(57)【要約】【課題】  高い加工精度を必要とする部分を減らし、組立が容易でありながら、高い信頼性の得られるピストンを得る。【解決手段】  シリンダ７と、このシリンダ７に摺動可能に挿入されるピストン１５と、前記ピストン１５自体に固定される駆動用永久磁石１７及び導磁性体１８と、この永久磁石１７の外周側に対向配置される電磁コイル１９と電磁コア２０を有する固定子２１とを有する。そして、前記電磁コイル１９に交流電流を流して交番磁界を発生させることで、前記ピストン１５を往復動させる駆動力を発生させる。このように、前記ピストン１５自体の内部に駆動用の部品を組み込むことにより、前記ピストン１５自体がリニア式モータの可動子となるので、構造を簡単にし、形状を小型化させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、このシリンダに摺動可能に挿入されるピストンと、前記ピストンに固定される永久磁石と、前記永久磁石の外周側に対向配置される電磁コイルと電磁コアを有する固定子とを有するリニア式電磁装置において、前記ピストン自体が少なくとも１個の永久磁石又は導磁性体を含むことを特徴とするリニア式電磁装置。
【請求項２】
前記シリンダを合成樹脂で形成したことを特徴とする請求項１記載のリニア式電磁装置。
【請求項３】
前記固定子を前記ピストンの外側を覆うように配置し、該固定子の全体、または内面を合成樹脂により前記シリンダと一体的に成型したことを特徴とする請求項１記載のリニア式電磁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプレッサーやスターリング冷凍機等、ピストンとシリンダの組合せ等により構成され、磁界を生成する一次側とそれによって直線状に移動する二次側を備えたリニア式モータ、或いは直線状に移動する一次側とそれによって発電する二次側を備えたリニア式発電機等の電磁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、略円筒状に形成された円筒部を有するケーシングと、このケーシングの円筒部内に同軸状に挿入されるシリンダと、このシリンダの先端側内部に摺動可能に挿入されるディスプレイサーと、前記シリンダの基端側内部に摺動可能に挿入されるピストンと、前記シリンダの基端側外部に配置されて前記ピストンの基端に枠を介して固定される永久磁石を有する可動子及び前記永久磁石の外周側に対向配置される電磁コイルと電磁コアを有する固定子とを有する駆動装置とを備えたものが公知である（例えば特許文献１）。
【０００３】
このような従来技術は、図４のフリーピストン型スターリング冷凍機の例を示す断面図のように、シリンダ１０１等の固定体の内側に、僅かな隙間を介して、またはこれに接してピストン１０２等の可動体が配置され、これに結合したリニア式モータ等の駆動用動力源により駆動される。即ち、前記ピストン１０２とこれを駆動させるリニア式モータ等の動力源は別の構造体となっていた。このリニア式モータは、巻き線（電磁コイル）１０３を有する外側固定子１０４と、内側固定子１０５と、磁石（永久磁石）１０６を有する可動子１０７から構成されている。なお、これと同じ構造で入力と出力を入れ換えることで、発電機とすることもできる。
【０００４】
このようなものにおいては、前記巻き線（電磁コイル）１０３に交流電流を流すと、この巻き線（電磁コイル）１０３から交番磁界が発生して前記外側固定子１０４の電磁コア１０８で集中し、この交番磁界によって、前記永久磁石１０６を軸方向に往復動させる力が生じる。そして、この力によって、前記永久磁石１０６が固定されたピストン１０２がシリンダ１０１内を軸方向に往復動する。そして、前記ピストン１０２がディスプレイサー１０９に近づく方向に移動すると、前記ピストン１０２とディスプレイサー１０９との間に形成された圧縮室Ｃ内の気体が圧縮されて、連通孔１１０、排熱フィン１１１、再生器１１２、吸熱フィン１１３、隙間１１４を通り、前記ディスプレイサー１０９の先端と円筒部１１５の先端部１1６の間に形成された膨張室Ｅに至ることで、前記ディスプレイサー１０９が前記ピストン１０２に対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストン１０２が前記ディスプレイサー１０９から遠ざかる方向に移動すると、前記圧縮室Ｃの内部が負圧となり、前記膨張室Ｅ内の気体がこの膨張室Ｅから前記隙間１１４、吸熱フィン１１３、再生器１１２、排熱フィン１１１、連通孔１１０を通って前記圧縮室Ｃに還流することで、前記ディスプレイサー１０９が前記ピストン１０２に対して所定の位相差をもって引き上げられる。このような工程中において、二つの等温変化と等体積変化とからなる可逆サイクルが行われることによって、前記膨張室Ｅの近傍は低温となり、一方、前記圧縮室Ｃの近傍は高温となる。
【特許文献１】特開２００５−４２５９４号公報公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記従来技術においては、以下の問題があった。まず、前記ピストン１０２とこれを駆動する前記可動子１０７が別の構造体となっているため、形状が大きくなっていた。即ち、前記ピストン１０２及びシリンダ１０１の外側に往復動するリニア式モータの内側固定子１０５（インナーコア）があり、更にその外側に前記磁石（永久磁石）１０６を含む前記可動子１０７が配置されているため、スターリング冷凍機全体が大きくなり、小型化の障害となっていた。また、前記シリンダ１０１の外側に配置されたリニア式モータにより前記シリンダ１０１の内側に配置された前記ピストン１０２を駆動するため、駆動機構が複雑となっていた。更に、前記リニア式モータの狭い空隙、即ち、前記磁石（永久磁石）１０６と外側固定子１０４との隙間及び前記磁石（永久磁石）１０６と内側固定子１０５との隙間を一定に保つための高価な精密加工が必要であった。
【０００６】
そこで、本発明は構造が簡単で、高い加工精度を必要とする部分を減らし、組立が容易でありながら、且つ、高い信頼性の得られる、ピストンを備えたリニア式電磁装置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】
【０００７】
請求項１の発明は、シリンダと、このシリンダに摺動可能に挿入されるピストンと、前記ピストンに固定される永久磁石と、前記永久磁石の外周側に対向配置される電磁コイルと電磁コアを有する固定子とを有するリニア式電磁装置において、前記ピストン自体が少なくとも１個の永久磁石又は導磁性体を含むことを特徴とするリニア式電磁装置である。
【０００８】
請求項２の発明は、前記シリンダを合成樹脂で形成したことを特徴とする請求項１記載のリニア式電磁装置である。
【０００９】
請求項３の発明は、前記固定子を前記ピストンの外側を覆うように配置し、該固定子の全体、または内面を合成樹脂により前記シリンダと一体的に成型したことを特徴とする請求項１記載のリニア式電磁装置である。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によれば、前記ピストン自体にリニア式電磁装置を構成する永久磁石や導磁性体等を組み込むことにより、構造を簡単にし、形状を小型化させることができる。
【００１１】
請求項２の発明によれば、前記固定子と前記永久磁石又は導磁性体との間にあるシリンダが、磁力線を透過させる合成樹脂であるため、磁力線が前記シリンダによって遮断されないので、前記リニア式電磁装置を効率的に作動させることができる。
【００１２】
請求項３の発明によれば、前記シリンダ、固定子回りの部品点数及び組立工数を低減することができるばかりでなく、前記固定子の電磁コアの内面と前記ピストンの永久磁石又は導磁性体との距離を短くして、前記リニア式電磁装置を効率的に作動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。
【実施例１】
【００１４】
図１は実施例１を示している。なお、以降の各実施例において、リニア式電磁装置としてリニア式モータを例にとって説明する。１は略円筒状に形成された円筒部２と胴部３とで構成されるケーシングである。前記円筒部２はステンレス鋼などからなり、基部４と中間部５と先端部６が一体に構成されている。
【００１５】
前記円筒部２の内部には、前記胴部３の内部まで延びるシリンダ７が、前記円筒部２に対して同軸的に挿入されて設けられている。なお、前記シリンダ７は、例えば、補強材としての炭素短繊維を含むＰＰＳ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ  Ｓｕｌｆｉｄｅ）等の合成樹脂で作られていると共に、その内面に、摺動面を構成すると共に非磁性金属製で且つ肉厚の薄い摺動筒７Ａが挿入されている。そして、前記シリンダ７の内側には、ディスプレイサー８が軸方向に摺動可能に収容されている。また、このディスプレイサー８の先端と前記円筒部２の先端部６の間には膨張室Ｅが形成されており、隙間９によって前記シリンダ７の先端の内外が連通されている。また、前記中間部５において、前記円筒部２の内周と前記シリンダ７の外周との間に再生器１０が設けられていると共に、前記基部４において、前記シリンダ７の内外を連通する連通孔１１が前記シリンダ７自体に形成されている。また、前記円筒部２の先端部６の内周と前記シリンダ７の先端外周との間には、吸熱フィン１２が設けられると共に、前記再生器１０と連通孔１１の間において、前記円筒部２の内周と前記シリンダ７の外周との間に排熱フィン１３が設けられている。そして、前記シリンダ７の内部先端から隙間９、吸熱フィン１２、再生器１０、排熱フィン１３、連通孔１１を通って前記シリンダ７内の圧縮室Ｃに至る経路１４が形成されている。
【００１６】
更に、前記胴部３内において、前記シリンダ７の基部側の内側には、ピストン１５が軸方向に摺動可能に収容されている。前記ピストン１５はシリンダ７内を摺動するピストン本体１５Ａを有し、その基端部は、駆動装置１６に対して同軸的に連結されている。なお、前記ピストン本体１５Ａは、例えば、潤滑剤としての二硫化モリブデン及び補強材としての炭素短繊維を含むＰＰＳ等の合成樹脂で作られている。前記駆動装置１６は、前記ピストン本体１５Ａの内周面に固定される永久磁石１７と、同じく前記ピストン本体１５Ａの内周面に固定されると共に前記永久磁石１７の軸方向両側及び内周側に配置される導磁性体１８と、前記永久磁石１７の外周側に近接して設けられた環状の電磁コイル１９と電磁コア２０を有する固定子２１とで構成されている。なお、前記固定子２１の内面と対向する前記シリンダ７の基端側は、他の部分に比べて肉厚が薄く形成されており、これによって、前記電磁コア２０の内面と前記永久磁石１７の外周との距離が短くされている。
【００１７】
また前記ピストン１５には、このピストン１５の動作を制御するための第一の板バネ２３が接続されている。さらに、前記ディスプレイサー８の基端側には、このディスプレイサー８の動作を制御するためのロッド２４の一端が接続されていると共に、このロッド２４の他端には第二の板バネ２５が接続されている。なお、前記ロッド２４は前記ピストン１５を貫通して延びている。また、前記一対の板バネ２３，２５は、前記胴部３内において、前記シリンダ７の基端側の外部に配置されていると共に、前記第一の板バネ２３よりも第二の板バネ２５が前記シリンダ７の基端側から離れた位置に配置されている。
【００１８】
また、前記シリンダ７の中間部の外周面には、該シリンダ７と同軸状に突出するフランジ状のマウント２７が前記シリンダ７と一体に成形されていると共に、このマウント２７に前記駆動装置１６を構成する電磁コア２０の一端が当接するように形成されている。また、前記電磁コア２０の他端には、例えばリング状の固定部材２８が当接している。なお、この固定部材２８は、前記電磁コア２０より熱伝導性の良好な、例えばアルミニウム等の金属を用いてダイカスト等の鋳造によって成形されている。そして、前記マウント２７と固定部材２８とで前記電磁コア２０を挟持して、例えばビス（図示せず）によって締め付けることによって、前記電磁コア２０、ひいてはこの電磁コア２０と一体化している前記電磁コイル１９が前記マウント２７に固定される。さらに、前記マウント２７から、複数の接続用腕部３０が前記シリンダ７の軸方向と略平行に突設されている。なお、前記接続用腕部３０は、その基端において前記マウント２７と一体に形成されている。そして、前記接続用腕部３０の先端部に対して、前記第一の板バネ２３がスペーサ３１によって螺子止めされていると共に、このスペーサ３１に対して前記第二の板バネ２５がビス３２によって螺子止めされている。
【００１９】
そして、前記構成により、前記電磁コイル１９に交流電流を流すと、この電磁コイル１９から交番磁界が発生して電磁コア２０で集中し、この交番磁界によって、前記永久磁石２２を軸方向に往復動させる力が生じる。なお、前記電磁コア２０と前記ピストン１５に設けられた永久磁石１７との間には、非磁性金属の摺動筒７Ａが設けられているが、この摺動筒７Ａは前述したように肉厚が薄く形成されていることで、前記固定子２１からの磁力線の遮断が最小限に抑えられている。この力によって、前記永久磁石１７及び導磁性体１８が固定されたピストン１５が、前記シリンダ７内を軸方向に往復動する。そして、前記ピストン１５が前記ディスプレイサー８に近づく方向に移動すると、前記ピストン１５とディスプレイサー８との間に形成された圧縮室Ｃ内の気体が圧縮されて、前記連通孔１１、排熱フィン１３、再生器１０、吸熱フィン１２、隙間９を通り、前記ディスプレイサー８の先端と円筒部２の先端部６の間に形成された膨張室Ｅに至ることで、前記ディスプレイサー８が前記ピストン１５に対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストン１５が前記ディスプレイサー８から遠ざかる方向に移動すると、前記圧縮室Ｃの内部が負圧となり、前記膨張室Ｅ内の気体がこの膨張室Ｅから前記隙間９、吸熱フィン１２、再生器１０、排熱フィン１３、連通孔１１を通って前記圧縮室Ｃに還流することで、前記ディスプレイサー８が前記ピストン１５に対して所定の位相差をもって引き上げられる。このような工程中において二つの等温変化と等体積変化とからなる可逆サイクルが行われることによって、前記膨張室Ｅの近傍は低温となり、一方、前記圧縮室Ｃの近傍は高温となる。
【００２０】
そして、このように、前記ピストン１５自体をリニア式モータの可動子とし、これと僅かな隙間を介してまたは接してシリンダ７を配置し、更にその外側に前記電磁コイル１９を有する前記固定子２１を配置し、前記電磁コイル１９に通電することにより、可動子である前記ピストン１５が駆動される。
【００２１】
以上のように、前記実施例では、シリンダ７と、このシリンダ７に摺動可能に挿入されるピストン１５と、前記ピストン１５に固定される駆動用永久磁石１７と、前記永久磁石１７の外周側に対向配置される電磁コイル１９と電磁コア２０を有する固定子２１とを有するリニア式モータにおいて、前記ピストン１７に少なくとも１個の駆動用の前記永久磁石１７及び導磁性体１８を含み、これら固定子２１とピストン１５との間で、このピストン１５を往復動させる駆動力を発生させることにより、従来技術における可動子のように、永久磁石を固定するための枠を必要とせず、前記ピストン１５自体に駆動用の部品を組み込むことにより、構造を簡単にし、形状を小型化させることができる。
【００２２】
また、前記シリンダ７を合成樹脂であるＰＰＳで構成したことによって、前記固定子２１から発生した磁力線が前記シリンダ７によって遮断されずに前記ピストン１５内の永久磁石１７及び導磁性体１８に届くので、前記ピストン１５を効率的に往復動させることができる。
【実施例２】
【００２３】
図２は実施例２を示しており、前記実施例１と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２４】
ケーシング１内には、シリンダ４０が同軸的に挿入されて設けられている。なお、前記シリンダ４０は、例えば、補強材としての炭素短繊維を含むＰＰＳ等の合成樹脂で作られていると共に、その内面に、摺動面を構成すると共に非磁性金属製で且つ肉厚の薄い摺動筒４０Ａが挿入されている。そして、前記シリンダ４０の基部側の内側には、ピストン４１が軸方向に摺動可能に収容されている。前記ピストン４１は、前記シリンダ４０内を摺動するピストン本体４１Ａを有している。なお、前記ピストン本体４１Ａは、例えば、潤滑剤としての二硫化モリブデン及び補強材としての炭素短繊維を含むＰＰＳ等の合成樹脂で作られている。前記ピストン４１を往復駆動させるための駆動装置４２は、前記ピストン本体４１Ａの内周面に固定される永久磁石１７と、前記ピストンの内側に設けられると共に固定具４３に固定された導磁性体４４と、前記永久磁石１７の外周側に近接して設けられた環状の電磁コイル１９と電磁コア２０を有する固定子２１とで構成されている。なお、本実施例では、前記固定子２１は、インサート成形等によって、合成樹脂であるＰＰＳ等で形成された前記シリンダ４０と一体的に構成されている。また、前記固定子２１の内面を覆う前記シリンダ４０の肉厚は充分に薄く形成されており、これによって、前記電磁コア２０の内面と前記永久磁石１７の外周との距離が短くされている。そして、前記固定具４３は、前記シリンダ４０に設けられた取付部４５によって、前記シリンダ４０に対して固定されている。
【００２５】
以上のように、前記固定子２１を前記ピストン４１の外側を覆うように配置し、前記固定子２１の全体、または内面を合成樹脂であるＰＰＳ等により前記シリンダ４０と一体で成型したことで、前記シリンダ４０及び固定子２１回りの部品点数を少なくすることができると共に、組立工数を低減することができる。
【実施例３】
【００２６】
図３は実施例３を示しており、前記実施例１と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２７】
ケーシング１内には、シリンダ５０が同軸的に挿入されて設けられている。なお、このシリンダ５０は、例えば、補強材としての炭素短繊維を含むＰＰＳ等の合成樹脂で作られていると共に、その内面に、摺動面を構成すると共に非磁性金属製で且つ肉厚の薄い摺動筒５０Ａが挿入されている。そして、前記シリンダ５０の基部側の内側には、ピストン１５が軸方向に摺動可能に収容されている。前記ピストン１５は、前記シリンダ５０内を摺動するピストン本体１５Ａを有し、その基端部は、駆動装置１６に対して同軸的に連結されている。前記駆動装置１６は、前記ピストン本体１５Ａの内周面に固定される永久磁石１７と、同じく前記ピストン本体１５Ａの内周面に固定されると共に前記永久磁石１７の軸方向両側及び内周側に配置される導磁性体１８と、前記永久磁石１７の外周側に近接して設けられた環状の電磁コイル１９と電磁コア２０を有する固定子２１とで構成されている。なお、本実施例では、前記固定子２１は、インサート成形等によって、合成樹脂であるＰＰＳ等で形成された前記シリンダ５０と一体的に構成されている。また、前記固定子２１の内面を覆う前記シリンダ５０の肉厚は充分に薄く形成されており、これによって、前記電磁コア２０の内面と前記永久磁石１７の外周との距離が短くされている。また、前記シリンダ５０の中間部の外周面には、該シリンダ７と同軸状に突出するマウント５１が前記シリンダ５０と一体に成形されていると共に、このマウント５１によって前記シリンダ５０が前記ケーシング１内に固定されている。
【００２８】
以上のように、前記固定子２１を前記ピストン１５の外側を覆うように配置し、前記固定子２１の全体、または内面を合成樹脂であるＰＰＳ等により前記シリンダ５０と一体で成型したことで、前記シリンダ５０及び固定子２１回りの部品点数を少なくすることができると共に、組立工数を低減することができる。
【００２９】
なお、本発明は以上の実施例に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上記各実施例では、ピストンと固定子との間にシリンダを設けているが、前記固定子の電磁コアの内面自体をシリンダの内面としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、実施例の磁界を生成する一次側とそれによって直線状に移動する二次側を備えたリニア式モータとは逆に、直線状に移動する一次側により、二次側に磁界を生成するリニア式発電機にも利用できる。これはピストンを発電機の可動子とし、これと僅かな隙間を介してまたは接してシリンダを配置し、さらにその外側に電磁コイルと電磁コアからなる固定子を配置し、前記ピストンが往復することにより、前記電磁コイルに誘導電流を発生させるようにしたものである。この場合においても、リニア式モータと同様な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例１を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例２を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例３を示す断面図である。
【図４】従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
７，４０，５０  シリンダ
１５，４１  ピストン
１５Ａ，４１Ａ  ピストン本体
１７  駆動用永久磁石
１８，４４  導磁性体
１９  電磁コイル
２０  電磁コア
２１  固定子
【図１】
2007089344.tif 000003
【図２】
2007089344.tif 000004
【図３】
2007089344.tif 000005
【図４】
2007089344.tif 000006