JP2015116544A - 遠心機及び遠心機用スイングロータ - Google Patents

Abstract

【課題】遠心機において回動軸への遠心負荷荷重を低減させる。【解決手段】試料容器３０をスイングさせて遠心運転を行う遠心機において、試料容器はバケット５２とバケットを密封する蓋部（３３〜３８）を有し、バケットにはスイング時にロータボディに着座する着座面５４ｃが形成され、蓋部の上側に延びる中空部３２には横方向に延びる回動軸４０が設けられる。回動軸は貫通穴３５に挿入され、回動軸の上側には回動軸を付勢する弾性部材３６が設けられる。中空部の容器部側の端部には、円盤部３３の上面より回動軸に近くなるように形成された着座面が形成され、回動軸が遠心力により撓んだ際に着座させるようにして、回動軸の遠心荷重による破損を防ぐようにした。【選択図】 図５

Description

本発明は、医学、薬学、遺伝子工学、バイオ等の分野において試料を分離するための遠心機に関し、特にスイング式のロータを有する遠心機及び遠心機用の試料容器に回動軸構造の改良に関するものである。

遠心機は、内部に試料を充填した複数の試料容器を収容可能なロータと、ロータ室内でロータを回転駆動するモータ等の駆動手段を備え、ロータを高速で回転させて遠心力を作用させることにより試料容器内の試料を遠心分離するものである。遠心機用ロータはアングルロータとスイングロータに大別できる。アングルロータの場合、内部に試料を充填した複数の試料容器を収容穴に収容し、収容穴開口部上方に風損低減及び万一試料容器が破損、変形したときの試料及び容器破片の飛散防止のための蓋がロータに締結される。収容穴は駆動軸に対し一定の固定角で形成されており、遠心力の大きさによらず収容穴と駆動軸の相対角度は常に固定である。

これに対しスイングロータは、有底部を備えたバケットの内部に試料を充填した試料容器を収容してバケット内部を覆う蓋で密閉し、バケットまたは蓋に設けられた棒状または凸形状を有した回動軸をロータに設けられた回動軸用係合溝に係合させて、ロータにバケットを揺動可能に設置して遠心分離する構造である。ロータが静止している時はバケットの中心軸とモータの駆動軸は平行（θ＝０°）であるが回転速度が上昇するに従い揺動可能に設置されたバケットに遠心力が作用し回動軸を中心に回転しθ＞０°となり、バケットを水平に足らしめる遠心力を発生させる回転速度でほぼ水平（θ≒９０°）となる。その後、遠心運転が終わって回転速度が減少するに従いθは減少し、停止時にはθ＝０°となる。このようにスイングロータは遠心運転中の遠心力の大きさによりバケットの中心軸と駆動軸の相対角度が変化する。また、スイングロータの遠心運転中のバケットの遠心荷重を保持する形態には主に２種類ある。１つはロータまたはバケットに設けた回動軸の凸部を対向する凹み部で受け、バケットの遠心力による荷重を凸部または凹み部のみで保持する形態と、もう１つはロータまたはバケットに設けた回動軸で水平までバケットをスイングし、そこから回動軸を撓ませてロータの壁面にバケットを着座させ、バケットの遠心力による荷重をロータボディで保持する形態である。後者の形態としては、特許文献１の技術が知られている。

特許公開２００２−８６０１６号公報

特許文献１のようなロータまたはバケットに設けた回動軸で水平までバケットをスイングし、そこから回動軸を撓ませてロータにバケットを着座させ、バケットの遠心力による荷重をロータボディで保持する形態では、従来は回動軸が自重による遠心力やバケットの荷重を受けて折損しないように回動軸自体の強度を確保するため断面係数を大きくせざるを得ず、構造が大きくなる問題があった。また、１００，０００×ｇ以上の遠心加速度を生じるようなスイングロータに使用する回動軸は、強度を確保する都合上、安価で比重の小さいアルミ合金では耐えられないことが多い。更に遠心加速度が大きくなる程従来の考えの回動軸自体の剛性で折損を防止することには限界があった。回動軸として従来は高価だが比重の小さく比強度の高いチタン、又は、安価だが比重の大きいステンレス鋼を使うことが多かったが、チタンを使用すると材料自体が高価である。さらに、アルミ合金やステンレス鋼に比べてチタンは難削材であり製造原価が上昇してしまい、顧客への販売価格を高く設定せざるを得ず購入者に費用負担を強いることになる。

回動軸にステンレス鋼を使用する場合、例えばアルミ合金やチタン合金と同一形状で製作しても比重が約２〜３倍あるため重くなってしまい、自重による遠心荷重に耐えられるようにするためにはやはり剛性を上げざるを得ず、構造が大きくなってしまうため結果としてロータへの負荷荷重が大きくなるという問題があった。ロータへの負荷荷重が大きくなると、その負荷荷重に耐えられるようにロータボディも強度のある材料を使用したり強固に設計する必要があり、結果として全体的に高価な製品となってしまう。また、本来回動軸はロータにバケットを着座させるためにバネ性を有さなければならないが、断面係数を大きくすると剛性が上がるため撓み量は減少してしまい、スムーズにスイングさせるという必要な役目を果たさなくなる問題があった。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、繰り返し使用しても回動軸が折損しないように構成するとともに、回動軸の軽量化を図ってロータボディへの負荷荷重を低減させることによりロータボディおよび回動軸の長寿命化、低コスト化を図った遠心機及び遠心機用スイングロータを提供することにある。
本発明の他の目的は、意図的に回動軸自体の剛性を小さくしてスイングロータの軽量化を行うようにした遠心機及び遠心機用スイングロータを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、本来であれば折損してしまう位に回動軸の剛性を小さくして撓ませながら、回動軸の中央付近を着座面に着座させることで遠心運転時の回動軸の変形量を制御し、回動軸の折損を防止するようにした遠心機及び遠心機用スイングロータを提供することにある。

本願において開示される発明のうち代表的なものの特徴を説明すれば次の通りである。
本発明の一つの特徴によれば、スイング用の回動軸を有する試料容器と、軸方向上側から下側に貫通する貫通孔と、回動軸を回動可能に保持する支持部と、貫通孔の中心軸と垂直方向であって径方向外側に形成される切り欠き部を有するロータボディを有し、回動軸にて装着された試料容器を、ロータボディの回転によってスイングさせて切り欠き部に当接させた状態で遠心運転を行う遠心機において、試料容器は、試料を収容する容器部と容器部を密封する蓋部を有し、容器部にはスイング時に切り欠き部に着座する着座面が形成され、蓋部には容器部の長手方向と垂直方向に延びる回動軸が設けられ、蓋部には容器部の開口部を覆うための円盤部と円盤部の上方に一体に形成される中空部を有し、中空部には長手方向と垂直方向に貫通する長穴状の貫通穴が形成され、貫通穴に回動軸が挿入され、回動軸の上側には軸方向に付勢する弾性部材が配置され、中空部内から弾性部材が脱落しないようにストッパが設けられ、中空部の容器部側の端部に、円盤部の上面より回動軸に近くなるように形成され、回動軸が遠心力により撓んだ際に当接する着座面を設けるように構成した。着座面は、円盤部の上面であって中空部の内側に形成されたフラットな底面又は底面の中央付近に形成される凸部として形成する。このように着座面を形成することにより、意図的に回動軸自体の剛性を小さくして回動軸の軽量化を行い、本来であれば折損してしまう位剛性を小さくして撓ませても着座面に着座させることで回動軸の折損を防止することができる。また、使用される材料の塑性域で使用しても前述したように回動軸と着座面の距離を適切に設置し変形量を制御することで、耐力以上の部分で繰り返し使用しても回動軸が折損せずに使用可能となったので、従来では構成することが困難であった材料の使用や形状で回動軸の折損防止とバネ性を両立し、安全性の高い遠心機を提供可能となった。さらに、回動軸に必要以上の荷重が負荷されないため、回動軸の高寿命化が可能となった。

本発明の他の特徴によれば、貫通穴は、回動軸が長手方向に移動可能な様に長手方向に所定の長さを有するように構成する。回動軸は、遠心力により長手方向に平行に移動又は変形し、変形の際に回動軸の両端部と着座面の３点にて遠心荷重が支持されることになる。弾性部材は積層された複数枚の皿バネであって、ストッパは中空部の軸方向に対して垂直方向に螺合されるネジとすると良い。このように構成することにより回動軸は、中空部に備えた矩形またはオーバル状の開口部稜線に平行に滑りながら移動し、円盤部に設けられた回動軸用の着座面まで移動可能となるので、回動軸をロータボディもしくはバケットに係合させながら滑らせて移動させることができ、試料に不要な振動を与えないことを可能となり、超高速回転域における遠心荷重による回動軸自体の破損を効果的に防止することができる。

本発明の他の特徴によれば、回動軸は中央部の径が太くなった略円柱形の部材とされるので、太い径の部分が中空部内に位置することにより貫通穴から軸方向に回動軸が抜け落ちることを防止できる。また、着座面と当接する位置に平面状の面取り部が形成されるので、面取り部の大きさにより回動軸のたわみ量を調整することができ、撓んだ際の回動軸の遠心荷重を面圧で分散させて効果的に支えることが可能となる。さらに、回動軸の回動軸に対して面取り部と反対側に、弾性部材を固定させるための凸部が形成されるので、回動軸が回動軸線を中心に回転（自転）してしまうことを防止できる。貫通穴は側面視で略Ｔ字状に形成され、凸部を有する回動軸を中空部の内部に挿入させるために周方向に所定の長さを有する周方向穴を有するので、回動軸を上下反転させた状態で貫通穴に挿入した後に、回動軸の上下を戻ることにより軸方向に引き抜いても外れることを阻止できる。

本発明によれば、従来は使用材料の弾性限度以内で使用するように回動用軸の形状を決定していたものを、回動軸と着座面の距離を適切に設置し変形量を制御することで断面係数を小さくし形状を軽量化した回動軸を実現できた。また、回動軸の使用材料の削減を図り、安価材料も使用可能となるため、製造原価を抑えた遠心機を実現できた。
本発明の上記及び他の目的ならびに新規な特徴は、以下の明細書の記載及び図面から明らかになるであろう。

本発明に実施例に係る遠心機１の全体構成を示す縦断面図である。 本発明の実施例に係る遠心機用スイングロータの平面図であって、試料容器３０を装着した状態を示す図である。 図２のＡ−Ａ部の断面図である。 本発明の実施例に係る試料容器３０の外観を示す斜視図である。 本発明の実施例に係る試料容器３０の縦断面図である。 本発明の実施例に係るロータボディ２０の軸方向縦断面図であり、試料容器３０の実線は回転時の状態を示し、点線は停止時の状態を示す。 本発明の実施例に係るロータボディ２０に対して試料容器３０が回転を開始して水平状態に到達した直後の揺動状態を示した図であって、（１）は図６のＢ−Ｂ部に相当する位置の部分断面図であり、（２）は（１）のＣ−Ｃ部の断面図である。 本発明の実施例に係るロータボディ２０に対して試料容器３０が遠心力によりバケットが水平状態まで揺動してロータボディ２０に着座した状態を示した図であって、（１）は図６のＢ−Ｂ部に相当する位置の部分断面図であり、（２）は（１）のＣ−Ｃ部の断面図である。 本発明の実施例に係るロータボディ２０と試料容器３０が高速回転時における状態を示した図であって、（１）は図６のＢ−Ｂ部に相当する位置の部分断面図であり、（２）は（１）のＣ−Ｃ部の断面図である。 図４の回動軸４０単体の外観形状を示す斜視図であって、（１）は斜め上から見た図であり、（２）は斜め下から見た図である。 図４の回動軸４０単体を示す図であって、（１）は上面図、（２）は正面図、（３）は底面図、（４）は側面図である。 図４の蓋部３１の構成部品を示す図であって、（１）は側面図、（２）は斜視図、（３）は付属部品を取り付けた後の斜視図（一部断面図）である。 中空部３２に回動軸４０を挿入する手順を説明するための図である。 蓋部３１の構成部品を示す図であって、（１）は縦断面図であり、（２）及び（３）は回動軸４０に加わる遠心荷重の強さと、その遠心荷重を支える状況を示したものである。 （１）は本実施例の第一変形例に係る構成部品の部分縦断面図であり、（２）は第二変形例に係る構成部品の部分縦断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、本明細書において上下方向は各図に示す方向であるとして説明する。

図１は本発明の実施例に係る遠心機１の構造を示す断面図である。遠心機１は、板金やプラスチックなどで製作される箱状の筐体１１に収容され、筐体１１の内部は水平なフレーム１４によって上下２段の空間に仕切られている。上段の空間の内部には防護壁６が設けられ、防護壁６とドア１２によってチャンバ４を画定し、図示しないドアパッキンによってチャンバ４は密閉される。チャンバ４は上面が開口している円筒状であって、その内部空間（ロータ室２）には試料容器（バケット組立体）３０を揺動可能に設置したロータボディ２０が収容されている。ロータボディ２０は駆動軸３を回転軸として回転可能であって、分離する試料を保持しつつ高速回転するスイングロータを構成する。図１では、ロータボディ２０が停止中であって試料容器３０の中心軸が鉛直方向となっている状態を示している。本実施例ではロータボディ２０は、例えば最高回転速度が１００，０００ｒｐｍ以上で回転できる、いわゆる超高速遠心機と呼ばれるものである。筐体１１内のフレーム１４によって仕切られた下段には、駆動部９がフレーム１４に取付けられており、駆動部９のハウジング８には駆動源としてのモータ７が内蔵されている。そのモータ７の垂直上方に延びる駆動軸３は、チャンバ４を貫通してロータ室２内に達し、その上端部にはロータボディ２０が着脱可能に装着される。

ロータボディ２０は複数の試料容器３０を保持しながら高速回転をする回転体であって、ロータボディ２０の回転と共に遠心力によって試料容器３０が遠心力の作用方向（回転軸から見て径方向外側）にスイングして、試料容器３０の中心軸が鉛直方向から水平方向に移動する。ロータボディ２０は、駆動部９に含まれるモータ７によって回転されるが、モータ７の回転は図示しない制御装置によって制御される。

チャンバ４はドア１２によって密閉可能に構成され、ドア１２を開けた状態で、上側の開口部５を介してチャンバ４内のロータ室２内にロータボディ２０を装着又は取り外しができる。チャンバ４には、図示していないがロータ室２内部を所望の低温に保つための冷却装置と、内部を所定の減圧状態に保つための真空ポンプが接続され、遠心分離運転中は制御装置の制御によってロータ室２の内部が設定された環境に保たれる。ドア１２の側方（右側）には、使用者がロータの回転速度や遠心分離時間等の条件を入力すると共に、各種情報を表示する操作表示部１０が配置される。操作表示部１０は、例えば液晶表示装置と操作ボタンの組み合わせ、又は、タッチ式の液晶パネルで構成される。

図２は遠心機用スイングロータの上面図である。遠心機用スイングロータはロータボディ２０と試料容器３０により構成され、図２は試料容器３０がロータボディ２０の貫通孔２１に挿入された状態を示している。本実施例にかかるロータボディ２０は、上から見た際に略円形であって、径が１００ｍｍから３００ｍｍ程度の大きさのボディに直径が２０ｍｍから５０ｍｍ弱程度の６つの貫通孔２１が形成され、貫通孔２１のそれぞれに試料容器３０が装着される。試料容器３０には回動軸４０が配置され、その回動軸の長手方向が円周方向に向くように試料容器３０が貫通孔２１内に収容される。貫通孔２１は円周方向に６０度ずつ隔てて均等間隔で設けられた、上側から下側に貫通する円筒状の穴であり、穴の直径は試料容器３０の外径よりもわずかに大きく形成され、貫通孔２１の内壁の円周方向に約１８０度隔てた２箇所に回動軸係合溝２２が形成される。回動軸係合溝２２は、試料容器３０の回動軸４０の両端部を保持するために形成されるもので、貫通孔２１の上部開口から、軸方向下側に延びるが、下部開口にまでは到達しない。回動軸４０の長さは貫通孔２１の直径よりもわずかに大きく形成されるので、回動軸４０の両端位置が回動軸係合溝２２の位置に一致しないときには、回動軸４０の両端部が貫通孔２１の上端部に緩衝するため、試料容器３０を貫通孔２１の所定位置まで挿入することができない。回動軸４０の両端部を回動軸係合溝２２に沿うように試料容器３０を貫通孔２１の上側から下方向に挿入すると、回動軸係合溝２２の下端部で回動軸４０の両側が保持されることにより、試料容器３０が下側に落ちないように保持される。試料容器３０のスイング方向は回動軸４０と垂直な平面内になるため、回動軸４０はその平面となす角が９０度となる。また、スイング方向を含む平面は遠心荷重がかかる方向と一致させる必要があるので、その平面は駆動軸３（図１）の回転軸（回転中心）を通ることになる。ロータボディ２０の上からみた外縁形状はほぼ円形としても良いが、本実施例では質量軽減を図るためにバケット収容部２４（図３参照）及び貫通孔２１が形成されない箇所、即ち矢印２７に示す部分において肉厚を落とすように形成している。

図３は、図２のＡ−Ａ部の断面図である。図３では、ロータボディ２０が停止していて、試料容器３０の長手方向が鉛直方向になっている状態を示す。試料容器３０は、回動軸４０の両端部が回動軸係合溝２２の下端部（図示せず）に当接しているために、ロータボディ２０から下側に抜け落ちずに図示の位置にて保持される。この際、試料容器３０は回動軸４０の両端部分を除いて、ロータボディ２０には一切接触していない。また、試料容器３０の下端部もロータボディ２０のいずれの部分にも接触しない。この状態からモータ７（図１参照）を起動してロータボディ２０を回転させると、試料容器３０は、回動軸４０を回転軸にして、遠心力よって径方向外側にスイングする。この試料容器３０のスイングは、試料容器３０の長手方向が水平（真横）になるまで続くが、その際に試料容器３０のスイングがロータボディ２０に阻害されないように、ロータボディ２０にはバケット収容部２４が形成される。バケット収容部２４は、ロータボディ２０の下側端部を半円柱状にくり抜いた切り欠き部であって、試料容器３０がスイングした際に、特定の箇所を除いて、試料容器３０とロータボディ２０が接触しないようにするために形成される空間である。

図４は、本発明の実施例に係る試料容器３０の外観形状を示す斜視図であり、蓋部３１に容器部５１を装着した状態を示す。容器部５１は、その内部に分離する試料を入れるチューブを収容するための容器たるバケット５２を有し、バケット５２は比強度の高いチタン合金等の金属の削り出しによって一体に製造される。容器部５１の開口部５３の下方には、径方向に広がるテーパー面５４ｂが形成される。フランジ部５４は、開口部５３からテーパー面５４ｂに対してなめらかに接続される外縁部５４ａと、外縁部５４ａと、外縁部５４ａの下側に形成され、ロータボディ２０のバケット収容部２４の側壁面（バケット受け面２５）接触するために円周方向に連続する斜面たる着座面５４ｃにより構成される。着座面５４ｃの下方にてバケット５２と接続される。テーパー面５４ｂの形状は比較的自由であるが、本実施例では図３に示したようにフランジ部５４の外縁部５４ａから上方の開口部５３の円筒部分になめらかに接続して容器部５１の強度を十分確保するようにしている。

蓋部３１はバケット５２の内部空間を密閉するための蓋として作用するもので、容器部５１の開口部５３にネジ結合又は差込み方式により装着される。蓋部３１の上下方向中央付近には容器部５１の蓋本体となる円盤状の円盤部３３が形成される。円盤部３３の上方には円筒形の部分（中空部３２）が形成され、中空部３２の側方には回動軸４０を貫通させるための貫通穴３５が設けられ、貫通穴３５を介して中空部３２の対向する径方向に突出する回動軸４０が設けられる。貫通穴３５は遠心荷重のかかる方向に延びる単なる長穴ではなくて、本実施例では側面視で略Ｔ字状の形状とされるが、その詳細形状は後述する。蓋部３１は、例えばアルミニウム合金等の金属の削りだし加工により製造され、円盤部３３の下方には後述する装着部３４が形成される。回動軸４０は、ロータボディ２０に形成された回動軸係合溝２２に係合されるものであって、スイング状態になる前には試料容器３０の荷重を支える役割を果たす。回動軸４０の上方には複数枚の皿バネ３６が挿入され、皿バネ３６の上部において中空部３２の水平方向（横方向）に形成されるネジ穴３７に止めネジ３８が装着されることにより皿バネ３６が脱落しないように保持される。尚、本実施例では６枚の皿バネ３６が挿入されるが、皿バネ３６の枚数は遠心分離の最高回転速度や容器部５１の重さや中に入れられる試料の容量等を考慮して適宜設定すればよい。また、皿バネだけに限られずに圧縮スプリングやその他の弾性部材にて付勢するように構成しても良い。また、止めネジ３８のほかにピンを用いても、皿バネ３６の脱落を防ぐことができる。

図５は試料容器３０の縦断面図である。容器部５１の内部には、チューブ６０の外形と一致する空間が形成され、上部にはチューブ６０を出し入れするための開口部５３が形成される。チューブ６０は例えば合成樹脂製の略円筒状の容器であって、全長が約１００ｍｍであって開口部の直径が２５ｍｍ程度であり、内部に遠心分離を行う対象たる試料６１が入れられる。容器部５１の開口部５３には、チューブ６０の開口部５３を覆うことにより容器部５１の内部空間を密閉状態に保つ役割を果たし、バケット５２内に充填した試料６１がバケット５２の外に漏れ出るのを防いでいる。開口部５３の内周側には雌ねじまたは密着面が形成され、蓋部３１の装着部３４の雄ねじ又は密着面と当接し、Ｏリング３９などのシール部材で密閉する。このように蓋部３１が容器部５１に取り付けられることによりこれらが一体化して揺動できる。

試料容器３０の上部には、径方向に広がるフランジ部５４が形成され、フランジ部５４の下側にはロータボディ２０と接触するための着座面５４ｃが形成される。テーパー面５４ｂは、フランジ部５４から上方の開口部５３に至り徐々に軽が細くなるように形成されている。なお、テーパー面５４ｂの形状は比較的に自由に形成できるが、試料容器３０の遠心荷重が着座面５４ｃによって受け止められるため、強度の点からフランジ部５４とバケット５２の形状を設計すると良い。円盤部３３の上方には回動軸４０が貫通穴３５の稜線の輪郭形状に平行に移動可能とされ、止めネジ３８と回動軸４０間には皿バネ３６が組み込まれている。皿バネ３６はいわゆる弾性体であればその他のバネ形式でも良く、金属製のバネ部材や樹脂製のバネを用いても良い。

図６は、本発明の実施例に係るロータボディ２０の軸方向縦断面図であり、試料容器３０の実線は回転時の状態を示し、点線は停止時の状態を示す。ロータボディ２０の高速回転により試料容器３０は点線で示す停止時の位置から実線で示す状態に、回動軸４０を中心に矢印２９のようにスイングする。試料容器３０は回動軸係合溝２２の下側端部付近を中心に回転可能に搭載されるため、ある回転速度に達すると試料容器３０が回動軸４０を揺動中心としてスイングし、バケット５２の長手方向が水平方向となる水平状態になる。図６は試料容器３０が水平方向になった直後の低速回転時（例えば５００〜１，０００ｒｐｍ程度）の状態を示すもので、このように水平状態になった直後の低速回転数では、試料容器３０にかかる遠心荷重が小さいので、皿バネ３６の働きにより試料容器３０と回動軸４０が接近する方向に付勢されるため、フランジ部５４とバケット収容部２４のバケット受け面２５は互いに接触しない位置を保つ。このように回動軸４０を試料容器３０のボディ部分に対しての皿バネ３６を用いて自由度を増加させたことにより、試料容器３０が矢印２９に示すように鉛直状態から水平状態にスイングする途中では、試料容器３０はロータボディ２０のいずれの部分にも接触しないので、スムーズにスイングすることができる。また、試料容器３０が理想的な状態でなく、やや斜めに捩られた状態でスイングしていき試料容器３０のボディ部の片側がバケット受け面２５に先に当たるようなことがあったとしても、試料容器３０は回動軸４０によって拘束されることなく、遠心荷重によってテーパー面５４ｂがバケット受け面２５に良好な面接触位置に誘導されることができるので、回動軸４０に対してバケット５２と試料６１の遠心荷重がかかることはない。

次に、図６で示すようにスイングした直後の状態からロータボディ２０が更に高速にて回転し、ロータボディ２０側のバケット受け面２５と容器部５１側の着座面５４ｃが接触するまでの動きを図７〜図９を用いて説明する。図７はロータボディ２０に対して試料容器３０が回転を開始して水平状態に到達した直後の揺動状態を示した図であって、（１）は図６のＢ−Ｂ部に相当する位置の部分断面図であり、（２）は（１）のＣ−Ｃ部の断面図である。試料容器３０の遠心荷重を支える回動軸４０には、容器部５１、蓋部３１、チューブ６０、及び、チューブ６０内に満たされた試料の分の遠心力荷重合計Ｆ１がかかっている。ここで、回動軸４０には自重分と皿バネ３６分による遠心力荷重合計Ｆ２も加わっている。バケット５２が水平方向に到達した直後の状態では、回動軸４０はまだ撓んでおらず、皿バネ３６も縮んでいない。この際のロータボディ２０の壁面（バケット受け面２５付近）とバケット５２は隙間がある程度存在する状態であって接触していない。この状態から更に回転速度が上昇し遠心加速度が増加すると図８の状態になる。

図８の状態では、ロータボディ２０の回転速度が上昇して試料容器３０には矢印Ｆ１の方向に強い遠心荷重がかかるため、皿バネ３６による付勢力（耐荷重）を遠心加速度が上回っているため皿バネ３６は撓んで試料容器３０は外周側に移動し、バケット受け面２５と試料容器３０との隙間が縮まる。さらに高速回転になるとバケット５２は遠心加速度方向（径方向外側）にさらに移動し、バケット受け面２５とテーパー面５４ｂが良好に面接触する。この面接触した状態をここでは「着座」と呼ぶことにする。この着座の際の回転数は、例えば３０００ｒｐｍ程度であり、面接触する範囲は、試料容器３０の着座面５４ｃの周方向に見て上側に位置する約半分程度である。またその移動量は図６で図示したロータボディ２０とバケット５２の隙間分（移動距離限界Ｌ）でバケット受け面２５と着座面５４ｃが接触して移動が止まりロータボディ２０にてバケット５２、回動軸４０と皿バネ３６を除いた蓋部３１、チューブ６０及び試料６１の遠心力荷重合計Ｆ１を負担する状態になる。この状態では回動軸４０に加わる力はＦ２だけになるが、回動軸４０の曲げ剛性がＦ２よりも高いため、回動軸４０はまだ撓んでいない。このようにロータボディ２０の回転速度が高速になった場合は、試料容器３０の遠心荷重は、ロータボディ２０に形成されたバケット受け面２５の広い領域で受け止められるので、回動軸４０には試料容器３０部にかかる遠心力荷重合計Ｆ１は作用しないようになる。回動軸４０の自重分と皿バネ３６分による遠心力荷重合計Ｆ２は、さほど大きくないので回動軸４０は撓むこと無く図の状態に保持される。この状態からロータボディ２０の回転速度がさらに上昇し、いわゆる超高速の速度領域に到達すると図９の状態になる。

図９はバケットがロータボディ２０に着座した後に回動軸４０が貫通穴３５の稜線に平行に滑りながら遠心力の方向に移動して、円盤部３３の上面に備えた回動軸用着座面（後述）に着座した状態を示した図である。図９において、バケット５２の位置は長手方向が水平状態であり図８の状態と同じであるが、回動軸４０がその自重と皿バネ３６の遠心力荷重合計Ｆ２に耐え切れずに回動軸４０の軸方向中央部付近が撓むことになる。本実施例の場合、回動軸４０の自重は約３ｇ（試料容器３０の２％未満）であり、ロータボディ２０の回転数が３２，０００ｐｒｍで回転すると回動軸４０だけの遠心荷重でも約３００ｋｇとなるため、回動軸４０を両端部だけで自重だけを遠心荷重を支えるだけでも困難になってしまう。この遠心荷重に耐えるために回動軸４０の強度を上げることも考えられるが、強度アップは通常重量増加を伴うのでさらに遠心荷重が増える結果になってしまう。

そこで、本実施例では回動軸４０は意図的に剛性を小さくして軽量化し撓むように形状決定し、回動軸４０の軸方向中央部付近を矩形またはオーバル状開口部を有する貫通穴３５の稜線に平行に滑りながら移動させるように撓ませて、円盤部３３の中央付近上面に回動軸４０の中央付近（両端部の間付近）が接触する着座面を設けるように構成した。つまり、バケット５２内部を覆う円盤部３３に対して回動軸４０が移動限界距離Ｌ分だけ撓むと円盤部３３の中央上面に着座するように構成し、回動軸４０と円盤部３３の上面の着座面との隙間をゼロとした。このように回動軸４０の長手方向中央付近を円盤部３３に着座させることで、回動軸４０を両端部と中央部の三点支持とすることができ、本来であれば折損してしまう太さ、長さ、材質の回動軸４０を折損させないように継続使用することを可能とした。この構造であれば、仮に使用される材料の塑性域で使用せざるを得ない場合でも、前述したように回動軸４０と回動軸の移動限界距離Ｌを適切に設置し変形量を制御することで、耐力以上の部分で繰り返し使用してもひずみが増加することなく回動軸４０が折損せず使用できる。

図１０は、回動軸４０単体の外観形状を示す斜視図であって、（１）は斜め上から見た図であり、（２）は斜め下から見た図である。ここでは説明の都合上、上下左右を図の方向であると仮定して説明する。回動軸４０は中央部４０ｄの径又は幅が大きくなった略円柱形のステンレス製一体成形品であって、左右対称の形状であって、長手軸（＝回動軸）に対して対称の形状とされる。回動軸４０の長手方向の長さは４０ｍｍ強であり、基本的な直径（軸部４０ｂの直径）は３ｍｍ程度とするのが好ましく、試料容器３０の全重量（試料６１を除く）の２％未満の重量とすることが好ましい。回動軸４０は左右方向の中心の接合面でもある中央部４０ｄ付近の直径が一番太く、そこから軸方向に離れるに従って回動軸４０の径が徐々に細くなるようなテーパー部４０ａが形成される。ここで径方向とは長手軸と垂直な断面形状における径方向を指すものとして説明している。テーパー部４０ａから先は、直径が一定の円柱状の軸部４０ｂが延びて、軸部４０ｂの先端は略半球状に形成された端部４０ｃが形成される。中央部４０ｄとテーパー部４０ａは、皿バネ３６たる皿バネを保持するための保持部４１を形成するために形成したものであって、周方向に連続して形成された中央部４０ｄの一部を円環状に切削することにより、皿バネ３６と嵌合させることにより皿バネ３６を良好に保持するための嵌合部４２を形成した。嵌合部４２は皿バネ３６の内周側に位置するように形成される凸部となる。図１０では説明の都合上、テーパー部４０ａ、軸部４０ｂ、端部４０ｃ、中央部４０ｄの境界を理解が容易となるように線で示しているが、回動軸４０は金属の一体品にて製造されるので、明確な境界や接合面があるわけではない。

図１０（２）の斜め下からの斜視図でわかるように、左右方向の中央から所定の範囲においては平面状に研削された面取り部４３が形成される。この面取り部４３は円盤部３３やバケット５２側に向くように配置される。基本形状が円柱形の回動軸４０の一部を（２）のように平面に研削すると、２つの端部４０ｃ間で保持する場合の剛性が低下し、上下方向に見ると中央部４０ｄを中心にたわみやすくなる。しかしながら、回動軸４０の重量で見るとわずかではあるが軽量化できるので、回動軸４０に加わる遠心荷重を低減できる。このように面取り部４３の切削又は研削量、左右方向の長さを調整することで、回動軸４０の軽量化を図り、曲げ剛性を調整することができる。

図１１は、図４の回動軸４０単体を示す図であって、（１）は上面図、（２）は正面図、（３）は底面図、（４）は側面図である。（１）において嵌合部４２は皿バネ３６の内周側に嵌合させて保持するために外形が円形に構成された凸部とされる。また、回動軸４０の中央部４０ｄの径を太くされた基材を切削加工又は研磨加工しているので、保持部４１として所定の接触面積を有するように構成される。つまり、保持部４１の部分を円環状に切削又は研磨すると、（１）に示すように外形が菱形になるような広めの平面部が露出する。（２）においては面取り部４３の切削又は研削量がどの程度であるかが理解できるであろう。尚、面取り部４３を設けることは必須の構成ではないので必ずしも設けなくても良いが、面取り部４３を設けることにより回動軸４０が遠心荷重によって撓む量を容易に調整することができる。さらに回動軸４０が撓んだ際に、円盤部３３の着座面に点領域ではなく、所定の長さを有する線状領域、又は（３）の点線で示すような所定の面領域たる接触部分４４にて円盤部３３に接触することができるので、回動軸４０の遠心荷重を円盤部３３によって良好に保持させることができる。尚、接触部分４４はその領域の一例を示したもので、必ずしもこのような長方形の接触領域となるわけでは無い。

図１２は蓋部３１の構成部品を示す図であって、（１）は側面図、（２）は斜視図、（３）は付属部品を取り付けた後の斜視図（一部断面図）である。蓋部３１は、蓋となる作用する部分の円盤部３３と、円盤部３３の上方に形成された中空部３２と、下方に形成された装着部３４により主に構成される。中空部３２の側面には、一方の側から他方の側に貫通する側面視で略Ｔ字状の貫通穴３５が形成される。貫通穴３５のうち上下方向に長い長手方向穴３５ｂ部分は、回動軸４０が図７〜図９で示したようにスライドするための移動空間を確保するために形成するものである。そのため貫通穴３５の横方向（円周方向）の幅は回動軸４０が移動する際に抵抗とならない程度の幅を確保すると良い。Ｔ字状の貫通穴３５には横方向（円周方向）に広い幅を有する周方向穴３５ａが形成される。周方向穴３５ａは、中央部４０ｄ（図１１参照）の径が太くなっている回動軸４０を挿入するために形成される挿入口である。貫通穴３５の上部付近には円周方向に連続する溝部３２ｂが形成される。これは皿バネ３６、回動軸４０を取り付けるためのスペース確保と軽量化のためである。円盤部３３の下側には円筒状の装着部３４が設けられるが、これは容器部５１の開口部５３と係合する部分であって、本実施例では蓋部３１を容器部５１に対して、軸方向にネジ込んで装着および取り外することができる。装着部３４には密着性をあげるために周方向に連続した密着部３４ｂが形成される。

図１２（３）は、蓋部３１に回動軸４０、複数の皿バネ３６、ネジ穴３７に螺合された止めネジ３８が装着した状態を示す図である。皿バネ３６は、円盤状のばねを皿のように膨らみ持たせたものであって、小さなたわみで大きな荷重や衝撃を受けることができる弾性体であり、回動軸４０が止めネジ３８から離れる方向に付勢する。ここで図１３を用いて蓋部３１の組み立ての際の回動軸４０の装着方法を説明する。図１３において（１）は回動軸４０と貫通穴３５の大きさの関係を示す図である。貫通穴３５は側面視であり、回動軸４０も側面視（図１１（４）と同じ）である。側面視でＴ字状の貫通穴３８のうちの鉛直部分（長穴状の貫通穴）に加えて、鉛直部分の上部に連結さえる水平方向に長い貫通穴が形成される。ここで、この（１）からわかるように回動軸４０は、上方向に延びる凸部たる嵌合部４２が形成されるので、そのままの状態で貫通穴３５に回動軸４０を挿入しようとしてもはいらない。そこで、本実施例では（２）に示すように回動軸４０を上下逆向きになるように反転させて貫通穴３５に挿入する。この際、凸部たる嵌合部４２がＴ字状の貫通穴３５の縦穴の部分に対応するため、回動軸４０の中央部４０ｄが貫通穴３５の内部、即ち中空部３２の内部に位置づけることができる。その状態で再び回動軸４０を上下逆向きになるように回転させると、（３）の位置に回動軸４０を位置づけることができる。その後、中空部３２の上側端部から６枚の皿バネを挿入（または、貫通穴３５から皿バネを挿入）した後に止めネジ３８をネジ穴３７から横方向にねじ込むことにより皿バネ３６が中空部３２から外側に抜けないように保持することができる。この止めネジ３８で固定した後の状態を示すのが図１２（３）の状態である。この図から理解できるように止めネジ３８と回動軸４０は交差する方向に配置すると好ましく、好ましくは止めネジ３８と回動軸４０の軸方向はバケット中心軸を基準に９０度隔てるように配置される。

次に図１４を用いて蓋部３１の詳細形状を説明する。蓋部３１は、バケット５２の開口部を覆う蓋としての機能を果たす円盤部３３から上方に延びる中空部３２を有し、中空部３２の端部は閉鎖された底面たる着座面３２ｃとなっている。ここで、本実施例では着座面３２ｃは、円盤部３３の外周側主要面の上部よりも高さＨ１だけ高くなるように構成される。このように着座面３２ｃを高くするための理由を（２）（３）の模式図で説明する。図１４（２）は回動軸４０に加わる遠心荷重の強さと、その遠心荷重を支える支点２２ａ、２２ｂを示したものである。試料容器３０はロータボディ２０の貫通孔２１内に配置され、回動軸４０が回動軸係合溝２２に案内されてその溝の下側端部（支点２２ａ、２２ｂに相当）にて保持される。ロータボディ２０が停止している際には回動軸４０には容器部５１とその内部に収容される試料６１の重量が加わるが、図８のようにバケット５２が水平にスイングして着座面５４ｃがバケット側のバケット受け面２５と接触するため、回動軸４０には容器部５１とその内部に収容される試料６１の遠心荷重はかからなくなる。このようにバケット５２が水平にスイングした状態の回動軸４０を模式的に示すのが図１４（２）であり、回動軸４０にはバケット５２等の遠心荷重がほとんどかからなくなるため、回動軸４０自体の自重及び皿バネ３６の遠心荷重だけが回動軸４０に加わることになる。しかし、着座面５４ｃがバケット受け面２５と接触した直後はロータボディ２０の回転速度が低いため遠心荷重が小さく、回動軸４０は変形しない。

ロータボディ２０の回転速度が上昇すると図９に示したように回動軸４０に加わる遠心力荷重合計Ｆ２がさらに増大するため回動軸４０が撓むことになる。この状態を示す模式図が図１４（３）である。この撓む状態が大きくなると回動軸４０自体が破損する恐れがある。そこで本実施例では回動軸４０の長手方向にみてほぼ中央付近に、回動軸４０のたわみを支えるための保持部を設けるようにした。この保持部として本実施例では着座面３２ｃを利用するものであり、回動軸４０がある程度撓んだ後に中央の底面側が着座面３２ｃに着座するために、回動軸４０を支点２２ａ、２２ｂに加えて着座面３２ｃの三点にて支持することができる。この結果、二点支持だけで保持させる場合に比べて回動軸４０を細く軽量に構成することができ、この結果試料容器の３０の全体の重さの軽減を実現できる。また、（３）の保持部５８の高さＨ１（これは図１１（１）のＨ１のこと）を調整することにより、回動軸４０の最大許容撓み量Ｓ１を設定することができるので、遠心分離運転のたびに繰り返しうける曲げ応力を受けて使用しても回動軸４０が折損せずに使用可能となり、かつロータボディ２０への負荷荷重を低減することができるので、ロータボディ２０および回動軸４０の長寿命化、低コスト化を図ることができた。

次に図１５を用いて本発明の実施例の変形例を説明する。図１５（１）は、基本的には図１４（１）の蓋部３１の構成と同じであるが、中空部３２に形成された貫通穴１３５の端部１３５ｃが、底面１３２ｃよりも下側に到達して状態を示している。この状態が発生するのは貫通穴１３５の製造過程に関係するものであり、側面視で略Ｔ字状の貫通穴１３５を形成するに当たり、中空部３２の側面から試料容器３０の中心軸に対して直角方向にドリルやエンドミル等を用いて穿孔するためである。回動軸４０の移動範囲を確保する穿孔を行うために図示しないエンドミル等の端部が底面１３２ｃよりも下側に到達してしまう場合があり得る。しかしながら仮に図１５（１）のように端部１３５ｃが底面１３２ｃよりも下側に到達した状態になっても、回動軸４０の接触する中央部分付近のくぼみの幅ｄ１が、回動軸４０の面取り部４３の幅ｄ（図１１（３）参照）よりも十分小さいならば、幅ｄ１の外側の面にて回動軸４０が底面１３２ｃに接触することになるので、特に問題は生じない。

図１５（２）は、基本的なアイディアは図１４（１）の蓋部３１と同じであるが、中空部３２の内側の底面１３２ｃの中央部に隆起する着座面となる凸面２３９を設けるようにした。この凸面２３９の高さは、フランジ状の円盤部３３の上面に対してＨ３だけ高くなるように構成した。凸面２３９の上面は、回動軸４０の遠心力による撓みを支えるために必要十分な面積を有するようにすれば良く、回動軸４０の面取り部４３の幅ｄとほぼ同じ程度の直径か、やや広い幅ｄ２分の凸面２３９を形成するようにすると良い。凸面２３９の高さＨ３は回動軸４０の撓み具合を考慮して、最適な量を設定すれば良い。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば回動軸４０の形状は上述の実施例のような円柱形の形状だけに限らず、長手方向と垂直な断面形状が略四角形又は楕円形の形状であって、回動軸係合溝２２に係合する部分だけが半球状に形成されたものであっても良い。また、回動軸４０の長手方向の長さを５０ｍｍ以上として、基本的な直径（軸部４０ｂの直径）は４ｍｍ以下とし、試料容器３０の全重量（試料６１を除く）の１％未満の重量とするように構成しても良い。

１ 遠心機 ２ ロータ室
３ 駆動軸 ４ チャンバ
５ 開口部 ６ 防護壁
７ モータ ８ ハウジング
９ 駆動部 １０ 操作表示部
１１ 筐体 １２ ドア
１４ フレーム ２０ ロータボディ
２０ａ 駆動軸穴 ２１ 貫通孔
２２ 回動軸係合溝 ２２ａ、２２ｂ 支点
２４ バケット収容部 ２５ バケット受け面
３０ 試料容器（バケット組立体） ３１ 蓋部
３２ 中空部 ３２ｂ 溝部
３２ｃ 着座面 ３３ 円盤部
３４ 装着部 ３４ｂ 密着部
３５ 貫通穴 ３５ａ 周方向穴
３５ｂ 長手方向穴 ３６ 皿バネ
３７ ネジ穴 ３８ 止めネジ
３９ Ｏリング ４０ 回動軸
４０ａ テーパー部 ４０ｂ 軸部
４０ｃ 端部 ４０ｄ 中央部
４１ 保持部 ４２ 嵌合部
４３ 面取り部 ４４ 接触部分
５１ 容器部 ５２ バケット
５３ 開口部 ５４ フランジ部
５４ａ 外縁部 ５４ｂ テーパー面
５４ｃ 着座面 ５８ 保持部
６０ チューブ ６１ 試料
１３２ｃ 底面 １３５ 貫通穴
１３５ｃ 端部 ２３９ 凸面
Ｆ１ バケット、蓋、試料容器、試料の遠心力荷重合計
Ｆ２ 回動軸と皿バネの遠心力荷重合計
Ｌ 回動軸の移動限界距離
Ｓ１ 回動軸の最大許容撓み量
Ｈ１〜Ｈ３ 回動軸用の保持部の高さ

Claims (9)

1. スイング用の回動軸を有する試料容器と、
   軸方向上側から下側に貫通する貫通孔と、前記回動軸を回動可能に保持する支持部と、前記貫通孔の中心軸と垂直方向であって径方向外側に形成される切り欠き部を有するロータボディを有し、
   前記回動軸にて装着された前記試料容器を、前記ロータボディの回転によってスイングさせて前記切り欠き部に当接させた状態で遠心運転を行う遠心機において、
   前記試料容器は、試料を収容する容器部と前記容器部を密封する蓋部を有し、前記容器部にはスイング時に前記切り欠き部に着座する着座面が形成され、前記蓋部には容器部の長手方向と垂直方向に延びる回動軸が設けられ、
   前記蓋部には、前記容器部の開口部を覆うための円盤部と、前記円盤部の上方に一体に形成される中空部を有し、
   前記中空部には前記長手方向と垂直方向に貫通する長穴状の貫通穴が形成され、
   前記貫通穴に前記回動軸が挿入され、前記回動軸の上側には軸方向に付勢する弾性部材が配置され、
   前記中空部内から前記弾性部材が脱落しないようにストッパが設けられ、
   前記中空部の前記容器部側の端部に、前記円盤部の上面より前記回動軸に近くなるように形成され、前記回動軸が遠心力により撓んだ際に当接する着座面を設けたことを特徴とする遠心機。
2. 前記着座面は、前記円盤部の上面であって前記中空部の内側に形成された凸部であることを特徴とする請求項１に記載の遠心機。
3. 前記貫通穴は、前記回動軸が前記長手方向に移動可能な様に前記長手方向に所定の長さを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心機。
4. 前記回動軸は、遠心力により前記長手方向に平行に移動又は変形し、前記変形の際に前記回動軸の両端部と前記着座面の３点にて遠心荷重が支持されることを特徴とする請求項３に記載の遠心機。
5. 前記弾性部材は積層された複数枚の皿バネであって、前記ストッパは前記中空部の軸方向に対して垂直方向に螺合されるネジであることを特徴とする請求項４に記載の遠心機。
6. 前記回動軸は中央部の径が太くなった略円柱形の部材であって、前記着座面と当接する位置に平面状の面取り部が形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の遠心機。
7. 前記回動軸の回動軸に対して前記面取り部と反対側に、前記弾性部材を固定させるための凸部が形成されることを特徴とする請求項６に記載の遠心機。
8. 前記貫通穴は側面視で略Ｔ字状に形成され、前記凸部を有する前記回動軸を前記中空部の内部に挿入させるために周方向に所定の長さを有する周方向穴を有することを特徴とする請求項７に記載の遠心機。
9. ロータボディと、
   試料を収容する容器部と前記容器部を密封する蓋部を有し、前記容器部にはスイング時に前記ロータボディの切り欠き部に着座する着座面が形成され、前記蓋部には容器部の長手方向と垂直方向に延びる回動軸が設けられた試料容器と、を有する遠心機用スイングロータにおいて、
   前記蓋部に、前記容器部の開口部を覆うための円盤部と、前記円盤部の上方に一体に形成される中空部を設け、
   前記中空部には前記長手方向と垂直方向に貫通するものであって前記回動軸を貫通させる長穴状の貫通穴と、前記回動軸の上側に配置され前記回動軸を軸方向に付勢する弾性部材と、前記中空部内から前記弾性部材が脱落しないようにするストッパを設け、
   前記中空部の前記容器部側の端部に、前記回動軸が遠心力により撓んだ際に当接する面であって前記円盤部の上面より前記回動軸に近くなるように形成された着座面を有することを特徴とする遠心機用スイングロータ。

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