分注装置およびそのコントローラと分注方法
【課題】生化学自動分析装置等のようにシリンジ、フレキシブルチューブ、およびノズルを介して吐出する分注装置において微量吐出を実現する分注装置を提供する。
【解決手段】内部空間を有するシリンジ１とシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストン２と前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路４を有する分岐手段３と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズル５と、前記分流流路の他方はポンプ７と連通しており、その経路上に電磁弁６を配置し、前記ピストンと接続されたシャフト９を有するモータ１３によってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置において、前記シャフトの動作方向と、前記ピストンの動作方向と、前記分岐手段内の前記分流流路の流れ方向と、前記チューブ内の流れ方向と、前記ノズルの向きを同一直線上に配置するものである。
【解決手段】内部空間を有するシリンジ１とシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストン２と前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路４を有する分岐手段３と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズル５と、前記分流流路の他方はポンプ７と連通しており、その経路上に電磁弁６を配置し、前記ピストンと接続されたシャフト９を有するモータ１３によってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置において、前記シャフトの動作方向と、前記ピストンの動作方向と、前記分岐手段内の前記分流流路の流れ方向と、前記チューブ内の流れ方向と、前記ノズルの向きを同一直線上に配置するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、必要量の液体試料を反応容器に精度良く分注する分注装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来例１の分注装置およびこれを備えた分析装置は、シリンジに対してピストンを相対移動させられるポンプ機構部と、ピストンを移動させるため駆動力を付与するためのモータと、モータを制御するための制御手段と、目的量の液体を吸引・吐出させるために必要なモータに対する制御量を、目的量の液体を吐出させるときにシリンジに対するピストンの相対位置に応じて演算するための演算手段と、を備えたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１０は、従来例１の実施の形態の分注装置の一例を示す断面図である。図１０に示した分注装置１０５は、血液などの試料を吸引し、その試料を試験片１２０，１２１の試薬パッド１２０Ａ，１２１Ａに点着するためのものである。この分注装置１０５は、ノズル１５０に対してフレキシブルチューブ１５１を介してポンプユニット１５２を連結した構成を有している。
【０００４】
ポンプユニット１５２は、ノズル１５０に対して吸引力または吐出力を作用させるためのものである。このポンプユニット１５２は、図１１、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示したように、支持プレート１５３に対して、ポンプ機構部１５４およびパルスモータ１５５を固定した構成を有しており、ポンプ機構部１５４とパルスモータ１５５との間がガイドブロック１５６によって接続されている。
【０００５】
支持プレート１５３は、ポンプ機構部１５４を固定するための起立壁１５３Ａと、パルスモータ１５５を固定するための水平壁１５３Ｂとを有しており、起立壁１５３Ａにおいて筐体１０３の側壁１３９に固定されている。この支持プレート１５３には、水平壁１５３Ｂから起立壁１５３Ａに連続するスリット１５３Ｃが設けられている。このスリット１５３Ｃは、水平壁１５３Ｂに設けられ部分においてパルスモータ１５５の直動シャフト１５５Ｂが挿通されるのを許容し、起立壁１５３Ａに設けられた部分において後述するガイドブロック１５６の移動を許容する。
【０００６】
ポンプ機構部１５４は、ノズル１５０の内部に圧力変動を生じさせるためのものであり、シリンジ１５４Ａの内部に、シリンジ１５４Ａに対して相対動可能にピストン１５４Ｂが挿入された構成を有している。シリンジ１５４Ａは、支持プレート１５３の起立壁１５３Ａに固定されている。ピストン１５４Ｂは、ガイドブロック１５６を介して後述するパルスモータ１５５の直動シャフト１５５Ｂに連結されている。ガイドブロック１５６には、パルスモータ１５５の直動シャフト１５５Ｂの下端部およびピストン１５４Ｂの上端部がそれぞれ固定されているとともに、スリット１５３Ｃにおける起立壁１５３Ａに設けられた部分に対して係合されている。
【０００７】
パルスモータ１５５は、ピストン１５３を上下動させるための動力を発生させるためのものであり、モータ駆動部１５５Ａ、およびこのモータ駆動部１５５Ａの中心に螺号された直動シャフト１５５Ｂを有している。このパルスモータ１５５は、モータ駆動部１５５Ａによって直動シャフト１５５Ｂに回転力を作用させることにより、直動シャフト１５５Ｂが上下動するように構成されている。そして、直動シャフト１５５Ｂは、上述のようにガイドブロック１５６を介してピストン１５４Ｂに連結されている。そのため、直動シャフト１５５Ｂを上下動させた場合には、直動シャフト１５５Ｂの運動に連動してピストン１５４Ｂが上下動する。これにより、ポンプ機構部１５４は、ノズル１５０（図１０参照）の内部に圧力変動を生じさせることができる。
【０００８】
ガイドブロック１５６は、ポンプ機構部１５４のピストン１５４Ｂとパルスモータ１５５の直動シャフト１５５Ｂとの間を連結するためのものであるとともに、直動シャフト１５５Ｂの上下動を規制するためのものである。このガイドブロック１５６は、係合部１５６Ａおよび突出部１５６Ｂを有している。係合部１５６Ａは、支持プレート１５３のスリット１５３Ｃにおける起立壁１５３Ａの部分に係合させるためのものである。すなわち、ガイドブロック１５６は、係合部１５６Ａがスリット１５３Ｃに係合することにより、その移動方向が規制されるように構成されている。突出部１５６Ｂは、支持プレート１５３の起立壁１５３Ａに設けられたセンサ１５７によって検出させるためのものである。センサ１５７は、ピストン１５４Ｂが必要以上に下方に移動させられることを防止するのに利用されるものである。すなわち、制御部１７２（図１３参照）は、センサ１５７において突出部１５６Ｂが検出されたことが確認されたときに、モータ駆動部１５５Ａに対する駆動パルスの入力を中止し、ピストン１５４Ｂの下動を停止させる。
【０００９】
図１０に示したノズル１５０は、先端部にチップ１５８を装着して使用されるものであり、水平方向および垂直方向に移動可能とされている。このノズル１５０は、ポンプユニット１５２からの動力により空気を吸引可能な状態と、空気を排出可能な状態とを選択可能とされている。すなわち、ノズル１５０においては、チップ１５８を装着した状態において空気を吸引可能な動作を行うことにより試料を吸引してチップ１５８の内部に試料を保持させることができる一方、空気を排出可能な動作を行うことによりチップ１５８に保持された試料を吐出することができる。
【００１０】
ここで、ノズル１５０における試料の吸引量および吐出量は、ポンプユニット１５２から付与される動力の大きさ、すなわち図１１、図１２（ａ）および図１２（ｂ）から予想されるように、シリンジ１５４Ａに対するピストン１５４Ｂの相対的な移動距離に依存する。そして、ピストン１５４Ｂの移動距離は、パルスモータ１５５の直動シャフト１５５Ｂの移動距離、すなわちモータ駆動部１５５Ａに入力される駆動パルス数に依存する。モータ駆動部１５５Ａに入力する駆動パルス数は、制御部１７２によって制御される。
【００１１】
演算部１７１において演算された駆動パルス数に応じて制御部１７２によってモータ駆動部１５５Ａを駆動すれば、ノズル１５０から吐出される試料の量を全ての試薬パッド１２０Ａ，１２１Ａにおいて目的量に近づけることができる。
【００１２】
このように、従来例１の分注装置およびこれを備えた分注装置は、演算部において演算された駆動パルス数に応じて制御部によってモータ駆動部を駆動することにより、分注量のばらつきを低減することができる。
【００１３】
従来例２のリニアモータ駆動型分注機構は、リニアモータの可動子にシリンダのピストンを接続し、小形化及び簡素化されると共にボールねじのリード誤差を無視できることにより、ピストンをより正確に位置決めできるものである（例えば、特許文献２参照）。
【００１４】
図１４は、従来例２の実施の形態のリニアモータ駆動型分注機構を示す断面構成図である。図１４において符号２０１で示されるものは全体形状がほぼ箱形をなすケーシングであり、このケーシング２０１の端部には、ノズル２０２を有するシリンダ２０３が取付けられている。
【００１５】
前記シリンダ２０３に設けられた長手棒状のピストン２０４は、このシリンダ２０３から外部へ突出しており、このピストン２０４はシリンダ２０３に設けられたガイド２２０の貫通孔２２１を貫通して摺動自在に設けられている。前記ケーシング２０１の内側には、周知の長手形状をなすアクチュエータとしてのリニアモータ２２２が設けられており、このアクチュエータ２２２の可動子２２３は矢印Ａの方向に沿って往復移動自在に設けられている。また、このリニアモータ２２２とピストン２０４とは互いに平行に配置されている。
【００１６】
前記可動子２２３には、前記ピストン２０４が接続され、ねじ２２４によって所定長さとなるように固定されている。従って、前述の構成において、アクチュエータ２２２を作動させて可動子２２３を矢印Ａの方向に沿って選択的に往復動させることにより、ピストン２０４はシリンダ２０３内で往復動し、ノズル２０２及びシリンダ２０３内への薬液等の吸入、あるいは、ノズル２０２及びシリンダ２０３からの薬液等の外部への注入を行うことができる。
【００１７】
このように、従来例２のリニアモータ駆動型分注機構は、ケースに設けられたリニアモータ等のアクチュエータの可動子にシリンダ内のピストンが直接接続されているため、従来のカップリング、ボールねじ、リニアガイド及び移動体等を用いる必要がなく、機構全体の形状を小型化し、構成を簡略化することができ高精度化ができる。また、多数の分注機構を使用する大形の分析装置等を大幅に小型化することができる。
【特許文献１】特開２００６−１１９０６７公報（第１４，１５頁、図２，３，４，５）
【特許文献２】特開２００２−３６４５２６公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
従来、このような分注機構は、生化学分析装置などに搭載され、血液から摂取した血清からなる検体を分注する作業に用いられてきた。生化学分析装置では、分析用の試薬と血清とを混合させて用いるが、試薬が高価であるために試薬量を減らしたいというニーズがあった。その一方、人から採取する血液も、少量であるほうが人への負担が軽減されるために血液の採取量を減らしたいニーズがあった。さらに、環境面からも使用した分析液は、廃液処理されるために、これが低減できれば、無駄なエネルギーを消費することなく処理できるようになるために分析液を少量化するニーズがあった。
【００１９】
しかしながら、分析液を調合するにあたっては、血清量と試薬量にばらつきがあると、分析結果の信頼性が低下する。血清は、人から採取するために粘度などの個体差があり、これらが血清量の分注量の誤差となっており、微量化する際に問題となっていた。また、液体を微量化して分注する場合、液体の質量よりも表面張力や粘度等が、液体の吐出動作に大きく影響を与える。このために、微量な血清を分注する装置がなく、必要とされていたのである。このように微量な液体を扱う装置では、ポンプから液体を吐出するノズルまでの流路設計も重要となり、ポンプ部からノズルまでの距離があまりに長いと、液体が移動する際の抵抗や、チューブの膨張等から正確に圧力が伝達されないために微量な液体の液量精度が悪くなるという問題が生じていた。このために、ポンプからノズルまでの流路を短くするように、ポンプ自体も小型化して装置近傍に配置できることが要求されていた。
【００２０】
このような点を鑑みると、従来の技術では、ポンプの駆動にパルスモータを使用し、ノズルは先端部にチップを装着して吐出をしており、分注量の多い場合はある程度精度よく吐出できるが、パルスモータでは高速度、高加減速度の駆動は困難で吐出時の液切れが悪く、かつノズル先端部のチップに空気が多量に含まれるため微量吐出はできない、もしくは微量吐出ができたとしても分注精度が悪くなるという問題が生じていた。
【００２１】
また、リニアモータのリニアガイドと可動子を平行に配置しているため、小形化といいながら側方にスペースを要しているために大型化する問題が生じていた。
【００２２】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、シャフトの動作方向とピストンの動作方向と分岐手段内の分流流路の流れ方向とチューブ内の流れ方向とノズルの向きを同一直線上に配置し側方の省スペース化を図るとともに、制御手段にて所望の吐出量に応じて速度、加速度を調整することで、微量を含む所望の吐出量において精度よく分注する分注装置を提供することを目的とする。また、生化学自動分析装置等のようにシリンジ、フレキシブルチューブ、およびノズルを介して吐出する分注装置において微量吐出を実現する分注装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
【００２４】
請求項１に記載の発明は、内部空間を有するシリンジ１とシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストン２と前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路４を有する分岐手段３と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズル５と、前記分流流路の他方はポンプ７と連通しており、その経路上に電磁弁６を配置し、前記ピストンと接続されたシャフト９を有するモータ１３によってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置において、前記シャフトの動作方向と、前記ピストンの動作方向と、前記分岐手段内の前記分流流路の流れ方向と、前記チューブ内の流れ方向と、前記ノズルの向きを同一直線上に配置したものである。
【００２５】
請求項２記載の発明は、前記シリンジ内径と、前記分岐手段内の前記分流流路の内径と、前記チューブ内径と、前記ノズル内径とを同一内径もしくはテーパー面で結合したものである。
【００２６】
請求項３記載の発明は、内部空間を有するシリンジ１とシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストン２と前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路４を有する分岐手段３と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズル５と、前記分流流路の他方はポンプ７と連通しており、その経路上に電磁弁６を配置し、前記ピストンと接続されたシャフト９を有するモータ１３によってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置コントローラにおいて、前記分注装置コントローラが、上位コントローラからの作業指令を受けるモーションコントローラと、前記モーションコントローラから移動指令を受けつけて前記モータを制御するサーボドライブを備えたものである。
【００２７】
請求項４記載の発明は、前記モーションコントローラが、吐出条件が書かれたテーブルを備えたものである。
【００２８】
請求項５記載の発明は、前記サーボドライブにフィードフォワード制御が組み込まれ、設定吐出量に応じてフィードフォワード値を調整するものである。
【００２９】
請求項６記載の発明は、前記サーボドライブに外乱オブザーバが組み込まれ、前記モータの動作を制御するものである。
【００３０】
請求項７記載の発明は、前記サーボドライブが、所望の吐出量に応じて速度、加速度の少なくともどちらか一方を調整するように構成されているものである。
【００３１】
請求項８記載の発明は、前記サーボドライブが、吐出対象の液体の粘度に応じて速度、加減速を調整するように構成されているものである。
【００３２】
請求項９記載の発明は、内部空間を有するシリンジ１とシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストン２と前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路４を有する分岐手段３と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズル５と、前記分流流路の他方はポンプ７と連通しており、その経路上に電磁弁６を配置し、前記ピストンと接続されたシャフト９を有するモータ１３によってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置の吐出方法において、前記液の吐出量が少なくなるにしたがって、速度、加速度の少なくともどちらか一方を高くするように設定するものである。
【００３３】
請求項１０記載の発明は、前記液の吐出量１μＬ以下場合、加速度を５０ｍ／ｓ２、速度を５０ｍｍ／ｓ以上で前記ピストンを駆動させ、前記ノズルから前記液を吐出させるものである。
【発明の効果】
【００３４】
請求項１および請求項２に記載の発明によると、押し出し水の伝送ロスを低減することができ、分注液を精度よく吐出できる。
【００３５】
請求項３および請求項４に記載の発明によると、所望の吐出量に応じてモータを制御することで分注時の液切れがよくなり、分注液を精度よく吐出できる。
【００３６】
請求項５に記載の発明によると、所望の吐出量におけるモータの速度または加速度を調整することができ、分注液を精度よく吐出できる。
【００３７】
請求項６に記載の発明によると、シリンジの個体差、長時間の使用による摺動コンディションの変化によらずモータを所望どおりに動作させることができ、分注液を精度よく吐出できる。
【００３８】
請求項７に記載の発明によると、所望の吐出量に応じてモータの速度または加速度の少なくともどちらか一方を調整することで、分注時の液切れがよくなり、分注液を精度よく吐出できる。
【００３９】
請求項８に記載の発明によると、吐出対象の液体の粘度に応じてモータの速度または加減速を調整することで分注時の液切れがよくなり、ノズル先端における分注液の粘度による表面張力の違いによらず分注液を精度よく吐出できる。
【００４０】
請求項９および請求項１０に記載の発明によると、ピストンを高速度、高加減速度で駆動することで従来に比べて、より微量の吐出を実現するとともに液切れがよくなり、分注液を精度よく吐出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００４２】
図１に本発明による分注装置の構成図を示す。１はシリンジ、２はピストン、３は分岐手段、４は分岐流路、５はノズル、６は電磁弁、７はポンプ、１５はチューブ、１６は貯水タンク９はモータシャフト、１０Ａ、１０Ｂはリニアブッシュ、８は可動子、１１Ａは検出器、１１Ｂはリニアスケール、１２は固定子、１３はモータ、１４は分注装置コントローラである。
【００４３】
モータ１３は、空隙を介して可動子８と固定子１２間での磁気的作用により直動移動するリニアモータから構成されている。可動子８にはモータシャフト９が嵌合されて形成され、リニアブッシュ１０A、１０Bで直動可能に支持されており、モータシャフト9の一端はピストン２が連結され、モータ１３で生じる直動動作がモータシャフト９を介してピストン２へ伝えられる。また、他端は、リニアスケール１１Bを備えており、可動子８の移動量を検出器１１Aで検出し、コントローラ１４に位置情報を伝送し、制御されている。
【００４４】
また、ピストン２はシリンジ１の内部を図示しないシール材を介して往復移動するように摺動している。シリンジ１の先端には、3方向流路からなる分岐手段３を備えており、電磁弁６を開閉することでシリンジ１からノズル５への分岐流路４と、ポンプ７からの流路を切り替える。各々の流路はシリコン等からなるチューブで連結されている。本実施例で示すようにモータシャフト９の動作方向とピストン２の動作方向と分岐手段内の分岐流路４の方向とチューブ１５方向とノズル５の向きを同一直線上になるように配置されている。また、図２に示すようにシリンジの内径をφＡ、分岐手段の入力部の開口径をφＢ、チューブの内径をφＣ、ノズル入力部の開口径をφＤとし、すべてを同値にする。もしくは、それぞれの直径が異なる場合には、連結部内径の段差によって流体抵抗が発生しないようにテーパーを付けて接続する。
【００４５】
次に、分注装置コントローラの構成について説明する。分注装置コントローラ１４は、図３に示すように上位コントローラ１７との通信やＩ／Ｏ信号処理、サーボドライブ１９への指令を出すモーションコントローラ１８と、モーションコントローラ１８からの指令を受け、モータ１３の制御を行うサーボドライブ１９から構成されている。分注装置コントローラ１４は上位コントローラ１７から作業指令を受け、図４に示すような吐出条件が書かれたテーブル２０から分注作業に適した移動量、速度および加速度からなる指令をサーボドライブ１９に渡し、サーボドライブ１９では位置速度制御によって、モータ１３へ電流を通電している。モータ１3の移動量は検出器１１Ａからフィードバックされている。
【００４６】
サーボドライブの内部構成を図５および図６に示す。図５は速度フィードフォワードを速度指令に組み込んだ例であり、エンコーダからのフィードバックにあらかじめ設定した速度フィードフォワード値を速度指令に加算する。このような制御系を組むことで指令に対して遅れが少なく目標位置へ移動させることできる。
【００４７】
また、図６は、外乱オブザーバをトルク指令に組み込んだ例である。エンコーダからのフィードバックにピストンの摺動抵抗等の外乱をモデル化した値をトルク指令から差分することで、ピストンの動きをモデル化してモータの最適な動作を行わせるものである。
【００４８】
次に分注作業について図１を用いて説明する。初期状態においては、シリンジ１の内部、分岐手段４の内部、チューブ１５、ノズル５には押し出し水が充填されている。押し出し水をノズル５先端まで充填するためには、電磁弁６を開の状態にし、ポンプ７を駆動させて貯水タンク１６よりノズル５へ押し出し水を送液する。ノズル５先端まで押し出し水が充填された後、電磁弁６を閉の状態にする。続いて、モータ１３を駆動し、図面上側へ向かってモータシャフト９を動作させる。この動作によりノズル５先端の押し出し水がノズル５内部に吸い込まれ、ノズル５先端に空気層が形成される。この状態で図示しない移動手段を用いてノズル５先端を液体試料に挿入し、さらにモータ１３を駆動し、図面上側へ向かってモータシャフト９を動作させると、液体試料がノズル５先端より吸い込まれて、ノズル５内部は図７に示すように液体試料、空気層、押し出し水という並びでノズル５内に配置される。吐出の際は、設定吐出量に応じて分注装置コントローラ１４よりモータ１３の駆動ストロークが演算され、図面下側へ向かってモータシャフト９を動作させると、ノズル５先端部では押し出し水より空気層を介して液体試料が押し出される。なお、空気層は、液体試料が押し出し水と接触することにより液体試料の濃度が希釈され分析の際の誤差とならないように、分離層として機能している。
【００４９】
次に、本実施例における詳細な分注作業の吐出条件について図８を用いて説明する。吐出量の均一性を評価するＣＶ値という指標を１％〜２％以下という安定した状態に保つための必要速度、および必要加速度は吐出量に関係しており、それぞれ図８（ａ）、図８（ｂ）のように表される。すなわち吐出量を微量化していくと、より高速、より高加速度な動きが必要となるのである。さらに、前述したように血液から採取した血清を分注する場合、個人差によって粘度にばらつきが発生する。バイオ関連の用途においても分注する試薬によって、粘度や表面張力に違いがある。一般に粘度が大きくなると吐出時の流体抵抗が増加し、その結果、吐出量が少なくなるため、吐出量は液体試料の粘度や表面張力などの物性にも依存することになる。粘度の変化に依らず吐出量を一定に保つためには図８（ａ）、図８（ｂ）の関係に加えて、粘度に応じた速度、加速度の補正が必要となる。以上より、図８（ｃ）、（ｄ）に示すような粘度と速度補正値および加速度補正値の関係をテーブル２０にしてモーションコントローラ１８内部に記憶し、設定吐出量と液体の粘度に応じてモーションコントローラ１８内部で速度補正値および加速度補正値を演算し、サーボドライブに指令を渡してモータを動かすことで、粘度の変動に依らず、所望の吐出量を正確に吐出させることができる。表面張力に関しても同様に吐出量との関係をテーブルにすることで表面張力の違いに依らず、所望の吐出量を正確に吐出させることができる。
【００５０】
次に、微量吐出における具体的な吐出条件について説明する。図９（ａ）と図９（ｂ）はそれぞれ、外乱オブザーバを機能させた時の吐出量１μＬと吐出量２．５μＬにおけるＣＶ値と速度および加速度の関係を表している。２．５μＬの吐出、１μＬの吐出ともに、速度および加速度を大きくすることでＣＶ値が小さくなる（吐出量のばらつきが小さくなる）ことがわかった。特に、１μＬすなわち微量域の吐出では、速度、加速度が小さくなるとＣＶ値が極端に悪くなることがわかった。実験検証の結果、１μＬの設定吐出量において、ばらつきの少ない安定した吐出を得ようとした場合、ノズル径、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、チューブ長、３００ｍｍ〜２０００ｍｍという吐出条件では、モータシャフト端の加速度、５６ｍ／ｓ２、速度、５３ｍｍ／ｓの条件で吐出する必要があることが明らかとなった。
【００５１】
以上のように、微量から比較的量の多い領域までの分注作業では、液体の特性から求められる粘度や表面張力と動作条件である液体の吸入量等のパラメータを図３に示したコントローラに設定吐出量との関係についてのテーブルを持ち、任意の吐出量に対するモータへの移動指令に反映させ、最適な速度および加速度で、所定の移動量を移動するように制御するものである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
なお、ノズル先端における液体試料の粘度による表面張力の違いによらず液体試料を精度良く吐出できるので、吸引・吐出が必要なバイオ関連および医療関連の装置等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施例の分注装置の構成図
【図２】流路の構成を示す図
【図３】コントローラのシステム構成図
【図４】吐出条件を記述したテーブル
【図５】速度フィードフォワードを速度指令に組み込んだ制御ブロック図
【図６】外乱オブザーバをトルク指令に組み込んだ制御ブロック図
【図７】ノズル内の吸引状態を示す図
【図８】（ａ）速度と吐出量の関係、（ｂ）加速度と吐出量の関係、（ｃ）粘度と速度補正値の関係、（ｄ）粘度と加速度補正値の関係
【図９】（ａ）速度とＣＶ値の関係、（ｂ）加速度とＣＶ値の関係
【図１０】第１従来例の分注装置を示す断面図
【図１１】第１従来例のポンプユニットの正面図
【図１２】（ａ）第１従来例のポンプユニットの破断した正面図、（ｂ）第１従来例のポンプユニットのIvb−Ivb線の断面図
【図１３】第１従来例の分析装置のブロック図
【図１４】第２従来例の断面構成図
【符号の説明】
【００５４】
１ シリンジ
２ ピストン
３ 分岐手段
４ 分岐流路
５ ノズル
６ 電磁弁
７ ポンプ
８ 可動子
９ モータシャフト
１０Ａ、１０Ｂ リニアブッシュ
１１Ａ 検出器
１１Ｂ リニアスケール
１２ 固定子
１３ モータ
１４ 分注装置コントローラ
１５ チューブ
１６ 貯水タンク
１７ 上位コントローラ
１８ モーションコントローラ
１９ サーボドライブ
２０ テーブル
１０３ 筐体
１０５ 分注装置
１２０，１２１ 試験片
１２０Ａ，１２１Ａ 試薬パッド
１３９ 筐体の側壁
１５０ ノズル
１５１ フレキシブルチューブ
１５２ ポンプユニット
１５３ 支持プレート
１５３Ａ 起立壁
１５３Ｂ 水平壁
１５３Ｃ スリット
１５４ ポンプ機構部
１５４Ａ シリンジ
１５４Ｂ ピストン
１５５ パルスモータ
１５５Ａ モータ駆動部
１５５Ｂ 直動シャフト
１５６ ガイドブロック
１５６Ａ 係合部
１５６Ｂ 突出部
１５７ センサ
１５８ チップ
１７１ 演算部
１７２ 制御部
２０１ ケーシング
２０２ ノズル
２０３ シリンダ
２０４ ピストン
２２０ ガイド
２２１ 貫通孔
２２２ アクチュエータ（リニアモータ）
２２３ 可動子
２２４ ねじ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、必要量の液体試料を反応容器に精度良く分注する分注装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来例１の分注装置およびこれを備えた分析装置は、シリンジに対してピストンを相対移動させられるポンプ機構部と、ピストンを移動させるため駆動力を付与するためのモータと、モータを制御するための制御手段と、目的量の液体を吸引・吐出させるために必要なモータに対する制御量を、目的量の液体を吐出させるときにシリンジに対するピストンの相対位置に応じて演算するための演算手段と、を備えたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１０は、従来例１の実施の形態の分注装置の一例を示す断面図である。図１０に示した分注装置１０５は、血液などの試料を吸引し、その試料を試験片１２０，１２１の試薬パッド１２０Ａ，１２１Ａに点着するためのものである。この分注装置１０５は、ノズル１５０に対してフレキシブルチューブ１５１を介してポンプユニット１５２を連結した構成を有している。
【０００４】
ポンプユニット１５２は、ノズル１５０に対して吸引力または吐出力を作用させるためのものである。このポンプユニット１５２は、図１１、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示したように、支持プレート１５３に対して、ポンプ機構部１５４およびパルスモータ１５５を固定した構成を有しており、ポンプ機構部１５４とパルスモータ１５５との間がガイドブロック１５６によって接続されている。
【０００５】
支持プレート１５３は、ポンプ機構部１５４を固定するための起立壁１５３Ａと、パルスモータ１５５を固定するための水平壁１５３Ｂとを有しており、起立壁１５３Ａにおいて筐体１０３の側壁１３９に固定されている。この支持プレート１５３には、水平壁１５３Ｂから起立壁１５３Ａに連続するスリット１５３Ｃが設けられている。このスリット１５３Ｃは、水平壁１５３Ｂに設けられ部分においてパルスモータ１５５の直動シャフト１５５Ｂが挿通されるのを許容し、起立壁１５３Ａに設けられた部分において後述するガイドブロック１５６の移動を許容する。
【０００６】
ポンプ機構部１５４は、ノズル１５０の内部に圧力変動を生じさせるためのものであり、シリンジ１５４Ａの内部に、シリンジ１５４Ａに対して相対動可能にピストン１５４Ｂが挿入された構成を有している。シリンジ１５４Ａは、支持プレート１５３の起立壁１５３Ａに固定されている。ピストン１５４Ｂは、ガイドブロック１５６を介して後述するパルスモータ１５５の直動シャフト１５５Ｂに連結されている。ガイドブロック１５６には、パルスモータ１５５の直動シャフト１５５Ｂの下端部およびピストン１５４Ｂの上端部がそれぞれ固定されているとともに、スリット１５３Ｃにおける起立壁１５３Ａに設けられた部分に対して係合されている。
【０００７】
パルスモータ１５５は、ピストン１５３を上下動させるための動力を発生させるためのものであり、モータ駆動部１５５Ａ、およびこのモータ駆動部１５５Ａの中心に螺号された直動シャフト１５５Ｂを有している。このパルスモータ１５５は、モータ駆動部１５５Ａによって直動シャフト１５５Ｂに回転力を作用させることにより、直動シャフト１５５Ｂが上下動するように構成されている。そして、直動シャフト１５５Ｂは、上述のようにガイドブロック１５６を介してピストン１５４Ｂに連結されている。そのため、直動シャフト１５５Ｂを上下動させた場合には、直動シャフト１５５Ｂの運動に連動してピストン１５４Ｂが上下動する。これにより、ポンプ機構部１５４は、ノズル１５０（図１０参照）の内部に圧力変動を生じさせることができる。
【０００８】
ガイドブロック１５６は、ポンプ機構部１５４のピストン１５４Ｂとパルスモータ１５５の直動シャフト１５５Ｂとの間を連結するためのものであるとともに、直動シャフト１５５Ｂの上下動を規制するためのものである。このガイドブロック１５６は、係合部１５６Ａおよび突出部１５６Ｂを有している。係合部１５６Ａは、支持プレート１５３のスリット１５３Ｃにおける起立壁１５３Ａの部分に係合させるためのものである。すなわち、ガイドブロック１５６は、係合部１５６Ａがスリット１５３Ｃに係合することにより、その移動方向が規制されるように構成されている。突出部１５６Ｂは、支持プレート１５３の起立壁１５３Ａに設けられたセンサ１５７によって検出させるためのものである。センサ１５７は、ピストン１５４Ｂが必要以上に下方に移動させられることを防止するのに利用されるものである。すなわち、制御部１７２（図１３参照）は、センサ１５７において突出部１５６Ｂが検出されたことが確認されたときに、モータ駆動部１５５Ａに対する駆動パルスの入力を中止し、ピストン１５４Ｂの下動を停止させる。
【０００９】
図１０に示したノズル１５０は、先端部にチップ１５８を装着して使用されるものであり、水平方向および垂直方向に移動可能とされている。このノズル１５０は、ポンプユニット１５２からの動力により空気を吸引可能な状態と、空気を排出可能な状態とを選択可能とされている。すなわち、ノズル１５０においては、チップ１５８を装着した状態において空気を吸引可能な動作を行うことにより試料を吸引してチップ１５８の内部に試料を保持させることができる一方、空気を排出可能な動作を行うことによりチップ１５８に保持された試料を吐出することができる。
【００１０】
ここで、ノズル１５０における試料の吸引量および吐出量は、ポンプユニット１５２から付与される動力の大きさ、すなわち図１１、図１２（ａ）および図１２（ｂ）から予想されるように、シリンジ１５４Ａに対するピストン１５４Ｂの相対的な移動距離に依存する。そして、ピストン１５４Ｂの移動距離は、パルスモータ１５５の直動シャフト１５５Ｂの移動距離、すなわちモータ駆動部１５５Ａに入力される駆動パルス数に依存する。モータ駆動部１５５Ａに入力する駆動パルス数は、制御部１７２によって制御される。
【００１１】
演算部１７１において演算された駆動パルス数に応じて制御部１７２によってモータ駆動部１５５Ａを駆動すれば、ノズル１５０から吐出される試料の量を全ての試薬パッド１２０Ａ，１２１Ａにおいて目的量に近づけることができる。
【００１２】
このように、従来例１の分注装置およびこれを備えた分注装置は、演算部において演算された駆動パルス数に応じて制御部によってモータ駆動部を駆動することにより、分注量のばらつきを低減することができる。
【００１３】
従来例２のリニアモータ駆動型分注機構は、リニアモータの可動子にシリンダのピストンを接続し、小形化及び簡素化されると共にボールねじのリード誤差を無視できることにより、ピストンをより正確に位置決めできるものである（例えば、特許文献２参照）。
【００１４】
図１４は、従来例２の実施の形態のリニアモータ駆動型分注機構を示す断面構成図である。図１４において符号２０１で示されるものは全体形状がほぼ箱形をなすケーシングであり、このケーシング２０１の端部には、ノズル２０２を有するシリンダ２０３が取付けられている。
【００１５】
前記シリンダ２０３に設けられた長手棒状のピストン２０４は、このシリンダ２０３から外部へ突出しており、このピストン２０４はシリンダ２０３に設けられたガイド２２０の貫通孔２２１を貫通して摺動自在に設けられている。前記ケーシング２０１の内側には、周知の長手形状をなすアクチュエータとしてのリニアモータ２２２が設けられており、このアクチュエータ２２２の可動子２２３は矢印Ａの方向に沿って往復移動自在に設けられている。また、このリニアモータ２２２とピストン２０４とは互いに平行に配置されている。
【００１６】
前記可動子２２３には、前記ピストン２０４が接続され、ねじ２２４によって所定長さとなるように固定されている。従って、前述の構成において、アクチュエータ２２２を作動させて可動子２２３を矢印Ａの方向に沿って選択的に往復動させることにより、ピストン２０４はシリンダ２０３内で往復動し、ノズル２０２及びシリンダ２０３内への薬液等の吸入、あるいは、ノズル２０２及びシリンダ２０３からの薬液等の外部への注入を行うことができる。
【００１７】
このように、従来例２のリニアモータ駆動型分注機構は、ケースに設けられたリニアモータ等のアクチュエータの可動子にシリンダ内のピストンが直接接続されているため、従来のカップリング、ボールねじ、リニアガイド及び移動体等を用いる必要がなく、機構全体の形状を小型化し、構成を簡略化することができ高精度化ができる。また、多数の分注機構を使用する大形の分析装置等を大幅に小型化することができる。
【特許文献１】特開２００６−１１９０６７公報（第１４，１５頁、図２，３，４，５）
【特許文献２】特開２００２−３６４５２６公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
従来、このような分注機構は、生化学分析装置などに搭載され、血液から摂取した血清からなる検体を分注する作業に用いられてきた。生化学分析装置では、分析用の試薬と血清とを混合させて用いるが、試薬が高価であるために試薬量を減らしたいというニーズがあった。その一方、人から採取する血液も、少量であるほうが人への負担が軽減されるために血液の採取量を減らしたいニーズがあった。さらに、環境面からも使用した分析液は、廃液処理されるために、これが低減できれば、無駄なエネルギーを消費することなく処理できるようになるために分析液を少量化するニーズがあった。
【００１９】
しかしながら、分析液を調合するにあたっては、血清量と試薬量にばらつきがあると、分析結果の信頼性が低下する。血清は、人から採取するために粘度などの個体差があり、これらが血清量の分注量の誤差となっており、微量化する際に問題となっていた。また、液体を微量化して分注する場合、液体の質量よりも表面張力や粘度等が、液体の吐出動作に大きく影響を与える。このために、微量な血清を分注する装置がなく、必要とされていたのである。このように微量な液体を扱う装置では、ポンプから液体を吐出するノズルまでの流路設計も重要となり、ポンプ部からノズルまでの距離があまりに長いと、液体が移動する際の抵抗や、チューブの膨張等から正確に圧力が伝達されないために微量な液体の液量精度が悪くなるという問題が生じていた。このために、ポンプからノズルまでの流路を短くするように、ポンプ自体も小型化して装置近傍に配置できることが要求されていた。
【００２０】
このような点を鑑みると、従来の技術では、ポンプの駆動にパルスモータを使用し、ノズルは先端部にチップを装着して吐出をしており、分注量の多い場合はある程度精度よく吐出できるが、パルスモータでは高速度、高加減速度の駆動は困難で吐出時の液切れが悪く、かつノズル先端部のチップに空気が多量に含まれるため微量吐出はできない、もしくは微量吐出ができたとしても分注精度が悪くなるという問題が生じていた。
【００２１】
また、リニアモータのリニアガイドと可動子を平行に配置しているため、小形化といいながら側方にスペースを要しているために大型化する問題が生じていた。
【００２２】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、シャフトの動作方向とピストンの動作方向と分岐手段内の分流流路の流れ方向とチューブ内の流れ方向とノズルの向きを同一直線上に配置し側方の省スペース化を図るとともに、制御手段にて所望の吐出量に応じて速度、加速度を調整することで、微量を含む所望の吐出量において精度よく分注する分注装置を提供することを目的とする。また、生化学自動分析装置等のようにシリンジ、フレキシブルチューブ、およびノズルを介して吐出する分注装置において微量吐出を実現する分注装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
【００２４】
請求項１に記載の発明は、内部空間を有するシリンジ１とシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストン２と前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路４を有する分岐手段３と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズル５と、前記分流流路の他方はポンプ７と連通しており、その経路上に電磁弁６を配置し、前記ピストンと接続されたシャフト９を有するモータ１３によってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置において、前記シャフトの動作方向と、前記ピストンの動作方向と、前記分岐手段内の前記分流流路の流れ方向と、前記チューブ内の流れ方向と、前記ノズルの向きを同一直線上に配置したものである。
【００２５】
請求項２記載の発明は、前記シリンジ内径と、前記分岐手段内の前記分流流路の内径と、前記チューブ内径と、前記ノズル内径とを同一内径もしくはテーパー面で結合したものである。
【００２６】
請求項３記載の発明は、内部空間を有するシリンジ１とシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストン２と前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路４を有する分岐手段３と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズル５と、前記分流流路の他方はポンプ７と連通しており、その経路上に電磁弁６を配置し、前記ピストンと接続されたシャフト９を有するモータ１３によってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置コントローラにおいて、前記分注装置コントローラが、上位コントローラからの作業指令を受けるモーションコントローラと、前記モーションコントローラから移動指令を受けつけて前記モータを制御するサーボドライブを備えたものである。
【００２７】
請求項４記載の発明は、前記モーションコントローラが、吐出条件が書かれたテーブルを備えたものである。
【００２８】
請求項５記載の発明は、前記サーボドライブにフィードフォワード制御が組み込まれ、設定吐出量に応じてフィードフォワード値を調整するものである。
【００２９】
請求項６記載の発明は、前記サーボドライブに外乱オブザーバが組み込まれ、前記モータの動作を制御するものである。
【００３０】
請求項７記載の発明は、前記サーボドライブが、所望の吐出量に応じて速度、加速度の少なくともどちらか一方を調整するように構成されているものである。
【００３１】
請求項８記載の発明は、前記サーボドライブが、吐出対象の液体の粘度に応じて速度、加減速を調整するように構成されているものである。
【００３２】
請求項９記載の発明は、内部空間を有するシリンジ１とシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストン２と前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路４を有する分岐手段３と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズル５と、前記分流流路の他方はポンプ７と連通しており、その経路上に電磁弁６を配置し、前記ピストンと接続されたシャフト９を有するモータ１３によってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置の吐出方法において、前記液の吐出量が少なくなるにしたがって、速度、加速度の少なくともどちらか一方を高くするように設定するものである。
【００３３】
請求項１０記載の発明は、前記液の吐出量１μＬ以下場合、加速度を５０ｍ／ｓ２、速度を５０ｍｍ／ｓ以上で前記ピストンを駆動させ、前記ノズルから前記液を吐出させるものである。
【発明の効果】
【００３４】
請求項１および請求項２に記載の発明によると、押し出し水の伝送ロスを低減することができ、分注液を精度よく吐出できる。
【００３５】
請求項３および請求項４に記載の発明によると、所望の吐出量に応じてモータを制御することで分注時の液切れがよくなり、分注液を精度よく吐出できる。
【００３６】
請求項５に記載の発明によると、所望の吐出量におけるモータの速度または加速度を調整することができ、分注液を精度よく吐出できる。
【００３７】
請求項６に記載の発明によると、シリンジの個体差、長時間の使用による摺動コンディションの変化によらずモータを所望どおりに動作させることができ、分注液を精度よく吐出できる。
【００３８】
請求項７に記載の発明によると、所望の吐出量に応じてモータの速度または加速度の少なくともどちらか一方を調整することで、分注時の液切れがよくなり、分注液を精度よく吐出できる。
【００３９】
請求項８に記載の発明によると、吐出対象の液体の粘度に応じてモータの速度または加減速を調整することで分注時の液切れがよくなり、ノズル先端における分注液の粘度による表面張力の違いによらず分注液を精度よく吐出できる。
【００４０】
請求項９および請求項１０に記載の発明によると、ピストンを高速度、高加減速度で駆動することで従来に比べて、より微量の吐出を実現するとともに液切れがよくなり、分注液を精度よく吐出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００４２】
図１に本発明による分注装置の構成図を示す。１はシリンジ、２はピストン、３は分岐手段、４は分岐流路、５はノズル、６は電磁弁、７はポンプ、１５はチューブ、１６は貯水タンク９はモータシャフト、１０Ａ、１０Ｂはリニアブッシュ、８は可動子、１１Ａは検出器、１１Ｂはリニアスケール、１２は固定子、１３はモータ、１４は分注装置コントローラである。
【００４３】
モータ１３は、空隙を介して可動子８と固定子１２間での磁気的作用により直動移動するリニアモータから構成されている。可動子８にはモータシャフト９が嵌合されて形成され、リニアブッシュ１０A、１０Bで直動可能に支持されており、モータシャフト9の一端はピストン２が連結され、モータ１３で生じる直動動作がモータシャフト９を介してピストン２へ伝えられる。また、他端は、リニアスケール１１Bを備えており、可動子８の移動量を検出器１１Aで検出し、コントローラ１４に位置情報を伝送し、制御されている。
【００４４】
また、ピストン２はシリンジ１の内部を図示しないシール材を介して往復移動するように摺動している。シリンジ１の先端には、3方向流路からなる分岐手段３を備えており、電磁弁６を開閉することでシリンジ１からノズル５への分岐流路４と、ポンプ７からの流路を切り替える。各々の流路はシリコン等からなるチューブで連結されている。本実施例で示すようにモータシャフト９の動作方向とピストン２の動作方向と分岐手段内の分岐流路４の方向とチューブ１５方向とノズル５の向きを同一直線上になるように配置されている。また、図２に示すようにシリンジの内径をφＡ、分岐手段の入力部の開口径をφＢ、チューブの内径をφＣ、ノズル入力部の開口径をφＤとし、すべてを同値にする。もしくは、それぞれの直径が異なる場合には、連結部内径の段差によって流体抵抗が発生しないようにテーパーを付けて接続する。
【００４５】
次に、分注装置コントローラの構成について説明する。分注装置コントローラ１４は、図３に示すように上位コントローラ１７との通信やＩ／Ｏ信号処理、サーボドライブ１９への指令を出すモーションコントローラ１８と、モーションコントローラ１８からの指令を受け、モータ１３の制御を行うサーボドライブ１９から構成されている。分注装置コントローラ１４は上位コントローラ１７から作業指令を受け、図４に示すような吐出条件が書かれたテーブル２０から分注作業に適した移動量、速度および加速度からなる指令をサーボドライブ１９に渡し、サーボドライブ１９では位置速度制御によって、モータ１３へ電流を通電している。モータ１3の移動量は検出器１１Ａからフィードバックされている。
【００４６】
サーボドライブの内部構成を図５および図６に示す。図５は速度フィードフォワードを速度指令に組み込んだ例であり、エンコーダからのフィードバックにあらかじめ設定した速度フィードフォワード値を速度指令に加算する。このような制御系を組むことで指令に対して遅れが少なく目標位置へ移動させることできる。
【００４７】
また、図６は、外乱オブザーバをトルク指令に組み込んだ例である。エンコーダからのフィードバックにピストンの摺動抵抗等の外乱をモデル化した値をトルク指令から差分することで、ピストンの動きをモデル化してモータの最適な動作を行わせるものである。
【００４８】
次に分注作業について図１を用いて説明する。初期状態においては、シリンジ１の内部、分岐手段４の内部、チューブ１５、ノズル５には押し出し水が充填されている。押し出し水をノズル５先端まで充填するためには、電磁弁６を開の状態にし、ポンプ７を駆動させて貯水タンク１６よりノズル５へ押し出し水を送液する。ノズル５先端まで押し出し水が充填された後、電磁弁６を閉の状態にする。続いて、モータ１３を駆動し、図面上側へ向かってモータシャフト９を動作させる。この動作によりノズル５先端の押し出し水がノズル５内部に吸い込まれ、ノズル５先端に空気層が形成される。この状態で図示しない移動手段を用いてノズル５先端を液体試料に挿入し、さらにモータ１３を駆動し、図面上側へ向かってモータシャフト９を動作させると、液体試料がノズル５先端より吸い込まれて、ノズル５内部は図７に示すように液体試料、空気層、押し出し水という並びでノズル５内に配置される。吐出の際は、設定吐出量に応じて分注装置コントローラ１４よりモータ１３の駆動ストロークが演算され、図面下側へ向かってモータシャフト９を動作させると、ノズル５先端部では押し出し水より空気層を介して液体試料が押し出される。なお、空気層は、液体試料が押し出し水と接触することにより液体試料の濃度が希釈され分析の際の誤差とならないように、分離層として機能している。
【００４９】
次に、本実施例における詳細な分注作業の吐出条件について図８を用いて説明する。吐出量の均一性を評価するＣＶ値という指標を１％〜２％以下という安定した状態に保つための必要速度、および必要加速度は吐出量に関係しており、それぞれ図８（ａ）、図８（ｂ）のように表される。すなわち吐出量を微量化していくと、より高速、より高加速度な動きが必要となるのである。さらに、前述したように血液から採取した血清を分注する場合、個人差によって粘度にばらつきが発生する。バイオ関連の用途においても分注する試薬によって、粘度や表面張力に違いがある。一般に粘度が大きくなると吐出時の流体抵抗が増加し、その結果、吐出量が少なくなるため、吐出量は液体試料の粘度や表面張力などの物性にも依存することになる。粘度の変化に依らず吐出量を一定に保つためには図８（ａ）、図８（ｂ）の関係に加えて、粘度に応じた速度、加速度の補正が必要となる。以上より、図８（ｃ）、（ｄ）に示すような粘度と速度補正値および加速度補正値の関係をテーブル２０にしてモーションコントローラ１８内部に記憶し、設定吐出量と液体の粘度に応じてモーションコントローラ１８内部で速度補正値および加速度補正値を演算し、サーボドライブに指令を渡してモータを動かすことで、粘度の変動に依らず、所望の吐出量を正確に吐出させることができる。表面張力に関しても同様に吐出量との関係をテーブルにすることで表面張力の違いに依らず、所望の吐出量を正確に吐出させることができる。
【００５０】
次に、微量吐出における具体的な吐出条件について説明する。図９（ａ）と図９（ｂ）はそれぞれ、外乱オブザーバを機能させた時の吐出量１μＬと吐出量２．５μＬにおけるＣＶ値と速度および加速度の関係を表している。２．５μＬの吐出、１μＬの吐出ともに、速度および加速度を大きくすることでＣＶ値が小さくなる（吐出量のばらつきが小さくなる）ことがわかった。特に、１μＬすなわち微量域の吐出では、速度、加速度が小さくなるとＣＶ値が極端に悪くなることがわかった。実験検証の結果、１μＬの設定吐出量において、ばらつきの少ない安定した吐出を得ようとした場合、ノズル径、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、チューブ長、３００ｍｍ〜２０００ｍｍという吐出条件では、モータシャフト端の加速度、５６ｍ／ｓ２、速度、５３ｍｍ／ｓの条件で吐出する必要があることが明らかとなった。
【００５１】
以上のように、微量から比較的量の多い領域までの分注作業では、液体の特性から求められる粘度や表面張力と動作条件である液体の吸入量等のパラメータを図３に示したコントローラに設定吐出量との関係についてのテーブルを持ち、任意の吐出量に対するモータへの移動指令に反映させ、最適な速度および加速度で、所定の移動量を移動するように制御するものである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
なお、ノズル先端における液体試料の粘度による表面張力の違いによらず液体試料を精度良く吐出できるので、吸引・吐出が必要なバイオ関連および医療関連の装置等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施例の分注装置の構成図
【図２】流路の構成を示す図
【図３】コントローラのシステム構成図
【図４】吐出条件を記述したテーブル
【図５】速度フィードフォワードを速度指令に組み込んだ制御ブロック図
【図６】外乱オブザーバをトルク指令に組み込んだ制御ブロック図
【図７】ノズル内の吸引状態を示す図
【図８】（ａ）速度と吐出量の関係、（ｂ）加速度と吐出量の関係、（ｃ）粘度と速度補正値の関係、（ｄ）粘度と加速度補正値の関係
【図９】（ａ）速度とＣＶ値の関係、（ｂ）加速度とＣＶ値の関係
【図１０】第１従来例の分注装置を示す断面図
【図１１】第１従来例のポンプユニットの正面図
【図１２】（ａ）第１従来例のポンプユニットの破断した正面図、（ｂ）第１従来例のポンプユニットのIvb−Ivb線の断面図
【図１３】第１従来例の分析装置のブロック図
【図１４】第２従来例の断面構成図
【符号の説明】
【００５４】
１ シリンジ
２ ピストン
３ 分岐手段
４ 分岐流路
５ ノズル
６ 電磁弁
７ ポンプ
８ 可動子
９ モータシャフト
１０Ａ、１０Ｂ リニアブッシュ
１１Ａ 検出器
１１Ｂ リニアスケール
１２ 固定子
１３ モータ
１４ 分注装置コントローラ
１５ チューブ
１６ 貯水タンク
１７ 上位コントローラ
１８ モーションコントローラ
１９ サーボドライブ
２０ テーブル
１０３ 筐体
１０５ 分注装置
１２０，１２１ 試験片
１２０Ａ，１２１Ａ 試薬パッド
１３９ 筐体の側壁
１５０ ノズル
１５１ フレキシブルチューブ
１５２ ポンプユニット
１５３ 支持プレート
１５３Ａ 起立壁
１５３Ｂ 水平壁
１５３Ｃ スリット
１５４ ポンプ機構部
１５４Ａ シリンジ
１５４Ｂ ピストン
１５５ パルスモータ
１５５Ａ モータ駆動部
１５５Ｂ 直動シャフト
１５６ ガイドブロック
１５６Ａ 係合部
１５６Ｂ 突出部
１５７ センサ
１５８ チップ
１７１ 演算部
１７２ 制御部
２０１ ケーシング
２０２ ノズル
２０３ シリンダ
２０４ ピストン
２２０ ガイド
２２１ 貫通孔
２２２ アクチュエータ（リニアモータ）
２２３ 可動子
２２４ ねじ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間を有するシリンジとシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストンと前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路を有する分岐手段と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズルと、前記分流流路の他方はポンプと連通しており、その経路上に電磁弁を配置し、前記ピストンと接続されたシャフトを有するモータによってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置において、
前記シャフトの動作方向と、前記ピストンの動作方向と、前記分岐手段内の前記分流流路の流れ方向と、前記チューブ内の流れ方向と、前記ノズルの向きを同一直線上に配置したことを特徴とする分注装置。
【請求項２】
前記シリンジ内径と、前記分岐手段内の前記分流流路の内径と、前記チューブ内径と、前記ノズル内径とを同一内径もしくはテーパー面で結合したことを特徴とする請求項１記載の分注装置。
【請求項３】
内部空間を有するシリンジとシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストンと前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路を有する分岐手段と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズルと、前記分流流路の他方はポンプと連通しており、その経路上に電磁弁を配置し、前記ピストンと接続されたシャフトを有するモータによってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置コントローラにおいて、
前記分注装置コントローラは、上位コントローラからの作業指令を受けるモーションコントローラと、前記モーションコントローラから移動指令を受けつけて前記モータを制御するサーボドライブを備えたことを特徴とする分注装置コントローラ。
【請求項４】
前記モーションコントローラは、吐出条件が書かれたテーブルを備えたことを特徴とする請求項３記載の分注装置コントローラ。
【請求項５】
前記サーボドライブには、フィードフォワード制御が組み込まれ、設定吐出量に応じてフィードフォワード値を調整することを特徴とする請求項３記載の分注装置コントローラ。
【請求項６】
前記サーボドライブは、外乱オブザーバが組み込まれ、前記モータの動作を制御することを特徴とする請求項３記載の分注装置。
【請求項７】
前記サーボドライブは、所望の吐出量に応じて速度、加速度の少なくともどちらか一方を調整するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の分注装置コントローラ。
【請求項８】
前記サーボドライブは、吐出対象の液体の粘度に応じて速度、加減速を調整するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の分注装置コントローラ。
【請求項９】
内部空間を有するシリンジとシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストンと前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路を有する分岐手段と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズルと、前記分流流路の他方はポンプと連通しており、その経路上に電磁弁を配置し、前記ピストンと接続されたシャフトを有するモータによってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置の吐出方法において、
前記液の吐出量が少なくなるにしたがって、速度、加速度の少なくともどちらか一方を高くするように設定することを特徴とする分注装置の吐出方法。
【請求項１０】
前記液の吐出量１μＬ以下場合、加速度を５０ｍ／ｓ２、速度を５０ｍｍ／ｓ以上で前記ピストンを駆動させ、前記ノズルから前記液を吐出させることを特徴とする請求項９記載の分注装置の吐出方法。
【請求項１】
内部空間を有するシリンジとシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストンと前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路を有する分岐手段と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズルと、前記分流流路の他方はポンプと連通しており、その経路上に電磁弁を配置し、前記ピストンと接続されたシャフトを有するモータによってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置において、
前記シャフトの動作方向と、前記ピストンの動作方向と、前記分岐手段内の前記分流流路の流れ方向と、前記チューブ内の流れ方向と、前記ノズルの向きを同一直線上に配置したことを特徴とする分注装置。
【請求項２】
前記シリンジ内径と、前記分岐手段内の前記分流流路の内径と、前記チューブ内径と、前記ノズル内径とを同一内径もしくはテーパー面で結合したことを特徴とする請求項１記載の分注装置。
【請求項３】
内部空間を有するシリンジとシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストンと前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路を有する分岐手段と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズルと、前記分流流路の他方はポンプと連通しており、その経路上に電磁弁を配置し、前記ピストンと接続されたシャフトを有するモータによってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置コントローラにおいて、
前記分注装置コントローラは、上位コントローラからの作業指令を受けるモーションコントローラと、前記モーションコントローラから移動指令を受けつけて前記モータを制御するサーボドライブを備えたことを特徴とする分注装置コントローラ。
【請求項４】
前記モーションコントローラは、吐出条件が書かれたテーブルを備えたことを特徴とする請求項３記載の分注装置コントローラ。
【請求項５】
前記サーボドライブには、フィードフォワード制御が組み込まれ、設定吐出量に応じてフィードフォワード値を調整することを特徴とする請求項３記載の分注装置コントローラ。
【請求項６】
前記サーボドライブは、外乱オブザーバが組み込まれ、前記モータの動作を制御することを特徴とする請求項３記載の分注装置。
【請求項７】
前記サーボドライブは、所望の吐出量に応じて速度、加速度の少なくともどちらか一方を調整するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の分注装置コントローラ。
【請求項８】
前記サーボドライブは、吐出対象の液体の粘度に応じて速度、加減速を調整するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の分注装置コントローラ。
【請求項９】
内部空間を有するシリンジとシリンジ内面に接触しながら往復運動するピストンと前記ピストン内部空間と連通し、前記ピストンからの流路を２方向に分流する流路を有する分岐手段と分流流路の一方とチューブを介して連通されたノズルと、前記分流流路の他方はポンプと連通しており、その経路上に電磁弁を配置し、前記ピストンと接続されたシャフトを有するモータによってピストンを往復動作させて、前記ノズル先端より液を吸引、吐出させる分注装置の吐出方法において、
前記液の吐出量が少なくなるにしたがって、速度、加速度の少なくともどちらか一方を高くするように設定することを特徴とする分注装置の吐出方法。
【請求項１０】
前記液の吐出量１μＬ以下場合、加速度を５０ｍ／ｓ２、速度を５０ｍｍ／ｓ以上で前記ピストンを駆動させ、前記ノズルから前記液を吐出させることを特徴とする請求項９記載の分注装置の吐出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００８−１９７０３７（Ｐ２００８−１９７０３７Ａ）
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３４４６４（Ｐ２００７−３４４６４）
【出願日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
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