JP2004297858A

JP2004297858A - リング状永久磁石の固定構造

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Publication number: JP2004297858A
Application number: JP2003083858A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Maezawa; 一男前沢; Mamoru Saito; 守斉藤
Original assignee: Twinbird Corp
Current assignee: Twinbird Corp
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: US7122919B2; JP3820588B2; CN1533012A; CN1331295C; HK1069022A1; US20040189105A1

Abstract

【課題】支持体に対する永久磁石の偏心精度を向上するリング状永久磁石の固定構造を提供する。
【解決手段】Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁性材からなるリング状永久磁石１８を円筒状の支持体１７の先端側内周面にインサート成形する。これにより、支持体１７に対する永久磁石１８の同軸精度がインサート成形型の精度のみで決まり、支持体に対する永久磁石１８の同軸精度が向上する。さらに、径方向に着磁されたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁性材からなるリング状永久磁石１８が、冷えると径方向に膨張変形するのに対し、合成樹脂からなる支持体１７が冷えると収縮変形することから、支持体１７に対して永久磁石１８が強固に固定されるばかりでなく、支持体１７と永久磁石１８との接合面に間隙が生じることなく、同軸精度を保つことができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータ等の駆動機構に用いられる、支持体に永久磁石を備えたリング状永久磁石の固定構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特許文献１で開示されるスターリングサイクル機関が知られている、このスターリングサイクル機関は、ケーシング内に設けられたシリンダの内部に、ピストン及びディスプレイサーが摺動可能に挿入されると共に、前記ピストンを駆動機構によって往復駆動させている。前記ピストンを往復駆動する駆動機構は、ピストンの基端に接続される短筒状の支持体の一端に固定されるリング状の永久磁石と、この永久磁石の内周側に磁気的空隙を介して対向配置される導磁部と、前記永久磁石の外周側に磁気的空隙を介して対向配置されるコアに巻装する電磁コイルとで構成されている。そして、前記ピストンが前記駆動機構によって駆動されて前記シリンダ内で前記ディスプレイサーに近づく方向に移動すると、前記ピストンとディスプレイサーの間に形成された圧縮室内の気体が圧縮されて、放熱フィン、再生器、吸熱フィンを通り、前記ディスプレイサーの先端と前記ケーシングの先端部との間に形成された膨張室に至ることで、前記ディスプレイサーが前記ピストンに対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストンが前記ディスプレイサーから遠ざかる方向に移動すると、前記圧縮室の内部が負圧となり、前記膨張室内の気体が前記吸熱フィン、再生器、放熱フィンを通って前記圧縮室に還流することで、前記ディスプレイサーが前記ピストンに対して所定の位相差をもって押し上げられる。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、前記膨張室近傍は低温となり、一方、前記圧縮室近傍は高温となるというものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３５５５１３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなスターリングサイクル機関に用いられる駆動機構は、電磁コイルに交流電流を流すことにより、この電磁コイルから交番磁界を発生させ、この交番磁界により、支持体に固定されるリング状の永久磁石を軸方向に往復動させ、永久磁石を固定した支持体に接続されたピストンをシリンダ内において軸方向に往復動させている。
【０００５】
従来、このような駆動機構に用いられる永久磁石は、円筒形の支持体に接着剤によって固定されていた。この際、図３に示すように、専用の固定用治具Ａに永久磁石Ｍをセットし、この永久磁石Ｍに接着剤を塗布した後、永久磁石Ｍに接するように支持体Ｂを治具Ａにセットすることで、支持体Ｂに永久磁石Ｍが接着剤によって固定されるようにしていた。しかし、このように固定用治具Ａを用いて支持体Ｂに永久磁石Ｍを固着する方法では、まず、固定用治具Ａに対して支持体Ｂ及び永久磁石Ｍを着脱する必要があるため、固定用治具Ａの外周面と支持体Ｂ及び永久磁石Ｍの内周面との間にクリアランスが必要であり、さらに、永久磁石Ｍを支持体Ｂに対して接着剤で固定することから、図３に示すように、支持体Ｂと永久磁石Ｍを径方向に重ねる場合、支持体Ｂと永久磁石Ｍとの間にも接着しろが必要となる。このような、固定用治具Ａに対する支持体Ｂと永久磁石Ｍのクリアランスや支持体Ｂと永久磁石Ｍの接着しろによって、支持体Ｂに接続されるピストンに対して永久磁石Ｍが偏心し、永久磁石Ｍに対するピストンの同軸度に狂いが生じやすく、精度を維持することが難しいという問題があった。また、リング状の永久磁石Ｍは、温度等の条件に影響されて伸縮した場合、永久磁石Ｍと支持体Ｂとの熱膨張係数の差によって、支持体Ｂから永久磁石Ｍが剥離してしまう虞が生じ、製品の品質を安定化するができないという問題があった。さらに、接着剤の使用は、硬化処理等の管理に手間がかかり、組み付け作業性も劣るものであった。
【０００６】
そこで本発明は、永久磁石の装着に接着剤を使用せずに支持体と永久磁石を確実に固定すると共に、前記永久磁石を支持体に対して精度良く同軸に支持することで、駆動機構の出力特性を向上させることができるリング状永久磁石の固定構造を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、リング状永久磁石と、これを支持する支持体とから成り、前記支持体を合成樹脂で成形するとともに、この支持体に前記リング状永久磁石をインサート成形したものである。
【０００８】
この請求項１の構成によれば、永久磁石の挿入、接着その他固定に要する作業や部材が一切不要になる他、支持体に対する永久磁石の同軸精度がインサート成形型の精度のみで決まる。
【０００９】
また、請求項２の発明は、前記支持体と前記リング状永久磁石との径方向における位置関係を、リング状永久磁石を内側、前記支持体を外側に配置したものである。
【００１０】
この請求項２の構成によれば、合成樹脂からなる支持体は、これを成形した後で冷えて収縮変形するが、永久磁石に比べて支持体の収縮率が大きいため、リング状永久磁石を径方向内側、支持体を径方向外側に配置することにより、成形後に支持体と永久磁石が冷えることによって支持体が永久磁石の外面に圧接する。
【００１１】
更に、請求項３の発明は、前記リング状永久磁石の材質をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁性材で成形するとともに、このリング状永久磁石に対し、内側と外側とで極性が異なるように径方向に着磁したものである。
【００１２】
この請求項３の構成によれば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁性材からなる永久磁石は、磁束の方向に対して熱膨張係数が正であると共に、磁束と直交する方向に対して熱膨張係数が負であることから、冷えると、磁束の方向と直交する面方向に膨張変形することで外径が大きくなるのに対して、合成樹脂製の支持体は冷えると収縮するため、成形後に支持体と永久磁石が冷えると、前記支持体が永久磁石の外面に対し、より強固に圧接する。
【００１３】
【発明の実施形態】
以下、本発明の一実施形態について、スターリングサイクル機関に適用した場合を例にして添付図を参照して説明する。図１〜図２において、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。
【００１４】
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。このシリンダ７の先端部６側には、このシリンダ７とは別体の延長シリンダ部７Ａが同軸状に接続されている。そして、前記胴部３側となる前記シリンダ７は、アルミニウム等の金属を用いてダイカスト等の鋳造を行うことによって、後述するマウント２６，２７及び接続用腕部３０と一体に成形されたものであり、鋳造後にシリンダ７の内外周などを切削加工したものである。そして、前記シリンダ７の先端側及び延長シリンダ部７Ａ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によって前記延長シリンダ部７Ａ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の内周と前記延長シリンダ部７Ａ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の外周との間に放熱フィン１３が設けられている。そして、前記延長シリンダ部７Ａの内部先端から隙間９、吸熱フィン１２、再生器１０、放熱フィン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。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。そして、このピストン１５の基端部は、駆動機構１６に対して同軸的に連結されている。なお、この駆動機構１６は、前記ピストン１５の基端に接続体１５Ａによって接続されていると共に前記シリンダ７の基端側の外周に同軸状に延設された短筒状の支持体１７と、この支持体１７の先端側の内周面に固定された短円筒状の永久磁石１８と、この永久磁石１８の外周に近接して設けられた環状の電磁コイル１９と、前記永久磁石１８の内周に近接して設けられた導磁部２０とで構成されている。
【００１５】
前記支持体１７は合成樹脂からなり、その先端側の内周面に固定されるリング状永久磁石１８はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁性材によって構成される。そして、支持体１７を成形する際、その支持体１７を成形する金型（図示せず）に予め着磁前の永久磁石１８を組み込んだ状態で支持体１７の成形材料を充填することにより、支持体１７の先端側の内周面に永久磁石１８が一体にインサート成形される。更に、成形終了後に、この永久磁石１８に対して径方向に着磁する。
【００１６】
また、前記ピストン１５に支持体１７を接続させる接続体１５Ａには、前記ピストン１５の動作を制御するための第一の板バネ２１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２２の一端が接続されていると共に、このロッド２２の他端には第二の板バネ２３が接続されている。尚、前記ロッド２２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２１，２３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２１よりも第二の板バネ２３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。尚、前記電磁コイル１９は電磁コア２４に巻かれるように設けられていると共に、この電磁コア２４は電磁コイル１９等と共に一体化されている。
【００１７】
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マウント２６が一体に形成されていると共に、このマウント２６よりも基端側の位置に、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。これら一対のマウント２６，２７は間隔をおいて形成されていると共に、前記マウント２６は、前記円筒部２の基部４にＯ−リング２６Ａを介して当接してシリンダ７をケーシング１の円筒部２に固定する。一方、前記マウント２７は、その一側面２７Ａが前記胴部３内部の取付部３Ａに当接してこの取付部３Ａに対して螺子止めされるように構成されていると共に、その他側面２７Ｂに前記駆動機構１６を構成する電磁コア２４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２４の他端には固定リング２８が当接しており、この固定リング２８と前記マウント２７とで前記電磁コア２４を挟持してビス２９によって締め付けることによって、前記電磁コア２４、ひいてはこの電磁コア２４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。更に、前記マウント２７の他側面２７Ｂ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、基端３０Ａ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、接続用腕部３０の先端部に前記第一の板バネ２１がスペーサー３１によって取り付けられていると共に、このスペーサー３１に対して前記第二の板バネ２３がビス３２によって取り付けられている。
【００１８】
尚、図中３３はケーシング１の他端に設けた振動吸収ユニットであり、前記シリンダ７の軸線上に配置された連結部を介して同軸状に複数の板バネ３４とバランスウエイト３５が重なるように配置されている。
【００１９】
従って、前記シリンダ７は、前記マウント２６を円筒部２の基部４の内側にＯ−リング２６Ａを介して当接させると共に、前記マウント２７の一側面２７Ａを前記胴部３内部の取付部３Ａに当接させてこの取付部３Ａに対して螺子止めすることで、前記ケーシング１に対して固定される。この際、前記マウント２６が円筒部２の内面にＯ−リング２６Ａを介して当接することで、前記シリンダ７を円筒部２に対して同軸に配置することができる。また、前記シリンダ７は、このシリンダ７の基端側の外周に導磁部２０を取り付けると共に、前記シリンダ７と一体に形成されたマウント２７に対して、前記固定リング２８及びビス２９によって、前記駆動機構１６を構成する電磁コイル１９及び電磁コア２４を固定する。更に、前記シリンダ７内に前記ディスプレイサー８、ピストン１５等を組み込み、このピストン１５の基端の接続体１５Ａに取り付けられた第一の板バネ２１を前記腕部３０とスペーサー３１との間で挟持して固定すると共に、前記ディスプレイサー８に接続されたロッド２２の他端に接続された第二の板バネ２３を前記スペーサー３１の他端に固定する。その後に、前記胴部３と円筒部２を接続し、予め組み立てられた振動吸収ユニット３３を前記胴部３に取り付ける。
【００２０】
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２４で集中し、この交番磁界によって、前記永久磁石１８を軸方向に往復動させる力が生じる。この力によって、前記永久磁石１８を固定した支持体１７に接続されたピストン１５がシリンダ７内を軸方向に往復動する。このため、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、放熱フィン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、前記膨張室内の気体が前記膨張室Ｅから前記隙間９、吸熱フィン１２、再生器１０、放熱フィン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押し上げられる。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。
【００２１】
そして、スターリングサイクル機関に用いられる駆動装置１６は、電磁コイル１９で発生する交番磁界によって、永久磁石１８を軸方向に往復動させる力が生じさせ、この力によって、永久磁石１８を固定した支持体１７に接続されたピストン１５をシリンダ７内で軸方向に往復動させるものであるから、ピストン１５に対して支持体１７及び永久磁石１８を同軸的に組み付けることが極めて重要であるが、本実例によれば、支持体１７に永久磁石１８を一体にインサート成形したので、永久磁石１８の挿入、接着その他固定に要する作業や部材が一切不要になる他、支持体１７に対する永久磁石１８の同軸精度がインサート成形型の精度のみで決まり、支持体１７に対する永久磁石１８の同軸精度が向上する。
【００２２】
さらに、本実施例においては、支持体１７の内周面に固定するリング状永久磁石１８はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁性材によって成形されている。なお、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁性材からなる永久磁石１８は、特性として、磁束と平行な方向（着磁方向）に対しては正の熱膨張係数を有すると共に、磁束と直交する方向に対しては負の熱膨張係数を有する。即ち、リング状の永久磁石に対して径方向に着磁した場合、磁束の方向である永久磁石の厚さ方向に対しては正の熱膨張係数を有すると共に、磁束と直交する永久磁石の面方向に対しては負の熱膨張係数を有することになる。このため、前記リング状の永久磁石が冷えると、永久磁石の厚さ方向に対しては収縮変形すると共に、永久磁石の面方向に対しては膨張変形することになり、この結果、永久磁石全体としては径方向及び軸方向に膨張変形することになる。一方、前記支持体１７を構成する合成樹脂は正の熱膨張係数を有しているため、冷えると収縮変形する。従って、前記支持体１７が径方向の外側、前記リング状永久磁石１８が径方向の内側となるように、予めリング状永久磁石１８を配置した金型内に溶融した樹脂を射出充填すること等によって支持体１７にリング状永久磁石１８をインサート成形する本実施例において、成形後、支持体１７は図１において矢印ａで示すように内側に収縮変形すると共に、リング状永久磁石１８は図１において矢印ｂで示すように拡径方向に変形する。これにより、前記支持体１７に対して永久磁石１８を強固に固定することができると共に、前記支持体１７と永久磁石１８との接合面に間隙が生じることがないので、支持体１７と永久磁石１８との同軸精度を保つことができる。このため、永久磁石１８に対してピストン１５を正確に同軸的に配置することが可能となり、これらピストン１５、支持体１７及び永久磁石１８の総合的な同軸精度を高めることにより、駆動機構１６、ひいてはスターリングサイクル機関として性能を向上させることができる。また、永久磁石Ｍの接着等、固定に要する作業や部材が一切不要になる他、接着剤を使用しないので、温度等の使用環境条件の影響を受け難く経年変化が少なくなると共に、組み立て性の向上を図ることができる。
【００２３】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態においては、スターリングサイクル機関の駆動装置に用いた例を示したが、これ以外の機器に用いられる駆動装置に適用してもよく、各種モータなどにも適用可能である。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、リング状永久磁石と、これを支持する支持体とから成り、前記支持体を合成樹脂で成形するとともに、この支持体に前記リング状永久磁石をインサート成形したものであるから、永久磁石の挿入、接着その他固定に要する作業や部材が一切不要になる他、支持体に対する永久磁石の同軸精度がインサート成形型の精度のみで決まるので、支持体に対する永久磁石の同軸精度を向上させることができる。
【００２５】
また、請求項２の発明によれば、前記支持体と前記リング状永久磁石との径方向における位置関係を、リング状永久磁石を内側、前記支持体を外側に配置したものであるから、永久磁石に比べて合成樹脂からなる支持体の収縮率が大きく、リング状永久磁石を径方向内側、支持体を径方向外側に配置することにより、成形後に支持体と永久磁石が冷えることによって支持体が永久磁石の外面に圧接するので、これら支持体と永久磁石の接合面に間隙が生じることなく同軸精度を保つことができるばかりでなく、永久磁石を支持体に対して強固に固定することができる。
【００２６】
更に、請求項３の発明によれば、前記リング状永久磁石の材質をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁性材で成形するとともに、このリング状永久磁石に対し、内側と外側とで極性が異なるように径方向に着磁したものであるから、成形後に支持体と永久磁石が冷えると、合成樹脂製の支持体が収縮するのに対して、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁性材からなる永久磁石が着磁方向と直交する面方向に膨張変形して外径が大きくなることによって、支持体が永久磁石の外面に対してより強固に圧接するので、永久磁石を支持体に対してより強固に固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す支持体と永久磁石との接合状態を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示し、スターリングサイクル機関に組み込んだ全体断面図である。
【図３】従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
１７支持体
１８永久磁石

Claims

リング状永久磁石と、これを支持する支持体とから成り、前記支持体を合成樹脂で成形するとともに、この支持体に前記リング状永久磁石をインサート成形したことを特徴とするリング状永久磁石の固定構造。
前記支持体と前記リング状永久磁石との径方向における位置関係を、リング状永久磁石を内側、前記支持体を外側に配置したことを特徴とする請求項１記載のリング状永久磁石の固定構造。
前記リング状永久磁石の材質をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁性材で成形するとともに、このリング状永久磁石に対し、内側と外側とで極性が異なるように径方向に着磁したことを特徴とする請求項２記載のリング状永久磁石の固定構造。