(57)【要約】  自転式ディスプレイ装置（１）は、光透過性流体（６）と、外側容器に対して本体を回転させるための電気モータ（１４）を収容する本体（４）とを収容する光透過性外側容器（２）を備える。本体はさらに、モータが抗する逆トルク源として方位磁石（１８）を備える。強磁性体材料製で容器に固定されている磁気ポジショニング構造体（２０）は、方位磁石の磁場と相互作用して、磁気ポジショニング構造体と方位磁石との間の距離を最小とする位置へと本体を移動させ、本体が回転中にディスプレイ内の中央に維持されるようにする。【選択図】図２
2019511739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を入れた容器と、
該流体によって浮力により支承される電源内蔵型中空回転本体と、
を備える自転式装置であって、前記本体は、
回転軸と、
周囲磁場に回転して反応する逆トルクエレメントを有する電気モータとを備え、
前記装置はさらに、
前記本体とは別の、前記容器に対して固定される磁気ポジショニング構造体と、
前記磁気ポジショニング構造体及び前記逆トルクエレメントの少なくとも一方によって発生される局所磁場と、
を備え、
前記磁気ポジショニング構造体は、前記局所磁場と相互作用して、前記磁気ポジショニング構造体と前記逆トルクエレメントとの磁気平衡位置へと前記本体を付勢するように、前記逆トルクエレメントから有効距離だけ離れた位置に配置される、自転式装置。
【請求項２】
前記逆トルクエレメントが前記周囲磁場に一致する方位磁石である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記周囲磁場が地球磁場である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記磁気ポジショニング構造体が、前記周囲磁場と前記局所磁場の両方を提供する多目的磁場を発生するポジショニング磁石を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ポジショニング磁石が永久磁石である、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記容器が光透過性外壁を備え、前記流体が光透過性液体を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記磁気平衡位置が、前記逆トルクエレメントと磁気ポジショニング構造体との距離を最小とする、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記磁気平衡位置が、前記磁気ポジショニング構造体が占める領域に前記回転軸が交差するように配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記軸が、前記磁気ポジショニング構造体によって制限される空隙を通る、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記有効距離が約５ｃｍよりも少ない、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記局所磁場が、重力に対して前記本体を浮力により支承する浮力に打ち勝つには不十分な付勢力を発生させる、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記局所磁場が、前記本体に作用する重力に打ち勝つには不十分な付勢力を発生させる、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記磁気ポジショニング構造体が、前記容器の一部を被覆する所定量の強磁性体塗料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記流体が、密度の異なる二種の液体を含み、該液体は、前記容器内で前記本体を浮力により支承するように選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記装置がさらに、前記容器を形成する光透過性外側囲包体を備え、該囲包体は、前記流体を形成する所定量の光透過性液体を収容する内部空洞を有する形状及び寸法であり、前記電源内蔵型中空回転本体が前記液体中に浸漬している、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記局所磁場が、前記本体の重量に打ち勝つことができない強さである、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
先の出願
本発明は、２０１６年３月１１日出願の米国仮特許出願第６２３０７２６８号の優先権を主張するものである。
【０００２】
技術分野
本発明は、電源内蔵型ディスプレイ装置に関し、より詳細には、流体によって支承され、光を動力源とし、電気モータで駆動される自転式装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
自動式ディスプレイは、玩具、話の種となる装飾品、宣伝媒体としてよく用いられる。このような装置は、米国特許第6,275,127号、同第6,853,283号、同第6,937,125号、米国特許出願公開第2005/0102869号に開示されている（これらの文献を参照により本明細書に援用する）。
【０００４】
このような装置は、光透過性の壁を有し、内部本体を浮力によって支承する光透過性の流体を収容した、密封された外側容器を備えている場合があり、この内部本体は、外側容器に対して、若しくは透明なガラスかプラスチックの固形ブロックのように見えるものの中で、魔法のようにひとりでに回転しているように見えるものである。この回転は、本体内に隠された電気モータによって駆動することができる。モータは、バッテリーから、或いはより長期に亘っては、本体内に隠された光電池に当たる光放射によって、動力を得ることができる。駆動機構は自転式本体の内部に完全に収容することができるので、地球の磁場等の周囲磁場に一致する内蔵方位磁石を利用して、内蔵モータの逆トルク源として作用させている。
【０００５】
浮遊自転式装置に起こり得る問題の一つは、自転式本体が容器内で中心に配置されず、容器側壁の一つに衝突したり、接触したりしてしまうことである。回転体は、側壁付近に生じるせん断力によって側壁から遠ざかる傾向があるが、物体が中心に留まるという保証はなく、特に容器が大きくて回転体が小さい場合にはそうである。
【０００６】
動力を与える光が光起電力エレメントに当たらない夜間等に、自転体が長時間回転停止していると、回転していない本体が僅かな表面張力に関連する力によって漂流し、最終的には側壁に接触してしまう。回転していない本体が側壁に接触して静止していると、本体と側壁表面との間に著しい静止摩擦が存在する可能性があり、典型的な低トルク駆動機構がこのような静止摩擦を乗り越えるのは難しい。
【０００７】
従って、上記の不備の一部又は全てに対処した自転式装置が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６２７５１２７号
【特許文献２】米国特許第６８５３２８３号
【特許文献３】米国特許第６９３７１２５号
【特許文献４】米国特許出願公開第２００５／０１０２８６９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の主要及び二次的な目的は、改良された流体支承型自転式装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
これら及び他の目的は、流体に支承された自転式本体の容器に対して固定された磁気ポジショニング構造体によって達成される。
【００１１】
ある実施態様では、自転式本体は、密度の異なる二種の不混和性流体によって容器内に浮力によって支承される。
【００１２】
ある実施態様では、流体を入れた容器と、該流体によって浮力により支承される電源内蔵型中空回転本体と、を備える自転式装置であって、前記本体は、回転軸と、周囲磁場に回転して反応する逆トルクエレメントを有する電気モータとを備え、前記装置はさらに、前記容器に対して固定される磁気ポジショニング構造体と、前記磁気ポジショニング構造体及び前記逆トルクエレメントの少なくとも一方によって発生される局所磁場と、を備え、前記磁気ポジショニング構造体は、前記局所磁場と相互作用して、前記磁気ポジショニング構造体と前記逆トルクエレメントとの磁気平衡位置へと前記本体を付勢するように、前記逆トルクエレメントから有効距離だけ離れた位置に配置される、自転式装置が提供される。
【００１３】
ある実施態様では、前記逆トルクエレメントが前記周囲磁場に一致する方位磁石である。
【００１４】
ある実施態様では、前記周囲磁場が地球磁場である。
【００１５】
ある実施態様では、前記磁気ポジショニング構造体が、前記周囲磁場と前記局所磁場の両方を提供する多目的磁場を発生するポジショニング磁石を含む。
【００１６】
ある実施態様では、前記ポジショニング磁石が永久磁石である。
【００１７】
ある実施態様では、前記容器が光透過性外壁を備え、前記流体が光透過性液体を含む。
【００１８】
ある実施態様では、前記磁気平衡位置が、前記逆トルクエレメントと磁気ポジショニング構造体との距離を最小とする。
【００１９】
ある実施態様では、前記磁気平衡位置が、前記磁気ポジショニング構造体が占める領域に前記回転軸が交差するように配置されている。
【００２０】
ある実施態様では、前記磁気ポジショニング構造体によって制限される空隙を通る。
【００２１】
ある実施態様では、前記有効距離が約５ｃｍよりも少ない。
【００２２】
ある実施態様では、前記局所磁場が、重力に対して前記本体を浮力により支承する浮力に打ち勝つには不十分な付勢力を発生させる。
【００２３】
ある実施態様では、前記局所磁場が、前記本体に作用する重力に打ち勝つには不十分な付勢力を発生させる。
【００２４】
ある実施態様では、前記磁気ポジショニング構造体が、前記容器の一部を被覆する所定量の強磁性体塗料を含む。
【００２５】
ある実施態様では、前記流体が、密度の異なる二種の液体を含み、該液体は、前記容器内で前記本体を浮力により支承するように選択される。
【００２６】
ある実施態様では、前記装置がさらに、前記容器を形成する光透過性外側囲包体を備え、該囲包体は、前記流体を形成する所定量の光透過性液体を収容する内部空洞を有する形状及び寸法であり、前記電源内蔵型中空回転本体が前記液体中に浸漬している。
【００２７】
ある実施態様では、前記局所磁場が、前記本体の重量に打ち勝つことができない強さである。
【００２８】
原請求項の原文を、いくつかの実施態様の特徴を説明するものとして、参照によりここに援用する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、従来技術の装置において、回転角度に対して回転速度がどのように変化するかを示すグラフである。
【図２】図２は、本発明の例示的実施態様による磁気ポジショニング構造体を含む光透過性外側容器内に収容された光透過性流体中に浸漬された、光を動力源とし、モータを内蔵する回転体の図形的断面側面図である。
【図３】図３は、図２の装置をより詳細に示す図形的断面側面図である。
【図４】図４は、図２の装置の磁気ポジショニング構造体部品の磁界図である。
【図５】図５は、図３の所定のモータエレメントの図形的一部透視上面図である。
【図６】図６は、図３の本体の電気部品のための電気回路図である。
【図７】図７は、本発明の別の例示的実施態様による磁気ポジショニング構造体を底部に設けた自転式装置の図形的断面側面図である。
【図８】図８は、本発明の別の例示的実施態様による分割チップ磁気ポジショニング構造体を含む自転式装置の図形的断面側面図である。
【図９】図９は、本発明の別の例示的実施態様による分割チップ磁気ポジショニング構造体を含むピラミッド型自転式装置の図形的断面側面図である。
【図１０】図１０は、本発明の別の例示的実施態様による磁石外付型磁気ポジショニング構造体を含む懸吊容器型自転式装置の図形的断面側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図面を参照して、図１〜図３に、所定量の光透過性流体６を収容する内部空洞５を取り囲む囲包体を形成する光透過性壁３を有する、実質的に静止している封止された外側容器２と、流体中に浸漬され、シャフト７を中心として外側容器に対して回転１１可能である、球やボールのように軸対称に成形された本体４とを備える自転式装置１を示す。本体は、光透過性壁９を有し、周囲光線Ｌが、外側容器壁３、流体６、本体壁９を通過できるようにして、態様電池１５にパワーを供給し、本体内部の電気モータ１４に電流を供給する。本体は軸対称形状であるため、周囲の流体と接触することによって生じる抗力を最小限として回転することができる。本体内の方位磁石１８は、地球の磁場等の周囲磁場１０に対して回転により反応してこれと一致し、モータが回転するための逆トルクを提供する。
【００３１】
Frenchの米国特許出願公開第２００５／０１０２８６９（この文献を参照により本願に援用する）に開示されるように、流体６は、界面８で分かれている密度の低い方の液体６ａと密度の高い方の液体６ｂの二つの不混和液体を含んでいてもよい。二つの液体の屈折率は、界面が見えないように隠すことができるよう、実質的に同様となるように選択する。液体の密度は、本体が内部空洞５内に垂直方向に浮遊するよう、重力ＦＧに等しく対抗する浮力ＦＢとなるようにさらに選択する。
【００３２】
図１及び図２の装置を、図３〜図６にさらに詳細に示す。図５は、図３の構造体の上面図であり、明確にするために主な部品を透明に示している。駆動機構の回転部品の角度方向が図３と図５では異なることが分かるであろう。
【００３３】
実質的に球状である本体４は、容器２に入っている密度が高い方の液体６ｂ上に浮かぶ。本体は中空で、内部チャンバ２７を有し、ここに本体を回転させるための内部駆動機構を収容している。駆動機構は、方位磁石１８、上方鉄製ディスク４５、スペーサ４９、下方鉄製ディスク４７に接続する垂直シャフト３０を含んでいてもよい。シャフト３０は、カップ状宝石軸受３２３内に載置された硬い円形端部３１によって、底部上に支承されている。上方軸受３３は、シャフトの頂部に回転可能に係合する。リング状のバラスト錘２２は、本体の回転軸７が垂直となるように本体の方向を合わせる。
【００３４】
プリント基板４３は、多くのガセット板３５によって球状壁９に接続される。プリント基板は、角度方向に均等に離間する三つの太陽電池４２ａ、４２ｂ、４２ｃと、プリント基板の上面に載置された、角度方向に均等に離間する三つの光ダイオード４４ａ、４４ｂ、４４ｃとを担持している。角度方向に均等に離間する、コイルを形成するワイヤを巻回した三つのボビン４８ａ、４８ｂ、４８ｃを、プリント基板の下面に載置した状態で示す。スペーサ４９はプリント基板の穴２８を通り、シャフト３０はスペーサ４９の中央にある。
【００３５】
角度方向に均等に離間する四つのディスク状磁石５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを下方鉄製ディスク４７上に載置してもよく、そのうちの二つ５０ａ、２０ｂを図３に示す。
【００３６】
プリント基板４３が鉄製ディスク４５、４７に対して回転すると、各光ダイオード４４ａ、４４ｂ、４４ｃは孔４６ａ、４６ｂの一方の下を通過するまで、上方鉄製ディスク４５の影に入っている。図５では、光ダイオード４４ａが孔４６ａの下を通過しており、光ダイオード４４ｂ、４４ｃが上方鉄製ディスク４５の影に入っている様子が示されている。光ダイオード４４ａは、孔の下にある間、光に曝され、対応するコイル４８ａに電流を供給する対応するトランジスタ５１ａを開く。
【００３７】
図６は、プリント基板４３の電気回路を示す。光ダイオード４４ａ、４４ｂ、４４ｃのいずれかに当たる光は電流を生み出し、この電流は対応するトランジスタ５１ａ、５１ｂ、５１ｃを開き、対応するコイル４８ａ、４８ｂ、４８ｃに電流を通す。ダイオード５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、コイル４８ａ、４８ｂ、４８ｃと磁石５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄとの相対的回転が何等かの理由で逆向きとなって逆電圧が発生した場合に、トランジスタを保護する。太陽電池４２ａ、４２ｂ、４２ｃは電圧を提供して回路を駆動する。
【００３８】
図３に示す鉄製ディスク４５，４７に対するプリント基板４３の相対的方向付けにおいて、光ダイオード４４ａが照らされているため、コイル４８ａが電流を受け、この電流がコイル４８ａと磁石５０ａ、５０ｂとの間の相対トルクを生む。ここでもシャフト３０は、方位磁石１８と地球磁場等の周囲水平磁場１０との相互作用によって回転しないように抑えられている。最終結果として、本体が上述したような低摩擦環境にあれば、コイル４８ａ、プリント基板４３、よって本体４はトルクを感じて回転し始める。回転が続くことにより、最終的には光ダイオード４４ａが影に入り、別の光ダイオード４４ｂ又は４４ｃが孔４６ｂから露出し、それによって回転が続いていく。
【００３９】
図１〜図４に示すように、この装置は、容器２に対して固定された磁気ポジショニング構造体２０を含む。この磁気ポジショニング構造体は、容器の一部を被覆する所定量の強磁性体材料の塗料、若しくは容器に対して接着又は他の方法で固定されたスチール等の強磁性体材料のチップ２１であり、逆トルク付与方位磁石１８が発生する局所磁場２８と相互作用して、本体をチップに向かって横方向に磁気的に引き寄せる。このチップは、容器の外側表面２２頂面の横方向中央位置に配置することができる。チップを容器の内部空洞５に対して横方向中央位置に配置することにより、チップに垂直方向に隣接する位置へと本体が付勢され、これにより空洞内で本体を横方向に位置決めすることができる。本体４が、内部空洞５内でチップ２１直下の中央横方向位置に到達すると、チップと方位磁石１８とが平衡したと言える、つまり磁気平衡位置にあると言える。この平衡位置において本体の回転軸７は、チップが占有している領域を交差することとなり、この領域は、最もシンプルなチップ形状では多くの場合チップの質量中心である。容器の底部が平坦であるので、テーブルの上など平坦な表面上に置いた場合に、容器の向きを保つことができるということに留意することが重要である。維持された向きは、磁気ポジショニング構造体を空洞の中心の上方に正確に維持し、よって本体を平衡位置へと駆動するのに重要である。
【００４０】
図３及び図４に示すように、スチール製チップ２１と方位磁石１８との間の磁気吸引力が、自転式本体４に横方向の力成分を与えて、チップに垂直に隣接する位置へと付勢し、チップと方位磁石との間の距離Ｄを最小とする。本体が内部空洞５の横方向境界へ向かって押し流されても、チップへ向けて付勢するために対応する局所磁場２８と相互作用するように、当然ながらチップは、磁気的逆トルクエレメント１８から有効距離だけ離して配置しなければならない。この有効距離は、方位磁石が発生する磁場の強さと、チップの質量及びこの磁場と相互作用する能力とによって決定される。強さ約６００ガウスの方位磁石と、質量０．５グラムの４０３系スチール製チップの場合、チップと方位磁石との間の最大離間距離は、平衡位置において２ｃｍを越えてはならず、有効距離は約５ｃｍを越えてはならない。
【００４１】
打ち勝たなければならない相当の横方向の力はないので、付勢力は非常に小さくても、内部空洞内で本体を横方向に位置決めするのに有効であることが理解されるであろう。チップを容器の上に配置する場合、重力により本体の重量に打ち勝つには付勢力が不十分となり、本体はわずかに浮力を増すに過ぎない場合があることに留意することが重要である。
【００４２】
図７に、図２の装置に類似する自転式装置の別の実施態様１０１を示す。但しこの実施態様では、チップ１２１は、容器１０２底部の外側下面１２３の横方向中央位置に設けた凹所１２２内に都合よく目立たないように配置されている。実際、チップが容器底面上に配置されていると、付勢力は、重力ＦＧに対して本体１０４を浮力によって支承する浮力ＦＢに打ち勝つのに不十分である。地球磁場１１０等の周囲磁場に磁気的に固定されている方位磁石等の逆トルクエレメント１１８は、容器底部により近い位置に配置して、チップと磁気的に固定された逆トルクエレメントとの間の有効距離を確保することができる。
【００４３】
図８に、図２の装置と類似する自転式装置の別の実施態様１３１を示す。但しこの実施態様では、磁気ポジショニング構造体１４０は、互いに距離Ｓ１だけ離間し、容器１３２の頂面に固定されている一対の強磁性体チップ１４１、１４２を含む。このチップは、二つを合わせた質量中心が横方向中央位置にくるように配置されている。モータ１３９のための逆トルクエレメントとして作用する方位磁石１３８が発生する局所磁場とチップが相互作用すると、本体１３４は、方位磁石とチップとが平衡するまで、空洞１３５の横方向中心に向かって横方向に付勢される。平衡すると、二つのチップ間の空隙１４３に位置し、よって磁気ポジショニング構造体によって制限される磁気ポジショニング構造体の質量中心を、本体の回転軸１３７が実質的に交差する。
【００４４】
図９に、図８の装置と類似する自転式装置の別の実施態様１５１を示す。但しこの実施態様では、容器１５２をいかなる形状とすることもできることを例示的に示す。この実施態様では、容器は四角錐の形状である。駆動及びポジショニング機構は、上述の実施態様と同様に操作することができる。磁気ポジショニング構造体１６０は、互いに距離Ｓ２だけ離間し、容器１３２の頂面に固定されている一対の強磁性体チップ１６１、１６２を含む。このチップは、二つを合わせた質量中心が横方向中央位置にくるように配置されている。モータ１５９のための逆トルクエレメントとして作用する方位磁石１５８が発生する局所磁場とチップが相互作用すると、本体１５４は、方位磁石とチップとが平衡するまで、空洞１５５の横方向中心に向かって横方向に付勢される。平衡すると、二つのチップ間の空隙１４３に位置する磁気ポジショニング構造体の質量中心を、本体の回転軸１３７が実質的に交差する。
【００４５】
ポジショニング機構は、本体を基本的に空洞内のどの横方向位置へ付勢するのにも使用することができ、必ずしも空洞の中央でなくても良いことが理解されるであろう。
【００４６】
図１０には、スタンド１８７上で、略球状の容器１７２を環状頭部１８９に係合するフック１８８によって懸吊している自転式装置の別の実施態様１７１を示す。この実施態様では、磁気ポジショニング構造体１８０は、容器に接続され、容器に対して周囲磁場を発生する容器磁石１８１を含む。一片のスチール等の強磁性体材料が、逆トルクエレメントとして作用するように本体１７４のシャフト１８６に接続される。この実施態様において、容器磁石は、逆トルクエレメントを固定する周囲磁場と、位置決め目的のための局所磁場の両方の作用を有する多目的磁場を発生する。つまり容器磁石は、逆トルクエレメントの回転位置を固定すると共に、本体の回転軸１７７が容器磁石と交差するようにこのエレメントを平衡位置へと付勢する磁場を発生する。環状頭部は、磁気ポジショニング構造体に対する容器の向きを維持して、空洞上方の中央に維持する。
【実施例】
【００４７】
壁厚約５ｍｍで、長さ約１５ｃｍ四方の側壁を有する透明なアクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）製の実質的に立方体の中空外側容器に、壁厚約３ｍｍ、直径約１０ｃｍの透明ＡＢＳ製の中空球状本体を入れる。この本体は、密度の異なる二種類の不混和性液体によって、容器内部に浮力によって支承されている。密度が高い方の第一の液体は、約８１体積％のプロピレングリコールと１９体積％の水との混合物である。密度が低い方の第二の液体はドデカンである。本体は、赤道線に沿って所定量の接着剤によって接着されている二つの半球状シェルによって形成されている。長さ約２ｃｍの円筒状の方位磁石を内部逆トルクエレメントとして使用する。厚さ約２ｍｍ、直径約１．５ｃｍのロゴエンブレム状に成形したスチール製チップを選択し、容器頂面の中央に接着剤によって載置した。スチール製チップと方位磁石との磁気的相互作用を約５ｃｍの距離まで観察し、本体を平衡へと有効に付勢することを確認した。
【００４８】
本発明の例示的実施態様を説明してきたが、本発明の精神及び特許請求の範囲から逸脱することなく、改変することは可能であり、他の実施態様も考えられる。
【図１】
2019511739.tif 000003
【図２】
2019511739.tif 000004
【図３】
2019511739.tif 000005
【図４】
2019511739.tif 000006
【図５】
2019511739.tif 000007
【図６】
2019511739.tif 000008
【図７】
2019511739.tif 000009
【図８】
2019511739.tif 000010
【図９】
2019511739.tif 000011
【図１０】
2019511739.tif 000012
【国際調査報告】
2019511739.tif 000013