JP4040875B2 - モータ軸の同心性を維持することができる遠心機ジャイロダイヤフラム - Google Patents
モータ軸の同心性を維持することができる遠心機ジャイロダイヤフラム Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の背景】
１．発明の分野
本発明は、遠心機駆動軸組立品に関し、より詳細には、ダイヤフラムを駆動軸組立品の周りに配置して、駆動軸組立品が旋回できるようにするとともに実質的にその水平変位を制限する遠心機組立品に関する。また、ロータ軸と駆動軸との間に位置する部材がロータ軸の垂直変位を実質的に制限する一方、駆動軸に対してロータ軸が角度をなして変位することを可能にする。
【０００２】
２．従来技術の説明
遠心機器とは、液体サンプルに遠心力をかけることのできる装置のことである。サンプルは典型的には遠心ロータと呼ばれる部材の内部に置かれた管の中に入っている。ロータはロータ軸の頂部に取り付けられ、ロータ軸は原動エネルギー源を提供する駆動軸に連結されている。遠心機駆動システムは、不均衡な回転負荷に対応するように設計しなければならない。この不均衡は最初にサンプルを遠心ロータの中に入れるときに存在することもあれば、遠心機の作動中に管の故障によって生ずることもある。この不均衡はロータの塊体全体にわたって物質の不均一な分布を示す。
【０００３】
どんな所与の塊体、または遠心ロータも、塊体の寸法に基づく幾何学的中心と、塊体内の物質の分布に基づく質量中心とを有する。質量中心は重心とも呼ばれる。ある実際の塊体、または遠心ロータでは、質量中心は機械加工の誤差や密度の変化によって幾何学的中心からずれる。駆動およびサスペンションシステムに取り付けられた回転塊体は、塊体がその回転軸をその幾何学的中心の周りの回転から質量中心の周りの回転へ横方向に変位させる、臨界速度を有する。
【０００４】
遠心機駆動システムは臨界速度より上と下で動作する。臨界速度以下では、遠心ロータはその幾何学的中心の周りで回転する。臨界速度以上では、遠心ロータはその質量中心の周りで回転しようとする。遠心機駆動部サスペンションシステムは、臨界速度の通過を可能にするためにシステム内にある種のばねを有する必要があるので、遠心ロータはその質量中心の周りの回転に近づく。遠心ロータの質量中心と駆動システムの中心線とは完全に整列しないので、振動が発生する。所与の速度でロータが生じさせる振動の量は、ロータの質量中心と駆動部の幾何学的中心との間の距離に依存する。遠心機用の駆動システムの構成部分が剛体状に相互連結されている場合には、振動は駆動システムに損傷を与える応力を加え、これは遠心機を破壊させる可能性がある。したがって、遠心機駆動システムは典型的にはある程度の可撓性を持つように設計される。
【０００５】
遠心ロータについてこの質量中心の周りの回転に近づけるために、ロータ軸はその回転軸を水平方向にずらすことができなければならない。したがって、２つの可撓性継手が駆動軸とロータ軸との間に必要である。従来技術でよく知られている可撓性軸とジャイロは、両方とも必要とされる水平方向のずらしを可能にする。
【０００６】
可撓性軸は、ロータがその質量中心の周りに回転できるようにするために曲るかたわむことが必要である。軸の可撓性が高いほど、軸はさらに曲ることができて水平方向のずれに対応し、したがって遠心機のモータ軸受、モータサスペンション、および機器フレームへの負荷を軽減する。しかしながらトレードオフはある。より大きな可撓性は一般に、可撓性軸の直径を減らすことによって達成される。軸径が小さいほど臨界速度に移行することは困難となり、不均衡なロータによって、または軸の上に落ちたロータによって軸はより簡単に破損する可能性がある。より小さな軸径はまた、伝達可能なトルクの量を制限するので、加速度を制限することになる。
【０００７】
ジャイロシステムは、可撓性軸システムよりもさらに丈夫で交換がさらに安価である。ジャイロシステムは基本的には、中間カップリングを通じて駆動軸またはモータ軸に旋回可能に連結されたロータ軸から構成されている。中間カップリングは、ロータ軸の軸線が駆動軸の位置とは異なる位置をとることができるようにするユニバーサルジョイントとして役立つ。遠心ロータは可撓性カップリングによってロータ軸に連結されている。
【０００８】
臨界速度以上における遠心機動作に関連する問題は、従来技術においてよく認識されている。下記の特許は、振動を減らすために開発されたいくつかの機構を図解している。
【０００９】
米国特許第３,７７０,１９１号（Ｂｌｕｍ）は、ロータの重心を駆動システムの軸中心と自動的に整列させる遠心機駆動システムを開示している。関節式ロータ軸がロータの横移動を可能にし、これによってロータの幾何学的中心を、ロータの重心が駆動システムの軸と整列するように変位させることができる。滑動ブロックエレメントが関節式ロータ軸の周りに配置され、軸の過度の振動を抑制する。
【００１０】
米国特許第４,５６８,３２４号（Ｗｉｌｌｉａｍｓ）は、可撓性軸とベアリング軸との間に配置されたダンパを含む駆動軸組立品を開示している。ダンパは、可撓性軸のたわみに順応するとともに、ロータによって可撓性軸に押し付けられる振動を減衰する。
米国特許第５,８２７,１６８号（Ｈｏｗｅｌｌ）は、駆動軸の垂直振動を減らすための、遠心機駆動軸に旋回可能に取り付けられたディスクを開示している。ディスクの振動を減らすために、減衰ベアリングがディスクの表面に対向して位置付けられている。
【００１１】
図１は、従来技術による典型的な遠心機ジャイロ駆動軸組立品の断面図である。ジャイロハウジング１０は一般に、カップリング２０を通じて相互連結されているロータ軸１５の一端部と駆動軸２５の一端部とを囲っている。駆動軸２５の他端部はモータ４０の中に収容されている。ロータ軸１５は、ベアリング３０ａおよび３０ｂおよび可撓性マウンティング３５によってジャイロハウジング１０の内部に支持されている。可撓性マウンティング３５は、ベアリングハウジング３６と２つのエラストマリング３７ａ、３７ｂから構成されている。ロータ軸１５の頂部にはロータ（図示せず）が位置付けられている。
【００１２】
静止しているとき、および臨界速度未満の速度では、ロータ軸１５と駆動軸２５とは共通の垂直軸４５を共有する。遠心動作中は、モータ４０は、駆動軸２５、カップリング２０、およびロータ軸１５を回転させる回転起動力を提供する。モータ４０は加速し、したがってロータ軸１５の角速度を増加させる。臨界速度では、ロータ軸１５の回転軸は水平方向に、ならびに垂直軸４５からある角度で離れるようにずれる。このずれは可撓性マウンティング３５によって可能となる。
【００１３】
ベアリング３０ａおよび３０ｂは、ロータ軸１５の水平変位またはずれによって水平方向に変位する。可撓性マウンティング３５は収縮膨張してベアリング３０ａおよび３０ｂの変位に順応する。何らかのばね質量系によるように、可撓性マウンティング３５の弾性剛さは結果的に、ほとんどの遠心機システムの正規運転範囲内にある共振周波数となる。
【００１４】
図１に示すように構成された駆動組立品は、いくつかの固有の欠点を有する。第１に、ロータ軸１５とベアリング３０ａおよび３０ｂとの水平方向のずれは、それ自体が共振振動の源泉である。共振は、振動を最小にすることを目的とするシステムでは望ましくない。第２に、ずれに対応して適度のねじり可撓性を提供するために、可撓性マウンティング３５は典型的にはエラストマで構成される。回転速度が増加すると、エラストマの可撓性は低下して、水平方向のずれに対する応答が低くなる。第３に、エラストマはあまりよい熱導体ではない。その結果として、ベアリング３０ａおよび３０ｂによって発生する熱は効果的に消散せず、したがってベアリングは応力を受けて、早期の疲労を受けやすい。
【００１５】
もう１つの好ましくない自由度がロータ軸１５の垂直移動に見られる。ベアリング３０ａおよび３０ｂはエラストマリング３７ａおよび３７ｂによって取り付けられているので、ロータ軸１５は垂直方向に移動することができる。この垂直移動は、ほとんどの遠心機システムの正規運転範囲内にある共振周波数において別の振動モードを引き起こす。
【００１６】
その回転軸線がその幾何学的中心からその質量中心へずれるロータの傾向に対応することができ、同時に駆動軸組立品の水平変位によって引き起こされる振動を最小にする遠心機駆動組立品が必要である。
また、ロータ軸の垂直移動によって生ずる振動を最小にすると同時に、駆動軸に対するロータ軸の角偏向を許容する遠心機駆動組立品が必要である。
【００１７】
【発明の概要】
本発明は、駆動軸組立品および駆動軸組立品の周りに配置されたダイヤフラムを含む遠心機組立品を提供する。ダイヤフラムは、駆動軸組立品が旋回して垂直軸を離れることを可能にし、同時に駆動軸組立品の水平移動は実質上制限される。
【００１８】
この独特の遠心機組立品は典型的には、ロータ、駆動軸組立品、および駆動軸組立品の周りに可撓的に確保されたダイヤフラムを含む。駆動軸組立品は、駆動軸、中間カップリングを介して駆動軸に結合されたロータ軸、および任意に、ロータ軸の一端部とカップリングの一端部とを囲むジャイロハウジングを含むことができる。
一実施形態では、ダイヤフラムは放射状に向けられた複数のバーから構成される。
【００１９】
第２の実施形態では、ダイヤフラムは、共通の中央点を有する内部フランジと外部フランジから構成される。両フランジは放射方向バーによって連結されている。
【００２０】
第３の実施形態では、ダイヤフラムは中央に孔があるディスクである。ディスクは３６０°の円弧にわたって可撓性の安全性を提供する。
遠心機は、駆動軸組立品を垂直に支持するための１つまたは複数のばねを追加として含む。ばねは、駆動軸組立品の基部の下に位置するか、またはエラストマリングから形成して駆動軸組立品の負荷ベアリング周辺のまわりに配置するか、または駆動カップリングの中に組み込むことができる。
【００２１】
本発明は、ロータの駆動軸組立品周りの章動を可能にし、カップリングの回転軸の水平変位を制限する。結果的に、水平変位に関連する振動は、遠心ロータの運転範囲内であらゆる共振周波数を回避することによって実質上減少する。すなわち、水平方向の剛さが大きいほど、遠心機の運転範囲以上で押し上げられる共振周波数はより高くなる。
【００２２】
さらに、ロータ軸と駆動軸との間に位置する部材が、ロータ軸の垂直移動を制限し、同時に駆動軸に対するロータ軸の角偏向を許容する。この部材は、製造の許容誤差によって生ずるロータ軸と駆動軸との間のギャップを縮める。一実施形態では、この部材は１つの円筒状スペーサと２つのディスク状パッドから構成される。第２実施形態では、この部材は実質上ロータ軸の一端部の周りに配置された第１スリーブ、実質上駆動軸の一端部の周りに配置された第２スリーブ、およびこれら２つのスリーブの間に配置されたカラムによって構成される。
【００２３】
【発明の詳述】
図２は、本発明による遠心機組立品１００の断面を示す。遠心機組立品１００は、モータ１５０、モータハウジング１４０、ダイヤフラム１３０、駆動軸組立品１０５、駆動スパッド１８７、およびロータ（図示せず）を有する。
駆動軸組立品１０５は、カップリング１２０を介してロータ軸１１５に結合された駆動軸１４５を含む。これは、ロータ軸１１５の一端部とカップリング１２０の一端部とを囲むジャイロハウジング１１０も含む。ロータ軸１１５はベアリング１６３によってジャイロハウジング１１０の内部に支持されている。駆動スパッド１８７はロータ軸１１５に旋回可能に連結され、ロータは駆動スパッド１８７の頂部に位置している。
【００２４】
ダイヤフラム１３０がカップリング１２０の周りに配置され、駆動軸組立品１０５をモータハウジング１４０に可撓的に結合する。ダイヤフラム１３０は任意に、ボルト１２５ａおよび１２５ｎによってジャイロハウジング１１０に連結され、またボルト１３５ａおよび１３５ｎによってモータハウジング１４０に連結されている。下記に説明するように、ダイヤフラム１３０は、駆動軸組立品１０５を駆動軸組立品ピボット点１５５の上で回転できるようにする。
【００２５】
遠心動作中に、モータ１５０は、駆動軸１４５、カップリング１２０、ロータ軸１１５、駆動スパッド１８７、そして最終的にロータを回転する回転起動力を提供する。臨界速度以下の速度では、ロータは幾何学的中心の周りに回転する。ロータの幾何学的軸線は、垂直軸線１６５と一致する軸線１７５ａに位置する。ジャイロハウジング１１０、ロータ軸１１５、および駆動軸１４５も垂直軸線１６５に沿って心合わせされている。ダイヤフラム１３０は、駆動軸１４５にほぼ直角を成す平面内にある。
【００２６】
臨界速度以上の速度では、ロータは質量中心の周りに回転する。質量中心は幾何学的中心から距離１８０だけずれている。ロータの質量中心は軸線１７５ａと整列し、したがってロータの幾何学的軸線は水平方向に軸線１７５ｂの方へ強制的にずらされる。図２に示すような軸線１７５ａと１７５ｂとの関係は、瞬間的な時間を示す。ロータはその質量中心の周りに軸線１７５ａにおいて回転するので、ロータの幾何学的軸線は軸線１７５ａの周りに回転する。すなわち幾何学的軸線は、中心点が軸線１７５ａにあって半径が距離１８０である円の中で移動する。軸線１７５ａは駆動軸１４５の軸線でもある垂直軸線１６５と一致しているので、ロータ軸のその質量中心の周りにおける回転は、駆動軸１４５の回転と同心である。
【００２７】
ロータは駆動スパッドピボット点１８５において駆動スパッド１８７に旋回可能に連結されているので、ロータおよびその幾何学的軸線は円弧１７０に沿って旋回することができ、垂直になったままである。しかしながら、ロータ軸１１５の軸線は垂直軸線１６５から軸線１９０へ折れる。軸線１９０は、駆動スパッドピボット点１８５における端点と駆動軸組立品ピボット点１５５とによって画定される。ロータはその質量中心の周りに軸線１７５ａにおいて回転するので、軸線１９０は回転して垂直軸船１６５の周りに歳差運動の円錐を画定する。
【００２８】
ロータ軸１１５の軸線は軸線１９０の方へ折れるので、ダイヤフラム１３０は、ジャイロハウジング１１０の中心線が同様に軸線１９０と一致するように円弧１６０に沿ってジャイロハウジング１１０が旋回できるようにする。瞬間を示すこの図解では、ジャイロハウジング１１０は、円弧１６０によって示すように反時計間回りの方向に駆動軸組立品ピボット点１５５の上で旋回する。ボルト１２５ａによってダイヤフラム１３０に連結されているジャイロハウジング１１０の側は下降し、ボルト１２５ｎによってダイヤフラム１３０に連結されているジャイロハウジング１００の他の側は上昇する。遠心動作中に、ジャイロハウジング１１０は垂直軸線１６５の周りに振動する。ジャイロハウジング１１０の部分におけるこの発振移動は「章動」と呼ばれる。したがってジャイロハウジング１１０は垂直軸線１６５から離れて旋回することになるが、その水平移動は実質的に限定される。
【００２９】
実際の遠心機システムでは、ロータの質量中心と幾何学的中心との間の差、すなわち距離１８０は、典型的には約０.０５（１０００分の５０）インチ（１.２７mm）であり、円弧１６０は垂直軸線１６５から約１°の角変位を示す。ジャイロハウジング１１０の章動は裸眼ではかろうじて識別できるが、強大な力が強いられているはずである。例えば、１分間に９０００回転（９０００rpm）で回転する５７ポンド（２５.８kg）のロータは約６０００ポンド（２７２４ｋｇ）の遠心力を受ける。
【００３０】
ロータの回転速度と同じ速度で、ジャイロハウジング１１０は章動し、ダイヤフラム１３０はたわむ。ダイヤフラム１３０はジャイロハウジング１１０の章動に順応するために十分な可撓性を持たなければならないが、遠心動作中に押し付けられる応力に耐えるために十分な強度を持たなければならない。理想的には、ダイヤフラム１３０はゼロのばね率を有し、自由に、ロータがその回転軸線をその幾何学的中心からその質量中心へずらすことができるようにすることである。しかし、全ての物体はそのばね率と質量との関数である固有周波数で発振する。実際の例では、ダイヤフラム１３０は遠心機システムの動作周波数より大きなばね率で設計される。すなわち、重いロータと低い動作周波数を有する遠心機システムでは、軽いロータと高い動作周波数を有するシステムにおけるよりも低いばね率を使用することができる。ダイヤフラムのいくつかの代替実施形態を下記に示す。
【００３１】
図３は、本発明によるダイヤフラム１９２の一実施形態の上面図である。ダイヤフラム１９２は、規則的な角間隔１９８でカップリング１９９の周りに配置された放射状に向けられた複数のバー１９３から構成されている。バー１９３は孔１９５を通して置かれたボルトによってモータハウジング１９４に連結され、孔１９７を通して置かれたボルトによってジャイロハウジング１９６に連結されている。バー１９３は幅が約０.１８０インチ（４.５７mm）、厚さが０.０６０インチ（１.５２mm）であり、ステンレス鋼で作られている。
【００３２】
図４は、本発明によるダイヤフラム２００のもう１つの実施形態を示す。外部フランジ２１０と内部フランジ２１５は共通中心点２２０を共有している。内部フランジ２１５と外部フランジ２１０は放射状に向けられたバー２２５に連結されている。バー２２５は規則的な角間隔２４０で離隔し、ダイヤフラム２００をほぼ同等の円弧に分割している。ダイヤフラム２００は孔２３０を通して置かれたボルトによってジャイロハウジングに連結され、孔２３５を通して置かれたボルトによってモータハウジングに連結されている。バー２２５は幅が約０.１８０インチ（４.５７mm）、厚さが０．０６０インチ（１.５２mm）である。ダイヤフラム２００はステンレス鋼で作られている。
【００３３】
図５は、中央に孔３１５が開けられたディスク３１０から成る、ダイヤフラム３００のさらにもう１つの実施形態を示す。ダイヤフラム３００は、孔３２０を通して置かれたボルトによってジャイロハウジングに連結され、孔３２５を通して置かれたボルトによってモータハウジングに連結されている。ダイヤフラム３００は１６ゲージステンレス鋼で作られている。
【００３４】
図６は、垂直ばねが駆動軸組立品のための支持物を提供する、遠心機組立品の断面図である。駆動軸組立品４０５は、カップリング４２０を介してロータ軸４１５に結合された駆動軸４４５を含む。これはまた、ロータ軸４１５の一端部とカップリング４２０の一端部とを囲むジャイロハウジング４１０も含む。可撓性駆動スパッド４８７がロータ軸４１５に旋回可能に連結され、ロータ（図示せず）は駆動スパッド４８７の頂部に位置している。放射状に向けられたバー４３０ａおよび４３０ｂを有するダイヤフラムがカップリング４２０の周りに配置されている。ばね４５０ａおよび４５０ｂが駆動軸組立品４０５を支持するために位置付けられている。
【００３５】
ばね４５０ａおよび４５０ｂは、駆動軸組立品４０５と遠心ロータとの複合重量によってダイヤフラムバー４３０ａおよび４３０ｂに加えられる垂直力の一部を解放することを目的とする。ばね４５０ａおよび４５０ｂはダイヤフラムバー４３０ａおよび４３０ｂの有効寿命を延長するために役立つ。
【００３６】
ばね４５０ａおよび４５０ｂは金属材料またはエラストマ材料によって製造することができる。実例として、コイルばね、巻線ばね、機械加工ばね、およびペンシルバニア州Erie にある Lord CORPORATION が製造する Lord FlexBolt（商標）などのエラストマばねがある。しかし、エラストマばねは、金属ばねと比較して、駆動軸組立品４０５の垂直および発振リンギングをよりうまく減衰する。
【００３７】
図７は、ばねとダイヤフラムバーとの関係を示す上面図である。ばね４５０ａおよび４５０ｂとバー４３０ａおよび４３０ｂは、複数のばね４５０ａ〜４５０ｎとバー４３０ａ〜４３０ｎそれぞれのサブセットである。ばね４５０ａ〜４５０ｎとバー４３０ａ〜４３０ｎはカップリング４２０の周囲に配置されている。所与のばね４５０ａ〜４５０ｎのいずれも、２つの隣接バー４３０ａ〜４３０ｎの間に形成された円弧４６０の中に位置する。
【００３８】
図８は、駆動軸組立品を垂直に支持するばねのもう１つの実施形態による遠心機駆動軸の断面図である。駆動軸組立品５０５は、カップリング５１５を通じて相互連結されたロータ軸５２５の一端部と駆動軸５３５の一端部とを全体的に囲むジャイロハウジング５２０を含む。可撓性駆動スパッド（図示せず）とロータ軸（図示せず）がロータ軸５２５の頂部に置かれている。ダイヤフラム５３０がカップリング５１５の周りに配置されている。ばね５１０がジャイロハウジング５２０の負荷周辺の周りに配置されている。
【００３９】
ばね５１０は中実のエラストマリングである。これは、駆動軸組立品５０５と遠心ロータとの複合重量によってダイヤフラム５３０に加えられる垂直力の一部を吸収する。ばね５１０はダイヤフラム５３０の有効寿命を延長するために役立つ。
【００４０】
図９Ａおよび９Ｂは、従来のジャイロ（図９Ａ）の性能と本発明の水平ばねジャイロ（図９Ｂ）と比較したグラフである。これらのグラフの水平軸はロータサイクル／分（ＣＰＭ）を表わし、縦軸は加速度の単位（Ｇ）を表わす。
図９Ａに示す従来のジャイロは、６ｋＣＰＭにおいて約７Ｇの大きな振動を発生させ（６１０を参照）、１８.８ｋＣＰＭにおいて約１４.３Ｇに増加する（６２０を参照）。
【００４１】
反対に、図９Ｂに示す本発明による水平ばねジャイロは、６ｋＣＰＭにおいて約４Ｇの振動を発生させ（６３０を参照）、１８.８ｋＣＰＭにおいて２Ｇの振動を発生させる（６４０を参照）。水平ばねジャイロの振動は、６ｋＣＰＭ〜１８.８ｋＣＰＭの範囲において従来のジャイロの振動よりも非常に低い。振動加速度は２０.５ｋにおいて約３２.３Ｇのピークに達している（６５０を参照）。したがって２０.５ｋＣＰＭがシステムの共振周波数である。ピークが発生する周波数は、本発明のダイヤフラムのさまざまな実施形態において、バーの厚さと幅を変えることによって調節することができる。バーの厚さと幅を大きくするほど、システムのばね率と共振周波数が増加する。ばね率を増加させて、システムの動作周波数範囲以上の共振周波数に設定することができる。
【００４２】
図１０は、ロータ軸の垂直変位を制限するための、ロータ軸と駆動軸との間に位置する部材の一実施形態を示す。部材７２５はロータ軸７０５と駆動軸７１０との間に位置する。部材７２５はカップリング７３０を通じて軸方向に向いた中央孔の中にぴったりはまり、カップリング７３０によって適所に保持されている。
【００４３】
部材７２５は、金属製円筒状スペーサ７２０と２個のゴム製ディスク状パッド７１５ａおよび７１５ｂから構成される。しかし、ある適用例ではスペーサ７２０またはパッド７１５ａだけでも適切になり得る。スペーサ７２０とパッド７１５ａおよび７１５ｂは、金属、ゴム、ナイロン、高分子材料、またはいずれの硬いエラストマ材料によって作ることもできる。
ロータ軸７０５の下向き移動は部材７２５によって制限される。パッド７１５ａおよび７１５ｂは圧縮されて、駆動軸７１０に対するロータ軸７０５の角偏向を可能にする。
【００４４】
図１１Ａは、ロータ軸の垂直変位を制限するためにロータ軸と駆動軸との間に置かれた部材の第２実施形態を示す。ロータ軸７０５と駆動軸７１０との間に部材７５０が位置する。部材７５０はカップリング７３０を通って軸方向に向けられた中心孔の中に収容され、カップリング７３０によって適所に保持されている。
【００４５】
部材７５０は、第１スリーブ７５５と第２スリーブ７６５との間に配置されたカラム７６０から構成される。スリーブ７５５はロータ軸７０５の一端部の上およびほぼ周りを滑動する。スリーブ７６５は軌動軸７１０の一端部の上およびほぼ周りを滑動する。部材７５０は、金属、ゴム、ナイロン、高分子材料、またはいずれの硬いエラストマ材料によって作ることもできる。
【００４６】
カラム７６０の直径は、駆動軸７１０に対するロータ軸７０５の角偏向を可能にするために十分に小さくて、十分に可撓性を有する。ロータ軸７０５の垂直移動はカラム７６０の堅固さによって制限される。
【００４７】
図１１Ｂを見ると、スリーブ７６５は軸方向のスリット７７０を含む。図１１Ａにおいても、スリーブ７５５はスリットを含む。スリット７７０によって、スリーブ７５５および７６５はそれぞれの軸７０５および７１０の端部の上をさらに容易に滑動することができる。
【００４８】
図１２Ａおよび１２Ｂに示すように、カップリング７３０は、スリット７７０を圧縮してスリーブ７５５および７６５を軸７０５および７１０にそれぞれ固定するためのクランプ機構７７５を含む。図１２Ａおよび１２Ｂに示すような単体の可撓性軸カップリングは、カリフォルニア州Santa MariaにあるHerical Product Co．から入手可能である。一般に、カップリング７３０は中央孔を有するどのような形式の軸カップリングにすることもできる。
【００４９】
代替案として、スリット７７０を含んで圧縮する代わりに、スリーブ７５５および７６５をセットねじ（図示せず）を使用して軸７０５および７１０に固定することができる。
【００５０】
本発明の教示の利益を受ける当業者は、本発明に対して多くの変更を加えることができる。そのような変更は、添付の特許請求の範囲に定義されるように、本発明の範囲内にあると解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術による遠心機ジャイロ駆動軸組立品の断面図である。
【図２】 遠心機駆動軸組立品の断面図である。
【図３】 本発明の一実施形態によるダイヤフラムの上面図である。
【図４】 本発明によるダイヤフラムのもう１つの実施形態の上面図である。
【図５】 本発明によるダイヤフラムのさらにもう１つの実施形態の上面図である。
【図６】 駆動軸組立品を垂直に支持するためのばねを含む、本発明による遠心機組立品の断面図である。
【図７】 ばねとダイヤフラムバーとの関係を示す上面図である。
【図８】 もう１つの実施形態のばねを有する遠心機駆動軸組立品の断面図である。
【図９Ａ】 従来技術の通常のジャイロによって生ずる振動力を示すグラフである。
【図９Ｂ】 本発明の水平ばねジャイロによって生ずる振動力を示すグラフである。
【図１０】 本発明によるロータ軸と駆動軸との間に位置する部材の一実施形態の断面図である。
【図１１Ａ】 本発明によるロータ軸と駆動軸との間に位置する部材の第２実施形態の断面図である。
【図１１Ｂ】 図１１Ａの線Ａ−Ａに沿って見たスリット付きのスリーブの上面図である。
【図１２Ａ】 可撓性カップリングの側面図である。
【図１２Ｂ】 図１２Ａの線Ｂ−Ｂに沿って見た可撓性カップリングの端面図である。
【発明の背景】
１．発明の分野
本発明は、遠心機駆動軸組立品に関し、より詳細には、ダイヤフラムを駆動軸組立品の周りに配置して、駆動軸組立品が旋回できるようにするとともに実質的にその水平変位を制限する遠心機組立品に関する。また、ロータ軸と駆動軸との間に位置する部材がロータ軸の垂直変位を実質的に制限する一方、駆動軸に対してロータ軸が角度をなして変位することを可能にする。
【０００２】
２．従来技術の説明
遠心機器とは、液体サンプルに遠心力をかけることのできる装置のことである。サンプルは典型的には遠心ロータと呼ばれる部材の内部に置かれた管の中に入っている。ロータはロータ軸の頂部に取り付けられ、ロータ軸は原動エネルギー源を提供する駆動軸に連結されている。遠心機駆動システムは、不均衡な回転負荷に対応するように設計しなければならない。この不均衡は最初にサンプルを遠心ロータの中に入れるときに存在することもあれば、遠心機の作動中に管の故障によって生ずることもある。この不均衡はロータの塊体全体にわたって物質の不均一な分布を示す。
【０００３】
どんな所与の塊体、または遠心ロータも、塊体の寸法に基づく幾何学的中心と、塊体内の物質の分布に基づく質量中心とを有する。質量中心は重心とも呼ばれる。ある実際の塊体、または遠心ロータでは、質量中心は機械加工の誤差や密度の変化によって幾何学的中心からずれる。駆動およびサスペンションシステムに取り付けられた回転塊体は、塊体がその回転軸をその幾何学的中心の周りの回転から質量中心の周りの回転へ横方向に変位させる、臨界速度を有する。
【０００４】
遠心機駆動システムは臨界速度より上と下で動作する。臨界速度以下では、遠心ロータはその幾何学的中心の周りで回転する。臨界速度以上では、遠心ロータはその質量中心の周りで回転しようとする。遠心機駆動部サスペンションシステムは、臨界速度の通過を可能にするためにシステム内にある種のばねを有する必要があるので、遠心ロータはその質量中心の周りの回転に近づく。遠心ロータの質量中心と駆動システムの中心線とは完全に整列しないので、振動が発生する。所与の速度でロータが生じさせる振動の量は、ロータの質量中心と駆動部の幾何学的中心との間の距離に依存する。遠心機用の駆動システムの構成部分が剛体状に相互連結されている場合には、振動は駆動システムに損傷を与える応力を加え、これは遠心機を破壊させる可能性がある。したがって、遠心機駆動システムは典型的にはある程度の可撓性を持つように設計される。
【０００５】
遠心ロータについてこの質量中心の周りの回転に近づけるために、ロータ軸はその回転軸を水平方向にずらすことができなければならない。したがって、２つの可撓性継手が駆動軸とロータ軸との間に必要である。従来技術でよく知られている可撓性軸とジャイロは、両方とも必要とされる水平方向のずらしを可能にする。
【０００６】
可撓性軸は、ロータがその質量中心の周りに回転できるようにするために曲るかたわむことが必要である。軸の可撓性が高いほど、軸はさらに曲ることができて水平方向のずれに対応し、したがって遠心機のモータ軸受、モータサスペンション、および機器フレームへの負荷を軽減する。しかしながらトレードオフはある。より大きな可撓性は一般に、可撓性軸の直径を減らすことによって達成される。軸径が小さいほど臨界速度に移行することは困難となり、不均衡なロータによって、または軸の上に落ちたロータによって軸はより簡単に破損する可能性がある。より小さな軸径はまた、伝達可能なトルクの量を制限するので、加速度を制限することになる。
【０００７】
ジャイロシステムは、可撓性軸システムよりもさらに丈夫で交換がさらに安価である。ジャイロシステムは基本的には、中間カップリングを通じて駆動軸またはモータ軸に旋回可能に連結されたロータ軸から構成されている。中間カップリングは、ロータ軸の軸線が駆動軸の位置とは異なる位置をとることができるようにするユニバーサルジョイントとして役立つ。遠心ロータは可撓性カップリングによってロータ軸に連結されている。
【０００８】
臨界速度以上における遠心機動作に関連する問題は、従来技術においてよく認識されている。下記の特許は、振動を減らすために開発されたいくつかの機構を図解している。
【０００９】
米国特許第３,７７０,１９１号（Ｂｌｕｍ）は、ロータの重心を駆動システムの軸中心と自動的に整列させる遠心機駆動システムを開示している。関節式ロータ軸がロータの横移動を可能にし、これによってロータの幾何学的中心を、ロータの重心が駆動システムの軸と整列するように変位させることができる。滑動ブロックエレメントが関節式ロータ軸の周りに配置され、軸の過度の振動を抑制する。
【００１０】
米国特許第４,５６８,３２４号（Ｗｉｌｌｉａｍｓ）は、可撓性軸とベアリング軸との間に配置されたダンパを含む駆動軸組立品を開示している。ダンパは、可撓性軸のたわみに順応するとともに、ロータによって可撓性軸に押し付けられる振動を減衰する。
米国特許第５,８２７,１６８号（Ｈｏｗｅｌｌ）は、駆動軸の垂直振動を減らすための、遠心機駆動軸に旋回可能に取り付けられたディスクを開示している。ディスクの振動を減らすために、減衰ベアリングがディスクの表面に対向して位置付けられている。
【００１１】
図１は、従来技術による典型的な遠心機ジャイロ駆動軸組立品の断面図である。ジャイロハウジング１０は一般に、カップリング２０を通じて相互連結されているロータ軸１５の一端部と駆動軸２５の一端部とを囲っている。駆動軸２５の他端部はモータ４０の中に収容されている。ロータ軸１５は、ベアリング３０ａおよび３０ｂおよび可撓性マウンティング３５によってジャイロハウジング１０の内部に支持されている。可撓性マウンティング３５は、ベアリングハウジング３６と２つのエラストマリング３７ａ、３７ｂから構成されている。ロータ軸１５の頂部にはロータ（図示せず）が位置付けられている。
【００１２】
静止しているとき、および臨界速度未満の速度では、ロータ軸１５と駆動軸２５とは共通の垂直軸４５を共有する。遠心動作中は、モータ４０は、駆動軸２５、カップリング２０、およびロータ軸１５を回転させる回転起動力を提供する。モータ４０は加速し、したがってロータ軸１５の角速度を増加させる。臨界速度では、ロータ軸１５の回転軸は水平方向に、ならびに垂直軸４５からある角度で離れるようにずれる。このずれは可撓性マウンティング３５によって可能となる。
【００１３】
ベアリング３０ａおよび３０ｂは、ロータ軸１５の水平変位またはずれによって水平方向に変位する。可撓性マウンティング３５は収縮膨張してベアリング３０ａおよび３０ｂの変位に順応する。何らかのばね質量系によるように、可撓性マウンティング３５の弾性剛さは結果的に、ほとんどの遠心機システムの正規運転範囲内にある共振周波数となる。
【００１４】
図１に示すように構成された駆動組立品は、いくつかの固有の欠点を有する。第１に、ロータ軸１５とベアリング３０ａおよび３０ｂとの水平方向のずれは、それ自体が共振振動の源泉である。共振は、振動を最小にすることを目的とするシステムでは望ましくない。第２に、ずれに対応して適度のねじり可撓性を提供するために、可撓性マウンティング３５は典型的にはエラストマで構成される。回転速度が増加すると、エラストマの可撓性は低下して、水平方向のずれに対する応答が低くなる。第３に、エラストマはあまりよい熱導体ではない。その結果として、ベアリング３０ａおよび３０ｂによって発生する熱は効果的に消散せず、したがってベアリングは応力を受けて、早期の疲労を受けやすい。
【００１５】
もう１つの好ましくない自由度がロータ軸１５の垂直移動に見られる。ベアリング３０ａおよび３０ｂはエラストマリング３７ａおよび３７ｂによって取り付けられているので、ロータ軸１５は垂直方向に移動することができる。この垂直移動は、ほとんどの遠心機システムの正規運転範囲内にある共振周波数において別の振動モードを引き起こす。
【００１６】
その回転軸線がその幾何学的中心からその質量中心へずれるロータの傾向に対応することができ、同時に駆動軸組立品の水平変位によって引き起こされる振動を最小にする遠心機駆動組立品が必要である。
また、ロータ軸の垂直移動によって生ずる振動を最小にすると同時に、駆動軸に対するロータ軸の角偏向を許容する遠心機駆動組立品が必要である。
【００１７】
【発明の概要】
本発明は、駆動軸組立品および駆動軸組立品の周りに配置されたダイヤフラムを含む遠心機組立品を提供する。ダイヤフラムは、駆動軸組立品が旋回して垂直軸を離れることを可能にし、同時に駆動軸組立品の水平移動は実質上制限される。
【００１８】
この独特の遠心機組立品は典型的には、ロータ、駆動軸組立品、および駆動軸組立品の周りに可撓的に確保されたダイヤフラムを含む。駆動軸組立品は、駆動軸、中間カップリングを介して駆動軸に結合されたロータ軸、および任意に、ロータ軸の一端部とカップリングの一端部とを囲むジャイロハウジングを含むことができる。
一実施形態では、ダイヤフラムは放射状に向けられた複数のバーから構成される。
【００１９】
第２の実施形態では、ダイヤフラムは、共通の中央点を有する内部フランジと外部フランジから構成される。両フランジは放射方向バーによって連結されている。
【００２０】
第３の実施形態では、ダイヤフラムは中央に孔があるディスクである。ディスクは３６０°の円弧にわたって可撓性の安全性を提供する。
遠心機は、駆動軸組立品を垂直に支持するための１つまたは複数のばねを追加として含む。ばねは、駆動軸組立品の基部の下に位置するか、またはエラストマリングから形成して駆動軸組立品の負荷ベアリング周辺のまわりに配置するか、または駆動カップリングの中に組み込むことができる。
【００２１】
本発明は、ロータの駆動軸組立品周りの章動を可能にし、カップリングの回転軸の水平変位を制限する。結果的に、水平変位に関連する振動は、遠心ロータの運転範囲内であらゆる共振周波数を回避することによって実質上減少する。すなわち、水平方向の剛さが大きいほど、遠心機の運転範囲以上で押し上げられる共振周波数はより高くなる。
【００２２】
さらに、ロータ軸と駆動軸との間に位置する部材が、ロータ軸の垂直移動を制限し、同時に駆動軸に対するロータ軸の角偏向を許容する。この部材は、製造の許容誤差によって生ずるロータ軸と駆動軸との間のギャップを縮める。一実施形態では、この部材は１つの円筒状スペーサと２つのディスク状パッドから構成される。第２実施形態では、この部材は実質上ロータ軸の一端部の周りに配置された第１スリーブ、実質上駆動軸の一端部の周りに配置された第２スリーブ、およびこれら２つのスリーブの間に配置されたカラムによって構成される。
【００２３】
【発明の詳述】
図２は、本発明による遠心機組立品１００の断面を示す。遠心機組立品１００は、モータ１５０、モータハウジング１４０、ダイヤフラム１３０、駆動軸組立品１０５、駆動スパッド１８７、およびロータ（図示せず）を有する。
駆動軸組立品１０５は、カップリング１２０を介してロータ軸１１５に結合された駆動軸１４５を含む。これは、ロータ軸１１５の一端部とカップリング１２０の一端部とを囲むジャイロハウジング１１０も含む。ロータ軸１１５はベアリング１６３によってジャイロハウジング１１０の内部に支持されている。駆動スパッド１８７はロータ軸１１５に旋回可能に連結され、ロータは駆動スパッド１８７の頂部に位置している。
【００２４】
ダイヤフラム１３０がカップリング１２０の周りに配置され、駆動軸組立品１０５をモータハウジング１４０に可撓的に結合する。ダイヤフラム１３０は任意に、ボルト１２５ａおよび１２５ｎによってジャイロハウジング１１０に連結され、またボルト１３５ａおよび１３５ｎによってモータハウジング１４０に連結されている。下記に説明するように、ダイヤフラム１３０は、駆動軸組立品１０５を駆動軸組立品ピボット点１５５の上で回転できるようにする。
【００２５】
遠心動作中に、モータ１５０は、駆動軸１４５、カップリング１２０、ロータ軸１１５、駆動スパッド１８７、そして最終的にロータを回転する回転起動力を提供する。臨界速度以下の速度では、ロータは幾何学的中心の周りに回転する。ロータの幾何学的軸線は、垂直軸線１６５と一致する軸線１７５ａに位置する。ジャイロハウジング１１０、ロータ軸１１５、および駆動軸１４５も垂直軸線１６５に沿って心合わせされている。ダイヤフラム１３０は、駆動軸１４５にほぼ直角を成す平面内にある。
【００２６】
臨界速度以上の速度では、ロータは質量中心の周りに回転する。質量中心は幾何学的中心から距離１８０だけずれている。ロータの質量中心は軸線１７５ａと整列し、したがってロータの幾何学的軸線は水平方向に軸線１７５ｂの方へ強制的にずらされる。図２に示すような軸線１７５ａと１７５ｂとの関係は、瞬間的な時間を示す。ロータはその質量中心の周りに軸線１７５ａにおいて回転するので、ロータの幾何学的軸線は軸線１７５ａの周りに回転する。すなわち幾何学的軸線は、中心点が軸線１７５ａにあって半径が距離１８０である円の中で移動する。軸線１７５ａは駆動軸１４５の軸線でもある垂直軸線１６５と一致しているので、ロータ軸のその質量中心の周りにおける回転は、駆動軸１４５の回転と同心である。
【００２７】
ロータは駆動スパッドピボット点１８５において駆動スパッド１８７に旋回可能に連結されているので、ロータおよびその幾何学的軸線は円弧１７０に沿って旋回することができ、垂直になったままである。しかしながら、ロータ軸１１５の軸線は垂直軸線１６５から軸線１９０へ折れる。軸線１９０は、駆動スパッドピボット点１８５における端点と駆動軸組立品ピボット点１５５とによって画定される。ロータはその質量中心の周りに軸線１７５ａにおいて回転するので、軸線１９０は回転して垂直軸船１６５の周りに歳差運動の円錐を画定する。
【００２８】
ロータ軸１１５の軸線は軸線１９０の方へ折れるので、ダイヤフラム１３０は、ジャイロハウジング１１０の中心線が同様に軸線１９０と一致するように円弧１６０に沿ってジャイロハウジング１１０が旋回できるようにする。瞬間を示すこの図解では、ジャイロハウジング１１０は、円弧１６０によって示すように反時計間回りの方向に駆動軸組立品ピボット点１５５の上で旋回する。ボルト１２５ａによってダイヤフラム１３０に連結されているジャイロハウジング１１０の側は下降し、ボルト１２５ｎによってダイヤフラム１３０に連結されているジャイロハウジング１００の他の側は上昇する。遠心動作中に、ジャイロハウジング１１０は垂直軸線１６５の周りに振動する。ジャイロハウジング１１０の部分におけるこの発振移動は「章動」と呼ばれる。したがってジャイロハウジング１１０は垂直軸線１６５から離れて旋回することになるが、その水平移動は実質的に限定される。
【００２９】
実際の遠心機システムでは、ロータの質量中心と幾何学的中心との間の差、すなわち距離１８０は、典型的には約０.０５（１０００分の５０）インチ（１.２７mm）であり、円弧１６０は垂直軸線１６５から約１°の角変位を示す。ジャイロハウジング１１０の章動は裸眼ではかろうじて識別できるが、強大な力が強いられているはずである。例えば、１分間に９０００回転（９０００rpm）で回転する５７ポンド（２５.８kg）のロータは約６０００ポンド（２７２４ｋｇ）の遠心力を受ける。
【００３０】
ロータの回転速度と同じ速度で、ジャイロハウジング１１０は章動し、ダイヤフラム１３０はたわむ。ダイヤフラム１３０はジャイロハウジング１１０の章動に順応するために十分な可撓性を持たなければならないが、遠心動作中に押し付けられる応力に耐えるために十分な強度を持たなければならない。理想的には、ダイヤフラム１３０はゼロのばね率を有し、自由に、ロータがその回転軸線をその幾何学的中心からその質量中心へずらすことができるようにすることである。しかし、全ての物体はそのばね率と質量との関数である固有周波数で発振する。実際の例では、ダイヤフラム１３０は遠心機システムの動作周波数より大きなばね率で設計される。すなわち、重いロータと低い動作周波数を有する遠心機システムでは、軽いロータと高い動作周波数を有するシステムにおけるよりも低いばね率を使用することができる。ダイヤフラムのいくつかの代替実施形態を下記に示す。
【００３１】
図３は、本発明によるダイヤフラム１９２の一実施形態の上面図である。ダイヤフラム１９２は、規則的な角間隔１９８でカップリング１９９の周りに配置された放射状に向けられた複数のバー１９３から構成されている。バー１９３は孔１９５を通して置かれたボルトによってモータハウジング１９４に連結され、孔１９７を通して置かれたボルトによってジャイロハウジング１９６に連結されている。バー１９３は幅が約０.１８０インチ（４.５７mm）、厚さが０.０６０インチ（１.５２mm）であり、ステンレス鋼で作られている。
【００３２】
図４は、本発明によるダイヤフラム２００のもう１つの実施形態を示す。外部フランジ２１０と内部フランジ２１５は共通中心点２２０を共有している。内部フランジ２１５と外部フランジ２１０は放射状に向けられたバー２２５に連結されている。バー２２５は規則的な角間隔２４０で離隔し、ダイヤフラム２００をほぼ同等の円弧に分割している。ダイヤフラム２００は孔２３０を通して置かれたボルトによってジャイロハウジングに連結され、孔２３５を通して置かれたボルトによってモータハウジングに連結されている。バー２２５は幅が約０.１８０インチ（４.５７mm）、厚さが０．０６０インチ（１.５２mm）である。ダイヤフラム２００はステンレス鋼で作られている。
【００３３】
図５は、中央に孔３１５が開けられたディスク３１０から成る、ダイヤフラム３００のさらにもう１つの実施形態を示す。ダイヤフラム３００は、孔３２０を通して置かれたボルトによってジャイロハウジングに連結され、孔３２５を通して置かれたボルトによってモータハウジングに連結されている。ダイヤフラム３００は１６ゲージステンレス鋼で作られている。
【００３４】
図６は、垂直ばねが駆動軸組立品のための支持物を提供する、遠心機組立品の断面図である。駆動軸組立品４０５は、カップリング４２０を介してロータ軸４１５に結合された駆動軸４４５を含む。これはまた、ロータ軸４１５の一端部とカップリング４２０の一端部とを囲むジャイロハウジング４１０も含む。可撓性駆動スパッド４８７がロータ軸４１５に旋回可能に連結され、ロータ（図示せず）は駆動スパッド４８７の頂部に位置している。放射状に向けられたバー４３０ａおよび４３０ｂを有するダイヤフラムがカップリング４２０の周りに配置されている。ばね４５０ａおよび４５０ｂが駆動軸組立品４０５を支持するために位置付けられている。
【００３５】
ばね４５０ａおよび４５０ｂは、駆動軸組立品４０５と遠心ロータとの複合重量によってダイヤフラムバー４３０ａおよび４３０ｂに加えられる垂直力の一部を解放することを目的とする。ばね４５０ａおよび４５０ｂはダイヤフラムバー４３０ａおよび４３０ｂの有効寿命を延長するために役立つ。
【００３６】
ばね４５０ａおよび４５０ｂは金属材料またはエラストマ材料によって製造することができる。実例として、コイルばね、巻線ばね、機械加工ばね、およびペンシルバニア州Erie にある Lord CORPORATION が製造する Lord FlexBolt（商標）などのエラストマばねがある。しかし、エラストマばねは、金属ばねと比較して、駆動軸組立品４０５の垂直および発振リンギングをよりうまく減衰する。
【００３７】
図７は、ばねとダイヤフラムバーとの関係を示す上面図である。ばね４５０ａおよび４５０ｂとバー４３０ａおよび４３０ｂは、複数のばね４５０ａ〜４５０ｎとバー４３０ａ〜４３０ｎそれぞれのサブセットである。ばね４５０ａ〜４５０ｎとバー４３０ａ〜４３０ｎはカップリング４２０の周囲に配置されている。所与のばね４５０ａ〜４５０ｎのいずれも、２つの隣接バー４３０ａ〜４３０ｎの間に形成された円弧４６０の中に位置する。
【００３８】
図８は、駆動軸組立品を垂直に支持するばねのもう１つの実施形態による遠心機駆動軸の断面図である。駆動軸組立品５０５は、カップリング５１５を通じて相互連結されたロータ軸５２５の一端部と駆動軸５３５の一端部とを全体的に囲むジャイロハウジング５２０を含む。可撓性駆動スパッド（図示せず）とロータ軸（図示せず）がロータ軸５２５の頂部に置かれている。ダイヤフラム５３０がカップリング５１５の周りに配置されている。ばね５１０がジャイロハウジング５２０の負荷周辺の周りに配置されている。
【００３９】
ばね５１０は中実のエラストマリングである。これは、駆動軸組立品５０５と遠心ロータとの複合重量によってダイヤフラム５３０に加えられる垂直力の一部を吸収する。ばね５１０はダイヤフラム５３０の有効寿命を延長するために役立つ。
【００４０】
図９Ａおよび９Ｂは、従来のジャイロ（図９Ａ）の性能と本発明の水平ばねジャイロ（図９Ｂ）と比較したグラフである。これらのグラフの水平軸はロータサイクル／分（ＣＰＭ）を表わし、縦軸は加速度の単位（Ｇ）を表わす。
図９Ａに示す従来のジャイロは、６ｋＣＰＭにおいて約７Ｇの大きな振動を発生させ（６１０を参照）、１８.８ｋＣＰＭにおいて約１４.３Ｇに増加する（６２０を参照）。
【００４１】
反対に、図９Ｂに示す本発明による水平ばねジャイロは、６ｋＣＰＭにおいて約４Ｇの振動を発生させ（６３０を参照）、１８.８ｋＣＰＭにおいて２Ｇの振動を発生させる（６４０を参照）。水平ばねジャイロの振動は、６ｋＣＰＭ〜１８.８ｋＣＰＭの範囲において従来のジャイロの振動よりも非常に低い。振動加速度は２０.５ｋにおいて約３２.３Ｇのピークに達している（６５０を参照）。したがって２０.５ｋＣＰＭがシステムの共振周波数である。ピークが発生する周波数は、本発明のダイヤフラムのさまざまな実施形態において、バーの厚さと幅を変えることによって調節することができる。バーの厚さと幅を大きくするほど、システムのばね率と共振周波数が増加する。ばね率を増加させて、システムの動作周波数範囲以上の共振周波数に設定することができる。
【００４２】
図１０は、ロータ軸の垂直変位を制限するための、ロータ軸と駆動軸との間に位置する部材の一実施形態を示す。部材７２５はロータ軸７０５と駆動軸７１０との間に位置する。部材７２５はカップリング７３０を通じて軸方向に向いた中央孔の中にぴったりはまり、カップリング７３０によって適所に保持されている。
【００４３】
部材７２５は、金属製円筒状スペーサ７２０と２個のゴム製ディスク状パッド７１５ａおよび７１５ｂから構成される。しかし、ある適用例ではスペーサ７２０またはパッド７１５ａだけでも適切になり得る。スペーサ７２０とパッド７１５ａおよび７１５ｂは、金属、ゴム、ナイロン、高分子材料、またはいずれの硬いエラストマ材料によって作ることもできる。
ロータ軸７０５の下向き移動は部材７２５によって制限される。パッド７１５ａおよび７１５ｂは圧縮されて、駆動軸７１０に対するロータ軸７０５の角偏向を可能にする。
【００４４】
図１１Ａは、ロータ軸の垂直変位を制限するためにロータ軸と駆動軸との間に置かれた部材の第２実施形態を示す。ロータ軸７０５と駆動軸７１０との間に部材７５０が位置する。部材７５０はカップリング７３０を通って軸方向に向けられた中心孔の中に収容され、カップリング７３０によって適所に保持されている。
【００４５】
部材７５０は、第１スリーブ７５５と第２スリーブ７６５との間に配置されたカラム７６０から構成される。スリーブ７５５はロータ軸７０５の一端部の上およびほぼ周りを滑動する。スリーブ７６５は軌動軸７１０の一端部の上およびほぼ周りを滑動する。部材７５０は、金属、ゴム、ナイロン、高分子材料、またはいずれの硬いエラストマ材料によって作ることもできる。
【００４６】
カラム７６０の直径は、駆動軸７１０に対するロータ軸７０５の角偏向を可能にするために十分に小さくて、十分に可撓性を有する。ロータ軸７０５の垂直移動はカラム７６０の堅固さによって制限される。
【００４７】
図１１Ｂを見ると、スリーブ７６５は軸方向のスリット７７０を含む。図１１Ａにおいても、スリーブ７５５はスリットを含む。スリット７７０によって、スリーブ７５５および７６５はそれぞれの軸７０５および７１０の端部の上をさらに容易に滑動することができる。
【００４８】
図１２Ａおよび１２Ｂに示すように、カップリング７３０は、スリット７７０を圧縮してスリーブ７５５および７６５を軸７０５および７１０にそれぞれ固定するためのクランプ機構７７５を含む。図１２Ａおよび１２Ｂに示すような単体の可撓性軸カップリングは、カリフォルニア州Santa MariaにあるHerical Product Co．から入手可能である。一般に、カップリング７３０は中央孔を有するどのような形式の軸カップリングにすることもできる。
【００４９】
代替案として、スリット７７０を含んで圧縮する代わりに、スリーブ７５５および７６５をセットねじ（図示せず）を使用して軸７０５および７１０に固定することができる。
【００５０】
本発明の教示の利益を受ける当業者は、本発明に対して多くの変更を加えることができる。そのような変更は、添付の特許請求の範囲に定義されるように、本発明の範囲内にあると解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術による遠心機ジャイロ駆動軸組立品の断面図である。
【図２】 遠心機駆動軸組立品の断面図である。
【図３】 本発明の一実施形態によるダイヤフラムの上面図である。
【図４】 本発明によるダイヤフラムのもう１つの実施形態の上面図である。
【図５】 本発明によるダイヤフラムのさらにもう１つの実施形態の上面図である。
【図６】 駆動軸組立品を垂直に支持するためのばねを含む、本発明による遠心機組立品の断面図である。
【図７】 ばねとダイヤフラムバーとの関係を示す上面図である。
【図８】 もう１つの実施形態のばねを有する遠心機駆動軸組立品の断面図である。
【図９Ａ】 従来技術の通常のジャイロによって生ずる振動力を示すグラフである。
【図９Ｂ】 本発明の水平ばねジャイロによって生ずる振動力を示すグラフである。
【図１０】 本発明によるロータ軸と駆動軸との間に位置する部材の一実施形態の断面図である。
【図１１Ａ】 本発明によるロータ軸と駆動軸との間に位置する部材の第２実施形態の断面図である。
【図１１Ｂ】 図１１Ａの線Ａ−Ａに沿って見たスリット付きのスリーブの上面図である。
【図１２Ａ】 可撓性カップリングの側面図である。
【図１２Ｂ】 図１２Ａの線Ｂ−Ｂに沿って見た可撓性カップリングの端面図である。
Claims (6)
- ロータ軸に連結されているロータ、
前記ロータに結合された駆動軸組立品、
駆動軸を介して前記駆動軸組立品に結合された、前記駆動軸組立品を介して前記ロータを回転させるためのモータ、および
前記駆動軸組立品の周りに配置された可撓性ダイヤフラムであって、前記ロータが静止しているときには前記駆動軸の軸線を前記ロータの幾何学的軸線とほぼ整列させ、前記ロータが回転しているときには、前記駆動軸組立品が前記モータに対して垂直軸線から離れて旋回できるようにするためのダイヤフラムを含み、
前記駆動軸組立品が、前記駆動軸と前記ロータとの間に配置されたロータ軸と、前記駆動軸を前記ロータ軸に結合させるためのカップリング手段とをさらに含む遠心機組立品であって、
前記ダイヤフラムが前記カップリング手段の周りに配置されていることを特徴とする遠心機組立品。 - ロータ軸に連結されているロータ、
前記ロータに結合された駆動軸組立品、
駆動軸を介して前記駆動軸組立品に結合された、前記駆動軸組立品を介して前記ロータを回転させるためのモータ、および
前記駆動軸組立品の周りに配置された可撓性ダイヤフラムであって、前記ロータが静止しているときには前記駆動軸の軸線を前記ロータの幾何学的軸線とほぼ整列させ、前記ロータが回転しているときには、前記駆動軸組立品が前記モータに対して垂直軸線から離れて旋回できるようにするためのダイヤフラムを含む遠心機組立品であって、
前記モータの周りに配置されたモータハウジングをさらに含み、前記ダイヤフラムが前記駆動軸組立品を前記モータハウジングに可撓的に結合していることを特徴とする遠心機組立品。 - ロータ軸に連結されているロータ、
前記ロータに結合された駆動軸組立品、
駆動軸を介して前記駆動軸組立品に結合された、前記駆動軸組立品を介して前記ロータを回転させるためのモータ、および
前記駆動軸組立品の周りに配置された可撓性ダイヤフラムであって、前記ロータが静止
しているときには前記駆動軸の軸線を前記ロータの幾何学的軸線とほぼ整列させ、前記ロータが回転しているときには、前記駆動軸組立品が前記モータに対して垂直軸線から離れて旋回できるようにするためのダイヤフラムを含む遠心機組立品であって、
前記駆動軸組立品を垂直に支持し、ダイヤフラムに加えられる垂直力の一部を解放するためのばねをさらに有していることを特徴とする遠心機組立品。 - 前記ばねが、コイルばね、巻線ばね、機械加工ばね、およびエラストマばねから成るグループから選択される請求項３に記載の遠心機組立品。
- 前記ばねが、前記駆動軸組立品の負荷のかかる周辺部周りに配置されたエラストマリングを含む請求項３に記載の遠心機組立品。
- ロータ軸に連結されているロータ、
前記ロータに結合された駆動軸組立品、
駆動軸を介して前記駆動軸組立品に結合された、前記駆動軸組立品を介して前記ロータを回転させるためのモータ、および
前記駆動軸組立品の周りに配置された可撓性ダイヤフラムであって、前記ロータが静止しているときには前記駆動軸の軸線を前記ロータの幾何学的軸線とほぼ整列させ、前記ロータが回転しているときには、前記駆動軸組立品が前記モータに対して垂直軸線から離れて旋回できるようにするためのダイヤフラムを含む遠心機組立品であって、
前記駆動軸をロータ軸に結合するためのカップリング手段と、ロータ軸と駆動軸との間にあってロータ軸の垂直変位を制限するための手段とをさらに設けてあり、前記ダイヤフラムが前記カップリング手段の周りに配置されていることを特徴とする遠心機組立品。
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