JP4698220B2 - 試料を含むチューブを高速で振動させるための装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料、特に生物学的試料を含むチューブを高速で振動させるための、チューブの高速振動が試料を粉砕するように働く装置に関する。

ガラス又はセラミックス製のマイクロビーズも含むチューブに生物学的試料を入れ、漏れ止め状態で閉じたチューブを比較的短期間、たとえば３０秒（ｓ）〜６０ｓ程度の期間、高速、たとえば約１００ヘルツ（Hz）で軸方向の振動に付すことによって試料を粉砕することはすでに公知である。

米国特許第５，５６７，０５０号は、そのような方法を実施するための、チューブ支持ディスクと、回転中心を中心にディスクに揺動を付すための手段とを含む装置を記載している。駆動手段は電気モータを含み、その出力シャフトには、モータの出力シャフトの軸に対して斜めに傾斜する円柱形外面を有するスリーブが設けられている。ディスクは、軸方向に位置決めされたロールベアリングによってスリーブ中で自由に回転するように取り付けられ、その回転を阻止するための手段と対応して、スリーブがモータによって回転するとき、ディスクを、モータシャフトの軸とスリーブの円柱形外面の軸とが交差する点によって形成される回転中心を中心に揺動させるようになっている。したがって、回転中心から等しい距離でディスクの周囲に固定されたチューブは、実質的に曲線の往復運動に付される。理論的には、モータからの出力シャフトの回転速度は、３０００毎分回転数（rpm）〜８０００rpmの範囲であることができ、試料は、粉砕されるためには、１５０ｇ〜４００ｇの範囲にある線形加速に付される（ｇは、重力による加速である）。

それにもかかわらず、この公知の装置は、ディスクをスリーブに取り付けるように働き、ディスクを駆動するための力のすべてを支えるロールベアリングが急速に加熱し、それによって急速に摩耗し、その寿命を非常に著しく短縮し、その加熱がディスクの加熱をも招き、その熱が次いでチューブ及びそのチューブに含まれる試料にも伝わるという欠点を露呈する。実際には、このタイプの装置を用いても、装置を相当に短期間で破損させることなく、ディスクを約６０００rpmを超える速度で揺動させることは不可能である。加えて、ロールベアリング及びディスクの加熱は、ディスク及びロールベアリングを十分にクールダウンさせるため、２回の粉砕サイクルの間の一定の長さの期間、休止することを要求する。

さらには、この従来技術装置では、チューブは、ディスクに設けられたハウジング中に配置するため、またそこから取り出すため、１本ずつ扱わなければならず、また、チューブをディスクのハウジング中に固定するための手段を手で設置し、操作しなければならず、それにより、装置の取り付け及び取りはずしに要する時間が大きく増し、ひいては、試料分析サイクルの合計期間が相応に増す。

本発明の特定の目的は、簡単で効果的で廉価である、この問題に対する解決策を提供することである。

本発明は、分析のための試料を含むチューブを高速で振動させるための、先に特定したタイプの装置であって、現在公知の競合する装置よりもはるかに長い寿命を有する装置を提供する。

本発明はまた、現在公知の競合する装置よりも高い高揺動周波数で損傷を受けずに作動することができる、先に特定したタイプの装置を提供する。

本発明はまた、以前から公知の装置よりも簡単かつ廉価であり、より容易にかつ速やかに使用することができるこのタイプの装置を提供する。

このために、本発明は、試料、特に生物学的試料を含むチューブを高速で振動させるための、チューブを支持するためのディスクと、ディスクがそれ自体の軸を中心に回転することを阻止するための手段と、ディスクを駆動して、ディスクの軸上に位置する回転中心を中心に揺動させるための手段とを含む装置であって、ディスクが、一方が他方の内側に取り付けられた２個の同心ベアリングにより、装置の弾性懸架部分に支持され、センタリングされ、ベアリングの一方が、ディスクが回転中心を中心に揺動を起こすことを可能にする球面タイプであることを特徴とする装置を提供する。

本発明の装置の本質的な利点は、ディスクを支持し、センタリングするための手段が、ディスクに加えられる駆動による力に耐える必要がなく、そのため、前記手段をベアリング、特にロールベアリングによって構成することができ、それらのベアリングが装置の作動中に短期間で損傷又は破損することがないということである。

両方のベアリングは、好ましくはロールベアリングである。これらのベアリングの第一のベアリングは、ディスクの軸方向の円柱形エンドピースに固着された半径方向内側ケージと、第二のベアリングの半径方向内側ケージとともに回転するように拘束される半径方向外側ケージとを含む。第二のベアリングの半径方向外側ケージは装置の定置部分に固着されている。

第一のベアリングは、ディスクが回転中心を中心に揺動を起こすことを可能にする球面ロールベアリングである。第二のベアリングはロールベアリングであり、その内側ケージが第一のベアリングの外側ケージとともに高速で回転し、第一のベアリングの内側ケージ及び第二のベアリングの外側ケージは回転することを阻止され、第一のベアリングの内側ケージはディスクとともに前記第一のベアリングの外側ケージに対して揺動する。

ディスクの円柱形エンドピースは、その自由端で、第三のベアリング、たとえば球面タイプロールベアリングを介して、駆動シャフトの端部に取り付けられた偏心輪に接続されている。

熱膨張を許容するため、エンドピースが第三のベアリング中で軸方向に摺動するように取り付けられているか、第一のベアリングが第二のベアリング中で軸方向に摺動するように取り付けられているかのいずれかである。

本発明の他の特徴によると、チューブは、ディスク上に配置され、脱着可能に固着されている円形セクタの形態のバスケットの中に設けられたハウジング中に取り付けられ、チューブをそのハウジング中に保持するための手段が設けられ、その手段は、有利なことには、そのハウジング中に配置されたチューブを覆うための、ディスクに取り付けられたカバーと、カバーをそのチューブ保持位置に封止又は固定するための手段とを含む。

本発明の好ましい実施態様では、カバーは、ディスク上で、吸引により、チューブをそのハウジング中に固定する位置に保持される。このために、カバーはディスクと協働して、真空源に接続されている漏れ止めチャンバを画定する。

加えて、カバーを斜めに配置し、チューブをそのハウジング中に保持するためのその位置に速やかかつ自動的に止めることができるよう、スナップ嵌め止め手段がディスク上に設けられている。

有利なことには、チャンバを真空源に接続するための手段は、ディスクの回転を阻止するための手段を構成する。

第一の実施態様では、カバーはその周囲に放射状のフィンガを有し、各放射状のフィンガは、ハウジング中のチューブをディスク中に保持するため、チューブの栓を弾性的に受ける。

変形態様では、リングがその周囲にチューブ受けオリフィスを有し、チューブを装置の外側に装填することを可能にする。その後、チューブを支えるリングはディスク上に配置され、上述のカバーによって覆われたのち、そのカバーが上記のように吸引によって所定位置に固着され、保持される。

もう一つの変形態様では、上述のリングは、チューブを受けるためのブラインドハウジングを有し、ゴムなどのリングがチューブ受けリングの上に配置されて、カバーがその上に配置され、それ自体がディスク上に配置されているとき、そのハウジングを漏れ止め状態で閉じる。

したがって、振動中にチューブが破損した場合でも、装置及びその環境全体の汚染は避けられる。

本発明の好ましい実施態様では、ディスクの同心ベアリングは、弾性懸架手段によって定置フレームに固着されたリングによって支えられる。

ディスクを駆動するための電気モータが前記フレームに固着され、その出力シャフトが、弾性カップリングを介して、ディスクの円柱形エンドピースを駆動するための偏心した第三のベアリングを支えるターンテーブルに接続され、前記ターンテーブルが、フレームによって支えられるロールベアリングボックスに取り付けられている。

これは、モータ、偏心ベアリングを支えるターンテーブル及びディスクの間の切り離しを保証し、それにより、モータを、リング、ディスク及びターンテーブルからの振動及び応力の影響を受ける必要性を回避させる。これがモータの寿命を延ばし、モータをより高い速度で回転させながら装置を最大負荷で作動させることが可能になる。

一例として記載する以下の説明を添付図面と併せて読むことにより、本発明がより良く理解され、本発明の他の特徴、詳細及び利点がより明確に見えるであろう。

本発明の装置の図１及び２に示す実施態様はフレーム１０を含み、フレームの底部が電気モータ１２を収容し、その電気モータの出力シャフト１４が垂直に上に延び、斜めかつ偏心的に取り付けられたロールベアリング１８を有するターンテーブル１６を支えている。ベアリング１８は、試料チューブ２４を支持するためのディスク２２から突出する、軸方向に円柱形であるエンドピースによって形成される傾斜シャフト２０の下端を受け、ディスク２２は、シャフト２０に対して垂直に延び、図示するように、その端部に固着されているか、シャフト２０と一体に形成されている。ベアリング１８は、シャフト２０と軸方向に整列するように傾斜しており、小さな機械的欠陥を許容するため、好ましくは球面タイプである。

ディスク２２は、フレーム１０によって支えられるリング２６の上、シャフト２０とリング２６との間で一方が他方の内側に取り付けられた、図１及び２に示す２個の同心ベアリング２８、３０によって支持され、センタリングされている。

第一のベアリング２８は、シャフト２０に固着された半径方向内側ケージと、半径方向外側ケージとを含み、この半径方向外側ケージに対して内側ケージがシャフト２０の軸上に位置する回転中心を中心に揺動することができる球面タイプロールベアリングである。回転中心は、本発明の装置のディスク２２の揺動の中心である。

ベアリング２８の外側ケージは、第二のベアリング３０の内側ケージの内側に取り付けられ、それとともに回転するように強いられる。

第二のベアリング３０の外側ケージは、リング２６にネジ止めされているバンド３２の内側に固着されている。バンドは、その上面に、ベアリング２８及び３０を覆い、それらを、チューブ２４を支えるディスク２２の頂部からの漏れを防ぐように両者を切り離す座金を支えている。

リング２６は、弾性懸架手段２９を介してフレーム１０に取り付けられたプレート２７にねじによって固着された外向きフランジ５４を含む。モータ１２はプレート２７に固着されている。

ディスクが回転することを阻止するため、たとえばリング２６をシャフト２０に半径方向に接続する１個以上のばねを含む手段が設けられている。

図３に示す特定の実施態様では、これらの手段は、リング２６と、シャフト２０に固着された座金３８との間に取り付けられた２個の平行なばね３７を含む。ばねの中間部及び端部は、図示するように、リング２６及び座金３８の円柱形のタブ又はスリーブへの螺合によって固着されている。シャフト２０及びディスク２２が一方向に回転する傾向を示すと、それが、ばね３７の直径方向に対向する２個の半部分を圧縮すると同時に、ばね３７の他方の２個の半部分を延展させる。これらのばねは、図示する均衡位置で、予め圧縮又は引張応力を軽く加えておいてもよい。

装置は次のように作動する。

モータ１２が給電されると、ターンテーブル１６が垂直軸３４を中心に回転し、傾斜軸２０が回転して、頂点がターンテーブル１６の回転の垂直軸３４と傾斜シャフト２０の軸との交差点にある円錐面上を移動する。ディスク２２は、傾斜シャフト２０の軸及び垂直軸３４を中心に回転することを阻止されているため、その結果、軸３４とシャフト２０の軸との交差点によって形成される回転中心を中心とする揺動をするように駆動され、ディスク２２によって支えられたチューブ２４は、矢印３６によって表される曲線反復運動で動かされる。

ターンテーブル１６が回転すると、互いに固定されている第一のベアリング２８の外側ケージ及び第二のベアリング３０の内側ケージが駆動されて高速で回転する。このケージの回転は、低い慣性の一部しか伴わず、摩擦をほとんど伴わず、その結果、比較的少ないエネルギーしか吸収しない。これらの２個のケージの回転のおかげで、ディスク２２に伝達される回転トルクは比較的低く、ディスクは、簡単で軽量な手段により、回転を阻止されることができる。

装置の２個のベアリング２８及び３０は、ターンテーブル１６が数分のインターバルをはさみながら数日間繰り返される６０秒サイクルで約６５００rpmの回転速度で駆動される場合でも、疲労又は摩耗の徴候を呈さない。本発明の装置は、チューブが約６００ｇの加速度に付される８０００rpmの回転速度で使用することができる。

加えて、チューブ２４の行程は、ベアリング１８の偏心度又はディスク２２の直径を変えるだけで変更することができる。

試料含有チューブ２４は、ディスク２２の上面に係合する円形のカバー４２によって所定位置に保持される栓４０によって閉じられる。カバー４２は、ハウジング中に配置されたチューブ２４の栓４０を弾性的に受ける放射状のフィンガを有し、これらのフィンガは、ディスク２２の周囲のオリフィスによって形成されている。

加えて、ディスク２２の上に配置されたカバー４２がディスクと協働して漏れ止めチャンバ４４を画定し、ディスク２２をリング２６に接続し、好都合にも、ディスク２２が回転することを阻止するための手段を形成することができるホース４５により、このチャンバは、装置の外にある真空源に接続される。ホース４５は、有利なことには、駆動力及び振動数に耐えるためにコイルばねの中に受けられ、上記の手段３７、３８の代替として、ディスク２２が回転を阻止させることを保証する。

また、弾性スナップ嵌めフィンガがディスク２２上に設けられて、上に延び、カバー４２のオリフィスを通過して、カバーを斜めに配置し、速やかかつ自動的にディスク上に止めることを可能にする。これらのフィンガは、たとえば数が２であり、直径方向に対向する。

図４に示す変形態様は、オペレータが、チューブ２４を個々に準備し、栓４０によってチューブを閉じたのち、そのハウジングに入れた状態でディスク２２とカバー４２との間に取り付けるための脱着可能なリング４６の中に配置することを可能にする。

ひとたびリングがそのチューブ２４すべてを受けると、リングを振動装置のディスク２２に装填する。カバー４２を所定位置に配置し、ディスクのフィンガ４８へのスナップ嵌めによって止め、チャンバ４４中の吸引によってに保持したのち、モータ１２に給電してディスク２２を先に特定した回転中心を中心に揺動させる。

粉砕サイクルの最後に、モータ１２が停止すると、チャンバ４４を大気圧に接続し、スナップ嵌めフィンガを弾性的に押し戻し、カバーを外し、リング４６をディスク２２から回収し、粉砕するための試料を含むチューブ２４を支える別のリングに置き換える。

したがって、本発明の装置は、簡単かつ迅速に取り付け及び取りはずしを行うことができる。

有利なことには、リング４６中のチューブ受けハウジング２４は外から見えず、ハウジングを個別に漏れ止め状態で閉じるため、ゴムなどの環状のライナー５０をハウジングの上に配置してもよい。

チューブ２４が振動サイクル中に破損するとしても、その内容物は、ハウジングを漏れ止め状態で閉じるゴムライナーにより、バスケットの対応するハウジング中に保持される。これが、装置及びその環境を全体として汚染することを回避させる。

図５に示すような本発明の好ましい実施態様では、電気モータ１２は、ねじなどによってフレーム１０に直接固着され、リング２６は、従来のタイプの弾性懸架手段、たとえば、フレーム１０に対し、またプレート２７に載るリング２６の周辺フランジ５４に対し２個１組で相互接続されたゴムなどのスタッド５２を含む手段によってフレーム１０に取り付けられている。

この種の取り付けは、リング２６に加わる振動及び力がモータ１２に伝わることを防ぎ、それにより、モータの寿命を非常に著しく延ばす。

加えて、本発明は、試料チューブ２４を提供し、試料チューブ２４が、ディスク２２の軸に対して平行ではなく、前記軸に対して傾斜し、チューブ２４の軸が、ディスクの下方又は上方に位置するディスクエンドピース２０の軸上の点に集束するように、ディスク２２上に取り付けられる。

エンドピース２０の軸に対してチューブ２４の軸によって形成される角度は小さく、通常は約５°〜３０°の範囲にあり、好ましくは約１０°である。

作動中、試料とともに傾斜チューブ３４に含まれるボールが試料中でより効果的に動かされ、それによって試料をより良く粉砕する。

本発明のもう一つの有利な特徴が図６に示されている。この図では、ディスク２２がベアリング２８及び３０を介してリング２６に取り付けられ、そのリング自体がプレート２７及び弾性懸架手段５２を介してフレーム１０に取り付けられていることが理解できる。

ディスク２２のエンドピース２０は、上述したように、その下端が、ターンテーブル１６によって支えられた偏心ベアリング１８中で軸方向に摺動するように取り付けられている。

ターンテーブル１６は、モータ１２の外側シャフトに直接固着されてはおらず、フレーム１０に固着されたロールベアリングボックス５６中に取り付けられ、弾性カップリングを介してモータ１２のシャフトによって回転させられる。

弾性カップリングは、金属カラー６０をモータ１２の出力シャフトに取り付けるための拡張可能なハブ５８と、ターンテーブル１６の基部のハウジング中に受けられ、中に収容されたねじ６４によってカラー６０に固着されたゴムチューブ６２とを含む。

ロールベアリングボックス５６は、上水平ロールベアリング６６及び下水平ロールベアリングベアリング６８を有し、これらのベアリングの外側ケージがボックス５６中で定置状態に保持されている。上ロールベアリング６６の内側ケージはターンテーブル１６に固着され、ターンテーブルは、熱膨張を許容するため、下ロールベアリング６８の内側ケージ中で摺動することができる。

この取り付けは、モータ１２を振動に対してより良好に保護し、振動の観点から、モータをターンテーブル１６、ロールベアリング１８及びディスク２２のエンドピースから切り離す。これがモータの寿命を延ばし、本発明の装置は、最大負荷及びより高い回転速度（たとえば、６０００rpmではなく６８００rpm以上）でも、モータ１２にとって何の問題もなく使用することができる。

最後に、この装置は、有利なことには、試料が粉砕される間にディスク２２の上に装着される旋回式キャップであって、それを閉じた位置で止めるための、電磁式であってもよいし吸引タイプであってもよい手段によって装着される旋回キャップを含む。

カバーを外した本発明の実施態様の装置の軸断面図である。 カバーを配置した図１の装置のディスクの軸断面図である。 回転を阻止するための手段を示す図である。 チューブ受け手段の断片図である。 本発明の変形態様の断面図である。 本発明のもう一つの特徴を示す断片図である。

Claims (18)

1. 試料、特に生物学的試料を含むチューブを高速で振動させるための、チューブ（２４）を支持するためのディスク（２２）と、ディスクがそれ自体の軸を中心に回転することを阻止するための手段と、ディスク（２２）を駆動して、ディスクの軸上に位置する回転中心を中心に揺動させるための手段（１２、１６、１８、２０）とを含む装置であって、ディスク（２２）が、一方が他方の内側に取り付けられた２個の同心ベアリング（２８、３０）により、装置の弾性懸架リング（２６）に支持されてセンタリングされ、ベアリングの一方が、ディスクが回転中心を中心に揺動を起こすことを可能にする球面タイプであることを特徴とする装置。
2. 前記ベアリング（２８、３０）がロールベアリングであることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記ベアリング（２８）の第一のベアリングが、ディスクの軸方向エンドピース（２０）とともに回転するように拘束される半径方向内側ケージと、前記ベアリング（３０）の第二のベアリングの半径方向内側ケージとともに回転するように拘束される半径方向外側ケージとを有し、その半径方向外側ケージが装置の前記弾性懸架リングに固着されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の装置。
4. 第一のベアリング（２８）がロールベアリングである、請求項３記載の装置。
5. 第一のベアリング（２８）の外側ケージ及び第二のベアリング（３０）の内側ケージが、互いに固定されることを特徴とする、請求項３又は請求項４記載の装置。
6. 第一のベアリング（２８）の外側ケージが第二のベアリング（３０）の内側ケージに対して軸方向並進動を起こすことができることを特徴とする、請求項３又は請求項４記載の装置。
7. ディスク（２２）が、ディスクを装置の前記弾性懸架リング（２６）に接続する接続手段により、その軸を中心に回転することを阻止されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項記載の装置。
8. 駆動手段が、駆動シャフト（１４）の端部に取り付けられて前記駆動シャフトをディスクの軸方向エンドピース（２０）に接続する、偏心した第三のベアリング（１８）を含み、前記エンドピースが、第一のベアリングの内側ケージを携えるシャフトになることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項記載の装置。
9. ディスクのエンドピース（２０）が第三のベアリング（１８）中で軸方向並進動を起こすことができることを特徴とする、請求項８記載の装置。
10. ディスクの同心ベアリング（２８、３０）が、弾性懸架手段（２９、５２）によって定置フレーム（１０）に取り付けられた弾性懸架リング（２６）によって支えられていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか記載の装置。
11. ディスク（２２）の駆動手段が、フレーム（１０）に対して定置状態で取り付けられた電気モータ（１２）を含むことを特徴とする、請求項１０記載の装置。
12. フレーム（１０）によって支えられるロールベアリングボックス（５６）に取り付けられ、弾性カップリング（６２、６４）を介して駆動シャフト（１２）に接続されたターンテーブル（１６）によって、偏心した第三のベアリング（１８）が支えられていることを
    特徴とする、請求項８かつ１１記載の装置。
13. ディスク（２２）によって支えられたチューブ（２４）が、ディスクの軸の方向に対して傾斜していることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか記載の装置。
14. ディスク（２２）が、ディスクの回転中心の周囲に規則的に分布したチューブ（２４）を受けるためのハウジングを有する円形リング（４６）と、チューブ（２４）をそのハウジング中に保持するためのカバー（４２）と、カバー（４２）をディスクに押し付けて保持するための手段と、そのチューブ保持位置でカバー（４２）を止めるための手段（４８）とを支持することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか記載の装置。
15. ディスク（２２）上に配置されたカバー（４２）がディスクと協働して、漏れ止め状態で閉じられ、真空源への接続のための手段を含むチャンバ（４４）を画定し、チャンバ（４４）の真空が、カバーをディスクに押し付けて保持させておくことを特徴とする、請求項１４記載の装置。
16. 真空源に接続するための手段が、ディスク（２２）がその軸を中心に回転することを阻止するための手段を形成することを特徴とする、請求項１５記載の装置。
17. カバーを固定するための手段が弾性スナップ嵌めフィンガ（４８）であることを特徴とする、請求項１４〜１６のいずれか１項記載の装置。
18. エラストマーなどの環状ストリップ（５０）がカバーとチューブ（２４）の頂部との間に配置されて、チューブ（２４）が受けられているリング（４６）中のハウジングを漏れ止め状態で閉じることを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか１項記載の装置。

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