JP2015199037A - 攪拌装置及び自動分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】攪拌効率や測定精度の向上を実現しつつ鉛を使用しない攪拌装置及び自動分析装置を提供すること。【解決手段】圧電振動子５１は、電圧の印加を受けて振動する。保持部５２は、圧電振動子５１に接続されている。スペーサ５３は、保持部５２に取り付けられている。ブレード５５は、スペーサ５３に取り付けられ溶液を攪拌する。圧電振動子５１は、ＡＢＯ３型のペロブスカイト構造を有する圧電材料を含み、当該圧電材料は、Ａサイト元素としてビスマスとカリウムとの少なくとも一種を含んでいる。【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、攪拌装置及び自動分析装置に関する。

自動分析装置は、多サンプル、多項目の血清成分を自動的に定量評価する装置であり、現在臨床検査において広く用いられている。定量評価は、血液から分離した検体を反応管に吐出し、測定項目に対応する試薬を反応管に吐出し、反応管内の検体と試薬とを攪拌装置で攪拌し、反応管内の反応液を比色測定する、という順番で行われる。検体と試薬とを可能な限り短い時間で均一に混合する必要がある。自動分析装置に用いられる反応管の容量は、数百μｌと小さい。このような微小容量の反応管内で反応液を攪拌するための方法として、従来、攪拌棒をモータや磁石で回転させていた。しかしながら、この方式においては反応管内の底部のみ攪拌されるため、攪拌の効果が反応管内の上部まで伝達しにくく、攪拌時間が長くなるという欠点がある。この方式においては時間短縮のためにモータの回転数を増加させることが考えられた。しかし、回転数を増加するにつれて反応液に泡が発生したり、気泡を巻き込んだりして、反応管の形状や大きさによって反応液が反応管から溢れたり飛び散ったりしていた。また、反応管内に残留した気泡は、後の比色測定における測定誤差を増大させる要因となる。

これらの課題を解決するため、バイモルフ圧電振動子にブレードと呼ばれる柔軟性を有する金属片を直接的に又はスペーサを介して間接的に接続された攪拌装置が利用されている（特許文献１、特許文献２、非特許文献１参照）。この攪拌装置によれば、ブレードを２次モードで振動させることにより攪拌効率を向上することができる。

特許第３１３５６０５号公報 特許第３７５６２９６号公報

大屋英郎、外４名、"自動分析装置用圧電バイモルフ攪拌子の開発"、電学論Ｃ，１２２巻，９号，１６７２−１６７８頁、平成１４年

目的は、鉛を使用しない攪拌装置及び自動分析装置を提供することにある。

本実施形態に係る攪拌装置は、電圧の印加を受けて振動する振動部と、前記振動部に接続された保持部と、前記保持部に取り付けられたスペーサと、前記スペーサに取り付けられ溶液を攪拌するための攪拌棒と、を具備する攪拌装置であって、前記振動部は、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト構造を有する圧電材料を含み、前記圧電材料は、Ａサイト元素としてビスマスとカリウムとの少なくとも一種を含む、ことを特徴とする。

本実施形態に係る自動分析装置の構成を示す図。 本実施形態に係る攪拌部の攪拌子の正面の概略図。 図２の攪拌子のＡ−Ａ断面の概略図。 図２の圧電振動子の概略的な構成断面図。 図１の攪拌部の振動に係る電気系統を概略的に示す図。 １次の振動モードにおける攪拌子を模式的に示す図。 ２次の振動モードにおける攪拌子を模式的に示す図。 本実施形態に係る攪拌子と従来例に係る攪拌子とのブレードの先端の振幅の周波数依存性を示したグラフを示す図。 本実施形態に係る攪拌性能の評価方法を説明するための図。 発泡が生じていない、攪拌中の反応管内の溶液の動きを高速カメラで撮影した様子を示す図。 発泡が生じている、攪拌中の反応管内の溶液の動きを高速カメラで撮影した様子を示す図。 ２次モードにおける本実施形態に係る攪拌子の振動の節と従来例に係る攪拌子の振動の節とを比較するための図。 本実施形態に係る他の圧電振動子の概略的な構成図。

従来の攪拌装置における圧電振動子としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：lead zirconate titamate）に代表される鉛を用いた圧電材料が用いられている。しかし、鉛による環境や生物への影響を排除するため、鉛を用いない製品が望まれている。また、攪拌時間の短縮への要望は根強く、更なる短縮が望まれている。また、患者の負担を減らすため、採血量を減らすことも望まれている。既存の攪拌装置において検体の液量を減らした場合、反応液に発泡が生じやすくなる。反応液に生じた泡は、反応管の内側面に残留しやく、比色検査等の光学測定に係る測定誤差を増大させてしまう。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係わる攪拌装置及び自動分析装置を説明する。

図１は、本実施形態に係る自動分析装置１の構成を示す図である。図１に示すように、自動分析装置１は、分析機構２、分析機構制御部３、解析部４、表示部５、操作部６、記憶部７、及びシステム制御部８を備える。

分析機構２は、分析機構制御部３による制御に従って作動する。分析機構２は、自動分析装置の筐体に設けられている。分析機構２は、例えば、図１に示すように、反応ディスク１１、サンプルディスク１３、第１試薬庫１５、第２試薬庫１７、サンプルアーム１９―１、サンプルプローブ２１―１、第１試薬アーム１９―２、第１試薬プローブ２１―２、第２試薬アーム１９―３、第２試薬プローブ２１―３、攪拌部２３、光学測定部２５、及び洗浄部２７を搭載する。

反応ディスク（保持機構）１１は、円周上に配列された複数の反応管３１を保持することができる。反応ディスク１１は、既定の時間間隔で回動と停止とを交互に繰り返す。サンプルディスク１３は、反応ディスク１１の近傍に配置されている。サンプルディスク１３は、検体が収容されたサンプル容器３３を保持することができる。サンプルディスク１３は、分注対象の検体が収容されたサンプル容器３３が検体吸入位置に配置されるように回動する。第１試薬庫１５は、検体の測定項目に選択的に反応する第１試薬が収容された複数の第１試薬容器３５を保持する。第１試薬庫１５は、分注対象の第１試薬が収容された第１試薬容器３５が第１試薬吸入位置に配置されるように回動する。第２試薬庫１７は、反応ディスク１１の近傍に配置される。第２試薬庫１７は、第１試薬に対応する第２試薬が収容された複数の第２試薬容器３７を保持する。第２試薬庫１７は、分注対象の第２試薬が収容された第２試薬容器３７が第２試薬吸入位置に配置されるように回動する。

反応ディスク１１とサンプルディスク１３との間にはサンプルアーム１９―１が配置される。サンプルアーム１９―１の先端には、サンプルプローブ２１―１が取り付けられている。サンプルアーム１９―１は、サンプルプローブ２１―１を上下動可能に支持している。また、サンプルアーム１９―１は、円弧状の回動軌跡に沿って回動可能にサンプルプローブ２１―１を支持している。サンプルプローブ２１―１の回動軌跡は、サンプルディスク１３上のサンプル吸入位置や反応ディスク１１上のサンプル吐出位置を通過する。サンプルプローブ２１―１は、サンプルディスク１３上のサンプル吸入位置に配置されているサンプル容器３３から検体を吸入し、反応ディスク１１上の吐出位置に配置されている反応管３１に検体を吐出する。

反応ディスク１１の外周近傍には第１試薬アーム１９―２が配置される。第１試薬アーム１９―２の先端には第１試薬プローブ２１―２が取り付けられている。第１試薬アーム１９―２は、第１試薬プローブ２１―２を上下動可能に支持する。また、第１試薬アーム１９―２は、円弧状の回動軌跡に沿って回動可能に第１試薬プローブ２１―２を支持している。第１試薬プローブ２１―２の回動軌跡は、第１試薬庫１５上の第１試薬吸入位置と反応ディスク１１上の第１試薬吐出位置とを通る。第１試薬プローブ２１―２は、第１試薬庫１５上の第１試薬吸入位置に配置されている第１試薬容器３５から第１試薬を吸入し、反応ディスク１１上の第１試薬吐出位置に配置されている反応管３１に第１試薬を吐出する。

反応ディスク１１と第２試薬庫１７との間には第２試薬アーム１９―３が配置される。第２試薬アーム１９―３の先端には第２試薬プローブ２１―３が取り付けられている。第２試薬アーム１９―３は、第２試薬プローブ２１―３を上下動可能に支持する。また、第２試薬アーム１９―３は、円弧状の回動軌跡に沿って回動可能に第２試薬プローブ２１―３を支持している。第２試薬プローブ２１―３の回動軌跡は、第２試薬庫１７上の第２試薬吸入位置と反応ディスク１１上の第２試薬吐出位置とを通る。第２試薬プローブ２１―３は、第２試薬庫１７上の第２試薬吸入位置に配置されている第２試薬容器３７から第２試薬を吸入し、反応ディスク１１上の第２試薬吐出位置に配置されている反応管３１に第２試薬を吐出する。

反応ディスク１１の外周近傍には攪拌部２３が配置される。攪拌部２３は、攪拌子保持機構（支持部）２３−１と攪拌子２３−２とが取り付けられている。攪拌子保持機構２３−１は、攪拌子２３−２を上下動可能に支持する。攪拌子２３−２は、攪拌子保持機構２３−１により、反応ディスク１１上の攪拌位置に配置された反応管３１内に下降される。攪拌子２３−１の下降後、攪拌部２３は、攪拌子２３−２を振動させ、反応管３１内の検体と第１試薬との混合液、または、検体と第１試薬と第２試薬との混合液を攪拌する。以下、これら溶液を反応液と呼ぶことにする。また、攪拌部２３は、攪拌終了後の所定のタイミングにおいて、攪拌子２３−２に洗浄液を噴射することにより攪拌子２３−２を洗浄する。この際、攪拌部２３は、攪拌子２３−２を振動させ、攪拌子２３−２に付着している洗浄液を振り落す。

反応ディスク１１の近傍には、光学測定部２５が設けられている。光学測定部２５は、分析機構制御部３による制御に従って作動する。具体的には、光学測定部２５は、光源２１０と検出器２２０とを有している。光源２１０は、反応ディスク１１内の測光位置にある反応管３１内の反応液に向けて光を照射する。検出器２２０は、測光位置にある反応管３１を挟んで光源に対向する位置に配置される。検出器２２０は、光源から照射され反応管３１及び反応液を透過した光、反応管３１及び反応液により反射された光、あるいは、反応管３１及び反応液により散乱された光を検出する。検出器２２０は、検出された光の強度に応じた計測値を表現するデータ（以下、測光データと呼ぶことにする。）を生成する。生成された測光データは、解析部４に供給される。

反応ディスク１１の外周には、洗浄部２７が設けられている。洗浄部２７は、分析機構制御部３による制御に従って作動する。具体的には、洗浄部２７は、洗浄ノズルと乾燥ノズルとを装備している。洗浄部２７は、反応ディスク１１の洗浄位置にある反応管３１を洗浄ノズルで洗浄し、乾燥ノズルで乾燥する。

分析機構制御部３は、システム制御部８による制御に従って分析機構２の各装置や機構を作動する。解析部４は、測光データに基づいて反応液についての測定項目の値を計算する。具体的には、解析部４は、測光データに基づいて反応液の吸光度を算出したり、算出された吸光度に基づいて濁度を算出したりする。表示部５は、例えばＣＲＴディスプレイや、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ等の表示デバイスを有する。表示部５は、解析部４による解析結果を表示する。操作部６は、オペレータからの入力機器を介した各種指令や情報入力を受け付ける。入力機器としては、マウスやトラックボールなどのポインティングデバイス、スイッチボタン等の選択デバイス、あるいはキーボード等の入力デバイスが適宜利用可能である。記憶部７は、自動分析装置１の動作プログラム等を記憶している。システム制御部８は、自動分析装置１の中枢として機能する。システム制御部８は、記憶部７から動作プログラムを読み出し、動作プログラムに従って各部３，４，５，７を制御する。

次に、本実施形態に係る自動分析装置１の詳細について説明する。

図２は、本実施形態に係る攪拌部２３の攪拌子２３−２の正面の概略図であり、図３は、図２の攪拌子２３−２のＡ−Ａ断面の概略図である。図２の実線部分は外部から視認可能な部分であり、点線部分は外部から視認不能な部分を表している。

図２及び図３に示すように、攪拌子２３−２は、筐体５０を有している。筐体５０の内部には、振動部５１、保持部５２、及びスペーサ５３が収容されている。振動部５１は、図示しない電源部からの電圧の印加を受けて振動する。振動部５１は、圧電振動子からなる。保持部５２は、柔体構造を有する金属基板により構成される。保持部５２の前面と裏面との各々には圧電振動子５１が貼り付けられている。すなわち、保持部５２は圧電振動子に接続されている。以下、表面に張り付けられた圧電振動子５１を表側振動子５１−１と呼び、裏面に張り付けられた圧電振動子５１を裏側振動子５１−２と呼ぶことにする。このように、保持部５２と表側振動子５１−１と裏側振動子５１−２とはバイモルフ圧電振動子７０を構成する。保持部５２の一端は、ねじ等の締結具５４−１により筐体５０に固定されている。保持部５２の他端にはスペーサ５３を介してブレード５５が取り付けられている。筐体５０の下端には切欠きが形成され、スペーサ５３とブレード５５とが外部に露出されている。保持部５２とスペーサ５３とブレード５５とは、筐体５０の下部において、ねじ等の締結具５４−２により一体に固定されている。ブレード５５は、反応管３１内の反応液を攪拌するための攪拌棒である。典型的には、ブレード５５と保持部５２とは、同一の材質の金属により形成される。ブレード５５の表面は、反応管３１内の様々な液性の溶液にブレード５５が耐えられるように保護用コーティングがされている。締結具５４−２の軸心に沿うスペーサ５３の厚みａは、筐体５０とブレード５５との接触を避けるため、締結具５４−１側の保持部５２と筺体５０のない壁面との間隔ｂよりも厚くなるように設計されることが好ましい。

図４は、圧電振動子５１の概略的な構成断面図である。表側振動子と裏側振動子とは略同一の構成を有している。従って、図４においては、表側振動子と裏側振動子とをまとめて圧電振動子５１として例示している。図４に示すように、圧電振動子５１は、圧電材料からなる圧電体５１１と電極材料からなる電極５１２とを有している。圧電体５１１は、板形状を有している。圧電体５１１の表面と裏面との各々に電極５１２が形成されている。圧電振動子５１は、電極５１１間に直流電圧を印加して、圧電体の双極子モーメントの向きを揃える分極処理が予めなされている。図中の矢印は分極の向きを示す。圧電材料としては、Ａサイト元素としてビスマスＢｉとカリウムＫとの少なくとも一種を含むＡＢＯ_３型のペロブスカイト構造を有する圧電材料が用いられる。電極材料としては、銀Ａｇ焼き付け電極あるいは、クロムＣｒ／金ＡｕやチタンＴｉ／金Ａｕ等のスパッタ電極が用いられる。電極５１２のいずれか一方が保持部５２と対向するように設けられる。

図５は、攪拌部２３の振動に係る電気系統を概略的に示す図である。図５に示すように、攪拌部２３は、電源部６０と圧電振動子５１（表側振動子５１−１及び裏側振動子５１−２）と保持部５２とを有している。電源部６０は、分析機構制御部３による制御に従って、表側振動子５１−１と裏側振動子５１−２とに印加するための交流電圧を、外部電源（図示せず）からの電圧を利用して発生する。電源部６０と表側振動子５１−１の電極と裏側振動子５１−２の電極とは導線により接続されている。図５のように、圧電振動子５１−１と圧電振動子５１−２は分極の向きが同じになるように、保持部（金属基板）５２に接着されている。よって、電源部６０により発生された交流電圧は、表側振動子５１−１と裏側振動子５１−２の分極の向きに対してはお互いに反対向きに印加されることになる。交流電圧の印加を受けた表側振動子５１−１と裏側振動子５１−２は、一方が伸張し、他方が収縮することを交互に繰り返すため振動する。

表側振動子５１−１と裏側振動子５１−２との振動に伴い保持部５２が振動する。保持部５２は、自身の振動による余計なぶれや位置ずれが締結具５４−２により抑制される。保持部５２の振動は、スペーサ５３を介してブレード５５に伝導し、ブレード５５の先端が振動する。ブレード５５の先端の振動を利用して反応管３１内の反応液が攪拌される。スペーサ５３は、ブレード５５の先端の振動の振幅を反応管３１内の液体を適切に攪拌するように制御するための適度な硬さと重さとに設計される。なおスペーサ５３の硬さは、保持部５２の振動を必要以上に吸収しない硬さに設計されれば良い。ブレード５３の先端の振動の振幅は、表側振動子５１−１と裏側振動子５１−２とに印加される交流電圧の波高値や周波数に依存する。また、ブレード５５の先端の振動の振幅は、圧電材料の物性や材料、スペーサ５３や締結具５４−１，５４−２の重量、攪拌子２３−２に関する各構成要素の形状や重量にも依存する。

圧電振動子５１に印加される交流電圧の周波数を変化させていくと攪拌子２３−２の振動モードが変化する。図６は、１次の振動モード（以下、１次モードと呼ぶ）における攪拌子を模式的に示す図であり、図７は、２次の振動モード（以下、２次モードと呼ぶ）における攪拌子を模式的に示す図である。図６に示すように、１次モード（１次共振）においては、バイモルフ圧電振動子７０とブレード５５とが同位相で振動する。１次モードにおいては、振動の節が存在しない。図７に示すように、２次モード（２次共振）においては、バイモルフ圧電振動子７０とブレード５５とが逆位相で振動する。すなわち、２次モードにおいては、振動の節が発生する。２次モードは、１次モードに比して、ブレード先端の触れ角θが増大する。従って、２次モードは、１次モードに比して、反応管内の溶液をブレードで巻き上げることができるので攪拌効率が良い。従って、反応管内の反応液の攪拌においては２次モードが用いられる。

電源部６０は、ブレード５５が２次モードで振動するような周波数、換言すれば、ブレード５５とバイモルフ圧電振動子７０とが互いに逆位相で振動するような周波数を有する交流電圧を、表側振動子５１−１と裏側振動子５１−２とに印加する。交流電圧の周波数は、予め操作部６等を介して任意に設定可能である。

上述のように、本実施形態に係る圧電振動子に用いられる圧電材料としては、Ａサイト元素としてビスマスＢｉとカリウムＫとの少なくとも一種を含むＡＢＯ_３型のペロブスカイト構造を有する圧電材料が用いられる。すなわち、本実施形態に係る圧電材料は、既存の圧電振動子において用いられていた鉛Ｐｂを含んでいない。本実施形態に係る圧電材料は、鉛Ｐｂを用いた既存の圧電材料に比して剛性が高い。

従来において鉛Ｐｂを用いた圧電材料としては、Ａサイト元素として鉛Ｐｂを使用したペロブスカイト構造を有する圧電材料が用いられていた。このような圧電材料としては、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ、チタン酸ジルコン酸鉛：lead zirconate titamate）が挙げられる。

次に、圧電材料について詳細に説明する。より詳細には、本実施形態に係る圧電材料は、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト構造を有する圧電材料であり、圧電材料は、Ａサイト元素としてビスマスＢｉとカリウムＫとの少なくとも一種を含み、Ｂサイト元素としてチタンＴｉ、ニオブＮｂ、タンタルＴａの少なくとも一種を含む。また、本実施形態に係る圧電材料は、添加物としてマンガンＭｎやニッケルＮｉやニオブＮｂを含む酸化物を含んでいても良い。このような圧電材料としては、例えば、ＫＮｂＯ_３（ＫＮ）や、ｘ（Ｂｉ_０．５，Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３−ｙ（Ｂｉ_０．５，Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３（ＢＮＫＴ）、ｘ＋ｙ＝１や、ｘ（Ｂｉ_０．５，Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３−ｙ（Ｂｉ_０．５，Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３＋Ｍｎ_２Ｏ_３、ｘ＋ｙ＝１等の化学式で表される材料が挙げられる。

また、本実施形態に係る圧電材料は、Ａサイト元素として、ビスマスＢｉとカリウムＫとの少なくとも一種に加え、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、及びバリウムＢａの少なくとも一種を含んでいても良い。このような圧電材料としては、例えば、ｘ（Ｂｉ_０．５，Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３−ｙ（Ｂｉ_０．５，Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３−ｚＢａＴｉＯ_３、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１や、ｘＫＮｂＯ_３−ｙＮａＮｂＯ_３−ｚＬｉＮｂＯ_３、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘＫＮｂＯ_３−ｙＮａＮｂＯ_３−ｚＬｉＴａＯ_３、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１等の化学式で表される材料が挙げられる。

次に、圧電材料としてチタン酸ジルコンサン鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ビスマスナトリウムとチタン酸バリウムの固溶体（ＢＮＢＴ）、チタン酸バリウム（ＢＴ）、及びニオブ酸カリウム（ＫＮ）を例に挙げて圧電材料の物性について説明する。なお、ＰＺＴは鉛を含む圧電材料であり、ＢＮＢＴ、ＢＴ、及びＫＮは鉛を含まない圧電材料である。圧電材料の周波数定数（横効果における周波数定数）Ｎ_３１を考える。一般的にＮ_３１は、Ｎ_３１＝ｌ・ｆとして表現される。ｌは、振動方向に関する圧電体の長さであり、ｆは共振周波数である。ＰＺＴの周波数定数Ｎ_３１は、ｌ・ｆ＝１４００ｍ・Ｈｚ、ＢＮＢＴの周波数定数Ｎ_３１は、ｌ・ｆ＝２３００ｍ・Ｈｚ、ＢＴの周波数定数Ｎ_３１は、ｌ・ｆ＝２２００ｍ・Ｈｚ、ＫＮの周波数定数Ｎ_３１は、ｌ・ｆ＝２６００ｍ・Ｈｚである。このように、本実施形態に係る非鉛系圧電材料は、ＰＺＴ等の鉛系圧電材料に比して剛性が高いことに関連して、ＰＺＴ等の鉛系圧電材料に比して周波数定数Ｎ_３１が高い。上記の数値の比較によれば、ＰＺＴ等の鉛系圧電材料は、周波数定数Ｎ_３１が概して２０００ｍ・Ｈｚより低く、非鉛系圧電材料は、周波数定数Ｎ_３１が概して２０００ｍ・Ｈｚより高い。すなわち、本実施形態に係る圧電材料としては、周波数定数Ｎ_３１が略２０００ｍ・Ｈｚ以上である材料により構成されると良い。

圧電振動子５１の剛性が高まることにより本実施形態に係る２つの主要な効果が生じる。第１の効果としては、本実施形態に係る攪拌子２３−２が、従来例に係る攪拌子に比して単位時間あたりの振動回数を増加するため、反応管３１内の検体と試薬とを短時間で均一に混合できることが挙げられる。第２の効果としては、本実施形態に係る攪拌子２３−２が、従来例に係る攪拌子に比して、攪拌中の発泡を抑制することができるため、発泡に起因する測定誤差を低減できることが挙げられる。以下、第１の効果と第２の効果とについて順番に説明する。まずは、本実施形態に係る第１の主要な効果について説明する。

図８は、本実施形態に係る攪拌子２３−２と従来例に係る攪拌子とのブレードの先端の振幅の周波数依存性を示したグラフである。なお、従来例に係る攪拌子は、本実施形態に係る攪拌子と同一の構成を有しており、圧電材料としてはＡサイト元素に鉛Ｐｂを含むＡＢＯ_３型のペロブスカイト構造を有するＰＺＴが用いられている。図８の縦軸はブレードの先端の振幅［ｍｍ］に規定され、横軸はブレードの先端の振動の周波数［Ｈｚ］に規定される。図８の実線は本実施形態に係る攪拌子２３−２、点線は従来例に係る攪拌子を示している。ブレードの先端の振動の周波数は、圧電振動子に印加される交流電圧の周波数や圧電振動子の物性、圧電振動子の材料等の種々の要因に依存する。図８においては、圧電振動子に印加される交流電圧の周波数を変化させることにより、ブレードの先端の振動の周波数を変化させている。

図８に示すように、圧電振動子に印加される交流電圧の周波数を低周波波から高周波に向けて上昇させると、ある周波数付近を境に攪拌子の振動モードが１次モードから２次モードに転移する。本実施形態に係る攪拌子２３−２の場合、ブレードの先端の振幅は、共振現象により、１次モード範囲内で最大値になり、次に２次モード範囲内で極大値になる。共振現象が発生する周波数は、共振周波数と呼ばれている。共振周波数付近においてブレードの先端の振幅は急激に高まる。従来例に係る攪拌子の場合、ブレードの先端の振幅は、１次モード範囲内において本実施形態に係る攪拌子２３−２よりも低周波数側で最大値になり、次に２次モード範囲内において本実施形態に係る攪拌子２３−２よりも低周波数側で極大値になる。２次モードの振幅値は、１次モードの振幅値の略２分の１である。このように本実施形態に係る攪拌子２３−２は、従来例に係る攪拌子に比して剛性を有する圧電材料を用いているため、共振周波数が高周波数側にシフトしている。本実施形態に係る圧電材料を用いることにより、本実施形態に攪拌部２３は、ブレードの先端の振幅が同一という条件下において、従来例に係る攪拌部に比して振動周波数を上昇させることができる。

攪拌効率の観点から言えば、ブレード５５の先端の振動の周波数が高い方が望ましい。ただし、周波数の変化に伴い急激に振幅が変化する周波数範囲は、安定した振幅を確保する点から、圧電振動子５１に印加される交流電圧には好ましくない。この観点から、分析機構制御部３は、電源部６０が発生する交流電圧の周波数を、周波数変化に伴うブレード５５の先端の振幅変化が比較的小さい周波数範囲に設定すると良い。例えば、二次モードで振動する振幅のピークの２／３以下の振幅を示す周波数に設定すると良い。例えば、二次モードで振動する振幅のピークの１／２以下の振幅を示す周波数に設定すると良い。すなわち、電源部６０は、ブレードが２次モードで振動する周波数の交流電圧を圧電振動子５１に印加可能である。

また、反応管３１の内壁間の物理的制限の観点から言えば、ブレード５５の先端の振幅は、反応管３１の内壁間の距離よりも小さくなければならない。この観点から、分析機構制御部３は、電源部６０が発生する交流電圧の周波数を、ブレード５５の先端の振幅が反応管３１の内壁間の距離よりも小さくなる周波数範囲に設定すると良い。ここで、内壁間の距離とは、反応管３１の断面が円形であるときは円の内壁の直径であり、反応管３１の断面が楕円形であるときは、内壁の短軸である。

典型的には、分析機構制御部３は、電源部６０が発生する交流電圧の周波数を、ブレード５５の先端の振幅が反応管３１の内壁間の距離よりも小さくなり、周波数変化に伴うブレード５５の先端の振幅変化が比較的小さい周波数範囲に設定する。これにより、電源部６０は、ブレード５５の先端の振幅が反応管３１の内壁間の距離よりも小さく、周波数変化に伴うブレード５５の先端の振幅変化が小さい周波数範囲に属する交流電圧を圧電振動子５１に印加することができる。

本実施形態に係る攪拌子２３−２と従来例に係る攪拌子とを２次モードで振動させた場合における攪拌性能の評価結果を示す。図９は、攪拌性能の評価方法を説明するための図である。図９に示すように、反応管３１内に食塩水を入れ、当該食塩水の上に２層になるように色素液（エバンスブルー）を入れた。このような反応管を二つ用意した。二つの反応管内３１の溶液を、それぞれ本実施形態に係る攪拌子２３−２と従来例に係る攪拌子とで攪拌した。反応管３１内の５つの測定点で色度を測定した。測定点は、Ａ〜Ｅの５つであり、異なる高さに設定された。数値が高いほど溶液の透明度が高いことを示している。攪拌が始まる前は、５つの測定点の色度は高さに応じて異なる値を有していた。しかし、攪拌を開始すると時間経過に従って全ての測定点の色度が攪拌前の５点の色度の平均値に近づき一定値を示すようになる。一定値になれば攪拌完了である。

従来例に係る攪拌子の場合、本実施形態に係る攪拌子２３−２の場合に比して、色度が一定になるまでの時間が長いことが分かった。これは上述のように、ブレードの先端の振幅が同一という条件の場合、本実施形態に係る攪拌子２３−２は、従来例に係る攪拌子に比して、振動周波数を上げることができ、単位時間当たりのブレード振動回数が増加したことの効果であると考えられる。

次に、本実施形態に係る第２の主要な効果（攪拌中の発泡を抑制することができるため、発泡に起因する測定誤差を低減できる）について説明する。

図１０と図１１とは、攪拌中の反応管内の溶液の動きを高速カメラで撮影した様子を示す図であり、図１０の反応管内の溶液には発泡が生じておらず、図１１の反応管内の溶液には発泡が生じている。図１０の撮影においては、反応管内の溶液にトレーサ粒子が投入されている。トレーサ粒子は、反応管内の溶液の流動を視認可能にするために用いられる。トレーサ粒子としては、ガラスビーズが用いられた。

図１０の左側は、攪拌開始前の静止時の画像であり、真中は、攪拌中の画像であり、右側は、攪拌終了後の静止時の画像である。図１０に示すように、攪拌子が静止している場合、トレーサ粒子は、沈殿している。攪拌子の攪拌開始後、トレーサ粒子は、反応管内の溶液全域に巻き上げられる。

図１１に示すように、液面付近でブレードが大きく振動すると、ブレードの振幅の中心付近の液面が盛り下がり、空気が液体中に取り込まれて発泡に至る。つまり、発泡を抑制するには、液面付近での振幅を小さくすることが有効である。ただし、攪拌効率の観点から言えば、ブレード先端の振幅は大きいことが望ましい。

上述のように、本実施形態に係る圧電振動子５１は、従来例に係る圧電振動子に比して剛性が高い。そのため、２次モードにおける振動の節は、圧電振動子５１の剛性に応じて位置が変化する。

図１２は、２次モードにおける本実施形態に係る攪拌子２３−２の振動の節と従来例に係る攪拌子の振動の節とを比較するための図である。図１２に示すように、本実施形態に係る攪拌子は、従来例に係る攪拌子に比して振動の節がブレードの先端に近くなる。攪拌効率を高めるため攪拌子は、ブレードの先端が反応管の内底面付近に位置するように、攪拌子保持機構２３−１により降下される。典型的な液量の場合、ブレードの先端から節までの距離は、反応管の内底面から液面までの距離に比して長い。従って、攪拌位置における攪拌子の降下量が同一の場合、本実施形態に係る攪拌子２３−２は、従来例に係る攪拌子に比して反応管内の反応液の液面に近くなる。攪拌子保持機構２３−１は、２次モードにおけるブレードの振動の節が溶液の液面近傍に位置するようにブレードを支持可能である。

また、本実施形態に係る攪拌子２３−２と従来例に係る攪拌子とでブレードの先端の振幅が同一値に設定されている場合、反応管内の溶液の液量に依らず、本実施形態に係る攪拌子２３−２の方が従来例に係る攪拌子に比して振幅が小さい。従って本実施形態に係る攪拌子２３−２は、従来に比して高い剛性を有することに起因して２次モードの振動の節が下がることにより、ブレードの先端の振幅が従来例と同一の場合であっても、液面近傍におけるブレードの振幅を抑制することができる。これにより本実施形態に係る攪拌子２３−２は、従来例に比して液面近傍での振動に伴う発泡を抑制することができ、発泡に起因する測定誤差を低減することができる。

以上で、本実施形態に係る２つの主要な効果についての説明を終了する。

上記の実施形態においては、図４に示すように、圧電振動子５１は、一枚の圧電体５１１と２枚の電極５１２とにより構成されるものとした。しかしながら、本実施形態に係る圧電振動子５１は、これに限定されない。例えば、圧電体が二枚の場合、図１３に示すように、圧電振動子５１´は、第１の圧電体５１１ａと第２の圧電体５１１ｂが第１の電極５１２ａと第２の電極５１２ａを介して積層された構造を有していても良い。第１の電極５１２ａと第２の電極５１２ｂは、それぞれ１層おきに配置、接続され、お互いは絶縁されている。圧電振動子５１´の総厚を圧電振動子５１と同じとして、同じ電圧でそれぞれの圧電振動子を駆動した場合、圧電体５１１ａ、５１１ｂに印加される電圧は、圧電体５１１の約２倍となるため、振幅も約２倍となる。よって、この構成により、図４の構成よりも低電圧の交流電圧の印加でブレードの先端を振動させることができる。また、図１３においては、２枚の圧電体５１１を含む圧電振動子５１´を例示しているが、本実施形態はこれに限定されない、本実施形態に係る圧電振動子５１´は、２枚以上の圧電体５１１と電極５１２とを有していても良い。

上記の説明の通り、本実施形態に係る攪拌部２３は、振動部（圧電振動子）５１、保持部（金属基板）５２、スペーサ５３、及び攪拌棒（ブレード）５５を有している。圧電振動子５１は、電圧の印加を受けて振動する。保持部５２は、圧電振動子５１を保持する。スペーサ５３は、保持部５２に取り付けられている。ブレード５５は、スペーサ５３に取り付けられ溶液を攪拌する。圧電振動子５１は、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト構造を有する圧電材料を含み、当該圧電材料は、Ａサイト元素としてＢｉとＫとの少なくとも一種を含んでいる。

上記の構成により、鉛を用いる攪拌子よりも剛性が強い攪拌子を実現することができる。剛性が高いことに伴い、本実施形態に係る攪拌子２３−２は、従来例に係る攪拌子に比して単位時間あたりの振動回数を増加するため、反応管３１内の検体と試薬とを短時間で均一に混合できることができる。また、本実施形態に係る攪拌子２３−２は、従来例に係る攪拌子に比して、攪拌中の発泡を抑制することができるため、発泡に起因する測定誤差を低減できることができる。

かくして本実施形態によれば、攪拌効率や測定精度の向上を実現しつつ鉛を使用しない攪拌装置及び自動分析装置を提供することが実現する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…自動分析装置、２…分析機構、３…分析機構制御部、４…解析部、５…表示部、６…操作部、７…記憶部、８…システム制御部、１１…反応ディスク、１３…サンプルディスク、１５…第１試薬庫、１７…第２試薬庫、１９―１…サンプルアーム、１９―２…第１試薬アーム、１９―３…第２試薬アーム、２１―１…サンプルプローブ、２１―２…第１試薬プローブ、２１―３…第２試薬プローブ、２３…攪拌部、２３−１…攪拌子保持機構、２３−２…攪拌子、２５…光学測定部、２７…洗浄部、３１…反応管、３３…サンプル容器、３５…第１試薬容器、３７…第２試薬容器、５０…筐体、５１…振動部（圧電振動子）、５２…保持部（金属基板）、５３…スペーサ、５４…締結具、５５…攪拌棒（ブレード）、６０…電源部、７０…バイモルフ圧電振動子、５１１・・・圧電体、５１１ａ・・・第１の圧電体、５１１ｂ・・・第２の圧電体、５１２・・・電極、５１２ａ・・・第１電極、５１２ｂ・・・第２電極。

Claims (10)

1. 電圧の印加を受けて振動する振動部と、
   前記振動部に接続された保持部と、
   前記保持部に取り付けられたスペーサと、
   前記スペーサに取り付けられ溶液を攪拌するための攪拌棒と、
   を具備する攪拌装置であって、
   前記振動部は、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト構造を有する圧電材料を含み、前記圧電材料は、Ａサイト元素としてビスマスとカリウムとの少なくとも一種を含む、
   ことを特徴とする攪拌装置。
2. 前記振動部に印加される交流電圧を発生する電源部をさらに備え、
   前記電源部は、前記攪拌棒が２次モードで振動する周波数の交流電圧を前記振動部に印加可能である、
   請求項１記載の攪拌装置。
3. 前記振動部に印加される交流電圧を発生する電源部をさらに備え、
   前記交流電圧の周波数は、前記攪拌棒の先端の振幅が前記溶液を収容する容器の内壁間距離よりも狭くなるように設定される、
   請求項１記載の攪拌装置。
4. 前記２次モードにおける前記攪拌棒の振動の節が前記溶液の液面近傍に位置するように前記攪拌棒を支持する支持部をさらに有する、請求項２記載の攪拌装置。
5. 前記保持部は、板形状を有する金属製の基板を有し、
   前記振動部は、前記基板の前面に取り付けられ前記圧電材料を含む第１の圧電振動子と背面に取り付けられ前記圧電材料を含む第２の圧電振動子とを有する、
   請求項１記載の攪拌装置。
6. 前記振動部は、前記圧電材料により形成された複数の圧電体が電極材料により形成された電極を介して積層され、電極は一層おきに接続され、かつ、互いの電極は絶縁された積層化構造を有している、請求項１記載の攪拌装置。
7. 前記圧電材料は、Ａサイト元素としてビスマスとカリウムとの少なくとも一種に加え、ナトリウム、リチウム、及びバリウムの少なくとも一種を含む、請求項１記載の攪拌装置。
8. 前記圧電材料は、Ｂサイト元素としてチタン、ニオブ、及びタンタルの少なくとも一種を含む、請求項１記載の攪拌装置。
9. 前記圧電材料は、Ａサイト元素として鉛を含まない、請求項１記載の攪拌装置。
10. 反応管を保持可能な保持機構と、
    前記反応管内に収容された溶液を攪拌するための攪拌部と、
    前記反応管内に収容された溶液に光を照射して前記照射された光を検出し、前記検出された光の強度に応じたデータを生成する光学測定部と、
    前記データに基づいて前記溶液についての測定項目の値を計算する計算部と、を具備する自動分析装置であって、
    前記攪拌部は、
    電圧の印加を受けて振動する振動部と、
    前記振動部に接続された保持部と、
    前記保持部に取り付けられたスペーサと、
    前記スペーサに取り付けられた攪拌棒と、を備え、
    前記振動部は、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト構造を有する圧電材料を含み、前記圧電材料は、Ａサイト元素としてビスマスとカリウムとの少なくとも一種を含む、
    ことを特徴とする自動分析装置。