JP2005171946A - ベローズポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 ベローズの内圧に影響され難い高精度の吸引吐出能力を有するベローズポンプを提供する。
【解決手段】 液体通過用の出入口を有するベローズ２と、ベローズ２を伸縮させる駆動部１５を有しベローズ２の少なくとも蛇腹部分２３の外側との間に気密性の高い間隙３を形成する耐圧シリンダ１と、ベローズ２の内圧と均衡するように間隙３内の圧力を調節する調圧部４とを装備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体吐出用のベローズポンプに係り、より詳細には液体の吐出量を高い精度で制御することのできるベローズポンプに関する。

近年、塗料や薬液などの液体吐出用に、ギヤポンプ等の種々のポンプが用いられている。ギヤポンプは、互いに噛み合う歯車によって遮断された液体吐出路を有し、歯車の歯間に流入した液体を回転により搬送して吐出するポンプであり、これにより回転数に応じた吐出量を得ることができるようになっている。

しかしながら、ギヤポンプにおける吐出量と回転数との関係は、扱う液体の粘度や、設定する吐出量自体によっても影響されてしまう。特に、ギヤポンプでの搬送に適さないような低粘性の液体を扱うような場合や、低吐出量での用途のために歯車の回転数を低くするような場合には、吐出量が安定し難く、液体の吐出量を高い精度で制御することは困難であった。

このようなギヤポンプにおける問題に鑑み、扱う液体の粘度や、設定する吐出量にも影響され難く、液体の吐出量を高い精度で制御し得るポンプとして、種々のベローズポンプが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。例えば、特許文献１には、薬液を吸引及び吐出するベローズ、該ベローズを伸縮するエアシリンダ、及び該エアシリンダ内のピストンの位置を検出するセンサを備え、ベローズの伸縮速度を制御することのできるベローズポンプが記載されている。また、特許文献２には、レジスト液タンクよりレジスト液を吸い込んでレジストノズルに向けて押し出すベローズ、及び該ベローズ伸縮用のモータを備え、該モータの制御により、液体の押出し及び吸込み動作を制御することのできるベローズポンプが記載されている。
特開平３−１４９３７２号公報 特開２００２−１４３７５２号公報

しかしながら、従来のベローズポンプでは、高吐出圧の条件下においてベローズの蛇腹部分の各ひだが外側に膨らむなどの変形が起こり、該変形が進むことによって収縮変位当たりの吐出量が減少するため、液体の吐出量を高い精度で制御することができないという問題があった。

したがって、ベローズ内に充填した液体を押し縮めて液体を吐出する場合、吐出開始と共にベローズの内圧が上昇すると、上記変形が進むため収縮速度を一定としても時間当たりの吐出量が安定しなかった。上記変形が十分に進み、その影響が小さくなると吐出量は略安定するものの、吐出開始から吐出量が安定するまでのタイムラグが長いという問題があった。

上記変形を防ぐために、ベローズの肉厚を厚くすることも考えられるが、肉厚を厚くすると、蛇腹部分の伸縮率（最大伸び／最小縮み）が小さくなって伸縮性が損なわれ、ポンプとしての吸引吐出能力が低下してしまう。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ベローズの内圧に影響され難い高精度の吸引吐出能力を有するベローズポンプを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明に係るベローズポンプは、液体通過用の出入口を有するベローズと、該ベローズを伸縮させる駆動部を有し且つ前記ベローズの少なくとも蛇腹部分の外側との間に気密性の高い間隙を形成する耐圧シリンダと、前記ベローズの内圧と均衡するように前記間隙内の圧力を調節する調圧部と、を有することを特徴とする（発明１）。

また、前記調圧部が、調圧流体を供給する調圧流体供給部と、該調圧流体供給部から受けた前記調圧流体の圧力を調節して前記間隙に流入させる調圧流入部と、前記間隙内の圧力が設定範囲を超えると前記間隙から前記調圧流体を流出させる調圧流出部と、を有し、前記間隙内の圧力を前記設定範囲内の値に維持するように構成されていることが望ましい（発明２）。

また、前記調圧部が、前記ベローズの内圧を検出する圧力センサと、該圧力センサからの信号を基に前記間隙内の圧力を前記ベローズの内圧に対応する範囲内の値に制御する制御部と、を有することが望ましい（発明３）。

また、前記調圧部が、調圧流体を供給する調圧流体供給部を備えており、前記制御部が、前記圧力センサからの信号を基に前記間隙内の圧力を調節するための電気信号を生成する電気信号発生部と、前記調圧流体供給部と前記間隙との間に介装され、前記電気信号を基に前記調圧流体供給部から受けた前記調圧流体の圧力を調節して前記間隙に流入させる電空変換器と、を有することが望ましい（発明４）。

また、前記間隙内の圧力は、前記ベローズの内圧との差が前記ベローズの耐変形圧力以下となる範囲内で制御されるように構成されていることが望ましい（発明５）。

また、前記駆動部が、前記耐圧シリンダ内を摺動するピストンと、該ピストンの駆動ロッドに連結されたアクチュエータとを有し、前記ベローズは、その一端が前記耐圧シリンダに、他端が前記ピストンにそれぞれ固定され、前記調圧部により圧力調節される前記間隙は、前記ベローズ、前記耐圧シリンダ、及び前記ピストンによって囲まれる間隙であることが望ましい（発明６）。

また、前記調圧部は、前記耐圧シリンダに設けられたリリーフ弁と、前記間隙内に加圧空気を送るように前記耐圧シリンダにレギュレータを介して接続されたコンプレッサと、を有することが望ましい（発明７）。

また、前記ベローズは、一端が前記耐圧シリンダに固定され、他端が駆動ロッドに連結されており、前記耐圧シリンダは、該駆動ロッドを摺動可能に気密する軸シールを備えていることが望ましい（発明８）。

上記発明１によれば、前記間隙内の圧力が前記ベローズの内圧と均衡するように調節されるので、前記ベローズの蛇腹部分の内側に加わる圧力と外側に加わる圧力との圧力差を小さくすることができ、該圧力差による変形を防ぐことができる。これにより、前記ベローズの伸縮変位当たりの吸引量又は吐出量を略一定とすることができ、ベローズの内圧に影響され難い高精度の吸引吐出能力を有するベローズポンプが提供される。

特に、収縮により前記ベローズ内の液体を吐出する場合、吐出開始時に前記ベローズの内圧が上昇するが、上記調節により収縮変位当たりの吐出量を速やかに略一定とすることができるので、吐出開始から吐出量が安定するまでのタイムラグを短縮することができる。

上記発明２によれば、前記調圧流入部からの前記調圧流体の流入と、前記調圧流出部からの前記調圧流体の流出とを設定することによって、容易に前記間隙内の圧力を前記設定範囲内の値に維持することができる。

上記のように収縮により前記ベローズ内の液体を吐出する場合、前記設定範囲を吐出量安定時における前記ベローズの内圧と均衡する範囲とすることにより、上記タイムラグを容易に短縮することができる。

上記発明３によれば、前記圧力センサからの信号を基に、前記間隙内の圧力を調節するので、より確実に前記間隙内の圧力を前記ベローズの内圧と均衡させることができる。

上記発明４によれば、既存の電空変換器を用いて前記調圧流体の圧力を調節するので、上記発明３に係るベローズポンプを容易に製造することができる。

上記発明５によれば、上記間隙内の圧力が上記範囲内となるので、前記ベローズの蛇腹部分の各ひだの変形を確実に防ぐことができる。

上記発明６によれば、前記耐圧シリンダ内を摺動するピストンを用いることにより、前記ベローズを安定して伸縮させることができ、且つ前記間隙を容易に気密性の高いものとすることができる。

上記発明７によれば、前記レギュレータからの前記加圧空気の流入と、前記リリーフ弁からの前記加圧空気の流出とを設定することによって、容易に前記間隙内の圧力を所望の値に制御することができる。

上記発明８によれば、前記ベローズを安定して伸縮させつつ、前記軸シールによって前記間隙を容易に気密性の高いものとすることができる。

以下、本発明に係る実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明をする。

図１は、本発明の第１実施形態に係るベローズポンプを示す縦断面図である。

図示のように、本発明の第１実施形態に係るベローズポンプは、液体Ｌ通過用の出入口２１を有するベローズ２と、ベローズ２を伸縮させる駆動部となる電動アクチュエータ１５を有しベローズ２の少なくとも蛇腹部分２３の外側との間に気密性の高い間隙３を形成する耐圧シリンダ１と、ベローズ２の内圧と均衡するように間隙３内の圧力を調節する調圧部４とを有する。

耐圧シリンダ１は、ベローズ２を収容するシリンダ部１１と電動アクチュエータ１５とを有し、電動アクチュエータ１５は、耐圧シリンダ１内を摺動するピストン１２と、ピストン１２の駆動ロッド１３に連結されたアクチュエータ１４とを有する。ピストン１２は、シリンダ部１１内壁との間の外周部に密封手段となるＯリング（エアシール）１２ａを有し、耐圧シリンダ１内を摺動しつつも、耐圧シリンダ１内の空間を、ベローズ側の空間と電動アクチュエータ１５側の空間とに気密性良く仕切るように構成されている。本実施形態では、電動アクチュエータ１５は電動単軸ロボットであり、コントローラ（図示せず）によって制御されるようになっている。本実施形態では、電動アクチュエータ１５は、ベローズ２が伸張した状態から定速でベローズ２を収縮させるように構成されている。

ベローズ２は、耐圧シリンダ１内に配され、その一端が耐圧シリンダ１に、他端がピストン１２にそれぞれ固定されており、伸縮動作により出入口２１を介して液体Ｌを内部２２に吸引し、内部２２から吐出するように構成されている。出入口２１は、出口と入口とに分割されて設けられていても良い。また、ベローズ２は、テフロン（登録商標）等の弾性復元力を有する素材によって一体成形されたものであることが望ましい。

調圧部４は、調圧流体となる圧縮空気Ｆを供給する調圧流体供給部となるコンプレッサ４１と、コンプレッサ４１から受けた圧縮空気Ｆの圧力を調節して間隙３に流入させる調圧流入部となるレギュレータ４３と、間隙３内の圧力が設定範囲を超えると間隙３から圧縮空気Ｆを流出させる調圧流出部となるリリーフ弁４５とを有し、間隙３内の圧力を前記設定範囲内の値に維持するように構成されている。尚、この調圧部４により圧力調節される間隙３は、ベローズ２、耐圧シリンダ１、及びピストン１２によって囲まれる間隙となる。

コンプレッサ４１は、間隙３内に圧縮空気Ｆとなる加圧空気を送るように、レギュレータ４３、配管４２、４４、及び導入口１１ａを介して耐圧シリンダ１に接続されている。

リリーフ弁４５は、耐圧シリンダ１の排出口１１ｂに設けられており、間隙３内への圧縮空気Ｆの導入によって、間隙３内の圧力が設定範囲を超える過大な値となった場合、排出口１１ｂ開いて間隙３内の圧力を低減するように構成されている。

このように構成された第１実施形態に係るベローズポンプによれば、ベローズ２が収縮しベローズ２の出入口２１が弁等を介して液体タンク（図示せず）に連通された状態で電動アクチュエータ１５がピストン１２を引くと、ベローズ２が伸張され液体Ｌが内部２２に吸引される。次いで、ベローズ２の出入口２１を弁等により液体供給先（図示せず）に連通するように切り替えて、電動アクチュエータ１５がピストン１２を押すと、ベローズ２が収縮され、液体Ｌが内部２２から吐出される。

この吐出の際、ベローズ２の内圧は、吐出開始と共に上昇し、吐出量安定後に略一定となる変動をするが、本実施形態に係るベローズポンプによれば、調圧部４が、吐出開始と共に間隙３内の圧力を、吐出量安定時のベローズ２の内圧と均衡する範囲内の圧力まで上昇させ、その設定範囲内の値に維持する。

したがって、ベローズ２の蛇腹部分の内側に加わる圧力と外側に加わる圧力との圧力差を小さくすることができ、該圧力差による変形を防ぐことができる。これにより、ベローズ２の収縮変位当たりの吐出量を速やかに略一定とすることができ、吐出開始から吐出量が安定するまでのタイムラグを容易に短縮することができる。

この第１実施形態のように、耐圧シリンダ１内を摺動するピストン１２を用いることにより、ベローズ２を安定して伸縮させることができ、且つ間隙３を容易に気密性の高いものとすることができる。また、レギュレータ４３からの加圧空気の流入と、リリーフ弁４５からの加圧空気の流出とを設定することによって、容易に間隙３内の圧力を所望の値に制御することができる。また、間隙３内の圧力は、ベローズ２の内圧との差がベローズ２の耐変形圧力以下となる範囲内で制御されることが望ましく、これによりベローズ２の蛇腹部分２３の各ひだの変形を確実に防ぐことができる。

上記第１実施形態では、圧縮空気Ｆを流出させる調圧流出部としてリリーフ弁４５Ａを用いたが、調圧流出部として間隙３内の圧力を負圧にし得る吸引ポンプ等を用いることもできる。これにより、上記のような収縮による吐出時だけでなく、伸張によってベローズ２内に液体Ｌを吸引するような場合においても、圧力差によるベローズ２の変形を防ぐことができる。したがって、ベローズ２の伸縮変位当たりの吸引量又は吐出量を略一定とすることができ、ベローズ２の内圧に影響され難い高精度の吸引吐出能力を有するベローズポンプが提供される。

また、上記第１実施形態では調圧流体として加圧空気を用いる場合を示したが、調圧流体として液体を用いることもできる。これにより加圧空気に比べ、温度変化による膨張収縮を抑え、圧力変動を低減することができ、圧力制御をより高精度にすることができる。

次に本発明に係るベローズポンプの第２実施形態について、図２を参照しつつ説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係るベローズポンプを示す縦断面図である。

図示のように、第２実施形態に係るベローズポンプは、先の第１実施形態と同様に液体Ｌ通過用の出入口２１Ａを有するベローズ２Ａと、ベローズ２Ａを伸縮させる駆動部となる電動アクチュエータ１５Ａを有しベローズ２Ａの少なくとも蛇腹部分２３Ａの外側との間に気密性の高い間隙３Ａを形成する耐圧シリンダ１Ａと、ベローズ２Ａの内圧と均衡するように間隙３Ａ内の圧力を調節する調圧部５Ａとを有する。これらについては先の第１実施形態に示したものと同様であるので、その詳細な説明を省略する。

耐圧シリンダ１Ａは、先の第１実施形態と同様に、ベローズ２Ａを収容するシリンダ部１１Ａと電動アクチュエータ１５Ａとを有し、電動アクチュエータ１５Ａは、耐圧シリンダ１Ａ内を摺動する連結部１２Ａと、連結部１２Ａの駆動ロッド１３Ａに連結されたアクチュエータ１４Ａとを有するが、第２実施形態では、電動アクチュエータ１５Ａの動作時に耐圧シリンダ１Ａ内に外気が入らないように、駆動ロッド１３Ａを摺動可能に気密する軸シール１１Ａｂを備えている。これにより、ベローズ２を安定して伸縮させつつ、間隙３を容易に気密性の高いものとしている。また、第２実施形態では、先の第１実施形態におけるピストン１２のように耐圧シリンダ１Ａ内の空間を仕切るものがないため、ベローズ２の収縮時には間隙３Ａの体積が増加するようになっている。

またこの第２実施形態では、調圧部５Ａが、ベローズ２Ａの内圧を検出する圧力センサ５３Ａと、圧力センサ５３Ａからの信号を基に間隙３Ａ内の圧力をベローズ２Ａの内圧に対応する範囲内の値に制御する制御部５２Ａと、調圧流体となる圧縮空気Ｆを供給する調圧流体供給部となるコンプレッサ５１Ａとを備えている。コンプレッサ５１Ａは、制御部５２Ａ、配管５４Ａ、５５Ａ、及び導入口１１Ａａを介して耐圧シリンダ１Ａに接続されており、間隙３Ａ内に圧縮空気Ｆとなる加圧空気を送るように構成されている。

圧力センサ５３Ａは、ベローズ２Ａの出入口２１Ａに連通する検出部位６Ａ内での液圧をモニタするように構成されている。圧力センサ５３Ａによって検出された液圧の情報は、信号として制御部５２Ａに伝送される。

制御部５２Ａは、圧力センサ５３Ａからの信号を基に間隙３Ａ内の圧力を調節するための電気信号を生成する電気信号発生部５２Ａａと、コンプレッサ５１Ａと間隙３Ａとの間に介装され、前記電気信号を基にコンプレッサ５１Ａから受けた圧縮空気Ｆの圧力を調節して耐圧シリンダ１の導入口１１Ａａから間隙３Ａに流入させる電空変換器５２Ａｂとを有する。

このように構成された第２実施形態に係るベローズポンプによれば、圧力センサ５３Ａがベローズ２Ａの内圧に相当する液圧を検出部位６Ａでモニタして信号を発し、制御部５２Ａの電気信号発生部５２Ａａが該信号から電空変換器５２Ａｂに入力すべき電気信号を生成し、電空変換器５２Ａｂが、該電気信号を基にコンプレッサ５１Ａから受けた圧縮空気Ｆの圧力を調節して間隙３Ａに流入させる。

したがって、収縮によりベローズ２Ａの内部２２Ａの液体Ｌを吐出する場合、ベローズ２Ａの内圧は上昇するが、圧力センサ５３Ａが該上昇を示す信号を発し、該信号を基に生成された電気信号を受けた電空変換器５２Ａｂが、調圧した圧縮空気Ｆを間隙３Ａに流入させ、間隙３Ａ内の圧力をベローズ２Ａの内圧と均衡するように上昇させる。

上記構成を有する第２実施形態に係るベローズポンプによれば、このようにして調圧部５Ａが間隙３Ａ内の圧力を調節するので、先の第１実施形態と同様にベローズ２の蛇腹部分の内外に加わる圧力差を小さくし、該圧力差による変形を防ぐことができる。特に第２実施形態では、圧力センサからの信号を基に間隙３内の圧力を調節するので、より確実に間隙３内の圧力をベローズ２の内圧と均衡させることができる。また、既存の電空変換器を用いて圧縮空気Ｆの圧力を調節するので、上記機能を有するベローズポンプを容易に製造することができる。

また、第２実施形態では、圧縮空気Ｆの供給によって、間隙３Ａ内の圧力が上昇すると、ベローズ２Ａは収縮方向に加圧される。また、先の第１実施形態のように電動アクチュエータ１５Ａの収縮動作時に間隙３Ａを圧縮する必要がない。そのためベローズ２Ａ収縮のための電動アクチュエータ１５Ａの負荷が軽減され、ピストン１２の変位位置による負荷の変動も抑えられるので、摺動動作が安定する、或いは電動アクチュエータ１５Ａを低出力で小型なものとすることができる。

また、第１実施の形態と同様に間隙３Ａ内の圧力を負圧にする吸引ポンプ等を用いることもでき、これにより伸張時にも、圧力差によるベローズ２Ａの変形を防いで、ベローズ２の内圧に影響され難い高精度の吸引吐出能力を有するベローズポンプが提供される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、第１実施形態に示したような耐圧シリンダ１を有するベローズポンプに第２実施形態に示したような調圧部５Ａを適用する、第２実施形態に示したような耐圧シリンダ１Ａを有するベローズポンプに第１実施形態に示したような調圧部４を適用するなど、種々の変更等が可能である。

本発明に係るベローズポンプの第１の実施形態を示す縦断面図である。 本発明に係るベローズポンプの第２の実施形態を示す縦断面図である。

符号の説明

１、１Ａ 耐圧シリンダ
１１、１１Ａ シリンダ部
１２ ピストン
１２Ａ 連結部
１３、１３Ａ 駆動ロッド
１４、１４Ａ アクチュエータ
１５、１５Ａ 電動アクチュエータ
２、２Ａ ベローズ
２１、２１Ａ 出入口
３、３Ａ 間隙
４、５Ａ 調圧部
４１、５１Ａ コンプレッサ
４３ レギュレータ
４５、５５Ａ リリーフ弁
５２Ａ 制御部
５２Ａａ 電気信号発生部
５２Ａｂ 電空変換器
５３Ａ 圧力センサ

Claims (8)

1. 液体通過用の出入口を有するベローズと、該ベローズを伸縮させる駆動部を有し且つ前記ベローズの少なくとも蛇腹部分の外側との間に気密性の高い間隙を形成する耐圧シリンダと、前記ベローズの内圧と均衡するように前記間隙内の圧力を調節する調圧部と、を有することを特徴とするベローズポンプ。
2. 前記調圧部が、調圧流体を供給する調圧流体供給部と、該調圧流体供給部から受けた前記調圧流体の圧力を調節して前記間隙に流入させる調圧流入部と、前記間隙内の圧力が設定範囲を超えると前記間隙から前記調圧流体を流出させる調圧流出部と、を有し、前記間隙内の圧力を前記設定範囲内の値に維持するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のベローズポンプ。
3. 前記調圧部が、前記ベローズの内圧を検出する圧力センサと、該圧力センサからの信号を基に前記間隙内の圧力を前記ベローズの内圧に対応する範囲内の値に制御する制御部と、を有することを特徴とする請求項１記載のベローズポンプ。
4. 前記調圧部が、調圧流体を供給する調圧流体供給部を備えており、
   前記制御部が、前記圧力センサからの信号を基に前記間隙内の圧力を調節するための電気信号を生成する電気信号発生部と、前記調圧流体供給部と前記間隙との間に介装され、前記電気信号を基に前記調圧流体供給部から受けた前記調圧流体の圧力を調節して前記間隙に流入させる電空変換器と、を有することを特徴とする請求項３記載のベローズポンプ。
5. 前記間隙内の圧力は、前記ベローズの内圧との差が前記ベローズの耐変形圧力以下となる範囲内で制御されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のベローズポンプ。
6. 前記駆動部が、前記耐圧シリンダ内を摺動するピストンと、該ピストンの駆動ロッドに連結されたアクチュエータとを有し、
   前記ベローズは、その一端が前記耐圧シリンダに、他端が前記ピストンにそれぞれ固定され、
   前記調圧部により圧力調節される前記間隙は、前記ベローズ、前記耐圧シリンダ、及び前記ピストンによって囲まれる間隙であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のベローズポンプ。
7. 前記調圧部は、前記耐圧シリンダに設けられたリリーフ弁と、前記間隙内に加圧空気を送るように前記耐圧シリンダにレギュレータを介して接続されたコンプレッサと、を有することを特徴とする請求項１又は６に記載のベローズポンプ。
8. 前記ベローズは、一端が前記耐圧シリンダに固定され、他端が駆動ロッドに連結されており、
   前記耐圧シリンダは、該駆動ロッドを摺動可能に気密する軸シールを備えていることを特徴とする請求項１記載のベローズポンプ。

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