快速连接混合器叶轮联接的制作方法

本申请要求2016年7月21日提交的美国临时申请序列号62/365,183的权益，所述临时专利申请以引用的方式整体并入本文。

本发明一般地涉及用于等分或反应容器中的混合装置的叶轮。

背景技术：

临床分析器通常需要混合装置以将等分或反应容器的内容物混合至均匀以确保正确的化学结果。在中量临床化学（mvcc）系统的情况下，通常使用旋转叶轮。通常，叶轮需要被精确定位以避免接触透明小容器的壁（即，容纳待混合材料的容器）。

为了确保使用叶轮进行的各种实验准确且不被污染，需要定期清洁或替换叶轮。通常，由于损坏或污染物随时间的积聚，有时需要更换叶轮。在当前可用的系统中，这至少需要使用专用工具以及小的、容易丢失的零件。附加地，其他当前的解决方案可能需要更多涉及的方法，诸如在叶轮替换期间移除整个机构。

因此，需要更有效和更简单的叶轮连接类型。

技术实现要素：

实施例涉及一种允许容易的清洁和替换的快速连接混合器叶轮联接。

因此，实施例提供了一种用于叶轮联接的快速连接和旋转系统，其包括：叶轮，所述叶轮包括：混合器端部；以及第一附接端部；所述第一附接端部包括径向磁化的第一构件；以及马达，所述马达包括：旋转轴，所述旋转轴具有包括径向磁化的第二构件的第二附接端部；其中所述第一附接端部和所述第二附接端部彼此互补；并且其中当所述第一附接端部和所述第二附接端部连接时，所述马达经由所述第一构件与所述第二构件之间的磁场在所述第一附接端部上施加旋转转矩。

另一实施例提供了一种用于叶轮联接的快速连接系统，其包括：叶轮，所述叶轮包括：混合器端部；第一附接端部，以及附接到所述第一附接端部的第一机械连接器；所述第一附接端部包括选自由以下组成的组的第一构件：磁化构件和非磁化铁磁构件；以及马达，所述马达包括：具有第二附接端部的旋转轴；附接到所述第二附接端部的第二机械连接器；所述第二附接端部包括选自由以下组成的组的第二构件：磁化构件和非磁化铁磁构件；其中所述第一附接端部和所述第二附接端部彼此互补；并且其中当所述第一附接端部和所述第二附接端部连接时，所述马达经由所述第一机械连接器与所述第二机械连接器之间的机械连接在所述第一附接端部上施加旋转转矩。

另一个实施例提供了一种制造快速连接叶轮的方法，其包括：制造叶轮，所述叶轮包括：混合器端部；以及第一附接端部；所述第一附接端部包括径向磁化的第一构件；以及制造马达，所述马达包括：旋转轴，所述旋转轴具有包括径向磁化的第二构件的第二附接端部；其中所述第一附接端部和所述第二附接端部彼此互补；并且其中当所述第一附接端部和所述第二附接端部连接时，所述马达经由所述第一构件与所述第二构件之间的磁场在所述第一附接端部上施加旋转转矩。

附图说明

当结合附图阅读时，从以下详细描述中最好地理解本发明的前述和其他方面。出于说明本发明的目的，在附图中示出了当前优选的实施例，但应当理解，本发明不限于所公开的特定手段。附图中包括以下图：

图1是示例性磁转矩传送的说明性视图。

图2a是示例性机械转矩传送的说明性视图。

图2b是用于施加机械转矩的机械连接的详细视图。

图3a是示例性机械转矩传送的另一个说明性视图。

图3b是示例性机械转矩传送的另一个说明性视图。

图4是示例性机械转矩传送的另一个说明性视图。

图5是叶轮运行相对毂轴承孔直径的示例性图形表示。

图6a是叶轮联接和替换的示例性图示。

图6b是叶轮联接和替换的另一个示例性图示。

图6c是叶轮联接和替换的另一个示例性图示。

图6d是叶轮联接和替换的另一个示例性图示。

图7是臂组件截面视图的说明性示例。

图8a和图8b是独立混合毂和处于安装位置的混合毂的说明性示例。

图9是传感器的磁场的图形表示。

图10a-10c是混合器叶轮水平对准机构的说明性示例。

具体实施方式

本文的实施例涉及快速连接和旋转叶轮联接系统，其可以用于将各种化学品或物质混合到均匀点以确保正确的结果。有利地，快速连接叶轮联接提供了易于移除（例如，用于清洁）和/或替换（例如，如果叶轮处于使用寿命终点）。

由于损坏或由于污染物随时间的积累，有时通常需要更换叶轮。如本文所讨论的，当前系统最低地在更换叶轮时需要使用一个或多个工具，并且包括难以管理的小零件。

当前解决方案的一个示例涉及定位叶轮，以及然后将叶轮扭转四分之一圈以进行包括使紧密配合轴进入其相应凹槽中的连接。轴包括约束垂直自由度的凸缘特征。叶轮通过柔性联接保持可与马达分离，所述柔性联接包括胶粘到叶轮轴的简单tygon管。tygon是美国的诺顿公司的注册商标。

因此，实施例以如本文所讨论的各种方式解决了上述缺点。例如，实施例可以使用磁体（例如，两个磁体或单个磁体以及磁性材料）来建立磁连接以提供约束叶轮的垂直自由度所需的力。在另一实施例中，五个剩余自由度中的四个可以由位于叶轮轴上的两个或更多个堆叠轴承控制。这允许叶轮保持附接到旋转机构的驱动轴，而不用使用过于复杂的机械零件（例如，小凹槽与互锁装置等），如在当前解决方案中使用并在本文中讨论的。

在一个实施例中，还可以利用磁吸引力，例如，几乎完全有助于将叶轮组装在配合部件的一定接近范围内所需的力。因此，使用磁系统不仅允许更容易的安装和移除（例如，免工具移除），而且还具有帮助用户对准和安装叶轮的有益副作用。例如，如果用户将叶轮放置在配合部件的接近范围内，则两个连接件的磁场将彼此吸引，由此自动排列连接以用于适当的配合。

在另一个实施例中，可以使用上面讨论的用于叶轮附接的相同磁系统来监测叶轮的存在和速度。这是可能的，因为提供轴向联接力的磁体（例如，嵌入叶轮内的磁体）发出随着其旋转而改变的磁场。因此，实施例可以实现传感器装置以基于所检测的磁场来监测磁体的旋转。通过非限制性示例，霍尔效应传感器可以放置在磁体或容纳磁体的叶轮部分附近以在磁体旋转时感测交变磁极。监测磁场速度并因此监测叶轮提供了关于混合器性能的有价值信息。

例如，如果所请求的速度（例如，用户/系统限定的混合速度）与检测到的实际速度不匹配，则实施例可以假设已经发生错误或者已经发生有关样本的问题。例如，可能是已经发生有关旋转机构的问题。在一个实施例中，通过计数传感器在混合周期内产生的脉冲的数量来推导出叶轮的速度。该脉冲数量应当匹配该混合持续时间的预定脉冲数量，或者实施例可以假设已经发生一些类型的故障。在另一实施例中，系统可以利用所确定的速度来自动调整或停止混合过程。例如，如果实施例确定旋转速度超过预定阈值的界限（例如，比确定的最大速度更快或比确定的最小速度更慢），则系统可以采取行动来补救该情况。

在一个实施例中，预定阈值可以基于用户输入的值，或者可以基于所混合的解决方案的各种已知特征。例如，如果系统知道关于混合溶液的变量（本文中进一步讨论），则可以确定混合过程的适当速度的上界和下界。因此，如果检测到磁体并且由此叶轮以预定的设定边界之外的速度旋转，则可以采取动作（例如，调整旋转装置/轴的速度，停止混合过程等）。

不仅垂直自由度对叶轮而言很重要，而且旋转转矩也是混合过程的关键组成部分。本文讨论了关于转矩的各种实施例。尽管实施例可以将本文讨论的磁系统用于叶轮附接，但本文大体讨论两种主要类型的转矩传递：（1）磁转矩和（2）机械转矩。

因此，一个实施例涉及磁转矩传送系统。该系统可以包括两个径向磁化的磁体（例如，附接到马达轴的一个磁体以及附接到叶轮轴的一个磁体）。这些的非限制性说明性示例在附图中示出，例如，图1示出了磁转矩传送。

如图1中所示，叶轮101包括混合器端部102和第一附接端部103。在一些实施例中，第一附接端部103包括径向磁化的第一构件（例如，磁性物质）104。径向磁化可以允许第一构件104用作磁化构件。在一些实施例中，叶轮101经由第一构件104连接到马达106。马达（即搅拌装置）106包括旋转轴107，旋转轴107具有第二附接端部108，第二附接端部108包括径向磁化的第二构件105。径向磁化可以允许第二构件105也用作磁化构件。第一构件104和第二构件105可以经由磁场联接，使得第一附接端部103和第二附接端部108牢固地连接。在一个实施例中，磁场的强度可以是足够弱的，使得第一构件104和第二构件105可以在不使用工具（即通过手）的情况下分离。在一些实施例中，马达（即搅拌装置）经由第一构件104与第二构件105之间的磁场将旋转转矩施加到叶轮101并从而将旋转转矩施加到叶轮混合器端部102上。在一个或多个附加的实施例中，第一构件104和/或第二构件105可能以非铁磁材料（未示出）进行涂覆或覆盖。使用非铁磁材料的涂覆或覆盖可以允许第一构件104和/或第二构件105用作非磁化的铁磁构件。当移除或替换叶轮时，非铁磁材料可以有助于保护第一构件104和/或第二构件105免于碎裂或损坏。附加地，非铁磁材料可以帮助控制第一构件104与第二构件105之间的磁场。

图2a和图2b示出了机械转矩传送。在一个非限制性示例中，叶轮可以包括放置在马达203的机械传动系202上方的外部壳体201。在该具体的非限制性示例中，并且如图2b中所示，马达203的传动系202被吸引到叶轮204的一部分。如本文中所讨论的，这可以通过使用一个或多个磁性物体（例如，202和204）来完成以使叶轮203和传动系202彼此吸引。然而，叶轮的实际旋转是经由机械转矩产生的。例如，外部壳体201可以具有内腔，所述内腔具有设计成对应于传动系的几何形状（例如，六边形）。

图3a和图3b示出了将机械转矩施加到叶轮上的替代性实施例。在该具体的非限制性示例中，传动系301和叶轮302以与本文中所讨论的那些类似的方式彼此吸引。吸引力致使与马达（未示出）相关联的第一壳体303和与叶轮相关联的第二壳体303互锁。如图3a中所示，第一壳体303和第二壳体303具有四个突起，该四个突起设计成彼此互补并形成能够将转矩从传动系301施加到叶轮302的连接。

参考图4，示出了包括机械转矩的另一个实施例。在该非限制性实施例中，传动系401吸引到叶轮403的六边形部分402。如所示，部分402绘制在马达405的壳体404内。如所示，在一些实施例中，壳体404可以具有六边形凹部，所述六边形凹部配置成接收六边形部分402，从而允许马达经由壳体404将旋转转矩施加到叶轮403。应当理解的是，第一构件和第二构件的六边形形状仅是允许机械转矩的多种可能形状中的一种，并且在替代性实施例中可以使用任何已知或可行的形状（例如，正方形、多边形、七边形、八边形等）。

关于磁转矩传送，在一个实施例中，当系统静止时，马达的北极与叶轮的南极对准。然后，当马达侧上的北极旋转（例如，系统打开或启动）时，叶轮侧上的南极将跟随，因为它们是径向磁性的。因此，实施例提供了使用具有以下的创新柔性联接设计的优点：微型尺寸、对于对准和磨损的不敏感性、易于用户替换和低成本。

在一个实施例中，当磁体用于施加转矩时，磁体可以具有多个侧面（例如，五边形、六边形、八边形、十边形等）。六边形配置允许叶轮以几乎任何旋转取向插入，而例如矩形可能仅允许以180度的增量插入。

在另一个实施例中，使用机械转矩传送。然而，尽管转矩是机械导出的，但实施例仍然可以利用一个或多个径向或轴向磁化的磁体和/或磁性材料（例如，放置在与包含磁体的部件相对的部件中）以联接叶轮和驱动轴（例如，锁定叶轮的垂直自由度）。

因此，实施例提供了一种系统，其中用于在诊断分析器中将样品与化学试剂混合的叶轮磁联接到马达以用于快速断开功能。实施例还可以将那些相同的磁体与霍尔效应传感器等结合使用以检测叶轮的存在和速度。另一实施例可以使用两个（2）径向磁性磁体以在叶轮与马达之间磁性地传送转矩。附加地或可替代地，实施例可以使用伴随有互锁机械键特征的径向或轴向磁化的磁体以在磁联接的同时机械地传送转矩。

除了前述改进之外，本文中描述的实施例的制造通常比当前解决方案更便宜。这是因为以下事实：在马达转子与叶轮组件之间实现了设计中的由特征所要求的准确度水平（例如，仅为了进入而要求用工具移除盖；过于难以组装；确保充分连接时具有更大风险）；并且柔性联接的唯一功能是传送转矩和感测。

然而，在一个实施例中，磁体允许通过施加比磁力的力更大力（例如，用户的抓握）来克服对垂直自由度的约束。一旦垂直度不受约束，叶轮就可以自由移除。可以在不使用工具的情况下容易地产生克服磁联接装置所需的力，从而分开第一构件和第二构件。这种简单性使得具有不同物理特性、知识和经验的各种人员有资格进行叶轮替换操作。该简单性允许在没有看到马达联接的情况下进行连接。附加地或可替代地，磁体中的一者或两者可以是电磁体，并且从而允许利用简单的开关轻弹和电源移除来移除叶轮。

由于混合器向仪器的整体功能带来的价值，通过提供客户可替换的解决方案来努力使客户停机时间最小化。这又节省了制造商资金，因为不需要支付费用以将维修技术人员外派给客户以用于对叶轮进行任何修理。在防止由于客户在这种情况下将会经历的停机时间挫折和货币生产力损失而引起的流失客户方面，它还节省资金。

混合透明小容器的内容物是流体系统的关键功能以确保获得最准确的化学结果。通常，混合在稀释透明小容器中进行，这确保初级样品与稀释剂充分混合。该混合也应当在反应透明小容器中进行，由此确保当前样品和试剂完全混合，从而允许适当的化学反应。

通常，如本文中所讨论的，中量临床化学（mvcc）系统使用旋转叶轮来混合透明小容器的内容物。叶轮的使用提供了相对简单且控制良好的混合方法。与其他接触混合技术一样，叶轮通常必须在测试之间进行清洗以最小化污染物携带。

在另一个实施例中，可以要求堆叠轴承作为组件的一部分以便实现由透明小容器侧壁与所需叶轮尺寸之间的紧密所得间隙驱动的总振摆（runout）规格（例如，0.3mm）。因此，在实施例中，由于轴承在无预载荷的情况下操作的事实，因此可以选择具有紧密径向游隙的轴承。使用ccd测微器来表征毂轴承孔直径对叶轮振摆的影响。由于当轴承孔直径超过控制极限时，叶轮振摆管理转移到联接部件的事实，在该测试期间要求毂的重新取向。图5描绘了在重新取向下的最大叶轮振摆的非限制性图形表示（n=50）。

在另一实施例中，包括客户可替换的解决方案。由于混合器向仪器的整体功能所带来的价值，通过提供客户可替换的解决方案来努力使客户停机时间最小化。实施例通过使用磁联接系统并且平衡充分联接所需的对应力与容易替换叶轮的需要来实现这一点。磁体的吸引力与取向友好形状（例如，六边形形状）相结合允许叶轮几乎完全地将其自身定位在紧密靠近联接之内。当臂位于清洗站上方时，必须进行安装和移除。

图6a-6b中示出了叶轮联接和替换的示例性示例。如所示，如本文中所讨论的叶轮601包括混合器端部602和第一附接端部603。在一些实施例中，第一附接端部603包括径向磁化的第一构件（例如，磁性物质）604。在一些实施例中，叶轮601经由第一构件604连接到马达606。马达（即搅拌装置）606包括旋转轴（未示出），其具有第二附接端部，第二附接端部包括径向磁化的第二构件607。在一些实施例中，马达（即搅拌装置）606经由第一构件与第二构件之间的磁场将旋转转矩施加到叶轮601并从而将旋转转矩施加到叶轮混合器端部602。

在一个或多个附加的实施例中，诸如图4和图6a-6d中所示的实施例，可以涉及转矩产生的机械装置。如所示，第一附接端部603的形状为六边形，并且如本文中所讨论的，壳体605可以包含互补腔以牢固地接收六边形的第一附接件。由于它们的互补形状，旋转转矩可以经由第一附接端部603和壳体605的互锁从马达606传递到叶轮601。在一些实施例中，并且如相对于图7进一步讨论的，本文讨论了一个或多个轴承608和旋转传感器609。

如图6a-6b的进展中所示，在一些实施例中，一个或多个轴承608可以附接到叶轮601。附加地，在一些实施例中，一个或多个轴承608可以限制叶轮601的水平移动、滚动移动和俯仰移动。附加地，如图6a-6b的进展中所示，叶轮601可以移除或释放并与第二构件607（例如，磁或机械转矩装置）分离。在一些实施例中，当移除叶轮时，叶轮可以落入或放置在清洗盆610中以进行清洁。

参考图7，实施例可以包括毂以允许叶轮701连接到马达组件702和壳体（即臂）703。在至少一个实施例中，毂704可以经由允许自定心功能的锥形配合与壳体配合。毂704还可以为本文中讨论的一个或多个轴承705和旋转传感器706提供壳体。在一些实施例中，一个或多个轴承705可以限制水平移动、滚动移动和俯仰移动。在一个实施例中，毂还可以提供叶轮可调整性。叶轮可以从约+0.01mm到约+1.5mm以及约-0.01mm到-1.5mm进行调整。类似于臂，在一个实施例中，由于材料的低成本和轻质量，毂也可以由塑料注塑成型构造。在另一实施例中，可以包括轴承孔（未示出）。轴承孔还可能需要二次加工操作以实现平衡客户替换能力与叶轮振摆控制所需的精度（例如，约1微米至约20微米的精度水平）。

在一个实施例中，壳体703上的特征可以包括：用于马达温度控制的通风设备708、用于传感器板滑动配合的由肋形成的狭槽、用于柔性电缆707布线和保护的肋、以及用于较大马达的附加安装孔（未示出）。在一个实施例中，柔性印刷电路板（pcb）（未示出）设计成将来自dcm的电力提供给混合步进马达和旋转传感器706（例如，霍尔效应传感器）。它设计为沿一个方向经历重复弯曲运动的柔性互连pcb。在一个实施例中，为了减小来自板的emc辐射的可能性，所有电气轨迹（步进马达电源和传感器线）可以夹在两个50%铜蚀刻的接地层之间，从而创建围绕轨迹的法拉第笼的吸收由pcb产生的大部分电磁场的特性。

图8a和图8b示出了潜在毂801的内部和封闭毂的壳体802。柔性pcb803可以在壳体内并附接到毂。附加地或可替代地，可以使用全铜屏蔽和银墨屏蔽（未示出）。附加地，如本文中进一步讨论的，壳体可以具有夹具804，所述夹具804用于锁定和/或控制毂在壳体内的取向。如相对于图10所讨论的，毂可以在壳体内旋转并且经由夹具804锁定就位。

返回参考图7，当存在旋转传感器706时，实施例可以能够检测叶轮701的存在和/或可以监测叶轮的速度。利用提供轴向（例如，图1的104和105）的相同磁体系统和邻近磁体放置的传感器（例如，霍尔效应传感器），实施例可以能够感测交替磁极。

在一些实施例中，所选择的传感器具有宽的磁灵敏度范围，从而提供传感器相对于磁体的位置灵活性，具有对外部磁影响的鲁棒性。在一些实施例中，可以在无需主要电气重新设计的情况下调整灵敏度。如图9中所示，表征在距离上的磁场强度确定了用于该配置的最佳传感器位置和操作窗口。在一些实施例中，每个叶轮可以包含在旋转时产生具有交替北极/南极的磁场的双轴向极化磁体，从而允许实施例监测叶轮的旋转速度。监测速度提供有关混合器性能的有价值信息。如果所请求的速度与所记录的实际速度不匹配，则其指示有关该机构的问题。在实施例中，如果马达和/或叶轮的旋转速度超过预定阈值，则可以禁用马达。可替代地，如果马达和/或叶轮的旋转速度下降到低于预定阈值，则可以禁用马达。在任一情况下，禁用马达可以禁用由马达施加的旋转转矩。可替代地，可以通过联接第一构件和第二构件的磁场的分离（其导致去耦）来禁用旋转转矩。

传感器可以响应于北极并对于控制混合器马达的数字控制模块（dcm）产生数字有效低电信号。相反，传感器在其感测南极时可以产生有效高信号。因此，当桨叶旋转时，一系列电脉冲由于交替场而产生并发送到dcm。dcm计数在混合期间低到高的数字转变的数量。该计数可以用于确定由混合器进行的总旋转数量。在混合后，dcm将转变计数发送到主机软件。主机软件进行检查以查看转变数量是否匹配预期值。如果计数等于零，则主机向用户发送不存在桨叶的错误。如果计数在零与预期值之间，则可能产生指示混合器中存在缺陷的不同错误。

在一个实施例中，旋转传感器可以使用标准晶体管-晶体管逻辑（ttl），其可以直接接口连接到dcm并且可以使用3vdc至24vdc（例如，5vdc）来进行操作。该传感器还可以具有各种磁灵敏度选择范围，从而在设计传感器相对于磁体的放置时允许更大的灵活性。

参考图10a-10c，在一些实施例中，马达（未示出）可以与毂中心偏心地坐置以易于叶轮1001的对准调整。这是可见的，因为叶轮1001将被要求定位在马达的中心轴线中，但不是毂的中心，如图10a-10c中所示。因此，一旦固定位置的夹具1002（即图8的804）松开，毂就能够旋转（即，如由图10b和图10c中的箭头所指示的）。由于马达与毂偏心地坐置，毂在壳体内的旋转导致叶轮1001在需要最佳精度的方向上的平移运动。

还可能导致一些径向移动。然而，由于该方向上的公差，效果可以忽略不计。存在齿轮齿（未示出）以提供精细的调整和分辨率。在一个实施例中，对叶轮的调整可以为从约0.01mm至约0.2mm。基于转动自由度，实施例可以能够确定叶轮的最大行进。通过非限制性示例，正或负26°的转动自由大体转换为沿x轴的正或负1.3mm。

尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但本发明不限于此。本领域技术人员将理解，可以对本发明的优选实施例进行许多改变和修改，并且可以在不脱离本发明的真实精神的情况下进行此改变和修改。因此旨在所附权利要求被解释为涵盖落入本发明的真实精神和范围内的所有此等同变化。