JP5100074B2 - 直線作動を用いる空気圧式吐出システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には流体吐出システムに関し、より詳細には線形アクチュエータを有する空気圧式吐出システムに関する。

幅広い粘度の接着剤、シーラント、潤滑剤、並びに他の流体及び液体を吐出する多種多様な空気圧式流体ディスペンサがあることが、よく知られている。空気圧式流体ディスペンサは、手動ディスペンサの場合に、軽量で操作し易く、且つ製造及び操作の費用が比較的安いため、従来好まれてきた。さらに、空気圧技術が向上し続けているため、空気圧式流体ディスペンサは普及し続けている。しかしながら、手動及び生産ラインの両方でより高速且つ正確に流体吐出を行うための用途が急増し続けており、流体吐出用途に対する要件及び仕様がますます厳しくなっている。多くの用途は、非常に正確な量で非常に正確な位置に流体が吐出されることを必要とする。さらに、多くの流体は吐出プロセス中に粘度が変化する。このような厳しい塗布要件が、空気圧式流体ディスペンサの能力を推進している。

空気圧式流体ディスペンサは一般に、加圧流体、例えば工業地域で一般に見られる圧縮空気すなわち工場空気を利用する。手動で開始又は自動で生成される指令信号に応じて、流体を保持しているバレル槽すなわちシリンジ内のピストンに圧縮空気が加えられてピストンを押す。圧縮空気は、制御可能且つ可変の持続時間にわたって所定の圧力で加えられる。したがって、吐出される流体の量は、圧縮空気がピストンに加えられる時間に比例する。多くの用途では、吐出される流体は比較的一定の粘度を有し、吐出動作ごとに吐出される量は一定である。これらの用途では、空気圧式ディスペンサは、所望量の流体を正確且つ確実に吐出するように動作させることができる。

しかしながら、他の用途では、流体の粘度が流体吐出サイクルごとに変わる場合がある。このような用途では、連続した吐出サイクルにわたって一定期間の間圧縮空気を加えることにより、粘度の変化に伴って、吐出される流体の量が変わってしまう。さらに、空気の圧縮性により、バレル槽が満杯から空になるにつれて、空気圧式流体吐出システムが予測可能な流体量を一貫して正確に吐出することが困難になる。さらに、流体吐出システム及び用途が新しくなるほど、空気圧式流体吐出システムがそれらの吐出量精度及び再現性の仕様を満たすことがますます困難になる。

電気機械駆動システムを用いて吐出システムのバレル槽内のピストンを移動させることも知られている。このような電気機械システムは、バレル槽内のピストンに容積式変位を与えることで、空気圧式流体吐出システムよりも優れた量精度及び再現性を有することの多い流体ディスペンサを提供する。多くの手持ち式ディスペンサでは、可撓性ケーブルがベンチトップ上にある電気モータから手持ち式ディスペンサのねじ又は他の機械的駆動装置に機械力を伝える。既知の電気機械ピストン駆動システムでは、電気モータは、広範囲の流体粘度にわたってピストンを正確に移動させるのに必要な力を加えるほど十分に大きくなければならない。したがって、このような電気機械駆動システムは、多くの場合、既知の空気圧式流体ディスペンサよりも大型、複雑、且つ高価である。

したがって、上述の欠点を有さない改良された空気圧式流体吐出システム及び方法が必要である。

本発明は、電気機械駆動システムを用いる吐出システムに匹敵する量精度及び再現性を有する空気圧式流体吐出システムを提供する。さらに、本発明の空気圧式流体吐出システムは、より単純、軽量、且つ安価であり、より高速の全流体吐出サイクルを提供する。本発明の空気圧式流体吐出システムは、制御可能な容積式変位でバレル槽内のピストンを移動させることができるため、吐出中に粘度が変化する流体、例えば二液型エポキシを用いる場合に特に有用である。

より詳細には、第１の実施の形態において、本発明は、加圧空気源に接続可能であり、一定量の流体を吐出するように動作可能な空気圧式流体ディスペンサを提供する。空気圧式流体ディスペンサは、加圧空気源に接続可能なディスペンサ本体、及びディスペンサ本体によって支持されるアクチュエータを有する。ディスペンサ本体内の止め部材は、アクチュエータによって移動可能であり、ディスペンサ本体内に取り付けられる駆動ピストンは、加圧空気によって止め部材と接触するように移動可能である。止め部材は、空気圧式流体ディスペンサによって吐出可能な流体の量を制御するように駆動ピストンの変位を制限する。

本発明のこれら及び他の目的及び利点は、本明細書中の添付図面とともに以下の詳細な説明を読むうちに、より容易に明らかとなるであろう。

図１を参照すると、空気圧式流体ディスペンサ２０は、流体充填バレルすなわちシリンジ槽２８のフランジ２６が既知の方法で取り外し可能に接続される遠位端すなわち下端コネクタ２４を有する、本体２２を有する。バレル槽２８は、吐出チップ３２が取り外し可能に接続されるルアーロック取付具３０を有する。バレル槽２８内の流体３４は、バレルピストン３６の直線変位によって、吐出チップ３２を通って吐出される。バレルピストン３６は、取付具４０によって本体２２の上端に取り外し可能に結合されるホース３８を介して供給される加圧流体、例えば圧縮空気を加えることによって移動させられる。

ディスペンサ本体２２は長手方向中心線４６に関して種々の位置に止め部材４４を正確に位置決めするように動作する線形アクチュエータ４２をさらに支持する。図１の例示的な実施形態では、線形アクチュエータ４２は、軸受５２によって支持される出力軸５０を回転させるモータ４８、例えばサーボ又はステッピングモータによって実装される。モータ４８は、モータが停止状態にあるときに出力軸を自動的に制動することによって出力軸５０の偶発的な回転を防止するブレーキ機構も有する。出力軸５０内にはアクチュエータ軸５４が螺入される。したがって、出力軸５０はねじナットとして機能し、アクチュエータ軸５４は出力軸５０の回転によって直線変位させられる。アクチュエータ軸の変位方向は、モータ４８の回転方向によって決まる。

駆動ピストン５６が、ディスペンサ本体２２内のシリンダ５８の内壁と密閉係合され、この密閉係合は、ホース３８からの加圧空気が駆動ピストン５６を通り過ぎることを阻止するシール６０、例えばＯリングによって行われる。加圧空気は、アクチュエータ軸５４の外面と、端キャップ６４及び出力軸５０の内面との間に延びる環状空間６２を通過する。端キャップ６４は、ねじ、接着、溶接、又は他の手段によってディスペンサ本体２２の近位端又は上端に取り付けられる。アクチュエータ軸５４は、駆動ピストン５６内に軸方向に延び、止め部材４４は、ねじ、接着、溶接、又は他の既知の手段によって駆動ピストン５６の下でアクチュエータ軸５４の下端に接続される。

駆動ピストン５６の下端には、プランジャ６６がねじ、接着、溶接、又は他の手段によって接続される。プランジャ６６は、バレルピストン３６の上面６７に隣接して配置され、上面６７と接触可能である。しかしながら、プランジャ６６は、永久的にも一時的にも、バレルピストン３６と締結されることも、接着されることも、又は他の方法で堅固に接続されることもなく、ロック可能でもない。図１の例では、プランジャ６６は、バレルピストンの上側に形成されるカップ状の空洞６９内に配置される。プランジャ６６の外側面７１とバレルピストンの空洞６９の内側面７３とは或る程度接触し得るが、このような接触は最小である。したがって、プランジャ６６は、吐出チップ３２に向かう第１の方向に移動する場合、バレルピストン３６を吐出チップに向かって正確に進めることができる。しかしながら、プランジャ６６が吐出チップ３２から離れて逆方向に移動する場合、バレルピストン３６の動き範囲は予測不可能である。さらに、プランジャ６６とバレルピストン３６とのいかなる接触も、ディスペンサコネクタ２４からのバレル槽２８の係脱、したがってプランジャ６６からのバレルピストン３６の分離に干渉し得ない。

駆動ピストン５６は、肩面６８を有し、肩面６８は、止め部材４４の止め表面７０に隣接して配置可能であり止め表面７０と接触可能である。止め表面７０は、駆動ピストン５６の変位を制限し、ゆえに、バレルピストン３６の変位を制限し、その結果生じる流体３４の吐出も制限する。

図１及び図２を参照すると、空気ソレノイド７２が、圧縮空気源７６に流体接続される第１の入力部７４と、制御部８０に電気接続される第２の入力部７８とを有する。制御部８０からの指令信号に応答して、空気ソレノイド７２は、空気ホース３８によって流体ディスペンサ２０に流体接続される出力部と、駆動ピストン５６の上の空気室９０とに、圧縮空気を出入りさせる。制御部８０は、ユーザ入出力インタフェース８４を有し、ユーザ入出力インタフェース８４は、流体吐出サイクルの動作を制御するためにユーザが制御部８０にプログラム、データ、及び指令を与えることができるように動作可能である。

動作時には、制御部８０は、空気圧式流体ディスペンサ２０が取り付けられる位置決め装置８６、例えばロボット等の多軸位置決めシステムに、出力指令信号を与える。次の位置に動かされると、制御部８０は、一連の流体吐出動作を実行するように空気ソレノイド７２及び線形アクチュエータ４２を動作させる。通常の吐出サイクルを図３に示す。吐出サイクルは、ユーザ入出力インタフェース８４から入力された指令に応答して、又は制御部８０内で生成される信号若しくは流体ディスペンサ２０を使用中の環境にある別の装置から生成される信号に応答して、制御部８０によって開始され得る。

吐出サイクルを開始すると、３０２において、制御部８０は、出力指令信号を位置決め装置８６に与え、流体を吐出すべき基材に関して所望の位置に流体ディスペンサ２０を移動させるよう位置決め装置８６に命令する。ステップ３０４において、制御部８０は、指令信号を線形アクチュエータ４２に与えるようにも動作し、線形アクチュエータ４２により止め部材４４を軸方向変位で吐出チップ３２により近い新たな位置へ移動させる。止め部材４４を進める距離は、吐出チップ３２から吐出すべき流体３４の量に直接応じて決まる。チップ３２から吐出される流体の量は、プランジャ６６及び駆動ピストン５６の動きによって制御されるバレルピストン３６の増分変位に直接関連する。したがって、空気圧駆動される駆動ピストン５６の変位を正確に制御することによって、流体ディスペンサ２０は、チップ３２から吐出される流体の量を正確に制御することができる。吐出すべき流体の所望の量は、制御部８０のメモリ８８に記憶可能な数式又は数学的アルゴリズムによって、バレルピストン３６、したがって駆動ピストン５６の変位に関連付けることができる。代替的に、吐出すべき流体の量に対する駆動ピストン５６の直線変位の関係を示す表をメモリ８８に記憶させてもよい。いずれにしても、制御部８０は、止め部材４４が駆動ピストン５６、プランジャ６６、したがってバレルピストン３６の変位を制限するように軸方向に位置決めされることにより、所望の正確な量の流体のみが吐出されるように、線形アクチュエータ４２を動作させることができる。

次に３０６において、制御部は、止め部材４４が新たな所望の位置に移動したかどうかを判断し、３０８において、空気圧式流体ディスペンサ２０も所望の位置に移動したかどうかをさらに判断する。次に３１０において、制御部８０は、空気ソレノイド７２に開くよう命令するように動作することにより、圧縮空気をホース３８、環状空間６２を通して室９０内に導いて駆動ピストン５６の上面９２に当てる。圧縮空気の圧力は、利用可能な最大圧力であり得ることにより、利用可能な最大の力を駆動ピストン５６に加える。圧縮空気は、プランジャ６６を移動させてバレルピストン３６と接触させ、バレルピストン３６に対して吐出力を加えるように動作する。バレルピストン３６は、バレル槽２８内を下方に移動することにより、所望量の流体３４を吐出チップ３２から吐出する。圧縮空気は、ピストンの肩面６８が止め表面７０に接触するまで駆動ピストン５６を移動させる。したがって、圧縮空気の圧力及び圧縮空気が駆動ピストン５６に加えられる持続時間とは関係なく、正確な量の流体３４がチップ３２から吐出される。

３１０において空気ソレノイド７２の動作を開始すると、制御部８０はそれと同時に、流体３４の最大予測粘度で駆動ピストン５６を移動させて止め部材４４と接触させるのに要する時間よりも長い持続時間に設定される内部吐出タイマを開始させる。したがって、流体３４の粘度に関係なく、駆動ピストン５６は吐出タイマが終了する前に止め部材４４に突き当たる。３１２において、制御部８０は吐出タイマの終了を検出し、その後、３１４において、空気ソレノイド７２に閉じるよう命令する信号を与えることにより、圧縮空気源７６をホース３８と駆動ピストン５６の上の室９０とから切断する。ソレノイド７２は、三方すなわち排気用ソレノイド弁であるため、閉じた状態では、空気ホース３８及び空気室を大気圧にガス抜き又は通気する。

さらに、３１４において、制御部８０は、指令信号を線形アクチュエータ４２に与えて、止め部材４４を後退させる、すなわち止め部材４４を吐出チップ３２から離れる方向に上方に移動させる。この増分変位の大きさは非常に小さいが、駆動ピストン５６をわずかに後退させる、すなわち吐出チップ３２から離れて上方に移動させるのに十分である。駆動ピストン５６及びプランジャ６６がこのようにわずかに後退すると、吐出力がバレルピストン３６から除去されることで、バレルピストン３６に加わる力を、必要であればバレルピストン３６をわずかに移動させることによって均等化することができる。バレル槽２８内の流体３４の液圧が急速に低下及び均等化されると、吐出チップ３２からの流体３４の吐出が直ちに終了し、流体３４がさらに偶発的に吐出される可能性がなくなる。

次に３１６において、制御部８０は、直前の吐出動作が吐出サイクルにおける最後の動作であったかどうかを判断する。最後の動作でない場合、制御部８０は、プロセスステップ３０２〜３１４を繰り返し、空気圧式流体ディスペンサ２０を他の吐出位置に移動させて各位置で流体吐出動作を開始する。制御部８０が最後の吐出動作を検出すると、吐出サイクルが終了する。

空気圧式流体ディスペンサ２０はいくつかの利点を有する。第１に、空気圧式流体ディスペンサ２０は、空気圧動作式であるが、電気機械駆動システムを用いる流体吐出システムに匹敵する量精度及び再現性を有する連続吐出動作を提供することができる。第２に、比較的小型のアクチュエータ軸５４及び止め部材４４のみを移動させる電気機械システムを用いることにより、単純、軽量、且つ安価な線形アクチュエータ４２を用いることができる。第３に、止め部材４４を所望の位置に移動させるのと同時に、流体ディスペンサ２０を次の吐出位置に移動させることができるため、可動止め部材４４を用いても流体吐出動作に要する時間は増えない。第４に、圧縮空気源７６から利用可能な最大圧力を駆動ピストン５６に加えることができるため、流体吐出動作ごと及び全流体吐出サイクルに要する時間が最短になる。第５に、バレルピストン３６の動きが、圧縮空気圧力又は圧縮空気が流体ディスペンサに加えられる持続時間ではなく、止め部材４４の位置によって決まる。したがって、粘度に関係なく所望量の流体が吐出され、空気圧式流体ディスペンサ２０は、吐出中に粘度が変化する流体、例えば二液型エポキシを用いる場合に特に有用である。

本発明を種々の実施形態の説明によって示し、またこれらの実施形態をかなり詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲をこうした詳細に制限又はいかなる方法で限定することも意図されない。さらなる利点及び変更が、当業者には容易に明らかとなるであろう。例えば、図２の例示的な実施形態では、空気圧式流体ディスペンサ２０が位置決め装置８６に取り付けられるが、他の実施形態では、空気圧駆動式ピストンの動きを制限する電気機械駆動装置によって移動可能な止め部材の構造を、手持ち式及び他の空気圧式流体ディスペンサにおいて実装することもできる。

したがって、本発明はその最も広い態様で、図示及び説明された特定の詳細に限定されない。結果として、添付の特許請求項の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の詳細を発展させることができる。

本発明の原理による空気圧式流体ディスペンサの断面図である。 図１の空気圧式流体ディスペンサの概略ブロック図である。 本発明の原理による流体吐出プロセスのフローチャートである。

符号の説明

２０ 空気圧式流体ディスペンサ
２２ 本体
２４ 下端コネクタ
２８ バレル槽
３４ 流体
３６ バレルピストン
４２ 線形アクチュエータ
４４ 止め部材
４８ モータ
５０ 出力軸
５４ アクチュエータ軸
５６ 駆動ピストン
７０ 止め表面
７６ 圧縮空気源

Claims (12)

1. 加圧空気源に接続可能であり、流体を吐出するように動作可能な空気圧式流体ディスペンサ（２０）であって、
   該加圧空気源に接続されるようになっているディスペンサ本体（２２）と、
   該ディスペンサ本体（２２）によって支持されたアクチュエータ（４２）と、
   該アクチュエータ（４２）によって移動可能な止め部材（４４）と、
   該ディスペンサ本体（２２）内に取り付けられ該加圧空気源と流体連通するように配置されるようになっている駆動ピストン（５６）とを備え、
   該駆動ピストンは、加圧空気によって該止め部材（４４）と接触するように移動可能であり、該止め部材（４４）は、該駆動ピストンの変位量を制限して該空気圧式流体ディスペンサ（２０）によって吐出される流体の量を制御し、
   該止め部材（４４）は、該駆動ピストン（５６）内に配置されており、
   該アクチュエータは、電気機械駆動装置からなり、該電気機械駆動装置は、該止め部材（４４）に接続され、該止め部材（４４）を直線方向に移動させるように動作可能であり、
   該電気機械駆動装置は、
   電気モータ（４８）と、
   該電気モータによって回転可能な出力軸（５０）と、
   該出力軸に接続され、該出力軸の回転に応じて直線移動可能であるアクチュエータ軸（５４）とを備え、
   該アクチュエータ軸は、該駆動ピストン内に延在していることを特徴とする空気圧式流体ディスペンサ。
2. 該電気モータは、
   （ａ）サーボモータ、または
   （ｂ）ステッピングモータ
   のいずれかである請求項１に記載の空気圧式流体ディスペンサ。
3. 該アクチュエータ軸は、該駆動ピストンの片側に隣接した位置で該電気モータに接続され、該止め部材（４４）は、該アクチュエータ軸に接続され、該駆動ピストンの反対側に隣接して配置されている請求項１に記載の空気圧式流体ディスペンサ。
4. 該駆動ピストン（５６）は、
   該加圧空気源と流体連通する第１の面と、
   該止め部材（４４）と接触するように移動可能な第２の面とを備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の空気圧式流体ディスペンサ。
5. 該空気圧式流体ディスペンサ（２０）は、バレルピストンの下に流体を収容するバレル槽に接続可能であり、該駆動ピストン（５６）は、該バレルピストンを押し進めるようになっている請求項１乃至４のいずれか一項に記載の空気圧式流体ディスペンサ。
6. バレルピストンの下に流体を収容するバレル槽から流体を吐出するために空気圧式流体ディスペンサ（２０）を動作させる方法であって、
   駆動ピストン（５６）内に配置された止め部材（４４）を、制御可能なアクチュエータ（４２）により、該バレル槽から所望量の流体を吐出する該バレルピストンの変位量に応じた変位量分だけ、第１の方向へ移動させることと、
   該空気圧式流体ディスペンサの本体内に摺動可能に取り付けられ、且つ、該バレル槽から流体を吐出する該バレルピストンと機械的に連結した駆動ピストン（５６）へ加圧流体を与えることと、
   該止め部材（４４）で該駆動ピストン（５６）の移動を機械的に止めて該バレルピストンの移動を止めることにより該バレル槽からの流体の吐出を止めることと
   を含み、
   該アクチュエータは、電気機械駆動装置からなり、該電気機械駆動装置は、該止め部材（４４）に接続され、該止め部材（４４）を直線方向に移動させるように動作可能であり、
   該電気機械駆動装置は、
   電気モータ（４８）と、
   該電気モータによって回転可能な出力軸（５０）と、
   該出力軸に接続され、該出力軸の回転に応じて直線移動可能であるアクチュエータ軸（５４）とを備え、
   該アクチュエータ軸は、該駆動ピストン内に延在していることを特徴とする方法。
7. 該駆動ピストン（５６）に該加圧流体を与えることを終了することをさらに含む請求項６に記載の方法。
8. 該制御可能なアクチュエータ（４２）で該止め部材（４４）を逆方向に移動させることをさらに含む請求項６又は７に記載の方法。
9. 該駆動ピストン（５６）の移動を止めた後に、
   該駆動ピストン（５６）に該加圧流体を与えることを終了することと、
   該制御可能なアクチュエータ（４２）で該止め部材（４４）を逆方向に移動させることと
   をさらに含む請求項６に記載の方法。
10. 該止め部材を移動させることは、該駆動ピストン（５６）の片側において直線的な変位量分だけ該止め部材（４４）を移動させるために該電気モータを動作させることをさらに含む請求項６に記載の方法。
11. 該加圧流体は、該駆動ピストン（５６）の反対側に与えられる請求項１０に記載の方法。
12. 吐出サイクルにおいて流体を複数回吐出するために空気圧式流体ディスペンサ（２０）を動作させる方法であって、
    流体が吐出されるべき第１の位置に該空気圧式流体ディスペンサ（２０）を位置決めすることと、
    請求項６乃至１１のいずれか一項に記載の方法により該空気圧式流体ディスペンサを動作させることと、
    該吐出サイクルにおいて流体が吐出されるべき他の複数の位置で、該位置決めすることと、該移動させることと、該与えることと、該止めることとを繰り返すことと
    を含む方法。

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