JP2005253845A

JP2005253845A - 永久磁石式磁界発生装置用セグメント磁石及び永久磁石式磁界発生装置

Info

Publication number: JP2005253845A
Application number: JP2004072400A
Authority: JP
Inventors: Masaru Higuchi; 大樋口
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2005-09-22

Abstract

【課題】磁界発生装置の内部空間における磁場の高均一性と低スキュー角を同時に達成可能であり、成形加工が容易でコスト的にも有利な磁界発生装置用セグメント磁石を提供する。
【解決手段】環状の磁気回路を形成するためのセグメント磁石であって、該環状の外径側を構成する外径側磁石１１と、該環状の内径側を構成する少なくとも２以上の内径側磁石と、から構成されていることを特徴とする永久磁石式磁界発生装置用セグメント磁石、並びに、該セグメント磁石を環状に配置して、環の内部空間に実質的に一方向の磁界を発生する永久磁石式磁界発生装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイポール永久磁石式磁界発生装置用セグメント磁石及びダイポール永久磁石式磁界発生装置に関するものである。

一般に、ダイポールリング磁界発生装置は、環状をなし、各磁石の着磁方向が環の半周で1回転可能なように配列された複数の磁石要素を含んでいる。この環の内部空間には、実質的に一方向の磁界が発生し、各磁石要素が該一方向の磁界と同じ強度の磁力を有するように構成されている。このようなダイポールリング磁気発生装置の回路は、磁気共鳴断層撮影装置（ＭＲＩ）や半導体素子製造工程、そして基礎研究向け均一磁界発生手段等として広く利用されている。
従来、１軸性の均一な磁界発生手段としては常伝導電磁石、超伝導電磁石等が使用されているが、最近の高特性希土類永久磁石の開発により、希土類永久磁石（以下、単に永久磁石という）を均一磁界発生装置として使用することが、例えば1.5Ｔ（テスラ：kg・s^-2・A^-1）以下の低磁場では主流となってきている。

図７を参照して、従来のダイポールリング磁界発生装置及びこの装置に使用する構成磁石などを説明する。
図７は、ダイポールリング磁界発生装置１を径方向に対して垂直方向から見た場合の装置１の断面図であり、ダイポールリング磁界発生装置１は、複数の構成磁石（１０１、１０２、１０３・・・）が環状に配置され、その外周を囲う外縁部ヨーク２で構成されている。図７の例では、２４分割された構成磁石１０１〜１２４によって環状が形成されている。

永久磁石からなる構成磁石は、実質的に同じ強度の磁力を有し、環状に配置された際に各構成磁石の着磁方向が環の半周で1回転するように、夫々径方向に対して特定周期で磁化される。このため、各構成磁石は、通常、環の中心軸から見て対極にあたる構成磁石同士（図７では、例えば構成磁石１０１と１１３）が、互いに180度の角度差で着磁されている。なお且つ、隣接する構成磁石同士は通常、下記（１）、（２）式で示す角度差で磁化されている。但し、使用条件や最適化等により、例えば±5度以内の範囲で該磁化方向を変化させて配置する場合もある。

θn：ｎ番目の構成磁石の磁化方向
N：磁気回路の分割数（自然数）
ｎ：セグメント番号（自然数）

このような構成により、ダイポールリング磁界発生装置１の環の内部空間には、実質的に一方向であり、実質的に均一の大きさの磁界（主磁場成分）が発生する。ここで、ダイポールリング磁界発生装置の内部空間に発生するNS磁場方向を0°とした場合の、内部空間の任意の点における磁場ベクトルの角度（以下、スキュー角と呼ぶ）は、磁界発生装置（磁界回路）の特性上、環の中心軸付近では殆ど0°であるが、磁界発生装置の内壁部に近づくほど悪化していく、すなわち大きくなる傾向が見られる。

一般のダイポールリング磁界発生装置１を使用する際には、このスキュー角が大きい磁場成分が不純物、すなわちノイズと見なされることが多い。特に、図８に示したような磁界発生装置の内部空間の平面上のスキュー角は、例えば半導体向け基板等の製造工程において、製造される素子の性能に大きく影響を与えるものと考えられており、それゆえ出来る限り小さく抑えることが要求される。

一方、ダイポールリング磁界発生装置１のもう一つの特徴として、磁界発生装置の内部空間において、実質的に均一の大きさの磁場を形成できること、すなわち磁場均一性が良いことが挙げられる。
磁場均一性の更なる向上のためには、例えば特許文献１に、極位置にあるセグメント磁石と極位置以外にあるセグメント磁石とで中心軸方向の長さを変化させる磁気回路が報告されている。また、特許文献２には、極位置にあるセグメント磁石とターゲットの距離を、極位置以外のセグメント磁石とターゲットの距離よりも遠ざけるように配置する、楕円形状を有する磁気回路が報告されている。
ターゲットが鉄のように軟磁性体の場合、通常は、ターゲットの極位置に近い磁場が主に中心軸方向で均一にならないため、上記文献記載の磁気回路を用いれば、ターゲット内部の磁束の集束作用による影響を軽減して、水平磁場強度についての均一性を保つ効果が期待できる。このような磁場均一性に優れることと、磁気効率の良さが磁界発生装置の大きな利点である。

しかしながら、上記したスキュー角の向上と磁場均一性の向上は、必ずしも同時に達成できるものではなく、どちらか一方を最適化しようとした場合、残る一方の特性が損なわれる虞れがある。これまでのダイポールリング磁界発生装置において、磁場の高均一性と低スキュー角を同時に達成するための最も効果的な方法としては、ダイポールリングを構成する磁石の分割数、すなわち上記（２）式のNを単に大きくすることが考えられていた。しかし構成磁石の分割数を増やすだけでは、磁気回路の構成が複雑になる上に、各磁石セグメントの成形加工のコストが膨大なものになってしまうという問題があった。そのため、従来のダイポールリング磁界発生装置では、環状の回路を構成するセグメント分割数が４〜２４程度に限定されていた。

特許公報第２７８９２５１号特許公報第２７８９２５２号

本発明者らは、上記問題点に鑑み、磁界発生装置の内部空間における磁場の高均一性と低スキュー角を同時に達成可能であり、ダイポールリングを構成する磁石の分割数を任意に調整しても、回路構成が複雑にならず、且つ、各セグメント磁石の成形加工が容易でコスト的にも有利な磁界発生装置用セグメント磁石を開発すべく、鋭意検討した。
その結果、本発明者らは、環状の径方向における外径側の構成磁石と内径側の構成磁石とを分けると共に、該内径側の構成磁石の分割数のみを細かくすることによって、かかる問題点が解決されることを見出した。構成磁石の分割数が多いほど有効なのはダイポールリングの内径側であり、この内径側の構成磁石分割数を多くして、磁化方向を細かくすれば、高均一性と低スキュー角を同時に達成することが可能となる。本発明は、かかる見地より完成されたものである。

上記したように本発明では、環状の磁気回路を構成する上において、内径側のみ細かく磁化方向を分割し、外径側は粗く分割されていることを特長とするものである。
すなわち、本発明は、環状の磁気回路を形成するためのセグメント磁石であって、該環状の外径側を構成する外径側磁石と、該環状の内径側を構成する少なくとも２以上の内径側磁石と、から構成されていることを特徴とする永久磁石式磁界発生装置用セグメント磁石を提供するものである。ここで、前記内径側磁石の径方向の高さは、前記外径側磁石の径方向の高さに対して５〜５０％の比率であることが好ましい。

また、本発明は、環状に配置される複数のセグメント磁石を含み、環の内部空間に実質的に一方向の磁界を発生する永久磁石式磁界発生装置であって、該セグメント磁石が、該環状の外径側を構成する外径側磁石と、該環状の内径側を構成する少なくとも２以上の内径側磁石と、から構成されており、該セグメント磁石内で複数の磁化方向を有する各構成磁石の着磁方向が、環の半周で1回転するように配列されていることを特徴とする永久磁石式磁界発生装置を提供するものである。ここでも、前記内径側磁石の径方向の高さは、前記外径側磁石の径方向の高さに対して５〜５０％の比率であることが好ましい。

本発明に用いられる構成磁石には、例えばNd-Fe-B系、Sm-Co系、Sm-N-Fe系から選ばれる略台形状もしくは扇形状の希土類永久磁石が挙げられる。また、外辺部（外縁部ヨーク）には、環状の強磁性もしくは非磁性材料が用いられるが、強磁性体を用いた方が若干ではあるが磁気効率が向上する点で好ましい。
また、環状の磁気回路を形成するセグメント磁石については、環の分割数として4〜60分割程度まで可能であるが、磁気効率や回路製作の容易さを考慮すると、12〜36分割程度の範囲で磁石構成数を決定したほうが好ましい。

以上のように、本発明の磁界発生装置用セグメント磁石を用いれば、内径側のセグメント分割数が細分化されていることによって、磁界発生装置の内部空間における磁場の高均一性と低スキュー角を同時に達成することができる。また、ダイポールリングを構成する磁石の分割数を調整する際に、内径側磁石のみを細かく分割することができるので、回路構成が複雑にならず、且つ、各セグメント磁石の成形加工が容易でコスト的にも有利に製造することができる。

本発明の永久磁石式磁界発生装置用セグメント磁石は、環状の磁気回路を形成するためのセグメント磁石である。このセグメント磁石は、環状の外径側を構成する外径側磁石と、該環状の内径側を構成する少なくとも２以上の内径側磁石と、から構成されている。内径側磁石の数については２以上であれば特に限定されるものではいが、２〜５程度に分割されていることが好適である。また、外径側磁石の数については、通常１つの構成磁石が用いられるが、これに限定されるものではなく、例えば、外径側磁石２つに対して内径側磁石３つからなるセグメント磁石の態様も可能である。同一のセグメント磁石内における内径側磁石の数と外径側磁石の数については、内径側磁石の数が外径側磁石の数よりも多い。
以下、本発明を実施する最良の形態によって詳細に説明するが、本発明はこれらの実施の形態によって何ら限定されるものではない。

本発明の実施の形態を、図１を用いて説明する。
この図１に記載されたセグメント磁石は、環状の磁気回路であるダイポールリングを形成するための１セグメント磁石である。本発明においては、先ず、セグメント磁石内の構成磁石について、環状の外径側を構成する外径側磁石１１と、環状の内径側を構成する内径側磁石２１、２２、２３とに分割されている。そして、この分割された外径側磁石１１と内径側磁石２１、２２、２３について、外径側磁石に対して内径側磁石がより細かく分割されていることを最大の特徴としている。図１の例では、外径側磁石１１に対して、内径側磁石が２１、２２、２３の３つに分割されている。このような細かい分割を内径側のみに行う大きな利点の１つは、該セグメント磁石を製造する上で必要な磁石部品点数を軽減できることである。

すなわち、構成磁石の製造コストを削減できることが大きな特長の１つであり、主に焼結磁石の製造に関わる金型の数を少なくできること、および、磁石歩留りが向上すること等が挙げられ、通常用いられているセグメント磁石と同等の特性を有することである。
また、各構成磁石に用いられるセグメント永久磁石としては特に限定されるものではないが、通常、Nd-Fe-B系、Sm-Co系、Sm-N-Fe系の希土類永久磁石などが好適に用いられる。特に、比較的安価で高エネルギー積を有するNd-Fe-B系磁石を使用することが好ましい。

図２は、従来のセグメント磁石の態様を示したものであり、図２（ａ）が１つの構成磁石によりセグメント磁石が構成されている場合であり、図２（ｂ）が分割された複数の構成磁石によってセグメント磁石が構成されている場合である。図２（ａ）に示すような構成磁石４の場合（このような異形品の製造の場合）、セグメントを構成する磁石はこの大きさに合わせて焼結しなければならないが、夫々の磁化方向に対して対応した専用金型を用意しなければならない。ところが、例えば磁石の径方向厚みが200mmを越えるような大型磁気回路を製造する場合、その大きさに見合った専用金型を製作することは技術的に困難である。よって、通常、図２（ｂ）に示すように、分割された小さな構成磁石５を貼り合せて１セグメントを製作することが行われていた。しかし、その構成磁石５を製造するためには、セグメントを構成する形状の異なる複数の磁石をそれぞれ大きさに合わせて焼結しなければならないので、更に多くの金型を用意する必要があった。

他にも同じ金型から成形した磁石を、ワイヤーカット等で切断して使用する方法が行われるが、この方法で製造した場合、図３に示すようにセグメント部位７以外に端部の切り残し部位８が多く生じてしまうために、磁石歩留りは５０％程度に低下してしまう。例えばSm-Co系やNdFeB系の希土類磁石は材料が高価であるため、この方法を用いると必然的にコストが増大してしまうので好ましくない。

以上のことから本発明では、大きな磁石構成体を用いなければならない外径側の構成磁石のみ、セグメント分割数を粗くし、内径側の構成磁石は歩留りコストに大きな影響を与えない程度の小さな磁石構成体を用いる。そして、内径側の構成磁石の分割数を増やすことによって、低スキュー角と高均一性を同時に達成できるのである。

また、このときの内径側磁石の磁化方向は、例えば図６に示すように外径側分割数を１２、内径側分割数を３６とした場合、外径側の磁化は360÷12=３０°、内径側の磁化は360÷３６＝１０°となる。よって、例えば図１に示すように、外径側磁石１１の磁化方向が台形の底面に対して45°とすれば、内径側磁石の両側の磁石２１および２３は、各々35°と55°の磁化方向を有する磁石で構成されることになる。

加えて本発明では、内径側磁石２１、２２、２３と外径側磁石１１の比率にも着目し、図１に示した位置、すなわち内径側磁石の径方向高さが、外径側の磁石の高さに対して５〜５０％の範囲に入るように磁石を構成することが好ましい。これは内径側磁石２１、２２、２３の分割効果を高効率で利用するためである。すなわち、本発明の構成比率の下限である５％を下回るような構成であった場合、内径側磁石２１、２２、２３の分割は、該均一空間に対して十分な磁場効果を与えられない場合があり、また、５０％を上回る構成比率であれば、コスト的なメリットが十分に得られない場合が多い。

また、上記内径側磁石は、１セグメント磁石中で２〜５程度に分割されていることが好ましく、また外径側磁石も分割された磁石を用いることができるが、内径側磁石と外径側磁石の形状は異なるものである。磁化方向については、同じセグメント内の内径側磁石と外径側磁石とで略同じ磁化方向を有する。具体的には、内径側と外径側とで構成磁石のそれぞれの磁化方向は同一、または、一方が複数の構成磁石からなる場合にはそれぞれが打ち消しあい、結果として内径側と外径側とで磁化方向が同じになるようにすればよい。

本発明のセグメント磁石は、このような内径側磁石および外径側磁石をエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の耐熱性接着剤で固定させて一体化することにより、永久磁石式磁界発生装置用セグメント磁石として用いるものである。
また、本発明の永久磁石式磁界発生装置は、上記セグメント磁石を好ましくは４〜３６個用いて環状（リング状）にして磁気回路を構成するものである。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形及び変更が可能である。以下、本実施の形態の永久磁石式磁界発生装置用セグメント磁石について、実施例により更にその作用効果を詳細に説明するが、本発明はこの実施例の構成に何ら限定されるものでない。

図４、図５および図６に、本発明の実験例で用いた永久磁石式磁界発生装置の概略を示す。実験例１（比較例１）は図４のように、ダイポールリングを構成する磁気回路のセグメント分割数を１２（N＝１２）としたもので、構成磁石１０１〜１１２を備える。実験例２（比較例２）は、図５のようにセグメント分割数を３６（N＝３６）としたもので、構成磁石１０１〜１３６を備える。そして、実験例３（実施例１）は、図６に示した内径側と外径側とで違う分割数（内径側36分割、外径側12分割）のセグメントを用いた場合であり、内径側磁石３０１〜３３６、および、外径側磁石２０１〜２１２を備える。この内径側の構成磁石と、外径側の構成磁石との磁石高さ（径方向高さ）の比率は、内径側磁石が外径側磁石の20％とした。

ダイポールリング磁気回路の内外径、および奥行きはそれぞれの実験例で同一であり、外径ａが450mm、内径ｂが200mmとした。磁場均一空間３は直径100mm×100mm高さの円筒形とした。また、構成磁石としては、焼結NdFeB磁石を用いた。尚、図４〜６では記載を省略しているが、実際は外周に保持ヨークを配置し、その材質には炭素鋼を用いた。

下記表１に、実験例１〜３の磁界発生装置における均一空間内の磁場均一性、スキュー角を測定した結果を示す。
実験例１では、磁石分割数が少ないために磁場均一性とスキュー角が共に大きい。一方、実験例２のように分割数を3倍に増やすことによって、磁場均一性およびスキュー角は大幅に向上する。そして、実験例３においては、外径側は12分割の構成磁石であるにも拘わらず、内径側が36分割であることにより、磁場均一性とスキュー角は実験例１よりも大幅に向上し、特に実験例２との差異は見られなかった。

本発明のダイポール永久磁石式磁界発生装置用セグメント磁石およびダイポール永久磁石式磁界発生装置は、磁場の高均一性と低スキュー角を同時に達成することができるので、例えば磁気共鳴断層撮影装置（ＭＲＩ）や半導体素子製造工程、そして基礎研究向け均一磁界発生手段等として広く利用されることが期待できる。また、本発明のセグメント磁石あるいは磁界発生装置を製造する際には、従来のような多くの金型を用意する必要がなく、端部の切り残し等による磁石歩留りの低下も防止できるとともに、必要な磁石部品点数を軽減できるので、製造コストを大幅に削減することが可能であり、産業上の意義は極めて大きい。

本発明に係る永久磁石式磁界発生装置用セグメント磁石を径方向に対して垂直方向から見た場合の概略断面図である。従来のセグメント磁石の概略断面図であり、（ａ）が単一の構成磁石からなる場合であり、（ｂ）が分割された複数の構成磁石からなる場合である。従来のセグメント磁石の製法において、同じ金型から成形した磁石をワイヤーカット等で切断して使用する場合の切断される磁石の模式図である。実験例１で用いた磁界発生装置を径方向に対して垂直方向から見た場合の概略断面図である。実験例２で用いた磁界発生装置を径方向に対して垂直方向から見た場合の概略断面図である。実験例３で用いた磁界発生装置を径方向に対して垂直方向から見た場合の概略断面図である。従来のダイポールリング磁界発生装置を径方向に対して垂直方向から見た場合の断面図である。ダイポールリング磁界発生装置の内部空間における磁場成分を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１永久磁石式磁界発生装置
２外縁部ヨーク
３磁場均一空間
４構成磁石
５分割された構成磁石
７セグメント部位
８切り残し部位
１１外径側磁石
２１、２２、２３内径側磁石
１０１〜１３６構成磁石
２０１〜２１２外径側磁石
３０１〜３３６内径側磁石

Claims

環状の磁気回路を形成するためのセグメント磁石であって、該環状の外径側を構成する外径側磁石と、該環状の内径側を構成する少なくとも２以上の内径側磁石と、から構成されていることを特徴とする永久磁石式磁界発生装置用セグメント磁石。
前記内径側磁石の径方向の高さが、前記外径側磁石の径方向の高さに対して５〜５０％の比率であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式磁界発生装置用セグメント磁石。
環状に配置される複数のセグメント磁石を含み、環の内部空間に実質的に一方向の磁界を発生する永久磁石式磁界発生装置であって、
該セグメント磁石が、該環状の外径側を構成する外径側磁石と、該環状の内径側を構成する少なくとも２以上の内径側磁石と、から構成されており、該セグメント磁石内で複数の磁化方向を有する各構成磁石の着磁方向が、環の半周で1回転するように配列されていることを特徴とする永久磁石式磁界発生装置。
前記内径側磁石の径方向の高さが、前記外径側磁石の径方向の高さに対して５〜５０％の比率であることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石式磁界発生装置。