CN104136800B - 磁性弹簧装置 - Google Patents

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Abstract

在第一磁轭(2)与第二磁轭(3)之间的空间中，在一端部设置可动元件(4)，在另一端部设置永磁铁(1)。永磁铁(1)被设为圆柱形，其径向的一方被磁化为N极，另一方被磁化为S极。可动元件(4)被设置为在其轴心(O)的位置被限制了的状态下能够在轴向上移动。通过使永磁铁(1)旋转，使从永磁铁(1)向可动元件(4)供给的磁通量(6－1)的量、与未从永磁铁(1)向可动元件(4)供给的磁通量的量(6－2)的分配变化，使弹簧的特性变化。由此，没有常时连续消耗电力的必要性，能够自由地变更并维持弹簧的特性。

Description

磁性弹簧装置
技术领域
本发明涉及一种将磁性的吸引力用作弹簧力的磁性弹簧装置。
背景技术
以往以来，作为这种磁性弹簧装置，提出了能够自由地改变弹簧常数的弹簧常数可变磁性弹簧装置。该弹簧常数可变磁性弹簧装置安装在进行例如电子部件等小型部件、精密部件的组装的机器人的臂前端与活动机件(work)(或者手)之间等，用作防止部件的破损用的缓冲装置。
在由机器人进行的组装中，在进行定位时，为了避免对部件施加过大的接触力而破损，需要较弱的力，在确定了位置之后需要以较强的力进行按压。因此，通过弹簧常数可变磁性弹簧装置区分了在进行定位时的较弱的力的设定、与在确定了位置之后的较强的力的设定。另外，由于在以一个机械手进行多种工作的情况下或者在进行设置之后的规格变更等情况下，需要变更弹簧常数、弹簧力等弹簧的特性的情况较多。
图20示出了现有的弹簧常数可变磁性弹簧装置的一个例子(例如，参照专利文献1)。该弹簧常数可变磁性弹簧装置400由可动元件21(可动元件磁轭(yoke)22、永磁铁23)、固定元件24(线圈25、26、间隙调整用固定元件磁轭27～30、固定元件铁芯31、32)、支承可动元件21的壳体33、改变可动元件21与固定元件24之间的间隙的间隔的间隙调整机构34～37构成。
在该弹簧常数可变磁性弹簧装置400中，在线圈25、26中没有电流流过的情况下，基于永磁铁23的磁通量40、41在固定元件24的磁轭27～32中流过，可动元件21的位移为0而处于稳定状态。因此，不论可动元件21向正方向位移还是向负方向位移，均产生使得可动元件21返回到位移为0的中心点(原点)的吸引力。由此，仅通过永磁铁23的吸引力，能够得到针对可动元件21的轴向移动的弹簧力(磁性弹簧力)。
与此相对地，如果线圈25、26中流过电流，则产生基于该线圈电流的磁通量38、39。通过基于线圈电流的磁通量38、39使基于永磁铁23的磁通量40、41减弱，从而磁性吸引力减少，弹簧常数变小。相反，通过基于线圈电流的磁通量38、39使基于永磁铁23的磁通量40、41增强，从而磁性吸引力增加，弹簧常数变大。
另外，通过间隙调整机构34～37使可动元件21与固定元件24之间的间隙(21-27之间、21-28之间、21-29之间、21-30之间)的间隔增大，从而磁阻增加，从永磁铁23流到固定元件24的磁轭27～32的磁通量减少，从而磁性吸引力减少，弹簧常数变小。相反，通过使可动元件21与固定元件24之间的间隙(21-27之间、21-28之间、21-29之间、21-30之间)的间隔减小，从而磁阻减少，从永磁铁23流到固定元件24的磁轭27～32的磁通量增加，从而磁性吸引力增加，弹簧常数变大。
然而，根据现有的弹簧常数可变磁性弹簧装置400，能够通过使电流流过线圈25、26来变更弹簧常数，但为了使来自线圈的磁通量作用于永磁铁的磁通量，需要常时连续消耗电力。由此，耗电量增大。另外，伴随着耗电量的增大，还产生了放热也增大、磁特性变化且控制变难等问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利公开第2004-360747号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明是为了解决这样的问题而完成的，其目的在于，提供一种没有常时连续消耗电力的必要并且能够自由地变更并维持弹簧的特性的磁性弹簧装置。
解决技术问题的技术手段
为了达到这样的目的，本发明包括：永磁铁；第一磁轭以及第二磁轭，夹着永磁铁相互相对地配置；由磁性体构成的可动元件，在第一磁轭与第二磁轭之间被设置为与永磁铁间隔开并且在其轴心的位置被限制了的状态下能够在其轴向上移动，与第一磁轭以及第二磁轭一起形成从永磁铁的N极出发而回到S极的磁通量的磁路；以及磁通量分配控制部，使从永磁铁通过第一磁轭以及第二磁轭而向可动元件供给的磁通量的量、与未从永磁铁向可动元件供给的磁通量的量的分配变化。
发明效果
在本发明中，使通过第一磁轭以及第二磁轭而从永磁铁向可动元件供给的磁通量的量、与未从永磁铁向可动元件供给的磁通量的量的分配变化，所以没有在使来自线圈的磁通量作用于永磁铁的磁通量的情况下那样的常时连续消耗电力的必要，能够自由地变更并维持弹簧的特性。
附图说明
图1是示出了作为本发明的实施方式1的磁性弹簧装置的主要部件的图。
图2A～图2C是说明在图1所示的磁性弹簧装置中使磁通量的量的分配变化的方法的图。
图3是说明在图1所示的磁性弹簧装置中产生磁性弹簧力的原理的图。
图4A～图4D是示出了在图1所示的磁性弹簧装置中产生磁性弹簧力的状况的图。
图5是用于说明图1所示的磁性弹簧装置的弹簧的特性的一个例子的概念图。
图6A以及图6B是示出了在图1所示的磁性弹簧装置中安装机械的止动装置(stopper)而设定可动元件的初始位置的例子的图。
图7是示出了图1所示的磁性弹簧装置的弹簧的特性的一个例子的图。
图8是示出了磁铁角度与磁性弹簧力(推力)的关系的一个例子的图。
图9是示出了图1所示的磁性弹簧装置的变形例的图。
图10是示出了图1所示的磁性弹簧装置的变形例的图。
图11是示出了作为本发明的实施方式2的磁性弹簧装置的主要部件的图。
图12是示出了图11所示的磁性弹簧装置的变形例的图。
图13A～图13C是说明在图11所示的磁性弹簧装置中使磁通量的量的分配变化的方法的图。
图14是说明在图11所示的磁性弹簧装置中产生磁性弹簧力的原理的图。
图15是示出了使用长方体状的永磁铁的例子的图。
图16是示出了以非磁性体的支承装置(holder)保持长方体状的永磁铁的例子的图。
图17是示出了夹着永磁铁地设置由磁性体构成的旁通磁轭的例子的图。
图18是示出了作为本发明的实施方式3的磁性弹簧装置的主要部件的图。
图19是示出了还包含了引导图18所示的磁性弹簧装置中的可动元件的机构的整体构成的图。
图20是示出了现有的弹簧常数可变磁性弹簧装置的一个例子的图。
符号说明
1、1’…永磁铁，2…第一磁轭，3…第二磁轭，4…可动元件，5…轴件(非磁性体轴件)，M1…电动机，6、6-1、6-2…磁通量，8…支承装置，9…旁通磁轭，10…永磁铁，11…间隙，M2…电动机，13…磁性体构件，14-1、14-2…导轴，15…平台，16-1、16-2…线性轴套，17、17-1、17-2…磁通量，100(100A～100D)、200(200A、200B)、300…磁性弹簧装置。
具体实施方式
〔发明的原理〕
以往，关于永磁铁，无法使磁通量变化，这成为与电磁铁相比磁力控制较难的理由。本发明的发明者着眼于根据永磁铁的磁通量稳定这一点，反而使具有再现性的磁力控制成立。并且，想到了通过使稳定的磁通量分支而进行供给，并使向可动元件供给的磁通量的量与不向可动元件供给的磁通量的量的分配变化，从而能够实现控制。以下所示的实施方式示出了使稳定的磁通量的量的分配变化的机构的例子。
以下，基于附图详细地说明本发明的实施方式。
〔实施方式1〕
图1是示出了作为本发明的实施方式1的磁性弹簧装置的主要部件的图。在该图中，1是产生从N极出发而回到S极的磁通量的永磁铁，2和3是用于形成从永磁铁1的N极出发而回到S极的磁通量的磁路的第一磁轭以及第二磁轭，4是在第一磁轭2以及第二磁轭3所形成的磁路中的空间中在其轴心O的位置被限制了的状态下能够在轴向上移动地设置的由磁性体构成的可动元件，5是连接到可动元件4的上端部的由非磁性体(例如，SUS316、铝、黄铜等、此外还有能够忽略对磁性回路的磁性影响的程度的材料)构成的轴件(shaft)(非磁性体轴件)，M1是使永磁铁1旋转的电动机。
在该磁性弹簧装置100(100A)中，第一磁轭2以及第二磁轭3夹着永磁铁1相互相对地配置。将第一磁轭2以及第二磁轭3的相互相对的一侧的表面称为内表面2b、3b，将与内表面2b、3b相反的一侧的表面称为外表面2a、3a。在图1中，关于第一磁轭2，其上表面以及下表面分别相当于外表面2a、内表面2b，关于第二磁轭3，其上表面以及下表面分别相当于内表面3b、外表面3a。
第一磁轭2以及第二磁轭3在各自的一端具有大致相同直径的贯通孔2-1以及3-1，使该贯通孔2-1以及3-1的中心轴一致地进行配置。可动元件4被设为圆柱形，被设置为使其轴心O与第一磁轭2以及第二磁轭3的贯通孔2-1、3-1的中心轴一致，并且进入到两者的贯通孔2-1、3-1。即，成为可动元件4的至少一部分被插入到贯通孔2-1、3-1这两者中的状态。
另外，可动元件4的长度L被设为与第一磁轭2的外表面(上表面)2a与第二磁轭3的外表面(下表面)3a之间的距离H相同的程度。另外，与可动元件4的上端部连接的非磁性体轴件5具有将长度被较短地设定了的可动元件4与外部的构件(未图示)连接而传递力的作用，同时在与外部的构件之间设置必要的距离(例如10～20mm左右)，具有抑制向外部的磁通量泄漏并与外部磁性地遮断的作用。在该例子中，虽然将非磁性体轴件5连接到可动元件4的上端部，但也有连接到可动元件4的下端部的情况，也有连接到两端部的情况。
另外，可动元件4被设置为在通过未图示的导向装置(guide)来限制了其轴心O的位置的状态(可动元件4的水平方向的运动被限制了的状态)下，能够在轴向上移动。即，在使可动元件4的外周面4a与贯通孔2-1、3-1的内周面2-1a、3-1a间隔开的状态下，可动元件4被插通到贯通孔2-1、3-1中。
此外，也可以代替设置导向装置，在可动元件4的外周面4a与贯通孔2-1、3-1的内周面2-1a、3-1a之间，设置表面容易滑动的非磁性体的轴承。如果没有像导向装置、非磁性体的轴承等那样地使可动元件4的外周面4a与贯通孔2-1、3-1的内周面2-1a、3-1a间隔开的机构，则由于磁性吸引力可动元件4吸附到磁轭2、3，如果不施加通常所产生的最大磁性弹簧力的数十倍以上的力，则可动元件4无法运动。
另外，在该磁性弹簧装置100A中，永磁铁1被设为圆柱形，其径向的一方被磁化为N极，另一方被磁化为S极。在第一磁轭2与第二磁轭3之间的空间中，在与设置有可动元件4的一侧相反的一侧的端部，该永磁铁1被设置为与可动元件4间隔开并且使其外周面1a与第一磁轭2的下表面2b以及第二磁轭3的上表面3b相对。即，圆柱形的永磁铁1的轴向被设为与磁轭2、3的相对面(内表面)的表面方向平行，并配置在第一磁轭2与第二磁轭3之间的空间中。此外，永磁铁1的轴向与磁轭2、3的长边方向的角度没有限制，不限于直角。
另外，在该实施方式中，永磁铁1由例如钕、钐钴等稀土磁铁或铁氧体磁铁等构成。磁轭2、3、可动元件4由饱和磁通量密度、磁导率大、顽磁力小、磁滞小的软磁性材料(例如，电磁钢板、电磁软铁、坡莫合金等)构成。
电动机M1与永磁铁1连接，使该永磁铁1以其轴心P为中心旋转。在本实施方式中，作为电动机M1，采用带有用于检测旋转角度的编码器的超声波电动机。超声波电动机由于即使切断电力也能够保持其停止了的旋转角度位置，所以仅在使永磁铁1旋转的情况下使用电力即可。
在该磁性弹簧装置100A中，从永磁铁1的N极出发而回到S极的磁通量6在第一磁轭2、可动元件4、第二磁轭3的路径中流过，通过在第一磁轭2以及第二磁轭3与可动元件4之间作用的磁力(吸引力)，产生使可动元件4回到位移0的中心点(原点)的弹簧力(磁性弹簧力)。
参照图2A～图2C以及图3，针对图1所示的磁性弹簧装置100A，说明使磁通量的量的分配变化的方法以及产生磁性弹簧力的原理。此外，图2A～图2C以及图3示出了从与可动元件4的轴向正交的方向(正面)观察图1所示的磁性弹簧装置100A的剖面图。
在该磁性弹簧装置100A中，磁性弹簧力根据图3所示那样的原理而产生。即，如果通过外力F将可动元件4压入到相对的磁轭2、3之间，则通过可动元件4的被压入的一侧的端部与被压入的一侧的磁轭2的贯通孔2-1(或者，磁轭3的贯通孔3-1)之间的倾斜方向的吸引力f，作为该吸引力f的轴向的分解矢量产生使可动元件4回到中央的垂直方向(轴向)的磁性弹簧力f1。
在该磁性弹簧装置100A中，在永磁铁1的N极与S极处于图2A那样的状态时，即在N极正对着第一磁轭2的下表面2b并且S极正对着第二磁轭3的上表面3b时，磁性弹簧力f1为最大。将此时的永磁铁1的角度位置设为磁铁角度0°。
从该状态起使永磁铁1旋转，如图2B所示，使永磁铁1的磁铁角度成为45°。在这种情况下，从永磁铁1的N极出发而回到S极的磁通量6被分成朝向可动元件4的磁通量6-1、以及不朝向可动元件4而与永磁铁1附近的磁轭经由空间而形成从N极向S极的封闭的回路的磁通量6-2。即，从永磁铁1流出的磁通量的路径改变，从永磁铁1供给的、向可动元件4的磁通量的量减少。由此，磁性吸引力减少，磁性弹簧力f1变弱。
进而，使永磁铁1旋转，如图2C所示，使永磁铁1的磁铁角度成为90°。在这种情况下，从永磁铁1的N极出发而回到S极的磁通量6的大致全部为与永磁铁1附近的磁轭经由空间而形成从N极向S极的封闭的回路的磁通量6-2，磁性弹簧力f1为最小(磁性弹簧力＝0)。
这样，通过电动机M1使永磁铁1旋转，使相对于第一磁轭2以及第二磁轭3的永磁铁1的磁极的位置变化，从而使从永磁铁1通过第一磁轭2以及第二磁轭3向可动元件4供给的磁通量6-1的量、与未从永磁铁1向可动元件4供给的磁通量6-2的量的分配变化，相应于此，磁性弹簧力f1也变化。因此，在该磁性弹簧装置100A中，电动机M1作为使磁通量6-1的量与磁通量6-2的量的分配变化的磁通量分配控制部发挥功能。此外，电动机M1能够被考虑为使从永磁铁1产生的磁通量中的、向可动元件4供给的磁通量的比例变化的磁通量供给量控制部。
此外，在该磁性弹簧装置100A中，关于永磁铁1的磁极的方向，即使N极与S极的方向相反，效果也相同。另外，可动元件4的长度L与磁轭2、3之间的距离H为相同的程度，磁性弹簧力产生的效率优良，是优选的，但是较长也没关系。另外，只要是使磁通量通过可动元件4而在磁轭2、3之间流过这样的程度的范围，较短也没关系，但是由于在可动元件4的两端反方向的磁性弹簧力起作用，所以效率恶化。
图4A～图4D示出了产生磁性弹簧力的状况。在图4A的状态下，可动元件4被引入到第一磁轭2的贯通孔2-1内。在图4B、图4C之间，引入力不起作用。如果成为图4D的状态，则可动元件4被引入到第二磁轭3的贯通孔3-1内。此外，图4A～图4D是忽略了重力的说明图。即使施加重力也能不成问题地进行动作。在这种情况下，按可动元件4的重量而下降了的位置成为原点。在图4所示的例子中，由于可动元件4的长度L被设为比磁轭2、3之间的距离H长，所以形成了磁性弹簧的力不起作用的区域(相当于长出来的部分的长度)。
图5示出了用于说明磁性弹簧装置100A的弹簧的特性的一个例子的概念图。在该图中，横轴为可动元件4的位移，纵轴为对可动元件4产生的磁性弹簧力(推力)。如该例子所示，对可动元件4产生的磁性弹簧力在原点处为零，越远离原点则越大。另外，通过使永磁铁1旋转，磁性弹簧力变化。在该例子中，在可动元件4处于原点附近时，形成相对位移而磁性弹簧力线性变化的磁性弹簧常数可变区域(或者，柔量(compliance)可变区域)R1，通过使永磁铁1旋转而弹簧常数或者柔量(弹簧常数的倒数)变化。另外，在可动元件4处于从原点离开了的一定区域时，形成(一定)磁性弹簧力可变区域R2，通过使永磁铁1旋转，相对位移而大致一定的磁性弹簧力(推力)变化。
在这样的例子的情况下，也可以如图6A以及图6B所示，将机械的止动装置7安装到轴件5而设定可动元件4的初始位置，仅利用磁性弹簧常数可变区域R1(图6A)，或者仅利用(一定)磁性弹簧力可变区域R2(图6B)，能够根据操作的内容来选择弹簧常数与一定的磁性弹簧力、或者这两者。
图7示出了磁性弹簧装置100A的弹簧特性的一个例子。在该图中，特性I是在将永磁铁1的磁铁角度设为0°时的弹簧特性，特性II是在将磁铁角度设为45°时的弹簧特性，特性III是在将磁铁角度设为60°时的弹簧特性，特性IV是在将磁铁角度设为75°时的弹簧特性，特性V是在将磁铁角度设为90°时的弹簧特性。
另外，图8示出了磁铁角度与磁性弹簧力(推力)的关系的一个例子。可以知道：在45°～90°的磁铁角度的范围中，能够得到与磁铁角度成比例地直线地变化的磁性弹簧力。
此外，在图1所示的磁性弹簧装置100A中，将第一磁轭2与第二磁轭3设为单纯的平板状的磁轭。但是，也可以如图9所示的磁性弹簧装置100B那样，将与永磁铁1的外周面1a相对的部分的磁轭表面设为与永磁铁1的外周面1a的曲率相配合的形状。由此，永磁铁1与磁轭2、3之间的磁阻变小，更多的磁通量高效地流过。
另外，也能够如图10所示的磁性弹簧装置100C那样，做成使磁轭的表面在中途扭转了90°那样的构造，通过平行地配置可动元件4与永磁铁1的轴向，做成适于小型化的构造。在这种情况下，如图10所示，也可以将与永磁铁1的外周面1a相对的部分的磁轭表面设为与永磁铁1的外周面1a的曲率相配合的形状，使磁通量高效地流过。
〔实施方式2〕
图11是示出了作为本发明的实施方式2的磁性弹簧装置的主要部件的图。在该磁性弹簧装置200(200A)中，在隔开间隔而大致平行地相对配置了的第一磁轭2与第二磁轭3之间，使其轴向相对磁轭2、3的相对方向大致垂直地配置了圆柱形的可动元件4。即，第一磁轭2的内表面与第二磁轭3的内表面大致平行，可动元件4的轴心O以及轴向与第一磁轭2以及第二磁轭3的内表面大致平行。
另外，可动元件4被设置为在通过未图示的导向装置限制了其轴心O的位置的状态(可动元件4的水平方向的运动被限制了的状态)下，使可动元件4的轴向与磁轭2、3的表面方向平行并能够在轴向上移动。即，在使可动元件4的外周面4a与磁轭2、3的内表面间隔开了的状态下，将可动元件4配置于磁轭2、3之间。
另外，将用于向外部的构件(未图示)传递力的由非磁性体(例如，SUS316、铝、黄铜等、此外还有能够忽略对磁性回路的磁性影响的程度的材料)构成的轴件(非磁性体轴件)5连接到可动元件4的上端部。在该例子中，虽然将非磁性体轴件5连接到可动元件4的上端部，但也有连接到可动元件4的下端部的情况，也有连接到两端部的情况。
此外，也可以代替设置导向装置，而在可动元件4的外周面4a与磁轭内表面之间，设置表面容易滑动的非磁性体的轴承。如果没有像导向装置、非磁性体的轴承等那样地使可动元件4的外周面4a与磁轭内周面间隔开的机构，则由于磁性吸引力可动元件4吸附到磁轭2、3，如果不施加通常所产生的最大磁性弹簧力的数十倍以上的力，则可动元件4无法运动。可动元件4的形状不限于圆柱形，也可以设为棱柱形或者其复合形状等。
另外，在该磁性弹簧装置200A中，可动元件4的长度L被设定为与磁轭2、3的宽度(与可动元件4的轴向相同方向上的磁轭2、3的长度)W相同的程度或比其短。另外，在该磁性弹簧装置200A中，在径向上被磁化了的圆柱形的永磁铁1在磁轭2、3的与配置有可动元件4的一侧相反的一侧的空间内，被设置成其圆柱的轴向与磁轭内表面平行。即，使其轴向相对磁轭2、3的相对方向大致垂直地配置在磁轭2、3之间。另外，关于永磁铁1，在以其轴为中心能够旋转的状态下，使其外周面1a不与第一磁轭2与第二磁轭3接触地进行配置。此外，对圆柱形的永磁铁1的轴向与磁轭2、3的长边方向的角度没有限制，不限于直角。
另外，也可以如图12所示的磁性弹簧装置200B那样，将与永磁铁1的外周面1a相对的部分的磁轭表面设为与永磁铁1的外周面1a的曲率相配合的形状，使永磁铁1与磁轭2、3之间的磁阻减小，并且使更多的磁通量高效地流过。
参照图13A～图13C以及图14，关于如图11所示的磁性弹簧装置200A，说明使磁通量的分配变化的方法以及产生磁性弹簧力的原理。此外，图13A～图13C是从可动元件4的轴向(上表面)观察图11所示的磁性弹簧装置200A的图，图14是图13A中的A-A线剖面图。
在该磁性弹簧装置200A中，根据如图14所示那样的原理而产生磁性弹簧力。即，如果通过外力F将可动元件4压入到相对的磁轭2、3之间，则通过可动元件4的被压入的一侧的端部与被压入的一侧的磁轭2(或者磁轭3)的端部之间的倾斜方向的吸引力f，作为该吸引力f的轴向的分解矢量而产生使可动元件4回到中央的垂直方向(轴向)的磁性弹簧力f1。此外，在可动元件4的被压出的一侧的端部与被压出的一侧的磁轭3(或者磁轭2)的端部之间，也有稍微倾斜的方向的吸引力起作用，作为其吸引力的轴向的分解矢量而产生使可动元件4回到中央的垂直方向(轴向)的少许磁性弹簧力，但被压入的一侧的影响较大。
在该磁性弹簧装置200A中，在永磁铁1的N极与S极处于如图13A那样的状态时，即在N极正对着第一磁轭2的下表面2b并且S极正对着第二磁轭3的上表面3b时，磁性弹簧力f1最大。将此时的永磁铁1的角度位置设为磁铁角度0°。
从该状态起使永磁铁1旋转，如图13B所示，将永磁铁1的磁铁角度设为45°。在这种情况下，从永磁铁1的N极出发而回到S极的磁通量6被分为朝向可动元件4的磁通量6-1、与不朝向可动元件4而与永磁铁1附近的磁轭经由空间形成从N极向S极的封闭的回路的磁通量6-2。即，从永磁铁1流出的磁通量的路径改变，从永磁铁6供给的向可动元件4的磁通量的量减少。由此，磁性吸引力减少，磁性弹簧力f1变弱。
进一步地，使永磁铁1旋转，如图13C所示，将永磁铁1的磁铁角度设为90°。在这种情况下，从永磁铁1的N极出发而回到S极的磁通量6的大致全部成为与永磁铁1附近的磁轭经由空间形成从N极向S极的封闭的回路的磁通量6-2，磁性弹簧力f1为最小(磁性弹簧力f1＝0)。
此外，在该磁性弹簧装置200A中，关于永磁铁1的磁极的方向，即使N极与S极的方向相反效果也相同。另外，可动元件4的形状也可以长方体、平板状等，与磁轭表面接近地相对的面积大，则磁阻小并且有更多的磁通量高效地流过，所以是优选的。另外，关于可动元件4的长度L，相比为与磁轭宽度W相同的程度的情况，短于磁轭宽度W的情况下的产生磁性弹簧力的效率更好，故优选。另外，只要是磁通量通过可动元件4而流过磁轭2、3之间的范围，可动元件4是任何形状(例如，无论是使柱状缩短成板状，还是相反地使其变长)均可，但要根据所期望的特性来选择形状、长度。
在上述的实施方式1、实施方式2中，设为使用圆柱形的永磁铁1，但也可以如图15所示，使用在夹着旋转轴P相对的方向上磁化了的长方体状的永磁铁1’，使该长方体状的永磁铁1’旋转，以使得能够实现与各磁极所相对的磁轭内表面接近的状态以及间隔开的状态。例如，也可以将由磁棒构成的永磁铁1’设置成以其N极与S极之间的规定位置(例如中间点)作为旋转轴P，在第一磁轭2与第二磁轭3之间自由旋转。
另外，也可以如图16所示，由非磁性体的支承装置8保持长方体状的永磁铁1’，使由该非磁性体的支承装置8保持了的长方体状的永磁铁1’旋转。
另外，也可以如图17所示的磁性弹簧装置100D那样，在第一磁轭2与第二磁轭3之间的中央部，与磁轭2、3大致平行地、夹着永磁铁1地设置字形等的由磁性体构成的旁通磁轭9。通过设置这样的旁通磁轭9，除了永磁铁1的各磁极最接近于磁轭内表面的角度之外，在从该角度偏离了90°的角度之处也出现了关于旋转力的稳定点。因此，能够以更小的力(转矩)使永磁铁1旋转。另外，磁通量变化的旋转角度的范围扩大，能够更精细地实现磁通量控制。
如以上那样，在实施方式1的磁性弹簧装置100、实施方式2的磁性弹簧装置200中，通过使永磁铁1旋转，来控制向可动元件4的磁通量的量。即，使从永磁铁1向可动元件4供给的磁通量6-1的量、与未从永磁铁1向可动元件4供给的磁通量6-2的量的分配变化。由此，没有在使来自线圈的磁通量作用于永磁铁1的磁通量的情况下那样的常时连续消耗电力的必要性，能够自由地变更并维持弹簧的特性。
另外，通过单独设置供给磁通量的永磁铁1与被供给磁通量的可动元件4，不受可动元件4的大小等设计上的制约影响，能够采用能够确保用于得到所需的弹簧力的磁力的永磁铁1。即，在由可动元件磁轭与永磁铁构成可动元件的方式中，如果想要在不使来自线圈的磁通量产生作用的情况下增强弹簧力，则永磁铁变大而可动元件大型化。与此相对地，在实施方式1、实施方式2中，由于采用单独配备了供给磁通量的永磁铁1与被供给磁通量的可动元件4的构成，所以通过使可动元件4的大小保持原样而使永磁铁1增大，能够确保用于得到所需的弹簧力的磁力。由此，不受可动元件4的大小等设计上的制约影响，并且不使用线圈，而能够确保用于得到所需的弹簧力的磁力。
〔实施方式3〕
图18是示出了作为本发明的实施方式3的磁性弹簧装置的主要部件的图。在该磁性弹簧装置300中，在第一磁轭2与第二磁轭3之间的空间的中央部，固定有长方体状的永磁铁10。关于该长方体状的永磁铁10，将其上端部设为N极，将其下端部设为S极，使N极与第一磁轭2接触，并使S极与第二磁轭3接触。此外，关于永磁铁10，也可以使N极与S极反向，也可以是长方体以外的形状。
另外，与实施方式1同样地，在第一磁轭2的一端部与第二磁轭3的一端部之间的空间中，可动元件4被设置为在其轴心O的位置被限制了的状态下能够在轴向上移动。另外，将用于向外部的构件(未图示)传递力的由非磁性体(例如，SUS316、铝、黄铜等、此外还有能够忽略对磁性回路的磁性影响的程度的材料)构成的轴件(非磁性体轴件)5连接到可动元件4的上端部。在该例子中，虽然将非磁性体轴件5连接到可动元件4的上端部，但也有连接到可动元件4的下端部的情况，也有连接到两端部的情况。
另外，在第一磁轭2的另一端部与第二磁轭3的另一端部之间设置间隙11，将该间隙11作为被安装到电动机M2的轴件12而旋转的半圆状的磁性体构件13的通行通路。即，在设置于隔着永磁铁10与可动元件4相反的一侧的间隙11内，与永磁铁10间隔开地配置了磁性体构件13。磁性体构件13由具有比间隙11的间隔薄的厚度的软磁性体构成，不与第一磁轭2接触也不与第二磁轭3接触。此外，磁性体构件13也可以是其他形状，并且不限于旋转，也可以以直线运动等进行移动，只要是能够通过改变间隙11内的磁性体的占有率而改变间隙11内的磁阻的构成即可。
作为电动机M2，与实施方式1同样地，采用超声波电动机。超声波电动机由于即使切断电力也保持其旋转位置，所以在使磁性体构件13旋转的情况下仅使用电力即可。
图19示出了还包含了引导该可动元件4的机构的整体构成。在该例子中，通过导轴(guideshaft)14-1、14-2限制了可动元件4的轴心O的位置。导轴14-1、14-2以被插入到线性轴套(linearbush)16-1、16-2中的状态上下运动，限制可动元件4的轴心O的位置，并且支承通过与可动元件4连接的非磁性体轴件5驱动的平台(stage)15。
在该磁性弹簧装置300中，从永磁铁10的N极出发而回到S极的磁通量17被分为朝向可动元件4的磁通量17-1、以及朝向间隙11的磁通量(未从永磁铁10供给到可动元件4的磁通量)17-2。在该磁通量17所流过的磁路中，将磁通量17-1所流过的磁路称为主磁路，将磁通量17-2所流过的磁路称为旁通磁路。旁通磁路由第一磁轭2以及第二磁轭3、与磁性体构件13形成。
在该磁性弹簧装置300中，如果通过电动机M2使磁性体构件13旋转，则旁通磁路的间隙11中的半圆状的磁性体构件13的位置改变，在旁通磁路中流过的磁通量17-2的量变化。即，在未从永磁铁10供给到可动元件4的磁通量的磁路中配置的磁性体构件13的配置状态改变，未从永磁铁10供给向可动元件4的磁通量17-2的量变化。由此，流过主磁路的磁通量17-1的量、即从永磁铁10向可动元件4供给的磁通量的量变化，弹簧的特性变化。因此，在该磁性弹簧装置300中，电动机M2以及磁性体构件13作为使磁通量17-1的量与磁通量17-2的量的分配变化的磁通量分配控制部发挥功能。
如以上那样，在该实施方式3的磁性弹簧装置300中，通过使在旁通磁路的间隙11中配置的磁性体构件13旋转，控制向可动元件4的磁通量的量。即，使从永磁铁10向可动元件4供给的磁通量17-1的量、与未从永磁铁10供给向可动元件4的磁通量的量17-2的分配变化。由此，没有在使来自线圈的磁通量作用于永磁铁10的磁通量的情况下那样的常时连续消耗电力的必要性，能够自由地变更并维持弹簧的特性。
另外，通过单独设置供给磁通量的永磁铁10与被供给磁通量的可动元件4，不受可动元件4的大小等设计上的制约影响，能够采用能够确保用于得到所需的弹簧力的磁力的永磁铁10。即，在由可动元件磁轭与永磁铁构成可动元件的方式中，如果想要在不使来自线圈的磁通量产生作用的情况下增强弹簧力，则永磁铁变大而可动元件大型化。与此相对地，在实施方式3中，由于采用单独配备了供给磁通量的永磁铁10与被供给磁通量的可动元件4的构成，所以通过使可动元件4的大小保持原样而增大永磁铁10，能够确保用于得到所需的弹簧力的磁力。由此，不受可动元件4的大小等设计上的制约影响，另外不使用线圈，而能够确保用于得到所需的弹簧力的磁力。
根据图19所示的导轴构成，能够防止可动元件4的旋转，所以在通常的组装等的用途中是优选的。另一方面，如果对可动元件4直接安装轴承或者对与可动元件4连结的同轴的轴件安装轴承而使其能够旋转，则能够与旋转轴件非接触地产生可变的弹簧力，所以能够控制钻(drill)、旋具(driver)、联轴器(clutch)等旋转体中的轴向力。
此外，在上述的磁性弹簧装置100、200、300中，作为电动机M1、电动机M2采用了超声波电动机，也可以采用步进电动机(脉冲电动机)等。步进电动机根据输入脉冲数来确定动作角度，所以即使没有检测旋转角度的编码器也能够使用。在采用步进电动机的情况下，采用作为转子或定子使用了永磁铁的类型，或者采用带齿轮的类型即可。例如，作为带齿轮的步进电动机，只要设为1/100左右的齿轮比，即使切断电源也能够充分地保持其停止了的旋转角度位置。即使不是带齿轮的步进电动机，而即使是通常的电动机，只要通过将永磁铁用于状态保持的闩锁式电磁元件(latchsolenoid)等而具备止动功能的话，也能够使用。
另外，在上述的磁性弹簧装置100、200、300中，也可以设置检测可动元件4的位置或位移的传感器，磁通量分配控制部根据传感器所检测的可动元件4的位置或位移来控制向可动元件4的磁通量的量。通过这样，能够实现更高水平的动作控制。
另外，在上述的磁性弹簧装置100、200中，也可以不使用电动机M1，而设置具备了针对每个规定的角度而停止的闩锁(latch)功能的手动刻度盘(dial)，通过该手动刻度盘而使永磁铁1的旋转角度位置可变，使永磁铁1保持在被停止了的旋转角度位置。在上述的磁性弹簧装置300中也同样地，也可以不使用电动机M2，而设置具备了针对每个规定的角度而停止的闩锁功能的手动刻度盘，通过该手动刻度盘使磁性体构件13的旋转角度位置可变，使磁性体构件13保持在被停止了的旋转角度位置。此外，也可以代替上述的针对每个规定的角度而停止的闩锁功能，采用使用了蜗轮(wormgear)等的旋转角度保持机构，在这种情况下，无论什么角度都能够连续地设定。
另外，在图18所示的磁性弹簧装置300的构成中，也可以采用图11所示的磁性弹簧装置200中的磁轭2、3与可动元件4的构成。
另外，在上述的任一实施方式中，磁轭2、3都分别既可以由1个板状磁性体构成，也可以通过层叠多个薄板状的磁性体而构成。在层叠的情况下，如果使磁通量与磁通量被层叠了的各个板状的磁性体的平面方向平行地进出，则由于形状磁各向异性的影响而退磁磁场的影响变少(在板厚方向上退磁磁场大)，能够高效地使磁通量流过，所以是优选的。
另外，可动元件4也可以由整体的磁性体形成，也可以将板状的磁性体层叠而形成。
〔实施方式的扩展〕
以上，虽然参照实施方式说明了本发明，但本发明不限定于上述的实施方式。在本发明的技术思想的范围内，能够对本发明的构成、详细情况进行本领域技术人员能够理解的各种变更。另外，针对各实施方式，在不矛盾范围内能够任意地组合并实施。

Claims (13)

1.一种磁性弹簧装置，其特征在于，包括：
永磁铁；
第一磁轭以及第二磁轭，夹着所述永磁铁相互相对地配置；
由磁性体构成的可动元件，在所述第一磁轭与所述第二磁轭之间被设置为与所述永磁铁间隔开并且在其轴心的位置被限制了的状态下能够在其轴向上移动，与所述第一磁轭以及所述第二磁轭一起形成从所述永磁铁的N极出发而回到S极的磁通量的磁路；以及
磁通量分配控制部，使从所述永磁铁通过所述第一磁轭以及所述第二磁轭而向所述可动元件供给的磁通量的量、与未从所述永磁铁向所述可动元件供给的磁通量的量的分配变化。
2.根据权利要求1所述的磁性弹簧装置，其特征在于，
所述磁通量分配控制部被构成为使所述永磁铁的磁极的相对于所述第一磁轭以及第二磁轭的位置发生变化。
3.根据权利要求2所述的磁性弹簧装置，其特征在于，
所述磁通量分配控制部包括与所述永磁铁连接并使所述永磁铁的磁极的位置变化的超声波电动机或步进电动机。
4.根据权利要求2所述的磁性弹簧装置，其特征在于，还包括：
在所述第一磁轭与所述第二磁轭之间夹着所述永磁铁地配置的由磁性体构成的旁通磁轭。
5.根据权利要求2所述的磁性弹簧装置，其特征在于，
所述永磁铁是磁棒，被设置为以N极与S极之间的规定位置作为旋转轴旋转自如。
6.根据权利要求2所述的磁性弹簧装置，其特征在于，
所述磁通量分配控制部是具备了使调整机构的位置在每个规定的位置停止并保持的闩锁功能的手动刻度盘，所述调整机构使所述永磁铁的磁极的位置变化。
7.根据权利要求1所述的磁性弹簧装置，其特征在于，
所述磁通量分配控制部包括磁性体构件，该磁性体构件与所述可动元件位于所述永磁铁的两侧，该磁性体构件在所述第一磁轭与所述第二磁轭之间与所述永磁铁间隔开地配置，与所述第一磁轭以及所述第二磁轭一起形成未从所述永磁铁供给到所述可动元件的磁通量的磁路，所述磁性体构件能够进行移动，以使得所述第一磁轭与所述第二磁轭之间的空间中的所述磁性体构件的占有率变化。
8.根据权利要求7所述的磁性弹簧装置，其特征在于，
所述磁通量分配控制部还包括与所述磁性体构件连接并使所述磁性体构件移动的超声波电动机或步进电动机。
9.根据权利要求7所述的磁性弹簧装置，其特征在于，
所述磁通量分配控制部是具备了使调整机构的位置在每个规定的位置停止并保持的闩锁功能的手动刻度盘，所述调整机构使所述磁性体构件的位置发生变化。
10.根据权利要求1所述的磁性弹簧装置，其特征在于，
所述第一磁轭以及第二磁轭被配置为在各自的一端包括相同直径的贯通孔并且这些贯通孔的中心轴一致，
所述可动元件被设为柱状，被设置为使所述可动元件的轴心与所述第一磁轭以及第二磁轭的贯通孔的中心轴一致并且被插入到两者的贯通孔中。
11.根据权利要求10所述的磁性弹簧装置，其特征在于，
所述第一磁轭以及所述第二磁轭包括与所述永磁铁相对的一侧的内表面、以及与所述内表面相反的一侧的外表面，
所述可动元件的长度与所述第一磁轭的外表面和所述第二磁轭的外表面的距离相同。
12.根据权利要求1所述的磁性弹簧装置，其特征在于，
所述第一磁轭以及所述第二磁轭包括与所述永磁铁相对的一侧的内表面，
所述第一磁轭的内表面与所述第二磁轭的内表面平行，
所述可动元件的轴心以及轴向与所述第一磁轭的内表面平行。
13.根据权利要求1所述的磁性弹簧装置，其特征在于，还包括：
检测所述可动元件的位置或位移的传感器，
所述磁通量分配控制部被构成为根据通过所述传感器检测到的可动元件的位置或位移，来控制所述磁通量的分配。
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