JPS63142606A - 磁気共鳴結像用の等方性希土類−鉄の界磁石 - 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】 本発明は改良された環状磁石に関する。さらに詳しく述
べると、本発明は磁気的等方性希土類−鉄一合金から作
られる磁気共鳴結像（＋ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒｅｓｏｎ
ａｎｃｅ　ｉｏ＋ａｇｉｎｇ、　Ｍ　ＲＩ　）用環状磁
石に関する。

磁気共鳴結像は、人体の任意の部分の選ばれた領域の横
断面像を得る非侵襲性診断法である。映像輝度は水の水
素原子核および脂肪の分子の共鳴励起および緩和によっ
て決まる。

体内における骨、器官および他の組織の中の水および脂
肪の密度が異なるので、信号緩和強度および時間が異な
り、データのコンピュータ処理によって充分に明確な映
像を作り出すことができる。

結像システムの技術は、−次バイアス磁場を形成するた
めの複数の異方性永久磁石からなる大きなリングに依存
している１個々の永久磁石は、磁石リングの孔または穴
にできる限り強く且つできる限り均一な磁束場（ｆｌｕ
ｘｆｉｅｌｄ）　（即ちバイアス磁場）を得るように磁
気的に配向されている。永久磁石リングによって発生さ
れる磁場内に方向性摂動（ｄｉｒｅｃ−ｔｉｏｎａｌ　
ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｓ）を引き起こすためには、
Ｘ、ＹおよびＺ勾配無線コイル（ｇｒａｄｉｅｎｔｒａ
ｄｉｏ　ｃｏｉｌｓ）が用いられる。勾配コイルにはシ
ーケンサによってパルス信号が送られ磁場パターンの摂
動を引き起こし、磁石リングの孔に置かれた人体の部分
の断面のような限られた容積内の原子核が共鳴する。無
線受信器はこの領域からの核磁気共鳴（ｎｍｒ）信号を
検出する。空間的な情報が得られたｎ　ｍ　ｒスペクト
ル内に含まれ、そこから映像が再生される。

解像度の高い映像を得るためには、永久磁石リングによ
って発生される一次バイアス磁場ができるだけ均一であ
ることが必須である。

全身を走査するのに充分大きな環状磁石の孔（直径約８
０ａ＋ｒ）を設けるためには、強力な永久磁石を使用す
ることが非常に好ましい。

なぜならばバイアス磁場強度は磁極が離れるにつれて低
下するからである。従って、１０ＭＧＯｅ以上のエネル
ギー積を有する配向異方性希土類−コバルト磁石および
鉄ネオジウムーホウ素磁石が用いられてきた。異方性フ
ェライト磁石は比較的低い最大エネルギー積（約４　Ｍ
　Ｇ　Ｏｅ　）のため、　この材料は実用性がない、な
ぜならば充分強力なバイアス磁場を得るためには磁石の
重量が大きくなりすぎるからである。

ケイ・ハルバッチ（Ｋ　、　Ｈａｌｂａｃｈ）は多極環
状磁石を製造する際の多数の設計上重要なパラメータに
ついて述べている。彼は論文、「デザイン・オブ・パー
マネント・マルチポール・マグネット・ウィズ・オリエ
ンテドレア・アース・コバルト・マテリアル（Ｄ　ｅｓ
ｉｇｎｏｆ　　Ｐｅｒａ＋ａｎｅｎｔ　Ｍｕｌｔｉｐｏ
ｌｅ　Ｍａｇｎｅｔｓ　ｗｉｔｈＯｒｉｅｎｔｅｄ　Ｒ
ａｒｅ　Ｅａｒｔｈ　Ｃｏｂａｌｔ　Ｍａｔｅｒｉａｌ
）　Ｊ、ニューフレアー・インストルメンツ・アンド９
メソツズ（Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　
ａｎｄＭｅｔｈｏｄｓ）　、　１６９巻、１〜１０頁、
（１９８０年）において具体的に配向希土類−コバルト
環状磁石について説明している。この課題についてはグ
ルクスターン（Ｇ　１ｕｃｋｓｔａｒｎ）およびホルシ
ンガー（Ｈｏｌｓｉｎｇｅｒ）によってさらに研究され
、彼らは１９８１年、ニューメキシコ州、サンタフェ市
において催されたリニア・アクセレレイター・コンフィ
レンス（Ｌ　１ｎｅａｒＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　Ｃｏ
ｎｆｅｒｅｎｃｅ）の会報におけるｒデザイン・オブ・
アールイージー・パーマネント・マグネット・クワドル
ポールズ・ティキング・イントウ・アカウント・ビー、
エッチ・ノン−リニアリティ（Ｄｅｓｉｇｎ　ｏ　ｆ　
　ＲＥ　ＣＰｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｑｕａ
ｄｒｕｐｏｌｅｓ　Ｔａｋｉｎｇｉｎｔｏ　Ａｃｃｏｕ
ｎｔ　Ｂ、ＨＮｏｎ−１ｉｎｅａｒｉｔｙ）　Ｊにおい
て報告している。これらの論文によれば、望ましい異方
性バイアス磁場永久磁石は磁化方向に対して平行および
垂直な両方向においてほぼ１に等しい透磁率（μ）を有
していなければならないと結論づけている。即ちＢ　　
／Ｈ＝　　μ　基１葺μ 、＋１　　　ＩＩ　　　　ＩＩ　　　　　　　工配向異
方性希土類コバルト磁石および希土類鉄磁石の場合、こ
の透磁率関係はあてはまる。このような磁石は合金を直
径約５マイクロメートル未満の粒子に粉砕することによ
り作られ、各粒子は本質的に単一磁区の大きさであり且
つ磁気的に異方性である０次にこの粉体は磁場の存在の
下で圧縮され、完成磁石にとって好ましい磁気配向方向
を得る。一度充分な圧縮密度（約８０％）が得られると
、粒子はもはや移動することができず、その後のあらゆ
る処理に対してもその磁気配向性を保持する。　この配
向性圧縮粉体は焼結され、表面仕上げされ且つ磁化され
、その後ＭＲＩリングに組み立てられる。

均一なＭＲＩバイアス磁場を発生するように磁気材料の
１個の独立したリングを形成することは現在可能ではな
くまた必要でもない。

その代わりに、従来のＭＨＩ磁石リングは望ましい磁気
アライメントを有する配向異方性永久磁石の複数のブロ
ックから形成されている。この発明が完成する前、リン
グの組立て工程において各磁石の磁界不正アライメント
を防止するためには、異方性配向磁石を使用することが
必要であると考えられていた。この理由は磁石がＭＨＩ
リング組立て位置に移動されるとき、この磁石が望まし
い磁気方向と反対方向にかなりの磁力を受けるからであ
る。

この発明の完成前、ＭＲＩリング磁石に関する理論的お
よび実践的研究結果から、当業者は等方性磁気物質、即
ちどのような方向にも等しい強度に磁化することのでき
る物質はＭＲＩリング磁石を製造する際に使用すること
ができないと決め込んでいた。この理由は非配向サマリ
ウムコバルト磁石のような公知の等方性磁石は、磁気配
向方向に平行および垂直の両方向に対して共にほぼ１に
等しい透磁率を持つものではないからである０例えば磁
場を印加することなく単に粉体を圧縮し。

次に焼結することにより製造されるサマリウムコバルト
磁石の横方向における相対透磁率Ｃμよ）は、通常１．
４〜１．７の範囲内にある。

従って、そのような磁石を磁石リングに組み立てるとき
、この磁石には逆方向の磁化成分が必要である。さらに
、そのような磁石がどのような磁気アライメントの方向
変化を受けるかは、正確に予想することが困難である。

さらにまた、従来の非配向の圧縮焼結ＲＥ−ＴＭ磁石は
その費用が高い割にはエネルギー積が低い。

本発明の好ましい具体例によれば、ＭＨＩ環状磁石が複
数の等方性希土類−鉄基材磁石から形成される。好まし
い磁石合金は主にＲＥ　２　Ｔ　Ｍ　＞　、Ｂ−相から
成り、この式においてＲＥは希土類元素であり２ＴＭは
遷移金属元素であり、Ｂはホウ素である。最も好ましい
組成物は多量のＲＥ　＊　（Ｆｅ　ｚ−ｃ　Ｏ−）　Ｌ
−Ｂ　１相を有しており、この式においてネオジウムお
よび／またはプラセオジムはＲＥの少なくとも６０％を
構成し、又は約０．４以下である。

これらの等方性合金は溶融体から容易に固化され、得ら
れた粒子は約４００〜５００ナノメートル以下の好まし
い粒度を有する。溶融スピニング法はそのような組成お
よび微細構造を有する永久磁石合金を作り出す１つの好
ましい方法である。特願昭５８−１６０６２０号を参考
としてここに引用するが、それは希土類−鉄磁石組成物
および方法について述べている。好ましい条件下での溶
融スピニング（＋＋＋ｅ↓ｔ−ｓｐｉｎｎｉｎｇ）は磁
気的等方性合金リボンの脆い小片を生成する。配向異方
性ＲＥ−ＴＭ磁石を製造するのに必要な細かく粉砕され
た粉体と異なり、これらのリボン小片は空気中において
自然発火することはない。これら破片は荒く粉砕するこ
とができ（１０マイクロメートル以上）且つ保護雰囲気
下でなくとも冷間圧縮することができる。

ＭＲＩリングを形成する各磁石は、例えば溶融スピニン
グされたリボンを少量の乾燥エポキシ樹脂粉体と混合す
ることにより作ることができる。この混合物は所望の大
きさおよび形状のコンパクト（ｃｏｍｐａｃｔ）に冷間
圧縮される０次に、この混合物コンパクトは焼結温度よ
りもずっと低い温度（好ましくは２００℃未ｍ）で短時
間加熱され、エポキシ樹脂を硬化して、このようにして
形成された磁石ブロックを確実に一体化とする。

望ましい形状の非常に大きなブロックは、このようにし
て形成することができる。ブロックそれ自身およびブロ
ック内における粒子は磁気的に等方性であるので、完成
したブロックは望ましい磁場において所望のどのような
方向にも同じように容易に配向することができる。これ
らブロックは一度配向されると、隣接する磁石によって
生じる漂遊磁場（ｓｔｒａｙｆｉｅｌｄ）のために所望
の磁気アライメントを失うことなく、ＭＨＩ装置用リン
グに組み立てることができる。不良アライメントを防止
する等方性ＲＥ−Ｆｅ−Ｂ基材磁石の独特な磁化作用は
、下記において詳細に説明する。所望に応じて、環状磁
石はリングの外側に磁石を注意深く配置することにより
微調整することができる。

第１図はＭＲＩ装置用の環状磁石２の立体表現図である
。このリングはそれぞれ台形断面形状を有する１６個の
磁気的等方性ブロック４から成っている。各ブロック４
の短い平行面６は隣りのブロックの平行面と接触してい
る。このリングが人体の横断面走査に使用されるのであ
れば、リング２の穴または孔８は少なくとも約８０ａｎ
の直径を有することが好ましい。第１図のリングの磁石
は、リング２に組み立てられる前に、矢印１０によって
示されている方向に磁化される。ここに示されているリ
ングはＺ軸を横切り且つＹ軸と平行な磁力線を発生する
。

各ブロック４は主に磁気的等方性ＲＥ−ＴＭ−Ｂ合金か
ら成り、形成されたときには磁気配向の選択的方向性を
有していない。従って、従来の粉末金属圧縮法（同時に
磁界を印加することなしに）および磁化技術を使用する
ことにより、各ブロックの北極側が所望の方向に向くよ
うに容易に磁化される。

組み立てられたリング２は、例えば米国特許第４，５３
８，１３０号　［グラフスターン（Ｇ　１ｕｃｋｓｔｅ
ｒｎ）等〕に教示されているようにリングの外側に望ま
しい配向の磁石を追加的に配置することにより微ｖＡ整
することができる。しかしながら、本発明の等方性環状
磁石を同調させることは必要でない、なぜならば、環状
磁石の組立ておよび焼結または結合した異方性磁石用粉
体の予備アライメントにおいて遭遇する磁気的不良アラ
イメントの問題は回避され、またはかなり減少されてい
るからである。

本発明の要点は等方性希土類−遷移元素−ホウ素基材合
金、特に主としてＲＥ２ＴＭ、。

Ｂ２相から成るＮｄおよび／またはＰｒ、鉄、ホウ素合
金を使用することである。最も好ましい組成物は、約４
００〜５ｏＯナノメートル未満の単一磁区の大きさに対
応ずｐ２−１４−１相の平均結晶の大きさを有する。そ
のような微細構造を有する合金は、前述の特願昭５８−
１６０６２０号に開示されている溶融合金の迅速同化お
よび特願昭６２−７５００７号に述べられている完全結
晶インゴットの高エネルギーボールミル粉砕のような技
術によって作ることができる。少くとも約６原子百分率
のＮｄおよび／またはＰｒ、少くとも約５０原子百分率
の鉄および少くとも約０．５原子百分率のホウ素を含む
合金は、２−１４−１相を含有するとともに望ましい磁
気特性を有することがわかった。

これらの等方性ＲＥ−ＴＭ−Ｂ磁石は、フェライトより
数倍高いエネルギー積を有するが、異方性の配向され、
圧縮され且つ焼結された（ｏｐｓ）サマリウム−コバル
トおよびＲＥ−ＴＭ−Ｂよりもわずかに低いエネルギー
積を有する。しかしながら、等方性ＲＥ−ＴＭ−Ｂ磁石
の低いエネルギー積（約１２〜１５ＭＧＯｅ）は生成、
磁化および組み立てが容易であることおよび費用が低い
ことにより充分に補填される。

当業者といえども微細で容易に酸化される微細粉体に圧
縮と同時に望ましい配向界磁を付与することは不可能で
あり、このため異方性ｏＰＳ磁石が取りうる大きさおよ
び形は制限をうける。これに対して、本発明において用
いられる溶融スピニングされた（ｍｅｌｔ−ｓｐｕｎ）
異方性リボンは、従来の粉体金属技術によりどのような
形にも　プレスすることができる。

例えば、複数の放射状円弧形セグメントを形成し、この
複数のセグメントを、連続的に変化する方向に磁化し１
次に各磁石間に隙間を置くことなく密着したＭＨＩ環状
磁石に組み立てることは充分にこの技術範囲内にある。

この構成は環状磁石の孔内に非常に均一な磁場を発生さ
せる。従来の異方性磁石および磁石製造方法を用いて、
この構成を得る公知の実用的方法は存在していない。

本発明において用いられる等方性磁石は。

比較的大きな且つ非常に細かい結晶性合金粉体粒子をエ
ポキシ樹脂、ポリウレタン、ポリオレフィンまたはアク
リルエステルのような有機結合剤または鉛、亜鉛または
スズのような無機結合剤で結合させることにより作るこ
とができる。また充分に高密な磁石は、特願昭５９−１
６３４８６号に開示されているように約７５０℃以下の
高い温度で圧縮することにより非常に細かい結晶性原料
から形成することもできる。さらにほぼ単一磁区の大き
さの異方性ＲＥ−ＴＭ−Ｂ粉体粒子を用いて。

磁場のない保護雰囲気中でこれら粒子を圧縮し、得られ
たコンパクトを焼結することも可能である。しかしなが
ら、焼結した磁石は組み立て前に許容範囲まで機械加工
にかけられなければならない。

この明細書のはじめに発明の背景として述べたように、
本発明の完成前、当業者は等方性磁石がＭＨＩ環状磁石
を製造するのに使用できると考えていなかった。なぜな
らば公知の磁石では垂直透磁率に対する水平透磁率の比
が約１でないためである０例えば、非配向性の細かく粉
砕されたＳ　ｍ　−Ｃｏ粉体は約１．４　の透磁率を有
する０本発明において用いられる等方性ＲＥ−ＴＭ−Ｂ
磁石は約１：１以下の満足な透磁率を有している。

第２図はまた本発明の理解を助けるものである。第２図
のＳ　ｍ　−Ｃｏ曲線は、焼結した非配向性等方性Ｓｍ
−Ｃｏ粉体の立方体に対する代表的な第一象限の磁化曲
線２０を示している。この立方体がＸＮ方向に磁化され
るならば、残留磁化はゼロからａ地点にほぼ直線状に上
昇し、相対透磁率は約１となる。しかしながら、磁化し
た立方体が次にＹ方向における数キロエルステッドの磁
場におかれると、第一象限の曲線は例えば点すから点Ｃ
に移動する。この場合、相対透磁率は約１．４〜１．７
　となる、立方体が磁気的に巻かれると、上記曲線は点
すから点Ｃの曲線に沿って移動し、従って大部分の残留
磁化成分はＸ方向ではなくなる。

同様に１等方性Ｓ　ｍ　−Ｇ　ｏの予備磁化したブロッ
クがＭＨＩリング内に挿入されると、このブロックは数
Ｋ　Ｏｅの漂遊磁場にさらされる。従って、ブロックは
望ましくない方向の磁化成分を捕える。フェライト磁石
は希土類磁石よりずっと低い飽和保磁力を有するので、
等方性フェライトを組み立てる場合、不利益な結果がか
なり著しく目立つ、このような組み立てにより引き起こ
される不良アライメントは、ＭＨＩリングの孔内におい
て′ｍ場の好ましくない（且つ予想できない）変化をも
たらす。

さらに第２図に示されているように、等方性ＲＥ−ＴＭ
−Ｂ物質は等方性Ｓ　ｍ　−Ｇ　ｏとは著しく異なる第
一象限の磁化曲線２２を示す、これら物質の相対透磁率
はＨ引未満の印加磁場Ｈに対して約１．０〜１．１の範
囲内にある。ＲＥ−ＴＭ−Ｂ物質の立方体がＨｃｉより
も大きな磁場においてＸ方向に磁化され、且つＹ方向ま
たは他の別な方向においてＨ６１より弱い磁場にさらさ
れるならば、磁石のアライメントは予備磁化方向からそ
れほどずれることはないｅｓｍ−Ｇｏと異なり、等方性
ＲＥ−ＴＭ−Ｂにおける残留磁化は、ＨｃＩに殆ど到達
するまで非常にゆっくりと上昇する。

ＭＨＩリングが約２０ＭＧＯｅ以下のエネルギー積を有
する磁石から組み立てられるとき、磁石が受ける最大漂
遊磁場は約６ＫＯｅ以下にすぎない。この値は等方性Ｒ
Ｅ−ＴＭ−Ｂ磁石のＨｃ、　（過剰に急冷し且つ焼もど
したＮ　ｄ　０，１４Ｆ　ｅ　、、、。Ｂ、、。６の場
合約１０　Ｋ　Ｏａ　）よりも低い、従ってそのような
磁石がＭＨＩリングに同人されたときに受けた漂遊磁場
は問題となるほどの不良アライメントを引き起こすこと
はない、従って、殆ど調整する必要のない大変均一な磁
場が等方性ＲＥ−ＴＭ−ＢＭＲＩリングの孔内に発生す
る。

これまでＭＨＩ装置に等方性磁石を使用することは不可
能であった。なぜならば、そのような磁石はリング組み
立て工程中に磁性的に不良なアライメントを引き起こす
からである。本発明に従ってＲＥ−ＴＭ−Ｂの磁性合金
を利用して等方性磁石を形成することにより、磁石は磁
性的不良アライメントを引き起こすことなく、リング状
に組み立て且つ調整することができる。

本発明は特にＭＲＩ装置用環状磁石について述べた０本
発明は粒子ビームの焦点を合わせるために用いられる四
重極磁面のようなすべての多重極集束磁場磁石にも応用
することができることは明らかである。従って、本発明
は特別な具体例として述べられたけれども、当業者によ
り本発明は容易に変形することができる。従って、本発
明は特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の環状磁石の斜視図である。 第２図は磁場に対する残留磁化を表わすグラフである。 ［主要部分の符号の説明］

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、環状磁石（２）の孔（８）の内部に磁場を発生する
   環状磁石（２）において、上記環状磁石（２）が、少く
   とも６原子百分率のネオジム（Ｎｄ）および／またはプ
   ラセオジム（Ｐｒ）、少くとも５０原子百分率の鉄およ
   び少くとも０．５原子百分率のホウ素から成る磁気的等
   方性合金から形成されていることを特徴とする環状磁石
   （２）。 ２、合金の主要相がＲＥ＿２ＴＭ＿１＿４Ｂ＿１であり
   、この式においてＲＥは希土類元素を表し、ＴＭは遷移
   金属元素を表し、Ｂはホウ素を表すことを特徴とする磁
   気共鳴結像装置用の特許請求の範囲第１項に記載の環状
   磁石（２）。 ３、合金の主要相が５００ナノメートル未満の平均粒度
   を有することを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載
   の環状磁石（２）。 ４、環状磁石（２）が磁気的等方性合金の結合粒子から
   成ることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の環
   状磁石（２）。 ５、磁気共鳴結像装置用の上記環状磁石（２）が樹脂で
   結合した磁気的等方性合金の粒子から成り、この合金の
   主要相がＲＥ＿２ＴＭ＿１＿４Ｂ＿１であり、この式に
   おいてＲＥは希土類元素を表し、ＴＭは遷移金属元素を
   表し、Ｂはホウ素を表し、且つ上記式においてＲＥの少
   くとも６０原子百分率がネオジム（Ｎｄ）および／また
   はプラセオジム（Ｐｒ）であり、ＴＭの少くとも６０原
   子百分率が鉄であり、ＲＥ＿２ＴＭ＿１＿４Ｂ＿１相の
   粒子が５００ナノメートル未満の粒度を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の環状磁石（２）
   。 ６、環状磁石（２）がこの環状磁石の孔（８）内におい
   てバイアス磁場を発生するセグメント環状磁石であり、
   この環状磁石の磁石セグメント（４）は磁気的等方性溶
   融スピニング合金リボンから形成され、この合金リボン
   の主要相はＲＥ＿２ＴＭ＿１＿４Ｂ＿１であり、この式
   においてＲＥはそ希土類元素を表し、ＴＭは遷移金属元
   素を表し、Ｂはホウ素であり、且つ上記式においてＲＥ
   の少くとも６０原子百分率がネオジム（Ｎｄ）および／
   またはプラセオジム（Ｐｒ）であり、ＴＭの少くとも６
   ０原子百分率が鉄であり、且つ合金リボンは高い温度で
   プレスされ、充分に高密化した磁石セグメント（４）を
   形成していることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の環状磁石（２）。 ７、上記磁石セグメント（４）がそれより少量の重合体
   結合剤と結合した磁気的等方性溶融スピニング合金リボ
   ンの粒子から主に成ることを特徴とする特許請求の範囲
   第６項に記載のセグメント環状磁石（２）。 ８、環状磁石が上記磁気的等方性合金の複数の分離状ブ
   ロック（４）から形成されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の環状磁石（２）。 ９、ＴＭの少なくとも６０原子百分率が鉄であり、ＴＭ
   の４０原子百分率未満がコバルトであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項または第３項に記載の環状磁石
   （２）。 １０、磁気的等方性合金が合金中に存在する鉄に対して
   ４０原子百分率以内のコバルトを含むことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の環状磁石（２）。