JP3792245B1 - リニア駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ピストンの往復運動に支障が生じることが抑制されたリニア駆動装置を提供する。
【解決手段】 カップ状スリーブ１４は、その主成分が樹脂であり、その先端に複数に分割された永久磁石１５がインサート成形されている。また、カップ状スリーブ１４は、その内周面に沿うように、永久磁石１５が設けられていない内周面に、樹脂を主成分とする補助リング５０が設けられている。補助リング５０は、永久磁石１５の内周面と同一の内周面、または、永久磁石１５の内周面よりも外側に位置する内周面を有し、カップ状スリーブ１４の樹脂成形のときに、カップ状スリーブ１４を構成する樹脂が内側に収縮することを防止する。したがって、永久磁石１５を支持する樹脂とシリンダ３とが接触することが防止される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ピストンが往復運動するリニア駆動装置に関するものである。

従来から、リニアモータによって生成された磁界の変化に起因して往復運動するマグネット組品に連結されたピストンを有するリニア駆動装置がリニア圧縮機およびスターリング冷凍機等に用いられている。
特開２００４−２９７８５８号公報

上記のようなリニア駆動装置の製造工程においては、マグネット組品を構成する永久磁石とカップ状スリーブの樹脂とがインサート成型によって結合される。このインサート成型においては、永久磁石の収縮率と樹脂の収縮率とが異なる。つまり、インサート成型時に、永久磁石はほとんど収縮しないが、樹脂は大きく収縮する。そのため、永久磁石の内周面よりも永久磁石を支持するカップ状スリーブを構成する樹脂の内周面が内側に位置することになる。この場合、ピストンとともにマグネット組品が往復運動すると、内ヨークとカップ状スリーブを構成する樹脂の内周面とが接触することがある。その結果、ピストンの往復運動に支障が生じることがある。

また、マグネット組品の永久磁石が複数の磁石片を周方向に配列することによって構成される場合には、磁石片同士の間隔部に樹脂が流れ込み難ければ、その部分の樹脂に空洞が形成される。その結果、磁石片が樹脂から外れることによって、ピストンの往復運動に支障が生じることがある。

また、ピストンの駆動時に永久磁石の内周面が内ヨークに接触した場合、ピストンの往復運動に支障をきたすことがある。これを防止するためにカップ状スリーブ全体を外周側に大きくすると、カップ状スリーブの外周面が他の部材に接触し、ピストンの往復運動に支障をきたす。また、そのカップ状スリーブが組み込まれたリニアモータの外径が大きくなってしまったり、内ヨークと外ヨークとの間の距離が拡大されてしまう結果、モータ性能が低下したりする。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ピストンの往復運動に支障が生じ難いコンパクトなリニア駆動装置を提供することである。

本発明の一の局面のリニア駆動装置は、シリンダと、シリンダ内を往復運動するピストンと、シリンダの外部に設けられ、ピストンを往復運動させるリニアモータとを備えている。また、リニア駆動装置は、ピストンと連結され、リニアモータの可動子として機能する、樹脂を主成分とするカップ状スリーブを備えている。さらに、リニア駆動装置は、カップ状スリーブの開放端側の内周面に一体成型されリニアモータが生成する磁界によって往復運動する永久磁石を備えている。また、カップ状スリーブ内周面の永久磁石が設けられていない部分には、永久磁石の内周面と同一径か、永久磁石の内周面より大きい径の内周面を有するリング状部材が設けられている。

上記の構成によれば、カップ状スリーブの樹脂成型のときに、リング状部材によって、カップ状スリーブ内周面の永久磁石が設けられていない部分が内側に収縮することが防止される。したがって、永久磁石の内周面よりも、内径の小さい円筒部を有するカップ状スリーブが製形されることが防止される。その結果、ピストンが往復運動するときに、円筒部の内周面が内ヨークの外周面等と接触することが防止される。つまり、ピストンの往復運動に支障が生じることが防止される。

本発明の他の局面のリニア駆動装置は、シリンダと、シリンダ内を往復運動するピストンと、シリンダの外部に設けられ、ピストンを往復運動させるリニアモータとを備えている。また、リニア駆動装置は、ピストンと連結されリニアモータの可動子として機能する樹脂製のカップ状スリーブを備えている。さらに、リニア駆動装置は、カップ状スリーブの開放端側の内周面に一体成型されリニアモータが生成する磁界によって往復運動する永久磁石と備えている。また、永久磁石は複数の磁石片が周方向に配列されており、磁石片同士の間隔の外側が内側に対して大きくなっている。

上記の構成によれば、磁石片のインサート成型において磁石片同士の間隔部へ樹脂が流れ込み易くなる。その結果、カップ状スリーブの磁石片同士の間隔部に空洞ができることが防止される。その結果、磁石片が樹脂から外れることが防止される。したがって、ピストンの往復運動に支障が生じることが防止される。

本発明のさらに他の局面のリニア駆動装置は、シリンダと、シリンダ内を往復運動するピストンと、シリンダの外部に設けられ、ピストンを往復運動させるリニアモータとを備えている。また、リニア駆動装置は、ピストンと連結されリニアモータの可動子として機能する樹脂製のカップ状スリーブを備えている。また、リニア駆動装置は、カップ状スリーブの開放端側の内周面に一体成型され、リニアモータが生成する磁界によって往復運動する永久磁石を備えている。また、永久磁石の表面に摩擦係数が低くなるように表面処理が施されている。

上記の構成によれば、マグネットを樹脂材料でインサート成型する際、永久磁石と樹脂との間に生じる摩擦力が小さくなるため、樹脂の流動性が良くなり、永久磁石の外周側に設けられる樹脂の厚さを小さくすることができる。ピストンの外周面と外ヨークとの接触のおそれを低減することができるため、ピストンの往復運動に支障が生じることが防止される。また、内ヨークと外ヨークとの間の距離を狭めることが可能となり、リニアモータ特性を向上させることができる。

本発明のまたさらに他の局面のリニア駆動装置は、シリンダと、シリンダ内を往復運動するピストンと、シリンダの外部に設けられ、ピストンを往復運動させるリニアモータとを備えている。また、リニア駆動装置は、ピストンと連結され、リニアモータの可動子として機能する樹脂製のカップ状スリーブを備えている。また、リニア駆動装置は、カップ状スリーブの開放端側の内周面に一体成型されリニアモータが生成する磁界によって往復運動する永久磁石を備えている。また、カップ状スリーブの内周面には、永久磁石の内周面を覆う樹脂製のリング状部材が設けられている。

上記の構成によれば、永久磁石の内周面がリング状部材によって覆われているため、永久磁石の内周面が損傷することが防止される。また、リング部材が軸方向に略同一肉厚であれば、リング状部材を押出し成型でき部品コストを低減できる。

本発明によれば、ピストンの往復運動に支障が生じ難いコンパクトなリニア駆動装置が得られる。

（実施の形態１）
以下、図１を参照しながら、本発明の実施の形態のリニア駆動装置の一例であるスターリング冷凍機を説明する。

図１は、実施の形態のスターリング冷凍機４０を示す断面図である。スターリング冷凍機４０においては、２つの部分で構成されている円筒形状のシリンダ３内に、円柱形のピストン１およびディスプレーサ２が嵌め込まれている。ピストン１とディスプレーサ２とは、圧縮空間９を介して設けられ、共通の駆動軸として軸Ｙを有している。

ディスプレーサ２の先端側に膨張空間１０が形成されている。圧縮空間９と膨張空間１０とはヘリウム等の作動媒体が流通する媒体流通路１１を介して連通している。媒体流通路１１内には、再生器１２が設けられている。再生器１２は、作動媒体の熱を蓄積するとともに、蓄積した熱を作動媒体に供給する。シリンダ３の略中間には鍔部（フランジ）３ａが設けられている。鍔部３ａにはドーム状の耐圧容器４が取り付けられることによって密閉されたバウンス空間（背面空間）８が形成されている。

ピストン１は後端側で支持バネ５と一体化されている。ディスプレーサ２はピストン１の中心孔１ａを貫通するロッド２ａを介して支持バネ６と一体化されている。支持バネ５と支持バネ６とはボルトおよびナット２２により連結されている。後述するように、ピストン１が往復運動すると、ディスプレーサ２は、ピストン１とディスプレーサ２との間に生じる作動流体の圧力変動によって、ピストン１に対して所定の位相差を有する状態で往復運動を行なう。

バウンス空間８内のシリンダ３の外側には内側ヨーク１８が嵌め込まれている。内側ヨーク１８は隙間１９を介して外側ヨーク１７に対向している。外側ヨーク１７の内側には駆動用コイル１６が嵌め込まれている。隙間１９には環状の永久磁石１５が移動可能に設けられている。永久磁石１５はカップ状スリーブ１４を介してピストン１と一体化されている。内側ヨーク１８、外側ヨーク１７、および駆動用コイル１６、永久磁石１５によって、ピストン１を軸Ｙに沿って移動させるリニアモータ１３（Ｍ）が構成されている。

駆動用コイル１６には、リード線２０および２１が接続されている。リード線２０および２１は、耐圧容器４の壁面を貫通し、交流電力生成装置のインバータ回路１００に接続されている。マイクロコンピュータ１０００がインバータ回路１００を制御することによってリニアモータ１３（Ｍ）に駆動電力が供給される。

上記構成のスターリング冷凍機４０は、リニアモータ１３（Ｍ）によってピストン１が往復運動すると、ピストン１に対して所定の位相差を有する状態でディスプレーサ２が往復運動する。これにより、圧縮空間９と膨張空間１０との間を作動媒体が移動する。その結果、逆スターリングサイクルが形成される。

上述の本実施の形態のスターリング冷凍機４０は、交流電力生成装置のインバータ回路１００によって所定の交流波形の駆動電圧がリニアモータ１３（Ｍ）に印加されると、ピストン１がその所定の交流波形の駆動電圧に対応した周期およびストロークで往復運動を行なう。したがって、リニアモータ１３に印加される駆動電圧を制御することにより、ピストン１の往復運動の周期およびストロークを制御することが可能である。

次に、上記本実施の形態のフリーピストン型スターリング冷凍機の動作原理をより詳細に説明する。

ピストン１は、リニアモータ１３により駆動される。ピストン１は、支持バネ５に弾性的に支持されている。そのため、ピストン１は、その位置と時間との関係が正弦波を描くように運動する。

また、ピストン１の動きにより、圧縮空間９内の作動ガスは、その圧力と時間との関係が正弦波を描くように運動する。圧縮空間９内で圧縮された作動ガスは、まず、放熱用熱交換部としての圧縮空間９から熱を放出する。次に、圧縮された作動ガスは、ディスプレーサ２の周囲に設けられた再生器１２で冷却される。その後、圧縮された作動ガスは、再生器１２から吸熱用熱交換部としての膨張空間１０へ流入する。

膨張空間１０の作動ガスは、ピストン１の動きにより膨張する。膨張した作動ガスは、その温度が低下する。膨張空間１０内の作動ガスは、その圧力と時間との関係が正弦波を描くように運動する。膨張空間１０内の作動ガスの圧力と時間との関係を示す正弦波は、圧縮空間９内の作動ガスの圧力と時間との関係を示す正弦波に対して、所定の位相差を有する波形であるが、同じ周期で変化する波形である。すなわちディスプレーサ２はピストン１に対して所定の位相差を有する状態で往復運動する。

マイクロコンピュータ１０００からインバータ回路１００へ出力されるＰＷＭ制御信号は、デジタル信号すなわちパルス波形である。このパルス波形は、インバータ回路１００においてアナログ信号すなわち交流波形に変換される。この交流波形の周波数が、スターリング冷凍機４０のピストン１の周波数になる。

なお、デジタル信号をアナログ信号に変換するときには、上述したようにＰＷＭが用いられる。つまり、マイクロコンピュータ１０００から順次出力される複数のパルスは、その幅が、小さいものから大きなものへと除々に変化し、ピークの幅になった後、除々に小さなものへ戻っていくように構成されている。それにより、交流波形が生成される。

本実施の形態のリニア駆動装置においては、図２および図３に示すように、永久磁石１５と、永久磁石１５を支持するカップ状スリーブ１４と、永久磁石１５に隣接して設けられ、永久磁石１５の内周面と同一の内周面を有する補助リング５０とが一体成型されている。ただし、補助リング５０の内周面は永久磁石１５の内周面よりも外側に位置していてもよい。補助リング５０は、カップ状スリーブ１４の内周面に沿って設けられた円筒状の樹脂成型部材である。補助リング５０は、必ずしも樹脂製である必要は無く、軽量であれば金属製でも良く、カップ状スリーブ１４を成型する樹脂の収縮によって永久磁石１５の内径よりも小さくならないものであれば材質を問わない。

また、カップ状スリーブ１４の開放端側においては、永久磁石１５が、複数に分割された状態で設置され、樹脂にインサート成型されている。したがって、永久磁石１５を構成する複数の磁石片同士の間には、カップ状スリーブ１４の開放端部を構成する樹脂が充填されている。また、複数の磁石片の外周面の全体を覆うようにカップ状スリーブ１４の開放端部の樹脂部分が円筒状に形成されている。なお、前述の複数の磁石片のそれぞれの表面には、ニッケルめっき、または、アルミコーティングなどの成型樹脂との摩擦係数を小さくするための処理が施されている。したがって、永久磁石１５と成型時に流動する樹脂との間の摩擦力が小さくなるため、永久磁石１５の外側の樹脂の厚さ(肉厚)が薄くても十分に樹脂を流動させることができ空洞の無い成型が可能となる。そのため、永久磁石１５が移動する隙間１９が同じであればカップ状スリーブ１４の外周面と他の部品（外側ヨーク１７）との接触のおそれを低減することができる。その結果、ピストン１の往復運動に支障が生じることが防止される。また、内・外ヨーク間距離（隙間１９）を狭めることができ、リニアモータの特性向上が図れる。

但し、図４に示すように、本実施の形態のカップ状スリーブ１４の開放端部は、永久磁石１５を構成する磁石片同士の間において、樹脂が外周方向に突出している突出部１４ａを有していてもよい。このような形状に対応した金型が用いられれば、磁石片同士の間に樹脂が流れ込み易くなる。したがって、カップ状スリーブ１４の樹脂成型に不良（空洞）が生じることが防止される。その結果、磁石片がピストン１の駆動中に樹脂から外れ、ピストン１の往復運動に支障が生じることが防止される。

また、永久磁石１５同士の間に樹脂が流れ込み易くするためには、図５に示すように、複数の永久磁石１５のそれぞれの外側の角部１５ａが面取りされていることが望ましい。そうすることで、隣接する永久磁石１５同士の間隔部の外周側の間隔が内周側の間隔に比較して大きくなり、樹脂が外周側から内周側に向かって流れ込み易くなる。また、図４および図５に示すような構造が採用されれば、カップ状スリーブ１４の機械的強度を向上させることができる。

さらに、補助リング５０の構造は、図６および図７に示すように、複数の永久磁石１５の内周面の全体を覆う構造であってもよい。図６には、カップ状スリーブ１４の内周面と永久磁石１５との段差を解消するように、円筒状の補助リング５２が一体成型された構造が示されている。また、図７には、シリンダ３の駆動方向に沿って肉厚がほぼ一定の補助リング５１が一体成型された構造が示されている。図６および図７に示すような補助リング５１または５２であれば、永久磁石１５の内周面が補助リング５１または５２によって覆われているため、永久磁石１５の内周面が損傷することが防止される。また、補助リング５１のように、肉厚が一定の円筒状部材であれば、押出し成型によって製造することができ、型および部品に要する費用を低減することができる。

また、本実施の形態のカップ状スリーブ１４の先端部には、図８および図９に示すように、永久磁石１５を樹脂内にインサート成型するときに永久磁石１５を位置決めしておくために金型に設けられたリブ形状に対応するスリット１４０が形成されている。このように、永久磁石１５を位置決めするためのリブを成型金型に設けておけば、永久磁石１５の位置決めが容易になる。

また、図１０〜図１２に示すように、本実施の形態のカップ状スリーブ１４とピストン１とは、雄ねじ１４２によって結合される。雄ねじ１４２は、カップ状スリーブ１４の底面にインサート成形されたスリーブ状メタル１４１を貫通し、ピストン１に設けられた雌ネジに螺合される。この構造によれば、雄ねじ１４２とメタル１４１との間の結合が強固であるため、往復運動および経年劣化によってピストン１とカップ状スリーブ１４との位置ずれが生じることが抑制される。

（実施の形態２）
次に、図１３を用いて、本発明の実施の形態のリニア駆動装置の他の一例のリニア圧縮機を説明する。

図１３に示すように、リニア圧縮機５４０は、ケーシング５４１内に設置されたシリンダ５４２と、該シリンダ５４２内で往復動するピストン５４３と、シリンダ５４２の外周部に設置されピストン５４３を駆動するリニアモータ５０１と、ピストン５４３を付勢するピストンスプリング（板バネ）５４６と、シリンダを支持する支持機構部とを備える。

リニアモータ５０１は、シリンダ５４２の外周部に設置されたインナーヨーク５３０と、該インナーヨーク５３０の外側に配置されるアウターヨーク５０４と、インナーヨーク５３０とアウターヨーク５０４との間に配置されたコイル５０８およびカップ状スリーブ５３２と、アウターヨーク５０４を挟持する第１および第２クランプリング５０２および５０３と、第１および第２クランプリング５０２および５０３との間を所定間隔で連結するスペーサ（図示せず）と、ピストンスプリング５４６を支持する支持部５１６とを有する。

インナーヨーク５３０は、シリンダ５４２の外周を取り囲むように設けられ、該インナーヨーク５３０を取り囲むように円筒状のカップ状スリーブ５３２が配置されている。カップ状スリーブ５３２は、ピストン５４３と接続され、先端に永久磁石５３１を構成する複数の磁石片を有する。複数の磁石片のそれぞれはインナーヨーク５３０とアウターヨーク５０４との間に配置されている。また、カップ状スリーブ５３２の永久磁石５３１が設けられていない内周面には円筒状の補助リング５００が設けられている。補助リング５００は、実施の形態１の補助リング５０と同様の構造である。

第１クランプリング５０２は、ピストンスプリング５４６を支持する支持部５１６を有する。該支持部５１６に取付けられた支持部材を介してピストンスプリング５４６が支持部５１６と接続される。

また、リニア圧縮機５４０においては、シリンダ５４２、ピストン５４３、および対向面（５４７）によって圧縮空間５４４が構成されている。シリンダ５４２は、ケーシング５４１内で支持機構部により支持されるが、該支持機構部は、図１３の例では、ケーシング５４１の内部に固定される支持板５４９と、該支持板５４９上に搭載されシリンダ５４２を支持するコイルスプリング５４８とで構成される。

また、シリンダ５４２の一端側にプレート５４７を介してヘッドカバー５４５を固定する。圧縮空間５４４内では、該ヘッドカバー５４５とピストン５４３の頭部とによって冷媒が圧縮される。

次に、上記の構造のリニア圧縮機の動作について説明する。まず、コイル５０８に通電すると、カップ状スリーブ５３２の永久磁石５３１との間に推力が発生し、この推力によりカップ状スリーブ５３２がシリンダ５４２の軸方向に沿って移動する。このときカップ状スリーブ５３２はピストン５４３と接続されているので、カップ状スリーブ５３２とともにピストン５４３も、シリンダ５４２の軸方向に移動する。

冷媒は、図示しない吸入管からケーシング５４１内に導入され、ヘッドカバー５４５およびプレート５４７内の通路を通過して圧縮空間５４４内に入る。この圧縮空間５４４内で、冷媒はピストン５４３により圧縮され、その後、図示しない吐出管を通って外部に吐出される。

本実施の形態のカップ状スリーブ５３２および永久磁石５３１等は、図２〜図１２を用いて説明した実施の形態１のカップ状スリーブ１４および永久磁石１５等と同様の構造である。したがって、本実施の形態のリニア圧縮機のリニア駆動装置においても、実施の形態１のリニア駆動装置によって得られる効果と同様の効果を得ることができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１のスターリング冷凍機の構造を示す断面図である。 実施の形態のカップ状スリーブの縦断面図である。 実施の形態のカップ状スリーブの横面図である。 実施の形態のカップ状スリーブの他の例の横部分断面図である。 実施の形態のカップ状スリーブのさらに他の例の横部分断面図である。 実施の形態のカップ状スリーブの他の例の横断面図である。 実施の形態のカップ状スリーブのさらに他の例の横断面図である。 実施の形態のカップ状スリーブのスリットを説明するための側面図である。 実施の形態のカップ状スリーブの位置決めスリットを説明するための上面図である。 実施の形態のカップ状スリーブの下面図である。 実施の形態のカップ状スリーブとピストンとの取付け方法を説明するための図である。 実施の形態のカップ状スリーブとピストンとが取付けられた状態を説明するための図である。 実施の形態２のリニア圧縮機の構造を示す断面図である。

符号の説明

１ ピストン、３ シリンダ、１４ カップ状スリーブ、１５ 永久磁石、５０，５１，５２ 補助リング。

Claims (5)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
   前記シリンダの外部に設けられ、前記ピストンを往復運動させるリニアモータと、
   前記ピストンと連結され、前記リニアモータの可動子として機能する樹脂製のカップ状スリーブと、
   前記カップ状スリーブの開放端側の内周面に一体成型され、前記リニアモータが生成する磁界によって往復運動する永久磁石とを備え、
   前記カップ状スリーブの前記永久磁石が設けられていない内周面に、前記永久磁石の内周面と同一径か、または、前記永久磁石の内周面より大きい径の内周面を有するリング状部材が一体成型された、リニア駆動装置。
2. シリンダと、
   前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
   前記シリンダの外部に設けられ、前記ピストンを往復運動させるリニアモータと、
   前記ピストンと連結され、前記リニアモータの可動子として機能する樹脂製のカップ状スリーブと、
   前記カップ状スリーブの開放端側の内周面に一体成型され、前記リニアモータが生成する磁界によって往復運動する永久磁石とを備え、
   前記永久磁石は、複数の磁石片が周方向に配列されており、
   前記複数の磁石片同士の間隔の外側が内側に対して大きくなっている、リニア駆動装置。
3. シリンダと、
   前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
   前記シリンダの外部に設けられ、前記ピストンを往復運動させるリニアモータと、
   前記ピストンと連結され、前記リニアモータの可動子として機能する樹脂製のカップ状スリーブと、
   前記カップ状スリーブの開放端側の内周面に沿って設けられ、前記リニアモータが生成する磁界によって往復運動する永久磁石とを備え、
   前記永久磁石の表面に摩擦係数が低くなるように表面処理が施されている、リニア駆動装置。
4. シリンダと、
   前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
   前記シリンダの外部に設けられ、前記ピストンを往復運動させるリニアモータと、
   前記ピストンと連結され、前記リニアモータの可動子として機能する樹脂製のカップ状スリーブと、
   前記カップ状スリーブの開放端側の内周面に一体成型され、前記リニアモータが生成する磁界によって往復運動する永久磁石とを備え、
   前記カップ状スリーブの内周面には、樹脂を主成分とし、前記永久磁石の内周面を覆うリング状部材が設けられた、リニア駆動装置。
5. 前記リング部材は、軸方向に略同一肉厚である、請求項４に記載のリニア駆動装置。

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