JP2534596B2 - リニアモ―タの振動子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【００１０】

【産業上の利用分野】本発明はリニアモータの振動子に
関し、特に、気体を吐出するためのブロアに用るに好適
なリニアモータの振動子に関する。

【００２０】

【従来の技術】近年、家庭や工場から排出される汚水の
量が増大しており、その処理が問題となっている。汚水
を清浄化するために最も有効な手段の一つは、汚水中に
酸素（又は空気）を送り込むことである。このため、公
共自治体の浄化処理場あるいは工場内の浄化槽では空気
吹き込みブロアが多数用いられる。ブロアにはロータリ
ポンプ型とリニアモータ型があるが、ロータリポンプ型
は吐出空気量が多いという特長はあるものの、装置が大
きくなり、消費電力・騒音等の面で使用環境が制約され
る。それに対し、リニアモータ型のブロアは小型・低消
費電力・低騒音・メンテナンスフリーという特長を有す
る。

【００３０】リニアモータ型ブロアはその名の通り、電
磁ブロアーを用いて空気（一般には気体）を吸入・吐出
するものである。まず、リニアモータについて、図３に
より説明する。リニアモータ30は一対の電磁石31、32と
それらの間に挟まれた振動子33とから主に構成される。
電磁石31、32は一方向に配列された３本以上のヨークを
有しており、各ヨークにより形成される磁極が、任意の
一時点においてその配列方向で交互にＮ、Ｓとなるよう
に、各ヨークにコイル34が巻かれる。図３の例では磁極
は３極となっており、コイル34は中央にのみ巻かれてい
る。両電磁石31、32は各ヨークが互いに対向するように
配置され、また、任意の一時点では両電磁石31、32の対
向する磁極は互いに逆極性となるように、コイル34に流
す電流（あるいはコイルの巻方向）が制御される。両電
磁石31、32の間の隙間には、板状の振動子33が、電磁石3
1、32の磁極の配列方向（図３では左右方向）に往復動可
能に配置される。振動子33には複数個の永久磁石35、36
が振動方向に配列して埋め込まれており、その数は各電
磁石31又は32の磁極の数から１を減じた数となってい
る。この複数の永久磁石35、36の配列ピッチは電磁石31、
32の磁極のピッチ（すなわち、ヨークのピッチ）とほぼ
等しくなっており、また、各永久磁石35、36の磁極は互
いに逆方向を向くように配列される。すなわち、図３の
例で説明すると、右側の永久磁石35をそのＮ極が上側に
くるように埋め込むと、左側の永久磁石36はＮ極が下側
にくるように埋め込む。

【００４０】このリニアモータ30の動作は次の通りであ
る。初めに電磁石31、32の各コイル34に図３に示すよう
な方向の電流を流すと、上側の電磁石31の各ヨークは左
側からＳ−Ｎ−Ｓ極となる。一方、下側の電磁石32の各
ヨークは左側からＮ−Ｓ−Ｎ極となる。振動子33の左側
の永久磁石36は、上がＳ、下がＮとなっているため、こ
の永久磁石36は両電磁石31、32の左側のヨークに反発さ
れ、中央のヨークに引かれる。また、振動子33の右側の
永久磁石35は、上がＮ、下がＳとなっているため、この
永久磁石35は中央のヨークに反発され、右側のヨークに
引かれる。つまり、両永久磁石35、36共右方向の力を受
けるため、振動子33は右へ移動する。両コイル34に流す
電流の向きを共に反転すれば振動子33の移動方向は逆に
なるため、両コイル34に適当な交流電流を流すことによ
り振動子33を連続的に往復動させることができる。

【００５０】次に、ブロアの空気吸入・吐出部の機構及
び動作を図４により説明する。空気吸入・吐出部は、ダ
イヤフラム42、吸入弁43及び吐出弁44を備えた圧縮室41
により構成される。ゴム製のダイヤフラム42の中央には
図３のリニアモータ30の振動子33が接続され、振動子33
の往復動に従って図４（ａ）及び図４（ｂ）のように圧
縮室41の容積を増減する。同図（ａ）のようにダイヤフ
ラム42が左側に引かれ、圧縮室41の容積が増大すると、
内部の圧力が外部の大気圧よりも低下するため、吸入弁
43が開いて外部の空気が圧縮室41に導入される。同図
（ｂ）のようにダイヤフラム42が右側に押されると、吸
入弁43が閉じ、吐出弁44が開いて圧縮室41内の空気をパ
イプ45の方へ吐出する。こうして、振動子33の往復動に
より、空気が連続的にパイプ45に吐出される。なお、図
４の空気吸入・吐出部はリニアモータ30の振動子33の両
側に取り付けられる。

【００６０】こうして、リニアモータ型ブロアの吐出量
はリニアモータ30に示した磁力の吸引・反発力を利用し
ての振動子33が左右に往復動する長さ、すなわち振動子
の振動ストロークとトルク（駆動力）によって決まる。
また、交流電流の周波数が高いほど吐出量は増加する。
振動子の振動ストロークは、電磁石の磁極の配列ピッチ
（＝永久磁石の配列ピッチ）を増加すると長くなるが、
トルクは振動ストロークの長さの逆二乗に比例して急速
に低下する。トルクが低下すると圧縮室41の容積を増減
するための吸入弁43および吐出弁44を開閉するためにダ
イヤフラム42を押したり引いたりできなくなる。そのた
め、圧縮室41の容積を小さくしてダイヤフラム42が押し
たり引いたりできるようにしなければならなくなる。

【００７０】従来、振動子を構成する永久磁石としてフ
ェライト磁石を用いていたため、その磁力の限界によ
り、配列ピッチを所定以上に大きくとることができず、
振動子の振動ストロークに限界があった。また、トルク
にも限界があった。そこで、図３に示すように振動子33
は、振動ストローク又はトルクを増加するためには磁石
を大きくし、すなわち厚くして磁力の増大をはかってい
た。例えば、樹脂で成形された枠の両端部に、それぞれ
の端部とダイヤフラム取り付け部とを接続する該枠を貫
通していないシャフトからなり、該枠の大きさの２倍程
度の厚さからなるフェライト磁石を該枠に配列埋設した
振動子が用いられていた。このため、従来のリニアモー
タ型ブロアの吐出量では最大 80L（リットル）／分（た
だし、空気圧が0.20〜0.25kgf/cm² のとき）程度が限界
であった。

【００８０】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような現
状に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは吐出
量の大きいリニアモータ型ブロアを提供することであ
る。また、より一般的に、振動ストロークとトルクを大
きくすることのできるリニアモータ用の振動子を提供す
ることを目的とする。さらに、交流電流の周波数が変化
しても吐出量の変化の少ない、すなわち周波数依存性の
少ないリニアモータ用の振動子を提供することを目的と
する。

【００９０】

【課題を解決するための手段】本発明のリニアモータの
振動子は、平面状の空間を挟んで一方の側面には電磁石
のＮ極及びＳ極が一方向に交互に配列され、それら磁極
に対向する他方の側面には電磁石の逆極性の磁極が同方
向に交互に配置された固定予を有するリニアモータの該
平面状空間内で往復動する板状の振動子であって、 ａ）繊維強化樹脂製の板状の枠と、 ｂ）該枠の中央を上記往復動の方向に貫通する非磁性の
金属製シャフトと、 ｃ）上記金属製シャフトを挟んだ両側に対称に、且つ、
該枠の表裏を貫通して、固定子の上記両側面の各磁極に
対向する位置において逆極性を有するように埋め込まれ
た複数の平板状希土類磁石と、を備えることを特徴とす
る。

【０１００】本発明のリニアモータの振動子には、上記
金属製シャフトを挟んだ両側で、それぞれ隣接する希土
類磁石の間にバランスウエイトを設けてもよい。

【０１１０】

【０１２０】

【０１３０】

【作用】固定子の電磁石に直流を印加すると、平面状の
空間を挟んだ一方の側面においては、一方向に配列され
た磁極がＳ極−Ｎ極−Ｓ極と交互に磁化される。一方、
他方の側面においては、それら磁極に対向して配列され
た磁極がＮ極−Ｓ極−Ｎ極と磁化される。両側面の間の
平面状空間内に配置された振動子には、固定子のこれら
各磁極に対向するように希土類磁石（永久磁石）が配列
されているため、振動子の各磁極は固定子の各磁極から
それぞれ磁気的吸引及び反発力を受け、上記方向に移動
する。この振動子のストロークの大きさとトルクの大き
さとの積（＝仕事量、即ちブロア吐出量に相当）は磁力
の大きさに比例する。

【０１４０】フェライト磁石の最大磁化は４〜５ｋＧ
（キロガウス）であるのに対し、希土類磁石の最大磁化
は３０ｋＧ程度と、約６倍の磁力を有する。従って、理
論的には、振動子のストローク（＝電磁石の磁極ピッチ
＝永久磁石の配列ピッチ）を６の平方根＝約２．５倍程
度とすることができる。また、振動子のストロークを同
じにすれば、６倍程度のトルクとすることができる。さ
らに、振動子のストロークは１．２倍程度でトルクは４
倍程度の組み合わせとすることもできる。更に、本発明
の振動子では永久磁石が枠の表裏を貫通した一体物であ
り、その両面において互いに逆の磁極を固定子の磁極に
対向しているため、永久磁石は強力な磁束を放出するこ
とができ、しかも、それら磁束がロスなく、最大限に固
定子との吸引・反発に用いられる。

【０１５０】次に、永久磁石の磁力を増強すると振動子
に大きな押圧力が作用するため、永久磁石を保持してい
る枠を介してダイヤフラムに大きな力を作動させる。こ
の際に、当該枠に大きな押圧力が作用するため、当該枠
はたわむと振動子のスムーズな動きが妨げられる。従っ
て、永久磁石の磁力を増強することに伴い、それを保持
する枠も増強する必要がある。一方、振動子の質量が増
加すると、慣性力が増大し高速駆動を行なうことが困難
となるため、振動子はできるだけ軽いことが望ましい。
保持枠に繊維強化樹脂を使用し、また、その中央に非磁
性の金属製シャフトを貫通することにより、枠の増強及
び軽量化という、永久磁石の磁力増強に伴うこれらの要
請を共に満たすことができる。更に、本発明の振動子で
は、永久磁石が金属製シャフトを挟んだ両側に設けられ
ているため、金属製シャフトは振動子の厚さ方向で永久
磁石に邪魔されることなく、太いものとすることができ
る。これにより、振動子は平面曲げに対して非常に強い
ものとなり、振動等の問題が更に解消され、高速駆動が
可能になる。

【０１６０】次に、交流電流の周波数が増加すると、振
動子の質量が大きい場合には慣性力の増大による振動子
の駆動に遅れを生じる。すなわち、周波数増加への追従
性が低下してくる。交流電流の周波数が減少すると、振
動子の質量が小さい場合には慣性力の減少による振動子
の駆動が加速される。日本国内においては家庭・工場に
供給されている周波数は５０ヘルツと６０ヘルツの地域
に別れており、一般的にはストローク数の多い６０ヘル
ツの方がブロア吐出量は５０ヘルツより多くなるので、
振動子の質量は軽くする。しかし、５０ヘルツで使用す
るとブロア吐出量は低下するので振動子の質量を増大す
る必要がある。従って、振動子の質量を適正化、即ちバ
ランスウェイトを加えることにより永久磁石の磁力増強
に伴うこれらの要請を満たすことができる。

【０１７０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面に従って
説明する。本発明の第１実施例である振動子の平面図
（ａ）及び側面図（ｂ）を図１に示す。本振動子10は、
図３に示した３極リニアモータ30用の振動子であり、永
久磁石は振動方向（図１では左右方向）に２極が配列さ
れている。第１実施例では各極は２個の矩形平板状の永
久磁石に分割されているため、合計４個の永久磁石11a,
11b,12a,12bを使用している。図１の左側の永久磁石12
a,12bは共に紙面表側がＮ極、裏側がＳ極、右側の永久
磁石11a,11bは共に紙面表側がＳ極、裏側がＮ極となっ
ている。左側と右側の永久磁石の間の距離ｄは第１実施
例では36mmとなっている。永久磁石は希土類磁石を使用
する。第１実施例ではサマリウム−コバルト系合金（Sm
₂Co₁₇）の粉末を焼結により約20×20×６mmの矩形板状
に成形し、上下面がＮ／Ｓ極となるように帯磁させたも
のを用いている。なお、その他にも、サマリウム−コバ
ルト系ではSmCo₅系合金、ネオジム−鉄−ボロン系ではN
d₂Fe₁₄B系合金等の希土類磁石を用いることができる。
これらの永久磁石11a,11b,12a,12bを保持する枠13は、
本実施例では厚さ 7.5mmの繊維強化樹脂製とし、樹脂と
して６−６ナイロンを使用し、補強材として短繊維ガラ
スファイバを約30重量％混入させている。なお、図１
（ａ）に示されるとおり、永久磁石11a,11b,12a,12bが
枠13内で比較的大きな面積を占めており、枠13だけでは
十分な耐曲げ強度が得られないため、枠13の中心に非磁
性ステンレス鋼製（第１実施例ではSUS 316）の直径 4.
0mmのシャフト14を貫通させている。シャフト14の両端
には前記ダイヤフラム42を固定するためのネジが形成さ
れている。

【０１８０】振動子10は次のようにして製作する。図１
に示すような略六角形のモールドに永久磁石11a,11b,12
a,12bを磁極の向きに注意しながら図１（ａ）のように
配置し、さらに中央にシャフト14を置く。次にモールド
を密閉し、繊維強化樹脂を流し込み、硬化させる。硬化
が終了した後、振動子10をモールドから取り出し、余分
の樹脂をトリミングして振動子10を完成する。

【０１９０】振動子10に使用する永久磁石が強力にな
り、また、磁石の配列ピッチｄも従来の振動子よりも大
きくなったことにより、振動子10のたわみの問題が生ず
る。再び図３により説明すると、振動子33の位置が両電
磁石31、32の中央から僅かでも上又は下にずれている場
合に、振動子33は部分的曲げモーメントを受ける。例え
ば振動子33が僅かに下に偏移しているとすると、左側の
磁石36は左下のＮ極により強く反発され、右下のＳ極に
強く引きつけられる。従ってこの場合、左側の磁石36は
右回りのモーメントを受ける。右側の永久磁石35も同様
に右回りのモーメントを受ける。この永久磁石35、36に
加わる回転モーメントは枠に対する曲げモーメントとし
て働くため、枠の剛性が低いと枠が振動中にたわみ、異
常振動を起こすようになる。

【０２００】このような問題を避けるため、第１実施例
では上記のように枠13自体に高強度の繊維強化樹脂を用
いると共に、更に振動方向の剛性を高めるために、枠13
の中心に金属製のシャフト14を貫通させているのであ
る。なお、電磁石31、32及び永久磁石11a,11b,12a,12bの
磁界を乱さないために、シャフト14は非磁性であること
が望ましい。

【０２１０】上記実施例の振動子の曲げ強度を測定する
ために、図５（ｂ）に示すような３点曲げ試験を行な
い、負荷荷重（曲げ荷重）Ｆと、その負荷点のたわみ量
との関係を調べた。なお、両支点間の距離は70mmとし
た。その結果は図５（ａ）の●印に示すとおりであり、
前記従来の振動子23（シャフトが枠内を貫通していな
い）の場合（△印）の約５倍の耐曲げ荷重性を有してい
ることがわかった。

【０２２０】なお、第１実施例において枠13を繊維強化
樹脂ではなく、アルミニウムとすることもできる。この
場合、アルミニウム枠自体の剛性が著しく高いため、中
心のシャフト13が不要になり、結果的には質量の増加は
少ない。アルミニウム枠を用いた振動子の曲げ特性は図
５（ａ）の○印に示す通りであり、ほぼ満足すべき値が
得られている。

【０２３０】また、上記アルミニウム枠を用いた振動子
の場合に、質量の適正化を図るために第１実施例におい
て枠13を非磁性ステンレス鋼に代表されるSUS304とする
こともできる。なお、枠の厚さは上記アルミニウム枠に
比べておよそ25％程度薄くしたものでよい。

【０２４０】第２実施例である振動子の平面図（ａ）及
び側面図（ｂ）を図２に示す。本振動子20は、図３に示
した３極リニアモータ30用の振動子であり、永久磁石は
振動方向（図２では左右方向）に２極が配列されてい
る。そして、非磁性のバランスウェイトがこれら２極の
間に配列されている。第２実施例では各極は２個の矩形
平板状の永久磁石に分割されているため、合計４個の永
久磁石21a,21b,22a,22bを使用している。図２の左側の
永久磁石22a,22bは共に紙面表側がＮ極、裏側がＳ極、
右側の永久磁石21a,21bは共に紙面表側がＳ極、裏側が
Ｎ極となっている。左側と右側の永久磁石の間の距離ｄ
は本実施例では36mmとなっている。永久磁石にはネオジ
ム−鉄−ボロン系合金（Nd₂Fe₁₄B）の粉末を焼結により
約20×20×６mmの矩形板状に成形し、上下面がＮ／Ｓ極
となるように帯磁させたものを用いている。

【０２５０】次に、第２実施例におけるバランスウエイ
トは２個に分割されており、左側の永久磁石22a,22bと
右側の永久磁石21a,21bの間にバランスウェイト25a,25b
を配列列している。バランスウェイトには、非磁性ステ
ンレス鋼SUS304板を切削・研磨加工により約11×20×６
mmの長形板状を用いている。なお、バランスウェイトに
は、例えばSUS316、SUS205などのステンレス鋼、銅、鉛
などの金属材料のみでなく、磁界による渦電流を発生さ
せない非磁性材料を用いることができる。

【０２６０】これらの永久磁石21a,21b,22a,22bおよび
バランスウェイト25a,25bを保持する厚さ 7.5mmの枠23
は、第２実施例では繊維強化樹脂製とし、樹脂として６
−６ナイロンを使用し、補強材として短繊維ガラスファ
イバを約30重量％混入させている。なお、図２（ａ）に
示されるとおり、永久磁石21a,21b,22a,22bおよびバラ
ンスウェイト25a,25bが枠23内で大きな面積を占めて降
り、枠13だけでは十分な曲げ強度が得られないため、枠
13の中心に非磁性ステンレス鋼製（本実施例ではSUS205
を30％引抜き、直径 4.0mmに加工したもの）シャフト24
を貫通させている。シャフト24の両端には前記ダイヤフ
ラム42を固定するためのネジが形成されている。

【０２７０】振動子20は次のようにして製作する。図２
に示すような略六角形のモールドに永久磁石21a,21b,22
a,22bを磁極の向きに注意しながら図２（ａ）のように
配置し、次いでバランスウェイト25a,25bを配列する。
さらに中央に非磁性シャフト14を置く。次にモールドを
密閉し、繊維強化樹脂を流し込み、硬化させる。硬化が
終了した後、振動子20をモールドから取り出し、余分の
樹脂をトリミングして振動子20を完成する。

【０２８０】上記の第２実施例における周波数と風量
（＝ブロア吐出量）との関係を調べた。比較として、第
１実施例（バランスウェイトなし）および第２実施例に
用いたバランスウェイトの２倍の質量を有するバランス
ウェイト（２倍のバランスウェイト）を埋設・配列した
振動子を調査した。周波数は、４５ヘルツから６５ヘル
ツの範囲についてブロア吐出量を調べた。その結果、振
動子の質量を最適化した第２実施例の場合には５５ヘル
ツで最大風量を得るとともに、５０ヘルツ〜６０ヘルツ
にて高い風量が得られることがわかった。

【０２９０】

【発明の効果】本発明の効果として、リニアモータの振
動子の永久磁石の配列ピッチを大きくして、振動子の振
動ストロークを増大させることができる。従って、この
リニアモータの振動子をブロアに用いることにより、ダ
イヤフラムの変位量が増加し、100L／分以上の大容量の
ブロアを実現することができるようになる。また、別の
効果として、ストロークを増大する代わりにトルクの大
きいリニアモータを得ることもできる。トルクを大きく
することにより、ダイヤフラムの変位量は同じでもダイ
ヤフラムを大きくすること（＝ダイヤフラムの有効径を
大きくして圧縮室を大きくすること）ができ大容量のブ
ロアを実現することができる。さらに、このような振動
子をブロアに使用することにより、単位時間当たりの吐
出量が同じでも、より吐出空気圧の高いブロア、例えば
0.40kgf/cm²程度の空気圧を有するブロアを作製するこ
とができる。これは、特に泥土中に空気を吹き込む必要
のある場合や、深い水底で空気を吐出する必要がある場
合に有用なブロアとなる。本発明ではまた、このような
振動子の永久磁石の増強及び配列ピッチの拡大又はトル
クの増大による枠の振動方向剛性の低下を、繊維強化樹
脂の使用及び中心を貫通する金属シャフトの採用により
補償しているため、リニアモータのスムーズな動作が実
現されている。そのうえ、質量の適正化のためにバラン
スウェイトを用いることにより５０ヘルツと６０ヘルツ
でも大容量のブロアとなる。また、バランスウェイトを
用いることにより振動子の質量が大きくなるために慣性
力の大きな振動子となり、吐出空気圧の高いブロアが得
られる。本発明ではさらに、希土類磁石を用いるために
永久磁石を薄くすることができるので対向する電磁石間
の間隔が狭くできる。このため、電磁石間の磁気抵抗が
減少することができるので磁気効率が向上し、大容量の
ブロアとなる。また、質量の適正化のためにバランスウ
ェイトを希土類磁石の間に埋設することにより、質量を
振動子の中央部に集めることができる。従って、振動子
の往復動にともなって振れが発生した場合、端部は質量
が小さいので端部の振れの慣性力が小さい振動子が得ら
れる。このため、ダイヤフラムへ影響は少なくなってダ
イヤフラムの寿命が延びる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例であるリニアモータの振
動子の平面図（ａ）及び側面図（ｂ）。

【図２】 本発明の第２実施例であるリニアモータの振
動子の平面図（ａ）及び側面図（ｂ）。

【図３】 リニアモータの構造及び動作を説明するため
の内部構成図。

【図４】 ブロアの空気吸入・吐出部の断面図。

【図５】 第１実施例及び従来の振動子の曲げ試験結果
のグラフ（ａ）及び試験方法（ｂ）を示す側面図。

【図６】 第２実施例のバランスウェイトに関して風量
に及ぼす周波数の影響を示す周波数特性の試験結果。

【符号の説明】

10, 20…振動子 11a,11b,12a,12b 、21a,21b,22a,22b …希土類磁石、 13,23 …繊維強化樹脂製枠 14,24 …非磁性金属シャフト 25a,25b …非磁性バランスウェイト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−321854（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−172384（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−116184（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭49−116510（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平面状の空間を挟んで一方の側面には電
   磁石のＮ極及びＳ極が一方向に交互に配列され、それら
   磁極に対向する他方の側面には電磁石の逆極性の磁極が
   同方向に交互に配置された固定子を有するリニアモータ
   の該平面状空間内で往復動する板状の振動子であって、 ａ）繊維強化樹脂製の板状の枠と、 ｂ）該枠の中央を上記往復動の方向に貫通する非磁性の
   金属製シャフトと、 ｃ）上記金属製シャフトを挟んだ両側に対称に、且つ、
   該枠の表裏を貫通して、固定子の上記両側面の各磁極に
   対向する位置において逆極性を有するように埋め込まれ
   た複数の平板状希土類磁石と、 を備えることを特徴とするリニアモータの振動子。
2. 【請求項２】 上記金属製シャフトを挟んだ両側で、そ
   れぞれ隣接する希土類磁石の間にバランスウエイトを有
   する請求項１記載のリニアモータの振動子。