JP2002254030A - 磁石バネを用いた振動機構及び衝突振動発生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁石バネを構成する永久磁石の持つ位置エネ
ルギー（静磁エネルギー）を変化させることにより、プ
レス機械等への応用が可能な振動機構及び衝突振動発生
方法を提供する。 【解決手段】振動機構１０は、磁石バネ４０を構成する
第２の永久磁石４２を励振させ、永久磁石４１，４２間
の空隙における静磁エネルギーを変化させることによ
り、磁石バネ４０を共振させ、共振時の弾性エネルギー
を利用して、運動体２０に、被衝突部材に連続的に衝突
して往復運動する衝突振動を生じさせる構造である。従
って、例えば、運動体２０及び少なくとも一方の被衝突
部材５０，６０に、刃などの治具を取り付け、高速プレ
ス機械等に応用した場合には、入力エネルギーを省力化
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁石バネを用いた振
動機構及び衝突振動発生方法に関し、より詳しくは、小
さな入力励振により磁石バネの静磁エネルギーを変化さ
せ、これを磁石バネの弾性エネルギーとして利用するこ
とにより、運動体を連続的に往復運動させて衝突振動を
発生させ、プレス機械等への応用が可能な磁石バネを用
いた振動機構及び衝突振動発生方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】サマリウム・コバルト磁石及びネオジム
・鉄・ボロン磁石に代表される希土類磁石などは、近
年、益々高性能化が進み、磁界中の永久磁石の持つ位置
エネルギー（静磁エネルギー）と磁石に働く力が大きく
なり、これらを組み合わせることによる小型のバネ構造
を永久磁石で作ることができるようになっている。機能
性材料である永久磁石は、外部の空間に磁束を安定して
供給し、磁界を発生するための電気エネルギーを必要と
しない。そのため、磁石バネとして利用するとメンテナ
ンスフリーで半永久的なバネ構造を作ることができる。
また、磁石バネは、物体を非接触で支持することができ
るため、摩擦、摩耗の問題が少なく、高速運動させるこ
とが可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、非接触制御
技術である磁気浮上を応用したものには、磁気浮上鉄
道、磁気浮上式搬送装置、ハンドリング装置、振動防止
装置、位置決め装置、金属浮揚溶解、磁気軸受けなど、
種々のものがある。しかしながら、磁石バネ構造におい
て、永久磁石自体に運動を与え、その磁界の変化を利用
した振動機構に関する研究は少ない。

【０００４】本発明は上記事情に鑑みなされたものであ
って、永久磁石自体に運動を与えて磁石バネ構造の新た
な用途を提案するものであり、具体的には、磁石バネを
構成する永久磁石の持つ位置エネルギー（静磁エネルギ
ー）を変化させることにより、プレス機械等への応用が
可能な振動機構及び衝突振動発生方法を提供することを
課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の本発明では、運動体と、前記運動体
を運動させる磁石バネと、前記運動体の運動方向に離間
して設けられた被衝突部材とを具備し、前記磁石バネを
構成する永久磁石間の空隙における静磁エネルギーを変
化させることにより、前記磁石バネを共振させ、共振時
の弾性エネルギーを利用して、前記運動体に、被衝突部
材に連続的に衝突して往復運動する衝突振動を生じさせ
る構造であることを特徴とする磁石バネを用いた振動機
構を提供する。請求項２記載の本発明では、運動体と、
前記運動体を支持し、その運動方向を制御する支持部材
と、略対向して配置された永久磁石対を有し、前記運動
体を運動させる磁石バネと、前記運動体の運動方向に離
間して設けられた被衝突部材とを具備し、前記磁石バネ
を構成する永久磁石の一方を励振させ、永久磁石間の空
隙における静磁エネルギーを変化させることにより、前
記磁石バネを共振させ、共振時の弾性エネルギーを利用
して、前記運動体に、被衝突部材に連続的に衝突して往
復運動する衝突振動を生じさせる構造であることを特徴
とする磁石バネを用いた振動機構を提供する。請求項３
記載の本発明では、前記磁石バネが、前記運動体と共に
動作可能に設けられた第１の永久磁石と、前記第１の永
久磁石に対し、反発磁界を形成するように略対向して配
置され、アクチュエータから入力される入力励振により
任意の方向に往復運動し、第１の永久磁石との対向距離
及び対向面積のいずれか少なくとも一方の変化によって
第１の永久磁石との空隙間における静磁エネルギーを変
化させる第２の永久磁石とを備えて構成されることを特
徴とする請求項１又は２記載の振動機構を提供する。請
求項４記載の本発明では、前記磁石バネと他のバネ部材
とからなり、両者の重畳されたバネ定数が、負荷質量と
の平衡点で擬似的に略０である複合バネを有することを
特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の振動機構
を提供する。請求項５記載の本発明では、前記運動体に
衝突振動を生じさせる外乱を付与するインパルス入力手
段を具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれか
１に記載の磁石バネを用いた振動機構を提供する。請求
項６記載の本発明では、前記運動体と被衝突部材との間
隔が、励振する永久磁石の変位振幅の２倍以下に設定さ
れていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に
記載の磁石バネを用いた振動機構を提供する。請求項７
記載の本発明では、運動体を、略対向して配置された永
久磁石間の空隙における静磁エネルギーを変化させるこ
とにより、該永久磁石を有する磁石バネを共振させ、共
振時の弾性エネルギーを利用して、前記運動体に、離間
して設けられた被衝突部材に連続的に衝突して往復運動
する衝突振動を生じさせることを特徴とする衝突振動発
生方法を提供する。請求項８記載の本発明では、運動方
向を制御する支持部材により支持された運動体を、略対
向して配置された永久磁石対の一方を励振させ、永久磁
石間の空隙における静磁エネルギーを変化させることに
より、該永久磁石対を有する磁石バネを共振させ、共振
時の弾性エネルギーを利用して、前記運動体に、離間し
て設けられた被衝突部材に連続的に衝突して往復運動す
る衝突振動を生じさせることを特徴とする衝突振動発生
方法を提供する。請求項９記載の本発明では、前記磁石
バネが、前記運動体と共に動作可能に設けられた第１の
永久磁石と、第１の永久磁石に対して、反発磁界を形成
するように略対向して配置された第２の永久磁石とを備
えて構成され、前記第２の永久磁石を、アクチュエータ
から入力される入力励振により任意の方向に往復運動さ
せ、第１の永久磁石との対向距離及び対向面積のいずれ
か少なくとも一方の変化によって第１の永久磁石との空
隙間における静磁エネルギーを変化させることを特徴と
する請求項７又は８記載の衝突振動発生方法を提供す
る。請求項１０記載の本発明では、前記運動体にインパ
ルスを入力することによって外乱を付与し、衝突振動を
生じさせることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１
に記載の衝突振動発生方法を提供する。

【０００６】

【発明の実施の形態】〈第１の実施形態〉以下、図面に
基づき本発明をさらに詳細に説明する。図１は、本発明
の第１の実施形態にかかる振動機構１０の実験モデルを
示す外観斜視図であり、運動体２０、磁石バネ４０、運
動体２０の上下に離間して配置された被衝突部材（上側
被衝突部材５０及び下側被衝突部材６０）を有して構成
される。

【０００７】運動体２０は、外枠フレーム１５内に配置
された平行クランク機構からなる支持部材３０の上部フ
レーム３１上に固定される第１の運動部２１と、上部フ
レーム３１の側部３１ａに固定され、該側部３１ａより
も多少下方に突出する形状を備えた第２の運動部２２と
を有して構成され、これにより上下方向に運動可能に配
設されている。支持部材３０は、運動体２０を上下方向
に運動可能に支持できればよく、平行クランク機構に限
定されるものではない。例えば、外枠フレームにリニア
ガイドを垂直方向に立設し、運動体２０を保持可能な板
状体などの任意形状の支持部材３０を、摩擦減衰を小さ
くするためボールベアリングを介して、リニアガイドに
沿って上下動可能に配設することもできる（図１５参
照）。

【０００８】ここで、符号２５は、上部フレーム３１上
に配置された重り部材である。本実施形態の振動機構１
０は、あくまで、実験モデルであるため、この重り部材
２５の調整により、運動体２０の負荷質量の調整を図る
構成としたものである。

【０００９】磁石バネ４０は、支持部材３０の上部フレ
ーム３１に固定される第１の永久磁石４１と、上部フレ
ーム３１に対してアーム部材３３を介して対向して配置
された下部フレーム３２に固定される第２の永久磁石４
２とを備えて構成されている。第１の永久磁石４１と第
２の永久磁石４２とは、図２のコンセプトモデルに示し
たように、同極同士を対向させて反発磁界を形成するよ
うに配設される。第１の永久磁石４１は、このように、
上部フレーム３１に固定されているため、運動体２０と
共に、下部フレーム３２に対して相対的に上下方向に運
動し得る構成となっている。なお、第１の永久磁石４１
及び第２の永久磁石４２は、単極磁石であってもよい
が、質量に対して効率の良い反発力を作るためには、多
極磁石が好ましく、中でも、図２に示したように、２極
磁石を用いることが好ましい。

【００１０】外枠フレーム１５を構成する隣接する一方
の対の垂直フレーム１５ａ，１５ａ間であって、上記の
第１の運動部２１の上方位置には、所定間隔離間して上
側被衝突部材５０が配設されている。また、外枠フレー
ム１５を構成する隣接する他方の対の垂直フレーム１５
ａ，１５ａ間であって、上記の第２の運動部２２の下方
位置には、水平フレーム１５ｂが掛け渡されており、こ
の水平フレーム１５ｂに、該水平フレーム１５ｂよりも
多少上方に突出する形状の下側被衝突部材６０が配設さ
れている。上側被衝突部材５０及び下側被衝突部材６０
は、第１の運動部２１及び第２の運動部２２が衝突した
際の衝撃を緩和するため、ウレタンゴム等の緩衝器を設
けておくことが好ましい。

【００１１】磁石バネ４０を構成する第２の永久磁石４
２は、第１の永久磁石４１とにより形成される磁界中の
各永久磁石の位置エネルギー（静磁エネルギー）を変化
させるため、任意のアクチュエータにより励振される構
成となっている。本実施形態では、このアクチュエータ
として、図４に示したように、垂直方向（Ｚ軸方向）に
所定の振幅及び所定の周波数で往復振動可能な加振機７
０を用いている。この加振機７０上に、上記の外枠フレ
ーム１５を載置し、振動させることにより、基台１５ｃ
に接続された支持部材３０の下部フレーム３２が振動せ
しめられる。

【００１２】加振機７０は、第２の永久磁石４２を垂直
方向に振動させることによって、第１の永久磁石４１と
の磁石間距離を変化させることにより、その間の静磁エ
ネルギーを変化させるものであるが、アクチュエータと
してはこれに限定されるものではなく、例えば、第２の
永久磁石４２をＸ軸、Ｙ軸方向に動作させることができ
るボイスコイルモータ８０を用いることもできる（図１
５参照）。これにより、第２の永久磁石４２と第１の永
久磁石４１との対向面積が増減することになり、両者間
の静磁エネルギーが変化せしめられる。

【００１３】〈第２の実施形態〉図３は、本発明の第２
の実施形態にかかる振動機構１０’のコンセプトモデル
を示す図である。本実施形態においては、支持部材３０
を構成する平行クランク機構の上部フレーム３１に金属
バネ（引張りコイルスプリング）３５を係合して平衡点
付近において上記磁石バネ４０と反対の負のバネ定数を
備え、磁石バネ４０との重畳したバネ定数が平衡点付近
において擬似的に略０となる不感帯を有している。但
し、この点を除いては、図１及び図２に示した振動機構
１０と同様であり、上記実施形態と同一の部材について
は同じ符号で示す。

【００１４】すなわち、図１及び図２に示した第１の実
施形態にかかる振動機構１０を構成する磁石バネ４０
は、図６に示した荷重特性から明らかなように、非線形
バネであるが、図３に示した第２の実施形態にかかる振
動機構１０’は、磁石バネ４０の非線形のバネ定数に対
し、金属バネ３５の負の線形のバネ定数が重畳される結
果、平衡点付近においては、図７に示したように、グラ
フの傾きがほとんどないバネ定数略０となる荷重特性を
備えている機構である。

【００１５】次に、上記した各振動機構１０，１０’を
用いて衝突振動を発生させるメカニズムについて説明す
る。なお、実際に試作した実験モデルである各振動機構
１０，１０’の粘性減衰係数とクーロン摩擦力は、自由
振動波形から実験的に求める。減衰自由振動曲線の減衰
波形から全振幅を読み取りＸ軸、Ｙ軸にプロットした直
線の勾配と切片から求めた各振動機構１０，１０’の減
衰比は０．１５であり、それぞれのクーロン摩擦力は２
２Ｎ、４０Ｎである。

【００１６】ここに、振動機構１０の運動方程式は、

【数１】 となり、振動機構１０’の運動方程式は、

【数２】 で表される。

【００１７】アクチュエータとしては、図４に示した動
電型１軸加振機７０を用いた。この加振機７０により変
位励振を与えた際の振動機構１０の運動方程式は、

【数３】 となり、振動機構１０’の運動方程式は、

【数４】 で表される。なお、ｘは運動する質量の変位、ｙは外乱
による変位励振を示し、それぞれの振幅をＸ，Ｙとす
る。ｚは相対変位を示し、振幅をａとする。

【００１８】これにより、振動機構１０の相対変位は、

【数５】 で与えられ、振動機構１０’の相対変位は、

【数６】 で与えられる。振動機構１０の位相遅れは、

【数７】 で与えられれ、振動機構１０’の位相遅れは、

【数８】 で与えられる。

【００１９】ここで、ｍは、上・下死点間を運動する質
量である。ｃは粘性減衰係数で、αは振動時の摩擦係数
を示し、Ｆはヒステリシスロス量を静的摩擦係数で割っ
た値である。ｋ_１，ｋ_３は荷重特性から得られる。変位
励振は、ｙ＝Ｙｃｏｓωｔである。βはｋ_３／ｋであ
り、ζは減衰比を示す。

【００２０】上記式を用いて解析した振動機構１０，１
０’の相対変位と位相遅れの解析値を図５に示す。な
お、図５において、ＥＭ１、ＥＭ２は、それぞれ振動機
構１０、振動機構１０’を示す。この解析結果から、動
電型１軸加振機７０に固定され、加振機７０により正弦
的に作用する上側被衝突部材５０及び下側被衝突部材６
０に対し、負荷質量を構成する重り部材２５を含む運動
体２０が、磁石バネ４０によって、又は磁石バネ４０と
金属バネ３５からなる複合バネによって、逆位相及び相
対変位を生じることがわかる。これにより、加振機７０
からの変位励振によって正弦的に運動する運動体２０
が、変位励振による入力振幅の２倍以下の位置で上側被
衝突部材５０及び下側被衝突部材６０に衝突・反発する
ことで、効率の良い衝突振動機構が得られると考えられ
る。

【００２１】次に、上記の解析結果を実験により明らか
にする。 [実験例１] （実験方法）最初に、正弦的に変化する力の作用によ
り、運動体２０に正弦的な運動を行わせる場合の変位
（入力）励振の入力振幅、入力周波数別の仕事での磁石
バネ−質量系の弾性エネルギー（負荷質量である重り部
材２５を含む運動体２０を支持する磁石バネ４０の弾性
エネルギー）を求める。弾性エネルギーは、力と相対変
位のリサージュ図形から求める。次に、負荷質量（重り
部材２５）、及び負荷質量によって変化する第１の永久
磁石４１と第２の永久磁石４２との磁石間距離を変数に
して連続的に発生する衝突振動の発生条件を探査し、そ
の出力状態を検証した。

【００２２】振動機構１０では、２極磁石対により作ら
れる磁石バネ４０の荷重特性が、負荷質量（重り部材２
５）の大きさを決めるため、その磁石間距離は、負荷質
量を変化させて調整した。図６の荷重特性に示したよう
に、磁石間距離２０，３０，４０ｍｍに対して、負荷質
量は、それぞれ３６，２２，１１．５ｋｇであった。

【００２３】一方、振動機構１０’は、金属バネ３５と
磁石バネ４０とからなる複合バネの荷重特性が、負荷質
量（重り部材２５）の大きさを決める。図７に示した荷
重特性から明らかなように、振動機構１０’の平衡点に
おける負荷質量は６３ｋｇであった。

【００２４】平衡点に位置する運動体２０を構成する第
１の運動部２１と上側被衝突部材５０との間隔は、上側
被衝突部材５０に厚さ１５ｍｍの硬度６０のウレタンゴ
ムを貼着した状態で５ｍｍに設定し、同じく第２の運動
部２２と下側被衝突部材６０との間隔は、下側被衝突部
材６０に厚さ１５ｍｍの硬度６０のウレタンゴムを貼着
した状態で５ｍｍに設定した。すなわち、運動体２０の
上下方向の変位量として±５ｍｍ（合計変位量１０ｍ
ｍ）を確保した。そして、外枠フレーム１５を加振機７
０に装着して、振幅０．２５，０．５，１．０，１．
５，２．０，２．５，３．０，３．５，４．０，４．
５，５．０ｍｍの正弦波で励振した。

【００２５】（実験結果）図８は、上記各場合の弾性エ
ネルギーを示す。振動機構１０においては、磁石間距離
が２０ｍｍの場合には、図８（ａ）に示したように、入
力振幅が２ｍｍまでは共振が発生せず、２ｍｍを越える
と４Ｈｚで共振し、入力振幅が３ｍｍを越えると図９に
示すような分数調波共振も発生した。磁石間距離が３０
ｍｍの場合には、図８（ｂ）に示したように、入力振幅
３ｍｍを境界として非共振と共振とに分かれ、磁石間距
離４０ｍｍの場合には、図８（ｃ）に示したように、入
力振幅５ｍｍが非共振と共振との境界となっていること
がわかる。また、磁石間距離４０ｍｍで負荷質量６３ｋ
ｇを不感帯で平衡させた振動機構１０’においては、５
ｍｍまでの入力振幅では非共振となることがわかる。

【００２６】図１０は、実験方法に示した条件で加振機
７０から変位励振を入力した場合の磁石バネ−質量系に
おける衝突振動の発生の有無を示す図である。（◎）
は、衝突振動のエネルギーが大きく、加振機７０が反力
に負けて制御不能に陥る場合、◎は、変位励振の入力で
衝突振動が安定してある場合、○は、外乱のハンマリン
グによるインパルス入力により、衝突振動が安定して生
ずる場合、△は、外乱のインパルス入力では衝突振動が
不安定になる場合、×は、外乱のインパルス入力を与え
ても衝突振動の発生がない場合である。

【００２７】この結果から、変位（入力）励振に対して
共振することにより、これをトリガーとして衝突振動が
生じることがわかる。また、図８及び図１０から、低周
波の主共振よりも、入力振幅３ｍｍを超えて周波数７〜
８Ｈｚで発生する分数調波共振を利用する方が、衝突振
動を生じさせやすいこともわかる。従って、入力振幅と
周波数は、衝突振動の生じ方に影響を与えることがわか
る。また、変位（入力）励振エネルギーが小さい場合で
も、外乱により瞬間的に、運動体２０が上側被衝突部材
５０及び下側被衝突部材６０に衝突するインパルス入力
を与えることにより、衝突振動が生じ、運動速度が上が
って速度一定となる周期関数を作ることができることが
わかる。従って、運動体２０の上下方向変位量が±５ｍ
ｍ（合計変位量１０ｍｍ）、磁石間距離が２０ｍｍ、負
荷質量３６ｋｇの場合で最も衝突振動を生じやすい環境
条件を作ることができると言える。

【００２８】また、ネオジム磁石バネのバネ定数をＫｍ
_５、磁石保持部に正弦的に作用する励振力の大きさをＦ
ｍ_５、各振動数をω_０、そして位相角をφ_５とする。ま
た、衝突部位の反発系数はα_５とする。電磁誘導による
力の発生も無視できるほどに小さく減衰係数も非常に小
さい場合には、衝突速度は、

【数９】 で与えられる。従って、衝突振動による速度には、バネ
定数が大きく関与することがわかる。

【００２９】ここで、図１１は、磁石間距離２０ｍｍに
おける×、○、◎の場合の力と変位のリサージュ図形を
示し、上側被衝突部材５０及び下側被衝突部材６０間を
速度一定で運動している様子がわかる。図１２は、入力
と出力との絶対変位時刻歴応答を示し、このうち、図１
２（ａ）は、磁石バネ−質量系に変位励振を与えた場合
で衝突が生じていない場合を示している。位相遅れは１
５８°となっており、図５に示した計算値に一致する。
図１２（ｂ）は、負荷質量にインパルス入力を与えて三
角波の衝突振動を生じさせた場合を示し、図１２（ｃ）
は、インパルス入力を与えずに、変位（入力）励振によ
り三角波の衝突振動が生じている場合を示す。

【００３０】一方、不感帯を有する上記振動機構１０’
について、図１３に、×、○、◎の場合の力と変位のリ
サージュ図形を示し、図１４に入力と出力の絶対変位時
刻歴応答を示す。不感帯を有する振動機構１０’は、共
振による弾性エネルギーに加えて、負荷質量が６３ｋｇ
と増えたため、運動体２０の運動エネルギーが増大する
ことから衝突振動を生じやすくなっていることがわか
る。

【００３１】〈第３の実施形態〉図１５は、本発明の第
３の実施形態にかかる振動機構１０’’を示す図であ
る。この図に示したように、本実施形態の振動機構１
０’’は、外枠フレーム１５にリニアガイド１５ｄを垂
直方向に立設し、運動体２０を保持可能な任意形状の支
持部材３０を、摩擦減衰を小さくするためボールベアリ
ングを介して、リニアガイド１５ｄに沿って上下動可能
に配設した構造である。また、図１５において、上下方
向に離間して反発系の一組の永久磁石４５，４６を固定
配置しているが、これは、第１の永久磁石４１と第２の
永久磁石４２を備えた磁石バネ４０のバネ定数の調整と
運動体２０が振動するのに必要な磁石間距離を得るため
に使用したものである。その他の構成は上記第１及び第
２の実施形態にかかる振動機構１０，１０’とほぼ同様
である。

【００３２】アクチュエータは任意であり、上記実施形
態と同様に、加振機７０を用いることもできるが、第２
の永久磁石４２に水平方向の振動を付与できるボイスコ
イルモータ８０を使用することもできる。なお、本実施
形態にかかる実験モデルである振動機構１０’’を用い
た以下の実験例２においては、アクチュエータとしてボ
イスコイルモータ８０を使用し、図１６（ａ）のコンセ
プトモデル及び図１７に示したように、Ｘ軸方向又はＹ
軸方向に変位させた。実験例３においては、同様に、ボ
イスコイルモータ８０を使用した場合と、図１６（ｂ）
のコンセプトモデル及び図１７に示したように、加振機
を用いてＺ軸方向に振動させた場合について検証した。

【００３３】[実験例２]まず、本実験例においては、図
１６（ａ）のコンセプトモデルに示したように、第３の
実施形態にかかる振動機構１０’’に関する入出力特性
を検討した。磁石バネ４０に用いた各永久磁石４１，４
２は、７５×７５×２０（ｍｍ）の直方体のネオジム磁
石で、磁石の種類は単極磁石と２極磁石の２種類であ
る。 （実験方法）図１６（ａ）に示したように、第１の永久
磁石４１の端面に対し、第２の永久磁石４２を水平方向
の距離で２５ｍｍずらした状態を原点にして、第２の永
久磁石４２をボイスコイルモータ８０により振動させ
て、両者の対向面積を変化させることにより、運動体２
０を上下振動させることにより行った。また、この実験
は次の５つのタイプの磁石バネ４０について行い、入出
力特性を探査した。

【００３４】・タイプＩ ａ）第１の永久磁石４１と第２の永久磁石４２の距離
（磁石間距離）：６１ｍｍ ｂ）磁石の種類：反発系の２極磁石 ｃ）振動方向：Ｘ軸方向 ｄ）運動体２０の負荷質量：１１．６６ｋｇ ・タイプＩＩ ａ）磁石間距離：５５ｍｍ ｂ）磁石の種類：反発系の２極磁石 ｃ）振動方向：Ｘ軸方向 ｄ）運動体２０の負荷質量：１１．６６ｋｇ ・タイプＩＩＩ ａ）磁石間距離：５６ｍｍ ｂ）磁石の種類：反発系の２極磁石 ｃ）振動方向：Ｙ軸方向 ｄ）運動体２０の負荷質量：１１．６６ｋｇ ・タイプＩＶ ａ）磁石間距離：６６ｍｍ ｂ）磁石の種類：反発系の単極磁石 ｃ）振動方向：Ｘ軸方向 ｄ）運動体２０の負荷質量：１１．６６ｋｇ ・タイプＶ ａ）磁石間距離：６１ｍｍ ｂ）磁石の種類：反発系の２極磁石 ｃ）振動方向：Ｘ軸方向 ｄ）運動体２０の負荷質量：５２．６６ｋｇ

【００３５】なお、上記各タイプの荷重特性は、図１８
に示したとおりであった。また、ボイスコイルモータ８
０の初期設定は、振幅１５ｍｍの正弦波を入力（変位）
励振力とし、０．５Ｈｚ〜１０Ｈｚまで、それぞれ０．
５Ｈｚ刻みで周波数を変化させて測定した。但し、図１
９に示すように、最大励振振幅は、ボイスコイルモータ
８０の性能上の問題から、周波数の増大につれて１５ｍ
ｍから次第に小さくなっている。

【００３６】（実験結果）図１９から、タイプＩＩＩ、
タイプＩＶ及びタイプＶについては、共振による弾性エ
ネルギーが、ボイスコイルモータ８０の推力を超え、逆
にボイスコイルモータ８０に影響を与え、ボイスコイル
モータ８０の入力（変位）励振振幅が一定値を保つこと
ができずに、入力励振振幅を小さくさせる現象が生じて
いることがわかる。すなわち、磁石バネ振動系は、同一
の構成要素からなる振動系であっても、その平衡状態か
らの磁界の変化の仕方、つまり、磁場勾配の差により、
入力となる変位励振を付与するボイスコイルモータ８０
自体にも影響を与える大きなエネルギーを発生する場合
があることがわかる。

【００３７】図２０は、上記各タイプにかかる磁石バネ
の０．５、３．５、６．０Ｈｚにおける運動体２０の変
位と慣性力のリサージュ図形を示す。ここで、各タイプ
における第２の永久磁石４２を水平方向に動かした場合
に、運動体２０との間に生ずる垂直方向の１サイクル当
たりの励振力によってなされる仕事ΔＷ２は、図２０に
示される慣性力を利用して、

【数１０】 により求められる。但し、Ｐ_ｚ＝ｍ_ｐｚａ_０ｚω_ｚ ^２と
なり、ａ_０ｚは図２０（ａ）から求められる運動体２０
の変位量を示す。また、粘性減衰係数とクーロン摩擦力
は、自由振動波形から実験的に求め、ボールベアリング
によるリニアガイド１５ｄにより、クーロン摩擦力を小
さく得られているため、一定の摩擦抵抗の代わりにこれ
と等価の粘性抵抗を用いることにし、減衰比ζ_ｘ，ζ_ｚ
は、共に０．０６２とした。

【００３８】また、第２の永久磁石４２を、第１の永久
磁石４１との対向面積を変更するため水平方向に振動さ
せるのに必要な水平方向振動の１サイクル当たりの励振
力によってなされる仕事ΔＷ１は、図２０（ｂ）の変位
ａ_０ｘと図２１（ｂ）のバネ定数比ｋ_ｐｘを利用して、

【数１１】 により求められる。

【００３９】なお、図２１（ａ）は、各タイプＩ〜Ｖに
おいて反発系におかれた第２の永久磁石４２を水平方向
に動かした場合の垂直方向と水平方向の静的な荷重特性
を示し、図２１（ｂ）は水平方向と垂直方向とのバネ定
数比を示す。

【００４０】そして、ボイスコイルモータ８０の動力を
入力として第２の永久磁石４２の振動による仕事をＷ１
とし、第１の永久磁石４１と第２の永久磁石４２とによ
りなされる反発系の磁石バネ４０の振動による仕事Ｗ２
として、上記の計算式より各仕事を求めると図２２のよ
うになる。但し、磁石バネ４０の共振により計測が不可
能となったタイプＩＩＩとタイプＩＶの共振時における
仕事は計算されていない。また、タイプＶの共振時の仕
事は参考値である。

【００４１】図２２のタイプＩとタイプＩＩの仕事の比
較から、減衰の小さい反発系の磁石バネの入出力エネル
ギー特性は、磁石間距離を小さくして振動させると共振
点付近で水平方向の第２の永久磁石の振動による仕事Ｗ
１と、垂直方向の反発系の磁石バネ４０による仕事Ｗ２
の差が大きくなることがわかる。また、図２１（ｂ）及
び図２２から明らかなように、入出力のバネ定数比が小
さいタイプＩＩＩの出力エネルギーが最も大きく、タイ
プＩＶ、ＩＩ、Ｉの順に出力エネルギーが小さくなり、
バネ定数比を小さくすることにより、出力効率が良くな
ることがわかる。なお、タイプＶにおいて出力エネルギ
ーが大きくなるのは、バネ定数と負荷質量の影響で、運
動エネルギーが増大していることによる。

【００４２】[実験例３]次に、第３の実施形態にかかる
振動機構１０’’を用い、運動体２０を、上側被衝突部
材５０及び下側被衝突部材６０間で衝突振動を生じさ
せ、その応答を検証した。なお、ボイスコイルモータ８
０及び加振機の能力から、第２の永久磁石４２の大きさ
は、５５×５５×２０ｍｍとした。このため、運動体２
０の質量は１１．２１７ｋｇであった。実験は次の４つ
のタイプについて行った。

【００４３】（実験方法） ・タイプＶＩ タイプＶＩの実験は、第１の永久磁石４１と第２の永久
磁石４２の距離（磁石間距離）を２５ｍｍとし、図１６
（ｂ）に示したように、アクチュエータとして加振機７
０によりＺ軸方向に振幅２．５ｍｍの正弦波励振を与え
た。入出力の加速度及び変位は、それぞれレーザ変位
計、加速度ピックアップで検出した。振動波形は、振動
系により時系列波形として計測した。

【００４４】・タイプＶＩＩ〜ＩＸ 図１６（ａ）に示したように、アクチュエータとしてボ
イスコイルモータ８０を用いて、第２の永久磁石４２を
水平方向に振動させた。ボイスコイルモータ８０の入力
変位と入力加速度はポテンショメータと加速度ピックア
ップにより測定し、運動体２０の変位はレーザ変位計と
加速度ピックアップで測定し、それを振動系に出力し
た。第２の永久磁石４２の原点は対向面積が最大となる
位置から２０ｍｍ変位した位置とした。そして、反発系
の磁石バネで構成されるタイプＶＩＩ、ＶＩＩＩは、そ
れぞれＸ軸、Ｙ軸方向にボイスコイルモータ８０で、図
１９に示すように最大励振振幅１５ｍｍの正弦波励振を
与え、１Ｈｚ〜８Ｈｚまで、１Ｈｚ刻みで周波数を変化
させて測定を行った。タイプＩＸは、対向面積が最大に
なるときに吸引系となるように各永久磁石４１，４２の
極配置を行い、Ｙ軸方向に第２の永久磁石４２を振動さ
せた。なお、上側被衝突部材５０及び下側被衝突部材６
０に対する、運動体２０の第１の運動部２１及び第２の
運動部２２の各距離は、衝突振動の可否で調整を行いな
がら設定した。

【００４５】（実験結果）第２の永久磁石４２の工程別
衝突振動の発生状況を表１に示す。△は上側被衝突部材
５０及び下側被衝突部材６０のいずれか一方に衝突する
場合、○は外部入力としてハンマリングによりインパル
スを与えることで衝突振動が発生する場合、◎はインパ
ルスを与えないでも衝突振動が発生する場合である。

【００４６】

【表１】

【００４７】表１から明らかなように、タイプＶＩで
は、共振点の４Ｈｚから衝突し始め、共振点を超える５
Ｈｚにおいてはインパルスを与えることにより衝突振動
が発生した。タイプＶＩＩは、共振点が３Ｈｚにある
が、４Ｈｚで衝突振動が発生した。タイプＶＩＩＩ，Ｉ
Ｘは、衝突振動が１〜４Ｈｚで発生し、５Ｈｚでインパ
ルスを与えた場合にも衝突振動が発生した。しかしなが
ら、タイプＶＩＩ〜ＩＸにおいては、○以降の高い周波
数では衝突振動が発生しなかった。これはボイスコイル
モータ８０の入力変位が図１９のように減少するため、
十分な静磁エネルギーの変化が生じなかったためと考え
られる。

【００４８】ここで、図２３は、タイプＶＩ〜ＩＸまで
の第２の永久磁石４２を水平方向に動かした場合の垂直
方向と水平方向の静的な荷重特性を示し、図２４は水平
方向と垂直方向とのバネ定数比を示す。この図からも、
磁場勾配は、タイプＶＩＩＩが大きく、タイプＩＸ、タ
イプＶＩＩ、タイプＶＩの順で小さくなることがわか
る。

【００４９】図２５〜図２８に上記各タイプの入力と出
力（応答）、インパルスを与えた場合と与えない場合の
それぞれの衝突振動の時系列波形、及び変位と力のリサ
ージュ図形を示す。これらから、第２の永久磁石４２の
行程、つまり静磁エネルギーの変化のさせ方で衝突振動
の発生周波数と変位振幅、及び慣性力の大小を選択でき
ることがわかる。また、結果的には、タイプＶＩの垂直
振動による入力とインパルスを与えての応答（出力）
が、上記各タイプの中で最も効率の良い機械的増幅作用
であることがわかった。

【００５０】上記した各実験結果をまとめると、磁石バ
ネを用いた振動機構においては、次のことが明らかとな
った。 （１）実験例１より、磁石バネの共振による弾性エネル
ギーは、トリガーとして機能し、変位（入力）励振を、
速度一定の三角波で大きな変位と衝撃力を持つ衝突振動
に増幅させることができること、すなわち、運動体と被
衝突部材までの距離の最適化を図ることにより、逆位相
と相対変位による定常的な衝突振動が生じることが明ら
かになった。また、変位（入力）励振の振幅と励振周波
数により、出力となる三角波の振幅と周波数を制御可能
であることがわかった。また、変位励振が小さくても外
乱としてインパルス入力を与えることにより共振させ、
増幅させることができること、低周波の主共振を利用す
るよりも、分数調波共振を利用することにより衝突振動
を生じさせやすくなることが明らかとなった。また、不
感帯を有する磁石バネを用いることにより、磁石バネと
金属バネから構成される複合バネを有するため、不感帯
における運動体の負荷質量を磁石バネ単独の場合と比較
して大きく、大きな慣性力を作り出すことができ、衝突
振動を生じさせやすい。

【００５１】（２）実験例２及び実験例３より、変位
（入力）励振に対する出力特性は、磁場勾配の大きなと
ころを利用した方が大きな出力エネルギーが得られる
が、この場合には磁場勾配の大きなところで変位励振さ
せる入力エネルギーが大きくなる。これに対し、入出力
のバネ定数比を小さくし、磁場勾配の低いところを利用
して小さい力で静磁エネルギーを変化させても、外乱に
よるインパルス入力を併用することにより、定常的な大
きな三角波の衝突振動を生じさせることができ、出力効
率を高めることができることが明らかとなった。

【００５２】なお、上記した各実験例において、外乱と
してのインパルス入力は、実験実施者によるハンマリン
グによって行ったが、振動機構１０，１０’，１０’’
を、プレス機械等に応用する段階にあって、運動体２０
に対して所定の力で所定のタイミングで自動的に衝撃を
付与できるハンマー装置等の任意のインパルス入力手段
を設けておくことが好ましい。

【００５３】また、磁石バネの構造は、上記実施形態に
限定されるものではなく、例えば、図２９に示したよう
に、反発磁界を形成し得るように略対向して配置され永
久磁石対から構成されるか、あるいは略円筒形状の永久
磁石から構成される外側磁石（上記実施形態の第２の永
久磁石に相当）４２’内に、挿入磁石（上記実施形態の
第１の永久磁石に相当）４１’を挿入配置した構造の周
期磁界型磁気回路を形成する磁石バネ４０’を用いるこ
ともできる。この磁石バネ４０’によれば、例えば、外
側磁石４２’を上記の加振機７０等のアクチュエータに
よって上下方向に励振することにより、挿入磁石４１’
が相対変位して、両者間の静磁エネルギーを変化させる
ことができる。従って、図２９に示したように、挿入磁
石４１’に支持部材３０を介して負荷質量を備えた運動
体２０を支持させると共に、該運動体２０が衝突可能な
被衝突部材（図示せず）を配設することにより、上記各
実施形態と同様に、衝突振動を発生させることができ
る。

【００５４】

【発明の効果】上記した説明から明らかなように、本発
明の振動機構及び衝突振動発生方法によれば、磁石バネ
を構成する永久磁石を励振させ、永久磁石間の空隙にお
ける静磁エネルギーを変化させることにより、磁石バネ
を共振させ、共振時の弾性エネルギーを利用して、運動
体に、被衝突部材に連続的に衝突して往復運動する衝突
振動を生じさせることができる。従って、例えば、運動
体及び少なくとも一方の被衝突部材に、刃などの治具を
取り付け、高速プレス機械等に応用した場合には、入力
エネルギーを省力化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１の実施形態にかかる振動
機構の実験モデルを示す斜視図である。

【図２】図２は、図１に示した振動機構のコンセプトモ
デルを示す図である。

【図３】図３は、本発明の第２の実施形態にかかる振動
機構のコンセプトモデルを示す図である。

【図４】図４は、上記各実施形態でも用いた加振機を示
す斜視図である。

【図５】図５は、上記各実施形態で用いた振動機構の振
動特性を示す図である。

【図６】図６は、第１の実施形態にかかる振動機構の静
的な荷重−変位特性を示す図である。

【図７】図７は、第２の実施形態にかかる振動機構の静
的な荷重−変位特性を示す図である。

【図８】図８は、異なる平衡点における変位励振の振幅
と弾性エネルギーの関係を示す図である。

【図９】図９は、変位の時刻歴応答を示す図である。

【図１０】図１０は、異なる平衡点における衝突振動の
発生状況を示す図である。

【図１１】図１１は、磁石間距離２０ｍｍにおける力と
変位のリサージュ図形である。

【図１２】図１２は、入力と出力との絶対変位時刻歴応
答を示す図である。

【図１３】図１３は、不感帯を有する振動機構の力と変
位のリサージュ図形である。

【図１４】図１４は、不感帯を有する振動機構の入力と
出力との絶対変位時刻歴応答を示す図である。

【図１５】図１５は、本発明の第３の実施形態にかかる
振動機構の実験モデルを示す斜視図である。

【図１６】図１６（ａ）は、アクチュエータとしてボイ
スコイルモータを用いた場合のコンセプトモデルを示
し、図１６（ｂ）は、アクチュエータとして加振機を用
いた場合のコンセプトモデルを示す図である。

【図１７】図１７は、第２の永久磁石の変位励振方向を
模式的に示す図である。

【図１８】図１８は、実験例で用いたタイプＩ〜Ｖにか
かる磁石バネの荷重−変位特性を示す図である。

【図１９】図１９は、上記各タイプにかかる磁石バネの
最大振幅を示す図である。

【図２０】図２０は、上記各タイプにかかる磁石バネに
おける運動体の変位と慣性力のリサージュ図形である。

【図２１】図２１（ａ）は、上記各タイプＩ〜Ｖにおい
て反発系におかれた第２の永久磁石を水平方向に動かし
た場合の垂直方向と水平方向の静的な荷重特性を示し、
図２１（ｂ）は水平方向と垂直方向とのバネ定数比を示
す図である。

【図２２】図２２は、上記各タイプの仕事を示す図であ
る。

【図２３】図２３は、実験例３で用いたタイプＶＩ〜Ｉ
Ｘまでの第２の永久磁石を水平方向に動かした場合の垂
直方向と水平方向の静的な荷重特性を示す図である。

【図２４】図２４は、水平方向と垂直方向とのバネ定数
比を示す図である。

【図２５】図２５（ａ）は、タイプＶＩにおいてインパ
ルスを与えた場合と与えない場合のそれぞれの衝突振動
の時系列波形を示す図であり、図２５（ｂ）は、変位と
力のリサージュ図形である。

【図２６】図２６（ａ）は、タイプＶＩＩにおいてイン
パルスを与えた場合と与えない場合のそれぞれの衝突振
動の時系列波形を示す図であり、図２６（ｂ）は、変位
と力のリサージュ図形である。

【図２７】図２７（ａ）は、タイプＶＩＩＩにおいてイ
ンパルスを与えた場合と与えない場合のそれぞれの衝突
振動の時系列波形を示す図であり、図２７（ｂ）は、変
位と力のリサージュ図形である。

【図２８】図２８（ａ）は、タイプＩＸにおいてインパ
ルスを与えた場合と与えない場合のそれぞれの衝突振動
の時系列波形を示す図であり、図２８（ｂ）は、変位と
力のリサージュ図形である。

【図２９】図２９は、周期磁界型磁気回路を形成する磁
石バネを模式的に示した図である。

【符号の説明】

１０ 振動機構 １０’ 振動機構 ２０ 運動体 ３０ 支持部材 ４０ 磁石バネ ４０’ 磁石バネ ４１ 第１の永久磁石 ４２ 第２の永久磁石 ５０ 上側被衝突部材 ６０ 下側被衝突部材 ７０ 加振機 ８０ ボイスコイルモータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小倉 由美 広島県広島市安芸区矢野新町一丁目２番10 号 株式会社デルタツーリング内 (72)発明者 小島 重行 広島県広島市安芸区矢野新町一丁目２番10 号 株式会社デルタツーリング内 (72)発明者 中川 紀壽 広島県東広島市鏡山２丁目360番地ががら 第二職員宿舎１−503 (72)発明者 曽賀 紀夫 広島県東広島市西条町田口2585東子ハイツ Ａ−108 Ｆターム(参考） 5D107 AA03 BB09 CC09 CC12 DE01

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 運動体と、 前記運動体を運動させる磁石バネと、 前記運動体の運動方向に離間して設けられた被衝突部材
   とを具備し、 前記磁石バネを構成する永久磁石間の空隙における静磁
   エネルギーを変化させることにより、前記磁石バネを共
   振させ、共振時の弾性エネルギーを利用して、前記運動
   体に、被衝突部材に連続的に衝突して往復運動する衝突
   振動を生じさせる構造であることを特徴とする磁石バネ
   を用いた振動機構。
2. 【請求項２】 運動体と、 前記運動体を支持し、その運動方向を制御する支持部材
   と、 略対向して配置された永久磁石対を有し、前記運動体を
   運動させる磁石バネと、 前記運動体の運動方向に離間して設けられた被衝突部材
   とを具備し、 前記磁石バネを構成する永久磁石の一方を励振させ、永
   久磁石間の空隙における静磁エネルギーを変化させるこ
   とにより、前記磁石バネを共振させ、共振時の弾性エネ
   ルギーを利用して、前記運動体に、被衝突部材に連続的
   に衝突して往復運動する衝突振動を生じさせる構造であ
   ることを特徴とする磁石バネを用いた振動機構。
3. 【請求項３】 前記磁石バネが、 前記運動体と共に動作可能に設けられた第１の永久磁石
   と、 前記第１の永久磁石に対し、反発磁界を形成するように
   略対向して配置され、アクチュエータから入力される入
   力励振により任意の方向に往復運動し、第１の永久磁石
   との対向距離及び対向面積のいずれか少なくとも一方の
   変化によって第１の永久磁石との空隙間における静磁エ
   ネルギーを変化させる第２の永久磁石とを備えて構成さ
   れることを特徴とする請求項１又は２記載の振動機構。
4. 【請求項４】 前記磁石バネと他のバネ部材とからな
   り、両者の重畳されたバネ定数が、負荷質量との平衡点
   で擬似的に略０である複合バネを有することを特徴とす
   る請求項１〜３のいずれか１に記載の振動機構。
5. 【請求項５】 前記運動体に衝突振動を生じさせる外乱
   を付与するインパルス入力手段を具備することを特徴と
   する請求項１〜４のいずれか１に記載の磁石バネを用い
   た振動機構。
6. 【請求項６】 前記運動体と被衝突部材との間隔が、励
   振する永久磁石の変位振幅の２倍以下に設定されている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載の磁
   石バネを用いた振動機構。
7. 【請求項７】 運動体を、略対向して配置された永久磁
   石間の空隙における静磁エネルギーを変化させることに
   より、該永久磁石を有する磁石バネを共振させ、共振時
   の弾性エネルギーを利用して、前記運動体に、離間して
   設けられた被衝突部材に連続的に衝突して往復運動する
   衝突振動を生じさせることを特徴とする衝突振動発生方
   法。
8. 【請求項８】 運動方向を制御する支持部材により支持
   された運動体を、略対向して配置された永久磁石対の一
   方を励振させ、永久磁石間の空隙における静磁エネルギ
   ーを変化させることにより、該永久磁石対を有する磁石
   バネを共振させ、共振時の弾性エネルギーを利用して、
   前記運動体に、離間して設けられた被衝突部材に連続的
   に衝突して往復運動する衝突振動を生じさせることを特
   徴とする衝突振動発生方法。
9. 【請求項９】 前記磁石バネが、前記運動体と共に動作
   可能に設けられた第１の永久磁石と、第１の永久磁石に
   対して、反発磁界を形成するように略対向して配置され
   た第２の永久磁石とを備えて構成され、 前記第２の永久磁石を、アクチュエータから入力される
   入力励振により任意の方向に往復運動させ、第１の永久
   磁石との対向距離及び対向面積のいずれか少なくとも一
   方の変化によって第１の永久磁石との空隙間における静
   磁エネルギーを変化させることを特徴とする請求項７又
   は８記載の衝突振動発生方法。
10. 【請求項１０】 前記運動体にインパルスを入力するこ
    とによって外乱を付与し、衝突振動を生じさせることを
    特徴とする請求項７〜９のいずれか１に記載の衝突振動
    発生方法。