JP2000024553A - 遠心機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 遠心機のロータが回転するチャンバ室の真空
を破るエアリークバルブの外来ノイズによる誤動作を起
こさない制御回路を提供することである。 【解決手段】 遠心機の主な制御をするプロセッサのほ
かにロータを駆動するモータの回転信号（ＭＰＧパル
ス）を入力信号とする単安定回路とＮＡＮＤ回路、双安
定回路から構成されていて、ロータが高い回転数で回転
している場合には、エアリークバルブを動作禁止状態に
するように、ＭＰＧパルスが常に双安定回路のセットト
リガ信号となるように機能するデジタルロジック回路を
追加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロータが回転する
チャンバ室の真空を破るエアリークバルブの制御を中央
処理装置（以下プロセッサと称す）のみでなく論理回路
（以下デジタルロジック回路と称す）を追加して二重の
制御とし、ロータが高速回転している時にノイズやプロ
セッサのハングアップよって誤動作し、真空破れによっ
てロータが破壊しないようにする遠心機の安全性向上に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】遠心機の安全性の確保のため第一に重要
なことは最大想定事故を検討することで、とりわけロー
タの破壊事故をロータの許容回転数以下にとどめること
である。つまり、本体側防御壁の耐エネルギー以下にす
ることである。そのためにロータの回転数の監視、特に
ロータが許容回転数以上にならないように多重の監視を
している。しかし、こうした処理は最低限のものであ
り、ロータを破壊させないことがより重要である。ロー
タの破壊には、まずロータ自体の疲労破壊がある。これ
を防止するためロータの使用回数や時間を定め寿命管理
をしている。このようなロータ自体の要因を除くと残る
のは駆動部のシャフトに乗って高速回転しているロータ
がシャフトから離脱することである。この最も起こり得
る要因の一つとしてエアリークバルブ誤動作によるロー
タ高速回転中のチャンバ室内真空破れがある。

【０００３】こうしたロータの離脱に繋がるエアリーク
バルブ制御は従来、プロセッサが直接、ポートから制御
信号を出力し制御していた。このプロセッサは遠心機の
基本機能であるロータの回転制御、チャンバ室内の温度
制御、操作パネル制御等、全ての制御をしている。プロ
セッサはポートから１または０の信号を出力しドライバ
を介してエアリークバルブに電源を接続したり切ったり
している。エアリークバルブは電源が入るとバルブを開
いてチャンバ室内の真空を破り電源が切れるとバルブを
閉じる。このようにプロセッサのポートからの１または
０の信号がエアリークバルブの動作に直結していた。

【０００４】今までは、このように一つのプロセッサで
遠心機の全ての機能を制御していた。しかし、遠心機の
安全性の向上を図る各種の規格が制定されるに伴い、電
磁波、雷サージ、静電気等のノイズがあっても誤動作し
ない制御が求められている。そこで、こうした誤動作が
簡単に発生しないように特開平９−７５７８２号公報に
示されるように真空を破る信号となるエアリークバルブ
のオン動作の禁止を一つのプロセッサのみでなく、互い
に独立した二つのプロセッサで二重の禁止をする方式
や、一つのプロセッサと互いに独立したデジタルロジッ
ク回路で二重の監視をする方式を採用することでエアリ
ークバルブの誤動作を防いできた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来における制御回路
のノイズによる誤動作の防御策は、（Ａ）エアリークバ
ルブのようにロータの破壊に繋がるような重要な制御は
ノイズに弱い一つのプロセッサには任せないで、このプ
ロセッサとは独立の回路で動作するもう一つのプロセッ
サを追加して二重の禁止とすることとし、（Ｂ）一つの
プロセッサと互いに独立したデジタルロジック回路で二
重の監視をすること、の二つの方式を記している。

【０００６】まず、（Ａ）の方式では二つのプロセッサ
を使用することで、一方のプロセッサがノイズで誤動作
しエアリークバルブの禁止を解除しロータの回転中に真
空を破る信号を出しても、残ったもう一つのプロセッサ
が禁止信号を出しているので真空は破れないことにな
る。このような制御方法は一つのプロセッサのみの制御
に比べ、ノイズに対して誤動作を起こしにくくし、遠心
機の安全性を向上させている。しかし、プロセッサはク
ロックに同期して動作するものであり、その出力ポート
はフリップフロップ回路であるので１または０の二つの
レベルに反転する危険性及びハングアップする危険性を
常に持っている。そこで、あるレベルのノイズには誤動
作しなくても２倍、３倍とノイズレベルを上げていくと
誤動作する危険性が僅かでも残ってしまう。

【０００７】次に、（Ｂ）の方式では遠心機の基本機能
を制御している一つのプロセッサの他に、このプロセッ
サから独立しているデジタルロジック回路を追加し二重
の監視をしている。ここでのデジタルロジック回路はモ
ータの回転信号（ＭＰＧ信号）を入力信号とした周波数
−電圧変換器（以下Ｆ／Ｖコンバータと称す）と、この
Ｆ／Ｖコンバータの出力電圧と基準電圧源と比較するコ
ンパレータから構成されている。ここで、ある低速回転
数（ゾーナル回転数；４，０００ｒｐｍ）以下の場合は
エアリークバルブをオンできてチャンバ内の真空を破
り、大気状態にしてドアを開け、ゾーナルロータに試料
を注入したり、高速回転し分離を終えた試料を抽出した
いため、４，０００ｒｐｍ以下ではエアリークバルブを
オン可能で４，０００ｒｐｍを越えた回転数ではオン禁
止とする回路にしたい。このようなエアリークバルブの
制御条件に対し、（Ｂ）のノイズ対策では以下の３つの
不具合が発生してしまう。

【０００８】（１）図４に示すような電源ノイズが発生
している場合、Ｆ／Ｖコンバータの入力部までノイズが
入るとノイズのパルス数をＦ／Ｖコンバータが計測し、
Ｆ／Ｖコンバータの出力電圧が上がり、４，０００ｒｐ
ｍ以下でもエアリークバルブが禁止状態となってしま
い、真空が破れないことになる。こうなると試料のロー
タへの注入及び高速で遠心分離した試料の抽出がゾーナ
ル回転数（４，０００ｒｐｍ以下）でできなくなってし
まう。ノイズは単発のパルス性ノイズよりも図４に示し
たような多パルスの高周波ノイズの方が一般的である。
また、周期性を持ったノイズも特殊では無い。このよう
なノイズに対しＦ／Ｖコンバータによる回転数検出回路
はＦ／Ｖコンバータのパルス数を数える機能から、しき
い値の動作回転数を誤ってしまい真空が破れずドアを開
けることができなくなってしまう。

【０００９】（２）Ｆ／Ｖ回路で禁止／許可を区別する
しきい値はコンパレータによるＦ／Ｖコンバータの出力
電圧と基準電圧の比較で行われる。Ｆ／Ｖコンバータの
出力電圧は入力のパルス周波数に比例するから、しきい
値となるＦ／Ｖコンバータの出力電圧はある程度の出力
電圧幅が必要である。すなわち、Ｆ／Ｖコンバータの入
力パルス周波数（ＭＰＧ信号の周波数）にある程度の変
化幅が当然、必要となる。つまり、Ｆ／Ｖ回路において
はしきい値となる回転数は１点ではなくある程度の回転
数幅が必要となっている。

【００１０】（３）Ｆ／Ｖ回路で禁止／許可を判別する
にはＦ／Ｖコンバータの出力電圧がある程度出力されて
いなければならない。そこで入力パルス周波数（ＭＰＧ
信号の周波数）がある程度以上でないとＦ／Ｖコンバー
タは電圧を出力できないし、次段のコンパレータは禁止
／許可を判別できない。だから、Ｆ／Ｖ回路においては
ある回転数以上（ある周波数以上）にならないと回路機
能を発揮しえない。そこで、低速の回転数をしきい値に
するためにはロータ１回転当たりの回転パルス数を多く
して周波数を高くしなければならない。また、周波数を
十分高くできないとＦ／Ｖコンバートが荒くなり出力電
圧にリップル電圧が乗ることになり、禁止／許可の信号
反転の動作範囲を広くしてしまう。

【００１１】本発明の目的は、上述したノイズレベルに
よる誤動作をなくし、多パルスの高周波ノイズに対する
不具合をなくすことのできる遠心機を提供することであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、エアリー
クバルブの制御を二重の制御回路にするのに、一つを従
来のプロセッサにし、もう一方を以下に示すようなワン
ショットＩＣとフリップフロップ回路（以下ＦＦとい
う）を含むデジタルロジック回路で構成することで達成
される。

【００１３】上記のデジタルロジック回路に含まれるフ
リップフロップ回路の出力は、エアリークバルブの制御
信号であり、ドライバを介してエアリークバルブを直接
制御する。ＦＦセット時の出力「１」はエアリークバル
ブを禁止し、リセット時の出力「０」はエアリークバル
ブを禁止解除するものとする。

【００１４】デジタルロジック回路の入力信号はロータ
を回転させる駆動部モータの回転信号パルス（ＭＰＧ信
号）であり、ワンショットＩＣやＮＡＮＤ回路は、ロー
タの回転数がある回転数以上になるとＭＰＧ信号パルス
をＦＦのセット端子に入力し、以下になるとリセット端
子に入力させる機能を持っている。

【００１５】このようなデジタルロジック回路を追加す
ることで、ロータがある回転数以上になるとＭＰＧ信号
パルスはＦＦのセットトリガ信号として常にＦＦをセッ
トし続ける。つまり、常にエアリークバルブが禁止状態
になるようにＦＦを叩いていることになる。このような
時にノイズが入りＦＦの出力を反転させても、次々とＭ
ＰＧ信号パルスがＦＦをセットするので最大でもＭＰＧ
パルス一周期分の時間しか誤動作の反転を許さない。ま
た、ロータの回転数が高くなるにつれてＭＰＧパルスの
周波数が上がり、一周期の時間が短くなるので、ついに
はエアリークバルブの応答時間よりも短くなり、禁止状
態のままで誤動作を起こさないようになる。ロータの回
転数が高くなるほど真空破れによるロータ離脱のエネル
ギーが大きく危険も増すが上述のようにロータの回転数
が上がる程、誤動作しにくくなるようにデジタルロジッ
ク回路は機能する。

【００１６】次に従来の制御回路（特開平０９−７５７
８２号公報）のノイズによる誤動作の各項目に対し、本
発明となるデジタルロジック回路がどう機能するかを課
題に記した各項目に対応し、以下に説明する。

【００１７】（Ａ）二つのプロセッサの方式において
は、ＭＰＧ信号パルスが常にエアリークバルブが禁止状
態になるようにＦＦを叩いていること、ロータの回転数
が上がる程、誤動作しにくくなるようにデジタルロジッ
ク回路は機能することでその余地をなくしている。

【００１８】（Ｂ）一つのプロセッサとＦ／Ｖコンバー
タの方式においては、 （１）多パルスの高周波ノイズに対し単安定回路で構成
した回路では図４のノイズに重なるタイミングではエア
リークバルブのオン動作を禁止してしまうが重ならない
タイミングでは常にエアリークバルブを許可しようとＦ
Ｆ回路を正常に戻そうとしエアリークバルブを断続的に
オンし真空を破るので最終的には、チャンバ内が大気状
態となりドアを開けて試料を抽出することができるよう
に機能する。

【００１９】（２）エアリークバルブのオン、オフ動作
を判定する回転数のしきい値幅については単安定回路で
はしきい値は１点の回転数であり、１組の抵抗とコンデ
ンサによって決定することができる。または、コンデン
サを一定にして可変抵抗を調整するのであれば調整点は
ただ１点で決定される。

【００２０】（３）エアリークバルブのオン、オフ動作
を判定する回転数のしきい値の下限については、単安定
回路に於いてはコンデンサの容量と抵抗値によって、し
きい値の回転数が決まるのでコンデンサの容量と抵抗値
を大きくしさえすればいくらでも低回転数をしきい値と
することができるのでしきい値の回転数の設定に制限お
よび改良を必要としない。

【００２１】このように単安定回路とＦＦを含むデジタ
ルロジック回路とすることで、ノイズレベルの増大や多
パルスの高周波ノイズに対しても誤動作の余地を残さな
いエアリークバルブの制御方法を提供することができ
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明となる一実施例を図１〜図
３に示す。図１はロータ４が回転するチャンバ３を真空
に引くための真空ポンプ１を持った遠心機本体を示し、
エアリークバルブ６の制御をするプロセッサ８と該プロ
セッサ８とは独立にエアリークバルブ６を禁止するデジ
タルロジック回路９がＯＲのロジックＩＣ１０によって
二重の禁止をしている。図２はデジタルロジック回路の
実施例を示したものであり、ロータ４が回転するとロー
タ４を駆動するモータ５に取り付けた回転検出センサ７
はロータの回転に比例したＭＰＧパルス（ａ）を出力す
る。

【００２３】そのＭＰＧパルス（ａ）がデジタルロジッ
ク回路９の入力信号となる。ＭＰＧパルスはＭＳ（単安
定回路）１５に入力する。ＭＳ（単安定回路）１５はＭ
ＰＧパルス（ａ）の立ち上がりのタイミングをトリガと
してあらかじめ決めておいたコンデンサと抵抗の時定数
によるワンショットのパルス（ｂ）を出力する。パルス
はＱ、Ｑ’の相反するレベルの２つのパルスを出力す
る。Ｑ’のパルスはＮＡＮＤゲートに入り、ＮＡＮＤゲ
ートによってＦＦ（双安定回路）のセットトリガ信号に
なるか、リセットトリガ信号になるか分配される。

【００２４】次にＭＳ（単安定回路）１５のＱのパルス
はもう一つのＲＭＳ（リトリガラブル単安定回路）１６
に入力する。この出力パルス幅は前者のＭＳ（単安定回
路）１５と同様に外付けのコンデンサと抵抗によって決
められている。そのパルス幅の時間はゾーナル回転数よ
りも少し高い回転数のときのＭＰＧパルスの周期にす
る。

【００２５】ここで言うゾーナル回転数とは、ゾーナル
ロータを低速で回転整定させ、遠心機のドアを開けチャ
ンバを大気状態にして外部から遠心する試料をゾーナル
ロータに注入し、注入を終えた後、ドアを閉め真空ポン
プ１でチャンバを真空にし高速回転させるゾーナル遠心
法の低速回転数をいうものとする。

【００２６】そこで、ゾーナル回転数は３，０００ｒｐ
ｍから４，０００ｒｐｍであり、求めるパルス幅はＭＰ
Ｇパルスを一回転当たり一パルスとすると６０÷４，０
００＝０．０１５となり、１５ｍｓ程度の時間となる。
ＲＭＳ（リトリガラブル単安定回路）１６に外付けされ
る抵抗とコンデンサは１５ｍｓの出力パルスになるよう
に逆算して値を決定する。また、ＲＭＳ（リトリガラブ
ル単安定回路）１６は前出のＭＳ（単安定回路）１５と
違いリトリガラブル機能を持っている。リトリガラブル
機能とは入力にトリガパルスが入り、その立ち上がりの
タイミングで外付けされた抵抗とコンデンサによって決
まるパルスを出力するが、そのパルスを出力し終わる前
にまた入力にトリガパルスがあるとパルス幅を延長する
ことをいう。このように設定されたＲＭＳ（リトリガラ
ブル単安定回路）１６はロータ４の回転数がゾーナル回
転数より高くなるとそのＱ出力がパルス信号からＨレベ
ル信号になり、Ｑ’出力はパルス信号からＬレベル信号
になる。このＱ、Ｑ’出力によってＭＳ（単安定回路）
１５のＱ出力パルスがフリップフロップ（双安定回路）
のセットトリガ信号になったり、リセットトリガ信号に
なったりする。つまり、ロータの回転数がゾーナル回転
数より低いときはエアリークバルブの禁止解除のリセッ
トトリガ信号になり、ロータの回転数がゾーナル回転数
より高いときはエアリークバルブを禁止するセットトリ
ガ信号になる。

【００２７】図３はデジタルロジック回路の各信号のタ
イミングを示したタイミングチャートである。図１、図
２、図３によってデジタルロジック回路の構成と信号と
タイミングを示したが、次にこの回路がノイズに対して
どのように機能するかを示す。

【００２８】ロータがゾーナル回転数より高い回転数で
回転している場合に外来ノイズはデジタルロジック回路
に２つのモードの誤動作をさせると推測できる。１つは
フリップフロップ（双安定回路）１８が禁止状態（Ｑ出
力がＨレベル）であるのをノイズが出力を反転させ禁止
解除状態（Ｑ出力がＬレベル）にしてしまう。しかし、
ロータがゾーナル回転数より高い回転数で回転している
場合は図３のｆの信号のタイミングが示すようにＭＰＧ
パルスの立ち上がりのタイミングのワンショットパルス
が全てノイズによって誤動作したフリップフロップ（双
安定回路）１８のセットトリガ信号になっているのです
ぐに禁止状態に戻してしまう。フリップフロップ（双安
定回路）１８が誤動作している時間は最大でＭＰＧパル
スの一周期分である。そこで、ロータの回転数が高けれ
ば高い程、誤動作している時間は短くなる。そして終に
は誤動作時間がエアリークバルブの真空を破る動作をす
る応答時間よりも短くなり、誤動作しなくなる。

【００２９】もう１つのノイズによる誤動作のモードは
ノイズがＭＳ（単安定回路）１５やＲＭＳ（リトリガラ
ブル単安定回路）１６の入力信号に重畳する場合であ
る。ＭＳ（単安定回路）１５の場合は単にフリップフロ
ップ（双安定回路）１８のセットトリガ信号の数が増え
るだけであり、ＲＭＳ（リトリガラブル単安定回路）１
６の場合はノイズの影響を全く与えない。

【００３０】以上のようにデジタルロジック回路は、ノ
イズによってロータが高速で回転している時にエアリー
クバルブの禁止を解除しチャンバの真空を破る誤動作を
させないように機能し、遠心機の安全性を向上させるこ
とができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、ロータが回転している
チャンバの真空を破らないようにエアリークバルブの動
作を禁止するために遠心機の主な制御をするプロセッサ
だけでなく二重にデジタルロジック回路を追加して禁止
信号を出力することで、プロセッサのハングアップや雷
サージのような強い外来ノイズに対しても真空を破るエ
アリークバルブの誤動作をなくすことができ、遠心機の
安全性向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明になる遠心機を示す構成図である。

【図２】 本発明になる追加すべきデジタルロジック回
路である。

【図３】 本発明になるデジタルロジック回路の各信号
を示すタイミングチャートである。

【図４】 多パルスの高周波ノイズを示す波形図であ
る。

【符号の説明】

１は真空ポンプ、２はドア、３はチャンバ、４はロー
タ、５はモータ、６はエアリークバルブ、７は回転検出
センサ、８はプロセッサ、９はデジタルロジック回路、
１０はＯＲ、１１はバッファー、１２はエアリークバル
ブドライバ、１３はエアリークバルブ、１４は交流電
源、１５はＭＳ（単安定回路）、１６はＲＭＳ（リトリ
ガラブル単安定回路）、１７はＮＡＮＤ、１８はフリッ
プフロップ（双安定回路）である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吽野 浩司 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 (72)発明者 城戸 伸治 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 Ｆターム(参考） 4D057 AB01 AB03 AC01 AC05 AD01 AE11 BA38 BD00 CA07 CB00

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動部モータにより回転されるロータ
   と、該ロータを収容する回転室と、該回転室を大気圧に
   開放するエアリークバルブと、該エアリークバルブの開
   閉制御を行う中央処理装置とを備えた遠心機において、
   前記エアリークバルブの制御する前記中央処理装置と独
   立して設けた制御回路により前記エアリークバルブを制
   御し、更に前記制御回路は、前記駆動モータの回転信号
   をトリガ信号とした単安定回路と、該単安定回路の出力
   信号をトリガ信号としたリトリガラブル単安定回路及び
   前記回転室の真空を破る前記エアリークバルブの動作禁
   止、禁止解除状態を保持する双安定回路とから構成され
   ることを特徴とする遠心機。
2. 【請求項２】 低速回転数まで大気状態で前記ロータを
   回転させる場合、前記リトリガラブル単安定回路の出力
   パルスのパルス幅は低速回転数時のＭＰＧパルスの周期
   とほぼ等しくなるように外付けの抵抗とコンデンサによ
   って設定され、低速回転数が切換わりの回転数となり、
   前記ロータの回転数が低速回転数より高い場合には論理
   回路内に設けた論理素子がＭＰＧパルスをフリップフロ
   ップＩＣがエアリークバルブの真空を破る動作の禁止状
   態となるセットトリガ信号とさせることを特徴とした請
   求項１記載の遠心機。