JP4090971B2 - 磁気回路 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石型磁気回路に関するものである。

磁気共鳴イメージング装置向けの永久磁石を用いた磁気回路は、希土類磁石を用いた磁石対向型磁気回路が主流となっている。この磁石対向型磁気回路は、磁石と、磁石からの磁束を通すための継鉄と、磁石間の空隙に均一な磁界を発生させるため一般に磁石表面に軟鉄など軟質磁性体からなる磁極片とを備えてなる。

図５〜７を参照して従来の永久磁石対向型磁気回路の１例を説明する。図５は永久磁石対向型磁気回路１０１の正面方向から見た断面模式図である。図６は永久磁石対向型磁気回路１０１の側面方向から見た断面模式図である。図７は永久磁石対向型磁気回路１０１の下部永久磁石等を上方向から見た模式図である。図５〜７において、永久磁石型磁気回路１０１は、空隙を隔てて対向し、厚み方向に磁化された１対の永久磁石１０２，１０３と、該１対の永久磁石間の空隙の外側に設けられ、該永久磁石を支持する継鉄１０５〜１０６と、該永久磁石の該空隙側の対向面の夫々に設けられ、対向する向きに周辺突起部を有する１対の磁極片１０７，１０８とを備え、該１対の磁極片間に磁場を発生させることができる。

このような磁石対向型磁気回路は、超伝導のソレノイドコイル型に比べ、開口部が広く被験者の受ける閉塞感が緩和されるという特長を持つ。しかし、同時に、開口部が広いことにより、振動による磁場均一度への影響が出易いという問題点があった。特にＣ型と呼ばれる形状を有する磁気回路では、開口部が開いたり閉じたりする形の振動が発生する。この場合、振動により、開口部側と柱状継鉄側でギャップ（Ｇａｐ）が変わってしまい、磁場均一度が変化し、それにより画像の悪化が生じる恐れがあった。Ｃ型構造では、形状がカタカナのコの字型であり、シンプルで開口部を広く取れる。しかし、磁気回路の構造をより強化するために、振動の対策として継鉄に補強部材である支えを当接させて磁気回路の構造を強化する方法（特許文献１参照）が考案されている。しかしながら、この方法では、構造が複雑になり、開口部が狭くなる等の問題があった。
特開２０００−１３９８７４号公報

本発明は、磁気特性上の問題を生じずに、制振性の優れた磁気回路を提供することを目的とする。

本発明は、上記問題点を解決し、制振性に優れ磁気特性上の問題も生じない継鉄を備える磁気回路を提供するものである。本発明によると、空隙を隔てて対向し、厚み方向に磁化された１対の永久磁石と、該永久磁石間の空隙の外側に設けられ、該永久磁石を支持する継鉄であって、鋳鉄部材と低炭素鋼部材とを含んでなる継鉄と、該永久磁石の該空隙側の対向面の夫々に設けられ、対向する向きに周辺突起部を有する１対の磁極片とを含んでなり、該磁極片間に磁場を発生させる永久磁石対向型磁気回路が提供される。

継鉄には、一般に低炭素鋼が用いられるが、上記の問題は、継鉄に用いられる低炭素鋼が振動することにより発生する。継鉄の振動を抑えるために、先に述べたような構造上の補強を用いる手法もあるが、本発明者らは、継鉄の材料自体に制振性を持たせればよいと考えた。

ここで、鋳鉄は内部に黒鉛の析出があり、その黒鉛が振動を吸収するため制振性を持つ。また、一般に低炭素鋼を用いた継鉄は、板を組み合わせた形で構成されるが、鋳鉄は、大型の鋳型を用いることで一体として成形することも可能であり、組立てコストを低減することも可能である。

これまで継鉄に低炭素鋼が用いられてきたのは、低炭素鋼の飽和磁束密度が大きいためである。一方、鋳鉄では、炭素が磁気的には不純物となり、飽和磁束密度は低い。このため、継鉄として鋳鉄を用いた場合、低炭素鋼と同じ体積の鋳鉄を用いたのでは磁気効率が悪くなってしまい、同じ磁気回路としての特性を持たせるためには継鉄部の体積を増やさねばならなくなってしまう。そこで、本発明では、永久磁石対向型磁気回路において、制振性に優れ、形状の自由度が高い鋳鉄と、磁気特性に優れた低炭素鋼とを組み合わせた形で継鉄を構成することを提案する。

以下に詳細に説明するように、本発明によると、磁気特性上の問題を生じずに、制振性の優れた磁気回路が提供される。

以下に、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら説明する。もっとも、以下に説明する実施の形態は本発明を限定するものではない。図１は、本発明の１の実施の形態にかかる永久磁石対向型磁気回路１の正面方向から見た断面模式図である。上記したように、本実施の形態によると、空隙を隔てて対向し、厚み方向に磁化された１対の永久磁石５，６と、該１対の永久磁石間の空隙の外側に設けられ、該永久磁石を支持する継鉄２〜４および９であって、鋳鉄部材９と低炭素鋼部材２〜４とを備えてなる継鉄と、該永久磁石の空隙側の対向面の夫々に設けられ、対向する向きに周辺突起部を有する１対の磁極片７，８とを備え、該１対の磁極片間に磁場を発生させる永久磁石対向型磁気回路１が提供される。

本磁気回路において、永久磁石、磁極片等は、公知の永久磁石型磁気回路と同様とすることができる。特に限定されるものではないが、永久磁石型磁気回路において、実質的に平行な板状継鉄２，３は柱状継鉄４で支持されている。この一対の板状継鉄２，３には、好ましくは、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｓｍ−Ｃｏ系、Ｓｍ−Ｎ−Ｆｅ系からなる群から選ばれる永久磁石であって、略円盤状の永久磁石５，６が対向して設けられている。さらに、これらの永久磁石５，６の対向する面には、好ましくは夫々ベース（基部）が略円盤形の磁極片７，８が取り付けられている。永久磁石５，６は夫々厚み方向で、実質的に同じ向きに磁化されている。

一方、磁極片７，８の周辺部（即ちベースの周辺部）には、夫々対向する向きに周辺突起部が設けられている。周辺突起部の夫々は、磁極片７，８間の空間の略々中央部に形成される磁場の強度を均一にするためのものであり、好ましくは、突起部の高さは略一定である。磁極片７，８として、軟磁性層を用いることができ、例えば、低炭素鋼や継鉄などの軟鉄材からなるベースの上にソフト磁性材料からなる周辺突起部を積層したものである。

本磁気回路において、永久磁石間の空隙の外側に設けられた継鉄により、対向する永久磁石が繋がれ、支持されている。継鉄は、鋳鉄部材と低炭素鋼部材とを備えてなる。本発明によると、上記したように鋳鉄は制振性を持つため、磁気回路の形状がコの字型であっても、磁気回路に振動が発生したとき、継鉄を低炭素鋼のみで構成した場合よりも早く振動を減衰させることができる。結果として、本発明によると、磁気回路が受ける外部の振動の影響を小さくすることができる。

また、鋳鉄部材は鋳型で成形することができるため、形状の自由度が高く、必要ならばリブ（背びれ状の補強）等を設けてさらに振動対策を行うことも容易である。さらに、鋳鉄部材は、一体として形成されているとより好ましい。鋳鉄部材を一体として鋳込み形成することで、継ぎ目のボルト等による振動への影響を少なくすることができ、制振性をより向上させることができるからである。

また、継鉄は、永久磁石間の空隙からみて低炭素鋼部材の外側の少なくとも一部に鋳鉄部材を備えてなると好ましい。また、継鉄は、低炭素鋼部材の外側の全体に鋳鉄部材を備えてなるとさらに好ましい。磁束が多く通る内側に低炭素鋼を用いることで、磁気回路の磁気効率をより確保するためである。特に限定されるものではないが、鋳鉄部材および低炭素鋼部材は、それぞれ層状とすることができる。好ましくは、一体として形成されたコの字型の鋳鉄部材の内側に、空隙を隔てて対向するように低炭素鋼からなる板状継鉄を設け、これらの板状継鉄間を低炭素鋼からなる柱状継鉄で支持することで継鉄を設ける。さらに、板状継鉄の対向する面に永久磁石、磁極片を設けることで、本発明にかかる磁気回路とすることができる。また、鋳鉄９も継鉄としての役割を持つことができることから、磁束が多く通る柱部のみに低炭素鋼４を用いた図２のような構成をとってもよい。

継鉄における低炭素鋼部材と鋳鉄部材との割合は、ＦＥＭ等を用いた磁場解析により最適化することができる。低炭素鋼部材と鋳鉄部材との割合は、永久磁石の磁力、磁気回路の重量、継鉄の形状等に応じて、適宜最適化される。一般的には、低炭素鋼部材と鋳鉄部材との割合は、鋳鉄部と低炭素鋼部が組み合わされて使用されている部分での継鉄を通る磁束に対し垂直に切った断面（図３に例示するように、積層面に対して垂直な断面であって、柱状部においてはＡ−Ａ、上下ベース部においてはＢ−Ｂ）の面積において、好ましくは１０：１〜２：８、さらに好ましくは２：１〜１：２である。なお、ＦＥＭ（有限要素法：Finite Element Method）は、構造解析等に用いられる数値解析手法の一つであり、構造物を有限な大きさに分割し（有限要素）、各要素の変位、ひずみ、応力等を求める手法である。

ここで、鋳鉄は、鉄と炭素を含有する合金のうち炭素含有量が１．７％以上のものをいい、ＪＩＳで規定されるＦＣ，ＦＣＤ，ＦＣＡＤ等一般的に鋳鉄と呼ばれるものを含む。また、低炭素鋼は、鉄と炭素を含有する合金のうち炭素成分が０．３％以下のものをいい、ＪＩＳで規定されるＳ２５Ｃ，ＳＵＹ，ＳＭ４００Ａ等を含む。

本発明によれば、コの字型の磁気回路であっても、内側へ支えを入れて開放性を失わせることなく、制振性が高い磁気回路が提供される。また、本発明は、コの字型の形状の磁気回路のみならず、二本柱やロの字型等の磁気回路の場合にも適用することができる。特に限定されるものではないが、いずれの形状の場合も、継鉄の外形は安価に成形できる鋳鉄部材で一体として成形し、その内側に低炭素鋼部材を貼り付けて磁路を形成すると好ましい。鋳鉄部材と低炭素鋼部材との固定は、任意の方法で行うことができ、好ましい例として、ボルトによる締結および接着剤による接着等が挙げられる。

以下に、本発明の実施例を、比較例を挙げて説明する。もっとも、以下に説明する実施例は本発明を限定するものではない。図１に示すように、厚み方向に磁化された１対のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石５，６を対向させてその空隙側に磁極片７，８を設け、磁極片間の空隙に磁場を発生させる永久磁石対向型磁気回路１において、鋳鉄（ＪＩＳ ＦＣ）で一体型で厚さ上下ベース部５０ｍｍ，柱状部１００ｍｍでコの字型の構造９を作り、その内側に低炭素鋼（Ｓ２５Ｃ）を１００ｍｍ厚さで用いた継鉄２〜４を設置した磁気回路を用いて実験を行った。

実験では、打撃加振法によるモード解析により振動状態を測定した。ピックアップ（振動の検出器）を上部ベースヨーク先端（コの字の開口部の先端）に取り付け、インパルスハンマーで打撃加振して振動を測定した。また、従来例として、低炭素鋼（Ｓ２５Ｃ）の１５０ｍｍの板を上下ベースとして、２００ｍｍの板を柱として組み合わせた磁気回路を用いて、同様の実験を行った。また、比較例として、従来例と同じ形状で継鉄の全てを鋳鉄とした磁気回路を用いて、同様の実験を行った。従来例において同様の実験を行ったときの振幅を１００として、実験の結果を表１に示す。また、各磁気回路において、中心磁場強度〔Ｔ（テスラ：kg・s^-2・A^-1）〕を測定した。

表１から明らかなように、実施例では、従来例と比べて継鉄における振幅が軽減できたことがわかる。また、実施例では、従来例と同じ量の磁石を用いることで、従来例と同じ中心磁場強度を確保できた。一方で、比較例では、鋳鉄の透磁率および飽和磁束密度が小さいため中心磁場強度が従来例の８０％程度になってしまい、磁場強度が確保できなかった。このように、本発明によると、制振性が優れるにもかかわらず、従来と同様の磁気特性を有する磁気回路が提供される。

また、柱状部における継鉄部を通る磁束に対し垂直に切った断面における鋳鉄部断面積と総断面積（鋳鉄部断面積と低炭素鋼断面積の和）の比と、振動の振幅および磁場強度との関係を評価したグラフを示す。（図４参照）グラフより、本実施例では、低炭素鋼部断面積と鋳鉄部断面積の比が２：８以上で振幅を７０％以下に低減できることが分かる。また、比が１０：１以下で磁場強度を９０％以上に保つことができることが分かる。このことより、断面積比は１０：１〜２：８が望ましい。

本発明の１の実施の形態にかかる永久磁石対向型磁気回路１の正面方向から見た断面模式図である。 本発明の他の実施の形態にかかる永久磁石対向型磁気回路１の正面方向から見た断面模式図である。 本発明にかかる永久磁石対向型磁気回路１の正面方向から見た断面模式図であって、継鉄を通る磁束に対し垂直に切った断面を明示するものである。 本発明の実施例における、継鉄部を通る磁束に対し垂直に切った断面における鋳鉄部断面積と総断面積の比と、振動の振幅および磁場強度との関係を示すグラフである。 従来の永久磁石対向型磁気回路１０１の正面方向から見た断面模式図である。 従来の永久磁石対向型磁気回路１０１の側面方向から見た断面模式図である。 従来の永久磁石対向型磁気回路１０１の下部永久磁石等を上方向から見た模式図である。

符号の説明

１，１０１：永久磁石対向型磁気回路
２，３，１０２，１０３：板状継鉄（低炭素鋼）
４，１０４：柱状継鉄（低炭素鋼）
５，６，１０５，１０６：永久磁石
７，８，１０７，１０８：磁極片
９：継鉄（鋳鉄）

Claims (2)

1. 空隙を隔てて対向し、厚み方向に磁化された１対の永久磁石と、
   該永久磁石間の空隙の外側に設けられ、該永久磁石を支持する継鉄であって、鋳鉄部材と低炭素鋼部材とを含んでなる継鉄と、
   該永久磁石の該空隙側の対向面の夫々に設けられ、対向する向きに周辺突起部を有する１対の磁極片とを含んでなり、該磁極片間に磁場を発生させる永久磁石対向型磁気回路であって、
   前記継鉄が、前記永久磁石間の空隙からみて前記低炭素鋼部材の外側に前記鋳鉄部材を含んでなる永久磁石対向型磁気回路。
2. 前記鋳鉄部材が、一体として鋳込み形成されている請求項１に記載の磁気回路。

Images