(57)【要約】【課題】  サイドプルを発生させず、しかも、簡単な構成でコストが安い環状コイル式リニアモータを提供すること。【解決手段】  ハウジングに対してスライド可能に設けられた軸４１と、この軸に固定された円筒部材４２と、円筒部材の外周面に対してエアギャップを介して外側から対向してハウジングに固定された電機子４３とを備える。円筒部材４２は、軸方向の両端に環状磁歯４２ａ、４２ｂを備え、電機子４３は、環状コイル４４と、これを挟持する一対の電機子ヨーク４５ａ、４５ｂと、その外周を覆う円筒状ヨーク４６とを備える。電機子ヨーク４５ａ、４５ｂの内周側には、それぞれ環状磁歯４２ａ、４２ｂに対向し得るＮ、Ｓ極一対の永久磁石４７ａ、４７ｂが設けられている。環状コイル４４に交流を流すと、円筒部材４２と軸４１とが左右に往復動する。【選択図】  図１
2006034057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体から成る一対の電機子ヨークで環状コイルを保持して構成される電機子と、
該電機子に対してラジアル方向のエアギャップを介して対向する磁性構造体を有し、該電機子に対して軸線方向に沿って相対的に直線移動可能な円筒部材と、
前記電機子及び円筒部材の一方を支持する軸と、
該軸を支持すると共に、前記電機子及び円筒部材の他方が同心状に固定された円筒状のハウジングとを備え、
前記一対の電機子ヨークのそれぞれには、前記円筒部材の磁性体構造に対向する面に、凸状に形成された環状磁歯又は軸方向にＮ極、Ｓ極に交互に着磁された一対の環状磁石が設けられ、
前記環状コイルへの通電により前記電機子と前記円筒部材に形成された磁性体構造との間に作用する磁気力により、前記電機子及び円筒部材の一方を前記軸に沿って前記ハウジングに対して相対的に直線移動させ、あるいは、前記電機子及び円筒部材の一方と前記軸とを一体にして前記ハウジングに対して相対的に反復移動させることを特徴とする環状コイル式単相リニアモータ。
【請求項２】
前記電機子ヨークは、それぞれ単一の環状磁歯を備え、前記円筒部材の磁性体構造は、一方の前記環状磁歯に対向し得るＮ、Ｓ極一対の環状の永久磁石と、他方の前記環状磁歯に対向し得るＮ、Ｓ極一対の環状の永久磁石とを備え、これらの永久磁石は、一方の前記環状磁歯が前記永久磁石のＮ極に対向する際に、他方の環状磁歯が前記永久磁石のＳ極に対向するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の環状コイル式単相リニアモータ。
【請求項３】
前記円筒部材の磁性構造体は、一対の環状磁歯を備え、前記電機子ヨークの一方には、一方の前記環状磁歯に対向し得るＮ、Ｓ極一対の環状の永久磁石が備えられ、前記電機子ヨークの他方には、他方の前記環状磁歯に対向し得るＮ、Ｓ極一対の環状の永久磁石が備えられ、これらの永久磁石は、一方の前記環状磁歯が前記永久磁石のＮ極に対向する際に、他方の環状磁歯が前記永久磁石のＳ極に対向するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の環状コイル式単相リニアモータ。
【請求項４】
前記電機子ヨークは、それぞれ単一の環状磁歯を備え、前記円筒部材の磁性構造体は、軸線方向に沿ってＮ、Ｓ極に磁化された永久磁石と、該永久磁石を軸線方向の両側から挟む一対の磁極とから成る単位移動子を一対備え、これらの永久磁石は、磁極の方向が互いに反対方向となるように配置され、一方の前記環状磁歯が前記永久磁石のＮ極に接する磁極に対向する際に、他方の環状磁歯が前記永久磁石のＳ極に接する磁極に対向するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の環状コイル式単相リニアモータ。
【請求項５】
前記円筒部材が前記軸に支持されると共に、該円筒部材の外周に前記電機子が前記ハウジングに固定されて配置され、前記軸が前記ハウジングに固定され、前記円筒部材が、前記軸をガイドにして前記ハウジングに対して相対的に直線移動することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の環状コイル式単相リニアモータ。
【請求項６】
前記円筒部材が前記軸に支持されると共に、該円筒部材の外周に前記電機子が前記ハウジングに固定されて配置され、前記軸が前記ハウジングに対して軸線方向に直線移動可能に支持され、前記円筒部材が、前記軸と一体に前記ハウジングに対して相対的に直線移動することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の環状コイル式単相リニアモータ。
【請求項７】
前記電機子が前記軸に支持され、該電機子の外周に、前記円筒部材が前記ハウジングに固定されて配置され、前記軸が前記ハウジングに固定され、前記電機子が、前記軸をガイドにして前記ハウジングに対して相対的に直線移動することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の環状コイル式単相リニアモータ。
【請求項８】
前記電機子が前記軸に支持され、該電機子の外周に、前記円筒部材が前記ハウジングに固定されて配置され、前記軸が前記ハウジングに対して軸線方向に直線移動可能に支持され、前記電機子が、前記軸と一体に前記ハウジングに対して相対的に直線移動することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の環状コイル式単相リニアモータ。
【請求項９】
請求項１に記載の環状コイル式単相リニアモータにおいて、前記軸と前記円筒部材とを一体に直線移動するよう固定し、前記軸の両端に、シリンダ内を軸線方向に沿って移動するピストンを取り付けると共に、前記環状コイルに通電することによりピストンを往復動させることを特徴とするシリンダ式コンプレッサー又はポンプ。
【請求項１０】
ばねが前記ピストンと前記シリンダ又はモータ固定子の内周に配設され、該ばねのばね定数と移動体のイナーシャとを考慮して、入力する交流の周波数を共振周波数に合わせることにより、前記ピストンを共振させることを特徴とする請求項９に記載のシリンダ式コンプレッサー又はポンプ。
【請求項１１】
前記円筒部材は、該円筒部材に設けられた永久磁石の前記電機子に対向しない側に固着された磁性体から成るバックヨークを備えることを特徴とする請求項２に記載の環状コイル式リニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の産業機器に利用可能なリニアモータに関し、特に、電機子に環状コイルを用いた環状コイル式リニアモータに関する。また、本発明は、このようなリニアスモータを利用したシリンダ式コンプレッサー並びにポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の環状式リニアモータとしてのリニアステッピングモータは、例えば特許文献１に開示される。
特許文献１の図４には、多数の固定歯２が形成された直線状のレール１上を車輪３を備える可動体４が直線移動する構成が開示されている。可動体４のコア部８ａ、８ｂは、各々固定歯２に一方向から対向する複数の小歯９を備え、各コア部に巻回されたコイル２８、２９に所定のシーケンスで電流を流すことにより、固定歯２と小歯９との間に作用する電磁力により、可動体４を直線的に移動させることができる。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１９１６１９号公報  図４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されたリニアステッピングモータは、固定子であるレール１と可動体４（移動子）とが片面で対向する形式であるため、移動方向に作用する電磁力の他に、移動方向に対して垂直な方向にもいわゆる「サイドプル」と呼ばれる電磁吸引力（すなわち、レールと可動体とを接近させる方向の電磁力）が作用する。
このため、このような片面対向型のリニアステッピングモータでは、上記の車輪３のような可動体４のガイド機構等のサイドプルを直線移動の妨げとならないように受け止める機構が必要となり、機構が複雑でコストが高いという問題がある。
【０００５】
一方、図１２に示すように、円筒状の固定子１内に棒状の移動子２を配置した環状コイル式リニアステッピングモータも従来から知られている。固定子１は、２組の単位固定子３、４を、埋め込み形の永久磁石５を挟んで軸線方向に並列して構成されている。単位固定子３、４は、軸線回りに環状に巻回されたコイル３ａ、４ａと、コイルを保持する電機子ヨーク３ｂ、４ｂとを備える。各単位固定子には、内周面に軸線方向に沿って凹凸を交互に繰り返すように環状磁歯３ｃ、４ｃが形成され、移動子２には、環状磁歯３ｃ、４ｃに対向し得る環状磁歯２ａが多数形成されている。
【０００６】
図１２の構成では、コイル３ａ、４ａに交互に電流を流すことにより、移動子２を直線的に移動させることができる。移動子２が周方向の全体で固定子に対向するため、サイドプルは発生しない。しかしながら、図１２に示される環状コイル式リニアステッピングモータでは、多相形であるため、構造が複雑になり、コンプレッサー用の駆動源として用いるにはコストもかかるという問題がある。
【０００７】
ところで、自動車のエアコンディショナー用のコンプレッサーとしては、従来から図１３に示すような構成が知られている。
図１３のコンプレッサーは、電磁クラッチを介して伝達される自動車のエンジンの駆動力によりピストンを往復動させるものである。電磁クラッチは、エンジンの駆動力で回転する駆動側ホイール１０、励磁コイル１１への通電により駆動側ホイール１０に圧接されて駆動力を伝達する従動側ホイール１２を備えている。従動側ホイール１２が回転すると、従動側ホイール１２の回転軸に傾いて固定された円盤１３が回転する。円盤１３には、円周方向に溝が形成され、この溝に複数の剛球１４が嵌合している。剛球１４には、それぞれシリンダ１５内を往復動可能なピストン１６が取り付けられている。
円盤１３が回転すると、剛球１４が溝に沿って円盤１３の変位に追随し、シリンダ１５内でピストン１６を往復動させる。シリンダ１５には、吸気、排気ダクトが設けられており、圧縮された気体が図示せぬエバポレータに供給される。
【０００８】
図１３の構成では、円盤１３の傾き角度を任意に設定することにより、圧縮比を変化させることができるが、角度は製品毎に製造時に設定され、使用中に変更することはできない。また、複雑なワブル動作を伴うため、機構にかかるストレスが大きく、寿命が比較的短いという問題がある。コンプレッサーの駆動源をリニアモータとし、単一のシリンダ内で往復動するピストンを単一のリニアステッピングモータで駆動する構成とすれば、使用中でも圧縮比を簡単に変更でき、かつ、機構にかかるストレスを小さくすることができる。ただし、単にコンプレッサーのピストンにリニアステッピングモータを接続するのみでは、シリンダのスペースとリニアステッピングモータのスペースとが別に必要になり、かつ、リニアステッピングモータ内に可動部をガイドする機構が必要となり、装置をコンパクトにすることができない。
【０００９】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、サイドプルを発生させず、しかも、簡単な構成でコストが安い環状コイル式単相リニアモータを提供することを目的とする。
また、本発明は、前記の目的を達成する環状コイル式単相リニアモータを利用し、コンパクトなシリンダ式コンプレッサー及びポンプ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】
【００１０】
本発明にかかる環状コイル式リニア単相モータは、磁性体から成る一対の電機子ヨークで１個の環状コイルを保持して構成される電機子と、電機子に対してラジアル方向のエアギャップを介して対向する磁性構造体を有し、該電機子に対して軸線方向に沿って相対的に直線移動可能な円筒部材と、電機子及び円筒部材の一方を支持する軸と、軸を支持すると共に、電機子及び円筒部材の他方が同心状に固定された円筒状のハウジングとを備え、一対の電機子ヨークのそれぞれには、円筒部材の磁性体構造に対向する面に、軸方向にＮ極、Ｓ極に交互に着磁された一対の環状磁石が設けられ、環状コイルへの通電により電機子と円筒部材に形成された磁性体構造との間に作用する磁気力により、電機子及び円筒部材の一方を軸に沿ってハウジングに対して相対的に直線移動させ、あるいは、電機子及び円筒部材の一方と軸とを一体にしてハウジングに対して相対的に反復移動させることを特徴とする。
【００１１】
本発明の環状コイル式単相リニアモータは、電機ヨーク及び円筒部材の磁気回路を構成する構造に着目すると、以下の三種類に分類できる。
(１) 電機子ヨークは、それぞれ単一の環状磁歯を備え、円筒部材の磁性体構造は、一方の環状磁歯に対向し得るＮ、Ｓ極一対の環状の永久磁石と、他方の環状磁歯に対向し得るＮ、Ｓ極一対の環状の永久磁石とを備え、これらの永久磁石は、一方の環状磁歯が永久磁石のＮ極に対向する際に、他方の環状磁歯が永久磁石のＳ極に対向するよう構成されるタイプ、
(２) 円筒部材の磁性構造体は、一対の環状磁歯を備え、電機子ヨークの一方には、一方の環状磁歯に対向し得るＮ、Ｓ極一対の環状の永久磁石が備えられ、電機子ヨークの他方には、他方の環状磁歯に対向し得るＮ、Ｓ極一対の環状の永久磁石が備えられ、これらの永久磁石は、一方の環状磁歯が永久磁石のＮ極に対向する際に、他方の環状磁歯が永久磁石のＳ極に対向するよう構成されるタイプ、
(３) 電機子ヨークは、それぞれ単一の環状磁歯を備え、円筒部材の磁性構造体は、軸線方向に沿ってＮ、Ｓ極に磁化された永久磁石と、該永久磁石を軸線方向の両側から挟む一対の磁極とから成る単位移動子を一対備え、これらの永久磁石は、磁極の方向が互いに反対方向となるように配置され、一方の環状磁歯が永久磁石のＮ極に接する磁極に対向する際に、他方の環状磁歯が永久磁石のＳ極に接する磁極に対向するよう構成されるタイプである。
【００１２】
上記のいずれのタイプにおいても、どの部材を固定してどの部材を動かすかは次の４通りの形式が考えられる。
(ａ) 円筒部材が軸に支持されると共に、円筒部材の外周にエアギャップを介して電機子がハウジングに固定されて配置され、軸がハウジングに固定され、円筒部材が、軸をガイドにしてハウジングに対して相対的に直線移動する形式、
(ｂ) 円筒部材が軸に支持されると共に、円筒部材の外周にエアギャップを介して電機子がハウジングに固定されて配置され、軸がハウジングに対して軸線方向に直線移動可能に支持され、円筒部材が、軸と一体にハウジングに対して相対的に直線移動する形式、
(ｃ) 電機子が軸に支持され、電機子の外周に、エアギャップを介して円筒部材がハウジングに固定されて配置され、軸がハウジングに固定され、電機子が、軸をガイドにしてハウジングに対して相対的に直線移動する形式、
(ｄ) 電機子が軸に支持され、電機子の外周に、エアギャップを介して円筒部材がハウジングに固定されて配置され、軸がハウジングに対して軸線方向に直線移動可能に支持され、電機子が、軸と一体にハウジングに対して相対的に直線移動する形式である。
【００１３】
これらの形式(ａ)〜(ｄ)は、前記の(１)、(２)、(３)のいずれのタイプに対しても組み合わせが可能である。なお、「相対的に直線移動する」とは、例えば(ａ)の形式であれば、ハウジングが固定されて円筒部材が移動する場合と、円筒部材が固定されてハウジング側が移動する場合とを含む。
【００１４】
本発明のシリンダ式コンプレッサー又はポンプは、上記の環状コイル式リニアモータを用い、軸と円筒部材とを一体に直線移動するよう固定し、軸の両端に、シリンダ内を軸線方向に沿って移動するピストンを取り付けることにより構成することができる。環状コイルに通電することによりピストンを往復動させてシリンダ内の空気又は液体を圧縮して出力することかできる。この場合、ピストンをばねによりシリンダに連結し、ばねのばね定数と移動体のイナーシャとを考慮して、入力する交流の周波数を共振周波数に合わせることにより、前記ピストンを共振させることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の環状コイル式単相リニアモータによれば、多相式より構造を簡略化することができる。また、単相式の環状コイルに交流を流すことにより、移動子となる部分を振動させることができる。コンプレッサー又はポンプの駆動源として用いる場合には、多相形より単相形の方が効率がよく、しかも、コストを削減することができる。
その理由は、多相式の場合は、複数相励磁した時の合成推力が多相式の和の形にならないからである。例えば、２相式では２相励磁では入力が２相の和に対して出力は√２倍となり、効率は√２／２即ち、約７０％となる。このように、単相式では出力の合成ではないので、２相式よりは、高効率となる。
【００１６】
また、本発明のシリンダ式コンプレッサー又はポンプによれば、円筒部材に固定された軸をピストンに接続することにより、コンプレッサーのシリンダを軸受代わりに利用することができ、リニアモータ側にガイド機構が不要になると共に、コンプレッサー全体をコンパクトにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明にかかる環状コイル式単相リニアモータ及びシリンダ式コンプレッサーの実施の形態を以下に示す実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の実施例１にかかる環状コイル式リニアモータの断面図、図２は、図１のモータの正面図である。
実施例１のモータ４０は、図示せぬハウジングに対して軸線方向に直線往復動可能に設けられた軸４１と、この軸４１に固定された円筒部材４２と、この円筒部材４２の外周面に対してエアギャップを介して外側から対向して図示せぬハウジングに固定された電機子４３とを備える。円筒部材４２は、磁性体で形成され、軸方向の両端に環状磁歯４２ａ、４２ｂを備え、全体として糸巻状に形成されている。なお、図１の構成におけるハウジングとしては、後述する図３、図４の場合と同様に構成すればよい。
【００１９】
電機子４３は、単一の単位電機子であり、環状コイル４４と、これを挟持する鍔付き円筒状の一対の電機子ヨーク４５ａ、４５ｂと、環状コイル４４の外周を覆って電機子ヨーク４５ａ、４５ｂに接続された円筒状ヨーク４６とを備える。また、各電機子ヨーク４５ａ、４５ｂの内周側は、環状コイル４４の内側に回り込んで形成され、一方の電機子ヨーク４５ａの内周側には、一方の環状磁歯４２ａに対向し得る、その内周に全体に亘りラジアル方向に磁化されたＮ極と、さらに、軸方向に離れた位置に同様にＳ極が磁化されて、Ｎ、Ｓ極一対の永久磁石４７ａが設けられ、他方の電機子ヨーク４５ｂの内周側には、他方の環状磁歯４２ｂに対向し得るＮ、Ｓ極一対の永久磁石４７ｂが設けられている。これらの永久磁石４７ａ、４７ｂは、一方の環状磁歯が永久磁石のＮ極に対向する際に、他方の環状磁歯が永久磁石のＳ極に対向するよう配置されている。
【００２０】
実施例１のモータ４０の環状コイル４４に電流が所定方向に流れる際には、永久磁石４７ａのＮ極性を強め、Ｓ極性を弱め、永久磁石４７ｂのＳ極性を強め、Ｎ極性を弱める。このため、永久磁石４７ａのＮ極と永久磁石４７ｂのＳ極とに円筒部材４２の環状磁歯４２ａ、４２ｂが引きつけられて対向する。
また、環状コイル４４に電流が逆方向に流れると、永久磁石４７ａのＮ極性を弱め、Ｓ極性を強め、永久磁石４７ｂのＳ極性を弱め、Ｎ極性を強める。このため、永久磁石４７ａのＳ極と永久磁石４７ｂのＮ極とに円筒部材４２の環状磁歯４２ａ、４２ｂが引きつけられて図１に示す状態から右側へ移動する。したがって、環状コイル４４に交流を流すと、円筒部材４２と軸４１とが左右に往復動(振動)する。すなわち、実施例１のモータは、磁気回路的には上記の(２)のタイプであり、構造的には上記の(ｂ)の形式である。
【００２１】
図３及び図４は、実施例１のモータ４０を利用したエアコンディショナー用のシリンダ式コンプレッサーの一つの動作状態を示す断面図である。このコンプレッサーは、実施例１のモータ４０を中央に挟んで、軸方向の両側に、第１シリンダ５１と第２シリンダ５２とが取り付けられている。
【００２２】
この例では、モータ４０の軸４１と円筒部材４２とが一体に直線移動するよう固定されており（すなわち、実施例１と同様の(ｂ)の形式とし)、軸４１の両端に、それぞれ第１、第２シリンダ５１、５２内を移動する第１、第２ピストン５３、５４が取り付けられている。第１、第２シリンダ５１、５２には、それぞれ吸気口５１ａ、５２ａと排気口５１ｂ、５２ｂが設けられている。各吸気口、排気口には、図示せぬバルブが設けられ、気体の流入、流出を制御している。また、各ピストン５３、５４とシリンダとの間には、ばね５５、５６が設けられている。
【００２３】
このように、リニアモータの両側に２台のコンプレッサーを備え、リニアモータの移動部分の軸受の機能を、シリンダ５１、５２内を移動するピストン５３、５４に兼務させている。これにより、リニアモータ側では独自に軸受を設ける必要がなく、モータを含めたコンプレッサー全体をコンパクトに構成することができる。
【００２４】
環状コイル４４に交流電流を流すと、円筒部材４２が図３に示した位置と図４に示した位置との間で往復動し、これと同時に駆動される軸４１によりピストン５３、５４をシリンダ内で往復動させる。
すなわち、図３の状態では、図示の方向に、環状コイル４４に流れる電流が点線で示したコイル磁束を形成し、実線で示した永久磁石の磁束を強める。これにより、永久磁石４７ａのＮ極と永久磁石４７ｂのＳ極に円筒部材４２の環状磁歯４２ａ、４２ｂが引きつけられる。そこで、第１シリンダ５１内の気体は圧縮されて排気口５１ｂから排出され、逆に第２シリンダ５２内には吸気口５２ａから気体が吸い込まれる。この場合、吸気口５１a及び排気口５２ｂは閉じられている。
次に、電流の向きが変わると、図４の状態に移行する。このときは、第１シリンダ５１内には吸気口５１ａから気体が吸い込まれ、第２シリンダ５２内の気体は圧縮されて排気口５２ｂから排出させる。この場合、排気口５１ｂ及び吸気口５２ａは閉ざされている。  なお、図３及び図４では、ピストン５３、５４がシリンダ５１、５２内に配置される場合を示しているが、これに代え、上記ピストンをモータ４０の固定子４６の内周に配置するようにしてもよい。
【００２５】
図３、図４のシリンダ式コンプレッサーにエバポレータ等を取り付けると、エアコンディショナーを構成することができる。すなわち、コンプレッサーにより圧縮した気体をエバポレータで急激に膨張させることにより、気体を冷却し、周りの熱を吸収して周囲を冷却することができる。
なお、図３、図４の構成で気体に代えて液体を用いるようにすれば、本発明の単相リニアモータをポンプの動力源としてとしても使用できる。
【００２６】
また、交流電流を流す際に、ばね５５、５６のばね定数と移動体のイナーシャとを考慮して、入力する交流の周波数をインバータ等により共振周波数に合わせることにより、ピストンを共振させてコンプレッサーの効率を高めることができる。一般に単相モータはコイルによる起磁力ベクトルが１つであるため、多相モータより効率が高い。また、構造が簡単であるため、コストダウンを図ることができる。
【００２７】
図５は、図３、４に示した実施例１の適用例の変形例を示すシリンダ式コンプレッサーの断面図である。この例で使用されているモータ４０Ａは、磁気回路的には実施例１と同様の(２)のタイプであるが、構造的には上記の(ｄ)の形式である。
すなわち、中空の軸４１Ａに電機子４３Ａが固定され、その外周に円筒部材４２Ａが配置されている。軸４１Ａは、シリンダーケース５１Ａに両端で固定され、円筒部材４２Ａは、このシリンダーケース５１Ａ内に軸線方向にスライド可能に配置されたハウジングとなるピストンケース５３Ａの内周壁に固定されている。シリンダーケース５１Ａ及びピストンケース５３Ａは、いずれも円筒の両端に円板状の底壁が形成された円柱状であり、ピストンケース５３Ａの底壁と、この外側に位置するシリンダーケース５１Ａの底壁との間には、軸４１Ａ回りに巻回されたコイルばね５５Ａ、５６Ａが配置されている。
【００２８】
電機子４３Ａは、環状コイル４４Ａとこれを囲む一対の電機子ヨーク４５Ａａ、４５Ａｂとを有し、環状コイル４４Ａに給電するリード線Ｌは、軸４１Ａの内部空間を通して配線されている。各電機子ヨーク４５Ａａ、４５Ａｂには、その外周面にＮ、Ｓ極一対の円筒状の永久磁石４７Ａａ、４７Ａｂが固着されている。円筒部材４２Ａには、軸線方向の両端に、内側に突出する環状磁歯４２Ａａ、４２Ａｂが形成されており、一方の環状磁歯が永久磁石のＮ極に対向する際に、他方の環状磁歯が永久磁石のＳ極に対向するよう構成されている。
【００２９】
また、シリンダーケース５１Ａの両側の底壁には、図３、図４に示したものと同様に吸気口と排気口とが設けられている。各吸気口、排気口には、図示せぬバルブが設けられ、気体の流入、流出を制御している。
【００３０】
上記の構成によれば、リニアモータの両側に２台のコンプレッサーを備えることができる。また、リニアモータの移動部分の軸受の機能を、シリンダーケース５１Ａ内を移動するピストンケース５３Ａに兼務させている。これにより、リニアモータ側では独自に軸受を設ける必要がなく、モータを含めたコンプレッサー全体をコンパクトに構成することができる。
【００３１】
環状コイル４４Ａに交流電流を流すと、円筒部材４２Ａが往復動し、これと一体にピストンケース５３Ａをシリンダーケース５１Ａ内で往復動させる。
すなわち、図５の状態では、環状コイル４４Ａに流れる電流により発生したコイル磁束が、一方の電機子ヨーク４５Ａａに固定された永久磁石４７ＡａのＮ極の磁束と、他方の電機子ヨーク４５Ａｂに固定された永久磁石４７ＡｂのＳ極の磁束を強める。これにより、永久磁石４７ＡａのＮ極と永久磁石４７ＡｂのＳ極に円筒部材４２の環状磁歯４２Ａａ、４２Ａｂが引きつけられ、ピストンケース５３Ａがシリンダーケース５１Ａ内で図中左側に移動する。そこで、シリンダーケース５１Ａの図中左側の空間内の気体は圧縮されて排気口から排出され、逆に図中右側の空間には吸気口から気体が吸い込まれる。
【００３２】
電流の向きが変わると、永久磁石４７ＡａのＳ極と永久磁石４７ＡｂのＮ極に円筒部材４２Ａの環状磁歯４２Ａａ、４２Ａｂが引きつけられ、ピストンケース５３Ａがシリンダーケース５１Ａ内で図中右側に移動する。そこで、シリンダーケース５１Ａの図中右側の空間内の気体は圧縮されて排気口から排出され、逆に図中左側の空間には吸気口から気体が吸い込まれる。
【００３３】
図５のシリンダ式コンプレッサーにエバポレータ等を取り付けると、エアコンディショナーを構成することができる。
交流電流を流す際に、コイルばね５５Ａ、５６Ａのばね定数と移動体のイナーシャとを考慮して、入力する交流の周波数を共振周波数に合わせることにより、ピストンを共振させてコンプレッサーの効率を高めることができる。なお、図５の場合も気体に代え、液体を用いるようにすれば、シリンダ式ポンプとすることができる。
【実施例２】
【００３４】
図６は、本発明の実施例２にかかる環状コイル式リニアモータの断面図、図７は、図６のモータの正面図である。実施例２のモータ６０は、図示せぬハウジングに対して軸線方向に直線往復動可能に設けられた軸６１と、この軸６１に固定された円筒部材６２と、この円筒部材６２の外周面に対してエアギャップを介して外側から対向して図示せぬハウジングに固定された電機子６３とを備える。
【００３５】
電機子６３は、単一の単位電機子であり、環状コイル６４と、これを挟持する鍔付き円筒状の一対の電機子ヨーク６５ａ、６５ｂと、環状コイル６４の外周を覆って電機子ヨーク６５ａ、６５ｂに接続された円筒状ヨーク６６とを備える。
また、各電機子ヨーク６５ａ、６５ｂの内周側は、環状コイル６４の内側に回り込んで形成され、環状コイル６４への通電時に互いに異なる極性に励磁される一対の環状磁歯６５ｃ、６５ｄが形成されている。
【００３６】
円筒部材６２は、磁性体で形成された円筒上に、一方の環状磁歯６５ｃに対向し得るＮ、Ｓ極一対の永久磁石６２ａと、他方の環状磁歯６５ｄに対向し得るＮ、Ｓ極一対の永久磁石６２ｂとが設けられて構成されている。これらの磁歯と磁石との関係は、一方の環状磁歯が永久磁石のＮ極に対向する際に、他方の環状磁歯が永久磁石のＳ極に対向するよう設定されている。すなわち、実施例４のモータは、磁気回路的には上記の(１)のタイプであり、構造的には上記の(ｂ)の形式である。
【００３７】
実施例２のモータ６０の環状コイル６４に電流が所定方向に流れる際には、一方の電機子ヨーク６５ａの環状磁歯６５ｃがＮ極に励磁され、他方の電機子ヨーク６５ｂの環状磁歯６５ｄがＳ極に励磁されるため、永久磁石６２ａのＳ極と永久磁石６２ｂのＮ極が引きつけられて磁歯に対向し、図６に示した中立状態に対して円筒部材６２及び軸６１が左側に移動する。また、環状コイル６４に電流が逆方向に流れると、永久磁石６２ａのＮ極と永久磁石６２ｂのＳ極が引きつけられて磁歯に対向し、図６に示した中立状態に対して円筒部材６２及び軸６１が右側に移動する。したがって、環状コイル６４に交流を流すと、円筒部材６２と軸６１とが左右に往復動（振動）する。
【実施例３】
【００３８】
図８は、本発明の実施例３にかかる環状コイル式リニアモータの断面図、図９は、図８のモータの正面図である。実施例３のモータ７０は、図示せぬハウジングに対して軸線方向に直線往復動可能に支持された軸７１と、この軸７１に固定された円筒部材７２と、この円筒部材７２の外周面に対してエアギャップを介して外側から対向して図示せぬハウジングに固定された電機子７３とを備える。
【００３９】
電機子７３は、単一の単位電機子であり、環状コイル７４と、これを挟持する鍔付き円筒状の一対の電機子ヨーク７５ａ、７５ｂと、環状コイル７４の外周を覆って電機子ヨーク７５ａ、７５ｂに接続された円筒状ヨーク７６とを備える。
また、各電機子ヨーク７５ａ、７５ｂの内周側は、環状コイル７４の内側に回り込んで形成され、環状コイル７４への通電時に互いに異なる極性に励磁される一対の環状磁歯７５ｃ、７５ｄが形成されている。
【００４０】
円筒部材７２は、ＨＢ形の第１、第２の単位移動子７２ａ、７２ｂと、これらの間に配置された磁性体７２ｃとから一体に形成され、軸７１と一体に図示せぬハウジングに対して直線移動可能に構成されている。
第１の単位移動子７２ａは、中心に軸方向に磁化された永久磁石７７を備えると共に、その軸方向の両側を覆って一対の移動子磁極７８ａ、７８ｂを備えている。
他方の単位移動子７２ｂも、同様に構成されている。これらの磁歯と磁石との関係は、一方の環状磁歯が第１の単位移動子７２ａのＮ極に接する磁極に対向する際に、他方の環状磁歯が永久磁石のＳ極に接する磁極に対向するよう設定されている。
すなわち、実施例３のモータは、磁気回路的には上記の(３)のタイプであり、構造的には上記の(ｂ)の形式である。
【００４１】
実施例５のモータ７０の環状コイル７４に電流が所定方向に流れる際には、図１０に破線で示すようにコイル磁束が発生し、一方の電機子ヨーク７５ａの環状磁歯７５ｃがＳ極に励磁され、他方の電機子ヨーク７５ｂの環状磁歯７５ｄがＮ極に励磁されるため、第１の単位移動子７２ａのＮ極に接する磁極と第２の単位移動子７２ｂのＳ極に接する磁極が引きつけられて磁歯に対向し、図８の中立状態に対して円筒部材７２と軸７１とが右側に移動して図１０の位置関係となる。
第１の単位移動子７２ａの永久磁石７７のＮ極から発する磁束は、図１０に実線で示すように、一方の電機子ヨーク７５ａから円筒状ヨーク７６、他方の電機子ヨーク７５ｂを介して第２の単位移動子７２ｂと磁性体７２ｃを通って永久磁石７７のＳ極に戻る閉磁路を形成する。
【００４２】
また、環状コイル７４に電流が逆方向に流れると、図１１に破線で示すようにコイル磁束が発生し、一方の電機子ヨーク７５ａの環状磁歯７５ｃがＮ極に励磁され、他方の電機子ヨーク７５ｂの環状磁歯７５ｄがＳ極に励磁されるため、第１の単位移動子７２ａのＳ極に接する磁極と、第２の単位移動子７２ｂのＮ極が引きつけられて磁歯に対向し、図８の中立状態に対して円筒部材７２と軸７１とが左側に移動する。
第２の単位移動子７２ｂの永久磁石７７のＮ極から発する磁束は、図１１に実線で示すように、一方の電機子ヨーク７５ｂから円筒状ヨーク７６、他方の電機子ヨーク７５ａを介して第１の単位移動子７２ａと磁性体７２ｃを通って永久磁石７７のＳ極に戻る閉磁路を形成する。
【００４３】
したがって、環状コイル７４に交流を流すと、円筒部材７２と軸７１とが往復動（振動）する。実施例５のようにＨＢ形の円筒部材７２を利用すると、実施例４で示したＰＭ形よりも永久磁石の磁束が強く、コイル電流により磁石減磁である電機子反作用の影響を受けにくいという利点がある。
【００４４】
なお、実施例２のモータ６０、あるいは実施例３のモータ７０でも、実施例１のモータと同様に図３に示したシリンダ式コンプレッサー又はポンプの動力源として用いることができる。
その場合には、円筒部材６２（７２）と一体に移動するよう固定された軸６１（７１）の両端にピストンを接続することにより、図３の場合と同様にコンプレッサー又はポンプを駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施例１にかかる環状コイル式リニアステッピングモータの断面図である。
【図２】図１のモータの正面図である。
【図３】図１のモータを利用したシリンダ式コンプレッサーの一つの動作状態を示す断面図である。
【図４】図１のモータを利用したシリンダ式コンプレッサーのもう一つの動作状態を示す断面図である。
【図５】実施例１の適用例の変形例を示すシリンダ式コンプレッサーの断面図である。
【図６】本発明の実施例２にかかる環状コイル式リニアステッピングモータの断面図である。
【図７】図６のモータの正面図である。
【図８】本発明の実施例３にかかる環状コイル式リニアステッピングモータの断面図である。
【図９】図８のモータの正面図である。
【図１０】図８のモータの動作を示す説明図である。
【図１１】図８のモータの動作を示す説明図である。
【図１２】従来の環状コイル式リニアステッピングモータの断面図である。
【図１３】従来の自動車のエアコンディショナー用のコンプレッサーの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
４０、６０、７０：環状コイル式リニアモータ
４１：軸
４２：円筒部材
４２ａ、４２ｂ：磁歯
４３：電機子
４４：環状コイル
４５ａ、４５ｂ：電機子ヨーク
４６：円筒状ヨーク
４７ａ、４７ｂ：永久磁石
【図１】
2006034057.tif 000003
【図２】
2006034057.tif 000004
【図３】
2006034057.tif 000005
【図４】
2006034057.tif 000006
【図５】
2006034057.tif 000007
【図６】
2006034057.tif 000008
【図７】
2006034057.tif 000009
【図８】
2006034057.tif 000010
【図９】
2006034057.tif 000011
【図１０】
2006034057.tif 000012
【図１１】
2006034057.tif 000013
【図１２】
2006034057.tif 000014
【図１３】
2006034057.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成16年7月23日(2004.7.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
磁性体から成る一対の電機子ヨークで環状コイルを保持して構成される電機子と、
該電機子に対してラジアル方向のエアギャップを介して対向する磁性構造体を有し、該電機子に対して軸線方向に沿って相対的に直線移動可能な円筒部材と、
前記電機子及び円筒部材の一方を支持する軸と、
該軸を支持すると共に、前記電機子及び円筒部材の他方が同心状に固定された円筒状のハウジングとを備え、
前記一対の電機子ヨークのそれぞれには、前記円筒部材の磁性体構造に対向する面に、凸状に形成された環状磁歯又は軸方向にＮ極、Ｓ極に交互に着磁された一対の環状磁石が設けられ、
前記環状コイルへの通電により前記電機子と前記円筒部材に形成された磁性体構造との間に作用する磁気力により、前記電機子及び円筒部材の一方を前記軸に沿って前記ハウジングに対して相対的に反復移動させ、あるいは、前記電機子及び円筒部材の一方と前記軸とを一体にして前記ハウジングに対して相対的に反復移動させることを特徴とする環状コイル式単相リニアモータ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１０】
ばねが前記ピストンと前記シリンダ又はモータ固定子間に配設され、該ばねのばね定数と移動体のイナーシャとを考慮して、入力する交流の周波数を共振周波数に合わせることにより、前記ピストンを共振させることを特徴とする請求項９に記載のシリンダ式コンプレッサー又はポンプ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、各種の産業機器に利用可能なリニアモータに関し、特に、電機子に環状コイルを用いた環状コイル式単相リニア（反復）モータに関する。また、本発明は、このようなリニアモータを利用したシリンダ式コンプレッサー並びにポンプに関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明にかかる環状コイル式単相リニアモータは、磁性体から成る一対の電機子ヨークで１個の環状コイルを保持して構成される電機子と、電機子に対してラジアル方向のエアギャップを介して対向する磁性構造体を有し、該電機子に対して軸線方向に沿って相対的に直線移動可能な円筒部材と、電機子及び円筒部材の一方を支持する軸と、軸を支持すると共に、電機子及び円筒部材の他方が同心状に固定された円筒状のハウジングとを備え、一対の電機子ヨークのそれぞれには、円筒部材の磁性体構造に対向する面に、凸状に形成された環状磁歯又は軸方向にＮ極、Ｓ極に交互に着磁された一対の環状磁石が設けられ、環状コイルへの通電により電機子と円筒部材に形成された磁性体構造との間に作用する磁気力により、電機子及び円筒部材の一方を軸に沿ってハウジングに対して相対的に反復移動させ、あるいは、電機子及び円筒部材の一方と軸とを一体にしてハウジングに対して相対的に反復移動させることを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明の環状コイル式単相リニアモータは、電機子ヨーク及び円筒部材の磁気回路を構成する構造に着目すると、以下の三種類に分類できる。
(１) 電機子ヨークは、それぞれ単一の環状磁歯を備え、円筒部材の磁性体構造は、一方の環状磁歯に対向し得るＮ、Ｓ極一対の環状の永久磁石と、他方の環状磁歯に対向し得るＮ、Ｓ極一対の環状の永久磁石とを備え、これらの永久磁石は、一方の環状磁歯が永久磁石のＮ極に対向する際に、他方の環状磁歯が永久磁石のＳ極に対向するよう構成されるタイプ、
(２) 円筒部材の磁性構造体は、一対の環状磁歯を備え、電機子ヨークの一方には、一方の環状磁歯に対向し得るＮ、Ｓ極一対の環状の永久磁石が備えられ、電機子ヨークの他方には、他方の環状磁歯に対向し得るＮ、Ｓ極一対の環状の永久磁石が備えられ、これらの永久磁石は、一方の環状磁歯が永久磁石のＮ極に対向する際に、他方の環状磁歯が永久磁石のＳ極に対向するよう構成されるタイプ、
(３) 電機子ヨークは、それぞれ単一の環状磁歯を備え、円筒部材の磁性構造体は、軸線方向に沿ってＮ、Ｓ極に磁化された永久磁石と、該永久磁石を軸線方向の両側から挟む一対の磁極とから成る単位移動子を一対備え、これらの永久磁石は、磁極の方向が互いに反対方向となるように配置され、一方の環状磁歯が永久磁石のＮ極に接する磁極に対向する際に、他方の環状磁歯が永久磁石のＳ極に接する磁極に対向するよう構成されるタイプである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明のシリンダ式コンプレッサー又はポンプは、上記の環状コイル式リニアモータを用い、軸と円筒部材とを一体に直線移動するよう固定し、軸の両端に、シリンダ内を軸線方向に沿って移動するピストンを取り付けることにより構成することができる。環状コイルに通電することによりピストンを往復動させてシリンダ内の空気又は液体を圧縮して出力することができる。この場合、ピストンをばねによりシリンダに連結し、ばねのばね定数と移動体のイナーシャとを考慮して、入力する交流の周波数を共振周波数に合わせることにより、前記ピストンを共振させることが望ましい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明の環状コイル式単相リニアモータによれば、多相式より構造を簡略化することができる。また、単相式の環状コイルに交流を流すことにより、移動子となる部分を振動させることができる。コンプレッサー又はポンプの駆動源として用いる場合には、多相式より単相式の方が効率がよく、しかも、コストを削減することができる。
その理由は、多相式の場合は、複数相励磁した時の合成推力は各相の和の推力にならないからである。例えば、２相式では２相励磁では入力が２相の和に対して出力は√２倍となり、効率は√２／２即ち、約７０％となる。このように、単相式では出力の合成ではないので、２相式よりは、高効率となる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また、本発明のシリンダ式コンプレッサーによれば、円筒部材に固定された軸をピストンに接続することにより、コンプレッサーのシリンダを軸受代わりに利用することができ、リニアモータ側にガイド機構が不要になると共に、コンプレッサー全体をコンパクトにすることができる。また、同様な構成で、ポンプにも利用することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
以下、本発明にかかる環状コイル式単相リニアモータ及びシリンダ式コンプレッサー並びにポンプの実施の形態を以下に示す実施例に基づいて説明する。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
環状コイル４４に交流電流を流すと、円筒部材４２が図３に示した位置と図４に示した位置との間で往復動し、これと同時に駆動される軸４１によりピストン５３、５４をシリンダ内で往復動させる。
すなわち、図３の状態では、図示の方向に、環状コイル４４に流れる電流が点線で示したコイル磁束を形成し、実線で示した永久磁石の磁束を強める。これにより、永久磁石４７ａのＮ極と永久磁石４７ｂのＳ極に円筒部材４２の環状磁歯４２ａ、４２ｂが引きつけられる。そこで、第１シリンダ５１内の気体は圧縮されて排気口５１ｂから排出され、逆に第２シリンダ５２内には吸気口５２ａから気体が吸い込まれる。この場合、吸気口５１a及び排気口５２ｂは閉じられている。
次に、電流の向きが変わると、図４の状態に移行する。このときは、第１シリンダ５１内には吸気口５１ａから気体が吸い込まれ、第２シリンダ５２内の気体は圧縮されて排気口５２ｂから排出させる。この場合、排気口５１ｂ及び吸気口５２ａは閉ざされている。  なお、図３及び図４では、ばね５５、５６がピストン５３、５４及びシリンダ５１、５２間に配置される場合を示しているが、これに代え、モータ４０の固定子部分間に配置するようにしてもよい。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
図５は、図３、図４に示した実施例１の適用例の変形例を示すシリンダ式コンプレッサーの断面図である。この例で使用されているモータ４０Ａは、磁気回路的には実施例１と同様の(２)のタイプであるが、構造的には上記の(ｄ)の形式である。
すなわち、中空の軸４１Ａに電機子４３Ａが固定され、その外周に円筒部材４２Ａが配置されている。軸４１Ａは、シリンダーケース５１Ａに両端で固定され、円筒部材４２Ａは、このシリンダーケース５１Ａ内に軸線方向にスライド可能に配置されたハウジングとなるピストンケース５３Ａの内周壁に固定されている。シリンダーケース５１Ａ及びピストンケース５３Ａは、いずれも円筒の両端に円板状の底壁が形成された円柱状であり、ピストンケース５３Ａの底壁と、この外側に位置するシリンダーケース５１Ａの底壁との間には、軸４１Ａ回りに巻回されたコイルばね５５Ａ、５６Ａが配置されている。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
【図１】本発明の実施例１にかかる環状コイル式リニアモータの断面図である。
【図２】図１のモータの正面図である。
【図３】図１のモータを利用したシリンダ式コンプレッサーの一つの動作状態を示す断面図である。
【図４】図１のモータを利用したシリンダ式コンプレッサーのもう一つの動作状態を示す断面図である。
【図５】実施例１の適用例の変形例を示すシリンダ式コンプレッサーの断面図である。
【図６】本発明の実施例２にかかる環状コイル式リニアモータの断面図である。
【図７】図６のモータの正面図である。
【図８】本発明の実施例３にかかる環状コイル式リニアモータの断面図である。
【図９】図８のモータの正面図である。
【図１０】図８のモータの動作を示す説明図である。
【図１１】図８のモータの動作を示す説明図である。
【図１２】従来の環状コイル式リニアステッピングモータの断面図である。
【図１３】従来の自動車のエアコンディショナー用のコンプレッサーの概略構成を示す説明図である。