JP5755883B2 - 液体特性分析装置 - Google Patents

Description

この発明は、容器内の液体の特性を検出して、その検出結果を電磁波信号等によって無線通信する液体特性分析装置に関するものである。

液体特性分析装置には様々なものがあるが、そのひとつにｐＨ計がある。例えば特許文献１に示すものは、センサ部が取り付けられた柱状の電極を液体に浸してｐＨを測定し、電極と信号ケーブルを介して接続されたｐＨ計本体が測定結果を表示するものである。

このｐＨ計を用いて、例えば、調製中のバッファー（緩衝液）のような、ある液体に別の液体を加えることで液量が次第に増加していく液体を測定する場合、液面の上昇に伴って電極の高さを徐々に上げていくようにしている。なぜならば、電極の先端部は測定のため液体に浸す必要がある一方で、電極の基端部は、液体侵入を防止するため、液体に接しないようにする必要があるからである。

特開２００９−１５６６７０号公報 特開２００２−０１４０７２号公報

しかし、電極の高さ調整には手間が掛かり、迅速な測定を妨げる要因となっている。具体的には、液量が少ない間は電極を液体が入っている容器内に立て掛けておき、液量が一定以上となると、電極をアームに取り付け、さらに液量が増加すると、アームの高さを調整したり、アームを取り替えたりすることで、電極の高さを調整している。

一方、特許文献２に示すように、センサ部が取り付けられたセンサチップを気体に接触させて気体の特性変化を検出し、その検出結果を電磁波信号によって外部装置に送信して、気体の特性を計測する装置が開発されている。しかしながら、この装置によって液体の特性を計測しようとすると、送信された電磁波信号が液体中で減衰してしまうので、無線通信できず、結果として液体の特性計測が困難となってしまう。

そこで、本発明は、上記の問題を一挙に解決すべく、電磁波信号が液体中で減衰することなく確実に無線通信できるとともに、液体の特性を簡便かつ迅速に分析できる液体分析装置を提供することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち、本発明に係る液体特性分析装置は、容器中の液体の特性を分析するものであって、センサ面を有する電極を備え、該センサ面を前記液体に接触させることによって該液体の特性を検出し、その検出値に応じた値の電気信号を出力するセンサ部と、前記電気信号を電磁波信号に変換して該電磁波信号を無線出力する送信部と、前記センサ面を表出させて、前記センサ部及び送信部を内部に収容するとともに、該内部への液体浸入を防止する構造を有し、前記容器内に配置されて液体に浸漬される収容体と、前記収容体における電磁波信号の通過部位を、前記容器の内壁に略密接させる密接手段とを具備し、前記密接手段が、前記収容体に設けられた第１磁性部と前記容器外に配置された第２磁性部とを具備したものであり、前記収容体の表面に凹部を設け、該凹部に前記センサ面を表出させていることを特徴とする。なお、液体の特性には、例えば、化学的特性、物理的特性、電気的特性、光学的特性が含まれるものであり、より詳細には、ｐＨ、残留塩素濃度、温度、濃度、粘度、流速、圧力、伝導性、吸光度等が含まれる。なお、電磁波信号は音波信号であってもよい。

このようなものであれば、収容体が防水構造を有するため、収容体全体を液体に浸すことができ、液面が上昇しても収容体の高さを調整する必要がなく、液体の特性を簡便かつ迅速に分析することができる。さらに、密接手段が、収容体における電磁波信号の通過部位を前記容器の内壁に略密接させるので、電磁波信号が液体中で減衰することなく、確実に無線通信できる。

前記密接手段が、前記収容体の電磁波信号通過部位を前記容器の底面内壁に略密接させるものであれば、収容体が容器底部に配置されるので、センサ面の位置を可及的に低くすることができ、液体が少量であっても分析できる。

簡易な構造で、収容体を容易に密接させるためには、前記密接手段が、前記収容体に設けられた第１磁性部と前記容器外に配置された第２磁性部とを具備したものであり、前記各磁性部間で生じる磁力によって、前記収容体の電磁波信号通過部位を前記容器の内壁に引き付けて略密接させるものであることが望ましい。

前記第２磁性部が前記容器を載置するための載置台に設けられており、前記第２磁性部の磁力変化によって、前記容器内の収容体が回転するように構成されているものであれば、収容体が液体を攪拌する手段を兼ねることができる。

収容体の回転中であっても、確実に無線通信するためには、前記収容体の回転軸上に前記通過部位が設定されているものが望ましい。

前記容器外に配置されて前記送信部からの電磁波信号を受信する受信部をさらに具備し、該受信部が、前記載置台における前記通過部位と対向する部位に設けられているものであれば、より確実に無線通信できる。

コンパクト化を促進するためには、前記載置台に、分析結果を表示する表示部が設けられているものが望ましい。

前記電磁波信号が赤外線信号であってもよい。このようなものであれば、例えば、赤外線信号の変調（例えば周波数変調や振幅変調等）によってセンサ部からの測定結果を伝達する一方、赤外線信号の強度の減衰によって温度を測定することができるようになる。そして、仮にこのような構成を採用すれば、温度補償による測定精度の向上を図れるだけでなく、収容体に温度センサを設ける必要がないので、部品削減や収容体の小型化を実現できる。

前記収容体の表面に凹部を設け、該凹部に前記センサ面を表出させているものであれば、凹部で液体をすくい取ったり、凹部に液体を滴下したりすることで、液体が微量であっても分析できる。

前記収容体が、前記センサ部が設けられた第１ユニットと、前記送信部が設けられた第２ユニットとに分離可能に構成されているものであれば、必要に応じてセンサ部又は送信部のいずれか一方を容易に取り替えることができるとともに、取り替えない部分は継続して使用することができるので、取り替え時の費用を抑えることができる。

本発明の別様態としては、容器内で回転して該容器内の液体を攪拌する攪拌子であって、センサ面を前記液体に接触させることによって該液体の特性を検出するセンサ部を具備することを特徴とするものを挙げることができる。

このように構成した本発明によれば、電磁波信号が液体中で減衰することなく確実に無線通信できるともに、液体の特性を簡便かつ迅速に分析できる。

本発明の第１実施形態における液体特性分析装置を示す全体斜視図。 同実施形態における液体特性分析装置の模式的構成図。 同実施形態における液体特性分析装置の機能構成図。 本発明の第２実施形態における収容体の構成を示す図。 本発明の他の実施形態における液体特性分析装置を示す全体斜視図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
本実施形態に係る液体特性分析装置１００は、調製中のバッファー（緩衝液）のｐＨを測定するものであり、図１に示すように、容器Ｂ内に配置されて液体中に浸漬される収容体１０と、容器Ｂを載置するための載置台２０とを備えている。以下に各部を詳述する。

収容体１０は、図２等に示すように、センサ面１ｃ、１ｄのみを表出させて、センサ面１ｃ、１ｄを有する電極１ａ、１ｂを備えるセンサ部１と、送信部２とを内部に収容するものであり、内部への液体侵入を防止する構造を有し、ここでは、赤外線信号が透過する材料からなる両端が閉じられた円筒形状のものである。なお、収容体１０の形状としては、円筒形状の他、カプセル型、直方体型等であってもよく、要は、容器Ｂ内で回転して液体を攪拌することができる形状であればよい。

センサ部１は、図２等に示すように、センサ面１ｃ、１ｄを液体に接触させることによって、液体の特性（ここではｐＨ）を検出し、その検出値に応じた値の電気信号を出力するものであり、センサ面１ｃを有する作用電極１ａと、センサ面１ｄを有する比較電極１ｂとを備えている。各電極１ａ、１ｂは分離可能に構成されており、各電極１ａ、１ｂの性能が劣化した時等は交換できる。収容体１０の一端には作用電極１ａのセンサ面１ｃが露出しており、他端には比較電極１ｂのセンサ面１ｄが露出している。なお、作用電極１ａとしては、例えば、ＩＳＦＥＴ（イオン感応性電界効果型トランジスタ）や、ガラス電極等が挙げられる。

送信部２は、図２等に示すように、センサ部１からの電気信号を赤外線信号に変換して、赤外線信号を無線出力するものであり、収容体１０における赤外線信号の通過部位１１に設けられた光透過性を有する送信窓１２（ここでは収容体１０の底面中央部に設定されている）を介して赤外線信号を射出する光源２ａ（ここではＬＥＤ）と、センサ部１から受信した電気信号に基づいて光源２ａを点灯させるものであり、収容体１０の各部を動作させるためのエネルギーを供給する電池６が取りつけられた光源制御部２ｂとを備えている。

載置台２０は、図１及び図２に示すように、受信部３と、演算部４と、表示部５とを取り付けられており、ここでは、概略直方体形状のものである。

受信部３は、図２等に示すように、送信部２から射出された赤外線信号を、載置台２０における赤外線信号を通過させる部位に設けられた受信窓２１（ここでは、載置台２０の天面中央部に設定されている）を介して受信し、赤外線信号を電気信号に変換して出力するものであり、送信窓１２と対向する部位に設けられており、ここではフォトダイオードである。受信窓２１は、赤外線信号が透過する材料からなるものである。

演算部４は、図３等に示すように、受信部３から電気信号を受信して、所定の演算処理に従って、電気信号からセンサ部１の検出結果を示す値である検出値を取り出し、検出値から液体の特性を示す値である液体特性値を算出するものである。

表示部５は、図３等に示すように、載置台２０に設けられた、分析結果を表示するものであり、ここでは演算部４から受信した液体特性値を表示するものである。

本実施例では、さらに、密接手段３０を設けている。密接手段３０は、図２に示すように、収容体１０に設けられた第１磁性部３１と、載置台２０に設けられた第２磁性部３２とを具備したものであり、各磁性部３１、３２間で生じる磁力によって、収容体１０の赤外線信号通過部位１１に設けられた送信窓１２を容器Ｂの内壁に引き付けて略密接させるものである。

第１磁性部３１は、図２に示すように、第２磁性部３２との間で生じる磁力によって、収容体１０における赤外線信号の送信窓１２を、容器Ｂの底面内壁に引き付けて略密接させるものであり、ここでは、光源２ａ及び光源２ａから射出される赤外線信号の光軸を挟んで、収容体１０内の下部に取り付けられた１又は複数（ここでは２つ）の磁性体３１ａ、３１ｂを用いて構成されている。第１磁性部３１は、この配置に限られるものではなく、要は、収容体１０の重心よりも送信窓１２に近い位置に取り付けられていればよい。

第２磁性部３２は、図２に示すように、第１磁性部３１との間で磁力を生じさせ、第２磁性部３２の磁力変化によって、容器Ｂ内の収容体１０を回転させるものであり、載置台２０における第１磁性部３１と対向する位置にそれぞれ配置された１又は複数の（ここでは２つ）磁石３２ａ、３２ｂと、磁石３２ａ、３２ｂが取り付けられたロータ（図示しない）とを備えるものである。ロータが回転駆動されると、各磁石３２ａ、３２ｂが回転し、第２磁性部３２から第１磁性部３１へ及ぼす磁力が変化する。この第２磁性部３２の磁力変化によって、収容体１０が、送信窓１２を容器Ｂの底面内壁に略密接させた状態で回転して、容器Ｂ内の液体を攪拌する。収容体１０の回転軸上には送信窓１２及び受信窓２１が配置され、ここでは、収容体１０の回転軸上と光源２ａから射出される赤外線信号の光軸とは略一致するように構成されている。

以下に、本実施形態に係る液体特性分析装置１００を用いて、液体を攪拌させながら、液体のｐＨを測定する手順を説明する。オペレータが攪拌開始スイッチを押すと、ロータが回転駆動されて、第２磁性部３２の磁石３２ａ、３２ｂが回転する。そして、第２磁性部３２の磁力変化によって、収容体１０が回転し、液体が攪拌される。

液体の攪拌と並行して、液体のｐＨが測定される。センサ部１は液体のｐＨを測定して、測定値に応じた値の電気信号を出力する。送信部２が電気信号を赤外線信号に変換して、送信窓１２を介して赤外線信号を射出する。この時、収容体１０は回転しており、この回転の回転軸上に収容体１０の送信窓１２と、載置台２０の受信窓２１とが設けられている。従って、射出された赤外線信号は受信窓２１を介して受信部３に到達する。受信部３は赤外線信号を電気信号に変換し、演算部４が電気信号から検出値を取り出して、液体特性値を算出し、表示部５が液体特性値を表示する。

なお、液体を攪拌させることなく、つまり、収容体１０を回転させることなく、液体のｐＨを測定することもできる。また、液体の攪拌前及び攪拌後に液体のｐＨを測定することもできる。

かかる構成の液体分析装置によれば、収容体１０において、実質的にセンサ面１ｃ、１ｄのみが液体に触れるようにその表面に露出させてあり、その他の部材は、全て防水構造を有する収容体１０内に収容してあるため、収容体１０全体を液体に浸すことができ、液面が上昇しても収容体１０の高さを調整する必要がなく、液体の特性を簡便かつ迅速に分析することができる。さらに、密接手段３０が、収容体１０における電磁波信号の通過部位１１に設けられた送信窓１２を前記容器Ｂの内壁に略密接させるので、電磁波信号が液体中で減衰することなく、確実に無線通信できる。

また、第１磁性部３１が、収容体１０の重心よりも送信窓１２に近い位置に取り付けられているので、各磁性部３１、３２間で生じる磁力によって、収容体１０の送信窓１２と、受信部３とを確実に対向させることができる。さらに、収容体１０は円筒形状なので、容易に回転し、より確実に送信窓１２と受信部とを対向させることができる。

＜第２実施形態＞
本実施形態に係る液体特性分析装置１００は、図４に示すように、センサ部１が設けられた第１ユニット１３と、送信部２及び第１磁性部３１が設けられた第２ユニット１４とに分離可能に構成され、各ユニット１３、１４が接続されると概略カプセル形状をなす収容体１０を備えている。第１ユニット１３の表面には凹部１５が設けられ、凹部１５にセンサ部１のセンサ面１ｃ、１ｄを表出させている。

第１ユニット１３は、一端面が平面で、他端面が半球面でそれぞれ閉じられた円筒形状となっている。一端面の中央にはコネクタ１３ａが設けられ、他端面には凹部１５が設けられている。凹部１５にはセンサ部１のセンサ面１ｃ、１ｄが隣り合って表出している。

第２ユニット１４は、一端面が平面で、他端面が半球面でそれぞれ閉じられた円筒形状となっている。一端面の中央にはコネクタ１３ａが接続される孔１４ａが設けられている。なお、本実施形態では、第１磁性部３１は第２ユニット１４に設けられるものとしたが、第１ユニット１３に設けられるものとしてもよいし、各ユニット１３、１４に設けられるものとしてもよい。また、収容体１０は２つのユニット１３、１４からなるものとしたが、複数のユニットからなるものとしてもよい。

かかる構成の液体特性分析装置１００によれば、収容体１０が複数のユニット１３、１４として分離可能に構成されているので、必要に応じてセンサ部１又は送信部２のいずれか一方を容易に交換できるとともに、取り替えない部分は継続して使用することができるので、取り替え時の費用を抑えることができる。
また、収容体１０の表面に凹部１５が設けられているので、凹部１５で液体をすくい取ったり、凹部１５に液体を滴下したりすることができ、液体が微量であっても分析できる。
さらに、各センサ面１ｃ、１ｄが同一の凹部１５に近接して表出しているので、別々に液体を接触させる必要がなく、微量な液体であっても簡便で迅速に分析できる。

なお、本発明は上述した各実施形態に限られるものではない。例えば、第１磁性部と、第２磁性部とは、少なくとも一方が磁石であればよく、他方は磁石又は磁性体のいずれかであればよい。また、第１磁性部が磁石又は磁性体のいずれかで、第２磁性部が電磁石であってもよいし、その逆であってもよい。

加えて言えば、収容体は電磁波信号を透過させる材料からなるものとしたが、少なくとも通過部位が電磁波信号を透過させるものであればよく、収容体は複数の材料からなるものであってもよい。また、収容体が、収容体本体と、開閉可能な開閉蓋とを備えるものであってもよい。このようなものであれば、収容体を動作させるためのエネルギーを供給する電池やセンサ部等を容易に交換できる。

本実施形態では電磁波信号として赤外線信号を用いたが、これに限られるものではなく、電波、可視光線、紫外線、Ｘ線、ガンマ線等を用いてもよい。また電磁波のみならず、音波を用いることもできる。

なお、センサ部が液体のｐＨを測定するものであり、電磁波信号が赤外線信号であってもよい。このようなものであれば、赤外線信号の変調（例えば周波数変調や振幅変調等）によってセンサ部からの測定結果を伝達する一方、赤外線信号の強度の減衰によって温度を測定したりすることも可能である。さらに、収容体に温度センサを設ける必要がないので、収容体の大型化を招くことがないとともに、ｐＨの測定結果を温度で補正することで、高精度にｐＨを測定できる。

受信部は、受信器に接続された光伝達手段の先端部であってもよい。

さらに、容器外に設けられた制御信号（例えば、分析開始信号及び分析終了信号）を送信する制御信号送信部と、収容体に設けられた各信号を受信する制御信号受信部とを備えるものであってもよい。制御信号は、収容体を動作させるためのエネルギーを含んでいてもよい。

容器Ｂ内に配置され液体に浸漬される攪拌子（図示しない）と、容器Ｂを載置するとともに、前記攪拌子を回転駆動する載置台４０とを備える既存の液体攪拌装置のうち、載置台４０を用いることもできる。この時、載置台４０には受信部３等が設けられていないので、例えば、図５に示すような構成とすればよい。この図５では、載置台４０と容器Ｂとの間に配置される中間体４１と、前記中間体４１に電気的に接続された表示器４２とを設けている。

中間体４１は、受信部３と、第１演算部（図示しない）とを備え、磁力を遮断しないように構成されているものである。中間体４１は、これに限られず、要は、各磁性部３１、３２間で生じた磁力による収容体１０の密接又は回転に対して妨げにならないものであればよい。第１演算部は、所定の演算処理に従って、受信部３から受信した電気信号からセンサ部１の検出結果を示す値である検出値を取り出すものである。

表示器４２は、第２演算部（図示しない）と、表示部５とを備えるものである。第２演算部は、検出値から液体の特性を示す値である液体特性値を算出するものである。第２演算部及び表示部５は、ここでは表示器４２に備えられるものとしたが、中間体４１に備えられるものであってもよい。このとき、表示器４２は設けなくともよい。

また、容器内で回転して該容器内の液体を攪拌する攪拌子に、センサ面を前記液体に接触させることによって該液体の特性を検出するセンサ部を設けるようにしてもよい。

前記攪拌子又は前記収容体に、検出結果を表示する表示部を設けてもよいし、検出結果を記憶する記憶部（例えばメモリ）を設け、前記記憶部を汎用又は専用のコンピュータと電気的に接続して該検出結果を取り出すようにしてもよい。

その他、本発明は各構成を組み合わせてもよく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１００・・・液体特性分析装置
１・・・センサ部
１ｃ、１ｄ・・・センサ面
２・・・送信部
３・・・受信部
５・・・表示部
１０・・・収容体
１１・・・通過部位
１２・・・送信窓
１３・・・第１ユニット
１４・・・第２ユニット
１５・・・凹部
２０・・・載置台
３０・・・密接手段
３１・・・第１磁性部
３２・・・第２磁性部
Ｂ・・・容器

Claims (6)

1. 容器中の液体の特性を分析するものであって、
   センサ面を有する電極を備え、該センサ面を前記液体に接触させることによって該液体の特性を検出し、その検出値に応じた値の電気信号を出力するセンサ部と、
   前記電気信号を電磁波信号又は音波信号に変換して該電磁波信号又は音波信号を無線出力する送信部と、
   前記センサ面を表出させて、前記センサ部及び送信部を内部に収容するとともに、該内部への液体浸入を防止する構造を有し、前記容器内に配置されて液体に浸漬される収容体と、
   前記収容体における電磁波信号又は音波信号の通過部位を前記容器の内壁に略密接させる密接手段とを具備し、
   前記密接手段が、前記収容体に設けられた第１磁性部と前記容器外に配置された第２磁性部とを具備したものであり、
   前記収容体の表面に凹部を設け、該凹部に前記センサ面を表出させていることを特徴とする液体特性分析装置。
2. 前記密接手段が、前記各磁性部間で生じる磁力によって、前記収容体の電磁波信号又は音波信号通過部位を前記容器の内壁に略密接させるものであることを特徴とする請求項１記載の液体特性分析装置。
3. 前記第２磁性部が前記容器を載置するための載置台に設けられており、前記第２磁性部の磁力変化によって、前記容器内の収容体が回転するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の液体特性分析装置。
4. 前記収容体の回転軸上に前記通過部位が設定されていることを特徴とする請求項３記載の液体特性分析装置。
5. 前記容器外に配置されて前記送信部からの電磁波信号又は音波信号を受信する受信部をさらに具備し、該受信部が、前記載置台における前記通過部位と対向する部位に設けられていることを特徴とする請求項３又は４記載の液体特性分析装置。
6. 前記電磁波信号が赤外線信号であることを特徴とする請求項１乃至５のうち何れか一項に記載の液体特性分析装置。
   

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