(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心機の振動を調和するための装置であって、
質量の中心を有するローターと、
前記ローターを取付けそして回転するために適した、垂直軸を有する上方駆動シャフト（１１）と、
回転源へ連結された下方駆動シャフト（２０）と、
前記上方駆動シャフト（１１）と前記下方駆動シャフト（２０）との間の相対的横方向運動を許容するのに適した、前記上方駆動シャフトを前記下方駆動シャフトへ可撓性に連結するための可撓性カップリング（２２）と、
ディスクベアリング（４２）を使用して前記上方駆動シャフト（１１）へ回転可能に取付けられた、下側面および上側面を有するディスク（４０）と、
認知できるほど放射方向ローター運動に影響することなく、前記ディスク（４０）のどちらの側面の軸方向の運動をも拘束するのに適した、前記ディスクの上下面に近接して配置された滑りベアリング（６０，６４）と、
前記ディスク（４０）の上側面に対抗して配置された減衰ベアリング（６８）と、そして
前記ディスク（４０）の放射方向変位を感知する手段（１００，１０２）と、前記減衰ベアリング（６８）を前記ディスクの上側面に対抗して配置し、それにより前記ディスクの振動を減衰するのに適した、あらかじめ定めた値を超える放射方向変位に応答する手段（１０４）
を備えている前記装置。
【発明の詳細な説明】
本発明の分野
本発明は、回転体を調和するための方法および装置、そして詳しくはローターの臨界および旋回速度を通るローター加速および減速の間遠心機ローターに誘発される振動を減らすための方法および装置に関する。
先行技術の説明
遠心機は、材料のサンプルを密度によってその成分へ分離するために遠心力へ服させるための装置である。遠心機の慣用使用は、患者から得た血液を遠心力により赤血球および血漿成分へ分離する臨床分析検査所においてである。ローターは、遠心力への露出の間分離すべきサンプルを支持するバケットもしくは空胴を外側に備えることができる。
ローターは、モーターまたは他の運動エネルギー源、駆動シャフト、およびローターがその上に受入れられる駆動シャフト上端に配置されたローター取付装置を含んでいる遠心システムの一部である。高速度で回転する他の機械的装置もしくは物体と同様に、ローターは一定の自然振動周波数を持っており、これはローターが一定の臨界速度で回転している時に顕著になる。ローターは平常その重力の幾何学的中心のまわりを回転する。臨界速度（ローターの共鳴振動数）においては、ローターはその回転軸をローターの幾何学的中心からローター質量中心へ側方へシフトしようとする。これがローターの振動を発生させる。さらにもしローターが不適切な負荷その他のために均衡していなければ、振動は大きく増大される。正常使用の間、ローターは停止位置からその運転速度へ加速される時、そして遠心が終了した後その運転速度から停止位置へ減速される時、一般にその臨界速度を通過する。システムの回転エネルギーはもっと高い作業速度におけるエネルギーに比較して低いけれども、典型的には製作上の公差によって導入されるローターの少しのインバランスがローターの最大振動振幅を発生するのは、回転のもっと低いいわゆる”臨界速度”においてである。それ故典型的には、遠心機ローターマウントもしくはジャイロ設計には、ローターの回転がその臨界速度へ近づきそして通過する時にシステムによって発生する力を調和させる何らかの形のコンプライアンス機構が設けられる。
オペレーターが遠心機ローターを負荷する時、重要な目的は、駆動シャフトのまわりに重量バランスした態様的なサンプル分布を達成することであり、そして通常この目的へ到達するための指示が提供される。しかしながら合理的バランスはしばしば不可能である。例えば、ある緊急状況は部分的に満たされたローターをもって遠心機を運転し、または極端な場合、ローター内に収容したたった一つのチューブをもって遠心機を運転することを必要とし得る。このように遠心機の設計において第２の重要な配慮は、さもなければ遠心機を損傷することができる非対称サンプル負荷から発生するローター振動を減らすことである。もし減らしもまたは十分に減衰しなければ、本来のローターインバランスおよび／またはサンプル負荷パターンから発生する全体のインバランスは遠心機の早期故障をもたらし得る。
臨界速度を通過するローターの加速および減速に関連する諸問題は良く知られており、そしてそのような振動を減らすためおよび／または振動減衰を助けるための種々の機構が開発されている。
米国特許No.４，８４６，７７３（Ｇｉｅｂｅｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ．）は、駆動シャフトが截頭円錐形表面を有する、遠心機のための振動ダンパーを開示する。駆動シャフトの振動はその回転軸を横断し、そして截頭円錐形表面によって駆動軸上に同心的に取りつけたプランジャーの線形運動へ変換される。このプランジャーはソレノイドの内側に取付けられ、そしてソレノイドによって減衰されたその線形運動を有する。
米国特許No.４，２３６，４２６（Ｍｅｉｎｋｅ  ｅｔ  ａｌ．）は、ばね、ダンパー、おもりおよび／または減衰器が連結され、そしてローターに対して連結されない、遠心機ローターのための減衰システムに関する。これはローターの回転速度がその臨界速度へ近づく時ローターのたわみ性を変える。これら減衰装置の効果はローターの臨界速度を変えることにある。これら装置は臨界速度をローターが通過するのを容易にするように活性化されそして非活性化される。
米国特許No.４，０９８，４５７（Ｇｒｏｐｐｅｒ  ｅｔ  ａｌ．）は、静止ステーターへ取付けた浮きステーターパッドと、該パッドとステーターの間の摩擦を増加する手段とに関する。ローターの過剰な振動はステーターパッドとの摩擦接触によって伝達される。Ｇｒｏｐｐｅｒ  ｅｔ  ａｌ．は振動減衰におけるステーターパッド効率を増すためにステーターパッドとステーターの間の摩擦接触を増すための手段を提供する。
米国特許No.３，３２２，３３８（Ｓｔａｌｌｍａｎ  ｅｔ  ａｌ．）は、モーターの回転軸と同軸に回転部材を支持するフレームによって支持された可動ベアリングアセンブリを有する遠心機を開示する。回転部材はモーターを解放しそしてローターを規定された回転軸に保持するためローターを係合するように前進および後退位置の間を可動である。回転部材はあらかじめ定めた限界内で横に動くことが許容され、それにより臨界トランスミッション速度における側方ローター運動を減衰する。
米国特許No.２，９６１，２７７（Ｓｔｅｒｎｌｉｃｈｔ）は、固定ベアリング上のシャフト両端の中間に截頭円錐形ジャーナル部分をシャフトが持っているベアリングシステムを開示する。截頭円錐形ジャーナルとの係合および脱係合へ可動なように一つのベアリングが調節自在な支持体上に取付けられる。可動ベアリングは、シャフトが臨界角速度へ達する前にジャーナルと係合され、そして角速度が臨界値よりも大きくなった後にシャフトから脱係合される。
米国特許No.２，９５１，７３１（Ｒｕｓｈｉｎｇ）は、２組の同心の離れた円筒形スリーブを含んでいる減衰手段を持つ遠心機を開示する。このスリーブはシャフト振動を追従し、そしてシャフトに関して固定された他のスリーブとオーバーラップするように配置される。粘稠な液体がシャフト振動を減衰するためにオーバーラップするスリーブ間に保持される。
米国特許No.３，４３０，８５２（Ｌｅｎｋｅｙ  ｅｔ  ａｌ．）は、臨界速度において安定性を提供するためローターと摩擦接触する遠心機ローター安定化装置を開示する。
これら先行技術アプローチは、一般にローターの運動を制限するために機械的接触および関連する力に依存している。これは一般に振動をローターから他の機械的部品へシフトすることによって達成される。この機械的接触は通常浪費的なエネルギー損失を提供する摩擦接触を含んでいる。
米国特許No.３，９０２，６５９（Ｂｒｉｎｋａｎ  ｅｔ  ａｌ．）は、第１の軸方向に分極した磁気リングでつくった上方ベアリングと、そしてフェライト材料を含んでいる第２のリングを有するローター安定化装置を開示する。リングの一方はローターへ固着され、そして他方のリングはローターに関して静止して保持される。リングは、ローターの発振により誘導リング中に渦電流を発生させ、それが振動エネルギーを吸収する。Ｂｒｉｎｋｍａｎ  ｅｔ  ａｌ．は、臨界速度において発生する振動を緩和するため摩擦の使用に関連した先行技術問題のいくつかを克服するように見られる。不幸にも磁気カップリング使用の彼等の解決方法は大きい臨界速度振動を良く調和しない。
それ故、好ましくはローターの機械的減衰なしでまたは最小機械的減衰をもって、臨界速度を通過する物体の回転加速を許容する方法を提供することが望まれる。また、高度に非対称な負荷ローターから発生するローター振動を減らす方法を提供することが有益であると信じられる。
本発明の概要
本発明は、回転システム内で、特に高度に非対称に負荷されたローターの場合に発生する振動を調和させるため、機械的装置の運動および／または高摩擦相互作用を要するものを含む、既知の減衰システムの複雑な動力学に関連する困難の多くを克服する。
本発明は、遠心機器に使用されるローターの振動を調和および／または制限するための方法および装置に関する。本発明は、遠心ローターにおいて振動を調和するための装置であって、該装置は、
垂直軸を有し、該軸のまわりの回転のため遠心機ローター取付のための駆動シャフトと、
前記シャフトの回転のための駆動手段と、
前記シャフト上に取付けたベアリング手段と、
前記ベアリング手段上に取付けられ、前記シャフトのまわりを回転できるディスクと、
前記ディスクの垂直運動を制限し、それによりローターがその質量中心のまわりを回転することを許容する制限手段を備える。本発明の望ましい特徴は、前記ディスクの放射方向変位を感知する手段と、そしてあらかじめ定めた値を超える放射方向変位に応答して前記ディスクの回転を拘束し、それにより遠心機ローターの振動を減衰する手段を含んでいる。
このように、本発明は、幾何学的軸のまわりを回転している慣性モーメントおよび質量中心を有する回転体がその臨界速度を通過する時発生する振動を調和する方法を含むことが見られ、該方法は、回転体の慣性モーメントを維持するステップおよび回転体がその回転軸をその質量中心へシフトすることを許容するステップを含む。
ローターの駆動シャフトに取付けた自由回転ディスクのためのすべり支持体を設けることにより、ローターはその回転軸を質量中心へシフトすることが許容される。本発明はこのように、ローターへ放射方向質量を増すが、先行技術が行っているように慣性モーメントを増加しない。これはローターが臨界速度においてさえも振動しようとする傾向を減らし、そして先行技術の多くが行っているように、臨界速度においてさえも振動を減らすためローター速度を遅くしない。例えばバランスしていないローターについてのように、振動が発生する範囲内で、ローターはディスクによりそのような振動を減衰するようにすべりベアリングによって周縁でグリップされる。弾性体材料は使用しないから、ばね定数による発振は促進されない。本発明の装置は簡単で、複雑な回転型ダンパーの使用を必要としない。
【図面の簡単な説明】
明細書とあわせていくつかの図面は本発明のより良い理解を提供するであろう。図面において、類似の参照数字は類似の部品に使用されている。
図１は、遠心機ローターの振動を減らすための方法および装置を使用する遠心機の斜視図である。
図２は、図１に示した遠心機のためのジャイロの分解図である。
図３は、図２のジャイロの縦断面である。
図４は、図１の遠心機調和装置と共に使用される振動センサーのブロック図である。
好ましい具体例の説明
図１には、本発明に従って構築した回転体振動調和装置が見られる。図示した装置は遠心機ローターのためジャイロである。ジャイロは、ローターを駆動し、そして位置決めもしくは取付けるための上方駆動シャフト１１（図３）を含んでいる。ノブ１２がそのようなローターをジャイロ上に固定するために設けられる。本発明の振動調和装置は、スクリュー１８によりハウジングへ固着されたキャップ１６を有するハウジング１０を含んでいる。図１の下部には、上方駆動シャフト１１を回転するための適当なモーター（図示せず）へ取付けることができる駆動プーリー１７が見られる。
今や図２および３を参照すると、本発明の装置の詳細が一層明瞭に見られる。図３の上部において、上方シャフト１１へ取付けられそしてノブ１２によって固定された慣用タイプでよいローター１３が見られる。ジャイロは二つのシャフト、記載した上方シャフト１１および下方駆動シャフト２０からなり、これらシャフトは、二つのシャフトの間の相対的横方向運動（シャフトの回転軸に対して直角な）を許容する可撓性カップリング２２によって一体に連結されている。この可撓性カップリング２２はこのタイプの任意の適当なカップリングでよく、一つの適当なカップリングはＳｅｒｖｏｍｅｔｅｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより製造されるカップリングである。可撓性カップリング２２は上端および下端キャップマウントそれぞれ２４，２６を有する。各自はそれぞれの駆動シャフト２０および１１を収容するための端部ポートを有する。下端キャップマウント２６は、ローター（シャフト）のホーム位置を感知するための旗として使用し得る探査ピン２８をその中に有する。この位置は旗２２の位置を観察しそして既知の態様でローターの位置を制御するために使用し得る適当なトランスジューサー３０によって感知される。
下方駆動シャフト２０は、軸受ハウジング３８内に適当なワッシャーおよび保持リング３４によって配置されたボールベアリング３２によって固定される。ボールベアリング３２は適当なスペーサーベアリング３６によって分離されている。軸受ハウジング３８は適当なねじによりハウジング１０の下端へ固定される。
上方駆動シャフト１１は切り株の形であり、その下端は上端キャップマウント２４中に固定され、そしてディスク４０が一体に形成されたハブの形の軸受ハウジング４６に収容されたディスクベアリング４２内に配置される。ディスク４０は好ましくはステンレス鋼で形成され、そして上端が一般にカップ形でそしてキャップ１６によりカバーされたハウジング１０内に配置される。ハウジング１０は、上方駆動シャフト１１の放射方向運動をクッションするバンパーとして作用するプラスチックボス５０が位置するカウンターボアを有する。ディスクベアリング４２は適当なワッシャーおよび保持リング５２によりハウジング４６の両端において固定される。
本発明によれば、好ましくは下方支持滑りベアリング６０の形の複数の拘束手段がディスク４０の水平面における回転を支持するためにディスク４０の下に配置される。これら下方支持ベアリング６０は、ハウジング１０のキャップ形部分の下方部分中に形成されたくぼみ６２中に、好ましくは等周間隔位置（６つが示されている）に配置される。対応して、３個の等周間隔上方滑りベアリング６４は、対応する下方支持ベアリング６０の軸方向上部に配置された、キャップ１６に形成された等間隔くぼみ内に配置される。上方拘束ベアリング６４は、下方支持ベアリング６０の３個の上だけに配置され、残りの等周間隔支持ベアリング６０の真上に配置された、ソレノイド作動滑りベアリング６８の形の減衰手段のための室を許容する。
ソレノイド作動ベアリング６８は、３個のソレノイド７０によって作動され、該ソレノイドはキャップ１６に反対向きに嵌合し、そして減衰ベアリング６８へ取付けたソレノイドシャフトを作動化するように作動する。減衰ベアリング６８は、低滑り摩擦を有するグラファイドを有するＶｅｓｐｅｌのような適当な材料で作られる。対応して、上方拘束ベアリング６４は、やはり低い滑り摩擦を有するＥｒｔａｌｙｔｅポリエステルのような適当な材料で作ることができる。実際に、滑りベアリングは、名指しすればしかし少数であるが、テフロン、ナイロン、デルリンのような低い滑り摩擦を与える任意の適当な材料でつくることができる。上方ベアリング６４および６８は、それらはディスクの上側と接触しないかまたは軽く接触するように配置される。
ソレノイドの制御は、図４に示すような機構によって提供される。この図において、ディスクはその周辺近くに配置され、そしてディスク４０の半径限界と重なる発光ダイオート（ＬＥＤ）を持つことが示されている。ＬＥＤは適当な検出器１０２に向かって下向きになっている。このように、ディスクの側方運動は検出器１０２へ達する光の量を変動させ、ディスクの振動の大小の程度を知らせるであろう。検出器１０２の出力は適当な慣用のコントローラー１０４へ連結され、検出器１０２によって感知されたディスク４０の振動の振幅に応じて、ソレノイド７０を小程度または大程度制御もしくは作動化する。記載したソレノイドは、減衰ベアリング６８をディスク４０の頂面に対して指向させる。
作動において、ローターが臨界速度を通過して加速または減速する時、ローターの回転によって発生するバランスしない力は、それ自体で振動として明示される。Ｓｅｒｏ  Ｍｅｔｅ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｅｄａｒ  Ｇｒｏｖｅ，Ｎ．Ｊ．により提供されるような可撓性カップリング２２は、下方シャフト２０に対する上方シャフト１１の側方向運動を許容する。振動はまたそれ自体ディスク４０の放射方向運動に明示される。本発明によれば、ディスク４０は、上方シャフト１１の回転軸に対して直角に動くのは自由である。下方支持ベアリング６０および上方拘束ベアリング６４によって提供される支持のため、駆動シャフトおよびローターマウントを含む全体のアセンブリは、側方、すなわち駆動シャフト１１の回転軸に対して直角にシフトすることが許容され、このためそのような振動に調和する。
これらの振動は駆動シャフトに対して少しも拘束力を適用することなく調和され、それ故アセンブリの回転中心はその質量中心に沿って回転するようにシフトすることが許容される。換言すれば、本発明の装置は放射方向質量を増すが、慣性モーメントは増さない。これはローラーベアリング４２の低摩擦の故ディスク４０は自由に回転しているが、ディスクはすべりベアリング６０の摩擦の故ローターの速度で回転しないからである。拘束ベアリング６８は単にディスクを支持し、ディスクへ少しももしくは少ししか摩擦を課さない。このため慣性モーメント（角トルクと発生した角加速度との比）には変化が全くもしくは少ししかない。さらに、弾性体材料を使用しないので、振動を永続させるもしくは振動を活性化しようとするばね定数に関連する諸問題がない。本発明は真に質量センターリングを許容するものとして評価することができる。
検出器１０２によって過剰の振動が検出された時は、ソレノイド７０が作動化され、ソレノイド作動ベアリング６８をディスク４０の上面に当て、それによりディスクに対して滑り摩擦を適用することによってそれ以上の運動を減衰し、そしてディスクが垂直もしくは放射方向に動く能力を制限する。このように、ディスク４０の使用は第１にジャイロおよびローターの振動を調和し、そして次にもしそのような振動が過剰であれば、ソレノイドベアリング６８をディスク４０の側面に係合するように作動化することによってそのような振動をさらに調和することを見ることができる。ディスクが回転してもしなくてもすべての時点で、それはベアリングを取付けてあるので、ローターを駆動するため適用されるトルクを妨害も減少もしない。ディスクは、垂直運動に抵抗することにより、その回転平面を外れてディスクを再位置決めしようとする発振を制限する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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