(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
離間された端部間に延在する細長い側壁を備えた磁気ソレノイドであって、
該細長い側壁は、該側壁に沿って縦方向に延在する中心軸を囲み、該細長い側壁は、複合式によって定義される半径を有し、該複合式は、該中心軸に沿った位置の関数として該半径を変化させ、該複合式は、該細長い側壁の中央部であって、該中心軸に向かう方向に凹形状を有する中央部を定義し、該複合式は、さらに、該細長い側壁の両端部であって、該中心軸に向かう方向に凸形状を各々が有する両端部を定義する、磁気ソレノイド。
【請求項２】
前記複合式は、実質的均一磁場の軸沿いの均一性に影響を及ぼす第１の演算数と、該実質的均一磁場の軸外の均一性に影響を及ぼす第２の演算数とを備える、請求項１に記載の磁気ソレノイド。
【請求項３】
前記第１の演算数は、前記半径に関する実質的楕円関数であって、前記中心軸によって二等分される短軸を有する実質的楕円関数を備え、前記第２の演算数は、前記離間された端部において該半径を該中心軸から外側に広げる指数関数を備える、請求項２に記載の磁気ソレノイド。
【請求項４】
前記磁気ソレノイドは、前記中心軸に垂直でありかつ該中心軸に沿った該磁気ソレノイドの中点を交差する平面に対して実質的に対称である、請求項１に記載の磁気ソレノイド。
【請求項５】
前記複合式は、
前記中心軸に沿った前記磁気ソレノイドの中点における半径を定義する第１の演算数と、
該第１の演算数から減算される指数関数である第２の演算数と、
該第１の演算数に加算される指数関数である第３の演算数と
を備え、該第２および第３の演算数は、該中点からの該磁気ソレノイドの長さに沿って該半径を変化させるように互に反対に作用する、請求項１に記載の磁気ソレノイド。
【請求項６】
前記実質的均一磁場は、前記磁気ソレノイドの内部体積内の３次元空間における各点に対して実質的に均一な大きさを有する、請求項１に記載の磁気ソレノイド。
【請求項７】
前記半径Ｒは、下式によって定義され、
【数１】
0005575811.tif 000008
式中、
ＭｉｎｏｒＡｘｉｓは、該複合式の楕円部分の短軸の寸法であり、
ＭａｊｏｒＡｘｉｓは、該複合式の楕円部分の長軸の寸法であり、
Ｚは、前記磁気ソレノイドの第１の端部に対する前記中心軸に沿った距離であり、
Ｍｉｄｐｏｉｎｔは、該中心軸に沿った該磁気ソレノイドの第１の端部から該磁気ソレノイドの中点までの該中心軸に沿った距離であり、
Ａ、Ｂ、およびＣは、該複合式の指数部分を定義する定数である、
請求項１に記載の磁気ソレノイド。
【請求項８】
前記半径Ｒは、下式によって定義され、
【数２】
0005575811.tif 000009
式中、
ＭｉｄｐｏｉｎｔＲａｄｉｕｓは、前記中心軸に沿った前記磁気ソレノイドの中点における半径であり、
Ｚは、該磁気ソレノイドの第１の端部に対する該中心軸に沿った距離であり、
Ｍｉｄｐｏｉｎｔは、該中心軸に沿った該磁気ソレノイドの第１の端部から該磁気ソレノイドの中点までの該中心軸に沿った距離であり、
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦは、該複合式のそれぞれの指数部分を定義する定数である、
請求項１に記載の磁気ソレノイド。
【請求項９】
請求項１に記載の磁気ソレノイドを備えるジャイロスコープシステムであって、該磁気ソレノイドの内部体積内に封入されるジャイロスコープセルを備えるジャイロスコープシステム。
【請求項１０】
離間された端部間に延在する細長い側壁を備え、
該細長い側壁は、該側壁に沿って縦方向に延在する中心軸を囲み、該細長い側壁は、複合式によって定義される半径を有し、該細長い側壁の中央部であって、該中心軸に向かう方向に凹形状を有する中央部と、該細長い側壁の両端部であって、該中心軸に向かう方向に凸形状を各々が有する両端部とが、実質的均一磁場の軸沿いの均一性に影響を及ぼす第１の演算数と、該実質的均一磁場の軸外の均一性に影響を及ぼす第２の演算数とを有する該複合式によって定義され、該実質的均一磁場は、導体コイルによって封入される内部体積内の３次元空間における各点に対して実質的に均一な大きさおよび方向を有する、磁気ソレノイド。
【請求項１１】
前記第１の演算数は、前記導体コイルの半径に関する実質的楕円関数であって、前記中心軸によって二等分される短軸を有する実質的楕円関数を備え、前記第２の演算数は、前記離間された端部において該半径を中心軸から外側に広げる指数関数を備える、請求項１０に記載の磁気ソレノイド。
【請求項１２】
前記第１の演算数は、実質的楕円関数であり、前記半径を定義するために前記第２の演算数と合計される、請求項１０に記載の磁気ソレノイド。
【請求項１３】
前記第１の演算数は、以下によって表され、
【数３】
0005575811.tif 000010
ここで、
ＭｉｎｏｒＡｘｉｓは、前記複合式の楕円関数の短軸の寸法であり、
ＭａｊｏｒＡｘｉｓは、該複合式の楕円関数の長軸の寸法であり、
Ｚは、前記磁気ソレノイドの第１の端部に対する前記中心軸に沿った距離であり、
Ｍｉｄｐｏｉｎｔは、該中心軸に沿った該磁気ソレノイドの第１の端部から該磁気ソレノイドの中点までの該中心軸に沿った距離である、
請求項１２に記載の磁気ソレノイド。
【請求項１４】
前記第２の演算数は、指数関数であり、前記半径を定義するために前記第１の演算数と合計される、請求項１０に記載の磁気ソレノイド。
【請求項１５】
前記第２の演算数は、以下によって表され、
【数４】
0005575811.tif 000011
ここで、
Ｚは、前記磁気ソレノイドの第１の端部に対する前記中心軸に沿った距離であり、
Ｍｉｄｐｏｉｎｔは、該中心軸に沿った該磁気ソレノイドの第１の端部から該磁気ソレノイドの中点までの該中心軸に沿った距離であり、
Ａ、Ｂ、およびＣは、前記複合式の指数関数を定義する定数である、
請求項１４に記載の磁気ソレノイド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、磁気デバイスシステムに関し、具体的には、実質的均一磁場を発生させるための磁気ソレノイドに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ソレノイドは、磁気ソレノイドの内部体積内等、磁場を発生させる種々の用途のために実装可能である。実施例として、磁気ソレノイドは、磁気ソレノイドの内部体積内に位置する、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ等のジャイロスコープために、磁場を発生させ、希ガス同位体の歳差運動を誘発させるように実装可能である。実施例として、磁気ソレノイドは、円筒形幾何学形状を伴って構成される、伝導性コイルから形成可能である。ＮＭＲジャイロスコープ用途等、磁気ソレノイドが意図される用途に応じて、磁気ソレノイドの内部体積全体を通して、実質的に均一である、磁場を発生させることが望ましいであろう。しかしながら、伝導性コイルの円筒形構成は、円筒形構成の端部近傍において、および円筒形構成の中心軸から軸外にある点において等、磁場の容認不可能な非均一性をもたらす可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の一実施形態は、磁気ソレノイドを含む。磁気ソレノイドは、離間された端部間に延在する、細長い側壁を含む。細長い側壁は、側壁に沿って縦方向に延在する、中心軸を囲むことが可能である。細長い側壁は、中心軸に沿った位置の関数として、半径を変化させる、複合式によって定義される、半径を有することが可能である。
【０００４】
本発明の別の実施形態は、磁気ソレノイドを含む。磁気ソレノイドは、離間された端部間に延在する、細長い側壁を含む。細長い側壁は、側壁に沿って縦方向に延在する、中心軸を囲むことが可能である。細長い側壁は、実質的均一磁場の軸沿いの均一性に影響を及ぼす、第１の演算数と、実質的均一磁場の軸外の均一性に影響を及ぼす、第２の演算数とを有する、複合式によって定義される、半径を有することが可能であることによって、実質的均一磁場が、導体コイルによって封入される、内部体積内の３次元空間における各点に対して、実質的に均一な大きさおよび方向を有する。
【０００５】
本発明の別の実施形態は、磁気ソレノイドによって封入される、内部体積内に実質的均一磁場を提供するように構成される、磁気ソレノイドを含む。磁気ソレノイドは、中心軸を中とする磁気ソレノイドの半径が、実質的に楕円である、中心部分を含む。楕円短軸は、中心軸に垂直な平面上にある。また、磁気ソレノイドは、導体コイルの半径が、中心軸から外側に広がる、相互に対向する、第１および第２の端部部分を含む。
（項目１）
離間された端部間に延在する細長い側壁を備えた磁気ソレノイドであって、
該細長い側壁は、該側壁に沿って縦方向に延在する中心軸を囲み、該細長い側壁は、複合式によって定義される半径を有し、該複合式は、該中心軸に沿った位置の関数として該半径を変化させる、磁気ソレノイド。
（項目２）
前記複合式は、実質的均一磁場の軸沿いの均一性に影響を及ぼす第１の演算数と、該実質的均一磁場の軸外の均一性に影響を及ぼす第２の演算数とを備える、項目１に記載の磁気ソレノイド。
（項目３）
前記第１の演算数は、前記半径に関する実質的楕円関数であって、前記中心軸によって二等分される短軸を有する実質的楕円関数を備え、前記第２の演算数は、前記離間された端部において該半径を該中心軸から外側に広げる指数関数を備える、項目２に記載の磁気ソレノイド。
（項目４）
前記磁気ソレノイドは、前記中心軸に垂直でありかつ該中心軸に沿った該磁気ソレノイドの中点を交差する平面に対して実質的に対称である、項目１に記載の磁気ソレノイド。
（項目５）
前記複合式は、
前記中心軸に沿った前記磁気ソレノイドの中点における半径を定義する第１の演算数と、
該第１の演算数から減算される指数関数である第２の演算数と、
該第１の演算数に加算される指数関数である第３の演算数と
を備え、該第２および第３の演算数は、該中点からの該磁気ソレノイドの長さに沿って該半径を変化させるように互に反対に作用する、項目１に記載の磁気ソレノイド。
（項目６）
前記実質的均一磁場は、前記磁気ソレノイドの内部体積内の３次元空間におけるける各点に対して実質的に均一な大きさを有する、項目１に記載の磁気ソレノイド。
（項目７）
前記半径Ｒは、下式によって定義され、
【化３】
0005575811.tif 000002
式中、
ＭｉｎｏｒＡｘｉｓは、該複合式の楕円部分の短軸の寸法であり、
ＭａｊｏｒＡｘｉｓは、該複合式の楕円部分の長軸の寸法であり、
Ｚは、前記磁気ソレノイドの第１の端部に対する前記中心軸に沿った距離であり、
Ｍｉｄｐｏｉｎｔは、該中心軸に沿った該磁気ソレノイドの第１の端部から該磁気ソレノイドの中点までの該中心軸に沿った距離であり、
Ａ、Ｂ、およびＣは、該複合式の指数部分を定義する定数である、
項目１に記載の磁気ソレノイド。
（項目８）
前記半径Ｒは、下式によって定義され、
【化４】
0005575811.tif 000003
式中、
ＭｉｄｐｏｉｎｔＲａｄｉｕｓは、前記中心軸に沿った前記磁気ソレノイドの中点における半径であり、
Ｚは、該磁気ソレノイドの第１の端部に対する該中心軸に沿った距離であり、
Ｍｉｄｐｏｉｎｔは、該中心軸に沿った該磁気ソレノイドの第１の端部から該磁気ソレノイドの中点までの該中心軸に沿った距離であり、
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦは、該複合式のそれぞれの指数部分を定義する定数である、
項目１に記載の磁気ソレノイド。
（項目９）
項目１に記載の磁気ソレノイドを備えるジャイロスコープシステムであって、該磁気ソレノイドの内部体積内に封入されるジャイロスコープセルを備えるジャイロスコープシステム。
（項目１０）
離間された端部間に延在する細長い側壁を備え、
該細長い側壁は、該側壁に沿って縦方向に延在する中心軸を囲み、該細長い側壁は、実質的均一磁場の軸沿いの均一性に影響を及ぼす第１の演算数と、実質的均一磁場の軸外の均一性に影響を及ぼす第２の演算数とを有する複合式によって定義される半径を有することによって、該実質的均一磁場は、導体コイルによって封入される内部体積内の３次元空間における各点に対して実質的に均一な大きさおよび方向を有する、磁気ソレノイド。
（項目１１）
前記第１の演算数は、前記導体コイルの半径に関する実質的楕円関数であって、前記中心軸によって二等分される短軸を有する実質的楕円関数を備え、前記第２の演算数は、前記離間された端部において該半径を中心軸から外側に広げる指数関数を備える、項目１０に記載の磁気ソレノイド。
（項目１２）
前記磁気ソレノイドは、前記中心軸に垂直でありかつ該中心軸の中点を交差する平面に対して実質的に対称である、項目１０に記載の磁気ソレノイド。
（項目１３）
前記第１の演算数は、実質的楕円関数であり、前記半径を定義するために前記第２の演算数と合計される、項目１０に記載の磁気ソレノイド。
（項目１４）
前記第１の演算数は、以下によって表され、
【化５】
0005575811.tif 000004
ここで、
ＭｉｎｏｒＡｘｉｓは、前記複合式の楕円部分の短軸の寸法であり、
ＭａｊｏｒＡｘｉｓは、該複合式の楕円部分の長軸の寸法であり、
Ｚは、前記磁気ソレノイドの第１の端部に対する前記中心軸に沿った距離であり、
Ｍｉｄｐｏｉｎｔは、該中心軸に沿った該磁気ソレノイドの第１の端部から該磁気ソレノイドの中点までの該中心軸に沿った距離である、
項目１３に記載の磁気ソレノイド。
（項目１５）
前記第２の演算数は、指数関数であり、前記半径を定義するために前記第１の演算数と合計される、項目１０に記載の磁気ソレノイド。
（項目１６）
前記第２の演算数は、以下によって表され、
【化６】
0005575811.tif 000005
ここで、
Ｚは、前記磁気ソレノイドの第１の端部に対する前記中心軸に沿った距離であり、
Ｍｉｄｐｏｉｎｔは、該中心軸に沿った該磁気ソレノイドの第１の端部から該磁気ソレノイドの中点までの該中心軸に沿った距離であり、
Ａ、Ｂ、およびＣは、前記複合式の指数部分を定義する定数である、
項目１５に記載の磁気ソレノイド。
（項目１７）
磁気ソレノイドであって、
該磁気ソレノイドは、該磁気ソレノイドによって封入される内部体積内に実質的均一磁場を提供するように構成され、
該磁気ソレノイドは、
中心軸を中心とする該磁気ソレノイドの半径が実質的に楕円である中心部分であって、該楕円の短軸が、該中心軸に垂直な平面上にある、中心部分と、
該磁気ソレノイドの半径が該中心軸から外側に広がる第１の端部部分と、
該磁気ソレノイドの半径が該中心軸から外側に広がる該第１の端部部分と対向する第２の端部部分と
を備える、磁気ソレノイド。
（項目１８）
前記中心部分、第１の端部部分、および第２の端部部分のそれぞれにおける導体コイルの半径は、前記中心軸に沿った位置の関数として該半径を変化させる複合式によって定義される、項目１７に記載の磁気ソレノイド。
（項目１９）
前記複合式は、
前記導体コイルの半径に関する実質的楕円関数である第１の演算数であって、前記実質的均一磁場の軸沿いの均一性に影響を及ぼす第１の演算数と、
指数関数である第２の演算数であって、該実質的均一磁場の軸外の均一性に影響を及ぼす第２の演算数と
を備える、
項目１８に記載の磁気ソレノイド。
（項目２０）
前記磁気ソレノイドは、前記中心軸に垂直でありかつ該中心軸の中点を交差する平面に対して対称である、項目１７に記載の磁気ソレノイド。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、本発明のある側面による、磁気ソレノイドの斜視図の実施例を例証する。
【図２】図２は、本発明のある側面による、軸沿磁場を実証する、グラフの実施例を例証する。
【図３】図３は、本発明のある側面による、軸外磁場を実証する、グラフの実施例を例証する。
【図４】図４は、本発明のある側面による、ジャイロスコープシステムの実施例を例証する。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明は、概して、磁気デバイスシステムに関し、具体的には、実質的均一磁場を発生させるための磁気ソレノイドに関する。磁気ソレノイドは、中心軸に沿った各点において、複合式によって定義される、中心軸を中心とする半径を有する、伝導性コイルを含むことが可能である。実施例として、複合式は、中心軸に沿った磁気ソレノイドの中点において伝導性コイルの半径を定義する短軸を有する楕円または円関数であり得る、第１の演算数を有することが可能である。第１の演算数は、中心軸に沿った磁気ソレノイドの中点において最大値を有する半径を伴う、長さに沿って可変半径の伝導性コイルを有する磁気ソレノイドの円形中心部分を定義可能である。したがって、第１の演算数は、磁気ソレノイドの内部体積内に、磁場の軸沿いの均一性を提供するために有効であることが可能である。また、複合式は、例えば、指数、放物線、または双曲線関数のうちの１つであり得る、第２の演算数を有することが可能である。第２の演算数は、磁気ソレノイドの各端部において、中心軸から離れる伝導性コイルの半径の広がりを定義可能である。したがって、第２の演算数は、磁気ソレノイドの内部体積内に、磁場の軸外の均一性を提供するために有効であることが可能である。したがって、磁気ソレノイドは、中心軸に沿った磁気ソレノイドの中点において、平面に対して実質的に対称であることが可能である。
【０００８】
別の実施例として、複合式は、３つの演算数を有することが可能である。第１の演算数は、中心軸に沿った磁気ソレノイドの中点において、半径を定義可能である。第２および第３の演算数はそれぞれ、指数関数であることが可能である。第２および第３の演算数はそれぞれ、事前に選択された定数を含み、中心軸に沿って、磁気ソレノイドの中点からの距離の関数として、変化する大きさを有することが可能である。実施例として、第２の演算数は、第１の演算数から減算可能であって、第３の演算数は、第１の演算数に加算可能である。したがって、第２および第３の演算数は、半径中心軸に沿って半径を変化させることによって、長さに沿って可変半径の伝導性コイルを有する磁気ソレノイドの円形中心部分を定義し、磁気ソレノイドの各端部において中心軸から離れる伝導性コイルの半径の広がりを定義するように選択され得る。
【０００９】
図１は、本発明のある側面による、磁気ソレノイド１０の斜視図の実施例を例証する。実施例として、磁気ソレノイド１０は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ用途等、磁場を利用する、種々の用途のいずれかに実装可能である。図１の実施例では、磁気ソレノイド１０は、側面図１２および等角図１４に実証される。磁気ソレノイド１０は、その周囲に、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内に実質的均一磁場を発生させるように構成される伝導性コイル（図示せず）が巻かれるコイル形態１６を含む。実施例として、コイル形態１６は、場均一性を向上させる役割を果たす、磁気遮蔽材料（図示せず）内に内包可能である。例えば、磁気遮蔽材料は、地球の自然磁場等の外部場によって、または人工源から生じる場変動を低減可能である。別の実施例として、適切に設計かつ構築された高透磁率磁気遮蔽は、反射像場を通して、磁気ソレノイド１０によって発生される磁場の均一性を大幅に向上させることが可能である。伝導性コイルは、コイル形態１６の外径（ＯＤ）に適合する、中心軸２０を中心とした半径を有することが可能である。したがって、内部体積１８内に発生される磁場は、コイル形態１６の周囲の伝導性コイルの半径に基づいて、内部体積１８内の各点において、実質的に均一な大きさを有する。
【００１０】
伝導性コイルの半径は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の中心軸２０に沿った各点において、複合式によって定義可能である。本明細書に説明されるように、複合式は、それぞれ、少なくとも１つの変数を含む、２つ以上の演算数によって定義される解を有する式として定義される。したがって、複合式は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の中心軸２０に沿った各点において、半径を定義するため、複合式の各演算数は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の中心軸２０に沿った各点の場所である変数を含む。
【００１１】
実施例として、複合式の第１の演算数は、中心軸２０に沿った磁気ソレノイドの中点において伝導性コイルの半径を定義する短軸を有する円または楕円関数であることが可能である。複合式の第２の演算数は、磁気ソレノイド１０の各端部において、中心軸２０から離れる伝導性コイルの半径の広がりを定義する指数、放物線、または双曲線関数であることが可能である。別の実施例として、複合式の第１の演算数は、中心軸２０に沿った磁気ソレノイドの中点１０において、半径を定義可能である。複合式の第２および第３の演算数は、中心軸２０に沿った磁気ソレノイド１０の中点からの距離の関数として変化し、反対に作用する加算および減算効果を有するような指数関数であることが可能である。
【００１２】
実施例として、伝導性コイルの半径Ｒを定義する複合式は、Ｒ＝（第１の演算数）＋（第２の演算数）として表すことが可能である。具体的には、複合式の一実施例は、以下のように表すことが可能である
【００１３】
【化１】
0005575811.tif 000006
式中、ＭｉｎｏｒＡｘｉｓは、複合式の楕円部分の短軸の寸法であり、
ＭａｊｏｒＡｘｉｓは、複合式の楕円関数部分の長軸の寸法であり、
Ｚは、磁気ソレノイド１０の第１の端部に対する中心軸２０に沿った距離であり、
Ｍｉｄｐｏｉｎｔは、磁気ソレノイド１０の第１の端部から中心軸２０に沿った磁気ソレノイド１０の中点までの中心軸２０に沿った距離であり、
Ａ、Ｂ、およびＣは、複合式の指数関数部分を定義する定数である。
したがって、第１の演算数は、式１において、楕円関数に対応するものとして実証され、第２の演算数は、式１において、指数関数に対応するものとして実証される。定数である、ＭｉｎｏｒＡｘｉｓ、ＭａｊｏｒＡｘｉｓ、Ａ、Ｂ、およびＣの大きさは、磁気ソレノイド１０の所望の寸法および磁場特性を達成するように設定可能であることを理解されたい。
【００１４】
図１の実施例では、磁気ソレノイド１０は、磁気ソレノイド１０の周縁の周囲の線２２によって実証されるように、中心軸２０に沿って、磁気ソレノイド１０の中点における平面を中心として、実質的に対称であるものとして実証される。磁気ソレノイド１０は、中心部分２４と、第１の端部部分２６と、第１の端部部分２６に対向する、第２の端部部分２８とを含む。図１の実施例では、中心部分２４における伝導性コイルの半径は、主に、式１の第１の演算数によって、大きく支配されることが可能である。したがって、中心部分２４における伝導性コイルの半径は、実質的に楕円であることによって、規定される楕円の短軸は、対称平面２２と同一平面上にある。したがって、中心部分２４では、対称平面２２から離れる中心軸２０に沿った各方向において、伝導性コイルの半径は、中心軸２０に向かって、内側に傾斜する。端部部分２６および２８のそれぞれでは、伝導性コイルの半径は、式１の第２の演算数によって大きく支配される。したがって、伝導性コイルの半径は、第１および第２の端部部分２６ならびに２８では、対称平面２２から離れる中心軸２０に沿った点において、中心軸２０から外側に半径方向に広がる。
【００１５】
式１の第１の演算数（すなわち、楕円関数）は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の磁場の実質的に均一な軸沿の大きさを提供するように設定可能である。具体的には、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の磁場は、式１の第１の演算数の特性（例えば、ＭａｊｏｒＡｘｉｓおよびＭｉｎｏｒＡｘｉｓ）に基づいて、中心軸２０に沿って実質的に均一であることが可能である。加えて、式１の第１の演算数の特性（例えば、ＭａｊｏｒＡｘｉｓおよびＭｉｎｏｒＡｘｉｓ）もまた、磁気ソレノイド１０の物理的寸法（すなわち、長さおよび幅）を定義するように設定可能である。反対に、式１の第２の演算数（すなわち、指数関数）は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の磁場の実質的に均一な軸外の大きさを提供するように設定可能である。具体的には、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の磁場は、式１の第２の演算数の特性（例えば、定数Ａ、Ｂ、およびＣ）に基づいて、中心軸２０における磁場の大きさに対して、中心軸２０から半径方向に分離される、３次元空間における点において、実質的に均一であることが可能である。実施例として、定数Ｃは、偶数次多項式として第２の演算数を設定する偶数であり得、奇数次多項式として第２の演算数を設定する奇数であり得、または分数の大きさを含む等、任意の数であることが可能である。
【００１６】
磁気ソレノイド１０の伝導性コイルの幾何学形状の結果、磁気ソレノイド１０は、種々の用途のために、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内に、実質的均一磁場を効果的に提供するように実装可能である。実施例として、上述のもの等、磁気遮蔽内の磁場コイル挙動の場合に計算されるように、磁気ソレノイド１０は、対応する円筒形半径の約８分の１に等しい半径とコイル長対直径比約７：１１とを伴う球体積内の５ｐｐｍより優れた磁場均一性を達成可能である。別の実施例として、上述のもの等、磁気遮蔽内の磁場コイル挙動の場合に計算されるように、磁気ソレノイド１０は、対応する円筒形半径の約８分の１に等しい半径とコイル長対直径比約約１４：１５とを伴う球体積内の１ｐｐｍより優れた磁場均一性を達成可能である。
【００１７】
加えて、伝導性コイルの幾何学形状は、磁気ソレノイド１０が、従来の磁気ソレノイドと比較して、大幅に小さいサイズで製造可能であるようなものであることが可能である。具体的には、従来の磁気ソレノイドは、典型的には、類似磁場均一性を達成するために、大幅に上回る長さで製造されることが要求される可能性がある。実施例として、磁気ソレノイド１０は、１０ミリメートル未満で製造され、依然として、内部体積１８内で、実質的均一磁場を達成可能である。対照的に、同等最大半径を伴う、従来の厳密な円筒形ソレノイドは、類似遮蔽内に封入されながら、同一試験体積内で、実質的に同一軸上場均一性を達成するために、長さ約７０ｍｍを必要とするであろう。さらに、円筒形幾何学形状を実装しない（例えば、楕円幾何学形状を有する）、従来の磁気ソレノイドは、一端または両端に、制約された半径を有することによって、従来の磁気ソレノイドの内部体積内に挿入可能な物体のサイズは、制限される可能性がある。しかしながら、磁気ソレノイド１０は、半径内にわずかな曲がりのみを有するように設計され、内部体積１８の磁場内で、実質的均一性を達成可能である。実施例として、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内に挿入される物体は、磁気ソレノイド１０の最大半径と略等しい半径を有する円筒形内に挿入可能な物体と比較して、約４％サイズが削減されるのみであり得る。故に、磁気ソレノイド１０は、従来の磁気ソレノイドより小さく、かつより用途が多様であることが可能である。
【００１８】
図２は、本発明のある側面による、軸沿磁場を実証する、グラフ３０および３２の実施例を例証する。図３は、本発明のある側面による、軸外磁場を実証する、グラフ４０および４２の実施例を例証する。図２および３の実施例では、グラフ３０および４０は、コイル半径約７．５ｍｍおよびコイル長約１４ｍｍを有する、典型的実質的円筒形磁気ソレノイドに対応し得る。グラフ３２および４２は、式１等に基づき、典型的実質的円筒形磁気ソレノイドとして、実質的に類似寸法を有する、図１の実施例における磁気ソレノイド１０に対応し得る。例えば、磁気ソレノイド１０は、それぞれ、ＭｉｎｏｒＡｘｉｓ値約７．５ｍｍ、ＭａｊｏｒＡｘｉｓ値約３４ｍｍ、Ｍｉｄｐｏｉｎｔ値約７ｍｍ、ならびに定数Ａ、Ｂ、およびＣ値約１０３、１０８、および４を有し得る。
【００１９】
図２および３の実施例におけるグラフ３０、３２、４０、および４２の場合、磁気ソレノイドのそれぞれの中点を中心とする約２ｍｍの球の試験体積が、選択される。グラフ３０および３２は、磁場の変化（Ｙ−軸）を、１００万分の１（ｐｐｍ）で、それぞれの磁気ソレノイドの中心軸（Ｘ−軸）に沿った距離に対してプロットしたものである。同様に、グラフ４０および４２は、磁場の変化（Ｙ−軸）を、１００万分の１（ｐｐｍ）で、それぞれの磁気ソレノイドの中心軸（Ｘ−軸）に沿った横軸距離に対してプロットしたものである。
【００２０】
グラフ３２によって実証されるように、磁気ソレノイド１０は、グラフ３０によって実装される典型的円筒形磁気ソレノイドより、大幅に上回る軸沿磁場均一性を有する。具体的には、グラフ３０は、磁気ソレノイド１０の場合のグラフ３２によって実装される約０．４ｐｐｍの変動と比較して、典型的実質的円筒形磁気ソレノイドの場合、約８０００ｐｐｍの軸沿磁場における変動を実証する。同様に、グラフ４２によって実証されるように、磁気ソレノイド１０は、グラフ４０によって実証される典型的円筒形磁気ソレノイドより、大幅に上回る軸外磁場均一性を有する。具体的には、グラフ４０は、磁気ソレノイド１０の場合のグラフ４２によって実装される約０．８ｐｐｍの変動と比較して、典型的実質的円筒形磁気ソレノイドの場合、約４０００ｐｐｍの軸外磁場における変動を実証する。
【００２１】
図１の実施例に戻って参照すると、磁気ソレノイド１０の伝導性コイルの半径を定義する複合式は、式１に限定されない。実施例として、伝導性コイルの半径Ｒを定義する複合式は、Ｒ＝（第１の演算数）−（第２の演算数）＋（第３の演算数）として表すことが可能である。具体的には、複合式の別の実施例は、以下のように表すことが可能である。
【００２２】
【化２】
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式中、ＭｉｄｐｏｉｎｔＲａｄｉｕｓは、中心軸２０に沿った磁気ソレノイド１０の中点における半径であり、
Ｚは、磁気ソレノイド１０の第１の端部に対しする中心軸２０に沿った距離であり、
Ｍｉｄｐｏｉｎｔは、磁気ソレノイド１０の第１の端部から中心軸２０に沿った磁気ソレノイド１０の中点までの中心軸２０に沿った距離であり、
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦは、それぞれの複合式の指数関数部分を定義する定数である。
したがって、第１の演算数が、式２では、中心軸２０に沿った磁気ソレノイド１０の中点における半径に対応するように示されることによって、第１の演算数は、磁気ソレノイド１０の中心部分２４における半径の最大値を定義可能である。第２および第３の演算数は、式２では、指数関数に対応するように、示される。式２に示されるように、第２の演算数は、第１の演算数から減算され、第３の演算数は、第１および第２の演算数に加算される。したがって、第２および第３の演算数は、中点からそれぞれの第１および第２の端部部分２６ならびに２８までの磁気ソレノイド１０の中心軸２０に沿って、半径の可変値を提供するように反対に作用するする。定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦの大きさは、磁気ソレノイド１０の所望の寸法および磁場特性を達成するように設定可能であることを理解されたい。
【００２３】
式２の構成に基づいて、式２の第１の演算数は、初期半径値を提供可能であって、式２の第２および第３の演算数は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の磁場の実質的均一の軸沿および軸外の大きさを提供するように、定義可能である（すなわち、定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、ならびにＦに基づいて）。具体的には、第２および第３の演算数における定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、ならびにＦは、それぞれ、両演算数が、中心軸２０に沿って、実質的均一の磁場の大きさを提供するために、磁気ソレノイドの長さに沿って、中心部分２４の実質的円形形状を定義することが可能である。また、式２の第２および第３の演算数は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の磁場の実質的均一の軸外の大きさを提供するように定義可能である。具体的には、それぞれ、第２および第３の演算数における定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、ならびにＦはまた、それぞれの端部部分２６および２８の実質的フレア状形状を定義可能である。故に、複合式は、実質的均一磁気ソレノイド１０の内部体積１８内に磁場を発生するために、種々の方法のいずれかで磁気ソレノイド１０の伝導性コイルの幾何学形状を定義するように表すことが可能である。
【００２４】
図４は、本発明のある側面による、ジャイロスコープシステム５０の実施例を例証する。実施例として、ジャイロスコープシステム５０は、軸を中心とする回転運動を検出するため等、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムとして構成可能である。例えば、ジャイロスコープシステム５０は、それぞれ、ヨー、ピッチ、およびロールを検出するために、航空機または宇宙船内等に実装される、複数のジャイロスコープシステムのうちの１つであることが可能である。
【００２５】
ジャイロスコープシステム５０は、ジャイロスコープセルシステム５２を含む。ジャイロスコープセル５２は、例えば、アルカリ金属蒸気および／または少なくとも１つの希ガス同位体で充填され得るガラスケースを含むことが可能である。図４の実施例では、ジャイロスコープセル５２は、磁気ソレノイド５４の内部体積内に、実質的に封入される。実施例として、磁気ソレノイド５４は、図１の実施例における磁気ソレノイド１０と実質的に類似するように構成可能である。具体的には、磁気ソレノイド５４は、実質的円または楕円関数である第１の演算数と、指数関数（例えば、多項式）である第２の演算数とを含む式１、あるいは磁気ソレノイド５４の中心における半径を定義する、第１の演算数と、それぞれ指数関数である第２および第３の演算数とを含む式２等、複合式によって定義される中心軸を中心とした半径を有することが可能である。したがって、磁気ソレノイド５４は、磁気ソレノイド５４の内部体積全体を通して、実質的均一磁場ＢＥを発生させるように構成可能である。
【００２６】
実質的均一磁場ＢＥに応答して、ジャイロスコープセル５２内のアルカリ金属蒸気および希ガス同位体は、ジャイロスコープセル５２の軸に対して、歳差運動可能である。また、ジャイロスコープシステム５０は、光電子システム５６を含む。光電子システム５６は、ジャイロスコープセル５２内のアルカリ金属蒸気を光学的にポンピングさせ、アルカリ金属蒸気のスピンを印加された磁場と整列させるように構成可能である。それに応答して、スピン交換プロセスによって、セル内に存在する任意の希ガス同位体も、ポンプ光ビームにスピン整列される。ポンプ方向に垂直な方向成分を有する光の検出ビームは、検出光に対するアルカリ金属蒸気の整列に応答して、変調され得る。検出光の変調は、存在する任意の希ガス同位体の歳差運動によって修正されるような、アルカリ金属蒸気の歳差運動の関数であり得る。本変調は、光電子システム５６内等に備えられる、光検出器によって、検出可能である。故に、変調された光学信号によって検出されるような、アルカリ金属蒸気、ひいては存在する任意の希ガス同位体の歳差運動率の変化は、回転運動に対応するジャイロスコープセル５２の配向の変化を判定するために、検出し、処理することが可能である。
【００２７】
ジャイロスコープシステム５０は、簡略的に実証されていることを理解されたい。したがって、付加的構成要素および詳細は、図４の実施例および付随説明から省略されている。加えて、また、図１の実施例における磁気ソレノイド１０等の磁気ソレノイドは、図４の実施例におけるジャイロスコープシステム５０等のジャイロスコープシステムにおける使用に限定されることを意図するものではないことを理解されたい。したがって、磁気ソレノイド１０は、磁場、特に、実質的均一磁場を要求し得る、種々の用途の任意のものに実装可能である。
【００２８】
上述のものは、本発明の実施例である。当然ながら、本発明を説明する目的のために、構成要素または方法論のあらゆる想定可能な組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび順列が可能であることを認識するであろう。故に、本発明は、添付の請求項の精神および範囲内にある、あらゆるそのような改変、修正、および変形例を包含することが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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