電動ピペットにとって重要なモーション ソリューションの仕様

May 04, 2023

ライフサイエンスや臨床診断を専門とする研究室のいたるところにあるピペットは、液体サンプルを移送するための重要なツールです。 手動デバイスを繰り返し作動させると、ラボ技術者に負担がかかる可能性がありますが、電子ピペットは使いやすさを向上させ、分注の精度と再現性を向上させます。 液体分注の要件を最適化し、人間工学に基づいた設計のニーズを満たすには、適切な動作システムを指定することが重要です。

のモーションシステムは電子ピペットの機能の中心であり、その仕様は、それを中心に構築されたデバイスの他の機能に広範な影響を及ぼします。 開発プロセスのできるだけ早い段階でモーション システム設計を組み込むことで、より効果的かつ効率的な結果が得られます。

モーション システムの重要な要件は、精度と再現性です。 ピペット デバイスは通常、毎回正確な量の液体を分注するようにプログラム可能ですが、これには直線運動制御が必要です。 精度を達成するために、設計にはモーション システムの位置を報告するモーター フィードバック デバイス、または動作モードによって開ループでの位置を確認するモーターが必要です。 制御精度に加えて、貴重な実験時間を最小限に抑え、実験技術者にとってプロセスを容易にするために、分注サイクルもできるだけ早く達成する必要があります。

モーション システムは、流体を推進するために十分な直線力を伝達する必要もあります。 必要な力は流体の粘度の影響を受けます。 多くのピペットは粘度の異なるさまざまな液体で動作できるため、モーターが供給できる力が大きいほど、研究室での使用がより柔軟になります。 ピペットがマルチチャネル分注を目的としている場合、必要な力も倍増します。 液体を推進する力に加えて、ピペットの最大のピーク トルク要件は、サンプルの相互汚染を避けるために通常は取り外される使い捨てピペット チップの排出です。

検査技師による使用を最適化するには、ピペットもコンパクトで軽量である必要があります。 モーターのタイプとその制御方法は、デバイスの総設置面積と重量に大きな影響を与えます。つまり、電源に関する考慮事項を含むモーターの性能要求と人間工学的要件のバランスを取る必要があります。 ピストンの作動だけでなく、この広範囲にわたる影響は、ピペットの完全な設計プロセス内でできるだけ早くモーション システムの仕様を決定する必要性を浮き彫りにしています。

ラボ技術者の要件をピペットの動作設計に置き換えても、作動特性は基本的なままです。 制御精度をはじめとして、エンコーダ付きブラシ付き DC モーターはピストン作動の精度を提供します。 あるいは、キャンスタック型ステッピング モーターは、電流パルスごとに定義されたステップで回転します。つまり、各ステップの角度に対する位置が常にわかっています。 エンコーダ付き DC モーターと同じ精度は得られませんが、ステッパーはほとんどのピペット アプリケーションで高い精度を提供します。 ステッパーの位置決めは、小さなステップ角を設計し、モーターをマイクロステッピング モードで駆動することによって最適化することもできます。 モーターとピストンを接続するリードスクリューのピッチもカスタマイズして微調整することができます。

マルチチャンネル分注など、ピペットに高いトルクが必要な場合は、DC ブラシ モーターが有利です。 DC モーターはステッパーよりも高速に動作するため、ギアを組み込んだり、より狭い親ネジピッチを使用したりすることができます。 ピペットは、より大きな力を生成しながらも、望ましい分注速度を維持できます。

ステッパーは位置を制御するためにエンコーダーを必要としないため、よりコンパクトで軽量な設計を実現できます。 また、モーターはネジ付きローターと一体型親ネジを含むように設計できるため、ピストンと同軸に接続する直線運動ソリューションが実現し、ピペットのプロファイルをより薄くすることができます。 OEM の設計の観点から見ると、これによりリニア ステッピング モーターの統合が比較的簡単になり、時間と開発コストが節約されます。 あるいは、回転運動を直線運動に変換するには、DC モーターを別の平行軸上の親ねじおよびピストンにリンクするギアまたはプーリーが必要です。 このアプローチでは設計が複雑になり、サイズと質量が増加するため、設計に対応するためにより幅の広いピペット本体が必要になります。

モーション ソリューションに電力を供給するには、バッテリーのサイズと重量が人間工学上の重要な考慮事項ですが、これらの特性は充電寿命とのトレードオフになります。 バッテリーは、必要な分注回数で 1 日使用できる必要がありますが、検査技師の使いやすさを最適化するために、バッテリーは可能な限りコンパクトである必要があります。 これはモーター巻線の設計とトルク出力に影響を与えるため、特定の電流引き込みによる利用可能な電圧での性能と、バッテリー容量と充電寿命との間のバランスを見つける必要があります。

ステッピング モーターは、とりわけコスト効率が高いため、ピペット設計の一般的なアプローチです。 ただし、より高いトルクと精度が必要な場合は、ブラシ付き DC モーターを検討することもできます。 どのテクノロジーを選択する場合でも、サイジングを含むその仕様を正確に定義することが重要です。 広範な影響を考慮すると、仕様を決定する前にモーション ソリューション設計者と連携することで、ピペットの設計を最適化するための柔軟性が確保されます。

ピペット設計における顧客の要件を達成するためにモーション ソリューションをカスタマイズするには、巻線や磁石からシリンジとの機械的統合までの領域をカバーする多数の考慮事項が必要です。 ピペットは基本的にモーション ソリューションに依存しており、高度な設計統合が必要です。 そのため、モーション ソリューションとピペット設計エンジニアリング チーム間の協力的なアプローチが不可欠です。

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