(57)【要約】    【課題】  シリンダに挿設したピストンを自在に往復動させるリニアモータの鉄損を減少させることで、高効率で小型軽量な往復動駆動機構、及び、その往復動駆動機構を用いた高効率で小型軽量な蓄冷型冷凍機と圧縮機を提供すること。    【解決手段】  往復動駆動機構は可動子３０と固定子２１とから構成され、可動子３０は径方向で外周面がそれぞれＮ極とＳ極に磁化した永久磁石３２、３４と、永久磁石３２と３４との軸方向の間隙に配備し永久磁石３４から永久磁石３２の方向に磁化した永久磁石３３と、シリンダ４０に挿設され可動子３０に連結したピストン３６とを備える。固定２１は永久磁石３２、３４の外周側に所定の距離を持って配備されると共に、軸方向に所定の距離を持ってそれぞれ対面する一対の磁極片２２ａ、２３ａと一対の磁極片２３ｂ、２４ａとを有すると共にコイル２６、２７を配備したアウターヨーク２５とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面Ｎで径方向に磁化した第１永久磁石と、前記第１永久磁石の軸方向に所定の間隔を持って同軸に配置すると共に前記第１永久磁石の磁化方向に対し反対方向に磁化した第２永久磁石と、前記軸方向で前記第２永久磁石から前記間隔に配備され前記第１永久磁石の向きに磁化した第３永久磁石を備えた可動子と、
前記第１永久磁石の外周側に所定の距離を持って配備されると共に前記軸方向に所定の距離を持って対面する一対の第１磁極片と、前記第２永久磁石の外周側に所定の距離を持って配備されると共に前記軸方向に所定の距離を持って対面する一対の第２磁極片とを有するアウターヨークと、前記アウターヨークに形成されるスロットに配備するコイルとから構成した固定子と、
前記可動子に連結されるピストンと、
前記ピストンを前記軸方向に往復動可能に挿設したシリンダとを備える、ことを特徴とする往復動駆動機構。
【請求項２】
前記第１永久磁石と、前記第２永久磁石とに隣接する前記第３永久磁石を複数個配備する、ことを特徴とする請求項１に記載の往復動駆動機構。
【請求項３】
前記第１永久磁石と、前記第２永久磁石と、前記第３永久磁石は、内周面に磁性材からなる保持部材を配備する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の往復動駆動機構。
【請求項４】
前記ピストンと前記シリンダとで形成され作動ガスを圧縮する圧縮室と、作動ガスの圧縮熱を放熱する放熱器と、作動ガスと熱交換する蓄冷器と、作動ガスが吸熱する吸熱器と、作動ガスが膨張する膨張室とを備える、ことを特徴とする請求項１乃至３の少なくともいずれか一項に記載の蓄冷型冷凍機。
【請求項５】
前記蓄冷型冷凍機は、膨張側シリンダと前記膨張側シリンダに往復動可能に挿設される膨張側ピストンとで前記膨張室を形成したスターリング冷凍機、又は、パルス管と前記パルス管の高温側に連通する位相調整手段とを備え前記パルス管の低温側に前記膨張室を形成したスターリング型パルス管冷凍機のいずれか一方の冷凍機である、ことを特徴とする請求項４に記載の蓄冷型冷凍機。
【請求項６】
前記ピストンと前記シリンダとで形成され作動ガスを圧縮する圧縮室と、
前記圧縮室に接続され作動流体を前記圧縮室に吸入する吸入弁と、
前記圧縮室に接続され吸入した作動ガスを圧縮して前記圧縮室から吐出する吐出弁とを備える、ことを特徴とする請求項１乃至３の少なくともいずれか一項に記載の圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダに挿設したピストンを自在に往復動させる往復動駆動機構と、その往復動駆動機構を使用したスターリング冷凍機あるいはスターリング型パルス管冷凍機等の蓄冷型冷凍機及び圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の往復動駆動機構及び往復動駆動機構を用いた蓄冷型冷凍機として、アウターヨークと、アウターヨークの内側に対向して配備される軟磁性鉄粉を成型して形成されたインナーヨークと、アウターヨークに設けたコイル部と、アウターヨークとの間に配置され、コイル部が発生する磁束の変化に従い往復動する永久磁石と、永久磁石を支持する可動子とを備えた電磁式アクチュエータ（往復動駆動機構）において、インナーヨークとアウターヨークに渦電流の発生を防止する欠切部を設けたものがある。そして、この電磁式アクチュエータと、可動子に接続したピストンと、ピストンを収容するシリンダと、ピストンと位相差を有して往復動するディスプレーサとを備えたスターリング機関が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、円筒形状の保持体の外周面に導磁性を有する材料で形成された可動ヨークを設けると共に可動ヨークの外周面に径方向に磁化された永久磁石を設けた往復動部材と、永久磁石の外周面側に近接して設けられる固定子コアと、この固定子コアを励磁する電磁コイルとにより電磁往復機構（往復動駆動機構）を構成し、往復動部材にピストンを接続して電磁往復機構によりピストンを往復動させるスターリング冷凍機が開示されている（例えば、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２００５−２０９８３号公報
【特許文献２】特開２００４−１８０３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１によれば、インナーヨークに欠切部を設けることにより渦電流の発生を抑制できるが、欠切部よる磁束通過断面積の減少を補うため、インナーヨークの外径を増大させている。このため電磁式アクチュエータが大きくなり、スターリング機関（スターリング冷凍機）も大型になる問題がある。また、永久磁石の外径側の間隙（アウターヨークと永久磁石との間隙）と、永久磁石の内径側の間隙（インナーヨーク永久磁石との間隙）との２つの径の間隙がある。これらの間隙（磁気ギャップ）は磁気抵抗となるため、電磁式アクチュエータの効率が低下する問題と、これに伴いスターリング機関の効率も低下する問題がある。
【０００６】
また、特許文献２によれば、電磁コイルで発生した交番磁束は、磁石を通過し可動ヨークに流れる。この交番磁束により可動ヨークに渦電流が発生し鉄損が増大して電磁往復機構の効率が低下する問題と、これに伴いスターリング機関の効率も低下する問題がある。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、シリンダに挿設したピストンを自在に往復動させるリニアモータの鉄損を減少させることで、高効率で小型軽量な往復動駆動機構、及び、その往復動駆動機構を用いた高効率で小型軽量な蓄冷型冷凍機と圧縮機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、外周面Ｎで径方向に磁化した第１永久磁石と、第１永久磁石の軸方向に所定の間隔を持って同軸に配置すると共に第１永久磁石の磁化方向に対し反対方向に磁化した第２永久磁石と、第１永久磁石と第２永久磁石との間隙に配置され第１永久磁石の磁化方向と第２永久磁石の磁化方向とに直交する向きに磁化した第３永久磁石を備えた可動子と、第１永久磁石の外周側に所定の距離を持って配備されると共に軸方向に所定の距離を持って対面する一対の第１磁極片と、第２永久磁石の外周側に所定の距離を持って配備されると共に軸方向に所定の距離を持って対面する一対の第２磁極片とを有するアウターヨークと、アウターヨークに形成されるスロットに配備するコイルとから構成した固定子と、可動子に連結されるピストンと、ピストンを軸方向に往復動可能に挿設したシリンダとを備える。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、第１永久磁石と、第２永久磁石とに隣接する第３永久磁石を複数個配備する。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、第１永久磁石と、第２永久磁石と、第３永久磁石は、内周面に磁性材からなる保持部材を配備する。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、ピストンとシリンダとで形成され作動ガスを圧縮する圧縮室と、作動ガスの圧縮熱を放熱する放熱器と、作動ガスと熱交換する蓄冷器と、作動ガスが吸熱する吸熱器と、作動ガスが膨張する膨張室とを備える。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明は、蓄冷型冷凍機は、膨張側シリンダと膨張側シリンダに往復動可能に挿設される膨張側ピストンとで膨張室を形成したスターリング冷凍機、又は、パルス管とパルス管の高温側に連通する位相調整手段とを備えパルス管の低温側に膨張室を形成したスターリング型パルス管冷凍機のいずれか一方の冷凍機である。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明は、ピストンとシリンダとで形成され作動ガスを圧縮する圧縮室と、圧縮室に接続され作動流体を圧縮室に吸入する吸入弁と、圧縮室に接続され吸入した作動ガスを圧縮して圧縮室から吐出する吐出弁とを備える。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明では、可動子は径方向で外周面がＮ極に磁化した第1永久磁石と、第1永久磁石の磁化方向に対し反対方向に磁化すると共に第１永久磁石と所定の間隔を持って同軸に第２永久磁石を配置し、第１永久磁石の磁化方向と第２永久磁石の磁化方向とに直交する向きに磁化され第1永久磁石と第２永久磁石との間隙に第３永久磁石を配備している。これにより、固定子の各スロットに配備したコイルに交番電流（方向が変わる電流）を通電した場合に、第２永久磁石から第３永久磁石を通過し第１永久磁石へ流れる一定方向の変動磁束（直流成分に交番成分が加わった磁束）が常に存在する。この一定方向の変動磁束の振幅と最大磁束量は、同じ磁気推力の下、従来技術による電磁式アクチュエータ（往復動駆動機構）の交番磁束（磁束の方向が変化する磁束）の振幅及び最大磁束量に比べ減少する。変動磁束の振幅の減少により第1、２、３永久磁石の鉄損が減少する。また、第２永久磁石から第３永久磁石を通過し第１永久磁石を流れる変動磁束の振幅が減少するので、アウターヨークを流れる交番磁束の振幅も減少し、アウターヨークの鉄損も減少する。結果、高い効率の往復動駆動機構を提供できる。
【００１５】
また、アウターヨークを流れる交番磁束の最大磁束量も減少してアウターヨークの磁束通過断面積を縮小でき、アウターヨークが小型軽量になると共に、往復動駆動機構の効率が高いので、小型軽量な往復動駆動機構が提供できる。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明では、往復動駆動機構は、例えば、順次第１永久磁石と、第３永久磁石と、第２永久磁石とを配備した第２永久磁石の隣に、更に、第３永久磁石と、第１永久磁石とを順次配備するように、第１永久磁石と、第２永久磁石とに隣接する第３永久磁石を複数個配備する。これにより、第３永久磁石が１個の場合に得られる磁気推力に第３永久磁石の個数を掛けた大きな磁気推力が得られる。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明では、保持部材が磁性材であるので、保持部材はインナーヨークとして作用し、各スロットに配備したコイルに交番電流を通電するにも拘らず、保持部材には一定方向（第３永久磁石の磁化方向）の変動磁束が常に流れる。これにより、保持部材を流れる変動磁束の振幅と最大磁束量は、従来技術による電磁式アクチュエータ（往復動駆動機構）の交番磁束の振幅及び最大磁束量に比べ減少する。変動磁束の振幅の減少により保持部材の鉄損が減少する。また、保持部材を流れる変動磁束の振幅が減少するので、アアウターヨークを流れる交番磁束の振幅も減少し、アウターヨークの鉄損も減少する。結果、高い効率の往復動駆動機構を提供できる。
【００１８】
また、保持部材の最大磁束量が従来技術の最大磁束量より減少するので、保持部材は従来技術に比べて少ない磁束通過断面積で磁気飽和が回避できる。これにより、可動子の外径が縮小でき、可動子は小型軽量になる。同様に、アウターヨークの最大磁束量も減少するので、アウターヨークは従来技術に比べて少ない磁束通過断面積で磁気飽和が回避できる。固定子の磁束通過断面積の減少と可動子の外径の縮小とにより、固定子が小型軽量になる。以上により、小型軽量なリニアモータが提供できる。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明では、蓄冷型冷凍機は、効率が高く小型軽量な往復動駆動機構によって往復駆動されるピストンで作動ガスを圧縮し冷凍を得るので、高効率で小型軽量な蓄冷型冷凍機を提供できる。
【００２０】
また、請求項５に記載の発明では、スターリング冷凍機又はスターリング型パルス管冷凍機は高効率で、しかも効率が高く小型軽量な往復動駆動機構によって往復駆動されるピストンで作動ガスを圧縮し冷凍を得るので、高効率で小型軽量な蓄冷型冷凍機を提供できる。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明では、圧縮機は、効率が高く小型軽量な往復動駆動機構によって往復駆動されるピストンで作動ガスを圧縮するので、高効率で小型軽量な圧縮機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１に係る往復動駆動機構及びその往復動駆動機構を用いたスターリング冷凍機の説明図である。
【図２】図１のリニアモータの永久磁石によって生じる磁束の説明図である。
【図３】コイル通電時に於けるの図１のリニアモータの磁束説明図である。
【図４】コイル通電時に於けるの図１のリニアモータの磁束説明図である。
【図５】図１のリニアモータの主要寸法を示す部分断面図である。
【図６】図１のリニアモータの（インナーヨーク厚さ／永久磁石外径）と、推力係数及び（推力係数／インナーヨーク質量）の関係を示す図である。
【図７】図１のリニアモータの（永久磁石厚さ／永久磁石外径）と、推力係数及び（推力係数／インナーヨーク質量）の関係を示す図である。
【図８】図１のリニアモータの可動子の変形例の部分断面図である。
【図９】図１の往復動駆動機構を用いたスターリング型パルス管冷凍機の説明図である。
【図１０】図１の往復動駆動機構を用いた実施例２に係るスターリング冷凍機の説明図である。
【図１１】本発明の実施例３に係る往復動駆動機構を用いたスターリング冷凍機の説明図である。
【図１２】図１の往復動駆動機構を用いた実施例４に係る圧縮機の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
【実施例１】
【００２４】
図１は、本発明の実施例１に係る往復動駆動機構及びその往復動駆動機構を用いたスターリング冷凍機の説明図である。図中、黒塗り矢印は永久磁石の磁化方向を示し、矢印先端側がＮ極である。図１に示すように、スターリング冷凍機１（蓄冷型冷凍機）は、圧縮部１０と冷凍発生部５０とを配管１１で接続し、作動ガスとして例えばヘリウムが充填される。圧縮部１０は、リニアモータ２０（往復動駆動機構）と、リニアモータ２０の可動子３０を備える可動体３５と、シリンダ４０とから構成される。
【００２５】
リニアモータ２０は、固定子２１と可動子３０とから構成される。固定子２１は、円筒形状をなし、軸方向の断面がＨ型形状の磁性材のアウターヨーク素片２３と、アウターヨーク素片２３の軸方向の両端に固着する軸方向の断面が凹型形状の磁性材のアウターヨーク素片２２、２４とから構成したアウターヨーク２５と、コイル２６、２７とを備える。アウターヨーク素片２２、２３、２４の内周側は、それぞれ一対の磁極片２２ａ（第１磁極片）、２３ａ（第１磁極片）と一対の磁極片２３ｂ（第２磁極片）、２４ａ（第２磁極片）を有し、磁極片２２ａと２３ａは対をなし空隙２１ａ（距離）を介して互いに対面し、磁極片２３ｂと２４ａも対をなし空隙２１ｂ（距離）を介して互いに対面する。コイル２６は、被覆導線が磁極片２２ａと２３ａに固定子２１の軸回りに巻回され、アウターヨーク素片２２、２３とから形成されるスロット２８に挟持される。同様に、コイル２７は、被覆導線が磁極片２３ｂと２４ａに固定子２１の軸回りに巻回され、アウターヨーク素片２３、２４とから形成されるスロット２９に挟持される。尚、コイル２６と、２７は線径、全長、巻数が同じである。
【００２６】
可動子３０は、円筒形状の保持部材３１にそれぞれ円筒形状の永久磁石３２（第１永久磁石）と、永久磁石３３（第３永久磁石）と、永久磁石３４（第２永久磁石）とが順次挿入される。そして、各永久磁石３３〜３４の内周面には接着材が塗布されており互いに密着固定される。これにより、永久磁石３２〜３４は、軸Ｘに同軸に配置される。永久磁石３２と３４は磁化方向が反対で径方向に磁化される。図１では永久磁石３２は、外周面がＮ極、内周面がＳ極に磁化され、永久磁石３４は外周面がＳ極、内周面がＮ極に磁化されるが、この逆でも良い。永久磁石３３の磁化方向は、永久磁石３２の内周面がＳ極、永久磁石３４の内周面がＮ極の場合、軸Ｘ方向で、永久磁石３３の永久磁石３４側の端面がＳ極、永久磁石３３の永久磁石３２側の端面がＮ極に磁化される。即ち、永久磁石３４から永久磁石３２の向きに磁化される（図１）。永久磁石３２の内周面がＮ極、永久磁石３４の内周面がＳ極の場合、永久磁石３３は、軸Ｘ方向で永久磁石３２から永久磁石３４の向きに磁化される（図示せず）。尚、軸Ｘは、保持部材３１、永久磁石３２〜３４、ピストン３６、ピストンガイド３７、シリンダ４０、およびアウターヨーク２５の共通の軸である。
【００２７】
保持部材３１は、磁性材あるいは非磁性材のいずれでも良い。後述するが、リニアモータ２０の磁束量が大きい場合、保持部材３１は磁性材が好ましく、可動体３５が高い周波数で往復動する場合は、保持部材３１は非磁性材が好ましい。
【００２８】
また、図１では、永久磁石３２、３３、３４は各々別の部材であり、永久磁石３３の両端にそれぞれ永久磁石３２と永久磁石３４の３つを固着して可動子３０を構成しているが、一つの永久磁石で部分的に磁化方向を変えて成形しても良い。即ち、円筒形状の永久磁石の両側を径方向で互いに反対方向に磁化し、径方向で反対方向に磁化した間を軸方向で前述した向きに磁化しても良い。この場合、保持部材３１を設けてもあるいは設けなくても良い。
【００２９】
また、永久磁石３２、３３、３４は円筒形状で分割していないが、半径方向に分割あるいは軸方向に分割しても良い。
【００３０】
また、永久磁石３２、３３、３４は円筒形状であるが、板形状の永久磁石を同一円周上に等分に配置しても良い。
【００３１】
可動体３５は、可動子３０の保持部材３１の両端側の外周面に接着材を塗布してそれぞれ非磁性材で無潤滑摺動材からなるカップ形状のピストン３６と、円筒形状のピストンガイド３７とを挿入し接着固定される。永久磁石３２、３３、３４の外径は等しく、ピストン３６及びピストンガイド３７の外径は、永久磁石３２、３３、３４の外径より僅かに大きい。そして、シリンダ４０は、一端にヘッド４１ａを有するシリンダ本体４１の開口端に鏡板４２を気密固定し構成され、シリンダ４０の外周面には固定子２１が装着される。シリンダ４０の内周面には、ピストン３６がヘッド４１ａに対面するように可動体３５が軸Ｘ方向に往復動可能に挿設される。また、シリンダ４０の内周面と、ピストン３６及びピストンガイド３７の外周面との間の微小間隙は、ヘリウムをシールするクリアランスシール機能を有する。
【００３２】
コイル２６、２７は、交流電流源（図示せず）に接続される。コイル２６と２７には振幅が同じで位相を１８０度ずらした電流を通電させる。コイル２６、２７の無通電時には、可動体３５は中立位置にある。即ち、永久磁石３２と３４は軸方向でシリンダ４０の管壁を介し、永久磁石３２と磁極片２２ａ、２３ａ、及び、永久磁石３４と磁極片２４ａ、２３ｂとがシリンダ４０の管壁を介在しそれぞれ重なり代を持って位置する。この状態に於いては、可動子３０の軸方向の中立位置と、アウターヨーク２５の軸方向の中立位置とがシリンダ４０の管壁を介し一致した状態となる。そして、シリンダ４０と可動体３５とにより、ピストン３６のヘッド部分を境に図示左側に圧縮室４３が形成され、図示右側にバッファ室４４が形成される。圧縮室４３は、シリンダ本体４１のヘッド４１ａに設けた流路孔４１ｂと配管１１を介し冷凍発生部５０に接続される。
【００３３】
冷凍発生部５０は、圧縮室５１に順次、放熱器５２、蓄冷器５３、吸熱器５４、および膨張室５５に連通して構成される。膨張室５５は、無潤滑摺動材からなるディスプレーサ５６（膨張側ピストン）の図示上面側と、ディスプレーサシリンダ５７（膨張側シリンダ）と、ケース５８のヘッド５８ｃとにより包囲される。そして、圧縮室５１と放熱器５２は、配管１１を介し圧縮部１０の圧縮室４３へ連通される。圧縮室５１は、ディスプレーサ５６の図示下面側と、ディスプレーサシリンダ５７と、隔壁５９と、ディスプレーサ５６の下面に連結したロッド６３とにより包囲される。放熱器５２は、蓄冷器５３の図示下端とディスプレーサシリンダ５７の図示下端との間のケース５８の内周面５８ａにフィン部材５２ａを固着して構成される。蓄冷器５３は、放熱器５２と吸熱器５４との間であって、ケース５８とディスプレーサシリンダ５７とで形成される円筒形状の空間に蓄冷材エレメント５３ａを充填することにより構成される。放熱器５４は、蓄冷器５３の図示上端とディスプレーサシリンダ５７の図示上端との間のケース５８の内周面５８ｂにフィン部材５４ａを固着して構成される。
【００３４】
ディスプレーサ５６は、ロッド６３を介してバッファ室６４に設けた駆動手段６０に接続される。駆動手段６０は、隔壁５９の孔を貫通してバッファ室６４に突出するロッド６３の端部に固定されたバネ保持部材６１と、バネ保持部材６１の両端面にそれぞれ一端が当接する圧縮コイルバネ６２、６２とから構成され、圧縮コイルバネ６２、６２の他端はそれぞれ隔壁５９、ケース５８の端面に当接する。
【００３５】
バッファ室６４は、ケース５８と、隔壁５９と、ロッド６３と、隔壁５９に設けたロッドシール６５とから包囲して形成される。そして、バッファ室６４と圧縮室５１内のヘリウムはロッドシール６５によりシールされる。また、圧縮室５１と膨張室５５のヘリウムのシールは、ディスプレーサシリンダ５７の内周面とディスプレーサ５６の外周面との間の微小間隙によるクリアランスシールで行われる。
【００３６】
次に、本発明の実施例１に係るリニアモータ２０の作動と効果について説明する。図２〜４は、リニアモータ２０の作動の部分断面説明図で、判り易くするためシリンダ４０、ピストン３６、ピストンガイド３７及び断面のハッチングを削除している。図２〜４に於いて、永久磁石３２、３３、３４内の黒塗り矢印は、磁化方向を示し矢印先端側がＮ極になる。また、図３、４のコイル２６、２７内の丸に黒塗りの記号と丸にバツの記号は電流の流れる方向を示し、丸に黒塗りの記号は紙面の裏から表へ流れる電流流れを示し、丸にバツの記号は紙面の表から裏へ流れる電流流れを示す。前述したように保持部材３１は、磁性材または非磁性材のいずれでも良いが、ここでは保持部材３１の材質を磁性材とする。従って、保持部材３１は可動子３０のインナーヨークとして作用する。また、図２〜４に於いて、永久磁石３２の左側とアウターヨーク素片２２ａとの間隙Ｇ１（距離）、永久磁石３２の中央側から右側及び永久磁石３３の左側とアウターヨーク素片２３ａとの間隙Ｇ２ａ（距離）、永久磁石３４の中央側から左側及び永久磁石３３の右側とアウターヨーク素片２３ｂとの間隙Ｇ２b（距離）、永久磁石３４の右側とアウターヨーク素片２４ａとの間隙Ｇ３（距離）は、磁束が通過する磁気ギャップを形成する。尚、間隙Ｇ１、Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ３はシリンダ４０の管壁を介在した間隙である。
【００３７】
図２は、可動子３０の中立位置に於けるリニアモータ２０の永久磁石３２〜３４によって生じる磁束の説明図である。図２（ａ）は永久磁石３２〜３４の磁化方向を示す。尚、図３、４の永久磁石３２〜３４の磁化方向は図２（ａ）と同じである。図２（ｂ）は永久磁石３２〜３４により生じる磁束（太実線、太破線）を示し、矢印は磁束の流れを示す。
【００３８】
図２（ａ）に示すように、永久磁石３２は内周面がＳ極、外周面がＮ極に磁化され、永久磁石３４は内周面がＮ極、外周面がＳ極に磁化される。永久磁石３３は永久磁石３４側の端面がＳ極、永久磁石３２側の端面がＮ極に磁化される。
【００３９】
永久磁石３２、３４は保持力、寸法が同じであるので、アウターヨーク素片２３の円板部２３ｃでは、永久磁石３２による磁束と永久磁石３４による磁束とが反対方向で同じ磁束量であるので、磁束が互いに打消し合って磁束はほとんど発生しない。従って、図２（ｂ）に示すように永久磁石３２、３４によって、アウターヨーク素片２２、２３、２４と可動子３０とには、太実線で示す右回りの閉ループの磁束Φが生る。磁束Φは、磁極片２４ａから間隙Ｇ３と永久磁石３４を横切り、インナーヨークである保持部材３１（以下、インナーヨーク３１）に流入する。インナーヨーク３１に流入した磁束Φは、インナーヨーク３１内を通ってインナーヨーク３１の左側に至り、そこから永久磁石３２、間隙Ｇ１を横切り磁極片２２ａに流入し、順次アウターヨーク素片２２、アウターヨーク素片２３、アウターヨーク素片２４を通って再び磁極片２４ａに戻り一巡する。また、永久磁石３２、３３、３４によりアウターヨーク素片２３と可動子３０とには、太破線で示す右回りの磁束Ω、Γが生ずる。磁束Ωは、永久磁石３２の右側から順次間隙Ｇ２ａ、磁極片２３ａ、２３ｂ、間隙Ｇ２ｂ、永久磁石３４の左側、インナーヨーク３１を通過して再び、永久磁石３２の右側に戻る閉ループを形成する。磁束Γは、永久磁石３３から順次永久磁石３２の右端側、間隙Ｇ２ａ、磁極片２３ａ、２３ｂ、間隙Ｇ２ｂ、永久磁石３４の左端側を通過して再び永久磁石３３に戻る閉ループを形成する。そして永久磁石３２、３４による間隙Ｇ１と間隙Ｇ３の磁力線の疎密は同じで方向が反対である。また、永久磁石３２、３３、３４による間隙Ｇ２ａと間隙Ｇ２ｂの磁力線の疎密は同じで方向が反対になる。従って、コイル２６、２７の無通電時では、可動子３０に往復動方向の磁気力は発生せず、可動子３０は中立位置で留まっている。
【００４０】
図３は、コイル通電時に於けるリニアモータ２０の磁束の部分断面説明図で、永久磁石３２〜３４の磁化方向は図２と同じである。図３（ａ）は、コイル２６、２７の電流によって生じる磁束図を示す。図３（ａ）に示すように、可動子３０が中立位置に位置する状態に於いて、コイル２６、２７には互いに反対方向で同じ電流値の直流電流を通電する。するとコイル２６による太実線で示す右回りの閉ループの磁束Ψ１と、コイル２７による太破線で示す左回りの閉ループの磁束Ψ２が生じる。磁束Ψ１は、永久磁石３２の左側から順次間隙Ｇ１、磁極片２２ａ、アウターヨーク素片２２、アウターヨーク素片２３の円板部２３ｃ、磁極片２３ｂ、間隙Ｇ２ｂ、永久磁石３４の左側、インナーヨーク３１を通過して再び、永久磁石３２の左側に戻り一巡する。磁束Ψ２は、永久磁石３４の中央側から順次インナーヨーク３１の右側、インナーヨーク３１の右端側と磁極片２４ａの右端側の間隙Ｇ３ｂ、磁極片２４ａの右端側、アウターヨーク素片２４、アウターヨーク素片２３の円板部２３ｃ、磁極片２３ｂ、間隙Ｇ２ｂを通過して再び永久磁石３４の中央側に戻り一巡する。そして、磁束Ψ１は間隙Ｇ１と間隙Ｇ２ｂを通過し、磁束Ψ２は間隙Ｇ２ｂと間隙Ｇ３ｂを通過する。コイル２６と２７は線径、全長、巻数が同じで、間隙Ｇ３ｂの磁気抵抗は間隙Ｇ１の磁気抵抗より大きいので、磁束Ψ１の磁束量は磁束Ψ２の磁束量より大きい。
【００４１】
図３（ｂ）は、コイル通電時に於ける可動子３０の移動方向の説明図で、可動子３０の中立位置に於ける永久磁石３２〜３４による磁束Φ、Ω、Γを示す。図３（ｂ）に示すように、コイル２６、２７に電流が流れると、コイル２６は永久磁石３２〜３４の磁束Φ、Ω、Γとコイル２７の磁束Ψ２とにより磁気力を受け、コイル２７は永久磁石３２〜３４の磁束Φ、Ω、Γとコイル２６の磁束Ψ１とにより磁気力を受ける。即ち、コイル２６、２７には互いに反対方向で同じ電流値の直流電流（図３（ａ））と同じ電流）を通電すると、フレミングの左手の法則に基づき、コイル２６は間隙Ｇ１の磁束ΦによりＪ方向の磁気力を受けるが、間隙Ｇ２ａと間隙Ｇ２ｂの磁束Ω、Γによる磁気力は打消し合ってコイル２６には殆ど作用せず、間隙Ｇ２ｂと間隙Ｇ３ｂの磁束Ψ２（図３（ａ）による磁気力も打消し合ってコイル２６には殆ど作用しない。結果、コイル２６は矢印Ｊ方向の磁気力を受ける。
【００４２】
同様に、フレミングの左手の法則に基づき、コイル２７は間隙Ｇ３の磁束ΦによりＪ方向の磁気力を受けるが、間隙Ｇ２ａと間隙Ｇ２ｂの磁束Ω、Γによる磁気力は打消し合ってコイル２７には殆ど作用せず、間隙Ｇ２ｂと間隙Ｇ１の磁束Ψ１（図３（ａ）による磁気力も打消し合ってコイル２７には殆ど作用しない。結果、コイル２７は矢印Ｊ方向の磁気力を受ける。以上により、コイル２６、２７は、磁束Φにより矢印Ｊ方向の磁気力を受けるが、コイル２６、２７は固定子２１に挟持され移動できないので、可動子３０が矢印Ｍ方向の磁気力を受けて矢印Ｍ方向に移動する。
【００４３】
図３（ｃ）は、図３（ａ）のコイル２６、２７による磁束Ψ１、Ψ２と図３（ｂ）の永久磁石３２〜３４による磁束Φ、Ω、Γとを合成した磁束図を示す。図３（ｃ）に示すように、固定子２１と可動子３０の磁気回路には、太実線で示す右回りの閉ループの合成磁束（Ψ１＋Φ）と、図示左回りの閉ループの合成磁束Λ２が生じると共に図示右回りの閉ループの磁束Ω、Γが残存する。磁束Φと磁束Ψ２との流れ方向が反対であるため、磁束（Ψ２−Φ）の磁束量は略０になり、磁束Λ２が合成されるが合成磁束Λ２の磁束量は合成磁束（Ψ１＋Φ）に比べ小さい。そして、インナーヨーク３１を流れる磁束量の大きい合成磁束（Ψ１＋Φ）の方向は永久磁石３３の磁化方向と同じである。
【００４４】
図３（ｄ）は、図３（ｃ）の可動子３０が矢印Ｍ方向に移動して可動子３０に作用するＮ方向の外力ＦとＭ方向の磁気力Ｆａが釣合い停止した状態を示す。図３（ｃ）と同様に釣合い停止位置の永久磁石３２〜３４による磁束Φａ（図示せず）と、コイル２６、２７よる磁束Ψａ１、Ψａ２（図示せず）とが合成される。この合成により、図３（ｄ）に示すように太実線で示す右回りの閉ループの合成磁束（Ψａ１＋Φａ）と、図示左回りの閉ループの合成磁束Λ２ａが生じると共に図示右回りの閉ループの磁束Ωａ、Γａが残存する。そして、インナーヨーク３１を流れる合成磁束（Ψａ１＋Φａ）の方向は永久磁石３３の磁化方向と同じで、合成磁束Λ２ａより磁束量が大きい。
【００４５】
図４は、図３に対し反対方向で図３と同じ電流値の直流電流をコイル２６、２７に通電した場合の磁束の部分断面説明図である。図４（ａ）は、コイル２６、２７の電流によって生じる磁束図を示す。図４（ａ）に示すように、可動子３０が中立位置に位置する状態に於いて、コイル２６、２７には互いに反対方向で同じ電流値の直流電流を通電する。するとコイル２６による図示左回りの閉ループの磁束Ψ１と、コイル２７による図示右回りの閉ループの磁束Ψ２が生じる。磁束Ψ１は、永久磁石３２の中央側から順次間隙Ｇ２ａ、磁極片２３ａ、アウターヨーク素片２３の円板部２３ｃ、アウターヨーク素片２２、磁極片２２ａ、磁極片２２ａ左端側とインナーヨーク３１の左端側との間の間隙Ｇ１ｂ、インナーヨーク３１を通過して再び、永久磁石３２の中央側に戻り一巡する。磁束Ψ２は、永久磁石３４の右側から順次インナーヨーク３１、永久磁石３２の右側、間隙Ｇ２ａ、磁極片２３ａ、アウターヨーク素片２３の円板部２３ｃ、アウターヨーク素片２４、アウターヨーク素片２４の磁極片２４ａ、間隙Ｇ３を通過して再び永久磁石３４の右側に戻り一巡する。そして、磁束Ψ１は間隙Ｇ１ｂと間隙Ｇ２ａを通過し、磁束Ψ２は間隙Ｇ２ａと間隙Ｇ３を通過する。コイル２６と、２７は線径、全長、巻数が同じで、間隙Ｇ１ｂの磁気抵抗は間隙Ｇ３の磁気抵抗より大きいので、磁束Ψ２の磁束量は磁束Ψ１の磁束量より大きい。
【００４６】
図４（ｂ）は、コイル通電時に於ける可動子３０の移動方向の説明図で、可動子３０の中立位置に於ける永久磁石３２〜３４による磁束Φ、Ω、Γを示す。図４（ｂ）に示すように、コイル２６、２７に電流が流れると、コイル２６は永久磁石３２〜３４の磁束Φ、Ω、Γとコイル２７の磁束Ψ２（図４（ａ））とにより磁気力を受け、コイル２７は永久磁石３２〜３４の磁束Φ、Ω、Γとコイル２６の磁束Ψ１（図４（ａ））とにより磁気力を受ける。即ち、コイル２６、２７には互いに反対方向で同じ電流値の直流電流（図４（ａ）と同じ電流）を通電すると、フレミングの左手の法則に基づき、コイル２７は間隙Ｇ３の磁束ΦによりＫ方向の磁気力を受けるが、間隙Ｇ２ａと間隙Ｇ２ｂの磁束Ω、Γによる磁気力は打消し合ってコイル２７には殆ど作用せず、間隙Ｇ２ａと間隙Ｇ１ｂの磁束Ψ１（図４（ａ））による磁気力も打消し合ってコイル２７には殆ど作用しない。結果、コイル２７は矢印Ｋ方向の磁気力を受ける。
【００４７】
同様に、フレミングの左手の法則に基づき、コイル２６は間隙Ｇ１の磁束ΦによりＫ方向の磁気力を受けるが、間隙Ｇ２ａと間隙Ｇ２ｂの磁束Ω、Γによる磁気力は打消し合ってコイル２７には殆ど作用せず、間隙Ｇ２ａと間隙Ｇ３の磁束Ψ２（図４（ａ））による磁気力も打消し合ってコイル２６には殆ど作用しない。結果、コイル２６は矢印Ｋ方向の磁気力を受ける。以上により、コイル２６、２７は、磁束Φにより矢印Ｋ方向の磁気力を受けるが、コイル２６、２７は固定子２１に挟持され移動できないので、可動子３０が矢印Ｎ方向の磁気力を受けて矢印Ｎ方向に移動する。
【００４８】
図４（ｃ）は、図４（ａ）のコイル２６、２７による磁束Ψ１、Ψ２と図４（ｂ）の永久磁石３２〜３４による磁束Φ、Ω、Γとを合成した磁束図を示す。図４（ｃ）に示すように、固定子２１と可動子３０の磁気回路には、図示右回りの閉ループの合成磁束（Ψ２＋Φ）と、図示左回りの閉ループの合成磁束Λ１が生じ、図示右回りの閉ループの磁束Ω、Γは残存する。磁束Φと磁束Ψ１との流れ方向が反対であるため、磁束（Ψ１−Φ）の磁束量は略０になり、磁束Λ１が合成されするが合成磁束Λ１の磁束量は合成磁束（Ψ２＋Φ）に比べ小さい。そして、インナーヨーク３１を流れる磁束量の大きい合成磁束（Ψ２＋Φ）の方向は、永久磁石３３の磁化方向と同じであり、又、インナーヨーク３１を流れる図３（ｃ）の合成磁束（Ψ１＋Φ）の方向と同じである。
【００４９】
図４（ｄ）は、図４（ｃ）の可動子３０が矢印Ｎ方向に移動し、可動子３０に作用するＭ方向の外力ＦとＮ方向の磁気力Ｆｂが釣合い停止した状態を示す。図４（ｃ）と同様に釣合い停止位置の永久磁石３２〜３４による磁束Φｂ（図示せず）と、コイル２６、２７よる磁束Ψｂ１、Ψｂ２（図示せず）とが合成される。この合成により、図４（ｄ）に示すように図示右回りの閉ループの合成磁束（Ψｂ２＋Φｂ）と、図示左回りの閉ループの合成磁束Λ１ｂが生じると共に図示右回りの閉ループの磁束Ωｂ、Γｂが残存する。インナーヨーク３１を流れる合成磁束（Ψｂ２＋Φｂ）の方向は永久磁石３３の磁化方向と同じで、図３（ｄ）のインナーヨーク３１を流れる合成磁束（Ψａ１＋Φａ）の向きと同じである。また、合成磁束（Ψｂ２＋Φｂ）は合成磁束Λ１ｂの磁束量より大きい。そして、磁気力Ｆａ（図３（ｄ））と磁気力Ｆｂ（図４（ｄ））は、大きさは同じで方向が反対で、通電時に於けるリニアモータ２０が発生する磁気推力である。
【００５０】
前述の図３、４の作動により、コイル２６、２７に位相が１８０度ずれた交流電流を通電すると、可動子３０は往復動する。
【００５１】
以上により、次の効果が生じる。即ち、保持部材３１が磁性材の場合、コイル２６、２７に対し互いに位相が１８０度ずれた交流電流を通電するにより、アウターヨーク２５に互いに反対方向の磁束が生じる。この磁束は、電流が交番（電流が±変化）しているにも拘らず、インナーヨーク３１には永久磁石３３の磁化方向と同じ一方向で磁束量の大きな変動磁束（直流成分に交流成分が加わった磁束）が常に発生する。これに対し、従来技術のリニアモータ（電磁式アクチュエータ）では、インナーヨークに交番磁束（方向が代わる磁束）が発生する。従って、同じ磁気推力の下で、本発明のリニアモータ２０のインナーヨーク３１を流れる一定方向の磁束の振幅及び最大磁束量は、従来技術の交番磁束の振幅及び最大磁束量より減少する。この変動磁束の振幅及び最大磁束量の減少により、アウターヨーク２５の変動磁束の振幅及び最大磁束量も減少する。結果、変動磁束によって発生するインナーヨーク３１と、アウターヨーク２５の各々の鉄損は減少するので、高い効率のリニアモータ２０を提供できる。
【００５２】
また、インナーヨーク３１の最大磁束量が従来技術の最大磁束量より減少するので、インナーヨーク３１は従来技術に比べ少ない磁束通過断面積で済み、磁気飽和を回避できる。これにより、可動子３０の外径が縮小する。同様に、アウターヨーク２５の最大磁束量も減少するので、アウターヨーク２５は従来技術に比べ少ない磁束通過断面積で磁気飽和が回避できると共に可動子３０の外径の縮小とにより、固定子２１が小型軽量になる。以上とリニアモータ２０が高効率であることにより、小型軽量なリニアモータ２０が提供できる。
【００５３】
また、従来技術のリニアモータでは、可動子の内周面側の磁気ギャップ（可動子の内周面とインナーヨークとの間の磁気ギャップ）と、可動子の外周面側の磁気ギャップ（可動子の外周面とアウターヨークとの間の磁気ギャップ）があるため、磁気回路の磁気抵抗が増大して所定の磁気推力を得るにはリニアモータが大型になる。しかし、本実施例のリニアモータ２０は可動子３０の外周面側の磁気ギャップ（可動子３０の永久磁石３２〜３４の外周面と固定子２１の内周面との一つの径の磁気ギャップ）だけあるので、磁気抵抗が減少しリニアモータ２０は小型軽量になる。
【００５４】
尚、前述までの作動、効果は保持部材３１が磁性材の場合であるが、保持部材３１が非磁性材の場合でも、前述の説明のインナーヨーク３１（磁性材の保持部材３１）を流れていたコイル２６、２７の交流電流によって生じる磁束と、永久磁石３２〜３４によって生じる磁束は、順次永久磁石３４、３３、３２に流れるので、リニアモータ２０は、保持部材３１が磁性材の場合と同様な作用、効果を生じる。即ち、コイル２６、２７に位相が１８０度ずれた交流電流を通電するにより、コイル２６、２７に互いに反対方向の磁束が生じる。この磁束は、電流が交番しているにも拘らず、永久磁石３４、３３、３４には永久磁石３３の磁化方向と同じ一方向の変動磁束が常に発生する。この変動磁束の振幅、最大磁束量は従来技術の交番磁束の振幅、最大磁束量より減少するので、保持部材３１が磁性材の場合と同じ効果を生じる。
【００５５】
また、可動子３０を備えた可動体３５は、リニアモータ２０の磁気バネと、可動体３５の前面及び背面に作用するヘリウムのガスバネを合成したバネと、可動子３０を含む可動体３５の合計質量とで固有周波数を有する振動系を形成する。この固有周波数近傍で運転することにより、可動体３５の往復動の振幅が増大してリニアモータ２０の効率は向上する。さらには、保持部材３１を樹脂等の軽量材を使用することで可動子３０が軽量になり可動体３５の固有周波数が高くなり、この高くなった固有周波数近傍で可動体３５を往復駆動させる。結果、膨張室５５で発生される冷凍量が増大する。
【００５６】
また、保持部材３１が磁性材でコイル２６、２７による磁束Ψ１、Ψ２の磁束量が大きい場合、磁束Ψ１、Ψ２が保持部材３１に流れるので、保持部材３１の磁束通過断面積を適正に確保することにより、コストアップすることなく磁気飽和が回避できる。従って、コイル２６、２７による磁束Ψ１、Ψ２の磁束量が大きい場合に好適である。
【００５７】
また、図１では、永久磁石３３の両端に永久磁石３２と永久磁石３４とを固着し３つの永久磁石を備えた可動子３０を、一つの永久磁石内に前述した３方向に磁化して可動子を構成しても良い。そして、永久磁石の内径面に保持部材３１を配備し、保持部材３１が磁性材である場合、作用及び効果は前述の保持部材３１が磁性材の場合と同じである。また、保持部材３１が非磁性材である場合、作用及び効果は前述の保持部材３１が非磁性材の場合と同じである。保持部材３１を配備しない場合の作用は、前述の保持部材３１が非磁性材の場合と同じで、非磁性材と同じ効果に加え、可動子の構成が簡素になる。
【００５８】
図５は、図１のリニアモータ２０の主要寸法を示す部分断面図で、保持部材３１は磁性材のインナーヨークである。図５に於いて、Ｄは永久磁石３２〜３４の直径、ｔ１はインナーヨーク（保持部材３１が磁性材の場合）の厚さ、t２は永久磁石３２〜３４の厚さ、Ｃは永久磁石３３の長さである。可動子３０の中立位置に於いて、Ａは永久磁石３２と磁極片２２ａとの重なり代及び永久磁石３４と磁極片２４ａの重なり代、Ｂは永久磁石３２と磁極片２３ａとの重なり代及び永久磁石３４と磁極片２３ｂとの重なり代である。
【００５９】
図６は、リニアモータ２０の（インナーヨーク厚さ／永久磁石外径）と、推力係数及び（推力係数／インナーヨーク質量）の関係を示す図である。図７は、リニアモータ２０の（永久磁石厚さ／永久磁石外径）と、推力係数及び（推力係数／インナーヨーク質量）の関係を示す図である。図６及び７に於いて、太実線は（推力係数／インナーヨーク質量）、実線は推力係数を示す。推力係数は、１ＡＴ（ＡＴはアンペアターンで、電流はＡの単位、Ｔはターンでコイルの巻数）当りの磁気推力、即ち電流１Ａ（コイル２６、２７の電流の絶対値の１Ａ）、コイル１巻当りの磁気推力である。
【００６０】
図６に示すように、（インナーヨーク厚さｔ１／永久磁石外径Ｄ）が２０％以下であると、推力係数は急増加し、（推力係数／インナーヨーク質量）は高い値を維持する。そして、（インナーヨーク厚さｔ１／永久磁石外径Ｄ）が２０％を超えると、推力係数は頭打ちになり、また、（推力係数／インナーヨーク質量）は低下する。従って、インナーヨーク３１を小型軽量にするには、インナーヨーク厚さｔ１は永久磁石３２〜３４の外径Ｄの２０％以下が好適である。
【００６１】
図７に示すように、（永久磁石厚さｔ２／永久磁石外径Ｄ）が３％〜２０％の範囲であると、推力係数は増加し、（推力係数／インナーヨーク質量）も高い。そして、（永久磁石厚さｔ２／永久磁石外径Ｄ）が２０％を超えると、推力係数は頭打ちなり、また（推力係数／インナーヨーク質量）は低くなる。従って、磁気推力を確保しつつインナーヨークを小型軽量にするには、永久磁石３２〜３４の厚さｔ２は永久磁石３２〜３４の外径Ｄの３％から２０％の範囲が好適である。
【００６２】
また、永久磁石３３の長さＣが永久磁石３２、３４の長さの３％から１３０％のときに、高い効率のリニアモータ２０が得られる。
【００６３】
磁極片２２ａ、２３ａと永久磁石３２との重なり代Ａ、Ｂ、及び、磁極片２４ａ、２３ｂと永久磁石３４との重なり代Ａ、Ｂは、可動子３０の最大ストロークの６０％から１８０％の範囲が高い効率のリニアモータ２０が得られる。また、重なり代Ａと重なり代Ｂとは、Ｂ≧Ａがリニアモータ２０の効率を高くする。
【００６４】
次に、本発明の実施例１に係わるスターリング冷凍機１の作動と効果について説明する。スターリング冷凍機１は、ディスプレーサ５６の固有振動数を可動体３５の固有振動数に略合わせ、可動体３５の固有振動数近傍で運転する。この固有振動数近傍の周波数で、同一振幅、位相が１８０度ずれる交流電流をコイル２６、２７に通電する。すると、可動体３５は往復動し、ディスプレーサ５６も往復動する。可動体３５とディスプレーサ５６は、膨張室５５の掃気容積が圧縮室４３と圧縮室５１とを足合わせた掃気容積に対して略９０度位相が進む位相関係にある。圧縮室４３と圧縮室５１とで圧縮されたヘリウムは、放熱器５２で冷却され、蓄冷器５３で蓄冷材エレメント５３ａと熱交換し膨張室５５の温度に略等しい温度にまで冷却される。蓄冷器５３で冷却されたヘリウムは、吸熱器５４を通過し膨張室５５に流入し、そこでディスプレーサ５６の図１に於ける下方向の移動により膨張して、所定の低い温度の冷凍を発生する。吸熱器５４では膨張室５５で発生した冷凍で被冷却物（図示せず）を冷却する。そして、ディスプレーサ５６の図１に於ける上方向の移動により、膨張室５５のヘリウムは吸熱器５４を通過して蓄冷器５３の蓄冷材エレメント５３ａで加温され放熱器５２から圧縮室４３と圧縮室５１へ流入し１サイクルを終了する。
【００６５】
以上より、スターリング冷凍機１は、リニアモータ２０を備える可動体３５の往復動でヘリウムを圧縮して所定の低い温度の冷凍を発生する。本実施例のリニアモータ２０は効率が高いので、高効率のスターリング冷凍機１を提供できる。
【００６６】
また、リニアモータ２０は小型軽量であり、又、スターリング冷凍機１は高効率であるので、スターリング冷凍機１は小型軽量になる。
【００６７】
また、コイル２６、２７に交流電流を通電するにも拘らず、インナーヨーク３１あるいは永久磁石３２〜３４には一定方向（永久磁石３３の磁化方向）の磁束が流れるので、インナーヨーク３１あるいは永久磁石３２〜３４に発生する鉄損が減少し、可動子３０のピストン３６、ピストンガイド３７の温度上昇は減少する。結果、無潤滑摺動材のピストン３６、ピストンガイド３７の摩耗量が減少しスターリング冷凍機１の耐久性が向上する。
【００６８】
図８は、図１のリニアモータ２０の可動子３０の変形例の部分断面図である。図８に示すように、リニアモータ１２０の可動子１２１は、磁性材からなる保持部材１２２の形状が図１の磁性材の保持部材３１と異なる。即ち、保持部材１２２の外径は保持部材３１の外径と同一寸法で、保持部材１２２の中央部１２２ｂの内径も保持部材３１の内径と同一寸法であるが、保持部材１２２の両側部１２２ａ、１２２ｃの内径は保持部材３１の内径より大きい。いいかえると、保持部材３１は、永久磁石３３の軸方向中央から図示左側に磁極片２３ａの軸方向長さに略等しい範囲と、永久磁石３３の軸方向中央から図示右側に磁極片２３ｂの略軸方向長さに略等しい範囲との円筒部分の厚さが、その両端側の円筒部分の厚さより厚い。これは、磁束量の多い中央部１２２ｂの磁気飽和を回避するように保持部材３１の断面積と同じにし、中央部１２２ｂより磁束量の少ない両側部１２２ａ、１２２ｃは、内径を保持部材３１より大きくして磁気飽和が回避できる最小断面積にする。従って、可動子１２１の質量が減少でき、可動子１２１が高い周波数で往復動できる。
【００６９】
尚、スターリング冷凍機１はディスプレーサ５６の前面（図示上面）と背面（図示下面）に作動ガス圧が作用するディスプレーサ型のスターリング冷凍機であるが、ディスプレーサ５６に代わって前面に作動ガス圧が作用し背面には略一定の作動ガス圧が作用する膨張ピストン（膨張側ピストン）を設けた膨張ピストン型のスターリング冷凍機でも良い。この場合、圧縮室５１が省略でき、圧縮室は圧縮室４３のみとなる。また、膨張ピストンはリニアモータなどの駆動手段が接続される。
【００７０】
また、リニアモータ２０の可動子３０として永久磁石３３が１個配備されている。しかし、順次第１永久磁石と、第３永久磁石と、第２永久磁石とを配備した第２永久磁石の隣に、例えば、順次第３永久磁石と、第１永久磁石とを配備するように、第３永久磁石を複数個配備する。これにより、永久磁石３２と永久磁石３４とに隣接する永久磁石３３を複数個配備しても良い。この場合、永久磁石３３が奇数個であると、永久磁石３２と永久磁石３４の個数は同数で永久磁石３３の数個より１個少ない。永久磁石３３が偶数個であると、永久磁石３３と永久磁石３４のうち一方の永久磁石の個数が永久磁石３３の数個に等しく、他方の永久磁石の個数は永久磁石３３の数個より１個多い。そして、永久磁石３３を複数個配備したリニアモータは、永久磁石３３を１個配備したリニアモータ２０の磁気推力に永久磁石３３の個数を掛けた値に略等しい磁気推力を得られる。従って、大きな磁気推力を得るには、永久磁石３３を複数個設けたリニアモータが好適である。
【００７１】
図９は、スターリング型パルス管冷凍機の冷凍発生部の説明図である。図１の冷凍発生部５０のディスプレーサシリンダ５７と、ディスプレーサ５６と、駆動手段６０をそれぞれパルス管１５６と、パルス管１５６内に形成されるガスピストン１５７と、パルス管１５６の高温端１５６ｂに配備される位相調整手段１６０とに代えたスターリング型パルス管冷凍機５の冷凍発生部１５０にしても良い。この場合、スターリング型パルス管冷凍機５（蓄冷型冷凍機）は、冷凍発生部１５０と、図１と同じ圧縮部１０とを配管１５１を介して連通される。
【００７２】
冷凍発生部１５０は、放熱器１５２が、順次、蓄冷器１５３、吸熱器１５４、パルス管１５６の低温端１５６ａに連通され、そしてパルス管１５６の高温端１５６ｂを位相調整手段１６０に接続して構成される。パルス管１５６内には、一点鎖線で示されるガスピストン１５７が形成され、ガスピストン１５７は質量が一定で体積がヘリウムの圧力により変化する弾性ピストンとしてパルス管１５７内を可動体３５と同じ周波数で往復動する。パルス管１５６とガスピストン１５７に包囲され低温端１５６ａ側に膨張室１５５が形成され、膨張室１５５は配管１５８を介して吸熱器１５４に連通される。位相調整手段１６０は、バッファタンク１６１と細長い管のイナータンスチューブ１６２から構成され、ガスピストン１５７が可動体３５に対し略９０度位相が進むようにバッファタンク１６１の容積とイナータンスチューブ１６２の流路抵抗が調整される。これにより、膨張室１５５は、図１の膨張室５５と同じように作用し所定温度の冷凍を発生する。従って、スターリング型パルス管冷凍機５は、スターリング冷凍機１と同じ理由により高効率で小型軽量になる。
【実施例２】
【００７３】
図１０は、図１の往復動駆動機構を用いた実施例２に係るスターリング冷凍機の説明図である。図１のスターリング冷凍機１と同じ部位、同じ部品は同じ符号を付す。図１０に示すように、スターリング冷凍機２（蓄冷型冷凍機）は、圧縮部８０と、図１に示す冷凍発生部５０とを配管１１で接続して構成される。圧縮部８０は、一対のリニアモータ２０、２０（往復動駆動機構）の固定子２１と、一対の可動体３５、３５と、シリンダ７０とから構成される。可動体３５は、可動子３０の保持部材３１の両端にピストン３６と、ピストンガイド３７を備える。一対の可動体３５、３５は、各々のピストン３６、３６が対面するようにシリンダ７０に往復動可能に挿設される。そしてシリンダ７０には、シリンダ本体７１の両端に鏡板７２を気密固定される。そして、シリンダ７０と、一対の可動体３５、３５とで包囲して圧縮室８１が形成され、圧縮室８１は、シリンダ本体７１に連通した配管１１を介して冷凍発生部５０の圧縮室５１と放熱器５２に連通する。他の構成は、図１のスターリング冷凍機１と同じである。また、スターリング冷凍機２の作動は、スターリング冷凍機１と同じである。
【００７４】
実施例２のスターリング冷凍機２は、一対の可動体３５、３５を対向配置することにより、可動体３５の往復動に起因する振動が互いに相殺される。また、圧縮室８１は、実施例１のスターリング冷凍機１の圧縮室４３（図１）に比べ掃気容積が増大するので、膨張室５５で発生する冷凍量が増大する。その他の効果はスターリング冷凍機１と同じである。
【実施例３】
【００７５】
図１１は、本発明の実施例３に係る往復動駆動機構を用いたスターリング冷凍機の説明図である。図１のスターリング冷凍機１と同じ部位、同じ部品は同じ符号を付す。図１１に示すように、スターリング冷凍機３（蓄冷型冷凍機）は、圧縮部１１０と図１に示す冷凍発生部５０を配管１１で接続して構成される。圧縮部１１０は、一対のケース１０１、１０１と、各ケース１０１、１０１の内周面に固定される一対のリニアモータ２０、２０（往復動駆動機構）の一対の固定子２１、２１と、一対の可動体１３５、１３５と、一対のシリンダ１４０、１４０とから構成される。
【００７６】
可動体１３５は、可動子３０の保持部材３１の内周面にピストン１３６を固定される。そして、一対の可動体１３５、１３５が対向して一対のシリンダ１４０、１４０に往復動可能に挿設される。保持部材３１の両端には支持具１３１、１３２が固定され、支持具１３１、１３２は支持機能と弾性機能を有する弾性支持手段、例えばスリッドとを有する円板形状の板バネ１３３、１３４の内周側が固定され、板バネ１３３、１３４の外周側はケース１０１の内周側に固定される。これにより、一対の可動体１３５、１３５は一対のシリンダ１４０、１４０の内周面に対し微小間隙を持って往復動可能に支持される。
【００７７】
シリンダ１４０は、両端が開口され軸方向中央にフランジ１４０ａを備え、フランジ１４０ａの外周側に一対のケース１０１、１０１が気密固着される。そして、一対の可動体１３５、１３５とシリンダ１４０とで包囲され圧縮室１４３が形成され、圧縮室１４３はフランジ１４０ａに設けた孔１４０ｂと、配管１１を介し冷凍発生部５０の圧縮室５１、放熱器５２に連通される。固定子２１のコイル２６、２７の導線は気密端子（図示せず）に接続される。他の構成は、図１のスターリング冷凍機１と同じである。
【００７８】
前述のピストン１３６の外周面とシリンダ１４０内周面との微小間隙は、圧縮室１４３のヘリウムをシールするクリアランスシール機能を有する。そして、可動子３０を備えた可動体１３５は、板バネ１３３、１３４のバネと、リニアモータ２０の磁気バネと、可動体１３５の前面及び背面に作用するヘリウムのガスバネを合成したバネと、可動子３０を含む可動体１３５の質量とで固有周波数を有する振動系を形成し、この固有周波数近傍でスターリング冷凍機３は運転される。
【００７９】
板バネ１３３、１３４により可動体１３５は、シリンダ１４０の内周面に対し微小間隙を持って往復動可能に支持されるので、ピストン１３６の摩耗が阻止され、スターリング冷凍機３の耐久性が向上する。また、一対の可動体１３５、１３５を対向配置することにより、運転時に発生する振動が低減される。さらに、板バネ１３３、１３４により合成バネのバネ定数が高くなるので、スターリング冷凍機３は高い周波数で運転でき、冷凍能力が増大する。他の効果は、図１のスターリング冷凍機３と同じである。
【実施例４】
【００８０】
図１２は、図１の往復動駆動機構を用いた実施例４に係る圧縮機の説明図である。図１のスターリング冷凍機１と同じ部位、同じ部品は同じ符号を付す。図１２に示すように、圧縮機４は、図１に示すリニアモータ２０（往復動駆動機構）の固定子２１と、可動子３０を備える可動体３５と、可動体３５を往復動可能に挿設すると共に吸入弁９４と吐出弁９５を備えるシリンダ９０と、シリンダヘッド９６から構成される。そして、作動ガスとして例えばヘリウムが充填される。
【００８１】
シリンダ９０は、シリンダ本体９１の両端にそれぞれ隔壁９２と、鏡板９３が気密固定され、隔壁９２の孔９２ａ、９２ｂに設けた吸入弁９４、吐出弁９５とから構成される。そして、隔壁９２にはシリンダヘッド９６が気密に取付けられ、シリンダヘッド９６の隔壁９６ａにより吸入室９６ｂと吐出室９６ｃが形成される。シリンダ９０と可動体３５の前面（図示左端面）とで包囲して圧縮室９７が形成され、圧縮室９７は吸入弁９４、吐出弁９５を介しそれぞれ吸入室９６ｂと吐出室９６ｃに連通される。
【００８２】
リニアモータ２０のコイル２６、２７に振幅が同じで位相が１８０度ずれる交流電流を通電すると、可動体３５が往復動する。可動体３５が下死点方向に移動すると、吸入弁９４が吸入室９６ｂと圧縮室９７との差圧により自動的に開かれ、吸入室９６ｂからヘリウムが圧縮室９７に吸引される。吸引されたヘリウムは、可動体３５の上死点方向への移動により圧縮され、圧縮室９７と吐出室９６ｃとの差圧により自動的に開かれた吐出弁９５を通過して吐出室９６ｃに流入し、そこから外部へ供給される。
【００８３】
圧縮機４は、効率が高く小型軽量なリニアモータ２０で可動体３５を往復駆動してヘリウムを圧縮するので、高効率で小型軽量な圧縮機４が得られる。
【符号の説明】
【００８４】
１、２、３  スターリング冷凍機（蓄冷器型冷凍機）
４  圧縮機
５  スターリング型パルス管冷凍機（蓄冷器型冷凍機）
２０、１２０  往復動駆動機構
２１  固定子
２１ａ、２１ｂ  空隙（距離）
２２ａ、２３ａ  磁極片（第１磁極片）
２３ｂ、２４ａ  磁極片（第２磁極片）
２５  アウターヨーク
２６、２７  コイル
２８、２９  スロット
３０、１２０  可動子
３１、１２２  保持部材（インナーヨーク）
３２  永久磁石（第1永久磁石）
３３  永久磁石（第３永久磁石）
３３ａ  間隔
３４  永久磁石（第２永久磁石）
３６、１３６  ピストン
４０、７０、９０、１４０  シリンダ
４３、５１、８１、９７、１４３  圧縮室
５２、１５２  放熱器
５３、１５３  蓄冷器
５４、１５４  吸熱器
５５、１５５  膨張室
５６  ディスプレーサ（膨張側ピストン）
５７  ディスプレーサシリンダ（膨張側シリンダ）
９４  吸入弁
９５  吐出弁
１５６  パルス管
１６０  位相調整手段
Ｇ１、Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ３  間隙（距離）
Ｘ  軸
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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