JP2006061864A

JP2006061864A - 電磁攪拌器

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Publication number: JP2006061864A
Application number: JP2004249557A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Osada; 慎一長田; Sunao Hasegawa; 直長谷川
Original assignee: TOKYO RIKOUSHIYA KK; As One Corp
Current assignee: TOKYO RIKOUSHIYA KK; As One Corp
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2006-03-09

Abstract

【課題】広い回転数範囲、特に低回転数において、攪拌子を安定且つ滑らかに回転させることができる電磁攪拌器を提供すること。
【解決手段】同心円上に略等間隔で配置された複数の電磁石（２）と、各々の電磁石（２）に対応する強磁性体の磁極（１）と、電磁石（２）を構成するコイル（４）に電流を供給する電流供給部と、電流の値を制御する制御部とを備え、各々の電磁石（２）によって発生する磁界の時間的変化パターンが同じであり、且つ磁界が、電磁石（２）が配置されている順に、相互に一定の位相差を有するように、各々のコイル（４）に流れる電流が制御部によって制御され、各々の磁極（１）が、厚さが略一定の平板状であり、表面形状が線対称性を有しない形状であり、複数の磁極（１）が同心円の中心を通る軸の周りに回転対称性を持つように、磁極（１）の基部（Ｂ）が電磁石（２）に取り付けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、容器内の液体中の攪拌子を、磁界の変化によって回転させて液体を攪拌する電磁攪拌器に関する。

攪拌子を使用して、ビーカ等の容器に入れた液体を攪拌する電磁攪拌器が知られている。従来の電磁攪拌器は、モータの回転軸の先端に永久磁石が取り付けられており、モータの回転によって永久磁石が回転することによって永久磁石の磁界分布も回転し、これによって磁化された部品（フェライト磁石など）を内蔵する攪拌子が容器内で回転して液体を攪拌する（例えば、下記特許文献２には、従来技術として永久磁石を用いた電磁攪拌器が開示されている）。

これらの電磁攪拌器は、モータや永久磁石を使用しているため、攪拌子を低速で回転させるためには、減速ベルトや減速ギヤーなどの機構が必要であり、装置の小型化や低コスト化が困難であった。また、永久磁石の磁気特性が経時変化することによる攪拌性能が低下する問題があった。

これらの問題を解決するために、永久磁石の代わりに電磁石を使用する電磁攪拌器が知られている。図６は、電磁石を用いた電磁攪拌器の一例を示す斜視図である。この電磁攪拌器は、ベース３３に取り付けられた４個の電磁石３２と、磁極３１とを備えている。各々の電磁石３２を構成するコイルは、同じ材質の電導線を用い、同じ巻き数だけ巻回されて形成されており、略同じ抵抗値を有している。尚、図６では、電磁攪拌器全体を覆うケース、各々の電磁石３４に電流を供給する電源、その電流を制御する制御装置等は省略している。

また、図７は、この電磁攪拌器を構成する各々の電磁石３２の端子に印加する電圧を示す図である。このように、４個の電磁石（第１〜第４電磁石）３２に９０度ずつ位相をずらせた矩形のパルス電圧を印加することによって、同様の波形の電流が流れ、回転磁界を発生させ、容器３５内の攪拌子３４を回転させる。

また、下記特許文献１には、４個の電磁石を使用し、異なる長さの攪拌棒を安定に回転させるために、共通の中心（攪拌場所）に対して半径方向に長く、各々が線対称の形状の磁極を備えた電磁攪拌器が開示されている。

また、下記特許文献２には、容器底面と攪拌子との間で生じる摩擦によって、攪拌子の外壁（例えばテフロン（登録商標））が剥離され、剥離された微小片が溶液中に混じるコンタミネーションの発生を改善するために、攪拌子が容器の内壁と接触しない位置に維持されるように電磁石を配置し、これに位相の異なる電流を流す電磁攪拌器が開示されている。
特開昭５７−１１７３２９号公報特開２００１−９２５４号公報

しかし、従来の矩形パルスを用いる電磁攪拌器では、攪拌子を滑らかに回転させることができず、特に、毎分１０回転以下（周期６秒以上）の低速回転時において、回転むらであるコギングが発生する問題がある。また、モータを用いる場合に、低速回転用にステッピングモータ等を適用したとしても、安定した回転を得ることは困難である。

また、上記特許文献１に開示されている電磁攪拌器でも、磁界分布が不均一であり、低速回転時において攪拌子を滑らかに回転させることができない。また、上記特許文献２に開示されている電磁攪拌器では、攪拌子の外壁の剥離によるコンタミネーションを抑制することはできるが、磁界分布が不均一であり、低速回転時において攪拌子を滑らかに回転させることができない。

近年、バイオテクノロジー分野において、溶媒をゆっくりと攪拌することが要求される場合が多いが、上記したように攪拌子を滑らかに低速回転させることができない従来の電磁攪拌器を使用することはできない。

本発明の目的は、広い回転数範囲、特に低回転数において、攪拌子を安定且つ滑らかに回転させることができる電磁攪拌器を提供することにある。

本発明の目的は、以下の手段によって達成される。

即ち、本発明に係る電磁攪拌器（１）は、同心円上に略等間隔で配置された複数の電磁石と、各々の前記電磁石に対応する強磁性体の磁極と、前記電磁石を構成するコイルに電流を供給する電流供給部と、前記電流の値を制御する制御部とを備え、各々の前記電磁石によって発生する磁界の時間的変化パターンが同じであり、且つ前記磁界が、前記電磁石が配置されている順に、相互に一定の位相差を有するように、各々の前記コイルに流れる電流が前記制御部によって制御され、各々の前記磁極が、厚さが略一定の平板状であり、表面形状が線対称性を有しない形状であり、複数の前記磁極が前記同心円の中心を通る軸の周りに回転対称性を持つように、前記磁極の基部が前記電磁石に取り付けられていることを特徴としている。
前記電磁石の数及び前記磁極の数が共に４であり、
また、本発明に係る電磁攪拌器（２）は、上記の電磁攪拌器（１）において、各々の前記コイルに流れる電流の波形が、正弦波であり、且つ前記電磁石が配置されている順に、相互に９０度の位相差を有することを特徴としている。

また、本発明に係る電磁攪拌器（３）は、上記の電磁攪拌器（１）又は（２）において、前記磁極が、前記基部から先端部に向かって幅が減少し、該先端部が滑らかな曲線の形状であり、前記先端部が、前記同心円の中心と前記電磁石の中心とを通る直線から外れて位置することを特徴としている。

また、本発明に係る電磁攪拌器（４）は、上記の電磁攪拌器（１）〜（３）の何れかにおいて、前記電磁石を間に挟み、前記磁極と対向して前記電磁石に取り付けられた強磁性体の板をさらに備えることを特徴としている。

本発明に係る電磁攪拌器によれば、電磁石によって発生する磁界分布を滑らかに回転させることができる。従って、種々の粘度を持つ媒体中でも、攪拌子を安定且つ滑らかに回転させることができる。特に、毎分１〜１０回転（ｒｐｍ：周期が６〜６０秒）の低速回転において、回転むらであるコギングを生じることなく、滑らかに回転させることができる。

また、本発明に係る電磁攪拌器は、永久磁石を用いていないので、攪拌子と容器内壁との摩擦を抑制することができ、攪拌子の表面の剥離によるコンタミネーションの発生を抑制することができる。

また、本発明に係る電磁攪拌器は、モータや永久磁石を使用しないために、信頼性が高く、薄型に形成することができる。

以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る電磁攪拌器の概略構造を示す平面図である。図２は、本電磁攪拌器の概略構造を示す縦断面図である。また、図３は、本発明の実施の形態に係る電磁攪拌器の概略構成を示すブロック図である。図１では装置全体を覆うケース６は省略されており、図１及び図２では、電源及び制御部（図３の信号発生器及び増幅器）が省略されている。

図１〜３に示したように、本実施の形態に係る電磁攪拌器は、４つの磁極１と、鋼板５と、それらの間に位置する４つの電磁石２と、それらを覆うケース６と、電源１０と、第１信号発生器１１と、第２信号発生器１２と、第１増幅器１３と、第２増幅器１４とを備えている。各々の電磁石２は、柱状のコア（強磁性体）３の周囲に巻回されたコイル４から構成されている。各々のコイル４は、同じ材質の電導線を用い、同じ巻き数だけ巻回されて形成されており、略同じ抵抗値を有している。

４つの電磁石２は、同じ円周上（直径Ｄ）に位置するように、略等間隔で配置され、中心Ｏを挟んで対向する２つのコイル４を直列に接続して回路を構成し、これらの２つの回路の各々に対して、第１及び第２信号発生器１１、１２と、第１及び第２増幅器１３、１４とを用いて後述するパターンで電圧を印加する。ここで、対向する２つの電磁石２のコイル４は、電流が流された場合、相互に逆方向の磁界を発生するように、即ち、例えば一方の電磁石２の磁極１側がＮ極である場合、他方の電磁石２の磁極１側がＳ極となるように接続されている。

磁極１は、鉄などの強磁性体で形成されており、溶接、ネジ止めなどによって各々の電磁石２のコア３に取り付けられている。磁極１は、電磁石２によって生じる磁界を磁極１の近傍に集中させる。磁極１の形状は、図１に示したように、厚さが略一定の平板状で、その表面形状が線対称性を有しない形状であり、電磁石２に取り付けられる部分（基部Ｂ）から先端部Ａに向かって幅が徐々に減少し、先端部Ａ付近で急激に幅が減少し、先端部Ａが滑らかな曲線になっている。さらに、各々の磁極１は、全体の中心Ｏ（電磁石２が配置されている円の中心）と各電磁石の中心を通る直線Ｌから外れた位置に先端部Ａが位置し、４つの磁極１が、中心Ｏを通る軸の周りに９０度の回転対称性を持つように、基部Ｂが電磁石２に取り付けられている。

鋼板５は、電磁石２が形成する磁界が、電磁攪拌器の裏側から漏れるのを抑制し、電磁石２によって生じる磁界を攪拌（攪拌子の回転）に効率的に使用するために設けられている。従って、鋼以外の強磁性体を用いてもよい。

図４は、直列に接続された電磁石２のコイル４に供給される電圧を示す波形図である。図４では、図１〜３に示した４つの電磁石２を、配置されている順に、即ち時計回り又は反時計回りに、第１〜第４の電磁石としている。ここで、第１及び第３電磁石のコイルは直列に接続されているので、各々の電磁石のコイルに印加される電圧は共通の接続点（例えば、図３の点Ｃ）を基準として表している。従って、第１及び第３電磁石のコイルの電圧は、符号が反対の波形になっている。第２及び第４電磁石に関しても同様である。

図４に示したように、各々の電磁石２のコイル４の両端には、第１及び第２信号発生器１１、１２、第１及び第２増幅器１３、１４によって、同じ振幅、同じ周期（Ｔ）であり、位相が第１〜第４電磁石の順に９０度ずつ遅れた、正弦波の電圧が印加される。これによって、各々のコイル４に、図４と同様の波形及び位相差を持つ電流が流れ、各々のコイル４が、同様の波形及び位相差で時間的に変化する磁界を発生させる。その結果、４つのコイル４による合成磁界が一方向（時計回り又は反時計回り）に回転する。これによって、容器８内の攪拌子７が回転磁界の回転につれて回転し、容器８内の液体９を攪拌する（図２）。このとき、図１に示した形状及び配置の磁極１によって、発生する合成磁界を滑らかに回転させることができ、従って攪拌子７を滑らかに回転させることができる。

以上において、４つの電磁石２を使用する場合を説明したが、これに限定されず、６つ以上の電磁石を使用してもよい。６つ以上の電磁石を使用する場合、磁極１の形状は、相互に接触しないように幅を狭くするなど、適宜変形すればよい。また、ｎ個の電磁石を使用する場合の位相差は、３６０度／ｎであればよい。

また、円じ円周上に配置された複数のコイル４のうち、中心を挟んで対向する２つのコイル４で回路を構成し、その回路の各々に信号発生器及び増幅器を接続する場合を説明したが、これに限定されない。例えば、各々のコイル４を独立した回路とし、コイル毎に信号発生器、増幅器を備えて、図４に示した波形の電圧を印加してもよい。

また、各々のコイルに供給する電圧波形（電流波形）は、正弦波に限定されず、一定の周期で滑らかに変化し、且つ１／４周期毎の波形が対称性を持つ波形であればよい。即ち、第１の１／４周期の波形（ｓ_１（ｔ））に対して、続く第２の１／４周期の波形（ｓ_２（ｔ））が、第１の１／４周期の波形を時間に関して折り返した波形（ｓ_２（ｔ）＝ｓ_１（Ｔ／２−ｔ））であり、続く第３の１／４周期の波形（ｓ_３（ｔ））が第１の１／４周期の波形の振幅の符号を反転させた波形（ｓ_１（ｔ）＝−ｓ_３（ｔ−Ｔ／２））であり、さらに続く第４の１／４周期の波形（ｓ_４（ｔ））が第１の１／４周期の波形を時間に関して折り返し、且つ振幅の符号を反転させた波形（ｓ_４（ｔ）＝−ｓ_１（Ｔ−ｔ））の関係が成立すればよい。

また、各々のコイルに印加する電圧は、図３に示したように第１〜第４の電磁石の順に、位相が遅れている場合に限定されず、位相が進んでいてもよい。また、各々の電磁石によって発生する磁界の強度が、電磁石の並びの順に、一定の位相差（遅れ又は進み）で時間的に変化すればよく、電磁石の数、電磁石の配置、コイルの巻回方向に応じて、各々のコイルに印加する電圧を適宜変更することができる。

以下に実施例を示し、本発明の特徴をより一層明確にする。

図５は、図１に示した電磁攪拌器との比較実験で用いた電磁攪拌器の概略構造を示す平面図である。

比較対象の電磁攪拌器は、磁極２１と、コア２３及びコイル２４からなる電磁石２２と、鋼板２５とを備えている。磁極２１は、図１と同様に、同じ円周上（直径Ｄ）に位置するように、等間隔で配置され、中心Ｏを挟んで対向する２つのコイルを直列に接続して回路を構成し、これらの２つの回路の各々に対して、信号発生器及び増幅器から電流を供給する。図５に示した磁極２１は、図１に示した磁極１とは異なり、線対称な形状をしており、中心Ｏと電磁石の中心を通る線Ｌが一致するように配置されている。

図１及び図５に示した電磁攪拌器を用いて、容器に同じ液体を入れ、同じ攪拌子を用いて、同じ正弦波（図４参照）を印加して、性能比較を行った。その結果、図１に示した電磁攪拌器の方が、図５に示した電磁攪拌器よりも、攪拌子の回転が滑らかであった。これは、図１に示した電磁攪拌器の方が、磁極付近での合成磁界が滑らかに回転することによるものである。特に、図５に示した電磁攪拌器では、１〜１０ｒｐｍ（周期６秒以上６０秒以下）の低速回転（各コイルに印加する電圧波形の周期が長い）において、攪拌子の回転が滑らかでなく、コギングが観測されたのに対して、図１に示した電磁攪拌器では、コギングが観測されることは殆どなかった。また、図１に示した電磁攪拌器は、広い回転数範囲（１〜１０００ｒｐｍ）、広い粘度範囲（１〜５０００センチストークス（ｃＳｔ））において、攪拌子を安定して回転させることができた。

また、実験の結果、図１に示した磁極１の厚さは、約１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが望ましい。

また、図１に示した対向する電磁石２の距離Ｄは、磁極１と攪拌子７との距離ｈ（図２参照）、攪拌子の大きさなどの条件に応じて適宜設計すればよいが、例えば、磁極１と攪拌子７との距離ｈが、約５ｍｍ以上１０ｍｍ以下になるように設計する場合、距離Ｄは、約５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であることが望ましい。

本発明の実施の形態に係る電磁攪拌器の概略構造を示す平面図である。本発明の実施の形態に係る電磁攪拌器の概略構造を示す縦断面図である。本発明の実施の形態に係る電磁攪拌器の概略構成を示すブロック図である。電磁石のコイルの両端に印加される電圧を示す波形図である。比較実験に使用した磁極の形状、配置を示す平面図である。従来の電磁石方式の電磁攪拌器の内部構造を示す斜視図である。従来の電磁攪拌器のコイルに印加する電圧を示す波形図である。

符号の説明

１、２１、３１磁極
２、２２、３２電磁石
３、２３コア
４、２４コイル
５、２５鋼板
６ケース
７、３４攪拌子
８、３５容器
９液体
１０電源
１１第１信号発生器
１２第２信号発生器
１３第１増幅器
１４第２増幅器
３３ベース

Claims

同心円上に略等間隔で配置された複数の電磁石と、
各々の前記電磁石に対応する強磁性体の磁極と、
前記電磁石を構成するコイルに電流を供給する電流供給部と、
前記電流の値を制御する制御部とを備え、
各々の前記電磁石によって発生する磁界の時間的変化パターンが同じであり、且つ前記磁界が、前記電磁石が配置されている順に、相互に一定の位相差を有するように、各々の前記コイルに流れる電流が前記制御部によって制御され、
各々の前記磁極が、厚さが略一定の平板状であり、表面形状が線対称性を有しない形状であり、
複数の前記磁極が前記同心円の中心を通る軸の周りに回転対称性を持つように、前記磁極の基部が前記電磁石に取り付けられていることを特徴とする電磁攪拌器。
前記電磁石の数及び前記磁極の数が共に４であり、
各々の前記コイルに流れる電流の波形が、
正弦波であり、且つ
前記電磁石が配置されている順に、相互に９０度の位相差を有することを特徴とする請求項１に記載の電磁攪拌器。
前記磁極が、前記基部から先端部に向かって幅が減少し、該先端部が滑らかな曲線の形状であり、
前記先端部が、前記同心円の中心と前記電磁石の中心とを通る直線から外れて位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁攪拌器。
前記電磁石を間に挟み、前記磁極と対向して前記電磁石に取り付けられた強磁性体の板をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３の何れかの項に記載の電磁攪拌器。