(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-14
(45)【発行日】2022-12-22
(54)【発明の名称】磁気浮上装置及びそれを用いた測定装置
(51)【国際特許分類】
H02N 15/00 20060101AFI20221215BHJP
【ＦＩ】
H02N15/00
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2019158501
(22)【出願日】2019-08-30
(65)【公開番号】P2021040361
(43)【公開日】2021-03-11
【審査請求日】2022-08-24
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】319010365
【氏名又は名称】池添 泰弘
(74)【代理人】
【識別番号】100090479
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 一
(74)【代理人】
【識別番号】100104710
【弁理士】
【氏名又は名称】竹腰 昇
(74)【代理人】
【識別番号】100124682
【弁理士】
【氏名又は名称】黒田 泰
(72)【発明者】
【氏名】池添 泰弘
(72)【発明者】
【氏名】菅谷 将之
【審査官】尾家 英樹
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１２－６５５５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－５１１３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１３－０１２５１１８（ＫＲ，Ａ）
【文献】特開２００６－３０４４７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－２３４９０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】SHO, Noriko，ON-CHIP FORMATION AND FUSION OF SPHEROIDS BY LABEL-FREE MAGNETIC CELL MANIPULATION，17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences，米国，2013年10月，pp.754-756
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｎ １５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【請求項2】
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3】
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4】
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5】
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6】
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7】
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8】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁気浮上装置及びそれを用いた加速度センサー、表面張力センサー等の測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
１９世紀前半に、アーンショーが、電場や磁場を利用して物体を静的に浮上させるには、反発力しか使えないことを証明した。ただし、電場を使って反発力を生み出すことは困難である。なぜなら、同じ符号の電荷同士が反発することは良く知られているものの、実際は、物体内に特定の符号（正または負）の電荷をずっと溜めておくことはほぼ不可能で、最終的には物体の持つ電荷はゼロとなり、電場中に置かれた物体には、その誘電率にしたがって正負の電荷に偏りが生じて、結果的に引力が作用することになるからである。
【0003】
物体に働く磁気的な力（磁気力）には、磁石に引きつけられる力（引力）と、磁石から遠ざかろうとする力（反発力）の２種類が存在する。鉄やニッケルのような強磁性体、あるいは、遷移金属の塩や酸素ガスなどの常磁性体に対して、磁石は引力を及ぼす。一方、水、プラスチック、陶器、木材、ガラス、その他多くの有機物質などに対して、磁石は反発力を及ぼす。これらは反磁性体と呼ばれる。すなわち、自然界で反発力を生み出すための唯一の系は、磁石（コイルや永久磁石）と反磁性体の組み合わせからなる系のみである。理論的には、反磁性体と磁石との間の反発力を利用すれば、地球上で物体の磁気浮上を実現できるはずである。
【0004】
しかし、反磁性体と磁石の反発力は非常に弱く、反磁性体の磁気浮上を実現するには超強力磁石が必要である。１９９１年に、E. Beaugnon等が、フランスの強磁場施設でＢ（磁束密度）＝２７Ｔ（テスラ）もの強磁場を発生させて、世界で初めて反磁性体の磁気浮上に成功した（非特許文献１）。ちなみに、学校の黒板などに使う磁石は強い磁石でも０．１Ｔ程度の磁束密度しか発生しない。磁気エネルギーは磁束密度の強度の２乗に比例するので、２７Ｔの磁石のエネルギーと０．１Ｔの磁石のエネルギーはおよそ７３０００（＝２７／（０．１）２）倍である。一般的には、『反磁性体』と呼ばれる物質が存在することすら知られていないが、これは『物体が磁石から反発するような様子を見る機会がないから』と言うこともできる。その理由が、上記のように、普通の磁石が発生する磁場が持つエネルギーと磁気浮上を実現できるほどの磁石が発生する磁場が持つエネルギーが何万倍も違っていて、反磁性体が磁石から反発力を受けている様子を目視で観測できるような状況は自然には存在しないからである。なお、１９９１年当時、この磁石は、世界最強クラスの超伝導磁石で、２０１９年現在でも、２７Ｔもの磁場を得るには、ごく限られた強磁場施設を使わなければならない。水は、反磁性体の中でも比較的強い反磁性を持っているので浮上させやすい物質の一つであるが、上のような条件下でのみ磁気浮上が実現される。
【0005】
Beaugnon等の報告の後も、いくつかの強磁場施設で磁気浮上実験がなされたが、いずれにしても、一般の企業・大学の研究者が日常的に使えるような磁石を用いた実験ではない。また、浮上させることが出来る物質も反磁性体と限られていたため、応用的な観点での研究はあまり進まなかった。しかし、１９９８年に本発明者等が提案した磁気アルキメデスの原理（特許文献１及び非特許文献２）は、周囲媒体を巧みに利用することで、磁気浮上が容易になることを示した。たとえば、水の磁気浮上が普通の超伝導磁石で実現できるようになり、世界で初めて目の前で水が浮く様子を直接観察できるようになった。また、常磁性の溶液を媒体として利用することで、永久磁石程度の弱い磁場でも簡単に磁気浮上をさせることが可能となり、磁気分離や生体材料への応用など様々な研究が世界中で行われるようになった。また、アーンショーの定理によると、磁石に引かれる物質の磁気浮上は不可能だと結論付けられていたが、浮上させたい対象物質よりも媒体の方がより強く磁石に引かれるような物質であれば、対象物質は、その系の中では相対的に反磁性体となるので、磁気浮上が可能であることも示した。すなわち、あらゆる物質の磁気浮上を可能にしたのが、磁気アルキメデスの原理である。その後の磁気浮上や磁気力に関係する研究の多くは、磁気アルキメデスの原理を何らかの形で活用しているものが多い。
【0006】
２００４年、Lyuksyutov等は、磁極が向き合う形で対向配置された微細な２つの永久磁石と電極とを使って、直径が２０～３０μｍほどの水を浮上させた実験を報告している（非特許文献３）。ただし、どれくらいの磁気力が発生していたのか、その詳細は書かれていない上に、本当に浮いているのかどうかもよく分からない。また、この構造から明らかだが、電極がなければ、磁石間の隙間に沿った方向に復元力は存在しない。電極形成のためには少なくともリソグラフィーなどの微細加工技術が必要である。また、磁極が対向し強く反発する状態で２つの永久磁石を固定する必要があるため、強磁性体基板に磁石を吸着させて固定しなければならない。
【0007】
２００８年、Pigot等は、リソグラフィー技術を用いて、５０μｍ程度の微細なＮｄ－Ｆｅ－Ｂ磁石のパターンを作り、そこで、ビスマスの小片を磁気浮上させる実験を報告している（非特許文献４）。２つの磁石の磁極の向きは共に鉛直方向上向きで、平行である。上述された非特許文献３と磁極の位置関係は違うが、磁石同士が反発する配置となっていることは同じである。この磁石は、薄膜として基板に付着している。この研究では、磁場分布の解析も行われている。しかし、非特許文献３と同様、微細構造を作製する必要があるため、普通の磁石で同様の実験を実現することは不可能である。この論文本文中にこの技術の応用として、傾斜計や加速度計のことが言及されているものの、実際に作られているわけではない。
【0008】
２０１５年には、Gunawan等が、接して配置された２つの円柱磁石の隙間で、カーボンのロッドを浮上させることが出来ることを報告した（非特許文献５）。このシステムは、物体の磁化率の測定に使えることを示している。非特許文献３－４に比べるとかなり簡単な構造だが、浮上させやすいカーボンの磁気浮上を実証しているだけで、他の物質の磁気浮上は実現されていない。また、磁石の磁極は水平方向に平行で、引力を及ぼす配置をとっている。
【0009】
２０１５年、Iida等は、磁気浮上のための磁気力を強くするために、Halbach配置と呼ばれる計９個の磁石の配置方法を利用して、磁石とヨークとの間の空洞部分でカーボンの磁気浮上を実現した（非特許文献６）。計９個の反発する磁石は、二次元的配置を実現するために、金属塊とヨークとで強固に固定されなければならない。
【0010】
２０１２年には、渡会等が磁気クロマトグラフィーに関する論文を発表している。ここでは、粒子の移動速度を磁気力で制御する方法について議論されており、実験で使用した磁石配置において発生した磁気力が、水の磁気浮上を実現させるに十分な磁気力を持つことを見出している（非特許文献７）。ただし、この報告では、実験データから「水の磁気浮上を実現させる程度の大きさになっている」ということを間接的に評価しているもので、シミュレーションや実測の結果ではなく、実際に浮かせた実験を示したものでもない。ここでの磁石の配置は、Ｎ極とＳ極が向き合う形になっているのでお互い引力を及ぼす配置になっていて、さらに磁極間に鉄の小片を挟むことで磁気力を増強させている。また、鉄の小片の間には隙間があり、その間隔は４００μｍとなっていて、これまでの論文と同様に、磁石と磁石の間の小さな隙間が磁気力増強に重要であることが想像できる。なお、この実験配置では、Ｚ軸（鉛直上向き方向）の磁気力が水に作用する重力と釣り合うような状況が得られるかもしれないが、この配置のままでは、水平方向に物体が動いて下に落ちると予想される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【文献】特開２００２－１２６４９５号公報
【非特許文献】
【0012】
【文献】Beaugnon, E. & Tournier, R. Nature 349 (1991) 470
【文献】Ikezoe Y., et al., Nature, 393 (1998) 749-750
【文献】Lyuksyutov, I. F. et al., Appl. Phys. Lett. 85(10) (2004) 1817-1819
【文献】Pigot C., et al., IEEE TRANS. MAG., 44(11) (2008) 4521-4524
【文献】Gunawan O., et al., Appl. Phys. Lett. 106 (2015) 062407
【文献】Iida K., et al., Bull. JSME., 2(3) (2015) 14-00559
【文献】Watarai H. and Namba M., J. Chromatogr., 961(1) (2002) 3-8
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
本発明の目的は、簡単な構造でありながら対象物を磁気浮上させることができる磁気浮上装置を提供することである。
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。
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。
【課題を解決するための手段】
【0014】
（１）本発明の一態様は、
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。
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。
【0015】
本発明の一態様によれば、鉛直方向で互いに逆向きに着磁され、かつ、側面同士を対面または接触させて並設された一対の第１永久磁石は、反平行に引力を及ぼし合い、垂直断面で一対の第１永久磁石の各々の稜線よりも上方に位置する空間に対象物を磁気浮上させる。ここで、雰囲気中の媒体に対して相対的に反磁性である対象物に対して、磁石は反発力を及ぼすので、磁石の磁気力により対象物を浮上させることが原理的に可能である。その磁気浮上に必要な磁気力は、磁束密度Ｂ（Ｔ）と磁束密度Ｂの鉛直方向の勾配である∂Ｂ／∂Ｚ（Ｔ／ｍ）との積であるＢ×（∂Ｂ／∂Ｚ）を含む。本発明の一態様で比較的小型の永久磁石を用いた場合、磁束密度Ｂは小さくなるが、磁束密度Ｂの鉛直方向の勾配（∂Ｂ／∂Ｚ）を大きく確保することで、強い磁気力が得られる。
【0016】
（２）本発明の一態様（１）では、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ことができる。ただし、面取りは、複数の異なる曲率半径を用いても良く、あるいは直線を用いても良い。
【0017】
（３）本発明の一態様（２）では、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を設定することができる。例えば、密度の大きい、あるいは反磁性の弱い対象物ほど、半径を小さくして磁気力を高めることができる。
【0018】
（４）本発明の一態様（１）～（３）では、
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。
【0019】
（５）本発明の一態様（１）～（３）では、
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。
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。
【0020】
（６）本発明の一態様（４）または（５）では、前記対象物は、最大サイズが０．０１ｍｍ～１ｍｍとすることができる。装置の小型化を維持する場合、一対の第１永久磁石の稜線に挟まれる空間は比較的狭く、最大サイズ例えば直径が０．０１ｍｍ～１ｍｍであれば、装置の小型化は維持される。しかも、このようなサイズの粒子を浮上させることで、物理的に束縛されていない平衡状態の粒子に浮上力以外の外力を非接触方式例えば音波等で付与させることもできる。それにより、粒子またはその周囲の媒体の各種測定を実施することが可能となる。
【0021】
（７）本発明の他の態様は、
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。
【0022】
本発明の他の態様（７）によれば、物理的に束縛されていない状態の対象物に浮上力以外の外力を付与すると、対象物が変形する。この時、対象物は三次元で力学的平衡状態にある中で、復元力により形状が振動する。そして、対象物の振動と相関のある対象物の属性、例えば対象物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、または対象物である液体の粘性等を、測定部により測定することができる。
【0023】
（８）本発明の他の態様は、
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。
【0024】
本発明の他の態様（８）によれば、支持部に加速度や地震等の外力が付与されると、支持部により移動可能に支持された磁気浮上装置が移動する。磁気浮上装置により浮上されて物理的に束縛されていない平衡状態の対象物は、磁気浮上装置の移動に追従して変位する。この対象物の動きを検出することで、位置情報から加速度が求められ、あるいは加速度から地震の大きさを測定することもできる。
【0025】
（９）本発明の他の態様は、
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。
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。
【0026】
本発明の他の態様（９）によれば、外力付与部により外力が付与されて磁気浮上装置が移動すると、磁気浮上装置により浮上されて物理的に束縛されていない平衡状態の対象物は、磁気浮上装置の移動に追従して移動する。この時、対象物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。この振動の減衰は、対象物の周囲の雰囲気中の媒体の属性例えば粘性に依存する。よって、振動の減衰に基づいて対象物の周囲の雰囲気中の媒体の属性のうち、対象物の振動と相関のある属性を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の第１実施形態に係る磁気浮上装置の正面図である。
【図2】磁気アルキメデスの原理を説明するための図である。
【図6】本発明の第２実施形態に係る磁気浮上装置の正面図である。
【図8】水の磁気浮上実験を行った結果を示す図である。
【図9】稜線を規定するフィレット半径と磁気力との関係を示す図である。
【図11】図１１（Ａ）は図１０に示す磁気浮上装置のＸ－Ｚ平面での磁場強度分布を示す図であり、図１１（Ｂ）は水を浮上させる時の液滴の浮上位置（Ｚ＝０．０５ｍｍ）におけるＹ軸に沿った磁場強度分布を示す図である。
【図14】本発明の第４実施形態に係る測定装置を示す図である。
【図15】溶液中の界面活性剤濃度と溶液の表面張力との相関を示す特性図である。
【図16】外力が付与された対象物の振動特性を示す図である。
【図17】本発明の第５実施形態に係る測定装置を示す図である。
【図19】本発明の第６実施形態に係る測定装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下の開示において、提示された主題の異なる特徴を実施するための多くの異なる実施形態や実施例を提供する。もちろんこれらは単なる例であり、限定的であることを意図するものではない。さらに、本開示では、様々な例において参照番号および／または文字を反復している場合がある。このように反復するのは、簡潔明瞭にするためであり、それ自体が様々な実施形態および／または説明されている構成との間に関係があることを必要とするものではない。さらに、第１の要素が第２の要素に「接続されている」または「連結されている」と記述するとき、そのような記述は、第１の要素と第２の要素とが互いに直接的に接続または連結されている実施形態を含むとともに、第１の要素と第２の要素とが、その間に介在する１以上の他の要素を有して互いに間接的に接続または連結されている実施形態も含む。また、第１の要素が第２の要素に対して「移動する」と記述するとき、そのような記述は、第１の要素及び第２の要素の少なくとも一方が他方に対して移動する相対的な移動の実施形態を含む。
【0029】
（１）第１実施形態
（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。
（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。
【0030】
図１において、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方向とする。図１は、磁気浮上装置１０をＸ－Ｚ平面と平行な正面から見た正面図である。図１に示すように、一対の第１永久磁石２０Ａ，２０Ｂは、鉛直方向Ｚで互いに逆向きに着磁されている。図１では、第１永久磁石２０Ａは、上部がＳ極であり下部がＮ極であるのに対して、第１永久磁石２０Ｂは、上部がＮ極であり下部がＳ極である。このため、一対の第１永久磁石２０Ａ，２０Ｂは反平行で引力を及ぼし合っている。
【0031】
一対の第１永久磁石２０Ａ，２０Ｂは、側面２２，２２同士を対面または接触させて並設される。図１では側面２２，２２同士を対面させる例を示す一方で、図１のＡ部拡大図では、側面２２，２２同士が接触される場合を示し、この接触面を一対の第１永久磁石２０Ａ，２０Ｂの境界面２５とも称する。なお、図１において、Ｚ＝０は鉛直方向で頂面２１と同一高さである位置を示す。磁気浮上装置１０は、図１のＡ部拡大図で示すように垂直断面（図１のＸ－Ｚ断面）において、一対の第１永久磁石２０Ａ，２０Ｂの各々の稜線２４よりも上方に位置する空間Ｋ、特に空間Ｋ内のうち境界面２５の上方延長線上に、雰囲気中の媒体に対して相対的に反磁性である対象物Ｔ（図１では図示せず）を磁気浮上させる。
【0032】
（１－２）浮上に必要な磁気力及び磁気アルキメデスの原理
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。
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。
【数1】
【0033】
ここで、対象物Ｔは、雰囲気中の媒体に対して反磁性である。反磁性体は、体積磁化率χが負の物質のことであるが、磁場が反磁性体に対して作用する力が小さいのは、体積磁化率χの大きさが非常に小さい（～１０－６）からである。普通の強磁性体で体積磁化率χを定義すると、１より大きいのが普通であるから、反磁性体の体積磁化率χがいかに小さいかがわかる。また、式（１）から、磁気力の大きさが、磁束密度の大きさＢと、その勾配（∂Ｂ／∂Ｚ）の積に比例することが分かる。したがって、ある磁石が発生する磁気力は、磁石の周辺のＢ×（∂Ｂ／∂Ｚ）の最大値（絶対値）を見れば、その磁石で磁気浮上が可能かどうか判断できる。代表的な反磁性体を浮上させるためのＢ×（∂Ｂ／∂Ｚ）の大きさをまとめたものが表１である。
【表1】
【0034】
一般に、（∂Ｂ／∂Ｚ）の大きさは、発生する磁束密度Ｂの最大値（超電導磁石のようなコイルであればコイルの中心磁束密度、永久磁石であれば磁極表面の磁束密度）が大きいほど大きいので、強い磁場を発生する磁石の方が発生する磁気力も大きい。ただし、磁気力を表す式が２つの量であるＢと（∂Ｂ／∂Ｚ）との積を含むことから、原理的には、磁束密度が小さい（Ｂが小さい）ところでも、磁束密度の勾配（∂Ｂ／∂Ｚ）を非常に大きくすることができれば、結果的に強い磁気力を得られる。本実施形態では、磁束密度の勾配（∂Ｂ／∂Ｚ）を大きくしている。
【0035】
上述の議論は、磁気浮上装置１０が配置される雰囲気の媒体の効果を無視しているが、磁気アルキメデスの原理では、媒体の効果を考慮することにより、磁気浮上の条件式は式（２）のように変化する。
【数2】
【0036】
ここで、図２に示すように、Δρは浮上させる対象物Ｔの密度ρ１から周囲媒体の密度ρ２を引いた値であり、Δχは浮上させる対象物Ｔの磁化率χ１から周囲媒体の磁化率χ２を引いた値である。
【0037】
単純な磁気浮上の式（１）と比べれば、式（２）ではρがΔρになり、χがΔχに変わっているが、この効果は非常に大きい。磁気アルキメデスの原理を使うことによって、磁気浮上の条件が緩和されるからである。その理由について説明する。
【0038】
式（２）を変形した式（３）を示す。
式（３）は、磁気浮上に必要なＢ×（∂Ｂ／∂Ｚ）の値が磁化率や密度を用いてどのように表されるかを示したものである。必要なＢ×（∂Ｂ／∂Ｚ）の値が大きければ大きいほど巨大な磁石が必要になってくるので、必要なＢ×（∂Ｂ／∂Ｚ）の値が小さい方が磁気浮上は簡単な構造になる。式（３）の右辺のΔρやΔχは、製作者の都合で制御できるパラメーターであり、Δρは小さい方がよく、Δχは大きい方がよいことになる。一方、単純な磁気浮上の式（２）には製作者の都合で変更できる物性値は存在しないため、巨大なＢ×（∂Ｂ／∂Ｚ）の値を持つ磁石を探す、ということ以外に解決策がない。
【数3】
【0039】
浮上させる対象物Ｔが固体であれば、対象物Ｔの密度のほとんどが１０３～１０４ｋｇ／ｍ３の範囲内にあり、液体であれば、対象物Ｔはどれも１０３ｋｇ／ｍ３程度である。特に、有機物の固体を対象物Ｔとして浮上させる場合、媒体として液体を使い、かつ、媒体の成分をうまく調整することによって、Δρを限りなくゼロに近づけることができる。例えば、密度ρが１０３ｋｇ／ｍ３程度であるプラスチック材料を空気中で磁気浮上させるために必要なＢ×（∂Ｂ／∂Ｚ）は、１５００Ｔ２／ｍほどであるが、Δρを１ｋｇ／ｍ３程度（密度の１０００分の１）にしてしまえば、磁気浮上に必要なＢ×（∂Ｂ／∂Ｚ）も１０００分の１となり、１．５Ｔ２／ｍとなる。つまり、永久磁石でも磁気浮上が可能となる。
【0040】
常磁性の媒体を使用すれば、Δχを大きくできる。例えば、空気が媒体であるときに比べ、酸素ガスを媒体とした時の方が、Δχは大きい。したがって、酸素ガスを媒体にすると、市販の磁石でも水の磁気浮上が可能になる。また、ＭｎやＧｄなどの、常磁性イオンを含む溶液を媒体に使用すれば、Δχを大きくできると同時に、Δρを小さくでき、二重のメリットを享受できる。したがって、磁気アルキメデスの原理を用いた磁気浮上は、常磁性溶液を使うものが好適である。また、常磁性の媒体を使うことで、浮上させたい対象物Ｔが常磁性であったとしても、媒体よりも相対的に反磁性であれば磁気浮上ができることになり、あらゆる物質を対象物Ｔとして磁気浮上させることが可能である。
【0041】
（１－３）磁場強度分布
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。
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。
【0042】
磁気力の指標となるＢ×（∂Ｂ／∂Ｚ）の分布は図５に示すとおりである。図５において、Ｚ＝０付近でＢ×（∂Ｂ／∂Ｚ）の絶対値は約１５００Ｔ２／ｍである。表１からこの値は、水の磁気浮上を可能にする大きさであることが分かる。なお、雰囲気の媒体の効果を考慮した磁気アルキメデスの原理を使うと、１５００Ｔ２／ｍの磁気力は１０００分の１となって１．５Ｔ２／ｍとなり、永久磁石でも磁気浮上が可能となることが分かる。
【0043】
（２）第２実施形態
（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。
（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。
【0044】
図６では、空間Ｋを挟んでＸ方向で対向して配置された一対の第２永久磁石４０Ａ，４０Ｂをさらに有する。一対の第２永久磁石４０Ａ，４０Ｂの各々は、着磁方向をＸ方向で同じ向きとしている。つまり、第２永久磁石４０Ａは左端がＳ極で右端がＮ極であり、第２永久磁石４０Ｂも同様に左端がＳ極で右端がＮ極である。
【0045】
第１実施形態では、Ｚ方向でのつり合いは実現されるが、完全に非接触で磁気浮上を実現させるには、Ｘ－Ｙ面内でも力学的平衡である必要がある。そのために、一対の第１永久磁石２０Ａ，２０Ｂに、一対の第２永久磁石４０Ａ，４０Ｂを追加している。
【0046】
（２－２）磁場強度分布
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。
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。
【0047】
図６に示す磁気浮上装置３０で、水の磁気浮上実験を行った結果を図８に示す。実験では、水に超音波を印加して霧を発生させ、その霧が集まって大きくなっていく様子を撮影したものが図８である。図８から分かるように、直径０．５ｍｍほどの水滴を容易に浮かすことができる。
【0048】
（２－３）稜線を規定する半径の影響
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。
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。
【0049】
（３）第３実施形態
（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）。
（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）。
【0050】
一対の第１永久磁石６０Ａ，６０Ｂの各々は、図１０（Ｃ）に示すように、Ｙ－Ｚ断面で、頂面６２が下向き凸の円弧状に形成されている。底面６６も頂面６２と相似形で円弧状に形成しても良い。このような形状の一対の第１永久磁石６０Ａ，６０Ｂもまた、市販されているものを利用できる。一例として磁石６０Ａ，６０Ｂのサイズは、外径が８．７ｍｍ、内径が３．０ｍｍ、厚みが９．０ｍｍで、円弧の中心角は９０°である。ここでは、立体の稜線部のフィレット半径を０．６ｍｍに設定してある
【0051】
（３－２）磁場強度分布
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。
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。
【0052】
図１１（Ａ）に示すＸ－Ｚ平面での磁場強度分布のうち、Ｚ軸方向の磁場強度分布を図１２に示し、図１２から算出されるＢ×（∂Ｂ／∂Ｚ）の値を図１３に示す。図１３において、Ｚ＝０は境界面２５の上端を示し、Ｚ＝０の付近で、表１に示す水の磁気浮上に必要なＢ×（∂Ｂ／∂Ｚ）の値（絶対値）を優に超えており、対象物Ｔとしての水の磁気浮上が実現されることが分かる。また、図１３から、対象物Ｔとしてのビスマスまたはカーボンの磁気浮上が実現されることも分かる。
【0053】
（４）第４実施形態
（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。
（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。
【0054】
測定部１２０は、例えば、光源１２１、ハーフミラー１２２、検出器１２３、データーロガー装置１２４、高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）１２５及び演算部１２６を有することができる。また、特に対象物Ｔの形状例えば液滴の半径が未知である場合には、対象物Ｔを撮影する、好ましくはレンズ付きまたは顕微鏡付きカメラ１３０を設けることもできる。
【0055】
（４－２）表面張力の測定
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。
式（４）中、σは対象物Ｔである液滴の表面張力、Ｒは液滴の半径、ρは液滴の密度、Ｌ はモード（自然数）を表している。半径０．２ｍｍの球状の水滴が浮いているときに、式（４）に、Ｌ＝２、Ｒ＝０．２ｍｍ、σ＝７２．８ｍＮ／ｍ、ρ＝９９８ｋｇ／ｍ３（２０℃）を代入すれば、振動数ｆは、ｆ＝１．３６ｋＨｚとなる。逆に言えば、液滴の振動数ｆを調べれば、対象物Ｔである液滴の表面張力σを算出することができる。
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。
【数4】
【0056】
液滴の半径Ｒは、カメラ１３０により撮影された液滴の直径からを求めることができる。光源１２１からハーフミラー１２２を通してＬＥＤ光などを液滴に照射し、その反射光をフォトダイオードなどの検出器１２３で検出する。振動成分を有するデータをデジタル処理して記憶するデーターロガー装置１２４に取り込み、取り込んだデータをＦＦＴ解析部１２５で高速フーリエ変換することによってピーク周波数ｆを求める。演算部１２６は、求められた周波数ｆ、モードＬ、液滴の密度ρ及び半径Ｒを上述の式（４）に代入して、表面張力σを演算することができる。
【0057】
（４－３）溶液の濃度変化に伴う表面張力の測定
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。
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。
【0058】
例えば、上述の水滴が、溶媒の水の蒸発によって半径Ｒが５分の１になって（それによって界面活性剤の濃度が１２５倍になる）、表面張力の大きさが半分になったとする（一般的にその程度の変化である）。このとき、Ｌ＝２のモードの周波数は１０．７ｋＨｚになるはずである。液滴の直径等の最大サイズは、０．０１ｍｍ～１ｍｍ程度を想定しているが、拡大機能の付いたカメラ１３０や顕微鏡に付属したカメラ１３０を使えば、簡単に液滴のサイズを検出できる。
【0059】
一般に、界面活性剤の表面張力は、濃度が増えるに従って下がる傾向がある。これは、単調な変化ではないので、単純ではなく、図１５のようになる。界面活性剤の濃度を徐々に上げていったときに、表面張力が下がり始めて、ある一定の値に落ち着くまでの濃度変化はおよそ２桁である。したがって、液体の半径が１桁変わる間、すなわち濃度が３桁変わる間に表面張力を測定すれば、表面張力の濃度変化は十分に追跡できることになる。
【0060】
従って、表面張力の濃度依存性を測定するには、すべての濃度の溶液を調整して、それぞれについて表面張力を測定しなければならず、非常に面倒である。また、表面張力は、ほんの少し不純物があると、濃度依存性が変化するので、正確なデータを得るためには、再結晶などの精製プロセスを経て得られた純度の高いサンプルを用いて測定することが望ましいが、その際、当然、サンプルの量は減るので、大量の試料を準備して実験しなければならない。その点、本実施形態は、わずか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という利点を有する。
【0061】
（４－４）液体の粘性の測定
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。
式（５）の時刻ｔと振幅ｙとの関係は、図１４に示す測定装置１００で求められる。ここで、時刻ｔと対応付けて、振動する対象物Ｔからの反射光が検出器１２３にて受光される。よつて、ＦＦＴ解析部１２５では、時刻ｔ毎の振幅ｙを求めることができる。
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。
【数5】
【0062】
一方、式（５）の復元力をバネ定数ｋとし、対象物Ｔである液滴の質量をｍ、粘性をηとし、半径をｒとすると、次の微分方程式（６）が成立する。
式（６）から、下記の式（７）が成立する。
図１４の演算部１２６は、この式（７）に、既知の質量ｍ、カメラ１３０での測定により求められる半径ｒ、上記の通りの演算で求められたτをそれぞれ代入することで、粘性ηを求めることができる。なお、式（７）から、粘性ηが大きいほど減衰時間τが短くなることが分かる。
【数6】
【数7】
【0063】
（５）第５実施形態
（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。
（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。
【0064】
支持部２１０は、基台２１１と、昇降盤２１２とを含む。基台２１１は、鉛直方向Ｚで伸縮する弾性体例えばバネ２１３を介して昇降盤２１２を支持する。昇降盤２１２は、図１８に示すように平面視で枠部に形成され、枠部の内側に弾性体例えばバネ２１４，２１５を介して磁気浮上装置３０（５０）を支持する。バネ２１４はＸ方向に伸縮し、バネ２１５はＹ方向に伸縮する。よって、基台２１１に外力が作用すると、磁気浮上装置３０（５０）は三次元Ｘ，Ｙ，Ｚ座標で変位する。磁気浮上装置３０（５０）により浮上した対象物Ｔは、磁気浮上装置３０（５０）の変位に追従して変位する。
【0065】
図１７に示す測定部２２０は、図１４と同様に、光源２２１、ハーフミラー２２２、検出器２２３等を含むことができ、検出器２２３より後段は図示を省略している。検出器２２３より後段には、例えば、対象物Ｔの移動軌跡を記録するデーターロガー装置と、対象物Ｔの移動軌跡から加速度や地震の大きさを演算する演算部とを設けることができる。図１７に示す測定部２２０は、Ｘ軸測定部を示しているが、同様にして、Ｙ軸測定部及びＺ軸測定部を設け、直交三軸検出器を有することができる。測定部２２０は、所定時間毎に変位する対象物Ｔの重心のＸ，Ｙ，Ｚ座標位置を特定する。つまり、基台２１１に加速度や地震等の外力が作用した時の対象物Ｔの位置を追跡する。測定部２２０は、例えば所定時間毎に変位する対象物の移動軌跡から加速度を演算することができる。あるいは、測定部２２０は、三軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の加速度から、既知の手法により地震波形を作成したり、震度を算出することができる。測定部２２０は、三軸加速度検出器に代えて、所定時間毎に変位する対象物Ｔの重心のＸ，Ｙ，Ｚ座標位置を記録する例えばビデオカメラ２３０を設けることができる。
【0066】
（５－２）加速度または震度の測定
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。
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。
【0067】
なお、ゆっくりとした動きのセンシングと速い動きのセンシングとでは、測定装置として応答の異なるものを使う場合がある。一つの解決策は磁場分布を変えることであり、これは単に磁石のサイズや配置を変えればよい。他の解決策として、浮上させる対象物Ｔの質量やサイズを変えることによっても、測定装置の応答を変化させることができる。
【0068】
（６）第６実施形態
（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。
（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。
【0069】
図１９に示す測定部３２０は、図１４と同様に、光源３２１、ハーフミラー３２２、検出器３２３等を含むことができ、検出器３２３より後段は図示を省略している。検出器３２３の後段には、図１４と同様に、データーロガー装置、ＦＦＴ解析部及び演算部を設けることができる。また、特に対象物Ｔの形状例えば液滴の半径が未知である場合には、対象物Ｔを撮影する、好ましくはレンズ付きまたは顕微鏡付きカメラ３３０を設けることもできる。
【0070】
（６－２）雰囲気媒体の粘性の測定
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。
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。
【0071】
この対象物Ｔの振動の減衰は、対象物Ｔの周囲の雰囲気中の媒体の属性例えば粘性に依存する。よって、振動の減衰に基づいて対象物の周囲の雰囲気中の媒体の属性のうち、対象物の振動と相関のある属性を測定することができる。媒体の振動に関しても、上述した式（５）（６）（７）が適用できる。ここで、対象物Ｔが変形するが重心位置は変わらないような振動では、対象物Ｔ内部の粘性が振動に影響を及ぼすので、対象物Ｔの粘性を知ることができた。一方、対象物Ｔの形を変えずに、対象物Ｔの重心位置を変えるような振動では、対象物Ｔの周囲の媒体が振動に影響を及ぼすので、周囲媒体の粘性を知ることができる。
【0072】
本測定装置を用いれば、非常に少量のガスで測定装置全体を満たすだけで、そのガスの粘性を測定することができる。なお、周囲媒体は、液体であっても良い。
【符号の説明】
【0073】
１０…磁気浮上装置、２０Ａ，２０Ｂ…一対の第１永久磁石、２１…側面、２２…頂面、２３…角部、２４…稜線、２５…境界面、３０…磁気浮上装置、４０Ａ，４０Ｂ…一対の第２永久磁石、５０…磁気浮上装置、６０Ａ，６０Ｂ…一対の第１永久磁石、１００…測定装置、１１０…外力付与部、１２０…測定部、２００…測定装置、２１０…支持部、２２０…測定部、３００…測定装置、３１０…外力付与部、３２０…測定部、Ｋ…空間、Ｔ…対象物
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】