(57)【要約】【課題】  二次主磁石による推力増大効果を低減させずに復元力のみを低減させ、小型化、高効率化、低価格化を可能にする。【解決手段】  径方向に着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の第１の主磁石と、軸方向に着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の副磁石と、前記第１の主磁石と逆極性に着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の第２の主磁石とが、第１の主磁石を中心として副磁石と第２の主磁石が同軸上対称に配置された可動部、空隙部を介して前記可動部に対向する二つの脚部を備え、前記可動部と同軸上に配置される励磁ヨーク、前記励磁ヨークに巻装され、前記脚部に磁束を発生させる励磁コイル、前記可動部を間に挟んで、前記励磁ヨークと対向するように配置された円筒状のバックヨークを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
径方向に着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の第１の主磁石と、軸方向に着磁された永久磁石からなる一対のほぼ円筒状の副磁石と、前記第１の主磁石と逆極性に着磁された永久磁石からなる一対のほぼ円筒状の第２の主磁石とが、第１の主磁石を中心として第１の主磁石両端に副磁石、第２の主磁石の順番で同軸上対称に配置された可動部、
空隙部を介して前記可動部に対向する二つの脚部を備え、前記可動部と同軸上に配置される励磁ヨーク、
前記励磁ヨークに巻装され、前記脚部に磁束を発生させる励磁コイル、
前記可動部を間に挟んで、前記励磁ヨークと対向するように配置された円筒状のバックヨークを備え、
前記励磁コイルに交流電流を通流して前記可動部を軸方向に往復動させるようにしたことを特徴とする振動型モータ。
【請求項２】
前記第１の主磁石と前記第２の主磁石による磁束と、前記副磁石による磁束とが、前記励磁ヨーク側では同じ方向となり、前記バックヨーク側では逆方向となるように、各磁石を配置することを特徴とする請求項１に記載した振動型モータ。
【請求項３】
前記第１の主磁石と前記第２の主磁石の軸方向長さの比が２：１であることを特徴とする請求項１または２に記載した振動型モータ。
【請求項４】
前記励磁コイルが無励磁の状態において、
前記励磁ヨークの各脚部の軸方向中心と、前記副磁石の軸方向中心とが一致するように各磁石を配置し、
前記副磁石の軸方向長さの１／２と前記可動部の軸方向の最大変位量を足した値が、前記励磁ヨークの一の脚部の軸方向長さの１／２よりも小さくなるように構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載した振動型モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング冷凍機の振動型圧縮機等に使用可能な振動型モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の振動型モータとして、可動磁石型のリニアモータ（以下、単に可動磁石型モータともいう）が使用されている。
図５，図６は、可動磁石型モータの駆動原理を説明するための概略的な構成図であり、何れもほぼ円筒状のモータの中心軸Ｃに沿った断面図の一部を示している。
図５において、１０１は励磁ヨーク、１０２は励磁コイル、１０３はバックヨーク、１０４は励磁ヨーク１０１とバックヨーク１０３との間の空隙部に配置され、かつ内周側及び外周側が異極に着磁された円筒状の永久磁石からなる可動部、１１０は可動部１０４による磁束である。可動部１０４の内部に記載された矢印は磁化方向（矢印先端がＮ極、矢印後端がＳ極）を示している。なお、可動部１０４を支持するケーシングは図示を省略してある。
多くの可動磁石型モータでは、図示する如く可動部１０４として単極着磁された単一の永久磁石が使用されており、この可動部１０４はピストン（図示せず）と一体的に連結されていると共に、可動部１０４の軸方向両端部は、励磁ヨーク１０１の脚幅内に収められている。
図５に示すように、可動部１０４の外周側をＮ極、内周側をＳ極とした場合、外周側から発生した磁束１１０は可動部１０４の外側を回って内周側に戻る。このため、可動部１０４の軸方向両端部では、上記の磁束１１０が、あたかも紙面垂直方向にそれぞれ逆向きに電流を流した場合に発生する磁束と等価になる。これを、永久磁石の等価電流ＩMと呼ぶ。
【０００３】
図６に示す如く、励磁コイル１０２に交流電流を加えて磁束Φを発生させ、この磁束Φを等価電流ＩMが存在する空隙部Ｇに鎖交させると、空隙部Ｇに配置された可動部１０４は、フレミングの左手の法則に従い、図の左右方向の力（推力）を受けて往復運動する。
上記の推力Ｆは、簡易的に数式１によって算出することができる。
【０００４】
【数１】
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ここで、Ｂは空隙部Ｇに発生させた磁束Φの磁束密度、ＬMは可動部１０４の周方向の平均長さである。
数式１において、通常のＢ・Ｉ・Ｌ則と異なって等価電流ＩMが２倍されているのは、本モデルでは可動部１０４の軸方向両端部の２箇所に等価電流ＩMが存在するためである。
一方、可動部１０４は、図示していない軸方向に適正なばね力を持つ機械ばね（例えば、コイルばねや板ばね）を設置している（特許文献２参照）。これは、機械振動の共振点で運転させることで、入力電力を抑えることができるからである。一般的には、スターリング冷凍機では、40〜80Hzの比較的低周波数で運転される。
単純なばね質量系の固有周波数ｆは、ばね定数ｋ、可動質量ｍとして次式で与えられる。
【０００５】
【数２】
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また、本発明の振動型モータを圧縮機として使用する場合、ばね定数ｋは以下のように表される。
【０００６】
【数３】
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ここで、
ｋspは機械ばねによるばね定数、
ｋmagは可動部磁石の復元力によるばね定数、
ｋgasは圧縮ガスによるばね定数である。
そのうち、ｋgasは要求される冷凍出力により、作動ガスの封入圧力と圧縮比でほぼ決まってしまうため、意図的に調整することは困難である。図５，図６のように、可動部１０４が単極着磁された単一の永久磁石の場合には、磁石の復元力は可動領域においてほとんど作用しないため、実用上ｋmagを考慮する必要は無い。したがって、機械ばね定数ｋspの調整可能範囲が広く、設計が比較的容易である。
ところで、モータの体格を変えずに（ＬM＝一定）、推力Ｆを大きくするためには、数式１から明らかなように、空隙部の磁束密度Ｂまたは等価電流ＩMを増加させればよい。
まず、磁束密度Ｂを増加させるには、空隙部のギャップ長を短くするか、励磁コイル１０２を流れる励磁電流を増加させる必要がある。しかし、前者の方法は、可動部１０４及びそれを支える部材が薄くなるため強度不足や加工コストの上昇を招き易く、後者の方法はジュール熱損失（Ｉ2Ｒ）が増大して性能の低下を招くという問題がある。
【０００７】
一方、等価電流ＩMを増加させるには、可動部１０４としての永久磁石の厚さを変えるほか、磁力がより大きい永久磁石を使うことが考えられるが、いずれもコストを上昇させる原因となる。
そこで、推力Ｆを大きくするための別の方法として、図７に示すような構造が考えられる。この可動磁石型モータは、円筒状の一次主磁石１０５の軸方向両端部に、一次主磁石１０５とは逆方向に着磁された円筒状の一対の二次主磁石１０７を同軸状かつ一体的に接合して可動部１０４Ａを形成し、等価電流ＩMを仮想的に増加させたものである。
なお、図７の構造によると、非励磁状態において一次主磁石１０５と二次主磁石１０７との接合部分において磁束が打ち消し合うことにより、図５，図６の構造に比べて可動部１０４Ａの中立位置における保持力が強くなり、いわゆる自動中立位置決め（セルフセンタリング）が容易になるという利点もある。
図７に示したように、一次主磁石と一対の二次主磁石とからなる可動部を備えた従来技術として、特許文献１に記載された可動磁石型モータが公知となっている。
図８は、特許文献１に記載された可動磁石型モータの構成図である。図８において、２０１はバックヨーク、２０２は励磁コイル、２０３は励磁ヨーク、２０４は可動部、２０５は一次主磁石、２０７は二次主磁石、３００はスターリングエンジン、３０１はケーシング、３０２はピストン、３０３はディスプレイサーである。また、２１０は可動部２０４の中立位置を示す。
【特許文献１】米国特許第５１４８０６６号明細書（Ｆｉｇ．１）
【特許文献２】特開２００５−９３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図８に示した従来技術によると、可動部２０４を軸方向に変位させた場合、可動部２０４に大きな復元力が働くためにピストンストロークを十分に確保できない場合がある。
上記の復元力を緩和する対策として、特許文献１のＦｉｇ．７Ａ，８Ａには、二次主磁石を三角形に形成したり厚さを薄くする等の方法により形状、構造を変化させることが開示されているが、これらの形状等を最適値に設計するためにはパラメータが非常に多くなり、二次主磁石の設計が困難になるという問題があった。また、二次主磁石を三角形にする等の方法を採ると、等価電流ＩMが減少し、復元力だけでなく推力増大効果も低減させてしまうという問題もあった。
一方、何ら復元力を緩和する対策を施さない場合には、一次主磁石と二次主磁石に大きな復元力が働くため、数式３に示したｋmagを考慮しなければならない。数式２および数式３から明らかなように、ｋmagが大きくなると機械振動の共振を調整するための機械ばねの設計要求範囲が狭くなり、低周波数共振の設計が困難となる。
この場合、支持ばね（機械ばね）の径方向の保持力を小さくして全体のばね力を弱める、数式２における可動質量mを大きくする、といったことも考えられる。しかし、これらの対策では、ピストンとシリンダを非接触に支持することができない、全体の重量が重くなり大型化する、といった問題がある。
【０００９】
また、二次主磁石がある場合、バックヨーク内を通過する磁束が増大するため、磁束通過方向のバックヨーク断面積を増大させる必要が生じ、大型化するといった問題があった。さらには、軸方向への往復運動時のバックヨーク内の磁束変化も大きくなるため、バックヨーク内に発生する渦電流により効率が低下するといった問題もあった。
そこで、本発明の解決課題は、二次主磁石による推力増大効果を低減させずに復元力のみを低減させて振動型モータの共振設計を容易にし、かつ、バックヨーク内に発生する渦電流を低減させ、推力の増大、及び小型化、高効率化を可能にした振動型モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、径方向に着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の第１の主磁石と、軸方向に着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の副磁石と、前記第１の主磁石と逆極性に着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の第２の主磁石とが、第１の主磁石を中心として副磁石と第２の主磁石が同軸上対称に配置された可動部、空隙部を介して前記可動部に対向する二つの脚部を備え、前記可動部と同軸上に配置される励磁ヨーク、前記励磁ヨークに巻装され、前記脚部に磁束を発生させる励磁コイル、前記可動部を間に挟んで、前記励磁ヨークと対向するように配置された円筒状のバックヨークを備え、前記励磁コイルに交流電流を通流して前記可動部を軸方向に往復動させるようにしたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した振動型モータにおいて、前記第１の主磁石と前記第２の主磁石による磁束と、前記副磁石による磁束とが、前記励磁ヨーク側では同じ方向となり、前記バックヨーク側では逆方向となるように、各磁石を配置することを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した振動型モータにおいて、前記第１の主磁石と前記第２の主磁石の軸方向長さの比が２：１であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３に記載した振動型モータにおいて、前記副磁石の軸方向長さの１／２と前記可動部の軸方向の最大変位量を足した値が、前記励磁ヨークの脚部の軸方向長さの１／２よりも小さくなるように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明によれば、推力増大効果を維持したまま軸方向復元力を低減させることができる。
請求項２の発明によれば、バックヨーク側の発生磁束を低減させることができ、バックヨーク内の渦電流によるロスが低減できるため、高効率化を図ることができる。
請求項３の発明によれば、第１の主磁石と第２の主磁石の総磁束が一致し、励磁ヨークの通過磁束を低減できるため、励磁ヨークの外周部の断面積を小さくすることが可能なり、小型化することができる。さらに、通過磁束の減少により、渦電流によるロスを低減させることができる。
請求項４の発明によれば、往復運動時において第１の主磁石および第２の主磁石の端部が常に脚部内に収まることで、等価電流ＩMを推力増大要素として確実に利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の主要部を示す構成図であり、図５〜図８と同様に、ほぼ円筒状のモータの中心軸Ｃに沿った断面図の一部を示している。
図１において、１は励磁ヨーク、２は励磁ヨーク１に巻装された励磁コイル、３はバックヨーク、４は励磁ヨーク１とバックヨーク３との間の空隙部に配置された円筒状の永久磁石からなる可動部である。なお、可動部４を支持するケーシングは図示を省略してある。
可動部４は、外周側をＮ極、内周側をＳ極に着磁した円筒状の一次主磁石５と、軸方向内側をＮ極、軸方向外側をＳ極に着磁した一対の円筒状の副磁石６と、一次主磁石５とは逆方向に着磁された一対の円筒状の二次主磁石７とが、一次主磁石５を中心として、副磁石６、二次主磁石７の順番で対称に連結して構成されている。なお、一次主磁石５、副磁石６、一次主磁石７の内部に記載された矢印は磁化方向（矢印先端がＮ極、矢印後端がＳ極）を示しており、可動部４は磁化方向を９０度変えて配列されたハルバッハ型磁石となっている。
なお、一次主磁石５、二次主磁石７、副磁石６には、例えばネオジウムやサマリウムといった希土類の永久磁石が用いられる。
【００１４】
励磁ヨーク１は、軟磁性材を切削加工されたブロック、鉄板や珪素鋼板などを積層したもの、または軟磁性材料を焼結して形成したもので形成されている。振動型モータのように交番磁界が加わる場合には、磁束に垂直な方向に渦電流が発生して性能を低下させるため、積層鋼板等を用いて磁束に垂直な方向を絶縁することが好ましい。
バックヨーク３は軟磁性体材料で形成され、軸方向端部は図示するように励磁ヨークの脚部１１の軸方向外端部と一致している。
次に、可動部４にハルバッハ型磁石を採用したことによる効果について説明する。
図１に示すように、本発明では、一次主磁石５と二次主磁石７による磁束２１と副磁石６による磁束２２が発生する。磁束２１と磁束２２は、励磁ヨーク側では同じ方向のため磁束を強めあうが、バックヨーク側では逆方向のために弱めあうこととなり、バックヨーク３を通過する磁束が大幅に低減される。これにより、バックヨーク３を薄く構成することが可能となり、また、軸方向の磁気による復元力も小さくなることで機械ばねの共振設計の範囲を広く取ることができる。さらに、バックヨークをリングで製作した場合でも、磁石の往復運動による磁束変化が小さくなるため、渦電流を低減することができる。
図２は本発明の動作時の原理を示した図である。
【００１５】
図２の如く、コイルに紙面垂直下向き方向に電流を流した場合、励磁ヨークには図に示すような時計回り方向に励磁磁束３１が発生し、図示した一次主磁石５、副磁石６、二次主磁石７の等価電流ＩMにより、可動部４はフレミングの左手の方向により励磁ヨーク１の２つの脚部１１で左向きに力を受ける。なお、副磁石６は両方向の等価電流ＩMを持っているために力は相殺され、一次主磁石５と二次主磁石７で構成することにより得られる推力増大効果を減少することはない。また、励磁コイル２に逆向き（紙面垂直上向き方向）の電流を流せば、右側に力が発生する。したがって、励磁コイル２に正弦波電流を流すことで、往復運動を実現する。
次に、ハルバッハ型磁石を採用してより大きな効果を奏するため、さらに各永久磁石は以下のように構成する。
図３は本発明の実施形態における脚部付近の拡大図である。
図３に示すように、可動部４の軸方向中心と励磁ヨーク２の軸方向中心が一致する場合（励磁コイル２が無励磁状態）において、各副磁石６の軸方向中心と各励磁ヨーク脚部１１の軸方向中心が一致するように構成され、かつ、副磁石６の長さＬａ、可動部４の最大変位量Ｙｍａｘ、励磁ヨーク脚部１１の軸方向幅Ｌｙは、Ｙｍａｘ＋Ｌａ／２＜Ｌｙ／２の関係を満たすように構成されている。これにより、往復運動時において一次主磁石５および二次主磁石７の端部が脚部１１内に収まることで、等価電流ＩMを推力増大要素として利用できるためである。
【００１６】
また、二次主磁石７の長さは、可動部４の変位が最大変位量Ｙｍａｘに達した場合においても二次主磁石７の最外端が励磁ヨーク脚部１１内に達しない長さを有する。二次主磁石７の長さが短い場合、二次主磁石７の外端に存在する等価電流ＩM（図３参照）による反力が発生し、推力増大効果が低減してしまうからである。
さらに、図４に示すように二次主磁石７の軸方向長さが、一次主磁石５の軸方向長さの１／２となっていない場合には、可動時における励磁ヨーク１およびバックヨーク３の通過磁束は励磁コイル２による磁束３１と一次主磁石５および二次主磁石７からの漏洩磁束３２が通過することとなる。しかし、二次主磁石７の軸方向長さを、一次主磁石５の軸方向長さの１／２にすることにより、一次主磁石５と二次主磁石７の発生磁束が一致するため、励磁ヨーク１およびバックヨーク３の通過磁束は漏洩磁束３２がなくなり励磁コイル２より発生する磁束３１のみとなるため、励磁ヨーク外周部の断面積を小さくすることが可能となり、振動モータを小型化できる。
上述した実施形態では、励磁ヨーク１を可動部４の円半径方向外側、バックヨーク３を可動部４の円半径方向内側に配置してあるが、励磁ヨーク１とバックヨーク３を逆に配置しても良い。
【００１７】
また、本発明に係る振動型モータは、スターリング冷凍機の振動型圧縮機等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図
【図２】本発明の動作時の状態を示した図
【図３】本発明の実施形態における脚部付近の拡大図
【図４】二次主磁石７の軸方向長さが、一次主磁石５の軸方向長さの１／２となっていない場合における磁束を表した図
【図５】可動磁石型モータの構成図
【図６】可動磁石型モータの駆動原理を説明するための図
【図７】従来技術を示す構成図
【図８】特許文献１に記載された従来技術を示す構成図
【符号の説明】
【００１９】
１，１０１，２０１：励磁ヨーク
２，１０２，２０２：励磁コイル
３，１０３，２０３：バックヨーク
４，１０４，１０４Ａ，２０４：可動部
５，１０５，２０５：一次主磁石
６：副磁石
７，１０７，２０７：二次主磁石
１１：脚部
【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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