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Des moteurs C.C. entraînent des spectrophotomètres
Équipement médical et de laboratoire
Des moteurs C.C. entraînent des spectrophotomètres
Les scientifiques qui travaillent en génomique et en protéomique ont besoin de résultats sur simple pression d'un bouton pour pouvoir se consacrer à leur véritable travail : la découverte de médicaments, les diagnostics avancés et la compréhension de la vie. Lorsque DeNovix a entrepris de mettre au point un spectrophotomètre pour l'analyse des sciences de la vie, l'entreprise s'est attachée à concevoir un instrument rapide, simple et infaillible, capable d'obtenir des résultats précis et reproductibles en quelques secondes. Grâce aux petits moteurs C.C. de FAULHABER, le DS-11 règle automatiquement les paramètres de mesure optimaux pour des échantillons de volume même faible (0,5 µl), ce qui permet aux utilisateurs de saisir des ensembles de données de qualité à chaque fois.
En spectrophotométrie, la quantité et la longueur d'onde de la lumière absorbée par un échantillon révèlent le type et la concentration des molécules présentes. Les spectrophotomètres de microvolume tels que le DS-11 permettent aux chercheurs d'obtenir des résultats rapides et précis, d'utiliser des échantillons en quantité minimale et de répondre plus rapidement aux questions posées dans le domaine de recherche concerné.
Pour une mesure optimale de l'absorbance, la longueur du chemin optique (OPL) doit être mise à l'échelle en fonction de la taille et des caractéristiques de chaque échantillon. Malheureusement, les facteurs de conversion généralement utilisés dans ces calculs supposent une OPL de 10 mm. Par conséquent, l'OPL doit être ajustée pour chaque échantillon et chaque mesure, puis mise à l'échelle pour fournir la valeur réelle. Plus l'OPL est précise et reproductible, plus les résultats de l'analyse sont précis. L'innovation clé du DS-11 est la technologie SmartPath de DeNovix, qui optimise automatiquement l'OPL pour garantir des résultats fiables et utilisables.
Efficacité de la conception
Dès le début, l'équipe de DeNovix a conçu le DS-11 pour une utilisation facile. L'instrument dispose d'un système d'exploitation Android pour un fonctionnement tactile et une analyse sans PC supplémentaire. Il est composé d'une base de 20 x 33 cm avec des supports d'échantillon disponibles pour les modes microvolume et cuvette. Dans la conception pour microvolume, une fibre optique transporte le signal d'une lampe au xénon dans la base de l'instrument vers l'extrémité du support d'échantillon.
Pendant une mesure, l'utilisateur abaisse un bras articulé de mesure qui met un câble à fibres optiques en contact avec l'échantillon. Au toucher de l'écran, l'algorithme d'analyse démarre, la position du support étant continuellement ajustée tout au long d'une période d'acquisition de données.
L'énergie électromagnétique (190 à 840 nm) passe par des fibres et des jonctions optiques et se propage ainsi jusqu'au spectromètre, où un détecteur CCD linéaire de 2 048 pixels lit les comptes pour analyse.
La technologie SmartPath utilise une mesure initiale de l'absorbance pour ajuster la position du support d'échantillon afin d'optimiser l'OPL. Le système est basé sur des algorithmes sophistiqués, mais pour fonctionner efficacement, ils nécessitent un système de positionnement opto-mécanique en boucle fermée précis et capable d'itérations multiples en quelques secondes. Comme si cela ne suffisait pas, l'équipe de DeNovix s'est fixé un calendrier ambitieux pour le développement du produit. Elle avait besoin d'une ingénierie innovante, mais aussi d'une conception efficace.
Une première étape a consisté à simplifier le processus de conception en assouplissant les contraintes. Au lieu d'essayer d'optimiser l'OPL en trois dimensions, les développeurs se sont concentrés sur le positionnement du support d'échantillon le long de l'axe z tout en le laissant « flotter » dans les autres dimensions. Cela a permis de supprimer des composants dans l'instrument final, réduisant ainsi le coût, le temps d'intégration et les points de défaillance.
Pour le positionnement sur l'axe z, la conception entraîne une vis à filetage fin à l'aide d'un servomoteur fonctionnant avec une rétroaction en boucle fermée. Un réducteur planétaire introduit un rapport de réduction de sorte qu'une rotation du moteur correspond à une fraction de rotation de la vis. Un codeur magnétique haute résolution fournit une rétroaction qui permet au système d'itérer l'algorithme SmartPath et de déterminer l'OPL optimale.
Choisir un moteur
L'équipe de DeNovix avait besoin d'une solution de mouvement qui ferait le travail de manière fiable et économique tout en lui permettant de se concentrer sur sa proposition de valeur fondamentale, le spectrophotomètre, et sur la mise sur le marché de son produit le plus rapidement possible. L'application exigeait des mouvements intermittents, courts et rapides, avec une précision de l'ordre du micron. Après des recherches et des tests, elle a choisi un module comprenant un moteur C.C. à balais sans noyau, un codeur et un réducteur planétaire entièrement en plastique, produit par FAULHABER.
Le moteur à balais a considérablement simplifié le processus de conception et d'intégration. Un servomoteur sans balais standard aurait été plus compliqué. Il aurait eu besoin de huit connexions : trois pour les phases électriques, trois pour les capteurs à effet Hall et deux pour l'alimentation de l'électronique. En revanche, un moteur à balais ne nécessite que deux points de connexion, ce qui rend le schéma d'entraînement, l'assemblage et le système global plus simples.
« L'utilisation d'un moteur C.C à balais a vraiment simplifié notre conception, explique Dave Ward, responsable de l'ingénierie chez DeNovix. Mais cela signifiait également que nous avions des capacités de freinage conventionnelles. Nous voulions le meilleur des deux approches. Un système passif était stable pendant qu'il prenait des mesures et nous a permis de développer un algorithme de freinage actif. Cette combinaison nous a donné ce dont l'instrument avait besoin : un mouvement rapide, reproductible et précis.
De nombreux concepteurs partent du principe qu'un moteur sans balais offre les meilleures performances, ce qui en fait leur premier choix. Mais ce n'est pas toujours la solution idéale. Il est vrai qu'un moteur à balais tombera probablement en panne à cause de l'usure entre les balais et le collecteur, mais c'est une question de temps. Les moteurs C.C. sans noyau et de faible inductance peuvent fonctionner plusieurs milliers d'heures, bien au-delà de ce dont la plupart des applications auront jamais besoin. De par l'intermittence des mouvements DS-11, le cycle en fonctionnement du système de mouvement est court, si bien qu'un moteur C.C. à balais peut être la solution au problème.
Le choix du moteur a également aidé l'équipe à atteindre un autre objectif de conception : la vitesse de fonctionnement. Les ajustements individuels par rapport à la position sur l'axe z du support d'échantillon prennent 0,25 à 0,5 seconde, pour un temps total d'acquisition de données inférieur à 4 secondes. En choisissant un moteur sans noyau, l'équipe DeNovix a minimisé l'inertie, permettant à l'axe de mouvement de se positionner rapidement et de manière fiable, sans dépassement ni bourdonnement. « C'est là que le moteur entre en jeu, explique Kevin Kelley, directeur commercial chez DeNovix. Le système prend beaucoup de décisions en temps réel et la vitesse de réaction du moteur lui permet de contrôler précisément la longueur du trajet, qui est la partie la plus critique de l'appareil. »
Modules intégrés
Une fois que l'équipe a déterminé ce qu'elle voulait, la question suivante était de savoir comment l'obtenir. Elle a commencé avec des composants en vente libre et a reporté une partie du problème sur son fournisseur en choisissant un motoréducteur complet et pré-intégré de FAULHABER qui est livré prêt à être installé. « Le plus grand défi était d'essayer de mettre le produit sur le marché le plus rapidement possible, le fait que plusieurs prototypes de moteurs étaient disponibles pour une évaluation rapide a facilité cette partie du projet, ajoute Kelley. Pour simplifier le montage, au stade du prototype, le fabricant des moteurs a usiné des méplats sur l'arbre du réducteur. Maintenant que l'instrument a atteint la production de série, les méplats sont usinés chez DeNovix.
En achetant le module de mouvement, DeNovix peut se concentrer sur l'optique. La conception du mouvement nous revient. Cela permet également d'uniformiser la fabrication, tout en éliminant le risque d'endommager les composants du mouvement pendant l'intégration. « Nous ne voulions pas construire l'appareil pièce par pièce, explique M. Ward, le bloc intégré était donc important. »
Grâce à la technologie SmartPath entraînée par un mouvement de précision, le DS-11 peut mesurer des échantillons à des OPL de 0,03 mm déjà. Cela correspond à 500 unités d'absorbance pour une OPL standard équivalente de 10 mm, ce qui représente une concentration de protéine ASB de 750 mg/ml ou une concentration d'ADNdb de 25 000 ng/µl. Alimenté par le système de mouvement fiable, l'instrument fait preuve d'une répétabilité supérieure à 1%.
Le système a réussi des tests permanents rigoureux. Jusqu'à présent, DeNovix n'a eu aucun rapport de panne de moteur sur le terrain, un fait qu'ils attribuent en partie à la performance du module de contrôle du mouvement.
