（先端側の変位が大きい）を使用することもできる。この場合、変位の大きい先端側に音圧を高める領域が発生するため、サンプル用ノズル２２を挿入する洗浄孔２１０を、振動板の先端側に形成することが好ましい。
但し、超音波洗浄で使用する２０ｋＨｚ以上の帯域で１次の振動モードを励起するためには、振動板の長さを短くするか、又は、振動板の厚さを厚くするかして、剛性を上げる必要がある。この場合、振動板の長さを短くすると超音波が照射される領域が狭くなり、また、振動板の厚さを厚くすると洗浄槽２０２の深さが深くなる。
そこで、洗浄孔２１０を振動板の中央付近に形成し、振動板の中央付近の変位が最大となる２次の振動モードを使用し、振動板の中央付近で、上板２２１と下板２２２との振動が逆位相に近い状態となることが好ましい。
つまり上板２２１と下板２２２とは、サンプル用ノズル２２が挿入される位置（洗浄孔２１０が形成される位置）付近の振幅が最大となることが好ましい。
次に、超音波振動子２０１と２枚の振動板（上板２２１及び下板２２２）との周波数応答を説明する。
図４は、超音波振動子２０１と２枚の振動板との周波数応答を説明する説明図であり、（ａ）は超音波振動子２０１の共振周波数が最も大きい場合、（ｂ）は超音波振動子２０１の共振周波数が最も小さい場合、（ｃ）は実施例１に記載する超音波振動子２０１の共振周波数と２枚の振動板の共振周波数との関係、を示すものである。
超音波振動子２０１は、圧電素子２０５がＸ方向に大きく伸縮する共振周波数ｆ１（４０１）を有する。共振周波数ｆ１（４０１）は、超音波振動子２０１のＸ方向の長さや、フロントマス２０４とバックマス２０７と圧電素子２０５との音速によって決定される。
また、上板２２１と下板２２２とが、図３のように、Ｚ方向に大きく変形する上板２２１の共振周波数ｆ２（４０２）と下板２２２の共振周波数ｆ３（４０３）とは、それぞれ、上板２２１の厚さや長さなどの剛性や下板２２２の厚さや長さなどの剛性によって決定される。
なお、超音波振動子２０１が伸縮する共振周波数ｆ１（４０１）は、上板２２１の形状及び下板２２２の形状を変えた場合でも、数ｋＨｚ程度しか変化しない。
ｆ１、ｆ２、ｆ３の共振周波数の設定パターンには、図４（ａ）に示すようにｆ２、ｆ３、ｆ１の順、図４（ｂ）に示すようにｆ１、ｆ２、ｆ３の順、図４（ｃ）に示すようにｆ２、ｆ１、ｆ３の順、がある。なお、ｆ２とｆ３との順は逆でもよい。
つまり、図４（ａ）は、ｆ１よりもｆ２とｆ３とが低い場合、図４（ｂ）は、ｆ１よりもｆ２とｆ３とが高い場合、図４（ｃ）は、ｆ１がｆ２とｆ３との間にある場合である。
このような共振周波数の設定パターンにおいて、超音波振動子２０１の駆動周波数（超音波振動子２０１を駆動させる周波数）をｆ１付近とした場合には、上板２２１と下板２２２とを逆位相で振動させる条件は、図４（ｃ）に示す、ｆ１（駆動周波数）がｆ２とｆ３との間にある場合のみである。つまり、振動板の変形が大きくなる或る共振周波数（ｆ２又はｆ３）と、振動板の変形が大きくなる別の共振周波数（ｆ３又はｆ２）との間に、駆動周波数（共振周波数ｆ１）を有する。
なお、上板２２１と上板２２２との剛性差は、長さの差、厚さの差、部分的な厚さの変化（突起部や肉厚部）を調整することにより、設計することができる。つまり、ｆ２（４０２）とｆ３（４０３）との周波数差を設定することができる。
このように、上板２２１の共振周波数ｆ２と下板２２２の共振周波数ｆ３とを、超音波振動子２０１が伸縮する共振周波数ｆ１の前後に設定し、駆動周波数を共振周波数ｆ１にすることにより、上板２２１と下板２２２との振動位相を逆位相とする。そして、逆位相で振動する２枚の振動板の間に、同位相の超音波を発生し、音圧を高め、良好な洗浄効果を得る。
更に、逆位相の振動で、上板２２１と下板２２２との振幅を増幅するためには、ｆ２とｆ３とがｆ１に近いことが好ましく、ｆ２とｆ３とがそれぞれｆ１から約５ｋＨｚ以内にあることが好ましい。例えば、ｆ１が４０ｋＨｚの場合は、ｆ２が３５ｋＨｚ、ｆ３が４５ｋＨｚのように設定する。なお、ｆ２とｆ３とは逆でもよい。
つまり、駆動周波数（ｆ１付近）をｆ２とｆ３との間に設定し、ｆ２とｆ３とをｆ１に近く（ｆ２とｆ３とがそれぞれｆ１から約５ｋＨｚ以内）設定することが好ましい。このように、ｆ２とｆ３との周波数の差は、１０ｋＨｚ以内であることが好ましい。
このように、駆動周波数を設定することにより、上板２２１と下板２２２とを逆位相で振動させることができ、上板２２１と下板２２２との両方の振幅を増幅することができる。
なお、駆動周波数をｆ１付近以外の周波数帯とする場合であっても、上板２２１と下板２２２とが逆位相で振動する条件はある。但し、この場合、駆動周波数をｆ１付近の周波数帯とする場合と比較して、上板２２１又は下板２２２の振幅が低下する恐れがある。このため、駆動周波数をｆ１付近の周波数帯とすることが好ましい。
なお、駆動周波数をｆ１付近以外の周波数帯とする場合であっても、上板２２１と下板２２２とが逆位相で振動する限りは、音圧が集中する領域を発生させることができる。
このように、超音波振動子２０１には、３つの特徴のある共振周波数があり、１つは超音波振動子２０１の軸方向の伸縮によって振幅が増幅される周波数（振動子伸縮周波数と呼称）であり、残り２つは上板２２１と下板２２２とのそれぞれの面に対して垂直方向の振幅が増幅される周波数（上板周波数と下板周波数と呼称）である。
実施例１によれば、超音波振動子２０１は、上板周波数と下板周波数との間に振動子伸縮周波数を設定し、ノズル洗浄時は、超音波振動子２０１を振動子伸縮周波数で駆動することにより、２枚の振動板を逆位相で振動させることができる。
また、自動分析装置１０は、超音波洗浄機２６を駆動するための駆動制御部（図示せず）を有する。駆動制御部は、超音波振動子２０１に、例えば、２０ｋＨｚ以上の正弦波電圧を入力することにより、振動板（上板２２１及び下板２２２）を超音波振動させる。
そして、上板２２１と下板２２２との振動位相は、約１８０度反転した逆位相であり、超音波洗浄機２６は、２枚の振動板の間の領域に、キャビテーションを発生させ、サンプル用ノズル２２を洗浄する。
そして、駆動制御部は、超音波振動子２０１の共振周波数ｆ１を自動的に追従する自動追従機能を有し、駆動周波数を共振周波数ｆ１に設定する。一般的に、超音波振動子２０１の共振周波数は、Ｑ値（先鋭度）が高く、駆動周波数が共振周波数ｆ１からずれると、超音波振動子２０１の振幅が低下する恐れがある。このため、駆動周波数を、インピーダンスが最も低い（駆動電流が高くなる）共振周波数ｆ１に設定することが好ましい。つまり、駆動周波数は、超音波振動子２０１が伸縮したときの変位が最大となる共振周波数であることが好ましい。
また、実施例１では、設計や製造が容易である２枚の振動板を使用する。なお、３枚以上の振動板を使用することもできる。対向する振動板の振動が逆位相とし、振動板の間の領域にサンプル用ノズル２２を挿入することにより、サンプル用ノズル２２を洗浄することができる。
なお、自動分析装置１０において、超音波洗浄機２６の設置位置は、自動分析装置１０のいずれの場所でもよく、超音波洗浄機２６が、洗浄位置に移動する場合やノズル洗浄時のみに設置される場合であってもよい。
また、実施例１では、洗浄対象とするノズルは、サンプル用ノズル２２である。なお、洗浄対象とするノズルは、サンプル用ノズル２２に限定するものではなく、試薬用ノズル２１もあってもよい。
次に、実施例２に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する。
図５Ａは、実施例２に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する説明図である。
実施例２に記載する超音波振動子２０１の先端に設置されるフロントマス２０４の先端に形成される、上板２２１と下板２２２との２枚の振動板は、実施例１に記載する２枚の振動板と比較して、その形状が相違する。他の部分は、実施例１と同様である。
つまり、実施例２では、上板２２１と下板２２２との剛性を変えるため、上板２２１と下板２２２との厚さを変える。特に、実施例２では、下板２２２の厚さを上板２２１の厚さよりも厚くする。これにより、上板２２１と下板２２２とを逆位相で振動させることができる。なお、下板２２２の厚さを上板２２１の厚さよりも薄くしてもよい。
次に、実施例３に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する。
図５Ｂは、実施例３に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する説明図である。
実施例３に記載する超音波振動子２０１の先端に設置されるフロントマス２０４の先端に形成される、上板２２１と下板２２２との２枚の振動板も、実施例１に記載する２枚の振動板と比較して、その形状が相違する。他の部分は、実施例１と同様である。
つまり、実施例３では、上板２２１と下板２２２との剛性を変えるため、上板２２１と下板２２２との長さを変える。特に、実施例３では、下板２２２の長さを上板２２１の長さよりも短くする。これにより、上板２２１と下板２２２とを逆位相で振動させることができる。なお、下板２２２の長さを上板２２１の長さよりも長くしてもよい。
次に、実施例４に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する。
図５Ｃは、実施例４に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する説明図である。
実施例４に記載する超音波振動子２０１の先端に設置されるフロントマス２０４の先端に形成される、上板２２１と下板２２２との２枚の振動板も、実施例１に記載する２枚の振動板と比較して、その形状が相違する。他の部分は、実施例１と同様である。
つまり、実施例４では、上板２２１と下板２２２との剛性を変えるため、上板２２１と下板２２２との重さを変える。特に、実施例４では、下板２２２の重さを上板２２１の重さよりも軽くする。これにより、上板２２１と下板２２２とを逆位相で振動させることができる。なお、下板２２２の重さを上板２２１の重さよりも重くしてもよい。
特に、実施例４では、上板２２１の一部（先端部）に、厚さを変えた部分（厚さを厚くした部分:突起部）を形成し、上板２２１と下板２２２との剛性を変える。
次に、実施例５に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する。
図５Ｄは、実施例５に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する説明図である。
実施例５に記載する超音波振動子２０１の先端に設置されるフロントマス２０４の先端に形成される、上板２２１と下板２２２との２枚の振動板も、実施例１に記載する２枚の振動板と比較して、その形状が相違する。他の部分は、実施例１と同様である。
つまり、実施例５では、上板２２１と下板２２２との剛性を変えるため、上板２２１と下板２２２との重さを変える。特に、実施例５では、下板２２２の重さを上板２２１の重さよりも重くする。これにより、上板２２１と下板２２２とを逆位相で振動させることができる。なお、下板２２２の重さを上板２２１の重さよりも軽くしてもよい。
特に、実施例５では、下板２２２の一部（根元部）に、厚さを変えた部分（厚さを厚くした部分：肉厚部）を形成し、上板２２１と下板２２２との剛性を変える。
次に、実施例６に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する。
図５Ｅは、実施例６に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する説明図である。
実施例６に記載する超音波振動子２０１の先端に設置されるフロントマス２０４の先端に形成される、上板２２１と下板２２２との２枚の振動板も、実施例１に記載する２枚の振動板と比較して、その形状が相違する。他の部分は、実施例１と同様である。
つまり、実施例６では、上板２２１と下板２２２との剛性を変えるため、上板２２１と下板２２２との重さを変えると共に、上板２２１と下板２２２との幅を、実施例１と比較して、広くする。特に、実施例６では、実施例１と同様に、上板２２１の重さを下板２２２の重さよりも重くする。これにより、上板２２１と下板２２２とを逆位相で振動させることができる。なお、上板２２１の重さを下板２２２の重さよりも軽くしてもよい。
特に、実施例６では、上板２２１と下板２２２との幅を広くし、上板２２１の一部（根元部）に、厚さを変えた部分（厚さを厚くした部分：肉厚部）を形成し、上板２２１と下板２２２との剛性を変える。
なお、上板２２１と下板２２２との幅は、例えば、６ｍｍ（実施例１では４ｍｍ）である。他の部分は、実施例１と同様である。
このように、実施例６では、振動板の幅（上板２２１と下板２２２との幅）は、振動板が設置されるフロントマス２０４の基部の幅よりも、広いことが好ましい。
また、逆位相による音圧集中効果は、上板２２１と下板２２２との面積が大きいほど、超音波の照射面積が増加するため好ましい。
次に、実施例７に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する。
図５Ｆは、実施例７に記載する超音波振動子２０１の先端形状を説明する説明図である。
実施例７に記載する超音波振動子２０１の先端に設置されるフロントマス２０４の先端に形成される、上板２２１と下板２２２との２枚の振動板も、実施例１に記載する２枚の振動板と比較して、その形状が相違する。他の部分は、実施例１と同様である。
つまり、実施例７では、上板２２１と下板２２２との剛性を変えるため、上板２２１と下板２２２との厚さを変えると共に、サンプル用ノズル２２を挿入する洗浄孔２１０を先端まで切り開く。特に、実施例７では、実施例２と同様に、下板２２２の厚さを上板２２１の厚さよりも厚くする。これにより、上板２２１と下板２２２とを逆位相で振動させることができる。なお、下板２２２の厚さを上板２２１の厚さよりも薄くしてもよい。
次に、実施例８に記載する超音波洗浄機２６を説明する。
図６は、実施例８に記載する超音波洗浄機２６を説明する説明図であり、（ａ）は超音波洗浄機２６の斜視図、（ｂ）は超音波洗浄機２６の断面図（（ｃ）のＢ－Ｂ断面）、（ｃ）は超音波洗浄機２６の上面図、である。
実施例８に記載する超音波洗浄機２６は、実施例１に記載する超音波洗浄機２６と比較して、フロントマス２０４の形状とフロントマス２０４の設置方向とが相違する。
実施例１では、超音波振動子２０１は、洗浄槽２０２の液面に対して、水平に近い角度で設置される。一方、実施例８では、超音波振動子２０１は、洗浄槽２０２の液面に対して、垂直に近い角度で（又は、垂直に）設置される。
つまり、実施例８では、フロントマス２０４の本体に対して、フロントマス２０４の先端に形成される２枚の振動板である上板２２１と下板２２２が、直交するように、設置される。
また、実施例８では、２枚の振動板が、フロントマス２０４の本体に対して、左右に（２箇所に）設置される。そして、２箇所に設置される２枚の振動板が、洗浄槽２０２の内部に溜められた洗浄液に、浸漬する。
超音波振動子２０１は、実施例１と同様に、フランジ２０９を、ベース（図示せず）に設置されるスリットに差し込むことにより、固定する。
フロントマス２０４は、上板２２１と下板２２２とを各２つ、計４つの振動板を有する。そして、上板２２１ａと下板２２２ａ、及び、上板２２１ｂと下板２２２ｂがペアとなり、それぞれが、音圧を高める領域を形成する。上板２２１ａと下板２２２ａ、及び、上板２２１ｂと下板２２２ｂは、実施例１と同様に、逆位相で振動する周波数で駆動する。
また、上板２２１ａと下板２２２ａ、及び、上板２２１ｂと下板２２２ｂを、超音波振動子２０１の中心軸（Ｚ軸）に対して、対称に構成することにより、超音波振動子２０１のＺ軸方向の振動による振動板の変形は、上板２２１ａと下板２２２ａとの振動と上板２２１ｂと下板２２２ｂとの振動とが同程度となる。
サンプル用ノズル２２の洗浄時は、２つある洗浄孔２１０ａと洗浄孔２１０ｂとのいずれかにサンプル用ノズル２２を挿入する。２本のサンプル用ノズル２２を同時に洗浄することもできる。
なお、実施例８では、２ペアの振動板（２つの洗浄孔２１０ａと洗浄孔２１０ｂ）を使用する。実施例１と同様に、１ペアの振動板（１つの洗浄孔２１０）を使用してもよい。例えば、上板２２１ｂと下板２２２ｂとを除去した、一方の振動板がない形状である。
また、２ペアの振動板を設置し、１ペアの振動板を使用する場合には、一方の振動板を、板状（例えば、洗浄孔２１０ｂを塞ぐ）にした形状や、一方の振動板を、ブロック状（上板２２１ｂと下板２２２ｂと間の領域を塞ぐ）にした形状がある。
また、実施例８において、振動板のペア数やフロントマス２０４の本体の設置角度を変えることもできる。
このように、実施例８においても、複数の振動面から超音波を照射し、同位相で超音波を照射し、超音波振動によるキャビテーションをサンプル用ノズル２２の周囲に効果的に発生させることができる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために、具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を有するものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を、他の実施例の構成の一部に置換することもできる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を追加することもできる。また、各実施例の構成の一部について、それを削除し、他の構成の一部を追加し、他の構成の一部と置換することもできる。
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・・・試薬用分注機構
１５・・・サンプル用分注機構
２１・・・試薬用ノズル
２２・・・サンプル用ノズル
２３・・・サンプル容器
２４・・・サンプルラック
２５・・・セル
２６・・・超音波洗浄機
２０１・・・超音波振動子
２０２・・・洗浄槽
２０３・・・ベース
２０４・・・フロントマス
２０５・・・圧電素子
２０６・・・電極
２０７・・・バックマス
２０８・・・ボルト
２０９・・・フランジ
２１０、２１０ａ、２１０ｂ・・・洗浄孔
２１１・・・流路
２２１、２２１ａ、２２１ｂ・・・上板
２２２、２２２ａ、２２２ｂ・・・下板
４０１・・・共振周波数ｆ１
４０２・・・共振周波数ｆ２
４０３・・・共振周波数ｆ３

Claims (11)

  1. 試料又は試薬を吸引するノズルを洗浄する洗浄槽と、圧電素子をフロントマスとバックマスとで挟み込んだ超音波振動子と、を有し、
    前記超音波振動子の先端に設置される前記フロントマスの先端には、対向する、上板と下板との振動板を形成し、前記ノズルを、前記上板と前記下板との間の領域で、超音波洗浄し、
    前記上板の共振周波数と前記下板の共振周波数との間に、前記超音波振動子の駆動周波数が設定されることを特徴とする超音波洗浄機。
  2. 請求項１に記載する超音波洗浄機であって、
    前記超音波振動子が水平に近い角度で設置され、前記振動板の超音波照射面と前記洗浄槽に満たされる洗浄液の液面との角度が平行に近く設置されることを特徴とする超音波洗浄機。
  3. 請求項１に記載する超音波洗浄機であって、
    前記上板と下板との振動板は、長さ又は厚さが異なることを特徴とする超音波洗浄機。
  4. 請求項１に記載する超音波洗浄機であって、
    前記上板と下板との振動板は、逆位相で振動する周波数で駆動することを特徴とする超音波洗浄機。
  5. 請求項４に記載する超音波洗浄機であって、
    前記超音波振動子の駆動周波数は、前記超音波振動子が伸縮したときの変位が最大となる共振周波数であることを特徴とする超音波洗浄機。
  6. 請求項１に記載する超音波洗浄機であって、
    前記上板又は前記下板は、厚さが部分的に厚い形状であることを特徴とする超音波洗浄機。
  7. 請求項１に記載する超音波洗浄機であって、
    前記上板の共振周波数と前記下板の共振周波数との周波数の差は、１０ｋＨｚ以内であることを特徴とする超音波洗浄機。
  8. 請求項４に記載する超音波洗浄機であって、
    前記上板又は前記下板は、前記ノズルを挿入する位置付近の振幅が最大となることを特徴とする超音波洗浄機。
  9. 請求項４に記載する超音波洗浄機であって、
    前記振動板は、その幅が、前記振動板が設置される前記フロントマスの基部の幅よりも広いことを特徴とする超音波洗浄機。
  10. 請求項１に記載する超音波洗浄機を有すること特徴とする自動分析装置。
  11. 請求項１０に記載する自動分析装置であって、
    前記ノズルを、前記上板と前記下板との間の領域で、超音波洗浄する際、前記ノズルの高さを変えて超音波洗浄することを特徴とする自動分析装置。
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