(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも磁束発生源と、磁束発生源より発生される磁束が導入され誘導される内部空間を有する磁束誘導部材とを備え、
磁束誘導部材は、超伝導体で構成されると共に、磁束の誘導方向に垂直な内部空間の断面積が前記磁束発生源から離れるに従って漸減する漸減部を有し、かつ、磁束の周りを周回する電流が生じない構成とされていて、
磁束発生源により発生された磁束が磁束誘導部材に導入され、漸減部内を誘導されて、漸減部の内部空間断面積の最小部近傍で局所的に収束され、
磁束誘導部材の形状が、円筒状または中空円錐状であって軸方向に対称であり、当該軸面で縦方向に２分割してスリット部を設けて、磁束の周りを周回する電流が生じない構成とされており、前記スリット部には電気絶縁を行うスペーサを有し、
前記スリット部の外表面に、テープ状超伝導体が貼付されていることを特徴とする磁束集中化装置。
【請求項２】
磁束誘導部材は、絶縁したテープ状超伝導体を隙間無く螺旋状に巻いて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁束集中化装置。
【請求項３】
磁束誘導部材は、絶縁したテープ状超伝導体を少なくとも１本含むテープ状超伝導体を隙間無く貼付して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁束集中化装置。
【請求項４】
磁束誘導部材は、円筒状または中空円錐状で両端が開口されており、内部空間の断面積がより大きな開口に近い位置で、磁束誘導部材の外側もしくは内側に磁束発生源が配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁束集中化装置。
【請求項５】
磁束誘導部材は、形状が円筒状であって、磁束発生源の形成する磁場の中心が内部空間に含まれるよう配置され、磁束の誘導方向に垂直な内部空間の断面積は前記磁束発生源から両端部に離れるに従って各々漸減部を有していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁束集中化装置。
【請求項６】
磁束誘導部材の形状が円筒状または中空円錐状であって、磁束発生源と磁束誘導部材は、磁束誘導部材の軸と磁束発生源が発生する磁束の軸が同軸となるよう配置されていることを特徴とする請求項１ないし５に記載の磁束集中化装置。
【請求項７】
磁束発生源と磁束誘導部材は、磁束誘導部材の軸と磁束発生源が発生する磁束の軸が異なるよう配置されていることを特徴とする請求項１ないし５に記載の磁束集中化装置。
【請求項８】
磁束誘導部材の形状が、円筒状体または中空円錐状体を任意の縦断面で切断した形状であって、磁束発生源と磁束誘導部材は、磁束誘導部材の軸と磁束発生源が発生する磁束の軸が異なるよう配置されていて、
磁束発生源により発生された磁束が磁束誘導部材に導入され、漸減部内を誘導されて、導入方向とは異なる方向の内空間断面積の最小部近傍で局所的に収束されることを特徴とする請求項１に記載の磁束集中化装置。
【請求項９】
磁束誘導部材が、漸減部よりも先に内部空間を有していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の磁束集中化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導体を用いた磁束集中化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴断層診断装置（ＭＲＩ）をはじめとする医療機器と産業用機器等における磁場の利用の進展にともなって、磁場の制御の高度化への要請が高まっている。このような磁場制御の高度化は、超伝導マグネットの実用化と超高磁場の実現とともに、さらに重要な課題となっている。
【０００３】
たとえば、ＭＲＩ等における高均一磁場を形成するための手段として、磁石と超伝導体からなる軸方向にスリットを有する円筒とを備え、磁石の軸とこの円筒の軸とを平行となるようにすることで、円筒内部に円筒軸方向に強度可変の均一平行磁場を発生するようにした強度可変均一平行磁場発生装置が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
この装置においては、円筒型磁石の内側に、前記の超伝導円筒体を配置する形態（たとえば図１、図５を参照）とともに、円筒型磁石の外側に同軸となるように超伝導円筒体を配置する形態（たとえば図６参照）等において、超伝導円筒体に、磁束の拡散を抑えた均一平行磁場の形成を可能としている。
【０００５】
一方、以上のような均一平行磁場の形成とは異なって、磁束の拡散を抑えて、磁束を遠方まで維持し、あるいは磁束を局部的に集中可能とすることも重要な技術的課題になっている。このような課題に対しては、従来では、鉄等の強磁性体を用いて磁気回路を形成する手法が一般的に採用されてきている。
【０００６】
しかしながら、このような従来の手法では、近年特に重要となっている２Ｔ（テスラ）以上の高磁場に対しては効果的でないことが明らかになってきている。このため、超高磁場を利用するためにも、磁束の拡散を抑えて、これを遠方まで維持可能とすることも、磁束を局部に集中可能とするための、新しい磁場制御手段として、実現が望まれていた。
【特許文献１】特許第３１８４６７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上のとおりの背景から、たとえば２Ｔ以上の超高磁場においても、磁束の拡散を抑えて、磁束を遠方まで維持可能とし、また、磁束を局部に集中可能とすることのできる新しい技術手段を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するものとして、以下の特徴を有する磁束集中化装置を提供する。
【０００９】
第１：少なくとも磁束発生源と、磁束発生源より発生される磁束が導入され誘導される内部空間を有する磁束誘導部材とを備え、磁束誘導部材は、超伝導体で構成されると共に、磁束の誘導方向に垂直な内部空間の断面積が前記磁束発生源から離れるに従って漸減する漸減部を有し、かつ、磁束の周りを周回する電流が生じない構成とされていて、磁束発生源により発生された磁束が磁束誘導部材に導入され、漸減部内を誘導されて、漸減部の内部空間断面積の最小部近傍で局所的に収束され、磁束誘導部材の形状が、円筒状または中空円錐状であって軸方向に対称であり、当該軸面で縦方向に２分割してスリット部を設けて、磁束の周りを周回する電流が生じない構成とされており、前記スリット部には電気絶縁を行うスペーサを有することを特徴とする磁束集中化装置。  
【００１３】
第２：磁束誘導部材は、絶縁したテープ状超伝導体を隙間無く螺旋状に巻いて形成されていることを特徴とする上記の磁束集中化装置。
【００１４】
第３：磁束誘導部材は、絶縁したテープ状超伝導体を少なくとも１本含むテープ状超伝導体を隙間無く貼付して形成されていることを特徴とする上記の磁束集中化装置。
【００１５】
第４：磁束誘導部材は、円筒状または中空円錐状で両端が開口されており、内部空間の断面積がより大きな開口に近い位置で、磁束誘導部材の外側もしくは内側に磁束発生源が配置されていることを特徴とする上記の磁束集中化装置。
【００１６】
第５：磁束誘導部材は、形状が円筒状であって、磁束発生源の形成する磁場の中心が内部空間に含まれるよう配置され、磁束の誘導方向に垂直な内部空間の断面積は前記磁束発生源から両端部に離れるに従って各々漸減部を有していることを特徴とする上記の磁束集中化装置。
【００１７】
第６：磁束誘導部材の形状が円筒状または中空円錐状であって、磁束発生源と磁束誘導部材は、磁束誘導部材の軸と磁束発生源が発生する磁束の軸が同軸となるよう配置されていることを特徴とする上記の磁束集中化装置。
【００１８】
第７：磁束発生源と磁束誘導部材は、磁束誘導部材の軸と磁束発生源が発生する磁束の軸が異なるよう配置されていることを特徴とする上記の磁束集中化装置。
【００１９】
第８：磁束誘導部材の形状が、円筒状体または中空円錐状体を任意の縦断面で切断した形状であって、磁束発生源と磁束誘導部材は、磁束誘導部材の軸と磁束発生源が発生する磁束の軸が異なるよう配置されていて、磁束発生源により発生された磁束が磁束誘導部材に導入され、漸減部内を誘導されて、導入方向とは異なる方向の内空間断面積の最小部近傍で局所的に収束されることを特徴とする上記の磁束集中化装置。
【００２１】
第９：磁束誘導部材が、漸減部よりも先に内部空間を有していることを特徴とする上記の磁束集中化装置。
【発明の効果】
【００２３】
前記のとおりの本発明の磁束集中化装置によれば、磁束誘導部材の内部空間断面積の漸減にともなって、超伝導体からなる磁束誘導部材には、磁束誘導部材の表面に対して垂直な成分の磁場を遮蔽（制御）するように電流が流れ、結果として、磁束が磁束誘導部材の内表面に対して平行な成分のみとなる。これにより、磁束の拡散を抑えて、その内部空間が収束する内部空間断面積の最小側に磁束を集束することができる。
【００２４】
また、本発明の磁束集中化装置によれば、磁束発生源と磁束誘導部材との配置関係や、該磁束誘導部材の形状等の、多様な構造の変更に伴い、例えば進行方向の変更など、磁束収束の多様な形態の実現も可能とされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の磁束集中化装置では、前記のとおり、
＜Ａ＞少なくとも磁束発生源と内部空間を有する磁束誘導部材とが備えられ、これらは、磁束発生源から発生される磁束が内部空間に導入されるような位置に配置されていること、
＜Ｂ＞前記磁束誘導部材は、超伝導体で構成されると共に、その内空間面積が前記磁束発生源から離れるに連れ漸減する漸減部を有すること、
＜Ｃ＞前記磁束誘導部材は、前記磁束の回りを周回する電流が生じないようにしてあること、
を必須の構成とするものである。
【００２６】
ここで、磁束誘導部材は超伝導体からなり完全反磁性を示すため、その内表面に対して垂直な磁束成分を遮蔽（制御）するように電流（マイスナー電流）が流れる。その結果として、磁束が磁束誘導部材の内表面に対して平行な成分のみとなることで、前記構成＜Ｂ＞における断面積の漸減にともなう磁束の集中化を可能としている。
【００２７】
また、前記構成＜Ｃ＞によって、磁束誘導部材の表面に対して平行な磁束成分が遮蔽（制御）されることがないようにしている。
【００２８】
たとえば、図１は、本発明の磁束集中化装置の代表的な一実施形態を模式的に示した斜視図である。この図１の場合、磁束発生源１は磁石であり、磁束誘導部材２は超伝導体をもって構成されている。
【００２９】
本発明において、磁束発生源１としては、磁束を発生できるものであれば特に制限されず、超伝導マグネット及び常伝導マグネット等からなる電磁石、永久磁石などの各種のものから、所望の磁場を得るのに適したものを用いることができる。
【００３０】
この磁束発生源１については、単数であっても良いし、複数のものから構成されていても良い。磁束発生源１が複数のものから構成される場合には、各々を磁束発生源１と考えても良いし、それらの磁束発生源が発生する磁束密度の最も大きい点を磁場中心として、この磁場中心を磁束発生源１と見なしても良い。
【００３１】
磁束誘導部材２を構成する超伝導体の素材、組成についても特に限定されるものではなく、前記の特徴を有する磁束誘導部材２を構成できるものであれば公知の各種の超伝導体を用いることができる。図１では、中空円錐状のシート状超伝導体からなる磁束誘導部材２を例示しているが、磁束誘導部材２はこのような例に限られることはない。例えば、超伝導体としては、平面上に抵抗なく電流が流れるものとして、ＮｂＴｉ合金／Ｃｕ多層材、薄膜系超伝導体等であってよく、さらには、図５に例示したように、超伝導物質が網目状や格子状に形成されたものや、平面の一部に空隙、欠陥等が存在したものでもよく、いずれも同様の効果が期待される。
【００３２】
磁束誘導部材２については、前記のとおり、磁束が導入され誘導される内部空間を有しており、この内部空間は磁束の誘導方向に垂直な断面積の漸減が必要とされる。この点において、最も本質的に、均一平行磁場の形成を図ろうとする従来公知の技術（特許文献１）等とは相違している。この公知技術においては、磁束の集中化については何ら示唆することがない。また、磁束収束の多様な形態についても同様である。
【００３３】
内部空間の断面積の漸減、すなわち断面径または断面長が漸減する構成については、たとえば図１に示した漸減部の長さ（Ｌ）、最大内径（長）（Ｄ）、最小内径（長）（ｄ）、さらには磁束発生源１の種類と配置、磁場中心からの距離（図中では、最大内径（長）部である下方開口２Ａとの距離（ｌ）を示す）等との関係から、所要の磁束集中度および磁束誘導方向とするための選択と設計が行われてよい。
【００３４】
磁束誘導部材２の厚みについても特段の制限はなく、コスト面や、使用環境における下部臨界磁場、臨界電流密度などの値を考慮して決定することができる。
【００３５】
このような磁束誘導部材２としての形状としては、筒状体（図１０）または中空円錐状体（図１、図１３、図１４、図１６）、漏斗状体（図６、図７）、つぼ状体（図８）など多様な各種の形状を例示することができ、また、これらを任意の縦断面で切断したり切欠いた、例えば樋のような形状（図１５）とすることもできる。
【００３６】
内部空間の漸減については、例えば図１、図１０、図１３、図１４、図１８などに例示されているように漸減の割合が一定であっても、図６〜８に例示されたように様々に変化していても差し支えない。
【００３７】
なお、例えば図１５に例示されているように、磁束誘導部材２が筒状体または中空円錐状体を任意の断面で切断したような形状の場合、内部空間についてもこの断面で切断された形状と考えることができる。この場合は切断された部分から磁束が拡散されるため、図１４の場合に比較して磁束の集中化の効率は低下してしまう。
【００３８】
なお、この内部空間に関して、本発明において「空間」とは、固体物質が何も存在しないことを意味するのではなく、磁束の進行に何らの影響をあたえない場として理解することが出来る。すなわち、例えば優れた透磁性を有する物質が充填されていても、本願発明では「空間」とすることが出来る。このような優れた透磁性を有する物質としては、例えば、弱磁性物質を考慮することができ、具体的には、銅、アルミニウムなどを例示することができる。また、おおよその目安として、磁化率χがχ＜±１×１０-5emu／gの物質などを考慮することができる。
【００３９】
また、磁束誘導部材や内部空間の形状を表現するために用いた「円錐」状、「筒」状とは、幾何学的に厳密に「円錐」および「円筒」を示すものではなく、磁束誘導部材とその内部空間の形状の特徴からこれらをより分かりやすく表現する文言として用いている。従って、例えば図１、図１３、図１４に示した磁束誘導部材の形状は、厳密には、略中空円錐台形状と表現すべきであるが「中空円錐状体」のように表現している。
【００４０】
そして、磁束誘導部材２を超伝導状態とするために適宜冷却手段（図示せず）等が用いられて良いことは言うまでもない。また、磁束の集中化を行う際には、磁束発生源１の発生する磁場が、磁束誘導部材２が例えば第１種超伝導体からなる場合にはその臨界磁場Ｈｃを、第２種超伝導体からなる場合にはその臨界磁場Ｈｃ２を超えてはならない。
【００４１】
なお、磁束誘導部材２において、磁束の周りを周回する電流が生じない構成とするには、図１の円錐形の磁束誘導部材２を例にして説明すると、例えば軸（Ｚ軸）に沿って、スリット２Ｃを設けることで実現することができる。スリット２Ｃを設ける場合は、磁束の周りを周回する電流が生じない限り、その幅の下限に制限はない。その他、スリット２Ｃを絶縁部等で代替することなどでも実現できる。このスリット２Ｃについても同様の観点から、さらには磁束誘導部材２の形成上の観点も加味して、その幅や配設される個数や位置が選択されてよい。図１の例においては、９０°の平面角度間隔を置いて配置しているがこれに限られることはない。スリットに代えて絶縁体を用いる場合も同様である。
【００４２】
図１の例では、スリット２Ｃを入れることで磁束のＺ軸方向の成分に対する遮蔽電流を抑制したが、一方で、スリット２Ｃからの磁束の漏洩を抑えるために、スリット２Ｃ外表面に磁束誘導部材としての役割を果たす超伝導体をさらに配置するとより一層効果的である。
【００４３】
つまり図１のような円錐形の磁束誘導部材２の場合、Ｚ軸を周回する電流を抑制する方法としては、図４に例示したように、
（ａ）バルク状超伝導体からなる磁束誘導部材２にＺ軸方向にスリット２Ｃを入れる、
（ｂ）そのスリットの上（外表面）に絶縁シート２Ｄおよび超伝導体片２Ｅを重ね、漏洩磁束を低減する、または、
（ｃ）テープ状超伝導体２ＦをＺ軸方向にオーバーラップしながら配列（テープの少なくとも１本は他のテープと絶縁）する、
（ｄ）絶縁したテープ状超伝導体２Ｇを隙間ができないように螺旋状に巻く（両端はオープン）、
等の各種の形態を考慮することができる。
【００４４】
さらに、本発明においては、図９に示したように、たとえば絶縁したテープ状の超伝導体を用いて螺旋状に巻く等により、磁束誘導部材２の超伝導体が磁束発生源１を兼ねるようにすることもできる。
【００４５】
磁束発生源１と磁束誘導部材２の配置については、磁束集中効率や集中位置を所望のものとするための選択と設計が行われてよい。例えば、＜１＞磁束発生源１から発生される磁場の向きと、磁束誘導部材２の軸とを同軸にすることができる。この場合には、磁束はその軸上で、内部空間に導入され、誘導されて、漸減部の断面積の最小部近傍で局所的に収束されることになる。すなわち、磁束の導入方向＝磁束の誘導方向である。一方で、＜２＞磁束発生源１から発生される磁場の向きと、磁束誘導部材２の軸とを異なるよう配置することもできる。この場合、内部空間に導入された磁束は、漸減部入口において導入された方向とは異なる方向に誘導されて、漸減部の断面積の最小部近傍で局所的に収束される。すなわち、磁束の導入方向≠磁束の誘導方向である。ここで、＜２＞の場合は、磁束誘導部材２の設計により、磁束の誘導方向とは異なる任意の方向に磁束を誘導することが可能となる。
【００４６】
この図１の例示は上記＜１＞の場合であって、磁束発生源１と磁束誘導部材２とは、例えば、実質的に、設計上許容される誤差の範囲内で、図中のＺ軸において同軸上に配置されている。またこの磁束誘導部材２は略中空円錐状であって、この中空部分が、磁束発生源１より発生される磁束が導入されて誘導される内部空間となっており、磁束の誘導方向（Ｚ軸）に垂直な内部空間の断面積が磁束発生源１から離れるにつれて漸減する漸減部を有している。磁束誘導部材２は超伝導状態にあるため、内部空間に磁束が導入されると磁束誘導部材２の内表面に対して垂直な成分の磁束を遮蔽（抑制）するように電流が流れ、結果として磁束が、磁束誘導部材２の内表面に対して平行な成分のみとなる。そして内部空間の断面積の漸減、換言すれば内部空間の収束にともなって、上方開口２Ｂに向かって、磁束発生源１からの磁束の拡散が抑えられてその集中化が図られる。
【００４７】
そして、このことを効果的とするために、磁束誘導部材２には、例えば軸（Ｚ軸）に沿って、スリット２Ｃが設けられている。このスリット２Ｃは、磁束誘導部材２において、内表面に対して平行な成分の磁束を遮蔽（抑制）する電流、すなわち磁束の周りを周回する方向の電流が生じないようにするための構成である。
【００４８】
また、磁束誘導部材２の内部空間と磁束の集中については、たとえば、磁石１およびその磁場中心が磁束誘導部材２の外部にある場合には、図６（ａ）（ｂ）に示したように、磁石１側の下方開口２ＡのＺ軸に直交する断面の面積Ｓ２が、上方開口２Ｂに向って漸減し、その断面積Ｓ１と、Ｓ１＜Ｓ２の関係にあれば、上方開口２Ｂに向って磁束の濃縮、集中化の効果が得られる。
【００４９】
さらに、図７にも示したように（ａ）磁石１が磁束誘導部材２の外部にある場合だけでなく、（ｄ）磁石１が磁束誘導部材２の内部にあるようにしてもよい。後者（ｂ）の場合には、図８（ａ）に示したように、開口断面積はＳ１＜Ｓ２の関係にある必要はなく、また図８（ｂ）のように、開口を一つとすることも可能である。
【００５０】
加えて、図１１、図１８、図１９に例示したように、磁束誘導部材２の外周方向に磁石１が配置される場合などには、磁束誘導部材２の中心付近に磁場中心が位置するため、磁束誘導部材２の内空間の断面積は、例えば中心部が最も小さく、端部に向かうにしたがって大きくすることができる。これらの場合、磁束誘導部材が、漸減部の内部空間断面積の最小部よりも先に内部空間を有しており、最小部よりも先に内部空間がない場合に比べて、磁束の拡散を抑制してより磁束を集中させることができる。
【００５１】
一方で、上記＜２＞の磁束発生源１から発生される磁束の向きと、磁束誘導部材２の磁束の誘導方向とが異なる場合については、例えば、図１３および図１４により説明される。図１３および図１４において、図中の上方に向かう矢印は磁束の進行方向を示しており、磁束発生源１から発生された磁束が磁束誘導部材２の内部空間に図中下方から上方に導入されている。図１３では、内部空間の漸減部の最大径部断面と最小径部断面とが相互に変心した位置に存在する例である。図１４は、漸減部の最大径部断面と最小径部断面とが同心状に存在するものではあるが、その中心軸は、導入される磁束に対して傾斜して配置されている例である。この場合においても、磁束誘導部材２は超伝導状態にあるため、内部空間に磁束が導入されると磁束誘導部材２の内表面に対して垂直な成分の磁束を遮蔽（抑制）するように電流が流れ、結果として磁束が、磁束誘導部材２の内表面に対して平行な成分のみとなる。ここで、磁束誘導部材２における内部空間の断面積の漸減の方向は、磁束の導入方向とは異なるため、磁束は内表面に平行な成分になるとともに導入方向とは異なる方向に誘導され、上部開口に向かって磁束発生源１からの磁束の拡散が抑えられてその集中化が図られる。このように、磁束の向きと、磁束の誘導方向とが異なる場合には、磁束は、漸減部において内部空間に導入された方向とは異なる方向に誘導されて、漸減部の断面積の最小部近傍で局所的に収束される。
【００５２】
磁束の向きを変えるという観点からは、例えば図１５に示したように、磁束誘導部材２は筒状または中空円錐状に限定されることなく、例えば、これらを任意の縦断面で切断したような形状であってよい。図１５は、図１４に示した磁束誘導部材を中心軸で切断除去した樋状の形状の場合を例示している。このような樋状の場合、開放された部分がスリットの役目も兼ねて周方向での電流の発生を抑制するため、スリット等を設ける必要はない。そして、内部空間に磁束が導入されると、磁束は漸減部において磁束誘導部材２の内表面に対して平行な成分のみとなり、内部空間に導入された方向とは異なる方向に誘導されて、漸減部の断面積の最小部近傍で局所的に収束される。磁束誘導部材が筒状または中空円錐状を任意の縦断面で切断したような形状である場合は、磁束の集中効率が低下することが考慮されるものの、スペースに制約がある場合でも磁束誘導部材２を設置できる可能性が高まること、また、磁束誘導部材２の開放部側から磁束密度の高い場所にアクセス（操作、計測など）しやすいこと等の利点がある。
【００５３】
さらに、磁束の向きを変える場合に、磁束誘導部材２の漸減部以外を利用することもできる。というのは、例えば、磁束誘導部材２において内部空間断面積に漸減のない管状の部分を設け、この管状の部分を例えば１６０°曲げて磁束が１６０°曲がるよう誘導した場合、管状内部で磁束密度がほぼ保存されることが計算で予測されている。曲げ角が１８０°以上であっても同様の結果が得られると考えられる。したがって、磁束誘導部材２の内部空間に、断面積の漸減のない管状部と漸減部とを適宜組み合わせることなどでも、磁束の向きを変え、さらにその磁束の濃縮を図ることが可能とされる。
【００５４】
なお、磁束誘導部材の内表面への磁束の導入角度についても考慮することができる。図１９は、円筒内部を円錐形状にくりぬいて漸減部とし、内径部に若干の高さがある形状の磁束誘導部材に、図上方から磁場を印加した場合の磁束線の分布を示した断面模式図である。図から分かるように、磁束の誘導方向には、磁束誘導部材の内表面に対する磁束の入射角が大きく影響し、磁束の入射角が鋭角か鈍角かで磁束の誘導される方向が決まることがわかる。これは漸減部の断面形状が曲面の場合でも同様である。
【００５５】
以上のように、本発明では、磁束集中効果を発揮しつつ、磁束の進行方向を強制的に変更することも可能とされる。本発明においては、磁束を所要の磁束集中効率および収束位置で収束させるために、磁束発生源１と磁束誘導部材２との配置および磁束の導入および誘導方向等の選択と設計が行われてよい。
【００５６】
さらに、磁束誘導部材２の内部空間の形態については、磁束の集中化の様子に様々な影響を与えるため、所望の磁束の収束形態に応じて磁束誘導部材２の内部空間の形態を適切に設計することができる。
【００５７】
例えば、図２０（ａ）に示すような断面形状で、漸減部よりも先に大きく内部空間を有する磁束誘導部材２と、その下半分がない磁束誘導部材２とに磁束を導入した場合の、磁束誘導部材２の中心軸上の磁束密度の分布を（ｂ）に示した。下半分がない場合（片側）は、磁束誘導部材の端部（軸方向位置０ｍｍ）よりも上の部分で磁束密度が収束し、磁束密度の減少が生じている。漸減部よりも先に大きく内部空間を有する場合（両側）は、そのような磁束の減少が抑制され、軸方向位置０ｍｍで磁束密度がさらに高められるのがわかる。なお、この図２０（ａ）に示したように、磁束誘導部材２の形状を軸方向に対称とすることで、磁束誘導部材と磁束発生源の間に生じる電磁力を抑制することが可能となる。
【００５８】
また、図２０（ｃ）は、（ａ）の磁束誘導部材の内径部の高さ２０ｍｍを６ｍｍに変化させたものである。赤道面（軸方向位置０ｍｍ）の磁束密度を比較すると、内径部の高さが小さい場合（ｃ）は、磁束密度が最も高くなる磁束誘導部材の内表面近傍の磁束密度が２１Ｔ以上と高いものの、磁場の径方向の磁束密度分布は極めて不均一となる。一方、内径部の高さが大きい場合（ａ）は、内表面近傍の磁束密度は若干低くなるものの、中心部の磁束密度分布はより均一となることがわかる。このように、ほぼ似た形状の磁束誘導部材であっても磁束密度の分布は異なってくるため、用途によって磁束誘導部材の内部空間を設計することができる。
【００５９】
たとえば以上のように例示説明される本発明の磁束集中化装置については、これを医療用、産業用等の用途に応じて機器全体の構成の一部として組入れてもよい。また、装置としての形態については、磁束誘導部材２とともに、磁束発生源１についても、様々な形態のバリエーションと、配置の態様があってよい。すなわち、本発明の磁束集中化装置においては、磁場を使用する各種装置の部材配置の自由度を高めることが期待でき、その用途により適合した構成配置が可能とされる。
【実施例】
【００６０】
＜実施例１＞
表１および表２に、図１における磁束発生源１と円錐形の磁束誘導部材２についての諸元を例示した。
【００６１】
【表１】
0005158799.tif 000002
【００６２】
【表２】
0005158799.tif 000003
【００６３】
このような図１の例について、磁束誘導部材２を構成する超伝導体を電気抵抗零の完全導体と仮定して有限要素法により数値解析し、Ｚ軸に沿った磁束密度の分布を計算した結果を図２に示した。比較のために示した磁石のみの場合（超伝導体無）、さらには、スリット２Ｃのない場合に比べても、本発明では、遠距離まで磁束が保存されていることがわかる。
【００６４】
また、図３は、磁束誘導部材２の先端（Ｚ＝１００ｍｍ）でのＺ軸方向成分の磁束密度の分布を示したものである。スリット２Ｃを通して磁束が漏れているが、強い磁束密度が円錐形の磁束誘導部材２内に集中していることがわかる。
＜実施例２＞
（１）超伝導体部の作製
磁束誘導部材２は、新日本製鐵（株）製の円筒形状のＧｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系バルク超伝導体を２個用いて作製した。まず、それぞれの円筒形状のバルク超伝導体について、中空部分を円錐面状にくり抜いて断面積を漸減させ、さらに円筒軸面で縦方向に２分割してスリット２Ｃを設けるよう加工した。図１０にバルク超伝導体の加工仕様の（ａ）上面図、（ｂ）断面図と、加工後の図面（ｃ）（ｄ）を示した。また、その仕様と仕上がり寸法を表３に示した。
【００６５】
【表３】
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【００６６】
そして本実施例における磁束誘導部材２は、この２組のバルク超伝導体を、図１１に示したように、同軸上で底部同士を対面させるように組み合わせて用いた。なおこの磁束誘導部材２は、本来一体的に製作する方が合理的であるが、素材の入手性、加工性を考慮して上記のように２組のパーツを組み合わせるようにした。
【００６７】
本実施例では図１０（ｂ）における円錐面のなす断面角度θを約２０°としている。
（２）磁束誘導部材の組み立て
作製した２組の超伝導バルク体からなる磁束誘導部材２を用いて、磁束集中化装置を組み立てた。図１１に磁束誘導部材２の（ａ）上面と（ｂ）縦断面の模式図を示した。
【００６８】
まず、図１０（ａ）のバルク超伝導体は、スリット２Ｃ部に、断面の三角形状にカットしたガラス繊維強化複合材料（ＧＦＲＰ）製のスペーサ（厚さ０．３ｍｍ）と厚さ調節用のカプトンテープを挟んで周方向に電流が流れないように電気絶縁を行うとともに、外径が２９ｍｍとなるように調整して真円性を確保した。このバルク超伝導体２組の間に断面のドーナツ形状にカットしたＧＦＲＰ製のスペーサ（厚さ０．３ｍｍ）を挟み、同軸上で底部同士を対面させ、開口部が外側になるように配置した。このように２組を軸方向で対称に配置することで、軸方向の磁束の対称性の向上と、外部磁場によって磁束集中化装置に作用する電磁力の抑制が可能となる。なお、間に挟み込んだドーナツ形状のスペーサは本来必要なく、磁束の漏洩を生じる欠点があるが、２組のバルク超伝導体間で電位差が生じる可能性があることから、最低減の厚さのスペーサを挟んだ。
【００６９】
また、径方向にも電磁力が作用するため、組み合わせたバルク超伝導体をＳＵＳ３０４のパイプ（内径３０ｍｍ、外径３４ｍｍ）中に挿入した。隙間には、カプトンテープを貼って厚さを約０．４ｍｍに調整したＧＦＲＰを挟み、固定およびバルク超伝導体−パイプ間の電気絶縁を行った。なお、スリット２Ｃ部も磁束の漏洩が生じる。そのため、この箇所については、上記のＧＦＲＰではなく、テープ状の超伝導体であるＳｕｐｅｒＰｏｗｅｒ社のＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ線材（幅４ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍ）の両側にカプトンテープを貼り電気絶縁したものを配置して、磁束漏洩の低減を図った。
【００７０】
そして、実施例においては、磁束密度計測用ホール素子（Ｆ．Ｗ．Ｂｅｌｌ製ＢＨ９２１）の計測部が超伝導体の磁束誘導部材２の中心に一致するように配置するとともに、ＳＵＳ３０４のパイプの中にエポキシ樹脂（ニトフィックス）を含浸し、全体を一体化した。
（３） 磁束集中化の検証
磁石１としては、市販の超伝導磁石（ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー製ＪＳＤ−１８Ｔ５２）を用いた。製作した磁束誘導部材２を、図１２に示したように挿入用ＳＵＳ３０４パイプに取り付け、磁束密度計測用ホール素子および磁束誘導部材２の中心が磁場中心に一致するように磁石１の内側に設置し、磁束集中化装置とした。磁束誘導部材２の漸増減部を構成する超伝導体は、超伝導磁石１ごと液体ヘリウムで冷却され超伝導状態となる。なお、磁束誘導部材２の底部に取り付けた抵抗温度計（Ｌａｋｅ  Ｓｈｏｒｅ製Ｃｅｒｎｏｘ  Ｒｅｓｉｓｔｅｒ  ＣＸ−１０５０−ＡＡ−４Ｌ）は、測定中４．２２〜４．２３ Ｋの温度を示していた。
【００７１】
超伝導磁石１で外部磁場を形成し、その磁場を変化させたときの、磁束誘導部材２中心部の磁場を調べ、その結果を表４に示した。超伝導磁石１の磁場は、各磁場で３０分以上の保持時間を設けながら、０、１、１．５、２、０Ｔの順に変化させた。
【００７２】
なお、表中の（１）超伝導磁石の電流値は、励磁電源からの電圧（３００Ａ／１０Ｖ）をデジタルボルトメーター（KEITHLEY 2000 MULTIMETER）で計測し、電流に換算した。（２）超伝導磁石により形成した外部磁場は、18 T/265.64 Aであることから比例計算して算出した。（３）ホール素子電圧は、１００ｍＡを通電し、電圧をデジタルボルトメーター（KEITHLEY 2182 NANOVOLTMETER）で計測した値とした。（４）中心部磁場は、ホール素子電圧から０．７３０ｍＶ／０．１Ｔとして換算した。
【００７３】
【表４】
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【００７４】
中心部磁場と外部磁場の比（濃縮比）は、外部磁場が約１Ｔの場合で3を超えるものであった。保持時間および外部磁場の増加によって濃縮比が減少する傾向が見られるが、この出願の発明の磁束集中化装置により、磁束が濃縮、集中化が実現できることが実証された。
（４） 磁束集中化のシミュレーション
本願の磁束集中化装置の磁束集中に関するコンピュータシミュレーションについて検討した。
【００７５】
超伝導体からなる磁束誘導部材の解析結果で問題となるのは、円周方向の電流をどう扱うかという点である。例えば、バルク超伝導体の中空円筒に一様な外部磁場を加えた場合、比透磁率を零に近い値（1×10-100とするが、実際には1×10-4でも問題はない）として定常問題として取り扱うと、磁束が円筒内部に入り若干の磁束濃縮効果が得られるという結果になる。しかし、実際の実験では、円筒内部の磁束を保存するように周方向に電流が流れて、中空円筒内部に磁束が入らないため、このようなシミュレーション結果は正しくない。
【００７６】
そこで、実験結果を模擬するために、中空円筒の導電率を1×10100 S/mとし外部磁場を０から１Ｔに変化させた直後の磁束分布を過渡応答解析から求めると、中空円筒内部に磁束が入らないという、実験結果に即したシミュレーション結果が得られる。
【００７７】
そこで更に、上記実験に関連して、４種類の条件で磁束集中化効果についてコンピュータシミュレーションした例を図２１に示した。解析条件は、磁束誘導部材にスリット（２個としたのは対称性を利用して計算を単純化するため）がある場合とない場合、磁束誘導部材をほぼ完全導体（1×10100 S/m）として過渡応答解析する場合と磁束誘導部材を反磁性（比透磁率1×10-4）として定常解析する場合の４種類とした。なお、過渡応答解析には、OPERA-3D Ver. 11に含まれるELEKTRA-TRを使用し、定常解析にはOPERA-3D Ver. 11に含まれるTOSKAを使用した。
【００７８】
超伝導体が完全導体でスリットがないとした場合は、周方向電流のため磁束が磁束誘導部材の内部に侵入しておらず、中心部の磁束密度はほぼ零となった。完全導体でスリットがある場合と反磁性でスリットがある場合は、多少の値の違いはあるものの、ほぼ同じ結果が得られた。反磁性でスリットがない場合に中心での磁束密度が最も高くなる結果が得られたが、これは厚さ無限小のスリットにより周方向に電流が流れない理想的な場合を示した結果であると考えることができる。
【００７９】
以上のことから、本発明の磁束集中化装置の磁束集中化についてコンピュータシミュレーションする場合には、周方向電流の流れない上記３通りの条件で計算することで、良好な結果が得られることがわかった。
＜実施例３＞
磁束発生源としての磁石と中空円錐状の超伝導体からなる磁束誘導部材より構成される磁束集中化装置の断面外略図を図１６に示した。磁束発生源Ａは、その軸（軸ａ）が磁束発生源の発生する磁束の軸と同軸上に配置されている。また、磁束誘導部材Ｂは、軸ａから４５°傾斜した軸ｂの方向に配置されている。表５および表６に、磁石と円錐形の磁束誘導部材についての諸元を示した。
【００８０】
【表５】
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【００８１】
【表６】
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【００８２】
なお、磁束誘導部材には、スリット（図示せず）が設けられていて、磁束の周りを周回する電流が生じない構成とされている。
【００８３】
磁束誘導部材を構成する超伝導体を反磁性（比透磁率1×10-4）でスリット無限小と仮定して数値解析し、軸ａおよび軸ｂに沿った磁束密度の分布を計算した結果を図１７に示した。
【００８４】
磁束誘導部材を磁石と同一軸上に配置した磁束集中化装置の場合、磁束誘導部材の軸ａ上で、漸減部の内部空間断面積の最小部部分で、磁束が局所的に収束されることがわかった。
【００８５】
また、磁束誘導部材を磁石と異なる軸上に配置した磁束集中化装置の場合にも、磁束が、磁束誘導部材の軸ｂ上で、漸減部の内部空間断面積の最小部部分で局所的に収束されることがわかった。
【００８６】
このことから、磁束誘導部材を磁石と同一軸上に配置することで、高効率で磁束の集中化を実現することができることがわかった。
【００８７】
また、磁束誘導部材を磁石と同一軸上に配置しなくても、磁束を磁束誘導部材に導入すれば、磁束は漸減部内を誘導されて、漸減部の内部空間断面積の最小部近傍で局所的に収束されることがわかった。
＜実施例４＞
磁束誘導部材の形状を図１８に示したように実施例２に類似したものとし、その内径、外径、高さを変化させた場合の磁束の増幅率を計算し、併せて図１８に示した。なお、磁束の増幅率は、外部磁場に対する磁束誘導部材の中心Ａにおける磁束密度の比と定義した。
【００８８】
Ａにおける磁束密度は、磁束誘導部材が反磁性でスリットがない（スリット無限小）場合として定常解析を行い求めた。有限要素法の計算でスリットを入れるとメッシュの作成が非常に難しくなるため、このパラメータサーベイでは反磁性でスリットがないと仮定した。
【００８９】
図中の黒塗り四角は、磁束誘導部材の外径を80mm、高さを126mmに固定して、内径を変化させた場合の増幅率を示したものである。また、内径と外径の比が0.5の場合については、外径を40mmに、さらに高さを63mmに変化させた場合についても計算し、それぞれ丸、三角の記号で示した。
【００９０】
その結果、増幅率は、磁束誘導部材の外径と内径の比に大きく依存することがわかった。また、内径と外径の比が同じであれば、磁束誘導部材の大きさにより結果に大きな違いは見られないことがわかった。
＜実施例５＞
図２２の（ａ）に示した中空円錐形状の磁束誘導部材を、一様な外部磁場１Ｔの中に、軸を磁場の方向に対して３０°時計回りに回転させて配置させた場合の、磁束の様子を計算して（ｂ）に示した。計算を簡便化するため、超伝導体は反磁性で無限小のスリットがあると仮定した。
【００９１】
また、樋型の磁束誘導部材を模擬するため、（ａ）の中空円錐を９０°、１８０°切り欠いた樋型の磁束誘導部材についても計算し、その結果をそれぞれ（ｃ）（ｄ）に示した。
【００９２】
何れもＸ−Ｚ平面に対称なため片側だけの計算結果を示した。樋型の磁束誘導部材については、その磁束の集中化の値は小さくなっているものの、磁束集中の効果があることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明装置の一例として円錐形の磁束誘導部材を備えた場合の模式図である。
【図２】図１の場合についてＺ軸方向での距離による磁束密度の関係を例示した図である。
【図３】図１の場合についてＺ＝１００ｍｍでの、上方開口２Ｂでの磁束密度の分布を例示した図である。
【図４】Ｚ軸を周回する電流の抑制方法について例示した図である。
【図５】磁束誘導部材の超伝導体構成例について示した図である。
【図６】磁束誘導部材の形態について例示した図である。
【図７】磁束誘導部材と磁石との関係について示した図である。
【図８】磁石が磁束誘導部材の内側にある別の例を示した図である。
【図９】磁束誘導部材超伝導体が磁石を兼ねる例を示した図である。
【図１０】バルク超伝導体の加工仕様の（ａ）上面図、（ｂ）断面図と、加工後の写真（ｃ）（ｄ）の一例を示した図である。
【図１１】磁束誘導部材の構成の一例を示した（ａ）上面と（ｂ）縦断面の模式図である。
【図１２】磁束集中化装置における磁束誘導部材と超伝導体磁石の配置の一例を示した図である。
【図１３】磁束誘導部材の筒状漸増減部の別形状の例を示す縦断正面模式図である。
【図１４】磁束誘導部材の筒状漸増減部の別形状の例を示す縦断正面模式図である。
【図１５】磁束誘導部材の樋状漸増減部の例を示す模式図である。
【図１６】本発明装置における磁束誘導部材Ａ，Ｂと磁束発生源との配置関係を例示した断面模式図である。
【図１７】図１６の場合について軸ａ，ｂ方向での距離による磁束密度の関係を例示した図である。
【図１８】磁束集中化装置における磁束誘導部材の形状と導入磁束との関係の一例と、その場合の磁束の集中化の関係を示した図である。
【図１９】磁束誘導部材の表面近傍での磁束線を例示した図である。
【図２０】（ａ）（ｂ）（ｃ）は磁束誘導部材の形状による磁束密度分布の違いについて例示した図である。
【図２１】本発明に関する磁束集中化のコンピュータシミュレーションの計算手法について説明した図である。
【図２２】（ａ）は中空円錐形状の磁束誘導部材の形状を、（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ中空円錐形状の磁束誘導部材と、これを９０°、１８０°切り欠いた樋型の磁束誘導部材について、磁束の集中化の様子を計算した結果を例示した図である。
【符号の説明】
【００９４】
１  磁束発生源
２  磁束誘導部材
２Ａ  下方開口
２Ｂ  上方開口
２Ｃ  スリット
２Ｄ  絶縁シート
２Ｅ  超伝導体片
２Ｆ  テープ状超伝導体
２Ｇ  テープ状超伝導体
【図１】
0005158799.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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