JPH02501003A - 関心領域に永久磁界を発生させるための磁化調整可能な磁性ブロック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 関心領域に永久磁界を発生させるための磁化調整可能な磁性ブロック 本発明は、国立強磁界機関＜５ｅｒｖｉｃｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　ｄｅｓ　Ｃｈ ａｍｐｓＩｎｔｅｎｓｅｓ）の代表であるギー　オペール（Ｇｕｙ　ＡＵＢＥＲ Ｔ）氏によってなされたものであり、関心領域に永久磁界を発生させるための磁 化調整可能な磁性ブロックに関する。本発明は特に医学の分野に応用することが でき、この分野ではこのような磁石が核磁気共鳴により画像を測定するために利 用されている。しかし、本発明は、特別な分布の誘起磁界がめられているどのよ うな分野にも応用することが可能である。

核磁気共鳴によるイメージングの分野では、画像を得ようとする物体、すなわち 患者に、関心のある大きな空間（一般には直径が５０ｃｍの球）の中で均一かつ 一様（数ｐｐｍの変動）で強力な誘起磁界（一般には０．１〜１．５テスラ）を 印加する必要がある。現在までに幾つかのタイプの磁界発生装置が開発されてい る。主なものとして、超伝導磁石、また、いわゆる抵抗性磁石、更に、永久磁石 がある。超伝導磁石を用いると非常に強い磁界が得られるが、技術的に難しいた め実現ならびに開発にコストがかかる。さらに、超伝導磁石は、液体ヘリウムな どの少量しか存在しない高価な冷媒を消費する。いわゆる抵抗性磁石は、磁性材 料を伴っていてもいなくてもかなりの量の電気エネルギを消費する。さらに、こ のタイプの磁石には、０．２テスラを越える磁界を発生させたい場谷に発生する 熱の放出という熱の問題がある。これに対して永久磁石には多数の利点がある。

特に、磁界を発生させるためにエネルギを供給する必要がない。従って、電源の ドリフトが原因で、または場合によっては散逸される熱の放出システムが原因で 磁界の値がドリフトする危険性がない。冷却手段、特に冷却用流体を循環させる ために高度な制御技術を備える冷却手段が必要とされない。また、動作温度を簡 単に安定させることができる。永久磁石は、横方向、すなわち物体または患者を 磁石内に導入する方向に対して垂直な方向の主要磁界を発生させる構造またはシ ステムを実現するために特に適している。この構成は、高ゲインで極めて均一な 共鳴信号を受信するアンテナを実現するために非常に都合がよ７い。永久磁石の 主な欠点は、ＮＭＲイメージングに十分な磁界を発生させたい場合の重量とコス トにある。

従って、所定量の材料の可能性を最大限に使用する、すなわち所期の目的を実現 するために必要とされる最小量の材料しか使用しないことが特に重要である。さ らに、関心領域の磁界を均一にする条件を満たすことは極めて難しく、構造体の あらゆる点で材料の磁化が理論的に実現したい磁化になっていることが不可欠で ある。遭遇する主要な問題点は、関心領域に所望の誘起磁界を発生させる磁化さ れた磁性ブロックが、磁化力官を全空間に、従って材料自体の中のあらゆる点に も発生させるという事実に起因する。当業者には周知のように、磁化（磁気モー メントの体積密度）がｙである材料の任意の一点での磁化力耳は「減磁性」であ る場合が極めて一般的である。すなわちこの磁化力を百に垂直な成分であるＨ、 と、Ｍに平行な成分であるＨｐとに分けることが可能であり、後者は冨とは逆方 向を向いている。材料は、ｙに対して与えたい方向の十分な磁化力を印加するい わゆる磁化プロセスの間に与えられた磁化をできるだけ保存する性質のものを選 択して使用する必要がある。

完成した磁石の構造が、材料内の領域において垂直成分Ｈ１がそれほど小さくな い場合には、このような領域でいわゆる異方性の大きい材料、すなわち磁化容易 軸または磁気異方性方向る性質が極めて強い材料を使用する必要がある。材料の この特性はこの材料の異方性磁界ＨＡによりおおまかに特徴付けられる。この異 方性磁界ＨＡから、垂直磁化力Ｈ工によって引き起こされてる異方性磁界の異方 性方向からの磁化ベクトルＭのずれ角度εを評価することができる。なお、εは 、Ｈ，がＨＡよりもはるかに小さいという条件ではほぼＨ工／ＨＡに等しいとい う関係式に従う。異方性が大きな市販の材料の中では、バリウム系またはストロ ンチウム系のフェライト、例えばＳｍＣｏ、のような希土類元素とコバルトの化 合物、それに、さらに近年になって出現した鉄、ニオジム、ホウ素をベースとし た材料を挙げることができる。

垂直磁化力による磁化の擾乱の問題が、必要であれば十分な大きさの磁気異方性 をもつ材料を用いて解決されたと仮定しても、平行成分Ｈ〃がやはり磁化百の値 を所望の値からずらしていることに変わりはない。第１図の白線は、この観点か ら見た材料の主要な特徴を表している。適当な外部磁界を印加することにより内 部磁化力の強さがＨ□にされた体積要素は、飽和磁化Ｍｓに近い値に磁化されて いる。この体積要素は、外部磁界を取り除いて装置全体の中の所定の位置に配置 した後、一般には負（減磁性）で値が例えばＨｐの内部磁化力にさらされる。

この内部磁化力により、この体積要素：Ｊ、減磁曲線と呼ばれる材料の特性白線 の点Ｐに対応する磁化Ｍｐが与えられる。しかし、このことは、材料が、磁化力 Ｈア以外にＨ２よりも小さな磁化力に一度もさらされていないという条件で生じ る。実際、このことがあてはまり、しかも問題の体積要素が任意の時刻（こ（例 えば組み立て中に、装置の他の部材の影曾によって）Ｈｐよりも小さな磁化力Ｈ １の印加を受け、この体積要素がその後にＨ，よりも大きな例えば磁化力Ｈ１を 再び受けるのであれば、この体積要素は磁化Ｍｐを回復せず、減磁曲線上に位置 するのではなく、第２象限でこの曲線の内側に位置する点Ｐ°に対応するより小 さな磁化Ｍｐ’となる。材料のこの体積要素の動作点は、「戻り直線」と呼ばれ る小さな傾斜の曲線に沿ってＱからＰ゛に「上昇する」と言うことができる。と いうのは、この曲線が一般にはほぼ直線だからである。この特徴が、所定の内部 磁化力、例えばＨｐによって可能な最大磁化Ｍｐよりも小さな磁化を得るために 使用されることがある。一般に、磁化のこの「調整」は、初期磁化磁界とは逆方 向であり、［上昇しｊ次いで「戻り直線」に沿って変化することにより磁化が所 望の値になるように適切に選択された外部磁界を印加することにより実現される 。この方法は実施が難しいだけでなく、経済的観点からするとほとんど満足でき るものではない。というのは、この方法では高価な磁性材料を最大限に活用して いないからである。

この調節方法の代わりとなる方法を提供できるという点が本発明の利点の１つで あるが、それについてはあとで説明する。

本発明の可能性のすべてを十分に理解できるようにするためには、永久磁石用の あらゆる材料に共通する特徴を幾つか思い起こす必要がある。−Ｈｅを作用させ て磁化がゼロとなるという磁化力（磁界の強さ）Ｈｃは材料の「保磁力」と呼ば れるのにに対し、磁化力がゼロの場合の磁化ＭＩｌは「残留磁気」と呼ばれる。

減磁重線は、材料に応じて多少の屈曲部（第１図の矢印）が存在していることで 特徴付けられる。この屈山部は、問題の体積要素の磁化を大きくかつ不可逆的に は減らしたくない場合に内部磁化力がどのような値よりも小さくなってはいけな いかをｋおまかに示している。Ｍｅよりもほんのわずかに小さな磁化にすること のできるこのカットオフ磁化力−Ｈｃｏは、はぼ−０，７ＨＣである。永久磁石 の非常に興味ある構造のうちの幾つかは実際には実現不能である（あるいは、実 現しても失望に終わる）。というのは、残念なことに既存の材料だとこの限界値 を越えるからである。本発明によりこの問題に対する解決法も提供される。この 方法では、材料の特性を知ることによって、この材料のどの体積要素においても 内部磁化力に対してあらかじめ決めた限界値を越えることがないようにすること ができる口特別な例を検討することによりこの問題の現実性をさらによく理解す ることができよう。比較的大きな体積内に均一な磁界を発生させる永久磁石の構 造が従来技術として文献に記載されている。特に、エイチ、ジュルストラ（Ｈ， Ｚｉｊｌｓｔｒａ）が、フィリップス研究ジャーナル（Ｐｈｉｌｉｐｓ　Ｊｏｕ ｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ）　、１９８５年、第４０巻、第５号の２５ ９ページ以降に発表したｒＮＭＲ）モグラフイー用の永久磁石システム（Ｐｅｒ ｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｓｔｅｍｆｏｒ　ＮＭＲｔｏｍｏｇｒａｐｈ ｙ）」というタイトルの論文と、１９８５年７月８日に出願され、１９８６年２ 月５日に公開された「永久磁石を用いた核磁気共鳴装置（Ｎｕｃｌｅａｒ　ｍａ ｇｎｅｔｉｃ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ａｐｐａｒａｔｕｓｗｉｔｈ　ａ　ｐｅｒ ｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ）　Ｊというタイトルのヨーロッパ特許出願公開第 ００１７０３１８号に、（円筒の長さが無限ではあるが）横方向な均一磁界を発 生させる円筒形磁石の構造を記述している。

彼は、この円筒の内部の東密度Ｂ０が理論上、Ｂｅ　＝μ。Ｍ　Ｌｏｇ　（ｒ　 ｚ／　ｒ　＋）と書かれることを示すことができた。この式で、Ｍは、絶対値が 一定であると仮定して、更に、第２図に示したように、半直線ＯｘとＯＰのなす 角度（Ｏｘ、０Ｐ）＝θによって位置が同定される任意の点ＰでＯｘと角度ψ； ２θをなす使用している磁性材料の磁化を表す。さらに、ｒｌとｒ、は磁石を構 成する円筒のそれぞれ内径と外径である。係数μ。は真空の透磁率を表す。

この式から、ある程度までは多角形または柱体の構造で近似することのできる「 ψ＝２θ」の円筒構造の永久磁石は、重量に関係なく望む限りの大きな磁界を発 生させうろことが導出される。実際、理論的には、円筒の外径ｒ２を大きくする だけでそれに伴って磁束密度Ｂ０が大きくなる。しかし、実際にこの理論を実践 した様々な実験により、磁界の値に対して得られた結果は現在のところこの理論 が予知する結果に対応しないことがわかっている。

この困難の原因は、先に説明した減磁性励磁（減磁力）の問題の中に探すべきで ある。ここでは、第２図の２つの特定の体積要素Ｐ、とＰ２に議論を限定する。

磁化が円筒内で本当に所望の状態にある場合（絶対値が同じでψ＝２θ）には、 ＰｌにおいてＨｌｉｔ　＝　Ｍ　（ＭはＯｘと平行で同じ方向を向いている）で あり、Ｐ２おいてＨ２ｔｔ　＝　Ｈｏ＝　Ｂ　ｏ／μｏ＝　Ｍ　Ｌｏｇ　（ｒ　 ２／　ｒ　＋）（ｙはここではＯｘと平行であるが反対方向を向いている）とな ることを容易に示すことができる。これら２つの場合、Ｈ〃はＯｘに沿って代数 的に測定され、従っていずれの場合にも耳と方向が逆である（Ｈｔｔは減磁力で ある）。従って、カットオフ磁化力１４ｃｏがＭ、よりも大きい材料を使用する ことができ、しかも、材料を最大限に利用したい場合、すなわちこの材料の磁化 の絶対値をできるだけ大きくしてＭＲに近くしたい場合には、所望の磁束密度Ｂ ０の値に関係なくこのことが可能である（点Ｐ、での条件）ときにのみ上記のよ うな構造が実際に実現されることがわかる。このような材料（例えば何種類かの 希土類元素とコバルトの合金）を使用できるとしても、そのことが既に例外的で あるが、望みのままに外径ｒ２を、従って磁束密度Ｂ０を大きくすることはでき ない。というのは、Ｂ、／μ。に等しい減磁力がＨｃｏよりも小さいままにとど まっている必要があるからである（点Ｐ、での条件）。この議論は、わざと単純 化して上記の２つの特別な点に限定して行ったが、永久磁石の構造を設計する場 合に遭遇する問題点をよく代表している。

本発明は、この問題に対する解決法を提供し、活性部分が常に最大限に利用され るが、等偏磁化を所望の割合で低下させる組成の複合材料を使用することを提案 する。この結果は、逆に、ベースとなる活性材料の保持力ＨＣとカットオフ磁化 力Ｈｃ、を維持することにより得られる。従って、上記の例を再び取り上げると 、ＨｃｏがＭ、よりも大きくないベース材料を使用できる場合には、等価残留磁 化Ｍ、よがＨｃｏよりも小さくなる組成を選択する。すると、ＭＲ□Ｌｏｇ（ｒ 　２／　ｒ　＋）に等しいＢ、／μ。がＨｃｏよりも小さいままにとどまるよう な外径ｒ、を越えないようにするだけで十分である。従って、望みのままの大き な磁界を得ることはできないが、理論上の構造を実際に実現することは可能にな る。

磁化のこの減少は材料の減磁によってなされたのではなく、常に最大限に利用さ れる活性材料の体積の減少によるのであることをしっかりと認識しておく必要が ある。この活性材料は複合体により占められる体積の１よりも小さな所定の割合 にしか過ぎない。従って、磁化のこの減少は、はるかに優れた再現性ではるかに 経済的な方法で実現される。実際、このようにするためには複合体に対して磁化 に十分な磁界を印加するだけでよく、部分的に減磁された最初の材料の場合のよ うに調節することが極めて難しいＭｍ磁界を印加する必要性はない。さらに、重 −のベース材料をもとにして減磁曲線が調節可能な複合材料を実現する可能性が あることから、本発明にとって、この調節可能性を利用した新しい構造の新しい 分野が開かれる。第３図は、得ることのできる無数の曲線群のうちの１本を示し ている。

各曲線は、ベースとなる材料の減磁曲線（ｘ＝１）の比の類似性ｘ（０≦くＸ≦ １）から導出される。結局、異方性のあるベース材料を使用する場合には、複合 体の製造方法はやはり完全に異方性を残している。すなわち、複合体はベース材 料と同じ異方性磁界ＨＡを有する。

従ワて、本発明は、関心領域に永久磁界を発生させるために、永久に磁化させる ことが可能な材料と非磁性材料とを所定の割合で含む磁化調節可能な磁性ブロッ クであって、このブロック内の磁化可能材料の割合が、このブロック内に存在し ている減磁力が実質的にこの磁化可能材料のカットオフ磁化力以下となるように されていることを特徴とするブロックに関する。

本発明は、添付の図面を参照した以下の説明を読むことによりさらによく理解で きよう。しかし、図面は単なる例であって、本発明を限定するものではない。図 面は以下のものを示している。

第１図と第２図は従来技術を示す図である。

第３図は、本発明の複合材料の減磁曲線である。

第４ａ図と第４ｂ図は、本発明の複合ブロックの実施例を示す図である。

第５図は、本発明の複合材料をＮＭＲイメージングに応用した場合の利用例を示 す図である。

第４ａ図と第４ｂ図は、本発明の磁性ブロックの可能な実施例のうちの２つの実 施例を示している。この磁性ブロックでは、磁化が減少して、ハツチングなしで 示したベース材料ＩＯの磁化の例えば半分になっている。この磁性材料は、プレ ート、例えば１０（第４ａ図）または棒、例えば１２（第４ｂ図）の形態であり 、それぞれ、非磁性材料からなるプレーＨ１または棒１３によって互いに隔離さ れている。この非磁性材料は例えばＰｖＣまたはエポキシ樹脂にすることができ る。プレート１０．１１または棒１２．１３は、全体の強度を保証するために適 当な接着剤または樹脂で一体に接合することができる。磁性ブロックを構成する には、プレートまたは棒の端部をタイの中に保持してもよい。

ブロックの強度を保証するためには、エポキシ樹脂をプレートまたは棒とタイの 間に流すことができるようになっていることが好ましい。磁化の方向Ａ（従って 異方性材料に対しては必然的に異方性の方向）に垂直に測定したプレートまたは 棒の断面は、任意の形状でよい（第４ａ図と第４ｂ図の場合には長方形）。

工業的に製造するのが簡単であるという理由で、プレートまたは棒はこの方向Ａ に沿って端部が接した状態の複数の部材で構成される。しかし、この場合、これ ら部材の間に物理的に測定可能ないかなるスペースもあってはならない。実際に は、これら部材の間のスペースは１　／　１０ｍｍを越えてはならない。これら 部材（プレートまたは棒）の磁化の方向に垂直な方向の断面のサイズに関しては 、少なくとも１つのサイズ（プレートの厚さ、円形断面の棒の直径など）が十分 に小さい必要がある。典型的には、このサイズは、最大で、この磁石が発生させ た誘起磁界が存在している関心のある球の半径の１／ｌＯまたは１／２０となっ ている必要がある。このように構成された磁性ブロックの減磁曲線は、先に第３ 図に割合Ｘを用いて示したようにベース材料の減磁曲線から導出される。この割 合は、磁性材料の断面積と磁化方向１ミ垂直な断面の合計面積の比に等しい。

第５図は、本出願人によって同じ日に出願された別の特許出願に記載された磁石 構造体の中のこのような磁性ブロックの使用例を示している。柱状ブロック１〜 ６０組立体は、断面が正台形である各柱体は、磁化が、この柱体の中央平面の位 置を決定する半径に平行な方向を向いている。この磁化の値は、この半径とＯｘ 軸の間の角度のコサインに比例する。各ブロックの位置を決定する角度は従って ６０°の倍数となり、従って、ｃｏｓ　′６０°がＡに等しいことから割合が２ になる。先に指摘した特許出願では、磁化のこの分布によって、筒状構造体の内 部で一様な横方向の磁束密度Ｂ０が発生する。磁石の構造は、ブロック１と４の 全体を構成する磁性材料を用いて実現することができるために対し、ブロック２ ．３．５．６は、この同じ材料と非磁性材料をそれぞれＡ対２の割合で使用した 複合体を用いて実現する。例えば、この構造は磁性材料からなる１種類の台形プ レートを複数枚用いて実現することができる。これらプレートの厚さｅは、筒状 体の内部の空間の直径が数１０ｃｍのオーダーであれば約１ｃｍである。プレー トは、自身の平面内で台形の互いに平行な２辺に垂直な方向に磁化される。ブロ ック１き４はこれらプレートの面と面を密着させて積み重ねることにより構成さ れるのに対し、ブロック２．３．５．６は、磁化されたこれら磁性プレートと、 サイズが同じではあるが非磁性材料からなるプレートとを交互に積み重ねること により構成される。ここで検討した実施例では、従って、ブロック２．３．５． ６を実現するために、これらブロックに対して、ブロック１ならびに４と同じで はあるが磁化が半分に減っているようにするために適当な磁界を印加して部分的 に減磁したブロックを使用したと仮定した場合と比べて半分の磁性材料が使用さ れていることがわかる。

最後に、特定の材料を製造する方法が異なる場合に常に生じる可能性のある差を 本発明で調節できることを指摘しておく。

実際、同じ材料でもロフトが異なると磁気特性が数％異なることが産業界で一般 に知られている。使用される磁性材料および非磁性材料からなるプレートの厚さ または棒のサイズを連続的に変化させるという特性を利用すると、たとえ構成磁 性材料の磁化が等しくなくとも磁化の等しい同等な複合ブロックが実現される。

これは、極めて均一な永久磁石を実現するにあたっての決定的な利点であること がわかる。

結論として、所定の場所に存在しているべき減磁力の絶対値ＩＨ，Ｉは、使用す る磁性材料のカットオフ減磁力よりも小さい必要がある。この減磁力は材料自体 の等偏磁化Ｍ□Ｑ（Ｘ＝１のときにＭｌ、、＝Ｍア）と関係しているため、この 等偏磁化を調節してＨ，がＨｃ　Ｏよりも小さくなるようにする。２つの場合が 考えられる。第１の場合、Ｈｄは既にＨｃＯよりも小さい。すなわち、磁性材料 を単独で使用することができる。第２の場合には、この材料を単独で使用すると 減磁力が大きくなり過ぎるため、この磁性材料の割合を減らして、限界値ＨｃＯ よりも小さな新たな減磁力が発生するようにするとよい。従って、割合は、新し い減磁力と前の減磁力の比に等しい。すなわち、この比は、最大で、回避すべき 減磁力Ｈ６に対するカットオフ磁化力Ｈｃ。

の比に等しい。つまり、本実施例では、磁性材料の割合を減らすことにより、あ らゆる場所で確実に一様な（しかし値が小さくなった）磁束密度Ｂ０が得られる 。

国際調査報告　ｗｒ、、／ｒｗ　６７／ｎｎｍＱ１国際調査報告

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．関心領域（Ｖ）に永久磁界（Ｂｏ）を発生させるために、永久に磁化させる ことが可能な材料（１０）と非磁性材料（１１）とを所定の割合（ｘ）で含む磁 化調節可能な磁性ブロック（２）であって、このブロック内の磁化可能材料の割 合が、このブロック内に存在している減磁力（Ｈｄ）が実質的にこの磁化可能材 料のカットオフ磁化力（Ｈｃｏ）以下となるようにされていることを特徴とする ブロック。
2. ２．上記割合が、関心領域内に発生させるべき磁界の値と、上記ブロック（第５ 図）の対応する磁化とに応じて変化することを特徴とする請求項１に記載のブロ ック。
3. ３．上記磁化可能材料を構成する材料からなる部材（１０、１２）を備え、その 磁気異方性による好ましい方向（Ａ）が、該部材の位置で発生させるべき磁化（ Ｍ）の方向を向いていることを特徴とする請求項１または２に記載のブロック。
4. ４．上記部材の磁化（Ｍ）と直交する方向のサイズ（ｅ１）が、上記関心領域（ Ｖ）のサイズの１／１０以下であることを特徴とする請求項３に記載のブロック 。
5. ５．上記サイズが、上記関心領域のサイズの約１／２０であることを特徴とする 請求項４に記載のブロック。
6. ６．上記磁化可能材料と上記非磁性材料が、互いに接して連結されたプレート（ ７、８）の形態であり、その中での磁化（Ｍ）の方向は該プレートに平行である ことを特徴とする請求項１または２に記載のブロック。
7. ７．上記磁化可能材料が棒（９）の形態であり、磁化の方向は棒全体の構成体に 平行であることを特徴とする請求項４に記載のブロック。
8. ８．上記磁化可能材料が、非磁性材料内に埋め込まれた棒の形態であり、磁化の 方向は棒全体の構成体に平行であることを特徴とする請求項１または２に記載の ブロック。
9. ９．上記磁化可能材料が、発生させる磁化の方向に沿って相互に接して並んだ部 材の形態であることを特徴とする請求項１または２に記載のブロック。
10. １０．上記磁化可能材料がフェライトであることを特徴とする請求項１または２ に記載のブロック。
11. １１．上記磁化可能材料が、希土類元素とコバルトをベースとした材料であるこ とを特徴とする請求項１または２に記載のブロック。
12. １２．上記磁化可能材料が、鉄−ネオジムーホウ素をベースとした材料であるこ とを特徴とする請求項１または２に記載のブロック。