JP2004243291A - 原点位置決め機構を備えた高速回転盤装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転盤の回転開始原点の位置を短時間で、高精度に決定し、試料の注入、盤上の部材の移動など、外部よりの高速回転盤部に対する微妙な操作を自動的に行うことを可能とする。
【解決手段】外周部にＶ字溝を有する高速回転盤、Ｖ字溝への嵌合可能なピンストッパ、原点位置並びに原点手前の所定位置の検出機構、及び高速回転駆動機構並びに低速回転駆動機構を備えた高速回転盤装置を使用する。位置検出を低速回転時に行って、急速に停止し、ピンストッパをＶ字溝にはめ込む。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、高速で回転する円盤の繰り返し停止原点の位置を短時間に、かつ高精度で決定する装置及び方法に関する。特に、盤上に存在する容器類への試料の注入、処理や排出、あるいは盤上への部材の取り付け、加工や取り出しなど、円盤外部よりの微妙な操作を、人手を用いず自動的に行うことを可能とすることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速で回転する円盤を停止させ、外部より上述の微妙な操作を自動的に行うためには、円盤状での操作対象位置が常に一定であること、すなわち、円盤が常に同じ位置で停止していることが前提となる。このためには、円盤の繰り返し停止原点の位置を正確に決定する必要があり、また、作業効率等の観点より、位置決めを短時間で行うことが肝要である。これらの要件を満足させるため種々の検討が行われているが、高速回転盤の場合には達成が難しいのが現状である。
【０００３】
まず、高速回転盤では、通常の高周波モータの場合、高速時及び低速時の広い範囲に渉って回転速度を調節することは困難である。すなわち、１００ｒｐｍ以下では、回転速度を制御するのが難しく、従って、繰り返し停止原点位置を正確に、また短時間で決定することができない。
【０００４】
そこで、繰り返し停止位置決めが必要な場合には、多くの場合、サーボモータが使用される。サーボモータは、エンコーダによる検出、マイコンによる制御等の機構を有し、比較的、低速領域でも制御が可能である。
しかし、サーボモータでは、高速回転への対応が十分でなく、５，０００ｒｐｍ程度が限界である。また、位置決め精度も十分でなく、例えば、直径３００ｍｍの円盤の場合、一回転を千パルスとカウントすると、円周部で±約１ｍｍの誤差は免れない。更に、サーボモータは、外部より力がかかると、微小なトルクでも動揺しやすく、位置を正確に固定するのが困難である。すなわち、停止時に微小ではあるが振動があり、また円盤の外径が大となると、外部よりの力で外周が数ｍｍ動くことがある。更に、モータ、制御ドライバ、ロータリエンコーダ、高速カウンタ、マイコン等機構が大がかりであり、装置コストが高くなるのが難点である。
【０００５】
モータとして、ステッピングモータを使用することもある。しかし、ステッピングモータは、回転速度の限界が１，０００ｒｐｍ程度であり、本質的に高速回転には不向きである。また、サーボモータと異なり、制御性を犠牲にして、フィードバック機能や回転検出のロータリエンコーダを省いているが、なお装置コストは高価である。
【０００６】
従来、繰り返し停止原点位置決めについて、多くの試みがなされてきたが、未だ十分ではなく、また、本発明の目的とする装置、方法に関しては、検討例が少ないのが現状である。
特許文献１は、自動遠心機に於けるロータの位置決めに関するものであり、本発明の目的とは異なるが、ステッピングモータを使用した例である。位置決めは、回転速度を落として行っているが、特許文献１の方式では、繰り返し停止原点位置を正確に、かつ短時間で行うことはできない。
また、特許文献２は、回転工具仕様タレット旋盤の割出方法に関するものであり、これも、本発明とは目的、装置が異なるが、サーボモータを使用した例である。本例は、上述のサーボモータの難点を有している。一方、位置決めの際、位置決めピンを用いるので、位置は固定されるが、特許文献２の例は、ピンを係合した状態で回転動作を続けるものであり、回転時にはピンを外し、停止時にピンを係合する本発明とは、趣旨が全く異なるものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０６−１７０２８１号公報（第１頁・特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平０５−０９６４４９号公報（第２頁・段落番号６）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の技術では、高速回転盤での繰り返し停止原点位置決めを高精度、かつ短時間で行うことは困難である。特に最高回転数が、８，０００〜２０，０００ｒｐｍで使用する回転盤の位置決めには全く適応することができない。
【０００９】
近年、微量の試料、検体等の液状物を用いて所定の化学反応や処理を行い、生化学分野等での分析や検査などに用いられるマイクロリアクタチップの開発が進んでいる。分析や検査は、この液体保有部を有するチップを高速回転盤上に付設し、該液体を注入、排出あるいは分析する外部操作機構を備えた高速回転盤装置で行われる。すなわち、高速回転盤が停止時に、試料や検体を注入し、高速回転を行って、試料等がチップ中の液体流路を流れる間に反応、処理を行い、回転停止後、分析や排出を行う。
本発明者は、この生化学分野等で用いられる高速回転盤装置、すなわち、遠心力利用液層反応装置について更に検討を重ねた結果、上述の液体保有部を有するチップが、高速回転盤と共に回転し、液体保持部及び液体流路を形成する空隙部を有するシート状構造体であって、該シート状構造体の高速回転中心軸に対する向きが可変であり、かつ高速回転中は向きを固定する機構を有するものである場合、更に著しい効果、効用があることを見いだし、先に（平成１５年１月２０日）特許出願を行った。
【００１０】
これらの生化学的分析装置等においては、遠心力により、液体を回転中心より円周方向に向けて、チップ上の狭い流路を移動させるために、高速回転が行われる。また、小型化、精密化が進んでおり、外部より盤上に存在するチップへの試料の注入、処理、分析、排出等の操作を、人手によらず自動化するには、外部よりの操作時に、盤上でのチップが、常に、正確に、一定の位置にあることが必要である。すなわち、繰り返し停止原点位置決めを従来よりも、より精度良く行うことが必要である。また、位置決めを短時間で行うことは、作業能率上ばかりでなく、反応や処理時間を制御するためにも重要な要件である。
【００１１】
この発明は、従来の高速回転盤装置における上述の欠点を解決し、外部よりの微妙な操作の自動化を可能とすることを目的とするものである。特に、生化学分野等におけるマイクロリアクタ使用装置での自動化を目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明者は、上記目的を達するために鋭意検討を重ねた結果、外周部にＶ字溝を有する高速回転盤、高速回転軸と同時に回転する高速回転軸ロール、高速回転盤を高速回転駆動する高速モータ、センサにより高速回転盤の原点位置を検出するための印となるドック部、高速回転盤の原点手前を検出する位置検出センサ、高速回転盤の原点位置を検出する位置検出センサ、高速回転盤を低速で回転させる低速ロール、低速ロールを回転駆動する低速モータ、低速モータを瞬時に停止させるブレーキ、低速ロールを高速回転軸ロールへ接触又は非接触とする低速ロール部移動機構、高速回転盤のＶ字溝に食い込む形状のピンストッパ、及びピンストッパを食い込み又は非食い込み状態とするピン移動機構を備えた高速回転盤装置により上記の難点を解決できることを見出したものである。
すなわち、１）高速回転盤におけるドック部及び位置検出センサを含む位置検出機構、２）各々独立に駆動される高速回転軸ロール及び低速ロール、及び３）高速回転盤のＶ字溝に食い込むピンストッパの３要素を組み合わせることにより、繰り返し停止原点位置決めを短時間で、高精度に行うことに成功した。また、駆動モータとしては、高価なサーボモータやステッピングモータではなく、例えば、インバータ駆動の高周波モータのような低コストの駆動系で目的を達することを可能とした。
【００１３】
ドック部とセンサを含む原点位置検出機構は知られている。しかし、この発明のように、高速回転盤において、原点位置決めを、短時間、高精度、かつ低コストで行うのに成功している例は認められない。すなわち、ドック部、原点手前位置センサ及び原点位置センサを含み、かつ上記の他の諸要件との絶妙な組み合わせにより初めて、予想外の大きな効果が得られたものである。
【００１４】
高速回転より低速回転へと回転速度を落として、原点位置決め動作を行なうことは知られている。しかし同一のロール、すなわち高速回転軸ロールのままでは、前述のように低速領域での回転速度の調節が困難であり、繰り返し停止原点位置を正確に、かつ短時間で決定することができない。独立に駆動される低速ロールへ切り替え、かつ他の諸要件をも満足させることにより、初めて目的を達するものである。
【００１５】
また、回転物のＶ字溝にピンストッパを食い込ませることにより、回転物を固定することは、当業者には考え得るところである。しかし、この発明の目的とする高速回転盤において、高精度に繰り返し停止原点位置を決定できることは全く知られていない。この発明における諸要件を満足することにより、高速回転盤において初めて、実用的に適用可能となったものである。例えば、前述のように、サーボモータの場合、直径３００ｍｍの円盤の場合、一回転を１，０００パルスとカウントすると、円周部で±約１ｍｍの誤差は免れないのに対し、この発明による方法では、±０．０１ｍｍ程度と、約１００倍に達する。
また、ピンストッパと共に、圧力を加えてピンストッパをＶ字溝に食い込ませるクッションバネを用いることにより、ストッパが強固に、安定して食い込み、繰り返し停止原点位置を更に精度良く決定することができる。
【００１６】
この発明では、高価な駆動系を使用しない。高速回転駆動する高速モータは、インバータ駆動高周波モータを、低速ロールを駆動する低速モータは、ギヤ付きのＡＣモータを使用できる。
【００１７】
この発明の装置を用いた、繰り返し停止原点位置決めは、次のようなプロセスで行われる。
まず、高速回転盤に外部より操作を加える前に、初めて、繰り返し停止原点位置を決定する場合には、次のように行う。すなわち、高速回転盤が停止している状態で、低速ロールが高速回転軸ロールと非接触であり、ピンストッパがＶ字溝より外れていることを確認し、次いで、低速モータの回転を開始後、低速モータを高速回転軸ロールに接触させて、高速回転盤の低速回転を開始し、次いで、原点手前位置検出センサがドックを検出して、原点手前信号を発信し、次いで、低速モータによる減速制御により低速ロール及び高速回転軸ロールを減速し、次いで、原点位置検出センサがドックを検出して、原点信号を発信し、次いで、ブレーキが作動して、低速ロール、高速回転軸ロール及び高速回転盤を停止させ、次いで、ピンストッパをＶ字溝に食い込み状態とする。
【００１８】
また、目的とする高速回転盤の回転を繰り返し行い、回転停止時に繰り返し停止原点位置を決定する場合には、次のような操作を、連続的、自動的に行う。すなわち、決定された繰り返し停止原点位置にて、高速回転盤に外部より操作を加えた後の回転停止状態において、低速ロールを高速回転軸ロールと非接触とすると共に、ピンストッパをＶ字溝より外し、次いで、高速モータにより高速回転盤を回転させ、次いで、タイマ等よりの停止信号により高速モータを減速制御し、次いで、低速モータのブレーキを外して回転を開始し、次いで、高速回転盤が一定以下の回転速度になった時点で、高速モータをフリーとし、次いで、低速ロールを高速ロールに接触させて、低速ロールのみで高速回転盤を回転させ、次いで、原点手前位置検出センサがドックを検出して、原点手前信号を発信し、次いで、低速モータによる減速制御により低速ロール及び高速回転軸ロールを減速し、次いで、原点位置検出センサがドックを検出して、原点信号を発信し、次いで、ブレーキが作動して、低速ロール、高速回転軸ロール及び高速回転盤を停止させ、次いで、ピンストッパをＶ字溝に食い込み状態とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。一実施形態についての説明であり、この発明は、これにより限定されるものではない。
【００２０】
図１は、この発明の一実施例である高速回転盤装置のモデル側面図、図２は、そのモデル平面図である。
【００２１】
高速回転盤装置１は、高速回転盤２、回転駆動機構部、位置検出機構部、ストッパ機構部よりなり、外部操作機構部１６が付設される。
高速回転盤２上には、高速回転盤２と共に回転する、液体保有部を有するチップ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを有する。チップの数は、この実施例では４個であるが、状況に応じて、適当な数とすることができる。
高速回転盤２は、高速回転軸ロール３により回転される。高速回転軸ロール３は、高速駆動モータ４により駆動される。低速回転時には、高速回転軸ロール３より高速駆動モータ４を分離してフリーとし、代わりに、高速回転軸ロール３に低速回転ロール８を接触させて回転させる。低速回転ロール８には、低速モータ９及びブレーキ１０が付設する。低速ロール部移動機構１１により、低速回転ロール８と高速回転軸ロール３との接触及び引き離しを行う。
【００２２】
高速回転盤２の位置検出は、原点位置検出センサ６、原点位置手前検出センサ７及びドック部５よりなる、位置検出機構により行われる。光学的検出等、従来の方法、機構を用いることができる。ドック部５は、突出部、あるいは切り欠き部でもよい。
高速回転盤２は、Ｖ字溝１４を有し、これにクッションバネ付きピンストッパ１２を食い込ませて、回転停止位置を固定する。ピンストッパ１２は、ピン外し機構１３により移動、制御される。クッションバネを用いて、圧力を加えて、ピンストッパ１２をＶ字溝１４に強く食い込ませることにより、強固に固定することができる。
【００２３】
高速回転盤２には、外部操作機構１６が付設される。繰り返し停止原点位置決めを、精度良く、短時間で行うことができるため、外部よりの諸操作を自動的に、能率的に行うことができる。
【００２４】
図３は、図１の高速回転盤の回転過程における、位置検出センサとピンストッパの関係を示すモデル平面図である。
位置検出は、位置検出機構、すなわち、ドック５、原点位置検出センサ６、原点位置手前検出センサ７により行われる。
ピンストッパ１２のＶ字溝１４への食い込み操作は、ピンストッパスライド１７、ピンストッパ戻りセンサ１８、ピン食い込みセンサ１９により実施、制御される。
高速回転盤２は、矢印２０の方向に回転する。
【００２５】
図３（Ａ）は、通常の回転途中状態のモデル平面図である。原点位置センサ６はＯＦＦ、原点位置手前センサ７はＯＦＦ、ピンストッパ戻りセンサ１８はＯＮ、ピンストッパ食い込みセンサ１９はＯＦＦである。ピンストッパ１２は、高速回転盤２より離れて、戻った位置にある。
【００２６】
図３（Ｂ）は、原点位置手前センサのみがオンになった状態のモデル平面図である。原点位置センサ６はＯＦＦ、原点位置手前センサ７はＯＮ、ピンストッパ戻りセンサ１８はＯＦＦ、ピンストッパ食い込みセンサ１９はＯＦＦである。原点位置手前センサ７がＯＮとなり、ピンストッパ１２が前進し、クッションバネが働いている。
【００２７】
図３（Ｃ）は、原点位置センサもオンになり、回転停止した状態のモデル平面図である。原点位置センサ６はＯＮ、原点位置手前センサ７はＯＮ、ピンストッパ戻りセンサ１８はＯＦＦ、ピンストッパ食い込みセンサ１９はＯＮである。Ｖ字溝１４が原点に近づいて、ピンストッパ１２は更に前進し、Ｖ字溝１４に食い込んでいる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明により、高速回転盤装置において、繰り返し停止原点位置を高精度、かつ短時間に決定することができる。その際、駆動モータとして、高価なサーボモータ等を使用せず、低コストの高周波モータなどを使用できる。また、繰り返し停止原点位置を高精度に決定することができるため、高速回転盤上の容器や部材に対する諸操作が、人手を介さず、自動化可能となる。また、短時間に決定できるため、能率的であり、また時間の制約のある操作も可能となる。
特に、生化学分野等において、高速回転盤上にマイクロリアクタチップを積載し、自動的に分析や検査を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例である高速回転盤装置のモデル側面図
【図２】図１の装置のモデル平面図
【図３】図１の高速回転盤の回転過程における、位置検出センサとピンストッパの関係を示すモデル平面図
（Ａ） 通常の回転途中状態のモデル平面図
（Ｂ） 原点位置手前センサのみがオンになった状態のモデル平面図
（Ｃ） 原点位置センサもオンになり、回転停止した状態のモデル平面図
【符号の説明】
１ 高速回転盤装置
２ 高速回転盤
３ 高速回転軸ロール
４ 高速駆動モータ
５ ドック
６ 原点位置検出センサ
７ 原点位置手前検出センサ
８ 低速回転ロール
９ 低速モータ
１０ 低速モータ用ブレーキ
１１ 低速ロール部移動機構
１２ ピンストッパ
１３ ピンストッパ外し機構
１４ Ｖ字溝
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ
液体保有部を有するチップ
１６ 外部操作機構
１７ ピンストッパスライド
１８ ピンストッパ戻りセンサ
１９ ピンストッパ食い込みセンサ
２０ 高速回転盤の回転方向

Claims (6)

1. 外周部にＶ字溝を有する高速回転盤、高速回転軸と同時に回転する高速回転軸ロール、高速回転盤を高速回転駆動する高速モータ、センサにより高速回転盤の原点位置を検出するための印となるドック部、高速回転盤の原点手前を検出する位置検出センサ、高速回転盤の原点位置を検出する位置検出センサ、高速回転盤を低速で回転させる低速ロール、低速ロールを回転駆動する低速モータ、低速モータを瞬時に停止させるブレーキ、低速ロールを高速回転軸ロールへ接触又は非接触とする低速ロール部移動機構、高速回転盤のＶ字溝に食い込む形状のピンストッパ、及びピンストッパを食い込み又は非食い込み状態とするピン移動機構を備えたことを特徴とする高速回転盤装置
2. 圧力を加えてピンストッパをＶ字溝に食い込ませるクッションバネを備えたことを特徴とする請求項１に記載の高速回転盤装置
3. 高速回転盤に液体保有部を有し、該液体を注入、排出あるいは分析する外部操作機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の高速回転盤装置
4. 液体保有部が、高速回転盤と共に回転し、液体保持部及び液体流路を形成する空隙部を有するシート状構造体であって、該シート状構造体の高速回転中心軸に対する向きが可変であり、かつ高速回転中は向きを固定する機構を有することを特徴とする請求項２に記載の高速回転盤装置
5. 低速ロールが高速回転軸ロールと非接触であり、ピンストッパがＶ字溝より外れていることを確認し、次いで、低速モータの回転を開始後、低速モータを高速回転軸ロールに接触させて、高速回転盤の低速回転を開始し、次いで、原点手前位置検出センサがドックを検出して、原点手前信号を発信し、次いで、低速モータによる減速制御により低速ロール及び高速回転軸ロールを減速し、次いで、原点位置検出センサがドックを検出して、原点信号を発信し、次いで、ブレーキが作動して、低速ロール、高速回転軸ロール及び高速回転盤を停止させ、次いで、ピンストッパをＶ字溝に食い込み状態とするプロセスよりなることを特徴とする請求項１に記載の高速回転盤装置の原点位置決め方法
6. 低速ロールを高速回転軸ロールと非接触とすると共に、ピンストッパをＶ字溝より外し、次いで、高速モータにより高速回転盤を回転させ、次いで、タイマ等よりの停止信号により高速モータを減速制御し、次いで、低速モータのブレーキを外して回転を開始し、次いで、高速回転盤が一定以下の回転速度になった時点で、高速モータをフリーとし、次いで、低速ロールを高速ロールに接触させて、低速ロールのみで高速回転盤を回転させ、次いで、原点手前位置検出センサがドックを検出して、原点手前信号を発信し、次いで、低速モータによる減速制御により低速ロール及び高速回転軸ロールを減速し、次いで、原点位置検出センサがドックを検出して、原点信号を発信し、次いで、ブレーキが作動して、低速ロール、高速回転軸ロール及び高速回転盤を停止させ、次いで、ピンストッパをＶ字溝に食い込み状態とするプロセスよりなることを特徴とする請求項１に記載の高速回転盤の連続的自動操作方法

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