JP6532350B2 - ボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造 - Google Patents

Description

本発明は、遠心分離機、洗濯機等のローターを回転駆動するための回転駆動系であって、上記ローターと結合された回転軸を有するモーターと、ローターの質量分布の異方性に起因するローターの首振り運動（振動を含む）を抑制するためのボールバランサーと、上記モーターを筐体に結合する支持部とを備える回転駆動系の支持構造に関する。

図９は、モーターによってローターを回転させる機構を備える従来技術による遠心分離機のモーターと筐体との間の支持構造の一例を概念的に示した側面図である。
この遠心分離機においては、モーター１の回転軸１ａはローター２に結合され、ローター２には試料載置部２ａが設けられている。モーター１の底部には、フランジ３が固定或いはモーター１と一体的に形成されている。

図１０は図９のＡ−Ａ線矢示図である。上記フランジ３と筐体４とは、弾性部材５を介してネジ６によって結合されている。この際、モーター１がローター２を回転駆動するときの反作用を均等に筐体４で受け止めるため、上記ネジ６は図１０に示したようにモーター１を中心とする円周上に等間隔に、例えば４組、６組或いは８組（図示の例においては６組）が配置され、モーター１は筐体４に周方向に均等に固定支持されている。

遠心分離機、洗濯機等のローターをモーターで回転させる装置においては、ローター上の質量分布のアンバランスに起因してローターの実質的重心がモーターの回転軸の軸心に対して偏心している場合がある。このような場合、ローターはモーターの回転軸に対していわゆる首振り運動を起こし、場合によってはローターが筐体の一部に当たり破損事故が起こり得る。

この首振り運動を少なくするため、ローターの回転軸のまわりで質量分布が対称となるようにダミーの質量を配置し、ローター上の質量分布のアンバランスを補償することが行われている。しかし、それだけでは不十分であるので、他の対策としてボールバランサーを取り付けることがある。図９に記載した遠心分離機はボールバランサー７を備えた例であり、図１１は図９のＢ−Ｂ線矢示図である。

ボールバランサー７とは、環状通路７ａを備え、その中を完全に充填しないように金属球等のボール７ｂを自由走行可能に充填したものをローター２の回転軸とその環状通路７ａの中心線を一致させて配置したものである。ローター２が回転するとボールバランサー７の環状通路７ａも回転する。そして、環状通路７ａとボール７ｂとの間の摩擦によってローター２の回転に従ってボール７ｂも環状通路７ａ内において回転する。

ローター２が偏心している場合、すなわち、試料を載せたローター２の実質的重心Ｗがローター２の回転軸Ｏと一致していない場合、回転軸のまわりでローター２が首振り運動をする。この時ボールバランサー７は環状通路７ａの中心線から外れた回転軸のまわりで回転することになり、環状通路７ａの内壁とボール７ｂとの間に摩擦が働き、ボール７ｂは複雑な作用を受ける。首振り運動をしながらボールバランサー７が回転するとき、ボール７ｂはその首振り運動を小さくするような配置になることが知られている。

図１１は、ボールバランサー７が機能している時のボールバランサー７内のボール７ｂの配置の一例を模式的に示したものである。回転しているローター２と一緒に回転する座標系で見たとき、ローター２の実質的重心Ｗがボールバランサー７の環状通路７ａの中心線Ｏから偏心していると、ボール７ｂは上記中心線Ｏを挟んで上記実質的重心Ｗと反対側の位置の適所に移動し、実質的重心Ｗが環状通路７ａの中心線Ｏと一致するような配置をとる（以下、この配置を「平衡配置」と呼ぶ）。これは、ローター２とボールバランサー７を含む系の実質的偏心を無くすことを意味し、この結果、首振り運動が小さくなる効果が得られる。

図１２に示すように、ボールバランサー７の通路７ａを複数（例えば４つ）の仕切り７ｃによって複数の部分に分割することもある。その場合、ボールバランサー７のボール７ｂはそれぞれの部分の中でのみ動くことができる。これは、ローターの停止時等において、ボール７ｂが慣性力により環状通路７ａ内において回り続けることを防ぐことを目的とするものである。このように環状通路７ａが分割されていても図１１に図示したように仕切りがない環状通路７ａの場合と同様に、回転時にはローター２の回転中心Ｏに対してローターの実質的重心Ｗが偏心している方向と反対方向にボール７ｂが移動し、偏心による効果を相殺する配置（平衡配置）になることが知られている。但し、仕切りを越えてボール７ｂは動けないので、ボール７ｂは例えば図１２に示すように、それぞれの区画内において実質的重心Ｗの偏心を相殺する配置となる。

特許文献１には、上記したボールバランサーを用いた遠心分離機において、ローターの共振時にローターの振動が過度に大きくならず円滑に運転でき、高速回転時にアンバランス質量の補正量を大きくし、ローターの振動を小さくできることを目的とし、ボールバランサーの環状通路の断面形状を所定形状のものとする技術が開示されている。

特開平１１−２６２６８３号公報

ボールバランサー７の環状通路７ａ内のボール７ｂの運動は微妙なバランスに支配される。概ね、高速回転時には図１１に示すように偏心を少なくするような平衡配置になるが、低速回転時においては図１３に示すようにボール７ｂが上記中心線Ｏに対して上記実質的重心Ｗと同じ側に集まり、その状態が維持される現象も起こり得る（以下、この配置を「反平衡配置」と呼ぶ）。この反平衡配置では、ボール７ｂの配置がローター２の偏心を助長してしまい、首振り運動が激しく起こり得るため早急に解消する必要がある。また、高速回転時においても、ボール７ｂと環状通路７ａとの間の摩擦力、或いは小さな凹凸の存在によりボール７ｂが正確な平衡配置の状態とはならず、微妙にアンバランス状態が残存し、ローターが振動し続ける場合がある。すなわち、ボールバランサーが十分に機能しない場合がある。

本発明は、上述した背景技術が有する実状に鑑みて成されたものであって、遠心分離機、洗濯機等のローターを回転駆動するための回転駆動系であって、上記ローターと結合された回転軸を有するモーターと、ローターの質量分布の異方性に起因するローターの首振り運動を抑制するためのボールバランサーと、上記モーターを筐体に結合する支持部からなる回転駆動系において、上記ボールバランサーのボール配置が正確な平衡配置の状態と成り易く、その結果、ボールバランサーとしての機能を十分に発揮できる回転駆動系の支持構造を提案することを課題とする。

上記した課題を解決するため、本発明は、次の（１）〜（６）に記載したボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造とした。
（１）鉛直な回転軸の周りを回転するローターを回転させるための回転駆動系の支持構造であって、上記ローターの回転軸と結合された回転軸を有するモーターと、ローターの首振り運動を抑制するために上記ローターに設けられたボールバランサーと、筐体に上記モーターを結合する支持部を備える回転駆動系の支持構造において、上記モーターの回転軸の軸方向（ｚ軸）に垂直な一つの方向（ｘ軸）の線上で上記モーターが弾性部材を介して上記筐体に結合され、上記弾性部材の弾性変形により上記モーターがｘ軸まわりで揺動可能であることを特徴とする、ボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造。
（２）上記モーターの回転軸の軸方向（ｚ軸）に垂直な一つの方向（ｘ軸）の線上で筐体に結合されたステイを備え、上記ステイの中間部分に上記モーターが懸下又は載置されて結合されていることと、上記ステイの両端部分が上記筐体に結合されていることと、上記ステイと上記モーターの結合部分及び上記ステイと上記筐体の結合部分或いはそのいずれか一方の結合部分が弾性部材を介する結合であり、上記弾性部材の弾性変形により上記モーターがｘ軸まわりで揺動可能であることを特徴とする、上記（１）に記載のボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造。
（３）上記ステイの上記中間部分に続く部分が曲げられて上記ステイが上記モーターの側部に沿って延設され、さらに上記ステイの両端部分が上記筐体に沿うように曲げられてその部分で上記ステイが上記筐体に結合されていることを特徴とする、上記（２）に記載のボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造。
（４）上記ステイが略直線形状の板であり、上記ステイの中間部分に上記モーターが縣下又は載置されて上記ステイと上記モーターが結合され、上記ステイの両端部分で上記ステイと上記筐体が結合されていることを特徴とする、上記（２）に記載のボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造。
（５）上記弾性部材がゴムグロメットであり、上記ゴムグロメットが上記ステイに穿設された穴に嵌め込まれ、上記ゴムグロメットを貫通するネジによって上記ステイと上記モーターの結合及び上記ステイと上記筐体の結合或いはそのいずれか一方の結合が成されてことを特徴とする、上記（２）に記載のボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造。
（６）上記弾性部材が防振ゴムであり、上記ステイと上記モーターの間及び上記ステイと上記筐体の間或いはそのいずれか一方の間に上記防振ゴムが配設され、上記防振ゴムの両端に設けられたネジによって上記ステイと上記モーターの結合及び上記ステイと上記筐体の結合或いはそのいずれか一方の結合がされていることを特徴とする、上記（２）に記載のボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造。

上記した本発明に係るボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造によれば、モーターの回転運動に不規則運動を重畳することができ、ボールバランサーのボールが例え反平衡配置の状態、また環状通路との摩擦等によりボールが適切な位置まで移動しきれていない場合等にも、正確な平衡配置の状態にボールを移行させることができ、ボールバランサーとしての機能を十分に発揮させることのできる装置を提供できる。

本発明に係る回転駆動系の支持構造によって支持されている遠心分離機の一実施形態を示した分解斜視図である。 図１に示した遠心分離機の半断面正面図である。 ステイの筐体への結合部分の拡大断面図である。 図１に示した遠心分離機の側面図である。 ステイの筐体への結合部分の他の実施形態を示した拡大断面図である。 本発明に係る回転駆動系の支持構造によって支持されている遠心分離機の他の実施形態を示した図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明に係る回転駆動系の支持構造によって支持されている遠心分離機の更に他の実施形態を示した図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明に係る回転駆動系の支持構造によって支持されているモーターの更に他の種々の実施形態を示した模式図である。 従来技術による回転駆動系の支持構造によって支持されている遠心分離機の一例を示した正面図である。 図９のＡ−Ａ線矢示図である。 図９のＢ−Ｂ線矢示図である（平衡配置の状態）。 ボールバランサーの他の実施形態を示した図である。 図９のＢ−Ｂ線矢示図である（反平衡配置の状態）。

以下、本発明に係るボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、従来技術による支持構造の説明における部材に対応する部材には同じ参照番号を付し、それらについての説明は省略する場合がある。

図１は本発明に係る回転駆動系の支持構造によって支持されている遠心分離機の一実施形態を示した分解斜視図、図２はその遠心分離機の半断面正面図である。モーター１に結合されたローター２には、遠心分離される試料を入れたチューブＴを収容する試料収容部２ａが設けられている。この実施形態では、試料収容部２ａがローター２に４カ所設けられている。

試料を入れているチューブＴを試料収容部２ａに収容する際には、回転軸１ａのまわりでローター２の質量分布ができるだけ均等になるように配置することが行われている。しかし、チューブＴ内に入れられている試料の量は均一では無い場合が多く、その試料の量の差に起因してローター２の回転中心からローター２の実質的重心が偏心することがあり、それによりローター２の首振り運動が生じ得る。これを抑制するためにボールバランサー７がローター２に取り付けられている。なお、ボールバランサー７の構造は上記した従来技術の構造と同じであり、新たに追加した７ｄの符号を付した部材はボール７ｂを環状通路７ａ内に保持するカバーである。

ローター２は、モーター１の回転軸１ａを介してモーター１に結合されている。すなわち、モーター１の回転軸１ａはモーターとローターの共通の回転軸となっている。さらにモーター１は、ステイ８によって筐体４に結合されている。従来技術によるとき、図１０に示したようにモーター１は回転軸１ａのまわりで略円対称に配置されたネジ６等の取付け具によって筐体４に均等に結合されていたが、本発明に係る支持構造においては、モーター１はステイ８によって装置の筐体４（筐体に固定されている仕切板等の中間部材を含む。）に一方向の線上で結合されている。

図１、図２示す実施形態では、ステイ８は帯状部材を略コ字形に曲げた形状を呈している。そして、ステイ８はその中間部分８ａにおいてモーター１の上面に結合されている。結合方法にはネジ、溶接、接着等がある。ステイ８の両側部分８ｂはモーター１の側部に沿って延設され、さらにステイ８の両端部分８ｃが筐体４に沿うようにそれぞれ曲げられ、その両端部分８ｃで筐体４にそれぞれ結合されている。

図３はステイの筐体への結合部分の拡大断面図である。ステイ８の端部分８ｃには穴８ｄが穿設され、その穴８ｄにゴムグロメット９とカラー１０が嵌め込まれ、そのゴムグロメット９とカラー１０にネジ１１が挿通させ、筐体４に施されたタップ４ａにそのネジ１１を螺合させることによってステイ８が筐体４に結合されている。

図４は図１に示した遠心分離機の側面図である。図２の正面図及び図４の側面図に示すように、モーター１の回転軸１ａの軸方向をｚ軸、ステイ８の両端部分８ｃのネジ１１を結ぶ方向をｘ軸、上記ｚ軸と上記ｘ軸に垂直な方向をｙ軸とする。この際、装置の筐体４はｚ軸に垂直なｘｙ平面内にある。

図２、図４から分かるように、モーター１はｘ軸に平行な一直線の上でゴムグロメット９（弾性部材）を介してステイ８によって筐体４に結合されているだけであるので、モーター１はｘ軸に平行な軸のまわりで揺動できる。他方、その軸に垂直なｙ軸のまわりでは揺動できない。

上記のように支持されたモーター１によってローター２及びボールバランサー７を回転させと、モーター１の回転軸は回転運動すると共にモーター１はｘ軸に平行な軸のまわりで揺動できるので、ローター２の運動はモーター１の回転運動にｘ軸まわりの揺動運動が重なった不規則運動となる。この結果、ローター２と一緒に運動するボールバランサー７内のボール７ｂには単純な回転運動ではなく、回転運動にｘ軸まわりの揺動運動が重なった力が印加される。揺動運動の周期はゴムグロメット９の弾性定数等が影響するので、揺動運動とモーターの回転運動とは同期していない。すなわち、揺動運動は回転運動に対する不規則外力として作用する。

例えば、ボールバランサー７の内部のボール７ｂが図１３に示した反平衡配置を取っている時に上記のような不規則外力が作用すると、早急にその反平衡配置の状態は掻き乱されて平衡配置の状態に移行することが確認された。また、ボールバランサー７の内部のボール７ｂが環状通路７ａとの間の摩擦力、或いは小さな凹凸の存在等により正確な平衡配置の状態とはならず、微妙にずれた位置に停止している時に上記のような不規則外力が作用すると、正確な平衡配置となることも確認された。この効果は、ボールバランサー７の通路７ａが環状通路である場合にも仕切り７ｃによって分割されている場合にも確認された。

本発明は、モーター１をx軸まわりで揺動可能とし、不規則外力をそのｘ軸まわりの揺動運動で実現し、生成された不規則外力によって正確な平衡配置の状態で停止していないボールにエネルギーを与え、正確な平衡配置に移行させることを最大の特徴としている。

図５は本発明の他の実施形態として、ステイ８を装置の筐体４に防振ゴム１２を介して結合する構造を示した拡大断面図である。この結合構造においては、ステイ８の端部分８ｃと筐体４のそれぞれの間に上記防振ゴム１２が配設され、上記防振ゴム１２の両端に設けられたネジ１３によって上記ステイ８と上記筐体４が結合されている。また、図６及び図７は、本発明に係る回転駆動系の支持構造によって支持されている遠心分離機の他の実施形態をそれぞれ示した図である。図１の実施形態における部材と対応する部材には共通の参照番号を付して、それらの説明は省略する。これらの実施形態では、ステイ８がｘ方向に延在する略直線形状の板であり、そのステイ８の中間部分８ａにモーター１が縣下（図６参照）又は載置（図７参照）されて上記ステイ８と上記モーター１が結合されている。そして、これらの実施形態においても、ステイ８と筐体４（筐体に固定されている仕切板等の中間部材を含む。）とは防振ゴム１２等の弾性部材を介して結合されている。従って、モーター１がステイ８の下に懸架されていても、ステイ８の上に載置されていても、モーター１はｘ軸方向の軸のまわりで揺動可能であり、図１の支持構造の場合と同じく、ローター２にはモーター１の回転運動に重畳して揺動運動が印加される。この結果、ボールバランサーの中のボールが摩擦力等によって正確な平衡配置の状態になりきっていない場合に、ボールに移動のためのエネルギーを与えることができ、正確な平衡配置に移行させる効果が得られる。

上記のように、本発明の核心はモーターと回転軸を共有するローターから成り、かつ首振り運動を抑制するためにボールバランサーを有する機器において、ボールバランサーのボールが正確な平衡配置の状態に移行するために、モーターの回転運動に不規則運動を重畳することである。

以上、本発明に係るボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造の実施形態を詳しく説明してきたが、本発明は、何ら既述の実施形態に限定されるものではない。
例えば、既述の実施形態においては、ステイ８と筐体４の結合部分を弾性部材を介する結合としたが、ステイ８とモーター１の結合部分、或いはその両者の結合部分を弾性部材を介する結合としてもよい。また、図８に示したように別部品としてのステイを用いることなくモーター１を弾性部材１２を介して筐体に直接結合した構成としてもよい。即ち、モーター１の回転軸１ａの軸方向（ｚ軸）に垂直な一つの方向（ｘ軸）の線上でモーター１が直接或いは間接的に弾性部材を介して筐体に結合され、上記弾性部材の弾性変形により上記モーターがｘ軸まわりで揺動可能である支持構造であるならば、それらの支持構造は全て本発明の技術的思想の範囲内のものである。また適用対象装置は図面に例示した遠心分離機に限られず、同じ技術的思想で他の形態の装置として実施することも可能であることは言うまでもない。

本発明は、ボールバランサーのボール配置が正確な平衡配置の状態を取り易く、その結果、ボールバランサーとしての機能を十分に発揮させることができる装置を提供できるため、ボールバランサーを備える遠心分離機、洗濯機等のローターを回転駆動するための回転駆動系の支持構造として、広く利用できるものである。

１ モーター
１ａ 回転軸
２ ローター
２ａ 試料収容部
３ フランジ
４ 筐体
４ａ タップ
５ 弾性部材
６ ネジ
７ ボールバランサー
７ａ 環状通路
７ｂ ボール
７ｃ 仕切り
７ｄ カバー
８ ステイ
８ａ 中間部分
８ｂ 側部分
８ｃ 端部分
８ｄ 穴
９ ゴムグロメット
１０ カラー
１１ ネジ
１２ 防振ゴム
１３ ネジ
Ｔ チューブ

Claims (6)

1. 鉛直な回転軸の周りを回転するローターを回転させるための回転駆動系の支持構造であって、上記ローターの回転軸と結合された回転軸を有するモーターと、ローターの首振り運動を抑制するために上記ローターに設けられたボールバランサーと、筐体に上記モーターを結合する支持部を備える回転駆動系の支持構造において、上記モーターの回転軸の軸方向（ｚ軸）に垂直な一つの方向（ｘ軸）の線上で上記モーターが弾性部材を介して上記筐体に結合され、上記弾性部材の弾性変形により上記モーターがｘ軸まわりで揺動可能であることを特徴とする、ボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造。
2. 上記モーターの回転軸の軸方向（ｚ軸）に垂直な一つの方向（ｘ軸）の線上で筐体に結合されたステイを備え、上記ステイの中間部分に上記モーターが懸下又は載置されて結合されていることと、上記ステイの両端部分が上記筐体に結合されていることと、上記ステイと上記モーターの結合部分及び上記ステイと上記筐体の結合部分或いはそのいずれか一方の結合部分が弾性部材を介する結合であり、上記弾性部材の弾性変形により上記モーターがｘ軸まわりで揺動可能であることを特徴とする、請求項１に記載のボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造。
3. 上記ステイの中間部分に続く部分が曲げられて上記ステイが上記モーターの側部に沿って延設され、さらに上記ステイの両端部分が上記筐体に沿うように曲げられてその部分で上記ステイが上記筐体に結合されていることを特徴とする、請求項２に記載のボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造。
4. 上記ステイが略直線形状の板であり、上記ステイの中間部分に上記モーターが縣下又は載置されて上記ステイと上記モーターが結合され、上記ステイの両端部分で上記ステイと上記筐体が結合されていることを特徴とする、請求項２に記載のボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造。
5. 上記弾性部材がゴムグロメットであり、上記ゴムグロメットが上記ステイに穿設された穴に嵌め込まれ、上記ゴムグロメットを貫通するネジによって上記ステイと上記モーターの結合及び上記ステイと上記筐体の結合或いはそのいずれか一方の結合がされていることを特徴とする、請求項２に記載のボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造。
6. 上記弾性部材が防振ゴムであり、上記ステイと上記モーターの間及び上記ステイと上記筐体の間或いはそのいずれか一方の間に上記防振ゴムが配設され、上記防振ゴムの両端に設けられたネジによって上記ステイと上記モーターの結合及び上記ステイと上記筐体の結合或いはそのいずれか一方の結合がされていることを特徴とする、請求項２に記載のボールバランサーを備える回転駆動系の支持構造。

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