JP3014319B2 - 磁石対向型永久磁石回路 - Google Patents

磁石対向型永久磁石回路

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はMRI装置のバイア
ス磁場発生に用いられる磁石対向型永久磁石回路に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】永久磁石磁気回路をバイアス磁場発生用
マグネットとして用いたMRI装置は、磁場発生の電力
などのランニングコストが不要で、超電導マグネットの
ように液体Heの補給も不要なため、非常に使用しやす
い装置である。永久磁石型マグネットとしては、磁石対
向型と、ダイポールリング型が良く知られている。ダイ
ポールリング型(K.Halbach Nuclear Instruments and
Methods 189,(1980), 1)は本質的に永久磁石のみによ
り構成されているので、磁石構成が簡素化でき、全体重
量も小さくすることができる。例えば、MRI装置とし
ては、特開昭61−38554号公報(USP4580
098)、特開昭62−104011号公報などがあ
る。しかし、磁石対向型と比較した時、0.2T前後ま
ではダイポールリング型の方が永久磁石の使用重量が大
きく、コスト面で不利になる。またダイポールリング型
は円筒マグネット内部の空間を使用するため、磁石対向
型と比較した時、開放性の点で劣っている。これらの点
から、現在では磁石対向型の方が主に用いられており、
磁石対向型磁気回路・装置として例えば、W.H.Oldendor
f WO84/00611(PCT/US83/01175)、実公平2−44483
号公報、実公平2−44484号公報、実公平2−44
485号公報、実公平2−44486号公報や、映像情
報15,(1983),379、病態生理4,(1985),91な
どがある。
【0003】磁石対向型磁気回路の構成の概略の一例を
図2に示す。空隙を介して対向し継鉄13にて結合する
一対の永久磁石11の空隙側表面に、磁場均一性を得る
ために整磁板12と呼ばれる軟磁性ヨークが設けられて
いる。さらに、図3(a)、(b)に示すように、該整
磁板12の空隙側表面に勾配コイル14が配置されてい
る。該勾配コイルには、矩形波状のパルス電流が印加さ
れ、空隙空間内に勾配磁場を発生させる。該パルス磁場
による勾配コイル14と整磁板12の相互作用が、磁石
対向型マグネットの性能を左右する大きな要因の一つと
なる。相互作用には2つの側面があり、1つはパルス磁
場により整磁板に発生する渦電流であり、もう1つはパ
ルス磁場による整磁板の着磁である。前者の渦電流は、
パルス磁場波形を鈍らせ、NMR信号の取得できる実効
時間を短くするためS/N比が低下する。後者の整磁板
材の着磁は、磁場均一度を乱すため、永久磁石型MRI
の実用化の上で、実用上十分な程度まで低減しなければ
ならない。
【0004】前者の渦電流に対する対策は明確で、整磁
板の材質の電気抵抗を高めるか、整磁板構造により実効
的な整磁板電気抵抗を高くすれば良い。高電気抵抗材質
にはフェライトのような絶縁体に近い材質が適してお
り、構造による高電気抵抗化には鉄板や珪素鋼板薄板積
層が適している。もちろん薄板間は何らかの形で絶縁さ
れていなければならない。例えば特開昭63−2590
7号公報には軟磁性フェライトや樹脂鉄を使用すること
が開示されており、特開昭61−203605号公報、
特開昭63−241905号公報、特開平1−3047
09号公報、特開平2−2603号公報には、磁性鋼板
や珪素鋼板を使用することが開示されている。また、特
開平4−82536号公報、特開平6−251930号
公報には珪素鋼板、フェライトと鉄ヨークを併用した構
造の整磁板が開示されている。
【0005】より対策が困難なのは、後者の整磁板の着
磁、すなわち残留磁化低減対策である。整磁板材質は整
磁作用を持たせるため、軟磁性でなくてはならない。磁
性材料である限り、磁場印加により整磁板構成材の磁化
はヒステリシス曲線上を動くため、程度の差はあれパル
ス磁場による整磁板の着磁は避けられない。これを低減
するため様々な提案がなされている。特開平4−234
11号公報には軟磁性フェライトを使用することが開示
されており、特開昭61−203605号公報、特開平
4−138131号公報、特開平4−138132号公
報には磁性鋼板や珪素鋼板を使用することが開示されて
いる。また特開平5−182821号公報には珪素鋼
板、フェライトと鉄ヨークを併用した構造の整磁板が開
示されており、それぞれ残留磁化低減の効果があるが、
比較的優位程度であり、残留磁化が根本的に低減・減少
したわけではない点で問題があった。
【0006】また、残留磁化低減対策として、上述の整
磁板材質・構造による改良とは異なり、整磁板中に勾配
磁束を侵入させないことにより、渦電流と残留磁化の問
題を改善することも行われている。これは例えば勾配コ
イルと整磁板の間に打ち消しコイルを設けるか、高伝導
性非磁性板(Al板、Cu板)を設けることにより整磁板に
勾配磁束を侵入させないようにするものである。この方
法の問題点は勾配磁場が該打ち消しコイルや非磁性板に
生じる渦電流により低減されるため、より大きな電流を
勾配コイルに流さなければならないことであるが、これ
によって勾配磁場電源の大型化や、コイルによる発熱の
増加を招くため、好ましくない。以上のような事情のた
め、磁石対向型マグネットの整磁板に誘起される残留磁
化を大幅に低減することが望まれていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは既に特願
平7−29530号明細書において、勾配コイルの空
隙側空間に磁性体の薄板を貼付することを提案した。本
発明はその改良に関わるものであり、特に貼付磁性体の
形状や材質の最適化に関するものである。特願平7−2
9530号明細書には次のような記載がある。勾配磁
場により整磁板に生じる残留磁化を打ち消すため、勾配
コイル上(空隙側表面)に磁性体の薄板を貼付し、該磁
性薄板に整磁板と反対方向の磁化を生じさせて、空隙に
生じる磁場変化を打ち消すものである。コイル上の磁性
薄板は、コイルを挟んで整磁板と反対方向にあるため、
整磁板と反対方向に着磁される。また、コイル上の磁性
薄板は均一空間に近いため、整磁板に比較し量が少なく
ても効果が大きい。このため、コイル上に磁性薄板を貼
付しても、勾配磁場強度は殆ど変化しない。また、該磁
性薄板が厚すぎると、勾配磁場発生効率が低下するため
好ましくないため、該磁性薄板の厚みについては0.5
mm以下が好ましいことを既に明示した。
【0008】しかし、整磁板の残留磁化をコイル上の磁
性薄板で打ち消すためには、磁性体の材質、特に飽和磁
化や保磁力などの磁気的性質、また、厚み以外の形状、
大きさ、積層構造などの構造が重要となる。これらは、
単にルーティン的なものでなく、磁性体形状・磁気特性
・貼付場所がどのような影響を及ぼすかについて詳細な
解明後に、整磁板に発生する残留磁化の大きさや分布に
より、最適化されなければならない。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点に鑑
み、整磁板の残留磁化低減のための磁石対向型永久磁石
回路を提案するものである。すなわち本発明は、空隙を
介して一対の永久磁石が対向し、空隙側表面に整磁作用
を有する整磁板とコイルを配置し、該磁石を継鉄にて結
合してなる磁石対向型永久磁石磁気回路において、該コ
イルの空隙側表面に、コイル底面積の5%〜75%の底
面積を有する磁性薄板を貼付してなる磁石対向型永久磁
石回路を要旨とするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】以下にこれを図にそって詳述す
る。図1(a)、(b)は本発明の磁石対向型磁気回路
の整磁板近傍の例であり、整磁板2上の勾配コイル4の
空隙側表面に、磁性体からなる薄板5を貼付したもので
ある。なお、この時の整磁板2、勾配コイル4は公知の
条件で設定すれば良い。本発明の磁性薄板5の形状は、
一般的には円盤状(または多角形状)か、図1(b)に
示すようなドーナツ形状(または多角形ドーナツ形状)
のような対称性の高い形状が好ましい。必要な所に必要
な大きさの磁性薄板を貼付し、パッチワークのような形
状・分布でもよいが、各貼付場所の磁性薄板が直上の均
一空間にだけ影響を及ぼすわけではなく、周辺部へも影
響しかつ磁性薄板間の相互作用も生じるので、これらの
相互の影響も考慮に入れて、貼付場所と形状・大きさを
決める必要がある。ドーナツ形状の磁性薄板は均一空間
より相対的に離れているため、相対的に均一空間全体に
均一にかつ小さい影響を与える。それに対して、均一空
間に近い整磁板中央領域に貼付した磁性薄板は、均一空
間の貼付場所に近い領域に局所的に大きな影響を与える
ため、整磁板の残留磁化分布に応じて局所的に用いれば
良い。したがって該磁性薄板はドーナツ形状と円盤状
(または多角形状)の磁性薄板を単独または混在して用
いればよい。
【0011】該磁性薄板の底面積は、勾配コイル底面積
の5〜75%であり、好ましくは5〜50%である。磁
性薄板底面積が勾配コイル底面積の75%を超えると、
部分的に残留磁化の打ち消し度合いが強すぎるという問
題があり、また、磁性薄板の底面積が勾配コイル底面積
の5%未満では、残留磁化の打ち消し効果が弱すぎると
いう問題がある。
【0012】該磁性薄板の厚みは、0.5mm以下が好ま
しいが、該磁性薄板は一枚で所要厚みである必要はな
い。0.5mm厚の磁性薄板の場合であれば、例えば0.
05mm厚磁性体を10枚積層して所要厚みを実現すれば
良い。これは薄い磁性薄板を積層することにより、勾配
磁場印加時の渦電流発生を低減できる。同様に、該磁性
薄板の円盤状(または多角形状)またはドーナツ形状は
一体である必要はなく、複数の磁性体セグメントを組み
合わせて構成されていてもよい。
【0013】該磁性薄板の材質は、磁気特性の面からは
できるだけ飽和磁化の高い材質が好ましい。飽和磁化が
高ければ生じる残留磁化も大きくなるので、該磁性薄板
の使用量が少なくて済む。したがって、より好ましいの
は鉄系または鉄合金系の磁性薄板である。
【0014】該磁性薄板の保磁力の大きさも発生する残
留磁化の大きさに影響する。保持力が大きく角形性が良
好なほど、残留磁化が大きくなりやすいが、保磁力が5
00Oeを超えると、勾配磁場が小さい時に該磁性体が
着磁しにくいため、低磁場側で残留磁化の打ち消し効果
が減少する。したがって、保磁力は500 Oe以下で
ある必要がある。一方、該磁性薄板の保磁力が0.1
Oe未満では、角形性は良好でも、残留磁化の値が小さ
くなる。これは、該磁性薄板は着磁により反磁場を受け
るので、該磁性薄板のヒステリシス曲線は該反磁場のた
め傾いているためであり、0.1Oe未満の保磁力では
残留磁化打ち消し効果が小さいため、0.1 Oe以上
の保磁力が必要である。
【0015】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。 実施例 磁場強度が2kG、空隙距離が400mmである磁石対向
型磁気回路を用意し、図1(a)、(b)に示すように
外径1000mmの整磁板2上の勾配コイル4の空隙側表面
に、0.3mm厚の鉄板磁性体5の薄板を貼付して配置し
た。該鉄板磁性体5は渦電流を低減するため、径方向に
16分割してあるドーナツ形状で、厚さは0.3mm、外
径は整磁板2の環状突起内径と同じ800mmで、内径は
該外径の50%である400mmとした(鉄板磁性体5の
底面積は勾配コイル4の底面積の75%)。該鉄板磁性
体5の磁気特性は、外部磁場50 Oe印加時に18k
Gの磁化を示し、保磁力は5 Oeであった。勾配磁場
はZ勾配で±1G/cmを印加し、均一空間の中心を原点
として、Z軸(上下方向)±75mmと±150mmの各2
点間の差の磁場強度を求め、その不均一度を求めた。こ
れらの結果を表1に示す。
【0016】
【表1】
【0017】比較例 鉄板磁性体5の材質をパーマロイとし、他の条件は実施
例と同じにして同様に計測を行った。該パーマロイの保
磁力は0.05 Oeであった。これらの結果を表1に
併記する。
【0018】
【発明の効果】本発明によれば、磁石対向型MRIマグ
ネットの勾配コイル上の磁性体の薄板の磁気特性、形状
を最適化することにより、整磁板に生じる残留磁化を著
しく低減することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における磁石対向型磁気回路の整磁板近
傍の模式図である。(a)は断面図、(b)は平面図で
ある。
【図2】従来の磁石対向型磁気回路の側面図である。
【図3】従来の磁石対向型磁気回路の整磁板近傍の模式
図である。(a)は断面図、(b)は平面図である。
【符号の説明】
2、12 整磁板 4、14
勾配コイル 5 磁性薄板(鉄板磁性体) 11
永久磁石 13 継鉄
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樋口 大 福井県武生市北府2丁目1番5号 信越 化学工業株式会社 磁性材料研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01F 7/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 空隙を介して一対の永久磁石が対向し、
    空隙側表面に整磁作用を有する整磁板とコイルを配置
    し、該磁石を継鉄にて結合してなる磁石対向型永久磁石
    磁気回路において、該コイルの空隙側表面に、コイル底
    面積の5%〜75%の底面積を有する磁性薄板を貼付し
    てなることを特徴とする磁石対向型永久磁石回路。
  2. 【請求項2】 該磁性薄板の保磁力が0.1〜500
    Oe以下である請求項1に記載の磁石対向型永久磁石回
    路。
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