의료 분석기에 중요한 성능을 제공하는 초소형모터



의료 분석기는 의료 진단 산업에서 중요한 장비입니다. 이들은 혈액 및 소변과 같은 체액 테스트부터 질병의 진단, 예방 및 치료를 위한 주요 정보를 제공하는 약물 단백질 상호 작용 검사 처리에 이르기까지, 다양한 기능을 수행하는 다채로운 도구입니다.


다양한 유형의 분석기는 다양한 모터형 솔루션(모터, 엔코더)과 전송 메커니즘(풀리, 벨트, 기어링)을 사용하여 분석할 샘플을 이동시킵니다. 그리고 최적의 의료 분석기 설계시, 분석기 자동화에 가장 공통적인 기준은 매력적인 비용에 고품질, 저소음, 긴 수명입니다.


수많은 모터/기어링/엔코더는 의료 분석기 내에서 유체, 약병 또는 분석을 이송하는 데 사용됩니다. 스테퍼 모터는 한 시간에 1-10개 샘플을 실행하는 혈당 테스터와 같은 저속 샘플링 분석기에 이상적인 반면, 최첨단 브러시 및 무브러시 코어리스 모터 기술은 면역 화학이나 DNA 심사와 같은 고처리량 응용 분야에(시간 당 1000개 이상의 분석 주문 시) 이상적입니다. 일부 의료 분석기는 턴테이블 기반 접근방식 (그림 1). 을 사용하여 체액을 추적하는 데 식별, 표시 및 일련화된 분석을 쌓으므로, 실험실에서는 건강 관리 전문가에게 시기적절하게 정확한 피드백을 제공할 수 있습니다.




스테퍼 모터
스테퍼 모터는 속도가 중요하지 않은 가장 단순한 버전의 턴테이블 분석기의 기능 요구사항을 충족시키는 안정적이면서 경제적인 방법입니다. 원래 스테퍼 모터는 폴이 많은 BLDC 모터이므로, 각 위상의 전류가 회전당 여러 번 정류되어야 합니다. 예를 들어, 100스텝/회전의 2상 스테퍼는 완전한 1회전을 만들려면 각 위상에서 25회의 수정이 필요합니다. 스테퍼 모터를 이용하는 분석기의 주요 이점은 지정된 크기에 높은 토그를
제공하면서 회전 당 많은 안정 위치(스텝)를 가진다는 것입니다(예를 들어 Portescap 16 mm 디스크형 자석 모터는 최대 5-6 mNm의 토크를 제공할 수 있음). 스테퍼 모터를 이용할 때 단점은 정류 빈도와 결합된 인덕턴스와 철 유실(전류가 여러 번 수정됨)로 인해 고속(>2000 rpm)으로 실행할 수 없다는 것입니다.


즉, 영구 자석에서 하이브리드, 선형에 이르는 다양한 스테퍼를 사용하여 분석기 응용 분야의 요구사항을 만족시킬 수 있습니다. 영구 자석 캔 스택 스테퍼는 공간과 전력 요구가 중요한 분석기에 적합합니다. 하이브리드 스테퍼는 작고 강하고 경제적입니다. 또한 선형 스테퍼 시스템은 많은 분석기 응용 분야에 안성맞춤으로, 표준 회전식 시스템과 비교할 때 제한된 유지관리나 마모, 통합의 단순성, 그리고 부품 감소와 같은 이점을 제공합니다. 일반적으로 회전식 시스템은 회전식 동작을 선형 동작으로 전송하는 변환 메커니즘이 필요하므로, 부품 수와 복잡성이 증가합니다. 선형 스테퍼는 가벼운 하중과 열린 루프 성능이 필요한 분석기에 이상적이며, 구성요소 수가 줄어들면서 관성이 낮아진 덕분에, 일반적으로 회전식 시스템보다 더 빨리 가속화할 수 있습니다.




BLDC 코어리스 모터
한 시간에 천 개 이상의 시험을 분석하는 고처리량 응용 분야의 경우, 브러시 DC 코어리스 모터와 같은 고효율, 고속 모터가 적합한 선택사항입니다. 짧은 기계 시간 상수와 함께 낮은 회전자 관성(22 mm 지름의 Portescap 모터는 (10 – 30) x 10-6 kgm2 범위의 모터 관성을 가짐)은 이러한 응용 분야에 안성맞춤입니다. 예를 들어, Portescap 22 mm 모터 브러시 코어리스 DC 모터는 8,000 rpm의 무부하 속도와 6.8 ms의 기계 시간 상수를 제공합니다. 모터가 이러한 속도를 획득하는 데 필요한 시간은 다음 방정식으로 통제됩니다.



w = wo (1- exp (-T/ Tm))



여기서, wo는 무부하 속도이며, Tm은 모터의 기계 시간 상수이고, w는 T 특정시간 경과 후 획득된 속도입니다. 모터 특성에 기반하여, 무부하 속도의 90%는 (그림 3) 에 나타난 대로 약 15 ms 후 턴테이블 응용 분야에서 얻을 수 있습니다. 모터가 특정 속도까지 도약하는 데 걸리는 실제 시간은 특정 속도에서 분석 시험 샘플 테이블을 돌리는 데 필요한 토크에 따른 모터의 하중 특성에 의해 결정됩니다.



또한 디스크형 자석 스테퍼 모터와 BLDC 모터는 속도, 가속화, 성능 및 비용 요구사항에 따른 이 응용 분야의 여러 다른형태에서도 작동할 수 있습니다.


출력에서 필수적인 역할을 하는 또 다른 분석기 기능은 샘플을 모아서 광도 측정, 크로마토그래피 또는 기타 해당 구성에 기반한 측정 시스템으로 보냅니다. 열린 튜브 또는 닫힌 튜브 형식의 샘플 분석 시험은 측정 시스템에 배치하여 (그림 2). 일반적으로 유리병에서 샘플 흡입을 위해 턴테이블을 통한 피어싱 또는 플런징 메커니즘에 제시됩니다. 샘플 크기가 제한된 일부 중요한 응용 분야에서는 속도, 토크, 효율성 및 배치 정확성과 같은 모터 특성이 중요한 역할을 수행합니다. 여기서 다시 브러시 DC 코어리스 모터는 작은 프레임 크기에 패킹되는 전력 밀도로 인해 어느 곳에나 적용할 수 있습니다. 그리고 앞서 언급했듯이, 브러시 DC 코어리스 모터의 낮은 관성은 효율적인 유체 이송을 도와줍니다. 특히, 샘플 가용성을 위한 요구사항이 마이크로리터 범위에 있는 경우 큰 도움을 줍니다. 일반적으로 증분 엔코더는 브러시 DC 코어리스 기어모터를 사용한 피드백 (그림 4) 에 사용되어 모터 위치와 속도를 측정할



수 있습니다. 이러한 증분 엔코더는 통상 광학 또는 자석 타입이며 속도와 거리에 비례적인 펄스를 생성할 수 있습니다 (그림 5). 일반적으로 유리병에서 유체 흡입 최종 단계에서처럼, 1,000 rpm 미만의 낮은 속도에서 128 라인 이상의 높은 엔코더 해상도가 필요합니다.




하이브리드 스테퍼 모터
특정시약의 분석을 위하여 스테퍼 모터를 사용하는 펌프가 사용됩니다. 이러한 스테퍼 모터는 Open 루프 또는 Close 루프 피드백을 사용하여 제어할 수 있습니다. (그림 6) 에 나타난 것과 같은 하이브리드 모터는 다른 축에서 사용되어 해당 시약 디스펜서 및 Close 루프 시스템(더 비싸지만 이러한 경우에 맞춤 가능) 아래에 테스트 샘플을 놓을 수 있습니다. 일반적인 캔 스택 모터에는 샤프트가 고정 토크를 사용하여 다양한 위치에서 고정되는 다양한 각위치가 있습니다. 예를 들어, 18도 스텝 각도의 15 mm 캔 스택 모터는 피드백 센서 없이 Open 루프에서 실행될 수 있지만, 위치가 아주 정확하지는 않습니다. 다른 한 편으로는, Close 루프 시스템을 사용하는 하이브리드 모터에는 드라이브 전자 장치에 위치 피드백을 제공하기 위한 엔코더가 있을 수 있으며, $10 - $25의 엔코더 추가 비용과 드라이브 전자 장치 향상을 위한 비용이 추가됩니다.




요약
결국 적절한 동작 솔루션의 가격대성능비 고려는 분석기의 복잡성과 함께 작동에 필요한 정밀도, 효율성 및 환경 조건에 따라 달라집니다. 여러 모터 기술의 범위는 표 1에 나타난 대로, 의료 분석기의 여러 동작 요구사항과 작동 축에 해당됩니다. 전력 밀도, 효율성, 속도 및 정도값이 기본적으로 중요한 기준이라면 브러시 DC 코어리스가 적합한 기술일 수 있습니다. 저속 샘플링 분석기에서처럼, 추가된 전자 장치 없이 위치를 지정하는 것과 저렴한 비용이 주요 요구사항이면 스테퍼가 원하는 옵션이 될 수 있습니다. 사용자는 15-20년 분석기의 수명과 건강 관리 부문에서 분석기의 필요성과 함께 제어 전자 장치 및 드라이브와 연관된 비용을 고려하여, 가격대성능비를 기준으로 선택해야 합니다.




보너스!
의료 분석기에 사용할 수 있는 다른 모터 기술의 성능 대비 가치


*전력 밀도는 특정 프레임 크기의 모터에서 출력 제어를 반영합니다
*속도는 모터의 출력 샤프트에서 속도(rpm)를 반영합니다
*효율성은 출력 전력으로 변환된 입력 전력의 측정치입니다
*소유 비용은 가격, 전자 장치, 모터 수명, 설치의 용이함 및 서비스의 혼합입니다
*사용자 정의는 제품 설계에 있어 응용 분야 특정 요구사항을 반영합니다. BLDC 슬롯형은 하이브리드 스테퍼보다 상대적으로 높은 수준의 사용자 정의를 필요로 하기 때문에 비용이 크게 상승합니다

Figure 1

Portescap

Figure 2

Portescap

Figure 3

Portescap

Figure 4

Portescap

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Portescap

Figure 6

Portescap

Figure 7

Portescap