JP2005294537A

JP2005294537A - パネル状コイル、一様磁界発生装置、勾配磁界発生装置および磁界キャンセリング装置

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Publication number: JP2005294537A
Application number: JP2004107613A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Sasada; 一郎笹田; Keita Yamazaki; 慶太山▲崎▼; Kazuo Kato; 和夫加藤
Original assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Current assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】計測空間への出入りを妨げることなく、一様磁界と、一次勾配の磁界分布を広い範囲で確保すること。
【解決手段】パネル状コイルを、同一平面上に正・逆それぞれの方向に同心円状または同心角状に導線を巻回して成る複数のコイルを直列に接続して形成し、２枚のパネル状コイルをそれぞれ対向して配置するとともに、各パネル状のコイルのそれぞれに電源を接続することによって構成し（４枚のパネル状コイル（二軸）、６枚のパネル状コイル（三軸）で配置しても良い。）、電源を操作して、勾配磁界および一様（平等）磁界をもつ環境磁界に対し、逆位相の一様磁界と一次勾配磁界を生成する。
【選択図】図８

Description

本発明は、勾配磁界および一様（平等）磁界をもつ環境磁界に対し、逆位相の一様磁界と一次勾配磁界を作り出すパネル状コイル、一様磁界発生装置、勾配磁界発生装置および磁界キャンセリング装置に関する。
以下の用途において、一様磁界および一次勾配の広い領域での磁界分布を有する空間が要求されていた。

・オープンタイプＭＲＩの一様磁界発生部：上下方向に０．３Ｔ程度の一様な磁界を作り出すことによって、手術しながらＭＲＩ画像が見えるような装置。
・磁性材料評価装置：特に原子力発電で使用される常磁性体（あまり磁性が強くない材料）であるＳＵＳ材等の疲労・劣化診断を計測する場合、地磁気の影響が除去された、一様磁場空間が要求される。

・磁気モーションキャプチャ装置：一様磁場空間の中で、身体の各部分に取り付けた磁気センサーによって、身体の動きを認識、画像化する装置。
・磁界センサ校正装置：人工衛星用、あるいは他の用途の磁気センサ（フラックスゲート型磁力計、ＳＱＵＩＤ磁束計など）の感度校正の環境として、一様磁場空間が必要。
・磁気モーメント測定：宇宙の磁場にある人工衛星が自身の有する磁気によって姿勢を乱すため、磁気外乱および地磁気変動を打ち消した空間の中で、人工衛星電子機器の磁気モーメントを測定する。他に、自動車、船などの移動に起因する磁場変動により、通過台数、物体の位置を磁力計により推定するためにも、磁気モーメントの測定が必要。

・生体磁気計測装置：環境磁気ノイズを低減するために、インプットコイルとして、一次、あるいは二次の差分型コイルを用いるが、空間分布が一様な磁気ノイズは消去（キャンセル）できるが、勾配を有する磁気ノイズは消去あるいは低減できないので、一様磁場あるいは一次勾配磁場の空間が必要になる（アクティブ磁気シールド）。
・電子線描画装置：装置が強磁性体で構成されたシールドケースに入っているため、狭いスペースを占有しかつ平行で一様な磁場を発生する、コイル（アクティブ磁気シールド用）の方がシールドケース内部での遮蔽性能が大きくなる。

・金属探知機：磁力計や高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁束計を、衣類や食品の金属探知（針、異金属等）に利用する場合、一様磁場あるいは一次勾配磁場の空間が必要。
・モニター：通常のモニターは電子線が、周囲の地磁気（鉄筋などが原因）や磁場変動（電車の送・帰電流、自動車・エレベータ等の磁性体の移動、送電線・変圧器などに起因するノイズ）によって曲げられ、事務者、工場、住宅などでモニター画面（パソコン、テレビ等）が歪んだり、揺れたりして見にくくなる。対策として、モニターを磁性体（パーマロイケース）に入れて遮蔽することが多いが、重くなって使い勝手が悪いといった問題がある。

従来、コイル構造の一様磁界発生装置は公知である（例えば、特許文献１，非特許文献１，２，３，４，５，６参照）。
例えば、一様磁界の磁界分布を実現させるためには、図１に示すように、ヘルムホルツコイル（二連コイルでコイル半径とコイル間距離を一致させる）を用いたり、図２，図３，図４および非特許文献１，２に示すように、同じ大きさのコイルを組み合わせた三連コイル（図２）、四連コイル（図３）が使用されてきた。あるいはアクティブシールド用のコイルは設置されるスペースを最低限にする必要があり、三軸のコイルが図４のような立方体あるいは直方体で構成されていた。
特開２０００−４６９９９号公報 K.Kakuno and Y.Gondo,"Three and Four Coil Systems for Producing Uniform Magnetic Fields",Bulletin of the Faculity of Engineering,Yokohama National Univ.,25(March,1976)179-192. R.Merrit,C.Purcell, and G. Stroink,"Uniform Magnetic Field Produced by Three, Four,and Five Square Coils.",Rev.Sci.Instrim,.54(7)(1983)879-882. M.E.Pittman and D.L.Waidelich,"Three and four coil systems for homogeneous magnetic fields",IEEE,Trans.on aerospace,2(1964)36-45. H J M ter Brake,H J Wieringa and H Rogalla,"Improvement of the performance of a μ-metal magnetically shielded room by means of active compensation",Meas.Sci.technol.2(1991)596-601. 山▲崎▼慶太、加藤和夫、小林宏一郎、五十嵐哲、佐藤智也、阿部康之、芳賀昭、佐久間征彦：「アクティブ磁気シールド環境における心磁図計測」、EMCJ2003-145(2004-01)109-114 阿部康之、佐藤智也、芳賀昭、山▲崎▼慶太、加藤和夫、佐久間征彦、上柿順一：「EB装置内部におけるアクティブ磁気シールドの効果」、平成16年度電気学会全国大会

しかし、特許文献１は、均一磁場発生と外部の漏れ磁場の低減を目的とするものであり、均一かつ強い磁場を発生する（磁界出力効率の高い）点について考慮されていない。特に、特許文献１では、コイル群は、平面的に配置された複数のコイルを示し、２組平行に配置し、２組のコイル群で挟まれた領域に空間は限定されている。従って、特許文献１では、一次元的な均一磁場空間は得られるが、オープンタイプＭＲＩの一様磁界発生部、磁性材料評価装置、磁気モーションキャプチャ装置、磁界センサ校正装置、磁気モーメント測定、生体磁気計測装置、電子線描画装置、金属探知機等に利用する場合必要な二次元、三次元的な、一様磁場空間へ適用するには問題が解決できない。

また、アクティブシールド装置は、図４のような二連コイルで構成されている。場所の制限がありスペースパーフォーマンスを考慮して、３軸のコイルは、通常立方体や直方体を構成するが、これらのコイル構成では、一様磁場空間が得られる空間は小さく、図５のような電子線描画装置、電子線マスク描画装置に適用した場合、大きなシールド効果は得られない（非特許文献４，５）。要するに、強磁性体（パーマロイ）で構成されている試料室、電子光学系円筒内部における電子線が、外部磁気ノイズによって曲げられないようにシールドするためには、アクティブ磁気シールド装置（キャンセラー）の通常の形状の二連ＣＣ（キャンセリングコイル）の作る磁界は、装置周辺において分布が乱され、ゆがめられるため、それぞれの方向に対する、試料室・円筒内部での電子線描画のゆれを効果的に低減できることが可能な磁力線にならない。ここで、同じスペースを使って広い領域の一様磁場空間を得るためには、図１〜図３の方法が通常採用される。

図１（ａ）に示す二連コイル（角形ヘルムホルツコイル）の場合、コイルの大きさ（寸法）に対して、小さい（狭い）一様磁場空間しか確保できない。一様磁場空間を大きくするためにはコイルを大きくする必要があるが、設置するスペースが限定される場合には一様磁場空間の広さが限定される。
図２（ａ）に示す三連コイル（メリットコイル）、図３（ａ）に示す四連コイル（メリットコイル）の場合、同形の３個〜４個のコイルを用い平行に、平行性および間隔について高い精度で組み上げる必要があり、製作が難しい。

図１（ｂ）、図２（ｂ）、図３（ｂ）に示す二連コイル、三連コイル、四連コイルとも三軸一様磁場空間を構成しようとすると、構造的に各軸のコイルが交差し互いに干渉するため、製作が困難である。例えば四連コイルでは、１６個のコイルを交差させながら組み立てなければならず、精度確保に問題があると同時に各軸が互いに干渉する。さらに、これらを図６の生体磁気計測装置、図７の電子線描画装置に用いる（三連コイル）と、有効な遮蔽効果を得ることができる（非特許文献５、６）半面、計測空間へ容易に出入りできないばかりか、コイルが邪魔になり操作しずらいといった問題がある。最大の問題は、これらの生体磁気計測装置、電子線描画装置を設置するスペースが、コイルが邪魔になり確保できないといった問題があった。

図に示すように、設置される空間の大きさによってコイルの大きさが決まると、一義的に各コイルの電流比、およびコイル間隔が決まり、それに伴い一様磁場空間の大きさも限定される。コイルの大きさと間隔について設計の自由度がない。以上の点は、ブランベックコイル等（非特許文献３）の従来から用いられてきた他のコイル方式にもあてはまる。各コイルの電流が同一方向であるために、同じように限られたスペースで要求された一様磁場空間の設計の自由度がなかった。

他方、磁気シールドルームにこれらの従来技術を適用しようとすると、一様磁場空間の形成に、強磁性体を多く使用した高性能磁気シールドルームがあるが、コストが高く、しかも重量が重く空間が閉鎖され、一度組み立てられると容易に解体・移設ができないという問題があった。
本発明は斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、一様磁界と、一次勾配の磁界分布を広い領域・空間を確保できるように工夫したパネル状コイルを提供することにある。

本発明の別の目的は、計測空間への出入りを妨げることなく、一様磁界と、一次勾配の磁界分布を広い範囲で確保できる一様磁界発生装置、勾配磁界発生装置および磁界キャンセリング装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、同一平面上に正・逆それぞれの方向に同心円状または同心角状に導線を巻回して成る複数のコイルを接続して成ることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、同一平面上に正・逆それぞれの方向に同心円状または同心角状に導線を巻回して成る複数のコイルを直列に接続して成ることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１記載のパネル状コイルにおいて、基板上に正・逆それぞれの方向に同心円状または同心角状に導線をそれぞれ二層以上巻回して成る複数のコイルを接続して成ることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項２記載のパネル状コイルにおいて、基板上に正・逆それぞれの方向に同心円状または同心角状に導線をそれぞれ二層以上巻回して成る複数のコイルを直列に接続して成ることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項３または請求項４記載のパネル状コイルにおいて、複数のコイルは、各層において電流値に応じてターン数を設定していることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１ないし請求項５の何れか記載の２枚のパネル状コイルをそれぞれ対向配置して成ることを特徴とする。
請求項７に係る発明は、請求項１ないし請求項５の何れか記載の４枚のパネル状コイルを二軸においてそれぞれ対向配置して成ることを特徴とする。
請求項８に係る発明は、請求項１ないし請求項５の何れか記載の６枚のパネル状コイルで立方体を形成して成ることを特徴とする。

請求項９に係る発明は、請求項１ないし請求項５の何れか記載の２枚のパネル状コイルをそれぞれ対向して配置するとともに、前記２枚のパネル状コイルのそれぞれに電源を接続することによって構成し、前記電源を操作して前記２枚のパネル状コイルによって、勾配磁界および一様（平等）磁界をもつ環境磁界に対し、逆位相の一様磁界と一次勾配磁界を生成することを特徴とする。

請求項１０に係る発明は、請求項１ないし請求項５の何れか記載の２枚のパネル状コイルをそれぞれ対向して配置するとともに、前記２枚のパネル状コイルのそれぞれに電源を接続することによって構成し、前記電源を操作して前記２枚のパネル状コイルによって、勾配磁界および一様（平等）磁界をもつ環境磁界に対し、逆位相の一様磁界と一次勾配磁界を生成することを特徴とする。

請求項１１に係る発明は、請求項１ないし請求項５の何れか記載の４枚のパネル状コイルを二軸においてそれぞれ対向して配置するとともに、前記４枚のパネル状コイルのそれぞれに電源を接続することによって構成し、前記電源を操作して前記４枚のパネル状コイルによって、勾配磁界および一様（平等）磁界をもつ環境磁界に対し、逆位相の一様磁界と一次勾配磁界を生成することを特徴とする。

請求項１２に係る発明は、請求項１ないし請求項５の何れか記載の６枚のパネル状コイルで立方体を形成するとともに、前記６枚のパネル状コイルのそれぞれに電源を接続することによって構成し、前記電源を操作して前記立方体によって、勾配磁界および一様（平等）磁界をもつ環境磁界に対し、逆位相の一様磁界と一次勾配磁界を生成することを特徴とする。

本発明によれば、計測空間への出入りを妨げることなく、一様磁界と、一次勾配の磁界分布を広い範囲で確保することができる。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
図８は、本発明の一実施形態に係るパネル状コイル１および一様磁界発生装置１０を示す（請求項１〜８に対応）。
本実施形態に係るパネル状コイル１は、同一平面上に正・逆それぞれの方向に同心円状に導線を巻回して成る二層のコイルで構成されている。図８においては、一対のパネル状コイル１が示してある。本実施形態に係るパネル状コイル１は、平面形状を為しており、各パネルを１枚に自由にパターン幅で配線したプリント基板（ガラスエポキシ、ポリイミド、紙フェノール、１ｍ程度のものが可能）で作成し、２軸、３軸に組み立てることができる。さらに、フレキシブル基板（ポリエステル、ポリイミド、最大１．５ｍ位まで作成可能）にコイルを作りこんで作成すれば、プリント基板と同様に１枚で使用することも可能だが、例えばｘ軸一対、ｙ軸一対の４枚のパネルを一体で作成し、折り曲げて４面の同心角パネルとすることが可能である。あるいはまた、所定の位置に導線を固定して作ることも可能である。プリント基板、フレキシブル基板とも壁紙のように作成し、躯体（コンクリート）に貼り付けるような簡易な施工方法も可能になる。これらの基板によって、容易に同心角板コイルを作成し、木板や木枠に貼り付けて作成できれば、モニターのシールド用としても容易に作成できるし、また、建築躯体、パーテーションに貼り付けることによって、磁場変動（電車の送・帰電流、自動車・エレベータ等の磁性体の移動、送電線・電気室などに起因するノイズ）を容易に遮蔽することができる。また、導線や銅泊ープを、木やアクリル板に貼り付けてコイルにすることも可能である。

一対のパネル状コイル１は、コイル外形と等しい外縁大型コイル（Coil A(L)、Coil B(L)）の内側の同一面に、電流が逆方向のコイル（Coil A(S)、Coil B(S)）を同心円状に配置した二層コイルを構成し、中心点に対称（例えば上下）に一対配置することによって、一様磁界を広い領域で確保することが可能な一様磁界場発生装置１０とすることができる。外縁大型コイル（Coil A(L)、Coil B(L)）のコイル近傍の磁界強度のピークが、内側のコイル（Coil A(S)、Coil B(S)）によって打ち消しあうために、平坦な領域が確保される。

本実施形態に係る磁界キャンセリング装置１０では、同心円コイル（あるいは同心角コイル）から成るパネル状コイル１で二軸（あるいは三軸）を構成するので、コイル間距離の1/2の長さｈが、コイルの直径（半径の２倍）より大きくなる必要があり、図９（ｂ）の同心円（二層）コイルでは、図１０（ｂ）のヘルムホルツコイルに比べてコイル間隔ｈの２倍であるにも拘わらず、コイル間の中心（ｚ＝０）付近ではほぼ同じ大きさの一様磁場の領域を確保できる。ただし、磁界強度は小さくなる。各コイルはさらに内側にコイルを増やして配置し、三層コイル（図１１）、四層コイル（図１２）、五層、六層、七層、八層、九層、十層コイルと多層にすることによって、一様磁界の領域を拡大することが可能である。この場合、電流の向き＋方向、−方向のコイルは同数（層数が偶数の場合）の構成、またはどちらかが一つ多い（層数が奇数の場合）構成になる。

本実施形態に係る磁界キャンセリング装置２０（請求項１０〜１２に対応）では、空間内部に障害物がない一様磁場空間を、図３の場合ととほぼ同じ大きさで、この多層のパネル状コイル１を一対でなく、二対、三対で構成することにより、図１３に示すように実現することができる。ここでは、６枚の四層同心角型コイル（角形正方形）を用いて形成した。このようにコイルの形状が円形に限定されず、正方形、長方形、多角形（望ましくは正多角形）でも可能である。この同心円コイル形状は、軸同士の干渉なしに、四面（二軸）、六面（三軸）で組み立てることが容易な構造でありながら、広い一様磁場空間を実現することができる。

本実施形態に係る一様磁界発生装置１０では、二軸、三軸の空間を構成するパネル状コイル１は、各層で異なる電流値になるので、各層別個の電源が必要になるが、図１４、図１７に示すように、各パネル状コイル１につき１個の電源にすることができる。本実施形態に係る磁界キャンセリング装置２０に適用した場合における図１４をモデルとした図１５の計算結果で、Bz(1/1)は最外層コイルの磁場、Bz(1/2)は第２層コイルの磁場、Bz(1/3)は第３層コイルの磁場、Bz(1/4)は第４層コイルの磁場、Bz(1/5)は最内層コイルの磁場で、この第１〜５層までのコイルの磁場の和Add(1coilの和)は直線部の多い磁場分布になるので、Bz(2coilの和)は、図１５のようにＨ〔ヘルムホルツコイルの磁場〕より平坦部（一様磁場）の大きい磁場分布を得ることができる。この場合、各層コイルの電流値に応じてターン数を設定すれば、直列に各コイルをつなぎ、各面で一つの電源で駆動することも可能になり、同心円状（同心角）コイルで構成された逆位相磁界発生装置（磁場キャンセラー）が実現できる。この例の場合、最外層コイル3600ターン（反時計回り）、第２層コイル900ターン（時計回り）、第３層コイル400ターン（反時計回り）、第４層コイル225ターン（時計回り）、最内層コイル144ターン（反時計回り）として直列につなぎ、電源に接続すればよい。

さらに、本実施形態に係るパネル状コイル１において、正（＋方向の電流）、逆（−方向の電流）のコイルを組み合わせた二層、三層、四層、五層、六層の多層コイルを一体構造のパネルで予め製作することができるので、図１７のように、一体の各同心角型コイルを直列に接続したパネル２面を相対させたり（２個の電源）、図１６のように、６面を組み合わせて立方体形状を形成させることによりシールドルームと同じように容易に三軸の（６個の電源）、空間勾配および一定勾配をもつ環境磁界に対し逆位相の一様磁界と一次勾配磁界を作り出す磁界キャンセリング装置を実現させることができる。アクティブ磁場キャンセリング装置が可能になる
さらにまた、本実施形態に係るパネル状コイル１によれば、同心円コイルでありながら、磁界出力効率の優れた一様磁場発生装置、磁界キャンセリング装置も含むことができる。

外縁大型コイルのコイル近傍の磁界強度のピークが、内側のコイルによって打ち消しあい、平坦な一様磁界を広い領域が確保される。各コイルはさらに内側にコイルを増やして配置し、三層コイル、四層コイル、五層、六層、七層、八層、九層、十層コイルと多層にすることによって、一様磁界の領域を拡大することが可能である。そのため、発生する磁界強度は小さくなってしまう。この発生磁界の効率を、励磁電力の目安として(コイル半径×電流の２乗)の合計を計算したものをpowerとし、原点でのfield/powerをefficiencyとして示している。ちなみに、半径1/2ｍのヘルムホルツコイルの場合にはefficiencyは2.86，２つの円の間隔を１ｍにすれば、コイルの基本構造であるが、1.43となる。図２２の場合、efficiencyは0.378であり、ヘルムホルツコイルより一桁近く小さくなる。

特許文献１でも、均一磁場発生と外部の漏れ磁場の低減にのみ述べられており、均一かつ強い磁場を発生する（磁界出力効率の高い）という点については述べられておらず、本発明のように一様磁場発生装置、勾配磁界発生装置、磁場キャンセリング装置として用いる場合の用途には、特に地磁気の遮蔽やMRIのように強磁場を対象とする場合には、高い磁場強度を得ることが必要不可欠なので解決することはできない。

そこで、二層コイルの場合、半径ｂを変化させた時の原点ｏにおける磁界強度(field)，ｚ＝0.15における誤差(error)、さらに、励磁電力の目安として(コイル半径×電流の２乗)の合計を計算したものをpowerとし、原点でのfield/powerをefficiencyとして示したのが、図１８である。Ａコイルを平面配置した場合、平坦度を上げようとすると磁界強度も低下するが、この図を用いて最もefficiencyが大きくなる場合の二層コイルを設計することが可能になる。図１８からｂ＝0.25辺りが誤差２％以下、efficiencyがほぼ最大、磁界強度もそれほど低下していないので利用するには良いと思われ、この時のｒ−ｚ平面における磁界分布の平坦性が１％劣化するところを等高線図で示したのが図１９であるが、efficiencyが0.25と磁界強度出力を高くとることができる。つまり、最外コイル半径ａ＝0.5ｈで、ｂ＝0.1〜0.3ｈとした時が一対の２層同心円型コイルによって、磁界出力効率の優れかつ広い平坦度を実現できる。なお、図１９（ａ）における値は何れも電流値を示し、図１９（ｂ）のコイルの上の数値は電流、（）内の数値は（ｒ、ｚ）成分を示す。

三層コイルの場合、半径ｃを0.05〜0.45の間で変化させた時、efficiencyを最も高くするｂを選択して、その時の関連する諸量を図２０に示す。コイルを平面配置した場合、平坦度を上げようとすると磁界強度も低下するが、この図を用いて最もefficiencyが大きくなる場合の三層コイルを設計することが可能になる。図２１の１％平坦度エラーの範囲はかなり広くなるが、平坦度と引き替えに磁界強度は小さくなるのに対して、図２２は平坦度をそれほど小さくせずにefficiencyを一桁も向上させることができる。つまり、最外コイルａ＝0.5ｈで、ｂ＝0.3〜0.4ｈに対してｃ＝0.1〜0.2ｈの一対の離間２ｈとした三層同心円型コイルが、磁界出力効率の優れかつ広い平坦度を実現できる。なお、図２１（ａ）、図２２（ａ）における値は何れも電流値を示し、図２１（ｂ）、図２２（ｂ）のコイルの上の数値は電流、（）内の数値は（ｒ、ｚ）成分を示す。

以上のように、本実施形態に係る一様磁界発生装置１０および磁界キャンセリング装置２０では、従来方式のように、一様磁場空間近傍にはコイルが存在しないので、生体磁気計測装置、電子線描画装置用のアクティブ磁気シールドに用いた場合でも、計測空間へ容易に出入りできない、コイルが邪魔になり操作しずらいといった問題が生ずることなく、かつ、限定された空間の中で、勾配の小さい一様な分布の磁界（一様磁界）あるいは勾配が一定な一次勾配の磁界分布（線形勾配磁界）を広い領域で確保することができる。その際、特に、現在行われている脳磁界、心臓磁界計測等の生体磁気計測（一次・二次差分型ＳＱＵＩＤ磁束計使用）では、一次・二次差分型インプットコイルを用いたＳＱＵＩＤ磁束計が用いられているので、一様磁場の広い領域を得ることができ、産業上の利用可能性は大きい。（生体磁気計測の場合は、垂直軸が重要なので垂直軸のみに本パネル一対を使用するか、二軸に使用すれば、出入り口を確保できる）
ここで、勾配が一定な一次勾配の磁界分布（線形勾配磁界）を広い領域で確保することについて説明する。

勾配磁界を発生するためには、対をなすコイルの一方に正の電流を、他方に同じ大きさの負の電流を流す。例えば、三層コイルでの勾配磁界発生の実施例を下に示す。図２１と同じ構造に対する計算結果を示す。図２３のように、電流の組｛１Ａ，-0.397Ａ，0.363Ａ｝に対して、図２４に示すように磁界勾配1.45Ａ／ｍ／ｍが形成される。具体的には、半径1/2ｍの左側コイルには１Ａ、右側の同サイズのコイルには−１Ａ、半径0.33ｍの左側コイルには、-0.396Ａ、右側の同サイズのコイルには0.396Ａ、半径0.1ｍの左側コイルには0.363Ａ、右側の同サイズのコイルには-0.363Ａを流す。このコイルによって、一次線型勾配磁界の環境磁界に対する磁界キャンセリングおよび環境磁界が存在しない場合の勾配磁界発生装置（請求項９に対応）が可能になる。

次に、例えば、四層コイルでの勾配磁界発生の実施例を下に示す。
図２５のような、四層コイルによる勾配磁界発生では、コイル間隔は１ｍ、コイル半径は外側から1/2ｍ，0.395ｍ, 0.22ｍ, 0.08ｍ、電流比[1Ａ，-0.718Ａ，0.310Ａ，-0.328Ａ]に対して、図２６のように磁界勾配0.89Ａ／ｍ／ｍが形成される。このコイルによって、一次線型勾配磁界の環境磁界に対する磁界キャンセリングおよび環境磁界が存在しない場合の勾配磁界発生装置（請求項９に対応）が可能になる。

また、金属探知機のように、衣類や食品がベルトコンベヤーで通過する上にセットした磁力計で計測する環境を磁気シールドする場合は、スペースが限定されるので同心円パネルの組み合わせによる磁場キャンセリングシステムは有効である。
さらに、ＥＢ装置に適用する場合、本実施形態に係るパネル状コイル１を用いることによって、三連コイル、四連コイル、五連コイルのように、垂直方向では立方体コイル中央にコイルがあってコイルが邪魔になり操作がしずらいということがなく、水平方向のコイルでは装置下部をコイルが通らなければならない（装置がコイルを踏む状態）ということがなく、一様な磁界分布を実現することによって、非特許文献３のように装置内部で高い遮蔽性能を有することが可能になり、電子線が外部磁気ノイズによって曲げられないようにシールドすることができる。

しかも、本実施形態に係るパネル状コイル１は、同心円のコイルを二層、三層、四層、五層と増やすことにより、外形の小さなコイルによって、一様磁場の空間を広くすることが可能になり、層数を増減させることによって、同様にコイル間距離も所定の長さに変化させることが可能になり、設計の自由度が既存のコイルシステムに比べて大きい。さらに、各コイル面を、同心円コイルを組み合わせた一体構造のパネルで予め製作することができるので、既存のコイル形状（ヘルムホルツコイル、３連コイル、４連コイル、５連コイル）のように各軸のコイルが構造的に干渉することがなく、コイル６面を組み合わせて立方体形状を形成させることによって、シールドルームと同じように容易に三軸の一様空間を構成することができる。

（ａ）二連コイル（ヘルムホルツコイル）を示す図、（ｂ）三軸一様磁場空間を構成した二連コイルを示す図。（ａ）三連コイル（メリットコイル）を示す図、（ｂ）三軸一様磁場空間を構成した三連コイルを示す図。（ａ）四連コイル（メリットコイル）を示す図、（ｂ）三軸一様磁場空間を構成した四連コイルを示す図。通常のコイルで構成された通常のアクティブシールド装置の例を示す図。ＥＢ装置とアクティブシールド装置のキャンセリングコイルとを示す図。三連コイルのキャンセリングコイルのアクティブ磁気シールド装置を一次微分型検出コイルのSQUID磁束計を用いた生体磁気計測に適用した例を示す図。三連コイルのキャンセリングコイルのアクティブ磁気シールド装置を電子線描画装置、電子線マスク描画装置に適用した例を示す図。（ａ）同心円（二層）コイルの磁界分布の組み合わせを示す図、（ｂ）同心円（二層コイル）の構成を示す図。（ａ）同心円（二層）コイルの磁界強度分布解析結果を示す図、（ｂ）同心円（二層コイル）の構成を示す図。（ａ）ヘルムホルツコイルの磁界強度分布解析結果を示す図、（ｂ）ヘルムホルツコイルの構成を示す図。（ａ）同心円コイル（三層コイル）の例を示す図、（ｂ）同心円（三層）コイルの磁界強度分布を示す図。（ａ）同心円コイル（四層コイル）の例を示す図、（ｂ）同心円（四層）コイルの磁界強度分布を示す図、（ｃ）ｚ、ｘ平面での中心点に対しての１％誤差の領域を示す図。四層同心円コイル（角型正方形）で構成した三次元的な一様磁界空間を示す図。一対の同心角型コイルの計算モデルを示す図。一対の同心角型コイルの計算結果を示す図。三軸用立方体磁場キャンセリングシステムを示す図。各同心円型コイルを直列に接続した一軸磁場キャンセリングシステムを示す図。（ａ）一対の同心円型二層コイルを示す図、（ｂ）ｂを変化させた時の原点ｏにおけるfield，ｚ=0.15におけるerror，efficiency(二層コイル)を示す図。（ａ）同心円状に配置された(電流正負正方向)三層コイルを示す図、（ｂ）同コイルの磁界分布とefficiencyを示す図。（ａ）一対の同心円型三層コイルを示す図、（ｂ）cを0.05-0.45の間で変化させた時、efficiencyを最も高くするbを選択した時の原点ｏにおけるfield，ｚ=0.15におけるerror，efficiency(三層コイル)を示す図。（ａ）同心円状に配置された(電流正負正方向)三層コイルを示す図、（ｂ）同コイルの磁界分布とefficiencyを示す図。（ａ）同心円状に配置された(電流正負正方向)三層コイルを示す図、（ｂ）同コイルの磁界分布とefficiencyを示す図。三層コイルでの勾配磁界発生の実施例を示す図。（ａ）ｚ軸上の磁界分布を示す図、（ｂ）ｚ＝0.2の時のｒ方向機械分布を示す図。四層コイルでの勾配磁界発生の実施例を示す図。（ａ）ｚ軸上の磁界分布を示す図、（ｂ）ｚ＝0.2の時のｒ方向機械分布を示す図。

符号の説明

１パネル状コイル
１０一様磁界発生装置
２０磁界キャンセリング装置

Claims

同一平面上に正・逆それぞれの方向に同心円状または同心角状に導線を巻回して成る複数のコイルを接続して成ることを特徴とするパネル状コイル。
同一平面上に正・逆それぞれの方向に同心円状または同心角状に導線を巻回して成る複数のコイルを直列に接続して成ることを特徴とするパネル状コイル。
請求項１記載のパネル状コイルにおいて、基板上に正・逆それぞれの方向に同心円状または同心角状に導線をそれぞれ二層以上巻回して成る複数のコイルを接続して成ることを特徴とするパネル状コイル。
請求項２記載のパネル状コイルにおいて、基板上に正・逆それぞれの方向に同心円状または同心角状に導線をそれぞれ二層以上巻回して成る複数のコイルを直列に接続して成ることを特徴とするパネル状コイル。
請求項３または請求項４記載のパネル状コイルにおいて、複数のコイルは、各層において電流値に応じてターン数を設定していることを特徴とするパネル状コイル。
請求項１ないし請求項５の何れか記載の２枚のパネル状コイルをそれぞれ対向配置して成ることを特徴とする一様磁界発生装置。
請求項１ないし請求項５の何れか記載の４枚のパネル状コイルを二軸においてそれぞれ対向配置して成ることを特徴とする一様磁界発生装置。
請求項１ないし請求項５の何れか記載の６枚のパネル状コイルで立方体を形成して成ることを特徴とする一様磁界発生装置。
請求項１ないし請求項５の何れか記載の２枚のパネル状コイルをそれぞれ対向して配置するとともに、前記２枚のパネル状コイルのそれぞれに電源を接続することによって構成し、
前記電源を操作して前記２枚のパネル状コイルによって、勾配磁界および一様（平等）磁界をもつ環境磁界に対し、逆位相の一様磁界と一次勾配磁界を生成する
ことを特徴とする勾配磁界発生装置。
請求項１ないし請求項５の何れか記載の２枚のパネル状コイルをそれぞれ対向して配置するとともに、前記２枚のパネル状コイルのそれぞれに電源を接続することによって構成し、
前記電源を操作して前記２枚のパネル状コイルによって、勾配磁界および一様（平等）磁界をもつ環境磁界に対し、逆位相の一様磁界と一次勾配磁界を生成する
ことを特徴とする磁界キャンセリング装置。
請求項１ないし請求項５の何れか記載の４枚のパネル状コイルを二軸においてそれぞれ対向して配置するとともに、前記４枚のパネル状コイルのそれぞれに電源を接続することによって構成し、
前記電源を操作して前記４枚のパネル状コイルによって、勾配磁界および一様（平等）磁界をもつ環境磁界に対し、逆位相の一様磁界と一次勾配磁界を生成する
ことを特徴とする磁界キャンセリング装置。
請求項１ないし請求項５の何れか記載の６枚のパネル状コイルで立方体を形成するとともに、前記６枚のパネル状コイルのそれぞれに電源を接続することによって構成し、
前記電源を操作して前記立方体によって、勾配磁界および一様（平等）磁界をもつ環境磁界に対し、逆位相の一様磁界と一次勾配磁界を生成する
ことを特徴とする磁界キャンセリング装置。