JP2010223284A

JP2010223284A - 免震・除振装置

Info

Publication number: JP2010223284A
Application number: JP2009069375A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tsuda; 理津田; Kotaro Hamashima; 高太郎濱島; Takeshi Tanikai; 剛谷貝; Takayuki Yamada; 高之山田; Kenji Yasui; 健治安井; Nobuyasu Kawai; 伸泰川井
Original assignee: Tohoku University NUC; Okumura Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Okumura Corp
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2029-03-23
Also published as: JP5268109B2

Abstract

【課題】超電導体を用いた水平方向の免震・除振装置の提供
【解決手段】支持台214A,214Bに鉛直方向に設置された鉄板210A, 210Bには、永久磁石列212A,212Bが配置されて、免震・除振装置の３層構造の最下層が構成されている。永久磁石列212A,永久磁石列212Bに対向して、低温容器220内に超電導体222A,超電導体222Bが配置されている。さらに、低温容器の上面には、鉄板224上に永久磁石列226が配置されている。これらの低温容器内及び上面の構成を含めて、本発明の免震・除振装置の中間層の構成である。
永久磁石列226に対向して、その上に、低温容器230内に超電導体232を配置している。これが最上層の構造である。
最下層・中間層の永久磁石列と超電導体の向かい合った面を鉛直方向に配置し、水平方向に対向させたもの（ラディアル型）であり、浮上力を向かい合った永久磁石列と超電導体間の磁気剛性から得ようとするものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、超電導体と永久磁石による磁気浮上現象を、振動伝達の排除（無振化）に利用した、建物や装置に対する免震・除振装置に関するものである。

超電導体の磁気浮上を免震や除振に用いることは従来からも行われていた。発明者らも、永久磁石と超電導体で構成される３層構造を有しており、永久磁石と超電導体を鉛直方向に向かい合わせることにより安定浮上を実現した「アキシャル型」というべき水平方向の免振装置を提案した（特許文献１参照）。
この「アキシャル型」免振装置の概略構成を、図１を用いて説明する。アキシャル型免振装置１００は、永久磁石列１１２と超電導体１２２，永久磁石列１２６と超電導体１３２を各層の間で鉛直方向（上下方向）に向かい合わせることで、鉛直方向の磁気浮上を生じさせる３層構造を有している。
図１に示すように、磁性体である鉄板１１０上の永久磁石列１１２Ａ，１１２Ｂ（最下層）と、低温容器１２０内の超電導体１２２Ａ，１２２Ｂ（中間層）とが、磁気浮上を生じる永久磁石列と超電導体の組み合わせを構成している。さらに、低温容器１２０上の磁性体である鉄板１２４と永久磁石列１２６（中間層）と低温容器１３０内の超電導体１３２（最上層）とで、磁気浮上が生じる永久磁石列と超電導体の組み合わせを構成している。超電導体１２２，１３２は、液体窒素１２８，１３４により冷却されている。冷却するために用いる冷却剤は、使用する超電導体により選択する。

永久磁石列１１２Ａ，Ｂと永久磁石列１２６は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、複数の永久磁石をレール状に配列した構成であり、レール方向（長手方向）の変位に対して超電導体の経験磁場が変化しないように、均一の磁場を発生するように配列する必要がある。さらに、永久磁石列１１２Ａ，Ｂと永久磁石列１２６とは、図１（ａ），（ｂ）の上から見た図で示すように、複数の永久磁石で構成された列は互いに直角になるように配置されている。
この構造により、最上層は、最下層の水平方向の振動に対して免震が得られている。
上述の「アキシャル型」の免振装置においては、浮上力は、超電導体と永久磁石列間のギャップに反比例するため、大きな浮上力を得るには、ギャップを可能な限り小さくすることが望ましい。
しかし、実際のシステムでは超電導体を冷却する必要があり、これには断熱層を有する低温容器１２０，１３０が必要となる。このため、低温容器の表面と永久磁石列間のギャップは更に小さくなり、大きな浮上力を得ようとすると、ギャップの確保が非常に困難となるという問題点があった。また、鉛直方向振動に対し層間が衝突する恐れもある。

特開２００８−３８９７２号公報

本発明の目的は、上述の所謂「アキシャル型」の超電導体を用いた水平方向の免振装置の問題点を解消した水平方向の免震・除振装置を提供するものである。

上述した目的を達成するために、本発明は、磁気浮上を利用した免震・除振装置であって、少なくとも３層構造を有しており、最下層と中間層との間、及び中間層と最上層との間は、磁石列と超電導体との間の磁気浮上により、接触せずに向かい合っており、２つの層に設置されている前記磁石列は、磁場の一様な方向が互いに直交するように配置され、前記３層構造の少なくとも１つの層間で、磁石列と超電導体の向かい合っている面が鉛直方向になるように配置されており、該層間の磁石列と超電導体が水平方向に向かい合っていることを特徴とする。
前記超電導体は、すべて前記中間層に設置することもできる。この構成により、超電導体を冷却する構成が簡単になる。
また、前記磁石列と超電導体の向かい合っている面が鉛直方向となるように配置されている磁石列と超電導体が複数あり、該磁石列と超電導体を水平方向に交互に配置することもできる。このようにすると、磁石の両面からの磁力線を有効に利用することができる。
さらに、前記磁石列と超電導体の向かい合わせに加えて、少なくとも１層間に、磁石の同じ磁極同士を鉛直方向に向かい合った構成を備えることもできる。これにより、磁石同士の反発力を、鉛直方向の浮上力に利用することができる。
本発明の免震・除振装置の一態様においては、鉛直面内に拡がる第１側面を有する第１層と、第１側面に対向する鉛直面内に拡がる第２側面を有する第２層と、第１側面または第２側面の一方に、水平方向に磁場を略一様にして設けられた磁石と、第１側面または第２側面の他方に、前記磁石に対向して設けられた超電導体とを備え、第１側面と第２側面が、前記磁石と前記超電導体との間の磁気浮上により、非接触状態に保たれていることを特徴とする。
第１側面と第２側面は、鉛直面内に拡がるものであるが、これは厳密に鉛直線を含む面を意味するものではなく、鉛直方向の変位があった場合にも両者の非接触状態が確保できる程度の傾きを許容するものである。また、水平方向に磁場を略一様にするとの表現における水平方向とは、この方向における免震あるいは除振が可能となる程度に重力ポテンシャルの差異が無視できる方向をいう。さらに、この表現による略一様とは、実装上の事情に基づく磁場の空間的揺らぎを許容した上で、一様とみなせる程度をいう。
後で説明する図２の例においては、第１層と第２層の組み合わせは、最下層と中間層との組み合わせ、または、最下層と中間層及び最上層との組み合わせに相当するとみなせる。さらに、本免震・除振装置には、第１側面と第２側面との対面方向の変位に対し、免震あるいは除振を行う構成を、第１側面と第２側面とは別の面に設けることができる。この構造は、例えば、第１層内あるいは第２層内にさらに層構造を設けることにより、つまり、合計３層またはそれよりも多層の層構造として、それらの層間に磁気浮上を利用した免震・除振構造を設けることで実現可能である。
なお、本発明にかかる免震・除振装置においては、磁石は、永久磁石により構成してもよいし、電磁石によって構成してもよい。また、磁場を一様にする構成は、磁石の形状によって実現してもよいし、複数の磁石を並べた磁石列によって実現してもよい。さらに、本発明にかかる免震・除振装置においては、バネ、ゴム、油圧などの力学的な振動吸収体を併用して、水平方向あるいは鉛直方向の変位に対する免震あるいは除振の効果を高めることができる。

本発明は、発明者らが以前に提案したアキシャル型免振装置と同様に３層構造ではあるが、少なくとも１つの層間の磁石列と超電導体の向かい合っている面を鉛直方向に配置し、磁石列と超電導体が水平方向に向かい合っているもの（ラディアル型）であり、浮上力を向かい合っている永久磁石列と超電導体間の磁気剛性から得ようとするものである。
このため、磁石列と超電導体間のギャップを小さくしたまま、大きな鉛直方向ギャップと大きな浮上力を同時に確保することが可能となる。また、鉛直方向のギャップを自由に設定することが可能となる。
さらに、本発明のラディアル型免震・除振装置では、例えば、最下層では磁石列を配置する面を鉛直方向にしているため、それが壁となり２層目以上の構造の逸脱の恐れがない。

従来の免振装置の概略構成を示す図である。（ａ）最下層を上から見た図（ｂ）中間層を上から見た図本発明の免震・除振装置の構成の概略を示す図である。（ａ）最下層の支持台から上を、右又は左から見た図（ｂ）中間層を上から見た図本発明の免震・除振装置の他の構成を示す図である。（ａ）最上層を下から見た図本発明の免震・除振装置の別の構成の概略を示す図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
上述したように、従来のアキシャル型の免震・除振装置では、例えば最下層と中間層の複数の永久磁石を並べた永久磁石列と超電導体間の鉛直方向のギャップを確保できないため、層間（永久磁石列・超電導体用低温容器間）が鉛直振動により接触し、安定継続運転（安定継続浮上）が困難となる可能性があった。
また、超電導体は低温容器内に設置されるため、大きな浮上力を得ようとして永久磁石列と超電導体間の距離を小さくしようとすると、低温容器表面と永久磁石列間のギャップの確保が困難となり、鉛直方向振動に対し衝突する恐れがある。このため、免震・除振装置の継続運転に不可欠となる継続安定浮上の実現が困難となる。逆に、低温容器表面と永久磁石列間のギャップを確保しようとする（ギャップを大きくしようとする）と、永久磁石列と超電導体間のギャップが大きくなり、大きな浮上力が得られなくなる。

図２は、従来の「アキシャル型」免震・除振装置に対して、本発明の「ラディアル型」というべき３層構造の免震・除振装置の概略構成を示す図である。
図２において、支持台２１４Ａ，２１４Ｂに支持され、鉛直方向に設置された鉄板２１０Ａ，Ｂには、永久磁石列２１２Ａ，２１２Ｂが配置されて、本発明の３層構造の最下層の構造が構成されている。永久磁石列２１２Ａ，永久磁石列２１２Ｂの水平方向に向かい合って、低温容器２２０内に超電導体２２２Ａ，超電導体２２２Ｂが設置されている。さらに、低温容器の上面には、鉄板２２４上に永久磁石列２２６が配置されている。これらの低温容器内及び上面の構成を含めて、本発明の免震・除振装置の中間層の構造である。なお、超電導体２２２Ａ，超電導体２２２Ｂは、冷却するために液体窒素２２８等に浸されている。
永久磁石列２２６に向かい合って、その上（鉛直方向）に、低温容器２３０内に超電導体２３２を配置している。これが最上層の構造である。超電導体２３２も、冷却するために液体窒素２３４等に浸されている。

永久磁石列２１２Ａ，２１２Ｂは、図２の奥行方向（長手方向）に一様な磁場を形成し、鉛直方向（上下方向）は超電導体２２２Ａ，２２２Ｂに対して保持力を得るため磁場が変化するように、複数の永久磁石を並べている。永久磁石列２２６は、図２の右左方向（長手方向）に一様な磁場を形成するように、永久磁石を並べている。そして、永久磁石列２１２Ａ，Ｂと永久磁石列２２６とは、水平面上では直角となるそれぞれの方向（即ち、図２では奥行と左右）に一様な磁場を形成するように配置されている。

図２（ａ）は、永久磁石列２１２Ａ，Ｂを左右から見た図であり、図２（ｂ）は、永久磁石列２２６を上から見た永久磁石列の一例の図である。図示した例では、それぞれの永久磁石列２１２Ａ，２１２Ｂ，２２６の長手方向は、永久磁石のＮ極同士，Ｓ極同士が並ぶように４列に配列されており、同極の磁石が並ぶ方向（長手方向）に対しては磁場が一様になる。しかしながら、永久磁石を４列に並べた方向（長手方向を横切る方向）には、磁極がＮ，Ｓ、Ｎ，Ｓと変化している。

このため、振動がきても、一様な磁場の方向には超電導体の経験磁場が変化しないため、その方向に対して超電導体は振動を伝達しない。したがって、従来の３層の免振装置と同様に、水平方向の振動に対して免震や除振が行われる。
最下層の永久磁石列２１２Ａ，永久磁石列２１２Ｂと中間層の超電導体２２２Ａ，超電導体２２２Ｂで、水平方向に磁気浮上を生じている。水平方向に向かい合っているので、鉛直方向の振動に対するギャップを考慮する必要はない。
このような３層構造の免震・除振装置としたので、最下層の永久磁石列２１２Ａ，Ｂと中間層の超電導体２２２Ａ，Ｂの水平方向のギャップを小さくして得た大きな浮上力と、最下層と中間層との大きな鉛直方向のギャップを同時に確保することができる。
また、鉛直方向のギャップを任意に設定することができ、中間層と最下層との衝突を回避することができる。
さらに、大きな水平方向の振動に対して、鉛直方向に構成された永久磁石列があるので、中間層が最下層から逸脱することはない。

なお、図２に示した免震・除振装置の構成は、これに限るものではない。最下層と中間層との間の永久磁石列と超電導体を、左右に１対ずつ示しているが、例えば、左右の永久磁石列に対応して、複数の超電導体を設けてもよく、さらに左右にある永久磁石列と超電導体の組み合わせを複数設けてもよい。
さらに、中間層と最上層との間の永久磁石列や超電導体を複数設けてもよい。
図２では、最下層と中間層との間で永久磁石列や超電導体が設置されている面を水平方向に対向させているが、この構成はどれか１つの層間に用いればよく、また、２層間ともこの構成としてもよい。
また、超電導体を冷却するために、冷却装置等を用いてもよい。

このような構造の免震・除振装置は、近年、急速に高精度化や高性能化が進んでいる半導体デバイス製造システムや極微小領域計測システム等で問題となる歩行振動・交通振動・機械振動等の常時微振動の水平方向の振動を除去するために適しているのである。

［他の実施形態］
図３に、他の構成の免震・除振装置を示す。図３において、冷凍機３５０とコールド・ステージ３５４をつなぐ接続ホース３５２を明示的に示している。さらに、図３の免震・除振装置は、図２における中間層の永久磁石列２２６と最上層の超電導体２３２との関係が逆に配置されており、中間層の低温容器３２０中に超電導体３２２Ｃとして配置されている。これは、低温容器内に配置する必要がある超電導体３２２Ａ，超電導体３２２Ｂ，超電導体３２２Ｃを１つの中間層の低温容器３２０中に集めているためである。超電導体３２２Ａ，超電導体３２２Ｂ，超電導体３２２Ｃは、冷凍機３５０でコールド・ステージ３５４を介して、超電導状態を維持するように冷却されている。

また、図３に示すように、最下層の永久磁石列３１２Ａ，３１２Ｂの鉛直方向（上下方向）は、磁化の方向が９０度づつ変化するハルバッハ（Halbach）配列であり、奥行方向の磁場は一様である。鉛直方向（上下方向）をハルバッハ配列とする理由は、超電導体の保持力を高めるためである。なお、最上層の永久磁石列３３２も、図３（ａ）の下から見た図に示すように、奥行方向をハルバッハ配列としてもよい。最上層の永久磁石列の左右方向（長手方向）の磁場は一様とする必要がある。
その他の構成は、図２に示した３層の免震・除振装置の構成と同様である。
この免震・除振装置では、中間層に超電導体を集めているので、冷却は中間層のみに対して行えばよく、構成を簡素化できる。
なお、冷凍機３５０は、図３では最下層に設置しているが、中間層に設置すると、低温容器３２０との接続ホース３５２が外れにくくなる。

［別の実施形態］
図４は別の構成の免震・除振装置４００を横から見た構造を示している。この免震・除振装置は、最下層構造体４１０の底面４１２に、鉛直に設置されている複数の永久磁石列４１４を有しており、その複数の永久磁石列４１４の間に、中間層４２０の鉛直方向に複数の超電導体４２１及び４２２を支持体４２３中に有する構造体を設置している（図４（ａ），（ｂ），（ｃ）参照）。
中間層４２０の上部の鉄板４２６上に永久磁石列４２７を配置し、それと対向して、最上層４３０の超電導体４３４Ａ，４３４Ｂを配置している。
図示されているように、最下層の永久磁石列と中間層の超電導体が、左右方向（水平方向）に交互に組み合わされているので、最下層に配置している永久磁石列の両面から出ている磁力線を有効に利用して、中間層の超電導体を磁気浮上させることができる。

なお、永久磁石列４１４は、奥行方向の磁場は一様であり、鉛直方向は、例えば、図３の最下層の永久磁石列３１２と同様に、ハルバッハ配列である。中間層４２０の奥行方向に、複数の超電導体を有する構造体を設置してもよい。
また、中間層４２０の永久磁石列４２７も奥行方向はハルバッハ配列であり、左右方向は磁場が一様である。
さらに、中間層４２０には、その最下部に永久磁石４２４を配置しており、永久磁石４２４は、最下層４１０の永久磁石列４１４の最上部と反発するように磁極を対峙している。これにより、最下層４１０と中間層４２０との間の鉛直方向の浮上力を得ている。
また、最上層４３０には、その下の面には、永久磁石４３６Ａ，４３６Ｂ，４３６Ｃを配置しており、この永久磁石４３６Ａ，４３６Ｂ，４３６Ｃは、中間層の永久磁石列４２７の相対する永久磁石と同じ磁極同士が向き合うように配置されている。これにより、中間層４２０と最上層４３０との間の鉛直方向の浮上力を得ている。
この様に永久磁石の同極同士を鉛直方向に向き合わせた構成で、鉛直方向の浮上力を得て、永久磁石と超電導体を対向させた構成による水平方向の免震や除振と組み合わせることもできる（ハイブリッド型）。
なお、永久磁石の同極同士の鉛直方向の向き合わせは、どの層間でも設けることは可能であり、例えば、図２や図３に示した免震・除振装置にも適用することができる。

１００：従来の免振装置
１１０：鉄板
１１２Ａ，１１２Ｂ：永久磁石列
１２０：低温容器
１２２Ａ，１２２Ｂ：超電導体
１２４：鉄板
１２６：永久磁石列
１２８：液体窒素
１３０：低温容器
１３２：超電導体
１３４：液体窒素

２００：本願の免震・除振装置
２１０Ａ，２１０Ｂ：鉄板
２１２Ａ，２１２Ｂ：永久磁石列
２１４Ａ，２１４Ｂ：支持台
２２０：低温容器
２２２Ａ，２２２Ｂ：超電導体
２２４：鉄板
２２６：永久磁石列
２２８Ａ，２２８Ｂ：液体窒素
２３０：低温容器
２３２：超電導体
２３４：液体窒素

３００：他の免震・除振装置
３１０Ａ，３１０Ｂ：鉄板
３１２Ａ，３１２Ｂ：永久磁石列
３１４Ａ，３１４Ｂ：支持台
３２０：低温容器
３２２Ａ，３２２Ｂ，３２２Ｃ：超電導体
３３２：永久磁石列
３３４：鉄板
３３６：上板
３５０：冷凍機
３５２：接続ホース
３５４：コールド・ステージ

４００：別の免震・除振装置
４１０：最下層構造
４１２：鉄板
４１４：永久磁石列
４２０：中間層構造
４２１，４２２：超電導体
４２３：支持台
４２４：永久磁石
４２５：支持板
４２６：鉄板
４２７：永久磁石列
４３０：最上層構造
４３２：支持板
４３４Ａ，４３４Ｂ：超電導体
４３６Ａ，４３６Ｂ，４３６Ｃ：永久磁石

Claims

鉛直面内に拡がる第１側面を有する第１層と
第１側面に対向する鉛直面内に拡がる第２側面を有する第２層と、
第１側面または第２側面の一方に、水平方向に磁場を略一様にして設けられた磁石と、
第１側面または第２側面の他方に、前記磁石に対向して設けられた超電導体と
を備え、
第１側面と第２側面が、前記磁石と前記超電導体との間の磁気浮上により、非接触状態に保たれていることを特徴とする免震・除振装置。
磁気浮上を利用した免震・除振装置であって、
少なくとも３層構造を有しており、
最下層と中間層との間、及び中間層と最上層との間は、磁石列と超電導体との間の磁気浮上により、接触せずに向かい合っており、
２つの層に設置されている前記磁石列は、磁場の一様な方向が互いに直交するように配置され、
前記３層構造の少なくとも１つの層間で、磁石列と超電導体の向かい合っている面が鉛直方向になるように配置されており、
該層間の磁石列と超電導体が水平方向に向かい合っていることを特徴とする水平方向の免震・除振装置。
請求項２に記載の免震・除振装置において、
前記超電導体は、すべて前記中間層に設置されていることを特徴とする免震・除振装置。
請求項２に記載の免震・除振装置において、
前記磁石列と超電導体の向かい合っている面が鉛直方向となるように配置されている磁石列と超電導体が複数あり、該磁石列と超電導体が水平方向に交互に配置されていることを特徴とする免震・除振装置。
請求項２〜４のいずれかに記載の免震・除振装置において、
前記磁石列と超電導体の向かい合わせに加えて、少なくとも１つの層間に、磁石の同じ磁極同士を鉛直方向に向かい合った構成を備えることを特徴とする免震・除振装置。