KR101522329B1 - Xy 분리 크랭크 기구 및 이를 구비한 구동장치 - Google Patents

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탁 리서치 유우겐가이샤
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Abstract

XY 분리 크랭크 기구는 제1 방향을 따라 왕복 이동하는 이동체(12)와 회전가능한 크랭크 축(14) 사이에 설치되어 상기 이동체의 왕복운동과 상기 크랭크 축의 회전운동을 상호 변환하는 XY 분리 크랭크 기구로서, 상기 제1 방향으로 왕복이동가능하게 설치된 지지부재(20)와, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 왕복이동가능하게 상기 지지부재에 설치됨과 동시에, 상기 크랭크 축의 크랭크가 회전가능하게 걸어맞춤되는 크랭크 접속부재(22)와, 상기 피스톤과 상기 지지부재를 연결하고 상기 제1 방향을 따라 상기 피스톤 및 지지부재와 일체적으로 왕복 이동하는 연결부재(24)를 구비하고 있다.

Description

XY 분리 크랭크 기구 및 이를 구비한 구동장치{X/Y-SEPARATION CRANK MECHANISM AND DRIVE DEVICE PROVIDED THEREWITH}
본 발명의 형태는, 왕복운동을 회전운동으로 변환하여 전달하는, 또한 회전운동을 왕복운동으로 변환하여 전달하는 XY 분리 크랭크 기구, 및 이를 구비한 구동장치에 관한 것이다.
왕복운동을 회전운동으로 변환하여 전달하는 기구로서, 크랭크 기구가 알려져 있다. 예를 들면, 엔진, 컴프레서(compressor) 등은, 실린더 내에 왕복가능하게 설치된 피스톤과, 피스톤에 회동가능하게 연결된 커넥팅로드와, 피스톤의 왕복 이동 방향과 직교하는 방향으로 연장되는 크랭크 축을 갖추고 있다. 커넥팅로드의 타단은, 크랭크 축에 편심하여 설치된 크랭크 핀에 회전가능하게 연결되어 있다. 그리고, 실린더내에서 피스톤이 왕복 이동하면, 이 왕복운동은 커넥팅로드의 요동 및 크랭크 핀의 편심 회전에 의해 크랭크 축의 회전운동으로 변환된다.
상기 구성의 크랭크 기구에 있어서, 커넥팅로드는, 통상, 피스톤 핀을 통해 피스톤에 회동가능하게 연결되어, 동력 전달시에는, 이 피스톤 핀의 주변에서 요동하면서 평행이동한다. 그 때문에, 피스톤에 회전 방향의 힘이 작용하여, 피스톤의 상단 외주부 및 하단 외주부의 2개소에서 실린더 내면에 대하여 쐐기효과 형태의 마찰 로스(loss)가 발생한다. 통상, 이 마찰 로스를 윤활제로 저감함으로써, 피스톤의 원활한 왕복이동을 가능하게 하고 있다. 그러나, 대형의 피스톤에서는 기름 떨어짐을 일으켜, 타는 현상으로 나타나는 경우가 있다.
종래, 이러한 마찰 로스에 의한 타는 것을 저감하기 위해, 피스톤과 커넥팅로드의 사이에, 크로스 헤드를 설치한 구동 기구, 혹은, 소형 엔진에서는 쇼트 피스톤(short piston)을 이용하는 것이 제안되어 있다.
그러나, 크로스 헤드를 설치하는 것에 의해 피스톤의 밀봉도를 높이는 것이 가능하지만, 크로스 헤드에 있어서도 2개소의 쐐기효과에 의해, 180도마다 변화하는 마찰 로스가 생기고 있다. 그 때문에, 동작은 왕복운동을 하고 있지만, 진동이 되어 로스를 일으킨다.
또한, 피스톤의 마찰 로스를 저감하는 기구로서, 스카치 요크(scotch yoke) 기구가 제안되어 있다. 대표적인 스카치 요크 기구는, 한 쌍의 평행한 가이드에 왕복이동가능하게 지지된 가동판에 피스톤을 연결하고, 이 가동판에 관통 형성된 가이드 구멍에 크랭크 축을 삽통하고, 또한 크랭크 축에 설치된 편심 크랭크를 상기 가이드 구멍 내에서 회전시킴으로써 가동판을 왕복 이동시키도록 구성되어 있다.
그렇지만, 상기의 스카치 요크 기구에 있어서도, 가동판을 지지하는 한 쌍의 가이드에 편심 크랭크의 회전에 기인하는 쐐기효과의 스트레스가 작용한다. 그 때문에, 마찰 로스도 크다. 예를 들면, 평행한 한 쌍의 가이드에 리니어 슬라이더를 배치했을 경우, 리니어 슬라이더 1개로 2개의 베어링 열을 가지므로, 산개(傘開) 효과에 의한 마찰 로스가 발생하여 고속 동작이 곤란해진다.
특허문헌 1 : 일본 공개특허 제2006-307961호 공보 특허문헌 2 : 일본 공개특허 제2004-316576호 공보 특허문헌 3 : 일본 공개특허 제2007-270653호 공보
본 발명은 이상의 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 과제는, 마찰 로스 및 진동을 저감하고, 높은 효율로 운동을 변환 전달 가능한 XY 분리 크랭크를 제공하는 것에 있다.
실시 형태에 의하면, 제1 방향을 따라 왕복 이동하는 이동체와 회전 가능한 크랭크 축 사이에 설치되어, 상기 이동체의 왕복운동과 상기 크랭크 축의 회전운동을 상호 변환하는 XY 분리 크랭크 기구는, 상기 제1 방향으로 왕복이동가능하게 설치된 지지부재와, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 왕복이동가능하게 상기 지지부재에 장착됨과 동시에 상기 크랭크 축의 크랭크가 회전가능하게 걸어맞춤되는 크랭크 접속부재와, 상기 피스톤과 상기 지지부재를 연결하고 상기 제1 방향을 따라 상기 피스톤 및 지지부재와 일체적으로 왕복 이동하는 연결부재를 구비하고 있다.
이상과 같이, 상술한 실시형태에 의하면, 마찰 로스 및 진동을 줄이고 높은 효율로 운동을 변환 전달가능한 XY 분리 크랭크 및 이를 구비한 구동장치를 제공할 수 있다.
도 1은, 실시 형태에 따른 횡치(橫置)형 XY 분리 크랭크 기구를 도시한 측면도.
도 2는, 상기 횡치형 XY 분리 크랭크 기구를 모식적으로 나타내는 사시도.
도 3은, 실시 형태에 따른 수평 동축의 종치(縱置)형 XY 분리 크랭크 기구를 도시한 측면도.
도 4는, 실시 형태에 따른 종치(縱置)형 XY 분리 크랭크 기구를 도시한 측면도.
도 5는, 상기 종치(縱置)형 XY 분리 크랭크 기구를 모식적으로 도시한 사시도.
도 6은, 실시 형태에 따른 듀얼 출력형 XY 분리 크랭크 기구를 도시한 측면도.
도 7은, 상기 듀얼 출력형 XY 분리 크랭크 기구를 모식적으로 도시한 사시도.
도 8은, 실시 형태에 따른 수평 동축 듀얼 출력형의 XY 분리 크랭크 기구를 도시한 측면도.
도 9는, 상기 XY 분리 크랭크 기구에 작용하는 힘의 방향 및 크기를 모식적으로 도시한 도면.
도 10은, 상기 분리 크랭크 기구와 피스톤과의 상호 작용력을 2구체 구조로 도시한 도면.
도 11은, 상기 피스톤의 Y축 방향의 작용력을 모식적으로 도시한 도면.
도 12는, 비교예에 따른 크랭크 기구 및 이것에 작용하는 힘의 방향 및 크기를 모식적으로 도시한 도면.
도 13은, 비교예에 따른 크랭크 기구에 작용하는 힘의 방향 및 크기를 모식적으로 도시한 도면.
도 14는, 비교예에 따른 크랭크 기구에 작용하는 힘의 방향 및 크기를 모식적으로 도시한 도면.
도 15는, 실시 형태에 따른 XY 분리 크랭크 기구와 비교예에 따른 크랭크 기구에 대해 발생하는 마찰 저항을 비교하여 도시한 도면.
도 16은, 실시 형태에 따른 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 엔진 장치를 나타내는 사시도.
도 17은, 상기 엔진 장치의 측면도.
도 18은, 상기 엔진 장치에 있어서 1기통 분의 기본 구성을 도시한 사시도.
도 19는, 상기 엔진 장치의 평면도.
도 20은, 상기 엔진 장치의 측면도.
도 21은, 실시 형태에 따른 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 4기통 엔진 장치를 도시한 평면도.
도 22는, 실시 형태에 따른 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 다른 4기통 엔진 장치를 도시한 평면도.
도 23은, 실시 형태에 따른 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 다른 4기통 엔진 장치를 도시한 평면도.
도 24는, 실시 형태에 따른 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 컴프레서를 도시한 사시도.
도 25는, 상기 컴프레서의 측면도.
도 26은, 상기 컴프레서의 정면도.
도 27은, 다른 실시형태에 따른 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구를 도시한 사시도.
도 28은, 상기 다른 실시형태에 따른 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구의 단면도.
도 29는, 다른 실시형태에 따른 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구의 지지부재를 도시한 사시도.
도 30은, 다른 실시 형태에 따른 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구의 슬라이드 가이드의 단면도.
도 31은, 또 다른 실시형태에 따른 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 엔진 장치를 도시한 측면도.
도 32는, 상기 엔진 장치의 사시도.
도 33은, 상기 엔진 장치의 동작을 개략적으로 도시한 측면도.
도 34는, 다른 실시형태에 따른 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 엔진 장치를 도시한 측면도.
도 35는, 다른 실시형태에 따른 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 엔진 장치를 도시한 측면도.
도 36은, 또 다른 실시형태에 따른 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 엔진 장치를 도시한 측면도.
도 37은, 도 36에 도시된 엔진 장치의 일부를 확대해 일부 파단하여 도시한 측면도.
도 38은, 상기 엔진 장치의 슬라이드 가이드 및 지지부재를 도시한 단면도.
도 39는, 상기 엔진 장치의 제어 회로 구성을 도시한 블럭도.
도 40은, 상기 엔진 장치에서의 크랭크 축의 회전 각도와 마찰 로스의 관계를 도시한 도면.
도 41은, 또 다른 실시형태에 따른 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 엔진 장치를 도시한 측면도.
도 42는, 다른 실시형태에 따른 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 4기통 수평 대향 엔진 장치를 도시한 측면도.
도 43은, 상기 4기통 수평 대향 엔진 장치를 도시한 사시도.
도 44는, 상기 4기통 수평 대향 엔진 장치를 도시한 평면도.
도 45는, 상기 4기통 수평 대향 엔진 장치를 도시한 정면도.
도 46은, 또 다른 실시형태에 따른 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구의 단면도.
도 47은, 실시 형태에 따른 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 프레스 장치를 도시한 사시도.
도 48은, 상기 프레스 장치에서의 XY 분리 크랭크 기구를 도시한 사시도.
도 49는, 실시 형태에 따른 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 프레스 장치를 도시한 사시도.
도 50은, 상기 펌프의 측면도.
이하, 도면을 참조하여 실시 형태에 따른 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구 및 이를 구비한 각종 구동장치에 대해 설명한다. 처음에, Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구의 기본 구성에 대해 설명한다. 도 1은 횡치(橫置)의 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구를 도시한 것이고, 도 2는 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 구동장치에 있어서, Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 이동체로서, 예를 들면, 제1 방향(X축 방향)으로 왕복이동가능하게 설치된 피스톤(12)과, 이 피스톤(12)의 중심축(이동축)을 포함하는 기준 평면(전달 평면) C와 직교하는 방향으로 연장하는 크랭크 축(14) 사이에 설치되어, 피스톤(12)의 제1 방향을 따른 왕복 운동과 크랭크 축(14)의 회전운동을 상호 변환하여 전달하도록 구성되어 있다.
피스톤(12)은 실린더(16) 내에 왕복이동가능하게 설치되어, 크랭크 축(14)은, 예를 들면, 베어링(18)에 의해 양단부가 회전가능하게 지지되어 있다. 구동장치가 예를 들어 엔진으로 구성되어 있는 경우, 실린더(16) 내에서 압축 및 연소된 연료에 의해 피스톤(12)에 구동력이 입력되어 제1 방향을 따라 왕복 이동한다. Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 구동 입력인 피스톤(12)의 왕복운동을, 회전운동으로 변환하여 크랭크 축(14)에 전달하고, 크랭크 축(14)에 회전출력을 제공한다.
또한, 구동장치가, 예를 들면, 컴프레서(compressor)로 구성되어 있는 경우, 예를 들어 모터 등에 의해서 크랭크 축(14)에 회전력이 입력되어 크랭크 축(14)이 회전한다. Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 이 크랭크 축(14)의 회전운동을 왕복운동으로 변환하여 피스톤(12)에 전달하고, 피스톤(12)을 실린더(16) 내에서 왕복이동시킨다. 이 피스톤(12)의 왕복 이동에 의해, 실린더(16)내의 공기를 압축하고 외부에 공급한다.
도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 기준 평면 C에서, X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 설치된 지지부재(20)와, 기준 평면 C에서, X축 방향과 직교하는 제2 방향(Y축 방향)을 따라 왕복이동가능하게 지지부재(20)에 부착된 크랭크 접속부재(22)와, 피스톤(12)과 지지부재(20)를 연결한 연결부재(24)를 갖추고 있다. 지지부재(20)의 이동 중심축(X축 방향), 크랭크 접속부재(22)의 이동 중심축(Y축 방향), 및 연결부재(24)의 중심 이동축(X축 방향)은, 기준 평면 C에 위치하고 있다.
Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)의 구성법에서는, 기준 평면 C가 동력을 유효하게 전달하는 평면이다. 이 기준 평면 C와 직교하는 X축 평면(접지 평면) D, Y축 평면(직교 전달 평면) E에 리니어 가이드(36)(40)등의 윤활(潤滑)한 XY 직동기구를 부착함으로써, 90도의 전달각을 가지고 전달 기구를 구성할 수 있다. X축 평면 D, Y축 평면 E는, 어느 하나를 접지함으로써, 종방향(Y축 방향), 횡방향(X축 방향)을 선택할 수 있다. 회전축 방향을 Z축 방향으로 한다.
지지부재(20)는, 예를 들면, L자 형상으로 형성되어 X축 방향으로 연장되는 제1 지지부(20a)와, 제1 지지부로부터 Y축 방향으로 연장되는 제2 지지부(20b)를 일체로 갖추고 있다. 제1 지지부(20a)는, 제1 리니어 슬라이더(36)에 의해, X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지 및 가이드되고 있다. 본 실시형태에서, 제1 리니어 슬라이더(36)는, 베이스(38)에 고정되어 고정적으로 설치되어 있다. 여기에서는, X축 방향을 거의 수평 방향으로 하고, XY 분리 크랭크 기구(10)는 이른바 횡치(橫置)형으로 구성되어 있다.
지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에는, Y축 방향으로 연장되는 제2 리니어 슬라이더(40)가 고정되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는, 예를 들면, 판 형상으로 형성되며, 그 일단부가 제2 리니어 슬라이더(40)에 의해 Y축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는, 기준 평면 C내에 설치되어 그 타단부가 크랭크 축(14)에 연결되어 있다. 즉, 크랭크 접속부재(22)의 타단부에 원형의 투명공(41)이 형성되어 있다. 이 투명공(41)에, 크랭크 축(14)의 크랭크 핀(15)이 도시하지 않은 베어링을 통해 회전가능하게 삽통되어 있다. 이에 따라, 크랭크 접속부재(22)는 크랭크 축(14)에 걸어맞춤되어 크랭크 축(14)과 지지부재(20)를 연결하고 있다.
연결부재(24)는, 예를 들면, 가늘고 긴 연결 막대로 구성되며, 그 일단은 도시하지 않은 피스톤 핀을 통해 피스톤(12)에 연결되고, 타단은 지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에 연결되어 있다. 연결부재(24)는, 피스톤(12)의 중심축(이동축)과 동축적(同軸的)으로 연장되어 있다. 연결부재(24)는, X축 방향을 따라 지지부재(20)와 일체적으로 왕복 이동하고, 피스톤(12)을 X축 방향을 따라 왕복 이동시킨다.
상기와 같이 구성된 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)를 구비한 구동장치에 있어서, 예를 들어, 크랭크 축(14)에 회전력이 입력되어 크랭크 축(14)이 시계 방향으로 회전하면 크랭크 핀(15)은 크랭크 축(14)의 주위에서 편심 회전한다. 이 편심 회전 운동은 크랭크 접속부재(22) 및 지지부재(20)에 의해 X축 방향의 이동과 Y축 방향의 이동으로 분리되어, 크랭크 접속부재(22)는 제2 리니어 슬라이더(40)에 의해 Y축 방향을 따라 왕복 운동하고, 지지부재(20)는 크랭크 접속부재(22)와 함께 제1 리니어 슬라이더(36)에 의해 X축 방향을 따라 왕복 운동한다. 지지부재(20)의 X축 방향의 왕복운동은, 연결부재(24)를 통해 피스톤(12)에 전달되어 피스톤(12)이 실린더(16) 내를 X축 방향을 따라 왕복 운동한다. 이렇게 해서, 크랭크 축(14)의 회전운동은 XY 분리 크랭크 기구(10)에 의해 왕복 운동으로 변환되어 피스톤(12)에 전달된다. 또한, 피스톤(12)에 구동 입력이 되는 경우도 마찬가지로, 피스톤(12)의 왕복운동은 XY 분리 크랭크 기구(10)의 지지부재(20)의 X축 방향의 왕복운동 및 크랭크 접속부재(22)의 Y축 방향의 왕복운동에 의해 회전운동으로 변환되어 크랭크 축(14)에 전달된다. 이에 따라, 크랭크 축(14)에 회전 출력이 주어진다.
도 3은, 수평 동축의 횡치 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구를 도시하고 있다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 구동장치에 있어서, Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는 이동체로서, 각각 제1 방향(X축 방향)으로 왕복이동가능하게 수평 대향 배치된 한 쌍의 피스톤(12)와 이 피스톤(12)의 중심축(이동축)을 포함하는 기준 평면(전달 평면) C와 직교하는 방향으로 연장되는 크랭크 축(14) 사이에 설치되어 피스톤(12)의 제1 방향을 따른 왕복운동과 크랭크 축(14)의 회전운동을 상호 변환하여 전달하도록 구성되어 있다.
Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)의 지지부재(20)는, X축 방향으로 연장되는 제1 지지부(20a)와, 제1 지지부(20a)의 축방향 양단으로부터 Y축 방향으로 연장되는 제2 지지부(20b) 및 제3 지지부(30c)를 일체로 가지고, 거의 U형상으로 형성되어 있다. 제1 지지부(20a)는, 제1 리니어 슬라이더(36)에 의해, X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지 및 가이드되고 있다. 본 실시형태에서, 제1 리니어 슬라이더(36)는, 베이스(38)에 고정되어 고정적으로 설치되어 있다. 여기에서는, X축 방향을 거의 수평 방향으로 하고, XY 분리 크랭크 기구(10)는 이른바 횡치(橫置)형으로 구성되어 있다.
지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에는, Y축 방향으로 연장되는 제2 리니어 슬라이더(40)가 고정되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는, 예를 들면, 판 형상으로 형성되며, 그 일단부가 제2 리니어 슬라이더(40)에 의해 Y축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는, 기준 평면 C내에 설치되어 그 타단부가 크랭크 축(14)에 연결되어 있다. 즉, 크랭크 접속부재(22)의 타단부에, 크랭크 축(14)의 크랭크 핀(15)이 도시하지 않은 베어링을 통해 회전가능하게 삽통되어 있다. 이에 따라, 크랭크 접속부재(22)는 크랭크 축(14)에 걸어맞춤되어, 크랭크 축(14)과 지지부재(20)를 연결하고 있다.
연결부재(24)는, 예를 들면, 가늘고 긴 연결 막대로 구성되며, 그 일단은 도시하지 않은 피스톤 핀을 통해 피스톤(12)에 연결되고, 타단은 지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에 연결되어 있다. 연결부재(24)는, 피스톤(12)의 중심축(이동축)과 동축적(同軸的)으로 연장되어 있다. 연결부재(24)는, X축 방향을 따라 지지부재(20)와 일체적으로 왕복 이동하고, 피스톤(12)을 X축 방향을 따라 왕복 이동시킨다.
또한, 지지부재(20)의 제3 지지부(20c)에, 연결부재(24)를 통해 다른 피스톤(12)이 연결되어 있다. 연결부재(24)는, 예를 들면, 가늘고 긴 연결 막대로 구성되며, 그 일단은 도시하지 않은 피스톤 핀을 통해 피스톤(12)에 연결되고, 타단은 제3 지지부(20c)에 연결되어 있다. 연결부재(24)는, 피스톤(12)의 중심축(이동축)과 동축적(同軸的)으로 연장되어 있다. 연결부재(24)는, X축 방향을 따라 지지부재(20)와 일체적으로 왕복 이동하고, 피스톤(12)을 X축 방향을 따라 왕복 이동시킨다.
상기와 같이 구성된 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)를 구비한 구동장치에 있어서, 예를 들어, 크랭크 축(14)에 회전력이 입력되어 크랭크 축(14)이 시계방향으로 회전하면, 크랭크 핀(15)은 크랭크 축(14)의 주위에서 편심 회전한다. 이 편심 회전 운동은 크랭크 접속부재(22) 및 지지부재(20)에 의해 X축 방향의 이동과 Y축 방향의 이동으로 분리되어, 크랭크 접속부재(22)는 제2 리니어 슬라이더(40)에 의해 Y축 방향을 따라 왕복 운동하며, 지지부재(20)는 크랭크 접속부재(22)와 함께 제1 리니어 슬라이더(36)에 의해 X축 방향을 따라 왕복 운동한다. 지지부재(20)의 X축 방향의 왕복 운동은, 연결부재(24)를 통해 피스톤(12)에 전달되어 피스톤(12)가 실린더(16)내를 X축 방향을 따라 왕복 운동한다. 이렇게 해서, 크랭크 축(14)의 회전운동은 XY 분리 크랭크 기구(10)에 의해 왕복운동으로 변환되어 피스톤(12)에 전달된다. 또한, 피스톤(12)에 구동 입력이 되는 경우도 마찬가지로, 피스톤(12)의 왕복운동은, XY 분리 크랭크 기구(10)의 지지부재(20)의 X축 방향의 왕복운동 및 크랭크 접속부재(22)의 Y축 방향의 왕복운동에 의해 회전운동으로 변환되어 크랭크 축(14)에 전달된다. 이에 따라, 크랭크 축(14)에 회전 출력이 주어진다.
이러한 구성의 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)를 구비한 구동장치는, 수평 대향 엔진이나 컴프레서, 펌프 등에 적용할 수 있다. 또한, 상기의 동축 구조는 복류의 피스톤 구조를 용이하게 실현할 수 있다.
도 4는 종치(縱置)의 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구를 도시한 것이고, 도 5는 이 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 구동 장치에 있어서, Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 예를 들면, 제1 방향인 Y축 방향으로 왕복이동가능하게 설치된 피스톤(12)과, 이 피스톤(12)의 중심축(이동축)을 포함하는 기준 평면 C와 직교하는 방향으로 연장되는 크랭크 축(14) 사이에 설치되어, 피스톤(12)의 제1 방향을 따른 왕복 운동과 크랭크 축(14)의 회전운동을 상호 변환하여 전달하도록 구성되어 있다.
Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10), 기준 평면 C에서 Y축 방향을 따라 왕복이동가능하게 설치된 지지부재(20)와, 기준 평면 C에서 Y축 방향과 직교하는 제2 방향(X축 방향)을 따라 왕복이동가능하게 지지부재(20)에 부착된 크랭크 접속부재(22)와, 피스톤(12)과 지지부재(20)를 연결한 연결부재(24)를 갖추고 있다.
지지부재(20)는, 예를 들어 L자 형상으로 형성되고, Y축 방향으로 연장되는 제1 지지부(20a)와, 제1 지지부로부터 X축 방향으로 연장되는 제2 지지부(20b)를 일체로 가지고 있다. 제1 지지부(20a)는, 제1 리니어 슬라이더(36)에 의해, Y축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지 및 가이드되고 있다. 본 실시형태에서, 제1 리니어 슬라이더(36)는, 베이스(38)에 고정되고, Y축 평면 E가 접지된 구성으로 되어 있다. 여기에서는, Y축 방향을 거의 수직 방향으로 하고, XY 분리 크랭크 기구(10)는 이른바 종치(縱置)형으로 구성되어 있다.
지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에는, X축 방향으로 연장되는 제2 리니어 슬라이더(40)가 고정되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는, 예를 들면, 판 형상으로 형성되어 그 일단부가 제2 리니어 슬라이더(40)에 의해 X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는, 기준 평면 C내에 설치되어 그 타단부가 크랭크 축(14)에 연결되어 있다. 즉, 크랭크 접속부재(22)의 타단부에 원형의 투명공(41)이 형성되어 있다. 이 투명공(41)에, 크랭크 축(14)의 크랭크 핀(15)이 도시하지 않은 베어링을 통해 회전가능하게 삽통되어 있다. 이에 따라, 크랭크 접속부재(22)는 크랭크 축(14)에 걸어맞춤되어 크랭크 축(14)과 지지부재(20)를 연결하고 있다.
연결부재(24)는, 예를 들면, 가늘고 긴 연결 막대로 구성되며, 그 일단은 도시하지 않은 피스톤 핀을 통해 피스톤(12)에 연결되고, 타단은 지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에 연결되어 있다. 연결부재(24)는, 피스톤(12)의 중심축(이동축)과 동축적(同軸的)으로 연장되어 있다. 연결부재(24)는, Y축 방향을 따라 지지부재(20)와 일체로 왕복 이동하고, 피스톤(12)을 Y축 방향을 따라 왕복 이동시킨다.
도 6은 I형 듀얼 출력형의 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구를 나타내고, 도 7은 이 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 6 및 도 7에 도시하는 바와 같이, 구동장치에 있어서, Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 예를 들면, 제1 방향(X축 방향)으로 왕복이동가능하게 설치된 피스톤(12)과, 이 피스톤(12)의 중심축(이동축)을 포함하는 기준 평면 C와 직교하는 방향으로 연장되는 2개의 크랭크 축(14) 사이에 설치되어 피스톤(12)의 제1 방향을 따른 왕복 운동과 2개의 크랭크 축(14)의 회전운동을 상호 변환하여 전달하도록 구성되어 있다.
피스톤(12)은, 실린더(16) 내에 왕복이동가능하게 설치되고, 각 크랭크 축(14)는, 예를 들면, 베어링(18)에 의해 양단부가 회전가능하게 지지되어 있다. 구동장치가 예를 들어 엔진으로 구성되어 있는 경우, 실린더(16) 내에서 압축 및 연소된 연료에 의해 피스톤(12)에 구동력이 입력되어 제1 방향을 따라 왕복 이동한다. Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 구동 입력인 피스톤(12)의 왕복 운동을 회전운동으로 변환하여 2개의 크랭크 축(14)에 전달하고, 이들 크랭크 축(14)에 회전 출력을 제공한다.
또한, 구동장치가, 예를 들면, 컴프레서(compressor)로 구성되어 있는 경우, 2개의 크랭크 축(14)에 회전력이 입력되어 크랭크 축(14)이 회전한다. Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 이 크랭크 축(14)의 회전운동을 왕복운동으로 변환하여 피스톤(12)에 전달하고, 피스톤(12)을 실린더(16) 내에서 왕복 운동시킨다. 이 피스톤(12)의 왕복 이동에 의해, 실린더(16) 내의 공기를 압축하고 외부에 공급한다.
도 6 및 도 7에 도시하는 바와 같이, Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 기준 평면 C에서, X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 설치된 지지부재(20)와, 기준 평면 C에서, X축 방향과 직교하는 제2 방향(Y축 방향)을 따라 왕복이동가능하게 지지부재(20)에 부착된 2개의 크랭크 접속부재(22)와, 피스톤(12)과 지지부재(20)를 연결한 연결부재(24)를 갖추고 있다.
지지부재(20)는, 예를 들면, T자 형상으로 형성되어 X축 방향으로 연장되는 제1 지지부(20a)와, 제1 지지부로부터 Y축 방향을 따라 상하로 연장되는 2개의 제2 지지부(20b)를 일체로 가지고 있다. 제1 지지부(20a)는, 제1 리니어 슬라이더(36)에 의해, X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지 및 가이드되고 있다. 본 실시형태에서, 제1 리니어 슬라이더(36)는, 베이스(38)에 고정되어 고정적으로 설치되어 있다. 여기에서는, X축 방향을 거의 수평 방향으로 하고, XY 분리 크랭크 기구(10)는 이른바 횡치형으로 구성되어 있다.
지지부재(20)의 각 제2 지지부(20b)에는, Y축 방향으로 연장되는 제2 리니어 슬라이더(40)가 고정되어 있다. 2개의 크랭크 접속부재(22)는, 예를 들면, 판 형상으로 형성되어 제1 지지부(20a)의 Y축 방향 양측에 배치되어 있다. 각 크랭크 접속부재(22)는, 그 일단부가 제2 리니어 슬라이더(40)에 의해 Y축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지되어 있다. 각 크랭크 접속부재(22)는, 기준 평면 C내에 설치되어 그 타단부가 크랭크 축(14)에 연결되어 있다. 즉, 크랭크 접속부재(22)의 타단부에 원형의 투명공(41)이 형성되어 있다. 이 투명공(41)에, 크랭크 축(14)의 크랭크 핀(15)이 도시하지 않은 베어링을 통해 회전가능하게 삽통되어 있다. 이에 따라, 크랭크 접속부재(22)는 크랭크 축(14)에 걸어맞춤되어, 크랭크 축(14)과 지지부재(20)를 연결하고 있다.
연결부재(24)는, 예를 들면, 가늘고 긴 연결 막대로 구성되며, 그 일단은 도시하지 않은 피스톤 핀을 통해 피스톤(12)에 연결되고, 타단은 지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에 연결되어 있다. 연결부재(24)는, 피스톤(12)의 중심축(이동축)과 동축적으로 연장되어 있다. 여기에서는, 연결부재(24)는, 지지부재(20)의 제1 지지부(20a)와 동축적으로 설치되어 있다. 연결부재(24)는, X축 방향을 따라 지지부재(20)와 일체로 왕복 이동하고, 피스톤(12)을 X축 방향을 따라 왕복 이동시킨다.
상기와 같이 구성된 구동장치에 있어서, 예를 들면, 2개의 크랭크 축(14)에 회전력이 입력되어, 한쪽의 크랭크 축(14)이 시계 방향으로 회전하고, 다른 쪽의 크랭크 축(14)이 반 시계 방향으로 회전하면, 크랭크 핀(15)은 각각 크랭크 축(14)의 주위에서 편심 회전한다. 이 편심 회전 운동은 크랭크 접속부재(22) 및 지지부재(20)에 의해 X축 방향의 이동과 Y축 방향의 이동으로 분리되어, 각 크랭크 접속부재(22)는 제2 리니어 슬라이더(40)에 의해 Y축 방향을 따라 왕복 운동하고, 지지부재(20)는 크랭크 접속부재(22)와 함께 제1 리니어 슬라이더(36)에 의해 X축 방향을 따라 왕복 운동한다. 지지부재(20)의 X축 방향의 왕복 운동은, 연결부재(24)를 통해 피스톤(12)에 전달되어 피스톤(12)이 실린더(16)내를 X축 방향을 따라 왕복 운동한다. 이렇게 해서, 2개의 크랭크 축(14)의 회전운동은 XY 분리 크랭크 기구(10)에 의해 왕복운동으로 변환되어 피스톤(12)에 전달된다.
또한, 피스톤(12)에 구동 입력이 되는 경우도 마찬가지로, 피스톤(12)의 왕복 운동은, XY 분리 크랭크 기구(10)의 지지부재(20)의 X축 방향의 왕복 운동 및 크랭크 접속부재(22)의 Y축 방향의 왕복 운동에 의해 회전 운동으로 변환되어 2개의 크랭크 축(14)에 전달된다. 이에 따라, 2개의 크랭크 축(14)에 회전 출력이 주어진다. 상술한 듀얼 출력형의 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 구동장치는, 대형 선박용의 엔진이나 제트 엔진 등에 적합하다. 예를 들어, 선박용의 엔진에 적용했을 경우, 2개의 크랭크 축(14)의 회전 출력을 2개의 스크류에 전달하고, 동시에 역회전 스크류 또는 동축 역회전 스크류를 실현할 수 있다. 이 경우, 본 XY 분리 크랭크 기구를 이용함으로써, 2개의 스크류에 관한 편차없는 동기성이 뛰어난 출력을 얻을 수 있다.
도 8은, 수평 동축 듀얼 출력형의 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구를 도시하고 있다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 구동장치에 있어서, Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 예를 들면, 각각 제1 방향(X축 방향)으로 왕복이동가능하게 수평 대향 배치된 한 쌍의 피스톤(12)과, 이들 피스톤(12)의 중심축(이동축)을 포함하는 기준 평면 C와 직교하는 방향으로 연장되는 2개의 크랭크 축(14) 사이에 설치되어, 피스톤(12)의 제1 방향을 따른 왕복 운동과 2개의 크랭크 축(14)의 회전운동을 상호 변환하여 전달하도록 구성되어 있다.
Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 전술한 I형 듀얼 출력형의 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구와 동일하게 구성되어, 기준 평면 C에서, X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 설치된 지지부재(20)와, 기준 평면 C에서, X축 방향과 직교하는 제2 방향(Y축 방향)을 따라 왕복이동가능하게 지지부재(20)에 장착된 2개의 크랭크 접속부재(22)와, 피스톤(12)과 지지부재(20)를 연결한 연결부재(24)를 갖추고 있다. 또한, 본 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 다른 쪽의 피스톤과 지지부재(20)의 타단을 연결한 연결부재(24)를 갖추고 있다. 연결부재(24)는, 가늘고 긴 연결 막대로 구성되며, 그 일단은 도시하지 않은 피스톤 핀을 통해 피스톤(12)에 연결되고, 타단은 지지부재(20)의 제1 지지부(20a)에 연결되어 있다. 연결부재(24)는, 피스톤(12)의 중심축(이동축)과 동축적으로 연장되어 있다. 여기에서는, 연결부재(24)는 지지부재(20)의 제1 지지부(20a)와 동축적으로 설치되어 있다. 연결부재(24)는, X축 방향을 따라 지지부재(20)와 일체로 왕복 이동하고, 피스톤(12)을 X축 방향을 따라 왕복이동시킨다. 다른 구성은, 전술한 I형 듀얼 출력형의 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)와 동일하다.
상기와 같이 구성된 다양한 실시형태에 따른 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)에 따르면, 요동하는 커넥팅로드(연결봉)를 이용한 기구나 슬라이더 크랭크와 비교하여 사이드 스러스트 로스(side thrust loss; 마찰 로스)가 발생하지 않고, 진동의 발생도 저감할 수 있다. 또한, 사이드 스러스트 로스가 없기 때문에 슬라이더 크랭크 기구에 비해 30%~40%의 전달 효율을 향상한다.
상기 XY 분리 크랭크 기구(10)와 비교예에 따른 종래의 크랭크 기구에 대해 마찰 로스를 산출하여 비교한다. 도 9는 본 실시형태에 따른 XY 분리 크랭크 기구에 작용하는 작용력을 모식적으로, 도 10은 XY 분리 크랭크 기구와 피스톤 간의 작용력 점을 2구체로 모식적으로 도시하고 있다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 2구체 구조의 경우, 예를 들면, 연결부재(24)로부터 힘 F가 피스톤(12)에 가해지면, 이 힘은 F1, F2의 두 힘으로 분해되어 있지만, F1와 F2는 동일하고, 2 구체는, 도 9에 도시하는 바와 같이 1구체로 분석해도 좋을 것이다.
F=F1+F2, F1=F2
도 9에 있어서,
AB: 크랭크, BC: 크랭크 접속부재, A점: 크랭크 축회전 중심,
B점: 크랭크 핀(15), Fin: B점에 입력되는 힘,
θ: A점의 크랭크 암이 이루는 각도, α: B점의 Fin이 이루는 각도,
로 했을 경우,
점 B에 입력에 입력한 Fin의 X방향의 분력 Fin·cosα는, 강체인 크랭크 BC에 의해, C점의 1구체에 대해 동일하게 발생한다. B점에서의 Y축 방향의 분력 Fin·sinα도 마찬가지로 C점의 1구체에 대해 동일하게 발생한다. 따라서, C점에 발생하는 마찰 로스 Fm은 이하의 식으로 표시된다.
[식 1]
Fin=μmFinsinα
=μm·Finsin(π/2-θ) ……… ①
(μm: C점의 동마찰 계수(動摩擦係數))
θ=45°, μm=0.01, Fin=1[N]으로 하면,
Fm=0.01×1×sin45°
= 0.0007[N]
즉, Y축 방향으로 출력 Fout은,
Fout=Fin·sinα-μm·sinα
= 0.9993[N]
따라서, Y축 방향으로 99.93%의 전달 효율로 출력된다.
다음에, 도 11에 도시하는 바와 같이, C점에서 X축 방향으로 생기는 힘을 F'in으로 한다. CD는 강체이며, C점의 F'in은 D점에 그대로 이동할 수 있기 때문에 도 9와 같이 나타낼 수 있다. 또한, F'in은 D점에서 마찰의 힘이므로,
F'm =μ'm×F'in … (2)
(μ'm: D점의 동마찰 계수)
F'in은, 도 3에 도시된 C점에서의 X축 방향의 힘이다.
따라서, F'in = Fin·cosα로부터 (2)식은
F'm=μ'm×Fin·cosα … ( 3 )
(α=π/2 -θ)가 된다.
만일, Fin=1[N], μm=0.01, θ= 45°로 하면,
F'm=0.01×1×cos45°
= 0.01[N] … (4)
가 된다.
이 (4)식으로부터, X축 방향의 힘 전달은,
F'in-F'm=1-0.01=0.99
가 되며, 대부분 로스를 일으키지 않고, 99%의 전달률을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
이에 대해, 비교예로서 도 12, 도 13, 도 14는, 종래의 요동하는 커넥팅로드를 이용한 크랭크 기구를 모식적으로 나타내고 있다. 이러한 도면에서,
AB: 크랭크, BC: 커넥팅로드, A점: 크랭크 축회전 중심,
B점: 크랭크 핀(15), C점: 피스톤 핀, 12: 2구체로 도시된 피스톤,
Fin: C점에 입력되는 힘, θ: ∠BAC, φ: ∠BCA,
로 했을 경우,
C점에 Fin이라는 힘을 더한다. 이 입력 Fin에 의해, 커넥팅로드 BC에 Fin·tanφ라는 힘이 생긴다.
Fc = Fin·tanφ … (5)
다음에, ∠BCA=φ를 크랭크각 θ로 나타내면, AB=r, BC=l로 했을 경우,
도 13으로부터,
Y=l·sinφ=r·sinθ, sinφ=r/l·sinθ … (6)
이 된다.
또한, sin2φ+cos2φ= 1 로부터,
[식 2]
Figure 112013093515966-pct00001
가 된다.
식(5) 내지 (7) 로부터,
[식 3]
Figure 112013093515966-pct00002
또한, C점에서 사이드 스러스트 Fs는, 도 14에 나타내는 바와 같이,
Fs=Fc·sinφ, Fs=Fc·l/r·sinθ … (9)
가 된다. 식(8), (9)로부터,
[식 4]
Figure 112013093515966-pct00003
이러한 본 실시형태에 따른 XY 분리 크랭크 기구에 있어서의 마찰 저항 Fm과 비교예에 따른 크랭크 기구의 마찰 저항 Fs를 겹쳐서 그래프화하면 도 15와 같다. 이 도면으로부터, 본 실시형태에 따른 XY 분리 크랭크 기구에 의하면, 비교예에 따른 크랭크 기구와 비교해 마찰 저항, 즉 마찰 로스가 큰 폭으로 감소하고 있는 것을 알 수 있다.
비교예에 따른 크랭크 기구의 크랭크 운동에서는, 피스톤(12) 상부에 더해진 힘은 2구체의 위, 아래를 마찰하면서 동작한다. 이 때문에, 큰 마찰 로스가 생긴다. 대형의 피스톤에서는 기름 떨어짐을 일으켜 타게 되기 때문에, 대부분은 80rpm 정도의 저속 동작을 강요당하고 있었다. 이에 대해, 본 실시형태에 따른 XY 분리 크랭크 기구(10)에 의하면, X축 방향 및 Y축 방향 모두에서 99% 이상의 힘 전달 효율을 얻을 수 있어 종래 슬라이더 크랭크 운동의 전달 효율 50%에 비해 약 2배의 효율로 힘 전달이 가능하다. 이것은, 쌍방향 운동 변환이기 때문에, 원동기, 수동 기계도 가능하다. 즉, 엔진에서도 컴프레서에서도 마찬가지이다.
상기와 같이, XY 분리 크랭크 기구를 이용함으로써 마찰 로스가 없고, 종래의 크로스 헤드는 불필요해진다. 이 때문에, 기름 떨어짐을 일으키지 않고 대형 피스톤의 고속 동작이 가능해진다. 이 때문에, 종래의 대형 터빈급의 용량을 가지는 피스톤 슬라이더에의 적용이 가능하다. 터빈에 비해 효율은 훨씬 향상된다.
상기와 같이 구성된 XY 분리 크랭크 기구(10)를 구비한 구동장치는, 회전 측에 모터를 배치하면 컴프레서 또는 팽창기가 되고, 피스톤 측에 유체 또는 기체를 유입, 연소시키면 엔진 기구가 된다. 상호의 조합에 의해 구성은 변화시킬 수 있다.
상기 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)에 의하면, 요동하는 커넥팅로드(연결막대)를 이용한 기구나 슬라이더 크랭크와 비교하여, 사이드 스러스트 로스(마찰 로스)가 발생하지 않고, 진동 및 열의 발생도 저감할 수 있다. 그 때문에, 구동장치의 피스톤 또는 실린더 등의 구성요소를 플라스틱, 세라믹 등의 경량인 재료로 형성하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 한층 보온효과와 경량화가 용이해진다.
또한, XY 분리 크랭크 기구(10)의 지지부재(20) 및 크랭크 접속부재(22)는, 크랭크 축(14)의 회동 영역과 피스톤(12)의 이동 영역 사이의 영역 내에 수용가능한 형상 및 치수로 형성되어 있다. 이에 따라, XY 분리 크랭크 기구(10)는, 종래의 커넥팅로드의 대경 부분과 거의 동일한 정도의 사이즈로 구성할 수 있고, 종래 사용되고 있는 크랭크 슬라이더 기구를 이용한 엔진이나 컴프레서의 크랭크를 그대로 사용할 수 있는 사이즈로 할 수 있다. 이 때문에, 종래의 연소기구나 밸브기구 등을 변경하지 않고 XY 분리 크랭크 기구로 바꾸는 것이 가능하다.
유체에 물을 사용하면 폐(閉)공간의 동작계가 되기 때문에 효율이 좋다. 예를 들면, 피스톤 및 XY 분리 크랭크 기구(10)를 3연(連) 구성으로서 배치하면, 자체 구동이 가능해지기 위해 효율이 좋은 발전시스템을 실현할 수 있다. 수차 동력으로서의 이용도 가능하다. 수동기로 하면 펌프로서도 효율이 좋은 펌프를 구성하는 것이 가능해진다.
도 16, 도 17, 도 18, 도 19, 도 20은, 2기통의 수평 대향 엔진 장치에 적용한 실시 형태를 나타내고 있다. 이 엔진 장치는, 크랭크 축(14)을 구비하고, 이 크랭크 축은 서로 180°위상이 어긋나서 배치된 2개의 크랭크 핀(15)을 가지고 있다. 이들 크랭크 핀(15)은 크랭크 축(14)에 대해 편심하여 위치하고 크랭크 축의 주위에서 편심 회전한다. 또한, 엔진 장치는, 실린더(16) 내에 X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 설치된 2개의 피스톤(12)을 구비하고, 이들 피스톤(12)은 크랭크 축(14)의 양측으로, 180°서로 상반되는 방향으로 배치됨과 동시에 크랭크 축(14)의 축방향을 따라 소정 거리만큼 서로 어긋나서 배치되어 있다.
각 피스톤(12)과 크랭크 축(14) 사이에 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)가 설치되어 있다. Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 피스톤(12)의 중심축(이동축)을 포함하는 기준 평면 C에서 X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 설치된 지지부재(20)와, 기준 평면 C에서 X축 방향과 직교하는 제2 방향(Y축 방향)을 따라 왕복이동가능하게 지지부재(20)에 장착된 크랭크 접속부재(22)와, 피스톤(12)과 지지부재(20)를 연결한 연결부재(24)를 갖추고 있다.
지지부재(20)는, 예를 들면, L자 형상으로 형성되어 X축 방향으로 연장되는 제1 지지부(20a)와, 제1 지지부로부터 Y축 방향으로 연장되는 제2 지지부(20b)를 일체로 가지고 있다. 제1 지지부(20a)는, 제1 리니어 슬라이더(36)에 의해 X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지 및 가이드되고 있다. 본 실시형태에서, 제1 리니어 슬라이더(36)는 베이스(38)에 고정되어 고정적으로 설치되어 있다.
지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에는 Y축 방향으로 연장되는 제2 리니어 슬라이더(40)가 고정되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는, 예를 들면, 판 형상으로 형성되어 그 일단부가 제2 리니어 슬라이더(40)에 의해 Y축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는, 기준 평면 C내에 설치되어 그 타단부가 크랭크 축(14)에 연결되어 있다. 즉, 크랭크 접속부재(22)의 타단부에 원형의 투명공(41)이 형성되어 있다. 이 투명공(41)에, 크랭크 축(14)의 크랭크 핀(15)이 볼 베어링 또는 플레인 베어링을 통해 회전가능하게 삽통되어 있다. 이에 따라, 크랭크 접속부재(22)는 크랭크 축(14)에 걸어맞춤되어, 크랭크 축(14)과 지지부재(20)를 연결하고 있다.
연결부재(24)는, 예를 들면, 가늘고 긴 연결 막대로 구성되어, 그 일단은 피스톤 핀(25)을 통해 피스톤(12)에 연결되고, 타단은 볼트 고정 등에 의해 지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에 연결되어 있다. 연결부재(24)는, 피스톤(12)의 중심축(이동축)과 동축적(同軸的)으로 연장되어 있다. 연결부재(24)는, X축 방향을 따라 지지부재(20)와 일체로 왕복 이동하고, 피스톤(12)을 X축 방향을 따라 왕복 이동시킨다.
다른 쪽의 피스톤(12)과 크랭크 축(14) 사이에 배설된 XY 분리 크랭크 기구(10)도 상기와 같은 구성을 갖추고 180°반대 방향으로 설치되어 있다. 또한, 2개의 XY 분리 크랭크 기구(10)의 크랭크 접속부재(22)는 서로 평행하게 나란히 설치되고, 마찬가지로 지지부재(20)도 서로 평행하게 나란히 설치되어 있다.
상기와 같이 구성된 엔진 장치에 있어서, 연료의 압축, 연소에 의해 피스톤(12)에 구동력이 입력되면 피스톤(12)이 왕복 운동한다. 피스톤(12)의 왕복 운동은, XY 분리 크랭크 기구(10)의 지지부재(20)의 X축 방향의 왕복 운동 및 크랭크 접속부재(22)의 Y축 방향의 왕복 운동에 의해 회전운동으로 변환되어 크랭크 축(14)에 전달된다. 이에 따라, 크랭크 축(14)에 회전 출력이 주어진다.
상술한 수평 대향 엔진 장치는, 2기통에 한정하지 않고 3기통 이상으로 해도 좋다. 도 21은, 예를 들면, 4기통의 수평 대향 엔진 장치에 적응한 실시 형태를 개략적으로 나타내고 있다. 크랭크 축(14)에는, 기통에 대응하는 4개의 크랭크 핀(15)이 설치되어, 이러한 크랭크 핀은, 예를 들면, 서로 180도 위상이 어긋나서 설치되어 있다. 각 피스톤(12)은, 전술한 XY 분리 크랭크 기구(10)에 의해, 대응하는 크랭크 핀(15)에 연결되어 있다.
다기통의 엔진 장치에 있어서, 도 22에 도시된 실시 형태와 같이 1개의 크랭크 핀(15)에 대하여, 대향하는 2기통의 피스톤(12)을 각각 XY 분리 크랭크 기구(10)를 통해 연결해도 좋다. 이 경우, 크랭크 축(14)의 축방향을 따른 엔진 장치의 치수 L1을 짧게 할 수 있어 엔진 장치의 소형화를 도모하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 종래의 2기통분의 설치 스페이스에 4기통분의 기구를 설치하는 것이 가능해진다.
다기통의 엔진 장치에 있어서, 도 23에 도시된 실시 형태와 같이 대향하는 2개의 피스톤(12)을 동축적(同軸的)으로 수평 대향 배치해도 좋다. 예를 들면, 도 3에 도시된 수평 동축의 횡치(橫置) Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)를 이용함으로써 실현될 수 있다. 이 구성에 의하면, 크랭크 축(14)의 축 방향을 따른 엔진 장치의 치수 L1을 한층 짧게 하여 엔진 장치의 소형화를 도모하는 것이 가능해진다.
도 24, 도 25, 도 26은, 3기통의 컴프레서에 적용한 실시 형태를 나타내고 있다. 이 컴프레서(compressor)는, 수평 방향으로 연장되는 크랭크 축(14)을 구비하고, 이 크랭크 축은 서로 소정 각도 위상이 어긋나서 배치된 3개의 크랭크 핀(15)을 가지고 있다. 이 크랭크 핀(15)은, 크랭크 축(14)에 대하여 편심하여 위치하고, 크랭크 축의 주위에서 편심 회전한다. 또한, 컴프레서는 실린더 블록(17) 내에 Y축 방향을 따라 왕복이동가능하게 설치된 3개의 피스톤(12)을 구비하고, 이들 피스톤(12)은 각각 크랭크 축(14)과 직교하는 동시에 서로 간극을 두고 평행하게 대향하는 3개의 기준 평면내에 설치되어 있다.
각 피스톤(12)과 크랭크 축(14) 사이에 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)가 설치되어 있다. 각 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 피스톤(12)의 중심축(이동축)을 포함하는 기준 평면에 있어서 Y축 방향을 따라 왕복이동가능하게 설치된 지지부재(20)와, 기준 평면에 있어서 Y축 방향과 직교하는 제2 방향(X축 방향)을 따라 왕복이동가능하게 지지부재(20)에 장착된 크랭크 접속부재(22)와, 피스톤(12)과 지지부재(20)를 연결한 연결부재(24)를 구비하고 있다.
지지부재(20)는, L자 형상으로 형성되어 Y축 방향으로 연장되는 제1 지지부(20a)와, 제1 지지부로부터 X축 방향으로 연장되는 제2 지지부(20b)를 일체로 가지고 있다. 제1 지지부(20a)는, 제1 리니어 슬라이더(36)에 의해 Y축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지 및 가이드되고 있다. 본 실시형태에서, 제1 리니어 슬라이더(36)는, 베이스(38)에 고정되어 고정적으로 설치되어 있다.
지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에는, X축 방향으로 연장되는 제2 리니어 슬라이더(40)가 고정되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는, 예를 들면, 판 형상으로 형성되어 그 일단부가 제2 리니어 슬라이더(40)에 의해 X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는, 기준 평면 내에 설치되어 그 타단부가 크랭크 축(14)에 연결되어 있다. 즉, 크랭크 접속부재(22)의 타단부에 원형의 투명공이 형성되어, 이 투명공(41)에 크랭크 축(14)의 크랭크 핀(15)이 볼 베어링 또는 슬라이드 베어링을 통해 회전가능하게 삽통되어 있다. 이에 따라, 크랭크 접속부재(22)는 크랭크 축(14)에 걸어맞춤되어, 크랭크 축(14)과 지지부재(20)를 연결하고 있다.
연결부재(24)는, 예를 들면, 가늘고 긴 연결 막대로 구성되어, 그 일단은 피스톤 핀(25)을 통해 피스톤(12)에 연결되고, 타단은 지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에 연결되어 있다. 연결부재(24)는, 피스톤(12)의 중심축(이동축)과 동축적(同軸的)으로 연장되어 있다. 연결부재(24)는, Y축 방향을 따라 피스톤(12) 및 지지부재(20)과 일체적으로 왕복 이동한다.
다른 피스톤(12)과 크랭크 축(14) 사이에 배설된 XY 분리 크랭크 기구(10)도 상기와 같은 구성을 가지고 있다. 또한, 3개의 XY 분리 크랭크 기구(10)의 크랭크 접속부재(22)는 서로 평행하게 나란히 설치되고, 마찬가지로 지지부재(20)도 서로 평행하게 나란히 설치되어 있다. 또한, 3개의 제1 리니어 슬라이더(36)는, 예를 들면, 공통의 베이스(38)에 고정되어 있다.
상기와 같이 구성된 컴프레서에 있어서, 예를 들면, 모터 등에 의해 크랭크 축(14)에 회전력이 입력되어 크랭크 축(14)가 회전하면, 복수의 크랭크 핀(15)은 크랭크 축(14)의 주위에서 편심 회전한다. 이 편심 회전 운동은 각각 XY 분리 크랭크 기구(10)의 크랭크 접속부재(22) 및 지지부재(20)에 의해 X축 방향의 이동과 Y축 방향의 이동으로 분리되어, 크랭크 접속부재(22)는 제2 리니어 슬라이더(40)에 의해 X축 방향을 따라 왕복 운동하고, 지지부재(20)는 크랭크 접속부재(22)와 함께 제1 리니어 슬라이더(36)에 의해 Y축 방향을 따라 왕복 운동한다. 지지부재(20)의 Y축 방향의 왕복 운동은, 연결부재(24)를 통해 피스톤(12)에 전달되어 피스톤(12)이 실린더 블록(17) 내를 Y축 방향을 따라 왕복 운동한다. 이렇게 해서, 크랭크 축(14)의 회전운동은, 각 XY 분리 크랭크 기구(10)에 의해 왕복 운동으로 변환되어 피스톤(12)에 전달된다. 이에 따라, 실린더 블록(17) 내의 기체 또는 액체가 피스톤(12)에 의해 가압되어 가압 유체로서 외부에 공급된다.
상기와 같이, 엔진 장치 또는 컴프레서에 의하면, XY 분리 크랭크 기구(10)의 L형의 지지부재(20)를 대향하여 거울 배치하면, 동일 크랭크 축으로 180도 대향한 위치에 피스톤을 배치함으로써 수평 대향 엔진 장치 또는 컴프레서를 구성할 수 있다. XY 분리 크랭크 기구(10)는 충분히 소형이므로, 종래의 커넥팅로드부를 본 기구에 용이하게 치환할 수 있다. 복수의 XY 분리 크랭크 기구(10)는 크랭크 축(14)의 폭에 맞춘 폭으로 설계함으로써 다중으로 겹쳐서 사용할 수 있다. 이 크랭크 폭에 관해서는, 종래 사용되는 크랭크 슬라이더 기구를 이용한 엔진이나 컴프레서의 크랭크를 그대로 사용할 수 있는 사이즈로 하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 종래의 연소기구나 밸브기구 등을 변경하지 않고 XY 분리 크랭크 기구(10)로 치환하는 것이 가능하다.
XY 분리 크랭크 기구는, 2연(連), 3연(連), 4연(連) 등 크랭크 축에 대해 자유롭게 겹칠 수 있다. 동축에 크랭크 축을 배치한 경우, 크랭크 축은 종래의 반이라도 좋고, 종래의 2기통을 4기통, 3기통을 6기통, 4기통을 8기통으로 구성하여 사용하는 것이 가능해진다. 복수의 XY 분리 크랭크 기구를 수평 또는 수직으로 대향하는 배치에 한정하지 않고 별형(星型) 배치로 하는 것도 가능하다.
XY 분리 크랭크 기구(10)가 접속된 싱글 회전계를 복수조 거울 배치로 함으로써 이중 회전계를 구성하는 것이 가능해진다. L형의 지지부재의 등을 서로 맞댄 위치에 피스톤을 배치하고 크랭크 축을 2중으로 배치하면, 이중 회전계를 구성하여 서로 역전하는 회전 출력을 얻을 수 있다.
또한, 어뢰와 같은 이중 동축 회전계에 의해 직진시키는 이동체도 용이하게 만들 수 있으므로, 선박용 엔진으로서도 유용하다. 비행기나 헬리콥터의 구동장치로 이용함으로써 쉽게 흔들림이 없는 비행이 가능해진다. 본 구동장치를 일반 선박 엔진에 적용했을 경우, 동축의 역회전을 쉽게 얻을 수 있으므로 안정성이 좋은 선박용 엔진이 된다.
상기 구성의 구동장치에 의하면, 1개의 리니어 가이드를 2개의 베어링 열의 중심에 배치함으로써 비틀림 현상을 방지하는 것이 가능해진다. 또한, 강도상의 필요성으로부터 2개의 리니어 가이드를 사용할 경우는, 이들 리니어 가이드를 동일 평면에 배치함으로써 산개(傘開) 로스를 일으키지 않고 사용하는 것이 가능하다.
전술한 실시 형태에서는, 제1 리니어 슬라이더를 수평면 또는 연직면에 접지하는 구성으로 하고 피스톤은 X축 방향 또는 Y축 방향으로 동작하는 구성으로 하였지만, 제1 리니어 슬라이더의 접지 각도를 XYZ 방향의 임의의 각도에 접지 함으로써 임의 각도로 동작하는 것이 가능하다.
XY 분리 크랭크 기구에 있어서, 지지부재 및 크랭크 접속부재를 왕복이동가능하게 지지하는 지지부는, 리니어 슬라이더에 한정하지 않고 다른 지지 구조로 해도 좋다. 도 27 및 도 28은 다른 실시 형태에 따른 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구를 나타내고, 도 29는 XY 분리 크랭크 기구의 지지부재를 나타내며, 도 30은 슬라이드 가이드의 단면을 나타내고 있다. 이 실시 형태에 의하면, 리니어 슬라이더를 대신하여 더브테일 홈에 의한 슬라이드 지지 구조를 이용하고 있다. 피스톤(12)의 이동 방향을 X축 방향으로 한 경우, 지지부재(20)의 제1 지지부(20a)는 X축 방향으로 연장됨과 동시에, 이 제1 지지부(20a)에 X축 방향으로 연장되는 더브테일 홈(37)이 형성되어 있다. 고정적으로 설치된 슬라이드 가이드(36)는, X축 방향으로 연장되는 리브(36a)를 가지며, 이 리브(36a)의 단면은 더브테일 홈(37)에 대응하는 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다. 그리고, 제1 지지부(20a)는, 그 더브테일 홈(37)에 슬라이드 가이드(36)의 리브(36a)를 걸어맞춤시킴으로써, 슬라이드 가이드(36)에 X축 방향을 따라 슬라이딩가능하게 지지되어 있다.
더브테일 홈(37) 및 이에 걸어맞춤되는 리브(36a)를 포함하는 슬라이드 가이드(36)는 그 중심이 XY 분리 크랭크 기구(10)의 기준 평면 C에 위치해 있는 동시에, 더브테일 홈(37) 및 리브(36a)의 치수 d1은 기준 평면 C의 양측에서 공통의 치수로 형성되어 있다.
마찬가지로, 지지부재(20)의 Y축 방향으로 연장되는 제2 지지부(20b)는 Y축 방향으로 연장되는 슬라이드 가이드(40)를 가지며, 이 슬라이드 가이드(40)는 더브테일 홈에 대응하는 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다. 크랭크 접속부재(22)에는, Y축 방향으로 연장되는 더브테일 홈(42)이 형성되어 있다. 그리고, 크랭크 접속부재(22)는, 더브테일 홈(42)에 슬라이드 가이드(40)를 걸어맞춤시킴으로써, 슬라이드 가이드(40)에 Y축 방향을 따라 슬라이딩가능하게 지지되어 있다. XY 분리 크랭크 기구(10)의 다른 구성은 전술한 실시 형태와 동일하고, 동일한 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하고 그 상세한 설명을 생략한다.
상기와 같이 더브테일 홈과 슬라이드 가이드의 조합을 이용했을 경우, 지지부재(20) 및 크랭크 접속부재(22)의 동마찰 계수 μ는, 예를 들면, 0.1이 된다. 이러한 슬라이드 가이드 구조를 이용했을 경우에도 전술한 실시 형태와 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.
도 31, 도 32, 도 33은 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 구동장치, 예를 들면, 2기통의 동축 수평 대향 엔진 장치에 적용한 실시 형태를 도시하고 있다. 이 엔진 장치는, 도시하지 않은 베어링 등에 의해 회전가능하게 지지된 크랭크 축(14)을 구비하고, 이 크랭크 축은 1개의 크랭크 핀(15)을 가지고 있다. 크랭크 핀(15)은 크랭크 축(14)에 대해 편심하여 위치하고 크랭크 축의 주위에서 편심 회전한다. 또한, 엔진 장치는, 각각 실린더(16) 내에 제1 방향(X축 방향)을 따라 왕복이동가능하게 설치된 2개의 피스톤(12a)(12b)을 구비하고 있다. 이들 피스톤(12)은, 크랭크 축(14)의 양측으로, 180°서로 상반되는 방향으로 배치되어 있음과 동시에 서로 동축적으로 배치되어 있다. 본 실시형태에서, 피스톤(12a)(12b)는, 예를 들면, 스커트를 거의 갖지 않는 쇼트 피스톤으로서 형성되어 있다.
엔진 장치에 있어서, 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 이동체로서 제1 방향(X축 방향)으로 왕복이동가능하게 수평 대향 배치된 한 쌍의 피스톤(12a)(12b)과, 이들 피스톤(12)의 중심축(이동축)을 포함하는 기준 평면(전달 평면) C와 직교하는 방향으로 연장되는 크랭크 축(14) 사이에 설치되어, 각 피스톤(12a)(12b)의 제1 방향을 따른 왕복 운동과 크랭크 축(14)의 회전운동을 상호 변환하여 전달하도록 구성되어 있다.
본 실시형태에서, 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 피스톤(12a)(12b)의 중심축(이동축)을 포함하는 기준 평면 C에서 X축 방향을 따라 독립하여 왕복이동가능하게 설치된 2개의 지지부재(20A)(20B)와, 기준 평면 C에서 X축 방향과 직교하는 제2 방향(Y축 방향)을 따라 왕복이동가능하게 지지부재(20A)(20B)에 장착된 공통의 양 크랭크 접속부재(22)와, 피스톤과 지지부재를 연결한 연결부재(24)를 구비하고 있다.
지지부재(20A)는, 예를 들면, L자 형상으로 형성되어 X축 방향으로 연장되는 제1 지지부(20a)와, 제1 지지부로부터 Y축 방향으로 연장되는 제2 지지부(20b)를 일체로 가지고 있다. 제1 지지부(20a)는, 슬라이드 가이드(36)에 의해 X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지 및 가이드되고 있다. 본 실시형태에서, 제1 지지부(20a)에 X축 방향으로 연장되는 더브테일 홈(37)이 형성되어 있다. 베이스(38) 상에 고정적으로 설치된 슬라이드 가이드(36)는 X축 방향으로 연장되는 리브(36a)를 가지며, 이 리브(36a)의 단면은 더브테일 홈(37)에 대응하는 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다. 그리고, 제1 지지부(20a)는, 그 더브테일 홈(37)에 슬라이드 가이드(36)의 리브(36a)를 걸어맞춤시킴으로써, 슬라이드 가이드(36)에 X축 방향을 따라 슬라이딩가능하게 지지되어 있다.
지지부재(20A)의 Y축 방향으로 연장되는 제2 지지부(20b)는, Y축 방향으로 연장되는 슬라이드 가이드(40)을 가지며, 이 슬라이드 가이드(40)는 더브테일 홈에 대응하는 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다. 양 크랭크 접속부재(22)는, 거의 구형 블록 형상으로 형성되어, 그 일방의 측면에 Y축 방향으로 연장되는 더브테일 홈(42a)이 형성되어 있다. 그리고, 양 크랭크 접속부재(22)는, 더브테일 홈(42)에 슬라이드 가이드(40)를 걸어맞춤시킴으로써, 슬라이드 가이드(40)에 Y축 방향을 따라 슬라이딩가능하게 지지되어 있다.
연결부재(24)는, 예를 들면, 가늘고 긴 연결 막대로 구성되어, 그 일단은 피스톤(12a)의 바닥벽에 직접 연결되고, 타단은 볼트 고정 등에 의해 지지부재(20A)의 제2 지지부(20b)에 연결되어 있다. 연결부재(24)는, 피스톤(12)의 중심축(이동축)과 동축적으로 연장되어 있다. 연결부재(24)는, X축 방향을 따라 지지부재(20A)와 일체적으로 왕복 이동하고, 피스톤(12a)을 X축 방향을 따라 왕복 이동시킨다.
타측의 지지부재(20B)는, 지지부재(20A)와 마찬가지로 구성되어 지지부재(20A)와 대칭으로 배치되어 있다. 즉, 지지부재(20B)는, 예를 들면, L자 형상으로 형성되어 X축 방향으로 연장되는 제1 지지부(20a)와, 제1 지지부로부터 Y축 방향으로 연장되는 제2 지지부(20b)를 일체로 가지고 있다. 제1 지지부(20a)는, 공통의 슬라이드 가이드(36)에 의해 X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지 및 가이드되고 있다. 제1 지지부(20a)에 X축 방향으로 연장되는 더브테일 홈(37)이 형성되어 있고, 이 더브테일 홈(37)에 슬라이드 가이드(36)의 리브(36a)를 걸어맞춤시킴으로써, 제1 지지부(20a)는 슬라이드 가이드(36)에 X축 방향을 따라 슬라이딩가능하게 지지되어 있다. 또한, 제1 지지부(20a)의 일단은, 지지부재(20A)의 제1 지지부(20a)의 일체와 얼마 안 되는 간극 G를 두고 대향하고 있다. 덧붙여 2개의 지지부재(20A)(20B)의 상호 간섭 및 진동을 억제하기 위해서, 지지부재((20A)와(20B))의 간극 G에 엘라스토머(elastomer) 등의 완충재를 끼워넣도록 하여도 좋다.
지지부재(20B)의 Y축 방향으로 연장되는 제2 지지부(20b)는, 지지부재(20A)의 제2 지지부(20b)와 간극을 두고 평행하게 대향하고 있다. 제2 지지부(20b)는, Y축 방향으로 연장되는 슬라이드 가이드(40)르 가지고, 이 슬라이드 가이드(40)는 더브테일 홈에 대응하는 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다.
양 크랭크 접속부재(22)는, 타방의 측면에, Y축 방향으로 연장되는 더브테일 홈(42b)이 형성되어 있다. 그리고, 양 크랭크 접속부재(22)는, 더브테일 홈(42b)에 지지부재(20B)의 슬라이드 가이드(40)를 걸어맞춤시킴으로써, 슬라이드 가이드(40)에 Y축 방향을 따라 슬라이딩가능하게 지지되어 있다. 이에 따라, 양 크랭크 접속부재(22)는, 기준면 C내에 위치하는 동시에, 2개의 지지부재(20A)(20B)의 제2 지지부(20b)에 Y축 방향으로 이동가능하게 연결되어 있다.
연결부재(24)는, 예를 들면, 가늘고 긴 연결 막대로 구성되어, 그 일단은 피스톤(12b)의 바닥벽에 직접 연결되고, 타단은 볼트 고정 등에 의해 지지부재(20B)의 제2 지지부(20b)에 연결되어 있다. 연결부재(24)는, 피스톤(12b)의 중심축(이동축)과 동축적(同軸的)으로 연장되어 있다. 연결부재(24)는, X축 방향을 따라 지지부재(20B)와 일체적으로 왕복 이동하며, 피스톤(12a)을 X축 방향을 따라 왕복 이동시킨다.
양 크랭크 접속부재(22)는, 기준 평면 C내에 설치되어 그 중앙부가 크랭크 축(14)에 연결되어 있다. 즉, 양 크랭크 접속부재(22)의 중앙부에 원형의 투명공(41)이 형성되어 있다. 이 투명공(41)에, 크랭크 축(14)의 크랭크 핀(15)이 볼 베어링 또는 평면 베어링을 통해 회전가능하게 삽통되어 있다. 이에 따라, 양 크랭크 접속부재(22)는 크랭크 축(14)에 걸어맞춤되어 크랭크 축(14)과 지지부재(20)를 연결하고 있다. 또한, 양 크랭크 접속부재(22)는, 조립 시, 크랭크 핀(15)과 용이하게 걸어맞춤할 수 있도록, 투명공(41)을 통과하는 분할면, 예를 들어 Y축 방향으로 연장되는 분할면(43)에 의해, 투명공(41)을 경계로 2개로 분할할 수 있도록, 즉, 세로로 분할할 수 있도록 구성되어 있다.
상기와 같이 구성된 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구(10)를 구비한 엔진 장치에 있어서, 연료의 압축, 연소에 의해 피스톤(12a)(12b)에 구동력이 입력되면, 피스톤(12a)(12b)이 제1 방향으로 왕복 운동한다. 피스톤(12a)(12b)의 왕복 운동은, XY 분리 크랭크 기구(10)의 지지부재(20A)(20B)의 X축 방향의 왕복 운동 및 양 크랭크 접속부재(22)의 Y축 방향의 왕복 운동에 의해 회전운동으로 변환되어 크랭크 핀(15)을 통해 크랭크 축(14)에 전달된다. 이에 따라, 크랭크 축(14)에 회전 출력이 주어진다.
2개의 지지부재(20A)(20B)의 제1 지지부(20a)를 제1 방향(X축 방향)으로 접지함으로써 제1 방향으로 피스톤(12a)(12b)가 왕복 이동하게 된다. 이때, Y축 방향으로 양 크랭크 접속부재(22)는 평행 운동하면서 원운동을 한다. 또는, 2개의 지지부재(20A)(20B)의 제1 지지부(20a)를 제2 방향(Y축 방향)으로 접지함으로써, 제2 방향으로 피스톤(12a)(12b)가 왕복 이동하게 된다. 이때, X축 방향으로 양 크랭크 접속부재(22)는 평행 운동하면서 원운동을 한다.
또한, 2개의 지지부재(20A)(20B)를 단독으로 제1 방향으로 이동가능하게 설치하고, 틈새 G를 두어 배치하며, 또한 단일의 양 크랭크 접속부재(22)를 통해 2개의 지지부재(20A)(20B)를 크랭크 축에 연결함으로써, 힘의 전달 경로를 양 크랭크 접속부재(22)로부터 Y축 리니어 슬라이더만으로 피스톤(12a)(12b)에 전달할 수 있게 된다. 그 결과, 힘의 전달 로스를 저감하는 것이 가능해진다. 또한, 간극 G를 마련함으로써 좌우의 지지부재(20A)(20B)끼리는 간섭하지 않고 외관은 동일하게 보이지만 개별적으로 동작하게 된다. 틈새 G에 완충재를 사이에 끼워넣음으로써 제진 작용도 기대할 수 있는 경우가 있다.
도 34에 도시된 실시 형태와 같이, 지지부재(20A)(20B)는, L자형 모양에 한정하지 않고, 각각 거의 T자 형상으로 형성해도 좋다. 즉, 지지부재(20A)(20B)의 제1 지지부(20a)는 제2 지지부(20b)에 대해 좌우 양측으로 연장시키고, 제2 지지부(20b)는 제1 지지부의 길이 방향 중앙부로부터 Y축 방향으로 연장 하고 있다. 이와 같이, 제1 지지부(20a)를 길게 함으로써 보다 안정되게 지지부재(20A)(20B)를 지지할 수 있다.
도 35에 도시된 실시 형태와 같이, 2개의 지지부재(20A)(20B)를 서로 연결하여도 좋다. 여기에서는, 연결판(23)에 의해 지지부재(20A)의 제1 지지부와 지지부재(20B)의 제1 지지부(20a)가 연결되어 있다. 연결판(23)은, 약간 긴 띠 모양으로 형성되고, X축 방향을 따라 연장하여 2개의 제1 지지부(20a)에 볼트 고정되어 있다.
도 34, 도 35에 도시된 실시 형태에 있어서, 다른 구성은 도 31 내지 도 33에 도시된 실시 형태와 동일하고, 동일한 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하여 그 상세한 설명을 생략한다.
도 36, 도 37, 도 38은, 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 구동장치, 예를 들면, 2기통의 동축 수평 대향 구동장치에 적용한 다른 실시 형태를 도시하고 있다. 본 실시형태에서는, 슬라이드 가이드와 지지부재 사이에 영구자석 또는 전자석을 나란히 설치하여, 이들 자석의 반발력을 이용하여 지지부재를 리니어 부상 지지하는 구성으로 하고 있다. 다른 구성은, 도 31 내지 도 33에 도시된 실시 형태와 동일하고, 동일한 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하여 그 상세한 설명을 생략한다.
도 36, 도 37, 도 38에 도시하는 바와 같이, X축 방향의 이동을 안내하는 슬라이드 가이드(36) 내에, 복수의 전자석(70) 및 복수의 센서(72)가 X축 방향을 따라 교대로 나란히 장치되어 있다. 이들 전자석(70) 및 센서(72)는 케이블(73)을 통해 X축 방향 구동회로(74)에 연결되고, 이 X축 방향 구동회로는 제어회로(75)에 연결되어 있다. 또한, 2개의 지지부재(20A)(20B)의 제1 지지부(20a)에는, 복수의 영구자석(76) 및 센서(77)가 X축 방향을 따라 교대로 나란히 장치되어 더브테일 홈(dovetail groove,蟻溝;37)에 노출됨과 동시에 슬라이드 가이드(36)측의 전자석(70) 및 센서(72)에 대향하고 있다.
마찬가지로, 지지부재(20A)(20B)의 제2 지지부(20b)에 설치되어 Y축 방향의 이동을 안내하는 슬라이드 가이드(40) 내에, 복수의 전자석(80) 및 복수의 센서(82)가 Y축 방향을 따라 교대로 나란히 장치되어 있다. 이들 전자석(80) 및 센서(82)는 케이블(83)을 통해 Y축 방향 구동회로(84)에 연결되고, 이 Y축 방향 구동회로는 제어회로(75)에 연결되어 있다. 또한, 양 크랭크 접속부재(22)의 양측면부에는, 복수의 영구자석(86) 및 센서(87)가 Y축 방향을 따라 교대로 나란히 장치되어 더브테일 홈에 노출됨과 동시에 슬라이드 가이드(40) 측의 전자석(80) 및 센서(82)에 대향하고 있다.
도 39에 도시하는 바와 같이, 동축 수평 대향 구동장치는, 크랭크 축(14)의 회전 각도를 검출하는 각도 검출 회로(88), 센서(82)(87)의 검출 신호에 따라 Y축 방향 하중을 검출하는 Y축 방향 하중 검출 회로(89), 센서(72)(77)의 검출 신호에 따라 X축 방향 하중을 검출하는 X축 방향 하중 검출 회로(90)를 구비하고, 이들 회로는 제어회로(75)에 연결되어 검출 신호를 제어회로(75)에 출력한다.
상기와 같이 구성된 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구(10)를 구비한 엔진 장치에 있어서, 연료의 압축, 연소에 의해 피스톤(12a)(12b)에 구동력이 입력되면 피스톤(12a)(12b)이 제1 방향으로 왕복 운동한다. 피스톤(12a)(12b)의 왕복 운동은, XY 분리 크랭크 기구(10)의 지지부재(20A)(20B)의 X축 방향의 왕복 운동 및 양 크랭크 접속부재(22)의 Y축 방향의 왕복 운동에 의해 회전운동으로 변환되어 크랭크 핀(15)을 통해 크랭크 축(14)에 전달된다. 이에 따라, 크랭크 축(14)에 회전 출력이 주어진다.
상기 구성의 엔진 장치에 있어서, 크랭크 축(14)의 회전 각도 위치에 따라 X축 방향 슬라이드 가이드(36) 또는 Y축 방향 슬라이드 가이드(40)에 작용하는 부하가 커지는 경우를 생각할 수 있다. 그래서, 센서(82)(87)의 검출 신호에 따라 Y축 방향 하중 검출 회로(89)에 의해 Y축 방향 하중을 검출하고, 하중이 커지는 크랭크 축(14)의 회전 각도를 각도 검출 회로(88)에 의해 검출한다. 마찬가지로, 센서(72)(77)의 검출 신호에 따라 X축 방향 하중 검출 회로(90)에 의해 X축 방향 하중을 검출하고, 하중이 커지는 크랭크 축(14)의 회전 각도를 각도 검출 회로(88)에 의해 검출한다. 그리고, 제어 회로(75)에 의한 제어 하에 하중이 커지는 회전 각도 위치에서 X축 방향 구동 회로(74) 및 Y축 방향 구동 회로(84)로부터 전자석(70)(80)으로 통전하여 자력을 발생시킨다. 이 자력과 지지부재(20A)(20B)측에 설치된 영구자석으로부터의 자력과의 반발에 의해 지지부재(20A)(20B)를 부상시킨다. 이에 따라, 지지부재(20A)(20B)와 슬라이드 가이드(36)(40) 사이의 마찰 로스를 저감한다.
도 40은, 크랭크 축(14)의 회전 각도에 따른 지지부재(20A)(20B)의 부하 변동을 나타내고 있다. 상기와 같은 전자석에 의한 부상 제어(동작 제정)를 함으로써 부상 제어하지 않는 경우(무제정)와 비교하여 어느 특정 각도에서 발생하는 부하의 증대를 억제할 수 있음을 알 수 있다.
컴프레서, 가진기구(加振機構) 등 수동 기계 동작의 경우, 모터의 회전각에 의해 왕복운동의 방향이 바뀔 때 자중에 의해 가속도가 변화하고, 전환 시 진동이 발생한다. 이 경우, 미리 회전각에 의해 가속도를 제어하고 브레이크 동작 서보를 더해 그 후 가속하는 등의 패턴 제어가 효과적이다. 컴프레서 등에서는, 모터 자체의 서보 작용에 의한 가감속이 효과적이다. 그러나, 엔진 등 원동기의 경우, 자기 부상시의 브레이크 동작에 최적인 전류값을 주면 제진 작용이 있다.
양 크랭크 접속부재(22)를 사용함으로써, X축 방향의 플러스 마이너스 쌍방향으로 힘이 전달된다. Y축 방향은 피스톤계의 자중과 X축 방향의 힘 편차가 있으면, 센서로 검지하여 전자석의 제어를 실시함으로써 마찰 로스를 줄일 수 있다.
특히 자중이 커지는 1000mm 지름 피스톤 등을 이용하는 경우에 효과적이다. 또한, 대구경의 경우에도 케이블을 가요성이 있는 것을 사용하면 좋다. 접속 케이블(73)(83)은, XY 분리 크랭크 기구(10)의 수평 동축 기구의 경우, 단순한 왕복 운동이기 때문에, 피스톤부의 동작에 영향을 주지 않고 모든 센싱이 가능하다. 실린더 내 압력 변동, 편차 하중 등을 직접 센싱하여 제어 데이터로 할 수 있다.
이것은 대형 피스톤 기구의 경우도 매우 형편이 좋다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 슬라이드 가이드 측에 전자석, 지지부재 측에 영구자석을 설치 구성하였으나, 반대로 슬라이더 가이드 측에 영구자석, 지지부재 측에 전자석을 설치 구성해도 좋다. 소구경의 피스톤 등을 이용하는 경우, 전자석 대신 영구자석을 마련해 지지부재 측의 영구자석과 슬라이드 가이드 측의 영구자석의 상호 반발 작용을 이용하여 마찰 경감을 도모하도록 해도 좋다.
도 41은, 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구를 구비한 구동장치, 예를 들면, 2기통의 동축 수평 대향 엔진 장치에 적용한 다른 실시 형태를 나타내고 있다. 본 실시형태에서는 피스톤(12a)(12b)으로서, 쇼트 피스톤을 대신하여 통상 형상의 피스톤을 이용하고 있다. 또한, 피스톤(12a)(12b)는 세라믹스로 형성되어 있다. 연결부재(24)는 피스톤 핀(25)을 통해 피스톤(12a)(12b)에 연결되어 있다.
또한, 지지부재(20A)(20B)의 제2 지지부(20b)의 상단부(92)는 비스듬하게 절단되어 있다. 상단부(92)를 절단함으로써 지지부재(20A)(20B)에 과도한 힘 이상의 내구성을 갖지 않게 하지 않아, 재료의 경량화를 도모할 수 있다. 본 실시형태에서, 다른 구성은 도 36 내지 도 38에 도시된 실시형태와 동일하고, 동일한 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하여 그 상세한 설명을 생략한다.
상술한 동축 수평 대향 엔진 장치는, 2기통에 한정하지 않고 4기통, 6기통 이상으로 해도 좋다. 도 42 내지 도 45는, 예를 들면, 4기통의 동축 수평 대향 엔진 장치에 적용한 실시형태를 도시하고 있다. 이 엔진 장치는, 도시하지 않은 베어링 등에 의해 회전가능하게 지지된 크랭크 축(14)을 구비하며, 이 크랭크 축은 서로 180°위상이 어긋나게 배치된 2개의 크랭크 핀(15)을 가지고 있다. 이들 크랭크 핀(15)은, 크랭크 축(14)에 대해 편심하여 위치하고, 크랭크 축의 주위에서 편심 회전한다. 또한, 엔진 장치는 실린더(16) 내에 X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 설치된 2쌍의 피스톤(12a)(12b)을 구비하고 있다. 각 쌍의 피스톤(12a)(12b)은 크랭크 축(14)의 양측에 180°서로 상반되는 방향으로 배치됨과 동시에 X축 방향으로 동축적(同軸的)으로 배치되어 있다.
각 쌍의 피스톤(12a)(12b)과 크랭크 축(14) 사이에 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구(10)가 설치되고, 피스톤(12a)(12b)은 이 XY 분리 크랭크 기구(10)에 의해, 대응하는 크랭크 핀(15)에 연결되어 있다. 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구(10)의 구성은, 전술한 실시형태의 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구(10)와 동일하며, 동일한 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하여 그 상세한 설명을 생략한다. 2개의 XY 분리 크랭크 기구(10)의 크랭크 접속부재(22)는, 서로 평행하게 나란히 설치되고, 마찬가지로 지지부재(20A)(20B)도 서로 평행하게나란히 설치되어 있다. 각 XY 분리 크랭크 기구(10)에 있어서, 양 크랭크 접속부재(22)는 투명공(41)을 통과하는 수평인 분할면(43)에서 횡적으로 분리 가능하게 형성되어 있다.
상기와 같이 구성된 엔진 장치에 있어서, 연료의 압축, 연소에 의해 피스톤(12)에 구동력이 입력되면 피스톤(12)이 왕복 운동한다. 피스톤(12)의 왕복 운동은, XY 분리 크랭크 기구(10)의 지지부재(20A)(20B)의 X축 방향의 왕복 운동 및 크랭크 접속부재(22)의 Y축 방향의 왕복 운동에 의해 회전운동으로 변환되어 크랭크 축(14)에 전달된다. 이에 따라, 크랭크 축(14)에 회전 출력이 주어진다.
다기통의 엔진 장치에 있어서, 2쌍의 동축인 피스톤(12a)(12b) 및 2쌍의 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구(10)를 평행하게 나란히 배치함으로써, 크랭크 축(14)의 축방향을 따른 엔진 장치의 크기를 단축하여 엔진 장치의 소형화를 도모하는 것이 가능해진다. 이러한 구성의 수평 동축 리니어 XY 분리 크랭크 기구(10)를 구비한 다기통 엔진 장치는 컴프레서, 펌프 등에도 적용할 수 있다. 또한, 상기의 동축 구조는 복류의 피스톤 구조를 용이하게 실현할 수 있다.
도 46에 도시된 실시 형태와 같이, XY 분리 크랭크 기구(10)의 지지부재(20)를 지지하는 슬라이드 가이드(36)는 기준 평면 C와 직교하는 동일 평면, 예를 들면, X축 평면 위에 복수, 예를 들어 2열로 설치해도 좋다. 이들 슬라이드 가이드(36)는 각각 X축 방향으로 연장됨과 동시에 기준 평면 C에 대해 대칭인 위치에 배치되어 있다.
마찬가지로, 지지부재(20) 상에 크랭크 접속부재(22)를 왕복 운동가능하게 지지하는 슬라이드 가이드(40)는 기준 평면 C와 직교하는 동일 평면, 예를 들면, Y축 평면 위에 복수, 예를 들어 2열로 설치해도 좋다. 이들 슬라이드 가이드(36)는 각각 Y축 방향으로 연장됨과 동시에 기준 평면 C에 대해 대칭인 위치에 배치되어 있다.
이와 같이, 강도상의 필요성에서 2개의 슬라이드 가이드를 사용하는 경우는, 이들 슬라이드 가이드를 동일 평면에 배치함으로써 산개(傘開) 로스를 일으키지 않고 사용이 가능하다.
상술한 XY 분리 크랭크 기구(10)를 가지는 구동장치는, 예를 들면, X축 방향과 평행한 방향으로 출력하는 프레스 장치에도 적용할 수 있다. 또한, 고속의 슈퍼 등의 기구에도 사용할 수 있다. 이 경우는 XY 분리 크랭크 기구를 2중화함으로써 진동을 효과적으로 없애는 것이 가능해진다.
도 47 및 도 48은 프레스 장치에 적용한 실시 형태를 도시하고 있다. 도 48에 도시하는 바와 같이, 프레스 장치는 거의 U자 형상의 본체 프레임(50)을 구비하고 있다. 이 본체 프레임(50)은, 수평으로 연장된 베이스부(52)와 베이스부로부터 수직 상방으로 연장되어 나온 연출부(延出部;54)와, 연출부의 상단으로부터 베이스부(52)와 평행하게 연장된 지지부(56)로 구성되어 있다. 그리고, 베이스부(52)와 지지부(56) 사이에 가공 공간이 형성되어 있다. 베이스부(52)상에는 Z방향을 따라 이동가능한 하형(58)이 설치되어 가공 스페이스 내에 위치하고 있다.
지지부(56)에는, 예를 들어 연직 방향, 여기에서는 Y축 방향을 따라 승강가능한 승강축(60)이 지지되어 이 승강축(60)의 하단에 프레스 헤드(62)가 장착되어 있다. 그리고, 프레스 헤드(62)와 하형(58) 사이에 피가공물을 프레스함으로써 피가공물을 프레스 가공한다.
도 47 및 도 48에 도시하는 바와 같이, 지지부(56)에는 구동 기구(63), 및 구동 기구의 구동력을 승강축(21)에 전달하는 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)가 설치되어 있다. 구동 기구(63)는 지지부(56)에 지지된 펄스 서보 모터(64)를 구비하고 있다. 펄스 서보 모터(64)의 구동축은 수평으로 연장되어, 그 선단에는 구동 스프로킷(65)이 장착되어 있다.
또한, 지지부(56)에는 복수의 베어링(18)을 통해 크랭크 축(14)이 회전가능하게 장착되어 있다. 크랭크 축(14)은 거의 수평으로, 또한 펄스 서보 모터(64)의 구동축과 평행하게 연장되어 있다. 크랭크 축(14)의 일단은 베어링(18)으로부터 바깥쪽으로 돌출되어, 이 일단에는 종동 스프로킷(66)이 장착되어 있다. 그리고, 종동 스프로킷(66)과 구동 스프로킷(65) 사이에는 톱니를 갖는 구동벨트(68)가 가로질러 놓여 있다. 종동 스프로킷(66)은 구동 스프로킷(65)보다 많은 톱니 수를 가지고 있다. 따라서, 펄스 서보 모터(64)를 구동함으로써 크랭크 축(14)은 소정의 감속비로 회전 구동된다.
지지부(56)에는, 구동 기구의 구동력을 승강축(60)에 전달하고 승강축(60)을 승강 구동하는 XY 분리 크랭크 기구(10)가 설치되어 있다. XY 분리 크랭크 기구(10)는, 이동체로서의 승강축(60)의 중심축(이동축)을 포함하는 기준 평면 C에서 Y축 방향을 따라 왕복이동가능하게 설치된 L자형의 지지부재(20)와, 기준 평면 C에서 Y축 방향과 직교하는 X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지부재(20)에 장착된 크랭크 접속부재(22)와, 프레스 헤드(62)와 지지부재(20)를 연결한 연결부재, 여기에서는 승강축(60)을 구비하고 있다. 즉, 승강축(60)은 지지부재(30)에 연결되어 있다.
지지부재(20)는, L자 형상으로 형성되어 Y축 방향으로 연장되는 제1 지지부(20a)와, 제1 지지부로부터 X축 방향으로 연장되는 제2 지지부(20b)를 일체로 가지고 있다. 제1 지지부(20a)는, 제1 슬라이드 가이드(36)에 의해, Y축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지 및 가이드되고 있다. 제1 슬라이드 가이드(36)는, 지지부(56)에 고정되어 고정적으로 설치되어 있다. 제1 슬라이드 가이드(36)는, Y축 방향으로 연장됨과 동시에 단면이 사다리꼴 형상으로 형성된 가이드 리브(36a)와 제1 지지부(20a)에 고정된 슬라이더(36b)를 가지고 있다. 슬라이더(36b)에는, 가이드 리브(36a)가 슬라이딩가능하게 걸어맞춤된 더브테일 홈(37)이 설치되어 있다.
지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에는 X축 방향으로 연장되는 제2 슬라이드 가이드(40)가 설치되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는 제2 슬라이드 가이드(40)에 연결되며, 이 제2 슬라이드 가이드(40)에 의해 X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는, 기준 평면 C내에 설치되어 크랭크 축(14)에 연결되어 있다. 즉, 크랭크 접속부재(22)에 원형의 투명공(41)이 형성되어 이 투명공(41)에 크랭크 축(14)의 크랭크 핀(15)이 슬라이드 베어링을 통해 회전가능하게 삽통되어 있다. 이에 따라, 크랭크 접속부재(22)는 크랭크 축(14)에 걸어맞춤되어 크랭크 축(14)과 지지부재(20)를 연결하고 있다.
연결부재로서의 승강축(60)은, 그 상단이 지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에 고정되어 있다. 이에 따라, 승강축(60)은 기준 평면 C내에서 Y축 방향을 따라 연장되어 있다. 승강축(60)은 Y축 방향을 따라 지지부재(20)와 일체적으로 왕복 이동한다.
상기와 같이 구성된 프레스 장치에 있어서, 펄스 서보 모터(64)에 의해 크랭크 축(14)에 회전력이 입력되어 크랭크 축(14)이 회전하면, 크랭크 핀(15)이 크랭크 축(14)의 주위에서 편심 회전한다. 이 편심 회전 운동은, XY 분리 크랭크 기구(10)의 크랭크 접속부재(22) 및 지지부재(20)에 의해, X축 방향의 이동과 Y축 방향의 이동으로 분리되어, 크랭크 접속부재(22)는 제2 슬라이드 가이드(40)에 의해 X축 방향을 따라 왕복 운동하며, 지지부재(20)는 크랭크 접속부재(22)와 함께 제1 슬라이드 가이드(36)에 의해 Y축 방향을 따라 왕복 운동한다. 지지부재(20)의 Y축 방향의 왕복 운동은, 승강축(60) 및 프레스 헤드(62)에 전달되어 승강축(60) 및 프레스 헤드(62)가 Y축 방향을 따라 왕복 운동한다. 이렇게 해서, 크랭크 축(14)의 회전운동은 각 XY 분리 크랭크 기구(10)에 의해 왕복 운동으로 변환되어 프레스 헤드(62)에 전달된다. 이에 따라, 프레스 헤드(62)가 하형(58)을 향해 밀어내려져, 이 프레스 헤드와 하형(58) 사이에 장착된 피가공물을 프레스 가공한다.
이와 같이 구성된 프레스 장치에 의하면, XY 분리 크랭크 기구(10)에 프레스 반력이 응력으로서 가해지지 않고 베이스부(52)에 반력이 전달된다. 그 때문에, XY 분리 크랭크 기구(10)는 구조상 충분한 내구성을 가지게 된다. 전술한 실시 형태와 동일하게, XY 분리 크랭크 기구(10)는 마찰 로스를 큰 폭으로 저감할 수 있고, 이에 따라 모터 등의 구동 기구를 소형화할 수 있는 동시에 XY 분리 크랭크 기구를 포함하는 장치 전체의 소형화를 도모하는 것이 가능해진다. 또한, 마찰 로스가 없는 것으로부터 저진동이 되어 고속 동작이 가능해진다.
도 47 및 도 48은 구동장치를 복동 피스톤형의 펌프에 적용한 실시 형태를 도시하고 있다. 도 49 및 도 50에 도시하는 바와 같이, 펌프는, 예를 들면, 수평 방향으로 연장되는 크랭크 축(14)을 구비하고 있다. 크랭크 축(14)은 한 쌍의 베어링(18)에 의해 회전가능하게 지지되어, 한쪽 끝은 구동원으로서의 모터(70)에 연결되어 있다. 이 크랭크 축(14)은, 상호 소정 각도, 예를 들면, 90도, 위상이 벗어나서 배치된 2개의 크랭크 핀(15)을 가지고 있다. 이들 크랭크 핀(15)은 크랭크 축(14)에 대해 편심되어 위치하고, 크랭크 축의 주위에서 편심 회전한다.
또한, 펌프는 폐쇄된 2개의 평행한 실린더(16)와, 이들 실린더(16) 내에 X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 설치된 2개의 피스톤(12)을 구비하고, 이들 피스톤(12)의 이동 방향(X축 방향)은 각각 크랭크 축(14)과 직교하는 동시에 서로 간격을 두고 평행하게 대향하는 2개의 기준 평면 내에 설치되어 있다.
각 실린더(16)의 양단 상부에 각각 물 유입구(72a)(72b)가 형성되고, 또한 실린더(16)의 양단 하부에 각각 물 유출구(74a)(74b)가 형성되어 있다. 피스톤(12)은, 2개의 물 유입구(72a)(72b) 사이 및 2개의 물 유출구(74a)(74b) 사이를 왕복 이동한다.
각 피스톤(12)과 크랭크 축(14) 사이에 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)가 설치되어 있다. 각 Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구(10)는, 피스톤(12)의 중심축(이동축)을 포함하는 기준 평면에 있어서 X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 설치된 지지부재(20)와, 기준 평면에 있어서 X축 방향과 직교하는 Y축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지부재(20)에 장착된 크랭크 접속부재(22)와, 피스톤(12)과 지지부재(20)를 연결한 연결부재(24)를 갖추고 있다.
지지부재(20)는, L자 형상으로 형성되어 X축 방향으로 연장되는 제1 지지부(20a)와, 제1 지지부로부터 Y축 방향으로 연장되는 제2 지지부(20b)를 일체로 가지고 있다. 제1 지지부(20a)는, 제1 리니어 슬라이더(36)에 의해, X축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지 및 가이드되고 있다. 제1 리니어 슬라이더(36)는 베이스(38)에 고정되어 고정적으로 설치되어 있다.
지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에는 Y축 방향으로 연장되는 제2 리니어 슬라이더(40)가 장착되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는, 예를 들면, 판 형상으로 형성되어 그 일단부가 제2 리니어 슬라이더(40)에 의해 Y축 방향을 따라 왕복이동가능하게 지지되어 있다. 크랭크 접속부재(22)는, 기준 평면 내에 설치되어 그 타단부가 크랭크 축(14)에 연결되어 있다. 크랭크 접속부재(22)의 타단부에 원형의 투명공(41)이 형성되어, 이 투명공(41)에 크랭크 축(14)의 크랭크 핀(15)이 슬라이드 베어링을 통해 회전가능하게 삽통되어 있다. 이에 따라, 크랭크 접속부재(22)는 크랭크 축(14)에 걸어맞춤되어 크랭크 축(14)과 지지부재(20)를 연결하고 있다.
연결부재(24)는, 예를 들면, 가늘고 긴 연결 막대로 구성되어, 그 일단은 피스톤(12)에 연결되고 타단은 지지부재(20)의 제2 지지부(20b)에 연결되어 있다. 연결부재(24)는 피스톤(12)의 중심축(이동축)과 동축적(同軸的)으로 연장되어 있다. 연결부재(24)는, X축 방향을 따라 피스톤(12) 및 지지부재(20)와 일체적으로 왕복 이동한다. 다른 피스톤(12)과 크랭크 축(14) 사이에 배설된 XY 분리 크랭크 기구(10)도 상기와 같은 구성을 가지고 있다.
상기와 같이 구성된 펌프에 있어서, 예를 들면, 모터(70)에 의해 크랭크 축(14)에 회전력이 입력되어 크랭크 축(14)이 회전하면, 복수의 크랭크 핀(15)은 크랭크 축(14)의 주위에서 편심 회전한다. 이 편심 회전 운동은 각각 XY 분리 크랭크 기구(10)의 크랭크 접속부재(22) 및 지지부재(20)에 의해 X축 방향의 이동과 Y축 방향의 이동으로 분리되어, 크랭크 접속부재(22)는 제2 리니어 슬라이더(40)에 의해 Y축 방향을 따라 왕복 운동하며, 지지부재(20)는 크랭크 접속부재(22)와 함께 제1 리니어 슬라이더(36)에 의해 X축 방향을 따라 왕복 운동한다. 지지부재(20)의 X축 방향의 왕복 운동은, 연결부재(24)를 통해 피스톤(12)에 전달되어 피스톤(12)이 실린더(16) 내를 X축 방향을 따라 왕복 운동한다. 이렇게 해서, 크랭크 축(14)의 회전운동은, 각 XY 분리 크랭크 기구(10)에 의해 왕복 운동으로 변환되어 피스톤(12)에 전달된다.
실린더(16) 내에서 피스톤(12)이 왕복 운동하는 것에 의해, 예를 들면, 피스톤(12)이 왕동(往動)함으로써 물 유입구(72b)로부터 실린더(16) 내에 물이 빨려들어감과 동시에 물 유출구(74a)로부터 실린더 내의 물이 가압 유체로서 외부에 공급된다. 또한, 피스톤(12)이 복동(復動)함으로써 물 유입구(72a)로부터 실린더(16) 내에 물이 빨려들어감과 동시에 물 유출구(74b)로부터 실린더 내의 물이 가압 유체로서 외부에 공급된다.
상기와 같이 구성된 펌프에 의하면, 90도 어긋난 크랭크 축으로 저진동 동작하고, 90도씩의 동작으로 상하 사점(死点)의 영향을 없앨 수 있다. 전술한 실시형태와 동일하게, XY 분리 크랭크 기구(10)는 마찰 로스를 큰 폭으로 저감할 수 있고, 이에 따라 모터 등의 구동원을 소형화할 수 있는 동시에, XY 분리 크랭크 기구를 포함하는 장치 전체의 소형화를 도모하는 것이 가능해진다. 또한, 마찰 로스가 없으므로 저진동이 되어 고속 동작이 가능해진다.
이상과 같이, 상술한 여러 가지의 실시형태에 의하면, 마찰 로스 및 진동을 줄이고 높은 효율로 운동을 변환 전달가능한 XY 분리 크랭크 및 이를 구비한 구동장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 상기 실시 형태 그대로 한정되는 것이 아니고, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 또한, 상기 실시 형태에 개시되고 있는 복수의 구성요소의 적절한 조합에 의해 여러가지 발명을 형성할 수 있다. 예를 들면, 실시 형태에 나타나는 모든 구성요소로부터 몇 가지 구성요소를 삭제해도 좋다. 게다가 다른 실시 형태의 구성요소를 적절히 조합해도 좋다.
10 … Z메커니즘 XY 분리 크랭크 기구
12, 12a, 12b … 피스톤
14 … 크랭크 축
15 … 크랭크 핀
16 … 실린더
20, 20A, 20B … 지지부재
20a … 제1 지지부
20b … 제2 지지부
22 … 크랭크 접속부재
24 … 연결부재
36 … 제1 리니어 슬라이더
38 … 베이스
40 … 제2 리니어 슬라이더
70, 80 … 전자석
72, 77, 82, 87 … 센서
75 … 제어 회로
76 … 영구자석

Claims (19)

  1. 제1 방향을 따라 왕복 이동하는 이동체와 회전가능한 크랭크 축 사이에 설치되어 상기 이동체의 왕복 운동과 상기 크랭크 축의 회전운동을 상호 변환하는 XY 분리 크랭크 기구로서,
    상기 제1 방향으로 왕복이동가능하게 설치된 지지부재와,
    상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 왕복이동가능하게 상기 지지부재에 장착됨과 동시에, 상기 크랭크 축의 크랭크가 회전가능하게 걸어맞춤되는 크랭크 접속부재와,
    상기 이동체와 상기 지지부재를 연결하고, 상기 제1 방향을 따라 상기 이동체 및 지지부재와 일체적으로 왕복 이동하는 연결부재를 구비하고,
    상기 지지부재, 크랭크 접속부재 및 연결부재는 상기 이동체의 이동축을 포함하는 기준 평면 내에서 이동가능하게 설치되어 있는 XY 분리 크랭크 기구.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지부재는, 상기 제1 방향으로 연장되는 제1 지지부와, 상기 제1 지지부로부터 제2 방향으로 연장되는 제2 지지부를 가지며, 상기 제1 지지부는 제1 방향 슬라이더에 의해 지지되어 있는 XY 분리 크랭크 기구.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 크랭크 접속부재는, 상기 제2 방향으로 슬라이딩가능한 제2 슬라이더에 의해 상기 제2 지지부에 장착되고, 상기 크랭크 접속부재에 상기 크랭크 축의 크랭크 핀이 삽통되어 회전가능하게 지지되어 있는 XY 분리 크랭크 기구.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 크랭크 축은, 상기 기준 평면과 직교하여 연장해 있는 XY 분리 크랭크 기구.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 연결부재는, 상기 이동체의 이동축에 동축적으로 설치되어 있는 XY 분리 크랭크 기구.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 지지부재는 상기 제1 방향으로 연장되는 더브테일 홈을 가지고, 상기 제1 방향 슬라이더는 상기 더브테일 홈에 슬라이딩가능하게 걸어맞춤되어 있는 XY 분리 크랭크 기구.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지부재는, 상기 제1 방향으로 연장되는 제1 지지부와, 상기 제1 지지부로부터 각각 상기 제2 방향을 따라 상반되는 방향으로 연장되는 2개의 제2 지지부를 구비하고, 각각 상기 제2 방향으로 슬라이드가능하게 상기 2개의 제2 지지부에 장착된 2개의 크랭크 접속부재가 설치되며, 상기 크랭크 접속부재는 각각 상기 크랭크 축으로 대해 회전가능하게 걸어맞춤되어 있는 XY 분리 크랭크 기구.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지부재는, 상기 제1 방향으로 연장되는 제1 지지부와, 상기 제1 지지부로부터 각각 상기 제2 방향으로 연장되는 제2 지지부 및 제3 지지부를 구비하고,
    상기 제1 지지부는 제1 방향 슬라이더에 의해 지지되고, 상기 크랭크 접속부재는 상기 제2 방향으로 슬라이딩가능한 제2 슬라이더에 의해 상기 제2 지지부에 장착되어, 상기 크랭크 접속부재에 상기 크랭크 축의 크랭크 핀이 삽통되어 회전가능하게 지지되며,
    상기 제2 지지부와 피스톤이 상기 연결부재에 의해 연결되고, 상기 제1 방향을 따라 왕복운동가능한 다른 이동체와 상기 제3 지지부가 다른 연결부재에 의해 연결되어 있는 XY 분리 크랭크 기구.
  9. 실린더 내에 제1 방향을 따라 왕복운동가능하게 설치된 피스톤과,
    상기 피스톤의 상기 제1 방향을 따른 이동축을 포함하는 기준 평면과 직교하여 연장되는 크랭크 축과,
    상기 피스톤과 크랭크 축 사이에 설치되어 상기 피스톤의 왕복운동과 상기 크랭크 축의 회전운동을 상호 변환하는 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 XY 분리 크랭크 기구를 구비하는 구동장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 XY 분리 크랭크 기구의 지지부재 및 크랭크 접속부재는, 상기 크랭크 축의 회동 영역과 상기 피스톤의 이동 영역 사이의 영역 내에 수용가능한 형상 및 치수로 형성되어 있는 구동장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 실린더 내에서 연료를 압축, 연소하는 엔진 장치로서 구성되어 있는 구동장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 크랭크 축을 회전하는 구동부를 구비하고, 상기 실린더로부터 압축 유체를 공급하는 컴프레서로서 구성되어 있는 구동장치.
  13. 각각 실린더 내에 제1 방향을 따라 왕복운동가능하게 설치되고, 서로 동축적으로 배치된 2개의 피스톤과,
    상기 피스톤의 상기 제1 방향을 따른 이동축을 포함하는 기준 평면과 직교하여 연장되는 크랭크 축과,
    상기 2개의 피스톤과 크랭크 축 사이에 설치되어, 상기 피스톤의 왕복 운동과 상기 크랭크 축의 회전운동을 상호 변환하는 XY 분리 크랭크 기구를 구비하고,
    상기 XY 분리 크랭크 기구는,
    각각 상기 제1 방향으로 왕복이동가능하게 설치된 제1 지지부재 및 제2 지지부재와,
    상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 왕복이동가능하게 상기 제1 및 제2 지지부재에 장착됨과 동시에, 상기 크랭크 축의 크랭크 핀이 회전가능하게 걸어맞춤되는 양 크랭크 접속부재와,
    한 쪽의 피스톤과 상기 제1 지지부재를 연결하고, 상기 제1 방향을 따라 상기 한 쪽의 피스톤 및 제1 지지부재와 일체적으로 왕복 이동하는 제1 연결부재와,
    다른 쪽의 피스톤과 상기 제2 지지부재를 연결하고, 상기 제1 방향을 따라 상기 다른 쪽의 피스톤 및 제2 지지부재와 일체적으로 왕복 이동하는 제2 연결부재를 구비하고,
    상기 제1 및 제2 지지부재, 양 크랭크 접속부재, 및 제1 및 제2 연결부재는 상기 피스톤의 이동축을 포함하는 기준 평면 내에서 이동가능하게 설치되어 있는 구동장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 지지부재는, 상기 제1 방향으로 연장되는 제1 지지부와, 상기 제1 지지부로부터 제2 방향으로 연장되는 제2 지지부를 가지고, 상기 제1 지지부재의 제1 지지부는 제1 방향 슬라이더에 의해 지지되며,
    상기 제2 지지부재는, 상기 제1 방향으로 연장되는 제1 지지부와, 상기 제1 지지부로부터 제2 방향으로 연장되는 제2 지지부를 가지고, 상기 제2 지지부재의 제1 지지부는 상기 제1 방향 슬라이더에 의해 지지되어, 상기 제1 지지부재의 제1 지지부와 간극을 두고 대향해 있는 구동장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 양 크랭크 접속부재는, 상기 제1 지지부재의 제2 지지부에 상기 제2 방향으로 슬라이딩가능하게 연결된 일측부와, 상기 제2 지지부재의 제2 지지부에 상기 제2 방향으로 슬라이딩가능하게 연결된 타측부와, 상기 양 크랭크 접속부재에, 상기 크랭크 축의 크랭크 핀이 삽통되어 회전가능하게 지지되어 있는 구동장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제1 방향 슬라이더 내에 장치되어 상기 제1 방향으로 나란히 설치된 복수의 자석과, 상기 제1 및 제2 지지부재의 제1 지지부 내에 장치되어 상기 제1 방향으로 나란히 설치되고, 상기 제1 방향 슬라이더 측의 자석과 반발 작용에 의해 상기 제1 및 제2 지지부재를 뜨게 하는 복수의 지지부재 측의 자석을 구비하고 있는 구동장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 슬라이더측의 자석 및 지지부재 측의 자석의 일측은 전자석으로 구성되고,
    상기 크랭크 축의 회전 각도를 검출하는 회전 각도 검출 회로와, 상기 검출된 크랭크 축의 회전 각도에 따라 상기 전자석에 대한 통전을 제어하는 제어 회로를 더 구비하고 있는 구동장치.
  18. 청구항 13 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더 내에서 연료를 압축, 연소하는 엔진 장치로서 구성되어 있는 구동장치.
  19. 청구항 13 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 크랭크 축을 회전하는 구동부를 구비하고, 상기 실린더로부터 압축 유체를 공급하는 컴프레서로서 구성되어 있는 구동장치.
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