(57)【要約】【課題】小型化が可能でかつ安価に製作することが可能なリニアモータを提供する。【解決手段】リニアモータ１Ａは、出力軸１２および永久磁石１６を含む可動子１０と、コイル２４およびヨーク２２を含む固定子２０とを備えている。固定子１０は、出力軸１２の周方向に沿って離間して設けられた複数のヨーク２２を有している。複数のヨーク２２のそれぞれは、隣り合うヨークと対向する部分に逆極性に励磁される一対の磁極２３ａ，２３ｂを含む磁極群２３Ａ，２３Ｂを含んでおり、磁極群２３Ａ，２３Ｂのそれぞれに含まれる一対の磁極２３ａ，２３ｂは、出力軸１２の軸方向に沿って対向配置されている。永久磁石１６は、隣り合うヨーク２２の間でかつ上述した磁極群２３Ａ，２３Ｂの間に配置されている。【選択図】図１
2009022087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力軸および永久磁石を含む可動子と、
コイルおよびヨークを含む固定子とを備え、
前記出力軸を取り囲むように前記固定子が前記出力軸の周方向に沿って設けられてなるリニアモータであって、
前記固定子は、前記出力軸の周方向に沿って離間して設けられた第１ヨーク部および第２ヨーク部を有し、
前記第１ヨーク部は、前記第２ヨーク部に対向する部分に逆極性に励磁される一対の磁極を含む第１磁極群を含み、
前記第１磁極群に含まれる前記一対の磁極は、前記出力軸の軸方向に沿って対向配置され、
前記第２ヨーク部は、前記第１ヨーク部に対向する部分に逆極性に励磁される一対の磁極を含む第２磁極群を含み、
前記第２磁極群に含まれる前記一対の磁極は、前記出力軸の軸方向に沿って対向配置され、
前記永久磁石は、前記第１ヨーク部と前記第２ヨーク部との間でかつ前記第１磁極群と前記第２磁極群との間に配置されている、リニアモータ。
【請求項２】
前記永久磁石は、前記出力軸の周方向に沿ってＮ極とＳ極とが並ぶように配置され、
前記第１磁極群に含まれる前記一対の磁極の一方と、当該一方の磁極と対向配置された前記第２磁極群に含まれる前記一対の磁極の一方とが、逆極性に励磁されるように構成されている、請求項１に記載のリニアモータ。
【請求項３】
前記固定子は、それぞれがコイルおよびヨークを含む複数の分割固定子にて構成され、
前記第１ヨーク部および前記第２ヨーク部が、隣り合う一組の分割固定子のそれぞれに含まれるヨークによって構成されている、請求項１または２に記載のリニアモータ。
【請求項４】
前記可動子は、前記永久磁石を前記出力軸に固定するための取り付け部を有し、
前記取り付け部が前記永久磁石を前記出力軸の軸方向において挟持することにより、前記永久磁石の前記出力軸の周方向における表面が露出している、請求項１から３のいずれかに記載のリニアモータ。
【請求項５】
前記永久磁石が、平板状である、請求項１から４のいずれかに記載のリニアモータ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のリニアモータをピストンの駆動手段として備えた、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、出力軸が軸方向に向けて往復動可能に構成されたリニアモータおよび当該リニアモータをピストンの駆動手段として具備したスターリング冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ケーシング内に封入された作動媒体をピストンを用いて圧縮／膨張させるために、ピストンの駆動手段としてリニアモータが具備されてなるスターリング冷凍機が知られている。たとえば、特開２００４−３３２６７５号公報（特許文献１）には、ケーシングとしての圧力容器内に配設されたシリンダと、当該シリンダに嵌挿されたピストンおよびディスプレーサと、当該ピストンを駆動するためのリニアモータとを備えたスターリング冷凍機が開示されている。
【０００３】
リニアモータとしては、種々の構成のものが知られているが、これを分類すると、出力軸が設けられる可動子に永久磁石を配設し、固定子にヨークおよびコイルを具備させてなるいわゆるムービングマグネットタイプのもの（たとえば、上記特許文献１、特開２００１−３５２７３６号公報（特許文献２）等参照）と、出力軸が設けられる可動子にコイルを配設し、固定子に永久磁石およびヨークを具備させてなるいわゆるムービングコイルタイプのもの（たとえば、特開平９−１５８８２７号公報（特許文献３）参照）に大別される。これら構成のリニアモータにおいては、一般に、固定子に設けられるヨークをインナーヨークとアウターヨークにて構成し、インナーヨークを可動子に設けられる永久磁石またはコイルの内周側に配設し、アウターヨークを可動子に設けられる永久磁石またはコイルの外周側に配設している。
【特許文献１】特開２００４−３３２６７５号公報
【特許文献２】特開２００１−３５２７３６号公報
【特許文献３】特開平９−１５８８２７号公報
【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、このように構成した場合には、ヨークがインナーヨークとアウターヨークにて構成されるため、リニアモータの径方向における大きさが増大し、装置が大型化するといった問題や、永久磁石を環状または弧状に形成する必要があるため、製造コストが増大するといった問題などがあった。特に、前者の問題に関しては、ヨークにおいて磁気飽和が生じることを防止するために、インナーヨークおよびアウターヨークを相当程度分厚く形成することが必要であるため、リニアモータの径方向における大型化をさらに増大させる結果となっていた。
【０００５】
そこで、本発明は、上述の問題点を解決すべくなされたものであり、小型化が可能でかつ安価に製作することが可能なリニアモータおよびこれを備えたスターリング冷凍機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】
【０００６】
本発明に基づくリニアモータは、出力軸および永久磁石を含む可動子と、コイルおよびヨークを含む固定子とを備え、上記出力軸を取り囲むように上記固定子が上記出力軸の周方向に沿って設けられてなるものである。上記固定子は、上記出力軸の周方向に沿って離間して設けられた第１ヨーク部および第２ヨーク部を有している。上記第１ヨーク部は、上記第２ヨーク部に対向する部分に逆極性に励磁される一対の磁極を含む第１磁極群を含んでおり、当該第１磁極群に含まれる上記一対の磁極は、上記出力軸の軸方向に沿って対向配置されている。上記第２ヨーク部は、上記第１ヨーク部に対向する部分に逆極性に励磁される一対の磁極を含む第２磁極群を含んでおり、上記第２磁極群に含まれる上記一対の磁極は、上記出力軸の軸方向に沿って対向配置されている。上記永久磁石は、上記第１ヨーク部と上記第２ヨーク部との間でかつ上記第１磁極群と上記第２磁極群との間に配置されている。
【０００７】
このように構成することにより、従来のリニアモータにおいて必要であった出力軸の径方向に配置されたインナーヨークおよびアウターヨークの２つのヨークが、出力軸の径方向において配置された１つのヨークで済むことになる。したがって、装置の径方向における大きさを大幅に小型化することができるとともに、従来に比して部品点数を削減することが可能になるため、製造コストを抑えることも可能になる。また、磁気飽和を防止するためにヨークの厚みを増す必要がある場合にも、当該厚みを増すべき方向が出力軸の周方向と合致することとなるため、装置の径方向における大きさが大型化することもない。
【０００８】
上記本発明に基づくリニアモータにあっては、上記永久磁石が、上記出力軸の周方向に沿ってＮ極とＳ極とが並ぶように配置されていることが好ましく、その場合に、上記第１磁極群に含まれる上記一対の磁極の一方と、当該一方の磁極と対向配置された上記第２磁極群に含まれる上記一対の磁極の一方とが、逆極性に励磁されるように構成されていることが望ましい。
【０００９】
また、上記本発明に基づくリニアモータにあっては、上記固定子が、コイルおよびヨークを含む複数の分割固定子にて構成されていることが好ましく、その場合に、上記第１ヨーク部および上記第２ヨーク部が、隣り合う一組の分割固定子のそれぞれに含まれるヨークによって構成されていることが望ましい。
【００１０】
また、上記本発明に基づくリニアモータにあっては、上記可動子が、上記永久磁石を上記出力軸に固定するための取り付け部を有していることが好ましく、その場合に、上記取り付け部が上記永久磁石を上記出力軸の軸方向において挟持することにより、上記永久磁石の上記出力軸の周方向における表面が露出していることが望ましい。
【００１１】
また、上記本発明に基づくリニアモータにおいては、上記永久磁石が、平板状であることが好ましい。
【００１２】
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モータをピストンの駆動手段として備えている。
【００１３】
このように構成することにより、小型でかつ安価に製作が可能なスターリング冷凍機とすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、小型化が可能で安価に製作が可能なリニアモータおよびこれを備えたスターリング冷凍機とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。以下に示す実施の形態においては、図中同一または相当する部分に同一の符号を付し、その説明は繰り返さないこととする。なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるリニアモータの外観構造を示す斜視図である。また、図２は、本実施の形態におけるリニアモータを軸方向の中心位置において当該軸方向と直交する平面に沿って切断した場合の断面図である。まず、これらの図を参照して、本実施の形態におけるリニアモータ１Ａの構造について詳説する。
【００１７】
図１および図２に示すように、本実施の形態におけるリニアモータ１Ａは、可動子１０と、固定子２０とを備えている。可動子１０は、出力軸１２と、永久磁石１６とを主として備えている。固定子２０は、出力軸１２を取り囲むように出力軸１２の周方向に沿って略円筒状に設けられており、複数の分割固定子にて構成されている。本実施の形態におけるリニアモータ１Ａにおいては、固定子２０が、４つの分割固定子にて構成されており、個々の分割固定子が、それぞれヨーク２２およびコイル２４をそれぞれ１つずつ含んでいる。
【００１８】
出力軸１２は、可動子１０の中央に配設され、図１中に示す矢印Ａ１，Ａ２方向に延在している。永久磁石１６は、出力軸１２の外周に４箇所設けられており、出力軸１２と永久磁石１６との間の空間を満たすように形成された平面視略十字形状の取り付け部１４を介して出力軸１２に固定されている。永久磁石１６は、平板状の形状を有するいわゆる板磁石であり、その主面が出力軸１２の周方向を向くように配置されている。永久磁石１６のＮ極１６ａおよびＳ極１６ｂは、これら磁極が出力軸１２の周方向に並ぶように配置されている。なお、出力軸１２の周方向において隣り合うこととなる永久磁石１６の上記磁極は、当該周方向において同じ磁極同士が対向するように配置される。
【００１９】
また、本実施の形態におけるリニアモータ１Ａにおいては、これら永久磁石１６が出力軸１２の軸方向において取り付け部１４によって挟持されている。したがって、永久磁石１６の出力軸１２の周方向における一対の表面は、いずれも露出した状態にある。なお、このような構成の可動子１０を製作するに際しては、樹脂材料を用いて取り付け部１４を射出成形する際に、出力軸１２と永久磁石１６とを一体化すべくインサート成形することにより、非常に簡便に製作が可能である。
【００２０】
固定子２０を構成する４つの分割固定子のそれぞれは、出力軸１２を取り囲むように円弧状に反らせて形成された枠状のヨーク２２と、このヨーク２２の中央位置に設けられた柱状部２２ａ（図２参照）に巻き付けられたコイル２４とによって構成されている。上記柱状部２２ａは、出力軸１２の軸方向に沿って延びており、この柱状部２２ａの周囲にリード線を巻き付けることにより、コイル２４が形成されている。ヨーク２２としては、好適には積層された電磁鋼板等が利用される。
【００２１】
個々の分割固定子に含まれるヨーク２２のそれぞれは、隣り合うヨークに対向する部分に一対の磁極２３ａ，２３ｂを含む磁極群２３Ａ，２３Ｂを有している。より具体的には、枠状に形成されたヨーク２２の出力軸１２の周方向に沿った一方端と他方端のそれぞれの所定位置に間隙部を設け、この間隙部を設けることによって形成されることとなる枠状のヨーク２２の出力軸１２の軸方向に沿った一対の縁部を磁極２３ａ，２３ｂとすることにより、各々のヨーク２２が出力軸１２の周方向において一対の磁極群２３Ａ，２３Ｂを有するように構成されている。このように構成することにより、磁極群２３Ａ，２３Ｂのそれぞれに含まれる一対の磁極２３ａ，２３ｂは、出力軸１２の軸方向に沿って対向配置されることになる。なお、上記一対の磁極２３ａ，２３ｂを構成するヨーク２２の縁部は、それぞれ縦断面が楔形状となるように構成されており、当該縁部の鋭角部分がヨーク２２の出力軸１２の周方向に沿った端部側に位置するように構成されている。
【００２２】
上述した可動子１０に設けられた永久磁石１６は、出力軸１２の周方向に沿って出力軸１２を取り囲むように配置された分割固定子の間に挿入配置されている。より具体的には、永久磁石１６は、出力軸１２の周方向に沿って離間配置された分割固定子のそれぞれの間に配置されており、当該永久磁石１６の主面のそれぞれが、隣り合う分割固定子の端部に設けられた磁極群２３Ａ，２３Ｂに対向配置されている。なお、永久磁石１６と磁極群２３Ａ，２３Ｂとは、これらの間に所定のクリアランスが形成されることにより、非接触となるように構成されている。
【００２３】
図３および図４は、本実施の形態におけるリニアモータの動作を説明するための模式図である。次に、これら図３および図４を参照して、本実施の形態におけるリニアモータ１Ａの動作について詳説する。なお、図３および図４は、出力軸１２の周方向に沿って配置される２つの分割固定子と、これら２つの分割固定子に隣り合うように配置される３つの永久磁石とのみを抜き出して模式的に平面上に展開して示した図である。以下においては、図中左側に位置する分割固定子を「第１分割固定子」と称し、図中右側に位置する分割固定子を「第２分割固定子」と称する。
【００２４】
本実施の形態におけるリニアモータ１Ａを動作させるためには、図示しない交流電流印加手段を用いて分割固定子のそれぞれに設けられたコイル２４に交流電流を印加する。ここで、隣り合う分割固定子に含まれるコイル２４に通電される交流電流は、隣り合う分割固定子に含まれるコイル２４に異なる方向に向けて磁束が発生するように通電される。これにより、隣り合う分割固定子に含まれるヨークには、それぞれ異なる向きに磁気回路が形成されることになる。より詳細には、図３および図４に示す状態が交流電流の印加中において繰り返されることになる。
【００２５】
具体的には、図３に示す状態においては、第１分割固定子に含まれるコイル２４に所定の方向に電流が印加されることにより、第１分割固定子に含まれる第１ヨーク部としてのヨーク２２の柱状部２２ａに図中矢印Ｂ１方向に向けて磁束が発生し、これに伴って当該ヨーク２２の出力軸１２の周方向の両端に形成された一対の縁部のそれぞれに図示する如くの極性が発生して第１磁極群２３Ａおよび第２磁極群２３Ｂが発生することになる。一方、第２分割固定子に含まれるコイル２４に所定の方向の電流が印加されることにより、第２分割固定子に含まれる第２ヨーク部としてのヨーク２２の柱状部２２ａに図中矢印Ｃ１方向（当該Ｃ１方向は上述した矢印Ｂ１方向とは逆向き）に向けて磁束が発生し、これに伴って当該ヨーク２２の出力軸１２の周方向の両端に形成された一対の縁部のそれぞれに図示する如くの極性が発生して第１磁極群２３Ａおよび第２磁極群２３Ｂが発生することになる。
【００２６】
ここで、隣り合う第１分割固定子の第１磁極群２３Ａと第２分割固定子の第２磁極群２３Ｂおよびこれらの間に位置する永久磁石１６について着目すると、第１磁極群２３Ａに含まれる磁極２３ａ，２３ｂの一方と、当該一方の磁極と対向配置された第２磁極群２３Ｂに含まれる磁極２３ａ，２３ｂの一方とは、逆極性に励磁されることになり、これらの間に配置された永久磁石１６のＮ極１６ａ，Ｓ極１６ｂとの関係において、当該永久磁石１６には、図中矢印Ａ１方向に示す方向に向けての推力が発生することになる。この推力の方向は、図３に示す状態において、隣り合う永久磁石１６において同方向となり、結果として可動子１０が図中矢印Ａ１方向に移動することになる。
【００２７】
一方、コイル２４に通電される電流の向きが反転した図４に示す状態においては、第１分割固定子に含まれるコイル２４に所定の方向に電流が印加されることにより、第１分割固定子に含まれる第１ヨーク部としてのヨーク２２の柱状部２２ａに図中矢印Ｂ２方向に向けて磁束が発生し、これに伴って当該ヨーク２２の出力軸１２の周方向の両端に形成された一対の縁部のそれぞれに図示する如くの極性が発生して第１磁極群２３Ａおよび第２磁極群２３Ｂが発生することになる。一方、第２分割固定子に含まれるコイル２４に所定の方向の電流が印加されることにより、第２分割固定子に含まれる第２ヨーク部としてのヨーク２２の柱状部２２ａに図中矢印Ｃ２方向（当該Ｃ２方向は上述した矢印Ｂ２方向とは逆向き）に向けて磁束が発生し、これに伴って当該ヨーク２２の出力軸１２の周方向の両端に形成された一対の縁部のそれぞれに図示する如くの極性が発生して第１磁極群２３Ａおよび第２磁極群２３Ｂが発生することになる。
【００２８】
ここで、隣り合う第１分割固定子の第１磁極群２３Ａと第２分割固定子の第２磁極群２３Ｂおよびこれらの間に位置する永久磁石１６について着目すると、第１磁極群２３Ａに含まれる磁極２３ａ，２３ｂの一方と、当該一方の磁極と対向配置された第２磁極群２３Ｂに含まれる磁極２３ａ，２３ｂの一方とは、逆極性に励磁されることになり、これらの間に配置された永久磁石１６のＮ極１６ａ，Ｓ極１６ｂとの関係において、当該永久磁石１６には、図中矢印Ａ２方向に示す方向に向けての推力が発生することになる。この推力の方向は、図４に示す状態において、隣り合う永久磁石１６において同方向となり、結果として可動子１０が図中矢印Ａ２方向に移動することになる。
【００２９】
以上において説明した図３および図４に示す状態が繰り返し交互に再現されることにより、可動子１０は、図１に示す矢印Ａ１，Ａ２方向に向けて往復動することになる。
【００３０】
以上において説明した本実施の形態におけるリニアモータ１Ａとすることにより、従来のリニアモータにおいて必要であった出力軸の径方向に配置されたインナーヨークおよびアウターヨークの２つのヨークが、出力軸１２の径方向において配置された１つのヨーク２２で済むことになるため、装置の径方向における大きさを大幅に小型化することができる。また、本実施の形態におけるリニアモータ１Ａとすることにより、磁気飽和を防止するためにヨーク２２の厚みを増す必要がある場合にも、当該厚みを増すべき方向が出力軸１２の周方向と合致することとなるため、装置の径方向における大きさが大型化することもない。
【００３１】
また、本実施の形態におけるリニアモータ１Ａとすることにより、分割固定子のそれぞれを同じ形状の部品にて共通化することが可能になるため、従来のリニアモータの如くインナーヨークとアウターヨークの２つのヨークが必要であった構成に比べて、必要となる部品点数も減少し、製造コストを低く抑えることもできる。
【００３２】
また、本実施の形態におけるリニアモータ１Ａとすることにより、永久磁石１６として平板状のいわゆる板磁石を利用することが可能になるため、従来の如く永久磁石を環状または円弧状に加工する必要がなく、製造コストを抑制することができる。
【００３３】
さらには、本実施の形態におけるリニアモータ１Ａとすることにより、ヨーク２２に設けられた磁極群２３Ａ，２３Ｂに面することとなる永久磁石１６の主表面が露出した状態で支持されることとなるため、磁気抵抗を低く抑えることが可能になり、高性能のリニアモータとすることができる。
【００３４】
図５は、本実施の形態の変形例に係るリニアモータの構成を示す断面図である。なお、図５に示す断面は、既に説明した図３に示す断面と同様の部分における断面図である。次に、この図５を参照して、本実施の形態の変形例に係るリニアモータ１Ｂの構成について説明する。
【００３５】
図５に示すように、本実施の形態の変形例に係るリニアモータ１Ｂは、上述の本実施の形態におけるリニアモータ１Ａと同様に、可動子１０と固定子２０とを備えている。本変形例に係るリニアモータ１Ｂにおいては、可動子１０が、出力軸１２と、この出力軸１２の外周に配置された８つの永久磁石１６とを主として備えており、固定子２０が、出力軸１２を取り囲むように出力軸１２の周方向に沿って配置された８つの分割固定子によって構成されている。８つの分割固定子のそれぞれは、ヨーク２２およびコイル２４を１つずつ備えている。個々の分割固定子の構成は、上述の本実施の形態におけるリニアモータ１Ａの構成とほぼ同様である。
【００３６】
本変形例に係るリニアモータ１Ｂにおいても、隣り合う分割固定子に含まれるヨーク２２間に永久磁石１６が配置されており、その配置方向は、上述の本実施の形態におけるリニアモータ１Ａと同様に、そのＮ極１６ａとＳ極１６ｂとが出力軸１２の周方向に並ぶように配置されている。
【００３７】
以上において説明した如くの本変形例に係るリニアモータ１Ｂの如くの構成を採用した場合にも、上述の本実施の形態におけるリニアモータ１Ａの場合と同様に、隣り合う分割固定子に含まれるコイル２４に通電される交流電流が隣り合う分割固定子に含まれるコイル２４に異なる方向に向けて磁束が発生するように通電されることにより、可動子１０が出力軸１２の軸方向に向けて往復動するようになる。
【００３８】
このように構成した場合にも、上述の本実施の形態におけるリニアモータ１Ａと同様の効果を得ることが可能になる。このように、分割固定子および永久磁石の数は限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更可能である。
【００３９】
また、上述の本実施の形態におけるリニアモータ１Ａおよび本実施の形態の変形例に係るリニアモータ１Ｂは、隣り合う分割固定子に含まれるコイル２４に通電される交流電流が隣り合う分割固定子に含まれるコイル２４に異なる方向に向けて磁束が発生するように通電されることが前提とされたものである。しかしながら、隣り合う分割固定子に含まれるコイル２４に通電される交流電流が隣り合う分割固定子に含まれるコイル２４に同じ方向に向けて磁束が発生するように通電されるように構成されたリニアモータにおいても、本発明を適用することが可能である。その場合には、永久磁石１６の配列方向が上述の本実施の形態におけるリニアモータ１Ａおよび本実施の形態の変形例に係るリニアモータ１Ｂとは異なり、そのＮ極１６ａおよびＳ極１６ｂが出力軸１２の軸方向に並ぶように配置されることが必要である。
【００４０】
（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構造を示す模式断面図である。本実施の形態におけるスターリング冷凍機１００は、上述の実施の形態１におけるリニアモータ１Ａをピストンの駆動手段として備えるものである。そのため、以下においては、リニアモータ１Ａの構成についての説明は繰り返さず、主としてスターリング冷凍機１００の構造について説明する。
【００４１】
図６に示すように、本実施の形態のスターリング冷凍機１００は、フリーピストン型のスターリング機関であって、放熱部１０２および吸熱部１０３を含むケーシング１２４と、ケーシング１２４に組付けられたシリンダ１１３Ａ，１１３Ｂと、シリンダ１１３Ａ，１１３Ｂ内でそれぞれ往復動するピストン１１４およびディスプレーサ１１５と、ディスプレーサロッド１１５Ａと、再生器１１６と、圧縮空間１１７Ａと膨張空間１１７Ｂとを含む作動空間１１７と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ１Ａと、ピストンスプリング１２１と、ディスプレーサスプリング１２２と、背圧空間１２３とを含んで構成される。
【００４２】
ケーシング１２４は、背圧空間１２３を規定する。ケーシング１２４には、シリンダ１１３Ａ，１１３Ｂ、リニアモータ１Ａ、ピストンスプリング１２１およびディスプレーサスプリング１２２をはじめとする種々の部品が組付けられる。ケーシング１２４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。
【００４３】
シリンダ１１３Ａ，１１３Ｂは、略円筒状の形状を有し、内部にピストン１１４およびフリーピストンとしてのディスプレーサ１１５をそれぞれ往復動可能に受け入れる。シリンダ１１３Ａ，１１３Ｂ内において、ピストン１１４とディスプレーサ１１５とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン１１４およびディスプレーサ１１５によって作動空間１１７が圧縮空間１１７Ａと膨張空間１１７Ｂとに区画される。より詳しくは、作動空間１１７は、ピストン１１４におけるディスプレーサ１１５側の端面よりもディスプレーサ１１５側に位置する空間であり、ピストン１１４とディスプレーサ１１５との間に圧縮空間１１７Ａが形成され、ディスプレーサ１１５と吸熱部１０３との間に膨張空間１１７Ｂが形成される。圧縮空間１１７Ａは主に放熱部１０２によって囲まれ、膨張空間１１７Ｂは主に吸熱部１０３によって囲まれている。
【００４４】
圧縮空間１１７Ａと膨張空間１１７Ｂとの間には、所定の隙間を有しながらフィルムが巻回されてなる再生器１１６が配設されており、この再生器１１６を介して圧縮空間１１７Ａと膨張空間１１７Ｂとが連通する。それにより、スターリング冷凍機１００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１１４およびディスプレーサ１１５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される。
【００４５】
シリンダ１１３Ａの外側に位置する背圧空間１２３には、リニアモータ１Ａが配設される。リニアモータ１Ａは、上述した可動子１０と固定子２０とを備えており、可動子１０の出力軸１２がピストン１１４に固定され（あるいは、ピストン１１４自体が出力軸を兼ね）、固定子２０がシリンダ１１３Ａを介してケーシング１２４に固定されている。このリニアモータ１Ａによって、シリンダ１１３Ａの軸方向（矢印Ａ１，Ａ２方向）にピストン１１４が駆動される。
【００４６】
ピストン１１４の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング１２１と接続される。該ピストンスプリング１２１は、ピストン１１４に弾性力を付与する「弾性力付与手段」として機能する。該ピストンスプリング１２１による弾性力を付加することにより、シリンダ１１３Ａ内でピストン１１４をより安定して周期的に往復動させることが可能となる。ディスプレーサ１１５の一端は、ディスプレーサロッド１１５Ａを介してディスプレーサスプリング１２２と接続される。ディスプレーサロッド１１５Ａはピストン１１４を貫通して配設され、ディスプレーサスプリング１２２は板バネなどで構成される。
【００４７】
ピストン１１４に対しディスプレーサ１１５と反対側には、ケーシング１２４によって囲まれた背圧空間１２３が配設されている。この背圧空間１２３内にも、作動媒体が存在する。
【００４８】
放熱部１０２、吸熱部１０３の内周面上には、それぞれ熱交換器１１８と熱交換器１１９とが設けられる。熱交換器１１８，１１９は、それぞれ、圧縮空間１１７Ａ，膨張空間１１７Ｂと放熱部１０２，吸熱部１０３との間の熱交換を行なう。
【００４９】
次に、図６を参照して、このスターリング冷凍機１００の動作について詳細に説明する。
【００５０】
スターリング冷凍機１００は、いわゆる逆スターリングサイクルを利用して冷凍効果を得るものである。ピストン１１４はリニアモータ１Ａにより駆動されて正弦運動する。ピストン１１４の動きにより圧縮空間１１７Ａ内の作動媒体は正弦波状の圧力変化を示す。圧縮された作動媒体は放熱部１０２で圧縮熱を放出し、シリンダ１１３Ｂ外に設けられた再生器１１６を通過する際に予冷され、膨張空間１１７Ｂへと流入する。
【００５１】
ディスプレーサ１１５は、定常運転時にはピストン１１４と同周期で一定の位相差をもって正弦運動し、その位相差や振幅は、ディスプレーサスプリング１２２のバネ定数や、時々刻々と変化する圧縮空間１１７Ａと膨張空間１１７Ｂとの圧力差、ディスプレーサ１１５の質量、動作周波数等によって決まる。この位相差については、一般的には９０度程度が最適条件であるといわれている。
【００５２】
膨張空間１１７Ｂへと流入した作動媒体は、このディスプレーサ１１５の正弦運動により膨張し、これによって膨張空間１１７Ｂ内の温度は著しく低下する。このとき発生した極低温（たとえば−５０℃程度）を吸熱部１０３を介して冷却庫内へ伝達することにより、所望の冷却効果が得られる。
【００５３】
以上において説明したスターリング冷凍機１００の如く、上述の実施の形態１において説明した構成のリニアモータ１Ａをピストン１１４の駆動手段として利用することにより、小型でかつ安価に製作が可能な高性能のスターリング冷凍機とすることができる。
【００５４】
なお、今回開示した上記各実施の形態およびその変形例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】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるリニアモータの外観構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるリニアモータを軸方向の中心位置において当該軸方向と直交する平面に沿って切断した場合の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるリニアモータの動作を説明するための模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるリニアモータの動作を説明するための模式図である。
【図５】変形例に係るリニアモータの構成を示す断面図である。
【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構造を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１Ａ，１Ｂ  リニアモータ、１０  可動子、１２  出力軸、１４  取り付け部、１６  永久磁石、１６ａ  Ｎ極、１６ｂ  Ｓ極、２０  固定子、２２  ヨーク、２２ａ  柱状部、２３Ａ，２３Ｂ  磁極群、２３ａ，２３ｂ  磁極、２４  コイル、１００  スターリング冷凍機、１０２  放熱部、１０３  吸熱部、１１３Ａ，１１３Ｂ  シリンダ、１１３Ａ１  フランジ部、１１４  ピストン、１１５  ディスプレーサ、１１５Ａ  ディスプレーサロッド、１１６  再生器、１１７  作動空間、１１７Ａ  圧縮空間、１１７Ｂ  膨張空間、１１８，１１９  熱交換器、１２１  ピストンスプリング、１２２  ディスプレーサスプリング、１２３  背圧空間、１２４  ケーシング。
【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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