JP2015081778A

JP2015081778A - 磁界発生装置

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Publication number: JP2015081778A
Application number: JP2013218163A
Authority: JP
Inventors: 貴宏菅野; Takahiro Sugano; 和之小川; Kazuyuki Ogawa; 謙一高日; Kenichi Takahi; 白石　信二; Shinji Shiraishi; 信二白石
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2015-04-27
Anticipated expiration: 2033-10-21
Also published as: JP6279286B2

Abstract

【課題】比較的容量が小さい電源であっても、高周波磁界の実現を可能とし、且つ低周波数域において強い磁界強度を生成すること可能な磁界発生装置を提供する。
【解決手段】磁界発生装置１は、コイル軸が同一となるように並べられた少なくとも内側及び外側コイル対１０，２０と、内側及び外側コイル対１０，２０に対して交流電流を流す電源３０と、内側及び外側コイル対１０，２０の巻き数を切替可能な切替部６０と、を備えている。このため、例えば高周波磁界を実現する際には、巻き数が少なくなるように切り替えてインピーダンスの増加を抑えると共に、低周波数域において強い磁界強度を生成する際には、巻き数が多くなるように切り替えてコイルに流す電流値が小さくなるようにすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁界発生装置に関する。

従来、対となるコイルをコイル軸が同一となるように並べ、これらのコイルに電流供給することにより、コイル間の所定空間に均一の磁場（磁界領域）を形成する磁界発生装置が提案されている。このような磁界発生装置では、コイル間における所定空間に磁界強度が均一な領域が形成されるため、この領域に測定対象となる機器等を配置することにより、機器等を均一強度の磁界に曝すことができる（例えば特許文献１参照）。

特開平１−２１２４１１号公報

近年、自動車の電動化に伴い車両内に大電流が扱われ、強い磁界が生成されつつある。このため、車両内機器に誤動作が生じる懸念が発生しており、当該機器の磁界耐性を評価する必要性が生じている。車両内部で扱われる大電流は主に交流であるため、車両内機器の磁界耐性を評価するためには車両内機器に対して交流磁界を印加する必要があり、磁界を生成する為にヘルムホルツコイルに電流を流し磁界を生成することが知られている。また、当該機器の磁界耐性を評価するためには、当該機器の使用環境に応じた磁界強度で、所望の磁界強度が均一な領域の形状を形成できることが好ましい。

一般に電源は、電流及び電圧の出力レベルが制限されており、その範囲内で使用しなければならない。ここでは、コイルは誘導性負荷であることから、電流値が一定であっても周波数に比例してインピーダンスが大きくなってしまい、必要な電圧値が上昇してしまう。従って、インピーダンスの増加に伴って電圧の上限値を超えないように、コイルの巻き数を少なくするなどしてインピーダンスの増加を抑える手段を講じる必要がある。具体的に説明すると、電流６Ａ、巻き数４ターン／コイルである場合の磁界強度と、電流２４Ａ、巻き数１ターン／コイルである場合の磁界強度は同じになるが、ターン数が少ない方がコイルに用いられるワイヤの長さが短くなり、後者の方がインピーダンスの増加が小さくなる。

しかし、コイルの巻き数を少なくするなどの手段を講じた場合には、コイルの巻き数が少ないことから、低周波数域において強い磁界強度を生成することが困難となってしまう。具体的に説明すると、電流２４Ａ、巻き数１ターン／コイルである場合において電流の上限値が２４Ａであるとすると、これ以上電流値を増加させることができず、磁界強度を強めることができなくなってしまう。

そこで、高電圧・大電流を生成できる電源が望まれるが、そのような電源を製造することは技術的に困難である。

本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的とするところは、比較的容量が小さい電源であっても、広い周波数帯の磁界の実現を可能とし、且つ低周波数域において強い磁界強度を生成することが可能な磁界発生装置を提供することにある。

本発明の磁界発生装置は、コイル軸が同一となるように並べられた少なくとも１対のコイルと、前記少なくとも１対のコイルに対して交流電流を流す電源と、前記少なくとも１対のコイルの巻き数を切替可能な切替手段と、を備えることを特徴とする。

この磁界発生装置によれば、１対のコイルの巻き数を切替可能とされているため、例えば高周波磁界を実現する際には、巻き数が少なくなるように切り替えてインピーダンスの増加を抑えると共に、低周波数域において強い磁界強度を生成する際には、巻き数が多くなるように切り替えてコイルに流す電流値が小さくなるようにすることができる。従って、比較的容量が小さい電源であっても、広い周波数帯の磁界の実現を可能とし、且つ低周波数域において強い磁界強度を生成することができる。

また、この磁界発生装置において、前記切替手段は、前記少なくとも１対のコイルのうち、少なくとも１つのコイルについて他のコイルと巻き数を異ならせる切替が可能とされていても良い。

例えば一対のコイルのうち、一方のコイルについて巻き数を１ターンとし、他方のコイルについて巻き数を２ターンとすることなどが可能となる。これにより、１対のコイル間に発生する磁界強度が均一な領域の形状を変化させることができ、測定対象となる機器の形状に合わせた磁界強度が均一な領域を形成することができる。

本発明によれば、比較的容量が小さい電源であっても、広い周波数帯の磁界の実現を可能とし、且つ低周波数域において強い磁界強度を生成することが可能な磁界発生装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る磁界発生装置の一例を示す構成図である。周波数と電圧との相関を示すグラフである。各コイル及び切替部の構成を示す概略図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。図１は、本発明の実施形態に係る磁界発生装置の一例を示す構成図である。

本実施形態に係る磁界発生装置１は、コイル軸が同一となるように並べられた第１コイル１０ａと第２コイル１０ｂとからなる１対の内側コイル１０と、１対の内側コイル１０の外側において１対の内側コイル１０とコイル軸が同一となるように並べられ第１コイル２０ａと第２コイル２０ｂとからなる１対の外側コイル２０とを備えている。磁界発生装置１は、これらに交流電流を流すことにより、コイル間の所定空間に磁界強度が均一な領域を形成するものである。なお、以下の説明において、１対の内側コイル１０をコイル対１０と称し、１対の外側コイル２０をコイル対２０と称する。また、単にコイルと称するときは、図１に示した４つのコイルのうちいずれか１つを意味するものとする。

この磁界発生装置１は、コイル対１０，２０に加えて、コイル対１０，２０に交流電流を流すための電源３０と、電源３０から出力する交流電流の周波数を決定するための信号生成部４０と、信号生成部４０を制御するための制御部５０とを備えている。

この電源３０は、負荷の状態によらず所望の交流電流を流すことができる機能をもつ例えばバイポーラ電源である。以下、電源３０をバイポーラ電源３０として説明する。

信号生成部４０は、一般的な信号発生器で制御部５０からの命令により所定の信号（周波数、振幅等）を出力するものである。また、バイポーラ電源３０は、出力の上限値が制限されており、例えば本実施形態において電圧の上限値が１００Ｖであり、電流の上限値が２４Ａであるとする。

ここで、コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂは誘導性負荷であることから、流れる電流値が一定であっても周波数の増加とともにインピーダンスが大きくなってしまい、必要な電圧値が上昇してしまう。以下、この点について詳説する。

まず、４つの円状のコイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂそれぞれについて、直径１ｍとし、コイル対２０の間隔を５０ｃｍとし、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂが等間隔に配置されているとする。また、それぞれのコイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂに使用されているワイヤは、直径が１７ｍｍの銅材であるとする。

図２は、周波数と電圧との相関を示すグラフである。上記の条件において電流６Ａで巻き数４ターン／コイルである場合、周波数と電圧との相関は、図２の実線で示すようになる。すなわち、周波数１００００Ｈｚを実現するために必要となる電圧は約２６Ｖとなる。また、周波数２５０００Ｈｚを実現するために必要となる電圧は約６８Ｖとなる。

また、本実施形態においてバイポーラ電源３０の電圧の上限値が１００Ｖであることから、図２の実線で示すように、周波数約３８０００Ｈｚまで実現可能であるといえる。

さらに、上記の条件において電流２４Ａで巻き数１ターン／コイルである場合、周波数と電圧との相関は、図２の破線で示すようになる。すなわち、周波数１００００Ｈｚを実現するために必要となる電圧は約９．４Ｖとなる。また、周波数５００００Ｈｚを実現するために必要となる電圧は約４７Ｖとなる。

また、本実施形態においてバイポーラ電源３０の電圧の上限値が１００Ｖであることから、図２の破線で示すように、周波数約１０６０００Ｈｚまで実現可能であるといえる。

以上、図２の実線と破線とを比較すると、一般的に高周波磁界を生成するためには、ターン数を少なくしてコイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂに用いられるワイヤ長を短くし、インピーダンスの増加を抑えることが好ましいといえる。すなわち、電流６Ａで巻き数４ターン／コイルと、電流２４Ａで巻き数１ターン／コイルとを比較した場合、高周波磁界を生成するためには、後者（破線）の方が優れているといえる。

しかし、周波数約３８０００Ｈｚ以下となる領域において実線と破線とを比較すると、ターン数が少ないコイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂでは、発生する磁界強度が低くなってしまう傾向がある。すなわち、本実施形態においてバイポーラ電線３０は、電流の上限値が２４Ａであることから、破線で示す電流２４Ａで巻き数１ターン／コイルでは、これ以上電流値を大きくすることができず、磁界強度を強めることができない。これに対して、実線で示す電流６Ａで巻き数４ターン／コイルでは、電流値を４倍まで増やすことが可能であり、磁界強度を強めることができる。よって、周波数約３８０００Ｈｚ以下となる領域において電流６Ａで巻き数４ターン／コイルと、電流２４Ａで巻き数１ターン／コイルとを比較した場合、磁界強度を強めるためには、前者（実線）の方が優れているといえる。

そこで、高電圧・大電流を生成できるバイポーラ電源が望まれる。すなわち、電圧の上限値が例えば３００Ｖであれば、電流６Ａで巻き数４ターン／コイルの場合であっても、周波数約１０６０００Ｈｚを実現可能である。また、電流の上限値が例えば９６Ａであれば、電流２４Ａで巻き数１ターン／コイルの場合であっても、電流値を４倍まで増やすことができる。しかし、このようなバイポーラ電源を製造することは技術的に困難である。

なお、図２に示すグラフは、以下の式（１）〜（４）によって求めることができる。

ここで、ｋは長岡係数であり、μは透磁率〔Ｈ／ｍ〕であり、ｒはコイルの半径〔ｍ〕である。また、Ｓはワイヤの断面積〔ｍ^２〕であり、ｎはターン数であり、ｌはコイルの長さ〔ｍ〕である。さらに、ρはワイヤの抵抗率〔Ωｍ〕であり、ｄはワイヤの直径〔ｍ〕であり、ωは角周波数〔Ｈｚ〕である。

そこで、本実施形態において磁界発生装置１は、図１に示すように、切替部（切替手段）６０を各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂに対して備えている。

図３は、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂ及び切替部６０の構成を示す概略図である。図３に示すように、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂは、複数のコイルａ，ｂからなる複合型のコイルとなっている。すなわち、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂは、例えば１ターンのコイルａと、３ターンのコイルｂとからなる複合コイルとなっている。

また、切替部６０は、制御部５０から指令によって、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂ（コイル対１０，２０）の巻き数を切替可能とされている。具体的に切替部６０は、第１〜第５スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を備えている。

第１スイッチＳＷ１は、コイルａの一端とバイポーラ電源３０との間に介在している。第２スイッチＳＷ２は、コイルａの他端とバイポーラ電源３０との間に介在している。第３スイッチＳＷ３は、コイルｂの一端とバイポーラ電源３０との間に介在している。第４スイッチＳＷ４は、コイルｂの他端とバイポーラ電源３０との間に介在している。第５スイッチＳＷ５は、コイルａの他端と第２スイッチＳＷ２との接続点と、コイルｂの一端と第３スイッチＳＷ３との接続点とをつなぐ接続線Ｌ上に設けられている。

制御部５０は、このような切替部６０を制御して各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂ（コイル対１０，２０）の巻き数を切替可能となっている。すなわち、制御部５０は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５をオンオフすることにより、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂ（コイル対１０，２０）の巻き数を切り替えることとなる。

具体的に説明すると、制御部５０は、第１及び第２スイッチＳＷ１，ＳＷ２をオンし、第３〜第５スイッチＳＷ３〜ＳＷ５をオフすることにより、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂの巻き数を「１」とすることができる。また、制御部５０は、第３及び第４スイッチＳＷ３，ＳＷ４をオンし、第１、第２及び第５スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ５をオフすることにより、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂの巻き数を「３」とすることができる。

さらに、制御部５０は、第１、第４及び第５スイッチＳＷ１，ＳＷ４，ＳＷ５をオンし、第２及び第３スイッチＳＷ２，ＳＷ３をオフすることにより、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂの巻き数を「４」とすることができる。

これにより、比較的容量が小さいバイポーラ電源３０であっても、高周波磁界の実現を可能とし、且つ低周波数域において強い磁界強度を生成すること可能となる。すなわち、広い周波数帯の磁界を実現したい場合には、例えば、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂの巻き数を「１」とし、低周波数域において強磁界を形成したい場合には、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂの巻き数を「４」とする。

次に、本実施形態に係る磁界発生装置１の動作について説明する。まず、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂに対して、周波数約３８０００Ｈｚの交流電流を流したい場合、制御部５０は、切替部６０の第１、第４及び第５スイッチＳＷ１，ＳＷ４，ＳＷ５をオンし、第２及び第３スイッチＳＷ２，ＳＷ３をオフする。これにより、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂの巻き数を「４」とする。

次いで、制御部５０は、バイポーラ電源３０及び信号生成部４０を制御して、例えば
６Ａとなる交流電流を各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂに流す。なお、この場合において、磁界強度が不足する場合、制御部５０は、バイポーラ電源３０を制御して電流値を高め、例えば２４Ａとなる交流電流を各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂに流す。これにより、低周波数域において強い磁界強度を生成する。

また、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂに対して、周波数約１０６０００Ｈｚの交流電流を流したい場合、制御部５０は、切替部６０の第１及び第２スイッチＳＷ１，ＳＷ２をオンし、第３〜第５スイッチＳＷ３〜ＳＷ５をオフする。これにより、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂの巻き数を「１」とする。

次いで、制御部５０は、バイポーラ電源３０及び信号生成部４０を制御して、例えば
２４Ａとなる交流電流を各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂに流す。これにより、高周波磁界を実現する。

なお、本実施形態では、各コイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂの巻き数を「３」とすることもできるため、周波数５００００Ｈｚなどの交流電流を流したい場合には、巻き数を「４」とせず「３」としてもよい。さらに、この場合において磁界強度が不足する場合、制御部５０は、バイポーラ電源３０を制御して電流値を高めるようにしてもよい。

加えて、本実施形態に係る磁界発生装置１については以下の動作も可能である。例えば、評価対象となる機器が、立方体等でなく、横向きに倒れた四角錐台などのように異形であるとする。この場合、制御部５０は、例えば２対のコイル対１０，２０のうち、第１コイル１０ａについて、他のコイル１０ｂ，２０ａ，２０ｂと巻き数を異ならせるよう、切替部６０を制御する。

すなわち、一例を挙げると、制御部５０は、第１コイル１０ａのみについて巻き数を「４」とし、他のコイル１０ｂ，２０ａ，２０ｂについて巻き数を「１」とする。これにより、測定対象となる機器の形状に合わせた磁界強度が均一な領域を形成することもできる。

このようにして、本実施形態に係る磁界発生装置１によれば、コイル対１０，２０の巻き数を切替可能とされているため、例えば高周波磁界を実現する際には、巻き数が少なくなるように切り替えてインピーダンスの増加を抑えると共に、低周波数域において強い磁界強度を生成する際には、巻き数が多くなるように切り替えてコイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂに流す電流値が小さくなるようにすることができる。従って、比較的容量が小さいバイポーラ電源３０であっても、広い周波数帯の磁界の実現を可能とし、且つ低周波数域において強い磁界強度を生成することができる。

また、少なくとも１つのコイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂについて他のコイル１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂと巻き数を異ならせる切替が可能とされているため、例えばコイル対１０，２０のうち、一方のコイル１０ａ，１０ｂについて巻き数を１ターンとし、他方のコイル２０ａ，２０ｂについて巻き数を２ターンとすることなどが可能となる。これにより、１対のコイル間に発生する磁界強度が均一な領域の形状を変化させることができ、測定対象となる機器の形状に合わせた磁界強度が均一な領域を形成することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態において、コイル対１０，２０は２対であるが、これに限らず、１対であってもよいし、３対以上であってもよい。

また、上記において切替部６０は、巻き数を「１」「３」「４」に切替可能であるが、巻き数は「１」「３」「４」に限るものではなく、「２」又は「５」以上に切替可能であってもよい。また、巻き数は「１」「３」「４」のように３種に限らず、２種又は４種以上に切替可能であってもよい。

さらに、上記において制御部５０は、コイル対１０，２０のうち、１つのコイル１０ａについて他のコイル１０ｂ，２０ａ，２０ｂと巻き数を異ならせるようにしたが、コイル対１０とコイル対２０との巻き数を異ならせるようにしてもよい。

１…磁界発生装置
１０…内側コイル（１対のコイル）
２０…外側コイル（１対のコイル）
１０ａ，２０ａ…第１コイル
１０ｂ，２０ｂ…第２コイル
３０…電源
４０…信号発生部
５０…制御部
６０…切替部（切替手段）
ａ，ｂ…コイル
Ｌ…接続線
ＳＷ１〜ＳＷ５…スイッチ

Claims

コイル軸が同一となるように並べられた少なくとも１対のコイルと、
前記少なくとも１対のコイルに対して交流電流を流す電源と、
前記少なくとも１対のコイルの巻き数を切替可能な切替手段と、
を備えることを特徴とする磁界発生装置。
前記切替手段は、前記少なくとも１対のコイルのうち、少なくとも１つのコイルについて他のコイルと巻き数を異ならせる切替が可能とされている
ことを特徴とする請求項１に記載の磁界発生装置。