(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸の回転中心軸に略直交する面内の一方向において往復動するように構成された第１支持部材と、
該第１支持部材に、クランク軸の回転中心軸に略直交する面内で前記第１支持部材の往復動方向に対して斜めの方向に摺動自在に支持される第２支持部材と、
を備えたクランク装置を複数含み、
前記各クランク装置の第２支持部材が共通のクランクピン周りに回転自由に係合されると共に、
前記各々の第２支持部材のうち少なくとも1つの斜めの方向が、他の第２支持部材の斜めの方向と異なる方向に設定されることを特徴とするクランク装置。
【請求項２】
クランク軸の回転中心軸に略直交する面内の一方向において往復動するように構成された第１支持部材と、
該第１支持部材に、クランク軸の回転中心軸に略直交する面内で前記第１支持部材の往復動方向に対して斜めの方向に摺動自在に支持される第２支持部材と、
を備えたクランク装置を複数含み、
前記各クランク装置の第２支持部材が共通のクランクピン周りに回転自由に係合されると共に、
少なくとも一部のクランク装置が、クランク軸回転中心軸を挟んで第１支持部材の往復動方向に対して直交する方向の反対側に配設され、その第２支持部材の斜めの方向を、第１支持部材の往復動方向に対して直交する方向を基準として逆に傾斜させることを特徴とするクランク装置。
【請求項３】
前記各々の第２支持部材のうち少なくとも1つの斜めの方向を変更可能に構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のクランク装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クランク装置（以下、クランク機構とも言う）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に示すような従来のコンロッドクランク装置では、ピストンピンにガス圧による垂直力（Ｆ）が作用すると、ピストンピンには、クランクピン方向の力ＦＫと、水平方向の力ＦＰの分力が働くが、このとき、水平方向の分力ＦＰは、ピストンをスラスト（水平、サイド）方向に押付けるため、シリンダライナとピストンスカートとの間に滑り接触が発生することとなり、摩擦抵抗増加の一因となっている。また、このスラスト力（サイドフォース）ＦＰは、１サイクル中、各クランク角によりガス圧、及び往復動系の慣性力の変化で方向が逆転する場合もあり、かかる場合には、ピストンの側部がシリンダライナ内壁に衝突する所謂ピストンスラップが発生しピストン打音（異音）を発生させる惧れや、スラスト力（サイドフォース）が起振源となり機関全体を振動させ各部の強度上の問題を誘発させる等の惧れがあった。
【０００３】
更に、コンロッドクランク装置の基本的な特徴として、ピストン速度が単一弦曲線運動とはならないため、慣性力に２次以降から無限大までの慣性力成分が発生し、これらの値は１次の慣性力に比べ非常に小さな値（１／１２〜１／１６程度）ではあるが、振動・騒音を追求するような機関においては問題となる可能性が高い。なお、コンロッドクランク装置の上記問題を解決するためには、コンロッド長さｌをできるだけ長くする必要があるが、これでは機関が大型化するという問題を解決することができないものである。
【０００４】
また、図８に示すような従来のスコッチヨーク（クロス・スライダ）装置では、スライダーの動きが単一弦曲線運動となるため、１次の慣性力成分のみとなり比較的容易に振動対策が可能であるが、かかる従来のスコッチヨーク装置では、スライダ枠の支持部Ｒに大きな曲げモーメント力（Ｍ＝ＦＬ）が発生し、強度確保のために構造的に重構造となるという問題がある。さらに、この曲げモーメントと同じ曲げモーメントがガイド部にも発生するため、フリクションが大きくなると共に、スライダシャフト及びガイド部の基本寸法を大きくとる必要があり慣性力も大きくなるという惧れがある。
【０００５】
そこで、本願出願人等は、種々の研究を重ね、その結果、先に出願した特願平７−１９３８９３号において、図５、図６に示すようなクランク装置（以下、Ｌ型スコッチヨーク機構とも言う）を提案した。
この図５、図６に示した本願出願人等の発明に係るＬ型スコッチヨーク機構５によれば、ピストン系へのスラスト力を発生させないため、またピストン運動が単一弦曲線運動となるため、上述した従来の各機構に比べ、軽量・コンパクトな構造で、フリクション低減、騒音・振動低減を大幅に図ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
更に、本願出願人等は、使用の仕方によって、特願平７−１９３８９３号において提案したクランク装置（Ｌ型スコッチヨーク機構）には、より一層有益性があることを見出した。
即ち、例えば、一のクランク軸で複数の往復動部材（例えばピストン）を連動させる場合（例えば、多気筒機関、同軸上に複数のピストンを配設したスターリング機関などに採用される回転⇔往復動変換装置も含まれる。また、他の一般機械における回転⇔往復動変換装置も含まれる）においては、各ピストンの往復動に位相差を持たせるためには、従来のクランク装置では、クランク軸周りに所定の回転位相差を持たせたクランクピンを複数設ける必要があり、かかる複雑なクランク軸の製造は、容易なものではなかった。また、スターリング機関の性能試験などにおいて、最適なピストン位相差を見出す際には、クランクピンの位相差を異ならせたクランク軸を複数種準備する必要があると共に、試験毎にクランク軸を交換しなければならないという問題があったが、これらの問題を解決できるＬ型スコッチヨーク機構の使用方法があることに想到したのである。
【０００７】
また、この使用方法によれば、同時に、コンパクトでありながらロングストローク化を図れることにもなるのである。
本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、従来同様にフリクション低減、騒音・振動低減を大幅に促進しつつ、更に、小型・軽量かつ簡単な構成で、複数の往復動部の位相差を可変設定することができると共に、ロングストローク化をも図ることができるようにしたクランク装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明に係るクランク装置は、クランク軸の回転中心軸に略直交する面内の一方向において往復動するように構成された第１支持部材と、該第１支持部材に、クランク軸の回転中心軸に略直交する面内で前記第１支持部材の往復動方向に対して斜めの方向に摺動自在に支持される第２支持部材と、を備えたクランク装置を複数含み、前記各クランク装置の第２支持部材が共通のクランクピン周りに回転自由に係合されると共に、前記各々の第２支持部材のうち少なくとも1つの斜めの方向が、他の第２支持部材の斜めの方向と異なる方向に設定されるように構成した。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、クランク軸の回転中心軸に略直交する面内の一方向において往復動するように構成された第１支持部材と、該第１支持部材に、クランク軸の回転中心軸に略直交する面内で前記第１支持部材の往復動方向に対して斜めの方向に摺動自在に支持される第２支持部材と、を備えたクランク装置を複数含み、前記各クランク装置の第２支持部材が共通のクランクピン周りに回転自由に係合されると共に、少なくとも一部のクランク装置が、クランク軸回転中心軸を挟んで第１支持部材の往復動方向に対して直交する方向の反対側に配設され、その第２支持部材の斜めの方向を、第１支持部材の往復動方向に対して直交する方向を基準として逆に傾斜させるようにした。請求項３に記載の発明では、前記各々の第２支持部材のうち少なくとも1つの斜めの方向を変更可能に構成した。
【００１２】
上記のような構成とすれば、前記第１支持部材に連動される往復動部（例えばピストン系）の変位が単一弦曲線運動を行いながら往復動−回転変換を達成することになる。これと共に、ピストンからのクランクピンへの力の伝達過程において、前記第２支持部材が水平方向（ピストンの往復動方向に対して直角な方向）の成分を含む斜めの方向へスライド可能なため、ピストンをスラスト（水平）方向に押付ける分力を発生させないので、軽量・コンパクトな構造で、フリクション，騒音，振動，摺動部摩耗等を最小限に抑制することができる。
【００１３】
然も、前記斜めの方向（傾斜角）を変えることによって、クランクアーム長さを変えずに、容易にストロークを変更することができる。また、複数のクランク装置を備え、各第２支持部材を、共通（単一）のクランクピンに回転自在に係合させ、前記各々の第２支持部材のうち少なくとも1つの斜めの方向が、他の第２支持部材の斜めの方向と異なる方向に設定されれば、当該斜めの方向が異なる第２支持部材と同一のクランク装置に備えられた第１支持部材の往復動と、他の第１支持部材の往復動と、の間に所定の位相差を生じさせることができる。また、複数のクランク装置のうちの一部をクランク軸回転中心軸を挟んで第１支持部材の往復動方向に対して直交する方向の反対側に配設し、その第２支持部材の斜めの方向を、第１支持部材の往復動方向に対して直交する方向を基準として逆に傾斜させれば、第２支持部材が、第１支持部材上を移動する際に生じるモーメントを相殺することができるので、騒音、振動にとって有利にできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、本実施形態で説明するクランク装置１００（Ｘ型スコッチヨーク機構とも言う）の基礎となるＬ型スコッチヨーク機構５について説明する。当該Ｌ型スコッチヨーク機構５は、図５，図６に示すようになっている。
【００１５】
即ち、例えばスターリング機関のパワーピストン２の往復運動は、ピストンロッド３を介してロッドエンド軸受（ピロボールジョイント）４（なお、かかる部分は、ピン結合としてもよいし、直結構造にしてもよい）により伝達されるが、このロッドエンド軸受４にはＬ型可動台座３０の水平配置部材３０Ａが接続されている。
【００１６】
当該Ｌ型可動台座３０の垂直配置部材３０Ｂは、２列のスライドベアリング３３を介して、モーメント受け台座３１に略垂直に配設された縦スライドレール３２に、図中上下方向（図５の矢印参照）に移動（摺動）可能に支持されている。一方、水平配置部材３０Ａの上面には横スライドレール３４が配設され、該横スライドレール３４には、スライドブロック３６が、スライドベアリング３５を介して、図中左右方向（図５の矢印参照）に移動（摺動）可能に支持されている。
【００１７】
そして、該スライドブロック３６は、クランク軸６Ａ，６Ｂを連結するクランクピン３７に、ベアリング等を介して、回転自在に連結されるようになっている。
上記構成により、パワーピストン２がガス圧Ｆを受け図中上方に移動する際には、ロッドエンド軸受４を介して、前記水平配置部材３０Ａが図中上方へ押圧される。この押圧力は、スライドブロック３６等を介してクランクピン３７に伝達され、クランク軸６Ａ，６Ｂに回転力として伝達されるが、これによりクランク軸６Ａ，６Ｂが回転されると、クランクピン３７に連結されたスライドブロック３６は横スライドレール３４上を移動すると同時に、Ｌ型可動台座３０全体がモーメント受け台座３１に略垂直に配設された縦スライドレール３２に案内されて図中上方に移動されることになる。
【００１８】
つまり、図中右回転方向にクランク軸６Ａ，６Ｂがガス圧や慣性力で回転するとすると、スライドブロック３６は図中左方向に移動され、クランク半径軌跡に沿って常に垂直荷重を受けながら回転移動されることになる。即ち、ピストン系の変位が単一弦曲線運動を行いながら往復動−回転変換が達成されることになる。
【００１９】
また、ピストン系からのクランクピン３７への力の伝達過程において、Ｌ型可動台座３０上にモーメント（Ｆ×Ｌ  kg・mm）が発生するが、このモーメントは、Ｌ型可動台座３０の前記スライドベアリング３３により打ち消されるので、ピストン系へのモーメント力｛スラスト力（サイドフォース）｝は発生しない。
従って、Ｌ型スコッチヨーク機構５によれば、前述したようにピストン系へのスラスト力（サイドフォース）を発生させないため、またピストン運動が単一弦曲線運動となるため、従来の方式（図７や図８に示した従来のクランク装置）に比べ、軽量・コンパクトな構造で、フリクション低減、騒音・振動低減を格段に促進できることになる。
【００２０】
ところで、本実施形態では、上記のＬ型スコッチヨーク機構５を、図１に示すように変形して構成している。なお、図５、図６のＬ型スコッチヨーク機構５と同一の要素には、同一符号を付すことにする。
即ち、前記従来のＬ型可動台座３０に代えて、傾斜可動台座３０’が配設されて用いられる。
【００２１】
この傾斜可動台座３０’は、前記縦スライドレール３２上にベアリング３３を介して移動（摺動）可能に取り付けられる垂直配置部材３０Ｂ（本発明にかかる第１支持部材に相当する）に対して斜めの方向に延びる傾斜部材３０Ａ’を備えている。そして、この傾斜部材３０Ａ’の上面には傾斜スライドレール３４’が配設され、該傾斜スライドレール３４’には、スライドブロック３６’（本発明にかかる第２支持部材に相当する）が、スライドベアリング３５’を介して、図中斜め方向（図１の矢印参照）に移動（摺動）可能に支持される。
【００２２】
そして、該スライドブロック３６’は、クランク軸６Ａ，６Ｂを連結するクランクピン３７に、ベアリング等を介して、回転自在に連結されるようになっている。
上記構成によると、前述したＬ型スコッチヨーク機構５と同様の作用が奏されることになるから、垂直配置部材３０Ｂ（本発明にかかる第１支持部材に相当する）に連動されるピストン系へのスラスト力（サイドフォース）が発生せず、またピストン運動が単一弦曲線運動となるため、従来の方式（図７や図８に示した従来のクランク装置）に比べ、軽量・コンパクトな構造で、フリクション低減、騒音・振動低減を格段に促進できることになる。
【００２３】
然も、図２に示すように、２つのクランク装置１００をクランク軸６Ａ，６Ｂを挟んで垂直配置部材３０Ｂの往復動方向に対して直交する方向（図中左右方向）に対向させて配設し、これらのスライドブロック３６’の斜めの方向を図中左右方向を基準として逆に傾斜させ、共通（単一）のクランクピン３７に、夫々のスライドブロック３６’を回転自在に係合させれば、両垂直配置部材３０Ｂの往復動に位相差を生じさせることができることになる。なお、このように、２つのクランク装置１００をクランク軸６Ａ，６Ｂを挟んで図中左右方向に対向させて配設し、これらのスライドブロック３６’の斜めの方向を図中左右方向を基準として逆に傾斜させれば、スライドブロック３６’が傾斜部材３０Ａ’，傾斜スライドレール３４’上を移動する際に生じるモーメントを相殺することができるので、騒音、振動にとって一層有利である。
【００２４】
もっとも、複数のクランク装置１００を共通（単一）のクランクピンに係合させて同方向に並列に配設することもでき、この場合には、前記傾斜部材３０Ａ’の傾斜角αを異ならせることで、共通（単一）のクランクピンを用いても、各垂直配置部材３０Ｂの往復動に位相差を生じさせることができる（各クランク装置の間で９０〜１８０°の位相差を持たせることができる）。
【００２５】
従って、従来の多気筒機関のように、各ピストンの往復動に位相差を持たせるために、クランク軸周りに所定の回転位相差を持たせたクランクピンを複数設ける必要がなくなるので、複雑な形状のクランク軸を製造する要求がなく、以って構成の簡略化を図ることができる。なお、位相差を持たせない場合においても、共通のクランクピンに、各クランク装置のスライドブロック３６’を回転自由に係合させることができるのは勿論である。
【００２６】
また、図３に示すように、例えば、傾斜角度調整溝１０１、１０２と、傾斜部材３０Ａ’に固定されたブラケット１０３、１０４と、に挿通されたボルト１０５、１０６を締結、弛緩すること等によって、前記傾斜部材３０Ａ’の傾斜角度αを可変設定できるようにすれば、容易に往復動部（例えばピストン）の往復動位相差を可変設定できるので、例えばスターリング機関の性能試験などにおいて、最適なピストン位相差を見出す際などに有利なものとなる。また、前記傾斜部材３０Ａ’の傾斜角度αを、油圧アクチュエータの駆動等により制御できるように構成すれば、運転中にあっても位相差を適宜変更することが可能となるので、運転条件（回転速度や負荷など）に応じて最適な位相差に制御することも可能となる。
【００２７】
更に、本実施形態におけるクランク装置１００によれば、ストロークを、前述したＬ型スコッチヨーク機構５に比べて増大できるというメリットもある。
以下に、本実施形態におけるクランク装置１００のメカニズムについて、より詳細に説明する。
即ち、図４に示すように、クランク軸回転角度をθ’とし、位相角をΔθとし、クランク半径（クランクアーム長さ）をｒとし、傾斜角をαとした場合、ピストンの運動は、次式で表せる。
【００２８】
0003850499.tif 000002
となり、ストロークＳT と、クランク半径（クランクアーム長さ）ｒと、は次式に示す関係があることがわかる。
【００２９】
ＳT ＝２ｒ・（tan 2 α＋１）1/2                               （６）
ｒ＝ＳT ／｛２・（tan 2 α＋１）1/2 ｝                        （７）
即ち、本実施形態におけるクランク装置１００によれば、ストロークを、前述したＬ型スコッチヨーク機構５におけるストローク（＝２ｒ）より増大できることになる。また、上式（４）より、本実施形態におけるクランク装置１００は、完全な正弦運動を行い、θ’が傾斜角αのときに、最小値（ピストンの下死点）となることがわかる。
【００３０】
なお、本実施形態におけるクランク装置１００は、ピストンを備えた燃焼機関（内燃機関、外燃機関）などにその用途が限定されるものではなく、回転⇔往復動変換装置としてすべての機械・装置類に採用できるものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかるクランク装置によれば、第１支持部材に連動される往復動部（例えばピストン系）の変位が単一弦曲線運動を行いながら往復動−回転変換を達成することになる。これと共に、ピストンからのクランクピンへの力の伝達過程において、前記第２支持部材が水平方向（ピストンの往復動方向に対して直角な方向）の成分を含む斜めの方向へスライド可能なため、ピストンをスラスト（水平）方向に押付ける分力を発生させないので、軽量・コンパクトな構造で、フリクション，騒音，振動，摺動部摩耗等を最小限に抑制することができる。
【００３２】
然も、前記斜めの方向（傾斜角）を変えることによって、クランクアーム長さを変えずに、簡単にストロークを変更することができる。また、複数のクランク装置を備え、各第２支持部材を、共通（単一）のクランクピンに回転自在に係合させれば、各クランク装置の第１支持部材の往復動に位相差を生じさせることができる。
【００３３】
従って、従来のように、往復動に位相差を持たせるために、クランク軸周りに所定の回転位相差を持たせたクランクピンを複数設ける必要がなくなるので、複雑な形状のクランク軸を製造する要求がなく、以って構成の簡略化を図ることができる。
また、複数のクランク装置のうちの一部をクランク軸回転中心軸を挟んで第１支持部材の往復動方向に対して直交する方向の反対側に配設し、その第２支持部材の斜めの方向を、第１支持部材の往復動方向に対して直交する方向を基準として逆に傾斜させれば、第２支持部材が、第１支持部材上を移動する際に生じるモーメントを相殺することができるので、騒音、振動を一層抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるクランク装置の構成図。
【図２】同上のクランク装置を対向させて配置した場合の構成図。
【図３】同上のクランク装置に傾斜角調整機構を付加した場合の一例を示す構成図。
【図４】同上のクランク装置の模式図。
【図５】Ｌ型スコッチヨーク機構の構成図。
【図６】図５の側面図。
【図７】従来のコンロッドクランク機構の問題点を説明する図。
【図８】従来のスコッチヨーク機構の問題点を説明する図。
【符号の説明】
２    パワーピストン
３    ピストンロッド
６Ａ，６Ｂ  クランク軸
37    クランクピン（単一、共通）
30’  傾斜可動台座３０’
30Ａ’傾斜部材
30Ｂ  垂直配置部材
32    縦スライドレール
33    ベアリング
34’  傾斜スライドレール
35’  スライドベアリング
36’  スライドブロック
100   クランク装置（Ｘ型スコッチヨーク機構）
【図１】
0003850499.tif 000003
【図２】
0003850499.tif 000004
【図３】
0003850499.tif 000005
【図４】
0003850499.tif 000006
【図５】
0003850499.tif 000007
【図６】
0003850499.tif 000008
【図７】
0003850499.tif 000009
【図８】
0003850499.tif 000010