JP3924596B2 - 負の減衰特性を有する磁性バネ振動機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の永久磁石を有する磁性バネ振動機構に関し、更に詳しくは、複数の永久磁石の反発力を利用することにより減衰機能構造を持たないが安定である負の減衰特性を有する磁性バネ振動機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、負の減衰特性を有する構造系は存在するが、永久磁石を利用して負の減衰特性を示すものはなかった。
また、自動車用シートあるいは救急車用ベッドには、車体フロアから伝わる振動を抑制する除振ユニットが取り付けられており、この除振ユニットには例えば金属バネ、エアサスペンション、エアダンパ等が使用されている。最近では、自動車用シートにアクチュエータを取り付け、振動をアクティブ制御することにより着座感を向上したアクティブサスペンションシートも提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属バネ、エアサスペンション、エアダンパ等を使用した除振ユニットは、車体フロアから伝わる振動のうち４〜２０Ｈｚの振動の周波数を低下させて着座感あるいは使用感をさらに向上させることはできなかった。
また、上記アクティブサスペンションシートは重たく高価であるばかりでなく、アクチュエータを常に作動させておく必要があり、アクチュエータをＯＦＦにすると振動がアクチュエータを介して乗員に直接伝わり、着座感が損なわれるという問題があった。
【０００４】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、同一磁極が対向する複数の永久磁石の反発力を利用して減衰機能構造を持たないが安定である磁性バネ振動機構を提供することにより、安価で簡素な構成の動特性制御系あるいは高能率機関を実現することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうちで請求項１に記載の発明は、基台と、該基台にリンク機構を介して相対移動自在に取り付けられた頂板と、上記基台にラチェット機構を介して回転自在に取り付けられた回転体と、該回転体の円周方向に所定の間隔で固着された複数の第１永久磁石と、上記頂板の円周方向に所定の間隔で固着され上記第１永久磁石と同一磁極が対向する上記第１永久磁石と同数の第２永久磁石とを備え、外力により上記ラチェット機構を介して上記回転体を回転させることにより上記第１及び第２永久磁石の対向面積を変化させ、上記第１及び第２永久磁石の平衡位置からの入力側の反発力より出力側の反発力を大きくしたことを特徴とする負の減衰特性を有する磁性バネ振動機構である。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、上記第１及び第２永久磁石の最接近位置で最大反発力を発生するようにしたことを特徴とする。
【０００７】
さらに、請求項３に記載の発明は、上記第１及び第２永久磁石の相対位置を決定する位置決め手段の一部を上記回転体に取り付けたことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４に記載の発明は、上記位置決め手段を複数の永久磁石で構成したことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
互いに離間し同磁極を対向させた少なくとも二つの永久磁石を有する磁性バネ構造体の場合、離間した永久磁石同士は非接触のため、構造体自体の摩擦損失等を無視すると、その静特性は入力時（行き）と同一ライン上を非線形で出力され（帰り）、さらに、非接触対偶特有の自由度、浮上制御系の不安定度を利用することにより、小さな入力で静磁界（磁石の配置）を変化させることで負の減衰を生じやすい。
【００１０】
本発明はこの事実に着目してなされたものであり、二つの永久磁石間の幾何学的寸法を運動行程内機構あるいは外力により入力側（行き）と出力側（帰り）で変化させ、その運動系内で反発力に変換させることにより、二つの永久磁石の平衡位置からの入力側の反発力より出力側の反発力を大きくしている。
【００１１】
以下、その基本原理について説明する。
図１は、入力側と出力側における二つの永久磁石２，４の平衡位置を示した模式図で、図２は、いずれか一方の永久磁石に加えられた荷重と、二つの永久磁石の平衡位置からの変位量との関係を示した磁性バネ構造体の基本特性を示している。
【００１２】
図１に示されるように、永久磁石２に対する永久磁石４の入力側の平衡位置とバネ定数をそれぞれｘ₀，ｋ₁とし、出力側の平衡位置とバネ定数をそれぞれｘ₁，ｋ₂とすると、ｘ₀〜ｘ₁の間で面積変換が行われ、各平衡位置では次の関係が成立する。
−ｋ₁／ｘ₀＋ｍｇ＝０
−ｋ₂／ｘ₁＋ｍｇ＝０
ｋ₂＞ｋ₁
【００１３】
従って、その静特性は、図２に示されるように負の減衰特性を示し、位置ｘ₁と位置ｘ₀におけるポテンシャルの差が発振のポテンシャルエネルギと考えることができる。
【００１４】
また、図１のモデルを製作し、荷重と変位量との関係を、荷重を加える時間を変えて実測したところ、図３に示されるようなグラフが得られた。これは、二つの永久磁石２，４が最近接位置に近づくと、大きな反発力が作用すること、また、平衡位置からの変位量が微小に変化すると摩擦損失が磁性バネのダンパー効果により発生し、そのことにより減衰項が現れたものと解釈される。
【００１５】
図３において、（ａ）は一定荷重を加えた場合のグラフで、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順で荷重を加えた時間が短くなっている。すなわち、荷重の加え方により静特性が異なり、荷重を加える時間が長いほど力積が大きい。
【００１６】
また、希土類磁石は、磁化の強さが磁界に依存しない。つまり、内部磁気モーメントが磁界による影響を受けにくいので、減磁曲線上で磁化の強さはほとんど変化せず、ほぼその飽和磁化の強さの値を保っている。従って、希土類磁石では、端面上に磁荷が均一に分布していると仮定したチャージモデルを用いて、入出力が考えられる。
【００１７】
図４はその考え方を示しており、磁石を最小単位の磁石の集合と定義し、各単位磁石間の力の関係を三つに分類して計算したものである。
（ａ）吸引（ｒ，ｍとも同一なので、２タイプを１つで定義する）
ｆ⁽¹⁾＝（ｍ²／ｒ²）ｄｘ₁ｄｙ₁ｄｘ₂ｄｙ₂
ｆ_x ⁽¹⁾＝ｆ⁽¹⁾ｃｏｓθ
ｆ_z ⁽¹⁾＝ｆ⁽¹⁾ｓｉｎθ
（ｂ）反発
ｆ_x ⁽²⁾＝ｆ⁽²⁾ｃｏｓθ
ｆ_z ⁽²⁾＝ｆ⁽²⁾ｓｉｎθ
（ｃ）反発
ｆ_x ⁽³⁾＝ｆ⁽³⁾ｃｏｓθ
ｆ_z ⁽³⁾＝ｆ⁽³⁾ｓｉｎθ
従って、
−ｆ_x＝２ｆ_x ⁽¹⁾−ｆ_x ⁽²⁾−ｆ_x ⁽³⁾
−ｆ_z＝２ｆ_z ⁽¹⁾−ｆ_z ⁽²⁾−ｆ_z ⁽³⁾
ここで、クーロンの法則は次のように表されるので、

上記−ｆ_x，−ｆ_zを磁石の寸法の範囲で積分して力を求めることができる。
【００１８】
これを図５に示されるように、対向する磁石を各磁気ギャップ毎に完全にラップした状態（ｘ軸移動量＝０ｍｍ）から完全にずれた状態（ｘ軸移動量＝５０ｍｍ）まで移動させて計算したのが図６のグラフである。ただし、「内部磁気モーメントは一定」と定義してあるが、磁気ギャップが小さいときは磁石の周辺で乱れが生じるので、補正している。
【００１９】
上記計算結果は実測値とも略一致しており、図２のポイントａからｂに移動させる力がｘ方向荷重で、出力はｚ方向荷重で表されており、不安定系故の入力＜出力の関係が静的に明確になっている。
【００２０】
また、図７は、図５に示される磁石の離間距離を３ｍｍに保持し、完全にずれた状態から完全にラップした状態まで移動させ、さらにこの状態から完全にずれた状態まで移動した時の関係を表したグラフである。このグラフは、ｘ方向荷重の絶対値は同じで出力方向が逆になって出てくる特性で、完全ラップ状態に近づく場合は抵抗つまり減衰となり、完全ラップ状態から完全にずれた状態に移行する場合は加速されることを示している。この特性を非接触ダンパに活用することで、従来のダンパでは達成できなかった人が認知できる低・中・高周波領域（０〜５０Ｈｚ）の振動エネルギの低減つまり振動伝達率の改善が可能になった。
【００２１】
また、図８に示されるように、対向する磁石の回転角度を変化させると、図９に示されるようなグラフが得られた。当然のことながら、対向面積が減少すると最大荷重が減少し、所定の入力を加えることによる面積変換を介して出力を変化させることが可能なことを示している。
【００２２】
図１０は、永久磁石としてネオジム系磁石を採用した場合の磁石間距離と荷重との関係を示すグラフであり、反発力は質量増加とともに増加する。ここで、反発力Ｆは、
Ｆ∝Ｂｒ²×（幾何学的寸法） Ｂｒ：磁化の強さ
で表され、幾何学的寸法とは、対向する磁石の離間距離、対向面積、磁束密度、磁界の強さ等により決定される寸法を意味する。磁石材料が同一の場合、磁化の強さ（Ｂｒ）は一定であるので、幾何学的寸法を変化させることにより磁石の反発力を変えることができる。
【００２３】
図１１乃至図１４は、同一（反発）磁極が対向する複数の永久磁石の対向面積を変えることにより幾何学的寸法を変化させるようにした具体的な磁性バネ構造体Ｍを示しており、基台５と、左右一対のＸリンク６，６を介して基台５に上下動自在に取り付けられた頂板７とを有している。
【００２４】
基台５には、各Ｘリンク６を構成する２本のリンク６ａ，６ｂのうちリンク６ａ，６ａの下端が枢着された回動軸８，８と、互いに平行に延在するＵ字状チャネル１０，１０とが固定されている。Ｕ字状チャネル１０，１０には、逆Ｕ字状チャネル１２，１２が摺動自在に取り付けられており、リンク６ｂ，６ｂの下端が枢着された第１リンク支承部材１４，１４と、ピン１６が中央に植設されたＵ字状部材１８とが一体的に逆Ｕ字状チャネル１２，１２に接合されている。
【００２５】
基台５の中央には固定ディスク５４が取り付けられており、この固定ディスク５４に対しラチェットホイール５６が回動自在に取り付けられている。ラチェットホイール５６の外周面には２４個の歯５６ａが形成され、歯５６ａの内側のラチェットホイール５６上面には１２個の直方体状の第１永久磁石５８が円周方向に所定の間隔で配設されている。また、Ｕ字状部材１８の両側にはブラケット６０，６０を介して爪片６２，６２が揺動自在に取り付けられており、各爪片６２，６２はラチェットホイール５６の歯５６ａのいずれか一つと噛合している。
【００２６】
図１５に示されるように、固定ディスク５４の周囲にはＮ極とＳ極が７.５度間隔で交互に並ぶように４８個の第１棒磁石６４が固定される一方、第１棒磁石６４のＮ極とＳ極にそれぞれＳ極とＮ極が対応するように４８個の第２棒磁石６６がラチェットホイール５６の下面に固定されており、ラチェットホイール５６に取り付けられた第１永久磁石５８の位置決めを行っている。
【００２７】
一方、頂板７には、リンク６ａ，６ｂの上端が枢着された回動軸３２，３２と、互いに平行に延在する逆Ｕ字状チャネル３４，３４とが固定されている。逆Ｕ字状チャネル３４，３４の各々には、Ｕ字状チャネル３６，３６が摺動自在に取り付けられており、リンク６ａ，６ｂの上端がそれぞれ枢着された第２リンク支承部材３８，３８と、平板状部材４０，４０とが一体的にＵ字状チャネル３６，３６も接合されている。
【００２８】
また、頂板７の下面中央には、固定ブロック４４を介してディスク６８が固定されており、第１永久磁石５８と同一磁極が対向するように１２個の直方体状の第２永久磁石７０がディスク６８の下面に円周方向に所定の間隔で配設されている。
【００２９】
なお、図１１は第１永久磁石５８と第２永久磁石７０とが最も離間した状態を示しており、図１２は第１永久磁石５８と第２永久磁石７０とが最も接近した状態を示している。
【００３０】
上記構成において、図１１の状態で基台５にある入力が加えられ、第１及び第２永久磁石５８，７０の反発力に抗して、第１及び第２永久磁石５８，７０が互いに接近すると、左右一対のＸリンク６，６が側方に開き、逆Ｕ字状チャネル１２，１２がＵ字状チャネル１０，１０に対し摺動するとともに、Ｕ字状チャネル３６，３６が逆Ｕ字状チャネル３４，３４に対し摺動する。その結果、第１リンク支承部材１４を介してＵ字状部材１８と爪片６２，６２とが一体的に摺動し、第１及び第２棒磁石６４，６６の吸引力に抗して爪片６２，６２の一つがラチェットホイール５６を徐々に回転させる。
【００３１】
第１永久磁石５８はラチェットホイール５６に固着されているので、ラチェットホイール５６とともに図１６の矢印方向に回転し、第１及び第２永久磁石５８，７０の対向面積が徐々に増大し、その反発力も同時に増大する。第１及び第２永久磁石５８，７０が最も接近した図１２の位置で第１及び第２棒磁石６４，６６は同一磁極が対向し、互いに反発するので、この位置を通過後、第２棒磁石６６の各々は対向する同一磁極と隣接する反対磁極を有する第１棒磁石６４に吸引され、ラチェットホイール５６が図１１の最離間位置より１５度回転した位置に位置決めされる。
【００３２】
この時、第１及び第２永久磁石５８，７０の全体が完全に対向し、その反発力が最大値に達し、頂板７は上方に向かって押し上げられる。
【００３３】
最離間位置に向かう過程では、最接近位置に向かう過程で作用していた爪片６２の反対側に位置する爪片６２がラチェットホイール５６の歯５６ａの一つと噛合し、爪片６２が摺動するにつれてラチェットホイール５６を徐々に回転させる。
【００３４】
最離間位置を通過するとラチェットホイール５６は更に１５度回転して、図１６の状態となり、以後上記動作が繰り返されるので、本発明にかかる磁性バネ構造体Ｍは自励振動系を構成している。
【００３５】
図１７は平衡点からの橈み量と反発力との関係を示す減衰特性曲線で、この曲線からわかるように、平衡位置からの橈み量が増加する時のバネ定数より橈み量が減少する時のバネ定数が大きい負の減衰特性を示している。
【００３６】
これは、摩擦及びこれに起因する発熱、あるいは、磁石自体にマイナーループあるいは電磁誘導があることから、必ずロスが発生するが、フェライト系磁石等に比べネオジム系磁石は、小さな質量で大きなポテンシャルの場（磁場）を提供することができ、ロスを超える面積変換を行うことによりポテンシャルの場のエネルギ変換が行われたと解釈することができる。
【００３７】
次に、上記磁性バネ構造体Ｍの動特性を図１８に示される簡略化した基本モデルを状態方程式で説明する。
図１８の入力Ｆが、永久磁石の面積変換等の幾何学的寸法変化によってもたらされた力である。図１８において、バネ定数をｋ、減衰係数をｒ、質量ｍに入力される調和振動をＦ（ｔ）とすると、その状態方程式は、
【数１】

と表される。
【００３８】
ここで、平衡位置をｘ₀、平衡位置からの変位をｙとすると、
【数２】

【００３９】
ここで、ｋ／ｘ₀ ²＝ｋ′とおくと、
【数３】

【００４０】
調和振動をＦ（ｔ）＝Ｆｅ^{i ω t}とおき、ｙ＝ｘｅ^{i ω t}とおくと、
【数４】

ここで、φは位相遅れを示す。
【数５】

従って、共振周波数ω₀は、
【数６】

【００４１】
ここで、式（２）はさらに、次のように表すこともできる。
【数７】

ｙをｘとおいて、３次の項まで考慮すると、
【数８】

【００４２】
式（３）には、２次の項に−ｂｘ²という減衰項が表れているが、式（３）をさらに簡単なイメージに置き換えると、
【数９】

【００４３】
ここで、ｘ＝ｘ₀ｃｏｓωｔとおくと、
【数１０】

【００４４】
つまり、微小振動領域では、周期的な外力に対して、絶えず一定の反発力（（ｂ／２）ｘ₀ ²）が加わっていて、その力で周期的外力を減衰させることになる。
【００４５】
そこで、図１９の装置を使用して、磁石単体の動特性を調べたところ図２０及び図２１に示されるような結果が得られた。
【００４６】
図１９の装置は、二つの永久磁石２，４を互いに対向せしめ、面積変換することなくＸリンク１０を介してその離間距離を変更するようにした装置である。
【００４７】
また、図２０及び図２１において、横軸は周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸は振動伝達率（Ｇ／Ｇ）を示している。また、図２０において、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）はそれぞれ、５０×５０×１０ｍｍ，５０×５０×１５ｍｍ，５０×５０×２０ｍｍ，７５×７５×１５ｍｍ，７５×７５×２０ｍｍ，７５×７５×２５ｍｍの磁石を使用して、同じ負荷３０ｋｇを加えているのに対し、図２１においては、５０×５０×２０ｍｍの同じ磁石を使用して、５３ｋｇと８０ｋｇの異なる負荷を加えたものである。
【００４８】
図２０及び図２１は磁性バネの非線形特性を示したもので、両図から、同じ負荷の場合は、磁石サイズが大きいほど共振点は低周波域へ移行し、磁石サイズが同じ場合には、負荷が変わっても共振点は変化せず、負荷の軽重で共振点における振動伝達率に大小が生ずることがわかる。
【００４９】
また、図２２は比較例としての、従来の乗用車シートの動特性を示すグラフであり、振動伝達率が全体として高く、負荷の変動にともない共振点及び振動伝達率はともに変動している。
【００５０】
ところで、上記式（１）において、対向する永久磁石間の幾何学的寸法を運動行程内機構あるいは外力により変化させると、バネ定数ｋは、図２３に示されるように、時間とともに変化する長方形波ｋ（ｔ）であって、周期Ｔ＝２π／ωにおいて、＋ｋ'と−ｋ'の値を１／２周期毎に交互にとる。従って、式（１）は次のように表される。
【数１１】

（ｉ）０＜ｔ＜π／ωにおいて、
【数１２】

（ｉｉ）π／ω≦ｔ＜２π／ωにおいて、
【数１３】

【００５１】
ここで、０＜ｔ＜π／ωの時の平衡位置をｘ₀、平衡位置からの変位をｙ₁とすると、
【数１４】

【００５２】
ここで、（ｎ−ｋ'）／ｘ₀ ²＝ｋ₁′とおくと、
【数１５】

【００５３】
調和振動をＦ（ｔ）＝Ｆｅ^{i ω t}とおき、ｙ₁＝ｘｅ^{i ω t}とおくと、
【数１６】

ここで、φは位相遅れを示す。
【数１７】

従って、共振周波数ω₀は、
【数１８】

【００５４】
同様に、π／ω≦ｔ＜２π／ωの時、
【数１９】

従って、ｙ₁＜ｙ₂で、発散することとなる。
【００５５】
一般に、自励振動系は負の粘性減衰を有するバネ−質量系と置き換えることができ、振動中に外部から振動エネルギが導入されるが、実際に発生する振動は、質点に空気抵抗や各種の抵抗が発生し、エネルギを消失する。
【００５６】
しかしながら、本発明の負の減衰特性を有する磁性バネに外力として振動エネルギが導入されると、上記したように、ｙ₁＜ｙ₂で発散し、発散し続けると振幅が次第に増大し系が破壊されるか、あるいは、変位の増大とともに大きくなる減衰項を上記状態方程式に追加することにより、正の減衰が作用し負の減衰と釣り合った状態で定常的な振動を行うようになる。すなわち、バネ定数ｋ（ｔ）と同様、減衰係数も可変で、式（１）はさらに次のように書き直すこともできる。
【数２０】

【００５７】
本発明の磁性バネを有する振動系は、持続振動、発散振動を誘発するエネルギ変化・変換系が振動系内部に存在しており、上記状態方程式に正の減衰項を機構的に加えることにより、さらに次の状態方程式を得ることができる。
【数２１】

【００５８】
この状態方程式は、ｒ_２≠０の時、ｘが増大すると左辺３項が大きくなり、かつ、バネ項の減衰項により正の減衰が働く。従って、永久磁石による内部励振特性として、変位が小さい時は負の減衰で、変位の増大とともに正の減衰が働き、正と負の減衰がつりあう振幅で振動が定常的になる。
【００５９】
また、振動系の質量、減衰係数、バネ定数のうち一つ以上について、その大きさが時間とともに変化する場合、これによって生じる振動を係数励振振動と呼ばれているが、上記式（４），（５），（６）は励振源自体が振動する係数励振振動となっており、系内の非振動的エネルギが系内部で振動的な励振に変換されて振動を発生させる。
【００６０】
通常は供給エネルギは動力エネルギの一部が変換したものであるから、動力エネルギに上限があると供給エネルギにも限りがあり、これが消費エネルギに等しくなった時点で振幅が抑えられる。永久磁石によるポテンシャルエネルギは、その系の動力エネルギとは独立しており、消費エネルギとの格差を広げることができるが、永久磁石の質量当たりの最大エネルギ積が増大すれば、さらにこの格差を大幅に広げることも可能で、１サイクル中で、負の減衰による供給エネルギを減衰による消費エネルギよりも大きくすることにより、振動エネルギは増大する。
【００６１】
前述したように、式（１）において、減衰係数ｒ及びバネ定数（係数）ｋは自由に制御することが可能で、例えば図１の模式図において、永久磁石４が最下端にある時、永久磁石２との対向面積を最大とすることで振幅を減衰でき、磁力ブレーキ、動吸振器等に応用することができる。また、最下端から最上端に向かって永久磁石４が離れ出してから対向面積を最大にすることで反発力を増大することができるので、発電機やアンプ等に応用することもできる。
【００６２】
また、上記状態方程式の解から分かるように、本発明の係数励振振動系は、負荷の変動によって固有振動数が変化しても、励振振動数を移動させることで振幅の変動を少なくすることができる。すなわち、励振振動数を可変とし、手動又は自動的に共振振動数を追尾させて、常に周波数特性の共振振動数が低下するところで動作させることが可能で、自動車用シートの除振装置として使用することにより、振動絶縁性が向上でき、その個別性能を改善することができる。例えば、共振点を４Ｈｚ以下に下げることもできる。また、負の減衰を利用することによる低周波の改善と永久磁石の持つ非線形特性を特化させることによる体重差の吸収が可能となる。
【００６３】
ここで、ウレタンとファイバを組み合わせたパッドあるいは本発明の磁性バネ構造体を採用したベッド型除振ユニットを使用して振動実験を行ったところ、図２４に示されるような結果が得られた。
【００６４】
図２４のグラフからわかるように、パッドとともに本発明の磁性バネ構造体を採用したものは、パッドのみを採用したものに比べ、共振周波数が半分以下の３Ｈｚまで減少し、除振ユニットとして極めて有効であることが認められた。さらに、セミアクティブ制御を行うことにより、共振点における振動伝達率を１／３程度に減少することができた。
【００６５】
さらに、図２５のマグレブ（magnetic levitation：磁気浮上）ユニットの動特性を調べたところ、図２６のような結果が得られた。
【００６６】
図２５のマグレブユニットは、基台７４の上に複数の揺動レバー７６を介してシート７８を揺動自在に支承し、基台７４の上面に二つの永久磁石８０，８２を所定距離離間せしめて固定する一方、この永久磁石８０，８２に対し同磁極が対向する永久磁極８４をシート７８の下面に固定している。なお、永久磁極８０，８２，８４としては、７５×７５×２５ｍｍのものを使用した。
【００６７】
このマグレブユニットに５３ｋｇ，７５ｋｇ，８０ｋｇの異なる負荷を加えたが、図２６に示されるように、負荷の変動による振動伝達率の差を小さく抑えることができるとともに、共振点を略一致させることができた。
【００６８】
また、乗用車用シート、サスペンションシートＡ、サスペンションシートＢ、及び、本発明にかかるマグレブユニットの乗り心地評価を調べたところ、図２７のような結果が得られた。なお、マグレブユニットの負荷は５３ｋｇとし、７５×７５×２５ｍｍの永久磁石を使用した。また、図中、「固定」はシートをサスペンションに固定しただけの状態を示すとともに、ウレタン、ゲル、スチレンはユニットの上に取り付けたクッション材を示している。
【００６９】
ここで、乗り心地評価定数として、”SAE paper 820309”に記載され次式で表される乗り心地指数Ｒ（Ride Number)を使用した。
Ｒ＝Ｋ／（Ａ・Ｂ・ｆｎ）
変数Ａ，Ｂ，ｆｎはシートの伝達関数（Ｔ.Ｆ.）から求められ、それぞれ次の値を示している。
Ａ： Ｔ.Ｆ.の最大値
Ｂ： １０ＨｚにおけるＴ.Ｆ.値
ｆｎ：共振周波数あるいはＡが現れた周波数
Ｋ： 全く異なったシートを表現する乗り心地係数（多様なシートを使用し たので、Ｋ値は"１”と定めた）
ＩＳＯ乗り心地評価は小さい数値で乗り心地が良いことを表すのに対し、上記乗り心地指数Ｒはその数値が大きいほど良い乗り心地を意味している。
【００７０】
図２７からわかるように、乗り心地評価をしたシートのうち、乗用車用シートは０.２〜０.３（オールウレタン系）、０.３〜０.５（バネ系）、体重調整を行ったサスペンションシートは０.５〜０.７の値を示し、本発明のマグレブユニットの乗り心地は他のシートより良く、５３ｋｇの負荷に対して０.７５〜１.６０の乗り心地評価定数が得られた。
【００７１】
また、図２８は負荷を変えた場合のマグレブユニットの乗り心地評価定数を示しており、この図からわかるように、どの負荷に対しても０.７以上の乗り心地評価定数が得られ、本発明にかかるマグレブユニットの乗り心地の良さを示している。
【００７２】
また、図２９は、乗用車用シート、サスペンションシートＡ、サスペンションシートＢ、及び、本発明にかかるマグレブユニットの動特性を示しており，図中、（ａ）は乗用車用シート、（ｂ），（ｃ）はサスペンションシートＡにそれぞれ５３ｋｇ及び７５ｋｇの負荷を加えたもの、（ｄ），（ｅ）はサスペンションシートＢにそれぞれ４５ｋｇ及び７５ｋｇの負荷を加えたもの、（ｆ），（ｇ）は本発明にかかるマグレブユニットにおいてクッション材を変えたもの、（ｈ）は本発明にかかるマグレブユニットをセミアクティブ制御したものをそれぞれ示している。
【００７３】
図２９からわかるように、マグレブユニットの共振点は２〜３Ｈｚの間にあり、低・高周波領域の振動伝達率も小さいことがわかる。さらに、セミアクティブ制御を行うことにより、共振点をさらに減少させることができるとともに、その振動伝達率を広範囲の周波数領域において低減できることが確認できた。
【００７４】
また、本発明の非線形振動系あるいは係数励振振動系に衝突振動を活用することもできる。
衝突は、摩擦とともに代表的な機械系の非線形現象であり、衝突を生ずると物体の変形抵抗のように急に運動を妨げるものが作用するので、急速に減速して非常に大きな加速度を生ずる。磁性バネも衝突と同一の現象（疑似）を起こしている。
【００７５】
物体がある運動エネルギを持って衝突すると接触部の変形、すなわち、塑性変形仕事、接触表面の摩擦仕事、物体内部への弾性波動、外部への音響エネルギとして散逸し、残りが弾性エネルギに変換し、運動エネルギに再変換される。前述したように、磁性バネの場合、非接触のため大きな損失がなく、その静特性として同一ライン上を非線形で帰り、負の減衰を生じさせやすい。
【００７６】
例えば、マグレブユニットでストッパに当たらない場合は、加速度に変換され＋αの反発力で自励させたり、非接触故の低減衰振動ながら、人体に悪影響を与えない振動特性を示す。さらに、金属バネとの組合せにより、加速度が減衰を越える場合ハードバネによる完全弾性衝突を誘発させ自励させて、２次共振を防ぐこともできる。エネルギ損失分は磁場のポテンシャルエネルギの変換によって補うこともできる。
【００７７】
また、一般的な防振の基本原理として、質量効果、振動絶縁、振動減衰、振動干渉、伝播の指向性を考慮する必要があり、弾性支持すると、上下動や横揺れを惹起するので、防振基礎を重たくかつ大きくし、支持スパンを長くとればよい。また、粘性ダンパ、摩擦ダンパの併用で減衰を与えると、衝撃によって与えられたエネルギをダンパ等で次の衝撃までに速やかに消散して振れを減衰させることができる。
【００７８】
さらに、摩擦減衰を抑えるために、ストッパを弾性支持することにより対向衝撃を利用して防振とエネルギ変換を行い、磁性バネの反発力不足を補うこともできる。
【００７９】
図３０は、ストッパを弾性支持した場合のモデルを示しており、弾性支持部材のバネ定数ｋを所定の加速度あるいは振幅を吸収可能で、かつ、可変とし、バネ定数ｋを適宜調節して共振点を調節できるようにしたものである。
【００８０】
この構成は、所定値以下の加速度あるいは振幅がストッパに加わると、弾性支持部材が弾性変形することにより摩擦減衰を抑制し、その対向衝撃を利用して磁性バネの反発力不足を補償するとともに、除振性能を向上させることができる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明のうちで請求項１に記載の発明によれば、外力によりラチェット機構を介して回転体を回転させることにより同一磁極が対向する複数の永久磁石の対向面積を変化させ、永久磁石の平衡位置からの入力側の反発力より出力側の反発力を大きくしたので、パッシブコントロール、セミアクティブコントロール、アクティブコントロールのいずれも同一構想で対処できる。
【００８２】
また、請求項２に記載の発明によれば、対向する永久磁石の最接近位置で最大反発力を発生するようにしたので、ポテンシャルの場としての磁場を有効利用することができ、廉価な磁力ブレーキ、動吸振器、発電機、アンプ等が実現できる。
【００８３】
さらに、請求項３に記載の発明によれば、対向する永久磁石の相対位置を決定する位置決め手段の一部を回転体に取り付けたので、対向面積の変換を容易に行うことができる。
【００８４】
また、請求項４に記載の発明によれば、位置決め手段を複数の永久磁石で構成したので、簡素な構成で確実に面積変換を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる磁性バネ振動機構において、二つの永久磁石の入力側と出力側の平衡位置を示した模式図である。
【図２】 図１の磁性バネ振動機構において、加えられた荷重と永久磁石の平衡位置からの変位量との関係を示す基本特性のグラフである。
【図３】 実測された荷重と変位量との関係を示すグラフである。
【図４】 永久磁石の端面上に磁荷が均一に分布していると仮定したチャージモデルにおける入出力の考え方を示す模式図であり、（ａ）は吸引を、（ｂ）は反発を、（ｃ）は（ｂ）とは異なる部位の反発をそれぞれ示している。
【図５】 同磁極を対向させた永久磁石において、一方を他方に対し移動させた（対向面積を変えた）場合の模式図である。
【図６】 図５に基づいて計算した場合のＸ軸移動量に対するＸ軸及びＺ軸方向の荷重を示すグラフである。
【図７】 図５の永久磁石の離間距離を一定に保持し、一方を他方に対し完全にずれた状態から完全にラップした状態まで移動し、さらにこの状態から完全にずれた状態まで移動させた時の変位量と荷重との関係を示すグラフである。
【図８】 同磁極を対向させた永久磁石において、一方を他方に対し回転させた（対向面積を変えた）場合の模式図である。
【図９】 図８に基づいて永久磁石を回転させた場合の対向面積に対する最大荷重を示すグラフである。
【図１０】 永久磁石としてネオジム系磁石を採用した場合の磁石間距離と荷重との関係を示すグラフである。
【図１１】 本発明にかかる磁性バネ振動機構の斜視図であり、対向する永久磁石が最も離間した状態を示している。
【図１２】 本発明にかかる磁性バネ振動機構の斜視図であり、対向する永久磁石が最も接近した状態を示している。
【図１３】 図１１及び図１２の磁性バネ振動機構の分解斜視図である。
【図１４】 図１１及び図１２の磁性バネ振動機構の要部斜視図である。
【図１５】 図１１及び図１２の磁性バネ振動機構に設けられたラチェットホイールの位置決め手段の拡大斜視図である。
【図１６】 図１１の状態における永久磁石の対向面積を示す平面図である。
【図１７】 図１１及び図１２の磁性バネ振動機構において、加えられた荷重と永久磁石の平衡位置からのたわみ量との関係を示すグラフである。
【図１８】 磁性バネの特性を説明するための基本モデルである。
【図１９】 面積変換しない場合の磁性バネの静・動特性を得るために使用された装置の正面図である。
【図２０】 図１９の装置を使用して得られた磁性バネの動特性を示しており、（ａ）は５０×５０×１０ｍｍの磁石を使用した場合の、（ｂ）は５０×５０×１５ｍｍの磁石を使用した場合の、（ｃ）は５０×５０×２０ｍｍの磁石を使用した場合の、（ｄ）は７５×７５×１５ｍｍの磁石を使用した場合の、（ｅ）は７５×７５×２０ｍｍの磁石を使用した場合の、（ｆ）は７５×７５×２５ｍｍの磁石を使用した場合のグラフである。
【図２１】 図１９の装置を使用して得られた磁性バネの動特性を示しており、同じ磁石を使用して負荷を変えた場合のグラフである。
【図２２】 比較例としての従来の乗用車用シートの動特性を示すグラフである。
【図２３】 本発明の磁性バネ構造体におけるバネ定数及び係数の時間に対する変化を示すグラフである。
【図２４】 パッドのみを使用した場合、パッドと磁性バネを使用した場合、及び、さらにセミアクティブ制御した場合のベッド型除振ユニットの動特性を示すグラフである。
【図２５】 磁性バネの動特性を測定するために使用されたマグレブユニットの正面図である。
【図２６】 図２５のマグレブユニットを使用して測定されたマグレブユニットの動特性を示すグラフである。
【図２７】 マグレブユニットを含む種々のシートを使用して測定された乗り心地評価定数を示すグラフである。
【図２８】 負荷及びクッション材を変えて測定されたマグレブユニットの乗り心地評価定数を示すグラフである。
【図２９】 マグレブユニットを含む種々のシートを使用して測定された動特性を示すグラフである。
【図３０】 ストッパ及び弾性支持部材を磁性バネに組み込んだモデルの模式図である。
【符号の説明】
２，４，５８，７０ 永久磁石
５ 基台
６ Ｘリンク
７ 頂板
１８ Ｕ字状部材
５６ ラチェットホイール
６２ 爪片
６４ 第１棒磁石
６６ 第２棒磁石

Claims (4)

1. 基台と、該基台にリンク機構を介して相対移動自在に取り付けられた頂板と、上記基台にラチェット機構を介して回転自在に取り付けられた回転体と、該回転体の円周方向に所定の間隔で固着された複数の第１永久磁石と、上記頂板の円周方向に所定の間隔で固着され上記第１永久磁石と同一磁極が対向する上記第１永久磁石と同数の第２永久磁石とを備え、外力により上記ラチェット機構を介して上記回転体を回転させることにより上記第１及び第２永久磁石の対向面積を変化させ、上記第１及び第２永久磁石の平衡位置からの入力側の反発力より出力側の反発力を大きくしたことを特徴とする負の減衰特性を有する磁性バネ振動機構。
2. 上記第１及び第２永久磁石の最接近位置で最大反発力を発生するようにした請求項１に記載の負の減衰特性を有する磁性バネ振動機構。
3. 上記第１及び第２永久磁石の相対位置を決定する位置決め手段の一部を上記回転体に取り付けた請求項１に記載の負の減衰特性を有する磁性バネ振動機構。
4. 上記位置決め手段を複数の永久磁石で構成した請求項３に記載の負の減衰特性を有する磁性バネ振動機構。

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