JP2002155864A

JP2002155864A - 流体噴出装置

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Publication number: JP2002155864A
Application number: JP2000357338A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Muratsubaki; 良司村椿; Yasunobu Nakagawa; 泰伸中川; Tadashi Sugimori; 正杉森; Haruki Nakajima; 晴記中島
Original assignee: Sugino Machine Ltd
Current assignee: Sugino Machine Ltd
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-05-31
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP4721505B2

Abstract

(57)【要約】【課題】噴出液体の吐出圧力や吐出流量の精密な制御
を実現する。【解決手段】圧力振動する作動流体により弾性隔膜を
介して容積が周期的に変化するポンプ室3と、該ポンプ
室に弾性隔膜5を介して接する圧力伝達室6と、圧力伝達
室に連通する加圧シリンダ13と、圧力伝達室及び加圧シ
リンダに満たされた作動流体を圧力振動させるために加
圧シリンダの容積を一定振幅で周期的に変化させる圧力
振動手段とを備え、ポンプ室の容積の増加に応じて液体
供給源からの液体をポンプ室内に吸入し、ポンプ室の容
積の減少に応じてポンプ室内の液体をポンプ室から吐出
する流体噴出装置において、圧力振動手段は、サーボモ
ータ16と、加圧シリンダ内で往復動する加圧プランジャ
15と、サーボモータ16の出力軸とプランジャとを連結す
るクランク機構(17,18)と、サーボモータの回転駆動
を、液体の吐出圧力又は吐出流量に基づいて制御する制
御部30とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力振動する作動
流体によりポンプ室内の容積を変化させることにより、
前記作動流体から隔離された状態でポンプ室に液体の給
排動作を行わせる形式の流体噴出装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から高圧液体を噴出する流体噴出装
置としては種々のものが使用されているが、特にポンプ
室の給排動作を該ポンプ室内の噴出対象流体から隔離さ
れた加圧媒体により駆動する方式のものとして、本件出
願人が出願した、特開平９−３０３２６７号の流体噴出
装置、及び特開平９−３１７６４８号の圧迫送液ポンプ
がある。これらの装置は、いずれもポンプ室に弾性隔膜
を介して接する圧力伝達室と圧力伝達室に連通する加圧
シリンダと、圧力伝達室と加圧シリンダに満たされた作
動流体を圧力振動させるために加圧シリンダの容積を一
定振幅で周期的に変化させる圧力コンバータ（圧力振動
手段）とを備えている。そして、これらの装置では、圧
力振動する作動流体により圧力伝達室から弾性隔膜を介
してポンプ室の容積を周期的に変化させることにより、
ポンプ室の容積の増加減少に応じて液体供給源からの液
体をポンプ室から吐出するようになっている。従来の流
体噴出装置では、この圧力コンバータとして加圧シリン
ダ内で往復動するプランジャと、汎用モータと、汎用モ
ータの出力軸とプランジャとを連結して汎用モータ出力
軸の回転をプランジャの往復動に変換するクランク機構
を設けている。

【０００３】必要に応じて設定する噴射液体の吐出圧力
を一定に制御するためには、ポンプ室に接続されたハン
ドピース等の噴出口（ノズル）の径に対応した吐出流量
で液体を噴出させる必要がある。従来の流体噴出装置で
は、このために汎用モータの回転数を増加又は減少させ
て加圧シリンダ、圧力伝達室、弾性隔膜を介してポンプ
室の容積を増減させる速度、量を調整し、噴射液体の吐
出圧力や吐出流量の制御を行っていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の流体
噴出装置では、低圧の吐出圧力で液体を噴射させようと
する場合、汎用モータを低速回転で駆動しなければなら
ないが、汎用モータはその特性上、低速回転を持続可能
な十分なトルクを生じず運転開始時に停止してしまう場
合がある。このため、従来の装置では吐出圧力を低圧の
一定値に制御することが困難であった。

【０００５】また、ポンプ室にハンドピース等を装着
し、ハンドピース等でその液体噴出口（ノズル）からの
液体噴射をＯＮ／ＯＦＦ操作すると、かかる動作に伴っ
て吐出圧力が上昇又は下降して脈動を生じる。このた
め、かかる脈動を防止すべく吐出圧力に変化があった場
合にはその圧力変化を検出して直ちに一定圧力に戻すよ
うな制御が必要である。しかしながら、従来の流体噴出
装置に使用されている汎用モータは応答特性が良好でな
いため、ＯＮ／ＯＦＦ動作に伴う吐出圧力の上昇や下降
を検出しても、速やかに一定圧力に戻すことができな
い。このため、吐出圧力の脈動を防止することができな
いという問題がある。特に、液体の吐出流量を少量とな
るように汎用モータを制御する場合には、プランジャの
往復動の回数が減少するため、特にプランジャの進行方
向の切換時に噴射液体の吐出圧力に大きな脈動が生じて
しまう。このため、液体の吐出流量を低量に制御するこ
とが困難である。

【０００６】また、実際の吐出流量及び吐出圧力を検出
してフィードバック制御を行おうとしても、汎用モータ
の応答性が良好でないため精密な制御を行うことが困難
であるという問題がある。

【０００７】このような問題を回避するために、加圧シ
リンダから圧力伝達室への作動油の流路にリリーフ弁を
設け、噴射液体の吐出圧力が一定圧力を超えたときに、
圧力伝達室に送出される作動油を外部に逃がすように構
成することも考えられる。しかしながら、この場合に
は、リリーフ弁や新たな流路を増設する必要があるた
め、装置が複雑化してしまう。また、作動油がリリーフ
弁を通過することによる発熱により作動油が劣化しやす
くなってしまい、劣化した場合には精密な吐出圧力の制
御ができないという問題が生じてくる。

【０００８】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであり、噴出液体の吐出圧力や吐出流量の精密な
制御を行うことができる流体噴出装置を提供することを
主な目的とする。本発明の別の目的は、噴出液体の吐出
圧力や吐出流量の自在な制御を容易に行うことができる
流体噴出装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、圧力振動する作動流体によ
り弾性隔膜を介して容積が周期的に変化するポンプ室
と、該ポンプ室に弾性隔膜を介して接する圧力伝達室
と、前記圧力伝達室に連通する加圧シリンダと、前記圧
力伝達室及び前記加圧シリンダに満たされた作動流体を
圧力振動させるために前記加圧シリンダの容積を一定振
幅で周期的に変化させる圧力振動手段とを備え、ポンプ
室の容積の増加に応じて液体供給源からの液体をポンプ
室内に吸入し、ポンプ室の容積の減少に応じてポンプ室
内の液体をポンプ室から吐出する流体噴出装置におい
て、前記圧力振動手段は、サーボモータと、前記加圧シ
リンダ内で往復動するプランジャと、前記サーボモータ
の出力軸と前記プランジャとを連結するクランク手段
と、前記サーボモータの回転駆動を、液体の吐出圧力又
は吐出流量に基づいて制御する制御手段と、を有するも
のであることを特徴とする。

【００１０】この請求項１に係る発明では、圧力振動手
段としてサーボモータを使用し、そのサーボモータの回
転を制御手段で制御している。サーボモータは、汎用モ
ータと比較して、その直径が小さいため、回転子の慣性
が小さく制御応答性が良好であり、また大きなトルクを
生じるという特性を有している。本発明では、このよう
な制御性に優れたサーボモータを圧力振動手段と使用
し、プランジャの往復動を制御することより噴射液体の
吐出圧力、吐出流量を制御しているので、汎用モータに
よって制御する従来の流体噴出装置に比べて、吐出圧力
及び吐出流量を精密で自在な制御を容易に行える。

【００１１】即ち、吐出圧力が低圧の場合のモータ低速
回転域においても、サーボモータでは安定したトルクが
得られるので、運転時にモータが停止することがなく、
また圧力変動が生じることがない。このため、吐出圧力
の低圧制御が容易となる。

【００１２】また、サーボモータの応答性が良好である
ため、液体の吐出圧力の変化に瞬時に応答してプランジ
ャの動作を制御することができる。このため、噴射のＯ
Ｎ／ＯＦＦ操作による吐出圧力の上昇、下降を検出して
即座にプランジャを起動・停止することが可能となり、
吐出圧力の脈動を最小限に抑えることができる。

【００１３】更に、サーボモータの応答性が良好である
ため、プランジャの低速移動や移動方向の切り換え（反
転）、瞬時停止、再始動を容易に制御することができ
る。これにより、噴射液体の吐出圧力や吐出流量をフィ
ードバックしてクランク手段のクランク軸の回転速度、
プランジャのストロークの自在な制御を容易に行える。
また、サーボモータの駆動回転を自由に制御できるの
で、プランジャの作動を自在に操作することができる。

【００１４】このように、本発明によれば、プランジャ
の往復動やクランク手段の動作を自在に制御することが
容易に行えるので、噴射液体の実際の吐出圧力や吐出流
量に基づいて、吐出圧力や吐出流量の精密な制御を行う
ことができる。

【００１５】本発明における制御手段は、サーボモータ
の回転駆動を噴射液体の吐出圧力又は吐出流量に基づい
て制御するものであればよく、このような制御として
は、定吐出流量制御、吐出圧力を低圧にする制御、吐出
流量を少量にする制御、脈動を防止するための吐出圧力
の制御等があげられる。具体的には以下に掲げる発明の
ように制御手段を構成することができる。

【００１６】請求項２に係る発明は、請求項１に記載の
流体噴出装置において、液体の吐出圧力を検出する圧力
検出手段を更に備え、前記制御手段は、前記圧力検出手
段により検出された吐出圧力値が所定の目標圧力値に達
したときに、サーボモータ出力軸の回転方向を切り換え
るものであることを特徴とする。

【００１７】この請求項２に係る発明では、制御手段に
よって、圧力検出手段で検出された実際の吐出圧力値と
目標圧力値とを比較し、吐出圧力値が当該目標圧力値に
等しくなったときに、サーボモータ出力軸の回転方向を
切り換えてクランクアームを揺動させる。これにより、
プランジャのによる吐出行程が吸入行程に移行するの
で、液体の吐出圧力が目標圧力値を超えることはない。
このため、噴射液体の吐出圧力の脈動を低減することが
できる。

【００１８】特に、液体の低圧噴射時やポンプ室に小径
ノズルを使用して吐出流量を少量とするときに、本発明
における制御を行うことにより、プランジャの吸入・吐
出のサイクルを短くすることができ、これにより吸入行
程における噴射液体の吐出圧力の脈動が低減され、より
安定した吐出圧力を得ることができる。

【００１９】本発明における圧力検出手段は、噴射液体
の吐出圧力を検出できるものであれば良く、液体噴出口
付近に圧力検出手段を設け、噴射液体の吐出圧力を直接
検出するように構成することができる。この他、予め作
動油の圧力と噴射液体の吐出圧力の関係を求めておき、
圧力伝達室又は加圧シリンダ若しくは圧力伝達室と加圧
シリンダとの間の流路に圧力検出手段を設け、作動油の
圧力を検出することにより、前記関係に基づいて噴射液
体の吐出圧力を間接的に求めるように構成しても良い。

【００２０】請求項３に係る発明は、請求項１に記載の
流体噴出装置において、前記制御手段は、前記プランジ
ャを目標吐出流量に対応したストローク長で往復動させ
ると共に、前記サーボモータ出力軸の回転数を、所望の
プランジャ速度と前記クランク手段の回転角度と前記ク
ランク手段の角速度のサーボモータ出力軸の角速度に対
する減速比とに基づいて定めるものであることを特徴と
する。

【００２１】この請求項３に係る発明は、制御手段によ
って、噴射液体が定量の吐出流量でかつ等速度で吐出す
るようにサーボモータの回転数制御を行うものである。
ここで、等速吐出制御とは、単位時間に一定流量の噴射
液体が吐出するように制御することである。

【００２２】プランジャはクランク手段によってサーボ
モータの出力軸に連結されているので、プランジャとク
ランク手段の幾何学的関係からクランク手段の回転角度
によってプランジャのストローク長が定まる。尚、クラ
ンク手段（クランク軸）の近傍に角度検出手段を設置
し、クランク手段の回転角度を下死点等を原点としてエ
ンコーダ等の情報を使用して検出するように構成するこ
とができる。このような角度検出手段としては、近接セ
ンサや、アブソリュートタイプのエンコーダ等を用いる
ことができる。

【００２３】ここで、図６は、噴射液体の吐出量の変化
とプランジャのストローク長の関係を示す説明図であ
る。図６から吐出量とストローク長とは比例関係にある
ことがわかる。このため、本発明では所望の吐出流量に
対応したストローク長でプランジャを往復動させること
により、所望の吐出流量を得ることができる。

【００２４】また、噴射液体を等速度で吐出させるため
には、プランジャを上記ストローク長の範囲内で等速度
で移動させる必要がある。ここで、クランク手段とプラ
ンジャの幾何学的関係から、所望のプランジャ速度を予
め定めれば、クランク手段の角速度が算出できる。ま
た、クランク手段の角速度のサーボモータ出力軸の角速
度に対する減速比が予め求まれば、サーボモータの角速
度を算出できる。このため、本発明では、所望のプラン
ジャ速度を得るために、当該プランジャ速度と当該減速
比とクランク手段の回転角度とからサーボモータの回転
数を定め、かかる回転数でサーボモータを駆動すること
によりプランジャ速度を等速度とし、これにより、液体
を等速で吐出するように制御している。

【００２５】このように本発明では、制御性の良好なサ
ーボモータを利用しているので、サーボモータの回転数
を自在に制御することができ、高精度な制御を容易に実
現することが可能となる。

【００２６】本発明の制御手段では、プランジャを目標
吐出流量に対応したストローク長で往復動させると共
に、サーボモータ出力軸の回転数を、所望のプランジャ
速度とクランク手段の回転角度とクランク手段の角速度
のサーボモータ出力軸の角速度に対する減速比とに基づ
いて定めるものであればその構成は特に限定されるもの
ではなく、具体的なサーボモータ回転数の算出式は、ク
ランク手段の構成、サイズ等の条件によって任意に定め
ることができる。

【００２７】請求項４に係る発明は、請求項３に記載の
流体噴出装置において、前記制御手段は、前記クランク
手段が所定の角度範囲で回転しているときにのみ前記サ
ーボモータ出力軸の回転数を定めるものであることを特
徴とする。

【００２８】本発明における「所定の角度範囲」とは、
クランク手段の角度変化に対してサーボモータの回転数
が追従できる範囲をいい、かかる角度範囲内でサーボモ
ータの回転数を制御することによって、プランジャを等
速度で移動することが可能となる。

【００２９】図７は、プランジャを等速度で移動させる
場合のクランク手段のクランク軸の下死点からの角度と
サーボモータの回転数との関係の一例を示す説明図であ
る。図７に示すように、クランク軸角度が０度〜４５
度、及び１３５度〜１８０度の範囲では、クランク軸角
度の変化に対してサーボモータ回転数を急激に変化させ
なければプランジャを等速度に維持することはできず、
かかる角度範囲で回転数を高速に制御してもクランク軸
の角度変化に追従させることは難しい。このため、本発
明では、このような角度範囲内ででクランク手段を揺動
運動させて、サーボモータの回転数を制御しているの
で、確実に吐出流量の定量等速度制御を行える。

【００３０】本発明における「所定の角度範囲」は、ク
ランク手段の構成、サイズ等の条件によって任意に定め
ることができ、上記一例として示した４５度〜１３５度
の範囲に限定されるものではない。

【００３１】請求項５に係る発明は、請求項１に記載の
流体噴出装置において、前記制御手段は、前記サーボモ
ータを、前記クランク手段の回転角度に基づいて制御す
るものであることを特徴とする。

【００３２】上述した図６に示すように、噴射液体の吐
出流量とストローク長は比例関係にあり、このストロー
ク長はクランク手段の回転角度に基づいて定められる。
本発明では、このクランク手段の回転角度に基づいてサ
ーボモータを制御しているので、制御性の良好でない汎
用モータを使用する制御に比べて、噴射液体の定吐出流
量（一定の吐出流量）の制御を高精度で行うことができ
る。

【００３３】本発明における制御手段は、サーボモータ
をクランク手段の回転角度に基づいて制御するものであ
れば良く、例えばクランク手段（クランク軸）の下死点
から０度又は１８０度付近（クランク軸の下死点付近又
は上死点付近）でクランク手段を揺動させるようにサー
ボモータの回転方向を制御することができる。この場合
には、下死点から０度又は１８０度付近ではクランク手
段（クランク軸）の角度変化に対するプランジャの移動
量が小さくなるため、微少量の吐出流量制御を高精度に
行うことができる。また、クランク手段（クランク軸）
の下死点から９０度又は２７０度付近でクランク手段を
揺動させるようにサーボモータの回転方向を制御しても
良い。この場合には、下死点から９０度又は２７０度付
近ではクランク手段（クランク軸）の角度変化に対する
プランジャの移動量が大きくなるため、一定の吐出流量
（例えば０．５ｍＬ）をより短時間で吐出させる制御を
行うことが可能となる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、図示例とともに本発明に係
る流体噴出装置の好ましい実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る流体噴出装置をジェットメスに利
用した場合の構成図である。

【００３５】流体噴出装置の一部を構成する圧力コンバ
ータ１は、弾性部材である円筒形のゴムチューブ５と外
殻容器７との間の空間で構成される圧力伝達室６を備え
ており、その上下部で密閉されている。圧力コンバータ
１の内部に組み込まれた噴出系ユニット２は、内部にポ
ンプ室３が設けられ、圧力コンバータ１から着脱可能に
構成されている。また、この噴出系ユニット２は、その
外形が概略円柱形状に構成されており、その側面部は、
各々の端部部材の部分を除き、ポンプ室３の外壁部とな
る円筒形のシリコンチューブ４により構成されている。

【００３６】圧力コンバータ１の外殻容器７及びゴムチ
ューブ５は、各々円筒形に構成されて同心位置に配置さ
れているので、圧力伝達室６は中空円柱形状になってお
り、噴出系ユニット２のポンプ室３から隔離して圧力コ
ンバータ１の本体内部に設けられている。この中空部の
内壁が弾性部材であるゴムチューブ５で構成されており
圧力伝達が可能となっている。

【００３７】本実施形態では、噴出系ユニット２の装着
時には、圧力コンバータ１の軸心部位に設けられた中空
部に、噴出系ユニット２が同心状態に位置するものであ
り、ポンプ室３の外壁を構成するシリコンチューブ４と
圧力伝達室６の中空部の内壁を構成するゴムチューブ５
とが互いに対向するようになっている。すなわち、圧力
コンバータ１の圧力伝達室６は、噴出系ユニット２のポ
ンプ室３と、各々の外壁を構成するゴムチューブ５及び
シリコンチューブ４を介して隣接配置されている。実際
には、噴出系ユニット２の挿脱を容易にするため、平常
時のゴムチューブ５とシリコンチューブ４の間には、若
干の隙間が生ずるように構成されている。

【００３８】そして、実際に流体噴出装置として使用す
る場合には、圧力伝達室６に作動流体を満たして加圧す
ることで、中空部の内壁を構成するゴムチューブ５を内
側に向かって膨張させ、ゴムチューブ５とシリコンチュ
ーブ４とを密着させる。噴出系ユニット２のみを交換す
る際には、圧力伝達室３を減圧して隙間を生じさせ、該
ユニットを取り外し、新しいものを挿入する。使用時に
は、相互の壁が密着しているので、ポンプ室３と圧力伝
達室６を隔離する二重の隔壁となり、この密着部を介し
て圧力伝達が可能となる。

【００３９】なお、本実施形態におけるゴムチューブ５
及びシリコンチューブ４は、円筒形の直径方向に膨張及
び収縮が可能なものであり、少なくとも流体による圧力
伝達が可能な弾性部材であればこれらに限定されるもの
ではなく、その厚みや大きさなどは、装置の出力等に関
連して定められる。また、形状もこれらに限定されるも
のではない。

【００４０】圧力コンバータ１の噴出系ユニット２に
は、下部の吸入口に噴出流体の供給源となる生理食塩水
の輸液パック（図示せず）が接続され、上部の吐出口に
は、噴射部となるハンドピース２１が輸液管２２を介し
て接続される。

【００４１】圧力コンバータ１の外殻容器７に設けられ
た連通孔８には、作動流体に圧力振動を与える円柱形状
の加圧シリンダ１３が連通管１１を介して接続されてい
る。

【００４２】圧力伝達室６、加圧シリンダ１３は、密閉
された閉鎖容積室を構成し、この閉鎖容積室の内部を作
動流体が流動するものであり、閉鎖容積室外へは流出で
きない構造となっている。

【００４３】加圧シリンダ１３には、サーボモータ１６
の回転により加圧シリンダ１３内を加圧シリンダ１３の
軸心方向に連続的に前進と後退とを繰り返す加圧プラン
ジャ１５が設けられている。加圧プランジャ１５は、ク
ランクアーム１８によりクランク軸１７に連結されてお
り、このクランク軸１７はサーボモータ１６の出力軸に
接続されている。このためサーボモータ１６の駆動によ
りその出力軸の回転がクランク軸１７、クランクアーム
１８によって加圧プランジャの往復動に変換される。こ
こで、サーボモータ１６、クランク軸１７、クランクア
ーム１８及び加圧プランジャ１５は本発明の圧力振動手
段を構成する。

【００４４】即ち、サーボモータ１６の回転により、ク
ランク軸１７及びクランクアーム１８を介して加圧プラ
ンジャ１５が加圧シリンダ１３内をシリンダの軸心方向
に往復動する。この加圧プランジャ１５の往復動によ
り、加圧シリンダ１３の容積は増加及び減少を繰り返
し、加圧シリンダ内の作動流体は交番的に加圧及び減圧
される。これにより、圧力伝達室６には圧力振動が供給
されることになる。圧力伝達室６に与えられた圧力振動
は、ゴムチューブ５とシリコンチューブ４との密着部を
介して、ポンプ室３に伝達され、生理食塩水がポンプ室
３に対して吸入と吐出を連続して行うものとなる。

【００４５】作動流体が加圧プランジャ１５により加圧
された場合、ゴムチューブ５がシリコンチューブ４と密
着したままシリコンチューブ４をポンプ室３の軸方向に
向かって押圧して膨張する。このため、噴出系ユニット
２のシリコンチューブ４が加圧されてポンプ室３から生
理食塩水が加圧されて排出され、ハンドピース２１から
生理食塩水が噴出される。

【００４６】一方、作動流体が加圧プランジャ１５によ
り減圧された場合、ゴムチューブ５の膨張が収縮し、縮
められたシリコンチューブ４が弾性回復力によって元の
状態に戻ろうとすることとポンプ室３内の加圧された生
理食塩水が大気圧に戻ろうとすることにより、ポンプ室
３内に負圧が生じ、生理食塩水がポンプ室３に吸入され
て、ポンプ室３に貯留する。

【００４７】これを早いサイクルで繰り返すことによ
り、ほぼ連続した一定の噴射圧力をもつ生理食塩水がハ
ンドピース２１から噴射されることになる。

【００４８】輸液管２２には圧力センサ２３が設置され
ており、生理食塩水の実吐出圧力値を検出するようにな
っている。この圧力センサ２３は、圧力値の信号を制御
部３０に伝達する。また、クランク軸１７の近傍には、
クランク軸１７の回転角度を検出する近接センサ２４が
設置されている。近接センサ２４は、下死点等を原点と
してエンコーダ等の情報を使用してクランク軸１７の回
転角度を検出して角度信号を制御部３０に送出するよう
になっている。尚、本実施形態の流体噴出装置では、ク
ランク軸１７の回転角度を近接センサ２４を用いて検出
しているが、アブソリュートタイプのエンコーダを使用
して検出するように構成しても良い。

【００４９】制御部３０は、コンピュータ装置等で構成
され、圧力センサ２３から入力された圧力値信号及び近
接センサ２４からの角度信号に基づいてサーボモータ１
６の出力軸の回転方向や回転数のフィードバック制御を
行い、生理食塩水の吐出流量や吐出圧力を制御するよう
になっている。

【００５０】次に、このように構成された本実施形態の
流体噴出装置の制御部３０で行われる生理食塩水の吐出
流量及び吐出圧力の各種制御について説明する。

【００５１】（脈動低下制御）サーボモータ１６によっ
てクランク軸１７が一方向に回転しているときには、目
標とする圧力値付近で吐出圧力に脈動が生じる場合があ
る。本実施形態の流体噴出装置では、制御部３０で次の
ような脈動低下制御を行ってこの脈動を低減している。
図２は、本実施形態における制御部３０で行われる脈動
低下制御のフローチャートである。

【００５２】制御部３０では、まず目標とする吐出圧力
値（目標圧力値）を設定して（ステップ２０１）、サー
ボモータ１６を駆動する（ステップ２０２）。これによ
りハンドピースから生理食塩水が噴出されるが、このと
き圧力センサ２３で一定時間毎に生理食塩水の実吐出圧
力を検出して制御部３０に入力する（ステップ２０
３）。

【００５３】そして、目標圧力値と実吐出圧力値の偏差
をとり（ステップ２０４）、この偏差が０であるかどう
か、即ち実吐出圧力値が目標圧力値に達したか否かを判
断する（ステップ２０５）。偏差が０以上である場合
（実吐出圧力値が目標圧力値に達していない場合）に
は、サーボモータ１６を現在の回転方向での回転を継続
する。一方、偏差が０になった場合（実吐出圧力値が目
標圧力値に達した場合）には、サーボモータ１６を現在
の回転方向と反対方向に回転を切り換える（ステップ２
０６）。

【００５４】このような脈動低下制御によって、図３に
示すようにクランク軸１７及びクランクアーム１８は揺
動運動を行う。このようなサーボモータ１６の回転方向
の切り換えによって、加圧プランジャによる吐出行程が
吸入行程に移行する（あるいは吸入行程が吐出行程に移
行する）ので、生理食塩水の吐出圧力が目標圧力値を超
えることはない。

【００５５】図４（ｂ）は、このようにクランク軸１７
を揺動させて加圧プランジャを往復動させた場合の生理
食塩水の吐出圧力の変動状態を示す状態図である。図４
（ａ）は従来の装置によってクランク軸１７を一方向に
回転させて加圧プランジャを往復動させた場合の生理食
塩水の吐出圧力の変動状態を示す状態図である。両図を
比較すると、明らかに本実施形態の装置の方が、吐出圧
力の脈動が低減されており、より安定した吐出圧力を得
られることがわかる。

【００５６】（等速吐出制御）本実施形態の流体噴出装
置では、制御部３０によって生理食塩水が定量の吐出流
量でかつ等速度で吐出するようにサーボモータ１６の回
転数制御を行っている。尚、等速吐出とは、単位時間に
一定流量の生理食塩水を吐出させることである。図５
は、クランク軸１７、クランクアーム１８、加圧プラン
ジャの幾何学的関係を示す説明図である。図５に示すク
ランク軸１７の下死点から角度θからのプランジャのス
トローク長ｘを算出することにより所定のストローク長
分の吐出を行うことができる。図５に示す幾何学的関係
からこのストローク長ｘは数１式で求められる。

【００５７】

【数１】ここで、ｒ：クランク軸の半径、θ：クランク軸の回転
角、Ｌ：クランクアームの長さ

【００５８】図６は、加圧プランジャの直径が１４ｍｍ
の場合に、ストローク長を変化させた場合の生理食塩水
の吐出量の変化とプランジャのストローク長の関係を示
す説明図である。図６から吐出量とストローク長は比例
関係にあることがわかる。従って、制御部３０では、所
望の吐出流量を得るために、当該吐出流量に対応したス
トローク長ｘでプランジャが往復動するように制御して
いる。

【００５９】また、生理食塩水を等速度で吐出させるた
めには、プランジャを上記ストローク長の範囲内で等速
度Ｖで移動させる必要がある。ここで、プランジャ速度
Ｖを数２式から求めると、数２式で表される。

【００６０】

【数２】ここで、Ｒ：クランク軸の角速度［rad/s］

【００６１】クランク軸によるサーボモータ１６の角速
度に対するクランク軸角速度の減速比を１／ｘとする
と、サーボモータ１６の回転数Ｒｅｖ[rpm]は、数３式
で定められる。

【００６２】

【数３】ここで、Ｖ：プランジャ速度、ｘ：ストローク長、ｒ：
クランク軸の半径 θ：の下死点からの角度

【００６３】従って、制御部３０では、サーボモータ１
６の回転数Ｒｅｖを数４式で示す値に制御しており、こ
れによって加圧プランジャは等速度で往復動を行う。

【００６４】

【数４】Ｒｅｖ＝３０ｘＶ／（πｒsinθ）

【００６５】図７は、クランク軸１７の下死点からの角
度とサーボモータ１６の回転数との関係の一例を示す説
明図である。ここで、図７は、クランク軸半径ｒ＝３ｍ
ｍ、プランジャ速度Ｖ＝３ｍｍ／ｓ、減速比１／ｘ＝１
／５の場合の例である。図７に示すように、クランク軸
角度が０度〜４５度、及び１３５度〜１８０度の範囲で
は、クランク軸角度の変化に対してサーボモータ回転数
を急激に変化させなければプランジャを等速度に維持す
ることはできず、かかる角度範囲で回転数を高速に制御
してもクランク軸１７の角度変化に追従させることは難
しい。このため、制御部３０では、クランク軸１７の下
死点からの角度範囲を４５度〜１３５度として、図８に
示すように、かかる角度範囲内でクランク軸１７を揺動
運動させると共に、サーボモータ１６の回転数Ｒｅｖを
上記数４式で算出される値に制御している。このため本
実施形態の流体噴出装置では確実に吐出流量の定量等速
度制御を行えるようになっている。

【００６６】尚、本実施形態では、クランク軸１７を下
死点から４５度〜１３５度の角度範囲で揺動させている
が、クランク軸径や目標とする加圧プランジャの速度に
よって、当該角度範囲は任意に定めることが可能であ
る。

【００６７】（定吐出流量制御）本実施形態の流体噴出
装置では、制御部３０によって生理食塩水の吐出流量が
一定になるように制御している。

【００６８】図６に示すように、生理食塩水の吐出流量
とストローク長は比例関係にあり、このストローク長ｘ
はクランク軸１７の回転角度θに基づいて数１式で定め
られる。この数１式から、下死点から０度又は１８０度
付近ではクランク軸１７の角度変化に対する加圧プラン
ジャ１５の移動量が小さくなることがわかる。このこと
は、下死点から０度又は１８０度付近では微少量の吐出
流量制御を高精度に行えることを意味する。このため、
制御部３０は、サーボモータ１６の回転方向を制御して
クランク軸１７の下死点から０度又は１８０度付近でク
ランクアーム１８及びクランク軸１７を揺動させてい
る。

【００６９】また、下死点から９０度又は２７０度付近
ではクランク軸１７の角度変化に対する加圧プランジャ
１５の移動量が大きくなることがわかる。このことは、
一定の微少量の吐出流量（例えば０．５ｍＬ）をより短
時間で吐出させる制御を行えることを意味する。このた
め、制御部３０は、サーボモータ１６の回転方向を制御
してクランク軸１７の下死点から９０度又は２７０度付
近でクランク軸１７及びクランクアーム１８を揺動させ
ている。

【００７０】本実施形態では、このようにクランク軸１
７の回転角度に基づいてサーボモータ１６を制御してい
るので、生理食塩水の定吐出流量（一定の吐出流量）の
制御を高精度で行うことができるようになっている。

【００７１】尚、クランク軸１７及びクランクアーム１
８を揺動させる角度範囲は、上記０又は１８０度付近、
９０度又は２７０度付近に限られるものではなく、所望
の吐出流量やクランク手段の構成等の条件によって任意
に定めることが可能である。

【００７２】尚、本実施形態では、ウォータージェット
メスに使用される流体噴出装置を例としてあげている
が、作動流体の圧力により、ポンプ室の容積を増加減少
させることにより流体を噴射する装置であれば、他の装
置においても使用できることはいうまでもない。具体的
には、薬液注入ポンプ、フォトレジストの滴下、食品添
加物等の注入、微量高圧注入ポンプ、化粧品の調合等の
種々の目的で使用されるポンプ装置に本発明を適用する
ことができる。

【００７３】また、本実施形態の流体噴出装置では、圧
力コンパ一タ、噴射ユニットを２連、３連として構成し
ても良い。これにより、1つの装置で２種類、３種類の
流体を噴射することができるという利点がある。一方、
全てに同じ流体を使用すれば容易に噴射流量を増やすこ
とができるという利点もある。

【００７４】

【発明の効果】以上説明した通り、請求項１に係る発明
によれば、制御応答性の良好なサーボモータを利用して
いるので、プランジャの往復動やクランク手段の動作を
自在に制御することが容易に行え、噴射液体の実際の吐
出圧力や吐出流量に基づいて、吐出圧力や吐出流量の精
密な制御を行えるという効果を有する。具体的には、モ
ータ低速回転域においても、サーボモータでは安定した
トルクが得られるので、モータの停止や圧力変動を防止
して吐出圧力の低圧制御が容易となる。また、サーボモ
ータの良好な応答性により、吐出圧力の上昇、下降を検
出して即座にプランジャを起動・停止することができ、
吐出圧力の脈動を最小限に抑えられる。更に、プランジ
ャの低速移動や反転、瞬時停止、再始動を容易に実現す
ることができる。

【００７５】特に、請求項２に係る発明によれば、噴射
液体の吐出圧力の脈動をより低減することができ、安定
した吐出圧力が得られるという効果を有する。

【００７６】また、請求項３に係る発明によれば、サー
ボモータの回転数を自在に制御することができ、吐出流
量の高精度な定量等速度制御を容易に実現できるという
効果を有する。特に、請求項４に係る発明によれば、よ
り確実に吐出流量の定量等速度制御を行えるという効果
を有する。

【００７７】更に、請求項５に係る発明によれば、噴射
液体の一定吐出流量の高精度な制御を行えるという効果
を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の流体噴出装置の全体構成図であ
る。

【図２】本実施形態の流体噴出装置における脈動低下制
御のフローチャートである。

【図３】本実施形態の流体噴出装置において、脈動低下
制御を行ったときのクランク軸の動作を示す説明図であ
る。

【図４】図４（ａ）は、従来の装置における吐出圧力の
変動状態を示す状態図であり、図４（ｂ）は本実施形態
の流体噴出装置における脈動低下制御を行った場合の吐
出圧力の変動状態を示す状態図である。

【図５】本実施形態の流体噴出装置の圧力振動手段の各
部（加圧プランジャ、クランク手段、サーボモータ）の
幾何学的関係を示す説明図である。

【図６】本実施形態の流体噴出装置において、吐出流量
の等速制御及び定吐出量制御を行う場合の加圧プランジ
ャのストローク長（移動量）と吐出流量の関係図であ
る。

【図７】本実施形態の流体噴出装置において、吐出流量
の等速制御を行う場合のクランク軸角度とサーボモータ
回転数の関係図である。

【図８】本実施形態の流体噴出装置において、吐出流量
の等速制御を行ったときのクランク軸の動作を示す説明
図である。

【符号の説明】

１：圧力コンバータ２：噴出系ユニット３：ポンプ室４：シリコンチューブ５：ゴムチューブ６：圧力伝達室７：外殻容器８：連通孔９：輸液管１１：連通管１２：オリフィス１３：加圧シリンダ１４：カラム押さえシリンダ１５：加圧プランジャ１６：サーボモータ（ＳＭ）１７：クランク軸１８：クランクアーム２１：ハンドピース２２：輸液管２３：圧力センサ２４：近接センサ３０：制御部

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０４Ｂ 13/00 Ｆ０４Ｂ 49/08 ３２１ 43/06 9/10 Ｌ 43/067 Ｈ 49/00 ３４１ 43/06 Ａ 49/08 ３２１Ｃ (72)発明者杉森正富山県魚津市本江2410 株式会社スギノマシン内 (72)発明者中島晴記富山県魚津市本江2410 株式会社スギノマシン内Ｆターム(参考） 3H045 AA02 AA08 AA22 BA14 BA19 BA20 BA31 CA03 DA15 DA21 DA43 DA47 EA04 EA13 EA38 EA43 3H075 AA01 BB04 BB14 CC11 CC12 CC30 CC36 DA05 DA08 DB01 DB03 DB10 DB29 DB43 DB50 EE02 EE03 EE07 EE12 EE17 3H077 AA01 BB03 CC02 CC08 DD09 DD15 EE01 EE04 EE05 EE16 FF34 FF37 FF45

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力振動する作動流体により弾性隔膜を
介して容積が周期的に変化するポンプ室と、該ポンプ室
に弾性隔膜を介して接する圧力伝達室と、前記圧力伝達
室に連通する加圧シリンダと、前記圧力伝達室及び前記
加圧シリンダに満たされた作動流体を圧力振動させるた
めに前記加圧シリンダの容積を一定振幅で周期的に変化
させる圧力振動手段とを備え、ポンプ室の容積の増加に
応じて液体供給源からの液体をポンプ室内に吸入し、ポ
ンプ室の容積の減少に応じてポンプ室内の液体をポンプ
室から吐出する流体噴出装置において、前記圧力振動手
段は、サーボモータと、前記加圧シリンダ内で往復動するプランジャと、前記サーボモータの出力軸と前記プランジャとを連結す
るクランク手段と、前記サーボモータの回転駆動を、液体の吐出圧力又は吐
出流量に基づいて制御する制御手段と、を有するもので
あることを特徴とする流体噴出装置。
【請求項２】液体の吐出圧力を検出する圧力検出手段
を更に備え、前記制御手段は、前記圧力検出手段により検出された吐
出圧力値が所定の目標圧力値に達したときに、サーボモ
ータ出力軸の回転方向を切り換えるものであることを特
徴とする請求項１に記載の流体噴出装置。
【請求項３】前記制御手段は、前記プランジャを目標
吐出流量に対応したストローク長で往復動させると共
に、前記サーボモータ出力軸の回転数を、所望のプラン
ジャ速度と前記クランク手段の回転角度と前記クランク
手段の角速度のサーボモータ出力軸の角速度に対する減
速比とに基づいて定めるものであることを特徴とする請
求項１に記載の流体噴出装置。
【請求項４】前記制御手段は、前記クランク手段が所
定の角度範囲で回転しているときにのみ前記サーボモー
タ出力軸の回転数を定めるものであることを特徴とする
請求項３に記載の流体噴出装置。
【請求項５】前記制御手段は、前記サーボモータを、
前記クランク手段のの回転角度に基づいて制御するもの
であることを特徴とする請求項１に記載の流体噴出装
置。