JP6178604B2 - 磁気バネ装置 - Google Patents

Description

この発明は、磁気の吸引力を磁気バネ力として用いる磁気バネ装置に関するものである。

部品の自動組付け、電極の押付け、ＩＣチップ等の小型精密部品用の吸着ノズル、形状測定器のプローブ、研磨ヘッド、工作機械などの様々な用途で、変位しても押付け力や引っ張り力が一定のバネが必要な場合が多く、また、必要に応じて簡単にバネ力を調整したいというニーズも多い。機械式バネではバネ長を長くして変位に対する力変化を小さくして対応しているが、サイズが大きくなってしまい、また、バネ長を大きく変化させないとバネ力が変化しなくなるため、バネ力の調整も難しくなる。

それに対して、特許文献１には、図２９にその要部の構成（図２９（ａ）は軸方向断面図、図２９（ｂ）は図２９（ａ）をＸ方向から見た図）を示すような磁気バネ３００が示されている。この磁気バネ３００は、軸受３０１，３０１によって軸方向に移動可能とされた可動軸３０２と、可動軸３０２に固定された可動の内筒３０３と、可動軸３０３と同軸上に配置された固定の外筒３０４とを有し、内筒３０３を永久磁石によって形成し、外筒３０４を磁性体によって形成している。なお、内筒３０３を磁性体、外筒３０４を永久磁石とする構成も別の例として示されている。

この磁気バネ３００では、軸方向に引き合う内筒３０３と外筒３０４との間の磁力によって、バネ力を発生させている。これにより、図３０に特許文献１の図９に示された可動軸のストロークとバネ力との関係を転記して示すように、変位に対してばね力がほゞ一定となる力一定領域（力の変化率が少ない領域）を持つことができる。

また、特許文献２には、図３１にその要部の構成を示すようなばね定数可変式磁気ばね装置４００が示されている。このばね定数可変式磁気バネ装置４００は、永久磁石４０１と強磁性体４０２とからなる可動子４０３と、コイル４０４と強磁性体４０５とからなる固定子４０６，４０６とを具備し、永久磁石４０１による磁気吸引力で磁気ばねのばね力を発生させ、可動子４０３から固定子４０６に流れる磁束の量を、コイル４０４に流す電流、または、可動子４０３と固定子４０６との間のギャップの大きさ、または、永久磁石４０１を保磁力が異なるものに交換することで調節することによって磁気ばねのばね力を調節できる磁気回路を含んでいる。

特開２００４−６８９０６号公報 特開２００４−３６０７４７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された磁気バネでは、バネ力を調節できないという問題がある。また、特許文献２に記載されたばね定数可変式磁気ばね装置では、ばね力の調節にコイル電流を使用する場合は、常時電力が必要になり発熱も生じてしまう。

なお、特許文献２に記載されたばね定数可変式磁気ばね装置において、可動子と固定子との間のギャップの大きさや永久磁石の交換による場合は、これらの問題は解決されるが、磁気ばねの性能に関して構造的に以下の問題がある。

すなわち、その装置の名称にも「ばね定数可変式」として含まれているように、また図３２に特許文献２の図３に示された特性を転記して示すように、変位に対してばね定数を持つ領域（ばね力が（比例）変化する領域）のみで、変位に対してばね力がほゞ一定となる力一定領域（力の変化率が少ない領域）が基本的に無いという問題がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、変位に対してばね力がほゞ一定となる力一定領域（力の変化率が少ない領域）を持ち、バネ力の大きさを変化させることができ、また、基本的に電力を必要としない磁気バネ装置を提供することにある。さらに好ましいものとしては、力一定領域（力の変化率が少ない領域）の範囲を広くした磁気バネ装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、磁気の吸引力を磁気バネ力として用いる磁気バネ装置において、距離を隔てて対向する対向面を持つ第１のヨーク部と第２のヨーク部とからなる対向ヨーク部と、第１のヨーク部と第２のヨーク部との間を磁気的に接続して第１のヨーク部と第２のヨーク部との間の磁路となる連結ヨーク部とを備えた固定子と、対向ヨーク部の対向面間に、第１のヨーク部と第２のヨーク部との対向方向に対してほゞ直交する方向を可動軸方向として設けられ、その可動軸を挟んで対向する位置に少なくとも一対の磁極を有する永久磁石からなる可動子と、可動子の一対の磁極の一方が第１のヨーク部に距離を隔てて対面し、可動子の一対の磁極の他方が第２のヨーク部に距離を隔てて対面し、第１のヨーク部と可動子との間の対面距離および第２のヨーク部と可動子との間の対面距離を調整可能とする距離調整手段とを備え、距離調整手段は、可動子の可動軸方向と直交する方向を調整方向として、第１のヨーク部と可動子との間の対面距離および第２のヨーク部と可動子との間の対面距離を調整することを特徴とする。

この発明では、連結ヨーク部が対向ヨーク部の第１のヨーク部と第２のヨーク部との間の磁路となり、対向ヨーク部の第１のヨーク部と第２のヨーク部との間が磁気的に接続される。これにより、例えば、可動子の一方の磁極をＮ極、可動子の他方の磁極をＳ極とすると、可動子の一方の磁極から出た磁束が対向ヨーク部の第１のヨーク部に入り、第１のヨーク部から連結ヨーク部を通り、連結ヨーク部から対向ヨーク部の第２のヨーク部に入り、可動子の他方の磁極に戻される。これにより、本発明では、可動子の可動軸方向への変位に対し、その可動軸方向に生じる力の絶対値が大きくなると共に、さらにこの可動軸方向に生じる力の一定領域（力一定領域）が拡大される。また、永久磁石を使用するので磁力の生成においては基本的に電力を必要としない。

また、本発明では、第１のヨーク部と可動子との間の対面距離および第２のヨーク部と可動子との間の対面距離が調整可能とされている。この第１のヨーク部と可動子との間の対面距離および第２のヨーク部と可動子との間の対面距離を調整可能とする距離調整手段は、それぞれの対面距離を独立して調整可能とする機構であってもよく、それぞれの対面距離を可動子の可動軸を中心にして対称に変化させる機構であってもよい。これにより、本発明では、第１のヨーク部と可動子との間の対面距離および第２のヨーク部と可動子との間の対面距離を調整すると、力一定領域をほゞ維持したまま、力の大きさを対面距離に応じて変化させることができる。

本発明によれば、対向ヨーク部の第１のヨーク部と第２のヨーク部との間を連結ヨーク部で磁気的に接続し、連結ヨーク部を第１のヨーク部と第２のヨーク部との間の磁路とするようにしたので、また、第１のヨーク部と可動子との間の対面距離および第２のヨーク部と可動子との間の対面距離を調整可能としたので、変位に対してバネ力がほゞ一定となる力一定領域（力の変化率が少ない領域）を持ち、バネ力の大きさを変化させることができ、また、基本的に電力を必要としない磁気バネ装置を提供することが可能となる。

本発明の基礎となる磁気バネ装置の要部の構成を示す図である。 この磁気バネ装置においてＺ軸方向の力Ｆｚ（磁気バネ力）が発生する様子を示す図である。 この磁気バネ装置における磁性体と永久磁石のＺ軸方向の位置ずれとＺ軸方向の力Ｆｚ（磁気バネ力）との関係を示す図である。 本発明に係る磁気バネ装置の要部の構成を示す図である。 この磁気バネ装置における磁性体と永久磁石のＺ軸方向の位置ずれとＺ軸方向の力Ｆｚ（磁気バネ力）との関係を示す図である。 この磁気バネ装置において一対の対向する磁性体の面と永久磁石のそれぞれの磁極面の間の距離ｄを変化させた場合の磁性体と永久磁石のＺ軸方向の位置ずれとＺ軸方向の力Ｆｚ（磁気バネ力）との関係を示す図である。 一対の対向する磁性体の面にわずかな傾斜をつけた例を示す図である。 一対の対向する磁性体の面に窪みまたは突起を設けた例を示す図である。 一対の対向する磁性体の面にわずかな傾斜をつけた場合に永久磁石が対向する磁性体の面の間からＺ軸方向に飛び出していない状態でもＺ軸方向の力Ｆｚが発生する様子を示す図である。 一対の対向する磁性体の面を平行とした場合とわずかな傾斜を付けた場合の磁性体と永久磁石のＺ軸方向の位置ずれとＺ軸方向の力Ｆｚ（磁気バネ力）との関係を比較して示す図である。 一対の対向する磁性体と永久磁石との間の対面距離ｄを調整可能とする機構（距離調整手段）の第１例を示す図である。 一対の対向する磁性体と永久磁石との間の対面距離ｄを調整可能とする機構（距離調整手段）の第２例を示す図である。 一対の対向する磁性体と永久磁石との間の対面距離ｄを調整可能とする機構（距離調整手段）の第３例を示す図である。 本発明に係る磁気バネ装置の一実施の形態の要部を示す斜視図である。 この磁気バネ装置においてシャフトに押し付ける方向へ外力が加わった場合および引っ張る方向へ外力が加わった場合の磁気バネ力の発生状態を示す図である。 第１のヨーク部と第２のヨーク部との対向面間にリニアガイド（ブッシュ）を設けるようにして例を示す図である。 可動子に始点ストッパを取り付け、シャフトに終点ストッパを取り付け、可動子の可動軸方向（Ｚ軸方向）の移動範囲を制限するようにした例を示す図である。 対向ヨーク部と連結ヨーク部とを一体化させた例を示す図である。 可動子を円筒状の永久磁石とした例および角柱状の永久磁石とした例を示す図である。 可動子を円柱状又は円筒状とした場合に一対のヨーク部の対向面を可動子の外周面に合わせて円弧状とした例を示す図である。 連結ヨーク部を一対のヨーク部の可動軸と直交方向の端面の片側だけではなく両側に設けるようにした例を示す図である。 一対のヨーク部の可動軸方向の端面の両側に連結ヨーク部を設けるようにした例を示す図である。 一対のヨーク部の可動軸と直交方向の端面片側の任意の範囲にのみ連結ヨーク部を設けるようにした例を示す図である。 一対のヨーク部と可動子との間の距離ｄを変化させる機構（距離調整機構）を例示する図である。 距離調整機構の別の例（リンク機構を用いた例）を示す図である。 距離調整機構の別の例（移動方向変換機構を用いた例）を示す図である。 距離調整機構の別の例（カム機構を用いた例）を示す図である。 距離調整機構の別の例（ラックアンドピニオン機構を用いた例）を示す図である。 特許文献１に示された磁気バネの要部の構成を示す図である。 特許文献１の図９に示された可動軸のストロークとバネ力との関係を転記して示す図である。 特許文献２に示されたばね定数可変式磁気ばね装置の要部の構成を示す図である。 特許文献２の図３に示された特性を転記して示す図である。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。先ず、本発明に係る磁気バネ装置の実施の形態の説明に入る前に、本発明の原理について説明する。

〔発明の原理〕
図１に本発明の基礎となる磁気バネ装置の要部の構成（図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図）を示す。この図に示されるように、ある軸（Ｚ軸と定義）方向に長さＬの一対の対向する面を持つ磁性体１−１，１−２の間（ほゞ中央）に、同じくＺ軸方向に長さＬを持ちＺ軸方向と直交方向に磁極面を持つ永久磁石２が配置され、磁性体１−１の面に永久磁石２の一方の磁極面が対向し、磁性体１−２の面に永久磁石２の他方の磁極面が対向しているとき、長さＬの磁性体１−１，１−２の面と長さＬの永久磁石２（磁極面）が、Ｚ軸方向に重なっているときは、Ｚ軸と直交方向に磁気吸引力Ｆｘが働くのみで、Ｚ軸方向には力が発生しない。

しかし、それらがＺ軸方向にずれると、永久磁石２が飛び出した側の磁性体１−１，１−２の面の端部付近では磁気吸引力ＦｘがＺ軸方向に傾き、その分解ベクトルとしてＺ軸方向の力Ｆｚが発生する（図２（ａ）参照）。そして、それらのＺ軸方向のずれが大きくなると、Ｚ軸方向に傾いた磁気吸引力Ｆｘの大きさは小さくなるが、そのＺ軸方向の分解ベクトルＦｚの割合は大きくなる（図２（ｂ）参照）。これにより、結果として、永久磁石２が磁性体１−１，１−２の面からＺ軸方向にずれ始めてから抜け出るまでの領域において、変位に対してＺ軸方向の力がほゞ一定になる力一定領域（力の変化率が少ない領域）が現れる（図３参照）。

図４に本発明に係る磁気バネ装置の要部の構成（図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は正面図）を示す。発明者は、この図に示されるように、一対の対向する磁性体１−１，１−２間を、永久磁石２からの直接の影響が無視できる程度に離れた位置で磁性体１−３で磁気的に連結し、一対の磁性体１−１，１−２間の磁束が流れるようにすると、Ｚ軸方向に生じる力Ｆｚの絶対値が大きくなるとともに、さらにその力Ｆｚの一定領域（力一定領域）を拡大することができることを見出した（図５参照）。また、その状態で一対の対向する磁性体１−１，１−２の面と永久磁石２のそれぞれの磁極面の間の距離（対面距離）ｄを変化させると、力一定領域をほゞ維持したまま、力Ｆｚの大きさを対面距離ｄに応じて変化させることができることを見出した（図６参照）。

これは、一対の対向する磁性体１−１，１−２のみの場合は、磁性体１−１，１−２に挟まれた空間における磁束の流れる経路が、永久磁石２のＺ軸方向の位置や、対向する磁性体１−１，１−２の面と永久磁石２の各磁極面の間の距離によって大きく変化するため、磁気吸引力Ｆｘの変化（つまり、磁気バネ特性の変化）も大きかったのに対し、磁束の流れを対向する磁性体１−１，１−２間を連結した磁性体１−３に集中させて安定させることにより、永久磁石２のＺ軸方向の位置や、対向する磁性体１−１，１−２の面と永久磁石２の各磁極面の間の距離に関わらず、磁気バネの特性が対向する磁性体１−１，１−２の面と永久磁石２の各磁極面間の位置状態にのみ影響されるようになるためである。

また、発明者は、一対の対向する磁性体１−１，１−２の面にわずかな傾斜をつけたり（図７に示す傾斜角θ参照）、窪みや突起などを付けて（図８に示す窪みまたは突起１ａ参照）、一対の対向する磁性体１−１，１−２の面と永久磁石２の磁極面との間の空間の磁気抵抗にＺ軸方向の適切な勾配（対向する磁性体１−１，１−２の面のＺ軸方向端部の一方で磁気抵抗が大きく、他方で小さくなるような勾配）をつけることにより、空間の磁気抵抗が大きい方の端部側方向への永久磁石２の変位に対して、力一定領域（力の変化率が少ない領域）をさらに広げることができることを見出した。

すなわち、一対の対向する磁性体１−１，１−２の面と永久磁石２の磁極面が平行な場合は、図１に示されるように、永久磁石２が一対の対向する磁性体１−１，１−２の面の間からＺ軸方向に飛び出していない状態では、Ｚ軸と直交方向に磁気吸引力Ｆｘが働くのみで、Ｚ軸方向には力Ｆｚが発生しない。しかし、一対の対向する磁性体１−１，１−２の面と永久磁石２の磁極面との間の空間の磁気抵抗にＺ軸方向の適切な勾配をつけることにより、例えば図９に示されるように、永久磁石２が一対の対向する磁性体１−１，１−２の面の間からＺ軸方向に飛び出していない状態でも磁気吸引力ＦｘがＺ軸方向に傾き、その分解ベクトルとしてＺ軸方向の力Ｆｚが発生するため、変位に対する力特性が平坦化される（図１０参照）。この場合、平坦化されることによって最高発生力は小さくなるが、一対の対向する磁性体１−１，１−２の面と永久磁石２の磁極面との間の距離を近づけることで発生力の低下をキャンセルすることができる。

なお、図４に示した例では、磁性体（第１のヨーク部）１−１と永久磁石（可動子）２との間の対面距離ｄと磁性体（第２のヨーク部）１−２と永久磁石（可動子）２との間の対面距離ｄとを等しい距離としており、この磁性体１−１，１−２と永久磁石（可動子）２との間の対面距離ｄよりも磁性体（連結ヨーク部）１−３と永久磁石（可動子）２との間の対面距離ｅを大きくしている。これにより、一対の対向する磁性体１−１，１−２間を、永久磁石２からの直接の影響が無視できる程度に離れた位置で、磁性体１−３によって磁気的に連結させている。

なお、図４には、磁性体１−１，１−２と永久磁石２との間の対面距離ｄを調整可能とする機構（距離調整手段）については示していないが、例えば図１１や図１２，図１３に示すような機構を採用することにより、磁性体１−１，１−２と永久磁石２との間の対面距離ｄを調整することが可能である。

例えば、図１１に示した例（第１例）では、中央部に永久磁石２の通過穴２１ａを有する非磁性材よりなる台座２１を設け、磁性体１−１，１−２の外面に非磁性材よりなるＬ字状の取付部材２２−１，２２−２を固定し、このＬ字状の取付部材２２−１，２２−２をボルト２３−１，２３−２により台座２１に固定することにより、磁性体１−１，１−２を永久磁石２の両側に対向させて配置している。Ｌ字状の取付部材２２−１，２２−２には、長穴２２−１ａ，２２−２ａが形成されており、この長穴２２−１ａ，２２−２ａを通して台座２１に螺合されたボルト２３−１，２３−２を緩めて、Ｌ字状の取付部材２２−１，２２−２の位置を調整することにより、磁性体１−１，１−２と永久磁石２との間の対面距離ｄを調整することができる。

図１２に示した例（第２例）では、中央部に永久磁石２の通過穴２１ａを有する非磁性材よりなる台座２１を設け、磁性体１−１，１−２の下端面に外側に折り曲げられた取付部１−１ａ，１−２ａを一体的に形成し、この取付部１−１ａ，１−２ａをボルト２３−１，２３−２により台座２１に固定することにより、磁性体１−１，１−２を永久磁石２の両側に対向させて配置している。取付部１−１ａ，１−２ａには、長穴１−１ｂ，１−２ｂが形成されており、この長穴１−１ｂ，１−２ｂを通して台座２１に螺合されたボルト２３−１，２３−２を緩めて、取付部１−１ａ，１−２ａの位置を調整することにより、磁性体１−１，１−２と永久磁石２との間の対面距離ｄを調整することができる。

図１３に示した例（第３例）では、磁性体１−３の横幅を広くし、磁性体１−１，１−２の磁性体１−３側の端面に外側に折り曲げられた取付部１−１ｃ，１−２ｃを一体的に形成し、この取付部１−１ｃ，１−２ｃをボルト２３−１，２３−２により磁性体１−３に固定することにより、磁性体１−１，１−２を永久磁石２の両側に対向させて配置している。取付部１−１ｃ，１−２ｃには、長穴１−１ｄ，１−２ｄが形成されており、この長穴１−１ｄ，１−２ｄを通して磁性体１−３に螺合されたボルト２３−１，２３−２を緩めて、取付部１−１ｃ，１−２ｃの位置を調整することにより、磁性体１−１，１−２と永久磁石２との間の対面距離ｄを調整することができる。

このように、磁性体１−１，１−２と永久磁石２との間の対面距離ｄを調整可能とする機構（距離調整手段）は、ヨーク自体で製作しても、別部材で製作してもよいが、磁束が流れるヨークの磁路部分に穴をあけたり、応力がかかるような構造は避けるのが好ましい。

また、図４では、磁性体１−１と１−２との対向面間を空間としているが、この磁性体１−１と１−２との対向面間は空間に限られるものではない。例えば、永久磁石２の移動スペース以外が非磁性体でうまっていてもよい。

〔実施の形態〕
図１４は本発明に係る磁気バネ装置の一実施の形態の要部を示す斜視図である。この磁気バネ装置１００は、図４に示した構成を基本とし、Ｚ軸方向に長さＬの一対の対向する面を持つ磁性体１−１，１−２と、磁性体１−１，１−２の間（ほゞ中央）に位置する永久磁石２と、磁性体１−１，１−２間を磁気的に連結する磁性体１−３とを備えている。永久磁石２は、磁性体１−１，１−２と同様にＺ軸方向に長さＬを持ち、Ｚ軸方向と直交方向に磁極面を持つ。

なお、この磁気バネ装置１００において、磁性体１−１は本発明でいう第１のヨーク部に相当し、磁性体１−２は第２のヨーク部に相当し、磁性体１−３は連結ヨーク部に相当し、永久磁石２は可動子に相当する。以下、磁性体１−１を第１のヨーク部、磁性体１−２を第２のヨーク部、磁性体１−３を連結ヨーク部、永久磁石２を可動子と呼ぶ。なお、第１のヨーク部１−１、第２のヨーク部１−２は、単にヨーク部と呼ぶ場合もある。

この磁気バネ装置１００において、第１のヨーク部１−１と第２のヨーク部１−２とは距離を隔てて対向し、対向ヨーク部１−４を構成している。また、連結ヨーク部１−３は、第１のヨーク部１−１と第２のヨーク部１−２との間を磁気的に接続して、第１のヨーク部１−１と第２のヨーク部１−２との間の磁路となる。この対向ヨーク部１−４と連結ヨーク部１−３とで固定子１が構成されている。

また、この磁気バネ装置１００において、可動子２は円柱状とされており、その両端にはシャフト３が接続されている。シャフト３は非磁性体とされている。以下では、この可動子２とシャフト３とからなる一体物を可動体と呼び、符号４で示す。可動体４は、Ｚ軸方向に移動可能に設けられている。すなわち、可動体４は、Ｚ軸方向を可動軸方向としている。

可動体４の可動軸方向（可動子２の可動軸方向）は、第１のヨーク部１−１と第２のヨーク部１−２との対向方向に対して直交する方向とされている。また、可動体４の可動軸方向（可動子２の可動軸方向）は、シャフト３の両端がリニアガイド（ブッシュ）５−１，５−２に挿入されることによって、規制されている。リニアガイド（ブッシュ）５−１，５−２は、ベースプレート６Ｂの両端に取り付けられたリニアガイドホルダ６Ａ１，６Ａ２内に、その位置が固定された状態で設けられている。

この磁気バネ装置１００において、第１のヨーク部１−１と可動子２との間の対面距離ｄと第２のヨーク部１−１と可動子２との間の対面距離ｄは等しい距離とされており、このヨーク部１−１，１−２と可動子２との間の対面距離ｄよりも連結ヨーク部１−３と可動子２との間の対面距離ｅが大きくされている。これにより、一対の対向するヨーク部１−１，１−２間が、連結ヨーク部１−３によって、可動子２からの直接の影響が無視できる程度に離れた位置で磁気的に連結されている。

図１４に示した状態は可動子２がその可動軸方向（Ｚ軸方向）への移動範囲の中央位置（原点位置）に位置している状態を示している。この可動子２の原点位置では、対向ヨーク部１−４の対向面間に可動子２が位置し、その一方の磁極面（この例では、Ｎ極）の全てが第１のヨーク部１−１の面に距離を隔てて対面し、その他方の磁極面（この例では、Ｓ極）の全てが第２のヨーク部１−２の面に距離を隔てて対面している。すなわち、長さＬのヨーク部１−１，１−２の面（磁性体の面）と長さＬの可動子２（永久磁石の磁極面）が、Ｚ軸方向に重なっている。この場合、図１を用いて説明したように、Ｚ軸と直交方向に磁気吸引力Ｆｘが働くのみで、Ｚ軸方向には力が発生しない。

なお、この状態において、一対の対向するヨーク部１−１，１−２間は、連結ヨーク部１−３で磁気的に連結され、一対のヨーク部１−１，１−２間の磁束が流れている。すなわち、可動子２のＮ極から出た磁束が対向ヨーク部１−４の第１のヨーク部１−１に入り、第１のヨーク部１−１から連結ヨーク部１−３を通り、連結ヨーク部１−３から対向ヨーク部１−４の第２のヨーク部１−２に入り、可動子２のＳ極に戻されている。

このような状態から、例えば図１５（ａ）に示すように、シャフト３に押付ける方向への外力が加わると、図２（ａ）を用いて説明したように、可動子２が飛び出した側のヨーク部１−１，１−２の面の端部付近では磁気吸引力ＦｘがＺ軸方向に傾き、その分解ベクトルとしてＺ軸方向の力Ｆｚが発生する。

そして、それらのＺ軸方向のずれが大きくなると、図２（ｂ）を用いて説明したように、Ｚ軸方向に傾いた磁気吸引力Ｆｘの大きさは小さくなるが、そのＺ軸方向の分解ベクトルＦｚの割合は大きくなる。

これにより、結果として、可動子２がヨーク部１−１，１−２の面からＺ軸方向にずれ始めてから抜け出るまでの領域において、変位に対してＺ軸方向の力がほゞ一定になる力一定領域（力の変化率が少ない領域）が現れる。

この場合、本実施の形態では、ヨーク部１−１，１−２間は、連結ヨーク部１−３で磁気的に連結され、この連結ヨーク部１−３を通して磁束が流れているので、前述した発明の原理でも説明したように、Ｚ軸方向に生じる力Ｆｚの絶対値が大きくなるとともに、さらにその力Ｆｚの一定領域（力一定領域）が拡大される（図５参照）。

また、後述するような距離調整機構を設けて、一対の対向するヨーク部１−１，１−２の面と可動子２のそれぞれの磁極面の間の距離ｄを変化させると、すなわちヨーク部１−１，１−２と可動子２との間の対面距離ｄを変化させると、力一定領域をほゞ維持したまま、力Ｆｚの大きさを対面距離ｄに応じて変化させることができる（図６参照）。

図１５（ｂ）に示すように、シャフト３に引っ張る方向への外力が加わった場合も、磁気バネ力の方向が逆となるのみで、上述同様にして、力一定領域が得られる。また、ヨーク部１−１，１−２と可動子２との間の対面距離ｄを変化させることにより、力一定領域をほゞ維持したまま、力Ｆｚの大きさを対面距離ｄに応じて変化させることができる。

なお、図１４に示した磁気バネ装置１００では、可動子２の可動軸方向をシャフト３の両端をリニアガイド（ブッシュ）５−１，５−２に挿入することにより規制するものとしているが、図１６に示すように、第１のヨーク部１−１と第２のヨーク部１−２との対向面間に、その位置を固定させた状態でリニアガイド（ブッシュ）７を設け、このリニアガイド（ブッシュ）７によって可動子２の可動軸方向を規制するようにしてもよい。

また、図１７に示すように、可動子２に始点ストッパ８−１を取り付け、シャフト３に終点ストッパ８−２を取り付け、可動子２の可動軸方向の移動範囲を制限するようにしてもよい。この例では、可動子２の下降方向への移動がシャフト３に取り付けられた終点ストッパ８−２のリニアガイド（ブッシュ）７への当接により規制され、可動子２の上昇方向への移動が可動子２に取り付けられた始点ストッパ８−１のリニアガイド（ブッシュ）７への当接により規制される。なお、この例では、始点ストッパ８−１と終点ストッパ８−２の両方を設けているが、その何れか一方のみを設けるものとしてもよい。

また、図１４に示した磁気バネ装置１００では、対向ヨーク部１−４と連結ヨーク部１−３とを別体としているが、対向ヨーク部１−４と連結ヨーク部１−３とを一体とさせてもよい。すなわち、図１４に示した磁気バネ装置１００では、連結ヨーク部１−３を対向ヨーク部１−４のヨーク部１−１，１−２に接触させ、連結ヨーク部１−３を対向ヨーク部１−４に磁気的に吸着させているが、対向ヨーク部１−４と連結ヨーク部１−３とを一体化させてもよい。

図１８に対向ヨーク部１−４と連結ヨーク部１−３とを一体化させた例を示す。この例では、図１８（ａ），（ｂ）に示すように、連結ヨーク部１−３を円弧状や角状の外力によって変形可能な形状にし、例えば、図１１や１２と同様な機構（距離調整手段）を付けることにより、ヨーク部１−１，１−２と可動子２との間の対面距離ｄを調整することができるようにしている。

また、図１４に示した磁気バネ装置１００では、可動子２を円柱状の永久磁石としたが、図１９（ａ）に示すように円筒状の永久磁石としてもよく、図１９（ｂ）に示すように角柱状の永久磁石とするなどしてもよい。また、可動子２を円柱状又は円筒状とした場合、図２０に示すように、ヨーク部１−１，１−２の対向面を可動子２の外周面に合わせて円弧状とするようにしてもよい。

また、図１４に示した磁気バネ装置１００では、対向ヨーク部１−４のヨーク部１−１，１−２の対向面を可動子２の可動軸方向と平行としたが、図７に示すように、ヨーク部１−１，１−２の対向面を可動子２の可動軸方向に対して傾斜させるようにしてもよい。この場合、ヨーク部１−１，１−２の傾斜方向を可動軸を挟んで対称とし、その傾斜角θも同一とする。また、図８に示すように、ヨーク部１−１，１−２の対向面に対称に、複数の窪みまたは突起１ａを設けるようにしてもよい。この場合、ヨーク部１−１，１−２の対向面において、複数の窪みまたは突起１ａの密度を可動軸方向に沿って徐々に変えるようにする。

このように傾斜角θを設けたり、複数の窪みまたは突起１ａを設けたりすることによって、一対の対向するヨーク部１−１，１−２の面と可動子２の磁極面との間の空間の磁気抵抗に可動軸（Ｚ軸）方向の適切な勾配（対向するヨーク部１−１，１−２の面のＺ軸方向端部の一方で磁気抵抗が大きく、他方で小さくなるような勾配）がつけられ、空間の磁気抵抗が大きい方の端部側方向への可動子２の変位に対して、力一定領域（力の変化率が少ない領域）をさらに広げることができるようになる。

なお、図７においては、ヨーク部１−１，１−２の面の対向間隔が広がった方が空間の磁気抵抗が大きい側となる。図８においては、複数の窪みまたは突起１ａが窪みの場合、ヨーク部１−１，１−２の面の窪みの密度が大きい方が空間の磁気抵抗が大きい側となり、複数の窪みまたは突起１ａが突起の場合、ヨーク部１−１，１−２の面の突起の密度が大きい方が空間の磁気抵抗が小さい側となる。

また、図１４に示した磁気バネ装置１００では、連結ヨーク部１−３をヨーク部１−１，１−２の可動軸と直交方向の端面の片側にしか設けなかったが、ヨーク部１−１，１−２の可動軸と直交方向の端面の両側に設けるようにしてもよい。すなわち、図２１に示すように、ヨーク部１−１，１−２の可動軸と直交方向の端面の一方に第１の連結ヨーク部１−３１を、ヨーク部１−１，１−２の可動軸と直交方向の端面の他方に第２の連結ヨーク部１−３２を設けるようにしてもよい。この場合、第１の連結ヨーク部１−３１と可動子２との間の対面距離ｅと同様に、第２の連結ヨーク部１−３２と可動子２との間の対面距離ｅも、ヨーク部１−１，１−２と可動子２との間の対面距離ｄよりも大きくする。

また、図１４に示した磁気バネ装置１００では、連結ヨーク部１−３をヨーク部１−１，１−２の可動軸と直交方向の端面（の片側）に設けるようにしたが、ヨーク部１−１，１−２の可動軸方向の端面（の両側）に設けるようにしてもよい。例えば、図２２に示すように、ヨーク部１−１，１−２の可動軸方向の端面の一方に第１の連結ヨーク部１−３３を、ヨーク部１−１，１−２の可動軸方向の端面の他方に第２の連結ヨーク部１−３４を設けるようにする。この場合、図１４に示した連結ヨーク部１−３と可動子２との間の対面距離ｅと同様に、連結ヨーク部１−３３，１−３４と可動子２との間の対面距離ｅも、ヨーク部１−１，１−２と可動子２との間の対面距離ｄよりも大きくする。

また、図１４に示した磁気バネ装置１００では、ヨーク部１−１，１−２の可動軸と直交方向の端面片側の全面に連結ヨーク部１−３を設けるようにしたが、ヨーク部１−１，１−２の可動軸と直交方向の端面片側の任意の範囲にのみ設けるようにしてもよい。例えば、図２３に示すように、ヨーク部１−１，１−２の可動軸と直交方向の端面片側の中央部分にのみ連結ヨーク部１−３を設けるようにする。このように、連結ヨーク部１−３のサイズ、形状は、必要な量の磁束を流せる範囲で任意に変更可能である。

図２４にヨーク部１−１，１−２と可動子２との間の対面距離ｄを変化させる機構（距離調整機構）を例示する。図２４（ａ）は平面図、１９（ｂ）は正面図、図２４（ｃ）は図２４（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。同図において、９は固定部軸受、１０はネジ部、１１はダイアル、１２はスライド機構である。

ネジ部１０はそのネジ山が順方向とされた第１のネジ部１０−１と、逆方向とされた第２のネジ部１０−２とからなり、第１のネジ部１０−１がヨーク部１−２を貫通してそのネジ孔部１−２ａに螺合され、第２のネジ部１０−２がヨーク部１−１を貫通してそのネジ孔部１−１ａに螺合され、第１のネジ部１０−１と第２のネジ部１０−２との間が固定部軸受９によって軸支され、かつ、第１のネジ部１０−１と第２のネジ部１０−２の位置が図示左右方向に移動しないように 移動止め１０−３が付いている。

スライド機構１２は、ヨーク部１−１側とヨーク部１−２側のそれぞれに設けられており、スライドレール１２−１とスライダ１２−２とからなる。ヨーク部１−１側において、スライダ１２−２はヨーク部１−１の外面に固定されており、スライドレール１２−１によって図示左右方向（可動子２の可動軸と直交方向）へ案内される。ヨーク部１−２側において、スライダ１２−２はヨーク部１−２の外面に固定されており、スライドレール１２−１によって図示左右方向（可動子２の可動軸と直交方向）へ案内される。

この距離調整機構２００（２００Ａ）において、ダイアル１１を回転させると、ネジ部１０（１０−１，１０−２）が回転する。このネジ部１０（１０−１，１０−２）の回転によって、ヨーク部１−１と可動子２との間の対面距離ｄおよびヨーク部１−２と可動子２との間の対面距離ｄが可動子２の可動軸を中心にして対称に変化する。

すなわち、ダイアル１１を反時計方向へ回転させると、ヨーク部１−１，１−２がスライダ１２−２，１２−２とともにスライドレール１２−１，１２−１に案内されながら、可動子２に近づく方向に移動し、可動子２との間の対面距離ｄが狭まる。ダイアル１１を時計方向へ回転させると、ヨーク部１−１，１−２がスライダ１２−２，１２−２とともにスライドレール１２−１，１２−１に案内されながら、可動子２から遠ざかる方向に移動し、可動子２との間の対面距離ｄが拡がる。

図２５〜図２８に距離調整機構の別の例を示す。図２５はリンク機構を用いた例、図２６は移動方向変換機構を用いた例、図２７はカム機構を用いた例、図２８はラックアンドピニオン機構を用いた例であり、何れの図においてもヨーク部１−１，１−２を可動子２の可動軸と直交方向へ案内するスライド機構は省略している。

図２５に示した距離調整機構２００（２００Ｂ）では、ダイアル１１を回転させることにより、ボルト（ネジ部）１３が回転し、リンク機構１４がその幅Ｗを変化させながら上下動し、このリンク機構１４の幅Ｗの変化によって、ヨーク部１−１と可動子２との間の対面距離ｄおよびヨーク部１−２と可動子２との間の対面距離ｄが可動子２の可動軸を中心にして対称に変化する。

図２６に示した距離調整機構２００（２００Ｃ）では、ダイアル１１を回転させることにより、ボルト（ネジ部）１３が回転し、台座１５−１とくさび状部材１５−２とによって構成される移動方向変換機構１５の幅Ｗが変化し、これによってヨーク部１−１と可動子２との間の対面距離ｄおよびヨーク部１−２と可動子２との間の対面距離ｄが可動子２の可動軸を中心にして対称に変化する。

図２７に示した距離調整機構２００（２００Ｄ）では、シャフト１６を回転させることにより、カム１７が回転して、その（可動軸と直交方向の）幅Ｗが変化し、これによってヨーク部１−１と可動子２との間の対面距離ｄおよびヨーク部１−２と可動子２との間の対面距離ｄが可動子２の可動軸を中心にして対称に変化する。

図２８に示した距離調整機構２００（２００Ｅ）では、シャフト１６を回転させることにより、ピニオン１８−１とラック１８−２，１８−３とで構成されるラックアンドピニオン機構１８の幅Ｗが変化し、これによってヨーク部１−１と可動子２との間の対面距離ｄおよびヨーク部１−２と可動子２との間の対面距離ｄが可動子２の可動軸を中心にして対称に変化する。

上述した本発明の実施の形態では、可動子２の磁極に対面する第１のヨーク部１−１および第２のヨーク部１−２の面が比較的広い場合の例を説明したが、可動子２の磁極との間に必要な磁気吸引力を発生することができる（あるいは、必要な磁束を流すことができる）程度の面積があればよく、この条件を満たすことができれば、狭くてもかまわない。例えば、可動子２を、ヨーク部１−１，１−２の可動軸と直交方向の、連結ヨーク部１−３と反対側の端面同士を結ぶ線の付近に配置したり、ヨーク部１−１，１−２の可動軸と直交方向の、連結ヨーク部１−３と反対側の端面を可動子２側に（直角に）折り曲げて、その端面を可動子２の磁極面と対面させてもよい。

上述した本発明の実施の形態において、永久磁石は例えば、ネオジムやサマリウムコバルトなどの希土類磁石またはフェライト磁石などが好ましく、磁性体は、飽和磁束密度や透磁率が大きく、保磁力が小さく、磁気ヒステリシスの小さい軟磁性材料（例えば、電磁鋼板、電磁軟鉄、パーマロイなど）が好ましい。また、非磁性体は、例えば、ＳＵＳ３１６、アルミニウム、真鍮、樹脂などや、その他、磁気回路への磁気的影響が無視できるレベルの材料からなる。

上述した本発明の実施の形態では、可動軸つまり可動子２の移動方向を垂直にした例で説明したが、可動軸の方向に制限はなく水平や斜めにして使用してもよい。なお、可動軸を水平以外の方向にして使用する場合は、可動子２とシャフト３からなる可動体４の質量にかかる重力の分だけ可動体４が下方に移動し、それに対して発生した磁気バネ力とつりあう点が、外力が無い時の原点位置となる（厳密にはリニアガイド（ブッシュ）７の摩擦力もこれに加わる）。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…固定子、１−１…磁性体（第１のヨーク部）、１−２…磁性体（第２のヨーク部）、１−１ａ，１−２ａ…取付部、１−１ｂ，１−２ｂ…長穴、１−１ｃ，１−２ｃ…取付部、１−１ｄ，１−２ｄ…長穴、１−３…磁性体（連結ヨーク部）、１−４…対向ヨーク部、２…永久磁石（可動子）、３…シャフト、４…可動体、５−１，５−２…リニアガイド（ブッシュ）、７…リニアガイド（ブッシュ）、８−１…始点ストッパ、８−２…終点ストッパ、２１…台座、２１ａ…通過穴、２２−１，２２−２…取付部材、２２−１ａ，２２−２ａ…長穴、２３−１，２３−２…ボルト、１００…磁気バネ装置、２００（２００Ａ〜２００Ｅ）…距離調整機構。

Claims (14)

1. 磁気の吸引力を磁気バネ力として用いる磁気バネ装置において、
   距離を隔てて対向する対向面を持つ第１のヨーク部と第２のヨーク部とからなる対向ヨーク部と、前記第１のヨーク部と第２のヨーク部との間を磁気的に接続して前記第１のヨーク部と第２のヨーク部との間の磁路となる連結ヨーク部とを備えた固定子と、
   前記対向ヨーク部の対向面間に、前記第１のヨーク部と第２のヨーク部との対向方向に対してほゞ直交する方向を可動軸方向として設けられ、その可動軸を挟んで対向する位置に少なくとも一対の磁極を有する永久磁石からなる可動子と、
   前記可動子の一対の磁極の一方が前記第１のヨーク部に距離を隔てて対面し、前記可動子の一対の磁極の他方が前記第２のヨーク部に距離を隔てて対面し、前記第１のヨーク部と前記可動子との間の対面距離および前記第２のヨーク部と前記可動子との間の対面距離を調整可能とする距離調整手段とを備え、
   前記距離調整手段は、
   前記可動子の可動軸方向と直交する方向を調整方向として、前記第１のヨーク部と前記可動子との間の対面距離および前記第２のヨーク部と前記可動子との間の対面距離を調整する
   ことを特徴とする磁気バネ装置。
2. 請求項１に記載された磁気バネ装置において、
   前記連結ヨーク部は、
   前記第１のヨーク部および第２のヨーク部に接触して磁気的に吸着されている
   ことを特徴とする磁気バネ装置。
3. 請求項１に記載された磁気バネ装置において、
   前記連結ヨーク部は、
   前記対向ヨーク部と一体とされ、かつ外力によって変形可能とされている
   ことを特徴とする磁気バネ装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載された磁気バネ装置において、
   前記連結ヨーク部は、
   前記可動子との間の対面距離が、前記第１のヨーク部と前記可動子との間の対面距離および前記第２のヨーク部と前記可動子との間の対面距離よりも大きくされている
   ことを特徴とする磁気バネ装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載された磁気バネ装置において、
   前記可動子は、
   円柱状、円筒状、または角柱状の永久磁石である
   ことを特徴とする磁気バネ装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載された磁気バネ装置において、
   前記可動子の可動軸方向の長さは、
   前記対向ヨーク部の可動軸方向の長さと同程度とされている
   ことを特徴とする磁気バネ装置。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載された磁気バネ装置において、
   前記第１のヨーク部および第２のヨーク部は、
   前記可動子が円柱状又は円筒状である場合、その対向面が前記可動子の外周面に合わせて円弧状とされている
   ことを特徴とする磁気バネ装置。
8. 請求項１〜６の何れか１項に記載された磁気バネ装置において、
   前記第１のヨーク部および第２のヨーク部は、
   その対向面が前記可動子の可動軸と平行とされている
   ことを特徴とする磁気バネ装置。
9. 請求項１〜６の何れか１項に記載された磁気バネ装置において、
   前記第１のヨーク部および第２のヨーク部は、
   その対向面が前記可動子の可動軸に対して傾斜し、その傾斜方向が可動軸を挟んで対称とされている
   ことを特徴とする磁気バネ装置。
10. 請求項１〜６の何れか１項に記載された磁気バネ装置において、
    前記第１のヨーク部および第２のヨーク部は、
    その対向面に、複数の窪み、または複数の突起を備えている
    ことを特徴とする磁気バネ装置。
11. 請求項１〜１０の何れか１項に記載された磁気バネ装置において、
    前記距離調整手段は、
    前記第１のヨーク部と前記可動子との間の対面距離および前記第２のヨーク部と前記可動子との間の対面距離を前記可動子の可動軸を中心にして対称に変化させる機構とされている
    ことを特徴とする磁気バネ装置。
12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載された磁気バネ装置において、
    前記固定子は、
    前記可動子の可動軸を中心に、前記第１のヨーク部および第２のヨーク部の対向面と直交方向に対称構造とされている
    ことを特徴とする磁気バネ装置。
13. 請求項１〜１２の何れか１項に記載された磁気バネ装置において、
    前記可動子の可動軸方向の移動範囲を制限する移動範囲制限手段を備え、
    前記移動範囲制限手段は、
    前記可動子に取り付けられたストッパおよび前記可動子に連結されているシャフトに取り付けられたストッパの何れか一方あるいは両方である
    ことを特徴とする磁気バネ装置。
14. 請求項１〜１３の何れか１項に記載された磁気バネ装置において、
    前記連結ヨーク部は、複数の磁性体からなる
    ことを特徴とする磁気バネ装置。