JP2021132191A - 電磁石、磁場印加システム - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ軸方向成分の磁場を発生させる磁極対から発生するＹ軸方向成分を有する漏れ磁場を低減させた電磁石及び磁場印加システムを提供する。
【解決手段】電磁石１は、先端の磁極３３ａがＸ軸方向に沿って離間し、Ｚ軸方向に平行な中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称となる一対の第１磁極端部３３を有する第１ヨーク３０と、第１ヨーク３０に巻き付けられる第１コイル３１と、中心軸ＣＬと同軸の棒状部位４３を有し、棒状部位４３の先端の磁極４３ａがＺ軸方向の第１側（＋Ｚ）を向く第２ヨーク４０と、を有する。第１磁極端部３３の先端部の第１側（＋Ｚ）の面３７は、Ｙ軸方向の両側に配置される一対のテーパ面３７ａを有する。一対のテーパ面３７ａはそれぞれ、Ｙ軸方向における中心Ｃ１から外側端３３ｂに向かってＺ軸方向における第１側（＋Ｚ）から第１側（＋Ｚ）とは反対側である第２側（−Ｚ）へ向けて傾斜している。
【選択図】図１

Description

本開示は、電磁石、磁場印加システムに関する。

磁気抵抗測定装置、振動試料磁力計、ＭＲＡＭ・評価装置を始めとする各種磁気物性測定装置用電磁石、磁場中熱処理装置、着磁脱磁処理装置、飽和磁歪測定装置等の電磁石を用いた処理装置など、磁気応用産業から半導体産業、さらには医療やバイオ分野と、磁場を使用する技術が多方面にわたって実用化されている。

上記の分野においては、所望の方向に磁場を印加して被測定物の磁場中の特性を計測することや所望の磁場中に被処理物を配置して熱処理等を施すことによって被処理物の磁気特性を変化させること等のために、電磁石を使い電流制御や電磁石の回転等により所望の方向に磁場を印加することも行われている。

例えば、特許文献１には、磁場印加領域を装置の鉛直方向（Ｚ軸方向）の一方側のみとし、機械的動作の制約及び装置大型化を回避した電磁石が開示されている。特許文献１に記載の電磁石は、鉛直方向であるＺ軸方向と、Ｚ軸方向に直交する水平面におけるＸ軸方向及びＹ軸方向とを含む任意方向の磁場が印加可能となる。

特許第６４７３５４６号公報

電磁石の使用例の一つとして、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の３軸方向ではなく、例えば鉛直方向のＺ軸方向と水平方向のＸ軸方向の二軸方向の成分のみを有する磁場を印加することが求められる場合がある。特許文献１に記載の電磁石においては、Ｘ軸用コイルに電流を流せば、図５に模式的に例示するように、Ｘ軸磁極対１０３１の中心軸ＣＬにＸ軸方向成分のみを有する磁束ｍｆ１００が発現する。

しかしながら、Ｘ軸磁極対１０３１の中心軸ＣＬから離れた領域Ａｒ１００には、Ｙ軸方向成分を有する漏れ磁束が発生する。適用例によって、Ｙ軸方向成分を有する漏れ磁束（磁場）の存在が好ましくない場合がある。

本開示は、Ｘ軸方向成分の磁場を発生させる磁極対から発生するＹ軸方向成分を有する漏れ磁場を低減させた電磁石及び磁場印加システムを提供する。

本開示の電磁石は、先端の磁極がギャップを挟んでＸ軸方向に沿って離間し、Ｚ軸方向に平行な中心軸を中心として互いに軸対称となる位置に配置されている一対の第１磁極端部を有し、前記ギャップと共に閉磁路を形成可能な第１ヨークと、前記第１ヨークに巻き付けられる第１コイルと、前記中心軸と同軸の棒状部位を有し、前記棒状部位の先端の磁極がＺ軸方向の第１側を向いており、前記第１ヨークに磁気的に接続される第２ヨークと、を備え、各々の前記第１磁極端部の先端部の前記第１側の面は、Ｙ軸方向の両側に配置される一対のテーパ面を有し、前記一対のテーパ面はそれぞれ、Ｙ軸方向における中心から外側端に向かってＺ軸方向における前記第１側から前記第１側とは反対側である第２側へ向けて傾斜している。

第１実施形態に係る電磁石及び磁場印加システムを示す模式的な平面図。 図１のＡ−Ａ部位断面図であり、Ｘ方向磁場発生に関する説明図。 第１実施形態の電磁石を示す側面図。 図１のＡ−Ａ部位断面図であり、Ｚ方向磁場発生に関する説明図。 従来の電磁石に生じる課題に関する説明図。 第２実施形態に係る電磁石及び磁場印加システムを示す模式的な平面図。 図６のＢ−Ｂ部位断面図であり、Ｘ方向磁場発生に関する説明図。 第２実施形態の電磁石を示す側面図。 第３実施形態に係る電磁石及び磁場印加システムを示す模式的な平面図。 第４実施形態の電磁石を示す断面図。（ａ）第４実施形態の第１例を示す。（ｂ）第４実施形態の第２例を示す。 第４実施形態の第３例の電磁石及び磁場印加システムを示す模試的な平面図。 図１１のＣ−Ｃ部位断面図およびＤ−Ｄ部位断面図。

［第１実施形態］
以下、本開示の第１実施形態について、図１〜４を用いて説明する。

＜磁場印加システム＞
図１は、磁場印加システムを構成する電磁石１を示す模式的な平面図である。磁場印加システムは、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に平行なＸＺ面上における任意方向の磁場を印加対象物に印加可能に構成されている。前記任意方向には、Ｙ軸方向は含まれない。磁場印加システムは、図１に示すように、電磁石１と、電磁石１に電流を供給する電流供給部２と、を有する。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は、互いに直交する方向であり、発明の説明を容易にするために用いる。電磁石１の向きは使用方法に応じて異なるため、本開示の図面で示す方向に限定されない。

＜電磁石＞
図１及び図２に示すように、電磁石１は、Ｘ軸方向成分の磁場を生成するためのＸ軸用電磁石３と、Ｚ軸方向成分の磁場を生成するためのＺ軸用電磁石４と、を有する。

Ｘ軸用電磁石３は、第１ヨーク３０と、第１ヨーク３０に巻き付けられる第１コイル３１及び第３コイル３２と、を有する。

第１ヨーク３０は、軟質強磁性体で形成されており、先端の磁極３３ａがギャップＧｐを挟んでＸ軸方向に沿って離間する一対の第１磁極端部３３を有し、ギャップＧｐと共に閉磁路ｍｐ＿Ｘを形成可能である。図１に示すように、一対の第１磁極端部３３は、Ｚ軸方向に平行な中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称となる位置に配置されている。これにより、中心軸ＣＬ上にＸＹ平面に平行な磁束を発生させることができる。本実施形態では、第１ヨーク３０は側面視でＣ字状であるが、これに限定されない。第１磁極端部３３は、棒状部位３４の先端に設けられている。棒状部位３４は、直線状に延びる形状であるが、長尺状であれば、これに限定されない。例えば、屈曲しつつ延びる形状や、曲線状に延びている形状でもよい。本実施形態において、第１ヨーク３０は、図２に示すように、第１磁極端部３３を含む棒状部位３４と、棒状部位３４の基端部からＺ軸方向の第２側（−Ｚ）に延びる第１延在部３５と、第１延在部３５のＺ軸方向の第２側（−Ｚ）の端部同士を接続する第２延在部３６と、を有する。この構造により、第１コイル３１及び第３コイル３２の少なくとも１つに電流を流せば、第１ヨーク３０は、ギャップＧｐと共に閉磁路ｍｐ＿Ｘを形成する。また、この構造により、第１磁極端部３３を含む棒状部位よりもＺ軸方向の第１側（＋Ｚ）にヨーク及びコイルが配置されていない領域Ａｒ２が形成されるので、この領域を磁場印加領域Ａｒ２として利用可能となる。

第１コイル３１及び第３コイル３２の少なくとも１つに電流を流すことで、中心軸ＣＬ上の所定領域ＰにＸ軸方向成分のみを有する磁束が生じる。図２に示すように、第１コイル３１及び第３コイル３２に電流（Ｘｉ＋）を流すことで、中心軸ＣＬ上に第１方向（＋Ｘ）に向かう磁束ｍｆ１が発生する。逆に、第１コイル３１及び第３コイル３２に前記電流（Ｘｉ＋）とは逆の電流を流せば、中心軸ＣＬ上に第１方向（＋Ｘ）とは逆の第２方向（−Ｘ）に向かう磁束が発生する。

図２に示すように、一対の第１磁極端部３３は、基端側から先端に向けて第２側（−Ｚ）から第１側（＋Ｚ）へ延びる棒状に形成されている。第１磁極端部３３の磁極３３ａ間に磁場が発生すれば、棒状の第１磁極端部３３の先端が第２側（−Ｚ）へ向かう方向に磁力が発現する場合があり、第１磁極端部３３が撓み変形するおそれがある。
そこで、一対の第１磁極端部３３を第２側（−Ｚ）から支持する非磁性体の支持部５が設けられている。支持部５は、第２延在部３６又は電磁石１を収容する筐体（非図示）を足場としてもよい。

Ｚ軸用電磁石４は、第２ヨーク４０と、第２ヨーク４０に巻き付けられる第２コイル４１と、を有する。

第２ヨーク４０は、軟質強磁性体で形成され、第１ヨーク３０に磁気的に接続されている。第２ヨーク４０は、中心軸ＣＬと同軸の棒状部位４３を有する。棒状部位４３は、先端の磁極４３ａがＺ軸方向の第１側（Ｚ＋）を向いている。第２コイル４１に電流を流せば、中心軸ＣＬ上の所定領域ＰにＺ軸方向成分のみを有する磁束が生じる。第２コイル４１に流す電流の向きを変えることで、中心軸ＣＬ上に発生する磁束の向きを変更可能である。

第１コイル３１及び第３コイル３２の少なくとも１つと、第２コイル４１とに同時に電流を流すと、Ｘ軸成分とＺ軸成分が合成された方向の磁場を発生させることが可能である。すなわち、第１コイル３１及び第３コイル３２の少なくとも１つと、第２コイル４１とに流す電流の向き及び大きさを変化させることで、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に平行なＸＺ面上における任意方向の磁場を中心軸ＣＬ上に印加可能である。

＜Ｙ軸方向成分の低減構成＞
図５に例示したように、中心軸ＣＬから離れた領域Ａｒ１００にＹ軸方向成分を有する漏れ磁場が発生するが、Ｙ軸方向成分を有する漏れ磁場（磁束）を低減させるために、本実施形態では次の構造を採用している。

すなわち、図１〜３に示すように、各々の第１磁極端部３３の第１側（＋Ｘ）の面３７は、Ｙ軸方向の両側に配置される一対のテーパ面３７ａを有する。本実施形態では、面３７は、一対のテーパ面３７ａの間に配置されるＸＹ平面に平行な平坦面３７ｂを更に有する。図３に示すように、一対のテーパ面３７ａはそれぞれ、Ｙ軸方向における中心Ｃ１から外側端３３ｂに向かってＺ軸方向における第１側（＋Ｚ）から第２側（−Ｚ）へ向けて傾斜している。すなわち、テーパ面３７ａは、中心Ｃ１且つ第１側（＋Ｚ）から外側端３３ｂ且つ第２側（−Ｚ）へ向かう。本実施形態では、一対のテーパ面３７ａは、平坦面であるが、これに限定されない。例えば、テーパ面３７ａは、湾曲面でもよく、平坦面と湾曲面とを組み合わせた面であってもよい。図３において二点鎖線で模式的に示すように、テーパ面３７ａが、Ｙ軸方向成分の漏れ磁場（磁束）をＺ軸方向成分に変換する効果を奏するので、Ｙ軸方向成分の漏れ磁場（磁束）を低減することが可能となる。特に、図１に模式的に示すように、Ｘ軸方向成分の磁場の均一範囲Ａｒ３の外領域のＹ軸方向成分の漏れ磁場を効果的に低減可能となる。図１では、磁極３３ａ，３３ａ間であって均一範囲Ａｒ３よりもＹ軸方向外側の領域のＹ軸方向成分の漏れ磁場を効果的に低減可能となる。なお、図１に示した均一範囲Ａｒ３は発明の理解を容易にするために例示したに過ぎず、図示の範囲に限定されない。均一範囲Ａｒ３は、Ｘ軸の磁極３３ａの間の距離や、磁極形状等の種々の要因により図示よりも広くも狭くもなり、図１はあくまでも例示にすぎない。

図１及び図３に示す実施形態において、各々の第１磁極端部３３は、基端側のＹ軸方向の幅Ｗ１よりも先端のＹ軸方向の幅Ｗ２が広いＴ字状に形成されている。この構成により、先端の幅Ｗ１が広いＴ字状にすることで、中心軸ＣＬ付近のＸ軸方向成分の磁場強度を確保できる。さらに、中心軸ＣＬ付近におけるＸ軸方向成分の磁場の均一性を向上させることが可能となる。

＜逆電流モード＞
図４に示すように、電流供給部２が逆電流モードによる電流供給を実行すれば、Ｘ軸用電磁石３だけで中心軸ＣＬ上にＺ軸方向に沿った磁束ｍｆ２を発生させることができる。逆電流モードは、第１方向（＋Ｘ）に向かう磁束ｍｆ１を中心軸ＣＬ上に発生させる電流Ｘｉ＋を第１コイル３１に流し、第１方向（＋Ｘ）とは逆の第２方向（−Ｘ）に向かう磁束を中心軸ＣＬ上に発生させる電流Ｘｉ−を第３コイル３２に流すモードである。このように電流を流せば、Ｚ軸方向に沿った磁束ｍｆ２が発生する。磁束ｍｆ２は、中心軸ＣＬ上の所定領域Ｐにおいて、Ｚ軸方向成分のみを有する。

＜変形例＞
（１−１）図１に示す実施形態では、Ｙ軸方向において第１磁極端部３３の基端側の幅Ｗ１よりも先端の幅Ｗ２が広いＴ字状であるが、対象となる磁場印加領域が小さい場合には、これに限定されない。例えば、Ｗ１≧Ｗ２としてもよい。

（１−２）図１〜３に示す実施形態では、第２コイル４１を設けているが、逆電流モードによってＺ軸成分の磁場を発生させるのであれば、第２コイル４１を省略することが可能である。

（１−３）図１〜４に示す実施形態では、第１コイル３１及び第３コイル３２の両方を設けている。しかし、第１コイル３１及び第３コイル３２のいずれか一方は、逆電流モードを実行しない場合には省略可能である。

（１−４）図２に示す実施形態では、第１磁極端部３３を支持する支持部５が設けられているが、支持部５は省略可能である。例えば、第１磁極端部３３がＸ軸方向に平行に延びている場合が挙げられる。

（１−５）図１〜４に示す実施形態では、第２ヨーク４０の先端は、第１磁極端部３３の第１側（＋Ｚ）の面３７ｂよりも、第２側（−Ｚ）に位置している。Ｚ軸方向の高さで表現すれば、第１ヨーク＞第２ヨークである。このようにすれば、第１ヨーク≦第２ヨークの場合に比べて、Ｘ軸方向磁束成分のＺ軸方向磁束成分に対する割合又は比率を高くすることが可能になる。このことは、第１実施形態だけでなく、第２実施形態および第３実施形態でも同様のことがいえる。なお、第１磁極端部３３の第１側（＋Ｚ）の面３７ｂと、第２ヨーク４０の先端とを面一にしてもよい。Ｚ軸方向の高さで表現すれば、第１ヨーク＝第２ヨークである。このようにすれば、第１ヨーク＞第２ヨークの場合に比べて、Ｚ軸方向磁束成分のＸ軸方向磁束成分に対する割合又は比率を高くすることが可能になる。このことは、第１実施形態だけでなく、第２実施形態および第３実施形態でも同様のことがいえる。

（１−６）図１〜４に示す実施形態では、各々の第１磁極端部３３の第１側（＋Ｘ）の面３７は、ＸＹ平面に平行な平坦面３７ｂを有するが、これを省略可能である。すなわち、一対のテーパ面３７ａが交差してＸＹ平面に平行な平坦面３７ｂが無くてもよい。例えば、一対のテーパ面３７ａが平坦面である場合には、側面視で三角形状となる。なお、図１〜4に示すようにＸＹ平面に平行な平坦面３７ｂを設ければ、平坦面３７ｂがない場合に比べて、Ｘ軸方向成分の磁場の均一範囲が広くなり、また、他の機器との干渉を避けることが可能となる。

以上のように、第１実施形態の電磁石１は、先端の磁極３３ａがギャップＧｐを挟んでＸ軸方向に沿って離間し、Ｚ軸方向に平行な中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称となる位置に配置されている一対の第１磁極端部３３を有し、ギャップＧｐと共に閉磁路ｍｐ＿Ｘを形成可能な第１ヨーク３０と、第１ヨーク３０に巻き付けられる第１コイル３１と、中心軸ＣＬと同軸の棒状部位４３を有し、棒状部位４３の先端の磁極４３ａがＺ軸方向の第１側（＋Ｚ）を向いており、第１ヨーク３０に磁気的に接続される第２ヨーク４０と、を備え、各々の第１磁極端部３３の先端部の第１側（＋Ｚ）の面３７は、Ｙ軸方向の両側に配置される一対のテーパ面３７ａを有し、一対のテーパ面３７ａはそれぞれ、Ｙ軸方向における中心Ｃ１から外側端３３ｂに向かってＺ軸方向における第１側（＋Ｚ）から第１側（＋Ｚ）とは反対側である第２側（−Ｚ）へ向けて傾斜している。
この構成によれば、一対のテーパ面が、第１コイル３１への通電によって第１磁極端部３３対の磁極間に発生するＹ軸方向成分の漏れ磁場をＺ軸方向成分の磁場に変換するので、第１磁極端部３３の磁極対から発生するＹ軸方向成分を有する漏れ磁場を低減可能となる。

図１〜４に示す第１実施形態のように、各々の第１磁極端部３３は、基端側のＹ軸方向の幅Ｗ１よりも先端のＹ軸方向の幅Ｗ２が広いＴ字状に形成されていることが好ましい。
この構成によれば、先端の幅Ｗ１が広いＴ字状にすることで、中心軸ＣＬ付近のＸ軸方向成分の磁場強度を確保できる。さらに、中心軸ＣＬ付近におけるＸ軸方向成分の磁場の均一性を向上させることが可能となる。

図１〜４に示す第１実施形態のように、第２ヨーク４０に巻き付けられる第２コイル４１を更に備え、第１コイル３１及び第２コイル４１に流す電流を変化させることで、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に平行なＸＺ面上における任意方向の磁場を中心軸ＣＬ上に印加可能に構成されていることが好ましい。
この構成によれば、第２コイル４１に通電することによってＺ軸方向成分の磁場の向き及び強度を制御可能となる。また、Ｘ軸方向成分とＺ軸方向成分とを組み合わせた任意方向の磁場を印加可能になる。

図１〜４に示す第１実施形態のように、第１ヨーク３０に巻き付けられる、第１コイル３１とは異なる第３コイル３２を更に備え、第１方向（＋Ｘ）に向かう磁束ｍｆ１を中心軸ＣＬ上に発生させる電流（Ｘｉ＋）を第１コイル３１に流し、且つ、第１方向（＋Ｘ）とは逆の第２方向（−Ｘ）に向かう磁束を中心軸ＣＬ上に発生させる電流（Ｘｉ−）を第３コイル３２に流すことにより、中心軸ＣＬ上にＺ軸方向成分を有する磁束ｍｆ２を発現可能であることが好ましい。
この構成によれば、逆電流モードによって第１ヨーク３０によってＺ軸方向成分の磁場を発生させることが可能となる。

図１〜４に示す第１実施形態のように、一対の第１磁極端部３３は、基端側から先端に向けて第２側（−Ｚ）から第１側（＋Ｚ）へ延びる棒状に形成されており、電磁石１は、一対の第１磁極端部３３を第２側（−Ｚ）から支持する非磁性体の支持部５を更に備えることが好ましい。
第１磁極端部３３が磁力によって第２側（−Ｚ）に撓むので、支持部５によって第１磁極端部３３の撓み変形を防止可能となる。

［第２実施形態］
以下、本開示の第２実施形態について、図６〜８を用いて説明する。第２実施形態は、第１実施形態と異なり、Ｙ軸方向成分を有する漏れ磁場を低減させる課題に対応する実施形態ではない。第２実施形態の実施形態は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に平行なＸＺ面上における任意方向の磁場を印加可能に構成された電磁石において、Ｚ軸方向の磁場を強める課題に対応する。

＜磁場印加システム＞
図６は、磁場印加システムを構成する電磁石１０１を示す模式的な平面図である。磁場印加システムは、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に平行なＸＺ面上における任意方向の磁場を前記中心軸上に発生させ、印加対象物に印加可能に構成されている。前記任意方向には、Ｙ軸方向は含まれない。磁場印加システムは、図６に示すように、電磁石１０１と、電磁石１０１に電流を供給する電流供給部１０２と、を有する。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は、互いに直交する方向であり、発明の説明を容易にするために用いる。電磁石１０１の向きは使用方法に応じて異なるため、本開示の図面で示す方向に限定されない。

＜電磁石＞
図６及び図７に示すように、電磁石１０１は、Ｘ軸方向成分の磁場を生成するためのＸ軸用電磁石１０３と、Ｚ軸方向成分の磁場を生成するためのＺ軸用電磁石１０４と、を有する。

Ｘ軸用電磁石１０３は、第１ヨーク１３０と、第１ヨーク１３０に巻き付けられる第１コイル１３１及び第３コイル１３２と、を有する。

第１ヨーク１３０は、軟質強磁性体で形成されており、先端の磁極１３３ａがギャップＧｐを挟んでＸ軸方向に沿って離間する一対の第１磁極端部１３３を有し、ギャップＧｐと共に閉磁路ｍｐ＿Ｘを形成可能である。図６に示すように、一対の第１磁極端部１３３は、Ｚ軸方向に平行な中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称となる位置に配置されている。これにより、中心軸ＣＬ上にＸＹ平面に平行な磁束を発生させることができる。本実施形態では、第１ヨーク１３０は側面視でＣ字状であるが、これに限定されない。第１磁極端部１３３は、棒状部位１３４の先端に設けられている。棒状部位１３４は、直線状に延びる形状であるが、長尺状であれば、これに限定されない。例えば、屈曲しつつ延びる形状や、曲線状に延びている形状でもよい。本実施形態において、第１ヨーク１３０は、図７に示すように、第１磁極端部１３３を含む棒状部位１３４と、棒状部位１３４の基端部からＺ軸方向の第２側（−Ｚ）に延びる第１延在部１３５と、第１延在部１３５のＺ軸方向の第２側（−Ｚ）の端部同士を接続する第２延在部１３６と、を有する。この構造により、第１コイル１３１及び第３コイル１３２の少なくとも１つに電流を流せば、第１ヨーク１３０は、ギャップＧｐと共に閉磁路ｍｐ＿Ｘを形成する。また、この構造により、第１磁極端部１３３を含む棒状部位よりもＺ軸方向の第１側（＋Ｚ）にヨーク及びコイルが配置されていない領域Ａｒ２が形成されるので、この領域を磁場印加領域Ａｒ２として利用可能となる。

図６に示すように、第１ヨーク１３０の第１磁極端部１３３対はそれぞれ、基端側から先端に向かって先細りとなる形状に形成されている。Ｘ軸方向成分の磁力を強くするためである。

第１コイル１３１及び第３コイル１３２の少なくとも１つに電流を流すことで、中心軸ＣＬ上の所定領域ＰにＸ軸方向成分のみを有する磁束が生じる。図７に示すように、第１コイル１３１及び第３コイル１３２に電流（Ｘｉ＋）を流すことで、中心軸ＣＬ上に第１方向（＋Ｘ）に向かう磁束ｍｆ１が発生する。逆に、第１コイル１３１及び第３コイル１３２に前記電流（Ｘｉ＋）とは逆の電流を流せば、中心軸ＣＬ上に第１方向（＋Ｘ）とは逆の第２方向（−Ｘ）に向かう磁束が発生する。

Ｚ軸用電磁石１０４は、第２ヨーク１４０と、第２ヨーク１４０に巻き付けられる第２コイル１４１と、を有する。

第２ヨーク１４０は、軟質強磁性体で形成され、第１ヨーク１３０に磁気的に接続されている。第２ヨーク１４０は、中心軸ＣＬと同軸の棒状部位１４３を有する。棒状部位１４３は、先端の磁極１４３ａがＺ軸方向の第１側（Ｚ＋）を向いている。第２コイル１４１に電流を流せば、中心軸ＣＬ上の所定領域ＰにＺ軸方向成分のみを有する磁束が生じる。第２コイル１４１に流す電流の向きを変えることで、中心軸ＣＬ上に発生する磁束の向きを変更可能である。

第１コイル１３１と第２コイル１４１に同時に電流を流すと、Ｘ軸成分とＺ軸成分が合成された方向の磁場を発生させることが可能である。すなわち、第１コイル１３１及び第２コイル１４１に流す電流の向き及び大きさを変化させることで、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に平行なＸＺ面上における任意方向の磁場を中心軸ＣＬ上に印加可能である。

図６に示すように、中心軸ＣＬの径方向における第１磁極端部１３３の磁極間距離をＬ１と示す。中心軸ＣＬを中心として半径Ｒ１がＬ１よりも大きい円領域である第１領域Ａｒ１には、第１ヨーク１３０及び第２ヨーク１４０以外のヨークの磁極対が配置されていない。更に、半径Ｒ１がＬ１×１．５よりも大きいことが好ましい。このように、第１ヨーク１３０及び第２ヨーク１４０以外のヨークの磁極対が第１領域Ａｒ１に配置されていないので、ＸＺ平面上の任意方向の磁場を適切に印加可能となる。

＜Ｚ軸方向磁場の強化構成＞
第２実施形態の電磁石１０１は、Ｚ軸方向の磁場を強くするために、次の構成を採用している。

すなわち、図６〜８に示すように、第２ヨーク１４０に磁気的に接続される第３ヨーク１６０が設けられている。第３ヨーク１６０は、中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称となる位置に配置されている一対の第３磁極端部１６３を有する。第３磁極端部１６３の先端の磁極１６３ａそれぞれが中心軸ＣＬを通るＹ軸方向に沿って離間している。

具体的には、第３ヨーク１６０の基端部が第１ヨーク１３０の第２延在部１３６に接続され、これにより、第３ヨーク１６０は、第１ヨーク１３０の第２延在部１３６を介して第２ヨーク１４０に磁気的に接続されている。第３ヨーク１６０は、基端部からＹ軸方向の外側に延びて、その後、Ｚ軸方向の第１側（＋Ｚ）へ延び、その後、Ｙ軸方向の内側に延びて先端部が磁極を形成している。磁極１６３ａは、中心軸ＣＬを中心とした半径Ｒ２に沿った円弧形状端である。Ｒ２＞Ｒ１である。

第３ヨーク１６０にはコイルが巻かれていない。第３ヨーク１６０は、第２ヨーク１４０から出たＺ軸方向の磁束を第２ヨーク１４０に戻すためのリターンヨークとしての役割を果たすために設けられ、第３ヨーク１６０にコイルを巻くことが不要である。図６に示すように、第３ヨーク１６０の第３磁極端部１６３の先端の磁極１６３ａは第１領域Ａｒ１外に配置されている。このような条件を満たすことで、第３ヨーク１６０がリターンヨークとして機能し、Ｚ軸方向成分の磁場を強化することが可能になる。

第３ヨーク１６０が、Ｘ軸方向の磁場とＺ軸方向の磁場の発生を阻害しないようにするためには、図６及び図８に示すように、第３磁極端部１６３の先端の磁極１６３ａから第１ヨーク１３０までの最短距離Ｍｉ１はＬ１よりも長く、且つ、第３磁極端部１６３の先端の磁極１６３ａから第２ヨーク１４０までの最短距離Ｍｉ２はＬ１よりも長いことが好ましい。

図８に示すように、第２ヨーク１４０の棒状部位１４３の先端１４３ｂは、第３磁極端部１６３の第１側（＋Ｚ）の面１６３ｂよりも第１側（＋Ｚ）に突出している。この構成によれば、第２ヨーク１４０の先端１４３の中心軸ＣＬの径方向外側の領域に第３ヨーク１６０が配置されないので、他の機器との干渉を避けることができ、電磁石の利便性を向上させることが可能となる。

第２実施形態において、第１実施形態で説明した逆電流モードが適用可能である。

＜変形例＞
（１−１）図６〜８に示す実施形態では、第２ヨーク１４０の先端１４３ｂは、第３磁極端部１６３の第１側（＋Ｚ）の面１６３ｂよりも、第１側（＋Ｚ）に突出しているが、これを変更可能である。例えば、下記構成Ａ及び構成Ｂが考えられる。
構成Ａは、第２ヨーク１４０の先端１４３ｂと、第３磁極端部１６３の第１側（＋Ｚ）の面１６３ｂとを面一にした構成である。このようにすれば、Ｚ軸方向磁束成分のＸ軸方向磁束成分に対する割合又は比率を、下記構成Ｂに比べて高くすることが可能となる。
構成Ｂは、第３磁極端部１６３の第１側（＋Ｚ）の面１６３ｂを、第２ヨーク１４０の先端１４３ｂよりも、第１側（＋Ｚ）に突出させた構成である。このようにすれば、Ｘ軸方向磁束成分のＺ軸方向磁束成分に対する割合又は比率を、上記構成Ａに比べて高くすることが可能となる。

（１−２）図６〜８に示す実施形態では、第２コイル１４１を設けているが、逆電流モードによってＺ軸成分の磁場を発生させるのであれば、第２コイル１４１を省略することが可能である。

（１−３）図６〜８に示す実施形態では、第１コイル１３１及び第３コイル１３２の両方を設けている。しかし、第１コイル１３１及び第３コイル１３２のいずれか一方は、逆電流モードを実行しない場合には省略可能である。

［第３実施形態］
以下、本開示の第３実施形態について、図９を用いて説明する。第３実施形態は、第２実施形態から第３ヨーク１６０を除去した構成である。第２実施形態と同じ部材については同じ符号を付して説明を省略する。図９に示すように、電磁石２０１は、中心軸ＣＬを中心として半径Ｒ１がＬ１よりも大きい円領域である第１領域Ａｒ１には、第１ヨーク１３０及び第２ヨーク１４０以外のヨークの磁極対が配置されていない。更に、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に平行であり且つ中心軸ＣＬを通るＹＺ面（図９にてＰｙｚと表記）に重なる位置に、第１ヨーク１３０及び第２ヨーク１４０以外のヨークが配置されていない。更に、半径Ｒ１はＬ１×１．５よりも大きいことが好ましい。

以上のように、第２及び第３実施形態の電磁石１０１，２０１は、先端の磁極１３３ａがギャップＧｐを挟んでＸ軸方向に沿って離間し、Ｚ軸方向に平行な中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称となる位置に配置されている一対の第１磁極端部１３３を有し、ギャップＧｐと共に閉磁路ｍｐ＿Ｘを形成可能な第１ヨーク１３０と、第１ヨーク１３０に巻き付けられる第１コイル１３１と、第１ヨーク１３０に磁気的に接続され、中心軸ＣＬと同軸の棒状部位を有する第２ヨーク１４０と、第２ヨーク１４０に巻き付けられる第２コイル１４１と、を備え、中心軸ＣＬの径方向における第１磁極端部１３３の磁極間距離をＬ１とし、中心軸ＣＬを中心として半径Ｒ１がＬ１よりも大きい円領域である第１領域Ａｒ１には、第１ヨーク１３０及び第２ヨーク１４０以外のヨークの磁極対が配置されていない。
このように、第１ヨーク１３０及び第２ヨーク１４０以外のヨークの磁極対が第１領域Ａｒ１に配置されていないので、ＸＺ平面上の任意方向の磁場を適切に印加可能となる。

第２実施形態のように、第２ヨーク１４０に磁気的に接続される第３ヨーク１６０を更に備え、第３ヨーク１６０は、先端の磁極１６３ａが中心軸ＣＬを通るＹ軸方向に沿って離間し、中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称となる位置に配置されている一対の第３磁極端部１６３を有し、第３ヨーク１６０にはコイルが巻かれておらず、第３磁極端部１６３の先端の磁極１６３ａは第１領域Ａｒ１外に配置されていることが好ましい。
このように、リターンヨークとしての第３ヨーク１６０を設け、上記条件を充足することで、第３ヨーク１６０によって第２ヨーク１４０から発現するＺ軸方向成分の磁場を強化することが可能となる。

第２実施形態のように、第２ヨーク１４０の棒状部位１４３の先端の磁極１４３ａがＺ軸方向の第１側（＋Ｚ）を向いており、第２ヨーク１４０の棒状部位１４３の先端１４３ｂは、第３磁極端部１６３の第１側（＋Ｚ）の面１６３ｂよりも第１側（＋Ｚ）に突出していることが好ましい。
この構成によれば、第２ヨーク１４０の先端１４３の中心軸ＣＬの径方向外側の領域に第３ヨーク１６０が配置されないので、他の機器との干渉を避けることができ、電磁石の利便性を向上させることが可能となる。

第３実施形態のように、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に平行であり且つ中心軸ＣＬを通るＹＺ面（Ｐｙｚ）に重なる位置に、第１ヨーク１３０及び第２ヨーク１４０以外のヨークが配置されていないことが好ましい。
この構成によれば、第１ヨーク１３０及び第２ヨーク１４０のＹ軸方向の両側にヨークが配置されていない領域を得ることができるので、他の機器を配置するといった利便性を向上させた電磁石２０１を提供可能となる。

第２及び第３実施形態のように、第１ヨーク１３０に巻き付けられる、第１コイル１３１とは異なる第３コイル１３２を更に備え、第１方向（＋Ｘ）に向かう磁束ｍｆ１を中心軸ＣＬ上に発生させる電流（Ｘｉ＋）を第１コイル１３１に流し、且つ、第１方向（＋Ｘ）とは逆の第２方向（−Ｘ）に向かう磁束を中心軸ＣＬ上に発生させる電流（Ｘｉ−）を第３コイル１３２に流すことにより、中心軸ＣＬ上にＺ軸方向成分を有する磁束ｍｆ２を発現可能であることが好ましい。
この構成によれば、逆電流モードによって第１ヨーク１３０によってＺ軸方向成分の磁場を発生させることが可能となる。

［第４実施形態］
以下、本開示の第４実施形態の第１例、第２例及び第３例について、図１０〜１２を用いて説明する。第４実施形態の課題は、第１〜３実施形態の課題と異なる。第４実施形態は、Ｚ軸方向磁束成分の他方向磁束成分に対する割合又は比率をコントロールする課題に対応する。

図１０（ａ）に示す第４実施形態の第１例は、図１〜４に示す第１実施形態の第２ヨーク４０の形状を変更したもので、それ以外の変更はない。図１０（ａ）に示すように、第２ヨーク４０’の棒状部位４３’の先端がＺ軸方向の第１側（＋Ｚ）を向いている。第２ヨーク４０’の棒状部位４３’の先端４３ａ’は、第１磁極端部３３の第１側（＋Ｚ）の面３７ｂよりも第１側（＋Ｚ）へ突出している。Ｚ軸方向の高さで表現すれば、第１ヨーク＜第２ヨークである。

図１０（ｂ）に示す第４実施形態の第２例は、図６〜９に示す第２、第３実施形態の第２ヨーク１４０の形状を変更したもので、それ以外の変更はない。図１０（ｂ）に示すように、第２ヨーク１４０’の棒状部位１４３’の先端がＺ軸方向の第１側（＋Ｚ）を向いている。第２ヨーク１４０’の棒状部位１４３’の先端１４３ａ’は、第１磁極端部１３３の第１側（＋Ｚ）の面１３７ｂよりも第１側（＋Ｚ）へ突出している。Ｚ軸方向の高さで表現すれば、第１ヨーク＜第２ヨークである。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示す構成によれば、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に平行なＸＺ面上における任意方向の磁場を印加可能に構成された電磁石において、第１ヨーク≧第２ヨークの場合に比べて、Ｚ軸方向磁束成分のＸ軸方向磁束成分に対する割合又は比率を高くすることが可能になる。

図１１及び図１２に示す第４実施形態の第３例は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の少なくとも１つの方向成分を有する任意方向の磁場を印加可能に構成された電磁石３０１を示す。電磁石３０１は、第１ヨーク３３０と、第２ヨーク３４０と、第３ヨーク３５０と、第１ヨーク３３０に巻き付けられるコイル３３１と、第３ヨーク３５０に巻き付けられるコイル３５１と、を有する。電磁石３０１は、第２ヨーク３４０に巻き付けられるコイルを有していてもよい。第１ヨーク３３０は、先端の磁極３３３ａがギャップＧｐを挟んでＸ軸方向に沿って離間し、Ｚ軸方向に平行な中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称となる位置に配置されている一対の第１磁極端部３３３を有し、ギャップＧｐと共に閉磁路を形成可能である。第２ヨーク３４０は、中心軸ＣＬと同軸の棒状部位３４３を有し、棒状部位３４３の先端がＺ軸方向の第１側（＋Ｚ）を向いており、第１ヨーク３３０に磁気的に接続される。第３ヨーク３５０は、先端の磁極３５３ａがギャップＧｐを挟んでＹ軸方向に沿って離間し、中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称となる位置に配置されている一対の第３磁極端部３５３を有し、ギャップＧｐと共に閉磁路を形成可能である。第２ヨーク３４０の棒状部位３４３の先端３４３ａは、第１ヨーク３０（１３０；３３０）の第１磁極端部３３（１３３；３３３）の第１側（＋Ｚ）の面３７ｂ（１３７ｂ；３３７ｂ）よりも第１側（＋Ｚ）へ突出している。

図１１及び図１２の構成によれば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の少なくとも１つの方向成分を有する任意方向の磁場を印加可能に構成された電磁石において、第１ヨーク≧第２ヨークの場合に比べて、Ｚ軸方向磁束成分のＸ軸方向磁束成分及びＹ軸方向磁束成分に対する割合又は比率を高くすることが可能になる。

以上のように、第４実施形態の電磁石は、先端の磁極がギャップＧｐを挟んでＸ軸方向に沿って離間し、Ｚ軸方向に平行な中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称となる位置に配置されている一対の第１磁極端部３３（１３３；３３３）を有し、ギャップＧｐと共に閉磁路を形成可能な第１ヨーク３０（１３０；３３０）と、第１ヨーク３０（１３０；３３０）に巻き付けられる第１コイルと、中心軸ＣＬと同軸の棒状部位４３’（１４３’；３４３）を有し、棒状部位４３’（１４３’；３４３）の先端がＺ軸方向の第１側（＋Ｚ）を向いており、第１ヨーク３０（１３０；３３０）に磁気的に接続される第２ヨーク４０’（１４０’；３４０）と、を備え、第２ヨーク４０’（１４０’；３４０）の棒状部位４３’（１４３’；３４３）の先端４３ａ’（１４３ａ’；３４３ａ）は、第１ヨーク３０（１３０；３３０）の第１磁極端部３３（１３３；３３３）の第１側（＋Ｚ）の面３７ｂ（１３７ｂ；３３７ｂ）よりも第１側（＋Ｚ）へ突出していることが好ましい。

以上、本開示の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

上記の各実施形態で採用している構造を他の任意の実施形態に採用することは可能である。各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１、１０１、２０１ 電磁石
２ 電流供給部
３０、１３０ 第１ヨーク
３１、１３１ 第１コイル
３２、１３２ 第３コイル
３３、１３３ 第１磁極端部
３７ａ テーパ面
４０、１４０ 第２ヨーク
４１、１４１ 第２コイル
４３、１４３ 第２ヨークの棒状部位
５ 支持部
Ｇｐ ギャップ
ＣＬ 中心軸
＋Ｚ 第１側
−Ｚ 第２側

Claims (12)

1. 先端の磁極がギャップを挟んでＸ軸方向に沿って離間し、Ｚ軸方向に平行な中心軸を中心として互いに軸対称となる位置に配置されている一対の第１磁極端部を有し、前記ギャップと共に閉磁路を形成可能な第１ヨークと、
   前記第１ヨークに巻き付けられる第１コイルと、
   前記中心軸と同軸の棒状部位を有し、前記棒状部位の先端の磁極がＺ軸方向の第１側を向いており、前記第１ヨークに磁気的に接続される第２ヨークと、
   を備え、
   各々の前記第１磁極端部の先端部の前記第１側の面は、Ｙ軸方向の両側に配置される一対のテーパ面を有し、
   前記一対のテーパ面はそれぞれ、Ｙ軸方向における中心から外側端に向かってＺ軸方向における前記第１側から前記第１側とは反対側である第２側へ向けて傾斜している、電磁石。
2. 各々の前記第１磁極端部は、基端側のＹ軸方向の幅よりも先端のＹ軸方向の幅が広いＴ字状に形成されている、請求項１に記載の電磁石。
3. 前記第２ヨークに巻き付けられる第２コイルを更に備え、
   前記第１コイル及び前記第２コイルに流す電流を変化させることで、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に平行なＸＺ面上における任意方向の磁場を前記中心軸上に印加可能に構成されている、請求項１又は２に記載の電磁石。
4. 前記第１ヨークに巻き付けられる、前記第１コイルとは異なる第３コイルを更に備え、
   第１方向に向かう磁束を前記中心軸上に発生させる電流を前記第１コイルに流し、且つ、前記第１方向とは逆の第２方向に向かう磁束を前記中心軸上に発生させる電流を前記第３コイルに流すことにより、前記中心軸上にＺ軸方向成分を有する磁束を発現可能である、請求項１〜３のいずれかに記載の電磁石。
5. 前記一対の第１磁極端部は、基端側から先端に向けて前記第２側から前記第１側へ延びる棒状に形成されており、
   前記電磁石は、前記一対の第１磁極端部を前記第２側から支持する非磁性体の支持部を更に備える、請求項１〜４のいずれかに記載の電磁石。
6. 先端の磁極がギャップを挟んでＸ軸方向に沿って離間し、Ｚ軸方向に平行な中心軸を中心として互いに軸対称となる位置に配置されている一対の第１磁極端部を有し、前記ギャップと共に閉磁路を形成可能な第１ヨークと、
   前記第１ヨークに巻き付けられる第１コイルと、
   前記第１ヨークに磁気的に接続され、前記中心軸と同軸の棒状部位を有する第２ヨークと、
   前記第２ヨークに巻き付けられる第２コイルと、
   を備え、
   前記中心軸の径方向における前記第１磁極端部の磁極間距離をＬ１とし、前記中心軸を中心として半径がＬ１よりも大きい円領域である第１領域には、前記第１ヨーク及び前記第２ヨーク以外のヨークの磁極対が配置されていない、電磁石。
7. 前記第２ヨークに磁気的に接続される第３ヨークを更に備え、
   前記第３ヨークは、先端の磁極が前記中心軸を通るＹ軸方向に沿って離間し、前記中心軸を中心として互いに軸対称となる位置に配置されている一対の第３磁極端部を有し、
   前記第３ヨークにはコイルが巻かれておらず、前記第３磁極端部の先端の磁極は前記第１領域外に配置されている、請求項６に記載の電磁石。
8. Ｙ軸方向及びＺ軸方向に平行であり且つ前記中心軸を通るＹＺ面に重なる位置に、前記第１ヨーク及び前記第２ヨーク以外のヨークが配置されていない、請求項６に記載の電磁石。
9. 前記第１ヨークに巻き付けられる、前記第１コイルとは異なる第３コイルを更に備え、
   第１方向に向かう磁束を前記中心軸上に発生させる電流を前記第１コイルに流し、且つ、前記第１方向とは逆の第２方向に向かう磁束を前記中心軸上に発生させる電流を前記第３コイルに流すことにより、前記中心軸上にＺ軸方向成分を有する磁束を発現可能である、請求項６〜８のいずれかに記載の電磁石。
10. 前記第２ヨークの前記棒状部位の先端がＺ軸方向の第１側を向いており、
    前記第２ヨークの前記棒状部位の先端は、前記第１ヨークの前記第１磁極端部の前記第１側の面と面一である、又は、前記第１ヨークの前記第１磁極端部の前記第１側の面よりも前記第１側へ突出している、請求項１〜９のいずれかに記載の電磁石。
11. 前記第２ヨークの前記棒状部位の先端がＺ軸方向の第１側を向いており、
    前記第２ヨークの前記棒状部位の先端は、前記第１ヨークの前記第１磁極端部の前記第１側の面よりも、Ｚ軸方向における前記第１側とは反対側である第２側に位置している、請求項１〜９のいずれかに記載の電磁石。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の電磁石と、
    前記電磁石の各コイルに電流を供給する電流供給部と、を備える、磁場印加システム。

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