JP7170068B2 - 永久磁石装置、及び磁場発生装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の永久磁石装置の基本構成を示す模式図である。
永久磁石装置としての磁気モジュール6は、同一形状の複数の永久磁石片2が円柱状の磁場評価空間1を取り囲むように配設されたものである。つまり、磁石モジュール6は、同一形状の複数の永久磁石片2が円環状に等間隔に配列されたものである。円柱状の磁場評価空間1の中心軸(円柱中心軸O)は、複数の永久磁石片2が配列された円環の中心軸に一致する。それぞれの永久磁石片2は、後記する所定の磁場分布を形成するように配設されている。なお、円柱状の磁場評価空間1の外周面は、円環状に配列された複数の永久磁石片2の内周面から離間している。
永久磁石片2の着磁方向は、永久磁石片2の回転軸3に対して垂直な面内に有する(横磁化)。そのため、永久磁石片2を回転軸3を中心に回転させることにより、磁場評価空間1(図1)に発生する磁場強度を連続的に変化させることが可能となる。
例えば、積層する磁石モジュール6から不要な磁場成分が発生しないように高精度に磁場を形成しておき、隣接する磁石モジュール6の回転方向を互いに逆向きとしその回転量を等しくすることにより、不要磁場成分がビーム輸送に影響を与えることを抑制しながら所望の磁場強度を変化させることが可能である。
本発明の磁場発生装置は、ビーム輸送のために必要な磁場を形成し、その磁場は磁場分布の形状によって、2極磁場、4極磁場、6極磁場などと呼ばれる。
図8の4極磁場(n=1)では、永久磁石片2の位相角φのとき、永久磁石片2の磁化の方向は-y軸から3φである。図9の6極磁場(n=2)では、永久磁石片2の位相角φのとき、永久磁石片2の磁化の方向は-y軸から4φである。つまり、各々の永久磁石片2は、複数の永久磁石片2の断面視環状の配列(環状配列)の周方向成分(接線方向成分)を有するように配設されている。
磁石モジュール6は、永久磁石片2の磁化が理想的に配置されている場合には、不正磁場(不要な多極成分磁場)は発生しない。しかしながら、永久磁石片2には、一般に着磁のばらつき(残留磁束密度のばらつき)が7%から10%程度存在している。このため、磁石モジュール6は、2(n+1)極磁場を発生させるために単に、永久磁石片2を(n+2)φ回転させて配置するだけでは、2(n+1)極磁場以外の不正磁場が発生してしまう。
永久磁石装置としての磁石モジュール6は、多数の回転体である永久磁石片2から構成されており、その永久磁石片2は回転方向の配置自由度を有している。(1)式、(2)式から分かるように、磁化の大きさ(絶対値)は同じであっても、回転させて角度方向の磁化の成分(円筒形状の接線方向成分)を変化させることにより、展開磁場の強度は変化する。少なくとも永久磁石片2の個数分だけ磁場調整の自由度を有しているので、その個数の多極磁場成分に対して磁場補償ができることになる。
100ppm以下になるような永久磁石を探索したが、解がみつからないために、19次~24次において100ppmを超える成分が残っている。しかしながら、永久磁石片2の個数は39個、つまり、調整自由度は39であるので、19次~20次の成分までは原理的には調整が効いている。
20次~34次の高次の不正磁場をゼロにするためには、多数の永久磁石片2を回転させる必要がある。しかしながら、高次の不整磁場に対する永久磁石の感度は小さい。そのため、高次の不整磁場を小さくするよりも、低次の磁場を小さくする方が容易である。多極成分の残差が最小化されるような永久磁石配置を探す最適化(100ppm以下となる範囲で高次の多極磁場を発生させて、多極磁場の合計値トータルを小さくする磁石配置)により、低い次数(1次~19次)の不整磁場がゼロになっている。
図15は、本発明の第1実施形態の永久磁石装置を示す斜視図である。
磁石モジュール6は、複数の永久磁石片2と、保持プレート4と、バックヨーク5とから構成されている。複数の永久磁石片2は、前記したように、複数列に亘って同心円状に配設されている。保持プレート4は、円柱形状の永久磁石片2が圧入や嵌入により嵌合する穴や貫通孔4aが複数形成されている。保持プレート4は、アルミやステンレスなどの非磁性金属である。永久磁石片2が円柱形状であり、貫通孔4aが円形であるので、永久磁石片2は、穴や貫通孔4aに所定の回転角で嵌合する。なお、永久磁石片2は、貫通孔4aに嵌入されなくても、所定角度で挿通後、接着しても構わない。
永久磁石片2は、保持プレート4にロボットにより配設される。永久磁石片2の磁化は、設置前や設置時に計測され、磁化強度の情報を元に配置最適化プログラム(図示せず)により、2(n+1)極磁場を形成するときの設置位置(f,φ)と回転角度[(n+2)φ]が決定される。所望の任意の磁場分布が生成されるようにプログラムを構成することが可能であるから、同一の手段、手法、磁石を用いて任意の磁場を生成することが可能である。
まず、全ての永久磁石片2の磁化が計測され、そのデータが計算機に保存される(S1)。次に、計算機によって、目標磁場分布を発生させる最適配置が計算され、最内層からn列まで永久磁石片2が配置される(S2)。S2の後、磁場分布が計測され、目標値からのずれが評価される(S3)。S3の後、S3の評価に基づいて、所定の磁場分布になったか否か判定する(S4)。所定の磁場分布になっていないと判定されたら(S4でNo)、目標磁場分布からのずれを補償する永久磁石片2の配置(例えば、回転角)が計算される(S5)。S5の後、m列分の永久磁石片2が追加で配設される(S6)。例えば、m=1のとき、(n+1)列目(図15参照)に永久磁石片2が追加される。S6の後、処理をS3に戻し、磁場分布が再計算され、目標値からのずれが評価される(S3)。S3の後、所定の磁場分布になっていたら(S4でYes)、処理を終了する。
このように構成された磁石モジュール6の厚さは、永久磁石片2の長さで制限されてしまう。このため、軸長の長い磁場発生装置を構成する場合には、必要長さの分だけ磁石モジュール6を積層する。
磁場発生装置20は、積層された複数の磁石モジュール6(6a,6b)と、磁石回転機構16と、ビームダクト13と、磁石端部磁気シールド15と、ケース14とを備えて構成される。
磁石端部磁気シールド15は、隣接する装置やビームに影響を与えないようにするための鉄製シールドである。なお、前記したように、磁石モジュール6は、外周部にバックヨーク5が設けられている。
磁石モジュール6(6a,6b)は、例えば、四極磁石として所望の磁場(この場合にはノーマル四極磁場のみ)を形成するように構成されている。磁石回転機構16は、正立した状態から磁石モジュール6aを右回りに回転させ、磁石モジュール6bを左回りに回転させる。
磁石回転機構16が磁石モジュール6(6a,6b)をθだけ回転させると、それぞれの磁石モジュール6a,6bが発生するノーマル4極磁場強度もcosθ倍にさせられる。したがって、磁石モジュール6が積層された磁石全体としての発生磁場強度も、同様にcosθ倍となり、磁場強度が変化させられる。しかしながら、単純に磁石モジュール6を回転させるだけでは、回転に伴ってビーム輸送に不要なスキュー成分の4極磁場が元のノーマル4極磁場のsinθ倍の大きさで発生してしまう。
フラックスのループがオープンになっている単体の磁石モジュール6の場合には、外周に設けたバックヨーク5は有効である。しかしながら、第2実施形態の磁場発生装置20は、ハルバッハ配置なので外側に鉄製のバックヨーク5をつけても発生磁場はそれほど増強されない。なお、磁石が積層された磁場発生装置20でも、バックヨーク5は、外部に磁場を漏らさないシールドとしての役割をする。
前記第2実施形態では、複数の磁石モジュール6(6a,6b)が積層された磁場発生装置20について説明し、磁石モジュール6(6a,6b)の回転により、磁場強度を可変すると共に、スキュー成分がキャンセルされることについて説明した。以下、複数の磁石モジュール6,6,・・・を回転させる磁石回転機構16(図17)について説明する。
磁場発生装置20は、積層された複数の磁石モジュール6,6,・・・と、4本のガイドローラ21と、複数のリンク22と、複数の回転微調整軸23と、磁石回転レバー24と、固定ねじ25,26とを備えて構成される。なお、複数のリンク22と複数の回転微調整軸23と磁石回転レバー24とは磁石回転機構16(図17)を構成する。
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような種々の変形が可能である。
(1)前記実施形態の磁石モジュール6は、永久磁石片2を回転体である円柱形状にしたが、回転体(円柱、円錐台、回転楕円体等)でなくても、三角柱、四角柱、六角柱、八角柱等のn角柱であっても構わない。つまり、永久磁石片2は、回転軸3に対して回転対称であれば構わない。
2 永久磁石片
3 回転軸
4 保持プレート
5 バックヨーク(環状磁性体)
6,6a,6b 磁石モジュール(永久磁石装置)
11,12 磁石モジュール(永久磁石装置)
16 磁石回転機構
17 永久磁石片
20 磁場発生装置
Claims (12)
- 同一形状の複数の永久磁石片が円柱状の磁場評価空間を取り囲む様に配置されたことを特徴とする永久磁石装置であって、
前記永久磁石片の磁化方向は、前記永久磁石片の環状配列の周方向成分を有しており、
複数の前記永久磁石片は、断面視で回転対称の柱状体であり、
前記回転対称の回転軸の各々は、前記円柱状の磁場評価空間の円柱中心軸に平行であり、
前記永久磁石片の磁化方向は、nを0以上の整数としたとき、基準となる一の前記永久磁石片と前記円柱中心軸とを結ぶ基準線と他の永久磁石片、及び前記円柱中心軸を結ぶ線分との成す角の(n+2)倍の角度を修正した方向であり、
前記修正した方向の修正角は、前記複数の永久磁石片の磁化のばらつきによる磁場分布を修正する角度に設定されている
ことを特徴とする永久磁石装置。 - 複数の前記永久磁石片は、同心円状に多層構造に配列されている
ことを特徴とする請求項1に記載の永久磁石装置。 - 前記永久磁石片は、回転体であり、
複数の前記回転体を保持する保持プレートをさらに備え、
複数の前記回転体は、前記修正角を満たした状態で嵌入又は接着されている
ことを特徴とする請求項1に記載の永久磁石装置。 - 前記永久磁石片は、回転体又は円錐台形状であり、
複数の前記永久磁石片を保持する保持プレートをさらに備え、
複数の前記永久磁石片は、前記保持プレートに嵌入されている
ことを特徴とする請求項1に記載の永久磁石装置。 - 前記保持プレートの外周に形成された環状磁性体をさらに有する
ことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の永久磁石装置。 - 複数の前記永久磁石片は、前記円柱中心軸に対して垂直な面内で磁化されている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の永久磁石装置。 - 請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の永久磁石装置が複数積層されている
ことを特徴とする磁場発生装置。 - 前記永久磁石装置の各々を回転させる磁石回転機構をさらに備える
ことを特徴とする請求項7に記載の磁場発生装置。 - 隣接する前記永久磁石装置は、所定の初期基準位置から互いに逆向きとなるように回転させられる磁石装置ペアを構成する
ことを特徴とする請求項8に記載の磁場発生装置。 - 隣接する前記永久磁石装置は、複数の磁石装置ペアを構成し、
前記磁石装置ペアの各々は、同じ角度で回転させられる永久磁石装置と、該同じ角度で逆方向に回転させられる永久磁石装置とから構成される
ことを特徴とする請求項9に記載の磁場発生装置。 - 磁場発生装置の軸方向に発生磁場強度分布を持つように、前記複数の磁石装置ペアは、積層方向に回転角度分布をつけられている
ことを特徴とする請求項10に記載の磁場発生装置。 - 同一形状の複数の永久磁石片が円柱状の磁場評価空間を取り囲む様に配置されたことを特徴とする永久磁石装置が複数積層されている磁場発生装置であって、
前記永久磁石片の磁化方向は、前記永久磁石片の環状配列の周方向成分を有しており、
複数の前記永久磁石片は、断面視で回転対称の柱状体であって、該回転対称の回転軸の各々は、前記円柱状の磁場評価空間の円柱中心軸に平行であり、該円柱中心軸に対して垂直な面内で磁化されており、
前記永久磁石装置の各々を回転させる磁石回転機構をさらに備える
ことを特徴とする磁場発生装置。
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