JP7428996B1 - 電磁石、及び磁場印加システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の磁場印加態様を実現可能な電磁石及び磁場印加システムを提供する。【解決手段】電磁石１は、Ｚ軸方向に平行な中心軸Ｃ１と同軸の棒状部位３０を有し、棒状部位３０の先端がＺ軸方向の第１側Ｚ１を向いている第１ヨーク３と、第１ヨーク３の棒状部位３０の外周側ＲＤ１に配置され且つ中心軸Ｃ１を中心とする筒状部位４０を有し、筒状部位４０の先端がＺ軸方向の第１側Ｚ１を向いている第２ヨーク４と、第１ヨーク３の棒状部位３０及び第２ヨーク４の筒状部位４０を包囲するコイル６と、を有する。第１ヨーク３及び第２ヨーク４は、それぞれ独立してＺ軸方向に沿った直線移動が可能に構成されている。【選択図】図２

Description

本開示は、電磁石、及び磁場印加システムに関する。

磁気抵抗測定装置、振動試料型磁力計、ＭＲＡＭ評価装置を始めとする各種磁気物性測定装置用電磁石、磁場中熱処理装置、着磁脱磁処理装置、磁歪測定装置等の電磁石を用いた処理装置など、磁気応用産業から半導体産業、さらには医療やバイオ分野と、磁場を使用する技術が多方面にわたって実用化されている。

上記の分野においては、所望の方向に磁場を印加して被測定物の磁場中の特性を計測することや所望の磁場中に被処理物を配置して熱処理等を施すことによって被処理物の磁気特性を変化させること等のために、電磁石を使い電流制御や電磁石の回転等により所望の方向に磁場を印加することも行われている。

例えば、特許文献１には、磁場印加領域を装置の鉛直方向（Ｚ軸方向）の一方側のみとし、機械的動作の制約及び装置大型化を回避した電磁石が開示されている。特許文献１に記載の電磁石は、鉛直方向であるＺ軸方向と、Ｚ軸方向に直交する水平面におけるＸ軸方向及びＹ軸方向を含む任意方向の磁場が印加可能となる。

特許第６４７３５４６号公報

磁場印加の用途の一例として、狭い範囲に強い磁場を印加する用途や、比較的広い範囲に均一な強さの磁場に印加する用途などの種々の用途が要求される。用途ごとに電磁石を用意する場合には、電磁石の数の増大や電磁石の切り替え機構などが必要となり、磁場印加システムのコスト増を招来し得る。

本開示は、複数の磁場印加態様を実現可能な電磁石及び磁場印加システムを提供する。

本開示の電磁石は、Ｚ軸方向に平行な中心軸と同軸の棒状部位を有し、前記棒状部位の先端がＺ軸方向の第１側を向いている第１ヨークと、前記第１ヨークの前記棒状部位の外周側に配置され且つ前記中心軸を中心とする筒状部位を有し、前記筒状部位の先端がＺ軸方向の前記第１側を向いている第２ヨークと、前記第１ヨークの前記棒状部位及び前記第２ヨークの前記筒状部位を包囲するコイルと、を備え、前記第１ヨーク及び前記第２ヨークは、それぞれ独立してＺ軸方向に沿った直線移動が可能に構成されている。

磁場印加システムを構成する電磁石のヨークのみを示す模式的な平面図。 第１ヨーク及び第２ヨークが第１位置に位置する状態における図１のＡ１－Ａ１部位断面図。 第１ヨーク及び第２ヨークが第２位置に位置する状態における図１のＡ１－Ａ１部位断面図。 図２に示す均一広磁場モードにおける電磁石半分の磁束密度分布を示す図。 図４のシミュレーション結果を示す図。 図３に示す強磁場モードにおける電磁石半分の磁束密度分布を示す図。 図６のシミュレーション結果を示す図。 第１ヨーク及び第２ヨークが第１位置に位置する状態の駆動機構を模式的に示す断面図。 第１ヨーク及び第２ヨークが第２位置に位置する状態の駆動機構を模式的に示す断面図。 無磁場モードにおける第１ヨーク及び第２ヨークの位置関係を示す断面図。 変形例の第１ヨーク及び第２ヨークが第１位置に位置する状態における図１のＡ１－Ａ１部位断面図。

［第１実施形態］
以下、本開示の第１実施形態について、図面を用いて説明する。

＜磁場印加システム＞
図１は、磁場印加システムを構成する電磁石１のヨークのみを示す模式的な平面図である。図２は、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第１位置Ｐ１に位置する状態における図１のＡ１－Ａ１部位断面図である。図３は、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第２位置Ｐ２に位置する状態における図１のＡ１－Ａ１部位断面図である。磁場印加システムは、Ｚ軸方向成分を有する磁場を印加対象物（非図示）に印加可能に構成されている。磁場印加システムは、図１及び図２に示すように、電磁石１と、電磁石１に電流を供給する電流供給部２と、を有する。Ｚ軸方向は、発明の説明を容易にするために用いる。電磁石１の向きは使用方法に応じて異なるため、本開示の図面で示す方向（鉛直方向）に限定されない。図２及び図３において、中心軸Ｃ１上における印加対象物のターゲット部Ｔ１を図示している。

＜電磁石＞
図１及び図２に示すように、電磁石１は、第１ヨーク３と、第２ヨーク４と、コイル６とを有する。

第１ヨーク３は、軟質強磁性体で形成されており、Ｚ軸方向に平行な中心軸Ｃ１と同軸の棒状部位３０を有する。棒状部位３０の先端がＺ軸方向の第１側Ｚ１を向いている。棒状部位３０は、Ｚ軸方向に平行な視線で見て円形状に形成されている。また、棒状部位３０の先端はＺ軸方向における第１側Ｚ１と反対側である第２側Ｚ２から第１側Ｚ１に向かうにつれて径が細くなる先細り形状である。第１ヨーク３が後述する第２位置に位置する場合に、この先細り形状によって中心軸Ｃ１上に発現する磁場のＺ軸方向成分を強くすることができる。

第２ヨーク４は、軟質強磁性体で形成されており、中心軸Ｃ１を中心とする筒状部位４０を有する。筒状部位４０は、第１ヨーク３の棒状部位３０の外周側ＲＤ１に配置されている。筒状部位４０の先端がＺ軸方向の第１側Ｚ１を向いている。筒状部位４０は、Ｚ軸方向に平行な視線で見て円柱形状に形成されている。本明細書において「外周側ＲＤ１」は、中心軸Ｃ１を中心とする径方向外側を意味する。「内周側ＲＤ２」は、中心軸Ｃ１を中心とする径方向内側を意味する。

コイル６は、第１ヨーク３の棒状部位３０及び第２ヨーク４の筒状部位４０を包囲する位置に巻き付けられている。この構造により、コイル６に電流を流せば、第１ヨーク３の棒状部位３０及び第２ヨーク４の筒状部位４０を通る磁束が発現する。コイル６は、複数（４つ）のユニットに分割され、各ユニットの間に冷却板が配置されている。複数のユニットそれぞれが１つのコイルであり、並列接続されているが、例示であり、ユニット数や接続形態はこれらに限定されない。

電磁石１は、リターンヨーク７を更に備える。リターンヨーク７は、第１ヨーク３及び第２ヨーク４に磁気的に接続されており、第１ヨーク３の棒状部位３０及び第２ヨーク４の筒状部位４０の外周側ＲＤ１において、Ｚ軸方向における第２側Ｚ２から第１側Ｚ１へ延びている。具体的には、リターンヨーク７は、第２ヨーク４に接触し且つ外周側へ延びる第１延在部７０と、コイル６の外周側ＲＤ１において第１延在部７０の径方向外側端部からＺ軸方向の第１側Ｚ１へ延びる第２延在部７１と、第２延在部７１のＺ軸方向の第１側Ｚ１の先端部に接続されるリング状のリターン先端部７２と、を有する。

電磁石１は、第３ヨーク５を更に備える。第３ヨーク５は、軟質強磁性体で形成されており、中心軸Ｃ１を中心とする環状であり、リターンヨーク７の内周側ＲＤ２においてリターンヨーク７から離間する位置に配置されている。

図２及び図３に示すように、第１ヨーク３及び第２ヨーク４は、それぞれ独立してＺ軸方向に沿った直線移動が可能に構成されている。第１ヨーク３及び第２ヨーク４の移動を可能にするための機構については後述する。

第１ヨーク３及び第２ヨーク４は、図２に示す第１位置Ｐ１及び図３に示す第２位置Ｐ２を含む複数の位置に移動可能に構成されている。図２に示すように、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第１位置Ｐ１にある状態において、第１位置Ｐ１に位置する第１ヨーク３の棒状部位３０の第１側Ｚ１の第１面３１は、第１位置Ｐ１に位置する第２ヨーク４の第１側Ｚ１の第２面４１と面一になる。これにより、第１ヨークの先端の磁極と第２ヨークの先端の磁極とを合わせた幅に応じた範囲（比較的広い範囲）にＺ軸成分の大きさが均一な磁場を発生可能となる。これは、本明細書において均一広磁場モードと表現する。第１ヨーク３の棒状部位３０の第１側Ｚ１の第１面３１と第２ヨーク４の第１側Ｚ１の第２面４１とを面一又はほぼ面一にすることで、第１ヨーク３の第１側Ｚ１であって中心軸Ｃ１付近に発現する磁場のＺ軸方向成分の大きさの均一化を図ることができる。面一又はほぼ面一でなければ、磁場のＺ軸方向成分の大きさに偏りが発生するからである。ほぼ面一とは、第１ヨーク３の第１面３１と第２ヨーク４の第２面４１のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内にあることをいう。均一広磁場モードを適切に実現するためには、第１ヨーク３の第１面３１と第２ヨーク４の第２面４１とがほぼ面一であればよいが、さらに面一であることが好ましい。なお、均一広磁場モードにおいて磁場のＺ軸方向成分の大きさは中心軸Ｃ１上が最大となり、中心軸Ｃ１から離れるほど磁場のＺ軸方向成分の大きさが小さくなる。中心軸Ｃ１上の磁場のＺ軸方向成分の最大値が基準となる。よって、磁場のＺ軸方向成分の大きさの前記最大値に対する差が、前記最大値の１０％の範囲内であれば均一であるとする。

さらに、図２に示すように、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第１位置Ｐ１にある状態において、第２ヨーク４と第３ヨーク５とが接触すると共に第２ヨーク４の筒状部位４０の第１側Ｚ１の第２面４１と第３ヨーク５の第１側Ｚ１の第３面５１とが面一になる。これにより、第１側Ｚ１の面が面一である磁極の径方向の幅が第１ヨーク３及び第２ヨーク４を合わせた幅よりも、第３ヨーク５を含めた幅に広がるので、磁場のＺ軸方向成分の大きさが均一となる第１範囲Ａｒ１を第３ヨーク５が無い場合に比べて大きくすることが可能となる。この効果は、第１ヨーク３の第１面３１と第２ヨーク４の第２面４１と第３ヨーク５の第３面５１とがほぼ面一となることでも発揮される。ほぼ面一とは、第１ヨーク３の第１面３１と第２ヨーク４の第２面４１のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内にあり且つ第１ヨーク３の第１面３１と第３ヨーク５の第３面５１のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内にあり且つ第２ヨーク４の第２面４１と第３ヨーク５の第３面５１のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内にあることをいう。上記の第３ヨーク５による磁場のＺ軸方向成分の大きさが均一となる第１範囲Ａｒ１を広げる効果は、上記ほぼ面一の条件を満たせば、第２ヨーク４と第３ヨーク５が非接触であっても発揮されるが、第２ヨーク４と第３ヨーク５が接触している方がより好ましい。

図３に示すように、第２位置Ｐ２に位置する第１ヨーク３の棒状部位３０の第１側Ｚ１の面３１は、第１位置Ｐ１に位置する場合（図２参照）よりも第１側Ｚ１に移動して突出している。図３に示すように、第２位置Ｐ２に位置する第２ヨーク４の筒状部位４０は、第１位置Ｐ１に位置する場合（図２参照）よりも第２側Ｚ２へ移動している。さらに具体的には、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第１位置Ｐ１にある状態において、第１ヨーク３の第１面３１と第２ヨーク４の第２面４１のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍよりも大きく、第１ヨーク３の第１面３１は第２ヨーク４の第２面４１よりも第１側Ｚ１に位置している。これにより、第１ヨーク３の先端の磁極の先である中心軸Ｃ１上のターゲット部Ｔ１に、第１位置Ｐ１で発生させる磁場よりもＺ軸方向成分が強い磁場を発生可能となる。これは、本明細書において強磁場モードと表現する。

さらに、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第２位置Ｐ２に位置する状態において、第２ヨーク４と第３ヨーク５とが離間すると共に、第３ヨーク５が第１ヨーク３の棒状部位３０の先端部とリターンヨーク７の間に位置し、第３ヨーク５が第１ヨーク３及びリターンヨーク７の双方から離間する位置に配置されている。また、第３ヨーク５が第１ヨーク３の棒状部位の外周側であって第２ヨーク４の第２面４１よりも第１側Ｚ１に位置している。また、第３ヨーク５は第１ヨーク３の第１面３１よりも第２側Ｚ２に位置している。これにより、第３ヨーク５が、リターンヨーク７と第１ヨーク３の先端の間の磁束を案内し、リターンヨークの役割を持つので、中心軸Ｃ１上に発現する磁場のＺ軸方向成分を強くすることが可能となる。

＜シミュレーション結果＞
図４～図７にシミュレーション結果を示す。シミュレーションで用いたモデルの寸法について、第１ヨーク３の棒状部位３０の先端の面３１の直径は３０ｍｍであり、棒状部位３０全体の外径（直径）は５０ｍｍである。第２ヨーク４の筒状部位４０の先端の面４１の径方向ＲＤの寸法は３０ｍｍである。第３ヨーク５の外径（直径）は２００ｍｍである。リターンヨーク７の内径（直径）は２４０ｍｍである。コイル６に流す電流は１０Ａとしている。ヨークの材質はＳＳ４００に設定している。座標系は、Ｚ軸座標とＲ軸座標を採用している。Ｚ軸座標は、Ｚ軸方向に沿った座標であり、図２に示す第１位置Ｐ１に位置する第１ヨーク３の先端面を原点０とし、第１側Ｚ１をマイナスで表記している。Ｒ軸座標は、径方向ＲＤ（Ｒ軸方向）に沿った座標であり、中心軸Ｃ１が原点０とし、外周側ＲＤ１に向かってプラスとなる。図２に示すターゲット部Ｔ１の座標は（Ｒ：Ｚ）＝（０ｍｍ，－２５ｍｍ）である。

図４は、図２に示す均一広磁場モードにおける電磁石半分の磁束密度分布を示す図である。図５は、図４のシミュレーション結果を示す図であり、ターゲット部Ｔ１を通る径方向ＲＤに平行な線上におけるＺ軸方向成分の磁束密度Ｂｚ［Ｔ］を示している。図５に示すように、座標（Ｒ：Ｚ）が（０ｍｍ，－２５ｍｍ）から（６０ｍｍ，－２５ｍｍ）までの線上におけるＺ軸方向成分の磁束密度Ｂｚの絶対値の最大値が０．１２５［Ｔ］であり、絶対値の最小値が０．１２１［Ｔ］である。最大値０．１２５［Ｔ］の１０％減少した磁束密度Ｂｚは０．１１２５［Ｔ］であり、絶対値の最小値０．１２１［Ｔ］が、１０％減少した値０．１１２５［Ｔ］よりも大きく、Ｚ軸方向成分の磁束密度Ｂｚが最大値０．１２５［Ｔ］から０．１１２５［Ｔ］までの範囲に収まっている。よって、図２に示す第１範囲Ａｒ１（直径１２０ｍｍ）の範囲で、Ｚ軸方向成分の均一磁場が発生可能である。

図６は、図３に示す強磁場モードにおける電磁石半分の磁束密度分布を示す図である。図７は、図６のシミュレーション結果を示す図であり、ターゲット部Ｔ１を通る径方向ＲＤに平行な線上におけるＺ軸方向成分の磁束密度Ｂｚ［Ｔ］を示している。第１ヨーク３は、図２に示す第１位置Ｐ１から第１側Ｚ１へ１５ｍｍ移動する。第２位置Ｐ２に位置する第１ヨーク３の先端の面３１から第１側Ｚ１へ１０ｍｍ先のところにターゲット部Ｔ１が位置している。第２ヨーク４は、第１位置Ｐ１から第２側Ｚ２へ４０ｍｍ移動する。図７に示すように、座標（Ｒ：Ｚ）が（０ｍｍ，－２５ｍｍ）での磁束密度Ｂｚの絶対値が０．４６３［Ｔ］であり、Ｒ軸座標が増えるにつれて急激に減衰する。よって、強磁場モードは、中心軸Ｃ１付近の狭い範囲であるが、均一広磁場モードに比べて強い磁場を発生させることが可能となる。

＜駆動機構及び位置決め機構＞
第１ヨーク３及び第２ヨーク４の直線移動を可能にするための機構について説明する。図８は、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第１位置Ｐ１に位置する状態の駆動機構を模式的に示す断面図である。図９は、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第２位置Ｐ２に位置する状態の駆動機構を模式的に示す断面図である。図８及び図９に示すように、電磁石１は、第１ヨーク３を直線移動させるための第１駆動機構８０と、第１ヨーク３の位置を決定する第１位置決め機構８１と、第２ヨーク４を直線移動させるための第２駆動機構９０と、第２ヨーク４の位置を決定する第２位置決め機構９１と、を有する。これらの機構（８０，８１，９０，９１）は、発生させる磁場に影響を与えないように非磁性体で形成されている。

第１駆動機構８０は、第１ヨーク３に接続される第１部材８２と、第１部材８２に形成された第１ネジ溝８２ｘに噛み合う第２ネジ溝８３ｘを有する第２部材８３と、を有する。第１部材８２は、第１側Ｚ１の端部が第１ヨーク３にボルト等の締結具（非図示）で固定されている。第１部材８２は、筒状に形成されており、内周面に第１ネジ溝８２ｘが形成されている。第２部材８３は、円盤部位と円盤部位の中心部から突出するボルト部とを有する。第２部材８３のボルト部の外周に形成された第２ネジ溝８３ｘが第１部材８２の筒状部の内側の第１ネジ溝８２ｘに噛み合った状態で第２部材８３のボルト部が第１部材８２の筒部に挿入されている。これにより、第１部材８２のＺ軸方向の位置を規定した状態で第２部材８３が第１部材８２を支持している。第２部材８３は、第１ベアリング８４によって中心軸Ｃ１を中心として回転可能に支持されている。第１ベアリング８４はリターンヨーク７に関連付けられた非図示の支持部を足場として固定されている。第２部材８３は歯車であって、円盤部位の外周部分の一部に第２部材８３を回転させるための回転力を入力するための歯８３ｙが形成されている。歯８３ｙに噛み合う外部の歯車８５から回転力が入力可能に構成されている。歯車８５は、人が回すハンドル又はトルク制御型等のモータから回転力の伝達を受けて回転可能である。第１部材８２の外周の一部には、Ｚ軸方向に延びる溝が形成されており、筒状部位４０に固定されたピン８６が溝に挿入されている。これにより、第１部材８２及び第１ヨーク３が回転することを禁止している。歯車８５の回転に伴って第２部材８３が回転すれば、ピン８６で回転規制された第２部材８３及び第１ヨーク３がＺ軸方向に沿って上下に直線移動する。

第１位置決め機構８１は、第１ヨーク３の第１側Ｚ１の限界位置を決定する第１規定部８１ａと、第１ヨーク３の第２側Ｚ２の限界位置を決定する第２規定部８１ｂと、を有する。第１規定部８１ａは、第１ヨーク３の先端部のテーパ面に接触することで、それ以上、第１ヨーク３が第１側Ｚ１に移動できないようにするストッパである。第１規定部８１ａは、リターンヨーク７に固定される補強板（非図示）に固定されている。第２規定部８１ｂは、第２部材８３に設けられており、第１部材８２が第２部材８３に接触してそれ以上、第１部材８２が第２側Ｚ２に移動できないようにするストッパである。

第２駆動機構９０は、第２ヨーク４に接続される第３部材９２と、第３部材９２に形成された第３ネジ溝９２ｘに噛み合う第４ネジ溝９３ｘを有する第４部材９３と、を有する。第３部材９２は、第１側Ｚ１の端部が第２ヨーク４にボルト等の締結具（非図示）で固定されている。第３部材９２は、筒状に形成されており、内周面に第３ネジ溝９２ｘが形成されている。第４部材９３は、筒状に形成されており、外周面に第４ネジ溝９３ｘが形成されている。第３部材９２の第３ネジ溝９２ｘと第４部材９３の第４ネジ溝９３ｘとが噛み合った状態で第４部材９３が第３部材９２の内部に挿入されている。これにより、第３部材９２のＺ軸方向の位置を規定した状態で第４部材９３が第３部材９２を支持している。第４部材９３は、第２ベアリング９４によって中心軸Ｃ１を中心として回転可能に支持されている。第２ベアリング９４はリターンヨーク７に関連付けられた非図示の支持部を足場として固定されている。第４部材９３は歯車であって、外周部分の一部に第４部材９３を回転させるための回転力を入力するための歯９３ｙが形成されている。歯９３ｙに噛み合う外部の歯車９５から回転力が入力可能に構成されている。歯車９５は、人が回すハンドル又はトルク制御型等のモータから回転力の伝達を受けて回転可能である。なお、歯車９５は、周方向の別の位置に配置されており、Ａ１－Ａ１断面図では現れないために二点鎖線で図示している。第２ヨーク４の外周の一部には、Ｚ軸方向に延びる溝が形成されており、リターンヨーク７の一部に固定されたピン９６が溝に挿入されている。これにより、第３部材９２及び第２ヨーク４が回転することを禁止している。歯車９５の回転に伴って第４部材９３が回転すれば、ピン９６で回転規制された第３部材９２及び第２ヨーク４がＺ軸方向に沿って上下に直線移動する。

第２位置決め機構９１は、第２ヨーク４の第１側Ｚ１の限界位置を決定する第３規定部９１ａと、第２ヨーク４の第２側Ｚ２の限界位置を決定する第４規定部９１ｂと、を有する。第３規定部９１ａは、第２ヨーク４の先端部のテーパ面に接触することで、それ以上、第２ヨーク４が第１側Ｚ１に移動できないようにするストッパであり、第３ヨーク５に設けられたテーパ面である。第４規定部９１ｂは、第２部材８３に設けられており、第３部材９２が第２部材８３に接触してそれ以上、第３部材９２が第２側Ｚ２に移動できないようにするストッパである。

［１］
以上のように、本実施形態の電磁石１は、Ｚ軸方向に平行な中心軸Ｃ１と同軸の棒状部位３０を有し、棒状部位３０の先端がＺ軸方向の第１側Ｚ１を向いている第１ヨーク３と、第１ヨーク３の棒状部位３０の外周側ＲＤ１に配置され且つ中心軸Ｃ１を中心とする筒状部位４０を有し、筒状部位４０の先端がＺ軸方向の第１側Ｚ１を向いている第２ヨーク４と、第１ヨーク３の棒状部位３０及び第２ヨーク４の筒状部位４０を包囲するコイル６と、を備え、第１ヨーク３及び第２ヨーク４は、それぞれ独立してＺ軸方向に沿った直線移動が可能に構成されている、としてもよい。
この構成によれば、第１ヨーク３及び第２ヨーク４は、それぞれ独立してＺ軸方向に沿った直線移動が可能であるので、１つの電磁石で複数の磁場印加態様を実現可能となる。

［２］
上記［１］に記載の電磁石１において、第１ヨーク３及び第２ヨーク４は、第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２を含む複数の位置に移動可能に構成されており、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第１位置Ｐ１にある状態において、第１ヨーク３の棒状部位３０の第１側Ｚ１の第１面３１と第２ヨーク４の筒状部位４０の第１側Ｚ１の第２面４１のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内であり、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第２位置Ｐ２にある状態において、第１面３１と第２面４１のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍよりも大きく、第１面３１は第２面４１よりも第１側Ｚ１に位置している、としてもよい。
このように、第１位置Ｐ１に位置する第１ヨーク３の棒状部位３０の第１側Ｚ１の面３１と第１位置Ｐ１に位置する第２ヨーク４の筒状部位４０の第１側Ｚ１の面４１とが面一又はほぼ面一になるので、第１ヨーク３の先端の磁極と第２ヨーク４の先端の磁極とを合わせた幅に応じた範囲（比較的広い範囲）にＺ軸成分の大きさが均一な磁場を発生可能となる。これは、均一広磁場モードといえる。
第２位置Ｐ２では、第１位置Ｐ１に比べて第１ヨーク３を第１側Ｚ１に移動させ且つ第２ヨーク４を第２側Ｚ２に移動させ、第１面３１と第２面４１とが面一又はほぼ面一でなく、第１ヨーク３の第１面３１が第２ヨーク４の第２面４１よりも第１側に位置して突出しているので、第１ヨーク３の先端の磁極の先である中心軸Ｃ１上に均一広磁場モードで発生させる磁場よりも強い磁場を発生可能となる。これは、強磁場モードといえる。
このように、均一広磁場モードと強磁場モードとを第１ヨーク３及び第２ヨーク４を移動させるだけで、切替可能となり、２つの役割を担う電磁石を提供可能となる。

［３］
上記［２］に記載の電磁石１において、第２ヨーク４の外周側に配置される環状の第３ヨーク５を備え、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第１位置Ｐ１にある状態において、第２面４１と第３ヨーク５の第１側Ｚ１の第３面５１のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内であり且つ第１面と第３面のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内であり、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第２位置Ｐ２に位置する状態において、第２ヨーク４と第３ヨーク５とが離間すると共に、第３ヨーク５が第１ヨーク３の棒状部位３０の外周側であって第２ヨーク４の筒状部位４０の第１側Ｚ１の面よりも第１側Ｚ１に位置する、としてもよい。
このように、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第１位置Ｐ１にあり、第２ヨーク４の第２面４１と第３ヨーク５の第３面５１のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内であり且つ第１ヨークの第１面３１と第３ヨーク５の第３面のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内である状態では、第１ヨーク３と第２ヨーク４と第５ヨークが接触又は近接して一体のヨークとなり、面一な磁極の幅を広げる機能を第３ヨーク５に持たせることが可能となる。さらに、第１ヨーク３及び第２ヨーク４が第２位置Ｐ２にある状態では、第１ヨーク３の先端と第１ヨークの基端との間の磁束を第３ヨーク５が案内するので、磁場を強くすることが可能となる。

［４］
上記［２］に記載の電磁石１において、第１ヨーク３及び第２ヨーク４に磁気的に接続され、第１ヨーク３の棒状部位３０及び第２ヨーク４の筒状部位４０の外周側ＲＤ１において、Ｚ軸方向における第１側Ｚ１とは反対側である第２側Ｚ２から第１側Ｚ１へ延びるリターンヨーク７を更に備える、としてもよい。
この構成によれば、第１ヨーク３及び第２ヨーク４とリターンヨーク７とで閉磁路が形成されるので、磁場を強くすることが可能となる。

［５］
上記［３］に記載の電磁石１において、第１ヨーク３及び第２ヨーク４に磁気的に接続され、第１ヨーク３の棒状部位３０及び第２ヨーク４の筒状部位４０の外周側ＲＤ１において、Ｚ軸方向における第１側Ｚ１とは反対側である第２側Ｚ２から第１側Ｚ１へ延び且つ前記第３ヨークから離間するリターンヨークを更に備える、としてもよい。
さらに、第２ヨーク４が第２位置Ｐ２にある状態では、リターンヨーク７と第１ヨークの先端との間の磁束を第３ヨーク５が案内するので、リターンヨークの役割を第３ヨークが持ち、磁場を強くすることが可能となる。

［６］
上記［１］～［５］のいずれかに記載の電磁石１において、第１ヨーク３を直線移動させるための第１駆動機構８０と、第１ヨーク３の位置を決定する第１位置決め機構８１と、第２ヨーク４を直線移動させるための第２駆動機構９０と、第２ヨーク４の位置を決定する第２位置決め機構９１と、を更に備える、としてもよい。
１つの電磁石で複数の磁場印加態様を実現するうえで好ましい。

［７］
磁場印加システムは、上記［１］～［６］のいずれかに記載の電磁石１と、コイル６に電流を供給する電流供給部２と、を備える、としてもよい。

本開示は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能である。

（Ａ）上記実施形態では、第１ヨーク３及び第２ヨーク４は、図２に示す均一広磁場モードと図３に示す強磁場モードの２つの位置関係に移動可能であるが、これに限定されない。例えば、図１０に示す無磁場モードの位置関係に移動可能にしてもよい。無磁場モードにおいては、第２ヨーク４が第２位置Ｐ２に移動し、第１ヨーク３が第１位置Ｐ１にある状態よりも第２側Ｚ２の第３位置Ｐ３へ移動している状態である。図１０では、第１ヨーク３及び第２ヨーク４の第１側Ｚ１の面３１，４１が面一となっているが、面一である必要はない。ヨークはコイル６への電流を止めたとしても磁化しており、弱い磁場を発生し得る。そこで、無磁場モードのように第１ヨーク３及び第２ヨーク４をターゲット部Ｔ１から遠ざける方向の第２側Ｚ２へ移動させることで、ターゲット部Ｔ１に残留磁場が影響を与えることを抑制又は防止可能となる。無磁場モードは待機モードともいえる。

（Ｂ）上記実施形態では、第３ヨーク５が設けられているが、第３ヨーク５を省略することも可能である。また、図２及び図３に示す第２ヨーク４及び第３ヨーク５を一体化したヨークを第２ヨーク４としてもよい。

（Ｃ）発生する磁場が弱くなるが、リターンヨーク７が無い電磁石にすることも可能である。

（Ｄ）第１ヨーク３及び第２ヨーク４は、中心軸Ｃ１と平行な視線で見て円形状に形成されているが、これに限定されない。正方形等の四角形、正三角形でもよい。

（Ｅ）上記実施形態では、第１ヨーク３が先細り形状であるが、これに限定されない。例えば、第１ヨーク３の筒状部位４０の径が変わらなくてもよい。

（Ｆ）図２及び図８に示す実施形態において、第１ヨーク３の第１面３１と第２ヨーク４の第２面４１と第３ヨーク５の第３面５１とが面一であるが、これに限定されない。例えば、第１ヨーク３の第１面３１と第２ヨーク４の第２面４１のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内にあり且つ第１ヨーク３の第１面３１と第３ヨーク５の第３面５１のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内にあり且つ第２ヨーク４の第２面４１と第３ヨーク５の第３面５１のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内にあれば、第１面３１と第２面４１と第３面５１とが面一でなくてもよい。一例として、図１１に示すように、第１面３１と第２面４１のＺ軸方向に沿った離間距離Ｄ１が５ｍｍであり、第１面３１が第２面４１よりも第１側Ｚ１に位置している。また、第２面４１と第３面５１のＺ軸方向に沿った離間距離Ｄ２が２ｍｍであり、第２面４１が第３面５１よりも第２側Ｚ２に位置している。第１面３１は第３面５１よりも第１側Ｚ１に位置しており、第１面３１と第３面５１のＺ軸方向に沿った離間距離が３ｍｍである。図１１では、最も第１側Ｚ１にある面が第１面３１であり、第１面３１の第２側Ｚ２に第３面５１が位置し、第３面５１の第２側Ｚ２に第２面４１が位置しているが、これに限定されない。例えば、第１面３１が第２面４１よりも第２側Ｚ２に位置してもよいし、第１面３１が第２面４１よりも第１側Ｚ１に位置してもよい。第３面５１についても同様であり、第３面５１が第１面３１又は第２面４１よりも第１側Ｚ１に位置してもよいし、第３面５１が第１面３１又は第２面４１よりも第２側Ｚ２に位置してもよい。このように、均一広磁場モードにおいては、Ｚ軸方向における第１面３１と第２面４１と第３面５１の並び順は任意に変更可能である。

（Ｇ）上記実施形態では、第１ヨーク３、第２ヨーク４、第３ヨーク５が設けられているが、さらに第４ヨーク等の別のヨークを設けてもよい。これに伴って、第１駆動機構８０、第１位置決め機構８１、第２駆動機構９０及び第２位置決め機構９１以外に、別の駆動機構や位置決め機構を設けてもよい。

（Ｈ）上記実施形態において、第１ヨーク３の先端及び第２ヨーク４の先端が先細り形状であり、第１ヨーク３の先細りのテーパ面のＺ軸方向に対する角度と、第１ヨーク３の先細りのテーパ面のＺ軸方向に対する第１角度と、第２ヨーク４の先細りのテーパ面のＺ軸方向に対する第２角度とが同一であるが、これに限定されない。例えば、上記第１角度が上記第２角度よりも大きくてもよいし、上記第１角度が上記第２角度よりも小さくてもよい。

１…電磁石
２…電流供給部
３０…棒状部位
３…第１ヨーク
３１…第１面
４…第２ヨーク
４１…第２面
４０…筒状部位
５…第３ヨーク
５１…第３面
６…コイル
７…リターンヨーク
８０…第１駆動機構
８１…第１位置決め機構
９０…第２駆動機構
９１…第２位置決め機構
Ｃ１…中心軸
Ｐ１…第１位置
Ｐ２…第２位置
Ｚ１…第１側
Ｚ２…第２側

Claims (6)

1. Ｚ軸方向に平行な中心軸と同軸の棒状部位を有し、前記棒状部位の先端がＺ軸方向の第１側を向いている第１ヨークと、
   前記第１ヨークの前記棒状部位の外周側に配置され且つ前記中心軸を中心とする筒状部位を有し、前記筒状部位の先端がＺ軸方向の前記第１側を向いている第２ヨークと、
   前記第１ヨークの前記棒状部位及び前記第２ヨークの前記筒状部位を包囲するコイルと、
   前記第２ヨークの外周側に配置される環状の第３ヨークと、を備え、
   前記第１ヨーク及び前記第２ヨークは、それぞれ独立してＺ軸方向に沿った直線移動が可能に構成されており、
   前記第１ヨーク及び前記第２ヨークは、第１位置及び第２位置を含む複数の位置に移動可能に構成されており、
   前記第１ヨーク及び前記第２ヨークが前記第１位置にある状態において、前記第１ヨークの前記棒状部位の前記第１側の第１面と前記第２ヨークの前記筒状部位の前記第１側の第２面のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内であり、
   前記第１ヨーク及び前記第２ヨークが前記第２位置にある状態において、前記第１面と前記第２面のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍよりも大きく、前記第１面は前記第２面よりも前記第１側に位置しており、
   前記第１ヨーク及び前記第２ヨークが前記第１位置にある状態において、前記第２面と
   前記第３ヨークの前記第１側の第３面のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内であり且
   つ前記第１面と前記第３面のＺ軸方向に沿った離間距離が５ｍｍ以内であり、
   前記第１ヨーク及び前記第２ヨークが前記第２位置に位置する状態において、前記第２
   ヨークと前記第３ヨークとが離間すると共に、前記第３ヨークが前記第１ヨークの前記棒
   状部位の外周側であって前記第２面よりも前記第１側に位置する、電磁石。
2. Ｚ軸方向に平行な中心軸と同軸の棒状部位を有し、前記棒状部位の先端がＺ軸方向の第１側を向いている第１ヨークと、
   前記第１ヨークの前記棒状部位の外周側に配置され且つ前記中心軸を中心とする筒状部位を有し、前記筒状部位の先端がＺ軸方向の前記第１側を向いている第２ヨークと、
   前記第１ヨークの前記棒状部位及び前記第２ヨークの前記筒状部位を包囲するコイルと、
   前記第２ヨークの外周側に配置される環状の第３ヨークと、を備え、
   前記第１ヨーク及び前記第２ヨークは、それぞれ独立してＺ軸方向に沿った直線移動が可能に構成されており
   前記第１ヨーク及び前記第２ヨークは、第１位置を含む複数の位置に移動可能に構成されており、
   前記第１ヨーク及び前記第２ヨークが前記第１位置にある状態において、前記第１ヨークの前記棒状部位の前記第１側の第１面が、前記第２ヨークの前記筒状部位の前記第１側の第２面および前記第３ヨークの前記第１側の第３面よりも前記第１側に位置し、前記第２ヨークと前記第３ヨークとが離間すると共に、前記第３ヨークが前記第１ヨークの前記棒状部位の外周側であって前記第２面よりも前記第１側に位置する、電磁石。
3. 前記第１ヨーク及び前記第２ヨークに磁気的に接続され、前記第１ヨークの前記棒状部位及び前記第２ヨークの前記筒状部位の外周側において、Ｚ軸方向における前記第１側とは反対側である第２側から前記第１側へ延びるリターンヨークを更に備える、請求項１に記載の電磁石。
4. 前記第１ヨーク及び前記第２ヨークに磁気的に接続され、前記第１ヨークの前記棒状部位及び前記第２ヨークの前記筒状部位の外周側において、Ｚ軸方向における前記第１側とは反対側である第２側から前記第１側へ延びるリターンヨークを更に備える、請求項２に記載の電磁石。
5. 前記第１ヨークを直線移動させるための第１駆動機構と、前記第１ヨークの位置を決定する第１位置決め機構と、前記第２ヨークを直線移動させるための第２駆動機構と、前記第２ヨークの位置を決定する第２位置決め機構と、を更に備える、請求項１～４のいずれかに記載の電磁石。
6. 請求項１～４のいずれかに記載の電磁石と、
   前記コイルに電流を供給する電流供給部と、を備える、磁場印加システム。

Images