JP2007199031A - 分注装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性を損なうことなしに液体の粘度を計測することができるとともに粘度の異なる液体に対して吐出量のばらつきを抑える分注装置を提供する。
【解決手段】シリンジ１に内包されたピストン２と、前記シリンジ１から突出した前記ピストン２の端面に連結された駆動機構２０と、前記シリンジ１吐出口に具備されたプローブ６と、前記駆動機構２０を駆動する駆動回路７とを備えた分注装置において、前記プローブ６で液体を吸入する際に前記駆動機構２０の動作量から粘度を算出し、前記粘度を前記ピストンの移動量に変換する演算装置９を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体を分注する分注装置に係り、特に粘性の異なる液体を分注する際の分注量の正確性向上に関する。

従来の分注装置は、以下のような構成によって動作している（例えば、特許文献１参照）。
図４において、１１１はマイクロシリンジポンプで、シリンダ１１２、ピストン１１３、パルスモータ１１４、ラックピニオン機構１１５等から構成されている。１１６は液体の種類および分注量に応じたパルス数で前記パルスモータ１１４を制御する制御回路、１１７は前記制御回路の信号で前記パルスモータを駆動するための駆動回路、１１８はパルスモータ１１４の移動量およびパルス数を決定するための演算部である。以上の構成の分注装置において、種々の液体を吐出する場合、予め液体種は特定されているので、演算部１１８により、液体種に応じたパルス数および分注量を決定し、それらの値を制御回路１１６に伝える。制御回路１１６からパルスモータ制御用の信号が駆動回路１１７へ信号を送り、駆動回路１１７からパルスモータ１１４へ動力信号が送られる。パルスモータ１１４の回転動作は、ラックピニオン機構１１５によって回転運動から直動運動へ変換される。ピストン１１３ではこの直動運動によって、液体を吸入、吐出することになる。
このように、従来の分注装置は、既知の液体に対して、粘性等の物性からパルス数を決定し、パルスモータを動作させているのである。
特開平４−２９１１５９号公報（第３−４頁、図１）

従来の分注装置は、既知の液体に対して予めパルス数を決定してパルスモータを制御しているので、粘度に差を持つ液体が混在する場合、対応することができないので、吐出量が変動してしまうという問題があった。また、予め液体の粘度を計測しておくという方法も考えられるが、多量の試料の粘度を計測するには長い時間を要するといった問題や工程の増加に伴い生産性が低下するといった問題があった。
また、経時変化によって吐出液成分がプローブ内壁に付着していった場合には、プローブ内径が変化することで吐出量が変動してしまう。その結果、検体と試薬の混合比の割合が変わってしまい、血液検査の精度が低下するという問題があった。さらに、このような問題はわかっていても、実際には使用中のプローブの内径を計測することは困難であるため、対策を施すことができなかった。
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、生産性を損なうことなしに液体の粘度を計測することができるとともに粘度の異なる液体に対して吐出量のばらつきを抑えるとともに、プローブの内径を計測することなしに、液成分の付着によるプローブ内壁が狭窄していても吐出量のばらつきを抑える分注装置を提供することを目的とする。

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。
請求項１に記載の発明は、シリンジに内包されたピストンと、前記シリンジから突出した前記ピストンの端面に連結された駆動機構と、前記シリンジ吐出口に具備されたプローブと、前記駆動機構を駆動する駆動回路とを備えた分注装置において、前記プローブで液体を吸入する際に前記駆動機構の動作量から粘度を算出し、前記粘度を前記ピストンの移動量に変換する演算装置を備えたものである。
また、請求項２に記載の発明は、シリンジに内包されたピストンと、前記シリンジから突出した前記ピストンの端面に連結された駆動機構と、前記シリンジ吐出口に具備されたプローブと、前記駆動機構を駆動する駆動回路とを備えた分注装置において、前記プローブ内面の液体通達部に抵抗体が配設されたものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記抵抗体が、液体が通過するための空洞部を有し、前記空洞の内径が吐出方向へ向かって小さくなった構造であり、前記プローブ内周面に配置されたものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記プローブの内周面は、テフロン(登録商標)やシランカップリング剤等の撥水材料で皮膜されたものである。
また、請求項５に記載の発明は、駆動機構によりピストンがシリンジ内を往復移動し、前記シリンジ吐出口に具備されたプローブから液体が吸入および吐出される分注装置の制御方法において、演算装置で前記駆動機構の動作量から粘度を算出し、前記粘度を前記ピストンの移動量に変換するものである。
また、請求項６に記載の発明は、駆動機構によりピストンがシリンジ内を往復移動し、前記シリンジ吐出口に具備されたプローブから液体が吸入および吐出される分注装置の制御方法において、演算装置で前記プローブの初期使用時に計測した前記駆動機構の動作量との差分量を検出し、前記差分量に応じてピストンの移動量を補正するものである。

請求項１および５に記載の発明によると、液体の吸入時に吐出対象の粘度を計測することができるので、粘度計測用に必要な試料を不要にすることができ、かつ粘度を計測する工程も不要になるので、生産性の低下を防ぐことができ、さらには、粘度の違いによる吐出量のばらつきを低減することができる。
また、請求項２から４に記載の発明によると、吐出時に比べて吸入時の負荷抵抗を大きくすることができるので、粘度検出に使用する駆動回路に流れる電流値は増大し、粘度の検出感度を大きくすることができ、吐出量の安定性を向上させることができる。
また、請求項６に記載の発明によると、液体の吸入時に液成分の付着によるプローブ内径の変化を駆動装置の動作量により検出することができるので、プローブ内径を計測する工程も不要になり、生産性の低下を防ぐことができる。さらには、プローブ内径の違いによる吐出量のばらつきを低減することができる。

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。

図１は、本発明の分注装置のシステム構成図である。駆動機構には、回転型磁気式モータ（以下、モータと呼ぶ）と、回転角を直進量に変換する直動変換機構を用い、駆動機構の動作量にモータ電流値を用いて説明する。図において、１はシリンジ、２はピストン、３はモータ、４は回転角検出器（以降、エンコーダ）、５は回転−直動変換機構、６はプローブ、７は駆動回路、８は制御回路、９は演算装置となっている。
本発明が従来技術と異なる部分は、エンコーダとエンコーダ信号をフィードバックし、位置と速度を制御する制御回路を備えた部分である。
駆動機構２０は、モータ３の軸には回転−直動変換機構５が取り付けられた構成である。回転−直動変換機構５の他端にはピストン２が取り付けられている。ピストン２はモータ３の回動を回転−直動変換機構５により直動に変換され、シリンジ１内を往復移動し、プローブ６から液の吸引および吐出がされている。ピストン２の移動位置はモータ３に具備したエンコーダ４により検出され、エンコーダ４の位置情報は制御回路８へフィードバックされる。制御回路８では位置・速度制御され、駆動回路７へ電流指令を送る。駆動回路７は、電流指令をもとにモータへ駆動電流が与えられる。また、演算装置９が備えられ、液の吸引時のモータ電流をもとに液の粘度をピストンの移動量へ変換している。
次に、本発明の分注装置に用いたプローブの詳細な構造について説明する。
図２はプローブの断面図である。プローブ６の内部に抵抗体１０を配設している。前記抵抗体１０は、液体が通過するための空洞部を有し、前記空洞の内径が吐出方向へ向かって小さくした構造である。また、図３はプローブ内周面に撥水性コーティングを皮膜した例である。プローブ６の内面に撥水皮膜１１をコーティングしている。撥水皮膜１１をコーティングすることにより、液の吸引時には、前記抵抗体を配設しない場合に比べて負荷抵抗が大きくなる。負荷抵抗が大きくなるとモータに流れる電流が大きくなるため、粘度時の検出電流も増加する。撥水皮膜は、テフロン(登録商標)やシランカップリング剤などが溶解した溶液にプローブ６の先端を漬け、加熱処理を行い、一定時間放置したのち、プローブを取り出し乾燥させることで形成させることができる。
このような構造にすることで、液の吸引時には前記抵抗体や撥水皮膜を配設しない場合に比べて負荷抵抗が大きくなり、モータへ流れる電流が大きくなるため、粘度が変化した際の検出電流も増加させることができる。

以上の構成の分注装置による分注動作は次のように行われる。
（１）図示しない２つのモータ（以降、昇降モータ・回転モータ）によって、プローブ６の先端を液に近接させる。
（２）シリンジ１の内部容積が増加する方向にピストン２をわずかに動かす。この動作によってプローブ６の先端に微量の空気が吸引される。
（３）前記昇降モータによってプローブ６の先端を液に挿入する。
（４）所定の量だけ液を吸入するようにシリンジ１の内部容積が増加する方向にピストン２を動かす。
（５）モータ駆動の際に得られた電流値データは、演算装置９へ送られて、液を吐出するためのモータの移動量が算出される。
（６）粘性に応じたモータ移動量でモータは制御され、分注される。
このように、所定の量の液を吸引する際に発生する負荷抵抗に相当するトルクが発生するように制御回路７から駆動回路８へ電流指令が送られ、電流指令に見合う電流をモータ３へ流す。したがって、液を吸引する際の駆動回路からモータへの電流を検出することで液の粘性が検出される。ここで、液の粘性と駆動電流の関係は式1の関係から、流量は比例液の粘度ηに反比例し、流入部圧力ｐ_１と流出部圧力ｐ_２の差分値にする関係である。流入部圧力ｐ_１と流出部圧力ｐ_２の差分値は、モータトルクに関係する項であり、電流に比例する関係にある。この電流値データをもとに演算装置９で粘度が算出される。
Ｑ＝Ｃ（ｐ_１−ｐ_２）／η （１）
Ｑ：流量 η：流体の粘度 ｐ_１：流入部圧力 ｐ_２：流出部圧力
Ｃ：細管の形状による定数
次に、液の粘度とモータの移動量の関係について説明する。吐出量と粘度には式２に示す粘度をパラメータとした関係がある。求められた吐出量は、シリンジ内径とピストンのストロークの関係から求められる。すなわち、ピストンのストロークは、モータ移動量が求められることになる。
Ｖ＝ｆ（η） （２）
Ｖ：吐出量 ｆ(η)：粘度の関数
このように粘性が変化しても吐出量のばらつきの少ない、正確な分注を行うことができる。

次に、本発明の第２実施例を説明する。第２実施例の構成は、第１実施例と同様であるので説明を省略する。本発明が第１実施例と異なる部分は、演算装置で前記プローブの初期使用時に計測した前記駆動機構の動作量との差分量を検出し、前記差分量に応じてピストンの移動量を補正する部分である。
所定の量の液を吸引する際に発生する負荷抵抗に相当するトルクが発生するように制御回路７から駆動回路８へ電流指令が送られ、電流指令に見合う電流をモータ３へ流すことにより、モータを所望の位置へ精度よく動かすことができる。このような構成において、何度も吐出を繰り返した際に、吐出液成分の付着によりプローブが狭窄して内径が小さくなってしまうといった問題が発生した場合には、吸引時の流体抵抗が増加するために駆動電流もまた増加することになる。したがって、液を吸引する際の駆動回路からモータへの電流を検出し、プローブが初期状態の時の電流値との差異を検出することで、プローブ内径の変化を検知することが可能となる。この電流値データの差異をもとに演算装置９にて、ピストンの移動量を補正する。その結果、プローブ内径が変化しても吐出量のばらつきの少ない、正確な分注を行うことができる。
次にモータ移動量の補正方法について説明する。図４はモータ電流値と吐出量の関係図で、予め、内径の異なるプローブを用いて、液吸入時のモータ電流値とピストン移動量を一定にして吐出した時の吐出量を計測し、横軸をモータ電流値、縦軸を吐出量としたものである。この関係図に基づいて液吸引時のモータ電流値と吐出量の回帰式を作成する。実際の液吐出においては、液吸引時のモータ電流を検出し、その電流値と前記回帰式に基づいて吐出量を算出する。モータの移動量と吐出量は比例するので、算出された吐出量と所定の吐出量が一致するようにピストンの移動量を補正する。
ここでは、モータは回転型で説明しているが、モータをリニアモータ、エンコーダをリニアスケールとし、回転−直動変換機構を省略しても同様の効果があるのは自明であり、駆動機構の動作量をモータの電流値として求めたが、圧電式、静電式、電歪式等の電圧を扱うものでも良く、駆動機構の動作量が変化するものであれば良い。

本発明の第１実施例を示す分注装置のシステム構成図 本発明の第１実施例を示す分注装置のプローブ断面図 本発明の第１実施例を示す分注装置のプローブ断面図 本発明の第２実施例のモータ移動量補正に用いるモータ電流値と吐出量の関係 従来の分注装置のシステム構成図

符号の説明

１ シリンジ
２ ピストン
３ モータ
４ エンコーダ
５ 回転−直動変換機構
６ プローブ
７ 駆動回路
８ 制御回路
９ 演算装置
１０ 抵抗体
１１ 撥水皮膜
２０ 駆動機構
１１１ マイクロシリンジポンプ
１１２ シリンダ
１１３ ピストン
１１４ パルスモータ
１１５ ラックピニオン機構
１１６ 制御回路
１１７ 駆動回路
１１８ 演算部

Claims (6)

1. シリンジに内包されたピストンと、前記シリンジから突出した前記ピストンの端面に連結された駆動機構と、前記シリンジ吐出口に具備されたプローブと、前記駆動機構を駆動する駆動回路とを備えた分注装置において、
   前記プローブで液体を吸入する際に前記駆動機構の動作量から粘度を算出し、前記粘度を前記ピストンの移動量に変換する演算装置を備えたことを特徴とする分注装置。
2. シリンジに内包されたピストンと、前記シリンジから突出した前記ピストンの端面に連結された駆動機構と、前記シリンジ吐出口に具備されたプローブと、前記駆動機構を駆動する駆動回路とを備えた分注装置において、
   前記プローブ内面の液体通達部に抵抗体が配設されたことを特徴とする分注装置。
3. 前記抵抗体は、液体が通過するための空洞部を有し、前記空洞の内径が吐出方向へ向かって小さくなった構造であり、前記プローブ内周面に配置されたことを特徴とする請求項２記載の分注装置。
4. 前記プローブの内周面は、テフロン(登録商標)やシランカップリング剤等の撥水材料で皮膜されたことを特徴とする請求項２記載の分注装置。
5. 駆動機構によりピストンがシリンジ内を往復移動し、前記シリンジ吐出口に具備されたプローブから液体が吸入および吐出される分注装置の制御方法において、
   演算装置で前記駆動機構の動作量から粘度を算出し、前記粘度を前記ピストンの移動量に変換することを特徴とする分注装置の制御方法。
6. 駆動機構によりピストンがシリンジ内を往復移動し、前記シリンジ吐出口に具備されたプローブから液体が吸入および吐出される分注装置の制御方法において、
   演算装置で前記プローブの初期使用時に計測した前記駆動機構の動作量との差分量を検出し、前記差分量に応じてピストンの移動量を補正することを特徴とする分注装置の制御方法。

Images