JP4558563B2 - 永久磁石式磁界発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石式磁界発生装置に関するものである。

環状をなし、各磁石の着磁方向が環の半周で１回転するように配列された複数の永久磁石を有し、環の内部空間に実質的に一方向の磁界を有する磁場均一空間を発生し、各永久磁石が同じ強度の磁化を有するように構成されたダイポールリング磁気回路は、磁気共鳴断層撮影装置（ＭＲＩ）や半導体素子製造工程、そして基礎研究向け均一磁界発生手段等として広く利用されている。従来、１軸性の均一な磁界発生手段としては、常伝導電磁石、超伝導電磁石等が使用されている。しかし、最近の高特性希土類永久磁石の開発により、希土類永久磁石（以下単に永久磁石という）を均一磁界発生装置に使用することが、例えば１Ｔ以下の低磁場では主流となってきている（非特許文献１参照）。

図５を参照して従来のダイポールリング磁界発生装置及びこの装置に使用する永久磁石片などを説明する。図５は、従来のダイポールリング磁界発生装置の中心軸に垂直な平面での模式的な断面図である。図に示すように、ダイポールリング磁界発生装置１は、環状に配置された複数の永久磁石片１０１〜１２４と、それを囲う環状の外縁部ヨーク２とにより構成されている。

永久磁石片１０１〜１２４は、環状に配置した際に各永久磁石片の着磁方向が環の半周で１回転するように、夫々径方向に対して特定の周期で磁化される。このため、各永久磁石片は、通常、磁界発生装置を構成する環の中心軸から見てちょうど対極にあたる永久磁石片同士（例えば、永久磁石片１０１と１１３）が、互いに１８０度の角度差で着磁される。より具体的には、各永久磁石片は、下記式（１）、（２）で示されるＸＹ面磁化角度θで磁化されると好ましい。しかし、使用条件や最適化等により、例えば±約５度以内の範囲で磁化方向を調節して配置することもできる。なお、下記式（１）、（２）中、ＸＹ面磁化角度θは、径方向外向きを基準とし、時計回りを正とした際の、各永久磁石片の磁化方向の角度とする（図５参照）。また、永久磁石番号ｎは、永久磁石ユニットにおいて、最もＮ極側に配置された永久磁石片の永久磁石番号を１とし、他の永久磁石片の磁石番号を時計回りに順に２，３，・・・，Ｎとする。

このような構成により、ダイポールリング磁界発生装置１の環の内部空間には実質的に一方向であり、実質的に均一の大きさの磁界（主磁場成分）が発生する。以下、ダイポールリング磁界発生装置を構成する環の中心軸をＺ軸とし、前記環の中心を通り前記一方向の磁界と平行な軸をＹ軸（図５中、ＮＳ磁場方向）とし、該中心を通りＺ軸およびＹ軸に垂直な軸をＸ軸（図５中、ＥＷ磁場方向）とする。ここで、磁界発生装置を構成する環の中心は、環の中心軸上であって、中心軸方向の中点をいうものとする。

上記したように、ダイポールリング磁界発生装置の一つの特徴として、磁界発生装置の内部空間において、実質的に一方向の磁場を形成できることが挙げられる。ここで、ダイポールリング磁界発生装置の内部空間に発生するＮＳ磁場方向（Ｙ軸方向）を０°とした場合の、内部空間の各点における磁場ベクトルの角度（以下スキュー角と記す）は、磁界発生装置の特性上、環の中心軸付近では殆ど０°であるが、磁界発生装置の内壁に近づくほど悪化していく、すなわち大きくなる傾向が見られる。

一般のダイポールリング磁界発生装置を使用する際には、このスキュー角が大きい磁場成分が不純物、すなわちノイズと見なされることが多い。特に、磁界発生装置の内部空間のＸＹ平面上のスキュー角成分は、例えば半導体向け基板等の製造工程において、製造される素子の性能に大きく影響を与えるものと考えられており、出来る限り小さく抑える必要がある。

また、上記したように、ダイポールリング磁界発生装置のもう一つの特徴として、磁界発生装置の内部空間において、実質的に均一の大きさの磁場を形成できること、すなわち磁場均一性が良いことが挙げられる。これら２つの特徴と、磁気効率の良さが本磁界発生装置の最大の利点であり、ダイポールリング磁界発生装置が工業的に広く利用される所以である。しかし、磁場均一性を向上させるためには、磁気回路の大型化や磁気回路の組上げ精度の向上を図る必要があり、これらは大きな高コスト要因となっていた。

Halbach,K., Design of permanent magnet multipole magnets with oriented rare earth cobalt material, Nuclear Instruments and Methods,vol.169,1980,pp.1-10

従って、本発明の目的は、ダイポールリング磁界発生装置において、重量軽減、高磁場均一性および低スキュー角を達成することである。

本発明によると、環の内部空間に実質的に一方向の磁界を有する磁場均一空間を発生するための環状磁界発生装置であり、
同軸状に環の中心軸方向に積層された複数の環状永久磁石ユニットであって、該環の中心軸をＺ軸とし、該環の中心を通り前記一方向の磁界と平行な軸をＹ軸とし、該中心を通りＺ軸およびＹ軸に垂直な軸をＸ軸とした場合、該永久磁石ユニットの各々が、環状に配置された複数の永久磁石片を有し、少なくとも１つの該永久磁石ユニットにおける永久磁石片の磁化方向が、ＸＹ面に関して環の半周で１回転するようにＸ軸成分およびＹ軸成分を有し、少なくとも１つの該永久磁石ユニットにおける永久磁石片の磁化方向が、該磁場均一空間のＺ軸上の両端部に磁束がより集中するようにＺ軸成分を有する複数の永久磁石ユニットを有する磁界発生装置であって、
Ｚ軸方向に関して前記磁場均一空間の内側にある前記永久磁石ユニットにおける前記永久磁石片のうち、最もＮ極側に配置される永久磁石片から最もＳ極側に配置される永久磁石片にかけて、その磁化方向のＺ軸成分が、Ｚ軸方向に関して磁界発生装置の内側向きから外側向きに変化する磁界発生装置が提供される。

以下に詳細に説明するように、本発明によれば、ダイポールリング磁界発生装置を大型化することなく高均一磁場を達成することが可能である。すなわち、本発明にかかる磁界発生装置は、永久磁石片のＺ軸方向およびＸＹ面に対する磁化方向を最適化することによって、具体的には、磁場均一空間のＺ軸上の両端部に磁束がより集中するように、好ましくは、低磁場領域となる傾向にある均一空間の上下端部に磁束がより集中するように、永久磁石の磁化方向のＺ軸成分を調整することによって、回路に使用する総磁石重量を軽減させるだけではなく、高磁場均一性と低スキュー角も同時に達成できる。

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、本発明は、以下に説明する実施の形態によって、限定されるものではない。

本発明にかかる磁界発生装置の基本構成および原理は、図５に例示した従来のダイポールリング磁界発生装置に順ずるものである。すなわち、本発明にかかる磁界発生装置は、同軸状に環の中心軸方向に積層された複数の環状永久磁石ユニットを有する。各環状永久磁石ユニットは、環状に配置された複数の永久磁石片を有する。また、環状永久磁石ユニットは、好ましくは、その外周を環状の外縁部ヨークにより囲われている。永久磁石片には、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｓｍ−Ｃｏ系、Ｓｍ−Ｎ−Ｆｅ系の希土類永久磁石を用いることができる。特に、比較的安価で高エネルギー積を有するＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を使用すると好ましい。また、外縁部ヨークには、一般に、環状の強磁性材料または非磁性材料が用いられる。特に、外縁部ヨークに強磁性体を用いた方が若干ではあるが磁気効率が向上する。また、永久磁石片の形状は、外径側から内径側に向けてより細くなっている形状とすることができる。具体的には、永久磁石片の形状は、略台形柱状、略扇形柱状（その断面が、同心円状の２つの円弧と各円弧の両端を通る２つの半径とで囲まれた形状）等とすることができる。また、磁界発生装置を構成する磁石の分割数は、同一の永久磁石ユニットにおいて、例えば、４分割から６０分割程とすることができる。特に、磁気効率や回路製作の容易さを考慮すると、１２から３６分割程度の範囲で磁石構成数を決定すると好ましい。

また、少なくとも１つの永久磁石ユニットにおいて、永久磁石片は、環の軸に垂直な成分（すなわち、Ｘ軸成分およびＹ軸成分）に関して、永久磁石片を環状に配置した際に各永久磁石片の磁化方向が環の半周で１回転するように、夫々径方向に対し特定周期で磁化される。より具体的には、各永久磁石片は、Ｘ軸成分およびＹ軸成分に関して、上記式（１）、（２）で示す角度差で磁化されると好ましい。なお、このように、環の半周で１回転するような磁化方向を有する永久磁石片は、実質的に同じ大きさの磁化を有することが好ましい。より具体的には、同一の磁気特性の材料からなる永久磁石片を用いた場合、永久磁石片の大きさを同一とすることが好ましい。このような構成により、ダイポールリング磁界発生装置の環の内部空間に実質的に一方向であり、実質的に均一の大きさの磁界を有する磁場均一空間が発生する。

ここで、ダイポールリング磁界発生装置を構成する永久磁石片の磁化方向は、従来、磁界発生装置の中心軸と垂直な平面内のみで設定されていた。換言すると、従来のダイポールリング磁界発生装置を構成する永久磁石片の磁化方向は、Ｚ軸成分を有していなかった。一方で、本発明にかかるダイポールリング磁界発生装置にあっては、少なくとも１つの永久磁石ユニットにおける永久磁石片の磁化方向が、ＸＹ面に関して環の半周で１回転するようにＸ軸成分およびＹ軸成分を有し、さらに、少なくとも１つの永久磁石ユニットにおける永久磁石片の磁化方向が、磁場均一空間のＺ軸上の両端部に磁束がより集中するようにＺ軸成分を有する。なお、磁場均一空間のＺ軸上の両端部に磁束が「より」集中するとは、全ての永久磁石片の磁化方向がＺ軸成分を有さない場合と比べて、当該端部に磁束がより集中していることをいう。

これは、磁場均一空間の軸上中央部付近の磁場が全体に比べて高めであるのに対し、逆に磁場均一空間の軸上の端部付近の磁場が低いためである。すなわち、本発明によると、磁場均一空間の中央部付近の磁化方向を端部寄りに変えることによって、低磁場領域を無くし空間内均一度をより向上できるのである。換言すると、本発明者等は、ダイポールリング磁界発生装置の永久磁石片を、Ｚ軸方向の磁場均一空間内の低磁場領域に磁束がより集中するように配置することで、従来のダイポールリング磁気回路に比べて軽量かつ高磁場均一になることを知見し、本発明に到達したものである。すなわち、本発明では、Ｚ軸方向の磁化方向が磁場均一空間に適合するように永久磁石片を配置することで、磁石重量を増加することなく均一空間内の磁場均一性の向上を達成している。

ここで、磁場均一空間は、所定の磁場均一性を有することが望まれる空間であり、磁界発生装置を適用する対象に応じて適宜設定することができる。一般的に、磁場均一空間は、磁界発生装置の内部空間内中央部の円筒状の空間とされ、磁場均一空間の軸方向の長さは、磁界発生装置の軸方向の長さに比べて、好ましくは１０％以上であり、さらに好ましくは３０％以上であり、また、好ましくは７０％以下であり、さらに好ましくは５０％以下である。また、磁場均一空間の直径は、磁界発生装置の内部空間の内径に比べて、好ましくは５０％以上であり、好ましくは８０％以下である。

より具体的には、Ｚ軸方向に関して磁場均一空間の内側にある永久磁石ユニットにおける永久磁石片のうち、最もＮ極側に配置される永久磁石片から最もＳ極側に配置される永久磁石片にかけて、その磁化方向のＺ軸成分が、Ｚ軸方向に関して磁界発生装置の内側向きから外側向きに変化することが好ましい。このように、磁場均一空間の内側に含まれる永久磁石片の磁化方向を調整することで、従来にあっては比較的高い磁場を有していた軸上中央部に磁束を集中させることなく、従来にあっては比較的低い磁場を有していた磁場均一空間のＺ軸上の両端部に磁束をより集中させることができる。

ここで、Ｚ軸方向に関して磁場均一空間の「内側」にある永久磁石ユニットとは、Ｚ軸方向のみに着目した場合に、磁場均一空間のＺ軸側両端に挟まれる範囲に含まれる永久磁石ユニットをいう（例えば、図１（Ａ）中、第３および４層の永久磁石ユニット）。逆に、Ｚ軸方向に関して磁場均一空間の「外側」にある永久磁石ユニットとは、Ｚ軸方向のみに着目した場合に、磁場均一空間のＺ軸側両端に挟まれる範囲に含まれない永久磁石ユニットをいう（例えば、図１（Ａ）中、第１および６層の永久磁石ユニット）。

また、Ｚ軸方向に関して磁界発生装置の「内側向き」とは、Ｚ軸方向のみに着目した場合の（すなわち、Ｚ軸正の向きまたはＺ軸負の向きに着目した場合の）磁界発生装置の中心向きをいい、「外側向き」とは、その逆向きをいう。すなわち、永久磁石片の磁化方向のＺ軸成分が、Ｚ軸方向に関して磁界発生装置の「内側向き」から「外側向き」に変化するとは、永久磁石片の磁化方向のＺ軸成分が、磁界発生装置のＺ軸方向中心向きから、その逆向きに変化することをいう。

例えば、図１（Ａ）中、第３層の永久磁石ユニットにおいて、Ｚ軸方向に関して磁界発生装置の「内側向き」とは、Ｚ軸負の向きをいい、「外側向き」とは、Ｚ軸正の向きをいう。また、第４層の永久磁石ユニットにおいて、Ｚ軸方向に関して磁界発生装置の「内側向き」とは、Ｚ軸正の向きをいい、「外側向き」とは、Ｚ軸負の向きをいう。すなわち、図１（Ａ）中、永久磁石片３０１の磁化方向のＺ軸成分は、Ｚ軸負の向き（磁界発生装置の中心向き）、永久磁石片３１３の磁化方向のＺ軸成分は、Ｚ軸正の向きであり、その間の永久磁石片３０２〜３１２の磁化方向のＺ軸成分は、Ｚ軸負の向きから、Ｚ軸正の向きに徐々に変化している。

また、Ｚ軸方向に関して磁場均一空間の外側にある永久磁石ユニットにおける永久磁石片のうち、最もＮ極側に配置される永久磁石片から最もＳ極側に配置される永久磁石片にかけて、その磁化方向のＺ軸成分が、Ｚ軸方向に関して磁界発生装置の外側向きから内側向きに変化することが好ましい。このように、磁場均一空間の外側に含まれる永久磁石片の磁化方向を調整することで、従来にあっては比較的低い磁場を有していた磁場均一空間のＺ軸上の両端部に磁束をより集中させることができる。

なお、同一の永久磁石ユニットに含まれる永久磁石片については、Ｎ極またはＳ極により近い位置に配置される永久磁石片が、Ｚ軸成分の絶対値がより大きい磁化方向を有することが好ましい。このように、磁化方向のＺ軸成分の向きの変化を、徐々に変化させることで、磁界発生装置の磁場均一性をより向上させることができる。

なお、Ｚ軸方向に関して所定の範囲にある前記永久磁石ユニットに含まれる前記永久磁石片が、Ｚ軸方向に関して磁化方向を有さないものとすることもできる。具体的には、Ｚ軸方向に関して磁場均一空間の端部と同一の位置に配置される永久磁石ユニットに含まれる永久磁石片の磁化方向を、Ｚ軸成分を有さないもの（すなわち、ＸＹ面と平行）とすることができる。また、Ｚ軸方向に関して所定の範囲にある前記永久磁石ユニットに含まれる前記永久磁石片が、Ｘ軸およびＹ軸方向に関して磁化方向を有さないものとすることもできる。具体的には、Ｚ軸方向に関して磁場均一空間の外側および／または内側に配置される永久磁石ユニットに含まれる永久磁石片の磁化方向を、Ｘ軸成分およびＹ軸成分を有さないもの（すなわち、Ｚ軸と平行）とすることができる。

さらに、図１を参照して本発明の第一の実施の形態にかかる磁界発生装置を説明する。図１に、本発明の第一の実施の形態にかかる磁場発生装置の（Ａ）軸を通り、Ｙ軸方向に平行な平面による、（Ｂ）軸を通り、Ｘ軸方向に平行な平面による、（Ｃ）軸に垂直な平面による模式的な断面図を示す。図１に示すように、第一の実施の形態にかかる磁場発生装置は、第一層から第六層までの六層の環状永久磁石ユニットを有する。これらの環状永久磁石ユニットは、Ｚ軸方向に同軸状に積層されている。これらの永久磁石ユニットの各々は、環状に配置された複数の永久磁石片を有する。ここで、全ての永久磁石ユニットにおける永久磁石片の磁化方向が、ＸＹ面に関して環の半周で１回転するようにＸ軸成分およびＹ軸成分を有し、さらに、第１，３，４および６層の永久磁石ユニットにおける永久磁石片の磁化方向が、磁場評価空間のＺ軸上の両端部に磁束がより集中するようにＺ軸成分を有する。具体的には、第３および４層の永久磁石ユニットに含まれる前記永久磁石片のうち、環の中心向きの磁化方向成分を有する永久磁石片は、Ｚ軸方向に関して、磁界発生装置の外側向きの磁化方向を有し、環の外向きの磁化方向成分を有する永久磁石片は、Ｚ軸方向に関して、磁界発生装置の内側向きの磁化方向を有する。また、第１および６層の永久磁石ユニットに含まれる前記永久磁石片のうち、環の中心向きの磁化方向成分を有する永久磁石片が、Ｚ軸方向に関して、磁界発生装置の内側向きの磁化方向を有し、環の外向きの磁化方向成分を有する永久磁石片が、Ｚ軸方向に関して、磁界発生装置の外側向きの磁化方向を有する。ここで、磁場均一空間の端部とＺ軸方向に関して同一の位置に配置される永久磁石ユニット（第２および５層の永久磁石ユニット）に含まれる永久磁石片の磁化方向は、Ｚ軸成分を有さない。このように、永久磁石片の磁化方向のＸ軸成分およびＹ軸成分は、均一空間に一定方向の磁場を発生させる設計にし、磁化方向のＺ軸成分については、Ｚ軸方向に隣り合う永久磁石変の磁化方向が、互いに異なるようにして、磁場評価空間の端部に磁化方向をより集中させることができる。

ここで、永久磁石片の磁化方向のＺ軸成分の大きさは、特に限定されるものではなく、磁界発生装置の大きさ、形状や、磁場評価空間の大きさ、形状、永久磁石片の磁化の大きさ等に応じて適宜設定することができる。しかしながら、Ｚ軸磁化角度は、概ね±４５°以内とすることが好ましい。ここで、Ｚ軸磁化角度は、ＸＹ平面を基準とし、Ｚ軸正の方向を正とした際の、各永久磁石片の磁化方向の角度とする（図１Ａ参照）。当業者に明らかなように、Ｚ軸磁化角度は、数値計算により最適化することができる。

ここで、磁化方向を細かく規定すれば、さらに磁気効率が向上し、その結果として磁気回路の総重量も大幅に軽減できる。しかしながら、この場合は、磁石の製作誤差も厳しく制限しなければならないので、磁石加工時のコストアップに繋がってしまうおそれがある。従って、永久磁石片のＺ軸磁化角度を１５、３０、４５°等のように特定の角度とし、これらの磁化方向の永久磁石片を組み合わせることが好ましい。

ここで、上記したように、永久磁石片のＺ軸磁化角度は、同一の永久磁石ユニットにおいて必ずしも同一とする必要はない。具体的には、Ｙ軸により近い位置に配置される永久磁石片のＺ軸磁化角度の絶対値をより大きくすることが好ましい。特に、Ｚ軸磁化角度は、同一の永久磁石ユニットにおいて段階的に変化させた方が有効である。このような永久磁石片のＺ軸磁化角度は、一意的に求まるものではなく、当該永久磁石片が含まれる永久磁石ユニットのＺ軸方向の位置等に応じて適宜設定することができる。また、永久磁石片の磁化方向は線形的に変化させることができるが、非線形多項式により非線形的に変化させることもできる。

具体的には、永久磁石片は、下記式（３）（４）で示されるＺ軸磁化角度φで磁化されると好ましい。なお、永久磁石番号ｎは、永久磁石ユニットにおいて、最もＮ極側に配置された永久磁石片の永久磁石番号を１とし、他の永久磁石片の磁石番号を時計回りに順に２，３・・・とする。

さらに、図２を参照して本発明の第二の実施の形態にかかる磁界発生装置を説明する。図２に、本発明の第二の実施の形態にかかる磁場発生装置の（Ａ）軸を通り、Ｙ軸方向に平行な平面による、（Ｂ）軸を通り、Ｘ軸方向に平行な平面による模式的な断面図を示す。図２に示すように、第二の実施の形態にかかる磁場発生装置は、第一層から第六層までの六層の環状永久磁石ユニットを有する。これらの環状永久磁石ユニットは、Ｚ軸方向に同軸状に積層されている。これらの永久磁石ユニットの各々は、環状に配置された複数の永久磁石片を有する。第２および５層の永久磁石ユニットにおける永久磁石片の磁化方向は、ＸＹ面に関して環の半周で１回転するようにＸ軸成分およびＹ軸成分を有し、Ｚ軸成分を有さない。さらに、その他（第１，３，４および６層）の永久磁石ユニットにおける永久磁石片の磁化方向は、Ｘ軸成分およびＹ軸成分を有さず、磁場評価空間のＺ軸上の両端部に磁束がより集中するようにＺ軸成分を有する。具体的には、第３および４層の永久磁石ユニットに含まれる前記永久磁石片のうち、ＺＸ面よりＳ極側に配置される永久磁石片は、Ｚ軸方向に関して、磁界発生装置の外側向きの磁化方向を有し、ＺＸ面よりＮ極側に配置される永久磁石片は、Ｚ軸方向に関して、磁界発生装置の内側向きの磁化方向を有する。また、第１および６層の永久磁石ユニットに含まれる前記永久磁石片のうち、ＺＸ面よりＳ極側に配置される永久磁石片が、Ｚ軸方向に関して、磁界発生装置の内側向きの磁化方向を有し、ＺＸ面よりＮ極側に配置される永久磁石片が、Ｚ軸方向に関して、磁界発生装置の外側向きの磁化方向を有する。このように、所定の永久磁石ユニットにおいて、永久磁石片の磁化方向のＸ軸成分およびＹ軸成分は、均一空間に一定方向の磁場を発生させる設計にし、また、他の所定の永久磁石ユニットにおいて、永久磁石片の磁化方向をＺ軸成分のみとすることで、磁場評価空間の端部に磁化方向をより集中させることができる。

第二の実施の形態でも、同一の永久磁石ユニットに含まれる永久磁石片においては、ＹＺ面により近い位置に配置される永久磁石片が、Ｚ軸成分の絶対値がより大きい磁化方向を有することが好ましい。より具体的には、同一の特性の材料からなる永久磁石片を用いた場合、ＹＺ面により近い位置に配置される永久磁石片のＺ軸方向の厚さを、より大きいものとすることが好ましい。永久磁石片のＺ軸方向の具体的な厚さは、上記式（３）（４）に準じて定めることが好ましい。このように、永久磁石片のＺ軸方向の厚さを変化させた場合、隣り合う永久磁石ユニット間には、非磁性の金属（例えば、アルミニウム、ＳＵＳ等）や樹脂からなるスペーサーを配置することができる。

このように、永久磁石片の磁化方向をＺ軸方向に関してハルバック型にしても第一の実施の形態と同様の効果を得ることができる。この場合、永久磁石片の磁化方向を複雑にする必要がないので、より工業的に実現しやすい形状となる。なお、Ｚ軸方向に関して磁場均一空間の外側にある永久磁石ユニットにおける永久磁石片（第１および６層）のみ、Ｚ軸方向の磁化方向を与え、Ｚ軸方向に関して磁場評価空間の内側にある永久磁石ユニットにおける永久磁石片（第３および４層）は、Ｚ軸成分を有さず、第２および５層と同様に、環の半周で１回転するようにＸ軸成分およびＹ軸成分を有するものとしてもよい。

上記第一および第二の実施の形態では、Ｚ軸方向に６層の永久磁石ユニットを積層させたものを例示した。しかしながら、本発明にかかる磁界発生装置は、好ましくは４層以上の永久磁石ユニットをＺ軸方向に積層すれば、特に永久磁石ユニットの数、形状等は限定されるものではない。特に、偶数層の永久磁石ユニットを積層させることが好ましい。また、永久磁石ユニットの数、形状、磁化方向は、ＸＹ面に関して対称となることが好ましい。

さらに、本発明にあっては、隣り合う永久磁石ユニット間に、磁性体を配置してもよい。このように磁性体を配置することで、磁場評価空間のＺ軸上の両端部に磁束がより集中するのを促すことができ、より軽量の永久磁石片で、磁場評価空間の高磁場均一性および低スキュー角を達成することができる。具体的には、該評価空間のＺ軸方向端部に相当する位置に磁性体を配置し、該磁性体がＺ方向上下間を磁束が集中するような磁化方向を有する磁石に挟まれている状態が好ましい。

なお、上記したように、本発明にかかる磁界発生装置は、磁気共鳴断層撮影装置（ＭＲＩ）や半導体素子製造工程、そして基礎研究向け均一磁界発生手段等に利用することができる。例として、図３に、本発明にかかる磁界発生装置を利用したプラズマ処理装置の中心軸に平行な平面での模式的な断面図を示す。すなわち、本発明にかかる磁界発生装置を半導体ウエハ等の被処理基板の表面に所定の処理を行うように構成されたプラズマ処理装置に利用する場合、磁界発生装置１の構成磁石からなる環の内部空間に処理室（図示せず）を設け、さらに、電極３１、３２および各電極に所定の周波数、電圧で電力を供給するための電源３３、３４を設けることができる。これにより、図３に示すように、ウエハＷを含む平面に対して、ほぼ平行な磁場を形成することができる。

以下に、本発明の実施例を、添付図面を参照しながら説明する。もっとも、本発明は、以下に説明する実施例によって限定されるものではない。

第一に、実施例および比較例にかかるダイポールリング磁界発生装置を数値解析により比較した。実施例にかかるダイポールリング磁界発生装置は、第一の実施の形態に準じたものとした。図４に、実施例にかかるダイポールリング磁界発生装置の中心軸に垂直な平面での模式的な断面図を示す。具体的には、実施例にかかるダイポールリング磁界発生装置１は、同軸状に環の中心軸方向に積層された６層の環状永久磁石ユニットを有する。環状永久磁石ユニットの各々は、環状をなすように配置された、略台形状の２４個の永久磁石片１０１〜１２４を有する。また、６層の環状永久磁石ユニットは、その外周を環状の外縁部ヨーク２により囲われている。なお、該ダイポールリング磁界発生装置１の外縁部ヨーク２を含めた外径は３５０ｍｍとし、磁界発生装置の奥行きは３００ｍｍとした。すなわち、永久磁石ユニットの一層の厚さ、すなわち永久磁石片のＺ軸方向の厚みを、５０ｍｍとした。また、永久磁石片の径方向高さは１００ｍｍとし、外縁部ヨークの厚さを２５ｍｍとした。このため、内部空間の内径は１００ｍｍとなる。

また、磁界発生装置の中心における、直径５０ｍｍ、奥行き１００ｍｍの円筒形状の領域を、磁場評価空間（均一空間）３とした。すなわち、磁場評価空間３は、磁界発生装置の環と同軸状の円筒形とし、磁場評価空間３の中心は、磁界発生装置の環の中心と同一とした。これは通常のダイポールリング磁界発生装置を使用する際には一般的な空間設計である。

永久磁石片１０１〜１２４の磁化方向は以下のようにした。Ｘ軸成分およびＹ軸成分については、永久磁石片の磁化方向は、上記式（１）、（２）により与えられる方向とした。Ｚ軸成分については、永久磁石片の磁化方向は、最もＮ極側の永久磁石片のＺ軸磁化角度を、第一層から第六層まで順に、２２．５°，０°，−１５°，１５°，０°，−２２．５°とし、その他の永久磁石片のＺ軸磁化角度を、上記式（３）、（４）により与えられる方向とした。表１に、実施例にかかる磁界発生装置の各永久磁石片の磁化方向を示す。なお、各永久磁石片の磁化の大きさは、同一とした。

また、比較例にかかる磁界発生装置は、各永久磁石片のＺ軸方向の磁化方向を０°とした以外は実施例にかかる磁界発生装置と同様とした。

実施例および比較例にかかる磁界発生装置における、均一空間内の最大磁場および磁場均一度、ならびに磁界発生装置の重量について、数値解析を行った。この結果、均一空間内の磁場均一度を向上させることができることが確認された。このため、より軽量の磁界発生装置により、高い磁場均一度を達成できることが分かる。

さらに、上記数値解析における効果を確認するために、実際に磁界発生装置を作製し、均一空間内の最大磁場および磁場均一度、ならびに磁界発生装置の重量を測定した。なお、実施例および比較例における永久磁石ユニットの一層の厚さ、すなわち永久磁石片のＺ軸方向の厚みを、各々、１００ｍｍ、８０ｍｍとした以外は、実施例および比較例にかかる磁界発生装置は、上記数値解析におけるものと同様とした。また、永久磁石片には、ネオジウム系希土類焼結磁石（信越化学製商品名Ｎ４５、磁力１．２８Ｔ）を用い、外縁部ヨーク２には炭素鋼を用いた。また、均一空間内の磁場の測定は、テスラーメータを用いて行った。

表２に、実施例および比較例にかかる磁気回路における磁場均一性および回路重量を示す。なお、磁場均一性は、以下のように求めた。
磁場均一度＝（均一空間内の最大磁場−最小磁場）／均一空間内の磁場平均値×１００［％］

表２に示されるように、永久磁石片の磁化方向を調整し、磁場をＺ軸方向の上下端部により集中させた結果、磁場評価空間（均一空間）内の最大磁場は若干低下した。しかしながら、実施例にかかる磁気回路は、比較例にかかるものと比べて、均一空間内の磁場均一性を悪化させることなく、回路重量を１０％ほど削減できた。

本発明の第一の実施の形態にかかる磁場発生装置の（Ａ）軸を通り、Ｙ軸方向に平行な平面による、（Ｂ）軸を通り、Ｘ軸方向に平行な平面による、（Ｃ）軸に垂直な平面による模式的な断面図を示す。 本発明の第二の実施の形態にかかる磁場発生装置の（Ａ）軸を通り、Ｙ軸方向に平行な平面による、（Ｂ）軸を通り、Ｘ軸方向に平行な平面による模式的な断面図を示す。 本発明にかかる磁界発生装置を利用したプラズマ処理装置の中心軸に平行な平面での模式的な断面図を示す。 実施例にかかるダイポールリング磁界発生装置の中心軸に垂直な平面での模式的な断面図を示す。 従来のダイポールリング磁界発生装置の中心軸に垂直な平面での模式的な断面図である。

符号の説明

１：ダイポールリング磁界発生装置
２：外縁部ヨーク
３：磁場評価空間
１０１〜１２４：永久磁石片
３１、３２：電極
３３、３４：電源

Claims (7)

1. 環の内部空間に実質的に一方向の磁界を有する磁場均一空間を発生するための環状磁界発生装置であり、
   同軸状に環の中心軸方向に積層された複数の環状永久磁石ユニットであって、該環の中心軸をＺ軸とし、該環の中心を通り前記一方向の磁界と平行な軸をＹ軸とし、該中心を通りＺ軸およびＹ軸に垂直な軸をＸ軸とした場合、該永久磁石ユニットの各々が、環状に配置された複数の永久磁石片を有し、少なくとも１つの該永久磁石ユニットにおける永久磁石片の磁化方向が、ＸＹ面に関して環の半周で１回転するようにＸ軸成分およびＹ軸成分を有し、少なくとも１つの該永久磁石ユニットにおける永久磁石片の磁化方向が、該磁場均一空間のＺ軸上の両端部に磁束がより集中するようにＺ軸成分を有する複数の永久磁石ユニットを有する磁界発生装置であって、
   Ｚ軸方向に関して前記磁場均一空間の内側にある前記永久磁石ユニットにおける前記永久磁石片のうち、最もＮ極側に配置される永久磁石片から最もＳ極側に配置される永久磁石片にかけて、その磁化方向のＺ軸成分が、Ｚ軸方向に関して磁界発生装置の内側向きから外側向きに変化する磁界発生装置。
2. 最もＮ極側に配置される永久磁石片から最もＳ極側に配置される永久磁石片にかけて、その磁化方向のＺ軸成分が、Ｚ軸方向に関して磁界発生装置の内側向きから外側向きに変化する前記永久磁石ユニットをＺ軸側の両端から挟む、磁化方向のＺ軸成分を有さない永久磁石片を含む永久磁石ユニットが存在する請求項１に記載の磁界発生装置。
3. Ｚ軸方向に関して前記磁場均一空間の外側にある前記永久磁石ユニットにおける前記永久磁石片のうち、最もＮ極側に配置される永久磁石片から最もＳ極側に配置される永久磁石片にかけて、その磁化方向のＺ軸成分が、Ｚ軸方向に関して磁界発生装置の外側向きから内側向きに変化する請求項１または２に記載の磁界発生装置。
4. Ｚ軸方向に関して前記磁場均一空間の外側にある前記永久磁石ユニットにおける前記永久磁石片が１２〜３６個であり、最もＮ極側に配置される永久磁石片から最もＳ極側に配置される永久磁石片にかけて、その磁化方向のＺ軸成分が、Ｚ軸方向に関して磁界発生装置の外側向きから内側向きに徐々に変化する請求項１〜３のいずれかに記載の磁界発生装置。
5. 前記環状永久磁石ユニットの環状に配置された複数の永久磁石片が、同じ大きさであり、前記環状永久磁石ユニットの数、形状及び磁化方向が、ＸＹ面に関して対称である請求項１〜４のいずれかに記載の磁気発生装置。
6. 全ての前記永久磁石ユニットにおける永久磁石片の磁化方向が、ＸＹ面に関して環の半周で１回転するようにＸ軸成分およびＹ軸成分を有し、前記環状永久磁石ユニットが４〜６層に積層されており、Ｚ軸方向に隣り合う前記永久磁石片の磁化方向が、互いに異なる請求項１〜５のいずれかに記載の磁界発生装置。
7. 前記永久磁石片の磁化方向が、Ｚ軸方向に関してハルバック型である請求項１〜６のいずれかに記載の磁界発生装置。

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