JP2011515616A - 交互の回転を直線的変位に変換する駆動機構を備えた超高圧ポンプ - Google Patents

Abstract

中空の回転子シャフト（１５）を交互に反転する方向に軸回転させるように調整されたサーボモータと、エンコーダ（８０）と、を備え、サーボモータは、軸回転を往復変位に変換するための駆動部材（３０）に同軸に連結されている内部が設けられた回転子シャフト（１５）の周りに同軸に位置する固定子（１９）を有し、駆動部材（３０）は、直線運動を制限されており、シャフト（３１）の直線的変位を与えるようにネジによりシャフト（３１）を支持しており、エンコーダ（８０）は駆動部材の運動を監視している、リニアアクチュエータを有する高圧ポンプ。少なくとも一つのピストン（５０、５１）は、シャフト（３１）に連結され、ピストン（５０、５１）はポンピング室（５９）を定めるようにシリンダ（５５）の内部に配置され、これにより、回転子シャフト（１５）の交互の回転は、ポンピング室（５９）内の流体を加圧するようにピストン（５０、５１）の往復の直線的変位を生じさせる。また、駆動機構が開示されており、駆動機構は、制御部（８１）を有しており、制御部（８１）は、中空の回転子もしくは出力シャフトの運動を測定するように、および、その運動に対応した帰還信号を制御部に送るように、サーボモータおよびエンコーダ（８０）に連結されている。

Description

この発明はリニアアクチュエータを有する駆動機構に関する。また、この発明は高圧ポンプ、特にウォータージェット切断装置用の超高圧ウォータージェットポンプに関する。

ウォータージェット切断装置は、鉄、アルミニウム、ガラス、大理石、プラスチック、ゴム、コルク、木材、などのさまざまな素材を切断するために、数年来用いられてきた。加工対象物は底の浅い水槽の上に設置され、切断ジェットを噴出する切断ヘッドが加工対象物を横切って正確に位置を変えるので、所望の切断が実行される。切断動作は、切断作用を生み出す研磨剤（通常は、砂）の微粒子を同伴する水の非常に高い圧力のジェット（最大で９０，０００ｐｓｉ）を組み合わせることによって実行される。切断ヘッドを出て来る水および砂は、水槽の中で加工対象物の下に集められる。

ウォータージェット切断に関連する産業においては、「超高圧（ultra high pressure（ＵＨＰ））」のウォータージェットという表現は、水が５００００ｐｓｉよりも大きい圧力に加圧され、さらに切断道具として用いられる工程を定義するために用いられる。高圧の水は、宝石に開けられた典型的には直径が０．１ｍｍから０．５ｍｍの非常に小さな孔を通って押し出され、宝石にはしばしば、ルビー、サファイア、ダイアモンドが用いられる。

典型的には、高圧の水を生成するために用いられるポンプとして、２種類のポンプがある。
ａ） 増圧ポンプ
ｂ） 直接駆動クランクポンプ
増圧ポンプは、通常は油を最大で概ね３０００ｐｓｉまで加圧可能な油圧ポンプである。油はその後、シリンダの中に押し込まれる。そのシリンダは小さなピストンに取り付けられた大きなピストンを有しており、小さなピストンは油圧ピストンの１／２０の領域である。その第２のピストンは、水で満たされたシリンダ内に位置している。油圧ピストンが前後に動かされると、油圧ピストンは水用ピストンを往復させ、水用ピストンは油圧システムでの圧力のおよそ２０倍の圧力を発生させる。これらのシステムは相当に信頼性が高いが、油圧システムを駆動させなければならないので、これらのシステムは効率が良くない。一般には、これらのポンプは５５％の効率で動作する。

より効率の良いポンプのひとつが、モータがクランクシャフトに直接的に連結されている、直接駆動クランクシャフトポンプである。クランクシャフトは、多数（通常は、３つ）の小さなピストンをシリンダ内で往復運動するように駆動し、それゆえ、水を加圧しながら回転する。加圧されている水を用いる場合には、これらのポンプは相当に効率が良く、典型的には効率は８０％を超えるが、圧力を蓄えて維持することができない。このことは、ウォータージェット装置が実際に切断を行なっていないときに、加圧された水が逃がし弁から放出されることを意味しており、これは、切断動作をしていない状態にあるときと切断動作をしているときとのいずれであっても、ポンプが同じような量の動力を使用することを意味している。これらのポンプは、同じ体積の超高圧水を生成するために必要なストローク数および大きいピストン速度が原因で、加圧ポンプと同程度には信頼性が高いとは言えない。

本発明は上記のポンプにおける制約を鑑みてなされたものである。

本発明の一つの観点によれば、中空の回転子シャフトを交互に反転する方向に軸回転させるように調整されたサーボモータを備え、サーボモータは、軸回転を往復変位に変換するための駆動手段に同軸に連結されている内部が設けられた回転子シャフトの周りに同軸に位置する固定子を有し、駆動手段は、シリンダ内に配置されたヘッドを有する少なくとも一つのピストンに、ピストンのヘッドとシリンダとの間にポンピング室を定めるように連結されており、回転子シャフトの交互の回転は、ポンピング室内の流体を加圧するようにピストンの往復の直線的変位を生じさせる、超高圧ポンプを提供する。

好ましくは、駆動手段はシャフトの両端でピストンに連結されており、ピストンのそれぞれは、往復の移動が対応するシリンダの内部かつ定められた２つのポンピング室の内部で終わるように調節されている。

好ましくは、サーボモータは円筒状のハウジング内に位置しており、さらに、ハウジングは水冷式冷却ジャケットに包まれている。

好ましい実施形態では、サーボモータは、回転子シャフトの回転数を計数するためのエンコーダを有し、エンコーダは、帰還ループを介してモータの制御部と連結している。

好ましくは、駆動手段は、直線運動不能に固定され回転子シャフトとネジにより係合したナットを備える。ナットは、ネジによりスクリューに係合しており、回転子シャフトおよび回転子ナットの軸回転がスクリューに往復の動きを与えるように係合している。

好ましい実施形態では、ピストンに連結されるように、スクリューはポンプのそれぞれの端の外側に延びている。

本発明の別の観点によれば、中空の回転子の周りに同軸に装着された固定子を有するサーボモータに連結された制御部と、エンコーダと、を備え、中空の回転子は、出力シャフトおよびエンコーダに同軸に連結された駆動手段を有し、駆動手段は、回転子の回転運動をシャフトの直線的変位に変換し、エンコーダは、回転子もしくは出力シャフトの運動を測定し、運動に対応した帰還信号を制御部に送る、駆動機構を提供する。

本発明のさらなる観点によれば、中空の回転子の周りに同軸に装着された固定子を有するサーボモータと、回転子の内部と係合し、直線運動を制限されており、ネジによりシャフトを支持しており、シャフトに直線的変位を与えるようにシャフトを支持している、駆動部材と、駆動部材またはシャフトの運動を監視し、帰還信号をサーボモータに送信可能に配置されたエンコーダと、を備え、サーボモータの動作および制御はシャフトの制御された直線的変位を生じさせる、リニアアクチュエータを提供する。

本発明の実施形態が、単なる一例として、添付の図面を参照して描写される。

超高圧ポンプの側面図 超高圧ポンプの背面図 図２の切断線Ａ−Ａに沿って切断した超高圧ポンプの断面図 図１の切断線Ｂ−Ｂに沿って切断した超高圧ポンプの断面図 リニアアクチュエータに用いられる帰還ループを示した概略図

この好ましい実施形態は特にウォータージェット切断機械に関係しているが、本願の発明は、本質的に、駆動に緻密かつ注意深い制御が必要とされる幅広い種々の状況で用いられる駆動機構であることが、理解される。したがって、この駆動機構の用途の一つは、油圧シリンダと置き換えるために使用できるリニアアクチュエータであり、油圧シリンダは本質的に非効率的であり騒がしく汚れやすく正確ではないが、例えばプレスやロボティクスや部材のハンドリング、およびその他の類似の用途といった、幅広い種々の工学的応用において、油圧シリンダを置き換えるためにこのリニアアクチュエータを使用できる。サーボモータを閉じた帰還ループと共に用いることが、駆動を緻密かつ注意深く制御するために有利な状況を与える。

駆動機構がポンプに用いられる場合には、駆動機構は、シリンダに導入された水をシリンダの中で５００００ｐｓｉよりも高圧に圧縮するようにポンプの両端部から突出した２つの往復ピストンを駆動するサーボモータを備えている。図１から図４に示されるように、ポンプ１０は、円筒状の水冷式冷却ジャケット１２の内部に包まれた円筒状のハウジング１１を備えている。ハウジング１１は、サーボモータの巻線１９の周辺に配置された中空の回転子シャフト１５を支持するエンドフランジ１６および１７を有している。回転子シャフト１５の一方の端１３は、ハウジング１１とシャフト１５との間に位置する環状のベアリング１４により、支持されている。回転子シャフト１５の他方の端１８は、ベアリング２８を支持するベアリングハウジング２７を支持している。

回転子シャフト１５はローラーナット３０を収容しており、さらに、ローラーナット３０は長く延びたスクリュー３１へネジにより係合されている。ローラーナット３０は、シャフトの内部と直接に係合しており、回転子シャフト１５と一体回転可能となるように直線運動は制限されている。スクリュー３１は、ネジが形成された外側部２０を有しており、外側部２０は、第１端２２に機械加工により形成された平面部２１を有している。平面部２１は、リニアベアリング２３および２４を支持し、リニアベアリング２３および２４は、間隔を空けて配置され長く延びたレール２５および２６（図４）の上を移動する。レール２５および２６は、エンドフランジ１７を通り越して延びている。ベアリング２８を支持する回転子シャフトの端１５は、外側に位置しているエンコーダ８０を支持している。

スクリュー３１の端は、ピストン５０および５１に連結されており、ピストン５０および５１は、対応するシリンダ５４および５５の内部を往復可能に配置されている。ピストンのヘッド５６および５７は、シリンダ５４および５５とともに、圧縮室５８および５９を定めている。

回転子シャフト１５は、間隔を空けて配置されたベアリング１３および１８の周りにあるケーシング１１の内部に位置しており、シャフト１５のケーシング１１に対する軸回転を容易にするように配置されている。エンドフランジ１６および１７は、組み立てられた部品を一緒に保持するために、ケーシング１１にボルトで留められ、固定されている。突出したピストン５０および５１は、シリンダ５４および５５を支持するステンレス鋼の取付具６５および６６に囲われている。

サーボモータは回転子シャフト１５を回転させ、それにより、順に、軸に沿った運動を制限されたローラーナット３０が回転させられるが、このことは、スクリュー３１はローラーナット３０の内部を直線的に運動することを意味している。回転子シャフト１５の回転方向を反転させることによりスクリュー３１は前後に往復させられるので、ピストン５０および５１に往復運動が付与され、さらに、圧縮室５８および５９内へ導入口６０を介して導入された水は、５０，０００ｐｓｉよりも大きい圧力で放出口６１から高圧の水の放出を生じさせるために圧縮される。

シリンダ５４および５５のそれぞれは低圧の水の導入口７３を有しており、導入口７３は逆止弁７４により制御されており、逆止弁７４はシリンダの軸に対して４５°の角度で圧縮室５８および５９と連通している。高圧放出口７５は、シリンダの端に同軸に配置されており、逆止弁７６を有している。

高圧シール７０および７１は、シリンダ５４および５５の内側の端部とピストン５０および５１との間に配置されており、背圧を防止する。サーボモータはコンピュータ数値制御（computer numerical controller （ＣＮＣ））により制御される。

好適な本実施形態において用いられるサーボモータは、無整流子のＤＣサーボモータであり、概ね６００ボルトのＤＣ電圧で動作する。これは工作機械に一般的に用いられるモータであり、そのような工作機械の適用においては正確性が必要とされるが、これは伝統的に正確性をもたらすための制御が可能なモータである。ピストンは、概ね１７５ｍｍのストロークを有し、１分間当たり概ね１２０回のストロークで往復する。ピストンの一方向への移動は概ね０．８秒間持続する。水の放出量が１分間当たり２リットルである最も効率のよい状態で動作するように、このポンプは設計されている。しかし、ポンプの寿命を縮めることになるかもしれないが、このポンプは放出量が１分間当たり最大４リットルの状態で動作することも可能である。

サーボモータとピストンの直線的な動きとの間には直接の動力伝達があるので、この機械に関して極めて正確な診断を得ることができる。固定子からＣＮＣに戻って来る電流および電圧の情報に加えて、エンコーダ８０を用いることにより、直線速度およびモータトルクを正確に計算することができ、これにより、水の圧力および流量を極めて正確に判定することができる。エンコーダ８０は、極めて細かい（好適な本実施形態では、典型的には、半径方向において０．０４ｍｍよりも小さい、あるいは、１回転当たりでおよそ２０，０００計数の）目盛を読み取る。この水準の正確性は従来の機械の正確性に比べてはるかに優れている。この情報を備えていれば、それゆえ、ポンプに問題があるかどうかを判定することが可能である。高圧の漏れが放置された場合、それらの漏れはポンプの極めて高価な機械部品に、致命的な損傷を極めて素早く引き起こすことが分かってきた。ポンプの動作を継続的に監視することにより、シールの機能不全が極めて早期に判定され、その結果、機械部品への深刻な損傷を防止するための予防保全を導入することができる。

ピストンの往復によって引き起こされる脈動効果は、この種類の装置に問題を生じさせ得る事項である。サーボモータが方向を反転させる毎に、方向を反転するためにピストンが停止するときに遅延が生じる。この遅延は、５０００ｐｓｉもの圧力低下を生じさせ得るとともに、この圧力低下は、ポンプの出力圧力に脈動を引き起こす傾向がある。本願のポンプは、往復するピストンとシリンダとによる組立部品をそれぞれが２つ有する２つのポンプを前後に配置し、２つのポンプをわずかに位相をずらして動作させることにより、この問題を克服することができる。他方のポンプが反転している最中には一方の駆動を他方の２倍の速さで循環させることにより、第１ポンプはピストンの反転により発生するであろう圧力低下と平衡させるための背圧を増加させることができ、したがって、ウォータージェット切断機械に放出される出力圧力が脈動することなく一定であることを保証することができる。脈動効果を排除することにより、ウォータージェット切断機械の部品を早期に疲労させる主な要因が回避される。

上記に記載されたサーボ駆動ポンプは、増圧ポンプに比べてはるかに効率が良く、さらにその一方で、切断していない場合に圧力を蓄積し保持できという望ましい能力を提供し、したがって最低限の動力のみを利用する。回転子シャフトは、およそ１５００ｒｐｍで動作するように設計されている。ピストンは、穴の中を動く長さにおいてはおよそ１８０ｍｍであり、直径１４ｍｍの頭部を備えている。これにより、組み立てられた部品の全体は、小さく、軽く、そして増圧ポンプよりも大幅に静かになる。また、このサーボ駆動システムは極めて反応が良く、そして、圧力は際限ない制御により数ミリ秒以内に調節され得る。上記に記載された駆動機構は、図１から図４に示された本実施形態において超高圧ポンプを駆動するために用いられているが、数多くの他の環境でもまた使用可能であり、特にリニアアクチュエータとして用いられる。図５は、リニアアクチュエータの制御を示す閉じたループを図示している。リニアアクチュエータとなるサーボモータを駆動するために、コンピュータ数値制御８１は位置制御部８２を駆動する。ここで、位置制御部８２はさらに速度制御部８３に連結されており、速度制御部８３はさらに電流制御部８４に連結されている。エンコーダ８０は２つの帰還信号、つまり、速度制御部に出力される速度帰還信号と、位置制御部に出力される位置帰還信号と、を送る。この方法では、帰還信号を監視することによるサーボモータのコンピュータ制御動作は、極めて明確かつ正確な出力シャフトの直線的変位の制御をもたらしている。このことは、高負荷プレス機、射出成形機、リフティングテーブルおよびプラットフォーム、高負荷の切断もしくは研磨機、のような応用品に典型的に用いられている油圧シリンダの代わりに、本リニアアクチュエータを用いることが可能であることを意味している。このリニアアクチュエータはとりわけコンパクトであり、したがって、速さと位置と力とについて程度の高い制御が必要な場合で、かつ、場所が限られている場合に、特に有用である。

Claims (18)

1. 中空の回転子シャフトを交互に反転する方向に軸回転させるように調整されたサーボモータを備え、
   前記サーボモータは、軸回転を往復変位に変換するための駆動手段に同軸に連結されている内部が設けられた前記回転子シャフトの周りに同軸に位置する固定子を有し、
   前記駆動手段は、シリンダ内に配置されたヘッドを有する少なくとも一つのピストンに、前記ピストンの前記ヘッドと前記シリンダとの間にポンピング室を定めるように連結されており、
   前記回転子シャフトの交互の回転は、前記ポンピング室内の流体を加圧するように前記ピストンの往復の直線的変位を生じさせる、
   超高圧ポンプ。
2. 前記サーボモータは、前記回転子シャフトの回転数を計数するためのエンコーダを有し、
   前記エンコーダは、閉じた帰還ループを介して前記サーボモータに連結されている、
   請求項１に記載の超高圧ポンプ。
3. 前記固定子は、円筒状のハウジング内に位置している、
   請求項１または２に記載の超高圧ポンプ。
4. 前記ハウジングは、冷却ジャケットに包まれている、
   請求項３に記載の超高圧ポンプ。
5. 前記駆動手段は、直線運動不能に固定され前記回転子シャフトと直接に係合したナットとを備え、
   前記ナットは、ネジによりスクリューに係合しており、
   前記回転子シャフトおよび前記ナットの軸回転は、前記スクリューに直線運動を与える、
   請求項１から４のいずれかに記載の超高圧ポンプ。
6. ピストンは、前記スクリューの対向する端に配置されており、
   ピストンのそれぞれは、往復の移動が対応するシリンダの内部かつ定められた２つのポンピング室の内部で終わるように調整されている、
   請求項５に記載の超高圧ポンプ。
7. 前記スクリューは、リニアベアリングによって支持されており、
   前記リニアベアリングのそれぞれは延びたレール上に支持されている、
   請求項５または６に記載の超高圧ポンプ。
8. 中空の回転子の周りに同軸に装着された固定子を有するサーボモータに連結された制御部と、エンコーダと、を備え、
   中空の前記回転子は、出力シャフトに同軸に連結された駆動手段を有し、
   前記駆動手段は、前記回転子の回転運動をシャフトの直線的変位に変換し、
   前記エンコーダは、前記回転子もしくは前記出力シャフトの運動を測定し、運動に対応した帰還信号を前記制御部に送る、
   駆動機構。
9. 前記固定子は、ハウジングの内部に同軸に位置している、
   請求項８に記載の駆動機構。
10. 前記出力シャフトは、ポンピング室を定めるためにシリンダの内部に配置されたピストンを駆動し、
    前記回転子の交互に反転する回転は、前記ポンピング室内の液体を加圧させるように前記ピストンの往復の直線的変位を生じさせる、
    請求項８または９に記載の駆動機構。
11. 中空の回転子の周りに同軸に装着された固定子を有するサーボモータと、
    前記回転子の内部と係合し、直線運動を制限されており、ネジによりシャフトを支持しており、前記シャフトの直線的変位を与えるように前記シャフトを支持している、駆動部材と、
    前記駆動部材または前記シャフトの運動を監視し、帰還信号を前記サーボモータに送信可能に配置されたエンコーダと、を備え、
    前記サーボモータの動作および制御は前記シャフトの制御された直線的変位を生じさせる、
    リニアアクチュエータ。
12. 前記固定子は、前記モータの巻線を有している、
    請求項１１に記載のリニアアクチュエータ。
13. 前記回転子は、延びており、両端部に配置されたベアリングの周辺に軸回転可能に支持されている、
    請求項１１または１２に記載のリニアアクチュエータ。
14. 前記シャフトは、延びたレールに支持されたリニアベアリング上に装着されている、
    請求項１１から１３のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
15. 前記エンコーダは、前記回転子の回転運動を監視する、
    請求項１１から１４のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
16. 前記エンコーダは、前記シャフトの直線的変位を監視する、
    請求項１１から１４のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
17. 前記固定子は、ハウジングと前記ハウジングを囲む冷却ジャケットとにより包まれている、
    請求項１１から１６のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
18. 前記ハウジングと、前記冷却ジャケットと、前記固定子と、前記回転子と、前記駆動部材と、前記シャフトと、はすべて同軸である、
    請求項１７に記載のリニアアクチュエータ。

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