JP2022510240A - 混合相磁石リングを備える軽量の非対称磁石アレイ - Google Patents

Abstract

磁石アレイ（４００）は、複数の磁石リング（４１１～４２０）とフレームとを備える。複数の磁石リングは、長手方向軸に沿って長手方向軸と同軸に配置され、複数の磁石リングのうちの少なくとも２つが、相が異なる混合相磁石リング（４１１、４１３）を含む。複数の磁石リングは、所定の内部ボリューム（４３０）内で少なくとも所与のレベルの均一性を有する、長手方向軸に平行な方向に沿った磁場を、共同で生成するように構成されている。フレームは、複数の磁石リングを所定の位置に固定して保持するように構成されている。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年１１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／７７２，６３８号及び２０１８年１２月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／７８０，２７２号の利益を主張し、これらの開示内容が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して磁石アセンブリ、特に永久磁石を備える軽量の磁石アセンブリ及びその設計方法に関する。

強力で均一な磁場を達成することを目的とした永久磁石アレイの設計が、以前に特許文献で報告されている。例えば、米国特許第７，４２３，４３１号には、第１の表面と、イメージング（画像化）装置のイメージングボリューム（体積）に対応するように構成された段付きの第２の表面とを有する永久磁石本体を備えるイメージング装置用の永久磁石アセンブリが記載され、段付きの第２の表面は、少なくとも４つの段部を有する。

別の例として、米国特許第６，４１１，１８７号には、医療及び他の用途で使用するための調整可能なハイブリッド磁気装置が記載され、このハイブリッド磁気装置は、イメージングボリュームにおける第１の磁場を生成するための磁束発生器と、イメージングボリューム内で向上した大きさを有する実質的に均一な磁場を提供するために第１の磁場に重ね合わされた第２の磁場を生成するための永久磁石アセンブリとを備える。永久磁石アセンブリは、複数の環状又はディスク状の同心磁石を備え、複数の同心磁石はそれらの対称軸に沿って離間し得る。ハイブリッド磁気装置は、ハイブリッド磁気装置のイメージングボリュームにおける磁場の強度を増加させるための高透磁率ヨークを備え得る。

米国特許第１０，０１８，６９４号には、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）機器用の磁石アセンブリが記載され、磁石アセンブリは、２つ又はそれ以上のリング（環）に配置される複数の磁石セグメントを備え、磁石セグメントは、同じリングにおける隣接する磁石セグメントから等間隔に離れて配置され、隣接するリングにおける磁石セグメントから離れて配置される。一実施形態によれば、複数の磁石セグメントは、２つ又はそれ以上のリングに配置され、磁石セグメントの少なくとも一部の磁化方向は、それぞれのリングによって定義される平面に沿っておらず、結果として生じる磁場プロファイルに対するより大きな制御を提供する。

米国特許第５，９００，７９３号には、それらの対称軸に沿って離間する複数の環状同心磁石からなるアセンブリと、永久磁化される等角セグメントを使用してそのようなアセンブリを構築する方法を記載されている。

本発明の一実施形態は、複数の磁石リングとフレームとを備える磁石アレイを提供する。複数の磁石リングは、長手方向軸に沿って長手方向軸と同軸に配置され、磁石リングのうちの少なくとも２つは、相が異なる混合相磁石リングである。複数の磁石リングは、所定の内部ボリューム内で少なくとも所与のレベルの均一性を有する、長手方向軸に平行な方向に沿った磁場を、共同で生成するように構成されている。フレームは、複数の磁石リングを所定の位置に固定して保持するように構成されている。

幾つかの実施形態において、少なくとも２つの混合相磁石リングのうちの２つが、互いに４５度を超えて異なる方向の磁化ベクトルを有する１つの永久磁気相のみを含む。

幾つかの実施形態において、各磁石リングは、長手方向軸の周りの、磁石リングの面内回転に対して、回転対称性を有する。

一実施形態において、複数の磁石リングのうち少なくとも１つが、所定の内部ボリュームを囲み、長手方向軸に沿って内部ボリュームの中心の一方の側に配置された磁石リングの最小内半径は、内部ボリュームの中心の他方の側に配置された磁石リングの最小半径とは異なる。別の実施形態において、内部ボリュームは、長手方向軸の周りの回転楕円体である。

幾つかの実施形態において、複数の磁石リングは、長手方向軸に対して反転非対称に配置されている。

幾つかの実施形態において、特定の磁石リングが、単一の一体化した要素と個別の磁石セグメントのアセンブリとのうち一方からなる。

幾つかの実施形態において、磁石リングは、内部ボリューム内の磁場の均一性を最大化する各自の磁化方向で予め磁化されている。別の実施形態において、磁石リングは、磁石アレイの外側のフリンジフィールドを最小化する各自の磁化方向で予め磁化されている。

一実施形態において、個別の磁石セグメントは、互いに電気的に絶縁されている。別の実施形態において、個別の磁石セグメントはそれぞれ、球、円柱、楕円体、多角体の形状のうちの１つである形状を有する。さらに別の実施形態において、個別の磁石セグメントは、固体、気体、液体を含む少なくとも１つの非磁性要素によって互いに分離されている。

幾つかの実施形態において、複数の磁石リングは、楕円、円、多角形のうちいずれかを含む形状を有する。

幾つかの実施形態において、混合相磁石リングはそれぞれ、少なくとも８次の離散的な回転対称性を有する。

一実施形態において、磁石アレイは、複数の磁石リングの一又は複数の追加のアレイをさらに備え、追加のアレイにおける複数の磁石リングが、長手方向軸から各自の角度に設定された各自の長手方向軸と同軸である。

本発明の一実施形態によれば、磁石アレイを製造する方法がさらに提供される。該方法は、複数の磁石リングを長手方向軸に沿って長手方向軸と同軸に配置することとを含む。複数の磁石リングのうち少なくとも２つが、相が異なる混合相磁石リングを含む。複数の磁石リングは、所定の内部ボリューム内で少なくとも所与のレベルの均一性を有する、長手方向軸に平行な方向に沿った磁場を、共同で生成するように構成されている。フレームを使用して、複数の磁石リングが所定の位置に固定して保持される。

本発明は、その実施形態の以下の詳細な説明から、以下の図面と併せて、より十分に理解される。

本発明の一実施形態による、第１の磁石アセンブリと第２の磁石アセンブリとを備える非対称磁石アレイの斜視図である。 図２Ａ及び図２Ｂ～２Ｄはそれぞれ、本発明の別の実施形態による、非対称磁石アレイの斜視図、並びに、アセンブリによって別個に生成された磁力線のプロット（図）及びアセンブリによって共同で生成された磁力線のプロットである。 本発明の一実施形態による、図１及び図２の磁石アレイにおけるリングのいずれかであり得るセグメント化（分割）された磁石リングの斜視図である。 本発明の一実施形態による、相が異なる混合相磁石リング（ＭＰＭＲ）の磁石アレイの斜視図である。 本発明の一実施形態による、図４の磁石アレイによって生成された磁力線のプロットである。 本発明の一実施形態による、図４の磁石アレイにおけるリングのいずれか１つであり得る混合相磁石リング（ＭＰＭＲ）の斜視図である。

概要
医療、航空宇宙、電子、自動車産業など様々な領域で、強力で均一な磁場が必要とされる。一例として、人間の脳の磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）で使用される磁石は、通常、０．１～３テスラの強度の磁場を提供する。これは、約３０００立方センチメートル（例えば、半径９ｃｍの球の内部）のイメージングボリューム（体積）内で数百万分率（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ：ｐｐｍ）まで均一である。しかし、そのような磁石は、かなりのサイズ及び重量を有するために、用途が限られる。さらに、一般に磁石の設計では、重量、磁場の均一性、及び所定の均一性を達成できるボリュームのサイズの間には、厳しく制限されたトレードオフがある。

以下に記載される本発明の実施形態は、強力で均一な磁場（例えば、０．１～１テスラの範囲内）を生成する軽量の永久磁石アレイを提供する。開示される磁石アレイの幾つかは、例えば救急車内の頭部ＭＲＩシステムなどの救急医療脳移動ＭＲＩシステム用に構成されている。しかし、一般に、開示された技術は、任意の他の適切なシステムに適用され得る。

本明細書では、内部ボリューム（体積）が、長手方向（軸方向）（Ｚ）、半径方向（ｒ）、及び方位角（θ）の座標からなる円筒座標系（基準系）を使用して、長手方向軸の周りの回転楕円体の体積として定義される。内部ボリュームの例は、長軸が長手方向軸に沿う長球、短軸が長手方向軸に沿う扁球である。横方向の平面は、任意のｒ－θ平面（つまり、長手方向のｚ軸に直交する平面）としてさらに定義される。内部ボリュームの特定の定義は、磁場が少なくとも所与のレベルの均一性を有するＭＲＩシステムのイメージングボリュームである。

本発明の幾つかの実施形態において、フレームを備える磁石アレイが提供され、該フレームは、所定の位置に固定されて、中心の長手方向軸に沿った異なる位置で、中心の長手方向軸と同軸の複数の磁石リングを保持するように構成されている。磁石リングは側面にあり、少なくとも１つのリングが、長手方向軸が通過する（つまり、リングが内部ボリュームと交差する）内部ボリュームに含まれる領域を囲む。本明細書では、フレームは、リングを所定の位置に保持するその機械的機能によって定義され、これは、様々な方法で、例えば、ヨークを使用するか、又はリングを周囲の材料（例えば、エポキシ）に埋め込むことによって、作られ得る。

複数の磁石リングは、長手方向軸に対して反転非対称に配置される。本開示の文脈及び特許請求の範囲において、「長手方向軸に対して反転非対称」という用語は、長手方向軸に垂直な平面が磁石アレイの対称面ではないことを意味する。つまり、磁石アレイは、軸に沿った任意の点で、長手方向軸に対して反転下で対称ではない。反転非対称は、点非対称又は鏡像非対称ともいう。簡潔さのために、以下の説明において磁石アレイの「非対称」という場合、上記で定義された反転非対称を意味する。

複数の磁石リングは、内部ボリューム内で少なくとも所与のレベルの均一性の長手方向軸に平行な方向に沿って磁場を共同で生成するように構成される。磁石アレイは、各磁石リングに、長手方向軸の周りのリングの面内回転に対して回転対称性（連続的又は離散的）を有する磁場を生成させる。

幾つかの実施形態では、開示された磁石アレイのいずれかの磁石リングのそれぞれは、楕円、最も一般的には円、又は多角形のうちの１つを含む形状を有する。磁石リングはそれぞれ、単一の一体化した要素又は個別の磁石セグメントのアセンブリからなる。磁石リングは、内部ボリューム内の磁場の均一性を最大化し任意選択で磁場が５ガウスを超える磁石の周りの領域によって定義される安全ゾーンを最小化するように設計された磁化方向で予め磁化される。

頭部ＭＲＩ用途のために典型的に構成される幾つかの実施形態では、開示される非対称永久磁石アレイが、第１の内径を有する２つ又はそれ以上の磁石リングを備える第１の磁石アセンブリと、第２の内径を有する２つ又はそれ以上の磁石リングを備える第２の磁石アセンブリとを備えるとして説明され得る。第１の内径は、イメージングボリュームの最大横径よりも大きく、第２の内径は、イメージングボリュームの最大横径よりも小さいか、又はイメージングボリュームの最大横径と等しい。

通常、複数の磁石リングは、異なる長手方向軸の位置にある。第２の磁石アセンブリは、イメージングボリュームに対して非対称に配置されている。したがって、開示される磁石アレイの非対称構造は、人間の頭部に合うように最適化され、脳を含む内部ボリューム（イメージングボリュームと同じ）への物理的アクセスが、第２のアセンブリではなく第１のアセンブリによって行われる。第１の磁石アセンブリ及び第２の磁石アセンブリは、内部ボリューム内に少なくとも所与のレベルの均一性の長手方向軸に平行な磁場を共同で生成するように構成される。

幾つかの実施形態では、非対称磁石アレイは、相が異なる少なくとも２つの混合相永久磁石リングを備える。本発明の文脈において、混合相磁石リング（ＭＰＭＲ）は、複数の繰り返しセグメントを含む磁石リングであって、セグメントのそれぞれが２つ又はそれ以上の相からなり、セグメントの少なくとも１つが永久磁石材料からなる磁石リングとして定義される。

相は、（ｉ）材料組成と、（ｉｉ）セグメント内の幾何学的形状及び相対位置と、（ｉｉｉ）磁化状態との特定の組み合わせによって特徴付けられる要素として定義される。磁化状態は、磁気モーメントの３つの成分、Ｍ＝（Ｍ_ｒ，Ｍ_θ，Ｍ_ｚ）で表される。これらの成分は、上述の円筒座標系において、異なるセグメントの対応する相によって共有される。様々な相の材料は、永久磁石、強磁性体、フェリ磁性体、常磁性体、反磁性体、反強磁性体、又は非磁性体であり得る（ただし、これらに限定されない）。任意の点でのＭＰＭＲの全磁場は、Ｍの値がゼロ以外である、リングにおける全ての相の寄与を重ね合わせることによって、計算される。

相は、ＭＰＭＲの有効体積全体を満たす。ＭＰＭＲの有効体積は、最小断面積の多角形状の環状リングの体積として定義され、リングにおける全ての磁性相をちょうど囲む。相の体積比は、ＭＰＭＲの有効体積に対する相体積の比として定義される。

（ａ）対応する相の体積比が同じであり、（ｂ）対応する非永久磁石の相が同じであり、（ｃ）対応する相の磁化ベクトルが、全ての相に共通のｒ－Ｚ平面における一定の角度で回転と全ての相に共通の磁化の大きさにおける一定のスケーリング因子とによって最大で異なる、２つのリングの相間に、１対１の対応がある場合、２つのＭＰＭＲは、相が類似していると言われる。

したがって、２つのＭＰＭＲの相が異なる場合、特定のリングの全磁場に対するそのリングにおける個々の相の相対的な寄与は、２つのリングについて異なる。例えば、コンピュータ化された磁場シミュレーションツールを使用して、相が異なる少なくとも２つのＭＰＭＲの相と、それらのＭＰＭＲの永久磁石相の磁気モーメントの方向とを、調整又は「チューニング」して、内部ボリューム内の全磁場の均一性を最適化することができる。このような追加の自由度は、アレイが様々な幾何学的制約（例えば、リングの位置、半径方向／軸方向の厚さなど）の影響を受ける場合に最も有利であり、このような制約は、通常、機械的又は製造上の制限から生じる。

一体化した磁石リング部分（ピース）は、各セグメントが異なる磁化方向及び／又は強度で磁化された繰り返しセグメントを作るために、方位角で反復的な方法で磁化され得ることが理解される。ここでの文脈において、そのような磁石部分は、機械的には磁石リングの実際のセグメンテーション（分割）がない場合でも、相が共通の材料組成を共有するがそれらの磁化状態が異なるＭＰＭＲと見なされる。同じことが、例えば、材料組成が方位角の反復的な方法で変化する、異なる材料組成で作られた一体化した磁石リングにも当てはまる。このような場合、異なる磁気組成領域は異なる相と見なされる。同じことが、磁石部分の軸方向の厚さ及び／又は半径方向の厚さ及び／又は断面形状が反復的な方法で方位角方向に変化する一体化した磁石部分にも当てはまる。この場合、リングは、機械的にセグメンテーションがない場合でも、形状が異なるが共通の組成及び磁気状態を共有する相を有するＭＰＭＲと見なされる。

非対称磁石リングアレイの所定の重量について、２つ又はそれ以上の相が異なるＭＰＭＲを使用すると、１つのみのＭＰＭＲ又は相が類似する複数のＭＰＭＲを組み込んだ非対称アレイによって達成されるレベルよりも大幅に高い内部ボリューム内の磁場均一性のレベルが得られる。

上記の様々な種類の磁石リングは、通常、例えばネオジム、鉄、及びホウ素の合金（ＮｄＦｅＢ）などの強強磁性材料からなり、そのキュリー温度は最大周囲動作温度をはるかに上回る。他の材料オプションには、フェライト、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石、又は任意の他の永久磁石材料が含まれる。リングの設計及び種類に応じて、リングセグメントは、球、円柱、楕円体、又は例えば直方体、くさび形、角のあるセグメントなどの形状の多角柱の形状を有し得る。

磁石アレイを実現するための２つの開示される技術（例えば、非対称形状を使用、２つ又はそれ以上のＭＰＭＲリングを使用）は、別個に又は組み合わせて、特に軽量の磁石ソリューションを必要とする用途において強力で均一な磁石アレイの使用を可能にする。

図１は、本発明の一実施形態による、第１の磁石アセンブリ１１０と第２の磁石アセンブリ１２０とを備える例示的な非対称磁石アレイ１００の斜視図である。示されるように、第１の磁石アセンブリ１１０及び第２の磁石アセンブリ１２０はそれぞれ、内部ボリューム１３０を通過する「Ｚ軸」で表す中心の長手方向軸と同軸である少なくとも２つの磁石リングを備える。多数の磁石リングは、Ｚ軸に沿って可変の横断方向の寸法及び可変の変位を有する。図１では、例として、第１のアセンブリ１１０は、４つの磁石リング１１１～１１４からなるものとして示され、第２のアセンブリ１２０は、４つの磁石リング１２１～１２４からなるものとして示されている。第１の磁石アセンブリ１１０及び第２の磁石アセンブリ１２０における各リングは、一体化したリング、又はセグメント化されたリング、即ち、個別のセグメントを備えるリングである。セグメントは、球、円柱、楕円体、又は多角柱、好ましくは直方体の形状を有し得る。リングは、不規則な形状の断面を含む任意の断面を有し得ることが理解される。単一のリングに属する全てのセグメントは、共通の形状及び材料組成、並びに長手方向（Ｚ）、半径方向、及び方位角方向において同じ磁気モーメント成分を共有する。しかし、これらの特性の一又は複数が、リング毎に異なり得る。

セグメント化されたリングの場合、セグメントの磁気モーメントに言及することは、セグメントが空間における特定の方向に均一に磁化されることを意味し、その半径方向、長手方向、及び方位角方向がセグメントの重心で計算される。

一体化したリングの場合、Ｍは、方位角座標に依存しない方位角、半径方向、及び長手方向の成分を有する空間で連続的に変化する。複雑な形状を有する一体化した磁石部分は、Ｍ_ｒ、Ｍ_θ、又はＭ_ｚがＺ又はＲに応じて徐々に又は段階的に変化するように磁化され、機械的には１つの連続した部分で構成されるが、磁化の観点から効果的に幾つかのリングを作り得ることが理解される。ここでの文脈において、この種の実施は、リングの境界が機械的セグメンテーションではなく磁化の観点によって決定される複数のリングを有すると見なされる。

リングの周囲形状は、例えば円、楕円、多角形などの任意の閉じた曲線であり得る。場合によっては、周囲形状の選択は、内部ボリューム１３０の断面形状に依存する。リングの回転対称性は、とりわけ、その周囲形状も回転対称であること（例えば、円又は等角等辺の多角形の形状）を意味することが理解される。全てのリングが円形である特別な場合において、第１の磁石アセンブリ１１０のリング１１１～１１４の最小内半径はＲ１で示され、第２の磁石アセンブリ１２０のリング１２１～１２４の最小内半径はＲ２で示される。所与のターゲット半径Ｒｉについて、ターゲット半径Ｒｉは、例として、画像化（イメージング）に使用される回転楕円体の内部ボリュームの最大半径を定義する内部ボリューム１３０の横方向半径１４０を有し、磁場が少なくとも所与のレベルの均一性を有する場合、Ｒ１及びＲ２の値は、Ｒｉ＜Ｒ１及び０≦Ｒ２≦Ｒｉの関係を満たす。Ｒ２＝０の場合、第２の磁石アセンブリ１２０のリングの少なくとも１つは一体化した円盤状である。第２の磁石アセンブリ１２０は、Ｒ２よりも大きくさらにＲ１よりも大きい内半径を有するリングを含み得ることが理解される。磁石アセンブリは、通常０～１０ｃｍ（ただし、これに限定されない）の間隙（ギャップ）でＺ方向に離れて配置される。ここでの目的では、リングが両方の磁石アセンブリに対してＺ方向に延在する場合、リングの一部は第１の磁石アセンブリに含まれ、他の部分は第２の磁石アセンブリに含まれていると見なされる。この場合、アレイ間の間隙は０になる。

一実施形態では、非対称アレイにおいて、内部ボリュームの中心の一方の側に配置されたリングの最小半径は、内部ボリュームの中心の他方の側に配置されたリングの最小半径とは異なる。内部ボリュームの中心は、任意の適切な方法で定義され、例えば、内部ボリューム内にある長手方向軸のセクションの中心である。さらに、内部イメージングボリュームがアレイによって部分的にのみ囲まれている場合、中心は、内部ボリューム内及びアレイ内にある長手方向軸のセクションの中心と見なされる。前者の実施形態に従うアレイは、上記のように異なる最小内半径を有する２つのサブアセンブリから構成されるものとして説明され得る。

内部ボリューム１３０は、アセンブリ１１０によって少なくとも部分的に囲まれた単連結領域であり、これは、典型的には、楕円体又は球である。示されるように、内部ボリューム１３０は、磁石アレイ１１０によって囲まれ、リング１１２～１１３が内部ボリューム１３０を囲んでいる。一実施形態では、内部ボリューム１３０は、半軸が約０．５Ｒ１、０．５Ｒ１、及び０．３Ｒ１に等しい扁球楕円体である。このようなリングのパラメータは、リングの内側及び外側の半径、そのＺ変位、又はＺ軸方向の厚さに限定されない。さらに、磁気モーメント角度は全て、例えば有限要素、有限差分、分析アプローチなどの計算方法を使用して最適化され、勾配降下最適化アルゴリズムと組み合わせて、イメージングボリュームにおける特定の磁界強度について、最小重量で、最高の均一性を実現する。これは、各アセンブリが多数のリングを含み、その全てが最適化されているために、可能である。

磁石アレイ１００の非対称性の一態様は、異なるリングが異なる横断方向寸法及び磁気モーメント方向を有し、リングが長手方向軸に対して反転非対称性を有するアレイに配置される（つまり、Ｚ軸反転に関して非対称である）ことである。本開示の文脈及び特許請求の範囲において、「長手方向軸に対して反転非対称」という用語は、長手方向軸に垂直な平面が磁石アレイの対称面ではないことを意味する。つまり、磁石アレイは、軸に沿った任意の点で、長手方向軸に対して反転下で対称ではない。反転非対称は、点非対称又は鏡像非対称ともいう。簡潔さのために、以下の説明において磁石アレイの「非対称」という場合、上記で定義された反転非対称を意味する。

設計における非対称性は、例えば人間の頭部などの本質的に非対称な標本をイメージングする場合に特に有利である。例えば、そのような１つの場合において、アセンブリ１１０に属するリングは、主に第１の所定の方向（例えば、ｒ方向）に磁化され得るが、アセンブリ１２０に属するリングは、主に別の方向（例えば、ｚ方向）に磁化され得ることが分かっている。

最後に、個々のリングの磁化の方向を最適化して、内部ボリュームにおける均一性及びフリンジフィールドの低減の両方を得て、磁石リングに近い磁力線を閉じる磁気回路を作り得る。一実施形態では、個別の磁石セグメントはそれぞれ、磁石アレイの外側のフリンジフィールドを最小化するそれぞれの磁化方向で予め磁化されている。

図２Ａ及び図２Ｂ～２Ｄは、本発明の別の実施形態による、非対称磁石アレイ２００の斜視図、並びに、アセンブリによって別個に生成された磁力線のプロット及び共同で生成された磁力線のプロットである。均一性は、（より詳細について磁力線がイメージングゾーンでより密に描かれているため）磁力線の均一な密度によっては明らかではなく、むしろ磁力線のz軸方向の位置合わせ（整列）によって明らかである。

図２Ａに示すように、内部ボリューム２３０は、第１の磁石アセンブリ２１０によって少なくとも部分的に囲まれた単連結領域であり、これは、典型的には、楕円体又は球体である。非対称アレイの第２の磁石アセンブリ２２０は、内部ボリューム２３０を「キャップ」（蓋を）する。上記のように、異なるリングは、磁石アレイの均一性及びフリンジフィールドを最適化するために異なる磁化方向を有し得る。例えば、あるリングは、別のリングとは実質的に異なる方向（例えば、４５度を超える）の磁化ベクトルを有し得る。例えば、永久磁石セグメントの磁化ベクトルは、あるリングでは主にｒ方向を指し、別のリングでは主にＺ方向を指し得る。さらに、同じアセンブリに属する２つのリングは、実質的に異なる磁化方向を有し得る。例えば、第１のアセンブリのあるリングは、主にｒ方向に磁化を有し、第１のアセンブリの別のリングは、主に－ｚ方向に磁化を有し、第１のアセンブリの第３のリングは、ｒ－ｚ平面において－４５度に磁化を有し得る。一実施形態では、２つ又はそれ以上のリングが、互いに４５度を超えて異なる方向に磁化ベクトルを有する。

特定の場合（図示せず）において、アセンブリ２１０の複数のリングは、１５ｃｍから３０ｃｍの間のそれらの内半径に分散され、２５ｃｍの長さでそれらのＺ位置に分散され、一方、アセンブリ２２０の複数のリングは、内半径が０．０５ｃｍから３０ｃｍの間に分散され、１２ｃｍの長さでＺ位置に分散され、２つのアセンブリ間のＺ方向における変位は０ｃｍから１０ｃｍの間である。

図２Ｂは、内部ボリューム２３０の内側及び外側の第１の磁石アセンブリ２１０（それぞれがｒ－ｚ平面におけるリングの磁化の方向を有する正方形によって断面図で示されるリング）によって生成される磁場の磁力線を示す。示されるように、内側ボリューム２３０内の磁力線は、大部分はｚ軸に沿って整列するが、磁場が非常に不均一になる内部ボリューム２３０の上部で鋭く曲がる。

図２Ｃは、内部ボリューム２３０の内側及び外側の第２の磁石アセンブリ２２０によって生成される磁場の磁力線を示す。ここでも見られるように、内部ボリューム２３０の内側の磁力線は、大部分はｚ軸に沿って整列する。しかし、内部ボリューム２３０の内側の磁力線は、ｚ軸に対して図２Ｂの磁力線とは反対側に傾斜し、内部ボリューム２３０の底部で非常に不均一になる。

図２Ｄに示すように、磁石アセンブリ２１０及び２２０は、組み合わされて完全なアレイ２００になると、互いの磁場の不均一性を補償して、所定の閾値よりも良好な程度でｚ軸に沿って均一な磁場を達成する。

図２Ａ～２Ｄは、１０個のリングを含む例示的なアレイを示す。アレイは、全てが上記のように最適化されたより多くのリング（例えば、数十又は数百のリング）を含み得ることが理解される。アレイに含まれるリングが多いほど、より優れた磁石性能が実現され得る（例えば、より高い均一性レベル、より大きな磁場、より大きなイメージングボリュームなど）。性能の向上には、要素の数が多いためにアレイの複雑さ及び製造コストが増加するという難点がある。したがって、当業者は、特定の用途に応じて必要な数のリングを検討する必要がある。

図３は、本発明の一実施形態による、図１及び図２の磁石アレイ１００及び２００のリングのいずれかであり得る１つのセグメント化された磁石リング３００の斜視図である。図３では、各磁石セグメント３１０は、同様の長手方向（Ｚ）成分及び半径方向（ｒ）成分を有する、ｒ－Ｚ平面にある磁化ベクトル３２０を有する。さらに、セグメント化された各リングは、３６０／Ｎ度に等しい方位角周期を有する回転対称性を有する。ここで、Ｎは、リングにおけるセグメントの数である。（一体化したリングの場合、つまり、Ｎ→∞の場合、回転対称性は連続的である）。幾つかの実施形態では、開示されるリングは、Ｎ≧８次の回転対称性を有する。開示されるアレイは回転対称性を有するリングを含み、したがって、結果として生じる磁場は長手方向軸に沿うことが理解される。しかし、内部ボリュームにおける均一性及びフリンジフィールドを最適化する方法で非回転対称である非対称アレイリングに組み込むことが可能である。そのような場合、磁場は任意の軸に沿ってもよい。そのようなアレイは回転対称アレイよりも実質的に悪い可能性があるが、開示されるようなリングを伴う非対称性の使用は、対称アレイと比較してアレイの均一性を実質的に向上させ得る。

個別のセグメント３１０は、等間隔に配置され、例えば、好ましくは非導電性である接着剤を使用して互いに取り付けられるか、又は好ましくは絶縁材料で満たされた（ただし、これに限定されない）隣接するセグメント間の間隙３３０と機械的に一緒に保持される。また、回転対称のセグメント化されたリングは複数の種類のセグメントの組み合わせを含み得ることが理解されよう。リング３００の全体の熱安定性のために、接着剤又は間隙は、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムなどの熱伝導性でもある材料からなることが好ましい。個々の磁石セグメント３１０は、上述の高強磁性材料からなるものであり、そのキュリー温度は、例えばアレイ２００などの要素を含む関連システム、例えばモバイルＭＲＩシステムなどの動作温度よりもはるかに高い。

図１～３の説明は例としてのみ役立つことを意図しており本発明の範囲内で多くの他の実施形態が可能であると理解される。例えば、ｒ－ｚ－θ平面における磁石モーメントベクトルの回転は、代替的な実施形態では、異なるリングについて異なりうる別個の回転角で個々の磁石セグメント３１０を回転させることによって達成され得る。さらに、磁石アレイ１００及び２００はそれぞれ、静的又は動的シミングシステムのいずれかと組み合わせられて、内部ボリューム１３０及び２３０内の磁場の均一性をさらに向上させ得る。動的シミング又は勾配パルス磁場が使用される場合、隣接する磁石セグメント３１０間に電気絶縁性接着剤又は空の間隙が存在することは、磁場の均一性に対する渦電流の悪影響を最小限に抑えるのに役立つ。さらに、磁石アレイ１００及び２００は、内部ボリューム１３０及び２３０内の磁場強度を増強するために、ｚ軸と同心に配置される抵抗コイルと組み合わせられ得る。

混合相磁石リングを備える磁石アレイ
図４は、本発明の一実施形態による、相が異なる混合相磁石リング（ＭＰＭＲ）の磁石アレイ４００の斜視図である。

示されるように、例として、アレイ４００は、内部ボリューム４３０を通過する中心のＺ軸と同軸である１０個の磁石リング４１１～４２０を備える。異なるリングが、Ｚ軸に沿った異なる位置に配置され、一般に、横断方向の寸法、半径方向の厚さ、及び軸方向の厚さが異なる。示されるように、磁石アレイ４００は、長手方向軸に対して反転非対称性を有する（つまり、Ｚ軸反転に関して非対称である）。本開示の文脈及び特許請求の範囲において、「長手方向軸に対して反転非対称」という用語は、長手方向軸に垂直な平面が磁石アレイの対称面ではないことを意味する。つまり、磁石アレイは、軸に沿った任意の点で、長手方向軸に対して反転下で対称ではない。反転非対称は、点非対称又は鏡像非対称ともいう。簡潔さのために、以下の説明において磁石アレイの「非対称」という場合、上記で定義された反転非対称を意味する。

さらに、内部ボリューム４３０は、磁石アレイ４００の内部に（図示のように）又はなくとも部分的に外部にｚ方向（図示せず）に延在し得る。さらに、開示される磁石アレイは、ヨークと組み合わされてもよいし、組み合わされなくてもよい。

リング４１１は、比較的小さな非磁性間隙（即ち、相２）によって分離された直方体形状の永久磁石要素（即ち、相１）を有するＭＰＭＲを例示する。リング４１３は、比較的大きな非磁性間隙（即ち、相２）によって分離された直方体形状の永久磁石要素（即ち、相１）を有するＭＰＭＲを例示する。明らかに、全リングボリューム（体積）において非磁性間隙が占める割合は、リング４１１の場合には小さく、リング４１３の場合には比較的大きい。したがって、リング４１１及び４１３は、相が異なるＭＰＭＲであり、アレイ４００は、相が異なる多くのＭＰＭＲを含み得る。

さらに、リング４１１はまた、リング４１３と実質的に異なる方向（例えば、４５度を超える）の磁化ベクトルを有し得る。例えば、永久磁石セグメントの磁化ベクトルは、リング４１１において－Ｚ方向を指し、リング４１３においてｒ－Ｚ平面において－４５度を指し得る。一実施形態では、２つ又はそれ以上の混合相磁石リングが、互いに４５度を超えて異なる方向の磁化ベクトルを有する１つの磁気相のみを含む。各ＭＰＭＲリングは、３６０／Ｎ度に等しい方位角周期を有する回転対称性を有する。ここで、Ｎは、リングにおけるセグメントの数である。（連続的なリングの場合、つまり、Ｎ→∞の場合、回転対称性は連続的である）。幾つかの実施形態では、開示されるＭＰＭＲリングは、Ｎ≧８次の離散的な回転対称性を有する。

図５は、本発明の実施形態による、図４の磁石アレイ４００によって生成された磁力線のプロットである。均一性は、（より詳細について磁力線がイメージングゾーンでより密に描かれているため）磁力線の均一な密度によっては明らかではなく、むしろ磁力線のz軸方向の位置合わせ（整列）によって明らかである。ＭＰＭＲアレイ４００は、同じアレイ重量で、例えば、アレイ１００及び２００で達成されるものと比較して、ｚ軸に沿ってより均一な磁場を達成し得る。さらに、均一な磁場は、ほぼリングまで半径方向に延びる。したがって、このような軽量のＭＰＭＲアレイは、例えばＭＲＩ救急車などのモバイルＭＲＩの用途に特に役立ち得る。

図４及び図５は、１０個のＭＰＭＲを含む例示的なアレイ４００を示す。アレイは、より多くのＭＰＭＲ（例えば、数十又は数百のＭＰＭＲ）を含むことが可能で、それらは全て上記のように最適化され、それらの多くは相が異なることが理解される。アレイに含まれるリングが多いほど、より優れた磁石性能が実現され得る（例えば、より高い均一性レベル、より大きな磁場、より大きなイメージングボリュームなど）。性能の向上には、要素の数が多いためにアレイの複雑さ及び製造コストが増加するという難点がある。したがって、当業者は、特定の用途に応じて必要な数のＭＰＭＲを検討する必要がある。

図６は、本発明の一実施形態による、例示的なＭＰＭＲ６００の斜視図である。リングは、６つの繰り返しセグメント６１０からなり、各セグメントは、６２０ａ、６２０ｂ、６２０ｃ、６２０ｄの４つの要素を有する。

一実施形態では、要素６２０ａは、上述の強磁性材料からなる。要素６２０ａは、通常、磁気モーメントの成分についての特定の値で予め磁化されている。要素６２０ａの形状は、図３に示すように円柱形であり得、又は、例えば球、楕円体、直方体、多角体などの他の形状であり得る。

要素６２０ｃは、通常、要素６２０ａとは異なる相を有する。例えば、要素６２０ｃは、要素６２０ａと同じ材料組成及び幾何学的形状を有し得るが、磁気モーメントＭの一又は複数の成分が異なり得る。或いは、要素６２０ｃは、例えばフェリ磁性、常磁性、非磁性材料などの非強磁性材料からなり得る。この場合、要素６２０ｃの相は、その異なる材料組成のために、要素６２０ａの相とは異なる。

図６に示すように、要素６２０ｂは、要素６２０ａを要素６２０ｃから分離する長さＬＩの間隙を埋め、同様に、要素６２０ｄは、要素６２０ｃを隣接するセグメントの要素６２０ａから分離する長さＬ２の間隙を埋める。多くの場合、ＭＰＭＲ６００の熱安定性のために、要素６２０ｂ及び要素６２０ｄは、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムなど、少なくとも適度に熱伝導性を有する非磁性の非導電性材料からなることが好ましい。

相が類似するＭＰＭＲの概念をさらに説明するために、要素６２０ａ及び要素６２０ｃがそれぞれ軸方向の磁化Ｍ０及び－Ｍ０を有するＭＰＭＲ６００について考える。次に、要素６２０ａ*及び要素６２０ｃ*がそれぞれ半径方向の磁化２Ｍ０及び－２Ｍ０を有することを除いて、全ての点でＭＰＭＲ６００と同じである異なるＭＰＭＲ６００*（図示せず）を考える。ＭＰＭＲ６００は、ｒ－Ｚ平面で磁気モーメントを９０°共通に回転させた後、共通の倍率２を掛けることで、ＭＰＭＲ６００*に変換可能であるので、２つのＭＰＭＲは相が類似していると見なされる。各リングについて、磁化ベクトルの体積平均ｒ－Ｚ投影の大きさを、全ての永久磁石相の最大磁化の大きさで割ることによって、リングの有効強度を定義し得る。パラメータは、０から１の間の値であり、リングが近くに磁場をどれだけ効果的に生成するかという定性的な意を有する。２つのリングの相が類似していない場合、２つのリングの相対的な有効強度が異なり、２つのリングの磁場への寄与が異なり得る。

一般に、ＭＰＭＲにおける隣接する要素は、機械的手段又は接着剤によって一緒に保持される。接着剤層が占める総体積が小さい場合、例えば、リングの総体積の１％未満の場合、磁場計算の目的で接着剤層を追加の相として扱う必要はない。セグメントの不完全性及び残りの不均一性を補償するために、セグメントの位置及び角度のわずかな調整が実行され得る。

上記の説明は例としてのみ役立つことのみを意図しており本発明の範囲内で多くの他の実施形態が可能であると理解される。例えば、磁石アレイ４００は、静的又は動的シミングシステムのいずれかと組み合わせられて、内部ボリューム４３０内の磁場の均一性をさらに向上させ得る。動的シミング又は勾配パルス磁場が使用される場合、隣接する磁石要素間の間隙に電気絶縁材料が存在し、磁場の均一性に対する渦電流の悪影響を最小限に抑えるのに役立つ。さらに、磁石アレイ４００は、内部ボリューム４３０内の磁場強度を増強するために、ｚ軸と同心に配置される抵抗コイルと組み合わせられ得る。

本明細書に記載の例示的な実施形態では、混合相リングは、非対称磁石アレイの一部である。しかし、代替的な実施形態では、混合相リングは、それらの均一性を高めるためにヨークの有無に関わらず、対称アレイ又は任意の他の種類の磁石アレイでも使用され得る。さらに、本明細書に記載の例示的な磁石アレイは、共通の軸と同軸の複数のリングを含む。しかし、記載されたアレイを、リングが第１の共通の長手方向軸からある角度にある一又は複数の異なる軸と同軸である一又は複数の追加のリングアレイと組み合わせることが可能である。アレイの組み合わせにより、空間内の任意の方向に磁場が共同で生成される。追加のリングアレイは混合相リングを含み得るが、このようなリングは、ｚ軸が独自の共通で同軸の軸として定義された独自の円筒座標系に従って定義される。

例えば、それぞれの同軸の軸が互いに４５度異なるリングの２つのアレイを設けることが可能である。各アレイは、２つ又はそれ以上の、相が異なるＭＰＭＲを含み、アレイ軸のそれぞれに沿って内部ボリュームに実質的に均一な磁場を得るように最適化され得る。２つのアレイの組み合わせにより、第１の長手方向軸と第２の長手方向軸との間にある方向に均一な磁場が生じる。

本明細書に記載の実施形態は主にモバイルＭＲＩの用途に対応するが、本明細書に記載の方法及びシステムは、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの強力で均一で軽量の磁石を必要とする航空宇宙用途などの他の用途にも使用され得る。

したがって、上記の実施形態は例として引用されており、本発明は、上記で詳細に示され説明されたものに限定されないことが理解される。むしろ、本発明の範囲は、上記の様々な特徴の組み合わせ及びサブコンビネーションの両方、並びに上述の説明を読んだときに当業者に思い付くであろう、先行技術に開示されていないその変形及び修正を含む。本特許出願に参照により組み込まれる文書は、本明細書において明示的又は黙示的になされた定義と矛盾する方法でこれらの組み込まれた文書に用語が定義されている場合を除いて、本出願と一体化した部分と見なされるべきであり、本明細書における定義のみが考慮されるべきである。

Claims (30)

1. 長手方向軸に沿って前記長手方向軸と同軸に配置された複数の磁石リングと、
   前記複数の磁石リングを所定の位置に固定して保持するように構成されたフレームと、
   を備え、
   前記複数の磁石リングのうち少なくとも２つが、相が異なる混合相磁石リングを含み、
   前記複数の磁石リングは、所定の内部ボリューム内で少なくとも所与のレベルの均一性を有する、前記長手方向軸に平行な方向に沿った磁場を、共同で生成するように構成されていることを特徴とする磁石アレイ。
2. 少なくとも２つの混合相磁石リングのうちの２つが、互いに４５度を超えて異なる方向の磁化ベクトルを有する１つの永久磁気相のみを含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁石アレイ。
3. 各磁石リングは、前記長手方向軸の周りの、磁石リングの面内回転に対して、回転対称性を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
4. 前記複数の磁石リングのうち少なくとも１つが、所定の内部ボリュームを囲み、
   前記長手方向軸に沿って前記内部ボリュームの中心の一方の側に配置された磁石リングの最小内半径は、前記内部ボリュームの中心の他方の側に配置された磁石リングの最小半径とは異なることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
5. 前記複数の磁石リングは、前記長手方向軸に対して反転非対称に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
6. 前記内部ボリュームは、前記長手方向軸の周りの回転楕円体であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
7. 特定の磁石リングが、単一の一体化した要素と個別の磁石セグメントのアセンブリとのうち一方からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
8. 磁石リングは、前記内部ボリューム内の磁場の均一性を最大化する各自の磁化方向で予め磁化されていることを特徴とする、請求項７に記載の磁石アレイ。
9. 磁石リングは、前記磁石アレイの外側のフリンジフィールドを最小化する各自の磁化方向で予め磁化されていることを特徴とする、請求項７に記載の磁石アレイ。
10. 前記個別の磁石セグメントは、互いに電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項７に記載の磁石アレイ。
11. 前記個別の磁石セグメントはそれぞれ、球、円柱、楕円体、多角体の形状のうちいずれかの形状を有することを特徴とする、請求項７に記載の磁石アレイ。
12. 前記個別の磁石セグメントは、固体、気体、液体を含む少なくとも１つの非磁性要素によって互いに分離されていることを特徴とする、請求項７に記載の磁石アレイ。
13. 前記複数の磁石リングはそれぞれ、楕円、円、多角形のうちいずれかを含む形状を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
14. 前記混合相磁石リングはそれぞれ、少なくとも８次の離散的な回転対称性を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
15. 複数の磁石リングの一又は複数の追加のアレイを備え、
    前記追加のアレイにおける複数の磁石リングが、前記長手方向軸から各自の角度に設定された各自の長手方向軸と同軸であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
16. 磁石アレイを製造する方法であって、
    前記方法は、
    複数の磁石リングを長手方向軸に沿って前記長手方向軸と同軸に配置することと、
    フレームを使用して前記複数の磁石リングを所定の位置に固定して保持することと、
    を含み、
    前記複数の磁石リングのうち少なくとも２つが、相が異なる混合相磁石リングを含み、
    前記複数の磁石リングは、所定の内部ボリューム内で少なくとも所与のレベルの均一性を有する、前記長手方向軸に平行な方向に沿った磁場を、共同で生成するように構成されていることを特徴とする方法。
17. 少なくとも２つの混合相磁石リングのうちの２つが、互いに４５度を超えて異なる方向の磁化ベクトルを有する１つの永久磁気相のみを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 各磁石リングは、前記長手方向軸の周りの、磁石リングの面内回転に対して、回転対称性を有することを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の方法。
19. 前記複数の磁石リングのうち少なくとも１つが、所定の内部ボリュームを囲み、
    前記長手方向軸に沿って前記内部ボリュームの中心の一方の側に配置された磁石リングの最小内半径は、前記内部ボリュームの中心の他方の側に配置された磁石リングの最小半径とは異なることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の方法。
20. 前記複数の磁石リングは、前記長手方向軸に対して反転非対称に配置されていることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の方法。
21. 前記内部ボリュームは、前記長手方向軸の周りの回転楕円体であることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の方法。
22. 特定の磁石リングが、単一の一体化した要素と個別の磁石セグメントのアセンブリとのうち一方からなることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の方法。
23. 磁石リングは、前記内部ボリューム内の磁場の均一性を最大化する各自の磁化方向で予め磁化されていることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
24. 磁石リングは、前記磁石アレイの外側のフリンジフィールドを最小化する各自の磁化方向で予め磁化されていることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
25. 前記個別の磁石セグメントは、互いに電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
26. 前記個別の磁石セグメントはそれぞれ、球、円柱、楕円体、多角体の形状のうちいずれかの形状を有することを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
27. 前記個別の磁石セグメントは、固体、気体、液体を含む少なくとも１つの非磁性要素によって互いに分離されていることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
28. 前記複数の磁石リングはそれぞれ、楕円、円、多角形のうちいずれかを含む形状を有することを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の方法。
29. 前記混合相磁石リングはそれぞれ、少なくとも８次の離散的な回転対称性を有することを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の方法。
30. 前記方法は、
    複数の磁石リングの一又は複数の追加のアレイを配置すること、
    を含み、
    前記追加のアレイにおける複数の磁石リングが、前記長手方向軸から各自の角度に設定された各自の長手方向軸と同軸であることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の方法。

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