JP4085230B2 - 撹拌装置及びその撹拌装置を備えた分析装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撹拌装置に係り、特に、分析装置に適した撹拌装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
容器内の液体をヘラまたはスクリューなどで撹拌する撹拌装置では、容器の大きさや容器内の液体の量などによって十分に撹拌できない場合があることや、ヘラまたはスクリューなどに、撹拌した液体やその液体中の物質が付着することにより、異なる液体や物質などが入った容器間でクロスコンタミネーションが生じるなどの問題がある。このような問題を解決するため容器の下方または斜め下方から容器内の液体に向けて音波を放射し、この音波によって容器内の液体に容器底部から上方に向かう音響直進流を液体に起こし、この音響直進流が液面付近で下降することにより液体の上下対流を発生させて液体を撹拌する非接触の撹拌装置が特開平８−１４６００７号公報などに提案されている。
【０００３】
しかし、特開平８−１４６００７号公報などに提案されている音響直進流を引き起こす撹拌装置では、十分な撹拌効率が得られない場合が有るため、本願の発明者らは、撹拌効率を向上した撹拌装置を特開２０００−１４６９８６号公報などに提案している。この特開２０００−１４６９８６号公報などに記載された撹拌装置では、容器に収容された液体の液面に音響放射圧を作用させることで、容器内の液体に特開平８−１４６００７号公報などに提案されている撹拌装置よりも強い旋回流を起こすことにより、撹拌効率を向上している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年、医療や化学、環境など様々な分野において、できるだけ速く分析結果を知ることができるようにするため、分析に要する時間をより短縮することが望まれている。したがって、分析過程の一つである撹拌に要する時間を短縮するため、さらに撹拌効率を向上することが要求されている。
【０００５】
本発明の課題は、撹拌効率を向上することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の撹拌装置は、液体を収容した容器の液相部から前記液体の液面を介して気相部に向かう方向に音波を放射して前記液体の液面に音響放射圧を作用させ前記液体に旋回流を発生させるものであり、音波の強度を周期的に変える構成とすることにより上記課題を解決する。この場合において、音波を放射する手段は、少なくとも１つの圧電素子と、この圧電素子の音波放射側の面に形成された１つの放射側電極と、圧電素子の音波放射側と反対側の面に形成され複数のセグメントがアレイ状に配置された裏面側電極とを有し、放射側電極の一方の端部は圧電素子の裏面側電極が形成される側の面に折り返して形成されるものとする。
【０００７】
さらに、音波を放射する手段は、容器の下方に位置する第１の音波放射手段と、容器の側方に位置する第２の音波放射手段とを有し、第１の音波放射手段は、第２の音波放射手段が設置される側の側壁側の液面を容器から飛び出さない程度に持ち上げる強度の音波を照射し、第２の音波放射手段は、第１の音波放射手段から放射される音波の強度以上の音波を第１の音波放射手段により片側が持ち上がった液面部分に向けて照射するように設定する。すなわち、容器の下方と容器の側方とから容器に向けて音波を放射し、下方から放射された音波により容器内の液体の液面が持ち上がった部分に側方からの音波を放射する。ここで、第２の音波放射手段は、容器に対し、液相部、液体の液面、気相部、そして容器の内壁面の順に入射する音波を放射する構成とする。
【０００８】
さらに、異なる周波数の波形を乗算して振幅変調することで音波の強度を周期的に変える構成とする。また、音波の発生と停止とを繰り返すことで音波の強度を周期的に変える構成とする。さらに、音波の放射方向に交わる方向に容器の相対的位置を移動させることで前記音波の強度を周期的に変える構成とする。
【０００９】
このような構成とすることにより、容器内の液体の液面に向けて放射された音波による音響放射圧を液面に作用させて容器内の液体に発生した旋回流が、液面に照射する音波の強度を周期的に変えることによって流動状態が周期的に変化する。したがって、容器内の液体に対し、流動状態が一定の旋回流の撹拌効率よりも高い撹拌効率が得られる脈動する旋回流を形成できるため、撹拌効率を向上できる。
【００１０】
さらに、上記のいずれかの構成の撹拌装置と、液体の物性を測定する測定手段とを含む構成の分析装置とすれば、分析時間を短縮できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用してなる撹拌装置の一実施形態について図１乃至図８を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる撹拌装置の概略構成と動作を示す断面図である。図２は、音源となる圧電素子の概略構成を示す斜視図である。図３は、音源となる圧電素子の概略構成と動作を示す側面図である。図４は、音源を駆動するドライバの概略構成と動作を示すブロック図である。図５は、本発明を適用してなる撹拌装置を備えた分析装置の概略構成を示す図である。図６は、液面に対する音響放射圧の作用について説明する模式図であり、（ａ）は、比較的強度の弱い音波を放射したときの音響放射圧の作用を、（ｂ）は、比較的強度の強い音波を放射したときの音響放射圧の作用を示す。図７は、放射する音波の強度と音響放射圧の関係を示す図である。図８は、振幅変調のための副波形発生器から送出される副振動波形の１例を示す図であり、（ａ）は、最小値と最大値との間を正弦波的に変化させた波形を、（ｂ）は、オフセットを重畳させた波形を、（ｃ）は、ＯＮ−ＯＦＦを繰り返した矩形状の波形を示す。
【００１２】
本実施形態の撹拌装置１は、図１に示すように、撹拌する液体３を収容した反応容器５の側方に位置するように配設されて撹拌用の音波として例えば超音波などを放射する側方音源７、反応容器５の下方に位置するように配設されて撹拌用の音波として例えば超音波などを放射する下方音源９、側方音源７と下方音源９を駆動するドライバ１１などで構成されている。本実施形態の反応容器５は、上端が開口された四角柱状の容器であり、反応容器５内に入れられた液体３を所定の温度に保つため、恒温槽１３内に収容され、所定の温度に加熱された液体からなる熱媒１５、例えば水などに挿入された状態になっている。側方音源７は、恒温槽１３内の側面に設置されており、下方音源９は、恒温槽１３内の底面の側方音源７寄りに設置されている。
【００１３】
下方音源７と側方音源９は、図２及び図３に示すように、一枚の圧電素子１７の音波を放射する側となる面と反対側の面に形成された裏面側電極１９は、アレイ状に配置された複数のセグメント１９−１、１９−２〜１９−ｎに分割されている。なお、図３では、１３のセグメント１９−１、１９−２〜１９−１３に分割した状態を例示している。一方、圧電素子１７の音波を放射する側となる面に形成された放射側電極２１は、１つの電極からなり、放射側電極２１の一方の端部は、折り返されて圧電素子１７の電極１９が形成された側の面に回り込むように形成されている。裏面側電極１９の各セグメント１９−１、１９−２〜１９−ｎは、各々通電するセグメントを選択するセグメント選択手段となるスイッチ２３−１、２３−２〜２３−ｎを介して電源２５に電気的に接続されており、また、放射側電極２１は、電源２５に直接電気的に接続されている。本実施形態では、スイッチ２３−１、２３−２〜２３−ｎなどのセグメント選択手段は、図１に示すドライバ１１に含まれている。
【００１４】
ドライバ１１は、図４に示すように、放射する音波の基本周波数の基本振動波形２７を発生する波形発生器２９、基本振動波形２７よりも低い周波数の副振動波形３１を発生する副波形発生器３３、基本振動波形２７と副振動波形３１の乗算波形３５を生成する乗算回路３７、乗算波形３５の電力増幅を行う電力増幅器３９、そして図４には図示していない前述のようなセグメント選択手段などで構成されている。このように、ドライバ１１からは振幅変調された電圧４１が圧電素子１７に対して印加される。このとき、裏面側電極１９の電圧を印加すべきセグメント１９−１、１９−２〜１９−ｎがドライバ１１内のセグメント選択手段であるスイッチ２３−１、２３−２〜２３−ｎの開閉によって選択され、圧電素子１７の特定の部分、すなわちセグメント１９−１、１９−２〜１９−ｎの内の選択されたセグメントに対応する圧電素子１７の部分から音波が放射される。
【００１５】
このような本実施形態の撹拌装置１を備えた分析装置の一例について説明する。例示する分析装置４３は、図５に示すように、反応容器５を格納する反応ディスク４５、反応ディスク４５内に格納されている反応容器５の恒温状態を保つ為の前述の恒温槽１３、分析対象となるサンプルなどが入っているサンプルカップ４７を収納するサンプル用ターンテーブル４９、分析に用いる試薬などが入っている試薬ボトル５１を格納する試薬用ターンテーブル５３、サンプルや試薬などを各々反応容器５に分注するサンプリング分注機構５５と試薬分注機構５７、分注されたサンプルと試薬などを反応容器５内で撹拌する本実施形態の撹拌装置１、反応容器５内の混合物質の反応過程や反応後の吸光度などを測定する測定機構５９、測定が終了した後に反応容器５を洗浄する洗浄機構６１、分析装置４３の動作に関する情報、例えば分析項目やサンプル量などの設定や測定値の演算などを行うコンソール６３、そしてコンソール６３で設定された情報に基づいて自動的に分析プロトコルに沿ったプログラムを作成して分析装置４３の各部の動作を制御するコントローラ６５などで構成されている。
【００１６】
このような構成の撹拌装置１の動作と本発明の特徴部について分析装置４３の動作を交えて説明する。分析装置４３のコンソール６３での設定が終了し、分析開始を指令すると、コントローラ６５からの指令に従って、まず、サンプリング分注機構５５によってサンプルカップ４７が反応容器５に分注される。次に反応容器５を格納した反応ディスク４５は、サンプルが分注された反応容器５が試薬分注位置に来るまで回転し、この後、試薬分注機構５３によって試薬ボトル５１に収容された試薬が反応容器５内に分注される。さらに、反応ディスク４５は、撹拌装置１が設置されている位置にサンプルと試薬が分注された反応容器５が来るまで回転し、反応容器５内の被測定液３を撹拌してサンプルと試薬との混合を行う。
【００１７】
ここで、コントローラ６５に電気的に接続された撹拌装置１の音源７、９を駆動するドライバ１１は、図１に示すように、撹拌する被測定液３の量すなわち反応容器５内に分注されているサンプルと試薬の量と、それを撹拌するタイミングに関する情報６７を受け取る。情報６７を受け取ったドライバ１１は、情報６７のうち液量に関する情報から反応容器５内に入っている液体３つまり被測定液３の図１において破線で示した静置状態の液面６９の高さを計算し、この計算された静置状態での液面６９の高さなどに基づいて最適な音波照射領域に対応する側方音源７の音波放射位置と下方音源９の音波放射位置を決定する。そして、ドライバ１１は、決定された側方音源７の音波放射位置と下方音源９の音波放射位置に対応するセグメント、例えば図３では圧電素子１７の中央部のセグメント１９−６、１９−７、１９−８を選択するスイッチ２３−６、２３−７、２３−８を閉して電源２５により電圧を印加し圧電素子１７を駆動し、圧電素子１７の選択された音波放射位置、つまりセグメント１９−６、１９−７、１９−８に対応する位置から音波７１を放射する。これにより側方音源７と下方音源９の所望の位置から音波を反応容器５内の被測定液３に向けて放射することができる。
【００１８】
このとき、下方音源９は、図１に示すように、静置状態での液面６９の側方音源７に面する反応容器５の側壁側の部分に向けて音波７１を放射する。この下方音源９から放射される音波７１ａの強度は、側方音源７側の側壁側の液面６９が反応容器５から飛び出さない程度に持ち上がった液面、すなわち図１において実線で示したような片側が持ち上がった液面７３になる程度の強度で放射している。一方、側方音源７は、被測定液３が静置状態のときに、反応容器５内の気相部７４側の液面６９近傍に向けて、この静置状態での液面６９にほぼ沿う方向に音波を放射する位置に設置されている。そして、側方音源７は、下方音源９からの音波７１ａの音響放射圧の作用によって片側が持ち上がった液面７３の持ち上がった液面部分に向けて音波７１ｂを放射する。側方音源７から放射される音波７１ｂの強度は、下方音源９から放射される音波７１ａ以上の強度としている。このように、下方音源９と側方音源７とから放射された各々の音波は、恒温槽１３内の熱媒１５中を伝播して反応容器５に入射し、さらに反応容器５内の液相部となる被測定液３を伝播し、被測定液３の液面を介して気相部７４へと向かう。
【００１９】
ところで、一般に、液相部を気相部に向けて伝播してきた音波が自由液面に達すると、液面には気相部側に飛び出すような力、すなわち音響放射圧が作用する。この際の音響放射圧と液面の状態は、図６（ａ）に示すように、比較的弱い強度の音波７１ｃが液体３中を伝ぱしてきて、この音波７１ｃの強度に対応する比較的弱い強度の音響放射圧が液面７７に作用すると、液面７７は、気相部７４側に持ち上がり隆起部７９を形成する様相を呈する。音波７１ｃよりも強い強度の音波７１ｄが液体３中を伝ぱしてきて、この音波７１ｄの強度に対応する比較的強い強度の音響放射圧が液面７７に作用すると、図６（ｂ）に示すように、液体３の液面７７が音波７１ｃのときの隆起部７９よりも大きく隆起し、さらに気相部７４側に液体３が噴出する噴出部８１が形成される。このとき、音波の強度と液面に作用する音響放射圧との関係は、図７に示すように、音波の強度が強くなれば音響放射圧も大きくなる比例関係にある。
【００２０】
本実施形態においては、下方音源９から放射する音波７１ａは、反応容器５外に被測定液３が飛散しないように、図６（ａ）に示すような隆起部７９が形成されるような比較的弱い強度とし、側方音源７から放射する音波７１ｂは、図６（ｂ）に示すような噴出部８１が形成される強度とすることで図１に示すような旋回流７５を反応容器５内に発生させて被測定液３を撹拌し、サンプルと試薬などを混合している。すなわち、下方音源９と側方音源７から音波を反応容器５内の被測定液３に照射することにより、下方音源９からの音波の音響放射圧で静置状態の液面６３の側方音源７側の液面部分を持ち上げ、側方音源７からの音波の音響放射圧で片側が持ち上がった液面７３の持ち上がった液面部分を側方音源７と反対側の反応容器５の側壁へ向かって流動させている。これにより、反応容器５内の被測定液３に、旋回流７５が発生する。この旋回流７５によって被測定液３つまりサンプルと試薬が撹拌され、混合される。
【００２１】
さらに、ドライバ１１からは、図４に示すように、振幅変調された波形の電圧４１が側方音源７に印加される。したがって、側方音源７から放射される音波７１ｂもその振幅変化に応じて周期的に強弱し、図７に示す音波の強度と音響放射圧の関係のように、音波７１ｂの周期的強弱に応じて強弱する脈動的な音響放射圧が被測定液３の自由液面６９に作用することになる。このとき、音波７１ｂの強度が最大のときに、上記のような噴出部８１が形成される強度となる。したがって、被測定液３に発生する旋回流７５も脈動が加わった流動となり、一定強度の音波を照射した場合に発生する一定の流動状態の旋回流に比べ撹拌効率が高くなり、サンプルと試薬などの混合が促進される。
【００２２】
なお、ドライバ１１において振幅変調に用いる副波形発生器３３から送出される副振動波形３１を発生する波形は、例えば、図８（ａ）に示すように、最小値と最大値との間を正弦波的に変化させた波形、図８（ｂ）に示すように、オフセット８３を重畳させた波形、そして、図８（ｃ）に示すように、ＯＮ−ＯＦＦを繰り返した矩形状の波形などを用いることができる。特に、ＯＮ−ＯＦＦを繰り返す矩形状の波形とした場合、副波形発生器３３の波形を生成する機構は、他の波形を生成するための機構よりも単純化され、ドライバの低コスト化が可能となる。また、このようなＯＮ−ＯＦＦ的な制御は、副波形発生器３３を用いずに、基本振動波形２７を発生する波形発生器２９をＯＮ−ＯＦＦするだけでも実現可能であり、本実施形態のドライバ１１に比べ、さらにコストを抑えることができる。
【００２３】
上記のような撹拌装置１での被計測液３の撹拌によるサンプルと試薬の混合が終了すると、分析装置４３の反応ディスク４５は、撹拌が終了した反応容器５が測定機構５９の位置に来るまで回転し、測定機構５９による測定を行う。測定が終了すると、反応ディスク４５は、測定が終了した反応容器５が洗浄機構６１の位置に来るまで回転し、洗浄機構６１によって反応容器５内の被測定液３は吸引され、この後、反応容器５への洗浄液の注入と吸引などにより反応容器５を洗浄する洗浄処理が施される。本例の分析装置４３では、このような一連のプロセスが複数のサンプルに対して逐一バッチ処理的に進められていく。
【００２４】
このように本実施形態の撹拌装置１では、下方音源９と側方音源７の各々から反応容器５内の被測定液３の液面６９、７３に向けて放射された音波７１ａ、７１ｂによる音響放射圧が、各々、静置状態の液面６９と片側が持ち上がった状態の液面７３の持ち上がった液面部分に作用し、被測定液３に旋回流を発生させると共に、側方音源７から放射される音波の強度を周期的に変えることにより、片側が持ち上がった状態の液面７３の持ち上がった液面部分に作用する音響放射圧の大きさを周期的に変えて被測定液３流動状態を変化させている。したがって、反応容器５内の被測定液３に対し、流動状態が一定の旋回流による撹拌効率よりも高い撹拌効率が得られる脈動する旋回流を形成できるため、撹拌効率を向上できる。
【００２５】
さらに、撹拌効率が向上することにより、撹拌操作に要する時間を短縮できる。また、撹拌操作に要する時間が短縮され、音波を照射する時間が短縮されるため、撹拌に要する電力を低減できる。加えて、一定強度の音波を照射する場合に比べ、振幅変調されている分だけ圧電素子１７に供給する電力も低減されるため、よりランニングコストを抑えることも可能となる。さらに、反応容器などの壁面摩擦の影響を一切受けない気液界面付近での音響放射圧が支配的な流動を利用しているため、音響直進流を利用した方法に比べより小さな音波で被測定液を撹拌する事が可能である。もちろん、反応容器５に収容された被測定液３に対して、全く接触することなく混合を行うので、ヘラやスクリューなどによる撹拌方法のようなキャリーオーバーによるクロスコンタミネーションや反応容器の小型化に伴なうヘラなどの位置決め精度といった問題が無くなる。
【００２６】
さらに、本実施形態では、裏面側電極１９がアレイ状に配置されたセグメント１９−１、１９−２〜１９−ｎからなる圧電素子１７を用いているため、１つの圧電素子で所望の位置から音波を放射することができ、攪拌装置の構造の簡素化やコストの低減ができる。また、本実施形態の圧電素子１７では、放射側電極２１は、裏面側電極１９が形成されている面に折り返して形成されているため、ドライバ１１などからの配線の接続を一つの面に集中させることができる。加えて、圧電素子１７は、電極パターンをスクリーン印刷などで容易に形成することができるため量産に極めて有利であり、また、製作時間の短縮もできる。さらに、圧電素子１７は、構造が極めて簡素であるため不具合などが起こり難く、撹拌装置の信頼性を向上できる。ただし、音源としては、複数の圧電素子をアレイ状に配置した構成の音源を用いることもでき、さらに圧電素子以外の様々な音源を用いることができる。
【００２７】
ところで、現在市販されている種々の分析装置は、分析対象となるサンプルや試薬などを反応容器に供給するためのサンプル分注機構や試薬分注機構、反応容器内のサンプルと試薬などを撹拌するための撹拌機構、反応中あるいは反応が終了したサンプルの物性を測定するための測定機構、測定が終了したサンプルと試薬などの混合液を吸引して排出し、反応容器を洗浄するための自動洗浄機構、そしてこれらの動作をコントロールする制御機構などで構成されている。このような分析装置では、前述のように、撹拌機構として、サンプルと試薬などを撹拌するために、ヘラまたはスクリューなどを液に挿入し、これらのヘラやスクリューなどを回転する事によって撹拌する方式を用いている。また、ヘラまたはスクリューなどを液に挿入する撹拌装置で発生するクロスコンタミネーションなどを防ぐために、特開平８−１４６００７号公報に記載のように、液体に音波を照射して、液体中に音響直進流を生成してサンプルと試薬などを非接触で撹拌する方法も提案されている。
【００２８】
近年、例えば医療分野では、臨床検査を行なってからその検査結果が得られるまでの時間を短縮し、医師が患者に対してタイムリーかつ適切な治療を施す事ができるように、集められた多数のサンプルを一括してより短時間で分析を行える臨床診断用の分析装置が望まれている。このような高速化の要望に対応する場合、各操作、例えばサンプルや試薬の分注、撹拌、洗浄などに割り当てる時間を短くせざるを得ない。この際、特に時間を短くした場合に問題になるのは被測定液の撹拌操作で、短時間の撹拌操作ゆえ混合不足となり所望の反応が達成されず正確な検査結果が得られなくなる恐れがある。したがって、十分な撹拌効率が得られない場合がある従来のヘラなどによる撹拌機構や音響直進流を生成する音波による撹拌機構では、撹拌時間を短縮し、分析を十分に高速化することができない場合がある。
【００２９】
これに対して本実施形態の撹拌装置１を撹拌機構として備えた分析装置、例えば例示した分析装置４３などでは、撹拌装置１の撹拌効率を向上できるため、より短時間でサンプルと試薬などの十分な混合が行え、分析時間を短縮することができ、分析装置を高速化することができる。
【００３０】
さらに、臨床検査用のサンプルとなる血液などの患者からの採取量を減らし、患者に対する負担を低減するため、または検査後に処理すべき廃液量を低減させるため、より少ないサンプル量で検査を行なえることも望まれている。しかし、従来の音響直進流を発生させる音波による撹拌機構では、サンプル量が減ることにより、反応液量が微量化していくと、反応容器そのものも小型化していく事になり、反応容器の表面積も小さくなる。このため、音響直進流の発生に必要な音響エネルギーを反応容器内の被測定液に与える事が困難となってくる。また、音響直進流によって撹拌に有効な循環流れを発生させるためには、内部に音場の先鋭的な強度の分布を形成させる必要があるが、反応容器が小型化すると反応容器内の音場の相対的な強度差が小さくなるといった問題から短時間での効率のよい撹拌が困難となる。
【００３１】
これに対して、本実施形態の撹拌装置１を撹拌機構として備えた分析装置、例えば例示した分析装置４３などでは、音源からの音波による音響放射圧を反応容器内の被測定液の液面に作用させて旋回流を発生するものであるため、被測定液の量が微量化しても撹拌機構は十分な撹拌効率を維持できる。したがって、サンプル量を低減でき、また、サンプル量が低減しても分析を高速化することができる。さらに、サンプル量の低減によって試薬の使用量も少なくなるので検査のランニングコストを低減できる。また、撹拌機構の撹拌効率が向上することにより、より撹拌機構で消費する電力を低減できるため、装置の消費電力も低減でき、検査のランニングコストも低減できる。
【００３２】
また、このような臨床検査用分析装置が設置される医療施設では、スペースの事情から装置が大型化しないことが望まれているが、本実施形態の撹拌装置１を撹拌機構として備えた分析装置、例えば分析装置４３などでは、撹拌装置１により撹拌効率が向上できることから、撹拌機構を小型化できるため、高速化や高機能かで構成要素などが増えた場合でも装置の大型化を抑えることができる。
【００３３】
また、本実施形態の撹拌装置１では、ドライバ１１は、側方音源７からの音波７１ｂを周期的に強弱させるため、基本振動波形２７に副振動波形３１を乗算するか、または波形発生器２９をＯＮ−ＯＦＦしているが、このような方法に限らず、様々な方法で音波の強度を周期的に変えることができる。なお、音波の強度を変える周期は、一定周期にすることもできるし、不定周期にすることもできる。以下に音波の強度を周期的に変える方法の一例を例示する。
【００３４】
例えば、音源として圧電素子を用いた場合、一般に圧電素子ではその材質の厚み共振を利用して強力な音波を発生しているため、印加する電圧の周波数をパラメーターとすると、図９に示すように、特定の周波数で音波の強度のピーク、すなわち厚み共振周波数ｆｒが現れるような周波数応答特性を示す。このような圧電素子の周波数特性を利用し、音源となる圧電素子に印加する電圧を、厚み共振周波数ｆｒを中心とした周波数帯域上で変化させることにより、その周波数特性に応じた音波の強度が得られ、音波の強度を周期的に変えることができる。
【００３５】
また別の例として、一定強度で音波を放射している音源に対して反応容器の相対的な位置を変化させる方法もある。すなわち、反応容器５を、図１０に示すように、音源８５の正面で放射される音波７１の全エネルギーを受ける位置、音源８５に対して相対的にずれて、音源８５の正面で放射される音波７１のエネルギーの一部を受ける位置、そして音源８５に対向せず、音源８５の正面で放射される音波７１のエネルギーをほとんど受けない位置とに順次相対的に移動させることにより、反応容器が受ける音波の強度を周期的に変えることができる。したがって、反応容器がターンテーブルなどの反応容器の移動手段に設置されている場合には、撹拌時における移動手段の動作を制御することで、音源に対して反応容器を相対的に移動させることで被測定液に照射される音波の強度を変化させることができる。
【００３６】
さらに別の例として、図１１に示すように、間隔をおいて配置した複数の音源８７、８９、９１から各々音波９３、９５、９７を放射しておき、反応容器５が各音源８７、８９、９１の前を順次通過させることによっても、１つの音源と反応容器を相対的に移動させた場合と同様に、被測定液に照射される音波の強度を変化させることができる。
【００３７】
また、本実施形態では、側方音源７と下方音源９とを有する構成を示したが、これに限らず、液面に音響放射圧を作用させて旋回流を発生させることができる様々な音源の配置にできる。例えば、撹拌する液体の表面張力が低い場合などで、反応容器の側壁内面に向けて液面が高く反応容器の中央部で液面が低いような状態になる場合には、反応容器の下方に音源を設ける必要はなく、反応容器の側方に設置した音源から反応容器の側壁内面に向けて高くなった液面部分に音波を照射すれば、旋回流を生成できる。同様に、反応容器がターンテーブルなどに設置されている場合には、ターンテーブルの回転による遠心力で反応容器ないの液面の片側を持ち上げ、この持ち上がった液面部分に反応容器の側方に設置した音源からの音波を照射すればよい。
【００３８】
さらに、反応容器を傾斜させて設置した場合や、反応容器の開口部に音響放射圧で隆起または噴出した液体を跳ね返す部材を設けた場合などは、音源から反応容器内の液相部から液面を介して気相部、そして反応容器の側壁または液体を跳ね返す部材に向かう音波が放射されるように反応容器の下方のみに音源を設置すればよい。このように、反応容器内の液相部から液面を介して気相部に向かうように音源から音波を放射して液面に音響放射圧を作用させることで旋回流を起こすことができる様々な構成にできる。
【００３９】
また、本実施形態では、熱媒１５を収容した恒温槽１３に側方音源７と下方音源９を取り付け、熱媒１５を介して反応容器５中の液体３の液面に向けて音波を放射しているが、音波の伝播経路に熱媒となる液体が介在している必要はない。ただし、音源と反応容器との間に十分な音響的伝達特性が得られない媒体が介在している場合には、例えば、十分な音響的伝達特性を有する液体などが封入された音響カプラなどを音源の音波の放射面に取り付け、撹拌時にこの音響カプラを反応容器に密着させるような構成とすればよい。
【００４０】
また、本発明の撹拌装置は、例示した分析装置に限らず、例えば、医療分野で臨床検査、薬物動体検査などに用いる分析装置、環境分野で上水、下水、湖沼、河川などの水質管理などに用いる分析装置、食品分野で品質管理などに用いる分析装置、化学工業分野で生産物などの組成管理や品質検査などに用いる分析装置などの様々な構成及び目的の分析装置に適用することができ、さらに、分析装置に限らず、容器に収容された複数の液体を撹拌する撹拌機構を備えた様々な機器や装置類に適用できる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、撹拌効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる撹拌装置の一実施形態の概略構成と動作を示す断面図である。
【図２】音源となる圧電素子の概略構成を示す斜視図である。
【図３】音源となる圧電素子の概略構成と動作を示す側面図である。
【図４】音源を駆動するドライバの概略構成と動作を示すブロック図である。
【図５】本発明を適用してなる撹拌装置を備えた分析装置の一例の概略構成を示す図である。
【図６】液面に対する音響放射圧の作用について説明する模式図であり、（ａ）は、比較的強度の弱い音波を放射したときの音響放射圧の作用を、（ｂ）は、比較的強度の強い音波を放射したときの音響放射圧の作用を示す。
【図７】放射する音波の強度と音響放射圧の関係を示す図である。
【図８】振幅変調のための副波形発生器から送出される副振動波形の１例を示す図であり、（ａ）は、最小値と最大値との間を正弦波的に変化させた波形を、（ｂ）は、オフセットを重畳させた波形を、（ｃ）は、ＯＮ−ＯＦＦを繰り返した矩形状の波形を示す。
【図９】音源となる圧電素子の周波数応答特性を示す図である。
【図１０】本発明を適用してなる撹拌装置の別の実施形態の概略構成と動作を示す平面図であり、（ａ）は、反応容器が音源の正面で放射される音波の全エネルギーを受ける位置にある状態を、（ｂ）は、反応容器が音源に対して相対的にずれて、音源の正面で放射される音波のエネルギーの一部を受ける位置にある状態を、（ｃ）は、反応容器が音源に対向せず、音源の正面で放射される音波のエネルギーをほとんど受けない位置にある状態を示す。
【図１１】本発明を適用してなる撹拌装置のさらに別の実施形態の概略構成と動作を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 撹拌装置
３ 液体、被測定液
５ 反応容器
７ 側方音源
９ 下方音源
１１ ドライバ
６９、７３ 液面
７１ａ、７１ｂ 音波
７４ 気相部

Claims (5)

1. 液体を収容した容器の液相部から前記液体の液面を介して気相部に向かう方向に音波を放射して前記液体の液面に音響放射圧を作用させ前記液体に旋回流を発生させるとともに、前記音波の強度を周期的に変えてなる撹拌装置であり、
   前記容器の下方に位置する第１の音波放射手段と、前記容器の側方に位置する第２の音波放射手段とを有し、
   前記第１の音波放射手段は、前記第２の音波放射手段が設置される側の側壁側の液面を前記容器から飛び出さない程度に持ち上げる強度の音波を照射し、前記第２の音波放射手段は、前記第１の音波放射手段から放射される音波の強度以上の音波を前記第１の音波放射手段により片側が持ち上がった液面部分に向けて照射するように設定されてなり、
   前記第１と第２の音波放射手段は、少なくとも１つの圧電素子と、該圧電素子の音波放射側の面に形成された１つの放射側電極と、前記圧電素子の前記音波放射側と反対側の面に形成され複数のセグメントがアレイ状に配置された裏面側電極とを有し、前記放射側電極の一方の端部は前記圧電素子の前記裏面側電極が形成される側の面に折り返して形成されることを特徴とする撹拌装置。
2. 異なる周波数の波形を乗算して振幅変調することで前記音波の強度を周期的に変えてなることを特徴とする請求項１に記載の撹拌装置。
3. 前記音波の発生と停止とを繰り返すことで前記音波の強度を周期的に変えてなることを特徴とする請求項１に記載の撹拌装置。
4. 前記音波の放射方向に交わる方向に前記容器の相対的位置を移動させることで前記音波の強度を周期的に変えてなることを特徴とする請求項１に記載の撹拌装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撹拌装置と、前記液体の物性を測定する測定手段とを含む分析装置。

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