JP4273051B2 - 分注装置および分注方法 - Google Patents

Description

本発明は、典型的には着脱自在なノズルチップを有する分注ノズルを使用する分注装置および分注方法に関する。

分注装置や分析装置において正確な位置決め機構を用いて、サンプルや試薬容器の位置にノズルチップを搬送し、分注動作を行う必要がある。高速処理や微量分注を目的とする機構では、吸引あるいは吐出容器のサイズが小さくなるため、ノズル先端を分注位置に正確に位置決めするのは困難になる。ノズルの位置ずれが起こると、ノズルが容器の外縁部に接触したり、目標からはずれた位置にサンプル等を分注してしまう。

特にたとえば「１５３６ウェルプレート（１枚のプレートに１５３６個のウェル（穴）が設けられているマイクロプレート）」に分注する場合、ノズルチップの先端の外径はφ０．８ｍｍ程度あるのに対して、マイクロプレートにおいてウェル（穴）のピッチは２．２５ｍｍ、穴径はφ１．４〜１．７ｍｍ程度しかない。この場合、ノズル先端を位置決めする際の許容誤差は、±０．０５ｍｍであり、位置決め精度の良否は極めて重要な問題である。

この種の分注装置において、たとえば特許文献１あるいは特許文献２に開示される分注装置では、ディスポーザルチップの位置ずれをジャミングセンサまたは圧力センサにより検出するようにしている。
また、特許文献３に開示されるサンプリング装置では、サンプル容器の絶対位置を検出するようにしている。
また、特許文献４に開示される自動分注装置および方法では、ノズルチップの先端部を撮像して位置ずれを検出している。
さらに、特許文献５に開示される自動精密対象物ホルダでは、マイクロプレートを精密に位置決めする。

特許第３２３１２６９号公報 特許第３２３１２７１号公報 特開平８−１５２７２号公報 特許第３４４６５９７号公報 特表２００４−５０３７８２号公報

一般にノズルの位置ずれを回避するためには分解能が高く、位置決め再現性が良い搬送機構が用いられる。しかしながら、特にディスポーザルチップを使用する分注装置では、チップが成形品であるため曲がりや反りがあり、搬送機構の高性能化だけでは有効に対応することが実質的に困難である。また、ＣＣＤカメラ等を使って、容器あるいはマイクロプレートやチップ先端の位置を直接検出する方法では、高価なセンサや検出回路を別途付設する必要があり、構成が複雑化する上、コストが高くならざるを得ない。

本発明はかかる実情に鑑み、簡便かつ正確にノズル位置ずれを検出・補正し、高い精度の分注動作を保証する分注装置および分注方法を提供することを目的とする。

本発明による分注装置は、着脱自在に構成されたノズルを分注位置に搬送し、検体等を前記分注位置に分注するようにした分注装置であって、前記ノズルが搬送されるワークエリアの適所に該ノズルの先端部位を直交３軸方向に検出する受発光式非接触型センサユニットを含むノズル検出手段を備え、このノズル検出手段の検出信号に基づき基準ノズルに対する前記ノズルの位置ずれをノズルごとに検出し、分注の度にノズル単位でその位置ずれを補正して搬送するようにしたことを特徴とする。

また、本発明の分注装置において、前記基準ノズルに対する検出信号により基準点からの基準距離が検知されるとともに、前記基準距離とノズルごとに検出した前記位置ずれとに基づき、搬送されるべき各ノズルの前記分注位置までの搬送距離が設定されることを特徴とする。

また、本発明の分注装置において、前記ノズルを直交３軸方向に沿って搬送する搬送機構を備え、この搬送機構により前記ノズルを前記基準点から前記分注位置まで搬送する途中適所で、前記ノズル検出手段によって前記ノズルの先端部位を検出することを特徴とする。

また、本発明の分注装置において、前記ノズルを直交３軸方向に沿って搬送する搬送機構を備え、この搬送機構により前記ノズルを前記基準点から前記分注位置まで搬送する途中適所で、前記ノズル検出手段によって前記ノズルの先端部位をノズルごとに検出することを特徴とする。

また、本発明による分注方法は、着脱自在に構成されたノズルを分注位置に搬送し、検体等を前記分注位置に分注するようにした分注方法であって、ワークエリアの適所において、搬送される各ノズルごとにその先端部位を直交３軸方向に非接触式に検出し、それぞれの検出信号に基づき基準ノズルに対する前記各ノズルの先端部位の位置ずれ量をノズルごとに算出し、分注の度にノズル単位でその位置ずれ量を補正した後、前記各ノズルを前記分注位置に搬送することを特徴とする。

また、本発明による分注方法において、前記ノズルを基準点から前記分注位置まで搬送する途中適所に、前記ノズルの先端部位を検出するノズル検出点を設定し、前記ノズル検出点において前記基準ノズルの先端部位を検出し、この検出信号により前記基準点からの基準距離を測定し、搬送される前記ノズルの先端部位を検出し、この検出信号により前記基準点から前記ノズル検出点までの移動距離をノズルごとに測定し、前記基準距離と前記移動距離を比較して前記ノズルの先端部位の位置ずれ量をノズルごとに算出し、分注の度にノズル単位で該ノズルの搬送距離を補正することを特徴とする。

本発明によれば、ワークエリアの適所で、搬送される各ノズルごとにその先端部位を検出し、それぞれの検出信号に基づき基準ノズルに対する前記各ノズルの先端部位の位置ずれ量を算出する。その位置ずれ量を補正した後、各ノズルを前記分注位置に搬送する。

このように分注に際して、予めノズルの位置ずれを検出し、その位置ずれ量を見込んで移動させることにより、そのノズルを目標位置に正確に到達させることができる。したがって、曲りや反りがある場合でも極めて正確かつ適正に分注することができる。

以下、図面に基づき、本発明による分注装置および分注方法の好適な実施の形態を説明する。
図１は、この実施形態における本発明装置の概略構成を示している。この分注装置において、検体あるいは試薬等を吸引または吐出するノズル１０は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に可動な搬送機構によって支持され、ワークエリア１００上で直交３軸方向に移動可能である。ノズル１０はホルダ１２の端部に着脱自在なノズルチップ１１を有し、ワークエリア１００上の分注位置に搬送されて、検体等をその分注位置に分注するようになっている。

ノズルチップ１１は、樹脂等で成型された所謂ディスポーザルチップであり、先細となるようにテーパ状に形成される。搬送機構の詳細構造については省略するが、ＸＹＺ３軸方向のガイドに沿ってノズル１０を移動させるようになっている。各ガイドの端部等においてパルスモータ等のアクチュエータを備え、アクチュエータに対する駆動パルス（数）をカウントすることにより、各軸の移動方向に沿ったノズル１０の移動量を把握し得るように構成することができる。

ノズルチップ１１は適度な圧着強度でホルダ１２の装着部１２ａ（チップフィッティング）に嵌着し、ホルダ１２、したがってノズルチップ１１はチューブ１３を介して分注ポンプ１４と接続される。分注ポンプ１４はそのシリンダ内でピストン１４ａが往復動することで、ノズルチップ１１内に検体あるいは試薬等Ｍを吸引させ、または吐出させるようになっている。なお、分注ポンプ１４にはシリンダの内圧を検出する圧力センサ１５が付設され、圧力センサ１５の圧力検出値に基づいてノズルチップ１１における吸引・吐出量等をコントロールすることができる。

ここで、図２はワークエリア１００における配置構成例を示している。この例ではワークエリア１００の所定位置に、検体（たとえば血清）あるいは試薬等が分注される複数の穴が形成されたマイクロプレート１０１，１０２，１０３が配置される。これらのマイクロプレート１０１〜１０３の穴１０１ａ，１０２ａ，１０３ａは、極めて微細なピッチ間隔で多数設けられており、ワークエリア１００上での各穴の座標（ＸＹ座標）は予め決められている。

ワークエリア１００の所定位置にはまた、多数の未使用のノズルチップ１１をストックするチップラック１０４が配置される。この場合、チップラック１０４にはノズルチップ１１を保持する保持部１０４ａが所定のピッチ間隔で穿設されており、各保持部１０４ａにノズルチップ１１を垂直方向に収容保持するようになっている。このようにストックされたノズルチップ１１は、ノズル１０のホルダ１２を上方から下降させることで、その装着部１２ａに嵌着させることができる。

また、ワークエリア１００の所定位置には試薬あるいはサンプル等が保管された複数の保管部１０５ａを有するチューブラック１０５が配置される。さらに、使用後のノズルチップ１１をノズル１０から取り外すためのチップリムーバ１０６が配置されている。チップリムーバ１０６は、ノズルチップ１１の開口縁部に係合するように凹設された取外し部１０６ａを有する。

このような配置構成でなるワークエリア１００における分注動作の一例では、たとえばマイクロプレート１０１上の検体（血清等）に、ノズルチップ１１によってチューブラック１０５から吸引した試薬（Ａ）を混合する。この混合したものを別（未使用）のノズルチップ１１によって吸引し、これをマイクロプレート１０２上に吐出する。さらにマイクロプレート１０２上の検体に、別（未使用）のノズルチップ１１によってチューブラック１０５から吸引した試薬（Ｂ）を混合する。検体に対する検査項目によっては、さらにマイクロプレート１０３が使用されるが、このような試薬等の吸引および吐出のたびに使用済みのノズルチップ１１をホルダ１２から取り外し、未使用のものを装着する。

さて、本発明においてノズル１０が搬送されるワークエリア１００の適所（ノズル検出点）、たとえば図２のようにマイクロプレート１０２あるいはチップラック１０４等の側近に該ノズルチップ１１の先端部位を検出するノズル検出手段１６を備える。このノズル検出手段１６の検出信号によりノズルチップ１１の搬送開始点からの基準距離が検知されるとともに、この基準距離に基づき、搬送される各ノズル（ノズルチップ１１）の分注位置までの搬送距離が設定される。

この実施形態では図３に示されるように、ノズル検出手段１６として基台１７上にセットされた３つの受発光式非接触型センサユニット１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃを含む。これらのセンサユニット１６Ａ〜１６Ｃは、ノズルチップ１１の先端部位を直交ＸＹＺ３軸方向に検出するように配置される。この場合、受発光式であるため実装に際して、センサユニット１６Ａ〜１６Ｃを外装１８で囲繞し、外光によるノイズの発生を防止するように遮光するのが好ましい。

各センサユニット１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃは図４に示されるように、発光側および受光側相互間をノズルチップ１１の先端部が通過し得るように空隙１９が設けられている。各センサユニット１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの構成として、たとえば図４（ｂ）に示されるように空隙１９の一方側に配置された、たとえばＬＥＤ等の発光素子２０と空隙１９の他方側に対向配置された受光素子２１を有し、受光素子２１の前方至近位置にスリット２２が配置される。ノズルチップ１１の先端部が空隙１９内を通る際、スリット２２の前方通過時点で「OＮ」信号が得られるようになっている。

ここで図５は、この実施形態におけるノズル検出手段１６を含めた本発明装置の概略構成を示している。ノズル検出手段１６の各センサユニット１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃは、制御部２３に接続され、それぞれの検出信号を制御部２３に送出する。制御部２３は、分注ポンプ１４を駆動するポンプ駆動部２４の作動を制御し、前述したノズル１０のＸＹＺ３軸搬送機構のノズル駆動部２５の作動を制御する。ノズル駆動部２５において前述したようにパルスモータ等のアクチュエータを使用する場合、そのアクチュエータに対する駆動パルス（数）を必要に応じて記憶するメモリ２６を有する。また、装置動作を制御する各種入力操作を行うための入力部２７や、装置動作状態あるいは各種データ等の出力表示を行うための表示部２８が制御部２３に接続される。

上記構成において、つぎに本発明装置の作動について説明する。図６にも示されるように先ず、ステップＳ１において装置の運用前にノズル１０のティーチングが行われる。このティーチング動作ではノズル１０のホルダ１２の装着部１２ａに、曲りや反りのない基準となるノズルチップ（基準ノズルチップ１１Ａ（図７参照））を取り付け、その先端部を開始もしくは基準点Ｏ（図４（ａ））に移動する。なお、この基準点Ｏは、ワークエリア１００上の任意適当な位置を選択することができるが、この例ではたとえばＺ軸用のセンサユニット１６Ｃの上方とする。

基準ノズルチップ１１Ａを装着したノズル１０を図４のように、先ずＸ軸に沿って距離ＯＡ′で移動させる。基準ノズルチップ１１Ａがセンサユニット１６Ａのスリット２２の前方を通過した時点（位置Ａ）で、センサユニット１６Ａのオン信号が得られる。この瞬間同時にＸ軸用のアクチュエータを停止させ、このときの移動距離を基準距離Ｌ_xとしてメモリ２６に記憶する。

Ｙ軸およびＺ軸についても同様に行い、すなわちそれぞれの軸に沿って距離ＯＢ′およびＯＣ′で移動させ、基準ノズルチップ１１Ａがセンサユニット１６Ｂおよび１６Ｃを通過した時点（位置Ｂおよび位置Ｃ）で、それぞれオン信号が得られる。そして、基準距離Ｌ_yおよびＬ_zをメモリ２６に記憶し、ノズル１０のティーチングが完了する。

つぎに、ノズル１０の吸引元であるチューブラック１０５や吐出先であるマイクロプレート１０１〜１０３のティーチングが行われる。このティーチング動作において、マイクロプレート１０１〜１０３の場合、たとえば４つの角部の穴１０１ａ，１０２ａ，１０３ａのみを設定する。それら以外の残りの穴については、均等なピッチ間隔で列設されているため、それぞれにおいて４つの角部の穴１０１ａ，１０２ａ，１０３ａを基準にして算出することができる。そして、各マイクロプレート１０１，１０２，１０３ともＮ番目の穴位置の座標は、基準点Ｏを原点として（ｘ_n，ｙ_n，ｚ_n）となる。

ステップＳ２において実際の分注動作が開始される。先ず、ステップＳ３でホルダ１２をチップラック１０４まで移動し、そこに保持されているノズルチップ１１を選択し、そのノズルチップ１１を装着する。

装着したノズルチップ１１の位置ずれを検出すべく、その先端部を基準点Ｏに移動する（ステップＳ４）。つぎに、ステップＳ５においてＸ軸に沿って距離ＯＡ′で移動する。位置Ａでセンサユニット１６Ａのオン信号が得られ、同時にＸ軸用のアクチュエータを停止させ（ステップＳ６）、ステップＳ７ではこのときの移動距離Ｉ_xとしてメモリ２６に記憶する。

移動距離Ｉ_xを既に求めた基準距離Ｌ_xと比較して、その差を計算し（ステップＳ８）、装着したノズルチップ１１の位置ずれに対する補正値ΔＬ_x（＝Ｉ_x−Ｌ_x）としてメ
モリ２６に記憶する。たとえば、図７に示すように装着したノズルチップ１１がＸ軸方向に曲り、基準ノズルチップ１１Ａに対してΔＬ_x位置ずれしている場合、ノズルチップ１
１は基準距離Ｌ_xよりもΔＬ_xだけ小さい移動距離Ｉ_xで、センサユニット１６Ａをオン
させたことになる。したがって、この場合にはΔＬ_xだけ差し引いて移動させることで、
そのノズルチップ１１を目標位置に正確に到達させることができる。

ステップＳ９において、補正値もしくは位置ずれΔＬ_xが許容範囲であるか否かを判断
する。補正値ΔＬ_xが規定値から外れている場合、すなわちΔＬ_xmin＜ΔＬ_x＜ΔＬ_xmax
の範囲にない場合、たとえば±１ｍｍの範囲にない場合、チップ未装着かチップ先端部が破損等しているものとし、エラー処理を行なう（ステップＳ１０）。ステップＳ９においてΔＬ_xmin＜ΔＬ_x＜ΔＬ_xmaxの範囲にある場合、ノズルチップ１１の先端部を、再び基
準点Ｏに移動する（ステップＳ１１）。

Ｙ軸およびＺ軸についても同様に、それぞれセンサユニット１６Ｂおよび１６Ｃを使用し、ノズルチップ１１の位置ずれを検出する（ステップＳ１２およびＳ１３）。そして、この場合にも基準距離Ｌ_yおよびＬ_zに対する補正値ΔＬ_yおよびΔＬ_zとしてメモリ２
６に記憶する。ここで、値ΔＬ_yおよびΔＬ_zが許容範囲内にない場合、ΔＬ_xと同様に
エラー処理を行なうのは言うまでもない。

この後ステップＳ１４において、既にティーチングが行われている吸引元のチューブラック１０５に対する補正を行い、移動量を算出する。なお、この移動量として、つぎのようになり、すなわち、
吸引先座標から吐出先座標（ｘ＋ΔＬ_x，ｙ＋ΔＬ_x，ｚ＋ΔＬ_x）まで移動して、その位置で吸引動作を行う（ステップＳ１５）。

ステップＳ１６において、既にティーチングが行われている吐出先のマイクロプレート１０１〜１０３に対する補正を行い、移動量を算出する。なお、この移動量として、Ｎ番目の穴位置の座標はつぎのようになり、すなわち、
吸引先座標から吐出先座標（ｘ_n＋ΔＬ_x，ｙ_n＋ΔＬ_x，ｚ_n＋ΔＬ_x）まで移動して、その位置で吐出動作、すなわち分注を行う（ステップＳ１７）。

吐出動作完了後、ノズル１０をチップリムーバ１０６まで移動し、ステップＳ１８においてそのノズルチップ１１を取り外し、これにより１つの分注動作が終了する（ステップＳ１９）。

上記のように分注に際して、予めノズルチップ１１の位置ずれを検出し、その位置ずれ量を見込んで移動させることにより、そのノズルチップ１１を目標位置に正確に到達させることができる。したがって、曲りや反りがある場合でも狭小ピッチで穴径の小さいマイクロプレート１０１〜１０３等に適正に分注することができる。

また、高価な画像センサ等を使用しないため構成が比較的簡素になり、これにより低コストでありながら高精度な位置ずれ検出を実現する。さらに、非接触式に検出することでノズルチップ１１の先端を汚し、あるいは破損する等の心配がなく、安全かつ円滑な装置動作が保証される。

以上、本発明を種々の実施形態とともに説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
たとえば、図２に示されるワークエリア１００の配置構成は、その一例を示すものであり、必要に応じて適宜変更可能である。
また、基準点とノズル検出点の間の基準距離が予め分かっている場合には、基準ノズルチップによる基準距離の測定を省略することができる。

また、ノズル検出手段１６として３つのセンサユニット１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃを有する例を説明したが、たとえば図８のように単一のセンサユニット１６′を用い、このセンサユニット１６′を基台１７上で水平軸２９のまわりに回動可能に支持する。さらに、基台１７自体を垂直軸３０に対して回転可能に支持することで、単一のセンサユニットにより２軸あるいは３軸検出用センサとして機能させることも可能である。

本発明の実施形態における分注装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態におけるワークエリアの配置構成例を示す平面図である。 本発明の実施形態におけるノズル検出手段の構成例を示す平面図および側面図である。 本発明の実施形態におけるノズル検出手段の作用を示す斜視図およびＤ−Ｄ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態における分注装置の構成例を示す図である。 本発明の実施形態における分注装置の動作例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態におけるノズル検出手段の作用を示す図である。 本発明の実施形態におけるノズル検出手段の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ ノズル
１１ ノズルチップ
１２ ホルダ
１４ 分注ポンプ
１５ 圧力センサ
１６ ノズル検出手段
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ センサユニット
１９ 空隙
２０ 発光素子
２１ 受光素子
２２ スリット
２３ 制御部
２４ ポンプ駆動部
２５ ノズル駆動部
２６ メモリ
２７ 入力部
２８ 表示部
１００ ワークエリア
１０１，１０２，１０３ マイクロプレート
１０４ チップラック
１０５ チューブラック
１０６ チップリムーバ

Claims (5)

1. 着脱自在に構成されたノズルを分注位置に搬送し、検体等を前記分注位置に分注するようにした分注装置であって、
   前記ノズルが搬送されるワークエリアの適所に該ノズルの先端部位を直交３軸方向に検出する受発光式非接触型センサユニットを含むノズル検出手段を備え、このノズル検出手段の検出信号に基づき基準ノズルに対する前記ノズルの位置ずれをノズルごとに検出し、分注の度にノズル単位でその位置ずれを補正して搬送するようにしたことを特徴とする分注装置。
2. 前記基準ノズルに対する検出信号により基準点からの基準距離が検知されるとともに、前記基準距離とノズルごとに検出した前記位置ずれとに基づき、搬送されるべき各ノズルの前記分注位置までの搬送距離が設定されることを特徴とする請求項１に記載の分注装置。
3. 前記ノズルを直交３軸方向に沿って搬送する搬送機構を備え、この搬送機構により前記ノズルを前記基準点から前記分注位置まで搬送する途中適所で、前記ノズル検出手段によって前記ノズルの先端部位をノズルごとに検出することを特徴とする請求項２に記載の分注装置。
4. 着脱自在に構成されたノズルを分注位置に搬送し、検体等を前記分注位置に分注するようにした分注方法であって、
   ワークエリアの適所において、搬送される各ノズルごとにその先端部位を直交３軸方向に非接触式に検出し、それぞれの検出信号に基づき基準ノズルに対する前記各ノズルの先端部位の位置ずれ量をノズルごとに算出し、分注の度にノズル単位でその位置ずれ量を補正した後、前記各ノズルを前記分注位置に搬送することを特徴とする分注方法。
5. 前記ノズルを基準点から前記分注位置まで搬送する途中適所に、前記ノズルの先端部位を検出するノズル検出点を設定し、
   前記ノズル検出点において前記基準ノズルの先端部位を検出し、この検出信号により前記基準点からの基準距離を測定し、
   搬送される前記ノズルの先端部位を検出し、この検出信号により前記基準点から前記ノズル検出点までの移動距離をノズルごとに測定し、
   前記基準距離と前記移動距離を比較して前記ノズルの先端部位の位置ずれ量をノズルごとに算出し、分注の度にノズル単位で該ノズルの搬送距離を補正することを特徴とする請求項４に記載の分注方法。

Images