KR20040018955A - 자장균일화 방법 및 장치 및 자장발생 장치 - Google Patents

Abstract

자장을 능률적으로 균일화할 목적으로, 서로 대향하는 1쌍의 자극면 사이의 공간에 발생되는 자장의 강도분포를 균일화하는 경우, 자장의 강도분포를 균일화 하기 위한 자성 소자가 마련되는 평면에 대하여, 자장의 강도분포를 균일화 하기 위한 연속적인 자화분포가 결정되고(단계(301 내지 307)), 자화분포에 기초하여 자성 소자를 배치한다(단계(309)). 자화분포는 직교함수의 다항식으로 결정된다. 다항식은 최적화 방법에 의해 결정된다. 최적화 방법은 최소제곱법이다.

Description

자장균일화 방법 및 장치 및 자장발생 장치{MAGNETIC FIELD HOMOGENIZING METHOD AND APPARATUS, AND MAGNETIC FIELD GENERATING APPARATUS}

본 발명은 자장 균일화 방법 및 장치 및 자장발생 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로, 서로 대향하는 1쌍의 자극면(pole surface) 사이의 공간에 발생되는 자장의 강도분포를 균일화하는 방법 및 장치, 그리고 서로 대향하는 1쌍의 자극면 사이의 공간에 균일한 자장을 발생시키는 장치에 관한 것이다.

서로 대향하는 1쌍의 자극면 사이의 공간에 균일한 자장을 발생하는 종래의 장치에 있어서는, 자극면 상에 평행하게 마련된 평판상에 배치한 자성 소자에 의해서 자장의 강도분포를 정교하게 조정하여 원하는 균일도를 얻는다. 평판상에서 자성 소자가 배치될 수 있는 위치는 미리 고정되어 있고, 그 위치에 어떤 자성 소자를 배치할지는 시행 착오를 통해 결정된다.

종래의 방법은 시행 착오가 되풀이되기 때문에, 비능률적이다.

그러므로, 본 발명의 목적은 능률적으로 자장을 균일화하는 방법 및 장치, 및 자장균일화가 능률적으로 이루어지는 자장발생 장치를 제공하는 것이다.

(1) 앞서 언급한 문제를 해결하기 위한 하나의 관점에서의 본 발명은 서로 대향하는 1쌍의 자극면 사이의 공간에 발생되는 자장의 강도분포를 균일화하는 자장 균일화 방법이고, 이 방법은 자장의 강도분포를 균일화하기 위한 자성소자가 배치된 평면에 대하여, 자장의 강도분포를 균일화하기 위한 연속적인 자화분포를 결정하는 단계와, 자화분포에 근거하여 평면에 자성 소자를 배치하는 단계를 포함한다.

(2) 앞서 언급한 문제를 해결하기 위한 다른 관점에서의 본 발명은 서로 대향하는 1쌍의 자극면 사이의 공간에 발생되는 자장의 강도분포를 균일화하는 자장 균일화 장치이고, 이 장치는 자장의 강도분포를 균일화하기 위한 자성소자가 배치되는 평면에 대하여, 자장의 강도 분포를 균일화하기 위한 연속적인 자화분포를 결정하는 계산 수단과, 자화분포에 근거하여 평면에 자성 소자를 배치하는 배치 수단을 포함한다.

(3) 앞서 언급한 문제를 해결하기 위한 또 다른 관점에서의 본 발명은 서로 대향하는 1쌍의 자극면 사이의 공간에 자장을 발생하는 자장발생 장치이고, 이 장치는 자성 소자가 배치될 평면과, 상기 공간에서의 자장의 강도분포를 균일화하도록 결정된 평면상의 연속적인 자화분포에 근거하여 상기 평면에 배치된 자성 소자를 포함한다.

각 관점에서의 본 발명에 있어서, 자장의 강도분포를 균일화하기 위한 자성 소자가 배치된 평면에 대하여, 자장의 강도분포를 균일화하기 위한 연속적인 자화분포가 결정되고, 또한 자성 소자는 자화분포에 근거하여 배치되기 때문에, 자장은 능률적으로 균일화될 수 있다.

자화분포는 바람직하게 직교함수의 다항식으로서 결정되어 연속적인 자화분포는 능률적으로 결정될 수 있다.

다항식은 바람직하게 최적화 방법에 의해 결정되어 최적의 다항식이 결정될 수 있다.

최적화 방법은 바람직하게 최소 제곱법이어서 최적화는 능률적으로 실행될 수 있다.

자성 소자의 배치는 이산화된(discretized) 자화분포에 근거하여 실행되어 자성 소자는 적절하게 배치될 수 있다.

평면은 바람직하게 자극면이어서 공간의 효율성은 개선될 수 있다.

그러므로, 본 발명은 자장을 능률적으로 균일화하는 방법 및 장치, 및 자장 균일화가 능률적으로 이루어지는 자장발생 장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적 및 장점은 후속하는 첨부한 도면에 예시된 본 발명의 바람직한 실시예의 설명으로부터 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예의 일례를 도시하는 도면,

도 2는 미소 자화에 의해서 DSV에 발생하는 자장을 도시하는 도면,

도 3은 시밍 방법을 나타내는 흐름도,

도 4는 연속적인 자화분포를 도시하는 도면,

도 5는 이산화된 자화분포를 도시하는 도면,

도 6은 심자석을 도시하는 도면,

도 7은 본 발명의 실시예의 일례의 블록도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

102 : 자석104 : 폴피스

202 : 수평요크204 : 수직요크

702 : 자화분포계산부704 : 자성 소자 배치부

본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1에 자장발생 장치의 구성을 단면도로 나타낸다. 본 장치는 본 발명의 일 실시예이다. 본 장치의 구성은 본 발명에 따른 자장발생 장치에 관한 실시예를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 본 장치는 1쌍의 수평 요크(yoke)(202) 및 1쌍의 수직 요크(204)를 갖는다. 수평 요크(202)는 대체로 판과 같은 외형을 갖는다. 도 1은 그 두께를 나타낸다. 수직 요크(204)는 대체로 원주형의 외형을 갖는다. 도 1은 그 두께를 나타낸다.

1쌍의 수평 요크(202)는 공간을 사이에 둬 서로 대향하도록 1쌍의 수직 요크(204)에 의해서 지지되어 있다. 요크들은 예컨대 연철과 같은 자성 재료로 구성되고, 그들은 결합하여 이하에서 설명하는 자석을 위한 자기 회로를 형성한다. 또, 1쌍의 수직 요크(204)는 어느 한쪽이 생략될 수 있다는 것을 인지해야 한다.

1쌍의 수평 요크(202)의 서로 대향하는 면에는 1쌍의 자석(102)이 각각 제공된다. 자석(102)은 대체로 원판과 같은 외형을 가진다. 도 1은 그 두께를 나타낸다. 1쌍의 자석(102)은 두께 방향으로 자화되어 동일한 극성을 가진다. 자석(102)으로서는 예를 들어 영구자석이 이용된다. 그러나, 자석(102)은 영구 자석에 제한되지 않고, 초전도 또는 상전도 전자석 등이 사용될 수 있다.

서로 대향하는 수평요크(202)의 제각각의 측면 상에 놓여있는 1쌍의 자석(102)의 자극에 1쌍의 폴피스(pole piece)(104)가 제공된다. 폴피스(104)는 예컨대 연철과 같은 자성재료로 구성되고, 자석(102)에 대한 자기 조절판으로서 역할을 한다. 이들 폴피스(104)도 원판과 같은 외형을 가지며, 도 1은 그 두께를 나타낸다.

폴피스(104)가 제공된 1쌍의 자석(102)은 공유 중심축(common conter axis)(106)을 갖는다. 1쌍의 폴피스(104)의 마주보는 표면은 본 장치의 1쌍의 자극면으로서 역할을 한다. 1쌍의 자극면은 서로 반대인 극성을 갖는다. 이들 자극 사이의 공간에 자장이 발생된다. 자장의 방향은 도 1에서 수직이다. 이 자장은 수직자장이라고도 불린다.

이 자장에 대하여 자장강도의 균일화가 행하여진다. 자장강도의 균일화는

시밍(shimming)이라고도 불린다. 시밍은, 자장강도의 공간적 분포가 자석 중심(magnet center) C를 중심으로 하는 소정의 직경의 구형 영역(DSV: diameter spherical volume) 내에서 균일하게 되도록 행하여진다.

이제 시밍의 방법에 대하여 설명한다. 이하에 말하는 시밍 방법은 본 발명의 일 실시예이다. 본 방법은 본 발명에 따른 자장균일화 방법에 관한 실시예를 나타낸다.

시밍은 예컨대 영구자석인 자성 소자를 이용한다. 자성 소자는 DSV에서의 자장의 불균일을 보정하도록 폴피스(104)의 종단면에 부착된다. 이하, 자성 소자를 심자석(shim magnet)이라고도 한다. 심자석은 본 발명에 따른 자성 소자의 실시예를 나타낸다. 폴피스(104)의 종단면은 본 발명에 따른 평면의 실시예를 나타낸다.

심자석을 폴피스(104)의 종단면에 부착하는 대신에, 폴피스(104)의 종단면 상에 마련된 전용의 지지판에 부착할 수 있다. 그러나, 그들은 공간 활용의 효율이 개선될 수 있도록 하기 위해 폴피스(104)의 종단에 직접 부착되는 것이 바람직하다. 이하, 심자석을 폴피스(104)의 종단에 부착하는 경우에 대해 설명하지만, 전용의 지지판에 부착하는 경우도 동일한 설명이 적용된다.

폴피스(104)의 종단면 상에 마련된 심자석의 자화에 의해 DSV에 발생하는 자장은 계산에 의해서 구할 수 있다. 구체적으로, 도 2에 도시하는 바와 같이, 폴피스(104)의 종단면 상의 한점 ρ에서의 미소 자화 dm에 의해 DSV의 표면의 한점 P에서 발생하는 자장을 Bzp로 나타낸 경우, 자장 Bzp는 다음식으로 주어진다.

(1)

(2)

여기서,

는 원점 O에서 점 P로 향하는 벡터이며,

는 원점 0에서 점 ρ으로 향하는 벡터이다. 원점 O는 폴피스의 중심에 정의된다는 것을 인지해야한다.

자장 Bzp를 일반적으로 다음과 같이 나타낸 경우,

(3)

폴피스의 종단면 상의 미소 자화의 분포 m(ρ)에 의해 점 P에서 발생하는 자장Bz(P)은 다음식에 의해서 계산할 수 있다.

(4)

여기서, r, θ, ψ는 점 P의 극좌표이며, r' 및 ψ'는 점 ρ의 극좌표이다. 또한, rO는 심자석이 배치되는 범위의 반경을 나타낸다.

시밍은 이러한 자장 Bz(P)에 의해서 점 P에서의 자장강도를 보정함으로써 달성된다. 다수의 점 P는 DSV의 표면 상에 정의된다. 또한, 점 P에서의 자장강도는 시밍 이전에 미리 측정된다.

도 3은 시밍의 흐름도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 단계(30l)에서, 자화분포 m(ρ)은 직교함수의 다항식으로 표현된다. 구체적으로,

(5)

(6)

이와 같은 직교함수의 다항식을 사용함으로써, m(ρ)는 연속함수가 된다.

다음에, 단계(303)에서, DSV의 각 점에서의 자장은 m(ρ)으로 표현되는 자화분포로부터 결정된다. 구체적으로, 자장 B(P1), B(P2),..., B(PM)은 DSV의 점 P1, P2,..., PM에서의 시밍 이전의 자장에 자화분포 m(ρ)으로부터의 자장을 더함으로써 결정된다. 또, 자화분포 m(ρ)에 의한 DSV 상의 점 P1, P2,..,, PM에서의 자장은 수학식(4)으로 주어진다.

다음에, 단계(305)에서, DSV의 자장과 균일자장 B0의 차의 자승합(square sum)이 결정된다. 구체적으로,

(7)

여기서, 균일자계 B0는 시밍의 목표값이다.

다음에, 단계(307)에서, L을 최소화하는 n, In, Qn은 최적화 알고리즘에 의해 결정된다. 최적화 알고리즘으로서는 예컨대 최소제곱법이 이용된다. 이것에 의해서, DSV를 균일자장 B0으로 하기 위한 최적의 자화분포 m(ρ)가 정밀하게 잘 주어진다.

이와 같이 결정된 자화분포 m(ρ)은 도 4에 예시적으로 도시된 바와 같이 연속함수이다. 직교함수의 다항식은 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 피크값을 가지는 연속분포를 표현하는 데 적절하다.

다음에, 단계(309)에서, m(ρ)을 이산화하고 심자석으로 대체한다. 구체적으로, 예컨대 도 5에 도시하는 바와 같이 자화분포 m(ρ)를 ρ축으로 따라 이산화하고, 이산화한 위치의 자화들에 대응하는 제각기의 자화를 가지는 심자석을 폴피스(104)의 종단면에 부착된다.

도 6에 예시적으로 도시된 바와 같이 상이한 자화를 갖는 복수 유형의 심자석(108a, 108b, ..., 108k)은 미리 준비되며, 원하는 자화는 바람직하게 이들 심자석들 중에서 선택 또는 조합함으로써 달성된다.

이와 같이 시밍을 위한 자화는 연속적인 분포로서 결정되고, 이를 이산화하고 심자석으로 교체하기 때문에, 인간의 시행 착오에 상관없이 능률적인 시밍이 이루어질 수 있다. 또한, 심자석을 부착하는 위치는 종래와 달리 미리 고정되어 있지 않고, 심자석은 자화분포에 따라 최적위치에 부착될 수 있어서, 시밍의 정밀도를 높일 수 있다.

도 7은 위에서 설명한 바와 같은 시밍을 달성하는 자기장 균일화 장치의 블록도를 도시하고 있다. 이 장치는 본 발명의 일 실시예이다. 본 장치의 구성은 본 발명에 따른 자장균일화 장치에 관한 일 실시예를 나타낸다.

도시하는 바와 같이, 본 장치는 자화분포 계산부(702) 및 자성 소자 배치부(704)를 갖는다. 자화분포 계산부(702)는 도 3에 나타낸 흐름도의 단계(301 내지307)를 실행한다. 자성 소자 배치부(704)는 도 3에 나타낸 흐름도의 단계(309)를 실행한다.

자화분포 계산부(702)는 예컨대 컴퓨터에 의해서 실현된다. 자성 소자 배치부(704)는 컴퓨터의 제어하에서 폴피스(104)의 종단면에의 심자석의 부착을 수행하는 로봇에 의해서 실현된다. 폴피스(104)의 종단면에의 심자석의 부착은 예컨대 접착제에 의해서 행하여진다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 기술 분야에서의 통상의 지식을 갖는 사람은 이들 실시예의 예에 대하여 본 발명의 기술적 범위를 벗어나지 않고서 여러가지의 변경이나 치환 등을 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위에는, 위에서 설명한 실시예뿐만아니라, 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시예가 포함된다.

본 발명의 다수의 상이한 실시예는 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고서 구성될 수 있다. 본 발명은 명세서에서 설명한 특정 실시예에 제한되지 않고, 첨부한 청구항에서 정의된다는 것을 이해해야한다.

본 발명에 의하면, 자장의 강도분포를 균일화하기 위한 자성 소자가 배치된 평면에 대하여, 자장의 강도분포를 균일화하기 위한 연속적인 자화분포가 결정되고, 또한 자성 소자는 자화분포에 근거하여 배치되는 방식으로 자장을 능률적으로 균일화하는 방법 및 장치 및 자장발생 장치를 실현할 수 있다.

Claims (18)

1. 서로 대향하는 1쌍의 자극면(pole surface) 사이의 공간에 발생되는 자장의 강도 분포를 균일화하는 자장균일화 방법에 있어서,

   상기 자장의 강도분포를 균일화하기 위한 자성 소자가 마련되는 평면에 대하여, 상기 자장의 강도분포를 규일화하는 연속적인 자화분포를 결정하는 단계와,

   상기 자화분포에 기초하여 상기 평면 상에 자성 소자를 배치하는 단계

   를 포함하는 자장균일화 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 자화분포는 직교 함수의 다항식으로 결정되는 자장균일화 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 다항식은 최적화 방법으로 결정되는 자장균일화 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 최적화 방법은 최소제곱법인 자장균일화 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 자성 소자의 배치는 이산화된(discretized) 상기 자화분포에 기초하여 이루어지는 자장균일화 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 평면은 상기 자극면인 자장균일화 방법.
7. 서로 대향하는 1쌍의 자극면 사이의 공간에 발생되는 자장의 강도분포를 균일화하는 자장균일화 장치에 있어서,

   상기 자장의 강도분포를 균일화 하기 위한 자성 소자가 마련되는 평면에 대하여, 상기 자장의 강도분포를 균일화하기 위한 연속적인 자화분포를 결정하는 계산 장치와,

   상기 자화분포에 근거하여 상기 평면 상에 자성 소자를 배치하는 배치 장치

   를 포함하는 자장균일화 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 계산 장치는 상기 자화분포를 직교함수의 다항식으로서 결정하는 자장균일화 장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 계산 장치는 상기 다항식을 최적화 방법에 의해서 결정하는 자장균일화 장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 최적화 방법은 최소제곱법인 자장균일화 장치.
11. 제 7 항에 있어서,

    상기 배치 수단은 이산화된 상기 자화분포에 근거하여 상기 자성 소자를 배치하는 자장균일화 장치.
12. 제 7 항에 있어서,

    상기 평면은 상기 자극면인 자장균일화 장치.
13. 서로 대향하는 1쌍의 자극면 사이의 공간에 자장을 발생시키는 자장발생 장치에 있어서,

    자성 소자가 배치될 평면과,

    상기 공간의 상기 자장의 강도분포를 균일화하도록 결정된 상기 평면 상의 연속적인 자화분포에 기초하여 상기 평면에 배치된 자성 소자

    를 구비하는 자장발생 장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 자화분포는 직교함수의 다항식으로서 결정되는 자장발생 장치.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 다항식은 최적화 방법에 의해서 결정되는 자장발생 장치.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 최적화 방법은 최소제곱법인 자장발생 장치.
17. 제 13 항에 있어서,

    상기 자성 소자는 이산화된 상기 자화분포에 근거하여 배치되는 자장발생 장치.
18. 제 13 항에 있어서,

    상기 평면은 상기 자극면인 자장발생 장치.