(57)【要約】【課題】  補助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】  内周側及び外周側が異極に着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の主磁石と、この主磁石の軸方向両端部にそれぞれ同軸状に接合され、かつ、内周側及び外周側が前記主磁石とは逆極性で着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の補助磁石を有する可動部、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、軸方向両端部が前記励磁ヨークの脚部にあって前記可動部に最も近い面の外側両端部より内側に収められている、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】
内周側及び外周側が異極に着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の主磁石と、この主磁石の軸方向両端部にそれぞれ同軸状に接合され、かつ、内周側及び外周側が前記主磁石とは逆極性で着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の補助磁石とを有する可動部、
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、軸方向両端部が前記励磁ヨークの脚部にあって前記可動部に最も近い面の外側両端部より内側に収められている、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】
前記励磁ヨークを、前記可動部の半径方向外側に設け、前記バックヨークを、前記可動部の半径方向内側に設けた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】
前記励磁ヨークを、前記可動部の半径方向内側に設け、前記バックヨークを、前記可動部の半径方向外側に設けた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４】
前記バックヨークの軸方向端部と、前記励磁ヨークの脚部にあって前記可動部に最も近い面の外側端部との距離を、両端部とも等しくしたことを特徴とする請求項１乃至３に記載した振動型モータ。
【請求項５】
前記バックヨークの軸方向端部と、前記励磁ヨークの脚部にあって前記可動部に最も近い面の外側端部との距離を、前記励磁ヨークの脚部にあって前記可動部に最も近い面の軸方向幅の３０％以下としたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載した振動型モータ。
【請求項６】
前記主磁石と補助磁石との接合部間距離と、前記２つの脚部にあって前記可動部に最も近い面の中央部間距離とが、等しいことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載した振動型モータ。
【請求項７】
前記可動部の軸方向長さを、前記励磁ヨークの脚部にあって前記可動部に最も近い面の外側端部間の距離よりも長くしたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか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６，図７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６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、２０１は可動部１０４による磁束である。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６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２０１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２０１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７に示す如く、励磁コイル１０２に交流電流を加えて磁束Ｂを発生させ、この磁束Ｂ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６，図７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８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、円筒状の主磁石１０５の軸方向両端部に、主磁石１０５とは逆方向に着磁された円筒状の補助磁石１０６，１０７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８の構造によると、非励磁状態において主磁石１０５と補助磁石１０６，１０７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６，図７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８に示したように、主磁石と一対の補助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９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９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は主磁石、２０６，２０７は補助磁石、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９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、補助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、補助磁石の設計が困難になるという問題があった。また、補助磁石を三角形にする等の方法を採ると、等価電流が減少し、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、主磁石と補助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】
そこで、本発明の解決課題は、補助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るようにし、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、
内周側及び外周側が異極に着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の主磁石と、この主磁石の軸方向両端部にそれぞれ同軸状に接合され、かつ、内周側及び外周側が前記主磁石とは逆極性で着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の補助磁石とを有する可動部、
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、軸方向両端部が前記励磁ヨークの脚部にあって前記可動部に最も近い面の外側両端部より内側に収められている、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、前記励磁ヨークを、前記可動部の半径方向外側に設け、前記バックヨークを、前記可動部の半径方向内側に設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３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、前記励磁ヨークを、前記可動部の半径方向内側に設け、前記バックヨークを、前記可動部の半径方向外側に設けたことを特徴とする。
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、前記バックヨークの軸方向端部と、前記励磁ヨークの脚部にあって前記可動部に最も近い面の外側端部との距離を、両端部とも等しくしたことを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載した振動型モータにおいて、前記バックヨークの軸方向端部と、前記励磁ヨークの脚部にあって前記可動部に最も近い面の外側端部との距離を、前記励磁ヨークの脚部にあって前記可動部に最も近い面の軸方向幅の３０％以下としたことを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項１乃至５の何れか１項に記載した振動型モータにおいて、前記主磁石と補助磁石との接合部間距離と、前記２つの脚部にあって前記可動部に最も近い面の中央部間距離とが、等しいことを特徴とする。
請求項７に係る発明は、請求項１乃至６の何れか１項に記載した振動型モータにおいて、前記可動部の軸方向長さを、前記励磁ヨークの脚部にあって前記可動部に最も近い面の外側端部間の距離よりも長くしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、励磁電流によって発生する可動部の推力をほぼ維持しながら、可動部の永久磁石に起因した復元力を緩和することができると共に、小型、軽量かつ低価格の振動型モータを提供することが可能である。
【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はこの実施形態の主要部を示す構成図であり、図６〜図９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、図８と同様に、外周側をＮ極、内周側をＳ極に着磁した円筒状の主磁石５の軸方向両端部に、主磁石５とは逆方向に着磁された円筒状の補助磁石６，７を同軸状かつ一体的に連結して構成されている。また、８，９は、主磁石５と補助磁石６，７との接合部である。
主磁石５及び補助磁石６，７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。
励磁ヨーク１は、鉄板や珪素鋼板などを複数、積層して形成されている。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。
【００１４】
バックヨーク３の端部３ａ，３ｂは、図示するように脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面の外側端部１１ａ，１２ａの内側に位置している。つまり、バックヨーク３の軸方向長さは、外側端部１１ａ，１２ａ間の距離よりも短い。
また、バックヨーク３は、端部３ａと脚部１１にあって可動部４に最も近い面の外側端部１１ａの距離と、バックヨーク３の端部３ｂと脚部１２にあって可動部４に最も近い面の外側端部１２ａの距離が、等しくなるように設置している。
一方、可動部４全体の軸方向に沿った長さは、脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面の外側端部１１ａ，１２ａ間の距離よりも長く、可動部４の両端部（補助磁石６，７の各一端部）は外側端部１１ａ，１２ａよりも外側に位置している。また、主磁石５と補助磁石６，７との間の接合部８，９は、外側端部１１ａ，１２ａよりも内側に位置している。なお、接合部８，９を、脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面の中央部１１ｂ，１２ｂと一致させても良い。一致させる事で、設計パラメータが一つ減り、設計が簡素化されることとなるからである。
軸方向に沿った補助磁石６，７の長さは、可動部４がモータストロークとして要求される最大長だけ変位した時にも、可動部４の両端部（補助磁石６，７の各一端部）が脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面（外側端部１１ａ，１２ａの内側）にかからないように設定されている。これは、補助磁石６，７の長さが短い場合には、補助磁石６，７の外側端部に存在する等価電流（図８参照）による反力を発生させてしまい、推力の増大効果が小さくなってしまうためである。
【００１５】
なお、励磁ヨークの脚部１１，１２は、可動部４側をテーパ状に幅狭ないしは幅広に形成してもよい。あるいは、脚部１１，１２を階段状に形成して可動部４に最も近い面の軸方向幅を脚部１１，１２の基端部よりも広くまたは狭くしてもよい。かかる場合であっても、バックヨーク３の端部３ａ，３ｂの位置が、励磁ヨーク１の脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面の外側両端部１１ａ，１２ａの内側に配置されることで、同様の効果が得られるからである。
図２は、励磁ヨークの脚部１１，１２を、可動部４の軸方向外側のみテーパ状に幅狭にしたものである。
次に、可動部４の変位と推力、復元力の関係を説明する。
ここで、バックヨーク３の端部３ａ，３ｂから、励磁ヨーク１の脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面の外側端部１１ａ，１２ａまでの距離をD（図１，図２参照）とする。また、励磁ヨーク１の脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面の軸方向幅をＷ（図１，図２参照）とする。
また、脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面の中央部１１ｂ，１２ｂは、図１，図２に示したとおり、Wの中央部となる。
【００１６】
図３は、距離Dが幅Wの０％、すなわちバックヨーク３の各端部３ａ，３ｂと励磁ヨーク１の脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面の外側両端部１１ａ，１２ａが一致する場合（図３における「一致」）と、距離Dが幅Wの１８％となるようにバックヨーク３を短くして配置した場合（図３における「１８％短」）の、可動部４の変位と励磁推力との関係を示している。
図４は、距離Dが幅Wの０％、すなわちバックヨーク３の各端部３ａ，３ｂと励磁ヨーク１の脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面の外側両端部１１ａ，１２ａが一致する場合（図４における「一致」）と、前記Dが前記Wの１８％となるようにバックヨーク３を短くして配置した場合（図４における「１８％短」）の、可動部４の変位と復元力との関係を示している。
図５は、距離Dが幅Wの０％、すなわちバックヨーク３の各端部３ａ，３ｂと励磁ヨーク１の脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面の外側両端部１１ａ，１２ａが一致する場合（図５における「一致」）と、距離Dが幅Wの１８％（図５における「１８％短」），２９％（図５における「２９％短」），５０％（図５における「５０％短」）となるようにバックヨーク３を短くして配置した場合の、可動部４の変位と復元力との関係を示している。「５０％短」の場合には、バックヨーク３の端部３ａ，３ｂと、前記脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面の中央部１１ｂ，１２ｂとの位置が一致している。
【００１７】
なお、図３，図４，図５のいずれも、可動部を外側に移動させる力をプラスとしている。
図３から、バックヨーク３の端部３ａ，３ｂの位置を、励磁ヨーク１の脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面の外側両端部１１ａ，１２ａの位置を一致させた場合と、距離Dが幅Wの１８％にあたる距離となるようにバックヨーク３を短くして配置した場合とで、励磁推力はほぼ同等の曲線を描くことがわかる。すなわち、内部ヨーク３の長さを短くして配置しても、励磁推力がほとんど低減することはないことを意味している。
図４によれば、復元力は可動部変位１ｍｍ以下の中立域近傍でほぼ同等であるが、それ以上の範囲において、距離Dが幅Wの１８％にあたる距離となるようにバックヨーク３を短くして配置した場合には、復元力が小さく抑えられていることがわかる。
例えば、変位４ｍｍにおいて、約半分にまで低減されている。
さらに、図５によれば、距離Dを大きくすると復元力は徐々に小さくなり、距離Dが幅Wの２９％にあたる距離とした場合にはほぼ０となる。距離Dが幅Wの５０％にあたる距離とした場合には、復元力ではなく非線形な推力として働くことがわかる。
ただし、距離Dが幅Wの５０％にあたる距離とした場合のように復元力が非線形な推力として働いた場合には、可動範囲の中立が不安定となり機械振動の共振調整が困難で、モータとして不安定なものとなってしまう。
【００１８】
以上より、バックヨーク３の端部３ａ，３ｂの位置が、軸方向内側に一の脚部にあって可動部４に最も近い面の軸方向幅Ｗ（図１，図２参照）の３０％以下の距離となるようにバックヨーク３を短くして配置することで、補助磁石６，７の設置による推力増大効果を損なわずに、復元力を小さく抑えることができる。その結果、正味推力が大きくなり、可動部４を広い領域にわたって駆動可能となる。
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。
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】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す構成図である。
【図３】実施形態における可動部の変位と推力との関係を示す図である。
【図４】実施形態における可動部の変位と復元力との関係を示す図である。
【図５】実施形態におけるバックヨーク長さを変更した場合の、可動部の変位と復元力との関係を示す図である。
【図６】可動磁石型モータの駆動原理を説明するための構成図である。
【図７】可動磁石型モータの駆動原理を説明するための構成図である。
【図８】従来技術を示す構成図である。
【図９】特許文献１に記載された従来技術を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２０】
１：励磁ヨーク
１１，１２：脚部
１１ａ，１２ａ：外側端部
１１ｂ，１２ｂ：中央部
２：励磁コイル
３：バックヨーク
３ａ，３ｂ：端部
４：可動部
５：主磁石
６，７：補助磁石
８，９：接合部
【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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【図９】
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