CN102456464A - 偶极环磁路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有较高磁场强度和抗退磁性的偶极环磁路。偶极环磁路包括永磁体片，该永磁体片设置成环形以使磁化方向绕该环形的半周做一个旋转，其中永磁体片以均匀的强度在被永磁体片围绕的内部空间产生基本单向的磁场；两个或多个特定磁体片在垂直于上述环形的中心轴的平面上具有相对于上述磁场的方向形成从150度到210度的角度的磁化方向，且被称为“特定磁体片”；并且至少在每个特定磁体片中，随着沿该环形的径向到达该内部空间的距离的减小，磁矫顽力的值增加。

Description

偶极环磁路

技术领域

本发明涉及一种能够产生磁场空间的偶极环磁路，在该磁场空间中磁场方向沿一个方向上对齐并且磁场强度在该磁路的内部空间中基本均匀。这种偶极环磁路广泛应用于核磁共振成像(MRI)设备、半导体装置制造工艺以及用于基础研究的磁场的产生装置中。其中，希望未来该磁路的使用会扩展到半导体装置制造过程中的磁场退火中。

背景技术

如图4A所示，偶极环磁路101具有环形形状并且包括多个永磁体片103，该多个永磁体片103设置在壳体105中以便每个磁体片的磁化方向14绕该环的半周做一个旋转，从而在该环的一定内部空间中产生磁场空间107，其中磁场空间107具有单向磁场方向109和均匀的磁场强度(JP2006-294851A)。如图4B所示，该磁路在其轴向上具有一定的长度并且形成均匀的磁场空间107，该磁场空间107在该内部空间中沿轴向具有有限的长度。也即，该磁路在该内部空间中产生圆筒形的均匀的磁场空间107。

偶极环磁路用于需要具有均匀磁场强度和单向磁场的磁场空间的工艺或装置中。近年来，它也用于磁阻装置的制造工艺中的退火步骤中(JP2004-119822A)。除了阻磁型和超导磁型磁场退火以外，鉴于永磁体性能和节能性能近期的改进，永磁型磁场退火不仅逐渐用于产生低强度的磁场，而且也用于产生强度不小于1T(特斯拉)的磁场。

为了提高退火的处理能力，上述均匀的磁场空间优选尽可能大。为了增加磁场空间的直径，需要增大该磁路的内径。为了增加该磁场空间的长度，需要增大该磁路的长度。如果简单地增大该内径，则会引起磁场强度下降。因此，也需要增大该磁路的外径以扩展该磁场空间，从而保持磁场强度。因而，这会导致整体尺寸和重量的大型化。

由于烧结NdFeB稀土磁体比其他磁体具有更高的剩余磁化强度和更大的磁矫顽力，所以它们主要用于偶极环磁路中。如果大于磁体的磁矫顽力的反向磁场作用于该磁体上，则该磁体会退磁。为了防止在其使用过程中退磁，使用磁矫顽力大于作用于其上的反向磁场的磁体。但是，通常，当烧结NdFeB磁体的磁矫顽力更大时，烧结NdFeB磁体的剩余磁化强度变得较低，反之亦然。因此，使用具有极高的磁矫顽力的磁体可能会导致所要产生的磁场的强度降低。

近年来，报导过一些通过将Dy(镝)或Tb(铽)从烧结磁体的表面扩散到其内部来提高磁矫顽力同时不降低剩余磁化强度的技术，参见WO2006/043348的国际公开文本，以及Machida K.、Kawasaki T.、Suzuki S.、Itoh M.、和Horikawa T.的″Improvement ofGrain Boundaries and Magnetic Properties of Nd-Fe-B SinteredMagnets(日文)″，Abstracts of Spring Meeting，p202，2004，JapanSociety of Powder and Powder Metallurgy。由于这些技术可以在晶界有效地集中Dy和Tb，因此可以在几乎不降低剩余磁化强度的同时增加磁矫顽力。而且，由于磁体的尺寸越小，所增加的Dy或Tb扩散到内部就会越深，因此这种扩散处理方法可以应用于小且薄的磁体。

如果将Dy或Tb从磁体表面进行扩散的这种处理应用于尺寸不紧凑的磁体，则如JP2010-135529A所述的那样在磁体内部不会增加磁矫顽力，并且磁矫顽力将会从内部向表面逐渐增加，因而需要在使用中加以注意。

发明内容

根据上述内容，本发明的一个目的是提供一种具有较高磁场强度和改进的抗退磁性的偶极环磁路。

为了实现上述目的，本发明人已经发现并且利用一个事实，即通过允许圆筒形偶极环磁路所包含的至少部分永磁体片具有随着沿圆筒的径向到达内部空间的距离的减小而增加的磁矫顽力值，可以提高该内部空间的磁场强度同时防止至少部分磁体片退磁。

根据本发明的一个方面，使用具有较高剩余磁化强度和较大磁矫顽力的永磁体片作为具有相对于该均匀磁场的方向形成从150度到210度的角度的磁化方向的磁体片(下文称为“特定磁体片”)，该磁矫顽力随着沿该圆筒的径向到达内部空间的距离的减小而增加，该均匀磁场位于垂直于该圆筒形偶极环磁路的中心轴的平面上。因此，该磁路可以产生磁场强度比传统磁路大的均匀磁场。而且，当根据本发明的偶极环磁路具有磁场强度和磁场均匀度与传统磁路相同的磁场空间时，相对于传统磁路，偶极环磁路的尺寸和重量减小了，这是因为所需磁体片的体积减少了。

而且，特定磁体片可以具有比其他磁体片大的磁矫顽力，或者特定磁体片中的一些或全部可以沿径向被分割成多个磁体部分，其中位于内周侧的磁体部分可以具有较高的磁矫顽力以至于该磁路可以提供磁场强度比传统磁路大的均匀磁场空间。而且，当根据本发明的偶极环磁路具有磁场强度和磁场均匀度与传统磁路相同的磁场空间时，相对于传统磁路，偶极环磁路的尺寸和重量减小了。

如目前所述的一种具有改进磁场强度的偶极环磁路可以使用在需要较高磁场强度的工艺或装置中。而且，与具有相同磁场强度和相同磁场均匀度的磁场空间的传统磁路相比，能够减小该磁路的尺寸和重量。因此，当将该磁路用于例如半导体制造装置中时，可以减小整个装置的尺寸和重量。而且，与具有相同磁场强度和磁场均匀度的磁场空间的传统磁路相比，该磁路可以比传统磁路进一步增加磁路的内径。因此，当将该磁路用于例如半导体制造装置中时，可以扩展可用的内部空间，并且可以自由设计该内部空间中设置的传送系统和加热系统。

附图说明

图1A是根据本发明的一个方面的垂直于偶极环磁路1的圆筒的中心轴的横截面图，图1B是示出了三个具有图1A中的预定磁化方向的磁体片的典型磁矫顽力分布的示意图；

图2是根据本发明一个方面的作用于偶极环磁路1的磁体片的每一部分的反向磁场的强度分布图；

图3是根据本发明另一方面的垂直于偶极环磁路20的圆筒的中心轴的横截面图；以及

图4A是垂直于传统偶极环磁路101的圆筒的中心轴的平面的横截面图，图4B是图4A中沿A-A的横截面图。

具体实施方式

下文，详细描述根据本发明的偶极环磁路。图1示出了根据本发明一个实施方式的磁路。磁路1包括多个永磁体片3，该多个永磁体片3在外周形成环形并且设置成每个磁体片的磁化方向绕该环的半周做一个旋转。该设置在内部空间7中产生沿一个方向9对齐并具有均匀的强度的磁场。每个磁体片3近似扇形(同心弧形)或梯形，并且设置在环(圆筒)形的壳体5中从而形成作为整体的环形。磁体片3可以通过使用粘结剂粘结等连接到壳体5和其他磁体片。当整个磁路1被分割为例如24个磁体片时，构造成每个磁体片的磁化方向4在相邻磁体片之间以30度进行变化从而绕该环的半周旋转360度。由于过少的分割会降低磁场的均匀度，而且过多的分割还会增加制造成本，所以该磁路所包含的分割磁体片的数量优选为大约12个到大约36个。当采用36个分割磁体片时，该磁化方向在相邻磁体片之间以20度进行变化。

在上述这种构造的永磁体片3之中，通过使用磁矫顽力的值随着沿该圆筒的径向到达内部空间的距离的减小而增加的磁体片来提供特定磁体片。例如，参考图1的磁路，三个特定磁体片设置在该磁路的右半边，三个特定磁体片设置在该磁路的左半边，因此提供了总共六个特定磁体片。磁体片3a、3b和3c具有相对于均匀磁场方向9角度差分别为150度、180度和210度的磁化方向4。每个磁体片在其内周表面处的磁矫顽力的值大于其内部中心处的磁矫顽力的值。

图1B示出了在从六个特定磁体片的内周表面进行Dy或Tb的扩散处理的情况下位于图1A中所示的磁路的右半边上的三个磁体片的典型磁矫顽力的状态。在图1B中，当在每个特定磁体片的内部中心处的磁矫顽力为恒定时，该值基本上与沿该径向到达每个磁体片的预定深度处的内周表面的距离成反比例地增大。

参考图2将描述在该偶极环磁路中所使用的具有这种磁矫顽力分布的磁体片的有效性。图2示出了作用于该偶极环磁路的磁体片的不同部分的反向磁场的状态。从图2中可以看出，强反向磁场作用在特定磁体片的内周侧区域11。也即，磁体片的退磁可能出现在该区域。因而，必须使用具有较高磁矫顽力的磁体片以便能够承受该反向磁场。但是，如果整个磁路都由具有较高磁矫顽力的磁体片构成，剩余磁化强度将会降低，而且所要产生的磁场强度会降低。

因此，在本发明的一个实施方式中，采用一种技术，即将经受从磁体片的内周表面扩散Dy或Tb的处理的磁体片作为将会经受强反向磁场的特定磁体片。这使得内周侧区域中的磁矫顽力增大，因而抑制了退磁的发生，并且在没有降低剩余磁化强度的情况下在内部空间中产生强磁场。如上所述，已经经受扩散处理的磁体片具有增大的磁矫顽力，同时保持较高的剩余磁化强度值。通过使用这种磁体片作为特定磁体片，可以增大磁路内部中的均匀磁场空间的磁场强度。因而，这种磁路可以用于需要较高磁场强度的工艺和装置中。而且，与具有相同磁场强度和相同磁场均匀度的磁场空间的传统磁路相比，该磁路能够降低尺寸和重量，因此当该磁路用于例如半导体制造装置中时，可以降低整个装置的尺寸和重量。而且与具有相同磁场强度和相同磁场均匀度的磁场空间的传统磁路相比，该磁路可以比传统磁路进一步增大磁路的内径。因而，当该磁路用于例如半导体制造装置中时，该磁路可以扩大其可用的内部空间，因而可以自由设计该空间中所设置的传送系统和加热系统。

在WO2006/043348A1中描述了涂膜方法或者溅射方法中将Dy或Tb从表面向该磁体的内部扩散的方法并且有时可以将其称为“利用晶界扩散合金方法的表面处理”。在该方法中，优选地，在真空或者惰性气体下，在小于或等于烧结磁体的烧结温度的温度下，对存在于烧结磁体表面上的烧结磁体或粉末进行热处理。该粉末包括由从包括Y和Sc的稀土元素中选出的一种或多种元素的氧化物、氟化物和酰基氟化物组成的组中选出的一个或多个。该烧结磁体优选为具有R¹-Fe-B组合物的烧结磁体，其中R¹表示从包括Y和Sc的稀土元素中选出的一种或多种元素。

但是，对通过扩散处理增大磁矫顽力的区域是有限制的。因此，如果将已经经受扩散处理的磁体片用于过大尺寸的磁路中，可能不能实现磁矫顽力的有利增加。

根据JP2010-135529A，通过扩散处理增加磁矫顽力可以达到从处理过的磁体的表面深至大约6mm的深度。在图2中强反向磁场所作用的区域11是从内周表面(面向产生均匀磁场的空间的表面)朝向外周表面(不面向产生均匀磁场的空间的表面)的磁体片的径向尺寸的大约1/5到1/25。因此，当磁体片的径向尺寸从大约30到大约150mm时，反向磁场区域的尺寸与通过扩散处理增加磁矫顽力的区域的尺寸一致。当磁体片的径向尺寸远大于150mm时，反向磁场的区域11的尺寸会远大于通过扩散处理能够增加磁矫顽力所达到的6mm的距离，因此反向磁场区域不能被通过扩散处理增加磁矫顽力的区域全部覆盖。当磁体片的径向尺寸小于30mm时，尽管通过扩散处理增加磁矫顽力的区域会大于反向磁场区域，但是这不会对偶极环磁路和包含其的装置产生不利的影响。因此，本发明也对径向尺寸不大于30mm的磁体片有效。但是，当磁体片太小时，所产生的磁场的强度会降低，并且会存在例如半导体装置的性能在磁场退火工艺之后变差的情况。因此，磁体片的径向尺寸优选至少为20mm。

正如目前所述的，通过在偶极环磁路中使用经受Dy或Tb扩散处理的磁体片，可以增加均匀磁场空间的磁场强度。

所使用的磁体片优选为烧结稀土磁体。与其他磁体相比，烧结稀土磁体具有显著提高的剩余磁化强度和磁矫顽力。因此，烧结稀土磁体是适合于偶极环磁路的磁体材料。而且，由于烧结NdFeB稀土磁体与烧结SmCo稀土磁体相比具有更低的成本以及更高的剩余磁化强度，所以对于大尺寸的偶极环磁路而言特别优选烧结NdFeB稀土磁体。而且，上述扩散处理是对于烧结NdFeB稀土磁体特别有效的处理。

如上所述，特定磁体片至少采用在接近磁路内周侧的区域中的磁矫顽力的值大于磁体片内部中心中的磁矫顽力的值的磁体片，这种磁体片可以通过使用涂膜方法或溅射方法将Dy或Tb从磁体片表面扩散到其内部来形成。由于通过扩散处理仅在内周侧区域增加磁矫顽力就足够了，所以可以仅对磁体片的内周表面实行扩散处理工艺。例如，扩散处理可以实行在除了进行过遮蔽处理的表面以外的表面上。但是，如果与全表面整体处理相比，在涂膜方法或溅射方法中仅对磁体片的一个表面进行处理会由于额外工艺例如遮蔽处理的引入而导致成本增加和/或降低生产率，则可以执行全表面或多表面整体处理来代替单一表面处理。在这种情况下，尽管磁矫顽力在已经过处理的所有表面上都增加了，但是不会对磁路产生不利影响，并且也不存在当内周侧的磁矫顽力增加时所带来的问题。

参考图3描述本发明的第二实施方式。经受反向磁场的磁体片沿径向也即垂直于圆筒的中心轴的辐射方向可以分为两个部分。具有较高磁矫顽力的内磁体部分6设在内周侧，也即设在面向产生均匀磁场的内部空间的内侧。因此，将具有较高磁矫顽力的磁体设在内周侧可以防止退磁。这里不需要增加设在外周侧的外磁体部分的磁矫顽力，并且可以将具有较高磁矫顽力的磁体使用于此。因此，与每个磁体片都具有较高磁矫顽力以防止退磁而不需分割该磁体片的实施例相比，通过将具有较高磁矫顽力的磁体仅设在内周侧，就可以增加内部空间7的磁场强度。分割部分的尺寸可以考虑反向磁场区域的尺寸来确定。反向磁场较强的区域的尺寸是上述的从内周表面朝向外周表面的磁体片的径向尺寸的大约1/5到大于1/25，因此磁体部分的尺寸可以在该范围内确定。

根据本实施方式，由于内周侧的整个内磁体部分的磁矫顽力可以增加，所以与第一实施方式相反，对可以增加磁矫顽力的磁体片的区域或径向尺寸是没有限制的。注意，分割的数量不限于两个，可以是三个或更多。优选地，内周侧的内磁体部分和外周侧的外磁体部分具有平行的磁化方向。可以沿不同直径的同心圆分割磁体片以便配合其外周形状，或者可以以直线方式分割。可以通过将一个磁体片分为两个或多个片来进行磁体片的分割。

在本发明的第三实施方式中，经受强反向磁场并且在磁化方向上相对于磁场方向具有150度到210度的角度差的磁体片的磁矫顽力比其他磁体片的大。这可以抵抗反向磁场并防止退磁。在其他磁体片中，不需要增加磁矫顽力，从而可以使用具有高剩余磁化强度的磁体。因此，与仅使用具有较高磁矫顽力的磁体来防止退磁的磁路相比，通过将具有较高磁矫顽力的磁体片仅用于经受反向磁场的磁体片，可以增加内部空间的磁场强度。

根据本实施方式，与第一实施方式相反，由于在具有较高磁矫顽力的磁体片的整个区域中的磁矫顽力增加了，所以对磁体片的区域和径向尺寸是没有限制的。而且，与第一实施方式相反，由于不包括扩散处理工艺，所以本方法可以在成本上是有优势的，并且与第二实施例相反，不需要分割磁体片。

在上述特定磁体片中的磁矫顽力的最大差(最大值和最小值之间的差)、或者在上述特定磁体片和其他磁体片之间的磁矫顽力的最大差优选超过200kA/m，尤其优选至少300KA/m。

尽管上述实施例涉及磁路包括24个分割磁体片的偶极环磁路的情况，但是本发明可以应用于具有不同分割数量的实施方式中。例如，在每个磁体片的磁化方向以20度进行变化的36个分割的磁路的实施方式中，使用本发明，针对磁场方向和磁化方向之间的角度差在150度到210度的范围内，具体为160度、180度和200度的六个磁体片。

注意，本发明的磁路不仅包括如上所述的仅仅特定磁体片具有上述磁矫顽力特性的实施方式，而且包括角度差在150到200度的范围之外的永磁体片也具有上述磁矫顽力特性。换句话说，不应该解释为，除了特定磁体片之外的任何磁体片具有上述与特定磁体片相关特性的实施方式被排除。

实施例

下文，通过实施例详细描述本发明的具体实施方式。但是，不应该解释为本发明限于这些实施例。

实施例1

在图1A所示的偶极环磁路中，磁体片构造成具有220mm的内径、500mm的外径以及600mm的高度，具有1.42T的剩余磁化强度和900kA/m的磁矫顽力的烧结NdFeB磁体用于磁体片。在该磁路所包括的这些磁体片之中，六个特定磁体片经受扩散处理。扩散处理包括如下步骤：将粒状氟化镝与乙醇混合以得到混合物、以及将六个特定磁体片浸入该混合物中同时对他们除了内周表面以外的表面进行遮蔽，以及在Ar气氛下以900℃加热该浸入的磁体片一小时。作为测量结果，磁体片的扩散处理表面侧的磁矫顽力以及在其内部中心处的磁矫顽力分别为1200kA/m和900kA/m。因此，扩散处理表面侧的磁矫顽力增加了300kA/m。

这些磁体片通过粘合剂固定到壳体上，该壳体由SS400(JIS)制成，内径为500mm，外径为580mm，长度为600mm。

为了评估得到的磁路，测量磁路内部空间的磁场。测量作为均匀磁场空间的直径为170mm、高度为300mm的圆筒形空间中的磁场。最大值为1.113T，最小值为1.044T。

比较例1

接下来，当磁路中的每个尺寸和每个磁化方向与实施例1保持相同时，使用具有1.36T的剩余磁化强度和1200kA/m的磁矫顽力的烧结NdFeB磁体，而不进行扩散处理。在与实施例1相同的条件下测量由构成的磁路所产生的均匀磁场空间中的磁场。最大值为1.066T，最小值为1.000T。

与实施例1相比，磁场强度下降大约4％。考虑到该下降可能是由比实施例1低了0.06T的剩余磁化强度所引起的。比较例1模拟了使用具有高磁矫顽力和低剩余磁化强度的磁体的传统磁路。

实施例2

接下来，当磁路中的每个尺寸和每个磁化方向与实施例1保持相同时，六个特定磁体片中的每个沿径向被分割成两个部分。设置在内周侧的每个内磁体部分的径向尺寸是整个磁体片的径向尺寸的1/5。具有1.36T的剩余磁化强度和1200kA/m的磁矫顽力的烧结NdFeB磁体部分设置在内周侧，同时具有1.42T的剩余磁化强度和900kA/m的磁矫顽力的烧结NdFeB磁体片和烧结NdFeB磁体部分设置在其他位置。在与实施例1相同的条件下测量由构成的磁路所产生的均匀磁场空间中的磁场。最大值为1.112T，最小值为1.041T。

因此，与比较例1相比磁场强度增加了大约4％，与实施例1相比磁场强度轻微下降。轻微下降的原因考虑是，尽管内周侧的每个分割磁体片的剩余磁化强度比实施例1低，但是其他磁体片的剩余磁化强度与实施例1相同，并且内周侧中的分割磁体片的体积比非常小，因此磁场强度仅仅轻微地下降。

实施例3

除了磁体片的外径是482mm、壳体的内径是482mm以及壳体的外径是562mm以外，以与实施例1相同的方式准备一个磁路。然后，以与实施例1相同的方式测量磁场，结果是最大值为1.063T，最小值为1.001T。当这些测量值与比较例1的测量值近似相同时，该磁路的外径从580mm减小至562mm。结果，重量减少了大约80kgf。

比较例2

除了使用具有1.38T的剩余磁化强度和1100kA/m的磁矫顽力的烧结NdFeB磁体部分作为内周侧中的内磁体部分以外，以与实施例2相同的方式准备一个磁路。然后，以与实施例1相同的方式测量磁场，结果是最大值为1.111T，最小值为0.991T。

因此，与实施例2相比，最小磁场强度下降了大约5％。原因考虑是，尽管内周侧的每个磁体部分的剩余磁化强度稍微比实施例2大，但是磁矫顽力低了100kA/m，从而发生了退磁，因此降低了在接近均匀空间中的分割磁体片的区域中的磁场强度。

正如在比较例2中那样，磁体的退磁不能仅通过将特定磁体片的内周侧中的内磁体部分的磁矫顽力比其他磁体部分和其他磁体片多增加200kA/m来防止，这会导致磁场强度降低。

正如目前所述的，很显然，通过使用根据本发明的偶极环磁路，可以产生磁场强度比传统磁路大的均匀磁场空间。而且，当磁场空间的磁场强度和磁场均匀度相同时，可以提供根据本发明的一种尺寸和重量比传统磁路小的偶极环磁路。

Claims (7)

1.一种偶极环磁路，包括多个永磁体片，上述多个永磁体片以环形设置以使磁化方向绕上述环形的半周做一个旋转，

其中，上述永磁体片以均匀的强度在被上述永磁体片围绕的内部空间产生基本单向的磁场；

上述永磁体片中的两个或多个在垂直于上述环形的中心轴的平面上具有相对于上述磁场的方向形成从150度到210度的角度的磁化方向，且被称为“特定磁体片”；并且

至少在每个特定磁体片中，随着沿上述环形的径向到达上述内部空间的距离的减小，磁矫顽力的值增加。

2.根据权利要求1所述的偶极环磁路，

其中，上述多个永磁体片中的每个均是NdFeB稀土磁体；并且

至少在每个特定磁体片中，随着沿上述环形的径向到达上述内部空间的距离的减小，Dy或Tb的浓度增加。

3.根据权利要求1或2所述的偶极环磁路，其中，多个永磁体片中的每个在上述磁路的径向上的尺寸是从20mm到150mm。

4.根据权利要求1所述的偶极环磁路，

其中，上述多个永磁体片中的每个均是NdFeB稀土磁体；

每个特定磁体片沿上述环形的径向被分割成两个或多个分割部分；

每个面向上述内部空间的分割部分的磁矫顽力大于每个其他分割部分的磁矫顽力。

5.根据权利要求1所述的偶极环磁路，

其中，上述多个永磁体片中的每个均是NdFeB稀土磁体；

每个特定磁体片的磁矫顽力大于除了上述特定磁体片之外的多个永磁体片中的每个的磁矫顽力。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的偶极环磁路，其中，特定磁体片中的磁矫顽力的最大差、或者特定磁体片和其他磁体片之间的磁矫顽力的最大差至少是300kA/m。

7.一种磁场退火装置，包括根据权利要求1到6中任一项所述的偶极环磁路。

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