JP6640536B2

JP6640536B2 - 遠心分離機

Info

Publication number: JP6640536B2
Application number: JP2015223610A
Authority: JP
Inventors: 優哉高橋; 千季三木
Original assignee: Kubota Manufacturing Corp
Current assignee: Kubota Manufacturing Corp
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2035-11-16
Also published as: EP3378566A4; EP3378566A1; CN108348930B; US20190134646A1; US10919050B2; WO2017085965A1; CN108348930A; JP2017087178A; EP3378566B1

Description

本発明は、不釣り合いな状態を検知し、回転を制御する遠心分離機に関する。

試料が配置された状態のロータにはバランスの不釣り合い（試料を含んだロータ全体の重心が回転軸上にない状態）が生じる。この不釣り合いが大きくなり過ぎるとロータや回転軸などが過大に振れ、遠心分離機の故障の原因となる。そして、このような不釣り合いによる振れを検出する技術として、特許文献１などが知られている。

特開２００２−３０６９８９号公報

しかしながら、従来技術では加速度センサで測定できるロータのバランスの不釣り合いを原因とする加速度は、Ｒを振動の振幅（元の位置からのズレ）、ωを回転の角速度、ｔを時間（秒）とすると、
Ｒω^２ｓｉｎωｔ（１）
のように時間に依存し、周波数はω／２πである。したがって、サンプリング定理よりω／π以上の周波数で加速度をサンプリングしなければ、振動の振幅Ｒを正確に求めることができない。例えば、１２０００ｒｐｍで回転する場合、４００Ｈｚ以上（２．５ｍ秒以下の間隔）でのサンプリングが必要となる。したがって、高速回転が可能な遠心分離機では、加速度センサには精度が高いことよりもサンプリング周波数が高いことが求められ、加速度センサの出力を処理する制御部には処理速度が速いことが求められる。一方、式（１）から分かるように加速度は角速度の二乗に比例するので、角速度が低いときには十分な測定精度を得にくいという課題がある。この課題があるために、測定精度が低いことを原因として、実際にはバランスの不釣り合いが許容範囲にもかかわらず停止してしまう誤動作の可能性と、回転を停止させるべき不釣り合いがあるときでも角速度が高くなるまで回転を停止させなければならないことを検知できない可能性がある。よって、回転を停止させるか否かを判定する判定基準を決める際に、測定精度も考慮して定めなければならなかった。

本発明は、低速で回転するときに求められる処理速度を有する加速度センサと制御部を用いて、高速で回転するときにもロータのバランスの不釣り合いを原因とする加速度を精度よく測定できるようにすることを目的とする。

本発明の遠心分離機は、ロータとロータを回転させる駆動源とロータと駆動源とを結合させる回転軸と加速度センサと制御部を備える。加速度センサは、回転軸の軸方向と垂直な２つの異なる方向の加速度を示す値を出力する。制御部は、２つの異なる方向の加速度を示す値から、回転軸の軸方向と垂直な方向の加速度に対応する値である加速度対応値を求め、当該加速度対応値があらかじめ定めた加速度が大きいことを示す判定基準を満たす場合には、ロータの回転を停止させる。

本発明の遠心分離機によれば、サンプリング周波数を考慮しなくても、精度よく回転軸の軸方向と垂直な方向の加速度に対応する値を求めることができるので、ロータの回転の速さに関わらず、不釣り合いを原因とする加速度を測定できる。

本発明の遠心分離機の構成例を示す図。図１のＡ−Ａ線で切ったときの駆動源１２０、回転軸１３０、加速度センサ１４０、防振部１６０を示す図。駆動源１２０、回転軸１３０、加速度センサ１４０、防振部１６０が振動する様子を示した図。１０００ｒｐｍでロータを回転させ、５ｍ秒間隔で振動によって生じる加速度を示す値を測定した例を示す図。１２０００ｒｐｍでロータを回転させ、５ｍ秒間隔で振動によって生じる加速度を示す値を測定した例を示す図。ロータのバランスを許容範囲の上限の不釣り合いにした遠心分離機で角速度（回転数）を変化させながら加速度対応値を求めてプロットしたときのイメージを示す図。図６の線を近似した２次曲線（ｂω^２＋ｃω＋ｄ）とその２次曲線にオフセット値を加算した判定基準の例を示す図。制御部１５０の処理フローを示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

図１に実施例１の遠心分離機の構成例を示す。遠心分離機１００は、筐体１９０、チャンバ１９２、開閉自在なチャンバ蓋１９１、チャンバ１９２内に収容されるロータ１１０、ロータ１１０を回転させる駆動源１２０、ロータ１１０と駆動源１２０とを結合させる回転軸１３０、加速度センサ１４０、制御部１５０、防振部１６０を備える。

図２は図１のＡ−Ａ線で切ったときの駆動源１２０、回転軸１３０、加速度センサ１４０、防振部１６０を示す図である。図３は駆動源１２０、回転軸１３０、加速度センサ１４０、防振部１６０が振動する様子を示した図である。図３の点線で示した位置が元の位置であり、（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ異なる方向にずれた様子を示している。

ロータ１１０には、試験管などを収容する穴があるタイプや、試料を入れるチューブラックを収容するバケットをロータ１１０に取り付けるタイプなどがあるが、本発明はロータ１１０のタイプによらず適用できるので、ロータ１１０のタイプは限定しない。防振部１６０は、ロータ１１０のバランスの不釣り合いによって生じる振動を減衰させる役割を果たす。例えば、図１，２に示されたように、駆動源１２０を把持している支持板１６１と、筐体１９０に一端が固定され他端が支持板１６１に固定された複数の防振バネ１６２で構成すればよい。

加速度センサ１４０は、回転軸の軸方向と垂直な２つの異なる方向の加速度を示す値を出力する。例えば、図１，２に示されたように、加速度センサ１４０を駆動源１２０の上面に取り付ければよい。実施例１では、２つの方向は互いに垂直であり、一方をＸ軸方向、他方をＹ軸方向と呼ぶことにする。そして、回転軸１３０の軸方向をＺ軸方向とする。また、Ｘ軸方向の加速度を示す値をａ_Ｘ、Ｙ軸方向の加速度を示す値をａ_Ｙとする。なお、「加速度を示す値」は、加速度と一致する値だけでなく、加速度と比例する値、およびデジタル信号のように加速度と比例する値を離散的に示した値も含んでいる。

実施例１の加速度センサ１４０からの出力であるａ_Ｘ、ａ_Ｙは互いに直交する方向の加速度を示す値なので、理論的には、
ａ_Ｙ＝Ｒω^２ｓｉｎωｔ（２）
と表現できるときには
ａ_Ｘ＝Ｒω^２ｓｉｎ（ωｔ±π／２）＝±Ｒω^２ｃｏｓωｔ（３）
と表現できる。なお、ａ_Ｘの符号は、ａ_Ｘの位相がａ_Ｙの位相よりもπ／２進んでいる場合にプラス、遅れている場合にマイナスとなる。どちらの位相が進むかは、２つの方向のどちらを正とするかと回転の方向に依存する。

図４に、１０００ｒｐｍでロータを回転させ、５ｍ秒間隔で振動によって生じる加速度を示す値を測定した例を示す。この例では、縦軸は、加速度センサの出力であるデジタル信号のビット数で示している。このビット数が上記の「加速度を示す値」に相当する。なお、負のビット数とは符号を示すビットが負を示したときのビット数である。四角と三角で示された点が測定された点であり、点線と二点鎖線は測定された点をつないだ線である。この例では、Ｘ軸方向の加速度を示す値ａ_Ｘの位相がＹ軸方向の加速度を示す値ａ_Ｙの位相よりもπ／２進んでいる。図４からは、加速度を示す値の振幅は約１６０であることが分かる。この値は、式（２）、（３）のＲω^２に対応する値である。

図５に、１２０００ｒｐｍでロータを回転させ、５ｍ秒間隔で振動によって生じる加速度を示す値を測定した例を示す。この例では、縦軸は、加速度センサの出力であるデジタル信号のビット数の絶対値としている。また、測定された点は省略し、測定された点をつないだ線のみを示している。また、図５中には、（ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２）^１／２の値も実線で示している。１２０００ｒｐｍの回転の場合、２．５ｍ秒以下の間隔で測定しなければ振動によって生じる加速度を再現できないので、点線と二点鎖線で示されたＸ軸方向の出力（Ｘ軸方向の加速度を示す値）の絶対値｜ａ_Ｘ｜とＹ軸方向の出力（Ｙ軸方向の加速度を示す値）の絶対値｜ａ_Ｙ｜は、正弦波の絶対値を示す波形にはなっていない。したがって、式（２）、（３）のＲω^２に対応する値は、加速度を示す値ａ_Ｘ、ａ_Ｙの片方だけでは求めにくい。一方、（ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２）^１／２の値は８００〜１１００程度で常に推移しており、式（２）、（３）のＲω^２に対応する値に近いと推定できる。

理論面から説明すると、式（２）、（３）から、
（ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２）^１／２
＝Ｒω^２（ｓｉｎ^２ωｔ＋（±ｃｏｓωｔ）^２）＝Ｒω^２（４）
となる。つまり、回転軸に垂直な平面上の直交する２つの方向の加速度を示す値ａ_Ｘ、ａ_Ｙと式（４）を用いれば、理論的には加速度Ｒω^２に対応する値を求められる。よって、サンプリング周波数を高くし、制御部１５０の処理速度を速くしなくても、加速度Ｒω^２に対応する値を求めることができる。なお、「加速度に対応する値」とは、時間ｔの成分が消去された値であり、加速度に比例していなくても、加速度が増加するときに単調に増加もしくは単調に減少する値であればよい。詳細については変形例２で説明する。

図６に、ロータのバランスを許容範囲の上限の不釣り合いにした遠心分離機で角速度（回転数）を変化させながら加速度対応値を求めてプロットしたときのイメージを示す。横軸が角速度（回転数）であり、縦軸は加速度に対応する値である。図７は、図６の線を近似した２次曲線（ｂω^２＋ｃω＋ｄ）とその２次曲線にオフセット値を加算した判定基準の例を示す。近似曲線を点線で、判定基準を実線で示している。判定基準を示す曲線の上側が判定基準を満たす領域である。

図８に制御部１５０の処理フローを示す。制御部１５０は、２つの異なる方向の加速度を示す値を取得する（Ｓ１０）。制御部１５０は、２つの異なる方向の加速度を示す値から、回転軸１３０の軸方向と垂直な方向の加速度に対応する値である加速度対応値を求め（Ｓ２０）、当該加速度対応値があらかじめ定めた加速度が大きいことを示す判定基準を満たすか確認する（Ｓ３０）。判定基準を満たさない場合は、ステップＳ１０に戻る。判定基準を満たす場合は、ロータ１１０の回転を停止させる（Ｓ４０）。

より具体的には、実施例１では、制御部１５０は、あらかじめ定数ｂ、ｃ、ｄ＋オフセット値を記録しておく。そして、制御部１５０は、２つの異なる方向の加速度を示す値ａ_Ｘ、ａ_Ｙを取得し（Ｓ１０）、（ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２）^１／２を加速度対応値（回転軸１３０の軸方向と垂直な方向の加速度に対応する値Ｒω^２）として求める（Ｓ２０）。加速度対応値（ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２）^１／２を判定基準ｂω^２＋ｃω＋ｄ＋オフセット値と比較し（Ｓ３０）、加速度対応値が判定基準を上回ったときに、ロータ１１０の回転を停止させる（Ｓ４０）。

実施例１の遠心分離機１００によれば、加速度センサ１４０のサンプリング周波数をサンプリング定理にしたがって定める必要はないので、低い周波数に設定できる。したがって、加速度センサ１４０を選定するときに高い周波数でのサンプリングができることよりも精度を重視した選定にできる。よって、判定基準を定める際に、測定精度が低いために生じる誤動作を考慮する必要性が低い。また、制御部１５０の処理を高速にする必要がないので安価なＣＰＵなどを使用しやすい。

［変形例１］
実施例１では２つの異なる方向を互いに垂直なＸ軸方向とＹ軸方向とした。本発明では実施例１のように２つの異なる方向を垂直にすることが望ましいと考えるが、本変形例では一般化した例を説明する。遠心分離機の構成は、図１、２と同じである。

加速度センサ１４０が出力する２つの異なる方向の加速度を示す値をそれぞれａ_１、ａ_２とし、値ａ_１はＸ軸方向の加速度を示す値ａ_Ｘよりも位相θ_１だけ遅れ、値ａ_２はＸ軸方向の加速度を示す値ａ_Ｘよりも位相θ_２だけ遅れているとする。ここで、Ｘ軸方向の加速度を示す値ａ_ＸをＲω^２ｃｏｓωｔ、Ｙ軸方向の加速度を示す値ａ_ＹをＲω^２ｓｉｎωｔとする。このとき、ａ_１、ａ_２は次式で表現できる。

ａ_１＝Ｒω^２ｃｏｓ（ωｔ−θ_１）
＝Ｒω^２（ｃｏｓωｔ・ｃｏｓθ_１＋ｓｉｎωｔ・ｓｉｎθ_１）（５）
ａ_２＝Ｒω^２ｃｏｓ（ωｔ−θ_２）
＝Ｒω^２（ｃｏｓωｔ・ｃｏｓθ_２＋ｓｉｎωｔ・ｓｉｎθ_２）（６）
式（５）、（６）からａ_Ｘ、ａ_Ｙは、次のように求めることができる。

ａ_Ｘ＝−（ａ_１ｓｉｎθ_２−ａ_２ｓｉｎθ_１）／ｓｉｎ（θ_１−θ_２）（７）
ａ_Ｙ＝（ａ_１ｃｏｓθ_２−ａ_２ｃｏｓθ_１）／ｓｉｎ（θ_１−θ_２）（８）

このように、値ａ_１、ａ_２からＸ軸方向とＹ軸方向の加速度を示す値ａ_Ｘ、ａ_Ｙを求めれば、その後の制御部１５０の処理は実施例１と同じにできる。もしくは、値ａ_Ｘ、ａ_Ｙ自体を求めなくても（ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２）^１／２を
（ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２）^１／２
＝（（ａ_１ｓｉｎθ_２−ａ_２ｓｉｎθ_１）^２
＋（ａ_１ｃｏｓθ_２−ａ_２ｃｏｓθ_１）^２）^１／２／｜ｓｉｎ（θ_１−θ_２）｜ (９)
のように求めてもよい。つまり、加速度センサ１４０は、少なくとも回転軸１３０の軸方向と垂直な２つの異なる方向の加速度を示す値を出力できればよい。ただし、「異なる方向」には、平行で向きが逆の方向は含まない。

このように、２つの異なる方向の加速度を示す値がａ_Ｘ、ａ_Ｙでない場合でも、制御部１５０は、値ａ_１と値ａ_２よりａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２に基づいた値を求めることができる。よって、変形例１の場合も実施例１と同様の効果を得ることができる。

［変形例２］
本変形例では、回転軸１３０の軸方向と垂直であり、かつ互いに直交する２つの方向の加速度を示す値ａ_Ｘ、ａ_Ｙを求めた後の加速度対応値（回転軸１３０の軸方向と垂直な方向の加速度に対応する値）と判定基準の変形例を説明する。遠心分離機の構成は、図１、２と同じである。

式（４）では、
ｓｉｎ^２ωｔ＋（±ｃｏｓωｔ）^２＝１（１０）
となる性質を用いて時間ｔを消去しているので、低いサンプリング周波数でも高速回転時にも加速度に対応する値を求めることができる。したがって、加速度対応値を（ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２）^１／２にしなくてもａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２に基づいた値にすれば、時間ｔに依存しない値にできる。「ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２に基づいた値」とは、ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２自体、ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２を１／２乗した値、ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２の定数倍などを含むが、これらには限定されない。

例えばａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２を加速度対応値とした場合は、
ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２＝Ｒ^２ω^４（１１）
なので、例えば、制御部１５０は、４次曲線（ｂω^４＋ｃω^２＋ｄまたはｂω^４＋ｃω^３＋ｄω^２＋ｅω＋ｆ）とその４次曲線にオフセット値を加算した判定基準とし、加速度対応値が判定基準を上回ったときに、ロータ１１０の回転を停止させればよい。加速度対応値をａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２自体とすれば、実施例１と比べれば１／２乗の計算を行わないので制御部１５０の処理は簡単になる。また、判定基準を曲線にしなくても、角速度の範囲を複数に分割し、角速度の範囲ごとに定めた閾値を判定基準としてもよい。

また、例えばａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２を１／４乗した値を加速度対応値とした場合は、
（ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２）^１／４＝Ｒ^１／２ω （１２）
なので、例えば、制御部１５０は、直線（ｂω＋ｄ）とその直線にオフセット値を加算した判定基準とし、加速度対応値が判定基準を上回ったときに、ロータ１１０の回転を停止させてもよい。この場合は、判断基準を簡単にできる。

このように、「加速度に対応する値」は、時間ｔの成分が消去された値であり、加速度が増加するときに単調に増加もしくは単調に減少する値であればよい。そして、加速度対応値をａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２に基づいた値とすれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。ただし、上述のようにａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２に基づいた値をどのような値にするかで、計算量を削減する効果や判断基準を簡素化できる効果などを得られる場合がある。

１００遠心分離機１１０ロータ
１２０駆動源１３０回転軸
１４０加速度センサ１５０制御部
１６０防振部１６１支持板
１６２防振バネ１９０筐体
１９１チャンバ蓋１９２チャンバ

Claims

ロータと前記ロータを回転させる駆動源と前記ロータと前記駆動源とを結合させる回転軸とを備える遠心分離機であって、
前記回転軸の軸方向と垂直な２つの異なる方向の加速度を示す値を出力する加速度センサと、
前記２つの異なる方向の加速度を示す値から、前記回転軸の軸方向と垂直な方向の加速度に対応する値である加速度対応値を求め、当該加速度対応値が、あらかじめ定めた加速度が大きいことを示す判定基準を満たす場合には、前記ロータの回転を停止させる制御部
を備える遠心分離機。
請求項１記載の遠心分離機であって、
前記２つの異なる方向の加速度を示す値をそれぞれａ_１、ａ_２とし、
前記回転軸の軸方向と垂直であり、かつ互いに直交する２つの方向の加速度を示す値をそれぞれａ_Ｘ、ａ_Ｙとし、
前記制御部は、値ａ_１と値ａ_２より、前記加速度対応値を、
ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２
に基づいた値となるように求める
ことを特徴とする遠心分離機。
請求項１記載の遠心分離機であって、
前記２つの異なる方向は、互いに垂直な方向である
ことを特徴とする遠心分離機。
請求項３記載の遠心分離機であって、
２つの異なる方向の加速度を示す値をそれぞれａ_Ｘ、ａ_Ｙとするときに、前記加速度対応値を、
ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２
に基づいた値とする
ことを特徴とする遠心分離機。
請求項２または４記載の遠心分離機であって、
前記加速度対応値を
（ａ_Ｘ ^２＋ａ_Ｙ ^２）^１／２
とする
ことを特徴とする遠心分離機。
請求項５記載の遠心分離機であって、
前記判定基準は、前記回転軸の角速度の２次関数で表現される基準を、前記加速度対応値が上回ったときに満たすと判定される
ことを特徴とする遠心分離機。