JP6376634B1 - 揺動直線運動機構を備えた駆動装置 - Google Patents

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Abstract

実施形態によれば、駆動装置は、筐体12と、筐体内に第1中心軸の周りで回転自在に支持された第1駆動体と、第1中心軸と平行な第2中心軸の周りで回転自在に、第1駆動体内に設けられた偏心駆動体と、偏心駆動体の軸方向一端部に前記第2中心軸に対して偏心して設けられ、第2中心軸と平行に延出した第1枢軸と、偏心駆動体の軸方向他端部に前記第2中心軸に対して偏心して設けられ、第2中心軸と平行に延出した第2枢軸と、第1枢軸に回転自在に連結され、第1中心軸と直交する第3中心軸に沿って直線運動する第1移動体と、第1移動体の移動をガイドする第1ガイド体と、第2枢軸を第1中心軸と直交する第1方向に沿って直線移動可能にガイドする第2ガイド体と、を備えている。

Description

この発明の実施形態は、2重偏心円弧に基づいて回転する回転体の回転、揺動運動を直線運動に変換する揺動直線運動機構を備えた駆動装置に関する。
回転運動を直線運動に動力変換する機構として、2重偏心円弧揺動機構が知られている。2重偏心円弧揺動機構では、2重円の偏心機構を特定の割合で半径を定めることにより、片側の偏心軸が直線運動をする。
しかし、この2重偏心円弧揺動機構を駆動機構として使用する場合、移動体の思案点(上下死点)で、回転体がいずれの方向の回転となるかわからない不安定な機構となる。この不安定さは、必ずしも直線運動を生成せず、直線運動する移動体が上下死点で停止してしまう場合がある。このような不安定性を解決する方法が見つかっていない。
特開2002−285972号公報 特開平7−305601号公報 特開平9−119301号公報 特開2001−59475号公報
この発明の実施形態の課題は、安定して回転運動を直線運動に動力変換することができ、動作効率の高い駆動装置を提供することにある。
実施形態によれば、駆動装置は、筐体と、前記筐体内に第1中心軸の周りで回転自在に支持された第1駆動体と、前記第1中心軸と平行な第2中心軸の周りで回転自在に、かつ、前記第1中心軸の周りで公転自在に、前記第1駆動体内に設けられた偏心駆動体と、前記偏心駆動体の軸方向一端部に前記第2中心軸に対して偏心して設けられ、前記第2中心軸と平行に延出した第1枢軸と、前記偏心駆動体の軸方向他端部に前記第2中心軸に対して偏心して設けられ、前記第2中心軸と平行に延出した第2枢軸と、前記第1枢軸に回転自在に連結され、前記第1枢軸の移動に伴って、前記第1中心軸と直交する第3中心軸に沿って直線運動する第1移動体と、前記第3中心軸に沿った前記第1移動体の移動をガイドする第1ガイド体と、前記第2枢軸を前記第1中心軸と直交する第1方向に沿って直線移動可能にガイドする第2ガイド体と、を備えている。前記第1駆動体は、円柱形状の外軸で構成され、前記外軸の軸方向両端部は、軸受により前記筐体に回転自在に支持され、前記外軸は、前記第2中心軸と同軸的に形成された貫通孔を有し、前記偏心駆動体は、円柱形状の内軸で構成され、前記内軸は、前記外軸の貫通孔内に配置され、軸受により前記外軸に対して回転自在に支持されている。
図1は、第1の実施形態に係る駆動装置を示す斜視図。 図2は、一部を破断して示す前記駆動装置の斜視図。 図3は、前記駆動装置の断面図。 図4は、前記駆動装置の揺動直線運動機構を示す分解斜視図。 図5は、前記揺動直線運動機構を構成する平面と構成点とを示す概念図。 図6は、前記揺動直線運動機構の外軸の中心軸、内軸との位置関係を概略的に示す図。 図7は、前記揺動直線運動機構の揺動作用点、揺動支点、仮想揺動力点の移動軌跡を示す図。 図8Aは、前記揺動直線運動機構の投影平面および外軸、内軸の位置関係を示す図。 図8Bは、前記投影平面における各仮想点と線分とを示す図。 図9は、第2の実施形態に係る駆動装置を示す斜視図。 図10は、第2の実施形態に係る駆動装置の揺動直線運動機構を概略的に示す概念図。 図11は、第2の実施形態に係る駆動装置の揺動直線運動機構の分解斜視図。 図12は、第2の実施形態に係る駆動装置の断面図。 図13は、第3の実施形態に係る駆動装置を示す斜視図。 図14は、第3の実施形態に係る駆動装置の揺動直線運動機構の分解斜視図。 図15は、第3の実施形態に係る駆動装置の断面図。 図16は、第4の実施形態に係る駆動装置の断面図。 図17は、第5の実施形態に係る駆動装置を示す斜視図。 図18は、第5の実施形態に係る駆動装置の一部を破断して示す斜視図。 図19は、第6の実施形態に係る駆動装置を示す斜視図。 図20は、第6の実施形態に係る駆動装置の一部を破断して示す斜視図。 図21は、第7の実施形態に係る駆動装置の一部を破断して示す斜視図。
以下、図面を参照しながら、実施形態に係る2重偏心揺動直線運動機構を備える種々の駆動装置について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る駆動装置の斜視図、図2は、駆動装置の一部を破断して示す斜視図、図3は、駆動装置の断面図、図4は、駆動装置の2重偏心揺動直線運動機構の分解斜視図である。
本実施形態において、駆動装置10は、例えば、コンプレッサあるいは発電機として構成されている。図1、図2、図3に示すように、駆動装置10は、ほぼ角筒形状の筐体(クランクケース)12と、筐体12に取付けられた第1シリンダ14aおよび第2シリンダ14bと、筐体12内および第1、第2シリンダ14a、14b内に設けられた2重偏心揺動直線運動機構(以下、揺動直線運動機構)20と、揺動直線運動機構20の外軸(第1駆動体)22を回転駆動するためのモータ50と、を備えている。
筐体12は、角筒状の本体12aと、本体12aの一端開口を閉塞した板状の端板12bと、を有している。本体12aの内面は、円筒状に形成されている。また、端板12bには、後述する揺動支点の直線運動をガイドする直線状のガイド溝12cが形成されている。第1および第2シリンダ14a、14bは、筐体12の他端部に設けられ、筐体12の中心軸C1の両側に設けられている。第1および第2シリンダ14a、14bは、互いに同軸的に配置されて、更に、シリンダ14a、14bの中心軸C3が、筐体12の中心軸C1と直交するように配置されている。第1および第2シリンダ14a、14bの上端開口を閉塞しているシリンダヘッド15a、15bには、それぞれ吐出口P1、吸気口P2、およびこれらを開閉するリードバルブ17が設けられている。なお、第1および第2ピストン28a、28bに吸気口などを具備することも可能である。
図4は、揺動直線運動機構20の分解斜視図である。図2ないし図4に示すように、揺動直線運動機構20は、ほぼ円柱形状の外軸(第1駆動体)22と、外軸22内に偏心して設けられた内軸(偏心駆動体)24と、内軸24の軸方向両端に設けられた第1支持ピン(第1枢軸)26aおよび第2支持ピン(第2枢軸)26bと、第1支持ピン26aに連結された移動体としての第1ピストン28aおよび第2ピストン28bと、を備えている。
外軸22は、筐体12の本体12a内に、この本体12aと同軸的に配置されている。外軸22の軸方向両端部は、それぞれ第1べアリング(例えば、ボールベアリング)B1により、筐体12に対して回転自在に支持されている。すなわち、各第1ベアリングB1の内輪は外軸22の外周に嵌合し、外輪は筐体12の内周面に嵌合している。これにより、外軸22の中心軸C1は、筐体12の中心軸と同軸的に位置し、かつ、外軸22は、中心軸C1の周りで回転自在に支持されている。
本実施形態において、外軸22の外周に環状の従動プーリ41が固定され、外軸22と同軸的に設けられている。従動プーリ41は、外軸22と一体に形成されていてもよいし、あるいは、別体のプーリを外軸22に固定するようにしてもよい。
外軸22には、円形の貫通孔30が形成されている。貫通孔30は、外軸22の中心軸C1と平行な中心軸を有し、外軸22の軸方向一端から他端まで延びている。更に、貫通孔30は、外軸22の中心軸C1に対して偏心した位置に形成されている。外軸22の回転バランスを取る目的で、外軸22の外周の一部に、切欠き32を設けてもよい。ここでは、切欠き32は、外軸22の中心軸C1に対して、貫通孔30の反対側に設けている。
内軸24は、ほぼ円柱形状に形成され、貫通孔30の内径よりも僅かに小さい外径を有している。内軸24は、外軸22とほぼ等しい軸方向長さに形成されている。内軸24は、貫通孔30内に挿通されている。内軸24の軸方向両端部は、それぞれ第2べアリング(例えば、ボールベアリング)B2により、貫通孔30の内面に対して、すなわち、外軸22に対して、回転自在に支持されている。各第2ベアリングB2の内輪は内軸24の外周面に嵌合し、外輪は貫通孔30の内周面に嵌合している。これにより、内軸24の中心軸C2は、貫通孔30の中心軸と同軸的に位置し、かつ、中心軸C2の周りで回転自在に支持されている。内軸24の中心軸C2は、外軸22の中心軸C1と平行で、かつ、中心軸C1に対して偏心している。
内軸24の軸方向一端面は、外軸22の一端面とほぼ面一に位置し、同様に、内軸24の軸方向他端面は、外軸22の他端面とほぼ面一に位置している。内軸24の一端面に円柱形状の第1支持ピン26aが突設され、外軸22の他端面に円柱形状の第2支持ピン26bが突設されている。第1支持ピン26aおよび第2支持ピン26bは、それぞれ内軸24の中心軸と平行に延出している。また、第1支持ピン26aおよび第2支持ピン26bは、内軸24の中心軸に対して偏心した位置に設けられている。第1支持ピン26aおよび第2支持ピン26bは、例えば、内軸24の中心軸の周りで、180度互いに離間した位置に設けられている。第1支持ピン26aは後述する揺動作用点として機能し、第2支持ピン26bは、後述する揺動支点として機能する。なお、第1および第2支持ピン26a、26bは、内軸24と一体に形成されていてもよく、あるいは、別体の支持ピンを内軸24に回転自在に取り付けるようにしてもよい。
本実施形態において、内軸24は、この内軸24自体により形成されたカウンタウェイトを有している。すなわち、内軸24の一端側の一部がほぼU字形に切りかかれ、残りの部分により第1カウンタウェイト部W1を構成している。第1カウンタウェイト部W1は、内軸24の中心軸C2を挟んで、第1支持ピン26aと反対側に設けられている。内軸24の他端側部分がほぼU字形に切りかかれ、残りの部分により第2カウンタウェイト部W2を構成している。第2カウンタウェイト部W2は、内軸24の中心軸C2を挟んで、第2支持ピン26bと反対側に設けられている。
揺動直線運動機構20は、直線運動する移動体として、第1ピストン28aおよび第2ピストン28bを備えている。第1ピストン28aは、第1シリンダ14a内に配置されている。第1ピストン28aはガイド体としての第1シリンダ14aにより、第1シリンダ14aの中心軸C3に沿って昇降自在にガイドされている。第2ピストン28bは、第2シリンダ14b内に配置されている。第2ピストン28bはガイド体としての第2シリンダ14bにより、第2シリンダ14bの中心軸C3に沿って昇降自在にガイドされている。第1ピストン28aおよび第2ピストン28bは、ピストンロッド34を介して互いに連結されている。ピストンロッド34は、第1および第2シリンダ14a、14bの中心軸C3と同軸的に延在している。
ピストンロッド34の軸方向中央部は、第3ベアリング(例えば、ボールベアリング、カムフォロア、スライダ等)B3を介して、第1支持ピン16aに回転自在に連結されている。一方、内軸24の第2支持ピン26bに、第4ベアリング(例えば、ボールベアリング、スライダ等)B4が嵌合されている。この第4ベアリングB4は、端板12bに形成されたガイド溝12cに係合している。これにより、第2支持ピン26bおよび第4ベアリングB4は、ガイド体としての端板12bのガイド溝12cにより、このガイド溝12cの軸方向(X軸方向)に沿って直線運動自在にガイドされている。なお、外軸22の中心軸C1の延出方向をZ軸方向、このZ軸方向と直交する方向をY軸方向、Z軸方向およびY軸方向と直交する方向をX軸方向としている。第1および第2シリンダ14a、14bの中心軸C2は、Y軸方向に延在し、ガイド溝12cの中心軸はX軸方向に延在している。
図2および図3に示すように、モータ50は筐体12に隣接して設けられている。モータ50の回転軸51は、外軸22の中心軸C1と平行に延びている。この回転軸51に駆動プーリ52が取り付けられている。駆動プーリ52と外軸22の従動プーリ41とに駆動ベルト54が掛け渡されている。モータ50により、駆動プーリ52、駆動ベルト54、従動プーリ41を介して、外軸22を中心軸C1の回りで回転させることできる。なお、駆動力の伝達は、プーリと駆動ベルトとの組合せに限らず、複数の歯車を用いてもよい。
上記のように構成された駆動装置10によれば、モータ50を駆動することにより、外軸22を中心軸C1の回りで回転駆動する。内軸24は、外軸22と共に中心軸C1の回りで公転するとともに、外軸22に対して、中心軸C2の回りで、自転する。この場合、外軸22と内軸24の回転方向は互いに逆方向となる。これにより、内軸24の第1支持ピン26aは、Y軸方向に沿って直線運動する。第3ベアリングB3を介して第1支持ピン26aに連結されたピストンロッド34および第1、第2ピストン28a、28bは、第1支持ピン26aの直線運動に連動してY軸方向に往復動する。第1ピストン28aおよび第2ピストン28bは、それぞれ第1シリンダ14aおよび第2シリンダ14b内を昇降することにより、シリンダ内の気体を圧縮、加圧する。
一方、内軸24の第2支持ピン26bは、第4ベアリングB4を介して、端板12bのガイド溝12cにガイドされ、X軸方向に沿って直線的に往復動する。上記構成の駆動装置10は、第1および第2シリンダ14a、14b内で圧縮された気体を、吐出口P1から排気することにより、コンプレッサとして機能することができる。
次に、駆動装置10の動作原理について説明する。
図5は、二重偏心揺動直線運動機構20を構成する平面と構成点とを模式的に示す図、図6は、外軸(第1駆動体)の中心軸C1と回転中心軸、内軸(偏心駆動体)の位置関係を概略的に示す図、図7は、揺動作用点、揺動支点、仮想揺動力点の移動軌跡を示す図である。
図5では、互いに平行である第1平面(Y軸拘束平面)S1および第2平面(X軸拘束平面)S2、並びに、第1および第2平面間にこれらと平行に位置する仮想の第3平面S3を想定して説明する。外軸(第1駆動体)22の中心軸C1および内軸24の中心軸C2は、第1ないし第3平面S1、S2、S3と直交している。この概念図に示す通り平行平面の中に基準平面を新たに設け伸展軸を仮想的に定めることにより新機構を構成している。
図5および図6に示すように、外軸22に回転自在に支持された内軸24は、外軸22の中心軸C1に対して偏心した中心軸C2を有している。また、内軸24は、外周側に揺動作用点としての第1支持ピン26aおよび揺動支点としての第2支持ピン26bを有する回転体である。揺動作用点26a、揺動支点26bは、それぞれY軸方向、X軸方向に拘束され直線運動する。
第1平面(Y軸拘束平面)S1上には、Y軸方向に直線運動する第1支持ピン(揺動作用点)26aが存在している。第2平面(X軸拘束平面)S2上には、X軸方向に直動運動する第2支持ピン(揺動支点)26bが存在している。第3平面S3は、仮想の投影平面であり、この第3平面S3には、揺動作用点26aおよび揺動支点26bをそれぞれ投影した仮想揺動作用点M1および仮想揺動支点M2、並びに、これら仮想揺動作用点M1および仮想揺動支点M2を結ぶ直線と内軸(偏心駆動体)24の中心軸C2とが交差する仮想揺動力点M3が存在している。仮想揺動力点M3は、外軸22の回転軸C1と直線によって結ばれているものと見なす。
図5ないし図7に示すように、外軸22の回転により、外軸22の中心軸C1から仮想揺動力点M3に力が与えられると、仮想揺動力点M3は中心軸C1の周りで回転する。これにより、仮想揺動支点M2から揺動支点軸(仮想軸)Z1を通して揺動支点26bに力が伝達され、揺動支点26bをX軸方向に移動させる。また、仮想揺動作用点M1から揺動作用点軸(仮想軸)Z2を通して揺動作用点26aに力が伝達される。これにより、揺動作用点26aはY軸方向に上下運動し、揺動作用点26aに軸支されているピストンロッド34および第1、第2ピストン28a、28bの移動体を上下動させる。
図7において、Y軸方向が揺動作用点26aおよび第1、第2ピストン28a、28bの直線運動軌跡であり、X軸方向が揺動支点26bの直線運動軌跡である。中心軸C1を中心とする小円の移動軌跡は、内軸24の仮想揺動力点M3の移動軌跡である。これらの揺動作用点26a、揺動支点26b、仮想揺動力点M3を繋ぐのが仮想のてこであり、実際は、外軸22に回転自在に挿通された内軸24に内包されている。それぞれの点がY軸方向、X軸方向に分離され、揺動運動を行っている。
仮に、揺動支点26bおよび仮想揺動支点軸Z1を取り除いた場合、一見、回転運動と往復運動をするように見えるが、思案点問題が発生し動いたり動かなかったりと不安定になり、回転方向も定まらない。これに対して、上記構成の揺動直線運動機構20によれば、外軸22が回転して仮想揺動力点に力が与えられると、揺動支点26bはX軸方向に移動が拘束されているため、思案点を乗り越えX軸方向に揺動する。そのため、一定の方向に外軸22および内軸24を回転せしめることが可能になる。揺動作用点26a、揺動支点26bをそれぞれ延伸した仮想揺動作用点軸Z2、仮想揺動支点軸Z1を挿入して思案点の問題を解決し、確実な一方向回転を伝達し、大きな力を伝達できるようにしたものである。同時に、外軸22、内軸24の回転運動と第1、第2支持ピン26a、26bの直線往復運動とのぶれの無い相互変換を可能としたものである。
図8Aは、投影平面S3における外軸および内軸の位置関係を概略的に示す図、図8Bは、投影平面S3上の各点と線分との関係を示す図である。
投影平面S3上には投影された仮想点である仮想揺動作用点M1および仮想揺動支点M2が、Y軸方向とY軸方向とにそれぞれ直線運動する際の変位を求めるため、原点C1、仮想揺動作用点M1、仮想揺動支点M2、仮想揺動力点M3の関係を以下のよう定義する。各点を結ぶ線分を以下のように定める。
線分C1M3=r、線分C1M1=YM、線分C1M2=XM、線分M1M3=L1、
線分M3M2=L2
この時、L1、L2、rの間には、以下の関係がある。
L1=L2=r …(1)
これらの条件において、仮想揺動作用点M1および仮想揺動支点M2の変位を求めると以下のように表される。
仮想揺動作用点M1の変位YMは、仮想揺動力点M3との関係より、Y1とY2で表すと以下のようになる。
YM=Y1+Y2 …(2)
Y1=r・cosθ …(3)
Y2=L1・cosθ …(4)
式(2)〜(4)より、仮想揺動作用点M1の変位YMは、
YM=r・cosθ + L1・cosθ …(5)
となる。
また、r=L1であるため、変位YMは式(1)、(5)によって以下のように定められる。 YM=2・r・cosθ …(6)
同様に、仮想揺動支点M2の変位XMは、仮想揺動力点M3との関係より、X1およびX2で表すと以下のようになる。
XM=X1+X2 …(7)
X1=r・sinθ …(8)
X2=L2・sinθ …(9)
式(7)〜(9)より、仮想揺動支点M2の変位YMは、
XM=r・sinθ + L2・sinθ …(10)
となる。
また、r=L2であるため、変位XMは式(1)、(10)によって以下のように定められる。 XM=2・r・sinθ …(11)
図6に示したように、これらの仮想点M1、M2は、それぞれ仮想軸Z2、Z1上に存在している。この仮想軸Z2、Z1は、揺動作用点26aと揺動支点26bのZ軸方向の法線上に存在している。そのため、実際の揺動作用点26aと揺動支点26bの変位は、仮想揺動作用点M1の変位YMと仮想揺動支点M2の変位XMと等しい。
上記のように構成された第1の実施形態に係る駆動装置10によれば、2重偏心揺動直線運動機構20に揺動支点26bおよびこの揺動支点26bを直線移動可能にガイドするガイド体を付することにより、思案点を乗り越え駆動体の確実な一方向の回転運動、および揺動作用点26aの確実な直線運動を生成することができる。すなわち、外軸22および内軸24は、確実に一方向に回転運動を行い、第1支持ピン26aおよび第2支持ピン26bは、それぞれY軸方向およびX軸方向に直線運動を行うことができる。
本実施形態のように、モータ50で外軸22を回転駆動することにより、第1ピストン28aおよび第2ピストン28bで第1シリンダ14aおよび第2シリンダ14b内の気体を圧縮し、コンプレッサとして機能することができる。上下の第1ピストン28a、第2ピストン28bを異径として、2段圧縮機構とすると、例えば、冷媒を高圧での圧縮(例えば12MPaの近傍)に対応できるモータをモータ50に使用すれば、CO2冷媒冷凍機を形成できる。
あるいは、図3に示すように、各シリンダヘッドに、バルブ機構、燃料供給手段および点火手段を有する燃焼機構60を設けることにより、第1および第2シリンダ14a、14b内に燃料を供給および点火し、第1および第2ピストン28a、28bをY軸方向に駆動することができる。これにより、駆動装置10をエンジンとして機能させることができる。この場合、モータ50をスターターとして利用することができる。あるいは、第1および第2ピストン28a、28bにより内軸24および外軸22を回転駆動し、更に、外軸22によりモータ50を駆動することにより、モータ50を発電機として機能させることができる。
本実施形態によれば、内軸24にカウンタウェイト部W1、W2を設けることにより、揺動直線運動機構20の振動を打ち消すことができる。また、内軸24自体でカウンタウェイトを構成することにより、装置全体のコンパクト化を図ることができる。バランスを取る位置は、実施形態に限らず、モータ50の容量や、ピストン径、カウンタウェイトの取付け方法等に応じて、任意に設定可能であり、利便性に優れている。揺動直線運動機構20の外軸22、内軸24、第1および第2支持ピン26a、26bは、それぞれベアリング等で軸支でき、長寿命の運転が可能となる。
なお、第1の実施形態において、駆動装置10は2気筒としているが、これに限らず、1気筒としてもよい。1気筒でもバランスを取ることができ、駆動装置の小型化も容易となる。第2支持ピン(揺動支点)26bの支持は、ボールベアリングに限らず、カムフォロアあるいは矩形ブロック状のスライダを用いてもよく、揺動支点による思案点乗り越えが可能な形状を任意にとることができる。矩形ブロック状のスライダを用いる場合、スライダは、第2支持ピンが回転自在に挿入される貫通孔を有し、かつ、貫通孔を横切る分割面で2つに分割され、分割面に第2支持ピンの軸方向に並んだ凹凸面を形成してもよい。
次に、他の実施形態あるいは変形例に係る駆動装置について説明する。以下に説明する変形例および他の実施形態において、前述した第1の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略あるいは簡略化し、第1の実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。
(第2の実施形態)
図9は、第2の実施形態に係る駆動装置を示す斜視図、図10は、第2の実施形態に係る駆動装置の構成要素を模式的に示す斜視図、図11は、第2の実施形態に係る駆動装置の揺動直線運動機構の分解斜視図、図12は、第2の実施形態に係る駆動装置の断面図である。
本実施形態によれば、駆動装置10は、モータを内蔵した1気筒のコンプレッサあるいは発動機付き発電機として構成されている。図9ないし図12に示すように、外軸22の外周面に、複数の磁石40が固定されている。磁石40は、それぞれ外軸22の中心軸C1と平行に延在しているとともに、外軸22の円周方向に所定の間隔を置いて並んでいる。この磁石40は複数の極を持たせた円筒形磁石を用いることもできる。ステータである筐体12の本体12aは、円筒形状に形成され、外軸22の外側に外軸22と同軸的に配置されている。外軸22の軸方向両端部は、ベアリングB1により、筐体12に対して回転自在に支持されている。これにより、外軸22および磁石40は、モータのローターを構成している。本体12aの内周面側に励磁コイル42が設けられ、磁石40と対向している。本体12aおよび励磁コイル42は、磁石40に磁界を印加するステータを構成している。
このように、外軸22、磁石40、本体12a、および励磁コイル42は、モータを構成している。励磁コイル42に通電して駆動磁界を発生することにより、外軸22を回転駆動することができる。
クランク軸は、説明のため26a、44a、45a、46aに分割して説明する。内軸24は、外軸22の貫通孔30内に配置され、一対のベアリングB2により、軸方向両端部が外軸22に対して回転自在に支持されている。本実施形態によれば、内軸24には円形の貫通孔24aが形成されている。貫通孔24aは、内軸24の中心軸C2と同軸的に設けられている。内軸24の軸方向一端側に第1支持ピン26aを含む第1クランクピン45aが設けられている。第1クランクピン45aは、嵌合ピン44aと、嵌合ピン44aと直交するクランク板46aと、クランク板46aから突出した第1支持ピン26aとを一体に有している。第1支持ピン26aは、嵌合ピン44aと平行に、かつ、嵌合ピン44aに対し偏心して設けられている。そして、第1クランクピン45aは、嵌合ピン44aを貫通孔24aに嵌合した状態で内軸24に固定されている。第1支持ピン26aは、内軸24に対して偏心した状態で、Z軸方向に延出している。
内軸24の軸方向他端側に第2支持ピン26bを含む第2クランクピン45bが設けられている。第2クランクピン45bは、嵌合ピン44bと、嵌合ピン44bに直交するクランク板46bと、クランク板46bから突出した第2支持ピン26bとを一体に有している。第2支持ピン26bは、嵌合ピン44bと平行に、かつ、嵌合ピン44bに対し偏心して設けられている。そして、第2クランクピン45bは、嵌合ピン44bを貫通孔24aに嵌合した状態で内軸24に固定され、第2支持ピン26bは、内軸24に対して偏心した状態で、Z軸方向に延出している。
第1支持ピン26aには、ベアリングB3を介して、ピストンロッド34が連結されている。ピストンロッド34は第1ピストン28aに連結され、更に、第1ピストン28aは、第1シリンダ14aによりY軸方向に往復移動可能にガイドされている。他方の第2支持ピン26bにはベアリングB4が嵌合され、このベアリングB4は、筐体12の端板12bに形成されたガイド溝12cにより、X軸方向に沿って直線運動可能にガイドされている。なお、本実施形態において、内軸24は、カウンタウェイト部W1、W2を有している。また、先述の第一の実施形態のごとく26bの支持はボールベアリングに限らずカムフォロアあるいは矩形ブロックのスライダなどを用いてもよい。これ以降実施形態でも同様として記述を省略する。
以上のように構成された第2の実施形態に係る駆動装置10によれば、内臓のモータにより外軸22を回転させることにより、第1ピストン28aをY軸方向に昇降駆動し、第1シリンダ14a内の気体を圧縮、加圧する。これにより、駆動装置10により一体型のコンプレッサを構成することができる。また、シリンダヘッドに、バルブ機構、燃料供給手段および点火手段を有する燃焼機構を設けることにより、第1シリンダ14a内に燃料を供給および点火し、第1ピストン28aをY軸方向に駆動することができる。これにより、駆動装置10をエンジンとして機能させることができる。あるいは、第1ピストン28aにより内軸24および外軸22を回転駆動することにより、モータから発電する発電機として機能させることができる。
本実施形態によれば、モータを内蔵することにより、装置全体の小型化を図ることができ、更に、消費電力の低減を図ることが可能となる。また、第1クランクピン45aおよび第2クランクピン45bのクランク板46a、46bをフライホイールとして機能させることができ、安定した回転と直線運動を相互に生成すことができる。
(第3の実施形態)
図13は、第3の実施形態に係る駆動装置を示す斜視図、図14は、第3の実施形態に係る駆動装置の揺動直線運動機構の分解斜視図、図15は、第2の実施形態に係る駆動装置の断面図である。
図13ないし図15に示すように、本実施形態によれば、カウンタウェイトは、内軸24に形成するのではなく、内軸24の軸方向両端側に独立して設けられている。すなわち、内軸24は、同軸の貫通孔を有する円筒形状に形成されている。第1クランクピン45aのクランク板は、カウンタウェイトW1を構成している。また、第2クランクピン45bのクランク板は、カウンタウェイトW2を構成している。第1クランクピン45aの嵌合ピン44aを内軸24の貫通孔24aに嵌合することにより、カウンタウェイトW1は、内軸24の一端側で、ベアリングB2とベアリングB3との間に設けられている。同様に、第2クランクピン45bの嵌合ピン44bを内軸24の貫通孔24aに嵌合することにより、カウンタウェイトW2は、内軸24の他端側で、ベアリングB2とベアリングB4との間に設けられている。
第3の実施形態において、駆動装置10の他の構成は、前述した第2の実施形態に係る駆動装置と同一である。
(第4の実施形態)
図16は、第3の実施形態に係る駆動装置の断面図である。
カウンタウェイトの取付け位置は、前述した実施形態に限らず、モータ容量や、ピストン径と、取り付け方法により、任意に設定可能である。図16に示すように、第3の実施形態によれば、駆動装置10は、独立した1つのカウンタウェイトW1を備えている。このカウンタウェイトW1は、第1支持ピン26aに取付けられ、ベアリングB3の外側に位置している。すなわち、第1クランクピン45aのクランク板46aとカウンタウェイトW1との間に、ベアリングB3およびピストンロッド34が配置されている。
上記構成によれば、ピストン側の1箇所にカウンタウェイトW1を配置するだけで良く、組み立てた後にバランスを取る必要がある場合などに有効である。第3の実施形態において、駆動装置10の他の構成は、前述した第2の実施形態に係る駆動装置と同一である。
(第5の実施形態)
図17は、第5の実施形態に係る駆動装置を示す斜視図、図18は、第5の実施形態に係る駆動装置を一部破断して示す斜視図である。
本実施形態によれば、駆動装置10は、十字4気筒の駆動装置として構成されている。図17および図18に示すように、駆動装置10は、筐体12に取付けられた第1シリンダ14a、第2シリンダ14bに加えて、筐体12の一端部に取付けられた第3シリンダ14cおよび第4シリンダ14dを備えている。第1および第2シリンダ14a、14bは、筐体12の一端部に設けられ、筐体12の中心軸C1の両側に設けられている。第1および第2シリンダ14a、14bは、互いに同軸的に配置されて、更に、シリンダ14a、14bの中心軸C3が、筐体12の中心軸C1と直交するY軸方向に沿って配置されている。第1および第2シリンダ14a、14bの上端開口を閉塞しているシリンダヘッド15a、15bには、図示しない給気排気機構、燃料供給機構、点火手段等が設けられている。
第3シリンダ14cおよび第4シリンダ14dは、筐体12の他端部に設けられ、筐体12の中心軸C1の両側に設けられている。第3および第4シリンダ14c、14dは、互いに同軸的に配置されて、更に、シリンダ14c、14dの中心軸C4が、筐体12の中心軸C1と直交するX軸方向に沿って配置されている。すなわち、シリンダ14c、14dの中心軸C4は、第1および第2シリンダ14a、14bの中心軸C3に対して90度半転した方向に延びている。第3および第4シリンダ14c、14dの上端開口を閉塞しているシリンダヘッド15c、15dには、図示しない給気排気機構、燃料供給機構、点火手段等が設けられている。
揺動直線運動機構20は、第1シリンダ14a内に設けられた第1ピストン28a、および第2シリンダ14b内に設けられた第2ピストン28bを有している。第1ピストン28aおよび第2ピストン28bは、Y軸方向に延びるピストンロッド34により互いに連結されている。ピストンロッド34の中央部は、ベアリングB3を介して、内軸24の第1支持ピン26aに回転自在に連結されている。第1および第2ピストン28a、28bは、外軸22および内軸24の回転に伴い、第1シリンダ14aおよび第2シリンダ14bにガイドされてY軸方向に直線運動する。
揺動直線運動機構20は、第3シリンダ14c内に設けられた第3ピストン28c、および第4シリンダ14d内に設けられた第4ピストン28dを有している。第3ピストン28cおよび第4ピストン28dは、X軸方向に延びるピストンロッド34により互いに連結されている。ピストンロッド34の中央部は、ベアリングB4を介して、内軸24の第2支持ピン26bに回転自在に連結されている。第3および第4ピストン28c、28dは、外軸22および内軸24の回転に伴い、第3シリンダ14cおよび第4シリンダ14dにガイドされてX軸方向に直線運動する。
揺動直線運動機構20の他の構成は、前述した第1の実施形態における揺動直線運動機構20と同一である。
以上のように構成された駆動装置10によれば、前述した第1の実施形態に係る駆動装置と同様の作用効果を得ることができる。また、X軸方向に直線運動する第3および第4ピストン28c、28dを設けることにより、第2支持ピン26bを介して内軸24および外軸22を回転駆動することが可能となる。同時に、第1および第2ピストン28a、28bの運動方向であるY軸方向と90度ずれたX軸方向に直線運動する第3および第4ピストンを設けることにより、スターリングエンジンを構築することができる。
(第6の実施形態)
図19は、第6の実施形態に係る駆動装置を示す斜視図、図20は、第6の実施形態に係る駆動装置を一部破断して示す斜視図である。
本実施形態によれば、駆動装置10は、ミラー配置の並列4気筒の駆動装置として構成されている。図19および図20に示すように、駆動装置10は、それぞれ前述した第1の実施形態に係る駆動装置と同一構造を有する第1駆動装置10aおよび第2駆動装置10bを備えている。第1駆動装置10aおよび第2駆動装置10bは、中心平面SCに対して、互いに対称に配置、構成されている。筐体12は、第1駆動装置10aおよび第2駆動装置10bに共通の矩形状の本体12aと、本体12aの一端開口を閉塞した共通の端板12bと、を有している。
第1駆動装置10aは、筐体12に設けられた第1シリンダ14aおよび第2シリンダ14bを有し、これら第1シリンダ14aおよび第2シリンダ14bは、互いに同軸的に、かつ、Y軸方向に沿って設けられている。
同様に、第2駆動装置10bは、筐体12に設けられた第3シリンダ14cおよび第4シリンダ14dを有し、これら第3シリンダ14cおよび第4シリンダ14dは、互いに同軸的に、かつ、Y軸方向に沿って設けられている。すなわち、第3シリンダ14cおよび第4シリンダ14dは、第1シリンダ14aおよび第2シリンダ14bと平行に並んで設けられている。
筐体12内および第1および第2シリンダ14a、14b内に揺動直線運動機構20、および、筐体12内および第3および第4シリンダ14c、14d内に設けられた揺動直線運動機構20の構成も、互いに共通であるとともに、前述した第1の実施形態に係る駆動装置の揺動直線運動機構20と同一である。
第1駆動装置10aの外軸22の外周にリングギア70が固定され、外軸22と同軸的に配置されている。同様に、第2駆動装置10bの外軸22の外周にリングギア70が固定され、外軸22と同軸的に配置されている。これらのリングギア70は、同一径、および同一歯数に形成され、互いに歯合している。これにより、第1駆動装置10aの外軸22と第2駆動装置10bの外軸22は、リングギア70を介して互いに連結されている。一方の外軸22が回転すると、この回転に同期して、他方の外軸22が逆方向に回転する。これにより、第1駆動装置10aの外軸22と第2駆動装置10bの外軸22とは、同期して互いに相反する方向に回転する。このように2つのリングギア70は、2本の外軸22を同期して互いに反対方向に回転させる連結同期機構を構成している。
また、第1駆動装置10aおよび第2駆動装置10bは、中心平面SCに対して互いに対称に配置、構成されていることから、第1ピストン28aおよび第2ピストン28bを含む揺動直線運動機構20は、第3ピストン28cおよび第4ピストン28dを含む揺動直線運動機構20と、対称な状態を保ちながら回転運動および直線運動することができる。
上記構成の駆動装置10によれば、前述した第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、第1ないし第4ピストン28a〜28bを駆動することにより、2本の外軸22から同期反転した回転出力を取り出すことができる。あるいは、モータ等により、少なくとも一方の外軸22を回転させることにより、第1ないし第4シリンダ24a〜28dから同期した出力を出力することができる。更に、第1駆動装置10aおよび第2駆動装置10bをミラー配置、構成とすることにより、基本的な振動、動作ロスを取り除き、より静粛な回転体とすることができる。特に、シリンダをU型構成にすると、高圧低圧のピストンを左右に設置することになり、ガスを容易に移動することが可能となる。これにより、駆動装置の小型化を図ることができる。
(第7の実施形態)
図21は、第7の実施形態に係る駆動装置を一部破断して示す斜視図である。
本実施形態によれば、駆動装置10は、ミラー配置の並列2気筒の駆動装置として構成されている。駆動装置10は、前述した4気筒に限らず、2気筒としてもよい。図21に示すように、駆動装置10は、第1シリンダ14aおよび第1シリンダ14a内に配置された第1ピストン28aを有する第1駆動装置10aと、第2シリンダ14bおよび第2シリンダ14b内に配置された第2ピストン28bを有する第2駆動装置10bとを備えている。第1駆動装置10aおよび第2駆動装置10bは、中心平面SCに対して、互いに対称に配置、構成されている。筐体12は、第1駆動装置10aおよび第2駆動装置10bに共通の矩形状の本体12aと、本体12aの一端開口を閉塞した共通の端板12bと、を有している。
第1駆動装置10aの外軸22の外周にリングギア70が固定され、外軸22と同軸的に配置されている。同様に、第2駆動装置10bの外軸22の外周にリングギア70が固定され、外軸22と同軸的に配置されている。これらのリングギア70は、同一径、および同一歯数に形成され、互いに歯合している。これにより、第1駆動装置10aの外軸22と第2駆動装置10bの外軸22は、リングギア70を介して互いに連結されている。一方の外軸22が回転すると、この回転に同期して、他方の外軸22が逆方向に回転する。これにより、第1駆動装置10aの外軸22と第2駆動装置10bの外軸22とは、同期して互いに相反する方向に回転する。また、第1駆動装置10aおよび第2駆動装置10bは、中心平面SCに対して互いに対称に配置、構成されていることから、第1ピストン28aを含む揺動直線運動機構20は、第2ピストン28bを含む揺動直線運動機構20と、対称な状態を保ちながら回転運動および直線運動することができる。
第7の実施形態において、駆動装置の他の構成は、前述した第6の実施形態と同一である。
上記2気筒の駆動装置10においても、前述した第1の実施形態および第6の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、第1および第2ピストン28a、28bを駆動することにより、2本の外軸22から同期反転した回転出力を取り出すことができる。あるいは、モータ等により、少なくとも一方の外軸22を回転させることにより、第1および第2シリンダ24a、28bから同期した出力を出力することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (13)

  1. 筐体と、
    前記筐体内に第1中心軸の周りで回転自在に支持された第1駆動体と、
    前記第1中心軸と平行な第2中心軸の周りで回転自在に、かつ、前記第1中心軸の周りで公転自在に、前記第1駆動体内に設けられた偏心駆動体と、
    前記偏心駆動体の軸方向一端部に前記第2中心軸に対して偏心して設けられ、前記第2中心軸と平行に延出した第1枢軸と、
    前記偏心駆動体の軸方向他端部に前記第2中心軸に対して偏心して設けられ、前記第2中心軸と平行に延出した第2枢軸と、
    前記第1枢軸に回転自在に連結され、前記第1枢軸の移動に伴って、前記第1中心軸と直交する第3中心軸に沿って直線運動する第1移動体と、
    前記第3中心軸に沿った前記第1移動体の移動をガイドする第1ガイド体と、
    前記第2枢軸を前記第1中心軸と直交する第1方向に沿って直線移動可能にガイドする第2ガイド体と、を備え、
    前記第1駆動体は、円柱形状の外軸で構成され、前記外軸の軸方向両端部は、軸受により前記筐体に回転自在に支持され、前記外軸は、前記第2中心軸と同軸的に形成された貫通孔を有し、前記偏心駆動体は、円柱形状の内軸で構成され、前記内軸は、前記外軸の貫通孔内に配置され、軸受により前記外軸に対して回転自在に支持されている
    駆動装置。
  2. 前記第1ガイド体は、前記第3中心軸と同軸的に設けられた第1シリンダを備え、
    前記第1移動体は、前記第1シリンダ内に設けられた第1ピストンと、前記第1ピストンに連結され前記第3中心軸に沿って延在しているとともに、前記第1枢軸に軸受を介して回転自在に連結されたピストンロッドと、を有している請求項1に記載の駆動装置。
  3. 前記第1ガイド体は、前記第1中心軸の両側に前記第3中心軸と同軸的に設けられた第1シリンダおよび第2シリンダを備え、前記第1移動体は、前記第1シリンダ内に設けられた第1ピストンと、前記第2シリンダ内に設けられた第2ピストンと、前記第1ピス
    トンおよび第2ピストンに連結され前記第3中心軸に沿って延在するピストンロッドと、を備え、前記ピストンロッドは、前記第1枢軸に軸受を介して回転自在に連結されている請求項1に記載の駆動装置。
  4. 前記第1枢軸および第2枢軸は、前記内軸の第2中心軸に対して偏心した位置で前記内軸に設けられている請求項に記載の駆動装置。
  5. 前記第2枢軸に回転自在に嵌合されたベアリング、カムフォロア、あるいはスライダを更に備え、前記第2ガイド体は、前記第1方向に沿って延在するガイド溝を有し、前記ベアリング、カムフォロア、あるいはスライダは、前記第1方向に沿って移動可能に前記ガイド溝に係合している請求項1からのいずれか1項に記載の駆動装置。
  6. 前記第2枢軸に回転自在に連結され、前記第2枢軸の移動に伴って、前記第1方向に沿って直線運動する第2移動体を更に備えている請求項1から4のいずれか1項に記載の駆動装置。
  7. 前記第2ガイド体は、前記第1中心軸の両側に前記第1方向と同軸的に設けられた第3シリンダおよび第4シリンダを備え、前記第2移動体は、前記第3シリンダ内に設けられた第3ピストンと、前記第4シリンダ内に設けられた第4ピストンと、前記第3ピストンおよび第4ピストンに連結され前記第1方向に沿って延在するピストンロッドと、を備え、前記ピストンロッドは、前記第2枢軸に軸受を介して回転自在に連結されている請求項に記載の駆動装置。
  8. 前記内軸は、カウンタウェイト部を一体に有している請求項1又は4に記載の駆動装置。
  9. 前記第1駆動体を回転させるモータを更に備えている請求項1からのいずれか1項に記載の駆動装置。
  10. 前記第1駆動体に設けられた磁石と、前記第1駆動体の周囲に設けられ前記磁石に対向するステータと、を更に備えている請求項1からのいずれか1項に記載の駆動装置。
  11. 前記第1枢軸に設けられた第1カウンタウェイトと、前記第2枢軸に設けられた第2カウンタウェイトと、を更に備えている請求項1からのいずれか1項に記載の駆動装置。
  12. 前記第1シリンダに燃料を供給、点火する燃焼機構を更に備えている請求項2に記載の駆動装置。
  13. 第1駆動装置と、
    前記第1駆動装置と同一に構成され、中心平面に対して、前記第1駆動装置と対称に配置された第2駆動装置と、を備え、
    前記第1駆動装置および第2駆動装置の各々は、
    筐体と、
    前記筐体内に第1中心軸の周りで回転自在に支持された第1駆動体と、
    前記第1中心軸と平行な第2中心軸の周りで回転自在に、前記第1駆動体内に設けられた偏心駆動体と、
    前記偏心駆動体の軸方向一端部に前記第2中心軸に対して偏心して設けられ、前記第2中心軸と平行に延出した第1枢軸と、
    前記偏心駆動体の軸方向他端部に前記第2中心軸に対して偏心して設けられ、前記第2中心軸と平行に延出した第2枢軸と、
    前記第1枢軸に回転自在に連結され、前記第1枢軸の移動に伴って、前記第1中心軸と直交する第3中心軸に沿って直線運動する第1移動体と、
    前記第3中心軸に沿った前記第1移動体の移動をガイドする第1ガイド体と、
    前記第2枢軸を前記第1中心軸と直交する第1方向に沿って直線移動可能にガイドする第2ガイド体と、を備え、
    前記第1駆動体は、円柱形状の外軸で構成され、前記外軸の軸方向両端部は、軸受により前記筐体に回転自在に支持され、前記外軸は、前記第2中心軸と同軸的に形成された貫通孔を有し、前記偏心駆動体は、円柱形状の内軸で構成され、前記内軸は、前記外軸の貫通孔内に配置され、軸受により前記外軸に対して回転自在に支持され、
    前記第1駆動装置および第2駆動装置は、前記第1駆動装置の前記第1駆動体および前記第2駆動装置の前記第1駆動体を同期して互いに反対方向に回転させる連結同期機構を備えている駆動装置。
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