JPH04346089A - 複合永久磁石および磁気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静磁波を用いた磁気装
置および複合永久磁石に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は例えば特開昭６２−２００７０９
号公報に示された従来の静磁波を用いた磁気装置を示す
構成図であり、図において１は磁気回路のヨ−ク、２１
は永久磁石、５は磁気回路の磁気ギャップ、６は静磁波
素子すなわち磁気共鳴素子、８は整磁板である。磁気共
鳴素子としては、ＹＩＧ（イットリウム・鉄・ガ−ネッ
ト）単結晶球やＹＩＧ薄膜などが用いられている。特に
、高い選択性を持つ磁気共鳴素子としては、ＹＩＧ単結
晶球のスピン共鳴を使った素子が使われてきたが、周囲
温度が低くなると共鳴点が消失する欠点があるため、恒
温槽内に置き温度の低下を防ぐなどの必要があり大きな
障害になっていた。一方、ＹＩＧ薄膜を使う磁気共鳴素
子はその共鳴機構から低温でも使用可能である。

【０００３】磁気共鳴素子に磁場を与える手段としては
、起磁力の保持に電流などの外部からのエネルギ−源を
必要としない永久磁石２１が使われ、ヨ−ク１の両端に
対向して設置されている。そして、共振周波数を変える
ため、この永久磁石２１の作る磁場に重畳する磁場を発
生するコイル７をヨ−ク１に巻き回して用い、このコイ
ル７に流す電流を変えることにより磁気共鳴素子の共振
周波数を調整する。

【０００４】さらに、永久磁石２１は、磁気共鳴素子６
の置かれる磁気ギャップに直接、あるいは温度補償等の
目的で挿入された整磁板８を介して対向し、その形状は
永久磁石材料の特性、目的とする周波数に応じた磁場の
強さ及び磁気共鳴素子の形状寸法などを考慮し、永久磁
石２１が最適な動作点になるように設計されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の静磁波を用いた
磁気装置は以上のように構成されているのであるが、温
度補償用の整磁板８を用いても、磁気共鳴素子の共振周
波数ｆの温度ｔに対する依存性がそれ以上に大きいこと
から温度特性が悪いという実用上大きな課題がある。以
下、これについて説明する。

【０００６】磁気共鳴素子の共振周波数ｆは、異方性磁
界の寄与が小さいとしてこれを無視すると、キッテルの
式を用いて、次式（１）のように表すことができる。 　　ｆ（ｔ）＝γ×（Ｂｇ（ｔ）−Ｎ×４πＭＳ（ｔ）
）　　　−−−（１）ただし、γは磁気共鳴素子の磁気
回転比でこの場合はγ＝２．８×１０６ＨＺ／ｇａｕｓ
ｓ、Ｂｇは磁気共鳴素子がおかれている磁気ギャップの
磁束密度、Ｎは磁気共鳴素子の反磁界係数で静磁モ−ド
理論を用いて計算される値、４πＭＳは磁気共鳴素子の
飽和磁化である。ｆ、Ｂｇ、４πＭＳはすべて温度ｔの
関数である。

【０００７】具体例としては、特開昭６２−２００７０
９号公報に示されているように、アスペクト比（厚み／
直径）が０．０１のＹＩＧ円板の垂直共鳴ではＮ＝０．
９７７４であり、仮にＢｇが温度によらず一定とした場
合、４πＭＳは−２０℃で１９１６ｇａｕｓｓ、＋６０
℃で１６２２ｇａｕｓｓとなるから、共振周波数ｆはこ
の温度範囲で、８２３×１０６Ｈｚもの変化をする。

【０００８】このような静磁波を用いた磁気装置におい
て、周囲温度による共振周波数の変動を回避する方法と
しては、静磁波を用いた磁気装置を恒温槽内に配置して
磁気共鳴素子を一定の温度に保持するとか、電磁石によ
って温度に応じて磁界を変化させて素子の共振周波数を
一定に保持するとか、整磁板を適用して磁気回路の温度
特性を素子の温度特性に合わせる等の方法が考えられて
いたが、これらは、電流制御などの外部からのエネルギ
−供給が必要となったり、また、磁気回路の温度特性を
磁気共鳴素子に合わせる場合にも、工業的に得られる整
磁板や永久磁石の種類は限られており、両者の温度特性
を広い範囲に渡って精密に合わせることはきわめて困難
であった。

【０００９】本発明は、上述した課題を解消するために
なされたものであり、任意の特性値（例えば温度特性お
よび磁化）を設定できる複合永久磁石を得ることを目的
とする。

【００１０】本発明の別の発明は温度特性を補償するた
めに電力を消費しなくても、固定周波数、可変周波数の
両方の静磁波を用いた磁気装置に適用できて、広範囲の
使用周波数の静磁波を用いた場合、温度に対して安定し
た共振周波数を得ることができる磁気装置を得ることを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の複合永久磁石は
特性の異なる複数の永久磁石で構成するものである。

【００１２】本発明の別の発明の磁気装置は、磁気共鳴
素子と、この磁気共鳴素子に磁界を印加する永久磁石を
組み込んだ磁気回路とを備えたものにおいて、上記永久
磁石は複数の永久磁石で構成した複合永久磁石であり、
複数の永久磁石の何れよりも温度に対して安定した共振
周波数を得るように構成したことを特徴とするものであ
る。

【００１３】本発明のさらに別の発明の磁気装置は、上
記発明において複合永久磁石の温度係数が下記の式で示
されることを特徴とするものである。

【００１４】

【数２】

【００１５】

【作用】本発明において、特性の異なる永久磁石を組み
合わせることにより任意の特性（温度係数、磁化）値を
有する永久磁石を得ることができる。

【００１６】本発明の別の発明において、式（１６）を
満たす温度係数を保持する永久磁石を得ることにより、
温度特性を補償するための外部回路や整磁板を用いる事
なく、磁気装置は温度に対して安定した共振周波数を得
ることができる。

【００１７】

【実施例】磁気共鳴素子の飽和磁化４πＭＳ（ｔ）は、
対象としている温度範囲がｔ１（℃）〜ｔ２（℃）の間
での平均温度係数α（ｇａｕｓｓ／℃）を用い直線近似
すると次式（２）で示される。 　　４πＭＳ（ｔ）＝４πＭＳ（ｔ０）＋α×（ｔ−ｔ
０）　　　　　　−−−（２）ｔ０はｔ１≦ｔ０≦ｔ２
を満たす基準温度であり、４πＭＳ（ｔ０）はｔ＝ｔ０
（℃）での磁気共鳴素子の飽和磁化である。磁気共鳴素
子がおかれている磁気ギャップの磁束密度Ｂｇ（ｔ）に
ついても温度範囲ｔ１（℃）〜ｔ２（℃）の間での平均
温度係数β（ｇａｕｓｓ／℃）を用い直線近似すると次
式（３）で示され、Ｂｇ（ｔ０）はｔ＝ｔ０（℃）にお
ける磁気ギャップの磁束密度である。 　　Ｂｇ（ｔ）＝Ｂｇ（ｔ０）＋β×（ｔ−ｔ０）　　
　　　　　　　　　　　　　−−−（３）次に（２）お
よび（３）式を（１）式に代入すると次式（４）が得ら
れる。 ｆ（ｔ）＝γ×（Ｂｇ（ｔ０）−Ｎ×４πＭＳ（ｔ０）
）＋γ×（β−Ｎ×α）×（ｔ−ｔ０）　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　−−−（４）（
４）式のγ×（Ｂｇ（ｔ０）−Ｎ×４πＭＳ（ｔ０））
はある定数であるから、 　　γ×（β−Ｎ×α）×（ｔ−ｔ０）＝０　　　　　
　　　　　　　　　−−−（５）にできれば、ｆ（ｔ）
を一定値に保つことが可能となる。 温度が変化しても（５）式を成立させるにはγ≠０であ
るから（６）式のようにすればよい。 　　β＝Ｎ×α　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　−−−（６
）永久磁石の動作点を温度範囲ｔ１（℃）〜ｔ２（℃）
において減磁曲線の屈曲点よりも高い磁束密度に設定す
ると、磁気回路を構成する材料が磁気飽和しない限り、
磁気ギャップの磁束密度Ｂｇと永久磁石の残留磁束密度
Ｂｒの関係は次式（７）で示される。 　　Ｂｇ（ｔ）＝ａ×Ｂｒ（ｔ）　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　−−−（７）
ここでａは磁気回路の構造によって決まる定数である。 さらに永久磁石のＢｒ（ｔ）は温度範囲ｔ１（℃）〜ｔ
２（℃）の間での平均温度係数δ（％／℃）を用いると
次式（８）で示される。

【００１８】

【数３】

【００１９】Ｂｒ（ｔ０）はｔ＝ｔ０（℃）における永
久磁石の残留磁束密度である。（３）式と（８）式を（
７）式に代入すると（９）式が得られる。

【００２０】

【数４】

【００２１】（９）式はｔ＝ｔ０の時も成り立つから、
ｔ＝ｔ０を（９）式に代入すると（１０）式が得られる
。 　　ａ×Ｂｒ（ｔ０）＝Ｂｇ（ｔ０）　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　−−−（
１０）（１０）式を（９）式に代入し、変形すると（１
１）式が得られる。

【００２２】

【数５】

【００２３】ここで、ｔ＝ｔ０を（１）式に代入すると
（１２）式となる。 　　ｆ（ｔ０）＝γ×（Ｂｇ（ｔ０）−Ｎ×４πＭＳ（
ｔ０））　　　　　　　　　　−−−（１２）ｆ（ｔ０
）はｔ＝ｔ０での共振周波数である。（１２）式を変形
すると（１３）式が得られる。

【００２４】

【数６】

【００２５】（１１）、（１３）式より（１４）式が得
られる。

【００２６】

【数７】

【００２７】したがって（６）、（１４）式より（１５
）式が成り立つ。

【００２８】

【数８】

【００２９】これを変形すると（１６）式となる。

【００３０】

【数９】

【００３１】したがって、永久磁石を組み込んだ磁気回
路と磁気共鳴素子を用いる静磁波を用いた磁気装置にお
いて、永久磁石の温度係数δ（％／℃）が（１６）式の
関係を満たすことによって、温度に対して安定した共振
周波数を得ることが可能となる。

【００３２】ここで、４πＭＳやα、ｆ、γ、Ｎは静磁
波を用いた磁気装置の仕様や条件から決まるため、温度
に対して安定した共振周波数を得るには、（１６）式を
満たす温度係数を保持する永久磁石を選択する必要があ
る。 しかし、永久磁石の温度係数は材質によって決定され、
（１６）式を満たすような永久磁石を自由に選択するこ
とはできない。例えば、ストロンチウムフェライト系磁
石の温度係数は−０．２％／℃、アルニコ系磁石は−０
．０２％／℃、２−１７系サマリウム−コバルト磁石は
−０．０３５％／℃、１−５系サマリウム−コバルト磁
石は−０．０４％／℃、ネオジウム系磁石は−０．１３
％／℃である。

【００３３】ところで、以上は永久磁石１個での温度係
数であるが、温度係数が異なる永久磁石を２個以上重ね
ることによって、任意の温度係数δを有する複合永久磁
石を得ることが可能である。また、磁化が異なる永久磁
石を複数個重ねることによって、任意の磁化Ｍを有する
得ることが可能である。以下、これについて説明する。

【００３４】図２は本発明の一実施例の複合永久磁石の
構成図であり、材質の異なる２個の永久磁石２、３を重
ねて複合永久磁石９を得た例である。基準温度における
永久磁石２の磁化をＭ２（Ｔ：テスラ，１Ｔ＝１０００
０ｇａｕｓｓ）、長さをｌ２（ｍ）、温度係数をδ２（
％／℃）とし、永久磁石３の磁化をＭ３（Ｔ）、長さを
ｌ３（ｍ）、温度係数をδ３（％／℃）とする。真空の
透磁率をμ０とすると２個の磁石による起磁力Ｆ（ＡＴ
：アンペアタ−ン）は（１７）式で示される。

【００３５】

【数１０】

【００３６】また、重ね合わせた２個の磁石によって新
たに作成された磁石（以下複合永久磁石と呼ぶ）によっ
て見かけの磁化Ｍ（Ｔ）が得られたとすると複合永久磁
石による起磁力は（１８）式で示される。

【００３７】

【数１１】

【００３８】（１７）、（１８）式より、（１９）式を
得る。

【００３９】

【数１２】

【００４０】温度が△ｔ（℃）だけ変化したとすると、
そのときに変化する永久磁石２、３の磁化Ｍ２、Ｍ３の
変化量△Ｍ２、△Ｍ３は（２０）式となる。

【００４１】

【数１３】

【００４２】複合永久磁石の磁化Ｍの変化量は（２０）
式を（１９）式に代入して（２１）式となる。

【００４３】

【数１４】

【００４４】したがって、複合永久磁石の温度係数δ（
％／℃）は（２２）式で示される。

【００４５】

【数１５】

【００４６】（２２）式により、永久磁石２、３の長さ
を適切に設定することによって、任意の温度係数δ（％
／℃）の永久磁石を得ることができる。さらに下記（２
３）式で置換して

【００４７】

【数１６】

【００４８】（２２）式を変形して（２４）式を得る。

【００４９】

【数１７】

【００５０】（２４）式より任意の永久磁石の温度係数
δを得るためのｋ２とｋ３を求めることができる。すな
わち、温度係数の異なる永久磁石を（２４）式の配分で
組み合わせることにより、永久磁石の温度係数δを任意
に得ることが可能となる。

【００５１】したがって、（１６）式を満たす温度係数
を有する永久磁石を自由に選択することが可能であり、
本発明の実施例の静磁波を用いた磁気装置は温度に対し
て安定した共振周波数を得ることができる。

【００５２】実施例１．図１は本発明の別の発明の一実
施例の静磁波を用いた磁気装置を示す構成図であり、１
は磁気回路を構成するヨ−クを示し、このヨ−ク１の相
対向する面にそれぞれ永久磁石２及び永久磁石２とは特
性の異なる永久磁石３が取り付けられ、複合永久磁石９
を構成している。この永久磁石３に磁極４が取り付けら
れ、磁極４の材質はヨ−ク１と同じであっても、異なっ
ていてもよい。５は磁極間の磁気ギャップであり、７は
永久磁石２及び３が作る磁場に重畳する磁場を発生する
ためのコイルであり、以上により磁気回路を構成してい
る。６は磁気ギャップ５内に配置された磁気共鳴素子、
例えばＹＩＧ膜である。

【００５３】ここで、永久磁石２としてＭ２＝０．３７
Ｔ、δ２＝−０．１９％／℃のフェライト系磁石を用い
、永久磁石３としてＭ３＝０．８７５Ｔ、δ３＝−０．
０４３％／℃のサマリウム−コバルト系磁石を用い、ヨ
−ク１および磁極４としてパ−マロイを用い、さらに磁
気共鳴素子６として飽和磁化４πＭＳ＝９００ｇａｕｓ
ｓ、温度係数α＝−２．６ｇａｕｓｓ／℃のＹＩＧ膜を
用い（基準温度ｔ０＝２０℃）、共振周波数ｆ＝４．７
×１０９ＨＺの磁気装置とする。

【００５４】この場合、温度に対して安定した共振周波
数を有する磁気装置を得るために必要となる複合磁石の
温度係数δ（％／℃）は、（１６）式よりγ＝２．８×
１０６Ｈｚ／ｇａｕｓｓ、Ｎ＝１とした場合δ＝−０．
１０％／℃である。 よって、ｋ２とｋ３は（２４）式よりｋ２＝０．６０、
ｋ３＝０．４０である。これより、永久磁石の長さは（
２３）式より永久磁石２をｌ２＝３ｍｍ、永久磁石３を
ｌ３＝２ｍｍとした。なお、この複合永久磁石の磁化は
Ｍ＝０．５７２Ｔになる。

【００５５】したがって、この磁気装置におけるα、４
πＭＳ、ｆ、δは、γ＝２．８×１０６Ｈｚ／ｇａｕｓ
ｓ、Ｎ＝１とした場合に（１６）式を満足している。な
お、温度係数が−０．１９％／℃および−０．０４３％
／℃の永久磁石を用い、温度係数が−０．１０％／℃、
磁化が０．５７２Ｔである複合永久磁石が得られる。

【００５６】実施例２．図１の構成において、永久磁石
２に長さｌ２＝２ｍｍでＭ２＝０．８７５Ｔ、δ２＝−
０．０４３％／℃のサマリウム−コバルト系磁石を用い
、永久磁石３に長さｌ３＝３ｍｍでＭ３＝０．３７Ｔ、
δ３＝−０．１９％／℃のフェライト系磁石を用い、永
久磁石２および３により複合永久磁石９を構成している
。さらに磁気共鳴素子６として飽和磁化４πＭＳ＝９０
０ｇａｕｓｓ、温度係数α＝−２．６ｇａｕｓｓ／℃の
ＹＩＧ膜を用い（基準温度ｔ０＝２０℃）、共振周波数
ｆ＝４．７×１０９ＨＺの磁気装置とする。この複合磁
石の温度係数は（２２）式よりδ＝−０．１０％／℃で
ある。 このときのα、４πＭＳ、ｆ、δは、γ＝２．８×１０
６Ｈｚ／ｇａｕｓｓ、Ｎ＝１とした場合に（１６）式を
満足している。 この実施例２は、実施例１の永久磁石２と永久磁石３の
位置関係を逆にした場合であるが、複合永久磁石の構成
が同じであれば永久磁石の位置関係を逆にしても温度に
対して安定した共振周波数を得ることができる。

【００５７】実施例３．図３は本発明の別の発明の他の
実施例の静磁波を用いた磁気装置を示す構成図であり、
永久磁石２として長さｌ２＝４ｍｍでＭ２＝０．８７５
Ｔ、δ２＝−０．０４３％／℃のサマリウム−コバルト
系磁石を、永久磁石３として長さｌ３＝６ｍｍでＭ３＝
０．３７Ｔ、δ３＝−０．１９％／℃のフェライト系磁
石を用い、永久磁石２および３により複合永久磁石９を
構成している。さらに、磁気共鳴素子６としては飽和磁
化４πＭＳ＝９００ｇａｕｓｓ、温度係数α＝−２．６
ｇａｕｓｓ／℃のＹＩＧ膜を用い（基準温度ｔ０＝２０
℃）、共振周波数ｆ＝４．７×１０９ＨＺの磁気装置と
する。この複合永久磁石の温度係数は（２２）式よりδ
＝−０．１０％／℃である。このときのα、４πＭＳ、
ｆ、δは、γ＝２．８×１０６Ｈｚ／ｇａｕｓｓ、Ｎ＝
１とした場合に（１６）式を満足している。この実施例
３は、特性の異なる複数の永久磁石を離して構成した複
合永久磁石を用いた場合であるが、この場合でも温度に
対して安定した共振周波数を得ることができる。

【００５８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明は、特性の異
なる複数の永久磁石で構成するものを用いることにより
任意の特性値を有する複合永久磁石を得ることができる
。

【００５９】本発明の別の発明は、磁気共鳴素子と、こ
の磁気共鳴素子に磁界を印加する永久磁石を組み込んだ
磁気回路とを備えたものにおいて、上記永久磁石は複数
の永久磁石で構成した複合永久磁石であり、複数の永久
磁石の何れよりも温度に対して安定した共振周波数を得
るように構成したことを特徴とするものを用いることに
より、本発明のさらに別の発明は、上記発明において、
複合永久磁石の温度係数が下記の式で示される

【００６
０】

【数１８】

【００６１】ことを特徴とするものを用いることにより
、磁気回路の温度特性を磁気共鳴素子の温度特性に整合
させることができるため、温度に対して安定した共振周
波数を得られる磁気装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の別の発明の一実施例の磁気装置の断面
図である。

【図２】本発明の一実施例の複数永久磁石の断面図であ
る。

【図３】本発明の別の発明の他の実施例の磁気装置の構
成図である。

【図４】従来の磁気装置の構成図である。

【符号の説明】

１　　磁気回路のヨ−ク ９　　複合永久磁石 ４　　磁極 ５　　磁気回路の磁気ギャップ ６　　磁気共鳴素子 ７　　コイル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　特性の異なる複数の永久磁石で構成す
   る複合永久磁石。
2. 【請求項２】　　磁気共鳴素子と、この磁気共鳴素子に
   磁界を印加する永久磁石を組み込んだ磁気回路とを備え
   たものにおいて、上記永久磁石は複数の永久磁石で構成
   した複合永久磁石であり、複数の永久磁石の何れよりも
   温度に対して安定した共振周波数を有するように構成し
   たことを特徴とする磁気装置。
3. 【請求項３】　　複合永久磁石の温度係数が下記の式で
   示されることを特徴と 【数１】 する請求項第２項記載の磁気装置。