(57)【要約】【課題】一次コイルへの通電により二次コイルに磁気的反発力により二次コイルを浮上させるアクチュエータにおいて、二次コイルの振動により回転しても安定して浮上を継続する。【解決手段】電源と接続された一次コイルと、超電導線の両端を接続して閉回路としている浮上用の二次コイルとを備え、一次コイルへの通電時に、一次コイルに発生する磁束と反発する磁束を二次コイルに発生させ、磁束の反発により二次コイルを浮上させる超電導アクチュエータであって、二次コイルは第１〜第３コイルで構成し、第１〜第３コイルは同一中心点を通るＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を軸線方向として、互いに嵌合して結合し、かつ、一次コイルの外径は二次コイルの外径に対して１．２倍以上１００倍以下としており、該二次コイルの内の１つのコイルの中心軸線が一次コイルの中心軸線と同一方向となるように反発する磁束が発生し、二次コイルの浮上を保持する構成としている。【選択図】図１
2009240061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と接続されて所定位置に保持された一次コイルと、超電導線の両端を接続して閉回路としている浮上用の二次コイルとを備え、前記一次コイルへの通電時に、前記一次コイルに発生する磁束と反発する磁束を二次コイルに発生させ、磁束の反発により二次コイルを浮上させる超電導アクチュエータであって、
前記浮上用の二次コイルは、第１〜第３コイルからなる３つのコイルで構成し、第１〜第３コイルは同一中心点を通るＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を軸線方向として、互いに嵌合して結合し、かつ、前記一次コイルの外径は前記二次コイルの外径に対して１．２倍以上１００倍以下としており、該二次コイルの内の１つのコイルの中心軸線が前記一次コイルの中心軸線と同一方向となるように前記反発する磁束が発生し、二次コイルの浮上を保持する構成としていることを特徴とする超電導アクチュエータ。
【請求項２】
前記一次コイルとして超電導線を用い、該一次コイルはダブルパンケーキコイルの積層体で形成している請求項１に記載の超電導アクチュエータ。
【請求項３】
前記二次コイルの第１〜第３の３つのコイルは内径を相違させ、第１コイルに第２コイルを外嵌固定し、第２コイルに第３コイルを外嵌固定して結合している請求項１または請求項２に記載の超電導アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導アクチュエータに関し、詳しくは、超電導コイルを用いて磁気浮上させるアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の超電導アクチュエータとして、本出願人は特開２００７−６０８５１号公報（特許文献１）を提供している。
該特許文献１の超電導アクチュエータは、浮上原理を観察できる教材用やデモ用として好適に用いられるもので、図１０に示す構成としている。
即ち、電源に接続された一次コイル１と、超電導線の両端を接続して閉回路とした浮上用の二次コイル２とを軸線方向を一致させて対向配置し、一次コイル１への通電時に、該一次コイルに発生する磁束Ｆ１と反発する磁束Ｆ２を二次コイル２に発生させ、この一次コイル１の磁束Ｆ１と二次コイルの磁束Ｆ２との反発力で二次コイル２を浮上させる構成としている。
前記一次コイル１と二次コイル２とはガイド軸３に外嵌すると共に、４本の連結棒４で二次コイル２の内周と外周とをガイドして、浮上する二次コイル２の中心軸線を一次コイル１の中心軸線と一致するように保持している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−６０８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記図１０に示すように、浮上コイルとなる二次コイル２の内周をガイド軸３で規制すると共に、外周を連結棒４で規制し、二次コイル２自体を回転不可に配置すると、該二次コイル２の中心軸線を一次コイル１の中心軸線と一致させ、二次コイル２と一次コイル１の軸直角方向の端面２ａと１ａとを平行に保持して、一次コイル１に発生する磁束に対して反発する磁束を二次コイル２に発生させ、二次コイル２を中心軸線に沿って安定して浮上させることができる。
【０００５】
しかしながら、二次コイルの内外周をガイド手段で保持した状態で二次コイルを浮上させた場合より、これらガイド手段なしで二次コイルを浮上させると、二次コイルの浮上の原理をより明白に示すことができ、学習用やデモ用教材とした場合に興味を引き付けることができる。
また、学習用やデモ用教材以外の産業上利用する場合、二次コイルの内外周を規制するガイド手段を設けることができない場合も多々存在する。かつ、これらのガイド手段を設けずに二次コイルを浮上させ、該浮上する二次コイルに浮上物を取り付け、該二次コイルを安定して浮上させることができる構成とすると、超電導アクチュエータの用途を広げることができる。
【０００６】
一方、浮上用コイルとなる二次コイルに内外周に配置するガイド手段を設けていない場合、浮上した二次コイルの回転を規制できず、振動等が負荷されると二次コイルが回転する。この場合、一次コイルに発生する磁束方向と、二次コイルに発生する反発方向の磁束の方向が一致せず、二次コイルを浮上させる反発力が弱まり、二次コイルを安定して浮上させることができない。例えば、二次コイルが９０度回転すると、二次コイルの軸線方向が一次コイルの軸線方向と直交方向となり、前記磁束の反発力が発生せず、二次コイルは落下することになる。
【０００７】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、二次コイルに回転を規制するガイド手段を設けることなく浮上させた場合において、振動等により二次コイルが回転しても、二次コイルに一次コイルの磁束に対する反対方向の磁束を発生させて、二次コイルを安定した状態で浮上させることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は、電源と接続されて所定位置に保持された一次コイルと、超電導線の両端を接続して閉回路としている浮上用の二次コイルとを備え、前記一次コイルへの通電時に、前記一次コイルに発生する磁束と反発する磁束を二次コイルに発生させ、磁束の反発により二次コイルを浮上させる超電導アクチュエータであって、
前記浮上用の二次コイルは、第１〜第３コイルからなる３つのコイルで構成し、第１〜第３コイルは同一中心点を通るＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を軸線方向として、互いに嵌合して結合し、かつ、前記一次コイルの外径は前記二次コイルの外径に対して１．２倍以上１００倍以下としており、該二次コイルの内の１つのコイルの中心軸線が前記一次コイルの中心軸線と同一方向となるように前記反発する磁束が発生し、二次コイルの浮上を保持する構成としていることを特徴とする超電導アクチュエータを提供している。
【０００９】
前記二次コイルの第１〜第３コイルの中心軸線は同一中心点を通るＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向としているが、互いに９０度±１０度の範囲でＸ，Ｙ，Ｚ方向にずらせている場合も含まれる。
前記のように、本発明では、浮上用の二次コイルをそれぞれ約９０度ずつずらせて結合した３つのコイルで形成し、これらコイルで囲まれた仮想球体に内接する正八面体に３つのコイルで分割した構成とし、二次コイルがＸ、Ｙ，Ｚのいずれの方向に９０度回転しても、３つのコイルのうち、いずれか１つのコイルの中心軸線が一次コイルの中心軸線と概略一致する設定としている。
【００１０】
前記一次コイルの外径は前記二次コイルの外径に対して１．２倍以上１００倍以下、より好ましくは１．５倍以上２０倍以下、さらに好ましくは２倍以上４倍以下としている。
また、前記一次コイルとして超電導線を用い、該一次コイルはダブルパンケーキコイルの積層体で形成してもよい。
前記構成とすると、超電導線からなると共に外径を大とした一次コイルに発生する磁束を強くできると共に磁束範囲を広くでき、該一次コイルの磁束範囲内に二次コイルの３つのコイルを配置できる。
前記一次コイルに発生する垂直方向の磁束は、一次コイルの中心軸線上よりも該中心軸線を囲む周囲の方が大きい。よって、一次コイルの中心軸線上で浮上した二次コイルが一次コイルの中心軸線上から位置ズレした位置に移動しそうになると、二次コイルは、一次コイルと二次コイルの反発力が大きくなる軸線の周囲位置から反発力が小さくなる一次コイルの中心軸線上に戻って安定した状態で浮上する領域がある。これにより、二次コイルを移動させずに、一定位置で安定して浮上させることができる。
【００１１】
浮上用の二次コイルを前記構成としているため、二次コイルのうち第１コイルの軸線方向を一次コイルの軸線方向と一致させて浮上させていた場合に、二次コイルが振動等により回転すると、第１コイルへ鎖交する一次コイルの磁束が減少して第１コイルによる浮上力が減少するが、二次コイルが回転することにより他の第２コイルまたは第３コイルへ一次コイルの磁束が鎖交して、第２コイルまたは第３コイルに一次コイルの磁束に反発する磁束が発生し、二次コイルは略同じ高さで浮上し続ける。
【００１２】
具体的には、二次コイルが振動等により４５度未満の角度で回転した時、前記３つのコイルのうちの２個のコイルとの間で発生する反発力で、回転前に中心軸線が一次コイルの中心軸線と一致していたコイルが原状位置に戻るように回転される。
即ち、二次コイルの第１コイルの中心軸線が、一次コイルの中心軸線と一致していた状態から４５度未満の角度で回転し、第１コイルの中心軸線と一次コイルの中心軸線とが４５度未満で位相すると、二次コイルの第２コイルの中心軸線が一次コイルの中心軸線と４５度以上９０度未満となって近接し、第２コイルにも一次コイルとの間に反発方向の磁束が発生し、二次コイルがさらに回転することを抑制し、かつ、前記第１コイルの軸線方向が一次コイルの軸線方向と一致するように二次コイルを原状位置に戻るように回転させる。
【００１３】
また、前記二次コイルの回転角度が４５度を越えた時、前記３つのコイルのうちの２個のコイルとの間で発生する反発力で、回転前に中心軸線が一次コイルの中心軸線と一致していたコイルとは別のコイルの中心軸線が前記一次コイルの中心軸線と一致するように二次コイルが回転される。
即ち、二次コイルの第１コイルの中心軸線が一次コイルの中心軸線と一致していた状態から、４５度を越えて９０度未満で回転すると、第１コイルの軸線が一次コイルの中心軸線に対して４５度を越える角度で位相する一方、第２コイルの中心軸線が一次コイルの中心軸線に対して４５度未満の位相角度で近接し、該第２コイルと一次コイルとの間に発生する反発力が第１コイルとの反発力よりも大きくなり、第２コイルの中心軸線が一次コイルの中心軸線と一致するように回転する。
【００１４】
また、前記二次コイルの第１〜第３コイルに発生する磁束の大きさは、第１〜第３コイルの径、巻き数、使用する超電導線の長さによって異なる。
例えば、二次コイルの第１〜第３コイルの巻き数を同等とした場合、コイル径が小さい程、鎖交磁束数が少なくなるため、コイルに発生する磁束が小さくなり、浮上力も小さくなる。
さらに、コイルの巻き数を多くする程、コイルに発生する磁束が大きくなるため、径が小さなコイルほど巻き数を多くする一方、径が大きなコイルほど巻き数を少なくして、各コイルに使用する超電導線の長さを均一にすれば、各コイルの浮上力を同等にすることができる。この場合、二次コイルを回転運動させると、回転力が空気抵抗等で減衰するまで二次コイルは回転し続ける。
【００１５】
このように、ガイド手段で規制せずに回転可能に浮上させた二次コイルが振動などにより回転しても、第１〜第３のいずれかのコイルと一次コイルとの間に発生する反発力により、いずれかのコイルの中心軸線が一次コイルの中心軸線と一致する方向に自動的に回転して二次コイルを浮上させ、信頼性の高い浮上システムとすることができる。
前記のように、一次コイルに通電した状態で、二次コイルの浮上を確保できるため、一次コイルと二次コイルの電気的な絶縁を確実に図ることができる。よって、一次コイルと二次コイルとを絶縁を図る必要がある産業用のアクチュエータとして幅広く利用することができる。
【００１６】
また、一次コイルは永久磁石ではなく電源に接続したコイルとしているため、一次コイルへの通電量を調節することにより、一次コイルに発生する磁束の大きさも変えることができ二次コイルの浮上高さを調節することができる。
即ち、一次コイルへの通電量を大きくすれば二次コイルが一次コイルに対して離反方向へ移動する一方、一次コイルへの通電量を小さくすれば二次コイルが一次コイルに対して近接する方向へ移動する。よって、一次コイルへの通電量を周期的に変化させると、二次コイルを往復直線運動させて動力を得ることができる。
特に、本発明を教材用とした場合、二次コイルが一定位置で浮上しているだけでなく、一次コイルに通電する電流値を変化させることにより、二次コイルが一次コイルに対して離反および近接方向に移動するため、学習者の関心を惹きつけることができる。
【００１７】
前記二次コイルの第１〜第３の３つのコイルは内径を相違させ、第１コイルに第２コイルを外嵌固定し、第２コイルに第３コイルを外嵌固定して結合している。
具体的には、前記外嵌状態で接触する部分を接着剤で固定している。
なお、第１〜第３コイルの内径とは、コイルの内周側に巻枠を設けている場合には、この巻枠の内径を意味し、第１〜第３コイルの外径とは、コイルの外周面に絶縁テープ等を巻き付けている場合には、該絶縁テープ等を巻き付けた状態の外径を意味する。
【００１８】
なお、第１〜第３の３つのコイルの結合形態としては、第１コイルの外周面に周方向に９０度間隔をあけて４個の嵌合凹部を設けると共に、第２コイルの外周面に周方向に１８０度間隔をあけて２個の嵌合凹部を設け、第１コイルの対向する２個の嵌合凹部に第２コイルを嵌合させて、第１コイルに第２コイルを外嵌し、さらに、第１コイルの対向する残りの２個の嵌合凹部と第２コイルの対向する２個の嵌合凹部に第３コイルを嵌合させて、第１、第２コイルに第３コイルを外嵌して、前記二次コイルを形成してもよい。
前記コイルの外周面に設ける凹部は、コイルとする超電導線の巻き付け時に部分的に内径を突出させて、外周に凹部を設けている。
【００１９】
前記超電導線からなる二次コイルの第１〜第３コイルを１つの冷却容器に収容し、または、第１〜第３コイルをそれぞれ円環筒形状の冷却容器に収容している。
また、一次コイルを超電導線で形成した場合には、二次コイルと同様に、冷却容器に収容しておく必要がある。
【００２０】
前記超電導線としては、例えば、ビスマス系超電導線等の高温超電導線が好適に用いられる。ビスマス系超電導線は７７ケルビン程度で十分に超電導状態となるため、前記冷却容器内に充填する冷却媒体として比較的安価な液体窒素を用いることができる。
このように、冷却容器内に３つの二次コイルを収容して超電導温度に保持しておくことで、二次コイルの浮上を継続することができる。
なお、前記冷却容器を透明な素材により形成しておけば、二次コイルを冷却容器に収容したままで二次コイルが浮上した状態を見せることができるため、学習用やデモ用としては好適となる。
【発明の効果】
【００２１】
前述したように、本発明によれば、浮上上の二次コイルを同一中心点を通るＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の中心軸線を有する第１〜第３の３つのコイルを結合して形成しているため、二次コイルが振動等により回転しても、二次コイルのいずれかのコイルとの間に反発力が発生して、二次コイルを落下させずに浮上を保持することができる。よって、二次コイルを回転不可に規制するガイド手段を設ける必要がなく、安定した浮上を保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図５に、本発明の第１実施形態を示す。
本実施形態のアクチュエータ１０は、一次コイル１１と二次コイル１２を共にビスマス系超電導線で形成した超電導アクチュエータからなる。
【００２３】
前記一次コイル１１は、２層のコイル部を最内周ターンの渡り部で連続させたダブルパンケーキコイルを軸線方向に複数積層し、隣接するダブルパンケーキコイルの超電導線を接続して１つの超電導コイルとしている。該一次コイル１４の軸線方向両端のダブルパンケーキコイルの超電導線端末にリード線２２を介して直流電源２０を接続している。
本実施形態では、一次コイル１１の内径２３０ｍｍ、外径２６４ｍｍ、巻き数１０６ターンのダブルパンケーキコイルを３層積層して、高さ３０ｍｍとしている。
【００２４】
一方、二次コイル１２は第１コイル１３、第２コイル１４、第３コイル１５の３つの超電導コイルから形成している。これら第１〜第３コイル１３〜１５はそれぞれ超電導線の両端を銀導電材を用いて接続し、それぞれ閉回路としている。
これら３つの第１〜第３コイル１３〜１５は、同一中心点Ｏを通るＸ軸線、Ｙ軸線、Ｚ軸線を軸線方向とし、約９０度ずつずらせて結合し、これら３つのコイル１３〜１５で囲まれた仮想球体を、該３つのコイル１３〜１５により正八面体状に分割した構成としている。
【００２５】
詳細には、第１コイル１３、第２コイル１４、第３コイル１５はコイルの巻数を同一としているが、径を相違させている。
第１コイル１３は軸線方向をＸ方向と、該第１コイル１３に軸線方向をＹ方向とした第２コイル１４を外嵌し、第１コイル１３の外周面と第２コイル１４の内周面との接触面を接着剤を介して固定している。さらに、該第２コイル１４に軸線方向をＺ方向とした第３コイル１５を外嵌し、第２コイル１４の外周面と第３コイル１５の内周面との接触面を接着剤を介して固定して、第１〜第３コイル１３〜１５により１つの二次コイル１２を形成している。
即ち、二次コイル１２の第１〜第３コイル１３〜１５のうち、第３コイル１５を最大径とし、該第３コイル１５の外径を６０ｍｍとして、一次コイル１１の外径（２６４ｍｍ）よりも小としている。  
【００２６】
前記二次コイル１２の第１〜第３コイル１３〜１５の外周面には粘着テープを巻き付けていると共に、内周側には超電導線を巻回する巻枠１６を配置しており、嵌合した第１コイル１３と第２コイル１４、第２コイル１４と第３コイル１５は互いに絶縁している。
【００２７】
前記二次コイルを構成する３つの第１〜第３コイル１３〜１５および一次コイル１１は高温超電導材からなるビスマス系超電導材で形成している。
【００２８】
本実施形態の超電導アクチュエータは教材用としているため、液体窒素を充填した冷却容器を別に設け、該液体容器内に前記一次コイル１１、二次コイル１２を浸漬して、超電導温度とした後に取り出して用いている。さらに、一次コイルと接続する電源として乾電池を用いコード２２を介して接続し、かつ、該乾電池との接続部にスイッチを設け、一次コイルへの通電量を複数段階で増減できるようにしている。
【００２９】
次に、アクチュエータ１０の作動方法について説明する。
まず、前記アクチュエータ１０を作動させる前に、液体窒素が貯留された冷却容器（図示せず）に一次コイル１１と二次コイル１２を収容して冷却する。
次いで、一次、二次コイル１１、１２を超電導温度にまで冷却した後、一次コイル１１と二次コイル１２を冷却容器より取り出し、一次コイル１１のコイル軸線方向が垂直方向となるように配置すると共に二次コイル１２を一次コイル１１の上端面上に配置する。このとき、二次コイル１２のうちのいずれかのコイルの軸線方向を一次コイルの軸線方向と一致させており、本実施形態では、第３コイル１５の軸線方向を一次コイルの軸線方向と一致させている。
【００３０】
次いで、電源２０のスイッチをオンして、一次コイル１１に所要の電流を流すと、図３（Ａ）に示すように、一次コイル１１内に矢印で示す軸線方向の磁束Ｆ１が発生し、一次コイル１１と端面同士が対向配置された第３コイル１５に一次コイル１１の磁束Ｆ１が通過して、該磁束Ｆ１を打ち消そうとする磁束Ｆ２を発生させるように誘導電流が流れる。これにより、二次コイル１２が一次コイル１１に反発し、一次コイル１１上に浮上する。
二次コイル１２は超電導線からなるため、銀導電材により接続した部分以外は抵抗がなく、極めて低抵抗であるため、一旦電流が流れると長時間流れ続け、二次コイル１２が所要高さで浮上した状態で維持される。
【００３１】
このように二次コイル１２の第３コイル１５に誘導電流が流れて二次コイル１２が浮上している状態で、振動等により、二次コイル１２が中心点Ｏを支点として９０度回転すると、図３（Ｂ）に示すように、二次コイル１２が第２コイル１４の中心軸線が一次コイル１１の中心軸線と同一方向となり、第２コイル１４の軸線方向の端面１４ａが一次コイル１１の端面１１ａと対向配置され、第２コイル１４内に一次コイル１１の磁束Ｆ１が通過する。これにより、第２コイル１４に誘導電流が流れて一次コイル１１に発生した磁束Ｆ１を打ち消そうとする磁束Ｆ２が発生し、二次コイル１２が一次コイル１１上に浮上し続ける。
【００３２】
また、図４（Ａ）に示す第３コイル１５の中心軸線が一次コイル１２と同一軸線状態から９０度回転して、図４（Ｂ）で示すように、第１コイル１３の中心軸線が一次コイル１１の中心軸線と同一方向となり、第１コイル１３の軸線方向の端面１３ａが一次コイル１１の端面１１ａと対向配置されると、第１コイル１３内に一次コイル１１の磁束Ｆ１が通過する。これにより、第１コイル１３に誘導電流が流れて一次コイル１１に発生した磁束Ｆ１を打ち消そうとする磁束Ｆ２が発生し、二次コイル１２が一次コイル１１上に浮上し続ける。
このように、浮上した二次コイル１２は３つの第１〜第３コイル１３〜１５を軸線方向をＸ、Ｙ、Ｚ方向に９０度ずつずらせて結合していることで、二次コイルが浮上中に９０度回転しても、いずれかのコイル１３〜１５に磁束Ｆ２が発生し、二次コイルの浮上を継続することができる。
【００３３】
また、振動等により、二次コイル１２の第１コイル１３の中心軸線が、一次コイル１１の中心軸線と一致していた状態から４５度未満の角度で回転し、第１コイル１３の中心軸線と一次コイルの中心軸線とが４５度未満で位相すると、二次コイルの第２コイル１４の中心軸線が一次コイルの中心軸線と４５度以上９０度未満となって近接し、第２コイル１４にも一次コイルとの間に反発方向の磁束が発生し、二次コイル１２がさらに回転することを抑制し、かつ、第１コイル１３の軸線方向が一次コイル１１の軸線方向と一致するように二次コイルを原状位置に戻るように回転させる。
【００３４】
さらに、前記二次コイル１２が４５度を越えて９０度未満で回転し、二次コイルの第１コイル１３の中心軸線が一次コイル１１の中心軸線と４５度を越えて９０度未満の範囲で位相し、第３コイル１５の回転軸線が一次コイル１１の回転軸線に対して４５度未満の角度で近接した時、第１コイル１３より第３コイル１５の反発力が大となり、第３コイル１５の中心軸線が一次コイル１１の中心軸線と一致する方向に二次コイル１２が回転される。
【００３５】
このように、二次コイル１２をＸ、Ｙ、Ｚ方向に９０度ずつずらせて結合した３つの第１〜第３コイル１３〜１５を備えていることにより、二次コイル１２が振動等により回転しても、常に、いずれかのコイルの中心軸線が一次コイル１１の中心軸線と一致するように自動的に回転され、二次コイル１２を落下させることなく浮上を継続できる。
【００３６】
さらに、一次コイル１１の外径を二次コイル１２の外径よりも４倍以上大きくしているため、一次コイル１１に発生する磁束Ｆ１の磁束範囲内に二次コイル１２の第１〜第３コイル１３〜１５を位置させることができる。
よって、二次コイル１２を一次コイル１１の中心軸線上に浮上させた場合、図５に示すように、二次コイル１２の浮上位置よりも二次コイル１２を囲む周囲の方が一次コイル１１に発生する垂直方向の磁束が大きい。よって、二次コイル１２が一次コイル１１の中心軸線上から位置ズレしそうになると、二次コイル１２は、一次コイル１１と二次コイル１２の反発力が大きくなる軸線の周囲位置から反発力が小さくなる一次コイル１１の中心軸線上に戻って安定した状態で浮上することとなる。
これにより、一次コイル１１の中心軸線上に浮上させた二次コイル１２を一次コイル１１の中心軸線上から位置ズレさせることなく一定位置に浮上させておくことができる。
【００３７】
また、電源２０により一次コイル１１に通電される電流値の大きさを変化させると、一次コイル１１と二次コイル１２に発生する磁束Ｆ１、Ｆ２の大きさも変化し、磁束Ｆ１、Ｆ２の変化により一次コイル１１と二次コイル１２との間に発生する反発力も変化して、二次コイル１２の浮上高さを調節することができる。
このように一次コイル１１に通電する電流値を変えることにより、二次コイル１２を上下方向に移動させることができ、二次コイル１２を往復直線運動させることができる。
【００３８】
前記のように、教材用とする本実施形態のアクチュエータ１０では、一次コイル１１と二次コイル１２を冷却容器から取り出した状態で一次コイル１２に電流を流すと、二次コイル１２を浮上させて、二次コイル１２が浮上する様子を外部から目視させることができる。
かつ、磁気的反発力により浮上した二次コイルが振動等により回転しても、あるいは、教材として説明する際に故意に振動を与えても、第１〜第３コイル１３〜１５のうちのいずれかのコイルの軸線方向の端面を一次コイル１１の軸線方向の端面１１ａと対向するように自動的に回転させることができ、二次コイルの回転を規制するガイド手段を用いることなく、浮上させた二次コイル１２を安定した状態で浮上させておくことができる。
さらに、二次コイル１２を超電導線により形成しているため、超電導線の両端を接続した接続部以外は抵抗がなく、二次コイル１２に一旦電流が流れると長時間流れ続け、二次コイル１２を一次コイル１１から離反した所定の位置に留めておくことができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、一次コイル１１はダブルパンケーキコイルとしているが、シングルパンケーキコイルでもよく、また、超電導線に限らず、銅線等の常電導線で形成してもよい。二次コイル１２はシングルパンケーキコイルに限らず、ダブルパンケーキコイルでもよい。
【００４０】
図６に、第１実施形態の変形例を示す。
本変形例は、教材用ではなく、二次コイルの往復直線運動をシリンダーの代わりに用いたり、二次コイルの直線運動を回転運動に変換することによりモータとして用いる等、本発明の超電導アクチュエータを産業用利用する場合に適した構成としている。
【００４１】
一次コイル１１および二次コイル１２を液体窒素が貯留された冷却容器３０、４０にそれぞれ収容した状態でアクチュエータ１０を作動できる構成としている。
一次コイル１１を収容する冷却容器３０は中空の円柱形状とし、樹脂製のスペーサ３１により一次コイル１１を冷却容器３０内に位置決めしている。
一方、二次コイル１２を収容する冷却容器４０は中空の球状とし、樹脂製のスペーサ４１により二次コイル１２の第３コイル１５を位置決めして、二次コイル１２を冷却容器４０内に位置決めしている。
【００４２】
前記構成によれば、アクチュエータ１０の作動中も一次コイル１１と二次コイル１２をそれぞれ冷却容器３０、４０に収容して冷却し続けることができるため、二次コイル１２の超電導状態を維持してより長時間浮上させ続けることができる。
なお、本変形例では冷却容器３０、４０を１槽のみからなる構成としているが中空断熱層を介して内槽と外槽を設けた構成としてもよい。
他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４３】
図７に、第１実施形態の第２変形例を示す。
本変形例では、二次コイル１２を収容する冷却容器を第１変形例と相違させており、二次コイル１２の第１〜第３コイル１３〜１５をそれぞれ中空の円環筒形状の冷却容器４２、４３、４４に収容し、第１コイル１３を収容した冷却容器４２に第２コイル１４を収容した冷却容器４３を外嵌して接着剤を介して固定すると共に、該冷却容器４３に第３コイル１５を収容した冷却容器４４を外嵌して接着剤を介して固定している。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４４】
図８に、本発明の第２実施形態を示す。
本実施形態では、二次コイル１２の形状を第１実施形態と相違させており、第１〜第３コイル１３〜１５の径を同一とし、第１コイル１３の外周面に９０度間隔をあけて４つのコイル嵌合用の凹部１３ｂ、１３ｃを設けると共に、第２コイル１４の外周面に１８０度間隔をあけて２つのコイル嵌合用の凹部１４ｂを設けている。
前記第１コイル１３の対向する凹部１３ｂ（図８中、上下位置）に第２コイル１４を嵌め込んで、第１コイル１３に第２コイル１４を外嵌している。このとき、第１コイル１３の残りの対向する凹部１３ｃ（図８中、左右位置）と第２コイル１４の凹部１４ｂを同一円周上に配置している。
さらに、第１コイル１３の対向する凹部１３ｃと第２コイル１４の凹部１４ｂに第３コイル１５を嵌め込んで、第１、第２コイル１３、１４に第３コイル１５を外嵌している。
【００４５】
前記構成によれば、第１〜第３コイル１３〜１５により形成する二次コイル１２の外周面をより球状に近付けることができ、二次コイル１２を安定した状態で浮上させることができる。かつ、アクチュエータを教材用として用いる場合には、外観を良好なものとすることができる。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４６】
図９に、本発明の第３実施形態を示す。
本実施形態では、二次コイル１２の第１〜第３コイル１３〜１５を前記実施形態と相違させており、第１〜第３コイル１３〜１５を超電導線の両端を銀導電材を用いて接続した巻き数が１ターンのループ状のコイルとしている。超電導線は前記実施形態と同様のものとしている。
前記第１コイル１３の外径を６０ｍｍ、第２コイル１４の外径を第１コイルの外径よりも１ｍｍ大きい６１ｍｍ、第３コイル１５の外径を第２コイルの外径よりも１ｍｍ大きい６２ｍｍとし、第１〜第３コイル１３〜１５の各コイルの超電導線の長さを略同等としている。
第１〜第３コイル１３〜１５の超電導線が交差する位置に絶縁材（図示せず）を介在させ、コイル同士が導通しないようにし、接着剤を介して各コイルを接着している。なお、超電導線が交差する位置にテープを巻きつけて第１〜第３コイル１３〜１５を組み合わせてもよい。
【００４７】
前記構成によれば、第１〜第３コイル１３〜１５の各コイルを形成する超電導線の長さを略同等としているため、第１〜第３コイル１３〜１５で発生する磁束を均一にでき、安定した状態で二次コイルを浮上させることができる。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４８】
前記実施の形態はすべての点で例示であって、これら実施形態に限定されず、本発明の範囲は、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範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４９】
なお、一次コイルおよび二次コイル銅線からなる常電導線で形成し、一次コイルにリード線を介して交流電源を接続し、前記二次コイルを本発明と同様に３つの直交方向に組み合わせた第１〜第３コイルで形成すると、本発明と同様な機能を有する浮上コイルを備えたアクチュエータとすることは可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の超電導アクチュエータは、搬送装置、鉄道車両、遊園地等におけるアトラクション、シリンダーやモータ、加振機、スピーカ等の産業用として用いることができ、また、建物を一定位置に浮上させて免震構造を構成することもできる。さらに、超電導の性能を示すための教材用として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態のアクチュエータを示す図面である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は二次コイルの断面図である。
【図３】（Ａ）は二次コイルを浮上させた状態を示す図面、（Ｂ）は（Ａ）の状態の二次コイルが回転した状態を示す図面である。
【図４】（Ａ）は二次コイルを浮上させた状態を示す図面、（Ｂ）は（Ａ）の状態の二次コイルが図４（Ｂ）と異なる方向に回転した状態を示す図面である。
【図５】一次コイルの径方向の位置と磁場の大きさの関係を示す図面である。
【図６】第１実施形態の第１変形例を示す図面である。
【図７】第１実施形態の第２変形例を示す図面である。
【図８】本発明の第２実施形態の二次コイルを示す図面である。
【図９】本発明の第３実施形態の二次コイルを示す図面である。
【図１０】従来例を示す図面である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  アクチュエータ
１１  一次コイル
１２  二次コイル
１３  第１コイル
１４  第２コイル
１５  第３コイル
２０  電源
３０、４０、４２〜４４  冷却容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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