JP4468476B2

JP4468476B2 - コイル装置、傾斜磁場コイル装置及びアクティブシールド型傾斜磁場コイル装置

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Publication number: JP4468476B2
Application number: JP2009051227A
Authority: JP
Inventors: 泰弘魚崎; 邦男渡辺; 正幹山下; 良和坂倉; 宏美河本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2019-07-01
Also published as: JP2009112870A; US6311389B1

Description

本発明は磁気共鳴イメージング装置のコイル装置、傾斜磁場コイル装置、及びアクティブシールド型傾斜磁場コイル装置に関する。

磁気共鳴イメージング装置においては、静磁場を作るための磁石（超電導コイル、常伝導コイル、あるいは永久磁石）の内側に傾斜磁場コイルが配置されている。傾斜磁場コイルは通常Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚコイルと呼ばれる３組のコイルより構成され、直交するｘ、ｙ、ｚ軸の各方向で強度が線形に異なる傾斜磁場を作る。ここで、通常は、ｚ軸方向は被検体の軸方向であり、被検体の左右方向（幅方向）がｘ軸方向、被検体の前後方向（厚さ方向）がｙ軸方向である。

傾斜磁場は任意に撮影断面を決めたり、被検体からのＲＦ信号に位置情報を付加する目的で、静磁場（主磁場）に線形の傾斜をもたせるものである。傾斜磁場コイルの性能としては、正確な位置情報を与えるための傾斜磁場の線形性が要求される。傾斜磁場コイルの形状は、静磁場の方向、およびどの方向へ傾斜させるかにより異なるが、通常は、Ｇｚコイルとしては一対のソレノイド型コイルが、Ｇｘ、Ｇｙコイルとしてはそれぞれ４枚のサドルコイル組が一般的に用いられている。なお、実際には、傾斜磁場コイルの外側には、傾斜磁場コイルからの磁場が外部へ漏れることを防ぐための同一形状のシールドコイルが設けられる。

サドルコイルの形状は円筒、あるいは楕円筒の表面の一部であるので、製造が困難である。従来のサドルコイルの製造方法としては、平板状の導体薄板から所定のパターンのコイル巻線を切出し、コイル巻線の表面に絶縁シートを接着した後、押し型に押し当てて湾曲させることでサドルコイルを作る方法（例えば特許文献１参照）がある。コイル巻線の切出し方法としては、ワイヤーカッター、レーザ、ウォータージェットカッターを用いる方法や、コイル形状の溝を有する型へ薄板を打ち込む方法等、あるいはエッチングを利用する方法がある。

米国特許第５，３４９，７４４号明細書

しかしながら、このような従来法では、いずれも平板の導体からコイル巻線を切出し、その後、湾曲させているので、製造工程が複雑、かつ長い日数が必要であるにもかかわらず、製造誤差を防ぐことができない。しかも、円筒の円周方向に延びる巻線部は湾曲するが、円筒の軸方向に延びる巻線部は幅が狭いので湾曲できない。そのため、高精度の線形性を持った傾斜磁場を発生することができない。さらに、厚い導体板を用いたい要求があるが、導体板を厚くすると、コイル巻線を湾曲させる工程で、周方向のはねが出ることもあり、所望の形状に加工することが困難であるという問題がある。

このように従来の傾斜磁場コイル（サドルコイルと呼ばれるタイプの）等の曲面状のコイルの製造方法には、製造工程が複雑、製造時間が長時間必要であり、しかも製造誤差が避けられないという欠点がある。

本発明は上述した事情に対処すべくなされたもので、その目的は任意の曲面状のコイルを短時間で、かつ精度良く製造できるコイル装置、傾斜磁場コイル装置及びアクティブシールド型傾斜磁場コイル装置を提供することである。

上記課題を解決し目的を達成するために、本発明は以下に示す手段を用いている。

本発明の一態様によれば、筒状のボビンと、前記ボビンの表面に取り付けられ、筒状の表面形状を有するコイル巻線とを具備するコイル装置において、コイル巻線の一部にはボビンに取り付ける際の位置決めのための切欠き、突起、孔のいずれかが設けられていることを特徴とするコイル装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、筒状のボビンと、前記ボビンの表面に取り付けられ、傾斜磁場を発生する主コイルとを具備し、前記主コイルは筒状の表面形状を有し、マトリクス配置される複数のコイル巻線からなり、各コイル巻線は同一の巻線パターンを有し、同一行の２つのコイル巻線は中心どうしで接続され、コイル巻線の一部にはボビンに取り付ける際の位置決めのための切欠き、突起、孔のいずれかが設けられていることを特徴とする傾斜磁場コイル装置が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、筒状のボビンと、前記ボビンの表面に取り付けられ、傾斜磁場を発生する主コイルと、前記主コイルの表面に取り付けられ、主コイルの発生する傾斜磁場の漏れを防止する磁場を発生するシールドコイルとを具備し、前記主コイルは筒状の表面形状を有し、マトリクス配置される複数のコイル巻線からなり、各コイル巻線は同一の巻線パターンを有し、同一行の２つのコイル巻線は中心どうしで接続され、コイル巻線の一部にはボビンに取り付ける際の位置決めのための切欠き、突起、孔のいずれかが設けられおり、前記シールドコイルは筒状の表面形状を有し、マトリクス配置される複数のコイル巻線からなり、各コイル巻線は同一の巻線パターンを有し、同一行の２つのコイル巻線は中心どうしで接続されることを特徴とするアクティブシールド型傾斜磁場コイル装置が提供される。

本発明によるコイル装置は、予め曲面状に形成された金属板からコイル巻線を切出すことにより任意の曲面状のコイルを短時間で、かつ精度良く製造することができる。

また、コイル巻線の一部には位置決め用の切欠き等が設けられているので、コイル巻線をボビン等に取り付け、コイル装置を製造する際の位置精度が高いので、所望の分布パターンの磁場を精度良く発生することができる。

また、ボビンの軸方向に延びる部分のコイル巻線自体も筒状の表面に沿って湾曲しているし、側端面も筒状の表面の曲率面に対して直交しているので、やはり、所望の分布パターンの磁場を精度良く発生することができる。

本発明によるサドルコイルの製造方法に使われる曲げ加工済みの銅板を示す図。図１に示した銅板を治具に固定し、銅板をコイル巻線に従って切削した状態を示す図。図２に示すように銅板を切削する際に使われるミリング加工機の概要を示す図。ミリング加工後の銅板から不要部分を剥がし、その後、絶縁シートをコイル巻線に接着させ、サドルコイルを完成させる工程を示す図。コイル巻線の具体例を示す平面図。４枚のサドルコイル組を組み合わせてなる１つの傾斜磁場コイルを示す図。傾斜磁場コイル装置の構造を示す断面図。

以下図面を参照して本発明によるコイル装置の実施形態を説明する。ここでは、コイル装置としては、磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場コイル装置を構成するサドルコイルを例に説明する。

本発明の特徴は、サドルコイルの形状である円筒の表面形状、あるいは楕円筒の表面形状に予め曲げ加工された金属板（ここでは、銅板）を、螺旋状のコイル巻線に沿って切削加工し、不要部分（余肉部分）を取り除くことにより、コイル巻線を製造するものである。

図１は、予め曲げ加工された銅板１２を示す。これはローラ加工機により、所定の曲率半径を有する円筒形状に曲げられている。なお、形状は円筒に限らず、楕円筒でもよい。

この円筒表面状の銅板１２を図２に示すように、同形状の、しかし厚みがある治具１４の外側表面上に固定、例えば接着する。固定は接着剤を用いてもよいし、両面テープを用いてもよい。接着力としては、銅板１２が治具１４に対して位置ずれすることはないが、治具１４から作業者が手で容易に剥がすことが可能な程度の接着力が要求される。

この銅板１２が接着された治具１４を図３に示すようにミリング加工機に取り付け、切削加工により銅板１２を螺旋状のコイル巻線の輪郭に沿って切ることにより、所定幅の銅板片からなる螺旋状のコイル巻線を形成する。ミリング加工機は、治具１４を固定するマンドレル１６と、銅板を切削するエンドミル１８とを有する。マンドレル１６はＹ軸を中心として回転することができる。エンドミル１８はＺ軸を中心として回転するとともに、エンドミル１８が取付けられている主軸ユニット（図示せず）はＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動することができるようになっている。コイルパターンはエンドミル１８を回転させながら、マンドレル１６のＹ軸回転、主軸ユニットのＹ軸移動を行うことにより、銅板１２上に描かれる。この回転、移動はＮＣ制御により高精度に、しかも簡単に制御可能である。マンドレル１６はその曲率面に対して直交する方向にエンドミル１８が位置するようになっているので、コイル巻線１２Ａの切削端面は銅板１２の曲率面に対して直交している。そのため、平板の導体からコイル巻線を切出し、その後、湾曲させる従来例に比べて（従来例の場合は、コイル巻線の切削端面は曲率面に対して直交しない、あるいは曲率面とすらなっていない）高精度な傾斜磁場を発生することが出来る。

このように、本実施形態では、コイル巻線は銅板を切削することにより形成されるので、銅線を所望のコイルパターンに沿って巻いてゆく従来法に比べて自由度が高い。すなわち、導線を巻いていく従来法では巻線の太さは均一であるが、本実施形態では、巻線の幅を部分的に変えることができる。このため、従来では、巻線の密度が最も高い場所を基準として巻線の太さ（幅）が決められていたが、本実施形態では、巻線の密度が高い場所ではコイル巻線の幅を細く、密度が低い場所では太くなるようにコイルパターンを設計することができる。

このような幅が均一ではないコイル巻線によれば、一定幅のコイル巻線に比べて、コイルの電気抵抗値を下げることができ、コイルの発熱（ジュール熱）を下げることができる。また、電源電圧の直流的な損失も低減することができるので、一定幅のコイル巻線に比べて高いスリューレート（ｍＴ／ｍ／ｍｓ）を得ることができる。

非常に高速な切削を行うので、切削面は非常に滑らかであり、バリ等が生じることがなく、各周の巻線間が不用意に導通する（短絡する）ことがない。また、高速切削によりかなり厚い銅板でも切削できるので、銅板をエッチング加工してコイル巻線を形成する場合に比べて、厚いコイル巻線を形成することができる。エッチングの場合は、２層で各コイル巻線を形成するが、本実施形態では、１枚の銅板でコイル巻線を形成することができ、作業が簡単であると共に、巻線パターンの精度も向上する。さらに、エッチングの場合は、表面と厚さの中間部分とではエッチングの進行速度が異なるので、表面にバリが残り、ここで絶縁破壊が起こる可能性がある。図２は、コイルパターンの輪郭に沿って銅板１２を切削した後の状態を示す。

次に、図４を参照してＧｘ，Ｇｙコイル等のサドルコイルの製造過程を説明する。コイル巻線の輪郭に沿って切削された銅板１２を治具１４ごとミリング加工機から取り外し、銅板１２のうち、コイル巻線以外の不要な金属部分１２Ｂ（図２参照）を剥がし、螺旋状のコイル巻線１２Ａのみを治具１４上に残す。このコイル巻線１２Ａ上に接着剤を塗布した後、治具１４上に絶縁シート２０を被せ、コイル巻線１２Ａを絶縁シート２０に接着させる。この絶縁シート２０とコイル巻線１２Ａとを接着する接着剤は、銅板１２を治具１４に接着する接着剤よりも、強力な接着力を有する。すなわち、絶縁シート２０を治具１４から剥がすと、銅板１２（コイル巻線１２Ａ）は治具１４から剥がれて、絶縁シート２０側に接着するようになっている。また、コイル巻線１２Ａ上に塗布される接着剤は、コイル巻線１２Ａ以外の治具１４の表面にはみ出ることがない粘度を有することが必要である。これにより、絶縁シート２０はコイル巻線１２Ａのみに接着され、治具１４に接着することがない。絶縁シート２０とコイル巻線１２Ａとの接着は接着剤に限らず、両面接着シートを用いてもよい。

コイル巻線１２Ａが絶縁シート２０に接着後（接着剤にもよるが、数１０分程度である）、絶縁シート２０を治具１４から剥がすと、円筒表面形状の螺旋状のコイル巻線１２Ａの外側表面に絶縁シート２０が接着されてなるサドルコイルが形成される。なお、絶縁シート２０には小さい孔２２が対角線の四隅付近に形成されているが、これは、後述する樹脂の含浸のためのものである。そのため、孔２２の位置は、コイル巻線１２Ａの無い部分になっている。あるいは、この孔２２はサドルコイルを円筒形のボビンに積層後、含浸の直前にあけてもよい。

図５はコイル巻線１２Ａの具体的なパターンを示す。図５（ａ）に示すコイル巻線は４隅に位置決め用の切欠き２４が設けられている。この切欠き２４は後述するようにサドルコイルを円筒形のボビンの上に積層し、傾斜磁場コイル装置を製造するときに、位置決め用治具が係合されるためのものである。切欠きではなく孔でもよいが、切欠きのほうが、コイル巻線の輪郭と同時に連続して切削することができ、製造時間の短縮になる。さらに、切欠き、孔ではなく、突起でもよい。

図５（ｂ）は上述したように、巻線の密度が高い場所ではコイル巻線の幅を細くし、密度が低い場所では太くなるようにしたコイルパターンである。

図５（ｃ）も図５（ｂ）と同様にコイル巻線の幅を途中で変えたコイルパターンである。図５（ｂ）は、断続的にコイル巻線の幅を変えた（ある部分では一定の広幅で、他の部分では一定の狭幅）コイルパターンであるが、図５（ｃ）のコイルパターンは連続的にコイル巻線の幅を変えている。

このように本発明のコイル巻線は銅板から切出すことにより製造されるので、所望の形状の巻線を実現できるので、所望の磁場を精度良く発生することができる。

実際の傾斜磁場コイル装置（Ｇｘコイル、Ｇｙコイル）は、このようにして形成したサドルコイルを４つ組み合わせて構成する。組み合わせの２例を図６（ａ）、（ｂ）に示す。図６（ａ）の例は、完全に同一のパターンの４つのコイル巻線を配置する。図の左右方向に並んでいる２枚のサドルコイルの巻線１２Ａの最も内側の端部どうしが導体（例えば、銅線、銅を加工した線：角線）渡り線３０を介して接続されている。すなわち、２つのコイル巻線と渡り線との接続箇所は２箇所必要である。渡り線３０と巻線との接続は、はんだ付け、ネジ止め、溶接、蝋付け等が利用できる。

図６（ｂ）の例は、完全に同一ではなく、線対称の関係の２種類のパターンのコイル巻線が必要とされる。図の左右方向には、２種類のコイルパターンのサドルコイルが配置され、左右の２枚のサドルコイルの１方のコイルの最も内側の端部と他のコイルの最も外側の端部が接続されている。この場合は、外側の端部を長めに作っておけば、渡り線を必要とせずに、直に接続することができる。他のコイルの最も内側の端部は引き出し線３２の一端に接続されている。

このようにして構成したＧｘ，Ｇｙコイルを積層して１つの傾斜磁場コイル装置が実現される。Ｇｚコイルはソレノイド型のコイルである。図７に示すように、円筒形のボビン４０の上に主コイル４４としてのＧｘコイル、Ｇｙコイル、Ｇｚコイルをこの順番（に限らないが）に取付け、冷却チューブ４６、静磁場補正用磁性体５０を搭載する構造体４８を配置し、さらにそれらの上に主コイルに対応するシールドコイル５２としてのＧｘコイル、Ｇｙコイル、Ｇｚコイルを取付け、最も外側に静磁場均一性の補正手段としてのシムコイル５４を設ける。この時、コイル巻線に形成された位置決め用の切欠き２４を利用して、コイル巻線のボビン上の位置決めを行う。この後、２つのコイル巻線を渡り線により接続する。なお、渡り線の接続はサドルコイルをボビンに載せてから行うのではなく、その前に行ってもよい。その後、全体を絶縁体（例えば、エポキシ樹脂）に含浸させ、コイル巻線間、及び主コイル４４とシールドコイル５２の間に絶縁体を充填し、傾斜磁場コイル装置が完成する。この傾斜磁場コイル装置は、シールドコイルからも磁場を発生させ、主コイルからの磁場をシールドするので、アクティブシールド型傾斜磁場コイル（ＡＳＧＣ）とも呼ばれる。冷却パイプ４６中に流れる冷却媒体としては水、クーラント、冷風等がある。

第１実施形態の製造方法によれば、次のような効果がある。

（ａ）予め曲面に加工された金属板から切削加工によりコイル巻線を切出するので、製造工程が簡単で、かつ短期間に、コイル巻線を製造することができる。

（ｂ）曲面加工済みの金属板をコイルパターンに従って切削するのは、ＮＣ制御のミリング加工機が行うので、高精度なコイル巻線を製造できる。

（ｃ）さらに、本実施形態によれば、任意の表面形状の銅板から任意のパターンのコイル巻線を切削することができるので、巻線の幅を場所によって変えることにより、電気抵抗値、ジュール熱を下げることができるとともに、スリューレートを高くすることができる。

（ｄ）コイル巻線は、ボビンの軸方向に延びる部分の両側の切削端面がボビンの曲率面に対して直交し、上下面の形状は、図７に示すように、ボビンの曲率面と一致しているので、設計図通りの形状のコイルを正確に作ることができ、所望の傾斜磁場を高精度に発生することが出来る。

本発明は上述した実施形態に限定されず、種々変形して実施可能である。例えば、上述の説明では、（１）金属板を同形状の治具の外側表面上に接着してから、切削加工により金属板を螺旋状のコイル巻線の輪郭に沿って切り、（２）コイル巻線以外の不要な金属部分を剥がし、コイル巻線のみを治具上に残してから、絶縁シートを被せ、コイル巻線を治具から絶縁シートに転写（接着）したが、切削加工と絶縁シートの接着の順番を逆にしてもよい。すなわち、（１）予め曲面状に構成された金属板の内面に絶縁シートを接着し、絶縁シートを同形状の治具の外側表面上に固定し、（２）切削加工により金属板を螺旋状のコイル巻線パターンに沿って切り、（３）コイル巻線以外の不要な金属部分を絶縁シートから剥がしコイル巻線のみを絶縁シート上に残す。この製造方法によっても、上述と同様なサドルコイルが得られる。ただし、この場合は、絶縁シートは円筒状のコイル巻線の内面に位置する。上述の実施形態では、絶縁シートは円筒状のコイル巻線の外面に位置する。絶縁シートを接着してから切削加工する場合は、次のようにしてもよい。すなわち、（１’）予め曲面状に構成された金属板の外側表面上に絶縁シートを接着し、（２’）絶縁シートを金属板と同形状の治具の内側表面上に接着し、（３’）治具をミリング加工機に取付け、金属板を、その湾曲面の内側から螺旋状のコイル巻線パターンに沿って切削し、（４’）コイル巻線以外の不要な金属部分を絶縁シートから剥がしコイル巻線のみを絶縁シート上に残してもよい。この製造方法によれば、絶縁シートは円筒状のコイル巻線の外面に位置するので、上述と同一構成のコイル巻線が得られる。

上述の説明は、傾斜磁場コイルについて行ったが、これに限らずシムコイル、ＲＦコイル、静磁場コイルについても、曲面状のコイル（サドル形状にも限らず）であれば、何にでも適用可能である。

以上説明したように本発明によれば、予め曲面加工された金属板をコイルパターンに沿って切削してコイル巻線を形成しているので、任意の形状のサドルコイルを高精度で、しかも簡単な工程で実現できる。

１２…銅板
１４…治具
１６…マンドレル
１８…エンドミル
２０…絶縁シート

Claims

筒状のボビンと、前記ボビンの表面に取り付けられ、筒状の表面形状を有するコイル巻線とを具備するコイル装置において、コイル巻線の一部にはボビンに取り付ける際の位置決めのための切欠き、突起、孔のいずれかが設けられていることを特徴とするコイル装置。
前記コイル巻線は筒状の導体板を当該筒の曲率面に直交する方向に配置されるエンドミルを具備するミリング加工機により切削することにより形成されることを特徴とする請求項１記載の装置。
筒状のボビンと、前記ボビンの表面に取り付けられ、傾斜磁場を発生する主コイルとを具備し、前記主コイルは筒状の表面形状を有し、マトリクス配置される複数のコイル巻線からなり、各コイル巻線は同一の巻線パターンを有し、同一行の２つのコイル巻線は中心どうしで接続され、コイル巻線の一部にはボビンに取り付ける際の位置決めのための切欠き、突起、孔のいずれかが設けられていることを特徴とする傾斜磁場コイル装置。
前記同一行の２つのコイル巻線は１本の導体を介して接続されることを特徴とする請求項３に記載の傾斜磁場コイル装置。
前記主コイルは異なる軸方向に傾斜磁場を発生する複数のサドルコイルからなり、各サドルコイルは、コイル巻線と、コイル巻線に接着される支持体からなり、複数のサドルコイルは支持体を挟んで積層されていることを特徴とする請求項３に記載の傾斜磁場コイル装置。
前記支持体は絶縁体であることを特徴とする請求項５に記載の傾斜磁場コイル装置。
前記主コイルの外側に設けられ、主コイルからの磁場が外側に漏れることを防ぐシールドコイルと、
シールドコイルと主コイルとの間に設けられ、冷却媒体を流す管とをさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の傾斜磁場コイル装置。
前記主コイルのコイル巻線のうち、ボビンの軸方向に延びる部分の側端面は筒状の表面の曲率面に対して直交していることを特徴とする請求項３に記載の傾斜磁場コイル装置。
前記シールドコイルの外側に設けられ、静磁場均一性を補正するシムコイルをさらに具備することを特徴とする請求項３から請求項７のいずれか一項に記載の傾斜磁場コイル装置。
筒状のボビンと、
前記ボビンの表面に取り付けられ、傾斜磁場を発生する主コイルと、
前記主コイルの表面に取り付けられ、主コイルの発生する傾斜磁場の漏れを防止する磁場を発生するシールドコイルとを具備し、
前記主コイルは筒状の表面形状を有し、マトリクス配置される複数のコイル巻線からなり、各コイル巻線は同一の巻線パターンを有し、同一行の２つのコイル巻線は中心どうしで接続され、コイル巻線の一部にはボビンに取り付ける際の位置決めのための切欠き、突起、孔のいずれかが設けられおり、
前記シールドコイルは筒状の表面形状を有し、マトリクス配置される複数のコイル巻線からなり、各コイル巻線は同一の巻線パターンを有し、同一行の２つのコイル巻線は中心どうしで接続されることを特徴とするアクティブシールド型傾斜磁場コイル装置。