KR102676962B1 - 통합 피펫팅 장치 - Google Patents
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Abstract
피펫 모듈 (10) 은 액체 취급 시스템 (100) 의 Z축 프레임 (120) 에 부착되는 피펫 모듈 프레임 (12) 을 갖는다. 액체 취급 시스템 Z축 프레임 (12) 에 부착되는 평행이동 프레임 (14) 은 모터 (16) 를 통해 상기 피펫 모듈 프레임 (12) 에 대해 이동한다. 실린더 (20), 튜브 (24) 및 팁 (26) 과 압력 센서 (28) 를 포함하는 공기 흡입 어셈블리 (18) 는 평행 이동 프레임 (14) 에 부착된다. 실린더 (20) 에 배치 된 피스톤 (22) 은 상기 프레임 (12) 에 고정적으로 부착된다. 상기 피펫 모듈 (10) 에 사용하는 제어기 (30) 는 액면 검출 작동 모드를 구비하며, 상기 액면 검출 작동 모드는 압력 피드백 컨트롤 알고리즘을 작동시켜, 모터 (16) 를 z축 평행 이동 방식으로 상기 압력 센서 (28) 가 상기 팁 (26) 내의 압력 발생 변화가 상기 팁 (26) 과 상기 액체 표면 (110) 이 접촉되었음을 나타내는 것을 감지할 때까지 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 을 이동시킨다.
Description
본 발명은 적어도 하나의 용기로부터 액체를 흡입하여 상기 흡입한 액체를 다른 한 용기에 분배하기 위한 액체 취급 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 피펫 모듈을 핵심 부품으로 갖는 액체 취급 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 통상적인 액체 취급 시스템은 다수의 피펫 모듈 및 관련된 프로세서로 제어하고, 모터로 구동하는 기계 서브 어셈블리를 포함한다. 상기 기계 서브 어셈블리는 피펫 서포트 프레임을 포함하며, 상기 피펫 서포트 프레임은 z 축을 따라 이동하여, 한개 또는 다수의 피펫 팁이 흡입한 액체를 용납하는 용기를 용기에 대하여 상하로 이동하게 한다. 이러한 상호 관련된 기계 장치로 인해 액체 취급 시스템의 구조는 매우 복잡하다. 피펫 모듈은 z 축을 따라 이동하면서 수위 및 흡입과 분배 액체를 발견해야 한다 (이 동안 수위는 변화를 일으킨다). 피펫 모듈의 질량이 일반적으로 비교적 크고, 제조 공차로 인해 운동 부품사이에 백래시가 존재하여, 세로 방향 이동으로 인해 기계에는 상당히 큰 응력이 발생하게 된다.
미국 특허 No.6,641,454 B1 (Colin 등,하기에서 "Colin"이라고 함) 는 검체 홀더에 포함된 생물액체의 흡입에 사용되는 설비 및 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, Colin은 피스톤을 포함한 실린더 본체를 구비한 피펫이며, 상기 피스톤의 운동은 흡입될 액체의 흡입과 배출을 공개했다. 사용 시, 피펫이 연결된 기계장치가 피펫의 자유 단부의 팁이 생물액체의 표면에 근접하게 함으로써, 피스톤의 움직임으로 인해 상기 팁으로부터 연속적이고 일정한 공기 흐름을 배출하게 된다. 팁이 액체 표면에 일치하게 접근함에 따라, 팁 내부의 공기 과압이 미리 결정된 임계값보다 크면, 팁과 액체 표면이 접촉한 것으로 확인되어, 팁으로부터 오는 공기 흐름이 중단되며, 팁의 움직임도 중단되어, 유체를 흡입하기 시작한다. Colin 장치와 방법의 고유하면서 원하지 않는 특징은, 액체 표면의 검출에 이용하는 입구와 출구의 공기 흐름의 유동이 피펫 팁의 이동 속도와 무관하게 설정되는 것이다.
미국 특허 No.4,794,085 (Jessop 등,하기에서 "Jessop"라고 함) 는 샘플 용기에 함유된 액체를 흡입하고 흡입된 액체를 분배하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, Jessop에는 액체 분배 장치용 흡입 제어 시스템을 개시하였으며, 상기 흡입 제어 시스템은 샘플 용기에서 흡입되는 액체를 용납하는 프로브 및 상기 프로브와 함께 이동하는 피스톤 챔버를 포함한다. 상기 프로프와 피스톤 챔버 액체와 연통되는 압력 라인은 피스톤이 피스톤 챔버에서의 움직임과 대응하여, 프로브에 국부적 진공 또는 대기압에 상대적인 국부적 압력을 제공한다. 흡입 제어 시스템은 프로브에서 감지된 압력 변화에 따라 프로브 움직임을 구동시키는 모터와 피스톤 움직임을 구동시키는 다른 한 모터의 작동을 조정한다. 프로브 중의 공기의 압력이 미리 설정된 임계값보다 크게될 때까지 흡입되는 공기 양을 증가하기 위하여 프로브를 이동시키는 것을 반복하여, 프로브가 기체와 액체 계면에 대해 침투한 검출을 실현하며, 이때 프로브가 액체에 침투되었다고 확인한다. Jessop 장치와 방법의 고유하면서 원하지 않은 특징은, 반복적인 증가량 흡입과 프로브 움직임으로 액체 표면 침투에 필요한 작동 시간을 검출함으로써, 실현가능한 액체의 흡입과 분배 속도를 제한할 수 있는 가능성이 있다.
따라서, 상술한 원인으로 인해, 본 분야에서는 정밀하게 제어할 수 있는 액체 취급 시스템을 포함하는 다수의 피펫 모듈과 관련된 프로세서로 제어하는, 모터로 구동하는 기계 서브 어셈블리를 필요로 한다.
간결하게 말하면, 본 발명의 바람직한 실시형태는 액체 취급 시스템용 피펫 모듈에 관한 것이며, 상기 액체 취급 시스템은, 액체 취급 시스템 z축 프레임, 적어도 하나의 용기 개방 단부를 갖는 용기, 액체를 포함하며, 상기 용기 개방 단부는 상기 액체 취급 시스템 z축 프레임에 대해 미리 설정한 용기 개방 단부 위치를 구비하며, 상기 적어도 하나의 용기 중의 액체는 액체 표면을 갖고, 상기 액체 표면은 미지의 액체표면 위치를 갖는다. 상기 피펫 모듈은 상기 액체 취급 시스템 Z축 프레임에 부착되는 피펫 모듈 프레임을 갖는다. 피펫 모듈 평행 이동 프레임은 상기 액체 취급 시스템 Z축 프레임에 부착되고 피펫 모듈 모터를 통해 상기 피펫 모듈 프레임에 대해 이동한다. 공기 흡입 어셈블리는 이동가능하게 배치된 피스톤을 갖는 피펫 모듈 실린더를 포함하여 해당 피펫 모듈 실린더에 이동 가능한 피스톤이 설치되어 있다. 튜브와 피펫 모듈 실린더는 유체적으로 연결된다. 튜브 단부에는 팁이 연결된다. 압력 센서는 실린더, 튜브 및 팁과 유체적으로 연결된다. 피펫 모듈 제어기는 피펫 모듈 모터와 압력 센서와 전기적으로 연결된다. 피펫 모듈 실린더, 튜브 및 팁은 피펫 모듈 평행 이동 프레임에 부착되며, 이들과 함께 이동할 수 있다. 피스톤은 피스톤 바를 통해 피펫 모듈 프레임에 고정적으로 부착된다. 피펫 모듈 제어기는 액면 검출 작동 모드를 구비하며, 상기 액면 검출 작동 모드는 압력 피드백 컨트롤 알고리즘을 작동시키며, 상기 압력 피드백 컨트롤 알고리즘은 상기 피펫 모듈 모터를 z축 평행 이동 방식으로 상기 압력 센서가 팁 내의 압력 발생 변화가 팁과 액체 표면이 접촉되었음을 나타내는 것을 감지할 때까지 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임을 이동시킨다.
도면에 결부하여 설명할 경우, 상기 발명의 개요 및 하기의 본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 상세한 설명을 더 잘 이해할 수 있다. 본 발명을 설명하기 위해, 도면은 현재 바람직한 실시형태를 나타내었다. 그러나, 본 발명은 설명 된 정확한 배치 및 구조에 제한되지 않음을 이해해야 한다.
도면에 있어서:
도 1은 본 발명의 피펫 모듈의 제1 바람직한 실시형태의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 도 1에 따른 피펫 모듈을 포함한 액체 취급 시스템의 측면도이다.
도 3은 팁 리무버를 도시한 도 1의 피펫 모듈의 일부분을 확대한 측면도이다.
도 4는 2개의 실린더를 갖는 피펫 모듈을 포함한 본 발명에 따른 액체 취급 시스템의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 다수의 단일 실린더 피펫 모듈을 포함한 액체 취급 시스템의 좌측 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 다수의 이중 실린더 피펫 모듈을 포함한 액체 취급 시스템의 좌측 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 도 1의 피펫 모듈의 압력 피드백 제어 시스템의 개략도이다.
도 8a은 용기 중 물의 액체 표면을 검출하는 동안 피펫 팁 내부의 압력과 관련 제어 오차의대표적 그래픽이다.
도 8b는 도 8a의 그래픽과 관련된 피펫 모듈 모터의 속도 및 위치의 대표적 그래픽이다.
도 8c은 피펫 팁이 액체 표면에 침투한 후의 모터 위치 및 관련 제어 오차를 나타내는 도 8a과 도 8b의 그래픽의 일부분이다.
도면에 있어서:
도 1은 본 발명의 피펫 모듈의 제1 바람직한 실시형태의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 도 1에 따른 피펫 모듈을 포함한 액체 취급 시스템의 측면도이다.
도 3은 팁 리무버를 도시한 도 1의 피펫 모듈의 일부분을 확대한 측면도이다.
도 4는 2개의 실린더를 갖는 피펫 모듈을 포함한 본 발명에 따른 액체 취급 시스템의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 다수의 단일 실린더 피펫 모듈을 포함한 액체 취급 시스템의 좌측 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 다수의 이중 실린더 피펫 모듈을 포함한 액체 취급 시스템의 좌측 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 도 1의 피펫 모듈의 압력 피드백 제어 시스템의 개략도이다.
도 8a은 용기 중 물의 액체 표면을 검출하는 동안 피펫 팁 내부의 압력과 관련 제어 오차의대표적 그래픽이다.
도 8b는 도 8a의 그래픽과 관련된 피펫 모듈 모터의 속도 및 위치의 대표적 그래픽이다.
도 8c은 피펫 팁이 액체 표면에 침투한 후의 모터 위치 및 관련 제어 오차를 나타내는 도 8a과 도 8b의 그래픽의 일부분이다.
본 발명의 실시형태를 상세하게 참조하며, 예시는 도면에 도시되어 있다. 본문에서 본 발명의 설명에 사용된 용어는 특정된 실시형태를 설명하기 위한 것일뿐, 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
본 발명의 명세서와 첨부된 특허청구의 범위에서 사용된 바와 같이, 문맥상에서 명확히 설명하지 않는 한, 단수 형태의 "일", "하나", "해당"는 복수 형태도 포함한다. 본문에서 사용한 용어 "및/또는"은 하나 또는 다수의 관련된 열거된 항목의 임의의 및 모든 가능한 조합을 지칭한다. 명세서에서 사용될 경우, "포함" 및/또는 "함유"는 상기 특징, 정수, 단계, 조작, 부품 및/또는 어셈블리가 존재하나, 기타 특징, 정수, 단계, 조작, 요소, 어셈블리 및/또는 이들의 조합이 존재하거나 하나 또는 다수가 증가됨을 배제하지 않음을 나타낸다.
용어 "우측", "좌측", "하부" 및 "상부"는 도면에서 참조하는 방향을 나타낸다. 용어 "내부" 및 "외부"는 각각 향하는 방향 및 팁을 멀리 하는 안전 보호 커버 및 지정하는 부분의 기하학적 중심의 방향을 나타낸다. 상기 용어는 상기 함의 및 이의 파생어 및 유사한 함의의 단어도 포함한다.
본문에서 제1, 제2 등으로 각 부품을 설명하나 이러한 부품은 이러한 용어에 의해 제한되어서는 안된다. 이러한 용어는 하나의 부품과 다른 한 부품을 구분하기 위해서만 사용된다. 예를 들면, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 상황에서, 제1실린더를 제2실린더로 지칭할 수 있으며, 유사하게, 제2 실린더를 제1실린더로 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이, 문맥에 따라, 용어 "만약"은 "…일 경우" 또는 "…하기만 하면" 또는 "확정에 대한 응답으로", 또는 "검출에 대한 응답으로"를 나타냄으로 해석할 수 있다. 유사하게, 문구 "확정되면" 또는 "[표시된 조건 또는 사건]이 검출되면"은 "확정에 따른" 또는 "확정에 응하면" 또는 "[표시된 조건 또는 사건]을 확정한 결과" 또는 "[표시된 조건 또는 사건]의 검출에 따르면"으로 해석될 수 있으며, 문맥에 따라 결정된다.
하기 설명은 본 발명의 피펫 장치의 다양한 실시형태이다.
상세하게 도면을 참조하면, 동일한 부호 표기는 시종 동일한 요소를 나타내며, 도 1과 도 2에 도시된 것은 본 발명의 피펫 모듈의 제1 바람직한 실시예에 관한 것이며, 일반적으로 10으로 표시되며, 하기에서는 "피펫 모듈 (10)"로 표시된다. 피펫 모듈 (10) 은 액체 취급 시스템 z축 프레임 (120) 및 적어도 하나의 용기 (102) 를 포함하는 액체 취급시스템 (100) 에 사용되며, 상기 용기 (102) 는 용기 개방 단부 (104) 를 구비하며, 상기 용기 개방 단부 (104) 는 액체 취급 시스템 z축 프레임 (120) 에 대해 미리 설정된 용기 개방 단부 위치 (106)(R1) 을 구비한다. 적어도 하나의 용기 (102) 의 액체 (108) 는 용기의 개방 단부 위치에 대한 미지의 액체 위치 (112)(R2)(liquid surface level) 의 액체표면 (110) 을 구비한다.
피펫 모듈 (10) 은 액체 취급 시스템 z 축 프레임 (120) 에 부착가능한 피펫 모듈 프레임 (12) 을 구비한다. 피펫 모듈 프레임 평행 이동 프레임 (14) 은 피펫 모듈 프레임 (12) 에 부착되며, 피펫 모듈 모터 (16) 를 통해 피펫 모듈 프레임 (12) 에 대해 이동할 수 있다.
또한, 피펫 모듈 (10) 은 공기 흡입기 어셈블리 (18) 를 구비하며, 상기 공기 흡입기 어셈블리는 피펫 모듈 실린더 (20) 를 포함하며, 상기 피펫 모듈 실린더 (20) 에는 이동가능한 피스톤 (22) 이 배치되어 있다. 튜브 (24) 는 피펫 모듈 실린더 (20) 와 유체적으로 연결된다. 튜브 (24) 의 말단은 팁 (26) 과 연결된다. 압력 센서 (28) 가 배치되며, 상기 압력 센서 (28) 는 실린더 (20), 튜브 (24) 및 팁 (26) 과 유체적으로 연결된다. 피펫 모듈 실린더 (20), 튜브 (24), 팁 (26) 및 압력 센서 (28) 는 모두 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 에 부착되어, 이와 함께 이동할 수 있다. 피스톤 (22) 은 피스톤 바 (32) 를 통해 피펫 모듈 프레임 (12) 에 고정 부착된다.
또한, 피펫 모듈 (10) 은 피펫 모듈 모터 (16) 와 압력 센서 (28) 가 전기적으로 연결된 피펫 모듈 제어기 (30) 를 갖는다. 피펫 모듈 제어기 (30) 는 액체 표면 검출 작동 모드를 가지며, 상기 액체 표면 검출 작동 모드는 압력 피드백 컨트롤 알고리즘을 가동하여, 압력 센서 (28) 가 팁 (26) 중의 압력 변화를 검출하여 팁 (26) 과 액체표면 (110) 이 접촉하였음을 확인할 때까지, 피펫 모듈 모터 (16) 는 z축 평행 이동 방식으로 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 을 이동시키며, 하기에서 더 한층 설명하는 바와 같다.
일부 실시형태에 있어서, 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 은 선형 슬라이더 (36) 를 통해 피펫 모듈 프레임 (12) 에 부착되며, 피펫 모듈 스크류 (38) 는 피펫 모듈 모터 (16) 에 작동가능하게 연결된다.
도 3을 참조하면, 일부 실시형태에 있어서, 피펫 모듈 (10) 은 피펫 모듈 프레임 (12) 에 부착 된 팁 리무버 (34) 를 구비해도 된다. 팁 리무버 (34) 는 바람직하게 팁 리무버 갭 (42) 에 의해 이격 된 한쌍의 제1 및 제2 평행 팁 리무버 바 (40) 를 포함하며, 상기 팁 리무버 갭 (42) 은 튜브 (24) 의 외경보다는 크고, 팁 (26) 의 외경보다는 작다. 팁 리무버 갭 (42) 은 튜브 (24) 가 상기 한쌍의 바 (40 사이에서 z축 평행 이동 방식으로 이동하도록 하며, 팁 (26) 이 그 사이로 통과하는 것을 방지한다. 팁 (26) 이 상기 한쌍의 바 (40) 와 접촉할 경우, 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 의 추가적 z 축 평행 이동에 의해 팁 (26) 과 튜브 (24) 를 분리시킨다.
도 4를 참조하면, 일부 실시형태에 있어서, 피펫 모듈 (10) 은 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 에 부착 된 다른 하나의 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (44) 을 구비해도 된다. 부착 된 다른 하나의 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (44) 은 다른 하나의 피펫 모듈 평행 이동 프레임 모터 (46) 를 통해 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 에 대해 상대적으로 이동할 수 있다. 만약, 피펫 모듈 (10) 이 다른 하나의 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (44) 을 구비하면, 공기 흡입 어셈블리 (18) 는 다른 하나의 피펫 모듈 실런더 체적을 갖는 다른 하나의 피펫 모듈 실린더 (48) 를 더 포함하며, 상기 다른 하나의 피펫 모듈 실린더의 체적은 피펫 모듈 실런더 (20) 의 피펫 모듈 실린더의 체적보다 크다. 다른 하나의 피펫 모듈 실린더 (48) 는 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 과 함께 이동할 수 있으며, 피펫 모듈 실린더 (20), 튜브 (24), 팁 (26) 및 압력 센서 (28) 와 유체적으로 연결된다. 다른 하나의 실린더 피스톤 (50) 은 이동가능하게 다른 하나의 피펫 모듈 실린더 (48) 에 배치된다. 다른 하나의 실린더 피스톤 (50) 은 다른 하나의 피펫 실린더 피스톤 바 (52) 를 통해 다른 하나의 피펫 모듈 실린더 평행 이동 프레임 (44) 에 고정적으로 부착된다. 다른 하나의 피펫 모듈 제어기 (54) 는 다른 하나의 피펫 모듈 실린더 평행 이동 프레임 모터 (46), 압력 센서 (28) 및 피펫 모듈 제어기 (30) 와 전기적으로 연결된다.
도 2를 참조하면, 액체 취급 시스템 (100) 의 바람직한 실시형태에 있어서, 피펫 모듈 장착부 (114) 는 액체 취급 시스템 z축 프레임 (120) 에 부착된다. 피펫 모듈 장착부 (114) 는 액체 취급 시스템 z 축 모터 (116) 를 통해 액체 취급 시스템 z축 프레임 (120) 에 대해 z축 평행 이동 방식으로 이동할 수 있다. 적어도 하나의 피펫 모듈 (10) 은 피펫 모듈 장착부 (114) 에 부착되며, 이에 따라 이동할 수 있다. 액체 취급 시스템 제어기 (118) 는 피펫 모듈 제어기 (30) 및 액체 취급 시스템의 z축 모터 (116) 와 전기적으로 연결된다.
액체 취급 시스템 제어기 (118) 는 다양한 작동 모드하에서 작동되고, 그중 한가지는 용기 색인 조작 모드 (container indexing mode of operation) 이고, 이로 인해 팁 (26) 이 용기 개방 단부 (104) 와 일치할때까지 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 는 하향 z축 평행 이동 방식으로 피펫 모듈 장착부 (114) 를 이동시킨다.
액체 취급 시스템 제어기 (118) 의 다른 하나의 작동 모드는 흡입작동 모드이며, 상기 흡입 작동 모드의 작동은 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 가 상향 z축 평행 이동 방식으로 피펫 모듈 장착부 (114) 를 이동시키며, 피펫 모듈 제어기 (30) 도 동시에 피펫 모듈 모터 (16) 가 하향 z축 평행 이동 방식으로 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 을 이동시켜, 상기 액체가 상기 팁 (26) 에 흡입될 경우에 팁 (26) 과 액체 표면 (110) 이 접촉하게 한다.
액체 취급 시스템 제어기 (118) 의 다른 하나의 작동 모드는 액체 배출 작동 모드이며, 상기 액체 배출 작동 모드의 작동으로 인해 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 는 하향 z축 평행 이동 방식으로 피펫 모듈 장착부 (114) 를 이동시키며, 피펫 모듈 제어기 (30) 도 동시에 피펫 모듈 모터 (16) 를 상향 z축 평행 이동 방식으로 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 을 이동시켜, 팁 (26) 이 팁 (26) 중의 액체 (108) 를 배출하게 한다.
액체 취급 시스템 (100) 의 일 실시형태에 있어서, 2개 또는 2개 이상의 용기 (102) 를 제공하며, 또한 적어도 2개의 피펫 모듈 (10) 을 제공한다. 피펫 모듈은 단일 실린더 (도 5를 참조) 일 수도 있고, 2개의 실린더 (도 6을 참조) 일 수도 있으며, 피펫 모듈 장착부 (114) 에 부착된다. 용기 색인 조작 모드의 작동으로 인해, 적어도 2개의 피펫 모듈의 적어도 하나의 피펫 모듈의 팁 (26) 이 상응한 용기 (102) 의 용기 개방 단부 (104) 와 일치할때까지, 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 는 하향 z축 평행 이동 방식으로 피펫 모듈 장착부 (114) 를 이동시킨다.
용기 색인 조작 모드 완료 후, 적어도 2개의 피펫 모듈 중의 각각의 피펫 모듈의 액체 표면 검출 작동 모드의 작동으로 인해, 상응한 용기 (102) 내의 액체 (108) 의 액체표면 (110) 을 독립적으로 검출하게 한다.
적어도 2개의 피펫 모듈 중의 각각의 피펫 모듈의 액체 표면 검출 모드 완료 후, 흡입 작동 모드를 작동시켜, 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 가 상향 z축 평행 이동 방식으로 피펫 모듈의 장착부 (114) 를 이동시키고, 적어도 2개의 피펫 모듈의 각각의 피펫 모듈의 피펫 모듈 제어기 (30) 는 동시에 적어도 2개의 피펫 모듈의 각각의 피펫 모듈의 피펫 모듈 모터 (16) 가 하향 z축 평행 이동 방식으로 적어도 2개의 피펫 모듈의 각각의 피펫 모듈의 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 을 이동시키며, 액체가 적어도 2개의 피펫 모듈 중의 각각의 피펫 모듈의 팁 (26) 에 흡입될 경우, 적어도 2개의 피펫 모듈의 각각의 피펫 모듈의 팁 (26) 이 상응한 용기 (102) 의 액체 표면 (110) 과 접촉을 유지하게 한다.
액체 배출 작동 모드의 작동으로 인해 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 가 하향 z축 평행 이동 방식으로 피펫 모듈 장착부 (114) 를 이동시키며, 적어도 2개의 피펫 모듈의 각각의 피펫 모듈의 피펫 모듈 제어기 (30) 는 동시에 적어도 2개의 피펫 모듈의 각각의 피펫 모듈의 피펫 모듈 모터 (16) 가 상향 z축 평행 이동 방식으로 적어도 2개의 피펫 모듈의 각각의 피펫 모듈의 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 을 이동시켜, 적어도 2개의 피펫 모듈의 각각의 피펫 모듈의 팁 (26) 으로부터 적어도 2개의 피펫 모듈의 각각의 피펫 모듈의 팁 (26) 중의 액체 (108) 를 배출하게 한다.
작동 시, 액체 취급 시스템 z축의 원점은, 피펫 모듈 장착부 (114) 가 최고 위치에 위치하는 동시에 피펫 모듈의 평행 이동 프레임 (14) 도 최고 위치에 위치할 경우의 위치로 정의된다. 첫 단계에서, 액체 취급 시스템 제어기 (118) 는 용기 색인 조작 모드를 가동시키며, 그중 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 는, 피펫 모듈 팁 (26) 이 용기 개방 단부 (104) 와 일치할 때까지, 하향 z축 평행 이동 방식으로 피펫 모듈 장착부 (114) 를 이동시킨다.
다음 단계에서, 액체 취급 시스템 제어기 (118) 는 피펫 모듈 제어기 (30) 로 하여 압력 피드백 컨트롤 알고리즘을 활성화시키며, 상기 압력 피드백 컨트롤 알고리즘은 하기 비율, 적분, 미분 (PID) 의 피드백 컨트롤 규칙을 인코딩한다.
,
식에서, u (t) 는 팁 속도이고, 단위는 ㎜/sec이며;
u0 (t) 은 팁 속도의 초기값이며;
KP,KI 및 KD는 상기 컨트롤 규칙의 비율, 적분, 미분 계수의 음수가 아닌 상수이며; 일반적으로, KP = 1,KI = 0.005,KD = 1이며, 및
e (t) 는 제어 오차이며, 목표 압력 값에서 측정 된 압력 값을 감한 것과 같다.
상기 컨트롤 규칙의 목표 압력점은 대기압P0로 설정된다. 팁 (26) 내부의 압력 하강이 검출되면, 상기 컨트롤 규칙의 목표 압력점을 비교적 높은 값으로 설정한다. 예를 들면, P0+C이며, 그중 실온의 물에 대해서, C는 일반적으로 250 Pa와 동일하다. 비교적 높은 압력은 액체를 팁 (26) 에서 배출 시킨다. 팁 내부의 압력P가 P0+C인 경우, 피펫 모듈의 팁 (26) 의 말단부의 위치는 액체 표면 (110) 의 위치이다.
압력 피드백 컨트롤 시스템의 개략도는 도 7에 도시 된 바와 같다. 피펫 모듈 피스톤 (22) 은 피펫 모듈 실린더 (20) 에 배치되며, 피스톤 바 (32) 를 통해 피펫 모듈 프레임 (12) 에 고정적으로 부착된다. 피펫 모듈 모터 (16) 는 용기 (102) 의 액체 표면 (110) 을 향해 아래로 팁 (26) 과 실린더 (20) 를 구동시킨다. 용기 (102) 의 액면 위치 (112) 는 미지이며, 반드시 검출해야 한다. 점선은 압력 컨트롤 시스템의 데이터 흐름을 나타낸다. 피펫 모듈 모터 (16) 는 개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어 모터이다. 간략하게 도시하기 위해, 모터 (16) 에 사용하는 제어 시스템을 도시하지 않았다. 그러나, 상기 모터는 속도 지령을 수신하여 작동한다. 압력 제어기는 바람직하게 상기 PID 제어기이며, 상기 피펫 모듈 팁 (26) 의 내부 압력을 주어진 목표 값으로 제어한다.
바람직하게, 그러나 필수적이 아니게, 압력 피드백 제어 시스템을 포함하는 하드웨어는 하기 특징을 가질 수 있다. 즉, 전형적인 압력 센서는 RMS = 0.0075hPa, 감도= 4096LSB / hPa,24비트 분해능을 가진다. 모터는 회전 당 50000펄스이다. 모터가 1회 회전 시, 실린더 (20) 는 40 ㎜을 이동한다. 실린더 체적은 1 mL이며, 스트로크는 60 ㎜이다. 실린더의 내경은 4.6 ㎜이며, 회로를 제어하는 샘플링 시간은 10 ㎳이다. 초기 제어기 값 U0 = 8 ㎜/sec이며, 기류 속도는 약 133 mL/sec이다.
검출 용기 (102) 중 물의 미지의 액체표면 (110) 의 검출에 사용하는 상기 컨트롤 규칙의 작동 특성은 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같으며, 그중, 피펫 모듈 팁 (26) 은 초기에 액체 표면으로부터 간격이 약 20 ㎜이며, 액체 표면의 위치는 미지이며, 피펫 모듈 팁 (26) 은 8 ㎜/sec의 속도로 하강한다. 더 구체적으로, 팁 내부의 압력과 제어 오차는 도 8a에 도시된 바와 같다. 모터 속도 및 모터 위치는 도 8b에 도시 된 바와 같다.
모터 속도는 압력 피드백 제어기의 출력, 모터 위치는 피펫 모듈 모터 (16) 의 출력이며, 피펫 모듈 모터 (16) 는 피펫 모듈 실린더 (20) 와 피펫 모듈 팁 (26) 을 구동시킨다. 1500 ㎳ 후, 피펫 모듈 모터 (16) 의 위치는 액체 표면 (110) 의 위치를 나타낸다. 피펫 모듈 팁 (26) 이 액체 표면 (110) 에 접촉한 후, 액체를 피펫 모듈 팁 (26) 에 흡입하도록 제어 오차를 충분히 크게 한다. 피펫 모듈 팁 (26) 과 물 사이의 표면 장력은 약 300 Pa이다. 도 8b의 모터 속도와 위치도에서, 피펫 모듈 모터 (16) 는 1200 ㎳ 후 하향 운동으로부터 위로 이동한다.
피펫 모듈 팁 (26) 은 액체 표면 (110) 에 접촉 한 후, 피펫 모듈 피펫 (26) 은 위로 이동한다. 도 8c을 참조하면, 상기 도에는 1080 ㎳ 내지 3000 ㎳의 시간 간격내의 도 8a의 제어 오차와 도 8b의 모터 위치를 나타내며, 피펫 모듈 팁 (26) 은 피펫 모듈 팁 (26) 이 액체 표면과 접촉 한 후 위로 약 0.6 ㎜ 이동한다. 제어 오차가 700 Pa로 되고, 팁 압력이 450 Pa로 감소된다. 압력 하강은 약 400Pa이다. 압력 하강 폭은 액체를 피펫 모듈 팁 (26) 에 흡입할 수 있을 만큼 충분히 크다. 제어 오차의 감소는 압력 목표값을 P0+C로 설정하여, 피펫 모듈의 팁 압력이 증가함을 나타낸다. 팁 내부의 액체는 피펫 모듈 팁 압력의 증가에 따라 배출되며, 피펫 모듈 팁 압력이 목표 값 P0+C에 도달할 시 완전히 배출된다.
특정 실시형태를 참조로 하여 본 발명의 상기 상세한 설명을 개시하였다. 그러나, 본 개시의 내용은 무한대로 열거하나 또는 본 발명의 상기 개시한 정확한 형태로 제한하는 것이 아니다. 본 분야의 당업자들은 상기 광범위한 본 발명의 구성을 벗어나지 않는 한 상기 실시형태를 변경할 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 개시는 첨부된 청구범위에서 한정한 본 발명의 사상 및 범위내에서의 수정을 포함하는 것이다.
Claims (12)
- 액체 취급 시스템 (100) 용 피펫 모듈 (10) 로서,
상기 액체 취급 시스템 (100) 은, 액체 취급 시스템 z축 프레임 (120); 적어도 하나의 용기 개방 단부 (104) 를 갖는 용기 (102); 및 액체 (108) 를 포함하며, 상기 용기 개방 단부 (104) 는 상기 액체 취급 시스템 z축 프레임 (120) 에 대해 미리 설정한 용기 개방 단부 위치 (106) (R1) 를 구비하며, 상기 적어도 하나의 용기 (102) 중의 상기 액체 (108) 는 액체 표면 (110) 을 갖고, 상기 액체 표면 (110) 은 검출되어야 할 미지의 액체 위치 (112) (R2) 를 가지며;
상기 피펫 모듈 (10) 은, 상기 액체 취급 시스템 Z축 프레임 (120) 에 부착되는 피펫 모듈 프레임 (12); 상기 피펫 모듈 프레임 (12) 에 부착되고 피펫 모듈 모터 (16) 에 의해 상기 피펫 모듈 프레임 (12) 에 대해 이동하는 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14); 공기 흡입 어셈블리 (18); 및 상기 피펫 모듈 모터 (16) 와 압력 센서 (28) 에 전기적으로 연결된 피펫 모듈 제어기 (30) 를 포함하며;
상기 공기 흡입 어셈블리 (18) 는 이동가능하게 배치된 피스톤 (22) 을 갖는 피펫 모듈 실린더 (20); 상기 피펫 모듈 실린더 (20) 와 유체적으로 연결되며 단부가 팁 (26) 과 연결된 튜브 (24); 및 상기 실린더 (20), 상기 튜브 (24) 및 상기 팁 (26) 과 유체적으로 연결된 상기 압력 센서 (28) 를 포함하며,
상기 피펫 모듈 실린더 (20), 상기 튜브 (24) 및 상기 팁 (26) 은 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 에 부착되며, 이들과 함께 이동할 수 있으며;
상기 피스톤 (22) 은 피스톤 바 (32) 에 의해 상기 피펫 모듈 프레임 (12) 에 고정적으로 부착되며,
상기 피펫 모듈 제어기 (30) 는 액면 검출 작동 모드를 구비하며, 상기 액면 검출 작동 모드는 압력 피드백 컨트롤 알고리즘을 작동시키며, 상기 압력 피드백 컨트롤 알고리즘은, 상기 압력 센서 (28) 가 상기 팁 (26) 내의 압력 변화가 상기 팁 (26) 과 상기 액체 표면 (110) 이 접촉되었음을 나타내는 것을 감지할 때까지 상기 피펫 모듈 모터 (16) 가 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 을 z축 평행 이동 방식으로 이동시키게 하는 것을 특징으로 하는, 액체 취급 시스템용 피펫 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 압력 피드백 컨트롤 알고리즘은 하기 비율, 적분, 및 미분 (PID) 의 피드백 제어 규칙을 인코딩하며,
,
식중, u (t) 는 팁 속도이고, 단위는 ㎜/sec이며;
u0 (t) 은 상기 팁 속도의 초기 값이며;
KP, KI 및 KD 각각은 상기 제어 규칙의 비율, 적분, 및 미분 계수들의 음수가 아닌 상수로서, 상기 PID 제어의 비율, 적분, 및 미분 게인들(gains)이며;
e (t) 는 제어 오차이며;
t 는 시간이며;
는 e (t)의 적분 값이며;
는 e (t)의 미분 값이며,
상기 e (t) 는 목표 압력값에서 측정된 압력값을 감한 것과 같은 것을 특징으로 하는, 액체 취급 시스템용 피펫 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 은 선형 슬라이더 (36) 를 통해 상기 피펫 모듈 프레임 (12) 에 부착되며, 스크류 (38) 를 통해 상기 피펫 모듈 모터 (16) 에 작동가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는, 액체 취급 시스템용 피펫 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 피펫 모듈 프레임 (12) 에 부착되어 함께 이동하는 팁 리무버 (34) 를 더 포함하며, 상기 팁 리무버 (34) 는 팁 리무버 갭 (42) 에 의해 이격 된 한쌍의 제1 및 제2 평행 팁 리무버 바 (40) 를 포함하며, 상기 팁 리무버 갭 (42) 은 튜브 (24) 의 외경보다는 크고, 팁 (26) 의 외경보다는 작으며, 상기 팁 리무버 갭 (42) 은 상기 튜브 (24) 가 상기 한 쌍의 팁 리무버 바 (40) 사이에서 z축을 따라 평행 이동 방식으로 이동하게 하며, 상기 팁 (26) 이 그 사이로 통과하는 것을 방지하며, 상기 팁 (26) 이 상기 한쌍의 팁 리무버 바 (40) 와 접촉할 경우, 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 의 추가적 z 축 평행 이동에 의해 상기 팁 (26) 과 상기 튜브 (24) 를 분리시키는 것을 특징으로 하는, 액체 취급 시스템용 피펫 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 피펫 모듈 (10) 은 다른 하나의 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (44); 및 다른 하나의 피펫 모듈 제어기 (54) 를 더 포함하며,
상기 다른 하나의 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (44) 은 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 에 부착되고, 다른 하나의 피펫 모듈 평행 이동 프레임 모터 (46) 를 통해 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 에 대해 이동 가능하며,
상기 다른 하나의 피펫 모듈 제어기 (54) 는 상기 다른 하나의 피펫 모듈 실린더 평행 이동 프레임 모터 (46), 상기 압력 센서 (28) 및 상기 피펫 모듈 제어기 (30) 와 전기적으로 연결되며,
상기 공기 흡입 어셈블리 (18) 는 다른 하나의 피펫 모듈 실린더 (48) 및 다른 하나의 실린더 피스톤 (50) 을 더 포함하며, 상기 다른 하나의 피펫 모듈 실린더 (48) 는 상기 피펫 모듈 실런더 (20) 의 피펫 모듈 실린더의 체적보다 큰 다른 하나의 피펫 모듈 실린더 체적을 가지며, 상기 다른 하나의 피펫 모듈 실린더 (48) 는 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 과 함께 이동할 수 있으며, 상기 피펫 모듈 실린더 (20), 상기 튜브 (24), 및 상기 팁 (26) 과 상기 압력 센서 (28) 와 유체적으로 연결되며, 상기 다른 하나의 실린더 피스톤 (50) 은 이동가능하게 상기 다른 하나의 피펫 모듈 실린더 (48) 에 배치되며, 상기 다른 하나의 피펫 실린더 피스톤 (50) 은 다른 하나의 피펫 실린더 피스톤 바 (52) 를 통해 다른 하나의 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (44) 에 고정적으로 부착되며,
액체 취급 시스템 제어기 (118) 는 흡입 작동 모드를 갖고 있으며, 상기 흡입 작동 모드의 작동은 액체 취급 시스템의 z축 모터 (116) 가 위로 향한 z축 평행 이동 방식으로 상기 피펫 모듈 장착부 (114) 를 이동시키게 하며, 상기 피펫 모듈 제어기 (30) 도 동시에 상기 피펫 모듈 모터 (16) 가 하향 z축 평행 이동 방식으로 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 을 이동시켜, 상기 액체 (108) 가 상기 팁 (26) 에 흡입될 경우 상기 팁 (26) 과 상기 액체 표면 (110) 이 접촉을 유지하게 하며, 상기 다른 하나의 피펫 모듈 제어기 (54) 는 다른 하나의 피펫 모듈 실린더 평행 이동 프레임 모터 (46) 가 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 의 하향 z축 평행 이동과 협동하여 위로 향한 z축 평행 이동 방식으로 상기 다른 하나의 피펫 모듈 실린더 평행 이동 프레임 (44) 을 이동시키게 하는 것을 특징으로 하는, 액체 취급 시스템용 피펫 모듈. - 적어도 하나의 용기 (102) 로부터 액체 (108) 를 흡입하는데 사용하는 액체 취급 시스템으로서, 상기 용기 (102) 는 용기 개방 단부 (104) 를 구비하며, 상기 용기 개방 단부 (104) 는 상기 액체 취급 시스템 (100) 에 대하여 미리 설정 된 용기 개방 단부 위치 (106 (R1)) 를 구비하며, 상기 적어도 하나의 용기 (102) 중의 상기 액체 (108) 는 액체 표면 (110) 을 구비하며,
상기 액체 취급 시스템 (100) 은:
액체 취급 시스템의 z축 프레임 (120);
피펫 모듈 장착부 (114);
상기 피펫 모듈 장착부 (114)에 부착되고 상기 피펫 모듈 장착부(114)와 함께 움직일 수 있는 제1항에 따른 적어도 하나의 피펫 모듈 (10); 및
액체 취급 시스템 제어기 (118) 를 포함하며,
상기 피펫 모듈 장착부 (114) 는 액체 취급 시스템의 z축 프레임 (120) 에 부착되며, 액체 취급 시스템 z 축 모터 (116) 를 통해 액체 취급 시스템 z축 프레임 (120) 에 대해 z축 평행 이동 방식으로 이동할 수 있으며,
상기 액체 취급 시스템 제어기 (118) 는 피펫 모듈 제어기 (30) 및 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 와 전기적으로 연결되며,
상기 액체 취급 시스템 제어기 (118) 는 용기 색인 조작 모드를 구비하며, 상기 용기 색인 조작 모드의 작동은 상기 팁 (26) 이 상기 용기 개방 단부 (104) 와 일치하게끔 상기 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 는 하향 z축 평행 이동 방식으로 피펫 모듈 장착부 (114) 를 이동시키게 하는 것을 특징으로 하는, 액체 취급 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 피펫 모듈 제어기 (30) 는 상기 용기 색인 조작 모드 완료 후, 액체 표면 검출 작동 모드가 작동하게 하는 것을 특징으로 하는, 액체 취급 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 액체 취급 시스템 제어기 (118) 는 흡입 작동 모드를 구비하며, 상기 흡입 작동 모드의 작동은 상기 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 가 상향 z축 평행 이동 방식으로 상기 피펫 모듈 장착부 (114) 를 이동시키게 하며, 상기 피펫 모듈 제어기 (30) 도 동시에 상기 피펫 모듈 모터 (16) 가 하향 z축 평행 이동 방식으로 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 을 이동시켜, 상기 액체 (108) 가 상기 팁 (26) 에 흡입될 경우 상기 팁 (26) 과 상기 액체 표면 (110) 이 접촉을 유지하게 하는 것을 특징으로 하는, 액체 취급 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 피펫 모듈 제어기 (30) 는 상기 용기 색인 조작 모드 완료 후 상기 액체 표면 검출 작동 모드를 작동시키며, 상기 액체 취급 시스템 제어기 (118) 는 상기 액체 표면 검출 작동 모드 완료 후 상기 흡입 작동 모드를 작동시키는 것을 특징으로 하는, 액체 취급 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 액체 취급 시스템 제어기 (118) 는 액체 배출 작동 모드를 구비하며, 상기 액체 배출 작동 모드의 작동으로 인해 상기 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 는 하향 z축 평행 이동 방식으로 상기 피펫 모듈 장착부 (114) 를 이동시키며, 상기 피펫 모듈 제어기 (30) 도 동시에 상기 피펫 모듈 모터 (16) 를 상향 z축 평행 이동 방식으로 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 을 이동시켜, 상기 팁 (26) 으로부터 상기 팁 (26) 내의 상기 액체 (108) 를 배출하게 하는 것을 특징으로 하는, 액체 취급 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 피펫 모듈 제어기 (30) 는 상기 흡입 작동 모드 완료 후 상기 액체 배출 작동 모드를 작동시키는 것을 특징으로 하는, 액체 취급 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 적어도 하나의 용기 (102) 는 2개 이상의 용기 (102)를 포함하며,
상기 적어도 하나의 피펫 모듈 (10) 은 2개 이상의 피펫 모듈 (10)을 포함하며,
상기 용기 색인 조작 모드의 작동으로 인해, 상기 2개 이상의 피펫 모듈 중 적어도 하나의 피펫 모듈의 상기 팁 (26) 이 상응한 용기 (102) 의 상기 용기 개방 단부 (104) 와 일치할 때까지, 상기 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 는 하향 z축 평행 이동 방식으로 상기 피펫 모듈 장착부 (114) 를 이동시키며,
상기 용기 색인 조작 모드 완료 후, 상기 2개 이상의 피펫 모듈 각각의 상기 액체 표면 검출 작동 모드를 작동시켜, 독립적으로 상기 상응한 용기 (102) 중의 상기 액체의 액체 표면을 검출하며,
상기 2개 이상의 피펫 모듈 각각의 상기 액체 표면 검출 모드 완료 후 흡입 작동 모드를 작동시켜, 상기 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 가 상향 z축 평행 이동 방식으로 상기 피펫 모듈의 장착부 (114) 를 이동시키고, 상기 2개 이상의 피펫 모듈 각각의 상기 피펫 모듈 제어기 (30) 는 동시에 상기 2개 이상의 피펫 모듈 각각의 상기 피펫 모듈 모터 (16) 가 하향 z축 평행 이동 방식으로 상기 2개 이상의 피펫 모듈 각각의 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 을 이동시켜, 상기 액체가 상기 2개 이상의 피펫 모듈 중의 각각의 피펫 모듈의 상기 팁 (26) 에 흡입될 경우, 상기 2개 이상의 피펫 모듈 각각의 상기 팁 (26) 이 상기 상응한 용기 (102) 의 상기 액체 표면 (110) 과 접촉을 유지하게 하며,
액체 배출 작동 모드의 작동으로 인해 상기 액체 취급 시스템 z축 모터 (116) 가 하향 z축 평행 이동 방식으로 상기 피펫 모듈 장착부 (114) 를 이동시키며, 상기 2개 이상의 피펫 모듈 각각의 상기 피펫 모듈 제어기 (30) 는 동시에 상기 2개 이상의 피펫 모듈 각각의 상기 피펫 모듈 모터 (16) 가 상향 z축 평행 이동 방식으로 상기 2개 이상의 피펫 모듈 각각의 상기 피펫 모듈 평행 이동 프레임 (14) 을 이동시켜, 상기 2개 이상의 피펫 모듈 각각의 상기 팁 (26) 으로부터 상기 2개 이상의 피펫 모듈 각각의 상기 팁 (26) 중의 상기 액체 (108) 를 배출시키는 것을 특징으로 하는, 액체 취급 시스템.
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