WO2019146415A1 - 遠心分離機 - Google Patents

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WO2019146415A1
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千季 三木
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株式会社久保田製作所
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    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B9/00—Drives specially designed for centrifuges; Arrangement or disposition of transmission gearing; Suspending or balancing rotary bowls
    • B04B9/10—Control of the drive; Speed regulating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B9/00—Drives specially designed for centrifuges; Arrangement or disposition of transmission gearing; Suspending or balancing rotary bowls
    • B04B9/14—Balancing rotary bowls ; Schrappers
    • B04B9/146—Unbalance detection devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B5/00—Other centrifuges
    • B04B5/04—Radial chamber apparatus for separating predominantly liquid mixtures, e.g. butyrometers
    • B04B5/0407—Radial chamber apparatus for separating predominantly liquid mixtures, e.g. butyrometers for liquids contained in receptacles
    • B04B5/0414—Radial chamber apparatus for separating predominantly liquid mixtures, e.g. butyrometers for liquids contained in receptacles comprising test tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B7/00—Elements of centrifuges
    • B04B7/02—Casings; Lids
    • B04B7/06—Safety devices ; Regulating

Definitions

  • the present invention relates to a centrifuge that detects an imbalance and controls rotation.
  • Patent Document 1 is known as a technique for detecting such a shake due to an imbalance.
  • the centrifuge of Patent Document 1 includes an acceleration sensor that outputs a value indicating acceleration in two different directions perpendicular to the axial direction of the rotation axis of the rotor. Then, from values indicating acceleration in two different directions, an acceleration corresponding value corresponding to acceleration in a direction perpendicular to the axial direction of the rotation axis is determined, and the acceleration corresponding value indicates that the predetermined acceleration is large. If the judgment criteria are satisfied, the rotation of the rotor is stopped.
  • This invention is made in view of such a situation of the present invention, and it aims at preventing breakage resulting from displacement of a rotating shaft using an acceleration sensor.
  • the centrifugal separator of the present invention comprises a rotor, a drive source for rotating the rotor, a rotary shaft for connecting the rotor and the drive source, an acceleration sensor, and a control unit.
  • the acceleration sensor outputs a value indicating acceleration in at least two different directions perpendicular to the axial direction of the rotation axis.
  • the control unit obtains a displacement conversion value corresponding to a value obtained by dividing a value proportional to the acceleration based on the value indicating the acceleration output by the acceleration sensor by a value proportional to the square of the angular velocity of the rotor.
  • centrifugal separator of the present invention without using a displacement sensor, it is possible to detect vibration due to unbalance with a value converted to displacement. Therefore, it is possible to prevent the rotor, the bucket, the rotating shaft and the like from contacting the chamber and the like.
  • FIG. 2 is a view showing a drive source 120, a rotation shaft 130, an acceleration sensor 140, and a vibration isolation unit 160 when cut along the line AA of FIG.
  • FIG. 10 is a first diagram showing the drive source 120, the rotation shaft 130, the acceleration sensor 140, and the vibration isolation unit 160 vibrating.
  • the 2nd figure which showed a mode that the drive source 120, the rotating shaft 130, the acceleration sensor 140, and the vibration isolation part 160 vibrate.
  • the 3rd figure which showed a mode that the drive source 120, the rotating shaft 130, the acceleration sensor 140, and the vibration isolation part 160 vibrate.
  • the figure which shows the processing flow of a control part The figure which shows the processing flow when using both a displacement determination reference and an acceleration determination reference.
  • the centrifuge 100 includes a housing 190, a chamber 192, an openable / closable chamber lid 191, a rotor 110 accommodated in the chamber 192, a drive source 120 for rotating the rotor 110, and a rotation for coupling the rotor 110 and the drive source 120.
  • the shaft 130, the acceleration sensor 140, the control unit 150, and the vibration isolation unit 160 are provided.
  • FIG. 2 is a view showing the drive source 120, the rotation shaft 130, the acceleration sensor 140, and the vibration isolation unit 160 when cut along the line AA of FIG. 3A to 3C are views showing how the drive source 120, the rotation shaft 130, the acceleration sensor 140, and the vibration isolation unit 160 vibrate.
  • the positions shown by dotted lines in FIGS. 3A to 3C are the original positions, and FIGS. 3A to 3C show the states shifted in different directions.
  • the rotor 110 may be of a type having a hole for storing a test tube or the like, or a type of attaching a bucket for storing a sample rack to the rotor 110.
  • the type of the rotor 110 is not limited.
  • the vibration isolation unit 160 serves to damp the vibration caused by the imbalance of the balance of the rotor 110.
  • a support plate 161 gripping the drive source 120, and a plurality of vibration isolation springs 162 having one end fixed to the housing 190 and the other end fixed to the support plate 161.
  • an elastic body such as rubber may be used instead of the vibration proof spring.
  • the acceleration sensor 140 outputs a value indicating acceleration in at least two different directions perpendicular to the axial direction of the rotation axis. More specifically, the acceleration sensor 140 is attached to the drive source 120 or the support plate 161, and measures the acceleration of the vibration of the drive source 120 generated by the rotation of the rotor 110. For example, as shown in FIGS. 1 and 2, the acceleration sensor 140 may be attached to the upper surface of the drive source 120 or may be attached to the lower part of the drive source 120 or the like. In the first embodiment, the two directions are perpendicular to each other, one is called the X-axis direction, and the other is called the Y-axis direction. And let the axial direction of the rotating shaft 130 be a Z-axis direction.
  • a value indicating an acceleration a X of the X-axis direction includes not only a value matching the acceleration but also a value proportional to the acceleration and a value discretely indicating a value proportional to the acceleration such as a digital signal.
  • R is a value indicating the magnitude (amplitude) of the deviation, and indicates the displacement from the stationary state of the rotation shaft 130, the vibration isolation unit 160, and the like.
  • ⁇ is the angular velocity of the rotating shaft 130.
  • the acceleration sensor 140 is a value a indicating the acceleration in the Z direction (axial direction of the rotation shaft 130) of the vibration of the drive source 120 generated by It also outputs Z.
  • FIG. 4 shows the relationship between the number of revolutions per each imbalance and the acceleration in a given centrifuge.
  • the horizontal axis represents the number of revolutions (rpm), and the vertical axis represents the acceleration corresponding value (bit).
  • the acceleration corresponding value (bit) on the vertical axis is calculated as the output (a X , a Y , a Z ) in the direction of three orthogonal axes from the acceleration sensor as (a X 2 + a Y 2 + a Z 2 ) 1/2 Value.
  • 256 bits correspond to 1 G (about 9.8 m / s 2 ).
  • the acceleration is proportional to the square of the angular velocity
  • the acceleration corresponding value increases as the number of rotations increases.
  • This range is a range in which the vibration of the rotor 110 resonates, and is referred to as a “resonance zone” in the present specification.
  • the “resonance range” is a range corresponding to the specific angular velocity at which the displacement of the rotation shaft of the rotor 110 increases, and is determined by the structure of the vibration isolation unit 160, the mass of the rotor 110, and the like.
  • the angular velocity serving as the resonance point differs every time within a certain range.
  • a range corresponding to an angular velocity that can be a resonance point in consideration of the influence of the mass of a sample may be referred to as a resonance region.
  • the range including the range corresponding to the angular velocity at which the displacement conversion value can be 1 ⁇ 2 of the displacement conversion value at the resonance point may be called a resonance region.
  • the resonance region is often in the range of 500 to 1500 rpm.
  • Corresponding to the angular velocity indicates that the angular velocity itself may be used or another parameter having a certain relationship with the angular velocity may be used. For example, since the number of rotations is proportional to the angular velocity, it is one of the values corresponding to the angular velocity.
  • the “range corresponding to the angular velocity” may be a range defined by the angular velocity or a range defined by a value corresponding to the angular velocity such as the number of rotations.
  • FIG. 5 shows the relationship between the number of revolutions and displacement for each unbalanced state in a certain centrifugal separator.
  • the vertical axis in the example of FIG. 4 is a value converted to displacement (displacement converted value).
  • the displacement conversion value is a value obtained by dividing the measured acceleration by the square of the measured angular velocity.
  • the unit of the displacement conversion value is ⁇ m in FIG. 5, it may be a value obtained by multiplying the unit of the length by a coefficient instead of the unit of the actual length as in FIG. 4. It is understood from FIGS. 4 and 5 that the acceleration is large when the number of revolutions is high, and that the displacement is large in the resonance region.
  • FIG. 6 is a diagram showing a process flow of the control unit 150.
  • the control unit 150 acquires a value indicating the acceleration output from the acceleration sensor 140 (S10).
  • the control unit 150 obtains a displacement conversion value (S20).
  • the “displacement conversion value” is a value corresponding to a value obtained by dividing a value proportional to the acceleration based on the value indicating the acceleration output from the acceleration sensor 140 by a value proportional to the square of the angular velocity of the rotor 110.
  • the control unit 150 stops the rotation of the rotor (S40) when the displacement conversion value satisfies the displacement determination reference indicating that the predetermined displacement is large (S30).
  • the displacement determination reference for example, as shown by a dotted line (A) shown in FIG. 5, there is a reference for determining a threshold and determining whether or not the threshold is exceeded.
  • the displacement determination reference can prevent the rotor, the bucket, the rotation shaft, and the like from contacting the chamber or the like regardless of the angular velocity (rotational speed).
  • the “value corresponding to the angular velocity” includes, for example, the angular velocity itself and the number of rotations, but is not limited thereto, and includes a value obtained by multiplying the angular velocity by an arbitrary constant.
  • the range of values corresponding to a predetermined angular velocity lower than the resonance region is a range defined for each centrifugal separator, and a value corresponding to the angular velocity in the lowest resonance region in consideration of samples that may be stored. The lower range is. In the example of FIG.
  • the displacement determination reference is set to a rotational speed of 400 to 600 rpm. That is, when the value corresponding to the angular velocity of the rotor 110 is in the range of values corresponding to the predetermined angular velocity lower than the resonance region (for example, 400 to 600 rpm), the control unit 150 determines the displacement conversion value and determines displacement. Check if the criteria are met. If a range is provided, such as 400 to 600 rpm, if there is a deterioration of an elastic body such as rubber used as a substitute for the vibration isolation spring 162 or the vibration isolation spring 162, and a change in resonance region caused by the use environment such as temperature. However, the vibration due to the unbalance can be detected appropriately.
  • the angular velocity is lower than the resonance range, it can be determined when the displacement is small if it is determined, so it is easy to prevent the rotor, bucket, rotating shaft, etc. from contacting the chamber or the like.
  • a displacement conversion value smaller than the maximum value of the displacement conversion value in the resonance range at the maximum unbalance allowed is included in the range that satisfies the displacement determination criteria, the rotor 110 will become large before the displacement becomes large. Because it can stop the rotation of, it is possible to prevent more contact. For example, an imbalance of less than 24 g is an acceptable imbalance.
  • the displacement conversion value also changes due to the difference in mass of the entire sample, etc.
  • the displacement judgment reference may be determined in consideration of this change.
  • the threshold of 900 ⁇ m is set in the range of 400 to 600 rpm in order to satisfy the displacement criterion if the imbalance is 24 g or more regardless of the mass of the entire sample. .
  • This threshold value is smaller than the maximum value (about 2700 ⁇ m) of the displacement conversion value of the resonance region in the case of the 12 g imbalance, which is an imbalance smaller than the maximum imbalance allowable. That is, if the displacement determination reference is provided in the range of values corresponding to the predetermined angular velocity lower than the resonance region, the rotation of the rotor is performed when the displacement conversion value smaller than the maximum value of the allowable displacement conversion value occurs. You can stop it.
  • the rotation of the centrifugal separator can be stopped during the low rotation by judging the unbalance based on the displacement conversion value within the range of values corresponding to the predetermined angular velocity lower than the resonance region. That is, since the time from the start to the stop of the rotation of the centrifuge when there is an imbalance can be shortened, there is also an effect that the waiting time of the user can be shortened.
  • the vibration isolation spring is present even in the case of the unbalance. Since the load on an elastic body such as rubber used as a substitute for the spring 162 or the vibration proof spring 162 can be made within the range of use conditions assumed at the time of design, there is also an effect that breakage and deterioration can be prevented.
  • centrifugal separator 100 it is possible to detect a vibration due to unbalance with a value converted to displacement without using a displacement sensor. Therefore, it is possible to prevent the rotor, the bucket, the rotating shaft and the like from contacting the chamber and the like.
  • FIG. 7 shows an example of a processing flow using both the displacement determination reference and the acceleration determination reference.
  • the control unit 150 confirms whether the value corresponding to the angular velocity is a range in which the determination based on the displacement conversion value is performed or a range in which the determination based on the acceleration corresponding value is performed (S100).
  • the range of 400 to 600 rpm is the range in which the determination based on the displacement conversion value is performed.
  • 1500 rpm or more may be set as a range in which the determination based on the acceleration corresponding value is performed.
  • step S100 is repeated during the operation of the centrifuge 100. If the control unit 150 determines that the determination is made based on the displacement conversion value in step S100, the control unit 150 performs the same process as steps S10 to S40 shown in FIG.
  • the control unit 150 determines that the determination is made based on the acceleration corresponding value in step S100, the control unit 150 acquires a value indicating acceleration from the acceleration sensor 140 (S110).
  • the value indicating acceleration may be a value indicating acceleration in two different directions perpendicular to the axial direction of the rotation shaft 130, or may include acceleration in the axial direction of the rotation shaft 130.
  • the control unit 150 calculates an acceleration corresponding value which is a value corresponding to the acceleration (S120). Specifically, it may be determined by equation (1) or equation (2).
  • step S120 since the displacement conversion value is not obtained, for example, the calculation of the square root may be omitted as in a x 2 + a Y 2 or a x 2 + a Y 2 + a Z 2 .
  • the control unit 150 compares the obtained acceleration correspondence value with the acceleration determination reference (S130), and stops the rotation of the rotor when the condition is satisfied (S40). For example, when the acceleration corresponding value based on a X 2 + a Y 2 or a X 2 + a Y 2 + a Z 2 exceeds the reference represented by a curve or a straight line at an angular velocity higher than the resonance region, It should be satisfied.
  • the acceleration corresponding value is set to a value proportional to (a X 2 + a Y 2 ) 1/2 or (a X 2 + a Y 2 + a Z 2 ) 1/2 .
  • a reference (b ⁇ 2 + c ⁇ + d + offset value) expressed by a quadratic function of the angular velocity of the rotating shaft 130 is used as an acceleration corresponding value at an angular velocity (eg, 1500 rpm or more) higher than the resonance range.
  • the acceleration corresponding value may be a value proportional to a x 2 + a Y 2 or a x 2 + a Y 2 + a Z 2 and used as a standard expressed by a quartic function. Further, the acceleration corresponding value may be set to a value proportional to (a X 2 + a Y 2 ) 1 ⁇ 4 or (a X 2 + a Y 2 + a Z 2 ) 1 ⁇ 4 as a standard expressed by a linear function. Furthermore, the acceleration corresponding value obtained by equation (1) or equation (2) may be used. In that case, for example, the range of values corresponding to all the accelerations is set as the range to be determined based on the acceleration corresponding value, the acceleration corresponding value of 1200 bits shown in FIG. It may be judged that the standard is satisfied.
  • the acceleration sensor 140 alone can prevent contact due to large vibration, and can also prevent breakage due to stress due to large acceleration. Further, as described above, not only the breakage of the centrifugal separator can be prevented by using a fixed value displacement criterion at an angular velocity lower than the resonance region and using an acceleration criterion at an approximate curve at an angular velocity higher than the resonance region. As compared with the prior art, imbalance can be detected at an early stage after the start of rotation, and effects such as prevention of deterioration can also be expected.

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Abstract

加速度センサを用いて回転軸の変位に起因する破損を防ぐ。本発明の遠心分離機は、ロータ、ロータを回転させる駆動源、ロータと前記駆動源とを結合させる回転軸、加速度センサ、制御部を備える。加速度センサは、少なくとも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、加速度センサが出力する加速度を示す値に基づく加速度に比例する値ロータの角速度の二乗に比例する値で除算した値に対応する変位換算値を求め、当該変位換算値があらかじめ定めた変位が大きいことを示す変位判定基準を満たす場合には、ロータの回転を停止させる。

Description

遠心分離機
　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２０１７－８７１７８号公報
　特許文献１の遠心分離機では、ロータの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センサを備える。そして、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。
　特許文献１の遠心分離機の場合、遠心分離機の防振部などに加わる力に基づいてロータの回転を停止させるので、応力によっての破損を防ぐことができる。しかし、加速度は、振動の半径に比例し、角速度の二乗に比例するので、角速度の影響の方が半径の影響よりも大きい。したがって、回転数（角速度）が低いけれども回転軸の変位（振動の半径）が大きいときに生じる、ロータ、バケット、回転軸などがチャンバなどに接触することで生じる破損を防ぎにくい。
　また、遠心分離機にさらに変位センサを備えさせれば変位の検出もできるが、加速度センサと変位センサの両方を備え、その信号の処理を行うことになるので、遠心分離機が高価になってしまう。
　本発明のこのような状況に鑑みてなされたものであり、加速度センサを用いて、回転軸の変位に起因する破損を防ぐことを目的とする。
　本発明の遠心分離機は、ロータ、ロータを回転させる駆動源、ロータと前記駆動源とを結合させる回転軸、加速度センサ、制御部を備える。加速度センサは、少なくとも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、加速度センサが出力する加速度を示す値に基づく加速度に比例する値をロータの角速度の二乗に比例する値で除算した値に対応する変位換算値を求め、当該変位換算値があらかじめ定めた変位が大きいことを示す変位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、変位センサを用いることなく、変位に換算した値で不釣り合いによる振動を検出できる。したがって、ロータ、バケット、回転軸などがチャンバなどに接触することを防ぐことができる。
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第１の図。 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第２の図。 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第３の図。 ある遠心分離機での不釣り合いごとの回転数と加速度の関係を示す図。 ある遠心分離機での不釣り合いごとの回転数と変位の関係を示す図。 制御部の処理フローを示す図。 変位判定基準と加速度判定基準の両方を用いるとき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３Ａ～図３Ｃ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３Ａ～図３Ｃの点線で示した位置が元の位置であり、図３Ａ～図３Ｃ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。また、防振バネの代わりにゴムなどの弾性体を用いてもよい。
　加速度センサ１４０は、少なくとも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。より具体的には、加速度センサ１４０は、駆動源１２０または支持板１６１に取り付けられ、ロータ１１０の回転によって生じる駆動源１２０の振動の加速度を計測する。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の上面に取り付けてもよいし、駆動源１２０の下部などに取り付けてもよい。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ａＸ、Ｙ軸方向の加速度を示す値をａＹ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ａＸ、ａＹは互いに直交する方向の加速度を示す値であり、回転軸１３０の傾きを無視できるときは、
　（ａＸ ２＋ａＹ ２）１／２＝Ｒω２　　　（１）
となる。Ｒは、ずれの大きさ（振幅）を示す値であり、回転軸１３０、防振部１６０などの静止した状態からの変位を示している。ωは回転軸１３０の角速度である。
　変位Ｒが大きくなると回転軸１３０の傾きが大きくなり、Ｚ方向の振動も無視できなくなる。Ｚ方向の振動も無視できない場合は、Ｚ軸方向の加速度を示す値をａＺとすると、
　（ａＸ ２＋ａＹ ２＋ａＺ ２）１／２＝Ｒω２　　　（２）
となる。Ｚ方向の振動も無視できない振動を検出する必要がある場合は、加速度センサ１４０は、ロータ１１０の回転によって生じる駆動源１２０の振動のＺ方向（回転軸１３０の軸方向）の加速度を示す値ａＺも出力する。
　図４に、ある遠心分離機での不釣り合いごとの回転数と加速度の関係を示す。横軸は回転数（ｒｐｍ）、縦軸は加速度対応値（ｂｉｔ）であり、ロータの不釣り合いが０ｇ，１２ｇ，２４g，３６ｇの場合を示している。縦軸の加速度対応値（ｂｉｔ）は加速度センサからの直交する３軸方向の出力（ａＸ，ａＹ，ａＺ）を（ａＸ ２＋ａＹ ２＋ａＺ ２）１／２のように計算した値である。２５６ｂｉｔが１Ｇ（約９．８ｍ／ｓ２）に相当している。加速度は角速度の二乗に比例するため、図４の例では回転数が大きくなるにしたがって加速度対応値が大きくなっている。また、図４の例では回転数が１０００ｒｐｍ付近に加速度対応値が大きい範囲がある。この範囲は、ロータ１１０の振動が共振した状態となる範囲であり、本明細書では「共振域」と呼ぶ。「共振域」は、ロータ１１０の回転軸の変位が大きくなる固有の角速度に対応する範囲であり、防振部１６０の構造やロータ１１０の質量などによって決まる。ただし、ロータ１１０に収納する試料の質量の影響も受けるため、共振点となる角速度はある範囲内で毎回異なる。例えば、試料の質量の影響も考慮して共振点となり得る角速度に対応する範囲を、共振域と呼べばよい。また、変位換算値が共振点での変位換算値の１／２となり得る角速度に対応する範囲も含めて、共振域と呼んでもよい。一般的な遠心分離機の場合、共振域は５００～１５００ｒｐｍ内の一部が多い。「角速度に対応する」とは、角速度自体でもよいし、角速度と一定の関係がある別のパラメータでもよいことを示している。例えば、回転数は角速度に比例するので、角速度に対応する値の１つである。「角速度に対応する範囲」とは、角速度で定義した範囲でもよいし、回転数のような角速度に対応する値で定義した範囲でもよい。
　図５に、ある遠心分離機での不釣り合いごとの回転数と変位の関係を示す。この図では図４の例の縦軸を変位に換算した値（変位換算値）にしている。変位換算値は、測定した加速度を、測定した角速度の二乗で除算することで得た値である。図５では変位換算値の単位はμｍだが、図４と同様に実際の長さの単位ではなく長さの単位に係数を乗算した値でもよい。図４と図５から、加速度が大きいのは回転数が高いときであり、変位が大きいのは共振域であることが分かる。
　図６は、制御部１５０の処理フローを示す図である。制御部１５０は、加速度センサ１４０が出力する加速度を示す値を取得する（Ｓ１０）。制御部１５０は、変位換算値を求める（Ｓ２０）。「変位換算値」とは、加速度センサ１４０が出力する加速度を示す値に基づく加速度に比例する値を、ロータ１１０の角速度の二乗に比例する値で除算した値に対応する値である。制御部１５０は、当該変位換算値があらかじめ定めた変位が大きいことを示す変位判定基準を満たす場合には（Ｓ３０）、ロータの回転を停止させる（Ｓ４０）。
　変位判定基準としては、例えば、図５に示した点線（Ａ）のように、しきい値を定め、そのしきい値を超えるか否かで判定する基準がある。この変位判定基準は、角速度（回転数）に関わらず、ロータ、バケット、回転軸などがチャンバなどに接触することを防ぐことができる。
　別の例としては、図５に示した（Ｂ）のように、共振域よりも低いあらかじめ定めた角速度に対応する値の範囲に変位判定基準を設ける方法もある。「角速度に対応する値」とは、例えば角速度自体、回転数があるが、これらに限定するものではなく、角速度に任意の定数が乗算された値を含む。「共振域よりも低いあらかじめ定めた角速度に対応する値の範囲」とは、遠心分離機ごとに定める範囲であり、収納することがあり得る試料も考慮した最低の共振域の角速度に対応する値よりも低い範囲である。図５の（Ｂ）の例では、変位判定基準は回転数が４００～６００ｒｐｍに設定されている。つまり、制御部１５０は、ロータ１１０の角速度に対応する値が共振域よりも低いあらかじめ定めた角速度に対応する値の範囲（例えば、４００～６００ｒｐｍ）のときに、変位換算値を求め、変位判定基準を満たすかを確認する。４００～６００ｒｐｍのように範囲を設ければ、防振バネ１６２または防振バネ１６２の代わりとして用いるゴムなどの弾性体の劣化、および温度などの使用環境を要因とした共振域の変化がある場合でも、適切に不釣り合いによる振動を検出できる。
　共振域よりも低い角速度のときに判定すれば変位が小さいときに判断できるので、ロータ、バケット、回転軸などがチャンバなどに接触することを防ぎやすい。特に、許容される最大の不釣り合いのときの共振域での変位換算値の最大値よりも小さい変位換算値を、変位判定基準を満たす範囲に含めれば、変位が大きくなってしまう前にロータ１１０の回転を止めることができるので、より接触を防止できる。例えば、２４ｇ未満の不釣り合いを許容される不釣り合いとする。ここで、不釣り合いが同じでも、試料全体の質量の違いなどで変位換算値も変化するので、この変化を考慮して変位判定基準を定めればよい。図５の（Ｂ）の例では、試料全体の質量に関わらず不釣り合いが２４ｇ以上であれば変位判定基準を満たすようにするために、４００～６００ｒｐｍの範囲で、９００μｍをしきい値としている。このしきい値は、許容される最大の不釣り合いよりも小さい不釣り合いである１２ｇの不釣り合いの場合の共振域の変位換算値の最大値（約２７００μｍ）よりも小さい。つまり、共振域よりも低いあらかじめ定めた角速度に対応する値の範囲に変位判定基準を設ければ、許容される変位換算値の最大値よりも小さい変位換算値が生じたときにロータの回転を止めることができる。
　さらには、共振域よりも低いあらかじめ定めた角速度に対応する値の範囲で、変位換算値に基づいた不釣り合いの判断を行えば、低回転のうちに遠心分離機の回転を停止できる。つまり、不釣り合いがあるときの遠心分離機の回転開始から停止までの時間を短くできるので、ユーザの待つ時間を短くできるという効果もある。また、許容される最大の不釣り合いのときの共振域での変位換算値の最大値よりも小さい変位換算値を、変位判定基準を満たす範囲に含めれば、不釣り合いがある場合でも、防振バネ１６２または防振バネ１６２の代わりとして用いるゴムなどの弾性体への負荷を、設計時に想定した使用条件の範囲内にできるので、破損および劣化を防げるという効果もある。
　遠心分離機１００によれば、変位センサを用いることなく、変位に換算した値で不釣り合いによる振動を検出できる。したがって、ロータ、バケット、回転軸などがチャンバなどに接触することを防ぐことができる。
　さらに、加速度対応値に基づいた停止の制御も行えば、防振部１６０などに加わる応力による破損を防ぐこともできる。図７に変位判定基準と加速度判定基準の両方を用いる処理フロー例を示す。制御部１５０は、角速度に対応する値が、変位換算値に基づく判定を行う範囲か加速度対応値に基づく判定を行う範囲かを確認する（Ｓ１００）。図５の（Ｂ）の例であれば、４００～６００ｒｐｍのときが変位換算値に基づく判定を行う範囲である。また、１５００ｒｐｍ以上を加速度対応値に基づく判定を行う範囲とすればよい。このように変位換算値に基づく判定を行う範囲と加速度対応値に基づく判定を行う範囲を設定すれば、角速度に対応する値が、共振域よりも低いときに変位換算値に基づく判定を行い、共振域よりも高いときに加速度対応値に基づく判定を行える。制御部１５０は、変位換算値に基づく判定を行う範囲でも加速度対応値に基づく判定を行う範囲でもない場合は、遠心分離機１００の動作中はステップＳ１００を繰り返す。制御部１５０は、ステップＳ１００で変位換算値に基づく判定を行う範囲と判断した場合は、図６に示したステップＳ１０～Ｓ４０と同じ処理を行う。
　制御部１５０は、ステップＳ１００で加速度対応値に基づく判定を行う範囲と判断した場合は、制御部１５０は、加速度センサ１４０から加速度を示す値を取得する（Ｓ１１０）。加速度を示す値は、回転軸１３０の軸方向と垂直な異なる２つの方向の加速度を示す値でもよいし、回転軸１３０の軸方向の加速度も含めてもよい。制御部１５０は、加速度に対応する値である加速度対応値を計算する（Ｓ１２０）。具体的には、式（１）または式（２）で求めればよい。また、ステップＳ１２０の場合は変位換算値を求めないので、例えば、ａＸ ２＋ａＹ ２またはａＸ ２＋ａＹ ２＋ａＺ ２のように平方根の計算を省略してもよい。制御部１５０は、求めた加速度対応値と加速度判定基準とを比較し（Ｓ１３０）、満たす場合は、ロータの回転を停止する（Ｓ４０）。例えば、ａＸ ２＋ａＹ ２またはａＸ ２＋ａＹ ２＋ａＺ ２に基づいた加速度対応値が、共振域より高い角速度で曲線または直線で表現される基準を上回ったときに、加速度判定基準を満たすとすればよい。より具体的には、加速度対応値を（ａＸ ２＋ａＹ ２）１／２または（ａＸ ２＋ａＹ ２＋ａＺ ２）１／２に比例した値とする。そして、特許文献１に示されているように回転軸１３０の角速度の２次関数で表現される基準（ｂω２＋ｃω＋ｄ＋オフセット値）を、共振域よりも高い角速度（例えば１５００ｒｐｍ以上）において加速度対応値が上回ったときに加速度判定基準を満たすとすればよい。なお、特許文献１と同様に、加速度対応値をａＸ ２＋ａＹ ２またはａＸ ２＋ａＹ ２＋ａＺ ２に比例した値とし、４次関数で表現される基準としてもよい。また、加速度対応値を（ａＸ ２＋ａＹ ２）１／４または（ａＸ ２＋ａＹ ２＋ａＺ ２）１／４に比例した値とし、１次関数で表現される基準としてもよい。さらに、式（１）または式（２）で求めた加速度対応値を用いてもよい。その場合は、例えば、すべての加速度に対応する値の範囲を加速度対応値に基づく判定を行う範囲とし、図４の１２００ｂｉｔの加速度対応値をしきい値とし、しきい値以上の場合に加速度判定基準を満たすと判断すればよい。
　図７に示した処理フローであれば、加速度センサ１４０のみで、振動が大きいことによる接触を防ぐこともでき、かつ、加速度が大きいことによる応力による破損も防ぐことができる。また、上述のように、共振域より低い角速度では固定値の変位判定基準を用い、共振域よりも高い角速度では近似曲線の加速度判定基準を用いることで、遠心分離機の破損を防ぐだけでなく、従来よりも回転開始後の早期に不釣り合いを検出でき、かつ劣化防止などの効果も期待できる。
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 (6)

  1. 　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、
    　少なくとも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、
    　前記加速度センサが出力する加速度を示す値に基づく加速度に比例する値を前記ロータの角速度の二乗に比例する値で除算した値に対応する変位換算値を求め、当該変位換算値があらかじめ定めた変位が大きいことを示す変位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。
  2. 　請求項１記載の遠心分離機であって、
    　前記ロータの回転軸の変位が共振によって大きくなる角速度に対応する値の範囲を共振域とし、
    　前記制御部は、前記ロータの角速度に対応する値が前記共振域よりも低いあらかじめ定めた角速度に対応する値の範囲のときに、変位換算値を求め、前記変位判定基準を満たすかを確認する
    　ことを特徴とする遠心分離機。
  3. 　請求項２記載の遠心分離機であって、
    　許容される最大の不釣り合いのときの前記共振域での変位換算値の最大値よりも小さい変位換算値の場合が、前記変位判定基準を満たす範囲に含まれる
    　ことを特徴とする遠心分離機。
  4. 　請求項２または３に記載の遠心分離機であって、
    　前記制御部は、前記加速度センサが出力する加速度を示す値に基づく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加速度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
    　ことを特徴とする遠心分離機。
  5. 　請求項４記載の遠心分離機であって、
    　前記制御部は、前記ロータの角速度に対応する値が前記共振域よりも高いときに、前記加速度対応値が前記加速度判定基準を満たすかを確認する
    　ことを特徴とする遠心分離機。
  6. 　請求項１から５のいずれかに記載の遠心分離機であって、
    　前記加速度センサは、前記回転軸の軸方向の加速度を示す値も出力する
    　ことを特徴とする遠心分離機。
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