JPH07308619A

JPH07308619A - 流体供給装置

Info

Publication number: JPH07308619A
Application number: JP7064057A
Authority: JP
Inventors: Teruo Maruyama; 照雄丸山; Ryoichi Abe; 良一阿部; Yoshihiro Ikemoto; 義寛池本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-03-23
Filing date: 1995-03-23
Publication date: 1995-11-28

Abstract

(57)【要約】【目的】脈動のない連続流量特性、環境条件に存在し
ない定流量特性を持ち、超高精化、超微少流量化が図れ
る流体供給装置を提供する。【構成】流体の吸入孔２３及び吐出孔２７と、ロータ
２５およびこのロータ２５を収納する固定部材１９の間
に形成された流体輸送部と、ロータと連結した軸１０
と、この軸１０と前記固定部材の間に相対的な回転運動
を与えるための回転アクチェータ３５と、その駆動電源
である回転運動制御部８３と、回転部材と固定部材の間
に相対的な揺動運動を与えるための揺動アクチェータ３
１と、その駆動電源である揺動運動制御部８１より構成
することにより、シンプルな構成で供給流量の超高精度
化・超微少流量化が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子部品、家電製品など
の分野における生産工程において、接着剤、クリーンハ
ンダ、グリース、ペイント、ホットメルト、薬品、食品
などの各種液体を定量に吐出・供給する流体供給装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液体吐出装置（ディスペンサー）は従来
から様々な分野で用いられているが、近年の電子部品の
小形化・高記録密度化のニーズにともない、流体材料を
高精度でかつ安定して制御する技術が要請される様にな
っている。

【０００３】たとえば表面実装（ＳＭＴ）の分野を例に
とれば、実装の高速化、微小化、高密度化、高品位化、
無人化のトレンドの中で、ディスペンサーの課題を要約
すれば、塗布量の高精度化吐出時間の短縮１回の塗布量の微小化である。従来液体吐出装置として、図１２に示す様なエ
アパルス方式によるディスペンサーが従来から広く用い
られており、例えば「自動化技術’９３．２５巻７号」
等にその技術が紹介されている。この方式によるディス
ペンサーは、定圧源から供給される定量の空気を容器１
５０（シリンダ）内にパルス的に印加させ、シリンダ１
５０内の圧力の上昇分に対応する一定量の流体をノズル
１５１から吐出させるものである。

【０００４】上述したエアーパルス方式に代わるものと
して、通称モーノポンプ（ＭｏｙｎｏＰｏｍｐ）と呼
ばれる回転容積型の一軸偏心ポンプを用いたディスペン
サーが実用化されている。モーノポンプはヘビの様な運
動をすることから、別名スネイクポンプとも呼ばれてお
り、例えば「配管技術，’８５．７月号」等にその技術
の詳細が紹介されている。図１１にその構造例を示す。

【０００５】１００は、主軸（ドライブシャフト）、１
０１は玉軸受、１０２はスネイクポンプのロータ、１０
３はステータ、１０４、１０５はユニバーサル・ジョイ
ントであり、ロータ１０２とカップリングロッド１０６
及びこのカップリングロッド１０６とドライブシャフト
１００を連結する。ロータ１０２は断面真円形状のいわ
ば雄ネジであり、この雄ネジに対応する雌ネジとしての
ステータ１０３は穴の断面が長円形の形状をしている。
ロータ１０２を前記ステータ１０３に嵌め込み、ロータ
１０２を偏心軸センターにおいて回転すると、ロータ１
０２はステータ１０３の内部で回転しながら上下運動す
る。ロータ１０２とステータ１０３間に封じ込められた
流体は、切れ目のない無限のピストン運動により、吸入
側から吐出側へ連続的に送り出されるのである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしこれらの方式の
ディスペンサーは次の問題点があった。

【０００７】〔１〕エアーパルス方式のディスペンサー
の課題 (1)吐出圧脈動による吐出量のばらつき (2)水頭差による吐出量のばらつき (3)液体の粘度変化による吐出量変化上記(1)の現象は、タクトが短く吐出時間が短い程顕著
に表れる。そのため、エアーパルスの高さを均一化する
ための安定化回路を施すなどの工夫がなされている。

【０００８】上記(2)は、シリンダ内の空隙部１５２の
容積が液体残量Ｈによって異なるため、一定量の高圧エ
アーを供給した場合、空隙部１５２内の圧力変化の度合
が、上記Ｈによって大きく変化してしまうというのがそ
の理由である。液体残量が低下すれば、塗布量が例えば
最大値と比べて５０〜６０％程減少してしまうという問
題点があった。そのために、吐出毎に液体残量Ｈを検知
し、吐出量が均一になる様にパルスの時間幅を調整する
等の方策がなされている。

【０００９】上記(3)は、例えば多量の溶剤を含んだ材
料が時間とともに粘度が変化した場合に発生する。その
ための対策として、時間軸に対する粘度変化の傾向をあ
らかじめコンピュータにプログラミングしておき、粘度
変化の影響を補正する様に例えばパルス幅を調節する等
の方策がなされていた。上記課題に対するいずれの方策
も、コンピュータを含む制御系が繁雑化し、また不規則
な環境条件（温度等）の変化に対する対応は困難であ
り、抜本的な解決案にはならなかった。

【００１０】〔２〕スネイクポンプによるディスペンサ
ーの課題このスネイクポンプの場合、定容積の密閉空間に流体を
封じ込めて輸送する容積型であるため、上述したエアパ
ルス方式のディスペンサーと比べて、粘度変化、ポンプ
吐出側の負荷の変化等の影響を受けにくい定流量特性を
持っている。しかしステータ１０３内部で、ロータ１０
２が回転しながら往復直線運動をすることによりポンピ
ング作用が得られるこの方式のポンプは、ロータ１０２
は基本的に片持ち支持構造であり、ステータ１０３がロ
ータ１０２を支持する軸受としての機能も兼ねている。
したがって、例えば主軸１００の回転数を上昇させた
り、ポンプの負荷の増大により吐出側の圧力が上昇する
と、十分な位置決め保持機能を持たないロータ１０２の
運動が不安定になりやすい。その結果ロータ１０２とス
テータ１０３間のクリアランスが変動し、内部リーク量
がばらつくため流量精度が悪い等の問題点があった。ま
たステータ１０３、ロータ１０２の偏磨耗による流量特
性の経年変化も大きな問題点であった。したがってスネ
イクポンプをディスペンサーとして用いるため、ロータ
を小径化した場合、前述した理由により、吐出総流量の
精度はせいぜい±１０〜２０％が限界であった。また、
ディスペンサーの超微少流量化（たとえばＱ＝１０^-5cm
³/sec以下）の要請に応えるために、例えばロータ径：
Ｄ＝０．５mmφ以下の細径化を試みた場合、ロータ・
ステータ間の金属間接触を伴う従来構造では、ロータの
強度低下による弾性変形、擢動摩耗、破損等が発生し、
実用化は極めて困難であった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、この発明にかかる流体供給装置では、流体の吸入
孔及び吐出孔と、ロータおよびこのロータを収納する固
定部材の間に形成された流体輸送部と、前記ロータと連
結した軸と、この軸と前記固定部材の間に相対的な回転
運動を与えるための回転アクチェータと、その駆動電源
である回転運動制御部と、前記軸と前記スリーブの間に
相対的な揺動運動を与えるための揺動アクチェータと、
その駆動電源である揺動運動制御部より構成されること
を特徴とするものである。

【００１２】

【作用】本発明の対象であるスネイクポンプは、断面長
円形のステータ内部でロータを直線往復運動させるため
に、このロータに連結している駆動側の主軸を偏芯運動
（揺動運動）させながら、その偏芯軸センターにおいて
回転運動させるものである。図１はスネイクポンプの動
作原理を示すもので、１は基礎円、２はその内接円であ
る。Ｏ₁は前記内接円２の中心、Ｏ₂はロータの偏芯運動
の中心、また３はＯ₁を中心とする主軸である。ここで
内接円２が基礎円１の内側を回転数ωでころがりなが
ら回転すると、内接円中心Ｏ₁は中心Ｏ₂のまわりを回転
数ωで揺動運動する。したがってスネイクポンプの主軸
３は回転数ωで回転しながら、中心Ｏ ₂のまわりを偏芯
量εで揺動運動することになる。

【００１３】また流体を輸送するポンプ部分のロータ
（図１では図示せず。図２の２５）は前記内接円２の円
周上を中心とする真円である。このロータは断面長円形
のステータ（図１では図示せず。図２の２６）に収納さ
れており、原点Ｏ₂を通過する直線運動をする。

【００１４】本発明を適用した流体供給装置では、主軸
３には独立した２つのアクチェータによって、揺動運動
と回転運動が同時に与えられる。回転アクチェータ部に
おいては、ＡＣサーボモータあるいはパルスモータ等に
よって、回転数ωの回転運動がなされる。一方揺動アク
チェータ部は、たとえばＸ軸、Ｙ軸に９０°の位相ズレ
を持つマイクロアクチェータ正弦波駆動の組み合わせに
よって規則正しい揺動運動がなされる。この揺動運動
は、回転数ωで原点Ｏ₂のまわりを回る施回運動であ
る。

【００１５】吐出流量が極めて小さな微小流量ディスペ
ンサーの場合、スネイクポンプのロータ径及び揺動運動
の偏芯量（図１のε）は極めて小さくてもよいというこ
とに着目する。この場合、揺動アクチェータとして例え
ば０．１〜０．５mm程度の変位が得られる磁気軸受、ピ
エゾアクチェータ等の適用が可能となる。

【００１６】回転と揺動２つの運動は、互いの位相差が
一定に保たれる様な同期制御がなされている。例えば一
つの基準の信号をもとに揺動運動と回転運動の位相が決
められる。この同期制御により、主軸３はモーノポンプ
固有の複合運動をする。その結果、ロータとステータ間
に形成される密閉空間は、吸入側から吐出側へ順次移動
し、連続的なポンピング作用が得られるのである。

【００１７】

【実施例】以下本発明を微少流量の液体を供給するディ
スペンサーに適用した実施例について説明する。図２に
おいて、１０は主軸、１１は回転アクチェータであるモ
ータのロータ、１２はモータのステータ、１３〜１９は
固定部材、２０、２１は固定部材１３、１４、１５、１
６、１７、１８、１９と主軸１０の間に形成された上部
スラスト流体軸受及び下部スラスト流体軸受、２２はつ
ば形状をしたシール部、２３は吸入孔、２４は主軸１０
に形成したねじ溝ポンプ、２５はスネイクポンプのロー
タ、２６はスネイクポンプのステータ、２７は吐出ノズ
ルである。なを図中スネイクポンプのロータ２５、ステ
ータ２６の部分のみ、その振幅の形状をやや誇張して描
いている。２８は揺動アクチェータである磁気軸受のロ
ータ、２９は磁気軸受のステータ、３０ａ、３０ｂは主
軸１０の半径方向位置を検出するためのＸ軸変位センサ
ー、３０ｃ（図示せず）、３０ｄ（鎖線）はＹ軸変位セ
ンサーである。

【００１８】Ｘ軸変位センサー３０ａ、３０ｂとＹ軸変
位センサー３０ｃ、３０ｄは直交して設けられている。
図面の裏側に配置された前記Ｙ軸センサー３０ｄを鎖線
で示す。ロータ２８、ステータ２９、Ｘ軸変位センサー
３０ａ、３０ｂ、Ｙ軸変位センサー３０ｃ、３０ｄによ
り、主軸10の軸芯Ｏ₁の径方向位置を決め、かつこの軸
芯Ｏ₁に規則正しい揺動運動を発生させる磁気軸受アク
チェータ３１を構成している。また３２は主軸１０の
回転角と回転速度を検出するためのエンコーダのロー
タ、３３はステータであり、主軸１０と固定部材１３の
間に設けられている。またロータ１１、ステータ１２、
ロータ３２、ステータ３３により、エンコーダによる回
転位置情報をもとに、主軸１０を規則正しく回転させる
回転アクチェータ３５を構成している。図３に磁気軸受
アクチェータ３１を駆動する揺動運動制御部８１として
のブロック図を示す。この揺動運動制御部８１では、回
転運動と同期した状態で磁気軸受の各軸が駆動されてい
る。図中に磁気軸受の構成モデルを記載しており、前記
ステータ２９はＸ軸ステータ２９ａ、２９ｂ及びＹ軸ス
テータ２９ｃ、２９ｄより構成されている。主軸１０に
揺動運動を与えるために、前記Ｘ軸ステータ、Ｙ軸ステ
ータの駆動回路に９０°の位相差を持つ正弦波が与えら
れる。

【００１９】図４は本実施例の制御回路全体のブロック
図である。回転信号発生器８２で、回転数と回転位置を
決める周波数（パルス列）を出力させる。この出力の一
方は回転運動制御部８３へ入力される。この回転運動制
御部８３では回転アクチェータ３５を駆動制御する信号
が作られる。一方揺動運動制御部８１では、回転信号発
生器８２から得られたパルス列を磁気軸受アクチェータ
３１のＸ軸及びＹ軸信号処理部（図３）へ送る。なお図
４において、鎖線で示す様にエンコーダからの出力を揺
動運動制御部へフィードバックすれば、回転運動と揺動
運動間の位相をより正確に制御することができる。図２
において、前記スラスト流体軸受２０、２１は通称ヘリ
ングボーン（魚の骨）と呼ばれる浅い溝３２をつばの面
に形成した公知の動圧軸受であり、図５にその形状の一
例を示す。流体軸受２０、２１と固定部材の間に潤滑油
３３、３４が封じ込められている。浅い溝３２のポンピ
ング効果により、潤滑油３３、３４は外部に流出するこ
とはない。

【００２０】主軸１０は２つの前記スラスト流体軸受２
０、２１によって支持されているため、傾斜することな
く軸方向位置が規制される。したがって、磁気軸受アク
チェータ３１の駆動力により、主軸１０は垂直の状態を
保ったままで、揺動運動を行うことができる。

【００２１】つば形状をした前記シール部２２は、輸送
流体が流体軸受部、磁気軸受部へ侵入するのを防止する
ために設けたもので、つばとその軸方向の対向面間のク
リアランスは十分小さく設定している。またねじ溝ポン
プ２４は、実施例ではスネイクポンプ部への輸送流体の
流入を容易にするため形成したものである。

【００２２】さてユニバーサルジョイントを用いた従来
方式のスネイクポンプ（図１１）では、ロータ１０２と
ステータ１０３間にクリアランスがあれば、そのクリア
ランスの範囲でロータ１０２は浮動状態となる。その結
果、内部リーク量がロータ１０２の不安定な挙動の影響
を受けて変動し、流量精度のバラつきを招いていた。本
発明を適用した図２の実施例では、ロータ２５の運動と
その絶対位置は上段の駆動側の主軸１０によって完全に
規制される。したがって複雑なスネイク形状を持つロー
タ２５は、運転中はステータ２６に対して非接触の状態
を保つことができる。運動の一周期におけるロータ２５
とステータ２６間のクリアランスは、主軸１０の運動軌
跡が一定のため、どの箇所においても常に一定の同期の
変化特性を持っている。従って、内部リークが吐出流量
に与える影響も一定であり、たとえロータ２５とステー
タ２６間のクリアランスが少々大きくても、あらかじめ
予測した通りのバラつきのない吐出流量が得られるので
ある。

【００２３】また本発明のポンプでは、ロータ２５と主
軸１０の間に従来のユニバーサルジョイント（図１１の
１０４、１０５）の様な輸送流体の流れを妨げるものは
ない。そのため微少流量化を図るためスネイクポンプを
小型化し、その入口の開孔部分３６が小さくなっても、
輸送流体をスムーズにスネイクポンプ内に流入できる。

【００２４】図６は本発明の第２の実施例であり、５軸
制御の磁気軸受とモータにより、ディスペンサーを構成
した場合を示す。５０は主軸、５１は回転アクチェータ
であるパルスモータのロータ、５２はパルスモータのス
テータ、５３は固定スリーブ、５４は吸入孔、５５は主
軸５０に形成したねじ溝ポンプ、５６はスネイクポンプ
のロータ、５７はスネイクポンプのステータ、５８は吐
出ノズルである。５９は上部磁気軸受のロータ、６０は
ステータ、６１は下部磁気軸受のロータ、６２はステー
タ、６３はスラスト磁気軸受のロータ、６４ａ、ｂはス
テータである。また６５、６６、６７はそれぞれ上部磁
気軸受、下部磁気軸受、スラスト軸受の変位サンサーで
ある。主軸５０は２つのラジアル軸受とスラスト軸受に
より支持されているため、運転状態、静止状態を問わず
完全非接触の状態を保つことができる。

【００２５】図７は本発明の第３の適用例であり、揺動
アクチェータとして圧電素子を用いた場合を示す。

【００２６】１５０は主軸、１５１は回転アクチェータ
であるモータのロータ、１５２はモータのステータ、１
５３は揺動スリーブ、１５４は吸入孔、１５５は主軸１
５０に形成したねじ溝ポンプ、１５６はスネイクポンプ
のロータ、１５７はスネイクポンプのステータ、１５８
は吐出ノズルである。１５９は固定スリーブ、１６０
ａ、１６０ｂはこの固定スリーブ１５９と揺動スリーブ
１５３の間に設けられた圧電アクチェータ、１６１、１
６２は主軸１５０を揺動スリーブ１５３内で支えるため
の軸受である。１６３、１６４は揺動スリーブ１５３を
径方向のみに移動可能にするためのガイド部である。

【００２７】以上本発明の適用例として、揺動と回転の
複合運動を得るために２つの独立したアクチェータを用
いる場合について説明した。以下一つのアクチェータ
（モータ）で、非抵触型のスネイクポンプを構成した本
発明の適用例について説明する。磁気軸受とモータの２
つの機能を同時に兼ねそなえた浮上回転モータの研究が
従来からなされており、例えば、大石他、機械学会論文
集（５８巻５５６号、１９９２年）に報告されている。
図１０に上記報告例を示す。２００は４極の永久磁石か
ら構成されるロータ、２０１は１２極から構成されるス
テータ、２０２、２０３は変位センサーである。この様
に永久磁石ロータと多極ステータを組合せて、かつ回転
制御と浮上制御のために位相差の異なる回転磁界を与え
るることにより、回転制御と浮上制御が互いに干渉しな
いことが理論的にも証明されている。（詳細略）回転浮上モータはこの様に公知であるが、従来の磁気軸
受同様に、ロータ２００の位置を検出するための変位セ
ンサーと制御回路を必要とする。

【００２８】図８は本発明の第４の適用例であり、２０
０は主軸、２０１は回転アクチェータと揺動アクチェー
タを兼ねたモータのロータ、２０２はステータ、２０３
〜２１０は固定部材、２１１は前記固定部材を収納する
ケース、２１２は吸入孔、２１３は主軸２００に形成し
たねじ溝ポンプ、２１４はスネイクポンプのロータ、２
１５はスネイクポンプのステータ、２１６は吐出ノズ
ル、２１７は上部スラスト軸受、２１８は下部スラスト
軸受、２１９はシール部、２２０は主軸２００に装着さ
れたラジアル変位規制ロータ、２２１は２０８と２２０
の隙間に封じ込められた潤滑油である。また前記固定部
材２０８はラジアル変位規制ステータとしての機能を兼
ねている。ここで以下に着目する。

【００２９】微少流量ディスペンサーの場合、揺動運
動の偏芯量εは極めて小さく、ε＝０．１〜０．５ｍｍ
程度でよい。

【００３０】主軸の運動は、一定の軌跡（ハイポサイ
クロイド曲線）を描く。上記を利用した本実施例では、主軸２００ａ径方向
位置は、図９に示す様に、ラジアル変位規制ステータ２
０８によって拘束される。したがって回転浮上モータの
原理を用いて、主軸２００に回転と揺動の複合運動を与
えても、主軸１０の軸方向位置を制御する必要はない。
前記ラジアル変位規制ロータ２２０をラジアル変位規制
ステータ２０８の内面に、図９に示す様に、押しあてる
だけでよい。従って制御系の簡素化が図れると共に、ラ
ジアル変位センサーを省略できる。なを本発明に用いる
磁気浮上モータとして、ステップモータ、リアクタンス
モータ、誘導モータ等も勿論適用できる。

【００３１】

【発明の効果】本発明により、スネイクポンプの元来持
っている脈動のない連続流量特性、回転数に比例した定
流量特性、吐出流量が温度等の環境条件・粘度変化等の
影響を受けにくい、等の特徴を失わないで、従来のスネ
イクポンプ方式あるいはエアーパルス方式では実現でき
なかった多くの特徴を持つ流体供給装置を実現すること
ができる。すなわち流量の超高精度が図れる超微少流量化が図れる流量制御範囲を拡大できる本発明を例えば表面実装分野のディスペンサーとして用
いれば、実装の高速化、微少化、高品位化等の要請に対
して、そのすぐれた素性を生かすことができ、効果は絶
大なものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の対象となったスネイクポンプの駆動原
理を示す図

【図２】本発明の第１の実施例を示す正面断面図

【図３】本発明の揺動運動制御部のブロック図

【図４】本発明の制御回路全体を示すブロック図

【図５】スラスト流体軸受を示す図

【図６】本発明の第２の適用例を示す正面断面図

【図７】本発明の第３の適用例を示す正面断面図

【図８】本発明の第４の適用例を示す正面断面図

【図９】図７のラジアル変位規制部を示す構成図

【図１０】公知の回転浮上モータの原理図

【図１１】公知のスネイクポンプの正面断面図

【図１２】エアパルスディスペンサーを示す構成図

【符号の説明】

１０主軸１１ロータ１２ステータ２３吸入孔２７吐出ノズル２８ロータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の吸入孔及び吐出孔と、ロータおよ
びこのロータを収納する固定部材の間に形成された流体
輸送部と、前記ロータと連結した軸と、この軸と前記固
定部材の間に相対的な回転運動を与えるための回転アク
チェータと、その駆動電源である回転運動制御部と、前
記軸と前記固定部材の間に相対的な揺動運動を与えるた
めの揺動アクチェータと、その駆動電源である揺動運動
制御部より構成されることを特徴とする流体供給装置。
【請求項２】流体輸送部は一軸偏心ねじポンプである
ことを特徴とする請求項１記載の流体供給装置。
【請求項３】回転運動と揺動運動が合成されて、規則
正しい公転運動がなされる様に前記回転運動制御部と前
記揺動運動制御部により同期制御されていることを特徴
とする請求項１記載の流体供給装置。
【請求項４】揺動アクチェータは磁気軸受であること
を特徴とする請求項３記載の流体供給装置。
【請求項５】揺動アクチェータは圧電素子であること
を特徴とする請求項３記載の流体供給装置。
【請求項６】回転アクチェータと揺動アクチェータの
それぞれの機能を同一のモータでもたせたことを特徴と
する請求項１記載の流体供給装置。