JPH1047429A - 減衰特性を有する磁性バネを備えた係数励振振動機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 永久磁石を利用した正、０又は負の減衰特性
を有する磁性バネと、この磁性バネを利用した非線形振
動機構と係数励振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を実現すること。 【解決手段】 互いに離間する少なくとも二つの永久磁
石８０，８２，８４間の幾何学的寸法を変化させること
により０又は負の減衰特性を示す磁性バネと、弾性部材
８６に支承されたストッパ８８とを、持続あるいは発散
振動にエネルギを変換する構造内に設けた。所定値以下
の加速度または振幅がストッパ８８に加わると、弾性部
材８６の弾性変形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た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の永久磁石を
有する磁性バネに関し、更に詳しくは、複数の永久磁石
の反発力を利用した正、０又は負の減衰特性を有する磁
性バネ、及び、該磁性バネを有し減衰機能構造を持たな
いが安定である非線形振動機構あるいは係数励振振動機
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４〜２０
Ｈｚ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、永久磁石を利用して
正、０又は負の減衰特性を有する磁性バネを提供すると
ともに、この磁性バネを利用し減衰機能構造を持たない
が安定である非線形振動機構あるいは係数励振振動機構
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、互いに離
間する少なくとも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変化させることにより
０又は負の減衰特性を示す磁性バネと、弾性部材に支承
されたストッパとを、持続あるいは発散振動にエネルギ
を変換する構造内に設け、所定値以下の加速度または振
幅が上記ストッパに加わると、上記弾性部材の弾性変形
により摩擦減衰を抑制し、その対向衝撃を利用して上記
磁性バネの反発力不足を補償するとともに、除振性能を
向上させたことを特徴とする。

【０００６】

【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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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
ｘ_０，ｋ_１とし、出力側の平衡位置とバネ定数をそれぞ
れｘ_１，ｋ_２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。 −ｋ_１／ｘ_０＋ｍｇ＝０ −ｋ_２／ｘ_１＋ｍｇ＝０ ｋ_２＞ｋ_１

【００１０】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ｘ_１と位置ｘ_０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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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⁾＝（ｍ^２／ｒ^２）ｄｘ_１ｄｙ_１ｄｘ_２ｄｙ_２ 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、 Ｆ＝ｋ（ｑ₁ｑ₂／ｒ²） ｒ：距離 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。

【００１５】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＝５
０ｍｍ）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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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∝Ｂｒ^２×（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。

【００２０】図１１は、永久磁石２，４の対向面積を変
化させることにより幾何学的寸法を変化させるようにし
た第一の具体的な磁性バネモデルを示している。図１１
において、互いに平行に延在する基台６と頂板８とは、
２本のリンク１０ａ，１０ｂからなる左右一対のＸリン
ク１０により互いに接続されている。リンク１０ａ，１
０ｂの一端は、基台６と頂板８にそれぞれ枢着されると
ともに、リンク１０ａ，１０ｂの他端は、頂板８に摺動
自在に取り付けられた上部スライダ１２と、基台６に摺
動自在に取り付けられた下部スライダ１４にそれぞれ枢
着されている。

【００２１】また、基台６にはリニアウェイ１６が固定
され、永久磁石２が載置された磁石載置台１８がリニア
ウェイ１６に摺動自在に取り付けられる一方、もう一つ
の永久磁石４が頂板８に固定されている。基台６にはさ
らに支持台２０が固定され、この支持台２０に第１アー
ム２２ａと第２アーム２２ｂからなるＬ字状レバー２２
の中央部が枢着されている。第１アーム２２ａの一端は
磁石載置台１８に枢着されるとともに、第２アーム２２
ｂにはバランスウェイト２４が取り付けられている。

【００２２】上記構成において、基台６にある入力が加
えられ、基台６が頂板８に向かって移動すると、バラン
スウェイト２４の慣性力により磁石載置台１８はリニア
ウェイ１６に沿って図中右方向に移動する。その結果、
二つの永久磁石２，４の対向面積が徐々に増加して、永
久磁石２，４の最近接位置あるいはこの位置を過ぎた位
置で最大反発力が発生するとともに、反発力により基台
６は下方に移動する。基台６が頂板８に対し一往復する
間に、図１１の磁性バネは図３に示されるような負の減
衰特性を示す。なお、バランスウェイト２４は基台６に
対し多少の位相遅れがあるので、最大反発力が発生する
位置は、入力に応じてバランスウェイト２４を第２アー
ム２２ｂに対して移動させることにより適宜調節するこ
とができる。また、永久磁石４を上部スライダ１２と連
動させることにより、タイミング、対向面積の調節も可
能である。

【００２３】図１２は、二つの永久磁石２，４を基台６
と頂板８にそれぞれ固定し、他の二つの永久磁石２６，
２８間のギャップ（離間距離）を可変とすることによ
り、幾何学的寸法を変化させるようにしたものである。
図１２において、永久磁石２８は、永久磁石４とは逆に
Ｓ極を下方に向けた状態で頂板８に固定される一方、永
久磁石２６は、永久磁石２とは逆にＳ極を上方に向けた
状態で揺動レバー３０の一端に固定されている。揺動レ
バー３０は、その中央部が支持台２０に揺動自在に取り
付けられ、永久磁石２６の反対側の揺動レバー３０には
バランスウェイト２４が取り付けられている。

【００２４】上記構成において、基台６に取り付けられ
た二つの永久磁石２，２６は逆磁極を対向させているの
で、永久磁石２，２６間に吸引力が働き、この吸引力が
バランスバネとして作用する。基台６にある入力が加え
られ、基台６が頂板８に向かって移動すると、バランス
ウェイト２４の慣性力により、永久磁石２６は永久磁石
２との吸引力に抗して上方に向かって揺動する。その結
果、永久磁石２６，２８間のギャップが徐々に変化し
て、その最近接位置あるいはこの位置を過ぎた位置で最
大反発力が発生するとともに、反発力により基台６は下
方に移動する。基台６が頂板８に対し一往復する間に、
図１２の磁性バネは図３に示されるような負の減衰特性
を示す。なお、最大反発力が発生する位置は、入力に応
じてバランスウェイト２４を揺動レバー３０に対して移
動させることにより適宜調節することができることは図
１１のモデルと同様である。

【００２５】図１３は、回転レバーを使用して対向する
二つの永久磁石２，４の幾何学的寸法を変化させるよう
にしたものである。図１３において、永久磁石２は基台
６に固定され、この永久磁石２に対向する永久磁石４
は、基台６上に立設されたフレーム３２に摺動自在に取
り付けられた取付台３４に固定されている。取付台３４
にはリンク３６の一端が枢着され、その他端は、下部ス
ライダ１４の片側に固定された第１支持台３８に枢着さ
れている。

【００２６】また、下部スライダ１４の反対側には第２
支持台４０が固定され、第２支持台４０に一端が枢着さ
れたレバー４２の他端にはピン４４が取り付けられてい
る。このピン４４は、リンク３６の中間部に穿設された
長孔３６ａに遊挿されるとともに、頂板８に枢着された
アーム４６の下端に取り付けられている。

【００２７】上記構成において、基台６にある入力が加
えられ基台６が頂板８に向かって移動すると、レバー４
２が図中矢印方向に回転し、二つの永久磁石２，４は互
いに接近する。永久磁石２，４は同一磁極を対向させて
いるので、レバー４２の回転とともに反発力が徐々に増
大し、永久磁石２，４が最近接位置を通過すると、その
反発力により永久磁石２，４は互いに離反する。基台６
が頂板８に対し一往復する間に、図１３の磁性バネはレ
バー比が変わることで図３に示されるような負の減衰特
性を示す。

【００２８】図１４は、永久磁石の極変換を利用して幾
何学的寸法を変化させるようにした磁性バネを示してい
る。図１４において、基台６に回動自在に取り付けられ
た永久磁石２には小径プーリ４８が一体的に固定されて
おり、このプーリ４８は、基台６に回動自在に固定され
た大径プーリ５０にベルト５２で連結されている。プー
リ５０の中心にはリンク５４の一端が固定されるととも
に、リンク５４の他端にはバランスウェイト２４が取り
付けられたレバー５６が固定されている。なお、バラン
スウェイト２４の下端位置は、頂板８にブラケット５８
を介して取り付けられたバネ部材６０により規制されて
いる。

【００２９】上記構成において、基台６にある入力が加
えられ基台６が頂板８に向かって移動すると、バランス
ウェイト２４の慣性力により、大径プーリ５０が図中矢
印方向に回転し、ベルト５２を介して永久磁石２が同一
方向に回転する。その結果、永久磁石２のＳ極が、頂板
８に固定された永久磁石４のＮ極に引き寄せられるが、
バランスウェイト２４が多少の位相遅れの後追随する
と、永久磁石２が矢印の逆方向に回転することとなり、
永久磁石２のＮ極が対向する。同一磁極が対向すること
により反発力が発生し、基台６が頂板８から離反するよ
うに下降するが、基台６が一往復する間に、図１４の磁
性バネは図３に示されるような負の減衰特性を示す。

【００３０】図１５は、永久磁石の磁束密度を変化させ
ることにより幾何学的寸法を変化させるようにした磁性
バネを示している。図１５において、基台６に固定され
た第１支持プレート６２と、この第１支持プレート６２
と所定距離離間して平行に延在する第２支持プレート６
４に、複数の遮蔽板６６の両端がそれぞれ枢着されてい
る。第２支持プレート６４の一端は、アーム６８を介し
てＬ字状レバー７０の中間部に枢着されるとともに、Ｌ
字状レバー７０の一端は、基台６に固定された支持台７
２に枢着され、その他端側にはバランスウェイト２４が
取り付けられている。

【００３１】上記構成において、基台６にある入力が加
えられ基台６が頂板８に向かって移動すると、バランス
ウェイト２４の慣性力により、第２支持プレート６４が
図中矢印方向に移動し、永久磁石２の上方が遮蔽板６６
によりある程度遮蔽される。その結果、基台６に取り付
けられた永久磁石２の磁束密度が低下し、頂板８に取り
付けられた永久磁石４との反発力が減少する。

【００３２】バランスウェイト２４が多少の位相遅れの
後追随すると、第２支持プレート６４は矢印の逆方向に
移動するので、永久磁石２の上方が開放されて永久磁石
２，４の反発力が増大し、基台６が頂板８から離反する
ように下降するが、基台６が一往復する間に、図１５の
磁性バネは図３に示されるような負の減衰特性を示す。

【００３３】次に、上記磁性バネの動特性を図１６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１６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１６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。

【００３４】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】

【００３５】ここで、ｋ／ｘ_０ ^２＝ｋ′とおくと、

【数３】

【００３６】調和振動をＦ（ｔ）＝Ｆｅ^iωtとおき、ｙ
＝ｘｅ^iωt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ω_０は、

【数６】

【００３７】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】

【００３８】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】

【００３９】ここで、ｘ＝ｘ₀ｃｏｓωｔとおくと、

【数１０】

【００４０】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。

【００４１】そこで、図１７の装置を使用して、磁石単
体の動特性を調べたところ図１８及び図１９に示される
ような結果が得られた。

【００４２】図１７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。

【００４３】また、図１８及び図１９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１８において、（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）はそれぞれ、５０×５
０×１０ｍｍ，５０×５０×１５ｍｍ，５０×５０×２
０ｍｍ，７５×７５×１５ｍｍ，７５×７５×２０ｍ
ｍ，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１９においては、５
０×５０×２０ｍｍ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。

【００４４】図１８及び図１９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。

【００４５】また、図２０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。

【００４６】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２１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】

【００４７】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】

【００４８】ここで、（ｎ−ｋ’）／ｘ_０ ^２＝ｋ₁′と
おくと、

【数１５】

【００４９】調和振動をＦ（ｔ）＝Ｆｅ^iωtとおき、ｙ
₁＝ｘｅ^iωt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ω_０は、

【数１８】

【００５０】同様に、π／ω≦ｔ＜２π／ωの時、

【数１９】 従って、ｙ_１＜ｙ_２で、発散することとなる。

【００５１】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。

【００５２】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、ｙ_１＜ｙ_２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】

【００５３】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】

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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２２に示されるような結果が得られた。

【００６０】図２２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。

【００６１】さらに、図２３のマグレブ（magnetic lev
itation：磁気浮上）ユニットの動特性を調べたとこ
ろ、図２４のような結果が得られた。

【００６２】図２３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８０，８
２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８０，８
２，８４としては、７５×７５×２５ｍｍのものを使用
した。

【００６３】このマグレブユニットに５３ｋｇ，７５ｋ
ｇ，８０ｋｇの異なる負荷を加えたが、図２４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。

【００６４】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
２５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。

【００６５】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。

【００６６】図２５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。

【００６７】また、図２６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。

【００６８】また、図２７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。

【００６９】図２７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。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】図２８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。

【００７６】また、図２９は、図２８のモデルの具体的
構成を示しており、図２３のマグレブユニットの基台７
４後部に弾性支持部材８６で支承されたストッパ８８が
ブラケット９０を介して取り付けられている。

【００７７】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８８に加わると、弾性支持部材８６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。

【００７８】このマグレブユニットにおいて、４５ｋｇ
の負荷に対し、シート７８後部の突設部９２とストッパ
８８間の離間距離を８ｍｍと１５ｍｍに設定し、動特性
を調べたところ、図３０のような結果が得られた。

【００７９】図３０のグラフによれば、離間距離１５ｍ
ｍではストッパ８８が突設部９２に当接せず、３.４〜
３.５Ｈｚに２次共振が現れる（図３０のＡ）のに対
し、離間距離８ｍｍではストッパ８８が突設部９２に当
接し、２次共振点の振動伝達率が減少する（図３０の
Ｂ）とともに、乗り心地指数Ｒが１.４から１.６に上昇
し、除振性能が向上している。

【００８０】

【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。対
向する少なくとも二つの永久磁石間の幾何学的寸法を入
力側と出力側で変化させるとともに、持続あるいは発散
振動にエネルギを変換する構造内に弾性部材に支承され
たストッパを設けたので、所定値以下の加速度または振
幅がストッパに加わると、摩擦減衰が抑制され、その対
向衝撃を利用して磁性バネの反発力不足の補償、防振、
エネルギ変換等が行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる磁性バネにおいて、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】 永久磁石の対向面積を変化させることによ
り幾何学的寸法を変化させるようにした第一の磁性バネ
モデルの正面図である。

【図１２】 永久磁石間の離間距離を変化させることに
より幾何学的寸法を変化させるようにした第二の磁性バ
ネモデルの正面図である。

【図１３】 レバー比変換との組合せで幾何学的寸法を
変化させるようにした第三の磁性バネモデルの正面図で
ある。

【図１４】 極変換により幾何学的寸法を変化させるよ
うにした第四の磁性バネモデルの正面図である。

【図１５】 磁気回路変換により幾何学的寸法を変化さ
せるようにした第五の磁性バネモデルの正面図である。

【図１６】 磁性バネの特性を説明するための基本モデ
ルである。

【図１７】 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１８】 図１７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５０×５０×１５ｍ
ｍの磁石を使用した場合の、（ｃ）は５０×５０×２０
ｍｍの磁石を使用した場合の、（ｄ）は７５×７５×１
５ｍｍ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１９】 図１７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２０】 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２１】 本発明の磁性バネ構造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２２】 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２３】 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２４】 図２３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２５】 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２６】 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
用して測定された動特性を示すグラフである。

【図２８】 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。

【図２９】 図２８のモデルの具体的構成を示すマグレ
ブユニットの正面図である。

【図３０】 図２９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。

【符号の説明】

２，４，８０，８２，８４ 永久磁石 ７４ 基台 ７６ 揺動レバー ７８ シート ８６ 弾性支持部材 ８８ ストッパ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに離間する少なくとも二つの永久磁
   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
   り変化させることにより０又は負の減衰特性を示す磁性
   バネと、弾性部材に支承されたストッパとを、持続ある
   いは発散振動にエネルギを変換する構造内に設け、所定
   値以下の加速度または振幅が上記ストッパに加わると、
   上記弾性部材の弾性変形により摩擦減衰を抑制し、その
   対向衝撃を利用して上記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たことを特徴とする係
   数励振振動機構。