JP6098806B2 - 磁化器 - Google Patents

Description

本発明は、長尺の磁性体に対して磁化を行うための磁化器に関する。

従来、長尺の磁性体に対して磁化器によって磁化を行い、この長尺の磁性体の応力磁気効果を利用して、当該長尺の磁性体の張力を測定する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２６５００３号公報

しかしながら、上記特許文献１においては、例えば、高速道路などの吊り橋に用いられるワイヤのように複数の長尺の磁性体が撚り合わされ、束となった長尺の磁性体群から一つの長尺の磁性体の張力を測定しようとすると、磁化器からの磁界の漏洩が大きいために周囲の磁性体の影響を受けやすく、磁束量が変化し、測定値が安定しないことが分かった。

本発明は、漏洩磁界の影響を抑えることで、長尺の磁性体に印加する磁界強度を一定にすることのできる磁化器を提供することを目的とする。

本発明の磁化器は、
軸心の方向に延伸する筒形状のヨークと、
前記ヨークの内側面上の磁石配置領域に配置された複数の磁石を備えてなり、
前記複数の磁石は、前記軸心に直交する平面上に位置する関係にある磁石同士が前記軸心に対して同一方向の磁極を示すと共に、前記軸心に平行な方向に隣り合う磁石同士が前記軸心に対して反対方向の磁極を示すように配置され、
前記ヨークは、前記軸心に平行な方向に関し、前記磁石配置領域の外側において、前記磁石配置領域よりも前記軸心に向かう方向に厚みを有する構造であることを特徴とする。

本発明の磁化器は、当該磁化器が備えるヨークを、軸心に平行な方向に関し、磁石配置領域の外側において、磁石配置領域よりも軸心に向かう方向に厚みを有する構造としている。これにより、磁石から生じる磁界は、磁石配置領域の外側に形成されたヨークによって当該方向に漏れ出る量が大きく抑制される。よって、隣接する長尺の磁性体によって磁化器の磁界強度の変動が抑えられ、長尺の磁性体に印加する磁界強度を一定にして安定した張力測定が実施できる。

より具体的には、前記軸心に平行な方向に関し、ヨークの前記磁石配置領域の外側における内側面が、前記複数の磁石それぞれの前記軸心に対向する側の面よりも、軸心に近く位置する構成とすることができる。

また、厚みを有する箇所を、ヨークの軸心に平行な方向に係る両端部に配置しても構わない。

なお、前記複数の磁石として、前記軸心に直交する平面上に単極で４個以上の磁石を配置するのが好ましい。

一般的に磁石の大きさを大きくするほど、長尺の磁性体に対して与えられる磁界の強さも大きくできる。しかし、磁化器の外径に制限がある場合、磁石の大きさを大きくすればするほど、ヨークの厚みを薄くすることが余儀なくされる。このとき、ヨークが形成する抵抗（磁気抵抗）が高くなってしまう。この結果、磁石の大きさほどは長尺の磁性体に対して十分な磁界を与えられないということが起こる。

しかし、本発明者の鋭意研究によって、軸心に直交する平面上に単極で４個以上の磁石を配置することで、２個の場合よりも磁石の大きさを小さくして総重量を軽くしながらも、長尺の磁性体に対して与えられる磁界の強さを大幅に上昇できることが分かった。これにより、ヨークの外径に制約がある場合においても、ヨークの厚みを十分に確保できるので、抵抗（磁気抵抗）を小さくしながらも、大きな磁界を発生させることが可能となる。

本発明の磁化器によれば、磁石配置領域の外側に形成されたヨークによって磁化器から漏れ出る磁界の量が大きく抑制されるので、長尺の磁性体に印加する磁界強度を一定にすることができる。

磁化器の模式的な斜視図である。 磁化器の模式的な平面図（ＸＹ平面）である。 磁化器の模式的な平面図（ＹＺ平面）である。 磁化器を軸心に直交するＹＺ平面（平面α）で切断したときの模式的な断面図である。 磁化器を軸心に直交するＹＺ平面（平面β）で切断したときの模式的な断面図である。 磁化器をＹ軸と軸心で形成される平面及びＺ軸と軸心で形成される平面を組み合わせた折れ平面γで切断したときの模式的な断面図である。 磁化器をＺ軸に直交するＸＹ平面（平面ε）で切断したときの模式的な断面図である。 従来の磁化器を軸心に直交するＹＺ平面（平面α）で切断したときの模式的な断面図である。 従来の磁化器を軸心に直交するＹＺ平面（平面β）で切断したときの模式的な断面図である。 従来の磁化器をＹ軸と軸心で形成される平面及びＺ軸と軸心で形成される平面を組み合わせた折れ平面γで切断したときの模式的な断面図である。 従来の磁化器をＺ軸に直交するＸＹ平面（平面ε）で切断したときの模式的な断面図である。 磁化器内部及び周辺における磁束密度の強度分布を示す図である。 磁化器内部及び周辺における磁束密度の強度分布を示す図である。 長尺の磁性体内の領域での磁界の強さを計算した結果を示す表である。 磁化器の一利用例を模式的に示す図である。 磁化器の別構成を示す模式的な断面図である。

本発明の磁化器につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

［構成］
図１Ａは、磁化器の模式的な斜視図である。磁化器１は、軸心３の方向に延伸する筒形状のヨーク２を備える。このヨーク２の中空部４に長尺の磁性体を挿入することで、この長尺の磁性体に対して磁化を行う。ここで、ヨーク２は、磁性材料で構成される。なお、図１Ａに示すように、以下では、軸心３の方向をＸ軸、軸心３に直交する平面上において、直交する２軸をそれぞれＹ軸とＺ軸と規定する。なお、図１Ｂは磁化器１のＸＹ平面図であり、図１Ｃは磁化器１のＹＺ平面図である。

図２Ａは、磁化器１を軸心３に直交するＹＺ平面（平面α）で切断したときの断面図を模式的に示したものである。また、図２Ｂは、磁化器１を軸心３に直交するＹＺ平面（平面β）で切断したときの断面図を模式的に示したものである。

図３は、磁化器１をＹ軸と軸心３で形成される平面及びＺ軸と軸心３で形成される平面を組み合わせた折れ平面γで切断した断面図を図示したものである。

図４は、磁化器１をＺ軸に直交するＸＹ平面（平面ε）で切断したときの断面図を模式的に示したものである。なお、図４では、磁化器１によって磁化を行う対象となる長尺の磁性体５及び磁性体５１も併せて図示している。磁化器１は、長尺の磁性体５をヨーク２の中空部４に挿入することで用いられる。なお、磁性体５１については後述される。

また、図３及び図４に示すように、磁化器１が備えるヨーク２は、軸心３に平行な方向（Ｘ方向）に関し、磁石配置領域７の外側における軸心３に向かう方向の厚み２ａが、磁石配置領域７における軸心３に向かう方向の厚み２ｂよりも厚みを有する構成となっている。これにより、厚み２ａの部分に位置するヨーク２が、各磁石からの磁界が±Ｘ方向に漏れ出るのを抑制できる。

このとき、ヨーク２の磁石配置領域７の外側における内側面２５が、複数の磁石それぞれの軸心３に対向する側の面２６よりも、軸心３に近い位置となるように、ヨーク２の厚み２ａを調整するのが好ましい。このような構成とすることで、各磁石は軸心３の方向（Ｘ方向）に関してヨーク２の部材で覆われる構成となり、磁石からの磁界が±Ｘ方向に漏れ出るのを抑制する効果を更に高められる。

なお、図４の構成では、軸心３に平行な方向（Ｘ方向）に係る両端部において、ヨーク２が、磁石配置領域７の箇所よりも厚みを有する構成としている。しかし、少なくとも、ヨーク２は、磁石配置領域７の外側において、磁石配置領域７の部分よりも厚みを有する構成であればよい。

ヨーク２の内側面の所定の箇所には、複数の磁石が配置される。本実施形態の構成では、８個の磁石（１１〜１８）が配置される構成を例示している。なお、これらの磁石は、ヨーク２の内側面上において、接着剤によって固着されているが、それ以外の手段によって固着されていてもよい。例えば、磁石の磁力によって固着されていてもよいし、非磁性材のネジ等の固定治具によって磁石を固定しても構わない。各磁石１１〜１８が配置されているヨーク２の内側面上の領域７が「磁石配置領域」に対応する。

磁化器１は、軸心３に平行なＸ軸方向中心に関し、左側に磁石１１〜１４を有し、右側に磁石１５〜１８を有する。

図２Ａに示すように、磁石１１〜１４は、軸心３に直交する平面α上に位置する関係にあり、本実施形態では、全ての磁石のＳ極が軸心３に向かい、Ｎ極がヨーク２に向かうように配置されている。一方、図２Ｂに示すように、磁石１５〜１８は、軸心３に直交する平面β上に位置する関係にあり、本実施形態では、全ての磁石のＮ極が軸心３に向かい、Ｓ極がヨーク２に向かうように配置されている。

そして、軸心３に平行な方向に隣り合う位置関係にある磁石同士は、軸心３に対して反対方向の磁極を示すように配置されている。例えば、磁石１１と磁石１５は、軸心３に平行な方向に隣り合う位置関係にある。そして、磁石１１はＳ極が軸心３に向かい、Ｎ極がヨーク２に向かうように配置されている一方、磁石１５はＮ極が軸心３に向かい、Ｓ極がヨーク２に向かうように配置されている。

同様に、軸心３に平行な方向に隣り合う位置関係にある、磁石１２と磁石１６同士、磁石１３と磁石１７同士、磁石１４と磁石１８同士も、それぞれ軸心３に対して反対方向の磁極を示すように配置されている。

このように各磁石１１〜１８を配置することで、各磁石からの磁束がほとんど全て長尺の磁性体５に対して同方向に与えられる。例えば、磁石１５、長尺の磁性体５、磁石１１及びヨーク２にて一つの閉回路２１が形成され、長尺の磁性体５上において−Ｘ方向に磁束が流れる（図４参照）。また、磁石１７、長尺の磁性体５、磁石１３及びヨーク２にて一つの閉回路２２が形成され、長尺の磁性体５上において−Ｘ方向に磁束が流れる。磁石１６、長尺の磁性体５、磁石１２及びヨーク２にて形成される閉回路、磁石１８、長尺の磁性体５、磁石１４及びヨーク２にて形成される閉回路についても、同様である。

単極４個の磁石が配置されることにより、各磁石から長尺の磁性体５に対して同方向に磁束が流れる。よって、従来よりも多くの磁束が流れるため、長尺の磁性体５に対して高い磁界を与えることができる。

［効果検証］
図１Ａ〜図４を参照して上述した磁化器１の効果につき、従来構成の磁化器と対比して説明する。

図５Ａ、図５Ｂ、図６及び図７は、比較例としての従来の磁化器９０の構成を模式的に示す断面図である。なお、従来の磁化器９０の模式的な斜視図は、図１Ａとほぼ同等であるので、斜視図を参照する場合は図１Ａを代用して説明する。

図５Ａは、磁化器９０を軸心３に直交するＹＺ平面（平面α）で切断したときの断面図を模式的に示したものである。また、図５Ｂは、磁化器９０を軸心３に直交するＹＺ平面（平面β）で切断したときの断面図を模式的に示したものである。

図６は、磁化器９０をＹ軸と軸心３で形成される平面及びＺ軸と軸心３で形成される平面を組み合わせた折れ平面γで切断した断面図を図示したものである。

図７は、磁化器９０をＺ軸に直交するＸＹ平面（平面ε）で切断したときの断面図を模式的に示したものである。図４と同様に、磁化を行う対象となる長尺の磁性体５及び磁性体５１も併せて図示している。

磁化器９０は、ヨーク９２の内側面の所定の箇所に、４個の磁石を配置している。より具体的には、磁化器９０は、軸心３に平行なＸ軸方向中心に関し、左側に磁石４１及び４２を有し、右側に磁石４３及び４４を有する。磁石４１及び４２は、軸心３に直交する平面α上に位置する関係にあり（図５Ａ参照）、全ての磁石のＳ極が軸心３に向かい、Ｎ極がヨーク９２に向かうように配置されている。磁石４３及び４４は、軸心３に直交する平面β上に位置する関係にあり（図５Ｂ参照）、全ての磁石のＮ極が軸心３に向かい、Ｓ極がヨーク９２に向かうように配置されている。

そして、軸心３に平行な方向に隣り合う位置関係にある磁石同士は、軸心３に対して反対方向の磁極を示すように配置されている。すなわち、軸心３に平行な方向に隣り合う位置関係にある磁石４１と磁石４３において、磁石４１はＳ極が軸心３に向かい、Ｎ極がヨーク９２に向かうように配置されている一方、磁石４３はＮ極が軸心３に向かい、Ｓ極がヨーク９２に向かうように配置されている。軸心３に平行な方向に隣り合う位置関係にある、磁石４２と磁石４４同士も同様に、軸心３に対して反対方向の磁極を示すように配置されている。

なお、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、磁化器９０は単極２個の磁石が配置される構成であるため、図３とは異なり、図６のＺ軸と軸心３で形成される平面で切断した断面図上には磁石が現れていない。

また、図６及び図７に示すように、磁石４１〜４４は、軸心３に平行な方向に関して、ヨーク９２のほぼ両端部の内側面上の磁石配置領域４８に配置されている。つまり、各磁石４１〜４４は、その両端面が軸心３の方向（Ｘ方向）に関してヨーク９２で覆われていない構成である。

このような構成においても、各磁石４１〜４４からの磁束はほとんど全て長尺の磁性体５に対して同方向に与えられる。すなわち、磁石４３、長尺の磁性体５、磁石４１及びヨーク９２にて一つの閉回路４５が形成され、長尺の磁性体５上において−Ｘ方向に磁束が流れる。また、磁石４４、長尺の磁性体５、磁石４２及びヨーク９２にて一つの閉回路４６が形成され、長尺の磁性体５上において−Ｘ方向に磁束が流れる。

図８Ａ及び図８Ｂは、磁化器１及び従来の磁化器９０における、磁束密度の強さの分布を示す図である。磁束密度は、磁界の強さに媒体の透磁率を乗じた値であるため、同一媒体内であれば、磁束密度と磁界は比例関係にある。よって、磁束密度の強さ分布により磁界の強さ分布を表現することが可能である。

図８Ａ及び図８Ｂの両図において、（ａ）が磁化器１における磁束密度の強さ分布を示し、（ｂ）が磁化器９０における磁束密度の強さ分布を示しており、磁界が等しい箇所を等高線で表記したものである。また、図８Ａは磁化器（１，９０）の近傍に長尺の磁性体５とは別の磁性体５１が存在しない場合に対応し、図８Ｂは磁化器（１，９０）の近傍に長尺の磁性体５とは別の磁性体５１が存在する場合に対応する。

図８Ａによれば、（ａ）に比べて（ｂ）の方が、磁化器外に漏れ出る磁界が広がっていることが分かる。また、図８Ｂ（ｂ）と図８Ａ（ｂ）を比較すると、磁化器９０の近傍に磁性体５１が存在している場合、磁性体５１側に漏れ出る磁界の量が増加していることが分かる。一方、図８Ｂ（ａ）と図８Ａ（ａ）を比較すると、本実施形態の磁化器１によれば、近傍に磁性体５１が存在していても、磁性体５１に向かう漏れ磁界はほとんど確認されない。このデータによっても、磁化器１のヨーク２に関し、磁石配置領域７の外側の厚み２ａが、磁石配置領域７における厚み２ｂよりも厚みを有する構成としたことで、各磁石からの磁界が軸心３に平行な方向（Ｘ方向）に漏れ出るのを抑制できていることが分かる。

図９は、図４及び図７の状態において、平面αと平面βの中間位置における長尺の磁性体５の領域７１での磁界の強さを計算した結果を示す表である。なお、長尺の磁性体５の厚み、各磁石の軸心３に対向する面と長尺の磁性体５との距離は同じとして計算している。

従来の磁化器９０は、配置された４個の磁石４１〜４４の総重量が１６５ｇであり、このときの領域７１での磁界強さが３４．４０ｋＡ／ｍであった。なお、近傍に磁性体５１が配置されている場合には、磁界強さが３３．９０ｋＡ／ｍであった。

これに対し、本実施形態の磁化器１は、配置された８個の磁石１１〜１８の総重量が１２０ｇであり、このときの領域７１の磁界強さが５８．２２ｋＡ／ｍであった。なお、近傍に磁性体５１が配置されている場合には、磁界強さが５８．１６ｋＡ／ｍであった。

図９によれば、磁化器１では、従来の磁化器９０と比較して、磁石の総重量を約３割減少させながらも、磁界の強さを約７割も上昇できていることが分かる。これは、磁石の数を増加させて磁束を集中させることで、磁石そのものを大きくした場合よりも対象物に対して強い磁界を与える効果が得られていることを示すものである。

そして、磁石配置領域７の外側に形成されたヨーク２によって、当該方向に漏れ出る磁界の量が大きく抑制されるので、例えば、束となっている長尺の磁性体から一つの長尺の磁性体を選び、その長尺の磁性体に安定して強い磁界を与えることを示すものである。なお、図９によれば、従来の磁化器９０は、本実施形態の磁化器１と同じ磁界強さを得ようとする場合に比べて、かなり大型の磁石を配置する必要があるが、各磁石と長尺の磁性体５の間には所定の距離を空ける必要があるので、ヨーク９２の厚みを一定値以上確保した場合、外径が大型化してしまう。

この結果に鑑みれば、本実施形態の磁化器１によれば、従来の磁化器９０よりも小型化を実現しながらも、高い磁界を長尺の磁性体５に与えることが可能となっていることが分かる。また、磁化器１が備える各磁石の大きさを小型化できるので、ヨーク２の外径に制約がある場合においても、長尺の磁性体５と磁石の間に空間を確保しながらもヨーク２の厚みを十分確保することが可能である。

また、従来の磁化器９０の場合、近傍に磁性体５１が配置されていれば、領域７１の磁界強さが１．５％程度減少しているのに対し、本実施形態の磁化器１によれば、近傍に磁性体５１が配置されていても、減少幅を０．１％程度に抑制できている。これにより、近傍に磁性体５１が配置されているような環境下においても、長尺の磁性体５に対して必要量の磁界を与えることができる。

なお、本実施形態の磁化器１は、平面α上及び平面β上にそれぞれ４個の磁石が位置する構成とした。しかし、少なくとも４個以上の磁石を備えた構成であれば、長尺の磁性体５に対して磁束を高める効果が得られる。なお、磁石の配置のしやすさの観点からは、偶数個の磁石を備えるのが好ましい。

［利用例］
図１０は、磁化器１の一利用例を模式的に示す図である。高速道路などの吊り橋に設けられたワイヤの張力を測定する際に、磁化器１を用いることができる。このようなワイヤは、強度を確保する等の目的で複数のワイヤが撚り合わされて利用されるのが一般的である。このような撚り合わされたワイヤ（６１〜６５）の束から１本のワイヤ６１を引き出し、図１０に示すように磁化器１の中空部４に挿入する。このとき、ワイヤ６１は、長尺の磁性体５に対応し、他のワイヤ６２〜６５は、磁化器１の近傍に存在する磁性体５１に対応する。

上述したように、本発明の磁化器１によれば、近傍に長尺の磁性体５とは別の磁性体５１が存在するような場合であっても、当該磁性体５１に対して磁化器１から磁界が漏れ出る量を従来よりも大きく抑制できているので、長尺の磁性体５に対して所望量の磁界を与えることができる。これにより、応力磁気効果を利用した長尺の磁性体５の張力測定に利用できる。

なお、図１０に示すように、撚り線のワイヤ（６１〜６５）から１本のワイヤ６１を引き出し、当該ワイヤを長尺の磁性体５として磁界を与える場合、このワイヤ６１と他のワイヤ６２〜６５は、磁化器１が設置された箇所とは反対側（例えば図１０の領域８０側）においては、撚り合わされた状態が維持されているため、相互に磁束が流れやすい環境下にある。このため、従来の磁化器９０を用いた場合、漏れ磁界の影響が大きくなりやすく、その分だけ長尺の磁性体５に対して与えられる磁界の強さが低下しやすくなる。

これに対し、本実施形態の磁化器１によれば、軸心方向に磁化器１の外側に磁界が漏れ出ることが抑制できているので、このように漏れ磁界の影響を受けやすい環境下で使用される場合においても、長尺の磁性体に対して所望量の磁界を与えることができる。

［別構成］
上記実施形態で説明した磁化器１は、平面α上及び平面β上にそれぞれ４個の磁石が位置する構成とすると共に、ヨーク２の厚みに関し、軸心３に平行な方向（Ｘ方向）について磁石配置領域７の外側の厚み２ａが、磁石配置領域７における厚み２ｂよりも厚みを有する構成とした。しかし、特に軸心３の方向（Ｘ方向）への磁界の漏れを抑制する観点からは、図５Ａ〜図７を参照して説明した磁化器９０に対して、ヨーク９２に代えて磁化器１のヨーク２を用いた構成（磁化器１ａ）としてもよい。

図１１は、図３及び図６にならって、磁化器１ａを、Ｙ軸と軸心３で形成される平面及びＺ軸と軸心３で形成される平面を組み合わせた折れ平面γで切断した断面図を模式的に示したものである。図３に示す磁化器１と同様、軸心３に平行な方向（Ｘ方向）について磁石配置領域７の外側の厚み２ａが、磁石配置領域７における厚み２ｂよりも厚みを有する構成となっている。他方、磁化器９０と同様に磁石はそれぞれ２個の構成であるので、磁石の配置方法は、図５Ａ及び図５Ｂに示す磁化器９０と同様である。

１ ： 磁化器
２ ： ヨーク
２ａ ： 磁石配置領域の外側のヨークの厚み
２ｂ ： 磁石配置領域におけるヨークの厚み
３ ： 軸心
４ ： 中空部
５ ： 長尺の磁性体
７ ： 磁石配置領域
１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８： 磁石
２１，２２ ： 閉回路
２５ ： 軸心に対向するヨークの内側面
２６ ： 軸心に対向する磁石面
４１，４２，４３，４４ ： 磁石
４５，４６ ： 閉回路
４８ ： 磁石配置領域
５１ ： 磁性体
６１，６２，６３，６４，６５ ： ワイヤ
７１ ： 領域
８０ ： 磁化器設置箇所と反対側の箇所
９０ ： 磁化器
９２ ： ヨーク
α，β ： 軸心（Ｘ軸）に直交するＹＺ平面
γ ： Ｙ軸と軸心で形成される平面及びＺ軸と軸心で形成される平面を組み合わせた折れ平面
ε ： Ｚ軸に直交するＸＹ平面

Claims (4)

1. 対象物たる磁性体の張力を測定するための磁化器であって、
   前記磁性体を中空部に挿通可能に構成された、軸心の方向に延伸する筒形状のヨークと、
   前記ヨークの内側面上の磁石配置領域に配置された複数の磁石を備えてなり、
   前記複数の磁石は、前記軸心に直交する平面上に位置する関係にある磁石同士が前記軸心に対して同一方向の磁極を示すと共に、前記軸心に平行な方向に隣り合う磁石同士が前記軸心に対して反対方向の磁極を示すように配置され、
   前記中空部に挿通された前記磁性体、前記ヨーク、及び前記複数の磁石により閉回路が形成され、
   前記ヨークは、前記軸心に平行な方向に関し、前記磁石配置領域の外側において、前記磁石配置領域よりも前記軸心に向かう方向に厚みを有する構造であることを特徴とする磁化器。
2. 前記複数の磁石は、前記軸心に直交する平面上に単極で４個以上が配置される構成であることを特徴とする請求項１に記載の磁化器。
3. 前記ヨークは、前記軸心に平行な方向に関し、前記磁石配置領域の外側における内側面が、前記複数の磁石それぞれの前記軸心に対向する側の面よりも、前記軸心に近く位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁化器。
4. 前記ヨークは、前記軸心に平行な方向に係る両端部において、前記磁石配置領域よりも厚みを有する構造であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁化器。

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