JP2016512297A - ピストンポンプ駆動系バックラッシュ防止 - Google Patents

Abstract

容積型ポンプ組立体のためのバックラッシュ防止ナット組立体は、二つの部分のナット組立体及び受け板を含む。ばねが受け板とナット組立体の間に配置され、かくして二つのナット構成要素が一緒に押され、従ってねじを一緒に付勢し、バックラッシュを減少又は除去する。【選択図】 図１

Description

バイオテクノロジーシステム及び用途、インビトロ診断及び／又は分析機器及びシステム、例えば高性能及び超高圧液体クロマトグラフィを含む液体クロマトグラフィ、キャピラリー電気泳動、及び質量分析システムに使用されるポンプは、高い正確性及び精度を要求する。さらに、かかるシステムは、高い圧力、潜在的に腐食性の薬剤、及び極めて小さい試料サイズを伴うことが多い。従って、かかるシステムに使用されるポンプは、これらの目的に合致するために厳格な設計を要求する。

高精度流体分配システムは、容積型ポンプを利用することができ、そこではステップモーターがピストンの位置を制御する。作動すると、ステップモーター電機子は、限定された角度ステップで回転し、従って親ねじ又はねじ付き軸を回転する。この回転は、モーター電機子の中心軸のねじ付きナットによって直線運動に変換される。回転を不可能にするためにキー溝をつけられることができるナットは、ねじ付き軸に係合する。電機子が回転すると、回転運動がナットの直線運動に変換され、それは、ポンプ容積に含まれるピストンに伝達される。ピストンは、回転の方向に依存して容積の内又は外に移動する。フルストロークでのピストン容積は、ポンプの最大作動容積を決定する。ピストンがポンプ容積内に動くとき、ピストン容積の変化に等しい流体の容積が送出される。高精度ポンプの一つの例は、Ｍｉｄｄｌｅｂｏｒｏ，ＭＡのＩＤＥＸ Ｈｅａｌｔｈ ＆ Ｓｃｉｅｎｃｅから商業的に入手可能なＶシリーズのポンプである。

ポンプ機能及び寿命に影響しうる二つの問題は、バックラッシュ及び摩擦である。バックラッシュは、機械システムにおけるはめ合い部品間の遊び又は隙間によるロストモーションの量である。ここで対処される容積型ポンプの場合、はめ合い部品は、親ねじのねじ及びナット上のはめ合いねじである。はめ合いねじ間に有意な隙間があるとき、親ねじの初期の動き中、特に回転方向が逆転されるとき、そのねじは、ナットのねじと接触しなくなり、ピストン運動の不正確を起こす。しかしながら、この開示の容積型ポンプのような精密流体分配システムは、正確な分配ツールと考えられるために駆動系にバックラッシュをほとんど持たないか又は全く持たないことを求められている。

しかしながら、バックラッシュの減少のためのいかなる解決策もバックラッシュ解決の副作用でありうる摩擦の増大を考えなければならない。摩擦の増大は、モータートルクから変換される軸方向の力出力を減少し、またポンプ寿命を短くし、メンテナンスコスト及びダウンタイムを増加しうる。従来のバックラッシュ防止法は、ナットを離れるように付勢するか又は半径方向圧力のいずれかで、ねじ内に多くの摩擦を誘発する。ねじを離れるように押す方法は、二つのねじ半分体間の平衡を保つためにポンプ静圧力より大きいばね力を要求する。半径方向設計は、前及び後のねじフランクの両方に負荷をかける。これは、押す方法又は引く方法のいずれかで使用される摩擦の二倍を作る。

多くの用途では、期待される状態を持ち、百万回以上のサイクルにわたって正確に作動し、さらに好ましくは五百万回以上のサイクル（それは機器の想定寿命である）にわたって作動するポンプを持つことが望ましい。それゆえ、ポンプ寿命を保持しながらバックラッシュに対処するために、ねじの摩擦又は摩耗の増大を最小化することができるポンプに使用されるバックラッシュ防止法に対する要求がなお業界に存在する。

本開示は、ねじを引き離すよりむしろ一緒に押すポンプのためのバックラッシュ防止ナット組立体を提供することによって従来技術の問題に対処する。この方法は、ナット半分体を離れるように押すシステムのために要求されるものより小さいばね力を要求し、ナット半分体の両方の上のねじフランクの同じ側が負荷されることを可能にする。従って、この方法は、従来技術のバックラッシュ防止装置と比べて、製造コスト及びメンテナンスを減少し、ポンプ寿命及び性能を高める。

以下の図面は、本明細書の一部を形成し、本発明の特定の態様をさらに説明するために含まれる。本発明は、ここに与えられた特定の実施形態の詳細な記載と組み合わせてこれらの図面の一つ以上を参照することによってより良く理解されるだろう。

図１は、容積型ポンプの一例である。

図２は、図１に示された実施形態の断面図である。

図３は、容積型ポンプに使用するためのバックラッシュ防止ナット組立体の一実施形態である。

図４は、図３に示された実施形態の端面図である。

図５は、図３に示された実施形態の分解図である。

図６は、ポンプにおけるバックラッシュ防止ナット組立体の一実施形態の断面図である。

図７は、バックラッシュ防止ナット組立体の第二実施形態である。

図８は、図７に示されたようなバックラッシュ防止ナット組立体の分解図である。

図９は、図７に示されたようなバックラッシュ防止ナット組立体の断面図である。

本開示は、バックラッシュ防止ナット組立体を含む容積型ポンプシステムにおけるバックラッシュを減少するシステム及び方法、及び前記ナット組立体を含む容積型ポンプに向けられている。ポンプは、室中のピストンの往復運動によって作動し、室中ではピストンは引っ込められ、真空を作り、液体を室中に吸い込み、戻りのストロークでは流体を追い出す。ポンプでは、回転運動は、ナット組立体において回転する雄ねじ付き親ねじに取り付けられたモーター軸を含む機構によって直線運動に変換される。バックラッシュは、はめ合いねじ間の隙間によって生じる。ここに記載されるように、ナット組立体は、第一ナットを含むことができ、それはピストン及び第二ナットと係合し、第二ナットは、組立体のモーター側上に配置される。二つの構成要素は、第一ナット及び第二ナットとして又はナット半分体として交換可能に言及されることができる。第一ナットは、ピストンに接触するナットを記載するために使用され、第二ナットは、第一ナットとモーターの間にある。

本開示のバックラッシュ防止機構は、第一及び第二ナットの雌ねじと親ねじの雄ねじの間の隙間を除去することによってバックラッシュを減少又は除去する。ここで使用されるように、バックラッシュの減少は、全ポンプ容量の百分率によって通常示される検出可能な量によって測定可能なバックラッシュを減少することに関する。バックラッシュの除去は、適切な容量測定性能の限界近くにバックラッシュを減少することに関する。開示された装置及び方法により、バックラッシュの減少又は除去は、ナットを一緒に付勢することによって新規な方法で達成される。従来のバックラッシュ防止ポンプ組立体では、第一及び第二ナットは、雌ねじと雄ねじの間の隙間を減少するために離れるように押されるか又は半径方向の圧力を受ける。

開示されたナット組立体は、両方向に等しい負荷を持つシステムとは対照的に、特にポンプシステムのために利点を与える。容積型ポンプでは、吸引は、ピストン室内に流体を吸い込む工程である。この工程は、真空を作り、かくしてばね緊張力に対抗する負荷を作る。分配（送出）工程中、静水圧力が対抗方向に作られ、第一及び第二ナットを一緒に押す傾向を有する。従って、ばねに対する圧力は、分配と比較して流体吸引時にかなり低い。それゆえ、ナットを離れるように付勢するとき、ばね力は、ずっと高い分配静水圧力を釣り合わせることが要求される。例えば、液体クロマトグラフィ用途における典型的な吸引力、分配静水圧力は、吸引サイクルにおける真空より１５０倍まで高くすることができる。

それゆえ、開示された装置及び方法は、ナットを離れるように付勢するシステムで必要であるような分配工程時にねじに課される静水圧力荷重を釣り合わせるために大きなばね力を要求しない。開示された装置では、必要な復元ばね力は、吸引サイクル時に二つのねじを平衡に保つ必要だけで導かれることができ、それはずっと低い圧力である。従来の方法に対する別の利点は、単一のばねによるねじの均一な負荷である。

開示の特定の好ましい実施形態が添付図面に示される。図１は、組み立てられたポンプ１０の図である。ポンプハウジングは、ステップモーター組立体１２、流体室１４、及び分配口１６を含む。ポンプの断面は図２に示されている。親ねじ２０はローター２１に取り付けられ、バックラッシュ防止ナット組立体を通ってねじ込まれ、バックラッシュ防止ナット組立体は、第一ナット２２及び第二ナット２４を含み、それはピストン２６に係合する。受け板２８は、肩付きねじ３０によってナット組立体に接合される。肩付きねじは、第二ナット２４を貫通し、また第一ナット２２をピン留めし、従ってナットは親ねじ２０と一緒に回転しない。単一のばね３２は、第二ナット２４及び第一ナット２２を一緒に付勢し、ねじを緊張下で保持し、従ってバックラッシュを減少又は除去する。

分離したバックラッシュ防止ナット組立体の側面図が図３に示されている。この図は、受け板２８と第二ナット２４の間に配置されたばね３２の関係を示し、第二ナットを第一ナット２２の方に付勢する。ナット組立体の端部の透視図が図４に示され、そこでは受け板２８を固定する肩付きねじ３０の頭が示されている。

ナット組立体の分解図が図５に示されている。この実施形態では、三つのねじ３０は、受け板２８を二つのナット半分体２２，２４に取り付ける。単一波ばね３２は、受け板とナットの間に配置されている。

上記のように、容積型ポンプは、流体室の中又は外にピストンを押すねじに沿って動く非回転ナットを通して親ねじの回転を変換することによって作動する。図６では、ポンプは、ナット２２がねじ２０に沿ってモーターの方に動いて流体を分配室１４中に吸い込むとき、サイクルの最大吸引点又はその近くにある。サイクルの分配部分では、ナット２２は、ねじ２０に沿って流体室１４の方に動き、ピストンを室中に押し、流体を置換し、流体を出口から外に送り出す。図２に示されたポンプは、最大分配位置のポンプを示す。

バックラッシュ防止ナット組立体の第二実施形態が図７〜９に示される。この実施形態では、親ねじ１２０は、第二ナット１２４及び第一ナット１２２を通してねじ込まれ、それはピストン１２６と係合する。この実施形態は、ばねの前負荷が上下に容易に調整されることができるというさらなる利点を提供する。この実施形態では、第一ナット１２２は、図８で最も良く見られるように、肩付きねじでの取り付けの代わりに第二ナット１２４が第一ナット１２２上にねじ込まれることを可能にする雄ねじ部分１２５を含む。ナットを一緒に付勢することによって単一のばねでバックラッシュを除去又は減少する目的を達成するため、第二ナットは二つの部分に分割され、ばね及びワッシャーはナットの内側に置かれ、それを第一ナットの方に付勢する。装置を組み立てるとき、第二ナットの第一部分１４０は第一ナット突出部上でピン１４４の上に置かれる。ばね１３２は、次いで第一ナット１２２のねじ付き部分１２５の上に置かれる。次に、ワッシャー１４２が第一ナット突出部１２５の上にねじ込まれ、ばね１３２に対して締め付けられる。ばねに対する前負荷の量は、このワッシャーの締め付けによって調整されることができる。最後に、第二ナット１２４の第二部分は第一ナット１２２上にねじ込まれ、第二ナットの第一部分１４０上の雄ねじ上にねじ込まれる。ピン１４４は第二ナットの第一部分１４０を貫通し、第二部分１２４上の溝内に入り、使用時のナットの回転を防止する。従って、ばねは、第二ナット１２４を第一ナット１２２の方に付勢し、バックラッシュを除去する。

この実施形態は、図９の適所にある親ねじ１２０を有する断面図からより良く理解されることができる。

他に示されない限りサイズによって限定されないが、特定の実施形態では、本開示の精密分配容積型ポンプ組立体は、自動化学反応もしくは液体クロマトグラフィ用途に使用されるような約２５μｌから約５０００μｌのポンプ容積を持ち、または特定の実施形態では２５μｌ，５０μｌ，１００μｌ，２５０μｌ，５００μｌ，１０００μｌ，２５００μｌもしくは５０００μｌのポンプ容積を持つ。かかるポンプは、約０．２５から１．０インチのポンプストロークを持つことができ、特定の実施形態では０．５インチのポンプストロークを持つことができる。かかる機器のための親ねじは、一般的には２０回転／インチ又は４０回転／インチの性能を持つことができる。

ここで記載されたバックラッシュ防止ナット組立体は、１００ｐｓｉ以下の圧力を有する低圧ポンプ及び１５００ｐｓｉまで又はそれより大きい圧力を有する高圧ポンプを含む様々なポンプで使用されることができる。材料は、用途に依存して、いかなる公知の適切な材料であることもできる。特定の実施形態では、受け板は、ステンレス鋼から製造されることができ、フェノール又はナットは、例えば天然ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）から製造されることができる。

ここに開示されかつクレームされた全ての装置及び方法は、本開示に照らして過度の実験なしで作られかつ実施されることができる。本発明の装置及び方法は好ましい実施形態に関して記載されたが、当業者は、本発明の概念、精神及び範囲から逸脱せずにここで記載された装置及び／又は方法に又は方法の工程の順序に変形が適用されることができることが明らかであろう。当業者にとって明らかな全てのかかる同様の代替例及び修正例は、添付の請求項によって規定される本発明の精神、範囲及び概念内にあると見なされる。

Claims (9)

1. ステップモーター；
   ステップモーターによって駆動される回転軸；
   回転軸に取り付けられた雄ねじ付き親ねじ；
   入口及び出口を含む流体室；
   雌ねじ付き中央開口を含む第一ナット；
   第一ナットの中央開口と整合された雌ねじ付き中央開口を含む第二ナット；
   第一ナットに対向して第二ナットに取り付けられた受け板；
   第二ナットを第一ナットの方に付勢するために受け板と第二ナットの間に配置されたばね；及び
   流体室に配置されかつ第一ナットに取り付けられたピストン；
   を含むポンプ組立体であって、
   親ねじが、親ねじの回転運動を流体室内のピストンの直線運動に変換するために第二ナット及び第一ナットにねじ込まれる、ポンプ組立体。
2. ポンプが吸入サイクルにあるときに第二ナットに対して真空力を釣り合わせるようにばね力が選択される、請求項１に記載のポンプ組立体。
3. ばねが単一波ばねである、請求項１に記載のポンプ組立体。
4. 受け板が、一つ以上のねじによって第二ナット及び第一ナットに取り付けられる、請求項１に記載のポンプ組立体。
5. ポンプ容量が、約２５μｌ〜約５０００μｌである、請求項１に記載のポンプ組立体。
6. ねじ付き中央開口を含む第一ナット；
   第一ナットのねじ付き中央開口と整合されたねじ付き中央開口を含む第二ナット；
   第二ナットに取り付けられた受け板；及び
   組立時に第二ナットが第一ナットの方に付勢されるように受け板と第二ナットの間に配置されたばね；
   を含む容積型ポンプ組立体のためのバックラッシュ防止ナット組立体。
7. 第一ナットに取り付けられたピストンをさらに含む、請求項６に記載のバックラッシュ防止ナット組立体。
8. ねじ付き中央開口及び中央開口の雄ねじ範囲及び突出部と同じ方向に延びる一つ以上のピンを含む第一ナット；
   ツーピースの第二ナットであって、第二ナットの内側ピースが雄ねじを含み、第二ナットの外側ピースがねじ付き中央開口を含み、第二ナットの外側ピースが第一ナットの雄ねじ突出部上にねじ込まれ、かつ第二ナットの内側ピースの雄ねじ上にねじ込まれ、第二ナットピースの各々が第一ナット上のピンを受けるために一つ以上の穴又は溝を含むもの；
   第二ナットのツーピース間に配置されかつ第一ナットの雄ねじ突出部上にねじ込まれたねじ付きワッシャー；及び
   第二ナットを第一ナットの方に付勢するためにワッシャーと第二ナットの内側ピースの間に配置されたばね；
   を含む容積型ポンプのためのバックラッシュ防止ナット組立体。
9. 容積型ポンプ組立体においてバックラッシュを減少する方法であって、
   第一ナット及び第二ナットがポンプの親ねじ上に別々にねじ込まれ、ピストンが第一ナットに取り付けられかつ流体室内に延びている、容積型ポンプ組立体のためのナット組立体を与えること；
   第二ナットを第一ナットの方へ付勢するばねを与えること；及び
   容積型ポンプサイクルの吸引工程時に流体室に作られる真空力を釣り合わせるためにばね力を選択すること；
   を含む方法。

Images