JP6561295B2 - ダイアフラムポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ダイアフラムの往復運動により流体を搬送するダイアフラムポンプに関するものである。

従来、この種の発明には、例えば特許文献１に記載されるもののように、駆動源に連結され回転駆動するクランク軸（９１）と、このクランク軸により回動するクランクアーム（９２）と、このクランクアームの回動により往復運動するリニアロッド（７０）と、このリニアロッドの先端側に接続されたダイアフラム（可動弁２０）とを備え、前記ダイアフラムの往復動によりポンプ室（第１室１１）の容積を変動させて流体を搬送するようにしたポンプがある。

ところで、前記従来のポンプでは、駆動源の回転運動を、偏芯状のクランクアーム等により直交方向の往復運動に変換するようにしているため、振動及び摺動抵抗が大きく、動力伝達効率のロスを生じ易い。

特開平８−１７７７４２号公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、振動及び摺動抵抗が比較的小さく、動力伝達効率が良好なダイアフラムポンプを提供することにある。

上記課題を解決するための一手段は、回転運動しながら軸方向へ往復動するように支持された従動回転体と、この従動回転体に対し軸方向の一方側から凹凸状に嵌り合って回転力を伝達する駆動回転体と、ダイアフラムの往復動によりポンプ室の容積を変動させて流体を搬送するポンプ部とを備えたダイアフラムポンプを、次のように構成したことを特徴としている。すなわち、従動回転体を駆動回転体に対し偏心した位置で平行するように配置し、凹凸状に嵌り合う部分において従動回転体と駆動回転体とのうちの一方の回転体に径方向へ延びる突起を設ける。そして、他方の回転体には突起に嵌り合うとともに軸方向に対し傾斜して延びる傾斜長孔を設け、駆動回転体を回転させることにより突起が傾斜長孔に沿って往復動し、この往復動に伴って従動回転体が回転運動しながら軸方向へ往復動するようにし、従動回転体の回転運動と往復動とのうち、往復動のみをダイアフラムに伝達して、ダイアフラムを往復動させるようにした。

本発明は、以上説明したように構成されているので、振動及び摺動抵抗が比較的小さく、動力伝達効率が良好なダイアフラムポンプを提供することができる。

本発明に係るダイアフラムポンプの一例を示す斜視図である。 同ダイアフラムポンプの分解斜視図である。 同ダイアフラムポンプを中心軸に沿う平面で切断した要部断面図である。 同ダイアフラムポンプの動作を（ａ）〜（ｃ）に順次に示す内部構造図である。 同ダイアフラムポンプの動作を（ｄ）〜（ｇ）に順次に示す内部構造図である。 従動回転体の一例を中心線に沿う平面で切断した断面図である。

本実施の形態の第一の特徴は、回転運動しながら軸方向へ往復動するように支持された従動回転体と、この従動回転体に対し軸方向の一方側から凹凸状に嵌り合って回転力を伝達する駆動回転体と、ダイアフラムの往復動によりポンプ室の容積を変動させて流体を搬送するポンプ部とを備えたダイアフラムポンプを、次のように構成したことにある。すなわち、前記従動回転体を前記駆動回転体に対し偏心した位置で平行するように配置し、前記凹凸状に嵌り合う部分において前記従動回転体と前記駆動回転体とのうちの一方の回転体に径方向へ延びる突起を設ける。そして、他方の回転体には前記突起に嵌り合うとともに軸方向に対し傾斜して延びる傾斜長孔を設け、前記駆動回転体を回転させることにより前記突起が前記傾斜長孔に沿って往復動し、この往復動に伴って前記従動回転体が回転運動しながら軸方向へ往復動するようにし、前記従動回転体の前記回転運動と前記往復動とのうち、前記往復動のみを前記ダイアフラムに伝達して、前記ダイアフラムを往復動させるようにした。
ここで、前記「従動回転体に対し軸方向の一方側から凹凸状に嵌り合って」という構成には、従動回転体の周囲に駆動回転体が環状に嵌り合った態様や、一端側を開口した中空状の従動回転体に対し、その他端側から駆動回転体を挿入した態様等を含む。
また、前記傾斜長孔は、貫通孔とすることが好ましいが、有底の孔とすることも可能である。
前記構成によれば、駆動回転体を回転させると、前記突起が傾斜長孔に沿って一方向へ移動し、駆動回転体が１８０度回転したところで、前記突起が前記一方向に対する逆方向へ移動する。したがって、駆動回転体の回転を継続すれば、従動回転体が回転運動しながら軸方向へ往復動し、この往復動によってダイアフラムも往復動し、ポンプ室の容積が変動して流体が搬送される。
よって、駆動回転体の軸方向にダイアフラムを往復動させることができ、振動及び摺動抵抗等が小さく、動力伝達効率も良好である。

第二の特徴としては、前記従動回転体の回転運動を伝達せずに往復動のみを前記ダイアフラムに伝達するために、前記従動回転体に対し回転自在であって且つ前記従動回転体と共に往復動する往復動伝達部材を設け、この往復動伝達部材を、前記ダイアフラムの中央寄りに接続した。

第三の特徴としては、より好ましい具体的構造として、前記往復動伝達部材を、前記従動回転体の中心側に回転自在に嵌め合せられた軸部と、この軸部からダイアフラム側へ突出して前記ダイアフラムに接続された接続部とから一体に構成した。

第四の特徴としては、前記突起は、この突起の軸心を中心にして回転するように設けられている。

次に、上記特徴を有する好ましい実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。

このダイアフラムポンプ１は、回転駆動源１０と、回転駆動源１０の出力軸１１に一体回転可能に接続された駆動回転体２０と、駆動回転体２０の回転力により回転運動しながら軸方向へ往復動する従動回転体３０と、従動回転体３０の往復動に伴うダイアフラム４２の変形によりポンプ室Ｓ１の容積を変動させて流体を搬送するポンプ部４０とを具備する（図１〜図３参照）。

回転駆動源１０は、例えば、ブラシレスＤＣモータや、ステッピングモータ等の電動モータであり、前方へ出力軸１１を突出している。この出力軸１１には、駆動回転体２０の後端側部分が、同軸状に接続固定される。
また、回転駆動源１０のケーシングの前端には、従動回転体３０の周囲を覆うようにケース１２が固定される。
なお、回転駆動源１０の他例としては、ブラシモータや、その他の電動モータ、エアーモータ、油圧モータ、手動回転機構等とすることも可能である。

駆動回転体２０は、出力軸１１に対し直交するとともに回転自在な駆動ピン２１と、この駆動ピン２１を支持するホルダ２２を具備してなる。

駆動ピン２１は、駆動回転体２０と従動回転体３０とが軸方向において凹凸状に嵌り合う部分に配置される。この駆動ピン２１は、ホルダ２２に対し、直交して挿通され、その両端側を、ホルダ２２の径方向に沿うようにして該ホルダ２２の外周面から突出する突起２１ａ，２１ａとしている。
この駆動ピン２１は、ホルダ２２に対し不動に固定されている。したがって、この駆動ピン２１は、駆動ピン２１に相対し、この駆動ピン２１の軸芯方向へ移動せず、且つ該駆動ピン２１の軸芯を中心にして回転することもない。

ホルダ２２は、出力軸１１の前端側に環状に固定される略筒状の部材である。このホルダ２２には、軸芯に直交するように貫通孔２２ａが設けられ、この貫通孔２２ａに、前記駆動ピン２１が挿入され固定される。

また、ケース１２は、駆動回転体２０の中心線に対し偏芯した円筒状の内周面を有する筒体であり、その内周面を従動回転体３０の外周面に摺接させるようにして、従動回転体３０を回転自在に支持している。

そして、上記構成の駆動回転体２０には、その前方側から、従動回転体３０が凹凸状に嵌め合せられている。

従動回転体３０は、例えば、合成樹脂材料や、金属、セラミック等の硬質材料からなり、回転駆動源１０に対し前方側から覆い被さる円筒状に形成される。
この従動回転体３０は、前述したケース１２に支持されることで、駆動回転体２０に対し所定の偏心量ｓ（図３参照）だけ偏心して平行しており、この偏心位置で自在に回転する。
この偏心量ｓは、従動回転体３０の往復動のストロークに応じて適宜に設定される。すなわち、従動回転体３０の往復動のストロークを大きくする場合には前記偏心量ｓが大きめに設定され、従動回転体３０の往復動のストロークを小さくする場合には前記偏心量ｓが小さめに設定される。

また、従動回転体３０の後端側の周壁には、駆動回転体２０の突起２１ａ，２１ａにそれぞれ嵌り合うように、径方向の両側に二つの傾斜長孔３１，３２が設けられる。
各傾斜長孔３１（３２）は、従動回転体３０の周方向に対し、所定の角度αだけ傾斜し、この傾斜方向へ延設される（図４及び図６参照）。そして、この傾斜長孔３１（３２）は、従動回転体３０の周壁を径方向へ貫通するとともに、従動回転体３０の後端まで延びて後方へ開口している。この開口は、当該ダイアフラムポンプ１の製造時において、駆動回転体２０の突起２１ａ，２１ａを傾斜長孔３１，３２に嵌め合せる作業を容易にする。
なお、傾斜長孔３１（３２）は、突起２１ａに嵌り合うようにすれば、従動回転体３０の周壁を貫通しない有底孔とすることも可能である。

二つの傾斜長孔３１，３２は、従動回転体３０の径方向の一方側と他方側とに配置され、従動回転体３０の径方向から視て重なり合うように、傾斜方向が互いに逆になっている（図４及び図５参照）。
すなわち、一方の傾斜長孔３１は、従動回転体３０の周方向の一方（例えば、反時計方向）へ傾くようにして斜め後方へ延びている（図４（ａ）参照）。他方の傾斜長孔３２は、同従動回転体３０の周方向の他方（例えば、時計方向）へ傾くようにして後方へ延びている（図５（ｅ）参照）。
従動回転体３０の周方向に対する各傾斜長孔３１（３２）の傾斜角度αは、０度よりも大きく、９０度よりも小さい範囲内に設定される。

また、各傾斜長孔３１（３２）の長さは、少なくとも従動回転体３０の往復動時の最大ストロークを確保できるように適宜に設定される。なお、傾斜長孔３１，３２内における突起２１ａ，２１ａの移動距離は、傾斜長孔３１，３２の長さに制限されものではないため、傾斜長孔３１，３２の長さを、従動回転体３０の往復動時の最大ストロークよりも長くしても構わない。

そして、従動回転体３０の前端側の内周面には、円筒面状の軸受嵌合部３０ａが設けられ、この軸受嵌合部３０ａには軸受３３が嵌合される。
そして、軸受３３には、ポンプ部４０へ往復動を伝達する往復動伝達部材５０が設けられる。
軸受３３は、本実施の形態の好ましい一例によれば、ボールベアリングを用いており、その外輪を従動回転体３０の内周面に嵌合するとともに、外輪に対し回転自在な内輪に、往復動伝達部材５０を嵌合している。
なお、軸受３３の他例としては、滑り軸受けや、ころ軸受等、他の構造の軸受としてもよい。

往復動伝達部材５０は、従動回転体３０とダイアフラム４２との間に位置し、前述した軸受３３を介することで、従動回転体３０に対し回転自在であって且つ従動回転体３０と共に往復動するように設けられ、ダイアフラム４２の中央寄りに接続されている。
詳細に説明すれば、往復動伝達部材５０は、従動回転体３０の中心側の軸受３３に回転自在に嵌め合せられた軸部５１と、この軸部５１からダイアフラム４２側へ突出してダイアフラム４２に接続された接続部５２とから一体に構成される。
軸部５１は、円柱状の部材であり、軸受３３の内輪の中心部に挿入され固定される。この軸部５１の前端側は、ダイアフラム４２に貫通されている。
接続部５２は、軸部５１よりも外径の大きい円板状に形成され、ダイアフラム４２よりも前側でポンプ室Ｓ１内に位置する。
この接続部５２の後ろ側には、ダイアフラム４２を間に挟むようにして環状のスペーサ５３が設けられる。このスペーサ５３は、軸受３３の内輪に当接するとともに、前端部によりダイアフラム４２の後端面を受けている。

また、ポンプ部４０は、ポンプ室Ｓ１等を有するポンプケース４１と、ポンプ室Ｓ１内で前後に弾性変形しながら往復運動するダイアフラム４２と、ポンプケース４１の前端に接続された入出口部材４３と、ポンプケース４１と入出口部材４３の間に設けられた吸入弁４４及び吐出弁４５とを具備する。

ポンプケース４１は、前端を閉鎖するとともに後端を開口した円筒状に形成され、その内部空間をポンプ室Ｓ１としている。このポンプ室Ｓ１は、ダイアフラム４２の往復動により容積を変動させる
このポンプケース４１の前端壁には、吸込孔４１ａ及び吐出孔４１ｂが設けられる。

ダイアフラム４２は、ゴムや弾性合成樹脂等の弾性体によって円板状に形成され、ポンプケース４１の後端開口部を塞ぐようにして、ポンプケース４１の後端縁とケース１２の前端縁の間に挟持されている。

入出口部材４３は、弁室Ｓ２を内在するようにして、ポンプケース４１の前端部に接続されている。弁室Ｓ２は、後述する吸入弁４４及び吐出弁４５を作動自在に収納する空間である。
そして、この入出口部材４３の前端側には、弁室Ｓ２に連通するように、吸入口４３ａ及び吐出口４３ｂが設けられる。

また、吸入弁４４及び吐出弁４５は、弾性的に撓み可能な平板板状の部材であり、ポンプ室Ｓ１内に設けられる。
吸入弁４４は、弁室Ｓ２内で吸入口４３ａを閉鎖しており、ポンプ室Ｓ１側へ撓むことが可能である。
吐出弁４５は、弁室Ｓ２内で吐出孔４１ｂを閉鎖しており、吐出口４３ｂ側へ撓むことが可能である。
なお、吸入弁４４及び吐出弁４５は、図示例によれば一体の部材としているが、それぞれが別体の部材とすることも可能である。

次に、上記構成のダイアフラムポンプ１について、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。
図４及び図５の（ａ）〜（ｆ）は、上記構成のダイアフラムポンプ１からポンプ部４０を省いた内部構造であり、駆動回転体２０を回転させた状態を順次に示している。
なお、以下の説明では、便宜上、突起２１ａ，２１ａが傾斜長孔３１，３２に沿って移動するものとして説明するが、突起２１ａ，２１ａの動きと傾斜長孔３１，３２の動きは相対的な関係にあり、図示例では、前後方向へ移動しない突起２１ａ，２１ａに沿って、傾斜長孔３１，３２が移動する。

先ず、従動回転体３０が往復動範囲の最前端部にある状態を初期位置とすると、この初期位置では、図４（ａ）に示すように、突起２１ａ，２１ａが略水平な状態で傾斜長孔３１，３２内の後端寄り（図中の右寄り）に位置している。

前記初期状態から駆動回転体２０が、一方向へ回転すると、駆動回転体２０の中心軸と従動回転体３０の中心軸とが偏心しているため、突起２１ａ，２１ａが、回転する傾斜長孔３１，３２に沿って、相対的に斜め前方へ移動する。
すなわち、駆動回転体２０を回転させると、突起２１ａ，２１ａが、駆動回転体２０と従動回転体３０との偏心量ｓを維持しようとする方向へ、傾斜長孔３１，３２内を滑る。
したがって、突起２１ａ，２１ａに相対し、従動回転体３０は、回転しながら軸方向の後方へ移動することになる。

そして、図４（ｂ）に示すように、従動回転体３０が初期状態から４５度程度回転した状態では、突起２１ａ，２１ａが、傾斜長孔３１，３２内において、前記初期位置よりも前方寄り（図４中の左寄り）に位置する。

駆動回転体２０が一方向へ更に回転すると、突起２１ａ，２１ａも回転する傾斜長孔３１，３２に沿って斜め前方（図４中の左斜め上方向）へ更に移動する。そして、図４（ｃ）に示すように初期位置から９０度程度回転した状態では、突起２１ａ，２１ａが、傾斜長孔３１，３２の長手方向の略中央に位置する。

引き続き、駆動回転体２０が一方向へ回転すると、突起２１ａ，２１ａも傾斜長孔３１，３２に沿って斜め前方へ更に移動する。そして、図５（ｄ）に示すように初期位置から１３５度程度回転した状態では、突起２１ａ，２１ａが、傾斜長孔３１，３２における長手方向の最前端部寄りの途中部分に位置する。

引き続き、駆動回転体２０が一方向へ回転すると、突起２１ａ，２１ａも回転する傾斜長孔３１，３２に沿って斜め前方へ更に移動する。そして、図５（ｅ）に示すように初期位置から１８０度程度回転した状態では、突起２１ａ，２１ａが、傾斜長孔３１，３２の長手方向の略最前端部に位置し、従動回転体３０は、往復動の範囲の最後端に位置する。

また、駆動回転体２０の初期位置からの回転量が１８０を超えると、突起２１ａ，２１ａが、回転する傾斜長孔３１，３２に沿って逆方向（斜め後方）へ移動し始める（図５（ｆ）参照）。

引き続き、駆動回転体２０の回転量が進むと、突起２１ａ，２１ａが、回転する傾斜長孔３１，３２に沿って斜め後方へ更に移動する（図５（ｇ）参照）。

そして、駆動回転体２０の回転量が３６０度になると、上記初期位置（図５（ａ））に戻る。
よって、回転駆動源１０による駆動回転体２０の回転が継続すると、従動回転体３０は、回転運動するとともに、回転量が１８０度を超える毎に進退方向を変換させる往復運動を繰り返す。

一方、従動回転体３０と往復動伝達部材５０の間には軸受３３を介在しているため、従動回転体３０の回転運動は往復動伝達部材５０へ伝達されず、従動回転体３０の往復運動のみが往復動伝達部材５０へ伝達される。
そして、往復動伝達部材５０の往復運動に伴って、ダイアフラム４２がその中央部側を弾性的に撓ませるようにして、前後に往復運動する。このため、ポンプ室Ｓ１内の容積が変動する。

前記変動により、ポンプ室Ｓ１内の容積が大きくなった際には、吸入弁４４が開放して、外部の流体が吸入口４３ａを介してポンプ室Ｓ１へ吸い込まれる。
また、前記変動により、ポンプ室Ｓ１内の容積が小さくなった際には、吸入弁４４が閉鎖するとともに吐出弁４５が開放して、ポンプ室Ｓ１内の流体が、吐出口４３ｂを介して外部へ吐出される。

よって、上記構成のダイアフラムポンプ１によれば、駆動回転体２０の軸方向にダイアフラム４２を往復動させることができ、振動及び摺動抵抗等が小さく、動力伝達効率も良好である。

なお、上記実施例によれば、突起２１ａ，２１ａ（駆動ピン２１）をホルダ２２に対し不動に固定したが、他の好ましい態様としては、突起２１ａ，２１ａを、この突起２１aの軸芯を中心にして回転するように設けてもよい。
より具体的に説明すれば、この態様では、駆動ピン２１を、この駆動ピン２１の軸芯を中心にして回転自在であって且つ該駆動ピン２１の軸芯方向へは移動しないように、ホルダ２２に嵌め合せる。
駆動ピン２１を回転自在にする手段は、例えば、駆動ピン２１とホルダ２２との間にボールベアリング等の軸受部材を介在し、この軸受部材によって駆動ピン２１を回転自在にした態様や、ホルダ２２の貫通孔２２ａ内面に摺接して駆動ピン２１が回転する態様等とすればよい。
駆動ピン２１を軸芯方向へ移動不能にする手段は、例えば、駆動ピン２１の外周面に環状凸部を設け、この環状凸部を、ホルダ２２に係合させて、駆動ピン２１が軸芯方向へ移動しないようにすればよい。
よって、前記態様によれば、突起２１ａ，２１ａ（駆動ピン２１）が回転するため、従動回転体３０の傾斜長孔３１，３２との摩擦抵抗を軽減することができ、その結果として、傾斜長孔３１，３２内における突起２１ａ，２１ａの移動をスムーズにすることができる。

また、上記実施例によれば、駆動回転体２０の前端側を凸部とするとともに、従動回転体３０の後端側を凹部として、これらを凹凸状に嵌め合わせるようにしたが、他例としては、その凹凸関係を逆にすることも可能である。

また、上記実施例によれば、駆動回転体２０に突起２１ａ，２１ａを設け、従動回転体３０の周壁に傾斜長孔３１，３２を設けたが、他例としては、従動回転体３０の内周面に径内方向へ突出する突起を設け、駆動回転体２０に前記突起を挿入して案内可能な傾斜長孔を設けた態様とすることも可能である。

また、上記実施例のダイアフラムポンプ１からポンプ部４０を省けば、往復動伝達部材５０を往復動させる往復動装置を構成することが可能である。
さらに、上記実施例のダイアフラムポンプ１からポンプ部４０、往復動伝達部材５０及び軸受３３等を省けば、従動回転体３０を回転させながら往復動させる回転往復動装置を構成することが可能である。
これら往復動装置及び回転往復動装置は、ロボットや医療機械等、あらゆる産業機器のアクチュエータとして有効に利用することができる。

１：ダイアフラムポンプ
１０：回転駆動源
２０：駆動回転体
２１：駆動ピン
２２：ホルダ
２１ａ：突起
３０：従動回転体
３１，３２：傾斜長孔
４０：ポンプ部
４１：ポンプケース
４２：ダイアフラム
５０：往復動伝達部材
５１：軸部
５２：接続部

Claims (4)

1. 回転運動しながら軸方向へ往復動するように支持された従動回転体と、前記従動回転体に対し軸方向の一方側から凹凸状に嵌り合って回転力を伝達する駆動回転体と、ダイアフラムの往復動によりポンプ室の容積を変動させて流体を搬送するポンプ部とを備えたダイアフラムポンプであって、
   前記従動回転体を前記駆動回転体に対し偏心した位置で平行するように配置し、前記凹凸状に嵌り合う部分において前記従動回転体と前記駆動回転体とのうちの一方の回転体に径方向へ延びる突起を設け、他方の回転体には前記突起に嵌り合うとともに軸方向に対し傾斜して延びる傾斜長孔を設け、前記駆動回転体を回転させることにより前記突起が前記傾斜長孔に沿って往復動し、該往復動に伴って前記従動回転体が回転運動しながら軸方向へ往復動するようにし、
   前記従動回転体の前記回転運動と前記往復動とのうち、前記往復動のみを前記ダイアフラムに伝達して、前記ダイアフラムを往復動させるようにしたことを特徴とするダイアフラムポンプ。
2. 前記従動回転体に対し回転自在であって且つ前記従動回転体と共に往復動する往復動伝達部材が、前記ダイアフラムの中央寄りに接続されていることを特徴とする請求項１記載のダイアフラムポンプ。
3. 前記往復動伝達部材は、前記従動回転体の中心側に回転自在に嵌め合せられた軸部と、前記軸部からダイアフラム側へ突出して前記ダイアフラムに接続された接続部とから一体に構成されていることを特徴とする請求項２記載のダイアフラムポンプ。
4. 前記突起は、該突起の軸心を中心にして回転するように設けられていることを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載のダイアフラムポンプ。

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