(57)【要約】【解決手段】  動く物体が封止された透明な容器（７２）を満たす流体に浸され、光電池（１２８）から電力を得て内部コンパス（１４０）から反トルク得る内部電気機構によって回転するディスプレイ装置において、流体の屈折率は水を加えることによって容器の材料の屈折率と一致するように調整されている。また流体の組成は容器内への周囲の水分の吸収を最小にするように工夫されている。電気的回転機構の１実施形態においては、磁石はバイアスコンパス及びモータのための磁場発生器の両者として働く。回転機構の第２の実施形態においては、固定子はバイアスコンパス磁石（１４０）の動作とは干渉しない多重極リング状磁石（１２０）によって構成される。電気的回転機構の多重巻き線には、機構シャフト（１２２）を導体として使用する分割リング及びブラシ整流子（９２）を通じて電圧が加えられる。
2005537523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレイ装置であって、
密封エンクロージャと、
前記エンクロージャを満たす第１の透明な流体と、
前記流体に取り囲まれた可動物体と
を含み、
前記第１の流体が、前記エンクロージャを通じての周囲水分の吸収を最小となるように第１の液体と水との比が調整された湿潤溶液を含む、ディスプレイ装置
【請求項２】
前記第１の流体が第１の密度と第１の屈折率を有し、前記ディスプレイ装置が前記溶液と非混和性であり前記第１の密度とは異なる第２の密度と前記第１の屈折率と実質的に同等の第２の屈折率とを有する第２の液体を更に含み、
物体とエンクロージャの間に機械的な連結を有することなく物体が浮遊するように前記溶液と前記第２の液体の各々の量が調節されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の液体が炭化水素グリセリンアルコールを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記アルコールが、本質的にエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、及びジプロピレングリコールからなる群から選択される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第２の液体が、本質的にＰＦＰＥ５０６０及びＮＯＰＡＲ１２からなる群から選択される、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記エンクロージャが前記第１及び第２の屈折率と実質的に同等の屈折率を有する材料で作製されている、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記エンクロージャが前記第１及び第２の屈折率と実質的に同等の屈折率を有する透明な材料で作製されている、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の液体がプロピレングリコールからなり、前記第２の液体がＮＯＰＡＲ１２からなる、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記重量比がおよそ第１の液体８８％、水１２％である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記材料が、本質的にパイレックスガラス、アクリル樹脂、ＸＰＨ−３５３フルオロポリマー、溶融石英、ブチレート、及びメチルペンテンからなる群から選択される、請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記エンクロージャの内部セクションに取付けられた静止ピラーと、
回転子と固定子を有する電気モータと
を更に含み、前記回転子と前記固定子の内の一方が前記ピラーに固定され、前記回転子と前記固定子の内の他方が前記物体に固定されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記モータが前記物体内に配置されている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記エンクロージャと前記ピラーが第１の屈折率を有する透明な材料で作製されており、前記第１の流体が前記第１の屈折率と実質的に同等の第２の屈折率を有する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
シャフトを有し前記物体の下方に離間して配置された電気モータと、
前記シャフトと直交するように配置された極を有し、中央セクションが前記シャフトに結合された第１の磁石と、
前記物体に固定され、前記第１の磁石と平行となるように配置された第２の磁石と
を更に含み、
モータによる前記第１の磁石の回転が前記第２の磁石及び物体の回転を誘導する、請求項２に記載の装置。
【請求項１５】
前記エンクロージャの壁に埋め込まれている前記モータを更に含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記モータに電力を供給する太陽電池を更に含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
第２の物体と、
前記第２の物体と前記第１の物体とを連結する透明部材と
を更に含む、請求項２に記載の装置。
【請求項１８】
第２の物体と、
前記第２の物体と前記第１の物体とを連結する透明部材と
を更に含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１９】
前記第２の物体は前記透明部材に回転するように取付けられるとともに、前記第１の物体が回転する際に前記第２の物体に回転動作を誘発するように形成され配置された一連の周縁羽根を含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記第１及び第２の物体を取り囲む透明な円筒状壁体
を更に含み、
前記第２の物体は前記透明部材に回転するように取付けられ、前記壁の近傍に円形周縁セクションを含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
前記物体が、封止された容器と前記容器に収容された電気モータとを含み、前記モータは、
第１の軸の周りで方向付けられ、一方の端部が前記容器によって回転するように支持されたシャフトと、
前記第１の軸に垂直である第２の軸に沿う方向に極が配置され、その中心が前記シャフトに固定して取付けられた２重極磁石と
を含み、
前記磁石と静止周囲磁場との相互作用によって前記シャフトが一定の回転位置に保たれ、
前記モータは、
前記第１の軸と同軸であり、前記容器に固定して取付けられ、少なくとも２組の正極と負極の組を有するリング状磁石と、
前記第２の磁石の近傍に前記軸に固定して取付けられ、前記第１の軸の周りに等しく間隔を空けて配置された少なくとも３個のコイルと、
電力源と、
前記電力源から前記コイルに代わる代わる電圧を加え、前記コイルと前記第２の磁石の極の間に磁気トルク力を誘導し、前記第２の磁石と容器を前記シャフトの周りで回転させるための切り替え手段と
を更に含み、
前記第１及び第２の磁石の間の磁気トルク力が相殺され、前記シャフトの周りでの前記容器の動作に影響を与えないようになっている、請求項２に記載の装置。
【請求項２２】
前記容器が密封された中空球体を含む、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記物体が、封止された容器と前記容器に収容された電気モータとを含み、前記モータは、
第１の軸の周りで方向付けられ、両方の端部が前記容器によって回転するように支持されたシャフトと、
透磁性材料で作られ、前記シャフトの軸の周りに固定して取付けられた第１のディスクと、
前記シャフトに同軸に前記ディスクの上に配置された一組の対称な半リング状の磁石と、
前記磁石近傍に前記容器に固定して取付けられ前記軸の周囲に等しく間隔を空けて配置された少なくとも３個のコイルと、
電力源と、
前記電力源から前記コイルに代わる代わる電圧を加え、前記コイルと前記磁石との間に磁気トルク力を誘導し、コイルと容器を前記シャフトの周りで回転させるための切り替え手段と
を含み、
前記磁石と静止周囲磁場との相互作用によって前記物体が一定の回転位置に保たれている、請求項２に記載の装置。
【請求項２４】
前記モータが、前記コイルの近傍であって前記第１のディスクとは反対側の前記シャフトの軸の周りに配置された鉄ディスクを更に含む、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記モータが、前記磁石の近傍であって前記コイルとは反対側の前記シャフトの軸の周りに配置された軟磁性材料のディスクを更に含む、請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
前記電力源が前記容器に取付けられた太陽電池を含む、請求項２３に記載の装置。
【請求項２７】
前記切り替え手段が、
前記シャフトに取付けられた分割リングと接触ブラシ整流子と
を含み、
前記分割リングが３個のセグメントを含み、各セグメントはあるコイルの正の端部と別のコイルの負の端部とに固定して接続され、
前記整流子は２個のブラシを含み、且つ各々が前記電力源の極に接続され正反対の位置で前記分割リングと接触する、請求項２３に記載の装置。
【請求項２８】
ディスプレイ装置であって、
所定の屈折率を有する透明な材料で作られた密封エンクロージャと、
前記エンクロージャを満たす第１の透明な流体と、
前記流体に取り囲まれた可動物体と
を含み、前記第１の流体が前記屈折率に一致するように第１の液体と水との比が調整された湿潤溶液を含む、ディスプレイ装置。
【請求項２９】
ディスプレイ装置であって、
密封エンクロージャと、
前記エンクロージャ内の第１の透明な流体と、
前記流体に浸された可動物体と、
前記物体を回転駆動する電気モータと
を含み、前記電気モータは、
第１の軸に合わせて配置され、一方の端部が前記容器によって回転するように支持されたシャフトと、
前記第１の軸に垂直である第２の軸に沿う方向に極が配置され、その中心が前記シャフトに固定して取付けられた２重極磁石と
を含み、
前記磁石と静止周囲磁場との相互作用によって前記シャフトが一定の回転位置に保たれ、
前記モータは、
前記第１の軸と同軸であり、前記容器に固定して取付けられ、少なくとも２組の正極と負極の組を有するリング状磁石と、
前記第２のセグメントの近傍に前記軸に固定して取付けられ、前記第１の軸の周りに等しく間隔を空けて配置された少なくとも３個のコイルと、
電力源と、
前記電力源から前記コイルに代わる代わる電圧を加え、前記コイルと前記第２の磁石の極の間に磁気トルク力を誘導し、前記第２の磁石と容器を前記シャフトの周りで回転させるための切り替え手段と
を更に含み、
前記第１及び第２の磁石の間の磁気トルク力が相殺され、前記シャフトの周りでの前記容器の動作に影響を与えないようになっている、ディスプレイ装置。
【請求項３０】
ディスプレイ装置であって、
密封エンクロージャと、
前記エンクロージャ内の第１の透明な流体と、
前記流体に浸された可動物体と、
前記物体を回転駆動する電気モータと
を含み、前記電気モータは、
第１の軸に合わせて配置され、両方の端部が前記容器によって回転するように支持されたシャフトと、
透磁性材料で作られ、前記シャフトの軸の周りに固定して取付けられた第１のディスクと、
前記シャフトに同軸に前記ディスクの上に配置された一組の対称な半リング状の磁石と、
前記磁石近傍に前記容器に固定して取付けられ前記軸の周囲に等しく間隔を空けて配置された少なくとも３個のコイルと、
電力源と、
前記電力源から前記コイルに代わる代わる電圧を加え、前記コイルと前記磁石との間に磁気トルク力を誘導し、前記コイルと前記容器を前記シャフトの周りで回転させるための切り替え手段と
からなり、
前記磁石と静止周囲磁場との相互作用によって前記物体が一定の回転位置に保たれている、ディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自己始動式且つ自己動力式のディスプレイ装置に関し、より詳細には放射エネルギーによって動力が与えられ自転する球体に関する。
【背景技術】
【０００２】
見掛け上何らの支承、駆動機構、動力インプットなしに動く、様々なタイプの目新しい構造体が玩具や話題性のある装飾品、広告媒体としてよく用いられている。このような構造体の様々な実施形態は、米国特許第5,435,086号（ハン（HUANG）ら）や日本国特許第10137451号、第101431101号、及び第10171383号（全てヒロセ  マモルによる）、日本国特許第7210081号、第7219426号、及び第7239652号（全てタラギ  ヒロシに付与）、ドイツ国特許DE19706736号（フシューラー（Fushoellier））、ドイツ国特許DE3725723（シュタインブリンク（Steinbrinck））、ドイツ国特許DE41377175（ラング（Lang））に開示されている。先行する多くの実施形態においては、外部との結合が完全に無いわけではなく、外部支持体にしっかりとアンカリングされていない場合には、電力を大量に消費するファンブレード等の重く複雑な内部システムを始めとする、複雑で嵩高い反トルク発生機構を必要とする。
【０００３】
反トルク発生機構やその支持体は、見る者にとって一目でそれとわかるので、周囲エネルギー場について何ら関心や興味を喚起するものではない。
【０００４】
米国特許第4,419,283号は、２種以上の非混和性流体を組合せて使用して小さな物体を浮揚支承することを開示している。この特許では、容器の膨張による泡の生成を回避することや、周囲の水分の吸収により内部圧力が過度に高まることで生じる問題への対処がなされていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、周囲の電磁放射場からの非常に低いレベルの動力しか必要とせずに動く、面白く且つ教育的な動く構造体を発明するにあたり、ディスプレイの支承流体内の泡の生成と過度の内部圧力による容器の変形とを回避しようとする試みからなされたものである。
【０００６】
本発明の第１及び第２の目的は、見掛け上は駆動機構や動力インプット、支持ベアリングなしで非常に長期間作動可能であり、玩具や宣伝媒体、ノベルティ・グッズ、遠隔場所或いは水面下に設置するロボット構成部分として用いるのに適した、最も単純で最小の動力のみしか必要としない回転ディスプレイを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の好ましい実施形態において、これら及び他の有益な目的は、封止された透明な容器内に保持された流体中に、回転する密封中空物体を浮かべることにより達成される。容器は懸架されるか、或いは三脚等の構造体により支持される。内部駆動機構はアンカリングされており、換言すればその回転力を、地球の磁場或いは他の人工磁場との相互作用によって得るか或いはそれら磁場によってバイアスされることで得るものである。モータ或いは電磁石の動力は、エンクロージャに衝突する光波を光電池を用いて集めることにより得ている。
【０００８】
電磁石を選択的且つ順次的に動作させる種々の整流機構が開示される。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態は、空間に浮遊し粛々と永久に回転し続ける地球のレプリカとして理解されよう。
【００１０】
エンクロージャを支承する流体は、周囲の水分を吸収しないように調製された液体を組合せてなるものである。
【００１１】
駆動機構は小型であり内臓型である。即ち、駆動機構は本発明に係る容器内に収容されているか、或いは本発明に係る物体内に収容されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
ここで図面を参照すると、図１ａ及び１ｂには、NOPAR12等の軽い流体８とプロピレングリコール等の重い流体１０との界面６近傍に浮遊するボール４を含む透明なケース２からなるディスプレイ装置が示されている。ボール４は次に記述する内部機構により駆動され回転することができ、その表面には地球の地形等の図形的特徴を有することが好ましい。軽い流体８及び重い流体１０は非混和性であり、両者共に透明であるのが好ましい。ボール４は、軽い流体８の密度と重い流体１０の密度の間の密度となるように作製されており、ボールがケース２の上部内表面１２とも下部内表面１４とも機械的に連結されることなく浮遊するようになっている。
【００１３】
エンクロージャ、即ちケース２は一個の一体部品として示されているが、実際にはボール４の周りにフィットする少なくとも２個の部品から形成されるのが普通で、これら部品は後で接合されるが、この接合は、接合線３が目に見えなくなる或いは殆ど目に見えなくなるような方法で接合されるのが好ましい。例えば、アクリル樹脂は公知の溶媒接合プロセスによって接合でき、生じた接合線は殆ど視認できない。ケース２がガラス製の場合は、ガラスと屈折率が類似した一般の接着剤の一種を用いて接合することができ、また接合する面を加熱して柔らかくしてからそれらを押し付け合わせてガラスを接合することもできる。低温接合ガラスを用いて低温接合プロセスを行なうこともできる。
【００１４】
軽い流体８の屈折率と重い流体１０の屈折率の値は十分に近く、界面６が見る者には気づかれないようにされているのが好ましい。更には、ケース２の材料の屈折率も流体８及び１０の屈折率と略等しく、流体とケースの界面も見て分からないようになっているのが好ましい。更には、流体８及び１０とケース２の材料は色や透過度等の透過特性が適度に類似しており、観察者が視線Ａから見下ろした場合に、視線Ｂから見下ろした場合と比較してブロックに如何なる外見上の差異もが認められないようになっているのが好ましい。ボール４とケース２の間の体積は流体で完全に満たされており、ケースが材料の一体ブロックではないという何らかの手掛かりを観察者に与えてしまうような泡が存在しないのが好ましい。
【００１５】
流体を組合せて用いることは多くの理由により有利であり、適当な量の水をプロピレングリコールに混合すると２０℃における屈折率を両者共に１．４２１とすることができる。
【００１６】
アクリル樹脂の屈折率は、プラスコライトオプティックスＲ（Plaskolite Optix R）アクリル樹脂シート（プラスコライト社製、コロンバス、オハイオ州）を用いれば１．４６と低くすることができる。この値は流体の値と同一ではないが、流体―ケースの界面が目視で殆ど認識できないようにするためには十分に近く、特にケースの全体形状を設計するのに公知の光学設計原理を用いる場合には十分である。例えば、全ての角部や端部を丸めると共にケースを適度に薄く作製する場合である。この流体組合せとアクリル樹脂では光の透過度が類似しており有利である。
【００１７】
屈折率が１．４３４であるオーシモン（Ausimont）XPH−353フルオロポリマー（オーシモンS.p.A.製、ミラノ、イタリア）を用いると、NORPAR12／プロピレングリコール組合せ流体と屈折率をよりよく一致させることができる。
【００１８】
図１ｂの上面図にはケース２内の中心位置にあるボール４が示されている。ボールが動いていない場合は、ボール２の表面、界面１６におけるケースの内壁、及び流体８と１０の間の表面張力による力が、この中心位置をボール４の平衡位置とするように作用する。例えば、ケース２がアクリル樹脂で作製されており、軽い流体がNORPAR12、重い流体１０が１５重量％の水と８５重量％のプロピレングリコールの混合液であり、またボール４がアクリル樹脂で作製されており、Sailkote（商標）（マクギーインダストリース（McGee Industries）社製、アストン、ペンシルバニア州）等の界面活性剤でコーティングされている場合、ボール４は界面１６においてケースの内壁と接触することなく平衡位置に浮遊しようとする。関連出願に記載されているように、回転していないときにボールがどの位置にあろうと、周囲のエネルギー場によってボールが回転を始めると液体の剪断力によってボールは中心位置に向かって動こうとする。
【００１９】
ディスプレイ装置は観察者に種々の興味をそそる様相を提示することができる。第一に、流体８と１０の屈折率が非常に近似しており観察者が界面６の存在に気付いていない場合には、観察者はボール２をどのようにして支承して回転させているのか全く分からないであろう。界面６が目に見える場合であっても、観察者は何がボール４を回転させているのか分からないであろう。更に、ケース２が先の記載のように作製されている場合、観察者は、一見したところ一体に見えるプラスチックのブロック内で如何にボール４が回転できるのか分からないであろう。
【００２０】
図２に示す別の実施形態においては、ボール４の支承はケース２に固定して取付けられたシャフト２０によって提供されており、シャフト２０は電気モータ２２の回転子或いは固定子に接続され、電気モータ２２は太陽電池２４への周囲エネルギーの入射により動力が供給されており、太陽電池２４はワイヤ（図示せず）でモータ２２に接続されている。モータ２２内のベアリング（図示せず）により、モータ２２はシャフト２０に対して回転できるようになっている。ボール４には次に記述する種々の手段によって動力が提供されて回転駆動され、シャフト２０とボール４の間のベアリングによって支承され回転する。シャフト２０は直径を小さく作るのが好ましく、また流体２６の屈折率と略一致した前述の材料等で作るのが好ましい。
【００２１】
ボール４はシャフト２０によって支承されているため、ボール４の高さを安定させるために、図１に示した軽い流体８や重い流体１０を用いる必要はない。流体２６はNORPAR12のみとすることができ、ボール４の密度はNORPAR12の密度と適度に一致しているだけでよい。
【００２２】
図３〜４ｂに示す第二の別の実施形態においては、ケース２の下部に埋め込まれたモータアセンブリ２８が磁気相互作用によってボール３０を駆動している。本実施形態においては軽い流体８と重い流体１０が用いられ、ボール３０を底部表面１４から十分に上で支承している。ボール３０の内部には磁石３２が含まれ、モータアセンブリ２８によって生成される回転磁場と連動し、ボール３に回転を生じるようになっている。
【００２３】
電気モータ３４は、モータアセンブリケースに固定して取付けられたシャフト３６によって支持されている。図示のように、モータ３４のケースは、モータのシャフト３６に直交して配置されたＮ極とＳ極を有する棒磁石４０に固定して取付けられている。図４ａに示すように、太陽電池４２はモータアセンブリ２８内でモータの上に取付けられている。ケース２、流体８と１０、及びモータアセンブリケースの全ては透明な材料で作製されており、十分な量の光が太陽電池４２に到達できるようになっている。モータ３４のタイプとしては、モータシャフト３６に送られる電流によって動力を得るタイプのものが意図されている。太陽電池４２をモータシャフト３６に接続するワイヤは図を見やすくするため図示されていない。図４ｂに示す上面図においては、モータ３４と磁石４０を見やすくするため太陽電池４２は図示されていないが、太陽電池４２はモータアセンブリ２８と同一の形状とすることができ、その領域の殆どを覆うことができる。
【００２４】
動作時には、モータ３４に動力が供給され回転し、それにより棒磁石４０に回転が生じ、平行に配置されている棒磁石４０とボールの磁石３２の間の磁気相互作用によってボール３０が回転する。棒磁石４０と磁石３２の強度とサイズは、ボールの回転を駆動するのには十分に強いがボール３０を下方に引き寄せ底部表面１４に接触させるほどは強くない磁気相互作用を生じるように従来技術で公知の原理によって選択される。
【００２５】
図３及び４に示す実施形態においては、モータアセンブリ２８の不透明さのためケース２が完全に透明ではないことを除けば、観察者は図１の実施形態に関して記述した錯覚と同じ錯覚を持つことになるが、ケース２が完全に透明でなくても、観察者は図１ａや１ｂの場合のようにケースがプラスチックの一体ブロックであるかのように錯誤してしまう。このモータアセンブリは薄く作るのが好ましく、上部表面４４にロゴ等の種々の半透明の図形的特徴を印し、物体を広告用の景品として用いることができるようになっている。
【００２６】
物体の磁石３２とモータの磁石４０との間の磁気相互作用は、ボール３０をエンクロージャ２の中心位置に保とうとする。
【００２７】
図５に示す第３の実施形態の構造と動作は、ボール３０と流体２６とを図２に示す各々の対応物と同様にしてある以外は、図３の実施形態と同様である。従ってモータアセンブリ２８は、流体２６内に浸漬されピラー２０によって支承されているボール３の回転を駆動し、モータの回転子はピラーに固定されている。
【００２８】
図６ａと６ｂは第４の実施形態を示す。この実施形態は付随するアセンブリ（以下、衛星アセンブリと称する）４６を含み、この衛星アセンブリ４６は衛星シェル５０内に埋め込まれた衛星ボール４８を含む。ボールアセンブリ５２はボールシェル５４内に埋め込まれたボール４を含む。衛星アセンブリ４６とボールアセンブリは両者とも軽い液体８と重い液体１０による浮力によって支承され界面６の近傍に浮遊している。衛星シェル５０とボールシェル５４は両者とも、図１の実施形態に記述したのと同一の光学原理により観察者には本来的に視認不能であるような、流体及びエンクロージャの屈折率と実質的に類似した屈折率を有する材料で作るのが好ましい。
【００２９】
図６ｂは、本質的に接触しておりケース２の略中央に浮遊するボールアセンブリ５２と衛星アセンブリを示す。これは流体と材料を適切に選択した際の表面張力によって生じるものである。例えば、衛星シェル５０とボールシェル５２はアクリル樹脂で製作することができ、重い流体は１５重量％の水と８５重量％のプロピレングリコールとし、軽い流体はＮＯＲＰＡＲ１２とすることができる。
【００３０】
ボール表面４と衛星ボール４８はそれらの表面に、例えばボール４には地球の地形、衛星ボール４８には月の地形等、それらの相対的なサイズや相対的な動きに調和した図形的特徴を有するものとするのが好ましい。
【００３１】
動作においては、ボール４は後に図２１に記載される機構と同種の機構により駆動され回転し、ボールシェル５４に反時計方向の回転５６を生じる。ボールシェル５４と衛星シェル５０は近接しているため、力５８が反時計方向５６に沿って衛星アセンブリを引っ張るようになっている。液体の剪断力６０により力５８と組み合わさった力が生成され、衛星アセンブリ４６に時計方向の回転６１を生じる。
【００３２】
観察者には、見た目には明らかな支承体が無く、見た目には明らかな駆動機構無しに、且つ見掛け上はプラスチックの一体ブロック内でボール４が回転し、衛星ボールがその周囲に軌道を描き回転しているのが見える。
【００３３】
図７ａには、透明ディスク６２の中心近傍にボール４を固定して取付けた第５の別の実施形態が示されている。ボール４と透明ディスク６２は両者ともに、ケース２内に軽い流体８と重い流体１０によって支承され回転する。透明ディスク６２に固定して取付けられたシャフト６６上に衛星ボール６４が支承され回転する。シャフト６６と羽根は、透明であり本来不可視であるように流体８と１０の屈折率と十分に近い屈折率を有する材料で作るのが好ましい。羽根６８は、ディスク６２とボール４が回転する際に衛星ボール６４に回転を生じるように形を作られ配置される。
【００３４】
図７ｂに示すように、動作に当たってはボール４は先の実施形態に記述されたように駆動され回転する。透明ディスク６２の反時計方向の回転５６により、衛星ボール６４は軽い流体８内を動き、衛星ボール６４には羽根６８によって時計方向の回転６１が生じる。観察者には、図６ａと６ｂのディスプレイに関して記述されたのと同一の視覚効果が提示される。
【００３５】
図８ａと８ｂに、ボール４がシャフト２０によって支承され回転する第６の別の実施形態を示す。アーム７０がボール４に固定して取付けられ、アーム７０に固定して取付けられたシャフト６６が衛星ボール７２を回転するように支承している。流体２６が満たされたケース２は、ボール４が回転する際に衛星ボールに近接するようにされた円筒状の壁体７４を含む。
【００３６】
動作時には、ボール４は先の実施形態の記述のように駆動され反時計方向５６に回転し、ボール７２は円筒状壁体７４の近傍で円形経路を通って反時計方向に動く。衛星ボール７２と円筒状壁体７４との間の液体剪断力によって、衛星ボール７２に時計方向の回転６１が駆動される。このディスプレイは、図６ａと６ｂに関して記載したものと同様の光景を観察者に提示する。
【００３７】
図９は第７の別の実施形態を示す。この実施形態は図２に示した実施形態や他の実施形態と極めて類似したものであり得る。厚い壁のケース７６はその内部に、ボール４の形状に合った空洞７８を有している。流体２６の層が図に示すように薄く、且つ流体２６の屈折率がケース７８を形成する材料の屈折率よりも大きい場合は、ボール４の表面上の図形的特徴は公知の光学原理によって拡大され空洞７８の内壁面上にあるように見えるため、観察者にとって空洞は目に見えないものとなる。
【００３８】
上述の実施形態やそれらの特徴及び部品は、当業界の技術において組合せることができる。モータアセンブリ２８は、棒磁石４０の回転によってではなく、後述するようにモータアセンブリ２８内の電磁石に電流を適切に適用することによって回転磁場を生じるものとすることができる。各種の駆動機構は、周囲エネルギーからではなく、内部電池或いは主電源から得られる電力によって動力を得ることができる。全ての設計はボール４のようなボールを２個以上備えることができ、図６や７、８等の設計は、明らかに２個以上の衛星ボールを含むことができる。殆どの実施形態においては、回転する物体はボール形状である必要はなく、実際のところ事実上、如何なる三次元形状をも有することができ、ケース２は、円筒状や箱状、円錐状、ピラミッド状、更には変則的な形状等、実質的には如何なる形状にも作ることができる。
【００３９】
屈折率や透明度、コスト、化学的な耐性、毒性等の要因に基づき、広範囲に亘り流体とケースのための材料を検討することができる。例えば、ショ糖を様々な比率で水と混合し、屈折率が１．３３〜１．５である液体を調製することができる。次のリストは、用いることができる流体と固体の更なる例を含む。このリストは適切な材料の例を挙げるために示すものである。当業者にはよく知られたことであるが適切な材料は多数存在し、材料の選択はこれらのみに限定されるものではない。
【００４０】
名前                                      屈折率
酢酸ベンジル                              １．５２３
アニソール                                １．５１８
各種植物油                                約１．４８
ヒマシ油                                  １．４８
固体材料：
溶融石英                                  １．４５９
パイレックスガラス                        １．４８
ブチレート                                １．４７５
メチルペンテン  （ミツイ（Mitsui））
ケミカルスアメリカ社                      １．４６３
【００４１】
先に記述したディスプレイ装置に関する各種実施形態のいずれのものにおいても、軽い流体８は純パラフィン油とすることができ、またNORPAR12（エクソン（Exxon）社、（ヒューストン、テキサス州、米国）が販売）等、類似の炭化水素の混合液とすることもできる。重い流体はプロピレングリコールと水の溶液である（プロピレングリコール８８重量％、水１２重量％）。軽い流体８はエンクロージャ２の約８５％を満たし、重い流体１０は約１５％を満たしている。
【００４２】
エンクロージャの容積が流体の全体積よりも大きい場合には、エンクロージャ２内に泡が形成され得る。このような泡により、観察者に物体全体が回転しているわけではないことをはっきりと示してしまうこともあり得る。このため、泡が形成されないように注意を払う必要がある。流体の全体積及びエンクロージャ２の容積は温度により変化し、またエンクロージャ２や内部ボール４の材料に吸収された水の量によっても変化する。変化する環境に連続して曝されることにより、泡が形成される条件が生じ得る。このことを防ぐための一般的な方法は、泡が最も形成されにくい条件においてエンクロージャ２を若干高圧力にして満たすことである。これは製造プロセス中になされる。
【００４３】
しかしながら、時間と共に、また例えば極端な温度に曝された場合には、全てのプラスチックは若干クリープしその形状を本質的に変えてしまう。従って、２０℃において泡の形成を防ぐのに十分である過剰圧力が加えられたボールとシェルは、例えば４０℃の高温に長時間曝された後には本質的により大きな空洞６を生じ得る。この場合、温度を下げて２０℃に戻すと泡の形成を生じる。
【００４４】
エンクロージャ内に湿潤液（この場合はプロピレングリコール／水の溶液）を使用すると、このような液体は周囲空気から水を吸収しエンクロージャ内の流体の全体積を本質的に増加させることができるため、クリープの問題を抑える助けとなり得る。従来用いられているNORPAR12やPFPE5060等の流体の組合せは殆ど水分を吸収せず、このことが効果的に行なわれ得ない。
【００４５】
プロピレングリコールは周囲空気から水を限界に達するまで吸収するが、この限界は周囲空気の相対湿度に依存する。図１０に、ダウケミカル社（Dow Chemical Co.）（ミッドランド（Midland）、マイアミ州）が公開したデータを用いてこの関係を示す。このグラフは水とプロピレングリコールをプロピレングリコール８８重量％、水１２重量％として混合した場合のものであり、この混合液は空気と相対湿度（「ＲＨ」）３５％で平衡する。
【００４６】
エンクロージャ２等の容積内に湿潤液が含まれている場合は、周囲空気１８から外側シェル２の材料を通って拡散する水分の速度は、周囲空気１８と内部の特定のプロピレングリコール／水の混合液に対応する平衡湿度値との湿度差に比例する。例えば、提案された８８／１２％混合液の場合は、他の全ての状況を等しいとして周囲空気１８の湿度が７０％ＲＨであるとすると、湿潤液が純プロピレングリコールである場合の速度の半分の速度で水分が周囲空気１８からエンクロージャ２に拡散する。これは、プロピレングリコールと水の８８／１２％混合液は相対湿度３５％と平衡し、有効な湿度差は７０％ではなく３５％であるためである。水分がプロピレングリコール／水混合液に拡散するにつれ、プロピレングリコールと水の相対重量％は変化し拡散速度は一般に徐々に遅くなる。
【００４７】
水の吸収によりエンクロージャ２内の圧力は高くなる。既に記述したように、プラスチックはクリーププロセスによって徐々に寸法を変え得るが、歪速度及び歪の総量(total magnitude)を低減させた場合には、プラスチックが実際に割れる可能性は大幅に減少する。周囲湿度が７０％の場合は８８／１２／５のプロピレングリコール−水から開始すると、吸収速度が半分に減少し、また最終的に吸収される水の総量も半分に減少する。
【００４８】
図１２のグラフは、アライドケミカル社（Allied Chemical）（ミネアポリス、ミネソタ州）から得た米国の都市群における２年間の平均相対湿度のデータを示すものである。平均値は４７５である。デンバーは３５％ＲＨであり最も乾燥しており、マイアミは６３％ＲＨであり最も湿気が多かった。明らかに、これら全ての場所において年間を通じて若干の変動はあろうが水の拡散プロセスは緩慢でありまた吸収は可逆である。従って、「シェルに入れられたボール」は季節毎に大幅に揺れ動くことはないであろう。プロピレングリコールと水の好ましい溶液（８８／１２％）で作られた「シェルに入れられたボール」は、デンバーにおいては泡を形成しないであろうし、他の都市においては徐々に水を吸収して膨張し、この場合も泡の形成が回避されるであろう。
【００４９】
「シェルに入れられたボール」が吸収する最終的な水の量は、流体空洞内の湿潤液の総量にも比例する。このため、極少量のみの重い流体１０を使用するのもよい考えと思われるであろう。しかしながら、２種の流体が共同で作用し温度変化に伴う内部ボール４の高さを最も効果的に安定化するのは、各流体の量が等しい場合である。この２種の流体の組合せが内部ボールの浮遊高さを調節する能力は、重い流体１０或いは軽い流体８の割合を０にしてしまうと完全に無くなってしまう。重い流体をどの程度使用するのかは、高さ調節を効果的にするための要求とエンクロージャ２内に拡散する最終的な水の総量を減少させるための要求との折り合いで決定される。
【００５０】
また「シェルに入れられたボール」の錯覚の効果は、２種の流体の屈折率が本質的に同一である場合に大きく改善される。これにより流体間の界面は認知しづらくなり、観察者に対して物体の本当の性質を知らしめてしまう別の手掛かりが取り除かれる。PFPE5060とNORPAR12の屈折率は２５℃において各々１．２５１、１．４１６である。純プロピレングリコールの屈折率は図１１のチャートによると１．４３１であり、PFPE5060よりもNORPAR12とより一致しているが、提案されたプロピレングリコールと水の体積あたり８８／１２％である溶液の屈折率は１．４２３である。純プロピレングリコールとNORPAR12との屈折率の比は１．００５であり、理想の値である１に２倍近づいたものとなっている。
【００５１】
外側球形容器内のボールからなるディスプレイ装置の一例は、次の特徴を示す。
１）容器及び内部ボール４はアクリル樹脂で作製されている。
２）内部ボール４の外径は１５０ｍｍであり、厚さは３ｍｍである。
３）外側シェルの内径は１５６ｍｍであり厚さは３ｍｍである。
４）容器は１０℃大気圧において流体で完全に満たされる。軽い液体８はエンクロージャ２の約８５％を満たし、重い流体１０は約１５％を満たす。
５）駆動装置の質量１４は、２０℃において内部ボール４が外側シェル２との接触位置から垂直に３ｍｍの高さに浮遊するように設定されている。
【００５２】
本発明においては、本発明をどのように適用できるかに関して一例のみを示す。他のサイズや形状の物体を作ることができることも明らかであり、またアクリル樹脂以外の材料を用いることもできる。流体空洞内の２種の流体の相対量を変更し高さ調節と吸収される水の量との間に異なるトレードオフを達成することができる。当業者には知られた湿潤液は多数存在し、それらは本発明の教示に従い用いることができる。また、パラフィン油の代わりに他の流体を用いることができる。
【００５３】
プロピレングリコールと水との正確な比は別の値に変えることができ、小さな割合の水をグリコールに加えることでさえ有効である。例えば、ある特定の「シェルに入れられたボール」が非常に湿気の多い環境（例えば６３％のマイアミ）で動かされることが分かっている場合、プロピレングリコールと水の体積比をプロピレングリコール７５％、水２５％に設定することができる。また、比率をプロピレングリコール７８％、水２２％に選択し、２５℃において屈折率を実質的に完全に一致させることもできる。この７８／２２の比率は５３％ＲＨ（米国の平均である４７％に近い値）の周囲空気と平衡する。この７８／２２の比率で作られた物体は、最初は事実上視認不能な流体界面を有し、概して米国では、また世界の多くの場所では非常にゆっくりとした速度で水を失っていく。様々な湿潤液の混合液を調製し、適当な範囲の平衡相対湿度値に亘ってＮＯＲＰＡＲ１２の屈折率と完全に一致する広範囲に亘る湿潤液／水の溶液を得ることができることは明らかであり、また異なる屈折率を有するパラフィン油を選択し、一致させることができる相対湿度の値の範囲を広げることもできる。
【００５４】
これ以外の炭化水素グリセリンアルコール（図１１に示す）を適宜水と混合し、溶液の屈折率を調整することができ、またエンクロージャ内の水分吸収の程度を調整することができる。
【００５５】
次のコンポーネント駆動機構は、先に記述したディスプレイ装置のモータとしての使用を意図したものである。
【００５６】
図１３ａは駆動機構を含む非磁性モータケース７２の側断面図を示す。軸７４は垂直方向に取付けられ、サファイア製カップ７８によって支承されたボール７６を含むベアリングによって支持されている。前記カップはブラケット８によって横方向に拘束されており、ブラケット８はモータケース７２の一部であることができる。軸７４は上部近傍において円筒状ジャーナル８０によって横方向に拘束されており、円筒状ジャーナル８０はモータケースの成形部品であることができる。軟鉄等の透磁性材料で作られたディスク８２が軸７４に固定して取付けられ、前記軸に対して垂直となっている。ディスク８２は中心部１４を有し、中心部１４は前記ディスクの外側部よりも上になるように形成されている。２個の半リング形状の永久磁石（磁石ＭＡ及び磁石ＭＢ）が、図１３ａと図１３ｂの上面図に示すようにディスク８４に固定して取付けられている。これら磁石は軸、即ちシャフト７４と同軸である。磁石ＭＡの上部表面は全面に亘りＮ極に磁化しており、磁石ＭＢの上部表面は全面に亘りＳ極に磁化している。
【００５７】
軸７４は先に記述したように取付けられたディスク８２と磁石ＭＡ及びＭＢと共にコンパスアセンブリ８６を構成し、前記コンパスアセンブリは、軸７４が略垂直方向を向いている限りは周囲磁場（単に地球の磁場であり得る）に合わせて自己の向きを調整し、一定の回転位置に軸を維持する。
【００５８】
図１３ｂにおいては、磁石に近接して取付けられたワイヤコイル群７３（コイルＡ、コイルＢ、及びコイルＣ）を明瞭に見ることができる。側断面図にはコイルＡの側面が示されており、破線はコイルＢ及びＣの位置を示している。コイルＡ、Ｂ、及びＣの全てはモータケース７２の内部上部表面に固定して取付けられている。
【００５９】
図１３ａに示すように、軸７４を擦る軸ブラシ８８とスリップリング９２を擦るリングブラシ９０とによって外部ソースから電位がコイル群に与えられる。前記スリップリングは円筒状であり、また軸７４と同心であると共にこの軸とは電気的に絶縁されている。軸７４は導電性である。電位の外部ソースは図示されていないが、モータケースの上部の外側或いは他の場所に取付けられたバッテリ或いは太陽電池であることができる。電位ソースをブラシ８８及び９０に接続しているワイヤは、簡略化のため図示していない。
【００６０】
また分割リングアセンブリ９４が軸７４に取付けられている。これは図１３ｂにおいて明らかなように、２個の半体（負半体９６及び正半体９８）からなる。各リングは円筒の１８０度の弧であり、各弧の中心軸が軸７４の中心軸と一致するようにして軸７４に取付けられている。正半体９６は軸７４に電気的に接続され、負半体９８はスリップリング９２に電気的に接続されている（接続はワイヤによってなされるが分かり易くするために図示していない）。電位の外部ソースが接続され、正電位をブラシ８８に、また負電位をブラシ９０に供給している。
【００６１】
図１３ｂに示す上面図においては、３個の導電性ブラシ（ブラシＢＡ、ブラシＢＢ、及びブラシＢＣ）を明瞭に見ることができる。図１ａに示す側面図においては分かり易くするためにこれらブラシの内の１個（ブラシＢＣ）しか示されていない。これらのブラシは図示されていないワイヤによってコイルＡ、Ｂ、及びＣに接続されている。前記ブラシはモータケース７２に固定して取付けられたブラシホルダ１００に取付けられている（図１３ａにはブラシＢＣが示されている）。
【００６２】
図１４ａは図１３ｂの物体の略図を示し、分かり易くするために分割リングアセンブリ９４が拡大されている。各コイルから生じる２本のワイヤには「＋」と「−」の符号が付けられ各コイルにおける同種の端子を示している。図１４ａに示されている電気ワイヤ９５はブラシＢＡをコイルＡ−とコイルＢ＋に、ブラシＢＢをコイルＢ−とコイルＣ＋に、またブラシＢＣをコイルＣ−とコイルＡ＋に接続している。
【００６３】
図１４ａに示すコンパスアセンブリ１６は、地球の磁気のＮ極が右でありＳ極が左である場合に自己の向きを調整したかのように、Ｎ極を左としＳ極を右にしている。地球の磁場に他の周囲磁場を加えることもできるが、これは正味の磁場が本質的に０でない限りは動作に影響を生じない。
【００６４】
図１４ａの初期条件においては、コイルＡを通る電流は、コイルＡを反時計方向に付勢する方向に流れ、スリップリングアセンブリ９４の正半体９６によってブラシＢＡとＢＢが短絡されているためコイルＢには電流が流れず、コイルＣには電流は流れるが略均一な磁場領域にあるために殆どトルクを生じない。コイルが受けるトルクはモータケースに伝えられ、ケース全体が反時計方向に回転する。同時に、磁石アセンブリは時計方向に回転しようとするが、この回転は周囲場との相互作用によって阻止される。モータケースが先に記述のような浮遊物体に取付けられておりモータケースが自由に回転できる場合には、モータケースは反時計方向に回転し始める。
【００６５】
約３０度回転した後には、図１４ｂに示す配置に到る。この場合、コイルＡとコイルＢは両者ともに、連続した反時計方向の回転を生じる電流を受け取るが、コイルＣは短絡されているのでトルクを生じない。更に３０度反時計方向に回転すると、図１４ｃに示す配置に達する。この場合、コイルＢは反時計方向のトルクを生じ、コイルＡは電流を受け取るが略均一な磁場領域にあるため殆どトルクを生じず、コイルＣは短絡されているため電流を受け取らない。反時計方向に連続して回転することによりコイルには電流が連続して与えられ、反時計方向への連続した回転が生じる。
【００６６】
図１５には、図１３の駆動装置に非常に類似した駆動装置を示すが、ここでは上部鉄ディスク１０２が加えられており、上部鉄ディスク１０２はコイルの近傍にディスク８２に平行となるようにして軸７４に固定して取付けられている。この場合コイルＡ、Ｂ、及びＣはモータケース７２に直接取付けることができないため、コイルホルダブラケット１０６をモータケース７２に取付けるためにスタンドオフ１０４が用いられている。この配置においては、磁石ＭＡとＭＢからの磁束はコイルＡ、Ｂ、及びＣが動く領域内により集中され、コイルによって生じるトルクがより高くなる。この望ましい効果とコンパスアセンブリ８６によって生成されコンパスアセンブリ８６を周囲磁場に沿った向きに調整する磁場が弱まることとの折り合いをつける必要があることが認識されている。最適な設計においては、如何なる環境に置かれようと駆動装置が動作するように設計された最弱の周囲場を有しさえすれば、丁度十分な量の磁束がコンパスアセンブリから漏洩して駆動装置の動作中のコンパスの回転を抑えるようになっている。漏洩する磁束の量は、磁気回路設計の数多い公知の原理により決定される。直径がより大きく、より厚く、よりディスク８２に接近しており、またより高い飽和磁化を有する材料で作られた上部鉄ディスク１９２によって、コイル領域により多くの磁束が保持される。
【００６７】
図１６は、図１３ａにおけるディスク８２が固定ディスク１０６に置き換えられており、固定ディスク１０６はコイルとは反対側に磁石に隣接してモータケース７２に固定して取付けられている以外は図１３と類似した設計を示す。
【００６８】
この場合、磁石Ａ及びＢは非磁性ブラケット１０８によって軸７４に固定されて取付けられている。固定ディスク１０６と磁石Ａ及びＢとの間の磁束伝達を容易にするために、固定ディスク１０６と磁石ＭＡ及びＭＢとの間隔は妥当な範囲で可能な限り小さくするべきである。固定ディスク１０６は磁気ヒステリシスの非常に小さい軟鉄材料で作り、固定ディスク１０６と磁石ＭＡ及びＭＢの間の磁気抗力を小さくする必要がある。この駆動装置の利点は、ボール７６とサファイア製カップ７８との間の負荷が小さくなっていることである。
【００６９】
図１７は、軸７４の上部に太陽電池１１０が固定して取付けられている以外は図１５の駆動装置と同様の駆動装置を示す。太陽電池１１０は軸を通すための孔を中心に有するディスク形状であることができる。電流のソースは軸７４自体であり、図１５における軸ブラシ８８、リングブラシ９０、及びスリップリング９２は省かれている。このことにより、ディスク８２を平らなディスク１１２とすることができる。
【００７０】
図１８ａ及び１８ｂは別の整流構成を示す。図に示すようにブラシ取付けバー１１４が軸７４の上部近傍に固定して取付けられている。ブラシＢＤ及びＢＥがブラシ取付けバー１１４に固定して取付けられ、これらブラシＢＤ及びＢＥは、モータケース７２に固定して取付けられた３セグメント分割リングアセンブリ１１６を擦るように配置されている。
【００７１】
図１８ｂの上面図に３セグメント分割リングアセンブリ１１６をより詳細に示す。軸７４は中空チューブとして示されており、３セグメント分割リングアセンブリ１１６の内側を形成するチューブ１１８によって横方向に拘束されている。絶縁層１２０がチューブ１４８を取り囲み、３セグメント分割リングアセンブリ１１６の円周には、３個のスリップリングセグメント１２２が絶縁材料１２０の層の外側に各々１２０度よりも若干小さい角度範囲に亘って設けられている。
【００７２】
電位は図１３に関して記述したようにして軸７４の導体に供給される。電位はワイヤ（分かり易くするために図示せず）によってブラシＢＤ及びＢＥに伝えられ、次いで滑り接触によって３セグメント分割リングアセンブリ１１６に伝えられ、その後コイルＡ、Ｂ、及びＣに伝えられる。図１８ｃは、コイルＡ、Ｂ、及びＣを導体９５によって３個のスリップリングセグメント１２２に接続する方法を示す電気回路図である。
【００７３】
図１８ａ、１８ｂ、及び１８ｃに示した構造体は新規のものであるが、最終的に生じる転流の順序は従来技術において周知の事項であり、本明細書には記載しない。
【００７４】
各種モータ設計を組合せて利用することができ、また様々に修正できる。例えば、図１５の設計を図１７に例示した発想と組合せることができ、太陽電池１１０を上部鉄ディスク１０２上に取付けることができる。
【００７５】
磁石ＭＡ、ＭＢ、及びディスク８２は、等方性磁性材料で作られコンパスとして作用するように磁化された一体ディスク状磁石に置き換えることもできる。
【００７６】
上部鉄ディスク１０２は、図１６においてディスク８２をディスク１０６としたのと同様な方法でモータケースに取付けることができる。この場合、磁石Ａ及びＢの磁気引力は軸７４を持ち上げようとし、ボール７６とサファイア製カップ７８との間のベアリングにおける負荷が低減される。
【００７７】
ディスプレイ装置の中心部の回転物体は、モータケース７２自体で構成することができる。またモータケースは、図２１に例示するように図１のボール４等の回転物体の内部に取付けることができる。
【００７８】
次の駆動機構は、地磁場等の周囲磁場との相互作用によりトルクを生成することができる４重極磁石を用いており、前記駆動機構は磁気コギングを受けず、前記駆動機構の電機子を軽量材料で作り電機子を支承し相対的に回転させるベアリングの摩擦を最小にすることができる。
【００７９】
図１９ａ〜２５ｂに例示されるように、図１９ａのモータケース７２はディスク状モータ上板１１４と、ディスク状モータ底板１１６と、円筒状壁体１１８とを含む。リング状磁石１２０はモータケースアセンブリ７２内部に含まれている。前記リング状磁石１２０はシャフト１２２と同軸であり、その厚さ方向に対して平行に磁化され、またその上面に上から見ると図１９ｂに示されるような４種の磁化領域ＴＮａ、ＴＳａ、ＴＮｂ、及びＴＳｂを生じるようなパターンで磁化されている。これら標記における「Ｔ」は磁極がリング状磁石１２０の上面に存在していることを意味し、「Ｎ」及び「Ｓ」は各々磁石の北極と南極を意味する。文字「ａ」及び「ｂ」は２組の北極南極の組の内のどちらについて言及するものであるかを表す。図１９ａにおいては、リング状磁石１２０は底面にＢＳａ（ＴＮａと向かい合う）、ＢＮａ（ＴＳａと向かい合う）として示される反対極の組をも有することが明確に示されている。図にはＢＳｂ（ＴＮｂと向かい合う）、ＢＮｂ（ＴＳｂと向かい合う）は示されていない。
【００８０】
モータケース７２は、軟鉄等の磁気的にソフトな強磁性体で作られ、リング状磁石１２０によって生成された磁束のリターンパスを提供する役割を果たす。モータケース７２の各種部品の最適な厚さは、非常によく知られた磁性の法則によって決定され、また構造体の厳密な形状やリング状磁石１２０の性質、モータケースが作製されている材料の飽和磁束密度にも依存する。この設計の目的は、リング状磁石１２０の上部とモータ上板１１４の底面との間の領域に矢印Ｍで示された強い磁場を生成することである。
【００８１】
例として、モータ上板が厚さ０．１２″、直径３．７″である軟鉄モータケースアセンブリを有するモータを作製した。モータ底板は厚さ０．１２５″直径は上板と同一であり、円筒状壁体の厚さは０．０５″であった。リング状磁石１２０は、グレード５フェライト（Ａ−Ｌ−Ｌマグネティックス社、プラセンティア（Placentia）、カリフォルニア州）で作り、厚さは０．３３″、ＯＤは２．８″、ＩＤは１．２″であった。リング状磁石５の上面とモータ上板２の底面との間の間隔は０．１７５″であり、最大磁場強度は２．１ｋｇであった。
【００８２】
駆動機構は更に、その底部が宝石軸受けカップ７８内に置かれたボール形状の端部７６によって支持され回転するシャフト１２２を含む。前記シャフトは上部近傍を、シャフト１２２の上部とモータ上板１１４の中心部の孔１２４の内表面とで形成されるジャーナルベアリングによって拘束されている。ＮｄＦｅ等の永久磁化材料の棒を含むコンパス磁石１４０が、そのＮＳ軸をシャフトの軸に対して垂直にしてシャフト１２２の底部に取付けられている。この駆動機構は一般にシャフトを垂直にして配置され、コンパス磁石は自分自身をシャフトに対して垂直に且つ地磁場等の周囲磁場に沿った向きに調整できるようになっている。シャフト１２２はモータ底板の孔１２６を貫通し、スリップリングアセンブリ９２が取付けられ、またフランジ１３０によってコイルアセンブリ１２８が取付けられている。
【００８３】
電気ブラシ１３４及び１３８が絶縁取付けブラケット１３２及び１３４によってモータ底板１２６の上部表面に取付けられている。電気ブラシ１３４はシャフトが回転する際にシャフト１２２と接触し、電気ブラシ１３８はスリップリングアセンブリが回転する際にスリップリングアセンブリ９２と接触する。
【００８４】
図１９ａにはコイルアセンブリ１２８の断面が示されているが、図１９ｂにおいてはモータ上板が取り外され非常に分かり易くなっている。コイルアセンブリはフランジ１３に取付けられた３個のディスク状ワイヤコイルＣ１、Ｃ２、及びＣ３を含み、フランジ１３はシャフト１２２に取付けられており、コイルはシャフトの軸の周囲に等間隔を置いて配置されている。図１９ｂ及び以降の図においては、簡略化のためにこれらのコイルを単なる１巻きのワイヤとして示すが、コイルは実際には同方向に多重に巻かれて作製されていることが理解されよう。上述のテストモータのために作られたコイルはＯＤ１．７″×ＩＤ０．６９″×厚さ０．１００″程度であり、各々には熱的に接合された＃４４ゲージワイヤが約６０００回巻かれ、自己支承型コイルを形成した。
【００８５】
図２０ａ及び２０ｂは、コンパス磁石とリング状磁石との間の磁気相互作用によってはシャフトの軸の周りにトルクが事実上生成されない理由を説明する目的のために、リング状磁石１２０とシャフト１２２に取付けられたコンパス磁石１４０の上面図を示すものである。リング状磁石１２０の全ての磁極は同一サイズで且つ同一の強さであるため、極ＴＮａとコンパス磁石１４０のＳ極との間の磁気引力は、リング状磁石の極ＴＳａとＮ極コンパス磁石との間に存在する磁気引力と厳密に等しく反対向きであり、この相互作用により正味のトルクは生成されない。同様に、極ＴＳｂとコンパス磁石１４０のＳ極との磁気反発力と、極ＴＮｂとＮ極との反発力も正味のトルクを生じない。更に同様な理由で、極ＴＮａ及びＴＳｂとコンパス磁石のＮ極との間の磁気相互作用によって正味のトルクは生じず、極ＴＳａ及びＴＮｂとＳ極との間の磁気相互作用によっても正味のトルクは生じない。
【００８６】
同様の論法を、コンパス磁石１４０とリング状磁石１２０の配置が図２０ｂに示すような任意の配置である場合にも適用できる。図２０ａにおいて、コンパス磁石１４０の極Ｓはリング状磁石１２０の極ＴＳｂに若干接近しており、極ＴＮａからは若干より遠くになっている。これによる正味のトルクは極ＴＳａ及びＴＮｂがコンパス磁石１４０のＮ極と相互作用し生じる正味のトルクと依然として本質的に一致し且つ依然として反対向きである。同様な論法を、極ＢＮａ、ＢＳａ、ＢＮｂ、及びＢＳｂとコンパス磁石１４０のＮ極及びＳ極との相互作用を含む他の全ての極の組の相互作用に適用することができる。従ってこの理想化された事例においては、リング状磁石１２０とコンパス磁石１４０の間にこれらをシャフト１２２の軸の周りに相対的に回転させようとする如何なる磁気相互作用も全く存在しない。
【００８７】
図１９ａ及び１９ｂに示された駆動機構は、図２１に示すように取付けブラケット１４２によってボール４の内部に取付けられ、ボールを回転させることができる。コイルアセンブリ１２８には、太陽電池１４４を電気ブラシ１３４及び１３８に接続するワイヤ（図示せず）によって電流が提供される。ボール７６内部の質量は、ボールが底部にある間は大きいがシャフト１２２と共に本質的に垂直に浮遊するような方法で分配されていると考えられる。コンパス磁石１４０は、周囲磁場ＡＦ（好ましくは地磁場）に沿うように自分自身の向き調整する。コイルＣ１、Ｃ２、及びＣ３に印加される電流は、リングマグネット１２０により生成される磁場との相互作用によってコイルに力を生じ、リングマグネットとそれに取付けられている全てを回転させる。コイルアセンブリ１２８、シャフト１２２、コンパス磁石１１４０、及びスリップリングアセンブリ９２は回転しない。
【００８８】
リング磁石１２０とコンパス磁石１４０との間の如何なる磁気相互作用もそれらの相対的な回転を阻止しようとし、意図されたボールの回転を妨げる。上の記述から明らかであるが、リング磁石１２０の４重極設計により、モータケースアセンブリが設置されてない場合でさえもこのようなコギングトルクの全ては本来的に排除されている。モータケースアセンブリ７２を加えることにより磁束のリターンパスが提供され、コイルが作動する領域において磁場Ｍの強度が大幅に増大し、そのためコイルＣ１、Ｃ２、及びＣ３に印加される如何なる電流に対してもモータが発生するトルクが増大する。モータケース７２はまたコンパス磁石１４０からリング磁石１２０を磁気的にシールドする役割を果たし、磁石の種々の部品の磁気特性の不一致や部品の形状の不完全さによって生じ得るそれらの間の如何なる残留磁気相互作用もが更に除去される。４重極リング状磁石とコンパス磁石は本質的に磁気相互作用をしないため、磁束リターンパスを適度に提供するのに丁度十分な厚さとなるようにモータケースを設計することができ、リング状磁石５の磁化パターンが４重極ではなく例えば２重極である場合にリング状磁石とコンパス磁石１８をシールドするために必要となるようにモータケースを非常に厚く且つ重く作る必要はなくなる。
【００８９】
４重極リング状磁石１２０はまた、コンパス磁石１４０との相互作用によるコギングがないのと同種の理由のため周囲磁場ＡＦと実質的にコギング相互作用をしない。
【００９０】
図２２ｂ、２３ｂ、２４ｂ、及び２５ｂに、リング状磁石１２０とそれに取付けられた全てが反時計方向に回転する際に電流がどのようにしてコイルＣ１、Ｃ２、及びＣ３に分配されるかを上から見た様子を示す。「ａ」の図はリング状磁石の上部の極とコイルアセンブリ１２８との相対的な配置を示し、「ｂ」の図はスリップリングアセンブリ９２近傍の領域の拡大上面図を示す。
【００９１】
図２２ａにおいては、リング状磁石１２０の極ＴＮａ及びＴＳａの間に対称的に置かれたコイルＣ１が示されている。簡略化のためにフランジ１３０は図示されていない。図２２ｂは６個のセグメントＲ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂ、及びＲ３ｂを含むスリップリングアセンブリ９２の拡大図を示し、Ｃ１＋はワイヤによってＲ１ａとＲ１ｂとに電気的に接続され、Ｃ２＋はワイヤによってＲ２ａとＲ２ｂとに電気的に接続され、Ｃ３＋はワイヤによってＲ３ａとＲ３ｂとに電気的に接続されているが、これらのワイヤは簡略化のために図示していない。コイルＣ１、Ｃ２、及びＣ３の終端部は各々Ｃ１ｇ、Ｃ２ｇ、及びＣ３ｇで表し、これらは全て簡略化のために図示していないワイヤによってシャフト６に接続されている。電気ブラシ１３４はシャフト１２２と接触しており、電気ブラシ１３８はスリップリングセグメントＲ１ｂと接触している。図２１の太陽電池１４４の電気的負端子はワイヤによって電気ブラシ１３４に接続され、太陽電池１４４の電気的正端子はワイヤによって電気ブラシ１３８に接続されているが、これらのワイヤは簡略化のために図示していない。これらの接続により電流が流れ、リング磁石は反時計方向の回転をリング磁石に与える力を受ける。
【００９２】
図２３ａ及び２３ｂは、リング磁石１２０とそれに取付けられた全てが反時計方向に３０度回転した後に得られる相対的な配置を示す。球体は自由に回転でき、図示のようにコイルアセンブリ１２８はコンパス磁石１４０によって角度が固定された位置に保持されていると考える。図示の３０度回転した配置においては、スリップリングセグメントＲ１ｂとＲ２ａが一瞬の間の両者ともに接続され、コイルＣ１とＣ２に電流が提供され、両コイルはリング磁石１２０の連続した反時計方向の回転を駆動しようとし、その結果コイルＣ２に電圧が加えられ反時計方向に引き続き６０度回転する。
【００９３】
図２４ａ及び２４ｂは、リング磁石１２０とそれに取付けられた全てが反時計方向に９０度回転した後に得られる相対的な配置を示す。図示の９０度回転した配置においては、スリップリングセグメントＲ２ａとＲ３ａが一瞬の間の両者ともに接続され、コイルＣ２とＣ３に電流が提供され、両コイルはリング磁石の連続した反時計方向回転を駆動しようとし、その結果コイルＣ３に電圧が加えられ反時計方向に引き続き６０度回転する。
【００９４】
図２５ａ及び２５ｂは、リング磁石１２０とそれに取付けられた全てが反時計方向に１５０度回転した後に得られる相対的な配置を示す。図示の１５０度回転した配置においては、スリップリングセグメントＲ３ａとＲ１ａが一瞬の間の両者ともに接続され、コイルＣ３とＣ１に電流が提供され、両コイルはリング磁石の連続した反時計方向回転を駆動しようとし、その結果コイルＣ１に電圧が加えられ反時計方向に引き続き６０度回転する。この整流プロセスは上述のように継続し、ボール４に連続した回転を生じる。
【００９５】
ディスプレイの１例においては、コンパス磁石は直径０．３７５″、長さ０．３７５″の２個のＮｄＦｅ円柱状磁石を有し、各々は長さ０．８５″の軟鉄棒の端部に取付けられコンパスの全長が１．６″となっている。このコンパス磁石をコンパスの中心がモータケースアセンブリ１の下部表面から２．２７″下になるようにしてシャフト１２２に取付けた。磁気コギングは微々たるものであった。
【００９６】
異なる整流リング構造を用いて他の整流スキームを配置できることは明らかである。例えば、図１２２ａの配置から開始してコイルＣ１を１５度回転した後にオフにし、次いでコイルＣ１に流れた電流の方向とは反対の方向に電流が流れるようにコイルＣ３に電圧を加えて３０度回転させる。次いでコイルＣ１に用いた電流の方向と同一の電流の方向を用いてコイルＣ２に電圧を加えて３０度回転させ、これを繰り返す。
【００９７】
４重極磁化パターンは、８重極パターン等の高次のパターンで置き換えることができる。極の数が増すにつれ、リング磁石をコンパス磁石からシールドする問題が小さくなる。これは近接して置かれた小さな磁石から生じる磁場の空間的な広がりは、より大きな磁石から生じる磁場による空間的広がりほどは大きくないためである。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１ａ】図１ａは、本発明の好ましい実施形態の側断面図である。
【図１ｂ】図１ｂは、図１ａの実施形態の上面図である。
【図２】図２は、第１の別の実施形態の側断面図である。
【図３】図３は、第２の別の実施形態の側断面図である。
【図４ａ】図４ａは、第２の別の実施形態の駆動装置の拡大側断面図である。
【図４ｂ】図４ｂは、第２の別の実施形態の駆動装置の上面断面図である。
【図５】図５は、第３の別の実施形態の側断面図である。
【図６ａ】図６ａは、第４の別の実施形態の側断面図である。
【図６ｂ】図６ｂは、図６ａの実施形態の上面図である。
【図７ａ】図７ａは、第５の別の実施形態の側断面図である。
【図７ｂ】図７ｂは、図７ａの実施形態の上面図である。
【図８ａ】図８ａは、第６の別の実施形態の側断面図である。
【図８ｂ】図８ｂは、図８ａの実施形態の上面図である。
【図９】図９は、第７の別の実施形態の側断面図である
【図１０】図１０は、空気中の水蒸気と平衡するためにプロピレングリコール／水混合液中に必要なプロピレングリコールの重量％を空気の相対湿度の関数として表したグラフである。
【図１１】図１１は、グリコール類と水の各種混合液の屈折率を混合液中のグリコールの重量％の関数として表したグラフである。
【図１２】図１２は、米国の様々な都市における２年間の平均相対湿度のチャートである。
【図１３ａ】図１３ａは、駆動機構の好ましい実施形態の側断面図である。
【図１３ｂ】図１３ｂは、図１３ａの実施形態の主要な要素の上面図である。
【図１４ａ】図１４ａは、前記機構の整流順序の上面図である。
【図１４ｂ】図１４ｂは、前記機構の整流順序の上面図である。
【図１４ｃ】図１４ｃは、前記機構の整流順序の上面図である。
【図１５】図１５は、該機構の第１の別の実施形態の側断面図である。
【図１６】図１６は、該機構の第２の別の実施形態の側断面図である。
【図１７】図１７は、該機構の第３の別の実施形態の側断面図である。
【図１８ａ】図１８ａは、該機構の第４の別の実施形態の側断面図である。
【図１８ｂ】図１８ｂは、第４の別の実施形態の整流リングとブラシの拡大上面図である。
【図１８ｃ】図１８ｃは、図１８ａの装置のコイルと整流セグメントとの間の接続の概略電気回路図である。
【図１９ａ】図１９ａは、図１の好ましい実施形態の駆動機構の側断面図である。
【図１９ｂ】図１９ｂは、モータ上板を取り去った図１９ａの実施形態の上面図である。
【図２０ａ】図２０ａは、特定の相対角度配置における図１９ａの装置のモータ磁石とコンパス磁石を示す図である。
【図２０ｂ】図２０ｂは、別の相対角度配置における図１９ａの装置のモータ磁石とコンパス磁石を示す図である。
【図２１】図２１は、図１９ａの駆動機構をボール内部に取付ける方法の側断面図である。
【図２２ａ】図２２ａは、図１ｂのリング磁石に対する特定の開始配置における図１９ｂの電機子構造の上面図である。
【図２２ｂ】図２２ｂは、図２１ａの分割リングアセンブリとブラシの拡大図である。
【図２３ａ】図２３ａは、リング磁石とブラシが駆動され反時計方向に回転する際の電機子構造、リング磁石、ブラシの相対角度配置の進行である。
【図２３ｂ】図２３ｂは、リング磁石とブラシが駆動され反時計方向に回転する際の電機子構造、リング磁石、ブラシの相対角度配置の進行である。
【図２４ａ】図２３ｃは、リング磁石とブラシが駆動され反時計方向に回転する際の電機子構造、リング磁石、ブラシの相対角度配置の進行である。
【図２４ｂ】図２３ｄは、リング磁石とブラシが駆動され反時計方向に回転する際の電機子構造、リング磁石、ブラシの相対角度配置の進行である。
【図２５ａ】図２５ａは、リング磁石とブラシが駆動され反時計方向に回転する際の電機子構造、リング磁石、ブラシの相対角度配置の進行である。
【図２５ｂ】図２５ｂは、リング磁石とブラシが駆動され反時計方向に回転する際の電機子構造、リング磁石、ブラシの相対角度配置の進行である。
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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