(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一構成の二つの磁気回路を有する磁気ばねであって、
上記二つの磁気回路の各々が、所定面を有するヨークと、該ヨークの上記所定面に取り付けられ上記所定面に対し垂直方向に磁極が形成されるとともに互いに分離した多極磁石と、該多極磁石の分離部分に介装され上記所定面に平行に磁極が形成された単極磁石とで構成され、上記二つの磁気回路の対向側において、一方の磁気回路の上記多極磁石の磁束の方向と上記単極磁石の磁束の方向、及び、他方の磁気回路の上記多極磁石の磁束の方向と上記単極磁石の磁束の方向の全てが同一の方向となるように上記二つの磁気回路が同一磁極を対向させて配置されていることを特徴とする磁気ばね。
【請求項２】
上記ヨークの所定面に凸部を形成し、該凸部の上に上記単極磁石を配置し、上記凸部及び単極磁石の両側に分離した上記多極磁石を配置した請求項１に記載の磁気ばね。
【請求項３】
上記ヨークの上記所定面にスペーサを取り付け、該スペーサの上に上記単極磁石を配置し、上記スペーサ及び単極磁石の両側に分離した上記多極磁石を配置した請求項１に記載の磁気ばね。
【請求項４】
上記多極磁石の上記ヨークとは反対側の端面側において、上記多極磁石と上記単極磁石の同一磁極を対向させた請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気ばね。
【請求項５】
上記多極磁石として２極磁石を使用した請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気ばね。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サスペンションユニット等に取り付けられる反発系の磁気ばねに関する。
【０００２】
【従来の技術】
剛性を確保するために、内部減衰の少ない材料で構成されることが多い機械や構造物の振動・騒音対策として、様々な制振材、制振器、制御方法が提案されている。
【０００３】
通常、振動絶縁については、金属バネ、ゴム、空気バネ、粘弾性材料、ダンパーといったバネと減衰材を最適に組み合わせて用いるが、この組合せは、動倍率と損失係数のように二律背反関係にあることが多い。そのため、動吸振器を含めた受動制振装置や準能動・能動制御により振動を抑制する試みが数多くなされている。これら、制振器の特性材として、ロバスト性のあるもの、制振対象の特性変動に応じられるもの、高温、低温、油、オゾンなどの環境に左右されず、経年変化しないものが望まれる。
【０００４】
近年になり高保磁力、高残留磁束密度を有する永久磁石が、実用化されるに伴い、磁気浮上、磁気軸受、磁性流体を用いたダンパーなど磁気制振系の研究が盛んに行われている。特に、電磁誘導による渦電流と磁束の作用による磁気減衰を利用した磁気ダンパーは、減衰力要素として用いられ、応用範囲も拡大している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、同極の永久磁石を対向させた反発系の磁気ばねを構成する効率的磁気回路の構成については、まだまだ研究の余地があり、現在では、磁気回路のサイズ（板厚、対向面積等）を大きくして磁気ばねの反発力を増大しているが、磁気ばねの重量が増大したり、コストアップになるという問題があった。
【０００６】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、より強い反発力が得られるようにした安価な磁気回路で構成される反発系の磁気ばねを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうちで請求項１に記載の発明は、同一構成の二つの磁気回路を有する磁気ばねであって、上記二つの磁気回路の各々が、所定面を有するヨークと、該ヨークの上記所定面に取り付けられ上記所定面に対し垂直方向に磁極が形成されるとともに互いに分離した多極磁石と、該多極磁石の分離部分に介装され上記所定面に平行に磁極が形成された単極磁石とで構成され、上記二つの磁気回路の対向側において、一方の磁気回路の上記多極磁石の磁束の方向と上記単極磁石の磁束の方向、及び、他方の磁気回路の上記多極磁石の磁束の方向と上記単極磁石の磁束の方向の全てが同一の方向となるように上記二つの磁気回路が同一磁極を対向させて配置されていることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、上記ヨークの所定面に凸部を形成し、該凸部の上に上記単極磁石を配置し、上記凸部及び単極磁石の両側に分離した上記多極磁石を配置したことを特徴とする。
【０００９】
さらに、請求項３に記載の発明は、上記ヨークの所定面にスペーサを取り付け、該スペーサの上に上記単極磁石を配置し、上記スペーサ及び単極磁石の両側に分離した上記多極磁石を配置したことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、上記多極磁石の上記ヨークとは反対側の端面側において、上記多極磁石と上記単極磁石の同一磁極を対向させたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、上記多極磁石として２極磁石を使用したことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
同極の永久磁石を対向させた反発系の永久磁石は、運動を与えることにより負荷質量や入力に応じてバネ定数が変化することから、ロバスト性があり、振動方向に対して非接触で対応できる。そこで、全方位の振動絶縁を行うことができる磁気ばね特性について以下説明する。
【００１３】
磁気ばねは、希土類磁石（Ｎｄ-Ｆｅ-Ｂ系）をお互いに反発しあうように向かい合わせ、相対運動させたときに生ずる反発力、吸引力、電磁誘導による磁気制動力により構成される。
【００１４】
図１は、大きさ、質量の異なる永久磁石を面直方向に運動させたときの磁石間距離（ｚ）と静的な反発力（ｆ）の関係を示したものであり、磁石Ａ，Ｂ，Ｃのサイズはそれぞれ、ｓ＝７５×７５ｍｍ2、ｈ＝２０ｍｍ、ｓ＝７５×７５ｍｍ2、ｈ＝１０ｍｍ、ｓ＝５０×５０ｍｍ2、ｈ＝１０ｍｍとなっている。磁気ばね系における荷重−変位特性は、摩擦損失が無視できるほど小さいとき、可逆的であり、
【数１】
0004159184.tif 000002
の関係を有する。希土類磁石は、内部磁気モーメントが磁界による影響を受けにくく、減磁曲線上で磁化の強さはほとんど変化せず、ほぼその飽和磁化の強さの値を保つ。そのため、磁石端面に磁荷が均一に分布していると仮定したチャージモデルを用いて磁石間に働く反発力を計算する。
【００１５】
図２に示されるように、永久磁石２の表面Ｎ2上の点（ｘ2,ｙ2,δ）と永久磁石４の表面Ｓ1上の点（ｘ1,ｙ1,０）に働く吸引力ｆ(1)は、
【数２】
0004159184.tif 000003
となる。ここで、ｍｄｘ1ｄｙ1，ｍｄｘ2ｄｙ2は、それぞれ微少面積ｄｘ1ｄｙ1，ｄｘ2ｄｙ2の磁荷で、Ｒは、
【数３】
0004159184.tif 000004
である。
ｆ(1)のｘ成分、z成分はそれぞれ
【数４】
0004159184.tif 000005
【数５】
0004159184.tif 000006
で与えられる。同様に、Ｎ1，Ｎ2間で働く反発力をｆ(2)とし、Ｓ1，Ｓ2間で働く反発力をｆ(3)とすると、荷重ＦｚとＦｘは、
【数６】
0004159184.tif 000007
で示される。ｌ、ｄは、磁石の大きさを示し、図２に示す。ξは、２つの磁石間のずれ量を示し、計算上の原点は、それぞれの磁石の中心に置いている。
この結果は、補正係数を乗じることで実験値と５％の誤差範囲内でよく一致している。
【００１６】
磁石間に働く反発力は
【数７】
0004159184.tif 000008
で与えられるから、
図３の配置において、上部磁石に錘を乗せたときの運動方程式は、
【数８】
0004159184.tif 000009
となる。ｍは、錘（ｍ1）と上部磁石２（ｍ2）を合わせた質量である。ｃは、筐体などによって生ずる粘性減衰係数で、第２項は減衰項を示す。第４項は重力項で、Ｆ（ｔ）は外力である。重りを乗せた磁石の平衡位置をｚ0とおくと、
【数９】
0004159184.tif 000010
平衡位置を原点とする変位量ζに対する運動方程式は、
【数１０】
0004159184.tif 000011
ここに、
【数１１】
0004159184.tif 000012
ζ/ｚ0≪１のとき、
【数１２】
0004159184.tif 000013
【数１３】
0004159184.tif 000014
【数１４】
0004159184.tif 000015
と近似した。
【００１７】
ここで、外力は、角振動数ωで強制振動するとし、
【数１５】
0004159184.tif 000016
とする。このとき、
【数１６】
0004159184.tif 000017
とおくと、振幅Ａは，
【数１７】
0004159184.tif 000018
で求められる。ここに、
【数１８】
0004159184.tif 000019
は、減衰比を示す。また、φは位相角で、
【数１９】
0004159184.tif 000020
で与えられる。
【００１８】
ｆｍは固有振動数で、
【数２０】
0004159184.tif 000021
となる。固有振動数とバネ定数の関係が、非線形であるため、金属バネとは逆の関係になっている。動作点の設定位置及び、磁気回路の調整で、荷重−変位特性の最適な曲率を設定することにより、負荷質量に関係なく、共振点をほぼ一定にすることができる。（１３）の近似を２次の項まで考えると、（１０）式は、
【数２１】
0004159184.tif 000022
となる。ただし、
【数２２】
0004159184.tif 000023
微少振動領域では、周期的な外力に対して絶えず一定の反発力ｂζ2が加わっており、その力で周期的外力を減衰させる。つまり、永久磁石の運動の軌跡を調整し、バネ定数を制御することにより、入力に限定を受けるが、強制振動を負荷質量により減衰する。
【００１９】
また、磁束密度Ｂは、自発磁化と有効磁界（反磁界＋外部磁界）でその大きさが決まり、
Ｂ＝４πＩ−Ｈｍ＋Ｈex（ＣＧＳ単位）
で与えられる。ただし、４πＩは、自発磁化Ｉにより発生する磁束で、Ｈｍは、磁石が自らを弱める力で反磁界を示し、Ｈexは、磁極が対向することで生ずる外部磁界である。自己減磁対策で、多極化し隣の磁石で順磁界を作るとＨｍを小さくできる。しかしながら、磁力線の勾配がないと、外部へ磁力線が出ない。つまり、Ｈｍを小さくするために極数を増やしていくと中央部の磁力線が外部へほとんど出なくなる。さらに、端部の磁束も飛ばなくなり、反発力が弱まる。つまり、反発力の強さは、対向面積と極数と通常使用している磁石間距離で決まる。
【００２０】
図４は、対向面積が７５×７５ｍｍ2、厚さが２０ｍｍで極数が１〜４極の永久磁石を示し、図５は、同一磁極を対向させたときの磁石間距離と反発力の関係を示している。
【００２１】
図５のグラフより、磁気サスペンションにおける人体を浮上させる領域での効率の良い磁気回路は、２極磁石であることがわかる。磁壁に相当する交互磁石間で漏れ磁界が生じ、対向磁石が接近したとき、より強い反発力が得られ、底付き現象も軽減する。
【００２２】
図６は、本発明にかかる磁気回路Ｍ１を示しており、分離した２極磁石をヨークの上に配置し、２極磁石の間に単極磁石を介装したものである。
【００２３】
さらに詳述すると、矩形ヨーク６の所定面（図６では上面）に対し垂直方向に磁極が形成された２極磁石８（あるいは、異極が同一方向を向いた二つの単極磁石８ａ，８ｂ）が所定距離離間した状態で配置されるとともに、磁石８ａ，８ｂの間に単極磁石１０が介装されており、ヨーク６の反対側の磁石端面（図６では上面）において、磁石８ａ，８ｂと磁石１０は同一磁極が対向している。
【００２４】
図７は、磁気回路Ｍ１の変形例Ｍ２を示しており、ヨーク６Ａの中央部に形成された凸部６ａの上に単極磁石１０Ａが配置されるとともに、凸部６ａと単極磁石１０Ａの両側に、分離した２極磁石８（８ａ，８ｂ）が配置されている。
【００２５】
図８は、さらに別の変形例Ｍ３を示しており、図７に示されるヨーク６Ａの凸部６ａをＡｌ、Ｃｕ等のスペーサ１２に置き換えたものである。したがって、図６に示されるヨーク６と図８に示されるヨーク６は、同一のものである。
【００２６】
図９は、図６の磁気回路のサイズを□７０に設定するとともに、二つの磁気回路を同一磁極を対向させて配置することにより磁気ばねを構成した時の磁束分布を示している。
【００２７】
また、図１０は、図６の磁気回路において、磁石８ａ，８ｂに挟まれた磁石１０の磁極を逆に配置し、磁気回路の対向側において磁石８ａ，８ｂと磁石１０とが吸引するように磁極を配置した時の磁束分布を示している。
【００２８】
図９及び図１０の磁束分布から分かるように、磁気回路の対向側において、分離した２極磁石８とその中央部に設けられた磁石１０を同一磁極が対向するように配置すると、磁石８ａから磁石８ｂに向かう磁束が、磁石１０の磁束によりコントロールされて反発力を増大することができる。
【００２９】
また、図１１及び図１２は、図４（ｂ）に示される２極磁石のサイズをそれぞれ□７０、□７５に設定した時の磁束分布を示している。磁気回路における磁石配置が同じ場合には、磁気回路のサイズが大きいほど反発力は大きいが、サイズが同じ場合でも、磁石配置を変えることにより磁束分布をコントロールすることができ、高反発力の磁気回路を提供することができる。
【００３０】
図１３は、図１２の磁気ばねにおいて、対向する二つの磁気回路を構成する磁石の厚みを厚くするとともに、二つの磁気回路の離間距離をさらに短くしたものである。また、図１４は、図１３の磁気ばねにおいて、２極磁石を単極磁石に置き換えたものである。
【００３１】
図１３及び図１４から分かるように、磁気回路のサイズが大きく離間距離が短いほど反発力は大きく、また、単極磁石に代えて２極磁石を使用することにより反発力を大きくすることができる。
【００３２】
図１５及び図１６は、種々の磁気回路の離間距離と荷重（反発力）との関係を示すグラフで、図中、吸引（ＳＮ）、反発（ＮＳ）、反発（ＮＳ）＋Ｃｕとはそれぞれ、図１０に示される磁気回路、図９に示される磁気回路、図９に示される磁気回路にスペーサとしてＣｕを挿入した磁気回路（図８参照）のことである。また、□７０×１０ｔ及び□７５×１０ｔとはそれぞれ、図１１及び図１２に示される２極磁石で構成された磁気回路のことである。
【００３３】
図１５及び図１６のグラフは、磁気回路のサイズが同じ場合には、本発明にかかる図６乃至図８に示される磁気回路により高反発力を産み出すことができることを示している。
【００３４】
なお、図６乃至図８に示される磁気回路は、２極磁石を採用しているが、３極磁石あるいは４極磁石等の多極磁石を採用することもできる。すなわち、分離された隣接する磁石の間に反発系の磁石を挿入することにより反発力を増大することができる。
【００３５】
さらに詳述すると、磁気回路を多極構成すると、交互磁石間で漏れ磁界が生じ、この時の磁場勾配を利用することにより、反発力が増大する。また、多極磁石を分離し、分離された隣接する磁石の間に反発系の磁石を挿入すると磁場勾配が変化し、反発力をさらに増大することができる。
磁場勾配があると、磁場勾配により働く力は、
【数２３】
0004159184.tif 000024
と表される。Ｍは磁気モーメントで、ｄＨ／ｄｘは磁場勾配を示している（なお、ラウンドディーは明細書の文章中で使用できないので、ここではｄで表している）。
多極交互磁石の組合せによって生じる漏れ磁界を利用して磁束を制御することにより磁場勾配に方向性を持たせ、反発力を増大させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明のうちで請求項１に記載の発明によれば、ヨークの所定面に対し垂直方向に磁極が形成された多極磁石を分離した状態で取り付け、多極磁石の磁極の方向とは異なる方向に磁極が形成された単極磁石を、多極磁石の分離部分に介装したので、多極磁石の磁束が単極磁石の磁束にコントロールされることから、簡素な構成の安価な磁気回路により高反発力を産み出すことができる。
【００３７】
また、請求項２あるいは３に記載の発明によれば、ヨークの所定面に形成された凸部、あるいは、ヨークの所定面に取り付けられたスペーサの上に単極磁石を配置し、その両側に分離した多極磁石を配置したので、単極磁石のサイズを小さくすることができ、安価な磁気回路を提供することができる。
【００３８】
さらに、請求項４に記載の発明によれば、多極磁石のヨークとは反対側の端面側において、多極磁石と単極磁石の同一磁極を対向させたので、反発力をより増大させることができる。
【００３９】
また、請求項５に記載の発明によれば、多極磁石として２極磁石を使用したので、簡素な構成の安価な磁気回路により高反発力を産み出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  種々の永久磁石を面直方向に運動させたときの磁石間距離と静的な反発力との関係を示すグラフである。
【図２】  同一磁極が対向する二つの永久磁石の反発力及び吸引力の解析モデルを示す概略図である。
【図３】  同一磁極が対向する二つの永久磁石のうち上部磁石に錘を載置したときの平衡点回りの微小振動モデルを示す概略図である。
【図４】  種々の永久磁石の斜視図であり、（ａ）は単極を、（ｂ）は２極を、（ｃ）は３極を、（ｄ）は４極を平行に隣接配置したものを、（ｅ）は４極を「田」形状に隣接配置したものをそれぞれ示している。
【図５】  対向面積が７５×７５ｍｍ2、厚さが２０ｍｍの図４に示される永久磁石を、同一磁極を対向させて配置したときの磁石間距離と反発力の関係を示すグラフである。
【図６】  本発明にかかる磁気回路の斜視図である。
【図７】  本発明にかかる磁気回路の変形例を示す斜視図である。
【図８】  本発明にかかる磁気回路の別の変形例を示す斜視図である。
【図９】  図６の磁気回路で構成した磁気ばねを示しており、（ａ）は磁束分布を示す模式図で、（ｂ）は磁束のグラデーションを示す模式図である。
【図１０】  図９の磁気ばねにおいて中央の単極磁石の磁極を逆にした場合を示しており、（ａ）は磁束分布を示す模式図で、（ｂ）は磁束のグラデーションを示す模式図である。
【図１１】  ２極磁石のみの磁気回路で構成した磁気ばねを示しており、（ａ）は磁束分布を示す模式図で、（ｂ）は磁束のグラデーションを示す模式図である。
【図１２】  図１１の磁気回路のサイズを大きくした場合の磁気ばねを示しており、（ａ）は磁束分布を示す模式図で、（ｂ）は磁束のグラデーションを示す模式図である。
【図１３】  図１１の磁気回路のサイズをさらに大きくするとともに離間距離を短くした場合の磁気ばねを示しており、（ａ）は磁束分布を示す模式図で、（ｂ）は磁束のグラデーションを示す模式図である。
【図１４】  単極磁石のみで構成した図１３の磁気ばねと同一サイズの磁気ばねを示しており、（ａ）は磁束分布を示す模式図で、（ｂ）は磁束のグラデーションを示す模式図である。
【図１５】  種々の磁気ばねの離間距離と荷重との関係を示すグラフである。
【図１６】  離間距離が短い場合における図１５のグラフの一部を拡大したグラフである。
【符号の説明】
２，４  永久磁石
６  ヨーク
６ａ  凸部
８  ２極磁石
８ａ，８ｂ，１０，１０Ａ  単極磁石
１２  スペーサ
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３  磁気回路
【図１】
0004159184.tif 000025
【図２】
0004159184.tif 000026
【図３】
0004159184.tif 000027
【図４】
0004159184.tif 000028
【図５】
0004159184.tif 000029
【図６】
0004159184.tif 000030
【図７】
0004159184.tif 000031
【図８】
0004159184.tif 000032
【図９】
0004159184.tif 000033
【図１０】
0004159184.tif 000034
【図１１】
0004159184.tif 000035
【図１２】
0004159184.tif 000036
【図１３】
0004159184.tif 000037
【図１４】
0004159184.tif 000038
【図１５】
0004159184.tif 000039
【図１６】
0004159184.tif 000040