(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、ロータを回転駆動するモータと、該直流電源と該モータ間に配される駆動用スイッチング素子と、前記モータの発電電圧を入力すると共に前記駆動用スイッチング素子にパルス幅制御用のオン・オフ信号を出力し前記モータの回転数を制御する制御手段とを備えた遠心機において、前記制御手段は時間の経過と共にオン期間が増大するパルス幅制御信号を前記駆動用スイッチング素子に出力することを特徴とする遠心機。
【請求項２】
前記制御手段は、前記駆動用スイッチング素子のパルス幅制御用のオン・オフ信号の出力を制御し、時間の経過と共にオン期間が増大するパルス幅制御信号と前記モータの発電電圧から前記モータを一定回転数に保つために帰還処理して得られたパルス幅制御信号とのうち、パルス幅の狭い方の信号を選択して前記駆動用スイッチング素子に出力する請求項１記載の遠心機。
【請求項３】
直流電源と、ロータを回転駆動するモータと、該直流電源と該モータ間に配される駆動用スイッチング素子と、前記モータに並列に接続された減速用スイッチング素子と、前記モータの発電電圧を入力すると共に前記駆動用スイッチング素子にパルス幅制御用のオン・オフ信号を出力し前記モータの回転数を制御し且つ前記減速用スイッチング素子にオン・オフ信号を出力し前記モータを減速停止する制御手段とを備えた遠心機において、前記制御手段は所定時間、前記減速用スイッチング素子にオン信号を出力し前記モータの回転数を低下させた後にオン・オフを繰り返すパルス幅制御信号を前記減速用スイッチング素子に前記モータの発電電圧が所定電圧に低下するまで出力することを特徴とする遠心機。
【請求項４】
ドアと、該ドアをロック・アンロックする揺動自在なドアフックと、該ドアフックをロック側に弾発保持するバネと、前記ドアフックをアンロック側に吸引保持し前記制御手段により励磁を制御されるソレノイドとを備え、前記制御手段は所定時間前記減速用スイッチング素子にオン信号を出力し前記モータの回転数を低下させた後にオン・オフを繰り返すパルス幅制御信号を前記減速用スイッチング素子に前記モータの発電電圧が所定電圧に低下するまで出力し、その後、前記ソレノイドに励磁信号を出力することを特徴とする請求項３記載の遠心機。
【請求項５】
ドアと、該ドアをロック・アンロックする揺動自在なドアフックと、該ドアフックをロック側に弾発保持するバネと、前記ドアフックをアンロック側に吸引保持するソレノイドと、前記ドアフックがアンロック側にあるときその状態に掛止し前記ドアの閉塞によりその掛止を開放をするインターロックバネと、前記ドアフックに連動動作し前記ドアフックがロック側にあるとき閉成するドアロック検出スイッチと、前記ドアに連動動作し前記ドアが閉塞状態にあるとき閉成するドアスイッチと、直流電源と、ロータを回転駆動するモータと、前記直流電源と前記モータの間に介して接続された駆動用スイッチング素子と、該駆動用スイッチング素子に信号を出力し前記モータを制御すると共に前記ソレノイドの吸引保持を励磁制御する制御手段を備え、前記ドアロック検出スイッチと前記ドアスイッチを前記直流電源と前記モ−タの間に介して直列に接続したことを特徴とする遠心機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流の定電圧を出力するＡＣアダプター等を電源として利用する小形卓上タイプの遠心機の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
小形卓上タイプのパ−ソナル・ユ−ス向けのこの種の遠心機は、ロータ回転数を検出するために、従来ロータを回転駆動するモータの回転軸にエンコーダ等を連結し、この信号出力によりモータの回転数制御、ロ−タが回転中はロックしロ−タ周速が低くなるとロックを解除するドアロック制御等を行っている。
【０００３】
しかし、ロータ回転数検出のためモータの回転軸にエンコーダを連結すると、エンコ−ダを装着するぶん遠心機の高さが増しこれに伴い製品の重心が高くなるため、ロータを高速で回転させる上で不安定になり好ましいものではなかった。
【０００４】
また、従来この種の遠心機に於いては、遠心機の操作を容易にするため遠心機のドアを閉めるとドアスイッチが閉成しこれに伴いモ−タが起動しロータが回転する構成になっているため、例えば遠心機のドアが開状態にあるにもかかわらずドアスイッチの故障により不意にロータが回転する恐れがあった。
【０００５】
さらに、直流の定電圧を出力するACアダプター等の電源には通常過電流防止の保護機能が内蔵されているため、停止状態にあるモータを回転開始させる時の起動電流によりこの過電流防止の保護機能が動作しないようにモータに直列に抵抗器などを接続し起動を確保する構成を用いると、例えば冷蔵庫で低温保管しておいた遠心機を運転するとき等充分な起動電流が得られず回転を開始しない不具合があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来の遠心機は、回転装置としての重心位置が高かく、またドアが開状態にあるにもかかわらずドアスイッチの故障により不意にロータが回転してしまうこと、更には遠心機を運転時に充分な起動電流が得られずモータが回転を開始しないなどの問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題を解消し、ロータ回転数の検出にエンコーダを用いずモ−タの逆起電圧から検出し遠心機の高さを押さえ重心を下げて安定性を増し、インターロック機構を設けスイッチ等の故障による安全性を向上させると共に、モータの緩和起動制御によりモ−タ起動時のトルクを確保し低温起動特性を向上させた新規な遠心機を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＡＣアダプター等の直流電源とロータを回転駆動する直流モータと上記直流電源とこの直流モータの間に直列に介して接続された駆動用スイッチング素子と上記直流モータに並列に接続された減速用スイッチング素子と上記直流モータの発電電圧を入力すると共に上記駆動用スイッチング素子及び上記減速用スイッチング素子に制御信号を出力する制御手段と、ドアとこのドアをロック・アンロックする揺動自在なドアフックとこのドアフックをロック側に弾発保持するバネと上記ドアフックをアンロック側に吸引保持するソレノイドと上記ドアフックがアンロック側にあるときその状態に掛止し上記ドアの閉塞によりその掛止を開放するインターロックバネと上記ドアフックに連動動作し上記ドアフックがロック側にあるとき閉成するドアロック検出スイッチと上記ドアに連動動作し上記ドアが閉塞状態にあるとき閉成するドアスイッチとを備え、上記ドアロック検出スイッチと上記ドアスイッチを上記直流電源と上記モ−タの間に介して直列に接続し、上記制御手段は、時間の経過とともにオン期間が増大するパルス幅制御信号と上記直流モータの発電電圧から上記直流モータを所定の一定回転数に保つために帰還処理して得られたパルス幅制御信号のうちパルス幅の狭い方の信号を選択して上記駆動用スイッチング素子に出力して上記直流モータの回転数を制御し、一方上記直流モータを減速停止する際は、所定の時間上記減速用スイッチング素子にオン信号を出力し上記直流モータの回転数を低下させた後にオン・オフを繰り返すパルス幅制御信号を前記減速用スイッチング素子に上記直流モータの発電電圧が所定電圧に低下するまで出力ししかる後に上記ソレノイドに励磁信号を出力することにより達成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的実施例を以下図面に就いて詳細に説明する。本発明の具体的実施例となる図１に示すブロック図において、１は交流電源、２は交流を入力し直流を出力する直流電源となるＡＣアダプター、ＡＣアダプター２の出力端にはドアスイッチ３、ドアロック検出スイッチ４、駆動用スイッチング素子５となるトランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子、モータ６となるこの例では直流の磁石モータがそれぞれ直列に接続されており、８は試料を遠心分離するモータ６により回転駆動されるロータである。なお、本実施例における遠心機は、予め決められたロータ及び目標（最高）回転数で使用されるものであり、種々のロータ及び異なる設定回転数を有するものではなく、更に利用される試料としては少ない時間で簡単に分離されるものが適用される。また、７はモ−タ６に並列に接続されたモ−タ６の環流用ダイオ−ド、同様にして９は減速用スイッチング素子となる、トランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子である。１０はＡＣアダプター２の出力端に接続された遠心機のドアロックを解除するソレノイド、１１は同様にしてソレノイド１０を励磁するスイッチング素子であり、この場合スイッチング素子１１がONするとソレノイド１０に励磁電流が流れて遠心機のドアロックが解除されるようになっている。２５はソレノイド１０の電源側に設けられたソレノイド１０に印加する電圧を選択制御スイッチング素子であり、これに並列にダイオード、ツェナーダイオード等の電圧降下素子２６が接続されている。２４はソレノイド１０に並列に接続された環流用ダイオードである。
【００１０】
２１は制御手段となるこの場合の例ではシングルチップＣＰＵ（以下ＣＰＵ２１と略称する）であり、モ−タ６の両端に並列に接続された抵抗器１２、１３でモータ６の発電電圧を分圧しコンデンサ１４により発電電圧のリプルを平滑除去し、この信号はＣＰＵ２１のＡ／Ｄ変換入力端子２３に入力されている。１５はＣＰＵ２１の信号出力によって駆動用スイッチング素子５のＯＮ・ＯＦＦを制御するゲ−トドライバ１５、同様にして１６は減速用スイッチング素子９の制御用の、１７はスイッチング素子１１の制御用の、２７はスイッチング素子２５の制御用のそれぞれゲ−トドライバである。
【００１１】
１８はドアロック検出スイッチ４のＯＮ・ＯＦＦ状態を検出するスイッチ検出部、１９はドアスイッチ３のＯＮ・ＯＦＦ状態を検出するスイッチ検出部、２０は停止用スイッチであり、これらの信号出力は夫々ＣＰＵ２１の信号入力端に接続されている。
【００１２】
続いて、図２、図３の本発明になる遠心機の部分断面図において、図１と同一の機能部分には同一の番号が付してあり、５０は遠心機のドア、５２はドア５０をロック・アンロックする揺動自在なドアフックであり回転ピン５５に軸支されている。５６はドアフック５２をドア５０のロック側に弾発保持するバネとなるツルマキバネであり、５７はドアフック５２をドア５０のアンロック側に吸引保持するソレノイド１０のプランジャであり、プランジャ５７には揺動ピン５８が嵌着されており揺動ピン５８はドアフック５２に挟持されているためソレノイド１０の励磁によるプランジャ５７の吸引動作によりツルマキバネ５６の弾発力に抗ってドアフック５２がアンロック側に吸引保持されるようになっている。ドア５０は蝶番機構６２がドアフック５２側と対抗する側に設けてあり、これを軸にボデー５１に対して回動が自在になっており、揺動ピン５８はドアロック検出スイッチ４のレバー５９をツルマキバネ５６がドアフック５２をドア５０のロック側に弾発保持するとき押圧し、ドアロック検出スイッチ４をON状態に保持するようになっている。５４はドアフック５２がアンロック側にあるときその状態にドアフック５２を当接掛止し、一方、ドア５０の閉塞により押圧湾曲されドアフック５２の窪みに突出しその掛止を開放するインターロックバネであり、このドア５０を上記になる閉塞操作の際にはドア５０によりドアスイッチ３のレバー５３を押圧しドアスイッチ３をON状態に保持するようになっている。５１は遠心機のボデー、６０、６１は夫々モ−タ６とボデー５１の間に介して設けられた上部ダンパー、下部ダンパーであり、停止用スイッチ２０はボデー５１の正面に設けられている。
【００１３】
なお、図２、図３は夫々、ドア５０がボデー５１に対して開いている状態、閉じている状態を示している。
【００１４】
本発明の動作について図４のタイムチャート、図５および図６の処理フローを参照しながら以下説明する。なお、これらの各図において図１、図２及び図３と同一の機能部分には同一の番号が付してある。
【００１５】
図４において、動作モ−ドＩはモ−タ６のソフトス−タトであり、遠心機のドア５０を締めるとインターロックバネ５４がドアフック５２の窪みに突出しこれと同時にドアスイッチ３がＯＮになりスイッチ検出部１９の出力は電圧ＨｉレベルとなりＣＰＵ２１はドアスイッチ３のＯＮを検出し、ＣＰＵ２１はゲ−トドライバ１７へＯＦＦ信号を出力してスイッチング素子１１をＯＦＦさせソレノイド１０の励磁を止める。これに伴いドアフック５２がツルマキバネ５６に弾発されドア５０はドアフック５２によりロック側に保持される。そして揺動ピン５８によりレバー５９が押圧されドアロック検出スイッチ４はＯＮとなりモ−タ６は回転可能状態になる。
【００１６】
従って、ドア５０を閉めない状態でドアスイッチ３がＯＮになる故障が発生しても、インターロックバネ５４がドアフック５２を当接掛止しているから、例えソレノイド１０の励磁が止んでもプランジャ５７は移動しないから揺動ピン５８もドアアンロック位置に留まりレバー５９を押圧することは無くドアロック検出スイッチ４はＯＦＦ状態を保ち、モ−タ６には電圧が印加されないのでモ−タ６は回転せず安全が保たれる。他方、ドア５０を閉めない状態でドアロック検出スイッチ４がＯＮになる故障が発生した場合には、ドアスイッチ３がＯＮになるのは既にドア５０を閉めた状態なので、モ−タ６が回転してもロータ８に触れることはないので安全である。
【００１７】
次に、ＣＰＵ２１はゲ−トドライバ１５へＯＮ信号を出力してスイッチング素子５によりモ−タ６の駆動を開始し、これと並行して、後述する試料のドライアップ防止のためＣＰＵ２１の内部タイマＴＭＲ２に１０分のタイマをセットする。この時、モ−タ６は直流モ−タなので直流電源２の出力電圧を瞬時に１００％印加するとモ−タ６の巻線抵抗値でほぼ決まる過大な起動電流が流れ直流電源２の過電流保護機能が動作して出力電圧が低下してモ−タ６が起動できなくなる。そのためＣＰＵ２１からゲ−トドライバ１５へＯＮ・ＯＦＦ信号を出力するいわゆるＰＷＭパルス幅制御のＯＮパルス幅を徐々に広くするソフトスタ−ト制御動作によりモ−タ６を起動する。この間の様子を図５に示し、図５の所定時間間隔タイマ割り込み処理フローに於いてＣＰＵ２１は、モ−タ６の起動トルクを最大に発生させるために処理ステップ２００にてＣＰＵ２１内のメモリ２２のソフトスタ−ト用メモリＳＡＣＣに所定の初期値を設定し、処理ステップ２０１にてＡ／Ｄ変換入力端子２３の発電電圧Ａ／Ｄ入力電圧１０１（図４）をモ−タ６の現在回転数とし回転数偏差値ＰＷＭＰを目標回転数−現在回転数の差分値として算出し、処理ステップ２０２にて回転数偏差積分値新ＰＷＭＩを旧ＰＷＭＩ＋Ｓ（積分値）から算出する。なお、上記Ｓは先に算出された回転数偏差値ＰＷＭＰの大きさ、符号に連動し設定されており、ＳはＰＷＭＰと比例或いは非線形な値として設定され符合は同順となる。次に処理ステップ２０３にて速度制御値となるＰＷＭパルス幅制御ＰＷＭをＰＷＭＰ＋新ＰＷＭＩから算出する。そして処理ステップ２０４にて速度制御ＰＷＭ パルス幅１０３とソフトスタ−トＳＡＣＣパルス幅１０４の大小を比較し、ＰＷＭ＞ＳＡＣＣの場合は動作モ−ドＩのソフトスタ−ト制御動作を引き続き継続し、処理ステップ２０５にて新ＳＡＣＣ＝旧ＳＡＣＣ＋１から新ＳＡＣＣを算出してＰＷＭパルス幅制御のＯＮパルス幅を徐々に広くし、処理ステップ２０６にて新ＳＡＣＣをメモリ２２に格納すると共にＣＰＵ２１の内部タイマＴＭＲ３にセットする。なお、図４ではタイムアップ時間（ＴＭＲ３）を１０分にしているが、この１０分は安全及び本遠心機の分離時間等から設定された時間であり、数分しか遠心分離を行わない場合における適応時間やストップボタンを押し忘れた場合に自動停止するために必要な余裕をもった時間としている。また、時間は１０分と限られるものではなく例えば１５分，２０分であっても良い。更にこのタイムアップ時間（ＴＭＲ３）を固定値ではなく可変としても良い。処理ステップ２０８にてタイマＴＭＲ３のタイマ動作時間分ゲ−トドライバ１５から駆動用スイッチング素子５をＯＮにし、つまりモ−タ６駆動パルス幅１０２はソフトスタ−トＳＡＣＣパルス幅１０４が選択されモ−タ６を制御する。処理ステップ２０１から処理ステップ２０８までのこの一連の処理は、所定の時間間隔により繰り返し実行されＰＷＭ＞ＳＡＣＣの関係まで続く。処理ステップ２０５で算出する新ＳＡＣＣの増加に伴いモ−タ６駆動パルス幅１０２が増加するので駆動モ−タ６の回転数１００とこれに伴い発電電圧Ａ／Ｄ入力電圧１０１も上昇する。以上の動作モ−ドＩのソフトスタ−トの制御に��り、モ−タ６の起動電流を直流電源２の過電流保護値以下に保ちながら且つモ−タ６のトルクを最大に引き出すことが可能である。
【００１８】
次に処理ステップ２０４でＰＷＭ≦ＳＡＣＣの場合は図４の動作モ−ドIIの速度制御状態に入り、モ−タ６駆動パルス幅１０２は速度制御ＰＷＭパルス幅１０３が選択されモ−タ６を目標回転数で速度制御する。すなわち、処理ステップ２０７にてＰＷＭ制御用タイマＴＭＲ３にセットし、処理ステップ２０８にてタイマＴＭＲ３のタイマ動作時間分ゲ−トドライバ１５から駆動用スイッチング素子５をＯＮにし、上記と同様の所定の時間間隔で処理ステップ２０１から処理ステップ２０７を経由し処理ステップ２０８の処理によりで演算したＰＷＭにより駆動モ−タ６の回転数１００を一定の回転数に制御する。以上の動作モ−ドIIの速度制御は、モ−タ６の発電電圧はモ−タ回転数にほぼ比例して発生する特性を利用することによってエンコ−ダ等の回転センサ無しでモ−タ６の速度制御を可能としている。ふせて直流電源２が故障してモ−タ６に過大な電圧が印加された場合にも速度制御動作が働き異常な高速回転を防止することも可能としている。
【００１９】
次に、図４及び図６を参照しながらモ−タ６の動作モ−ドIIIの自然減速、動作モードIVの急速減速、動作モードＶのパルス幅制御減速動作について説明する。
【００２０】
処理ステップ３００により停止用スイッチ２０が押されるか或いは処理ステップ３０１により遠心分離する試料のドライアップ防止のためソフトスタート後例えば１０分間の時間が経過しＴＭＲ２がタイムアップすると、ＣＰＵ２１は動作モ−ドIIIの自然減速に制御動作を移行する。
【００２１】
動作モ−ドIIIの自然減速は、動作モードIIから直接動作モードIVに移行すると、モータに定速度制御から急速減速に伴う反力の反転によりモ−タ６の上部ダンパー６０、下部ダンパー６１に過大な回転トルクが加わりモータ６の座りが変わってしまうのを防止するために設けてあり、約０．５秒間程度この状態を維持し処理ステップ３０２によりＣＰＵ２１はゲ−トドライバ１５へ駆動用スイッチング素子５のＯＦＦ指令を出力する。
【００２２】
動作モ−ドIVの急速減速は処理ステップ３０３以下の処理により行われる。発電電圧Ａ／Ｄ入力電圧１０１すなわちモ−タ６の回転数に例えば比例した急速減速時間を算出しＣＰＵ２１の内部タイマＴＭＲ１に算出結果をセットすると共に、処理ステップ３０４によりをゲ−トドライバ１６に減速用スイッチング素子９のＯＮ指令を出力する。処理ステップ３０６は上記の急速減速時間がタイマＴＭＲ１によりタイムアップしたかをチェックする処理であり、この時間が経過すると処理ステップ３０７により図４の動作モードＶのパルス幅制御減速動作に移行する。
【００２３】
処理ステップ３０７はＣＰＵ２１からゲ−トドライバ１６に減速用スイッチング素子９に例えばデューティ５０％のＯＮ・ＯＦＦ信号を出力する処理であり、処理ステップ３０８はこのＯＮ・ＯＦＦ制御によりモ−タ６に減速力を加えながらしかもモ−タ６の回転に伴う発電逆起電圧がモ−タ６の内部インダクタンスにより昇圧された電圧を発電電圧Ａ／Ｄ入力電圧１０１としてＣＰＵ２１にＳＴＯＰＡＶとして逐次取り込む処理であり、モ−タ６の回転停止付近の発電電圧そのものの値では値が小さく停止判定の回転数信号として使用できないためこのような制御動作を行う。処理ステップ３０９は予め定められた回転停止判定値ＳＴＯＰＳＴと昇圧された逆起電圧ＳＴＯＰＡＶの大小を比較するためＳＴＯＰＳＴ−ＳＴＯＰＡＶの減算をする処理である。処理ステップ３１０はＳＴＯＰＳＴ−ＳＴＯＰＡＶ≦０の判別を行い、ＳＴＯＰＳＴ−ＳＴＯＰＡＶ≦０ならば処理スッテプ３０８へ戻りＳＴＯＰＡＶの測定を行う。 また、ＳＴＯＰＳＴ−ＳＴＯＰＡＶ＞０ならば処理スッテプ３１１に進みモ−タ６の回転数は十分低下したものと判断しゲ−トドライバ１６から減速用スイッチング素子９のＯＦＦ指令を出力し動作モードＶのパルス幅制御減速動作を完了する。具体的一実施例として、定速回転数１００００min-1に対してロータ８の周速が２ｍ／秒以下となる回転数３８９min-1を検出しドアロックを解除する。
【００２４】
この後、ゲ−トドライバ１７からスイッチング素子１１のＯＮ信号を出力しソレノイド１０を励磁しドアロックを解除する。これにより、ドアフック５２がツルマキバネ５６に弾発されつつドア５０の掛止を開放するので、ドア５０は蝶番機構６２を支点にして図示しない弾発機構等により持ち上がり図２から図３の状態に開く。
【００２５】
なお、ソレノイド１０を励磁してドアロック検出スイッチ４がＯＦＦするまでソレノイド１０に強力な吸引力を付与し確実なドアロックを解除が行え、ドアロック検出スイッチ４がＯＦＦされた後ではソレノイド１０の余分な温度上昇を防ぐために、ＣＰＵ２１はゲ−トドライバ２７から選択制御スイッチング素子２５のＯＦＦ指令を出力し電圧降下素子２６を介して直流電源２の減圧された電圧がソレノイド１０に印加されるようにしてある。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、モータの回転軸に連結されるエンコーダ等を用いずロータ回転数をモ−タの逆起電圧から検出するようにしたので、遠心機ボデーが低くなり重心が下がりロータ回転時の安定性を増すことができる。また、直流電源とモ−タの間にドアスイッチとドアロック検出スイッチを直列に介在させて接続し、しかもこれらのスイッチはインターロック機構により遠心機のドアの閉成により連動する構成としたので、これらのスイッチ等の故障による不意なモータの回転を防げ安全性を向上することができる。更にモータの起動に緩和起動制御を付加したので、ＡＣアダプター等の過電流防止の保護機能を動作させずスムーズにモ−タを起動させることができ、併せてモ−タ起動トルクを確保し低温起動特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の具体的実施例を示すブロック図である。
【図２】  本発明の具体的実施例を示す遠心機の部分断面図である。
【図３】  本発明の具体的実施例を示す遠心機の部分断面図である。
【図４】  本発明の動作を示すタイムチャ−トである。
【図５】  本発明の動作を示すフロ−チャ−トである。
【図６】  本発明の動作を示すフロ−チャ−トである。
【符号の説明】
２は直流電源、３はドアスイッチ、４はドアロック検出スイッチ、５は駆動用スイッチング素子、６はモ−タ、８はロータ、９は減速用スイッチング素子、１０はソレノイド、２１は制御手段、５０はドア、５２はドアフック、５４はインターロックバネ、５６はバネである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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