JP2019065793A - ロータリ式シリンダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンユニットのピストン本体を長手方向に短くして設置面積を減らし、ガイド軸受も必要最小限の配置で部品点数を省略して小型化を促進しかつ耐久性を向上させたロータリ式シリンダ装置を提供する。【解決手段】入出力軸（第一入出力軸４ａ，第二入出力軸４ｂ）と平行に配置された複数のガイド軸２４が、第一，第二ピストン組１４，１５が往復動するシリンダ５を保持するケース本体３に組み付けられており、各ガイド軸２４には、第一ピストン本体１４ａの側圧を受ける第一ガイド軸受２５と第二ピストン本体１５ａの側圧を受ける第二ガイド軸受２６とが軸方向に離間させて同軸に組み付けられている。【選択図】図４

Description

本開示は、入出力軸の回転運動とシリンダ内のピストンの直線往復運動を相互に変換可能なロータリ式シリンダ装置、より具体的には圧縮機、真空ポンプ、流体回転機、内燃機関など様々な駆動装置に適用可能なロータリ式シリンダ装置に関する。

クランクシャフトに対して半径方向に設けられたシリンダ内にピストンを配置し、クランクシャフトの回転運動をピストンの往復運動に変換することで生ずるポンプ作用を利用して流体を吸入・圧送する流体機械が知られている（特許文献１：特開昭５６−１４１０７９号公報参照）。

この流体機械に用いられるピストンヘッド部と摺動面との摺動抵抗により、ピストンヘッド部に設けられるシールカップが破損したり、シリンダの摺動面が偏摩耗したりするうえに、摩擦損失により駆動源のエネルギー損失が増大して消費電力が嵩む不具合を解消すべく、クランク軸を中心に相対回転する偏心カムにピストン組を相対回転可能に組み付けることでピストンヘッド部がシリンダ摺動面より受ける反力の大きさを軽減して摩擦損失が少なく省エネルギー化を実現したロータリ式シリンダ装置が提案されている（特許文献２：特開２０１１−１９０７８０号公報参照）。

上述した特許文献２のロータリ式シリンダ装置は、例えば在宅酸素療法に使用する医療用の酸素濃縮装置の流体ポンプとして実用化されている。この酸素濃縮装置は、空気を原料としてその中に含まれる酸素量を９０％以上に濃縮して鼻カニューレから患者に濃縮酸素を供給することで、慢性気管支炎等の呼吸器疾患の患者の治療に用いられている。ロータリ式シリンダ装置は、駆動軸の回転動作をシリンダ内のピストンの往復動作に変換することで圧縮空気を生成して送り出し、負圧空気を吸引する動作を繰り返す。

特開昭５６−１４１０７９号公報 特開２０１１−１９０７８０号公報

上述した特許文献２のロータリ式シリンダ装置は、偏心カムに直交して組み付けられたピストン組の直線往復運動をピストン本体の移動方向両側に設けられたガイド軸受若しくはピストン本体の長手方向に設けられたガイド孔内に設けられたガイド軸受でガイドすることで、ピストンヘッド部とシリンダとの摺動抵抗を軽減するようになっている。

しかしながら、自宅や病院等に据え置きの装置においては上記構成で足りるが、利用者のＱＯＬ（Quality of life）を向上させるため、可搬性を有する酸素濃縮装置としては、ガイド軸受をピストン本体の移動方向両側に合計８カ所設ける構成（特許文献２：図４参照）は、ガイド軸受の本数が多く、ガイド軸受をピストン本体の長手方向に設けられたガイド孔内に設ける構成（特許文献２：図１０参照）は、ピストン本体径が大型化するため、いずれも設置面積が増えて、小型化のニーズに応えられないという実情があった。特に、小型化を図って従来のポンプ性能を維持するためには駆動源である小型モータをより高速回転させて小径のピストン組を直線往復移動させる必要があるが、ガイド軸受を省スペースに組み付けることができなかった。
また、各ガイド軸受はケース本体に対して片持ち状に支持されているため、ピストン本体の往復動によりガイド軸の耐久性が低下するおそれもあった。

以下に述べるいくつかの実施形態に適用される開示は、上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、ピストンユニットのピストン本体を長手方向に短くして設置面積を減らし、ガイド軸受も必要最小限の配置で部品点数を省略して小型化を促進しかつ耐久性を向上させたロータリ式シリンダ装置を提供することにある。

以下に述べるいくつかの実施形態に関する開示は、少なくとも次の構成を備える。
ケース本体に回転可能に軸支された入出力軸の回転を内サイクロイドの原理に従い、偏心カムに対して直交配置された複数のピストン組の往復運動に変換されるロータリ式シリンダ装置であって、前記入出力軸と平行に配置された複数のガイド軸が、前記偏心カムに組み付けられた第一，第二ピストン組を有するピストンユニットを収容する前記ケース本体に保持されており、各ガイド軸には、第一ピストン本体の側圧を受ける第一ガイド軸受と第二ピストン本体の側圧を受ける第二ガイド軸受とが軸方向に離間させて同軸に組み付けられていることを特徴とする。

このように、入出力軸と平行に配置された複数のガイド軸が、第一ピストン本体の側圧を受ける第一ガイド軸受と第二ピストン本体の側圧を受ける第二ガイド軸受とが軸方向に離間させて同軸配置でケース本体に組み付けられているので、ピストンユニットを収容するケース本体の設置面積を大幅に縮小することができる。
よって、ピストンユニットに組み付けられる各ピストン本体を長手方向に短くできるので小型化を図り、複数のガイド軸受も第一ピストン本体と第二ピストン本体の交差位置に４箇所配置で足りるので、部品点数を省略して小型化を促進することができる。

前記各ガイド軸には、径方向外側に突起部が各々突設されており、該突起部を含む軸部が前記ケース本体に設けられた軸孔に嵌め込まれて回り止めされていることが望ましい。
これにより、突起部を含む軸部がケース本体の軸孔に嵌め込まれて回り止めされるので、ガイド軸とケース本体との摩耗を防いでガイド軸が振動することがなくなり、耐久性を高めることができる。

前記各ガイド軸は、前記ケース本体内で前記第一ピストン本体と前記第二ピストン本体が交差するコーナー部に両軸端部を保持され、前記第一ガイド軸受が前記第一ピストン本体の両側部に当接し前記第二ガイド軸受が前記第二ピストン本体の両側部に当接する位置に各々組み付けられていることが好ましい。
これにより、必要最小限のガイド軸及びガイド軸受を第一ピストン本体と第二ピストン本体が交差するコーナー部に配置すれば足りるので、小型化に寄与できる。また、ガイド軸はケース本体に両軸端部を保持されているので、ガイド軸の振れは抑えられるので、低振動、低騒音で耐久性を高めることもできる。

上述したロータリ式シリンダ装置を用いれば、ピストンユニットに組み付けられる各ピストン本体を長手方向に短くして設置面積を減らすことができ、ガイド軸受も必要最小限の配置で部品点数を省略して小型化を促進しかつ耐久性を向上させることができる。また、高速回転駆動を行っても、摩擦損失が少なく、省エネルギー化を実現した小型のロータリ式シリンダ装置を提供することができる。

ロータリ式シリンダ装置の斜視図である。 ロータリ式シリンダ装置の軸方向断面説明図である。 図１のロータリ式シリンダ装置の第一ケース体を省略した平面図及び第二ケース体を省略した平面図である。 図１のロータリ式シリンダ装置の第一ケース体、ピストンユニット及び第二ケース体の分解斜視図である。 図４のロータリ式シリンダ装置の第一ケース体及び第二ケース体を省略した斜視図である。 図４のロータリ式シリンダ装置の第一ケース体を省略し、第二ケース体からシリンダを取り外した斜視図である。 図６の第二ケース体を省略したピストンユニットの斜視図である。 図７のピストンユニットよりシールカップ及びシールカップ押さえ部材を取り外した斜視図である。 第二ピストン本体と第二軸受との配置構成を示す一部省略斜視図である。 第一ピストン本体と第一軸受との配置構成を示す一部省略斜視図である。 ロータリ式シリンダ装置の一部分解斜視図である。 入出力軸を中心とする第一クランク軸の回転軌道、第一クランク軸を中心とする第二クランク軸の回転軌道とピストン組の直線往復運動の関係を示す模式図である。 従来のケース本体の設置面積に対して本実施形態の設置面積の大きさを対比した模式説明図である。 ロータリシリンダー装置の回転数と出力の関係を示すグラフ図である。

以下、発明を実施するための一実施形態について添付図面に基づいて詳細に説明する。先ず、図１乃至図１３を参照して一例として流体ポンプに用いられるロータリ式シリンダ装置を中心として説明する。ロータリ式シリンダ装置は、シリンダに対するピストンの直線往復運動と入出力軸の回転運動とが相互に変換されて入出力される装置を想定している。

図１において、第一ケース体１と第二ケース体２とで構成されるケース本体３に入出力軸が各々回転可能に軸支されている。入出力軸は、第一入出力軸４ａと第二入出力軸４ｂに分割されて設けられている（図４参照）。第一ケース体１と第二ケース体２とは、後述するように固定ねじ３ａ（図１１参照）をねじ孔にねじ嵌合させて一体に組み付けられる。第二入出力軸４ｂは、端面に凹部４ｃが設けられており（図４参照）、図示しないモータ軸と連結されてダイレクトドライブが可能になっている。第一入出力軸４ａと第二入出力軸４ｂの軸端は、第一ケース体１及び第二ケース体２の端面に設けられた貫通孔より各々露出して支持されている。

円筒状のシリンダ５は、ケース本体３の４側面に対向配置されている。本実施形態ではケース本体３の各側面に第一ケース体１と第二ケース体２に挟み込まれて保持されている。また、ケース本体３の４側面に設けられるシリンダ５の開口は、シリンダヘッド部６及びヘッドカバー７により各々閉止されている。各シリンダヘッド部６は、ヘッドカバー７と共にケース本体３（第一ケース体１及び第二ケース体２）の側面に対して固定ねじ７ａでねじ止め固定されている（図４参照）。

図２に示すように、第一ケース体１の端面（図１上面）には、シール材８を介して第一端面カバー１ａが固定ねじ１ｂによりねじ止め固定されている。また、第二ケース体２の端面（図１下面）には、シール材８を介して第二端面カバー２ａが固定ねじ２ｂによりねじ止め固定されている。第一ケース体１の端面上には、取付板９が固定ねじ１０（図１１参照）によりねじ止め固定されている。

図２に示すように、第二ケース体２には、第一軸受２ｃを介して第一入出力軸４ａが回転可能に軸支されている。第一ケース体１には、第一軸受１ｃを介して第二入出力軸４ｂが回転可能に軸支されている。第一入出力軸４ａは第一バランスウェイト１１ａと一体に組み付けられている。また、第二入出力軸４ｂは第二バランスウェイト１１ｂと一体に組付けられている。第一，第二バランスウェイト１１ａ，１１ｂは、後述する第一クランク軸１２及びピストンユニットＰを含む入出力軸（第一入出力軸４ａ，第二入出力軸４ｂ）を中心とした回転部品間の質量バランス（静バランス）をとるために設けられている。

図２において、第一クランク軸１２は、入出力軸の軸心に対して偏心して設けられている。具体的には第一クランク軸１２の一端（図２下端）は、第一バランスウェイト１１ａに嵌め込まれてピン１２ａを挿入された状態で固定ねじ１２ｂにより一体にねじ止め固定される。同様に第一クランク軸１２の他端（図２上端）は、第二バランスウェイト１１ｂに嵌め込まれてピン１２ｃを挿入された状態で固定ねじ１２ｄにより一体にねじ止め固定される。

図２に示すように第一クランク軸１２を中心に相対回転可能な筒状の偏心カム１３、該偏心カム１３に対して第一ピストン組１４及び第二ピストン組１５（以下、これらを「ピストンユニットＰ」という）が相対回転可能に組み付けられる。尚、ピストン組とは、ピストン単体のピストンヘッド部にシールカップ及びシールカップ押さえ部材やピストンリングなどのシール材が一体に組み付けられたものを言う。以下、具体的に説明する。

また、偏心カム１３は中心に筒孔１３ａが形成された中空筒状に形成されており、第一クランク軸１２の軸心に対して偏心した第二クランク軸１６ａ，１６ｂ（図１２参照）を有する。本実施形態では、第一ピストン組１４及び第二ピストン組１５が互いに交差配置されているため、第二クランク軸１６ａ，１６ｂは、第一クランク軸１２を中心として１８０度位相がずれた位置に各々存在する。偏心カム１３は、例えばステンレススチール系の金属材が用いられ、ＭＩＭ（メタルインジェクションモールド）により一体成形される。

上述したピストンユニットＰにおいて、入出力軸と第一クランク軸１２の軸心間を連結する部位（第一バランスウェイト１１ａ、第二バランスウェイト１１ｂ）が第一クランクアームとなる。また、第一クランク軸１２と第二クランク軸１６ａ，１６ｂの軸心間を連結する部位が第二クランクアームとなる（図１２参照）。

図２において、偏心カム１３には回転中心となる第一クランク軸１２が挿通する筒孔１３ａに対して偏心した筒体１３ｂが軸心方向両側に各々連続して形成されている。筒体１３ｂの軸心は、第二クランク軸１６ａ，１６ｂ（図１２参照）と一致するようになっている。筒孔１３ａには両側から軸受ホルダ１７ａ，１７ｂが圧入されるか或いは筒孔壁に接着されて組み付けられる。軸受ホルダ１７ａ，１７ｂは、偏心カム１３の軸方向端面に突き当てて組み付けられる。一対の軸受ホルダ１７ａ，１７ｂには、少なくとも筒孔１３ａより大径の第二軸受１８ａ，１８ｂを各々保持可能な軸受保持部１７ｃ，１７ｄが形成されている。これにより、耐荷重の大きな軸受を組み付けることができるため第二軸受１８ａ，１８ｂの耐久性を向上させることができる。

軸受ホルダ１７ａ，１７ｂの軸受保持部１７ｃ，１７ｄに組み付けられた第二軸受１８ａ，１８ｂは、偏心カム１３を第一クランク軸１２に対して相対的に回転可能に支持する。第一クランク軸１２は、偏心カム１３の相対回転の中心となる。
また、筒孔１３ａの軸心に対して偏心して長手方向両側に形成された一対の筒体１３ｂの外周には、第三軸受１９ａ，１９ｂが各々組み付けられている。第一，第二ピストン組１４，１５は、互いに交差したまま第三軸受１９ａ，１９ｂを介して偏心カム１３に対して相対的に回転可能に組み付けられる。

ここで、入出力軸（第一入出力軸４ａ，第二入出力軸４ｂ）を中心とする第一クランク軸１２、第二クランク軸１６ａ，１６ｂの回転運動と複数のピストン組の直線往復運動（内サイクロイド運動）の原理の概要について図１２Ａ〜図１２Ｄを参照して説明する。図１２Ａ〜図１２Ｄは、入出力軸の回転にしたがって第一クランク軸１２が中心Ｏ（第一入出力軸４ａ，第二入出力軸４ｂ）の周りを反時計回り方向に９０°ずつ回転した状態を模式的に示したものである。入出力軸の回転により第一クランク軸１２が中心Ｏ（第一入出力軸４ａ，第二入出力軸４ｂ）の周りを回転すると、第二クランク軸１６ａは仮想円２０の転がり円２１の直径Ｒ１上を往復移動し、第二クランク軸１６ｂは転がり円２１の直径Ｒ２上を往復移動する。

即ち、第一入出力軸４ａ及び第二入出力軸４ｂの軸心（中心Ｏ）を中心とした半径ｒの反時計回り方向の回転軌道２２に沿った第一クランク軸１２及び偏心カム１３（図２参照）の回転運動に伴い、第二クランク軸１６ａ，１６ｂを軸心に有する偏心カム１３と連繋するピストン組のうち、第一ピストン組１４が第三軸受１９ａ（図２参照）を介して相対的に回転しながら半径２ｒの転がり円２１（軸心Ｏを中心とする同心円）の直径Ｒ１上で往復動を繰り返し、第二ピストン組１５が第三軸受１９ｂ（図２参照）を介して相対的に回転しながら半径２ｒの転がり円２１の直径Ｒ２上で往復運動を繰り返すことになる。実際の装置では、偏心カム１３は第一クランク軸１２を中心に第二軸受１８ａ，１８ｂを介して相対回転し、第一ピストン組１４及び第二ピストン組１５は第三軸受１９ａ，１９ｂを介して相対回転しながら直交配置されたシリンダ５内を往復運動する。

以上の構成により、入出力軸の軸心（中心Ｏ）と第一クランク軸１２を結ぶ第一クランクアームの回転半径をｒ、第一クランク軸１２と第二クランク軸１６ａ，１６ｂを結ぶ第二クランクアームの長さが筒体１３ｂの回転半径ｒとなるように設定することで、第一クランク軸１２を中心として偏心カム１３及び第一，第二ピストン組１４，１５（ピストンユニットＰ）を軸方向及び径方向にコンパクトに組み付けることができる（図７参照）。

また、図２において、第一，第二ピストン本体１４ａ，１５ａの長手方向両端部には、第一ピストンヘッド部１４ｂ，第二ピストンヘッド部１５ｂ（図８参照）が形成されている。第一ピストンヘッド部１４ｂ，第二ピストンヘッド部１５ｂ（図８参照）には、リング状のシールカップ１４ｃ，１５ｃ（図７参照）、シールカップ押さえ部材１４ｄ，１５ｄ（図７参照）が各々固定ねじ２３により組み付けられている。シールカップ１４ｃ，１５ｃは、オイルフリーのシール材（例えばＰＥＥＫ（ポリエーテエーテルケトン）樹脂材等）が用いられる。

また、図２おいて、ケース本体３（第一ケース１体及び第二ケース体２）の側面部（４面）に設けられた開口部には、シリンダ５が各々組み付けられている。第一ピストンヘッド部１４ｂ，第二ピストンヘッド部１５ｂ（図８参照）は、シールカップ１４ｃ，１５ｃ（図７参照）によって、各シリンダ５の内壁面５ａとのシール性を保ちながら摺動するようになっている。シールカップ１４ｃ，１５ｃの外周縁部にシリンダ５の内周面との間に折り曲げられている。シールカップ１４ｃ，１５ｃは、シールカップ押さえ板１４ｄ，１５ｄを重ね合わせて固定ねじ２３（図７参照）を第一ピストンヘッド部１４ｂ，第二ピストンヘッド部１５ｂ（図８参照）にねじ止め固定して組み付けられる。

また、図３Ａにおいて、第二ケース体２の各コーナー部２ｄには、固定ねじ３ａ（図１１参照）をねじ篏合するねじ孔２ｅが４か所に設けられている。また、第二ケース体２の内底部２ｆには、筒状のボス部２ｇが、各ねじ孔２ｅより径方向内側に４か所に設けられている。図４において、第一ケース体１の天面部におけるコーナー部１ｄのうち一対の対角位置には固定ねじ３ａ（図１１参照）が挿入される挿入孔１ｅが穿孔され、一対の対角位置には後述する取付板９を固定するねじ孔１ｇが設けられている（図１参照）。また、図３Ｂにおいて、第一ケース体１の対角に設けられた挿入孔１ｅ，ねじ孔１ｇより径方向内側の内底部１ｈには、上記第二ケース体２のボス部２ｇに対向して筒状のボス部１ｉが４か所に設けられている。第一ケース体１及び第二ケース体２の対向するボス孔１ｊ，２ｈに後述するガイド軸２４の軸端部が各々嵌め込まれて支持され、ボス孔１ｊに突起部２４ａが嵌め込まれて回り止めされる。ボス部１ｉより径方向内側には第一端面カバー１ａ（図１参照）を固定ねじ１ｂによりねじ止め固定するためのねじ孔１ｋが複数箇所に設けられている。また、図４において、第一ケース体１の側面には流体の通路孔１ｆ、第二ケース体２の側面には流体の通路孔２ｉが各々複数箇所に形成されている。（尚、シリンダ装置への流体の入口及び出口は、流路が任意に設置することができるので図示を省略した。）

図６において、第二ケース体２に設けられた各ボス部２ｇのボス孔２ｈ（図４参照）には、入出力軸（第一入出力軸４ａ、第二入出力軸４ｂ）と平行に配置されたガイド軸２４が各々嵌め込まれている。図７及び図８に示すように、各ガイド軸２４には、第一ピストン本体１４ａの側圧を受ける第一ガイド軸受２５と第二ピストン本体１５ａの側圧を受ける第二ガイド軸受２６とが軸方向に離間させて同軸に組み付けられている（図８参照）。
各ガイド軸受２４には、径方向外側に突起部２４ａが各々突設されている。該突起部２４ａが図３Ｂに示す第一ケース体１のボス孔１ｊに嵌め込まれて回り止めされる。これにより、突起部２４ａがケース本体３により回り止めされるので、ガイド軸２４が振動することがなく、ガイド軸２４とケース本体３との摩耗も防ぐことができる。尚、突起部２４ａは、第二ケース体２のボス孔２ｈ（図４参照）に嵌め込まれて回り止めされていてもよい。

また、図３に示すように、各ガイド軸２４は、ケース本体３内で第一ピストン本体１４ａと第二ピストン本体１５ａが交差するコーナー部に両軸端部を保持され、第一ガイド軸受２５が第一ピストン本体１４ａの両側部に当接し、第二ガイド軸受２６が第二ピストン本体２６の両側部に各々当接して組み付けられる（図４参照）。
これにより、必要最小限のガイド軸２４及びガイド軸受２５，２６を第一ピストン本体１４ａと第二ピストン本体１５ａが交差するコーナー部に配置すれば足りるので、小型化に寄与できる。また、ガイド軸２４はケース本体３（第一ケース体１及び第二ケース体２）に両軸端部を保持されているので、第一ピストン本体１４ａ及び第二ピストン本体１５ａの往復動に伴うガイド軸２４の振れは抑えられるので、低振動、低騒音で耐久性を高めることもできる。

以上説明したように、入出力軸（第一入出力軸４ａ、第二入出力軸４ｂ）と平行に配置された複数のガイド軸２４が、第一ピストン本体１４ａの側圧を受ける第一ガイド軸受２５と第二ピストン本体１５ａの側圧を受ける第二ガイド軸受２６とが軸方向に離間させて同軸配置でケース本体３に組み付けられているので、第一ピストン組１４及び第二ピストン組１５の往復動をガイドする軸受がガイド軸２４に集約して組み付けられ、設置面積を最小化することができる。

具体的には、公知例である図１３Ａに示すように一対のガイド軸２４及びガイド軸受２５，２６を第一ピストン本体１４ａと第二ピストン本体１５ａが交差するケース本体３のコーナー部に対応する位置に各々設け、一方のガイド軸２４には第一ピストン本体１４ａ用の第一ガイド軸受２５を設け、他方のガイド軸２４には第二ピストン本体１５ａ用の第二ガイド軸受２６を設けた場合のケース本体３の設置面積をＳ１とし、本実施形態のケース本体３の設置面積をＳ２（二点鎖線部分）とすると、Ｓ１／Ｓ２＝１．４５となるため、概ね３０％を超える小型化が可能となる。

また、公知例である図１３Ｂに示すようにガイド軸２４を第一ピストン本体１４ａの長手方向に２か所に設けた長孔１４ｆに挿通し、各長孔１４ｆ内に第一ガイド軸受２５を各々設け、ガイド軸２４を第二ピストン本体１５ａの長手方向に２か所に設けた長孔１５ｆに挿通し、各長孔１５ｆ内に第二ガイド軸受２６を各々設けた場合のケース本体３の設置面積をＳ1´とし本実施形態のケース本体３の設置面積をＳ２（二点鎖線部分）とすると、Ｓ１´／Ｓ２＝１．８となるため、概ね４５％を超える小型化が可能となる。

よって、いずれの場合にも、第一，第二ピストン本体１４ａ，１５ａを長手方向に短くできるので設置面積を減らすことができ、第一，第二ガイド軸受２５，２６も第一ピストン本体１４ａと第二ピストン本体１５ａの交差位置に４箇所配置で足り、部品点数を省略して小型化を促進することができる。

図１１において、ロータリ式シリンダ装置の組立構成の一例を示す。
ピストンユニットＰを組み立てる。偏心カム１３の筒体１３ｂの外周に第三軸受１９ａ，１９ｂを介して第一ピストン組１４、第二ピストン組１５を交差して組み付け、筒孔１３ａに軸受ホルダ１７ａ，１７ｂを第二軸受１８ａ，１８ｂと共に組み付ける。
偏心カム１３の筒孔１３ａには第一クランク軸１２を嵌め込み、その両側軸端部に第一バランスウェイト１１ａと第一入出力軸４ａ、第二バランスウェイト１１ｂと第二入出力軸４ｂを嵌め合わせる。そしてピン１２ａ，１２ｃを第一バランスウェイト１１ａ，第二バランスウェイト１１ｂを貫通し第一クランク軸１２の軸端部に各々挿入してこれらを位置合わせする。この状態で、第一バランスウェイト１１ａに対してピン１２ａと固定ねじ１２ｂ、第二バランスウェイト１１ｂに対してピン１２ｃと固定ねじ１２ｄとが各々直交するようにねじ篏合させて一体に組み付ける。

第二ケース体２は、予め第二端面カバー２ａが固定ねじ２ｂによりねじ止めされ、第一軸受２ｃが組み付けられている（図２参照）。ピストンユニットＰは、第二ケース体２に保持された第一軸受２ｃに第一入出力軸４ａを嵌め込んで組み付けられる。また、第二ケース体２の内底部２ｆに４箇所に形成されたのボス部２ｇに（図４参照）、第一，第二ガイド軸受２５，２６が所定間隔で同軸に組み付けられたガイド軸２４が各々嵌め込まれる。これにより、第一ガイド軸受２５は第一ピストン本体１４ａの両側面に当接し（図１０参照）、第二ガイド軸受２６は第二ピストン本体１５ａの両側面に当接して（図９参照）、第一ピストン組１４、第二ピストン組１５の往復動による側圧を受けるようになる。

また、第二ケース体２の側面部には、シリンダ５（図５参照）が第一ピストンヘッド部１４ｂ及び第二ピストンヘッド部１５ｂを挿入して４箇所に組み付けられる。各シリンダ５を挟み込むように第一ケース体１を重ね合わせ、第二入出力軸４ｂを第一軸受１ｃにより回転可能に軸支する。第一ケース体１の天面部に対角位置に設けられた挿入孔１ｅより固定ねじ３ａを挿入して第二ケース体２の対向する対角位置に設けられたねじ孔２ｅにねじ篏合させてケース体３が一体に組み立てられる。
各シリンダ５には、シール材２７を介してシリンダヘッド部６、シール材２８を介してヘッドカバー７を重ね合わせて、固定ねじ７ａによって、ケース体３の各側面に組み付けられる。シリンダヘッド部６には、各シリンダ室から流路への流体の出入りを切り替える弁体６ａが組み付けられている。

第一ケース体１の天面部には、シール材８を介して第一端面カバー１ａを重ね合わせ、固定ねじ１ｂによりねじ止め固定する。また、第一ケース体１には、取付板９が固定ねじ１０を挿入孔９ａに挿入して第一ケース体１の対角位置に設けられたねじ孔１ｇにねじ止め固定され、ロータリ式シリンダ装置が組み立てられる。

上述のように組み立てられたロータリ式シリンダ装置は、第一，第二ピストン組１４，１５の第二クランク軸１６ａ，１６ｂを中心とした第一の静バランス、ピストンユニットＰの第一クランク軸１２を中心とする第二の静バランス及び第一クランク軸１２及びピストンユニットＰの入出力軸を中心とする第三の静バランスが第一，第二バランスウェイト１１ａ，１１ｂによりバランス取りされて組み立てられている。

これにより、入出力軸を中心とする第一クランク軸１２の回転運動と、第一クランク軸１２を中心とする偏心カム１３の相対回転運動により、筒体１３ｂに組み付けられた第一，第二ピストン組１４，１５が入出力軸を中心とする第二クランク軸１６ａ，１６ｂの半径２ｒの転がり円２１（図１２（ａ）参照）の径方向に沿って直線往復運動を行なう際に、回転による振動を抑えて静音化を図ることができ、入出力軸を中心とした回転による振動を低減することで機械的な損失が少なくエネルギー変換効率を高めることができる。

図１４は、１回転あたり吐出量５０ｃｃ圧力１５０ｋＰａのコンプレッサについて仕事量（入力）と回転数との関係を示したグラフ図の一例である。グラフ線Ａは、従来の入出力軸の静バランス取りしているレシプロ駆動方式のコンプレッサのデータを示す。グラフ線Ｂは、本実施形態のロータリ駆動方式のコンプレッサのデータを示す。グラフ線Ｃは、レシプロ駆動方式のピストン及びコンロッドの往復動による機械的損失の大きさを示す。

このグラフ図を参照すると、回転数が１５００ｒｐｍ以下では、グラフ線Ａ及びグラフ線Ｂに示すように仕事量に差異は目立たないが、モータ回転数が３０００ｒｐｍを超える３２００ｒｐｍで回転させた場合、グラフ線Ａではおよそ２６７Ｗの入力を要するのに対してグラフ線Ｂではおよそ１７９Ｗの入力を要し、８８Ｗ程度（図１３の矢印部分）入力が少なくて済む。よって、本実施形態のロータリ駆動方式を採用すれば３３％程度の省エネルギー化を実現することができる。
また、３０００ｒｐｍを超える高速回転を行うと、グラフ線Ｃに示すようにレシプロ駆動では、機械的な損失が増えるため、仕事量の無駄が増えることがわかる。

以上説明したように、第一，第二ピストン本体１４ａ，１５ａを長手方向に短くできるので設置面積を大幅の減らすことができ、第一，第二ガイド軸受２５，２６も第一ピストン本体１４ａと第二ピストン本体１５ａの交差位置に４箇所配置で足りるので、部品点数を省略して小型化を促進することができる。
入出力軸を中心とした回転による振動を低減（低振動）することで騒音も少なく（低騒音）、機械的な損失も少ないため、低発熱で低消費電力化を実現することができる。特に３０００ｒｐｍを超える高速回転駆動する場合、従来のレシプロ駆動方式に比べて３０％前後の省電力が期待できる。
特に駆動源として３０％程度の小出力の安価な小型のモータを使用できるので低消費電力化を促進することができ、バッテリーも小型化することができるので長時間にわたって稼働させることができる。
したがって、圧縮機、真空ポンプ、流体回転機等の装置本体の小型軽量化を促進して、例えば酸素濃縮器においては可搬性を高めることができる。また、バッテリー容量が同一であれば、約３０％程度の長時間使用が可能となる。

尚、第一，第二ピストン本体１４ａ，１５ａとその側圧を受ける第一，第二ガイド軸受２５，２６との隙間は構成部品の加工誤差や温度上昇による寸法変化を考慮して機械的な干渉が生じないように最小となるように設定される。

１ 第一ケース体 １ａ 第一端面カバー １ｂ，２ｂ，３ａ，７ａ，１０，１２ｂ，１２ｄ，２３ 固定ねじ １ｃ，２ｃ 第一軸受 １ｄ，２ｄ コーナー部 １ｅ，９ａ 挿入孔 １ｆ，２ｉ 通路孔 １ｇ，１ｋ，２ｅ ねじ孔 １ｈ，２ｆ 内底部 １ｉ，２ｇ ボス部 １ｊ，２ｈ ボス孔 ２ 第二ケース体 ２ａ 第二端面カバー ３ ケース本体 ４ａ 第一入出力軸 ４ｂ 第二入出力軸 ４ｃ 凹部 ５ シリンダ ６ シリンダヘッド部 ７ ヘッドカバー ８，２７，２８ シール材 ９ 取付板 １１ａ 第一バランスウェイト １１ｂ 第二バランスウェイト １２ 第一クランク軸 １２ａ，１２ｃ ピン １３ 偏心カム １３ａ 筒孔 １３ｂ 筒体 １４ 第一ピストン組 １４ａ 第一ピストン本体 １４ｂ 第一ピストンヘッド部 １４ｃ，１５ｃ シールカップ １４ｄ，１５ｄ シールカップ押さえ部材 １４ｆ，１５ｆ 長孔 １５ 第二ピストン組 １５ａ 第二ピストン本体 １５ｂ 第二ピストンヘッド部 Ｐ ピストンユニット １６ａ，１６ｂ 第二クランク軸 １７ａ，１７ｂ 軸受ホルダ １７ｃ，１７ｄ 軸受保持部 １８ａ，１８ｂ 第二軸受 １９ａ，１９ｂ 第三軸受 ２０ 仮想円 ２１ 転がり円 ２２ 回転軌道 ２４ ガイド軸 ２５ 第一ガイド軸受 ２６ 第二ガイド軸受

以下に述べるいくつかの実施形態に関する開示は、少なくとも次の構成を備える。
ケース本体に回転可能に軸支された入出力軸の回転を内サイクロイドの原理に従い、偏心カムに対して直交配置された複数のピストン組の往復運動に変換されるロータリ式シリンダ装置であって、前記入出力軸と平行に配置された複数のガイド軸が、前記偏心カムに軸方向に位置決めされて組み付けられた第一，第二ピストン組を有するピストンユニットを収容する前記ケース本体に保持されており、各ガイド軸には、第一ピストン本体の両側面に各々当接して往復動による側圧のみを受ける第一ガイド軸受と第二ピストン本体の両側面に各々当接して往復動による側圧のみを受ける第二ガイド軸受とが軸方向に離間させて同軸に組み付けられていることを特徴とする。

このように、入出力軸と平行に配置された複数のガイド軸が、第一ピストン本体の両側面に各々当接して往復動による側圧のみを受ける第一ガイド軸受と第二ピストン本体の両側面に各々当接して往復動による側圧のみを受ける第二ガイド軸受とが軸方向に離間させて同軸配置でケース本体に組み付けられているので、ピストンユニットを収容するケース本体の設置面積を大幅に縮小することができる。
よって、ピストンユニットに組み付けられる各ピストン本体を長手方向に短くできるので小型化を図り、複数のガイド軸受も第一ピストン本体と第二ピストン本体の交差位置に４箇所配置で足りるので、部品点数を省略して小型化を促進することができる。

Claims (3)

1. ケース本体に回転可能に軸支された入出力軸の回転を内サイクロイドの原理に従い、偏心カムに対して直交配置された複数のピストン組の往復運動に変換されるロータリ式シリンダ装置であって、
   前記入出力軸と平行に配置された複数のガイド軸が、前記偏心カムに組み付けられた第一，第二ピストン組を有するピストンユニットを収容する前記ケース本体に保持されており、
   各ガイド軸には、第一ピストン本体の側圧を受ける第一ガイド軸受と第二ピストン本体の側圧を受ける第二ガイド軸受とが軸方向に離間させて同軸に組み付けられていることを特徴とするロータリ式シリンダ装置。
2. 前記各ガイド軸には、径方向外側に突起部が各々突設されており、該突起部を含む軸部が前記ケース本体に設けられた軸孔に嵌め込まれて回り止めされている請求項１記載のロータリ式シリンダ装置。
3. 前記各ガイド軸は、前記ケース本体内で前記第一ピストン本体と前記第二ピストン本体が交差するコーナー部に両軸端部を保持され、前記第一ガイド軸受が前記第一ピストン本体の両側部に当接し前記第二ガイド軸受が前記第二ピストン本体の両側部に当接する位置に各々組み付けられている請求項１又は請求項２記載のロータリ式シリンダ装置。