JPH10174681A - 永久磁石磁気回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 高磁場均一度、低渦電流、低残留磁化の磁気
特性値を満たす事のできる磁石対向型永久磁石磁気回路
を提供する。 【解決手段】 空隙を介して一対の永久磁石が対向し、
該空隙側表面に整磁作用を有する整磁板とコイルを配置
し、該永久磁石を継鉄にて結合してなる磁石対向型永久
磁石磁気回路において、該整磁板の構造が少なくとも３
つ以上の複数の磁性材の積層よりなり、該空隙側から見
て相対的に飽和磁化が低く電気抵抗の高い材料から、徐
々に飽和磁化が高く電気抵抗の低い材料に変化し、少な
くとも３層以上の積層構造を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は永久磁石磁気回路に
関するものであり、永久磁石型ＭＲＩ装置のバイアス磁
場発生用に用いて最適である。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石磁気回路をバイアス磁場発生用
マグネットとして用いたＭＲＩは、磁場発生のため電磁
石のように電力や冷却水などのランニングコストが必要
なく、超電導マグネットのように液体ヘリウムの補給も
必要ないため、維持管理が楽で非常に使用しやすい装置
である。ただし、永久磁石型マグネットによる磁場強度
は超電導マグネットほど高くできないため、相補的に用
いられる。永久磁石型マグネットとしては、磁石対向型
と、ダイポールリング型が良く知られている。ダイポー
ルリング型は本質的に永久磁石のみにより構成されてい
るので、磁石構成が簡素化でき、全体重量も小さくする
ことができる。しかし、磁石対向型と比較したとき、空
隙磁場強度 0.2Ｔ前後まではダイポールリング型の方が
永久磁石の使用重量が多く、コスト面で不利になる。ま
た、ダイポールリング型は円筒マグネット内部の空間を
使用するため、磁石対向型と比較したとき、開放性の点
で劣っている。これらの点から、現在では磁石対向型の
方が主に用いられている。

【０００３】磁石対向型マグネットの概略構成は図２に
示されている。磁石対向型では空隙１４を介して永久磁
石１５を対向させ、磁場均一性を得るために、永久磁石
の空隙側表面に整磁板１６と呼ばれる軟磁性ヨークが設
けられる。整磁板の一般的形状は円盤状で、外周部に環
状の突起１７（第１シムまたはローズシム）を有し、凹
部にも必要に応じて段差を設けている。外周部の第１シ
ム１７は、空隙空間における均一領域の赤道部の磁場均
一性を得るため必要である。また、該整磁ヨーク１６の
更に空隙側表面に勾配コイル１８が配置されている。該
勾配コイルには矩形波状のパルス電流が印加され、空隙
空間内に短時間の間、線形の勾配磁場を発生させること
を目的としている。該勾配コイルによるパルス磁場と磁
性整磁板の相互作用が、磁石対向型マグネットの性能を
左右する大きな原因の一つとなる。相互作用には二つの
側面があり、一つはパルス磁場により整磁板に発生する
渦電流であり、もう一つはパルス磁場による整磁板の着
磁である。整磁板に発生する渦電流、残留磁化ともに、
均一空間の磁場均一性（または磁場勾配の線形性）を乱
すことが問題である。前者の渦電流に対する対策は明確
で、整磁板の材質の電気抵抗を高めるか、整磁板構造に
より実効的な整磁板の電気抵抗を高くすればよい。高電
気抵抗化材質には軟磁性フェライトのような絶縁体に近
い材質が適しており、構造による高電気抵抗化には、鉄
薄板や珪素鋼板薄板積層構造が適している。もちろん、
薄板間は何等かの形で絶縁されていなければならない。

【０００４】より対策が困難なのは後者（以下では残留
磁化と呼ぶ）である。整磁板材質は整磁作用を持たせる
ため、軟磁性でなくてはならない。しかし、磁性材料で
ある限り、磁場印加により磁化はヒステリシス上を動く
ため、程度の差はあれ、パルス磁場による整磁板の着磁
は避けられない。これを低減するため様々な提案がなさ
れている。特開昭６３−２５９０７号公報、特開平４−
２３４１１号公報には軟磁性フェライトを使用すること
が提案されており、特開昭６１−２０３６０５号公報、
特開昭６３−２４１９０５号公報、特開平１−３０４７
０９号公報、特開平２−２６０３号公報には珪素鋼板を
使用することが提案されている。また、特開平４−８２
５３６号公報、特開平５−１８２８２１号公報、特開平
６−２５１９３０号公報には、珪素鋼板と鉄ヨークを併
用した構造の整磁板が提案されており、それぞれ残留磁
化低減の効果がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上の磁場均一性、渦
電流、残留磁化の三つの磁場仕様を両立させるのは容易
ではない。例えば、渦電流と残留磁化の仕様を満たすた
めフェライトを使用した場合、フェライトの飽和磁化が
低いため、磁場均一性が満たされない。磁場均一性と渦
電流の仕様を満たすため、珪素鋼板を使用した場合、軟
磁性の程度がフェライトより低いため、必ずしも残留磁
化の仕様は満足されない。鉄板では磁場均一性は満たさ
れるが、その他の項目は満足されない。フェライト、珪
素鋼板（軟磁性薄帯）、鉄板を積層することも提案され
ているが（特開平５−１８２８２１号公報参照）実際は
フェライトと磁性薄帯のような異種材料を積層すること
は容易ではなく、実現されていない。残留磁化低減対策
として、整磁板材質・構造による改良とは異なり、整磁
板中に勾配磁束が侵入しないようにするのが有効で、渦
電流と残留磁化の問題を改善することも行われている。
勾配コイルと整磁板との間に打ち消しコイルを設ける
か、高伝導性非磁性板（Al板、Cu板）を設けることによ
り整磁板に勾配磁束を侵入させないようにする。この方
法の欠点は、同一強度の勾配磁場を印加するためには、
大きなパルス電流を印加する必要があることである。な
ぜなら、勾配コイルと軟磁性整磁板の磁気的な結合がな
くなるので、磁場のエンハンス効果がないためである。
また、高伝導性非磁性板による勾配磁束の整磁板侵入遮
断では、大きな渦電流が非磁性板に流れるため、何らか
の渦電流補正を電気回路上でソフト的に行う必要が生
じ、システムが複雑になる。以上述べたように、ＭＲＩ
用磁石対向型磁気回路の整磁板の構造・材質は、マグネ
ット仕様を満たすための最重要な部材であるにも拘ら
ず、必ずしも全ての仕様を満たす事ができていなかっ
た。磁場均一度、渦電流、残留磁化の全ての仕様を満足
する整磁板構造と材質が望まれている。本発明は、高磁
場均一度、低渦電流、低残留磁化の磁気特性値を満たす
事のできる磁石対向型永久磁石磁気回路を提供するもの
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、空隙
を介して一対の永久磁石が対向し、該空隙側表面に整磁
作用を有する整磁板とコイルを配置し、該永久磁石を継
鉄にて結合してなる磁石対向型永久磁石磁気回路におい
て、該整磁板の構造が少なくとも３つ以上の複数の磁性
材の積層よりなり、該空隙表面側から見て相対的に飽和
磁化が低く電気抵抗の高い材料から、徐々に飽和磁化が
高く電気抵抗の低い材料に変化し、少なくとも３層以上
の積層構造を有することを特徴とするものである。以下
に、これをさらに詳述する。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は、高磁場均一度、低渦電
流、低残留磁化の磁気特性値を満たす磁石対向型永久磁
石磁気回路、取り分け該磁場仕様を満足するための整磁
板構造と材質に関するものである。さらに本発明の整磁
板は、該整磁板を構成する異なる各材質の、フェライト
と薄板、薄板と鉄板の間が、それぞれ２種以上の方法に
より固着されてなる。添付の図面を参照して、本発明の
実施の形態を説明する。本発明の整磁板は、構造が３つ
以上の磁性材の積層よりなり、該空隙表面側から見て相
対的に飽和磁化が低く電気抵抗の高い材料から、徐々に
飽和磁化が高く電気抵抗の低い材料に変化し、少なくと
も３層以上の積層構造を有する。より具体的には、例え
ば図１に示すように、空隙表面４側から軟磁性フェライ
ト１、軟磁性薄板２、鉄板３の積層構造を有するハイブ
リッド構造をなしている。なお図１において、８は勾配
コイル、７は環状突起を示す。環状突起は軟磁性材であ
ればよい。

【０００８】軟磁性フェライトは電気抵抗が高く軟磁性
であるので、パルス勾配磁場を印加した時、整磁板に渦
電流が流れるのを抑制することができる。また、軟磁性
であるので、コイルと整磁板の磁気的な結合が生じて、
コイルのみの場合より勾配磁場をエンハンスできると共
に、低い残留磁化値を実現できる。結果として、少ない
パルス電流で目的の磁場勾配を達成でき、磁場勾配の線
形性が渦電流や残留磁化で乱される事は少ない。軟磁性
フェライトとしては、MnZnフェライト、NiZnフェライト
などがあるが、より飽和磁化の高いMnZnフェライトの方
が、パルス勾配磁束による飽和が生じにくく、飽和磁化
としては5500Ｇ以上が、保磁力は0.1 Ｏｅ以下が望まし
い。飽和磁化が5500Ｇより低いと、永久磁石の磁束によ
る飽和が生じて、磁場均一性が得られにくくなる。保磁
力が0.1 Ｏｅより大きいと、勾配磁場を印加した時の残
留磁化が大きくなるため、好ましくない。

【０００９】中間の軟磁性薄帯は、永久磁石によるバイ
アス磁束と勾配コイルによるパルス勾配磁束の両方の磁
束の通り道として寄与している。軟磁性薄帯としては、
珪素鋼板、アモルファス軟磁性薄帯（Fe系やCo系）、パ
ーマロイ薄帯、軟磁性鉄板・鉄合金などが用いられる。
軟磁性薄帯は永久磁石によるバイアス磁束の通り道とし
て作用し、その軟磁性により空隙中の評価空間内の磁場
均一性を向上させる。より具体的には第１シムへのバイ
アス磁束の通り道として働く。一方、パルス勾配磁場を
印加した時、勾配磁束は軟磁性フェライトを主に通る
が、ある一定割合は深さ方向に侵入して、中間層の軟磁
性薄帯中を通る。このため軟磁性フェライト程ではない
が、軟磁気特性とバイアス磁束の通り道として高い飽和
磁化が要求される。また、パルス勾配磁場の影響がある
ため、薄帯を積層する時、薄帯間は絶縁されていなけれ
ばならない。これら両方の要求を満足するのは、既に列
挙したような金属系の軟磁性薄帯である。該両特性を満
たすため、飽和磁化 12000Ｇ以上、保磁力0.5 Ｏｅ以下
が望ましい。それ以外の特性領域の磁性材料では、バイ
アス磁束と勾配磁束の両方の要求を満たす事ができな
い。

【００１０】永久磁石に接した鉄板にはパルス勾配磁場
の影響は及ばないので、バルク形状でよい。また、フェ
ライトや磁性薄帯を保持する役割があるためにもバルク
形状は必要である。磁気的には、永久磁石によるバイア
ス磁束の通り道として働くため、飽和磁化が高く（1800
0 Ｇ以上）、軟磁気特性（保磁力が５Ｏｅ以下）を有す
る純鉄や低炭素鋼が望ましい。この範囲以外であると、
バイアス磁束がより多くフェライトや磁性薄板層を流れ
るため、望ましくない。FeCo合金なども使用可能である
が、値段が高いためと加工が難しいため、あまり望まし
くはない。

【００１１】フェライト、軟磁性薄帯、バルク鉄板の複
数材料よりなるハイブリッド整磁板は、既に知られてい
る材料を組み合わせたものであるが、これらの異種複数
材料を一体化する事は容易ではない。接着剤で全て固着
する事が最も簡便であるが、接着剤は長期安定性が必ず
しも十分といえない。本用途では、整磁板のフェライト
や薄帯は扁平形状であるため絶えず磁場による回転トル
クを感じているため、接着剤の長期信用性がより問題と
なる。一方、ボルト・ナットにより締結すれば機械的信
頼性は大幅に向上する。しかし、フェライトはセラミッ
クなのでボルト締結による局所応力のため破損の可能性
が否定できず、信頼性に問題が残る。また、ボルトやナ
ットが局所的に渦電流を生じ、渦電流補正が難しくな
る。電気・ガス溶接などは温度上昇とセラミック／金属
の固着には適さないため、使用できない。このようにセ
ラミックと金属系の異種複数材料の組み合わせは机上で
の検討はともかく、現実にはかなり困難である。

【００１２】本発明は、整磁板におけるセラミックと金
属系の異種複数材料の組み合わせを実現するため、複数
の固着方法を組み合わせて一体化するものであり、取り
分け軟磁性フェライトと軟磁性金属薄帯の間を、接着剤
と超音波接合を組み合わせて一体化する事を提案するも
のである。セラミックと金属との接合には、ロウ付けや
拡散接合なども有り得るが、軟磁性フェライトに高温を
印加すると磁気特性が変化するため好ましくない。この
ため、温度が上がりにくく異種材料の接合に優れた超音
波接合が望ましい。また、超音波接合のみでは全面を固
着できないので、接着剤と組み合わせる事により、信頼
性が著しく向上する。接着剤はエポキシ系が接着強度と
対候性に優れており望ましいが、シリコーン系も対候性
に優れ柔軟性も有しているので使用できる。磁性薄帯同
士はカシメたりネジによる締結を利用すればよく、接着
剤や端面溶接を利用すればより信頼性が向上する。鉄板
と磁性薄帯間の固着もネジと接着剤を併用すればよい。
もちろん、更に超音波接合なども併用する事は可能であ
る。磁性薄帯や鉄板にネジ・ボルトが使用できるのは、
パルス勾配磁場の侵入が少ないかほとんどないため、渦
電流の影響が少ないためである。

【００１３】フェライト、磁性薄帯、鉄板の各層の厚み
の比率は、バイアス磁場強度やパルス磁場強度に依存す
るため、一概には言えない。一般的には、バイアス磁場
強度が高い時は、鉄板・磁性薄帯を相対的に厚くし、ま
たパルス勾配磁場の勾配が強く、勾配磁束が多い時はフ
ェライト層・磁性薄帯層を厚くする必要がある。フェラ
イト及び鉄板の厚みは特に限定されないが、磁性薄帯１
枚の厚みは、渦電流抑制の理由から、0.5 mm以下が望ま
しい。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を以下に示す。 実施例 図１のように、勾配コイル８を配置し、環状突起７を有
する整磁板の材質や構造が３種の磁性材の積層よりな
り、空隙４側よりフェライト１、磁性薄板２（0.5 mmの
積層）、鉄板３の積層構造を有する該整磁板を構成し
た。フェライトとしては飽和磁化5500Ｇ、保磁力0.05Ｏ
ｅを有する軟磁性材MnZnフェライト、磁性薄板としては
飽和磁化 15000Ｇ、保磁力0.3 Ｏｅで 0.5mmの厚みを有
する珪素鋼板薄板、鉄板は飽和磁化 20000Ｇ、保磁力４
Ｏｅの低炭素鋼とした。さらに、該整磁板を構成するフ
ェライトと磁性薄板の間をエポキシ系接着剤と超音波接
合、磁性薄板同士の間をカシメ、鉄板と磁性薄板の間を
ボルト締結とエポキシ系接着剤で固着する事により、磁
気特性仕様（2000Ｇ、均一空間φ400で磁場均一度 50pp
m以下、残留磁化変化 10ppm以内）を満足する磁石対向
型永久磁石磁気回路を実現することができた。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、磁場均一性、渦電流、
残留磁化を仕様の範囲に収め、両立させる事が可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の永久磁石磁気回路の実施例を示す整磁
板の縦断面概略図である。

【図２】従来の磁石対向型永久磁石磁気回路の斜視概略
図である。

【符号の説明】

１ ‥‥‥‥ フェライト ２ ‥‥‥‥
軟磁性積層薄板 ３ ‥‥‥‥ 鉄板 ４、１４ ‥
‥空隙 ７、１７ ‥‥環状突起 ８、１８ ‥
‥勾配コイル １６‥‥‥‥ 整磁板（磁性ヨーク） １５ ‥‥‥
磁石 １９ ‥‥‥ 継鉄

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空隙を介して一対の永久磁石が対向し、
   該空隙側表面に整磁作用を有する整磁板とコイルを配置
   し、該永久磁石を継鉄にて結合してなる磁石対向型永久
   磁石磁気回路において、該整磁板の構造が少なくとも３
   つ以上の複数の磁性材の積層よりなり、該空隙表面側か
   ら見て相対的に飽和磁化が低く電気抵抗の高い材料か
   ら、徐々に飽和磁化が高く電気抵抗の低い材料に変化
   し、少なくとも３層以上の積層構造を有することを特徴
   とする永久磁石磁気回路。
2. 【請求項２】 請求項１の記載において、該整磁板を構
   成する材料が、空隙側より、フェライト、磁性薄板、鉄
   板で、フェライトは飽和磁化5500Ｇ以上、保磁力0.1 Ｏ
   ｅ以下を有する軟磁性材、磁性薄板は飽和磁化12000 Ｇ
   以上、保磁力0.5 Ｏｅ以下で0.5 mm以下の厚みを有する
   軟磁性薄板材、鉄板は飽和磁化18000Ｇ以上、保磁力５
   Ｏｅ以下の低炭素鋼か純鉄で、該整磁板を構成する各材
   料間は２種以上の方法で固着されている永久磁石磁気回
   路。