JP3135605B2 - 撹拌子 - Google Patents

撹拌子

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JP3135605B2
JP3135605B2 JP03137994A JP13799491A JP3135605B2 JP 3135605 B2 JP3135605 B2 JP 3135605B2 JP 03137994 A JP03137994 A JP 03137994A JP 13799491 A JP13799491 A JP 13799491A JP 3135605 B2 JP3135605 B2 JP 3135605B2
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英郎 大屋
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    • B01F31/445Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms with stirrers performing an oscillatory, vibratory or shaking movement performing an oscillatory movement about an axis
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
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    • B01F2101/23Mixing of laboratory samples e.g. in preparation of analysing or testing properties of materials
    • GPHYSICS
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    • G01N35/00Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
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  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mixers With Rotating Receptacles And Mixers With Vibration Mechanisms (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)
  • Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、化学薬品、生化学分野
の試薬、反応液等を混合、撹拌するための検体検査用の
撹拌子に関する。
【0002】
【従来の技術】検体検査において、検体と試薬を反応さ
せる際、検体と試薬とからなる反応液を撹拌し均質化す
ることは反応の再現性を得る上で欠かせない要素技術と
なっている。そして、検体検査の自動化装置(生化学分
析装置)は近年高速化が進んでいるが、それも1つの壁
に当たりつつある。それは、反応液の撹拌に一定以上の
時間を必要とすることが重要な原因である。
【0003】従来の撹拌法の一例としては、モータを用
いて反応液を撹拌する方法がある。この方法の一例とし
て、図18に示すように、小型モータ9の先端に取り付
けられた羽根車12により容器10内の液体を撹拌させ
る方法がある。また、他の例として、図19に示すよう
に、容器10内に自由に動くことができるマグネット1
3を置き、容器10の下よりモータ9により金属板9a
を回転させ、マグネット13の吸引力により金属板9a
の回転に応じて容器10内のマグネット13を回転させ
て撹拌させる方法もある。
【0004】これらの方法では、撹拌は容器10内の底
部でのみ平面的に行なわれ、撹拌の効果が容器の上部ま
で伝達しにくく、撹拌時間が長時間となる欠点がある。
例えば、400〜600(マイクロリットル)の反応液の場合、反
応液が均質化するまでに4秒以上かかっていた。また、
これらの撹拌は液体の回転を伴うものであるので、液体
は容器10内で図示破線で示すような回転層流状態とな
り、やはり撹拌時間が長時間化される。そして、時間短
縮のためにモータ9の回転数を上げると、泡立ちが起こ
ったり、空気(気泡)を巻き込んだりして、容器の形
状、大きさによっては液体が容器10よりあふれたり、
飛び散ったりすることがあった。
【0005】また、モータを使わない撹拌方式の従来例
として、米国特許第4,612,291号に記載の撹拌
方式がある。この撹拌方式では、図20に正面図を示す
ように、薄い金属板15の両側に圧電素子(ピエゾ素
子)18a、18bを貼り付けてなるバイモルフ型の圧
電振動子の金属板15の先端に撹拌のためのステンレス
等の剛体構造の撹拌棒14を接続し、金属板の15の後
端(根元部分)17は固定する。図21に側面図を示す
ように、圧電振動子15に交流電圧16を印加し、圧電
振動子15を交互に振動させる。この撹拌棒14の振動
により容器10内の液体を撹拌させることができる。こ
こで、撹拌棒14は剛体であるので、全体として一次の
モードで振動する。
【0006】この方式では、撹拌部材14の振幅は印加
電圧に比例するので、電圧を上げて撹拌時間を短くする
ことができるが、大振幅にすることにより、圧電振動子
15の根元部分17の応力が大きくなり、圧電振動子1
5の破損か、あるいは金属板15と撹拌棒14との接続
部の機械的破損に至る場合が考えられる。また、振動モ
ードが一次であり、反応液全体を撹拌させるに至ってい
ないため、モータを用いる場合と同様にこの方式も撹拌
効率が悪かった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した事情
に対処すべくなされたもので、その目的は短時間で反応
す液の均質化を図ることができるとともに、振幅を調整
できる撹拌子を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明による撹拌子は、
柔体構造の金属片の表面に圧電素子を貼り付けてなる圧
電振動子の金属片の一部分を延長し、この延長部分によ
り液体を撹拌する撹拌子において、圧電素子の振幅より
も延長部分の振幅が大きくなるように重りを振動子に取
り付けることを特徴とする。あるいは、本発明による撹
拌子は、柔体構造の金属片の表面に圧電素子を貼り付け
てなる圧電振動子の金属片の一部分を延長し、この延長
部分により液体を撹拌する撹拌子において、圧電振動子
の質量m1を延長部分の質量m2より大きくすることを
特徴とする。
【0009】
【作用】本発明による撹拌子によれば、圧電振動子の金
属片の一部分を撹拌部材として用いることにより、振動
子を複次モードで振動させることができ、液体全体を同
時に流動させ、上下の動きを発生させ、撹拌効率を向上
することができるとともに、圧電素子と延長部分との重
さの比、すなわち質量比を変えることにより、延長部分
の振幅を調整することができ、振幅があまり大きくなら
ず撹拌の容器に接触することがない
【0010】
【実施例】以下、図面を参照して本発明による撹拌子の
第1実施例を説明する。図1は第1実施例の撹拌子の正
面図、図2はその側面図である。柔体構造のフレキシブ
ルな金属板シム1の両側に圧電セラミック2a、2bが
貼り付けられ、バイモルフ形の圧電振動子が構成され
る。なお、圧電セラミックは金属板シム1の片側の表面
にだけ貼り付け、ユニモルフ形の圧電振動子を構成して
もよい。図2に示すように、この圧電振動子に電源7よ
り交流電圧を印加すると、各々の圧電セラミック2a、
2bは交互に伸び縮みし、金属板シム1はその薄手方向
と直交する方向に振動する。シム1の一端は固定体8に
固定される。シム1の他端は同一材にて延長されブレー
ド3となる。ブレード3が撹拌部材として容器5内に配
される。圧電振動子の振動によりブレード3も振動し、
このブレード3の振動により容器5内の液体が撹拌され
る。圧電振動子内の金属板シム1の部分には振動子の質
量を調節できる重り4が取り付けられる。
【0011】このような撹拌子においては、ブレード3
の振幅を大きくすると、圧電セラミック2a、2bに大
きな曲げ応力が発生してしまうので、大振幅を保ったま
まこの応力を小さくすることが必要である。このための
解決手段をモデルを使って説明する。圧電振動子を応用
した撹拌子のモデルは、振動系に直すと、圧電振動子の
部分の等価質量m1、バネ定数k1、撹拌部分、すなわち
ブレード3の部分の等価質量m2、バネ定数k2、液体に
よる抵抗をcとした場合、2自由度の減衰をともなう強
制振動系とみなすことができ、そのモデルを図3に示
す。振動子(m1)、ブレード(m2)のそれぞれの釣り
合い位置からの変位を各々x1,x2とし、振動子部分
(m1)に圧電セラミック2a、2bによりP0cosωt
の外力が作用すると仮定すると、次のような運動方程式
(連立方程式)が得られる。
【0012】
【数1】
【0013】そのため、これらを代入すると、上記連立
方程式は次のように表わされる。
【0014】 (−m1ω2+k1+k2+jωc)x1−(k2+jωc)x2 =Re[P0exp(jωt)] −(k2+jωc)x1+(−m2ω2+k2+jωc)x2=0 この連立方程式よりx1,x2を求めると、次のようにな
る。
【0015】 x1 =Re[{((−m2ω2+k2)+jωc)P0exp(jωt)} /{(−m1ω2+k1)(−m2ω2+k2)−m22ω2 +jωc(−m1ω2+k1−m2ω2)}] x2 =Re[{(k2+jωc)P0exp(jωt)} /{(−m1ω2+k1)(−m2ω2+k2)−m22ω2 +jωc(−m1ω2+k1−m2ω2)}] この解の実数部を求めるために、位相差δ1を次のよう
に定義する。
【0016】 tanδ1 ={ωc(m2ω2+k22+(ωc)2} /{((−m1ω2+k1)(−m2ω2+k2)−m22ω2)(−m2ω2+k2 ) +(ωc)2(−m1ω2+k−m2ω2)} この位相差をδ1を使うと、x1は次のように表わされ
る。
【0017】 x1 =[{(−m2ω2+k22+(ωc)2} /{((−m1ω2+k1)(−m2ω2+k2)−m22ω22 +(ωc)2(−m1ω2+k1−m2ω22}]1/2×P0cos(ωt−δ1) スタティック時の変位xstに対する振動子m1の強制変
位x1を x1/xst=Y1cos(ωt−δ1) とし、下記のような定数を定める。ここで、Y1は振動
子の最大振幅(片振幅)である。
【0018】R=m2/m1=質量比 ω0 2=k1/m1=主振動系の固有円(角)振動数(rad/s
ec)2 ω2=k2/m2=ブレード、または吸振動系の固有円
(角)振動数(rad/sec)2 λ=ω/ω0=強制振動数比 ν=ω2/ω0=固有振動数比 xst=P0/k1=主振動系のスタティック変位 CC=2m2ω0=臨界減衰係数(粘性のある振動系にお
いて、振動が無周期運動するか、振動状態となるかの限
界を示す値) γ=C/CC=減衰係数比 C=kgs/cm x1/xstを書き直し、その最大値Y1を求めると、次の
ようになる。
【0019】 Y1 =[{(ν2−λ22+(2γλ)2} /{((1ーλ2)(ν2−λ2)−Rν2λ22 +(2γλ)2(1−(1+R)λ22}]1/2 同様に、ブレードの最大振幅(片振幅)Y2はx2/xst
=Y2cos(ωt−δ2)となり、δ2は省略すると、最大
値Y2はつぎのようになる。
【0020】 Y2 =[{ν4+(2γλ)2} /{((1ーλ2)(ν2−λ2)−Rν2λ22 +(2γλ)2(1−(1+R)λ22)]1/2 これらの最大値Y1、Y2を液体の減衰係数γを約0.1
として、質量比R(=m2/m1)を変えて、すなわち振
動子に取り付けられた重り4の重さを変えて、使用角振
動数ω(=2πf)に対してシミュレーションした結果
を図4、図5に示す。図4はR=0.05の場合、図5
はR=1.0の場合である。図4、図5の場合とも、固
有角振動数ω0と使用角振動数ωの比ω/ω0=0.9付
近で大きな振動を発生することがわかる。撹拌子全体の
振幅は電圧、または周波数を可変して制御できるが、一
般には電圧が低い状態が望ましいので、駆動周波数を2
自由度の振動系の固有周波数ω0と一致させ、共振状態
で使用するのが望ましい。そのため、振動数比ω/ω0
が0.9付近で振幅が最大になることは好ましい。図5
は重りをつけない状態を示したもので、Y1がY2にほぼ
等しく、電圧を上げて圧電振動子の振動を大きくせざる
を得ないことがわかる。図2に破線で示したブレード3
の振動状態は図4の場合を示す。
【0021】このように、圧電振動子とブレードとの質
量比Rを変え、具体的にはR<1とし、すなわち主振動
系である圧電振動子の質量m1をブレードの質量m2より
大きくすることにより、従振動系であるブレードの振幅
2を圧電振動子の振幅Y1よりも大きくすることができ
る。これは、振動吸振器と同一の原理で、主振動系のエ
ネルギをブレード側にて吸収する(吸振器で振動を拡大
させる)ことが可能であるからである。この結果、圧電
振動子の振幅Y1をブレードの振幅Y2より小さくし、か
つY2を撹拌時間(約Y2×ω/2π)を所定の時間帯に
し、かつ振幅があまり大きくならず撹拌の容器に接触す
ることのないようにすることができる。ここで、質量比
R=1とは振動子とブレードの自重の比が等しいことで
あるが、本発明ではむしろ圧電振動子に重みを与え、m
1をm2に比して大きく、すなわちR<1にすることを特
徴とする。これにより、撹拌を効率よく行えるととも
に、圧電振動子の振幅を小さくし圧電素子の破損、圧電
振動子とブレードとの境界部分の金属板シムの破損を防
止することができる。
【0022】図6は質量比Rに対する撹拌時間t(秒)
の実験結果を示し、従来のモータ式では撹拌時間が6秒
以上かかったのに対し、本方式では1.0〜1.3秒に
短縮できることがわかる。これは、ブレード1がフレキ
シブルであるので、振動が複次のモードで行われ、容器
5内に図1の矢印6で示すような液体の乱流状態を作
り、容器内の液体が全体的に撹拌されるからである。こ
のため、従来のような空気の取り込み、容器からのあふ
れがなく、短時間に液体の均質化ができる。
【0023】図7〜図10に撹拌子の振動モードの測定
結果を示す。これらの特性は、液体としては600(マイク
ロリットル)の水を使い、0.2t(厚み0.2mm)のバイモ
ルフ形の圧電振動子に0.5gの重りをつけ(R=0.
04〜0.06)、交流20Vで駆動した場合の圧電素
子の出力波形(振幅)を示す図である。なお、ブレード
の長さは50mmとした。各図の上段の特性は、重りの位
置における出力波形、下段の特性はブレード先端におけ
る出力波形である。図7は駆動周波数48Hzで気中で測
定した場合、図8は周波数101Hzで同じく気中で測定
した場合、図9は周波数41Hzで水中で測定した場合、
図10は周波数115Hzで水中で測定した場合である。
各状態で振幅を目視したところ、図7の場合は重りの位
置では3mm、先端では42mmあり、図8の場合は重りの
位置では5mm、先端では11mmあり、図9の場合は重り
の位置では0mm、先端では2mmあり、図10の場合は重
りの位置では2.5mm、先端では2.5mmあることが確
認された。図10が実際に撹拌に使われた例であり、こ
の図から本発明の振動子は2次モードで振動しているこ
とがわかる。
【0024】次に、周波数特性について示す。ここで
は、図11に示したシステムで電流を測定し、図12に
示したシステムでインピーダンスを測定した。図11で
は、PVA(ポリビニルアルコール)1.5%の溶液(6
00マイクロリットル)が入った容器20に入れた撹拌子22に電
源24を接続し、周波数を可変した時の電流値I(m
A)を1KΩの抵抗26を介してオシロスコープ28で
測定する。図12では、同様に、撹拌子22にLCRメ
ータ30を接続し、周波数を可変した時のインピーダン
スZ(KΩ)を測定する。これらの測定結果を図13に
撹拌時間t(秒)とともに示す。この図からも、本方式
の撹拌子は複次の振動モードで振動していて、周波数1
59Hz付近の2次共振を使うことにより、効率よく撹拌
が行えることがわかる。
【0025】最後に、種々のパラメータの撹拌性能CV
(変動係数=(標準偏差/平均値)×100%)に与える
影響を説明する。以下の特性は、厚さ0.25mm、長さ
45mmのテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロ
ピレン共重合体(FEP)コーティングの圧電素子を用
いて、0.71gの重みをつけて、END法で測定し
た。なお、サンプルとして300ppmのオレンジゲル水
溶液を用い、試薬としては水、1.5%PVA溶液、2
0%グリセリン溶液を用い、測定中の撹拌子洗浄は行わ
ない。
【0026】図14は振動数の撹拌性能に与える影響を
示す。負荷電圧は20.04V、撹拌時間は1.9秒に
設定されている。これから、振動数120Hzの時に、特
に、PVAでCVが小さいことがわかる。PVAでは振
動数が120Hz以上でも以下でもCVが悪い。水、グリ
セリンでは、全測定範囲で大きな変化がなく、CVは
0.20付近を保つ。
【0027】図15は負荷電圧の撹拌性能に与える影響
を示す。負荷振動数は120Hz、撹拌時間は1.9秒に
設定されている。これから、30Vまでは、負荷電圧が大
きくなるほど、CVはほぼ全てのサンプルで小さくなる
とともに、サンプル間のばらつきが小さくなることがわ
かる。
【0028】図16は撹拌時間の撹拌性能に与える影響
を示す。負荷振動数は120Hz、負荷電圧は20Vに設
定されている。
【0029】図17はブレードにつけた重りの撹拌性能
に与える影響を示す。負荷振動数は120Hz、負荷電圧
は20V、撹拌時間は1.9秒に設定されている。
【0030】なお、特性は示していないが、金属板シム
1は薄い上に、FEPでコーティングされているため
に、撹拌子が洗浄槽から反応容器内に持ち込む洗浄水の
量、および反応容器から持ち出すキャリオーバの量が無
視できるくらい少ないことが確認できた。また、当該撹
拌子毎の個体差も少ないことも確認できた。
【0031】以上説明したように本実施例の撹拌子によ
れば、圧電素子を応用して、中間にカウンタウエィトを
つけることにより、撹拌子先端の振幅を調整するととも
に、撹拌子に薄型でフレキシブルな素材を用い、圧電素
子の印加電圧、周波数を調整し、撹拌子を複次モードで
振動させることにより、撹拌時に反応液全体を同時に流
動させ、上下の動きを発生させることができる。これに
より、反応液全体の均質化が短時間に行われるととも
に、分析の精度が向上する。さらに、振動子の金属板と
ブレードとが一体構造であるので、接合部分が減り、故
障要因が少なくなるので、装置の信頼性が向上するとと
もに、オペレータの負担が軽減される。機械部品の減少
により、ユニットの構成が簡素化され、コストも低減さ
れる。
【0032】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、種々変形して実施可能である。例えば、振動発生手
段としては、圧電素子に限らず、ボイスコイルモータ、
超磁歪素子を用いてもよい。
【0033】圧電振動子を使う場合、2つ以上の圧電素
子、バイモルフ形の場合は片側に2つ以上の圧電素子を
金属板シムに貼り付けてもよい。また、圧電素子はその
作動原理上、アクチュエータ及びセンサとして応用可能
である。そのため、圧電素子の一部をアクチュエータと
して使い、他の一部をセンサとして使えば、センサによ
り検出した振動状態に応じて駆動振動をフィードバック
制御することが可能となる。これにより、溶液の量、粘
度等の変化に応じて、常に最適条件での撹拌が可能とな
る。
【0034】さらに、実施例では振動子は横振動させて
いたが、縦振動するように変更してもよい。この場合、
ブレードの代わりに先端に平板が水平に取り付けられた
撹拌棒を設けることができ、ブレードの振れ角度を考慮
する必要がなく、撹拌子の取付位置に自由度が増す。
【0035】また、実施例では、振動子の金属板の一部
を延長してブレードを構成したが、撹拌部も圧電振動子
の一部としてもよい。
【0036】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、撹
拌部材として薄型でフレキシブルな金属板を素材を用い
ることにより、振動モードを複次で行なうことが可能と
なり、反応液全体を同時に流動させ、反応液を上下に流
動させることができるので、反応液を均質化するまでの
撹拌時間を短くし、ひいては検体処理の速度を早くする
ことができる撹拌子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による撹拌子の一実施例の正面図。
【図2】図1に示した実施例の側面図。
【図3】本発明による撹拌子の実施例の振動系のモデル
を示す図。
【図4】重りをつけた場合の図3のモデルの特性を示す
図。
【図5】重りをつけない場合の図3のモデルの特性を示
す図。
【図6】重りに対する撹拌時間の特性を示す図。
【図7】一実施例の振動モードの測定結果を示す図。
【図8】一実施例の振動モードの測定結果を示す図。
【図9】一実施例の振動モードの測定結果を示す図。
【図10】一実施例の振動モードの測定結果を示す図。
【図11】一実施例の電流の周波数特性を調べるための
結線図。
【図12】一実施例のインピーダンスの周波数特性を調
べるための結線図。
【図13】図11、図12の装置により調べられた周波
数特性を示す図。
【図14】撹拌性能に与える振動数の影響を示す図。
【図15】撹拌性能に与える負荷電圧の影響を示す図。
【図16】撹拌性能に与える撹拌時間の影響を示す図。
【図17】撹拌性能に与える圧電振動子につける重りの
影響を示す図。
【図18】モータを用いる撹拌子の従来例を示す図。
【図19】モータを用いる撹拌子の他の従来例を示す
図。
【図20】圧電素子を用いる撹拌子の従来例の正面図。
【図21】図20の従来例の側面図。
【符号の説明】
1…金属板シム、2a,2b…圧電セラミック、3…ブ
レード、4…重り、5…容器、7…交流電源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂口 総一郎 栃木県大田原市下石上1385番の1 株式 会社東芝那須工場内 (72)発明者 大屋 英郎 栃木県大田原市下石上1385番の1 株式 会社東芝那須工場内 (72)発明者 青木 登 東京都新宿区西新宿1丁目26番2号 東 芝セラミックス株式会社内 (72)発明者 斉藤 雅人 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 東芝マテリアルエンジニアリング株式会 社内 (56)参考文献 特開 平3−232524(JP,A) 実開 昭61−79638(JP,U) 実公 昭49−11084(JP,Y1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01F 11/00 - 11/04

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 柔体構造の金属片の表面に圧電素子を貼
    り付けてなる圧電振動子の金属片の一部分を延長し、こ
    の延長部分により液体を撹拌する撹拌子において、 前
    記圧電素子の振幅よりも前記延長部分の振幅が大きくな
    るように重りを前記振動子に取り付けることを特徴とす
    る撹拌子。
  2. 【請求項2】 柔体構造の金属片の表面に圧電素子を貼
    り付けてなる圧電振動子の金属片の一部分を延長し、こ
    の延長部分により液体を撹拌する撹拌子において、 前記圧電振動子の質量m1は前記延長部分の質量m2よ
    り大きいことを特徴とする撹拌子。
  3. 【請求項3】 前記圧電振動子の質量m1と前記延長部
    分の質量m2との比m2/m1が0.04〜0.06で
    あることを特徴とする請求項2記載の撹拌子。
  4. 【請求項4】 前記圧電振動子の振動モードは、複次モ
    ードであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のい
    ずれか一項に記載の撹拌子。
  5. 【請求項5】 前記圧電振動子は前記金属片の片側に圧
    電素子が貼り付けられているユニモルフ形の振動子であ
    ることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一
    項に記載の撹拌子。
  6. 【請求項6】 前記圧電振動子は前記金属片の両側に圧
    電素子が貼り付けられているバイモルフ形の振動子であ
    ることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一
    項に記載の撹拌子。
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