JP3879360B2 - 遠心機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流の定電圧を出力するACアダプター等を電源として利用する小形卓上タイプの遠心機の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
小形卓上タイプのパ−ソナル・ユ−ス向けのこの種の遠心機は、ロータ回転数を検出するために、従来ロータを回転駆動するモータの回転軸にエンコーダ等を連結し、この信号出力によりモータの回転数制御、ロ−タが回転中はロックしロ−タ周速が低くなるとロックを解除するドアロック制御等を行っている。
【0003】
しかし、ロータ回転数検出のためモータの回転軸にエンコーダを連結すると、エンコ−ダを装着するぶん遠心機の高さが増しこれに伴い製品の重心が高くなるため、ロータを高速で回転させる上で不安定になり好ましいものではなかった。
【0004】
また、従来この種の遠心機に於いては、遠心機の操作を容易にするため遠心機のドアを閉めるとドアスイッチが閉成しこれに伴いモ−タが起動しロータが回転する構成になっているため、例えば遠心機のドアが開状態にあるにもかかわらずドアスイッチの故障により不意にロータが回転する恐れがあった。
【0005】
さらに、直流の定電圧を出力するACアダプター等の電源には通常過電流防止の保護機能が内蔵されているため、停止状態にあるモータを回転開始させる時の起動電流によりこの過電流防止の保護機能が動作しないようにモータに直列に抵抗器などを接続し起動を確保する構成を用いると、例えば冷蔵庫で低温保管しておいた遠心機を運転するとき等充分な起動電流が得られず回転を開始しない不具合があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来の遠心機は、回転装置としての重心位置が高かく、またドアが開状態にあるにもかかわらずドアスイッチの故障により不意にロータが回転してしまうこと、更には遠心機を運転時に充分な起動電流が得られずモータが回転を開始しないなどの問題があった。
【0007】
本発明の目的は、上記問題を解消し、ロータ回転数の検出にエンコーダを用いずモ−タの逆起電圧から検出し遠心機の高さを押さえ重心を下げて安定性を増し、インターロック機構を設けスイッチ等の故障による安全性を向上させると共に、モータの緩和起動制御によりモ−タ起動時のトルクを確保し低温起動特性を向上させた新規な遠心機を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ACアダプター等の直流電源とロータを回転駆動する直流モータと上記直流電源とこの直流モータの間に直列に介して接続された駆動用スイッチング素子と上記直流モータに並列に接続された減速用スイッチング素子と上記直流モータの発電電圧を入力すると共に上記駆動用スイッチング素子及び上記減速用スイッチング素子に制御信号を出力する制御手段と、ドアとこのドアをロック・アンロックする揺動自在なドアフックとこのドアフックをロック側に弾発保持するバネと上記ドアフックをアンロック側に吸引保持するソレノイドと上記ドアフックがアンロック側にあるときその状態に掛止し上記ドアの閉塞によりその掛止を開放するインターロックバネと上記ドアフックに連動動作し上記ドアフックがロック側にあるとき閉成するドアロック検出スイッチと上記ドアに連動動作し上記ドアが閉塞状態にあるとき閉成するドアスイッチとを備え、上記ドアロック検出スイッチと上記ドアスイッチを上記直流電源と上記モ−タの間に介して直列に接続し、上記制御手段は、時間の経過とともにオン期間が増大するパルス幅制御信号と上記直流モータの発電電圧から上記直流モータを所定の一定回転数に保つために帰還処理して得られたパルス幅制御信号のうちパルス幅の狭い方の信号を選択して上記駆動用スイッチング素子に出力して上記直流モータの回転数を制御し、一方上記直流モータを減速停止する際は、所定の時間上記減速用スイッチング素子にオン信号を出力し上記直流モータの回転数を低下させた後にオン・オフを繰り返すパルス幅制御信号を前記減速用スイッチング素子に上記直流モータの発電電圧が所定電圧に低下するまで出力ししかる後に上記ソレノイドに励磁信号を出力することにより達成される。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的実施例を以下図面に就いて詳細に説明する。本発明の具体的実施例となる図1に示すブロック図において、1は交流電源、2は交流を入力し直流を出力する直流電源となるACアダプター、ACアダプター2の出力端にはドアスイッチ3、ドアロック検出スイッチ4、駆動用スイッチング素子5となるトランジスタ、FET、IGBT等のスイッチング素子、モータ6となるこの例では直流の磁石モータがそれぞれ直列に接続されており、8は試料を遠心分離するモータ6により回転駆動されるロータである。なお、本実施例における遠心機は、予め決められたロータ及び目標(最高)回転数で使用されるものであり、種々のロータ及び異なる設定回転数を有するものではなく、更に利用される試料としては少ない時間で簡単に分離されるものが適用される。また、7はモ−タ6に並列に接続されたモ−タ6の環流用ダイオ−ド、同様にして9は減速用スイッチング素子となる、トランジスタ、FET、IGBT等のスイッチング素子である。10はACアダプター2の出力端に接続された遠心機のドアロックを解除するソレノイド、11は同様にしてソレノイド10を励磁するスイッチング素子であり、この場合スイッチング素子11がONするとソレノイド10に励磁電流が流れて遠心機のドアロックが解除されるようになっている。25はソレノイド10の電源側に設けられたソレノイド10に印加する電圧を選択制御スイッチング素子であり、これに並列にダイオード、ツェナーダイオード等の電圧降下素子26が接続されている。24はソレノイド10に並列に接続された環流用ダイオードである。
【0010】
21は制御手段となるこの場合の例ではシングルチップCPU(以下CPU21と略称する)であり、モ−タ6の両端に並列に接続された抵抗器12、13でモータ6の発電電圧を分圧しコンデンサ14により発電電圧のリプルを平滑除去し、この信号はCPU21のA/D変換入力端子23に入力されている。15はCPU21の信号出力によって駆動用スイッチング素子5のON・OFFを制御するゲ−トドライバ15、同様にして16は減速用スイッチング素子9の制御用の、17はスイッチング素子11の制御用の、27はスイッチング素子25の制御用のそれぞれゲ−トドライバである。
【0011】
18はドアロック検出スイッチ4のON・OFF状態を検出するスイッチ検出部、19はドアスイッチ3のON・OFF状態を検出するスイッチ検出部、20は停止用スイッチであり、これらの信号出力は夫々CPU21の信号入力端に接続されている。
【0012】
続いて、図2、図3の本発明になる遠心機の部分断面図において、図1と同一の機能部分には同一の番号が付してあり、50は遠心機のドア、52はドア50をロック・アンロックする揺動自在なドアフックであり回転ピン55に軸支されている。56はドアフック52をドア50のロック側に弾発保持するバネとなるツルマキバネであり、57はドアフック52をドア50のアンロック側に吸引保持するソレノイド10のプランジャであり、プランジャ57には揺動ピン58が嵌着されており揺動ピン58はドアフック52に挟持されているためソレノイド10の励磁によるプランジャ57の吸引動作によりツルマキバネ56の弾発力に抗ってドアフック52がアンロック側に吸引保持されるようになっている。ドア50は蝶番機構62がドアフック52側と対抗する側に設けてあり、これを軸にボデー51に対して回動が自在になっており、揺動ピン58はドアロック検出スイッチ4のレバー59をツルマキバネ56がドアフック52をドア50のロック側に弾発保持するとき押圧し、ドアロック検出スイッチ4をON状態に保持するようになっている。54はドアフック52がアンロック側にあるときその状態にドアフック52を当接掛止し、一方、ドア50の閉塞により押圧湾曲されドアフック52の窪みに突出しその掛止を開放するインターロックバネであり、このドア50を上記になる閉塞操作の際にはドア50によりドアスイッチ3のレバー53を押圧しドアスイッチ3をON状態に保持するようになっている。51は遠心機のボデー、60、61は夫々モ−タ6とボデー51の間に介して設けられた上部ダンパー、下部ダンパーであり、停止用スイッチ20はボデー51の正面に設けられている。
【0013】
なお、図2、図3は夫々、ドア50がボデー51に対して開いている状態、閉じている状態を示している。
【0014】
本発明の動作について図4のタイムチャート、図5および図6の処理フローを参照しながら以下説明する。なお、これらの各図において図1、図2及び図3と同一の機能部分には同一の番号が付してある。
【0015】
図4において、動作モ−ドIはモ−タ6のソフトス−タトであり、遠心機のドア50を締めるとインターロックバネ54がドアフック52の窪みに突出しこれと同時にドアスイッチ3がONになりスイッチ検出部19の出力は電圧HiレベルとなりCPU21はドアスイッチ3のONを検出し、CPU21はゲ−トドライバ17へOFF信号を出力してスイッチング素子11をOFFさせソレノイド10の励磁を止める。これに伴いドアフック52がツルマキバネ56に弾発されドア50はドアフック52によりロック側に保持される。そして揺動ピン58によりレバー59が押圧されドアロック検出スイッチ4はONとなりモ−タ6は回転可能状態になる。
【0016】
従って、ドア50を閉めない状態でドアスイッチ3がONになる故障が発生しても、インターロックバネ54がドアフック52を当接掛止しているから、例えソレノイド10の励磁が止んでもプランジャ57は移動しないから揺動ピン58もドアアンロック位置に留まりレバー59を押圧することは無くドアロック検出スイッチ4はOFF状態を保ち、モ−タ6には電圧が印加されないのでモ−タ6は回転せず安全が保たれる。他方、ドア50を閉めない状態でドアロック検出スイッチ4がONになる故障が発生した場合には、ドアスイッチ3がONになるのは既にドア50を閉めた状態なので、モ−タ6が回転してもロータ8に触れることはないので安全である。
【0017】
次に、CPU21はゲ−トドライバ15へON信号を出力してスイッチング素子5によりモ−タ6の駆動を開始し、これと並行して、後述する試料のドライアップ防止のためCPU21の内部タイマTMR2に10分のタイマをセットする。この時、モ−タ6は直流モ−タなので直流電源2の出力電圧を瞬時に100%印加するとモ−タ6の巻線抵抗値でほぼ決まる過大な起動電流が流れ直流電源2の過電流保護機能が動作して出力電圧が低下してモ−タ6が起動できなくなる。そのためCPU21からゲ−トドライバ15へON・OFF信号を出力するいわゆるPWMパルス幅制御のONパルス幅を徐々に広くするソフトスタ−ト制御動作によりモ−タ6を起動する。この間の様子を図5に示し、図5の所定時間間隔タイマ割り込み処理フローに於いてCPU21は、モ−タ6の起動トルクを最大に発生させるために処理ステップ200にてCPU21内のメモリ22のソフトスタ−ト用メモリSACCに所定の初期値を設定し、処理ステップ201にてA/D変換入力端子23の発電電圧A/D入力電圧101(図4)をモ−タ6の現在回転数とし回転数偏差値PWMPを目標回転数−現在回転数の差分値として算出し、処理ステップ202にて回転数偏差積分値新PWMIを旧PWMI+S(積分値)から算出する。なお、上記Sは先に算出された回転数偏差値PWMPの大きさ、符号に連動し設定されており、SはPWMPと比例或いは非線形な値として設定され符合は同順となる。次に処理ステップ203にて速度制御値となるPWMパルス幅制御PWMをPWMP+新PWMIから算出する。そして処理ステップ204にて速度制御PWM パルス幅103とソフトスタ−トSACCパルス幅104の大小を比較し、PWM>SACCの場合は動作モ−ドIのソフトスタ−ト制御動作を引き続き継続し、処理ステップ205にて新SACC=旧SACC+1から新SACCを算出してPWMパルス幅制御のONパルス幅を徐々に広くし、処理ステップ206にて新SACCをメモリ22に格納すると共にCPU21の内部タイマTMR3にセットする。なお、図4ではタイムアップ時間(TMR3)を10分にしているが、この10分は安全及び本遠心機の分離時間等から設定された時間であり、数分しか遠心分離を行わない場合における適応時間やストップボタンを押し忘れた場合に自動停止するために必要な余裕をもった時間としている。また、時間は10分と限られるものではなく例えば15分,20分であっても良い。更にこのタイムアップ時間(TMR3)を固定値ではなく可変としても良い。処理ステップ208にてタイマTMR3のタイマ動作時間分ゲ−トドライバ15から駆動用スイッチング素子5をONにし、つまりモ−タ6駆動パルス幅102はソフトスタ−トSACCパルス幅104が選択されモ−タ6を制御する。処理ステップ201から処理ステップ208までのこの一連の処理は、所定の時間間隔により繰り返し実行されPWM>SACCの関係まで続く。処理ステップ205で算出する新SACCの増加に伴いモ−タ6駆動パルス幅102が増加するので駆動モ−タ6の回転数100とこれに伴い発電電圧A/D入力電圧101も上昇する。以上の動作モ−ドIのソフトスタ−トの制御により、モ−タ6の起動電流を直流電源2の過電流保護値以下に保ちながら且つモ−タ6のトルクを最大に引き出すことが可能である。
【0018】
次に処理ステップ204でPWM≦SACCの場合は図4の動作モ−ドIIの速度制御状態に入り、モ−タ6駆動パルス幅102は速度制御PWMパルス幅103が選択されモ−タ6を目標回転数で速度制御する。すなわち、処理ステップ207にてPWM制御用タイマTMR3にセットし、処理ステップ208にてタイマTMR3のタイマ動作時間分ゲ−トドライバ15から駆動用スイッチング素子5をONにし、上記と同様の所定の時間間隔で処理ステップ201から処理ステップ207を経由し処理ステップ208の処理によりで演算したPWMにより駆動モ−タ6の回転数100を一定の回転数に制御する。以上の動作モ−ドIIの速度制御は、モ−タ6の発電電圧はモ−タ回転数にほぼ比例して発生する特性を利用することによってエンコ−ダ等の回転センサ無しでモ−タ6の速度制御を可能としている。ふせて直流電源2が故障してモ−タ6に過大な電圧が印加された場合にも速度制御動作が働き異常な高速回転を防止することも可能としている。
【0019】
次に、図4及び図6を参照しながらモ−タ6の動作モ−ドIIIの自然減速、動作モードIVの急速減速、動作モードVのパルス幅制御減速動作について説明する。
【0020】
処理ステップ300により停止用スイッチ20が押されるか或いは処理ステップ301により遠心分離する試料のドライアップ防止のためソフトスタート後例えば10分間の時間が経過しTMR2がタイムアップすると、CPU21は動作モ−ドIIIの自然減速に制御動作を移行する。
【0021】
動作モ−ドIIIの自然減速は、動作モードIIから直接動作モードIVに移行すると、モータに定速度制御から急速減速に伴う反力の反転によりモ−タ6の上部ダンパー60、下部ダンパー61に過大な回転トルクが加わりモータ6の座りが変わってしまうのを防止するために設けてあり、約0.5秒間程度この状態を維持し処理ステップ302によりCPU21はゲ−トドライバ15へ駆動用スイッチング素子5のOFF指令を出力する。
【0022】
動作モ−ドIVの急速減速は処理ステップ303以下の処理により行われる。発電電圧A/D入力電圧101すなわちモ−タ6の回転数に例えば比例した急速減速時間を算出しCPU21の内部タイマTMR1に算出結果をセットすると共に、処理ステップ304によりをゲ−トドライバ16に減速用スイッチング素子9のON指令を出力する。処理ステップ306は上記の急速減速時間がタイマTMR1によりタイムアップしたかをチェックする処理であり、この時間が経過すると処理ステップ307により図4の動作モードVのパルス幅制御減速動作に移行する。
【0023】
処理ステップ307はCPU21からゲ−トドライバ16に減速用スイッチング素子9に例えばデューティ50%のON・OFF信号を出力する処理であり、処理ステップ308はこのON・OFF制御によりモ−タ6に減速力を加えながらしかもモ−タ6の回転に伴う発電逆起電圧がモ−タ6の内部インダクタンスにより昇圧された電圧を発電電圧A/D入力電圧101としてCPU21にSTOPAVとして逐次取り込む処理であり、モ−タ6の回転停止付近の発電電圧そのものの値では値が小さく停止判定の回転数信号として使用できないためこのような制御動作を行う。処理ステップ309は予め定められた回転停止判定値STOPSTと昇圧された逆起電圧STOPAVの大小を比較するためSTOPST−STOPAVの減算をする処理である。処理ステップ310はSTOPST−STOPAV≦0の判別を行い、STOPST−STOPAV≦0ならば処理スッテプ308へ戻りSTOPAVの測定を行う。 また、STOPST−STOPAV>0ならば処理スッテプ311に進みモ−タ6の回転数は十分低下したものと判断しゲ−トドライバ16から減速用スイッチング素子9のOFF指令を出力し動作モードVのパルス幅制御減速動作を完了する。具体的一実施例として、定速回転数10000min-1に対してロータ8の周速が2m/秒以下となる回転数389min-1を検出しドアロックを解除する。
【0024】
この後、ゲ−トドライバ17からスイッチング素子11のON信号を出力しソレノイド10を励磁しドアロックを解除する。これにより、ドアフック52がツルマキバネ56に弾発されつつドア50の掛止を開放するので、ドア50は蝶番機構62を支点にして図示しない弾発機構等により持ち上がり図2から図3の状態に開く。
【0025】
なお、ソレノイド10を励磁してドアロック検出スイッチ4がOFFするまでソレノイド10に強力な吸引力を付与し確実なドアロックを解除が行え、ドアロック検出スイッチ4がOFFされた後ではソレノイド10の余分な温度上昇を防ぐために、CPU21はゲ−トドライバ27から選択制御スイッチング素子25のOFF指令を出力し電圧降下素子26を介して直流電源2の減圧された電圧がソレノイド10に印加されるようにしてある。
【0026】
【発明の効果】
本発明によれば、モータの回転軸に連結されるエンコーダ等を用いずロータ回転数をモ−タの逆起電圧から検出するようにしたので、遠心機ボデーが低くなり重心が下がりロータ回転時の安定性を増すことができる。また、直流電源とモ−タの間にドアスイッチとドアロック検出スイッチを直列に介在させて接続し、しかもこれらのスイッチはインターロック機構により遠心機のドアの閉成により連動する構成としたので、これらのスイッチ等の故障による不意なモータの回転を防げ安全性を向上することができる。更にモータの起動に緩和起動制御を付加したので、ACアダプター等の過電流防止の保護機能を動作させずスムーズにモ−タを起動させることができ、併せてモ−タ起動トルクを確保し低温起動特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の具体的実施例を示すブロック図である。
【図2】 本発明の具体的実施例を示す遠心機の部分断面図である。
【図3】 本発明の具体的実施例を示す遠心機の部分断面図である。
【図4】 本発明の動作を示すタイムチャ−トである。
【図5】 本発明の動作を示すフロ−チャ−トである。
【図6】 本発明の動作を示すフロ−チャ−トである。
【符号の説明】
2は直流電源、3はドアスイッチ、4はドアロック検出スイッチ、5は駆動用スイッチング素子、6はモ−タ、8はロータ、9は減速用スイッチング素子、10はソレノイド、21は制御手段、50はドア、52はドアフック、54はインターロックバネ、56はバネである。
Claims (5)
- 直流電源と、ロータを回転駆動するモータと、該直流電源と該モータ間に配される駆動用スイッチング素子と、前記モータの発電電圧を入力すると共に前記駆動用スイッチング素子にパルス幅制御用のオン・オフ信号を出力し前記モータの回転数を制御する制御手段とを備えた遠心機において、前記制御手段は時間の経過と共にオン期間が増大するパルス幅制御信号を前記駆動用スイッチング素子に出力することを特徴とする遠心機。
- 前記制御手段は、前記駆動用スイッチング素子のパルス幅制御用のオン・オフ信号の出力を制御し、時間の経過と共にオン期間が増大するパルス幅制御信号と前記モータの発電電圧から前記モータを一定回転数に保つために帰還処理して得られたパルス幅制御信号とのうち、パルス幅の狭い方の信号を選択して前記駆動用スイッチング素子に出力する請求項1記載の遠心機。
- 直流電源と、ロータを回転駆動するモータと、該直流電源と該モータ間に配される駆動用スイッチング素子と、前記モータに並列に接続された減速用スイッチング素子と、前記モータの発電電圧を入力すると共に前記駆動用スイッチング素子にパルス幅制御用のオン・オフ信号を出力し前記モータの回転数を制御し且つ前記減速用スイッチング素子にオン・オフ信号を出力し前記モータを減速停止する制御手段とを備えた遠心機において、前記制御手段は所定時間、前記減速用スイッチング素子にオン信号を出力し前記モータの回転数を低下させた後にオン・オフを繰り返すパルス幅制御信号を前記減速用スイッチング素子に前記モータの発電電圧が所定電圧に低下するまで出力することを特徴とする遠心機。
- ドアと、該ドアをロック・アンロックする揺動自在なドアフックと、該ドアフックをロック側に弾発保持するバネと、前記ドアフックをアンロック側に吸引保持し前記制御手段により励磁を制御されるソレノイドとを備え、前記制御手段は所定時間前記減速用スイッチング素子にオン信号を出力し前記モータの回転数を低下させた後にオン・オフを繰り返すパルス幅制御信号を前記減速用スイッチング素子に前記モータの発電電圧が所定電圧に低下するまで出力し、その後、前記ソレノイドに励磁信号を出力することを特徴とする請求項3記載の遠心機。
- ドアと、該ドアをロック・アンロックする揺動自在なドアフックと、該ドアフックをロック側に弾発保持するバネと、前記ドアフックをアンロック側に吸引保持するソレノイドと、前記ドアフックがアンロック側にあるときその状態に掛止し前記ドアの閉塞によりその掛止を開放をするインターロックバネと、前記ドアフックに連動動作し前記ドアフックがロック側にあるとき閉成するドアロック検出スイッチと、前記ドアに連動動作し前記ドアが閉塞状態にあるとき閉成するドアスイッチと、直流電源と、ロータを回転駆動するモータと、前記直流電源と前記モータの間に介して接続された駆動用スイッチング素子と、該駆動用スイッチング素子に信号を出力し前記モータを制御すると共に前記ソレノイドの吸引保持を励磁制御する制御手段を備え、前記ドアロック検出スイッチと前記ドアスイッチを前記直流電源と前記モ−タの間に介して直列に接続したことを特徴とする遠心機。
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