JPH079845B2 - 永久磁石形均一磁場マグネット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は核磁気共鳴コンピュータ断層像撮影装置（以下
NMR−CTと略称する）などに用いられる永久磁石形均一
磁場マグネットに関する。

〔従来技術とその問題点〕

NMR−CTにおいては、均一磁場マグネットに包囲された
空間の中央部の直径400〜500mm程度の均一磁場空間に、
磁場の強さの均一度が数10PPMという均一磁場を発生さ
せる必要があり、永久磁石を使用することにより、常電
導均一磁場コイルを用いる方式における膨大な電力消
費，また超電導マグネット方式における冷却用電力消費
等が排除でき、したがって運転コストの低い均一磁場マ
グネットが得られる利点があり注目を集めている。しか
しながら、永久磁石と銅線材の価格を比較した場合、フ
ェライト磁石で数倍，希土類磁石では100倍に達する程
永久磁石が効果であるために、永久磁石の使用量が少
く、かつ小形軽量な永久磁石形均一磁場マグネットの出
現が求められている。

第11図は従来技術を示す要部の正面図であり、方形筒状
に形成されたコア１の均一磁場の方向100に垂直な内壁
面2A,2Bに、均一磁場方向100と同方向に磁化された永久
磁石3A,3Bと漏れ磁束を阻止するための環状突起５を有
する鉄板等の軟質磁性材からなる磁極片4A,4Bとを設
け、一対の磁極片4A,4B間の空隙６の中央部に直径400な
いし500mm程度の均一磁場空間10を形成するよう構成さ
れている。ところが、磁極片4A,4B間の空隙６の磁気抵
抗が高いために、磁極片の外周からコア１側に漏れ出す
漏れ磁束101を完全に阻止することは不可能であり、磁
極とコアとの間の距離Ｓを大きくとって漏れ磁束101を
低減するよう構成しても、なお漏れ磁束による空隙６の
磁束の変歪により均一磁場10の磁場の均一度が低下す
る。したがって、均一磁場10の磁場の均一度を保持する
ために永久磁石3A,3Bの直径が大きくなり高価な永久磁
石材を多量に必要とし、それに伴なって総発生磁束量が
増大するためにこれを還流するコア１の断面積が増大
し、距離Ｓを保持するためのコア１の磁路長の増大と併
せて均一磁場マグネットが高重量化するという問題があ
り、設置スペースの増大を考慮した場合にはさらに大き
な経済的不利益をもたらす欠点がある。

第12図は改善された従来技術を示す要部の正面図であ
り、８個の台形棒状の永久磁石13を八角筒状に組合わせ
てその内側に八角形の均一磁場空間16を形成するよう構
成されており、図中実線矢印で示す各永久磁石の磁化の
方向102を、均一磁場の方向100に対して各永久磁石がな
す角度θの２倍の角度方向とすることにより、発生磁束
を八角筒状の均一磁場マグネット内に閉じ込めることが
でき、コアを用いずに漏れ磁束101の量を低減できると
ともに、均一磁場マグネットの中空部を広く均一磁場空
間として利用できることにより総発生磁束量も少くてす
み、外径寸法を縮小できるなどの利点を有する。しかし
ながら、永久磁石13を総発生磁束の循環通路に利用して
いるために台形の高さ方向の寸法が大きくなり、高価な
永久磁石材を多量に使用する必要があり、経済的不利益
をまねくとともに、永久磁石13それぞれの磁化の方向が
異なるために、その着磁処理および組立加工に困難が伴
うと考えられる。

〔発明の目的〕 本発明は前述の状況に鑑みてなされたもので、コアの中
空部を均一磁場として広く活用できることにより総発生
磁束量が少く、かつ永久磁石材の使用量の少い永久磁石
形均一磁場マグネットを提供することを目的とする。

〔発明の要点〕

本発明は、永久磁石材料の比透磁率が空気のそれに近く
中空部の磁場を乱さないこと、板状の永久磁石の断面形
状とその磁化の方向との組合せにより特定の面に所定の
電流が板の長さ方向に一様に流れる断面積が零の理想導
体（カーレントシートと呼ぶ）に置きかえて考えられる
ことなどに着目することによりなされたもので、総発生
磁束の循環通路となる軟質磁性材よりなるコアを多角筒
状に形成し、その内側面のうち均一磁場方向に垂直な内
側面には、台形断面を有する板状に形成され互いに平行
な二面に垂直な方向に磁化された台形断面を有する板状
永久磁石を，幅の広い底面側が前記内壁面を密接して覆
うよう配し、前記内壁面と異なる角度方向の内壁面に
は、断面が長辺，短辺および中辺を有する不等辺三角形
に形成され中辺側の面に垂直な方向に磁化された不等辺
三角形断面を有する板状の永久磁石を長辺側の面が内側
面を密接して覆うよう配するとともに、例えば不等辺三
角形断面を有する板状の永久磁石の短辺側の面および台
形断面を有する板状の永久磁石の傾斜面とからなり内壁
面の境界線を通る共通の接合面の中空部側の端すなわち
不等辺三角形断面を有する板状の永久磁石の頂点の一つ
を、前記境界線を中心とし前記台形断面を有する板状の
永久磁石の厚みを半径とする円周上の接線と一致させる
よう構成したことにより、中空部と永久磁石との界面に
おけるカーレントシートは永久磁石の磁化の方向がこの
面に直交するという条件により消去されてこの面におけ
る磁場の乱れが排除され、隣接する永久磁石の接合面に
おけるカーレントシートは接合面の位置を前述の条件に
適合させることにより消去されて接合部における磁場の
乱れが排除され、その結果、不等辺三角形断面を有する
板状の永久磁石とコアの内壁面との境界にのみカーレン
トシートを配したと等価な状態とすることが可能となり
均一磁場と異なる方向の漏れ磁束を阻止できることによ
り、各板状の永久磁石の極性方向を内壁面が均一磁場方
向に対してなす角度に対応して均一磁場の発生に好適な
極性とすることにより、コアの内側の板状の永久磁石を
除く中空部全体に均一磁場を発生できるようにしたもの
である。

〔発明の実施例〕

以下本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例装置の概略斜視図、第２図は第
１図の正面図である。図において、21は鉄板，けい素鋼
板等の軟質磁性材からなる方形筒状のコアであり、均一
磁場方向100に垂直な内壁面2Aおよび2Bには主磁束を発
生する一対の台形断面を有する板状の永久磁石23A,23B
が、また均一磁場方向100に平行な内壁面2C,2D側には、
不等辺三角形断面を有する４個の板状の永久磁石24A,24
B,25A,25Cが、長辺側の面が内壁面2C,2Dに密接し、短辺
側の面が台形断面を有する板状の永久磁石23A,23Bの傾
斜面にそれぞれ接合して内壁面の境界線27を通る接合面
28を形成するとともに、各永久磁石は中空部26との界面
に垂直な方向に、かつ図中Ｎ←Ｓで示す極性方向に一様
に磁化されることにより、中空部26の長さ方向の中央部
に方形の中空部26全体に広がった均一磁場10を発生でき
るよう構成されている。

第３図は不等辺三角形断面を有する板状の永久磁石の形
状決定とカーレントシートへの置きかえの原理的説明図
であり、第２図の右上の部分を例に説明しようとするも
のである。図において長辺ABが内壁面2Dの幅の半分に相
当する長さを有する不等辺三角形断面ABCに形成される
板状の永久磁石24Aの中辺BCの位置は、頂点Ａ（内壁面
の境界線27）を中心とし、台形断面を有する板状の永久
磁石23Aの厚みｄを半径とする円周面29と頂点Ｂとを結
ぶ接線BDに一致するよう決められ、頂点Ｃの位置は上記
接線BDと台形断面を有する板状の永久磁石の中空部側の
底辺とが交差する位置に決められることにより、両永久
磁石の間に共通の接合面28（辺AC）が形成される。

上述のように形状決定され保磁力Hcで中辺BCに垂直な方
向に磁化された不等辺三角形断面を有する板状の永久磁
石24Aは、短辺ACと長辺AB上に互いに逆向きの電流Ｉを
通ずる細線を想定して長さｄなるAD方向に均等な密度で
配列した状態、すなわちカーレントシートに置きかえて
考えることができ、カーレントシートそれぞれのアンペ
アターンは保磁力Hcと辺ADの長さｄとの積で与えられ
る。また台形断面を有する板状の永久磁石23Aの傾斜面A
Cについても電流Ｉを通ずる細線を厚みｄ方向に均等に
配列したカーレントシートに置き換えて考えることがで
き、接合面28における二つのカーレントシートの大きさ
が等しく電流が逆向きとなることによりカーレントシー
トは互いに打消しあって零となり、不等辺三角形断面を
有する板状の永久磁石24Aの長辺AB側に配されたカーレ
ントシートのみが残される。

第４図は第２図のように形成された均一磁場マグネット
のカーレントシートの状態を示す説明図であり、コア21
の内壁面2Cおよび2Dに配され電流の向きをクロス・ドッ
ト記号で示すカーレントシート30C,30Dで均一磁場マグ
ネットを等価的に置き換えることができる。

第５図は前述の実施例における磁束分布図であり、第４
図に示すカーレントシート配置により等価的に求められ
たものである。図から明らかなように、カーレントシー
ト30C,30Dにより内壁面2C,2Dに交差する漏れ磁束を完全
に排除できるので、磁束線110は完全に直線かつ等間隔
であり、永久磁石を含めたコア21の中空部全体に均一磁
場空間10を発生できることを示している。なお永久磁石
23A,24Aの永久磁石材を比透磁率が1.05以下のバリウム
フェライト磁石あるいは希土類磁石で形成するととも
に、永久磁石の磁化曲線を減磁処理などにより直線化す
れば、カーレントシートを永久磁石で置き換えても第５
図に示すと同様な均一磁場を発生する永久磁石形均一磁
場マグネットを得ることができる。

第６図は前述の実施例の比較例を示す磁束分布図であ
り、不等辺三角形断面を有する板状の永久磁石24Aの磁
化の方向Ｎ←Ｓを内壁面2Dに密接した長辺AB側の面に垂
直な方向とした点が前述の実施例と異なっており、この
場合にはカーレントシートを中辺BC側の中空部との界面
と短辺AC側の接合面28とに配した等価となるために、不
等辺三角形断面を有する板状の永久磁石24A内における
磁束線110が大幅に乱れ、内壁面2Dに垂直な漏れ磁束102
が発生する。この磁束線の乱れが均一磁場空間10の磁場
の均一度にも影響を及ぼすので前述の実施例に比べ磁場
の均一度は大幅に低下する。

前述の第５図および第６図を比較することにより明らか
なように、台形断面を有する板状の永久磁石と不等辺三
角形断面を有する板状の永久磁石とを単に額縁状に接合
するだけでは均一磁場を発生させることは不可能であ
り、両永久磁石の磁化をそれぞれ中空部との界面に垂直
方向に行うことによって界面のカーレントシートを排除
し、不等辺三角形断面を有する板状の永久磁石の形状を
特定することにより両永久磁石の接合面におけるカーレ
ントシートを排除し、不等辺三角形断面を有する板状の
永久磁石の内壁側界面にのみカーレントシートを残すよ
う構成するとともに、両永久磁石の磁化の極性を第２図
に示すように内壁面2C,2Dに直交する漏れ磁束を反発す
る極性とすることにより、内壁面2C,2Dに直交する漏れ
磁束110は完全に排除され、コア21の内側の中空部全体
に広がる均一磁場10を発生させることができる。したが
って、台形断面を有する板状の永久磁石23A,23Bの厚み
ｄは均一磁場空間10に均一磁場を発生させるに必要な最
小重量ですむので永久磁石を軽量化することができ、か
つ均一磁場空間としての中空部の利用率が高く，漏れ磁
束が排除されて総発生磁束量が減るのでコア21の寸法，
重量を必要最小限に低減することができる。

第７図は本発明の異なる実施例を示す正面図、第８図は
カーレントシートの状態の説明図であり、方形筒状のコ
ア31の内側に台形断面を有する板状の永久磁石33Aと、
これに接合した一対の不等辺三角形断面を有する板状の
永久磁石34A,35Aのみを配した非対称構造とした点が前
述の実施例と異なっているが、カーレントシートは第８
図に示すように前述の実施例と同じになり、不等辺三角
形断面を有する板状の永久磁石の総断面積が前述の実施
例のそれの２倍になることを除けば前述の実施例と同様
な性能を得ることができる。

第９図は本発明のさらに異なる実施例を示す正面図、第
10図はカーレントシートの状態の説明図である。第９図
において、コア41は六角筒状に形成されており、その内
壁面には台形断面を有する板状の永久磁石43Aと不等辺
三角形断面を有する板状の永久磁石44A,45Bからなる永
久磁石と、この永久磁石組とこの永久磁石組と対称に配
された43B,44B,45Bからなる永久磁石組とが配され、そ
れぞれの永久磁石が均一磁場空間10との界面に垂直な方
向に図中矢印で示す極性に磁化されることにより、均一
磁場空間10内に均一磁場方向100で示す均一磁場を発生
するよう構成されている。なお、不等辺三角形断面を有
する板状の永久磁石の形状および接合面の位置の決定は
第３図に基づいて説明した前述の実施例と同様である
が、不等辺三角形断面を有する板状の永久磁石の磁化の
方向の厚みの内壁面に沿った変化量は、内壁面が均一磁
場方向100に対してなす角度θの余弦に比例し、θの増
大とともに減少する。第９図のように構成された均一磁
場マグネットは、第10図に示すカーレントシート配置に
置きかえることができる。また第９図，第10図から明ら
かなように、不等辺三角形断面を有する板状の永久磁石
は、台形断面を有する板状の永久磁石で発生した主磁束
の変歪を阻止するのみでなく、主磁束の一部を発生する
機能をはたしていることがわかる。

なお、前述の各実施例において、永久磁石材の比透磁率
が１より僅かに大きいことが問題となる永久磁石形均一
磁場マグネットにおいては、不等辺三角形断面を有する
板状の永久磁石の磁化の方向を所定の算式に基づいて均
一磁場の界面に対して垂直な方向から僅かに変位させる
ことにより、中空部における磁場の乱れを補正すること
が可能である。

〔発明の効果〕

本発明は前述のように、永久磁石材の比透磁率が１に近
いことに着目し、軟質磁性材からなるコアを多角筒状に
形成し、その中空部の均一磁場方向に垂直な内壁面には
台形断面を有する板状の永久磁石を，前記内壁面とは異
なる角度方向の内壁面には不等辺三角形断面を有する板
状の永久磁石をそれぞれ長辺側の面が内壁面を覆うよう
密接して配し、各永久磁石を中空部との界面に垂直な方
向に磁化するとともに、不等辺三角形断面を有する板状
の永久磁石の断面形状およびその短辺側の面を含む隣接
永久磁石の接合面を長辺側の面にのみカーレントシート
が残る条件を満たすよう決めるよう構成した。その結
果、不等辺三角形断面を有する板状の永久磁石側の内壁
面に交差する漏れ磁束およびそれに基づく永久磁石内部
の磁場の乱れをほぼ完全に排除することができ、したが
って多角形の中空部全体に広がる均一磁場を発生するこ
とが可能となり、一対の円板状永久磁石を用いた従来技
術において漏れ磁束による磁場の乱れを廻避するに必要
とされた永久磁石径の増大，それに基づく総発生磁束量
の増大，コアの断面積および磁路長の増大等永久磁石材
の使用量の増加や均一磁場マグネットの高重量化をうな
がす問題点が排除され、中空部の均一磁場空間としての
利用率が高く，永久磁石材の使用量および総発生磁束量
が少く、したがって小形，軽量な永久磁石形均一磁場マ
グネットを経済的に有利に提供することができる。ま
た、コアを有しない従来の永久磁石形均一磁場マグネッ
トにおいて問題となった永久磁石を発生磁束の循環通路
に利用することによって永久磁石材の使用量が増大する
という問題点を、小形かつ安価な多角筒状のコアを用い
ることにより排除できる利点が得られる。さらに、多角
筒状のコアは方形筒状，六角筒状等多種類の形状の中か
ら人体を収納するに好適な形状を選択できる利点が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す斜視図、第２図は第１図
の正面図、第３図は実施例の原理的説明図、第４図は実
施例におけるカーレントシートの配置説明図、第５図は
実施例における磁束分布図、第６図は比較例における磁
束分布図、第７図は異なる実施例を示す正面図、第８図
は第７図におけるカーレントシート配置説明図、第９図
はさらに異なる実施例を示す正面図、第10図は第９図に
おけるカーレントシート配置説明図、第11図は従来技術
を示す正面図、第12図は改善された従来技術を示す正面
図である。 1,21,31,41…多角筒状コア、2A,2B…均一磁場に垂直な
内壁面、2C,2D…異なる角度方向の内壁面、23A,23B,33
A,43A,43B…台形断面を有する板状の永久磁石、24A,24
B,25A,25B,34A,35A…不等辺三角形断面を有する板状の
永久磁石、26…中空部、10…均一磁場空間、30C,30D…
カーレントシート、100…均一磁場方向、Ｓ→Ｎ…磁化
の方向、ｄ…台形台面を有する板状の永久磁石の厚み、
27…内壁面の境界線、28…接合面、101,102…漏れ磁束
線、110…主磁束線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに平行な複数対の内壁面を有する多角
   筒状に形成された軟質磁性材料からなるコア、ならびに
   このコアの複数対の内壁面を覆うように固着された複数
   の永久磁石により、前記コアの内側の中空部に軸線に垂
   直な一方向の均一磁場を発生するものであって、台形断
   面を有する板状の互いに平行な二面の長辺側の面が前記
   コアの均一磁場に垂直な内壁面に固着され前記二面に垂
   直な方向に磁化された台形断面を有する板状の永久磁石
   と、不等辺三角形断面を有する板状に形成され長辺側の
   面が前記台形断面を有する板状の永久磁石とは異なる角
   度方向の内壁面に固着され、短辺側の面が隣接する内壁
   面との境界線を通る共通の接合面を形成して隣接する前
   記台形断面を有する永久磁石の傾斜面と接合するよう
   に、前記接合面のコアの中空部側の端が不等辺三角形断
   面を有する板状の永久磁石の長辺側および中辺側の交点
   と、前記境界線を中心とし台形断面を有する板状の永久
   磁石の厚みを半径とする円周上とを結ぶ接線上に位置す
   るように設け、前記中空部に接する中辺側の面に垂直な
   方向に磁化されてなる不等辺三角形断面を有する板状の
   永久磁石を備えてなることを特徴とする永久磁石形均一
   磁場マグネット。