JP6124895B2 - 反転式の電動機を有する往復動型容積式ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、容積式ポンプシステムに関し、より具体的には往復動型ポンプの駆動システム及び往復動の制御方法に関するものである。

容積式ポンプは、拡張するチャンバ内に一定容積の物質を引き込み、収縮時にはこの物質をチャンバから押し出す機構を備えている。このようなポンプは、ピストンなどの往復動型ポンプ機構、または１式のギヤの組み合わせなどの回転型ポンプ機構を備えるのが一般的である。往復動型ピストン式ポンプでは、ピストンを駆動してポンプ室を拡張及び収縮させることが可能な２方向の入力が必要となる。典型的なポンプ機構は、回転出力軸を有したモータなどの回転入力によって駆動されるようになっている。従来、このようなモータは、圧縮エアで作動するエアモータ、または交流電流で作動する電動モータで構成される。従って、回転入力の場合には、出力軸の単一方向の回転を往復運動に変換する必要がある。このような変換は、レールケ（Lehrke）らに与えられてグラコインコーポレーテッド（Graco Inc.）に譲渡された特許の特許文献１に開示されているようなクランク軸またはカム機構によって行われる。

米国特許第５１４５３３９号明細書

エアモータは、コンプレッサをモータで駆動しなければならず、圧縮エアを回転運動に変換し、更に回転運動を往復動に変換するため、エネルギ消費の点で効率が悪い。更に、エアモータ及びエアモータを駆動するコンプレッサは、好ましくない量の騒音を発し、エアの圧縮及び膨張に起因した氷結に関連する問題が生じるおそれがある。電動モータは、エアモータを上回るエネルギ効率を達成するものであるが、単一方向の回転運動を、ポンプ用の２方向の直線的往復動に変換するための複雑な機構が依然として必要である。従って、往復動型容積式ポンプ用の駆動機構の改善が求められている。

ポンプシステムは、電動モータ、ポンプ、ラックアンドピニオン式変換装置、及びコントローラを備える。電動モータは、第１の回転方向及び第１の回転方向とは逆の第２の回転方向に回転可能な出力軸を有する。ポンプは、第１の直線方向及び第１の直線方向とは逆の第２の直線方向に移動可能な入力軸を有する。ラックアンドピニオン式変換装置は、出力軸を入力軸に連結して、第１の回転方向の出力軸の回転運動を、第１の直線方向の入力軸の直線運動に変換し、第２の回転方向の出力軸の回転運動を、第２の直線方向の入力軸の直線運動に変換する。コントローラは、出力軸の回転を繰り返し反転して、入力軸の往復動を生成する。このとき、コントローラは、電動モータに供給する電流の流れる方向を反転させて、出力軸の回転方向を反転させ、電動モータに供給する電流を反転する時間間隔を変化させ、出力軸の回転方向を反転する際にラックアンドピニオン式変換装置において噛み合う歯を変えることにより、衝撃荷重が加わる歯を分散させる。

ポンプの運転方法は、電動モータに流れる電流の方向を繰り返し反転させて、電動モータの出力軸の回転を、時計回りと反時計回りとに交互に切り換える工程と、減速ギヤ機構及びラックアンドピニオン機構を用い、出力軸の時計回りと反時計回りとの交互の回転運動を、ポンプ軸の直線往復動に変換する工程と、電流の方向を反転する時間間隔を変化させ、ポンプ軸の上限位置、ポンプ軸の下限位置、及びポンプ軸のストローク長の少なくとも１つを変えることにより、出力軸の回転方向を反転する際にラックアンドピニオン変換装置において噛み合う歯を変える工程とを備える。

運動変換装置を介して２方向回転式の電動モータにより駆動される容積式ポンプを有したポンプシステムの概略構成図である。 直線往復動ピストン式ポンプがブラシレスＤＣモータによって駆動される、図１の構成のポンプシステムの斜視図である。 ブラシレスＤＣモータの出力軸を直線往復動ピストン式ポンプの入力軸に連結する減速ギヤ機構を示す、図２のポンプシステムの分解図である。 減速ギヤ機構によって連結される出力軸のピニオンギヤと、入力軸のラックギヤとを示す、図３のポンプシステムの斜視図である。 図２〜図４のブラシレスＤＣモータに入力される電流の向きを時間の経過と共に示すグラフである。 図２〜図４の直線往復動ピストン式ポンプのポンプ軸のストロークを時間の経過と共に示すグラフである。

図１は、電動モータ１４及び運動変換装置１６により駆動される容積式のポンプ１２を有したポンプシステム１０の概略構成図である。ポンプ１２は、塗料などの流体をリザーバ１８から引き込み、加圧された流体をスプレー２０に供給する。スプレー２０で消費されなかった流体はリザーバ１８に戻される。電動モータ１４の駆動軸２２及びポンプ１２のポンプ軸２４は、運動変換装置１６に機械的に連結されている。運動変換装置１６は、駆動軸２２の回転運動からポンプ軸２４の往復動を生成する。ポンプ１２の吐出口２６は流路３０Ａを介し、またポンプ１２の流入口２８は流路３０Ｂを介し、それぞれリザーバ１８に接続されている。スプレー２０はホース３２により流路３０Ａと接続されている。電動モータ１４はコントローラ３４によって電気的に制御され、コントローラ３２はポジションセンサ３５を備える。

電動モータ１４は、コントローラ３４から電力が供給されることにより、駆動軸２２に動力を与える。図示する実施形態において、電動モータ１４は、駆動軸２２が中心軸線周りに回転する回転式モータからなる。コントローラ３４は、電動モータ１４に電気的に接続され、電動モータ１４に供給される電流を制御することにより、駆動軸２２の回転を制御する。図２〜図４に基づき後述する実施形態において、電動モータ１４は、ブラシレス直流（ＤＣ）モータからなる。但し、電動モータ１４は、ブラシ付ＤＣモータ、または永久磁石式交流（ＡＣ）モータであってもよい。

駆動軸２２の回転により、運動変換装置１６内にある変換機構が回転する。運動変換装置１６は、駆動軸２２の回転運動をポンプ軸２４の直線運動に変換する。具体的には、運動変換装置１６が、駆動軸２２の一方向の回転運動をポンプ軸２４の一方向の移動に変換する。図２〜図４に基づき後述する実施形態では、運動変換装置１６がラックアンドピニオン機構からなり、ポンプ軸２４に連結された直線状のラックギヤと噛み合うピニオンギヤを、駆動軸２２が回転させる。また、一般的に運動変換装置１６は減速ギヤ機構を備えており、例えば、減速ギヤ機構が駆動軸２２に比べてポンプ軸２４の速度を減速させる。但し、運動変換装置１６は、カム機構やクランク機構などのような、別の形式の変換機構からなっていてもよい。

運動変換装置１６は、ポンプ１２のポンプ軸２４に連結されている。ポンプ１２は、ポンプ軸２４の往復動によってポンプ室の拡張及び収縮を行う容積式ポンプからなる。図２〜図４に基づき後述する実施形態において、ポンプ１２は、ピストンがシリンダ内に設けられており、流入口２８から流体を引き込み、加圧された流体を吐出口から押し出す直線往復動ピストン式ポンプからなる。但し、ポンプ１２は、ダイヤフラムポンプなど、別の形式の容積式ポンプであってもよい。

加圧された流体は、吐出口２６から吐出され、流路３０Ａを介してリザーバ１８まで送給される。ポンプ１２は、ポンプ１２のポンプ機構により、流路３０Ｂ及び流入口２８を介し、リザーバ１８から加圧前の流体を引き込む。スプレー２０は、リザーバ１８と並列に接続されており、加圧された流体を流路３０Ａから引き込む。スプレー２０は選択的に操作されてリザーバ１８の流体を吐出する。スプレー２０は、手動により直接的に操作するものであってもよいし、自動化されたスプレー工程の一部としてコントローラによって操作するものであってもよい。

本発明において、ポンプシステム１０は、ブラシレスＤＣモータ１４のような反転可能な電動モータを用い、ピストン式のポンプ１２のようなポンプを往復動させるための、運動変換装置１６のようなリニアアクチュエータに動力を与える。ブラシレスＤＣモータを用いた実施形態では、コントローラ３４がブラシレスＤＣモータ１４に反転する電流を供給して、往復動を生成するように作動する。より具体的には、コントローラ３４がブラシレスＤＣモータ１４に流れる電流の方向を反転させることにより、駆動軸２２の回転方向を切り換える。ブラシレスＤＣモータは慣性が小さく、電流の方向の切り換えに迅速に応答して回転方向を反転させることができる。しかも、ブラシレスＤＣモータは、回転速度が０の場合においても最大限のトルクが得られるため、ポンプ１２に最大限の圧力を維持させることが可能となり、これは、流体式モータに類似した応答性能である上、騒音、費用、及び氷結の問題を生じることなく得られるものである。また、ブラシレスＤＣモータでは、供給される電流と軸トルクとの間に直接的な関係がある。従って、電動モータ１４の一定の出力トルク（及び電流）によって、ポンプ１２の吐出圧を一定に維持しながら、電動モータ１４の速度のみを変更することができる。更に、本発明のもう１つの特徴として、コントローラ３４がポジションセンサ３５を用い、ポンプ軸２４の位置を監視することにより、ポンプ１２の反転を不規則に行ったり変化させたりして、ポンプシステム１０の内部構成部品の摩耗を抑制することが可能である。

図２は、直線往復動ピストン式ポンプ１２がブラシレスＤＣモータ１４によって駆動される、図１の構成のポンプシステムの斜視図である。直線往復動ピストン式ポンプ１２及びブラシレスＤＣモータ１４はハウジング３６内に収容されており、ハウジング３６内には運動変換装置１６（図２には示さず）も収容されている。運動変換装置１６は、ハウジング３６内に取り付けられた減速ギヤ機構３８を備える。減速ギヤ機構３８は、軸４０及び軸４２を有し、ブラシレスＤＣモータ１４側のピニオンギヤを直線往復動ピストン式ポンプ１２側のラックギヤに連結する。直線往復動ピストン式ポンプ１２は、流入口２８、吐出口２６、シリンダ４４、及び軸カバー４６を備え、軸カバー４６は、直線往復動ピストン式ポンプ１２用の入力軸（図３）を収容している。直線往復動ピストン式ポンプ１２は、タイロッド５０Ａ（図３）、タイロッド５０Ｂ（図３）、及びタイロッド５０Ｃ（図３）を介してハウジング３６に組み付けられている。タイロッド５０Ａ、タイロッド５０Ｂ、及びタイロッド５０Ｃは、運動変換装置１６及び減速ギヤ機構３８を介してブラシレスＤＣモータ１４で軸カバー４６内のポンプ軸２４を駆動することができるように、直線往復動ピストン式ポンプ１２をハウジング３６に固定された状態に保持する。

図３は、ブラシレスＤＣモータ１４の駆動軸２２を、直線往復動ピストン式ポンプ１２のポンプ軸２４に連結する減速ギヤ機構３８を示す、図２のポンプシステム１０の分解図である。運動変換装置１６（図１）は減速ギヤ機構３８を備え、減速ギヤ機構３８は第１ギヤ機構５６と第２ギヤ機構５８とを備えている。ハウジング３６は、ハウジング本体３６Ａ、ギヤカバー３６Ｂ、及びモータカバー３６Ｃを備える。

ブラシレスＤＣモータ１４は、駆動軸２２が開口６０Ａを通って延設され、減速ギヤ機構３８を駆動する出力軸となるように、ハウジング本体３６Ａ内のキャビティに挿入される。モータカバー３６Ｃは、ハウジング本体３６Ａに対向して配置され、ブラシレスＤＣモータ１４を収容する。第１ギヤ機構５６の軸４０は、ハウジング本体３６Ａの開口６０Ｂとギヤカバー３６Ｂの開口６０Ｃとの間で保持されている。第２ギヤ機構５８の軸４２は、ギヤカバー３６Ｂの開口６０Ｄに保持され、ハウジング本体３６Ａのキャビティ６２内に延設されている。ポンプ軸２４は、直線往復動ピストン式ポンプ１２を運転するための入力軸となる。直線往復動ピストン式ポンプ１２のポンプ軸２４の一端は、ハウジング本体３６Ａのキャビティ６２内に延設され、ラックギヤ（図４に示すラックギヤを参照）を介して第２ギヤ機構５８に連結されている。ポンプ軸２４の他端は、軸カバー４６を通ってシリンダ４４内に延設され、ピストン（図示せず）を駆動する。タイロッド５０Ａ、タイロッド５０Ｂ、及びタイロッド５０Ｃは、直線往復動ピストン式ポンプ１２の台座６４をハウジング本体３６Ａのベース６６に連結する。カバー部材４６Ａ及びカバー部材４６Ｂは、タイロッド５０Ａ、タイロッド５０Ｂ、及びタイロッド５０Ｃの内側においてポンプ軸２４を取り囲んで配置される。直線往復動ピストン式ポンプ１２の流入口２８は、流路３０Ｂ（図１）のような、加圧前の流体の供給源に接続される。直線往復動ピストン式ポンプ１２の吐出口２６は、スプレー２０（図１）のような、流体供給装置に接続される。

一実施形態において、ブラシレスＤＣモータ１４は、駆動軸２２がポンプ軸２４と直交する方向に向くように、ハウジング３６内に取り付けられる。例えば、床のような平坦面の上でのポンプシステム１０の操作が意図される。ポンプ軸２４は、この平坦面に対して概ね直角となるように構成される。従って、電動モータ１４は、一般的にポンプ軸２４に対して直交すると共にこの平坦面に平行な方向に向けて取り付けられる。このため、駆動軸２２の回転は、ラックアンドピニオン機構の使用などにより、ポンプ軸２４の上下方向の直線運動に容易に変換することができる。ブラシレスＤＣモータ１４は駆動軸２２を回転させ、第１ギヤ機構５６に回転を与える。第１ギヤ機構５６は第２ギヤ機構５８を回転させ、第２ギヤ機構５８はラックギヤ（図示せず）を介して直線往復動ピストン式ポンプ１２のポンプ軸２４を動かす。ポンプ軸２４はシリンダ４４内のピストンを駆動し、加圧前の流体が流入口２８から引き込まれて、加圧された流体が吐出口２６から吐出される。本発明の一実施形態において、直線往復動ピストン式ポンプ１２は、グラコインコーポレーテッド（Graco Inc.）から購入することが可能であるような４ボールピストンポンプからなる。４ボールピストンポンプの一例は、パワーズ（Powers）に与えられてグラコインコーポレーテッド（Graco Inc.）に譲渡された米国特許第５，３６８，４２４号に全般的に述べられている。カバー部材４６Ａ及びカバー部材４６Ｂは、特に、ほこり、塵、及びごみがポンプ軸２４用の開口を通ってシリンダ４４内に侵入するのを防止する。タイロッド５０Ａ、タイロッド５０Ｂ、及びタイロッド５０Ｃは、減速ギヤ機構３８を含む運動変換装置１６が、シリンダ４４に対してポンプ軸２４を往復動させることができるように、直線往復動ピストン式ポンプ１２をハウジング３６から離間した状態でしっかりと保持する。これにより、タイロッド５０Ａ、タイロッド５０Ｂ、及びタイロッド５０Ｃは、ブラシレスＤＣモータ１４が発生して直線往復動ピストン式ポンプ１２に与えられる力に対抗する。

組み立てられた状態において、減速ギヤ機構３８は、駆動軸２２のピニオンギヤ６８とポンプ軸２４のラックギヤ７０（図４）との間の動力伝達用の結合を形成する。即ち、ピニオンギヤ６８が第１ギヤ機構５６の入力ギヤ５６Ａと噛み合う。出力ギヤ５６Ｂが第２ギヤ機構５８の入力ギヤ５８Ａと噛み合い、この入力ギヤ５８Ａが出力ギヤ５８Ｂを駆動する。出力ギヤ５８Ｂはラックギヤ７０に回転入力を与える。このようにして、ブラシレスＤＣモータ１４による駆動軸２２の回転により、ポンプ軸２４の直線移動が発生する。減速ギヤ機構３８を含む運動変換装置１６は、ポンプ軸２４の単一方向の動きが駆動軸２２の単一方向の回転に対応するように、駆動軸２２からポンプ軸２４への一方向の力の伝達のみを行う。ブラシレスＤＣモータ１４による駆動軸２２の回転の方向は、コントローラ３４（図１）によって反転され、ポンプ軸２４の繰り返しの往復動が生じて、シリンダ４４内におけるピストンのポンプ動作が得られる。

図４は、減速ギヤ機構３８によって連結される駆動軸２２（図３）のピニオンギヤ６８及びポンプ軸２４のラックギヤ７０を示す、図３のポンプシステム１０の斜視図である。ポンプシステム１０の構成部品の組み付けがわかるようにするため、図４ではハウジング３６を示していない。ブラシレスＤＣモータ１４による駆動軸２２の回転によって、直線往復動ピストン式ポンプ１２のポンプ軸２４の直線的な移動が生じる。ブラシレスＤＣモータ１４には、流れの方向が反転するＤＣ電流が、コントローラ３４（図１）から供給され、交互の２通りの、即ち交互の２方向の駆動軸２２の回転が生じる。

第１の期間において、第１の方向に流れるＤＣ電流がブラシレスＤＣモータ１４に供給されて、時計回りの駆動軸２２の回転が生じ、結果的に、直線往復動ピストン式ポンプ１２のポンプ軸２４を、図４における上方へ向けて移動させる。ピニオンギヤ６８の時計回りの回転により、入力ギヤ５６Ａの反時計回りの回転が生じる。入力ギヤ５６Ａは、ピニオンギヤ６８に比べて径が大きいため、ピニオンギヤ６８より低速で回転する。入力ギヤ５６Ａ及び出力ギヤ５６Ｂは軸４０に取り付けられており、出力ギヤ５６Ｂが入力ギヤ５６Ａと同じ回転速度で反時計回りに回転する。出力ギヤ５６Ｂは、第２ギヤ機構５８の入力ギヤ５８Ａと噛み合っており、出力ギヤ５６Ｂの反時計回りの回転により、入力ギヤ５８Ａの時計回りの回転が生じる。入力ギヤ５８Ａは、出力ギヤ５６Ｂより大きな径を有しており、出力ギヤ５６Ｂより低速で回転する。入力ギヤ５８Ａ及び出力ギヤ５８Ｂは軸４２に取り付けられており、出力ギヤ５８Ｂが入力ギヤ５８Ａと同じ回転速度で時計回りに回転する。このようにして、出力ギヤ５８Ｂの時計回りの回転は、ピニオンギヤ６８の時計回りの回転に比べて減速されたものとなる。具体的な減速の程度は、ブラシレスＤＣモータ１４及び直線往復動ピストン式ポンプ１２の個々の特性値、及びポンプシステム１０の要求出力に応じて設定される。出力ギヤ５８Ｂが時計回りに回転することにより、図４における上方に向けて、ラックギヤ７０が押し上げられる。

ラックギヤ７０の上方への移動により、ポンプ軸２４も上方に押し上げられる。ポンプ軸２４が上方に移動する距離は、コントローラ３４が第１の方向に駆動軸２２を回転させる期間と直接的に関係している。従って、ポンプ軸２４のストローク長、即ちシリンダ４４内のピストンのストローク長は、所定の方向に流れる電流をブラシレスＤＣモータ１４に供給する期間に直接的に対応したものとなる。ポンプ軸２４が直線往復動ピストン式ポンプ１２から外方に離れるように移動することで、流入口２８から流体が引き込まれる。

ポンプ軸２４をシリンダ４４内に再び戻し、シリンダ４４で加圧された流体を吐出口２６から押し出すため、コントローラ３４は第１の方向とは逆方向の第２の方向に駆動軸２２の回転方向を反転させる。一実施形態において、コントローラ３４はブラシレスＤＣモータ１４に流れる電流の方向を反転させる。このような反転は、既に公知のとおり、ブラシレスＤＣモータ１４の電機子における電流の極性を反転させることによって行うことができる。これにより、第１ギヤ機構５６及び第２ギヤ機構５８の作用を経て、ラックギヤ７０が（図４における）下方に押し下げられ、ポンプ軸２４がシリンダ４４内に押し込まれる。このようにして、コントローラ３４（図１）により、ある期間にわたってブラシレスＤＣモータ１４に継続的に流れる電流の方向が繰り返し逆転されることにより、ポンプ軸２４の直線的な往復動が行われる。

ブラシレスＤＣモータ１４の制御パラメータは、直線往復動ピストン式ポンプ１２の要求出力に基づき、ポンプシステム１０の操作者が設定する。このため、コントローラ３４は、公知であるような、プロセッサ、メモリ、グラフィックディスプレイ、ユーザインタフェイスなどを備えたコンピュータシステムからなる。ブラシレスＤＣモータ１４に供給する電流の大きさ、電流の極性（方向）の反転、及びブラシレスＤＣモータ１４に供給する電流の極性毎の期間が、コントローラ３４によって指令される。コントローラ３４は、それぞれの極性でブラシレスＤＣモータ１４に供給される電流の大きさを一定に維持するよう作動する。一定の電流により、ブラシレスＤＣモータ１４から一定の出力トルクが得られる。駆動軸２２からのトルクは、ピニオンギヤ６８、減速ギヤ機構３８、及びラックギヤ７０により、線形な関係をもってポンプ軸２４に直ちに伝達される。従って、駆動軸２２の回転速度は、直線往復動ピストン式ポンプ１２内の圧力により減速ギヤ機構３８を介して駆動軸２２に作用する反力の影響を受けることになる。上述したように、ブラシレスＤＣモータは入力電流の変化に対して迅速に応答するので、ブラシレスＤＣモータ１４は迅速に回転方向を反転させることができ、出力トルクを終止維持しながら、一方向への回転と他方向への回転との間で、一瞬だけ実際に回転を停止する（このとき回転速度は０に等しい）。従って、出力軸の回転運動をポンプ軸の２方向への往復動に変換するするための複雑な機械装置を必要とすることなく、コントローラ３４によってブラシレスＤＣモータを操作し、ポンプ軸２４を往復動させることができる。また、ブラシレスＤＣモータは、従来のエアモータに比べ、静かで使用電力も少ない。このように、ポンプシステム１０は、他のシステムに比べ、騒音を低減できると共に、運転コストを改善できる。

図５Ａは、図２〜図４に示すブラシレスＤＣモータ１４への入力電流（ｉ）を時間経過（ｔ）と共に示すグラフである。図５Ｂは、図２〜図４に示す直線往復動ピストン式ポンプ１２のポンプ軸２４のストローク（ｄ）を時間経過（ｔ）と共に示すグラフである。図５Ａによれば、電流ｉの大きさは、全ての時点においてほぼ同一となっている。従って、駆動軸２２の出力トルクはほぼ一定となる。例えば、時点Ａにおいて、コントローラ３４は、ブラシレスＤＣモータ１４に正方向に流れる電流を供給するよう作動し、ギヤ機構の作用によって、ポンプ軸２４の上方への移動が生じる。次に、コントローラ３４は、正方向の電流と同じ大きさでブラシレスＤＣモータ１４に負方向に流れる電流を直ちに供給するように作動する。このような反転により、下方へのポンプ軸２４の移動が生じる。従って、時点Ａと時点Ｂとの間でポンプ作動の完全な１反転サイクルが生じる。ある期間にわたって流れる電流ｉの方向は、所望の期間にわたり正方向と負方向とに交互に継続的に切り換えられ、ポンプ軸２４の往復動が継続して生じる。

ポンプ軸２４の上方移動ストロークと下方移動ストロークとからなるポンプ作動の１反転サイクルは、１対の正方向電流及び負方向電流によって完了する。ポンプ作動の各反転サイクルが生じる期間の長さを変更して、後述するように、ポンプシステム１０の性能を改善するようにしてもよい。本実施形態では、図示する期間にわたり、個々の正方向の期間及び負方向の期間がそれぞれ増大する。従って、時点Ｂと時点Ｃとの間で生じる第２のポンプ反転間隔は、時点Ａと時点Ｂとの間で生じる第１のポンプ反転間隔より長くなる。その後の各ポンプ反転間隔は、時間の経過と共に徐々に長くなっていく。これにより、より長い直線距離をポンプ軸２４が往復動することになり、図５Ｂに示すように、シリンダ４４内におけるピストンのストローク長が増大する。このようなポンプ軸２４のストローク長の変化により、減速ギヤ機構３８、ピニオンギヤ６８、及びラックギヤ７０におけるギヤの噛み合い位置が異なるときにポンプ軸２４の方向の反転が行われ、これによってギヤ機構における摩耗の分布が改善される。

図５Ｂに実線で示すように、ピストンシリンダ４４内のピストンのストロークｄは、時点Ａから時点Ｄに向けて増大していく。例えば、ピストンのストロークｄは、時点Ａと時点Ｂとの間で、特定の点に向けて増大した後、起点に向けて戻っていく。その後の各ポンプ反転の際には、ストロークｄが次第に増大していく。従って、図５Ａにおける時点Ａから時点Ｂに対応する図５Ｂの同じ時間枠では、ストローク長の増大が示されている。ストローク長が増大して、時点Ｄにおいてシリンダ４４の全体またはほとんどが使用されるようになった後は、ストローク長を徐々に減少させさせてもよい。即ち、図５Ａ及び図５Ｂにおける時点Ａから時点Ｂに対し、時点Ｄにおける縦軸を中心として線対称となる時点を定め、電流の反転間隔及びストローク長を徐々に短縮していってもよい。

ストローク長を変化させることの利点には、ポンプシステム１０の耐用寿命の増大が含まれる。即ち、運動変換装置１６のギヤ機構の耐用寿命が増大する。ポンプの反転動作により、ギヤの歯、特にピニオンギヤ６８の歯に衝撃荷重が加わる。このことは、ポンプ反転期間が最短化されて、駆動軸２２が急速に方向を反転させる場合に特に顕著となる。ポンプ軸２４のストローク長を変化させることにより、反転が生じたときに噛み合うギヤの歯が変わり、これによって、衝撃荷重が加わるギヤの歯がより多く分散した状態となる。更に、ポンプ軸２４、軸４０、及び軸４２に沿った部分のように、ポンプシステム１０内の軸支持領域に沿った部分での反転が生じる位置が変わることによって、ポンプシステム１０内における軸受部分の耐用寿命が増大する。

図５Ａ及び図５Ｂの実線は、所定のパターンでのストローク長の線形で均一な変化を示している。図５Ａに示すように、時点Ａと時点Ｂとの間で、ポンプ作動の完全な一反転サイクルが生じている。各反転周期は、正方向の電流と負方向の電流とに等しく割り振られる。このような均等配分により、所定のポンプストロークを達成するための十分な余地がないことで、ポンプ軸２４がシリンダ４４内のピストンをシリンダ４４の端部から突き出したり端部に衝突させたりする事態が確実になくなる。但し、ストローク長は、不規則に変化させてもよいし、不均一に変化させてもよい。コントローラ３４がピストンの絶対位置を監視するか、シリンダ内のピストンが突き出すのを回避するような設定パターンが設けられる限り、各ポンプ反転周期における正方向電流と負方向電流との時間配分を変更することが可能である。このために、コントローラ３４はポジションセンサ３５を用い、シリンダ４４に対するポンプ軸２４の絶対位置を監視する。これに代え、シリンダ４４にポジションセンサを設け、ピストンの位置を監視するようにしてもよい。

例えば、図５Ｂの実線は、上方への移動から下方への移動への切り換えを行う位置（頂点で示される）が変更可能であることを示しているが、下方への移動から上方への移動への切り換えは、当初の同じ位置（谷で示される）で常に行われている。但し、破線は、下方への移動から上方への移動への切り換えが異なる位置で行われてもよいことを示すものである。このように、ストロークの範囲は、シリンダ４４における使用可能な全領域内に常に維持される一方、各ストロークで反転が生じる位置は、変更することが可能である。従って、ストローク長を変化させることができるだけでなく、シリンダ４４に対するポンプ軸２４の位置（及び運動変換装置１６におけるギヤ機構の噛み合い位置）に関し、各ストロークにおいて反転を行う位置も変化させることが可能である。

好ましい実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく、形態を詳細に変更可能であることは、当業者が認識しうるものである。

Claims (17)

1. 第１の回転方向と前記第１の回転方向とは逆方向の第２の回転方向とに反転して回転可能な出力軸を有する電動モータと、
   第１の直線方向と前記第１の直線方向とは逆方向の第２の直線方向とに移動可能な入力軸を有するポンプと、
   前記出力軸を前記入力軸に連結して、前記第１の回転方向の前記出力軸の回転運動を前記第１の直線方向の前記入力軸の移動に変換し、前記第２の回転方向の前記出力軸の回転運動を前記第２の直線方向の前記入力軸の移動に変換するラックアンドピニオン式変換装置と、
   前記出力軸の回転方向を繰り返し反転させて、前記入力軸の往復動を生成するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、
   前記電動モータに供給する電流の流れる方向を反転させて、前記出力軸の回転方向を反転させ、
   前記電動モータに供給する電流を反転する時間間隔を変化させ、前記出力軸の回転方向を反転する際に前記ラックアンドピニオン式変換装置において噛み合う歯を変えることにより、衝撃荷重が加わる歯を分散させる
   ことを特徴とするポンプシステム。
2. 前記ポンプは、容積式ポンプからなることを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。
3. 前記ラックアンドピニオン式変換装置は、減速ギヤ機構を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。
4. 前記減速ギヤ機構は、２段階の減速機構からなることを特徴とする請求項３に記載のポンプシステム。
5. 前記電動モータは、ブラシレス直流モータからなることを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。
6. 前記コントローラは、前記電動モータの出力トルクを一定に維持することを特徴とする請求項５に記載のポンプシステム。
7. 電動モータに流れる電流の方向を繰り返し反転させて、前記電動モータの出力軸を時計回りと反時計回りとに交互に回転させる工程と、
   減速ギヤ機構及びラックアンドピニオン機構を用い、前記出力軸の時計回りと反時計回りとの交互の回転運動を、ポンプ軸の直線往復動に変換する工程と、
   前記電流の方向を反転する時間間隔を変化させ、前記ポンプ軸の上限位置、前記ポンプ軸の下限位置、及び前記ポンプ軸のストローク長の少なくとも１つを変えることにより、前記出力軸の回転方向を反転する際にラックアンドピニオン変換装置において噛み合う歯を変える工程と
   を備えることを特徴とするポンプの運転方法。
8. 前記電動モータは、ブラシレス直流モータからなり、
   前記ポンプは、容積式ポンプからなる
   ことを特徴とする請求項７に記載のポンプの運転方法。
9. 前記出力軸の時計回りと反時計回りとの交互の回転運動を前記ポンプ軸の直線往復動に変換する前記工程は、
   前記出力軸でピニオンギヤを回転させる工程と、
   前記ピニオンギヤでラックギヤを直線移動させる工程と
   を備えることを特徴とする請求項７に記載のポンプの運転方法。
10. 前記時計回りの前記出力軸の回転により、第１の方向の前記ポンプ軸の直線移動を生成し、
    前記反時計回りの前記出力軸の回転により、前記第１の方向とは逆方向の第２の方向の前記ポンプ軸の直線移動を生成する
    ことを特徴とする請求項７に記載のポンプの運転方法。
11. 前記電動モータに一定の大きさの電流を供給して出力トルクを一定に維持する工程と、
    前記ポンプの出力する圧力を一定に維持する工程と
    を更に備えることを特徴とする請求項７に記載のポンプの運転方法。
12. 電流が流れる方向を反転する前記時間間隔を、予め定めたパターンで変化させることを特徴とする請求項７に記載のポンプの運転方法。
13. 電流が流れる方向を反転する前記時間間隔は、前記上限位置を徐々に上昇させるもの、または前記下限位置を徐々に上昇させるものであることを特徴とする請求項１２に記載のポンプの運転方法。
14. 電流が流れる方向を反転する前記時間間隔を、不規則に変化させることを特徴とする請求項７に記載のポンプの運転方法。
15. 前記ポンプ軸のストローク長を最大ストローク長まで徐々に増大させ、その後、最小ストローク長まで徐々に減少させる工程を更に備えることを特徴とする請求項７に記載のポンプの運転方法。
16. 回転する出力軸を有したブラシレス直流電動モータと、
    直線移動する入力軸を有した容積式ポンプと、
    前記出力軸を前記入力軸に連結し、時計回りの前記出力軸の回転を、第１の方向の前記入力軸の移動に変換し、反時計回りの前記出力軸の回転を、前記第１の方向とは逆方向の第２の方向の前記入力軸の移動に変換するラックアンドピニオン式変換装置と、
    前記出力軸の回転方向を繰り返し反転させて、前記入力軸の往復動を発生させるコントローラとを備え、
    前記コントローラは、前記電流の方向を反転する時間間隔を変化させ、前記出力軸の回転方向を反転する際に前記ラックアンドピニオン式変換装置において噛み合う歯を変えることにより、前記ラックアンドピニオン式変換装置における歯の摩耗を抑制する
    ことを特徴とするポンプシステム。
17. 前記ラックアンドピニオン式変換装置は、
    前記出力軸に組み付けられたピニオンギヤと、
    前記入力軸に組み付けられたラックギヤと、
    前記ピニオンギヤ及び前記ラックギヤに組み付けられた減速ギヤ機構と
    を備えることを特徴とする請求項１６に記載のポンプシステム。