JP4060146B2 - 負の剛性を持つ磁気スプリング・デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１記載の特徴による負の剛性を持つ磁気スプリング・デバイス、および請求項３３記載の特徴による振動絶縁デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
負の剛性を持つ磁気スプリングは周知である。
この点について説明すると、負の剛性という用語は、静止位置からスタートする、ベクトルによるスプリング本体上にスプリングが及ぼす力が、スプリング本体の移動方向に増大することを意味する。すなわち、スプリング本体の速度ベクトルは、スプリングの力のベクトルに平行していて、一方、反対に、正の剛性の場合には、速度ベクトルは、スプリングの力のベクトルに平行しているが、向きは反対であることを意味する。
【０００３】
例えば、ＥＰ ０ １２７ ７４１ Ｂ２号は、負の剛性を持つ磁気スプリングを開示している。この文献は、負の剛性を持つ磁気スプリングと正の剛性を持つ従来のスプリングとの組合わせを使用している自動車用のスプリング・システムを開示している。上記スプリング・システムは、自動車のばね仕掛けでない質量部品とばね仕掛けの質量部品との間に設置または接続するためのものである。
【０００４】
（修正スプリングと呼ばれる）磁気スプリングは、一方が他方の後ろに接続され、互いに軟鉄により分離された永久磁石の２つの積み重ねから成るシステムにより区別される。この磁石の積み重ねの一方は、それがスプリング方向に移動できるように配列されており、２つの磁石の積み重ねは、同一の極が互いの近傍で停止するようにスプリングの零点で互いに対向している。
【０００５】
上記比較的複雑な設計の修正スプリングの原理は、自動車のスプリング・システムのスプリングの特定の使用を基準にした場合、移動方向の集中斥力は、スプリング・システムの動作点に発生しようとし、修正スプリングのゼロ・クロシングに対応していて、それにより、高い負の剛性を持つ修正スプリングができ、この修正スプリングは、それに相当する対応する短い距離しか移動しない剛性の正のスプリングと一緒に、軟質で外側にスプリングで押すという事実に基づいている。
【０００６】
このスプリングの機能は、同じ極の斥力効果に基づいているので、磁石とその位置との間の距離がほんの僅か変化しても、スプリングの安定性および特性の点で、大きな変化が起こる場合がある。しかし、この事実は、ＥＰ ０ １２７ ７４１ Ｂ２号が開示しているスプリングは、ある種の目的にしか使用できないという欠点、より正確にいうと、スプリングの厚さまたはスプリングのパラメータの非常に正確な規制が必要でない場合にしか使用できないという欠点がある。それ故、このようなスプリングは、使用できないか、または特に、例えば、振動の敏感な顕微鏡のような器具の振動を絶縁するための、いわゆる振動絶縁システムのような非常に限られた用途にしか使用することができない。
【０００７】
ＤＤ−Ａ−２８１８６号は、同様に、自動車のスプリング・システムに設置することができる負の剛性を持つ磁気スプリングを開示している。ＥＰ ０ １２７ ７４１ Ｂ２号とは対照的に、従来技術のスプリングの負の剛性は、実際、磁極の斥力の効果ではなく、磁極の引力の効果に基づいている。
【０００８】
この目的のために、ＤＤ−Ａ−２８１８６号の場合、軟鉄からできていて、相互の間隔が等しい４つの突起を含む磁気アーマチュアが、その内側に極性が交互に異なる４つの磁極が配置されていて、そのサイズおよび位置が突起に対応しているが鏡像の形をしているリング内を移動する。この配置は、意図する効果、すなわち、その進行的効果が、スプリング・プロセス中に、実際のところ、最初にスプリングの剛性が低減するが、ヌル位置から特定の距離以上湾曲すると、スプリング・システムの剛性、すなわち正の剛性が実際にはさらに増大するスプリング・システムを提供する効果との関連においてだけ理解すべきである。
【０００９】
これを達成するために、システムが最初の位置に位置している場合には、アーマチュア上の突起は、２つの極の間に正確に位置していて、そのため磁石に対して不安定な位置をとることになる。スプリング・プロセス中、アーマチュアはこの位置から回転し、その結果、突起は磁極の方向に移動して、磁極により引き付けられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この場合に発生する負の剛性は、突起が磁極の位置に達する瞬間に反転する。何故なら、この点を越えると、磁石により引き付けられている突起を磁極の力の場から元の位置に反対方向に回転するために、追加の力が必要になる。このようにして、磁気スプリングに平行に接続している螺旋スプリングの（元来直線的プロファイルを持っていた）特性は、スプリング・システムの動作点を中心にして、進行的に走るスプリング特性に変換される。
【００１１】
しかし、正の剛性と負の剛性との間の遷移から見ても、またアーマチュアの突起に働く磁力が直線的でなく、磁極とアーマチュアの突起との間の重なりの度合いが増大するにつれて、回転により比例より大きい比率で増大するという事実から見ても、スプリングの特性が、排他的に非直線的であることは明白である。
より詳細に説明すると、スプリングの全体的に非直線的な行動により、スプリングの使用範囲が厳しく制限され、他の振動絶縁システムでの使用に特に適さないものとしている。
【００１２】
それ故、本発明の目的は、特に、柔軟な方法で使用することができ、簡単な設計で明確に調整することができ、プロセス中、直線的な特性を設定することができる負の特性を持つスプリング・デバイスおよび／またはスプリングを提供することである。
【００１３】
上記目的は、請求項１記載の特徴によるスプリング・デバイスにより達成することができる。さらに、請求項３１は、本発明のスプリング・デバイスが使用されている振動絶縁デバイスを定義している。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも１つの第１の磁極本体と、少なくとも１つの第２の磁極本体と、少なくとも１つの第３の磁極本体とを含む少なくとも１つの第１の磁極本体の組合わせを備える負の剛性を持つ磁気スプリング・デバイスを提供する。この場合、各磁極本体は、反対の極性を持ち、組合わせの磁極本体は、対向する磁極が相互に反対になっていて、第１および第３の磁極本体は相互に指定の距離だけ離れているように整合され、第２の磁極本体は、磁極本体が相互に運動できるように磁極本体が位置するように配置されている。
【００１５】
スプリング・デバイスに、本発明により磁極本体を配置した場合、まず第一に、磁極本体間の、特に磁極本体または磁極の縁部のところの漂流磁界または磁界の勾配を選択的に制御することができる。上記選択的な制御は、マックスウェル方程式により、磁極本体上に磁気力の効果をおこす。これは、本発明者が、本発明の磁極本体の組合わせに基づいて、磁界の勾配を選択的に調整することができ、この場合、磁界の勾配を直線的にすることができ、それにより、第１の磁極本体と第３の磁極本体との間に上記距離をおいて、または磁極を特定の値に保持して、本質的に一定の負の剛性を持つ磁気スプリング・デバイスを達成することができる。
【００１６】
有利な発展については、従属請求項を参照されたい。
この場合、本発明は、磁極間に少なくとも２つの重なりの度合いを形成する。
その場合、磁極本体が相互に移動すると、一方の重なりの度合いが増大し、他方の重なりの度合いが低減する。一方の重なりの度合いと他方の重なりの度合いとの間の関数的な関係により、周知の負の剛性を持つ磁気スプリングと比較した場合、本発明のスプリング・デバイスの直線性をかなり有利に改善することができる。その理由は、このような正の構成を持つシステムの場合には、指定の方法で、第２の装置の他の磁極からの引力により、第２の磁極本体または第１の磁極本体上の磁極および第３の磁極本体の力の影響の少なくとも一部を補償することができるからであり、上記影響を残りの漂流磁界まで低減することができるからである。
【００１７】
このことは、重なり量の合計をほぼ一定にする場合に特に有利である。この場合、第１の装置に対して第２の装置が移動した場合でも、全重なり量は変化しない。このことは、スプリング・デバイスまたはスプリング本体の磁気抵抗は、ほぼ一定であり、その結果、磁気誘導および磁界強度は、本質的に変化しないで、その結果、第２の装置に対する力の影響は、本質的には、重なり量の縁部のところの変化量だけで決まり、全体として、本発明のスプリング本体の直線的応答が改善されることになる。これに関連して、本発明は、好適には、磁極本体を相互に有利に移動させ、その結果、磁極本体の磁極が、本質的に磁極からの磁力線に沿って移動することを指摘しておかなければならない。
【００１８】
磁力線のプロファイル、すなわち、漂流磁界のプロファイルは、磁極の幾何学的形状により最も強く影響を受ける。本発明の場合には、磁極本体は、漂流磁界を形成するために、種々様々な幾何学的形状を持つ。例としては、円形および／または環状および／または長方形および／または正方形および／または対応する断面等がある。そうできる場合には、断面は同じタイプのものであっても、異なる大きさの磁極本体を使用すれば特に有利である。その理由は、本発明の目的のためには、第１および第３の各磁極本体の断面の大きさを第２の磁極本体に対して変化させる場合、磁界の勾配を調整または操作できると、特に有利であることが分かっているからである。この場合、上記磁極本体間の断面比の場合、すなわち、第１および第３の各磁極本体および第２の各磁極本体の間の断面比の場合、１００％および３００％の範囲内、すなわち、１：１と３：１との間に設定すると特に有利であることが分かっている。１３０％と２００％との間の範囲が特に好適であることを強調しておかなければならない。ちなみに、１つの好適な実施形態の場合の比率は１４０％である。
【００１９】
本発明の場合には、特に指定のスプリングの剛性を柔軟に調整するために、本発明のスプリング・デバイスは、磁束を磁極本体の組合わせを貫通して、相互に平行に、および／または相互に平行に、しかし反対方向に向けて、第１の磁極本体の組合わせばかりでなく、第２またはもう１つの磁極本体の組合わせを備えると有利である。この場合、好適な実施形態の場合には、磁束の方向は、磁極本体の組合わせを貫通して相互に平行になっていて、本発明のもう１つの特に好適な実施形態の場合には、隣接する磁極本体の組合わせの磁束の方向は、平行であるが相互に反対である。この場合、最初の実施形態は、特定のスプリングの剛性を特に慎重に設定できるというもう１つの利点を持ち、上記第２の実施形態は、比較的高い剛性を持つスプリング・デバイスを作ることができ、および／または非常に簡単な方法で組み合わせることができるという利点を持つ。
【００２０】
驚くべきことに、本発明のスプリング・デバイスまたはベース・セルの磁極本体または磁極の場合には、上記スプリング・デバイスまたはベース・セルは、少なくとも２つの磁極が１つまたはそれ以上の磁石により形成されている、磁石および／または磁気本体の組合わせにより十分形成することができる。それ故、本発明は、さらに、永久磁極を持つ最小の数の磁石を使用するだけですむという利点も持ち、そのため、本発明のスプリング・デバイスの製造コストは安くなる。さらに、本発明は、このような磁極本体の組合わせは、水平方向の運動、すなわち、磁極間の磁極本体の移動方向に直角な運動による影響が少ないか、全く影響を受けないという利点もある。
【００２１】
本発明の「空隙」のもう１つの有利な実施形態の場合には、本発明のスプリング・デバイスは、磁極本体間に焦点を結んでいる磁気回路を形成するための、少なくとも１つのヨークを備える。この場合、磁極本体、すなわち、特に外側の磁極本体は、磁界の磁束が閉じるようにヨークが接続されているか、またはヨークが取り付けられている第１の磁極本体および第３の磁極本体の形をしている。
【００２２】
本発明のスプリング・デバイスは、磁極本体で使用することができる磁石に対して非常に有利に柔軟である。このことは、永久磁石ばかりではなく、電磁石またはこれらの組合わせも使用することができることを意味する。
【００２３】
用途、すなわち、スプリングの硬度により、強誘電性で磁性を持つ軟質材料および常磁性材料の両方を磁極本体および／または１つのヨークまたは複数のヨークとして使用することができる、すなわち、その比透磁率μ_ｒが、少なくとも１である材料を使用することができる。このような材料としては、特定の鉄および／または鉄の合金および／またはセラミックスおよび／または非鉄金属および／または対応する合金等がある。
【００２４】
本発明のスプリング・デバイスをさらに有利なものにするために、第１の磁極本体と第３の磁極本体との間の距離、すなわち、外側の磁極本体間の距離は調整できるようになっている。本発明の場合には、非常に有利なことに、これによりスプリングの剛性を柔軟に設定することができる。この場合、スプリング・デバイスを、同時に、スプリング・デバイスが一定の剛性または直線的力プロファイルを持つ１つの距離または複数の距離に整合することができる。この目的のために、本発明のスプリング・デバイスは、ミリメートルまたはそれ以下の範囲で、上記磁極本体の間の距離を正確に設定することができる設定手段を備える。本発明の目的のためには、２３〜３３ｍｍの間の値が、磁極本体間の好適な距離であることが分かっている。一定の剛性にするために、上記距離を２８ｍｍに設定することが特に好ましいことが分かっている。
【００２５】
本発明のスプリング・デバイスの一部が、それにより、第２の磁極本体、すなわち、外側の磁極本体間、または第１の磁極本体と第３の磁極本体との間のある距離のところで移動することができるように、中央の磁極本体を保持することができる適当な保持手段であることも有利である。保持手段は、好適には、非磁気材料または磁化することができない材料から作ることが好ましい。
【００２６】
中央磁極本体（第２の磁極本体）を、ある距離のところで、ほぼ直線的に案内することができるようにするために、直線運動から外れるのをほぼ防止する案内手段が、本発明のスプリング・デバイス内に設置されている。この目的のために、案内手段は、正の剛性を持つスプリング手段を備える。このスプリング手段は、外側の磁極本体間、または第１の磁極本体と第３の磁極本体との間のある距離のところに第２の磁極本体を保持し、スプリング平行四辺形の形に配置されている。平行四辺形を形成するリーフ・スプリングを、例えば、適当なスプリング手段として使用することができる。
【００２７】
本発明のもう１つの有利な実施形態の場合には、スプリング・デバイスは結合手段を備える。結合手段は、好適には、負荷または絶縁本体へスプリング・デバイスを結合するために、また負荷または絶縁本体からスプリング・デバイスを切り離すために使用することが好ましく、振動絶縁方向に剛性または剛さを持つ一方で、この方向に直角な方向に柔軟性を持つものであることが好ましい。結合手段は、この目的のために、２つに分割されていて、好適には、結合手段内で振動絶縁方向に平行に配置されていて、結合手段の２つの部分を接続しているスプリング・ワイヤにより切り離しを行うことが好ましい。
【００２８】
さらに、スプリング・デバイスは、都合のよいことに、結合手段に取り付けられていて、それによりスプリング・デバイスを負荷等に取り付けることができる、ブラケット・デバイスを備える。
【００２９】
本発明のスプリング・デバイスは、都合のよいことに、スプリング・デバイス内で発生した磁界が外部に絶対漏れないように、可能な追加の遮蔽手段を備える。
【００３０】
本発明のもう１つの利点は、本発明のスプリング・デバイスの磁極の組合わせを、使用に際して、空間内でどの方向を向けてもよいということである。このことは、磁極方向の移動方向をすべての空間内の方向に整合することができることを意味する。何故なら、すべての空間内の方向に一定のスプリング効果を達成するために、引力に対して補償を行いたい場合には、磁極間の距離を指定に従って調整することにより補償を行うことができる。原則としては、上記補償は、本発明により、手動でも、開ループ制御および／または閉ループ制御によってでも行うことができる。
【００３１】
もちろん、本発明のスプリング・デバイスが、１つの磁極本体の組合わせだけではなく、並列および／または直列に接続しているある範囲の組合わせを含むことは有利なことであり可能である。上記のある範囲の組合わせは、要件プロファイルにより、異なるスプリング硬度の設定ができるようにするために、種々の本体で接続したり、組み合わせたりできるように相互に接続される。
【００３２】
本発明の主題のもう１つの非常に有利な実施形態と一緒に、本発明のスプリング・デバイスは、また、適当な開ループ制御デバイスおよび閉ループ制御デバイスを備える。開ループ制御デバイスにより、スプリング・デバイスまたはスプリング本体のすべての操作変数に影響を与えることができる。影響を与える変数としては、例えば、磁極間の距離、例えば、コイルの接続による、またはコイル電流の増大による、または、とりわけ、全磁極の相対的位置および／または相対的速度および／またはスプリング・プロセス中の磁極間の相対加速度の制御を可能にする、もう１つの磁極本体の組合わせの接続による磁界強度等がある。
【００３３】
スプリング・デバイスを完成するために、本発明のスプリング・デバイスは、振動絶縁のために正の剛性を含むスプリング本体を備えることができる。この場合、そうしたい場合には、機械的スプリングおよび／または空気スプリングおよび／または油圧スプリングおよび／または電気機械的スプリングを使用することができる。
【００３４】
しかし、本発明は、スプリング・デバイスばかりではなく、同様に、特に振動絶縁のための、特に、上記の本発明のスプリング・デバイスが使用されている、例えば、顕微鏡および対応する装置のような振動絶縁のための絶縁本体または負荷の受動的および／または動的振動絶縁用の振動絶縁デバイスにも関する。これに関して、スプリング・デバイスは、好適には、負荷とスタンド面の間に自然の位置を持つことが好ましい。もちろん、他の整合も考慮の対象になる。
多数の図面を参照しながら、以下に本発明について詳細に説明する。この場合、同じ参照記号は、個々の図面の同じまたは対応するものを示す。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図１は、磁石間の距離の関数としての、２つの相互に引き合う磁石の間の引力の増大を示す特性である。原則としては、磁石が幾何学的形状および材料の点で指定の構造を持っている場合には、磁極の間の距離は、唯一の支配的なパラメータである。当業者であれば、異なる極性の磁極は相互に引き合うこと、および図１を見ればよく分かるように、引力は磁極間の距離が狭くなっても直線的に増大しないことを理解することができるだろう。
【００３６】
移動方向の力の増大により、磁石はその相対的な移動中に負の剛性を持つ。図１に示す２つの磁石の間の非直線的な力の上昇は、例えば、磁石間の引力を打ち消す磁石の一方に掛かる力を補償することができる。これについては、以下にさらに詳細に説明する。
【００３７】
図２は、磁極本体２ａ、２ｂ、３および／または、磁化することができ、また磁石本体２ａ、２ｂ、３の磁極の間で、本発明の意味で、引力を直線的にすることができる磁極本体２ａ、２ｂ、３との組合わせである。磁気回路は、４つの基本的素子を含む。最初に、回路は、通常は空気で満たされていて、場合によっては、空気のように、通常、μ_ｒ≒１の透磁率を持つ液体を含むことができるギャップ２５を持つ。さらに、磁気回路は、軟鉄のヨーク８を持つ。ヨークは、磁気回路で磁力線の焦点を合わせるためのものであり、好適には、透磁率の高い（μ_ｒ≒１０００）強磁性体またはフェリ磁性体からできていて、磁力線の焦点を最適に合わせることができるものであることが好ましい。さらに、磁気回路は、高い保磁力を持つ３つの永久磁石２ａ、２ｂ、３、または本発明の必要な磁界を発生するのに上記永久磁石の中の少なくとも２つを必要とする、磁界を発生するための２つの磁気コイルを含む。
【００３８】
図３は、図２の配置の磁力線のプロファイルである。この図は、ギャップ２５ａおよび２５ｂの縁部Ｉ、ＩＩのところに漂流磁束を含むギャップ２５ａ（上部ギャップ）およびギャップ２５ｂ（下部ギャップ）内の磁力線のプロファイルを示す。この図は、また、他の磁極本体に対して磁石または磁極本体３が移動した場合に、量または重なり量２５ａ−ＩＩＩが、重なり量２５ｂ−ＩＩＩの減少と同じだけ増大し、その結果、２つの重なり量を含む全重なり量が一定になる様子を示す。これとは対照的に、量ＩおよびＩＩは、中央磁極本体３の位置について直線的に変化しない。そのため、この場合には、中央の磁気誘導は、もはや一定のままではない。全体として、このことは、特にこの非直線性のために、磁気エネルギーは、磁極本体２ａ、２ｂに対する磁極本体２の相対的位置により変化し、その結果、磁極本体上の引力が発生することを意味する。このことは、ギャップ２５ａおよび２５ｂ内の磁界勾配の変化が有意の原因であること、または本発明のスプリング・デバイス装置の負の剛性の有意な原因であることを意味する。この点に関して、本発明の磁気回路の非直線性は、上記の現象だけでは説明できないことを言っておかなければならない。何故なら、特に、ヨーク８を貫通する寄生磁束も原因の一部であるからである。
【００３９】
磁界勾配または漂流磁束は、第一に、磁極２ａおよび２ｂ間の距離ｈ、および幾何学的形状および／または断面により影響を受ける場合がある。上記のこのパラメータが十分に一致している場合には、本発明の磁気回路内の磁界強度を直線的にすることができ、この場合、磁極本体の断面は、通常異なる大きさを持つ。
【００４０】
図４および図５は、本発明のスプリング・デバイスの直線性に対する、上部磁極本体２ａと下部磁極本体２ｂとの間の距離ｈの変化の影響を示す。図４は、引力が相互に打ち消し合う、外部磁極本体２ａと２ｂとの間の中心（ｚ＝ｈ／２）内の休止位置からスタートする、外部磁極本体２ａと２ｂに対する図２または図３の中央磁極本体の剛性と位置ｚとの間の関係を示す。この図は、スプリング・デバイスの剛性が、ｈ＝２８ｍｍの距離の値に対して約±２．５ｍｍの範囲内でほぼ一定のプロファイル持つことをはっきりと示している。このことは、距離の値がｈ＝３３ｍｍまたは２３ｍｍの場合には、上記範囲に対して当てはまらない。何故なら、これらの距離の場合、曲線の形になり、かなりの非直線性を観察することができるからである。
【００４１】
図５は、各磁極本体間距離に対する、図４に対応するスプリング力のプロファイルである。従って、図５は、本体の磁極２ａと２ｂへの距離ｚの関数としての、図２に示すような、本体３に対するスプリング力の影響を示す。図５の曲線から分かるように、特に上記距離がｈ＝２８ｍｍである場合には、本発明のスプリング・デバイスは、比較的広い範囲内で、磁気本体２に対してほぼ直線的な力の影響を与えることができる。
【００４２】
全体的にいって、図６は、外部磁極本体２ａおよび２ｂに対する、休止位置すなわち、動作位置（平衡位置）からの第２の磁極本体３（図３、図４、図９）の剛性と湾曲との間の関係を示す４つのグラフである。個々のグラフは、中央磁極本体３と外部磁極本体２ａおよび２ｂ（図９）の間の異なる幅、および／または断面比に関する。実線（比：１００％）は、磁極本体２ａ、２ｂおよび３（図９）の幅Ｂ−２ａ、Ｂ−２ｂおよびＢ−３（図９）が同じである場合の幅の比率に対応する。比率１５０％は、外部磁極本体２ａ、２ｂが、それぞれ中央磁極本体３の幅の１．５倍の幅を持つ場合に関連する。対応する状況は、比率１７０％（１．７倍）および２００％（２倍）にも当てはまる。図６のグラフは、磁極本体間の比率が大きければ大きいほど、湾曲の全範囲における負の剛性がますます一定になり、負の剛性の絶対値がますます小さくなることを示す。さらに、図６に示すように、曲線のプロファイルも、外側の磁石２ａ、２ｂの間の距離ｈ（図２）に依存することにも言及しておく必要がある。全体的に、このことは、剛性を最適化する場合には、外側の磁石間の距離および磁極本体の幅の両方を考慮に入れなければならないことを意味する。図６の曲線のプロファイルは、図９の実施形態に基づいて、モデル（下記参照）により入手したものである。この場合、第２の磁石、すなわち、中央の磁石３の大きさは、１０×１０×３０ｍｍである。すなわち、中央の磁石の幅Ｂ−３は１０ｍｍであり、長さ１_{ｍａｇｎ３}は１０ｍｍであり、奥行きは３５ｍｍであり、また外側の各磁石の大きさは、幅Ｂ−２ａ／ｂは１０〜１７ｍｍであり、長さ１_{ｍａｇｎ２ａ／ｂ}は７ｍｍであり、奥行きは３５ｍｍである。外側の磁石２ａおよび２ｂの間の公称距離ｈは、２４ｍｍに固定されていて、３つの磁石の各組合わせの間の距離は６ｍｍに固定されている。
【００４３】
本発明と一緒に得られた上記知識は、特に、外側の磁極本体２ａ、２ｂが最大内側の磁極本体３の３倍である、小さな磁極本体の場合には、同じ磁束密度の大きな磁極本体の場合よりも、直線特性および剛性特性が改善され、その結果、特に、磁極本体の組合わせは、本発明の目的に対して主要な働きをすることも意味する。
【００４４】
本発明のスプリング・デバイスと一緒に、特に、図２の実施形態と一緒に、永久磁石および／または電磁石ばかりでなく、組合わせのオプションを使用することができ、また、磁化することができ、例えば、軟鉄、常磁性材料までのすべての材料からできているものを使用することもできる。下記のテーブルは、最大４つの磁極を使用する状況に対する種々の組合わせのオプションを示す。例えば、図２の直列に接続しているシステムの形をしている、４つ以上の磁極を持つスプリング・デバイスも、もちろん、本発明の範囲内に含まれる。
【００４５】
【表１】

【００４６】
図７および図８は、それにより、本発明のスプリング・デバイスの性能を個々の基準に基づいて設定することができる２つのタイプの磁極本体の組合わせを示す。
【００４７】
図７は、全部で、それぞれの場合、各基本セルが３つの磁極本体２ａ、２ｂ、３を含む、相互に平行に配列されている３つの磁気基本セル１を含む、一組の磁極本体を示す。平行な基本セルの磁化は、それぞれの場合、同じ方向を向いている。すなわち、磁化方向４は相互に平行である。ヨークを貫通する磁束５は、３つのすべての基本セルが発生する。基本セル１は比較的小さいので、磁極本体のセットのこの実施形態を使用して、本発明のスプリング・デバイスに必要な剛性を与えるために、他の基本セルを追加することにより特定の基準に基づいて容易に拡張することができる。
【００４８】
図８の変形実施形態の場合には、１つの基本セル１は、全部で６つの磁極本体を含み、その場合、上記基本セル１は、その磁極本体の組合わせが図７の基本セルと同じであるサブセル１ａおよび１ｂを含む。磁気サブセルは、各サブセルの磁化方向４が相互の平行に、しかし反対方向になるように相互に配列される。ヨークを貫通する磁束５は、この実施形態の場合には、１つのサブセルの外側の各磁極本体または磁石２ａ、２ｂからのものであり、基本セル１の隣接するサブセル内に開いている磁力線により供給され、その結果、各サブセル１ａおよび１ｂの外側の各磁極本体２ａ、２ｂは、ヨークを通して相互に接続している。サブセル１ａ、１ｂの間の磁束の経路が比較的短い、本発明のこの例示としての実施形態の場合には、このことは特に有利である。さらに、この構成により、高い剛性を容易に達成することができる。
【００４９】
図７および図８の変形実施形態は、もちろん、任意の必要な負のスプリング剛性を達成するために、相互に組み合わせることができる。
図９は、図８の１つの基本セルの使用に基づく、本発明のスプリング・デバイスの一例である。６つの永久磁石２ａ、２ｂ、３、２ａ’、２ｂ’３’全部は、この目的のために使用され、スタック状に配置されていて、各永久磁石は、相互に沿って各サブセル１ａおよび１ｂ用の３つの永久磁石を持つ。各組合わせ１ａおよび１ｂは、それぞれ、積み重ねられた３つの永久磁石を含み、反対の極性が相互に向き合っていて、磁化方向が反対になっている。磁石２ａ、２ｂ、３、２ａ’、２ｂ’３’は、シリンダー状をしていて、磁石３および３’の断面は、外側の磁石２ａ、２ｂ、２ａ’、２ｂ’の断面より小さい。
【００５０】
図９のこの例示としての実施形態の場合には、本発明のスプリング・デバイスは、負荷１９が任意のスプリングの剛性を認識しないように、またはかなり低減したスプリング剛性を認識するように、スプリング２０を修正するためのものである。
【００５１】
下部磁石２ｂ、２ｂ’は、下部磁気ヨーク８ｂに取り付けられる。ヨーク８ｂはサブセル１ａからの磁力線５をサブセル１ｂに運び、装着用壁部２２ｃにしっかりと接続している。両方の上部磁石２ａ、２ａ’は、ヨーク８ａに取り付けられている。ヨーク８ａは、同様に、サブセル１ｂからの磁力線５をサブセル１ａに運ぶ。しかし、ヨーク８ａは、装着用壁部２２ｃに直接取り付けられないで、設定装置１８を通して装着用壁部２２ｃに接続される。設定装置により、ヨーク８ａとヨーク８ｂとの間の距離を変更することができる。それ故、この方法により磁気剛性を調整するために、磁石２ａ、２ａ’および２ｂ、２ｂ’の間の距離も調整することができる。
【００５２】
外側の磁石２ａ、２ａ’および２ｂ、２ｂ’の間の中心内の磁石３、３’は、移動非磁気ホルダー６にしっかりと接続している。この磁石マウントは、案内手段２１により上下に移動することができる。この実施形態の場合には、案内手段２１は、直線的に移動し、平行四辺形の形をしている弾性案内装置２１を備える。この案内装置は、２つのリーフ・スプリング７および１４を備える。上部リーフ・スプリング７および下部リーフ・スプリング１４は、一方の側面で装着用壁部２２ｂに、他方の側面で硬質の本体２６に接続している。案内装置２１は、磁石の移動方向に直角なすべての水平方向の運動を実質的に防止し、すべての傾斜運動を実質的に防止する。実質的に行うことができる唯一の運動は、図の矢印の方向への並進運動だけである。
【００５３】
それ故、案内される磁石３、３’は、並進方向に直角な方向に高い剛性を持つ。負荷１９の上に働く水平方向の力および運動から、図８に示すスプリング・デバイス上に働く水平方向の力および運動を切り離すために、図８のスプリング・デバイスは、切離し手段または切離し素子９を備える。切離し素子は、負の剛性が負荷の上に働くように、スプリング・デバイスにより形成されていて、磁石３、３’、非磁気ホルダー６および案内装置２１を含む移動ユニットを負荷１９に接続する。
【００５４】
基本セル１（図８）の負の剛性は、案内装置の剛性より大きく、そのため、スプリング２０の剛性を補償する。
図１０、図１１、図１２および図１３は、図９に示す本発明のスプリング・デバイスの技術的実施を示す。
【００５５】
図９は、図８に示すものに対応する技術的実施形態の断面図である。切離し素子９および接続ブラケット１２とは異なり、本発明のこの実施形態は、その大きさが１０７×７９×７５ｍｍ（幅×長さ×奥行き）のボックス内に設置される。外側の磁石２ａ、２ｂ、２ａ’、２ｂ’の大きさは、７×１４×３５ｍｍ（幅（Ｂ）×長さ（ｌ）×奥行き）であり、中央磁石３、３’の大きさは、１０×１０×３０ｍｍ（幅×奥行き×高さ）である。このことは、幅の比率が１４３％であることを意味する。磁石は、ＧＳＮ−４０、モリブデン磁石である。
【００５６】
図９のスプリング・デバイスの剛性は、−１６Ｎ／ｍｍから−３８Ｎ／ｍｍの範囲内で調整することができる。
磁石２ａ、２ａ’および２ｂ、２ｂ’の間の距離を調整するための設定装置は、サイド・プレート１０ａおよび１０ｂの間の上部ヨークのスライド案内を含む。サイド・プレートは、この目的のためのスロット開口部を備える。下部ヨーク８ｂは、ヨークおよび／またはスプリング・デバイスを取り付けるための、多数の孔部を有する。この実施形態の磁石マウント６は、磁石ホルダー６ｂおよび閉鎖部材６ａを含む。これらの部材は、磁石３を完全に囲んでいる。磁石マウントは、非磁気材料から作られる。
【００５７】
図１０は、弾性平行案内２１の断面の一部だけを示す。この場合、上部リーフ・スプリング７だけを見ることができる。図１１は、下部リーフ・スプリング１４を示す。この下部リーフ・スプリングはスプライスされ、スプリング・デバイスの外側に位置する。図１０の参照番号１５ａおよび１５ｂは、リーフ・スプリング１４の２つのスプライスされた部分を示す。図１２および図１３は、この実施形態のスプライスされたリーフ・スプリング１４の外観をもっとはっきり示す。
【００５８】
図１０または図１１の変形実施形態の場合には、硬質の本体２６（図９）は、参照番号１３、１６ａ、１６ｂ、６ａ、６ｂ、１７ａおよび１７ｂで示すスプリング・デバイスの部材により形成されている。この場合、下部リーフ・スプリング１４は、点１４ａ、１４ｂに取り付けられている。このリーフ・スプリングの他方の端部は、対照的に、カバー１１に接続されている。この接続は、図９の装着用壁部２２ｂへの取付けに対応する。何故なら、カバー１１は、サイド・プレートまたは装着用壁部１０ｂに接続しているその部分用のものであるからである。カバーは、このようにして、スプリングの平行四辺形を調整することができるように、プレート１０ｂ上を少し移動することができる。
【００５９】
接続手段９は、３つの部分から成る。ワイヤ・スプリング９ｂは、重要な部材の中の１つである。ワイヤ・スプリング９ｂは、スリープ９ａおよびプラグ９ｃに接続している。この場合、磁極本体の移動方向から直角方向への切離しは、ワイヤ・スプリング９ｂの曲げ機能により確実に行われる。接続ブラケット１２に対する切離しユニット９のレベルは、スリープ９ａ内のネジ山により調整することができる。
【００６０】
本発明のスプリング・デバイスが発生した磁界が、決して外部に漏れないようにするために、スプリング・デバイスは、追加の遮蔽ストリップ１５ａ、１５ｂ，１５ｃおよび１５ｄを備える。
【００６１】
図９、図１０および図１１の実施形態の図１３の三次元の図面は、また、スプリング・デバイスの下部を示す。この図は、また、それにより、スプリング・デバイスを簡単に取り付けることができる、下部ヨーク８ｂ内のネジ山付きの孔部を示すが、これは単に例示としてのものにすぎない。
【００６２】
図１４および図１５は、本発明のもう１つの可能な実施形態を示す。
この場合、図１４は、上記可能な実施形態の略図である。図１４に示す例示としての実施形態の場合には、図９の実施形態と比較した場合、２つの磁石３および３’および非磁気マウント６の代わりに軟鉄部材２が使用されている。図１４を見れば分かるように、そのため、磁石２ａ、２ｂおよび２ａ’、２ｂ’と軟鉄部材２３との間の磁力線のプロファイルが変化している。磁力線は、もはやほぼ垂直方向を向いていない。すなわち、磁極本体の組合わせの移動方向に沿っていないが、移動方向にほぼ直角になっていて、そのため、磁気基本セル１の磁気サブセル１ｃおよび１ｄは、もはや垂直方向をではなく、水平方向を向いている。
【００６３】
図９の場合には、磁力線４は、下部ヨーク８ｂの磁束経路５を通って、上部磁石２ａから中央磁石３、下部磁石２ｂに延びていて、その後で、上部ヨーク８ｂ内の磁束経路５を通って、サブセル１ｂの磁石を通って上に延び、再び上部磁石２ａに戻る。図１４に示す配置の場合、主要な経路は２つある。
【００６４】
第１の磁束経路４ａは、磁極本体装置の中央部分内の軟鉄部材を通って、上部磁石２ａから、直接、下部磁石２ｂへ延びていて、その後で、引き続き下部ヨーク８ｂ内の磁束経路５を通って磁石２ｂ’に延び、そこから軟鉄部材２３を通って上部磁石２ａ’に延び、上部ヨーク８ａを通って上部磁石２ａに戻る。
【００６５】
第２の磁束経路は、２つの上部磁石２ａおよび２ａ’と２つの下部磁石２ｂおよび２ｂ’との間の経路に対応する。第２の磁束経路は、磁極本体の組合わせの寸法によっては、第１の磁束経路より重要である。それ故、サブセルは、例示としての実施形態の「空隙」の場合には、もっと大きく水平方向を向いている。図１４のスプリング・デバイスの利点は、特に、永久磁石の数が少なくてすむこと、およびスプリング・デバイスの製造コストが安いことである。さらに、図１４のシステムは、磁極本体の組合わせの中央の軟鉄部材２３の水平方向の移動により影響を受けない。その理由は、特に軟鉄部材が磁石と比較して比較的大きい場合には、磁石と軟鉄部材との間の磁界が変化しないで、そのため、軟鉄部材が水平方向に移動しても、水平方向の力が発生しない。そのため、図１４および図１５の実施形態は、軟鉄部材２３用の垂直方向の案内の剛性２４は低くてもよく、それにより、例えば、それ自身絶縁される負荷が案内としてうまく働き、水平方向の力および移動の影響を受けないし、移動する軟鉄部材を負荷に直接接続することができ、その場合、水平方向の切離しは必要ない。
【００６６】
図１５は、軟鉄部材を含む、本発明による、また図１４に示すスプリング・デバイスのある実際の実施形態を示す。
図１５の断面は、図１０の断面に非常によく似ている。違いは、磁石３および３’およびその部材６ａおよび６ｂを含む磁石マウント６の代わりに、軟鉄部材２３が使用されていることである。
【００６７】
軟鉄部材は、垂直方向に移動することができるように、４つの磁石２ａ、２ｂおよび２ａ’、２ｂ’の間に位置する。上部磁気サブセル１ｄは磁石２ａおよび２ａを備え、この場合、磁石２ａは下向きに磁化され、磁石２ａ’は上向きに磁化され、下部磁気サブセル２ｃは磁石１ｂおよび１ｂ’を備える。この程度まで、図９を参照する。
【００６８】
図１５に示す構成は、水平方向の軟鉄部材の上記の許容誤差を使用しない。実際には、部材２３は、２つのリーフ・スプリング７および１４、または１４ａおよび１４ｂを含み、さらに、部材１３、１６ａ、１６ｂ、１７ａおよび１７ｂからなる硬質部材を備える、弾性平行四辺形の案内により水平方向に移動できない。この場合には、スプリング・デバイスの強い水平方向の剛性により、切離し素子９も必要になる。
【００６９】
弾性平行四辺形の案内および切離し素子９を備えるスプリング・デバイスの構成の利点は、負荷の垂直方向の案内に追加の要件が掛からないことである。
負の剛性を持つ本発明のスプリング・デバイスは、例えば、振動により影響を受ける顕微鏡または任意の他の装置の振動絶縁用に、空気スプリングと一緒に使用され、その結果、絶縁システムの固有周波数を低減することができ、それにより振動絶縁を効果的に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの相互に引き合う磁極の力／運動関係を示す。
【図２】本発明のスプリング・デバイスの略図である。
【図３】図２のスプリング・デバイスの磁力線のプロファイルである。
【図４】図２および図３に示す中央磁極本体と外側の磁極本体の磁極との間の相対距離の関数としての負の剛性を示す。
【図５】図４から各磁極本体間距離ｈに対するスプリング力のプロファイルである。
【図６】外側の磁極本体と内側の磁極本体との間の種々の断面比の剛性間の関係を示す、全部で４つのグラフである。
【図７】本発明のスプリング・デバイスのある可能な実施形態による磁極本体の組合わせである。
【図８】本発明のスプリング・デバイスのためのもう１つの磁極本体の組合わせである。
【図９】図８に示す方向とは反対方向の磁束を含むある実施形態の略図である。
【図１０】図９の実施形態の技術的実施の断面図である。
【図１１】図９の実施形態の技術的実施のもう１つの断面図である。
【図１２】図９、図１０および図１１の実施形態の三次元図である。
【図１３】図９、図１０および図１１の実施形態のもう１つの三次元図である。
【図１４】１つの磁極本体が軟鉄の部品を含む、本発明の第２の実施形態の略図である。
【図１５】図１４の実施形態の技術的実施の断面図である。

Claims (34)

1. 負の剛性を持つ磁気スプリング・デバイスであって、少なくとも１つの第１の磁極本体（２ａ）と、少なくとも１つの第２の磁極本体（３）と、少なくとも１つの第３の磁極本体（２ｂ）とを含む少なくとも１つの第１磁極本体組合わせを備え、各磁極本体が反対の極性を持ち、前記組合わせの前記磁極本体が、対向する磁極が相互に反対になっていて、前記第１の磁極本体（２ａ）および前記第３の磁極本体（２ｂ）が、相互に指定の距離（ｈ）だけ離れていて、前記第２の磁極本体（３）が、相互に運動できるように前記磁極本体（２ａ、２ｂ、３）が位置するように配置されている磁気スプリング・デバイス。
2. 請求項１記載のスプリング・デバイスにおいて、一方の重なり量を増大させ、他方の重なり量を減少させるような、相互間の前記磁極本体（２ａ、２ｂ、３）の運動により、少なくとも２つの重なり量（２５ａ−ＩＩＩ、２５ｂ−ＩＩＩ）が、前記磁極本体（２ａ、２ｂ、３）の磁極間に形成されるスプリング・デバイス。
3. 請求項１または請求項２記載のスプリング・デバイスにおいて、前記磁極本体（２ａ、２ｂ、３）および／または前記磁極が、円形および／または環状および／または長方形および／または正方形および／または対応する断面を持つスプリング・デバイス。
4. 請求項１または請求項３記載のスプリング・デバイスにおいて、前記磁極本体（２ａ、２ｂ、３）および／または前記磁極が、異なる大きさの断面または幅を持つスプリング・デバイス。
5. 請求項４記載のスプリング・デバイスにおいて、前記第１の磁極本体（２ａ）および前記第３の磁極本体（２ｂ）の断面または幅が、前記第２の磁極本体（３）の断面または幅に対して、ほぼ１００％〜３００％の比率を有するスプリング・デバイス。
6. 請求項５記載のスプリング・デバイスにおいて、前記比率が１４０％に対応するスプリング・デバイス。
7. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスの前記磁極本体（２ａ、２ｂ、３）が、前記磁極からの磁力線（４）にほぼ沿って移動することができるスプリング・デバイス。
8. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記第１の磁極本体の組合わせ（１）の他に、前記スプリング・デバイスが、第２またはもう１つの磁極本体の組合わせを含み、前記磁極本体の組合わせを通る磁束の方向が、ほぼ平行を向いているか、および／またはほぼ平行であるが、相互に反対方向を向いているスプリング・デバイス。
9. 請求項８記載のスプリング・デバイスにおいて、前記磁極本体の組合わせ（１）を通る前記磁束の方向が、相互にほぼ平行であることを特徴とするスプリング・デバイス。
10. 請求項８記載のスプリング・デバイスにおいて、隣接する磁極本体の組合わせ（１ａ、１ｂ）の磁束の方向がほぼ平行であるが、相互に反対の方向を向いているスプリング・デバイス。
11. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスが、前記磁極本体が磁石および／または磁気本体を含み、少なくとも２つの磁極本体が１つまたはそれ以上の磁石を含むことができることを特徴とするスプリング・デバイス。
12. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスが、前記磁極本体の間に焦点を合わせた磁気回路を形成するために、１つのヨークまたは多数のヨーク（８ａ、８ｂ）を備えるスプリング・デバイス。
13. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記磁極本体（２ａ、２ｂ、３）が、永久磁石および／または電磁石を備えるスプリング・デバイス。
14. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記磁極本体（２ａ、２ｂ、３）および／または前記ヨークが、少なくとも１の比透磁率μ_ｒを有する磁気材料を含むスプリング・デバイス。
15. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記磁極本体（２ａ、２ｂ、３）および／または前記ヨーク（８ａ、８ｂ）が、鉄および／または鉄の合金および／またはセラミックスおよび／または非鉄金属および／または対応する合金を含むスプリング・デバイス。
16. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記第１の磁極本体（２ａ）と前記第３の磁極本体（２ｂ）との間の距離を調整することができるスプリング・デバイス。
17. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスが、前記第１の磁極本体（２ａ）と前記第３の磁極本体（２ｂ）との間の距離（ｈ）を設定するための設定手段（１８）を備えるスプリング・デバイス。
18. 請求項１、請求項１６または請求項１７記載のスプリング・デバイスにおいて、前記距離（ｈ）が、２３ｍｍ〜３３ｍｍの範囲内の値を持つスプリング・デバイス。
19. 請求項１８記載のスプリング・デバイスにおいて、前記距離（ｈ）が、２８ｍｍの値を持つスプリング・デバイス。
20. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスが、前記第１の磁極本体と前記第３の磁極本体との間の距離（ｈ）のところに、前記第２の磁極本体（３）を保持するための保持手段（６）を備えることを特徴とするスプリング・デバイス。
21. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスが、前記第１の磁極本体（２ａ）と前記第３の磁極本体（２ｂ）との間の距離（ｈ）のところに、前記第２の磁極本体（３）を案内するための案内持手段（２１）を備えるスプリング・デバイス。
22. 請求項２１記載のスプリング・デバイスにおいて、前記案内手段（２１）が、スプリング平行四辺形を備えるスプリング・デバイス。
23. 請求項２２記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング平行四辺形が、正の剛性を持つリーフ・スプリング（１４、７）を備えるスプリング・デバイス。
24. 請求項２３記載のスプリング・デバイスにおいて、前記リーフ・スプリング（１４）がスプライスされているスプリング・デバイス。
25. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスが、負荷へ前記スプリング・デバイスを接続し、負荷から前記スプリング・デバイスを切り離すための接続手段（９）を備えるスプリング・デバイス。
26. 請求項２５記載のスプリング・デバイスにおいて、前記接続手段（９）が、スプリング・ワイヤを備えるスプリング・デバイス。
27. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスが、前記スプリング・デバイスを取り付けるためのブラケット・デバイス（１２）を備えるスプリング・デバイス。
28. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスが、前記内部磁界を遮蔽するための遮蔽手段（１５ａ、１５Ｂ）を備えるスプリング・デバイス。
29. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスが、すべての空間方向で整合することができるスプリング・デバイス。
30. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスが、並列および／または直列に接続している磁極本体の組合わせ（２ａ、２ｂ、３）を備えるスプリング・デバイス。
31. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスが、開ループ制御デバイスおよび／または閉ループ制御デバイスを備えるスプリング・デバイス。
32. 前記請求項の何れか１項記載のスプリング・デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスが、機械的スプリングおよび／または空気スプリングおよび／または油圧スプリングおよび／または電気機械的スプリングを含む、少なくとも１つの第２のスプリング本体を備えるスプリング・デバイス。
33. 前記請求項の何れか１項記載の少なくとも１つのスプリング・デバイスにより区別される、特に振動絶縁のための、また特に振動に敏感な装置の振動絶縁のための、絶縁本体または負荷の受動的および／または動的振動絶縁用の振動絶縁デバイス。
34. 請求項３１記載の振動絶縁デバイスにおいて、前記スプリング・デバイスが、相互に並列および／または直列に接続している振動絶縁デバイス。

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