JP5035941B2 - 分注装置、分注方法および分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンを有するシリンジによって液体を吸引し、吐出することにより前記液体の分注を行う分注装置、分注方法および分析装置に関するものである。

従来、ピストンを駆動してシリンジに液体を吸引させ、シリンジから液体を吐出させる分注装置、また、この分注装置を備えた分析装置が知られている。一般にこのピストンは、回転−直動変換機構を介して回転モータを連結し、この回転モータの回転運動が直動運動に変換され、液体の吸引吐出動作を行う。分注装置は、この回転モータの回転を制御することによって、液体の分注動作を制御する。

分注量が微量である微量分注を行う場合、このピストンの駆動時間と駆動距離とを対応させた駆動プロファイルは、分注する液体の特性、分注装置の動作特性ごとに異なるため、分注する液体の特性ごとにピストンの駆動プロファイルを記憶させて分注を制御する技術が開示されている（特許文献１参照）。

特開２０００−６５８４３号公報

ところで、微量分注を行う場合、このピストンは、所定時間内に所定距離を駆動する必要がある。図７−１〜７−３は、ピストンの駆動時間（ｔ）に対する駆動距離（Ｌ）によって表示される駆動プロファイルを示す模式図である。破線は、理想の駆動プロファイルであり、駆動開始時刻０、駆動停止時刻Ｔｓとした場合、時間０〜Ｔｓで駆動距離Ｌｔｈを駆動する。

しかし、上述したように、ピストンは、回転モータ、回転−直動変換機構等によって駆動するため、所定の駆動距離Ｌｔｈに対してオーバーシュート、アンダーシュートが存在する。図７−１に示すように、駆動距離Ｌｔｈに対してオーバーシュートＬ１が過大である場合、ノズル１３から容器１６に吐出される分注液体１５Ａは、所定の分注量に対し、オーバーシュートＬ１に対応した容量Ｖ_L1だけ余分に吐出される。

また、図７−２に示すように、駆動距離Ｌｔｈに対してアンダーシュートＬ２が過大である場合、ノズル１３から離脱しない分注液体１５Ｂが残存するため、容器１６に吐出される分注液体１５Ｃは、所定の分注量に対し、アンダーシュートＬ２に対応した容量Ｖ_L2だけ過少に分注される。

また、図７−３に示すように、駆動距離Ｌｔｈに対して過大なオーバーシュートも過大なアンダーシュートはないものの、所定の時間０〜Ｔｔｈに対して過大な遅延時間ＴＥがある場合、分注液体１５Ｄは、ノズル１３先端から全く離脱せず、容器１６には分注されない。

上述したピストンのオーバーシュート量、アンダーシュート量は、分注装置の個体差に大きく影響される。この個体差は、回転モータからピストンに至るまでの機械的動作のばらつきによって生じる。また、同じ分注装置であってもピストンとシリンジとの位置関係によって摩擦抵抗も異なり、ピストンの駆動開始位置、駆動停止位置によっても上述のオーバーシュート量、アンダーシュート量が異なる。つまり、分注装置の個体差、およびシリンジとピストンとの摩擦抵抗を考慮しないピストン駆動を行った場合、分注のばらつきを防止できないという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、分注精度が均一な分注装置、分注方法および分析装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる分注装置は、ピストンを有するシリンジによって液体を吸引し、吐出することにより前記液体の分注を行う分注装置において、当該分注装置の個体差に対応し、かつ目標分注量に応じた前記ピストンの駆動開始位置および／または駆動停止位置に対応した駆動プロファイルをもとに前記ピストンの駆動を制御する駆動制御手段を備えたことを特徴とする。

また、請求項２にかかる分注装置は、上記の発明において、前記ピストンの駆動位置を検出する位置検出手段と、前記ピストンの駆動時間を計時する計時手段と、をさらに備え、前記駆動制御手段は、前記位置検出手段が検出した前記駆動位置と前記計時手段が計時した前記駆動時間とをもとに前記ピストンの駆動をフィードバック制御することを特徴とする。

また、請求項３にかかる分注装置は、上記の発明において、前記駆動プロファイルを予め記憶する記憶手段をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項４にかかる分注装置は、上記の発明において、前記記憶手段に予め記憶された前記駆動プロファイルは、前記分注装置の出荷時、当該装置の設置時、当該装置の起動時、当該装置の保守時に取得したものであることを特徴とする。

また、請求項５にかかる分注装置は、上記の発明において、前記記憶手段は、複数の前記液体ごとの前記駆動プロファイルを有することを特徴とする。

また、請求項６にかかる分注装置は、上記の発明において、前記液体ごとの前記駆動プロファイルとは、前記液体の粘性率や表面張力などの物性値ごとの駆動プロファイルであることを特徴とする。

また、請求項７にかかる分注装置は、上記の発明において、前記個体差は、分注精度に関わる当該分注装置の特性のばらつきであることを特徴とする。

また、請求項８にかかる分注装置は、上記の発明において、前記分注装置の特性のばらつきとは、前記ピストンの位置決め精度や速度制御精度といった性能のばらつきであることを特徴とする。

また、請求項９にかかる分注方法は、上記の発明において、ピストンを有するシリンジによって液体を吸引し、吐出することにより前記液体の分注を行う分注方法において、
当該分注装置の個体差に対応し、かつ目標分注量に応じた前記ピストンの駆動開始位置および／または駆動停止位置に対応した駆動プロファイルをもとに前記ピストンの駆動を制御する駆動制御工程を含むことを特徴とする。

また、請求項１０にかかる分注方法は、上記の発明において、前記ピストンの駆動位置を検出する位置検出工程と、前記ピストンの駆動時間を計時する計時工程と、さらに含み、前記位置検出工程によって検出された駆動位置と前記計時工程によって計時された駆動時間とをもとに前記ピストンの駆動をフィードバック制御を行う工程を含むことを特徴とする。

また、請求項１１にかかる分析装置は、上記の発明において、請求項１〜８のいずれか一つに記載の分注装置を備えたことを特徴とする。

本発明にかかる分注装置、分注方法および分析装置は、装置ごとに分注量に対応した駆動プロファイルをもとにピストンを駆動させることによって、分注精度を均一にできるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる分注装置、分注方法および分析装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態）
図１は、この発明にかかる分注装置１の概要構成を示すブロック図である。図１に示すように、この分注装置１は、分注を制御する制御部２と、ピストン１０の駆動プロファイルを記憶する記憶部３と、分注に関する情報を入力する入力部４と、制御部２から制御信号Ｓ１を入力し、モータ８を駆動制御するモータドライバ５と、モータドライバ５によって駆動されるモータ８と、モータ８の回転位置をもとにピストン１０の位置を検出する位置検出器７と、位置検出器７が検出した位置を検出信号Ｓ２に変換する信号変換器６と、モータ８の回転運動を直動運動に変換するボールネジ９と、ボールネジ９に連結されたピストン１０と、ピストン１０を収納するシリンジ１１と、液体１５を収容するリザーバ１４と、制御部２から選択信号Ｓ３を入力して吸引吐出を切替える三方弁１２と、液体１５を容器１６に吐出するノズル１３とを有する。なお、制御部２は、ピストン１０が駆動する時間を計時するタイマ２０を有する。

制御部２は、入力部４を介して液体１５に関する粘性率と分注量とを入力すると、入力した粘性率と分注量とに対応したテーブルを記憶部３から抽出する。各テーブルには、ピストン１０の駆動プロファイルである駆動開始位置、駆動距離、駆動停止位置、駆動パターンが記載されている。

制御部２は、抽出したテーブルに記載された駆動プロファイルをもとに制御信号Ｓ１を生成し、モータドライバ５に出力するとともに信号変換器６から検出信号Ｓ２を入力し、ボールネジ９に連結されたピストン１０の駆動をフィードバック制御する。

ここで、この分注装置１の分注動作について説明する。制御部２は、三方弁１２に選択信号Ｓ３を出力し、三方弁１２の吸入口をリザーバ１４側に切替え、制御信号Ｓ１を出力し、テーブルに記載された駆動開始位置にピストン１０を移動させ、リザーバ１４から液体１５を吸引する。

つぎに、制御部２は、三方弁１２に選択信号Ｓ３を出力し、三方弁１２の吸入口をシリンジ１１側に切替え、制御信号Ｓ１を出力し、テーブルに記載された駆動パターンをもとにピストン１０を駆動し、駆動停止位置にピストン１０を停止させる。ピストン１０が駆動開始位置から駆動停止位置まで駆動することによって、液体１５の分注が行われる。

ここで、記憶部３が記憶する駆動プロファイルについて説明する。図２は、テーブルＴ１〜Ｔｎが記載する駆動プロファイルの具体的内容を示す模式図である。図２に示すように、テーブルＴ１〜Ｔｎは、液体の粘性率ごとに分けられ、一つのテーブルには分注量ごとにピストン１０の駆動プロファイルである駆動距離、駆動開始位置、駆動停止位置、駆動パターンが記載されている。

駆動距離は、ピストン１０の駆動する距離を示し、駆動開始位置は、ピストン１０が駆動を開始するシリンジ１１に対する位置を示し、駆動停止位置は、ピストン１０が駆動を停止するシリンジ１１に対する位置を示し、駆動パターンは、ピストン１０の駆動開始から駆動停止までの速度変化のパターンを示す。

テーブルＴ１〜Ｔｎには、シリンジ１１の内径がφ０．２ｍｍの駆動プロファイルが記載されている。たとえば、テーブルＴ１には粘性率１.０（ｍＰａ・ｓ）の液体１５を分注する駆動プロファイルが示されている。９０（ｎＬ）分注する場合、ピストン１０の駆動開始位置：５、駆動距離：２．８６（ｍｍ）、駆動停止位置：７．８６、駆動パターン：Ａが示されている。これは、シリンジ１１位置：５から駆動パターン：Ａによってシリンジ１１位置７．８６までピストン１０を駆動すると９０（ｎＬ）の分注が行えることを示している。

また、液体１５を１０（ｎＬ）分注する場合、ピストン１０の駆動開始位置：１、駆動距離：０．３２（ｍｍ）、駆動停止位置：１．３２、駆動パターン：Ｂが示されている。これは、シリンジ１１位置：１から駆動パターン：Ｂによってシリンジ１１位置：１．３２まで駆動すると１０（ｎＬ）の分注が行えることを示している。

このように、分注量が異なると、ピストン１０の駆動距離のみならず駆動開始位置および駆動停止位置も異なる。また、シリンジ１１の分注装置１に対する位置関係によって、駆動開始位置を優先する場合と駆動停止位置を優先する場合とがあるため、駆動開始位置と駆動停止位置との双方が記載されている。

ここで、駆動パターンについて説明する。図３は、駆動パターン：Ａ,Ｂを示す模式図である。図３に示すように、駆動パターン：Ａは、９０（ｎＬ）分注する場合であり、駆動パターン：Ｂは、１０（ｎＬ）分注する場合である。駆動パターン：Ａ,Ｂは、駆動距離が異なるだけでなく、加速度、オーバーシュート等が異なる。これは、分注量に応じて駆動パターンを可変させ、ノズル１３先端から液体１５の液塊を完全に離脱させるためである。

分注装置１は、多くの機械部品を有し、これらの機械部品の特性のばらつきがピストン１０の直動運動のばらつきをもたらす。さらに、シリンジ１１とピストン１０との間の摩擦抵抗も場所によって異なる。そのため、ピストン１０の位置決め精度や速度制御精度といった性能にばらつきを生じる。すなわち、これら分注装置１の個体差に起因する種々のばらつきを予め加味した駆動プロファイルを記憶し、この駆動プロファイルをもとにピストン１０を駆動すれば、分注精度を均一に保てる。

つぎに、この分注装置を備えた分析装置について説明する。図５は、分注装置１ａ,１ｂを備えた分析装置３０の上面である。図５に示すように、この分析装置３０は、作業テーブル３１を有し、作業テーブル３１は、検体を収容する検体テーブル３２と試薬を収容する試薬テーブル３９と試薬と検体とを混合する反応テーブル３４とを有し、さらに試薬、検体をそれぞれ分注する分注装置１ａ,１ｂを有する。

また、作業テーブル３１は、試薬テーブル３９に収容された試薬容器４０を個別に識別する読取装置４１と、試薬と検体とが混合された反応容器３５に分析光を照射する光源３６と、反応容器３５を透過した光を受光する受光素子３７と、分析が終了した反応容器３５を洗浄する洗浄装置３８とを有する。

分注装置１ａは、検体テーブル３２の収容室３２ａに収容された検体容器３３から検体を吸引し、反応テーブル３４の収容室３４ａに収容された反応容器３５に検体を吐出し、分注装置１ｂは、試薬テーブル３９の収容室３９ａに収容された試薬容器４０から試薬を吸引し、反応容器３５に試薬を吐出する。

この２台の分注装置１ａ,１ｂは、それぞれ個別に分注量に対応した駆動プロファイルをもとにピストン（図示せず）を行うため、所望の分注が確実に行えるため、分注精度を均一に保て、分析精度を均一に保つことができる。

この実施の形態では、分注量ごとにピストン１０の駆動プロファイルを予め記憶させ、この記憶した駆動プロファイルをもとに分注を行うことによって、分注精度を均一に保つことができる。また、図４の洗浄装置３８に換えて、反応容器３５の供給及び排出装置を設けてもよく、この場合には、分析を終えた反応容器３５は装置内には留まらず分析装置外へ排出される。

なお、実施の形態では、記憶部３は、液体１５の粘性率ごとにテーブルＴ１〜Ｔｎを作成していたが、液体１５の他の特性ごとにテーブルを作成してもよい。他の物性としては、例えば液体の表面張力あるいは液体温度に基づいた粘性率があげられる。また、全ての駆動プロファイルを一つのテーブルに記載するようにしてもよい。

また、分注装置１の個体差の経時変化に対応するため、定期的に駆動プロファイルを更新するようにしてもよい。また、機械的変動が予測される装置の出荷時、装置の設置時、装置の起動時、装置の保守時等、適時駆動プロファイルを更新してもよい。また、実際に液体を用いて分注動作を行って、駆動プロファイルを作成してもよいし、シミュレーション計算を用いて駆動プロファイルを作成してもよい。あるいは、液体を用いた分注動作とシミュレーション計算とを組合わせて作成してもよい。

また、図４は、分注装置１を有する分析装置３０の概要構成を示すブロック図である。図４に示すように、分析装置３０は、分注装置１と分注装置１が分注した液体を分析する分析部２１とを備える。分注装置１は、分析対象である液体を均一な精度で分注できるため、分析部２１は、均一な精度によって液体を分析することができる。

（変形例１）
つぎに、この実施の形態の変形例１について説明する。実施の形態では、位置検出器７がモータ８の回転位置を検出し、ピストン１０の位置を間接的に検出していたが、この変形例１では、位置検出器をピストン１０の軸上に配置し、ピストン１０の位置を直接検出するようにしている。

図５は、この実施の形態の変形例１にかかる分注装置１Ａの概要構成を示すブロック図である。図５に示すように、この分注装置１Ａは、実施の形態で示した位置検出器７を位置検出器７Ａに代え、信号検出器６を信号検出器６Ａに代えている。なお、その他の構成は、実施の形態に示した分注装置１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。

位置検出器７Ａは、ボールネジ９とピストン１０との間に配置され、ピストン１０の位置を直接検出し、ピストン１０の位置を検出信号Ｓ２として制御部２に出力する。制御部２は、検出信号Ｓ２とタイマ２０が計時した時間とをもとにピストン１０の駆動プロファイルを作成し、記憶部３に記憶させる。制御部２は、記憶部３が記憶した駆動プロファイルをもとに検出信号Ｓ２と制御信号Ｓ１とによってピストン１０のフィードバック制御を行う。

この変形例１では、位置検出器７Ａが直接ピストン１０の位置を検出するため、ボールネジ９とモータ８との間に生じる機械的遊び等のない高精度の駆動プロファイルを作成できるとともにピストン１０に対して高精度のフィードバック制御が行える。尚、図１及び図５に示した実施例と変形例の回転−直動変換機構は、ボールネジ９に換えてラック＆ピニオン機構を採用しても良い。

（変形例２）
つぎに、この実施の形態の変形例２について説明する。実施の形態および変形例１では、モータ８とボールネジ９とを用いてピストン１０を駆動していたが、この変形例２では、リニアモータを用いてピストン１０を駆動するようにしている。

図６は、この実施の形態の変形例２にかかる分注装置１Ｂの概要構成を示すブロック図である。図６に示すように、この分注装置１Ｂは、変形例１で示したモータ８をリニアモータ８Ａに代え、モータドライバ５をモータドライバ５Ａに代えている。なお、その他の構成は、実施の形態の変形例１に示した分注装置１Ａと同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。

制御部２は、制御信号Ｓ１によってモータドライバ５Ａを制御し、モータドライバ５Ａは、この制御信号Ｓ１をもとにリニアモータ８Ａを駆動する。リニアモータ８Ａとピストン１０とは直接連結され、位置検出器７Ａは、リニアモータ８Ａとピストン１０との間に配置され、ピストン１０の位置を直接検出する。

リニアモータ８Ａによってピストン１０を駆動すると、回転運動を直動運動に変換する変換機構を省略でき、この変換機構で生じる機械的遊びを無くすことができ、高精度の駆動が行えるとともに省スペース化が図れる。

この発明の実施の形態にかかる分注装置の概要構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態にかかるテーブルの具体的内容を示す模式図である。 この発明の実施の形態にかかる駆動パターンを示す模式図である。 この発明の実施の形態にかかる分注装置を有する分析装置の概要構成を示す上面図である。 この発明の実施の形態の変形例１にかかる分注装置の概要構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態の変形例２にかかる分注装置の概要構成を示すブロック図である。 適正でないピストンの駆動プロファイルを示す模式図である。 適正でないピストンの駆動プロファイルを示す模式図である。 適正でないピストンの駆動プロファイルを示す模式図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ 分注装置
２ 制御部
３ 記憶部
４ 入力部
５，５Ａ モータドライバ
６，６Ａ 信号変換器
７，７Ａ 位置検出器
８ モータ
８Ａ リニアモータ
９ ボールネジ
１０ ピストン
１１ シリンジ
１２ 三方弁
１３ ノズル
１４ リザーバ
１５ 液体
１６ 容器
２０ タイマ
２１ 分析部
３０ 分析装置
３１ 作業テーブル
３２ 検体テーブル
３２ａ,３４ａ,３９ａ 収容室
３４ 反応テーブル
３５ 反応容器
３６ 光源
３７ 受光素子
３８ 洗浄装置
４０ 試薬容器
４１ 読取装置

Claims (9)

1. ピストンを有するシリンジによって液体を吸引し、吐出することにより前記液体の分注を行う分注装置であって、
   前記分注装置は、
   前記分注装置の個体差に対応し、かつ目標分注量に応じた前記ピストンの駆動開始位置および／または駆動停止位置に対応した駆動プロファイルをもとに前記ピストンの駆動を制御する駆動制御手段と、
   前記ピストンの駆動位置を検出する位置検出手段と、
   前記ピストンの駆動時間を計時する計時手段と、
   を備え、
   前記駆動制御手段は、前記位置検出手段が検出した前記駆動位置と前記計時手段が計時した前記駆動時間とをもとに前記ピストンの駆動をフィードバック制御することを特徴とする分注装置。
2. 前記駆動プロファイルを予め記憶する記憶手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の分注装置。
3. 前記記憶手段に予め記憶された前記駆動プロファイルは、前記分注装置の出荷時、前記分注装置の設置時、前記分注装置の起動時、前記分注装置の保守時に取得したものであることを特徴とする請求項２に記載の分注装置。
4. 前記記憶手段は、複数の前記液体ごとの前記駆動プロファイルを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の分注装置。
5. 前記液体ごとの前記駆動プロファイルとは、前記液体の粘性率や表面張力などの物性値ごとの駆動プロファイルであることを特徴とする請求項４に記載の分注装置。
6. 前記個体差は、分注精度に関わる前記分注装置の特性のばらつきであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の分注装置。
7. 前記分注装置の特性のばらつきとは、前記ピストンの位置決め精度や速度制御精度といった性能のばらつきであることを特徴とする請求項６に記載の分注装置。
8. ピストンを有するシリンジによって液体を吸引し、吐出することにより前記液体の分注を行う分注方法であって、
   前記分注方法は、
   前記分注装置の個体差に対応し、かつ目標分注量に応じた前記ピストンの駆動開始位置および／または駆動停止位置に対応した駆動プロファイルをもとに前記ピストンの駆動を制御する駆動制御工程と、
   前記ピストンの駆動位置を検出する位置検出工程と、
   前記ピストンの駆動時間を計時する計時工程と、
   を含み、
   前記位置検出工程によって検出された駆動位置と前記計時工程によって計時された駆動時間とをもとに前記ピストンの駆動をフィードバック制御を行う工程を含むことを特徴とする分注方法。
9. 請求項１〜７のいずれか一つに記載の分注装置を備えたことを特徴とする分析装置。

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