JP6775239B2 - エアーモーター - Google Patents

Description

本発明はエアーモーター、特に電磁場対策が必要な医療現場等での使用に好適なエアーモーターに関するものである。

手術室内にＭＲＩを設置して手術中にＭＲＩ画像を撮影しながら画像誘導の手術を行う試みが開始されている。ＭＲＩが設置された手術室内では医療機器から電磁波等の電気ノイズが発生するとＭＲＩ画像に悪影響を与えるため手術室内で使用される医療機器には電気モーターを使用することができない。

そのため空気等の圧縮気体で駆動するエアーモーターが用いられる。この種のエアーモーターは圧縮気体で回転する羽根車を有し、その羽根車の回転中心に形成された出力軸から動力を得る構造になっている。医療機器では単なる動力だけでなく必要な回転量を正確に得ることが求められるため、羽根車にはブレーキが組み合わされている。

ブレーキは羽根車に接触する方向に常時付勢されており、圧縮気体が羽根車に供給されていない状態ではブレーキが羽根車に接触して回転が停止される。ブレーキには羽根車の下流側に位置するピストンが一体形成され、羽根車を通過した排気の圧力がそのピストンに作用してピストンがブレーキごと羽根車から離れる方向に移動し羽根車が回転可能となる。圧縮気体の供給を停止すると排気の圧力が無くなりブレーキは再び付勢力により羽根車に接触して回転が停止される。このように圧縮気体の供給時のみ回転し、供給を停止するとブレーキにより回転が停止する（例えば、特許文献１参照）。

特許第３５５７１７４号公報

しかしながら、このような関連技術にあっては、ブレーキを稼働させるピストンが羽根車の下流側に設けられているため、圧縮気体の供給タイミングに対してブレーキの稼働タイミングが遅くなり、その分回転制御が困難であった。

本発明は、このような関連技術に着目してなされたものであり、回転制御が容易なエアーモーターを提供することを目的としている。

本発明の第１の側面は、出力軸を中心に有する羽根車が回転自在に収納され、羽根車をそれぞれ正方向及び逆方向へ回転させるべく羽根車に対して圧縮気体を吹出し自在な正吹出路と逆吹出路の下流端がそれぞれ接続され、羽根車に対して回転力を作用させた後の圧縮気体を排出する排気口が形成され、羽根車に対して所定の付勢力で接触するブレーキが収納された第１室と、正吹出路及び逆吹出路の上流端が接続され、いずれか一方へ選択的に圧縮気体が供給される正給気路及び逆給気路の下流端が接続され、ブレーキと一体でブレーキの羽根車に対する接離方向で移動自在なピストンが収納され、該ピストンが正・逆吹出路の各上流端と正・逆給気路の各下流端をブレーキの付勢力により閉塞自在で且つ正・逆給気路のいずれか一方に圧縮気体が供給された場合のみ付勢力に抗してブレーキごと羽根車から離反する方向へ移動して正・逆吹出路の各上流端と正・逆給気路の各下流端をそれぞれ開放して第１室側への圧縮気体の流れを許容する第２室と、を備えたことを特徴とする。

本発明の第２の側面は、正給気路と逆給気路の途中に両者を連通する第３室を形成し、該第３室に正給気路及び逆給気路を選択的に閉塞自在なブロックを移動自在に収納し、該ブロックが正給気路及び逆給気路のいずれか一方側に供給された圧縮気体の圧力により他方側へ移動して他方側のみ閉塞することを特徴とする。

本発明の第３の側面は、ブロックの正給気路側及び逆給気路側の両方に、正給気路又は逆給気路の閉塞時に第３室の壁部に係合してブロックの移動を規制し、該ブロックの閉塞側の側面を露出させるストッパを形成したことを特徴とする。

本発明の第４の側面は、ストッパがブロックによる正給気路又は逆給気路のいずれかの閉塞時に同じ側の正吹出路又は逆吹出路を閉塞することを特徴とする。

本発明の第５の側面は、羽根車の出力軸を中心にした対称位置に重量軽減孔が形成されていることを特徴とする。

本発明の第６の側面は、正吹出路及び逆吹出路の下流端が複数に分岐されて第１室に接続されていることを特徴とする。

本発明の第１の側面によれば、ブレーキのピストンを内蔵する第２室が、羽根車を内蔵する第１室よりも圧縮気体の上流側に位置し、圧縮気体の圧力を羽根車に作用させる前にピストンに作用させることができるため、ブレーキのタイミング遅れがなく、より正確な回転制御が行えるようになる。

本発明の第２の側面によれば、第３室内に収納したブロックが供給された圧縮気体の圧力により自動的に移動して、供給側でない方を閉塞するため、第２室に供給された圧縮気体の一部が供給側でない方の正給気路又は逆給気路を介して逆流するのを防止することができる。

本発明の第３の側面によれば、ブロックによる正給気路又は逆給気路の閉塞時に、ストッパにより移動が規制されてブロックの閉塞側の側面が露出するため、閉塞された側に圧縮気体が再度供給された際に、圧縮気体の圧力が露出された側面を押す方向に作用してブロックを確実に閉塞側へ移動させることができる。

本発明の第４の側面によれば、ストッパがブロックによる正給気路又は逆給気路のいずれかの閉塞時に同じ側の正吹出路又は逆吹出路を閉塞するため、閉塞側の正吹出路又は逆吹出路内に圧縮気体が余計に流入するのを防止して、供給側における圧縮気体の流れを確実にする。

本発明の第５の側面によれば、羽根車に重量軽減孔を形成したため、羽根車が軽量になり、羽根車がブレーキと接触した際において、羽根車の慣性による回り過ぎ防止して、羽根車を確実に停止させることができる。

本発明の第６の側面によれば、正吹出路及び逆吹出路の下流端が複数に分岐されて第１室に接続されているため、圧縮気体を羽根車に対して複数の方向から吹き付けることができ、羽根車の回転を安定させることができる。

第１実施形態に係るエアーモーターを示す断面図。 正転方向への圧縮気体が供給されたエアーモーターを示す断面図。 逆転方向への圧縮気体が供給されたエアーモーターを示す断面図。 第２室の底面を示す断面図。 第１室を示す断面図。 第２実施形態に係るエアーモーターを示す断面図。 第２実施形態の第１室を示す断面図。

図１〜図５は本発明の第１実施形態に係るエアーモーター１を示す図である。

以下では駆動流体として空気（圧縮気体）Ｅを用いた場合を説明し、その空気Ｅの流れの下流側から上流側へ向けての構造を順に説明する。第１室Ｒ１は円柱状の第１空間を画成し最も下流側に位置しており内部に羽根車２が収納されている。羽根車２は周囲に羽根を有する円板状で、中心には出力軸３が形成されている。羽根車２には扇形をした重量軽減孔４が出力軸３を中心とした対称位置に２対（計４つ）形成されている。

羽根車２は出力軸３がベアリング５を介して第１室Ｒ１の内部に支持されており、出力軸３を中心に正逆方向へ回転できるようになっている。

図５に示すように、第１室Ｒ１の一端側には正吹出路６ａと逆吹出路６ｂの各下流端７ａ、７ｂがそれぞれ形成されている。そして各下流端７ａ、７ｂから羽根車２へ向けて空気Ｅを吹き出すことにより、羽根車２を空気Ｅの吹き出し方向に応じた方向へ回転させることができる。図５中、白矢印が正転方向で、黒矢印が逆転方向である。羽根車２を回転させた空気Ｅは第１室Ｒ１における各下流端７ａ、７ｂの反対側に形成された排気口８から排出される。羽根車２の出力軸３は医療機器等の機構に組み合わされ、出力軸３が回転することによりその機器に必要な回転量の動力が与えられる。

第１室Ｒ１内にはブレーキ９も収納されている。ブレーキ９は羽根車２の重量軽減孔４以外の周縁部に当接自在なカップ形状をしている。ブレーキ９の中心には連結軸１０が形成され、この連結軸１０がスライド自在に支持されることにより、ブレーキ９は羽根車２に対して接離自在になっている。連結軸１０にはバネ１１が設けられ、ブレーキ９を常時羽根車２と接触するように付勢している。ブレーキ９が羽根車２から離れた時だけ羽根車２は回転することができ、ブレーキ９との接触時は回転が停止される。

正吹出路６ａ及び逆吹出路６ｂは空気Ｅの上流側に延び第２室Ｒ２に接続されている。正吹出路６ａ及び逆吹出路６ｂは第２室Ｒ２をいったん通り越し、上流側に大きく迂回した状態で第２室Ｒ２に接続されている。

第２室Ｒ２は円柱状の第２空間を画成し、その底面１２には図４の通り正吹出路６ａ及び逆吹出路６ｂの上流端１３ａ、１３ｂと、後述する正給気路１４ａ及び逆給気路１４ｂの下流端１５ａ、１５ｂが接続されている。正吹出路６ａ、逆吹出路６ｂ、正給気路１４ａ、逆給気路１４ｂはそれぞれ断面四角の中空形状をしている。

ブレーキ９の連結軸１０も第２室Ｒ２内に挿入されている。第２室Ｒ２内に挿入されたブレーキ９の連結軸１０は第２室Ｒ２内に収納された円板状のピストン１６と一体化されている。従ってピストン１６もブレーキ９の羽根車２に対する接離方向（上下方向）で一体的に往復移動自在となる。ピストン１６と第２室Ｒ２の底面１２とにより略密閉化されたスペースが形成される。

正給気路１４ａ及び逆給気路１４ｂは第２室Ｒ２から更に上流側に延び、その途中に第３空間を画成する第３室Ｒ３が形成されている。第３室Ｒ３は正給気路１４ａと逆給気路１４ｂを連通する構造で、正給気路１４ａ及び逆給気路１４ｂは第３室Ｒ３でクランク状に曲折し、第３室Ｒ３より上流側が下流よりも両者間の間隔が広がっている。幅広になった正給気路１４ａと逆給気路１４ｂの先端に上流端１７ａ、１７ｂが形成されている。

第３室Ｒ３内にはブロック１８が正給気路１４ａ側及び逆給気路１４ｂ側へ移動自在に収納されている。ブロック１８の両側には第３室Ｒ３の壁を貫通するシャフト１９ａ、１９ｂが形成され、該シャフト１９ａ、１９ｂの先端にストッパ２０ａ、２０ｂがそれぞれ形成されている。

ストッパ２０ａ、２０ｂはシャフト１９ａ、１９ｂより大径で、第３室Ｒ３の壁に係合することによりブロック１８の移動量を規制している。ブロック１８は、ストッパ２０ａ、２０ｂが係合することにより、第３室Ｒ３の下流側の正給気路１４ａ及び逆給気路１４ｂをそれぞれ選択的に閉塞可能な幅だけ移動してブロック１８の側面２１ａ、２１ｂ以外の下流側の面で下流側の正給気路１４ａ又は逆給気路１４ｂを閉塞する。どちらかを閉塞した際にはストッパ２０ａ、２０ｂによりそれ以上移動せず、閉塞した側のブロック１８の側面２１ａ、２１ｂが空気Ｅの圧力を受けるべく上流の正給気路１４ａ又は逆給気路１４ｂに対して必ず露出するように構成されている。

またストッパ２０ａ、２０ｂの位置には迂回した正吹出路６ａ及び逆吹出路６ｂも存在し、ストッパ２０ａ、２０ｂに対応する位置には挿入孔２２ａ、２２ｂも形成されている。

ブロック１８が正給気路１４ａ又は逆給気路１４ｂのいずれかを閉塞した際に、同様に閉塞した側の正吹出路６ａ又は逆吹出路６ｂの挿入孔２２ａ、２２ｂ内にストッパ２０ａ、２０ｂが挿入されて、その正吹出路６ａ又は逆吹出路６ｂを閉塞するようになっている。

挿入孔２２ａ、２２ｂはストッパ２０ａ、２０ｂに合致した形状を有しており、その一部が挿入孔２２ａ、２２ｂ内に挿入されることにより挿入孔２２ａ、２２ｂ自体も閉塞する。

正給気路１４ａ及び逆給気路１４ｂの上流端１７ａ、１７ｂは図示せぬ小型電磁弁（この小型電磁弁の電磁ノイズは小さいため影響がない）とチューブを介してエアーモーター１が使用される部屋の外部に設置されたエアーポンプ（図示省略）に接続されている。エアーポンプが室外に設置されているため、エアーポンプから生じる高周波の電磁波ノイズを完全に遮断することができる。

エアーモーター１を使用する時は小型電磁弁で正給気路１４ａ又は逆給気路１４ｂのいずれか一方を選択し、その選択した方の上流端１７ａ、１７ｂから空気Ｅを供給することにより羽根車２が正転又は逆転し、その回転量に応じて出力軸３から必要な動力が得られる。

図２は正給気路１４ａ側に空気Ｅを供給した場合を示している。

空気Ｅを供給する直前は図１の状態で、正給気路１４ａに空気Ｅが供給されると、ブロック１８の正給気路１４ａ側の側面２１ａが露出していることにより、空気Ｅの圧力はその側面２１ａを押す方向に作用し、ブロック１８を逆給気路１４ｂ側へ移動させる。

ブロック１８は逆給気路１４ｂ側へ移動してもストッパ２０ａが第３室Ｒ３の正給気路１４ａ側の壁部と係合するため、第３室Ｒ３の反対側の端部まで移動せず、ちょうど正給気路１４ａを開放し且つ逆給気路１４ｂを閉塞する位置で停止し、その逆給気路１４ｂの側面２１ｂは露出した状態が維持される。

第３室Ｒ３の壁に係合したストッパ２０ａは先端が挿入孔２２ａ内に位置しており、挿入孔２２ａ自体はストッパ２０ａにより閉塞された状態が維持される。またもう一方のストッパ２０ｂは逆吹出路６ｂの挿入孔２２ｂ内に挿入されるため、逆吹出路６ｂを閉塞すると共に挿入孔２２ｂ自体も閉塞する。

正給気路１４ａが開放されるため、空気Ｅは正給気路１４ａの下流端１５ａから第２室Ｒ２内に供給される。第２室Ｒ２内に供給された空気Ｅの静圧は真っ先にピストン１６に作用し、バネ１１の付勢力に抗してピストン１６を上昇させる。ピストン１６が上昇すると第２室Ｒ２の底面１２の全ての開口が開放される。

第２室Ｒ２内には正給気路１４ａの下流端１５ａから空気Ｅが流入し、他の３つの通路へも進入しようとするが、逆給気路１４ｂはブロック１８により閉塞され、逆吹出路６ｂはストッパ２０ｂにより閉塞されているため、空気Ｅは正吹出路６ａ側だけに流れる。

すなわち、ブロック１８が供給側でない逆給気路１４ｂを閉塞するため、ここを介して空気Ｅが逆流するのを防止でき、同じくストッパ２０ｂにより閉塞側の逆吹出路６ｂ内に空気Ｅが余計に流入するのを防止するため、必要な正吹出路６ａ側だけに空気Ｅが流れる。

正吹出路６ａへ流れた空気Ｅは下流端７ａから第１室Ｒ１内の羽根車２へ吹きつけられ、圧力勾配により羽根車２を正転方向へ回転させる。正転方向への羽根車２の回転力は出力軸３から取り出され、組み合わせられた機器を稼働させることができる。羽根車２を回転させた後の空気Ｅは排気口８から外部へ排出される。

そして必要な回転量が得られて羽根車２を停止させる場合には、正給気路１４ａへの空気Ｅの供給を停止する。するとピストン１６に作用する空気Ｅの圧力が低下するため、ピストン１６はバネ１１の付勢力によりブレーキ９ごと下降し、ピストン１６が第２室Ｒ２の全ての開口を閉塞すると共に、ブレーキ９が羽根車２に接触して羽根車２の回転を停止させる。

ブレーキ９と一体のピストン１６を内蔵する第２室Ｒ２が、羽根車２を内蔵する第１室Ｒ１よりも空気Ｅの流れの上流側に位置し、空気Ｅの圧力を羽根車２に作用させる前にピストン１６に作用させることができるため、ブレーキ９のタイミング遅れがなくなり、より正確な回転制御が行えるようになる。

羽根車２がブレーキ９により制動される際、羽根車２が重量軽減孔４により軽量になっているため、羽根車２の慣性による回り過ぎ防止することができ、羽根車２の回転を正確に制御することができる。

羽根車２を逆転方向へ回転させる場合には、図３に示されている通り、空気Ｅを逆給気路１４ｂへ供給すれば良い。そうすることにより正転方向とは逆の動作が生じて、羽根車２を逆転方向へ回転させることができる。

図６及び図７は本発明の第２実施形態を示す図である。本実施形態は、前記第１実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それらと同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

この実施形態に係るエアーモーター２３では、正吹出路６ａ及び逆吹出路６ｂがそれぞれ２つに分岐された下流端７ａ、７ｂ、２４ａ、２４ｂを有し、第１室Ｒ１はそれらの接続箇所を２つ設けた。

各下流端７ａ、７ｂ、２４ａ、２４ｂの接続口は第１室Ｒ１の対向位置に形成されて、それぞれ羽根車２に対して対向位置から同じ回転方向へ作用するように空気Ｅを吹き出す。排気口２５も排気口８の反対側に形成し、各下流端７ａ、７ｂ、２４ａ、２４ｂからの排気がスムーズに行われる。このように空気Ｅを羽根車２に対して複数の方向から吹き付けることにより、羽根車２の回転をより一層安定させることができる。

以上の各実施形態では、圧縮気体として空気Ｅを例にしたがこれに限定されず、窒素ガスその他の気体を用いても良い。

１、２３ エアーモーター
２ 羽根車
３ 出力軸
４ 重量軽減孔
６ａ 正吹出路
６ｂ 逆吹出路
８、２５ 排気口
９ ブレーキ
１４ａ 正給気路
１４ｂ 正給気路
１６ ピストン
１８ ブロック
２０ａ、２０ｂ ストッパ
Ｅ 空気（圧縮気体）
Ｒ１ 第１室
Ｒ２ 第２室
Ｒ３ 第３室

Claims (5)

1. 出力軸を中心に有する羽根車が回転自在に収納され、羽根車をそれぞれ正方向及び逆方向へ回転させるべく羽根車に対して圧縮気体を吹出し自在な正吹出路と逆吹出路の下流端がそれぞれ接続され、羽根車に対して回転力を作用させた後の圧縮気体を排出する排気口が形成され、羽根車に対して所定の付勢力で接触するブレーキが収納された第１室と、
   正吹出路及び逆吹出路の上流端が接続され、いずれか一方へ選択的に圧縮気体が供給される正給気路及び逆給気路の下流端が接続され、ブレーキと一体でブレーキの羽根車に対する接離方向で移動自在なピストンが収納され、該ピストンが正・逆吹出路の各上流端と正・逆給気路の各下流端をブレーキの付勢力により閉塞自在で且つ正・逆給気路のいずれか一方に圧縮気体が供給された場合のみ付勢力に抗してブレーキごと羽根車から離反する方向へ移動して正・逆吹出路の各上流端と正・逆給気路の各下流端をそれぞれ開放して第１室側への圧縮気体の流れを許容する第２室と、
   正給気路と逆給気路の途中に両者を連通する状態で形成され、正給気路及び逆給気路を選択的に閉塞自在なブロックを移動自在に収納し、該ブロックが正給気路及び逆給気路のいずれか一方側に供給された圧縮気体の圧力により他方側へ移動して他方側のみ閉塞する第３室と、
   を備えたことを特徴とするエアーモーター。
2. 第３室よりも上流側の正給気路と逆給気路は下流側の正給気路と逆給気路よりも間隔が広がっており、
   ブロックは第３室の上流の正給気路又は逆給気路側からの圧縮気体の圧力を側面で選択的に受けることにより第３室内を移動自在であり、移動した側においてブロックの側面以外の下流側の面で、下流側の正給気路又は逆給気路を閉塞自在であり、
   ブロックの両側には第３室の壁を貫通するシャフトがそれぞれ形成され、
   シャフトの先端にはシャフトより大径で第３室の壁に係合することによりブロックの第３室内での移動量を規制するストッパが形成され、
   該ストッパによりブロックが閉塞している正給気路又は逆給気路側においてそれぞれブロックの側面が圧縮気体の圧力を受けるべく上流の正給気路又は逆給気路に対して露出した状態となることを特徴とする請求項１記載のエアーモーター。
3. ストッパがブロックによる正給気路又は逆給気路のいずれかの閉塞時に同じ側の正吹出路又は逆吹出路を閉塞することを特徴とする請求項２記載のエアーモーター。
4. 羽根車の出力軸を中心にした対称位置に重量軽減孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエアーモーター。
5. 正吹出路及び逆吹出路の下流端が複数に分岐されて第１室に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のエアーモーター。
   

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