JP2019192672A - 磁気浮上装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温に冷却せず、非常に強い磁場も必要とせず、磁石を回転する必要もなく、容易に磁石を浮上させる装置を提供する。【解決手段】磁気センサ２、３で磁石１の磁束密度を検出し、増幅手段５と駆動手段６により、コイル４に流れる電流を制御する。磁石１が磁気センサ２に近づくとコイル４に流れる電流は大きくなり、磁石１が遠ざかるとコイル４に流れる電流が小さくなるが、磁石１とコイル４が反発するようにコイル４に流れる電流の方向を制御することによって、疑似的な反磁性体のように働く。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気による浮上装置に関する。

従来の磁気浮上の手段として、極低温に冷却した超伝導体の上に磁石を乗せて磁石を浮上させる。あるいは、磁石の上に超伝導体を乗せて超伝導体を浮上させる。しかし、極低温に冷却するために液体ヘリウムなどを用いるが、液体ヘリウムなどは、取り扱いを誤ると凍傷、酸欠や死の危険があり、専用の器具も必要で、容易に磁気浮上できるとは言えない。

従来の磁気浮上の手段として、非常に強い磁場で反磁性体の軽い小片を浮上させる手段がある。しかし、非常に強い磁場を作ることは容易ではない。

従来の磁気浮上の手段として、玩具の磁気浮上コマがある。磁場が中央で弱く周辺部で強い、すり鉢状の磁場分布を作り、中央でコマのように回転する磁石を浮上させる。しかし、すり鉢状の磁場分布の中央でコマのように磁石を回転させることはかなり難しく、また、回転磁石コマが浮上しても、やがて回転が遅くなると磁石コマは落下してしまう欠点があった。

解決しようとする問題点は、極低温に冷却する必要があることや、非常に強い磁場が必要があること、あるいは磁石を回転させる必要があり、容易に磁気浮上することができない点である。

本発明は、磁気センサ、コイル、電子回路などによって磁気浮上することを特徴とする。

本発明により、極低温に冷却する必要はなく、非常に強い磁場も必要なく、磁石を回転させる必要もなく、容易に磁気浮上できる。

図１は本発明の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 図２は本発明の実施方法を示した説明図である。（実施例２） 図３は磁気浮上コマの説明図である。 図４は本発明の実施方法を示した説明図である。（実施例３） 図５は本発明の実施方法を示した説明図である。（実施例3）

磁気浮上の方法として、磁気の引力（互いに引き合う力）を利用する方法と、磁気の斥力（互いに反発する力）を利用する方法があるが、本発明は斥力によって磁気浮上させる方法である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の請求項1の実施例の説明図である。１は浮上する磁石で、ネオジム磁石などの永久磁石である。２と３は磁束密度（磁力の強さ）を検出するための磁気センサで、磁束密度に比例した電圧を出力するホール素子などのセンサを用いる。４は磁場を発生させるためのソレノイドコイルなどで、空芯でもよいし、鉄芯などを用いてもよい。

磁気センサ２はコイル４の上側にあり、磁気センサ３はコイル４の下側にある。コイル４に電流が流れて磁場が発生したとき、コイルの上側と下側の磁束密度の大きさは同じになる。磁気センサ２と３はコイルで発生した磁束密度に比例した電圧を出力するが、磁気センサ２と３の電圧の差分をとる（打ち消しあうように、逆相の接続をする）ことにより、コイルで磁場が発生しても磁気センサの電圧の差分はゼロになる。
磁気センサ２に磁石１が近づくと、磁気センサ２での磁束密度は大きく、磁気センサ３での磁束密度は小さいため、磁気センサの電圧差分はゼロにならない。つまり、磁気センサ２に磁石１が近づくと電圧差分は大きくなり、遠ざかると電圧差分は小さくなる。磁石１が存在しないとき（または、十分に離れたとき）は、電圧差分はゼロになる。

５の増幅手段は、磁気センサ２と３の電圧差分を増幅する手段で、オペアンプなどを用いた電子回路でもよいし、他の手段でもよい。６の駆動手段は、５で増幅した電圧からコイル４に流れる電流を制御する手段で、トランジスタなどを用いた電子回路でもよいし、他の手段でもよい。

コイルに流れる電流に比例して発生する磁場も強くなる。磁石１が磁気センサ２に近づくと、磁気センサ２と３の電圧差分が５の増幅手段で増幅されて、コイルに流れる電流が大きくなる。磁石１が磁気センサ２から遠ざかると、コイルに流れる電流は小さくなり、磁石１が存在しないとき（または、十分に離れたとき）は、コイルに電流は流れない。

５の増幅手段にオペアンプなどを用いて、増幅率やオフセットなどを可変にする手段を設け、コイルに流れる電流を調整できるようにしてもよい。増幅率やオフセットなどを可変にする手段は、可変抵抗器などを用いてもよいし、他の手段でもよい。

磁気センサ２に近づく磁石１の極性に対して、コイルに流れる電流の方向を変えることにより、磁石とコイルに斥力（反発力）が働くようにする。 例えば、磁石１のＮ極が磁気センサ２に近づいたときは、コイル上側がＮ極になるようにコイル電流の方向を変えることによって、磁石とコイル上側が反発する。逆に、磁石のＳ極が磁気センサ２に近づいたときは、コイル上側がＳ極になるようにコイル電流の方向を変えることにより、磁石とコイル上側が反発する。
磁石１の磁力線に着目すれば、磁石１が磁気センサ２に近づくとコイルに電流が流れて、コイル内部で磁石１の磁力線が排斥させることと同じである。つまり、疑似的な反磁性体のような働きをすることになる。

上述のように、磁石１の下側（磁気センサ側）がＮ極またはS極によって、コイルに流れる電流の向きを変える必要がある。この手段として、例えば、２つの直流電源を用い、ＰＮＰ型とＮＰＮ型トランジスタなどを用いて、コイルに流れる電流の向きを変えてもよいし、他の手段を用いてもよい。

磁石１の下側（磁気センサ側）の極が決まっていて、コイルに流れる電流の向きを変える必要がない場合も請求項１の範囲である。例えば、磁石１の下側（磁気センサ側）がN極に決まっているときは、磁石のN極とコイルの上側に斥力が働く方向だけに電流を流してもよい。ただし、磁石１の下側がS極だったときには、コイルに電流が流れないことに注意が必要である。
逆に、磁石１の下側がＳ極に決まっているときも、磁石のＳ極とコイルの上側に斥力が働く方向だけに電流を流してもよいが、磁石１の下側がＮ極だったときには、コイルに電流が流れないことに注意が必要である。

上述のように、磁石１の下側の極が決まっている場合に、誤って、磁石１の下側の極性を逆にしたときは、ランプの点灯や点滅、アラーム音などで警告する手段を設けてもよい。あるいは、スイッチなどを用いて、手動でコイルに流れる電流の方向を切り替えられるようにしてもよい。

図１の磁石１を除いたものを装置（ユニット）として、1個の本装置（本ユニット）だけを使用した場合も、複数個の本装置を使用した場合も、請求項１の範囲である。例えば、１個の本装置は、疑似的な反磁性体として、教材や玩具として使用してもよい。複数個の本装置を用いて、磁石を浮上させてもよい。あるいは、沢山の本装置を並べて、その上を磁石が浮上して移動するようにしてもよい。

本装置の上下を逆にした場合も、請求項１の範囲である。例えば、複数の磁石を敷き詰めて、その上を本装置が浮上してもよいし、浮上して移動するようにしてもよい。
以上は、本発明の請求項１の説明である。

図２は、本発明の請求項２の実施例の説明図であり、図１から磁気センサ３を省略した簡易型である。磁気センサ２は磁石１の磁束密度とコイル４で発生する磁束密度の両方を検出するが、磁石１の磁束密度に対して、コイル４で発生する磁束密度が小さく、コイルで発生する磁束密度の影響が小さい場合に適している。磁石１、磁気センサ２、コイル４、増幅手段５、駆動手段６は、図１の説明と同じである。ただし、増幅手段５には、磁気センサ２の電圧が入力される。

図２の磁石１を除いたものを装置（ユニット）として、１個の本装置（本ユニット）だけを使用した場合も、複数個の本装置を使用した場合も、請求項２の範囲である。

本装置の上下を逆にした場合も、請求項２の範囲である。例えば、複数の磁石を敷き詰めて、その上を本装置が浮上してもよいし、浮上して移動するようにしてもよい。
以上は、本発明の請求項２の説明である。

図３は、従来の磁気浮上コマの正面図であり、７は回転する磁石コマで、８は磁石である。磁石８はリング型の磁石、または円形に並べた複数の磁石である。磁石８によって、磁場が中央で弱く周辺で強い、すり鉢状の磁場分布を作る。磁石８の上側の極と回転する磁石コマ７の下側の極との斥力により、回転磁石コマが浮上する。

本発明は、上述のすり鉢状の磁場分布と、図１または図２の装置（磁石１を除く）を用いて、磁石を浮上させる。図１または図２の装置（磁石１を除く）が、疑似的な反磁性体の働きをすることにより、すり鉢状の磁場分布が変化して磁石が浮上するため、浮上する磁石はコマのように回転する必要はない。
図４と図５は本発明を説明するための図である。図1または図２の装置（磁石１を除く）を使用する個数は何個でもよいが、説明を簡単にするために、３個の場合で説明する。

図４は、本発明の実施例の上面図である。９は、図１または図２の装置（磁石１を除く）である。装置９の中心を１０の円周上に１２の角度θごと配置する。装置９が３個のときの角度は、θ＝３６０°／３＝１２０°である。装置９がＭ個のときの角度は、θ＝３６０°／Ｍである。

図４の８は、磁石である。３個の磁石８を用いて、磁場が中央で弱く周辺で強い、すり鉢状の磁気分布を作る。磁石８の中心を１１の円周上に１３の角度φごとに配置する。磁石８が３個のときの角度は、φ＝３６０°／３＝１２０°である。磁石８がＮ個のときの角度は、φ＝３６０°／Ｎである。
装置９の個数Ｍと磁石８の個数Ｎは同じ個数でもよいし、同じ個数でなくてもよい。あるいは、磁石８はリング型の磁石を用いてもよい。また、磁石８は永久磁石でもよいし、電磁石でもよい。

図５は、本発明の実施例の正面図である。図５の１５は装置９の上部で、図４の円１０と円１１の中心の位置である。この位置１５において、円形に配置された磁石８による磁束密度がほぼゼロになるように、図４の円１１の大きさと図５の装置９の高さｈを決める。例えば、装置９の高さｈ＝１１．５mm、円１１の直径は５５〜６０mmで、磁石８の大きさは直径１２〜２０mmぐらいである。

図５の磁石１は、薄い円形で軽いネオジム磁石などの磁力の強い磁石である。磁石１の直径は、図４の円１０の直径と同じか、少し大きいものを使用する。例えば、円１０の直径が２０mmならば、磁石１の直径は２０〜２３mmぐらいの大きさである。

図５の磁石８によって磁場が中央で弱く周辺で強い、すり鉢状の磁場分布を作るが、磁石８と磁石１の極性は、例えば、磁石８の上側がＮ極、下側がＳ極のときは、浮上する磁石１の極性は上側がＮ極、下側がＳ極である。逆に、磁石８の上側がＳ極、下側がＮ極のときは、浮上する磁石１の極性は上側がＳ極、下側がＮ極である。

前述（段落番号００１４）のように、図１または図２の増幅手段５に増幅率やオフセットなどを可変する手段を設けて、コイルに流れる電流を調整できるようにした場合には、各装置９の増幅手段の増幅率やオフセットなどを変えて、浮上した磁石が水平に調整できるようにしてもよい。

極低温に冷却する必要はなく、非常に強い磁場も必要なく、磁石を回転させる必要もなく、容易に磁石を浮上できる。

１ 浮上する磁石
２ コイルの上側の磁気センサ
３ コイルの下側の磁気センサ
４ コイル
５ 増幅手段
６ 駆動手段
７ 回転する磁石コマ
８ すり鉢状の磁場分布をつくるための磁石
９ 図１または図２から磁石１を除いた装置
１０ ９の装置を配置する円周
１１ ８の磁石を配置する円周
１２ ９の装置を円周上に配置する角度
１３ ８の磁石を円周上に配置する角度
１４ ９の装置（２のコイル）の高さ
１５ ９の装置（２のコイル）の上面の近傍で、円１０と円１１の中心の位置

Claims (3)

1. 磁気センサ、増幅手段、駆動手段、コイルからなり、２個の磁気センサによりコイルで発生する磁場の強さが打ち消し合うようにして、浮上させる磁石の磁場の強さを検出し、検出した磁石の磁場の強さに応じた電流をコイルに流し、磁石とコイルに斥力が働らく方向にコイルの電流を流すことによって、磁石とコイルに反発力が作用して疑似的な反磁性体の働きをする装置。
2. 請求項１において、２個の磁気センサを１個に減らして、１個の磁気センサで浮上させる磁石の磁場の強さを検出して、磁石とコイルに反発力が作用して疑似的な反磁性体の働きをする装置。
3. 磁場が中央で弱く周辺で強いすり鉢状の磁場分布を作り、請求項１または請求項２の装置を用いて、磁石を浮上させる装置。