JP2006325381A - Reciprocating linear engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,一般的に知られている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。同一ケース内蔵若しくは別装置で生成される約400Hz以下の交流交番信号や音響信号や各種使用目的にアレンジされた複合波長信号等の増幅電流や直流の正負極反転スイッチング機構により生成される擬似交番電流を当該装置の励磁コイルに印加通電することによりシャフトが左右に往復運動する装置に関するものである。すなわち中空鉄心にドーナツ状に巻回した励磁コイルを巻きその鉄心ヨーク両側に発生する磁極磁界に反応するリング状マグネットの吸引反撥動作を応用する機構でありその軸力を増す方法としてマグネットと励磁コイルの組み合わせ機構を複数構成して多段ユニット装置としたものである。つまりマグネット若しくは励磁コイルのいずれか一方を揺動子としてシャフトに固定し他方を固定子として本体ケースに固定し、ケース外部に延長したシャフト軸端に直接ピストンやダイアフラム弁機構を付加すれば各種ポンプ・コンプレッサー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加すれば各種バイブレータなどに応用展開ができるものである。 The present invention relates to a linear engine drive mechanism that can reciprocate within a predetermined distance in the axial direction, rather than a generally known shaft rotation device such as a motor. Amplified current of about 400Hz or less AC alternating signal or acoustic signal generated in the same case or in another device, composite wavelength signal arranged for various usage purposes, or pseudo alternating current generated by DC positive / negative polarity switching mechanism Is applied to an exciting coil of the apparatus, and the shaft reciprocates left and right. In other words, an exciting coil wound in a donut shape is wound around a hollow iron core, and a mechanism that applies the attractive repulsion action of a ring-shaped magnet that reacts to the magnetic field generated on both sides of the iron core yoke. A plurality of combination mechanisms are configured to form a multi-stage unit device. In other words, if either the magnet or the exciting coil is fixed to the shaft as a rocker, the other is fixed to the main body case as a stator, and a piston or diaphragm valve mechanism is added directly to the shaft shaft end extended to the outside of the case, various pumps -It can be used as a drive source in place of a compressor motor, and can be applied to various vibrators by adding a weight as a solenoid valve drive device or plunger drive source.
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にカム機構を構成してリニア動作させる装置や交流100V電源利用の電磁反撥ハンドマッサージャー等があるがシャフトをリニアに動作させるものではない。しかしながら既存プランジャー装置はリニア駆動源として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り電磁リニアバイブレータも交流100V50Hz若しくは60Hzに限定される。また最近開発された直接リニア動作する装置でも駆動力を増減するには電圧電流容量や周波数をコントローラで増減する装置が必要であるがストロークが数mmと小さく大きくすると熱の発生やコイルやスプリングの応力限界を超えるため耐久性などに問題が生じる。強力な軸駆動力を必要とする場合大きな電流を流すため巻き線径を太くするとさらに低周波域にフィルタリングされ20−30Hz程度のピストン運動となり脈動を発生してくる。高効率エアポンプや冷凍コンプレッサーの駆動力として使用する場合はできるだけ高い周波数でストロークが取れる機構装置が必要になる。 Conventionally, products similar to this type include various plungers as automotive functional parts, devices that perform a linear operation by configuring a cam mechanism on a rotary motor, and electromagnetic repulsion hand massagers that use an AC 100V power source. It doesn't let you. However, the existing plunger device is not suitable for high-speed continuous operation as a linear drive source, and the application of the rotating device requires a mechanism such as a cam, and the electromagnetic linear vibrator is also limited to AC 100 V 50 Hz or 60 Hz. Also, recently developed devices with direct linear operation require a device that increases or decreases the voltage / current capacity or frequency with a controller in order to increase or decrease the driving force. However, if the stroke is increased to a few millimeters, heat generation, coil or spring Since the stress limit is exceeded, there is a problem in durability. When a strong shaft driving force is required, a large current is passed to increase the winding diameter, so that the coil is further filtered to a low frequency region, causing a piston motion of about 20-30 Hz and generating pulsation. When used as a driving force for a high-efficiency air pump or refrigeration compressor, a mechanism device that can take a stroke at as high a frequency as possible is required.
解決しようとする問題点は,装置の大きさを余り変えずに大きなエネルギーを得ることにある。また長寿命の装置とするためにバネなどの機械的寿命限度部材をできるだけ減らすことにある。また大きなパワーで駆動しかつ小型化してくと熱の放散が問題になりその解決方法も必要となる。マグネット磁力やコイルサイズを大きくすることにより電流値はアップし軸駆動力は増すことができるが当然装置全体も大きくなり電流・電圧の増大となる。さらに冷凍冷蔵コンプレサー用とする場合はより静粛で高い耐久性が要求されので高い周波数で運転でき機械的疲労部材である圧縮スプリング等の使用はメンテナンス上から望ましくない。 The problem to be solved is to obtain large energy without changing the size of the device much. Another object is to reduce the number of mechanical life limit members such as springs as much as possible in order to obtain a long-life device. Also, if it is driven with large power and downsized, heat dissipation becomes a problem, and a solution is also required. By increasing the magnet magnetic force and the coil size, the current value can be increased and the shaft driving force can be increased, but naturally the entire apparatus also becomes larger and the current and voltage increase. Furthermore, when used for a freezer / refrigerator compressor, quieter and higher durability is required, so use of a compression spring or the like that can be operated at a high frequency and is a mechanical fatigue member is undesirable from the viewpoint of maintenance.
上記目的を達成するために,請求項1の発明に係わる往復リニアエンジン装置は,励磁コイル若しくはマグネットいずれかを固定子とし一方をシャフトに固着して揺動子とするものでありその組合せユニットを複数配置した駆動力増強装置に関する発明である。励磁コイルをケース等に固定して固定動作体として用いる場合は励磁コイルの外輪部に放熱孔を持ったアルミなどの放熱リングを取り付けてケースに固定若しくは直接ケースに固定し,該コイル内輪中心軸穴に中空鉄心をはめこみシャフトの軸受としての機能をもたせその該コイルを押さえ込むように鍔を立ち上げヨークを形成をすべく磁極の磁束中心を該鍔端部に誘導し対面するマグネットの磁極磁束の中心圏と一致する様に鍔寸法を加工形成する。上下厚み軸方向に着磁し希土類金属等で形成したリング状マグネットをシャフトに挿入し接着剤若しくは止め輪等の締結手段で固定し該励磁コイルを挟んでストローク所定位置に両側対称位置に配置し揺動子とする。ただしマグネットの磁極配置は交番電流により発生する励磁コイルの磁極磁界に片側は吸引され反対側は反撥する対面配置構造としシャフト揺動子が同一方向に動作する配置とする。リング状マグネットを固定子としてケースに固定する場合も同様であるが励磁コイルは揺動シャフトに固定するので強制空冷される構造となる。騒音を押さえるためまた機械的部材をできるだけ少なくするために複数の磁気反撥駆動ユニットを構成した場合でもコイルバネはケース両端の両側のみに配置し揺動子である各マグネットを非通電時には中間位置に置く構造とし外側両端配置のコイルバネは外部から容易に交換できる構造とした。以上により励磁コイルに交番電流が印加通電されると単体ないし複数の揺動子が固定動作体と反応してシャフトが左右に通電周波数に同期した高い軸駆動力でレシプロ運動をしてケース外部に延長されたシャフトに連結されるエアコンプレッサー等の各種装置のリニア駆動源としてもしくはシャフト先端に付加される錘により各種振動装置として振動を発生させることができる。 In order to achieve the above object, a reciprocating linear engine device according to the invention of
請求項2の発明に係わる往復リニアエンジン装置は,マグネットをシャフトに固定し揺動子とした場合励磁コイル側と反対のケース側揺動子マグネット片面磁極は遊んでいるのでケース蓋内壁に該揺動子マグネット磁極磁界に反撥対応するように着磁配置した揺動子同様リング状マグネットをシャフト貫通できる中心配置で片面固着としコイルスプリング等を不要とした磁力反撥スプリング機構構造とした。また装置サイズが大きい場合は複数のマグネットを揺動子磁極磁界に対応するようにケース蓋部内壁に接着などにより放射状に多数配列固定してもよい。また励磁コイルを揺動子とした場合でもシャフト終端部にマグネットを固着して対向対面するケース蓋内壁に同様マグネットを固着し磁力反撥スプリング構造とすることもできる。 In the reciprocating linear engine device according to the second aspect of the present invention, when the magnet is fixed to the shaft and the oscillator is used as the oscillator, the case-side oscillator magnet single-sided magnetic pole opposite to the exciting coil side is idle. A magnetic repulsive spring mechanism structure in which a ring magnet is centrally located so that it can pass through the shaft, is fixed on one side, and a coil spring or the like is unnecessary, similar to an oscillator arranged to respond to the magnetic field of the magnetic pole of the moving magnet. When the apparatus size is large, a plurality of magnets may be arranged and fixed in a radial pattern by bonding or the like on the inner wall of the case lid so as to correspond to the magnetic pole magnetic field of the oscillator. Even when the exciting coil is an oscillator, a magnet can be fixed to the end of the shaft, and the magnet can be fixed to the inner wall of the case lid facing the opposite face to form a magnetic repulsion spring structure.
本発明の請求項3に係わる往復リニアエンジンは,駆動力を増大する目的で励磁コイルとシャフトマグネットの組合せユニットを複数配置していくと熱の放熱対策が必要となる。そこで励磁コイルをシャフトに固定し揺動子として往復運動させることにより強制空冷ができるが揺動距離内の動作体である揺動子励磁コイルへの電源供給が必要となりブラシ型供給端子をケースから立ち上げシャフト駆動側と反対の位置付近のシャフト表面に形成した正負極受電端子に両側から接触通電できる構造とし、その電極距離を揺動子の移動範囲としたすなわち揺動子が固定子に衝突しない限界距離に寸法設定し運動シャフトから励磁コイルに直接電源を供給できる構造とした。 In the reciprocating linear engine according to claim 3 of the present invention, when a plurality of combination units of excitation coils and shaft magnets are arranged for the purpose of increasing driving force, it is necessary to take measures against heat radiation. For this reason, forced air cooling is possible by reciprocating the exciter coil on the shaft and moving it as an oscillator, but it is necessary to supply power to the oscillator exciter coil, which is the operating body within the swing distance, and the brush-type supply terminal is removed from the case. The positive and negative power receiving terminals formed on the surface of the shaft near the position opposite to the start-up shaft drive side can be contacted from both sides, and the electrode distance is set as the range of movement of the oscillator, that is, the oscillator collides with the stator. The limit distance is set so that power can be supplied directly from the motion shaft to the exciting coil.
請求項1の発明によれば,磁気回路をバランス良く配置した構造なのでシャフトの中間保持目的と激突防止目的のバネは駆動エネルギーの損失をまねく欠点があったが低圧縮コイルバネの配置が可能となり軸駆動力を増すことができる。単一磁力反撥機構でも多段機構でもバランスコイルバネをケース両端部のみに配置すればよいので交換し易く騒音性能も改善できる。さらに励磁コイルのサイズを大きくすることなく必要駆動力が軸方向に多段結合される複数励磁コイルとマグネット機構のみで構成したので装置の小型化が図れ消費電力も低く押さえることができる。目的に応じて励磁コイル又はマグネットいずれかを固定できるので小型化,低消費電流化,少部品化等ができる構造となった。 According to the first aspect of the present invention, since the magnetic circuit is arranged in a well-balanced manner, the spring for the purpose of holding the shaft intermediately and for the purpose of preventing the collision has the disadvantage of causing a loss of driving energy. The driving force can be increased. In both the single magnetic repulsion mechanism and the multistage mechanism, the balance coil springs need only be arranged at both ends of the case, so that they can be easily replaced and the noise performance can be improved. Furthermore, since the configuration is made up of only a plurality of excitation coils and a magnet mechanism in which the necessary driving force is coupled in multiple stages in the axial direction without increasing the size of the excitation coil, the apparatus can be miniaturized and the power consumption can be reduced. Since either the exciting coil or the magnet can be fixed according to the purpose, the structure can be reduced in size, reduced in current consumption, and reduced in number of parts.
請求項2の発明によれば機械的疲労部材であるコイルスプリングや板バネ等の替わりに遊んでいる磁界磁束を利用して磁気スプリングで動作する機構構造としたのでコイルスプリング等の機械的疲労部材がなくなり騒音もなくなり製品寿命が大幅に延び信頼性も増した。 According to the invention of
請求項3の発明によれば励磁コイルを揺動子としたので励磁コイルの強制冷却が可能となり効率が上昇しさらにその動作限度に受電端子の長さを設定したので揺動子の固定子への衝突が防止でき励磁コイルへの過剰電流や突発突出信号電流による激突破損することを防止できる。 According to the invention of claim 3, since the exciting coil is a rocker, the exciting coil can be forcibly cooled, the efficiency is increased, and the length of the power receiving terminal is set to the operation limit. Collision can be prevented, and it is possible to prevent crashing damage caused by excessive current to the exciting coil or sudden projecting signal current.
以下本発明の実施の形態を図1から図10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側面断面図で金属ないし樹脂等で形成した円筒ケース8の両側を蓋で閉じて中心軸孔から駆動シャフト1が両端外側に延びている。シャフトには励磁コイル7を挟んで希土類金属で加工したリング状マグネット3を両側に配置し該励磁コイル7は放熱用リング11を介してケース8に接着剤で固着している。励磁コイルの電源入力用端子5はケース8の外側に設けられており外部専用増幅器に配線される。マグネットは止め輪10と接着材で固定されている。両側ケース蓋12の内壁には磁力スプリング機構の第二のマグネット2が固着されて揺動子のマグネット磁極磁界とと対面対向させ常にシャフト揺動子を中間保持している。励磁コイルの中心軸孔には中空鉄心が挿入嵌め込みされてさらに生成磁界磁束を対面マグネット2の磁界磁束圏と合致する位置まで鍔を伸ばしヨークとして機能を果たしている。該中空鉄心4はシャフト軸受機構も兼ねておりケース両端の樹脂製軸受9とともにシャフトをスムースに保持揺動させている。該励磁コイルに交流交番電流を印加通電すると左右の揺動子であるマグネットが片側は吸引され反対側は反撥で同方向にシャフトが移動する磁極配置になっている。揺動子の外側には常に反撥状態に置かれるようケース両端蓋に固着されたマグネット磁極が対面するマグネットの磁極と同極対向対面する配置で固着されているので信号電流がなくなるとシャフト1は中間保持状態に維持されスプリングのきしみ音や機械的消耗も少ない構造となっている。図1には磁極の方向配置を図示しており励磁コイルの極性は初期設定時極性であり通電時は交番反転する。図2は図1の装置正面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a side sectional view of the main unit of the reciprocating linear engine according to the present invention, in which both sides of a
図3は図1の励磁コイル単体構造の軸駆動力を増すために多段励磁コイル機構としたもので図1の基本構造とほとんど同じであるが軸力は3倍程度増加する。動作方向を明示するために磁極方向を図中に図示し初期動作方向を矢印で明示している。励磁コイル7のインピーダンスを調整するためにコイルどうしの結線は必要に応じて変えることができる。図4は磁力スプリング機構において図1の場合はリング状マグネット単体2で構成していたが本実施例では円板状マグネット2はシャフト軸孔を中心に4組放射状に配列しより強力な磁力スプリングとしての反撥力を得ている。 FIG. 3 shows a multi-stage excitation coil mechanism for increasing the axial driving force of the single excitation coil structure of FIG. 1, which is almost the same as the basic structure of FIG. 1, but increases the axial force by about three times. In order to clearly indicate the operation direction, the magnetic pole direction is shown in the drawing, and the initial operation direction is indicated by an arrow. In order to adjust the impedance of the
図5は励磁コイル7を揺動子としてシャフトに固定しマグネットをケース8に固定した構造の往復リニアエンジン装置である。ケース蓋両側内壁部12には揺動子を中間保持するコイルスプリング15が配置され励磁コイル7は磁束を対向対面するマグネット3の磁界磁束圏と対応させるため鍔19を外周方向に向かって立ち上げるヨーク構造としている。また該ヨーク4は励磁コイル7からシャフト1に配線される電源リード線18の誘導路を確保している。マグネット13は薄板リング状円板で軸受等機構等のスペースを確保できないのでケース両端部の軸受2ケ所9でシャフト荷重を支持する構造としている。シャフト1には励磁コイル7から引き出し配線したリード線18を軸方向から通電ブラシ機構部に延びた細溝17に埋設配線し通電ブラシ部の受電用端子板2極回路21に結線されている。当該シャフト1表面受電部21にはケース蓋部から立ち上げたブラシ電極端子20が両側から挟み込むように所定圧で接触している。またシャフト駆動側のケース軸受部はシャフトが回転しないように溝ストッパー16が加工されてシャフトが自然回転で受電端子21がブラシリード端子20から外れるのを防止している。図6は当該装置の正面図で電源入力端子5がケース蓋から外に伸びている。ケースはプレス加工で蓋ツメ22により固定されている。図7は本装置の回路ブロック図である。図8は往復リニアエンジン装置の動作内容とその応用製品一覧説明図である。以下実施例1及び実施例2の具体的製品応用実施例を説明する。 FIG. 5 shows a reciprocating linear engine apparatus having a structure in which an
図9は図1の機構をもった装置のシャフト両端に球体状錘35を取付け振動装置としたもので小型のものは携帯電話基板等に組み込むことができるものである。本実施例では独立装置として外部の増幅装置26でCDやMD等の音楽プレーヤ28や携帯電話31やインターネットパソコン30の信号を取り込んで所定電流に増幅し本体駆動装置8を動作させるものである。マッサージヘッド36は人体各部に合わせた形状やツボ指圧形状とする。また球体錘35はシャフトを固定した利用の場合は本体装置が錘になるので不要とすることもできる。 FIG. 9 shows a vibration device in which
図10は図5の多段磁気反撥機構装置の応用例で同装置下部に充電式電池25を組み込むケースを配置し直流電源極性反転スイッチャー通電機構24を内蔵させ先端部にエアポンプ機構33を内蔵させ吐出孔37より圧縮空気を排出させる装置である。 FIG. 10 shows an application example of the multi-stage magnetic repulsion mechanism device of FIG. 5, in which a case in which a
本発明装置は振動源や往復運動駆動源そして警報ブザーや位置ポジショナーとしての動作機能を持っているので低周波帯域の連続的な電気増幅信号であれば作動できまた共鳴板に本体シャフトを固定ないし圧着すれば400Hz以上の中域波長まで再生振動できるので警報音を取り出すこともでき往復運動駆動源や振動源としてではなく警報器としての目的も同時に果たすことができる。微小信号の場合は電流増幅器を経由して励磁コイルに印加通電するが交流電圧の場合はそのまま使用するか降圧トランスを使用して所定の電圧に落とせば50Hzないし60Hzの振動もしくは揺動駆動が得られるので機械工具や汎用エアポンプ・コンプレッサー用途として利用できる。より高性能で静粛なエアポンプやコンプレッサー用途には多段複数磁気回路機構構成とし高い駆動周波数で駆動する。さらに直流電流を擬似交番電流として正負極性を交互にスイッチングして供給する方法をとれば乾電池やバッテリー駆動の携帯型や通常電力の使用が難しい場所での使用に適しているのでパーソナル用マッサージ装置や携帯エアポンプや緊急用蘇生器等の医療装置などに適用できる。またインターネット利用のパーソナルコンピュータでは医療機関,音楽配信機関,映画・アニメ配信機関等のホームページで診断若しくは配信される情報信号をスピーカ信号もしくはSUB信号を専用増幅器を経由して当該装置に通電し動作させマッサージ信号や体感音響振動やシュミレータ信号としてまたリラクゼーションや催眠や記憶増強のためのさまざまな個人対応の脳波コントロール振動を利用することもできる。工業用機器の駆動源として電動ハンマー・ジグソー・ポンプ・電動彫刻器・部品搬送装置等に用いるためには信号源としては各機械装置に動作にあった信号波長や揺動距離が要求されるので個々の機械装置に内蔵される信号発生器とその増幅器で動作するシステム構成を組み込むことにより多くの商品開発が可能となる。図8でその応用一覧を図示表示している。 Since the device of the present invention has an operation function as a vibration source, a reciprocating drive source, an alarm buzzer or a position positioner, it can be operated as long as it is a continuous electric amplification signal in a low frequency band, and the main shaft is not fixed to the resonance plate. If it is pressure-bonded, it can vibrate to a mid-range wavelength of 400 Hz or more, so that an alarm sound can be taken out, and the purpose as an alarm device can be fulfilled at the same time as a reciprocating drive source or vibration source. In the case of a minute signal, the excitation coil is applied and energized via a current amplifier, but in the case of an AC voltage, if it is used as it is or if it is dropped to a predetermined voltage using a step-down transformer, vibration or oscillation drive of 50 Hz to 60 Hz can be obtained. It can be used for machine tools and general-purpose air pumps and compressors. For higher performance and quieter air pumps and compressor applications, it has a multi-stage multiple magnetic circuit mechanism configuration and is driven at a high driving frequency. Furthermore, if a method of alternately switching the positive and negative polarity by using a direct current as a pseudo-alternating current is suitable for use in a dry cell or battery-powered portable type or a place where it is difficult to use normal power, a personal massage device or It can be applied to medical devices such as portable air pumps and emergency resuscitators. In addition, in personal computers using the Internet, the information signals diagnosed or distributed on the homepages of medical institutions, music distribution institutions, movie / anime distribution institutions, etc. are energized and operated via speaker amplifiers or SUB signals via dedicated amplifiers. Various personalized electroencephalographic control vibrations for relaxation, hypnosis and memory enhancement can also be used as massage signals, body acoustic vibrations and simulator signals. In order to use it as a drive source for industrial equipment, such as electric hammers, jigsaws, pumps, electric engravers, and parts conveying devices, the signal wavelengths and oscillation distances required for each machine are required as signal sources. Many product developments are possible by incorporating a system configuration that operates with signal generators and their amplifiers built into individual mechanical devices. FIG. 8 shows the application list.
1−−−シャフト
2−−−磁力スプリングマグネット
3−−−揺動子マグネット
4−−−コイルヨーク(軸受)
5−−−コイル入力電源端子+
6−−−電源ソース
7−−−励磁コイル
8−−−本体装置ケース
9−−−ケース軸受
10−−−止め輪
11−−−放熱環(リング)
12−−−ケース蓋
13−−−マグネット(固定子)
14−−−マグネット固定台
15−−−コイルスプリング
16−−−ストッパー溝(軸回転止め)
17−−−溝(励磁コイル渡り配線用)
18−−−電源リード線
19−−−ヨーク鍔
20−−−ブラシ電極端子
21−−−スライド受電端子
22−−−ケース蓋固定ツメ
23−−−交流電圧コントローラー
24−−−直流電極反転スイッチャー
25−−−バッテリー
26−−−増幅装置
27−−−周波数信号発生器
28−−−アミューズメント・シュミレータ
29−−−各種産業機械装置
30−−−インターネットパソコン
31−−−携帯電話
32−−−音響信号
33−−−エアポンプ
34−−−人体各部
35−−−錘
36−−−マッサージヘッド
37−−−ポンプ吐出孔1 −−−
5 --- Coil input power supply terminal +
6 ---
12 ---
14 ---
17 --- Groove (excitation coil crossover wiring)
18 ---
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