JP5919823B2 - 磁束分布制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流磁束の分布を制御する磁束分布制御装置に関する。

磁束を収束させる磁界レンズとして、特許文献１、２に開示の技術が知られている。この技術はコイルを円錐形状に捲回して、中心軸に磁束を収束させるものである。特許文献３は、複数のコイルをコイルの軸方向に相互に間隙を設けて多段に設けたものであり、コイルを流れる電流を制御することで、軸方向に走行する電子ビームの走行を制御するものである。

また、下記非特許文献１は、磁束収束型電磁ポンプを開示している。その技術は、コイルとコイルとの間に、半径方向にスリットを有したリング状の円板を設けて、コイルによって生じる交流磁束が、コイルの軸方向に貫通する時に、円板に生じるうず電流を用いて、コイルの中心軸に磁束を収束させる技術である。

特開２０００−２４３３３６ 特開平８−３２１２７３ 特開２０００−１７３８８９

「駆動電源周波数を考慮した磁束収束型電磁ポンプの特性改善」、間々田宏、他、日本ＡＥＭ学会誌、Vol.2,No.3, pp.44-47 9,1944

ところが、特許文献１、２においては、コイルの形状を軸方向に変化させるものであり、特許文献３においては、複数段のコイルを用いるものである。一つの面上における磁束の大きさの分布を制御するものではない。また、非特許文献１は、中心に磁束を収束させる作用を有するが、平面上において、磁束分布を変化させるものではない。

そこで、本発明の目的は、簡便な構造で、交流磁束の分布を制御できる磁束分布制御装置を実現することである。

第１の発明は、交流磁束の分布を制御する磁束分布制御装置において、誘電体基板と、誘電体基板に、複数、マトリックス配列され、遮断状態と導通状態について個々に独立している導体から成り、導通状態において貫通する交流磁束により誘導電流が流れる閉ループ線路と、各閉ループ線路に挿入された、誘導電流の遮断と導通を制御する、又は、誘導電流の大きさ又は位相を制御する電流制御装置と、各電流制御装置を制御して、各閉ループ線路を貫通する交流磁束を制御することで磁束分布を制御する分布制御装置と、を有し、閉ループ線路は円形又は正方形であり、円形の直径又は正方形の１辺の長さは、交流磁束の波長の１／１０ ⁵ 以上１／１０ ³ 以下であり、隣接する閉ループ線路間の間隔は、円形の直径又は正方形の１辺の長さよりも小さく、磁束分布制御装置は、焦点面において、収束した磁束分布を発生させる装置であることを特徴とする磁束分布制御装置である。

本発明において閉ループ線路は、誘電体基板上に、導体パターンを積層させて形成している。また、閉ループ線路の巻き数は１つでも、複数巻きであっても良い。各閉ループ線路の形状は同一であっても、異なっていてもい。配列は、同一面上の格子状の規則配列である。また、各閉ループ線路は、必ずしも、同一平面上に配置されている必要はない。

電流制御装置は、誘導電流の遮断と導通とを２値制御するスイッチ素子、誘導電流の大きさや位相を制御する可変インピーダンス素子、又は、可変インピーダンス回路を用いることができる。スイッチ素子としては、機械的な接点機構の他、リレー、トランジスタ、バリスタなどの電子スイッチを用いることができる。また、可変インピーダンス素子としては、ゲート電圧により抵抗値を制御できるトランジスタ、トランジスタの負荷回路にインダクタンスを挿入してトランジスタのオン抵抗をゲート電圧により可変制御することでインピーダンスを制御できる素子、印加電圧により抵抗値を制御できるバリスタなどを用いることができる。また、可変インピーダンス回路は、複数の抵抗素子（又は及びインダクタンス、又は及び容量）と複数のスイッチ素子とを構成要素とするラダー回路であって、スイッチ素子のオンオフにより流れる抵抗素子、インダクタンス、容量の数を制御することで、流れる電流の大きさと位相とを制御できる回路である。可変インピーダンス素子、可変インピーダンス回路を用いると、各閉ループ線路を流れる各誘導電流の大きさと位相とを制御できるので、それらの誘導電流によって生じる合成磁束の分布をより精密に制御することができる。

また、上記発明において、閉ループ線路は円形又は正方形とすることができる。その場合に、円形の直径又は正方形の１辺の長さは、交流磁束の波長の１／１０⁵ 以上１／１０³ 以下である。すなわち、閉ループ線路の全長において、誘導電流は、同一位相で励振されることが望ましい。また、上記発明において、閉ループ線路は円形又は正方形であり、隣接する閉ループ線路間の間隔は、円形の直径又は正方形の１辺の長さよりも小さい。この条件は、閉ループ線路を構成する面に垂直な方向において、各閉ループ線路を流れる誘導電流による合成により磁束を収束させた磁束分布を生成する場合に、有効な条件である。

本発明によると、外部から交流磁束が閉ループ線路が構成する面を貫通する時に、複数配列された閉ループ線路に挿入された各電流制御装置により、各閉ループ線路に誘導される電流を、導通、遮断、又は、電流の大きさ又は位相を制御することができる。この結果、誘導電流が大きく流れる閉ループ線路は、外部磁束を反射することになり、この閉ループ線路が構成する面を貫通する外部磁束は小さくなる。一方、誘導電流が遮断された、または、誘導電流の大きさが抑制された閉ループ線路では、この閉ループ線路が構成する面を貫通する外部磁束は減少しないか、抑制された流れる誘導電に応じた多少の減少の結果、外部磁束は主に透過することになる。このようにして、閉ループ線路を流れる誘導電流の導通、遮断、又は、大きさ又は位相を制御することで、外部磁束の分布を制御することができる。

本発明の実施例１に係る磁束分布制御装置の構成図。 本発明の原理を示す説明図。 同磁束分布制御装置の閉ループ線路の面に垂直な方向の断面図。 同磁束分布制御装置の閉ループ線路の配置とオフ状態にする閉ループ線路を示した構成図。 同磁束分布制御装置の閉ループ線路の面に垂直なｚ軸の各位置におけるｚ軸に垂直な面上での磁束分布を示した平面図。 同磁束分布制御装置の閉ループ線路の配置とオフ状態にする閉ループ線路を示した構成図。 図５に示す磁束分布制御装置を用いた場合において、閉ループ線路の面に垂直なｚ軸の各位置におけるｚ軸に垂直な面上での磁束分布を示した平面図。 本発明の実施例３に係る磁束分布制御装置の構成図。 本発明の実施例４に係る磁束分布制御装置の構成図。 本発明の実施例４に係る磁束分布制御装置の構成図。

以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明の具体的な一実施例に係る磁束分布制御装置１の構成図である。本実施例では、閉ループ線路１０は、正方形で形成している。図では、線路幅は省略されている。閉ループ線路１０は銅、アルミニウムなどの導体で構成されている。閉ループ線路１０は、磁束を透過する誘電体基板４０の上面４０ａ上の同一平面上に、３×３のマトリックスに配置されている。各閉ループ線路１０には、それぞれ、ＦＥＴから成るスイッチ素子２０が挿入されている。隣接する閉ループ線路間の間隔Ｄ２は、正方形の１辺の長さＤ１よりも短くしている。交流磁束の周波数は、１０ＭＨｚとした。よって、波長は３０ｍである。正方形の１辺の長さは１ｃｍとした。したがって、閉ループ線路の１辺の長さは、交流磁束の波長の１／１０⁵ 以上１／１０³ 以下を満たすようにしている。

分布制御装置３０は、マトリックス配置の各閉ループ線路１０を選択するためのアドレス信号を出力する選択回路３１と、ＡＮＤ回路３２から成る。各スイッチ素子２０のゲートには、各ＡＮＤ回路３２の出力が入力している。マトリックスの行番号（ｘ座標）と、列番号（ｙ座標）とを選択するための選択回路３１が設けられており、各ｘアドレス線路と、各ｙアドレス線路との、９個の組み合わせによる２本のｘ、ｙアドレス線路の組が、９個の各ＡＮＤ回路３２に入力している。

ｘアドレス信号を、ｘ１，ｘ２，ｘ３、ｙアドレス信号をｙ１，ｙ２，ｙ３とすれば、６ビットのアドレス信号により、閉ループ線路１０を選択することができる。例えば、１をＨレベル信号、０をＬレベル信号として、（ｘ１，ｘ２，ｘ３、ｙ１，ｙ２，ｙ３）＝１００１００とすれば、第１行、第１列の閉ループ線路が選択される。また、アドレス信号を１１１１００とすれば、第１列の３つの閉ループ線路が選択される。各スイッチ素子２０はＨレベル信号が入力されるとオン状態、Ｌレベル信号が入力されるとオフ状態となる。

このように、選択回路３１が６ビットのアドレス信号をＡＮＤ回路３２に出力することで、各アドレスに対応した（行、列）の閉ループ線路１０が選択されることになる。そして、選択された閉ループ線路だけが、スイッチ素子２０のオン状態により導通状態となり１順の電流の循環路を形成することになる。

次に、本発明の原理について説明する。３×３のマトリックス配置された閉ループ線路１０のうち、中央の一つの閉ループ線路を削除した装置を、図２．Ａに示す。外部からの交流磁束Ｈは、各閉ループ線路１０を下側から上側に向けて貫通している。磁束の向きは下側から上側に向かう方向を正としている。閉ループ線路１０を貫通する磁束が増加する時に、この増加を阻止する方向に、各閉ループ線路１０を誘導電流が流れる。この時の各閉ループ線路１０を流れる誘導電流の向きが矢印により図示されている。すなわち、各閉ループ線路１０を時計回転方向に誘導電流は流れる。中央部の閉ループ線路を除去した部分では、その部分を囲む周囲の４つの閉ループ線路１０の４辺を流れる誘導電流による等価的な循環路が形成される。この循環路の誘導電流の向きは反時計回転方向である。したがって、この反時計回転方向に流れる誘導電流により、正方向に増加する磁束が生起される。換言すれば、４辺を流れる誘導電流により生じた磁束分布を合成した磁束分布が発生する。すなわち、中央部では、下側から上側に向かう磁束が増加することになる。この結果、中央部では、外部磁束の時間変動に応じた方向に収束された磁束が貫通することになる。

この本発明に対して、単に、金属板の中央部に正方形の孔を設けた場合には、この孔の周囲に、外部磁束を打ち消す方向に誘導電流が流れる。したがって、この孔を貫通する収束した磁束分布は発生しない。
このように、本発明は、閉ループ線路１０を除去した部分では、その周囲に存在する閉ループ線路１０を流れる誘導電流により磁束を再合成して、磁束を有効に透過、すなわち、磁束を収束させるものであり、単に、金属板の中央部に孔を設けた場合とは、動作原理が基本的に異なる。上記のことは、閉ループ線路１０を３×３のマトリックス配置にした場合において、中央の閉ループ線路１０のスイッチ素子２０をオフ状態にした場合と等価であるので、この場合にも上記の原理は成立する。

次に、本実施例１の磁束分布制御装置１の作用について説明する。外部から交流磁束Ｈが、マトリックス配置された閉ループ線路１０の各面Ｆを、すなわち、誘電体基板４０を厚さ方向に貫通すると、磁束Ｈの時間微分に比例した誘導起電力が、導通状態にあり１順の電流の循環路が形成された閉ループ線路１０に誘起される。閉ループ線路１０に誘起された誘導起電力により誘導電流が流れると、その誘導電流により発生する磁束により閉ループ線路１０を貫通する磁束は減少される。

一方、アドレス信号により選択されなかったスイッチ素子２０は、Ｌレベル信号が入力しており、オフ状態にある。この結果、このオフ状態にあるスイッチ素子２０を有する閉ループ線路１０には、外部磁束Ｈの時間変化により誘起電力が発生しても、誘導電流は流れない。その結果、閉ループ線路１０を貫通する外部磁束を打ち消す磁束は発生しないことになり、この閉ループ線路１０の面Ｆを、外部磁束Ｈは減少されることなく収束して通過する。すなわち、周囲の閉ループ線路１０を流れる誘導電流によって生じる磁束分布の合成磁束分布が発生する。結局、各閉ループ線路１０を流れる誘導電流によって生じた各磁束の合成が、得られる磁束分布となる。この結果、電流の循環路を構成する閉ループ線路１０の選択パターンに応じた磁束分布が得られることになる。

図２．Ｂは、閉ループ線路１０の面Ｆに垂直な方向（ｚ軸）の断面図である。各ｚ座標におけるｚ軸に垂直な面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３における、磁束分布を制御することができる。この場合には、面Ｓ２が焦点面となり、この面上に磁束が収束する。他の面Ｓ１、Ｓ３には、磁束は収束しない。これにより、面Ｓ２の焦点面での磁束分布を制御することができる。

図３は、磁束分布制御装置１の閉ループ線路１０の配列を１１×１１のマトリックスとした場合である。例えば、マトリックスの中心である（第６行、第６列）の閉ループ線路Ａ０のスイッチ素子のみをオフ状態、他の閉ループ線路のスイッチ素子は全てオン状態とする。すると、オン状態となっている閉ループ線路では、誘導電流により、各面Ｆを貫通する外部磁束Ｈは減少することになる。一方、中央の一つの閉ループ線路Ａ０だけは誘導電流が流れないので、外部磁束Ｈを減少させない。結局、各閉ループ線路を流れる各誘導電流による磁束の合成が、得られる磁束分布となる。この結果、焦点面Ｓ２において、マトリックスの中央に対応した位置において、収束した磁束分布が得られる。図４は、面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３上における磁束分布を示している。焦点面Ｓ２において、点状の磁束の収束が見られる。面Ｓ１、Ｓ３では、磁束の収束は見られない。

図５は、閉ループ線路１０を１１×１１のマトリックスに配置した場合において、「●」で示されている閉ループ線路Ａ１のスイッチ素子をオフ状態とし、他の全ての閉ループ線路のスイッチ素子をオン状態とした場合を示している。文字の「Ａ」に沿って、各閉ループ線路Ａ１をオフ状態としている。図６は、この場合において、面Ｓ１、Ｓ２（焦点面）、Ｓ３上の磁束分布を示している。焦点面Ｓ２において、文字「Ａ」の形状に磁束が収束しているのが分かる。他の面Ｓ１、Ｓ３では、磁束の収束がぼけたものとなっている。

本実施例は、実施例１におけるスイッチ素子２０を、可変インピーダンス素子とした例である。トランジスタの負荷回路にインダクタンスを設けた素子を閉ループ線路１０に挿入している。トランジスタの抵抗値をゲート電圧により変化させることで、各閉ループ線路の各インピーダンスを独立して変化させることができる。この場合には、各スイッチ素子２０には、アナログ電圧が印加されるが、これにより、各閉ループ線路を流れる各誘導電流の大きさと位相とを制御することができる。この結果、各誘導電流の合成による合成磁束の分布をより精密に得ることができる。また、スイッチ素子２０を、可変インピーダンス回路としても良い。複数の抵抗素子、複数のインダクタンス、複数の容量と複数のスイッチ素子とを構成要素とするラダー回路で構成しても良い。スイッチ素子のオンオフにより流れる抵抗素子、インダクタンス、容量の数を制御することで、流れる電流の大きさと位相とを制御できる。

本実施例は、図７に示すように、誘電体基板４０の上面４０ａと下面４０ｂとに、複数の閉ループ線路Ｃ、Ｄを配置したものである。上面４０ａに配置されている閉ループ線路Ｃと、下面４０ｂに配置されている閉ループ線路Ｄの配置形状は異なる。これにより、空間的な磁束分布を制御でき、焦点面における磁束分布をより精密に可変制御することができる。

実施例４の装置は、図８に示すように、閉ループ線路Ｅは、マトリック配置ではなく、不規則に設けたものである。また、隣接する閉ループ線路の間隔も不規則にしている。また、図９に示すように、閉ループ線路の大きさを異なるようにして良い。中央の閉ループ線路Ｇを周辺の同一形状大きさの閉ループ線路Ａ１よりも大きく構成している。隣接する閉ループ線路の間隔は同一にしている。

本発明の応用例としては、次のものが考えられる。送信コイルと受信コイルとを用いて磁気共鳴による効率の良い電力伝送を行う場合において、送信コイルと受信コイルとの間に、本発明の磁束分布制御装置を介在させることで、送信コイルと受信コイル間の磁束の漏れを防止して、より効率の高い電力伝送を実現できる。また、磁束分布を制御できることから、送信コイルと受信コイルとの位置ずれがある場合にも、平面上の磁束分布を制御して、効率の良い電力伝送を実現することができる。
また、本装置では、磁束を点状に収束させた磁束分布を得ることができることから、焦点位置に磁界センサを配置させることで、磁界測定の感度を向上させることができる。
また、本装置では、磁束分布を制御できることから、磁場に反応するマグネットシートを焦点面に設けることで、磁束ディスプレイを実現することができる。
また、本装置では、磁束分布を制御できることから、電磁調理器において特定の領域を加熱し、又は、特定の領域を加熱しないようにすることができる。

本発明は、交流磁束の可変分布を応用した装置に利用することができる。

１…磁束分布制御装置
１０、Ａ０、Ａ１、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｇ…閉ループ線路
２０…スイッチ素子
３０…分布制御装置
４０…誘電体基板

Claims (3)

1. 交流磁束の分布を制御する磁束分布制御装置において、
   誘電体基板と、
   前記誘電体基板に、複数、マトリックス配列され、遮断状態と導通状態について個々に独立している導体から成り、導通状態において貫通する前記交流磁束により誘導電流が流れる閉ループ線路と、
   前記各閉ループ線路に挿入された、誘導電流の遮断と導通を制御する、又は、誘導電流の大きさ又は位相を制御する電流制御装置と、
   前記各電流制御装置を制御して、前記各閉ループ線路を貫通する前記交流磁束を制御することで磁束分布を制御する分布制御装置と、
   を有し、
   前記閉ループ線路は円形又は正方形であり、円形の直径又は正方形の１辺の長さは、前記交流磁束の波長の１／１０ ⁵ 以上１／１０ ³ 以下であり、隣接する前記閉ループ線路間の間隔は、円形の直径又は正方形の１辺の長さよりも小さく、
   前記磁束分布制御装置は、焦点面において、収束した磁束分布を発生させる装置である
   ことを特徴とする磁束分布制御装置。
2. 前記電流制御装置は、前記誘導電流の遮断と導通とを２値制御するスイッチ素子であることを特徴とする請求項１に記載の磁束分布制御装置。
3. 前記電流制御装置は、前記誘導電流の大きさ又は位相を制御する可変インピーダンス素子、又は、前記誘導電流の大きさ又は位相を制御する可変インピーダンス回路であることを特徴とする請求項１に記載の磁束分布制御装置。