(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動部に連結可能なドライブヘッドと、
前記ドライブヘッドに着脱可能に取り付けられるロータと、
前記ドライブヘッドを前記ロータにねじれが生じないように接続するための、少なくとも１つの接続エレメントと、および、
前記ドライブヘッドに取り付けられ、軸方向の力を前記ロータに付与して、このロータを軸方向に固定することができる、少なくとも１つの結合エレメントと
を備え、
前記軸方向の力は、前記ドライブヘッドの回転速度の上昇に伴い増加し、前記結合エレメントは、その傾斜面により軸方向の力を前記ロータに伝達するようになっており、
前記傾斜面は、水平線に対して０°より大きく１５°までの範囲の角度で傾斜しており、
前記ドライブヘッドは、円筒面と円すい面とからなるジャケット面を備え、
前記ジャケット面は、前記ロータが前記ドライブヘッドに取り付けられる際に、円筒面と円すい面を備えた対応する保持面に、相互に係合するように当接するようになっている、
遠心分離機において、
前記ドライブヘッドの円筒面は、前記保持面の長さの４分の１以上の長さを有しており、
前記ドライブヘッドの円筒面は、前記ロータを軸方向に案内面として機能する一方、前記ドライブヘッドの円すい面は、前記ロータの軸方向の制限ストッパとして機能する、
ことを特徴とする、遠心分離機。
【請求項２】
前記結合エレメントは、この結合エレメントが前記ドライブヘッドの内側まで旋回し、前記ロータを前記ドライブヘッドから解放可能とする、解放位置と、この結合エレメントが、前記傾斜面を前記ドライブヘッドの前記ジャケット面から突出させ、前記ロータに対して軸方向の力を付与し、このロータを前記ドライブヘッドにロックする、ロック位置との間で、旋回軸の周りを旋回することを特徴とする、請求項１に記載の遠心分離機。
【請求項３】
前記結合エレメントは、前記ロータが静止している間、この結合エレメントがロック位置にあるように、あらかじめ弾力を付与されていることを特徴とする請求項２に記載の遠心分離機。
【請求項４】
前記接続エレメントは、前記結合エレメントの旋回軸上に配置されており、これにより、前記ドライブヘッドが前記ロータにねじれが生じないように接続されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の遠心分離機。
【請求項５】
前記結合エレメントは、カップリング歯を備え、このカップリング歯は、駆動エレメントと協働して、この結合エレメントを、係合位置から解除位置へ、または、解除位置から係合位置へ旋回移動させることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の遠心分離機。
【請求項６】
前記駆動エレメントは、遠心分離機の回転軸上に配置され、かつ、一端に円すい端を備え、この駆動エレメントの軸方向の移動により、この円すい端が前記結合エレメントの前記カップリング歯に接触するようになっていることを特徴とする、請求項５に記載の遠心分離機。
【請求項７】
前記軸方向の力が、前記ロータに取り付け固定されたスリーブに作用することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の遠心分離機。
【請求項８】
前記ドライブヘッドの前記円すい面が、遠心分離機の回転軸から１５°〜４０°の範囲で傾いていることを特徴とする、請求項１に記載の遠心分離機。
【請求項９】
前記ドライブヘッドの前記円筒面または円すい面が、少なくとも１つの凹部を備えていることを特徴とする、請求項１または８に記載の遠心分離機。
【請求項１０】
前記ドライブヘッドの前記円筒面は、前記ロータまたはスリーブの前記保持面と隙間嵌めとなるように寸法付けられており、この隙間嵌めにより、静止時および高速回転時において、前記ロータの確実な案内が確保されることを特徴とする、請求項１、８または９のいずれかに記載の遠心分離機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動部に連結可能なドライブヘッドと、このドライブヘッドに着脱可能に取り付けられるロータと、前記ドライブヘッドを前記ロータにねじれが生じないように接続するための、少なくとも１つの接続エレメントと、および、前記ドライブヘッドに取り付けられ、軸方向の力を前記ロータに付与して、このロータを軸方向に固定することができる、少なくとも１つの結合エレメントとを備え、前記軸方向の力は、前記ドライブヘッドの回転速度の上昇に伴い増加するようになっている、遠心分離機に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心分離機は、サンプルの入った容器を収納し、遠心分離ロータの高速回転により、サンプルに含まれる成分を分離するようになっている。床面に設置され、ワークテーブルと同程度の高さを有する据置型の遠心分離機の場合、その装置を構成する機器の設置スペースがかなり必要となる。一方、テーブル上に設置される卓上型遠心分離機の場合、遠心分離機内の利用可能スペースを有効に活用するために、その全高を低くすることが望ましい。ロータの上側から遠心分離機のカバーまでの距離が、ロータの底側から遠心分離機のボウルの床までの距離よりも小さい場合、ロータの底側がボウルの床側に引っ張られるよりも強い力で、ロータの上側が遠心分離機のカバー側に引っ張られることとなる。これは、ベルヌーイの定理によって説明することができる。この定理から、通常、遠心分離機のロータには上向きの力が作用するということが導かれる。従来の遠心分離機において、６０００ｒｐｍの回転速度では、ロータを持ち上げようとする力は、１００Ｎ程度にまで達する。通常、ロータの上側は、遠心分離機のカバーからわずか２〜３ｍｍ下にあり、大きな平面となっているのに対して、ロータの底側は凹凸形状となっているため、ベルヌーイの定理による引張力が低いことから、この持ち上げようとする力はさらに強くなるといえる。
【０００３】
この空気力学的影響は、動力学的影響、たとえば、遠心分離機に外部からの衝撃が加わることによって、さらに大きなものとなりえる。このような衝撃が生じた場合、弾性的に保持されたモータは、横に傾斜し、ロータを持ち上げようとする力と重畳する軸方向の力が発生する可能性がある。
【０００４】
これらの空気力学的影響および動力学的影響を制御するため、最先端の遠心分離機では、強固なロック機構が用いられている。これらのロック機構により、高速回転時におけるロータの軸方向の変位が確実に防止される。ただし、このようなロック機構は、特殊なツールを用いて、その取り付けおよび取り外しを確実に行う必要があるため、遠心分離工程の前後において、そのための作業にかなりの時間がかかってしまう。また、回転速度に応じてロック機構が作動し、静止時や低速時に、ロータをドライブヘッドからわずかな力で取り外せるようになっているものもある。このようなロック機構は、ロータを持ち上げようとする力がこれをロックする力よりも小さい場合にのみ作動する。このような構成は、すべてのロータと遠心分離機の組み合わせに適しているとはいえず、また、この構成では、動力学的影響によるロータを持ち上げようとする力を特定することは困難であることから、ロータをロックする力を算出することは難しいといえる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、静止時、低速回転時および高速回転時のいずれにおいても、遠心ロータに対して作用する軸方向の持ち上げ力に対して、この遠心ロータを確実にロックすることができ、かつ、遠心ロータの回転速度の上昇に伴って、ロータを軸方向にロックする力を増加させることのできる、遠心分離機を提供することにある。さらに、わずかな時間で、特別なツールを用いることなく、ロータをドライブヘッドに取り付けおよび取り外しすることができる、遠心分離機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の遠心分離機は、駆動部に連結可能なドライブヘッドと、このドライブヘッドに着脱可能に取り付けられるロータと、前記ドライブヘッドを前記ロータにねじれが生じないように接続するための、少なくとも１つの接続エレメントと、および、前記ドライブヘッドに取り付けられ、軸方向の力を前記ロータに付与して、このロータを軸方向に固定することができる、少なくとも１つの結合エレメントとを備え、前記軸方向の力は、前記ドライブヘッドの回転速度の上昇に伴い増加し、前記結合エレメントは、その傾斜面により軸方向の力を前記ロータに伝達するようになっていて、この傾斜面が、水平線に対して０°より大きく１５°までの範囲の角度で傾斜している。
【０００７】
前記結合エレメントは、傾斜面によって自動的にロックされるため、前記ロータは、静止時、低速回転時、高速回転時のいずれにおいても、前記結合エレメントのロックを解除することができない。これにより、静止時に、使用者が、ロータが確実にロックされているかについて、ロータをドライブヘッドから引き抜こうとすることだけで確認できるという効果がもたらされる。高速回転時には、遠心力の増加に伴い、その軸方向の力も増加するため、傾斜面の作用によりロックする力も増加することとなる。
【０００８】
前記結合エレメントは、この結合エレメントが前記ドライブヘッドの内側まで旋回し、前記ロータを前記ドライブヘッドから解放可能とする、解放位置と、この結合エレメントが、前記傾斜面を前記ドライブヘッドの前記ジャケット面から突出させ、前記ロータに対して軸方向の力を付与し、このロータを前記ドライブヘッドにロックする、ロック位置との間で、旋回軸の周りを旋回するようになっていることが好ましい。前記結合エレメントが、前記ドライブヘッドの内側まで十分に旋回するため、この場合、前記傾斜面は、前記ロータのいずれの面にも作用することなく、ロータが軸方向に移動することが可能となる。これにより、前記ロータを、駆動軸から取り外すことが可能となる。この結合エレメントの旋回は、特殊なツールを用いることなく、簡易な手段により生じさせることができる。前記結合エレメントには２つのポジションしか与えられていない。すなわち、一方は、前記ロータの取り付けと取り外しを可能とする解除位置であり、もう一方は、ロータを持ち上げる力が作用した場合であっても、このロータを確実に固定するロック位置である。前記結合エレメントに、弾性手段によりあらかじめ張力を付与して、ロータの静止時に確実にロック位置にあるようにすることで、結合エレメントがバネの力に抗して、解除位置まで移動しない限り、ロータが常時ロックされるという高い安全性がもたらされる。
【０００９】
本発明の別の実施態様では、前記接続エレメントが、前記結合エレメントの旋回軸上に配置されることから、前記ドライブヘッドがロータにねじれが生じないように接続される。この構成では、前記接続エレメントが旋回軸として機能するので、結合エレメントを１つの部品だけで構成するという効果がもたらされる。これにより、コンパクトかつ軽量の構造が得られる。
【００１０】
前記結合エレメントは、駆動エレメントと協働して、この結合エレメントの旋回運動を生じさせるカップリング歯を備える。これにより、ロック位置から解除位置への移動、および、解除位置からロック位置への移動が可能となる。このカップリング歯は、カム状または突起状であり、好ましくは結合エレメントと一体的に構成される。前記カップリング歯の駆動エレメントとの接触面を硬化面で構成することにより、解除位置への結合エレメントの移動を頻繁に行った場合でも、前記カップリング歯の摩耗や欠損を低減することができる。結合エレメントに弾力があらかじめ付与されている場合には、前記駆動エレメントは、バネの力と、選択的にロータと結合エレメントの付着力とに打ち勝てる構造であればよい。
【００１１】
この遠心分離機では、前記駆動エレメントを、遠心分離機の回転軸に配置し、かつ、この駆動エレメントの一端を円すい形状とすることができ、前記駆動エレメントが軸方向に移動した際に、前記円すい端が、前記結合エレメントのカップリング歯に接触するようになっている。したがって、前記駆動エレメントを垂直方向に移動させるだけで、くさび状の端部が前記カップリング歯と接触し、このカップリング歯を横方向に旋回させる。このように、前記結合エレメントのロック位置から解放位置への移動は、いかなるツールをも使用することなく、きわめて容易に行われる。
【００１２】
本発明の別の実施態様では、前記結合エレメントにより付与される軸方向の力は、前記ロータに固定して取り付けられたスリーブに作用する。前記ロータ自体を、頻繁にドライブヘ載置するようにすると、このロータの接触面で摩耗と欠損が起こるため、ロータ全体を交換しなければならなくなる。ロータとドライブヘッドの間にスリーブを挿入することによって、このスリーブに摩耗や欠損が生じた場合でも、スリーブは簡単に交換できるので、ロータ自体は交換せずに済む。なお、このスリーブは、ネジ止めなどの手段によって、ロータに簡単に取り付けることができる。
【００１３】
本発明の別の実施態様では、前記ドライブヘッドは、円筒面と円すい面からなるジャケット面を備え、該ジャケット面は、前記ロータまたはスリーブがこのドライブヘッドに取り付けられた際に、対応する前記ロータまたはスリーブの保持面に、相互に係合した状態で、載置される。このドライブヘッドの円筒面は、この保持面の全長の４分の１以上の長さを備えている。この実施態様では、前記円筒面は、前記スリーブまたはロータを案内するために使用され、前記円すい面は、前記ドライブヘッドに前記ロータが取り付けられている間、このロータの軸方向におけるストッパとして主に機能する。このような円筒面は、少ない製造努力で、非常に正確に作製することができ、これによりロータの正確な案内が達成される。これに対して、円すい形状の案内部を作製しようとすることは、かなりの製造努力が要求される。たとえば、このような正確な案内部を達成するためには、非常な困難を伴うことになる。円すい形状の案内部における、形状、位置およびサイズの公差は、それぞれ円すい状の案内部の同軸性にそれぞれ異なる影響を与える、また、そのような公差を測定することも困難である。円すい形状の接触パターンは、その表面研削によってのみ得られる。よって、円すい形状ではなく、円筒面を主として案内面として採用することによって、製造努力および制御努力を軽減させることができる。このような円筒面の案内部に要求される正確性は、この円筒面を長くすることにより向上させることができる。
【００１４】
前記円すい面の傾きは、前記回転軸に対して１５°〜４０°の範囲とすることにより、円すい面上にあるごみによる影響を低減させることができる。前記円すい面に、ごみや被膜があると、前記ロータまたはスリーブが、面が清浄である場合にはこの面に載置するのに対して、ごみや被膜の上に載置されてしまうことになる。円すい形状の傾きが大きくなればなるほど、ごみなどに起因する高さ方向のオフセット量は小さくなるので、前記結合エレメントをロック位置まで確実に旋回させることが可能となる。
【００１５】
前記ドライブヘッドの前記円筒面または円すい面に、少なくとも１つの凹部を備えることが好ましく、横断溝を備えることがより好ましい。これにより、前記ロータまたはスリーブが垂直に下降した際に、前記ドライブヘッドの前記円筒面上に存在するごみの被膜は、下方にはぎ取られるが、前記円筒面または円すい面の凹部に集められる。このようにして、前記ロータの正確な位置決めが、ごみが堆積してしまった場合にも、維持される。
【００１６】
本発明の別の実施態様では、前記ドライブヘッドの前記円筒面が、前記ロータまたはスリーブの保持面に対して、隙間嵌めとなるようになっており、この隙間嵌めにより、静止時および高速回転時の両方で、ロータの案内が確実に行われる。この隙間嵌めは、比較的簡単かつ低コストで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明に係る遠心分離機の断面図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】図３は、結合エレメントとスリーブに作用する力を表した模式図である。
【図４】図４は、遠心分離機の速度に対して、作用する力の割合を示したグラフである。
【図５】図５は、遠心分離機の汚れたドライブヘッドとスリーブの細部を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明について、図示された実施態様を参照することにより、より詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の遠心分離機（１００）の断面図を、基礎構造を省略した状態で示している。遠心分離機（１００）は、遠心分離される物質が入ったサンプル容器を収納するための複数の収納部（２）を有するロータ（１）を備える。ロータ（１）に取り付けられているスリーブ（３）は、相互に係合した状態でドライブヘッド（４）に載置される。ピン形状で、垂直方向に伸長する２つの接続エレメント（５）は、ドライブヘッド（４）に取付けられており、それぞれのピンは、相互に係合した状態で、ロータ（１）の凹部（６）に嵌め込まれている。図１に示した実施態様は、回転軸（７）から対称的に配置された２つの接続エレメント（５）を備えている。ただし、３つ以上の接続エレメント（５）を備えることも可能である。ドライブヘッド（４）が回転軸（７）の周りを回転運動すると、これらの接続エレメント（５）が、トルクをロータ（１）に伝達して、ロータ（１）を回転させることとなる。接続エレメント（５）を対称的に配置しているので、トルクをロータ（１）に均等に伝達することが可能となっている。
【００２０】
また、この実施態様の遠心分離機（１００）は、回転軸（７）から対称的に配置された２つの結合エレメント（８）を備えている（図１の切断線Ａ−Ａに沿った断面を示している図２を参照）。結合エレメント（８）は、ドライブヘッド（４）上に配置されており、左右に旋回可能となっている。接続エレメント（５）が、結合エレメント（８）の旋回軸（９）を形成している。
【００２１】
ロータ（１）をドライブヘッド（４）に取り付ける際には、ロータ（１）を、ドライブヘッド（４）に向けて、上方から下向きに移動させる。ロータ（１）に取付けられたスリーブ（３）の円すい面（３２）が、圧力バネ（４５）によってバネ止め（４６）から離れる方向に押圧されている、それぞれの結合エレメント（８）の外縁（８１）と当接する。スリーブ（３）の円すい面（３２）が結合エレメント（８）の各外縁（８１）上にある状態で、スリーブ（３）を下降させることによって、これらの外縁（８１）がドライブヘッド（４）のジャケットラインと重なり合う方向に、結合エレメント（８）が旋回する。結合エレメント（８）の伸長部（８２）は、圧力バネ（４５）の力に抗して、回転軸（７）に向かう方向に旋回する。
【００２２】
スリーブ（３）またはロータ（１）は、結合エレメント（８）を通過して、スリーブ（３）の円すい面（３２）が、ドライブヘッド（４）の対応する円すい面（４２）上に来るまで、垂直方向にさらに下降する。この円すい面（４２）は、ストッパとして機能し、ロータ（１）がさらに下方へ移動することを制限する。この位置で、結合エレメント（８）は、圧力バネ（４５）の力によって、自動的に旋回してもとの位置に復帰する（図１および図２を参照）。結合エレメント（８）のそれぞれの伸長部（８２）は、ドライブヘッド（４）のジャケットライン（４４）を超えて突出し、結合エレメント（８）のそれぞれがスリーブ（３）と接触する。このように、結合エレメント（８）が、簡易迅速な結合手段として機能するため、ロータ（１）を、他の手段を用いることなく素早く、ドライブヘッド（４）に結合させることができる。使用者は、ロータ（１）を引っ張り上げようとするだけで、ロータ（１）のドライブヘッド（４）への取り付けを確認することができる。ロータ（１）およびスリーブ（３）の上に結合エレメント（８）があるため、これらを上方に移動させることは不可能である。このようにして、使用者は、ロータ（１）がドライブヘッド（４）に強固に取り付けられていることを確認することができる。
【００２３】
結合エレメント（８）は、駆動エレメント（１０）を回転軸（７）に沿って垂直方向下向きに移動させることにより（図１参照）、スリーブ（３）から引き離される。駆動エレメント（１０）は、この実施態様においては、あらかじめ弾力が付与されている押しボタン（１１）に結合されており、結合エレメント（８）のカップリング歯（８４）を動かす円すい端を備えている（図２参照）。この円すい端は、回転軸（７）に垂直な方向の力をもたらして、結合エレメント（８）を、外縁（８１）がジャケットライン（４４）と再び重なり合うまで、または、外縁（８１）がドライブヘッド（４）の内側まで変位するまで、旋回させる。このようにして、ロータ（１）を、再び上方に引き上げて、ドライブヘッド（４）から分離することが可能となる。
【００２４】
図３は、スリーブ（３）と結合エレメント（８）が接触した状態を詳細に示している。結合エレメント（８）は、水平線に対して、角度αで傾斜した傾斜面（８３）を備えている。この傾斜面（８３）は、同様に水平線に対して角度αで傾斜し、この傾斜面（８３）に対応するスリーブ（３）の傾斜面（３３）と相互に係合した状態で接触する。結合エレメント（８）とスリーブ（３）はそれぞれ、これらの傾斜面（３３、８３）をくさび面としている。高速回転により、ロータ（１）およびスリーブ（３）を持ち上げようとする力ＦAがこれらに作用すると、結合エレメント（８）がその上に存在する限り、図３に示される反力が、これらの傾斜面（３３、８３）上に生じることになる。傾斜面（３３）に垂直な方向の垂直抗力ＦNが、保持力ＦHとともに、結合エレメント（８）に作用する。この保持力ＦHは、摩擦係数をμ0とした場合に、ＦH＝ＦN×μ0と表される。この保持力ＦHは、結合エレメント（８）の復元力ＦRによって打ち消される。傾斜角αと摩擦係数μ0との間に以下の関係が成り立つ場合には、結合エレメント（８）は、つり上げ力ＦAの作用により、横方向に旋回することができない。
【００２５】
α ＜ ａｒｃ ｔａｎ μ0
【００２６】
たとえば鋼／鋼のドライな表面（固体同士の摩擦）間に生じる摩擦係数０．３では、傾斜角αは１６．７°よりも小さくなければならない。このような自動的な係合は、ロータ（１）が静止している場合にも生じる。結合エレメント（８）の側面が、押圧バネ（４５）によって押圧されると、保持力ＦHに加えて、バネの力ＦFが結合エレメント（８）に作用する。 ロータ（１）の回転に伴い、回転速度に応じた遠心力ＦZも加わることになる。この結果、回転するロータを保持しようとする合計保持力ＦHgesは、次のように表される。
【００２７】
ＦHges ＝ μ0 × ＦA・ｃｏｓα ＋ ＦF・ｃｏｓα ＋ ＦZ・ｃｏｓα
【００２８】
図４に、ＦHに対するＦRの割合（力比）の速度ｎに応じた変化を示す。ＦHに対するＦRの割合が１となる場合が、自動的な係合がもたらされるボーダーラインとなる。傾斜角が１５°では、ＦHに対するＦRの割合は、それぞれの摩擦係数が０．３であり、本発明で選択されうるような材料の組み合わせにおいては、１よりも小さくなる（図４参照）。速度の増加に伴い、遠心力による影響も大きくなるため、ＦHに対するＦRの割合は、速度ｎの上昇とともに減少することなる。したがって、ロータは、速度の増加に伴い、より安全にロックされることとなる。
【００２９】
図５に、ドライブヘッド（４）とスリーブ（３）の間の接触領域についての細部を示す。ドライブヘッド（４）の円すい状の領域に厚さｔのごみ（４８）が堆積しているとする。スリーブ（３）またはロータ（１）が下降しても、スリーブ（３）の円すい面（３２）は、ドライブヘッド（４）の円すい面（４２）上に到達することはなく、ごみが存在しない場合よりも、高さｈの分だけより高い位置にとどまることになる。円すいの傾きβをより大きくすることにより、清浄な場合とゴミが堆積している場合における、結合エレメント（８）までの高さの差が小さくなり、ごみの堆積による影響をより低減することができる。結合エレメント（８）が動作する空間は限られており、最大で０．５ｍｍのごみが堆積すると仮定すると、この実施態様では、円すいの傾きを３５゜程度とすることになる。
【００３０】
ドライブヘッド（４）の円すい面（４２）の一部に凹部（４７）を設けることで、円筒面（４１）に堆積したごみの影響をより低減させることができる。これらの凹部（４７）は、円筒面（４１）に堆積していたごみを、スリーブ（３）の下降に伴って、受け入れるので、これらのごみが円すい面（４２）にさらに堆積することが防止される。
【符号の説明】
【００３１】
１  ロータ
２  収納部
３  スリーブ
４  ドライブヘッド
５  接続エレメント
６  凹部
７  回転軸
８  結合エレメント
９  旋回軸
１０  駆動エレメント
１１  押ボタン
３１  円筒面
３２  円すい面
３３  傾斜面
４１  円筒面
４２  円すい面
４４  ジャケットライン
４５  圧力バネ
４６  バネ止め
４７  凹部
４８  ごみ
８１  外縁
８２  伸長部
８３  傾斜面
８４  カップリング歯
１００  遠心分離機
【図１】
0005379854.tif 000002
【図２】
0005379854.tif 000003
【図３】
0005379854.tif 000004
【図４】
0005379854.tif 000005
【図５】
0005379854.tif 000006