WO2010038494A1 - 攪拌装置及び分析装置 - Google Patents

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WO2010038494A1
WO2010038494A1 PCT/JP2009/055632 JP2009055632W WO2010038494A1 WO 2010038494 A1 WO2010038494 A1 WO 2010038494A1 JP 2009055632 W JP2009055632 W JP 2009055632W WO 2010038494 A1 WO2010038494 A1 WO 2010038494A1
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frequency
surface acoustic
acoustic wave
wave element
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PCT/JP2009/055632
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峰雪 村上
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オリンパス株式会社
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    • B01F31/86—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations with vibration of the receptacle or part of it
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    • Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working

Definitions

  • the present invention relates to a stirring device and an analysis device.
  • this type of stirring device that stirs a liquid held in a container with sound waves has a plurality of sound generating units having different sound frequencies and a sound generating unit that emits sound waves by changing the drive frequency.
  • a sound generating unit that emits sound waves by changing the drive frequency.
  • There is one that performs agitation by switching to a specific sounding part among a plurality of sounding parts in a time-sharing manner for example, see Patent Document 1).
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a stirrer and an analyzer capable of reducing the time required for stirring.
  • the stirring device of the present invention is a stirring device that stirs a liquid held in a container by sound waves, and has a sounding portion disposed on a piezoelectric substrate.
  • the plurality of sound generating parts are electrically connected in parallel, and the center frequencies of the respective fundamental waves are different from each other, and part of the respective resonance frequency bands are overlapped and radiated into the container from different sound generating parts.
  • Sound wave generating means formed so that the starting points of the acoustic flow generated by the sound waves are alternately positioned, and driving that inputs to the sound wave generating means so that at least two sound generating parts of the plurality of sound generating parts simultaneously generate sound waves
  • Drive control means for controlling the frequency of the signal.
  • the stirring device is characterized in that, in the above-mentioned invention, the ratio of the vibration response intensity with respect to the electrical input signal of each sounding portion of the plurality of sounding portions changes according to the frequency of the driving signal.
  • the stirring device of the present invention is characterized in that, in the above invention, the plurality of sound generating units are switched from sound generating units that generate sound waves according to the frequency of the drive signal.
  • the stirring device of the present invention is the above-described invention, wherein the drive control means has a frequency of the drive signal input to the sound wave generation means based on information on the analysis item of the liquid, the property of the liquid, or the liquid amount. It is characterized by changing.
  • the stirring device is characterized in that, in the above invention, the drive control means generates an acoustic flow swirling in the liquid by changing a frequency of the drive signal.
  • the analyzer of the present invention is an analyzer that analyzes a reaction liquid by stirring and reacting a liquid sample containing a specimen and a reagent held in a container. And it is characterized by providing the said stirring apparatus.
  • the stirring device of the present invention has a sounding portion disposed on a piezoelectric substrate, a plurality of sounding portions are electrically connected in parallel, and the center frequencies of the fundamental waves are different from each other, and each resonance frequency band Sound wave generating means formed so that the origins of the acoustic flow generated by the sound waves radiated into the container from different sound generating parts are alternately positioned, and at least two sound generating parts of the plurality of sound generating parts Drive control means for controlling the frequency of the drive signal input to the sound wave generation means so that the sound wave is simultaneously generated, and the analysis device of the present invention includes the stirring device, so that it is generated simultaneously from at least two sound generation units
  • the aspect of the acoustic flow generated in the liquid to be agitated by sound waves is diversified, and the time required for agitation can be shortened.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an automatic analyzer equipped with a stirring device.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an enlarged portion A of the cuvette wheel constituting the automatic analyzer shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional plan view of the cuvette wheel containing the reaction vessel cut horizontally at the position of the wheel electrode.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of the stirring device together with a perspective view of the reaction vessel.
  • FIG. 5 is a diagram showing the resonance frequency band of the sounding part that partially overlaps.
  • FIG. 6 is a frequency characteristic diagram relating to the center frequency and the input reflection coefficient of the sound generating portion of the surface acoustic wave element constituting the stirring device of FIG.
  • FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the surface acoustic wave element constituting the stirring device of FIG.
  • FIG. 8 is an equivalent circuit diagram when the surface acoustic wave device of FIG. 7 is driven at the center frequency of one sounding portion.
  • FIG. 9 is a partial cross-sectional view of the reaction vessel for explaining the sound waves generated by the sound generation units in the case of FIG. 8 and the acoustic flow generated in the liquid sample by the sound waves.
  • FIG. 10 is an equivalent circuit diagram when the surface acoustic wave device of FIG. 7 is driven at the center frequency of the other sounding portion.
  • FIG. 11 is a partial cross-sectional view of the reaction vessel for explaining the sound waves generated by the sound generation units in the case of FIG.
  • FIG. 12 is a frequency characteristic diagram showing an example of the center frequency and the input reflection coefficient of the two sound generating parts of the surface acoustic wave device.
  • FIG. 13 is a diagram visualizing the flow velocity distribution of the acoustic flow generated when the sound generation units having the frequency characteristics shown in FIG. 12 are driven at the center frequency.
  • FIG. 14 is a diagram showing the acoustic flow generated in the liquid sample accommodated in the reaction container for each driving frequency when the surface acoustic wave device of FIG. 4 is driven.
  • FIG. 15 is a waveform diagram showing an example of a drive signal for driving the surface acoustic wave device.
  • FIG. 16 is a front view showing a modified example of the surface acoustic wave element constituting the stirring device.
  • FIG. 17 is an equivalent circuit diagram of the surface acoustic wave device shown in FIG.
  • FIG. 18 is a frequency characteristic diagram regarding the center frequency and the input reflection coefficient of the sound generating portion of the surface acoustic wave device shown in FIG.
  • FIG. 19 is a diagram showing the acoustic flow generated in the liquid sample stored in the reaction container for each drive frequency when the surface acoustic wave device shown in FIG. 16 is driven.
  • FIG. 20 is a front view showing a modification of the surface acoustic wave device shown in FIG.
  • FIG. 21 is an equivalent circuit diagram of the surface acoustic wave device shown in FIG. FIG.
  • FIG. 22 is a diagram showing the acoustic flow generated in the liquid sample stored in the reaction container for each drive frequency when the surface acoustic wave device shown in FIG. 20 is driven.
  • FIG. 23 is a front view showing another modification of the surface acoustic wave device shown in FIG.
  • FIG. 24 is an equivalent circuit diagram of the surface acoustic wave device shown in FIG.
  • FIG. 25 is a diagram showing the acoustic flow generated in the liquid sample stored in the reaction container for each drive frequency when the surface acoustic wave device shown in FIG. 23 is driven.
  • FIG. 26 is a perspective view showing another method of attaching the surface acoustic wave device to the reaction vessel.
  • FIG. 27 is a perspective view showing still another way of attaching the surface acoustic wave device to the reaction vessel.
  • FIG. 28 is a perspective view showing how to attach the surface acoustic wave device to the bottom surface of the reaction vessel.
  • FIG. 29 is a perspective view showing a mounting method in which the surface acoustic wave element also serves as the bottom surface of the reaction vessel.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an automatic analyzer equipped with a stirring device.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an enlarged portion A of the cuvette wheel constituting the automatic analyzer shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional plan view of the cuvette wheel containing the reaction vessel cut horizontally at the position of the wheel electrode.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of the stirring device together with a perspective view of the reaction vessel.
  • the automatic analyzer 1 includes reagent tables 2 and 3, a cuvette wheel 4, a specimen container transfer mechanism 8, an analysis optical system 12, a cleaning mechanism 13, a control unit 15, and a stirring device 20. ing.
  • the reagent tables 2 and 3 hold a plurality of reagent containers 2a and 3a arranged in the circumferential direction, respectively, and are rotated by driving means to convey the reagent containers 2a and 3a in the circumferential direction.
  • the cuvette wheel 4 has a plurality of holders 4b arranged in the circumferential direction by a plurality of partition plates 4a provided along the circumferential direction.
  • the reaction vessel 5 is transported by being rotated in the direction indicated by the arrow.
  • the cuvette wheel 4 is formed with a photometric hole 4c in a radial direction at a position corresponding to the lower part of each holder 4b, and uses the upper and lower two insertion holes 4d provided in the upper part of the photometric hole 4c.
  • the wheel electrode 4e is attached. As shown in FIGS.
  • the wheel electrode 4e is bent at one end extending from the insertion hole 4d to come into contact with the outer surface of the cuvette wheel 4, and the other end extended from the insertion hole 4d is similarly bent.
  • the reaction vessel 5 disposed in the vicinity of the inner surface of the holder 4b and held in the holder 4b is held by a spring force.
  • the reagent is dispensed from the reagent containers 2a and 3a of the reagent tables 2 and 3 by the reagent dispensing mechanisms 6 and 7 provided in the vicinity.
  • the reagent dispensing mechanisms 6 and 7 are respectively provided with probes 6b and 7b for dispensing reagents on arms 6a and 7a that rotate in the direction of the arrow in a horizontal plane, and wash the probes 6b and 7b with washing water. Has cleaning means.
  • the reaction vessel 5 is formed from an optically transparent material, and as shown in FIG. 2, the reaction vessel 5 is a square cylinder-shaped cuvette having an opening 5a in the upper portion, and a surface acoustic wave element 24 as a sound wave generating means on the side wall 5b. And an electrode pad 5e connected to each of the set of input terminals 24e of the surface acoustic wave element 24 is attached.
  • the reaction vessel 5 is made of a material that transmits 80% or more of the analysis light emitted from the analysis optical system 12 described later, for example, glass including heat-resistant glass, synthetic resin such as cyclic olefin and polystyrene.
  • the reaction vessel 5 is used as a photometric window 5c through which a portion surrounded by a dotted line on the lower side adjacent to the portion to which the surface acoustic wave element 24 is attached transmits the analysis light.
  • the reaction vessel 5 is set in the holder 4b with the surface acoustic wave element 24 facing the partition plate 4a. Thereby, as shown in FIG. 3, the reaction container 5 contacts each wheel pad 4e with each electrode pad 5e.
  • the electrode pad 5 e is configured to be provided integrally with the surface acoustic wave element 24.
  • the specimen container transfer mechanism 8 is a transfer means for transferring a plurality of racks 10 arranged in the feeder 9 one by one along the direction of the arrow, and transfers the racks 10 while being advanced.
  • the rack 10 holds a plurality of sample containers 10a containing samples.
  • the sample container 10a receives the sample by the sample dispensing mechanism 11 having the arm 11a and the probe 11b that rotate in the horizontal direction. Dispense into each reaction vessel 5.
  • the specimen dispensing mechanism 11 has a cleaning means for cleaning the probe 11b with cleaning water.
  • the analysis optical system 12 emits analysis light for analyzing the liquid sample in the reaction vessel 5 in which the reagent and the sample have reacted. As shown in FIG. 1, the light emitting unit 12a, the spectroscopic unit 12b, and the light receiving unit. 12c. The analysis light emitted from the light emitting unit 12a passes through the liquid sample in the reaction vessel 5 and is received by the light receiving unit 12c provided at a position facing the spectroscopic unit 12b. The light receiving unit 12 c is connected to the control unit 15.
  • the cleaning mechanism 13 sucks and discharges the liquid sample in the reaction vessel 5 with the nozzle 13a, and then repeatedly injects and sucks a cleaning liquid such as a detergent and cleaning water with the nozzle 13a, thereby performing analysis by the analysis optical system 12.
  • the reaction vessel 5 that has been completed is washed.
  • the control unit 15 controls the operation of each unit of the automatic analyzer 1 and also controls the components of the specimen based on the absorbance of the liquid sample in the reaction container 5 based on the amount of light emitted from the light emitting unit 12a and the amount of light received by the light receiving unit 12c.
  • a microcomputer is used to analyze the concentration and the like.
  • the control unit 15 is connected to the input unit 16 and the display unit 17.
  • the input unit 16 is a part that performs an operation of inputting an inspection item or the like to the control unit 15, and for example, a keyboard, a mouse, or the like is used.
  • the input unit 16 is also used for operations such as switching the frequency of a drive signal input to the surface acoustic wave element 24 of the stirring device 20.
  • the display unit 17 displays analysis contents, alarms, and the like, and a display panel or the like is used.
  • the stirring device 20 includes a drive control unit 21 and a surface acoustic wave element 24 as a sound wave generating means.
  • the drive control unit 21 changes the frequency of the drive signal input to the surface acoustic wave element 24 based on information such as the analysis item of the liquid input from the input unit 16 via the control unit 15, the property of the liquid, or the liquid amount. And a drive control unit that switches the position of the sound generation unit that generates sound waves. At this time, the drive control unit 21 controls the frequency of the drive signal within a common resonance frequency band so that the sound generation units 24b and 24c simultaneously generate sound waves having different frequencies.
  • the drive control unit 21 is disposed on the outer periphery of the cuvette wheel 4 so as to face the cuvette wheel 4 (see FIG. 1), and in addition to the brush-like contact 21b (see FIG.
  • the contact 21b is provided on the housing 21a facing the two wheel electrodes 4e. When the cuvette wheel 4 stops, the contact 21b comes into contact with the corresponding wheel electrode 4e, and the drive control unit 21 and the surface acoustic wave element 24 of the reaction vessel 5 are connected. Electrically connected.
  • the signal generator 22 has an oscillation circuit capable of changing the oscillation frequency based on a control signal input from the drive control circuit 23, and applies a high-frequency drive signal of about several MHz to several hundreds of MHz to the surface acoustic wave element. 24.
  • the drive control circuit 23 uses electronic control means (ECU) incorporating a memory and a timer, and controls the operation of the signal generator 22 based on a control signal input from the input unit 16 via the control unit 15. Thus, the voltage and current of the drive signal output from the signal generator 22 to the surface acoustic wave element 24 are controlled.
  • ECU electronice control means
  • the drive control circuit 23 controls the operation of the signal generator 22, for example, the characteristics (frequency, intensity, phase, wave characteristics) of the sound wave generated by the surface acoustic wave element 24, and the waveform (sine wave, triangular wave, rectangular shape). Wave, burst wave, etc.) or modulation (amplitude modulation, frequency modulation) or the like. Further, the drive control circuit 23 can change the frequency of the high frequency signal oscillated by the signal generator 22 in accordance with a built-in timer.
  • sound generating portions 24b and 24c composed of comb-shaped electrodes (IDT) 240b and 240c are formed on the surface of the piezoelectric substrate 24a at intervals, and a set of input terminals 24e. Are connected in parallel by a bus bar 24f.
  • the surface acoustic wave element 24 is attached to the side wall 5b of the reaction vessel 5 through an acoustic matching layer such as an epoxy resin with the longitudinal direction of the piezoelectric substrate 24a oriented in the longitudinal direction of the side wall 5b.
  • the sound generation units 24b and 24c are sound generation units that convert the drive signal input from the drive control unit 21 into surface acoustic waves (sound waves).
  • the input terminal 24e and the single drive control unit 21 are connected by a contact 21b that contacts the wheel electrode 4e.
  • the sound generation units 24b and 24c have a part of the resonance frequency band overlapping. That is, as shown in FIG. 5, the sound generators 24 b and 24 c have the center frequency of the fundamental wave of the sound generator 24 b as fc1 and the center frequency of the fundamental wave of the sound generator 24 c as fc2 (fc1 ⁇ fc2) (MHz), The half-value widths ⁇ fc1 and ⁇ fc2 which are response intensity values of ⁇ 3 dB of the vibration response intensity at the respective center frequencies are defined as resonance frequency bands, and some of the resonance frequency bands overlap. Further, the sound generation units 24b and 24c individually have frequency characteristics indicated by dotted lines in FIG.
  • the sound generating parts 24b and 24c are formed so that the starting points of the acoustic flow are alternately located. This will be described later.
  • the piezoelectric substrate 24a for example, a Y-cut Z-propagation (YZ) lithium niobate (LiNbO3) crystal can be used.
  • the sound generating parts 24b and 24c are formed on the piezoelectric substrate 24a by the photolithography technique together with the input terminals 24e and the bus bar 24f.
  • the surface acoustic wave element 24 may be detachably attached to the reaction vessel 5 through an acoustic matching layer such as liquid or gel. Note that the drawings showing the surface acoustic wave elements described below, including the surface acoustic wave element 24 shown in FIG. 4, are mainly intended to show the outline of the configuration. The line width, pitch, or position on the piezoelectric substrate 24a is not necessarily drawn accurately.
  • the reagent dispensing mechanisms 6 and 7 supply the reagents from the reagent containers 2a and 3a to the plurality of reaction containers 5 conveyed along the circumferential direction by the rotating cuvette wheel 4. Dispense sequentially.
  • the specimen is dispensed sequentially from the plurality of specimen containers 10 a held in the rack 10 by the specimen dispensing mechanism 11.
  • the contact 21b comes into contact with the wheel electrode 4e, and the drive control unit 21 and the surface acoustic wave element 24 of the reaction vessel 5 are electrically connected. For this reason, in the reaction vessel 5, the dispensed reagent and the specimen are sequentially stirred by the stirring device 20 to react.
  • the amount of the sample is usually smaller than the amount of the reagent, and a small amount of sample dispensed into the reaction vessel 5 is drawn into the large amount of reagent by a series of flows generated in the liquid by stirring.
  • the reaction between the specimen and the reagent is promoted.
  • the reaction solution in which the sample and the reagent have reacted in this way passes through the analysis optical system 12 when the cuvette wheel 4 rotates again, and the light beam LB emitted from the light emitting unit 12a is transmitted as shown in FIG. .
  • the reaction solution of the reagent and the sample in the reaction container 5 is sidelighted by the light receiving unit 12c, and the component concentration and the like are analyzed by the control unit 15.
  • the reaction vessel 5 is washed by the washing mechanism 13 and then used again for analyzing the specimen.
  • the automatic analyzer 1 sends a drive signal from the contact 21b to the input terminal 24e when the cuvette wheel 4 is stopped. input.
  • the surface acoustic wave element 24 is driven by the sound generation unit 24b or the sound generation unit 24c in accordance with the frequency of the input drive signal, and induces a surface acoustic wave (bulk wave).
  • the induced surface acoustic wave (bulk wave) propagates from the acoustic matching layer into the side wall 5b of the reaction vessel 5, and leaks as a longitudinal wave into a liquid sample having a close acoustic impedance.
  • two flows are generated in the reaction container 5 from the position corresponding to the sounding part 24b or the sounding part 24c in the liquid sample to the upper side and the lower side. Stirred by two streams.
  • the surface acoustic wave element 24 is designed so that the electric impedance at the center frequency of each of the sound generating portions 24b and 24c is 50 ⁇ , which is the same as that of the external electric system.
  • the sound waves generated by exciting the sound generating parts 24 b and 24 c propagate through the piezoelectric substrate 24 a and the side wall 5 b of the reaction vessel 5, respectively, and liquid contained in the side wall 5 b and the reaction vessel 5. It is mode-converted into a longitudinal wave at the solid-liquid interface with the sample Ls and emitted into the liquid sample Ls. As this radiated longitudinal wave propagates through the liquid sample, an acoustic flow is generated. At this time, the sound generation units 24b and 24c are formed so that the starting points of the acoustic flow are alternately positioned, and the sound flow caused by the sound wave W1 generated by the excitation of the sound generation unit 24b is S11. Let S12 be the acoustic flow resulting from the sound wave W2 generated by excitation.
  • the acoustic flow S11 generated obliquely upward to the right in the liquid sample Ls is caused by the sound wave W2 generated by the sound generation unit 24c. It occurs at a position sandwiched between two acoustic streams S12 generated obliquely upward and obliquely downward in the liquid sample Ls. For this reason, the two acoustic streams S12 are integrated with the acoustic stream S11 generated obliquely upward to the right, resulting in an acoustic stream S1 having a large cross-sectional area and a high flow velocity.
  • the sound generation parts 24b and 24c are formed so that the starting points of the acoustic flow are alternately positioned, as shown in FIG. 11, the liquid in the acoustic flow S22 caused by the sound wave W2 generated by the sound generation part 24c.
  • the acoustic flow S22 generated in the sample Ls diagonally downward to the right is located between the two acoustic streams S21 generated in the liquid sample Ls diagonally right and diagonally upward due to the sound wave W1 generated by the sound generation part 24b. Occurs.
  • the two acoustic streams S21 are integrated with the acoustic stream S22 generated obliquely downward to the right, resulting in an acoustic stream S3 having a large cross-sectional area and a high flow velocity.
  • the acoustic flow S22 generated obliquely upward to the right in the liquid sample Ls due to the sound wave W2 generated by the sound generator 24c is a single flow, and has a smaller cross-sectional area and a slower flow velocity than the acoustic flow S3. It is.
  • the distance (mm) in the upward direction and the distance (mm) in the vertical direction of the side wall 5b are shown.
  • ⁇ represents an angle formed by the acoustic flow with respect to the vertical surface of the side wall 5b.
  • PIV is an image processing flow velocity measurement method (Particle Image Velocimetry). Usually, a marker such as a tracer is added to the invisible flow to make it visible. It is a method to obtain instantaneous and multi-point velocity information of the flow field by adding technology.
  • the surface acoustic wave element 24 is weakly excited only in the sounding part 24b.
  • the surface acoustic wave element 24 is weakly excited only in the sounding part 24c.
  • the liquid sample Ls accommodated in the reaction vessel 5 when viewed macroscopically, the liquid sample Ls accommodated in the reaction vessel 5 has a symmetric cross-sectional area and a slow flow rate. Acoustic flows S9 and S10 are generated.
  • the electrical impedance of the external electrical system is another value, for example, 70 ⁇
  • the electrical impedance at the center frequency of the sound generating units 24b and 24c may be designed to be 70 ⁇ .
  • the automatic analyzer 1 preliminarily combines the specimen and the reagent, and measures the stirring state due to the difference in the driving frequency while combining the driving frequency, the specimen, and the reagent, and the combination of the driving frequency and the liquid amount, with which stirring is best.
  • the control unit 15 automatically selects the drive frequency of the stirring device 20 from the combination of the sample and the reagent included in the analysis information input from the host computer or the like, and outputs it to the drive control circuit 23.
  • the stirring device 20 can drive the surface acoustic wave element 24 at a frequency that is optimal for the combination of the specimen and the reagent.
  • the automatic analyzer 1 switches the drive frequency of the drive signal for driving the surface acoustic wave element 24 by the drive control unit 21. For example, when the amount of the liquid sample held in the reaction vessel 5 is small, the frequency f1 Is input to the surface acoustic wave device 24. Then, only the sounding portion 24b of the surface acoustic wave element 24 is weakly excited in the stirring device 20, and the liquid sample can be efficiently stirred while suppressing energy consumption.
  • the stirring device 20 controls the drive frequency F within the frequency band (f1 to f3) by the drive control unit 21 so that the sound generation units 24b and 24c simultaneously generate sound waves having different frequencies.
  • the liquid sample Ls held in the reaction vessel 5 is always stirred according to the amount of liquid by driving one or more sounding portions. For this reason, since the mode of the acoustic flow generated compared to the conventional stirring device using the surface acoustic wave element that does not overlap the resonance frequency band is diversified, the stirring efficiency can be improved and the time required for stirring can be shortened. It becomes possible.
  • the stirring device 20 may change the frequency of the drive signal input to the surface acoustic wave element 24 alternately between the frequency fc1 and the frequency fc2 in a time division manner within the stirring time Ts as shown in FIG. Good.
  • asymmetric acoustic flows S1 and S2 and asymmetric acoustic flows S3 and S4 are alternately generated in the liquid sample Ls held in the reaction vessel 5, and the mixture is stirred not only at the bottom of the vessel but also at the gas-liquid interface.
  • a flow can be generated and stirred throughout the liquid sample Ls.
  • the switching time of the frequencies fc1 and fc2 is not necessarily 1: 1, and may be appropriately set and changed according to the properties such as the viscosity of the liquid sample Ls or the liquid amount.
  • the surface acoustic wave element 24 may exchange the positions of the sound generating part 24b and the sound generating part 24c. When arranged in this manner, the surface acoustic wave element 24 can generate an acoustic flow having a distribution different from the acoustic flow shown in FIG.
  • the surface acoustic wave element 24 in addition to the sound generating parts 24b and 24c having the center frequencies fc1 and fc2, the sound generating part 24d having the center frequency fc3 (fc1 ⁇ fc2 ⁇ fc3) (MHz) is arranged in parallel as shown in FIG. You may connect.
  • the surface acoustic wave element 24 is designed so that the electrical impedance at the center frequency of each of the sound generating portions 24b, 24c, and 24d is 50 ⁇ , which is the same as that of the external electrical system.
  • the surface acoustic wave element 24 is shown in FIG. 17 as an equivalent circuit when the electric impedances of the sound generating portions 24b, 24c and 24d are Z1, Z2 and Z3, respectively.
  • the sound generators 24b, 24c, and 24d have overlapping resonance frequency bands.
  • the sound generation units 24b, 24c, and 24d individually have frequency characteristics indicated by dotted lines in FIG. 18 with respect to the input reflection coefficient (dB), and the solid lines indicate the frequency characteristics.
  • the adjacent sound generating portions 24b and 24c and sound generating portions 24c and 24d of the surface acoustic wave element 24 are formed so that the starting points of the acoustic flow are alternately located.
  • the liquid sample Ls accommodated in the reaction vessel 5 has a symmetric acoustic flow having a minimum cross-sectional area and a low flow velocity from the vicinity of the sound generating portion 24d. Will occur.
  • the stirring device 20 changes various frequencies in the liquid sample held by the reaction vessel 5 by appropriately changing the frequency for driving the surface acoustic wave element 24. Since the acoustic flow can be generated, the liquid sample can be efficiently stirred according to the liquid volume while suppressing excessive energy consumption, and the time required for stirring can be shortened.
  • the surface acoustic wave element 24 may include a sounding part 24d between the sounding part 24b and the sounding part 24c.
  • the surface acoustic wave element 24 is shown in FIG. 21 when an equivalent circuit is shown with the electrical impedances of the sound generating portions 24b, 24c, and 24d as Z1, Z2, and Z3, respectively.
  • the surface acoustic wave element 24 changes the arrangement of the sound generating portions 24b, 24c, and 24d, thereby generating the acoustic flow generated in the liquid sample Ls. Changes further.
  • the stirrer 20 changes excessively the energy consumption by appropriately changing the frequency for driving the surface acoustic wave element 24. It is possible to efficiently stir the liquid sample according to the amount of the liquid while suppressing the above, and the time required for stirring can be shortened.
  • the sounding part 24b may be disposed between the sounding part 24c and the sounding part 24d.
  • an equivalent circuit of the surface acoustic wave element 24 is shown in FIG. 24 with the electrical impedances of the sound generating portions 24b, 24c, 24d as Z1, Z2, Z3, respectively.
  • the stirring device 20 when the surface acoustic wave element 24 in which the sound generating portions 24b, 24c, and 24d are arranged in this way is used, the stirring device 20 generates a different acoustic flow for each driving frequency in the liquid sample Ls in the reaction vessel 5, The liquid sample can be efficiently stirred according to the liquid volume while suppressing excessive energy consumption, and the time required for stirring can be shortened.
  • the stirrer 20 using the surface acoustic wave element 24 having the sound generating parts 24b, 24c uses the surface acoustic wave element 24 having the sound generating parts 24b, 24c, 24d within the frequency f1 to f3 within the stirring time.
  • the stirring device 20 may change the drive frequency F by sliding the frequency between the frequencies f1 to f4 within the stirring time.
  • the various surface acoustic wave elements 24 described above may be attached to the side wall 5b of the reaction vessel 5 with the longitudinal direction of the piezoelectric substrate 24a facing the width direction of the side wall 5b, as shown in FIG.
  • the stirring device 20 can generate different acoustic flows for each drive frequency including horizontal flow.
  • the various surface acoustic wave elements 24 described above are attached to the side wall 5b with the longitudinal direction of the piezoelectric substrate 24a inclined with respect to the width direction of the side wall 5b.
  • a different acoustic flow can be generated for each driving frequency including a flow of directional components.
  • the various surface acoustic wave elements 24 described above may be attached to the bottom surface of the reaction vessel 5 as shown in FIG.
  • the surface acoustic wave element 24 can be attached with the longitudinal direction of the piezoelectric substrate 24a in various directions in consideration of the direction of the acoustic flow to be generated.
  • reaction vessel to which the various surface acoustic wave elements 24 described above are attached may be a cylindrical shape instead of the square cylindrical reaction vessel 5.
  • the various surface acoustic wave elements 24 described above may be driven wirelessly, or the liquid sample held in the reaction vessel 5 may be stirred using surface acoustic waves in addition to bulk waves.
  • the surface acoustic wave element 24 may also serve as the bottom surface of the reaction vessel 5.
  • a plurality of sound generating portions are formed on a single piezoelectric substrate 24a.
  • the sound generators are electrically connected in parallel, and the center frequencies of the fundamental waves are different from each other, and some of the resonance frequency bands are overlapped, resulting from sound waves emitted from different sound generators into the container. What is necessary is just to be formed so that the origin of an acoustic flow may be located alternately.
  • the shape and arrangement (dimensions, position), etc. of the plurality of sound generating portions may be optimized as appropriate according to the application.
  • stirrer and analyzer of the present invention are useful for shortening the time required for stirring, and are particularly suitable for increasing the stirring efficiency per unit time.

Abstract

　容器に保持された液体を音波によって攪拌する攪拌装置及び分析装置。攪拌装置（２０）は、圧電基板（２４ａ）上に配置された発音部（２４ｂ，２４ｃ）を有し、発音部が電気的に並列接続され、かつそれぞれの基本波の中心周波数が互いに異なると共に、それぞれの共振周波数帯の一部が重複し、異なる発音部から容器内に放射された音波により生ずる音響流の起点が交互に位置するように形成されている表面弾性波素子（２４）と、複数の発音部の少なくとも二つの発音部が音波を同時に発生するように表面弾性波素子に入力する駆動信号の周波数を制御する駆動制御部（２１）とを備えている。

Description

攪拌装置及び分析装置
　本発明は、攪拌装置及び分析装置に関するものである。
　従来、容器に保持された液体を音波によって攪拌するこの種の攪拌装置は、音波発生手段が中心周波数の異なる複数の発音部を有し、駆動周波数を変更することにより音波を放射する発音部を複数の発音部の中の特定の発音部に時分割で切り替えることで攪拌を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７－１０８０６２号公報
　ところで、特許文献１に開示された攪拌装置は、複数の発音部を時分割で切り替えることによって攪拌を行うことから、複数の発音部の中の一部の発音部しか攪拌に使用せず、攪拌に時間が掛かるという問題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、攪拌に要する時間を短縮することが可能な攪拌装置及び分析装置を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の攪拌装置は、容器に保持された液体を音波によって攪拌する攪拌装置であって、圧電基板上に配置された発音部を有し、複数の前記発音部が電気的に並列接続され、かつそれぞれの基本波の中心周波数が互いに異なると共に、それぞれの共振周波数帯の一部が重複し、異なる発音部から前記容器内に放射された音波により生ずる音響流の起点が交互に位置するように形成されている音波発生手段と、前記複数の発音部の少なくとも二つの発音部が音波を同時に発生するように前記音波発生手段に入力する駆動信号の周波数を制御する駆動制御手段と、を備えることを特徴とする。
　また、本発明の攪拌装置は、上記の発明において、前記複数の発音部は、前記駆動信号の周波数に応じて各発音部の電気的入力信号に対する振動の応答強度の比率が変化することを特徴とする。
　また、本発明の攪拌装置は、上記の発明において、前記複数の発音部は、前記駆動信号の周波数に応じて音波を発生する発音部が切り替わることを特徴とする。
　また、本発明の攪拌装置は、上記の発明において、前記駆動制御手段は、前記液体の分析項目、前記液体の性状又は液量の情報に基づいて前記音波発生手段に入力する前記駆動信号の周波数を変化させることを特徴とする。
　また、本発明の攪拌装置は、上記の発明において、前記駆動制御手段は、前記駆動信号の周波数を変化させることにより前記液体中を旋回する音響流を生じさせることを特徴とする。
　また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の分析装置は、容器に保持された検体と試薬とを含む液体試料を攪拌して反応させ、反応液を分析する分析装置であって、前記攪拌装置を備えることを特徴とする。
　本発明の攪拌装置は、圧電基板上に配置された発音部を有し、複数の発音部が電気的に並列接続され、かつそれぞれの基本波の中心周波数が互いに異なると共に、それぞれの共振周波数帯の一部が重複し、異なる発音部から容器内に放射された音波により生ずる音響流の起点が交互に位置するように形成されている音波発生手段と、複数の発音部の少なくとも二つの発音部が音波を同時に発生するように音波発生手段に入力する駆動信号の周波数を制御する駆動制御手段とを備え、本発明の分析装置は前記攪拌装置を備えるので、少なくとも二つの発音部から同時に発生する音波によって攪拌対象の液体中に生ずる音響流の態様が多様化し、攪拌に要する時間を短縮することができるという効果を奏する。
図１は、攪拌装置を備えた自動分析装置の概略構成図である。 図２は、図１に示す自動分析装置を構成するキュベットホイールのＡ部を拡大し、一部を断面にして示す斜視図である。 図３は、反応容器を収容したキュベットホイールをホイール電極の位置で水平に切断した断面平面図である。 図４は、攪拌装置の概略構成を反応容器の斜視図と共に示すブロック図である。 図５は、一部が重複する発音部の共振周波数帯を示す図である。 図６は、図４の攪拌装置を構成する表面弾性波素子の発音部が有する中心周波数及び入力反射係数に関する周波数特性図である。 図７は、図４の攪拌装置を構成する表面弾性波素子の等価回路図である。 図８は、図７の表面弾性波素子を一方の発音部の中心周波数で駆動した場合の等価回路図である。 図９は、図８の場合に各発音部が発生する音波と、音波によって液体試料中に生ずる音響流を説明する反応容器の部分断面図である。 図１０は、図７の表面弾性波素子を他方の発音部の中心周波数で駆動した場合の等価回路図である。 図１１は、図１０の場合に各発音部が発生する音波と、音波によって液体試料中に生ずる音響流を説明する反応容器の部分断面図である。 図１２は、表面弾性波素子が有する二つの発音部が有する中心周波数及び入力反射係数の一例を示す周波数特性図である。 図１３は、図１２に示す周波数特性を有するそれぞれの発音部を中心周波数で駆動した場合に発生する音響流の流速分布を視覚化した図である。 図１４は、図４の表面弾性波素子を駆動した場合に、反応容器に収容された液体試料中に生ずる音響流を駆動周波数ごとに示した図である。 図１５は、表面弾性波素子を駆動する駆動信号の一例を示す波形図である。 図１６は、攪拌装置を構成する表面弾性波素子の変形例を示す正面図である。 図１７は、図１６に示す表面弾性波素子の等価回路図である。 図１８は、図１６に示す表面弾性波素子の発音部が有する中心周波数及び入力反射係数に関する周波数特性図である。 図１９は、図１６に示す表面弾性波素子を駆動した場合に、反応容器に収容された液体試料中に生ずる音響流を駆動周波数ごとに示した図である。 図２０は、図１６に示す表面弾性波素子の変形例を示す正面図である。 図２１は、図２０に示す表面弾性波素子の等価回路図である。 図２２は、図２０に示す表面弾性波素子を駆動した場合に、反応容器に収容された液体試料中に生ずる音響流を駆動周波数ごとに示した図である。 図２３は、図１６に示す表面弾性波素子の他の変形例を示す正面図である。 図２４は、図２３に示す表面弾性波素子の等価回路図である。 図２５は、図２３に示す表面弾性波素子を駆動した場合に、反応容器に収容された液体試料中に生ずる音響流を駆動周波数ごとに示した図である。 図２６は、表面弾性波素子を反応容器に取り付ける他の取付け方を示す斜視図である。 図２７は、表面弾性波素子を反応容器に取り付ける更に他の取付け方を示す斜視図である。 図２８は、表面弾性波素子を反応容器の底面に取り付ける取付け方を示す斜視図である。 図２９は、表面弾性波素子を反応容器の底面と兼ねる取付け方を示す斜視図である。
符号の説明
　１　自動分析装置
　２，３　試薬テーブル
　４　キュベットホイール
　５　反応容器
　６，７　試薬分注機構
　８　検体容器移送機構
　９　フィーダ
　１０　ラック
　１１　検体分注機構
　１２　分析光学系
　１３　洗浄機構
　１５　制御部
　１６　入力部
　１７　表示部
　２０　攪拌装置
　２１　駆動制御部
　２２　信号発生器
　２３　駆動制御回路
　２４　表面弾性波素子
　２４ａ　圧電基板
　２４ｂ，２４ｃ　発音部
　２４ｄ　発音部
　２４ｅ　入力端子
　２４ｆ　バスバー
　２４０ｂ，２４０ｃ　櫛型電極（ＩＤＴ）
　２４０ｄ　櫛型電極（ＩＤＴ）
　以下、本発明の攪拌装置及び分析装置にかかる実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、攪拌装置を備えた自動分析装置の概略構成図である。図２は、図１に示す自動分析装置を構成するキュベットホイールのＡ部を拡大し、一部を断面にして示す斜視図である。図３は、反応容器を収容したキュベットホイールをホイール電極の位置で水平に切断した断面平面図である。図４は、攪拌装置の概略構成を反応容器の斜視図と共に示すブロック図である。
　自動分析装置１は、図１及び図２に示すように、試薬テーブル２，３、キュベットホイール４、検体容器移送機構８、分析光学系１２、洗浄機構１３、制御部１５及び攪拌装置２０を備えている。
　試薬テーブル２，３は、図１に示すように、それぞれ周方向に配置される複数の試薬容器２ａ，３ａを保持し、駆動手段に回転されて試薬容器２ａ，３ａを周方向に搬送する。
　キュベットホイール４は、図１及び図２に示すように、周方向に沿って設けた複数の仕切り板４ａによって反応容器５を配置する複数のホルダ４ｂが周方向に形成され、図示しない駆動手段によって矢印で示す方向に回転されて反応容器５を搬送する。キュベットホイール４は、図２に示すように、各ホルダ４ｂの下部に対応する位置に半径方向に測光孔４ｃが形成され、測光孔４ｃの上部に設けた上下２つの挿通孔４ｄのそれぞれを利用してホイール電極４ｅが取り付けられている。ホイール電極４ｅは、図２及び図３に示すように、挿通孔４ｄから延出した一端が折り曲げられてキュベットホイール４の外面に当接し、挿通孔４ｄから延出した他端は同様に折り曲げられてホルダ４ｂの内面近傍に配置され、ホルダ４ｂに配置した反応容器５をばね力によって保持している。反応容器５は、近傍に設けた試薬分注機構６，７によって試薬テーブル２，３の試薬容器２ａ，３ａから試薬が分注される。ここで、試薬分注機構６，７は、それぞれ水平面内を矢印方向に回動するアーム６ａ，７ａに試薬を分注するプローブ６ｂ，７ｂが設けられ、洗浄水によってプローブ６ｂ，７ｂを洗浄する洗浄手段を有している。
　一方、反応容器５は、光学的に透明な素材から成形され、図２に示すように、上部に開口５ａを有する四角筒状のキュベットであり、側壁５ｂに音波発生手段として表面弾性波素子２４が取り付けられると共に、表面弾性波素子２４の一組の入力端子２４ｅのそれぞれと接続される電極パッド５ｅが取り付けられている。反応容器５は、後述する分析光学系１２から出射された分析光の８０％以上を透過する素材、例えば、耐熱ガラスを含むガラス，環状オレフィンやポリスチレン等の合成樹脂が使用される。反応容器５は、表面弾性波素子２４を取り付けた部分に隣接する下部側の点線によって囲まれた部分が前記分析光を透過させる測光用の窓５ｃとして利用される。反応容器５は、使用に際して表面弾性波素子２４を仕切り板４ａ側に向けてホルダ４ｂにセットされる。これにより、反応容器５は、図３に示すように、各電極パッド５ｅが対応するホイール電極４ｅと接触する。ここで、電極パッド５ｅは、表面弾性波素子２４に一体的に設けられた構成となっている。
　検体容器移送機構８は、図１に示すように、フィーダ９に配列した複数のラック１０を矢印方向に沿って１つずつ移送する移送手段であり、ラック１０を歩進させながら移送する。ラック１０は、検体を収容した複数の検体容器１０ａを保持している。ここで、検体容器１０ａは、検体容器移送機構８によって移送されるラック１０の歩進が停止するごとに、水平方向に回動するアーム１１ａとプローブ１１ｂとを有する検体分注機構１１によって検体が各反応容器５へ分注される。このため、検体分注機構１１は、洗浄水によってプローブ１１ｂを洗浄する洗浄手段を有している。
　分析光学系１２は、試薬と検体とが反応した反応容器５内の液体試料を分析するための分析光を出射するもので、図１に示すように、発光部１２ａ，分光部１２ｂ及び受光部１２ｃを有している。発光部１２ａから出射された分析光は、反応容器５内の液体試料を透過し、分光部１２ｂと対向する位置に設けた受光部１２ｃによって受光される。受光部１２ｃは、制御部１５と接続されている。
　洗浄機構１３は、ノズル１３ａによって反応容器５内の液体試料を吸引して排出した後、ノズル１３ａによって洗剤や洗浄水等の洗浄液等を繰り返し注入し、吸引することにより、分析光学系１２による分析が終了した反応容器５を洗浄する。
　制御部１５は、自動分析装置１の各部の作動を制御すると共に、発光部１２ａの出射光量と受光部１２ｃが受光した光量に基づく反応容器５内の液体試料の吸光度に基づいて検体の成分や濃度等を分析し、例えば、マイクロコンピュータ等が使用される。制御部１５は、図１に示すように、入力部１６及び表示部１７と接続されている。入力部１６は、制御部１５へ検査項目等を入力する操作を行う部分であり、例えば、キーボードやマウス等が使用される。入力部１６は、攪拌装置２０の表面弾性波素子２４に入力する駆動信号の周波数を切り替える操作等にも使用される。表示部１７は、分析内容や警報等を表示するもので、ディスプレイパネル等が使用される。
　攪拌装置２０は、図４に示すように、駆動制御部２１と音波発生手段として表面弾性波素子２４とを有している。
　駆動制御部２１は、制御部１５を介して入力部１６から入力される液体の分析項目、液体の性状又は液量等の情報に基づいて表面弾性波素子２４に入力する駆動信号の周波数を変更し、音波を発生する発音部の位置を切り替える駆動制御部である。このとき、駆動制御部２１は、複数の発音部２４ｂ，２４ｃが周波数の異なる音波を同時に発生するように、共通する共振周波数帯内で駆動信号の周波数を制御する。駆動制御部２１は、キュベットホイール４の外周にキュベットホイール４と対向させて配置され（図１参照）、ハウジング２１ａに設けたブラシ状の接触子２１ｂ（図３参照）の他に、ハウジング２１ａ内に信号発生器２２と駆動制御回路２３を備えている。接触子２１ｂは、２つのホイール電極４ｅと対向するハウジング２１ａに設けられ、キュベットホイール４が停止すると対応するホイール電極４ｅと接触し、駆動制御部２１と反応容器５の表面弾性波素子２４とが電気的に接続される。
　信号発生器２２は、駆動制御回路２３から入力される制御信号に基づいて発振周波数を変更可能な発振回路を有しており、数ＭＨｚ～数百ＭＨｚ程度の高周波の駆動信号を表面弾性波素子２４に入力する。駆動制御回路２３は、メモリとタイマを内蔵した電子制御手段（ＥＣＵ）が使用され、制御部１５を介して入力部１６から入力される制御信号に基づいて信号発生器２２の作動を制御することにより、信号発生器２２が表面弾性波素子２４へ出力する駆動信号の電圧や電流を制御する。駆動制御回路２３は、信号発生器２２の作動を制御することにより、例えば、表面弾性波素子２４が発する音波の特性（周波数，強度，位相，波の特性）、波形（正弦波，三角波，矩形波，バースト波等）或いは変調（振幅変調，周波数変調）等を制御する。また、駆動制御回路２３は、内蔵したタイマに従って信号発生器２２が発振する高周波信号の周波数を変化させることができる。
　表面弾性波素子２４は、図４に示すように、圧電基板２４ａの表面に櫛型電極（ＩＤＴ）２４０ｂ，２４０ｃからなる発音部２４ｂ，２４ｃが間隔を置いて形成され、一組の入力端子２４ｅとの間がバスバー２４ｆによって並列接続されている。表面弾性波素子２４は、圧電基板２４ａの長手方向を側壁５ｂの長手方向に向け、エポキシ樹脂等の音響整合層を介して反応容器５の側壁５ｂに取り付けられている。発音部２４ｂ，２４ｃは、駆動制御部２１から入力された駆動信号を表面弾性波（音波）に変換する発音部である。また、表面弾性波素子２４は、入力端子２４ｅと単一の駆動制御部２１との間がホイール電極４ｅに接触する接触子２１ｂによって接続されている。
　このとき、発音部２４ｂ，２４ｃは、共振周波数帯の一部が重複している。即ち、発音部２４ｂ，２４ｃは、図５に示すように、発音部２４ｂの基本波の中心周波数がｆc1、発音部２４ｃの基本波の中心周波数がｆc2（ｆc1＜ｆc2）（ＭＨｚ）であり、それぞれの中心周波数における電気的入力信号に対する振動の応答強度の－３ｄＢの応答強度値となる半値幅Δｆc1，Δｆc2を共振周波数帯と定義し、その共振周波数帯の一部が重複している。また、発音部２４ｂ，２４ｃは、入力反射係数(ｄＢ)に関し、図６に点線で示す周波数特性を個別に有しており、実線が２つを合わせた周波数特性を示している。更に、発音部２４ｂ，２４ｃは、音響流の起点が交互に位置するように形成されている。これについては、後述する。
　ここで、圧電基板２４ａとしては、例えば、ＹカットＺ伝搬（ＹＺ）のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）結晶を使用することができる。また、発音部２４ｂ，２４ｃは、入力端子２４ｅやバスバー２４ｆと共にフォトリソグラフィの技術によって圧電基板２４ａ上に形成する。また、表面弾性波素子２４は、液体やジェル等の音響整合層を介して反応容器５に離接自在に取り付けてもよい。なお、図４に示す表面弾性波素子２４を含め、以下に説明する表面弾性波素子を示す図面は、構成の概略を示すことを主目的とするため、発音部を構成する複数の櫛型電極の線幅、ピッチ又は圧電基板２４ａ上の位置は必ずしも正確に描いていない。
　以上のように構成される自動分析装置１は、回転するキュベットホイール４によって周方向に沿って搬送されてくる複数の反応容器５に試薬分注機構６，７が試薬容器２ａ，３ａから試薬を順次分注する。試薬が分注された反応容器５は、検体分注機構１１によってラック１０に保持された複数の検体容器１０ａから検体が順次分注される。そして、キュベットホイール４が停止する都度、接触子２１ｂがホイール電極４ｅと接触し、駆動制御部２１と反応容器５の表面弾性波素子２４とが電気的に接続される。このため、反応容器５は、分注された試薬と検体が攪拌装置２０によって順次攪拌されて反応する。
　自動分析装置１においては、通常、試薬の量に比べて検体の量が少なく、攪拌によって液体中に生ずる一連の流れによって反応容器５に分注された少量の検体が多量の試薬に引き込まれて検体と試薬との反応が促進される。このようにして検体と試薬が反応した反応液は、キュベットホイール４が再び回転したときに分析光学系１２を通過し、図４に示すように、発光部１２ａから出射された光束ＬBが透過する。このとき、反応容器５内の試薬と検体の反応液は、受光部１２ｃで側光され、制御部１５によって成分濃度等が分析される。そして、分析が終了した反応容器５は、洗浄機構１３によって洗浄された後、再度検体の分析に使用される。
　このとき、自動分析装置１は、制御部１５を介して入力部１６から予め入力された制御信号に基づき、キュベットホイール４の停止時に駆動制御部２１が接触子２１ｂから入力端子２４ｅに駆動信号を入力する。これにより、表面弾性波素子２４は、入力される駆動信号の周波数に応じて発音部２４ｂ又は発音部２４ｃが駆動され、表面弾性波（バルク波）を誘起する。誘起された表面弾性波（バルク波）は、音響整合層から反応容器５の側壁５ｂ内へと伝搬し、音響インピーダンスが近い液体試料中へ縦波になって漏れ出してゆく。この結果、反応容器５内には、液体試料中の発音部２４ｂ又は発音部２４ｃに対応する位置を起点として斜め上方と斜め下方に向かう２つの流れが生じ、分注された試薬と検体はこの２つの流れによって攪拌される。
　ここで、表面弾性波素子２４は、発音部２４ｂ，２４ｃのそれぞれの中心周波数における電気インピーダンスを外部電気系と同じ５０Ωとなるように設計しておく。このとき、表面弾性波素子２４は、発音部２４ｂ，２４ｃの電気インピーダンスをそれぞれＺ1，Ｚ2として等価回路を示すと図７に示すようになる。このため、例えば、駆動制御部２１が表面弾性波素子２４に周波数ｆc1の駆動信号を入力すると、図８に示すように、発音部２４ｂは電気インピーダンスがＺ1＝５０Ω、発音部２４ｃは電気インピーダンスがＺ2＝５００Ωとなる。このため、表面弾性波素子２４は、発音部２４ｂが強く励振されるのに対し、発音部２４ｃが弱く励振される。
　ここで、発音部２４ｂ，２４ｃが励振されて発生した音波は、図９に示すように、それぞれ圧電基板２４ａ、反応容器５の側壁５ｂを伝搬し、側壁５ｂと反応容器５に収容された液体試料Ｌsとの固－液界面において縦波にモード変換されて液体試料Ｌs中に放射される。この放射された縦波が液体試料中を伝搬するのに伴って音響流が生ずる。このとき、発音部２４ｂ，２４ｃは、音響流の起点が交互に位置するように形成されており、発音部２４ｂが励振されて発生した音波Ｗ1に起因する音響流をＳ11とし、発音部２４ｃが励振されて発生した音波Ｗ2に起因する音響流をＳ12とする。
　すると、図示のように、発音部２４ｂが発生した音波Ｗ1に起因する音響流Ｓ11のうち液体試料Ｌs中に右斜め上方へ生ずる音響流Ｓ11は、発音部２４ｃが発生した音波Ｗ2に起因して液体試料Ｌs中に斜め上方と斜め下方へ生ずる２つの音響流Ｓ12に挟まれた位置に発生する。このため、２つの音響流Ｓ12は、右斜め上方へ生ずる音響流Ｓ11と一体化して断面積が大きく、流速の速い音響流Ｓ1となる。一方、発音部２４ｂが発生した音波Ｗ1に起因して液体試料Ｌs中に右斜め下方へ生ずる音響流Ｓ11は、単独の流れであり、音響流Ｓ1に比べて断面積が小さく、流速が遅い流れである。このため、表面弾性波素子２４を駆動周波数Ｆ＝ｆc1で駆動した場合、巨視的に見ると、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中には、非対称な音響流Ｓ1と音響流Ｓ2（＝Ｓ11）が生ずる。
　一方、例えば、駆動制御部２１が表面弾性波素子２４に周波数ｆc2の駆動信号を入力すると、図１０に示すように、発音部２４ｂは電気インピーダンスがＺ1＝２００Ω、発音部２４ｃは電気インピーダンスがＺ2＝５０Ωと略逆になる。このため、表面弾性波素子２４は、前記とは逆に、発音部２４ｂが弱く励振されるのに対し、発音部２４ｃが強く励振される。
　従って、発音部２４ｂ，２４ｃは、音響流の起点が交互に位置するように形成されているので、図１１に示すように、発音部２４ｃが発生した音波Ｗ2に起因する音響流Ｓ22のうち液体試料Ｌs中に右斜め下方へ生ずる音響流Ｓ22は、発音部２４ｂが発生した音波Ｗ1に起因して液体試料Ｌs中に右斜め上方と左斜め上方へ生ずる２つの音響流Ｓ21に挟まれた位置に発生する。このため、２つの音響流Ｓ21は、右斜め下方へ生ずる音響流Ｓ22と一体化して断面積が大きく、流速の速い音響流Ｓ3となる。一方、発音部２４ｃが発生した音波Ｗ2に起因して液体試料Ｌs中に右斜め上方へ生ずる音響流Ｓ22は、単独の流れであり、音響流Ｓ3に比べて断面積が小さく、流速が遅い流れである。このため、表面弾性波素子２４を駆動周波数Ｆ＝ｆc2で駆動した場合、巨視的に見ると、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中には、非対称な音響流Ｓ3と音響流Ｓ4（＝Ｓ22）が生ずる。
　ここで、中心周波数ｆc1，ｆc2及び入力反射係数（ｄＢ）に関し、図１２に示す周波数特性の発音部２４ｂ，２４ｃを有する表面弾性波素子２４を用いた攪拌装置２０を使用して反応容器５に収容したイオン交換水を攪拌した。このとき、駆動周波数Ｆ＝ｆc1で表面弾性波素子２４を駆動した場合に発生した音響流の流速分布と、駆動周波数Ｆ＝ｆc2で表面弾性波素子２４を駆動した場合に発生した音響流の流速分布をそれぞれ図１３に示す。
　図１３は、表面弾性波素子２４をそれぞれ中心周波数ｆc1（＝７８．３ＭＨｚ）と中心周波数ｆc2（＝７９．２ＭＨｚ）で駆動した際の、反応容器５に収容されたイオン交換水中の音響流の流速（ｍｍ／ｓ）分布をＰＩＶによって視覚化した図であり、縦軸及び横軸は、表面弾性波素子２４を取り付けた側壁５ｂ内面と底壁上面の交線を基準とした側壁５ｂに沿った上方向への距離（ｍｍ）と側壁５ｂの垂直方向への距離（ｍｍ）をそれぞれ示している。
　なお、図中、θは、側壁５ｂの垂直面に対して音響流がなす角度を示している。また、ＰＩＶは、画像処理流速測定法（Particle Image Velocimetry）であり、通常、目に見えない流れにトレーサ等のマーカを付加し、目に見えるようにする流れの可視化技術に画像処理・画像解析技術を加え、流れ場の瞬時・多点の速度情報を得る方法である。
　一方、表面弾性波素子２４を発音部２４ｂの中心周波数ｆc1よりも低い駆動周波数Ｆ＝ｆ1（＜ｆc1）で駆動すると、発音部２４ｂは電気インピーダンスがＺ1＝２００Ω、発音部２４ｃは電気インピーダンスがＺ2＝∞となる。このため、表面弾性波素子２４は、発音部２４ｂのみが弱く励振される。このため、表面弾性波素子２４を駆動周波数Ｆ＝ｆ1で駆動した場合、巨視的に見ると、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中には、断面積が最小で、流速が遅い対称な音響流Ｓ5,Ｓ6が生ずる。
　また、表面弾性波素子２４を発音部２４ｂの中心周波数ｆc1と発音部２４ｃの中心周波数ｆc2の中間の駆動周波数Ｆ＝ｆ2（ｆc1＜ｆ2＜ｆc2）で駆動すると、発音部２４ｂ及び発音部２４ｃは電気インピーダンスがＺ1，Ｚ2＝１００Ω、となる。このため、表面弾性波素子２４は、電気インピーダンスが５０Ωと２００Ωの間の強さに発音部２４ｂ及び発音部２４ｃがそれぞれ略同じ程度に励振される。このため、表面弾性波素子２４を駆動周波数Ｆ＝ｆ2で駆動した場合、巨視的に見ると、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中には、音響流Ｓ7,Ｓ8と流速は略等しいが、断面積が僅かに大きい対称な音響流Ｓ7,Ｓ8が生ずる。
　一方、表面弾性波素子２４を発音部２４ｃの中心周波数ｆc2よりも高い駆動周波数Ｆ＝ｆ3（＞ｆc2）で駆動すると、発音部２４ｂは電気インピーダンスがＺ1＝∞、発音部２４ｃは電気インピーダンスがＺ2＝２００Ωとなる。このため、表面弾性波素子２４は、発音部２４ｃのみが弱く励振される。このため、表面弾性波素子２４を駆動周波数Ｆ＝ｆ3で駆動した場合、巨視的に見ると、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中には、断面積が最小で、流速が遅い対称な音響流Ｓ9,Ｓ10が生ずる。
　従って、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中に生ずる音響流を駆動周波数Ｆ＝ｆ1，ｆc1，ｆ2，ｆc2，ｆ3ごとに示すと図１４のようになる。なお、外部電気系の電気インピーダンスが他の値、例えば、７０Ωの場合には、発音部２４ｂ，２４ｃの中心周波数における電気インピーダンスが７０Ωとなるように設計しておけばよい。
　従って、自動分析装置１は、予め検体と試薬とを組み合わせて駆動周波数の違いによる攪拌状態を実測しながら攪拌が最良となる駆動周波数と検体及び試薬との組み合わせ、駆動周波数と液量との組み合わせ或いはこれら双方の組み合わせ等として作成して制御部１５に記憶させておく。そして、制御部１５は、ホストコンピュータ等から入力される分析情報に含まれる検体と試薬との組み合わせから自動的に攪拌装置２０の駆動周波数を選択し、駆動制御回路２３に出力する。これにより、攪拌装置２０は、検体と試薬との組み合わせに最適な周波数で表面弾性波素子２４を駆動するようにすることができる。
　このため、自動分析装置１は、表面弾性波素子２４を駆動する駆動信号の駆動周波数を駆動制御部２１によって切り替え、例えば、反応容器５が保持した液体試料の量が少ない場合には、周波数ｆ1の駆動信号を表面弾性波素子２４に入力する。すると、攪拌装置２０は、表面弾性波素子２４の発音部２４ｂのみが弱く励振され、エネルギー消費を抑えつつ液体試料を効率良く攪拌することができる。
　これに対して、反応容器５が保持した液体試料の量が多い場合、周波数ｆc1又は周波数ｆc2の駆動信号を表面弾性波素子２４に入力する。すると、攪拌装置２０は、表面弾性波素子２４の発音部２４ｂや発音部２４ｃが強く励振される。この結果、図９、図１１及び図１４に示したように、反応容器５が保持した液体試料Ｌsには、非対称な音響流Ｓ1，Ｓ2又は音響流Ｓ3，Ｓ4によって液体試料Ｌs全体を大きく旋回する攪拌流が発生して液体試料Ｌs全体に亘って攪拌することができる。
　このように、攪拌装置２０は、複数の発音部２４ｂ，２４ｃが周波数の異なる音波を同時に発生するように、駆動周波数Ｆを駆動制御部２１によって周波数帯（ｆ1～ｆ3）内で制御することにより、常に１以上の発音部を駆動して反応容器５が保持した液体試料Ｌsを液量に応じて攪拌する。このため、共振周波数帯が重複しない表面弾性波素子を使用した従来の攪拌装置に比べて発生する音響流の態様が多様化するので、攪拌効率が向上し、攪拌に要する時間を短縮することが可能になる。
　このとき、攪拌装置２０は、表面弾性波素子２４に入力する駆動信号の周波数を、図１５に示すように、攪拌時間Ｔs内で周波数ｆc1と周波数ｆc2とに時分割で交互に変化させてもよい。このようにすると、反応容器５が保持した液体試料Ｌsに非対称な音響流Ｓ1，Ｓ2と非対称な音響流Ｓ3，Ｓ4とが交互に発生し、容器底部は言うに及ばず気液界面にも攪拌流を生じさせ、液体試料Ｌs全体に亘って攪拌することができる。なお、周波数ｆc1，ｆc2の切り替え時間は、必ずしも１：１である必要はなく、液体試料Ｌsの粘性等の性状又は液量等に応じて適宜設定、変更しても良い。
　また、表面弾性波素子２４は、発音部２４ｂと発音部２４ｃの位置を入れ替えてもよい。このように配置すると、表面弾性波素子２４は、図１４に示す音響流とは異なる分布の音響流を発生させることができる。
（変形例）
　ここで、表面弾性波素子２４は、図１６に示すように、中心周波数ｆc1，ｆc2の発音部２４ｂ，２４ｃに加えて中心周波数ｆc3（ｆc1＜ｆc2＜ｆc3）（ＭＨｚ）の発音部２４ｄを並列接続してもよい。この場合、表面弾性波素子２４は、発音部２４ｂ，２４ｃ，２４ｄのそれぞれの中心周波数における電気インピーダンスを外部電気系と同じ５０Ωとなるように設計しておく。また、表面弾性波素子２４は、発音部２４ｂ，２４ｃ，２４ｄそれぞれの電気インピーダンスをそれぞれＺ1，Ｚ2，Ｚ3として等価回路を示すと図１７に示すようになる。
　このとき、発音部２４ｂ，２４ｃ，２４ｄは、共振周波数帯の一部が重複している。そして、発音部２４ｂ，２４ｃ，２４ｄは、入力反射係数(ｄＢ)に関し、図１８に点線で示す周波数特性を個別に有しており、実線が３つを合わせた周波数特性を示している。また、表面弾性波素子２４のそれぞれ隣り合う発音部２４ｂ，２４ｃ及び発音部２４ｃ，２４ｄは、音響流の起点が交互に位置するように形成されている。
　従って、表面弾性波素子２４を、例えば、発音部２４ｂの中心周波数ｆc1よりも低い駆動周波数Ｆ＝ｆ1（＜ｆc1）で駆動すると、発音部２４ｂのみが弱く励振される。このため、巨視的に見ると、図１９に矢印で示すように、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中には、断面積が最小で、流速が遅い対称な音響流が生ずる。
　次に、表面弾性波素子２４を発音部２４ｂの中心周波数ｆc1と同じ駆動周波数Ｆ＝ｆc1で駆動すると、図９で説明したように、発音部２４ｂが強く励振され、発音部２４ｃが弱く励振されるのに対し、発音部２４ｄは殆ど励振されることはない。このため、巨視的に見ると、図１９に矢印で示すように、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中には、断面積及び流速が増し、斜め上向きの流れが卓越した非対称の音響流が生ずる。
　次いで、表面弾性波素子２４を、発音部２４ｂの中心周波数ｆc1と発音部２４ｃの中心周波数の中間の周波数である駆動周波数Ｆ＝ｆ2（ｆc1＜ｆ2＜ｆc2）で駆動すると、発音部２４ｂ，２４ｃが同じ強度で励振され、発音部２４ｄが弱く励振される。このため、巨視的に見ると、図１９に矢印で示すように、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中には、斜め上向きの音響流が駆動周波数Ｆ＝ｆc1の場合より僅かに上側にシフトして発生すると共に、斜め下向きで、断面積が増加した音響流が発生する。
　また、表面弾性波素子２４を発音部２４ｃの中心周波数ｆc2である駆動周波数Ｆ＝ｆc2で駆動すると、発音部２４ｃが強く励振されると共に、発音部２４ｂ，２４ｄが同じ強度で発音部２４ｃよりも弱く励振される。このため、巨視的に見ると、図１９に矢印で示すように、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中には斜め上向きと斜め下向きの対称の音響流が生ずる。
　次に、表面弾性波素子２４を、発音部２４ｃの中心周波数ｆc2と発音部２４ｄの中心周波数ｆc3の中間の周波数ｆ3である駆動周波数Ｆ＝ｆ3（ｆc2＜ｆ3＜ｆc3）で駆動すると、発音部２４ｃ，２４ｄが同じ強度で励振されるのに対し、発音部２４ｃの励振は発音部２４ｃ，２４ｄよりも弱い。このため、巨視的に見ると、図１９に矢印で示すように、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中には、斜め下向きの流れが斜め上向きよりも卓越した音響流が生ずる。
　次いで、表面弾性波素子２４を、発音部２４ｄの中心周波数ｆc3である駆動周波数Ｆ＝ｆc3で駆動すると、発音部２４ｄが強く励振され、発音部２４ｃが弱く励振されるのに対し、発音部２４ｂは殆ど励振されることはない。このため、巨視的に見ると、図１９に矢印で示すように、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中には、斜め下向きの流れが斜め上向きよりも卓越した音響流が生ずる。このとき、斜め下向きの流れは、駆動周波数Ｆ＝ｆ3の場合より僅かに上側にシフトしている。
　そして、表面弾性波素子２４を、発音部２４ｄの中心周波数ｆc3を超えた駆動周波数Ｆ＝ｆ4（＞ｆc3）で駆動すると、発音部２４ｄのみが弱く励振される。このため、巨視的に見ると、図１９に矢印で示すように、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中には、発音部２４ｄ近傍から断面積が最小で、流速が遅い対称な音響流が生ずる。
　このように、図１４と図１９を比較すれば明らかなように、発音部２４ｄを追加することにより、表面弾性波素子２４は、液体試料Ｌs中に生じる音響流が複雑になる。従って、発音部２４ｄを追加した表面弾性波素子２４を使用すると、攪拌装置２０は、表面弾性波素子２４を駆動する周波数を適宜変更することにより、反応容器５が保持した液体試料中に種々の音響流を発生させることができるので、過剰なエネルギー消費を抑えつつ液体試料を液量に応じて効率良く攪拌することができ、攪拌に要する時間を短縮することが可能になる。
　この場合、表面弾性波素子２４は、図２０に示すように、発音部２４ｂと発音部２４ｃの間に発音部２４ｄを配置してもよい。表面弾性波素子２４は、発音部２４ｂ，２４ｃ，２４ｄそれぞれの電気インピーダンスをそれぞれＺ1，Ｚ2，Ｚ3として等価回路を示すと図２１に示すようになる。
　このとき、上記説明に基づいて、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中に生ずる音響流を駆動周波数Ｆ＝ｆ1，ｆc1，ｆ2，ｆc2，ｆ3，ｆc3，ｆ4ごとに示すと、図２２にそれぞれ矢印で示すようになる。図２２に示す音響流を図１９に示す音響流と比較すると明らかなように、表面弾性波素子２４は、発音部２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの配置を換えることにより、液体試料Ｌs中に生ずる音響流が更に変化する。このため、発音部２４ｂ，２４ｃ，２４ｄをこのように配置した表面弾性波素子２４を使用すると、攪拌装置２０は、表面弾性波素子２４を駆動する周波数を適宜変更することにより、過剰なエネルギー消費を抑えつつ液体試料を液量に応じて効率良く攪拌することができ、攪拌に要する時間を短縮することが可能になる。
　従って、表面弾性波素子２４は、図２３に示すように、発音部２４ｃと発音部２４ｄの間に発音部２４ｂを配置してもよい。このとき、表面弾性波素子２４の等価回路を、発音部２４ｂ，２４ｃ，２４ｄそれぞれの電気インピーダンスをそれぞれＺ1，Ｚ2，Ｚ3として図２４に示す。
　この場合、反応容器５に収容された液体試料Ｌs中に生ずる音響流は、駆動周波数Ｆ＝ｆ1，ｆc1，ｆ2，ｆc2，ｆ3，ｆc3，ｆ4ごとに、それぞれ図２５に矢印で示すようになる。このため、発音部２４ｂ，２４ｃ，２４ｄをこのように配置した表面弾性波素子２４を使用すると、攪拌装置２０は、駆動周波数ごとに異なる音響流が反応容器５内の液体試料Ｌs中に生じ、過剰なエネルギー消費を抑えつつ液体試料を液量に応じて効率良く攪拌することができ、攪拌に要する時間を短縮することが可能になる。
　ここで、発音部２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを有する表面弾性波素子２４を使用した攪拌装置２０は、表面弾性波素子２４に入力する駆動信号の周波数を、攪拌時間内に時分割で駆動周波数Ｆ＝ｆc1，ｆc2，ｆc3と交互に変化させてもよい。
　なお、発音部２４ｂ，２４ｃを有する表面弾性波素子２４を使用した攪拌装置２０は、攪拌時間内に周波数ｆ1～ｆ3の間で、発音部２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを有する表面弾性波素子２４を使用した攪拌装置２０は、攪拌時間内に周波数ｆ1～ｆ4の間で、それぞれ駆動周波数Ｆをスライドさせて変化させてもよい。
　また、以上で説明した各種表面弾性波素子２４は、図２６に示すように、反応容器５の側壁５ｂに圧電基板２４ａの長手方向を側壁５ｂの幅方向に向けて取り付けてもよい。このように取り付けると、攪拌装置２０は、水平方向の流れを含む駆動周波数ごとに異なる音響流を発生させることができる。従って、以上で説明した各種表面弾性波素子２４は、図２７に示すように、側壁５ｂに圧電基板２４ａの長手方向を側壁５ｂの幅方向に対して傾斜させて取り付けると、水平方向成分と鉛直方向成分の流れを含む駆動周波数ごとに異なる音響流を発生させることができる。
　更に、以上で説明した各種表面弾性波素子２４は、図２８に示すように、反応容器５の底面に取り付けても良い。この場合、表面弾性波素子２４は、発生させる音響流の向きを考慮して圧電基板２４ａの長手方向を種々の方向に向けて取り付けることができる。
　また、以上で説明した各種表面弾性波素子２４を取り付ける反応容器は、四角筒状の反応容器５に代えて円筒状としてもよい。
　一方、以上で説明した各種表面弾性波素子２４は、無線で駆動しても良いし、バルク波の他に表面弾性波を使用して反応容器５が保持した液体試料を攪拌してもよい。
　更に、図２９に示すように、表面弾性波素子２４は、反応容器５の底面を兼ねてもよい。
　なお、上述の表面弾性波素子２４は、単独の圧電基板２４ａ上に複数の発音部が形成されているが、これらの発音部が単独の圧電基板２４ａ上に形成されている必要は無く、複数の発音部が電気的に並列に接続され、かつそれぞれの基本波の中心周波数が互いに異なると共に、それぞれの共振周波数帯の一部が重複し、異なる発音部から容器内に放射された音波により生ずる音響流の起点が交互に位置するように形成されていればよい。また、用途に応じて、複数の発音部の形状や配置（寸法、位置）等を適宜最適化してもよい。
　以上のように、本発明の攪拌装置及び分析装置は、攪拌に要する時間を短縮するのに有用であり、特に、単位時間当たりの攪拌効率を高めるのに適している。

Claims (6)

  1. 　容器に保持された液体を音波によって攪拌する攪拌装置であって、
    　圧電基板上に配置された発音部を有し、複数の前記発音部が電気的に並列接続され、かつそれぞれの基本波の中心周波数が互いに異なると共に、それぞれの共振周波数帯の一部が重複し、異なる発音部から前記容器内に放射された音波により生ずる音響流の起点が交互に位置するように形成されている音波発生手段と、
    　前記複数の発音部の少なくとも二つの発音部が音波を同時に発生するように前記音波発生手段に入力する駆動信号の周波数を制御する駆動制御手段と、
    　を備えることを特徴とする攪拌装置。
  2. 　前記複数の発音部は、前記駆動信号の周波数に応じて各発音部の電気的入力信号に対する振動の応答強度の比率が変化することを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置。
  3. 　前記複数の発音部は、前記駆動信号の周波数に応じて音波を発生する発音部が切り替わることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置。
  4. 　前記駆動制御手段は、前記液体の分析項目、前記液体の性状又は液量の情報に基づいて前記音波発生手段に入力する前記駆動信号の周波数を変化させることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置。
  5. 　前記駆動制御手段は、前記駆動信号の周波数を変化させることにより前記液体中を旋回する音響流を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置。
  6. 　容器に保持された検体と試薬とを含む液体試料を攪拌して反応させ、反応液を分析する分析装置であって、請求項１～５のいずれか一つに記載の攪拌装置を備えることを特徴とする分析装置。
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