ロータリ式シリンダ装置
【課題】シャフトを中心に回転する第１クランク軸に偏芯して連繋するピストン複合体に組み付けられて直線往復運動するピストンにシリンダから作用する反力の影響を軽減することで、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。
【解決手段】シャフト４を中心に第１クランク軸５が回転し、当該第１クランク軸５を中心にピストン複合体Ｐが回転することで、偏心筒体６に組み付けられた第１，第２ピストン組７，８がシャフト４を中心とする転がり円の径方向に沿った直線往復運動を行うが、これをガイドするためにガイド軸受１ｃを設けた。
【解決手段】シャフト４を中心に第１クランク軸５が回転し、当該第１クランク軸５を中心にピストン複合体Ｐが回転することで、偏心筒体６に組み付けられた第１，第２ピストン組７，８がシャフト４を中心とする転がり円の径方向に沿った直線往復運動を行うが、これをガイドするためにガイド軸受１ｃを設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シャフト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。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機、真空ポンプ、流体回転機などの原動機においては、クランクシャフトに連繋した揺動ピストンによるピストンの往復動で流体の吸込みと送出しを繰り返す揺動ピストン方式、固定スクロールに対して旋回スクロールを回転させて流体の吸込みと送出しを繰り返すスクロール駆動方式、ローラーの回転運動で流体の吸込みと送出しを繰り返すロータリ駆動方式（特許文献１参照）、その他スクリュー方式、ベーン方式など用途に応じた各種駆動方式が採用されている。
【０００３】
中でも、シャフトとクランクピンを連結する第１アームとクランクピンとピストンを連結する第２アームとの長さを揃えることで、クランクアームの長さを１／２にしてピストンのストロークを２倍にした２ピストン４ヘッドの流体ポンプが提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１９０６１３号公報
【特許文献２】特開昭５６−１４１０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献２の流体ポンプについて、図１２及び図１３に示す模式図を参照して説明する。図１２に示すロータリ式シリンダ装置は、クランクシャフト５１を中心に半径ｒの第１仮想クランクアーム５２を介して回転する第１クランク軸５３、第１クランク軸５３を中心に半径ｒの第２仮想クランクアーム５９を介して回転する第２仮想クランク軸５４、第２仮想クランク軸５４を中心に回転可能に連繋する第１ピストン組５５，第２ピストン組５６が４つのシリンダ５７内にピストン本体５５ａ，５６ａの両端に設けられたピストンヘッド部５５ｂ，５６ｂが挿入されたまま内サイクロイドの軌跡を描いて直線往復運動するようになっている。第１ピストン組５５，第２ピストン組５６は、第１クランク軸５３を中心に回転する偏芯スライダに各々滑合して直線往復移動するようになっている。
【０００６】
上記第１ピストン組５５を取り出して、構造原理を等価的に置き換えたのが図１３である。クランクシャフト５１の回転に伴って第１仮想クランクアーム５２を介して第１クランク軸５３が回転し、第１クランク軸５３を中心として第２クランクアーム５９を介して第２仮想クランク軸５４が回転して、第１ピストン組５５が内サイクロイドの軌跡を描いて直線往復運動する。図１３は、クランクシャフト５１を中心に３６０度回転する第１仮想クランクアーム５２と第１クランク軸５３を中心に３６０度回転する第２仮想クランクアーム５９が、第１ピストン組５５のピストン本体５５ａに対して各々４５°に交差した状態を例示している。
【０００７】
このとき、第１ピストン組５５（一方のピストンヘッド部５５ｂ）に流体圧Ｐが作用したとする。このとき、駆動軸であるクランクシャフト５１を中心とする回転方向に、流体圧Ｐに相当する反力Ｐが作用する。この反力Ｐが第１クランク軸５３に作用していると仮定すると、この外力Ｐに対する反作用がクランクシャフト５１と第２仮想クランク軸５４にＰ／２ずつ作用する。ここで、クランクシャフト５１に直交して作用する反力Ｐ／２は、第１ピストン本体５５ａの往復運動に影響を与えない（回転中心であるクランクシャフト５１はボールベアリング等により軸支されている）ため、両側のピストンヘッド部５５ｂに対してシリンダ５７からにＰ／４ずつ反力が作用することになる。ピストンヘッド部５５ｂの外周面とシリンダ５７の摺動面（内壁面）５７ａとの摩擦係数をμとすると、摺動抵抗は両側で（Ｐ／４）×μ×２となる。
【０００８】
上記ピストンヘッド部５５ｂと摺動面５７ａとの摺動抵抗により、ピストンヘッド部５５ｂに設けられるシールカップ６１が破損したり、シリンダ５７の摺動面５７ａ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おそれがあった。
【０００９】
本発明の目的は、シャフトを中心に回転する第１クランク軸に偏芯して連繋するピストン複合体に組み付けられて直線往復運動するピストン組のピストンヘッド部がシリンダの摺動面から受ける反力の影響を軽減することで、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にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明は次の構成を有する。
シリンダ内を往復運動するピストンとシャフトの回転運動を相互に変換可能なロータリ式シリンダ装置であって、前記シャフトの軸芯に対して偏芯して組み付けられ、当該シャフトを中心に半径ｒの第１仮想クランクアームを介して回転可能に組み付けられた第１クランク軸と、前記第１クランク軸に同芯状に嵌め込まれた第１筒体と該第１筒体の軸芯に対して偏芯した複数の第２仮想クランク軸を軸芯とする第２筒体が連続して形成された偏芯筒体を備え、前記第２筒体に複数のピストン組が互いに交差したまま前記第１クランク軸を中心に半径ｒの第２仮想クランクアームを介して回転可能に嵌め込まれたピストン複合体と、前記ピストン複合体が嵌め込まれた前記第１クランク軸の両端部に各々組み付けられ、前記シャフトを中心とする回転部品間の回転バランスをとる第１，第２バランスウェイトと、前記シャフトを回転可能に軸支し、当該シャフトを中心に回転する前記第１クランク軸及び前記第１，第２バランスウェイト、前記第１クランク軸を中心に回転する前記ピストン複合体を回転可能に収容する本体ケースと、前記本体ケースに設けられ、前記シャフトを中心に前記第１クランク軸が回転し、当該第１クランク軸を中心に前記ピストン複合体が回転することで、前記第２筒体に組み付けられた前記複数のピストン組が前記シャフトを中心とする前記第２仮想クランク軸の半径２ｒの転がり円の径方向に沿った直線往復運動をガイドするガイド軸受と、を具備したことを特徴とする。
ここで、第１仮想クランクアームとは、シャフトと第１クランク軸の軸芯間を連結する部位を言い、部品単体でクランクアームが存在しなくても構造上クランクアームの存在が認められるものを言う。また、第２仮想クランクアームとは、第１クランク軸と第２仮想クランク軸の軸芯間を連結する部位をいい、クランクアームが省略されていても機構上クランクアームの存在が認められるものを言う。また、第２仮想クランク軸とは、機構上のクランク軸が存在しなくとも回転中心となる軸芯の存在が仮想上認められるクランク軸を言う。また、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。
【００１１】
また、前記ガイド軸受は、前記第２筒体に複数交差して組み付けられた各ピストン組のピストン本体の移動方向に沿って両側に配置されて各ピストン組の直線往復運動をガイドすることを特徴とする。
【００１２】
また、前記第２筒体に複数交差して組み付けられた各ピストン組のピストン本体にはその長手方向に沿ってガイド孔が各々穿設されており、前記ガイド軸受は各ガイド孔の対向する孔壁面に当接して各ピストン組の直線往復運動をガイドすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るロータリ式シリンダ装置を用いれば、本体ケースに設けられるガイド軸受は、シャフトを中心に第１クランク軸が回転し、該第１クランク軸を中心にピストン複合体が回転する際の第２筒体に連繋する複数のピストン組の直線往復運動をガイドする。
よって、シリンダ内を直線往復運動する複数のピストン組のピストンヘッド部がシリンダ摺動面から受ける反力をガイド軸受で受け止めて軽減するため、ピストンヘッド部とシリンダとの摺動抵抗を減らして摩擦損失、特に駆動源の消費電力を低減することができる。
【００１４】
また、ガイド軸受は、第２筒体に複数交差して組み付けられた各ピストン組のピストン本体の移動方向に沿って両側に配置されて各ピストン組の直線往復運動をガイドするので、各ピストン組のピストンヘッド部がシリンダ摺動面から受ける反力をいずれか一方側のガイド軸受で受け止めてピストンヘッド部とシリンダとの摺動抵抗を軽減することができる。
【００１５】
また、第２筒体に複数交差して組み付けられた各ピストン組のピストン本体にはその長手方向に沿ってガイド孔が各々穿設されており、ガイド軸受は各ガイド孔の対向する孔壁面に当接して各ピストン組の直線往復運動をガイドする場合には、各ピストン組のピストンヘッド部がシリンダ摺動面から受ける反力を少ないガイド軸受で受け止めてピストンヘッド部とシリンダとの摺動抵抗を軽減することができる。よって、ピストン組とシリンダ間の摩擦損失を低減して駆動源の消費電力を低減することができる。また、本体ケース内の部品点数が減るので組み立てが容易になり、本体ケース内のスペースを有効に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ロータリ式シリンダ装置の一部切欠き分解斜視図である。
【図２】図１のロータリ式シリンダ装置の第２本体ケースを取り外した一部破断斜視図である。
【図３】ロータリ式シリンダ装置の第２本体ケースを取り外した斜視図である。
【図４】図３のロータリ式シリンダ装置の軸方向からみた平面図である。
【図５】図４の左側面図である。
【図６】図４の矢印Ａ−Ａ方向断面図である。
【図７】偏芯筒体の軸方向から見た平面図及び軸方向断面図である。
【図８】シャフトを中心とする第１クランク軸の回転軌道、第１クランク軸を中心とする第２仮想クランク軸の回転軌道と複数のピストン組の直線往復運動の関係を示す模式図である。
【図９】他例にかかるロータリ式シリンダ装置の第２本体ケースを取り外した斜視図である。
【図１０】図９のロータリ式シリンダ装置の軸方向からみた平面図である。
【図１１】図９の矢印Ａ−Ａ方向断面図である。
【図１２】第１，第２ピストン組とシリンダの配置を示す説明図である。
【図１３】直線往復運動するピストン組とシリンダとの間に作用する外力の模式説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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８を参照して一例として圧縮機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シャフトの回転運動とが相互に変換されて出力される装置を想定している。
【００１８】
図１において、第１本体ケース１と第２本体ケース２とで構成される本体ケース３にシャフト４（入出力軸）が回転可能に軸支されている。第１本体ケース１と第２本体ケース２とは、図示しないボルトにより四隅をねじ嵌合させて一体に組み付けられる。この本体ケース３内には、図２に示すように第１クランク軸５を中心に回転可能な偏芯筒体６と該偏芯筒体６に軸受を介して組み付けられた第１ピストン組７及び第２ピストン組８（以下、これらを「ピストン複合体Ｐ」という）が回転可能に収容されている。以下、具体的に説明する。
【００１９】
図６において、第１クランク軸５は、シャフト４の軸芯に対して偏芯して連結される。本実施形態では、シャフト４は、第１バランスウェイト９と一体に形成されている。尚、第２バランスウェイト１０側にもシャフトが形成されていてもよい。第１，第２バランスウェイト９，１０は第１クランク軸５の両軸端部に各々嵌め込まれてボルト１２ａ，１２ｂ（図６参照）により固定される。
【００２０】
図６において、第１バランスウェイト９に連結されたシャフト４は第１軸受１３ａにより回転可能に軸支されており、第２バランスウェイト１０に形成された軸部は第２軸受１３ｂにより回転可能に軸支されている。第１，第２バランスウェイト９，１０は、例えばブロック形状をしており（図１参照）、シャフト４の周りに組み付けられ、後述するように第１クランク軸５及びピストン複合体Ｐを含むシャフト４を中心とした回転部品間の質量バランスをとるために設けられている。
【００２１】
また、図７（ａ）（ｂ）に示すように、偏芯筒体６は、第１クランク軸５の軸芯に対して偏芯した複数の第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂを有する。本実施形態では、交差するピストン組が２本であるため、第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂは第１クランク軸５を中心として１８０度位相がずれた位置に形成されている。
【００２２】
第１，第２ピストン組７，８は第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂの軸直角方向に互いに交差して偏芯筒体６に組み付けられている。具体的には、図７（ｂ）において、偏芯筒体６は、回転中心となる第１クランク軸５が挿通する第１筒体６ａと、該第１筒体６ａに連続して第２筒体６ｂが軸芯方向両側に各々連続して形成されている。第１筒体６ａには第１クランク軸５が同芯状に嵌め込まれ、偏芯筒体６の回転中心となる。また、第２筒体６ｂの軸芯は、第１クランク軸５（第１筒体６ａ）の軸芯に対して偏芯した第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂと一致するようになっている。図７（ａ）（ｂ）において、第２筒体６ｂの内外周部には、軸受保持部６ｃ，６ｄが各々凹設されている。
【００２３】
図７（ｂ）に示すように、内周側の軸受保持部６ｃには、内側軸受１５ａ，１５ｂが保持されており、図６に示すように外周側の軸受保持部６ｄには外側軸受１６ａ，１６ｂが各々保持されている。内側軸受１５ａ，１５ｂは第１のクランク軸５を回転可能に支持している。また、外側軸受１６ａ，１６ｂは、第１，第２ピストン組７，８が第２円筒部６ｂに交差して嵌め込まれたまま回転可能に支持している。
【００２４】
以上の構成により、第１クランク軸５と第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂを結ぶ第２仮想クランクアームの長さを第２円筒体６ｂの回転半径ｒにより設定する（図８参照）ことで、第１クランク軸５を中心として偏芯筒体６を含むピストン複合体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。
【００２５】
また、図６において、第１，第２ピストン本体７ａ，８ａの長手方向両端部には、第１ピストンヘッド部７ｂ，第２ピストンヘッド部８ｂ（図示せず）が形成されている。第１ピストンヘッド部７ｂ，第２ピストンヘッド部８ｂ（図示せず）には、リング状のシールカップ７ｃ，８ｃ、シールカップ押さえ部材７ｄ，８ｄ（図示せず）が各々ボルト１９により組み付けられている。シールカップ７ｃ，８ｃ（図示せず）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。
【００２６】
また、図４において、本体ケース３（第１本体ケース１及び第２本体ケース２）の側面部（４面）に設けられた開口部２０には、シリンダ２１が組み付けられている。第１ピストンヘッド部７ｂ，第２ピストンヘッド部８ｂは、シールカップ７ｃ，８ｃ（図示せず）によって、シリンダ２１の内壁面２１ａ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７ｃ，８ｃの外周縁部には起立部７ｅ（図６参照），８ｅ（図１参照）が設けられている。圧縮機の場合には、起立部７ｅ，８ｅは、ピストン摺動方向外側に向けて組み付けられている（図６参照）。
【００２７】
図１に示すように、第１ピストン本体７ａ，第２ピストン本体８ａの第１ピストンヘッド部７ｂ（図６参照），第２ピストンヘッド部８ｂは、シリンダ２１の内壁面２１ａに沿って摺動するように組み付けられる。
【００２８】
また、図１において、第１本体ケース１の内底部１ａにはシリンダ２１に近傍にボス部１ｂが８か所に設けられている。このボス部１ｂの軸端にはガイド軸受１ｃが２個ずつ重ね合わせ、ガイド軸受１ｃはボス部１ｂの軸孔にピン１ｄが嵌め込まれて組み付けられている。図３に示すように、ガイド軸受１ｃは、第１，第２ピストン組７，８の第１，第２ピストン本体７ａ，８ａの移動方向に沿って両側に配置されて直線往復運動をガイドするために設けられている。
【００２９】
ここで、シャフト４を中心とする第１クランク軸５、第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂの回転運動と複数のピストンの直線往復運動の関係（内サイクロイド運動方式）を図８（ａ）〜（ｌ）に示す模式構造原理図を参照して説明する。図８（ａ）〜（ｌ）において、転がり円２３の中心Ｏはシャフト４の軸芯と一致する。また、中心Ｏより偏芯した位置に第１クランク軸５が存在し、第１クランク軸５の回転に伴い第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂが回転するものとする。第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂの数は、ピストンの数に対応している。
【００３０】
シャフト４（中心Ｏ）と第１クランク軸５との軸芯間距離ｒを第１仮想クランクアーム及び第２仮想クランクアームのアーム長（回転半径）とする。また、シャフト４の軸芯（中心Ｏ）周りに第１仮想クランクアームのアーム長ｒを回転半径とする回転軌道３０上を第１クランク軸５が回転する。更には、第１クランク軸５を中心とする第２仮想クランクアームのアーム長ｒを回転半径とする回転軌道（仮想円２４）上を第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂが見かけ上回転する。これにより、中心Ｏの周りに仮想円２４の直径Ｒ（２ｒ）を半径とする転がり円２３の径方向に第１，第２ピストン組７，８が各々往復動するようになっている。
【００３１】
本実施例では、互いに直交する第１、第２ピストン組７，８が連繋する第２筒体６ｂの第２仮想クランク軸を１４ａ，１４ｂとして例示するものとする。図８（ａ）において、第２仮想クランク軸１４ａは転がり円２３と直径Ｒ１の交点（下端位置）にあり、第２仮想クランク軸１４ｂは、転がり円２３の中心Ｏ（シャフト４の軸芯位置）にある。第１クランク軸５は転がり円２３の中心Ｏから半径ｒの位置にあるものとする。
【００３２】
第１クランク軸５が転がり円２３の中心Ｏの周りに反時計回り方向に１回転する場合について説明する。仮想円２４は時計回り方向に転がり円２３の内周に沿って滑らずに回転するものとする。図８（ａ）〜（ｌ）は第１クランク軸５が３０度ずつ変位した状態を示している。
【００３３】
第１クランク軸５が図８（ａ）の位置から反時計回り方向に９０度回転すると図８（ｄ）の位置となる。このとき、第２仮想クランク軸１４ａは転がり円２３の直径Ｒ１上を中心Ｏへ移動し、第２仮想クランク軸１４ｂは直径Ｒ１と直交する直径Ｒ２と転がり円２３との交点（右端位置）まで移動する。
【００３４】
第１クランク軸５が図８（ｄ）の位置から反時計回り方向にさらに９０度回転すると図８（ｇ）の位置となる。このとき、第２仮想クランク軸１４ａは転がり円２３と直径Ｒ１との交点（上端位置）へ移動し、第２仮想クランク軸１４ｂは転がり円２３の中心Ｏへ移動する。
【００３５】
第１クランク軸５が図８（ｇ）の位置から反時計回り方向にさらに９０度回転すると図８（ｊ）の位置となる。このとき、第２仮想クランク軸１４ａは転がり円２３の中心Ｏへ移動し、第２仮想クランク軸１４ｂは転がり円２３と直径Ｒ２との交点（左端位置）へ移動する。
【００３６】
第１クランク軸５が図８（ｊ）の位置から反時計回り方向にさらに９０度回転すると図８（ａ）の位置となる。このとき、第２仮想クランク軸１４ａは転がり円２３と直径Ｒ１との交点（下端位置）へ移動し、第２仮想クランク軸１４ｂは転がり円２３の中心Ｏへ移動する。
【００３７】
以上のように、第１クランク軸５が中心Ｏ（シャフト４）の周りに回転すると、第２仮想クランク軸１４ａは仮想円２４の転がり軌跡である転がり円２３の直径Ｒ１上を往復移動し、第２仮想クランク軸１４ｂは転がり円２３の直径Ｒ２上を往復移動する。
【００３８】
即ち、シャフト４の軸芯（中心Ｏ）を中心とした半径ｒの回転軌道３０に沿った第１クランク軸５及びピストン複合体Ｐ（図２参照）の回転移動に伴い、第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂを軸芯に有する第２円筒部６ｂにおいて偏芯筒体６と連繋する第１ピストン組７が半径２ｒの転がり円２３（シャフト４の軸芯を中心とする同心円）の直径Ｒ１上で往復動を繰り返し、第２ピストン組８が半径２ｒの転がり円２３（シャフト４の軸芯を中心とする同心円）の直径Ｒ２上で往復運動を繰り返すことになる。
【００３９】
図６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。
偏芯筒体６の軸受保持部６ｃに内側軸受１５ａ，１５ｂを組み付ける（図７（ｂ）参照）。また、偏芯筒体６の内側軸受１５ａ，１５ｂ、第１円筒体６ａの中心孔に第１クランク軸５を嵌め込む。また、第１，第２ピストン本体７ａ，８ａの第１、第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂに、シールカップ７ｃ，８ｃ及びシールカップ押さえ部材７ｄ，８ｄをボルト１９にて一体に組み付ける。更に、第１，第２ピストン組７，８を外側軸受１６ａ，１６ｂが嵌まり込むように組み付ける。そして、上記第１，第２ピストン組７，８を第２円筒部６ｂに外側軸受１６ａ，１６ｂを介して交差するように嵌め込む。
【００４０】
また、第１クランク軸５の両端部に第１，第２バランスウェイト９，１０を嵌め込んで、ピン１１ａ，１１ｂをピン孔に嵌め込み、ボルト１２ａ，１２ｂをねじ嵌合させて第１，第２バランスウェイト９，１０を第１クランク軸５に一体に組み付ける。また、第１本体ケース１に第１軸受１３ａ、第２本体ケース２に第２軸受１３ｂを各々嵌め込む。また第１本体ケース１の内底部１ａに突設されたボス部１ｂに軸受１ｃを組み付ける。そして、第１軸受１３ａにシャフト４を嵌め込み、第２軸受１３ｂにバランスウェイト１０の軸部を嵌め込むようにして、第１本体ケース１と第２本体ケース２をボルト締めして組み合わせる。これにより、偏芯筒体６とこれに交差して組み付けられた第１，第２ピストン７，８組（ピストン複合体Ｐ；図１参照）が本体ケース３内に収容される。最後に、本体ケース３の側面（４面）に形成される開口部２０にシリンダ２１を嵌め込んで、第１ピストンヘッド部７ｂ，第２ピストンヘッド部８ｂがシリンダ２１の開口部２１ａ内に各々摺動可能に嵌め込まれて（図１参照）、ロータリ式シリンダ装置が組み立てられる。
【００４１】
図５において、第１ピストン組７の軸芯と第２ピストン組８の軸芯は、シャフト４の軸方向で僅かにずれた状態で偏芯筒体６に組み付けられている。しかしながら、第１ピストン本体７ａと外側軸受１６ａの軸芯、第２ピストン本体８ａと外側軸受１６ｂの軸芯は一致して組み付けられているため（図６参照）、偏芯筒体６が第１クランク軸５を中心として回転しても当該回転による振動を抑えることができる。また、構成部品の加工誤差等によって第１，第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂとシリンダ２１の内壁面２１ａとの間に発生するガタ（概ね３０μｍ〜５０μｍ程度）は、第１，第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂとシリンダ２１の内壁面２１ａとの間に挿入されるシールカップ７ｃ，８ｃの起立部７ｅ，８ｅ（図６参照）によって振動が吸収されるため、騒音が発生することはない。
【００４２】
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１，第２ピストン組７，８の第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂを中心とした第１の回転バランス、ピストン複合体Ｐの第１クランク軸５を中心とする第２の回転バランス及び第１クランク軸５及びピストン複合体Ｐのシャフト４を中心とする第３の回転バランスが第１，第２バランスウェイト９，１０によりバランス取りされて組み立てられている。
【００４３】
これにより、後述するようにシャフト４を中心とする第１クランク軸５の回転運動と、第１クランク軸５を中心とするピストン複合体Ｐの回転運動により、第２筒体６ｂに組み付けられた第１，第２ピストン組７，８がシャフト４を中心とする第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂの半径２ｒの転がり円２３（図８（ａ）参照）の径方向に沿って直線往復運動を行なっても、回転による振動を抑えて静音化を図ることができ、シャフト４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。
【００４４】
図４において、第１本体ケース１のガイド軸受１ｃは、シャフト４を中心に第１クランク軸５が回転し、当該第１クランク軸５を中心にピストン複合体Ｐが回転することで、第２筒体６ｂに組み付けられた第１，第２ピストン組７，８がシャフト４を中心とする第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂの半径２ｒの転がり円の径方向に沿った直線往復運動をガイドする。
【００４５】
このとき、第１，第２ピストン組７，８の第１，第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂがシリンダ摺動面から受ける反力（図１３の（Ｐ／４）参照）をいずれか一方側のガイド軸受１ｃで受け止めて第１，第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂとシリンダ２１との摺動抵抗を軽減することができる。よって、第１，第２ピストン組７，８とシリンダ２１間の摩擦損失を低減して、駆動源の消費電力を低減することができる。
【００４６】
尚、第１，第２ピストン本体７ａ，８ａとその側圧を受けるガイド軸受１ｃ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。
また、本実施形態では、第１，第２ピストン７，８は直交するように配置したが、これに限定されるものではなく、第１クランク軸５を中心として例えば位相差が６０度等に配置することも可能である。
【００４７】
次に、ガイド軸受の他の構成例について図９乃至図１１を参照して説明する。
図９に示すように、第１，第２ピストン組７，８において、第１ピストン本体７ａ，第２ピストン本体８ａにはその長手方向に沿ってガイド孔（長孔）３１，３２が両側に各々穿設されている。また、図１１に示すように、第１本体ケース１の内底部１ａには、ガイド孔３１，３２に対応する位置にボス部１ｂが４か所に突設されている。このボス部１ｂの軸端にはガイド軸受１ｃが例えば２個ずつ重ね合わせ、該ガイド軸受１ｃはボス部１ｂの軸孔にピン１ｄが嵌め込まれてボス部１ｂに組み付けられている。図１０において、各ガイド軸受１ｃは、ガイド孔３１，３２に嵌め込まれて、第２筒体６ｂに組み付けられた第１，第２ピストン組７，８の直線往復運動を第１ピストン本体７ａ，第２ピストン本体８ａと重なり合う位置でガイドする。
【００４８】
図１０に示すように、ガイド軸受１ｃは各ガイド孔３１，３２の対向する孔壁面３１ａ，３２ａに当接して第１、第２ピストン組７，８の直線往復運動をガイドする。この構成によれば、第１、第２ピストン組７，８の第１，第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂがシリンダ摺動面から受ける反力を少ないガイド軸受１ｃ（本実施例では４か所）で受け止めて第１，第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂとシリンダ２１との摺動抵抗を軽減することができる。よって、ピストン組とシリンダ間の摩擦損失（図１３の（Ｐ／４）参照）を低減して駆動源の消費電力を低減することができる。また、本体ケース３内の部品点数が減るので組み立てが容易になり、本体ケース３内のスペースを有効に活用することができる。
【００４９】
尚、ガイド軸受１ｃは転がり軸受、滑り軸受、メタル軸受など様々な軸受を使用することができる。
また、ガイド軸受１ｃは第１本体ケース１に設けられているが、第２本体ケース２に設けられていてもよく、第１，第２本体ケース１，２の双方に各々設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
Ｐ ピストン複合体
１ 第１本体ケース
１ａ 内底部
１ｂ ボス部
１ｃ ガイド軸受
１ｄ ピン
２ 第２本体ケース
３ 本体ケース
４ シャフト
５ 第１クランク軸
６ 偏芯筒体
６ａ 第１筒体
６ｂ 第２筒体
６ｃ，６ｄ 軸受保持部
７ 第１ピストン組
７ａ 第１ピストン本体
７ｂ 第１ピストンヘッド部
７ｃ，８ｃ シールカップ
７ｄ，８ｄ シールカップ押さえ部材
７ｅ，８ｅ 起立部
８ 第２ピストン組
８ａ 第２ピストン本体
８ｂ 第２ピストンヘッド部
９ 第１バランスウェイト
１０ 第２バランスウェイト
１１ａ，１１ｂ ピン
１２ａ，１２ｂ，１９ ボルト
１３ａ 第１軸受
１３ｂ 第２軸受
１４ａ，１４ｂ 第２仮想クランク軸
１５ａ，１５ｂ 内側軸受
１６ａ，１６ｂ 外側軸受
２０ 開口部
２１ シリンダ
２１ａ 内壁面
２３ 転がり円
２４ 仮想円
３０ 回転軌道
３１，３２ ガイド孔
３１ａ，３２ａ 孔壁面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シャフト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。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機、真空ポンプ、流体回転機などの原動機においては、クランクシャフトに連繋した揺動ピストンによるピストンの往復動で流体の吸込みと送出しを繰り返す揺動ピストン方式、固定スクロールに対して旋回スクロールを回転させて流体の吸込みと送出しを繰り返すスクロール駆動方式、ローラーの回転運動で流体の吸込みと送出しを繰り返すロータリ駆動方式（特許文献１参照）、その他スクリュー方式、ベーン方式など用途に応じた各種駆動方式が採用されている。
【０００３】
中でも、シャフトとクランクピンを連結する第１アームとクランクピンとピストンを連結する第２アームとの長さを揃えることで、クランクアームの長さを１／２にしてピストンのストロークを２倍にした２ピストン４ヘッドの流体ポンプが提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１９０６１３号公報
【特許文献２】特開昭５６−１４１０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献２の流体ポンプについて、図１２及び図１３に示す模式図を参照して説明する。図１２に示すロータリ式シリンダ装置は、クランクシャフト５１を中心に半径ｒの第１仮想クランクアーム５２を介して回転する第１クランク軸５３、第１クランク軸５３を中心に半径ｒの第２仮想クランクアーム５９を介して回転する第２仮想クランク軸５４、第２仮想クランク軸５４を中心に回転可能に連繋する第１ピストン組５５，第２ピストン組５６が４つのシリンダ５７内にピストン本体５５ａ，５６ａの両端に設けられたピストンヘッド部５５ｂ，５６ｂが挿入されたまま内サイクロイドの軌跡を描いて直線往復運動するようになっている。第１ピストン組５５，第２ピストン組５６は、第１クランク軸５３を中心に回転する偏芯スライダに各々滑合して直線往復移動するようになっている。
【０００６】
上記第１ピストン組５５を取り出して、構造原理を等価的に置き換えたのが図１３である。クランクシャフト５１の回転に伴って第１仮想クランクアーム５２を介して第１クランク軸５３が回転し、第１クランク軸５３を中心として第２クランクアーム５９を介して第２仮想クランク軸５４が回転して、第１ピストン組５５が内サイクロイドの軌跡を描いて直線往復運動する。図１３は、クランクシャフト５１を中心に３６０度回転する第１仮想クランクアーム５２と第１クランク軸５３を中心に３６０度回転する第２仮想クランクアーム５９が、第１ピストン組５５のピストン本体５５ａに対して各々４５°に交差した状態を例示している。
【０００７】
このとき、第１ピストン組５５（一方のピストンヘッド部５５ｂ）に流体圧Ｐが作用したとする。このとき、駆動軸であるクランクシャフト５１を中心とする回転方向に、流体圧Ｐに相当する反力Ｐが作用する。この反力Ｐが第１クランク軸５３に作用していると仮定すると、この外力Ｐに対する反作用がクランクシャフト５１と第２仮想クランク軸５４にＰ／２ずつ作用する。ここで、クランクシャフト５１に直交して作用する反力Ｐ／２は、第１ピストン本体５５ａの往復運動に影響を与えない（回転中心であるクランクシャフト５１はボールベアリング等により軸支されている）ため、両側のピストンヘッド部５５ｂに対してシリンダ５７からにＰ／４ずつ反力が作用することになる。ピストンヘッド部５５ｂの外周面とシリンダ５７の摺動面（内壁面）５７ａとの摩擦係数をμとすると、摺動抵抗は両側で（Ｐ／４）×μ×２となる。
【０００８】
上記ピストンヘッド部５５ｂと摺動面５７ａとの摺動抵抗により、ピストンヘッド部５５ｂに設けられるシールカップ６１が破損したり、シリンダ５７の摺動面５７ａ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おそれがあった。
【０００９】
本発明の目的は、シャフトを中心に回転する第１クランク軸に偏芯して連繋するピストン複合体に組み付けられて直線往復運動するピストン組のピストンヘッド部がシリンダの摺動面から受ける反力の影響を軽減することで、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にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明は次の構成を有する。
シリンダ内を往復運動するピストンとシャフトの回転運動を相互に変換可能なロータリ式シリンダ装置であって、前記シャフトの軸芯に対して偏芯して組み付けられ、当該シャフトを中心に半径ｒの第１仮想クランクアームを介して回転可能に組み付けられた第１クランク軸と、前記第１クランク軸に同芯状に嵌め込まれた第１筒体と該第１筒体の軸芯に対して偏芯した複数の第２仮想クランク軸を軸芯とする第２筒体が連続して形成された偏芯筒体を備え、前記第２筒体に複数のピストン組が互いに交差したまま前記第１クランク軸を中心に半径ｒの第２仮想クランクアームを介して回転可能に嵌め込まれたピストン複合体と、前記ピストン複合体が嵌め込まれた前記第１クランク軸の両端部に各々組み付けられ、前記シャフトを中心とする回転部品間の回転バランスをとる第１，第２バランスウェイトと、前記シャフトを回転可能に軸支し、当該シャフトを中心に回転する前記第１クランク軸及び前記第１，第２バランスウェイト、前記第１クランク軸を中心に回転する前記ピストン複合体を回転可能に収容する本体ケースと、前記本体ケースに設けられ、前記シャフトを中心に前記第１クランク軸が回転し、当該第１クランク軸を中心に前記ピストン複合体が回転することで、前記第２筒体に組み付けられた前記複数のピストン組が前記シャフトを中心とする前記第２仮想クランク軸の半径２ｒの転がり円の径方向に沿った直線往復運動をガイドするガイド軸受と、を具備したことを特徴とする。
ここで、第１仮想クランクアームとは、シャフトと第１クランク軸の軸芯間を連結する部位を言い、部品単体でクランクアームが存在しなくても構造上クランクアームの存在が認められるものを言う。また、第２仮想クランクアームとは、第１クランク軸と第２仮想クランク軸の軸芯間を連結する部位をいい、クランクアームが省略されていても機構上クランクアームの存在が認められるものを言う。また、第２仮想クランク軸とは、機構上のクランク軸が存在しなくとも回転中心となる軸芯の存在が仮想上認められるクランク軸を言う。また、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。
【００１１】
また、前記ガイド軸受は、前記第２筒体に複数交差して組み付けられた各ピストン組のピストン本体の移動方向に沿って両側に配置されて各ピストン組の直線往復運動をガイドすることを特徴とする。
【００１２】
また、前記第２筒体に複数交差して組み付けられた各ピストン組のピストン本体にはその長手方向に沿ってガイド孔が各々穿設されており、前記ガイド軸受は各ガイド孔の対向する孔壁面に当接して各ピストン組の直線往復運動をガイドすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るロータリ式シリンダ装置を用いれば、本体ケースに設けられるガイド軸受は、シャフトを中心に第１クランク軸が回転し、該第１クランク軸を中心にピストン複合体が回転する際の第２筒体に連繋する複数のピストン組の直線往復運動をガイドする。
よって、シリンダ内を直線往復運動する複数のピストン組のピストンヘッド部がシリンダ摺動面から受ける反力をガイド軸受で受け止めて軽減するため、ピストンヘッド部とシリンダとの摺動抵抗を減らして摩擦損失、特に駆動源の消費電力を低減することができる。
【００１４】
また、ガイド軸受は、第２筒体に複数交差して組み付けられた各ピストン組のピストン本体の移動方向に沿って両側に配置されて各ピストン組の直線往復運動をガイドするので、各ピストン組のピストンヘッド部がシリンダ摺動面から受ける反力をいずれか一方側のガイド軸受で受け止めてピストンヘッド部とシリンダとの摺動抵抗を軽減することができる。
【００１５】
また、第２筒体に複数交差して組み付けられた各ピストン組のピストン本体にはその長手方向に沿ってガイド孔が各々穿設されており、ガイド軸受は各ガイド孔の対向する孔壁面に当接して各ピストン組の直線往復運動をガイドする場合には、各ピストン組のピストンヘッド部がシリンダ摺動面から受ける反力を少ないガイド軸受で受け止めてピストンヘッド部とシリンダとの摺動抵抗を軽減することができる。よって、ピストン組とシリンダ間の摩擦損失を低減して駆動源の消費電力を低減することができる。また、本体ケース内の部品点数が減るので組み立てが容易になり、本体ケース内のスペースを有効に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ロータリ式シリンダ装置の一部切欠き分解斜視図である。
【図２】図１のロータリ式シリンダ装置の第２本体ケースを取り外した一部破断斜視図である。
【図３】ロータリ式シリンダ装置の第２本体ケースを取り外した斜視図である。
【図４】図３のロータリ式シリンダ装置の軸方向からみた平面図である。
【図５】図４の左側面図である。
【図６】図４の矢印Ａ−Ａ方向断面図である。
【図７】偏芯筒体の軸方向から見た平面図及び軸方向断面図である。
【図８】シャフトを中心とする第１クランク軸の回転軌道、第１クランク軸を中心とする第２仮想クランク軸の回転軌道と複数のピストン組の直線往復運動の関係を示す模式図である。
【図９】他例にかかるロータリ式シリンダ装置の第２本体ケースを取り外した斜視図である。
【図１０】図９のロータリ式シリンダ装置の軸方向からみた平面図である。
【図１１】図９の矢印Ａ−Ａ方向断面図である。
【図１２】第１，第２ピストン組とシリンダの配置を示す説明図である。
【図１３】直線往復運動するピストン組とシリンダとの間に作用する外力の模式説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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８を参照して一例として圧縮機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シャフトの回転運動とが相互に変換されて出力される装置を想定している。
【００１８】
図１において、第１本体ケース１と第２本体ケース２とで構成される本体ケース３にシャフト４（入出力軸）が回転可能に軸支されている。第１本体ケース１と第２本体ケース２とは、図示しないボルトにより四隅をねじ嵌合させて一体に組み付けられる。この本体ケース３内には、図２に示すように第１クランク軸５を中心に回転可能な偏芯筒体６と該偏芯筒体６に軸受を介して組み付けられた第１ピストン組７及び第２ピストン組８（以下、これらを「ピストン複合体Ｐ」という）が回転可能に収容されている。以下、具体的に説明する。
【００１９】
図６において、第１クランク軸５は、シャフト４の軸芯に対して偏芯して連結される。本実施形態では、シャフト４は、第１バランスウェイト９と一体に形成されている。尚、第２バランスウェイト１０側にもシャフトが形成されていてもよい。第１，第２バランスウェイト９，１０は第１クランク軸５の両軸端部に各々嵌め込まれてボルト１２ａ，１２ｂ（図６参照）により固定される。
【００２０】
図６において、第１バランスウェイト９に連結されたシャフト４は第１軸受１３ａにより回転可能に軸支されており、第２バランスウェイト１０に形成された軸部は第２軸受１３ｂにより回転可能に軸支されている。第１，第２バランスウェイト９，１０は、例えばブロック形状をしており（図１参照）、シャフト４の周りに組み付けられ、後述するように第１クランク軸５及びピストン複合体Ｐを含むシャフト４を中心とした回転部品間の質量バランスをとるために設けられている。
【００２１】
また、図７（ａ）（ｂ）に示すように、偏芯筒体６は、第１クランク軸５の軸芯に対して偏芯した複数の第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂを有する。本実施形態では、交差するピストン組が２本であるため、第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂは第１クランク軸５を中心として１８０度位相がずれた位置に形成されている。
【００２２】
第１，第２ピストン組７，８は第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂの軸直角方向に互いに交差して偏芯筒体６に組み付けられている。具体的には、図７（ｂ）において、偏芯筒体６は、回転中心となる第１クランク軸５が挿通する第１筒体６ａと、該第１筒体６ａに連続して第２筒体６ｂが軸芯方向両側に各々連続して形成されている。第１筒体６ａには第１クランク軸５が同芯状に嵌め込まれ、偏芯筒体６の回転中心となる。また、第２筒体６ｂの軸芯は、第１クランク軸５（第１筒体６ａ）の軸芯に対して偏芯した第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂと一致するようになっている。図７（ａ）（ｂ）において、第２筒体６ｂの内外周部には、軸受保持部６ｃ，６ｄが各々凹設されている。
【００２３】
図７（ｂ）に示すように、内周側の軸受保持部６ｃには、内側軸受１５ａ，１５ｂが保持されており、図６に示すように外周側の軸受保持部６ｄには外側軸受１６ａ，１６ｂが各々保持されている。内側軸受１５ａ，１５ｂは第１のクランク軸５を回転可能に支持している。また、外側軸受１６ａ，１６ｂは、第１，第２ピストン組７，８が第２円筒部６ｂに交差して嵌め込まれたまま回転可能に支持している。
【００２４】
以上の構成により、第１クランク軸５と第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂを結ぶ第２仮想クランクアームの長さを第２円筒体６ｂの回転半径ｒにより設定する（図８参照）ことで、第１クランク軸５を中心として偏芯筒体６を含むピストン複合体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。
【００２５】
また、図６において、第１，第２ピストン本体７ａ，８ａの長手方向両端部には、第１ピストンヘッド部７ｂ，第２ピストンヘッド部８ｂ（図示せず）が形成されている。第１ピストンヘッド部７ｂ，第２ピストンヘッド部８ｂ（図示せず）には、リング状のシールカップ７ｃ，８ｃ、シールカップ押さえ部材７ｄ，８ｄ（図示せず）が各々ボルト１９により組み付けられている。シールカップ７ｃ，８ｃ（図示せず）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。
【００２６】
また、図４において、本体ケース３（第１本体ケース１及び第２本体ケース２）の側面部（４面）に設けられた開口部２０には、シリンダ２１が組み付けられている。第１ピストンヘッド部７ｂ，第２ピストンヘッド部８ｂは、シールカップ７ｃ，８ｃ（図示せず）によって、シリンダ２１の内壁面２１ａ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７ｃ，８ｃの外周縁部には起立部７ｅ（図６参照），８ｅ（図１参照）が設けられている。圧縮機の場合には、起立部７ｅ，８ｅは、ピストン摺動方向外側に向けて組み付けられている（図６参照）。
【００２７】
図１に示すように、第１ピストン本体７ａ，第２ピストン本体８ａの第１ピストンヘッド部７ｂ（図６参照），第２ピストンヘッド部８ｂは、シリンダ２１の内壁面２１ａに沿って摺動するように組み付けられる。
【００２８】
また、図１において、第１本体ケース１の内底部１ａにはシリンダ２１に近傍にボス部１ｂが８か所に設けられている。このボス部１ｂの軸端にはガイド軸受１ｃが２個ずつ重ね合わせ、ガイド軸受１ｃはボス部１ｂの軸孔にピン１ｄが嵌め込まれて組み付けられている。図３に示すように、ガイド軸受１ｃは、第１，第２ピストン組７，８の第１，第２ピストン本体７ａ，８ａの移動方向に沿って両側に配置されて直線往復運動をガイドするために設けられている。
【００２９】
ここで、シャフト４を中心とする第１クランク軸５、第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂの回転運動と複数のピストンの直線往復運動の関係（内サイクロイド運動方式）を図８（ａ）〜（ｌ）に示す模式構造原理図を参照して説明する。図８（ａ）〜（ｌ）において、転がり円２３の中心Ｏはシャフト４の軸芯と一致する。また、中心Ｏより偏芯した位置に第１クランク軸５が存在し、第１クランク軸５の回転に伴い第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂが回転するものとする。第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂの数は、ピストンの数に対応している。
【００３０】
シャフト４（中心Ｏ）と第１クランク軸５との軸芯間距離ｒを第１仮想クランクアーム及び第２仮想クランクアームのアーム長（回転半径）とする。また、シャフト４の軸芯（中心Ｏ）周りに第１仮想クランクアームのアーム長ｒを回転半径とする回転軌道３０上を第１クランク軸５が回転する。更には、第１クランク軸５を中心とする第２仮想クランクアームのアーム長ｒを回転半径とする回転軌道（仮想円２４）上を第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂが見かけ上回転する。これにより、中心Ｏの周りに仮想円２４の直径Ｒ（２ｒ）を半径とする転がり円２３の径方向に第１，第２ピストン組７，８が各々往復動するようになっている。
【００３１】
本実施例では、互いに直交する第１、第２ピストン組７，８が連繋する第２筒体６ｂの第２仮想クランク軸を１４ａ，１４ｂとして例示するものとする。図８（ａ）において、第２仮想クランク軸１４ａは転がり円２３と直径Ｒ１の交点（下端位置）にあり、第２仮想クランク軸１４ｂは、転がり円２３の中心Ｏ（シャフト４の軸芯位置）にある。第１クランク軸５は転がり円２３の中心Ｏから半径ｒの位置にあるものとする。
【００３２】
第１クランク軸５が転がり円２３の中心Ｏの周りに反時計回り方向に１回転する場合について説明する。仮想円２４は時計回り方向に転がり円２３の内周に沿って滑らずに回転するものとする。図８（ａ）〜（ｌ）は第１クランク軸５が３０度ずつ変位した状態を示している。
【００３３】
第１クランク軸５が図８（ａ）の位置から反時計回り方向に９０度回転すると図８（ｄ）の位置となる。このとき、第２仮想クランク軸１４ａは転がり円２３の直径Ｒ１上を中心Ｏへ移動し、第２仮想クランク軸１４ｂは直径Ｒ１と直交する直径Ｒ２と転がり円２３との交点（右端位置）まで移動する。
【００３４】
第１クランク軸５が図８（ｄ）の位置から反時計回り方向にさらに９０度回転すると図８（ｇ）の位置となる。このとき、第２仮想クランク軸１４ａは転がり円２３と直径Ｒ１との交点（上端位置）へ移動し、第２仮想クランク軸１４ｂは転がり円２３の中心Ｏへ移動する。
【００３５】
第１クランク軸５が図８（ｇ）の位置から反時計回り方向にさらに９０度回転すると図８（ｊ）の位置となる。このとき、第２仮想クランク軸１４ａは転がり円２３の中心Ｏへ移動し、第２仮想クランク軸１４ｂは転がり円２３と直径Ｒ２との交点（左端位置）へ移動する。
【００３６】
第１クランク軸５が図８（ｊ）の位置から反時計回り方向にさらに９０度回転すると図８（ａ）の位置となる。このとき、第２仮想クランク軸１４ａは転がり円２３と直径Ｒ１との交点（下端位置）へ移動し、第２仮想クランク軸１４ｂは転がり円２３の中心Ｏへ移動する。
【００３７】
以上のように、第１クランク軸５が中心Ｏ（シャフト４）の周りに回転すると、第２仮想クランク軸１４ａは仮想円２４の転がり軌跡である転がり円２３の直径Ｒ１上を往復移動し、第２仮想クランク軸１４ｂは転がり円２３の直径Ｒ２上を往復移動する。
【００３８】
即ち、シャフト４の軸芯（中心Ｏ）を中心とした半径ｒの回転軌道３０に沿った第１クランク軸５及びピストン複合体Ｐ（図２参照）の回転移動に伴い、第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂを軸芯に有する第２円筒部６ｂにおいて偏芯筒体６と連繋する第１ピストン組７が半径２ｒの転がり円２３（シャフト４の軸芯を中心とする同心円）の直径Ｒ１上で往復動を繰り返し、第２ピストン組８が半径２ｒの転がり円２３（シャフト４の軸芯を中心とする同心円）の直径Ｒ２上で往復運動を繰り返すことになる。
【００３９】
図６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。
偏芯筒体６の軸受保持部６ｃに内側軸受１５ａ，１５ｂを組み付ける（図７（ｂ）参照）。また、偏芯筒体６の内側軸受１５ａ，１５ｂ、第１円筒体６ａの中心孔に第１クランク軸５を嵌め込む。また、第１，第２ピストン本体７ａ，８ａの第１、第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂに、シールカップ７ｃ，８ｃ及びシールカップ押さえ部材７ｄ，８ｄをボルト１９にて一体に組み付ける。更に、第１，第２ピストン組７，８を外側軸受１６ａ，１６ｂが嵌まり込むように組み付ける。そして、上記第１，第２ピストン組７，８を第２円筒部６ｂに外側軸受１６ａ，１６ｂを介して交差するように嵌め込む。
【００４０】
また、第１クランク軸５の両端部に第１，第２バランスウェイト９，１０を嵌め込んで、ピン１１ａ，１１ｂをピン孔に嵌め込み、ボルト１２ａ，１２ｂをねじ嵌合させて第１，第２バランスウェイト９，１０を第１クランク軸５に一体に組み付ける。また、第１本体ケース１に第１軸受１３ａ、第２本体ケース２に第２軸受１３ｂを各々嵌め込む。また第１本体ケース１の内底部１ａに突設されたボス部１ｂに軸受１ｃを組み付ける。そして、第１軸受１３ａにシャフト４を嵌め込み、第２軸受１３ｂにバランスウェイト１０の軸部を嵌め込むようにして、第１本体ケース１と第２本体ケース２をボルト締めして組み合わせる。これにより、偏芯筒体６とこれに交差して組み付けられた第１，第２ピストン７，８組（ピストン複合体Ｐ；図１参照）が本体ケース３内に収容される。最後に、本体ケース３の側面（４面）に形成される開口部２０にシリンダ２１を嵌め込んで、第１ピストンヘッド部７ｂ，第２ピストンヘッド部８ｂがシリンダ２１の開口部２１ａ内に各々摺動可能に嵌め込まれて（図１参照）、ロータリ式シリンダ装置が組み立てられる。
【００４１】
図５において、第１ピストン組７の軸芯と第２ピストン組８の軸芯は、シャフト４の軸方向で僅かにずれた状態で偏芯筒体６に組み付けられている。しかしながら、第１ピストン本体７ａと外側軸受１６ａの軸芯、第２ピストン本体８ａと外側軸受１６ｂの軸芯は一致して組み付けられているため（図６参照）、偏芯筒体６が第１クランク軸５を中心として回転しても当該回転による振動を抑えることができる。また、構成部品の加工誤差等によって第１，第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂとシリンダ２１の内壁面２１ａとの間に発生するガタ（概ね３０μｍ〜５０μｍ程度）は、第１，第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂとシリンダ２１の内壁面２１ａとの間に挿入されるシールカップ７ｃ，８ｃの起立部７ｅ，８ｅ（図６参照）によって振動が吸収されるため、騒音が発生することはない。
【００４２】
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１，第２ピストン組７，８の第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂを中心とした第１の回転バランス、ピストン複合体Ｐの第１クランク軸５を中心とする第２の回転バランス及び第１クランク軸５及びピストン複合体Ｐのシャフト４を中心とする第３の回転バランスが第１，第２バランスウェイト９，１０によりバランス取りされて組み立てられている。
【００４３】
これにより、後述するようにシャフト４を中心とする第１クランク軸５の回転運動と、第１クランク軸５を中心とするピストン複合体Ｐの回転運動により、第２筒体６ｂに組み付けられた第１，第２ピストン組７，８がシャフト４を中心とする第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂの半径２ｒの転がり円２３（図８（ａ）参照）の径方向に沿って直線往復運動を行なっても、回転による振動を抑えて静音化を図ることができ、シャフト４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。
【００４４】
図４において、第１本体ケース１のガイド軸受１ｃは、シャフト４を中心に第１クランク軸５が回転し、当該第１クランク軸５を中心にピストン複合体Ｐが回転することで、第２筒体６ｂに組み付けられた第１，第２ピストン組７，８がシャフト４を中心とする第２仮想クランク軸１４ａ，１４ｂの半径２ｒの転がり円の径方向に沿った直線往復運動をガイドする。
【００４５】
このとき、第１，第２ピストン組７，８の第１，第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂがシリンダ摺動面から受ける反力（図１３の（Ｐ／４）参照）をいずれか一方側のガイド軸受１ｃで受け止めて第１，第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂとシリンダ２１との摺動抵抗を軽減することができる。よって、第１，第２ピストン組７，８とシリンダ２１間の摩擦損失を低減して、駆動源の消費電力を低減することができる。
【００４６】
尚、第１，第２ピストン本体７ａ，８ａとその側圧を受けるガイド軸受１ｃ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。
また、本実施形態では、第１，第２ピストン７，８は直交するように配置したが、これに限定されるものではなく、第１クランク軸５を中心として例えば位相差が６０度等に配置することも可能である。
【００４７】
次に、ガイド軸受の他の構成例について図９乃至図１１を参照して説明する。
図９に示すように、第１，第２ピストン組７，８において、第１ピストン本体７ａ，第２ピストン本体８ａにはその長手方向に沿ってガイド孔（長孔）３１，３２が両側に各々穿設されている。また、図１１に示すように、第１本体ケース１の内底部１ａには、ガイド孔３１，３２に対応する位置にボス部１ｂが４か所に突設されている。このボス部１ｂの軸端にはガイド軸受１ｃが例えば２個ずつ重ね合わせ、該ガイド軸受１ｃはボス部１ｂの軸孔にピン１ｄが嵌め込まれてボス部１ｂに組み付けられている。図１０において、各ガイド軸受１ｃは、ガイド孔３１，３２に嵌め込まれて、第２筒体６ｂに組み付けられた第１，第２ピストン組７，８の直線往復運動を第１ピストン本体７ａ，第２ピストン本体８ａと重なり合う位置でガイドする。
【００４８】
図１０に示すように、ガイド軸受１ｃは各ガイド孔３１，３２の対向する孔壁面３１ａ，３２ａに当接して第１、第２ピストン組７，８の直線往復運動をガイドする。この構成によれば、第１、第２ピストン組７，８の第１，第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂがシリンダ摺動面から受ける反力を少ないガイド軸受１ｃ（本実施例では４か所）で受け止めて第１，第２ピストンヘッド部７ｂ，８ｂとシリンダ２１との摺動抵抗を軽減することができる。よって、ピストン組とシリンダ間の摩擦損失（図１３の（Ｐ／４）参照）を低減して駆動源の消費電力を低減することができる。また、本体ケース３内の部品点数が減るので組み立てが容易になり、本体ケース３内のスペースを有効に活用することができる。
【００４９】
尚、ガイド軸受１ｃは転がり軸受、滑り軸受、メタル軸受など様々な軸受を使用することができる。
また、ガイド軸受１ｃは第１本体ケース１に設けられているが、第２本体ケース２に設けられていてもよく、第１，第２本体ケース１，２の双方に各々設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
Ｐ ピストン複合体
１ 第１本体ケース
１ａ 内底部
１ｂ ボス部
１ｃ ガイド軸受
１ｄ ピン
２ 第２本体ケース
３ 本体ケース
４ シャフト
５ 第１クランク軸
６ 偏芯筒体
６ａ 第１筒体
６ｂ 第２筒体
６ｃ，６ｄ 軸受保持部
７ 第１ピストン組
７ａ 第１ピストン本体
７ｂ 第１ピストンヘッド部
７ｃ，８ｃ シールカップ
７ｄ，８ｄ シールカップ押さえ部材
７ｅ，８ｅ 起立部
８ 第２ピストン組
８ａ 第２ピストン本体
８ｂ 第２ピストンヘッド部
９ 第１バランスウェイト
１０ 第２バランスウェイト
１１ａ，１１ｂ ピン
１２ａ，１２ｂ，１９ ボルト
１３ａ 第１軸受
１３ｂ 第２軸受
１４ａ，１４ｂ 第２仮想クランク軸
１５ａ，１５ｂ 内側軸受
１６ａ，１６ｂ 外側軸受
２０ 開口部
２１ シリンダ
２１ａ 内壁面
２３ 転がり円
２４ 仮想円
３０ 回転軌道
３１，３２ ガイド孔
３１ａ，３２ａ 孔壁面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復運動するピストンとシャフトの回転運動を相互に変換可能なロータリ式シリンダ装置であって、
前記シャフトの軸芯に対して偏芯して組み付けられ、当該シャフトを中心に半径ｒの第１仮想クランクアームを介して回転可能に組み付けられた第１クランク軸と、
前記第１クランク軸に同芯状に嵌め込まれた第１筒体と該第１筒体の軸芯に対して偏芯した複数の第２仮想クランク軸を軸芯とする第２筒体が連続して形成された偏芯筒体を備え、前記第２筒体に複数のピストン組が互いに交差したまま前記第１クランク軸を中心に半径ｒの第２仮想クランクアームを介して回転可能に嵌め込まれたピストン複合体と、
前記ピストン複合体が嵌め込まれた前記第１クランク軸の両端部に各々組み付けられ、前記シャフトを中心とする回転部品間の回転バランスをとる第１，第２バランスウェイトと、
前記シャフトを回転可能に軸支し、当該シャフトを中心に回転する前記第１クランク軸及び前記第１，第２バランスウェイト、前記第１クランク軸を中心に回転する前記ピストン複合体を回転可能に収容する本体ケースと、
前記本体ケースに設けられ、前記シャフトを中心に前記第１クランク軸が回転し、当該第１クランク軸を中心に前記ピストン複合体が回転することで、前記第２筒体に組み付けられた前記複数のピストン組が前記シャフトを中心とする前記第２仮想クランク軸の半径２ｒの転がり円の径方向に沿った直線往復運動をガイドするガイド軸受と、を具備したことを特徴とするロータリ式シリンダ装置。
【請求項２】
前記ガイド軸受は、前記第２筒体に複数交差して組み付けられた各ピストン組のピストン本体の移動方向両側に配置されて各ピストン組の直線往復運動をガイドする請求項１記載のロータリ式シリンダ装置。
【請求項３】
前記第２筒体に複数交差して組み付けられた各ピストン組のピストン本体にはその長手方向に沿ってガイド孔が各々穿設されており、前記ガイド軸受は各ガイド孔の対向する孔壁面に当接して各ピストン組の直線往復運動をガイドする請求項１記載のロータリ式シリンダ装置。
【請求項１】
シリンダ内を往復運動するピストンとシャフトの回転運動を相互に変換可能なロータリ式シリンダ装置であって、
前記シャフトの軸芯に対して偏芯して組み付けられ、当該シャフトを中心に半径ｒの第１仮想クランクアームを介して回転可能に組み付けられた第１クランク軸と、
前記第１クランク軸に同芯状に嵌め込まれた第１筒体と該第１筒体の軸芯に対して偏芯した複数の第２仮想クランク軸を軸芯とする第２筒体が連続して形成された偏芯筒体を備え、前記第２筒体に複数のピストン組が互いに交差したまま前記第１クランク軸を中心に半径ｒの第２仮想クランクアームを介して回転可能に嵌め込まれたピストン複合体と、
前記ピストン複合体が嵌め込まれた前記第１クランク軸の両端部に各々組み付けられ、前記シャフトを中心とする回転部品間の回転バランスをとる第１，第２バランスウェイトと、
前記シャフトを回転可能に軸支し、当該シャフトを中心に回転する前記第１クランク軸及び前記第１，第２バランスウェイト、前記第１クランク軸を中心に回転する前記ピストン複合体を回転可能に収容する本体ケースと、
前記本体ケースに設けられ、前記シャフトを中心に前記第１クランク軸が回転し、当該第１クランク軸を中心に前記ピストン複合体が回転することで、前記第２筒体に組み付けられた前記複数のピストン組が前記シャフトを中心とする前記第２仮想クランク軸の半径２ｒの転がり円の径方向に沿った直線往復運動をガイドするガイド軸受と、を具備したことを特徴とするロータリ式シリンダ装置。
【請求項２】
前記ガイド軸受は、前記第２筒体に複数交差して組み付けられた各ピストン組のピストン本体の移動方向両側に配置されて各ピストン組の直線往復運動をガイドする請求項１記載のロータリ式シリンダ装置。
【請求項３】
前記第２筒体に複数交差して組み付けられた各ピストン組のピストン本体にはその長手方向に沿ってガイド孔が各々穿設されており、前記ガイド軸受は各ガイド孔の対向する孔壁面に当接して各ピストン組の直線往復運動をガイドする請求項１記載のロータリ式シリンダ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１９０７８０（Ｐ２０１１−１９０７８０Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５９９０１（Ｐ２０１０−５９９０１）
【出願日】平成２２年３月１６日（２０１０．３．１６）
【出願人】（３９６００７６９４）株式会社医器研 (57)
【出願人】（５０４２７２４０８）有限会社ケイ・アールアンドデイ (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１６日（２０１０．３．１６）
【出願人】（３９６００７６９４）株式会社医器研 (57)
【出願人】（５０４２７２４０８）有限会社ケイ・アールアンドデイ (9)
【Ｆターム（参考）】
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