JP6743683B2 - ベルト交換時期決定システム - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御機構等に用いられるベルト交換時期決定システムに関する。

溶液中に分散されている１ｎｍ〜５０μｍ程度の広い範囲の粒径の微粒子を分離して検出したり分取したりするための手法として、遠心分離方式のフィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦ）が知られている（例えば特許文献１参照）。
また、図６は、従来のモータ制御機構の要部を示す構成図である（例えば特許文献２参照）。モータ制御機構２０１は、モータ１０と、ロータ２０と、モータ１０とロータ２０とに掛け渡されたベルト３０と、制御部２４０と、ロータ２０の回転数ｒｐｍを検出するエンコーダ（回転検出センサ）５１と、アンプ５２とを備える。

制御部２４０は、ＣＰＵ２４１と記憶部２４２とを備え、さらに表示部４３と入力部４４とが連結されている。また、ＣＰＵ２４１が処理する機能をブロック化して説明すると、モータ電圧制御部４１ａと、回転数取得部４１ｂとを有している。

モータ１０は、モータ電圧制御部４１ａからアンプ５２を介して必要な電圧値ｖが入力されることで回転し、この回転がベルト３０を介してロータ２０を所定の回転数で回転させる。ただし、電圧値ｖはモータの出力トルクに応じて徐々に上げていく必要がある。そして、エンコーダ５１は、ロータ２０の回転数を検出して回転数取得部４１ｂに出力する。

このようなモータ制御機構２０１は、工場での調整時に製造業者によって作成された回転制御パラメータが記憶部２４２に記憶されている。この回転制御パラメータは、ロータ２０のある回転数におけるモータ１０に出力する電圧値を記録したものであり、例えばロータ２０の回転数５００ｒｐｍ毎に電圧値を記録したものである。

そして、ユーザがモータ制御機構２０１を使用する際には、まず始めに入力部４４を用いて「設定回転数（例えば５０００ｒｐｍ）」を入力し、次に、モータ電圧制御部４１ａは、この「設定回転数」に到達するための電圧値Ｖ_０を回転制御パラメータから読み出す。ここで、「設定回転数」が回転制御パラメータに記録されたロータ２０の回転数の中間点などの場合、線形補間などの補間法を用いることで電圧値Ｖ_０を求める。そして、モータ電圧制御部４１ａは、モータ１０に対しアンプ５２を介して電圧値Ｖ_０まで電圧値ｖ_ｎを徐々に上げ出力する。また、モータ制御機構２０１をフィードバック制御系として用いた場合には、「設定回転数」に到達するよう電圧値Ｖ_０を補正する使い方がある。

ところで、ユーザがモータ制御機構２０１を使用するにつれて、徐々にベルト３０に伸びが発生してテンションがゆるんでくる。このベルト３０のテンションが製品出荷時の状態と異なると、モータ制御機構２０１が回転制御パラメータを用いて「設定回転数」に制御しようとしても、すべりなどが発生し電圧値Ｖ_０では「設定回転数」に到達しなくなる。また、フィードバック制御系として制御した場合には特性が変わるため、一定の速度に収束しなくなるなどの問題が生じる。そのため、ユーザは決められた期間毎にベルト３０を交換して調整することで、常にベルト３０のテンションを適切な状態に保っている。

米国特許第４４４８６７９号公報 特開平６−１５３５８４号公報

しかしながら、回転時におけるベルト３０は、遠心力により伸縮するため、ベルト３０のゆるみ状態が影響する割合はロータ２０の回転数によって異なる。例えば、「設定回転数」が１１０００ｒｐｍのときは、回転数が１１０００ｒｐｍに到達しない、又は一定の速度に収束しないが、「設定回転数」が６０００ｒｐｍの回転数では問題ない場合がある。
つまり、ユーザの使用する回転領域（設定回転数）によってベルト３０の伸び率やゆるみの影響度は異なるのであって、一律に決められた期間でのベルト交換は、低速度で使用するユーザにとっては適切な交換時期となっていなかった。

本件発明者は、上記課題を解決するために、使用形態に応じて適切な時期にベルトを交換することができる方法について検討を行った。そこで、ユーザの使用する回転領域を包含する範囲で、下記式（１）や下記式（２）により得られる乖離値を算出した。ここで、式（１）と式（２）はモータに与える電圧と回転数にリニアリティがある場合は等価である。図５は、１１０００ｒｐｍに到達するまで等加速で回転速度を上げた際の、式（１）によって求めた乖離値と回転数との関係を示すグラフである。なお、点線は製品出荷時、実線は使用後の値を示している。
乖離値（％）＝（（基準回転数ｒｐｍ_０ｎ−実回転数ｒｐｍ_ｎ）／基準回転数ｒｐｍ_０ｎ）×１００ ・・・（１）
乖離値（％）＝（（基準電圧値ｖ_０ｎ−実電圧値ｖ_ｎ）／基準電圧値ｖ_０ｎ）×１００ ・・・（２）
ここで、式（１）のｒｐｍ_ｎは電圧値ｖ_ｎが与えられたときのロータ２０の実回転数であり、ｒｐｍ_０ｎは回転制御パラメータから読み出した、同じ電圧値ｖ_ｎが与えられたときのロータ２０の基準回転数（製品出荷時の回転数）を表す。同様に、式（２）のｖ_ｎはロータ２０の回転数がｒｐｍ_ｎ時の実電圧値であり、ｖ_０ｎは回転制御パラメータから読み出した基準電圧値である。

図５に示す通り、製品出荷時の乖離値は１０００ｒｐｍ以上の全ての回転数領域で±０．３％以内となっている。なお、１０００ｒｐｍまでは停止状態から回転させたときのモータの応答特性により乖離値が大きくなっている。一方、使用後の乖離値は、６０００ｒｐｍまでは±０．３％以内であるが、６０００ｒｐｍ以降では最大３．３５％まで上昇している。なお、１１０００ｒｐｍ到達時に電圧を一定にしたため、１１０００ｒｐｍ時の乖離値は０．６％程度に下がっている。よって、６０００ｒｐｍまでの回転数領域では製品出荷時と同程度の性能が維持されていることが分かる。
これらのことから、ユーザの使用する回転領域に応じて、式（１）や式（２）により得られる乖離値を用いて交換時期を判断することを見出した。

すなわち、本発明の請求項１に係るベルト交換時期決定システムは、モータと、ロータと、前記モータと前記ロータとに掛け渡されたベルトと、前記ロータの回転数を検出する回転検出センサと、前記モータに電圧を出力するモータ電圧制御部と、前記モータに出力する電圧値と前記ロータの回転数との関係を示す回転制御パラメータを記憶する記憶部とを備え、フィールドフローフラクショネーション装置に搭載されるモータ制御機構に用いられるベルト交換時期決定システムであって、電圧値が前記モータに出力された際に、前記回転検出センサで検出された前記ロータの実回転数を取得する実回転数取得ステップと、前記回転制御パラメータから読み出される、電圧値が前記モータに出力された際の基準回転数及び前記実回転数取得ステップで取得された実回転数に基づいて、ベルト交換時期を判定する判定ステップとを実行するようにしている。

ここで、「回転検出センサ」としては、例えば、磁気式や光学式のもの等が挙げられる。

以上のように、本発明のベルト交換時期決定システムによれば、ユーザの使用する「設定回転数」に必要な電圧値ｖ_ｎにおける実回転数ｒｐｍ_ｎと基準回転数ｒｐｍ_０ｎとを比較してベルトのゆるみを判定するため、ユーザの使用形態にかかわらず適切な交換時期を察知することができる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記発明において、前記判定ステップでは、下記式（１）に基づいて、乖離値を算出してベルト交換時期を判定するようにしてもよい。

また、本発明の請求項３に係るベルト交換時期決定システムは、モータと、ロータと、前記モータと前記ロータとに掛け渡されたベルトと、前記ロータの回転数を検出する回転検出センサと、前記モータに電圧を出力するモータ電圧制御部と、前記モータに出力する電圧値と前記ロータの回転数との関係を示す回転制御パラメータを記憶する記憶部とを備え、フィールドフローフラクショネーション装置に搭載されるモータ制御機構に用いられるベルト交換時期決定システムであって、回転数が前記回転検出センサで検出された際に、前記モータに出力された実電圧値を取得する実電圧値取得ステップと、前記回転制御パラメータから読み出される、回転数に必要な前記モータに出力する基準電圧値及び前記実電圧値取得ステップで取得された実電圧値に基づいて、ベルト交換時期を判定する判定ステップとを実行するようにしている。

以上のように、本発明のベルト交換時期決定システムによれば、実回転数ｒｐｍ_ｎにおける実電圧値ｖ_ｎと基準電圧値ｖ_０ｎとを比較してベルトのゆるみを判定するため、ユーザの使用形態にかかわらず適切な交換時期を察知することができる。

そして、上記発明において、前記判定ステップでは、下記式（２）に基づいて、乖離値を算出してベルト交換時期を判定するようにしてもよい。

さらに、上記発明において、前記記憶部には、閾値が記憶されており、前記乖離値が前記閾値以上になったときには、前記ベルト交換時期として通知するようにしてもよい。

本発明の第一実施形態に係るモータ制御機構の要部を示す構成図。 モータ制御機構全体を示す斜視図。 図１のモータ制御機構の使用方法を説明するフローチャート。 本発明の第二実施形態に係るモータ制御機構の要部を示す構成図。 乖離値と回転数との関係を示すグラフ。 従来のモータ制御機構の要部を示す構成図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。

＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態に係るモータ制御機構の要部を示す構成図であり、図２は、モータ制御機構全体を示す斜視図である。なお、上述したモータ制御機構２０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
モータ制御機構１は、遠心分離方式のフィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦ）に搭載されたものであり、モータ１０と、ロータ２０と、モータ１０とロータ２０とに掛け渡されたベルト３０と、制御部４０と、ロータ２０の回転数ｒｐｍを検出するエンコーダ（回転検出センサ）５１と、アンプ５２とを備える。
上記ベルトの材質としては、例えばウレタンやシリコン、ナイロンなどの樹脂やゴム、ＳＵＳなどの金属等が挙げられる。

制御部４０は、ＣＰＵ４１と記憶部４２とを備え、さらに表示部４３と入力部４４とが連結されている。また、ＣＰＵ４１が処理する機能をブロック化して説明すると、モータ電圧制御部４１ａと、回転数取得部４１ｂと、基準回転数算出部４１ｃと、判定部４１ｄとを有している。なお、記憶部４２には、回転制御パラメータと、式（１）と閾値（例えば２％）とが予め記憶されている。

モータ電圧制御部４１ａは、ユーザが入力部４４を用いて入力した「設定回転数」に到達するための電圧値Ｖ_０を回転制御パラメータから読み出す。ここで、「設定回転数」が回転制御パラメータに記録されたロータ２０の回転数の中間点などの場合、線形補間などの補間法を用いることで電圧値Ｖ_０を求める。そして、モータ電圧制御部４１ａは、モータ１０に対しアンプ５２を介して電圧値Ｖ_０まで電圧値ｖ_ｎを徐々に上げ出力する。また、モータ制御機構２０１をフィードバック制御系として用いた場合には、「設定回転数」に到達するよう電圧値Ｖ_０を補正する使い方がある。なお、電圧値Ｖ_０はＰＷＭ出力のＤＵＴＹ比としてもよい。

回転数取得部４１ｂは、エンコーダ５１で検出されたロータ２０の実回転数ｒｐｍ_ｎを取得する処理を行う（実回転数取得ステップ）。

基準回転数算出部４１ｃは、回転制御パラメータを用いて、電圧値ｖ_ｎがモータ１０に出力された際の基準回転数ｒｐｍ_０ｎを算出する処理を行う。

判定部４１ｄは、回転数取得部４１ｂで取得された実回転数ｒｐｍ_ｎと、基準回転数算出部４１ｃで算出された基準回転数ｒｐｍ_０ｎとを式（１）に代入することにより、乖離値を算出して閾値と比較することで、ベルト交換時期を表示部４３に表示する処理を行う（判定ステップ）。

ここで、ユーザがモータ制御機構１を使用する使用方法について説明する。図３は、モータ制御機構１の使用方法の一例について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１の処理において、ユーザは入力部４４を用いて「設定回転数（例えば５０００ｒｐｍ）」を入力する。これにより、モータ電圧制御部４１ａは、電圧値Ｖ_０を算出する。

次に、ステップＳ１０２の処理において、所定回数パラメータｎ＝０とする。
次に、ステップＳ１０３の処理において、回転数取得部４１ｂは、電圧値ｖ_ｎがモータ１０に出力された際に、エンコーダ５１で検出されたロータ２０の実回転数ｒｐｍ_ｎを取得する（実回転数取得ステップ）。

次に、ステップＳ１０４の処理において、基準回転数算出部４１ｃは、回転制御パラメータを用いて、電圧値ｖ_ｎがモータ１０に出力された際の基準回転数ｒｐｍ_０ｎを算出する。
次に、ステップＳ１０５の処理において、モータ電圧制御部４１ａは、電圧値ｖ_ｎ＋１をモータ１０に出力する。

次に、ステップＳ１０６の処理において、判定部４１ｄは、ステップＳ１０３の処理で取得された実回転数ｒｐｍ_ｎと、ステップＳ１０４の処理で算出された基準回転数ｒｐｍ_０ｎとを式（１）に代入することにより、乖離値を算出する。
次に、ステップＳ１０７の処理において、判定部４１ｄは、乖離値が閾値以上であるか否かを判定する。閾値以上であると判定したときには、ステップＳ１０８の処理において、ベルト交換時期を表示部４３に表示する。

一方、閾値未満であると判定したとき、及び、ステップＳ１０８の処理が終了したときには、ステップＳ１０９の処理において、一定時間待機する。
次に、ステップＳ１１０の処理において、ｎ＝ｎ＋１として、ステップＳ１０３の処理に戻る。

以上のように、本発明のモータ制御機構１によれば、ユーザの使用する「設定回転数」に必要な電圧値ｖ_ｎにおける実回転数ｒｐｍ_ｎと基準回転数ｒｐｍ_０ｎとを比較し、ベルト３０のゆるみを判定するため、ユーザの使用形態にかかわらず適切な交換時期を察知することができる。

＜第二実施形態＞
図４は、本発明の第二実施形態に係るモータ制御機構の要部を示す構成図である。なお、上述したモータ制御機構１、２０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
モータ制御機構１０１は、遠心分離方式のフィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦ）に搭載されたものであり、モータ１０と、ロータ２０と、モータ１０とロータ２０とに掛け渡されたベルト３０と、制御部１４０と、ロータ２０の回転数ｒｐｍを検出するエンコーダ（回転検出センサ）５１と、アンプ５２とを備える。

制御部１４０は、ＣＰＵ１４１と記憶部１４２とを備え、さらに表示部４３と入力部４４とが連結されている。また、ＣＰＵ１４１が処理する機能をブロック化して説明すると、モータ電圧制御部４１ａと、回転数取得部４１ｂと、基準電圧値算出部１４１ｃと、判定部１４１ｄとを有している。なお、記憶部１４２には、回転制御パラメータと、式（２）と閾値（例えば２％）とが予め記憶されている。

回転数取得部４１ｂは、エンコーダ５１で検出されたロータ２０の実回転数ｒｐｍ_ｎを取得する処理を行う。また、そのときモータ１０に出力している実電圧値ｖ_ｎを得る（実電圧値取得ステップ）。

基準電圧値算出部１４１ｃは、回転制御パラメータを用いて、実回転数ｒｐｍ_ｎに必要なモータ１０に出力する基準電圧値ｖ_０ｎを算出する処理を行う。

判定部１４１ｄは、回転数取得部４１ｂで取得された実電圧値ｖ_ｎと、基準電圧値算出部１４１ｃで算出された基準電圧値ｖ_０ｎとを式（２）に代入することにより、乖離値を算出して閾値と比較することで、ベルト交換時期を表示部４３に表示する処理を行う（判定ステップ）。

以上のように、本発明のモータ制御機構１０１によれば、回転数ｒｐｍ_ｎにおける実電圧値ｖ_ｎと基準電圧値ｖ_０ｎとを比較してベルト３０のゆるみを判定するため、ユーザの使用形態にかかわらず適切な交換時期を察知することができる。

＜他の実施形態＞
（１）上述したモータ制御機構１では、閾値（例えば２％）を設ける構成を示したが、電圧値Ｖ_０に到達するまで電圧値ｖ_ｎを上げる加速度を変えると乖離値が変わるため、加速度と判定したい回転数領域とを考慮して閾値を決定することとしてもよい。

（２）上述したモータ制御機構１では、制御部４０を備える構成を示したが、これに代えてフィールドフローフラクショネーション装置の制御部や記憶部を利用する構成としてもよい。

本発明は、モータ制御機構等に好適に利用できる。

１ モータ制御機構
１０ モータ
２０ ロータ
３０ ベルト
４１ａ モータ電圧制御部
４２ 記憶部
５１ エンコーダ（回転検出センサ）

Claims (5)

1. モータと、
   ロータと、
   前記モータと前記ロータとに掛け渡されたベルトと、
   前記ロータの回転数を検出する回転検出センサと、
   前記モータに電圧を出力するモータ電圧制御部と、
   前記モータに出力する電圧値と前記ロータの回転数との関係を示す回転制御パラメータを記憶する記憶部とを備え、
   フィールドフローフラクショネーション装置に搭載されるモータ制御機構に用いられるベルト交換時期決定システムであって、
   電圧値が前記モータに出力された際に、前記回転検出センサで検出された前記ロータの実回転数を取得する実回転数取得ステップと、
   前記回転制御パラメータから読み出される、電圧値が前記モータに出力された際の基準回転数及び前記実回転数取得ステップで取得された実回転数に基づいて、ベルト交換時期を判定する判定ステップとを実行することを特徴とするベルト交換時期決定システム。
2. 前記判定ステップでは、下記式（１）に基づいて、乖離値を算出してベルト交換時期を判定することを特徴とする請求項１に記載のベルト交換時期決定システム。
   乖離値（％）＝（（基準回転数ｒｐｍ_０ｎ−実回転数ｒｐｍ_ｎ）／基準回転数ｒｐｍ_０ｎ）×１００ ・・・ （１）
3. モータと、
   ロータと、
   前記モータと前記ロータとに掛け渡されたベルトと、
   前記ロータの回転数を検出する回転検出センサと、
   前記モータに電圧を出力するモータ電圧制御部と、
   前記モータに出力する電圧値と前記ロータの回転数との関係を示す回転制御パラメータを記憶する記憶部とを備え、
   フィールドフローフラクショネーション装置に搭載されるモータ制御機構に用いられるベルト交換時期決定システムであって、
   回転数が前記回転検出センサで検出された際に、前記モータに出力された実電圧値を取得する実電圧値取得ステップと、
   前記回転制御パラメータから読み出される、回転数に必要な前記モータに出力する基準電圧値及び前記実電圧値取得ステップで取得された実電圧値に基づいて、ベルト交換時期を判定する判定ステップとを実行することを特徴とするベルト交換時期決定システム。
4. 前記判定ステップでは、下記式（２）に基づいて、乖離値を算出してベルト交換時期を判定することを特徴とする請求項３に記載のベルト交換時期決定システム。
   乖離値（％）＝（（基準電圧値ｖ_０ｎ−実電圧値ｖ_ｎ）／基準電圧値ｖ_０ｎ）×１００ ・・・ （２）
5. 前記記憶部には、閾値が記憶されており、
   前記乖離値が前記閾値以上になったときには、前記ベルト交換時期として通知することを特徴とする請求項２又は請求項４に記載のベルト交換時期決定システム。

Images