JP4685449B2 - 磁気空中浮揚装置 - Google Patents

Description

［関連出願に対するクロスリファレンス］
本出願は、２００２年９月２７日出願の米国特許出願第６０／４１３，８８１号からの優先権を主張する。

［技術分野］
本発明は、磁気要素を空中に浮揚する装置に関する。

空中浮揚した物体は、観察するのに関係し、そして、様々な適用に有用することが可能である。磁場は、磁気物体を空中に浮揚するのに使用されることが可能な１つのツールを提供する。アーンショウ（Earnshaw）の定理によれば、静磁場だけを使用して安定状態に磁気物体を支持することができない。アーンショウ（Earnshaw）の定理の１つの供述によると、空中浮揚した磁石は、静磁気力、あるいは、重力のあらゆる組合せによって安定平衡に保持されることができない。

米国特許第５，１６８，１８３号明細書のホワイトヘッド（Whitehead）は、分離平面の１つの側の磁石の配列により、分離平面の対抗する側に空中浮揚した磁気要素を支持することが可能である磁気空中浮揚システムを開示している。その磁気配列は、安定平面に平行な方向における空中浮揚した要素の移動のために、空中浮揚した要素と静磁場との間の磁気相互作用の位置エネルギーが増大するように静磁場をもたらす。その磁気配列は、安定平面に直交する方向に空中浮揚した要素を安定させるために、可変磁場である可変力を制御する制御システムを含む。

本発明者達は、ホワイトヘッド（Whitehead）によって開示される実施形態によって生成される磁場が、トルクを空中浮揚した磁気要素に印加することが多いことを測定した。これは、空中浮揚した磁気要素の磁気双極子が、静磁場とほぼ整列するのに対して、“不安定な”方向における空中浮揚した磁気要素の位置を制御するのに使用される可変磁場は、空中浮揚した磁気要素の平衡な位置における静磁場にほぼ垂直に方向付けられるからである。このトルクによって引き起こされる回転は、空中浮揚した要素のねじれ振動と並進振動との組合せへと導くことが可能である。場合によっては、これは、安定フィードバック制御、したがって、空中浮揚した磁気要素の安定性に悪影響を及ぼす。

空中浮揚した磁気要素の増大した安定性などの好ましい操作特性を有する、および／または、構造が簡単である、ホワイトヘッド（Whitehead）によって開示される一般的タイプの磁気空中浮揚システムが必要とされている。特定の適用のために、磁気材料の量の減少を組み込み、そして、比較的低コストで作られることが可能な上述の空中浮揚システムが特に必要とされている。

［発明の要旨］
本発明の１つの態様は、磁気要素を空中に浮揚する装置を提供する。その装置は、磁気要素との相互作用の位置依存位置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る少なくとも２つの磁石を備えている。特定の実施形態において、その少なくとも２つの磁石は、ダイヤモンドパターンに配列される４つの磁石を含む。静磁場は、平衡な位置をもたらし、そこにおいて、位置エネルギーが、不安定な軸に沿う平衡な位置から離れる磁気要素の移動のために減少し、そして、不安定な軸に直交するあらゆる方向に平衡な位置から離れる磁気要素の移動のために増大する。その装置は、不安定な軸の磁気要素のロケーションを示すフィードバック信号を生成する位置決めセンサと、電磁石であり、その電磁石を通る電流の通過時制御磁場を生成するように構成され、その制御磁場が、平衡な位置における不安定な軸に沿う移動に対して勾配（gradient）を有する、電磁石と、磁気要素が平衡な位置の付近を離れることを防止するために、フィードバック信号を受信し、そして、電磁石内の電流を制御するために接続されるコントローラとを含む。

いくつかの実施形態において、電磁石は、不安定な軸に平行する軸に沿って一定の間隔が開けられる少なくとも２つのコイルを備える。たとえば、その電磁石は、不安定な軸に平行する軸に沿って一定の間隔が開けられる４つのコイルを備え、その４つのコイルを通る電流の通過時、４つのコイルのそれぞれが、４つのコイルの隣接したものの磁気極性に対向する磁気極性を有する。

特定の実施形態は、その少なくとも２つの磁石が、不安定な軸に平行な方向に、第１の間隔Ｄ１だけ互いに離れて一定の間隔が開けられる第１の磁石および第２の磁石と、不安定な軸に横向きの方向に、第２の間隔Ｄ２だけ互いに離れて一定の間隔が開けられる第３の磁石および第４の磁石とを備え、その場合、Ｄ１＜Ｄ２であり、第１の磁石および第２の磁石のそれぞれは、少なくとも２つの磁石の対称の軸から等距離であり、そして、第３の磁石および第４の磁石のそれぞれは、対称の軸から等距離である、装置を提供する。第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石および第４の磁石のそれぞれは、平衡な位置の方へ向って面する第１の磁極と、平衡な位置から離れて面する第２の磁極とを有することができる。第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石および第４の磁石の第１の磁極は、ほぼ同一平面上にあるのがよい

本発明の別の態様は、磁気要素を空中に浮揚する装置を提供する。その装置は、磁気要素との相互作用の位置依存位置エネルギーをもたらす静磁場を生成する手段を備え、その静磁場が、平衡な位置をもたらし、そこにおいて、位置エネルギーが、不安定な軸に沿う平衡な位置から離れる磁気要素の移動のために減少し、そして、不安定な軸に直交するあらゆる方向に平衡な位置から離れる磁気要素の移動のために増大する。その装置は、さらに、不安定な軸上の磁気要素のロケーションを示すフィードバック信号を生成する手段と、そのフィードバック信号に応じて平衡な位置における四極子制御磁場をもたらすことによって、磁気要素を平衡な位置に方向付ける制御手段とを備えている。

本発明のさらなる態様および本発明の特定の実施形態の特徴は、以下に説明されている。

以下の説明を通して、明確な詳細が、本発明のより充分な理解を与えるために述べられている。とはいえ、本発明は、これらの詳細がなくても実行できる。他の例では、周知の要素は、本発明を不必要に分かりにくくすることを回避するために、詳細に示されていないし、あるいは、説明されていない。ゆえに、明細書および図面は、制約する意味ではなく、例を示すように考慮されるべきである。

図１は、本発明による磁気空中浮揚システム１０を示している。平衡な位置１３に磁気要素１２を空中浮揚するシステム１０が示されている。磁気要素１２は、１つの磁気双極子、あるいは、一続きの磁気双極子を備えている。磁気要素１２は、空中に浮揚される軽量本体に取り付けられる永久磁石を備えることができる。

システム１０は、間隔Ｄ１だけ離れて一定の間隔が開けられる第１の一対の磁石１４（個々には、１４Ａ，１４Ｂ）と、間隔Ｄ２だけ離れて一定の間隔が開けられる第２の一対の磁石１６（個々には、１６Ａ，１６Ｂ）とを備え、その場合、Ｄ２＞Ｄ１である。本発明の一般に好ましい実施形態において、Ｄ２対Ｄ１の割合は、１.５：１〜２：２の範囲内である。

磁石１４よりさらに離れている磁石１６は、磁石１４のものよりも大きい、あるいは、磁石１４のものと等しい双極子モーメントを有することが好ましい。磁石１６の磁気双極子モーメントは、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、平衡な位置１３への磁石１４の接近のためにずっと高い勾配を有する強力でない磁石１４の空中浮揚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ことが好ましい。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に等しいことが好ましい。Ｍ₁₆対Ｍ₁₄の割合は、本発明のいくつかの実施形態においては、１対１から２対１の範囲内である。

磁石１４は、磁石１４Ａ，１４Ｂが、第１の軸に配置され、そして、磁石１６Ａ，１６Ｂが、第１の軸に直交する第２の軸に配置されるように配列されることが理想である。以下の説明において、磁石１４，１６は、すべて平面１８に近接するように示されている。平面１８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１４，１６に対して対称的に位置するその原点を有する。ｘ軸は、磁石１４を延通し、そして、ｙ軸は、磁石１６を延通する。例示したシステム１０の座標系のｚ軸は、システム１０の対称軸をもたらす。ｚ軸は、平面１８から離れた間隔Ｄ３である平衡な位置１３を延通する。

図１は、磁石１４，１６が直交軸に位置する理想的なケースを示すのに対して、この理想的な配列からの多少のずれは、本発明から逸脱することなく可能である。例示した実施形態において、磁石１４，１６は、ダイヤモンドパターンに配列されている。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。

磁石１４，１６は、磁石１４，１６と、磁気要素１２がシステム１０によって空中に浮揚されることが可能な平衡な位置１３との間の間隔と比べて、サイズが小さいことが好ましい。この場合、磁石１４，１６のそれぞれは、磁石１４、あるいは、１６のロケーションにおける単一の磁気双極子によって生成される磁場とほぼ同じ平衡な位置１３における磁場を生成する。

図１に示される実施形態において、磁石１４，１６は、すべて、ｚ軸に平行である同じ方向に分極される。図１Ａは、本発明の別の方法の実施形態を概略的に示し、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。いくつかの実施形態において、φ₁＝φ₂である。他の実施形態において、φ₁およびφ₂は、互いに異なる。図１Ａに示されるように、ｚ軸の方へ向って磁石１４および／または１６を傾斜することは、１つ以上の他の方向における安定性の減少を犠牲にして、１つの方向におけるモーションに対して磁気要素１２の空中浮揚における多少のスチフネス(stiffness)を得ることが多い。

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。

あらゆる適切な磁石は、磁石１４，１６に使用できる。磁石１４，１６は、たとえば、永久磁石、あるいは、電磁石を備えている。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、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。いくつかの実施形態において、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磁石を備えている。磁石１４，１６は、それぞれ、一続きの磁気双極子を備えている。

例示した実施形態において、平衡な位置１３に最も近い磁石１４，１６の極は、同一平面上にあり、そして、すべては、平面１８にすぐ近くに近接して位置する。磁石１４，１６は、ベース１７内に取り付けられることができる（図１Ｂ，図５および図６を参照）。磁石１４，１６およびベース１７は、ｚ方向に薄い。いくつかの実施形態において、ベース１７は、かなりＤ３未満である厚さを有する。たとえば、ベース１７は、１／２×Ｄ３またはそれ以下の厚さを有する。

磁石１４，１６は、平衡な位置１３で空中浮揚状態に磁気要素１２を支持する静磁場を生成する。その静磁場は、空中浮揚した磁気要素１２と静磁場との間の磁気相互作用の位置エネルギーが、安定平面２０（図１にｙ−ｚ平面として示される）に平行な方向に平衡な位置１３から、空中浮揚した磁気要素１２の小さな移動のために増大するように勾配を有する。

図２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸それぞれに沿う移動のために磁気要素１２の位置決めに伴う磁気位置エネルギーの変動を示す。磁気位置エネルギーは、ｙ軸およびｚ軸のいずれにも沿って平衡な位置１３から離れる移動のために増大するということが分かった。磁気要素１２は、その結果、これらの軸に沿う移動に対して安定である。これに反して、磁気位置エネルギーは、ｘ軸に沿ういずれもの方向に平衡な位置１３から離れる移動のために減少する。磁気要素１２は、その結果、ｘ軸に沿う平衡な位置１３からの移動に対して不安定である。

システム１０は、コントローラ２４（図１）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。磁気要素１２が、その空中浮揚した平衡位置決め１３から離れて移動するとき、コントローラ２４は、制御コイル内の電流の１つまたは複数のフローを調整し、制御コイル２２に、磁気要素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ｘ軸に沿う選択した方向に磁気要素１２を押圧する。制御コイル内の電流の通過によって生成される可変磁場は、ｘ軸の方向におけるモーションに対して、空中浮揚した磁気要素１２を安定させる。図１に示される実施形態において、コイル２２Ａ，２２Ｂは、互いに近接し、ｘ軸に沿って離れて一定の間隔が開けられるそれらのセンターを有し、コイル２２のそれぞれは、磁石１４の１つを囲む。

位置決めセンサ２６は、コントローラ２４に、不安定なｘ軸の空中浮揚した磁気要素１２の移動を表わす信号を供給する。例示した実施形態において、センサ２６は、平衡な位置１３の真下のシステム１０の対称のセンターに位置する。位置決めセンサ２６は、たとえば、ホール効果センサを備えることができる。ホール効果センサは、ｘ軸に平行な方向に、空中浮揚した磁気要素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。磁気要素１２は、平衡な位置１３に位置するとき、その場合、磁気要素１２の磁気双極子は、ｚ軸に平行に方向付けられる、静磁場と整列される。磁気要素１２の磁気双極子は、センサ２６のロケーションにおけるｘ軸に平行な方向に正味磁場コンポーネントを生じない。磁気要素１２が、いずれもの方向に不安定なｘ軸に沿って移動する場合、その場合、センサ２６で検出されるように、磁気双極子からの磁場は、平衡な位置１３から磁気要素１２の増大する移動とともに増大するｘ方向にゼロでないコンポーネントを有する。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、不安定なｘ軸に沿う磁気要素１２の位置決めに関して、コントローラ２４にフィードバックを供給するのに使用されることが可能である。

コントローラ２４は、平衡な位置１３に空中浮揚した磁気要素１２を維持するためにコイル２２内の電流を調整する。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。

磁気要素１２が安定して空中に浮揚される平衡な位置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られることができる。磁気要素１２が、空中に浮揚され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）における平衡な位置１３からの移動に対して磁気要素１２の安定性を増大する。磁気要素１２が、空中に浮揚されている間にわずかに間隔Ｄ１を増大することにより、間隔Ｄ３を増大させると同時に、安定平面２０における平衡な位置１３からの移動に対して磁気要素１２の安定性を減少する。

平衡な位置１３は、磁石１４，１６の静磁場が、コイル２２内を流れる電流がないとき、平衡な位置１３における磁気要素１２への重力を妨げるために充分な力をもたらすような位置決めであることが好ましい。磁気要素１２は、ｘ方向に不安定である。コイル２２は、平衡な位置１３から離れる磁気要素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。そのような実施形態において、磁気要素１２が、平衡な位置１３から離れて、動いたとき、あるいは、動いているとき、電流をコイル２２内に流させることが必要なだけである。これにより、平衡な位置１３に磁気要素１２を安定させるのに必要とされる電力消費量を最小にすることを可能にさせる。

制御コイル２２は、それらが不安定なｘ軸の磁気要素１２の位置決めを制御するほど充分な磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｘ）を平衡な位置１３近くにもたらすように操作されることが可能なように配列される。コイル２２の寸法およびロケーションは、コイル２２によって生成される磁場の大きさが平衡な位置１３の付近においてきわめて小さいように選択されることが利点である。これにより、磁気要素１２を回転することが多い磁気要素１２のロケーションにおいてかなりの横方向磁場コンポーネントを導入することなく磁気要素１２の安定性を可能にする。実際問題として、ｘ方向，ｙ方向およびｚ方向におけるコイル２２からの磁場のコンポーネントが、平衡な位置１３において実用的なように小さいのに対して、ｘ軸の磁気要素１２の位置決めを制御するために、充分な力をもたらすほどに充分に大きい勾配（ｄＢｚ／ｄｘ）をｘ方向に有するということは好ましい。

図３は、平衡な位置１３の付近においてコイル２２からの磁場を最小にする制御コイル２２の１つの形状を有するシステム１０Ａを示している。同じ参照符号が、システム１０Ａのパーツを示すのに使用され、それは、図１のシステム１０にも見られる。システム１０Ａは、４つのコイル２２、すなわち、コイル２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄを有する。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。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軸に横方向に延在する。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、示されるように、それぞれに、コイル２２Ａ，２２Ｂ内にある。コイル２２Ａから２２Ｄは、ｙ−ｚ安定平面に対して対称的に位置する。コイル２２Ａ，２２Ｂは、互いに近接し、コイル２２Ａ，２２Ｃは、互いに近接し、そして、コイル２２Ｂ，２２Ｄは、互いに近接することが理想的である。コイル２２Ｃ，２２Ｄは、ｘ軸に平行なそれらの寸法がコイル２２Ａ，２２Ｂより幅広いことが好ましい。例示した実施形態において、コイル２２Ａは、コイル２２Ｂと同じ寸法を有し、そして、コイル２２Ｃは、コイル２２Ｄと同じ寸法を有する。

平面１８に平行なコイル２２によって生成される磁場の少なくともこれらのコンポーネントが、平衡な位置１３の少なくとも付近において実質的に互いに相殺することが好ましい。この結果は、コイル２２の寸法を適切に選択し、そして、適切な方向に、コイル２２Ａを通って適切な１つまたは複数の電流を通すことによって生成できる。電流は、磁石１２に安定磁気力を生成するために、対向する方向に、内側のコイル２２Ａ，２２Ｂを通過する。電流が時計回りの方向にコイル２２Ａを通過する場合、電流はコイル２２Ｂを逆時計回りに通過する必要がある。同時に、コイル２２Ｃ内の電流のフローは、逆時計回りであり、そして、コイル２２Ｄ内の電流のフローは、時計回りである。これにより、不安定なｘ軸に沿う１つの方向に磁気要素１２を押し進めるために力を印加する安定磁場を生成する。不安定なｘ軸に沿う対向する方向に磁気要素１２を押し進めるために力を印加する安定磁場を生成するために、電流がコイル２２のそれぞれに流れる方向は、逆にされることが可能である。

図３に示されるコイル２２の配列は、コイル２２が、巻線の等しい数と、適切な寸法とを有し、そして、各コイル内において正確な方向に流れる等しい電流を搬送するとき、平衡な位置１３において磁気四極子磁場を生成する。磁気四極子は、磁場の大きさがゼロであるのに対して、磁場の勾配が線形であり、そして、ポイントまわりに対称である、スペースにおいてポイントである。この場合、コイル２２は、磁気要素１２に印加される安定磁気力を生じる。磁気要素１２に印加される安定力の大きさは、磁気要素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７は、コイル２２を通るｘ−ｚ平面についての断面図である。平衡な位置１３において四極子磁場を生成するためのコイル２２については、コイル２２Ａ，２２Ｂは、等しい幅Ｗ１を有し、コイル２２Ｃ，２２Ｄは、等しい幅Ｗ２を有することと、Ｗ１は、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とが好ましい。コイル２２のすべては、同じ長さを有することがよい。不安定なｘ軸に対して横に作用する方向における各コイル２２の長さは、その幅よりも大きい。

コントローラ２４は、磁気要素１２が平衡な位置１３の付近にあるとき、センサ２６によって検出されないことに備えて、システム１０の操作を抑制することが好ましい。たとえば、磁気要素１２が機能を停止する場合、コントローラ２４がコイル２２を通して電流を通すことによって、磁気要素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、コイル２２を過熱させ、極論すれば、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。磁気要素１２が平衡な位置１３の所望の間隔内にないことを、センサ２６からの信号が表示するときは必ず、コントローラ２４は、不活動モードにスイッチするように構成できる。コントローラ２４は、リセットするまで不活動のモード状態のままであるように構成できる。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。

ある場合、平衡な位置１３における静磁場の強さを増大する付加的な磁石をもたらすことが好ましいことがある。覆すモーメントに対する磁気要素１２の安定性は、平衡な位置１３における静磁場の強さとともに増大する。これは、磁気要素１２の磁気双極子が周囲磁場とそれ自体を整列することが多いからである。磁気要素１２の磁気双極子が、磁場と調整不良になる場合、その場合、磁気要素１２は、補正トルクを受ける。補正トルクの大きさは、磁気要素１２のロケーションにおける磁場の強さに比例する。

図４は、平衡な位置１３における磁場の強さを増大するが、平衡な位置１３に磁気要素１２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さない付加的な磁石３０の配列を示す。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と同じ方向に方向付けられる磁気双極子をもたらす。

リング３１は、平面１８内に、あるいは、平面１８に平行な平面内に位置する。平衡な位置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、磁石３０によって生成される磁場のｚコンポーネントが平衡な位置１３においてｚ方向に実質的に勾配を持たないように選択され（すなわち、平衡な位置１３において、ｄＢ（３０）ｚ／ｄｚ＝０）、式中、Ｂ（３０）ｚは、磁石３０によって生成される磁場のｚコンポーネントである。この状況において、“実質的に勾配がない”ということは、磁気要素１２に、平衡な位置１３において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少なくともかなり小さい、好ましくは、その静磁場の勾配の２５％未満、そして、最も好ましくは、７％未満である勾配を意味する。ｚ軸まわりのリング３１内の磁石の対称によって、磁気要素１２にあらゆる方向であるが、ｚ軸に平行にそれ自体を整列させる平衡な位置１３における磁石３０によって生成される磁場の正味水平コンポーネントがない。

システム１０は、最初は、平衡な位置１３の付近に磁気要素１２を支持し、コントローラ２４に連動し、そして、次に、サポートが、磁気要素１２に初期サポートをもたらすのに使用されるときは必ず、取り外すことによって開始することができる。たとえば、システム１０は、図５に示されるように降下位置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４０を含むことができる。サポート４０が上昇位置４２Ｂにあるとき、それは、平衡な位置１３に磁気要素１２を支持する。システム１０が、平衡な位置１３に磁気要素１２を維持するために作動後、サポート４０は、位置４２Ａに降下されることが可能である。

サポート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４０は、それが平衡な位置１３に、あるいは、近くに、磁気要素１２を支持する第１の位置決めと、それが平衡な位置１３から常道を離れる第２の位置決めとの間を移動可能である。あらゆる適切なメカニズムは、サポート４０が第１の位置決めと第２の位置決め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。そのメカニズムは、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１Ｂに示されるように、システム１０は、任意に、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、磁気要素１２を安定す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、そして、平面１８に平衡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気要素１２への力を生成する。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り得る、あるいは、分離独立コントローラであり得る）。コントローラ２４Ｂは、二次電磁石２２′内の電流フローを制御する。その二次電磁石システムは、ｚ軸に沿う磁気要素１２の震動を緩和するのに、あるいは、磁気要素１２に平衡な位置１３まわりの＋ｚ方向、または、−ｚ方向に移動することをもたらすのに使用することができる。適切な速度で二次電磁石２２′内の電流のフローを繰り返して逆にすることによって、コントローラ２４Ｂは、磁気要素１２にｚ軸に沿って平衡な位置１３まわりに振動することをもたらすことを可能にする。

適切なフィードバックセンサを有する他のオリエンテーションでの電磁石は、適切なコントローラとともに供給されることができ、ｙ軸に沿って磁気要素１２に力をもたらす、あるいは、磁気要素１２に磁気トルクをもたらす。この方法で、空中浮揚した要素は、限定した程度に、平衡な位置まわりに操縦されることが可能である、あるいは、ある方向に震動させることが可能である。

システム１０は、磁気要素１２を活動させる、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６は、新型おもちゃ５０を示しており、それは、磁気要素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。図６は、明確化のために磁気要素１２を空中に浮揚するメカニズムの詳細を省略している。空中浮揚メカニズムは、ベース１７内に封入されている。

おもちゃ５０において、磁気要素１２は、ヘリコプターの胴体に類似する軽量シェル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、平衡な位置に磁気要素１２を空中浮揚するために、上記に説明されるように、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１７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、磁気要素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（ＬＥＤｓ）でよい）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１７に高輝度光源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、磁気要素１２の光受容器７４を照明する。例示した実施形態において、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るのがよい。ミラー、ディフーザ−、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、磁気要素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（“手段”への言及を含む）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実施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。

前述の開示を鑑みて当業者には明らかなように、多くの変更および修正は、本発明の精神、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、
・例示した実施形態において、磁石１４，１６の磁気双極子モーメントは、互いに平行である。本発明のいくつかの実施形態において、磁石１４および／または１６は、それらの磁気双極子モーメントが、平面１８に対して鋭角に位置するように方向付けられる。
・例示した実施形態において、磁石１４，１６の最上層極は、同一平面上にあり、そして、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。
・例示した実施形態において、磁石１４，１６の“Ｎ”極は、平衡な位置１３に面する。磁石１４，１６の極性は、磁石１４，１６の“Ｓ”極が平衡な位置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、複数のディスクリートコイルから必ずしも形成されない。シングル巻線は、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と同心の磁気双極子の付加的なリング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な位置１３において、ｄＢ（３０）ｚ／ｄｚ＝０である磁場を生成することは好ましいので、各リングは、ｄＢ（３０）ｚ／ｄｚ＝０を保持するために、平衡な位置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、ディスクリート双極子の代わりに、１つ以上のリング磁石を備えることができる。
・磁石１４および／または磁石１６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、小数のディスクリート磁石を使用することは、一般に好ましい。
・コイル２２は、矩形であるように例示されているのに対して、他のコイルの形状が、さらに、磁気要素１２の安定磁気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８Ａのコイル２２Ｅ，２２Ｆのように三角形、あるいは、図８Ｂの２２Ｇ，２２Ｈのように半円形でよい。
・あらゆる適切な非接点センサが、センサ２６に使用することができる。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。センサ２６は、あらゆる適切な方法で不安定な軸に沿う磁気要素１２の位置を検出することができる。好ましい実施形態において、センサ２６は、平面１８と平衡な位置１３との間の間隔に等しい間隔だけ平衡な位置１３から移動されるロケーションから、不安定な軸に沿う磁気要素１２のモーションを検出することが可能なタイプのものである。

それゆえに、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定義される内容により解釈されるべきである。

本発明の１つの実施形態による磁気空中浮揚システムの部分略図である。 本発明の別の実施形態による磁気空中浮揚システムの部分略図である。 本発明の別の実施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のシステムのｘ軸，ｙ軸およびｚ軸にそれぞれに沿う空中浮揚した磁気要素の平衡な位置からの移動に伴う磁気位置エネルギーの変動を示すプロットである。 図１のシステムのｘ軸，ｙ軸およびｚ軸にそれぞれに沿う空中浮揚した磁気要素の平衡な位置からの移動に伴う磁気位置エネルギーの変動を示すプロットである。 図１のシステムのｘ軸，ｙ軸およびｚ軸にそれぞれに沿う空中浮揚した磁気要素の平衡な位置からの移動に伴う磁気位置エネルギーの変動を示すプロットである。 平衡な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気要素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。 平衡な位置近くに磁気要素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、そして、活動させるメカニズムを示す。 本発明の実施形態の制御コイルを通るｘ−ｚ平面についての断面図である。 本発明の別の実施形態によるコイル形状を示す。 本発明の別の実施形態によるコイル形状を示す。

Claims (33)

1. 磁気要素を空中に浮揚する装置であって、前記装置は、
   磁気要素との相互作用の位置依存位置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る少なくとも２つの磁石であり、前記静磁場が、平衡な位置をもたらし、そこにおいて、前記位置エネルギーが、不安定な軸に沿う前記平衡な位置から離れる前記磁気要素の移動のために減少し、そして、前記不安定な軸に直交するあらゆる方向に前記平衡な位置から離れる前記磁気要素の移動のために増大する、少なくとも２つの磁石と；
   前記不安定な軸の前記磁気要素のロケーションを示すフィードバック信号を生成する位置決めセンサと；
   電磁石であり、前記電磁石を通る電流の通過時制御磁場を生成するように構成され、前記制御磁場が、前記平衡な位置における不安定な軸に沿う移動に対して勾配を有する、電磁石と；
   前記磁気要素が前記平衡な位置の付近を離れることを防止するために、前記フィードバック信号を受信し、そして、前記電磁石内の前記電流を制御するために接続されるコントローラとを
   を備え、
   前記電磁石が少なくとも２つのコイルを備え、
   前記少なくとも２つのコイルが、前記不安定な軸に横方向に延在する長い側面を有する矩形のコイルである装置。
2. 前記少なくとも２つのコイルが、前記不安定な軸に平行な軸に沿って一定の間隔が開けられてなることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記電磁石は、前記不安定な軸に平行な軸に沿って一定の間隔が開けられる４つのコイルを備え、前記４つのコイルを通る電流の通過時、前記４つのコイルのそれぞれが、前記４つのコイルの隣接したものの磁気極性に対向する磁気極性を有する請求項２記載の装置。
4. 前記電磁石は、前記不安定な軸に平行な軸に沿って一定の間隔が開けられる４つのコイルを備え、前記４つのコイルは、第３の矩形コイルと第４の矩形コイルとの間に位置する第１の矩形コイルと第２の矩形コイルとを備え、前記第１の矩形コイルから第４の矩形コイルを通る電流の通過時、前記平衡な位置において前記第１の矩形コイルおよび第２の矩形コイルによって生成される磁場のコンポーネントが、前記第３の矩形コイルおよび第４の矩形コイルによって生成される磁場によって相殺される請求項２記載の装置。
5. 前記電磁石のコイルが、ほぼ同一平面上にある請求項２〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記電磁石が、前記電流の通過時、前記平衡な位置に四極子磁場を生成するように構成される請求項１記載の装置。
7. 前記少なくとも２つの磁石が、ダイヤモンドパターンに配列される第１の磁石と、第２の磁石と、第３の磁石と、第４の磁石とを備え、前記第１の磁石および第２の磁石が、前記第３の磁石および第４の磁石よりも互いに近接している請求項１記載の装置。
8. 前記第３の磁石および第４の磁石が、前記第１の磁石および第２の磁石よりも強い請求項７記載の装置。
9. 前記少なくとも２つの磁石が、前記不安定な軸に平行な方向に、第１の間隔Ｄ１だけ互いに離れて一定の間隔が開けられる第１の磁石および第２の磁石と、前記不安定な軸に横向きの方向に、第２の間隔Ｄ２だけ互いに離れて一定の間隔が開けられる第３の磁石および第４の磁石とを備え、その場合、Ｄ１＜Ｄ２であり、前記第１の磁石および第２の磁石のそれぞれは、前記少なくとも２つの磁石の対称の軸から等距離であり、そして、前記第３の磁石および第４の磁石のそれぞれは、対称の軸から等距離である請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記第１の磁石および第２の磁石のそれぞれは、前記第３の磁石および第４の磁石のそれぞれから等距離である請求項９記載の装置。
11. 前記第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石および第４の磁石のそれぞれは、前記平衡な位置の方へ向って面する第１の磁極と、前記平衡な位置から離れて面する第２の磁極とを有し、そして、前記第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石および第４の磁石の第１の磁極は、ほぼ同一平面上にある請求項９または１０記載の装置。
12. 前記第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石および第４の磁石の前記第１の磁極が、前記対称軸に直交して延在する平面に近接して、ほぼ同一平面上にある請求項１１記載の装置。
13. 前記電磁石が、前記平面に平行に、そして、前記平面に近接して位置する少なくとも２つのコイルを備えている請求項１２記載の装置。
14. 前記少なくとも２つの磁石が、永久磁石を備えている請求項１〜４、８、１２または１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記少なくとも２つの磁石が、すべて永久磁石である請求項１〜４、８、１２または１３のいずれか１項に記載の装置。
16. 前記電磁石が、前記不安定な軸に平行な軸に沿って一定の間隔が開けられる少なくとも２つのコイルを備え、そして、前記少なくとも２つのコイルの第１のコイルが、前記第１の磁石まわりに延在し、そして、前記少なくとも２つのコイルの第２のコイルが、前記第２の磁石まわりに延在する請求項９記載の装置。
17. 前記電磁石の前記少なくとも２つのコイルそれぞれが、平衡高さＤ３に等しい、前記不安定な軸に平行な前記軸に沿う幅Ｗ１を有し、前記平衡高さＤ３が、前記平衡位置決めと前記少なくとも２つのコイルを通過する平面との間の間隔である請求項１６記載の装置。
18. 前記第１のコイルおよび第２のコイルのいずれもの側面の前記不安定な軸に平行に、そして、前記第１のコイルおよび第２のコイルに近接する前記軸に沿って位置決めされる第３のコイルおよび第４のコイルを備え、前記第３のコイルおよび第４のコイルが、前記第１のコイルおよび第２のコイルの幅Ｗ１に少なくとも等しい幅Ｗ２を有する請求項１７記載の装置。
19. 前記第３の磁石および第４の磁石が、２つとも、前記少なくとも２つのコイルのいずれかの外側に位置する請求項１６記載の装置。
20. 前記少なくとも２つのコイルが矩形のコイルを備えている請求項１８記載の装置。
21. 前記少なくとも２つのコイルが、半円形のコイルを備えている請求項１８記載の装置。
22. 前記少なくとも２つのコイルが、三角形のコイルを備えている請求項１８記載の装置。
23. 前記第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石および第４の磁石は、前記第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石および第４の磁石のそれぞれの前記第１の磁極および第２の磁極を通過するラインが、相互に作用し、そして、前記対称の軸と鋭角を形成するように位置決めされる請求項１１記載の装置。
24. 前記第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石および第４の磁石が、ＮｄＦｅＢ磁石、バリウムフェライト磁石、サマリウムコバルト磁石およびＡｌＮｉＣｏ磁石からなる群から選択される永久磁石である請求項７、１１〜１３または１８のいずれか１項に記載の装置。
25. 前記平衡な位置に実質的に勾配を持たない、そして、前記平衡位置決め近くの前記静磁場を増加する磁場を生成するように位置決めされる界磁増強磁石の配列を備えている請求項１〜２４のいずれか１項に記載の装置。
26. 前記界磁増強磁石の配列が、リングを形成するために、離れて一定の間隔が開けられる少なくとも３つの磁気双極子を備えている請求項２５記載の装置。
27. 前記少なくとも３つの磁気双極子が、前記リングを形成するために、離れて一定の間隔が開けられる少なくとも３つの永久磁石を備えている請求項２６記載の装置。
28. 前記界磁増強磁石の配列が、二次電磁石を備えている請求項２６記載の装置。
29. 前記二次電磁石を通る電流を制御する二次コントローラと、前記二次電磁石を通過する平面から前記磁気要素の間隔を示すフィードバック信号を生成する二次センサとを備えている請求項２８記載の装置。
30. 交流のソースに接続される伝送コイルを備え、前記磁気要素が、受容コイルと、前記受容コイルに誘導される電流によって動力が与えられる電気デバイスとを備え、
    前記電気デバイスが、モータに直流を供給するために接続される整流器を備えている、請求項１記載の装置。
31. 交流のソースに接続される伝送コイルを備え、前記磁気要素が、受容コイルと、前記受容コイルに誘導される電流によって動力が与えられる電気デバイスとを備え、
    前記電気デバイスが、ランプを備えている請求項１記載の装置。
32. サポートであり、前記サポートが、ほぼ前記平衡な位置に前記磁気要素を支持する第１の位置決めと、前記サポートが、前記平衡な位置から常道を離れる第２の位置決めとの間を移動可能であるサポートを備えている請求項１記載の装置。
33. 前記空中浮揚した磁気要素に力を印加するように配置される二次電磁石を備えている請求項１記載の装置。

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