JP2021136453A - Electromagnet and magnetic field application system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、電磁石、磁場印加システムに関する。 The present disclosure relates to an electromagnet and a magnetic field application system.
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。 Processing equipment using electromagnets such as magnetic resistance measuring equipment, vibration sample magnetic field meter, electromagnets for various magnetic property measuring equipment such as MRAM / evaluation equipment, heat treatment equipment in magnetic field, magnetizing demagnetization processing equipment, saturated magnetic strain measuring equipment, etc. From the magnetic application industry to the semiconductor industry, as well as the medical and biotechnology fields, technologies that use magnetic fields have been put to practical use in many fields.
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。 In the above fields, a magnetic field is applied in a desired direction to measure the characteristics of the object to be measured in a magnetic field, or the object to be processed is placed in a desired magnetic field and heat-treated to perform heat treatment or the like. In order to change the magnetic characteristics, a magnetic field is also applied in a desired direction by controlling a current or rotating the electromagnet using an electromagnet.
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。
For example,
X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の3軸方向ではなく、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な電磁石が求められる。 An electromagnet capable of applying a magnetic field in an arbitrary direction on an XZ plane parallel to the X-axis direction and the Z-axis direction is required instead of the three-axis directions of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.
本開示は、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な電磁石及び磁場印加システムを提供する。 The present disclosure provides an electromagnet and a magnetic field application system capable of applying a magnetic field in an arbitrary direction on an XZ plane parallel to the X-axis direction and the Z-axis direction.
本開示の電磁石は、一対の棒状部位と、前記一対の棒状部位の先端に設けられる一対の第1磁極端部とを有し、前記一対の磁極端部は、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おり、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、前記中心軸を中心として半径R1の円領域である第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おらず、前記半径R1は、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L1よりも大きい。 The electromagnet of the present disclosure has a pair of rod-shaped portions and a pair of first magnetic pole end portions provided at the tips of the pair of rod-shaped portions. A first yoke that is separated along the X-axis direction and is arranged at a position that is axially symmetric with each other about a central axis parallel to the Z-axis direction and can form a closed magnetic path together with the gap, and the first yoke. A first coil wound around the first yoke, a second yoke magnetically connected to the first yoke and having a rod-shaped portion coaxial with the central axis, and a second coil wound around the second yoke are provided. The magnetic pole pairs of the yokes other than the first yoke and the second yoke are not arranged in the first region which is a circular region having a radius R1 about the central axis, and the radius R1 is the diameter of the central axis. It is larger than the distance L1 between the magnetic poles of the first magnetic pole end in the direction.
[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。
[First Embodiment]
Hereinafter, the first embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
<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。
<Magnetic field application system>
FIG. 1 is a schematic plan view showing an
<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。
<Electromagnet>
As shown in FIGS. 1 and 2, the
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。
The
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。
The
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。
By passing a current through at least one of the
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。
As shown in FIG. 2, the pair of first magnetic
Therefore, a
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。
The Z-axis electromagnet 4 has a
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。
The
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。
When a current is passed through at least one of the
<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。
<Reduction configuration of Y-axis direction component>
As illustrated in FIG. 5, a leakage magnetic field having a Y-axis direction component is generated in a region Ar100 away from the central axis CL, but in order to reduce the leakage magnetic field (magnetic flux) having a Y-axis direction component, this embodiment Then, the following structure is adopted.
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。
That is, as shown in FIGS. 1 to 3, the
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。
In the embodiment shown in FIGS. 1 and 3, each of the first magnetic
<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。
<Reverse current mode>
As shown in FIG. 4, if the current supply unit 2 executes the current supply in the reverse current mode, the magnetic flux mf2 along the Z-axis direction can be generated on the central axis CL only by the
<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。
<Modification example>
(1-1) In the embodiment shown in FIG. 1, the T-shape has a tip width W2 wider than the base end side width W1 of the first
(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。
(1-2) In the embodiment shown in FIGS. 1 to 3, the
(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。
(1-3) In the embodiment shown in FIGS. 1 to 4, both the
(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。
(1-4) In the embodiment shown in FIG. 2, a
(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。
(1-5) In the embodiment shown in FIGS. 1 to 4, the tip of the
(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。
(1-6) In the embodiment shown in FIGS. 1 to 4, the
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。
As described above, in the
According to this configuration, the pair of tapered surfaces converts the leakage magnetic field of the Y-axis direction component generated between the 33 pairs of magnetic poles of the first magnetic pole end portions into the magnetic field of the Z-axis direction component by energizing the
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。
As in the first embodiment shown in FIGS. It is preferably formed.
According to this configuration, the magnetic field strength of the component in the X-axis direction near the central axis CL can be secured by forming a T-shape having a wide tip width W1. Further, it is possible to improve the uniformity of the magnetic field of the component in the X-axis direction in the vicinity of the central axis CL.
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。
As in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4, a
According to this configuration, the direction and strength of the magnetic field of the Z-axis direction component can be controlled by energizing the
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。
As in the first embodiment shown in FIGS. A current (Xi +) generated on the CL is passed through the
According to this configuration, the magnetic field of the Z-axis direction component can be generated by the
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。
As in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4, the pair of first magnetic
Since the first magnetic
[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。
[Second Embodiment]
Hereinafter, the second embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 6 to 8. Unlike the first embodiment, the second embodiment is not an embodiment corresponding to the problem of reducing the leakage magnetic field having a Y-axis direction component. The second embodiment corresponds to the problem of strengthening the magnetic field in the Z-axis direction in an electromagnet configured to be able to apply a magnetic field in an arbitrary direction on an XZ plane parallel to the X-axis direction and the Z-axis direction.
<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。
<Magnetic field application system>
FIG. 6 is a schematic plan view showing an
<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。
<Electromagnet>
As shown in FIGS. 6 and 7, the
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。
The
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。
The
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。
As shown in FIG. 6, each of the 133 pairs of the first magnetic pole ends of the
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。
By passing a current through at least one of the
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。
The Z-
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。
The
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。
When a current is passed through the
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。
As shown in FIG. 6, the distance between the magnetic poles of the first magnetic
<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。
<Strengthening configuration of Z-axis magnetic field>
The
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。
That is, as shown in FIGS. 6 to 8, a
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。
Specifically, the base end portion of the
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。
No coil is wound around the
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。
In order to prevent the
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。
As shown in FIG. 8, the
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。 In the second embodiment, the reverse current mode described in the first embodiment can be applied.
<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。
<Modification example>
(1-1) In the embodiment shown in FIGS. 6 to 8, the
The configuration A is a configuration in which the
In the configuration B, the
(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。
(1-2) In the embodiment shown in FIGS. 6 to 8, the
(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。
(1-3) In the embodiment shown in FIGS. 6 to 8, both the
[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。
[Third Embodiment]
Hereinafter, the third embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. The third embodiment is a configuration in which the
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。
As described above, in the
As described above, since the magnetic pole pairs of the yokes other than the
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。
As in the second embodiment, a
By providing the
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。
As in the second embodiment, the
According to this configuration, since the
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。
As in the third embodiment, yokes other than the
According to this configuration, it is possible to obtain a region in which the yokes are not arranged on both sides of the
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。
As in the second and third embodiments, a
According to this configuration, the magnetic field of the Z-axis direction component can be generated by the
[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。
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, the first example, the second example, and the third example of the fourth embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 10 to 12. The tasks of the fourth embodiment are different from the tasks of the first to third embodiments. The fourth embodiment corresponds to the task of controlling the ratio or ratio of the Z-axis direction magnetic flux component to the other direction magnetic flux component.
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。
In the first example of the fourth embodiment shown in FIG. 10A, the shape of the
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。
The second example of the fourth embodiment shown in FIG. 10B is a modification of the shape of the
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。 According to the configurations shown in FIGS. 10A and 10B, in the electromagnet configured to be able to apply a magnetic flux in an arbitrary direction on the XZ plane parallel to the X-axis direction and the Z-axis direction, the first yoke ≧ Compared with the case of the second yoke, the ratio or ratio of the Z-axis direction magnetic flux component to the X-axis direction magnetic flux component can be increased.
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。
The third example of the fourth embodiment shown in FIGS. 11 and 12 is an
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。 According to the configurations of FIGS. 11 and 12, in an electromagnet configured to be able to apply a magnetic field in an arbitrary direction having at least one directional component in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction, the first yoke ≥ the second Compared with the case of the yoke, it is possible to increase the ratio or ratio of the Z-axis direction magnetic flux component to the X-axis direction magnetic flux component and the Y-axis direction magnetic flux component.
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。
As described above, the electromagnets of the fourth embodiment are positioned so that the magnetic poles at the tips thereof are separated along the X-axis direction with the gap Gp in between and are axially symmetrical with each other about the central axis CL parallel to the Z-axis direction. A first yoke 30 (130; 330) and a first yoke 30 (130; 330) having a pair of arranged first magnetic pole end portions 33 (133; 333) and capable of forming a closed magnetic path together with a gap Gp. It has a first coil wound around and a rod-shaped portion 43'(143'; 343) coaxial with the central axis CL, and the tip of the rod-shaped portion 43'(143'; 343) is the first side (+ Z) in the Z-axis direction. A second yoke 40'(140'; 340) magnetically connected to the first yoke 30 (130; 330), and the second yoke 40'(140'; 340). The
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。 Although the embodiments of the present disclosure have been described above with reference to the drawings, it should be considered that the specific configuration is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is shown not only by the description of the above-described embodiment but also by the scope of claims, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
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。 It is possible to adopt the structure adopted in each of the above embodiments in any other embodiment. The specific configuration of each part is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
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
1, 101, 201 Electromagnet 2
Claims (8)
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、
前記中心軸を中心として半径R1の円領域である第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おらず、前記半径R1は、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L1よりも大きい、電磁石。 It has a pair of rod-shaped portions and a pair of first magnetic pole end portions provided at the tips of the pair of rod-shaped portions. A first yoke that is separated and is arranged at a position that is axisymmetric with each other about a central axis parallel to the Z-axis direction and can form a closed magnetic path together with the gap.
The first coil wound around the first yoke and
A second yoke that is magnetically connected to the first yoke and has a rod-shaped portion coaxial with the central axis.
The second coil wound around the second yoke and
With
The magnetic pole pairs of the yokes other than the first yoke and the second yoke are not arranged in the first region which is a circular region having a radius R1 about the central axis, and the radius R1 is the central axis. An electromagnet that is larger than the distance L1 between the magnetic poles of the first magnetic pole end in the radial direction.
前記第1ヨークの前記棒状部位の前記中心軸の径方向内側にある先端は、前記中心軸の径方向外側の基端部よりも前記第1側に向かって延びている、請求項1に記載の電磁石。 The tip of the rod-shaped portion of the second yoke faces the first side in the Z-axis direction.
The first aspect of the first yoke, wherein the tip of the rod-shaped portion on the inner side of the central axis in the radial direction extends toward the first side from the base end portion on the outer side in the radial direction of the central axis. Electromagnet.
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1又は2に記載の電磁石。 A third yoke that is magnetically connected to the second yoke is further provided.
The third yoke has a pair of third magnetic pole ends arranged at positions where the magnetic poles at the tip are separated along the Y-axis direction passing through the central axis and are axially symmetric with each other about the central axis. death,
The electromagnet according to claim 1 or 2, wherein a coil is not wound around the third yoke, and the magnetic pole at the tip of the third magnetic pole end is arranged outside the first region.
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1〜4のいずれかに記載の電磁石。 A third coil different from the first coil, which is wound around the first yoke, is further provided.
A current that causes a magnetic flux in the first direction to be generated on the central axis is passed through the first coil, and a current that generates a magnetic flux in the second direction opposite to the first direction is generated on the central axis. The electromagnet according to any one of claims 1 to 4, wherein a magnetic flux having a Z-axis direction component can be generated on the central axis by flowing the electric current through the third coil.
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1〜5のいずれかに記載の電磁石。 The tip of the rod-shaped portion of the second yoke faces the first side in the Z-axis direction.
The tip of the rod-shaped portion of the second yoke is flush with the surface of the first magnetic pole end of the first yoke on the first side, or the tip of the first magnetic pole end of the first yoke. The electromagnet according to any one of claims 1 to 5, which protrudes toward the first side from the surface on the first side.
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1〜5のいずれかに記載の電磁石。 The tip of the rod-shaped portion of the second yoke faces the first side in the Z-axis direction.
The tip of the rod-shaped portion of the second yoke is a second side opposite to the first side in the Z-axis direction with respect to the surface of the first magnetic pole end portion of the first yoke on the first side. The electromagnet according to any one of claims 1 to 5, which is located in.
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。 The electromagnet according to any one of claims 1 to 7 and
A magnetic field application system including a current supply unit that supplies a current to each coil of the electromagnet.
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