JP2014217125A - 磁気浮揚装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置上に配置された状態の磁性体を自動的に浮揚させる。
【解決手段】磁性体１２に対して、重力と磁力の合力に依存する位置依存エネルギーをもたらす静磁場を生成するように配列された少なくとも一対の磁石１４（１６）と、不安定な軸における磁性体１２のロケーションを示すロケーション情報を生成する位置検出部２６と、平衡位置における不安定な軸に沿う勾配を有する磁場を通電によって生成する電磁石ＥＭと、ロケーション情報を受信し、電磁石ＥＭへの通電を制御するコントローラ２４と、空中への浮揚時以外における磁性体１２の支持面３０１を有する支持部材３００と、平衡位置を移動させて当該平衡位置の高さを変化させる平衡位置移動手段４００と、を備える。
【選択図】図２０

Description

本発明は、磁気浮揚装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、磁性体を空中に浮揚させる磁気浮揚装置の改良に関する。

永久磁石によって生成される静磁界内の平衡位置に対して磁性体がずれていることを検出し、電磁石による磁場の生成をずれに応じて制御することで静磁界内の平衡位置に磁性体を浮揚させる磁気浮揚装置が、従来、知られている（例えば特許文献１参照）。

特許第４６８５４４９号公報

しかしながら、従来の磁気浮揚装置においては、静磁界内の平衡位置に磁性体を浮揚させるに際し、装置外部から手を使うなどして磁性体を平衡位置に配置しており、配置した時点で磁性体は既に浮揚した状態となることから、装置上に載置された状態の磁性体を自動的に浮揚させることはできない。

そこで、本発明は、装置上に配置された状態の磁性体を自動的に浮揚させることを可能とした磁気浮揚装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。そもそも、従来の磁気浮揚装置においては、静磁界内の平衡位置に手を使うなどして磁性体を配置した時点で当該磁性体は浮揚した状態となるしかない反面、実際の平衡位置の範囲は狭小であり尚かつその周辺には強い引力と斥力とが作用していることから、該平衡位置に浮揚した状態で磁性体を配置することは簡単ではなく、ある程度の習熟を要するものとなっている。このような現状に着目しつつ検討を重ねた本発明者は課題の解決につながる知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づくものであり、磁性体を空中に浮揚させる磁気浮揚装置であって、
磁性体に対して、重力と磁力の合力に依存する位置依存エネルギーをもたらす静磁場を生成するように配列され、尚かつ、静磁場がもたらす平衡位置において、位置依存エネルギーを、磁性体を不安定な軸に沿って平衡位置から離す場合には減少させ、磁性体を不安定な軸に直交するあらゆる方向に沿って平衡位置から離す場合には増大させる、少なくとも一対の磁石と、
不安定な軸における磁性体のロケーションを示すロケーション情報を生成する位置検出部と、
平衡位置における不安定な軸に沿う勾配を有する磁場を通電によって生成する電磁石と、
ロケーション情報を受信し、電磁石への通電を制御するコントローラと、
空中への浮揚時以外における磁性体の支持面を有する支持部材と、
平衡位置を移動させて当該平衡位置の高さを変化させる平衡位置移動手段と、
を備えることを特徴とするものである。

この磁気浮揚装置においては、平衡位置移動手段を用いることにより、静磁場がもたらす平衡位置を移動させて当該平衡位置の高さを変化させることができる。また、空中への浮揚時以外（浮揚する前を含む）における磁性体を、支持面を有する支持部材によって支持することができる。これらによれば、磁性体が支持面上に支持された状態で平衡位置の相対的な高さを上昇させ、上昇途中において磁性体を平衡位置に位置させ、さらに上昇させることによって磁性体を浮揚させることができる。したがって、本発明にかかる磁気浮揚装置によれば、装置上（例えば上述の支持部材上）に配置された状態の磁性体を自動的に浮揚させることが可能となる。

かかる磁気浮揚装置において、平衡位置移動手段は、少なくとも一対の磁石を、支持部材に対して相対的に昇降させる移動機構と、該移動機構を駆動する駆動装置と、を含むものであってよい。

この場合における駆動装置は、少なくとも一対の磁石を、支持部材における支持面の下方であって該支持面から離れた下降位置と、該接地面に接近する上昇位置との間で昇降させる機構からなるものであってもよい。

また、コントローラは、電磁石への通電を断つ際、少なくとも一対の磁石を下降位置に移動させるように駆動装置を制御する制御装置を含むことが好ましい。かかる制御装置によれば、少なくとも一対の磁石を初期状態において下降位置に位置させるように制御することができる。

かかる磁気浮揚装置において、支持部材の支持面に接している磁性体を、支持部材において平衡位置が相対的に昇降する経路が交差する部位である浮上開始位置へ誘導する誘導手段を備えることが好ましい。このような誘導手段によれば、磁性体を浮上開始位置にセッティングする手間が省ける。

かかる誘導手段は、支持部材の支持面が浮上開始位置に向かって下り勾配を有する面で形成され、磁性体が重力によって浮上開始位置へ移動するものであることが好ましい。

あるいは、かかる誘導手段は、電磁石とコントローラとからなり、コントローラが電磁石の通電を制御することによって磁性体を浮上開始位置へ向かって付勢するものであることも好ましい。

さらに、支持部材と磁性体の少なくとも一方を振動させることにより、磁性体と支持面との間の摩擦力を減じる振動手段を磁気浮揚装置がさらに備えることが好ましい。かかる振動手段によれば、磁性体と支持面との間の摩擦力を減じさせ、磁性体が浮上開始位置まで案内されやすくすることができる。

また、かかる振動手段は、電磁石とコントローラとからなり、コントローラが電磁石の通電を制御することによって該電磁石の磁力を周期的に変化させ、磁性体を振動させるものであることが好ましい。

あるいは、振動手段は、支持部材を振動させるバイブレータであってもよい。

また、磁気浮揚装置の支持部材において平衡位置が相対的に昇降する経路が交差する部位には、磁性体の一部分が嵌まり込む嵌合凹部が設けられていることが好ましい。かかる嵌合凹部によれば、浮上開始時に磁性体が平衡位置からずれることを抑制することができる。

この場合、磁性体には、嵌合凹部に嵌まり込んだとき当該磁性体を水平な状態にする突部が形成されていることが好ましい。

本発明によれば、装置上に配置された状態の磁性体を自動的に浮揚させることが可能となる。

磁気浮揚装置の一形態における磁気空中浮揚システムの部分略図である。 磁気浮揚装置の別形態における磁気空中浮揚システムの部分略図である。 磁気浮揚装置のさらに別の形態による磁気空中浮揚システムの部分略図である。 図１に示す磁気空中浮揚システムのｘ軸、ｙ軸およびｚ軸にそれぞれに沿い空中浮揚した磁性体の平衡位置からの移動に伴う位置依存の磁気エネルギーの変動を示すプロットである。 図１に示す磁気空中浮揚システムのｘ軸、ｙ軸およびｚ軸にそれぞれに沿い空中浮揚した磁性体の平衡位置からの移動に伴う位置依存の磁気エネルギーの変動を示すプロットである。 図１に示す磁気空中浮揚システムのｘ軸、ｙ軸およびｚ軸にそれぞれに沿い空中浮揚した磁性体の平衡位置からの移動に伴う位置依存の磁気エネルギーの変動を示すプロットである。 平衡位置において四極子磁場を生成するように配列される制御コイルを有する磁気空中浮揚システムの平面図である。 回転に対する空中浮揚した磁性体の安定性を改善するために磁石を有する磁気空中浮揚システムの平面図である。 平衡位置近くに磁性体を支持する可動プラットフォームを有する磁気空中浮揚システムの側面図である。 空中浮揚した物体を照明し、活動させるメカニズムを示す。 磁気空中浮揚システムの一形態における、制御コイルを通るｘ−ｚ平面についての断面図である。 磁気空中浮揚システムの別の形態によるコイル形状を示す図である。 磁気空中浮揚システムの別の形態によるコイル形状を示す図である。 磁気浮揚装置の一形態における磁気空中浮揚システムの部分略図である。 磁性体（浮上磁石）のｘ軸に沿ったロケーションと位置依存エネルギーとの関係の一例を示す図で、磁性体が平衡位置にある場合のものである。 磁性体（浮上磁石）のｘ軸に沿ったロケーションと位置依存エネルギーとの関係の一例を示す図で、磁性体が平衡位置からずれた不均衡な位置にある場合のものである。 磁性体（浮上磁石）のｘ軸に沿ったロケーションと位置依存エネルギーとの関係の一例を示す図で、磁性体が平衡位置からずれた不均衡な別の位置にある場合のものである。 磁気浮揚装置のベース装置が移動した場合に安定を保ち続ける仕組みを表す制御ブロック図である。 安定的に浮揚した磁性体（浮上磁石）を動かす場合の仕組みを表す制御ブロック図である。 本発明の一実施形態を示す図で、磁気浮揚装置の概要を示す斜視図である。 浮上磁石を上昇させる際の移動機構、フレーム等の様子を示す斜視図である。 浮上磁石を上昇させる際の移動機構、フレーム等の様子を示す側面図である。 浮上磁石を下降させる際の移動機構、フレーム等の様子を示す斜視図である。 浮上磁石を下降させる際の移動機構、フレーム等の様子を示す側面図である。 静磁界内の平衡位置を上昇させる前の状態を概略的に示す図である。 静磁界内の平衡位置を上昇させた後の状態を概略的に示す図である。 磁性体を浮上開始位置まで誘導するための誘導手段が、浮上開始位置へ向かって下り勾配を有する面で形成されている一例を示す側面図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、まず、本発明にかかる磁気浮揚装置１の基本的な構造、原理、作用等について、第１の形態、第２の形態を挙げつつ説明し（図１〜図１９参照）、その後、当該磁気浮揚装置１上に配置された状態の磁性体（磁気要素）１２を自動的に浮揚させるようにした形態を説明する（図２０〜図２６参照）。

＜磁気浮揚装置１の第１の形態＞
図１〜図１３に磁気浮揚装置の一形態を示す。本形態にかかる磁気浮揚装置１は、磁性体（磁気要素）１２を空中に浮揚させる装置であって、磁石、位置検出部、電磁石、コントローラ等を備えている。

図１は、磁気浮揚装置１における磁気空中浮揚システム１０の一形態例を示している。なお、図１においては、水平面内における直交する２軸をｘ軸とｙ軸、鉛直方向をｚ軸としている。

磁気空中浮揚システム１０には、少なくとも一対の磁石が設けられる。図１では、ｘ軸に沿って配置された第１の一対の磁石１４（それぞれの磁石を符号１４Ａ，１４Ｂで示している）と、ｙ軸に沿って配置された第２の一対の磁石１６（それぞれの磁石を符号１６Ａ，１６Ｂで示している）とからなる二対の磁石が設けられている例を示している。

磁石１４，１６は、磁性体１２に対して、重力と磁力の合力に依存する位置依存エネルギーをもたらす静磁場を生成するように配列されている。これら磁石１４，１６は、静磁場がもたらす平衡位置１３において、位置依存エネルギーを、磁性体１２を不安定な軸に沿って平衡位置１３から離す場合には減少させ、磁性体を不安定な軸に直交するあらゆる方向に沿って平衡位置１３から離す場合には増大させる。

例えば本形態では、図１に示す磁気空中浮揚システム１０において、ｘ軸に沿って配置された第１の一対の磁石１４Ａ，１４Ｂよりも、ｙ軸に沿って配置された第２の一対の磁石１６Ａ，１６Ｂのほうが強い磁力を有するものとしている。したがって、この磁気空中浮揚システム１０においては、磁性体１２はｙ軸に沿った方向には振れにくく安定であり、ｘ軸に沿った方向には振れやすい。このため、この場合はｘ軸が「不安定な軸」となる。

より具体的に説明すると、本形態において、第１の一対の磁石１４（１４Ａ，１４Ｂ）どうしは間隔Ｄ１だけ離れて配置され、第２の一対の磁石１６（１６Ａ，１６Ｂ）どうしは間隔Ｄ２だけ離れて配置されており（図１参照）、Ｄ２＞Ｄ１とされている。Ｄ２対Ｄ１の好適な割合は、例えば１.５：１〜２：１の範囲内である。

また、磁石１４よりさらに離れて配置されている（Ｄ２＞Ｄ１である）磁石１６は、磁石１４よりも大きい、あるいは、磁石１４と等しい程度の磁力を有している。磁石１６の磁力は、磁石１６がないときに存在する磁場の力線の好ましくない湾曲を実質的に妨げるほど充分に大きいが、より弱い磁石１４が生成する、平衡位置１３に近いために急な勾配を有した磁場を妨げるほど大きくないことが好ましい。磁石１４Ａ，１４Ｂは、互いに同じ磁気の強さを有し、そして、磁石１６Ａ，１６Ｂは、互いに同じ磁気の強さを有するものが好ましい。磁石１４の強さＭ１４は、磁石１６の強さＭ１６未満か、あるいは、磁石１６の強さＭ１６に等しいものであってもよい。Ｍ１６対Ｍ１４の割合の好適な範囲は、例えば、１対１から２対１の範囲内である。

また、本形態では、磁石１４Ａ，１４Ｂがｘ軸に沿って配置され、磁石１６Ａ，１６Ｂがｙ軸に沿って配置されている。さらに、磁石１４，１６は、すべて平面１８に近接するように配置されている。平面１８上で直交するｘ軸，ｙ軸と、平面１８に垂直なｚ軸とを有するデカルト座標系は、磁石１４Ａ，１４Ｂ、そして磁石１６Ａ，１６Ｂが対称的に位置するような原点を有している。例示した磁気空中浮揚システム１０の座標系のｚ軸は、当該磁気空中浮揚システム１０の対称軸を形成している（図１参照）。なお、図１等では、平面１８からｚ軸に沿って平衡位置１３までの間隔（鉛直方向距離）をＤ３と示している。

また、磁石１４，１６は、当該磁石１４，１６と、磁性体１２が磁気空中浮揚システム１０によって空中に浮揚されることが可能な平衡位置１３との間の間隔に比べ、サイズが小さいものであることが好ましい。磁石１４，１６のそれぞれは、平衡位置１３における磁場を生成し、その磁場の強さは、磁石１４、あるいは磁石１６のロケーションにおいて単一の磁石によって生成される磁場の強さとほぼ同じである。

さらに、本形態において、磁石１４，１６の磁極は、すべて、ｚ軸に平行である。図２は、磁気空中浮揚システム１０の部分略図を示しており、ここでは、磁石１４のそれぞれは角度φ１でｚ軸の方に向って傾斜され、そして、磁石１６のそれぞれは、角度φ２で、ｚ軸の方に向って傾斜されている。φ１＝φ２とすることもできる。図２のように、ｚ軸の方へ向って磁石１４と磁石１６の一方または双方を傾斜させることは、他の方向における安定性の減少と引き換えに、１つの方向におけるモーションに対して磁性体１２の空中浮揚における剛性さ（stiffness）を得ることにつながる場合がある。

また、これら磁石１４，１６は、第１の方向（たとえば、＋ｚ方向）に方向付けられる第１の極性の極（たとえば、Ｎ）と、第１の方向（たとえば、−ｚ方向）に対向する第２の方向に方向付けられる第２の極性の極（たとえば、Ｓ）とを有する。

なお、あらゆる適切な磁石が磁気浮揚装置１の磁気空中浮揚システム１０における磁石１４，１６として使用することができる。磁石１４，１６は、例えば永久磁石であってもよいし、あるいは、永久磁石と同等の磁場を生成する電磁石を備えているものであってもよい。磁気空中浮揚システム１０が、電池、あるいは、総容量、あるいは、ピーク電力によって限定される別の電源装置によって動力が与えられる場合、あるいは、磁気空中浮揚システム１０の電力消費量を最小にすることが好ましいという場合には、磁石１４，１６は、永久磁石が好ましい。さらに、磁石１４，１６は、ＮｄＦｅＢ磁石、バリウムフェライト（Barium Ferrite）磁石、サマリウムコバルト（Samarium Cobalta）磁石、あるいは、ＡｌＮｉＣｏ磁石を備えるものであってもよい。磁石１４，１６は、それぞれ、複数の磁石の配列とすることもできる。

例示した形態において、平衡位置１３に最も近い磁石１４，１６の極は、同一平面上にあり、すべては、平面１８のすぐ近くに近接して位置する。本形態の磁石１４，１６は、磁気空中浮揚システム１０のベース装置（ベース部）１１０上に取り付けることができる（図３、図９および図１０を参照）。磁石１４，１６およびベース装置１１０は、ｚ方向に薄い構造となっている。ベース装置１１０は、Ｄ３未満の厚さであってもよく、一例として、ベース装置１１０を１／２×Ｄ３またはそれ以下の厚さとすることができる。

磁石１４，１６は、平衡位置１３において磁性体１２を空中浮揚状態に支持する静磁場を生成する。その静磁場は勾配を持ち、空中浮揚した磁性体１２と静磁場との間に働く磁力による位置依存エネルギーは、浮揚している磁性体１２を、安定平面２０（図１にｙ−ｚ平面として示される）と平行な方向に、微かにでも移動させれば増大する。

なお、本形態では、磁石１４，１６が直交軸（ｘ軸、ｙ軸）に位置する理想的なケースを例示したが（図１参照）、この理想的な配列からの多少のずれは本発明の適用範囲内である。また、本形態において、磁石１４，１６は、ひし形の頂点に配列されている。デカルト座標系の確立は、例示した装置の形状を説明する際における便宜のためだけに行われている。他の座標系が使用されることが可能である。

磁性体１２は、１つの磁石、あるいは、複数の磁石の配列を備えている。磁性体１２は、空中に浮揚する軽量な本体に取り付けられる永久磁石を備える構成であってもよい。

ここで、図４、図５、図６に、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸それぞれに沿って移動した際の、磁性体１２の位置に依存した磁気エネルギーＵの変動を示す。位置依存の磁気エネルギーＵは、磁性体１２がｙ軸およびｚ軸のいずれに沿って平衡位置１３から離れた場合にも増大する（図５、図６参照）。つまり、磁性体１２は、これらの軸（ｙ軸、ｚ軸）に沿う移動に対して安定である（磁性体１２は、これらの軸方向へは離れにくい）。一方で、位置依存の磁気エネルギーＵは、磁性体１２がｘ軸に沿って平衡位置１３から離れた場合には、減少する（図４参照）。つまり、磁性体１２は、ｘ軸に沿う平衡位置１３からの移動に対して不安定である（磁性体１２は、平衡位置１３からｘ軸に沿った方向へ離れやすい）。

磁気空中浮揚システム１０は、コントローラ２４（図１参照）の制御のもとに、可変磁場を生成する制御コイル２２（個々には、２２Ａ，２２Ｂ）を含む。空中浮揚した磁性体１２が平衡位置１３から離れるとき、コントローラ２４は、制御コイル２２内の電流の１つまたは複数のフローを調整し、制御コイル２２に、磁性体１２に印加される力を結果として生じる磁場を生成させる。その力は、不安定な軸（本形態の場合、ｘ軸）に沿ったいずれかの選択された方向に磁性体１２を移動させるように作用する。制御コイル２２内の電流の通過によって生成される可変磁場は、ｘ軸方向の動きに対して当該磁性体１２を安定させる。本形態において、制御コイル２２Ａ，２２Ｂは、互いに近接し、ｘ軸に沿って配置されている（図１参照）。制御コイル２２Ａは磁石１４Ａの周囲に、制御コイル２２Ｂは磁石１４Ｂの周囲にそれぞれ巻回されている。制御コイル２２は、通電時、平衡位置１３における不安定な軸に沿う勾配を有する磁場を生成する。

位置センサ２６は、不安定な軸（本形態の場合、ｘ軸）における磁性体１２のロケーションを示すロケーション情報を生成する位置検出部として機能するもので、コントローラ２４に、不安定な軸（ｘ軸）に沿って相対移動した磁性体１２の移動を表わす信号（ロケーション情報）を供給する。本形態において、位置センサ２６は、平衡位置１３の鉛直方向真下となる磁気空中浮揚システム１０のセンター部分に配置されている。該位置センサ２６は、たとえば、ホール効果センサを備えたものとすることができる。ホール効果センサは、ｘ軸に平行な方向に、空中浮揚した磁性体１２からの磁場の強さを検出するように方向付けられることができる。磁性体１２が平衡位置１３に位置するとき、磁性体１２の磁極は静磁場の向きと並び、ｚ軸に平行となる。磁性体１２の磁極が作る磁場は、位置センサ２６の位置において、ｘ軸と平行な向きの成分を持つことはない。磁性体１２が、不安定なｘ軸に沿っていずれかの方向に移動する場合、位置センサ２６で検出される磁場は、ｘ軸方向にゼロではない成分を持ち、磁性体１２が平衡位置１３から遠ざかるほど増大する。したがって、ホール効果センサ２６によって出力される信号は、コントローラ２４において、磁性体１２の不安定なｘ軸に沿った位置のフィードバック情報として使用することが可能である。

コントローラ２４は、平衡位置１３にある磁性体１２を当該平衡位置１３、あるいはこの平衡位置１３からずれた不均衡な位置に維持するために制御コイル２２に通電する電流を調整する。コントローラ２４は、コンピュータ、プログラマブルコントローラ、あるいは、ディジタル信号プロセッサ、あるいは、適切なアナログ、または、ディジタルフィードバック制御回路などの適切にプログラムしたデータプロセッサを含むあらゆる適切な制御技術を備える。本形態のコントローラ２４は、磁性体１２のロケーションを示すロケーション情報を受信し、制御コイル２２への通電を制御する。

磁性体１２が安定して空中に浮揚した状態となる平衡位置１３と、磁石１４，１６に近接した平面１８との間の間隔Ｄ３は、磁石１４Ａと磁石１４Ｂとの間の間隔Ｄ１を調整することによって変えることができる。磁性体１２が空中に浮揚している間にわずかに間隔Ｄ１を減少することにより、間隔Ｄ３を減少させると同時に、安定平面２０（すなわち、図１におけるｙ−ｚ平面）における平衡位置１３からの移動に対して磁性体１２の安定性を増大させることができる。また、磁性体１２が空中に浮揚している間にわずかに間隔Ｄ１を増大すると、間隔Ｄ３が増大すると同時に、安定平面２０における平衡位置１３からの移動に対して磁性体１２の安定性が減少する。

平衡位置１３は、制御コイル２２内を流れる電流がないときに、磁石１４，１６の静磁場が、重力に抗して磁性体１２を平衡位置１３に保持するような力を作用させるように設定されている。上述のように、本形態では、磁性体１２はｘ方向に不安定であり、制御コイル２２は、平衡位置１３から離れる磁性体１２のｘ方向におけるあらゆる動きを妨げるように操作される。磁性体１２が平衡位置１３から離れたとき、あるいは動いているとき、電流を制御コイル２２内に流させることにより当該磁性体１２を平衡位置１３に安定させる。

ここで、上述の制御コイル２２は、ｘ軸方向に不安定な磁性体１２の位置決めを制御するに足るだけの磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｘ）を平衡位置１３の付近にもたらしうるように配列されている。制御コイル２２の寸法およびロケーションは、該制御コイル２２によって生成される磁場の大きさが平衡位置１３の付近においてきわめて小さいように設定されていることが好適である。こうした場合、磁性体１２の位置における横方向の強い磁界成分によって、磁性体１２を回転させることがある磁界成分を発生させることなく、当該磁性体１２を安定させることが可能となる。実際には、制御コイル２２が発生する磁界のｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の成分ができるだけ小さく、ｘ軸の磁性体１２の位置決めを制御するに足る大きな勾配（ｄＢｚ／ｄｘ）をｘ方向に有するということは好適である。

図７に、平衡位置１３の付近において制御コイル２２からの磁場を最小にするような磁気空中浮揚システム１０Ａを示す。ここまで説明した形態におけるのと同じ参照符号が磁気空中浮揚システム１０Ａのパーツを示すのに使用されている。磁気空中浮揚システム１０Ａは、４つの制御コイル２２、すなわち、制御コイル２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄを有する。制御コイル２２Ａから２２Ｄは、平面１８に平行に、かつ、互いに平行に配列される矩形のコイルである。制御コイル２２Ａから２２Ｄの長側面は、ｙ軸に平行に、かつ、不安定なｘ軸に対しては垂直となるように延在する。制御コイル２２Ａから２２Ｄは、ｘ軸に沿って対称的に配列されている。磁石１４Ａ，１４Ｂは、それぞれ、制御コイル２２Ａ，２２Ｂ内にある。制御コイル２２Ａから２２Ｄは、ｙ−ｚ安定平面に対して対称的に配置されている。制御コイル２２Ａ，２２Ｂは互いに近接しあい、制御コイル２２Ａ，２２Ｃは互いに近接しあい、制御コイル２２Ｂ，２２Ｄは互いに近接しあう配置となっていることが理想的である。制御コイル２２Ｃ，２２Ｄは、ｘ軸に沿ったそれぞれの寸法が制御コイル２２Ａ，２２Ｂより幅広くなっていることが好ましい。図７に示す形態において、制御コイル２２Ａは、制御コイル２２Ｂと同じ寸法を有し、制御コイル２２Ｃは、制御コイル２２Ｄと同じ寸法を有している。

制御コイル２２によって生成される磁場のうち、少なくとも平面１８に平行な成分について、少なくとも平衡位置１３の近傍においては、実質的に互いに相殺することが好ましい。このように相殺することは、制御コイル２２の寸法を適切なものとし、制御コイル２２Ａに適宜電流を流すことによって実現することができる。電流は、磁性体１２に安定した磁気力を作用させるために、内側の制御コイル２２Ａ，２２Ｂを対向する方向に流れる。電流が例えば時計回り方向に制御コイル２２Ａを流れる場合、制御コイル２２Ｂにおける電流は逆時計回りに流れる必要がある。同時に、制御コイル２２Ｃ内の電流の流れは逆時計回りであり、制御コイル２２Ｄ内の電流の流れは時計回りである。これにより、安定磁場を生成し、不安定なｘ軸に沿った方向の力を磁性体１２に作用させることができる。また、制御コイル２２のそれぞれに流れる電流の方向を逆にすることにより、不安定なｘ軸に沿って磁性体１２に作用する力を逆向きにすることができる。

なお、図７に示すように配列された制御コイル２２は、巻線数が等しく、適切な寸法となっているものであり、各制御コイル内に電流を流すことにより、平衡位置１３において「磁気四極子」を生成する。「磁気四極子」となる点においては、磁場の大きさがゼロであり、点の周囲には線形かつ対称となる磁場勾配が存在する。この場合、制御コイル２２は、磁性体１２に印加される安定化のための磁力を生じる。磁性体１２に印加される磁力の大きさは、磁性体１２のロケーションにおける磁場の勾配ｄＢｚ／ｄｘの大きさに比例する。

図１１に、制御コイル２２を通るｘ−ｚ平面についての断面図を示す。平衡位置１３において「磁気四極子」を生成するための制御コイル２２については、制御コイル２２Ａ，２２Ｂが等しい幅Ｗ１を有し、制御コイル２２Ｃ，２２Ｄが等しい幅Ｗ２を有し、尚かつ、Ｗ１が、Ｗ１＝Ｄ３およびＷ２≧Ｄ３によって、Ｗ２および間隔Ｄ３に相関していることが好ましい。制御コイル２２のすべては、同じ長さを有することが好ましい。不安定なｘ軸に対して横に作用する方向における各制御コイル２２の長さは、その幅よりも大きい。

コントローラ２４は、磁性体１２が平衡位置１３の付近にあるとき、位置センサ２６によって検出されないことに備えて、磁気空中浮揚システム１０の操作を抑制するものであることが好ましい。たとえば、磁性体１２が機能を停止する場合には、コントローラ２４が制御コイル２２に電流を流すことによって、磁性体１２の位置決めを補正しようとすることを防止することが好ましい。これは、エネルギーを消耗し、制御コイル２２を過熱させ、極論すれば、制御コイル２２に電力を供給する制御回路を損傷する可能性がある。磁性体１２が平衡位置１３の所望の間隔内にないことを位置センサ２６からの信号が表しているとき、コントローラ２４を不活動モードにスイッチするように構成したり、リセットするまで不活動のモード状態のままとしたりするように構成することができる。磁気空中浮揚システム１０は、コントローラ２４をリセットするために、ユーザーによって操作されることが可能なリセットスイッチを含むことができる。

場合によっては、平衡位置１３における静磁場の強さを増大する付加的な磁石が併設されていることが好ましいことがある。裏返ろうとするモーメントに対する磁性体１２の安定性は、平衡位置１３における静磁場の強さとともに増大する。これは、磁性体１２の磁極が、周囲の磁場と自然に整列することが多いからである。磁性体１２の磁極が静磁場とずれた場合、磁性体１２は元に戻ろうとするトルクを受ける。そのトルクの大きさは、磁性体１２の位置における磁場の強さに比例する。

図８に、平衡位置１３に磁性体１２を維持するのに使用される力を生成する磁場勾配に悪影響を及ぼすことなく、平衡位置１３における磁場の強さを増大させる付加的な磁石３０の配列例を示す。付加的な磁石３０は、リング３１に配置される。各付加的な磁石３０は、磁石１４と同じ方向の磁極を持つ。

リング３１は、平面１８上に、あるいは、平面１８に平行な平面上に位置する。平衡位置１３は、リング３１のセンターからリング３１の平面に直交して延在するライン上に位置する。リング３１の半径は、付加的な磁石３０によって生成される磁場のｚ成分が平衡位置１３においてｚ方向に実質的に勾配がないように選択される（すなわち、平衡位置１３において、ｄＢ（３０）ｚ／ｄｚ＝０）。なお、式中、Ｂ（３０）ｚは、磁石３０によって生成される磁場のｚ成分である。この状況において、「実質的に勾配がない」ということは、平衡位置１３において磁性体１２を空中に浮揚させる磁石１４，１６によって生成される静磁場の勾配よりも小さく、好ましくはその静磁場の勾配の２５％未満、より好ましくは７％未満である勾配を意味する。

磁気空中浮揚システム１０は、図９に示すように、ある降下位置４２Ａと上昇位置４２Ｂとの間を磁石１４，１６に対して移動可能である非磁気サポート部材４０を含むことができる。サポート部材４０が上昇位置４２Ｂにあるとき、磁性体１２は平衡位置１３において支持されている。磁気空中浮揚システム１０において、磁性体１２を平衡位置１３に保持するように作動した後、該サポート部材４０を降下位置４２Ａまで降下させるようにすることもできる。

サポート部材４０は、アーム、テーブル、コラムなどを備えることができる。サポート部材４０は、磁性体１２によって支持される第１の位置と、平衡位置１３から離れる第２の位置との間を移動可能である。あらゆるメカニズムが、サポート部材４０が第１の位置と第２の位置との間を移動することを可能にするために設けられることができる。メカニズムは、たとえば、１つ以上のヒンジ、ピボット、スライド部材、フレキシブルな部材などを備えることができる。

図３に示すように、磁気空中浮揚システム１０は、１つ以上の二次電磁石２２′を含むことができる。二次電磁石２２′は、さらに、磁性体１２を安定させるのに使用することができる。一例を挙げれば、ｚ軸まわりに対称であり、平面１８に平行に位置する電磁石は、磁石１４，１６からの静磁場を増加するｚ軸に平行な磁場勾配を生成することが可能である。この磁場勾配は、ｚ軸に平行な方向における磁性体１２に作用する力を生成する。その力の大きさおよび方向は、二次電磁石２２′内を流れる電流によって制御される。ｚ軸に沿う磁気要素のモーションを検出するように方向付けられる二次センサ２６Ｂは、二次コントローラ２４Ｂにフィードバックをもたらす（それは、コントローラ２４にフィードバックをもたらすのに使用されるのと同じハードウェア／ソフトウェアによって供給される独立制御経路であってもよいし、あるいは、分離独立コントローラであってもよい）。コントローラ２４Ｂは、二次電磁石２２′内の電流の流れを制御する。二次電磁石システムは、ｚ軸に沿う磁性体１２の振動を緩和するのに、あるいは、平衡位置１３まわりの＋ｚ方向、または−ｚ方向に磁性体１２が移動させるのに使用することができる。適切な速度で二次電磁石２２′内の電流の流れを繰り返し逆にすることによって、コントローラ２４Ｂは、ｚ軸に沿って平衡位置１３まわりに磁性体１２を振動させることを可能にする。

適切なフィードバックセンサを有する他方位の電磁石は、適切なコントローラとともに供給されることができ、ｙ軸に沿って磁性体１２に力をもたらすか、あるいは、磁性体１２に磁気トルクをもたらす。この方法で、空中浮揚した要素を、限定した程度で、平衡位置１３のまわりに操縦し、またはある方向に振動させることが可能である。

磁気空中浮揚システム１０は、磁性体１２を活動させ、あるいは、照明するためのメカニズムを含むことができる。図１０に、新型おもちゃ５０の一例を示す。このおもちゃ５０は、磁性体１２を活動させるメカニズムと、磁気要素を照明するシステムとを含む。なお、図１０においては、磁性体１２を空中に浮揚するメカニズムの詳細な記載を省略している。空中浮揚メカニズムは、ベース装置１１０内に内蔵されている。

おもちゃ５０において、磁性体１２は、ヘリコプターの胴体に類似する軽量なシェル５２を備えている。永久磁石５４は、シェル５２内に取り付けられている。磁石５４は、平衡位置１３において磁性体１２を空中浮揚させるために、上述したごとく空中浮揚システムと相互に作用する。おもちゃ５０は、アニメーションメカニズム６０を含む。アニメーションメカニズム６０は、ロータ５６を駆動する小さいモータ６２を含む。モータ６２は、高周波結合システムによって供給される電力によって動力が与えられる。その結合システムは、空心変成器を備えることができる。ベース装置１１０に取り付けられる伝送コイル６６は、高周波（たとえば、無線周波）電気信号で励磁される。伝送コイル６６によって出される信号は、磁性体１２内の受容コイル６７に結合される。これにより、受容コイル６７に電流を誘導する。その電流は、モータ６２を駆動する電気を生成するために、整流回路６８によって整流される。整流回路６８からの電気は、モータ６２以外の、あるいは、モータ６２に加えて、電気装置に動力を与えるのに使用することができる。たとえば、その電気は、小さなランプ（たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ））を作動するのに使用されることが可能である。

おもちゃ５０は、さらに、照明システム７０を含む。照明システム７０は、ベース装置１１０に高輝度の光源７２を備えている。光源７２は、光のビーム７３を生成する。ビーム７３は、磁性体１２の光受容器７４を照明する。本形態において、光受容器７４は、ビーム７３からの光を一束の光ファイバ７６に集束するレンズ７５を備えている。光ファイバ７６は、ナビゲーション灯などに対応するシェル５２のロケーションに延入する。ビーム７３は、それがおもちゃ５０を監視する人にたやすく見えないようにしっかりと閉じ込まれているのがよい。ミラー、ディフューザ−、あるいは、他の光学部材は、光ファイバ７６の代わりに、あるいは、光ファイバ７６に加えて、磁性体１２の表面形体を照明するために光受容器７４からの光を方向付けるのに使用することができる。

コンポーネント（たとえば、磁石、アセンブリ、装置、回路など）は、上記に言及されているが、特に明記されなければ、そのコンポーネントへの言及は、そのコンポーネントの同等物として、説明したコンポーネントの機能を行う（すなわち、それは、機能的に同等である）あらゆるコンポーネントを含むように解釈されるべきであり、本発明の図示した例示的な形態における機能を行う開示した構造に構造上同等でないコンポーネントを含む。

前述の開示から当業者には明らかなように、多くの変更および修正は、本形態の精神あるいは範囲から逸脱することなく、本発明の実施において可能である。たとえば、
・例示した形態において、磁石１４，１６の磁極は、互いに平行である。本形態において、磁石１４，１６の一方または双方は、それらの磁極が平面１８に対して鋭角に位置するように方向付けられる。
・例示した形態において、磁石１４，１６の最上層極は、同一平面上にあり、すべて、平面１８に近接して位置する。磁石１４，１６は、必ずしも同一平面上でない。
・例示した形態において、磁石１４，１６のＮ極は、平衡位置１３に面する。磁石１４，１６の極性は、磁石１４，１６のＳ極が平衡位置１３に面するように逆にされることが可能である。
・制御コイル２２は、必ずしも複数のディスクリートコイルから形成されない。シングル巻線であっても、多数のディスクリートコイルによってもたらされる磁場とほぼ同じ磁場をもたらすように配列することができる。
・リング３１と同心の付加的なリング状磁石が設けられることができる。１つまたは複数のリングは、異なる直径のリングがある平衡位置１３において、ｄＢ（３０）ｚ／ｄｚ＝０である磁場を生成することが好ましい。また、各リングは、ｄＢ（３０）ｚ／ｄｚ＝０を保持するために、平衡位置１３から異なる間隔に位置することが好ましい。
・リング３１は、複数の磁石の代わりに、１つ以上のリング状磁石を備えることができる。
・磁石１４，１６の一方または双方は、類似の磁場を生成する対称的に配列したより小さい磁石の配置と置き換えられることが可能である。とはいえ、磁石によって占められるスペースを最小にするように、多いのではなくて、少数の磁石を使用することは、一般に好ましい。
・制御コイル２２は、矩形のものが例示されているのに対して、他のコイルの形状が、さらに、磁性体１２の安定化のための磁力を生成するのに使用されることが可能である。たとえば、コイルは、図１２のコイル２２Ｅ，２２Ｆのように三角形、あるいは、図１３の２２Ｇ，２２Ｈのように半円形でもよい。
・あらゆる適切な非接点センサを位置センサ２６として使用することができる。位置センサ２６は、たとえば、適切な光学センサ、容量性センサ、あるいは、他のセンサを備えることが可能である。位置センサ２６は、あらゆる適切な方法で不安定な軸に沿う磁性体１２の位置を検出することができる。好ましい形態において、位置センサ２６は、平面１８と平衡位置１３との間の間隔に等しい間隔だけ平衡位置１３から移動される位置から、不安定な軸に沿う磁性体１２の動きを検出することが可能なタイプのものである。

なお、図１においては、ｘ軸方向にのみ磁性体１２の浮揚が不安定であり、制御コイル２２（２２Ａ，２２Ｂ）をｘ軸に沿って配列した磁気浮揚装置１の一形態を示したが、もちろん、ｙ軸に沿った方向にも制御コイル２３（２３Ａ，２３Ｂ）を配列することができる（図１４参照）。この場合、位置センサ２６は、磁性体１２の平衡位置１３に対するｘ軸方向の位置だけでなくｙ軸方向の位置も検出し、コントローラ２４は、ｘ軸方向の位置によって制御コイル２２に流す電流を制御していたのと同様、ｙ軸方向の位置によって制御コイル２３に流す電流を制御することになる。

＜磁気浮揚装置の第２の形態＞
続いて、磁気浮揚装置１の別の形態として、上述した平衡位置１３にて磁性体１２を浮揚させるのみならず（図１５参照）、該平衡位置１３からずれた不均衡な位置（図１６、図１７にて符号１３’で示す）においても磁性体１２を浮揚させるようにした磁気浮揚装置１の構成等を、ブロック図等を用いつつ以下に説明する（図１４〜図１８参照）。本実施形態の磁気浮揚装置１は、上述した形態における各要素のほかに、安定位置制御部１０１、目標位置決定部１０２、ＰＩＤ制御部１０３、電流制御回路１０４等を備える。

安定位置制御部１０１は、予め記憶しておいた安定位置を安定位置指令として出力する。浮上磁石（以下、浮上磁石ともいう）１２によって平衡位置（安定する位置）１３が異なる場合には、浮上させようとする浮上磁石１２の選別を判定できるセンサ等を準備することで、浮上磁石１２に対応して安定した位置（平衡位置１３）を出力することが可能となる。本実施形態の安定位置制御部１０１は、電流制御回路１０４が出す電流を最少化するように、安定位置を制御する役割も有している。

目標位置決定部１０２は、加速度検出部１１３から加速度情報を受信し、加速度（ａ）に比例した値（Ｋａ）を、安定位置制御部１０１が出力した安定位置指令における安定位置信号に加算する（図１８参照）。値Ｋａは、浮上磁石１２の位置や安定位置信号等の内容に応じて負の値になりうる。

ＰＩＤ制御部１０３は、目標位置決定部１０２によって決定された目標位置に浮上磁石１２が到達するように、位置センサ（以下、浮上磁石位置検出部ともいう）２６からのフィードバックを使ったＰＩＤ制御を行い、電流制御回路１０４への磁力強度指令を生成する。

電流制御回路１０４は、ＰＩＤ制御部１０３から磁力強度指令を受け取り、磁力強度に比例した大きさの電流を制御コイル２２に流す。なお、電流の大きさが負となる（流れ方向が逆になる）こともあり、負となった場合には制御コイル２２の極性が反転する。

浮上磁石位置検出部２６は、本実施形態において、ベース装置１１０の中央位置に対して浮上磁石１２がどれだけずれた位置にあるかを検出する。このような浮上磁石位置検出部２６は、例えば磁気センサ、赤外線センサなどによって構成することができる。

加速度検出部１１３は、磁気浮揚装置１のベース装置１１０が移動する際の加速度を検出する装置で、本実施形態においては、不安定な軸に沿った、当該磁気浮揚装置１自体の移動（上述した形態であれば、当該磁気浮揚装置１のｘ軸方向への移動）を検出する（図１８等参照）。このような加速度検出部１１３は、例えば加速度センサや速度センサなどで構成されており、磁気浮揚装置１のベース装置１１０等に固定され、磁気浮揚装置１の一部または全部が不安定な軸に沿って移動等する際、磁気浮揚装置１のベース装置１１０に生じる加速度を検出し、加速度情報を生成して送信する。

このような磁気浮揚装置１においては、平衡位置１３からずれた不均衡な位置１３’においても磁性体１２を浮揚させることが可能となる（図１６、図１７参照）。すなわち、磁気浮揚装置１（あるいはそのベース装置１１０）を動かすと磁石や制御コイル２２の位置も変わり、浮揚している浮上磁石１２の相対位置が慣性の働きでずれることになるが、このような場合に、本実施形態の磁気浮揚装置１においては磁気浮揚装置１自体（あるいはそのベース装置１１０）に作用する加速度によって生じる浮上磁石１２の相対位置のずれを打ち消し、浮上磁石１２が落下しないような制御をすることが可能である。これによれば、慣性の働きによって浮上磁石１２が平衡位置１３からずれた場合にも、各情報に基づき磁力を調整して当該浮上磁石１２を不均衡な位置１３’に留めた状態とすることができる。したがって、浮上磁石１２を備えた磁気浮揚装置１において、当該磁気浮揚装置１自体（あるいはその一部であるベース装置１１０）を移動させたり揺らしたりといった、従来装置では行うことができなかった演出を実現することも可能となる。

引き続き、磁気浮揚装置１のさらなる別の形態として、浮上磁石１２を常に動かすように制御する形態を示す（図１９参照）。ここでは、平衡位置１３（あるいは平衡位置１３からずれた不均衡な位置１３’）の目標となる位置を変化させ、安定位置自体を連続的にずらすことにより、浮上磁石１２を揺らすなど、平衡でない位置に留めることができるようにしている。このような制御を実現すべく、本形態の磁気浮揚装置１は、目標位置制御部２０１、慣性補償制御部２０３、磁力強度指令決定部２０４をさらに備えている（図１９参照）。

目標位置制御部２０１は、予め記憶しておいた安定位置を基準に、該安定位置からどれだけ離れた位置を目標にするか考慮し、目標位置を適宜設定する。このとき、目標位置を連続的に変化させるようにすれば、浮上磁石１２が連続的に移動しているように見せたり、あたかも揺れているように見せたりすることも可能となる。このような目標位置制御部２０１は、ＰＩＤ制御部１０３に対して目標位置指令を送信し、慣性補償制御部２０３に対して目標位置指令履歴情報を送信する。この目標位置制御部２０１とＰＩＤ制御部１０３とで、目標位置情報とロケーション情報とから浮上磁石１２を目標位置に到達させるための磁力強度情報を生成する移動制御部２０２が構成されている。

慣性補償制御部２０３は、目標位置と偏差の情報から、浮上磁石１２がどの方向にどれだけの速度で移動しているかを演算し、当該移動を補正するないしは打ち消すために必要な磁力強度指令を生成する。この場合における磁力強度は、対象である浮上磁石１２の速度に比例した大きさとなる。本形態の慣性補償制御部２０３は、偏差に関する情報として、ＰＩＤ制御部１０３から偏差履歴情報を受信し、この情報から、浮上磁石１２がどちらの方向に移動しようとしているのか演算して推定する。

磁力強度指令決定部２０４は、慣性補償制御部２０３が生成した慣性補償用の磁力強度指令を、ＰＩＤ制御部１０３が生成した磁力強度指令に加算する（図１９参照）。加算された情報は、磁力強度指令として、電流制御回路１０４に送信される。

このような磁気浮揚装置１においては、目標位置情報と、浮上磁石１２のロケーションを示すロケーション情報とに基づいて該浮上磁石１２を目標位置に到達させるための磁力強度情報を生成し、これらの情報に基づきコントローラ２４によって制御コイル２２への通電を制御する。このような制御が可能な本形態の磁気浮揚装置１によれば、平衡位置１３から離れた目標位置に浮上磁石１２を移動させ、あるいは留まらせることができる。また、目標位置を連続的に変化させることにより、浮上磁石１２を絶えず移動させたり、揺れるような動きをさせたりといった、従来装置では行うことができなかった演出を実現することも可能となる。

＜磁気浮揚装置１の第３の形態＞
当該磁気浮揚装置１上に配置された状態の磁性体（磁気要素）１２を自動的に浮揚させるようにした形態を説明する（図２０〜図２６参照）。本実施形態の磁気浮揚装置１は、上述した構成の他に、支持部材３００、平衡位置移動手段４００などを備えている。なお、この実施形態においては、水平面内の直交２軸をそれぞれｘ軸、ｙ軸、鉛直軸をｚ軸として説明する（図２０参照）。

支持部材３００は、空中へ浮揚している時以外における浮上磁石１２を支持する部材である。本実施形態における支持部材３００は略矩形で平坦であり、その表面（上面）は浮上磁石１２を支持する支持面３０１となっている（図２０等参照）。また、特に図示していないが、この支持部材３００は、磁気浮揚装置１中におけるいずかの箇所に、あるいは該磁気浮揚装置１を含む装置（例えば遊戯用装置）のいずれかの箇所に固定用治具（図示省略）を用いて固定されている。なお、支持部材３００は透明ないしは半透明の部材であってもそうでなくても構わないが、図２０等においては、磁石１４，１６や制御コイル２２，２３などを分かりやすく示すべく、便宜上、支持部材３００が半透明部材であるとして表記している。

平衡位置移動手段４００は、磁石１４，１６を、支持部材３００に対して相対的に昇降させるための手段である。本実施形態の平衡位置移動手段４００は、移動機構４１０と、駆動装置４２０とを含む構成となっている（図２０等参照）。

移動機構４１０は、磁石１４，１６を移動させるための機構である。このような機構の具体例は種々あるが、本実施形態では、磁石１４，１６が設けられたフレーム４１２を昇降させるラック４１４、ピニオン４２２を用いた機構となっている（図２０等参照）。

フレーム４１２は、磁石１４，１６が設けられる枠体である。本実施形態のフレーム４１２は略矩形であり、その四隅に、当該フレーム４１２を水平に保ちながら上下方向に案内するためのガイドローラ４１６が設けられている（図２０等参照）。特に図示していないが、これらガイドローラ４１６は、鉛直方向に延びるコラムや壁面に沿って移動し、支持部材３００を水平に保ちながら上下に案内する。

また、フレーム４１２は、略矩形の枠体であって、その中央部分に矩形の孔４１２Ａが形成された形状となっている。この孔４１２Ａは、制御コイル２２（２２Ａ，２２Ｂ），２３（２３Ａ，２３Ｂ）の外周よりも大きく形成されている。また、このように形成されたフレーム４１２に対し、制御コイル２２，２３は、矩形の孔４１２Ａの内側となる位置に配置されている。このため、フレーム４１２は、これら制御コイル２２，２３に接触することなく昇降することができる（図２０等参照）。

このフレーム４１２には、ラック４１４が取り付けられている（図２０等参照）。フレーム４１２や磁石１４，１６を昇降させるものである限りラック４１４の個数や配置は特に限られないが、支持部材３００が傾くのを抑えるという観点からすれば、単一のラック４１４であれば中央寄りに配置したり、一対のラック４１４であれば中央を挟む対称位置に配置したりすることも好ましい。

ピニオン４２２は、駆動力を直接または間接的にラック４１４に伝達してフレーム４１２を昇降させる部材である。本実施形態のピニオン４２２は、ギア４１８を介してラック４１４を昇降させる。

駆動モータ４２０は、上述した移動機構４１０を駆動する駆動源として設けられている。この駆動モータ４２０の出力軸には、上述のピニオン４２２が設けられている。駆動モータ４２０には、コントローラ２４が接続されている（図２０等参照）。

なお、ここでは移動機構４１０の具体例としてラック４１４、ピニオン４２２を用いた機構を示したがもちろんこれは好適な一例にすぎない。このほか、例えば鉛直方向へ伸縮する動作によって支持部材３００を昇降させるパンタグラフ機構などを移動機構４１０として利用することが可能である。

自動浮揚を開始する前に、コントローラ２４と電磁石（制御コイル２２，２３から構成されているものであり、図２２中において符号ＥＭで示す）を利用して、支持部材３００の支持面３０１に接している浮上磁石１２を、静磁場がもたらす平衡位置１３が相対的に昇降する経路と支持面３０１とが交差する部位（換言すれば、支持部材３００の支持面３０１上に支持された状態の浮上磁石１２の位置であって、平衡位置１３が相対的に上昇した場合に当該平衡位置１３に位置して浮上を開始しうる位置のことであって、本明細書では、当該位置を「浮上開始位置」と表現する）へ誘導することが好ましい。誘導したい方向にある電磁石ＥＭへの通電を制御し、浮上磁石１２への引力を生じさせ、浮上磁石を引き付けることができる。さらに、複数の電磁石ＥＭの引力を利用して、浮上磁石１２を浮上開始位置近傍へ誘導することができる。こうした場合は、支持面３０１上に載置された浮上磁石１２が浮上開始位置まで自動的に案内されるようになるから、作業者がいちいち浮上磁石１２を浮上開始位置にセッティングする手間が省ける。

また、支持部材３００の一部（例えば中央部）には、嵌合孔３０２が形成されている。この嵌合孔３０２は、当該支持部材３００上における上述の浮上開始位置に設けられている。嵌合孔３０２は、浮上磁石１２の一部分が嵌り込む大きさ及び形状とされており、浮上磁石１２が浮上開始時に平衡位置からずれないように位置決めする。本実施形態の嵌合孔３０２は、縁が面取りされたすり鉢状の傾斜面で構成されている（図２２等参照）。

一方、浮上磁石１２には、嵌合孔３０２に嵌まり込んだとき当該浮上磁石１２を水平な状態にする突部１２Ａが形成されている。一例として、本実施形態では、上述のように側面が傾斜した嵌合孔３０２に部分的に嵌り込むテーパ状の突部１２Ａが当該浮上磁石１２の一方の面（底面）に形成されている（図２２等参照）。この突部１２Ａが嵌合孔３０２に嵌り込んだとき、この浮上磁石１２は水平な状態に保持される（図２４等参照）。

なお、ここでは、浮上磁石１２の一部（突部１２Ａ）が嵌り込む凹部の一例として、支持部材３００の表面から裏面へと連なる透孔（嵌合孔３０２）を例示したが（図２４等参照）、浮上磁石１２の一部（突部１２Ａ）が嵌合する大きさと深さを有していれば、透孔であるか、透孔でない構造（嵌合用の凹部）であるかは問わない。したがって、浮上磁石１２の高さに対し支持部材３００が相当に厚い場合などにおいては、透孔ではなく凹部を嵌合用の凹部として用いても構わない。

また、上述した実施形態においては表面（支持面３０１）が平坦である平板状の支持部材３００を例示したが（図２２等参照）、かかる支持面３０１に勾配を付すことも好ましい。すなわち、支持面３０１を、浮上開始位置に向けて下り勾配とすれば、勾配の程度や摩擦抵抗の大きさ等にもよるが、傾斜を利用して浮上磁石１２を浮上開始位置へと誘導することが可能となる（図２７参照）。このような、浮上開始位置へ向けて下りの勾配からなる（例えばすり鉢状の）支持面３０１は、浮上磁石１２を浮上開始位置へと導く誘導手段として機能する。このような下り勾配の支持面３０１を有する支持部材３００を、前後左右に振ったり、鉛直線から傾けた状態で回転させたりといった動きをさせ、浮上磁石１２を浮上開始位置へ誘導する作用を向上させることもできる。

あるいは、浮上磁石１２を浮上開始位置へと導く誘導手段として、このような下り勾配からなる支持面３０１以外の構成を利用することも可能である。一例を示せば、コントローラ２４によって電磁石ＥＭへの通電を制御し、浮上磁石１２を浮上開始位置へ向かって付勢するようにした当該電磁石ＥＭとコントローラ２４とで誘導手段を構成することもできる。このように、既存の電磁石ＥＭとコントローラ２４とを併用して誘導手段を構成した場合、少ない電力で浮上磁石１２を浮上位置へと導くことが可能となる。

また、特に図示はしていないが、磁気浮揚装置１は、支持部材３００の支持面３０１と浮上磁石１２との間の摩擦力を減じる振動を与えるための手段を併有していることも好ましい。このような振動手段としては、例えば、支持部材３００を振動させるバイブレータ５００を例示することができる（図２４参照）。こういった手段を用いて振動を与えることにより、支持部材３００上に載置された状態の浮上磁石１２と支持面３０１との間における摩擦力を減じさせ、当該浮上磁石１２を浮上開始位置まで案内されやすくすることができる。振動を与えることによるこのような効果は、上述のような勾配が支持面３０１に付されている磁気浮揚装置１において特に顕著である。

なお、支持部材３００を振動させるバイブレータ５００は振動手段の好適な一例にすぎず、この他、浮上磁石１２を振動させることによって同様の効果を実現することも可能である。例示すれば、上述したコントローラ２４によって電磁石ＥＭへの通電を制御し、該電磁石ＥＭによる磁力を周期的に変化させることによって浮上磁石１２を振動させることができる。こうした場合にも、支持部材３００上に載置された状態の浮上磁石１２と支持面３０１との間における摩擦力を変化させつつ減じさせることが可能である。

続いて、上述した磁気浮揚装置１における一連の動きに沿って作用等を説明する（図２１〜図２６参照）。

まず、浮上磁石１２を浮揚させる際（上昇前の段階）においては、駆動モータ４２０および移動機構４１０を利用し、フレーム４１２等を下降させ、磁石１４，１６を支持部材３００における支持面３０１の下方であって該支持面３０１から離れた位置（下降位置）に位置させた初期状態とする（図２３、図２４参照）。

次に、誘導手段を用いて浮上磁石１２を誘導し、浮上開始位置へ配置する。誘導手段が電磁石ＥＭとコントローラ２４とで構成されている場合であれば、制御コイル２２，２３に通電し、支持面３０１に接している浮上磁石１２を嵌合孔３０２へ誘導し、浮上開始位置に配置することになるし、誘導手段が勾配を有する支持面３０１からなる場合には、該勾配を利用して浮上磁石１２を移動させて浮上開始位置に配置することになる。浮上開始位置まで誘導された浮上磁石１２は、突部１２Ａが嵌合孔３０２に嵌り込み、水平な状態となる。

ここで、制御コイル２２，２３に通電して静磁場を生成すると、この時点ではフレーム４１２および磁石１４，１６が下降位置に位置していることから、平衡位置１３は支持部材３００の支持面３０１よりも下方、換言すれば、浮上磁石１２の浮上開始位置よりも下方に形成される（図２５参照）。なお、図２５において、浮上磁石１２の浮上開始位置を符号ＦＰで示している。

ちなみに、磁石１４，１６等の「下降位置」は、平衡位置１３を支持面３０１よりも低くするものであればよい。したがって、この「下降位置」は、移動機構４１０に基づく支持部材３００や磁石１４，１６等の上下ストロークの最下点である必要はない。

次に、駆動モータ４２０を駆動し、移動機構４１０を作動させて支持部材３００を上昇させる（図２１、図２２参照）。支持部材３００とともに磁石１４，１６が上昇すると、これに伴い平衡位置１３も上昇する。平衡位置１３が支持面３０１よりも上に上昇すると、浮上開始ポイントＦＰに位置していた浮上磁石１２が支持面３０１から離れ、浮上しはじめる（図２６参照）。

このあとは、駆動モータ４２０および移動機構４１０をコントローラ２４で適宜制御し、磁石１４，１６を昇降させることによって、浮上磁石１２を上下に移動させることができる。また、浮上磁石１２を浮上させた状態で、該浮上磁石１２に外力を与えて水平面内での向きを変化させ、あるいは該水平面内で回転させることもできるが。このような外力としては、浮上磁石１２の一部のみに風が当たるように構成された風力などを利用することが可能である。

また、駆動モータ４２０および移動機構４１０を用いて支持部材３００を下降させると、支持部材３００とともに磁石１４，１６が下降し、これに伴い平衡位置１３も下降する。平衡位置１３が支持面３０１の高さまで下降すると、浮上磁石１２は浮上開始ポイントＦＰに戻り、支持面３０１に載置された状態となる（図２３、図２４参照）。

ここで、本実施形態では、制御コイル２２，２３への通電を断つ際、磁石１４，１６を下降位置（支持部材３００における支持面３０１の下方であって該支持面３０１から離れた位置）に移動させるよう、コントローラ２４により駆動モータ４２０を制御することとしている。その後の動作を考慮すると、初期状態のとき、磁石１４，１６は下降位置に位置していることが望ましい。本実施形態の磁気浮揚装置１によれば、このように制御することにより、初期状態において磁石１４，１６を下降位置に位置させることができる。

上述のように、本実施形態の磁気浮揚装置１によれば、平衡位置移動手段４００を用いることにより、静磁場がもたらす平衡位置１３を移動させて当該平衡位置１３の高さを変化させることができる。また、浮上磁石１２が支持面３０１上に支持された状態で平衡位置１３の相対的な高さを上昇させ、上昇途中において浮上磁石１２の位置（浮上開始位置）と平衡位置１３とを一致させ、平衡位置１３をさらに上昇させることによって浮上磁石１２を浮揚させることができる。このように、本実施形態にかかる磁気浮揚装置１によれば、支持部材３００上に配置された状態の浮上磁石１２を自動的に浮揚させることができる（図２１等参照）。

また、上述のごとく、支持部材３００上に配置された状態の浮上磁石１２を自動的に浮揚させるようにした本実施形態の磁気浮揚装置１によれば、浮上磁石１２を平衡位置１３に配置する手間が省ける。すなわち、従来装置においては、静磁界内の平衡位置に手を使うなどして浮上磁石を配置していたが、実際の平衡位置の範囲は狭小であり尚かつその周辺には強い引力と斥力とが作用していることから、該平衡位置に浮揚した状態で浮上磁石を配置することは簡単ではなく、ある程度の習熟や手間を要していたが、本実施形態によればそのようなことはない。

また、上述の説明から明らかなように、本実施形態の磁気浮揚装置１は、支持部材３００上に配置された状態の浮上磁石１２を自動的に浮揚させるのみならず、浮上磁石１２が支持部材３００上に載置された状態（接地状態）→上昇→空中浮揚→下降→接地といった一連の状態遷移を自動的に行うことができる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述した実施形態においては、フレーム４１２上に磁石１４，１６のみを配置して昇降させていたが、これら磁石１４，１６とともに制御コイル２２，２３もフレーム４１２上に配置し、一体的に昇降させるようにしてもよい。要は、支持面３０１上に載置された状態の浮上磁石１２に対し、静磁界内の平衡位置１３の高さを相対的に変えることができる構成であれば、磁石１４，１６のみを昇降させてもよいし、磁石１４，１６と制御コイル２２，２３とを一緒に昇降させてもよい。ただし、本実施形態のごとく磁石１４，１６のみを昇降させ、制御コイル２２，２３の高さを変えない（高さを一定にしておく）構造とした場合には、当該制御コイル２２，２３への配線を固定できるようになるから、配線が上下する場合に繰り返し作用しうる曲げ応力や動きを確保するための配線延長といったことを考慮しなくて済むという利点がある。

また、上述した実施形態では、二対の磁石１４，１６のすべてを一体的に昇降させる例を示したが（図２１等参照）、いずれか一方の対の磁石（１４または１６）のみ昇降させる構造であってもよい。例示すれば、複数対（例えば二対）の磁石がある場合において、少なくとも一対の磁石を昇降させることにより静磁界内の平衡位置１３の高さを変化させることも可能である。要は、浮上磁石１２に対する平衡位置１３の相対的な高さを変化させるものであれば、移動させる磁石の個数さらには制御コイルの個数が限定されることはない。

また、浮上磁石１２に対する平衡位置１３の相対高さを変化させるという観点からすれば、磁石１４，１６ではなく支持部材３００を昇降させる構造とすることもできる。すなわち、磁石１４，１６は固定して高さ不変とする一方で、支持部材３００を昇降させることによって、支持面３０１上の浮上磁石１２に対する平衡位置１３の相対高さを変化させることもできる。このように支持部材３００を昇降させる構造とした場合、支持部材３００を下降させる途中で浮上磁石１２が支持面３０１から離れて浮上した状態となる。

あるいは、静磁界の強弱や大きさを制御することによって平衡位置１３の位置（高さ）を漸次変化させる構造の磁気浮揚装置１であってもよい。例示すれば、少なくとも一対の磁石の他、それぞれの磁力を打ち消すような磁力を発生する別の電磁石と、該電磁石への電流を制御する制御装置とで平衡位置移動手段４００を構成することもできる。このような構成の場合、別の電磁石が発生する打ち消し磁力を強めれば静磁界が全体的に弱まるし、打ち消し磁力を弱めれば静磁界が全体的に強まる。平衡位置１３は、このように静磁界が全体的に強くなったり弱くなったりするのに応じて移動し、その高さを変える。

本発明は、磁性体を空中に浮揚させる磁気浮揚装置に適用して好適なものである。

１…磁気浮揚装置、１０，１０Ａ…磁気空中浮揚システム、１２…浮上磁石（磁性体）、１２Ａ…浮上磁石（磁性体）の突部、１３…平衡位置、１３’…平衡位置からずれた不均衡な位置、１４（１４Ａ，１４Ｂ）…磁石、１６（１６Ａ，１６Ｂ）…磁石、１８…平面、２０…安定平面、２２（２２Ａ，２２Ｂ）…制御コイル、２２′…二次電磁石、２３（２３Ａ，２３Ｂ）…制御コイル、２４…コントローラ（誘導手段）、２６…位置センサ（位置検出部）、２６Ｂ…二次センサ、３０…付加的な磁石、３１…リング、４０…サポート部材、４２Ａ…降下位置、４２Ｂ…上昇位置、５０…おもちゃ、５２…シェル、５４…永久磁石、５６…ロータ、６０…アニメーションメカニズム、６２…モータ、６６…伝送コイル、６７…受容コイル、７０…照明システム、７２…光源、７３…ビーム、７４…光受容器、７５…レンズ、７６…光ファイバ、１０１…安定位置制御部、１０２…目標位置決定部、１０３…ＰＩＤ制御部、１０４…電流制御回路、１１０…ベース装置（ベース部）、１１３…加速度検出部、２０１…目標位置制御部、２０２…移動制御部、２０３…慣性補償制御部、２０４…磁力強度指令決定部、３００…支持部材、３０１…支持面、３０２…嵌合孔（嵌合凹部）、４００…平衡位置移動手段、４１０…移動機構、４１２…フレーム、４１２Ａ…孔、４１４…ラック、４１６…ガイドローラ、４１８…ギア、４２０…駆動モータ（駆動装置）、４２２…ピニオン、５００…バイブレータ（振動手段）、ＥＭ…電磁石（誘導手段）、ＦＰ…浮上開始位置

Claims (12)

1. 磁性体を空中に浮揚させる磁気浮揚装置であって、
   前記磁性体に対して、重力と磁力の合力に依存する位置依存エネルギーをもたらす静磁場を生成するように配列され、尚かつ、前記静磁場がもたらす平衡位置において、前記位置依存エネルギーを、前記磁性体を不安定な軸に沿って前記平衡位置から離す場合には減少させ、前記磁性体を前記不安定な軸に直交するあらゆる方向に沿って前記平衡位置から離す場合には増大させる、少なくとも一対の磁石と、
   前記不安定な軸における前記磁性体のロケーションを示すロケーション情報を生成する位置検出部と、
   前記平衡位置における前記不安定な軸に沿う勾配を有する磁場を通電によって生成する電磁石と、
   前記ロケーション情報を受信し、前記電磁石への通電を制御するコントローラと、
   空中への浮揚時以外における前記磁性体の支持面を有する支持部材と、
   前記平衡位置を移動させて当該平衡位置の高さを変化させる平衡位置移動手段と、
   を備えることを特徴とする磁気浮揚装置。
2. 前記平衡位置移動手段は、前記少なくとも一対の磁石を、前記支持部材に対して相対的に昇降させる移動機構と、該移動機構を駆動する駆動装置と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気浮揚装置。
3. 前記駆動装置は、前記少なくとも一対の磁石を、前記支持部材における前記支持面の下方であって該支持面から離れた下降位置と、該支持面に接近する上昇位置との間で昇降させる機構からなることを特徴とする請求項２に記載の磁気浮揚装置。
4. 前記コントローラは、前記電磁石への通電を断つ際、前記少なくとも一対の磁石を前記下降位置に移動させるように前記駆動装置を制御する制御装置を含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気浮揚装置。
5. 前記支持部材の前記支持面に接している磁性体を、前記支持部材において前記平衡位置が相対的に昇降する経路が交差する部位である浮上開始位置へ誘導する誘導手段を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気浮揚装置。
6. 前記誘導手段は、前記支持部材の前記支持面が前記浮上開始位置に向かって下り勾配を有する面で形成され、前記磁性体が重力によって前記浮上開始位置へ移動することを特徴とする請求項５に記載の磁気浮揚装置。
7. 前記誘導手段は、前記電磁石と前記コントローラとからなり、前記コントローラが前記電磁石の通電を制御することによって前記磁性体を前記浮上開始位置へ向かって付勢することを特徴とする請求項５に記載の磁気浮揚装置。
8. 前記支持部材と前記磁性体の少なくとも一方を振動させることにより、前記磁性体と前記支持面との間の摩擦力を減じる振動手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気浮揚装置。
9. 前記振動手段は、前記電磁石と前記コントローラとからなり、前記コントローラが前記電磁石の通電を制御することによって該電磁石の磁力を周期的に変化させ、前記磁性体を振動させるものであることを特徴とする請求項８に記載の磁気浮揚装置。
10. 前記振動手段は、前記支持部材を振動させるバイブレータであることを特徴とする請求項８に記載の磁気浮揚装置。
11. 前記支持部材において前記平衡位置が相対的に昇降する経路が交差する部位には、前記磁性体の一部分が嵌まり込む嵌合凹部が設けられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁気浮揚装置。
12. 前記磁性体には、前記嵌合凹部に嵌まり込んだとき当該磁性体を水平な状態にする突部が形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の磁気浮揚装置。