(57)【要約】【課題】ベーンをシリンダの内周面へ適切に当接させるように好適に補助でき、且つ基本的な形態との互換性に富む流体圧力回転装置を提供すること。【解決手段】シリンダ１０の中心軸に対して偏心された回転軸を中心に回転するローター２０と、そのローター２０に放射状に設けられた各ローター溝２２内でラジアル方向へ移動可能に組み込まれてシリンダの内周面１１に接する複数のベーン３０と、ベーン３０の後端側３０ｂに接してラジアル方向の移動を案内するように、シリンダ１０の両側面を塞ぐ各サイドプレート１５の内面にシリンダ１０の中心軸と同心で一体的な固定状態に設けられると共にシリンダ１０の内部方向へ所要の長さに凸設された固定カム５０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内で該シリンダの中心軸に対して偏心された回転軸を中心に回転するローターを有し、該ローターに放射状に設けられた各ローター溝内でラジアル方向へ移動可能に組み込まれて前記シリンダの内周面に接する複数のベーンを有する流体圧力回転装置であって、
前記ベーンの前記シリンダの内周面に接する先端側と反対の後端側に接してラジアル方向の移動を案内するように、前記シリンダの両側面を塞ぐ各サイドプレートの内面に、それぞれ前記シリンダの中心軸と同心で一体的な固定状態に設けられると共に前記シリンダの内部方向へ所要の長さに凸設された固定カムを備えることを特徴とする流体圧力回転装置。
【請求項２】
前記各サイドプレートの内面から凸設された前記固定カムが内包された状態に組み込まれるように、前記ローターの両側面のそれぞれに凹設されたローターの側面窪み部を備えることを特徴とする請求項１記載の流体圧力回転装置。
【請求項３】
前記ベーンの長さが、シリンダの内径と固定カムの外径との差の８５〜９５％に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の流体圧力回転装置。
【請求項４】
前記固定カムの凸設長さが、シリンダの幅の１０〜２０％に設定されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の流体圧力回転装置。
【請求項５】
前記ベーンの後端側の角が、前記ベーンの先端側の角よりも小さい曲率半径で丸み付けされていることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の流体圧力回転装置。
【請求項６】
前記流体が空気であることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の流体圧力回転装置。
【請求項７】
請求項１、２、３、４、５又は６記載の流体圧力回転装置の構成を有することを特徴とするベーン式エアーモータ。
【請求項８】
請求項１、２、３、４、５又は６記載の流体圧力回転装置の構成を有することを特徴とするベーン式低真空ポンプ。
【請求項９】
請求項１、２、３、４、５又は６記載の流体圧力回転装置の構成を有することを特徴とするベーン式潤滑真空ポンプ。
【請求項１０】
請求項１、２、３、４、５又は６記載の流体圧力回転装置の構成を有することを特徴とするベーン式真空モータ。
【請求項１１】
前記流体が水であることを特徴とする請求項１、２、３、５又は６記載の流体圧力回転装置。
【請求項１２】
請求項１、２、３、４、５又は１１記載の流体圧力回転装置の構成を有することを特徴とするベーン式水ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベーン型の空気圧モータ、負圧や正圧を発生する空気圧発生装置等の空気圧装置や、水ポンプ等の液体圧装置として用いられる流体圧力回転装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ベーン型の流体圧力回転装置にあっては、シリンダと、そのシリンダ内で偏心された回転軸を中心に回転するローターと、ローター溝に組み込まれてシリンダの内周面に接する複数のベーンとを基本的な構成要素としている。
従来、そのベーンをシリンダの内周面へ当接させる付勢力は、ローターの回転による遠心力や圧縮バネの弾発力によって生じさせていた。例えば、本出願人によって先に開示されている真空ポンプでは、ベーンがローターの回転による遠心力によって付勢される（特許文献１参照）。なお、空気圧モータにあっては、ベーンがシリンダの内周面へ適切に当接されることで、給気される圧縮空気の圧力を適切に受けることが可能になる。それにより、回転推力を得ることができる。
【特許文献１】特開２００１−２８９１６７号公報（第１頁、第１図）
【０００３】
従来の遠心力のみに頼る方法は、空気圧モータにおいてベーンがローター溝等に張り付いた場合、推力が得られず、回転不良になってしまう。
また、ベーンを圧縮バネで押し出す方式は、常時シリンダの内周面に予圧がかかってしまうため、ベーンの寿命が低下しやすい。そして、圧縮バネを組み込んだベーンの特別な押し出し機構が必要となる。
また、シリンダの両側面を塞ぐ各サイドプレートに溝カムが設けられ、その溝カムによってベーンを案内する構造の「回転機械」が開示されている（特許文献２参照）。これによれば、各溝カムにベーンの両側端に張り出し状態に配されたカム従車手段が嵌って案内され、ベーンがシリンダの内周面へ適切に圧接されるように補助している。
【特許文献１】特開昭５５−３２９８７号公報（第１頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
流体圧力回転装置に関して解決しようとする問題点は、ベーンをシリンダの内周面へ当接させる従来の付勢手段では信頼性や耐久性を向上させることが難しく、溝カムを用いて案内する構造ではベーン等の形態が複雑となって基本的な形態との互換性に乏しくなる点にある。
そこで本発明の目的は、ベーンをシリンダの内周面へ適切に当接させるように好適に補助でき、且つ基本的な形態との互換性に富む流体圧力回転装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記目的を達成するために次の構成を備える。
本発明にかかる流体圧力回転装置の一形態によれば、シリンダ内で該シリンダの中心軸に対して偏心された回転軸を中心に回転するローターを有し、該ローターに放射状に設けられた各ローター溝内でラジアル方向へ移動可能に組み込まれて前記シリンダの内周面に接する複数のベーンを有する流体圧力回転装置であって、前記ベーンの前記シリンダの内周面に接する先端側と反対の後端側に接してラジアル方向の移動を案内するように、前記シリンダの両側面を塞ぐ各サイドプレートの内面に、それぞれ前記シリンダの中心軸と同心で一体的な固定状態に設けられると共に前記シリンダの内部方向へ所要の長さに凸設された固定カムを備える。
【０００６】
また、本発明にかかる流体圧力回転装置の一形態によれば、前記各サイドプレートの内面から凸設された前記固定カムが内包された状態に組み込まれるように、前記ローターの両側面のそれぞれに凹設されたローターの側面窪み部を備えることを特徴とすることができる。
【０００７】
また、本発明にかかる流体圧力回転装置の一形態によれば、前記ベーンの長さが、シリンダの内径と固定カムの外径との差の８５〜９５％に設定されていることを特徴とすることができる。
また、本発明にかかる流体圧力回転装置の一形態によれば、前記固定カムの凸設長さが、シリンダの幅の１０〜２０％に設定されていることを特徴とすることができる。
また、本発明にかかる流体圧力回転装置の一形態によれば、前記ベーンの内径側の角が、前記ベーンの外径側の角よりも小さい曲率半径で丸み付けされていることを特徴とすることができる。
【０００８】
また、本発明にかかる流体圧力回転装置の流体が空気であることを特徴とすることができる。
また、本発明にかかる流体圧力回転装置の構成は、ベーン式エアーモータ、ベーン式低真空ポンプ、ベーン式潤滑真空ポンプ、又はベーン式真空モータの構成として好適に用いることができる。
【０００９】
また、本発明にかかる流体圧力回転装置の流体が水であることを特徴とすることができる。
また、本発明にかかる流体圧力回転装置の構成は、ベーン式水ポンプの構成として好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかる流体圧力回転装置によれば、固定カムによってベーンのラジアル方向の移動を案内し、そのベーンをシリンダの内周面へ適切に当接させるように好適に補助でき、且つ基本的な形態との互換性に富むという特別有利な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明にかかる流体圧力回転装置について最良の形態例を添付図面（図１〜８）に基づいて詳細に説明する。この形態例は、流体圧力回転装置（空気圧回転装置）の一例としてのベーン型エアーモータになっている。
図１は本発明に係る流体圧力回転装置（ベーン型エアーモータ）の形態例を示す断面図である。図２は図１のベーン型エアーモータのローターの回転位置が異なる断面図であり、図３は図２の中央縦断面図である。図４はローターの詳細を示す断面図である。また、５〜７は主要寸法の位置を示す断面図である。さらに、図８は固定カムの他の形態例を示す説明図である。
【００１２】
１０はシリンダである。ハウジングに円筒状に設けられた部分である。
２０はローターであり、シリンダ１０内で、そのシリンダ１０の中心軸に対して偏心された回転軸２１を中心に回転する。このローター２０は、回転軸２１と回転不能に一体的に設けられている（図３参照）。なお、２１ａは回転軸の出力側部であり、カップリングで連結されて駆動力を伝達する出力軸となっている。
【００１３】
３０はベーンであり、複数が組み込まれている。このベーン３０は、ローター２０に放射状に設けられた各ローター溝２２内でラジアル方向（半径方向）へ移動可能に組み込まれてシリンダの内周面１１に接する。本形態例のベーン３０は、長方形の板状であって一辺（外側の長辺）である先端側がシリンダの内周面１１に線接触する形態になっている。
【００１４】
次に、ベーン３０をシリンダの内周面１１へ適切に押圧して圧接させることができるように、そのベーン３０を案内する押圧補助機構の形態例について詳細に説明する。
５０は固定カムであり、ベーン３０のシリンダの内周面１１に接する先端側３０ａと反対の後端側３０ｂに接してラジアル方向の移動を案内するように設けられている。
【００１５】
この固定カム５０は、シリンダ１０の両側面を塞ぐ各サイドプレート１５の内面に、それぞれシリンダ１０の中心軸と同心で一体的な固定状態に設けられると共にシリンダ１０の内部方向へ所要の長さＤ（図７参照）に凸設されている。
また、本形態例の固定カム５０は、両側のサイドプレート１５、１５のそれぞれの内側にシリンダ１０と同心に円形に形成されていることで、各ベーン３０がシリンダの内周面１１と好適に接触できるように、そのラジアル方向への移動を案内・補助している。
このように本発明にかかる流体圧力回転装置の構成をベーン型エアーモータに適用した場合、シール性が向上するため、圧縮漏れによるエアロスを防ぐばかりか、推力の安定化についても貢献する。
【００１６】
そして、ベーン３０の後端側３０ｂ（内側の長辺）が固定カム５０の外周面に接触した状態で案内されるとき、そのベーン３０の先端側３０ａ（外側の長辺）とシリンダの内周面１１の間には適正なクリアランスが生じるように、ベーン３０の長さＣ（図５参照）が設計されている。
本形態例では、ベーン３０の長さＣが、シリンダ１０の内径Ｂと固定カム５０の外径Ａとの差の８５〜９５％に設定されている（図５参照）。このベーン３０の長さＣを設定するための関係は、計算式：Ｃ＝ｋ（（Ｂ−Ａ）／２）で表される。ｋはシリンダ内面とベーンのクリアランス係数で、ｋ＝０．８５〜０．９５に設定されている。
このようにして上記のクリアランスが生じるように設定されていることで、装置の低騒音化、低摩耗化や動作の安定化を図ることができる。
【００１７】
なお、ベーン３０がシリンダの内周面１１に接触する押圧力は、ローター２０の回転による遠心力によっている。このことから、固定カム５０は、各ベーン３０の動作を適切にアシストする案内手段となっているが、ベーン３０をシリンダの内周面１１へ押圧する押圧手段とはなっていない。ベーン３０が、最終的には遠心力によって押圧される形態であるため、必要以上の押圧力がかかって抵抗になることはない。
【００１８】
また、本形態例では、固定カム５０の凸設長さＤが、シリンダ１０の幅Ｅの１０〜２０％に設定されている（図７参照）。この長さＤと幅Ｅとの関係は、計算式：Ｄ＝ｍ×Ｅで表される。ｍはカムオフセット係数で、ｍ＝０．１〜０．２に設定されている。
さらに、本形態例では、ベーン３０の後端側の角Ｒ１が、ベーン３０の先端側の角Ｒ２よりも小さい曲率半径で丸み付けされている（図６参照）。なお、ベーン３０の先端側の角Ｒ２における半径は、ベーン３０の厚さＦの０．２〜０．５倍にするとよい。また、ベーン３０の後端側の角Ｒ１における曲率半径は、ベーン３０の厚さＦの０．１〜０．４倍にするとよい。Ｒ１と厚さＦの関係は、計算式：Ｒ１＝ｎ１×Ｆで表される。ｎ１はベーン後端側の丸め係数で、ｎ１＝０．１〜０．４に設定されている。また、Ｒ２と厚さＦの関係は、計算式：Ｒ２＝ｎ２×Ｆで表される。そして、ｎ２はベーン先端側の丸め係数で、ｎ２＝０．２〜０．５に設定されている。
このように設定されていることでも、装置の低騒音化、低摩耗化や動作の安定化を図ることができる。
【００１９】
そして、２５はローターの側面窪み部であり、各サイドプレート１５の内面から凸設された固定カム５０が内包された状態に組み込まれるように、ローター２０の両側面のそれぞれに凹設されている。
本形態例の固定カム５０は、サイドプレート１５、１５の内面からリング状に突起した一体的な形態に設けられており、ローターの側面窪み部２５にローター２０の中心軸に対しては偏心して位置するように組み込まれている。これにより、ローター２０内に固定カム５０が納まる形態となって、外観・重量はベース機と変わらない。
なお、この固定カム５０の形態はこれに限らず、例えばサイドプレート１５の内面にかかる他の形態を示した図８のように、別体に形成された盤状のカム（固定カム５０）をサイドプレート１５に嵌め込むと共にピン５１で一体的に固定した状態としてもよい。
【００２０】
このように固定カム５０やローターの側面窪み部２５が構成されるため、従来の基本的構造をほとんど変更することなく、ローター２０やサイドプレート１５に追加工するだけで合理的に製造できる形態になっている。つまり、基本的な形態との互換性に富む形態になっており、比較的簡単に製造できる。
また、従来のようなバネやバネ保持器が不要であり、バネ押し方式のようなベーン３０を介してシリンダの内周面１１への予圧もかからない。そのため、シリンダ１０及びベーン３０の高寿命化に貢献できる。
さらに、引っ張り又は圧縮バネを使用してないため、回転数によるバネの固有共鳴点を避ける必要がない。そのため、ベーン３０の限界周速以下においては、使用回転数に制約はない。
【００２１】
また、図１〜８に示したベーン型エアーモータ（空気圧回転装置）は、以上に説明した流体圧力回転装置の構成を備えると共に、以下の構成を備える。
１２は給気口であり、１４は掃気口である。
１３は排気口であり、シリンダ１０に開口された給気口１２と掃気口１４との間に、そのシリンダ１０内の空気を排気するように開口されている。
【００２２】
また、ベーン３０が４枚備えられてローター２０の円周等分位置に配され、その４枚のベーン３０が回転中において、シリンダ１０内を、給気口１２とのみ連通する空間１０ａ、排気口１３とのみ連通する空間１０ｂ、掃気口１４とのみ連通する空間１０ｃ、及び外部と連通しない空間１０ｄに仕切ることができる。
【００２３】
なお、ベーン型エアーモータとしての構成については、これに限定されるものではなく、給気口１２と掃気口１４が、サイドプレート１５、１５に開口されていてもよいし、ローター２０に連通・開口されていてもよい。また、排気口１３の形状や開口位置も適宜選択的に設定すればよい。
【００２４】
次に、以上の構成を備えるベーン型エアーモータの作動状態について説明する。
停止時は、仮に図１に示すような状態で停止しているものとする。このとき、各ベーン３０が既に固定カム５０によって案内されて図１に示すような位置まで飛び出している。この状態でベーン３０はシリンダの内周面１１に接触しているとは限らないが圧力空気を十分に受圧できる状態にある。
運転を開始すると、ラジアル方向へ押されたベーン３０（Ａ）は、給気口１２から供給される圧縮空気を適切に受圧でき、低圧部である排気口１３に向かって反時計回り（矢印参照）に回転を始める。これにより、エアーモータとして好適に始動できる。
【００２５】
次に、図２に示すように、ベーン３０（Ａ）が排気口１３を過ぎ、次のベーン３０（Ｂ）が受圧工程に入る。このとき、ベーン３０（Ａ）は、排気を終わって掃気工程に入り、シリンダの内周面１１に沿ってローター溝２２に収納されていく。
そして、ローター２０の回転速度が高まると、ベーン３０が遠心力によって付勢され、その先端側３０ａがシリンダの内周面１１に接触してシール性が高まり、回転効率が向上する。
以上の動作を繰り返すことで、ローター２０が回転され、駆動力を出力できる。
なお、給気と掃気を反対にすることで、回転方向を反転できる（図２の矢印参照）。
【００２６】
次に、前記の流体圧力回転装置の構成を気体や液体の各ポンプやモータに適用した場合の利点について説明する。
前記の流体圧力回転装置の構成をベーン式低真空ポンプや低圧空気圧縮ポンプのドライポンプに適用した場合、次のような効果がある。従来のドライポンプでは、吸入エアー質（湿気・油分他）の劣るエアーが吸気フィルタをパスしてポンプ本体内に入り込んだ場合、ベーンの張付きによる能力ダウンが発生しやすく、最悪はベーンの破損・機能停止に陥る。しかし、本発明の構造によるドライポンプでは、ベーン３０の飛び出しが強制となるため、同症状は回避出来る。また、通常ドライポンプでは高価なベーンが必要となるが、吸入エア質が限定されないため、安価な代替材料も選定できる。
【００２７】
また、前記の流体圧力回転装置の構成をベーン式油潤滑真空ポンプに適用した場合、上記のドライポンプの場合と同様の理由によって安定した性能を維持できる。ベーン式油潤滑真空ポンプでは、油の性状が変化する（劣化：酸化）ことによるベーンの張付きや破損・磨耗が生じると予測される。しかし、本発明によれば、ベーン３０の飛び出しが強制となるため、その問題を解消できる。
【００２８】
また、前記の流体圧力回転装置の構成をベーン型真空モータや真空を駆動源にしたアクチュエータ全般に適用した場合、限られた低い圧力で回転推力を発生させる必要があるためベーンの張付きは致命的になり、同構造の転用は効果的である。
【００２９】
以上、本発明につき好適な形態例を挙げて種々説明してきたが、本発明はこの形態例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのは勿論のことである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る流体圧力回転装置の形態例を示す断面図である。
【図２】図１の流体圧力回転装置のローターの回転位置が異なる断面図である。
【図３】図２の中央縦断面図である。
【図４】ローターの形態例の詳細を示す断面図である。
【図５】主要寸法の位置を示す断面図である。
【図６】主要寸法の位置を示すローターの回転位置が異なる断面図である。
【図７】主要寸法の位置を示す中央縦断面図である。
【図８】図８は固定カムの他の形態例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  シリンダ
１１  シリンダの内周面
１２  給気口
１３  排気口
１４  掃気口
１５  サイドプレート
１６  軸受部
２０  ローター
２１  回転軸
２２  ローター溝
２５  ローターの側面窪み部
３０  ベーン
３０ａ  先端側
３０ｂ  後端側
５０  固定カム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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