遠心機
【課題】 一台の遠心機で各種ロータの操作性を犠牲にすることなく使用できる遠心機を提供する。
【解決手段】 遠心室９内には、弾性回転軸３０と、高剛性回転軸３４が同軸的に延び、互いにサイズや形状の異なるアングルロータ１７とスイングロータ３６の中から選択したロータを遠心室９内に装着したとき、自動的に最適の軸に接続される。偏重心傾向の少ないアングルロータ１７は、高速回転用の弾性回転軸３０に支持されると共に回転される。偏重心傾向の大きいスイングロータ３４は、低速回転用の高剛性軸３４によりその質量が支持され、弾性回転軸にて回転トルクのみの伝達を受ける。
【解決手段】 遠心室９内には、弾性回転軸３０と、高剛性回転軸３４が同軸的に延び、互いにサイズや形状の異なるアングルロータ１７とスイングロータ３６の中から選択したロータを遠心室９内に装着したとき、自動的に最適の軸に接続される。偏重心傾向の少ないアングルロータ１７は、高速回転用の弾性回転軸３０に支持されると共に回転される。偏重心傾向の大きいスイングロータ３４は、低速回転用の高剛性軸３４によりその質量が支持され、弾性回転軸にて回転トルクのみの伝達を受ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は遠心機に関し、特に、複数用意されたロータの中から目的にあったロータを選択、交換して、最適な軸にセット可能な遠心機の駆動構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の遠心機は、電動モータ等の動力発生部で得られる回転トルクを、回転駆動軸を介してロータに伝達し、ロータを回転させる。ロータには試料を封入した試験管が複数本セット可能であり、ロータの回転によって、試験管内の試料の遠心分離が行われる。この種の遠心機に用いられるロータには、アングルロータやスイングロータ等がある。一般的に試験管内の試料の量は採血等の程度により試験管毎に異なっているので、これら互いに質量の異なる試料を封入した複数の試験管がロータにセットされたときには、ロータと試験管との全体の重心は、回転軸心からずれるいわゆる偏重心の傾向があることは否定できない。
【０００３】
第１０図に示されるように、アングルロータＡは、全体として円形をなし、複数個の試験管挿入穴が回転軸心Ｘに対して所定角度をなして形成されている。アングルロータＡは比較的小型であり自重による遠心応力の制約が少ない。また機械加工によって製作されるので高い加工精度が得られ、装着される試験管の本数も少ないので、回転時の偏重心の傾向が少ない。従って多本架冷却遠心機と称される最高回転速度１０，０００ｒｐｍ前後の遠心機に使われるアングルロータＡは、１度で遠心できる量はそれほど多くないが、高速回転域として例えば６，０００ｒｐｍ〜１０，０００ｒｐｍでの遠心分離に適している。なお高速回転ロータの定義は明確ではないが、高い遠心加速度を必要とする試料の遠心、分離に主に用いられる。
【０００４】
一方第１１図に示されるように、スイングロータＳは、軸心Ｘから放射状に複数の腕（図示の例では４本）が水平に延び、それぞれの腕の先端が二股状をなして、隣り合う腕の対向する二股部方向にピンが突設されている。そして１対の対向するピンには、有底筒状のバケットが揺動可能に支持される。なお、バケットはピンに対応する係合部が設けられ、係合部はピンに対して離脱可能に設けられる。それぞれのバケット内には複数の試験管穴が形成されたラックが配置され、これら試験管穴に試験管が挿入される。なお遠心分離作業では、全ての腕にバケットが係合されてピンを介して吊り下げられるが、第１１図は理解のために２本のバケットは省略している。スイングロータＳが遠心機にセットされて所定回転数に達すると、遠心力によりバケットはピンを中心にして水平方向に移動して、試料の成分分離が行われる。
【０００５】
スイングロータＳはアングルロータＡに比べて大型であり、より多い本数の試験管が挿入できる点で有利であるが、挿入本数が多いことは、試験管に充填された試料相互のばらつきの傾向もそれだけ高いことを意味する。またスイングロータは、回転半径が大きく且つ中心部質量が相対的に小さい。更にスイングロータＳの腕は複雑な形状をしており、製造コスト低減の目的から鋳造によって製造される場合が多く、この場合寸法精度もアングルロータＡに劣る。更にバケットはピンに対し着脱可能であり、バケットの係合部とピンとの間にはガタツキがある。以上のことから、スイングロータＳはピンやバケットの係合部に発生する遠心応力が大きくなり、更に質量の割に試料相互のバラツキが大きいことからアングルロータＡと比較して偏重心の傾向が著しく高くなり、高速回転には不向きである。そのため多数の試料を対象とする低速回転域、例えば２，０００〜５，０００ｒｐｍでの遠心分離に主に用いられる。
次に遠心機の回転駆動軸について、軸受反力との関係と併せて説明する。低速回転にて大形のロータを使用できるようにする場合には、回転軸の剛性を高めて、曲げの固有振動数を使用域より高速に持たせ、高い剛性による操作性の向上を図っている。具体的に第１２図に基づいて説明する。第１２図は、ロータＲ１が高剛性軸Ｓ１に同軸的に接続され、高剛性軸Ｓ１は、動力発生部たるモータＭの出力軸に同軸的に接続されて回転している状態を示す。ここで高剛性軸とは、使用回転数域内において、剛体である軸をいう。このときモータＭの出力軸は、軸受Ｂにて図示せぬモータハウジング等に支持される。ロータＲ１の質量をｍ、ロータの不釣合いにより生じる実際の重心位置と幾何中心のずれをε、回転角速度をω、高剛性軸Ｓ１の撓みをρ、高剛性軸Ｓ１の曲げ剛性をｋとすると、「回転体の力学、R.ガッシュ／H.ピュッツナー原著、三輪修三訳、森北出版」から、不釣合いによる遠心力Ｆsは
Ｆs＝ｍεω2
で表され、軸受け反力Ｆuは
Ｆu×Ｌ1＝（Ｌ1＋Ｌ2）×Ｆs から、
Ｆu＝｛（Ｌ1＋Ｌ2）／Ｌ1｝×ｍεω2
となり Ｆu ∝ω2
の関係となる。
【０００６】
一方ロータを高速回転させる場合には、回転駆動軸として弾性軸が用いられる。ここで弾性軸とは、使用回転数域内で曲げなどの弾性変形が生じる軸をいう。弾性軸により回転駆動軸の曲げ剛性を下げ、回転の際に曲げの固有振動数を低速域にあるようにする。即ち、弾性軸は高速側で不釣合いによる反力が小さくなるよう考慮している。具体的に第１３図に基づいて説明する。第１３図は、ロータＲ２が弾性軸Ｓ２に同軸的に接続され、モータＭの出力軸に同軸的に接続されて回転している状態を示す。このときモータＭの出力軸は、軸受Ｂで図示せぬモータハウジング等に支持されている。ロータＲ２の質量をｍ、ロータの不釣合いにより生じる実際の重心位置と幾何中心のずれをε、回転角速度をω、弾性軸Ｓ２の撓みをρ、弾性軸Ｓ２の曲げ剛性をｋとすると、不釣合いによる遠心力Ｆdは
Ｆd＝ｍ（ε＋ρ）ω2＝ρｋ
と表され、この式からρは、
ρ＝ｍεω2／（ｋ−ｍω2）となり、
曲げの固有振動数を√(ｋ／ｍ)＝ωnと置くと ｋ＝ｍωn2となるから、
ρ＝ε×(ω／ωn)2／｛１−(ω／ωn)2｝
となる。ここで、ω／ωｎ＝１のとき、すなわち回転速度が軸の曲げの固有振動数と一致した時（共振点）、たわみは無限大となり、固有振動数を通過するとたわみはεに漸近的に近づく。したがって、固有振動数を通過し回転が上昇すると軸受け反力Ｆu’は
Ｆu’ ∝εｋ
の関係となる。
【０００７】
以上、高剛性軸と弾性軸の軸受反力の違いを第１４図のグラフに示す。このグラフにおいて、縦軸は軸受荷重Ｆであり、横軸は角速度比である。 高剛性軸は剛性が高い分、扱い勝手が良いが、高速になるにつれて不釣合いによる軸受反力が急増する。一方弾性軸は低速に共振点を有する（１．０の部分）が、共振点を超えれば、高速回転で安定した回転が得られる。なお共振点におけるたわみは外部に減衰機構を設けることにより低く抑えることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のことから、高速用ロータと低速大形ロータを一台の遠心機で使用できるようにする場合に、弾性軸を採用すると高速での安定回転は得られるが、軸剛性が低いことから大形ロータを回転軸に装着すると回転軸が大きく撓み易く、場合によっては回転軸を折損してしまう恐れがある。また、容量の大きいロータは上述したように使用者が扱う試料に生じる不釣り合いが大きくなるため、弾性軸で大形のスイングロータを回転させると、回転軸の曲げの一次固有振動数（一次共振点）での振れが大きくなり、回転しているロータが固定部品に接触したり、あるいは回転軸を曲げて折損してしまう恐れがある。以上要約すると、弾性軸を採用すると、高速用アングルロータは使い勝手がよくなるが、低速用スイングロータは扱いが悪いか、搭載不可になる。
【０００９】
一方高剛性軸を採用すると、低速スイングロータの扱いは良くなるが、試料の不釣合いに起因する軸受反力が回転速度の２乗で増えて行くため、低速回転域では問題なくても高速回転域では軸受への負荷が大きくなり軸受の短寿命を引き起こしたり回転音が大きくなるといった問題が生じる。そのため、試料の許容不釣合い量を小さく制限せざるを得ず、使用者に試験管内の試料の含有量を均一に調整させるという手間をかけさせ、使い勝手を悪くする要因になる。以上要約すると、高剛性軸を採用すると低速大形ロータは扱いが良くなるが高速ロータは使い勝手が悪いということになる。
【００１０】
そこで本発明は上記した欠点に鑑みてなされたもので、一台の遠心機で各種ロータの操作性を犠牲にすることなく使用できる遠心機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的は、遠心機の駆動部に複数の軸を配置し、使用するロータの形状、質量、タイプ、最高回転速度などに応じて適した軸を選択できるようにすることで達成される。
【００１２】
即ち本発明は、互いに種類又はサイズの異なる第１ロータと第２ロータを含む少なくとも２個のロータを選択的に搭載して回転させる遠心機であって、遠心機本体と、該本体に収納され、回転トルクを発生する出力軸を備えた回転動力発生部と、前記第１ロータが選択されたとき、該第１ロータと前記出力軸とを動力的に接続し、前記第１ロータに回転トルクを伝達する回転駆動軸と、前記回転駆動軸と近接して配置され、該回転駆動軸とは異なる曲げ剛性を有すると共に、前記第２ロータが選択されたときは、該第２ロータを支持する支持軸を備えたことを特徴とする遠心機を提供している。
【００１３】
一の態様として、前記第２ロータが選択されたとき前記支持軸は、前記第２ロータを介して前記回転駆動軸の回転と共に回転可能であることを特徴とする。
【００１４】
別の態様として、前記支持軸は前記回転駆動軸と同軸状に配置され、１個又は複数個の軸受により回転可能に支承されていることを特徴とする。
【００１５】
更に別の態様として、前記第２ロータが選択されたとき、該ロータは前記支持軸及び前記回転駆動軸の両方に支持されることを特徴とする。
【００１６】
更に別の態様として、前記支持軸は固定されていることを特徴とする。
【００１７】
更に別の態様として、前記支持軸は互いに曲げ剛性の異なる第１の支持軸と第２の支持軸よりなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
ロータの種類に応じて最適な軸にロータが支持された状態でロータは回転駆動されるので、上述した諸問題を解決できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の第１の実施の形態による遠心機について第１図、第２図に基づき説明する。遠心機１は、上端が開口する箱型の筐体２に、上仕切板３、下仕切板４が水平に固定され、これら仕切板により、筐体は上室５、中室６、下室７に画成されている。筐体２と仕切板３、４とにより本体が構成される。上室５の上端開口部は、蓋８が開閉可能に設けられる。また上室５内には遠心室９を画成するための有底筒状断熱部材１０が配置され、断熱部材１０の内周面には、遠心室９内を冷却するための冷媒管１１が配設されている。断熱部材１０の底部には開口１０ａ（第２図）が形成され、上仕切板３にも同様の開口が形成されて、これら開口内の空間に動力発生部たる誘導モータ１２のモータハウジング１３が挿通配置される。モータハウジング１３は、上仕切板３にゴム製のダンパ１４を介して懸下支持され、モータハウジング１３の大部分は、中室６内に配置される。下室７内には、冷媒管１１内で冷媒を循環させるための図示せぬ冷凍機が配設される。
【００２０】
第１図において、誘導モータ１２の回転子（出力軸）１６には、後述する弾性軸３０を介してアングルロータ１７が接続支持されている。上仕切板３は中室６内に鉛直方向に延びるリブ１５を介して下仕切板４にも支持される。従って、誘導モータ１２の回転によるアングルロータ１７の偏重心による回転負苛は、ダンパ１４で吸収され、またアングルロータ１７や誘導モータ１２の質量は、仕切板３、４及びリブ１５により支持される。なお、遠心機全体を移動可能に設置するために、筐体２の底部にはキャスタ１８が設けられている。
【００２１】
第２図は、ロータを回転駆動するための駆動部２０を示す。駆動部２０は、上述した誘導モータ１２の他に、誘導モータ１２のハウジングを兼ねるエンドブラケット２１、回転駆動軸としての弾性軸３０、支持軸としての高剛性回転軸３４、及びクラウン部３１を有する。なお上述したように弾性軸とは使用回転数域内において曲げなどの弾性変形が生じる軸をいい、高剛性軸とは使用回転数域内で剛体である軸をいう。エンドブラケット２１は、モータハウジング１３の一部をなすフランジ部２２と、フランジ部２２から突設され出力軸１６と同軸の中空の軸受支持部２３とを有し、軸受支持部２３は、モータ側小径部２３ａと反モータ側大径部２３ｂを有する。フランジ部２２が上述のダンパ１４に接続されて上仕切板３に支持される。出力軸１６は、軸受支持部２３内に配置された軸受２４と、モータハウジング１３の底部内に配置された軸受２５とにより回転可能に支承され、出力軸１６のスラスト荷重を受ける構成となっている。断熱部材１０の底部開口１０ａは、軸受支持部２３の周囲に位置するカバー２６で閉鎖され、カバー２６の上面はラバー体２７で覆われて、ロータの回転による開口１０ａから遠心室９内への空気の吸い込みを防止している。
【００２２】
出力軸１６の上端側には同心に弾性軸３０の下端が結合され、弾性軸３０は軸受支持部２３内の空間を上方に延び、その上端側にクラウン部３１が固定されている。弾性軸３０は曲げの一次固有振動数が低速域（数十から数百ｒｐｍ）になるよう設計されている。クラウン部３１の上端面には、後述するロータ１７、３６と係合するための一対のピン３２が上方に向かって植設されているとともに、下端部には、テーパ部３１Ａが形成されている。なお一対のピン３２は同一円周上にかつ同一直径上からずれた位置（第９図参照）に配置されている。
【００２３】
高剛性軸３４は、クラウン部３１の直下位置において、エンドブラケット２１の軸受支持部２３の大径部２３ｂ内に配置された軸受（ベアリング）３３を介して、軸心を中心に回転可能にかつ弾性軸３０やエンドブラケット２１と同心に支持される。高剛性軸３４は、弾性軸３０をルーズに挿通させるために、中心部に中空部が形成されると共に、その上部にはテーパ部３４Ａが形成され、下部は軸受３３に嵌合する縮径部をなす。なおテーパ部３４Ａは第２クラウン部に相当する。
【００２４】
第２図の左半分は、高速用アングルロータ１７を装着した状態を示す。高速用アングルロータ１７は、第９図に示されるような略円形形状をなすが、本実施の形態においてはその中心部カップリング部として、クラウン部３１の上端形状、外周面形状並びにテーパ部３１Ａの形状に倣った凹部１７ａが形成されている。従って、アングルロータ１７は、クラウン部３１にのみ接続され、高剛性軸３４とは当接や係合をしない離間した位置関係となる。凹部１７ａ内には、アングルロータ１７の装着時に下方に向かい、上述したクラウン部３１の１対のピン３２と同一円周上に配置され互いに１８０度の位置関係にある図示せぬ１対のピンが突設される。従って、アングルロータ１７をクラウン部３１上に位置せしめて、クラウン部３１上に置くと、弾性軸３０の回転によりクラウン部３１のピン３２がアングルロータ１７のピンと当接し、弾性軸３０の回転トルクをアングルロータ１７に伝達することができる。このとき、クラウン部３１の一対のピン３２は、１８０度間隔となっていないので、クラウン部３１のピン３２の上端にアングルロータのピンの上端が合致して載り上がることが防止できる。
【００２５】
第２図の右半分は、低速用スイングロータ３６を装着した状態を示す。低速用スイングロータ３６は、第１１図に示されるような放射状をなし、バケット３８が腕部３７に図示せぬピンを介して回動可能に支持され、バケット３８内には複数の試験管挿入穴が形成されたラック３９が固定され、ラック３９内には試料を封入した試験管４０が挿入される。なお、第２図の状態は、遠心力によりバケット３８が水平方向に揺動して試料の遠心分離を行っている状態を示す。本実施の形態のスイングロータ３６の腕部３７の基部には、クラウン部３１の頂部や外周部やテーパ部３１Ａとは当接しない第１凹部３６ａと、高剛性軸３４のテーパ部３４Ａと当接するテーパ部が形成された第２凹部３６ｂとが形成されたカップリング部が設けられる。第１凹部３６ａの頂部には、クラウン部３１のピン３２と当接可能で上述した図示せぬアングルロータのピンと同様な１対のピン４１が下方に向かって突設している。
【００２６】
スイングロータ３６とクラウン部３１とは、ピン３２とピン４１とのみだけの係合接続関係にあり、スイングロータ３６はテーパ部３４Ａに当接して高剛性軸３４に裁置される。従って、スイングロータ３６をクラウン部３１上に位置せしめて、テーパ部３４Ａ上に置くと、弾性軸３０の回転によりクラウン部３１のピン３２がスイングロータ３６のピン４１と当接し、弾性軸３０の回転トルクをスイングロータ３６に伝達することができる。また、スイングロータ３６の質量は、クラウン部３１ではなく、高剛性軸３４のテーパ部３４Ａで受けることができる。
【００２７】
以上の構成において、高速回転用アングルロータ１７を用いた遠心分離を行う場合には、アングルロータ１７をクラウン部３１上に裁置させるだけで、アングルロータ１７はクラウン部３１とのみ接続関係が生じる。よってアングルロータ１７のスラスト荷重とラジアル荷重は、クラウン部３１のテーパ部３１Ａで受けられ、アングルロータ１７は弾性軸３０にて回転駆動される。弾性軸３０の曲げの一次固有振動数は低速域に設定されており、加速時、この一次固有振動数を通過する際には振動が大きくなるが、外部減衰作用を持つダンパ１４により駆動部２０が上仕切板３に支持されていることから、この振動は減衰できる。回転数が曲げの一次固有振動数を過ぎれば、自動調心作用により回転中心がアングルロータ１７自身の重心位置に近づき、安定した回転が得られる。弾性軸３０による回転駆動であるため、各試験管３５内の試料のバラツキにより生じる不釣合い力は高剛性軸のように回転速度の２乗で増すことがない。
【００２８】
一方、低速回転用スイングロータ３６を用いた遠心分離を行う場合には、スイングロータ３６をセットしたとき、スイングロータ３６は高剛性軸３４にのみその質量が支持され、スイングロータ３６とクラウン部３１とは、ピン３２とピン４１とのみによる接続となる。よって、スイングロータ３６のスラスト加重およびラジアル荷重は、高剛性軸３４のテーパ部３４Ａで受けられ、スイングロータ３６は軸受３３にて回転支承される。即ち弾性軸３０の回転によるスイングロータ３６の回転が、テーパ部３４Ａの摩擦力を介してスイングロータ３６の質量を支持する高剛性軸３４に伝達され、高剛性軸３４がエンドブラケット２１に対して軸受３３を介して回転する。換言すれば、スイングロータ３６を回転させる場合は、弾性軸３０は単に回転トルクを伝達するだけとなり、高剛性軸３４で、スイングロータ３６が支持されて高剛性軸３４と共に回転することになる。このとき高剛性軸３４は、その曲げの一次固有振動数に一致した回転速度となる危険速度未満で回転させるように弾性軸３０の最高回転速度で制御すればよい。
【００２９】
以上のように、高速用のアングルロータ１７は、そのセット時に自動的に弾性軸３０を選択するので、高速での不釣合いによる駆動部への影響（軸受加重）を最小限にでき、不釣合い程度の大きい可能性の高い低速用スイングロータ３６は、セット時に自動的に高剛性軸３４に支持されるので、試料のばらつき量に多大の注意を払うことなく、低速回転での遠心分離を容易に実行することができる。
【００３０】
本発明の第２の実施の形態による遠心機について第３図に基づき説明する。なお以下の説明において先行する実施の形態における遠心機と同一の部材は同一の番号を付し、説明を省略する。第１の実施の形態では、高剛性軸３４を１個の軸受３３で回転支承しているのに対し、第２の実施の形態では高剛性軸１３４を２個の軸受（ベアリング）１３３、１３３で回転支承している。そのために、高剛性軸１３４の縮径部の軸方向長さを第１の実施の形態と比較してより長くし、同様に、エンドブラケット１２１の軸受支持部１２３の大径部１２３ｂの軸方向の長さも第１の実施の形態と比較してより長くして、２個の軸受１３３を収容可能にしている。
【００３１】
係る構成によれば、高剛性軸１３４の回転軸心の倒れをより有効に防止できると共に、軸受１３３に作用する反力を分散でき、個々の軸受１３３や軸受２４、２５（第２図）に作用する荷重が減少してそれらの寿命を延ばす効果が期待できる。
【００３２】
本発明の第３の実施の形態による遠心機について第４図に基づき説明する。第３の実施の形態は、上述したスイングロータ３６と、このスイングロータ３６よりも大型な第２スイングロータ１３６とを選択的にセット可能とするためのものである。そのため、第１の実施の形態の高剛性軸３４に加えて、第２の高剛性軸２３４が回転可能にかつ高剛性軸３４と同軸的にその半径方向外方に設けられている。エンドブラケット２２１の軸受支持部２２３の外周面側には段部２２３Ａが形成され、段部２２３Ａに耐荷重が大きい軸受（ベアリング）２３３が嵌合され、軸受２３３を介して第２の高剛性軸２３４が軸受支持部２２３に対して回転可能に支承される。高剛性軸２３４の外周面側には、第２スイングロータ１３６のテーパ面と当接可能なテーパ部２３４Ａが形成されている。なおテーパ部２３４Ａは第３クラウン部に相当する。
【００３３】
第１の実施の形態と同様に、スイングロータ３６をセットするときは、スイングロータ３６は高剛性軸３４とのみ嵌合し、スイングロータ３６とクラウン部３１とは、ピン３２とピン４１とのみによる接続となる。よって、スイングロータ３６のスラスト加重およびラジアル荷重はテーパ部３４Ａで受けられ、スイングロータ３６は高剛性軸３４を介して軸受３３によりエンドブラケット２２１に回転支承される。
【００３４】
一方大型のスイングロータ１３６をセットするときは、スイングロータ３６と同様に、スイングロータ１３６とクラウン部３１とは、ピン３２とスイングロータ１３６の図示せぬピンとのみによる接続となる。そしてスイングロータ１３６のスラスト加重およびラジアル荷重はテーパ部２３４Ａで受けられ、スイングロータ１３６は第２の高剛性軸２３４を介して軸受２３３によりエンドブラケット２２１に回転支承される。即ち弾性軸３０の回転によるスイングロータ１３６の回転が、テーパ部２３４Ａの摩擦力を介してスイングロータ１３６の質量を支持する第２高剛性軸２３４に伝達され、高剛性軸２３４がエンドブラケット２２１に対して回転する。換言すれば、スイングロータ１３６を回転させる場合は、弾性軸３０は単に回転トルクを伝達するだけとなり、第２高剛性軸２３４でスイングロータ１３６が支持されて高剛性軸２３４と共に回転することになる。大形のスイングロータ１３６は耐荷重が大きい軸受２３３で支承されているため、軸受２３３、３３、２４、２５（第２図）の寿命を延ばすことができ、ひいては製品寿命を延ばすことが可能となる。
【００３５】
本発明の第４の実施の形態による遠心機について第５図に基づき説明する。本実施の形態では、モータ１２の出力軸１１６の上方突出長さを大きくして、その先端部に弾性回転軸３０が同軸的に結合される。更に、出力軸１１６の先端部外周面に、中空の高剛性回転軸３３４が同軸的に結合される。高剛性回転軸３３４の外周面には、スイングロータ３６を受けるためのテーパ面３３４Ａが形成されている。
【００３６】
以上の構成において、アングルロータ１７のセットについては、第１の実施の形態と同様である。スイングロータ３６をセットしたときは、スイングロータ３６の凹部のテーパ面が高剛性回転軸３３４のテーパ面３３４Ａに当接する。誘導モータ１２の回転トルクは、高剛性回転軸３３４に直接伝達されるため、テーパ部３３４Ａの摩擦力でスイングロータ３６に回転トルクが伝達できる。よって、上述した実施の形態のように、ピン同士の当接によるトルク伝達が不要となる。かかる構造では、回転トルクが大きく、ピンに作用するモーメントが大きい場合や、弾性回転軸３０のねじり応力が無視できない場合などに有利である。
【００３７】
第６図は、トルク伝達に関する変形例を示している。上述した実施の形態では、弾性回転軸３０の回転トルクをピン３２、４１同士の当接によって達成しているが、変形例では、ピンに代えてネジ４２、４３が用いられる。ネジ４２はアングルロータ１１７をクラウン部１３１に接続するためのものであり、ネジ４３は、スイングロータ２３６をクラウン部１３１に接続するためのものである。アングルロータ１１７の貫通穴１１７ａは、ネジ４２に螺合しておらず、ネジ４２に対して移動可能であり、ネジ４２はクラウン部１３１にのみ螺合する。そしてアングルロータ１１７の質量は、テーパ部１３１Ａで支持される。同様に、スイングロータ２３６の貫通穴２３６ａは、ネジ４３に螺合しておらず、ネジ４３に対して移動可能であり、ネジ４３はクラウン部１３１にのみ螺合する。そして上述した実施の形態と同様に、スイングロータ２３６の質量は、高剛性軸３４のテーパ部３４Ａで支持される。
【００３８】
本発明の第５の実施の形態による遠心機について第７図乃至第９図に基づき説明する。上述した実施の形態では高剛性軸３４、１３４、２３４、３３４はいずれも回転軸であるが、本実施の形態では支持軸としての高剛性軸を回転不能な固定軸４３４としている。この固定軸４３４はエンドブラケット４２１の軸受支持部がそのまま利用される。固定軸４３４の上端側外周面は縮径部をなし、２個の軸受（ベアリング）３３３が縮径部に嵌合される。そして、スイングロータ３３６のカップリング部３３７の凹部３３６ｂの内周面が、軸受３３３の外周面と嵌合し、スイングロータ３３６は軸受３３３を介して軸受支持部（固定軸）４３４に回転可能に構成される。
【００３９】
第１の実施の形態と同様に、高速回転用アングルロータ１７をセットしたときは、アングルロータ１７をクラウン部２３１上に裁置させるだけで、アングルロータ１７はクラウン部２３１とのみ嵌合する。このときクラウン部２３１の１対のピン３２が図示せぬアングルロータの１対のピンと当接する。よってアングルロータ１７のスラスト荷重とラジアル荷重は、クラウン部２３１のテーパ部２３１Ａで受けられ、アングルロータ１７はピン同士の当接により弾性軸３０にて回転駆動される。なおアングルロータ１７は、軸受３３３とは離間しているので、軸受３３３が回転することはない。
【００４０】
一方、低速回転用スイングロータ３３６をセットしたときは、スイングロータ３３６は軸受３３３を介して軸受支持部４３４に回転支持されるので、スイングロータ３３６の半径方向の移動が軸受支持部４３４により規制される。弾性軸３０により回転トルクがスイングロータ３３６伝達されるが、スイングロータ３３６の半径方向の移動が規制されるので、結果的に弾性軸３０の大きな変形も生じず、折損のおそれがない。
【００４１】
換言すれば、スイングロータ３３６のカップリング部３３７を軸受３３３に嵌合させることで、弾性軸３０には回転動力を伝達する機能と、スイングロータ３３６のスラスト荷重支持のみを担わせ、弾性軸３０の曲げの一次共振回転数での振幅増大を抑制することができる。更に一次共振回転数以上での運転時には、試料の不釣合いにより偏重心点で回転しようとするが、軸受支持部４３４が剛性固定軸として働くため、弾性軸３０には曲げ応力が殆ど発生しない。なお、軸受３３３は偏重心による荷重の大半を受けなければならないが、低速用で直径が大きく且つ耐荷重の大きい軸受を選定すれば、寿命的問題をクリアすることができる。 このように、本実施の形態においても、偏重心傾向の低いアングルロータについては、弾性軸３０のみが関連して高速回転させ、低速で偏重心の大きくなり易いスイングロータ３３６については、そのカップリング部３３７のみを軸受３３３に嵌合させるようにしたので、軸受３３３並びに軸受支持部４３４を剛性軸として利用することができ、低速の偏重心の大きくなり易い大容量のスイングロータ３３６が運転可能な遠心構成とすることができる。
【００４２】
本発明による遠心機は上述した実施の形態に限定されず、請求の範囲に記載された範囲で、種々の変更が可能である。例えば、動力発生部であるモータは誘導モータに限らず、回転トルクが得られるものである限り、直流モータ等の電動モータや、エアタービン、オイルタービン等流体作動モータ等、種々適用可能である。
【００４３】
また、いずれの実施の形態においても、適用されるロータは図示されるロータに限定されず、クラウン部又はテーパ部に合致する形状である限り、種々のロータが適用可能である。
【００４４】
また、弾性回転軸は実施の形態に限定されず、高剛性軸よりも剛性の低い様々な材質による軸が適用可能である。
【００４５】
また、第４の実施の形態において、必要に応じて、エンドブラケット３２１の軸受支持部３２３内の凹部の内周面と、高剛性回転軸３３４の外周面との間に軸受を配置してもよい。また、第４の実施の形態において、弾性軸３０を高剛性回転軸としてもよい。
【００４６】
また、第６図に示される変形例において、アングルロータ１１７の貫通穴１１７ａは、ネジ４２に螺合しておらず、ネジ４２に対して移動可能に設けられているが、クラウン部１３１の上端に弾性軸３０と同軸の雄ネジを突出させ、貫通穴１１７ａを通じてナットで螺合してもよい。
【００４７】
また、例えば第１の実施の形態において、クラウン部３１の一対のピン３２を１８０度間隔とし、またロータ側の１対のピンも１８０度間隔としても、全てのピンの先端を鋭角的に形成することにより、クラウン部３１のピン３２の上端にアングルロータのピンの上端が合致して載り上がるのを防止できる。またクラウン部側のピンとロータ側のピンをそれぞれ一対設けたが、少なくとも１本ずつ設ければよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明によれば、複数の試験管に封入された複数の試料をロータにセットする際に、試料の量の大きなばらつきを考慮することなく、遠心分離にかけられるので、遠心機の操作に対する使用者の配慮が少なくて済み、産業上の利用価値は高い。本発明による遠心機は、医学、薬学、農学分野等において、様々な試料の分離、分析に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施の形態による遠心機の全体構造を示す一部断面正面図である。
【図２】第１の実施の形態による遠心機の要部を示す断面図であり、左半分には高速用アングルロータ、右半分には低速スイングロータがそれぞれ装着され回転駆動されている状態を示す。
【図３】本発明の第２の実施の形態による遠心機の要部を示す断面図であり、左半分には高速用アングルロータ、右半分には低速スイングロータがそれぞれ装着され回転駆動されている状態を示す。
【図４】本発明の第３の実施の形態による遠心機の要部を示す断面図であり、右半分には低速用のスイングロータ、左半分には極低速用大型のスイングロータがそれぞれ装着され回転駆動されている状態を示す。
【図５】本発明の第４の実施の形態による遠心機の要部を示す断面図であり、左半分には高速用アングルロータ、右半分には低速用スイングロータがそれぞれ装着され回転駆動されている状態を示す。
【図６】回転軸の回転トルクをロータに伝達させるための構成を示す変形例である。
【図７】本発明の第５の実施の形態による遠心機の要部を示す断面図であり、左半分には高速用アングルロータ、右半分には低速用スイングロータがそれぞれ装着され回転駆動されている状態を示す。
【図８】第５の実施の形態において、弾性軸とクラウン部と高剛性軸とスイングロータとの位置関係を示す要部断面図である。
【図９】第５の実施の形態において、クラウン部付近の斜視図である。
【図１０】アングルロータを示す斜視図である。
【図１１】試験管を装着したバケットがスイングロータの腕に取付けられた状態を示す斜視図である。
【図１２】高剛性軸での不釣合いによる軸受反力を説明する図である。
【図１３】弾性軸での不釣合いによる軸受反力を説明する図である。
【図１４】高剛性軸と弾性軸の軸受反力の違いを示すグラフである。
【符号の説明】
【００５０】
２ 筐体、 ３、４ 仕切板、 １２ 誘導モータ、 １６、１１６ 回転子（出力軸）、 １７ アングルロータ、 ２０ 駆動部、 ２１、１２１、２２１、３２１、４２１ エンドブラケット、 ２３、１２３、２２３ 軸受支持部、 ２２３Ａ 段部、 ２４、２５ 軸受、 ３０ 弾性軸、 ３１ クラウン部、 ３４、１３４、高剛性軸、２３４ 第２の高剛性軸、３３４ 高剛性回転軸、 ３４Ａ、２３４Ａ、３３４Ａ テーパ部(テーパ面）、 ３６、１３６、３３６ スイングロータ、１３３、２３３、３３３ 軸受（ベアリング）、４３４ 固定軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は遠心機に関し、特に、複数用意されたロータの中から目的にあったロータを選択、交換して、最適な軸にセット可能な遠心機の駆動構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の遠心機は、電動モータ等の動力発生部で得られる回転トルクを、回転駆動軸を介してロータに伝達し、ロータを回転させる。ロータには試料を封入した試験管が複数本セット可能であり、ロータの回転によって、試験管内の試料の遠心分離が行われる。この種の遠心機に用いられるロータには、アングルロータやスイングロータ等がある。一般的に試験管内の試料の量は採血等の程度により試験管毎に異なっているので、これら互いに質量の異なる試料を封入した複数の試験管がロータにセットされたときには、ロータと試験管との全体の重心は、回転軸心からずれるいわゆる偏重心の傾向があることは否定できない。
【０００３】
第１０図に示されるように、アングルロータＡは、全体として円形をなし、複数個の試験管挿入穴が回転軸心Ｘに対して所定角度をなして形成されている。アングルロータＡは比較的小型であり自重による遠心応力の制約が少ない。また機械加工によって製作されるので高い加工精度が得られ、装着される試験管の本数も少ないので、回転時の偏重心の傾向が少ない。従って多本架冷却遠心機と称される最高回転速度１０，０００ｒｐｍ前後の遠心機に使われるアングルロータＡは、１度で遠心できる量はそれほど多くないが、高速回転域として例えば６，０００ｒｐｍ〜１０，０００ｒｐｍでの遠心分離に適している。なお高速回転ロータの定義は明確ではないが、高い遠心加速度を必要とする試料の遠心、分離に主に用いられる。
【０００４】
一方第１１図に示されるように、スイングロータＳは、軸心Ｘから放射状に複数の腕（図示の例では４本）が水平に延び、それぞれの腕の先端が二股状をなして、隣り合う腕の対向する二股部方向にピンが突設されている。そして１対の対向するピンには、有底筒状のバケットが揺動可能に支持される。なお、バケットはピンに対応する係合部が設けられ、係合部はピンに対して離脱可能に設けられる。それぞれのバケット内には複数の試験管穴が形成されたラックが配置され、これら試験管穴に試験管が挿入される。なお遠心分離作業では、全ての腕にバケットが係合されてピンを介して吊り下げられるが、第１１図は理解のために２本のバケットは省略している。スイングロータＳが遠心機にセットされて所定回転数に達すると、遠心力によりバケットはピンを中心にして水平方向に移動して、試料の成分分離が行われる。
【０００５】
スイングロータＳはアングルロータＡに比べて大型であり、より多い本数の試験管が挿入できる点で有利であるが、挿入本数が多いことは、試験管に充填された試料相互のばらつきの傾向もそれだけ高いことを意味する。またスイングロータは、回転半径が大きく且つ中心部質量が相対的に小さい。更にスイングロータＳの腕は複雑な形状をしており、製造コスト低減の目的から鋳造によって製造される場合が多く、この場合寸法精度もアングルロータＡに劣る。更にバケットはピンに対し着脱可能であり、バケットの係合部とピンとの間にはガタツキがある。以上のことから、スイングロータＳはピンやバケットの係合部に発生する遠心応力が大きくなり、更に質量の割に試料相互のバラツキが大きいことからアングルロータＡと比較して偏重心の傾向が著しく高くなり、高速回転には不向きである。そのため多数の試料を対象とする低速回転域、例えば２，０００〜５，０００ｒｐｍでの遠心分離に主に用いられる。
次に遠心機の回転駆動軸について、軸受反力との関係と併せて説明する。低速回転にて大形のロータを使用できるようにする場合には、回転軸の剛性を高めて、曲げの固有振動数を使用域より高速に持たせ、高い剛性による操作性の向上を図っている。具体的に第１２図に基づいて説明する。第１２図は、ロータＲ１が高剛性軸Ｓ１に同軸的に接続され、高剛性軸Ｓ１は、動力発生部たるモータＭの出力軸に同軸的に接続されて回転している状態を示す。ここで高剛性軸とは、使用回転数域内において、剛体である軸をいう。このときモータＭの出力軸は、軸受Ｂにて図示せぬモータハウジング等に支持される。ロータＲ１の質量をｍ、ロータの不釣合いにより生じる実際の重心位置と幾何中心のずれをε、回転角速度をω、高剛性軸Ｓ１の撓みをρ、高剛性軸Ｓ１の曲げ剛性をｋとすると、「回転体の力学、R.ガッシュ／H.ピュッツナー原著、三輪修三訳、森北出版」から、不釣合いによる遠心力Ｆsは
Ｆs＝ｍεω2
で表され、軸受け反力Ｆuは
Ｆu×Ｌ1＝（Ｌ1＋Ｌ2）×Ｆs から、
Ｆu＝｛（Ｌ1＋Ｌ2）／Ｌ1｝×ｍεω2
となり Ｆu ∝ω2
の関係となる。
【０００６】
一方ロータを高速回転させる場合には、回転駆動軸として弾性軸が用いられる。ここで弾性軸とは、使用回転数域内で曲げなどの弾性変形が生じる軸をいう。弾性軸により回転駆動軸の曲げ剛性を下げ、回転の際に曲げの固有振動数を低速域にあるようにする。即ち、弾性軸は高速側で不釣合いによる反力が小さくなるよう考慮している。具体的に第１３図に基づいて説明する。第１３図は、ロータＲ２が弾性軸Ｓ２に同軸的に接続され、モータＭの出力軸に同軸的に接続されて回転している状態を示す。このときモータＭの出力軸は、軸受Ｂで図示せぬモータハウジング等に支持されている。ロータＲ２の質量をｍ、ロータの不釣合いにより生じる実際の重心位置と幾何中心のずれをε、回転角速度をω、弾性軸Ｓ２の撓みをρ、弾性軸Ｓ２の曲げ剛性をｋとすると、不釣合いによる遠心力Ｆdは
Ｆd＝ｍ（ε＋ρ）ω2＝ρｋ
と表され、この式からρは、
ρ＝ｍεω2／（ｋ−ｍω2）となり、
曲げの固有振動数を√(ｋ／ｍ)＝ωnと置くと ｋ＝ｍωn2となるから、
ρ＝ε×(ω／ωn)2／｛１−(ω／ωn)2｝
となる。ここで、ω／ωｎ＝１のとき、すなわち回転速度が軸の曲げの固有振動数と一致した時（共振点）、たわみは無限大となり、固有振動数を通過するとたわみはεに漸近的に近づく。したがって、固有振動数を通過し回転が上昇すると軸受け反力Ｆu’は
Ｆu’ ∝εｋ
の関係となる。
【０００７】
以上、高剛性軸と弾性軸の軸受反力の違いを第１４図のグラフに示す。このグラフにおいて、縦軸は軸受荷重Ｆであり、横軸は角速度比である。 高剛性軸は剛性が高い分、扱い勝手が良いが、高速になるにつれて不釣合いによる軸受反力が急増する。一方弾性軸は低速に共振点を有する（１．０の部分）が、共振点を超えれば、高速回転で安定した回転が得られる。なお共振点におけるたわみは外部に減衰機構を設けることにより低く抑えることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のことから、高速用ロータと低速大形ロータを一台の遠心機で使用できるようにする場合に、弾性軸を採用すると高速での安定回転は得られるが、軸剛性が低いことから大形ロータを回転軸に装着すると回転軸が大きく撓み易く、場合によっては回転軸を折損してしまう恐れがある。また、容量の大きいロータは上述したように使用者が扱う試料に生じる不釣り合いが大きくなるため、弾性軸で大形のスイングロータを回転させると、回転軸の曲げの一次固有振動数（一次共振点）での振れが大きくなり、回転しているロータが固定部品に接触したり、あるいは回転軸を曲げて折損してしまう恐れがある。以上要約すると、弾性軸を採用すると、高速用アングルロータは使い勝手がよくなるが、低速用スイングロータは扱いが悪いか、搭載不可になる。
【０００９】
一方高剛性軸を採用すると、低速スイングロータの扱いは良くなるが、試料の不釣合いに起因する軸受反力が回転速度の２乗で増えて行くため、低速回転域では問題なくても高速回転域では軸受への負荷が大きくなり軸受の短寿命を引き起こしたり回転音が大きくなるといった問題が生じる。そのため、試料の許容不釣合い量を小さく制限せざるを得ず、使用者に試験管内の試料の含有量を均一に調整させるという手間をかけさせ、使い勝手を悪くする要因になる。以上要約すると、高剛性軸を採用すると低速大形ロータは扱いが良くなるが高速ロータは使い勝手が悪いということになる。
【００１０】
そこで本発明は上記した欠点に鑑みてなされたもので、一台の遠心機で各種ロータの操作性を犠牲にすることなく使用できる遠心機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的は、遠心機の駆動部に複数の軸を配置し、使用するロータの形状、質量、タイプ、最高回転速度などに応じて適した軸を選択できるようにすることで達成される。
【００１２】
即ち本発明は、互いに種類又はサイズの異なる第１ロータと第２ロータを含む少なくとも２個のロータを選択的に搭載して回転させる遠心機であって、遠心機本体と、該本体に収納され、回転トルクを発生する出力軸を備えた回転動力発生部と、前記第１ロータが選択されたとき、該第１ロータと前記出力軸とを動力的に接続し、前記第１ロータに回転トルクを伝達する回転駆動軸と、前記回転駆動軸と近接して配置され、該回転駆動軸とは異なる曲げ剛性を有すると共に、前記第２ロータが選択されたときは、該第２ロータを支持する支持軸を備えたことを特徴とする遠心機を提供している。
【００１３】
一の態様として、前記第２ロータが選択されたとき前記支持軸は、前記第２ロータを介して前記回転駆動軸の回転と共に回転可能であることを特徴とする。
【００１４】
別の態様として、前記支持軸は前記回転駆動軸と同軸状に配置され、１個又は複数個の軸受により回転可能に支承されていることを特徴とする。
【００１５】
更に別の態様として、前記第２ロータが選択されたとき、該ロータは前記支持軸及び前記回転駆動軸の両方に支持されることを特徴とする。
【００１６】
更に別の態様として、前記支持軸は固定されていることを特徴とする。
【００１７】
更に別の態様として、前記支持軸は互いに曲げ剛性の異なる第１の支持軸と第２の支持軸よりなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
ロータの種類に応じて最適な軸にロータが支持された状態でロータは回転駆動されるので、上述した諸問題を解決できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の第１の実施の形態による遠心機について第１図、第２図に基づき説明する。遠心機１は、上端が開口する箱型の筐体２に、上仕切板３、下仕切板４が水平に固定され、これら仕切板により、筐体は上室５、中室６、下室７に画成されている。筐体２と仕切板３、４とにより本体が構成される。上室５の上端開口部は、蓋８が開閉可能に設けられる。また上室５内には遠心室９を画成するための有底筒状断熱部材１０が配置され、断熱部材１０の内周面には、遠心室９内を冷却するための冷媒管１１が配設されている。断熱部材１０の底部には開口１０ａ（第２図）が形成され、上仕切板３にも同様の開口が形成されて、これら開口内の空間に動力発生部たる誘導モータ１２のモータハウジング１３が挿通配置される。モータハウジング１３は、上仕切板３にゴム製のダンパ１４を介して懸下支持され、モータハウジング１３の大部分は、中室６内に配置される。下室７内には、冷媒管１１内で冷媒を循環させるための図示せぬ冷凍機が配設される。
【００２０】
第１図において、誘導モータ１２の回転子（出力軸）１６には、後述する弾性軸３０を介してアングルロータ１７が接続支持されている。上仕切板３は中室６内に鉛直方向に延びるリブ１５を介して下仕切板４にも支持される。従って、誘導モータ１２の回転によるアングルロータ１７の偏重心による回転負苛は、ダンパ１４で吸収され、またアングルロータ１７や誘導モータ１２の質量は、仕切板３、４及びリブ１５により支持される。なお、遠心機全体を移動可能に設置するために、筐体２の底部にはキャスタ１８が設けられている。
【００２１】
第２図は、ロータを回転駆動するための駆動部２０を示す。駆動部２０は、上述した誘導モータ１２の他に、誘導モータ１２のハウジングを兼ねるエンドブラケット２１、回転駆動軸としての弾性軸３０、支持軸としての高剛性回転軸３４、及びクラウン部３１を有する。なお上述したように弾性軸とは使用回転数域内において曲げなどの弾性変形が生じる軸をいい、高剛性軸とは使用回転数域内で剛体である軸をいう。エンドブラケット２１は、モータハウジング１３の一部をなすフランジ部２２と、フランジ部２２から突設され出力軸１６と同軸の中空の軸受支持部２３とを有し、軸受支持部２３は、モータ側小径部２３ａと反モータ側大径部２３ｂを有する。フランジ部２２が上述のダンパ１４に接続されて上仕切板３に支持される。出力軸１６は、軸受支持部２３内に配置された軸受２４と、モータハウジング１３の底部内に配置された軸受２５とにより回転可能に支承され、出力軸１６のスラスト荷重を受ける構成となっている。断熱部材１０の底部開口１０ａは、軸受支持部２３の周囲に位置するカバー２６で閉鎖され、カバー２６の上面はラバー体２７で覆われて、ロータの回転による開口１０ａから遠心室９内への空気の吸い込みを防止している。
【００２２】
出力軸１６の上端側には同心に弾性軸３０の下端が結合され、弾性軸３０は軸受支持部２３内の空間を上方に延び、その上端側にクラウン部３１が固定されている。弾性軸３０は曲げの一次固有振動数が低速域（数十から数百ｒｐｍ）になるよう設計されている。クラウン部３１の上端面には、後述するロータ１７、３６と係合するための一対のピン３２が上方に向かって植設されているとともに、下端部には、テーパ部３１Ａが形成されている。なお一対のピン３２は同一円周上にかつ同一直径上からずれた位置（第９図参照）に配置されている。
【００２３】
高剛性軸３４は、クラウン部３１の直下位置において、エンドブラケット２１の軸受支持部２３の大径部２３ｂ内に配置された軸受（ベアリング）３３を介して、軸心を中心に回転可能にかつ弾性軸３０やエンドブラケット２１と同心に支持される。高剛性軸３４は、弾性軸３０をルーズに挿通させるために、中心部に中空部が形成されると共に、その上部にはテーパ部３４Ａが形成され、下部は軸受３３に嵌合する縮径部をなす。なおテーパ部３４Ａは第２クラウン部に相当する。
【００２４】
第２図の左半分は、高速用アングルロータ１７を装着した状態を示す。高速用アングルロータ１７は、第９図に示されるような略円形形状をなすが、本実施の形態においてはその中心部カップリング部として、クラウン部３１の上端形状、外周面形状並びにテーパ部３１Ａの形状に倣った凹部１７ａが形成されている。従って、アングルロータ１７は、クラウン部３１にのみ接続され、高剛性軸３４とは当接や係合をしない離間した位置関係となる。凹部１７ａ内には、アングルロータ１７の装着時に下方に向かい、上述したクラウン部３１の１対のピン３２と同一円周上に配置され互いに１８０度の位置関係にある図示せぬ１対のピンが突設される。従って、アングルロータ１７をクラウン部３１上に位置せしめて、クラウン部３１上に置くと、弾性軸３０の回転によりクラウン部３１のピン３２がアングルロータ１７のピンと当接し、弾性軸３０の回転トルクをアングルロータ１７に伝達することができる。このとき、クラウン部３１の一対のピン３２は、１８０度間隔となっていないので、クラウン部３１のピン３２の上端にアングルロータのピンの上端が合致して載り上がることが防止できる。
【００２５】
第２図の右半分は、低速用スイングロータ３６を装着した状態を示す。低速用スイングロータ３６は、第１１図に示されるような放射状をなし、バケット３８が腕部３７に図示せぬピンを介して回動可能に支持され、バケット３８内には複数の試験管挿入穴が形成されたラック３９が固定され、ラック３９内には試料を封入した試験管４０が挿入される。なお、第２図の状態は、遠心力によりバケット３８が水平方向に揺動して試料の遠心分離を行っている状態を示す。本実施の形態のスイングロータ３６の腕部３７の基部には、クラウン部３１の頂部や外周部やテーパ部３１Ａとは当接しない第１凹部３６ａと、高剛性軸３４のテーパ部３４Ａと当接するテーパ部が形成された第２凹部３６ｂとが形成されたカップリング部が設けられる。第１凹部３６ａの頂部には、クラウン部３１のピン３２と当接可能で上述した図示せぬアングルロータのピンと同様な１対のピン４１が下方に向かって突設している。
【００２６】
スイングロータ３６とクラウン部３１とは、ピン３２とピン４１とのみだけの係合接続関係にあり、スイングロータ３６はテーパ部３４Ａに当接して高剛性軸３４に裁置される。従って、スイングロータ３６をクラウン部３１上に位置せしめて、テーパ部３４Ａ上に置くと、弾性軸３０の回転によりクラウン部３１のピン３２がスイングロータ３６のピン４１と当接し、弾性軸３０の回転トルクをスイングロータ３６に伝達することができる。また、スイングロータ３６の質量は、クラウン部３１ではなく、高剛性軸３４のテーパ部３４Ａで受けることができる。
【００２７】
以上の構成において、高速回転用アングルロータ１７を用いた遠心分離を行う場合には、アングルロータ１７をクラウン部３１上に裁置させるだけで、アングルロータ１７はクラウン部３１とのみ接続関係が生じる。よってアングルロータ１７のスラスト荷重とラジアル荷重は、クラウン部３１のテーパ部３１Ａで受けられ、アングルロータ１７は弾性軸３０にて回転駆動される。弾性軸３０の曲げの一次固有振動数は低速域に設定されており、加速時、この一次固有振動数を通過する際には振動が大きくなるが、外部減衰作用を持つダンパ１４により駆動部２０が上仕切板３に支持されていることから、この振動は減衰できる。回転数が曲げの一次固有振動数を過ぎれば、自動調心作用により回転中心がアングルロータ１７自身の重心位置に近づき、安定した回転が得られる。弾性軸３０による回転駆動であるため、各試験管３５内の試料のバラツキにより生じる不釣合い力は高剛性軸のように回転速度の２乗で増すことがない。
【００２８】
一方、低速回転用スイングロータ３６を用いた遠心分離を行う場合には、スイングロータ３６をセットしたとき、スイングロータ３６は高剛性軸３４にのみその質量が支持され、スイングロータ３６とクラウン部３１とは、ピン３２とピン４１とのみによる接続となる。よって、スイングロータ３６のスラスト加重およびラジアル荷重は、高剛性軸３４のテーパ部３４Ａで受けられ、スイングロータ３６は軸受３３にて回転支承される。即ち弾性軸３０の回転によるスイングロータ３６の回転が、テーパ部３４Ａの摩擦力を介してスイングロータ３６の質量を支持する高剛性軸３４に伝達され、高剛性軸３４がエンドブラケット２１に対して軸受３３を介して回転する。換言すれば、スイングロータ３６を回転させる場合は、弾性軸３０は単に回転トルクを伝達するだけとなり、高剛性軸３４で、スイングロータ３６が支持されて高剛性軸３４と共に回転することになる。このとき高剛性軸３４は、その曲げの一次固有振動数に一致した回転速度となる危険速度未満で回転させるように弾性軸３０の最高回転速度で制御すればよい。
【００２９】
以上のように、高速用のアングルロータ１７は、そのセット時に自動的に弾性軸３０を選択するので、高速での不釣合いによる駆動部への影響（軸受加重）を最小限にでき、不釣合い程度の大きい可能性の高い低速用スイングロータ３６は、セット時に自動的に高剛性軸３４に支持されるので、試料のばらつき量に多大の注意を払うことなく、低速回転での遠心分離を容易に実行することができる。
【００３０】
本発明の第２の実施の形態による遠心機について第３図に基づき説明する。なお以下の説明において先行する実施の形態における遠心機と同一の部材は同一の番号を付し、説明を省略する。第１の実施の形態では、高剛性軸３４を１個の軸受３３で回転支承しているのに対し、第２の実施の形態では高剛性軸１３４を２個の軸受（ベアリング）１３３、１３３で回転支承している。そのために、高剛性軸１３４の縮径部の軸方向長さを第１の実施の形態と比較してより長くし、同様に、エンドブラケット１２１の軸受支持部１２３の大径部１２３ｂの軸方向の長さも第１の実施の形態と比較してより長くして、２個の軸受１３３を収容可能にしている。
【００３１】
係る構成によれば、高剛性軸１３４の回転軸心の倒れをより有効に防止できると共に、軸受１３３に作用する反力を分散でき、個々の軸受１３３や軸受２４、２５（第２図）に作用する荷重が減少してそれらの寿命を延ばす効果が期待できる。
【００３２】
本発明の第３の実施の形態による遠心機について第４図に基づき説明する。第３の実施の形態は、上述したスイングロータ３６と、このスイングロータ３６よりも大型な第２スイングロータ１３６とを選択的にセット可能とするためのものである。そのため、第１の実施の形態の高剛性軸３４に加えて、第２の高剛性軸２３４が回転可能にかつ高剛性軸３４と同軸的にその半径方向外方に設けられている。エンドブラケット２２１の軸受支持部２２３の外周面側には段部２２３Ａが形成され、段部２２３Ａに耐荷重が大きい軸受（ベアリング）２３３が嵌合され、軸受２３３を介して第２の高剛性軸２３４が軸受支持部２２３に対して回転可能に支承される。高剛性軸２３４の外周面側には、第２スイングロータ１３６のテーパ面と当接可能なテーパ部２３４Ａが形成されている。なおテーパ部２３４Ａは第３クラウン部に相当する。
【００３３】
第１の実施の形態と同様に、スイングロータ３６をセットするときは、スイングロータ３６は高剛性軸３４とのみ嵌合し、スイングロータ３６とクラウン部３１とは、ピン３２とピン４１とのみによる接続となる。よって、スイングロータ３６のスラスト加重およびラジアル荷重はテーパ部３４Ａで受けられ、スイングロータ３６は高剛性軸３４を介して軸受３３によりエンドブラケット２２１に回転支承される。
【００３４】
一方大型のスイングロータ１３６をセットするときは、スイングロータ３６と同様に、スイングロータ１３６とクラウン部３１とは、ピン３２とスイングロータ１３６の図示せぬピンとのみによる接続となる。そしてスイングロータ１３６のスラスト加重およびラジアル荷重はテーパ部２３４Ａで受けられ、スイングロータ１３６は第２の高剛性軸２３４を介して軸受２３３によりエンドブラケット２２１に回転支承される。即ち弾性軸３０の回転によるスイングロータ１３６の回転が、テーパ部２３４Ａの摩擦力を介してスイングロータ１３６の質量を支持する第２高剛性軸２３４に伝達され、高剛性軸２３４がエンドブラケット２２１に対して回転する。換言すれば、スイングロータ１３６を回転させる場合は、弾性軸３０は単に回転トルクを伝達するだけとなり、第２高剛性軸２３４でスイングロータ１３６が支持されて高剛性軸２３４と共に回転することになる。大形のスイングロータ１３６は耐荷重が大きい軸受２３３で支承されているため、軸受２３３、３３、２４、２５（第２図）の寿命を延ばすことができ、ひいては製品寿命を延ばすことが可能となる。
【００３５】
本発明の第４の実施の形態による遠心機について第５図に基づき説明する。本実施の形態では、モータ１２の出力軸１１６の上方突出長さを大きくして、その先端部に弾性回転軸３０が同軸的に結合される。更に、出力軸１１６の先端部外周面に、中空の高剛性回転軸３３４が同軸的に結合される。高剛性回転軸３３４の外周面には、スイングロータ３６を受けるためのテーパ面３３４Ａが形成されている。
【００３６】
以上の構成において、アングルロータ１７のセットについては、第１の実施の形態と同様である。スイングロータ３６をセットしたときは、スイングロータ３６の凹部のテーパ面が高剛性回転軸３３４のテーパ面３３４Ａに当接する。誘導モータ１２の回転トルクは、高剛性回転軸３３４に直接伝達されるため、テーパ部３３４Ａの摩擦力でスイングロータ３６に回転トルクが伝達できる。よって、上述した実施の形態のように、ピン同士の当接によるトルク伝達が不要となる。かかる構造では、回転トルクが大きく、ピンに作用するモーメントが大きい場合や、弾性回転軸３０のねじり応力が無視できない場合などに有利である。
【００３７】
第６図は、トルク伝達に関する変形例を示している。上述した実施の形態では、弾性回転軸３０の回転トルクをピン３２、４１同士の当接によって達成しているが、変形例では、ピンに代えてネジ４２、４３が用いられる。ネジ４２はアングルロータ１１７をクラウン部１３１に接続するためのものであり、ネジ４３は、スイングロータ２３６をクラウン部１３１に接続するためのものである。アングルロータ１１７の貫通穴１１７ａは、ネジ４２に螺合しておらず、ネジ４２に対して移動可能であり、ネジ４２はクラウン部１３１にのみ螺合する。そしてアングルロータ１１７の質量は、テーパ部１３１Ａで支持される。同様に、スイングロータ２３６の貫通穴２３６ａは、ネジ４３に螺合しておらず、ネジ４３に対して移動可能であり、ネジ４３はクラウン部１３１にのみ螺合する。そして上述した実施の形態と同様に、スイングロータ２３６の質量は、高剛性軸３４のテーパ部３４Ａで支持される。
【００３８】
本発明の第５の実施の形態による遠心機について第７図乃至第９図に基づき説明する。上述した実施の形態では高剛性軸３４、１３４、２３４、３３４はいずれも回転軸であるが、本実施の形態では支持軸としての高剛性軸を回転不能な固定軸４３４としている。この固定軸４３４はエンドブラケット４２１の軸受支持部がそのまま利用される。固定軸４３４の上端側外周面は縮径部をなし、２個の軸受（ベアリング）３３３が縮径部に嵌合される。そして、スイングロータ３３６のカップリング部３３７の凹部３３６ｂの内周面が、軸受３３３の外周面と嵌合し、スイングロータ３３６は軸受３３３を介して軸受支持部（固定軸）４３４に回転可能に構成される。
【００３９】
第１の実施の形態と同様に、高速回転用アングルロータ１７をセットしたときは、アングルロータ１７をクラウン部２３１上に裁置させるだけで、アングルロータ１７はクラウン部２３１とのみ嵌合する。このときクラウン部２３１の１対のピン３２が図示せぬアングルロータの１対のピンと当接する。よってアングルロータ１７のスラスト荷重とラジアル荷重は、クラウン部２３１のテーパ部２３１Ａで受けられ、アングルロータ１７はピン同士の当接により弾性軸３０にて回転駆動される。なおアングルロータ１７は、軸受３３３とは離間しているので、軸受３３３が回転することはない。
【００４０】
一方、低速回転用スイングロータ３３６をセットしたときは、スイングロータ３３６は軸受３３３を介して軸受支持部４３４に回転支持されるので、スイングロータ３３６の半径方向の移動が軸受支持部４３４により規制される。弾性軸３０により回転トルクがスイングロータ３３６伝達されるが、スイングロータ３３６の半径方向の移動が規制されるので、結果的に弾性軸３０の大きな変形も生じず、折損のおそれがない。
【００４１】
換言すれば、スイングロータ３３６のカップリング部３３７を軸受３３３に嵌合させることで、弾性軸３０には回転動力を伝達する機能と、スイングロータ３３６のスラスト荷重支持のみを担わせ、弾性軸３０の曲げの一次共振回転数での振幅増大を抑制することができる。更に一次共振回転数以上での運転時には、試料の不釣合いにより偏重心点で回転しようとするが、軸受支持部４３４が剛性固定軸として働くため、弾性軸３０には曲げ応力が殆ど発生しない。なお、軸受３３３は偏重心による荷重の大半を受けなければならないが、低速用で直径が大きく且つ耐荷重の大きい軸受を選定すれば、寿命的問題をクリアすることができる。 このように、本実施の形態においても、偏重心傾向の低いアングルロータについては、弾性軸３０のみが関連して高速回転させ、低速で偏重心の大きくなり易いスイングロータ３３６については、そのカップリング部３３７のみを軸受３３３に嵌合させるようにしたので、軸受３３３並びに軸受支持部４３４を剛性軸として利用することができ、低速の偏重心の大きくなり易い大容量のスイングロータ３３６が運転可能な遠心構成とすることができる。
【００４２】
本発明による遠心機は上述した実施の形態に限定されず、請求の範囲に記載された範囲で、種々の変更が可能である。例えば、動力発生部であるモータは誘導モータに限らず、回転トルクが得られるものである限り、直流モータ等の電動モータや、エアタービン、オイルタービン等流体作動モータ等、種々適用可能である。
【００４３】
また、いずれの実施の形態においても、適用されるロータは図示されるロータに限定されず、クラウン部又はテーパ部に合致する形状である限り、種々のロータが適用可能である。
【００４４】
また、弾性回転軸は実施の形態に限定されず、高剛性軸よりも剛性の低い様々な材質による軸が適用可能である。
【００４５】
また、第４の実施の形態において、必要に応じて、エンドブラケット３２１の軸受支持部３２３内の凹部の内周面と、高剛性回転軸３３４の外周面との間に軸受を配置してもよい。また、第４の実施の形態において、弾性軸３０を高剛性回転軸としてもよい。
【００４６】
また、第６図に示される変形例において、アングルロータ１１７の貫通穴１１７ａは、ネジ４２に螺合しておらず、ネジ４２に対して移動可能に設けられているが、クラウン部１３１の上端に弾性軸３０と同軸の雄ネジを突出させ、貫通穴１１７ａを通じてナットで螺合してもよい。
【００４７】
また、例えば第１の実施の形態において、クラウン部３１の一対のピン３２を１８０度間隔とし、またロータ側の１対のピンも１８０度間隔としても、全てのピンの先端を鋭角的に形成することにより、クラウン部３１のピン３２の上端にアングルロータのピンの上端が合致して載り上がるのを防止できる。またクラウン部側のピンとロータ側のピンをそれぞれ一対設けたが、少なくとも１本ずつ設ければよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明によれば、複数の試験管に封入された複数の試料をロータにセットする際に、試料の量の大きなばらつきを考慮することなく、遠心分離にかけられるので、遠心機の操作に対する使用者の配慮が少なくて済み、産業上の利用価値は高い。本発明による遠心機は、医学、薬学、農学分野等において、様々な試料の分離、分析に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施の形態による遠心機の全体構造を示す一部断面正面図である。
【図２】第１の実施の形態による遠心機の要部を示す断面図であり、左半分には高速用アングルロータ、右半分には低速スイングロータがそれぞれ装着され回転駆動されている状態を示す。
【図３】本発明の第２の実施の形態による遠心機の要部を示す断面図であり、左半分には高速用アングルロータ、右半分には低速スイングロータがそれぞれ装着され回転駆動されている状態を示す。
【図４】本発明の第３の実施の形態による遠心機の要部を示す断面図であり、右半分には低速用のスイングロータ、左半分には極低速用大型のスイングロータがそれぞれ装着され回転駆動されている状態を示す。
【図５】本発明の第４の実施の形態による遠心機の要部を示す断面図であり、左半分には高速用アングルロータ、右半分には低速用スイングロータがそれぞれ装着され回転駆動されている状態を示す。
【図６】回転軸の回転トルクをロータに伝達させるための構成を示す変形例である。
【図７】本発明の第５の実施の形態による遠心機の要部を示す断面図であり、左半分には高速用アングルロータ、右半分には低速用スイングロータがそれぞれ装着され回転駆動されている状態を示す。
【図８】第５の実施の形態において、弾性軸とクラウン部と高剛性軸とスイングロータとの位置関係を示す要部断面図である。
【図９】第５の実施の形態において、クラウン部付近の斜視図である。
【図１０】アングルロータを示す斜視図である。
【図１１】試験管を装着したバケットがスイングロータの腕に取付けられた状態を示す斜視図である。
【図１２】高剛性軸での不釣合いによる軸受反力を説明する図である。
【図１３】弾性軸での不釣合いによる軸受反力を説明する図である。
【図１４】高剛性軸と弾性軸の軸受反力の違いを示すグラフである。
【符号の説明】
【００５０】
２ 筐体、 ３、４ 仕切板、 １２ 誘導モータ、 １６、１１６ 回転子（出力軸）、 １７ アングルロータ、 ２０ 駆動部、 ２１、１２１、２２１、３２１、４２１ エンドブラケット、 ２３、１２３、２２３ 軸受支持部、 ２２３Ａ 段部、 ２４、２５ 軸受、 ３０ 弾性軸、 ３１ クラウン部、 ３４、１３４、高剛性軸、２３４ 第２の高剛性軸、３３４ 高剛性回転軸、 ３４Ａ、２３４Ａ、３３４Ａ テーパ部(テーパ面）、 ３６、１３６、３３６ スイングロータ、１３３、２３３、３３３ 軸受（ベアリング）、４３４ 固定軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに種類又はサイズの異なる第１ロータと第２ロータを含む少なくとも２個のロータを選択的に搭載して回転させる遠心機であって、
遠心機本体と、
該本体に収納され、回転トルクを発生する出力軸を備えた回転動力発生部と、
前記第１ロータが選択されたとき、該第１ロータと前記出力軸とを動力的に接続し、前記第１ロータに回転トルクを伝達する回転駆動軸と、
前記回転駆動軸と近接して配置され、該回転駆動軸とは異なる曲げ剛性を有すると共に、前記第２ロータが選択されたときは、該第２ロータを支持する支持軸を備えたことを特徴とする遠心機。
【請求項２】
請求項１において、前記第２ロータが選択されたとき前記支持軸は、前記第２ロータを介して前記回転駆動軸の回転と共に回転可能であることを特徴とする遠心機。
【請求項３】
請求項１において、前記支持軸は前記回転駆動軸と同軸状に配置され、１個又は複数個の軸受により回転可能に支承されていることを特徴とする遠心機。
【請求項４】
請求項１において、前記第２ロータが選択されたとき、該ロータは前記支持軸及び前記回転駆動軸の両方に支持されることを特徴とする遠心機。
【請求項５】
請求項１において、前記支持軸は固定されていることを特徴とする遠心機。
【請求項６】
請求項１において、前記支持軸は互いに曲げ剛性の異なる第１の支持軸と第２の支持軸よりなることを特徴とする遠心機。
【請求項１】
互いに種類又はサイズの異なる第１ロータと第２ロータを含む少なくとも２個のロータを選択的に搭載して回転させる遠心機であって、
遠心機本体と、
該本体に収納され、回転トルクを発生する出力軸を備えた回転動力発生部と、
前記第１ロータが選択されたとき、該第１ロータと前記出力軸とを動力的に接続し、前記第１ロータに回転トルクを伝達する回転駆動軸と、
前記回転駆動軸と近接して配置され、該回転駆動軸とは異なる曲げ剛性を有すると共に、前記第２ロータが選択されたときは、該第２ロータを支持する支持軸を備えたことを特徴とする遠心機。
【請求項２】
請求項１において、前記第２ロータが選択されたとき前記支持軸は、前記第２ロータを介して前記回転駆動軸の回転と共に回転可能であることを特徴とする遠心機。
【請求項３】
請求項１において、前記支持軸は前記回転駆動軸と同軸状に配置され、１個又は複数個の軸受により回転可能に支承されていることを特徴とする遠心機。
【請求項４】
請求項１において、前記第２ロータが選択されたとき、該ロータは前記支持軸及び前記回転駆動軸の両方に支持されることを特徴とする遠心機。
【請求項５】
請求項１において、前記支持軸は固定されていることを特徴とする遠心機。
【請求項６】
請求項１において、前記支持軸は互いに曲げ剛性の異なる第１の支持軸と第２の支持軸よりなることを特徴とする遠心機。
【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】
【公開番号】特開２００７−２２９７１６（Ｐ２００７−２２９７１６Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４５２９０（Ｐ２００７−１４５２９０）
【出願日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【分割の表示】特願２００２−５８３０９５（Ｐ２００２−５８３０９５）の分割
【原出願日】平成１４年４月１９日（２００２．４．１９）
【出願人】（０００００５０９４）日立工機株式会社 (1,861)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【分割の表示】特願２００２−５８３０９５（Ｐ２００２−５８３０９５）の分割
【原出願日】平成１４年４月１９日（２００２．４．１９）
【出願人】（０００００５０９４）日立工機株式会社 (1,861)
【Ｆターム（参考）】
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