JP4352844B2

JP4352844B2 - 遠心機

Info

Publication number: JP4352844B2
Application number: JP2003350561A
Authority: JP
Inventors: 隆寛清水; 佳能二井内; 昭二楠元; 廣之高橋
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: CN1605393A; JP2005111402A; US7255669B2; DE102004049100A1; US20050079064A1; DE102004049100B4; CN100333837C

Description

本発明は遠心機に関し、特に分離する試料の不釣り合いの検出を行う遠心機に関する。

遠心機は、一般に駆動装置の一部である動力発生部(一般的には電気モータ)で得られる回転トルクを、回転軸を介して回転体に伝達し、回転させる。この種の遠心機に用いられる回転体には、試料を挿入する試験管穴を複数有し、その穴の角度が一定のアングルロータや、複数の試験管が装着でき、アームに回動可能に支持された容器(バケットと称す)が回転と共に揺動するスイングロータ、試験管を水平にした状態でロータに装着するホリゾンタルロータなど、いくつかの種類があり、分離する試料の種類や量などによって、使い分けされている。

通常、上記した回転体の中から目的にあった回転体を選択し、試料を注入した試験管などの容器を回転体に挿入して回転させ、発生する遠心力で試料を分離したり、あるいは遠心力を利用して試験管壁面に付着した液滴などをふるい落としたりするために使われるが、使用者が用意した試料を使用者自身が挿入するため、製造者側は厳密なバランス合わせを期待することができない。

一例をあげると、近年の病気診断などで広く行われている血液検査は、患者から真空採血管を使用して採血される場合が多いが、採血量は患者や採血者によって違いが生じ、量、重さの異なる採血管を回転体に装着することになり、遠心機使用者がバランスに配慮しても、結果として不釣り合いの状態で運転されることが多い。そのため、製造者は許容できる不釣り合い量が多く、不釣り合いに強い装置の開発に心掛けており、一定の不釣り合いは許容できるよう設計されている。

それでも不釣り合いの量が一定量を超えると、回転上昇とともに大きくなる不釣り合い力により、回転軸を支承している軸受に悪影響を与え、回転軸を曲げるなどの不都合を引き起こす恐れがある。さらに、使用者が試料の量を誤ったり、挿入する試験管穴を誤ったりして、許容以上の不釣り合い状態になる場合も否めないため、一般的な遠心機には振動あるいは振幅を検出するセンサを設け、許容以上の不釣り合い状態で運転された場合は、これを検出し、装置に異常を来す前に回転体の回転を停止させるように工夫されている。

このセンサの一種に加速度センサがあり、この種の遠心機の駆動装置に取り付けて回転体の不釣り合いによる振れ回りを加速度で測定し、許容値を越えた不釣り合いによる振動や操作ミスによる異常振動（例えばロータを回転軸にしっかりと固定し忘れると、自励振動が発生する遠心機がある）の検出に使われ始めてきた。しかし、加速度センサで得られる出力は加速度であり、
α＝−Ａω^２ｓｉｎωｔ（α：加速度、Ａ：振幅、ω：回転角速度）
であることから、低速域（ωが小さい）でのふれ回りでは出力が小さく、振動を検出するための閾値を設けることが困難であるという問題があった。

このような欠点に対処するため、加速度センサの出力信号を増幅するための増幅回路を設け、回転速度に応じて増幅率を変えるという技術が発明された。
特開２００２−３０６９８９号公報

該公報記載の発明により低速域の出力を増幅することができるようになったことから、低速域にある共振点（Nc）近傍での検出が可能となり、さらには回転体の種類によって不釣り合いを検出する閾値を変えるなどの工夫もできることから、広くこの種の遠心機に採用され始めている。この方法により、設計上の許容値を越えた不釣り合いを簡単な構成で精度良く検出できるようになった。

しかし、該公報記載の発明においては、余りにも過大な不釣り合いの状態で運転された場合、上記した場合と異なり、検出が困難であるという問題がある。一例を上げると、日立工機（株）が製造しているＴ３Ｓ６形スイングロータは十字の形状をしていてバケットが４個掛かり、最高回転速度が3,000rpmの回転体であり、許容できる設計上の不釣り合い量は使用する遠心機によっても異なるが、対称バケット間でおおよそ20〜30グラムの違いまでとなっている。したがって、加速度センサを用いて上記したような方法で検出すれば、30〜40グラム位の不釣り合いを検出できる精度があり、さらに試験管を一本入れ忘れた場合（この場合では、多くて数十グラムから百数十グラム）でもこれを検出して、異常を示すアラームを遠心機の表示部に表示させ、回転体を停止させることが可能である。

これに対して、重さが試料を含めると900グラム以上にもなるバケットを装着し忘れた場合は、数十rpmから百数十rpmという極低速域ですでに過大に振れ回ることになる。上述したように、加速度は回転角速度の二乗に比例するので、極低速域では加速度センサの信号が弱く、これを増幅したとしても検出することは困難であるため、極低速域を脱して数百rpm程度になって初めて検知することができるようになるが、この時、すでにバケット等が過大に振れ回り破損等の傷害が発生するという問題があった。

そこで、本発明は、振動検出の局部的な欠点を補い、障害が発生する前に回転体を停止させることができる遠心機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、回転体と、ダンパを介してフレームに支持され、該回転体を回転駆動するモータを収納する駆動装置と、該駆動装置に取付けられて該駆動装置の振動を検出し、振動が所定値以上の時に出力する加速度センサと、該加速度センサの出力により該駆動装置を制御する制御装置と、を備え、該駆動装置の振動が所定の振幅以上になり該駆動装置の一部が該フレームの一部に接触したことを該加速度センサにより検出して制御装置を介し該駆動装置を制御する遠心機を提供している。

また上記目的を達成するために、本発明は、回転体と、ダンパを介してフレームに支持され、該回転体を回転駆動するモータを収納する駆動装置と、該駆動装置に取付けられて該駆動装置の振動を検出し、振動が所定値以上の時に出力する加速度センサと、該フレームに取り付けられて該フレームの衝撃を検出する感震器と、該加速度センサの出力及び該感震器の検出結果により該駆動装置を制御する制御装置と、を備え、該駆動装置の振動が所定の振幅以上になり該駆動装置の一部が該フレームの一部に接触したことを該加速度センサにより検出し、または該駆動装置の一部が該フレームの一部に接触したことを該感震器により検出して該制御装置を介し該駆動装置を制御する遠心機を提供している。

請求項１記載の遠心機によれば、駆動装置の振動が一定値の振幅以上になった場合に該駆動装置の一部がフレームの一部に接触するように配置されているため、駆動装置に支持された回転体の重心位置ずれ等に起因する異常回転に基づく振動が発生することにより一定値の振幅以上を示した場合に、駆動装置の一部がフレームの一部に接触し、駆動装置に衝撃が発生する。この衝撃を加速度センサで検出し、この信号に基づき制御装置で駆動装置の運転を制御する事が可能となる。

請求項２記載の遠心機によれば、駆動装置の振動が一定値の振幅以上になった場合に該駆動装置の一部がフレームの一部に接触するように配置されているため、駆動装置に支持された回転体の重心位置ずれ等に起因する異常回転に基づく振動が発生することにより一定値の振幅以上を示した場合に、駆動装置の一部がフレームの一部に接触し、駆動装置に衝撃が発生する。この衝撃を加速度センサ及び感震器で検出し、この信号に基づき制御装置で駆動装置の運転を制御する事が可能となる。この感震器は、一般にファンヒータ等に使用されるものであるため、部品単価が安価なものであり、かつ高精度に衝撃を検出することができる。

本発明の第１の実施の形態による遠心機について図１乃至図７を参照しながら説明する。図１に本発明に係る遠心機１の断面図を示す。図１において、フレーム６は、板材等を曲げ加工等して略箱形形状に形成されており、その上方には内部が回転室１７となるチャンバ１６が設置されている。このチャンバ１６は、その周囲に遮音材及び断熱材として構成されるウレタンフォーム等が充填されている。また、チャンバ１６は、その中央部分にフレーム６に設けられているリング１４に対応する貫通孔が穿設され、この貫通孔がリング１４の外周に嵌め込まれて固定される。この時にチャンバ１６はその設置個所に該ウレタンフォーム等を充填することにより、フレーム６と一体となっているものであるが、ネジ等を用いてフレーム６と一体として形成し、固定してもよい。駆動装置２は振動を絶縁するようスプリング（図示せず）が仕込まれたダンパ５を介してフレーム６の一部にその回転軸７がリング１４内周の孔２０より突出するように支持されており、ダンパ５の伸び縮みにより減衰が得られるようになっている。駆動装置２の駆動源である誘導モータ３より突出した回転軸７の上端部にはスイングロータ８の構成部品である十字形状をしたロータボディ１０が装着されており、ロータボディ１０の腕部の間にはバケット９がロータボディ１０に設けられたピン１１に引掛されており、回転を開始するとピン１１を軸として重力方向から遠心方向に回動する（図１では遠心方向に向いている状態を示している）。また、バケット９には、図４にしめすように、プラスチック製で複数の穴を有する試験管保持用のラック１３が装着されており、ラック１３の穴に試料を注入した試験管１２を挿入して回転させ、遠心分離する。

駆動装置２の下部には検出装置として加速度センサ４が取り付けられており、駆動装置２の動きによって最大５Ｖの電圧が出力される回路構成となっている。この加速度センサ４より出力された信号は、接続された制御装置１８で検出され、この制御装置１８でこの信号に基づき、遠心機１の回転制御を行う。また、この制御装置１８は警報機１９に接続され、遠心機１の異常を、音若しくは光等により使用者に知らせる様になっている。また、図１及び、図２、図３に示すように、フレーム６の中央部に、リング１４がフレーム６に溶接されて設けられ、そのリング１４の内周である孔２０にはプラスチックで製作された緩衝リング１５が設置されている。そして、駆動装置２がこの緩衝リング１５に相対し所定の隙間ａを形成して設置されている。

以上の構成により形成される遠心機１について、スイングロータ８に不釣り合いが発生した場合の制御について説明する。一般に、高速側で安定した回転を得ることが主な機能である遠心機は回転軸を細くして、回転軸の曲げの固有振動数を下げて共振点（Nc）を低速側に移し、共振点を越えた高速側では自動調心作用を利用して安定回転を達成している。この回転軸の曲げの共振点は数百rpmから千数百rpmとなっている場合が多い。

一方、低速側で多量の試料を分離することが主な機能の遠心機は、使用できる回転速度域より高速側に回転軸の曲げの固有振動数を持つよう回転軸を太くし、操作性、耐久性を向上させてある。ただし、この場合、回転軸の剛性が高いことから、回転体に生じる不釣り合い力は軸受を介して直接駆動装置に伝わり、さらに遠心機のフレームに伝わって、フレームを大きく振動させることになる。これを防止するため、この種の遠心機ではフレームと駆動装置を減衰効果を持たせたダンパ等で支持し、フレームに振動が伝わらないよう、振動絶縁を図っている。そのため、駆動装置と支持部のダンパによるダンパ−質点系での共振現象が避けられず、減衰部材による減衰効果はあるが、完全には共振現象を取り除くことはできない。よって、支持部による共振が上記した細い回転軸系の場合と同様に、数百rpmから千数百rpmで発生する場合が多く、この共振点近傍で加速度センサにより不釣り合いが検出されることになる。即ち、遠心機においては、回転軸の径の大小に関わらず、その回転数が数百rpmから千数百rpmで共振点を有することになる。

よって、第１の実施の形態における遠心機１においても、通常発生し得る不釣り合いについてはこの共振点近傍である数百rpmから千数百rpmにおける加速度センサ４より出力される信号に基づいて、その不釣り合いを検出し、停止するなどの防御手段をとる。具体的には、試験管１２（例えば５０ｍｌ容量の培養管）がラック１３に７本装着できるスイングロータ８で、使用者は分離したい試料（例えば血液や大腸菌などの培養液等）を複数の試験管１２に分けて注入し、注入した試験管１２をラック１３の穴に挿入する。この時、正確にバランスが取られた状態で試験管が対称位置にあるバケット９のラック１３に挿入されることが期待できない。そのため加速度センサ４で駆動装置２の振動を見張っておき、あらかじめ定められた閾値を越えると不釣り合い運転とし、遠心機の警告部にアラームを点灯させると共に、スイングロータ８を停止させ、故障を未然に防止するようになっている。

この時の回転速度と加速度センサ４の出力の関係は図６に示すグラフのようになり、釣り合い状態であれば実線のような出力となって予め実験等により定められた不釣り合い検出閾値以下となり、問題なく運転できる。一方、許容外の不釣り合い時は不釣り合いによる振動が増加するため、図６の破線のような出力となり、駆動装置２の質量とダンパ５のバネに起因する共振点（Nc）近くのP１点で閾値を越え、不釣り合いと検出される。万一、共振点近傍で閾値を越えず、そのまま加速していっても、高速側で閾値を越える（Ph点）と、同様に不釣り合いと検出できる。なお、当然ながら閾値以下であれば装置に悪影響を及ぼさないように不釣り合い検出閾値そのものが定めてある。

以上は試験管１２内の試料の容量差や、対称位置にあるバケット９間で試験管１２の数の不一致により生じる不釣り合い時の挙動についてであり、不釣り合い量が多くてもおおよそ共振点近傍で検出でき、装置への影響もほとんどない。しかし、図３、図４に示したように本来ならば４個あるバケット９の内、１個（または非対称に２個）を装着せずに運転させた場合では、余りにも不釣り合い量が大きいため、数十rpm〜百数十rpm程度の極低速でも駆動装置２が激しく振動する。即ち、余りにも過大な不釣り合いの場合は、加速度センサ４の出力が増幅器等を用いても検出することが難しい極低速域ですでに過大な振れ回りを起こすことになる。

従来の制御では、加速度センサの出力は回転速度が極低速領域では、たとえ増幅しても出力の増加はわずかである。よって、図６に示す一点鎖線である過大な不釣り合い状態では、さらに回転速度が上がり、Ｐ２’の回転数で初めて検出できる領域である不釣り合い検出閾値に達するが、この時にはすでに回転軸が曲がったり、回転体が遠心機の回転室内面に接触するなど、装置に障害を与えてしまう。即ち、不釣り合い検出閾値Ｐ２’に達する前の極低速域では、操作ミス等を検出して障害が発生する前に停止させることができず、上述の従来の制御では検出までに装置に損傷を与えてしまう恐れがある。よって、この過大な不釣り合いの場合については、以下の制御により対応する。

この過大な不釣り合いの場合では、その過大な振れ回りのため、図３に示すように、極低速域で駆動装置２の一部と緩衝リング１５が接触する。この接触による衝撃で加速度センサ４の出力は図６に示す二点鎖線のように急激に増加する。この急激な増加により未だ極低速域のＰ２点で不釣り合い検出閾値に達し、スイングロータ８の不釣り合いが検出される。この検出された結果に基づき制御装置１８において、使用者に異常が発生したことを報せるべく、警報機１９によりアラーム等を鳴らすとともに、駆動装置２の電源を遮断し、図示されていない停止装置等を使用してスイングロータ８の回転を強制的に停止する。

以上の制御を図７に示すフローチャートにより説明する。まず、Ｓ０１において、駆動装置２の回転速度を測定する。この測定は、予め定められた間隔で遠心機１が稼働中は常に実施されるものである。この回転速度を測定した後にＳ０２に進み、制御装置１８において予め記憶されている各回転速度に応じた不釣り合い検出閾値を読み出す。そしてＳ０３において、駆動装置２の回転速度を測定したときの加速度センサ４よりの出力を検出した後Ｓ０４へ進む。

Ｓ０４においては、読み出した閾値と加速度センサ４よりの出力値を比較する。ここで加速度が閾値未満の値を示すならば（Ｓ０４：ＮＯ）、不釣り合いは発生していないとして、Ｓ０１へ戻り、同様の制御を繰り返す。

これに対してＳ０４において該出力値が該閾値以上の値を示すならば（Ｓ０４：ＹＥＳ）、不釣り合いが発生していると認識し、Ｓ０５へ進んで警告のアラーム表示を行い、その後にＳ０６へ進んで駆動装置２の回転を停止し、不釣り合い運転により遠心機１が破損等するのを防止する。

該第１の実施の形態では検出装置として加速度センサを用いたものであるが、これに限るものではなく、他のセンサを用いてもよい。例えば接触検出センサとして感震器を用いて駆動装置２とフレーム６との接触を検出してもよい。この場合においては、感震器にて接触による衝撃を感知した場合には信号を出力し（ＯＮ状態）、衝撃を感知していない場合には信号を出力しない（ＯＦＦ状態）として、ＯＮ−ＯＦＦによる制御により、制御装置１８でＯＮ状態と検出した場合に駆動装置２を停止し、警告のアラーム表示をすることが可能となる。

次に本発明第２の実施の形態による遠心機について説明する。第２の実施の形態においては、図８に示すように、基本的な形状は第１の実施の形態と同様であるが、ダンパ５の近傍に接触検出センサである感震器２１が更に設置されている。

この感震器２１は、第１の実施の形態で説明した遠心機１において、通常発生し得る不釣り合い時にはその駆動装置２の振動を検出することは無いが、過大な不釣り合い時においては、その駆動装置２が緩衝リング１５に接触して発生する衝撃を検出する事が可能なように調整してある。

この感震器２１を使用した場合の遠心機１の制御を説明すると、通常発生し得る不釣り合い時においては、第１の実施の形態と同様に遠心機１の制御を行うため、説明は省略する。次に、過大な不釣り合い時においては、先ず、第１の実施の形態と同様に、加速度センサ４により、過大な不釣り合いによる振動により駆動装置２が緩衝リング１５に接触して発生する衝撃を検出する。この場合において加速度センサ４で衝撃を検出できたのであれば、第１の実施の形態と同様に、その後、駆動装置２を停止すればよい。この場合には特に感震器２１を使用した制御は必要とされないが、衝撃が発生した場合に、これを加速度センサ４が検出できない場合において、この衝撃を感震器２１により検出する。

加速度センサ４で衝撃を検出できずに、感震器２１で衝撃を検出した場合には、この検出された結果に基づき制御装置１８において、使用者に異常が発生したことを報せるべく、警報機１９によりブザー等を鳴らすとともに、駆動装置２の電源を遮断し、図示されていない停止装置等を使用してスイングロータ８の回転を強制的に停止する。

以上の制御を図９に示すフローチャートにより説明する。まず、Ｓ１１において、駆動装置２の回転速度を測定する。この測定は、予め定められた間隔で遠心機１が稼働中は常に実施されるものである。この回転速度を測定した後にＳ１２に進み、制御装置１８において予め記憶されている各回転速度に応じた不釣り合い検出閾値を読み出す。そしてＳ１３において、駆動装置２の回転速度を測定したときの加速度センサ４よりの出力を検出した後Ｓ１４へ進む。

Ｓ１４においては、読み出した閾値と加速度センサ４よりの出力値を比較する。ここで加速度が閾値以上の値を示すならば（Ｓ１４：ＹＥＳ）、不釣り合いが発生していると認識し、Ｓ１６へ進んで警告のアラーム表示を行い、その後にＳ１７へ進んで駆動装置２の回転を停止し、不釣り合い運転により遠心機１が破損等するのを防止する。Ｓ１４で加速度センサ４の出力が閾値未満と判断された場合には（Ｓ１４：ＮＯ）、次にＳ１５へ進む。

Ｓ１５においては、感震器２１より出力があるか否かを判断する。ここで感震器２１より出力がない場合には（Ｓ１５：ＮＯ）、不釣り合いは発生していないとして、Ｓ１１へ戻り、同様の制御を繰り返す。感震器２１より出力がある場合には（Ｓ１５：ＹＥＳ）、不釣り合いが発生していると認識し、Ｓ１６へ進んで警告のアラーム表示を行い、その後にＳ１７へ進んで駆動装置２の回転を停止し、不釣り合い運転により遠心機１が破損等するのを防止する。

以上、第１の実施の形態及び第２の実施の形態においては、過大な不釣り合いが無いときは、図２に示すように駆動装置２と緩衝リング１５は接触することの無いような隙間ａが設けてある。上述のように緩衝リング１５はプラスチックで製作されているため、接触によって通常以上の衝撃を加速度センサ４に与えるが、ある程度の緩衝効果を持たせることができることから、遠心機１本体に損傷を与えることなく、かつ使用者が驚くほどの衝撃力を本体に伝える心配が少なくなる。

なお、接触時の衝撃力がそれほど大きくない場合は、緩衝リング１５を使わず、リング１４で代用しても同様の効果が得られる。また、この緩衝リング１５は、駆動装置２の外周に設置されていてもよい。

また、図３では駆動装置２の一部を緩衝リング１５に接触させる構造としてあるが、駆動装置２、あるいはフレーム６に突起物を設け、若しくはその駆動装置２、あるいはフレーム６の一部を突出させて突起を形成し、これに接触させて衝撃を検出するようにしてもよい。また、この突起物については弾性体、例えばゴム片やスプリング等より構成されていてもよい。

第２の実施の形態においては、加速度センサ４の出力を検出した後に、感震器２１よりの出力で、不釣り合い状態か否かを判断しているが、これに限るものではなく、先に感震器２１により不釣り合い状態か否かを判断した後に、加速度センサ４により判断をしてもよい。加速度センサ４と感震器２１との相互により、不釣り合い状態を検出することができればよいのである。また、感震器２０においては、出力があるか否かのＯＮ−ＯＦＦで、制御をしたものであるが、これに限られるものではなく、加速度センサと同様に所定の衝撃によりその出力値が変化するアナログセンサを用いて制御を行ってもよい。

本発明第１の実施の形態に係る遠心機の断面図である。本発明第１の実施の形態に遠心機の衝撃リング周辺を拡大した断面詳細図である。本発明第１の実施の形態に衝撃リング周辺が駆動装置と接触した状態の断面詳細サイズである。本発明第１の実施の形態に遠心機のスイングロータを表した平面図である。本発明第１の実施の形態にスイングロータが回転した状態を表した平面図である。本発明第１の実施の形態及び従来技術に係る加速度センサと回転速度の関係を示すグラフである。本発明第１の実施の形態に係る遠心機に過大な不釣り合い状態が発生した場合の制御を示すチャートである。本発明第２の実施の形態に係る遠心機の断面図である。本発明第２の実施の形態に係る遠心機に過大な不釣り合い状態が発生した場合の制御を示すチャートである。

符号の説明

１遠心機２駆動装置３誘導モータ４加速度センサ
５ダンパ６フレーム７回転軸８スイングロータ
９バケット１０ロータボディ１１ピン１２試験管
１３ラック１４リング１５緩衝リング１６チャンバ
１７回転室１８制御装置１９警報機２０孔２１感震器

Claims

回転体と、
ダンパを介してフレームに支持され、該回転体を回転駆動するモータを収納する駆動装置と、
該駆動装置に取付けられて該駆動装置の振動を検出し、振動が所定値以上の時に出力する加速度センサと、
該加速度センサの出力により該駆動装置を制御する制御装置と、を備え、
該駆動装置の振動が所定の振幅以上になり該駆動装置の一部が該フレームの一部に接触したことを該加速度センサにより検出して制御装置を介し該駆動装置を制御することを特徴とする遠心機。
回転体と、
ダンパを介してフレームに支持され、該回転体を回転駆動するモータを収納する駆動装置と、
該駆動装置に取付けられて該駆動装置の振動を検出し、振動が所定値以上の時に出力する加速度センサと、
該フレームに取り付けられて該フレームの衝撃を検出する感震器と、
該加速度センサの出力及び該感震器の検出結果により該駆動装置を制御する制御装置と、を備え、
該駆動装置の振動が所定の振幅以上になり該駆動装置の一部が該フレームの一部に接触したことを該加速度センサにより検出し、または該駆動装置の一部が該フレームの一部に接触したことを該感震器により検出して該制御装置を介し該駆動装置を制御することを特徴とする遠心機。