(57)【要約】【課題】  装置の大型化および高コスト化を回避しつつ、精度よく安定的にピストンの位置検出を行なう。【解決手段】  スターリング冷凍機１Ａは、シリンダ２内を往復動するピストン３と、シリンダ２の外側に設けられたインナーヨーク２２ａと、インナーヨーク２２ａの外側に配置されたアウターヨーク２２ｂと、これらヨーク２２ａ，２２ｂの間に配置された可動マグネット部２１と、アウターヨーク２２ｂをケーシングに固定するエンドブラケット２５と、ピストン２と可動マグネット部２１とを連結するマグネットホルダ１９と、マグネットホルダ１９に取付けらたピストン位置検出用マグネット３０と、ピストン位置検出用マグネット３０と対向する部分のエンドブラケット２５に配置され、ピストン位置検出用マグネット３０との距離に応じた信号を出力する磁気センサ４０と、この磁気センサ４０から出力される信号に基づいてピストン３の動作を制御する制御手段とを備える。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体が封入されたケーシング内に設置されたシリンダと、
前記シリンダ内を往復動するピストンと、
前記シリンダの外側に設けられたインナーヨークと、
前記インナーヨークの外側に配置されたアウターヨークと、
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可動マグネット部およびピストン駆動用コイルと、
前記ピストンと前記可動マグネット部とを連結するマグネットホルダと、
前記マグネットホルダに取付けらたピストン位置検出用マグネットと、
前記ピストン位置検出用マグネットの軌道と重複しない位置でかつ前記ピストン位置検出用マグネットと対向する位置に配置され、前記ピストン位置検出用マグネットとの距離に応じた信号を出力する磁気センサと、
前記磁気センサから出力される前記信号に基づいて前記ピストンの動作を制御する制御手段とを備える、リニア圧縮機。
【請求項２】
前記アウターヨークを前記ケーシングに固定するエンドブラケットをさらに備え、
前記エンドブラケットに前記磁気センサが配置されている、請求項１に記載のリニア圧縮機。
【請求項３】
前記ピストンが振動中心位置にある状態にて前記磁気センサから出力される前記信号の絶対値が最大とならないように、前記磁気センサが前記ピストン位置検出用マグネットの振動中心位置に対して前記ピストンの往復動方向と平行な方向にずらして配置されている、請求項１または２に記載のリニア圧縮機。
【請求項４】
前記ピストンが許容可能な最大の振幅で前記シリンダ内を往復動する最大出力運転時において、往復動する前記ピストンの振動中心位置からの変位量が最大となった状態にて前記磁気センサから出力される前記信号の絶対値が最大となるように、前記磁気センサを位置決めして配置するとともに、前記磁気センサから出力される前記信号の絶対値が予め定められた限界値を超えないように、前記制御手段にて前記ピストンの動作を制御することを特徴とする、請求項１または２に記載のリニア圧縮機。
【請求項５】
前記ピストンが許容可能な最大の振幅で前記シリンダ内を往復動する最大出力運転時において、往復動する前記ピストンの振動中心位置からの変位量が最大となった状態にて前記磁気センサから出力される前記信号の絶対値が最大とならないように、前記磁気センサを位置決めして配置するとともに、前記ピストンが前記シリンダ内を往復動する単位周期当たりに前記磁気センサによって出力される前記信号の絶対値の２つの最大値の時間間隔を算出し、この時間間隔に基づいて前記制御手段にて前記ピストンの動作を制御することを特徴とする、請求項１または２に記載のリニア圧縮機。
【請求項６】
前記ピストンの往復動方向において軌道が互いに一部重複しかつＳＮ極性が互いに逆向きとなるように前記ピストン位置検出用マグネットを２つ位置決めして配置するとともに、前記磁気センサから出力される前記信号に基づいて前記制御手段にて前記ピストンの動作を制御することを特徴とする、請求項１または２に記載のリニア圧縮機。
【請求項７】
前記磁気センサを２つ具備し、
前記ピストンが振動中心位置にある状態にて、前記２つの磁気センサのうちの一方の磁気センサの出力信号の絶対値が最大となるように前記一方の磁気センサを配置するとともに、前記ピストンが許容可能な最大の振幅で前記シリンダ内を往復動する最大出力運転時において、往復動する前記ピストンの振動中心位置からの変位量が最大となった状態にて前記２つの磁気センサのうちの他方の磁気センサの出力信号の絶対値が最大となるように前記他方の磁気センサを位置決めして配置し、これら磁気センサから出力される出力信号の比信号を算出し、この比信号に基づいて前記制御手段にて前記ピストンの動作を制御することを特徴とする、請求項１または２に記載のリニア圧縮機。
【請求項８】
作動媒体が封入されたケーシング内に設置されたシリンダと、
前記シリンダ内を往復動するピストンと、
前記シリンダの外側に設けられたインナーヨークと、
前記インナーヨークの外側に配置されたアウターヨークと、
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可動マグネット部およびピストン駆動用コイルと、
前記ピストンと前記可動マグネット部とを連結するマグネットホルダと、
前記マグネットホルダに取付けらたピストン位置検出用マグネットと、
前記ピストン位置検出用マグネットの軌道と重複しない位置でかつ前記ピストン位置検出用マグネットと対向する位置にアレイ状に配置され、前記ピストン位置検出用マグネットとの距離が所定の範囲内にある場合に各々が独立して信号を導出するように構成された複数の磁気センサからなる磁気センサ群と、
前記磁気センサ群の各々の磁気センサから導出される前記信号に基づいて前記ピストンの動作を制御する制御手段とを備える、リニア圧縮機。
【請求項９】
前記アウターヨークを前記ケーシングに固定するエンドブラケットをさらに備え、
前記エンドブラケットに前記磁気センサ群が配置されている、請求項８に記載のリニア圧縮機。
【請求項１０】
前記インナーヨークと前記アウターヨークとの間に、前記ピストン駆動用コイルとは電気的に絶縁された磁気センサ駆動用コイルをさらに備え、
前記磁気センサ駆動用コイル内に生じる誘導起電力を直流電力に変換し、得られた直流電力を前記磁気センサの駆動源として利用することを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載のリニア圧縮機。
【請求項１１】
前記インナーヨークと前記アウターヨークとの間に、前記ピストン駆動用コイルとは電気的に絶縁された増幅回路駆動用コイルをさらに備え、
前記増幅回路駆動用コイル内に生じる誘導起電力を直流電力に変換し、得られた直流電力を前記磁気センサの出力増幅回路の駆動源として利用することを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載のリニア圧縮機。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載のリニア圧縮機を備えた、スターリング冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニア圧縮機およびスターリング冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、リニアモータを組み込んだリニア圧縮機が知られている。リニア圧縮機は、作動ガスが充填されたシリンダ内に嵌装されたピストンをリニアモータによって駆動し、ピストンをシリンダ内にて往復動させることよって作動ガスを膨張・圧縮させるものである。リニア圧縮機を効率よく作動させるためには、時々刻々と変化するピストンの位置を検出し、その検出結果に基づいてピストンの動作を最適化することが重要である。しかしながら、作動ガスが封入されたケーシング内に設置されるシリンダ内を往復動するピストンの位置検出を精度よく行なうことは、装置構成上の観点から非常に困難であるという問題があった。
【０００３】
また、スターリング冷凍機は、作動媒体である冷媒ガスをピストンを用いて圧縮・膨張する圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒ガスをディスプレーサを用いて圧縮・膨張させる膨張機とを組合わせたものである。このスターリング冷凍機においては、多くの場合、圧縮機として上述のリニア圧縮機が利用される。このため、スターリング冷凍機を高効率で作動させるためには、上述のリニア圧縮機と同様に、ピストンの位置検出を行ない、この検出結果に基づいてピストンの動作を最適化することが重要である。
【０００４】
従来のスターリング冷凍機においては、圧縮機と膨張機とが別々に構成されたものが一般的であった。しかしながら、近年においては、ピストンとディスプレーサを同軸上に配置することによりシリンダを共有化したスターリング冷凍機が一般化しつつある。また、ディスプレーサを直接駆動することなく、ピストンの往復動によって生じる冷媒ガスの圧力変化を受けてディスプレーサがピストンと共振するように構成された、いわゆるフリーピストン型のスターリング冷凍機が一般化しつつある。
【０００５】
このフリーピストン型スターリング冷凍機にあっては、ピストンおよびディスプレーサが一のシリンダ内に同軸上に嵌装されるため、ピストンおよびディスプレーサの衝突回避の観点からもピストン位置を検出することが必要である。以下においては、この点についてより詳細に説明する。
【０００６】
フリーピストン型スターリング冷凍機においては、ディスプレーサの往復動が作動ガスの圧力変化によって決定されるため、何らかの原因によって作動ガスのガスバランスが崩れた場合には、ピストンおよびディスプレーサが衝突する危険がある。ピストンおよびディスプレーサが衝突した場合には、内部構成部品が破損することによってスターリング冷凍機が動作しなくなったり、動作したとしても大幅に熱効率が低下したりするおそれがあり、スターリング冷凍機の故障の原因となる。
【０００７】
なお、作動ガスのガスバランスが崩れるおそれのある場合としては、たとえば、スターリング冷凍機の運転開始直後等において、急速冷凍を実現するためにピストンを駆動するリニアモータに過大な入力が与えられた場合や、リニアモータに供給される電源の電圧値に変動が生じた場合、スターリング冷凍機の周囲温度に急激な変化が生じた場合などが挙げられる。また、ピストンおよびディスプレーサが衝突する場合としては、ピストンとディスプレーサとが衝突する場合やディスプレーサがシリンダの閉塞端に衝突する場合などが考えられる。
【０００８】
ピストンおよびディスプレーサの衝突を回避しつつ最大出力運転を可能ならしめるためには、スターリング冷凍機の運転中にピストンの位置を検出することが有効である。ピストンの位置が検出できれば、振幅や周期といったピストンの動作状態を特定することが可能になるため、これら情報に基づいて効率的にピストンの動作を制御することが可能になる。
【０００９】
ピストン位置を検出するピストンの位置検出機構としては、コイル中を磁石が通過するように構成し、コイルに生じる誘導起電力からピストン位置を間接的に検出するものや、レーザー変位計を用いてピストン位置を直接検出するもの、ホール素子等の磁気センサを用いてピストン位置を直接検出するものなどが知られている。
【００１０】
コイルと磁石を用いたピストンの位置検出機構を搭載した装置としては、たとえば特開２００２−２１３８３１号公報（特許文献１）に開示のスターリング冷凍機がある。この特許文献１に開示のスターリング冷凍機は、ピストンを駆動するピストン駆動用コイルの両側であって、ピストンと同期して駆動する環状永久磁石の可動範囲外に配置されたピストン位置検出用コイルに誘起される誘導起電力を常時監視し、誘導起電力が基準値以上となった場合に直ちにリニアモータへの入力電圧を降圧するように構成したものである。
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１に開示のスターリング冷凍機は、直接ピストンの位置を検出するものではなく、作動ガスのガスバランスが崩れたことを間接的に検知するものであるため、応答性の点で問題が残る。すなわち、作動ガスのガスバランスが崩れたことをピストン位置検出用コイルに誘起される誘導起電力によって検知し、直ちにリニアモータへの入力電圧を降圧させたとしても、急激なガスバランスの崩れには対応しきれず、ピストンおよびディスプレーサの衝突を回避することができないおそれがある。また、上記特許文献１に開示のスターリング冷凍機においては、作動ガスのガスバランスが崩れたと判断するための誘導起電力の閾値の設定が困難であり、条件の設定の仕方によっては衝突を回避できなかったり、熱効率が大幅に低下してしまうおそれもある。
【００１２】
レーザー変位計を用いたピストンの位置検出機構を搭載した装置としては、たとえば特開２０００−１４６３３９号公報（特許文献２）に開示のガス圧縮膨張機がある。この特許文献２に開示のガス圧縮膨張機においては、駆動手段によってシリンダ内を往復動するピストンの位置をレーザー変位計にて測定するために、内部に封入された作動ガスを密閉するケーシングの外殻の一部にレーザー光を透過する透明の耐圧ガラスを配置し、この耐圧ガラスを介してレーザー光をピストンに照射するように構成している。このように構成することにより、ピストンの位置を直接監視することが可能になるため、応答性よくピストンの動作状態を検出することが可能になる。
【００１３】
しかしながら、上記特許文献２に開示のガス圧縮膨張機においては、ケーシングの一部を耐圧ガラスで形成する必要があり、ケーシングの構造が複雑化する問題がある。また、ピストンの往復動方向端部に位置する放熱部にレーザー変位計を設置する必要があるため、放熱性能が低下し、熱効率が大幅に低下するおそれもある。
【００１４】
磁気センサを用いたピストンの位置検出機構を搭載した装置としては、たとえば特開２００２−７０７３４号公報（特許文献３）に開示のリニアコンプレッサがある。この特許文献３に開示のリニアコンプレッサは、リニアコンプレッサのピストンシャフトが貫通する磁気遮蔽部をケーシング内部に構成し、磁気遮蔽部内に収容された部分のピストンシャフト表面に永久磁石を取付けるとともに磁気遮蔽部の内壁面に磁気センサを取付けてこの磁気センサによって永久磁石の位置を検知し、ピストンの位置を検出するものである。このように構成することにより、ピストンの位置を直接監視することが可能になるため、応答性よくピストンの動作状態を検出することが可能になる。また、レーザー変位計を位置検出手段として採用する場合よりも装置構成が簡略化される利点もある。
【特許文献１】特開２００２−２１３８３１号公報
【特許文献２】特開２０００−１４６３３９号公報
【特許文献３】特開２００２−７０７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
以上において説明したように、リニア圧縮機やスターリング冷凍機に適用されるピストン位置検出機構としては、応答性および装置構成上の観点から、磁気センサを用いた位置検出機構を採用することが好ましい。
【００１６】
しかしながら、上記特許文献３に開示のリニアコンプレッサにおいては、リニアモータのモータユニット内部に磁気遮蔽部を設ける構成であるため、装置の大型化は免れない。また、磁気遮蔽部を構成するためにはミューメタルやパーマロイといった高透磁率の磁気シールド材を使用する必要があるが、これら磁気シールド材は非常に高価であり、製造コストを圧迫することにもなる。
【００１７】
したがって、本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、装置が大型化することなくかつ安価に製作することが可能であるとともに、精度よく安定的にピストンの位置検出が行えるリニア圧縮機およびスターリング冷凍機を提供することを目的とする。また、ピストンの衝突を回避しつつ最大出力運転が実現可能なリニア圧縮機およびスターリング冷凍機を提供することを目的とする。
【００１８】
また、上記特許文献３においては、磁気センサと永久磁石とをどのように配置し、磁気センサから得られる信号をどのように利用してピストンの位置検出を行なうか、あるいは検出されたピストンの位置情報をどのようにピストンの動作制御に活用するかが具体的に記載されておらず、未だ検討の余地がある。また、通常、リニア圧縮機やスターリング冷凍機の運転中においては、ケーシング内部の温度変化が著しいため、安定して精度よくピストンの位置を検出することが困難となる。したがって、磁気センサを用いたピストンの位置検出機構を採用する場合には、磁気センサの温度依存性を考慮することが必要となる。しかしながら、これらの点についても上記特許文献３には記載されておらず、検討することが必要がある。
【００１９】
したがって、本発明においては、上記検討を行なうことにより、磁気センサを用いたピストンの位置検出機構を備えたリニア圧縮機およびスターリング冷凍機において、磁気センサおよびピストン位置検出用マグネットの配置位置の最適化およびピストンの動作制御の最適化を図ることをあわせて目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の第１の局面に基づくリニア圧縮機は、作動媒体が封入されたケーシング内に設置されたシリンダと、上記シリンダ内を往復動するピストンと、上記シリンダの外側に設けられたインナーヨークと、上記インナーヨークの外側に配置されたアウターヨークと、上記インナーヨークと上記アウターヨークとの間に配置された可動マグネット部およびピストン駆動用コイルと、上記ピストンと上記可動マグネット部とを連結するマグネットホルダと、上記マグネットホルダに取付けらたピストン位置検出用マグネットと、上記ピストン位置検出用マグネットの軌道と重複しない位置でかつ上記ピストン位置検出用マグネットと対向する位置に配置され、上記ピストン位置検出用マグネットとの距離に応じた信号を出力する磁気センサと、上記磁気センサから出力される上記信号に基づいて上記ピストンの動作を制御する制御手段とを備えている。
【００２１】
上記本発明の第１の局面に基づくリニア圧縮機にあっては、上記アウターヨークを上記ケーシングに固定するエンドブラケットをさらに備え、このエンドブラケットに上記磁気センサが配置されていることが好ましい。
【００２２】
上記本発明の第１の局面に基づくリニア圧縮機にあっては、上記ピストンが振動中心位置にある状態にて上記磁気センサから出力される上記信号の絶対値が最大とならないように、上記磁気センサが上記ピストン位置検出用マグネットの振幅中心位置に対して上記ピストンの往復動方向と平行な方向にずらして配置されていることが好ましい。
【００２３】
上記本発明の第１の局面に基づくリニア圧縮機にあっては、上記ピストンが許容可能な最大の振幅で上記シリンダ内を往復動する最大出力運転時において、往復動する上記ピストンの振動中心位置からの変位量が最大となった状態にて上記磁気センサから出力される上記信号の絶対値が最大となるように、上記磁気センサを位置決めして配置するとともに、上記磁気センサから出力される上記信号の絶対値が予め定められた限界値を超えないように、上記制御手段にて上記ピストンの動作を制御するように構成されていることが好ましい。
【００２４】
上記本発明の第１の局面に基づくリニア圧縮機にあっては、上記ピストンが許容可能な最大の振幅で上記シリンダ内を往復動する最大出力運転時において、往復動する上記ピストンの振動中心位置からの変位量が最大となった状態にて上記磁気センサから出力される上記信号の絶対値が最大とならないように、上記磁気センサを位置決めして配置するとともに、上記ピストンが上記シリンダ内を往復動する単位周期当たりに上記磁気センサによって出力される上記信号の絶対値の２つの最大値の時間間隔を算出し、この時間間隔に基づいて上記制御手段にて上記ピストンの動作を制御するように構成されていることが好ましい。
【００２５】
上記本発明の第１の局面に基づくリニア圧縮機にあっては、上記ピストンの往復動方向において軌道が互いに一部重複しかつＳＮ極性が互いに逆向きとなるように上記ピストン位置検出用マグネットを２つ位置決めして配置するとともに、上記磁気センサから出力される上記信号に基づいて上記制御手段にて上記ピストンの動作を制御するように構成されていることが好ましい。
【００２６】
上記本発明の第１の局面に基づくリニア圧縮機にあっては、上記磁気センサを２つ具備し、上記ピストンが振動中心位置にある状態にて、上記２つの磁気センサのうちの一方の磁気センサの出力信号の絶対値が最大となるように上記一方の磁気センサを配置するとともに、上記ピストンが許容可能な最大の振幅で上記シリンダ内を往復動する最大出力運転時において、往復動する上記ピストンの振動中心位置からの変位量が最大となった状態にて上記２つの磁気センサのうちの他方の磁気センサの出力信号の絶対値が最大となるように上記他方の磁気センサを位置決めして配置し、これら磁気センサから出力される出力信号の比信号を算出し、この比信号に基づいて上記制御手段にて上記ピストンの動作を制御するように構成されていることが好ましい。
【００２７】
本発明の第２の局面に基づくリニア圧縮機は、作動媒体が封入されたケーシング内に設置されたシリンダと、上記シリンダ内を往復動するピストンと、上記シリンダの外側に設けられたインナーヨークと、上記インナーヨークの外側に配置されたアウターヨークと、上記インナーヨークと上記アウターヨークとの間に配置された可動マグネット部およびピストン駆動用コイルと、上記ピストンと上記可動マグネット部とを連結するマグネットホルダと、上記マグネットホルダに取付けらたピストン位置検出用マグネットと、上記ピストン位置検出用マグネットの軌道と重複しない位置でかつ上記ピストン位置検出用マグネットと対向する位置にアレイ状に配置され、上記ピストン位置検出用マグネットとの距離が所定の範囲内にある場合に各々が独立して信号を導出するように構成された複数の磁気センサからなる磁気センサ群と、上記磁気センサ群から出力される上記信号に基づいて上記ピストンの動作を制御する制御手段とを備えている。
【００２８】
上記本発明の第２の局面に基づくリニア圧縮機にあっては、上記アウターヨークを上記ケーシングに固定するエンドブラケットをさらに備え、このエンドブラケットに上記磁気センサ群が配置されていることが好ましい。
【００２９】
上記本発明の第１および第２の局面に基づくリニア圧縮機にあっては、上記インナーヨークと上記アウターヨークとの間に、上記ピストン駆動用コイルとは電気的に絶縁された磁気センサ駆動用コイルをさらに備え、この磁気センサ駆動用コイル内に生じる誘導起電力を直流電力に変換し、得られた直流電力を上記磁気センサの駆動源として利用するように構成されていることが好ましい。
【００３０】
上記本発明の第１および第２の局面に基づくリニア圧縮機にあっては、上記インナーヨークと上記アウターヨークとの間に、上記ピストン駆動用コイルとは電気的に絶縁された増幅回路駆動用コイルをさらに備え、この増幅回路駆動用コイル内に生じる誘導起電力を直流電力に変換し、得られた直流電力を上記磁気センサの出力増幅回路の駆動源として利用するように構成されていることが好ましい。
【００３１】
本発明に基づくスターリング冷凍機は、上述のいずれかのリニア圧縮機を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、精度よく安定的にピストンの位置検出が行えるリニア圧縮機およびスターリング冷凍機を装置を大型化することなくかつ安価に製作することが可能になる。また、ピストンの衝突を回避しつつ最大出力運転が実現可能なリニア圧縮機およびスターリング冷凍機とすることが可能になる。
【００３３】
また、本発明によれば、磁気センサを用いたピストン位置検出機構を備えたリニア圧縮機およびスターリング冷凍機において、磁気センサおよびピストン位置検出用マグネットの配置位置の最適化およびピストンの動作制御の最適化が図られるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は、いずれもリニア圧縮機を搭載したスターリング冷凍機に本発明を適用した場合を示すものである。ここで、以下に示す実施の形態におけるスターリング冷凍機は、いずれもフリーピストン型スターリング冷凍機である。
【００３５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の模式断面図である。また、図２は、図１に示す領域ＩＩの拡大断面図である。
【００３６】
（スターリング冷凍機の構成）
まず、図１を参照して本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａの構成について説明する。図１に示すように、スターリング冷凍機１Ａは、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動ガスが作動媒体として内部に充填されたケーシングを有している。ここで言うスターリング冷凍機のケーシングは、作動ガスを内部に密閉するすべての部材を含むものであり、後述する圧縮室や膨張室、背圧室、さらにはこれらを連通する流路からなる作動空間を覆う部材のすべてを言う。すなわち、図１に示すスターリング冷凍機１Ａのケーシングは、ベッセル１０のみならず、後述する放熱部（ウォームヘッド）８や吸熱部（コールドヘッド）９などを含むものである。なお、ケーシングの内部には、作動ガスが充填されたシリンダ２が配置されている。
【００３７】
シリンダ２内には、ピストン３およびディスプレーサ４が同軸上に嵌装されて配置されている。これらピストン３およびディスプレーサ４によってシリンダ２内の作動空間が圧縮室６と膨張室７とに区画されている。圧縮室６は、放熱部８によって覆われている。一方、膨張室７は、吸熱部９によって覆われている。なお、ピストン３から見てディスプレーサ４とは反対側の空間には、ベッセル１０によって囲まれた背圧室１５が位置している。
【００３８】
シリンダ２の外側に位置する背圧室１５には、リニアモータ２０が配置されている。リニアモータ２０は、ピストン３に取付けられたマグネットホルダ１９の先端に位置する可動マグネット部２１と、この可動マグネット部２１を挟み込むように位置するインナーヨーク２２ａおよびアウターヨーク２２ｂと、同じくインナーヨークと２２ａとアウターヨーク２２ｂの間に位置し、交流電源１００に接続されたピストン駆動用コイル２３とから構成される。このピストン駆動用コイル２３に外部の電源から電力が供給されることにより、リニアモータ２０が作動し、シリンダ２内の軸方向にピストン３が駆動することになる。なお、上記可動マグネット部２１は、たとえばマグネットホルダ１９の先端に永久磁石が埋設されることによって構成される。
【００３９】
ピストン３は、板バネ１２を介してエンドブラケット２５に固定されている。ディスプレーサ４は、ピストン３を貫通するディスプレーサロッド１４および板バネ１３を介してエンドブラケット２５に固定されている。ここで、エンドブラケット２５とは、ケーシングにアウターヨーク２２ｂを固定するための支持部材であり、ケーシングの内部の背圧室１５に面した位置に設けられている。
【００４０】
圧縮室６と膨張室７との間には再生器５が配設されており、この再生器５を介してこれら両室が連通することにより、スターリング冷凍機１Ａ内に閉回路が構成されている。この閉回路内に封入された作動ガスが、ピストン３およびディスプレーサ４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。
【００４１】
（スターリング冷凍機の動作）
次に、上記構成のスターリング冷凍機１Ａの動作について説明する。リニアモータ２０のピストン駆動用コイル２３に交流電流を供給すると、内側ヨーク２２ａと外側ヨーク２２ｂとの間に可動マグネット部２１を貫通する磁界が発生し、可動マグネット２１がシリンダ２の軸方向に駆動されて往復動するようになる。
【００４２】
これに伴い、ピストン３もシリンダ２内を軸方向に往復動する。ピストン系（ピストン３、マグネットホルダ１９、可動マグネット部２１および板バネ１２）の総質量と板バネ１２のバネ定数とにより定まる共振周波数に一致する周波数の交流電力をリニアモータ２０に供給することにより、ピストン系は滑らかな正弦波状の往復動を開始する。また、ディスプレーサ系（ディスプレーサ４、ディスプレーサロッド１４および板バネ１３）においては、ディスプレーサ系の総質量と板バネ１３のバネ定数とにより定まる共振周波数をピストン３の駆動周波数に共振するように設定することにより、ピストン系が往復動する力を受けてディスプレーサ系も滑らかに正弦波状の往復動を開始する。
【００４３】
圧縮室６内の作動空間においては、ピストン３の往復動に伴って作動ガスの圧縮・膨張が繰り返される。この圧力変化に伴い、ディスプレーサ４も往復動を開始する。このとき、圧縮室６と膨張室７との間の流動抵抗等により、ピストン３とディスプレーサ４との間には位相差が生じる。以上のようにフリーピストン型スターリング冷凍機においては、定常運転時においてディスプレーサ４がピストン３と所定の位相差と振幅比をもって同期的に振動する。
【００４４】
このようなスターリング冷凍機１Ａの動作により、圧縮室６内と膨張室７内との間において逆スターリングサイクルが実現する。圧縮室６内においては等温圧縮変化に基づいて作動ガスの温度が上昇し、膨張室７内においては等温膨張変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。
【００４５】
運転中において圧縮室６と膨張室７との間を往復動する作動ガスは、内部熱交換器を通過する際に熱を内部熱交換器を通じて放熱部８および吸熱部９に伝熱する。圧縮室６から再生器５に流れ込む作動ガスは高温であるため、放熱部８は加熱される。これに対し、膨張室７から再生器５に流れ込む作動ガスは低温であるため、吸熱部９は冷却される。以上により、特定の空間から吸熱部９を介して熱を奪い、その熱を放熱部８を介して大気に放散することにより、スターリング冷凍機１Ａが冷凍機関として機能することになる。ここで、再生器５は、圧縮室６と膨張室７との間を流動する作動ガスの熱を相互に伝えることなく、作動ガスをそれぞれの空間に移動させる、いわゆる蓄熱装置としての機能を発揮する。
【００４６】
（ピストンの位置検出機構）
次に、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａのピストンの位置検出機構について説明する。図１および図２に示すように、ピストン３と可動マグネット部２１とを連結するマグネットホルダ１９の所定位置には、ピストン位置検出用マグネット３０が配置されている。具体的には、シリンダ２の外側に位置し、シリンダ２の軸方向と平行な方向に延びる部分のマグネットホルダ１９の外周面側にピストン位置検出用マグネット３０が取付けられている。なお、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａにおいては、マグネットホルダ１９の運動を阻害することがないように、ピストン位置検出用マグネット３０がマグネットホルダ１９に埋設されている。このピストン位置検出用マグネット３０としては、たとえば、フェライト系、Ｓｍ−Ｃｏ系、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｓｍ−Ｆ−Ｎ系、アルニコ系等の永久磁石を利用することが可能である。
【００４７】
ケーシング内部に位置するエンドブラケット２５の所定位置には、磁気センサ４０が配置されている。具体的には、ピストン位置検出用マグネット３０の軌道と重複しない位置でかつピストン位置検出用マグネット３０と対向する位置であるエンドブラケット２５の内周面に磁気センサ４０が取付けられいる。なお、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１においては、マグネットホルダ１９の運動が阻害されないように、磁気センサ４０がエンドブラケット２５に埋設されている。この磁気センサ４０は、上述のピストン位置検出用マグネット３０との間の距離を検知するものであり、たとえば磁束密度を検知することによってピストン位置検出用マグネット３０との距離を検出するものである。この磁束密度を検知する磁気センサ４０としては、たとえば、電磁誘導を利用するもの、磁気抵抗効果を利用するもの、ホール効果を利用するもの等が使用可能である。なかでもホール効果を利用するホール素子は小型かつ安価であり、さらには温度依存性が比較的小さいという利点を有しているため、本実施の形態の如くのスターリング冷凍機１Ａに適用するのに非常に好適である。
【００４８】
マグネットホルダ１９は、通常、リニアモータ２０を構成する永久磁石を予め金型に位置決めした状態で配置し、溶融した樹脂材料を金型に流し込むことによって一体成形（インサート成形）される。このとき、ピストン位置検出用マグネット３０も予め金型に位置決めして配置しておくことにより、リニアモータ２０を構成する永久磁石と同様にピストン位置検出用マグネット３０もマグネットホルダ１９内に埋設することが可能になる。なお、本成形方法を採用した場合には、ピストン位置検出用マグネット３０を０．１ｍｍ以下の精度でマグネットホルダ１９に埋設させることが可能である。
【００４９】
同様に、エンドブラケット２５も通常は樹脂成形にて形成される。このため、磁気センサ４０を予め金型に位置決めした状態で配置し、溶融した樹脂材料を金型に流し込むことによってエンドブラケット２５と磁気センサ４０とを一体成形することが可能である。本成形方法を採用した場合には、磁気センサ４０を０．１ｍｍ以下の精度でエンドブラケット２５に埋設させることが可能である。また、磁気センサ４０が成形時の高温に耐えられない場合には、エンドブラケット２５の成形時に磁気センサ４０を取付ける凹部を設けておくことにより、精度よく磁気センサ４０をエンドブラケット２５に取付けることが可能になる。
【００５０】
マグネットホルダ１９に設けられたピストン位置検出用マグネット３０と、エンドブラケット２５に設けられた磁気センサ４０とは、図２に示すように、距離ｄだけ離れたクリアランスをもって対向配置される。このクリアランスは、可能な限り小さいことが検出精度を向上させる観点から望ましく、好ましくは１ｍｍ程度とする。
【００５１】
このように、ピストン位置検出用マグネット３０をマグネットホルダ１９に設け、磁気センサ４０をエンドブラケット２５に設けることにより、磁気センサ４０がリニアモータ２０の磁気回路から漏洩する磁束の影響を受けることが大幅に低減されるようになり、精度よくピストン位置を検出することが可能になる。なお、リニアモータ２０の磁気回路の影響を受け難くするためには、磁気センサ４０を可能な限りリニアモータ２０から遠ざけた位置に配置することが好ましく、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａにおいては、磁気センサ４０をリニアモータ２０の外部に設けている。
【００５２】
（ピストンの動作制御機構）
次に、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａのピストンの動作制御機構について説明する。図３は、本実施の形態におけるスターリング冷凍機の動作制御機構を示すブロック図である。図３に示すように、磁気センサ４０から出力された信号は、信号増幅回路５４によって増幅され、演算回路５５に出力される。演算回路５５においては、入力されたセンサ出力に基づいて各種の演算が行なわれ、その時点におけるピストン３の最適な駆動電圧が算出される。演算回路５５は、算出結果を制御手段としての電源電圧制御回路５６に対して出力する。電源電圧制御回路５６は、演算回路５５からの出力に基づいて交流電源１００の電圧制御を行なう。これにより、リニアモータ２０への電源電圧の入力が最適化される。
【００５３】
本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａにおいては、交流電源１００から供給される交流電力の一部が、交流電力を直流電力に変換する整流回路５１および変換された直流電力の平滑化を行なう平滑回路５２を経て、定電圧回路５３に供給される。定電圧回路５３は、磁気センサ４０、信号増幅回路５４および演算回路５５を作動させるための駆動源であり、これによって磁気センサ４０、信号増幅回路５４および演算回路５５が作動する。
【００５４】
（磁気センサの設置位置および磁気センサによるピストンの位置検出）
本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａにおいては、ピストン３が振動中心位置にある状態（図２に示す状態）にて磁気センサ４０から出力される信号の絶対値が最大とならないように、磁気センサ４０がピストン位置検出用マグネット３０の振動中心位置に対してピストン３の往復動方向と平行な方向にずらして配置されている。より詳細には、ピストン３が許容可能な最大の振幅２Ａｍでシリンダ２内を往復動する最大出力運転時において、往復動するピストン３の振動中心位置からの変位量が最大となった状態にて磁気センサ４０から出力される信号の絶対値が最大となるように、磁気センサ４０が位置決めして配置されている。すなわち、シリンダ２の軸方向と平行な方向における磁気センサ４０とピストン位置検出用マグネット３０との距離が、最大出力運転時におけるピストン３の片振り幅Ａｍと同じになるように、磁気センサ４０が位置決めされて配置されている。
【００５５】
このような位置に磁気センサ４０を設置した場合に得られる磁気センサ４０のピストン３の単位周期当たりの出力グラフを図４に示す。なお、図４においては、縦軸に磁気センサ４０の出力Ｓをとり、横軸に時間ｔをとっている。また、図４は、ピストン３が許容可能な最大の振幅２Ａｍで動作している最大出力運転時を示すものである。
【００５６】
図４に示すように、図２に示す位置に磁気センサ４０を設置した場合には、磁気センサ４０から出力される信号は、ピストン３の振動中心位置からの変位量をＤとすると、１／（Ｄ2＋ｄ2）に比例した関数で表わされる。具体的には、図４に示すように、ピストン３の往復動方向においてピストン３の振動中心位置からみて圧縮室６側を＋側とし、その反対側を−側とした場合に、ピストン３の振動中心位置からの変位量が＋側に最大になる時刻ｔ１において磁気センサ４０の出力Ｓが最大出力Ｓｍａｘとなり、ピストン３の振動中心位置からの変位量が−側に最大になる時刻ｔ３において磁気センサ４０の出力Ｓが最小出力Ｓｍｉｎとなる。上述のように、磁気センサ４０から出力される信号は１／（Ｄ2＋ｄ2）に比例した関数で表わされるため、ピストン３の振動中心位置からの変位量Ａが最大となった瞬間の磁気センサ４０の出力が（１／ｄ2）に比例した値となったことを検出した場合にピストン３へ入力する電圧を降圧させることにより、ピストン３およびディスプレーサ４の衝突を未然に防止することが可能になる。
【００５７】
（制御フロー）
次に、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａの制御フローについて説明する。図５は、本実施の形態におけるスターリング冷凍機の制御フローを示す図である。図５に示すように、ステップ１０１（Ｓ１０１）において、交流電源１００からリニアモータ２０へ入力される交流電力の電圧ＶＥを所定量δ1だけ昇圧する。次に、ステップ１０２（Ｓ１０２）において、センサ出力Ｓを検出する。次に、ステップ１０３（Ｓ１０３）において、センサ出力Ｓが上述の（１／ｄ2）に比例した値となっているかどうか判断する。もし、センサ出力Ｓが（１／ｄ2）に比例した値となっていない場合にはステップ１０１に戻る。一方、センサ出力Ｓが（１／ｄ2）に比例した値となっている場合にはステップ１０４（Ｓ１０４）に進み、交流電源１００からリニアモータ２０へ入力される電力の電圧ＶEを所定量δ2だけ降圧し、ステップ１０２に戻る。
【００５８】
ここで、昇圧または降圧する電圧δ1およびδ2を小さく（たとえば、数十ｍＶから数Ｖ程度）とすることにより、ピストンとディスプレーサが衝突しない衝突回避範囲内において徐々にリニアモータへの入力を増加させることが可能になるため、衝突回避範囲内における最大出力運転が可能になる。
【００５９】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の位置検出機構を含む部分の部分拡大断面図である。なお、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｂは、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと、磁気センサの配置位置が異なる点およびこれに基づいてピストンの動作制御が異なる点以外は実質的に同一である。このため、上述の実施の形態１と同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００６０】
（磁気センサの設置位置および磁気センサによるピストンの位置検出）
本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｂにおいては、ピストン３が振動中心位置にある状態（図６に示す状態）にて磁気センサ４０から出力される信号の絶対値が最大とならないように、磁気センサ４０がピストン位置検出用マグネット３０の振動中心位置に対してピストン３の往復動方向と平行な方向にずらして配置されている。より詳細には、ピストン３が許容可能な最大の振幅２Ａｍでシリンダ２内を往復動する最大出力運転時において、往復動するピストン３の振動中心位置からの変位量が最大となった状態にて磁気センサ４０から出力される信号の絶対値が最大とならないように、磁気センサ４０が位置決めして配置されている。すなわち、シリンダ２の軸方向と平行な方向における磁気センサ４０とピストン位置検出用マグネット３０との距離が、最大出力運転時におけるピストン３の片振り幅Ａｍよりも小さい距離Ａ１となるように、磁気センサ４０が位置決めされて配置されている。
【００６１】
このような位置に磁気センサ４０を設置した場合に得られる磁気センサ４０のピストン３の単位周期当たりの出力グラフを図７に示す。なお、図７においては、縦軸に磁気センサ４０の出力Ｓをとり、横軸に時間ｔをとっている。また、図７は、ピストン３が許容可能な最大の振幅２Ａｍで動作している最大出力運転時を示すものである。
【００６２】
図７に示すように、図６に示す位置に磁気センサ４０を設置した場合には、磁気センサ４０から出力される信号は、ピストン３の往復動方向においてピストンの振動中心位置からみて圧縮室６側を＋側とし、その反対側を−側とした場合に、ピストン３の振動中心位置からの変位量が＋側にＤ１となる時刻ｔｍ１および時刻ｔｍ２において最大出力Ｓｍａｘとなり、ピストン３の振動中心位置からの変位量が−側に最大になる時刻ｔ３において最小出力Ｓｍｉｎとなる。このように、本実施の形態の如くの位置に磁気センサ４０を配置することにより、ピストン３の単位周期当たりに磁気センサ４０の出力Ｓが最大出力Ｓｍａｘとなるポイントが２箇所存在するようになる。
【００６３】
ここで、ピストン３の往復動の周波数をｆとし、振幅をＡとし、ピストン３の振動中止位置からの変位量をＤとした場合に、ピストン３の往路で磁気センサ４０の出力が最大となる時刻ｔｍ１と、ピストン３の復路で磁気センサ４０の出力が最大となる時刻ｔｍ２との時間差Δｔは、次式（１）で表わされる。
【００６４】
【数１】
2005256796.tif 000003
【００６５】
このため、式（１）に時刻ｔｍ１と時刻ｔｍ２との時間差であるΔｔを代入することにより、振幅Ａが算出される。したがって、この算出結果に基づいてピストン３へ入力する電圧を制御することにより、ピストン３およびディスプレーサ４の衝突を未然に防止することが可能になる。
【００６６】
また、本実施の形態の如くの配置とすることにより、磁気センサ４０の出力値を直接用いないでピストン３の振幅を算出することが可能になるため、磁気センサ４０の温度依存性による測定精度の低下や、ピストン位置検出用マグネット３０の磁力劣化による測定精度の低下の影響を受けなくなる。このため、別途、温度補償回路等を設ける必要がなく、コストダウンと高い信頼性の両立が図られることになる。
【００６７】
（制御フロー）
次に、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｂの制御フローについて説明する。図８は、本実施の形態におけるスターリング冷凍機の制御フローを示す図である。図８に示すように、ステップ２０１（Ｓ２０１）において、交流電源１００からリニアモータ２０へ入力される交流電力の電圧ＶＥを所定量δ1だけ昇圧する。次に、ステップ２０２（Ｓ２０２）において、検知されたセンサ出力Ｓに基づいて時間差Δｔを検出する。次に、ステップＳ２０３（Ｓ２０３）において、時間差Δｔに基づいてピストン３の振幅Ａを算出する。次に、ステップ２０４（Ｓ２０４）において、振幅Ａが許容される最大振幅２Ａｍ以下であるかどうかを判断する。もし、振幅Ａが許容される最大振幅２Ａｍ以下である場合にはステップ２０１に戻る。一方、振幅Ａが許容される最大振幅２Ａｍよりも大きい場合にはステップ２０５（Ｓ２０５）に進み、交流電源１００からリニアモータ２０へ入力される電力の電圧ＶEを所定量δ2だけ降圧し、ステップ２０２に戻る。
【００６８】
ここで、昇圧または降圧する電圧δ1およびδ2を小さく（たとえば、数十ｍＶから数Ｖ程度）とすることにより、ピストンとディスプレーサが衝突しない衝突回避範囲内において徐々にリニアモータへの入力を増加させることが可能になるため、衝突回避範囲内における最大出力運転が可能になる。
【００６９】
（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の位置検出機構を含む部分の部分拡大断面図である。なお、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｃは、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと、ピストン位置検出用マグネットの数および磁気センサの配置位置が異なる点およびこれに基づいてピストンの動作制御が異なる点以外は実質的に同一である。このため、上述の実施の形態１と同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００７０】
（磁気センサの設置位置および磁気センサによるピストンの位置検出）
本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｃにおいては、ピストン３が振動中心位置にある状態（図９に示す状態）にて磁気センサ４０から出力される信号の絶対値が最大とならないように、磁気センサ４０が２つのピストン位置検出用マグネット３０ａ，３０ｂの振動中心位置に対してピストン３の往復動方向と平行な方向にずらして配置されている。また、ピストン３の往復動方向において軌道が互いに一部重複しかつＳＮ極性が互いに逆向きとなるようにピストン位置検出用マグネット３０ａ，３０ｂを位置決めして配置している。なお、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｃにおいては、ピストン３が許容可能な最大の振幅２Ａｍでシリンダ２内を往復動する最大出力運転時において、往復動するピストン３の振動中心位置からの変位量が最大となった状態にて磁気センサ４０から出力される信号の絶対値が最大となるように、磁気センサ４０に対して２つのピストン位置検出用マグネット３０ａ，３０ｂが位置決めして配置されている。すなわち、シリンダ２の軸方向と平行な方向における磁気センサ４０とピストン位置検出用マグネット３０ａ，３０ｂとの距離が、それぞれ最大出力運転時におけるピストン３の片振り幅Ａｍと同じになるように、磁気センサ４０およびピストン位置検出用マグネット３０ａ，３０ｂが位置決めされて配置されている。
【００７１】
このような位置にピストン位置検出用マグネット３０ａ，３０ｂおよび磁気センサ４０を設置した場合に得られる磁気センサ４０のピストン３の単位周期当たりの出力グラフを図１０に示す。なお、図１０においては、縦軸に磁気センサ４０の出力Ｓをとり、横軸に時間ｔをとっている。また、図１０は、ピストン３が許容可能な最大の振幅２Ａｍで動作している最大出力運転時を示すものである。
【００７２】
図１０に示すように、図９に示す位置に磁気センサ４０を設置した場合には、磁気センサ４０から出力される信号は、ピストン３の往復動方向においてピストンの振動中心位置からみて圧縮室６側を＋側とし、その反対側を−側とした場合に、ピストン３の振動中心位置からの変位量が＋側に最大になる時刻ｔ１において最大出力Ｓｍａｘとなり、ピストン３の振動中心位置からの変位量が−側に最大になる時刻ｔ３において最小出力Ｓｍｉｎとなる。ここで、最大出力Ｓｍａｘは正の値をとり、最小出力Ｓｍｉｎは負の値をとる。
【００７３】
このように、２つのピストン位置検出用マグネット３０ａ，３０ｂの磁気センサ４０に対する面のＳＮ極性を異ならせることにより、得られる磁気センサ４０の出力値もピストン３の振動中心位置を挟んで正負の値に変化するため、より正確なピストン位置の検出が可能になる。このため、より精緻にピストン３の動作を制御することが可能になる。
【００７４】
（制御フロー）
次に、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｃの制御フローについて説明する。図１１は、本実施の形態におけるスターリング冷凍機の制御フローを示す図である。図１１に示すように、ステップ３０１（Ｓ３０１）において、交流電源１００からリニアモータ２０へ入力される交流電力の電圧ＶＥを所定量δ1だけ昇圧する。次に、ステップ３０２（Ｓ３０２）において、センサ出力Ｓを検出する。次に、ステップ３０３（Ｓ３０３）において、センサ出力Ｓが（１／ｄ2）に比例した値となっているかどうか判断する。もし、センサ出力Ｓが（１／ｄ2）に比例した値となっていない場合にはステップ３０１に戻る。一方、センサ出力Ｓが（１／ｄ2）に比例した値となっている場合にはステップ３０４（Ｓ３０４）に進み、交流電源１００からリニアモータ２０へ入力される電力の電圧ＶEを所定量δ2だけ降圧し、ステップ３０２に戻る。
【００７５】
ここで、昇圧または降圧する電圧δ1およびδ2を小さく（たとえば、数十ｍＶから数Ｖ程度）とすることにより、ピストンとディスプレーサが衝突しない衝突回避範囲内において徐々にリニアモータへの入力を増加させることが可能になるため、衝突回避範囲内における最大出力運転が可能になる。
【００７６】
（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４におけるスターリング冷凍機の位置検出機構を含む部分の部分拡大断面図である。なお、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｄは、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ｄと、磁気センサ４０の数ならびに配置位置が異なる点およびこれに基づいてピストン３の動作制御が異なる点以外は実質的に同一である。このため、上述の実施の形態１と同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００７７】
（磁気センサの設置位置および磁気センサによるピストンの位置検出）
本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｄは、２つの磁気センサ４０ａ，４０ｂを備えている。本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｄにおいては、ピストン３が許容可能な最大の振幅２Ａｍでシリンダ２内を往復動する最大出力運転時において、往復動するピストン３の振動中心位置に磁気センサ４０ａを配置し、ピストン３の振動中心位置からの変位量が最大となった状態にて磁気センサ４０から出力される信号の絶対値が最大となるように、磁気センサ４０ｂが位置決めして配置されている。
【００７８】
このような位置に２つの磁気センサ４０ａ，４０ｂを設置した場合に得られる磁気センサ４０ａ，４０ｂのピストン３の単位周期当たりの出力グラフを図１３に示す。なお、図１３においては、縦軸に磁気センサ４０ａ，４０ｂの出力Ｓをとり、横軸に時間ｔをとっている。また、図１３は、ピストン３が許容可能な最大の振幅２Ａｍで動作している最大出力運転時を示すものである。
【００７９】
図１３に示すように、図１２に示す位置に２つの磁気センサ４０ａ，４０ｂを設置した場合には、磁気センサ４０ａから出力される第１センサ出力Ｓ１は、ピストン３の往復動方向においてピストンの振動中心位置からみて圧縮室６側を＋側とし、その反対側を−側とした場合に、ピストン３の振動中心位置になる時刻ｔ２において最大出力Ｓ１ｍａｘとなる。一方、磁気センサ４０ｂから出力される第２センサ出力Ｓ２は、ピストン３の振動中心位置からの変位量が＋側に最大になる時刻ｔ１において最大出力Ｓ２ｍａｘとなり、ピストン３の振動中心位置からの変位量が−側に最大になる時刻ｔ３において最小出力Ｓ２ｍｉｎとなる。
【００８０】
このとき、以下に示す式（２）の如くの演算を行なった結果得られるＳｔ０ｔのピストン３の単位周期当たりのグラフを図１４に示す。
【００８１】
【数２】
2005256796.tif 000004
【００８２】
図１４に示すように、上記式（２）によって算出される、磁気センサ４０ａの出力の最大値に対する磁気センサ４０ｂの出力の比であるＳｔ０ｔは、ピストン３の衝突回避範囲内の運転動作時において、ピストン３の位置に応じて０から１までの間の値をとる。従って、磁気センサ４０ａと４０ｂによって規格化された値Ｓｔ０ｔをモニタすることにより、周囲温度が変化してもピストンの振幅を正確に検出できることになる。
【００８３】
このように、２つの磁気センサ４０ａおよび４０ｂの比信号をモニタすることにより、ピストン３の振幅を算出することが可能になる。また、磁気センサ４０ａの出力の最大値と磁気センサ４０ｂの出力との比をモニタすることにより、信号に含まれる周囲温度上昇による磁気センサ４０ａ，４０ｂの温度依存性もキャンセルされるため、別途温度補償回路を設ける必要がなく、コストダウンと高い信頼性の両立が図られることになる。
【００８４】
（制御フロー）
次に、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｄの制御フローについて説明する。図１５は、本実施の形態におけるスターリング冷凍機の制御フローを示す図である。図１５に示すように、ステップ４０１（Ｓ４０１）において、交流電源１００からリニアモータ２０へ入力される交流電力の電圧ＶＥを所定量δ1だけ昇圧する。次に、ステップ４０２（Ｓ４０２）において、２つの磁気センサ４０ａ，４０ｂのセンサ出力Ｓ１とＳ２を検出する。次に、ステップ４０３（Ｓ４０３）において、出力Ｓ１の最大値に対するＳ２の信号比であるＳｔ0ｔを算出する。次に、ステップ４０４（Ｓ４０４）において、Ｓｔ0ｔを判断する。もし、Ｓｔ0ｔが１より小さい場合にはステップ４０１に戻る。一方、Ｓｔ0ｔが１以上である場合にはステップ４０５（Ｓ４０５）に進み、交流電源１００からリニアモータ２０へ入力される電力の電圧ＶEを所定量δ2だけ降圧し、ステップ４０２に戻る。
【００８５】
ここで、昇圧または降圧する電圧δ1およびδ2を小さく（たとえば、数十ｍＶから数Ｖ程度）とすることにより、ピストンとディスプレーサが衝突しない衝突回避範囲内において徐々にリニアモータへの入力を増加させることが可能になるため、衝突回避範囲内における最大出力運転が可能になる。
【００８６】
（実施例）
次に、本実施の形態に基づいた実施例について説明する。たとえば、出力２００Ｗのスターリング冷凍機をピストンの許容可能な最大振幅が８ｍｍとなるような運転条件にて動作させる場合を考える。図１２において、ピストン位置検出用マグネット３０をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石とし、磁気センサ４０ａ，４０ｂをＧａＡｓやＩｎＳｂ等の化合物半導体を用いたホール素子とする。ピストン位置検出用マグネット３０の外形は、直径が３ｍｍで厚さが１ｍｍである。磁気センサ４０ａ，４０ｂは、ピストンの許容可能な最大振幅に合わせて８ｍｍとする。なお、マグネットホルダ１９とエンドブラケット２５との間のクリアランスｄ（すなわち、ピストン位置検出用マグネット３０が磁気センサ４０ａまたは４０ｂのいずれかに最近接した場合の間の距離）は、１ｍｍとする。
【００８７】
このように構成した場合には、ピストン３が＋側最大位置にある状態において、磁気センサ４０ａのセンシング面における磁束密度は２００ｍＴ程度であり、磁気センサ４０ｂのセンシング面における磁束密度は３ｍＴ程度である。一方、ピストン３が−側最大位置にある状態において、磁気センサ４０ａのセンシング面における磁束密度は３ｍＴ程度であり、磁気センサ４０ｂのセンシング面における磁束密度は２００ｍＴ程度である。これら３ｍＴ〜２００ｍＴ程度の磁束密度は、上述のホール素子によって検出するのに十分な大きさの磁束密度であり、十分にピストン位置の検出が可能である。
【００８８】
（実施の形態５）
図１６は、本発明の実施の形態５におけるスターリング冷凍機の位置検出機構を含む部分の部分拡大断面図である。なお、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｅは、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと、磁気センサの構成が異なる点およびこれに基づいてピストンの動作制御が異なる点以外は実質的に同一である。このため、上述の実施の形態１と同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００８９】
（磁気センサの構成ならびに設置位置および磁気センサによるピストンの位置検出）
図１６に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｅにおいては、ピストン位置検出用マグネット３０の軌道と重複しない位置でかつピストン位置検出用マグネット３０と対向する位置にアレイ状に配置され、ピストン位置検出用マグネット３０との距離が所定の範囲内にある場合に各々が独立して信号を導出するように構成された複数の磁気センサ４２からなる磁気センサ群４１を備えている。磁気センサ群４１の各々の磁気センサ４２は、ピストン位置検出用マグネット３０が埋設されたマグネットホルダ１９に対向するエンドブラケット２５の内周面にシリンダ２の軸方向に等間隔に直線上に埋設されている。
【００９０】
図１７は、本実施の形態におけるスターリング冷凍機において、磁気センサ群によってピストン位置が検出される様子を示す図である。たとえば、ピストンの許容可能な最大振幅が６ｍｍであるスターリング冷凍機を考える。図１７においてピストン位置検出用マグネット３０を残留磁束密度８００ｍＴのＳｍ−Ｃｏ系の永久磁石とし、磁気センサ４２を全長６ｍｍにわたって等間隔に７個配置することにより、磁気センサ群４１を構成する。磁気センサ４２の各々は、デジタル方式（たとえば、０Ｖか５Ｖかで出力されるデジタル回路の場合、ある閾値以上の磁束密度を検出した場合（この場合をＯＮとする）に５Ｖを出力し、それ以外の場合（この場合をＯＦＦとする）には０Ｖを出力する方式）の磁気センサ素子からなる。
【００９１】
この場合、個々の磁気センサのどのチャンネルにＯＮ信号が検出されたかをモニタすることにより、ピストン３の位置を特定することが可能になる。たとえば、図１７（ａ）は、ピストン３が振動中心位置にある場合の個々の磁気センサ４２の信号出力を示した図であり、図１７（ｂ）は、ピストン３が＋側最大位置にある場合の個々の磁気センサ４２の信号出力を示した図である。
【００９２】
このように、デジタル方式の磁気センサをアレイ状に配置した磁気センサ群によってピストン位置を検出するように構成することにより、外部擾乱ノイズに弱いアナログ方式の磁気センサにてピストン位置を検出するように構成した場合に比べ、信頼性の高い位置情報を得ることが可能になる。
【００９３】
（実施の形態６）
図１８は、本発明の実施の形態６におけるスターリング冷凍機の位置検出機構を含む部分の部分拡大断面図である。なお、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｆは、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａとほぼ同様の構成を有しているが、磁気センサおよび増幅回路駆動用コイルを備えている点において上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと相違する。このため、上述の実施の形態１と同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００９４】
（磁気センサおよび増幅回路駆動用コイル）
図１８に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｆは、リニアモータ２０のインナーヨーク２２ａとアウターヨーク２２ｂとの間に磁気センサおよび増幅回路駆動用コイル２８を備えている。この磁気センサおよび増幅回路駆動用回路コイル２８は、同じくリニアモータ２０のインナーヨーク２２ａとアウターヨーク２２ｂとの間に位置するピストン駆動用コイル２３と電気的に絶縁されており、コイル内に生じる誘導起電力を磁気センサおよび増幅回路に出力するための駆動源となるものである。
【００９５】
スターリング冷凍機においては、密閉ケーシング内に高圧の作動ガスが充填されるため、電源をスターリング冷凍機内に供給するためには耐圧構造を有する絶縁端子をケーシングに溶接してその絶縁端子を経由して電源の供給が行なわれるのが一般的である。しかしながら、ケーシング内に絶縁端子を設けたり、絶縁端子からリード線を這い回したりすることは、スターリング冷凍機内部の構成部品の運動を妨げることになり、コストの面および信頼性の面で不利となっていた。一方、磁気センサおよび増幅回路を駆動するのに必要となる電力は、高々数十ｍＷ程度に過ぎない。そこで、本実施の形態においては、ピストン駆動用コイルが巻き付けられるボビンにピストン駆動用コイルとは電気的に絶縁された磁気センサおよび増幅回路駆動用コイルを巻き付け、可動マグネット部が往復動することによってコイル内に生じる誘導起電力を、磁気センサおよび増幅回路の駆動に利用している。
【００９６】
図１９は、本実施の形態におけるスターリング冷凍機の動作制御機構を示すブロック図である。図１９に示すように、磁気センサおよび増幅回路駆動用コイル２８に生じた誘導起電力は、交流電力を直流電力に変換する整流回路５１および変換された直流電力の平滑化を行なう平滑回路５２を経て、定電圧回路５３に供給される。定電圧回路５３は、磁気センサ４０、信号増幅回路５４および演算回路５５を駆動する。磁気センサ４０から出力された信号は、信号増幅回路５４によって増幅され、演算回路５５に出力される。演算回路５５においては、入力されたセンサ出力に基づいて各種の演算が行なわれ、その時点におけるピストン３の最適な駆動電圧が算出される。演算回路５５は、算出結果を電源電圧制御回路５６に対して出力する。電源電圧制御回路５６は、演算回路５５からの出力に基づいて交流電源１００の電圧制御を行なう。これにより、リニアモータ２０への電源電圧の入力が最適化される。
【００９７】
このように構成することにより、スターリング冷凍機内部の構成部品の運動を妨げることなく、磁気センサおよび増幅回路の電源を準備することが可能になる。また、本実施の形態におけるスターリング冷凍機においては、信号増幅回路を設け、この信号増幅回路に対しても電源を供給する構成としているため、スターリング冷凍機のケーシング外部に磁気センサ出力を取り出す場合の伝送損失の低減も図られている。
【００９８】
（実施例）
次に、本実施の形態に基づいた実施例について説明する。たとえば、出力２００Ｗのスターリング冷凍機をピストンの許容可能な最大振幅が８ｍｍとなるような運転条件にて動作させる場合を考える。ここで、磁気センサおよび増幅回路用駆動コイルをボビンに５０ターン巻き付けた。リニアモータを駆動することによって磁気センサおよび増幅回路用駆動コイルに生じる誘導起電力は、ピストンの振幅が２ｍｍの場合に概ね６Ｖとなり、ピストンの振幅が８ｍｍである場合に概ね２４Ｖとなる。これら誘導起電力を整流回路であるＡＣ−ＤＣコンバータによって電力変換した結果得られるＤＣ電力は、ピストンの振幅が２ｍｍの場合に概ね８Ｖとなり、ピストンの振幅が８ｍｍである場合に概ね３２Ｖとなる。こらら８Ｖ〜３２Ｖ程度のＤＣ電力は、磁気センサ、信号増幅回路および演算回路を駆動するのに十分な電力である。
【００９９】
以上において説明した上記各実施の形態においては、磁気センサによって検出されたピストンの位置情報に基づき、ピストンの振幅を特定してピストンの動作を制御する構成とした場合を例示して説明を行なったが、ピストンの位置情報は必ずしもピストンの動作制御のみに役立つものではない。磁気センサによって検出されたピストンの位置情報には、様々な利用方法が考えられる。したがって、本発明は、ピストンの位置情報を検出するための構成のみにおいても特徴を有しているものであり、この意味において本発明は動作制御を含めたものに限定されるものではない。
【０１００】
また、上述の各実施の形態においては、本発明をフリーピストン型スターリング冷凍機に適用した場合を例示して説明を行なったが、特にこれに限定されるものではない。たとえば、フリーピストン型以外のスターリング冷凍機や発電機としてのスターリング機関、その他冷熱機関に利用されるリニア圧縮機等、様々なものに適用が可能である。
【０１０１】
このように、今回開示した上記各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。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の模式断面図である。
【図２】図１に示す領域ＩＩの拡大断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の制御ブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機において、磁気センサから出力される信号を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の制御フローを示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の部分拡大断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機において、磁気センサから出力される信号を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の制御フローを示す図である。
【図９】本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の部分拡大断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機において、磁気センサから出力される信号を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の制御フローを示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態４におけるスターリング冷凍機の部分拡大断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態４におけるスターリング冷凍機において、磁気センサから出力される信号を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施の形態４におけるスターリング冷凍機において、磁気センサから出力される信号を演算した結果を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施の形態４におけるスターリング冷凍機の制御フローを示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態５におけるスターリング冷凍機の部分拡大断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態５におけるスターリング冷凍機において、磁気センサ群によってピストン位置が検出される様子を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態６におけるスターリング冷凍機の部分拡大断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態６におけるスターリング冷凍機の制御ブロック図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１Ａ〜１Ｆ  スターリング冷凍機、２  シリンダ、３  ピストン、４  ディスプレーサ、５  再生器、６  圧縮室、７  膨張室、８  放熱部、９  吸熱部、１０  ベッセル、１２，１３  板バネ、１４  ディスプレーサロッド、１５  背圧室、１９  マグネットホルダ、２０  リニアモータ、２１  可動マグネット部、２２ａ  インナーヨーク、２２ｂ  アウターヨーク、２３  ピストン駆動用コイル、２５  エンドブラケット、２８  磁気センサおよび増幅回路駆動用コイル、３０，３０ａ，３０ｂ  ピストン位置検出用マグネット、４０，４０ａ，４０ｂ，４２  磁気センサ、４１  磁気センサ群、５１  整流回路、５２  平滑回路、５３  定電圧回路、５４  信号増幅回路、５５  演算回路、５６  電源電圧制御回路、１００  交流電源。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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