遠心分離機、遠心分離機用ロータ
【課題】ロータと回転ヘッドの簡単な着脱と、確実な固定の両方を実現する。
【解決手段】本発明の遠心分離機のロータは、回転ヘッドが挿入されるロータ穴と雄型部材とを備える。雄型部材は、ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が回転軸の下方にあり、重心よりも下方の回転シャフトと反対側に凸部を有する。回転ヘッドは、上部に回転シャフトの軸心を中心とする円筒状であり、内側面に環状の凹部を有するロータ結合部を備える。回転シャフトが停止した状態でロータが回転ヘッドの上に配置されているときには、雄型部材はロータ結合部の内側にあり、かつ、雄型部材の凸部がロータ結合部の凹部と対向している。回転シャフトが回転すると、凸部が凹部に嵌るように可動する。また、凸部が凹部に嵌っているときに、ロータを回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合に、凸部には凹部に嵌る方向に力が加わる。
【解決手段】本発明の遠心分離機のロータは、回転ヘッドが挿入されるロータ穴と雄型部材とを備える。雄型部材は、ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が回転軸の下方にあり、重心よりも下方の回転シャフトと反対側に凸部を有する。回転ヘッドは、上部に回転シャフトの軸心を中心とする円筒状であり、内側面に環状の凹部を有するロータ結合部を備える。回転シャフトが停止した状態でロータが回転ヘッドの上に配置されているときには、雄型部材はロータ結合部の内側にあり、かつ、雄型部材の凸部がロータ結合部の凹部と対向している。回転シャフトが回転すると、凸部が凹部に嵌るように可動する。また、凸部が凹部に嵌っているときに、ロータを回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合に、凸部には凹部に嵌る方向に力が加わる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸心が鉛直方向である回転シャフトの上部に取り付けられた回転ヘッドと、回転ヘッドの上部に配置されるロータとを備えた遠心分離機に関する。特に、ロータと回転ヘッドとの着脱方法および固定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心分離機は、軸心が鉛直方向である回転シャフト、回転シャフトを回転させるためのモータ、回転シャフトの上部に取り付けられた回転ヘッド、試料を入れるためのロータ、ロータの上部を覆う蓋、全体を覆う筺体から構成されている。そして、ロータは、回転シャフトに着脱可能である。着脱の最も一般的な方法はネジ止めであるが、回転シャフト、回転ヘッド、ロータが回転する際に生じる遠心力を利用して、回転中はロータが回転ヘッドから外れないようにした遠心分離機もある。具体的には、特許文献１、特許文献２、特許文献３などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実公昭４２−１８３９９号公報
【特許文献２】特許第４２３９１１９号明細書
【特許文献３】特許第３８６１４７６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１、特許文献２、特許文献３は、いずれかの部材が遠心力で外側に移動することを利用し、回転中はロータが回転ヘッドから外れないようにしている。しかし、回転によって生じる力は遠心力だけではなく、高速回転時には揚力も生じる。特に、蓋をしないで回転させてしまった場合、蓋を確実に止めないで回転させてしまった場合や、大きなアンバランスが生じた状態で回転させてしまった場合など、本来の使い方でない場合に、想定外のロータを離脱させる力（ロータの回転によって発生する揚力および振動などのロータを持ち上げる力）が発生し、ロータが外れてしまう事故が発生している。つまり、特許文献１、特許文献２、特許文献３のような遠心力だけを利用した構造では、誤操作がありえることも考慮すると、高速回転させたときに十分な安全性は確保できていない。
【０００５】
本願発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、遠心分離機において、ロータと回転ヘッドの簡単な着脱と、ロータを離脱させる力も考慮したロータと回転ヘッドの確実な固定の両方を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の遠心分離機は、軸心が鉛直方向である回転シャフトの上部に取り付けられた回転ヘッドと、回転ヘッドの上部に配置されるロータとを備える。ロータは、回転ヘッドが挿入されるロータ穴と雄型部材とを備える。雄型部材は、ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が回転軸の下方にあり、重心よりも下方の回転シャフトと反対側に凸部を有する。回転ヘッドは、上部に回転シャフトの軸心を中心とする円筒状であり、内側面に環状の凹部を有するロータ結合部を備える。そして、回転シャフトが停止した状態でロータが回転ヘッドの上に配置されているときには、雄型部材はロータ結合部の内側にあり、かつ、雄型部材の凸部がロータ結合部の凹部と対向している。回転シャフトが回転すると、凸部が凹部に嵌るように可動する。また、凸部が凹部に嵌っているときに、ロータを回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合に、凸部には凹部に嵌る方向に力が加わる。例えば、凹部の上側の面である凹部上面の法線が、回転軸よりも軸心に近い位置を通るように形成されている。つまり、ロータに離脱力が働いて上方に持ち上げられた場合に、凸部の上側の面（凸部接触面）と凹部上面とが接触する面の法線が、回転軸の中心よりも軸心に近い位置を通るように回転軸が配置されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の遠心分離機によれば、ロータを回転ヘッドに取り付ける際にネジ止めの必要がない。また、ロータを回転ヘッドから取り外す際にもネジを外す必要がない。さらに、回転中に想定していないロータを回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合にも、凸部と凹部とが離れない。したがって、簡単な着脱と確実な固定の両方を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の遠心分離機の内部の構成を示す断面図。
【図２】ロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図３】ロータのフレームと雄型部材の部分を拡大した図。
【図４】回転しているときの雄型部材と回転ヘッドとの関係を示す断面図。
【図５】ロータ２０を離脱させる力を、凸部６２−１が凹部８に嵌る方向の力に変換する原理を説明する図。
【図６】変形例１のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図７】変形例１のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面斜視図。
【図８】回転シャフトが停止した状態での変形例２のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図９】変形例２のフレーム２１を示した図。
【図１０】回転シャフトが回転した状態での変形例２のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図１１】回転シャフトが停止しても雄型部材がロータ結合部の内側に戻らない状態のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図１２】雄型部材をロータ結合部の内側に戻した状態のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図１３】変形例４のロータのフレームと雄型部材とガイドピンの部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図１４】変形例４の回転ヘッドを上部側から見た平面図。
【図１５】変形例４のフレームと雄型部材とガイドピンを拡大した図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の遠心分離機の内部の構成を示す断面図である。この図には、軸心９が鉛直方向である回転シャフト３と、回転シャフト３の上部に取り付けられた回転ヘッド２と、回転ヘッド２の上部に配置されるロータ２０と、ロータ２０の上部を覆う蓋２５が示されている。なお、図示されていないが、回転シャフト３を回転させるためのモータ、全体を覆うための筺体なども、遠心分離機１の構成要素である。
【００１１】
ロータ２０の上部側は試料を入れる部分であり、試料挿入部３６を複数備えている。また、ロータ２０は、回転ヘッド２が挿入されるロータ穴２８、２９、フレーム２１、雄型部材２３−１、２３−２、ガイドピン２４なども備える。なお、ロータ穴２８は直径が一定の断面円形の穴であり、ロータ穴２９は直径が穴の内部ほど小さくなった断面円形の穴である。また、この図では雄型部材は２つ配置されているが、１つでもよいし、３つ以上でもよい。雄型部材の数は、ロータ２０の大きさなどを考慮して適宜決めればよい。雄型部材２３−１、２３−２は、ロータ穴２８の内部に水平に配置された回転軸２２−１、２２−２を中心として回転自在であり、重心が回転軸２２−１、２２−２の下方にあり、重心よりも下方の回転シャフト３の軸心９と反対側に凸部６２−１、６２−２を有する。なお、ロータ２０を組み立てる際には、まず雄型部材２３−１、２３−２をフレーム２１に取り付け、その後フレーム２１をロータ２０に取り付ければ、製造が容易である。また、ロータ２０は、軸心９を中心とした断面円形の貫通穴３０、３１も備えており、フレーム２１に形成されている貫通穴３１にはネジ（ネジ部）が形成されている。
【００１２】
回転ヘッド２は、上部にロータ結合部６と駆動ピン７を備える。ロータ結合部６は、回転シャフトの軸心９を中心とする円筒状であり、内側面に環状の凹部８を有する。また、回転ヘッド２は、ロータ結合部６の外側に、ロータ穴２８に嵌る直径が一定で断面円形の円柱部分４と、ロータ穴２９に嵌る直径が下部ほど大きくなった断面円形の円錐台部分５も有する。蓋２５は、つまみ２６と、つまみ２６を回転させることによりフレーム２１の貫通穴３１にネジ止めするためのネジ部２７を有している。また、ガイドピン２４は駆動ピン７の間しか移動できないので、回転ヘッド２が回転すると、駆動ピン７からガイドピン２４に動力が伝えられ、ロータ２０が回転する。また、回転ヘッド２が停止するときも、駆動ピン７によってガイドピン２４の移動範囲が限定されるので、ロータ２０は回転ヘッド２と一緒に停止する。
【００１３】
回転シャフト３が停止した状態でロータ２０が回転ヘッド２の上に配置されているときには、雄型部材２３−１、２３−２の重心が回転軸２２−１、２２−２の真下となる。このとき、雄型部材２３−１、２３−２はロータ結合部６の内側にあり、かつ、雄型部材２３−１、２３−２の凸部６２−１、６２−２がロータ結合部６の凹部８と対向している。
【００１４】
回転シャフト３が回転すると、凸部６２−１、６２−２が凹部８に嵌るように可動する。そして、凸部６２−１、６２−２が凹部８に嵌っているときに、ロータ２０を回転ヘッド２から離脱させる力が加わると、凸部６２−１、６２−２には凹部８に嵌る方向に力が加わる。例えば、前記凹部６２−１、６２−２の上側の面である凹部上面１１の法線が、回転軸よりも軸心に近い位置を通るように形成されている。つまり、ロータに離脱力が働いて上方に持ち上げられた場合に、凸部６２−１、６２−２の上側の面（図２の凸部接触面３５−１）と凹部上面１１との接点から引いた法線が、回転軸の中心３３−１、３３−２よりも軸心９に近い位置を通るように回転軸２２−１、２２−２を配置すればよい。
【００１５】
図２はロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図、図３はロータのフレームと雄型部材の部分を拡大した図、図４は回転しているときの雄型部材と回転ヘッドとの関係を示す断面図である。図３（Ａ）は、フレームを上部側から見た平面図、図３（Ｂ）はＡ−Ａ断面で切断した場合の断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のＢ方向から見た場合の側面図である。なお、図２と図４は、雄型部材２３−１のみしか示していないが、このように１つの雄型部材でもよいし、図１や図３のように２つの雄型部材を備えてもよいし、上述したように３個以上備えても良い。凹部８は、ロータ結合部６の内側面よりも窪んだ凹部底面１０と、ロータ２０に離脱力が発生したときに凸部６２−１と接触する凹部上面１１と、ロータ結合部６の最上部に位置する凹部円筒部１２で構成されている。凸部６２−１は、ロータ２０が回転したときに凹部底面１０と接触して雄型部材２３−１の姿勢（位置）を決める凸部位置決め面３４−１と、ロータ２０に離脱力が発生したときに凹部上面１１と接触する凸部接触面３５−１で構成されている。図４に示したように、凹部上面１１の凸部接触面３５−１との接触部分から引いた法線は、回転軸の中心３３−１よりも軸心９に近い位置を通っている。
【００１６】
本発明の遠心分離機は、このような構造なので、ロータを回転ヘッドに取り付ける際にネジ止めの必要がない。また、ロータを回転ヘッドから取り外す際にもネジを外す必要がない。さらに、回転中に想定していないロータを回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合にも、凸部と凹部とが離れない。したがって、簡単な着脱と確実な固定の両方を実現できる。
【００１７】
ロータを離脱させる力を、凸部が凹部に嵌る方向の力に変換する原理
次に、ロータ２０を離脱させる力を、凸部６２−１が凹部８に嵌る方向の力に変換する原理を説明する。図５は、この原理を説明するための模式図である。この図では、凸部６２−１を円、雄型部材２３−１を線で表している。また、これらの図では、雄型部材２３−１の質量は凸部６２−１に集中しているものとする。図５（Ａ）は凹部上面１１が水平の場合を、図５（Ｂ）は凹部上面１１と凸部６２−１との接点から引いた法線が回転軸の中心３３−１よりも軸心９から遠い位置を通る場合を、図５（Ｃ）は凹部上面１１と凸部６２−１との接点から引いた法線が回転軸の中心３３−１よりも軸心９に近い位置を通る場合であって、離脱力が発生していないときを、図５（Ｄ）は凹部上面１１と凸部６２−１との接点から引いた法線が回転軸の中心３３−１よりも軸心９に近い位置を通る場合であって、離脱力が発生しているときを示している。
【００１８】
図５には、凸部６２−１に働く力のうち、重力による力Ｆ１、遠心力による力Ｆ２、ロータ２０を離脱させる力によって凸部６２−１が受ける力Ｆ３を示している。これらの力の他に、凸部６２−１には、凹部底面１０や凹部上面１１が凸部６２−１を押し返す反力、雄型部材２３−１が凸部６２−１を引っ張る力があるが、これらの力は、Ｆ１〜Ｆ３と釣り合うために生じる力なので、図では省略している。
【００１９】
力Ｆ１の方向は下向きであり、力Ｆ２の方向は図の右方向である。また、雄型部材２３−１は回転軸を中心として回転自在だから、力Ｆ３の方向は回転軸の中心３３−１の方向である。そして、凸部６２−１は、これらの力の合計の方向に動こうとするので、反時計回りに動こうとしたり、時計回りに動こうとしたりする。反時計回りに動こうとする場合は、凸部６２−１が凹部８に嵌ろうとする方向であり、結局、凸部６２−１は凹部上面１１か凹部底面１０に押し付けられる。そして、凹部上面１１か凹部底面１０からの反力も凸部６２−１に働く力として加わり、凸部６２−１に働く力がつりあう。一方、時計回りに動こうとする場合は、凸部６２−１が凹部８から外れる場合であり、ロータ２０が離脱してしまう危険がある。 まず、力Ｆ３がない場合を考える。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）のどの場合も、力Ｆ１と力Ｆ２の合計の方向と雄型部材２３−１の線とが一致するように、凸部６２−１は動こうとする。したがって、回転速度が速くなり、Ｆ２が十分大きくなれば、凸部６２−１が凹部８に嵌る。例えば、１分間に１０００回転する場合、軸心９から１ｃｍ離れた位置では、Ｆ２はＦ１の１０倍以上となる。なお、図５（Ｃ）の場合は、凹部上面１１と凸部６２−１との接点から引いた法線が回転軸の中心３３−１よりも軸心９に近い位置を通るので、力Ｆ３がないときには、凸部６２−１は凹部底面１０にのみ接触しており、凹部上面１１との間には隙間がある。
【００２０】
一方、力Ｆ３が加わると力の関係が変化する。以下の説明では、力Ｆ３の凹部上面１１と垂直の力を力Ｆ３１、平行の力を力Ｆ３２とする。回転数が一定ならば、力Ｆ１と力Ｆ２は一定である、しかし、ロータ２０が外れるような事故では想定していない力Ｆ３が加わる。つまり、力Ｆ３が大きくなったときでも凸部６２−１が凹部８に嵌ろうとする力が加わるかを確認すれば、凹部上面１１をどのような向きにすればよいかが分かる。
【００２１】
まず、凹部上面１１と平行の力について検討する。図５（Ａ）と図５（Ｂ）の場合、力Ｆ３が大きくなれば力Ｆ３２も大きくなるので、凸部６２−１が凹部８に嵌ろうとする力は弱くなってしまう。また、そもそも力Ｆ３は想定外の力なので、凸部６２−１が凹部８に嵌ろうとする力がどの程度残るのか設計できない。したがって、外れる方向に力が加わる危険がある。
【００２２】
一方、凹部上面１１と凸部６２−１との接点から引いた法線が回転軸の中心３３−１よりも軸心９に近い位置を通る場合には、力Ｆ３がないときには、凸部６２−１と凹部上面１１との間には隙間がある（図５（Ｃ））。そして、ロータ２０に強い離脱力が働くと、図５（Ｄ）に示すように、回転軸の中心３３−１が持ち上げられ、凸部６２−１と凹部上面１１とが接触する。ここで、図５（Ｄ）中の３３’−１は、力Ｆ３が働く前の回転軸の中心の位置を示している。図５（Ｄ）の場合、力Ｆ３が大きくなれば力Ｆ３２も大きくなるので、凸部６２−１が凹部８に嵌ろうとする力は強くなる。したがって、凹部上面１１と凸部６２−１との接点から引いた法線が回転軸の中心３３−１よりも軸心９に近い位置を通る場合（凹部上面の法線が、回転軸よりも軸心に近い位置を通るように形成されている場合）には、ロータ２０を離脱させる力を、凸部６２−１が凹部８に嵌る方向の力に変換できるので、想定していないロータを回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合にも、凸部と凹部とが離れない。
【００２３】
このように、本発明によれば、ロータを回転ヘッドに取り付ける際にネジ止めの必要がない。また、ロータを回転ヘッドから取り外す際にもネジを外す必要がない。さらに、回転中に想定していないロータを回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合にも、凸部と凹部とが離れない。したがって、簡単な着脱と確実な固定の両方を実現できる。
【００２４】
［変形例１］
実施例１では、雄型部材２３−１、２３−２の重心が回転軸２２−１、２２−２の真下となったときに、雄型部材２３−１、２３−２はロータ結合部６の内側にあるように配置されていた。しかし、設計上の都合から、回転シャフト３が停止した状態での重心の位置を回転軸２２−１、２２−２の真下ではない位置に調整したい場合もある。図６は変形例１のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図、図７は変形例１のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面斜視図である。本変形例では、回転シャフト３が停止した状態での重心の位置を、回転軸２２−１、２２−２の真下よりも軸心９に近い位置に調整した例を示す。本変形例では、フレーム２１に環状の弾性体６１が備えられており、雄型部材２３−１、２３−２を軸心９側に押している。
【００２５】
このように、回転シャフト３が停止した状態での重心の位置を調整できるので、設計自由度が増加させることができる。
【００２６】
［変形例２］
小型ロータ（概ね５ｋｇ以下）は高速回転（１８０００〜２２０００回転）するとロータ穴２８、２９と回転ヘッド２の円柱部分４と円錐台部分５の間にある微小な隙間が原因となって、振動が生じることがある。本変形例では、この課題を解決する。
【００２７】
図８は回転シャフトが停止した状態での変形例２のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図、図９は変形例２のフレーム２１を示した図、図１０は回転シャフトが回転した状態での変形例２のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図である。図９（Ａ）は図８のＣ側からフレーム２１を見た側面図であり、図９（Ｂ）は図８のＤ側からフレーム２１を見た側面図である。図１０（Ａ）はロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図、図１０（Ｂ）は第２雄型部材４０に加わる力を示す図、図１０（Ｃ）は雄型部材２３−１に加わる力を示す図である。本変形例では、ロータ２０は第２雄型部材４０も備えている。第２雄型部材４０は、ロータ穴２８の内部に水平に配置された回転軸２２−２を中心として回転自在であり、重心が回転軸２２−２の下方にあり、重心よりも下方の回転シャフト３と反対側に第２凸部４１を有する。また、本変形例では、第２雄型部材４０の厚みｗに対して、雄型部材２３−１の厚みをｗ／２としている。
【００２８】
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、第２雄型部材４０の重心が回転軸２２−２の真下となる。このとき、第２雄型部材４０はロータ結合部６の内側にあり、かつ、第２雄型部材４０の第２凸部４１がロータ結合部６の凹部８と対向している。回転シャフト３が回転すると、第２凸部４１が凹部の一部（図１０では、凹部上面１１と凹部円筒部１２の凹部境界線４２）と接触するように移動する。また、雄型部材２３−１も実施例１で説明したように移動し、凸部６２−１が凹部底面１０に接触する。このように、雄型部材２３−１と第２雄型部材４０とを非対称とすることで微妙な力のアンバランスが生じるので、ロータ２０が回転ヘッド２のどこかに押さえつける力が生じる。この力が働くことで、ロータ穴２８、２９と円柱部分４と円錐台部分５の間にある微小な隙間は一方に寄せられるので、振動を軽減できる。
【００２９】
より具体的には、以下のような原理によるものと考えられる。雄型部材２３−１の厚みを第２雄型部材４０の半分としたことで、雄型部材２３−１は第２雄型部材４０よりも軽くなる。したがって、回転時に働く第２雄型部材４０の遠心力Ｆ１は雄型部材２３−１の遠心力Ｆ４よりも大きい。まず、回転軸の中心３３−２を支点としたときのモーメントのつりあいについて考える。遠心力Ｆ１は回転軸２２−２を時計回りにまわそうとする。また、第２凸部４１と凹部境界線４２とが接触している面は軸心９に平行ではないので、摩擦を考えなければ、第２凸部４１は凹部境界線４２から力Ｆ２（接触している面の法線方向の力）を受ける。力Ｆ２は回転軸２２−２を反時計回りにまわそうとする。そして、これらの力によって生じるモーメントがつりあう。したがって、回転軸２２−２には遠心力Ｆ１と力Ｆ２の合計の力Ｆ３が加わることになる。次に、回転軸の中心３３−１を支点としたときのモーメントのつりあいについて考える。遠心力Ｆ４は、回転軸２２−１を反時計回りにまわそうとする。また、凹部底面１０は軸心９に平行な面なので、凸部６２−１は遠心力Ｆ４と反対の方向に力Ｆ５を受ける。力Ｆ５は回転軸２２−１を時計回りにまわそうとする。そして、これらの力によって生じるモーメントがつりあう。したがって、回転軸２２−１には遠心力Ｆ４と力Ｆ５の合計の力Ｆ６が加わることになる。つまり、ロータ２０には力Ｆ３と力Ｆ６が働くことになり、ロータ２０は、全体的には図１０の左下方向に押し付けられることになる。実際には、摩擦なども加わるためさらに複雑な力が加わっていると考えられるが、いずれにしても雄型部材２３−１と第２雄型部材４０とを非対称とすることで生じる微妙な力のアンバランス（第２雄型部材４０が回転シャフト３の回転によって受ける力と、雄型部材２３−１が回転シャフト３の回転によって受ける力とはバランスが取れていないこと）によって振動が軽減していると考えられる。
【００３０】
なお、本発明では遠心力によって動く部材である雄型部材２３−１と第２雄型部材４０とがロータ２０に具備されている。したがって、ロータの重さや形状などを考慮してアンバランスの程度を最適に調整できるので、ロータの種類ごとに振動を十分に低減できる。
【００３１】
［変形例３］
これまでの実施例、変形例での説明では、回転シャフト３の回転が止まれば雄型部材２３−１、２３−２は、重力などによってロータ結合部６の内側に戻るので、ロータ２０を容易に取り外すことができると説明した。しかし、試料などが漏れてしまい、雄型部材２３−１、２３−２の周辺に付着してしまうことがある。このような場合に、回転シャフト３の回転が止まっても、雄型部材２３−１、２３−２がロータ結合部６の内側に戻らないことも想定される。本変形例ではこの課題を解決する。
【００３２】
図１１は回転シャフトが停止しても雄型部材がロータ結合部の内側に戻らない状態のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図、図１２は雄型部材をロータ結合部の内側に戻した状態のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図である。本変形例では、雄型部材２３−１、２３−２は、回転軸２２−１、２２−２よりも上方に、凸部６２−１、６２−２が凹部８に嵌った状態のときに貫通穴３１の内側に出る突起部４３−１、４３−２を有している。
【００３３】
遠心分離機１の回転が停止し、ロータ２０を取り外そうとするときに外れない場合、以下のように、雄型部材２３−１、２３−２をロータ結合部６の内側に戻せばよい。まず、蓋２５を外し、貫通穴３０、３１が見える状態にする。そして、先端が細くなった解除シャフト４４を貫通穴３０、３１に挿入する。解除シャフト４４は先端が細く、取っ手に近い方が徐々に太くなっているので、突起部４３−１は図の右方向、突起部４３−２は図の左方向に押される。したがって、図１２に示すように解除シャフト４４を深く押し込めば、雄型部材２３−１、２３−２をロータ結合部６の内側に戻すことができる。なお、解除シャフト４４の貫通穴３１に接触する部分にネジを形成しておき、フレーム２１の貫通穴３１に形成されたネジを利用して解除シャフト４４を押し込む仕組みにすれば、無理なく解除シャフト４４を押し込むことができる。
【００３４】
したがって、回転シャフト３の回転が止まっても、雄型部材２３−１、２３−２がロータ結合部６の内側に戻らない問題が生じても、雄型部材２３−１、２３−２をロータ結合部６の内側に戻すことができ、ロータ２０を取り外すことができる。
【００３５】
［変形例４］
実施例１の場合、ロータ２０と回転ヘッド２との位置関係は、ガイドピン２４が駆動ピン７の間に拘束されることによって決まる。しかし、ガイドピン２４は駆動ピン７の間では移動可能なので、ロータ２０と回転ヘッド２との間にはすべりが生じる。また、ロータ２０は回転ヘッド２の上部に配置されているが、ロータ２０は、円錐台部分５に支えられている。したがって、前述のすべりによって、特にロータ穴２９と円錐台部分５に摩耗が生じることになる。本変形例では、ロータ２０と回転ヘッド２との間のすべりをなくす。
【００３６】
図１３は変形例４のロータのフレームと雄型部材とガイドピンの部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図、図１４は変形例４の回転ヘッドを上部側から見た平面図、図１５は変形例４のフレームと雄型部材とガイドピンを拡大した図である。図１５（Ａ）は側面図、図１５（Ｂ）は下部側から見た底面図である。なお、図１３、図１５には雄型部材は１つしか示していないが、２つまたはそれ以上の雄型部材を備えても良い。本変形例のガイドピン５３は、実施例１のガイドピン２４よりも長い。そして、回転ヘッド２は、ガイドピン５３が挿入される駆動穴５１を備えている。
【００３７】
本変形例のロータ２０は、雄型部材２３−１の近傍にロータ結合部６の内側に入るガイドピン５３も備える。回転ヘッド２は、ガイドピン５３が挿入される駆動穴５１も備える。ロータ２０を回転ヘッド２の上部から取り付けるときには、まず、ガイドピン５３は、駆動ピン７によって範囲が限定される。そして、ガイドピン５３の先端は駆動穴５１に挿入され、ガイドピン５３は駆動穴５１に制限されてガイドピン５３の位置が決まる。
【００３８】
このように駆動穴５１によってガイドピン５３の位置が固定されるので、ロータ２０と回転ヘッド２との間にはすべりが生じない。したがって、ロータ穴２９と円錐台部分５の摩耗を防ぐことができる。
【００３９】
なお、図１４に点線で示した空気穴５４を備えても良い。空気穴５４はフレーム２１とロータ結合部６との間に閉じ込められた空気を外部に逃がす役割を果たす。フレーム２１とロータ結合部６が精度良く製造された場合、フレーム２１とロータ結合部６との間に閉じ込められた空気によって、ロータ２０が回転ヘッド２の上にスムーズに降りず、空気が抜けるにしたがってゆっくりと下降してしまうことがある。このようにゆっくりと下降したのでは操作者にとって余分な時間を費やすことになるし、ロータ２０の取り付けミスにもつながりやすい。したがって、空気穴５４を備えることで、このような課題を解決できる。
【符号の説明】
【００４０】
１ 遠心分離機 ２ 回転ヘッド
３ 回転シャフト ４ 円柱部分
５ 円錐台部分 ６ ロータ結合部
７ 駆動ピン ８ 凹部
９ 軸心 １０ 凹部底面
１１ 凹部上面 １２ 凹部円筒部
２０ ロータ ２１ フレーム
２２ 回転軸 ２３ 雄型部材
２４ ガイドピン ２５ 蓋
２６ つまみ ２７ ネジ部
２８、２９ ロータ穴 ３０、３１ 貫通穴
３３ 回転軸の中心 ３４ 凸部位置決め面
３５ 凸部接触面 ３６ 試料挿入部
４０ 第２雄型部材 ４１ 第２凸部
４２ 凹部境界線 ４３ 突起部
４４ 解除シャフト ５１ 駆動穴
５３ ガイドピン ５４ 空気穴
６１ 弾性体 ６２ 凸部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸心が鉛直方向である回転シャフトの上部に取り付けられた回転ヘッドと、回転ヘッドの上部に配置されるロータとを備えた遠心分離機に関する。特に、ロータと回転ヘッドとの着脱方法および固定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心分離機は、軸心が鉛直方向である回転シャフト、回転シャフトを回転させるためのモータ、回転シャフトの上部に取り付けられた回転ヘッド、試料を入れるためのロータ、ロータの上部を覆う蓋、全体を覆う筺体から構成されている。そして、ロータは、回転シャフトに着脱可能である。着脱の最も一般的な方法はネジ止めであるが、回転シャフト、回転ヘッド、ロータが回転する際に生じる遠心力を利用して、回転中はロータが回転ヘッドから外れないようにした遠心分離機もある。具体的には、特許文献１、特許文献２、特許文献３などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実公昭４２−１８３９９号公報
【特許文献２】特許第４２３９１１９号明細書
【特許文献３】特許第３８６１４７６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１、特許文献２、特許文献３は、いずれかの部材が遠心力で外側に移動することを利用し、回転中はロータが回転ヘッドから外れないようにしている。しかし、回転によって生じる力は遠心力だけではなく、高速回転時には揚力も生じる。特に、蓋をしないで回転させてしまった場合、蓋を確実に止めないで回転させてしまった場合や、大きなアンバランスが生じた状態で回転させてしまった場合など、本来の使い方でない場合に、想定外のロータを離脱させる力（ロータの回転によって発生する揚力および振動などのロータを持ち上げる力）が発生し、ロータが外れてしまう事故が発生している。つまり、特許文献１、特許文献２、特許文献３のような遠心力だけを利用した構造では、誤操作がありえることも考慮すると、高速回転させたときに十分な安全性は確保できていない。
【０００５】
本願発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、遠心分離機において、ロータと回転ヘッドの簡単な着脱と、ロータを離脱させる力も考慮したロータと回転ヘッドの確実な固定の両方を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の遠心分離機は、軸心が鉛直方向である回転シャフトの上部に取り付けられた回転ヘッドと、回転ヘッドの上部に配置されるロータとを備える。ロータは、回転ヘッドが挿入されるロータ穴と雄型部材とを備える。雄型部材は、ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が回転軸の下方にあり、重心よりも下方の回転シャフトと反対側に凸部を有する。回転ヘッドは、上部に回転シャフトの軸心を中心とする円筒状であり、内側面に環状の凹部を有するロータ結合部を備える。そして、回転シャフトが停止した状態でロータが回転ヘッドの上に配置されているときには、雄型部材はロータ結合部の内側にあり、かつ、雄型部材の凸部がロータ結合部の凹部と対向している。回転シャフトが回転すると、凸部が凹部に嵌るように可動する。また、凸部が凹部に嵌っているときに、ロータを回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合に、凸部には凹部に嵌る方向に力が加わる。例えば、凹部の上側の面である凹部上面の法線が、回転軸よりも軸心に近い位置を通るように形成されている。つまり、ロータに離脱力が働いて上方に持ち上げられた場合に、凸部の上側の面（凸部接触面）と凹部上面とが接触する面の法線が、回転軸の中心よりも軸心に近い位置を通るように回転軸が配置されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の遠心分離機によれば、ロータを回転ヘッドに取り付ける際にネジ止めの必要がない。また、ロータを回転ヘッドから取り外す際にもネジを外す必要がない。さらに、回転中に想定していないロータを回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合にも、凸部と凹部とが離れない。したがって、簡単な着脱と確実な固定の両方を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の遠心分離機の内部の構成を示す断面図。
【図２】ロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図３】ロータのフレームと雄型部材の部分を拡大した図。
【図４】回転しているときの雄型部材と回転ヘッドとの関係を示す断面図。
【図５】ロータ２０を離脱させる力を、凸部６２−１が凹部８に嵌る方向の力に変換する原理を説明する図。
【図６】変形例１のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図７】変形例１のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面斜視図。
【図８】回転シャフトが停止した状態での変形例２のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図９】変形例２のフレーム２１を示した図。
【図１０】回転シャフトが回転した状態での変形例２のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図１１】回転シャフトが停止しても雄型部材がロータ結合部の内側に戻らない状態のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図１２】雄型部材をロータ結合部の内側に戻した状態のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図１３】変形例４のロータのフレームと雄型部材とガイドピンの部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図。
【図１４】変形例４の回転ヘッドを上部側から見た平面図。
【図１５】変形例４のフレームと雄型部材とガイドピンを拡大した図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の遠心分離機の内部の構成を示す断面図である。この図には、軸心９が鉛直方向である回転シャフト３と、回転シャフト３の上部に取り付けられた回転ヘッド２と、回転ヘッド２の上部に配置されるロータ２０と、ロータ２０の上部を覆う蓋２５が示されている。なお、図示されていないが、回転シャフト３を回転させるためのモータ、全体を覆うための筺体なども、遠心分離機１の構成要素である。
【００１１】
ロータ２０の上部側は試料を入れる部分であり、試料挿入部３６を複数備えている。また、ロータ２０は、回転ヘッド２が挿入されるロータ穴２８、２９、フレーム２１、雄型部材２３−１、２３−２、ガイドピン２４なども備える。なお、ロータ穴２８は直径が一定の断面円形の穴であり、ロータ穴２９は直径が穴の内部ほど小さくなった断面円形の穴である。また、この図では雄型部材は２つ配置されているが、１つでもよいし、３つ以上でもよい。雄型部材の数は、ロータ２０の大きさなどを考慮して適宜決めればよい。雄型部材２３−１、２３−２は、ロータ穴２８の内部に水平に配置された回転軸２２−１、２２−２を中心として回転自在であり、重心が回転軸２２−１、２２−２の下方にあり、重心よりも下方の回転シャフト３の軸心９と反対側に凸部６２−１、６２−２を有する。なお、ロータ２０を組み立てる際には、まず雄型部材２３−１、２３−２をフレーム２１に取り付け、その後フレーム２１をロータ２０に取り付ければ、製造が容易である。また、ロータ２０は、軸心９を中心とした断面円形の貫通穴３０、３１も備えており、フレーム２１に形成されている貫通穴３１にはネジ（ネジ部）が形成されている。
【００１２】
回転ヘッド２は、上部にロータ結合部６と駆動ピン７を備える。ロータ結合部６は、回転シャフトの軸心９を中心とする円筒状であり、内側面に環状の凹部８を有する。また、回転ヘッド２は、ロータ結合部６の外側に、ロータ穴２８に嵌る直径が一定で断面円形の円柱部分４と、ロータ穴２９に嵌る直径が下部ほど大きくなった断面円形の円錐台部分５も有する。蓋２５は、つまみ２６と、つまみ２６を回転させることによりフレーム２１の貫通穴３１にネジ止めするためのネジ部２７を有している。また、ガイドピン２４は駆動ピン７の間しか移動できないので、回転ヘッド２が回転すると、駆動ピン７からガイドピン２４に動力が伝えられ、ロータ２０が回転する。また、回転ヘッド２が停止するときも、駆動ピン７によってガイドピン２４の移動範囲が限定されるので、ロータ２０は回転ヘッド２と一緒に停止する。
【００１３】
回転シャフト３が停止した状態でロータ２０が回転ヘッド２の上に配置されているときには、雄型部材２３−１、２３−２の重心が回転軸２２−１、２２−２の真下となる。このとき、雄型部材２３−１、２３−２はロータ結合部６の内側にあり、かつ、雄型部材２３−１、２３−２の凸部６２−１、６２−２がロータ結合部６の凹部８と対向している。
【００１４】
回転シャフト３が回転すると、凸部６２−１、６２−２が凹部８に嵌るように可動する。そして、凸部６２−１、６２−２が凹部８に嵌っているときに、ロータ２０を回転ヘッド２から離脱させる力が加わると、凸部６２−１、６２−２には凹部８に嵌る方向に力が加わる。例えば、前記凹部６２−１、６２−２の上側の面である凹部上面１１の法線が、回転軸よりも軸心に近い位置を通るように形成されている。つまり、ロータに離脱力が働いて上方に持ち上げられた場合に、凸部６２−１、６２−２の上側の面（図２の凸部接触面３５−１）と凹部上面１１との接点から引いた法線が、回転軸の中心３３−１、３３−２よりも軸心９に近い位置を通るように回転軸２２−１、２２−２を配置すればよい。
【００１５】
図２はロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図、図３はロータのフレームと雄型部材の部分を拡大した図、図４は回転しているときの雄型部材と回転ヘッドとの関係を示す断面図である。図３（Ａ）は、フレームを上部側から見た平面図、図３（Ｂ）はＡ−Ａ断面で切断した場合の断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のＢ方向から見た場合の側面図である。なお、図２と図４は、雄型部材２３−１のみしか示していないが、このように１つの雄型部材でもよいし、図１や図３のように２つの雄型部材を備えてもよいし、上述したように３個以上備えても良い。凹部８は、ロータ結合部６の内側面よりも窪んだ凹部底面１０と、ロータ２０に離脱力が発生したときに凸部６２−１と接触する凹部上面１１と、ロータ結合部６の最上部に位置する凹部円筒部１２で構成されている。凸部６２−１は、ロータ２０が回転したときに凹部底面１０と接触して雄型部材２３−１の姿勢（位置）を決める凸部位置決め面３４−１と、ロータ２０に離脱力が発生したときに凹部上面１１と接触する凸部接触面３５−１で構成されている。図４に示したように、凹部上面１１の凸部接触面３５−１との接触部分から引いた法線は、回転軸の中心３３−１よりも軸心９に近い位置を通っている。
【００１６】
本発明の遠心分離機は、このような構造なので、ロータを回転ヘッドに取り付ける際にネジ止めの必要がない。また、ロータを回転ヘッドから取り外す際にもネジを外す必要がない。さらに、回転中に想定していないロータを回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合にも、凸部と凹部とが離れない。したがって、簡単な着脱と確実な固定の両方を実現できる。
【００１７】
ロータを離脱させる力を、凸部が凹部に嵌る方向の力に変換する原理
次に、ロータ２０を離脱させる力を、凸部６２−１が凹部８に嵌る方向の力に変換する原理を説明する。図５は、この原理を説明するための模式図である。この図では、凸部６２−１を円、雄型部材２３−１を線で表している。また、これらの図では、雄型部材２３−１の質量は凸部６２−１に集中しているものとする。図５（Ａ）は凹部上面１１が水平の場合を、図５（Ｂ）は凹部上面１１と凸部６２−１との接点から引いた法線が回転軸の中心３３−１よりも軸心９から遠い位置を通る場合を、図５（Ｃ）は凹部上面１１と凸部６２−１との接点から引いた法線が回転軸の中心３３−１よりも軸心９に近い位置を通る場合であって、離脱力が発生していないときを、図５（Ｄ）は凹部上面１１と凸部６２−１との接点から引いた法線が回転軸の中心３３−１よりも軸心９に近い位置を通る場合であって、離脱力が発生しているときを示している。
【００１８】
図５には、凸部６２−１に働く力のうち、重力による力Ｆ１、遠心力による力Ｆ２、ロータ２０を離脱させる力によって凸部６２−１が受ける力Ｆ３を示している。これらの力の他に、凸部６２−１には、凹部底面１０や凹部上面１１が凸部６２−１を押し返す反力、雄型部材２３−１が凸部６２−１を引っ張る力があるが、これらの力は、Ｆ１〜Ｆ３と釣り合うために生じる力なので、図では省略している。
【００１９】
力Ｆ１の方向は下向きであり、力Ｆ２の方向は図の右方向である。また、雄型部材２３−１は回転軸を中心として回転自在だから、力Ｆ３の方向は回転軸の中心３３−１の方向である。そして、凸部６２−１は、これらの力の合計の方向に動こうとするので、反時計回りに動こうとしたり、時計回りに動こうとしたりする。反時計回りに動こうとする場合は、凸部６２−１が凹部８に嵌ろうとする方向であり、結局、凸部６２−１は凹部上面１１か凹部底面１０に押し付けられる。そして、凹部上面１１か凹部底面１０からの反力も凸部６２−１に働く力として加わり、凸部６２−１に働く力がつりあう。一方、時計回りに動こうとする場合は、凸部６２−１が凹部８から外れる場合であり、ロータ２０が離脱してしまう危険がある。 まず、力Ｆ３がない場合を考える。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）のどの場合も、力Ｆ１と力Ｆ２の合計の方向と雄型部材２３−１の線とが一致するように、凸部６２−１は動こうとする。したがって、回転速度が速くなり、Ｆ２が十分大きくなれば、凸部６２−１が凹部８に嵌る。例えば、１分間に１０００回転する場合、軸心９から１ｃｍ離れた位置では、Ｆ２はＦ１の１０倍以上となる。なお、図５（Ｃ）の場合は、凹部上面１１と凸部６２−１との接点から引いた法線が回転軸の中心３３−１よりも軸心９に近い位置を通るので、力Ｆ３がないときには、凸部６２−１は凹部底面１０にのみ接触しており、凹部上面１１との間には隙間がある。
【００２０】
一方、力Ｆ３が加わると力の関係が変化する。以下の説明では、力Ｆ３の凹部上面１１と垂直の力を力Ｆ３１、平行の力を力Ｆ３２とする。回転数が一定ならば、力Ｆ１と力Ｆ２は一定である、しかし、ロータ２０が外れるような事故では想定していない力Ｆ３が加わる。つまり、力Ｆ３が大きくなったときでも凸部６２−１が凹部８に嵌ろうとする力が加わるかを確認すれば、凹部上面１１をどのような向きにすればよいかが分かる。
【００２１】
まず、凹部上面１１と平行の力について検討する。図５（Ａ）と図５（Ｂ）の場合、力Ｆ３が大きくなれば力Ｆ３２も大きくなるので、凸部６２−１が凹部８に嵌ろうとする力は弱くなってしまう。また、そもそも力Ｆ３は想定外の力なので、凸部６２−１が凹部８に嵌ろうとする力がどの程度残るのか設計できない。したがって、外れる方向に力が加わる危険がある。
【００２２】
一方、凹部上面１１と凸部６２−１との接点から引いた法線が回転軸の中心３３−１よりも軸心９に近い位置を通る場合には、力Ｆ３がないときには、凸部６２−１と凹部上面１１との間には隙間がある（図５（Ｃ））。そして、ロータ２０に強い離脱力が働くと、図５（Ｄ）に示すように、回転軸の中心３３−１が持ち上げられ、凸部６２−１と凹部上面１１とが接触する。ここで、図５（Ｄ）中の３３’−１は、力Ｆ３が働く前の回転軸の中心の位置を示している。図５（Ｄ）の場合、力Ｆ３が大きくなれば力Ｆ３２も大きくなるので、凸部６２−１が凹部８に嵌ろうとする力は強くなる。したがって、凹部上面１１と凸部６２−１との接点から引いた法線が回転軸の中心３３−１よりも軸心９に近い位置を通る場合（凹部上面の法線が、回転軸よりも軸心に近い位置を通るように形成されている場合）には、ロータ２０を離脱させる力を、凸部６２−１が凹部８に嵌る方向の力に変換できるので、想定していないロータを回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合にも、凸部と凹部とが離れない。
【００２３】
このように、本発明によれば、ロータを回転ヘッドに取り付ける際にネジ止めの必要がない。また、ロータを回転ヘッドから取り外す際にもネジを外す必要がない。さらに、回転中に想定していないロータを回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合にも、凸部と凹部とが離れない。したがって、簡単な着脱と確実な固定の両方を実現できる。
【００２４】
［変形例１］
実施例１では、雄型部材２３−１、２３−２の重心が回転軸２２−１、２２−２の真下となったときに、雄型部材２３−１、２３−２はロータ結合部６の内側にあるように配置されていた。しかし、設計上の都合から、回転シャフト３が停止した状態での重心の位置を回転軸２２−１、２２−２の真下ではない位置に調整したい場合もある。図６は変形例１のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図、図７は変形例１のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面斜視図である。本変形例では、回転シャフト３が停止した状態での重心の位置を、回転軸２２−１、２２−２の真下よりも軸心９に近い位置に調整した例を示す。本変形例では、フレーム２１に環状の弾性体６１が備えられており、雄型部材２３−１、２３−２を軸心９側に押している。
【００２５】
このように、回転シャフト３が停止した状態での重心の位置を調整できるので、設計自由度が増加させることができる。
【００２６】
［変形例２］
小型ロータ（概ね５ｋｇ以下）は高速回転（１８０００〜２２０００回転）するとロータ穴２８、２９と回転ヘッド２の円柱部分４と円錐台部分５の間にある微小な隙間が原因となって、振動が生じることがある。本変形例では、この課題を解決する。
【００２７】
図８は回転シャフトが停止した状態での変形例２のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図、図９は変形例２のフレーム２１を示した図、図１０は回転シャフトが回転した状態での変形例２のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図である。図９（Ａ）は図８のＣ側からフレーム２１を見た側面図であり、図９（Ｂ）は図８のＤ側からフレーム２１を見た側面図である。図１０（Ａ）はロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図、図１０（Ｂ）は第２雄型部材４０に加わる力を示す図、図１０（Ｃ）は雄型部材２３−１に加わる力を示す図である。本変形例では、ロータ２０は第２雄型部材４０も備えている。第２雄型部材４０は、ロータ穴２８の内部に水平に配置された回転軸２２−２を中心として回転自在であり、重心が回転軸２２−２の下方にあり、重心よりも下方の回転シャフト３と反対側に第２凸部４１を有する。また、本変形例では、第２雄型部材４０の厚みｗに対して、雄型部材２３−１の厚みをｗ／２としている。
【００２８】
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、第２雄型部材４０の重心が回転軸２２−２の真下となる。このとき、第２雄型部材４０はロータ結合部６の内側にあり、かつ、第２雄型部材４０の第２凸部４１がロータ結合部６の凹部８と対向している。回転シャフト３が回転すると、第２凸部４１が凹部の一部（図１０では、凹部上面１１と凹部円筒部１２の凹部境界線４２）と接触するように移動する。また、雄型部材２３−１も実施例１で説明したように移動し、凸部６２−１が凹部底面１０に接触する。このように、雄型部材２３−１と第２雄型部材４０とを非対称とすることで微妙な力のアンバランスが生じるので、ロータ２０が回転ヘッド２のどこかに押さえつける力が生じる。この力が働くことで、ロータ穴２８、２９と円柱部分４と円錐台部分５の間にある微小な隙間は一方に寄せられるので、振動を軽減できる。
【００２９】
より具体的には、以下のような原理によるものと考えられる。雄型部材２３−１の厚みを第２雄型部材４０の半分としたことで、雄型部材２３−１は第２雄型部材４０よりも軽くなる。したがって、回転時に働く第２雄型部材４０の遠心力Ｆ１は雄型部材２３−１の遠心力Ｆ４よりも大きい。まず、回転軸の中心３３−２を支点としたときのモーメントのつりあいについて考える。遠心力Ｆ１は回転軸２２−２を時計回りにまわそうとする。また、第２凸部４１と凹部境界線４２とが接触している面は軸心９に平行ではないので、摩擦を考えなければ、第２凸部４１は凹部境界線４２から力Ｆ２（接触している面の法線方向の力）を受ける。力Ｆ２は回転軸２２−２を反時計回りにまわそうとする。そして、これらの力によって生じるモーメントがつりあう。したがって、回転軸２２−２には遠心力Ｆ１と力Ｆ２の合計の力Ｆ３が加わることになる。次に、回転軸の中心３３−１を支点としたときのモーメントのつりあいについて考える。遠心力Ｆ４は、回転軸２２−１を反時計回りにまわそうとする。また、凹部底面１０は軸心９に平行な面なので、凸部６２−１は遠心力Ｆ４と反対の方向に力Ｆ５を受ける。力Ｆ５は回転軸２２−１を時計回りにまわそうとする。そして、これらの力によって生じるモーメントがつりあう。したがって、回転軸２２−１には遠心力Ｆ４と力Ｆ５の合計の力Ｆ６が加わることになる。つまり、ロータ２０には力Ｆ３と力Ｆ６が働くことになり、ロータ２０は、全体的には図１０の左下方向に押し付けられることになる。実際には、摩擦なども加わるためさらに複雑な力が加わっていると考えられるが、いずれにしても雄型部材２３−１と第２雄型部材４０とを非対称とすることで生じる微妙な力のアンバランス（第２雄型部材４０が回転シャフト３の回転によって受ける力と、雄型部材２３−１が回転シャフト３の回転によって受ける力とはバランスが取れていないこと）によって振動が軽減していると考えられる。
【００３０】
なお、本発明では遠心力によって動く部材である雄型部材２３−１と第２雄型部材４０とがロータ２０に具備されている。したがって、ロータの重さや形状などを考慮してアンバランスの程度を最適に調整できるので、ロータの種類ごとに振動を十分に低減できる。
【００３１】
［変形例３］
これまでの実施例、変形例での説明では、回転シャフト３の回転が止まれば雄型部材２３−１、２３−２は、重力などによってロータ結合部６の内側に戻るので、ロータ２０を容易に取り外すことができると説明した。しかし、試料などが漏れてしまい、雄型部材２３−１、２３−２の周辺に付着してしまうことがある。このような場合に、回転シャフト３の回転が止まっても、雄型部材２３−１、２３−２がロータ結合部６の内側に戻らないことも想定される。本変形例ではこの課題を解決する。
【００３２】
図１１は回転シャフトが停止しても雄型部材がロータ結合部の内側に戻らない状態のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図、図１２は雄型部材をロータ結合部の内側に戻した状態のロータのフレームと雄型部材の部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図である。本変形例では、雄型部材２３−１、２３−２は、回転軸２２−１、２２−２よりも上方に、凸部６２−１、６２−２が凹部８に嵌った状態のときに貫通穴３１の内側に出る突起部４３−１、４３−２を有している。
【００３３】
遠心分離機１の回転が停止し、ロータ２０を取り外そうとするときに外れない場合、以下のように、雄型部材２３−１、２３−２をロータ結合部６の内側に戻せばよい。まず、蓋２５を外し、貫通穴３０、３１が見える状態にする。そして、先端が細くなった解除シャフト４４を貫通穴３０、３１に挿入する。解除シャフト４４は先端が細く、取っ手に近い方が徐々に太くなっているので、突起部４３−１は図の右方向、突起部４３−２は図の左方向に押される。したがって、図１２に示すように解除シャフト４４を深く押し込めば、雄型部材２３−１、２３−２をロータ結合部６の内側に戻すことができる。なお、解除シャフト４４の貫通穴３１に接触する部分にネジを形成しておき、フレーム２１の貫通穴３１に形成されたネジを利用して解除シャフト４４を押し込む仕組みにすれば、無理なく解除シャフト４４を押し込むことができる。
【００３４】
したがって、回転シャフト３の回転が止まっても、雄型部材２３−１、２３−２がロータ結合部６の内側に戻らない問題が生じても、雄型部材２３−１、２３−２をロータ結合部６の内側に戻すことができ、ロータ２０を取り外すことができる。
【００３５】
［変形例４］
実施例１の場合、ロータ２０と回転ヘッド２との位置関係は、ガイドピン２４が駆動ピン７の間に拘束されることによって決まる。しかし、ガイドピン２４は駆動ピン７の間では移動可能なので、ロータ２０と回転ヘッド２との間にはすべりが生じる。また、ロータ２０は回転ヘッド２の上部に配置されているが、ロータ２０は、円錐台部分５に支えられている。したがって、前述のすべりによって、特にロータ穴２９と円錐台部分５に摩耗が生じることになる。本変形例では、ロータ２０と回転ヘッド２との間のすべりをなくす。
【００３６】
図１３は変形例４のロータのフレームと雄型部材とガイドピンの部分および回転ヘッドの部分を拡大した断面図、図１４は変形例４の回転ヘッドを上部側から見た平面図、図１５は変形例４のフレームと雄型部材とガイドピンを拡大した図である。図１５（Ａ）は側面図、図１５（Ｂ）は下部側から見た底面図である。なお、図１３、図１５には雄型部材は１つしか示していないが、２つまたはそれ以上の雄型部材を備えても良い。本変形例のガイドピン５３は、実施例１のガイドピン２４よりも長い。そして、回転ヘッド２は、ガイドピン５３が挿入される駆動穴５１を備えている。
【００３７】
本変形例のロータ２０は、雄型部材２３−１の近傍にロータ結合部６の内側に入るガイドピン５３も備える。回転ヘッド２は、ガイドピン５３が挿入される駆動穴５１も備える。ロータ２０を回転ヘッド２の上部から取り付けるときには、まず、ガイドピン５３は、駆動ピン７によって範囲が限定される。そして、ガイドピン５３の先端は駆動穴５１に挿入され、ガイドピン５３は駆動穴５１に制限されてガイドピン５３の位置が決まる。
【００３８】
このように駆動穴５１によってガイドピン５３の位置が固定されるので、ロータ２０と回転ヘッド２との間にはすべりが生じない。したがって、ロータ穴２９と円錐台部分５の摩耗を防ぐことができる。
【００３９】
なお、図１４に点線で示した空気穴５４を備えても良い。空気穴５４はフレーム２１とロータ結合部６との間に閉じ込められた空気を外部に逃がす役割を果たす。フレーム２１とロータ結合部６が精度良く製造された場合、フレーム２１とロータ結合部６との間に閉じ込められた空気によって、ロータ２０が回転ヘッド２の上にスムーズに降りず、空気が抜けるにしたがってゆっくりと下降してしまうことがある。このようにゆっくりと下降したのでは操作者にとって余分な時間を費やすことになるし、ロータ２０の取り付けミスにもつながりやすい。したがって、空気穴５４を備えることで、このような課題を解決できる。
【符号の説明】
【００４０】
１ 遠心分離機 ２ 回転ヘッド
３ 回転シャフト ４ 円柱部分
５ 円錐台部分 ６ ロータ結合部
７ 駆動ピン ８ 凹部
９ 軸心 １０ 凹部底面
１１ 凹部上面 １２ 凹部円筒部
２０ ロータ ２１ フレーム
２２ 回転軸 ２３ 雄型部材
２４ ガイドピン ２５ 蓋
２６ つまみ ２７ ネジ部
２８、２９ ロータ穴 ３０、３１ 貫通穴
３３ 回転軸の中心 ３４ 凸部位置決め面
３５ 凸部接触面 ３６ 試料挿入部
４０ 第２雄型部材 ４１ 第２凸部
４２ 凹部境界線 ４３ 突起部
４４ 解除シャフト ５１ 駆動穴
５３ ガイドピン ５４ 空気穴
６１ 弾性体 ６２ 凸部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸心が鉛直方向である回転シャフトの上部に取り付けられた回転ヘッドと、前記回転ヘッドの上部に配置されるロータとを備えた遠心分離機であって、
前記ロータは、
前記回転ヘッドが挿入されるロータ穴と、
前記ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が前記回転軸の下方にあり、重心よりも下方の前記回転シャフトと反対側に凸部を有する雄型部材と
を備え、
前記回転ヘッドは、上部に前記回転シャフトの軸心を中心とする円筒状であり、内側面に環状の凹部を有するロータ結合部を備え、
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、前記雄型部材は前記ロータ結合部の内側にあり、かつ、前記雄型部材の凸部が前記ロータ結合部の凹部と対向し、
前記回転シャフトの回転によって前記凸部が前記凹部に嵌るように可動し、
前記凸部が前記凹部に嵌っているときに、前記ロータを前記回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合に、前記凸部には前記凹部に嵌る方向に力が加わる
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項２】
軸心が鉛直方向である回転シャフトの上部に取り付けられた回転ヘッドと、前記回転ヘッドの上部に配置されるロータとを備えた遠心分離機であって、
前記ロータは、
前記回転ヘッドが挿入されるロータ穴と、
前記ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が前記回転軸の下方にあり、重心よりも下方の前記回転シャフトと反対側に凸部を有する雄型部材と
を備え、
前記回転ヘッドは、上部に前記回転シャフトの軸心を中心とする円筒状であり、内側面に環状の凹部を有するロータ結合部を備え、
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、前記雄型部材は前記ロータ結合部の内側にあり、かつ、前記雄型部材の凸部が前記ロータ結合部の凹部と対向し、
前記回転シャフトの回転によって前記凸部が前記凹部に嵌るように可動し、
前記凹部の上側の面である凹部上面の法線は、前記回転軸よりも前記軸心に近い位置を通る
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項３】
請求項１または２記載の遠心分離機であって、
前記ロータは、
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、前記雄型部材は前記ロータ結合部の内側にあるように、前記雄型部材を軸心方向に押えるための環状の弾性体も備える
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の遠心分離機であって、
前記ロータは、前記ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が前記回転軸の下方にあり、重心よりも下方の前記回転シャフトと反対側に第２凸部を有する第２雄型部材も備え、
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、前記第２雄型部材は前記ロータ結合部の内側にあり、かつ、前記第２雄型部材の第２凸部が前記ロータ結合部の凹部と対向し、
前記回転シャフトの回転によって前記第２凸部が前記凹部の一部と接触するように可動し、前記第２雄型部材が前記回転シャフトの回転によって受ける力と、前記雄型部材が前記回転シャフトの回転によって受ける力とはバランスが取れない
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載の遠心分離機であって、
前記ロータは、前記ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が前記回転軸の下方にあり、重心よりも下方の前記回転シャフトと反対側に第２凸部を有する第２雄型部材も備え、
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、前記第２雄型部材は前記ロータ結合部の内側にあり、かつ、前記第２雄型部材の第２凸部が前記ロータ結合部の凹部と対向し、
前記回転シャフトの回転によって前記第２凸部が前記凹部の一部と接触するように可動し、前記凹部の一部が前記第２凸部に前記ロータを前記第２雄型部材側に寄せる力を加える
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項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、
前記ロータは、前記軸心を中心とした断面円形の貫通穴も備え、
前記雄型部材は、前記回転軸よりも上方に、前記凸部が前記凹部に嵌った状態のときに前記貫通穴の内側に出る突起部を有している
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の遠心分離機であって、
前記ロータは、前記雄型部材の近傍に前記ロータ結合部の内側に入るガイドピンも備え、
前記回転ヘッドは、前記ガイドピンが挿入される駆動穴も備えている
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項８】
軸心が鉛直方向である回転シャフトと、
上部に前記回転シャフトの軸心を中心とする円筒状であり、内側面に環状の凹部を有するロータ結合部を備え、前記回転シャフトの上部に取り付けられた回転ヘッド
を備えた遠心分離機の前記回転ヘッドの上部に配置される遠心分離機用ロータであって、
前記回転ヘッドが挿入されるロータ穴と、
前記ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が前記回転軸の下方にあり、重心よりも下方の前記回転シャフトと反対側に凸部を有する雄型部材と
を備え、
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、前記雄型部材は前記ロータ結合部の内側にあり、かつ、前記雄型部材の凸部が前記ロータ結合部の凹部と対向し、
前記回転シャフトの回転によって前記凸部が前記凹部に嵌るように可動し、
前記凹部の上側の面である凹部上面と前記凸部とが接触するときには、接触面の法線は、前記回転軸よりも前記軸心に近い位置を通る
ことを特徴とする遠心分離機用ロータ。
【請求項１】
軸心が鉛直方向である回転シャフトの上部に取り付けられた回転ヘッドと、前記回転ヘッドの上部に配置されるロータとを備えた遠心分離機であって、
前記ロータは、
前記回転ヘッドが挿入されるロータ穴と、
前記ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が前記回転軸の下方にあり、重心よりも下方の前記回転シャフトと反対側に凸部を有する雄型部材と
を備え、
前記回転ヘッドは、上部に前記回転シャフトの軸心を中心とする円筒状であり、内側面に環状の凹部を有するロータ結合部を備え、
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、前記雄型部材は前記ロータ結合部の内側にあり、かつ、前記雄型部材の凸部が前記ロータ結合部の凹部と対向し、
前記回転シャフトの回転によって前記凸部が前記凹部に嵌るように可動し、
前記凸部が前記凹部に嵌っているときに、前記ロータを前記回転ヘッドから離脱させる力が加わった場合に、前記凸部には前記凹部に嵌る方向に力が加わる
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項２】
軸心が鉛直方向である回転シャフトの上部に取り付けられた回転ヘッドと、前記回転ヘッドの上部に配置されるロータとを備えた遠心分離機であって、
前記ロータは、
前記回転ヘッドが挿入されるロータ穴と、
前記ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が前記回転軸の下方にあり、重心よりも下方の前記回転シャフトと反対側に凸部を有する雄型部材と
を備え、
前記回転ヘッドは、上部に前記回転シャフトの軸心を中心とする円筒状であり、内側面に環状の凹部を有するロータ結合部を備え、
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、前記雄型部材は前記ロータ結合部の内側にあり、かつ、前記雄型部材の凸部が前記ロータ結合部の凹部と対向し、
前記回転シャフトの回転によって前記凸部が前記凹部に嵌るように可動し、
前記凹部の上側の面である凹部上面の法線は、前記回転軸よりも前記軸心に近い位置を通る
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項３】
請求項１または２記載の遠心分離機であって、
前記ロータは、
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、前記雄型部材は前記ロータ結合部の内側にあるように、前記雄型部材を軸心方向に押えるための環状の弾性体も備える
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の遠心分離機であって、
前記ロータは、前記ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が前記回転軸の下方にあり、重心よりも下方の前記回転シャフトと反対側に第２凸部を有する第２雄型部材も備え、
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、前記第２雄型部材は前記ロータ結合部の内側にあり、かつ、前記第２雄型部材の第２凸部が前記ロータ結合部の凹部と対向し、
前記回転シャフトの回転によって前記第２凸部が前記凹部の一部と接触するように可動し、前記第２雄型部材が前記回転シャフトの回転によって受ける力と、前記雄型部材が前記回転シャフトの回転によって受ける力とはバランスが取れない
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載の遠心分離機であって、
前記ロータは、前記ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が前記回転軸の下方にあり、重心よりも下方の前記回転シャフトと反対側に第２凸部を有する第２雄型部材も備え、
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、前記第２雄型部材は前記ロータ結合部の内側にあり、かつ、前記第２雄型部材の第２凸部が前記ロータ結合部の凹部と対向し、
前記回転シャフトの回転によって前記第２凸部が前記凹部の一部と接触するように可動し、前記凹部の一部が前記第２凸部に前記ロータを前記第２雄型部材側に寄せる力を加える
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項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、
前記ロータは、前記軸心を中心とした断面円形の貫通穴も備え、
前記雄型部材は、前記回転軸よりも上方に、前記凸部が前記凹部に嵌った状態のときに前記貫通穴の内側に出る突起部を有している
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の遠心分離機であって、
前記ロータは、前記雄型部材の近傍に前記ロータ結合部の内側に入るガイドピンも備え、
前記回転ヘッドは、前記ガイドピンが挿入される駆動穴も備えている
ことを特徴とする遠心分離機。
【請求項８】
軸心が鉛直方向である回転シャフトと、
上部に前記回転シャフトの軸心を中心とする円筒状であり、内側面に環状の凹部を有するロータ結合部を備え、前記回転シャフトの上部に取り付けられた回転ヘッド
を備えた遠心分離機の前記回転ヘッドの上部に配置される遠心分離機用ロータであって、
前記回転ヘッドが挿入されるロータ穴と、
前記ロータ穴の内部に水平に配置された回転軸を中心として回転自在であり、重心が前記回転軸の下方にあり、重心よりも下方の前記回転シャフトと反対側に凸部を有する雄型部材と
を備え、
前記回転シャフトが停止した状態で前記ロータが前記回転ヘッドの上に配置されているときには、前記雄型部材は前記ロータ結合部の内側にあり、かつ、前記雄型部材の凸部が前記ロータ結合部の凹部と対向し、
前記回転シャフトの回転によって前記凸部が前記凹部に嵌るように可動し、
前記凹部の上側の面である凹部上面と前記凸部とが接触するときには、接触面の法線は、前記回転軸よりも前記軸心に近い位置を通る
ことを特徴とする遠心分離機用ロータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１１１１８（Ｐ２０１１−１１１１８Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５５６１０（Ｐ２００９−１５５６１０）
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００１４１６９１）株式会社久保田製作所 (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００１４１６９１）株式会社久保田製作所 (11)
【Ｆターム（参考）】
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