JP2016111860A - 往復動発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない動力（低消費電力）で往復動を発生させる。【解決手段】回転手段４により、軸線を中心として回転子１を回転させて、第１の永久磁石１１および第２の永久磁石１２の磁極を、第１の磁極配置と第２の磁極配置との間で入れ替えることにより、直動子２を第１の直動位置Ｐ１と第２の直動位置Ｐ２との間で交互に移動させ、軸線方向に沿って被往復動作体４を往復動させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、回転子回転手段により回転子を回転させて、直動子を往復運動させることにより往復動を発生させる往復動発生装置に関する。

流体の移送や、チャンバー内の流体の圧力制御に用いるポンプなどの装置では、ダイアフラムやピストン、プランジャーなどに往復動作をさせる往復動発生機構として、モータとカムやクランク機構などからなるメカ的な方式や電磁コイルを使用した方式が、一般的に用いられている。

従来、このような往復動発生機構として、例えば、特許文献１には、ポンプのダイアフラムの往復動に、モータで回転されるカムとそれを挟むカムフォローを用いたメカ方式のものが開示されている。また、特許文献２には、ポンプのダイアフラムの往復動に電磁方式を用いたものが開示されている。

特開２００３ー２８６９６３号公報 特開２００６−１６９９８８号公報

しかしながら、このような従来の往復動発生機構の場合、メカ方式は、接触・摺動部が多いため、実際の仕事に要する動力に加えて摩擦に対する余分な動力が必要であるという問題があった。一方、電磁方式は、メカ方式に比べて接触・摺動部が少ないが、動力分のすべてに電磁コイルの電力が必要であるため、消費電力が大きいという問題があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、少ない動力（低消費電力）で往復動を発生させることができる往復動発生装置を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる往復動発生装置は、回転軸となる軸線に沿った軸線方向と直交する直交方向に前記軸線を挟むように複数の磁極を配置した第１の永久磁石と、前記第１の永久磁石の磁極に対して前記軸線方向に異極同士が対向するように複数の磁極を配置した第２の永久磁石とを備え、前記軸線を中心として回転可能で、かつ、前記軸線方向の移動を阻止するように保持された回転子と、前記軸線方向に移動可能で、かつ、前記軸線を中心とした回転を阻止するように保持されるとともに、往復動させる対象である被往復動作体に椄続されて、一方の磁極の位置を前記軸線を中心とする第１の円周上とし、他方の磁極の位置を前記第１の円周よりも大径の前記軸線を中心とする第２の円周上とする複数の磁極対を、前記軸線と直交する方向に前記回転子を挟むように配置した永久磁石を備える直動子と、前記軸線を中心として前記回転子を回転させて、前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石の磁極を、第１の磁極配置と第２の磁極配置との間で入れ替える回転手段とを備え、前記回転子は、前記第１の磁極配置である場合、前記第１の永久磁石が前記直動子の永久磁石を磁気吸引するとともに前記第２の永久磁石が前記直動子の永久磁石を磁気反発することにより前記軸線方向に沿って前記直動子を第１の直動位置に移動させ、前記第２の磁極配置である場合、前記第２の永久磁石が前記直動子の永久磁石を磁気吸引するとともに前記第１の永久磁石が前記直動子の永久磁石を磁気反発することにより前記軸線方向に沿って前記直動子を前記第２の直動位置に移動させ、前記回転手段による回転に応じて前記直動子を前記第１の直動位置と前記第２の直動位置との間で交互に移動させることにより、前記軸線方向に沿って前記被往復動作体を往復動させるようにしたものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石が、円柱または円筒状をなすものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石が、同一の形状および同一のサイズからなるものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記軸線方向における前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石の長さの合計は、前記軸線方向における前記直動子の長さ以上の長さを有しているものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石が、一体に接続されているものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石が、離間して配置されているものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石が、非磁性の部材を介して接続されているものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記回転子が、前記軸線を中心とした回転が可能で、かつ、前記軸線方向の移動を阻止するように、回転ガイドにより保持された非磁性シャフトと、前記軸線方向に接続されているものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記直動子が、径方向に着磁されたリング状または円筒状の永久磁石で形成されているものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記直動子が、１対の磁極を持つ複数の永久磁石を、それぞれの磁極方向が前記軸線と直交するよう対をなして配置した構成を有するものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記直動子が、前記被往復動作体に対して直接または接続体を介して接続されているものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記直動子が、前記軸線方向に移動可能で、かつ、前記軸線を中心とした回転を阻止するように保持されたガイド機構に接続されているものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記ガイド機構が、前記軸線方向に移動可能で、かつ、前記軸線を中心とした回転を阻止するように保持された筒状のブッシュと、前記直動子と前記被往復動作体とを接続し、前記軸線方向に沿って前記ブッシュの筒内を軌道軸として前記軸線方向に摺動する柱状のロッドとからなるものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記ガイド機構が、一端が固定端に接続され、他端が前記直動子に接続されたフラットスプリング、コイルバネ、または、ダイアフラムを有するものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記ガイド機構が、前記回転子の外周面に対して内周面が固定された筒状のブッシュをさらに有し、前記ブッシュの外周面に形成されているすべり面が前記直動子の内周面と摺動するようにしたものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記ガイド機構が、前記直動子の内周面に対して外周面が固定された筒状のブッシュをさらに有し、前記ブッシュの内周面に形成されているすべり面が前記回転子の外周面と摺動するようにしたものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記ガイド機構が、前記軸線方向の移動および前記軸線を中心とした回転を阻止するように保持された筒状のブッシュをさらに有し、前記ブッシュの外周面に形成されているすべり面が前記直動子の内周面と摺動するとともに、前記ブッシュの内周面に形成されているすべり面が前記回転子の外周面と摺動するようにしたものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記回転手段が、前記回転子に対して前記軸線方向に接続されて、前記回転子を前記軸線まわりに回転駆動する回転駆動装置からなるものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記回転手段が、前記回転子に対して前記軸線方向に接続されたシャフトを、前記直交方向から、ベルト、ギア、またはローラーを介して前記軸線まわりに回転駆動する回転駆動装置からなるものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記回転駆動装置が、回転モータ、または流体の流れにより回転力を発生させる回転体からなるものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記回転子、前記直動子、前記被往復動作体の組を２組備え、前記回転手段からの回転動力が伝達されるシャフトの両端に、前記各組の回転子が接続されているものである。

また、本発明にかかる上記往復動発生装置の一構成例は、前記回転子、前記直動子、前記被往復動作体の組を複数組備え、前記回転手段からの回転動力を前記各組の回転子に分配する回転動力伝達機構をさらに備えるものである。

本発明によれば、往復動の動力として、お互いに非接触に配置された磁石間の吸引・反発力を利用しており、外部から入力する動力は、磁石の磁極位置を回転モータなどの回転手段で変化させることのみに使用される。また、磁石間の吸引・反発力が回転子の回転を断続的に（部分的に）サポートすることになる。このため、従来の一般的なモータとカムやクランク機構などからなるメカ的な方式と比較して、本発明の往復動発生装置にかかる方式によれば、原理的に機械的な接触・摺動部分が少なく、摩擦による動力の無駄が抑えられる。また、往復動の動力分のすべてに電磁コイルの電磁力を直接用いる電磁方式と比較して、本発明の往復動発生装置にかかる方式によれば、磁石の磁極位置を回転モータなどの回転手段で変化させるための、極めて少ない消費電力で動作可能である。これにより、流体の移送や、チャンバー内の流体の圧力制御に用いるポンプなどの装置で必要となる、動力および消費電力を大幅に削減することができる。

本発明にかかる往復動発生装置（第１の磁極配置）の要部構成を示す説明図である。 図１の要部断面図である。 回転子の構成例である。 直動子の構成例である。 直動子の他の構成例である。 直動子の他の構成例である。 フラットスプリングの構成例である。 ガイド機構（リニアブッシュ）の構成例である。 図８の要部断面図である。 ガイド機構（ブッシュ）の構成例である。 ガイド機構（ブッシュ）の他の構成例である。 ガイド機構（コイルバネ）の構成例である。 ガイド機構（ダイアフラム）の構成例である。 ガイド機構（ブッシュ）の他の構成例である。 本発明にかかる往復動発生装置（第２の磁極配置）の要部構成を示す説明図である。 図１５の要部断面図である。 回転子および直動子の多磁極化を示す説明図である。 ベルト式の回転動力伝達機構を示す説明図である。 流体力式の回転手段を示す説明図である。 回転手段の多駆動化を示す説明図である。 回転動力伝達機構を示す説明図である。

［本発明の原理］
まず、本発明の原理について説明する。
本発明の往復動発生装置にかかる方式は、往復動の動力として、お互いに非接触に配置された磁石間の吸引・反発力を利用しており、外部から入力する動力は、磁石の磁極位置を回転モータなどの回転手段で変化させることのみに使用される。また、磁石間の吸引・反発力が回転子の回転を断続的に（部分的に）サポートすることになる。このため、少ない動力で動作可能であり、消費電力を低減した往復機構を実現できる。なお、この方式では間欠的に動力を与えて動作させることもできるため、さらなる低消費電力化も可能である。

例えば、軸線を中心とする円周上のそれぞれ１８０゜の位置に磁極がある磁石の場合、磁極位置を反転（１８０゜回転）させるときは、回転モータなどで９０゜以上回転させると、あとは磁石間の吸引・反発力で外部動力なしで自力で回転するため、回転子の回転が磁石間の吸引・反発力によって断続的に（部分的に）補助される。例えば、軸線を中心とする円周上のそれぞれ９０゜の位置に磁極がある磁石の場合は、それぞれ上述の半分の角度（９０゜）以上となる。

よって、従来の一般的なモ一タとカムやクランクなどから成るメカ方式に比べて、原理的に機械的な接触・摺動部分が少なく、摩擦による動力の無駄が抑えられるはかりではなく、往復動の動力分のすべてに電磁コイルの電磁力を直接用いる電磁方式に比べても低消費電力での動作が可能である。

［実施の形態について］
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
まず、図１および図２を参照して、本発明の一実施の形態にかかる往復動発生装置１００について説明する。図１は、本発明にかかる往復動発生装置（第１の磁極配置）の要部構成を示す説明図である。図２は、図１の要部断面図であり、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図を示している。

この往復動発生装置１００は、流体の移送やチャンバー内の流体圧力の変化を行うポンプなどの装置においてダイアフラム、ピストン、プランジャーなどの被往復動作体を往復動作させる際に用いられる装置であって、回転手段４により回転子１を回転軸となる軸線まわりに電磁的に回転させて、直動子２を軸線方向に沿って２つの位置の間を交互に移動させることにより、被往復動作体を往復動させる機能を有している。

［回転子について］
図１において、回転子１は、永久磁石（第１の永久磁石）１１と永久磁石（第２の永久磁石）１２から構成されている。永久磁石１１，１２は、それぞれ円柱または円筒状であって、かつ、互いに同一の形状および同一サイズを有している。これら永久磁石１１，１２は、それぞれの軸線と直交する端面で、互いの軸線が一致するよう一体に接続されている。なお、図１では、回転子１および直動子２は、軸線を含む面に沿った部分断面図で示されている。

永久磁石１２のうち、軸線が伸びる方向すなわち軸線方向に沿って、永久磁石１１側とは反対側の軸線と直交する端面の中心には、互いの軸線が一致するようにモータ（電動機）４１の回転軸である非磁性のシャフト４２が接続されている。なお、永久磁石１１、１２が円筒状の場合は、それらの中央の穴にシャフト４２を貫通させて接続するのが好ましい。モータ４１は、シャフト４２の回転ガイド４３とともに基台４０に配置されており、回転子１は、軸線方向に沿った移動が阻止された状態で、回転ガイド４３およびシャフト４２により、軸線を回転軸として回転自在に支持されている。

永久磁石１１には、軸線と直交する直交方向（径方向）に、軸線を挟むように複数の磁極が配置されている。図１および図２に示した第１の磁極配置では、軸線を挟んで対向する面側、すなわち図１および図２において紙面上面側（以下、上面側という）にＮ極が配置され、他方の面側、すなわち図１および図２において紙面下面側（以下、下面側という）にＳ極が配置されている。

また、永久磁石１２にも永久磁石１１と同様にして、直交方向（径方向）に軸線を挟むように複数の磁極が配置されている。図１および図２に示した第１の磁極配置では、軸線を挟んで対向する上面側にＳ極が配置され、他方の下面側にＮ極が配置されている。
すなわち、永久磁石１１と永久磁石１２とは、軸線方向に異極同士が対向するように、径方向に軸線を挟んで、それぞれ１対の磁極が配置された構成とされている。

したがって、回転子１が回転手段４により軸線まわりに１８０゜回転した場合、図１および図２に示した第１の磁極配置とは逆の磁極配置、すなわち第２の磁極配置となる。第２の磁極配置例の詳細については、図１５を参照して後述する。
また、軸線方向における第１の永久磁石１１と第２の永久磁石１２の長さの合計は、軸線方向における直動子２の長さ以上の長さを有している。

図１の例では、永久磁石１１と永久磁石１２とを直接接続した場合を例として説明したが、これに限定されるものではなく、接続体１３を介して永久磁石１１と永久磁石１２とを接続してもよい。図３は、回転子の構成例である。ここでは、非磁性体からなる接続体１３を介して、永久磁石１１と永久磁石１２と接続されている。この際、永久磁石１１と永久磁石１２との磁極配置は、図１および図２の場合と同様、軸線方向に異極同士が対向するような配置関係で接続する必要がある。これにより、永久磁石１１と永久磁石１２との距離を接続体１３で離間することができ、直動子２を永久磁石１１，１２の軸線方向の長さより大きな距離にわたって往復動させることができる。

［直動子について］
図１において、直動子２は、径方向に着磁された円筒状またはリング状の永久磁石からなり、中央の穴に回転子１が配置されるとともに、軸線方向に往復動可能であって、かつ、軸線を中心とした回転が阻止されるよう、ガイド機構５により支持されている。

直動子２のうち軸線方向に沿ってモータ４１とは反対側の端面には、円柱状の２つのロッド（接続体）３１を介して被往復動作体３が接続されている。被往復動作体３は、軸線方向に往復動可能であって、かつ、軸線を中心とした回転が阻止されるよう、ガイド機構５により支持されており、第１の直動位置Ｐ１と第２の直動位置Ｐ２との間を交互に移動する直動子２により、ダイアフラム、ピストン、プランジャーなどの部材として、軸線方向に沿って往復動することになる。

図１および図２に示した第１の磁極配置では、直動子２において、円筒状またはリング状の永久磁石の内周面のうち、軸線を挟んで対向する上面側にＳ極が配置され、他方の下面側にＮ極が配置されている。また、円筒状またはリング状の永久磁石の外周面のうち、軸線を挟んで対向する上面側にＮ極が配置され、他方の下面側にＳ極が配置されている。

すなわち、直動子２には、軸線を中心とする第１の円周（内周面）上をＳ極の位置とし、軸線を中心とする第１の円周よりも大径の第２の円周（外周面）上をＮ極の位置とする第１の磁極対（上側の磁極対）と、軸線を中心とする第１の円周（内周面）上をＮ極の位置とし、軸線を中心とする第１の円周よりも大径の第２の円周（外周面）上をＳ極の位置とする第２の磁極対（下側の磁極対）との２つの磁極対が、直交方向に回転子１を挟むように配置されている。

直動子２については、１つの磁性体からなる構成に限定されるものではなく、１対の磁性体で構成してもよい。
図４は、直動子の構成例であり、図４（ａ）は直動子の正面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。ここでは、永久磁石２１，２２を、非磁性体からなる半円筒状または半リング状の２つの保持部材２３，２４の端面で挟み込むことにより、全体として円筒状またはリング状をなす直動子２を構成したものである。この際、永久磁石２１，２２は、図１，図２と同様の磁極配置とする。

図５は、直動子の他の構成例であり、図５（ａ）は直動子の正面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。ここでは、永久磁石２１，２２を、非磁性体からなる円筒状またはリング状をなす保持部材２５の端面に張り付けることにより、全体として円筒状またはリング状をなす直動子２を構成したものである。この際、永久磁石２１，２２は、図１，図２と同様の磁極配置とする。

図６は、直動子の他の構成例であり、図６（ａ）は直動子の正面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。ここでは、永久磁石２１，２２を、非磁性体からなる円筒状またはリング状をなす保持部材２６の外周面に埋め込むことにより、全体として円筒状またはリング状をなす直動子２を構成したものである。この際、永久磁石２１，２２は、図１，図２と同様の磁極配置とする。

［ガイド機構について］
図１において、ガイド機構５は、直動子２および被往復動作体３を軸線方向に往復動可能であって、かつ、回転子１の影響により軸線を中心として回転するのを阻止するための支持機構であり、フラットスプリング、コイルバネ、ダイアフラム、リニアブッシュなどのガイド部材から構成されている。
図１には、ガイド機構５を、一般的な矩形状のフラットスプリング（板バネ）からなるガイド部材５１，５２で構成した例が示されている。

ガイド部材５１は、一端が装置のハウジングなどの固定端に固定されており、他端が直動子２に接続されて、直動子２を軸線方向に往復動可能であって、かつ、軸線を中心とした回転が阻止されるように支持している。
ガイド部材５２は、同じく固定端に固定されており、他端が軸線方向に沿って直動子２と被往復動作体３とを接続する柱状のロッド３１に接続されて、被往復動作体３およびロッド３１を、軸線方向に往復動可能であって、かつ、軸線を中心とした回転が阻止されるように支持している。なお、ガイド部材５１も、直動子２ではなく、柱状のロッド３１の直動子２側の部分に接続してもよい。

図１の例では、２本のロッド３１を用いて直動子２と被往復動作体３とを接続した場合を示したが、ロッド３１の本数については、これに限定されるものではなく、直動子２や被往復動作体３のサイズ、重さ、さらには往復動の際に被往復動作体３にかかる負荷などの要因に応じて適切に選択すればよい。また、ロッドではなく、軸線を中心とする直動子と同様な円筒状の部材で接続してもよい。

図７は、フラットスプリングの構成例である。フラットスプリングは、矩形状に限定されるものではなく、直動子２やロッド３１が収容される装置のハウジング内側が円筒状である場合、図７に示すような円形状の板バネを用いてもよい。ここでは、直動子２またはロッド３１に接続される内側リング５Ａと、一端が装置のハウジングなどの固定端に固定される外側リング５Ｂと、これら内側リング５Ａと外側リング５Ｂとの間を連結する連結アーム５Ｃとから構成されている。これにより、直動子２やロッド３１を直交方向から均等に支持することができ、直動子２の往復動の方向を軸線に沿って精度よく維持することができる。

図７（ａ）には、周方向に等配された４つの連結アーム５Ｃが、径方向に直線的に内側リング５Ａと外側リング５Ｂを接続する場合が示されており、図７（ｂ）には、周方向に等配された４つの連結アーム５Ｃが、Ｓ字状に折れ曲がって内側リング５Ａと外側リング５Ｂを接続する場合が示されている。図７（ａ）に比べて図７（ｂ）の連結アーム５Ｃのほうが長いため、同じ厚さであればより柔らかな弾力性が得られる。

図８は、ガイド機構（リニアブッシュ）の構成例である。図９は、図８の要部断面図であり、図８のＦ−Ｆ断面図を示している。ここでは、ガイド機構５を方形壁状のブッシュ保持部材５３と円筒状のリニアブッシュ５４とで構成した例が示されている。
ブッシュ保持部材５３は、壁面が直交方向と平行するよう基台４０に設立されており、壁面のうちロッド３１と対向する位置に上下２つの貫通穴が形成されて、軸線に対して軌道軸線が一致するよう、これら貫通穴にリニアブッシュ５４が固定されている。

ロッド３１は、リニアブッシュ５４の筒内を直線運動する軌道軸として構成されており、軸線方向に沿って摺動する。これにより、ロッド３１および被往復動作体３は、ブッシュ保持部材５３に固定されたリニアブッシュ５４により、軸線方向に往復動可能であって、かつ、軸線を中心とした回転が阻止されるよう支持されている。

図１０は、ガイド機構（ブッシュ）の構成例である。ここでは、ガイド機構５を、ガイド部材５１，５２に加えて、回転子１の外周面に対して内周面が固定された円筒状のブッシュ５５で構成した例が示されている。
ブッシュ５５は、外周面に形成されているすべり面を介して直動子２の内周面と摺動することにより、直動子２が軸線方向に沿って直線的に移動する。これにより、直動子２、ロッド３１および被往復動作体３は、ガイド部材５１，５２およびブッシュ５５により、軸線方向に往復動可能であって、かつ、軸線を中心とした回転が阻止されるよう支持されている。

図１１は、ガイド機構（ブッシュ）の他の構成例である。ここでは、ガイド機構５を、ガイド部材５１，５２に加えて、直動子２の内周面に対して外周面が固定された円筒状のブッシュ５６で構成した例が示されている。
ブッシュ５６は、内周面に形成されているすべり面を介して回転子１の外周面と摺動することにより、直動子２が軸線方向に沿って直線的に移動する。これにより、直動子２、ロッド３１および被往復動作体３を、ガイド部材５１，５２およびブッシュ５６により、軸線方向に往復動可能であって、かつ、軸線を中心とした回転が阻止されるよう支持することができる。

図１２は、ガイド機構（コイルバネ）の構成例である。ここでは、図１１のガイド部材５１，５２に代えてコイルバネ５７Ａを用いた例が示されている。
コイルバネ５７Ａは、一端が装置のハウジングなどの固定端に固定されており、他端がロッド３１に接続されて、ロッド３１を軸線方向に往復動可能であって、かつ、軸線を中心とした回転が阻止されるように支持している。これにより、直動子２、ロッド３１および被往復動作体３を、ブッシュ５６およびコイルバネ５７Ａにより、軸線方向に往復動可能であって、かつ、軸線を中心とした回転が阻止されるよう支持することができる。

図１３は、ガイド機構（ダイアフラム）の構成例である。ここでは、図１１のガイド部材５１，５２に代えてダイアフラム５７Ｂで構成した例が示されている。
ダイアフラム５７Ｂは、一端が装置のハウジングなどの固定端に固定されており、他端が被往復動作体３のうちロッド３１とは反対側の動作面に接続されて、ロッド３１を軸線方向に往復動可能であって、かつ、軸線を中心とした回転が阻止されるように支持している。

これにより、直動子２、ロッド３１および被往復動作体３を、ブッシュ５６およびダイアフラム５７Ｂにより、軸線方向に往復動可能であって、かつ、軸線を中心とした回転が阻止されるよう支持することができる。一般に、ポンプなどの装置では、流体の移送やチャンバー内の流体圧力の変化を行う部材としてダイアフラムを備えている場合がある。したがって、図１３の構成例によれば、このようなダイアフラムをダイアフラム５７Ｂとして兼用することができ、新たなガイド機構５の追加を省くことができる。

図１４は、ガイド機構（ブッシュ）の他の構成例である。ここでは、ガイド機構５を、ガイド部材５２に加えて、壁状のブッシュ保持部材５８と円筒状のブッシュ５９とで構成した例が示されている。
ブッシュ保持部材５８は、壁面が直交方向と平行するよう装置のハウジングなどの固定端に固定されており、壁面のうち回転子１と対向する位置に貫通穴が形成されて、軸線に対して軌道軸線が一致するよう、貫通穴にブッシュ５９が固定されている。

ブッシュ５９は、内周面に形成されているすべり面を介して回転子１の外周面と摺動するとともに、外周面に形成されているすべり面を介して直動子２の内周面と摺動することにより、直動子２が軸線方向に沿って直線的に移動する。
これにより、直動子２、ロッド３１および被往復動作体３を、ガイド部材５２、ブッシュ保持部材５８、およびブッシュ５９により、軸線方向に往復動可能であって、かつ、軸線を中心とした回転が阻止されるよう支持することができる。

［往復動作について］
次に、図１−２，１５−１６を参照して、本発明の往復動発生装置１００にかかる通常のラッチ動作について説明する。図１５は、本発明にかかる往復動発生装置（第２の磁極配置）の要部構成を示す説明図である。図１６は、図１５の要部断面図であり、図１６（ａ）は図１５のＧ−Ｇ断面図、図１６（ｂ）は図１５のＨ−Ｈ断面図を示している。

図１５および図１６に示した第２の磁極配置において、永久磁石１１は、軸線を挟んで対向する面側、すなわち図１５および図１６において紙面上面側（以下、上面側という）にＳ極が配置され、他方の面側、すなわち図１５および図１６において紙面下面側（以下、下面側という）にＮ極が配置されている。また、永久磁石１２は、軸線を挟んで対向する上面側にＮ極が配置され、他方の面側すなわち下面側にＳ極が配置されている。

一方、直動子２は、前述の図１および図２に示した第１の磁極配置と同様に、直動子２において、円筒状またはリング状の永久磁石の内周面のうち、軸線を挟んで対向する上面側にＳ極が配置され、他方の下面側にＮ極が配置されている。また、円筒状またはリング状の永久磁石の外周面のうち、軸線を挟んで対向する上面側にＮ極が配置され、他方の下面側にＳ極が配置されている。

すなわち、直動子２には、軸線を中心とする第１の円周（内周面）上をＳ極の位置とし、軸線を中心とする第１の円周よりも大径の第２の円周（外周面）上をＮ極の位置とする第１の磁極対（上側の磁極対）と、軸線を中心とする第１の円周（内周面）上をＮ極の位置とし、軸線を中心とする第１の円周よりも大径の第２の円周（外周面）上をＳ極の位置とする第２の磁極対（下側の磁極対）との２つの磁極対が、直交方向に回転子１を挟むように配置されている。

したがって、回転手段４によって回転子１が回転して、前述の図１および図２に示した第１の磁極配置となった場合、第１の永久磁石１１の磁極は、上面側にＮ極、下面側にＳ極が配置され、第２の永久磁石１２の磁極は、上面側にＳ極、下面側にＮ極が配置される。一方、直動子２の永久磁石における内周面の磁極は、常時、上面側にＳ極、下面側にＮ極が配置される。
これにより、第１の永久磁石１１が直動子２の永久磁石を磁気吸引するとともに、第２の永久磁石１２が直動子２の永久磁石を磁気反発するため、第１の磁極配置において、直動子２は、軸線方向に沿って第１の永久磁石１１側の第１の直動位置Ｐ１に向かって直動することになる。

一方、回転手段４によって回転子１が第１の磁極配置から１８０゜回転して、前述の図１５および図１６に示した第２の磁極配置となった場合、第１の永久磁石１１の磁極は、上面側にＳ極、下面側にＮ極が配置され、第２の永久磁石１２の磁極は、上面側にＮ極、下面側にＳ極が配置される。一方、直動子２の永久磁石における内周面の磁極は、常時、上面側にＳ極、下面側にＮ極が配置される。
これにより、第１の永久磁石１１が直動子２の永久磁石を磁気反発するとともに、第２の永久磁石１２が直動子２の永久磁石を磁気吸引するため、直動子２は、軸線方向に沿って第２の永久磁石１２側の第２の直動位置Ｐ２に向かって直動することになる。

このため、回転手段４によって回転子１が１回転するたびに、直動子２は、第１の直動位置Ｐ１と第２の直動位置Ｐ２との間を交互に移動することになる。したがって、回転手段４によって回転子１が連続的に回転することにより、直動子２に接続されている被往復動作体３が、軸線方向に沿って第１の直動位置Ｐ１と第２の直動位置Ｐ２との間で連続して往復動することになる。なお、第１の直動位置Ｐ１や第２の直動位置Ｐ２は、回転子１と直動子２の間の磁気的安定状態を示すものであり、往復動作時の慣性力や外力によっては、ガイド機構５の変位範囲内において、第１の直動位置Ｐ１や第２の直動位置Ｐ２の外側まで直動子２が移動する場合もある。

［多磁極化について］
次に、図１７を参照して、回転子１および直動子２の多磁極化について説明する。図１７は、回転子および直動子の多磁極化を示す説明図であり、図１７（ｂ）は、回転子および直動子の断面図、図１７（ａ）は、図１７（ｂ）の立体図に相当する部分のＩ−Ｉ断面図、図１７（ｃ）は、図１７（ｂ）のＪ−Ｊ断面図である。

図１では、回転子１の第１の永久磁石１１および第２の永久磁石１２に、それぞれ１対の磁極を配置し、直動子２の内周面および外周面に、それぞれ１対の磁極を配置した場合を例として説明したが、回転子１および直動子２における磁極対の数は、１対に限定されるものではなく、複数の磁極対を設けた、いわゆる多磁極化をしてもよい。

図１７において、回転子１の第１の永久磁石１１には、軸線と直交する直交方向（径方向）に、軸線を囲むように４つの磁極が配置されている。すなわち、軸線を挟んで対向する上面側と下面側にＮ極が配置され、これらＮ極と直交する方向に軸線を挟んで対向する面側、すなわち図１７において紙面左面側（以下、左面側という）と、図１７において紙面右面側（以下、右面側という）にＳ極が配置されている。したがって、第１の永久磁石１１には、隣接するＳ極−Ｎ極からなる磁極対が２対分、軸線を囲むように周方向に等配されていることになる。

また、回転子１の第２の永久磁石１２には、永久磁石１１と軸線方向に異極同士が対向するように、軸線を囲むように４つの磁極が配置されている。すなわち、軸線を挟んで対向する上面側と下面側にＳ極が配置され、これらＳ極と直交する方向に軸線を挟んで対向する左面側と右面側にＮ極が配置されている。したがって、第１の永久磁石１１および第２の永久磁石１２のそれぞれには、隣接するＳ極−Ｎ極からなる磁極対が２対分、軸線を囲むように周方向に等配されていることになる。

一方、直動子２には、永久磁石の内周面と外周面のそれぞれに、軸線を囲むように４つの磁極が配置されている。すなわち内周面のうち、軸線を挟んで対向する上面側と下面側にＳ極が配置され、これらＳ極と直交する方向に軸線を挟んで対向する左面側と右面側にＮ極が配置されている。また、外周面のうち、軸線を挟んで対向する上面側と下面側にＮ極が配置され、これらＮ極と直交する方向に軸線を挟んで対向する左面側と右面側にＳ極が配置されている。

したがって、図１７に示した第１の磁極配置の場合、前述の図１および図２と同様に、第１の永久磁石１１が直動子２の永久磁石を磁気吸引するとともに、第２の永久磁石１２が直動子２の永久磁石を磁気反発する。このため、第１の磁極配置において、直動子２は、軸線方向に沿って第１の永久磁石１１側の第１の直動位置Ｐ１に向かって直動することになる。

一方、回転手段４によって回転子１が第１の磁極配置から９０゜回転した場合、前述の図１５および図１６と同様の第２の磁極配置となる。したがって、第１の永久磁石１１が直動子２の永久磁石を磁気反発するとともに、第２の永久磁石１２が直動子２の永久磁石を磁気吸引するため、直動子２は、軸線方向に沿って第２の永久磁石１２側の第２の直動位置Ｐ２に向かって直動することになる。

このため、回転手段４によって回転子１が１回転するたびに、直動子２は、第１の直動位置Ｐ１と第２の直動位置Ｐ２との間を２往復することになる。したがって、図１−２，１５，１６に示した磁極配置と比較して、回転数当たりの被往復動作体３の往復動回数を増加させることができる。なお、多磁極の場合は、周方向に隣接する磁極との間隔が近くなるためそれらの間に磁束が流れやすくなり、直動子２との間に流れる磁束が少なくなり回転子１と直動子２の間の磁気力が弱くなりやすいため、回転子１と直動子２の間の軸線と直交する方向の距離を、図１−２，１５，１６に示した磁極配置の場合よりも短く（径方向の隙間を小さく）して、回転子１と直動子２の間に磁束が集中して流れるようにするのが好ましい。

［回転手段について］
次に、回転手段４の構成例について説明する。
前述の図１では、回転子１に対してシャフト４２を介して軸線方向にモータ４１を接続し、このモータ４１により回転子１を軸線まわりに回転駆動する場合を例として説明したが、モータ４１から回転子１へ回転動力を伝達するための回転動力伝達機構については、これに限定されるものではなく、ベルト、ギア、またはローラーなどの回転動力伝達機構を用いてもよい。

図１８は、ベルト式の回転動力伝達機構を示す説明図である。ここでは、モータ４１のシャフト４１Ｓにプーリ４１Ｐを固定するとともに、回転子１に対して軸線方向に接続したシャフト４２にプーリ４２Ｐを固定し、これらプーリ４１Ｐとプーリ４２Ｐとがベルト４４により接続されている。これにより、モータ４１の回転動力がベルト４４を介して回転子１に伝達される。したがって、回転子１に対するモータ４１の配置位置について大きな自由度が得られる。また、プーリ４１Ｐとプーリ４２Ｐの直径の大きさ比率を変えることにより、回転数やトルクを変えることもできる。これらの点については、ギアやローラーなどの場合も同様である。

また、回転子１を軸線まわりに回転駆動するための回転手段４については、モータ４１などの電力式の回転駆動装置に限定されるものではない。
図１９は、水力や風力などの流体力式の回転手段を示す説明図である。図１９（ａ）は、シャフト４２を介して回転子１に流体力式駆動装置である羽根車４５を接続し、流体の流れにより回転する羽根車４５からの回転動力により、回転子１を回転駆動するようにしたものである。なお、流体力の回転駆動装置としては、羽根車４５に限定されるものではなく、図１９（ｂ）に示すようなプロペラ４６やタービンなど、流体の流れる力によって回転するものであれば何でも使用可能であり、流体も水や空気に限らず他の液体や気体の流れる力を利用してもよい。また、これら流体力式駆動装置を、図１８に示したようなベルト、ギア、またはローラーなどの回転動力伝達機構に適用してもよい。

［多駆動化について］
以上の説明では、１つの回転手段４で１つの回転子１を回転駆動する場合を例として説明したが、１つの回転手段４で回転駆動する回転子１の数は、１つに限定されるものではない。
図２０は、回転手段の多駆動化を示す説明図である。ここでは、駆動手段４において両軸のモータ４１を用いて、２つの回転子１Ａ，１Ｂを回転駆動している。これにより、回転子１Ａ，１Ｂに対応して設けられた直動子２Ａ，２Ｂさらには被往復動作体３Ａ，３Ｂが軸線方向に往復動することになる。

図２１は、回転動力伝達機構を示す説明図である。ここでは、モータ４１から回転子１Ａ，１Ｂに対して回転動力を伝達する回転動力伝達機構として、両端に回転子１Ａ，１Ｂが接続されたシャフト４２にプーリ４２Ｐを固定するとともに、モータ４１のシャフト４１Ｓにプーリ４１Ｐを固定するとともに、回転子１Ａ，１Ｂに対して軸線方向に接続したシャフト４２にプーリ４２Ｐを固定し、これらプーリ４１Ｐとプーリ４２Ｐとがベルト４４で接続されている。これにより、両軸のモータ４１を使用することなく、２つの回転子１Ａ，１Ｂを回転駆動できる。

なお、回転動力伝達機構については、図２１に示したベルト４４に限定されるものではなく、ギアやローラーなどの動力伝達機構を利用して、回転子１Ａ，１Ｂへ回転動力を伝達してもよい。
また、回転子１の数は２つに限定されるものではなく、ベルト、ギア、ローラーなどの回転動力伝達機構を利用して、３つ以上の回転子へ回転動力を分配するようにしてもよい。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、軸線を中心として回転可能で、かつ、軸線方向の移動を阻止するように保持された回転子１に、回転軸となる軸線に沿った軸線方向と直交する直交方向に軸線を挟むように複数の磁極を配置した第１の永久磁石１１と、第１の永久磁石の磁極に対して軸線方向に異極同士が対向するように複数の磁極を配置した第２の永久磁石１２とを設けるとともに、直動子２に、軸線方向に移動可能で、かつ、軸線を中心とした回転を阻止するように保持されるとともに、往復動させる対象である被往復動作体に椄続されて、一方の磁極の位置を軸線を中心とする第１の円周上とし、他方の磁極の位置を第１の円周よりも大径の軸線を中心とする第２の円周上とする複数の磁極対を、軸線と直交する方向に回転子を挟むように配置した永久磁石を設けたものである。

そして、回転手段４により、軸線を中心として回転子を回転させて、第１の永久磁石１１および第２の永久磁石１２の磁極を、第１の磁極配置と第２の磁極配置との間で入れ替えるようにしたものである。
これにより、回転子１が、第１の磁極配置である場合、第１の永久磁石１１が直動子２の永久磁石を磁気吸引するとともに第２の永久磁石１２が直動子２の永久磁石を磁気反発することにより軸線方向に沿って直動子２を第１の直動位置Ｐ１に移動させ、第２の磁極配置である場合、第２の永久磁石１２が直動子２の永久磁石を磁気吸引するとともに第１の永久磁石１１が直動子２の永久磁石を磁気反発することにより軸線方向に沿って直動子２を第２の直動位置Ｐ２に移動させることになる。

したがって、回転手段４による回転子１の回転に応じて、直動子２を第１の直動位置Ｐ１と第２の直動位置Ｐ２との間で交互に移動させることができ、結果として軸線方向に沿って被往復動作体３を往復動させることが可能となる。

このように、本発明の往復動発生装置にかかる方式は、往復動の動力として、お互いに非接触に配置された磁石間の吸引・反発力を利用しており、外部から入力する動力は、磁石の磁極位置を回転モータなどの回転手段で変化させることのみに使用される。また、磁石間の吸引・反発力が回転子の回転を断続的に（部分的に）サポートすることになる。

このため、従来の一般的なモータとカムやクランク機構などからなるメカ的な方式と比較して、本発明の往復動発生装置にかかる方式によれば、原理的に機械的な接触・摺動部分が少なく、摩擦による動力の無駄が抑えられる。また、往復動の動力分のすべてに電磁コイルの電磁力を直接用いる電磁方式と比較して、本発明の往復動発生装置にかかる方式によれば、磁石の磁極位置を回転モータなどの回転手段で変化させるための、極めて少ない消費電力で動作可能である。これにより、流体の移送や、チャンバー内の流体の圧力制御に用いるポンプなどの装置で必要となる、動力および消費電力を大幅に削減することができる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１００…往復動発生装置、１，１Ａ，１Ｂ…回転子、１１…第１の永久磁石、１２…第２の永久磁石、１３…接続体、２，２Ａ，２Ｂ…直動子、２１，２２…永久磁石、２３，２４，２５，２６…保持部材、３，３Ａ，３Ｂ…被往復動作体、３１…ロッド、４…回転手段、４０…基台、４１…モータ、４１Ｐ，４２Ｐ…プーリ、４１Ｓ…シャフト、４２…シャフト、４３…回転ガイド、４４…ベルト、４５…羽根車、４６…プロペラ、５…ガイド機構、５Ａ…内側リング、５Ｂ…外側リング、５Ｃ…連結アーム、５１，５２…ガイド部材、５３…ブッシュ保持部材、５４…リニアブッシュ、５５，５６…ブッシュ、５７Ａ…コイルバネ、５７Ｂ…ダイアフラム、５８…ブッシュ保持部材、５９…ブッシュ、Ｐ１…第１の直動位置、Ｐ２…第２の直動位置。

Claims (22)

1. 回転軸となる軸線に沿った軸線方向と直交する直交方向に前記軸線を挟むように複数の磁極を配置した第１の永久磁石と、前記第１の永久磁石の磁極に対して前記軸線方向に異極同士が対向するように複数の磁極を配置した第２の永久磁石とを備え，前記軸線を中心として回転可能で、かつ、前記軸線方向の移動を阻止するように保持された回転子と、
   前記軸線方向に移動可能で、かつ、前記軸線を中心とした回転を阻止するように保持されるとともに、往復動させる対象である被往復動作体に椄続されて、一方の磁極の位置を前記軸線を中心とする第１の円周上とし、他方の磁極の位置を前記第１の円周よりも大径の前記軸線を中心とする第２の円周上とする複数の磁極対を、前記軸線と直交する方向に前記回転子を挟むように配置した永久磁石を備える直動子と、
   前記軸線を中心として前記回転子を回転させて、前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石の磁極を、第１の磁極配置と第２の磁極配置との間で入れ替える回転手段とを備え、
   前記回転子は、前記第１の磁極配置である場合、前記第１の永久磁石が前記直動子の永久磁石を磁気吸引するとともに前記第２の永久磁石が前記直動子の永久磁石を磁気反発することにより前記軸線方向に沿って前記直動子を第１の直動位置に移動させ、前記第２の磁極配置である場合、前記第２の永久磁石が前記直動子の永久磁石を磁気吸引するとともに前記第１の永久磁石が前記直動子の永久磁石を磁気反発することにより前記軸線方向に沿って前記直動子を前記第２の直動位置に移動させ、前記回転手段による回転に応じて前記直動子を前記第１の直動位置と前記第２の直動位置との間で交互に移動させることにより、前記軸線方向に沿って前記被往復動作体を往復動させる
   ことを特徴とする往復動発生装置。
2. 請求項１に記載の往復動発生装置において、
   前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石は、円柱または円筒状をなすことを特徴とする往復動発生装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の往復動発生装置において、
   前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石は、同一の形状および同一のサイズからなることを特徴とする往復動発生装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の往復動発生装置において、
   前記軸線方向における前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石の長さの合計は、前記軸線方向における前記直動子の長さ以上の長さを有していることを特徴とする往復動発生装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の往復動発生装置において、
   前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石は、一体に接続されていることを特徴とする往復動発生装置。
6. 請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の往復動発生装置において、
   前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石は、離間して配置されていることを特徴とする往復動発生装置。
7. 請求項６に記載の往復動発生装置において、
   前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石は、非磁性の部材を介して接続されていることを特徴とする往復動発生装置。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の往復動発生装置において、
   前記回転子は、前記軸線を中心とした回転が可能で、かつ、前記軸線方向の移動を阻止するように、回転ガイドにより保持された非磁性シャフトと、前記軸線方向に接続されていることを特徴とする往復動発生装置。
9. 請求項１〜請求項８いずれか１つに記載の往復動発生装置において、
   前記直動子は、径方向に着磁されたリング状または円筒状の永久磁石で形成されていることを特徴とする往復動発生装置。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の往復動発生装置において、
    前記直動子は、１対の磁極を持つ複数の永久磁石を、それぞれの磁極方向が前記軸線と直交するよう対をなして配置した構成を有することを特徴とする往復動発生装置。
11. 請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の往復動発生装置において、
    前記直動子は、前記被往復動作体に対して直接または接続体を介して接続されていることを特徴とする往復動発生装置。
12. 請求項１〜請求項１１のいずれか１つに記載の往復動発生装置において、
    前記直動子は、前記軸線方向に移動可能で、かつ、前記軸線を中心とした回転を阻止するように保持されたガイド機構に接続されていることを特徴とする往復動発生装置。
13. 請求項１２に記載の往復動発生装置において、
    前記ガイド機構は、前記軸線方向に移動可能で、かつ、前記軸線を中心とした回転を阻止するように保持された筒状のブッシュと、前記直動子と前記被往復動作体とを接続し、前記軸線方向に沿って前記ブッシュの筒内を軌道軸として前記軸線方向に摺動する柱状のロッドとからなることを特徴とする往復動発生装置。
14. 請求項１２に記載の往復動発生装置において、
    前記ガイド機構は、一端が固定端に接続され、他端が前記直動子に接続されたフラットスプリング、コイルバネ、または、ダイアフラムを有することを特徴とする往復動発生装置。
15. 請求項１４に記載の往復動発生装置において、
    前記ガイド機構は、前記回転子の外周面に対して内周面が固定された筒状のブッシュをさらに有し、前記ブッシュの外周面に形成されているすべり面が前記直動子の内周面と摺動することを特徴とする往復動発生装置。
16. 請求項１４に記載の往復動発生装置において、
    前記ガイド機構は、前記直動子の内周面に対して外周面が固定された筒状のブッシュをさらに有し、前記ブッシュの内周面に形成されているすべり面が前記回転子の外周面と摺動することを特徴とする往復動発生装置。
17. 請求項１４に記載の往復動発生装置において、
    前記ガイド機構は、前記軸線方向の移動および前記軸線を中心とした回転を阻止するように保持された筒状のブッシュをさらに有し、前記ブッシュの外周面に形成されているすべり面が前記直動子の内周面と摺動するとともに、前記ブッシュの内周面に形成されているすべり面が前記回転子の外周面と摺動することを特徴とする往復動発生装置。
18. 請求項１〜請求項１７のいずれか１つに記載の往復動発生装置において、
    前記回転手段は、前記回転子に対して前記軸線方向に接続されて、前記回転子を前記軸線まわりに回転駆動する回転駆動装置からなることを特徴とする往復動発生装置。
19. 請求項１〜請求項１８のいずれか１つに記載の往復動発生装置において、
    前記回転手段は、前記回転子に対して前記軸線方向に接続されたシャフトを、前記直交方向から、ベルト、ギア、またはローラーを介して前記軸線まわりに回転駆動する回転駆動装置からなることを特徴とする往復動発生装置。
20. 請求項１８または請求項１９に記載の往復動発生装置において、
    前記回転駆動装置は、回転モータ、または流体の流れにより回転力を発生させる回転体からなることを特徴とする往復動発生装置。
21. 請求項１〜請求項２０のいずれか１つに記載の往復動発生装置において、
    前記回転子、前記直動子、前記被往復動作体の組を２組備え、
    前記回転手段からの回転動力が伝達されるシャフトの両端に、前記各組の回転子が接続されていることを特徴とする往復動発生装置。
22. 請求項１〜請求項２０のいずれか１つに記載の往復動発生装置において、
    前記回転子、前記直動子、前記被往復動作体の組を複数組備え、
    前記回転手段からの回転動力を前記各組の回転子に分配する回転動力伝達機構をさらに備えることを特徴とする往復動発生装置。
    
    

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