CN108348930A - 离心分离机 - Google Patents

Abstract

使用具有在以低速旋转时所要求的处理速度的加速度传感器和控制部，在以高速旋转时也能够精度较好地测定以转子平衡的不平衡为原因的加速度。本发明的离心分离机具备转子、使转子旋转的驱动源、使转子和驱动源结合的旋转轴、加速度传感器、控制部。加速度传感器输出表示与旋转轴的轴向垂直的两个不同方向的加速度的值。控制部根据表示两个不同方向的加速度的值求出与垂直于旋转轴的轴向的方向的加速度对应的值即加速度对应值，在该加速度对应值满足事先设定的表示加速度大的判定基准的情况下，使转子的旋转停止。

Description

离心分离机

技术领域

本发明涉及检测不平衡的状态并控制旋转的离心分离机。

背景技术

在配置有样品的状态的转子中，通常会产生包含了样品的转子整体的重心不在旋转轴上的状态。以下，将这样的状态称为平衡的不平衡。当该不平衡变得过大时，转子和旋转轴等过大地振动，从而成为离心分离机的故障的原因。而且，作为检测像这样的由不平衡导致的振动的技术，已知的是专利文献1等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2002－306989号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在现有技术中，能够利用加速度传感器测定的以转子平衡的不平衡为原因的加速度如下所示地依存于时间，频率为ω/2π

Rω²sinωt (1)

其中，R为振动的振幅(从原来的位置的偏差)，ω为旋转的角速度，t为时间(秒)。因此，根据取样定理，如果不以ω/π以上的频率对加速度进行取样的话，就无法正确地求出振动的振幅R。例如，在以12000Rpm旋转的情况下，需要以400Hz以上(2.5m秒以下的间隔)的取样。由此，对于可高速旋转的离心分离机用的加速度传感器，比起精度高，首先要求的是取样频率高，对于处理加速度传感器的输出的控制部，要求处理速度快。另一方面，从算式(1)可知，加速度与角速度的平方成比例，因此在角速度低时加速度非常小。因此，在角速度低时，难以获得充分的测定精度。而且，由于难以获得充分的测定精度，因此存在：即使实际上平衡的不平衡在容许范围内当角速度低时也会停止的错误动作的可能性、和直到角速度变高为止都无法检测超过容许范围的不平衡的可能性。

本发明的目的在于，能够与转子的旋转的速度无关地、精度良好地测定以转子平衡的不平衡为原因的加速度。

用于解决课题的技术方案

本发明的离心分离机具备：转子、使转子旋转的驱动源、使转子和驱动源结合的旋转轴、加速度传感器、控制部。加速度传感器输出表示与旋转轴的轴向垂直的两个不同方向的加速度的值。控制部根据表示两个不同方向的加速度的值求出与垂直于旋转轴的轴向的方向的加速度对应的值即加速度对应值，在该加速度对应值满足事先设定的表示加速度大的判定基准的情况下，使转子的旋转停止。

发明效果

根据本发明的离心分离机，即使不考虑取样频率，也能够求出与垂直于旋转轴的轴向的方向的加速度对应的值，因此能够优先测定精度地选定加速度传感器。由此，能够与转子的旋转的速度无关地、高精度地测定以不平衡为原因的加速度。

附图说明

图1是表示本发明的离心分离机的构成例的图。

图2是表示利用图1的A－A线切开时的驱动源120、旋转轴130、加速度传感器140、防振部160的图。

图3A是示出了驱动源120、旋转轴130、加速度传感器140、防振部160振动的情况的第一图。

图3B是示出了驱动源120、旋转轴130、加速度传感器140、防振部160振动的情况的第二图。

图3C是示出了驱动源120、旋转轴130、加速度传感器140、防振部160振动的情况的第三图。

图4是表示以1000Rpm使转子旋转并以5m秒间隔测定表示因振动而产生的加速度的值的例子的图。

图5是表示以12000Rpm使转子旋转并以5m秒间隔测定表示因振动而产生的加速度的值的例子的图。

图6是表示在以转子的平衡为容许范围的上限的不平衡的离心分离机中使角速度(转速)变化并求出加速度对应值进行制图时的图像的图。

图7是表示近似图6的线的二次曲线(bω²+cω+d)和向该二次曲线加上了补偿值的判定基准的例子的图。

图8是表示控制部150的处理流程的图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行详细的说明。需要说明的是，对具有相同功能的构成部赋予相同标记，并省略重复说明。

实施例1

在图1中示出实施例1的离心分离机的构成例。离心分离机100具备：壳体190、腔室192、开闭自如的腔室盖191、收纳在腔室192内的转子110、使转子110旋转的驱动源120、使转子110和驱动源120结合的旋转轴130、加速度传感器140、控制部150、防振部160。

图2是表示利用图1的A－A线切开时的驱动源120、旋转轴130、加速度传感器140、防振部160的图。图3A、图3B、图3C是示出了驱动源120、旋转轴130、加速度传感器140、防振部160振动的情况的图。图3A、图3B、图3C的利用虚线表示的位置为原来的位置，分别示出了向不同方向偏离的情况。

对于转子110，有存在收纳试管等的孔的类型、或将收纳放入样品的试管架的桶安装于转子110的类型等，不论转子110的类型都能够适用本发明，因此转子110的类型没有限定。防振部160起到使因转子110平衡的不平衡而产生的振动衰减的作用。例如，如图1、图2所示，可以由把持驱动源120的支承板161、一端固定于壳体190且另一端固定于支承板161的多个防振弹簧162构成。

加速度传感器140输出表示与旋转轴的轴向垂直的两个不同方向的加速度的值。例如，如图1、图2所示，将加速度传感器140安装在驱动源120的上表面即可。在实施例1中，两个方向互相垂直，将一方称作X轴方向，将另一方称作Y轴方向。而且，将旋转轴130的轴向设为Z轴方向。另外，将表示X轴方向的加速度的值设为a_X，将表示Y轴方向的加速度的值设为a_Y。需要说明的是，“表示加速度的值”不仅是与加速度一致的值，也包含与加速度成比例的值、以及像数字信号这样将与加速度成比例的值离散地表示的值。

从实施例1的加速度传感器140的输出即a_X、a_Y是表示相互正交的方向的加速度的值，因此在理论上，在能够用

a_Y＝Rω²sinωt (2)

来表示时，能够用

a_X＝Rω²sin(ωt±π/2)＝±Rω²cosωt (3)

来表示。需要说明的是，a_X的符号在a_X的相位比a_Y的相位提前π/2的情况下为正、滞后π/2的情况下为负。哪个相位提前取决于于X轴、Y轴的正方向的决定方式和旋转的方向。

在图4中，示出以1000Rpm使转子旋转并以5m秒间隔测定表示因振动而产生的加速度的值的例子。在该例子中，纵轴以加速度传感器的输出即数字信号的比特数来表示。该比特数相当于上述的“表示加速度的值”。需要说明的是，负的比特数是指表示符号的比特示为负时的比特数。由方块和三角表示的点为测定的点，虚线和双点划线是将测定的点连接的线。在该例中，表示X轴方向的加速度的值a_X的相位比表示Y轴方向的加速度的值a_Y的相位提前π/2。从图4可知表示加速度的值的振幅大约为160。该值是与算式(2)、算式(3)的Rω²对应的值。

在图5中，示出以12000Rpm使转子旋转并以5m秒间隔测定表示因振动而产生的加速度的值的例子。在该例中，纵轴设为加速度传感器的输出即数字信号的比特数的绝对值。另外，测定的点省略，仅示出将测定的点连接的线。在图5中，(a_X ²+a_Y ²)^1/2的值也由实线表示。在12000Rpm的旋转的情况下，如果不以2.5m秒以下的间隔来测定的话就无法再现因振动而产生的加速度，因此由虚线和双点划线表示的X轴方向的输出(表示X轴方向的加速度的值)的绝对值|a_X|和Y轴方向的输出(表示Y轴方向的加速度的值)的绝对值|a_Y|没有成为表示正弦波的绝对值的波形。因此，与算式(2)、算式(3)的Rω²对应的值难以仅通过表示加速度的值a_X、a_Y的一方来求出。另一方面，(a_X ²+a_Y ²)^1/2的值总是在800～1100的程度内变化，能够推定为近似于与算式(2)、算式(3)的Rω²对应的值。

从理论方面说明的话，从算式(2)、算式(3)得出以下：

(a_X ²+a_Y ²)^1/2＝Rω²(sin²ωt+(±cosωt)²)^1/2

＝Rω² (4)。

也就是说，使用表示与旋转轴垂直的平面上的正交的两个方向的加速度的值a_X、a_Y和算式(4)的话，在理论上能够求出与加速度Rω²对应的值。因此，即使不使取样频率变高、不使控制部150的处理速度变快，也能够求出与加速度Rω²对应的值。需要说明的是，“与加速度对应的值“是指去除时间t的成分的值，即使不与加速度成比例，只要是当加速度增加时单调递增或单调递减的值即可。关于其详细内容通过变形例2进行说明。

在图6中，示出在以转子的平衡为容许范围的上限的不平衡的离心分离机中使角速度(转速)变化并求出与加速度对应的值进行制图时的图像。横轴为角速度(转速)，纵轴为与加速度对应的值。图7表示近似图6的线的二次曲线(bω²+cω+d)和向该二次曲线加上了补偿值的判定基准的例子。以虚线表示近似曲线，以实线表示判定基准。表示判定基准的曲线的上侧为满足判定基准的区域。

在图8中示出控制部150的处理流程。控制部150获取表示两个不同方向的加速度的值(S10)。控制部150从表示两个不同方向的加速度的值求出与垂直于旋转轴130的轴向的方向的加速度对应的值即加速度对应值(S20)，确认该加速度对应值是否满足事先设定的表示加速度大的判定基准(S30)。在不满足判定基准的情况下，返回至步骤S10。在满足判定基准的情况下，使转子110的旋转停止(S40)。

更具体地，在实施例1中，控制部150事先记录常数b、c、d+补偿值。而且，控制部150获取表示两个不同方向的加速度的值a_X、a_Y(S10)，将(a_X ²+a_Y ²)^1/2作为加速度对应值(与垂直于旋转轴130的轴向的方向的加速度对应的值Rω²)来求出(S20)。将加速度对应值(a_X ²+a_Y ²)^1/2与判定基准bω²+cω+d+补偿值进行比较(S30)，当加速度对应值超过了判定基准时，使转子110的旋转停止(S40)。

根据实施例1的离心分离机100，不需要遵循取样定理来设定加速度传感器140的取样频率，因此能够设定低的频率。因此，在选定加速度传感器140时，比起能够以高频率来取样，能够更重视精度地进行选定。因此，能够与转子的旋转的速度无关地、精度良好地测定以转子平衡的不平衡为原因的加速度。另外，在确定判定基准时，考虑因测定精度低而产生的错误动作的必要性低。而且，不需要使控制部150的处理为高速，因此易于使用便宜的CPU等。

[变形例1]

在实施例1中将两个不同方向设为互相垂直的X轴方向和Y轴方向。在本发明中，像实施例1这样将两个不同方向设为垂直被认为是所希望的，但在本变形例中对一般化的例子进行说明。离心分离机的结构与图1、图2相同。

将加速度传感器140输出的表示两个不同方向的加速度的值分别设为a₁、a₂，将值a₁设为比表示X轴方向的加速度的值a_X滞后相位θ₁，将值a₂设为比表示X轴方向的加速度的值a_X滞后相位θ₂。此处，将表示X轴方向的加速度的值a_X设为Rω²cosωt，将表示Y轴方向的加速度的值a_Y设为Rω²sinωt。此时，a₁、a₂能够通过以下算式表示。

a₁＝Rω²cos(ωt－θ₁)

＝Rω²(cosωt·cosθ₁+sinωt·sinθ₁) (5)

a₂＝Rω²cos(ωt－θ₂)

＝Rω²(cosωt·cosθ₂+sinωt·sinθ₂) (6)

a_X、a_Y能够根据算式(5)、算式(6)像以下这样求出。

a_X＝－(a₁sinθ₂－a₂sinθ₁)/sin(θ₁－θ₂) (7)

a_Y＝(a₁cosθ₂－a₂cosθ₁)/sin(θ₁－θ₂) (8)

像这样，若根据值a₁、a₂求出表示X轴方向和Y轴方向的加速度的值a_X、a_Y，则之后的控制部150的处理就能够与实施例1相同。或者，即使不求出值a_X、a_Y本身，也可以像以下这样求出(a_X ²+a_Y ²)^1/2：

(a_X ²+a_Y ²)^1/2

＝((a₁sinθ₂－a₂sinθ₁)²

+(a₁cosθ₂－a₂cosθ₁)²)^1/2/|sin(θ₁－θ₂)| (9)。

也就是说，加速度传感器140只要能够输出至少表示与旋转轴130的轴向垂直的两个不同方向的加速度的值即可。但是，在“不同方向”中，不包括平行且朝向相反的方向。

像这样，即使在表示两个不同方向的加速度的值不为a_X、a_Y的情况下，控制部150也能够根据值a₁和值a₂求出基于a_X ²+a_Y ²的值。因此，在变形例1的情况下也能够获得与实施例1相同的效果。

[变形例2]

在本变形例中，对求出表示与旋转轴130的轴向垂直且相互正交的两个方向的加速度的值a_X、a_Y以后的加速度对应值(与垂直于旋转轴130的轴向的方向的加速度对应的值)和判定基准的变形例进行说明。离心分离机的结构与图1、图2相同。

在算式(4)中，使用

sin²ωt+(±cosωt)²＝1 (10)

的性质来去除时间t，因此即便是低取样频率在高速旋转时也能够求出与加速度对应的值。因此，即使不将加速度对应值设为(a_X ²+a_Y ²)^1/2，只要设为基于a_X ²+a_Y ²的值，就能够使其为决绝于时间t的值。“基于a_X ²+a_Y ²的值”包括a_X ²+a_Y ²本身、a_X ²+a_Y ²的1/2次幂的值、a_X ²+a_Y ²的常数倍等，但不限定于这些。

例如在将a_X ²+a_Y ²作为加速度对应值的情况下，

a_X ²+a_Y ²＝R²ω⁴ (11)，

因此，例如，控制部150设定四次曲线(bω⁴+cω²+d或bω⁴+cω³+dω²+eω+f)和向该四次曲线加上了补偿值的判定基准，当加速度对应值超过了判定基准时，使转子110的旋转停止即可。将加速度对应值设为a_X ²+a_Y ²本身的话，与实施例1相比不进行1/2次幂的计算，因此控制部150的处理变得简单。另外，即使不将判定基准设为曲线，也可以将角速度的范围分割为多个，将对每个角速度的范围设定的阈值作为判定基准。

另外，例如在将a_X ²+a_Y ²的1/4次幂的值作为加速度对应值的情况下，

(a_X ²+a_Y ²)^1/4＝R^1/2ω (12)，

因此，例如，也可以是控制部150设定直线(bω+d)和向该直线加上了补偿值的判定基准，当加速度对应值超过了判定基准时，使转子110的旋转停止。在该情况下，能够使判断基准简单。

像这样，“与加速度对应的值”是去除了时间t的成分的值，只要是在加速度增加时单调递增或单调递减的值即可。而且，只要将加速度对应值设为基于a_X ²+a_Y ²的值，就能够获得与实施例1同样的效果。但是，存在像上述这样通过将基于a_X ²+a_Y ²的值设为何种值，而能够获得减少计算量的效果或能够将判断基准简单化的效果等的情况。

附图标记说明

100 离心分离机

110 转子

120 驱动源

130 旋转轴

140 加速度传感器

150 控制部

160 防振部

161 支承板

162 防振弹簧

190 壳体

191 腔室盖

192 腔室

Claims (6)

1.一种离心分离机，其具备转子、使所述转子旋转的驱动源、使所述转子和所述驱动源结合的旋转轴，所述离心分离机的特征在于，具备：

加速度传感器，其输出表示与所述旋转轴的轴向垂直的两个不同方向的加速度的值；

控制部，其根据表示所述两个不同方向的加速度的值求出与垂直于所述旋转轴的轴向的方向的加速度对应的值即加速度对应值，在该加速度对应值满足事先设定的表示加速度大的判定基准的情况下，使所述转子的旋转停止。

2.如权利要求1所述的离心分离机，其特征在于，

将表示所述两个不同方向的加速度的值分别设为a₁、a₂，

将表示与所述旋转轴的轴向垂直且相互正交的两个方向的加速度的值分别设为a_X、a_Y，

所述控制部根据值a₁和值a₂，以使所述加速度对应值为基于

a_X ²+a_Y ²

的值的方式，求出所述加速度对应值。

3.如权利要求1所述的离心分离机，其特征在于，

所述两个不同方向为相互垂直的方向。

4.如权利要求3所述的离心分离机，其特征在于，

在将表示所述两个不同方向的加速度的值分别设为a_X、a_Y时，将所述加速度对应值设为基于

a_X ²+a_Y ²

的值。

5.如权利要求2或4所述的离心分离机，其特征在于，

将所述加速度对应值设为与

(a_X ²+a_Y ²)^1/2

成比例的值。

6.如权利要求5所述的离心分离机，其特征在于，

在所述加速度对应值超过了通过所述旋转轴的角速度的二次函数来表现的基准时，判定为满足所述判定基准。