JP5531698B2

JP5531698B2 - 磁場発生装置

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Publication number: JP5531698B2
Application number: JP2010064672A
Authority: JP
Inventors: 昭洋木本
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: JP2010245520A

Description

本発明は、設定された磁場領域において、磁場を均一にし、垂直方向の直線性に優れた磁場を提供する磁場発生装置に関するものである。

永久磁石を用いた磁気回路において、特定の方向において均一な磁場が要求されると共に磁場の直線性が要求される技術分野として、下記の特許文献１，２が挙げられる。

特許文献１は、ジャイロトロンに関するものであり、磁化方向が径方向の筒状永久磁石を、該永久磁石の軸方向に複数配置し、内部に軸方向の磁場を発生させようとするものである。

特許文献２は、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）に関するものであり、互いに対向する第１の投光性基板と第２の基板と、電子放出源を有する撮像素子に関するものであり、第１の基板と第２の基板間で、それぞれに直交する方向の磁界を形成する磁石を備えている。

特開平８−６４１４２号公報特開２００５−３２２５８１号公報

上記の技術分野においては、特定の方向において均一な磁場が要求されると共に磁場の直線性が要求されるが、より高品質を追及するためには上記の磁石の配置構成では、まだ不十分な点がある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、設定された磁場領域において、磁場を均一にし、特に、垂直方向の直線性に優れた磁場を実現する磁場発生装置を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る磁場発生装置は、設定された磁場領域を垂直方向から挟むように配置される第１永久磁石と、及び、第２永久磁石と、
互いに向かい合う前記第１永久磁石の磁極面と、前記第２永久磁石の磁極面に夫々配置される、第１ポールピース、及び、第２ポールピースと、を備え、
前記第１永久磁石と第２永久磁石の磁化方向は共に垂直方向で、かつ、互いに逆方向になるように設定され、
前記第１永久磁石と第２永久磁石のうち、少なくとも一方の側に、前記設定された磁場領域に対向する貫通孔が形成されることを特徴とするものである。

かかる構成による磁場発生装置の作用・効果を説明する。設定された磁場領域において、この磁場発生装置は、磁場を均一にし、特に、垂直方向の直線性が要求された品質を満たすようにするものである。なお、「水平方向」と「垂直方向」という用語は、相対的な方向関係を説明するために、便宜上使用されるものである。したがって、実際に磁場発生装置が載置されるときの方向と必ずしも一致するものではない。

上記磁場領域を挟むように第１永久磁石と第２永久磁石が配置される。各永久磁石は磁極面を有しており、互いに向かい合う磁極面には、ポールピースが配置される。すなわち、第１永久磁石の磁極面には第１ポールピースが配置され、第２永久磁石の磁極面には第２ポールピースが配置される。また、第１永久磁石と第２永久磁石の磁化方向は垂直方向であるが、互いに逆方向である。また、第１永久磁石と第２永久磁石のうち、少なくとも一方の側には、設定された磁場領域に対向するように貫通孔が形成されている。例えば、第２永久磁石のみに貫通孔が形成される。あるいは、第１永久磁石と第２永久磁石の両方に貫通孔が形成される。

例えば、第２永久磁石のみに貫通孔を形成した場合、第１永久磁石の磁極面からの磁力線は、設定された磁場領域を通り、貫通孔をそのまま通過する。この場合、仮に第２永久磁石がなければ、磁場の均一性や直線性が要求されるレベルに到達しない。磁化方向が逆方向である第２永久磁石を配置することで、磁力線の向きが矯正され、所望の磁場の均一性や直線性を達成することができ、後述するようにシミュレーションにより、その効果を確認することができた。以上の通り、本発明の構成によれば、設定された磁場領域において、水平方向における磁場を均一にし、垂直方向の直線性に優れた磁場を実現することができる。

本発明において、前記第２永久磁石の方にのみ前記貫通孔が形成され、かつ、第２永久磁石の垂直方向の厚みが、第１永久磁石の垂直方向の厚みよりも薄くなるように設定されることが好ましい。

このような厚み関係に設定することで、第１永久磁石による磁場の強さを、第２永久磁石の磁場により適切に調整できるようになる。

本発明において、前記第１永久磁石と第２永久磁石の前記ポールピースが配置される側とは反対側の磁極面に夫々第１フレームと第２フレームが配置され、第１フレームを磁性体で形成し、第２フレームを非磁性体で形成することが好ましい。

この構成によると、貫通孔が形成された第２永久磁石の方に配置される第２フレームは非磁性体である。磁性体で形成する場合に比べて、非磁性体にした方が磁場の均一性や直線性の面においてすぐれた結果を得ることができる。

本発明において、前記第１ポールピースと第２ポールピースの間に、貫通孔が形成された第３永久磁石が配置されることが好ましい。

この構成によると、設定された磁場領域での磁場強度を高めることができる。

第１実施形態に係る磁場発生装置の断面図第１実施形態に係る磁場発生装置の斜視図第１実施例に係る磁場発生装置の構成及びシミュレーション結果比較例に係る磁場発生装置の構成及びシミュレーション結果第２実施形態に係る磁場発生装置の断面図第２実施形態に係る磁場発生装置の斜視図第２実施例に係る磁場発生装置の構成及びシミュレーション結果

本発明に係る磁場発生装置の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る磁場発生装置１００の断面図、図２は斜視図を示す。

＜第１実施形態の構成＞
図１において、水平方向と垂直方向を矢印で示しているが、これは相対的な方向関係を説明するために、便宜上使用されるものである。図面の下側に第１永久磁石１が配置され、上側に第２永久磁石２が配置される。磁場の均一性や直線性が要求される磁場領域Ｆを上下方向から挟むように第１永久磁石１と第２永久磁石２が配置される。第１・第２永久磁石１，２はプレート状に形成されている。図２に示すように、第１永久磁石１、第２永久磁石２は円盤形状に形成されているが、形状については使用される装置・機器に応じて多角柱、立方体、直方体などの形状にすることもできる。第１永久磁石１は上下に一対の磁極面１ａ，１ｂを有している。磁化方向は垂直方向である。

第２永久磁石２は真ん中に貫通孔Ａが形成されており、円盤形状のプレートである。磁化方向は垂直方向である。第２永久磁石２の厚みは、第１永久磁石１の厚みよりも薄くなるように設定されている。第２永久磁石２も上下に一対の磁極面２ａ，２ｂを有している。第１永久磁石１の磁極面１ａと、第２永久磁石２の磁極面２ｂが磁場領域Ｆを挟んで向かい合うように配置される。なお、上記の第１・第２永久磁石１，２の厚み関係については、均一磁場発生装置が使用される装置や仕様等に応じて決まるものであり、厚みは等しくなることもあり、逆になることもある。

第１永久磁石１の磁極面１ａには、第１ポールピース１０が配置されている。反対側の磁極面１ｂには、第１フレーム１１が配置されている。第２永久磁石２の磁極面２ｂには、第２ポールピース２０が配置されている。反対側の磁極面２ａには、第２フレーム２１が配置されている。第２ポールピース２０や第２フレーム２１にも第２永久磁石２と同じ大きさの貫通孔Ａが形成されている。

第１永久磁石１の磁化方向と、第２永久磁石２の磁化方向は、図１に大きな矢印で示すように逆方向である。図例では、Ｎ極とＮ極が対向しているが、Ｓ極とＳ極が対向するように配置してもよい。

磁場領域Ｆに対向するように貫通孔Ａが形成されており、垂直方向視において、磁場領域Ｆの大きさよりも貫通孔Ａの大きさの方が大きくなるように設定されている。

第１フレーム１１と第２フレーム２１とは、不図示のフレーム等により連結されるものであり、図１においては、便宜上省略している。

第１・第２永久磁石１，２の材質については、永久磁石として使用できるものであれば、特に限定されない。ポールピース１０，１１については、磁性体であればよいが、特に強磁性体（パーメンジュール、ＳＳ４００等）が好ましい。磁場領域を挟み込むようにポールピース１０，１１を設置することで、ポールピース１０，１１内に発生する磁化が磁場領域内の磁場の広がりを抑制するように働くので磁場の均一度および直進性が向上する。第１フレーム１１については、磁性体であればよく、特に強磁性体が好ましい。第２フレーム２１については、非磁性の金属（例えば、ＳＵＳ３０４，アルミニウム）が好ましい。第２フレーム２１を磁性体にすると、第２フレーム内周側近傍の磁場が強くなりすぎ、均一性を確保できる磁場領域の大きさが狭くなるためである。また、第２フレーム２１を磁性体にすると、発生する磁化の向きがポールピース１０，１１内と逆になり磁場領域内の磁場の直線性を悪化させる。また、第１フレーム１１と第２フレーム２１を連結する不図示のフレームは、非磁性体であることが好ましい。非磁性体とすることで、均一な磁場領域への影響がなくなるからである。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る磁場発生装置１０１の構成を説明する。図５は、第２実施形態に係る磁場発生装置１０１の断面図、図６は斜視図を示す。この実施形態では、磁場領域Ｆでの磁場強度を高めるために第３永久磁石３をさらに備えている。

第１実施形態と異なる点を中心に説明する。第１実施形態と同じ機能をする部材については、同じ図番を付している。第１永久磁石１側の第１ポールピース１０と、第２永久磁石２側の第２ポールピース２０の間に第３永久磁石が配置されている。

第３永久磁石３は、真ん中に貫通孔が形成されており、磁化方向は垂直であり、かつ、向きは第２永久磁石２と同じである。第３永久磁石３の厚みは第１永久磁石１よりも小さく、かつ、第２永久磁石２よりも大きくなるように設定されている。真ん中に形成した貫通孔の径が小さいほど、磁場領域Ｆの磁場強度は高まるが、貫通孔を小さくしすぎると磁場領域Ｆでの均一な磁場に影響が出る。そこで、均一な磁場を保ちつつ磁場強度を高めるため、第３永久磁石３の貫通孔の内径は、第２永久磁石２の貫通孔Ａの内径の２倍程度とすることが好ましい。

ここで、図５、図６に示す第３永久磁石３は１つのリング状の永久磁石となっているが、１つに限らず、複数の永久磁石部分を組み合わせて、リング状の永久磁石を構成してもよい。

次に、図１、図２に示す磁場発生装置１００について、磁場領域における磁場の強さをシミュレーションにより計算したものを図３に示す。図においてＸは水平方向、Ｚは垂直方向を示す。Ｙは図示されていないが、ＸＺに対して垂直に設定されており、ＸＹＺの原点は貫通孔Ａ（円形）の中心に設定されている。

シミュレーションに際して使用した、磁場発生装置１００（実施例１）の各部の材質について説明する。図３（ａ）において、第１永久磁石１及び第２永久磁石２は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石（日立金属社製：商品名ＮＭＸ−３３ＵＨ）を使用した。第１・第２ポールピース１０，２０は、ＳＳ４００を使用した。第１フレーム１１は、ＳＳ４００を使用した。第２フレーム２１は、ＳＵＳ３０４（計算では空気扱い）を使用した。

次に、各部の寸法について説明する。外径はすべてφ１００ｍｍである。第１永久磁石１の厚みと、第１ポールピース１０の厚みとの比はおよそ１：１であり、第１フレーム１１の厚みは５ｍｍであり、第１永久磁石１側の合計厚みは２０ｍｍである。第２永久磁石２の厚みと、第２ポールピース２０の厚みとの比はおよそ１：４であり、第２フレーム２１の厚みは５ｍｍであり、第２永久磁石２側の合計厚みは１０ｍｍである。第１ポールピース１０と第２ポールピース２０の間隔は１５ｍｍである。貫通孔Ａの内径はφ４０ｍｍである。

設定されている磁場領域はφ３５ｍｍ×６ｍｍである。したがって、ＸＺ平面での大きさは３５ｍｍ×６ｍｍである。貫通孔Ａの中心を通る垂直方向の直線に対して軸対称的に設定されている。

図３（ｂ）は磁場強度を示す等高線である。この等高線は、Ｙ＝０におけるＸＺ平面内における磁場強度を示している。ＸＺ軸の単位はｍである。磁場強度の単位はＴである。シミュレーションの結果、磁場領域における磁場強度は０．１４Ｔでほぼ均一性が得られた。均一度は０．７％であった。また、磁場の直線性は０．８（ｄｅｇ）であった。したがって、磁場領域内において、水平方向における磁場を均一にし、垂直方向の直線性に優れた磁場を実現できていることが確認された。

なお、均一度については、最大磁場強度をＢ_max、最小磁場強度をＢ_minとした場合、次の式により定義されるものである。

均一度＝（Ｂ_max−Ｂ_min）／（Ｂ_max＋Ｂ_min）×１００％
また、垂直方向の直線性については、Ｘ方向の磁場強度またはＹ方向の磁場強度のうち大きい磁場強度をＢ１、そして、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の磁場強度の合成磁場強度をＢ２とした場合、次のように定義されるものである。

直線性＝ｔａｎ^-1（Ｂ１／Ｂ２）

比較例

比較例の磁場発生装置２００の構成を図４（ａ）に示す。第１永久磁石１と第１ポールピース１０と第１フレーム１１は、実施例１と同じであり、第２永久磁石側の構成が存在しない点において構成が異なる。磁場領域における磁場強度は図４（ｂ）に示される。図３（ｂ）と比較して分かるように、磁場領域内に等高線が複数本入り込んでおり、本発明の構成よりも劣っていることは明確である。

比較例では磁場領域における磁場強度は０．１０Ｔであり、強度の面においても劣っている。均一度は１０．１％であった。また、磁場の直線性は６．６（ｄｅｇ）であった。

次に、図５、図６に示す磁場発生装置１０１について、磁場領域における磁場の強さをシミュレーションにより計算したものを図７に示す。図において、Ｘ，Ｚ方向は、実施例１と同じである。実施例２の構成は、図７（ａ）に示す。

図７（ａ）において、第１永久磁石１、第２永久磁石２、第１・第２ポールピース１０，２０、第１・第２フレーム１１，２１は、材質、寸法とも第１実施例と同じである。

実施例２において、第３永久磁石３を第１・第２ポールピース１０，２０の間に配置しているが、第３永久磁石３の磁化方向は、第２永久磁石２と同じになるように配置される。また、第３永久磁石３は、貫通孔を備えている。第３永久磁石３は、外径がφ１００ｍｍ、内径（貫通孔）がφ８５ｍｍ、厚さが１５ｍｍである。従って、第２永久磁石２の貫通孔Ａはφ４０ｍｍなので、第３永久磁石３の貫通孔の径はその２倍強である。

磁場領域Ｆにおける磁場強度は図７（ｂ）に示される。設定されている磁場領域は、実施例１と同じである。その磁場領域における磁場強度は、０．２６Ｔ、均一度は０．９６％が得られた。また、磁場の直線性は０．８（ｄｅｇ）であった。従って、実施例２においても、磁場領域Ｆにおいて、水平方向における磁場を均一にし、垂直方向の直線性に優れた磁場を実現できていることが確認された。

＜別実施形態＞
本実施形態においては、第２永久磁石２にのみ貫通孔Ａが形成される構成を説明したが、第１・第２永久磁石１，２の双方に貫通孔が形成されていてもよい。また、この場合、孔の大きさや、各部の厚み寸法の適切な設定、材質の設定、外径寸法の設定などにより、磁場領域内における磁場の均一性や直線性を確保することができる。

１第１永久磁石
１ａ，１ｂ磁極面
２第２永久磁石
２ａ，２ｂ磁極面
３第３永久磁石
１０第１ポールピース
１１第１フレーム
２０第２ポールピース
２１第２フレーム
１００，１０１，２００磁場発生装置
Ａ貫通孔
Ｆ磁場領域

Claims

設定された磁場領域を垂直方向から挟むように配置される第１永久磁石、及び、第２永久磁石と、
互いに向かい合う前記第１永久磁石の磁極面と、前記第２永久磁石の磁極面に夫々配置される、第１ポールピース、及び、第２ポールピースと、を備え、
前記第１永久磁石と第２永久磁石の磁化方向は共に垂直方向で、かつ、互いに逆方向になるように設定され、
前記第１永久磁石と第２永久磁石のうち、少なくとも一方の側に、前記設定された磁場領域に対向する貫通孔が形成され、
前記第１永久磁石と第２永久磁石の前記ポールピースが配置される側とは反対側の磁極面に夫々第１フレームと第２フレームが配置され、第１フレームを磁性体で形成し、第２フレームを非磁性体で形成することを特徴とする磁場発生装置。
前記第２永久磁石の方にのみ前記貫通孔が形成され、かつ、第２永久磁石の垂直方向の厚みが、第１永久磁石の垂直方向の厚みよりも薄くなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の磁場発生装置。
前記第１ポールピースと第２ポールピースの間に、貫通孔が形成された第３永久磁石が配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁場発生装置。