特許 7595338 磁場発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-28

(45)【発行日】2024-12-06

(54)【発明の名称】磁場発生装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 7/20 20060101AFI20241129BHJP

   H01F 7/18 20060101ALI20241129BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20241129BHJP

【ＦＩ】

H01F7/20 Z

H01F7/18 T

H02J7/00 H

H02J7/00 302A

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020185391

(22)【出願日】2020-11-05

(65)【公開番号】P2022000881

(43)【公開日】2022-01-04

【審査請求日】2023-06-13

(31)【優先権主張番号】62/933,637

(32)【優先日】2019-11-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】P 2020108226

(32)【優先日】2020-06-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100122275

【弁理士】

【氏名又は名称】竹居 信利

(72)【発明者】

【氏名】小濱 芳允

(72)【発明者】

【氏名】金道 浩一

【審査官】井上 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０３５５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２２５９８０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】再公表特許第２００９／１２２６８３（ＪＰ，Ａ１）

【文献】特開２００７－１７４７８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０６６３５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５１－０８６７６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】実公昭４８－０１０８２５（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】特開平０４－２３３２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭４９－０４６５８２（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】実開昭５９－０５０４０８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開昭５０－０７０８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－３０６７３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５４－１３２７６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５３－０３９５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２５３１８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－２３８６１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５１－０９０４５２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００１－２１１５４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０３１５６６３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平１１－０５３０３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－００２５２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５１－０４９０８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５１－０４５５８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０５－０７３９１０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１２－０６３２４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｆ ７／１８

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０１Ｆ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気二重層コンデンサと、
前記電気二重層コンデンサに電荷を供給して蓄積させる充電器と、
電磁石と、
前記電気二重層コンデンサと電磁石との間に介在する第１のスイッチ回路と、
を有し、
前記第１のスイッチ回路がオフである状態で前記充電器により前記電気二重層コンデンサに電荷を蓄積させ、前記電気二重層コンデンサに電荷が蓄積された状態で前記第１のスイッチ回路をオンとして前記電気二重層コンデンサの放電電流を前記電磁石に供給して、時間とともに減衰する磁場であって、少なくとも１秒以内に２Ｔを超える磁場を生じさせることを可能とした磁場発生装置。

【請求項2】

電気二重層コンデンサと、
前記電気二重層コンデンサに電荷を供給して蓄積させる充電器と、
電磁石と、
前記電気二重層コンデンサと電磁石との間に介在する第１のスイッチ回路と、
を有し、
前記第１のスイッチ回路がオフである状態で前記充電器により前記電気二重層コンデンサに電荷を蓄積させ、前記電気二重層コンデンサに電荷が蓄積された状態で前記第１のスイッチ回路をオンとして前記電気二重層コンデンサの放電電流を前記電磁石に供給して、時間とともに減衰する磁場であって、２Ｔを超える磁場を少なくとも１秒を超える時間に亘り生じさせることを可能とした磁場発生装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の磁場発生装置であって、
前記電気二重層コンデンサの一方端に対し、所定の負荷を介して接続される第一端子と、
前記電気二重層コンデンサの他方端に接続される第二端子とを備え、
前記第一、第二端子間のスイッチングを行う第２のスイッチ回路をさらに含み、
前記第２のスイッチ回路は、第１のスイッチ回路がオンである間にオンとされ、前記電気二重層コンデンサの放電電流の、前記電磁石への供給量を低減させる磁場発生装置。

【請求項4】

電気二重層コンデンサと、
前記電気二重層コンデンサに電荷を供給して蓄積させる充電器と、
電磁石と、
前記電気二重層コンデンサと電磁石との間に介在する第１のスイッチ回路と、
を有し、
前記第１のスイッチ回路がオフである状態で前記充電器により前記電気二重層コンデンサに電荷を蓄積させ、前記電気二重層コンデンサに電荷が蓄積された状態で前記第１のスイッチ回路をオンとして前記電気二重層コンデンサの放電電流を前記電磁石に供給して磁場を生じさせる磁場発生装置であって、
前記電気二重層コンデンサの一方端に対し、所定の負荷を介して接続される第一端子と、
前記電気二重層コンデンサの他方端に接続される第二端子とを備え、
前記第一、第二端子間のスイッチングを行う第２のスイッチ回路をさらに含み、
前記第２のスイッチ回路は、前記電磁石の温度が所定の閾値を超えたときにオンとされて、前記電気二重層コンデンサの放電電流の、前記電磁石への供給量を低減させる磁場発生装置。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか一項に記載の磁場発生装置であって、
前記第１のスイッチ回路は、サイリスタを用いて構成されている磁場発生装置。

【請求項6】

請求項１から４のいずれか一項に記載の磁場発生装置であって、
前記第１のスイッチ回路は、ＩＧＢＴを用いて構成されている磁場発生装置。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか一項に記載の磁場発生装置であって、
前記電磁石の両端間を、所定の条件で短絡させるクローバー回路をさらに備える磁場発生装置。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の磁場発生装置であって、
前記電磁石の両端間には、抵抗器とキャパシタとを直列接続した放電補助回路が並列接続されている磁場発生装置。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか一項に記載の磁場発生装置であって、
前記電磁石が発生する磁場を検出する検出部と、
前記電磁石と対向して配されるコイル回路部と、
前記検出部の検出結果に基づいて、前記コイル回路部を制御し、コイル回路部に所定の磁場を発生させる制御回路と、
をさらに備える磁場発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁場発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、磁場を発生させる装置として、大きくわけて一巻コイル法など（準）破壊的方法、非破壊的パルスマグネットを用いる方法、静的方法がある（図１０）。

【0003】

図１０に示すように、破壊的方法によると、１０００Ｔ程度の強磁場が得られるものの、磁場発生装置が一度で破壊されてしまい、磁場の持続時間も１０^-6から１０^-4秒程度と短いものとなる。非破壊的パルスマグネットを用いる方法では、３Ｔから１００Ｔ程度の強い磁場が得られ、磁場の持続時間は１０^-3から１秒程度となる。

【0004】

静的方法には種々の方法があり、装置に費用をかければ、数十Ｔ程度の磁場を、数十秒から１０⁴秒程度の期間発生させるものもあるが、比較的安価なものでは１Ｔに満たない磁場を発生させることができる程度となる（非特許文献１）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】R.Battesti, et.al., High magnetic fields for fundamental physics, Physics Reports, Vol. 765-766, 10 November 2018, pp.1-39

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年、非破壊的パルスマグネットは、精密な物性の計測など、強磁場を必要とする物性科学研究に広く利用されているが、その設置コストは小さくない。このため、比較的長い時間、比較的強い磁場を発生させることができ、また、比較的安価に作製できる磁場発生装置が求められているのが現状である。さらに近年の研究では、磁場のプロファイル（磁場の時間変化）が問題となる場合もある。

【0007】

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、比較的安価に作製でき、比較的長い時間、比較的強い磁場を発生させることができる磁場発生装置を提供することを、その目的の一つとする。

【0008】

また本発明の別の目的の一つは、磁場プロファイルを制御可能な磁場発生装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記従来例の問題点を解決するための本発明の一態様は、磁場発生装置であって、電気二重層コンデンサと、前記電気二重層コンデンサに電荷を供給して蓄積させる充電器と、電磁石と、前記電気二重層コンデンサと電磁石との間に介在する第１のスイッチ回路と、を有し、前記第１のスイッチ回路がオフである状態で前記充電器により前記電気二重層コンデンサに電荷を蓄積させ、前記電気二重層コンデンサに電荷が蓄積された状態で前記第１のスイッチ回路をオンとして前記電気二重層コンデンサの放電電流を前記電磁石に供給して磁場を生じさせることとしたものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明のこの態様によると、比較的安価に作製でき、比較的強い磁場を発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施の形態に係る磁場発生装置の一例を表す概略回路図である。

【図2】本発明の実施の形態に係る磁場発生装置により発生する磁場の時間変化の計測例を表す説明図である。

【図3】本発明の実施の形態に係る磁場発生装置の別の例を表す概略回路図である。

【図4】本発明の実施の形態に係る別の例の磁場発生装置により発生する磁場の例を表す説明図である。

【図5】本発明の実施の形態に係る別の例の磁場発生装置における電流料の時間変化を示す説明図である。

【図6】本発明の実施の形態に係る磁場発生装置のもう一つの例を表す概略回路図である。

【図7】本発明の実施の形態に係る磁場発生装置のさらにもう一つの例を表す概略回路図である。

【図8】本発明の実施の形態に係る、さらにもう一つの例の磁場発生装置により発生する磁場の例を表す説明図である。

【図9】電磁石が発生する磁場の強さと、電磁石に用いる導線の抵抗との関係を表す説明図である。

【図10】磁場発生装置の種類の例を表す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態に係る磁場発生装置１００は、図１にその基本的構成を示すように、コンデンサバンク１０と、充電器２０と、電磁石３０と、スイッチ回路４０とを含んで構成される。

【0013】

ここでコンデンサバンク１０は、複数の電気二重層コンデンサ１１を直列に接続したものである。このコンデンサバンク１０に含まれる、直列接続された電気二重層コンデンサ１１の末端の一端側（負極側）は、共通電位（ＧＮＤ）に接続される。またその他端側（正極側）は、後に説明するスイッチ回路４０に接続される。

【0014】

また充電器２０は、外部からの電力供給を受けて、コンデンサバンク１０が備える複数の電気二重層コンデンサ１１のそれぞれに電荷を供給して蓄積させる。電気二重層コンデンサ１１に電荷を蓄積させるこのような充電器は広く知られたものを採用できるので、ここでの詳しい説明は省略する。

【0015】

電磁石３０は、銀銅合金線または銅線などの導電線を用いたコイルを含み、その一端はスイッチ回路４０に接続され、他端はＧＮＤに接続される。この電磁石３０は例えばビッター型のコイル（Bitter Coil）やソレノイドなど広く知られた形式のコイルでよい。スイッチ回路４０は、直列接続された電気二重層コンデンサ１１の上記他端側（正極側）と電磁石３０の一端との間に介在する。

【0016】

この例の磁場発生装置１００を用いて磁場を発生させる際には、まず、充電器２０によりコンデンサバンク１０内の電気二重層コンデンサ１１に電荷を蓄積する。その後、スイッチ回路４０をオンとする。

【0017】

スイッチ回路４０がオンとなると、電気二重層コンデンサ１１が放電し、電磁石３０に電流が供給されて、電磁石３０が磁場を発生させる。この電磁石３０の近傍に対象物を配しておけば、当該対象物に電磁石３０により発生された磁界の影響を与えることが可能となる。また、本実施の形態において、スイッチ回路４０として開閉式のスイッチを用いる場合、電気二重層コンデンサ１１が放電しきる前にスイッチ回路４０をオフとすることもできる。

【0018】

この例では、コンデンサバンク１０を、容量約１０Ｆ、最大電圧８００Ｖ、抵抗約１１０ｍΩとしたとき、コンデンサバンク１０から供給可能な最大電流量は約７０００Ａとなり、スイッチ回路４０がオンとなったとき、電磁石３０には７０００Ａの電流が供給されることとなる。

【0019】

一例として充電電圧５５．０Ｖ、容量１５０Ｆのコンデンサバンク１０を用いたときに、スイッチ回路４０をオンとした時刻（ｔ＝０．０とする）からスイッチ回路４０をオフとする時刻（ｔ＝およそ０．４秒とする）までの間に電磁石３０が発生する磁場の大きさ（Ｔ）を計測した結果を図２に示す。なお放電後の電圧は５２．８Vである。

【0020】

この例のように、比較的低い電圧ではスイッチ回路４０として機械的な開閉式のスイッチを用いることができ、数Ｔ程度の磁場を得ることが可能となる。

【0021】

一方、これより大きい磁場を要する場合は、放電電圧を高める必要があるが、その場合には、広く知られているように、スイッチ回路４０として機械的な開閉式のスイッチとすることが困難となり、また、大電力用の機械的開閉式スイッチを用いることとすると、コストが上昇してしまう。

【0022】

そこで本実施の形態の一例では、このスイッチ回路４０を、サイリスタまたは開閉式のスイッチであっても機械的なものでない、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）により実現する。以下ではまず、スイッチ回路４０を、例えばサイリスタにより実現した場合について説明する。この場合は、コンデンサバンク１０に電荷を蓄積した後に、スイッチ回路４０であるサイリスタをオンとする。

【0023】

このときコンデンサバンク１０の電気二重層コンデンサ１１が放電し、電磁石３０に電流が供給されて、磁場を発生させる。その後、コンデンサバンク１０の電気二重層コンデンサ１１が放電しきると、スイッチ回路４０であるサイリスタはオフとなる。もっともこの例では、放電を中断できないので、長時間大電流を供給する負荷から電磁石３０を保護するため、放電回路を付加することが好適となる。

【0024】

具体的に、放電回路を付加した本実施の形態の磁場発生装置１０１は、図３（ａ）に例示するように、コンデンサバンク１０と、充電器２０と、電磁石３０と、第１のスイッチ回路４０′と、第２のスイッチ回路５０と、負荷回路６０とを含んで構成される。ここで、図１に示した基本的構成と同様の構成となるものについては同じ符号を付して繰り返しての説明を省略する。

【0025】

第１のスイッチ回路４０′は、サイリスタＴ１を含み、当該サイリスタＴ１のカソード端子Ｋは、電磁石３０の一端に接続される。またこのサイリスタＴ１のアノード端子Ａは、直列接続された電気二重層コンデンサ１１の他端側（正極側）に接続される。このサイリスタＴ１のゲート端子Ｇは、スイッチをオン・オフする制御のために利用される。

【0026】

第２のスイッチ回路５０もまた、サイリスタＴ２により構成されてもよいし、ＩＧＢＴで構成してもよい。サイリスタＴ２を用いる場合、サイリスタＴ２のアノード端子Ａは、直列接続された電気二重層コンデンサ１１の他端側（正極側）に接続される。またこの場合、サイリスタＴ２のカソード端子Ｋは、負荷回路６０を介してＧＮＤに接続される。またｎ型のＩＧＢＴを用いる場合は、コレクタ端子Ｃを直列接続された電気二重層コンデンサ１１の他端側（正極側）に接続し、エミッタ端子Ｅを、負荷回路６０を介してＧＮＤに接続する。

【0027】

なお、サイリスタＴ２またはＩＧＢＴのゲート端子Ｇは、このサイリスタＴ２やＩＧＢＴを、オン・オフするスイッチング制御のために用いられる。負荷回路６０は、抵抗器であり、この抵抗値は例えば電磁石３０と同じ程度の値に設定されてもよい。

【0028】

この図３（ａ）に例示した磁場発生装置１０１を用いて磁場を発生させる際には、まず、第１のスイッチ回路４０′のサイリスタＴ１と、第２のスイッチ回路５０のサイリスタＴ２とがいずれもオフである状態で、充電器２０によりコンデンサバンク１０内の電気二重層コンデンサ１１に電荷を蓄積する。その後、電気二重層コンデンサ１１への電荷の蓄積が十分となった後に、第１のスイッチ回路４０′のサイリスタＴ１をオンとする。

【0029】

第１のスイッチ回路４０′のサイリスタＴ１がオンとなると、電気二重層コンデンサ１１が放電し、電磁石３０に電流が供給されて、磁場を発生させる。次に、第１のスイッチ回路４０′のサイリスタＴ１がオンとなった後の所定のタイミングで、第２のスイッチ回路５０のサイリスタＴ２をオンとする。

【0030】

第２のスイッチ回路５０のサイリスタＴ２がオンとなると、電気二重層コンデンサ１１から供給される電流の一部が第２のスイッチ回路５０を介して負荷回路６０へ供給され、電磁石３０へ供給される電流量が低減される。

【0031】

本実施の形態のこの例で、電磁石３０として、４×６ｍｍの銅線で製作されたソレノイドを用いた。このソレノイドの電気抵抗は７７Ｋで１８．４ｍΩ、常温で１４９．６ｍΩであった。

【0032】

この例において、放電電圧２００Ｖ，４００Ｖ，６００Ｖ，８００Ｖのそれぞれについて、第１のスイッチ回路４０′を時刻０．５秒でオンとしたとき、図４に例示するような時間変化をする磁場が得られた。この例では放電電圧８００Ｖのとき、最大で１６．３Ｔの磁場が得られた。

【0033】

また放電電圧が８００Ｖのとき、電磁石３０を流れた電流量の時間変化は、図５に例示するようなものとなり、第１のスイッチ回路４０′をオンとしてから２００ミリ秒後（０．２秒後）に、５．９２ｋＡの電流を得た。

【0034】

［ＩＧＢＴの例］
例えばｎ型のＩＧＢＴを用いる場合、充電器２０側端をＩＧＢＴのコレクタ端子Ｃとし、電磁石３０側端をＩＧＢＴのエミッタ端子Ｅとする。そしてＩＧＢＴのゲート端子Ｇは、ＩＧＢＴをオン・オフするスイッチ制御のために用いられる。

【0035】

この例では、コンデンサバンク１０に電荷を蓄積した後に、スイッチ回路４０であるＩＧＢＴをオンとする。するとコンデンサバンク１０の電気二重層コンデンサ１１が放電し、電磁石３０に電流が供給されて、磁場を発生させることとなる。

【0036】

その後、コンデンサバンク１０の電気二重層コンデンサ１１が放電しきるまでの間、あるいは放電が完了した後にスイッチ回路４０であるＩＧＢＴをオフとする。この例では放電を中断できるが、電磁石３０の保護を確実にするため、放電回路を付加することも好適である。

【0037】

この放電回路は、図３（ａ）に例示したように、第２のスイッチ回路５０と負荷回路６０とを含むものである。ここで第２のスイッチ回路５０の一端は、第１のスイッチ回路４０とコンデンサバンク１０との間に接続し、第２のスイッチ回路５０の他端は、負荷回路６０を介してＧＮＤ側へ接続しておく。

【0038】

この例の放電回路における第２のスイッチ回路５０は、サイリスタＴ２により構成されてもよいし、ＩＧＢＴで構成してもよい。サイリスタＴ２を用いる場合、そのアノード端子Ａが、直列接続された電気二重層コンデンサ１１の他端側（正極側）に接続される。また、サイリスタＴ２のカソード端子Ｋは、負荷回路６０を介してＧＮＤに接続される。ｎ型のＩＧＢＴを用いる場合は、コレクタ端子Ｃを直列接続された電気二重層コンデンサ１１の他端側（正極側）に接続し、エミッタ端子Ｅを、負荷回路６０を介してＧＮＤに接続する。

【0039】

この場合も、サイリスタＴ２またはＩＧＢＴのゲート端子Ｇは、このサイリスタＴ２やＩＧＢＴをオン・オフするスイッチ制御のために用いられる。負荷回路６０は、抵抗器であり、この抵抗値は例えば電磁石３０と同じ程度の値に設定されてもよい。

【0040】

この例の磁場発生装置１０１を用いて磁場を発生させる際には、まず、第１のスイッチ回路４０のＩＧＢＴがオフであり、かつ、第２のスイッチ回路５０のサイリスタＴ２あるいはＩＧＢＴがオフである状態で、充電器２０によりコンデンサバンク１０内の電気二重層コンデンサ１１に電荷を蓄積する。その後、電気二重層コンデンサ１１への電荷の蓄積が十分となった後に、第１のスイッチ回路４０のＩＧＢＴをオンとする。

【0041】

第１のスイッチ回路４０のＩＧＢＴがオンとなると、電気二重層コンデンサ１１が放電し、電磁石３０に電流が供給されて、磁場を発生させる。次に、第１のスイッチ回路４０のＩＧＢＴがオンとなった後の所定のタイミングで、第２のスイッチ回路５０のサイリスタＴ２またはＩＧＢＴをオンとする。

【0042】

第２のスイッチ回路５０のサイリスタＴ２またはＩＧＢＴがオンとなると、電気二重層コンデンサ１１から供給される電流の一部が第２のスイッチ回路５０を介して負荷回路６０へ供給され、電磁石３０へ供給される電流量が低減される。なお、ここまでの説明では第１のスイッチ回路４０または第２のスイッチ回路５０におけるＩＧＢＴとしてｎ型のＩＧＢＴを例として説明したがＩＧＢＴはｐ型であってもよい。ｐ型とする場合、コレクタ端子とエミッタ端子とをｎ型の場合と入れ替えて読み替えればよい。またｎ型、ｐ型のそれぞれを用いた場合に、エミッタ－コレクタ間をオンまたはオフとするためのゲート電圧の制御方法については広く知られているのでここでの説明は省略する。

【0043】

［ＩＧＢＴの制御］
また、このように第１のスイッチ回路４０を、ＩＧＢＴを利用して構成したときには、オンとオフとを時分割的に交互に繰り返す（つまりｔ１時間だけオンとし、ｔ２時間だけオフとし、ｔ３時間だけオンとし…と繰り返す）ようにＩＧＢＴを制御してもよい。この場合、オンまたはオフとする時間のパターンにより、電磁石３０が形成する磁場の強度の時間経過に対応する波形（時間変化）を変化させることができる。例えばオン・オフを一定の間隔ごとに交互に繰り返すことで時間経過に伴う強度の変化の比較的小さい磁場（時間変化波形に比較的平坦な箇所のある磁場）を形成でき、また、オフである時間に比べ、オンとなる時間を短くすると、パルス的な磁場の形成が可能となる。

【0044】

さらにこの例では、ＩＧＢＴがオフとなっている期間が比較的長いときには、電気二重層コンデンサ１１への充電を行うこととしてもよい。

【0045】

［放電回路の制御］
以上の例において、放電回路として機能する第２のスイッチ回路５０のオン・オフの制御は、電磁石３０の温度に応じて為されてもよい。

【0046】

例えば、本実施の形態の一例では、電磁石３０の温度を例えば非接触温度計などで計測し、当該計測の結果が所定の閾値（具体的には３００Ｋなど）を超えたときに、第２のスイッチ回路５０をオンとすることとしてもよい。また、このように電磁石３０の温度が上記所定の閾値を超えたときに、第１のスイッチ回路がＩＧＢＴを用いて構成されているときには、第１のスイッチ回路をオフとなるよう制御してもよい。

【0047】

なお、放電電圧を比較的低く、例えば４０Ｖ乃至１７０Ｖ程度としておくと、発生する磁場強度の最大値は４Ｔないし１２Ｔ程度となるが、電磁石３０の温度上昇が抑えられるため、放電開始から、第１のスイッチ回路（ＩＧＢＴを用いている場合）をオフとしたり、第２のスイッチ回路５０をオンとしたりするまでの時間を比較的長くでき、比較的長時間に亘って磁場を発生させることが可能となる。従って磁場の用途により、放電電圧の大きさを調整、あるいは制御することとしてもよい。

【0048】

［放電補助回路・クローバー回路の追加］
また図６に例示するように、電磁石３０に対して並列に放電を補助する放電補助回路７０を配することとするのも好適である。さらに、第２のスイッチ回路５０及び負荷回路６０と並列に、クローバー回路８０を設けてもよい。

【0049】

図６は、図３（ａ）の例に対応し、放電補助回路７０と、クローバー回路８０とを設けた磁場発生装置１０１′の例を示す回路図である。この例の磁場発生装置１０１′は、コンデンサバンク１０と、充電器２０と、電磁石３０と、第１のスイッチ回路４０′と、第２のスイッチ回路５０と、負荷回路６０と、放電補助回路７０と、クローバー回路８０とを含む。なお、放電補助回路７０と、クローバー回路８０とは、必ずしもともに設ける必要はなく、いずれか一方としても構わない。

【0050】

図６の例の放電補助回路７０は、抵抗器Ｒ１と、コンデンサＣとを直列に接続した回路であり、第１のスイッチ回路４０′（この例ではそのサイリスタＴ１）の保持電流を確保するものである。なお、この放電補助回路７０においてコンデンサＣは必ずしも必要でない。

【0051】

クローバー回路８０は、図６に例示するように、抵抗器Ｒ２と、少なくとも一つのダイオードＤとを直列に接続したものである。このダイオードＤは、カソード（Ｋ）が電気二重層コンデンサ１１の他端側（正極側）に接続される。そして、ダイオードＤのアノード（Ａ）は、抵抗器Ｒ２を介してＧＮＤに接続される。

【0052】

このクローバー回路８０は、所定の条件で、電磁石３０の両端間を短絡させる。ここでの例では、クローバー回路８０は、第１のスイッチ回路４０′がオンとなっている間、電磁石３０に並列に接続された状態となって、電磁石３０の両端間を短絡させる。このときクローバー回路８０は、電磁石３０とともに閉回路を形成し、電磁石３０を通過する電流の方向を一定に保つことに寄与する。

【0053】

なお、図６では第１のスイッチ回路４０′としてサイリスタＴ１を用いる例を示したが、この図６においても第１のスイッチ回路４０′はサイリスタＴ１の代わりにＩＧＢＴを用いて構成されてもよい。

【0054】

［フィードバック回路］
また本実施の形態の一例では、電磁石３０が発生する磁場に対して、フィードバック磁場を印加する回路をさらに設けてもよい。

【0055】

この例に係る磁場発生装置１０２は、図７に例示するように、第１の磁場発生回路１１０と、フィードバックシステム１２０とを含む。またフィードバックシステム１２０は、ピックアップコイル１２１と、検出回路１２２と、制御装置１２３と、電流制御回路１２４と、電源回路１２５と、第２の電磁石１２６とを含んで構成される。

【0056】

また第１の磁場発生回路１１０は、既に述べた磁場発生装置１００，１０１，または１０１′のいずれかでよいので、繰り返しての説明は省略する。

【0057】

ここでフィードバックシステム１２０のピックアップコイル１２１は、第１の磁場発生回路１１０が備える電磁石３０が発生させる磁場中に配される。より具体的には、磁場の影響を与えようとする対象物の近傍にこのピックアップコイル１２１を配しておく。

【0058】

検出回路１２２は、ピックアップコイル１２１に接続され、ピックアップコイル１２１が発生する電圧量を逐次的にデジタイズして制御装置１２３に出力する。このピックアップコイル１２１と検出回路１２２とが、本発明の検出部に相当する。制御装置１２３は例えば一般的なパーソナルコンピュータ等のプログラム制御デバイスを含んで構成される。この制御装置１２３は、検出回路１２２が出力する電流量の情報に基づいて、電磁石３０が発生させ、対象物に印加している磁場の強度の情報Ｈ（ｔ）を取得する。この磁場の強度の情報は、時刻ｔに依存して変化する。

【0059】

またこの制御装置１２３は、予め定めた目標となる磁場の強度Ｈtargetと、現在の磁場の強度の情報Ｈ（ｔ）の差を誤差ｅ（ｔ）＝Ｈ（ｔ）－Ｈtargetとして求める。そして制御装置１２３は、この誤差に基づいて、第２の電磁石１２６に供給する電流量を制御するための信号を生成する。具体的に、この信号の生成は、一般的なフィードバック制御の方法を採用できる。ここではＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御を行うこととする。この場合、制御装置１２３は、上記誤差ｅ（ｔ）を用いて、

【数1】

により、電流制御回路１２４を制御するための制御電圧を求める。なお、積分は時系列的に得たｅ（ｔ）を累算することにより求めることとし、微分は、時系列的に得たｅ（ｔ）の差分により求めることとする。そして制御装置１２３は、この制御電圧を、電流制御回路１２４に印加する。

【0060】

電流制御回路１２４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いた回路であり、所定の抵抗器Ｒ１１を介して、制御装置１２３が出力する制御電圧をそのゲート端子Ｇに受け入れる。またゲート端子Ｇは抵抗器Ｒ１２を介して共通電位（ＧＮＤ）に接続される。

【0061】

電流制御回路１２４のＩＧＢＴのコレクタ端子Ｃは第２の電磁石１２６の一端側に接続され、このＩＧＢＴのエミッタ端子ＥはＧＮＤに接続される。電源回路１２５は、負極側をＧＮＤに接続し、正極側を第２の電磁石１２６の他端側に接続した直流電源回路であり、本実施の形態の一例では１２Ｖのバッテリを４つ直列に接続して用いることとする。

【0062】

第２の電磁石１２６は、第１の磁場発生回路１１０が備える電磁石３０がその磁場の影響を与えようとする対象物（及びピックアップコイル１２１）の近傍に配され、当該対象物に対して磁場を印加する。本実施の形態のこの例では、この第２の電磁石１２６が形成する磁場により、電磁石３０が形成する磁場を微調整し、対象物に印加する磁場のプロファイルを制御する。

【0063】

本実施の形態のこの例の磁場発生装置１０２は、次のように動作する。なお、以下の例では、第１の磁場発生回路１１０として図６に例示した磁場発生装置１０１′を用いるものとする。

【0064】

まずフィードバックシステム１２０の電源をオンとする。なお、目標となる磁場の強度Ｈtargetは、予め設定しておく。図８に例示するように、フィードバックシステム１２０の電源がオンとなったタイミング（ｔ1）では、第１の磁場発生回路１１０の第１のスイッチ回路４０′のサイリスタＴ１と、第２のスイッチ回路５０のサイリスタＴ２とがいずれもオフとなっている。このためピックアップコイル１２１を用いて検出される磁場の強度Ｈ（ｔ1）は実質的に「０」である。

【0065】

そこで、制御装置１２３は、第２の電磁石１２６にできるだけ多くの電流を流すように動作し、第２の電磁石１２６が磁場を発生させる。もっとも、第２の電磁石１２６が生じる磁場は比較的小さいものであるので、対象物に印加される磁場の強度はほとんど「０」となっている。

【0066】

一方で、第１の磁場発生回路１１０では、予め（フィードバックシステム１２０の電源をオンとする前でもよい）充電器２０によりコンデンサバンク１０内の電気二重層コンデンサ１１に電荷を蓄積しておく。その後、時刻ｔ2のタイミングで、第１のスイッチ回路４０′のサイリスタＴ１をオンとする。

【0067】

第１のスイッチ回路４０′のサイリスタＴ１がオンとなると、電気二重層コンデンサ１１が放電し、電磁石３０に電流が供給されて、対象物が存在する場に磁場を発生させる。

【0068】

このとき、電磁石３０が発生する磁場の強さ（ピックアップコイル１２１により検出される磁場の強さ）は、目標となる磁場の強さまで増大する。そして目標となる磁場の強さに達すると、フィードバックシステム１２０において、第２の電磁石１２６に流れる電流量が制御され、目標となる磁場の強さを超える磁場の発生を抑制する（Ｘ）。このため、対象物に印加される磁場の強さは時間的に一定となり、フラットな磁場が得られる。

【0069】

またこのとき、第１の磁場発生回路１１０では、クローバー回路８０により、電磁石３０に供給される電流の大きさと向きが変化しないよう制御されている。このことも、フラットな磁場の印加に寄与している。

【0070】

その後、第１の磁場発生回路１１０のコンデンサバンク１０内の電気二重層コンデンサ１１の放電が進むにつれて、電磁石３０に供給される電流量が低下し、電磁石３０が発生する磁場の強度が低下する。

【0071】

このときフィードバックシステム１２０において、第２の電磁石１２６に流れる電流量が制御され、第２の電磁石１２６が目標となる磁場の強さを維持するための磁場を発生させる。その後、電磁石３０が発生する磁場の強度が十分小さくなると（時刻ｔ4）、目標となる磁場の強さを維持できなくなり、電気二重層コンデンサ１１の放電が完了した後（時刻ｔ5）、フィードバックシステム１２０をオフとして（時刻ｔ6）、磁場の発生を完了する。

【0072】

なお、フィードバックシステム１２０の制御装置１２３は、フィードバックシステム１２０がオンである間、フィードバック制御を続けるのではなく、検出回路１２２が出力する電流量の情報に基づいて取得した磁場の強度の情報Ｈ（ｔ）と、目標となる磁場の強度Ｈtargetとの差ｅ（ｔ）が、予め定めたしきい値を下回る間だけフィードバック制御を行うこととしてもよい。この例では、図８の時刻ｔ3から時刻ｔ4までの間、フィードバック制御が行われることとなる。

【0073】

このように本実施の形態のこの例では、フィードバック制御により、磁場プロファイルを制御可能となっている。

【0074】

なお、ここでは目標となる磁場の強さＨtargetは一定値としたが、本実施の形態はこれに限られず、Ｈtargetも、第１の磁場発生回路１１０による磁場発生の開始後（つまり、スイッチ回路４０または第１のスイッチ回路４０′をオンとした後）からの経過時間に応じて変化させるように制御してもよい。これによると、より自由な磁場プロファイルを形成可能となる。

【0075】

［電磁石］
また、より強い磁場を得るためには、電磁石３０のサイズや、電磁石３０の導線の抵抗を最適化することが好適である。すなわち電磁石３０のサイズを小さくするほど、発生させることのできる磁場の強度は大きくなる。また、電磁石３０に用いるコイルの導線抵抗は、図９に例示するように、電気二重層コンデンサ１１と同等の抵抗値の範囲（電気二重層コンデンサ１１の抵抗値１１０ｍΩに対する抵抗値の比が約0.55から約1.60程度の間）で効率的となることが実験的に知られているので、コイル全体の抵抗がこの範囲となるようその材質を選択することが好適である。図９において縦軸は任意の単位（a.u.）での磁場の強度を表し、横軸は導線の抵抗を表している。

【0076】

［実施形態の効果］
本発明の実施の形態によると、電気二重層コンデンサや、そのための充電回路、及びスイッチなど比較的安価な構成からなるため、従来５０億円ほどとなっていたパルスマグネットのシステムに比べて安価な、１０００万円ほどの金額で同程度の磁場を供給可能な、磁場発生装置を提供できる。

【0077】

具体的に図１０に例示した従来例の技術と比較すると、本実施の形態の一例に係る磁場発生装置１００は、数十テスラ程度の磁場を、0.03秒乃至数秒のオーダーの時間だけ発生させることができる（Ｘ）。仮に本実施の形態の磁場発生装置１００と同程度の費用で、超電導磁石を用いた磁場発生装置を製造すると、高々十数テスラの磁場を発生させることができるだけとなってしまう（Ｐ）。

【0078】

このように、本発明の実施の形態の磁場発生装置１００は、比較的安価にでき、また、磁場強度と発生持続時間との関係で、新たな領域の磁場の利用可能性を提供できる。

【符号の説明】

【0079】

１０ コンデンサバンク、１１ 電気二重層コンデンサ、２０ 充電器、３０ 電磁石、４０ スイッチ回路、４０′ 第１のスイッチ回路、５０ 第２のスイッチ回路、６０ 負荷回路、７０ 放電補助回路、８０ クローバー回路、１００，１０１，１０１′，１０２ 磁場発生装置、１１０ 第１の磁場発生回路、１２０ フィードバックシステム、１２１ ピックアップコイル、１２２ 検出回路、１２３ 制御装置、１２４ 電流制御回路、１２５ 電源回路、１２６ 第２の電磁石。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】