(57)【要約】【課題】磁極の磁界を容易に精度良く制御することができる電磁石装置を得ること及びこの電磁石装置の製造方法を提供する。【解決手段】図１（ａ）に示すように、電磁石装置１は、継鉄部３と、この継鉄部３の内側の端部に間隙を設けて対向する一対の部分電磁石装置５とを有し、全体としてＣ状に形成されている。図１（ｂ）に示すように、部分電磁石装置５は、絶縁物５８を介して並列配置された所定個数の部分電磁石５１を有する。部分電磁石５１は、コアスタック（積層鉄心）５３と、このコアスタック５３を励磁する薄肉銅板で１ターンに形成された励磁コイル５５とを有する。部分電磁石５１は個別にコアスタック５３を有しているので、励磁電流を個別に制御することにより磁極面の磁束分布を精度良く制御できる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隙を設けて対向する一対の磁極とこれらの磁極を結ぶ継鉄部とを有するものであって、上記各磁極は板状ないし薄膜状の磁性材料が所定枚数積層された鉄心とこの鉄心を周回して設けられ上記鉄心を励磁する導電体にて形成された励磁コイルとを有する複数の部分電磁石を有するものである電磁石装置。
【請求項２】
上記磁極は、主鉄心とこの主鉄心を励磁する主コイルが巻回された主磁極を有するものであって、上記複数の部分電磁石は上記主鉄心に固定され上記主鉄心を介して上記継鉄部に結合されるとともに間隙を設けて対向配置されたものであることを特徴とする請求項１に記載の電磁石装置。
【請求項３】
上記励磁コイルは、板状ないし薄膜状の導電体にて形成されたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁石装置。
【請求項４】
上記磁性材料は鉄系のアモルファス材であり、上記導電体は薄肉銅板であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電磁石装置。
【請求項５】
上記鉄心は、中央部の上記磁性材料の透磁率と端部の上記磁性材料の透磁率とが異なるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁石装置。
【請求項６】
上記部分電磁石は、上記励磁コイルに流す電流を個別に制御することにより、上記一対の磁極間に所定の磁界を発生させるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁石装置。
【請求項７】
上記部分電磁石は、上記励磁コイルが交流電源にて励磁されるものであり、上記励磁コイルを形成する導電体が上記部分電磁石同士の間の磁気的な絶縁を行う磁気絶縁部材として作用するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁石装置。
【請求項８】
間隙を設けて対向する一対の磁極とこれらの磁極を結ぶ継鉄部とを有するものであって、上記各磁極は板状ないし薄膜状の磁性材料が所定枚数積層された鉄心とこの鉄心を周回して設けられ上記鉄心を励磁する導電体にて形成された励磁コイルとを有する複数の部分電磁石を有するものである電磁石装置の製造方法であって、次の工程を有する電磁石装置の製造方法。
ア．板状ないし薄膜状の磁性材料を所定巻き回数四角形状ないしフィールドトラック状に巻回して直線部を有する環状コアを製造する環状コア製造工程。
イ．上記環状コアの上記直線部を所定の長さに切断して、上記鉄心を製造する工程。
ウ．上記鉄心を周回して導電体を設け、上記励磁コイルを形成する励磁コイル形成工程。
【請求項９】
上記環状コア製造工程は、加える張力により透磁率が変化するテープ状のアモルファス材を、加える張力を変化させながら所定巻き数巻回して上記環状コアを製造するものであることを特徴とする請求項８に記載の電磁石装置の製造方法。
【請求項１０】
上記励磁コイル形成工程は、励磁コイルを板状ないし薄膜状の導電体にて形成するものであることを特徴とする請求項８に記載の電磁石装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば荷電粒子加速装置に用いられる電磁石装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電子ビーム加速器において電子ビームを偏向させるために、偏向電磁石が使用される。従来の偏向電磁石は、Ｃ字状の鉄心の開口した磁極の両端部に主コイルが巻回され、開口部の磁極間に磁界を形成するように構成されている。このような偏向電磁石は、製作や据付け上の誤差により、磁界に誤差を生じるのを避けられず、ビームの軌道が理想値からずれてしまう。このビームの軌道を可能な限り理想値に近づけるために、開口部の磁極に複数の補正巻線を設けるとともに、複数のビーム位置モニタ及び放射光モニタのモニタ信号に基づいてビーム位置を検出し、各補正巻線の励磁量を制御するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１３３１５５号公報（第３頁、図１及び図３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電磁石装置としての偏向電磁石では、複数の補正巻線を設けて磁界の補正を行っているが、補正巻線が磁極鉄心に埋設される形で設けられており、磁極鉄心が補正巻線毎に分けられていないので、補正巻線の励磁量を制御して磁界を制御しようとしても、その制御能力に限界があった。
この発明は、上記のような問題点を解決して、磁極の磁界を容易に精度良く制御することができる電磁石装置を得ること及び電磁石装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電磁石装置、間隙を設けて対向する一対の磁極とこれらの磁極を結ぶ継鉄部とを有するものであって、各磁極は板状ないし薄膜状の磁性材料が所定枚数積層された鉄心とこの鉄心を周回して設けられ鉄心を励磁する導電体にて形成された励磁コイルとを有する複数の部分電磁石を有するものである。
【０００６】
また、この発明における電磁石装置の製造方法は、間隙を設けて対向する一対の磁極とこれらの磁極を結ぶ継鉄部とを有するものであって、各磁極は板状ないし薄膜状の磁性材料が所定枚数積層された鉄心とこの鉄心を周回して設けられ鉄心を励磁する導電体にて形成された励磁コイルとを有する複数の部分電磁石を有するものである電磁石装置の製造方法であって、次の工程を有するものである。ア．板状ないし薄膜状の磁性材料を所定巻き回数四角形状ないしフィールドトラック状に巻回して直線部を有する環状コアを製造する環状コア製造工程。
イ．環状コアの直線部を所定の長さに切断して、鉄心を製造する工程。
ウ．鉄心を周回して導電体を設け、励磁コイルを形成する工程。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１〜図５は、この発明の実施の一形態を示すものであり、図１（ａ）は電磁石装置の構成図、図１（ｂ）は部分電磁石装置の詳細構成図、図２は図１（ｂ）の部分電磁石装置の側面図である。図３及び図４は部分電磁石装置の製造方法を説明するための説明図、図５は磁極面における磁束分布の補正例を示す説明図である。図１（ａ）において、電磁石装置１は、継鉄部３と、この継鉄部３の内側の端部に間隙を設けて対向する一対の部分電磁石装置５とを有し、全体としてＣ状に形成されている。そして、図示しないが一対の部分電磁石装置５の対向間隙に、加速すべき電子ビームが通過する真空ダクトが配設されている。継鉄部３は、珪素鋼板が積層されて形成されている。
【０００８】
図１（ｂ）に示すように、部分電磁石装置５は、絶縁物５８を介して並列配置された所定個数（図１（ｂ）では５個）の部分電磁石５１を有する。なお、部分電磁石装置５の製造方法は後述する。部分電磁石５１の外形寸法は幅Ｗ、高さＨであり、後述するコアスタック５３の外形寸法は幅Ｗｃ、高さＨｃであり、部分電磁石５１の高さＨとコアスタック５３の高さＨｃとは同じである（図１及び図２参照）。部分電磁石５１は、コアスタック５３と、このコアスタック５３を励磁する励磁コイル５５とを有する。コアスタック５３は、薄い矩形状の鉄系のアモルファス材で製作されたコア材５３ａが所定枚数、図１（ｂ）の左右方向に積層されて構成されている。
【０００９】
励磁コイル５５は、コアスタック５３の両外側に設けられた平板部５５ａと、平板部５５ａから図１（ｂ）における下方へ平板部５５ａと同じ幅でコアスタック５３よりも突出するように延伸された端子部５５ｂ（図２では左方へ延伸）、平板部５５ａから図１（ｂ）における上方へコアスタック５３よりも突出するように延伸され、隣接するもの同士が互いに電気的に接続された渡り部５５ｃを有し、コアスタック５３を周回して１ターンを形成している。
【００１０】
ここで、部分電磁石装置５の製造方法を図３により説明する。まず、図３（ａ）に示すような直線部を有する扁平なフィールドトラック状の環状コア１０１を製造する。環状コア１０１の断面は図３（ｂ）のようになっている。この環状コア１０１を、所定の切断線ｃにて切断して製造する。以下、製造方法を詳細に説明する。図３（ａ）において、直線部を有する扁平なフィールドトラック状の芯型（図示しない）に薄肉銅板１５５（図３（ｂ）参照）を一巻きする。この上に、十数ミクロンメートル程度の厚さのテープ状にロール成型された鉄系のアモルファス磁性材テープ１５３ａを所定回数巻き、１層目の環状部分コア１０１ａを作る。なお、薄肉銅板１５５の奥行きＤ（図３（ｂ）参照）は、アモルファス磁性材テープ１５３ａの奥行きＤｃよりも広く、図３（ｂ）の上下方向、図１（ａ）における紙面に垂直な方向にそれぞれ所定寸法突出している。
【００１１】
さらに、一層目の環状部分コア１０１ａの上に電気絶縁のための絶縁シート１５８を一巻きし、次の薄肉銅板１５５を巻きつける。その上にアモルファス磁性材テープ１５３ａを所定回数巻回した後、外周に薄肉銅板１５５を巻きつけ、次の環状部分コア１０１ａを作る。以上の作業を繰り返して、必要な層の数だけの環状部分コア１０１ａを積層し、環状コア１０１を製造する。この環状コア１０１を、その直線部を図３（ａ）に示す切断線ｃにて切断して、図４に示すような部分電磁石ブロック集合体１０５を製造する。この部分電磁石ブロック集合体１０５は、図３（ｂ）に示す環状コア１０１の断面と同様の断面を有する。
【００１２】
部分電磁石ブロック集合体１０５は、この実施の形態では、５個の部分電磁石ブロック１５１が、絶縁物５８を介して並列配置されたものとなっている。そして、アモルファス磁性材テープ１５３ａが切断されて、コア材５３ａとなり、この積層されたコア材５３ａにてコアスタック５３が構成される。薄肉銅板１５５が切断されて、平板部２５５ａ、上方及び下方の突出部２５５ｂ、２５５ｃを有する導体２５５となる。絶縁シート１５８が切断されて、絶縁物５８となる。そして、導体２５５の下方の突出部２５５ｂを加工して端子部５５ｂとし、上方の突出部２５５ｃを内側に曲げて渡り部５５ｃとするとともに対向する隣の渡り部５５ｃと接続し、導体２５５ａはそのまま平板部５５ａとなり、励磁コイル５５ができあがる。
【００１３】
なお、平板部５５ａは、高周波でコアを励磁する用途に使用する場合は、隣接する部分電磁石５１のコアスタック５３との間の磁気的な絶縁を行うための磁気絶縁板として機能する。この場合、磁気絶縁板として機能させるためには、高周波の周波数に応じ、その表皮効果による電流の浸透深さδの数倍程度の厚さに設定すればよい。この浸透深さは、
δ＝√（２／ωμσ）
ここに、ω：周波数　μ：透磁率　σ：電気伝導度
で表され、薄肉銅板の両面に逆方向の電流が流れ、各部分コア間１１〜１５は磁気回路的に分離される。例えば、１０ＭＨｚ近傍の周波数では、概ね１枚数百ミクロンメータ程度の厚さの銅板でよい。
【００１４】
以上のように構成された部分電磁石５１は、絶縁物５８を介して所定個数（図示は５個）、隣接配置されたものとなり、部分電磁石装置５（図１（ｂ））が完成する。この部分電磁石装置５を２組、図示しない固定装置にて図１（ａ）の継鉄部３に、所定の間隙を設けて対向させて固定する。また、図示していないが、励磁コイル５５は、それぞれ個別の電源に接続されて励磁され、対向する部分電磁石装置５の間隙に所定の磁束分布の磁界を発生する。
【００１５】
各励磁コイル５５において、電源からの励磁電流を制御することで所望の磁界分布を得ることができる。例えば一様磁界が必要な場合は、磁界測定装置で磁極面の磁束分布を測定し、磁束密度の誤差分△Ｂを電流値△Ｊに換算して電源にフィードバックすることで、一様な磁界を得ることができる。また、多極成分を追加したい場合は例えば６極成分を考慮した磁界分布に相当する励磁量を各コイルに加えることで、磁界を変更することができる。
【００１６】
図５に磁極面、すなわち部分電磁石装置５の端面における磁束分布の補正例を示す。補正する対象に応じて、部分電磁石５１の大きさや個数を設定し、部分電磁石５１を励磁する電流を制御することにより、例えば図５（ａ）の曲線Ｆのような磁束分布を曲線Ｇのように補正できる。また、図５（ｂ）の曲線Ｐのような磁束分布を曲線Ｑのような磁束分布にも補正できる。部分電磁石５１は独立したコアスタック５３と個別に励磁可能な励磁コイル５５と有するので、部分電磁石５１を個別に励磁し制御することにより、要求する磁界を自由に設定することができる。さらに、時間的に変化する励磁パターンを持つ場合も、その付加磁界を時間的に変化させることで、パターン励磁の間に磁気収束力を変化させるなど、時間的にも変化する磁束分布を得るもことできる。
【００１７】
また、励磁コイル５５の端子部５５ｂ及び渡り部５５ｃをコアスタック５３から突出させ、冷却機能を持たせることで、温度上昇によるコアスタック５３の透磁率の変化を小さくし、またコア材５３ａの積層方向の温度分布や温度差による機械的な歪を小さし、特性を改善することができる。
【００１８】
実施の形態２．
図６〜図８は、この発明の他の実施の形態を示すものであり、図６は電磁石装置の構成図、図７（ａ）は部分電磁石装置の平面図、図７（ｂ）は断面図、図７（ｃ）はコアスタックのアモルファス材の透磁率の分布図である。図８は、コアスタックの製造するための環状コアの構成図である。図６において、磁界発生装置６は、開口部に主鉄心部７ａを有するＣ状の継鉄部７と、この主鉄心部７ａに巻回された主コイル８を有している。継鉄部７は、珪素鋼板が積層されて形成されている。主鉄心部７ａに、間隙を設けて対向する一対の部分電磁石装置９が固着されている。そして、図示しないが一対の部分電磁石装置９の対向間隙に、加速すべき電子ビームが通過する真空ダクトが配設されている。
【００１９】
図７（ａ）において、部分電磁石装置９は部分電磁石装置９８を介して並列配置された所定個数の部分電磁石９１を有する。部分電磁石９１の外形寸法は幅Ｗ２、高さＨ２であり、後述するコアスタック９３の外形寸法は幅Ｗｃ２、高さＨｃ２である（図６及び図７参照）。部分電磁石９１は、図７（ａ）では、３個だけ図示している。部分電磁石９１は、コアスタック９３と、このコアスタック９３を励磁する励磁コイル９５とを有する。
【００２０】
コアスタック９３は、薄い矩形状のアモルファス材で製作されたコア材９３ａが所定枚数、図７（ｂ）の左右方向に積層されて構成されている。コアスタック９３を構成するコア材９３ａは、その配設位置によって透磁率が異なるものが使用されている。例えば、この実施の形態においては、図７（ｃ）に示すように、中央部から図７（ｃ）における左右方向の端部に行くに従って透磁率が高いコア材９３ａが使用されている。このコアスタック９３の製造方法については後述する。
【００２１】
励磁コイル９５は、帯状の薄肉銅板にて製造され、励磁コイル９５ｂを有し、コアスタック９３を周回して１ターンを形成している。この実施の形態においては、励磁コイル９５は、コアスタック９３よりも幅広であり（図７（ｂ）において、Ｈ２＞Ｈｃ２）、一方側（図７（ｂ）における上方側）がコアスタック９３よりも所定寸法突出し、他方側はコアスタック９３と面一となっている。そして、部分電磁石装置９は、この励磁コイル９５の面一側が主鉄心部７ａ（図６）に接するように取り付けられる。
【００２２】
ここで、コアスタック９３の製造方法を図８により説明する。鉄系のアモルファス材は、環状に巻回するときに加える張力を変化させることによりその透磁率が変化することが知られている。この現象を利用してコアの透磁率を少しずつ変化させたコアスタック９３を製造する。まず、図８（ａ）に示すような直線部を有する扁平なフィールドトラック状の環状コア１９３を巻回する。環状コア１９３の断面は図８（ｂ）のようになっている。この環状コア１９３を切断線ｃにて切断し、コアスタック９３を製造する。
【００２３】
環状コア１９３は、直線部を有する扁平なフィールドトラック状の芯型（図示しない）を用意し、十数ミクロンメートル程度の厚さのテープ状にロール成型された鉄系のアモルファス磁性材テープ１９３ａを巻いていく。巻き始めから巻き厚さが（Ｗｃ２）／２（図７（ｂ））になるまでの間、次第に張力を強くしながら巻いていく。巻き厚さが（Ｗｃ２）／２を越えてから巻き厚さがＷｃ２になるまでの間、次第に張力を弱くしながら巻いていき、巻き終わりには最初の張力に戻るようにする。
【００２４】
これにより、図８の環状コア１９３ができあがるので、図８（ａ）の切断線ｃにて切断し、コアスタック９３を製造する。このコアスタック９３に、励磁コイル９５となる薄肉銅板を１ターンとなるように巻いて、図７に示す部分電磁石９１が完成する。この部分電磁石９１を所定個数、絶縁物９８を介して並列位置し、部分電磁石装置９とする。
【００２５】
例えば、アモルファス材を焼鈍するときに印加する磁界の強さを変えると透磁率の異なるものになる。この現象を利用して透磁率の異なるアモルファス材を製作して、使用する位置によって、すなわち環状コア１９３を製作するときにその巻回の進行に応じて透磁率の異なるアモルファス磁性材テープ１９３ａを使用して巻回することにより、コアスタック９３における中央部と両端部とで透磁率の異なるコア材９３ａを配設することができる。このようにすれば、同じ磁性材料を使って異なる透磁率のコア材を製作することができ、コア材９３ａを安価にできる。また、環状コアの巻き始め部及び巻き終わり部をテープ状の鉄系のアモルファス磁性材テープを巻回し、巻き厚さの中央部を例えばナノクリスタル材などの透磁率の高い材料で形成されたテープ状の磁性材料を巻回するようにしてもよい。
【００２６】
この実施の形態によれば、コア材９３ａの透磁率をコアスタック９３の端部から中央部に向かって少しずつ変えて透磁率が例えば図７（ｃ）に示すように配列することで、６極等の多極成分が入った磁界分布を作ることができる。また逆に主鉄心部の端部の多極成分を打ち消すような一様な磁界分布を作ることも可能である。もちろん、コアスタック９３をそれぞれ励磁する励磁コイルを個別に励磁する電源を設けて、その励磁電流を制御することにより、所望の磁束分布の磁化をつくることができる。
【００２７】
また、励磁コイル９５の高さＨ２をコアスタック９３の高さＨｃ２よりも高くし、励磁コイル９５をコアスタック９３から突出させ、冷却機能を持たせることで、温度上昇による透磁率の変化を小さくし、また積層方向の温度分布を小さくし温度差による機械的な歪を小さし、特性を改善することができる。
【００２８】
なお、上記各実施の形態においては、コアスタック５３のコア材として、アモルファス材やナノクリスタル材などを使うものを示したが、これに限られるものではなく、珪素鋼板や電磁鋼板などその他の材料を使用する場合であっても、同様の効果を奏する。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る電磁石装置は、間隙を設けて対向する一対の磁極とこれらの磁極を結ぶ継鉄部とを有するものであって、各磁極は板状ないし薄膜状の磁性材料が所定枚数積層された鉄心とこの鉄心を周回して設けられ鉄心を励磁する励磁コイルとを有する複数の部分電磁石を有するものであるので、部分電磁石は独立した鉄心とこの鉄心を個別に励磁可能な励磁コイルを有するので、部分電磁石を個別に励磁し制御することにより、要求する磁界を自由に設定することができる。
【００３０】
また、この発明における電磁石装置の製造方法は、間隙を設けて対向する一対の磁極とこれらの磁極を結ぶ継鉄部とを有するものであって、各磁極は板状ないし薄膜状の磁性材料が所定枚数積層された鉄心とこの鉄心を周回して設けられ鉄心を励磁する導電体にて形成された励磁コイルとを有する複数の部分電磁石を有するものである電磁石装置の製造方法であって、次の工程を有するものである。ア．板状ないし薄膜状の磁性材料を所定巻き回数四角形状ないしフィールドトラック状に巻回して直線部を有する環状コアを製造する環状コア製造工程。
イ．環状コアの直線部を所定の長さに切断して、鉄心を製造する工程。
ウ．鉄心を周回して導電体を設け、励磁コイルを形成する工程。
これにより、板状ないし薄膜状の磁性材料を所定巻き回数四角形状ないしフィールドトラック状に巻回して直線部を有する環状コアを製造し、環状コアの直線部を所定の長さに切断して、鉄心を製造するので、独立した鉄心とこの鉄心を個別に励磁可能な励磁コイルを有し個別に励磁し制御することにより要求する磁界を自由に設定することができる部分電磁石を有する部分電磁石装置を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態を示すものであり、図１（ａ）は電磁石装置の構成図、図１（ｂ）は部分電磁石装置の詳細構成図である。
【図２】図１の部分電磁石装置の側面図である。
【図３】部分電磁石装置の製造方法を説明するための説明図である。
【図４】部分電磁石装置の製造方法を説明するための説明図である。
【図５】磁極面における磁束分布の補正例を示す説明図である。
【図６】この発明の他の実施の形態を示す電磁石装置の構成図である。
【図７】図７（ａ）は図６の部分電磁石装置の平面図、図７（ｂ）は断面図、図７（ｃ）はコアスタックのアモルファス材の透磁率の分布図である。
【図８】コアスタックを製造するための環状コアの構成図である。
【符号の説明】
１，６　電磁石装置、３，７　継鉄部、５，９　部分電磁石装置、
５１，９１　部分電磁石、５３，９３　コアスタック、
５３ａ，９３ａ　コア材、５５，９５　励磁コイル、１０１　環状コア。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004134587.tif 000005
【図４】
2004134587.tif 000006
【図５】
2004134587.tif 000007
【図６】
2004134587.tif 000008
【図７】
2004134587.tif 000009
【図８】
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