JP5030256B2 - ホモジナイザー - Google Patents

Description

本発明は、食品検査、生体組織検査等に用いられるホモジナイザーに関する。

ホモジナイザーは、モータの回転軸の回転運動がクランク機構を構成するパドルシャフトにより往復運動に変換され、パドルシャフトに連結されたパドルにより、所定の試料が入れられた収納袋を、該パドルに対向して設けられた押し付け部との間で押圧し、収納袋内で試料を破砕し懸濁化する。例えば、特許文献１では、開閉扉を介して試料入り収納袋を配置可能な試料収容部（パドルルーム）が設けられており、該試料収容部内において、パドルと開閉扉（押し付け部）との間で収納袋を押圧するホモジナイザーを開示している。
特開平７−２８４６７９号公報

従来のホモジナイザーは、タイマーによって所定時間経過した時点でパドル動作が停止するようになっている。試料の種類毎に異なるタイマー時間を決定する場合には、駆動後、一定時間毎に試料入り収納袋を取り出して試料の状態を目視により観察し、確実に粉砕されるまでの時間を予め求めておく必要がある。従って、粉砕対象の試料について、適切なタイマー時間を決定するのに手間がかかる。また、同種の試料であったとしても、硬さなどが均等であるとは限らず、確実に粉砕されるまでの時間は、実際には、試料毎に多少のばらつきがある。また、異種の試料等を続けて粉砕しようとした場合には、その時点でタイマー時間を設定し直さなければならない。

一方、ホモジナイザーを製造する際の工作精度、製作精度が悪い場合には、パドルシャフトの摺動部等の摩擦抵抗が大きくなって、モータの負荷が大きくなる。このため、ホモジナイザーの製造工程においては、完成検査として、全ロットについて、工作精度及び製作精度を確認すべく、モータの動力配線を一旦取り外して電流計を接続し、モータ電流値を計測して、該モータ電流値が所定の範囲に収まっているかどうかという試験を行っている。しかしながら、電流計の接続作業等、この試験を実施するのは手間がかかり、製造コストの増加要因にもなっている。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、試料が確実に粉砕されるタイミングを検知可能なホモジナイザーを提供すること、並びに、製造工程における完成検査を簡略化し、製造コストの低下を図ることができるホモジナイザーを提供することを課題とする。

本発明者は、先に、特願２００５−２３０２２５号として、試料の硬さ等によって変化するパドルスピードを安定化させるため、モータの制御部にパドルスピード制御手段を設定した技術を提案している。パドルスピード制御手段は、パドルの往復動作速度を常に一定にするようにモータの回転速度を制御するため、調整された制御信号を出力するものであり、例えば、モータの回転速度制御をＰＷＭ（パルス幅変調）方式による電力制御によって行っている場合には、パドルスピード制御手段は、パルス状電力のデューティー比を調整し、当該デューティー比を出力する。上記課題を解決するに当たり、本発明者は、かかる制御信号を用いることに着目した。

すなわち、本発明は、モータの駆動により往復運動し、試料収容部内に収容された試料を押圧するパドルと、前記パドルの往復動作速度を一定にするよう、前記モータを制御するパドルスピード制御手段とを備えたホモジナイザーにおいて、前記モータが直流モータであり、前記パドルスピード制御手段から前記直流モータへ出力される制御信号の制御出力値であるパルス状電力のデューティー比が、所定範囲の値に収まっているか否かを確認する制御出力値確認手段を備えていることを特徴とするホモジナイザーを提供する。
前記制御出力値としては、パルス状電力のデューティー比やインバータの周波数、電流値などを利用することができるが、本発明は、パルス状電力のデューティー比を利用する。制御出力値として電流値を利用する場合には電流計を設置する必要があるが、パルス状電力のデューティー比やインバータの周波数を用いる場合には、電流計が不要である。但し、インバーター制御は交流インダクションモータの制御に用いられるが、交流インダクションモータは、回転速度によってトルクが変化してしまう。その為、ホモジナイザーのように試料の粉砕を目的とした装置に使用する場合には、粉砕効率を維持したまま、回転速度を制御することが比較的難しい。そこで、本発明者はトルクがモータ回転速度に依存しない直流（ＤＣ）モータを採用した。直流モータの速度制御は、ＰＷＭ方式による電力制御によって行うことができる。その為、制御出力値として、パルス状電力のデューティー比を利用することで、トルクの低下を考慮する必要もなく、容易に回転速度を制御することができ、特に好適である。従って、この場合には、パルス状電力のデューティー比によりモータ電流値を推定することでモータの駆動状況を把握することになる。モータの駆動状況を把握するには、電流計を接続してモータ電流値を測定する方法が最も一般的であり、通常、制御信号としてしか用いられることのないパルス状電力のデューティー比によりモータ電流値を推定することはなされていない。
前記制御出力値確認手段としては、制御出力値を視覚的に認知可能に表示する表示手段、又は、音発生手段を用いることができる。
前記制御出力値が所定範囲の値に収まっているか否かを判定する制御出力値判定手段をさらに備え、前記制御出力値判定手段により、前記制御出力値が所定範囲の値に収まっているか否かが判定され、その結果を基に、前記制御出力値確認手段が作動する構成とすることが好ましい。
また、前記制御出力値確認手段を作動させると共に、あるいは、前記制御出力値確認手段を作動させることなく、前記結果を基に、モータの回転速度を変更する、あるいは、モータを停止させる構成とすることも好適である。
また、前記制御出力値判定手段としては、「前記制御出力値の値」や「所定時間範囲における前記制御出力値の変化量（差分）」、或いは、「当該変化量の勾配値」などが、所定範囲内であるか否かを判定する手段を採用することが好ましい。

本発明のホモジナイザーは、パドルスピード制御手段を有するため、試料の硬さ等が変化しても常時所定のパドルスピードに制御される構成である。この構成を有することにより、粉砕条件が一定となり、系統的なデータを得やすくなるという利点を有するが、パドルスピード制御手段は、例えば、試料が硬く、負荷が大きい場合には、パドルスピードをそれ以前と同じにするために、モータの回転速度が速くなるように制御し、逆に負荷が小さくなった場合には、モータの回転速度が遅くなるように制御することで、パドルスピードを負荷の大小に拘わらず、安定化させている。すなわち、パドルスピード制御手段からは、モータの回転速度を制御するために、パドルスピードを検知する手段から得られるパドルスピードに基づいて調整された制御信号をモータに出力し、パドルスピードを安定化させるようにしている。パドルスピード制御手段からのモータへの制御信号の出力値（制御出力値）は、通常、試料の粉砕当初は負荷が大きく、制御出力値も、モータの回転速度を速めるために比較的大きな値であるが、試料の粉砕が進み均質化されてくると、制御出力値も徐々に小さくなり、制御出力値の変化量や変化率も徐々に小さくなる。そして、試料が確実に粉砕された時点では、該制御出力値は小さな値で安定し、該制御出力値の変化量や変化率は所定範囲の値に収まっている。

本発明では、かかる制御出力値や、該制御出力値の差分や勾配値などの変化量（変化率）が所定範囲内の値に収まっていることを確認可能な制御出力値確認手段を有するため、試料の粉砕工程の終了を、容易に知ることができる。また、該制御出力値の変化量（変化率）が所定範囲内の値に収まっている場合には、モータの回転速度を変更したり、モータを停止させることができるため、作業が簡便になるという利点を有する。

また、ホモジナイザーの完成品検査時において駆動させた場合には、制御出力値確認手段により、制御出力値が所定範囲内の値か否かが検知される。従って、パドルスピード制御手段の制御出力値とモータの電流値との相関を予め把握しておくことにより、完成品検査時において電流計を接続しなくても、制御出力値が所定範囲内か否かによって、モータ電流値が所定範囲内に収まっているか否かの試験を行うことができ、完成品検査の手間、コストを低減できる。

次に、図面に示した実施形態に基づき本発明をさらに詳細に説明する。図１は、本実施形態にかかるホモジナイザー１の外観を示す図、図２はその内部構造を示す平面図、図３は同じく内部構造を示す側面図である。これらの図に示したように、ホモジナイザー１は、略箱状のケース２ａに取り囲まれて形成された駆動機構配置部２と試料収容部３とを備えている。試料収容部３の前面には、開閉扉３ａが設けられており、ハンドル３ｂを操作し、手前に倒すと開き、奥に戻すと閉まる構造となっている。なお、本実施形態では、試料収容部３の前壁部が開閉扉３ａから構成されているが、前壁部が開閉せず、他の壁部が開閉して試料を装填する構成とすることも可能である。また、ケース２ａの前面上部には、後述の回転軸１２，１３の回転速度を設定する制御ボタン等を配した操作パネル２ｂが設けられている。

駆動機構配置部２内には、駆動部１０が配置される。駆動部１０は、図２及び図３に示したように、モータ１１と、該モータ１１の出力軸に連結され、例えば、モータ１１の出力軸の回転を１／１０に減速する複数のギアの組み合わせ等からなる減速機構１１ａとを備えて構成される。減速機構１１ａには両側に突出する出力軸である回転軸１２，１３が設けられている。回転軸１２，１３には、回転板１２ａ，１３ａがそれぞれ取り付けられており、該回転板１２ａ，１３ａにおいて、回転軸１２，１３の回転中心から偏心した位置に、各パドルシャフト２０の基端部２１が連結される連結軸１２ｂ，１３ｂが突設されている。また、各連結軸１２ｂ，１３ｂは、各回転板１２ａ，１３ａにおいて、互いに１８０度異なる偏心位置に突設されている。すなわち、図２に例示したように、パドルシャフト２０を介して回転軸１２に連結されるパドル３０が開閉扉３ａから離間し、パドルシャフト２０を介して回転軸１３に連結されるパドル３０が開閉扉３ａに近接している状態において、一方の回転板１２ａは前端付近に回転軸１２が位置し、回転軸１２の連結位置よりも後方の後端付近に連結軸１２ｂが位置するように設けられているのに対し、他方の回転板１３ａは、後端付近に回転軸１３が位置し、回転軸１３の連結位置よりも前方の前端付近に連結軸１３ｂが位置するように設けられている。

パドルシャフト２０は、それぞれ、基端部２１と先端部２２とに分割された軸部材からなり、基端部２１と先端部２２とは、取り外し可能なコネクタ２３を介して連結されている。また、先端部２２とコネクタ２３とはヒンジピン２３ａを介して連結されており、回転軸１２，１３の回転運動を往復運動に変換するクランク機構を構成している。基端部２１及び先端部２２は金属製部品からなるが、コネクタ２３はある程度の弾力性を持たせるためゴム等の可撓性部材から構成するのが好ましい。各基端部２１は、上記したように、回転軸１２，１３の連結軸１２ｂ，１３ｂに連結されるが、連結軸１２ｂ，１３ｂは回転軸１２，１３の回転中心に対して互いに１８０度異なる方向に偏心して設けられているため、各基端部２１は、１８０度位相がずれた状態でそれぞれ円運動する。この結果、両者間に介在されるコネクタ２３は、各基端部２１が円運動すると、その円運動における上下変動を吸収して各先端部２２を直線的に交互に往復動作させる。

各パドルシャフト２０の先端部２２は、駆動機構配置部２から仕切板４を介して試料収容部３内に突出しており、各先端部２２の先端に、パドル３０がそれぞれ固定されている。従って、パドルシャフト２０の先端部２２が往復運動すると、各パドル３０は、試料収容部３内を前後に交互に往復動作する。そして、各パドル３０と、該パドル３０に対向して位置し、押し付け部を構成する開閉扉３ａとの間に、試料入り収納袋が装填されることにより、該試料を収納袋の外側から押圧し、破砕する。なお、各パドル３０と各パドルシャフト２０の先端部２２とは一体形成された一つの部材から構成してもよいし、別部材を用いて一体的に固定して形成してもよい。

ここで、駆動機構配置部２内には、駆動部１０を制御する制御部１５が設けられている（図４参照）。制御部１５はマイクロコンピュータからなり、図６に示したように、コンピュータプログラムからなる制御手段として、パドルスピード制御手段１５１が設定されている。

パドルスピード制御手段１５１は、往復動作するパドル３０の速度を、試料の硬さの変動があっても一定に維持する機能を果たす。パドル３０は、上記したように、モータ１１の回転軸１２，１３に連結されたクランク機構を介して往復動作するように設けられている。従って、パドル３０の往復動作速度は、回転軸１２，１３の回転速度を検出することで対応させることができる。例えば、一方の回転軸１２に、図４及び図５に示したように、遮光板４０を装着し、発光素子５０ａと受光素子５０ｂとを備えたフォトインターラプタ５０により、該遮光板４０に設けたスリット４０ａ，４０ｂを検知することにより、回転軸１２の回転数を検出できる。そして、回転軸１２，１３の回転速度は、得られた回転数を基に、単位時間当たりの回転数として求められる。

パドルスピード制御手段１５１は、フォトインターラプタ５０等によって検出される回転軸１２，１３の回転速度が、制御ボタンにより設定した回転速度と異なった場合、すなわち、試料の硬さの変動により、パドル３０による押圧負荷が変化し、例えば、回転軸１２，１３の回転速度が低下した場合、これを設定した回転速度となるように、モータ１１の出力を上昇させる制御信号を出力する。これにより、回転軸１２，１３の回転速度が安定し、試料を押圧する際のパドルスピードが安定する。試料によっては、押圧負荷が低下して回転軸１２，１３の回転速度が上昇する場合もあるが、この場合には設定した回転速度となるようにモータ１１の出力を低下させる制御信号を出力する。

パドルスピード制御手段１５１からモータ１１に出力される制御信号の出力値（制御出力値）は、制御出力値確認手段１６によって確認される。制御出力値確認手段１６として、例えば、制御出力値を視覚的に認知可能に表示する表示手段、あるいは、音発生手段を用いることができる。表示手段としては、例えば、ＬＥＤ、液晶ディスプレイなどを用い、制御出力値をデジタルの数値として表示する手段、あるいは、メータ針などでアナログ的に表示する手段などを用いることができる。音発生手段は、ブザーなどを用いることができる。数値等の表示による視覚的に認知させる表示手段の場合には、制御出力値が所定範囲の値に収まっているか否かは作業者が目視により判定することが可能である。従って、この場合には、図６の破線で示したフローに従って、制御出力値を制御出力値確認手段１６にそのまま表示させる構成とすることができる。

但し、制御出力値確認手段１６としていずれの手段を用いる場合でも、制御部１５には、さらに、制御出力値判定手段１５２を設けることが好ましい。制御出力値判定手段１５２は、パドルスピード制御手段１５１から出力される制御出力値が所定範囲の値に収まっているか否かを判定し、その判定結果に基づいて制御出力値確認手段１６を駆動させるコンピュータプログラムである。例えば、所定範囲の値に収まっていると判定されたならば、表示手段としてのＬＥＤを点灯させ、あるいは、音発生手段としてのブザーを鳴らしたりする構成とすることができる。

制御出力値判定手段１５２によって制御出力値が所定範囲にあるか否かは、例えば、所定時間範囲における該制御出力値の変化の差分や該制御出力値の勾配値（変化率）が所定範囲内であるか否かを基準に判定することができる。差分や勾配値の所定範囲の幅は、任意に設定できる。例えば、試料の粉砕終了時点を検知する場合には、差分や勾配値（変化率）が、制御出力値を数回（例えば、２〜４回）サンプリングする時間範囲に亘ってほぼゼロになった時点で、所定範囲に収まっていると判定し、制御出力値確認手段１６を作動させる構成とすることができる。その結果、作業者に試料粉砕の終了を報知することができ、作業効率が改善される。また、該勾配値等が所定範囲に収まっていると判定した場合には、該制御出力値確認手段１６を作動させるとともに、あるいは、作動させることなく、モータの回転速度を変更したり、モータを停止させる構成とすることもできる。その結果、作業者は、いちいち試料粉砕を確認しながらホモジナイザーの運転／停止を繰り返す必要がなく、作業効率が著しく改善される。

一方、ホモジナイザーの完成品検査に用いる際には、予め、制御出力値とモータ電流値との相関をとっておき、制御出力値が所定の範囲に収まっている場合に、モータ電流値が所定の範囲に収まっていると判断し、制御出力値確認手段１６を作動させる。あるいは、制御出力値が所定の範囲に収まっていない場合に、不合格製品として、制御出力値確認手段１６を作動させて警告音等を発する構成とすることもできる。なお、制御出力値が所定範囲に収まっているか否かは、上記した試料の粉砕終了時点を検出する際の勾配値の判定範囲と必ずしも一致する必要はなく、モータ電流値との関連で別途に設定できることはもちろんである。このようにして、本実施形態によれば、パドルスピード制御手段１５１からモータ１１に出力される制御出力値を確認する制御出力値確認手段１６を有しているため、この制御出力値確認手段１６で得られる制御出力値からモータ電流値を容易に推定することができる。このため、完成品検査において、モータ１１の動力配線を取り外して電流計を接続し、モータ電流値を測定する工程を省くことができ、ホモジナイザーの製造コストの低減を図ることができる。

本実施形態のホモジナイザー１を用いて試料の粉砕を行う場合には、まず、ハンドル３ｂを操作し、開閉扉３ａを開け、試料を入れた収納袋を試料収容部３に装填し、開閉扉３ａを閉じる。次に、操作パネル２ｂの制御ボタンを操作し、回転軸１２，１３の回転速度を設定してスタートさせる。これにより、図４に模式的に示したように、試料収容部３内において、各パドル３０が交互に往復動作し、各パドル３０の押圧面により、押し付け部である開閉扉３ａに収納袋が押し付けられ、その内部の試料が破砕され懸濁化される。試料の破砕中、回転軸１２，１３は、フォトインターラプタ５０によって遮光板４０のスリット４０ａ，４０ｂを検出することで回転速度が検出され、その回転速度がパドルスピード制御手段１５１にフィードバックされる。パドルスピード制御手段１５１では、フィードバックされた回転速度を設定回転速度と比較し、例えば、設定回転速度を下回る場合には、モータ１１の出力を上げる制御信号を出力し、設定回転速度を維持する。これにより、パドルスピードが安定化し、系統的なデータの取得が可能となる。

パドルスピード制御手段１５１によるモータ１１への制御信号の出力値（制御出力値）は、本実施形態では、制御出力値判定手段１５２によって所定時間間隔毎にサンプリングされており、所定時間範囲に亘る制御出力値の差分や変化の勾配値が所定範囲内に至ったと判定されると、制御出力値確認手段１６にその信号が送られる（図６の実線のフロー参照）。制御出力値確認手段１６が、例えば、ブザーなどの音発生手段の場合には、かかる信号を受けてブザー音が鳴り、使用者に試料の粉砕が終了したことが知らされる。従って、使用者は、試料が粉砕されているかどうかを目視により確認する必要がなくなる。なお、制御出力値確認手段１６が、ＬＥＤ等により数値で表示される場合には、制御出力値判定手段１５２を経ずに、数値が表示される構成としてもよいし（図６の破線のフロー）、制御出力値判定手段１５２により所定の状態に至った場合にのみ数値を表示する構成等としてもよいことは上記したとおりである。また、数値を表示する際にブザー音が併せて鳴るようにするなど、使用者に対して粉砕作業が終了したことを知らせることができる手段であればどのような手段をとってもよい。

（試験例１）
試料入り収納袋内に、試料として、「水のみ」を入れたもの、「ニンジン（１）」を入れたもの、「ニンジン（２）」を入れたもの、「冷凍食品（肉団子）（１）」を入れたもの、「冷凍食品（肉団子）（２）」を入れたものを準備し、室温２６℃の環境下において、ホモジナイザーの試料収容室に装填して各試料を粉砕した。また、パドルスピード制御手段１５１からモータ１１へ出力されているパルス状電力のデューティー比を、５秒ごとに、制御出力値確認手段１６である７セグメントＬＥＤに数値として表示させた。その結果を図７に示す。

図７から、例えば、「ニンジン（１）」は、３０秒以降、数値が「７４」で安定し、「ニンジン（２）」は、２０秒以降、数値が「７４」で安定し、勾配値がゼロになっている。また、「冷凍食品（肉団子）（１）」は１５秒以降、「冷凍食品（肉団子）（２）」は２５秒以降、いずれも数値が「７４」で安定し、勾配値がゼロになっている。これは、いずれも「水のみ」の場合の安定した際の数値「７３」に近くなっており、試料が確実に粉砕されて懸濁化されたことを示すものである。従って、このように、数値が安定したならば、粉砕工程が終了したと判断してよいことがわかる。

（試験例２）
ホモジナイザーの製造工程における完成品検査において、試料を何も挟まずに完成品を１時間運転させた。その後、パルススピード制御手段１５１からモータへ出力されるパルス状電力のデューティー比が所定範囲内に入っているか否かを判定し、制御出力値確認手段１６であるＬＥＤに合格か不合格を表示させ、かつ不合格の場合はブザーを鳴らして検査担当者に知らせた。その結果、電流計の付け替えなどの工程が不要になり、完成検査の作業性を向上させることができた。

図１は、本発明の一の実施形態にかかるホモジナイザーの外観を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 図２は、上記実施形態にかかるホモジナイザーの内部構造を示す平面図である。 図３は、上記実施形態にかかるホモジナイザーの内部構造を示す側面図である。 図４は、各パドルの動作中の状態を模式的に示した図である。 図５は、上記実施形態で用いた回転軸の回転回数を検出するための機構を示す図である。 図６は、制御フローを説明するための図である。 図７は、試験例の試験結果をまとめた表である。

符号の説明

１ ホモジナイザー
２ 駆動機構配置部
２ａ ケース
２ｂ 操作パネル
３ 試料収容部
３ａ 開閉扉
４ 仕切板
１０ 駆動部
１１ モータ
１１ａ 減速機構
１２，１３ 回転軸（減速機構の出力軸）
１５ 制御部
１５１ パドルスピード制御部
１５２ 制御出力値判定手段
１６ 制御出力値確認手段
２０ パドルシャフト
２１ 基端部
２２ 先端部
２３ コネクタ
３０ パドル
４０ 遮光板
４０ａ，４０ｂ スリット
５０ フォトインターラプタ

Claims (5)

1. モータの駆動により往復運動し、試料収容部内に収容された試料を押圧するパドルと、前記パドルの往復動作速度を一定にするよう、前記モータを制御するパドルスピード制御手段とを備えたホモジナイザーにおいて、
   前記モータが直流モータであり、
   前記パドルスピード制御手段から前記直流モータへ出力される制御信号の制御出力値であるパルス状電力のデューティー比が、所定範囲の値に収まっているか否かを確認する制御出力値確認手段を備えていることを特徴とするホモジナイザー。
2. 前記制御出力値確認手段は、前記制御出力値を視覚的に認知可能に表示する表示手段、又は、音発生手段であることを特徴とする請求項１記載のホモジナイザー。
3. 前記制御出力値が所定範囲の値に収まっているか否かを判定する制御出力値判定手段をさらに備え、
   前記制御出力値判定手段により、前記制御出力値が所定範囲の値に収まっているか否かが判定され、その結果を基に、前記制御出力値確認手段が作動する構成であることを特徴とする請求項１又は２記載のホモジナイザー。
4. 前記制御出力値判定手段は、所定時間範囲における前記制御出力値の変化の勾配値が所定範囲内であるか否かを判定する手段であることを特徴とする請求項３記載のホモジナイザー。
5. モータの駆動により往復運動し、試料収容部内に収容された試料を押圧するパドルと、前記パドルの往復動作速度を一定にするよう、前記モータを制御するパドルスピード制御手段とを備えたホモジナイザーにおいて、
   前記モータが直流モータであり、
   前記パドルスピード制御手段から前記直流モータへ出力される制御信号の制御出力値であるパルス状電力のデューティー比が、所定範囲の値に収まっているか否かを判定する制御出力値判定手段を備え、前記制御出力値判定手段により、前記制御出力値が所定範囲の値に収まっているか否かが判定され、その結果を基に、モータの回転速度を変更する、或いは、モータを停止させることを特徴とするホモジナイザー。

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