JP2019036581A - 電磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化及び機械的干渉の低減が可能であり、残留磁場がなく、電磁石を移動させずに任意方向の磁場を出力可能な電磁石を提供する。【解決手段】電磁石は、各コイル軸１Ｃが、互いに平行でＺ方向に平行な中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称に配置される、２つのＸ軸用コイル１と；、各コイル軸２Ｃが、互いに平行で中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称に配置される、２つのＹ軸用コイル２と；、コイル軸３Ｃが中心軸ＣＬと一致し、２つのＸ軸用コイル１及び２つのＹ軸用コイル２よりも外周側に配置される、１つのＺ軸用コイル３と；、を有する。Ｘ方向とＹ方向とが互いに直交する。全てのコイル１〜３による磁場発生領域には、軟質強磁性体であるヨークが配置されていない。各コイル１〜３に流す電流を変化させることで、中心軸ＣＬ上に任意方向の磁場を印加可能である。【選択図】図１

Description

本開示は、電磁石に関する。

磁気抵抗測定装置、振動試料磁力計、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、飽和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。

特開２０１３−３６９４１号公報 特許第４７６１４８３号公報

特開２０１３−３６９４１号公報には、例えば３軸の磁気センサの検査及び評価を行うために、磁気センサに磁場を印加する３軸ヘルムホルツコイルを用いた磁気センサの検査装置が開示されている。ヘルムホルツコイルは、コイル軸が同軸となる一対のコイルを離間させて配置し、一対のコイルの間に配置した対象物に磁場を印加する。ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の磁場を発生させるために、３組のコイルが設けられている。しかし、このようなヘルムホルツコイルを用いた電磁石では、各コイルの内側に磁場発生領域が設定されるため、磁場発生領域に配置される機器が大きければ検査装置全体を大型化しなければならず、また、ヘルムホルツコイルとの機械的干渉が生じるため、機械的動作の制約が生じてしまう。

特許４７６１４８３号公報には、磁場印加領域を装置の一方側のみとして、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。しかし、中心の第１ヨークから周囲の第２ヨークに放射状に磁場が形成されるため、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸などの印加したい方向に応じて対象物の位置を変更しなければならない。

また、別の要求として、発生させる磁場の強さ及び方向を変化させて高レスポンスでの計測及び評価が求められる場合がある。この場合、電磁石自体に残留磁場が発生したり、ヒステリシスが存在したりすると、コイルへの電流制御と実際に発生する磁場とに差異が生じるため、残留磁場及びヒステリシスが発生しないことが望まれる。

本開示は、このような課題に着目してなされたものであって、その目的は、装置の小型化及び機械的干渉の低減が可能であり、残留磁場がなく、電磁石を移動させずに任意方向の磁場を出力可能な電磁石を提供することである。

本開示は、上記目的を達成するために、次のような手段を講じている。

すなわち、本開示の電磁石は、
２つのＸ軸用コイルであって、各コイル軸が互いに平行又は交差しており、各コイル軸は、Ｚ方向に平行な中心軸を中心として互いに軸対称となる位置に配置される、２つのＸ軸用コイルと、
２つのＹ軸用コイルであって、各コイル軸が互いに平行又は交差しており、各コイル軸は、前記中心軸を中心として互いに軸対称となる位置に配置される、２つのＹ軸用コイルと、
１つのＺ軸用コイルであって、コイル軸が前記中心軸と一致し、前記２つのＸ軸用コイル及び前記２つのＹ軸用コイルよりも外周側に配置される、１つのＺ軸用コイルと、
を備え、
前記中心軸に直交し且つ前記２つのＸ軸用コイルのコイル軸を通るＸ方向と、前記中心軸に直交し且つ前記２つのＹ軸用コイルのコイル軸を通るＹ方向と、が互いに直交し、
前記全てのコイルは、前記中心軸に直交する方向に沿って見た場合に、少なくとも一部位が互いに重なっており、
前記全てのコイルによる磁場発生領域には、軟質強磁性体であるヨークが配置されておらず、
各コイルに流す電流を変化させることで、前記中心軸上に任意方向の磁場を印加可能である。

この構成によれば、Ｘ軸用コイルのコイル軸は中心軸を中心として軸対称に配置されているので、２つのＸ軸用コイルへの通電によって中心軸上にＸ方向の磁束が発生する。Ｙ軸用コイルのコイル軸は中心軸を中心として軸対称に配置されているので、２つのＹ軸用コイルへの通電によって中心軸上にＹ方向の磁束が発生する。Ｚ軸用コイルへの通電によって中心軸上にＺ方向の磁束が発生する。ＸＹＺ全てのコイルの配置中心が一致しているので、中心軸上に所望の方向の磁束が発生し、対象物に対して電磁石を相対的に移動させなくても、任意方向の磁場を印加可能となる。
また、全てのコイルの磁場発生領域には、軟質強磁性体であるヨークが配置されていないので、電流を切れば磁場が即座に消えるため、残留磁場がなく、ヒステリシスも発生しない。
さらに、全てのコイルは、中心軸に直交する方向に沿って見た場合に、少なくとも一部位が互いに重なっているので、Ｚ方向の寸法を抑制して小型化を追求することができ、Ｚ方向の一方側の空間を磁場印加空間として利用できるので、機械的干渉を低減することができる。
さらに、Ｘ軸用コイル及びＹ軸用コイルの外周側にＺ軸用コイルを配置しているので、Ｘ軸用コイル及びＹ軸用コイルの磁場の強さに合わせてＺ軸用コイルの強さを設定でき、ＸＹＺの３方向に対してバランスよく磁場を印加可能となる。

本開示の電磁石を示す平面図。 図１のＡ−Ａ部位断面図であり、Ｘ方向磁場発生に関する説明図。 図１のＢ−Ｂ部位断面図であり、Ｙ方向磁場発生に関する説明図。 図１のＡ−Ａ部位断面図であり、Ｚ方向磁場発生に関する説明図。 変形例を示す模式的断面図。 変形例を示す模式的断面図。 変形例を示す模式的断面図。

以下、本開示の一実施形態の電磁石について、図面を参照して説明する。

図１及び図２Ａ〜２Ｃに示すように、電磁石は、磁場を印加するために用いられ、２つのＸ軸用コイル１と、２つのＹ軸用コイル２と、１つのＺ軸用コイル３と、を有する。本実施形態では、Ｘ軸用コイル１、Ｙ軸用コイル２及びＺ軸用コイル３は、エナメル導線などの非磁性体の導線を円筒状に巻き付けて形成されている。

２つのＸ軸用コイル１は、図２Ａに示すように、各コイル軸１Ｃが互いに平行である。図１に示すように、各コイル軸１Ｃは、Ｚ方向に平行な中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称となる位置に配置されている。各コイル軸１Ｃは、各コイル軸１Ｃと平行なＺ方向に延びる中心軸ＣＬを中心とする仮想円周ＶＣ上において互いに軸対称となる位置に配置される。本実施形態において、２つのＸ軸用コイル１は同じ大きさに形成される。２つのＸ軸用コイル１の一方側の軸端面１ａが同一平面ＰＳ上に配置される。２つのＸ軸用コイル１は、中心軸ＣＬに直交する方向（例えばＸ方向、Ｙ方向）に沿って見た場合に全部位が互いに重なるように配置されている（いわゆる横並びである）。

図２Ａに示すように、２つのＸ軸用コイル１に対して電流の向きが異なるＸ軸励磁用電流Ｘｉを流すと、一方のコイル１から他方のコイル１に向かう磁束ｍｆ１が発現する。２つのＸ軸用コイル１の各コイル軸１Ｃが平行であるが同軸ではないので、ヘルムホルツコイルと異なり、Ｘ軸用コイル１の軸端面１ａよりも外側の領域にＸ方向に沿った磁束を発現させることができる。本実施形態では、２つのＸ軸用コイル１の一方の軸端面１ａが同一平面ＰＳ上に配置されているので、高さを抑えつつ、２つのＸ軸用コイル１の一方側の軸端面１ａの付近にＸ方向に沿った磁束を発現させることができる。

２つのＹ軸用コイル２は、図２Ｂに示すように、各コイル軸２Ｃが中心軸ＣＬと平行である。各コイル軸２Ｃは、中心軸ＣＬを中心として互いに軸対処となる位置に配置されている。各コイル軸２Ｃは、仮想円周ＶＣ上において互いに軸対称となる位置に配置される。本実施形態において、２つのＹ軸用コイル２は、Ｘ軸用コイル１と共に同じ大きさに形成される。２つのＹ軸用コイル２の一方側の軸端面２ａが同一平面ＰＳ上に配置される。２つのＹ軸用コイル２は、中心軸ＣＬに直交する方向（例えばＸ方向、Ｙ方向）に沿って見た場合に全部位が互いに重なるように配置されている（いわゆる横並びである）。

図２Ｂに示すように、２つのＹ軸用コイル２に対して電流の向きが異なるＹ軸励磁用電流Ｙｉを流すと、一方のコイル２から他方のコイル２に向かう磁束ｍｆ２が発現する。２つのコイル２の各コイル軸２Ｃが平行であるが同一ではないので、ヘルムホルツコイルと異なり、Ｙ軸用コイル２の軸端面２ａよりも外側の領域にＹ方向に沿った磁束を発現させることができる。本実施形態では、２つのＹ軸用コイル２の一方の軸端面２ａが同一平面ＰＳ上に配置されているので、高さを抑えつつ、２つのＹ軸用コイル２の一方側の軸端面２ａの付近にＹ方向に沿った磁束を発現させることができる。

中心軸ＣＬに直交し且つ２つのＸ軸用コイル１のコイル軸１Ｃを通るＸ方向と、中心軸ＣＬに直交し且つ２つのＹ軸用コイル２のコイル軸２Ｃを通るＹ方向と、が互いに直交する。この構造により、Ｘ軸用コイル１で生じる磁束の向きと、Ｙ軸用コイル２で生じる磁束の向きとが直交する。

Ｚ軸用コイル３は、図２Ｃに示すように、コイル軸３Ｃが中心軸ＣＬと一致し、２つのＸ軸用コイル１及び２つのＹ軸用コイル２よりも外周側に配置される。図２Ｃに示すように、Ｚ軸用コイル３に対してＺ軸励磁用電流Ｚｉを流すと、コイル軸３Ｃが中心軸ＣＬと一致しているので、中心軸ＣＬを通る磁束ｍｆ３が発現する。Ｚ軸用コイル３がＸ軸用コイル１及びＹ軸用コイル２の内周側に配置される構造では、Ｚ軸用コイル３によるｚ方向の磁束が弱くなり、逆にＺ軸用コイル３を強くすればＺ軸用コイル３が大きくなってＸ軸用コイル１及びＹ軸用コイル２が離間し、Ｘ方向及びＺ方向の磁束の強度が弱くなる。Ｚ軸用コイル３が最も外周側にあれば、Ｚ軸用コイル３による磁束の強さは、巻き数や寸法で調整可能であり、Ｘ軸用コイル１及びＹ軸用コイル２による磁束の強さに合わせて強度調整可能であり、ｘｙｚ方向の磁束の強度をバランスよく出力可能な電磁石を提供できる。

本実施形態では、Ｘ軸用コイル１、Ｙ軸用コイル２及びＺ軸用コイル３は、導線を円筒形状に巻き付けて形成され、Ｚ方向に沿った高さが同一であるが、これに限定されない。例えば、コイルを多角筒状、楕円形状に形成してもよく、Ｚ方向に沿った高さが同一でなくてもよい。

上記全てのコイル１，２、３による磁場発生領域には、軟質強磁性体であるヨークが配置されていない。このため、電流を切れば磁場が即座に消え、残留磁場がなく、ヒステリシスも発生しない。この構成を実現するために、Ｘ軸用コイル１、Ｙ軸用コイル２及びＺ軸用コイル３を支持する支持部４が設けられている。本実施形態において、支持部４は、円盤状のベースプレート及びトッププレートに、各コイル１〜３をボルト締めすると共に周囲を側壁プレートで包囲した構造をなしている。一例として、上部を足場として吊り下げ状態で保持し、下部にプローバを取り付けて、中心軸ＣＬの任意の場所を磁場印加領域Ｐに設定することが挙げられる。もちろん、本開示はこれに限定されない。いずれにしても、支持部４は、アルミやプラスチックなどの非磁性体で形成されている。このように、各コイル１〜３に流す電流を変化させることで、電磁石を相対的に移動させなくても、中心軸ＣＬ上の所定領域Ｐに任意方向の磁場を印加可能となる。

全てのコイル（Ｘ軸用コイル１、Ｙ軸用コイル２及びＺ軸用コイル３）は、中心軸ＣＬに直交する方向に沿って見た場合に、全部位が互いに重なっているので、コイルを含む装置のＺ方向の寸法を抑制でき、Ｚ方向の一方側の空間を磁場印加空間として利用できる。もちろん、本実施形態に限られず、全てのコイル（Ｘ軸用コイル１、Ｙ軸用コイル２及びＺ軸用コイル３）は、中心軸ＣＬに直交する方向に沿って見た場合に、少なくとも一部位が互いに重なっていればよい。

本実施形態では、Ｘ軸用コイル１、Ｙ軸用コイル２及びＺ軸用コイル３の一方側の軸端面１ａ、２ａ、３ａは同一平面ＰＳ上にあるが、これに限定されない。例えば、図３Ａに示すように、Ｘ軸用コイル１及びＹ軸用コイル２の一方側の軸端面１ａ、２ａが同一平面ＰＳ上に配置され、Ｚ軸用コイル３の一方側の軸端面３ａが、Ｘ軸用コイル１及びＹ軸用コイル２の一方側の軸端面１ａ、２ａが配置される同一平面ＰＳよりも軸方向他方側に配置されていてもよい。

なお、図１〜２の例のように、２つのＸ軸用コイル１、２つのＹ軸用コイル２について各コイル軸１Ｃ、２Ｃを平行に配置する意味は、コイル軸が互いに交差するように配置すると、コイルの軸方向一方側の端部同士が開く構造になり、装置が大型化するからである。勿論、図４に示すように、２つのＸ軸用コイル１、２つのＹ軸用コイル２について、各コイル軸が互いに交差するように配置してもよい。コイル軸が互いに交差していれば同軸ではないので、ヘルムホルツコイルと異なり、コイルの軸端面よりも外側の領域に磁束を発現させることができる。図４に示すように、コイル軸１Ｃ（２Ｃ）と中心軸ＣＬの角度αは、４５度以下、好ましくは、２０度以下、さらに好ましくは１０度以下、さらに好ましくは５度以下である。

以上のように、本実施形態の電磁石は、２つのＸ軸用コイル１であって、各コイル軸１Ｃが互いに平行又は交差しており、各コイル軸１Ｃは、Ｚ方向に平行な中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称となる位置に配置される、２つのＸ軸用コイル１と、
２つのＹ軸用コイル２であって、各コイル軸２Ｃが互いに平行又は交差しており、各コイル軸２Ｃは、中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称となる位置に配置される、２つのＹ軸用コイル２と、
１つのＺ軸用コイル３であって、コイル軸３Ｃが中心軸ＣＬと一致し、２つのＸ軸用コイル１及び２つのＹ軸用コイル２よりも外周側に配置される、１つのＺ軸用コイル３と、
を有する。
中心軸ＣＬに直交し且つ２つのＸ軸用コイル１のコイル軸１Ｃを通るＸ方向と、中心軸ＣＬに直交し且つ２つのＹ軸用コイル２のコイル軸２Ｃを通るＹ方向と、が互いに直交する。
全てのコイル１〜３は、中心軸ＣＬに直交する方向に沿って見た場合に、少なくとも一部位が互いに重なっている。
全てのコイル１〜３による磁場発生領域には、軟質強磁性体であるヨークが配置されていない。
各コイル１〜３に流す電流を変化させることで、中心軸ＣＬ上に任意方向の磁場を印加可能である。

この構成によれば、Ｘ軸用コイル１のコイル軸１Ｃは中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称に配置されているので、２つのＸ軸用コイル１への通電によって中心軸ＣＬ上にＸ方向の磁束が発生する。Ｙ軸用コイル２のコイル軸２Ｃは中心軸ＣＬを中心として互いに軸対称に配置されているので、２つのＹ軸用コイル２への通電によって中心軸ＣＬ上にＹ方向の磁束が発生する。Ｚ軸用コイル３への通電によって中心軸ＣＬ上にＺ方向の磁束が発生する。ＸＹＺ全てのコイルの配置中心が一致しているので、中心軸ＣＬ上に所望の方向の磁束が発生し、対象物に対して電磁石を相対的に移動させなくても、任意方向の磁場を印加可能となる。
また、全てのコイル１〜３の磁場発生領域には、軟質強磁性体であるヨークが配置されていないので、電流を切れば磁場が即座に消えるため、残留磁場がなく、ヒステリシスも発生しない。
さらに、全てのコイル１〜３は、中心軸ＣＬに直交する方向に沿って見た場合に、少なくとも一部位が互いに重なっているので、Ｚ方向の寸法を抑制して小型化を追求することができ、Ｚ方向の一方側の空間を磁場印加空間として利用できるので、機械的干渉を低減することができる。
さらに、Ｘ軸用コイル１及びＹ軸用コイル２の外周側にＺ軸用コイル３を配置しているので、Ｘ軸用コイル１及びＹ軸用コイル２の磁場の強さに合わせてＺ軸用コイル３の強さを設定でき、ＸＹＺの３方向に対してバランスよく磁場を印加可能となる。

本実施形態において、２つのＸ軸用コイル１の各コイル軸１Ｃは互いに平行であり、２つのＹ軸用コイル２の各コイル軸２Ｃは互いに平行である。

この構成によれば、コイル軸が互いに交差している構成に比べてコイルが広がらないので、装置の小型化を追求できる。

本実施形態において、Ｘ軸用コイル１及びＹ軸用コイル２の一方側の軸端面１ａ、２ａは同一平面ＰＳ上にあり、Ｚ軸用コイル３の一方側の軸端面３ａは、Ｘ軸用コイル１及びＹ軸用コイル２の一方側の軸端面１ａ、２ａと同一平面ＰＳ上にある、又は、同一平面ＰＳよりも軸方向他方側に配置されている。

この構成によれば、Ｘ軸及びＹ軸の磁場の強さを一致させやすい。Ｚ軸用コイル３は、ＸＹ軸の磁場印加領域に干渉しないように配置することができる。

本実施形態において、Ｘ軸用コイル１、Ｙ軸用コイル２及びＺ軸用コイル３を支持する支持部４を有し、支持部４は、非磁性体で形成されている。

このように、支持部４が非磁性体であるので、残留磁場がなく、ヒステリシスも発生しない。

本実施形態において、Ｘ軸用コイル１、Ｙ軸用コイル２及びＺ軸用コイル３は、導線を円筒形状に巻き付けて形成され、Ｚ方向に沿った高さが同一である。

円柱状の空間があれば、全てのコイル１〜３を収容することができるので、コンパクトな電磁石を提供できる。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

図１〜２の例では、Ｘ軸用コイル１、Ｙ軸用コイル２およびＺ軸用コイル３の一方側の軸端面１ａ、２ａ、３ａが同一平面ＰＳに配置されているが、これに限定されない。例えば、図３Ｂに示すように、Ｘ軸用コイル１の一方側の軸端面１ａと、Ｙ軸用コイル２の一方側の軸端面２ａと、Ｚ軸用コイル３の一方側の軸端面３ａとが、多少ずれていてもよい。Ｘ軸用コイル１同士の一方側の軸端面１ａが同一平面上にあり、Ｙ軸用コイル２同士の一方側の軸端面２ａが同一平面上にあり、Ｚ軸用コイル３同士の一方側の軸端面３ａが同一平面上にあれば、流す電流により調整可能だからである。

上記の各実施形態で採用している構造を他の任意の実施形態に採用することは可能である。各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…Ｘ軸用コイル
１Ｃ…コイル軸
２…Ｙ軸用コイル
２Ｃ…コイル軸
３…Ｚ軸用コイル
３Ｃ…コイル軸
４…支持部
ＣＬ…中心軸
ＶＣ…仮想円

Claims (5)

1. ２つのＸ軸用コイルであって、各コイル軸が互いに平行又は交差しており、各コイル軸は、Ｚ方向に平行な中心軸を中心として互いに軸対称となる位置に配置される、２つのＸ軸用コイルと、
   ２つのＹ軸用コイルであって、各コイル軸が互いに平行又は交差しており、各コイル軸は、前記中心軸を中心として互いに軸対称となる位置に配置される、２つのＹ軸用コイルと、
   １つのＺ軸用コイルであって、コイル軸が前記中心軸と一致し、前記２つのＸ軸用コイル及び前記２つのＹ軸用コイルよりも外周側に配置される、１つのＺ軸用コイルと、
   を備え、
   前記中心軸に直交し且つ前記２つのＸ軸用コイルのコイル軸を通るＸ方向と、前記中心軸に直交し且つ前記２つのＹ軸用コイルのコイル軸を通るＹ方向と、が互いに直交し、
   前記全てのコイルは、前記中心軸に直交する方向に沿って見た場合に、少なくとも一部位が互いに重なっており、
   前記全てのコイルによる磁場発生領域には、軟質強磁性体であるヨークが配置されておらず、
   各コイルに流す電流を変化させることで、前記中心軸上に任意方向の磁場を印加可能な電磁石。
2. 前記２つのＸ軸用コイルの各コイル軸は互いに平行であり、前記２つのＹ軸用コイルの各コイル軸は互いに平行である、請求項１に記載の電磁石。
3. 前記Ｘ軸用コイル及びＹ軸用コイルの一方側の軸端面は同一平面上にあり、
   前記Ｚ軸用コイルの一方側の軸端面は、前記Ｘ軸用コイル及びＹ軸用コイルの一方側の軸端面と同一平面上にある、又は、前記同一平面よりも軸方向他方側に配置されている、請求項１又は２に記載の電磁石。
4. 前記Ｘ軸用コイル、Ｙ軸用コイル及びＺ軸用コイルを支持する支持部を備え、
   前記支持部は、非磁性体で形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の電磁石。
5. 前記Ｘ軸用コイル、Ｙ軸用コイル及びＺ軸用コイルは、導線を円筒形状に巻き付けて形成され、前記Ｚ方向に沿った高さが同一である、請求項１〜４のいずれかに記載の電磁石。

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