JP3555193B2

JP3555193B2 - 流体供給装置

Info

Publication number: JP3555193B2
Application number: JP23097694A
Authority: JP
Inventors: 義寛池本; 照雄丸山; 宏行船所
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1994-09-27
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: JPH0871478A; KR960000763A; CN1118717A; CN1076225C

Description

【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、クリームハンダ、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・供給する液体吐出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）は従来から様々分野で用いられているが、近年の電子部品の小形化・高密度実装化のニーズにともない、流体材料の流量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、微少化、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、
▲１▼塗布量の高精度化
▲２▼吐出時間の短縮
▲３▼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１０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１５０（シリンダ）内にパルス的に印加させ、シリンダ１５０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９にその構造例を示す。
【０００５】
１００は、主軸（ドライブシャフト）、１０１は玉軸受、１０２はスネイクポンプのロータ、１０３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１０２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１０２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、摺動摩耗、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と揺動運動を与えるための回転揺動パルスモータと、その駆動源である回転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。Ｏ_１は前記内接円２の中心、Ｏ_２はロータの偏芯運動の中心、また３はＯ_１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で転がりながら回転すると、内接円中心Ｏ_１は中心Ｏ_２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Ｏ_２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には固定体となる磁極歯の数と、回転体となる磁石の極数を選んだパルスモータにより、回転数ωの回転運動とωの回転数で原点Ｏ_２のまわりを回る施回運動（揺動運動）が同時に与えられる。
【００１５】
吐出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ことに着目すれば、スネイクポンプのロータをラジアル方向（半径方向）に支える軸受と、ロータの間に微小隙間を設けておけば、ロータの揺動運動が可能となる。
【００１６】
回転と揺動の２つの運動はパルスモータを回転駆動するパルス信号と、駆動回路部によりなされている。その結果、主軸３はモーノポンプ固有の複合運動をし、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。
【００１８】
図２において、１０は主軸、１１は回転と揺動運動をする回転揺動アクチュエータであるパルスモータの回転子のロータであり、永久磁石で構成している。１２はパルスモータの固定子ステータでありケイ素銅板を磁極歯を持つように打ち抜き、積層をし、磁極歯部にコイルを巻いてある。１３〜１９は固定部材、２０、２１は固定部材１３、１４、１５、１６、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。なお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。２７、２８はラジアル方向軸受であり、主軸１０との間に隙間εが設けてある。
【００１９】
図３は回転揺動アクチュエータであるパルスモータの構造を示す断面図である。主軸１０の外周にＮ極、Ｓ極に着磁された６極永久磁石を貼り合わせてパルスモータの回転子ロータ１１を構成している。１２はパルスモータの固定子ステータであり、１２個の磁極歯３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２を備けており、各々の磁極歯３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２にコイルを巻いている。
【００２０】
図４は回転揺動パルスモータを制御、駆動する回転揺動制御部のブロック図である。５１はパルス発振器、５２はパルス発振器５１の信号を受けて回転揺動するパルスモータの磁極歯３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２のコイルに印加する電流の順序を決める分配回路、５３は分配回路５２の信号を受けて、回転揺動パルスモータ５４の磁極歯３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２のコイルに電流を印加するドライブ回路である。
【００２１】
図５は本実施例の回転揺動パルスモータの動作を説明する図である。図５（ａ）は磁極歯３１のコイルに電流を印加し、ロータ磁石と対向する部分をＳ極に励磁する。磁極歯３１のＳ極に吸引されてロータ１１のＮ極が磁極歯３１に対向する。このとき、図２におけるラジアル軸受２７，２８と主軸１０との間との隙間ε分だけ偏心する。次に磁極歯３１のコイルに電流印加を止めて図５（ｂ）のように磁極歯３２のコイルに電流を印加し、ロータ磁石と対向する部分をＮ極に励磁する。磁極歯３２のＮ極に吸引されて矢印方向Ｙに回転をしてロータ１１のＳ極が磁極歯３２に対向するようになる。次に磁極歯３２のコイルに電流印加を止めて図５（ｃ）のように磁極歯３３のコイルに電流を印加し、ロータ磁石と対向する部分をＳ極に励磁する。磁極歯３３のＳ極に吸引されて矢印方向Ｙに回転をしてロータ１１のＮ極が磁極歯３３に対向するようになる。同様に図５（ｄ）から図５（ｌ）までを進めるとロータ１１は矢印方向Ｙに１回転し、ε分の偏心量で施回運動（揺動運動）矢印方向Ｚに１回運動をする。この回転運動と揺動運動の両運動をするパルスモータを備えた流体供給装置では、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５１をつばの面に形成した公知の動圧軸受であり、図６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が封じ込められている。浅い溝７１のポンピング効果により、潤滑油は外部に流出することはない。
【００２２】
主軸１０は２つの前記スラスト流体軸受２０，２１によって支持されているため、傾斜することなく軸方向が規制される。したがってパルスモータの駆動力により、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。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、パルスモータ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に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。
【００２３】
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９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、流量精度のバラツキを招いていた。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周期の変化特性を持っている。従って、内部リークが吐出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ツキのない吐出流量が得られるのである。
【００２４】
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９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。
【００２５】
図７は本発明の第２の実施例であり、回転揺動パルスモータの回転軸位置を検出するセンサーとしてロータリ型アブソリュートエンコーダを設けたディスペンサーを構成した場合を示す。６１はスリットの入ったガラス円板、６２は光の発光部と受光部である。その他の部品は図２の第１の実施例と同じである。図８は第２の実施例の回転揺動パルスモータを制御、駆動する回転揺動制御部のブロック図である。５１，５２，５３，５４は第１の実施例と同じであり、６３はパルスモータのロータ位置を判定する判定回路である。次に第２の実施例の回転揺動パルスモータの動作について図５も参照しながら説明する。パルスモータが図５（ｇ）の状態で停止し、この状態で回転揺動制御部の電源を切り、再度電源を入れた場合、分配回路５２はパルス発振器５１からのパルス信号を受けて図５（ａ）の磁極歯３１からコイルに電流印加を開始する。回転子ロータは図５（ｇ）の状態から瞬時に図５（ｈ）〜図５（ｌ）の状態を経ずに図５（ａ）の状態まで移動してしまい、スムーズな回転が得られない。また図５（ｂ）の状態で停止、電源を切った場合、電源を投入すると、図５（ａ）の電極歯３１のコイル電流印加がされ、回転子ロータは、矢印Ｙとは逆方向に動いて、図５（ａ）の回転子ロータ位置の状態になる。このような、回転子ロータの急激な状態の移動や、逆転という現象を無くすために、エンコーダは回転子ロータの位置を検出し、回転子ロータの位置を判定し、回転子ロータがスムーズな回転と、正しい方向へ回転するように、次のコイルへ電流を印加する。その結果、スネイクポンプ部のロータ２５（図７）はスムーズな回転を得て流体を輸送できる。
【００２６】
第１の実施例、第２の実施例ともパルス発振器５１の発振周波数を変化させると回転揺動パルスモータの回転と揺動の速度を変化させることができる。
【００２７】
なお、両実施例において軸受スラスト方向を流体軸受２０，２１、ラジアル方向を固定潤滑軸受２７，２８としたが、玉軸受方式でスラスト方向に規制をし、ラジアル方向にεの隙間を持たせたものでもよい。
【００２８】
また、第２の実施例において、ロータ位置検出センサーを光学式エンコーダ６１，６２としたが、磁気式のレゾルバ（シンクロ）や、ホール効果を用いた素子、またポテンショメータであってもよい。
さらに、両実施例において回転揺動パルスモータを１２相と６極の組合せとしたが、他の相数と他の極数を用いて、コイル励磁方法を採用してもよい。
【００２９】
【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
▲１▼流量の超高精度が図れる
▲２▼超微少流量化が図れる
▲３▼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】本発明の第１の実施例の回転揺動パルスモータの構造を示す図
【図４】本発明の第１の実施例の回転揺動制御部のブロック図
【図５】本発明の第１の実施例の回転揺動パルスモータの動作を説明する図
【図６】スラスト流体軸受を示す図
【図７】本発明の第２の実施例を示す正面断面図
【図８】本発明の第２の実施例の回転揺動制御部のブロック図
【図９】公知のスネイクポンプの正面断面図
【図１０】エアパルスディスペンサーを示す構成図
【符号の説明】
１基礎円
２内接円
３主軸
１０主軸
１１，２５ロータ
１２ステータ
２３吸入孔
２７吐出ノズル

Claims

流体の吸入口及び吐出孔と、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と揺動運動を与えるための回転揺動パルスモータと、その駆動電源である回転揺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。
回転揺動パルスモータの回転軸位置を検出するセンサを設けたことを特徴とする請求項１記載の流体供給装置。