臨床診断と流体操作： 革新的なモータが実験室の 生産性を向上させる仕組み

はじめに

世界中の実験室では、私達の生活の質を高めるために科学者が日々研究を行っています。このような研究は、 医療、医薬品、農業をはじめとするさまざまな産業での成長を促進するカギとなっています。これらの産業へ の投資は高齢化などの社会経済的要因によってすでに増加していますが、予防治療の増加と最近のパンデ ミックが、産業内の成長を促進するきっかけとなっています。

この成長は、実験室におけるワークロードの増加にもつながっています。実験室では、モータ駆動のツールと 装置が主役となっており、科学者が増大する日々の要求に対処することを可能にしています。この記事では、試 料調製、管理、および分析で科学者をサポートする自動機器向けのモータオプションに焦点を当てます。

ハンドヘルド電子ピペット

はじめに

試料を分析する前に、実験室の技術者は、溶解、抽出、何らかの化学種との反応、微 粉砕、キレート剤による処理、マスキング、ろ過、希釈、サブサンプリングなどの一連の 手順を完了する必要があります。多くの場合、試料は液状であり、あるテストレセプタ クルから次のテストレセプタクルに移すときにはピペットを使用する必要があります。 ピペットは100年以上前から存在していますが、最新版は前世代のものと共通点があ まりないほど進化しています。 ピペット自体は注射器の進化版であり、使用する際に は同じ原則が適用されます。これらの装置は通常、カム、ピストン、シリンダのシステ ムで構成されています。ピストンを動かすと部分真空ができ、液体がピペットの先端に 吸い込まれます。ピペットにはさまざまなサイズがあり、その容積は数マイクロリットル から数百ミリリットルまで多岐にわたります。ほとんどの場合、ピペットは、交叉汚染 の防止が必須である無菌環境で使用されます。そのため、ユーザは、各操作を行う前に、試料間の交叉汚染が 発生しないように新しい先端をクリップで留めます。操作が終わると、オペレータはピペットの先端を排出しま す。先端は廃棄されるか、滅菌処理を施された後に再利用されます。マルチチャネルピペットも現在は非常に 一般的です（通常は、8、12、または16チャネル）。マルチチャネルピペットを使用すると、実験室の技術者は複 数の液体移動操作を同時に実行できます。

ピペット向けのモーションソリューションのメリット

電子機器のコスト低下と機能向上により、小型電子モータをピペットに内蔵することが可能になり、以下のよ うな明確なメリットがもたらされるようになりました。

•	精度と再現性: 電子ピペットでは、特定の量の液体を非常に正確かつ精密に分注できます。ピペットの一 般的な分解能はインクリメントあたり1マイクロリットルで、誤差は1%未満です。同じくらい重要なのは再 現性、つまり後続の各操作中に特定の量に対して正確に同じ量の液体が吸入または分注されていると確 信できることです。
•	コスト節約: このような精度と再現性の向上、ならびにピペットがますます少ない量を扱えるようになった という事実により、企業は分析時に使用する試薬の量を少なく抑えられるようになりました。これにより、 コストが減少します。
•	人間工学: 電子ピペットに切り替えると、必要な手動力と手の動きが少なくなり、反復運動損傷のリスクが 大幅に減ります。電子ピペットを設定すると、ユーザはボタンをクリックするだけで充填したり、空にした り、場合によっては先端を排出したりできます。
•	生産性: 電子ピペットは、組み込みのオートメーションにより、機械ピペットよりも高速に動作できます。そ の結果、一定の時間に処理できる試料の数が増えます。
•	柔軟性:「節電」モード、マルチディスペンシング、ミキシングなどのいくつかの機能もすでにピペットに追加 されています。

電子ピペットの中心にあるのはモータです。この用途におけるモータの役割を見てみましょう。

電子ピペット向けのモータ技術オプション

ステッピングモータ

ステッピングモータ（図2）、特にリニアステッピングモータまたはデジタルリニアアクチュエータは、電子ピ ペット用途に適した既製ソリューションです。組み込みの送りねじが電子ピペットのピストンと直接連動する ことで、装置を動作させるために必要な直線運動が生み出されます。さらに、ステッピングモータであるため、 モータを制御するための追加のフィードバックセンサやエンコーダが必要ありません。ステッピングモータは 電流パルスごとに徐々に回転するため、制御 が容易です。モータの直線移動の正確さとマイ クロステッピングの可能性により、電子ピペッ トの精度と再現性に対する高水準の要求を満 たす非常に高い分解能がもたらされます。さら に、このモータは電力の供給なしに位置を維 持できるため、広範な用途に対応できます。

ポルテスキャップなどのモータサプライヤー と連携すれば、最適なステッピングモータを 選択したり、モータをカスタマイズしたりでき ます。

DCモータ

代替ソリューションはブラシ付きDCモータです。ブラ シ付きDCコアレスモータ（図3）は、（鉄芯付きモータ とは対照的に）ロータがコイルとシャフトのみで構成 されている最も効率的な技術です。そのため、コアレ スモータでは鉄損が発生せず、モータの効率性と加 速が大幅に向上します。電子ピペットはバッテリー駆 動であるため、この効率性の向上により、1回の充電 でより長い時間使用できるようになります。

ピペット用途の場合、ブラシ付きDCモータには、回転 モーションを直線モーションに変換したり、モータを 制御したりするための追加コンポーネント（ベルトド ライブやエンコーダなど）が必要になります。

電子ピペット向けに推奨されるモータ技術

ステッピングモータとDCモータはどちらも小型軽量 のパッケージで提供されるため、電子ピペットの設計 者は装置の重量を最適化できます。ただし、これらの モータの間にはトレードオフがいくつかあり、設計者 は装置に最適な技術を選択する際に考慮する必要が あります。たとえば、DCモータは一般に直線ステッピ ングモータより安価ですが、伝動（回転から直線へ の変換）のためのコンポーネントの追加コストを考慮 する必要があります。その他の考慮事項として、鎖に 環を追加した場合の潜在的な誤差/許容差がありま す。選択する技術は、電子ピペットメーカーの商業的 および技術的要件によって異なります。

実験室オートメーション

はじめに

先述のように、オートメーションは実験室および医療 機関のワークロードの増大に対処するためのカギで す。現在、実験室のタスクを自動化するために使用さ れる機械類は、形状やサイズがさまざまで、シンプル な液体処理からエンドツーエンドの試料調製、最終 的な分析結果まで幅広い操作に対応します。

実験室自動化の一般的な機能には以下が含まれ ます。

•	識別とスキャン: すべての試料が識別されます。 カメラとスキャナーが識別、追跡、結果の記録に 使用されます。
•	キャップとデキャップ: 試料は試験管などの容器 に入れられます。試料を処理する際には、容器 を開いて閉じる必要があります。
•	移動: 小さな試料をある場所から次の場所に移 動する必要があります。一般的に、これらのサイ ズまたは量はさまざまです。
•	操作: トレイとコンベアをあるステーションから 次のステーションに移動する必要があります。
•	分析: 一般的な診断操作には、遠心分離、試薬 との化学反応、分光分析などがあります。

実験室オートメーション向けのモーションソリューションのメリット

小型電子モータを実験室オートメーション用途に組み込むことに関しては、可能な領域および軸が多数あります。次のようなメリットがあります。

•	長寿命: 自動装置は通常、長年にわたって継続的に稼働します。これはモータの寿命がモータ選定の重要な要件になることを意味します
•	信頼性: 障害やメンテナンスの問題が発生すると、診断と患者の治療に遅延が生じます。これはモータの信頼性が非常に重要であることを意味します。
•	高速: 高速モータを使用すれば、生産性が高まり、1日あたりの診断数が増加します。
•	正確なポジショニング: 正確かつ精密なソリューションが必要です。モータは試料に入れられる試薬の量を調整します。一貫性のないモーションは診断結果に影響を与える可能性があります。一部の用途には複数の自動化軸があるため、選択して最適化できるモーション技術が多数あります。一般的に推奨される技術を見てみましょう。

実験室オートメーション向けのモータ技術オプション

ステッピングモータ

ステッピングモータには電子整流があります。これは機械的摩耗がないことを意味します。したがって、このモータは寿命が長く、実験室オートメーション機械に最適です。

ステッピングモータには複数の磁化極があります。そのため、1回転する間に電流が複数回整流し、トルクパフォーマンスの高い安定した位置になります。ステッピングモータは、エンコーダなしで簡単かつ高精度に動作させることができます。通常は位置調整が重要な用途で使用されます。

ステッピングモータのトレードオフの1つは速度です。高周波数の整流が迅速な動作には必要です。コイルのインダクタンスの影響により、電流が上昇するまでに時間がかかります。整流の周波数が高すぎる場合は、電流が上昇する時間が足りません。これにより、ステッピングモータの速度が制限されます。そのため、ステッピングモータは、出力速度が1,000 RPM未満の場合に最適なソリューションになります。大型の自動実験装置の設計では、エンジニアは出力が中程度の用途でステッピングモータを選択します。

BLDCモータ

DCブラシレス（BLDC）モータは、ブラシ付きDCモータとステッピングモータの長所を兼ね備えています。ステッピングモータと同様に、ブラシレスモータは電子整流があるため、寿命が長くなります。しかし、BLDCは磁気極の数が少ないため（通常は2つか4つ）、モータが1回転するのに必要な整流が少なく済みます。整流の周波数が同じである場合、DCブラシレスモータはバランスの取れたロータと強力なボールベアリングアセンブリを備えているため、ステッピングモータよりもはるかに高速に動作し、100,000 RPMの速度に達するモータもあります。そのため、高速要件がある場合は、DCブラシレスモータが望ましい技術になります。

BLDCモータは通常、内蔵ホールセンサやエンコーダなどの位置調整フィードバックを使用して制御します。 BLDCモータは、ロータの位置が常にわかるため、ステッピングモータにあるようなステップを失うリスクがな い信頼性の高い技術です。

ブラシレスモータには2つのバージョンがあります。

1	円筒モータは、通常は全長が直径よりも長くなっています。一般にロボットピペットで使用されます。 （図6、左側の列）
2	フラットモータ（または「パンケーキ型」モータ）は、通常は直径が全長よりも大きくなっています。この モータ設計にはディスクマグネットとフラットコイルが使用されています。このモータは一般にロボット アームで使用されます。（図6、右側の列）

高出力密度機能を備えているため、BLDCモータは、コンパクトなパッケージで高出力を必要とする用途に最適 です。実験室オートメーション機械では、DCブラシレスモータは信頼性に優れ、生産性の高いタスクに最適な ソリューションです。

ブラシレスモータは、ロボットピペット機能やアームおよびグリッパを含むさまざまな実験室オートメーション 用途に使用される機会がますます増えています。

the change producing them. This is what reduces the speed of the magnet.

 

実験室オートメーション向けに推奨されるモータ技術

BLDCモータは一般に高出力密度ソリューションを必要とする軸に使用されます。このモータの利点は高速性能です。

ステッピングモータは一般に移動トレイに使用されます。一方、小型のステッピングモータは小さなバルブを制御するために使用できます。

結論と新しいトレンド/h2>

実験室におけるトレンドは、ますます自動化された高速な装置を設置すること各用途における精度を高めることです。これを達成するには電子モータが必要です。電子コンポーネント技術の進化により、このような重要な用途を強化するために必要な最適化が提供され続けています。2つ目のトレンドは、健康状態の診断やテスト/モニタリングが実験室で直接行われることから患者が治療を受けている場所（病院、診療所、または患者の自宅）で行われることへの移行です。これにより、診断が迅速化され、健康状態、または悪影響につながりかねないマイナス傾向の早期検出が可能になります。

この新しいトレンドは、ポイントオブケア（POC）分析器と呼ばれる一連の小型分析器によって可能になりました。これらの分析器はコンパクトな携帯可能機器で、通常はバッテリーで駆動し、数分内の迅速な診断を可能にする試薬カートリッジを備えています。これらのPOC装置は一般に、病院や在宅ケア施設で、または患者自身によって使用されます。あるいは、感染症などの特異的検出のために薬局で使用されることもあります。

モーションに関しては、POC分析器は、試薬の混合、カートリッジの移動、ミラーの回転（分光分析テストのため）などの一部の操作に小型モータソリューションを活用しています。選択基準は、主にサイズ、性能、価格、効率性です。ほとんどのエンジニアは、費用対効果に優れた高性能ソリューションであるブラシ付きDCコアレスモータか、制御しやすい小型ステッピングモータを選択します。

あらゆる用途に適合する汎用的なモータ技術は存在しません。代わりに、複数のモーションソリューションが提供されており、それぞれに独自のメリットがあります。これにより、機械の設計者はより小型でより高速の機械を作る柔軟性が得られます。信頼できるモータメーカーと連携することで、独自のカスタマイズされた実験室用機械を開発できます。また、適切なモータソリューションを選択すると、実験室用機械が連続動作中も信頼性を保つことが保証されます。

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