JP3125386U - 精密液体排出システム - Google Patents
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Abstract
高精度液体排出システムであって、少なくとも1つのツーピースポンプ(1、2)と高精度閉鎖ループ制御ドライブシステムを有しており、生体科学分野で利用すべく高精度微量液体排出を提供する。複径ポンプは複数のインレットポート(3)とアウトレットポート(4)を有したポンプと組み合わされ、マイクロチタープレートピペットおよび他の高精度排出において使用すべく単ポンプで高精度の複アウトレット排出を提供する。インレットポートはシリンダの小径側に提供され、アウトレットポートはシリンダの大径側に提供されている。閉鎖ループフィードバックを備えたマイクロコントローラはポンプピストン(12)の高精度直線ポジションとモーション並びにノズルのオプション制御を提供し、高精度微量液体排出を提供する。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は生体科学分野での精密液体排出に関し、特には閉鎖ループ制御が可能な複径シリンダおよびピストン並びに複インレットポートおよびアウトレットポートを備えたツーピースポンプに関する。
【背景技術】
【0002】
ガラスシリンジとシール状のピストンを使用するシリンジポンプは生体科学分野において液体排出用として普通に利用されている。通常は独立したバルブが液体インレットとアウトレットの制御に利用されている。現在、カルボ、クローン&ハミルトン社のシリンジポンプは1μlから50mlまで様々なシリンジサイズを提供する。バルブ機能は複数のインレットポートおよびアウトレットポートを提供する。シリンジバレルは密封シールを使用してバルブ本体内に直接的に挿入されるが、一般的にはバルブはシリンジから分離できる。シリンジ面積とピストン直線移動距離は排出シリンジ液量を規定する。一般的に、回転運動を直線運動に変換するリードスクリューにカップリングされたステッパモーターがシリンジピストン移動を制御する。ステッパモータはしばしばシャフトエンコーダを有しており、モータステップロスのドライブオーバーロード検出を提供する。
【0003】
単純なツーピースポンプは知られており、ステンレススチールまたはセラミック材料で提供される。このタイプのポンプはピストンとシリンダで構成されており、ピストンはバルブ機能をも提供する。
【0004】
シリンジタイプの容積移送式ポンプは極少量の液体を排出できるが、液量が3μl以下となると液滴を管あるいはノズルから落下させるには排出表面との接触が必要である。アクティブノズルが開発され、マイクロアレイ市場のために少液量の移動を可能にした。液体カップリングおよびシリンジポンプと同調したソレノイドバルブが使用されている。他のシステムではエアゾール噴射またはシリンジポンプにカップリングされた圧電装置を使用して小液量排出を助けている。
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【0005】
現在強く求められているのは安価であり、小型であって洗浄が容易で正確な生体科学用の小液量排出システムである。それらの達成のためにはツーピースポンプは少なくとも2径のピストンとシリンダ、複数のインレットポートとアウトレットポートおよび安価な電子機器を備えた精密ポンプ駆動システムを必要とする。ポンプドライブは直線測定手段によりポジションが制御された高精度排出を提供しなければならない。コントローラもアクティブノズルとの同調性能と、圧力トランスジューサのごとき外部センサーを提供するA/D性能とを提供することができよう。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は生体科学市場の少量高精度排出需要に応えるツーピースポンプと高精度閉鎖ループコントローラドライブシステムとに関する。このツーピースポンプは2径を有するシリンダーおよびピストンを含むことができ、一体型バルブ機構を有したシールレスポンプを提供する。ポンプシリンダとピストンは3以上の径を有しているか、あるいは径をテーパさせたり湾曲状態としている。複径ポンプにおいては、排出液量は径面積の差xピストン直線移動距離に関係する。
【0007】
本発明は複数のインレットポートとアウトレットポートとを有したポンプおよび高精度制御システムと複径ポンプとを組み合わせている。この形態は、例えばマイクロチタープレートピペット測定で使用できる単ポンプで精密複アウトレット排出を提供する。マイクロチタープレート排出のための容積移送ポンプオプションは複数のインレットポートとアウトレットポートとを有したポンプの使用である。
【0008】
複径シリンダの好適なインレットポートポジションはシリンダの小径部であり、アウトレットポートの好適ポジションはシリンダの大径部である。しかしながらアウトレットポートやインレットポートはシリンダの別の場所に設置することもできる。通常はシリンダの小径部は大径部よりも下方部分に設置される。ピストンは大径部の溝と連結した溝を小径部に有することができる。
【0009】
アウトレットポートやインレットポートの数はピストン/シリンダ径および隣接ポート間の間隔によって規制される。ポートの最小間隔が5mmであり、ポンプが10の1mmのポート(8つはアウトレットで2つはインレット)を有していれば、必要なポンプ径は19mm少々である。μl単位での液量排出のための19mm径ポンプでは径差は小さくなければならず、直線移動させるドライブは非常に少量を直線移動させるものである必要がある。
【0010】
本発明の1好適ポンプ形態では2インレットポート/8アウトレットポートを有した2径複ポートポンプを使用する。そのポンプはミキシングも可能である。なぜならポート1からポンプ内に液体を注入し、続いてポート2から注入してピストンを回転させ、環状ミキシングを達成できるからである。ピストン溝はこのミキシングを助けるが、ポンプは他の機能も有することができ、空気を閉じ込めない限りこのミキシングを助けることができる。
【0011】
排出液の回収のためにポンプシステムは9(または他の奇数)のアウトレットポートを使用することができる。この9番目のポートはインレットポートの1つと整合する。このアウトレットポートは液体供給部または回収用の容器に接続できる。この形態では整合したインレットポートを空気供給部と接続させて整合したアウトレットポートから残りの液体を強制排出させることもできる。
【0012】
別形態では整合インレットポートとアウトレットポートを洗浄液またはフラッシュ液と接続させることができる。ピストンはインレットポートにて液圧によって洗浄でき、ピストンとシリンダとの間の液体境界層の洗浄のためにピストンを回転させることができる。同数のインレットポートとアウトレットポートを提供し、使用しないポートを特注形態に合わせて塞ぐこともできる。
【0013】
この精密ポンプドライブはポンプピストンの直線移動を制御する少なくとも1つのステッパモータまたはDCモータを含むことができる。通常は、ピストンの回転を制御する別のステッパモータまたはDCモータをも含んでいる。これで1つのポンプインレットまたはアウトレットポートをピストン溝と整合させることができる。
【0014】
ピストンの直線移動は一般的にボールスクリューを回転させる第1ステッパモータで提供される。回転しないように保持されていればボールスクリューナットは直線的に移動し、ピストンに必要な直線移動を提供する。直線移動センサーはピストンのポジションを非常に精密にモニターでき、システム全体はマイクロコントローラによって閉鎖ループで駆動できる。
【0015】
この適用のための好適な直線センサーはレニショの0.5ミクロン光スケールまたは同様なスケールのものであり、磁気直線スケールあるいは直線電圧差トランスフォーマ(LVDT)等である。好適なステッパモータは直線移動用5相オリエンタルナノステッパと回転移動用5相半ステップモータである。このナノステッパモータは500ステップ/回転から125000ステップ/回転まで16のディスクリート段階範囲を有している。この範囲はオペレータが選択する。
【0016】
ナノステッパの使用によってドライブは適当な数のステップを0.5ミクロンレニショ線間に持たせる。THK4mmピッチボールスクリューにおいては0.5ピッチ前進のために15ステップ以上を必要とする。この段階はインレットとアウトレット機能間で選択できる。他の適当なステッパモータまたはDCモータでも利用できる。
【0017】
1例として、ポンプは10000ステップ/回転でインレットポートに液体を注入し、125000ステップ/回転でアウトレットポートから液体を排出できる。このステップ運動の安定性、制御単純性および精度維持性を提供するためにこの好適システムはステッピングモータを含んでいる。直線ドライバをステッパモータあるいはDCバルドールエレクトリック社のモータまたはナノモーション社のナノモーションモータのごとき直線モータとすることも本発明の範囲内である。
【0018】
このポンプシステムは無空気混入液体排出を提供するかぎり水平および垂直を含んで種々なポジションで操作することができる。マイクロコントローラまたはデジタル信号プロセッサはその回転および直線ポジションの提供に好適である。望まれる液体排出量に関する情報をコントローラに入力することで非常に正確な液体排出が提供できる。なぜならシステムの全段階精度は直線エンコーダから導かれるからである。
【0019】
ピストンの移動または運動は移動を滑らかにするガウスプロファイルの使用を含んだいくつかの運動速度プロファイルによって制御できる。極少液量を効果的に排出させるためコントローラはオプションでアクティブノズルとインターフェースすることができる。このインターフェースはピストン機能をアクティブノズルの機能と同調させることができる。オプションであるアナログ/デジタル(A/D)コンバータ機能の追加はシステムを圧力トランスジューサ等の外部源とインターフェースさせる。
【考案を実施するための最良の形態】
【0020】
図1は2径複ポートツーピースポンプを示す。それはピストン(1)とシリンダ(2)とで成る。ピストンはキー式コネクタとピストンキーを使用してドライブシステムに接続されている(7)。下方コネクタ(6)もキー式としてドライブ機構のベース部に固定できる。コントローラおよびポジション検出センサーは固定シリンダに対するピストン回転及び直線ポジションを決定する。ピストン外径とシリンダ内径は非常に狭いクレアランスを有しており、液体境界層シール状態を提供する。シリンダに沿った位置にはインレットポート(3)とアウトレットポート(4)が提供されている。インレットおよびアウトレットフィットリングに螺合する種々な管フィット器具(5)が利用できる。
【0021】
図2はフィット具10がどのようにシリンダインレットとアウトレットポートとを密封シールするかを示している。インレット/アウトレットポート11はシリンダの内径上に方形スリットとして、外径上では円形として示されている。そこでフィット具は密封シールを提供する。ポートスリットは円形孔でもよい。ピストンは大径溝8と小径溝9を含むことができる。大小2径間でアンダーカット部はポンプ製造を助けることができ、大径溝8と小径溝9とを連結させる手段として作用させることができる。図2では溝は2径上で整合して図示されているが、アンダーカット部が両者間で連続液通路を提供するかぎり溝を相互回転させることができる。それら溝を異なるサイズで提供することもできる。
【0022】
図3と図4はポンプとドライブシステムの全体的な機器を図示する。ピストン12とシリンダはキー式コネクタ13でドライブとカップリングできる。使用可能な連結装置は多数存在する。コネクタはユニバーサルジョイント14にリンクでき、ピストンとシリンダを整合状態に保って使用中に曲げ応力の影響を受けないようにさせることができる。底部ユニバーサルジョイントはベースフレームに接続でき、上部またはピストンのユニバーサルジョイントは2つの角接触ベアリング15でその場に保持されたロッドに接続できる。これらプレロードされたベアリングはピストン回転を提供できるが直線移動は提供しない。滑車をベアリングシャフトの上部に搭載できる。滑車、関連ベルト32およびモータ滑車31は回転ステッパモータ30をピストンにカップリングさせる手段を提供できる。
【0023】
滑車はインレットとアウトレット整合ノッチを有して光スイッチに回転ポジションを検出させることができる。下方滑車フランジには普通は回転ドライブ用のホームポジションを提供する少なくとも1つのノッチが存在する。可動上方サポート29は回転ベアリング搭載、回転ドライブ機器および直線ボールスクリューナット28用の搭載面を提供することができる。可動上方サポート29は直線ボールガイド35にカップリングできる。
【0024】
図はボールガイド35に対してシフトされた上方サポートを図示する。ピストンはシリンダの外側で見られる。通常はこれら2表面は整合しており、上方サポートは固定具でボールスライドキャリエッジに固定されている。このキャリエッジには上方および下方リミット磁気スイッチ、ホーム磁気スイッチおよび光スケールが取り付けられている。レニショ光ヘッド34はフレームに固定でき、ボールガイドキャリエッジのポジションを検出する。ボールガイドレール33はベースフレームに取り付けられている。
【0025】
上方サポート29は直線ボールスクリュー27の回転によって直線ガイドレール構造体33、35に沿ってスライドすることで上下移動できる。上部サポートに取り付けられたボールスクリューナット28は上下直線運動へのボールスクリュー回転運動の変換を提供する。力によるサポートと軸方向移動の排除は別セットの角度コンタクトベアリング26によって提供できる。ボールスクリューはシャフトカップリング25によってステッパモータ24にカップリングできる。
【0026】
図5から図12はマイクロコントローラシステムの特定実施例の詳細を示す。多くの他の実施態様も本発明の範囲内である。この好適実施例は本発明の説明のために供される。
【0027】
コントローラはシリンダに対するピストンの直線ポジションの超高精度閉鎖ループコントロールを使用した制御手順を実行する。ピストンは直線と回転である2種類の移動/運動をシリンダに対して行う。直線移動は超高精度ポジションセンサーからのリアルタイムフィードバックでナノステッパモータ等の高精度モータをコマンドすることで提供される。好適な直線センサーはレニショ光スケールであり、精度は0.5μmである。別ステッパモータを2つのバイナリセンサーからのフィードバクでコマンドすると、シリンダに対するピストンの回転運動が発生する(ループ開放)。
【0028】
コントロールシステムはこのバイナリセンサーをモニターし、特定インプットポートとアウトプットポートの係合を確認する。シリンダ上の適切なポートとピストンのスリットとの正確な整合はポンプの効果的な操作に必須である。よって、回転制御は充分に正確であって適切な整合が達成されなければならない。
【0029】
この好適コントローラはインテル80C196マイクロコントローラを使用する。図5はチップベースコントローラシステムの構造ブロック図を示す。このシステムは16ビットマイクロコントローラ(または他の充分なバス幅)を10ビット以上のA/Dコンバータと共に含むことができる。PSD4135G2フラッシュメモリ等はプログラムとデータの保存に使用できる。RAMメモリはオプションでバッテリバックアップできる。JTAGポートはプログラムのローディングと修正に利用できる。
【0030】
この好適システムは複数のモータコントロール出力を有している。1つは直線移動用ナノステップドライバ50RFKに対するものであり、他方はシリンダに対するピストンの回転運動のためのSD5114ドライバに対するものである。複ポートノズルを制御するためコントローラは8デジタル出力(12ポートに拡張可能)を有している。4つのアナログ入力チャンネルが存在できる。1つはオプションで液体の圧力モニターに使用できる。
【0031】
このマイクロコントローラはRS232とCANバスインターフェースも有している。このRS232連続インターフェースを介してユーザはパソコン(PC)でポンプを制御できる。別の通信インターフェースはCANバスでよく、それを利用して複数ポンプがネットワークを介して制御できる。このシステムの他の機能にはリセット、緊急停止、手動排出機能等が含まれる。将来的な利用のために本システムはノズル制御、LED表示等のために4チャンネルデジタル入力と8チャンネルデジタル出力をも有する。
【0032】
本発明を高精度少量アレイ排出用に使用するためにはアクティブノズルの使用が必要である。液量はμlよりも小さい場合があるので、ユニットの出力ポートに接続された従来式管では利用しにくい。そのような少量の場合には重力の影響は無視することができ、表面張力が問題となる。一体的アクティブノズルを備えたユニットは図6において図示されている。このアクティブノズルは二次的アクチュエータとして作用し、液体を出力管から押出す。コントローラに提供されたマイクロアレイインターフェースはアクティブノズルドライバとインターフェースできる。ピストンを動かすコマンドはノズルを作動させるように同調させることができ、微小液滴を提供できる。
【0033】
図7は利用可能な監視制御アルゴリズムを示す。ユニットにスイッチが入れられるとユーザは9つの機能から1つを選択するオプションが与えられる。そのようなシステム構造では新機能をハードウェアを交換せずに容易に追加することができる。
【0034】
それらの機能を解説する。
【0035】
フィルサイクル(Fill Cycle):この機能が呼び出されるとピストンはまず所定ポートにまで回転し、続いて直線移動によってポンプはそのホームポジションに進行する(シリンダに対してピストン最下方部)。ピストンは次に回転してインプットポートと整合し、上方に所定の距離あるいは最大限移動する。ポンプが所定量の液体で完全に満たされるとピストンは停止する。図8はフィルサイクルのフローチャートである。
【0036】
ポンプサイクル(Pump Cycle):この機能は通常はフィルサイクル後に開始される。選択されると、そのポジションでない場合にはピストンは回転してそのスリットを適当なアウトプットポートと整合させ、その後にホームポジションに到達するまで下方に移動し、ポンプの最大量を排出させ、停止する。
【0037】
排出サイクル(Dispense Cycle):この機能はポンプサイクルとは異なる。このサイクルではユーザは最大量以下の液体排出量を選択するオプションを有する。コントローラはそこに存在しないならピストンを回転させ、そのスリットを適当なアウトプットポートと整合させる。ピストンはコマンドによって2つのモードの一方(短パルスまたは複パルス)にて下方移動する。単パルスの場合にはピストンは1モータステップだけ下方移動し、システムに可能な最少液量を排出する。複パルスの場合にはナノステップモータはコマンドされて所定数のパルスによって移動する。この排出サイクルは図9で図示されている。
【0038】
プライムサイクル(Prime Cycle):この機能ではポンプはコマンドによってホームポジションに移動し、フィルサイクルとポンプサイクルが連続して続く。このプライムサイクルは1回または複数回であり、扱われる液体の流体特性により決定される。
【0039】
ロード/アンロードポンプ(Load and Unload Pump):ユーザはこの機能をポンプの変更のために呼び出すことができる。これにはまず現存ポンプを空にして新ポンプを充填する。ポンプサイズアルゴリズムが続く。このアンロードコマンドは通常はホームポジションに移動するポンプで望むポートと整合するように移動させ、アンロードポジションに到達したことを示す信号を表示させる。同様に、ポンプローディングアルゴリズムはポンプをロードポジションに移動させる。
【0040】
カリブレーションサイクル(Calibration Cycle):カリブレーションサイクルはポンプカリブレーションを更新する機能を提供する。普通はポンプが交換される度に必要である。このサイクルはホームポジションでフィルサイクルおよび排出サイクルを開始する。ポートからの出力は重量測定され、または他の方法(例えば光手段)で量測定されてカリブレーション表が更新される。
【0041】
ポンプサイズ(Pump Size):この機能は新ポンプがユニットに搭載されるときに使用される。利用可能な全ポンプのデータベースが利用可能であり、そこからユーザはポンプを選択する。このプログラムはストローク長と液量との間の全関係を計算し、それを現行データベースとする。
【0042】
ホーム(Home):ホームポジションは回転ホーム信号及び直線ホーム信号の両方を検出することで達成される。回転ホーム位置は2つのバイナリセンサーで決定される。これらはいつピストンが回転し、そのスリットがインプットポートと整合したかを示す光センサーでよい。滑車内のオプションスリットはピストンスリットを望むポートと整合させる手段として作用することができる。直線モータホームはピストンがその最下方ポジションに移動するときに発生する直線スケールパルスをモニターすることで達成される。光センサーアウトプット信号はホームパルス出力を含む。
【0043】
ポンプローディング確認(Verify pump loaded):この機能はポンプの適正なローディング状態を確認するものである。ピストンとユニバーサルジョイントとの間のインターフェースでのバイナリスイッチはポンプの存在の検出に使用できる。コントローラはそのことが実現するまでピストンの動きを禁止する。
【0044】
コントローラの機能のほとんどはピストンを軸に沿ってスピンドルと相対的に動かす任務である。この運動の精度はポンプの精度を決定する。この安価な超高精度ポンプの1つのユニークな機能はこれら直線移動がシリンダに対するピストンのリアルタイム閉鎖ループ制御を使用して正確に行われることである。さらに、ガウス速度プロファイルが使用可能で不都合な衝撃動を排除し、ステップの欠落を回避させる。
【0045】
ピストンをフィリング、排出、プライミング等のために移動させる際のスタート時とストップ時にジャーク衝撃が回避できるように速度プロファイルを提供することが望ましい。シリンダに対するピストンの急激動は不都合なジャーク衝撃の発生に加えて仕事量とエラー補正の仕事を増加させる。よってスムーズな運動を達成するのにガウス速度プロファイルが選択可能である。図10はこの直線移動に使用できるガウスアルゴリズムのフローチャートである。移動距離がユーザによって入力されたらガウス速度表が作成される。速度と距離の関係のプロファイルが移動に必要な距離に対して作成される。ナノステッパモータの速度は時間遅延、すなわちパルス幅を変更することで変更できる。時間遅延は計算速度の逆関数を発見することで計算でき、それぞれのステップに対して作表できる。そうすれば1または複数の排出サイクルがガウスプロファイルで呼び出せる。これは図10に示されている。
【0046】
本発明の1つのユニークな特徴はシリンダに対するピストンの直線移動のリアルタイム閉鎖ループポジション制御一体化である。使用の際、ユーザがピストン移動距離を選択すると、コントローラは前述のように速度表を作成してガウスプロファイルをフィットさせる。この表に従ってコントローラはナノステッパモータにコマンドを発し、ピストンを上昇または下降させ、ピストンポジションのモニターを開始する。シリンダに対するピストンのポジションはレールとキャリエッジとの間の相対移動を測定して得られる。この実施例のポジションセンサーである光センサーはデジタル方形信号を出力し、コントローラの2つの高速デジタル入力(HSI)チャンネルに供給する。2つの方形チャンネルの全変移数はシリンダに対してピストンが移動した距離に比例する。
【0047】
少なくとも2つの利用可能な制御アルゴリズムである複パルスおよび単パルスが存在する。それらはそれぞれの直線移動で使用される。まず複パルス移動が複パルス移動アルゴリズムを使用して開始できる。このアルゴリズムではナノステッパは高速出力(HSO)チャンネルを介してコマンドされ、速度制御用のガウス表に従って所定の距離(本実施例ではストロークの大部分)を移動する。同時にセンサーからの方形パルス出力が数えられ、実際の移動ポジションを把握させる。
【0048】
複パルスモーションが完了するとコントローラは単パルスアルゴリズムを開始できる。まず、存在するならエラーが計算される。次に、実際のポジションが保存された数値を使用して計算でき、シリンダに対するポジションの予想ポジションと比較される。もしモータがオーバーロード、オーバースピードまたは他の理由によってパルスコマンドを飛ばしたら、そのエラーは非ゼロとなろう。エラーが知られたらコントローラは単パルスコマンドをナノステッパに対して送り、それぞれのパルスの動きを確認する。換言すれば、この動きはリアルタイムでのそれぞれのステップと関連する動きをチェックすることで制御できる。この方法は速度を落とさせるが、さほど重要ではない。なぜなら、運動を停止させる準備で速度が非常に遅いガウス領域で発生するからである。さらに、この領域はピストンの全運動量と比較すれば非常に小さい。この2段階アルゴリズムは超高精度リアルタイム制御の必要性と全体的液体排出速度との間の最良バランスを提供する。
【0049】
回転ポジションは2つのバイナリ光センサーとスリット付き2つの円形ディスクを使用して決定できる。回転滑車の上側と下側はそれら2つの円形ディスクとして利用できる。滑車の上部は1つのスリットを有し、下部はシリンダの10のポートに対応する10のスリット(他数も可)を有することができる。逆も可。スリット数はポンプのインプットポート及びアウトプットポート数による。スリットは底部の10スリットが等間隔となり、その1つが最上スリットと合致するように提供される。この実施例ではスリットの検出には2つの光センサーが利用される。それらは上回転センサーか滑車の上部のスリットを見て、下センサーが滑車の下部の10スリットを見るように配置される。ホームポジションとポートポジションとは逆にすることもできる。
【0050】
両方のセンサー出力が高値(または回路形態によっては低値)を読み取るとき、上部スリットと下部スリットは整合してホームポジションを提供する。その他の場合には、上部センサーは低出力を提供し、下部センサーはポートが定ポジションに存在するか否かによって低出力と高出力を交互に提供する。
【0051】
本発明をさらに別の目的で容器内への液体排出に使用するには、手持ち排出装置がしばしば必要になる。この装置はユニットのピストン運動を開始させるトリガー機構を有することができる。ユーザは前もって液体排出量を選択し、装置を望む位置に配置してユニットのポンプ作用を開始させる。
【産業上の利用可能性】
【0052】
本発明は高精度液体排出が重要な要素である生体科学と薬剤産業における高有用性を見出した。本発明は産業または臨床環境および研究所において利用できる。
【図面の簡単な説明】
【0053】
【図1】複径複ポートツーピースポンプを図示する。
【図2】複径複ポートツーピースポンプの断面図である。
【図3】高精度ポンプドライブフレームと電気機器の1実施例を図示する。
【図4】スライドおよび光エンコーダ機器を図示する。
【図5】利用可能なコントローラシステムの構造を示す。
【図6】アクティブノズルとコントローラとの間のインターフェースを示す。
【図7】監視制御手順を示す。
【図8】単パルス排出提供サイクルを示す。
【図9】提供サイクルのフローチャートを示す。
【図10】ガウス運動アルゴリズムを示す。
【0001】
本発明は生体科学分野での精密液体排出に関し、特には閉鎖ループ制御が可能な複径シリンダおよびピストン並びに複インレットポートおよびアウトレットポートを備えたツーピースポンプに関する。
【背景技術】
【0002】
ガラスシリンジとシール状のピストンを使用するシリンジポンプは生体科学分野において液体排出用として普通に利用されている。通常は独立したバルブが液体インレットとアウトレットの制御に利用されている。現在、カルボ、クローン&ハミルトン社のシリンジポンプは1μlから50mlまで様々なシリンジサイズを提供する。バルブ機能は複数のインレットポートおよびアウトレットポートを提供する。シリンジバレルは密封シールを使用してバルブ本体内に直接的に挿入されるが、一般的にはバルブはシリンジから分離できる。シリンジ面積とピストン直線移動距離は排出シリンジ液量を規定する。一般的に、回転運動を直線運動に変換するリードスクリューにカップリングされたステッパモーターがシリンジピストン移動を制御する。ステッパモータはしばしばシャフトエンコーダを有しており、モータステップロスのドライブオーバーロード検出を提供する。
【0003】
単純なツーピースポンプは知られており、ステンレススチールまたはセラミック材料で提供される。このタイプのポンプはピストンとシリンダで構成されており、ピストンはバルブ機能をも提供する。
【0004】
シリンジタイプの容積移送式ポンプは極少量の液体を排出できるが、液量が3μl以下となると液滴を管あるいはノズルから落下させるには排出表面との接触が必要である。アクティブノズルが開発され、マイクロアレイ市場のために少液量の移動を可能にした。液体カップリングおよびシリンジポンプと同調したソレノイドバルブが使用されている。他のシステムではエアゾール噴射またはシリンジポンプにカップリングされた圧電装置を使用して小液量排出を助けている。
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【0005】
現在強く求められているのは安価であり、小型であって洗浄が容易で正確な生体科学用の小液量排出システムである。それらの達成のためにはツーピースポンプは少なくとも2径のピストンとシリンダ、複数のインレットポートとアウトレットポートおよび安価な電子機器を備えた精密ポンプ駆動システムを必要とする。ポンプドライブは直線測定手段によりポジションが制御された高精度排出を提供しなければならない。コントローラもアクティブノズルとの同調性能と、圧力トランスジューサのごとき外部センサーを提供するA/D性能とを提供することができよう。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は生体科学市場の少量高精度排出需要に応えるツーピースポンプと高精度閉鎖ループコントローラドライブシステムとに関する。このツーピースポンプは2径を有するシリンダーおよびピストンを含むことができ、一体型バルブ機構を有したシールレスポンプを提供する。ポンプシリンダとピストンは3以上の径を有しているか、あるいは径をテーパさせたり湾曲状態としている。複径ポンプにおいては、排出液量は径面積の差xピストン直線移動距離に関係する。
【0007】
本発明は複数のインレットポートとアウトレットポートとを有したポンプおよび高精度制御システムと複径ポンプとを組み合わせている。この形態は、例えばマイクロチタープレートピペット測定で使用できる単ポンプで精密複アウトレット排出を提供する。マイクロチタープレート排出のための容積移送ポンプオプションは複数のインレットポートとアウトレットポートとを有したポンプの使用である。
【0008】
複径シリンダの好適なインレットポートポジションはシリンダの小径部であり、アウトレットポートの好適ポジションはシリンダの大径部である。しかしながらアウトレットポートやインレットポートはシリンダの別の場所に設置することもできる。通常はシリンダの小径部は大径部よりも下方部分に設置される。ピストンは大径部の溝と連結した溝を小径部に有することができる。
【0009】
アウトレットポートやインレットポートの数はピストン/シリンダ径および隣接ポート間の間隔によって規制される。ポートの最小間隔が5mmであり、ポンプが10の1mmのポート(8つはアウトレットで2つはインレット)を有していれば、必要なポンプ径は19mm少々である。μl単位での液量排出のための19mm径ポンプでは径差は小さくなければならず、直線移動させるドライブは非常に少量を直線移動させるものである必要がある。
【0010】
本発明の1好適ポンプ形態では2インレットポート/8アウトレットポートを有した2径複ポートポンプを使用する。そのポンプはミキシングも可能である。なぜならポート1からポンプ内に液体を注入し、続いてポート2から注入してピストンを回転させ、環状ミキシングを達成できるからである。ピストン溝はこのミキシングを助けるが、ポンプは他の機能も有することができ、空気を閉じ込めない限りこのミキシングを助けることができる。
【0011】
排出液の回収のためにポンプシステムは9(または他の奇数)のアウトレットポートを使用することができる。この9番目のポートはインレットポートの1つと整合する。このアウトレットポートは液体供給部または回収用の容器に接続できる。この形態では整合したインレットポートを空気供給部と接続させて整合したアウトレットポートから残りの液体を強制排出させることもできる。
【0012】
別形態では整合インレットポートとアウトレットポートを洗浄液またはフラッシュ液と接続させることができる。ピストンはインレットポートにて液圧によって洗浄でき、ピストンとシリンダとの間の液体境界層の洗浄のためにピストンを回転させることができる。同数のインレットポートとアウトレットポートを提供し、使用しないポートを特注形態に合わせて塞ぐこともできる。
【0013】
この精密ポンプドライブはポンプピストンの直線移動を制御する少なくとも1つのステッパモータまたはDCモータを含むことができる。通常は、ピストンの回転を制御する別のステッパモータまたはDCモータをも含んでいる。これで1つのポンプインレットまたはアウトレットポートをピストン溝と整合させることができる。
【0014】
ピストンの直線移動は一般的にボールスクリューを回転させる第1ステッパモータで提供される。回転しないように保持されていればボールスクリューナットは直線的に移動し、ピストンに必要な直線移動を提供する。直線移動センサーはピストンのポジションを非常に精密にモニターでき、システム全体はマイクロコントローラによって閉鎖ループで駆動できる。
【0015】
この適用のための好適な直線センサーはレニショの0.5ミクロン光スケールまたは同様なスケールのものであり、磁気直線スケールあるいは直線電圧差トランスフォーマ(LVDT)等である。好適なステッパモータは直線移動用5相オリエンタルナノステッパと回転移動用5相半ステップモータである。このナノステッパモータは500ステップ/回転から125000ステップ/回転まで16のディスクリート段階範囲を有している。この範囲はオペレータが選択する。
【0016】
ナノステッパの使用によってドライブは適当な数のステップを0.5ミクロンレニショ線間に持たせる。THK4mmピッチボールスクリューにおいては0.5ピッチ前進のために15ステップ以上を必要とする。この段階はインレットとアウトレット機能間で選択できる。他の適当なステッパモータまたはDCモータでも利用できる。
【0017】
1例として、ポンプは10000ステップ/回転でインレットポートに液体を注入し、125000ステップ/回転でアウトレットポートから液体を排出できる。このステップ運動の安定性、制御単純性および精度維持性を提供するためにこの好適システムはステッピングモータを含んでいる。直線ドライバをステッパモータあるいはDCバルドールエレクトリック社のモータまたはナノモーション社のナノモーションモータのごとき直線モータとすることも本発明の範囲内である。
【0018】
このポンプシステムは無空気混入液体排出を提供するかぎり水平および垂直を含んで種々なポジションで操作することができる。マイクロコントローラまたはデジタル信号プロセッサはその回転および直線ポジションの提供に好適である。望まれる液体排出量に関する情報をコントローラに入力することで非常に正確な液体排出が提供できる。なぜならシステムの全段階精度は直線エンコーダから導かれるからである。
【0019】
ピストンの移動または運動は移動を滑らかにするガウスプロファイルの使用を含んだいくつかの運動速度プロファイルによって制御できる。極少液量を効果的に排出させるためコントローラはオプションでアクティブノズルとインターフェースすることができる。このインターフェースはピストン機能をアクティブノズルの機能と同調させることができる。オプションであるアナログ/デジタル(A/D)コンバータ機能の追加はシステムを圧力トランスジューサ等の外部源とインターフェースさせる。
【考案を実施するための最良の形態】
【0020】
図1は2径複ポートツーピースポンプを示す。それはピストン(1)とシリンダ(2)とで成る。ピストンはキー式コネクタとピストンキーを使用してドライブシステムに接続されている(7)。下方コネクタ(6)もキー式としてドライブ機構のベース部に固定できる。コントローラおよびポジション検出センサーは固定シリンダに対するピストン回転及び直線ポジションを決定する。ピストン外径とシリンダ内径は非常に狭いクレアランスを有しており、液体境界層シール状態を提供する。シリンダに沿った位置にはインレットポート(3)とアウトレットポート(4)が提供されている。インレットおよびアウトレットフィットリングに螺合する種々な管フィット器具(5)が利用できる。
【0021】
図2はフィット具10がどのようにシリンダインレットとアウトレットポートとを密封シールするかを示している。インレット/アウトレットポート11はシリンダの内径上に方形スリットとして、外径上では円形として示されている。そこでフィット具は密封シールを提供する。ポートスリットは円形孔でもよい。ピストンは大径溝8と小径溝9を含むことができる。大小2径間でアンダーカット部はポンプ製造を助けることができ、大径溝8と小径溝9とを連結させる手段として作用させることができる。図2では溝は2径上で整合して図示されているが、アンダーカット部が両者間で連続液通路を提供するかぎり溝を相互回転させることができる。それら溝を異なるサイズで提供することもできる。
【0022】
図3と図4はポンプとドライブシステムの全体的な機器を図示する。ピストン12とシリンダはキー式コネクタ13でドライブとカップリングできる。使用可能な連結装置は多数存在する。コネクタはユニバーサルジョイント14にリンクでき、ピストンとシリンダを整合状態に保って使用中に曲げ応力の影響を受けないようにさせることができる。底部ユニバーサルジョイントはベースフレームに接続でき、上部またはピストンのユニバーサルジョイントは2つの角接触ベアリング15でその場に保持されたロッドに接続できる。これらプレロードされたベアリングはピストン回転を提供できるが直線移動は提供しない。滑車をベアリングシャフトの上部に搭載できる。滑車、関連ベルト32およびモータ滑車31は回転ステッパモータ30をピストンにカップリングさせる手段を提供できる。
【0023】
滑車はインレットとアウトレット整合ノッチを有して光スイッチに回転ポジションを検出させることができる。下方滑車フランジには普通は回転ドライブ用のホームポジションを提供する少なくとも1つのノッチが存在する。可動上方サポート29は回転ベアリング搭載、回転ドライブ機器および直線ボールスクリューナット28用の搭載面を提供することができる。可動上方サポート29は直線ボールガイド35にカップリングできる。
【0024】
図はボールガイド35に対してシフトされた上方サポートを図示する。ピストンはシリンダの外側で見られる。通常はこれら2表面は整合しており、上方サポートは固定具でボールスライドキャリエッジに固定されている。このキャリエッジには上方および下方リミット磁気スイッチ、ホーム磁気スイッチおよび光スケールが取り付けられている。レニショ光ヘッド34はフレームに固定でき、ボールガイドキャリエッジのポジションを検出する。ボールガイドレール33はベースフレームに取り付けられている。
【0025】
上方サポート29は直線ボールスクリュー27の回転によって直線ガイドレール構造体33、35に沿ってスライドすることで上下移動できる。上部サポートに取り付けられたボールスクリューナット28は上下直線運動へのボールスクリュー回転運動の変換を提供する。力によるサポートと軸方向移動の排除は別セットの角度コンタクトベアリング26によって提供できる。ボールスクリューはシャフトカップリング25によってステッパモータ24にカップリングできる。
【0026】
図5から図12はマイクロコントローラシステムの特定実施例の詳細を示す。多くの他の実施態様も本発明の範囲内である。この好適実施例は本発明の説明のために供される。
【0027】
コントローラはシリンダに対するピストンの直線ポジションの超高精度閉鎖ループコントロールを使用した制御手順を実行する。ピストンは直線と回転である2種類の移動/運動をシリンダに対して行う。直線移動は超高精度ポジションセンサーからのリアルタイムフィードバックでナノステッパモータ等の高精度モータをコマンドすることで提供される。好適な直線センサーはレニショ光スケールであり、精度は0.5μmである。別ステッパモータを2つのバイナリセンサーからのフィードバクでコマンドすると、シリンダに対するピストンの回転運動が発生する(ループ開放)。
【0028】
コントロールシステムはこのバイナリセンサーをモニターし、特定インプットポートとアウトプットポートの係合を確認する。シリンダ上の適切なポートとピストンのスリットとの正確な整合はポンプの効果的な操作に必須である。よって、回転制御は充分に正確であって適切な整合が達成されなければならない。
【0029】
この好適コントローラはインテル80C196マイクロコントローラを使用する。図5はチップベースコントローラシステムの構造ブロック図を示す。このシステムは16ビットマイクロコントローラ(または他の充分なバス幅)を10ビット以上のA/Dコンバータと共に含むことができる。PSD4135G2フラッシュメモリ等はプログラムとデータの保存に使用できる。RAMメモリはオプションでバッテリバックアップできる。JTAGポートはプログラムのローディングと修正に利用できる。
【0030】
この好適システムは複数のモータコントロール出力を有している。1つは直線移動用ナノステップドライバ50RFKに対するものであり、他方はシリンダに対するピストンの回転運動のためのSD5114ドライバに対するものである。複ポートノズルを制御するためコントローラは8デジタル出力(12ポートに拡張可能)を有している。4つのアナログ入力チャンネルが存在できる。1つはオプションで液体の圧力モニターに使用できる。
【0031】
このマイクロコントローラはRS232とCANバスインターフェースも有している。このRS232連続インターフェースを介してユーザはパソコン(PC)でポンプを制御できる。別の通信インターフェースはCANバスでよく、それを利用して複数ポンプがネットワークを介して制御できる。このシステムの他の機能にはリセット、緊急停止、手動排出機能等が含まれる。将来的な利用のために本システムはノズル制御、LED表示等のために4チャンネルデジタル入力と8チャンネルデジタル出力をも有する。
【0032】
本発明を高精度少量アレイ排出用に使用するためにはアクティブノズルの使用が必要である。液量はμlよりも小さい場合があるので、ユニットの出力ポートに接続された従来式管では利用しにくい。そのような少量の場合には重力の影響は無視することができ、表面張力が問題となる。一体的アクティブノズルを備えたユニットは図6において図示されている。このアクティブノズルは二次的アクチュエータとして作用し、液体を出力管から押出す。コントローラに提供されたマイクロアレイインターフェースはアクティブノズルドライバとインターフェースできる。ピストンを動かすコマンドはノズルを作動させるように同調させることができ、微小液滴を提供できる。
【0033】
図7は利用可能な監視制御アルゴリズムを示す。ユニットにスイッチが入れられるとユーザは9つの機能から1つを選択するオプションが与えられる。そのようなシステム構造では新機能をハードウェアを交換せずに容易に追加することができる。
【0034】
それらの機能を解説する。
【0035】
フィルサイクル(Fill Cycle):この機能が呼び出されるとピストンはまず所定ポートにまで回転し、続いて直線移動によってポンプはそのホームポジションに進行する(シリンダに対してピストン最下方部)。ピストンは次に回転してインプットポートと整合し、上方に所定の距離あるいは最大限移動する。ポンプが所定量の液体で完全に満たされるとピストンは停止する。図8はフィルサイクルのフローチャートである。
【0036】
ポンプサイクル(Pump Cycle):この機能は通常はフィルサイクル後に開始される。選択されると、そのポジションでない場合にはピストンは回転してそのスリットを適当なアウトプットポートと整合させ、その後にホームポジションに到達するまで下方に移動し、ポンプの最大量を排出させ、停止する。
【0037】
排出サイクル(Dispense Cycle):この機能はポンプサイクルとは異なる。このサイクルではユーザは最大量以下の液体排出量を選択するオプションを有する。コントローラはそこに存在しないならピストンを回転させ、そのスリットを適当なアウトプットポートと整合させる。ピストンはコマンドによって2つのモードの一方(短パルスまたは複パルス)にて下方移動する。単パルスの場合にはピストンは1モータステップだけ下方移動し、システムに可能な最少液量を排出する。複パルスの場合にはナノステップモータはコマンドされて所定数のパルスによって移動する。この排出サイクルは図9で図示されている。
【0038】
プライムサイクル(Prime Cycle):この機能ではポンプはコマンドによってホームポジションに移動し、フィルサイクルとポンプサイクルが連続して続く。このプライムサイクルは1回または複数回であり、扱われる液体の流体特性により決定される。
【0039】
ロード/アンロードポンプ(Load and Unload Pump):ユーザはこの機能をポンプの変更のために呼び出すことができる。これにはまず現存ポンプを空にして新ポンプを充填する。ポンプサイズアルゴリズムが続く。このアンロードコマンドは通常はホームポジションに移動するポンプで望むポートと整合するように移動させ、アンロードポジションに到達したことを示す信号を表示させる。同様に、ポンプローディングアルゴリズムはポンプをロードポジションに移動させる。
【0040】
カリブレーションサイクル(Calibration Cycle):カリブレーションサイクルはポンプカリブレーションを更新する機能を提供する。普通はポンプが交換される度に必要である。このサイクルはホームポジションでフィルサイクルおよび排出サイクルを開始する。ポートからの出力は重量測定され、または他の方法(例えば光手段)で量測定されてカリブレーション表が更新される。
【0041】
ポンプサイズ(Pump Size):この機能は新ポンプがユニットに搭載されるときに使用される。利用可能な全ポンプのデータベースが利用可能であり、そこからユーザはポンプを選択する。このプログラムはストローク長と液量との間の全関係を計算し、それを現行データベースとする。
【0042】
ホーム(Home):ホームポジションは回転ホーム信号及び直線ホーム信号の両方を検出することで達成される。回転ホーム位置は2つのバイナリセンサーで決定される。これらはいつピストンが回転し、そのスリットがインプットポートと整合したかを示す光センサーでよい。滑車内のオプションスリットはピストンスリットを望むポートと整合させる手段として作用することができる。直線モータホームはピストンがその最下方ポジションに移動するときに発生する直線スケールパルスをモニターすることで達成される。光センサーアウトプット信号はホームパルス出力を含む。
【0043】
ポンプローディング確認(Verify pump loaded):この機能はポンプの適正なローディング状態を確認するものである。ピストンとユニバーサルジョイントとの間のインターフェースでのバイナリスイッチはポンプの存在の検出に使用できる。コントローラはそのことが実現するまでピストンの動きを禁止する。
【0044】
コントローラの機能のほとんどはピストンを軸に沿ってスピンドルと相対的に動かす任務である。この運動の精度はポンプの精度を決定する。この安価な超高精度ポンプの1つのユニークな機能はこれら直線移動がシリンダに対するピストンのリアルタイム閉鎖ループ制御を使用して正確に行われることである。さらに、ガウス速度プロファイルが使用可能で不都合な衝撃動を排除し、ステップの欠落を回避させる。
【0045】
ピストンをフィリング、排出、プライミング等のために移動させる際のスタート時とストップ時にジャーク衝撃が回避できるように速度プロファイルを提供することが望ましい。シリンダに対するピストンの急激動は不都合なジャーク衝撃の発生に加えて仕事量とエラー補正の仕事を増加させる。よってスムーズな運動を達成するのにガウス速度プロファイルが選択可能である。図10はこの直線移動に使用できるガウスアルゴリズムのフローチャートである。移動距離がユーザによって入力されたらガウス速度表が作成される。速度と距離の関係のプロファイルが移動に必要な距離に対して作成される。ナノステッパモータの速度は時間遅延、すなわちパルス幅を変更することで変更できる。時間遅延は計算速度の逆関数を発見することで計算でき、それぞれのステップに対して作表できる。そうすれば1または複数の排出サイクルがガウスプロファイルで呼び出せる。これは図10に示されている。
【0046】
本発明の1つのユニークな特徴はシリンダに対するピストンの直線移動のリアルタイム閉鎖ループポジション制御一体化である。使用の際、ユーザがピストン移動距離を選択すると、コントローラは前述のように速度表を作成してガウスプロファイルをフィットさせる。この表に従ってコントローラはナノステッパモータにコマンドを発し、ピストンを上昇または下降させ、ピストンポジションのモニターを開始する。シリンダに対するピストンのポジションはレールとキャリエッジとの間の相対移動を測定して得られる。この実施例のポジションセンサーである光センサーはデジタル方形信号を出力し、コントローラの2つの高速デジタル入力(HSI)チャンネルに供給する。2つの方形チャンネルの全変移数はシリンダに対してピストンが移動した距離に比例する。
【0047】
少なくとも2つの利用可能な制御アルゴリズムである複パルスおよび単パルスが存在する。それらはそれぞれの直線移動で使用される。まず複パルス移動が複パルス移動アルゴリズムを使用して開始できる。このアルゴリズムではナノステッパは高速出力(HSO)チャンネルを介してコマンドされ、速度制御用のガウス表に従って所定の距離(本実施例ではストロークの大部分)を移動する。同時にセンサーからの方形パルス出力が数えられ、実際の移動ポジションを把握させる。
【0048】
複パルスモーションが完了するとコントローラは単パルスアルゴリズムを開始できる。まず、存在するならエラーが計算される。次に、実際のポジションが保存された数値を使用して計算でき、シリンダに対するポジションの予想ポジションと比較される。もしモータがオーバーロード、オーバースピードまたは他の理由によってパルスコマンドを飛ばしたら、そのエラーは非ゼロとなろう。エラーが知られたらコントローラは単パルスコマンドをナノステッパに対して送り、それぞれのパルスの動きを確認する。換言すれば、この動きはリアルタイムでのそれぞれのステップと関連する動きをチェックすることで制御できる。この方法は速度を落とさせるが、さほど重要ではない。なぜなら、運動を停止させる準備で速度が非常に遅いガウス領域で発生するからである。さらに、この領域はピストンの全運動量と比較すれば非常に小さい。この2段階アルゴリズムは超高精度リアルタイム制御の必要性と全体的液体排出速度との間の最良バランスを提供する。
【0049】
回転ポジションは2つのバイナリ光センサーとスリット付き2つの円形ディスクを使用して決定できる。回転滑車の上側と下側はそれら2つの円形ディスクとして利用できる。滑車の上部は1つのスリットを有し、下部はシリンダの10のポートに対応する10のスリット(他数も可)を有することができる。逆も可。スリット数はポンプのインプットポート及びアウトプットポート数による。スリットは底部の10スリットが等間隔となり、その1つが最上スリットと合致するように提供される。この実施例ではスリットの検出には2つの光センサーが利用される。それらは上回転センサーか滑車の上部のスリットを見て、下センサーが滑車の下部の10スリットを見るように配置される。ホームポジションとポートポジションとは逆にすることもできる。
【0050】
両方のセンサー出力が高値(または回路形態によっては低値)を読み取るとき、上部スリットと下部スリットは整合してホームポジションを提供する。その他の場合には、上部センサーは低出力を提供し、下部センサーはポートが定ポジションに存在するか否かによって低出力と高出力を交互に提供する。
【0051】
本発明をさらに別の目的で容器内への液体排出に使用するには、手持ち排出装置がしばしば必要になる。この装置はユニットのピストン運動を開始させるトリガー機構を有することができる。ユーザは前もって液体排出量を選択し、装置を望む位置に配置してユニットのポンプ作用を開始させる。
【産業上の利用可能性】
【0052】
本発明は高精度液体排出が重要な要素である生体科学と薬剤産業における高有用性を見出した。本発明は産業または臨床環境および研究所において利用できる。
【図面の簡単な説明】
【0053】
【図1】複径複ポートツーピースポンプを図示する。
【図2】複径複ポートツーピースポンプの断面図である。
【図3】高精度ポンプドライブフレームと電気機器の1実施例を図示する。
【図4】スライドおよび光エンコーダ機器を図示する。
【図5】利用可能なコントローラシステムの構造を示す。
【図6】アクティブノズルとコントローラとの間のインターフェースを示す。
【図7】監視制御手順を示す。
【図8】単パルス排出提供サイクルを示す。
【図9】提供サイクルのフローチャートを示す。
【図10】ガウス運動アルゴリズムを示す。
Claims (10)
- 高精度液体排出システムであって、
外側シリンダ内に提供された複径ピストンを有したツーピースポンプであって、該外側シリンダは該ピストンと同数の異サイズ径を有しており、本ポンプは該外側シリンダに取り付けられ、該ピストンと該外側シリンダとにより形状化された複数のインプットポート及びアウトプットポートを有しているポンプと、
前記外側シリンダに取り付けられ、該外側シリンダを固定保持する固定フレームと、
前記ピストンに取り付けられ、前記固定フレームに対して移動することで該ピストンを移動させるスライドフレームと、
前記スライドフレームに取り付けられ、前記ピストンとカップリングしており、該ピストンを複数のポートポジション間で回転させる第1モータと、
前記固定フレームに取り付けられ、前記スライドフレームを該固定フレームに対して移動させて前記ピストンを移動させる第2モータと、
インプットとアウトプットが関与する閉鎖ループフィードバック制御システムであって、該インプットは前記ピストンのポジションに対応し、該アウトプットは前記第2モータ制御し、本閉鎖ループフィードバック制御システムは前記ピストンに所定量の液体を精密に排出させる閉鎖ループフィードバック制御システムと、
を含んで構成されることを特徴とする高精度液体排出システム。 - 所定量の液体を排出させる方法であって、
閉鎖ループフィードバック制御システムに望む排出液体量を入力するステップであって、該閉鎖ループフィードバック制御システムはツーピースポンプのスライドピストンにカップリングされており、該ピストンは複数のインレットポートポジションとアウトレットポートポジションとの間で回転し、液体の排出および供給のために直線状に移動し、前記閉鎖ループフィードバック制御システムは該ピストンの直線移動ポジションを検出して制御するステップと、
前記ピストンを所定のインレットポートポジションにまで回転させるステップと、
該ピストンを直線的に移動させて液体を供給するステップと、
該ピストンを所定のアウトレットポートポジションにまで回転させるステップと、
該ピストンを前記閉鎖ループフィードバック制御システムによって直線的に移動させて精密な液体量を排出させるステップと、
を含んで成ることを特徴とする液体排出方法。 - 複径ピストンと複径シリンダは大径と小径を有しており、インレットポートは該小径側に提供されていることを特徴とする請求項1または2に記載の高精度液体排出システム。
- アウトレットポートは大径側に提供されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の高精度液体排出システム。
- 第1モータと第2モータはステッパモータであることを特徴とする請求項1または2に記載の高精度液体排出システム。
- 少なくとも1つのインプットポートと少なくとも1つのアウトレットポートは整合状態であることを特徴とする請求項1または2に記載の高精度液体排出システム。
- ピストンのポジションに対応し、閉鎖ループフィードバック制御システムにインプットを提供する直線状スケールをさらに含んでいることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の高精度液体排出システム。
- 第2ステッパモータは125000ステップ/回転であることを特徴とする請求項5記載の高精度液体排出システム。
- ツーピースポンプは制御式ノズルにカップリングされたアウトプットを含んでいることを特徴とする請求項1または2に記載の高精度液体排出システム。
- 制御式ノズルは閉鎖ループフィードバック制御システムにより制御されることを特徴とする請求項9記載の高精度液体排出システム。
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