(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インナーヨークと、
前記インナーヨークの外側に配置されるアウターヨークと、
前記インナーヨークと前記アウターヨークとの間に配置されたコイル巻付体およびシリンダ内で往復動するピストンを駆動する可動マグネット部と、
前記アウターヨークを挟持する第１と第２挟持部材と、
前記第１と第２挟持部材間を所定間隔で連結するスペーサとを備え、
前記第１挟持部材に前記ピストンを付勢するスプリングの支持部を設け、
前記第２挟持部材を前記シリンダに直接もしくは間接的に固定した、リニアモータ装置。
【請求項２】
前記スペーサは、両端に軸方向端面と該軸方向端面から突出する縮径部とを有し、
前記第１と第２挟持部材は、前記スペーサの縮径部を受け入れる凹部と、前記スペーサの前記軸方向端面を支持する支持面とを有する第１と第２受け部を有する、請求項１に記載のリニアモータ装置。
【請求項３】
前記アウターヨークは、前記スペーサの長手方向に分割されたアウターヨークブロックが前記第１と第２挟持部材の周方向に複数配置されて成り、
前記アウターヨークブロックと前記第１と第２挟持部材とを溶着部を介して接合した、請求項１又は請求項２に記載のリニアモータ装置。
【請求項４】
第１アウターヨークブロックを第１挟持部材に、第２アウターヨークブロックを第２挟持部材にそれぞれ超音波溶着により固定する工程と、
前記第１と第２アウターヨークブロックを前記第１と第２挟持部材に固定した状態で、超音波溶着により前記第１と第２挟持部材をスペーサを介して連結する工程と、
前記第１と第２アウターヨークブロックを相互に固定する工程と、
を備えたリニアモータ装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１と第２挟持部材は、前記第１と第２アウターヨークブロック間に間隙を設けた状態で連結される、請求項４に記載のリニアモータ装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のリニアモータ装置を備えたリニア圧縮機。
【請求項７】
ケーシング内に設置されたシリンダと、
前記シリンダ内で往復動するピストンと、
前記シリンダの外周部に設置され、前記ピストンを駆動するリニアモータ装置と、
前記ピストンを付勢するスプリングとを備え、
前記リニアモータ装置は、インナーヨークと、前記インナーヨークの外側に配置されるアウターヨークと、前記インナーヨークと前記アウターヨークとの間に配置されたコイル巻付体および可動マグネット部と、前記アウターヨークを挟持する第１と第２挟持部材と、前記第１と第２挟持部材間を所定間隔で連結するスペーサと、前記スプリングを支持する支持部とを有し、前記第１挟持部材に前記支持部を設け前記第２挟持部材を前記シリンダに取り付けたリニア圧縮機。
【請求項８】
ケーシングに設置されたシリンダと、
前記シリンダ内で往復動するピストンおよびディスプレーサと、
前記シリンダの外周部に設置され、前記ピストンを前記シリンダ内で往復動させるリニアモータ装置と、
ディスプレーサを付勢するスプリングとを備え、
前記リニアモータ装置は、インナーヨークと、前記インナーヨークの外側に配置されるアウターヨークと、前記インナーヨークと前記アウターヨークとの間に配置されたコイル巻付体および可動マグネット部と、前記アウターヨークを挟持する第１と第２挟持部材と、前記第１と第２挟持部材間を所定間隔で連結するスペーサと、前記スプリングを支持する支持部とを有し、前記第１挟持部材に前記支持部を設け前記第２挟持部材を前記シリンダに取り付けた、スターリング機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータ装置およびその製造方法ならびに該リニアモータ装置を有するリニア圧縮機およびスターリング機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、スターリング機関において、ピストンを駆動する駆動手段としてリニアモータ装置が用いられている。該リニアモータ装置の一例が、特開２００２−１３９２６３号公報に開示されている。
【０００３】
上記文献には、シリンダの外周面に設けられる内側ヨークと、内側ヨークを取囲むようにケーシング側に設けられる外側ヨーク組立体と、内側ヨークと外側ヨークとの間隙に配置されピストンに連結される永久磁石とを有し、外側ヨーク組立体が内側ヨークに対して対向配置されるボビン／コイルと、ボビン／コイルをケーシング側および軸線方向側から覆うように設けられる外側ヨークと、外側ヨークを軸線方向から挟み込むように設けられるリング形状の一対の押え部材とを含むリニアモータ装置が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１３９２６３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記文献に記載されたリニアモータ装置は、一対の押え部材間の間隔を定める部材を備えていない。そのため、押え部材が傾くなどして押え部材間の間隔（リニアモータ装置の軸方向寸法）が押え部材の周方向にばらつく可能性がある。このように押え部材間の間隔がばらつくことにより、リニアモータ装置を機器に組込む際に困難となる。また、リニアモータ装置を機器に組込む際にマージンを確保する必要も生じ、機器が大型化してしまうという問題もある。
【０００６】
さらに、上記のようなリニアモータ装置を組込んだスターリング機関やリニア圧縮機においては、次のような問題も生じ得る。
【０００７】
たとえばピストンとディスプレーサとを有するスターリング機関では、ピストンはリニアモータ装置により直接駆動されるためディスプレーサと比較すると配置位置の誤差の影響は小さいが、ディスプレーサの動作を制御するものが通常はスプリングしかないため、ディスプレーサを付勢するスプリングの取付位置に関する精度は重要となる。このディスプレーサを付勢するスプリングの取付位置精度が低下すると、圧縮空間と膨張空間の双方に影響が及び、結果としてスターリング機関の性能のばらつきが大きくなるという問題が生じる。
【０００８】
リニア圧縮機においてもピストンを支持するスプリングをリニアモータ装置における上記の押え部材に取付ける場合がある。この場合には、リニアモータ装置の軸方向寸法のばらつきが、圧縮空間の容積のばらつきの要因となり得る。したがって、リニア圧縮機においても性能のばらつきが大きくなるという問題が生じ得る。
【０００９】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、軸方向寸法のばらつきを低減することが可能となるリニアモータ装置およびその製造方法、ならびに性能のばらつきを低減することが可能となるリニア圧縮機およびスターリング機関を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るリニアモータ装置は、インナーヨーク、アウターヨーク、コイル巻付体および可動マグネット部と、アウターヨークを挟持する第１と第２挟持部材と、第１と第２挟持部材間を所定間隔で連結するスペーサとを備える。可動マグネット部は、シリンダ内で往復動するピストンを駆動する。そして、第１挟持部材にピストンを付勢するスプリングの支持部を設け、第２挟持部材をシリンダに直接もしくは間接的に固定する。
【００１１】
このように第１と第２挟持部材間にスペーサを設けることにより、第１と第２挟持部材間の間隔を定めることができ、第１と第２挟持部材の周方向における第１と第２挟持部材間の間隔のばらつきを低減することができる。
【００１２】
上記スペーサは、好ましくは、両端に軸方向端面と該軸方向端面から突出する縮径部とを有し、第１と第２挟持部材は、好ましくは、スペーサの縮径部を受け入れる凹部と、スペーサの軸方向端面を支持する支持面とを有する第１と第２受け部を有する。そして、第１と第２挟持部材の周方向に配置されるアウターヨークブロックと隣り合う位置にスペーサを配置することが好ましい。
【００１３】
上記アウターヨークは、前記スペーサの長手方向に分割されたアウターヨークブロックが前記第１と第２挟持部材の周方向に複数配置されて成り、アウターヨークブロックと第１と第２挟持部材とを溶着部を介して接合する。ここで「溶着部」とは、本願明細書では、接合対象の少なくとも一方を溶融させて接合した部分のことを称し、たとえば樹脂材と金属材とを溶着した場合には溶着部は主に樹脂で構成される。
【００１４】
本発明に係るリニアモータ装置の製造方法は、次の各工程を備える。アウターヨークブロックを構成する、第１アウターヨークブロックを第１挟持部材に、第２アウターヨークブロックを第２挟持部材にそれぞれ超音波溶着により固定する。第１と第２アウターヨークブロックを第１と第２挟持部材に固定した状態で超音波溶着により第１と第２挟持部材をスペーサを介して連結する。第１と第２アウターヨークブロックを相互に固定する。上記第１と第２挟持部材は、好ましくは、第１と第２アウターヨークブロック間に間隙を設けた状態で連結される。
【００１５】
上記のようにスペーサを介して第１と第２挟持部材を連結することにより、第１と第２挟持部材の周方向における第１と第２挟持部材間の間隔のばらつきを低減することができる。また、超音波溶着を採用することにより、同時に複数箇所の溶着を行なうことができ、挟持部材へのアウターヨークブロックの固定や、第１と第２挟持部材の連結を効率的に行うことができる。
【００１６】
本発明に係るリニア圧縮機は、前記リニアモータ装置を備える。
【００１７】
本発明に係るリニア圧縮機は、ケーシング内に設置されたシリンダと、ピストンと、シリンダの外周部に設置されピストンを駆動するリニアモータ装置と、ピストンを付勢するスプリングとを備える。そして、リニアモータ装置は、インナーヨークと、アウターヨークと、コイル巻付体および可動マグネット部と、アウターヨークを挟持する第１と第２挟持部材と、第１と第２挟持部材間を所定間隔で連結するスペーサと、スプリングを支持する支持部とを有する。そして、第１挟持部材に支持部を設け第２挟持部材をシリンダに取り付けて成る。尚、第２挟持部材のシリンダへの取り付けは、直接取り付けるものに限定されず他の部材を介在させて間接的に取り付けるものを含む。
【００１８】
本発明に係るスターリング機関は、ケーシングに設置されたシリンダと、ピストンおよびディスプレーサと、ピストンを前記シリンダ内で往復動させるリニアモータ装置と、ディスプレーサを付勢するスプリングとを備える。そして、リニアモータ装置は、インナーヨークと、アウターヨークと、コイル巻付体および可動マグネット部と、アウターヨークを挟持する第１と第２挟持部材と、第１と第２挟持部材間を所定間隔で連結するスペーサと、スプリングを支持する支持部とを有する。そして、第１挟持部材に支持部を設け第２挟持部材をシリンダに取り付けて成る。尚、第２挟持部材のシリンダへの取り付けは、直接取り付けるものに限定されず他の部材を介在させて間接的に取り付けるものを含む。
【００１９】
上記のようにリニア圧縮機やスターリング機関に組込まれるリニアモータ装置の第１と第２挟持部材間にスペーサを設けることにより、リニアモータ装置の第１と第２挟持部材間の間隔のばらつき及び第１と第２挟持部材の周方向における該第１と第２挟持部材間の間隔のばらつきを低減することができる。それにより、ピストンやディスプレーサを付勢するスプリングのシリンダに対する設置位置精度を向上（ばらつきを低減）することができ、リニア圧縮機における圧縮空間の容積のばらつき、スターリング機関における圧縮空間や膨張空間の容積のばらつきを低減することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１０を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
本発明の１つの実施の形態におけるリニアモータ装置は、インナーヨークと、該インナーヨークの外側に配置されるアウターヨークと、インナーヨークとアウターヨークとの間に配置されたコイル巻付体および可動マグネット部と、アウターヨークを挟持する第１と第２クランプリング（第１と第２挟持部材）と、第１と第２クランプリング間を所定間隔で連結するスペーサ（支持部材：連結部材）とを備える。
【００２２】
図１に、上記リニアモータ装置１の一例の部分斜視図を示し、図２に、該リニアモータ装置１の断面図を示し、図５に分解斜視図を示す。なお、インナーヨークおよび可動マグネット部の図示を省略している。また、図３，４，６，７，８に、図１のリニアモータ装置１の要部拡大図を示す。
【００２３】
図１に示すように、リニアモータ装置１は、環状の第１と第２クランプリング２，３を有している。第１と第２クランプリング２，３の材料としては、たとえばポリカーボネートやポリブチレンテレフタレートなどの樹脂、あるいはこれらにガラス繊維を混入したものを使用可能である。なお、スターリング機関に使用する場合には、第１と第２クランプリング２，３の材料として耐熱性に優れ吸湿量の少ない材料を使用することが好ましい。
【００２４】
上記の第１と第２クランプリング２，３によりアウターヨーク４が挟持される。第１クランプリング２は、図１〜図３に示すように、たとえばスターリング機関のピストンやディスプレーサと接続されるスプリングを支持する支持部１６を有する。該支持部１６は、図１〜図３の例では、第１クランプリング２の上面に一体的に設けられた凸部で構成されるが、別部材を第１クランプリング２に組付けて支持部１６を設けてもよい。
【００２５】
支持部１６の上面には、図２および図３に示すように、凹部１０ｅが形成される。この凹部１０ｅに支持部材９が取付けられる。支持部材９は、たとえばステンレスなどの金属製であり、長手方向の両端に他の部分よりも径を小さくした縮径部（突起部）９ａ，９ｂと、該縮径部９ａ，９ｂの周囲に環状の軸方向端面とを有する。縮径部９ｂを凹部１０ｅ内に嵌め込み、図３に示すように、溶着部１１を例えば超音波溶着して支持部材９を支持部１６に固着する。なお、縮径部９ａ，９ｂにローレット加工を施すことで、支持部材９の固着強度を向上することができる。
【００２６】
第１と第２クランプリング２，３間にはスペーサ５が設置される。該スペーサ５は、典型的には第１と第２クランプリング２，３の周方向に等間隔で複数設けられ、耐熱性を有する材質からなる棒状部材や管状部材で構成することができる。たとえばステンレスなどの金属製の丸棒部材をスペーサ５として採用可能である。
【００２７】
図５の例では、スペーサ５も、支持部材９と同様に、長手方向の両端に軸方向端面と該軸方向端面から突出する縮径部（突起部）５ａ，５ｂとを有する。縮径部５ａ，５ｂはスペーサ５に切削加工を施すなどして容易に形成することができ、スペーサ５の軸方向端面を平坦な面とすること、及び該軸方向端面間の間隔（軸方向長さ）のばらつきを小さく抑えることが重要である。
【００２８】
第１と第２クランプリング２，３は、図１、図２および図８に示すように、スペーサ５の両端の縮径部５ａ，５ｂを受け入れる凸状の受け部６ａ，６ｂを有する。該受け部６ａ，６ｂは、図２および図８に示すように、スペーサ５の縮径部５ａ，５ｂを受け入れる凹部１０ｃ，１０ｄと、該凹部１０ｃ，１０ｄの周囲にスペーサ５の上記軸方向端面を支持する支持面とを有する。該支持面も、平坦な面とすることが重要である。
【００２９】
上記のようにスペーサ５の軸方向端面を平坦な面とし、該端面間の間隔のばらつきを小さく抑え、また第１と第２クランプリング２，３の受け部６ａ，６ｂにおける支持面をも平坦な面とし、スペーサ５を介して第１と第２クランプリング２，３間を連結することにより、第１と第２クランプリング２，３間の間隔を所定の値にすることができる。
【００３０】
特に、該スペーサ５を、第１と第２クランプリング２，３の周方向に等間隔で複数設置することにより、第１と第２クランプリング２，３間を平行かつ所定間隔で連結することができる。なお、本願発明者が図１の構造を実際に作製したところ、図１に示すリニアモータ装置１の高さＨのばらつき及び高さＨの周方向のばらつきを０．１ｍｍ以下に抑制可能となることを確認することができた。
【００３１】
このように第１と第２クランプリング２，３間の間隔を所定の値にすることができるので、スターリング機関などの機器へのリニアモータ装置１の組込みが容易となり、また機器の大型化をも抑制することができる。
【００３２】
図８に示すように、スペーサ５は、溶着部１５ａ，１５ｂを例えば超音波溶着して第１と第２クランプリング２，３に固着される。このように溶着部を介してスペーサとクランプリングとを接合することにより、接着剤でこれらを接合する場合と比較して接合部の経時的な劣化を抑制でき、かつ耐熱性をも向上することができる。
【００３３】
なお、超音波溶着可能な第１と第２クランプリング２，３の材質としては、ポリカーボネートやポリブチレンテレフタレートなどの樹脂、あるいはこれらにガラス繊維を混入したもの以外に、ノリル、ポリアミド（ＰＡ）、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）などを使用可能である。また、スペーサ５として金属材料などの融点の高い材料を使用する場合には、縮径部５ａ，５ｂにローレット加工を施すことで、縮径部５ａ，５ｂ表面の凹凸に溶融した第１と第２クランプリング２，３の材料を入り込ませることができ、スペーサ５の固着強度を向上することができる。
【００３４】
アウターヨーク４は、スペーサ５の長手方向（リニアモータ装置１の軸方向）に分割された一対のアウターヨークブロックで構成される。図１および図２の例では、第１と第２クランプリング２，３にそれぞれ保持されたアウターヨークブロック４ａ，４ｂでアウターヨーク４が構成される。
【００３５】
アウターヨークブロック４ａ，４ｂは、たとえば複数枚の電磁鋼鈑を積層して作製する。アウターヨークブロック４ａは、図６に示すように、たとえば３箇所の溶接部１３（図６において太実線および点線で示したものが溶接部である。）を有している。アウターヨークブロック４ｂも同様に３箇所の溶接部１３を有している。溶接部１３は、たとえばレーザ溶接により溶接可能であるが、他の手法で溶接してもよい。
【００３６】
図４および図５に示すように、アウターヨークブロック４ａ，４ｂはともに略Ｕ字形状を有しており、凸部１２ａ，１２ｂをそれぞれ有する。第１と第２クランプリング２，３は、図２に示すように、アウターヨークブロック４ａ，４ｂの凸部１２ａ，１２ｂを受け入れる凹部１０ａ，１０ｂを有しており、アウターヨークブロック４ａ，４ｂの凸部１２ａ，１２ｂは、該凹部１０ａ，１０ｂ内に嵌め込まれ、アウターヨークブロック４ａ，４ｂの開口端側が対向した状態で第１と第２クランプリング２，３にそれぞれ保持される。
【００３７】
図７に示すようにアウターヨークブロック４ｂは溶着部１４を介して第２クランプリング３と接合され、アウターヨークブロック４ａも溶着部を介して第１クランプリング２と接合される。該溶着部も、たとえば超音波溶着により形成可能である。また、上記の凸部１２ａ，１２ｂの表面に凹凸を設けることで、アウターヨークブロックとクランプリングとの接合強度を向上することができる。
【００３８】
アウターヨークブロック４ａ，４ｂは、これらの間に間隙を局所的に残しながら互いに接続される。アウターヨークブロック４ａ，４ｂ間の間隙は、０．２ｍｍ以下程度（好ましくは０．１ｍｍ程度）としておく。それにより、リニアモータ装置１の磁気特性の低下を回避することができる。
【００３９】
アウターヨークブロック４ａ，４ｂは、図１および図４に示すように、溶接部７を介して接続される。図１の例では、アウターヨークブロック４ａ，４ｂの両側端近傍に溶接部７を形成している。該溶接部７は、たとえばレーザ溶接により形成可能である。なお、アウターヨークブロック４ａ，４ｂを互いに結合（固定）できるものであれば、レーザ溶接以外の任意の手法を採用することができる。
【００４０】
上記のようにアウターヨークブロック４ａ，４ｂを結合することにより、たとえばリニアモータ装置１に交流電流を通電した際にヨーク内を流れる磁束に起因してアウターヨークブロック４ａ，４ｂがそれぞれ振動し、騒音を発生するなどしてリニアモータ装置１の特性が劣化するのを回避することができる。
【００４１】
アウターヨークブロック４ａ，４ｂで構成されるアウターヨーク４は、図１に示すように、第１と第２クランプリング２，３の周方向に間隔をあけて配置されているが、所定のアウターヨーク４と隣り合う位置に上記のスペーサ５を配置する。
【００４２】
ここで再び図１と図２を参照して、リニアモータ装置１は、コイル巻付体８を有する。コイル巻付体８は、図２に示すように、ボビン８ａと、該ボビン８ａに巻き付けられたコイル８ｂとを有する。図２の例では、コイル巻付体８はアウターヨークブロック４ａ，４ｂで挟持されることでアウターヨーク４に保持されている。
【００４３】
なお、図示していないが、本実施の形態のリニアモータ装置１は、上記のアウターヨーク４の内側に、インナーヨークと、該インナーヨークとアウターヨーク４との間に配置された可動マグネット部を備える。インナーヨークは、たとえば内部にピストンを有するシリンダの外周上に配置され、可動マグネット部は、たとえば円筒状の形状を有し、先端に永久磁石を有する。この永久磁石は、インナーヨークとアウターヨーク４間に配置される。
【００４４】
次に、上記の構造を有するリニアモータ装置１の製造方法について説明する。まず、上記のアウターヨークブロック４ａ，４ｂと第１と第２クランプリング２，３とをそれぞれ作製する。アウターヨークブロック４ａ，４ｂは、電磁鋼鈑の積層材を加工して作製することができ、第１と第２クランプリング２，３は、たとえば射出成形を用いて樹脂により成形可能である。なお、樹脂などの絶縁被膜で覆われた微小鉄粉を金型内で焼成してアウターヨークブロック４ａ，４ｂを作製することも可能である。なお、アウターヨークブロック４ａ，４ｂの凸部１２ａ，１２ｂの表面には、粗面処理を施すなどして凹凸を設けておく。
【００４５】
他方、上記のスペーサ５および支持部材９も別途作製しておく。これらをステンレスで作製する場合には、ステンレス製の丸棒の両端に切削加工を施して縮径部５ａ，５ｂを有するスペーサ５および縮径部９ａ，９ｂを有する支持部材９を作製することができる。上記の縮径部５ａ，５ｂ，９ｂには、ローレット加工を施しておく。また、コイル８ｂをボビン８ａに巻き付けたコイル巻付体８も別途作製しておく。
【００４６】
次に、アウターヨークブロック４ａの凸部１２ａを第１クランプリング２の凹部１０ａに嵌め込み、アウターヨークブロック４ｂの凸部１２ｂを第２クランプリング３の凹部１０ｂに嵌め込んだ状態で、超音波溶着によりアウターヨークブロック４ａと第１クランプリング２およびアウターヨークブロック４ｂと第１クランプリング３とを結合する。このとき、凸部１２ａ，１２ｂの表面に上記のように凹凸を設けることにより、アウターヨークブロック４ａ，４ｂを強固に第１と第２クランプリング２，３に固着することができる。
【００４７】
次に、アウターヨークブロック４ａ，４ｂ間にコイル巻付体８を挟み込み、スペーサ５の縮径部５ａ，５ｂを第１と第２クランプリング２，３の凹部１０ｃ，１０ｄにそれぞれ挿入し、支持部材９の縮径部９ｂを第１クランプリング２の凹部１０ｅに挿入した状態で超音波を印加する。それにより、支持部材９と第１クランプリング２とを超音波溶着するとともに、スペーサ５と、第１および第２クランプリング２，３とを超音波溶着して第１と第２クランプリング２，３間を連結することができる。
【００４８】
この第１と第２クランプリング２，３の連結の際に、アウターヨークブロック４ａ，４ｂ間に０．２ｍｍ程度の隙間を確保しておく。それにより、アウターヨークブロック４ａ，４ｂの形状のばらつきや取付け精度に関係なく、スペーサ５によって第１と第２クランプリング２，３間の間隔を高精度に定めることができる。
【００４９】
次に、アウターヨークブロック４ａ，４ｂ間を接続する。たとえば、レーザ溶接によりアウターヨークブロック４ａ，４ｂを溶着することで、アウターヨークブロック４ａ，４ｂを相互に固定することができる。それにより、リニアモータ装置１に通電した際にアウターヨークブロック４ａ，４ｂが振動して騒音を発するなどの不具合を抑制することができ、リニアモータ装置１の特性劣化を抑制することができる。
【００５０】
その後、上記の第１と第２クランプリング２，３で挟持された構造体の内側にインナーヨークと可動マグネット部とを配置すればよい。本実施の形態におけるリニアモータ装置１を製造することができる。なお、スターリング機関などの機器にリニアモータ装置１を組込む場合には、上記の構造体の内側にインナーヨークと可動マグネット部とを受け入れるように上記の構造体を機器に組み込めばよい。
【００５１】
次に、本発明の１つの実施の形態におけるスターリング機関について、図９を用いて説明する。なお、以下の説明では、本発明をスターリング機関の一例であるスターリング冷凍機に適用した場合について説明するが、スターリング冷凍機以外のスターリング機関にも本発明は適用可能である。
【００５２】
図９に、本実施の形態におけるスターリング冷凍機２０の概略構成を示す。図９に示すように、スターリング冷凍機２０は、ケーシング２１と、該ケーシング２１に設置されたシリンダ２２と、シリンダ２２内で往復動するピストン２３およびディスプレーサ２４と、再生器２５と、圧縮空間（第１作動空間）２６と、膨張空間（第２作動空間）２７と、放熱部（ウォームヘッド）２８と、吸熱部（コールドヘッド）２９と、ピストン駆動手段としての前述のリニアモータ装置１と、ピストン２３を支持し所定の弾性力を付与する、板バネなどのピストンスプリング（第１スプリング）３３と、ディスプレーサ２４を支持し所定の弾性力を付与する、板バネなどのディスプレーサスプリング（第２スプリング）３４と、ディスプレーサロッド３５と、背圧空間３６とを備える。
【００５３】
リニアモータ装置１は、シリンダ２２の外周部に設置され、インナーヨーク３０と、該インナーヨーク３０の外側に配置されるアウターヨーク４と、インナーヨーク３０とアウターヨーク４との間に配置されたコイル巻付体８および可動マグネット部３２と、アウターヨーク４を挟持する第１と第２クランプリング２，３と、第１と第２クランプリング２，３間を所定間隔で連結する上述のスペーサ（図９では図示せず）と、ピストンスプリング３３やディスプレーサスプリング３４を支持する支持部１６とを有する。
【００５４】
インナーヨーク３０は、シリンダ２２の外周を取り囲むように設けられ、該インナーヨーク３０を取り囲むように円筒状の可動マグネット部３２を配置する。可動マグネット部３２は、ピストン２３と接続され、先端に永久磁石３１を有する。該永久磁石３１をインナーヨーク３０とアウターヨーク４との間に配置する。
【００５５】
第１クランプリング２は、ピストンスプリング３３およびディスプレーサスプリング３４を支持する支持部１６を有する。該支持部１６に取付けられた支持部材を介してピストンスプリング３３が支持部１６と接続され、支持部材に取付けられた連結部材を介してディスプレーサスプリング３４がピストンスプリング３３および支持部１６と接続される。上記以外のリニアモータ装置１の構成については、前述の場合と同様である。尚、ピストンスプリング３３を無くしたリニアモータ装置も考えられ、その場合は支持部１６に直接ディスプレーサスプリング３４が接続される。
【００５６】
前述のようにリニアモータ装置１では第１と第２クランプリング２，３間の間隔を高精度に定めることができるので、該リニアモータ装置１の第２クランプリング３を図２に示すビスでシリンダ２２のフランジ面に直接固定（図９の構造ではケーシング２１の一部を介して間接的に固定）してスターリング機関に組込んだ際に、リニアモータ装置１の設置面（シリンダ２２のフランジ面）からの第１クランプリング２の高さ位置を高精度に設定することができる。それにより、スターリング冷凍機２０における圧縮空間２６や膨張空間２７の容積のばらつきを低減することができ、スターリング冷凍機２０の性能のばらつきを低減することができる。
【００５７】
ケーシング２１は、スターリング冷凍機２０の外殻（外壁）を構成する部分であり、シリンダ２２をはじめとする種々の部品が該ケーシング２１内に組付けられる。図９の例では、ケーシング２１は、単一の容器で構成されず、背圧空間３６を規定するとともにリニアモータ装置１を受け入れるベッセル部分と、放熱部２８、再生器２５および吸熱部２９の外壁部分とで主に構成される。該ケーシング２１の内部には、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。
【００５８】
シリンダ２２は、略円筒状の形状を有し、該シリンダ２２内において、ピストン２３とディスプレーサ２４とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン２３およびディスプレーサ２４によってシリンダ２２内の作動空間が圧縮空間２６と膨張空間２７とに区画される。圧縮空間２６は主に放熱部２８によって囲まれ、膨張空間２７は主に吸熱部２９によって囲まれている。
【００５９】
圧縮空間２６と膨張空間２７との間には再生器２５が配設されており、この再生器２５を介してこれら両空間が連通する。それにより、スターリング冷凍機２０内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン２３およびディスプレーサ２４の動作に合わせて流動することにより、逆スターリングサイクルが実現する。
【００６０】
ピストン２３の一端はピストンスプリング３３と接続される。該ピストンスプリング３３とリニアモータ装置１により、シリンダ２２内でピストン２３を所望の振幅で周期的に往復動させることが可能となる。
【００６１】
次に、本実施の形態におけるスターリング冷凍機２０の動作について説明する。
【００６２】
まず、リニアモータ装置１を作動させてピストン２３を駆動する。リニアモータ装置１によって駆動されたピストン２３は、ディスプレーサ２４に接近し、圧縮空間２６内の作動媒体（作動ガス）を圧縮する。
【００６３】
ピストン２３がディスプレーサ２４に接近することにより、圧縮空間２６内の作動媒体の温度は上昇するが、放熱部２８によってこの圧縮空間２６内に発生した熱が外部へと放出される。そのため、圧縮空間２６内の作動媒体の温度はほぼ等温に維持される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルにおける等温圧縮過程に相当する。
【００６４】
ピストン２３がディスプレーサ２４に接近した後にディスプレーサ２４は吸熱部２９側に移動する。ピストン２３によって圧縮空間２６内において圧縮された作動媒体は再生器２５内に流入し、さらに膨張空間２７へと流れ込む。その際、作動媒体の持つ熱が再生器２５に蓄熱される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容冷却過程に相当する。
【００６５】
膨張空間２７内に流入した高圧の作動媒体は、ディスプレーサ２４がピストン２３側へ移動することにより膨張する。これにより、膨張空間２７内の作動媒体の温度は下降するが、吸熱部２９によって外部の熱が膨張空間２７内へと伝熱されるため、膨張空間２７内はほぼ等温に保たれる。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等温膨張過程に相当する。
【００６６】
その後、ディスプレーサ２４がピストン２３から遠ざかる方向に移動し始める。それにより、膨張空間２７内の作動媒体は再生器２５を通過して再び圧縮空間２６側へと戻る。その際、再生器２５に蓄熱されていた熱が作動媒体に与えられるため、作動媒体は昇温する。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容加熱過程に相当する。
【００６７】
この一連の過程（等温圧縮過程−等容冷却過程−等温膨張過程−等容加熱過程）が繰り返されることにより、逆スターリングサイクルが構成される。この結果、吸熱部２９は徐々に低温になり、極低温を有するに至る。
【００６８】
次に、本発明の１つの実施の形態におけるリニア圧縮機について図１０を用いて説明する。
【００６９】
図１０に示すように、リニア圧縮機４０は、ケーシング４１内に設置されたシリンダ４２と、該シリンダ４２内で往復動するピストン４３と、シリンダ４２の外周部に設置されピストン４３を駆動する上述のリニアモータ装置１と、ピストン４２を付勢するピストンスプリング（板バネ）４６と、シリンダを支持する支持機構部とを備える。
【００７０】
リニアモータ装置１は、シリンダ４２の外周部に設置されたインナーヨーク３０と、該インナーヨーク３０の外側に配置されるアウターヨーク４と、インナーヨーク３０とアウターヨーク４との間に配置されたコイル巻付体８および可動マグネット部３２と、アウターヨーク４を挟持する第１と第２クランプリング２，３と、第１と第２クランプリング２，３間を所定間隔で連結する上述のスペーサと、ピストンスプリング４６を支持する支持部１６とを有する。
【００７１】
インナーヨーク３０は、シリンダ４２の外周を取り囲むように設けられ、該インナーヨーク３０を取り囲むように円筒状の可動マグネット部３２を配置する。可動マグネット部３２は、ピストン４３と接続され、先端に永久磁石３１を有する。該永久磁石３１をインナーヨーク３０とアウターヨーク４との間に配置する。
【００７２】
第１クランプリング２は、ピストンスプリング４６を支持する支持部１６を有する。該支持部１６に取付けられた支持部材を介してピストンスプリング４６が支持部１６と接続される。上記以外のリニアモータ装置１の構成については、前述の場合と同様である。
【００７３】
本実施の形態におけるリニア圧縮機４０の場合も、リニアモータ装置１をリニア圧縮機４０に組込んだ際に、リニアモータ装置１の設置面（シリンダ４２のフランジ面）からの第１クランプリング２の高さ位置を高精度に設定することができるので、圧縮空間４４の容積のばらつきを低減することができ、リニア圧縮機４０の性能のばらつきを低減することができる。
【００７４】
シリンダ４２は、ケーシング４１内で支持機構部により支持されるが、該支持機構部は、図１０の例では、ケーシング４１の内部に固定される支持板４９と、該支持板４９上に搭載されシリンダ４２を支持するコイルスプリング４８とで構成される。
【００７５】
また、シリンダ４２の一端側にプレート４７を介してヘッドカバー４５を固定する。該ヘッドカバー４５とピストン４３の頭部との間に冷媒が圧縮される圧縮空間４４が形成される。
【００７６】
次に、上記の構造のリニア圧縮機の動作について説明する。まず、コイル巻付体８のコイルに通電すると、可動マグネット部３２の永久磁石３１との間に推力が発生し、この推力により可動マグネット部３２がシリンダ４２の軸方向に沿って移動する。このとき可動マグネット部３２はピストン４３と接続されているので、可動マグネット部３２とともにピストン４３も、シリンダ４２の軸方向に移動する。
【００７７】
冷媒は、図示しない吸入管からケーシング４１内に導入され、ヘッドカバー４５およびプレート４７内の通路を通過して圧縮空間４４内に入る。この圧縮空間４４内で、冷媒はピストン４３により圧縮され、その後、図示しない吐出管を通って外部に吐出される。
【００７８】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００７９】
【発明の効果】
本発明のリニアモータ装置およびその製造方法によれば、第１と第２挟持部材間の間隔のばらつきを低減することができるので、リニアモータ装置の軸方向寸法のばらつきを低減することができる。
【００８０】
また、本発明のリニア圧縮機においては圧縮空間の容積のばらつきを低減することができ、スターリング機関においては圧縮空間や膨張空間の容積のばらつきを低減することができるので、いずれの場合も性能のばらつきを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるリニアモータ装置の斜視図である。
【図２】図１に示すリニアモータ装置の要部断面図である。
【図３】図１に示すリニアモータ装置にける第１クランプリングの部分断面図である。
【図４】図１に示すリニアモータ装置におけるアウターヨークの断面図である。
【図５】図１に示すリニアモータ装置の分解斜視図である。
【図６】図１に示すリニアモータ装置におけるアウターヨークブロックの斜視図である。
【図７】図１に示すリニアモータ装置における第２クランプリングとアウターヨークブロックとの結合部およびその近傍を示す断面図である。
【図８】図１に示すリニアモータ装置における第１および第２クランプリングとスペーサとの結合部およびその近傍を示す断面図である。
【図９】本発明の１つの実施の形態におけるスターリング冷凍機の断面図である。
【図１０】本発明の１つの実施の形態におけるリニア圧縮機の断面図である。
【符号の説明】
１  リニアモータ装置、２  第１クランプリング、３  第２クランプリング、４  アウターヨーク、４ａ，４ｂ  アウターヨークブロック、５  スペーサ、６ａ，６ｂ  受け部、７，１３  溶接部、８  コイル巻付体、８ａ  ボビン、８ｂコイル、９  支持部材、９ａ，９ｂ  縮径部、１０ａ〜１０ｅ  凹部、１１，１４，１５ａ，１５ｂ  溶着部、１２ａ，１２ｂ  凸部、１６  支持部、２０  スターリング冷凍機、２１，４１  ケーシング、２２，４２  シリンダ、２３，４３  ピストン、２４  ディスプレーサ、２５  再生器、２６，４４  圧縮空間、２７  膨張空間、２８  放熱部、２９  吸熱部、３０  インナーヨーク、３１永久磁石、３２  可動マグネット部、３３，４６  ピストンスプリング、３４ディスプレーサスプリング、３５  ディスプレーサロッド、３６  背圧空間、４０  リニア圧縮機、４５  ヘッドカバー、４７  プレート、４８  コイルスプリング、４９  支持板。
【要約】【課題】軸方向寸法のばらつきを低減することが可能となるリニアモータ装置およびその製造方法、ならびに性能のばらつきを低減することが可能となるリニア圧縮機およびスターリング機関を提供する。
【解決手段】リニアモータ装置１は、インナーヨーク、アウターヨーク４、コイル巻付体８および可動マグネット部と、アウターヨーク４を挟持する第１と第２クランプリング２，３と、第１と第２クランプリング２，３間を連結するとともに第１と第２クランプリング２，３間の間隔を調整するスペーサ５とを備える。リニア圧縮機およびスターリング機関は、上記のリニアモータ装置１を備える。
【選択図】        図２【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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