JPH04363665A - 撹拌子 - Google Patents
撹拌子Info
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- JPH04363665A JPH04363665A JP3137994A JP13799491A JPH04363665A JP H04363665 A JPH04363665 A JP H04363665A JP 3137994 A JP3137994 A JP 3137994A JP 13799491 A JP13799491 A JP 13799491A JP H04363665 A JPH04363665 A JP H04363665A
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- Japan
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- stirring
- vibrator
- stirrer
- piezoelectric
- piezoelectric vibrator
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-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
- B01F31/44—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms with stirrers performing an oscillatory, vibratory or shaking movement
- B01F31/445—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms with stirrers performing an oscillatory, vibratory or shaking movement performing an oscillatory movement about an axis
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F2101/00—Mixing characterised by the nature of the mixed materials or by the application field
- B01F2101/23—Mixing of laboratory samples e.g. in preparation of analysing or testing properties of materials
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
- G01N2035/00465—Separating and mixing arrangements
- G01N2035/00534—Mixing by a special element, e.g. stirrer
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- 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)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
液の均質化を図ることができる撹拌子を提供することで
ある。
に対処すべくなされたもので、その目的は短時間で反応
液の均質化を図ることが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
り液体を撹拌することを特徴とする。
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。
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。
【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、２
ｂ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。
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、２
ｂ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Ｐ０ｃ
ｏｓωｔ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。
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Ｐ０ｃ
ｏｓωｔ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。
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。
＋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）Ｐ０ｅｘ
ｐ（ｊωｔ）｝ ／｛（−ｍ１ω２＋ｋ
１）（−ｍ２ω２＋ｋ２）−ｍ２ｋ２ω２
＋ｊωｃ（−ｍ１ω２＋ｋ１−ｍ２ω２）｝］
ｘ２ ＝Ｒｅ［｛（ｋ２＋ｊωｃ）Ｐ０ｅｘｐ（ｊωｔ）｝
／｛（−ｍ１ω２＋ｋ１）（−ｍ２ω２
＋ｋ２）−ｍ２ｋ２ω２ ＋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。
ｐ（ｊωｔ）｝ ／｛（−ｍ１ω２＋ｋ
１）（−ｍ２ω２＋ｋ２）−ｍ２ｋ２ω２
＋ｊωｃ（−ｍ１ω２＋ｋ１−ｍ２ω２）｝］
ｘ２ ＝Ｒｅ［｛（ｋ２＋ｊωｃ）Ｐ０ｅｘｐ（ｊωｔ）｝
／｛（−ｍ１ω２＋ｋ１）（−ｍ２ω２
＋ｋ２）−ｍ２ｋ２ω２ ＋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＋ｋ２）２＋（ωｃ）２｝
／｛（（−ｍ１ω２＋ｋ１）（−ｍ２ω２＋ｋ２）−ｍ
２ｋ２ω２）（−ｍ２ω２＋ｋ２） ＋（ωｃ）２（−ｍ１ω２＋ｋ−ｍ２
ω２）｝この位相差をδ１を使うと、ｘ１は次のように
表わされる。
／｛（（−ｍ１ω２＋ｋ１）（−ｍ２ω２＋ｋ２）−ｍ
２ｋ２ω２）（−ｍ２ω２＋ｋ２） ＋（ωｃ）２（−ｍ１ω２＋ｋ−ｍ２
ω２）｝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＋ｋ２）２＋（ωｃ）２｝
／｛（（−ｍ１ω２＋ｋ１）（−ｍ２ω２＋ｋ２）−ｍ
２ｋ２ω２）２ ＋（ωｃ）２（−ｍ１ω２
＋ｋ１−ｍ２ω２）２｝］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。
／｛（（−ｍ１ω２＋ｋ１）（−ｍ２ω２＋ｋ２）−ｍ
２ｋ２ω２）２ ＋（ωｃ）２（−ｍ１ω２
＋ｋ１−ｍ２ω２）２｝］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
ω０２＝ｋ１／ｍ１＝主振動系の固有円（角）振動数（
ｒａｄ／ｓｅｃ）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。
ｒａｄ／ｓｅｃ）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−λ２）２＋（２γλ）２｝／｛（（１ー
λ２）（ν２−λ２）−Ｒν２λ２）２＋（２γλ）２
（１−（１＋Ｒ）λ２）２｝］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。
λ２）（ν２−λ２）−Ｒν２λ２）２＋（２γλ）２
（１−（１＋Ｒ）λ２）２｝］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）−Ｒν２λ２）２＋
（２γλ）２（１−（１＋Ｒ）λ２）２）］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／ω
０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。
（２γλ）２（１−（１＋Ｒ）λ２）２）］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／ω
０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Ｙ２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、ｍ１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。
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Ｙ２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、ｍ１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。
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０．２ｍ
ｍ）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４
８Ｈｚ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１
０の場合は重りの位置では２．５ｍｍ、先端では２．５
ｍｍ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。
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０．２ｍ
ｍ）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４
８Ｈｚ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１
０の場合は重りの位置では２．５ｍｍ、先端では２．５
ｍｍ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（ｍＡ）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１５９Ｈｚ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。
、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（ｍＡ）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１５９Ｈｚ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、２０％グリセリン溶液を用い、測定中の撹拌子洗浄
は行わない。
（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、２０％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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
レード、４…重り、５…容器、７…交流電源。
Claims (8)
- 【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ことを特徴とする撹
拌子。 - 【請求項２】 前記圧電振動子の振幅よりも延長部分
の振幅が大きくなるような重りを前記振動子に取り付け
ることを特徴とする請求項１に記載の撹拌子。 - 【請求項３】 前記圧電振動子の質量ｍ１と延長部分
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に記載の撹拌子。 - 【請求項４】 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に記載の撹拌子。 - 【請求項５】 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に記載の撹拌子。 - 【請求項６】 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に記載の撹拌子。 - 【請求項７】 柔体構造の金属片の表面に振動発生手
段を設けてなる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ことを特徴とする撹拌子
。 - 【請求項８】 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を用いて液体を撹拌すること
を特徴とする撹拌子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03137994A JP3135605B2 (ja) | 1991-06-10 | 1991-06-10 | 撹拌子 |
| EP92109730A EP0518281B1 (en) | 1991-06-10 | 1992-06-10 | Stirring device |
| DE69222360T DE69222360T2 (de) | 1991-06-10 | 1992-06-10 | Rührvorrichtung |
| US08/173,934 US5449493A (en) | 1991-06-10 | 1993-12-28 | Stirring device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03137994A JP3135605B2 (ja) | 1991-06-10 | 1991-06-10 | 撹拌子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04363665A true JPH04363665A (ja) | 1992-12-16 |
| JP3135605B2 JP3135605B2 (ja) | 2001-02-19 |
Family
ID=15211584
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03137994A Expired - Lifetime JP3135605B2 (ja) | 1991-06-10 | 1991-06-10 | 撹拌子 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5449493A (ja) |
| EP (1) | EP0518281B1 (ja) |
| JP (1) | JP3135605B2 (ja) |
| DE (1) | DE69222360T2 (ja) |
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| JP2018091743A (ja) * | 2016-12-05 | 2018-06-14 | キヤノンメディカルシステムズ株式会社 | 臨床検査装置 |
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1993
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