JP4999242B2 - 抵抗式血球計数装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、アパーチャを粒子が通過するときの電気インピーダンスの変化量を測定することにより粒子数を検出する抵抗式粒子計数装置に関し、さらに詳細にはアパーチャに一定電流を供給するために用いる高電圧電源を改良した粒子計数装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
抵抗式粒子検出方式は、例えば血球計数装置に利用されている。アパーチャを用いた抵抗式血球計数装置は、検出部に設けられているアパーチャ(細孔)に一定電流を流した状態でアパーチャに血球等の粒子を含む試料液体を通過させ、粒子がアパーチャを通過することによってアパーチャ領域の電気抵抗が変動したときに電圧が変化することを利用してこの電圧変化から粒子数を計数するものである。
【0003】
抵抗式粒子検出方式により血球等の粒子計測を行う場合、上述したようにアパーチャに検出用の一定電流を流す必要があり定電流回路が使用されるが、この定電流回路の電源として50V程度の高電圧直流電源が必要となる。
【0004】
そのため、従来から血球計数装置では専用の高電圧電源を搭載して検出回路に供給している。このような専用の高電圧電源を血球計数装置に搭載するときは、高電圧電源で発生した熱の影響が検出回路に及ぶのを防ぐために放熱ファンが取り付けられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
一方、血球計数装置では、装置の小型化、低価格化が要求されており、血球計数装置本体の小型化が進むにつれて、装置に付設される高電圧電源についても小型化が必要になってきている。
これまで血球計数装置用に小型の高電圧電源は使用されていないが、小型化の要求を満足させるために、出願人は市販品のDC−DCコンバータを使用した小型の高電圧電源の開発を試みた。
【0006】
図6は、市販の絶縁型DC−DCコンバータを2つ用いて試作した54V高電圧電源の回路図である。
入力源として+5V直流入力電圧源を使用し、2つのDC−DCコンバータ(TDK社製、型式CCK−0512DF)の出力を直列に接続することにより、高電圧出力を得るようにしたものである。
【0007】
この回路によれば、出力として+54V、50mAの出力が得られ、しかも負荷による電圧変動がほとんどないので、一応、血球計数装置用電源として利用することができる。
【0008】
しかしながら、この回路では待機時(高電圧電源の出力側に接続される定電流回路への電流供給がOFFの時)であっても、かなりの電力(54V、100mA程度、約0.5W)が常に消費され続けている。
【0009】
そこで、本発明は単に小型化だけではなく消費電力をも抑えるようにした電源を用いた粒子計数装置を提供することを目的とする。
【0010】
また、消費電力を抑えることにより発熱をも抑え、放熱ファン等を必要とせず小型化することができる電源を用いた粒子計数装置を提供することを目的とする。
【0011】
また、高価な部品(DC−DCコンバータ)を使用するまでもなく、粒子検出器用の高電圧電源として十分使用可能な性能を有する電源を用いた粒子計数装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明は、血球がアパーチャを通過したときの電気インピーダンス変化から血球を計数する抵抗式血球計数装置であって、交流電力を直流電力に変換する電源部と、電源部から供給された直流電力を昇圧して高電圧の直流電力を出力するコッククロフト方式電源回路と、コッククロフト方式電源回路から供給された高電圧の直流電力を一定電流にしてアパーチャに供給する定電流回路とを含む駆動部と、駆動部が搭載されたプリント基板を含む制御基板部と、血球を含む検体試料が通過可能なアパーチャに前記定電流回路からの電流が供給される抵抗式粒子検出器を含む検出部と、電源部、制御基板部および検出部を収容するハウジングと、を備え、コッククロフト方式電源回路は、複数のダイオードのカソードとアノードとを直列に接続するとともに、隣り合うダイオードのアノードとカソードとをコンデンサで接続して構成されており、制御基板部は、検出部の後方に、ハウジングの後壁と平行に配置されていることを特徴とする抵抗式血球計数装置である。
【0013】
本発明では、高圧電源にコッククロフト方式電源を使用することにより、高電圧を小型の基板上で発生させることができる。これを抵抗式粒子計数装置用として用いることにより小型化を図ることができる。
【0014】
また、コッククロフト方式電源を用いた高圧電源部は、冷却装置を取り付けないようにしてもよい。コッククロフト方式電源を用いると後述するデータで示されるように消費電力が低減され、発熱量を低減できるので冷却装置を使用する必要がなくなる。これにより、小型化が図れるとともに、省電力化を促進できる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の粒子計数装置について実施例を用いて説明する。
図1は本発明の一実施例である血球計数装置の概略構成を示す図である。
図に示すように、血球計数装置1は1つのハウジング2内に収納され、ハウジング2の前面には、測定者が入力操作を行うとともに出力情報がされる入力/表示装置3と、測定者が検体試料を装置にセットするときに開かれる検体セットパネル4とが設けられ、検体セットパネル4の上部には検体セットパネル4を開閉するための押しボタン5が設けられている。
【0016】
また、ハウジング2の内部には、押しボタン5を押したときに検体試料がセットされる検体セット部6、検体セット部6にセットされた試料の検出を行う検出部7、試薬を用いて検体試料を調製したり検体試料を移動したりするための流体制御部8、装置の制御や駆動に必要な制御回路を搭載した基板を取り付ける制御基板部9、装置で使用する各種機器の作動に必要な直流電力(+12V)を供給する電源部10、検出結果を印字するプリンタ部11が収納されている。
【0017】
図2は図1の血球計数装置の電気系ブロック構成図である。図において261は、商用電力ラインからの交流電力を+12Vの直流電力に変換して各種機器に必要な電力を供給する電源部である。これは図1の電源部10に対応する。
【0018】
262は装置内の各種機器の制御を行う制御部であり、263は制御部262からの制御信号により装置内で使用される各種端末機器を駆動する駆動部である。
制御部262と駆動部263とは、プリント基板上に搭載された素子によって構成されるものであり、これらは図1の制御基板部9に対応する。
【0019】
264は駆動部263により駆動される端末機器としての各種モータ(ピペット用、シリンジ用、陰圧ポンプ、廃液ポンプ用)、265は駆動部に端末機器の状態を知らせる各種センサ265(パネル開閉検出用、ピペット位置検出用、検体検出用、検体アダプタ検出用)、266は電磁バルブその他の機器である。
これらのモータ、センサ、電磁バルブ等は、図1の検体セット部6、検出部7、流体制御部8において使用されている。
【0020】
267は抵抗式検出部であり、抵抗式粒子検出器によって構成されている。268はヘモグロビン検出部である。これらの検出部は図1の検出部7に対応する。
【0021】
269は入力装置として機能するタッチパネル、270は表示を行う液晶画面であり、図1の入力/表示装置3に対応する。271はプリンタ部であり、図1のプリンタ部11に対応する。
【0022】
本発明の血球計数装置では、抵抗式検出部267で用いる抵抗式粒子検出器を動作させるのに必要な高圧電源230と定電流回路240とは、後述するコッククロフト方式電源を採用することにより、プリント基板上に構成される駆動部263に搭載するようにしている。
【0023】
次に、抵抗式血球計数装置の検出回路について説明する。
図3は、抵抗式血球計数装置の検出回路の構成を示す図である。図において230はコッククロフト方式電源、240はコッククロフト方式電源から高電圧が供給される定電流回路、250は抵抗式粒子検出器、252は直流成分を除去するフィルタ、255は増幅回路である。
【0024】
粒子検出器250には、50〜100μmのアパーチャ(細孔)が形成されており、このアパーチャを検体試料が通過できるようにしてある。
また、アパーチャは定電流回路240に接続されており、アパーチャに一定電流が流れるようにしてある。
【0025】
一定電流が流された状態でアパーチャ内を血球等の粒子が通過するとアパーチャ領域の電気抵抗が微小変動する。このとき定電流回路240はアパーチャ内に常に一定電流を流そうとするため、抵抗変動に応じてアパーチャ間の微小電圧変動が発生する。この電圧変動分をフィルタ252を介して増幅器255に送ることにより、粒子信号を得ることができることになる。
【0026】
ここで、高圧電源に求められる電源電圧Vsは、検出器抵抗をRd、検出電流(定電流回路により供給される電流)をId、定電流回路でのドロップ電圧をVdとすると、
Vs=Rd×Id+Vdであり、血液試料中の血球測定の場合は約50V程度で使用されている。
【0027】
また、電流容量Isは、検出電流Id、定電流回路での消費電流Icとすると、Is=Id+Icであり、血液中の血球測定の場合は0.6〜1.0mA程度で使用されている。
したがって、例えば血液試料中の血球測定では出力電圧約50Vで、かつ、電流容量0.6〜1.0mAで安定した出力が得られれば高圧電源として使用することができることになる。
【0028】
次にコッククロフト方式電源の回路構成について説明する。
血球計数装置の抵抗式粒子検出器用の高圧電源230として用いられるコッククロフト方式電源230は、図4に示すように、発振部231とスイッチング回路部232と昇電圧部233とにより構成される。
【0029】
発振部231では、オペアンプ素子231a、抵抗R1、コンデンサC6とを用いたRC発振回路を形成し、その出力端子を分岐して一方に反転用のオペアンプ素子231bを取り付けることにより、図に示すように位相が反転した2つの方形波A、A’を出力できるようにしている。これら方形波出力はスイッチング回路部232に供給される。
【0030】
スイッチング回路部232では、直流入力電圧源である低電圧電源(+12V電圧)に接続される2つのアナログスイッチ素子232a、232d、および接地端子に接続される2つのアナログスイッチ素子232b、232cの計4つのアナログスイッチ素子が用いられている。
【0031】
4つのアナログスイッチ素子のうち、アナログスイッチ素子232a、232cは方形波Aに同期して、又、アナログスイッチ素子232b、232cは位相が逆相の方形波A’に同期して開閉する。
【0032】
そしてアナログスイッチ素子の出力側は、アナログスイッチ素子232a、232bとが接続されて対をなし、又、アナログスイッチ232c、232dとが接続されて対をなし、各対がそれぞれ出力端子となって昇電圧部233に接続される。
【0033】
以上の配線によれば、位相が互いに逆相の方形波A、A’に同期して4つのアナログスイッチ素子が切り替わるようになっており、出力端子の一方に+12Vが印加されるとき、同時に他方の出力端子は接地されて0Vとなる。以後、各端子は交互に+12V印加状態と接地状態とが切り替わる。
【0034】
昇電圧部233はスイッチング回路232の出力端子に接続される。昇電圧部233はコンデンサ(C1〜C4)とダイオード(D1〜D4)とにより昇圧するように構成される。即ち、第1番目のダイオードD1のカソードと第2番目のダイオードD2のアノードとが接続され、第2番目のダイオードD2のカソードと第3番目のダイオードD3のアノードとが接続され、以下同様にダイオードが次々と直列的に接続される。さらに2つ分のダイオードのアノードとカソードとの間をコンデンサ(C1〜C4)で接続するようにしてある(ただし初段のコンデンサC1のみスイッチング回路部232の出力端子とダイオードD1との間で接続される)。
【0035】
この昇電圧部233に、スイッチング回路232により交互に+12V電圧が印加される。これにより、コンデンサを1段通過するごとにその段数に応じて昇圧され、ほぼコンデンサの段数倍に近い出力電圧を得ることになる。図ではコンデンサ、ダイオードが4つ接続されているので12Vの約5倍である55Vの出力電圧が得られる(実際にはダイオードの順方向電圧分の影響分だけ電圧が下がることになるので12V×5により計算される60Vは発生しない)。
昇圧された出力は整流ダイオードD5と蓄積コンデンサC5を介して後段に出力される。
【0036】
次に、定電流回路について説明する。コッククロフト方式電源で発生した高電圧が供給される定電流回路240については、一般的な定電流回路を用いている。例えばトランジスタでカレントミラー回路を作れば定電流回路を構成することができる。
【0037】
(実施例)
一般に、コッククロフト電源は負荷による電圧変動(電圧降下)が大きく、また、電流容量が小さいので、抵抗式血球計数装置に採用できるかについて疑問があり、確認する必要がある。そこで本発明のコッククロフト方式電源を採用した血球計数装置が安定的に使用できるかの確認をするために行った実験の結果を示す。
【0038】
実験用の基本回路構成を図5に示す。図5は図2に示したコッククロフト方式電源230を電流負荷用の定電流回路241(抵抗式粒子検出器に用いる定電流回路と等価)に接続したものである。
【0039】
ここで用いた定電流回路241は、トランジスタによるカレントミラー回路を採用したものである。図中、242は電流設定用抵抗(抵抗値Rs)であり、243は粒子検出器抵抗に相当するダミー抵抗である。244は基準電圧(電圧値Es)を発生するツェナーダイオードであり、電流設定用抵抗242の両端電圧との電圧バランスを維持するように電流が流れることになる。即ち電流設定用抵抗242の抵抗値Rsをパラメータとして設定することにより、Es/Rsの電流が得られることになる。
【0040】
まず、コッククロフト方式電源230の発振部231で発生されるスイッチング周波数と出力電圧の関係についての実験データを表1および図7に示す。
【0041】
【表1】
【0042】
なお、このとき簡単に周波数を変化させる便宜上、発振回路231に代えてパルスジェネレータを用いてスイッチング周波数を変化させた。
また、昇電圧部233のコンデンサ(C1〜C4)には1μFセラミックコンデンサを用いた。
さらに定電流回路241の電流値設定用抵抗242を調整し、電流負荷が0mA、0.75mA、2.50mAの状態を作った。このときのコッククロフト方式電源の出力電圧は定電流回路241の入力端子(コッククロフト電源との接続部)に設けたTP1で測定した。
【0043】
表1及び図7に見られるように、定電流回路の電流負荷がないときは、出力電圧はスイッチング周波数に依存しない。一方、電流負荷が大きくなると周波数が高いほど有利になる。ただし、高い周波数で電圧が低下しているのは、スイッチング回路232のアナログスイッチ素子の動作スピードやON抵抗が影響しているからと考えられる。一方、低い周波数では電流の供給が追いつかないために電圧が保持できなくなるからと考えられる。
【0044】
これらのデータにより、約50Vの高電圧が必要な血球計数装置における検出器用の高電圧電源としては、スイッチング周波数50〜1000kHzで使用することが適切であることがわかった。
【0045】
次に、コッククロフト方式電源の昇電圧部233において用いられる昇電圧用コンデンサ(C1〜C4)のコンデンサ容量と出力電圧の関係についての実験データを表2および図8に示す。
【0046】
【表2】
【0047】
昇電圧部233のコンデンサ(C1〜C4)には1μF、0.1μF、0.01μFのセラミックコンデンサを用いた。先の実験と同様に定電流回路241の電流値設定用抵抗242を調整し、電流負荷が0mA、0.75mA、2.50mAの状態を作り、TP1で出力電圧を測定した。
【0048】
表2及び図8に見られるように、電流負荷がないときは、出力電圧はコンデンサ容量に依存しない。一方、電流負荷が増大するにつれてコンデンサ容量が大きいほど電源としての電流容量が大きくなる。
【0049】
したがって、コンデンサ容量が大きいほど電流容量の点では有利であるが、電流容量とともにコンデンサ自体が大きくなるので実用上問題のない1μFが好適であることがわかった。
【0050】
次に、スイッチング周波数と出力電圧の関係、コンデンサ容量と出力電圧の関係を踏まえて、コッククロフト方式電源のスイッチング周波数、コンデンサ容量の回路定数の最適化を図り、電源としての性能を確認した。
【0051】
表3および図9は電流負荷と電源電圧との関係を示す実験データである。
スイッチング周波数は上述した好適な範囲に含まれる160kHz(図4の発振回路231中のR1=47kΩ、C6=100pF)とし、コンデンサ容量(C1〜C4)は1μFとした。
【0052】
【表3】
【0053】
表3および図9に見られるように、電流負荷が大きくなるとともにDC成分が下がり、AC成分は大きくなる。そして電流負荷1.64mA以上になるとDC成分が50V以下になる。血液中の粒子検出用の高電圧電源として要求される出力50V以上、電流負荷0.6〜1mAは十分満たしているので、血球計数装置用の高圧電源としてコッククロフト方式電源が適用可能であることがわかった。
【0054】
次に、コッククロフト方式電源による消費電力について測定した結果を示す。
消費電力は、スイッチング回路232に接続される直流入力電圧源(+12V)とスイッチング素子との間に抵抗(約10Ω)を挿入し、その電圧降下から消費電力を確認した。
【0055】
その結果、待機時(コッククロフト電源のスイッチング動作を停止した状態)では消費電力3mWが確認され、検出電流をONとした状態では(電流負荷0.75mAのとき)83mWの消費電力が確認された。
【0056】
ちなみに、図6で示した市販DC−DCコンバータの場合は、待機時(DC−DCに5Vを供給し、出力は無負荷とした状態)で580mW、検出電流をONとした状態(電流負荷0.75mAのとき)で640mWの消費電力が確認された。
【0057】
この結果、市販DC−DCコンバータを用いて作成した高圧電源に比して消費電力は大きく低減されており、ましてや従来装置で使用していた高圧電源と比較すると各段に消費電力が低減されたことになる。
【0058】
その結果、コッククロフト方式電源を搭載したプリント基板を他の制御用基板ととともに制御基板部に取り付けることが可能になり、装置の小型化が可能になった。
【0059】
また、消費電力が微小になった結果、発熱量も各段に小さくすることができることとなり、冷却ファン等を搭載する必要もなくなった。
【0060】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、粒子計数装置用の電源にコッククロフト方式電源を用いたので消費電力を押えることができ、また、小型のプリント基板上に高圧電源を搭載するようにしたので装置の小型化を図ることができた。
また、消費電力を抑えることにより発熱も低減することができるので、冷却ファンを必要とせず小型にすることができた。
また、高価な部品(DC−DCコンバータ)を使用するまでもなく、粒子検出器用の高圧電源として十分使用可能な性能を有する電源を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である血球計数装置の外観図。
【図2】本発明の一実施例である血球計数装置用の電気系のブロック構成図。
【図3】本発明の一実施例である血球計数装置の検出回路の構成図。
【図4】本発明の一実施例である血球計数装置において用いられるコッククロフト方式電源の回路図。
【図5】コッククロフト方式電源の性能を確認するために用いた実験用の回路図。
【図6】市販のDC−DCコンバータを用いた高圧電源の回路図。
【図7】スイッチング周波数と出力電圧の関係を示す図。
【図8】コンデンサ容量と出力電圧の−関係を示す図。
【図9】電流負荷と電源電圧の関係を示す図。
【符号の説明】
1:血球計数装置
230:コッククロフト電源
231:発振部
232:スイッチング回路
233:昇電圧部
240:定電流回路
250:抵抗式粒子検出器
Claims (6)
- 血球がアパーチャを通過したときの電気インピーダンス変化から血球を計数する抵抗式血球計数装置であって、
交流電力を直流電力に変換する電源部と、
電源部から供給された直流電力を昇圧して高電圧の直流電力を出力するコッククロフト方式電源回路と、コッククロフト方式電源回路から供給された高電圧の直流電力を一定電流にしてアパーチャに供給する定電流回路とを含む駆動部と、
駆動部が搭載されたプリント基板を含む制御基板部と、
血球を含む検体試料が通過可能なアパーチャに前記定電流回路からの電流が供給される抵抗式粒子検出器を含む検出部と、
電源部、制御基板部および検出部を収容するハウジングと、を備え、
コッククロフト方式電源回路は、複数のダイオードのカソードとアノードとを直列に接続するとともに、隣り合うダイオードのアノードとカソードとをコンデンサで接続して構成されており、
制御基板部は、検出部の後方に、ハウジングの後壁と平行に配置されていることを特徴とする抵抗式血球計数装置。 - 電源部は、検出部の上方に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の抵抗式血球計数装置。
- 制御基板部は、前記駆動部が搭載されたプリント基板と、前記駆動部を制御するための制御部が搭載されたプリント基板とを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の抵抗式血球計数装置。
- コッククロフト方式電源回路は、発振部と、直流入力電圧を前記発振部から送られてくるスイッチング周波数に同期して断続的に出力するスイッチング回路部と、スイッチング回路部の出力電圧を昇圧する昇電圧部とからなり、前記スイッチング周波数が50〜1000kHzであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の抵抗式血球計数装置。
- 駆動部は、コッククロフト方式電源回路を冷却するための冷却ファンを搭載していないことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の抵抗式血球計数装置。
- 試薬を用いて検体試料を調製する流体制御部をさらに備え、流体制御部は電源部から供給される直流電力を用いて検体試料を調製する請求項1乃至5のいずれか一項に記載の抵抗式血球計数装置。
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