JP4671287B2

JP4671287B2 - 磁気発生装置

Info

Publication number: JP4671287B2
Application number: JP2005370063A
Authority: JP
Inventors: 忠生垣添; 寿光小林; 克紀玉川; 邦利池田; 健一大原
Original assignee: Hoya Corp; National Cancer Center Japan
Current assignee: Hoya Corp; National Cancer Center Japan
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: JP2007173580A

Description

本発明は、物体内部の磁性体に外部から磁気を作用させて、物体内部の磁性体の誘導を行う磁気誘導装置に適した磁界発生装置およびその制御方法に関する。

物体内部の磁性体を備えた器具あるいは装置を磁気的に誘導する技術は、古くは米国で１９６０年代から提案されており（特許文献１）、近年もさまざまな新しい提案（例えば特許文献２、３、４）がなされている。

物体内部の器具あるいは装置を誘導する装置として、磁気を使用する装置は、被誘導物が基本的には磁性体を備えているという簡単な構造で、ワイヤレスで被誘導物を制御でき、被誘導物の方向制御だけでなく被誘導物に駆動力も与えることができるといった点で、他のアクチュエータでは実現が困難な優れた特長がある。

磁気誘導装置に使用される、外部から磁気を作用させる磁界発生装置は、被誘導物を誘導する方法という観点からすると次の２つ以上に分けることができる。ひとつは、固定された磁気発生部、多くの場合、磁気発生部としては１つ以上のコイルを使用した装置で、各磁気発生部で発生する磁気の強さを変化させる装置である。他方は、磁気発生部の位置を変化させることによって被誘導物に作用させる磁界を変化させる装置である。

固定された磁気発生部による磁界発生装置では、可動部がないために安心感が得られる、安全性が高いという利点がある。一方、磁気発生部を可動させる装置は、固定された磁気発生部による装置と比較して、使用する磁気発生部が少なくて済むことや、状況に応じて、被誘導物にできるだけ近づけることが可能なために、省エネルギーや装置の低コスト化や装置の軽量化の期待が高い。

また、磁気発生部の構造という観点からすると、磁気発生部として空芯コイルを使用する場合と、鉄などの磁性体を挿通させたコイルを使用する場合に、大別することができる。空芯コイルを使用した場合には、比較的軽量な装置で磁界が発生できる、均一な磁界が発生できる、コイル電流と発生磁界がほぼ完全な比例関係にあるために磁界の制御が容易である、という利点がある。一方、鉄などの磁性体を挿通させたコイルを使用した場合は、例えば特許文献３にあるように、鉄などの磁性体があるために、磁界の発生効率が著しく高くなるという利点があり、さらにギャップを形成する２つの鉄などの磁性体のギャップとは反対側の磁極を磁性体で連結すると、ギャップ方向とは反対側の磁極面がなくなり、さらに発生磁界の効率を高めることができ、漏れ磁束を著しく低減できるという利点がある。
米国特許第３３５８６７６号公報特開２００１-１７９７００号公報特開２００２-２３３５７５号公報特開２００４-１０５２４７号公報

しかしながら、複数の鉄などの磁性体を挿通させたコイルを備えた磁界発生装置は、ある程度の重量と体積が必要となるために、製造や組み立ておよび搬入や搬出について、常に機械的強度と安定性を保つことが困難であるという問題点があった。また、隣接する磁極間に磁束が集中しやすく、物体に作用させる磁界がそのために低減しやすいという問題があった。さらに、コイル電流と発生磁界が非直線的な特性であり、また磁束が鉄などの磁性体に集中しやすいという性質から、空芯コイルと比較して、発生させる磁界を予測し、それに伴い精密な磁界の制御を行うことが困難であるという問題があった。同様に、コイル電流と発生磁界が非直線的な特性であり、また磁束が鉄などの磁性体に集中しやすいという性質から、被誘導物の位置や方向の検出に、磁気誘導用の磁界を利用することが、空芯コイルと比較して、なおさら困難であるという問題があった。

本発明は、前述した従来困難であった問題を解決する機構を備えた、より安全で高精度に、被誘導物の磁気誘導を行うことが可能な、磁界発生装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明は、磁性体を挿通させた２つのコイルが支柱部の上下に配置され、該支柱部を支持するベース部により単体で自立する磁界発生基本構造体を複数備え、前記磁界発生基本構造体の数をｎ個（ｎは２以上の整数）としたとき、各磁界発生基本構造体が、磁界の被作用領域の中心点に対して、隣接する磁界発生基本構造体が互いに約３６０／ｎ度をなすように配置され、かつ各磁界発生基本構造体は、２つのコイルが、各コイルの中心軸の延長が交わる点を通る水平面に対して対称となるように配置されることを特徴とする。

また、前記磁界発生基本構造体をｎ（ｎは２以上の整数）個備える場合は、各磁界発生基本構造体の上部コイルの中心軸と水平面とのなす角度を約Ｔａｎ^-1（ｓｉｎ１８０°／ｎ）、下部コイルの中心軸と水平面とのなす角度を約−Ｔａｎ^-1（ｓｉｎ１８０°／ｎ）とする。

各磁界発生基本構造体において、磁性体または支柱部を強磁性体で形成してもよい。

前記各コイルに単独で通電したときの磁界分布を、あらかじめ実測したデータを基本として構成されたデータベースとして記憶した記憶手段と、複数のコイルにそれぞれ独立した電流を通電したときに発生する磁界分布を、各コイルに単独で通電したときの電流における磁界分布をベクトル的に加算して近似的に求めるアルゴリズムにより求めて磁界制御する制御手段と、を備える。

他の実施形態では、前記制御手段は、前記コイルに任意電流で単独で通電したときの磁界分布を、基準電流において実測した磁界分布に、磁界を作用させる領域の基準位置において実測した、コイル電流と磁界の大きさの関係における任意電流における磁界の大きさと基準電流における磁界の大きさの比率を積算して求めるアルゴリズムを備える。

あるいは、前記磁界発生装置は空間的に対称的な複数のコイルを備え、対称性のあるうちの一つのコイルに単独で通電したときの単独磁界分布を、実測データを基本として構築されたデータベースとして前記記憶手段に保持し、前記制御手段は、対称性のある他方のコイルに単独で通電したときの磁界分布は前記単独磁界分布を対称性に応じて補正計算により求めるアルゴリズムを備えてもよい。

より実際的には、前記磁界発生基本構造体をｎ（ｎは２以上の整数）個備え、各磁界発生基本構造体の上部コイルの中心軸と水平面とのなす角度が約Ｔａｎ^-1（ｓｉｎ１８０°／ｎ）、下部コイルの中心軸と水平面とのなす角度が約−Ｔａｎ^-1（ｓｉｎ１８０°／ｎ）に設定され、各コイルに単独で通電したときの磁界分布をあらかじめ実測したデータを基本として構成されたデータベースとして保持した記憶手段と、複数のコイルにそれぞれ単独に独立した電流を通電したときに発生する磁界分布を、各コイルに単独で通電した電流における磁界分布を前記データベースから読み出してベクトル的に加算して近似的に求めるアルゴリズムにより磁界制御する制御手段を備える。

または、前記磁界発生基本構造体をｎ（ｎは２以上の整数）個備え、各磁界発生基本構造体の上部コイルの中心軸と水平面とのなす角度が約Ｔａｎ^-1（ｓｉｎ１８０°／ｎ）、下部コイルの中心軸と水平面とのなす角度が約−Ｔａｎ^-1（ｓｉｎ１８０°／ｎ）に設定され、磁界発生基本構造体のコイル中、対称性のあるコイルの一つに単独で通電したときの単独磁界分布を、実測データを基本として構成されたデータベースとして前記記憶手段に保持し、前記制御手段は、対称性のある他方のコイルに単独で通電したときの磁界分布は前記単独磁界分布を対称性に応じて補正計算により求めるアルゴリズムを備える。

あるいは、また、磁界発生基本構造体と磁界発生基本構造体の間に、空間的に非対称な構成となるように、磁性体による連結を一つもしくは複数個備えてもよい。

本発明によれば、複数の固定された鉄などの磁性体を挿通させたコイルを備えた磁界発生装置で、磁界発生装置の組立作業が容易かつ安全に行えるとともに、製造コストを低減する磁界発生装置を提供することができる。また、磁界発生装置の空間対称性が高いことから、発生磁界を予測することが簡単になり、磁気誘導の制御の精度も向上させることができる。

以下、本発明にかかる実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１、図２および図３は、本発明を適用した磁界発生装置を構成するユニットの一つである磁界発生基本構造体の正面図、背面図および平面図である。磁界発生装置は、上下に配置された２つのコイルと、この２つのコイルを連結して支持する支柱部とを備え、かつ単体で自立できる磁界発生基本構造体をｎ個配置して構成される。

図１に詳細を示す磁界発生基本構造体７は、上部に配置された上部コイル１１、上部コイル１１に挿通された磁性体としての磁極７１１およびヨーク７２１と、上部コイル１１の下部に配置された下部コイル１２、下部コイル１２に挿通された磁性体としての磁極７１２およびヨーク７２３と、ヨーク７２１、７２３を連結する、支柱部としてのヨーク７２２と、さらにヨーク７２２が、スペーサベース７２４を介して固定されたベース７２５を備えている。これらの各部材は、互いに、ボルトやナットなどを使用して強固に連結される。

スペーサベース７２４は、下部コイル１２とベース７２５とを離反させて、下部コイル１２がベース７２５と干渉することを避けるために設けられている。また、ベース７２５は、磁界発生基本構造体７が自立するように十分な底面積と形状に形成されている。図示実施例のベース７２５は、ハの字状に開脚した三角形を呈し、磁界発生基本構造体７の重心を通る鉛直線がこの三角形の略中心を通るように設定してある。

なお、ベース７２５の開脚度、形状は、構成する磁界発生装置の態様に応じて設定される。

磁極７１１、磁極７１２、ヨーク７２１およびヨーク７２３は、素材として純鉄あるいは鉄合金などの強磁性体が使用される。

スペーサベース７２４とベース７２５を除いた構造体は、ヨーク７２２の上下方向の中間線について、線対称な構造となっている。ヨーク７２２は、発生させる磁界の効率を高めるためには、素材として純鉄あるいは鉄合金などの強磁性体を使用することが好ましいが、総重量を軽減するためには、アルミニウムやマグネシウムなどの合金を使用してもよい。スペーサベース７２４およびベース７２５は、磁界発生基本構造体の上部コイル１１からの発生磁界と、下部コイル１２からの発生磁界の対称性を良くするためには、非磁性材で形成することが望ましいが、ヨーク７２１やヨーク７２２およびヨーク７２３の断面積が十分に大きければ、純鉄や鉄合金を材料として使用しても発生磁界に与える影響はほとんどないので、純鉄や鉄合金などの磁性材を使用して形成してもよい。

磁界発生基本構造体がｎ個（ただし、ｎは２以上の整数）から構成される装置の場合、磁界の被作用領域の中心点に対して、隣接する磁界発生基本構造体が互いに約３６０／ｎ度をなすように配置することにより、発生磁界の空間対称性を高めることができる。

また、さらに空間対称性を高めるためには、上記中心点から等距離であって、上下、左右に隣接する磁極表面７１１ａ、７１２ａの中心点同士の間隔が均等であることが望ましく、その配置は簡単な幾何学的な計算により求めることができる。この条件を満足する、磁界発生基本構造体の上部コイル１１の中心軸と水平面とのなす角度を約Ｔａｎ^-1 ｛ｓｉｎ（１８０°／ｎ）｝、下部コイル１２の中心軸と水平面とのなす角度を約−Ｔａｎ^-1 ｛ｓｉｎ（１８０°／ｎ）｝としている。より具体的には、図１、図４及び図６に示したように、上部コイル１１と下部コイル１２は、上部コイル１１の中心軸の延長と下部コイル１２の中心軸の延長が中心点で交わり、その中心点を通る水平面に対して中心軸が同一のθ、または４０．９゜を成していて、上記水平面に対して対称となるように配置されている。他の上部コイル１５と下部コイル１６も同様である。

図４および図５に詳細を示す第１の実施形態である８極磁界発生装置８０は、図１乃至図３に示した磁界発生基本構造体７を４個（ｎ＝４）組み合わせることによって構成されている。８極磁界発生装置８０は、第１の磁界発生基本構造体７１から、時計回りに、互いに約９０度の角度をなすように、磁界発生基本構造体７２、磁界発生基本構造体７３、磁界発生基本構造体７４が組み合わされて使用される。各磁界発生基本構造体７１乃至７４の上部、下部コイル１１乃至１８の中心軸と水平面のなす角度は、約３５．３度である。これにより、各磁極７１１乃至７１８の表面の中心点と隣接する下部（あるいは上部）と左右の３つの磁極７１１乃至７１８の表面の中心点との距離が均等になり、磁極７１１乃至７１８に集中しやすい磁束を均等に分散させることができ、８極磁界発生装置８０の中心部に強い磁界を発生させやすくなるとともに、後述するように、発生磁界の予測を容易に行うことができるようになる。

各磁界発生基本構造体７１乃至７４の各ベース７２５は、８極磁界発生装置８０の機械的強度の安定性を増すために、補助ベース７２６で連結することが望ましい。補助ベース７２６は、各磁界発生基本構造体７１乃至７４の上部コイル１１、１３、１５、１７からの発生磁界と、下部コイル１２、１４、１６、１８からの発生磁界の対称性を良くするためには、非磁性材で形成することが望ましいが、ヨーク７２１、ヨーク７２２およびヨーク７２３の断面積が十分に大きければ、純鉄や鉄合金を使用しても発生磁界に与える影響はほとんどないので、純鉄や鉄合金などの磁性材料を使用して形成してもよい。

図６および図７に詳細を示す第２の実施形態である６極磁界発生装置８１は、磁界発生基本構造体７を３個（ｎ＝３）組み合わせることによって構成される。

６極磁界発生装置８１は、第１の磁界発生基本構造体７１から、時計回りに、互いに１２０度の角度をなすように、第２、第３の磁界発生基本構造体７２、７３が配置されている。各磁界発生基本構造体７１乃至７３の上部コイル１１、１３、１５と下部コイル１２、１４、１６の中心軸と水平面のなす角度はそれぞれ、約４０．９度である。これにより、各磁極７１１乃至７１６の表面の中心点と隣接する下部（あるいは上部）と左右の３つの磁極７１１乃至７１６の表面の中心点との距離が均等になり、磁極７１１乃至７１６に集中しやすい磁束を均等に分散させることができ、６極磁界発生装置８１の中心部に強い磁界を発生させやすくなるとともに、後述するように、発生磁界の予測を容易に行うことができるようになる。

被検者５１はベッド５０に仰臥し、６極磁界発生装置８１の中心部に被検者５１の被検部位の中央部が位置するようにベッド５０によって移動される。この６極磁界発生装置８１は、８極磁界発生装置８０よりも磁界発生基本構造体の間隔、すなわち間口が広いので、被検者５１が仰臥したベッド５０の出し入れが容易であり、被検者５１の開放感が高まる。

各磁界発生基本構造体７１乃至７３のベース７２５は、６極磁界発生装置８１の機械的強度の安定性を増すために、補助ベース７２６で連結することが望ましい。補助ベース７２６は、磁界発生基本構造体７１乃至７３の上部コイル１１、１３、１５からの発生磁界と、下部コイル１２、１４、１６からの発生磁界の対称性を良くするためには、非磁性材料で形成することが望ましいが、ヨーク７２１、ヨーク７２２およびヨーク７２３の断面積が十分に大きければ、純鉄や鉄合金を材料として使用しても、発生磁界に与える影響はほとんどないので、純鉄や鉄合金などの磁性材料で形成してもよい。

図８および図９に詳細を示す第３の実施形態である４極磁界発生装置８２は、磁界発生基本構造体７を２個（ｎ＝２）組み合わせることによって構成される。４極磁界発生装置８２は、磁界発生基本構造体７１と対向するように、すなわち、互いに約１８０度の角度をなすように、磁界発生基本構造体７２と組み合わされて使用される。

各磁界発生基本構造体７１、７２のコイル１１乃至１４の中心軸と水平面のなす角度は、約４５．０度である。これにより、各磁極７１１乃至７１４の表面の中心点と隣接する下部（あるいは上部）と右（あるいは左）の２つの磁極７１１乃至７１４の表面の中心点との距離が均等になり、磁極に集中しやすい磁束を均等に分散させることができ、４極磁界発生装置８２の中心部に強い磁界を発生させやすくなるとともに、後述するように、発生磁界の予測を容易に行うことができるようになる。

各磁界発生基本構造体７１、７２のベース７２５は、４極磁界発生装置８２の機械的強度の安定性を増すために、補助ベース７２６で連結することが望ましい。補助ベース７２６は、磁界発生基本構造体７１、７２の上部コイル１１、１３からの発生磁界と、下部コイル１２、１４からの発生磁界の対称性を良くするためには、非磁性材で形成することが望ましいが、ヨーク７２１、ヨーク７２２およびヨーク７２３の断面積が十分に大きければ、純鉄や鉄合金を材料として使用しても発生磁界に与える影響はほとんどないので、純鉄や鉄合金などの磁性材を使用して形成してもよい。

ところで、空芯コイルの場合には、比較的簡単な計算で、発生磁界を予測することができるし、複数の空芯コイルによる合成磁界も、おのおの単独に空芯コイルに電流を通電した場合の磁界をベクトル合成したものと一致するので、容易に予測することができる。

ところが、鉄などの磁性体を挿通させたコイルを使用した、例えば８極磁界発生装置８０、６極磁界発生装置８１または４極磁界発生装置８２の場合には、鉄などの磁性体の磁化率が１よりはるかに大きく、かつそのコイル電流による磁化率の依存性は基本的に非線形であり、さらに鉄などの磁性体の磁化率のコイル依存性は鉄などの磁性体の場所によって異なるために、数値計算によって正確に求めることは困難である。例えば、８個のコイル１１乃至１８を備えかつ、それぞれのコイルに±１００Ａまで通電できる装置で、それぞれのコイル１１乃至１８に電流値を１０Ａ刻みで変えながら通電した場合の、任意の電流値の組み合わせにおける磁界分布を実測しようとすれば、１０Ａ刻みの分解能でさえ、２１の８乗、すなわちおよそ３７８億通りの電流の組合せにおける磁界分布を測定する必要が発生する。

しかしながら、実際に試作した複数の鉄などの磁性体を挿通させたコイルを備えた磁界発生装置による、磁界分布の実測結果では次のことが確認できる。
i）電流−磁界特性をその位置における最大磁界で規格化した特性は、磁界を作用させる領域の座標に対する依存性が小さく、ほぼ一定の特性と近似できる。
ii）複数のコイルにそれぞれ異なる電流を同時に通電したときの発生磁界は、それぞれのコイルに単独にコイル電流を通電したときの発生磁界の合成磁界とよく一致する。

図１０を参照して、i）の事項について、さらに具体的に説明する。図４、図５に示した磁界発生装置において、点Ａと点Ｂについて、上部コイル１１のみにコイル電流を通電したときの通電電流と磁界の大きさの関係を図１０（Ａ）に、上部コイル１５のみにコイル電流を通電したときの通電電流と磁界の大きさの関係を図１０（Ｂ）に示した。これらを、コイル電流１００％のときの発生磁界で規格化した特性として、図１０（Ｃ）にグラフ化して示した。図において、横軸はコイルへの通電電流、縦軸は磁界の大きさを示している。なお、図４、図５から明らかな通り、点Ａは磁界の被作用領域の中心点であり、コイル１１乃至１７の中心軸の延長が交わる点でもあり、点Ｂは点Ａから離反した任意の点である。

これらのグラフから明らかな通り、いずれの場合も通電電流と磁界の大きさはほぼ同じ特性となる。また、このとき、磁界のベクトルの方向は、コイルの通電電流の大きさに依らず、ほぼ一定である。したがって、鉄などの磁性体を挿通させたコイルを使用した磁界発生装置でも、各コイル単独での一定の電流における磁界分布の測定結果を基本として、磁界のベクトル合成の計算を行うことにより、発生磁界の予測を行うことができる。特に、８極磁界発生装置８０、６極磁界発生装置８１および４極磁界発生装置８２の場合のように、空間的な対称性の高いコイルと磁極の磁界発生装置の場合は、殊更に、発生磁界の予測が容易になる。

以下に、８極磁界発生装置８０、６極磁界発生装置８１または４極磁界発生装置８２の場合のように、磁界発生基本構造体７１乃至７４を対称性よくｎ個組み合わせた場合における磁界の予測計算方法を説明する。

ある一つのコイル（例えば上部コイル１１）のみに対して、一定の電流Ｉ₀を通電したときの、磁界の被作用領域の磁界分布の実測結果を、位置を極座標で表現した関数として、Ｈ（ｒ,φ,θ）とあらわすものとする。極座標の原点は、磁界発生装置の（各磁極の対称性の）中心の点とし、φは方位角、θは仰角で水平面となす角度とする。実測結果は座標に対して離散的であるが、測定点間は線形近似して、連続関数として表現したものとする。Ｈ自体も極座標で表現することとし、Ｈの大きさをＨ_abs、単位はＯｅ、Ｈの方位角をＨφ、単位は度、Ｈの仰角をＨθ、単位は度とする。これらも、すべて位置を極座標で表現した関数として、下記式１のようにあらわすものとする。
「式１」
Ｈ_abs（ｒ,φ,θ）
Ｈφ（ｒ,φ,θ）
Ｈθ（ｒ,φ,θ）

通常の電磁気学における磁界の極座標表現では、Ｈ_abs（ｒ,φ,θ）、Ｈφ（ｒ,φ,θ）、Ｈθ（ｒ,φ,θ）の単位はすべて同じＯｅであり、１次独立な３つの方向の磁界成分に分解して表現するものであるが、装置の対称性を考慮した計算を行う際には、次のような定義を用いた表現が便利である。

３軸のガウスメータなどを用いた直交座標における位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における測定された磁界が（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）であったとき、Ｈの大きさＨ_abs、Ｈの方位角Ｈφ、Ｈの仰角Ｈθは下記式２のようにあらわすことができる。
なお、このとき、Ｘ軸の正方向は極座標のφ＝０度の方向、Ｙ軸の正方向は極座標のφ＝９０度の方向、Ｚ軸の正方向は極座標のθ＝０度の方向であるものとする。

「式２」
ｒ＝（Ｘ²＋Ｙ²+Ｚ²）^1/2
φ＝Ｔａｎ^-1（Ｙ／Ｘ）
θ＝Ｔａｎ^-1｛Ｚ／（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2｝
Ｈ_abs（ｒ,φ,θ）＝（Ｈｘ²＋Ｈｙ²+Ｈｚ²）^1/2
Ｈφ（ｒ,φ,θ）＝Ｔａｎ^-1（Ｈｙ／Ｈｘ）
Ｈθ（ｒ,φ,θ）＝Ｔａｎ^-1｛Ｈｚ／（Ｈｘ²＋Ｈｙ²）^1/2｝

ただし、φは、ＸおよびＹが正であるときには０から９０度、Ｘが負およびＹが正であるときには９０度から１８０度、ＸおよびＹが負であるときには１８０度から２７０度、Ｘが正およびＹが負であるときには２７０度から３６０度の範囲の値をとるものとする。また、Ｈφは、Ｈ_XおよびＨ_Yが正であるときには０から９０度、Ｈ_Xが負およびＨ_Yが正であるときには９０度から１８０度、Ｈ_XおよびＨ_Yが負であるときには１８０度から２７０度、Ｈ_Xが正およびＨ_Yが負であるときには２７０度から３６０度の範囲の値をとるものとする。また、θとＨθは、−９０度から９０度の範囲の値をとるものとする。

一方、中心点において、ある一つのコイルのみに通電した場合の電流磁界特性を測定し、これを最大磁界で正規化したものをコイル電流の関数ｇ（Ｉ）とあらわすものとする。この関数ｇ（Ｉ）もまた、コイル電流に対して離散的な実測データを、多項式近似などを用いて、連続関数として表現したものとする。

各コイルによる発生磁界の分布を、便宜的に添え字を用いて表現することにする。磁界分布を実測したコイル（例えば上部コイル１１）に対する磁界や電流を表現するために使用する添え字を１ＵＰとする。磁界分布を実測したコイル１１を備えた磁界発生基本構造体７から、方位角の正方向にある磁界発生基本構造体７に対して順番に、添え字の数字の数を一つずつ加算して表現することとする。また磁界分布を実測したコイル１１と上下同方向にあるコイルの添え字をＵＰ、反対方向のコイル（例えば下部コイル１２）の添え字をＤＯＷＮと表現する。すると各コイルｉＵＰおよびｉＤＯＷＮ（ｉ＝１〜ｎ）が単独で発生する磁界の分布は、簡単な対称性の考察から、下記式３を用いて計算により推測することができる。

「式３」
Ｈ_{iUP abs}（ｒ，φ，θ）＝Ｈ_abs（ｒ，φ＋（ｉ−１）・３６０／ｎ，θ）・ｇ（Ｉ_iUP）／ｇ（Ｉ₀）
Ｈ_iUPφ（ｒ，φ，θ）＝Ｈφ（ｒ，φ＋（ｉ−１）・３６０／ｎ，θ）−（ｉ−１）・３６０／ｎ
Ｈ_iUPθ（ｒ，φ，θ）＝Ｈθ（ｒ，φ＋（ｉ−１）・３６０／ｎ，θ）
Ｈ_{iDOWN abs}（ｒ，φ，θ）＝Ｈ_abs（ｒ，φ＋（ｉ−１）・３６０／ｎ，-θ）・ｇ（Ｉ_{i DOWN}）／ｇ（Ｉ₀）
Ｈ_iDOWNφ（ｒ，φ，θ）＝Ｈφ（ｒ，φ＋（ｉ−１）・３６０／ｎ，-θ）−（ｉ−１）・３６０／ｎ
Ｈ_iDOWNθ（ｒ，φ，θ）＝−Ｈθ（ｒ，φ＋（ｉ−１）・３６０／ｎ，-θ）

各コイルにそれぞれI_1UPからI_{N DOWN}まで、それぞれ同時に通電したときの磁界分布は、各座標において、上記の各磁界を直交座標表現に変換してから、ベクトル合成することにより、近似演算することができる。

図１１に、前記近似演算する演算制御系の実施形態をブロックで示した。この実施形態では、例えば各コイル１１乃至１８を単独で通電したときの磁界分布を実測してその実測データをデータベース化して記憶装置４０に蓄積する。そうして複数のコイル１１乃至１８にそれぞれ独立した電流を通電したときに発生する磁界分布を、各コイル１１乃至１８に単独で通電した電流における磁界分布を前記データベースから読み出して前記演算式によりベクトル的に加算して、近似的に演算する。この演算は、パソコン等により構成される制御回路３０によって実行する。なお制御回路３０は、駆動回路３１乃至３８を介してコイル１１乃至１８の通電制御も実行する。

以上の通り本実施形態によれば、例えば８個のコイル１１乃至１８を備えかつ、それぞれのコイルに±１００Ａまで通電できる装置で、任意の電流値の組み合わせにおける磁界分布を予測するためには、予め、例えばコイル１１のみに単独で５０Ａを通電した時における磁界分布と、例えば各磁極の対称性の中心の点におけるコイル１１のみに単独に通電した時の電流−磁界特性を実測してデータベース化するだけで済むので、発生磁界の予測を簡単に行うことが可能になり、磁気誘導制御の精度を向上させることができる。

また、装置の寸法および組み立て精度あるいは材質の不均一性による誤差を低減するために、あるいは装置の対称性が完全に確保されない場合には、例えば８個のコイル１１乃至１８を備えかつ、それぞれのコイルに±１００Ａまで通電できる装置で、任意の電流値の組み合わせにおける磁界分布を予測するためには、予め、例えばそれぞれのコイル１１乃至１８に電流値を１０Ａ刻みで変えながら通電した場合の、８×２０＝１６０通りの磁界分布を実測してデータベース化することで発生磁界の予測を簡単に行うことが可能になり、磁気誘導制御の精度を向上させることができる。

ところで、磁界発生基本構造体と磁界発生基本構造体の間に補助ベース７２６のような連結部を設けることは、磁界発生装置の構造力学的な安定性を増加させるために重要である。また、磁界発生基本構造体の支柱の断面積が十分に大きければ、この連結部に鉄系などの強磁性体を用いても、磁気的な対称性を損なうおそれはほとんどない。磁界発生基本構造体間の連結は、構造力学的な安定性を考慮した上で、最低限必要な範囲に収めるような構成とすれば、被磁界発生領域にアクセスするためのより自由な空間が確保できるという利点が生じる。

その一方で、磁界発生基本構造体の連結部に強磁性体を使用することで磁界の発生効率に大きく影響する構成の場合には、例えば、被誘導物に作用する重力の影響などを考慮して、上部方向に強い磁界を発生させることが容易な磁界発生装置が必要な場合には、上部方向のみ磁界発生基本構造体の連結部に強磁性体を使用することで、そのような構成を実現することが可能となる。

この構成を実現した実施例を図１２に示した。この実施例は、４極磁界発生装置の変形例である。この４極磁界発生装置８３は、磁界発生基本構造体７１と対向するように、すなわち、互いに１８０度の角度をなすように、磁界発生基本構造体７２と組み合わされて使用される。各磁界発生基本構造体７１、７２の各コイル１１乃至１４の中心軸と水平面のなす角度は、約４５．０度である。これにより、発生磁界の予測を容易に行うことができるようになる。

磁極７１１、磁極７１２、ヨーク７２１およびヨーク７２３は、純鉄あるいは鉄合金などの強磁性体を材料として使用する。また、上部方向に強い磁界を発生させることが容易な構成とするために、ヨーク７２２は、非磁性ステンレスやアルミニウム合金やチタン合金などの非磁性材料を使用し、一方、ヨーク７２１や連結ヨーク７２８は、純鉄あるいは鉄合金などの強磁性体を材料として使用する。

各磁界発生基本構造体７１、７２のベース７２５は、４極磁界発生装置８２の機械的強度の安定性を増すために、補助ベース７２６で連結することが望ましい。補助ベース７２６は、やはり、上部方向に強い磁界を発生させることが容易な構成とするために、非磁性材料を用いる。

発生磁界の予測は、コイル１１を単独で通電したときの磁界分布の実測値と、コイル１２を単独で通電したときの磁界分布の実測値を基本として、４極磁界発生装置８３の空間的な対称性を考慮して、前記近似演算に倣って演算することで、行うことができる。

本発明の磁界発生装置の実施形態における磁界発生基本構造体の実施例の構成を示す正面図である。同磁界発生基本構造体の実施例の背面図である。同磁界発生基本構造体の実施例の平面図である。同磁界発生基本構造体を４個使用した８極磁界発生装置の実施形態を示す正面図である。同８極磁界発生装置の平面図である。同磁界発生基本構造体を３個使用した６極磁界発生装置の実施形態を示す正面図である。同６極磁界発生装置の平面図である。同磁界発生基本構造体を２個使用した４極磁界発生装置の実施形態を示す正面図である。同４極磁界発生装置の平面図である。８極磁界発生装置の電流−磁界特性をグラフで説明する図であって、（Ａ）は１個の上部コイルに通電した場合の特性、（Ｂ）は１個の下部コイルに通電した場合の特性、（Ｃ）は（Ａ）、（Ｂ）を重ねて示した場合の特性を説明する図である。本発明の磁界発生装置の制御系の実施形態の概要をブロックで示す図である。本発明の第２実施形態にかかる磁界発生装置を示す正面図である。

符号の説明

７磁界発生基本構造体
１１１３１５１７上部コイル
１２１４１６１８下部コイル
７１７２７３７４磁界発生基本構造体
７１１磁極
７１１ａ磁極表面
７１２磁極
７１２ａ磁極表面
７２１ヨーク
７２２ヨーク（支柱部）
７２３ヨーク
７２４スペーサベース
７２５ベース
７２６補助ベース
８０８極磁界発生装置
８１６極磁界発生装置
８２４極磁界発生装置
８３４極磁界発生装置

Claims

磁性体を挿通させた２つのコイルが支柱部の上下に配置され、該支柱部を支持するベース部により単体で自立する磁界発生基本構造体を複数備え、
前記磁界発生基本構造体の数をｎ個（ｎは２以上の整数）としたとき、各磁界発生基本構造体が、磁界の被作用領域の中心点に対して、隣接する磁界発生基本構造体が互いに約３６０／ｎ度をなすように配置され、かつ各磁界発生基本構造体は、２つのコイルが、各コイルの中心軸の延長が交わる点を通る水平面に対して対称となるように配置されることを特徴とする磁界発生装置。
前記各磁界発生基本構造体は、上部コイルの中心軸と水平面とのなす角度が約Ｔａｎ^-1 ｛ｓｉｎ（１８０°／ｎ）｝、下部コイルの中心軸と水平面とのなす角度が約−Ｔａｎ^-1 ｛ｓｉｎ（１８０°／ｎ）｝に設定されている請求項１記載の磁界発生装置。
請求項１または２に記載の磁界発生装置において、前記隣り合う磁界発生基本構造体のベースが補助ベースで連結されることを特徴とする磁界発生装置。
前記磁性体または支柱部が強磁性体で形成されている請求項１乃至３のいずれか一項記載の磁界発生装置。
前記各コイルに単独で通電したときの磁界分布をあらかじめ実測したデータを基本としたデータベースを構築して記憶した記憶手段と、複数のコイルにそれぞれ独立した電流を通電したときに発生する磁界分布を、前記各コイルに単独で通電したときの電流における磁界分布をベクトル的に加算して近似的に求めるアルゴリズムにより求めて磁界制御する制御手段と、を備えた請求項１乃至４のいずれか記載の磁界発生装置。
前記制御手段は、前記コイルに任意電流で単独で通電したときの磁界分布を、基準電流において実測した磁界分布に、磁界を作用させる領域の基準位置において実測した、コイル電流と磁界の大きさの関係における任意電流における磁界の大きさと基準電流における磁界の大きさの比率を積算して求めるアルゴリズムを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の磁界発生装置。
前記磁界発生装置は空間的に対称的な複数のコイルを備え、対称性のあるうちの一つのコイルに単独で通電したときの単独磁界分布をあらかじめ実測し、そのデータを基本としたデータベースを構築して前記記憶手段に保持し、前記制御手段は、対称性のある他方のコイルに単独で通電したときの磁界分布を前記単独磁界分布の対称性に応じて補正計算により求めるアルゴリズムを備えることを特徴とする請求項５記載の磁界発生装置。
前記各磁界発生基本構造体の上部コイルの中心軸と水平面とのなす角度が約Ｔａｎ^-1 ｛ｓｉｎ（１８０°／ｎ）｝、下部コイルの中心軸と水平面とのなす角度が約−Ｔａｎ^-1 ｛ｓｉｎ（１８０°／ｎ）｝に設定され、各コイルに単独で通電したときの磁界分布をあらかじめ実測したデータを基本として構築されたデータベースとして保持した記憶手段と、複数のコイルにそれぞれ独立した電流を通電したときに発生する磁界分布を、各コイルに単独で通電した電流における磁界分布を前記データベースから読み出してベクトル的に加算して近似的に求めるアルゴリズムにより磁界制御する制御手段を備えた請求項５記載の磁界発生装置。
前記各磁界発生基本構造体の上部コイルの中心軸と水平面とのなす角度が約Ｔａｎ^-1 ｛ｓｉｎ（１８０°／ｎ）｝、下部コイルの中心軸と水平面とのなす角度が約−Ｔａｎ^-1 ｛ｓｉｎ（１８０°／ｎ）｝に設定され、磁界発生基本構造体のコイル中、対称性のあるコイルの一つに単独で通電したときの単独磁界分布を、実測データを基本として構築されたデータベースとして前記記憶手段に保持し、前記制御手段は、対称性のある他方のコイルに単独で通電したときの磁界分布を前記単独磁界分布を対称性に応じて補正計算により求めるアルゴリズムを備えることを特徴とする請求項５記載の磁界発生装置。