JP4013426B2

JP4013426B2 - 遠心分離機

Info

Publication number: JP4013426B2
Application number: JP33541099A
Authority: JP
Inventors: 寛厚戸井; 秀隆大澤
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2019-11-26
Also published as: JP2001153880A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電センサの異常を検出する回路、及び該回路を組み込み圧電センサが正常か異常かを自己診断する機能を備えた遠心分離機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術として、特開平１０−１２３１７１号に記載されるように、圧電セラミックスからなる加速度センサの異常検出を行なう時、スイッチによって加速度センサのグランド（以下ＧＮＤと称す）側に発振器を接続し、発振器から出力される所定の周波数で電圧が変化する励振用直流電圧を加速度センサのＧＮＤ側に与え、この時の加速度センサの出力電圧が所定の電圧より小さい場合には、加速度センサが異常と判断する自己診断方法が考案されている。
【０００３】
また他の従来技術として、インバランス量を検出するセンサに圧電センサ１を使用した自動遠心分離機５０のセンサ異常検出方法について、図５に示す自動遠心分離機５０の斜視図及び図６に示す回転駆動部６０の側面図を参照しながら以下説明する。分離する試料が入ったラック５１を収容するバケット５２と、搬送ライン５５を流れてくるラック５１を把持しバケット５２に搬入するロボットハンド５３と、バケット５２を保持し高速回転するロータ５４と、ロータ５４を回転駆動する遠心用モータ６１と、遠心用モータ６１のハウジングをシャフトケース６２に固定し、シャフトケース６２の振動をインバランス量として検出する圧電センサ１をシャフトケース６２に接着剤などで固着している。上記した回転駆動部６０は、自動遠心分離機５０のフレーム６４に弾性体６３を介して固定されている。また、自動遠心分離機５０を制御する制御装置７は、増幅後の圧電センサ１の出力電圧をアナログ電圧からデジタル変換するＡ／Ｄ変換機能を有するＣＰＵ４を搭載している。尚ＣＰＵ４は、図示していない読み出し専用メモリ及び読み書き可能メモリを内蔵している。上記した自動遠心分離機５０の圧電センサ１の異常検出方法は、通常重量バランスをとるために使用するダミーラック５６をロボットハンド５３でバケット５２に１個搬入し、故意にインバランス状態を作る。予めＣＰＵ４が、回転開始前の圧電センサ１の出力電圧を読み取り、所定のオフセット値を加算してしきい値として記憶する。
【０００４】
次にインバランスの状態のまま遠心用モータ６１を駆動してロータ５４を回転させると、インバランスにより圧電センサ１が振動する。圧電センサ１が正常な場合は増幅した出力電圧が記憶したしきい値よりも高くなるが、ロータ５４を回転させても圧電センサ１の増幅後の出力電圧がしきい値以下の場合は、圧電センサ１が異常であるとＣＰＵ４が判断し停止する。尚、自動遠心分離機５０内にある全てのラック５１をロボットハンド５３によって搬送ライン５５に搬出した後、上記した圧電センサ１の異常検出処理を実行する。圧電センサ１が正常であれば、搬送ライン５５で送られてきた分離すべき試料が入ったラック５１をロボットハンド５３によってバケット５２に搬入し、遠心用モータ６１がロータ５４を高速回転させて試料の遠心分離を行なう。遠心分離後、ロボットハンド５３によってバケット５２からラック５１を搬送ライン５５に搬出する。自動遠心分離機５０は、上記したラック５１の搬入・遠心分離・搬出の一連の動作を、図示していない上位のホストコンピュータからの通信命令に従い動作し、繰り返し運転する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の圧電センサ１の異常検出処理は、圧電センサ１の異常は判っても外れたことは判別つかない。また、搬入・遠心分離・搬出の一連の動作の前に１回しか行わないため、運転途上で圧電センサ１に異常が起きても判らないという問題があった。
【０００６】
このような問題を解決する一つの手法に、例えば、搬入動作の前に上記したような圧電センサ１の異常検出処理を実行し、搬入・遠心分離・搬出の一連の動作の中に組み込めば圧電センサ１の異常を検出することは可能となるが、一連の動作時間が異常検出処理に要する時間の分だけ長くなってしまい、単位時間当たりの遠心分離すべき試料数が減るという新たな問題が発生する。
【０００７】
一方、特開平１０−１２３１７１号に記載される手法は、発振器の周波数印加による自発分極電荷を利用したものであるが、加速度センサ３つの内の一つが異常であることは判るが、異常の状態が断線なのか短絡なのかを見分けることができない。
【０００８】
本発明の目的は、発振器等の高価な部品を適用せずに安価で簡素な構成を成し、しかも異常の状態が断線若しくは短絡の状態を判別できる異常検出回路を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、圧電センサ１の取り付け状態を確認し、搬入・遠心分離・搬出の一連の動作の中に圧電センサ１の異常検出処理を少なくとも1回は実行し、圧電センサ１の異常検出つまり自己診断機能を有した信頼性の高い遠心分離機を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、遠心用モータ６１と、遠心用モータ６１の回転により遠心回転するロータ５４を設け、ＧＮＤ端子と出力端子を有し回転時の振動量を検出する圧電センサ１と、圧電センサ１のＧＮＤ端子側に接続され所定の電圧を切り替える電圧切り換え器２と、圧電センサ１の出力端子側に接続された抵抗器５及び所定の基準電圧と比較する比較器３と、電圧切り換え器２を制御し比較器３の出力電圧を入力する異常検出手段４を備え、異常検出手段が、電圧切り換え器を制御し、圧電センサの出力電圧と所定の基準電圧と比較する比較器の出力信号を読み取り、出力信号の変化及び信号レベルから圧電センサの異常検出処理を行った後、インバランス状態で回転させたときの圧電センサの出力電圧から圧電センサの取り付け状態を判断する手段を設けることにより達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、圧電センサ１の異常を検出する回路構成を示すブロック図である。圧電センサ１が有する出力端子１ａとＧＮＤ端子１ｂは、コネクタ８を介し制御装置７に接続され、所定の電圧を切り替える電圧切り換え器２と圧電センサ１のＧＮＤ端子１ｂを接続し、所定の基準電圧と比較する比較器３と圧電センサ１の出力端子１ａを接続する。圧電センサ１の出力端子１ａと比較器３の入力側の間に放電用の抵抗器５の片方を接続し、抵抗器５の他方は回路のＧＮＤと接続する。異常検出手段４は電圧切り換え器２を制御し、比較器３から出力される電圧を入力するように回路を成している。異常検出回路６は上記した電圧切り換え器２と抵抗器５と比較器３及び異常検出手段４を有し、圧電センサ１が正常か異常かを検出し判断する。
【００１２】
図２は、図１の異常検出回路６をより具体化したものであり、電圧切り換え器２にＣＭＯＳタイプロジックＩＣのＨＣ５４１を適用し、同様に比較器３もロジックＩＣのＨＣ５４１を用い、異常検出手段４には図示していない読み出し専用メモリと読み書き可能メモリを内蔵し、更に入出力ポートのＩＮ端子とＯＵＴ端子及びアナログ電圧をデジタル変換するＡ／Ｄ変換機能を有したＣＰＵ４を適用した回路を示したものである。制御装置７は増幅器９を有し、圧電センサ１の出力電圧は増幅器９を介してＡ／Ｄ端子からＣＰＵ４が読み込めるように回路を構成している。
【００１３】
続いて、圧電センサ１の異常検出方法について図２及び図３を参照しながら説明する。ＣＰＵ４は、圧電センサ１の異常検出処理を行わない時、ＯＵＴ端子からデジタルのＬｏレベル信号を出力する。電圧切り換え器２はＬｏレベル信号を入力するので出力端子はＧＮＤと導通状態になるため、電圧切り換え器２の出力電圧はほぼ０Ｖになる。次に、圧電センサ１の異常検出処理を行う場合は、ＣＰＵ４はＯＵＴ端子からデジタルのＨｉレベル信号を出力し、電圧切り換え器２の出力電圧をＩＣの電源電圧である＋５Ｖに切り換える。この時の圧電センサ１の正常と断線及び短絡の各状態における等価回路と、比較器３の入力電圧ＶA及び比較器３の出力電圧ＶBの波形を図３に示す。
【００１４】
図３（ａ）に示すように圧電センサ１が正常な場合は、圧電センサ１が持つ静電容量値Ｃと抵抗器５の抵抗値Ｒにより、ＶAの電圧波形は放電状のカーブとなる。ｔ秒経過時の電圧ＶAは自然対数の底ｅを用いて次式で表せる。
【００１５】
【数１】

【００１６】
比較器３は内部の基準電圧と入力電圧ＶAを比較し、Ｈｉレベル（＋５Ｖ）若しくはＬｏレベル（０Ｖ）の信号を出力する。出力電圧ＶBの波形は、圧電センサ１のＧＮＤ端子１ｂ側が０Ｖから＋５Ｖに切り換わると、比較器３の内部Ｈｉ側基準電圧ＶIHより高い入力電圧なのでＨｉレベル信号を出力する。一定の時間Ｔが経過すると、比較器３の内部Ｌｏ側基準電圧ＶILより低い入力電圧になるためＬｏレベル信号を出力する。この時間Ｔは、入力電圧ＶAがＬｏ側基準電圧ＶILと等しくなるまでの時間で決まり、ｔ＝Ｔとして、
【００１７】
【数２】

【００１８】
となり、抵抗器５の抵抗値Ｒの選定によって時間Ｔは容易に任意設定できるが、抵抗値Ｒは概ね数キロオーム以上数メガオーム以下の範囲が適すると思われる。
【００１９】
また圧電センサ１が断線している時は、ＧＮＤに接続された抵抗器５により、図３(ｂ)に示すようにＶAの電圧は０Ｖになる。よって、出力電圧ＶBは入力電圧ＶAが比較器３の内部Ｌｏ側基準電圧ＶILより低いためＬｏレベル信号（０Ｖ）を出力する。
【００２０】
更に圧電センサ１が短絡している時は、圧電センサ１のＧＮＤ端子１ｂ側が０Ｖから＋５Ｖに切り換わるため、ＶAの電圧は図３(ｃ)に示すように＋５Ｖとなり、比較器３の内部Ｈｉ側基準電圧ＶIHより高いため比較器３はＨｉレベル信号（＋５Ｖ）を出力する。上記したように、圧電センサ１のＧＮＤ端子１ｂ側の電圧を０Ｖから＋５Ｖに切り換えることにより、正常・断線・短絡の各状態において比較器３の出力電圧ＶBが異なるので、ＣＰＵ４は圧電センサ１の異常を判断することが可能となる。
【００２１】
続いて、圧電センサ１の異常検出処理について、図４に示すフローチャートを参照しながら以下説明する。ＣＰＵ４は、圧電センサ１のＧＮＤ端子１ｂ側の電圧を０Ｖから＋５Ｖに切り換えるため、Ｈｉレベル信号をＯＵＴ端子から出力する（処理４００）。次にＣＰＵ４はＩＮ端子から電圧ＶBを読み込む（処理４１０）。読み込んだ電圧ＶBがＨｉレベル信号か否かをＣＰＵ４が判断し（処理４２０）、Ｈｉレベルでなければ断線と判断し断線アラームをセットし（処理４８０）、圧電センサ１のＧＮＤ端子１ｂ側の電圧を０Ｖに戻す処理５００を実行し異常終了する。また処理４２０において、読み込んだ電圧ＶBがＨｉレベル信号であれば、ＣＰＵ４は圧電センサ１の状態が正常若しくは異常であると判断し、次の分別処理へ進む。ＣＰＵ４はＴ秒のタイマをセットし（処理４３０）、Ｔ秒経過するまで待つ（処理４４０）。充分Ｔ秒が経過した後、ＣＰＵ４は再びＩＮ端子から電圧ＶBを読み込む（処理４５０）。処理４６０において、読み込んだ電圧ＶBがＬｏレベル信号であればＣＰＵ４は、圧電センサ１は正常と判断し、圧電センサ１のＧＮＤ端子１ｂ側の電圧を０Ｖに戻す処理４７０を実行し正常終了する。もし処理４６０において、読み込んだ電圧ＶBがＬｏレベル信号でなければ短絡と判断し、処理４９０の短絡アラームをセットし処理５００を実行し異常終了する。
【００２２】
更に、上記した圧電センサ１の異常検出回路を組み込み、圧電センサ１が正常か異常かを自己診断する応用機器について、自動遠心分離機５０を一例に挙げ、図５至図８を参照しながら説明する。図５は自動遠心分離機５０の斜視図であり、図６は回転駆動部６０の側面図、図７は自動遠心分離機５０の運転シーケンスを表わしたフローチャート、図８は自動遠心分離機５０の圧電センサ取り付け状態チェック処理を表わしたフローチャートである。自動遠心分離機５０は、図示していない上位のホストコンピュータからの通信命令に従い、先ず自動遠心分離機５０内にある全てのラック５１をロボットハンド５３によって搬送ライン５５に搬出する（処理７００）。その後、シャフトケース６２に接着剤で固着させてある圧電センサ１の異常検出処理を実行する（処理７０５）。圧電センサが異常であれば異常終了し、アラームを上位のホストコンピュータへ送信して次の処理７１０へは進めないようになっている。圧電センサ１が正常ならば、処理７１０の圧電センサ取り付け状態チェック（図８）を行なう。センサ取り付け状態チェックにおいては、まず通常回転重量バランスをとるために使用するダミーラック５６をロボットハンド５３でバケット５２に１個搬入し、故意にインバランス状態を作る（処理８００）。制御装置７には、図２に示すように圧電センサ１の出力電圧を増幅する増幅器９を備えており、圧電センサ１の出力電圧を増幅器９で増幅し、Ａ／Ｄ端子からＣＰＵ４が読み込む（処理８１０）。さらにＣＰＵ４が読み込んだ値に所定のオフセット値を加算して、しきい値として記憶する（処理８２０）。次に、制御装置７は遠心用モータ６１を駆動し、遠心用モータ６１と直結されたロータ５４を回転開始する（処理８３０）。遠心中に圧電センサ１の出力電圧を増幅器９で増幅し、Ａ／Ｄ端子からＣＰＵ４が読み込む（処理８４０）。ＣＰＵ４は処理８２０で記憶したしきい値と比較する（処理８５０）。回転駆動部６０は自動遠心分離機５０のフレーム６４に弾性体６３を介して固定されており、バケット５２を保持したロータ５４はインバランスのまま回転するので、シャフトケース６２に圧電センサ１が取り付けてあれば振動により圧電センサ１は電荷を有し、Ａ／Ｄ端子から読み込んだ値は記憶したしきい値よりも高くなり、圧電センサ１はシャフトケース６２に付いているとＣＰＵ４は判断する。この場合自動遠心分離機５０は遠心を停止し（処理８６０）、ダミーラック５６をロボットハンド５３でバケット５２から搬出して（処理８７０）正常終了する。処理８５０において、もし記憶したしきい値に満たない場合は、圧電センサ１がシャフトケース６２から外れたと判断し、センサはずれアラームをセットして上位ホストコンピュータへ知らせ（処理８８０）、遠心を停止して（処理８９０）異常終了する。上記ではロボットハンド５３を有した自動遠心分離機５０を例に挙げたが、ロボットハンド５３を持たない遠心分離機においても、人手を介して故意にインバランス状態を作り回転させることで、圧電センサ１の異常検出及び取り付け状態の確認を行うことができる。
【００２３】
次に、自動遠心分離機５０の本来の作業である搬入・遠心分離・搬出の一連の動作の中で行なう圧電センサ１の異常検出方法について説明する。処理７１０で圧電センサ１がシャフトケースに６２に固着されていると判断した場合、自動遠心分離機５０は、上位のホストコンピュータからの通信命令である搬入要求あるいは遠心要求を待っている。処理７１５においてラック５１の搬入要求があると、処理７２０のラック搬入処理を実行する。ラック搬入処理は、ロボットハンド５３で搬送ライン５５にあるラック５１を掴み、持ち上げて移動しバケット５２へセットする。処理７３０では搬入したラック５１が最後であるか否かを判断し、未だであれば処理７１５及び処理７２０を繰り返すが、次のラック５１は回転中心の対角となる位置にセットする。最後のラック５１であれば処理７０５の前記した圧電センサ１の異常検出処理を実行する。圧電センサ１が異常であれば異常終了し、アラームを上位のホストコンピュータへ送信して次の処理７４０へは進めないようになっている。圧電センサ１が正常ならば、処理７４０の上位ホストコンピュータからの遠心要求命令を待つ。また、処理７９０においては、搬入するラック５１が最後でなくても遠心要求を受付け、セットしたラック５１が奇数個であればダミーラック５６を回転重量バランスが取れるバケット５２にセットし、偶数個であれば前記した圧電センサ１の異常検出処理７０５を実行する。前述したように、圧電センサ１が異常であれば上位ホストコンピュータへアラームを送信し、次の処理７５０へは進めない。処理７５０では、制御装置７が遠心用モータ６１を駆動しロータ５４を所定の回転数で所定の時間だけ回転させ試料を遠心分離する。遠心処理が終了すると、再び上位ホストコンピュータからの搬出要求命令を待つ（処理７６０）。搬出要求を受けると、処理７７０のラック５１の搬出動作を実行する。搬出動作は、ロボットハンド５３でラック５１を掴み持ち上げ移動して搬送ライン５５へ置く。搬入したラック５１を全部搬出したかどうか判断し（処理７８０）、未だであれば処理７６０及び処理７７０を繰り返し、全数搬出したならば処理７１５へ戻り、上記した搬入・遠心分離・搬出の一連の動作を繰り返し運転する。本来ならば、回転時の重量バランスが取れた状態で運転するが、もし重量バランスが崩れた場合は、ＣＰＵ４が圧電センサ１の振動量をＡ／Ｄ端子から読み取り、遠心用モータ６１を停止させるように動作する。このような時も、アラームを上位ホストコンピュータへ送信し異常を知らせる。
【００２４】
【発明の効果】
また本発明によれば、遠心用モータと、遠心用モータの回転により遠心回転するロータを設け、ＧＮＤ端子と出力端子を有し回転時の振動量を検出する圧電センサと、圧電センサのＧＮＤ端子側に接続され所定の電圧を切り替える電圧切り換え器と、圧電センサの出力端子側に接続された抵抗器及び所定の基準電圧と比較する比較器と、電圧切り換え器を制御し比較器の出力電圧を入力する異常検出手段を具備した制御装置を備え、インバランス状態で圧電センサの取り付け状態の確認を実行させ、更に遠心回転する直前で異常検出処理を実行するようにしたので、遠心分離機の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である圧電センサの異常検出回路。
【図２】本発明の一実施例である図１を具体化した圧電センサの異常検出回路。
【図３】本発明の一実施例を示す圧電センサの状態における等価回路と比較器の入出力部の波形。
【図４】本発明の一実施例を示す圧電センサの異常検出処理フローチャート。
【図５】本発明の一実施例の自動遠心分離機の斜視図。
【図６】本発明の一実施例の圧電センサを使用した回転駆動部の側面図。
【図７】本発明の一実施例の自動遠心分離機の運転シーケンスを示すフローチャート。
【図８】本発明の一実施例の自動遠心分離機の圧電センサ取り付け状態チェック処理を示すフローチャート。
【符号の説明】
１は圧電センサ、１ａは圧電センサの出力端子、１ｂは圧電センサのＧＮＤ端子、２は電圧切り換え器、３は比較器、４は異常検出手段、５は抵抗器、６は異常検出回路、７は制御装置、５０は自動遠心分離機、５４はロータ、６１は遠心用モータである。

Claims

遠心用モータと、前記遠心用モータの回転により遠心回転するロータを設け、グランド端子と出力端子を有し、回転時の振動量を検出する圧電センサと、該圧電センサのグランド端子側に接続され所定の電圧を切り替える電圧切り換え器と、前記圧電センサの出力端子側に接続された抵抗器及び所定の基準電圧と比較する比較器と、前記電圧切り換え器を制御し前記比較器の出力電圧を入力する異常検出手段を備えた遠心分離機において、
前記異常検出手段が、前記電圧切り換え器を制御し、前記圧電センサの出力電圧と所定の基準電圧と比較する前記比較器の出力信号を読み取り、前記出力信号の変化及び信号レベルから前記圧電センサの異常検出処理を行った後、インバランス状態で回転させたときの前記圧電センサの出力電圧から前記圧電センサの取り付け状態を判断する手段を有することを特徴とする遠心分離機。