CN1044592C - 液体供给装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液体供给装置，由液体的吸入孔、排出孔、在转子及容纳该转子的固定部件间形成的液体输送部、与转子连接的轴、使该轴与所述固定部件间作相对旋转运动的旋转促动器、作为其驱动电源的旋转运动控制部、使旋转部件与固定部件间作相对摆动运动的摆动促动器、及作为其驱动电源的摆动运动控制部构成，本发明可用简单的构造实现供给流量的超高精度化、超微流量化。具有无波动的连续流量特性及与环境条件无关的稳定流量特性。

Description

液体供给装置
本发明涉及在电子零件、家电产品等领域的生产过程中，定量地排出并供给粘接剂、清洁焊锡、润滑油、涂料、热熔液、药品、食品等各种液体的液体供给装置。
液体排出装置(分配器)历来被广泛用于各种领域，近年来随着对电子零件的小形化和高密度记录化的需求，要求对流体材料进行高精度地稳定控制的技术。
例如在表面安装(SMT)的领域，在安装的高速化、微型化、高密度化、高质量化、无人化的趋势中，分配器所面临的问题归纳起来有以下几点：
(1)涂敷量的高精度化
(2)排出时间缩短
(3)1次涂敷量的微量化
在传统的液体排出装置中，广泛地使用图12所示的空气脉冲式分配器，例如，“自动化技术’93.25卷7号”等就介绍了这种技术。这种方式的分配器是把由恒压源供给的定量的空气以脉冲方式加给容器150(气缸)内，并根据气缸150内压力的上升量从喷嘴151排出相应的一定量的流体。
目前还有一种取代上述空气脉冲方式的分配器已实用化，这种分配器使用了通常称为莫诺泵(MoynoPomp)的旋转容积型单轴偏心泵。由于莫诺泵作蛇似的运动，故又称其为蛇形泵，例如在“配管技术’85.7月号”等就详细介绍了这种技术。图11是其构造示例。
100是主轴(驱动轴)，101是主轴轴承，102是蛇形泵的转子，103是定子，104、105是万向接头，转子102与连接杆106、该连接杆106与驱动轴100连接。转子102为断面呈正圆形的所谓阳螺旋，与此阳螺旋对应的作为阴螺旋的定子103的孔的断面呈椭圆形。
转子102嵌于所述定子103中，一旦在偏心轴中心里转动转子102，转子102即在定子103的内部边旋转边上下运动。于是，封入转子102与定子103之间的流体便通过不间断的无限的活塞运动而连续地从吸入端向排出端送出。
然而，这些方式的分配器存在以下的问题：
〔1〕空气脉冲方式分配器的问题：
(1)排出压力的波动引起的排出量的不均匀。
(2)水位差引起的排出量的不均匀。
(3)液体的粘度变化引起的排出量的变化。
上述(1)的现象明显地表现在间歇短、排出时间短。为此，加了稳定化电路等，以便使空气脉冲的高度均匀化。
而发生上述(2)的问题的原因在于，气缸内的空隙部152的容积因液体残留量H而变化，故在供给一定量的高压空气时，空隙部152内的压力变化程度会因为上述的H而发生很大变化。如果液体残留量降低，涂敷量会比最大值减少譬如50～60％。为此，采用每排出一次检测一次液体残留量H、并调整脉冲的时间幅度、以使排出量均匀化等方法。
上述(3)的问题发生在譬如含多量熔剂的材料随时间而发生粘度变化的场合，解决的方法有，预先将粘度相对于时间轴的变化在计算机里编程序，并采用譬如调节脉冲幅度等的方法来修正粘度变化的影响。
上述的任何一种对策都使包括计算机在内的控制系统复杂化，而且难以应付不规则的环境条件(温度等)的变化，不能从根本上解决问题。
〔2〕蛇形泵式分配器的问题：
采用这种蛇形泵时，由于是将流体封入恒定容积的密封空间内加以输送的容积型，故与上述的空气脉冲方式的分配器相比，具有不易受粘度变化、泵排出端的负载变化等的影响的恒定流量特性。然而，这种在定子103内部、通过转子102边旋转边作往复直线运动来获得泵作用的泵，其转子102基本上是单臂支撑结构，且定子103还兼有作为支撑转子102的轴承的功能。
因而，如果主轴100的转速上升，或是由于泵的负载增大而使排出端的压力上升，没有充分的定位保持功能的转子102的运动就容易变得不稳定。结果就会发生转子102与定子103间的间隙变动及内部的泄漏量不均，从而使流量精度恶化。另外定子103、转子102的不均匀磨损所引起的流量特性的时效变化也是一个大问题。因而，由于是把蛇形泵作为分配器使用的，故当转子小直径化时，由于前述的问题，排出总流量的精度充其量是±10～20％。
而且，在为了适应分配器的超微少流量化(例如Q=10-5cm3/sec以下)的要求而尝试转子细直径化、譬如=0.5mmφ以下时，如果还采用原来那种定子与转子间有金属接触的结构，则会发生因转子强度低下而引起的弹性变形、滑动摩损、破损等，极难实现实用化。
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可实现流量高精度化、微流量化的液体供给装置。
本发明的液体供给装置具有流体的吸入孔及排出孔、在转子与收容该转子的固定部件之间形成的流体输送部、与所述转子连接的轴，其特点是，还具有使该轴与所述固定部件之间作相对旋转运动的旋转促动器、作为其驱动电源的旋转运动控制部、使所述轴与套筒之间作相对摆动运动的摆动促动器、及作为其驱动电源的摆动运动控制部，且能对旋转运动和摆动运动进行同步控制。
作为本发明之对象的蛇形泵，为了使转子在断面呈椭圆形的定子内部作直线往复运动，使与该转子连接的驱动端的主轴边作偏心运动(摆动运动)，边在该偏心轴中心作旋转运动。图1显示了蛇形泵的工作原理，1是基础圆，2是其内接圆。O1是所述内接圆2的中心，O2是转子的偏心运动的中心，而3则是以O1为中心的主轴。一旦内接圆2以转速ω在基础圆1的内侧边滚动边旋转，则内接圆中心O1以转速ω/2在中心O2的周围作摆动运动。于是蛇形泵的主轴3边以转速ω旋转，边在中心O2的周围以偏心量ε作摆动运动。
另外，输送流体的泵部分的转子(图1中未示。是图2中的25)是以所述内接圆2的圆周为中心的正圆。该转子装于断面呈椭圆形的定子(图1中未示。是图2中的26)内，作通过原点O2的直线运动。
在采用了本发明的液体供给装置里，通过独立的2个促动器使主轴3同时作摆动运动与旋转运动。在旋转促动器部，通过AC伺服马达或脉冲马达等作转速ω的旋转运动。而在摆动促动器部，则通过譬如在X轴、Y轴具有90°相位偏移的微型促动器正弦波驱动的组合作有规律的摆动运动。该摆动运动是以ω/2的转速围绕原点O2的周围而作的绕圈运动。
当采用排出流量极小的微流量分配器时，蛇形泵的转子直径及摆动运动的偏心量(图1的ε)可以取得极小。在这种场合，作为摆动促动器，可以采用譬如能得到0.1～0.5mm变位的磁力轴承、压电促动器等。
对旋转及摆动2个运动进行使其相互间保持固定相位差的同步控制。譬如以一个基准信号为基础来决定摆动运动与旋转运动的相位。由于这个同步控制，主轴3进行莫诺泵固有的复合运动。其结果，转子与定子之间所形成的密封空间便顺序从吸入端向排出端移动，起到连续的泵作用。
以下对附图作简要说明。
图1显示本发明之对象、即蛇形泵的驱动原理。
图2为显示本发明之第1实施例的正面剖视图。
图3为本发明之摆动运动控制部的方框图。
图4为显示本发明整个控制电路的方框图。
图5为推力流体轴承。
图6为显示本发明第2实施例的正面剖视图。
图7为显示本发明第3实施例的正面剖视图。
图8为显示本发明第4实施例的正面剖视图。
图9为显示图7之径向变位限制部的结构图。
图10为众所周知的旋转悬浮马达的原理图。
图11为众所周知的蛇形泵的正面剖视图。
图12为空气脉冲式分配器的结构图。
以下说明将本发明用于供给微流量液体的分配器时的实施例。
在图2中，10是主轴，11是作为旋转促动器的马达的转子，12是马达的定子，13～19为固定部件，20、21是在固定部件13、14、15、16、17、18、19与主轴10之间形成的上部推力流体轴承及下部推力流体轴承，22是成凸缘形状的密封部，23是吸入孔，24是在主轴10上形成的螺旋槽泵，25是蛇形泵的转子，26是蛇形泵的定子，27是排出喷嘴。图中只对蛇形泵的转子25和定子26部分的振幅形状作了略微夸张的描绘。28是作为摆动促动器的磁力轴承的转子，29是磁力轴承的定子，30a、30b是检测主轴10的半径方向位置的X轴变位传感器，30c(图中未示)、30d(点划线)是Y轴变位传感器。
X轴变位传感器30a、30b与Y轴变位传感器30c、30d设置成互相垂直。设于附图背面的所述Y轴传感器30d用点划线表示。用转子28、定子29、X轴变位传感器30a、30b、Y轴变位传感器30c、30d构成决定主轴10的轴心O1的径向位置、且构成使该轴心O1发生有规律的摆动运动的磁力轴承促动器31。另外，32是用于检测主轴10的旋转角与旋转速度的编码器的转子，33是定子设于主轴10与固定部件13之间。用转子11、定子12、转子32、定子33，构成根据编码器的旋转位置信息而使主轴10作有规律的旋转运动的旋转促动器35。
图3是驱动磁力轴承促动器31的摆动运动控制部81的方框图。在该摆动运动控制部81，以与旋转运动同步的状态驱动磁力轴承的各轴。图中说明了磁力轴承的构成模型，所述定子29由X轴定子29a、29b及Y轴定子29c、29d构成。为了使主轴10作摆动运动，给予所述X轴定子，Y轴定子的驱动电路以带有90°相位差的正弦波。
图4是本实施例的整个控制电路的方框图。
用旋转信号发生器82输出决定转速和旋转位置的频率(脉冲列)。将该输出的一方输入至旋转运动控制部83。在该旋转运动控制部83制作驱动控制旋转促动器35的信号。
而在摆动运动控制部81，将旋转信号发生器82的脉冲列作1/2分频，并输送至磁力轴承促动器31的X轴及Y轴信号处理部(图3)。而在图4中，如按点划线所示的那样把来自编码器的输出反馈给摆动运动控制部，则能更准确地控制旋转运动与摆动运动间的相位。在图2中，所述推力流体轴承20、21是在凸缘面上形成通常称为人字形(鱼骨)浅槽32的众所周知的动压式轴承，图5为其形状的一个示例。在流体轴承20、21与固定部件之间封入了润滑油33、34。由于浅槽32的泵作用，润滑油33、34不会向外流出。
由于主轴10受到2个所述推力轴承20、21的支撑，故其轴向位置被限制，不会发生倾斜。从而，可以用磁力轴承促动器31的驱动力使主轴10在保持垂直的状态下进行摆动运动。
成凸缘形状的所述密封部22用于防止输送的流体进入流体轴承部、磁力轴承部，凸缘与其轴方向的相对面之间的间隙设得非常小。
另外，螺旋槽泵24在实施例中是为了便于输送流体流入蛇形泵而设的。
在使用万向接头的传统式蛇形泵(图11)中，如果在转子102与定子103之间有间隙，则转子102在该间隙的范围内成浮动状态。结果，内部的泄漏量受转子102的不稳定动作的影响而发生变动，导致流量精度降低。在采用了本发明的图2的实施例中，转子25的运动及其绝对位置受到上位的驱动端的主轴10的完全限制。因而，具有复杂的蛇形形状的转子25在运转中可以保持与定子26间的非接触状态。处于一个运动周期的转子25与定子26间的间隙因主轴10的运动轨迹是固定的，故在任何部位都经常保持固定的同步变化特性。从而，内部泄漏量给予排出流量的影响也是固定的，即使转子25与定子26间的间隙略大，仍能获得予测的均匀的排出流量。
采用本发明的泵时，在转子25与主轴10之间不会发生如传统的万向接头(图11的104、105)那样妨碍输送流体的流动的情况。因此，即使为了实现微流量化而使蛇形泵小型化、并缩小其入口的开孔部分36，输送流体仍可顺利地流入蛇形泵内。
图6是本发明的第2实施例，表示用5根轴控制的磁力轴承与马达构成分配器的情况。
50为主轴，51是作为旋转促动器的脉冲马达的转子，52是脉冲马达的定子，53是固定套筒，54是吸入孔，55是在主轴50上形成的螺旋槽泵，56是蛇形泵的转子，57是蛇形泵的定子，58是排出喷嘴。59是上部磁力轴承的转子，60是定子，61是下部磁力轴承的转子，62是定子，63是推力磁力轴承的转子，64a、b是定子。另外，65、66、67分别是上部磁力轴承、下部磁力轴承、推力轴承的变位传感器。
由于主轴50受径向轴承和推力轴承2个轴承的支撑，故无论是处于运转状态还是静止状态，都可以保持完全非接触的状态。
图7是本发明的第3应用例，表示用压电元件作为摆动促动器的情况。
150是主轴，151是作为旋转促动器的马达的转子，152是马达的定子，153是摆动套筒，154是吸入孔，155是主轴150上形成的螺旋槽泵，156是蛇形泵的转子，157是蛇形泵的定子，158是排出喷嘴。159是固定套筒，160a、160b是设于该固定套筒159和摆动套筒153之间的压电促动器，161、162是在摆动套筒153内支撑主轴150的轴承。163、164是使摆动套筒153只能向径向移动的导向部。
以上说明的是为得到摆动与旋转的复合运动而使用2个独立的促动器的本发明的应用例。
以下说明用1个促动器(马达)构成非抵触型蛇形泵的本发明的应用例。
关于同时兼备了磁力轴承与马达2个功能的悬浮旋转马达的研究早已有之，例如，大石他在机械学会论文集(58卷556号，1992年)中所报告的。图10显示了上述的报告例。
200是由4极的永久磁铁构成的转子，201是由12极构成的定子，202、203是变位传感器。理论上已证明，通过把永久磁铁转子与多极定子如此组合、并通过进行旋转控制与悬浮控制而给予相位差不同的旋转磁场，可以做到旋转控制与悬浮控制互不干扰(详细情况从略)。
众所周知，旋转悬浮马达与传统的磁力轴承同样，需要有检测转子200的位置的变位传感器和控制电路。
图8是本发明的第4应用例，200是主轴，201是兼作旋转促动器与摆动促动器的马达的转子，202是定子，203～210是固定部件，211是容纳所述固定部件的外壳，212是吸入孔，213是在主轴200上形成的螺旋槽泵，214是蛇形泵的转子，215是蛇形泵的定子，216是排出喷嘴，217是上部推力轴承，218是下部推力轴承，219是密封部，220是装于主轴200上的径向变位限制转子，221是封入208与220缝隙间的润滑油。另外，所述固定部件208还兼有径向变位限制定子的功能。
本例着眼于以下①②。
①在用于微流量的分配器时，摆动运动的偏心量ε极小，可以是ε=0.1～0.5mm。
②主轴的运动轨迹(内摆线曲线)固定。
在利用了上述①②的本实施例中，主轴200的径向位置如图9所示，受径向变位限制定子208的限制。因而，利用旋转悬浮马达的原理，即使要赋于主轴200以旋转与摆动的复合运动，也不必控制主轴200的轴向位置。只需如图9所示的那样，将所述径向变位限制转子220推至径向变位限制定子208的内面即可。从而不但可实现控制系统的简单化，而且可省略径向变位传感器。
不言而喻，本发明所用的磁力悬浮马达也可采用步进马达、哈拉克坦斯(ハラクタンス)马达、感应马达等。
采用了本发明的液体供给状置除了继续保持蛇形泵原有的无波动的连续流量特性、与转速成正比例的恒定流量特性、及排出流量不易受温度等环境条件和粘度变化等影响的特征外，还具有传统的蛇形泵方式或空气脉冲方式所难以实现的许多特征。即：
①可实现流量的超高精度。
②可实现超微流量化。
③可扩大流量控制范围。
如把本发明用作表面安装领域的分配器，便能在满足安装的高速化、微型化、高质量化等要求方面充分发挥其优良素质，效果极好。

Claims (6)

1．一种液体供给装置，具有液体的吸入孔和排出孔、在转子及容纳该转子的固定部件之间形成的液体输送部、与所述转子连接的轴，其特征在于，还具有使该轴与所述固定部件之间作相对旋转运动的旋转促动器、作为其驱动电源的旋转运动控制部、使所述轴与所述固定部件之间作相对摆动运动的摆动促动器、及作为其驱动电源的摆动运动控制部，且能对旋转运动和摆动运动进行同步控制。
2．根据权利要求1所述的液体供给装置，其特征在于，液体输送部是单轴偏心螺旋泵。
3．根据权利要求1所述的液体供给装置，其特征在于，用所述旋转运动控制部与所述摆动运动控制部进行同步控制，以使旋转运动与摆动运动合成，进行有规律的公转运动。
4．根据权利要求3所述的液体供给装置，其特征在于，摆动促动器是磁力轴承。
5．根据权利要求3所述的液体供给装置，其特征在于，摆动促动器是压电元件。
6．一种液体供给装置，具有液体的吸入孔和排出孔、在转子及容纳该转子的固定部件之间形成的液体输送部、与所述转子连接的轴，其特征在于，还用同一个马达兼作旋转促动器和摆动促动器，且能对旋转运动和摆动运动进行同步控制。
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