JP2001518598A - 磁気支持システム - Google Patents
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Abstract
Description
実例として、したがって物体は、まるでその環境から切り離されて、自由に浮遊
しているかのような挙動を示すことができることを観察可能である。その物体は
、プラットホーム、ワークトップ、またはテーブルであってよく、その上に、実
験構成物が構築され、したがって本発明は、このような実用例を後述する。しか
しながら、他の実用例、たとえば位置決めシステムにおける特定部品もまた可能
であることは理解され得るであろう。
振動しないように、すなわち環境振動が前記プラットホームとその上に構築され
た実験構成物に感じられてはならないということである。このことは、前記プラ
ットホームを固定物(床)に関して、たとえば重力に抗して何とかして支持され
なければならないという問題を必要とするが、前記固定物には一般的に振動が存
在する。
すことができる。外界の振動は、ばね系に長さの変化を生じさせ、その長さの変
化は、ばね系によって前記プラットホームに作用する力Fの変化に置換えられる
。その力Fは、一般的に周知の数式によって記述される。
ムの場合、kはできるだけ小さいことが望ましい。
体におけるゴムブロックまたはサスペンションにおける長尺かつ弱いばねに組込
まれ、前記プラットホームは、大質量体を有して構成される、または大質量体に
取付けられる。前記緩衝要素の低剛性によって、力の変化は相対的に低く、前記
プラットホームの大質量体によって、力の変化によって生じる振動の振幅は相対
的に小さい。しかしながら、この従来からのアプローチでは、不十分な結果を生
じる。
前記プラットホームの支持体が動作点を有し、該動作点において、剛性が零であ
るが、動作点まわりのある動作領域内において、剛性が特に低い値を有する。し
かしながら、零の剛性を有する周知の支持システムは多くの欠点を有し、以下に
さらに詳細に検討する。
原則として支持のために外部エネルギを必要とせず、簡単でかつコンパクトな構
成を有する零の剛性の支持システムを提供することである。
たは磁気的結合を含み、一方が前記プラットホームに正の剛性の斥力を作用させ
、他方が前記プラットホームに負の剛性の引力を作用させ、このようにして力の
合計が動作点において零の剛性を有する。
支持システムの好適な実施形態によって添付図面を参照して明確にされるであろ
う。該図面において、同一の参照符号が同一のまたは類似の部分に付される。
ン(B)の原理を示す。以下においては、プラットホームと固定物との関係に関
する総称的用語として、「結合」、「軸受」または「支持」という用語も用いら
れる。
ムを所定の位置に保持するために、前記プラットホームは引力を補償する抗力に
よって保持されなければならない。軸受の場合、前記プラットホーム1は、押圧
力F1を前記プラットホームに作用させる支持部材3に載置される。この押圧力
F1は支持部材3から離反する方向に向けられるので、この力もまた斥力として
言及される。サスペンションの場合、前記プラットホーム1は、引寄せ力F2を
前記プラットホームに作用させる懸架部材4から懸架される。この引寄せ力F2
は懸架部材4に向かう方向に向けられるので、この力もまた引力として言及され
る。
せ力F2は前記プラットホーム1に作用する引力Fzと正確に同じ大きさである
。
最少で3つのこのような部材3,4によって支持され、前記力の釣合いは全ての
部材3,4にともに適用される。それらの3つの部材3,4は、一直線ではない
3つの異なる位置に配置される。図1は、2つの異なる位置における2つの部材
3,4を示す。以下において、それらの異なる位置は「軸受位置」とも称され、
1つの軸受位置に配置される前記支持部材3および/または懸架部材4は「軸受
要素」とも称される。
、該力の釣合いにおいて、押圧力F1または引寄せ力F2は増加する。このこと
は、前記支持部材3がわずかに圧縮され、または前記懸架部材4がわずかに伸長
されることを伴う。静止した状態で、前記プラットホーム1の垂直方向変位Δz
および力の変化ΔFは、少なくとも良好な近似(Δzが微小な値)において、次
式に従って相互に比例する。 ΔF=kΔz …(1) ここで、kは剛性定数であり、その値は、特に、部材3,4の材料に依存する
。
化Δzを生じさせ、その結果、力の変化ΔFが前記プラットホーム1に作用させ
られる。それらの力の変化によって、振動が前記プラットホーム1に生じるであ
ろう。
小の実現可能な剛性定数kを有するようにそれぞれ設計される。前記支持部材3
は、たとえばゴムブロックであってもよい。前記懸架部材4は、たとえば長尺か
つ弱いばねであってもよい。さらに前記プラットホーム1の質量は、かなり大き
くなるように典型的に選ばれる。上述のように、それによって達成された結果は
、高い要求が振動しない程度に課せられるような適用のためには不十分である。
したがって、kが零である構成が必要である。
。そのサスペンションに関して、明確にするために、1つの軸受要素10だけが
図2に示される。プーリ11に掛けられたケーブル13によって、前記プラット
ホーム1は、釣合い錘12に取付けられる。したがって、その力は、これに関連
する位置に依存せず、前記プラットホームの振動は、少しでもあれば、ほとんど
前記固定物2に伝達されないであろう(kはその方向において零である)。理想
的な場合において、前記プラットホーム1が垂直方向に変位された場合、前記釣
合い錘12によって前記プラットホーム1に作用させられる引寄せ力F2は変化
しないということが理解されるであろう。しかしながら、図2の構成は、理想か
らかけ離れている。なぜなら前記固定物2における振動は、前記プーリ11およ
び前記ケーブル13を介して、前記プラットホーム1に直接伝達されるからであ
る。さらに、前記釣合い錘および前記プーリのために必要な空間がかなり大きく
なるという欠点がある。
近似において、零である。まず最初に、前記プラットホーム1はヘリカルばね2
1によって支持され、該ヘリカルばね21は図示される形状において、垂直押圧
力F1を作用させ、したがって図1Aの支持部材3と比較することができる。水
平に向けられた押圧ばね22、たとえば図示された板ばねによって、前記プラッ
トホーム1は、前記固定物2に側方から結合される。前記押圧ばね22は、長手
方向に従う方向に押圧力F3を作用させる。前記プラットホーム1が上方に移動
するとき、前記ヘリカルばね21によって作用させられる前記押圧力F1が減少
する。しかしながら、前記押圧ばね22はその水平位置から同時にかつわずかに
持ち上がり、前記押圧ばねによって作用させられる前記押圧力F3は垂直成分を
得る。適切に均衡の取れた設計において、このF3の垂直成分は、F1の減少を
正確に補償する。
記押圧ばね22によって与えられる機械的結合を介して、前記プラットホーム1
に直接伝達される。さらに、そのシステムは、10〜100Hzの範囲の特定の
振動数に特に敏感であり、その振動数が前記ばね21,22の共振振動数である
からである。さらに、前記ばね21,22はかなり大きな空間を占有する。さら
に、製造上の誤差のために、使用される前記ばね21,22の特性を正確に予測
することは特に困難である。このことは、このような軸受要素20の設計が特に
困難であることを意味するが、あったとしても、再現性はほとんどない。
似において、零である。前記プラットホーム1には、前記固定物2に接続される
磁気ヨーク22に間隔をあけて配置される電気コイル31が接続される。前記磁
気ヨーク22によって前記コイル31に作用させられる力(ローレンツ力FL= B・I・l)は、当業者によって理解されるように、前記コイル31の軸線方向
位置に依存しない。このローレンツ構成の重要な欠点は、使用中、多くの電気的
エネルギを特に必要とすることである。また、その結果、使用中、かなりの量の
熱が発生するという欠点がある。
ている。前記永久磁石は、構成の動作点における重力を補償するが、必要とされ
る剛性は零ではない。その結果、電磁石を用いて解決しようと試みる。このこと
は、複雑でコンピュータ制御されたレギュレータを必要とし、その構成は、かな
り多くのエネルギを必要とする。
つの協働する磁気的および/または静電気的結合を含み、それらの結合の各剛性
は、相互に異なる符号を有する。この局面は、磁気的結合の例として図5に大略
的に示される。図5Aにおいて、前記プラットホーム1と前記固定物2との間の
第1の磁気的結合は、参照符51によって特定され、前記プラットホーム1と前
記固定物2との間の第2の磁気的結合は、参照符52によって特定される。図示
される例において、それら2つの結合51,52は、軸線方向に一直線であり、
実質的に垂直方向に向けられる。言い換えれば、それら2つの結合51,52は
同一の垂直方向動作線に従って作用し、この方向はZ方向として言及されるであ
ろう。前記軸受要素50の軸受位置は、前記動作線のXおよびY座標によって定
められるが、これは、簡略化のために、図5には示されていない。
る。上述したように、図1Aおよび1Bに図示される状態において、前記プラッ
トホーム1が力の方向に抗して変位する場合、前記部材3および4によって作用
させられる力F1およびF2はそれぞれ増加する。逆に作用させられる力の方向
に変位する間、その作用させられる力は減少する。本発明の枠組内では、剛性k
(式1)がこのような状態において、負として言及されるであろう。
せられるいくつかの力が述べられた重要な局面の効果を示すように前記プラット
ホーム1の垂直方向位置に対してプロットされる。座標系の正のZ軸は、垂直方
向上方に向けられる。図5Bは、3つの曲線を示す。第1の曲線は、第1の磁気
結合51によって作用させられる引寄せ力F1に関する。第2の曲線は、第2の
磁気結合52によって作用させられる押圧力F2に関する。図5Bは、各磁気結
合51および52に関連する剛性k51およびk52がそれぞれ異なる符号であり、
k51は正であり、負であることを明確に示している。この点に関して、剛性k51 ,k52がzの関数として一定である必要はないことがわかる。このことは、図5
Bにおいて、F1およびF2の曲線の曲率によって示されている。
)。この位置Z0は、動作点として言及される。
性は、一般的に、もはや正確には零に等しくはないが、微小な正または負の値を
有し、該値はzの関数としてk51およびk52を正確にたどる。しかしながら、前
記有効剛性kTOTが実際には受け入れることができる予め定める極限値よりも小 さい範囲内で、z0まわりの動作領域を設定することができるであろう。
、k51およびk52がz0まわりの特定領域において反対の符号を有していれば十 分であることが観察される。
52は永久磁石を用いて確立される。永久磁石は以下の利点を組合せている。
を必要としない。
対的に大きな力を作用させることができる。
0は、前記固定物2に関して固定された第1の永久磁石61を含み、前記第1の
永久磁石61の磁軸62は、少なくとも実質的に垂直方向に向けられる。前記軸
受要素50は、前記プラットホーム1に関して固定される第2の永久磁石63を
さらに含み、前記第2の永久磁石63の磁軸64は、少なくとも実質的に垂直方
向に向けられ、少なくとも実質的に前記第1の永久磁石61の前記磁軸62と一
直線となる。前記2つの磁石61,63は、相互に斥力F2を作用させるように
相互に対向して設けられる同極を有し、図6において、前記2つの磁石61,6
3のN極は、相互に対向して設けられる。前記2つの磁石61,63の組合せは
、図5Aの負の剛性を有する前記第2の磁気結合52を定義する。
をさらに含み、該引寄せ部材65に前記第2の磁石63が引力F1を作用させる
。前記引寄せ部材65は、鉄などの磁性材料から成り、好ましくは磁気的に絶縁
されて、前記固定物2に関して、たとえばアルミニウムから成る支持体66を用
いて固定される。前記第2の磁石33および前記引寄せ部材35の組合せは、図
5Aの正の剛性を有する前記第1の磁気的結合51を定義する。
)、負の剛性を有する第2の永久磁場が存在し(磁気結合52)、両磁場が、こ
の場合前記プラットホーム1に垂直な成分を有する力を作用させるように、前記
プラットホーム1に作用することを全て共通に有する図6に示される実施形態の
変形を示す。
52を与えるように前記第1の磁石61と協働して排他的に存在する。前記第1
の磁気結合51を与えるように引寄せ部材65と協働するために、第3の永久磁
石71が存在し、該磁石71は前記プラットホーム1に関して固定され、その磁
軸72は前記磁軸62,64と一直線とされる。ここで前記第3の磁石71の方
位(N−SまたはS−N)が何の役割も果たさないことは理解されるであろう。
しかしながら、前記第3の磁石71をそのN極を下方に向けて配置することが賢
明であり、前記磁石71,63は相互に引付け合う。
によって置換えられ、その磁軸74は少なくとも実質的に垂直方向に向けられ、
少なくとも実質的に前記第2の永久磁石63の磁軸64と一直線とされる。前記
第4の永久磁石73は、前記第2の永久磁石63と同様な方位を有し、この場合
、このことは、前記第4の永久磁石73のN極が前記第3の永久磁石63のS極
に向けられることを意味する。
れる変形の組合せ、すなわち前記第3の磁石71および前記第4の磁石71の両
方が存在することもまた可能であることは明らかであろう。
作点z0を有することが説明された。実際には、本システムを正確にその動作点 z0において操作することは困難であろう。すなわち一旦本システムが前記動作 点z0からずれると、本システムはさらにずれ、さらにその動作点から離れるこ とになり、これは望ましくない。
とが可能であり、この場合、前記プラットホームを所望の位置に保持するために
、本システムによって前記プラットホームに作用させられる力は、その変化する
外力に適合されるべきである。言い換えれば、このような場合、前記軸受要素は
、振動がない状態を維持している間、外力に対抗するより大きな見掛けの剛性を
有することが好ましい。
動させることが望ましい。
力F0を変化させること、および/または固定された合力F0において前記動作点
z0をずらすことは簡単にできる。これに関して、原則として2つの変形(およ びその組合せ)が考えられる。すなわち第1の変形においては、前記永久磁石に
よって及ぼされる力が操作され(空隙の変化、図8A)、第2の変形においては
、追加の力が及ぼされ、その大きさが操作される(図8B)。
磁石61が軸線方向に、すなわちz方向に沿って変位することができる。こうし
て、本システムの静的設置が実現されるが、動的変化を補償することができる。
前記変位部材81は、制御部材83によって制御されるモータ82によって駆動
され、該制御部材83は、前記プラットホーム1の正確な位置に関する情報を非
接触位置センサ84から受取る。もちろん、前記引寄せ部材65または第4の永
久磁石71がz方向にそれぞれ変位されることもまた可能である。
5によって作用させられる。好ましくは、その外力は非接触であり、その外力発
生部85は、図示されるように、前記固定物2に関して固定された電気コイルで
ある。好ましくは、その外力発生部85は、図示されるように、前記プラットホ
ーム1に取付けられる、前記第2の永久磁石63などの永久磁石に結合され、前
記外力発生部85は引力と同様に斥力も作用させる。前記外力発生部85は、前
記プラットホーム1の正確な位置に関する情報を非接触位置センサ88から受取
る制御部材87によって制御される電源86によって与えられてもよい。
よい。
の磁石61,63には標準的にNdFeB磁石を使用することができ、前記磁石
はディスク形状および円形部分を有し、直径25mmおよび厚み(高さ)10m
mを有する。前記引寄せ部材65は鉄から成り、同様に円形部分を有するディス
ク形状を有し、直径72mmおよび厚み(高さ)10mmを有する。
mmの鉄ビーカ91内に配置される。前記ビーカ91の壁部は32mmの内径を
有する。前記磁石61と前記前記ビーカ91の壁部との間には、PVC位置決め
リング92が配置される。同様の理由のために、上部磁石63は、内径32mm
、外径50mm、高さ10mmを有する鉄製環状容器93内に配置される。前記
上部磁石63と前記環状容器93との間には、PVC位置決めリング94が配置
される。
ーカ91とは、相互に固定されるようにフレーム95上に設置される。前記引寄
せ部材65の底部側と前記下部磁石61の上部側との間の距離は、14mmであ
る。前記環状容器93は、軸線方向に変位可能なクランプ96に嵌まり込む。前
記クランプ96は、力センサ97(たとえば、ひずみゲージ)を含んでおり、前
記力センサ97は、環状容器93に軸線方向に作用する力を測定する。さらに、
前記構成は、前記環状容器93の位置を測定する距離センサ98を含む。
れているのはzであり、ここでは前記上部磁石63の底部側と前記下部磁石61
の上部側との距離を意味する。曲線Fは、環状容器93によって受けられる力を
示し(右側垂直軸線方向に沿う目盛り)、重力は含まない。曲線kは、これらの
測定値から計算された剛性を示す(左側垂直軸線方向に沿う目盛り)。動作点に
おけて、その力は約185Nである。動作点における剛性曲線の勾配は、約11
N/mm2であり、このことは動作点のまわりに(5(mの動作領域では、剛性が 55N/mであることを意味する。
本的には、前記プラットホーム1の1点に作用する永久磁石31,33の組合せ
に関して、非接触位置決めシステムがどのようにして実現されるかが述べられて
いる。前記プラットホーム1の全支持体は最少で3つのサスペンションの組合せ
(一直線ではない)によって達成されることが、垂直方向に関する限り当業者に
よって理解される。もちろん、前記プラットホーム1は、2つの水平方向(X,
Y)にも位置決めされなければならない。まず、従来手段がそのために用いられ
る。しかしながら、全ての6つの機械的自由度(X,Y,Z方向の平行移動およ
びX,Y,Z軸まわりの回転)において零の剛性が達成される意味で、さらに改
良された位置決めシステムも必要である。このような要求は問題をかなり複雑化
し、これは、6自由度の運動が相互に独立して考えることができないからである
。さらに特に、横方向の剛性は一般的に零に等しくない。図6の前記磁石31,
33に関して以下のことが判る。前記プラットホーム1が特定の距離にわたって
右に変位すると仮定すると、前記2つの磁石31,33間の反発押圧力は、水平
方向成分を得る。
れた実施例には制限されないが、本発明の概念の枠組み内で、本発明に従う支持
システムの示された実施例を変更または修正することは、当業者によって理解さ
れるであろう。たとえば、より大きな、またはより小さな磁石が用いられ、ある
いは複数の磁石が平行に配置されることが可能である。
石63が省略されてもよい。
が記述されている。しかしながら、本発明が水平方向または他方向に力が作用す
ることに関しても明らかであろう。
位において零の剛性を生ずることが説明される。完全なものにするために、記述
されたような構造は、任意の軸線まわりで回転する間、零の剛性を生じ、全体で
4自由度において零の剛性が与えられる。
て説明した。しかしながら、本発明は静電気的結合(力場)によっても実現され
、静電気的結合は、たとえばエレクトレットが用いられる。
好ましいものであるが、本発明が電磁石を用いて応用できることは明らかである
。
。
に示す。
の本発明に従う原理を大略的に示す。
形である。
び/または可変にするための構成を大略的に示す。
Claims (14)
- 【請求項1】 零の剛性を与えるための、軸受要素(50)における2つの永
久磁石(61,63)の用途。 - 【請求項2】 支持システム用軸受要素であって、 第1の磁石(61)と、 引寄せ部材(65)と、 前記第1の磁石(61)と前記引寄せ部材(65)との間に配置され、前記第
1の磁石(61)に斥力(F2)を作用させ、前記引寄せ部材(65)に引力(
F1)を作用させる第2の磁石(63)と、を含むことを特徴とする軸受要素。 - 【請求項3】 前記2つの力(F1,F2)は、実質的に一直線をなしている
ことを特徴とする請求項2記載の軸受要素。 - 【請求項4】 前記2つの力(F1,F2)は、相互に反対の符号の剛性(k 51 ,k52)を有し、動作点(z0)おいて、合力(FTOT=F1+F2)は、実質
的に零に等しい剛性(kTOT)を有することを特徴とする請求項2または3記載 の軸受要素。 - 【請求項5】 前記引寄せ部材(65)は、鉄などの磁性材料から成ることを
特徴とする請求項2〜4のうちのいずれかに記載の軸受要素。 - 【請求項6】 前記引寄せ部材(65)は、さらなる磁石(73)によって定
義されることを特徴とする請求項2〜4のうちのいずれかに記載の軸受要素。 - 【請求項7】 変位手段(81)が、前記第1の磁石(61)の軸線方向位置
および/または前記引寄せ部材(65)の軸線方向位置を変えるために設けられ
ることを特徴とする請求項2〜6のうちのいずれかに記載の軸受要素。 - 【請求項8】 第2の磁石(63)の軸線方向位置が実質的に一定に保持され
るように、前記変位手段(81)を制御するための手段(84,83,82)が
設けられることを特徴とする請求項7記載の軸受要素。 - 【請求項9】 外部磁場を発生させるための手段(85)が設けられることを
特徴とする請求項2〜8のうちのいずれかに記載の軸受要素。 - 【請求項10】 前記第2の磁石(63)の軸線方向位置が実質的に一定に保
持されるように、前記外部磁場を発生させる手段(85)を制御するための手段
(88,87,86)が設けられることを特徴とする請求項9記載の軸受要素。 - 【請求項11】 前記磁石は、永久磁石であることを特徴とする請求項2〜1
0のうちのいずれかに記載の軸受要素。 - 【請求項12】 前記永久磁石は、NdFeBなどの希土類金属から成ること
を特徴とする請求項11記載の軸受要素。 - 【請求項13】 物体(1)を振動なく、固定物(2)に関して支持する支持
システムであって、前記物体(1)に磁気的、電磁気的または静電気的引寄せ力
(F1)を作用させる手段と、前記物体(1)に磁気的、電磁気的または静電気
的押圧力(F2)を作用させる手段とを含み、前記2つの力(F1,F2)は、
相互に反対の符号の剛性(k51,k52)を有し、動作点(z0)において、合力 (FTOT=F1+F2)は実質的に零に等しい剛性(kTOT)を有することを特徴
とする支持システム。 - 【請求項14】 請求項2〜12のうちのいずれか1つに従う少なくとも1つ
の軸受要素を含み、前記第1の磁石(61)および前記引寄せ部材(65)は前
記固定物(2)に結合され、前記第2の磁石(63)は、前記物体(1)に結合
されることを特徴とする請求項13記載の支持システム。
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