JP6447364B2

JP6447364B2 - 遠心機

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Publication number: JP6447364B2
Application number: JP2015109251A
Authority: JP
Inventors: 大河原　正; 正大河原
Original assignee: Koki Holdings Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-05-29
Also published as: JP2016221444A

Description

本発明は、遠心機の異常発生時におけるドアロック制御に関する。

遠心機は、試料をチューブやボトルに入れ、それらをロータに収容させた後、ロータをロータ室の中に収容し、モータ等の駆動装置によってロータを高速に回転させることで発生する遠心力により、ロータに保持された試料の分離、精製等を行うものである。遠心機の回転速度は用途によって異なり、低速（最高回転速度は数千回転）から高速（最高回転速度は１５０，０００ｒｐｍ）までの種々の製品群が提供されている。

一般的に１０，０００ｒｐｍ以上で回転する遠心機の駆動装置の回転軸は、回転軸の曲げ剛性を小さくし、曲げの固有振動数をロータの設定可能な回転速度よりも低速側に持たせる、いわゆる“弾性軸”を採用し、ロータ自身に残留するインバランスや試料のインバランスからなるロータ全体のインバランスによる高速回転時の軸受荷重を軽減している。また、過大なインバランスによるモータ等の駆動装置の故障を防止するために、ロータのインバランスによる回転軸の撓み、即ち回転軸の振幅を変位センサで検出し、この振幅が所定の値を超えた場合は、回転速度を制御する制御装置によって駆動装置を停止するように制御する安全機構が設けられている。

従来の遠心機は、ロータにマグネット等の識別子を設けて、磁気検出器をロータの近傍に対向して設けることにより、装着されたロータの種類を認識する。また制御装置は、ロータの回転速度を検出し、使用者が設定部より設定した回転速度と比較することで、駆動装置をコントロールする。例えばロータの回転速度が設定値より低い場合は、制御装置は駆動装置の入力電力を増したり、周波数誘導モータに供給する場合は同時に周波数を上げたりなどして駆動装置の加速トルクを増し、回転速度を上昇させる。また、ロータの回転速度と設定値との差が規定の値以下になった場合は、電圧や電流を微調整して前記した規定の差以上とならないようフィードバック制御する。

上述した従来の遠心機において、回転速度を検出する速度検出器もしくは速度検出器の信号を処理している制御装置の一部がロータ回転中に故障するなどしてロータの回転速度を検出できなくなると、制御装置は回転速度を０（ゼロ）と認識する恐れがある。使用者側からは、表示部の回転速度が０（ゼロ）と表示されるとロータが止まったものと思い、ドアを開けようとする恐れがある。しかしながら、誤判断による回転速度０が検出されても、ロータの停止が確認できるまでドアロックを解除しないようにすることが重要である。このため従来の遠心機は、ロータの回転中に回転速度が検出できない状態に陥った場合や、検出した回転速度の信頼性が疑われる事態になった場合には、表示部などに異常を示すメッセージ（アラーム）を表示するとともに、たとえ速度表示が０となっていても一定時間ロータが回り続けているものと仮定して内部タイマーを動作させ、タイマーが所定の時間Ｔに達しなければドアロックの解除ができないように構成している。ここで言う一定時間Ｔとは、ロータが風損や軸受けなどの機械損で、自然停止するまでに要する時間のことで、この時間中は速度のフィードバック制御ができないため、ブレーキ減速すらできない。

このブレーキ無し減速（ここでは“自然減速”と称する）の時間をあらかじめ求め、この時間を一定時間（所定の時間）としている。当然、この時間は使用しているロータのタイプや速度検出ができない状態に陥った時の回転速度等によっても異なるが、安全を優先させるために、最も条件の悪い、すなわち各ロータの許容最高回転速度から自然減速で停止するまでの時間が最も長いロータを選び、この時間に余裕度を加えてドアロック解除規制時間とするのが一般的であった。これらの時間は遠心機の種類によっても異なるが、通常短くて３０分、長いものでは数時間におよぶ場合がある。この間、停電が発生したり、装置の全体電源を遮断すると、時間Ｔをカウントするタイマーがクリアされてドア開禁止状態が解除される危険性があるため、例えば特許文献１では、電源が遮断してもバッテリーでタイマーのカウントをバックアップする方法を採用する。また、リアルタイムクロックを用いて、ドアロック解除時間を制御する装置もある。

特許第２７４６１９４号明細書

遠心分離運転時のロータ回転中に、ロータの回転検出が不能になると、遠心分離運転を中止して、ロータの回転が停止した後にドアが開けられるように構成することが重要である。この際、使用者により回転中のドアがあけられる心配をなくすように構成することが重要である。一方、遠心機において、使用するロータや設定回転速度、異常の種類などによりロータが自然減速で停止するまでの時間が異なるという事実を考慮して、ドアロック解除までの規制時間Ｔを変えている装置があるが、安全性を優先するためには、ある程度の余裕度を取らなければならず、多くの場合ではロータが明らかに停止しているにも関わらず規制時間Ｔが未経過のために、ドアを開けられないという事態が生じることがあった。この場合、使用者は大切なサンプルを早期に回収できないことになる。

本発明の目的は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、ロータの回転中に回転速度の正常な検出が不能になった場合に、安全性を確保しつつも、ドアロックの規制時間Ｔ１の余裕度を極力削減し、使用者が早期にサンプルを回収できるようにした遠心機を実現することにある。
本発明の他の目的は、ロータの速度検出器以外の他のセンサを用いてロータの停止状態を確認又は検出できるようにした遠心機を実現することにある。

上記した課題を解決するために、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、次のとおりである。
本発明の一つの特徴によれば、試料を収容するロータと、ロータに回転力を伝達する回転軸を有する駆動装置と、ロータを収容するロータ室と、ロータ室を閉鎖可能なドアと、ロータの回転中にドアの開動作を規制するためのドアロックと、ロータまたは駆動装置の回転速度を検出するための速度検出器と、回転軸の変位を検出するための変位検出器と、駆動装置の回転制御とドアロックの開閉制御を行う制御装置を備えた遠心機において、制御装置は、ロータの回転中に速度検出器からの速度信号に異常が発生したと判断したら駆動装置への電源供給を遮断し、異常の発生直前のロータの回転速度に応じた規制時間Ｔ１を設定し、変位検出器の出力の振幅を検出し、検出された振幅の増加率が所定値以上になったら、規制時間Ｔ１に代えて新たな規制時間Ｔ２を設定し、規制時間Ｔ２が経過した後にドアロックを解除するように構成した。ここで、“速度信号に異常が発生した”とは、速度検出器の出力が無くなり速度信号が完全に消失した場合や、速度検出器の出力はあるものの出現間隔が前後に出現する出力の間隔と異なるような、信号自体の異常が疑われる場合（例えばパルス波形のうち特定パルスの消失等）が考えられる。また、“振幅の増加率が所定値以上”とは、回転軸の共振周波数（回転速度）に相当する回転領域に接近したことを意味する。また制御装置には記憶手段が設けられ、ロータの回転速度に応じた規制時間Ｔ１の値をデータテーブルの形式で格納するか、又は規制時間Ｔ１の算出式を予め格納しておくようにした。

本発明の他の特徴によれば、制御装置は、速度検出器からの速度信号に異常が発生したと判断したら、変位検出器の出力信号を用いてロータの回転速度を検出し、規制時間Ｔ１又はＴ２が経過する前に検出された回転速度がドアの開放可能速度以下になったらドアロックを解除するようにした。この構成により、速度検出器から速度を検出できない状態に陥った場合でも、制御装置に設けた変位検出器からロータの回転速度を認識することができるため、駆動装置への電源供給遮断によるブレーキ無し減速時間において、余裕度を削減することができ、使用者はロータ停止後早期にサンプルを回収することができる。

本発明のさらに他の特徴によれば、制御装置は、変位検出器の出力変位の周期を検出して、周期の逆数を算出することによりロータの回転速度を検出する。また、ロータを装着した回転軸の共振周波数を、遠心分離運転可能範囲よりも低い回転領域に設定し、制御装置は、変位検出器の出力の振幅を検出し、検出された振幅の増加率が所定値以上になったら、規制時間Ｔ１に代えて新たな規制時間Ｔ２を設定する。このように速度検出器から速度を検出できない状態に陥った場合でも、変位検出器から振幅の増加率を検出することで、弾性軸の共振周波数（回転速度）を把握することができる。この場合、設定回転速度より共振周波数の方が十分低速であることから、自然減速時間も共振周波数から設定する方が大幅に短くて済むので、規制時間Ｔ２に必要な余裕度も短くて済み、使用者は従来の方法よりも早期にサンプルを回収することができる。

本発明によれば、速度検出器の故障等における速度信号が検出できない事態が生じても、従来の遠心機と同様に速度検出器から速度を検出できない状態に陥った時点から一定の規制時間Ｔ１が経過するまでドアロック解除を規制し、この一定時間をブレーキ無し減速で停止させることができる。本発明でさらに、ブレーキ無し減速中に、変位検出器の出力信号を用いてロータの回転速度を検出する制御、又は／及び、回転軸（弾性軸）の共振する回転速度付近を検出してそこを起点とした規制時間Ｔ２を用いる制御を併用することにより、安全性を確保しつつも早期のサンプル回収を可能とすることができる。

本発明の実施例に係る遠心機１の概略構成図である。図１の変位検出器１１の出力信号を示す波形図である。駆動装置回転軸の回転速度と変位検出器１１の出力信号の振幅値との関係を示すグラフである。本発明の実施例に係る遠心機１の異常発生時の処理手順を示すフローチャートである。ロータ毎に予め設定されるドアロック解除までの規制時間Ｔ１の一例を示す図である。本発明の第二の実施例に係る遠心機１の異常発生時の別の処理手順を示すフローチャートである。

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、本明細書においては、上下左右の方向は図中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の概略構成図である。遠心機１は、箱形の筐体２を備え、筐体２の内部の上下中央付近には仕切り板２ａによって上下２段の空間に仕切られる。仕切り板２ａの上段の空間には、上面が開口する略円筒状のボウル５が載置される。ボウル５の上側の開口面には開閉可能なドア１０が設けられ、ロータ４を閉鎖又は密閉できる。ボウル５の周囲には図示しない冷凍配管が巻回され、図示しない冷却装置が接続されることによりロータ室３内のロータ４が設定温度に保たれる。

筐体２内の仕切り板２ａによって上下に仕切られた下段側には、回転駆動源たる駆動装置６が設けられる。駆動装置６は例えば、誘導電動機、ブラシレスＤＣモータ等の公知のモータが用いられ、その回転軸６ａが鉛直方向に配置され、ボウル５の底面に形成された穴を貫通して回転軸６ａがロータ室３の内部に伸びるように配置される。回転軸６ａの上端部にはロータ４が装着され、回転軸６ａによって駆動装置６の回転力がロータ４に伝達される。ロータ４としては、アングルロータ又はスイングロータ等が任意のサイズのものを用いることができる。筐体２の上部後方側のパネル１３には、使用者からの入力を受け付けるための入力部と、使用者に対して情報を表示する表示部が設けられる。筐体２の仕切り板２ａの下側には、パネル１３に設けられる表示部への情報の表示と使用者からの操作入力の受付けの制御、駆動装置６の回転制御、図示しない冷却装置の制御等の遠心機１の全体の制御を行うための制御装置１５が設けられる。制御装置１５は、マイクロコンピュータ、揮発性および不揮発性の記憶装置等を含んで構成される電子回路である。

使用者は、パネル１３から運転条件を設定入力し、試料を収容したロータ４を駆動装置６の回転軸６ａに装着してドア１０を閉め、パネル１３にあるスタートボタンを押してロータの回転を開始させる。スタートボタンが押されると制御装置１５は、ドア１０が開けられないようドアロック１４を動作させて、ドア１０を開く操作（開動作）を規制、いわゆるロック状態にしてから駆動装置６を起動する。ドアロック１４は、ドア１０が開かないように閉位置で固定させるものであって、ロータ４が回転しているときはずっとロック状態が保たれ、正常に遠心分離運転が終了してロータ４が停止するか、又は、使用者の意思により運転が中断されてロータ４が停止するとロック状態が解除される。本実施例ではさらに、図４又は図６で後述する制御によって所定の規制時間Ｔ１又はＴ２が経過するか、又は、図４のステップ１１０の状態を満たすことによって、ドアロック１４のロック状態が解除される。

遠心機１のドアロック１４は、ドア１０を水平方向に移動させてロータ室３を開閉するタイプでは回転開始と同時にドアが水平方向に移動できないように棒状の突起を出したりする。また、装置の後や横に蝶番を設けてドア１０が蝶番を支点に回動するようにして開閉する遠心機では、ドア１０の蝶番とは反対側の辺部（ドア１０の可動側の辺部）付近に穴のあいた突起物を取り付け、ロータの回転中は突起物の穴にソレノイドなどを使って鍵状のものを差し込んでドア１０が開くのを防ぐようにする。尚、ドア１０の開閉構造やドアロック１４の種類や構造については任意であり、制御装置１５からの電気的な信号によりドア１０のロックとオンロックの開閉制御ができれば、任意のロック機構を用いても良い。

使用者がパネル１３から入力する運転条件には、遠心分離効果を決めるためのロータの回転速度、運転時間及びサンプルを最適な状態に保持するための制御温度が含まれ、その他、加減速時の舞い上がりを左右する勾配の傾きなどを設定することができる。ロータ４は、使用できる試験管の種類や大きさ、本数などに応じて、異なる大きさ、形状、材質のものが種々用意され、使用者はそれらのうち遠心機１に適合する任意のものを選択する。ロータ４のそれぞれには強度上の制約などから許容最高回転速度が決められており、また、慣性モーメントの違いから、ブレーキ無しの自然減速における停止時間も異なる。ここでは図示していないが、ロータ４に永久磁石による識別子を取り付けて、この識別子を検出する磁気センサをチャンバの底面付近に設け、ロータ４の回転開始直後にロータ４の種類を識別することが行われる。本実施例では特開２００２−１１３３９４号公報に記載されているように、ロータ４の底面部であって回転軸６ａの軸心を中心とした同一円周上に図示しない永久磁石を３個以上配置し、ロータ４に磁界の変化を検出するホールＩＣ等の磁気センサ（図示せず）を設け、２個の永久磁石の角度でロータ４の許容最高回転速度を識別し、更に他の１個以上の永久磁石の位置を併せてロータのＩＤを識別することにより、ロータ４のＩＤ（識別子）と許容最高回転速度の双方を識別する。

駆動装置６の回転軸６ａの下端には、薄い円盤の周上に均等間隔で複数のスリットが開けられたセンサスリット９が取り付けられ、このセンサスリット９を軸方向と平行方向に挟むようにしてフォトインタラプタ８が設けられる。フォトインタラプタ８は、センサスリット９の片側の面（例えば上側の面）側に発光部を有し、反対側の面（例えば下側の面）に受光部を有し、受光部と発光部の間に位置するスリットを通して断続的に入光する光の間隔を測定することにより、駆動装置６の回転軸６ａの回転速度の検出をすることができる。フォトインタラプタ８からの出力信号は、制御装置１５に入力され、駆動装置６がパルス状の入力信号の間隔を測定することにより回転軸６ａの回転速度、即ちロータ４の回転速度を検出する。なお、遠心機によってはセンサスリット９とフォトインタラプタ８を用いた回転速度を検出するための速度検出器７の代わりに別の光学式の速度検出器、磁気式の回転センサを用いた速度検出器、機械的に回転位置を検出する速度検出器等、その他の速度検出器を用いても良い。磁気式の回転センサは、回転軸６ａに又は回転軸６ａと連動して回転する部分に永久磁石を取り付けて、永久磁石の近傍の非回転部分にホールＩＣ等の磁気センサを設けることによって回転速度を検出することができる。最近では、駆動装置として誘導電動機を用い、ベクトル制御によるセンサレス制御など別の方式で回転速度を検出しているものもある。さらに、駆動装置６がブラシレスＤＣモータである場合は、ロータの位置検出を行うホール素子等の出力信号を用いるようにしても良い。

駆動装置６の回転軸６ａは、ここでは曲げ剛性を調整することによって、曲げの固有振動数が、ロータ４の設定可能な回転速度（例えば１，０００〜１００，０００ｒｐｍ）よりも低速側（例えば５００ｒｐｍ程度）になるようにした、いわゆる“弾性軸”を採用し、ロータ４自身に残留するインバランスの影響や試料のインバランスに起因するロータ４全体のインバランスによる高速回転時の軸受荷重を軽減するようにしている。尚、遠心機１としては、ロータ４の設定可能な回転速度領域よりも高速側に共振周波数を持たせる、いわゆる“剛性軸”を用いることも可能である。

上述したロータ４又は回転軸６ａの回転センサとは別に、駆動装置６の上部には回転軸６ａの変位を測定するための渦電流式非接触型の変位検出器１１が設けられる。変位検出器１１は、回転軸６ａの振れの振幅を検出し、過大なインバランスによる駆動装置６の故障を防止するものである。制御装置１５は、ロータ４が回転している際に変位検出器１１の出力信号を監視することにより、回転軸６ａの振幅を検出し、この出力が所定値を超えた場合は駆動装置６の回転を停止させることにより、一種の安全装置としている。なお、変位検出器１１は渦電流式非接触型だけでなく、レーザ式、静電容量式、超音波式などの非接触型の変位検出器で回転軸６ａの変位を検出するようにしても良い。

制御装置１５には、変位検出器１１の信号波形を周波数に変換する周波数検出器１６が設けてあり、回転軸６ａの振動周期からロータ４の回転速度が検出可能である。周波数検出器１６は、制御装置１５に含まれるマイコンのＡ／Ｄ変換器に変位検出器１１の信号波形を入力されるものであれば、ソフトウェアによる処理によって実現できる。

ロータ４が回転中にフォトインタラプタ８が故障や断線などを起こすと、駆動装置６の回転速度が即座に検出不能となる。このような回転速度検出の異常（通常回転速度が０になったり、急激に変化したりする）や突然信頼できない信号が入ってきたり、制御装置内の回転速度検出部が故障したり、またはセンサレスのベクトル制御の位置制御装置が故障するなどの異常事態が発生した場合は、制御装置１５はパネル１３に故障の発生と故障内容を意味するアラームコードを表示する。また、何らかの理由でロータ４の回転速度が検出不能となった場合は、制御装置１５は遠心分離運転の継続を中止して、ロータ４を安全に停止させるように制御する。このロータ４を停止させる際には、制御装置１５はどのような原因で回転速度が検出不能となったのかがわからないため、積極的な制動（例えば電気ブレーキ）を行うことなく、自然減速だけで回転中のロータ４を停止させるようにしている。この際、制御装置１５は、故障発生直前のロータの回転速度を記憶し、上述したロータ識別によりロータ４の種類に応じた回転中のロータ４が自然減速で停止するまでの時間を計算し、或いは予め用意された記憶装置からその値を読み出す。そして制御装置１５は、ロータ４が完全に停止するまで、または使用者がロータ４に触れても危険のない速度になるまでの時間（所定の規制時間Ｔ１）が経過するまで、ドア１０のロック状態を継続させる。

通常、アラームは異常の原因を除去すればクリアできるようプログラムされており、例えば回転速度設定において、使用するロータ４の許容回転速度以上に誤って設定して運転を開始した場合、運転開始直後のロータＩＤの認識により制御装置１５は設定誤りを検出してアラームを表示してロータ４を減速させるが、設定回転速度を正しく再設定するとアラームがクリアでき、遠心分離運転の継続が可能となる。しかしながら、ロータ回転中に発生した回転速度検出不良の場合は、回転速度が正しく検出できるようになったか、もしくは所定の規制時間Ｔ１が経過しない限り、アラームをクリアできないようプログラムして、ドア１０がロックされ続けるように構成した。このドア１０をロックし続ける制御について、図２〜図４を用いてさらに説明する。

図２は、変位検出器１１の出力信号を示す波形図である。横軸は時間の経過（単位ミリ秒）であり、縦軸は変位量（変位検出器１１と回転軸６ａとの距離（単位マイクロメーター））である。ロータ４が装着された回転軸６ａは、ブレが全くない状態（変位量が０で一定）で回転することが理想であるが、実際にはインバランス状態が完全にゼロにはならないため、回転軸６ａの回転にはほんの僅かなブレが生じて、その変位量２１はサイン波のようになる。変位量２１は、回転軸６ａの所定の回転角にて矢印２１ａ、２１ｃのように変位量２１が最大になり、その回転角とほぼ１８０度離れた回転位置にて矢印２１ｂ、２１ｄのように変位量２１が最低になる。変位量２１の振幅は、矢印２１ｃのような最大変位と矢印２１ｄのような最小変位との差となる。ここで、矢印２１ａで示す変位量２１のピークから矢印２１ｃで示す次のピークまでが回転軸６ａの１回転に相当するため、矢印２１ａと矢印２１ｃの間隔（周期）を計測すれば、回転速度は、変位検出器１１の信号の周期の逆数から算出することができる。

図３は駆動装置６の回転軸６ａの回転速度と変位検出器１１の出力信号の振幅３０との関係を示すグラフである。縦軸は振幅の大きさ（振幅値）であり、図２にて示した波形から設定回転数に応じた振幅３０の値をプロットしたものである。本実施例では回転軸６ａの共振周波数時の回転速度Ｎ_ｃ（例えば５００ｒｐｍ）が、実際に遠心分離運転を行う回転領域（例えば１，０００〜１００，０００ｒｐｍ）以下となるように設定したので、その振幅３０の大きさと回転速度との関係の一例は図３に示すようになる。ここで、遠心分離運転を行っている時、即ち設定回転速度Ｎ_１にて回転しているときに何らかの障害が発生して速度検出器７から速度を検出できない状態になったら、制御装置１５は駆動装置６の駆動を停止させると共に、矢印３０ａにて異常発生する直前のロータ４の回転速度を取得して（これを回転速度Ｖ_０とする）、回転速度Ｖ_０を基準にして、自由回転によって回転軸６ａ及びロータ４が確実に停止するための規制時間Ｔ１を設定し、規制時間Ｔ１間が経過するまでドアロック状態を維持する。つまり、使用者は規制時間Ｔ１が経過するまでドア１０を開くことができない。

回転軸６ａ及びロータ４は、矢印３０ａの時点の回転速度（設定回転速度Ｎ_１）から徐々に低下するが、図３の特性のロータ４では回転速度が低下するにつれて矢印３０ｂのように変位検出器１１の出力信号の振幅３０が低下する。そして振幅３０が小さくなった後に矢印３０ｃに示すように再び振幅３０が大きく上昇する。これは回転軸６ａの回転速度が共振周波数と一致する回転速度Ｎ_ｃに近づくからである。その後、矢印３０ｄのように振幅３０が大きく上昇し、矢印３０ｅの回転速度Ｎ_ｃの位置でピークに到達し、その後に再び矢印３０ｆのように振幅３０が大きく低下して、回転速度が０になる矢印３０ｇで振幅３０が０になる。ここで、矢印３０ａから矢印３０ｇに到達するまでの実時間は、設定した規制時間Ｔ１とは一致せず、規制時間Ｔ１よりも早い時点で矢印３０ｇに到達する。これは、あらゆる条件下においても規制時間Ｔ１が経過したらロータ４が確実に停止しているように、安全マージンを十分に確保しているからであり、規制時間Ｔ１には停止予想時間に十分な余裕度を持たせた値としているからである。

本実施例では、設定回転速度Ｎ_１から規制時間Ｔ１が経過する時間で管理するだけでなく、共振周波数が所定量だけ上昇する時点、つまり矢印３０ｃの時点から規制時間Ｔ１による管理から所定の規制時間Ｔ２による管理に切り替えるようにした。これは、ブレーキ無しの自然減速において、共振周波数付近に到達したことを検出し、共振周波数から一定時間経過するまでドアロックの解除を規制する方が、より精度良くドアロック解除可能時期を検出することができ、従来の方法よりも早期にサンプルを回収することができるからである。尚、ここでは矢印３０ｃ付近の共振周波数が所定量だけ上昇する時点を基準にＴ２を設定したが、規制時間Ｔ２の基点を３０ｃ付近にするか、増加率が十分大きい矢印３０ｄ付近にするか、ピークとなる矢印３０ｅ付近にするかは任意であり、検出のし易い位置を起点とすると良い。

次に図４のフローチャートを用いて、遠心機の異常発生時の処理手順を説明する。図４に示す一連の動作は、制御装置１５に含まれる図示しないマイクロコンピュータでコンピュータプログラムを実行することによりソフトウェアにて実現でき、そのソフトウェアはロータ４が回転しているときにバックグランドにて実行される。まず、制御装置１５は、ロータの回転中に速度検出器７からの速度信号に異常が発生したと判断したら（ステップ１０１）、異常発生直前（速度信号のロスト直前）のロータ４の回転速度Ｖ_０を取得して制御装置１５に含まれるメモリ等の図示しない記憶装置に記憶する（ステップ１０２）。速度信号に異常が発生した場合の代表的な例は、ロータ４の回転中に速度信号が完全に又はその一部が検出できない状態、即ち速度信号がロストした状態である。

次に制御装置１５は、直ちに駆動装置６への電源供給を遮断することにより駆動装置６を減速状態とする（ステップ１０３）。次に制御装置１５は、ドアロック解除までの規制時間Ｔ１を算出して（ステップ１０４）、規制時間Ｔ１をカウントする第一のタイマーによるカウントをスタートさせる。ここで、図５を用いてロータ毎に予め設定される規制時間Ｔ１を説明する。規制時間Ｔ１は、自然減速により止まるまでの時間を予め実験等によって求めておいて、それに十分な余裕度を設けた時間を加えた値とされるものである。図５では規制時間Ｔ１として、代表的な速度を複数、ここでは７０，０００ｒｐｍ、５０，０００ｒｐｍ、３０、０００ｒｐｍの３つの速度に対応する値を格納している。規制時間Ｔ１は、その時間の経過後にドア１０を開けることを許可するというものであり、ドアロックのロック状態を維持する時間でもある。しかしながら、規制時間Ｔ１は安全性の確認のための時間であるため、余裕度をかなり設けることが実情であり、実際に減速状態が生じた場合には、どう見てもこれは止まっているだろうという状態でもドアのロック状態が継続している状況が生ずる。特に、従来のように設定されたロータの種類に対して画一的な規制時間Ｔを用いる場合は、この状況が顕著におきやすい。そこで、本実施例ではロータ毎に予め複数の回転数の規制時間Ｔ１を求めておき、それらの規制時間Ｔ１を制御装置１５の記憶装置に格納しておいて、実際の異常状態発生時にはそれを記憶装置から読み出すことによって装着されたロータ４に即した最適な規制時間Ｔ１を設定するようにした。

例えば装着したロータがＢであって、異常発生直前のロータ４の回転速度Ｖ_０が５０，０００ｒｐｍの時は、規制時間Ｔ１として図５のテーブルから３５０分を設定する。回転速度Ｖ_０がこれらテーブルに格納された数値と一致しない場合、例えば６０，０００ｒｐｍの場合は、７０，０００ｒｐｍと５０，０００ｒｐｍの数値を用いて計算して３７５分としても良いし、安全マージンが多い方の数値、ここでは７０，０００ｒｐｍの規制時間Ｔ１＝４００分を用いるようにしても良い。尚、装着されたロータ４の種類に応じた規制時間Ｔ１が格納されていない場合は、最も条件が悪い（規制時間Ｔ１が長い）ロータの値を用いるようにすれば良い。また、ロータの回転速度に応じた規制時間Ｔ１を具体的に格納しておくのでは無く、速度を変数に持つ算出式を代わりに格納しておいて、異常発生時に制御装置１５が算出式を用いて演算によって規制時間Ｔ１を算出するようにしても良い。

再び図４に戻り、ステップ１０５で現在の回転速度Ｖｎがサンプリング間隔の何番目であるかをカウントためのカウンタｎを初期値に設定する。ここではｎ＝１とする。次に、制御装置１５は変位検出器１１の信号から周波数検出器１６を用いて回転軸６ａの回転速度Ｖｎ（ここではＶ_１）を検出する（ステップ１０６）。この回転速度は、図２に示すように変位検出器１１の信号の周期を検出し、その逆数から算出したものである。ステップ１０７において、制御装置１５は回転速度の差分Ｖ_０−Ｖ_１を算出し、この差分が０（ゼロ）未満である場合は、減速中であるはずにも関わらず回転速度が増加していることから、Ｖ_ｎを正確に検出できていないと判断してステップ１１４に移行し、この差分が所定値より大きい場合は、ブレーキ無し減速にもかかわらず、回転速度の減少が大きいことから、Ｖ_ｎを正確に検出できていないと判断してステップ１１４に移行する。ステップ１１４では、ドアロック解除のための規制時間Ｔ１が経過したかを比較し、経過した場合にはドアロックを解除し（ステップ１１２）、異常発生時の処理を終了する（ステップ１１３）。

ステップ１０７において、回転速度の低下度合が正常の範囲内と判断された場合は、カウンタｎを１だけインクリメントし（ステップ１０８）、制御装置１５はサンプリング周期が経過したら、変位検出器１１の出力信号からの次の回転速度Ｖ_ｎを検出し、図示しない記憶装置に記憶する（ステップ１０９）。次に制御装置１５は、記憶されている直前の回転速度Ｖ_ｎ−１と現在の回転速度Ｖ_ｎの差分を算出し、ステップ１０１と同様に回転速度の低下度合いが正常の範囲内かを判断する。回転速度の差分Ｖ_ｎ−１−Ｖ_ｎが正常の範囲外であった場合は、変位検出器１１からの回転速度を正確に検出できていないと判断し、ステップ１１４に移行する（ステップ１１０）。回転速度の差分が範囲内であった場合は、制御装置１５は変位検出器１１からの回転速度Ｖ_ｎがドア１０の開放を許可するための所定値以下か比較する（ステップ１１１）。尚、ステップ１１０、１１０の判断において、速度Ｖ_ｎ−１と速度Ｖ_ｎの値だけを比較するのでは無く、ノイズの影響等による測定誤差を考慮して、複数の取得データの平均値を用いて判断するように、例えばステップ１１０では、速度（Ｖ_ｎ−４＋Ｖ_ｎ−３）の平均値と、速度（Ｖ_ｎ−１＋Ｖ_ｎ）の平均値を比較するように構成しても良い。

回転速度Ｖ_ｎが所定値より大きい場合はステップ１０８に戻り、回転速度Ｖ_ｎが所定値以下になるまでステップ１０８〜１１１を繰り返す。回転速度Ｖ_ｎが所定値以下になったら、制御装置１５はドアロック１４（図１参照）を解除し（ステップ１１２）、異常発生時の処理を終了する（ステップ１１３）。ここでステップ１１１における所定値とは、回転中のロータに触れても、危険が及ばない速度（ドアの開放可能速度）のことで、例えばロータの周速が２ｍ／ｓ未満とすることができる。以上のことから、速度検出器７から速度を検出できない状態に陥った場合でも、制御装置１５に設けた周波数検出器１６から回転軸６ａの回転速度を検出し、回転速度がドア１０の開放可能速度以下になったらドアロックを解除することができる。よって、駆動装置６への電源供給遮断によるブレーキ無し減速時間において、余裕度を削減して、使用者はロータ４の停止後、できるだけ早い時期にサンプルを回収することができる。また、変位検出器１１からの出力が小さいなどの理由で周波数検出器１６から回転軸６ａの周波数が検出できない場合でも、従来の遠心機と同様に速度検出器７から速度を検出できない状態に陥った時点から一定の規制時間Ｔ１が経過するまでドアロックの解除規制を行い、この規制時間Ｔ１をブレーキ無し減速で停止するまでの時間に余裕度を加えた時間とすることで十分な安全性を確保することができる。

以上、本実施例によれば遠心機１のロータ回転中に、駆動装置６の回転速度の検出が不能になった場合に、ロータ４が自然減速で確実に停止したことを従来よりも精度良く、従来よりも短い時間で確認することができる。

次に図６のフローチャートを用いて、本発明の第二の実施例の制御手順を説明する。図６のフローチャートにおいては、図４のフローチャートのステップ１０７〜１１１を、点線１２０で囲むステップ１２１〜１２６に置き換えたものである。また、ステップ１０６、１１４を、それぞれ１０６’、１１４’のように一部変更している。それ以外の同じ手順については同じステップ番号を付している。図６において、回転速度が検出できない異常が発生すると（ステップ１０１）、図４のフローチャートと同様にステップ１０２から１０４の処理を実行する。次に制御装置１５は、マイコンに含まれるＴ１用の第一のタイマーをスタートさせることにより規制時間Ｔ１のカウントを開始する（ステップ１０５）。次に、制御装置１５は変位検出器１１から回転速度Ｖ_ｎと振幅Ｘ_ｎを検出する（ステップ１０６’）。

次に制御装置１５は、カウンタｎを１だけインクリメントし（ステップ１２１）、変位検出器１１から出力を受け入れる時間、いわゆるサンプリング周期が経過したら、変位検出器１１の出力信号からの次の回転速度Ｖ_ｎと振幅値Ｘ_ｎを検出し、図示しない記憶装置に記憶する（ステップ１２２）。次に制御装置１５は、現在の回転軸６ａの振幅値Ｘ_ｎと制御装置１５に記憶した１つ前の振幅値Ｘ_ｎ−１の比率Ｘ_ｎ／Ｘ_ｎ−１を算出し、振幅値の比率Ｘ_ｎ／Ｘ_ｎ−１が所定値以下の場合は、ステップ１１４’へ移行する（ステップ１２３）。ステップ１１４’では制御装置１５はタイマーのカウント値が規制時間Ｔ１を経過したか否かを比較し、経過していない場合は、ステップ１２１へ戻る。タイマーが規制時間Ｔ１を経過した場合は、制御装置１５はドアロックを解除し（ステップ１１２）、異常発生処理を終了する（ステップ１１３）。

ステップ１２３において、振幅値の比率Ｘ_ｎ／Ｘ_ｎー１が所定値を超えた場合は、ドアロックを解除するまでの規制時間Ｔ２を算出し（ステップ１２４）、規制時間Ｔ２をカウントするための第二のタイマーによるカウントをスタートさせる（ステップ１２５）。規制時間Ｔ２は、図６に示すテーブルに規制時間Ｔ１の値と共に共振点（又は共振点近傍の所定値）に到達した時点からの停止時間と余裕時間を加えた値、規制時間Ｔ２を併せて格納しておくと良い。次に、制御装置１５は、第二のタイマーのカウントが規制時間Ｔ２を経過したかを判断し、規制時間Ｔ２を経過していない場合は経過するまで待機し、規制時間Ｔ２を経過した場合は（ステップ１２６）、ドアロックを解除し（ステップ１１２）、異常発生処理を終了する（ステップ１１３）。尚、ステップ１２３の比較処理においても、振幅値Ｘ_ｎとＸ_ｎー１だけの値だけで算出するのでは無く、連続する複数の振幅値を用いて比較するようにしても良い。

以上、第二の実施例による制御によって、ロータの回転中に速度検出器７からの速度信号に異常が発生した状態に陥った場合でも、変位検出器１１から振幅の増加率を算出することで、回転軸６ａの共振周波数（回転速度）又は共振周波数近傍の基準点を把握することができ、この新たな基準点から規制時間Ｔ２をカウントすることで精度良くロータの停止状態を予想できる。特に回転軸６ａをいわゆる弾性軸とした場合は、図３に示すように設定回転速度より共振周波数の方が低速であることから、ロータ停止までの解除規制時間は共振周波数からの方が短くなり、その分余裕度も短くてすむ。このため、ブレーキ無し減速において、共振周波数を検出し、共振周波数から一定の規制時間Ｔ２が経過するまでドアロックの解除を規制する方が、従来の規制時間Ｔ１だけを用いたロック解除よりも早期にサンプルを回収することができる。また、ロータ４のインバランスが小さいなどの理由で、共振周波数が検出できない場合でも、速度検出器７から速度を検出できない状態に陥った時点から規制時間Ｔ１が経過するまでドアロック解除を規制し続けるので安全性を十分確保することができる。

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、上述の速度検出器は、駆動装置６の回転軸６ａの下端部に設けられたフォトインタラプタを用いた回転速度検出器だけに限られずに、電気的、磁気的、光学的、又は機械的に回転位置を検出するその他の形式の速度検出器をその他の箇所に用いても良い。

１遠心機２筐体
２ａ仕切り板３ロータ室
４ロータ５ボウル
６駆動装置６ａ回転軸
７速度検出器８フォトインタラプタ
９センサスリット１０ドア
１１変位検出器１３パネル
１４ドアロック１５制御装置
１６周波数検出器２１変位量
３０振幅
Ｔ１（速度Ｖ_０時点からドアのロック解除を禁止する）規制時間
Ｔ２（共振周波数Ｎ_Ｃ近傍からドアのロック解除を禁止する）規制時間
Ｖ_ｎ回転速度
Ｘ_ｎ振幅値
Ｎ_Ｃ共振周波数と一致する回転速度

Claims

試料を収容するロータと、前記ロータに回転力を伝達する回転軸を有する駆動装置と、前記ロータを収容するロータ室と、前記ロータ室を閉鎖可能なドアと、前記ロータの回転中に前記ドアの開動作を規制するためのドアロックと、前記ロータまたは前記駆動装置の回転速度を検出するための速度検出器と、前記回転軸の変位を検出するための変位検出器と、前記駆動装置の回転制御と前記ドアロックの開閉制御を行う制御装置を備えた遠心機において、
前記制御装置は、
前記ロータの回転中に前記速度検出器からの速度信号に異常が発生したと判断したら前記駆動装置への電源供給を遮断し、
前記異常の発生直前の前記ロータの回転速度に応じた規制時間Ｔ１を設定し、
前記変位検出器の出力の振幅を検出し、検出された前記振幅の増加率が所定値以上になったら、前記規制時間Ｔ１に代えて新たな規制時間Ｔ２を設定し、
前記規制時間Ｔ２が経過した後に前記ドアロックを解除することを特徴とする遠心機。
前記制御装置に記憶手段を設け、前記ロータの回転速度に応じた前記規制時間Ｔ１の値を又は前記規制時間Ｔ１の算出式を予め格納しておくことを特徴とする請求項１に記載の遠心機。
試料を収容するロータと、前記ロータに回転力を伝達する回転軸を有する駆動装置と、前記ロータを収容するロータ室と、前記ロータ室を閉鎖可能なドアと、前記ロータの回転中に前記ドアの開動作を規制するためのドアロックと、前記ロータまたは前記駆動装置の回転速度を検出するための速度検出器と、前記回転軸の変位を検出するための変位検出器と、前記駆動装置の回転制御と前記ドアロックの開閉制御を行う制御装置を備えた遠心機において、
前記制御装置は、
前記ロータの回転中に前記速度検出器からの速度信号に異常が発生したと判断したら前記駆動装置への電源供給を遮断すると共に前記変位検出器の出力信号を用いて前記ロータの回転速度を検出し、
前記異常の発生直前の前記ロータの回転速度に応じた規制時間Ｔ１を設定し、
前記変位検出器の出力の振幅を検出し、検出された前記振幅の増加率が所定値以上になったら、前記規制時間Ｔ１に代えて新たな規制時間Ｔ２を設定し、
前記規制時間Ｔ１又はＴ２が経過するか、又は、検出された前記回転速度が前記ドアの開放可能速度以下になったら前記ドアロックを解除することを特徴とする遠心機。
前記制御装置は、前記変位検出器の出力変位の周期を検出して、前記周期の逆数を算出することにより前記ロータの前記回転速度を検出することを特徴とする請求項３に記載の遠心機。
前記振幅の増加率とは、前記変位検出器から出力される信号の大きさの変化率であることを特徴とする請求項１又は４に記載の遠心機。
試料を収容するロータと、前記ロータに回転力を伝達する回転軸を有する駆動装置と、前記ロータを収容するロータ室と、前記ロータ室を閉鎖可能なドアと、前記ロータの回転中に前記ドアの開動作を規制するためのドアロックと、前記ロータまたは前記駆動装置の速度を検出するための速度検出器と、前記回転軸の変位を検出するための変位検出器と、前記速度検出器および前記変位検出器の出力信号により前記ロータの回転速度および前記回転軸の振幅を検出し前記駆動装置および前記ドアロックを制御する制御装置を備えた遠心機において、
前記制御装置に前記変位検出器の出力の周期を検出する周波数検出器を設け、前記周波数検出器を用いて前記ロータの回転速度を検出し、
前記制御装置は、
前記速度検出器から前記ロータまたは前記駆動装置の速度を検出できない状態に陥った場合には、前記駆動装置への電源供給を遮断し、
前記周波数検出器により検出された前記ロータの回転速度が所定値以下になるまで前記ドアロックのロック状態を維持し、前記ロータの回転速度が所定値以下になったら前記ドアロックを解除することを特徴とする遠心機。
前記制御装置は、
前記周波数検出器から周波数の検出できない場合に、前記速度検出器が速度を検出できない状態に陥った時点から所定の規制時間Ｔ１が経過するまで前記ドアロックのロック状態を維持することを特徴とする請求項６に記載の遠心機。
試料を収容するロータと、前記ロータに回転力を伝達する弾性軸を有する駆動装置と、前記ロータを収容するロータ室と、前記ロータ室を閉鎖可能なドアと、前記ロータの回転中に前記ドアの開動作を規制するドアロックと、前記ロータまたは前記駆動装置の速度を検出するための速度検出器と、前記弾性軸の変位を検出するための変位検出器と、前記速度検出器および前記変位検出器の出力により前記ロータの回転速度および前記弾性軸の振幅を検出し前記駆動装置および前記ドアロックを制御する制御装置を備えた遠心機において、
前記制御装置は、
前記速度検出器から前記ロータまたは前記駆動装置の速度を検出できない状態に陥った場合に前記駆動装置への電源供給を遮断し、
前記変位検出器から入力される振幅の増加率が所定値以上になった時点から所定の規制時間Ｔ２が経過するまで前記ドアロックのロック状態を維持することを特徴とする遠心機。
前記制御装置は、前記変位検出器から入力される振幅の増加率が所定値以上にならない場合は、前記速度検出器が速度を検出できない状態に陥った時点から所定の規制時間Ｔ１が経過するまで前記ドアロックのロック状態を維持することを特徴とする請求項８に記載の遠心機。