JP2006271178A - 往復リニアエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】直流電源でモータのシャフトを回転させるのではなく駆動シャフトを高速で直線往復運動させる。
【解決手段】２組のスイッチ盤で構成されたスイッチ回路に反転電流が導通されるように逆極性に配置した電極端子を配置し、スイッチングユニットの中間空間に設けたフリーピストンタイプのスライダーの胴部両端開口部にストッパーを設け、中心部空間にシャフトを貫通または延長アームを配置しスライダーを往復させる移動ガイドをスライダーの中心位置と一致する位置に配置し，当該ストッパーに接触することによりスライダー電極板がスイッチ盤の電極スイッチ端子と接触しスイッチが入り反転電流が励磁コイルに配給され揺動子が反転し同時に移動ガイドが反対側のストッパーに接触するまでスライダーはそのまま留置され電極接触状態で通電を維持しストッパーに達すると同様反転動作するようにした自己スイッチング機能をもたせる。
【選択図】図２

Description

本発明は，一般的に知られている直流整流子回転モータ等のシャフト回転装置ではなく軸方向に所定距離範囲内で往復することができるリニアエンジン駆動機構に関する。現在一般市場で直接シャフトをリニア駆動している製品はほとんど交流電流ないし周波数変動電流に対応動作によるものであり応用製品も限定され、励磁コイルに直流電流を通電して直接リニア駆動する装置は見当たらない。従来リニア運動させる機構を必要とする場合回転モータを用いてカム等のリンク機構により別のシャフトを往復リニア運動させるが，本考案は直流を擬似交番電流として変換するスイッチング機構を揺動機構に付加することでシャフトの往復揺動駆動を実現している。この装置のシャフトに直接ピストンやダイアフラム弁機構を付ければ各種ポンプのモータに代わる駆動源として利用できさらに電磁弁駆動装置やプランジャー駆動源としてまた錘を付ければ各種バイブレータなど家庭器具から産業大型装置まで利用でき応用範囲は広い。

従来，この類に近い製品は自動車機能部品としての各種プランジャーや一般に回転モータを応用工夫してリニア動作する家庭用野菜裁断機や各種押し出し装置がある。現行プランジャー製品は高速連続動作には不向きであり回転装置の応用はカム等の機構が必要である。また乾電池等の直流電源でシャフトを簡単に高速リニア往復運動を直接駆動させる装置は見当たらない。

解決しようとする問題点は，軸を往復反転動作させるためには一般的な直流駆動の回転モータに必要とされる整流子に相当する擬似交番電流を発生させるスイッチング機構が必要でありかつ反転している間電流を継続通電することが要求される。また負荷状態の変動によっても反転させるタイミングを調整する機構が必要である。これらを解決することにより回転ではなくシャフトを直接往復リニア駆動できる装置が実現できる。

本発明の請求項１に係わる往復リニアエンジンは，揺動子が固定ヨークに衝突する直前に反転電流を通電し反対側に揺動子を移動させ再び同状態位置にきたら極性反転を行い励磁コイルに分配通電しシャフトを揺動する機構に関するものである。駆動シャフトの反対側の固定ヨーク外側に二つのスイッチ盤を所定の空間を設けて配置し，スイッチ盤の電極端子配置は左右対称とする。それぞれのスイッチ盤には直流電源の一次側電極とスライダーの電極板接触スイッチングにより導通する二次側電極をプラス極回路側とマイナス極回路側に設けている。ただし，左右揺動子が反転するために逆極通電が必要とされるので反対側のスイッチ盤の一次電極のプラス端子とマイナス端子には逆極配線すなわ逆位置とする。その二つのスイッチ盤の中間に配置するフリーピストン式の該スライダーもスイッチ盤の各スイッチ電極端子位置に対応して電極板を両面ないし片面に二組ずつ配置する。スライダーは同時に両方の電極スイッチに接触することはないので両側のスイッチングを片側一セットの中心配置電極板で対応することもできる。

電源スイッチを入れ励磁コイルに通電するとマグネット揺動子は常にスライダー電極板が接触している方向と反対側固定ヨークコイル側に吸引ないし反発し，揺動子一体のシャフト延長部中心配置のガイドが移動し，スライダー胴部空間部入り口のガイドストッパーに当たりシャフトと一緒に動き出す。同時に反対側のスイッチ盤正負極の回路スイッチは切断開放され当該スイッチ盤のプラス極端子とマイナス極端子の２回路に電極板が各々接触しスイッチが入り極性反転電流が励磁コイルに印加され揺動子は反対側に移動する。シャフト移動とともに検出部ガイドは移動するが反対側ガイドストッパーに当たるまではスライダーは留置され移動しない遅延動作機構としている。すなわち直流電流を自己スイッチングにより極性反転を繰り返し擬似交番電流として励磁コイルに分配通電しシャフトを往復揺動するリニアエンジン装置である。

請求項２の発明に係わる往復リニアエンジンは，揺動子が固定ヨーク直前で適切な位置で反転するスイッチング機構に関する。スライダー胴開口部空間に位置しているシャフト延長部の揺動中心である検出部ガイドの幅ないし長さ調節で揺動子の反転タイミングの位置を調整できる機構を配備した。すなわち駆動シャフトに取り付ける目的物等により負荷が変動しその加速度で所定の位置では揺動子がヨークに激突若しくは手前反転で効率が悪い。また製造上の励磁コイル，マグネット等の性能誤差を吸収調整するために最適な反転タイミングの位置に調整する必要がある。そこでガイドの幅調整ができるように移動ガイドをワッシャ等のリング円板状の薄板でシャフトに１枚から適当枚数挿入しスプリングで左右から挟み込み固定する機構若しくは延長部シャフト先端部揺動部アームにネジ部を設けナットを組み合わせて移動ガイドとしその位置を変動させその幅を調整する機構を設けた。
スイッチ盤間距離とスライダーの移動距離およびストッパー距離は固定しているのでシャフト移動検知ガイドの幅をかえることによりストッパーに当たる距離が調節されスイッチタイミングが変わり揺動子の反転位置が変更できる。すなわち幅長にすれば速く反転し揺動子と固定ヨークとの間隔を広くでき幅短にすれば反転が遅くなり当該間隔を狭くすることができる。

請求項３の発明に係わる往復リニアエンジンは，無接点スイッチ方式の往復リニアエンジンに関するもので，接点機構のみを無接点スイッチとした。一般的には延長シャフトの検出ガイドを無接点スイッチャーの感応部材として相手側であるスイッチ盤にその感知センサーを取付けマイコン等の制御回路によりその反転タイミングと通電分配をさせる機構が考えられるが使いやすさやコストの点からすると機械的機構と電子的な機構を併用する当該考案とする方が利する。すなわちスライダー側の電極板の替わりにマグネット磁力や光反射板等を取り付けて対面スイッチ盤にその感応センサーを配備して同盤上に設ける無接点リレースイッチ等により通電するもので極性反転はスライダーの揺動により行う防爆型往復リニアエンジンである。機械的機構と電子回路機構を併用する構造としたので電子回路を複雑化せずかつ機械的機構を単純化した往復リニアエンジンを構成できる。

請求項４の発明に係わる往復リニアエンジンは，小型化し信頼性メンテナンス性を向上するために当該装置を駆動ユニットとスイッチングユニットの二つに分け着脱交換できる構造としその締結手段としてスイッチ切り替え機構であるスライダーの回転止め機構をもった少なくとも二本のスライドシャフトをスライダーがスムースに揺動できる貫通配置とし、両側の蓋部で固定するように配置したスライドシャフトの片側先端部をネジ部として駆動ユニットケース端面ないし固定ヨーク端面にスイッチングユニットを固定ないし脱着できる構造とした。

請求項５発明に係わる往復リニアエンジンは，シャフトに取り付ける目的物により揺動子が大きな加速度で往復揺動するので振動等により電極接点が振れて通電が断続する場合もある。また揺動子はコイルスプリングで通常中間位置にあるので必ずしもスライダーはどちらかの接点に接触し通電状態にあるとは言えない。そのため適当圧で必ずどちらかのスイッチ盤にスライダーを吸着状態すなわち通電状態にしておく必要がある。そこで永久磁石若しくは鉄片をスライダーに固着し対面するスイッチ盤上に同様鉄片又は磁石を配備し，接点電極が常にいずれか側に適当圧で密着できる機構とした。永久磁石は電磁石に置き換えることもできる。

請求項１の発明によれば，簡単な構造で自己スイッチングにより直流電源を擬似交流電流とし揺動子−シャフトを揺動できる。さらにシャフトの揺動距離に比してスイッチ盤電極端子とスライダー電極板の動作距離をわずかな距離に設定できるので応答が速く機械的効率もよいマイクロサイズのリニア駆動源や超大型サイズの産業用往復リニア駆動装置の具現化ができ応用製品の開発が数多く展開でき新しい産業が生まれる。

請求項２の発明によれば，揺動子反転往復運動させるスライダーのスイッチング動作位置を徴妙に調整できるので動作効率を最大限に上げることができる。

請求項３の発明によれば，防爆仕様構造の往復リニアエンジンとして構成でき機械的機構と併用した無接点スイッチ機構により安全度・精度の高い製品が供給できる。

請求項４の発明によれば，左右のスイッチ盤とケース構造を樹脂等で一体化ユニットとし揺動子駆動部ユニットと切り離した機構として分離着脱できるようにしたのでスイッチャー部の修理交換や反転位置調整も容易になり小型化できる。

請求項５の発明によれば，マグネット磁力により常時スライダーはスイッチ盤の左右どちらかに必ず接触しているので何らかの要因で揺動子シャフトが中間位置に停止した状態でもスイッチは入り状態に置かれており揺動子は電源が入れば必ず動作する。また電極端子は所定の接触圧で電極板と接触状態なので装置の加速度振動や外部振動にも通電断続することなく駆動できる構造である。

以下本発明の実施の形態を図１から図１８に基づいて説明する。

図１は本発明の当該往復リニアエンジンの本体装置外観図で円筒ケース４の片側から駆動
シャフト１が外部に突き出ており目的物をネジ等で先端部に固定し取り付け駆動する。図２は当該エンジンの側面透視断面図である。図３は電極端子部の部分断面図であり図４および図５は左右両端正面図である。図６，図１１はスイッチングユニット側面図と回転止め機構であるスライダーシャフトを固定ネジと兼用して該ユニットを駆動ユニットに着脱できる説明図で請求項４に関して図示している。図７はスライダー正面図で電極板２０とその配置を説明している。図８はスイッチ盤の外表面部の電極部配線実体図であり反対側に極性反転回路を配置するリード線２７で反対側リード端子へ誘導していることを図示している。図９はその反対側のスイッチ盤裏側正面図。図１０は請求項５に関連する永久磁石吸引機構部の断面図である。図１２は請求項２に関連するシャフト移動ガイド機構部説明断面図である。図１３は請求項３に関する機構説明図で図１５の配線概略図とともに電子的スイッチング併用構造である無接点センサー機構の断面図である。図１４は有接点スイッチング機構の電気配線概略図である。

図１６は当該装置の応用製品の一つでエアポンプ外観図で図１７は自動釘打ち込み器で図１８は同様機構の健康マッサージ器を図示している。

本発明は駆動ユニットの動作構成を揺動子であるマグネットヨーク２の片面磁石固着と励磁コイルヨーク６の一対、若しくはマグネットヨーク両面磁石固着の揺動子を間に挟んだ誘導コイルヨーク二対構成装置にも適応できる。またスイッチ盤９は駆動シャフト側でもその反対側のシャフトにアームを延長し固定ヨーク側への配置としてもよい。本考案では励磁コイルヨーク二組６を固定し中間にマグネット揺動子２としてヨーク両面にマグネット二組３を固着した構造としシャフトアーム延長構造とした。

上下面に着磁した円板状リングマグネット３を両面に固着しマグネットヨーク２の磁極磁束を内外輪部周縁部に誘導した磁界構成とし励磁コイル磁極磁束も同様対面するように誘導して吸引反発する磁界配置とし，マグネット揺動子１７に真鍮、アルミや非磁性ステンレス素材等で形成したシャフト１をネジその他の手段で固着固定しその両側対向面に励磁コイル７を内装固着したコイルヨーク６が所定間隔で金属円筒ケース１５に固定する。アームが延長付加されたシャフト１両端は軸受１１で保持され、片側は外部に突きだし駆動軸として目的物に結合される。先端アーム部２４にはアームスプリング２２で中間保持されたリング状ワッシャが移動ガイド２６として取り付けられている。移動ガイドの中心は左右スイッチ盤の中間真中に位置するようにアーム長は寸法加工されている。図１２は延長シャフト部の検出部アームの中間にストッパー距離短縮調整の移動ガイド２６を数枚配置した部分断面図である。移動ガイド２６は薄板ワッシャ形状で，その厚みを調整ないし枚数増減することによりスライダーストッパー１４と移動ガイド端の距離が調整できるので揺動子の反転タイミングを変えることができる。すなわち移動ガイド２６はフリーピストン式円筒状スライダー１２の胴開口部両側出入口に設けたストッパー１４に接触し該スライダー１２を押し動作のみで左右に移動する。

スライダー１２は樹脂材料もしくは図７で図示している電極部位を絶縁したアルミや薄板金属板素材で形成し、同様素材で形成される円筒スイッチ盤１２の空間部に収納配置され、二本の非磁性体金属ないしエンジニアリングプラスチック等で形成するスライダーシャフト１３で中間保持され、図１１で図示しているように左右軸方向のみ移動できる構造とした。該スライダーシャフト１３はスライダー１２が回転せずに電極１０に正確に接触させる目的で配置している。

図７で図示しているようにスライダー１２の円板部にはスイッチ切替え器のための導通用スイッチ電極板２０が片側２箇所ずつ両側に配置されてスイッチ盤の各電極端子のプラス回路側とマイナス回路側の二回路を同時に切り換するスイッチである。スイッチ盤図８および図９で図示しているように各スイッチ電極板２０は対面しているスイッチ盤の入力一次電源リベット端子電極プラス極側４２−Ａと供給二次リベット端子電極４４−Ａ及び同様入力一次電源リベット端子電極マイナス側４３−Ａと二次リベット端子電極４５−Ａに接触し導通させる。

スライダー１２を収納した左右スイッチ盤９は図６図示のごとく円筒状にユニット結合したスイッチングユニット２１を構成しコイルヨーク６背面にネジ３９で締結固定する。反対外側のスイッチ盤側にはケースキャップ１６を取付け直流電源入力用リード端子８すなわち正負極２本４６および４７をキャップ開口部より外部に出している。図１４および図１５は有接点スイッチング回路および無接点スイッチング回路の電気配線概念図である。左右のスイッチ盤９の端子回路に反転電流が供給されるようにプラス側とマイナス側が対面側スイッチ盤にリード線２７で逆配置になるように誘導配線２７され二次側端子配線は共通リード端子４８，４９で両側固定結合されて励磁コイルに電流が交互にその極性を変えて通電供給される。よって変動磁界を形成しマグネットヨークの磁界と吸引反発してシャフトを介して該スライダー１２が往復するたびに正負極が入れ替わる自己スイッチング構造としている。

図１０は請求項５の説明図である。スライダー１２のスイッチ電極板２０は常に左右どちらかのスイッチ盤接点である電極リベット端子１０に一定圧力で接触させるため永久磁石による磁気吸着力が働くように該スライダー側には永久磁石であるスライダーマグネット１８が配置固定され、対面するスイッチ盤９には吸引吸着用鉄リベット１９が配置固着されている。通常状態では必ずどちらかのスイッチ盤側に吸着状態となっていてシャフトの移動ガイド２６により引き離され反対側にセットされる構造としている。図１１はスライダー１２の回転止め機構を説明した部分断面図であり、当該スライダー１２が常に同じ位置で電極端子と接触動作をさせるようにスイッチングユニット２１を駆動ユニット３０と結合脱着する締結ネジ兼用の二本の支柱スライダーシャフト１３で軸方向のみ揺動する構造となっている。

図１３はピストンを取り付けたエアポンプとして利用する。

図１４はシャフト先端にハンマーヘッド３６を取り付けた自動釘打機であり図１５は同様機構で錘を取り付けたバイブレータとした実施例でいずれも乾電池２９を電源とし電圧調整によりスピードや強弱調整ができ健康マッサージャや汎用振動発生装置として用いることができる。

本発明装置は，あらゆる産業用の部材として応用範囲は極めて高い。突き出したシャフトを駆動源として目的物をに本体装置に取付け駆動シャフトの動作運動を直接利用もしくはその動作距離ないし押し出し力を利用する位置に配置して利用でき、瞬間的なパルス電源にも反応動作できるので工場生産ラインの制御搬送装置から航空機、自動車、ロボットの運動機構や制御機構に応用できさらに構造が簡単なので大型の建設機械補助装置や土木機械としてその応用範囲は広い。

本体装置の外観図 本体装置の側面透視断面図 本体装置の側面部分断面図 本体装置の左正面図 本体装置のシャフト側正面図 本体装置スイッチングユニット部側面図 スライダー電極板部正面図 スイッチ盤電極端子配線実体図 スイッチ盤対向側電極端子配線実体図 スイッチングユニットマグネット機構部断面図 スイッチングユニットスライダーシャフト機構部断面図 シャフト移動ガイドとストッパー部断面図 無接点スイッチ機構部断面図 有接点電極仕様装置の電気回路配線図 無接点電極仕様装置の電気回路配線図 エアポンプ機構応用外観部分断面図 釘打ち機の外観図 マッサージ器への応用図

符号の説明

１−−−シャフト
２−−−マグネットヨーク
３−−−マグネット
４−−−ケース
５−−−コイルバネ
６−−−コイルヨーク
７−−−励磁コイル
８−−−一次側電源入力リード端子
９−−−スイッチ盤
１０−−−電極リベット端子
１１−−−軸受
１２−−−スライダー
１３−−−スライドシャフト（スイチングユニット締結ネジ兼用）
１４−−−スライダーストッパー
１５−−−スイッチケース
１６−−−キャッフ
１７−−−揺動子（ヨーク・マグネット）
１８−−−スライダーマグネット
１９−−−マグネット吸着リベット
２０−−−スイッチ電極板
２１−−−スイッチングユニット
２２−−−アームスプリング
２３−−−電極板固定リベット
２４−−−アームシャフト（延長部）
２５−−−アームスプリング固定止め
２６−−−移動ガイド（ワッシャリング）
２７−−−極性反転配線用リード線
２８−−−バリスタ
２９−−−乾電池
３０−−−駆動ユニット
３１−−−ピストン
３２−−−シリンダーライナー
３３−−−弁機構
３４−−−吐出孔
３５−−−吸入孔
３６−−−ハンマーヘッド
３７−−−釘
３８−−−揺動子
３９−−−スイッチ盤固定ネジ
４０−−−錘
４１−−−人体
４２−Ａ−−−１次側電極リベット端子プラス極
４２−Ｂ−−−１次側電極リベット端子プラス極反対側
４３−Ａ−−−１次側電極リベット端子マイナス極
４３−Ｂ−−−１次側電極リベット端子マイナス極反対側
４４−Ａ−−−２次側電極リベット端子プラス極
４４−Ｂ−−−２次側電極リベット端子プラス極反対側
４５−Ａ−−−２次側電極リベット端子マイナス極
４５−Ｂ−−−２次側電極リベット端子マイナス極反対側
４６−−−１次側電極リードプラス極
４７−−−１次側電極リードマイナス極
４８−−−２次側電極リードプラス極
４９−−−２次側電極リードマイナス極
５０−−−マグネットセンサー
５１−−−無接点リレースイッチプラス側
５２−−−無接点リレースイッチマイナス側

Claims (5)

1. 円筒状ケースに収納したマグネットないしその磁極を所定方向に誘導するヨークと所定距離をおいて対面位置にある励磁コイルと該磁束を誘導するヨーク結合体のいずれか一方をケース等に固定し他方をシャフトに固着し励磁コイルに通電することにより電磁誘導による吸引反発で振動及び往復運動する構造体において，樹脂等の絶縁材質で形成した薄板円板に直流電源の正負極ライン各々にスイッチング回路を構成する電極端子を配置したスイッチ盤を二組対面対称で所定空間を設け固定配置し対面相手側電極の通電極性が逆配置になる配線とし該空間にスイッチ盤上の２ライン４回路のスイッチ入切機能を果たす電極板をもったフリーピストン式の電極筒すなわちスライダーを配置収納したスイッチングユニットを駆動シャフト側固定ヨークもしくはその反対側の固定ヨーク壁面にネジ等の締結手段で固定する配置としてスライダー胴口部空間に固定ヨーク軸受からスイッチ盤軸孔を貫通した駆動シャフトないし延長アームシャフトを納める構造としスライダー胴口部左右の入り口にストッパーを設け挿入シャフトないしアームシャフト揺動中間に設けた突起移動ガイドとの接触でスライダーを移動留置する構造としシャフトの移動によりスライダーの電極板とスイッチ盤電極端子が接触し導通状態−スイッチ入切により反転電流を励磁コイルに交番配給し揺動子を反発吸引すなわち駆動シャフトを往復運動させる直流電源極性反転自己スイッチング機能をもったことを特徴とした往復リニアエンジン。
2. 前記第１項記載の往復リニアエンジンにおいて，駆動シャフトないし延長アームシャフトの揺動距離の中心すなわち移動ガイドの中心を原点としてスライダー及び左右スイッチ盤の中間中心点とすべて一致させる基準配置としスイッチ盤空間を揺動子の往復距離とほぼ同じ空間配置としスライダー胴部開口出入口両側に設けたストッパーに該シャフト移動ガイドがあたる距離を調整できるようにガイドの厚みないし長さをまたはストッパーの位置を変更調整できる手段すなわちストッパーにあたる距離を調整できる機構をもった構造とした揺動子反転位置調整機構ないし手段をもったことを特徴とする直流往復リニアエンジン。
3. 前記第１項及び第２項記載の往復リニアエンジンにおいて，スライダーの有接点電極板に替わるものとして該スライダーの両面若しくは側面端部にマグネットや光反射板やインピーダンス変動部材等を設けスイッチ盤側に当該部材に感応する近接センサーによる揺動子反転位置を感知して同スイッチ盤上に設けられた電子無接点リレースイッチ等により反転電流を分配通電する電子回路機構を併用装備したことを特徴とする往復リニアエンジン。
4. 前記第１項，第２項及び第３項記載の往復リニアエンジンにおいて，左右の個別のスイッチ盤を樹脂等で円筒形状に一体的に構成したスイッチケースにスイッチ入切機構を持ったスライダーを収納しスイッチングユニットとし反転タイミングを検出する移動ガイドをシャフトないし反対側延長アームに配置したシャフトをもった揺動機構を円筒ケースに収め駆動ユニットとし該移動ガイドをスイッチングユニットの空間中間部真中に配置できるようにし該シャフトを貫通ないしアームを収納する機構としスライダーの回転止め揺動機構とする少なくとも２本のスライドシャフトをスライダーに貫通させ両側蓋に配置し当該スライドシャフト先端部にネジ部を形成して駆動ユニットのケースまたは固定ヨークの側面に締結できる機構とし両ユニットを着脱交換できるようにした構造を特徴とした往復リニアエンジン。
5. 前記第１項，２項，３項及び第４項記載の往復リニアエンジンにおいて，スライダーとそれを挟んだ左右スイッチ盤間に永久磁石による吸引吸着を行わせるため該スライダーに永久磁石ないし鉄片を固定し相対するスイッチ盤上の対向位置ないしスイッチングユニットケース側面部対向位置に同様鉄片ないし永久磁石を固着したことを特徴とした往復リニアエンジン。

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