JP3205399B2 - 磁石装置 - Google Patents

磁石装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、漂遊磁界を発生させ
る継鉄を備えた磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】軟磁性材料から成る継鉄が配置された磁
気回路を備え、この継鉄が磁界発生装置により発生させ
られた磁束を導きかつ漂遊磁界を発生させるような磁石
装置は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第3737133 号公
報から知られている。
【０００３】この公知の磁石装置は核磁気共鳴断層撮影
設備の基本磁界を発生させる均一磁界磁石である。この
種の基本磁界磁石の磁界は撮像領域又は検査領域（有効
体積）中で十分に均一であり、かつそこに所定の磁束密
度Ｂ0 をもたらさなければならない。このために磁界発
生装置として、軟磁性材料から成り例えばＣ字形の継鉄
に配置された常伝導コイル又は永久磁石が用いられる。
この継鉄は、発生させられた磁束を向かい合う磁極片の
磁極面の間に存在する有効体積の範囲外で案内するため
に用いられる。
【０００４】この種の継鉄により磁気回路をほぼ閉じる
ことができるが、しかしこの種の継鉄は比較的遠くまで
届く漂遊磁界を発生させることが判明している。この種
の漂遊磁界は特に核磁気共鳴断層撮影の場合に望ましく
ない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、継
鉄により引き起こされる漂遊磁界の到達距離が低減され
るように、前記の特徴を有する磁石装置を改良すること
にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この課題はこの発明に基
づき、継鉄の部分片が補償巻線により囲まれ、この補償
巻線が継鉄中に磁界発生装置により発生させられた磁束
に加えて補助磁束を発生させるように電気的に励磁さ
れ、補助磁束は漂遊磁界をもたらす継鉄の磁気双極子モ
ーメントを少なくとも部分的に補償するような大きさと
することにより解決される。
【０００７】
【作用効果】この発明は、継鉄の軟磁性材料が例えば１
０００の程度の大きさの相対透磁率μr の有限な値に基
づき磁束に対する磁気抵抗を形成するという知見を出発
点としている。この磁気抵抗は継鉄の磁気双極子モーメ
ントの形で現れ、漂遊磁界の主発生源と見なすことがで
きる。この発明に基づく手段により継鉄の磁気モーメン
トが、通電されるコイルの逆向きのモーメントにより少
なくとも一部補償されるということが達成される。それ
により得られる長所は特に継鉄の漂遊磁界の到達距離の
相応の減少にある。このようにして磁石装置の周囲の範
囲、特に相応の核磁気共鳴断層設備に隣接する空間内の
自由に接近できる空間が不必要に制限されなくなる。
【０００８】磁石装置の有利な実施態様は従属請求項に
記載されている。
【０００９】
【実施例】次にこの発明に基づく磁石装置の複数の実施
例を示す図面により、この発明を詳細に説明する。
【００１０】この発明に基づく磁石装置においては軟磁
性の継鉄を備えた公知の構成を出発点とする。この磁石
装置は特に核磁気共鳴断層撮影設備の基本磁界磁石とす
ることができる。下記の実施例に対しては、公知の方法
（例えば前記ドイツ連邦共和国特許出願公開第3737133
号公報参照）で磁極片付き磁石として構成されている磁
石装置を選ぶことにする。
【００１１】全体を符号２で示された磁石装置は、例え
ば約１０００の相対透磁率μr を有する鉄のような軟磁
性材料から成る単柱形継鉄３を有する。この磁石装置２
は継鉄３の形状のゆえにＣ字形磁石とも呼ばれる。継鉄
３の互いに向かい合う自由な両脚部３ａ又は３ｂはそれ
ぞれ、磁性材料から成る少なくともほぼ円筒形の磁心４
又は５に接続されている。その際上下に並ぶこれらの磁
心はそれぞれ固有の励磁コイル７又は８により囲まれて
いる。脚部３ａ又は３ｂと反対側の面では、両磁心４、
５はそれぞれ磁極面１０ａ又は１１ａを備える磁極片１
０又は１１へと移行する。このようにして磁石装置全体
が対称面Ｅに対し少なくともほぼ対称に構成される。
【００１２】各磁極片１０、１１は各磁心４、５に向か
う底部１０ｂ又は１１ｂ、及び場合によって成形される
磁極フランジ１０ｃ又は１１ｃから集成されている。こ
れらの磁極フランジの磁極面１０ａと１１ａとの間には
有効体積Ｎを有するエアギャップＬが存在する。この有
効体積Ｎ中に両励磁コイル７、８により、核磁気共鳴断
層撮影のために十分な均一磁界を生じさせる必要があ
る。その際常伝導コイルにより有効体積中には矢印によ
り示された磁束密度Ｂ0 が得られ、磁束密度Ｂ0は特に
継鉄材料の飽和磁化により制限され、例えば０．５Ｔ以
下である。
【００１３】図１における実線の矢印は、エアギャップ
Ｌ、励磁コイル７、８及び継鉄３により引き起こされる
漂遊磁界を示す。
【００１４】エアギャップＬ及びコイル７、８は同一の
強さの相対して接続された磁気双極子として働き、これ
らの双極子の遠方磁界は部分的に相殺される。ｒ-5、ｒ
-7などと共に速やかに減少する高次の多重極磁界だけが
残り、ここでｒは磁石装置の磁界発生中心からの距離で
ある。
【００１５】帰路磁束φは継鉄３中を導かれる。しかし
継鉄材料としての鉄（Ｆｅ）は透磁率μr の有限な値に
基づく磁気抵抗を引き起こし、これを克服するためにコ
イル７、８により発生させられるアンペア回数の数パー
セントが消費される。鉄中では磁束密度ＢFeが維持され
る必要がある。このために磁気抵抗を考慮しながら励磁
コイル７、８の磁界強度ＨFeを作り上げなければなら
ず、その際磁力線の僅かな割合が漂遊磁界として鉄から
これを囲む空気中へ押し出される。磁界強度ＨFeは接線
方向磁界強度の要求される不変性のゆえに境界面、空気
／鉄を越えて空気中でも支配的でなければならない。そ
の結果は積分路のｓに沿った継鉄の上側と下側との間の
磁位の差∫ＨFe・ｄｓとなる。その際積分路ｓは継鉄３
中で磁束案内方向へ延びる。積分路ｓは、励磁コイル
７、８、磁極片１０、１１及びエアギャップＬにより占
められる領域の外で、磁力線により継鉄を経て閉じられ
る磁気回路の経路である。磁位のこの差は磁気双極子を
もたらす。双極子の遠方磁界Ｈs は積分∫ＨFe・ｄｓ／
ｒ3 に比例し、それゆえにｒ-3と共に減少する。この遠
方磁界Ｈs は継鉄３の漂遊磁界の主要部を形成する。
【００１６】この遠方磁界Ｈs を少なくとも部分的に補
償するために、この発明によれば継鉄３の磁気双極子モ
ーメントが、通電される補償巻線１３により発生させら
れる逆向きのモーメントにより相応に補償される。この
補償巻線１３は積分路ｓに沿った任意の個所で、例えば
脚部３ａと３ｂとの間に垂直に延びる継鉄柱３ｃの範囲
において継鉄を囲む。この巻線は磁石装置の励磁コイル
７、８と直列に接続されるのが合目的的である。補償巻
線１３に帰すべき漂遊磁界Ｈs を補償する磁界の磁力線
が、図１において破線Ｈk により示されている。
【００１７】補償巻線１３の大きさを見積もることがで
きるようにするためには、この巻線はほぼ継鉄３の鉄表
面上の面電流密度Ｊと見なすことができるという、磁気
モーメントの考察と等価の解釈が基本となる。そこでは
量Ｊの飛躍が接線方向磁界強度Ｈt 中で引き起こされ、
鉄及び巻線の外部の空間中でＨt に対し次式を要求でき
る。
【００１８】
【数１】Ｈt ＝ＨFe−Ｊ＝０
【００１９】鉄はこの場合外から見て無限大の透磁率μ
r を有する材料と見なされる。この見積もり規則により
補償巻線１３の求めるアンペア回数ｎk ・Ｉを次式によ
り表すことができ、ここでｎk は巻線１３のターン数で
あり、Ｉはこの巻線を通って流れる電流である。
【００２０】
【数２】 ∫Ｊ・ｄｓ＝ｎk ・Ｉ＝∫ＨFe・ｄｓ≒＜ＨFe＞・ｓ
【００２１】平均値＜ＨFe＞は数値シミュレーションに
より計算するか、又はガウスメータにより直接継鉄外面
の近くで測定できる。一点鎖線により示された経路ｓは
コイル領域及び有効エアギャップの範囲外の継鉄３の鉄
中の積分路、すなわち垂直な継鉄柱３ｃ及び上側及び下
側の継鉄脚部３ａ又は３ｂの部分を含む。例えば核磁気
共鳴断層撮影のためのＣ字形磁石に対してｓ≒３ｍ及び
＜ＨFe＞≒１１Ａ／ｃｍとすると、例えば０．３Ｔの磁
束密度を発生させるために必要であるような３００Ａの
励磁電流の場合に補償巻線１３に対して次式が成立す
る。
【００２２】
【数３】ｎk ＝３３００Ａ／３００Ａ＝１１ターン
【００２３】この巻線１３には特別の精度要求は課せら
れない。巻線１３は例えば垂直な継鉄柱３ｃの周りにだ
け巻くことができる。局部的な磁界補償の放棄すなわち
ＨFe≠Ｊは、漂遊磁界中に空間的に速やかに低下する高
次の多重極成分を結果として招くにすぎない。
【００２４】補償巻線１３のターンは励磁コイル６、７
の方向と同一の方向（同一の巻き付け方向）へ磁気回路
を囲む。この発明に基づく手段は、鉄の磁気抵抗により
消費される励磁コイルのアンペア回数の一部を取り出
し、継鉄３に沿って分配するということだけを意味する
にすぎない。このために必要であり補償巻線１３により
継鉄３中に引き起こされる補助磁束が図１において符号
φ′で示されている。磁束φ′は励磁コイル７、８によ
り引き起こされる磁束φと同一の方向へ向いている。従
って励磁電力に対する追加の需要は発生しない。従って
値ｎk ・Ｉは鉄の飽和率にだけ関係し、磁石装置の基本
磁界強度には関係しない。
【００２５】補償巻線１３のこの発明に基づく使用によ
って、補償巻線のアンペア回数が相応に高められるとき
に、継鉄３の磁束を導く断面従って鉄質量を、漂遊磁界
の著しい増加無しに減少させることさえ場合によっては
可能となる。次の表は、メーカ記号Ｓｔ３７及び０．２
１％以下の炭素含有量を有する鉄から成る継鉄３によ
る、図１に示すこの発明に基づく０．３Ｔ磁石装置２に
対する幾つかの例を示す。量ｂ、ｄは垂直な継鉄柱３ｃ
の範囲の継鉄３の図に略示した厚さ及び幅である。
【００２６】
【表１】
【００２７】図１に示す実施例によれば、磁石装置２の
継鉄３は磁束を通す単一の継鉄柱を有し、この継鉄柱は
磁極片及び励磁コイルの収容のための上側及び下側の脚
の間に垂直に延びる。しかしこの発明に基づく手段は継
鉄のこの種の構成に制限されない。むしろ磁束を通す少
なくとも二つの継鉄柱を備える継鉄を用いることもでき
る。その際各継鉄柱の周りには同じアンペア回数を有す
る補償巻線を取り付けなければならない。Ｈ字形磁石又
は窓枠形磁石とも呼ばれ二つの継鉄柱を備える磁石装置
のための相応の実施例が図２に示されている。全体を符
号１５で示したこの磁石装置は、主として磁束を導く継
鉄１６の形により第１図の磁石装置２と異なっている。
すなわち第１図の磁石装置２の継鉄３はＣ字形であり、
磁石装置１５の中間空間はＨ形を有する。Ｃ字形磁石の
長所は側方からの有効体積への容易な接近性にある。こ
れに反してＨ字形磁石は対称に構成されているので、例
えば磁力によるか又は熱膨張による継鉄のたわみが僅か
しか磁極面の平行度従って均一性に作用しない。更に磁
石の組み立て高さが比較的小さい。更に図２に示すよう
に対称な構成のゆえに、継鉄１６の垂直な両継鉄柱１６
ａ、１６ｂの周りに補償巻線の二つの部分巻線１７又は
１８が置かれる。その際各部分巻線は継鉄柱当たり二つ
以上のコンパクトな巻線束１７ａ、１７ｂ又は１８ａ、
１８ｂに分割できる。磁石装置１５のこの実施例の場合
にも部分巻線１７、１８が励磁コイル７、８と直列に接
続されている。その際これらの部分巻線及び励磁巻線を
通って流れる励磁電流Ｉの通電方向が矢印により示され
ている。巻き付け方向従って部分巻線１７、１８を通る
通電方向はここでも、これらの部分巻線により各継鉄柱
１６ａ、又は１６ｂ中に、励磁コイル７、８により各継
鉄柱中で引き起こされる磁束φと同じ方向を向く補助的
な磁束φ′が発生させられるように選ばなければならな
い。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に基づく磁石装置の一実施例の正面図
である。
【図２】磁石装置の別の実施例の正面図である。
【符号の説明】
３、１６ 継鉄 ３ｃ、１６ａ、１６ｂ 部分片（継鉄柱） ７、８ 磁界発生装置 １３、１７、１８ 補償巻線 １７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ 部分巻線 Ｈs 漂遊磁界 φ 磁束 φ′ 補助磁束
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 33/20 A61B 5/055

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 軟磁性材料から成る継鉄が配置された磁
    気回路を備え、この継鉄が磁界発生装置により発生させ
    られた磁束を導きかつ漂遊磁界を発生させるような磁石
    装置において、継鉄（３、１６）の部分片（３ｃ、１６
    ａ、１６ｂ）が補償巻線（１３、１７、１８）により囲
    まれ、この補償巻線が継鉄（３、１６）中に磁界発生装
    置（７、８）により発生させられた磁束（φ）に加えて
    補助磁束（φ'）を発生させるように電気的に励磁さ
    れ、補助磁束は漂遊磁界（Ｈs）をもたらす継鉄（３、
    １６）の磁気双極子モーメントを少なくとも部分的に補
    償するような大きさとすることを特徴とする核磁気共鳴
    診断装置用の均一磁界磁石装置。
  2. 【請求項２】 補償巻線が複数の部分巻線（１７、１
    ８）から成ることを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 各部分巻線（１７、１８）が少なくとも
    二つの巻線束（１７ａ、１７ｂ又は１８ａ、１８ｂ）か
    ら成ることを特徴とする請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】 磁界発生装置が少なくとも一つの永久磁
    石であることを特徴とする請求項１ないし３の一つに記
    載の装置。
  5. 【請求項５】 磁界発生装置が少なくとも一つの励磁コ
    イル（７、８）であることを特徴とする請求項１ないし
    ３の一つに記載の装置。
  6. 【請求項６】 補償巻線（１３、１７、１８）が少なく
    とも一つの励磁コイル（７、８）と直列に接続されてい
    ることを特徴とする請求項５記載の装置。
  7. 【請求項７】 継鉄（３、１６）がＣ字形又はＨ字形を
    有することを特徴とする請求項１ないし６の一つに記載
    の装置。
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