JP5147072B2 - 磁界生成器及びこの磁界生成器を備えた核磁気共鳴装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁界生成器及びこの磁界生成器を備えた核磁気共鳴装置に関するものであり、特に、磁界生成器は、複数の磁界生成手段を対向させて配置するのではなく、横並びに配置して開磁路の磁気回路を有しているものである。

従来、核磁気共鳴装置では、被験者である人間を挟んで永久磁石のＮ極と永久磁石のＳ極とを互いに対向させて配置した対向型の磁界生成器を用い、均一で安定的な磁束密度の領域を形成して所要の検査を行っている。

したがって、磁界生成器は、対向した永久磁石の間に被験者を挿入させることができる程度の比較的大きな間隙を設ける必要があり、そのため、永久磁石にはより大きな磁力を発生させることが要求され、より大型の永久磁石が用いられることにより、磁界生成器が大型化するとともに高コスト化していた。

このような核磁気共鳴装置では、被験者の体の内部を観察する場合には極めて有効であるが、たとえば目、耳、鼻、歯などの体の表面に比較的近い部位の観察を行うには必要以上の能力を備えていることとなっていた。

そこで、Ｎ極とＳ極とを対向させて閉磁路の磁気回路を構成した対向型の磁界生成器ではなく、Ｎ極とＳ極とを横方向に並べて配置することにより開磁路とした磁気回路を構成した磁界生成器が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この磁界生成器では、矩形体状とした２つの永久磁石の一方の磁極側を、矩形体状としたヨークにそれぞれ接続してＵ字状とすることによりいわゆるＵ字磁石を形成し、このＵ字磁石の先端にＮ極とＳ極を生じさせて、開磁路とした磁気回路を形成している。

さらに、Ｕ字磁石のＮ極となった端部とＳ極となった端部との間に補助磁石を配置して、この補助磁石とＵ字磁石との相互作用によって均一とした磁束密度の領域を生成可能としている。

また、他の磁界生成器として、Ｕ字磁石を用いるのではなく、それぞれ所定の長さとした複数の磁石であって、しかも磁化の方向をそれぞれ所定の方向に向けた磁石を横並びに配置することにより、均一な磁束密度の領域を生成することも提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
特開２００３−２５０７７７号公報 岡本吉史ら．開磁路型ＭＲＩ装置の磁気回路に関する最適設計法の基礎的検討．電気学会 マグネティックス研究会資料 ＭＡＧ−０４−１５６，２００４

しかしながら、特開２００３−２５０７７７号公報におけるＵ字磁石と補助磁石による開磁路の磁気回路で構成した磁界生成器では、磁束密度が一様化された領域の形成範囲が小さく、所望の大きさの領域を得ることが困難であった。

また、磁化の方向をそれぞれ異ならせるとともに、長さをそれぞれ異ならせた複数の磁石で開磁路の磁気回路を構成した磁界生成器では、必要となる磁石の種類が極めて多いために磁石自体の性能のバラツキの影響を受けやすく、磁界生成器ごとに生成される均一な磁束密度の領域のバラツキが大きくなり、バラツキを抑制するための調整作業が極めて困難であるという問題があった。

このような現状に鑑み、本発明者らは、より簡潔な構造で均一な磁界を生成することができる開磁路の磁気回路で構成した磁界生成器を提供すべく研究開発を行い、本発明を成すに至ったものである。

本発明の磁界生成器では、ケーシング内に収容した複数の永久磁石で、ケーシングの表面から離隔した所定位置に均一な大きさとした磁束密度の領域を生成する開磁路型の磁界生成器であって、前記領域における磁束密度の方向と逆方向とした基準方向に磁化の方向を向けるとともに、この基準方向に所定の間隔を隔てて順次配置した第１の永久磁石と第２の永久磁石と、第１の永久磁石と第２の永久磁石との間に、基準方向に沿って互いに接してまたは所定の間隔を隔てて順次配置した第３の永久磁石と第４の永久磁石とを備え、第３の永久磁石の磁化の方向は、基準方向と平行な第１成分と、第１の方向と直交して領域側に向けた第２成分とを有する方向とし、第４の永久磁石の磁化の方向は、第１成分と、第２成分の向きと逆向きで第２成分と同じ大きさとした反転第２成分とを有する方向とした。

また、本発明の磁界生成器では、以下の点にも特徴を有するものである。すなわち、
（１）第３の永久磁石と第４の永久磁石は、磁性材が存在しない非磁性材領域を有し、非磁性領域の大きさを調整した後に、磁性材を所定の強さの外部磁場で飽和残留磁束密度に着磁することにより、見かけ上の残留磁束密度を調整した永久磁石であること。
（２）非磁性領域の大きさの調整は、永久磁石に形成した穿孔若しくはスリットの大きさ、数、深さの少なくともいずれか一つによる調整であること。
（３）非磁性領域の大きさの調整は、第３の永久磁石及び第４の永久磁石の体積と比較して十分小さい塊状とした複数の永久磁石と非磁性材とを混合し、所定形状に一体化して形成した永久磁石における塊状の永久磁石と非磁性材との配合比の調整であること。
（４）非磁性領域の大きさの調整は、複数の永久磁石ブロックと、この永久磁石ブロックと同一形状とした複数の非磁性体ブロックとを一体的に接合して形成した永久磁石における永久磁石ブロックと非磁性体ブロックとの含有比率の調整であること。
（５）第１の永久磁石と第２の永久磁石は、筒形状とした一つの筒形永久磁石で一体的に形成し、この筒形永久磁石の空洞状の中央部に、２つの第３の永久磁石と、２つの第４の永久磁石とを、第３の永久磁石どうし及び第４の永久磁石どうしを、筒形永久磁石の中心を通り、基準方向と平行とした対称面に対して鏡面対称にそれぞれ配置するとともに、第３の永久磁石の対称面側に第１の内側永久磁石をそれぞれ設けるとともに、この第１の内側永久磁石の第３の永久磁石を挟んで反対側に第１の外側永久磁石をそれぞれ設け、第４の永久磁石の対称面側に第２の内側永久磁石をそれぞれ設けるとともに、この第２の内側永久磁石の第４の永久磁石を挟んで反対側に第２の外側永久磁石をそれぞれ設け、第１の内側永久磁石の磁化の方向を第２成分の向きとし、第１の外側永久磁石の磁化の方向を第２成分の逆向きとし、第２の内側永久磁石の磁化の方向を第２成分の逆向きとし、第２の外側永久磁石の磁化の方向を第２成分の向きとしたこと。
（６）第１の永久磁石と第３の永久磁石との間に、磁化の方向を、基準方向と平行または反平行な第３成分と、基準方向と直交して領域側に向けた第４成分との合成方向とする第５の永久磁石を設けるとともに、第２の永久磁石と第４の永久磁石との間に、磁化の方向を、第３成分と、第４成分の向きと逆向きで第４成分と同じ大きさとした反転第４成分との合成方向とする第６の永久磁石を設けたこと。
（７）第１の永久磁石と第３の永久磁石との間に、磁化の方向を、第２成分と平行とする第５の永久磁石を設けるとともに、第２の永久磁石と第４の永久磁石との間に、磁化の方向を、反転第２成分と平行とする第６の永久磁石を設けたこと。
（８）第１の永久磁石と第２の永久磁石とは、筒形状とした一つの筒形永久磁石で一体的に形成し、この筒形永久磁石の空洞状の中央部に第３の永久磁石と第４の永久磁石とを配置したこと。
（９）第１の永久磁石は、基準方向と平行とした対称面に対して鏡面対称とした２つの永久磁石で構成するとともに、この２つの永久磁石はそれぞれ対称面と直交する方向で、かつ対称面に向けた磁化成分を有し、第２の永久磁石は、対称面に対して鏡面対称とした２つの永久磁石で構成するとともに、この２つの永久磁石はそれぞれ対称面と直交する方向で、かつ対称面とは反対方向に向けた磁化成分を有すること。
（１０）第３の永久磁石は、基準方向と平行とした対称面に対して鏡面対称とした２つの永久磁石で構成するとともに、この２つの永久磁石はそれぞれ対称面と直交する方向で、かつ対称面に向けた磁化成分を有し、第４の永久磁石は、対称面に対して鏡面対称とした２つの永久磁石で構成するとともに、この２つの永久磁石はそれぞれ対称面と直交する方向で、かつ対称面とは反対方向に向けた磁化成分を有すること。

また、本発明の核磁気共鳴装置では、上記の磁界生成器を備えていることに特徴を有するものである。

本発明の磁界生成器によれば、ケーシング内に収容した複数の永久磁石で、ケーシングの表面から離隔した所定位置に均一な大きさとした磁束密度の領域を生成する磁界生成器であって、領域における磁束密度の方向と逆方向とした基準方向に磁化の方向を向けるとともに、この基準方向に所定の間隔を隔てて順次配置した第１の永久磁石と第２の永久磁石と、第１の永久磁石と第２の永久磁石との間に、基準方向に沿って互いに接してまたは所定の間隔を隔てて順次配置した第３の永久磁石と第４の永久磁石とを備え、第３の永久磁石の磁化の方向は、基準方向と平行な第１成分と、第１の方向と直交して領域側に向けた第２成分とを有する方向とし、第４の永久磁石の磁化の方向は、第１成分と、第２成分の向きと逆向きで第２成分と同じ大きさとした反転第２成分とを有する方向としたことによって、４つの永久磁石で均一な磁界を生成することができる開磁路の磁気回路からなる磁界生成器を提供できる。

しかも、第３の永久磁石と第４の永久磁石は、磁性材が存在しない非磁性材領域を有し、非磁性領域の大きさを調整した後に、磁性材を所定の強さの外部磁場で飽和残留磁束密度に着磁することにより、見かけ上の残留磁束密度を調整した永久磁石とすることによって、第３の永久磁石及び第４の永久磁石を精度よく所望の残留磁束密度として、第３の永久磁石及び第４の永久磁石による磁界の調整精度を向上させることができ、均一な磁界の領域をより大きくすることができる。

さらに、第１の永久磁石と第３の永久磁石との間には第５の永久磁石を設けるとともに、第２の永久磁石と第４の永久磁石との間には第６の永久磁石を設けた場合には、均一な磁界の領域をさらに大きくすることができる。

また、本発明の核磁気共鳴装置では、少なくとも４つの永久磁石を備えた磁界生成器を用いることにより、磁界生成器を小型軽量で低コストとすることができ、安価であるとともに、設置作業及びメンテナンスの容易な核磁気共鳴装置を提供できる。

第１実施形態の磁界生成器の縦断面模式図である。 第１実施形態の磁界生成器で生成した磁界の磁束密度分布図である。 図２におけるＸ＝０でのＺ軸に沿った磁束密度状態を示すグラフである。 図２におけるＸ軸に沿った磁束密度状態を示すグラフである。 Ｘ＝０でのＺ軸に沿った磁束密度状態を示すグラフである。 図５の計算の元となる各永久磁石の配設状態の説明図である。 ターゲット領域の均一度に対する第４永久磁石の磁化の大きさの依存性を示すグラフである。 第１実施形態の変容例の磁界生成器の縦断面模式図である。 図８におけるY1-Y1端面図である。 図８におけるY2-Y2端面図である。 第２実施形態の磁界生成器の縦断面模式図である。 第２実施形態の磁界生成器で生成した磁界の磁束密度分布図である。 図１２におけるＸ＝０でのＺ軸に沿った磁束密度状態を示すグラフである。 図１２におけるＸ軸に沿った磁束密度状態を示すグラフである。 第２実施形態の磁界生成器における第１〜６永久磁石の配設状態の説明図である。 第１〜６永久磁石の配設状態の変容例説明図である。 第１〜６永久磁石の配設状態の変容例説明図である。 第１〜６永久磁石の配設状態の変容例説明図である。 変容例の第３永久磁石及び第４永久磁石の磁化状態の説明図である。 第１〜６永久磁石の配設状態の変容例説明図である。 第１〜６永久磁石の配設状態の変容例説明図である。 第１〜６永久磁石の配設状態の変容例説明図である。 受信コイル及び送信コイルが設けられた核磁気共鳴装置用磁界生成器の縦断面模式図である。

符号の説明

A1 磁界生成器
A2 磁界生成器
10 ケーシング
10a 主面
11 第１永久磁石
12 第２永久磁石
13 第３永久磁石
14 第４永久磁石
15 第５永久磁石
16 第６永久磁石

本発明の磁界生成器及びこの磁界生成器を用いた核磁気共鳴装置では、開磁路の磁気回路で構成した磁界生成器を用いているものであり、特に、この磁界生成器は、少なくとも４つの永久磁石で構成したことによって、きわめて小型で軽量となっているものである。

以下において、図面に基づいて本発明の実施形態を詳説する。図１は、第１実施形態の磁界生成器A1の縦断面模式図である。磁界生成器A1は、一側面に平担状とした主面10aを有したケーシング10内に、一方向に沿って第１永久磁石11と第２永久磁石12とを所定の間隔を隔てて配置するとともに、第１永久磁石11と第２永久磁石12の間に、第３永久磁石13と第４永久磁石14とを配置している。特に、第３永久磁石13は第１永久磁石11寄りに配置し、第４永久磁石14は第２永久磁石12寄りに配置して、第１永久磁石11、第３永久磁石13、第４永久磁石14、第２永久磁石12の順で並べて、この第１〜４永久磁石11〜14の並び方向を基準方向としている。

この第１〜４永久磁石11〜14によって、磁界生成器A1では、図１に示すように主面10aから所定の距離だけ離隔した位置に、均一な大きさの磁束密度の領域を形成できる。この磁束密度の大きさの均一な領域をターゲット領域Ｔと呼ぶことにする。このターゲット領域Ｔでは、磁束密度の方向は主面10aと平行で、基準方向と逆方向となっている。

本実施形態では、第１〜４永久磁石11〜14は、それぞれ所定の大きさの矩形体としており、一方の端面をそれぞれ主面10aの裏面に当接させて配置している。

図示していないが、ケーシング10の内部には所定位置に板状のリブを設けてケーシング10を補強しており、このリブの配置を調整してリブで第１〜４永久磁石11〜14を所定位置に保持している。

第１永久磁石11と第２永久磁石12の磁化の大きさは後述するように同じ大きさとしている。また、第３永久磁石13と第４永久磁石14の磁化の大きさも後述するように同じ大きさとしている。

そして、第１永久磁石11及び第２永久磁石12の磁化の方向は、図１中にそれぞれ矢印で示すように、基準方向と平行としている。

また、第３永久磁石13の磁化の方向は、図１中に矢印で示すように、基準方向と所定の角度αの角度をなす方向としており、特に、第３永久磁石13は磁化の方向を主面10a側に向けている。

さらに、第４永久磁石14の磁化の方向は、図１中に矢印で示すように、基準方向と所定の角度αの角度をなす方向としており、特に、第４永久磁石14は磁化の方向を主面10a側と反対側に向けている。

すなわち、第３永久磁石13の磁化の大きさ、及び第４永久磁石14の磁化の大きさをｍとすると、第３永久磁石13及び第４永久磁石14は、基準方向にそれぞれ大きさｍcosαの第１成分を有し、基準方向と直交する方向にそれぞれ大きさｍsinαであって、第３永久磁石13の場合には、大きさｍsinαで主面10a側に向けた第２成分を有し、第４永久磁石14の場合には、大きさｍsinαで主面10a側と反対側に向けた反転第２成分を有している。つまり、第３永久磁石13と第４永久磁石14では、基準方向と直交する方向にそれぞれ逆方向で同じ大きさの磁化成分を有している。

角度αの大きさは、第３永久磁石13と第４永久磁石14の磁化の大きさとの兼ね合いで適宜の値となるが、角度αは４５°よりも小さくなるように第３永久磁石13と第４永久磁石14の磁化の大きさを設定することによって、磁界生成器A1で生成する磁束密度の均一な領域のサイズを大きくすることができる。なお、磁束密度の均一な領域では、磁束密度の向きは、基準方向と反対方向となっている。

このように構成した磁界生成器A1では、主面10aから所定の距離に磁束密度の均一な領域を生成できる。特に、第１永久磁石11及び第２永久磁石12の大きさとして図１に示す断面を10cm×20cmとし、第３永久磁石13及び第４永久磁石14の大きさとして図1に示す断面を5cm×10cmとし、第１永久磁石11と第３永久磁石13との間及び第４永久磁石14と第２永久磁石12との間には約5cmの間隔を設け、第１永久磁石11及び第２永久磁石12の残留磁束密度を1.38Ｔ、第３永久磁石13及び第４永久磁石14の残留磁束密度を1.05Ｔとし、角度αの大きさを16.5°としたモデルケースにおける数値解析では、図２の磁束密度分布図に示すように磁界を生成できることが確認できた。

図３は、図２におけるＸ＝０でＺ軸方向の磁束密度の大きさを示している。図４は、図２におけるＺ＝5.75cm，6.0cm，6.25cmでのＸ＝０からＸ軸方向での磁束密度の大きさを示している。図３及び図４から、第１〜４永久磁石11〜14の一方の端縁である主面10aの裏面から約６cm程度ところに、磁束密度の均一なターゲット領域Ｔが形成できていることがわかる。

ここで、第３永久磁石13と第４永久磁石14は互いに当接させて配置しているが、必ずしも当接している必要はなく、所定の間隔を隔てて配置してもよい。間隔を設ける揚合には3cm程度までであり、第３永久磁石13と第４永久磁石14との間に設ける間隔は、第３永久磁石13及び第４永久磁石14の磁化の大きさ及び方向を調整することによって調整することができる。

第３永久磁石13及び第４永久磁石14の磁化の大きさは、磁束密度の均一な領域のサイズに大きく影響するため、できるだけ精度よく所定の磁化の大きさとすることが望ましい。

図５は、第４永久磁石14あるいは第３永久磁石13による磁束密度の均一化の影響を検証した結果を示すグラフである。ここでは、図６に示すように、Ｘ磁軸方向の長さを10cm、Ｚ軸方向の長さを20cmとした第２永久磁石12pを、Ｘ−Ｚ座標の原点から10cm離れたＸ軸上に一方の端縁を位置させて配置するとともに、Ｘ磁軸方向の長さを6cm、Ｚ軸方向の長さを10cmとした第４永久磁石14pを、Ｚ軸上に一側縁を位置させ、Ｘ軸から1.5cmの距離に一方の端縁を配置して、第４永久磁石14pの磁化の大きさを、基準とする第２永久磁石12pの磁化の大きさに基づいて相対化することにより「1.000」、「0.983」、「0.966」、「0.949」、「0.932」、「0.915」、「0.898」、「0.881」、「0.864」、「0.847」、「0.830」として、Ｚ＝０のＺ軸上における磁束密度の大きさの計算結果を示したものである。

なお、第２永久磁石12pの磁化の方向は基準方向と平行な方向とし、第４永久磁石14pの磁化の方向は上記の角度αを13°とした方向とした。

図５に示すように、第４永久磁石14pの磁化の大きさが磁束密度の均一な領域のサイズに影響することは明らかである。また、図７は、第４永久磁石14pの相対的な残留磁束密度の大きさに対する均一度を比較したグラフであり、最適値が存在することが分かる。本実施形態では、第４永久磁石14pの磁化の大きさは、第２永久磁石12pの磁化の大きさの0.915程度とすることが望ましいことが分かる。なお、均一度とは、想定した領域における磁束密度の最大値と最小値の差を、ターゲット領域の中心における値で除し、さらにそれに１×106を掛けたものである。

このように、第３永久磁石13及び第４永久磁石14の磁化の大きさは、ターゲット領域Ｔにおける磁束密度の均一化に大きく影響するものであるため、第３永久磁石13及び第４永久磁石14では、磁性材が存在しない非磁性材領域を設けるとともに、この非磁性領域の大きさを調整した後に、磁性材を所定の強さの外部磁場で飽和残留磁束密度に着磁することにより、見かけ上の残留磁束密度を調整している。

非磁性領域の大きさの調整方法は、所定形状とした着磁前の磁性体に穿孔あるいはスリットを形成することにより、外形形状を一定としたまま非磁性領域となる空隙を形成するとともに、磁性体に形成する穿孔若しくはスリットの大きさ、数、深さの少なくともいずれか一つを適宜調整することにより非磁性領域の大きさを精度よく調整可能としている。

穿孔若しくはスリットの形成は、ワイヤ放電加工機を用いた強磁性体の溶融加工や、ダイヤモンドカッターを用いた切削溝の形成によって行うことができる。

あるいは、第３永久磁石13や第４永久磁石14は、第３永久磁石13や第４永久磁石14の体積と比較して十分小さい塊状とした複数の粒状の磁性体と非磁性材とを混合し、この混合物を所定形状に一体化し、磁性材を所定の強さの外部磁場で飽和残留磁束密度に着磁して永久磁石とするものとし、非磁性材と粒状の磁性材の配合比を調整することにより非磁性領域の大きさを調整してもよい。

ここで用いられる非磁性材としては、非磁性の樹脂材料を用いることができ、あるいは二酸化珪素などセラミックス材料を用いて粒状の磁性体とともに焼結させて一体化してもよい。

この場合、粒状とした磁性材は、第３永久磁石13及び第４永久磁石14の体積と比較して十分小さいサイズであることが望ましく、少なくとも第３永久磁石13及び第４永久磁石14の体積の１０分の１よりも小さいことが望ましい。好適には１００分の１以下であることが望ましい。なお、粒状とした磁性材の形状は矩形体である必要はなく、適宜の形状としてよい。

さらに、非磁性材として非磁性の樹脂材料を用いる場合には、所定量の粒状の磁性材と所定量の樹脂材料とを混合して、第３永久磁石13及び第４永久磁石14の外形形状に合わせて形成した成形容器に充填して樹脂を固化させ、その後、磁性材を所定の強さの外部磁場で飽和残留磁束密度に着磁して、所定形状の第３永久磁石13及び第４永久磁石14を形成している。このように、所定の強さの外部磁場による磁性材の着磁前に樹脂を固化させることにより、それぞれ永久磁石となる磁性材を均一に分散させた第３永久磁石13及び第４永久磁石14を形成できる。

あるいは、非磁性領域の大きさの調整には、粒状の磁性材と樹脂材料を用いるのではなく、所定の大きさの矩形体状とした複数の永久磁石ブロックと、この永久磁石ブロックと同一形状とした複数の非磁性体ブロックを用い、非磁性体ブロックと永久磁石ブロックとを接着剤などで一体的に接合して第３永久磁石13及び第４永久磁石14を形成してもよい。

この場合、永久磁石ブロックと非磁性体ブロックの含有比率を調整することにより、非磁性領域の大きさを容易に調整できる。

なお、永久磁石ブロックと非磁性体ブロックとを一体的に接合して第３永久磁石13及び第４永久磁石14とする場合には、永久磁石ブロックはあらかじめ所定の強さの外部磁場で飽和残留磁束密度に着磁しておいてもよいし、非磁性体ブロックと接合して所定形状に一体化した後に所定の強さの外部磁場で飽和残留磁束密度に着磁してもよい。また、ここでは、加工の容易性から永久磁石ブロック及び非磁性体ブロックを矩形体状としているが、必ずしも矩形体状に限定するものではなく、適宜の形状としてもよい。

このように、第３永久磁石13及び第４永久磁石14には、磁性材が存在しない非磁性材領域を設けるとともに、この非磁性領域の大きさを調整することにより、第３永久磁石13及び第４永久磁石14の見かけ上の残留磁束密度を容易に調整でき、所望の残留磁束密度の第３永久磁石13及び第４永久磁石14を極めて精度よく形成できる。したがって、磁束密度の均一で安定なターゲット領域Ｔを生成しやすくすることができるとともに、ターゲット領域Ｔのサイズ調整を容易とすることができる。

しかも、第３永久磁石13及び第４永久磁石14は、それぞれ飽和残留磁束密度で磁化されているので、第１永久磁石11や第２永久磁石12などの他の永久磁石によって残留磁束密度が変動することを防止できる。

図８は、第１実施形態の変容例の磁界生成器A1'の平面図であり、図９は図８のY1−Y1端面図、図１０は図８のY2−Y2端面図である。

変容例の磁界生成器A1'では、前述した第１永久磁石11と第２永久磁石12の２つの永久磁石の代わりに、図８に示すように、一体的な筒形状とした一つの筒形永久磁石30を用いている。この筒形永久磁石30では、空洞状の中央部に、２つの第３永久磁石33,33と、２つの第４永久磁石34,34を配置している。

筒形永久磁石30は基準方向に沿って磁化しており、第３永久磁石33の磁化の方向は、基準方向と所定の角度αの角度をなす方向であって、特に主面10a側に向け、第４永久磁石34の磁化の方向は、基準方向と所定の角度αの角度をなす方向であって、特に主面10a側と反対側に向けている。

２つの第３永久磁石33,33は、筒形永久磁石30の中心を通り、基準方向と平行とした対称面MPに対して鏡面対称にそれぞれ配置するとともに、２つの第４永久磁石34,34も、筒形永久磁石30の中心を通り、基準方向と平行とした対称面MPに対して鏡面対称にそれぞれ配置している。

さらに、第３永久磁石33の対称面MP側には、第１内側永久磁石35-1をそれぞれ設けるとともに、この第１内側永久磁石35-1の第３永久磁石33を挟んで反対側には、第１外側永久磁石36-1をそれぞれ設けている。

同様に、第４永久磁石34の対称面MP側には、第２内側永久磁石35-2をそれぞれ設けるとともに、この第２内側永久磁石35-2の第４永久磁石34を挟んで反対側には、第２外側永久磁石36-2をそれぞれ設けている。

第１内側永久磁石35-1、第１外側永久磁石36-1、第２内側永久磁石35-2、及び第２外側永久磁石36-2の磁化の方向は、図９および図１０に矢印で示すように、第１内側永久磁石35-1及び第２外側永久磁石36-2では第２成分の向きとし、第１外側永久磁石36-1及び第２内側永久磁石35-2では第２成分の逆向きとしている。

このように構成した磁界生成器A1'では、ターゲット領域Ｔの深さ方向の均一性を向上させることができ、立体的な物体の検出精度の向上を図ることができる。

より具体的には、筒形永久磁石30は、外周を１辺40cmの四角形とするとともに、その内側に１辺20cmの四角形の開口を設けた四角筒状としており、深さ方向の寸法を20cmとした。

第３永久磁石33及び第４永久磁石34の大きさは、それぞれ縦5cm×横5cm×深さ10cmとし、第１内側永久磁石35-1及び第２内側永久磁石35-2の大きさは、それぞれ縦0.8cm×横0.8cm×深さ0.8cmとし、第１外側永久磁石36-1及び第２外側永久磁石36-2の大きさは、それぞれ縦2cm×横4.8cm×深さ2.2cmとした。

２つの第１内側永久磁石35-1は隣接させて配置し、場合によっては一体的に形成してもよい。同様に２つの第２内側永久磁石35-2も隣接させて配置し、場合によっては一体的に形成してもよい。隣接する第１内側永久磁石35-1と第２内側永久磁石35-2との間には、約4mmの間隔を設けた。

また、図９及び図１０に示すように、筒形永久磁石30の中央部に配置した第３永久磁石33、第４永久磁石34、第１内側永久磁石35-1、第２内側永久磁石35-2、第１外側永久磁石36-1、第２外側永久磁石36-2は、ケーシング10の主面10a側の端面を、筒形永久磁石30におけるケーシング10の主面10a側の端面よりも後退させて配置している。本実施例では、約3mm後退させた。

筒形永久磁石30の残留磁束密度は1.38Ｔ、第３永久磁石13及び第４永久磁石14の残留磁束密度は1.30Ｔ、第１内側永久磁石35-1及び第２内側永久磁石35-2の残留磁束密度は0.07Ｔ、第１外側永久磁石36-1及び第２外側永久磁石36-2の残留磁束密度は0.33Ｔとし、角度αの大きさを14.8°とした。

本実施形態では、第３永久磁石13、第４永久磁石14、第１内側永久磁石35-1、第２内側永久磁石35-2、第１外側永久磁石36-1、第２外側永久磁石36-2の残留磁束密度は、前述したように非磁性領域の大きさを調整することにより所要の見かけ上の残留磁束密度とした。

下表は、図８に示す筒形永久磁石30におけるケーシング10の主面10a側の端面をＸ−Ｙ平面とするとともに、このＸ−Ｙ平面における筒形永久磁石30の中心を原点とし、対称面MP上にＸ軸、このＸに直交させてＹ軸、Ｘ−Ｙ平面からターゲット領域の方向にＺ軸を想定して、Ｘ＝0cm、Ｙ＝0cm、Ｚ＝5.5cmを中心とし、Ｘ軸方向の範囲Δｘ、Ｙ軸方向の範囲Δｙ、Ｚ軸方向の範囲Δｚを様々な値として想定した領域の磁束密度の均一度(ppm)を示している。

表１より、目、耳、鼻、歯などの比較的微小な構造の検出に十分利用可能な均一度が得られていることがわかる。

図１１は、第２実施形態の磁界生成器A2の縦断面図である。この磁界生成器A2は、第１実施形態の磁界生成器A1と基本的には同じであって、第１実施形態の磁界生成器A1における第１永久磁石11と第３永久磁石13との間に第５永久磁石15を設け、第４永久磁石14と第２永久磁石12との間に第６永久磁石16を設けているものである。したがって、第１実施形態の磁界生成器A1と同一構成部分には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

第５永久磁石15と第６永久磁石16の磁化の大きさは同じ大きさとしている。そして、第５永久磁石15の磁化の方向は、図１１中に矢印で示すように、第３永久磁石13の第２成分と平行な方向とし、第６永久磁石16の磁化の方向は、図１１中に矢印で示すように、第４永久磁石14の反転第２成分と平行な方向としている。

このように、第１永久磁石11と第３永久磁石13との間に第５永久磁石15を設けるとともに、第４永久磁石14と第２永久磁石12との間に第６永久磁石16を設けることにより、磁界生成器A2で生成するターゲット領域Ｔでの磁束密度の均一性を向上させることができ、しかも、ターゲット領域Ｔのサイズをさらに大きくすることができる。

なお、第５永久磁石15及び第６永久磁石16も、その磁化の大きさは、磁束密度の均一な領域のサイズに大きく影響するため、できるだけ精度よく所定の磁化の大きさとすることが望ましく、着磁後に所望の見かけ上の残留磁束密度となるように、着磁前にあらかじめ非磁性領域の大きさを調整している。

また、本実施形態では、第５永久磁石15は第３永久磁石13に当接させて配置しているが、第５永久磁石15は必ずしも第３永久磁石13に当接させて配置する必要はなく、第５永久磁石15の磁化の大きさ、及び磁化の向きを調整することにより、第１永久磁石11と第３永久磁石13との間の適宜の位置に第５永久磁石15を配置してもよい。

同様に、第６永久磁石16は第４永久磁石14に当接させて配置しているが、第６永久磁石16は必ずしも第４永久磁石14に当接させて配置する必要はなく、第６永久磁石16の磁化の大きさ、及び磁化の向きを調整することにより、第４永久磁石14と第２永久磁石12との間の適宜の位置に第６永久磁石16を配置してもよい。

特に、第５永久磁石15及び第６永久磁石16の磁化における基準方向と平行な方向の成分が負の値、すなわち、第５永久磁石15及び第６永久磁石16が、基準方向と反平行な方向の成分を有するようにすることにより、ターゲット領域Ｔでの磁束密度の均一性を向上させることができ、しかも、ターゲット領域Ｔのサイズをさらに大きくすることができる。

あるいは、第５永久磁石15及び第６永久磁石16の磁化における基準方向と平行な方向の成分を正の値、すなわち、第５永久磁石15及び第６永久磁石16が、基準方向と平行な方向の成分を有するようにすることにより、ターゲット領域Ｔのサイズをさらに大きくすることができる。

なお、図１１に示すように、第５永久磁石15の磁化の方向を第３永久磁石13の第２成分と平行な方向とし、第６永久磁石16の磁化の方向を第４永久磁石14の反転第２成分と平行な方向とした磁界生成器A2において、数値解析により、図１２の磁束密度分布図に示すように磁界を生成できることが確認できた。ここで、第１永久磁石11及び第２永久磁石12の大きさは、図１１に示す断面を10cm×20cmとし、第３永久磁石13及び第４永久磁石14の大きさは、図１１に示す断面を5cm×10cmとし、第５永久磁石15及び第６永久磁石16の大きさは、図８に示す断面を2cm×2cmとし、第１永久磁石11と第５永久磁石15との間及び第６永久磁石16と第２永久磁石12との間には、約3cmの間隔を設け、第１永久磁石11及び第２永久磁石12の残留磁束密度を1.38Ｔ、第３永久磁石13及び第４永久磁石14の残留磁束密度を1.05Ｔ、角度αの大きさを16.5°、第５永久磁石15及び第６永久磁石16の残留磁束密度を0.06Ｔとした。

図１３は、図１２におけるＸ＝０でＺ軸方向の磁束密度の大きさを示している。図１４は、図１２におけるＺ＝5.75cm，6.0cm，6.25cmでのＸ＝０からＸ軸方向での磁束密度の大きさを示している。図１３と図１４から、第１〜４永久磁石11〜14の一方の端縁である主面10aの裏面から約６cm程度ところに、磁束密度の均一なターゲット領域Ｔが形成できていることがわかる。

特に、-1.0cm＜Ｘ＜1.0cmで、5.75cm＜Ｚ＜6.25cmのターゲット領域Ｔにおける均一度は92ppmであった。すなわち、例えば、目や耳あるいは歯などの部位の観察を核磁気共鳴装置で行うという目的のために必要となる領域において100ppmという均一度の領域を生成することができ、この磁界生成器A2、及び第１実施形態の磁界生成器A1を核磁気共鳴装置の磁化生成器として用いることができる。

ここで、磁化生成器では、第１〜６永久磁石11〜16を、図１５に示すように、図１及び図１１における断面方向に長手状とした永久磁石としてもよいし、図１６に示すように、それぞれ所定長さとした第１〜６永久磁石11〜16を、図１５における長手方向に沿って連ねて配置してもよい。

このように、磁化生成器では、それぞれ連ねて擬似的に長手状とした第１〜６永久磁石11〜16を用いることにより、長手方向における磁界の不均一性を解消して、長手方向にも均一な磁界を生成できる。

また、磁化生成器では、図１５及び図１６に示すように、平面視においてそれぞれ矩形体形状に形成した第１〜６永久磁石11〜16を用いる場合だけでなく、図１７に示すように、主面10aに向けて円形状に整形した第１〜６永久磁石11'〜16'を用いてもよい。

すなわち、図１７に示すように、基準方向に沿って、第１永久磁石11'、第５永久磁石15'、第３永久磁石13'、第４永久磁石14'、第６永久磁石16'、第２永久磁石12'の順で並べた第１〜６永久磁石11'〜16'は、主面10a側の側面が全体として円形となるように、側面を所定の湾曲形状としてもよい。

さらには、図１８に示すように、磁化生成器では、第１永久磁石11と第２永久磁石12とを、一体的な円筒形状とした円筒形永久磁石17"で構成し、この円筒形永久磁石17"の空洞状の中央部に、それぞれ横断面半円形状の半円柱体形状とした第３永久磁石13"と第４永久磁石14"とを配置し、第３永久磁石13"の外周面に沿って半円弧形状の第５永久磁石15"を配置するとともに、第４永久磁石14"の外周面に沿って半円弧形状の第６永久磁石16"を配置してもよい。

この場合においても、一体的な円筒形永久磁石17"は基準方向に沿って磁化し、第３永久磁石13"及び第４永久磁石14"の磁化の方向は、それぞれ基準方向とのなす角αの角度を10.8°とし、第５永久磁石15"の磁化の方向はターゲット領域Ｔ側に向けて磁化するとともに、第６永久磁石16"の磁化の方向は第５永久磁石15"の磁化の方向と反対向きとすることが望ましい。

また、変容例として、図１９に示すように、磁化生成器では、円筒形永久磁石17"の代わりに四角筒形永久磁石27を用いてもよい。

さらに、四角筒形永久磁石27の空洞状の中央部には、それぞれ矩形体形状とした第３永久磁石23と第４永久磁石24とを配置し、第３永久磁石23の外周面に沿ってＵ字状に屈曲した第５永久磁石25を第３永久磁石23の外周面に配置するとともに、第４永久磁石24の外周面に沿ってＵ字状に屈曲した第６永久磁石26を第４永久磁石24の外周面に配置してもよい。

特に、第３永久磁石23は、基準方向と平行とした対称面に対して鏡面対称とした２つの永久磁石23-1,23-2で構成し、第４永久磁石24は、基準方向と平行とした対称面に対して鏡面対称とした２つの永久磁石24-1,24-2で構成している。なお、本実施形態では、第３永久磁石23を構成する２つの永久磁石23-1,23-2の当接面、及び第４永久磁石24を構成する２つの永久磁石24-1,24-2の当接面が対称面である。第３永久磁石23を構成する２つの永久磁石23-1,23-2は、必ずしも当接面で当接している必要はなく、所定の間隔を有していてもよく、同様に、第４永久磁石24を構成する２つの永久磁石24-1,24-2も、必ずしも当接面で当接している必要はなく、所定の間隔を有していてもよい。

第３永久磁石23を構成する２つの永久磁石23-1,23-2は、第３永久磁石23及び第４永久磁石24の平面視である図２０に示すように、基準方向と平行な第１成分M1の磁化成分を有するとともに、対称面と直交する方向で、かつ対称面に向けた第１直交成分C1の磁化成分を有している。

第４永久磁石24を構成する２つの永久磁石24-1,24-2は、第３永久磁石23及び第４永久磁石24の平面視である図２０に示すように、基準方向と平行な第１成分M1の磁化成分を有するとともに、対称面と直交する方向で、かつ対称面とは反対方向に向けた第２直交成分C2の磁化成分を有している。

このように第３永久磁石23を２つの永久磁石23-1,23-2で構成するとともに、第４永久磁石24を２つの永久磁石24-1,24-2で構成することにより、ターゲット領域における均一度の向上を図ることができる。

ここで、四角筒形永久磁石27は基準方向に沿って磁化し、第３永久磁石23及び第４永久磁石24の磁化の方向は、それぞれ基準方向とのなす角αの角度を10.8°とし、第５永久磁石25の磁化の方向はターゲット領域側の方向し、第６永久磁石26の磁化の方向は第５永久磁石25の磁化の方向と反対方向とすることが望ましく、図２１に示すように四角筒形永久磁石27の中心を通る断面での各永久磁石23,24,25,26,27の磁化方向が、図５に示す各永久磁石11,12,13,14,15,16の磁化方向と同じとなるようにすることが望ましい。

さらには、四角筒形永久磁石27の代わりに、図２２に示すように、第１永久磁石21を、基準方向と平行とした対称面に対して鏡面対称とした２つの永久磁石21-1,21-2で構成し、第２永久磁石22を、対称面に対して鏡面対称とした２つの永久磁石22-1,22-2で構成し、さらに、第１永久磁石21を構成する２つの永久磁石21-1,21-2は、それぞれ対称面と直交する方向で、かつ対称面に向けた磁化成分を有し、第２永久磁石22を構成する２つの永久磁石22-1,22-2は、それぞれ対称面と直交する方向で、かつ対称面とは反対方向に向けた磁化成分を有するようにしてもよい。

このように、第１永久磁石21を２つの永久磁石21-1,21-2で構成し、第２永久磁石22を２つの永久磁石22-1,22-2で構成することにより、永久磁石を小型化することができ、製造コストの低減を図ることができる。

前述した磁界生成器A2において、第３〜６永久磁石13〜16は、必ずしも主面10aの裏面に当接させている必要はなく、主面10aの裏面から所定間隔だけ離隔させてもよい。特に、磁界生成器A2を核磁気共鳴装置として用いる場合には、主面10aの裏面から離隔させた第３〜６永久磁石13〜16と主面10aとの間に核磁気共鳴装置の受信コイルあるいは送信コイルを配設することにより、核磁気共鳴装置のコンパクト化を図ることができる。

すなわち、図２３に示す核磁気共鳴装置用の磁界生成器A3では、ケーシング10の主面10aの裏面と第３〜６永久磁石13〜16との間に受信コイル18を配設するとともに、ケーシング10内に送信コイル19を配設して、よりコンパクトな核磁気共鳴装置としており、磁界生成器A3は、図示しないスタンドに装着している。

磁界生成器A3では、６つまたは４つの永久磁石を用いて均一な磁束密度のターゲット領域Ｔを生成できるので、比較的軽量な磁化生成器とすることができ、比較的簡素なスタンドに装着して使用できるので、安価であって、取り扱い性の良好な核磁気共鳴装置とすることができる。

しかも、この磁化生成器A3で生成される磁界も、主面10aと平行な方向の磁束密度となるので、核磁気共鳴装置における信号の検出感度を向上させることもできる。

本発明の磁界生成器及びこの磁界生成器を備えた核磁気共鳴装置では、開磁路の磁気回路であって、より均一で安定的な磁束密度の領域を形成可能な磁界生成器を提供できるので、核磁気共鳴装置として適用することにより、所要の信号の検出精度が高く、高精度の検査が可能な核磁気共鳴装置を提供可能とすることができる。

特に、磁界生成器をコンパクトに構成することができるので、低コスト化を図るとともに、可搬性を向上させることができ、目、耳、鼻、歯などの体の表面に比較的近い部位の観察に用いるだけでなく、コンクリート構造物などの構造物の非破壊検査、あるいは地中内の検査に用いることができ、特に、プラスチック製の地雷の検出が可能であって、従来の金属探知機では検出不可能な物体の検出を可能とすることができる。

Claims (12)

1. ケーシング内に収容した複数の永久磁石で、前記ケーシングの表面から離隔した所定位置に均一な大きさとした磁束密度の領域を生成する開磁路型の磁界生成器であって、
   前記領域における磁束密度の方向と逆方向となる基準方向に磁化の方向を向けるとともに、この基準方向に所定の間隔を隔てて順次配置した第１の永久磁石と第２の永久磁石と、
   前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石との間に、前記基準方向に沿って互いに接してまたは所定の間隔を隔てて順次配置した第３の永久磁石と第４の永久磁石と
   を備え、
   前記第３の永久磁石の磁化の方向は、前記基準方向と平行な第１成分と、前記第１の方向と直交して前記領域側に向けた第２成分とを有する方向とし、
   前記第４の永久磁石の磁化の方向は、前記第１成分と、前記第２成分の向きと逆向きで前記第２成分と同じ大きさとした反転第２成分とを有する方向とした磁界生成器。
2. 前記第３の永久磁石と前記第４の永久磁石は、磁性材が存在しない非磁性材領域を有し、この非磁性領域の大きさを調整した後に、前記磁性材を所定の強さの外部磁場で飽和残留磁束密度に着磁することにより、見かけ上の残留磁束密度を調整した永久磁石であることを特徴とする請求項１記載の磁界生成器。
3. 前記非磁性領域の大きさの調整は、前記永久磁石に形成した穿孔若しくはスリットの大きさ、数、深さの少なくともいずれか一つによる調整であることを特徴とする請求項２記載の磁界生成器。
4. 前記非磁性領域の大きさの調整は、前記第３の永久磁石及び前記第４の永久磁石の体積と比較して十分小さい塊状とした複数の永久磁石と非磁性材とを混合し、所定形状に一体化して形成した永久磁石における前記塊状の永久磁石と前記非磁性材との配合比の調整であることを特徴とする請求項２記載の磁界生成器。
5. 前記非磁性領域の大きさの調整は、複数の永久磁石ブロックと、この永久磁石ブロックと同一形状とした複数の非磁性体ブロックとを一体的に接合して形成した永久磁石における前記永久磁石ブロックと前記非磁性体ブロックとの含有比率の調整であることを特徴とする請求項２記載の磁界生成器。
6. 前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石は、筒形状とした一つの筒形永久磁石で一体的に形成し、
   この筒形永久磁石の空洞状の中央部に、２つの前記第３の永久磁石と、２つの前記第４の永久磁石とを、前記第３の永久磁石どうし及び前記第４の永久磁石どうしを、前記筒形永久磁石の中心を通り、前記基準方向と平行とした対称面に対して鏡面対称にそれぞれ配置するとともに、
   前記第３の永久磁石の前記対称面側に第１の内側永久磁石をそれぞれ設けるとともに、この第１の内側永久磁石の前記第３の永久磁石を挟んで反対側に第１の外側永久磁石をそれぞれ設け、
   前記第４の永久磁石の前記対称面側に第２の内側永久磁石をそれぞれ設けるとともに、この第２の内側永久磁石の前記第４の永久磁石を挟んで反対側に第２の外側永久磁石をそれぞれ設け、
   前記第１の内側永久磁石の磁化の方向を前記第２成分の向きとし、前記第１の外側永久磁石の磁化の方向を前記第２成分の逆向きとし、前記第２の内側永久磁石の磁化の方向を前記第２成分の逆向きとし、前記第２の外側永久磁石の磁化の方向を前記第２成分の向きとしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁界生成器。
7. 前記第１の永久磁石と前記第３の永久磁石との間に、磁化の方向を、前記基準方向と平行または反平行な第３成分と、前記基準方向と直交して前記領域側に向けた第４成分との合成方向とする第５の永久磁石を設けるとともに、
   前記第２の永久磁石と前記第４の永久磁石との間に、磁化の方向を、前記第３成分と、前記第４成分の向きと逆向きで前記第４成分と同じ大きさとした反転第４成分との合成方向とする第６の永久磁石を設けた
   ことを特徴とする請求項２記載の磁界生成器。
8. 前記第１の永久磁石と前記第３の永久磁石との間に、磁化の方向を、前記第２成分と平行とする第５の永久磁石を設けるとともに、
   前記第２の永久磁石と前記第４の永久磁石との間に、磁化の方向を、前記反転第２成分と平行とする第６の永久磁石を設けた
   ことを特徴とする請求項２記載の磁界生成器。
9. 前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石とは、筒形状とした一つの筒形永久磁石で一体的に形成し、
   この筒形永久磁石の空洞状の中央部に前記第３の永久磁石と前記第４の永久磁石とを配置したことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の磁界生成器。
10. 前記第１の永久磁石は、前記基準方向と平行とした対称面に対して鏡面対称とした２つの永久磁石で構成するとともに、この２つの永久磁石はそれぞれ前記対称面と直交する方向で、かつ前記対称面に向けた磁化成分を有し、
    前記第２の永久磁石は、前記対称面に対して鏡面対称とした２つの永久磁石で構成するとともに、この２つの永久磁石はそれぞれ前記対称面と直交する方向で、かつ前記対称面とは反対方向に向けた磁化成分を有することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の磁界生成器。
11. 前記第３の永久磁石は、前記基準方向と平行とした対称面に対して鏡面対称とした２つの永久磁石で構成するとともに、この２つの永久磁石はそれぞれ前記対称面と直交する方向で、かつ前記対称面に向けた磁化成分を有し
    前記第４の永久磁石は、前記対称面に対して鏡面対称とした２つの永久磁石で構成するとともに、この２つの永久磁石はそれぞれ前記対称面と直交する方向で、かつ前記対称面とは反対方向に向けた磁化成分を有することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の磁界生成器。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の磁化生成器を備えた核磁気共鳴装置。

Images