JP4721505B2

JP4721505B2 - Fluid ejection device

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Publication number: JP4721505B2
Application number: JP2000357338A
Authority: JP
Inventors: 良司村椿; 泰伸中川; 正杉森; 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: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP2002155864A

Description

【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、を有するものであり、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。
【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ＯＮ／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。
【００１７】
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、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１６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２０３）。
【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２０６）。
【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１６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＝３ｍｍ、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１７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１８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。
【００７６】
また、本発明によれば、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２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３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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fluid ejection device of a type that causes a pump chamber to perform a liquid supply / discharge operation in a state of being isolated from the working fluid by changing the volume in the pump chamber by a working fluid that vibrates under pressure.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various types of fluid ejecting apparatuses for ejecting high-pressure liquid have been used, and in particular, a system in which the pump chamber supply / exhaust operation is driven by a pressurized medium isolated from the fluid to be ejected in the pump chamber. There are a fluid ejection device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-303267 and a compression liquid feeding pump disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-317648, filed by the present applicant. All of these devices are used to pressure-oscillate a working fluid filled in the pressure transmission chamber and the pressure cylinder, a pressure transmission chamber in contact with the pump chamber via an elastic diaphragm, a pressure cylinder communicating with the pressure transmission chamber, A pressure converter (pressure vibration means) that periodically changes the volume of the pressure cylinder with a constant amplitude. In these apparatuses, the volume of the pump chamber is periodically changed from the pressure transmission chamber through the elastic diaphragm by the working fluid that vibrates in pressure, so that the volume of the pump chamber is increased and decreased. The liquid is discharged from the pump chamber. In a conventional fluid ejection device, a plunger that reciprocates in a pressure cylinder as a pressure converter, a general-purpose motor, an output shaft of the general-purpose motor, and a plunger are connected to rotate the rotation of the general-purpose motor output shaft. A crank mechanism for conversion is provided.
[0003]
In order to control the discharge pressure of the jet liquid set as necessary, it is necessary to eject the liquid at a discharge flow rate corresponding to the diameter of a jet port (nozzle) such as a handpiece connected to the pump chamber. . In the conventional fluid ejection device, for this purpose, the number of rotations of the general-purpose motor is increased or decreased to adjust the speed and amount to increase / decrease the volume of the pump chamber via the pressure cylinder, the pressure transmission chamber, and the elastic diaphragm. The discharge pressure and discharge flow rate were controlled.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In such a conventional fluid ejection device, when a liquid is to be ejected at a low discharge pressure, the general-purpose motor must be driven at a low-speed rotation. Sufficient torque may not be generated and operation may stop at the start of operation. For this reason, it has been difficult for the conventional apparatus to control the discharge pressure to a constant value of low pressure.
[0005]
Further, when a handpiece or the like is attached to the pump chamber and the liquid jet from the liquid jet port (nozzle) is turned on / off with the handpiece or the like, the discharge pressure rises or falls along with this operation to generate pulsation. . For this reason, when there is a change in the discharge pressure to prevent such pulsation, it is necessary to perform control so that the pressure change is detected and immediately returned to a constant pressure. However, since the general-purpose motor used in the conventional fluid ejection device does not have a good response characteristic, even if an increase or decrease in the discharge pressure associated with the ON / OFF operation is detected, it cannot be quickly returned to a constant pressure. For this reason, there exists a problem that the pulsation of discharge pressure cannot be prevented. In particular, when the general-purpose motor is controlled so that the liquid discharge flow rate becomes small, the number of times of reciprocation of the plunger is reduced, so that a large pulsation occurs in the discharge pressure of the jetting liquid, particularly when the traveling direction of the plunger is switched. End up. For this reason, it is difficult to control the liquid discharge flow rate to a low amount.
[0006]
Further, even if an actual discharge flow rate and discharge pressure are detected and feedback control is performed, there is a problem that it is difficult to perform precise control because the response of the general-purpose motor is not good.
[0007]
In order to avoid such a problem, a relief valve is provided in the flow path of hydraulic oil from the pressure cylinder to the pressure transmission chamber, and when the discharge pressure of the jet liquid exceeds a certain pressure, it is sent to the pressure transmission chamber. It is also conceivable that the hydraulic fluid is allowed to escape to the outside. However, in this case, since it is necessary to add a relief valve and a new flow path, the apparatus becomes complicated. Further, the hydraulic oil easily deteriorates due to the heat generated by the hydraulic oil passing through the relief valve. When the hydraulic oil deteriorates, there arises a problem that precise discharge pressure cannot be controlled.
[0008]
The present invention has been made in view of such problems, and a main object of the present invention is to provide a fluid ejection device capable of precisely controlling the ejection pressure and ejection flow rate of the ejection liquid. Another object of the present invention is to provide a fluid ejection device capable of easily controlling the ejection pressure and ejection flow rate of the ejection liquid.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, the invention according to claim 1 is directed to a pump chamber whose volume is periodically changed via an elastic diaphragm by a working fluid that vibrates in pressure, and a pressure transmission that contacts the pump chamber via the elastic diaphragm. A chamber, a pressurizing cylinder communicating with the pressure transmission chamber, and a volume of the pressurization cylinder periodically changing with a constant amplitude so as to vibrate the working fluid filled in the pressure transmission chamber and the pressurization cylinder. A fluid that sucks the liquid from the liquid supply source into the pump chamber in response to an increase in the volume of the pump chamber, and discharges the liquid in the pump chamber from the pump chamber in accordance with a decrease in the volume of the pump chamber. In the ejection device, the pressure vibration means includes a servo motor, a plunger that reciprocates in the pressure cylinder, and a crank means that connects the output shaft of the servo motor and the plunger. Wherein the rotation drive of the servo motor, which has a control unit for controlling based on the discharge pressure or discharge flow rate of the liquid, The control means reciprocates the plunger with a stroke length corresponding to a target discharge flow rate, and sets the rotation speed of the servo motor output shaft to a desired plunger speed, a rotation angle of the crank means, and an angular speed of the crank means. It is determined based on the reduction ratio with respect to the angular velocity of the servo motor output shaft. It is characterized by that.
[0010]
In the invention according to claim 1, a servo motor is used as the pressure vibration means, and the rotation of the servo motor is controlled by the control means. Since the servo motor has a smaller diameter than a general-purpose motor, the servo motor has characteristics that the inertia of the rotor is small, the control response is good, and a large torque is generated. In the present invention, such a servo motor with excellent controllability is used as the pressure vibration means, and the discharge pressure and discharge flow rate of the jet liquid are controlled by controlling the reciprocation of the plunger. Compared with the conventional fluid ejection device, precise and free control of the discharge pressure and the discharge flow rate can be easily performed.
[0011]
That is, even in the low-speed rotation range of the motor when the discharge pressure is low, the servo motor can obtain a stable torque, so that the motor does not stop during operation and pressure fluctuation does not occur. For this reason, low pressure control of the discharge pressure is facilitated.
[0012]
In addition, since the response of the servo motor is good, the operation of the plunger can be controlled in response to a change in the discharge pressure of the liquid instantaneously. For this reason, it is possible to immediately start and stop the plunger by detecting the rise and fall of the discharge pressure due to the ON / OFF operation of the injection, and to minimize the pulsation of the discharge pressure.
[0013]
Furthermore, since the responsiveness of the servo motor is good, it is possible to easily control the low-speed movement of the plunger, switching (reversing) of the moving direction, instantaneous stop, and restart. This makes it possible to easily control the rotation speed of the crankshaft of the crank means and the stroke of the plunger by feeding back the discharge pressure and discharge flow rate of the jet liquid. Further, since the drive rotation of the servo motor can be freely controlled, the operation of the plunger can be freely operated.
[0014]
Thus, according to the present invention, the reciprocating movement of the plunger and the operation of the crank means can be easily controlled, so that the discharge pressure and the discharge flow rate are based on the actual discharge pressure and discharge flow rate of the jet liquid. Can be controlled precisely.
[0015]
The control means in the present invention may be any means that controls the rotational drive of the servo motor based on the discharge pressure or discharge flow rate of the ejected liquid. As such control, constant discharge flow rate control, discharge pressure is set to a low pressure. Control, control for reducing the discharge flow rate, control of discharge pressure to prevent pulsation, and the like can be mentioned. Specifically, the control means can be configured as in the invention described below.
[0017]
System The actual discharge pressure value detected by the pressure detection means and the target pressure value are compared by the control means, and when the discharge pressure value becomes equal to the target pressure value, the rotation direction of the servo motor output shaft is switched. Swing the crank arm. This makes the plunger of Since the discharge stroke shifts to the suction stroke, the liquid discharge pressure does not exceed the target pressure value. For this reason, it is possible to reduce the pulsation of the ejection pressure of the jet liquid.
[0018]
In particular, when performing a low pressure injection of liquid or using a small diameter nozzle in the pump chamber to reduce the discharge flow rate, the control in the present invention can be used to shorten the plunger suction / discharge cycle. Thus, the pulsation of the discharge pressure of the jet liquid in the suction stroke is reduced, and a more stable discharge pressure can be obtained.
[0019]
The pressure detection means in the present invention may be any means as long as it can detect the ejection pressure of the ejection liquid, and can be configured to directly detect the ejection pressure of the ejection liquid by providing pressure detection means in the vicinity of the liquid ejection port. In addition, the relationship between the pressure of the hydraulic oil and the discharge pressure of the jet liquid is obtained in advance, and pressure detection means is provided in the pressure transmission chamber or the pressure cylinder or the flow path between the pressure transmission chamber and the pressure cylinder to operate By detecting the oil pressure, the discharge pressure of the jet liquid may be obtained indirectly based on the relationship.
[0020]
Contract In the fluid ejection device according to claim 1, the control means reciprocates the plunger with a stroke length corresponding to a target discharge flow rate, and sets the rotation speed of the servo motor output shaft to a desired plunger speed and the crank. It is determined based on the rotation angle of the means and the reduction ratio of the angular speed of the crank means to the angular speed of the servomotor output shaft.
[0021]
this Departure Akira explains that the control means controls the rotation speed of the servo motor so that the ejected liquid is discharged at a constant discharge flow rate and at a constant speed. Here, the constant velocity discharge control is to perform control so that an ejection liquid having a constant flow rate is discharged per unit time.
[0022]
Since the plunger is connected to the output shaft of the servo motor by the crank means, the stroke length of the plunger is determined by the rotation angle of the crank means from the geometric relationship between the plunger and the crank means. In addition, an angle detection means can be installed in the vicinity of the crank means (crankshaft), and the rotation angle of the crank means can be detected using information such as an encoder with the bottom dead center as the origin. As such an angle detection means, a proximity sensor, an absolute type encoder, or the like can be used.
[0023]
Here, FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the change in the ejection amount of the ejected liquid and the stroke length of the plunger. FIG. 6 shows that the discharge amount and the stroke length are in a proportional relationship. Therefore, in the present invention, a desired discharge flow rate can be obtained by reciprocating the plunger with a stroke length corresponding to the desired discharge flow rate.
[0024]
Further, in order to eject the ejected liquid at a constant speed, it is necessary to move the plunger at a constant speed within the range of the stroke length. Here, if the desired plunger speed is determined in advance from the geometric relationship between the crank means and the plunger, the angular speed of the crank means can be calculated. If the reduction ratio of the angular velocity of the crank means to the angular velocity of the servomotor output shaft is obtained in advance, the angular velocity of the servomotor can be calculated. For this reason, in the present invention, in order to obtain a desired plunger speed, the rotation speed of the servo motor is determined from the plunger speed, the reduction ratio, and the rotation angle of the crank means, and the servo motor is driven at the rotation speed. The plunger speed is set to a constant speed, thereby controlling the liquid to be discharged at a constant speed.
[0025]
As described above, in the present invention, since the servo motor with good controllability is used, the rotation speed of the servo motor can be freely controlled, and high-precision control can be easily realized.
[0026]
In the control means of the present invention, the plunger is reciprocated with a stroke length corresponding to the target discharge flow rate, and the rotation speed of the servo motor output shaft is set to a desired plunger speed, rotation angle of the crank means, and angular speed of the crank means. The configuration is not particularly limited as long as it is determined based on the reduction ratio with respect to the angular velocity of the output shaft, and a specific formula for calculating the servo motor speed is arbitrary depending on conditions such as the configuration and size of the crank means. Can be determined.
[0027]

Claim

2 The invention according to claim 1 In the fluid ejection device described in item 1, the control means determines the rotational speed of the servo motor output shaft only when the crank means is rotating within a predetermined angle range.
[0028]
The “predetermined angle range” in the present invention refers to a range in which the rotation speed of the servo motor can follow the change in the angle of the crank means, and the plunger is controlled by controlling the rotation speed of the servo motor within the angle range. It is possible to move at a constant speed.
[0029]
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of the relationship between the angle from the bottom dead center of the crankshaft of the crank means and the rotation speed of the servo motor when the plunger is moved at a constant speed. As shown in FIG. 7, when the crankshaft angle is in the range of 0 to 45 degrees and 135 to 180 degrees, the plunger is moved at a constant speed unless the servo motor speed is changed rapidly with respect to the change of the crankshaft angle. Therefore, it is difficult to follow the change in the angle of the crankshaft even if the rotational speed is controlled at a high speed in such an angle range. For this reason, in the present invention, the crank means is oscillated within such an angle range to control the rotation speed of the servo motor, so that it is possible to reliably control the constant flow rate of the discharge flow rate.
[0030]
The “predetermined angle range” in the present invention can be arbitrarily determined depending on conditions such as the configuration and size of the crank means, and is not limited to the range of 45 degrees to 135 degrees shown as an example.
[0031]

Claim

3 The invention according to claim 1 is characterized in that, in the fluid ejection device according to claim 1, the control means controls the servo motor based on a rotation angle of the crank means.
[0032]
As shown in FIG. 6 described above, the ejection flow rate of the jet liquid and the stroke length are in a proportional relationship, and this stroke length is determined based on the rotation angle of the crank means. In the present invention, since the servo motor is controlled based on the rotation angle of the crank means, the constant discharge flow rate (constant discharge flow rate) of the ejected liquid is higher than the control using a general-purpose motor with poor controllability. Control can be performed with high accuracy.
[0033]
The control means in the present invention may be any means as long as it controls the servo motor based on the rotation angle of the crank means. For example, the control means is 0 degree or near 180 degrees from the bottom dead center of the crank means (crankshaft) (the bottom dead center of the crankshaft). The rotation direction of the servo motor can be controlled so that the crank means is swung around the point or near the top dead center. In this case, since the amount of movement of the plunger with respect to the change in the angle of the crank means (crankshaft) becomes small around 0 degrees or 180 degrees from the bottom dead center, a very small amount of discharge flow rate can be controlled with high accuracy. Further, the rotation direction of the servo motor may be controlled so that the crank means is swung around 90 degrees or 270 degrees from the bottom dead center of the crank means (crankshaft). In this case, since the amount of movement of the plunger with respect to the change in the angle of the crank means (crankshaft) becomes large around 90 degrees or 270 degrees from the bottom dead center, a constant discharge flow rate (for example, 0.5 mL) can be set in a shorter time. It is possible to perform control of discharging.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the fluid ejection device according to the present invention will be described together with illustrated examples. FIG. 1 is a configuration diagram when a fluid ejection device according to the present invention is used in a jet knife.
[0035]
A pressure converter 1 constituting a part of the fluid ejection device includes a pressure transmission chamber 6 formed by a space between a cylindrical rubber tube 5 which is an elastic member and an outer shell container 7, and upper and lower portions thereof. It is sealed with. The ejection system unit 2 incorporated in the pressure converter 1 is provided with a pump chamber 3 and is configured to be detachable from the pressure converter 1. Further, the jet system unit 2 has an outer shape substantially cylindrical, and a side surface portion thereof is a cylindrical silicon tube 4 which becomes an outer wall portion of the pump chamber 3 except for each end member portion. It is comprised by.
[0036]
Since the outer shell container 7 and the rubber tube 5 of the pressure converter 1 are each configured in a cylindrical shape and are arranged in a concentric position, the pressure transmission chamber 6 has a hollow cylindrical shape, and the pump chamber of the ejection system unit 2 3 is provided inside the main body of the pressure converter 1 so as to be separated from the main body. The inner wall of the hollow portion is composed of a rubber tube 5 which is an elastic member, and pressure transmission is possible.
[0037]
In the present embodiment, when the ejection system unit 2 is mounted, the ejection system unit 2 is located concentrically in the hollow portion provided in the axial center portion of the pressure converter 1, and constitutes the outer wall of the pump chamber 3. The silicon tube 4 and the rubber tube 5 constituting the inner wall of the hollow part of the pressure transmission chamber 6 are opposed to each other. That is, the pressure transmission chamber 6 of the pressure converter 1 is disposed adjacent to the pump chamber 3 of the ejection system unit 2 via the rubber tube 5 and the silicon tube 4 constituting the outer walls of each. Actually, in order to facilitate the insertion / removal of the ejection system unit 2, a slight gap is formed between the rubber tube 5 and the silicon tube 4 in a normal state.
[0038]
And when actually using as a fluid ejection apparatus, the rubber tube 5 which comprises the inner wall of a hollow part is expanded inside by filling the pressure transmission chamber 6 with a working fluid, and pressurizing it, and the rubber tube 5 And the silicon tube 4 are brought into close contact with each other. When only the ejection system unit 2 is replaced, the pressure transmission chamber 3 is decompressed to create a gap, the unit is removed, and a new one is inserted. During use, the walls are in close contact with each other, so that a double partition is formed that separates the pump chamber 3 and the pressure transmission chamber 6, and pressure can be transmitted through the contact portion.
[0039]
The rubber tube 5 and the silicon tube 4 in the present embodiment can be expanded and contracted in a cylindrical diametrical direction, and are limited to these as long as they are elastic members capable of transmitting pressure by fluid at least. Instead, the thickness, size, etc. are determined in relation to the output of the apparatus. Further, the shape is not limited to these.
[0040]
The ejection unit 2 of the pressure converter 1 is connected to an infusion pack (not shown) of physiological saline serving as a supply source of ejection fluid at the lower suction port, and a hand serving as an ejection unit at the upper discharge port. Pieces 21 are connected via an infusion tube 22.
[0041]
A cylindrical pressurizing cylinder 13 that applies pressure vibration to the working fluid is connected to the communication hole 8 provided in the outer shell container 7 of the pressure converter 1 via the communication pipe 11.
[0042]
The pressure transmission chamber 6 and the pressurizing cylinder 13 constitute a sealed closed volume chamber in which the working fluid flows inside the closed volume chamber and cannot flow out of the closed volume chamber.
[0043]
The pressurizing cylinder 13 is provided with a pressurizing plunger 15 that continuously advances and retreats in the pressurizing cylinder 13 in the axial direction of the pressurizing cylinder 13 by the rotation of the servo motor 16. The pressure plunger 15 is connected to a crankshaft 17 by a crank arm 18, and the crankshaft 17 is connected to an output shaft of a servo motor 16. Therefore, the rotation of the output shaft is converted into the reciprocating motion of the pressurizing plunger by the crankshaft 17 and the crank arm 18 by driving the servomotor 16. Here, the servo motor 16, the crankshaft 17, the crank arm 18 and the pressurizing plunger 15 constitute the pressure vibration means of the present invention.
[0044]
That is, the rotation of the servo motor 16 causes the pressure plunger 15 to reciprocate in the pressure cylinder 13 through the crank shaft 17 and the crank arm 18 in the axial direction of the cylinder. By the reciprocating motion of the pressurizing plunger 15, the volume of the pressurizing cylinder 13 repeatedly increases and decreases, and the working fluid in the pressurizing cylinder is alternately pressurized and depressurized. Thereby, pressure vibration is supplied to the pressure transmission chamber 6. The pressure vibration applied to the pressure transmission chamber 6 is transmitted to the pump chamber 3 through the close contact portion between the rubber tube 5 and the silicon tube 4, and the physiological saline continuously sucks and discharges from the pump chamber 3. It will be done.
[0045]
When the working fluid is pressurized by the pressurizing plunger 15, the rubber tube 5 is pressed and expanded in the axial direction of the pump chamber 3 while the rubber tube 5 is in close contact with the silicon tube 4. For this reason, the silicon tube 4 of the ejection system unit 2 is pressurized, the physiological saline is pressurized and discharged from the pump chamber 3, and the physiological saline is ejected from the handpiece 21.
[0046]
On the other hand, when the working fluid is depressurized by the pressurizing plunger 15, the expansion of the rubber tube 5 is contracted, and the contracted silicon tube 4 tries to return to the original state by the elastic recovery force and the pressure inside the pump chamber 3 is increased. When the pressurized physiological saline returns to the atmospheric pressure, a negative pressure is generated in the pump chamber 3, and the physiological saline is sucked into the pump chamber 3 and stored in the pump chamber 3.
[0047]
By repeating this in an early cycle, physiological saline having a substantially continuous constant injection pressure is injected from the handpiece 21.
[0048]
A pressure sensor 23 is installed in the infusion tube 22 to detect the actual discharge pressure value of physiological saline. The pressure sensor 23 transmits a pressure value signal to the control unit 30. A proximity sensor 24 that detects the rotation angle of the crankshaft 17 is installed in the vicinity of the crankshaft 17. The proximity sensor 24 detects the rotation angle of the crankshaft 17 using information such as an encoder with the bottom dead center as an origin, and sends an angle signal to the control unit 30. In the fluid ejection device of this embodiment, the rotation angle of the crankshaft 17 is detected using the proximity sensor 24, but may be configured to detect using an absolute type encoder.
[0049]
The control unit 30 is configured by a computer device or the like, and performs feedback control of the rotational direction and the rotational speed of the output shaft of the servo motor 16 based on the pressure value signal input from the pressure sensor 23 and the angle signal from the proximity sensor 24. The physiological saline discharge flow rate and discharge pressure are controlled.
[0050]
Next, various controls of the physiological saline discharge flow rate and discharge pressure performed by the control unit 30 of the fluid ejection device of the present embodiment configured as described above will be described.
[0051]
(Pulse reduction control)
When the crankshaft 17 is rotated in one direction by the servomotor 16, there may be a pulsation in the discharge pressure near the target pressure value. In the fluid ejection device of this embodiment, the control unit 30 performs the following pulsation reduction control to reduce this pulsation. FIG. 2 is a flowchart of the pulsation reduction control performed by the control unit 30 in the present embodiment.
[0052]
The controller 30 first sets a target discharge pressure value (target pressure value) (step 201) and drives the servo motor 16 (step 202). As a result, physiological saline is ejected from the handpiece. At this time, the pressure sensor 23 detects the actual discharge pressure of physiological saline at regular intervals and inputs it to the controller 30 (step 203).
[0053]
Then, the deviation between the target pressure value and the actual discharge pressure value is taken (step 204), and it is judged whether this deviation is 0, that is, whether the actual discharge pressure value has reached the target pressure value (step 205). . When the deviation is 0 or more (when the actual discharge pressure value does not reach the target pressure value), the servo motor 16 continues to rotate in the current rotation direction. On the other hand, when the deviation becomes 0 (when the actual discharge pressure value reaches the target pressure value), the rotation of the servo motor 16 is switched in the direction opposite to the current rotation direction (step 206).
[0054]
By such pulsation reduction control, as shown in FIG. 3, the crankshaft 17 and the crank arm 18 swing. By switching the rotation direction of the servo motor 16 as described above, the discharge stroke by the pressure plunger shifts to the suction stroke (or the suction stroke shifts to the discharge stroke), so the discharge pressure of the physiological saline exceeds the target pressure value. There is nothing.
[0055]
FIG. 4B is a state diagram showing the fluctuation state of the physiological saline discharge pressure when the crankshaft 17 is swung and the pressure plunger is reciprocated as described above. FIG. 4A is a state diagram showing a fluctuation state of the physiological saline discharge pressure when the crankshaft 17 is rotated in one direction and the pressurizing plunger is reciprocated by a conventional apparatus. Comparing both figures, it can be clearly seen that the apparatus of this embodiment has a reduced discharge pressure pulsation, and a more stable discharge pressure can be obtained.
[0056]
(Constant-rate discharge control)
In the fluid ejection device of this embodiment, the control unit 30 controls the rotation speed of the servo motor 16 so that the physiological saline is ejected at a constant ejection flow rate and at a constant speed. The constant velocity discharge is to discharge a normal flow rate of physiological saline per unit time. FIG. 5 is an explanatory diagram showing the geometric relationship between the crankshaft 17, the crank arm 18, and the pressure plunger. By calculating the stroke length x of the plunger from the angle θ from the bottom dead center of the crankshaft 17 shown in FIG. 5, it is possible to perform discharge for a predetermined stroke length. This stroke length x can be obtained from the geometrical relationship shown in FIG.
[0057]
[Expression 1]

Where r: radius of crankshaft, θ: rotation angle of crankshaft,
L: Length of crank arm
[0058]
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the change in the amount of physiological saline discharged and the stroke length of the plunger when the stroke length is changed when the diameter of the pressure plunger is 14 mm. FIG. 6 shows that the discharge amount and the stroke length are in a proportional relationship. Therefore, in order to obtain a desired discharge flow rate, the control unit 30 controls the plunger to reciprocate with a stroke length x corresponding to the discharge flow rate.
[0059]
Further, in order to discharge physiological saline at a constant speed, it is necessary to move the plunger at a constant speed V within the range of the stroke length. Here, when the plunger speed V is obtained from Equation 2, it is expressed by Equation 2.
[0060]
[Expression 2]

Where R: Angular speed of the crankshaft [rad / s]
[0061]
Assuming that the reduction ratio of the crankshaft angular velocity to the angular velocity of the servomotor 16 by the crankshaft is 1 / x, the rotational speed Rev [rpm] of the servomotor 16 is determined by the following equation (3).
[0062]
[Equation 3]

Where V: plunger speed, x: stroke length, r: crankshaft radius
θ: Angle from bottom dead center
[0063]
Therefore, the control unit 30 controls the rotation speed Rev of the servo motor 16 to a value represented by the equation (4), whereby the pressure plunger reciprocates at a constant speed.
[0064]
[Expression 4]
Rev = 30xV / (πrsinθ)
[0065]
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of the relationship between the angle from the bottom dead center of the crankshaft 17 and the rotation speed of the servo motor 16. Here, FIG. 7 is an example in the case of the crankshaft radius r = 3 mm, the plunger speed V = 3 mm / s, and the reduction ratio 1 / x = 1/5. As shown in FIG. 7, when the crankshaft angle is in the range of 0 to 45 degrees and 135 to 180 degrees, the plunger is moved at a constant speed unless the servo motor speed is changed rapidly with respect to the change of the crankshaft angle. Therefore, it is difficult to follow the change in the angle of the crankshaft 17 even if the rotational speed is controlled at a high speed in such an angle range. For this reason, the control unit 30 sets the angle range from the bottom dead center of the crankshaft 17 to 45 degrees to 135 degrees, and swings the crankshaft 17 within the angular range as shown in FIG. The rotational speed Rev of the motor 16 is controlled to a value calculated by the above equation (4). For this reason, in the fluid ejection device of this embodiment, the constant flow rate control of the discharge flow rate can be reliably performed.
[0066]
In this embodiment, the crankshaft 17 is swung in an angle range of 45 degrees to 135 degrees from the bottom dead center. However, the angle range is arbitrary depending on the crankshaft diameter and the target pressure plunger speed. It is possible to determine.
[0067]
(Constant discharge flow rate control)
In the fluid ejection device of the present embodiment, the control unit 30 controls the saline flow rate to be constant.
[0068]
As shown in FIG. 6, the physiological saline discharge flow rate and the stroke length are in a proportional relationship, and the stroke length x is determined by Equation 1 based on the rotation angle θ of the crankshaft 17. From this formula 1, it can be seen that the amount of movement of the pressure plunger 15 with respect to the change in the angle of the crankshaft 17 is small at around 0 or 180 degrees from the bottom dead center. This means that a very small amount of discharge flow rate can be controlled with high accuracy near 0 or 180 degrees from the bottom dead center. For this reason, the control unit 30 controls the rotation direction of the servo motor 16 to swing the crank arm 18 and the crankshaft 17 around 0 degrees or 180 degrees from the bottom dead center of the crankshaft 17.
[0069]
In addition, it can be seen that the amount of movement of the pressure plunger 15 with respect to the change in the angle of the crankshaft 17 increases in the vicinity of 90 or 270 degrees from the bottom dead center. This means that it is possible to control to discharge a constant and small discharge flow rate (for example, 0.5 mL) in a shorter time. For this reason, the control unit 30 controls the rotation direction of the servo motor 16 to swing the crankshaft 17 and the crank arm 18 around 90 degrees or 270 degrees from the bottom dead center of the crankshaft 17.
[0070]
In the present embodiment, since the servo motor 16 is controlled based on the rotation angle of the crankshaft 17 in this way, it is possible to control the constant discharge flow rate (constant discharge flow rate) of physiological saline with high accuracy. It is like that.
[0071]
The angle range for swinging the crankshaft 17 and the crank arm 18 is not limited to the above 0 or 180 degrees, 90 degrees or 270 degrees, but depends on conditions such as the desired discharge flow rate and the configuration of the crank means. It can be arbitrarily determined.
[0072]
In this embodiment, the fluid ejection device used for the water jet knife is taken as an example, but if it is a device that ejects fluid by increasing or decreasing the volume of the pump chamber by the pressure of the working fluid, Needless to say, it can be used in other apparatuses. Specifically, the present invention can be applied to a pump device used for various purposes such as a chemical solution injection pump, dripping of a photoresist, injection of food additives, a micro high-pressure injection pump, and cosmetic preparation.
[0073]
Moreover, in the fluid ejection device of the present embodiment, the pressure comparator and the injection unit may be configured as two stations or three stations. Thereby, there exists an advantage that two types and three types of fluids can be ejected with one apparatus. On the other hand, if the same fluid is used for all, there is an advantage that the injection flow rate can be easily increased.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention according to claim 1, since the servo motor with good control response is used, the reciprocating movement of the plunger and the operation of the crank means can be easily controlled, There is an effect that the discharge pressure and the discharge flow rate can be precisely controlled based on the actual discharge pressure and the discharge flow rate of the jet liquid. Specifically, since a stable torque can be obtained with the servo motor even in the low-speed rotation region of the motor, the low pressure control of the discharge pressure is facilitated by preventing the motor from stopping or changing the pressure. In addition, due to the good responsiveness of the servo motor, it is possible to immediately start and stop the plunger by detecting the rise and fall of the discharge pressure, and to minimize the pulsation of the discharge pressure. Furthermore, low-speed movement and reversal of the plunger, instantaneous stop, and restart can be easily realized.
[0076]
Also, Book According to the invention, it is possible to freely control the rotation speed of the servo motor, and it is possible to easily realize high-precision quantitative constant velocity control of the discharge flow rate. In particular, the claims 2 According to the present invention, there is an effect that the constant flow rate control of the discharge flow rate can be performed more reliably.
[0077]
Further claims 3 According to the invention which concerns on this, it has the effect that the highly accurate control of the fixed discharge flow volume of an injection liquid can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fluid ejection device according to an embodiment.
FIG. 2 is a flowchart of pulsation reduction control in the fluid ejection device of the present embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the operation of the crankshaft when pulsation reduction control is performed in the fluid ejection device of the present embodiment.
FIG. 4 (a) is a state diagram showing a fluctuation state of discharge pressure in a conventional apparatus, and FIG. 4 (b) is a discharge when pulsation reduction control is performed in the fluid ejection apparatus of this embodiment. It is a state figure which shows the fluctuation state of a pressure.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a geometrical relationship of each part (pressure plunger, crank means, servo motor) of the pressure vibration means of the fluid ejection device of the present embodiment.
FIG. 6 is a relationship diagram between the stroke length (movement amount) of the pressurizing plunger and the discharge flow rate when performing constant velocity control and constant discharge amount control of the discharge flow rate in the fluid ejection device of the present embodiment.
FIG. 7 is a relationship diagram between the crankshaft angle and the servo motor rotation speed when performing constant velocity control of the discharge flow rate in the fluid ejection device of the present embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the operation of the crankshaft when the discharge flow rate is controlled at a constant speed in the fluid ejection device of the present embodiment.
[Explanation of symbols]
1: Pressure converter
2: Jet unit
3: Pump room
4: Silicon tube
5: Rubber tube
6: Pressure transmission chamber
7: Outer shell container
8: Communication hole
9: Infusion tube
11: Communication pipe
12: Orifice
13: Pressure cylinder
14: Column holding cylinder
15: Pressure plunger
16: Servo motor (SM)
17: Crankshaft
18: Crank arm
21: Handpiece
22: Infusion tube
23: Pressure sensor
24: Proximity sensor
30: Control unit

Claims

A pump chamber whose volume is periodically changed through an elastic diaphragm by a working fluid that vibrates in pressure, a pressure transmission chamber in contact with the pump chamber via an elastic diaphragm, a pressure cylinder communicating with the pressure transmission chamber, Pressure oscillation means for periodically changing the volume of the pressurizing cylinder with a constant amplitude in order to pressure-oscillate the working fluid filled in the pressure transmission chamber and the pressurization cylinder, and according to the increase in the volume of the pump chamber In the fluid ejection device that sucks the liquid from the liquid supply source into the pump chamber and discharges the liquid in the pump chamber from the pump chamber in accordance with the decrease in the volume of the pump chamber, the pressure oscillation means includes:
A servo motor,
A plunger that reciprocates within the pressure cylinder;
Crank means for connecting the output shaft of the servo motor and the plunger;
Control means for controlling the rotational drive of the servo motor based on the discharge pressure or discharge flow rate of the liquid,
The control means reciprocates the plunger with a stroke length corresponding to a target discharge flow rate, and sets the rotation speed of the servo motor output shaft to a desired plunger speed, a rotation angle of the crank means, and an angular speed of the crank means. A fluid ejection device, characterized in that it is determined based on a reduction ratio with respect to an angular velocity of a servo motor output shaft .

2. The fluid ejection device according to claim 1 , wherein the control means determines the rotational speed of the servo motor output shaft only when the crank means is rotated within a predetermined angle range.

2. The fluid ejection device according to claim 1, wherein the control means controls the servo motor based on a rotation angle of the crank means.