JP5157950B2

JP5157950B2 - 分注装置

Info

Publication number: JP5157950B2
Application number: JP2009033521A
Authority: JP
Inventors: 多一郎根津; 虹之景; 和信栗田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2029-02-17
Also published as: JP2010203773A

Description

本発明は、検体検査などにおいて、液体試料を吸入・吐出する分注を行う分注装置に関する。

薬液等の液体試料を分注する分注装置が知られている。この分注装置は、ノズルや、ノズル内に液体試料を吸入・吐出するためのポンプ、ノズルを搬送するノズル搬送機構などから構成される。

また、分注装置は、例えば、遺伝子の機能解析を行うためのＩＳＨ（In Situ Hybridization）処理装置などに組み込まれており、ウェル内の液体試料をノズルによって吸入したり、ノズル内の液体試料をウェル内へと吐出し、分注を行うよう構成されている。

また、創薬スクリーニングの分野においては、分注装置を利用して、細胞に薬の候補となる化合物を与え、その刺激による細胞の変化を画像で捉え、画像処理によって薬効や副作用を試験している。

図９は特開平１１−１６０３２６号公報に記載された従来の分注装置の要部構成を示す概念図である。
図９において、金属性のパイプなどで構成されるチップ装着部２７には樹脂等で形成されたノズルチップ（以下、チップという）２８が着脱自在に装着される。このチップ装着部２７及びチップ２８によってノズルが構成される。このノズルには分注ポンプ１４が接続されている。この分注ポンプ１４は吸引力や吐出力を発生するものである。

分注ポンプ１４とノズルとの間にはジャミング検出部１６が設けられている。このジャミング検出部１６はチップ２８が何らかの部材に衝突した際にその衝突力を検出する手段である。

制御部２０は、分注装置の全体を制御すると共に、特に、チップ２８の先端の位置ずれ検出のための制御を行う。駆動機構２２は、分注ポンプ１４を含む可動部分に接続され、この駆動機構２２によって分注ポンプ１４及びノズルを含む可動部分の全体が駆動されている。

それらの可動部分は三次元的に自在に運動可能である。ジャミング検出部１６の出力信号は判定部２４に入力されており、この判定部２４によってジャミング検出部１６の出力信号に基づいてチップ先端の位置ずれが判定される。

図１０は特開２００４-１０１４７９号公報に記載された他の従来例を示す概略構成図である。箱状のケーシング１の上部にはモータ２が設けられている。ケーシング１内には、モータ１の回転軸３にカップリング４を介して接続された台形ネジ又はボールネジ等からなるネジ体５が回転自在に設けられている。

ネジ体５にはスライダ６が矢印Ｅの方向に沿って上下動自在にネジ孔６ｂを介して螺合して設けられ、このスライダ６はケーシング１に設けられたリニアガイド７に摺動自在に接続され、回転することなく上下動するように構成されており、下方に突出する分注用ピストン軸６Ａを有している。

ケーシング１の内面には、複数のガイド突起（図示省略）を介して長手形状のカム板１０が上下動自在に設けられ、このカム板１０の下部位置には横方向に所定のリードを有する長手形状のカム溝又はカム孔の形状からなるカム部１１が形成されている。

カム板１０は、その上端１２に一端が接続されたスプリング等のばね部材１３の他端がケーシング１の係止部に係止されていることにより、常時下方へ付勢されていると共に、矢印Ｅに沿って上下動自在に構成されている。

カム板１０の上端１２に対して一体に曲折して形成された取付片（図示省略）には動作位置調整ネジが設けられ、この動作位置調整ネジの下端にはスライダ６の上部当接し、このスライダ６によってカム板１０をばね部材１３のばね力に抗して上方へ持ち上げることができるように構成されている。

特開平１１−１６０３２６号公報特開２００３−３４４４２７号公報特開２００４−１０１４７９号公報

ところで、上述の従来装置においては、チップの先端曲がりや、成型不良などの異常、およびジャミングを検出する機能はあるものの、チップラックからチップを装着する際、チップの有無を検出する機能は無かった。
そのため、チップが無いまま滴下（ディスペンス）動作に入り、不正確な試験を実行してしまうという問題があった。

従って本発明の目的は、自動化された分注装置において、チップラックからチップを装着する際、チップラックにチップがあるかどうかを検出する機能を付加し、それによって、確実にチップを装着し、ミスの無い滴下を行うことが可能な分注装置を実現することにある。

一端に鍔を有しチップラックの穴部に挿入されて前記鍔により係止されたテーパ状の孔を有するチップを順次装着し、該チップを介して液体試料を吸入・吐出することにより分注を行う分注装置において、
筒体の一端を覆って固定され中心部に第１孔を有する上部蓋と、前記筒体の他端を覆って固定され中心部に第２孔を有する下部蓋により空洞が形成されたハウジングと、
前記上部蓋に配置された分注ポンプと、
該分注ポンプに一端が接続され前記第１，第２孔を貫通して配置され中心部に第１貫通孔が形成されたシャフトと、
前記空洞内の上方に固定され前記シャフトが貫通するとともに伸縮自在に形成されたリングと、
一端にフランジ部が形成された大径部と小径部からなり中心部に前記シャフトが貫通する第２貫通孔が形成され、前記フランジ部が前記空洞内に配置されて前記下部蓋に形成された第２孔に係止され、前記大径部が前記第２孔を貫通するスライダと、
前記下部蓋に形成された第２穴付近に配置された第１センサ素子と前記スライダの大径部の下端付近に配置された第２センサ素子を有し、前記ハウジングが下降して前記第１、第２センサ素子が近接したときに信号を出力する信号出力手段と、
搬送手段に搭載された前記ハウジングをＸＹＺ方向に駆動する制御部を備え、
前記シャフトは前記チップのテーパ部の最大径よりも小さく最小径よりも大きく、前記スライダの大径部の一端に形成されたフランジ部が前記下部蓋に当接した状態でスライダの下端より所定の長さ突出す長さに形成され、
前記チップラックに形成された穴部は前記スライダの小径部の径よりも大きく、大径部の径よりも小さく、前記テーパ部の最大径より大きく形成されており、
前記チップラックの穴部に前記チップが「有」の状態では前記ハウジングを下降させた場合に前記スライダの小径部が前記チップラックの穴部に挿入されたチップの鍔に当接し、前記第１、第２センサ素子が近接して、前記信号を出力するとともに、前記シャフトの先端が前記テーパ部に挿入されてチップが装着され、
前記チップラックに前記チップが「無」の状態では前記ハウジングを下降させた場合に前記スライダの小径部が前記チップラックの穴部に挿入され、前記スライダの大径部が前記穴部の縁に当接して、前記第１、第２センサ素子の接近を阻止して前記信号が出力しないようにし、
前記シャフトの先端に装着された前記チップを交換する場合には前記伸縮リングを伸張させて前記スライダを下降させ、前記小径部で前記鍔を押して前記チップを前記シャフトから落下させるように構成したことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１に記載の分注装置において、
前記信号出力手段はホール素子および磁界発生手段で構成されたことを特徴とする。

請求項３においては、請求項１に記載の分注装置の発明において、前記ハウジングは搬送手段に搭載され、制御部によりＸＹＺ方向に駆動されることを特徴とする。

本発明の請求項１によれば、前記チップラックの穴部に前記チップが「有」の状態では前記ハウジングを下降させた場合に前記スライダの小径部が前記チップラックの穴部に挿入されたチップの鍔に当接し、前記第１、第２センサ素子が近接して、前記信号を出力するとともに、前記シャフトの先端が前記テーパ部に挿入されてチップが装着され、
前記チップラックに前記チップが「無」の状態では前記ハウジングを下降させた場合に前記スライダの小径部が前記チップラックの穴部に挿入され、前記スライダの大径部が前記穴部の縁に当接して、前記第１、第２センサ素子の接近を阻止して前記信号が出力しないように構成したので、その信号を感知して以降の分注動作に反映させることにより滴下動作を確実に実施し、ミスの無い試験を行う分注装置を実現することができる。
本発明の請求項２によれば、信号出力手段としてホール素子および磁界発生手段を用いたので第１、第２センサ素子同士が衝突することなく信号を発することができる。

本発明の分注装置の実施形態の一例を示す構成図である。チップラックに挿入されたチップの平面図及び一部断面正面図である。チップがラックにある場合とない場合のスライダの位置を示す説明図である。チップを着脱する動作を示す断面図である。チップの有り無しを判断するための検索例を示す図である。チップの有り無しを判断するための検索例を示す図である。チップの有り無しを判断するための検索例を示す図である。チップの有り無しを判断するための検索例を示す図である。従来の分注装置の一例を示す構成図である。従来の分注装置の他の例を示す構成図である。

図１は本発明の分注装置の一例を示す構成図である。
図１において、１００はハウジングである。このハウジングは筒体１００ａの上端が中心部に第１孔１００ｂを有する上部蓋１００ｃで閉塞され、下端が中心部に第２孔１００ｄを有する下部蓋１００ｅで閉塞されており、上部蓋，下部蓋により空洞１００ｆが形成されている。

１０１はハウジングの上蓋の略中心部に配置された分注ポンプである。１０２は上端が空洞１００ｆの上方に固定され矢印Ａ方向に例えばエアシリンダやモータなどにより伸縮自在に形成されたリングである。１０３は中心に第１貫通孔１０３ａが形成されたシャフトであり、上端は分注ポンプ１０１に固定され下端は自由端とされている。

１０４は一端にフランジ部１０４ａが形成された大径部１０４ｂと小径部１０４ｃからなるスライダで、中心部にシャフト１０３が貫通する第２貫通孔１０４ｄが形成されている。フランジ部１０４ａは空洞１００ｆ内に配置され、大径部１０４ｂがハウジングの下部蓋に形成された第２孔１００ｄを貫通すると共にフランジ部１０４ａが第２孔１００ｄに係止されており、矢印Ｂ方向にスライドする。シャフト１０３の自由端はフランジ部１０４ａが下部蓋１００ｅに当接した状態でスライダ１０４の下端より所定の長さ突出した状態となるように形成されている。

１０５は下部蓋の第２孔１００d付近の所定の箇所に配置されたホール素子、１０６は磁性体（永久磁石）であり、該スライダのフランジ部１０４ａが伸縮リング１０２の下端に近接したときに信号を出力する。１０７は制御部であり、分注ポンプを含むハウジング１００を後述するチップに試料を吸引・吐出するためにＸ，Ｙ，Ｚ方向へ移動させるための制御を行う。

図２はチップラック１０８に挿入されたチップ１０９の平面図及び一部断面正面図である。このようなチップラックとチップは一般的に市販されている。図に示すようにチップラック１０８にはチップ１０９がＸ−Ｙ方向に例えば８×１２個着脱自在に挿入されている。このチップラックは搬送装置（図示省略）に載置され、試験開始時の初期状態ではシャフト１０３を例えば左上のＣで示すチップの真上に位置するように制御される。

以降の試験動作は以下のシーケンスに従って行われる。
１．ハウジング１００をＺ方向に下降させ、チップ１０９を装着する。
２．ハウジング１００をＺ方向に上昇させる。
３．ハウジング１００が、チップ１０９を装着した状態で、化合物（薬の候補）の置かれた容器（図示省略）の上まで搬送する。

４．ハウジング１００がＺ方向に下降し、チップの先端が化合物の液面に達する。
５．化合物を一定量吸引する。
６．化合物を吸引したあと、ハウジング１００が上昇する。
７．ハウジング１００がＸＹ方向に移動し、被測定サンプルである細胞が置かれた容器（図示省略）の上まで移動する。

８．ハウジング１００がＺ方向に下降し、細胞の培養液面（図示省略）の上の所定位置で吸引した化合物をサンプルに吐出する。
９．ハウジング１００がＺ方向に上昇する。
１０．ハウジング１００がチップ捨て場（図示省略）までＸＹ方向に移動する。
１１．ディスペンサがチップをリジェクト（除去）する。
１２．ハウジング１００がＸＹ方向に移動し、チップのある場所の真上に位置される。
１３．以下、１〜１３を繰り返す。

このような測定シーケンスにおいて、当初はチップラックの全てにチップが挿入されたものから始められる。しかし、試験はチップラックのチップを全てを使用する前に（例えば図２のＤの位置で）終了する場合がある。その場合、次回は、途中まで使用済みのチップラックを利用する。
このような場合、分注装置は初期状態からシーケンスに従って動作するが、図２に示すＣの位置からＤの位置まではチップがない。従ってチップの有無を確認する必要がある。

図３（ａ，ｂ）はチップの有無を確認するための分注装置（図では図１に示す上蓋部と分注ポンプは省略）の動作を示す断面図である。図３（ａ）はチップラック１０８にチップ１０９がある場合を示す。
図３（ａ）において、ハウジング１００が下降するとスライダ１０４の下部がチップ１０９の上部に当り、ハウジングを下降させても、スライダは降下しない。

その結果、図のようにスライダ１０４の大径部１０４ｂに取り付けられた永久磁石１０６がハウジングに取り付けたホール素子１０５に接近する（ここで接近とはホール素子に起電力が生じる程度に近づいた状態と定義する）。その結果、ホール素子の出力がＯＮとなり、チップがあることを確認する。その後、ハウジング１００をさらに一定量下降させ、チップ装着部１０３ａをチップに挿入し、確実にチップを装着する。

図３（ｂ）はチップが無い場合を示す断面図である。図３（ａ）の場合と同じ量だけハウジング１００が降下した場合、スライダ１０４は自重でシャフト１０３に沿って落下し、先端はチップラック１０８の穴部１０８ａまで入り、スライダの大径部の下端１０４ｄ（ストッパ部）に当接して止まる。その結果、永久磁石１０６とホール素子１０５は離れた状態になり、信号出力手段はＯＦＦとなりチップが無いことが確認される。

図４はチップを着脱する動作を示す断面図である。滴下動作が終了し、チップを交換する場合、伸縮リングを伸ばしてスライダ１０４を押し、チップをシャフトから落下させる。なお、伸縮リングの伸長動作は例えばモータまたはエアシリンダを用いて行う。

自動スクリーニングでは、一部のチップが残ったチップラックを次のスクリーニングで利用することがある。分注装置は図２に示すＣの初期位置から順次チップの有無を確認していくが、前回使用されたところまで到達するまでに時間がかかるという問題がある。従ってシーケンスの中にチップ探索モードを設け、測定に先立ってチップの有無の確認作業を行う。

図５はチップの有り無しを効率よく判断するための検索例を示すものである。
この例では横軸を１〜１２，縦軸をＡ〜Ｈとして９６のチップホルダを有するチップラックにおいて、７５本目までのチップが使用され、７６から９６本目が残っている状態を示している。

以下、チップのあり／なしの検索方法について説明する。
最も原始的な方法では、チップを探し当てるまで、７６回繰り返す。
本発明では、第１ステップは、チップラックの始まりと終わり（１，９６）を探す。
図５の例では、１は「なし」で、９６は「あり」となる。この時、１は「あり」なら、すべて「あり」となる。９６は「なし」なら、ラックは空であると判断する。

第２ステップは、「あり」と「なし」の中間の列を探す。すなわち、図６（ａ）に示すように、４９と５６を検索する。「あり」が現れるまで、さらに、「あり」と「なし」の中間を探す。図６（ｂ）がはじめて８０番に「あり」が出たケースを示す。このように、いずれかに「あり」が出るまで、このステップを繰り返す。

なお、はじめて「あり」が出るケースとして、以下の２通りある。
ケース１：Ａ行＝「なし」、Ｈ行＝「あり」
ケース２：Ａ行＝「あり」、Ｈ行＝「あり」
ケース２の場合、Ａ行以降、全ての番地にチップが「あり」と判断できる。

ケース１は図６（ｂ）に相当し、次に、列方向に検索を行う。この場合でも、まず中間点を探す。図６（ｃ）にそれを示す。ここでは、７６番にチップがあることが分かり、次のステップとしては、「なし」が出たＡ行との中間点７５（もしくは７４）を検索する。
この場合、７５が「なし」であるため、最後に出た「あり」の７６番がチップありのスタートであると判断し、図６（ｄ）に示すように７６番からスクリーニングを開始する。

他の検索方法として図７,図８に示す検索パターンがある。
１と９６をサーチした後、図７（ａ）に示すように、次にサーチする場所を最後の「あり」である９６番と最後の「なし」の番地の中間点とする。この場合、「あり」９６と「なし」１の中間は４８である。

次に、「あり」がでるまで、この過程を繰り返す。
すなわち、図７（ｂ）に示すように、４８と９６の中間である７２を検索する。
次に図７（ｃ）に示すように、７２と９６の中間である８４を検索する。

８４が「あり」と出たため、９６の代わりに、８４が最後の「あり」となり、図７（ｄ）に示すように、次に検索する場所を８４と最後の「なし」である７２の中間、すなわち７８とする。

７８が「あり」と出たため、８４の代わりに、７８が最後の「あり」となり、図８（ａ）のように、次に検索する場所を７８と最後の「なし」である７２の中間、すなわち７５とする。次の「あり」がでるまで、この過程を繰り返す。

すなわち、図８（ｂ）に示すように、７８と７５中間である７７を検索する。
７７が「あり」と出たため、７８の代わりに、７７が最後の「あり」となり、図８（ｃ）に示すように、次にサーチする場所を７７と最後の「なし」である７５の中間、すなわち７６とする。

最後に、７６が「あり」で、７５が「なし」であることが分かり、７６番からチップが充填されていることがわかる。
このように、９箇所のみを検索すれば、チップの充填状況が分かる。
なお、９６チップの場合、検索ポイント９箇所が、ラックの充填状況を判断する必要十分条件である。

上述によれば、チップのありなしを検索する際、常にありなしの中間点を次のサーチポイントとし、チップラックにチップがあるかないかを効率よく判断し、スクリーニングのスループットを上げることができる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えばホール素子と永久磁石は他のセンサを用いてもよく、チップ１０９の数と形状は図示の例に限るものではない。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

１００ハウジング
１０１分注ポンプ
１０２伸縮リング
１０３シャフト
１０４スライダ
１０５ホール素子
１０６磁性体（永久磁石）
１０７制御部
１０８チップホルダ
１０９チップ

Claims

一端に鍔を有しチップラックの穴部に挿入されて前記鍔により係止されたテーパ状の孔を有するチップを順次装着し、該チップを介して液体試料を吸入・吐出することにより分注を行う分注装置において、
筒体の一端を覆って固定され中心部に第１孔を有する上部蓋と、前記筒体の他端を覆って固定され中心部に第２孔を有する下部蓋により空洞が形成されたハウジングと、
前記上部蓋に配置された分注ポンプと、
該分注ポンプに一端が接続され前記第１，第２孔を貫通して配置され中心部に第１貫通孔が形成されたシャフトと、
前記空洞内の上方に固定され前記シャフトが貫通するとともに伸縮自在に形成されたリングと、
一端にフランジ部が形成された大径部と小径部からなり中心部に前記シャフトが貫通する第２貫通孔が形成され、前記フランジ部が前記空洞内に配置されて前記下部蓋に形成された第２孔に係止され、前記大径部が前記第２孔を貫通するスライダと、
前記下部蓋に形成された第２穴付近に配置された第１センサ素子と前記スライダの大径部の下端付近に配置された第２センサ素子を有し、前記ハウジングが下降して前記第１、第２センサ素子が近接したときに信号を出力する信号出力手段と、
搬送手段に搭載された前記ハウジングをＸＹＺ方向に駆動する制御部を備え、
前記シャフトは前記チップのテーパ部の最大径よりも小さく最小径よりも大きく、前記スライダの大径部の一端に形成されたフランジ部が前記下部蓋に当接した状態でスライダの下端より所定の長さ突出す長さに形成され、
前記チップラックに形成された穴部は前記スライダの小径部の径よりも大きく、大径部の径よりも小さく、前記テーパ部の最大径より大きく形成されており、
前記チップラックの穴部に前記チップが「有」の状態では前記ハウジングを下降させた場合に前記スライダの小径部が前記チップラックの穴部に挿入されたチップの鍔に当接し、前記第１、第２センサ素子が近接して、前記信号を出力するとともに、前記シャフトの先端が前記テーパ部に挿入されてチップが装着され、
前記チップラックに前記チップが「無」の状態では前記ハウジングを下降させた場合に前記スライダの小径部が前記チップラックの穴部に挿入され、前記スライダの大径部が前記穴部の縁に当接して、前記第１、第２センサ素子の接近を阻止して前記信号が出力しないようにし、
前記シャフトの先端に装着された前記チップを交換する場合には前記伸縮リングを伸張させて前記スライダを下降させ、前記小径部で前記鍔を押して前記チップを前記シャフトから落下させるように構成したことを特徴とする分注装置。
前記信号出力手段はホール素子および磁界発生手段で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の分注装置。