JP7194434B2 - 磁気浮上装置及びそれを用いた測定装置 - Google Patents
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Description
本発明の他の目的は、簡単な構造でありながら対象物を磁気浮上させ、かつ、水平面内でも力学的平衡を実現することができる磁気浮上装置及びそれを用いた測定装置を提供することを目的とする。
一対の第1永久磁石を有し、
前記一対の第1永久磁石の各々は、側面と、頂面と、垂直断面で前記側面と前記頂面とを結ぶ角部を面取りする稜線と、を有し、
前記一対の第1永久磁石は、鉛直方向で互いに逆向きに着磁され、かつ、前記側面同士を対面または接触させて並設されて、前記垂直断面で前記一対の第1永久磁石の各々の前記稜線よりも上方の空間に、雰囲気中の媒体に対して相対的に反磁性である対象物を磁気浮上させる磁気浮上装置に関する。
前記鉛直方向をZ方向とし、水平面内で直交する方向をX方向及びY方向とし、前記一対の第1永久磁石は、X-Z断面に前記稜線を有し、
前記一対の第1永久磁石の各々は、Y-Z断面で、前記頂面を下向き凸の円弧状に形成することができる。こうすると、頂面に形成された円弧状部分により形成される磁場によって、水平面内でも対象物が釣り合って安定する力学的平衡を実現することができる。
前記鉛直方向をZ方向とし、水平面内で直交する方向をX方向及びY方向とし、前記一対の第1永久磁石は、X-Z断面に前記稜線を有し、
前記空間を挟んで前記X方向で対向して配置された一対の第2永久磁石をさらに有し、
前記一対の第2永久磁石の各々は、着磁方向を前記X方向で同じ向きとすることができる。こうすると、一対の第2永久磁石により形成される磁場が加わることによって、水平面内でも対象物が釣り合って安定する力学的平衡を実現することができる。
上述の(6)に記載の磁気浮上装置と、
前記磁気浮上装置により浮上された前記対象物を振動させる外力を付与する外力付与部と、
前記対象物の振動を検出して、前記対象物の振動と相関のある前記対象物の属性を測定する測定部と、
を有する測定装置に関する。
上述の(6)に記載の磁気浮上装置と、
前記対象物を浮上させている前記磁気浮上装置を移動可能に支持する支持部と、
外力により移動する前記磁気浮上装置に追従する前記対象物の動きを検出して、前記外力を測定する測定部と、
を有する測定装置に関する。
上述の(6)に記載の磁気浮上装置と、
前記対象物を浮上させている前記磁気浮上装置を移動させる外力を付与する外力付与部と、
前記外力により移動する前記磁気浮上装置に追従する前記対象物の振動を検出して、前記対象物の振動と相関のある、前記対象物の周囲の雰囲気中の前記媒体の属性を測定する測定部と、
を有する測定装置に関する。
(1-1)磁気浮上装置
図1は、本発明の第1実施形態に係る磁気浮上装置を示す。図1において、磁気浮上装置10は、一対の第1永久磁石20A,20Bを有する。一対の第1永久磁石20A,20Bの各々は、例えば市販されている直方体形状であり、頂面21と、側面22と、を有する。図1のA部拡大図に示すように、一対の第1永久磁石20A,20Bの各々は、垂直断面(図1のX-Z断面)で、側面22と頂面21とを結ぶ鎖線で示す角部23を面取りする稜線24と、を有する。稜線24は、図1のA部拡大図に示すように、フィレット半径rで規定することができるが、複数の曲率半径や直線を用いて規定しても良い。
対象物Tに作用する重力はZ軸に平行で、その向きは鉛直下向き(負の符号を持つことになる)であり、単位体積当たりの力-ρg(N/m3)と表すことができる。ここで、ρは物体の密度(kg/m3)で、gは重力加速度(m/s2)である。また、物体に作用する磁気力のZ軸成分は、式(1)の右辺で表される。ここで、χは対象物Tの体積磁化率(無次元)、μ0は真空の透磁率(H/m)、B(T)は磁束密度の「大きさ」である(ベクトルではないので、向きは持たない)。磁束密度Bは場所の関数となっていて、∇(ナブラ)が微分を表す演算子としたとき、(χ/μ0)(B∇B)zは式(1)の右辺と同じことである。式(1)の右辺中の(∂B/∂Z)は、磁束密度Bの鉛直方向Zでの勾配を示す。よって、磁気浮上のための条件は次の式(1)のようになる。
図3に、図1の構造を有する磁気浮上装置10で発生するX-Z平面での、図1のA部の磁場強度分布を示す。磁場強度分布が測定された磁気浮上装置10では、一対の第1永久磁石20A,20Bの稜線24は、0.6mmのフィレット半径で面取りされているものを用いた。一対の第1永久磁石20A,20Bは、反平行に引力を及ぼしあっている。Z=0の辺りでは、磁力線が右の磁石20Bから左の磁石20Aに向かって通っていて、稜線24,24間を含む空間Kで非常に磁場が強い領域が形成される。Z軸上の磁場分布は、図4に示す通りであり、Z=0の辺りで磁場の勾配が非常に急峻になっていて、1mmの変化で磁場強度は約1T減少していることから、磁場の勾配(∂B/∂Z)が1000T/mのオーダーになっていることが分かる。
(2-1)磁気浮上装置
図6は、本発明の第2実施形態に係る磁気浮上装置を示す。図6において、磁気浮上装置30は、一対の第1永久磁石20A,20Bに加えて、一対の第2永久磁石40A,40Bを有する。図6においても、鉛直方向をZ方向とし、水平面内で直交する方向をX方向及びY方向とし、一対の第1永久磁石20A,20Bは、図1と同様にX-Z断面に稜線24,24を有する。
図7(A)は、X-Z平面の断面図での、図6のA部の磁場強度分布を示す。図7(A)でも、図3と同様に、稜線24,24間を含む空間Kで非常に磁場が強い領域が形成されるので、対象物Tが磁気浮上する。また、一対の第2永久磁石40A,40Bの作る磁力線は、一対の第1永久磁石20A,20Bが作る磁力線とは逆向きであり、磁力線同士が打ち消しあって、非常に磁場が強い領域のすぐ上の領域に磁場が弱い部分が形成される。図7(B)は、X-Z平面の断面図での磁場強度分布を示す。ここで、Y=0の位置は、一対の第2磁石40A,40BのY方向の幅の中心位置である。Y=0の位置付近に磁場が弱い部分が形成される。反磁性体は、磁場が強いところから弱いところへ向かって力を受ける(磁石から反発力を受ける)性質があるので、対象物Tは磁場が弱いところに落ち着き、X-Y面内でも力学的平衡となる。それにより、完全な磁気浮上が実現される。
B×(∂B/∂Z)の分布は、一対の第1永久磁石20A,20Bの稜線24を規定する図1に示すフィレット半径rに依存する。図9に示すように、フィレット半径が0.6mm以下だと、B×(∂B/∂Z)の絶対値が1500T2/mよりも大きくなり、水の磁気浮上が可能である。しかし、フィレット半径が0.8mmでは、B×(∂B/∂Z)の絶対値が1100T2/mであるので、水の磁気浮上は不可能である。したがって、フィレット半径が小さいほど強い磁気力を得られるが、フィレット半径が小さいと対象物Tが浮く領域が狭くなるので、目的に合わせて磁石を選択すればよい。
(3-1)磁気浮上装置
図10(A)~図10(C)は、本発明の第3実施形態に係る磁気浮上装置を示す。図10(A)~図10(C)において、磁気浮上装置50は、一対の第1永久磁石60A,60Bを有する。よって、磁気浮上装置50は、第2実施形態で必要としていた一対の第2永久磁石40A,40Bを有していない。一対の第1永久磁石60A,60Bは、第1実施形態の一対の第1永久磁石20A,20Bと共通の構造を有する。第1実施形態の側面22、頂面21、稜線24及び境界面25と共通する構造として、一対の第1永久磁石60A,60Bの各々は側面61、頂面62、稜線64及び境界面65を有する(図11(A)も参照)。
図11(A)は磁気浮上装置50のX-Z平面の断面図での磁場強度分布を示し、図12は図11(A)のZ方向での磁場強度分布を示す。第1、第2実施形態と同様に、一対の第1永久磁石60A,60Bが作る磁場は、X-Z断面で稜線64、64の上方に位置する空間で磁場強度が非常に強くなっており、その周辺では急激減衰していることがわかる。図11(B)は、X-Z平面の断面図での磁場強度分布を示す。ここで、Y=0の位置は、一対の第1磁石60A,60BのY方向の幅の中心位置である。図11(B)でも、図7(B)と同様に、Y=0の位置付近に磁場が弱い部分が形成される。対象物Tは磁場が弱いところに落ち着くので、X-Y面内でも力学的平衡となる。それにより、完全な磁気浮上が実現される。
(4-1)測定装置
図14は、本発明の第4実施形態として、第2実施形態または第3実施形態に示す磁気浮上装置30(50)を用いた測定装置を示す。測定装置100は、対象物Tを浮上させる磁気浮上装置30(50)と、磁気浮上装置30(50)により浮上された対象物Tを振動させる外力を付与する外力付与部110と、対象物Tの振動を検出して、対象物Tの振動と相関のある対象物Tの属性を測定する測定部120と、を有する。以下では、測定される対象物Tの属性として、対象物Tである液滴の表面張力、対象物Tである溶液の濃度変化に伴う表面張力、または対象物Tである液体の粘性について説明する。
対象物Tである液滴が磁気浮上装置30(50)により宙に浮いているときに、外力付与部110が対象物Tに例えば音波を付与すれば、対象物Tは真球と楕円球との間で変形しながら振動する。この時、対象物Tの重心は三次元で力学的平衡状態にある中で、対象物Tは表面張力を復元力として振動する。そのときの振動数fは、次の式(4)のように表される。
本実施形態では、対象物Tは、純粋な液体だけではなく、例えば界面活性剤を含む水溶液等であっても良い。磁気浮上装置30(50)は、非常に小さな水滴を浮かすことができる。浮上された水溶液中の溶媒の成分が蒸発するにつれて、溶液の濃度が上昇する。本実施形態では、それを利用して、一滴の水滴から、界面活性剤の濃度変化に伴う表面張力測定を行うことができる。本実施形態により測定されるサンプルの量は、わずか1μLにも満たない量で測定可能である。
対象物Tである液滴が磁気浮上装置30(50)により宙に浮いているときに、外力付与部110が対象物Tに外力、好ましくは物理的に非接触な方式での外力例えば音波を付与すれば、対象物Tは図16の通りに振動する。図16中の振動の減衰は、対象物Tである液体の粘性によるもので、時刻t=0のときの振幅をAとし、減衰時間をτとすると、減衰する振幅yは次の式(5)で表される。式(5)中のωは、ω=2πfである。
(5-1)測定装置
図17は、本発明の第5実施形態として、第2実施形態または第3実施形態に示す磁気浮上装置30(50)を用いた測定装置を示す。測定装置200は、磁気浮上装置30(50)と、対象物Tを浮上させている磁気浮上装置30(50)を移動可能に支持する支持部210と、外力により移動する磁気浮上装置30(50)に追従する対象物Tの動きを検出して、外力を測定する測定部220と、を有する。
磁気浮上装置30(50)は、対象物Tを浮上させ、かつ、水平面内でも力学的平衡を実現するので、磁気浮上装置30(50)に対して浮上する対象物Tの相対位置は一義的に定まる。このことは磁気浮上装置30(50)が移動しても変わらない。よって、図17に示す基台211が地震等の外力によって変位した時、磁気浮上装置30(50)により浮上した対象物Tも磁気浮上装置30(50)の変位に追従して変位する。従って、対象物Tの移動を追跡して、その移動軌跡が記録されれば、基台211に作用する外力の加速度の大きさ、三軸加速度から地震の大きさを測定することができる。
(6-1)測定装置
図19は、本発明の第6実施形態として、第2実施形態または第3実施形態に示す磁気浮上装置30(50)を用いた測定装置を示す。測定装置300は、対象物Tを浮上させる磁気浮上装置30(50)と、磁気浮上装置30(50)に外力を付与して磁気浮上装置30(50)を移動させる外力付与部310と、磁気浮上装置30(50)の移動に伴う対象物Tの振動を検出して、対象物Tの振動と相関のある、対象物Tの周囲の雰囲気中の媒体の属性を測定する測定部320と、を有する。外力付与部310は、打撃等の接触外力により磁気浮上装置30(50)を振動させるもので良い。
本実施形態では、第4実施形態のように対象物Tが外力によって変位する方式、または第5実施形態と同様に磁気浮上装置30(50)が外力付与部310からの外力によって変位する方式のどちらでもよい。例えば、対象物Tを浮上させた状態で、磁気浮上装置30(50)が動いた場合、その動きに追随して、浮上した対象物Tが動く。この時、対象物Tは三次元で力学的平衡状態にある中で、復元力により振動する。
Claims (8)
- 一対の第1永久磁石を有し、
前記一対の第1永久磁石の各々は、側面と、頂面と、垂直断面で前記側面と前記頂面とを結ぶ角部を面取りする稜線と、を有し、
鉛直方向をZ方向とし、水平面内で直交する方向をX方向及びY方向とし、前記一対の第1永久磁石は、X-Z断面に前記稜線を有し、
前記一対の第1永久磁石の各々は、Y-Z断面で、前記頂面が下向き凸の円弧状に形成され、
前記一対の第1永久磁石は、Z方向で互いに逆向きに着磁され、かつ、前記側面同士を対面または接触させて並設されて、前記垂直断面で前記一対の第1永久磁石の各々の前記稜線よりも上方に位置する空間に、雰囲気中の媒体に対して反磁性である対象物を磁気浮上させる磁気浮上装置。 - 一対の第1永久磁石と、
一対の第2永久磁石と、
を有し、
前記一対の第1永久磁石の各々は、側面と、頂面と、垂直断面で前記側面と前記頂面とを結ぶ角部を面取りする稜線と、を有し、
鉛直方向をZ方向とし、水平面内で直交する方向をX方向及びY方向とし、前記一対の第1永久磁石は、X-Z断面に前記稜線を有し、
前記一対の第2永久磁石は、空間を挟んで前記X方向で対向して配置され、
前記一対の第1永久磁石は、前記空間の下方に配置され、
前記一対の第2永久磁石の各々は、着磁方向が前記X方向で同じ向きであり、
前記一対の第1永久磁石は、Z方向で互いに逆向きに着磁され、かつ、前記側面同士を対面または接触させて並設されて、前記空間に雰囲気中の媒体に対して反磁性である対象物を磁気浮上させる磁気浮上装置。 - 請求項1または2において、
前記一対の第1永久磁石の各々の前記稜線は、前記側面と前記頂面とを結ぶ前記角部を所定の半径に従って面取りする磁気浮上装置。 - 請求項3において、
磁束密度B(T)と、前記磁束密度Bの前記鉛直方向の勾配である∂B/∂Z(T/m)との積であるB×(∂B/∂Z)が、前記半径に依存して変化し、前記対象物の種別に応じて前記半径が設定されている磁気浮上装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一項において、
前記対象物は、最大サイズが0.01mm~1mmである磁気浮上装置。 - 請求項5に記載の磁気浮上装置と、
前記磁気浮上装置により浮上された前記対象物を振動させる外力を付与する外力付与部と、
前記対象物の振動を検出して、前記対象物の振動と相関のある前記対象物の属性を測定する測定部と、
を有する測定装置。 - 請求項5に記載の磁気浮上装置と、
前記対象物を浮上させている前記磁気浮上装置を移動可能に支持する支持部と、
外力により移動する前記磁気浮上装置に追従する前記対象物の動きを検出して、前記外力を測定する測定部と、
を有する測定装置。 - 請求項5に記載の磁気浮上装置と、
前記対象物を浮上させている前記磁気浮上装置を移動させる外力を付与する外力付与部と、
前記外力により移動する前記磁気浮上装置に追従する前記対象物の振動を検出して、前記対象物の振動と相関のある、前記対象物の周囲の雰囲気中の前記媒体の属性を測定する測定部と、
を有する測定装置。
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