JPH09189295A - ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 粘性抵抗により流体が圧送されるタイプのポ
ンプのロータとステータの間隙の制御を容易にするこ
と。 【解決手段】 ロータ４と、ロータに近接して設けられ
ロータ方向に附勢されているが、該ロータの表面からは
離間しているステータ３とを有し、ステータ又はロータ
は、対向する表面に複数の凹部３０が形成され、また各
凹部へ流体を供給するための導入口と、各凹部から流体
を排出するための排出口が形成される。ロータ４がその
軸心を中心に回転することにより、ステータに対するロ
ータの回転に起因した流体の粘性抵抗によって、導入口
から排出口へ流体が圧送される。ロータと該ステータを
互いに附勢する力の一部分は、ポンプからのフィードバ
ックした流体圧力により供給されて、ロータとステータ
間の附勢力が自動的に制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はポンプに関し、特
に、比較的低い流量で比較的高い流体圧を供給できるポ
ンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】低流量で高流体圧の流体を圧送するポン
プは、いわゆる連続インクジェット型プリンタに用いら
れる。このプリンタは液滴の流れを利用して適当な基材
上に印刷を行うもので、液滴を噴射する１以上のノズル
を有する印字ヘッドにインク溜から流体を圧送する。流
体をかなり高圧でノズルから噴射する必要があるので、
従来は、ギヤポンプを使用して高流量の流体を高圧で圧
送していた。しかし、その流体の大部分はノズルを通過
させる必要がなく、バイパス経路を通って再循環させて
いた。こうしたポンプの使用により、印刷に必要としな
い多量の流体をポンプが圧送する必要があるので、低能
率のもとになる。更に、こうしたポンプ、つまり実質的
に全ての従来のポンプ、は流体の流れに小さな脈動を与
えてしまい、これらは印刷処理に有害となり、あるいは
克服困難となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これらの問題を解決す
る必要があり、英国特許第１，４００，５３１号公報に
は、粘性タイプのポンプを使用することが一つの考え方
として提示された。この種類のポンプは、ロータと、そ
のロータに近接して設けられかつロータに向けて附勢さ
れたステータとから成り、ステータはロータに面した表
面に複数の円弧状ポンプ溝が形成され、ロータがその軸
を中心に回転すると、ステータに対するロータの回転に
起因した流体の粘性抵抗により、流体が導入口から排出
口に圧送される。しかし、このタイプのポンプはロータ
とステータとの間隙を必要な程度に制御するのが難しい
ので、ほとんど使われていない。他のタイプの粘性ポン
プはフランス特許第１，４３９、４９９号公報、英国特
許第３１３，５３１号公報、米国特許第３，７３５、１
９９号公報に記載されている。

【０００４】本発明は、粘性抵抗により流体が圧送され
るタイプのポンプにおいて、ロータとステータの間隙の
制御を容易にすることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ロータ
と、該ロータに近接して設けられ、該ロータ方向に附勢
されているが、該ロータの表面からは離間しているステ
ータとを有し、該ステータ又はロータは、互いに対向す
る表面に複数の凹部が形成され、また各凹部へ流体を供
給するための導入口と、各凹部から流体を排出するため
の排出口が形成され、該ロータがその軸心を中心に回転
することにより、該ステータに対する該ロータの回転に
起因した流体の粘性抵抗によって、該導入口から排出口
へ流体を圧送するように構成したポンプにおいて、該ロ
ータと該ステータを互いに附勢する力の一部分は、該ポ
ンプからのフィードバックした流体圧力により供給され
て、該ロータと該ステータ間の附勢力を自動的に制御す
るようにしたポンプを提供している。

【０００６】上述したように、凹部（溝部）はロータか
ステータのいずれかに形成され、また、ロータかステー
タの表面、又はその上に設置したシムに形成することも
できる。更に、複数のロータとステータを積み重ねた構
成にすることもできる。この方法では、ポンプの径を変
更せずに出力流体を増加させることが可能である。また
更に、ポンプに余分な能力があることが、ポンプの設計
を最適にすることができる。即ち、この余分な流体の見
返りとして付加的な圧力を得ることを可能にする。この
凹部は螺旋形状が望ましく、またポンピング動作は内側
向きでも外側向きでもよい。

【０００７】流体圧のフィードバックを利用することに
より、ロータ方向へのステータの付勢力が自動的に制御
可能となり、その結果、ロータとステータを互いに離間
する方向への圧力が増大すると、同時にこの付勢力も増
大し、所望のレベルで力のバランスを得ることができ
る。

【０００８】流体のフィードバックはポンプ出力側から
の圧力が供給される蛇腹アセンブリを介して提供される
のが望ましい。この蛇腹アセンブリに、ロータおよびス
テータへの負荷を始動時に維持するための予め付勢力を
有するバネを組込んでもよい。蛇腹アセンブリの代り
に、ピストンとシリンダのアセンブリやダイヤフラム構
造物がある。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の第１実施の形態によるポ
ンプについて図面に基づき説明する。図１に示されるポ
ンプ１は、圧送対象の流体内に浸すように設計されてい
る。ポンプ１は略円筒状容器２を有し、その容器内２に
は上下一対のステンレススチール製のステータ３がカー
ボンロータ４の両端に設けられている。ロータ４とステ
ータ３は図１の垂直方向で「浮く」ことが可能であり、
この２者間の隙間は下部ステータ３の下部面を支持し力
のバランスを調整する蛇腹型ユニット５により制御され
る。

【００１０】蛇腹型ユニット５は、容器２の底に螺合し
て設けたエンドキャップ６内で支持される。これにより
蛇腹ユニット５の位置が調整可能になり、またロータと
ステータの「非作動」位置が予め設定可能となる。蛇腹
ユニット５は外周の環状蛇腹部材５１を支持する中心部
材５０を有し、また、蛇腹部材５１は下部ステータ３の
下部面に当接するトップキャップ５２を支持する。その
当接面の平坦性により、良好な静的密閉状態が提供され
る。トップキャップ５２の下面５２ａは、圧力作用面を
なし、蛇腹ユニット５内に導入された液体の圧力がトッ
プキャップの下面５２ａに作用してトップキャップ５２
を上方に付勢するように構成されている。トップキャッ
プ５２が上方に付勢されるので、下部ステータ３が上方
に押圧されそのため、ステータ３とロータ４との間隔を
狭めることができる。またトップキャップ５２には後述
するオリフィス５３に流体を導入するための通路が形成
されている。なお トップキャップ５２は下部ステータ
３に溶接することも可能であるが、実用化試験では溶接
の必要は認められず、しかも溶接した場合には下部ステ
ータを損傷する可能性がある。

【００１１】中心部材５０は、蛇腹ユニット５内に形成
されたキャビティ５４内の流体圧を制御した状態で、ポ
ンプ吐出側に流体を流すためのオリフィス５３が形成さ
れている。オリフィス５３の内径は極めて小さく、その
ため、蛇腹ユニット５内に導入された流体が蛇腹ユニッ
ト５内で液圧を高めることができる。

【００１２】差込５５が下部ステータ３の下側に形成さ
れたキャビティ３５内に突出しており、蛇腹ユニット５
に吸込まれた空気が出力流体と共に排出される。よって
空気の自動的な排出が確実となる。即ち、蛇腹ユニット
５内には液体に混入した空気も導入されるが、導入され
た空気はキャビティ３５内に導かれ、オリフィス５３を
通じて外部に排出されるので、蛇腹ユニット５内に空気
が停滞するのを防止できる。また、使用の際には、ポン
プは四角形状の駆動ドグ７０を有する駆動軸７を介して
駆動され、駆動ドグ７０はロータ４の四角形ソケット４
２内に緩く嵌合している。

【００１３】圧送対象の流体はフィルタ８を介して容器
２に供給され、容器２の内周面と上部閉止ソケット９の
円筒形外周面との間の軸方向通路１１を通過し、ロータ
４の回りの環状空間１２に至る。他の構成としては、こ
のフィルタは必要とされず、インクは容器の側面にある
導入口を通じてロータの外周に直接供給することが可能
である。ロータ４に隣接した上下ステータ３のそれぞれ
の面３１には複数の螺旋円弧溝（凹部）３０が形成さ
れ、流体はロータの周辺から螺旋円弧溝３０に流入す
る。これらの螺旋円弧溝３０は、図２、図３に示される
ように、流体が隣接する溝間を渡って洩れてしまうのを
防止するため、隣接する溝間にはランド部３４によって
仕切られて、ロータ４に対するシールの役目をする。流
体の洩れによるエネルギ損失と摩擦によるエネルギ損失
とのバランスを図る必要があるが、ランド部３４の摩擦
面積を減少すると同時にポンピング面積を最大にするよ
うにランド部３４は溝３０に比較してかなり狭くなって
いる。溝３０は望ましくは断面形状が矩形状である。こ
れは製造が比較的容易という利点があると共に、摩耗に
よっても溝の形状に重大な影響を与えることなく、摩耗
によるポンピング特性が大きく変動するのを回避するこ
とができる。特定の条件においては、他の断面形状を有
する溝が有利であろうし、また別の長所を有する。いず
れにせよ溝の螺旋パターンはポンピング条件や圧送対象
の液体に合わせて設定される。

【００１４】ロータ４の半径方向内方には、環状の収集
溝４０が設けられ、流体はステータの溝３０の内端から
その収集溝４０内へ排出される。ロータの収集溝４０は
複数の経路４１で接続され、流体はロータ収集溝４０か
ら下部ステータ３の通路３２内に流れ、流体は蛇腹ユニ
ット５内のキャビティ５４内に排出され、更にキャビテ
ィ３５、オリフィス５３を通って中央排出部５６に送ら
れる。中央排出部５６は排出パイプ１７が接続され、容
器２を通ってポンプ吐出口に至る。なお図１の矢印は流
体の経路を示す。ロータの環状収集溝４０の半径方向内
方位置であって、それぞれのステータには環状ランド部
３３が形成されており、これは駆動軸７の回りの空間に
流体が漏出するのを阻止するためのシールとして機能
し、ポンプの外部に流体が漏出するのを防止している。
製造を簡素にするために、このランド部３３は溝３０を
仕切るためのランド部３４と同じ高さを有し、ステータ
４に対して同じ隙間で動作するものである。従って、洩
れの程度は設計により調整でき、洩れによるエネルギ損
失と、狭い隙間や広いシール用のランド部によって発生
する摩擦損失とを勘案して最適化させる。

【００１５】以上のように、ポンピング圧力の上昇に伴
い、環状空間１２内の液圧が上昇するので、ステータ３
はロータ４から離間する方向に付勢される。しかし、こ
の液圧は、通路３２を介して蛇腹ユニット５内に作用
し、また蛇腹ユニットに連通するオリフィス５３の断面
積は小さいので、蛇腹ユニット５の内圧の上昇に伴いト
ップキャップ５２を介してステータ３はロータ４方向に
付勢され、ステータとロータが互いに離間するのが自動
的に防止される。

【００１６】本発明の第２の実施の形態によるポンプ
１’について図４、図６に基づき説明する。図４に示し
たポンプ１’は図１から図３のポンプとほぼ同一であ
り、圧送対象の流体内に浸すように設計されているが、
シールの施された容器２は設けられていない。そのため
にポンプの周囲の流体の循環を向上させ、流体が加熱さ
れるのを防止できる。ロータ４’とステータ３’は垂直
方向で浮くことが可能であり、両者間の隙間は、下部ス
テータ３’の下部面を支持し力のバランスをはかる蛇腹
型ユニット５’により制御される。しかし、気泡がポン
プ機構に吸い込まれるのを防止して拡散させるようにす
るために、上部ステータ３’はロータ４’の直径より若
干大きく設けられる。

【００１７】蛇腹ユニット５’の下端は底板６’に、上
端は下部ステータ３’にシールされている。これらのシ
ール８’は電子ビーム溶接によって形成されるか、ある
いはコストを下げるために図示のようなＯリングシール
５７を用いることも可能である。蛇腹ユニット５’はプ
ラスチック材料又はゴムで成型でき、さらにコストを下
げるにはダイヤフラムを用いることも可能である。

【００１８】蛇腹ユニット５’の位置は調整可能とする
必要があり、ロータとステータの非作動位置を予め設定
可能とする。これは３本の低コストの締結ボルト１３を
使用することにより達成される。この締結ボルトによ
り、下部ステータ３’の位置や、ロータに対向するステ
ータの表面に設けたステンレススチール製の一対の溝付
きシム１４（図６参照）の位置も決定することができ
る。この位置決め方法は振動による不安定さを防止する
うえで重要である。締結ボルト１３はロックナット１８
で固定される。

【００１９】溝付きシム１４は、図１の溝付きロータ４
と同等に機能する。シム１４上の溝３０のエッチングは
製造上かなり簡単であり、製造コストの低下にも寄与す
る。

【００２０】溝３０内のインクと図６に示されるシム１
４の反対側のドレン溝３６内のインクとの圧力差によっ
て、シム１４はロータ４’に対して所定の位置に保持さ
れる。ドレン溝３６はインクタンク１０１（図５）内で
開き、ドレン溝３６内の圧力をタンク１０１の圧力に維
持し、シム１４の上下の圧力差を作るようにする。ドレ
ン溝３６は対向するステータ３’の表面に形成すること
もでき、またドレン溝の形状は様々に変更可能である。

【００２１】蛇腹ユニット５’は、下部ステータ３’に
貫通形成され排出パイプ１７に接続された排出部１５を
有し、蛇腹ユニット５’のキャビティ内にある流体は制
御された液圧で排出パイプ１７を介して流れるように構
成される。そして排出パイプ１７は、駆動軸７や他のア
タッチメントを内蔵する取付けブロック（図示せず）を
介してインクタンク１０１の外側に抜け出る。このよう
な構成では、インクタンク１０１の壁を貫くような別の
排出用接続を必要としないので、取付けブロックが取り
外し自在となるようにインクタンク１０１を簡潔なシー
ルをしたユニットとすることが可能となる。

【００２２】定速度でポンプを運転することはモータの
コスト低下という意味で有用であるが、これではポンプ
の吐出圧を外部から制御することができない。解決方法
としては、例えば図５に示されるように、バネ１１４と
制御ノブ１０５を用いて、シム１４が取り付けられてい
る下部ステータ３’に別の調整可能な附勢力を作用する
ことである。制御ノブ１０５を回転させてバネ１１４の
付勢力を調整し、バネにより下部ステータに作用する負
荷が変化する。このことにより、ロータとステータ間の
間隔が変化し、最終的にポンプ吐出圧を変化させる。ポ
ンプ圧を長い期間に渡り一定に維持するようにこの付勢
力調整機構は手動で設定可能である。又は電動アクチュ
エータを用いて、この附勢力調整機構を制御可能とする
ようにしてもよい。

【００２３】本発明によるポンプで流体をポンピングす
る際の潜在的な問題点がポンプの始動時に認められる。
即ち、ロータに対するステータの附勢力により、高い始
動トルクを必要とするからである。この問題を克服する
ため、始動時にステータ及び／又はロータが軸方向に移
動するように駆動メカニズムを設計して、充分な流体力
学的な潤滑がポンプにより実現されるまで始動時の摩擦
力を減少させればよい。これはモータと駆動軸との間、
又は駆動軸とロータ及び／又はステータの重合わせ端部
との間に螺旋状のカムドライブを設けることにより実現
できる。そのことにより、初期段階で軸回転が生じてロ
ータが駆動を開始した後においてのみ、ロータとステー
タが一緒に駆動される。

【００２４】図５に示されるように、ポンプ１、１’は
インクタンク１０１内に沈められ、インクジェットプリ
ンタシステム１００の一部分を構成する。インクは、例
えば補充用カートリッジ等のインク供給容器１０２から
インクタンク１０１にインク供給ソレノイド１０３を通
じて供給される。インクの粘度は粘度計１１３によって
測定可能である。インクタンク１０１内に位置したポン
プ１、１’は、軸シール１０６によってシールされた駆
動軸７に接続されたポンプモータ１０４によって駆動さ
れ、ポンプ圧は制御ノブ１０５によって制御可能であ
り、制御ノブ１０５はバネ１１４により底板にかかる附
勢力を調節する。ポンプ吐出部１１５から吐出されたイ
ンクは、圧力トランスデューサ１０７、ヘッドインクソ
レノイド１０８、ヘッドインクフィルタ１０９を介し
て、一定圧力でプリンタヘッド１１０に供給される。印
刷に供されなかったインクは、回収溝１１１又は手動調
節可能なブリードバルブ１１２を介して、別のフィルタ
１１９を経てインクタンク１０１に還流される。

【００２５】

【発明の効果】本発明のポンプは、ポンプ処理対象の液
体が、例えば食用インク、蛍光インク、顔料含有インク
等のように、微粒子を含んでいたり凝固する傾向がある
場合に特に好適である。また、本発明のポンプの利点の
一つは、発生する圧力と流れがポンプ速度により制御で
きるので、別の圧力調整機が不要となることである。

【００２６】本発明によれば、ポンプの径を変更せずに
出力流体を増加させることが可能となり、ポンプに余分
な能力があることが、ポンプの設計を最適にすることが
できる。即ち、この余分な出力流体を、付加的な圧力を
作用させるために利用することができる。そして、流体
圧のフィードバックを利用することにより、ロータ方向
へのステータの付勢力が自動的に制御可能となる。即
ち、ロータとステータを互いに離間する方向へ流体圧力
が増大しても、同時にこの付勢力も増大してステータを
ロータ方向に付勢できるので、所望のレベルで力のバラ
ンスを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるポンプの長手
方向の断面図。

【図２】第１の実施の形態によるポンプのステータに設
けられたポンピング溝（凹部）を示す概略平面図。

【図３】第１の実施の形態によるロータとステータの組
合せの一部分を示す断面図。

【図４】本発明の第２の実施の形態によるポンプの長手
方向の断面図。

【図５】本発明によるポンプを利用したインクジェット
プリンタシステムの一例を示す概略図。

【図６】図４のポンプに使用したシムの反対側の概略
図。

【符号の説明】

１、１’ ポンプ ２ 容器 ３、３’ ステータ ４、４’ ロータ ５、５’ 蛇腹型ユニット ７ 駆動軸 １２ 環状空間 １４ シム ３０ 螺旋円弧溝（凹部） ３３ 環状平坦部 ３４ 溝の間の平坦部 ４０ 収集溝 ５０ 中心部材 ５１ 蛇腹部材

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータ４と、 該ロータ４に近接して設けられ、該ロータ方向に附勢さ
   れているが、該ロータの表面からは離間しているステー
   タ３とを有し、 該ステータ又はロータは、互いに対向する表面に複数の
   凹部３０が形成され、また各凹部へ流体を供給するため
   の導入口と、各凹部から流体を排出するための排出口が
   形成され、該ロータ４がその軸心を中心に回転すること
   により、該ステータ３に対する該ロータ４の回転に起因
   した流体の粘性抵抗によって、該導入口から排出口へ流
   体を圧送するように構成したポンプにおいて、 該ロータ４と該ステータ３を互いに附勢する力の一部分
   は、該ポンプからのフィードバックした流体圧力により
   供給されて、該ロータと該ステータ間の附勢力を自動的
   に制御するようにしたことを特徴とするポンプ。
2. 【請求項２】 複数のステータ３及び／又はロータ４が
   設けられそれらが互いに重なっていること特徴とする請
   求項１に記載のポンプ。
3. 【請求項３】 該凹部３０は螺旋形状であることを特徴
   とする請求項１又は２に記載のポンプ。
4. 【請求項４】 該導入口は該排出口より半径方向内方に
   位置し、ポンピング作用が外側へ向かうようにしたこと
   を特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載のポン
   プ。
5. 【請求項５】 該導入口は該排出口より半径方向外方に
   位置し、ポンピング作用が内側へ向かうようにしたこと
   を特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載のポン
   プ。
6. 【請求項６】 該ロータ４又はスタータ３上に位置した
   シム１４が設けられ、該凹部３０はシム１４の表面に形
   成されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいず
   れかに記載のポンプ。
7. 【請求項７】 該シムは、該凹部３０内のインクの圧力
   により該ロータ４に向けて保持されることを特徴とす
   る、請求項６に記載のポンプ。
8. 【請求項８】 該凹部３０はロータ４かステータ３の表
   面に直接形成されていることを特徴とする、請求項１乃
   至５のいずれかに記載のポンプ。
9. 【請求項９】 ポンプの出力側からの圧力が供給される
   蛇腹ユニット５が設けられ、該フィードバックする流体
   圧力は蛇腹ユニットによって提供されることを特徴とす
   る、請求項１乃至８のいずれかに記載のポンプ。
10. 【請求項１０】 該フィードバックする流体圧力は、ポ
    ンプの出力側からの圧力が供給されるピストンとシリン
    ダのアセンブリによって提供されることを特徴とする、
    請求項１乃至８のいずれかに記載のポンプ。
11. 【請求項１１】 該フィードバックする流体圧力は、ポ
    ンプの出力側からの圧力が供給される膜とシリンダのア
    センブリによって提供されることを特徴とする、請求項
    １乃至８のいずれかに記載のポンプ。
12. 【請求項１２】 該蛇腹ユニット５又はピストンとシリ
    ンダのアセンブリ又は膜とシリンダのアセンブリは、立
    ち上がり時に該ロータ４と該ステータ３への負荷を維持
    するために予め負荷力を有するバネが組込まれているこ
    とを特徴とする、請求項９乃至１１のいずれかに記載の
    ポンプ。
13. 【請求項１３】 フィードバックする流体圧力とは無関
    係にポンプ圧力を変更するために、附勢力調整装置が付
    設され、追加の調節可能な附勢力を提供することを特徴
    とする、請求項１乃至１２のいずれかに記載のポンプ。
14. 【請求項１４】 該追加の附勢力調整装置は、バネ１１
    ４と該バネの付勢力を調節するための手段とを有するこ
    とを特徴とする、請求項１３に記載のポンプ。