(57)【要約】【課題】工数を削減できるとともに、部品点数を削減して信頼性の高いフラットスプリング及びそれを用いたスターリング機関を提供する。【解決手段】固定部材３４ａが挿通される固定用挿通部３８を有して外部に固定される周部３５から中心に向かって螺旋状に延びた腕部３６を介して支持される中央部３７が面に垂直な方向に弾性変位するフラットスプリング３０において、周部３５と腕部３６との連結部３６ａ近傍の固定用挿通部３８は、連結部３６ａから腕部３６の延びる方向と鈍角を形成する周方向に沿って複数の貫通孔３８ａ〜３８ｄが並設され、固定部材３４ａを複数の位置で挿通できる。【選択図】図２
2008115918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部材が挿通される固定用挿通部を有して外部に固定される周部から、中心に向かって螺旋状に延びた腕部を介して支持される中央部が面に垂直な方向に弾性変位するフラットスプリングにおいて、前記周部と前記腕部との連結部近傍の前記固定用挿通部は、前記連結部から前記腕部の延びる方向と鈍角を形成する周方向に沿って前記固定部材が複数の位置で挿通できることを特徴とするフラットスプリング。
【請求項２】
前記固定用挿通部は周方向に並設される複数の貫通孔から成ることを特徴とする請求項１に記載のフラットスプリング。
【請求項３】
各前記貫通孔間の間隔を前記連結部から離れるに従って広くしたことを特徴とする請求項２に記載のフラットスプリング。
【請求項４】
前記固定用挿通部が周方向に延びる長孔から成ることを特徴とする請求項１に記載のフラットスプリング。
【請求項５】
前記固定部材を位置決めする複数の位置決め部を前記固定用挿通部に設けたことを特徴とする請求項４に記載のフラットスプリング。
【請求項６】
各前記位置決め部の間隔を前記連結部から離れるに従って広くしたことを特徴とする請求項５に記載のフラットスプリング。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれかに記載のフラットスプリングを複数有するとともに、シリンダ内に並設されるピストン及びディスプレーサに各前記フラットスプリングを接続し、前記ピストン及び前記ディスプレーサが所定の位相差で往復運動することを特徴とするスターリング機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機器に取り付けられる周部に対して中央部が弾性変位するフラットスプリング及びそれを用いたスターリング機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は従来のフラットスプリングを示している。フラットスプリング３０は円板状の弾性材料から成り、周部３５には貫通孔から成る固定用挿通部３３が設けられる。固定用挿通部３３にボルト等の固定部材を挿通して周部３５が機器に固定される。周部３５には中心に向かって延びる複数の腕部３６が連結部３６ａを介して連結される。
【０００３】
フラットスプリング３０の中央部３７は腕部３６により支持され、軸方向に弾性変位する。腕部３６を螺旋状に形成すると、周部３５と腕部３６とを連結する連結部３６ａから弾性変位させる中央部３７までの距離を長くとることができる。これにより、中央部３７の変位量を大きくすることができる。
【０００４】
特許文献１にはフラットスプリングを用いたスターリング冷凍機が開示される。このスターリング冷凍機はシリンダ内にピストン及びディスプレーサが軸方向に並設される。ディスプレーサの一端にはピストンを貫通するディスプレーサ軸が突出する。ピストンには第１のフラットスプリングの中央部３７が取り付けられ、ディスプレーサ軸には第２のフラットスプリングの中央部３７が取り付けられる。第１、第２のフラットスプリングの周部はスターリング冷凍機のハウジングに固定される。
【０００５】
リニアモータによりピストンを往復運動すると、ピストンとディスプレーサとの間の気圧が変動してディスプレーサが移動する。この時、第１、第２のフラットスプリングが弾性変形し、ディスプレーサは慣性力によってピストンに対して所定の位相差で往復運動する。これにより、ディスプレーサ先端に低温部を形成して冷却機関として用いることができる。
【０００６】
フラットスプリングは板厚、材料の物性値、焼き入れや焼き鈍し等の加工条件等のばらつきによってバネ定数がばらつく。このため、所定のバネ定数の範囲を満たすフラットスプリングを選別する必要があり、フラットスプリングの製造工数が大きくなる。
【０００７】
また、上記のスターリング冷凍機のように複数のフラットスプリングが組み合わせて用いられる場合には、所定の共振周波数を得るためにフラットスプリングを選別して組み合わせる必要がある。このため、フラットスプリングを搭載したスターリング冷凍機等のスターリング機関の製造工数が大きくなる。
【０００８】
上記問題を解決するために、特許文献１にはバネ定数を可変するフラットスプリングが開示される。このフラットスプリングは複数の弾性基材を連結して成り、連結位置を可変することによりバネ定数を可変する。これにより、選別を必要とせず、フラットスプリングやスターリング機関の製造工数を削減することができる。
【特許文献１】特開２００３−１４８５３４号公報（第３頁−第５頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に開示されたフラットスプリングによると、部品点数が増加する問題があった。また、締結箇所が多くなるため、緩みの発生率が高くなることによる信頼性低下の問題や、組立工数が以前として大きくなる問題もあった。
【００１０】
本発明は、工数を削減できるとともに、部品点数を削減して信頼性の高いフラットスプリング及びそれを用いたスターリング機関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】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明は、固定部材が挿通される固定用挿通部を有して外部に固定される周部から、中心に向かって螺旋状に延びた腕部を介して支持される中央部が面に垂直な方向に弾性変位するフラットスプリングにおいて、前記周部と前記腕部との連結部近傍の前記固定用挿通部は、前記連結部から前記腕部の延びる方向と鈍角を形成する周方向に沿って前記固定部材が複数の位置で挿通できることを特徴としている。
【００１２】
この構成によると、フラットスプリングは周部に設けた固定用挿通部にボルト等の固定部材を挿通して機器に取付けられる。周部に連結部で連結される腕部は中心線に対して傾斜する方向に螺旋状に中心に向かって延び、中央部を支持する。これにより、中央部が面に垂直な軸方向に弾性変位する。連結部近傍の固定用挿通部は連結部から腕部の延びる方向と鈍角を成す周方向に複数の位置で固定部材を挿通可能になっている。中央部のバネ定数は固定部材が挿通される位置に応じて可変される。尚、フラットスプリングは連結部近傍の固定用挿通部に挿通される固定部材だけでなく、連結部から離れた固定用挿通部に挿通される固定部材よっても取付けられる。また、複数の腕部により中央部を支持してもよい。
【００１３】
また本発明は、上記構成のフラットスプリングにおいて、前記固定用挿通部は周方向に並設される複数の貫通孔から成ることを特徴としている。この構成によると、複数の貫通孔のいずれかに固定部材を挿通してフラットスプリングが取り付けられる。
【００１４】
また本発明は、上記構成のフラットスプリングにおいて、各前記貫通孔間の間隔を前記連結部から離れるに従って広くしたことを特徴としている。この構成によると、３個以上の貫通孔が周方向に並設される。フラットスプリングの共振周波数は、一の貫通孔に固定部材を挿通した場合と隣接する貫通孔に固定部材を挿通した場合との差が、隣接する貫通孔に固定部材を挿通した場合と隣々接の貫通孔に固定部材を挿通した場合との差に略一致する。
【００１５】
また本発明は、上記構成のフラットスプリングにおいて、前記固定用挿通部が周方向に延びる長孔から成ることを特徴としている。この構成によると、長孔の任意の位置に固定部材を挿通してフラットスプリングが取り付けられる。
【００１６】
また本発明は、上記構成のフラットスプリングにおいて、前記固定部材を位置決めする複数の位置決め部を前記固定用挿通部に設けたことを特徴としている。この構成によると、複数の位置決め部のいずれかに位置決めされた固定部材を挿通してフラットスプリングが取り付けられる。
【００１７】
また本発明は、上記構成のフラットスプリングにおいて、各前記位置決め部の間隔を前記連結部から離れるに従って広くしたことを特徴としている。この構成によると、３箇所以上の位置決め部が長孔の周方向に並設される。フラットスプリングの共振周波数は、一の位置決め部で固定部材を位置決めした場合と隣接する位置決め部で固定部材を位置決めした場合との差が、隣接する位置決め部で固定部材を位置決めした場合と隣々接の位置決め部で固定部材を位置決めした場合との差に略一致する。
【００１８】
また本発明は、上記各構成のフラットスプリングを複数有するとともに、シリンダ内に並設されるピストン及びディスプレーサに各前記フラットスプリングを接続し、前記ピストン及び前記ディスプレーサが所定の位相差で往復運動することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、連結部近傍の固定用挿通部は連結部から腕部の延びる方向と鈍角を形成する周方向に沿って固定部材が複数の位置で挿通できるので、固定部材の挿通する位置を可変してフラットスプリングのバネ定数を容易に可変できる。これにより、所定の共振周波数を得るためにフラットスプリングを選別する必要がなく、フラットスプリングの製造工数を削減することができる。また、複数の部材を連結しないため部品点数を削減するとともに、連結箇所を廃して締結の緩みの発生を低減し、信頼性の高いフラットスプリングを得ることができる。
【００２０】
また本発明によると、固定用挿通部が周方向に並設される複数の貫通孔から成るので、固定部材を複数の位置で挿通できる固定用挿通部を容易に実現することができる。
【００２１】
また本発明によると、各貫通孔間の間隔を連結部から離れるに従って広くしたので、隣接する貫通孔間で固定部材を挿通した際のフラットスプリングの共振周波数の差が略一定になる。従って、共振周波数を所定の範囲内に容易に調整することができる。
【００２２】
また本発明によると、固定用挿通部が周方向に延びる長孔から成るので、固定部材を複数の位置で挿通できる固定用挿通部を容易に実現することができる。
【００２３】
また本発明によると、固定部材を位置決めする複数の位置決め部を固定用挿通部に設けたので、隣接する位置決め部間で共振周波数に所定の差を設けることができる。従って、所望の共振周波数を容易に得ることができる。
【００２４】
また本発明によると、各位置決め部の間隔を連結部から離れるに従って広くしたので、隣接する位置決め部間で固定部材を位置決めして取り付けた際のフラットスプリングの共振周波数の差が略一定になる。従って、共振周波数を所定の範囲内に容易に調整することができる。
【００２５】
また本発明のスターリング機関によると、ピストン及びディスプレーサに上記のフラットスプリングをそれぞれ接続したので、所定の共振周波数を得るためにフラットスプリングを選別して組み合わせる必要がなく、スターリング機関の組立工数を削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１実施形態のスターリング機関を示す断面図である。スターリング機関１は冷凍機として用いられる所謂フリーピストンタイプから成り、軸方向に並設されるシリンダ１０、１１を有している。シリンダ１０にはピストン１２が内嵌され、シリンダ１１にはディスプレーサ１３が内嵌される。シリンダ１０、１１内には作動ガスが充填され、ピストン１２及びディスプレーサ１３はシリンダ１０、１１内を往復運動する。作動ガスによるガスベアリングによってピストン１２及びディスプレーサ１３はシリンダ１０、１１の内壁に対して非接触になっている。
【００２７】
ピストン１２の一端にはカップ状のマグネットホルダ１４が固定される。マグネットホルダ２１の開口側の先端にはマグネット２４が取り付けられる。シリンダ１１にはマグネット２４に対峙する外側ヨーク２２及び内側ヨーク２３が保持される。外側ヨーク２２を囲む管体２５、外側ヨーク２２及び内側ヨーク２３は合成樹脂製のエンドブラケット２６、２７により所定位置に保持される。外側ヨーク２２はコイル２１が巻回され、コイル２１に通電することによりマグネット２４と一体のピストン１２が往復運動する。これにより、ピストン１２を駆動するリニアモータ２０が構成される。
【００２８】
ディスプレーサ１３の一端にはディスプレーサ軸１５が突出している。ディスプレーサ軸１５はピストン１２及びマグネットホルダ１４を貫通し、ディスプレーサ１３がピストン１２と独立にスライド可能になっている。ディスプレーサ軸１５にはフラットスプリング３０の中央部が固定され、マグネットホルダ１４にはフラットスプリング３１の中央部が固定される。フラットスプリング３０、３１は詳細を後述するように、周部を固定して中央部が軸方向に弾性変位する。フラットスプリング３０、３１の周部はスペーサ３２を介して所定間隔離れて連結され、エンドブラケット２７に固定される。
【００２９】
これにより、ディスプレーサ１３は慣性力によってピストン１２に対して所定の位相差で往復運動する。その結果、ディスプレーサ１３とピストン１２との間には作動ガスを圧縮する圧縮空間４５が形成され、ディスプレーサ１３の先端には作動ガスを膨張する膨張空間４６が形成される。
【００３０】
シリンダ１１のディスプレーサ１３の動作領域にあたる部分の外側には高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１が配置される。高温側伝熱ヘッド４０はリング状に形成され、低温側伝熱ヘッド４１はキャップ状に形成される。高温側伝熱ヘッド４０及び低温側伝熱ヘッド４１は銅や銅合金等の熱伝導の良い金属から成っている。
【００３１】
高温側伝熱ヘッド４０及び低温側伝熱ヘッド４１の内側にはそれぞれリング状の高温側内部熱交換器４２及び低温側内部熱交換器４３が装着される。高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３はそれぞれ通気性を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を高温側伝熱ヘッド４０及び低温側伝熱ヘッド４１に伝える。高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３は例えば銅や銅合金の薄板をコルゲート加工した後に圧縮して形成される。
【００３２】
高温側伝熱ヘッド４０及び低温側伝熱ヘッド４１は高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３を介してシリンダ１１の外側に支持される。高温側伝熱ヘッド４０にはシリンダ１０及び圧力容器５０が連結される。
【００３３】
圧縮空間４５は高温側伝熱ヘッド４０、シリンダ１０、１１、ピストン１２、ディスプレーサ１３及び高温側内部熱交換器４２で囲まれる空間から成る。膨張空間４６は低温側伝熱ヘッド４１、シリンダ１１、ディスプレーサ１３及び低温側内部熱交換器４３で囲まれる空間から成る。
【００３４】
高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３との間には再生器７０が配置される。再生器７０の外側は再生器チューブ４８により包まれ、高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１の間に気密通路が構成される。再生器チューブ４８は例えばステンレス鋼により形成される。
【００３５】
圧力容器５０はリニアモータ２０、シリンダ１０及びピストン１２を覆う筒状に形成され、内部に背圧空間５１が形成される。圧力容器５０は高温側伝熱ヘッド４０に接合されるリング状部５２と、リング状部５２に接合されるキャップ状部５３とに２分割されている。キャップ状部５３はパイプの内面に鏡板５３ａを溶接して形成される。リング状部５２及びキャップ状部５３はステンレス鋼等により形成される。
【００３６】
リング状部５２の一端はテーパ状に絞り込まれ、高温側伝熱ヘッド４０にロウ付けされる。リング状部５２の他端とキャップ状部５３の開口端との間にはフランジ形状部５４、５５が設けられる。フランジ形状部５４、５５はステンレス鋼から成り、それぞれリング状部５２及びキャップ状部５３に溶接されている。そして、フランジ形状部５４、５５間を溶接して密閉状態の圧力容器５０が得られる。
【００３７】
圧力容器５０にはリニアモータ２０に電力を供給するための端子部２８と、内部に作動ガスを封入するためのパイプ５０ａが設けられる。これらはいずれもキャップ状部５３の外周面から放射方向に突出するように配置される。
【００３８】
圧力容器５０には振動抑制装置６０が取り付けられる。振動抑制装置６０はベース６１、フラットスプリング６２及びバランスウェイト６３を有している。ベース１は圧力容器５０に固定される。フラットスプリング６２は板状に形成され、ベース６１に支持される。バランスウェイト６３はフラットスプリング６２に支持される。ピストン１２及びディスプレーサ１３が往復運動して作動ガスが移動すると、スターリング機関１に振動が生じる。振動抑制装置６０はこの振動を抑制する。
【００３９】
上記構成のスターリング機関１において、リニアモータ２０のコイル２１に交流電流を供給すると、外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間にマグネット２４を貫通する磁界が発生する。これにより、マグネット２４は軸方向に往復する。フラットスプリング３１の共振周波数に一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン１２を含むピストン系は滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。
【００４０】
ここで、フラットスプリング３１の共振周波数は、ピストン系の実効質量と、ピストンバネ定数とによって定まる。ピストンバネ定数は、フラットスプリング３１のバネ定数と、ピストン１２が背圧空間５１と圧縮空間４５を圧縮・膨張させることによる圧縮空間のガスバネ定数と、の合成になっている。ピストン系はピストン１２、マグネットホルダ１４、マグネット２４及びフラットスプリング３１から成る。
【００４１】
また、フラットスプリング３０の共振周波数がピストン１２の駆動周波数に共振するよう設定される。フラットスプリング３０の共振周波数はディスプレーサ系の実効質量と、ディスプレーサバネ定数とによって定まる。ディスプレーサバネ定数は、フラットスプリング３０のバネ定数と、ディスプレーサ１３が圧縮空間４５と膨張空間４６を圧縮・膨張させることによる膨張空間のガスバネ定数と、の合成になっている。ディスプレーサ系はディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５及びフラットスプリング３０から成る。
【００４２】
ピストン１２の往復運動により、圧縮空間４５では圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の変化に伴って、ディスプレーサ１３も往復運動を行う。このとき、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ１３とピストン１２との間には位相差が生じる。これにより、フリーピストン構造のディスプレーサ１３はピストン１２と所定の位相差で同期する。
【００４３】
上記の動作により、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間に逆スターリングサイクルが形成される。圧縮空間４５では作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間４６では作動ガスの温度が低下する。運転中に圧縮空間４５と膨張空間４６の間を行き来する作動ガスは、高温側内部熱交換器４２を通過する際に熱を高温側伝熱ヘッド４０に伝える。また、低温側内部熱交換器４３を通過する際に熱を低温側伝熱ヘッド４１に伝える。
【００４４】
圧縮空間４５から再生器７０へ流れ込む作動ガスは高温であるため高温側伝熱ヘッド４０は加熱され、高温側伝熱ヘッド４０はウォームヘッドとなる。膨張空間４６から再生器７０へ流れ込む作動ガスは低温であるため低温側伝熱ヘッド４１は冷却され、低温側伝熱ヘッド４１はコールドヘッドとなる。高温側伝熱ヘッド４０より熱を大気へ放散し、低温側伝熱ヘッド４１で特定空間の温度を下げる。これにより、スターリング機関１は冷凍機関としての機能を果たす。
【００４５】
再生器７０は、圧縮空間４５と膨張空間４６の熱を相手側の空間には伝えず、作動ガスだけを通す。圧縮空間４５から高温側内部熱交換器４２を経て再生器７０に入った高温の作動ガスは、再生器７０を通過するときにその熱を再生器７０に与える。そして、作動ガスは温度が下がった状態で膨張空間４６に流入する。膨張空間４６から低温側内部熱交換器４３を経て再生器７０に入った低温の作動ガスは、再生器７０を通過するときに再生器７０から熱を回収する。そして、作動ガスは温度が上がった状態で圧縮空間４５に流入する。即ち、再生器７０は蓄熱手段としての役割を果たす。
【００４６】
図２はフラットスプリング３０の平面図を示している。説明の便宜上、前述の図９に示す従来例と同様の部分には同一の符号を付している。また、フラットスプリング３１についてもフラットスプリング３０と同様に構成されている。フラットスプリング３０は円板状の弾性材料から成り、周部３５には４箇所に固定用挿通部３８が設けられる。各固定用挿通部３８はパンチング加工等により形成される複数の貫通孔３８ａ〜３８ｄを有している。各固定用挿通部３８は貫通孔３８ａ〜３８ｄのいずれか一にボルト等の固定部材が挿通される。これにより、周部３５がエンドブラケット２７（図１参照）に締結され、フラットスプリング３０が固定される。
【００４７】
周部３５には螺旋状に中心に向かって延びる複数の腕部３６が連結部３６ａを介して連結される。腕部３６は連結部３６ａから中心線に対して傾斜する方向に延びている。フラットスプリング３０の中央部３７は腕部３６により支持され、軸方向に弾性変位する。中央部３７にはディスプレーサ軸１５を挿通する孔部３７ａが設けられる。腕部３６を螺旋状に形成すると、周部３５と腕部３６とを連結する連結部３６ａから弾性変位させる中央部３７までの距離を長くとることができる。これにより、中央部３７の変位量を大きくすることができる。
【００４８】
図中、左右の固定用挿通部３８は連結部３６ａの近傍に配される。図中、上下の固定用挿通部３８は連結部３６ａから離れた位置に配される。連結部３６ａの近傍の固定用挿通部３８は、腕部３６の略延長上に貫通孔３８ａが設けられる。貫通孔３８ｂ〜３８ｄは貫通孔３８ａから周方向に例えば１２゜の角度差で順に隣接し、連結部３６ａから腕部３６に対して鈍角を形成する方向に並んで配される。
【００４９】
フラットスプリング３０のバネ定数は主に腕部３６のバネ定数により決定される。しかし、腕部３６が周部３５に連結されているため、連結部３６ａから固定部材が挿通される貫通孔３８ａ〜３８ｄまでのバネ定数がフラットスプリング３０全体のバネ定数に影響する。即ち、フラットスプリング３０全体のバネ定数をｋ、腕部３６のバネ定数をｋ１、連結部３６ａから貫通孔３８ａ〜３８ｄのいずれかまでのバネ定数をｋ２とすると、式（１）に示す関係になる。
【００５０】
ｋ＝ｋ１・ｋ２／（ｋ１＋ｋ２）    ・・・（１）
【００５１】
例えば、図３に示すように、貫通孔３８ｄにボルト３４ａ（固定部材）を挿通してナット３４ｂで固定した場合は、フラットスプリング３０のバネ定数ｋが小さくなる。図４に示すように、貫通孔３８ａにボルト３４ａを挿通してナット３４ｂで固定した場合は、フラットスプリング３０のバネ定数ｋが大きくなる。
【００５２】
また、フラットスプリング３０を直径９５ｍｍ、板厚２ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）により形成した場合のバネ定数ｋを有限要素法により構造力学解析した。その結果、貫通孔３８ａ〜３８ｄそれぞれの位置で固定した場合のバネ定数ｋは、８５２０Ｎ／ｍ、８３００Ｎ／ｍ、８１１０Ｎ／ｍ、７９７０Ｎ／ｍとなる。
【００５３】
この時、ディスプレーサ系の質量をｍ１とし、フラットスプリング３０の実効質量をｍ２とすると、ディスプレーサ系の共振周波数ｆは近似式（２）で示される。ここで、膨張空間のガスバネ定数を無視してフラットスプリング３０のバネ定数ｋのみを考慮している。また、フラットスプリング３０の実効質量ｍ２は、フラットスプリング３０の質量のほぼ１／３とする。
【００５４】
ｆ≒｛ｋ／（ｍ１＋ｍ２）｝1/2／２π    ・・・（２）
【００５５】
ディスプレーサ系の質量ｍ１を３０ｇ、フラットスプリング３０の実効質量ｍ２を１５ｇとすると、貫通孔３８ａ〜３８ｄそれぞれの位置で固定した場合の共振周波数ｆは、６９．２Ｈｚ、６８．４Ｈｚ、６７．６Ｈｚ、６７．０Ｈｚとなる。これにより、ボルト３４ａを挿通する位置を可変して、フラットスプリング３０、３１を所定の共振周波数を容易に可変することができる。
【００５６】
本実施形態によると、連結部３６ａ近傍の固定用挿通部３８は連結部３６ａから腕部３６の延びる方向と鈍角を形成する周方向に沿って固定部材が複数の位置で挿通できるので、固定部材の挿通する位置を可変してフラットスプリング３０、３１のバネ定数を容易に可変できる。これにより、所定の共振周波数を得るためにフラットスプリング３０、３１を選別する必要がなく、フラットスプリング３０、３１の製造工数を削減することができる。また、従来例のように複数の部材を連結しないため部品点数を削減するとともに、連結箇所を廃して締結の緩みの発生を低減し、信頼性の高いフラットスプリング３０、３１を得ることができる。
【００５７】
また、ディスプレーサ１３及びピストン１２にフラットスプリング３０、３１をそれぞれ接続したので、所定の共振周波数の組み合わせを得るためにフラットスプリング３０、３１を選別して組み合わせる必要がなく、スターリング機関１の組立工数を削減することができる。
【００５８】
次に図５は第２実施形態のフラットスプリングを示している。説明の便宜上、前述の図２に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は固定用挿通部３８の貫通孔３８ａ〜３８ｄの間隔が連結部３６ａから離れるに従って広くなっている。その他の部分は第１実施形態と同一である。
【００５９】
バネ定数ｋ２は弾性体の長さの３乗に反比例するため、連結部３６ａに近いほど変化が大きい。このため、貫通孔３８ａ〜３８ｄの間隔を連結部３６ａから離れるに従って広くすることにより、隣接する貫通孔３８ａ〜３８ｄ間で固定時のバネ定数ｋの差を略一定にすることができる。
【００６０】
例えば、上記と同様にフラットスプリング３０を直径９５ｍｍ、板厚２ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）により形成し、貫通孔３８ａ〜３８ｄの角度差をそれぞれ９．６゜、１０．７゜、１５．７゜にした場合のバネ定数ｋを有限要素法により構造力学解析した。その結果、貫通孔３８ａ〜３８ｄそれぞれの位置で固定した場合のバネ定数ｋは、８５２０Ｎ／ｍ、８３４０Ｎ／ｍ、８１５０Ｎ／ｍ、７９７０Ｎ／ｍとなる。従って、バネ定数ｋの差が略一定になる。
【００６１】
この時、ディスプレーサ系の質量ｍ１を３０ｇ、フラットスプリング３０の実効質量ｍ２を１５ｇとすると、貫通孔３８ａ〜３８ｄそれぞれの位置で固定した場合の共振周波数ｆは、６９．２Ｈｚ、６８．５Ｈｚ、６７．７Ｈｚ、６７．０Ｈｚとなる。従って、共振周波数ｆの差が略一定となる。
【００６２】
前述の図２に示す第１実施形態のように貫通孔３８ａ〜３８ｄを等間隔に設けると、連結部３６ａに近い位置で固定位置を可変すると共振周波数が大きく変化する。また、連結部３６ａから遠い位置で固定位置を可変すると共振周波数の変化が小さくなる。このため、設計値では各貫通孔３８ａ〜３８ｄのいずれかに固定部材を挿通すると共振周波数ｆを所定の許容範囲に調節できるようになっていても、バネ定数ｋのばらつきが生じた場合等に許容範囲に調節できない場合が生じる。
【００６３】
これに対して本実施形態は、両端の貫通孔３８ａと貫通孔３８ｄとの間隔を第１実施形態と同じにした場合、貫通孔３８ａ〜３８ｂ間の共振周波数ｆの変化量を許容範囲に対して余裕を持たせることができる。従って、バネ定数ｋのばらつきが生じても容易に共振周波数ｆを所定の許容範囲に調節することができる。
【００６４】
本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、各貫通孔３８ａ〜３８ｄ間の間隔を連結部か３６ａら離れるに従って広くしたので、隣接する貫通孔３８ａ〜３８ｄ間で固定部材を挿通して取り付けたフラットスプリング３０の共振周波数ｆの差が略一定になる。従って、共振周波数ｆを所定の範囲内に容易に調整することができる。
【００６５】
次に図６は第３実施形態のフラットスプリングを示している。説明の便宜上、前述の図２に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は第１実施形態の貫通孔３８ａ〜３８ｄから成る固定用挿通部３８（図２参照）に替えて、長孔から成る固定用挿通部３９が設けられる。その他の部分は第１実施形態と同一である。
【００６６】
フラットスプリング３０は長孔から成る固定用挿通部３９内でボルト３４ａ（図３参照）を複数の位置に可変して取り付けられる。これにより、フラットスプリング３０のバネ定数ｋを容易に調整することができる。
【００６７】
本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第１実施形態の貫通孔３８ａ〜３８ｄはパンチング加工等により形成されるため、間隔を狭くすると加工が困難になる。これに対して本実施形態は狭い間隔で複数の位置に可変してボルト３４ａを挿通できる。従って、より細かくバネ定数ｋを調節することができる。
【００６８】
次に図７は第４実施形態のフラットスプリングを示している。説明の便宜上、前述の図６に示す第３実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は第３実施形態の固定用挿通部３９にボルト３４ａ（図３参照）等の固定部材を位置決めするための複数の位置決め部３９ａが等間隔で設けられる。その他の部分は第３実施形態と同一である。
【００６９】
位置決め部３９ａは固定用挿通部３９の側壁を狭くして形成され、固定用挿通部３９に挿通するボルト３４ａ（図３参照）等の固定部材を容易に位置決めすることができる。これにより、位置決め部３９ａに固定部材を挿通して固定した際に隣接する位置決め部３９ａ間で共振周波数ｆに所定の差を設けることができる。従って、所望の共振周波数ｆに容易に調節することができる。
【００７０】
次に図８は第５実施形態のフラットスプリングを示している。説明の便宜上、前述の図７に示す第４実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は第４実施形態の位置決め部３９ａが連結部３６ａから離れるに従って間隔が広くなるように設けられる。その他の部分は第４実施形態と同一である。
【００７１】
本実施形態によると、第２実施形態と同様に、隣接する位置決め部３９ａ間で固定部材を位置決めして取り付けたフラットスプリング３０の共振周波数ｆの差が略一定になる。従って、共振周波数ｆを所定の範囲内に容易に調整することができる。
【００７２】
第１〜第５実施形態において、周部３５から延びる２個の腕部３６により中央部３７を支持しているが、１個または３個以上の腕部３６を設けてもよい。また、フラットスプリング３０、３１をスターリング冷凍機に用いているが、スターリングエンジン等の他のスターリング機関に用いてもよい。また、リニアアクチュエータ、リニアモータ等の機械要素にフラットスプリング３０を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明によると、スターリング冷凍機やスターリングエンジン等のスターリング機関に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１実施形態のスターリング機関を示す断面図
【図２】本発明の第１実施形態のスターリング機関のフラットスプリングを示す平面図
【図３】本発明の第１実施形態のスターリング機関のフラットスプリングの取付け状態を示す平面図
【図４】本発明の第１実施形態のスターリング機関のフラットスプリングの取付け状態を示す平面図
【図５】本発明の第２実施形態のフラットスプリングを示す平面図
【図６】本発明の第３実施形態のフラットスプリングを示す平面図
【図７】本発明の第４実施形態のフラットスプリングを示す平面図
【図８】本発明の第５実施形態のフラットスプリングを示す平面図
【図９】従来のフラットスプリングを示す平面図
【符号の説明】
【００７５】
１    スターリング機関
１０、１１  シリンダ
１２    ピストン
１３    ディスプレーサ
１５    ディスプレーサ軸
２０    リニアモータ
３０、３１  フラットスプリング
３３、３８、３９  固定用挿通部
３４ａ  ボルト
３４ｂ  ナット
３５    周部
３６    腕部
３６ａ  連結部
３７    中央部
３８ａ〜３８ｄ  貫通孔
３９ａ  位置決め部
４０    高温側伝熱ヘッド
４１    低温側伝熱ヘッド
４５    圧縮空間
４６    膨脹空間
７０    再生器
【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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