JP2007311457A - 磁気シールド構造および磁気シールド方法 - Google Patents

Abstract

【課題】板状磁性体からなるフレームを板状磁性体板方向に間隙をおいて複数配置する透過型磁気シールド構造において、フレーム間隙からの磁場漏洩を減じ、空気や光の透過性と優れた磁気シールド性能を両立させる。
【解決手段】磁性体幅Ｗとフレーム間隔ｄの比が１≦ｄ／Ｗ≦２０であり、フレームに銅線をコイル状に巻きまわした磁気シールド構造。また遮蔽対象の磁場が印加された状態で、コイルに交流電流を流しその後徐々に電流を減じ、最後に電流を０とすることを特徴とする磁気シールド方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、医療分野、精密計測分野、超ＬＳＩ製造分野などにおいて、ある空間を磁気的に清浄な状態に保つことを目的とした、強磁性体を用いた磁気シールド構造と磁気シールド方法に関する。

透磁率の高い磁性体を用いた磁気シールド技術は一般的な技術となっている。その構成は、例えば、特許文献１、特許文献２に記載されているように、板状の磁性体で対象の空間を密閉して包囲することが基本となっており、磁性体を複合化したり、板の接合部分からの漏洩をカバーなどで防止したりすることによって、シールド性能の向上を図っている。これらの構成は、磁性体の面が磁気シールドルームの壁面と平行に配置し対象空間を密閉しているため、空気や光の透過性がなかった。

上記要請に対し本発明者らは、空気や光が透過可能でありながら遮蔽性能に優れる磁気シールド法として、板状磁性体からなる磁性体フレームを板状磁性体の厚さ方向に間隔をおいて複数配置する構造を既に提案した（特許文献３）。

特開平５−３２７２６３号公報 特開平７−２７３４８４号公報 ＷＯ２００４１０８４６０３Ａ１号

上述したように、本発明者らは、空気や光が透過可能でありながら遮蔽性能に優れる磁気シールド法を提案している。そこでは、磁性体フレームを、間隔をおいて並べることにより、磁性体フレーム間の空隙から空気や光の自由透過を確保でき、さらに、磁性体フレームを形成する磁性体同士は、面で接合することにより接合部からの磁束漏洩を減少せしめ、従来工法と同等以上のシールド性能を確保できることを可能とした。しかしながら、フレーム間隙が広がると、間隙からの漏洩が大きくなるため、要求によってはシールド性能の達成が困難な場合もあった。

本発明は、フレーム間隙を広く取りつつも、フレーム間隙からの磁場漏洩を防ぎ、良好な透過性と優れたシールド性能を両立することを可能とした磁気シールド構造と磁気シールド方法を提供する。

本発明者らは、前記シールド体においてフレーム間隙が広い状態でも、遮蔽対象磁場がシールド体に印加された状態で、フレームが形成する磁気回路に交流電流を流し、交流磁場を印加した後、交流電流を徐々に減じ、最後に０とすることによって、間隙からの漏洩を小さくすることができることを見出した。本発明はこの現象を用いたものであり、交流磁場を印加、減じる操作を、フレームに巻いた銅線に流す電流を制御することによって磁気シールドを可能としたものである。なお、本発明ではこの操作を、消磁あるいは消磁操作と呼ぶことにする。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は次のとおりである。
（１）幅Ｗの板状磁性体、あるいは、それら板状磁性体の積層体を、長さ方向の端部同士で相互接触させ、磁気回路が閉じるように磁性体フレームを形成し、かつ複数の磁性体フレームを、磁性体の厚さ方向に間隙ｄをおいて配置する磁気シールド構造において、前記磁性体フレーム内で分布した磁束密度Ｂの内、最も大きな値Ｂｍを、板状磁性体の材料特性である飽和磁束密度Ｂｓとの比を、
０．４≦Ｂｍ／Ｂｓ≦０．９とし、
かつ、板状磁性体幅Ｗとフレーム間隔ｄの比を、
１≦ｄ／Ｗ≦２０
とし、個々の磁性体フレームあるいは複数の磁性体フレームに、銅線をコイル状に巻くことを特徴とする磁気シールド構造。
（２）前記板状磁性体が電磁鋼板あるいはパーマロイであることを特徴とする（１）に記載の磁気シールド構造。
（３）（１）記載の磁気シールド構造に遮蔽対象の磁場が印加された状態で、磁性体フレームに施された銅線コイルに交流電流を流し、徐々に交流電流を減少させ、最後に０とすることを特徴とする磁気シールド方法。
（４）前記銅線コイルに流す交流電流の実効最大到達値Ｉｍａｘを、
Ｉｍａｘ≧（１／１０）・Ｌ・Ｈｃ／Ｎ
ここで、Ｌ ：フレームの磁路長（ｍ）
Ｈｃ：磁性体の保持力（Ａ／ｍ）
Ｎ ：コイル巻き数
とすることを特徴とする（３）に記載の磁気シールド方法である。

本発明により、光や空気の透過性を保ちながら、従来にない磁気シールド性能を達成することができる。

本発明のシールド体の基本構造は以下の通りである。

幅Ｗの板状磁性体、あるいは、それら板状磁性体の積層体を、長さ方向の端部同士で相互接触させ、閉じた磁気回路となるよう磁性体フレームを形成する。端部での接触は、磁性体あるいは磁性体積層体の面同士での接触が望ましい。接触部位での磁束漏洩が少なく、磁気シールド性能が良好となるからである。施工を容易にするためには、多少の性能劣化を許容するなら、突き合わせ接触でも良い。また接触部における磁性体間の距離は、磁束漏洩を防止するために３ｍｍ以内に保つことが望ましい。以上のように閉じた磁気回路となるように、対象の空間にあわせて磁性体フレームを形成する。

次にこのような磁性体フレームを、間隙ｄを置いて板厚方向に配置し磁気シールド構造とする。この間隙を空気や光が透過することができる。

上記磁気シールド構造の磁性体フレーム内には磁束密度Ｂに分布が生じる。このＢの分布は、空間の磁場分布や強度、磁気シールド体の形状によって決まってくる。本発明者らはこのＢの分布の内、最も大きな磁束密度値Ｂｍを制御することが、磁性材料を効率よく使い、性能の優れた磁気シールド構造を得るための方策であることを見出した。即ち、磁束密度の分布のうち最大値Ｂｍを、使用している材料特性である飽和磁束密度Ｂｓとの比において、
０．４≦Ｂｍ／Ｂｓ≦０．９
とすることである。この限定理由を以下に、実験事実を元に説明する。

＜実験１＞
長手方向に圧延方向を揃えた板厚０．３５ｍｍ、幅３３ｍｍ、長さ３００ｍｍの方向性電磁鋼板（飽和磁束密度Ｂｓ＝２．０Ｔ）を用いて積層体を作り、積層体を長さ方向端部で互いに面接合し、３００ｍｍ×３００ｍｍの四角形の磁性体フレームとした。積層体をなす電磁鋼板の枚数を種々変化させることによって、磁性体フレーム内の磁束密度を変化させることができる。この磁性体フレームを２０セット用意し、間隙１５ｍｍをおいて図１のように配置し磁気シールド体とした。このシールド体のｄ／Ｗは１５ｍｍ／３３ｍｍ≒０．４５である。シールド体内部の中心に径３３ｍｍ×長さ１６７ｍｍの鉄心にコイルを巻いた電磁石を設置し、直流磁場を発生させた。電磁石の軸とシールド体外壁が交わる位置で、シールド体がない場合の磁場の強さが２０００μＴ（２０Ｇ）、５０００μＴ（５０Ｇ）となるよう電磁石の電流を調整した。シールド後の漏洩磁場もこの位置で測定した。この電磁石の軸と同じ高さのフレームに磁束密度検出用コイルを、図２に示すように７５ｍｍピッチで、対象性を考慮して４辺の内２辺に巻いた。直流磁束計を用いて各部の直流磁束密度を測定し、最も大きな値をＢｍとした。そのＢｍをＢｓで規格化したＢｍ／Ｂｓと漏洩磁場の関係を図３に示す。シールドなしの磁場が２０００μＴのときも５０００μＴの時も、ほぼ同じ曲線を描き、Ｂｍ／Ｂｓの上昇に従い漏洩磁場は大きくなる。特にこの値が０．９より大きくなると漏洩磁場が急激に大きくなる。また、方向性電磁鋼板の重量を増加させＢｍ／Ｂｓを小さくしていった場合、０．６より小さいと漏洩磁場の大きさは一定となりシールド性能は飽和してしまう。

＜実験２＞
次に飽和磁束密度１．１Ｔの、Ｎｉ−Ｆｅ合金であるＰＣパーマロイを用いて実験を行った。厚さ１ｍｍ、幅３３ｍｍ、長さ３００ｍｍのＰＣパーマロイ４枚を、長さ方向端部で互いに面接合し、３００ｍｍ×３００ｍｍの四角形の磁性体フレームとした。この磁性体フレームを２０セット用意し、間隙１５ｍｍをおいて図１のように配置し磁気シールド体とした。ｄ／Ｗは１５ｍｍ／３３ｍｍ≒０．４５である。シールド体への磁場印加には直径９００ｍｍのヘルムホルツコイルを用いた。ヘルムホルツコイルの中心にシールド体を設置し、シールド体の二つの面が磁場方向と垂直となるように向きを決めた。ヘルムホルツコイルの発生する磁場を変化させて、シールド体中心部での磁場とパーマロイフレーム内の磁束密度を測定した。印加磁場はシールド体がない状態のコイル中心で、０〜１０００μＴ（０〜１０Ｇ）とした。フレーム内磁束密度は、シールド体高さ方向最高部と中心部に図２のコイルを巻いたフレームを設置し、各コイルの電圧から検出した。フレーム内での最大磁束密度ＢｍをＢｓで規格化したＢｍ／Ｂｓと漏洩磁場の関係を図４に示す。方向性電磁鋼板を用いた＜実験１＞の場合と同様、Ｂｍ／Ｂｓが０．９より大きくなると漏洩磁場が急激に大きくなる。また、印加磁場を減少しＢｍ／Ｂｓを小さくしていった場合、＜実験１＞より小さい０．４未満の場合に漏洩磁場の大きさは一定となりシールド性能は飽和した。

以上の実験より磁性体が異なっても、Ｂｍ／Ｂｓが０．９より大きくなると急激に漏洩磁場が大きくなることが分かった。従って、本発明ではＢｍ／Ｂｓ≦０．９とする。

また、方向性電磁鋼板とパーマロイではシールド性能が飽和するＢｍ／Ｂｓの下限値が異なった。これは、方向性電磁鋼板は圧延方向に容易軸を持ち異方性が強いが、パーマロイは等方的であることを反映していると考えられる。等方的な材料の使用を考慮して、本発明では０．４≦Ｂｍ／Ｂｓとする。Ｂｍ／Ｂｓの制御は、フレームを構成する磁性体の重量の増減によって可能となるが、さらに、空間の磁場が大きい場所に磁性体を多く配置し、磁場が小さい場所には少なく配置するなどの工夫をすれば、シールド体全体の重量を効率的に最大のシールド性能を得る事ができる。

また、本発明ではフレーム間隙ｄを、磁性体幅Ｗとの比ｄ／Ｗで規定して、
１≦ｄ／Ｗ≦２０
とする。空気や光の透過性を良好に得るため下限は１以上とした。一方、上限を２０以下としたのは、後に詳述する消磁操作を施しても、磁性体フレームの間隙からの磁場漏洩が無視できなくなるからである（図９参照）。

更に本発明では、磁性体フレームに交流磁場を印加するために、磁性体フレームに銅線をコイル状に巻回させる。銅線は個々の磁性体フレームに巻いても良いし、複数の磁性体フレームをまとめて巻いてもかまわない。また場合によっては、銅線を巻きつける磁性体フレームは一部であってもよい。コイルの巻き数は、磁性体フレームを構成する磁性体の保磁力以上の磁場を印加できる巻き数が好ましいが、その１／１０程度の巻き数でも効果はある。以上のような基本構造を複数用意して、入れ子構造とするとシールド性能は更に良好となる。また、基本構造の天井と床を磁性体の板で覆うことも上下からの磁場漏洩を減少させる。コイルの巻き方の例を、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、図６（ａ）、（ｂ）に示した。

次に、本発明は、上記のような磁気シールド構造に、遮蔽対象の磁場が印加されている状態でコイルに交流電流を流し、徐々に減じ、最後に交流電流を０とすることを特徴としている。このような消磁操作によって、シールド性能が向上する理由は、下記のように考えられる。

図７（ａ）は、フレーム内の磁化挙動を模式的に示したＢ−Ｈ曲線である。例えば、図７（ｂ）のように、シールド構造の内側にＨ０の磁場を発生するものがあると、図７（ａ）に示すヒステリシス曲線のＨ０に対応しＢ１の磁束密度が磁性体フレーム内を流れる。一方、磁性体フレームにコイルを巻いて消磁操作をすると、磁性体フレーム内の磁化は図７（ａ）のＢ−Ｈ曲線曲線上を矢印のような経過をたどり、交流電流が０になった時点で磁束密度はＢ２となる。Ｂ２はＢ１よりも非常に大きな値となる。即ち、Ｂ１より大きな磁束密度（Ｂ２）がフレーム内を流れるので、消磁をしないときより、シールド構造からの漏洩磁場が少なくなる。

流す電流は磁性体の保磁力以上の交流磁場を与えることが好ましいが、その１／１０程度でも効果はある。即ち、磁性体フレームの磁路長をＬ（ｍ）、磁性体の保持力をＨｃ（Ａ／ｍ）、コイル巻き数Ｎとしたときに、交流電流実効値の最大到達値Ｉｍａｘ（Ａ）を、
Ｉｍａｘ≧（１／１０）・Ｌ・Ｈｃ／Ｎ
とすれば、磁性体フレーム空隙からの漏洩を減少させることができる。また、Ｉｍａｘの上限は、余り大きすぎると電源設備が大掛かりになり、コストや安全性の面からも相応しくないので、
Ｉｍａｘ≦１００・Ｌ・Ｈｃ／Ｎ
とすることが現実的である。

交流電流実効値の最大到達値Ｉｍａｘを、Ｉｍａｘ≧Ｌ・Ｈｃ／Ｎ、とすれば、間隙からの漏洩を格段に減じることができる。電流の周波数は交流であれば特に指定する必要はないが、商用周波近傍の１０〜１００Ｈｚ程度が使用しやすい。

また、電流を減じるときの速度は遅いほど良好なシールド性能が得られる。電流をＩｍａｘから数秒で０にする程度の速度が、現実的に操作しやすい。交流電流を徐々に減じる手段としては、スライダック（電圧調整トランス）を用いて手動で徐々に電圧を減じて電流を小さくしても良いし、専用のプログラミングされた自動電流制御装置などを用いても良い。ただし、ヒステリシス曲線は、磁性体に固有のものであるので、交流電流の減じ方には上記に限定されず、最後に交流電流を０にすることが重要である。

本発明に用いることができる磁性体は所謂、軟質磁性体であり、方向性電磁鋼板、無方向性電磁鋼板、Ｎｉ、Ｆｅを主成分とするＰＢパーマロイ、ＰＣパーマロイなどであるが、その他、純鉄系材料、アモルファス、微結晶軟質磁性材料なども用いることができる。

＜実施例１＞
長手方向に圧延方向を揃えた、厚さ０．３５ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ９００ｍｍの方向性電磁鋼板を用いて、９００ｍｍ×９００ｍｍの四角形の磁性体フレーム１０段からなる高さ９００ｍｍのシールド体を作製した。磁性体フレーム一辺あたり８層の電磁鋼板を積層した。磁性体フレーム間隔は１００ｍｍで、ｄ／Ｗは４である。銅線を１０段の磁性体フレームにまとめて４０ターン、磁気回路の磁束方向に均一にコイル状に巻きまわした。磁気シールド体の内部中心には、径１００ｍｍ×長さ５００ｍｍの鉄心に銅線を巻いた電磁石を設置し磁場を発生させる。発生させる磁場は直流で、シールド体外壁が電磁石の軸と交わる位置において、シールド体がない状態で２０００μＴ（２０Ｇ）となるように調整した。この直流磁場が発生している状態で、シールド体のコイルに５０Ｈｚ、実効値１０Ａの電流を通電し、徐々に電流を減じ、最後に０とした。電流の制御はスライダックを用いて手動で行った。

この状態で、電磁石軸に垂直なシールド体外壁面上を、電磁石軸を高さの基準として上下方向に漏洩磁場の分布を調べた。比較例として、シールド体にコイルを施さない状態でも同様の漏洩磁場を測定した。測定装置の構成を図８に、漏洩磁場の高さ方向の変化を図９に示す。本発明では、磁性体フレーム間隙からの磁場漏洩が小さくなっている事が分かる。

＜実施例２＞
長手方向に圧延方向を揃えた、厚さ０．３５ｍｍ、幅２５ｍｍおよび１０ｍｍ、長さ９００ｍｍの方向性電磁鋼板を用いて、９００ｍｍ×９００ｍｍの四角形の磁性体フレームからなる高さ９００ｍｍのシールド体を作製した。電磁鋼板の総量は一定のまま、磁性体フレームの間隔を変化させた。シールド体の構成を表１に示す。銅線をすべての磁性体フレームにまとめて４０ターン、磁気回路の磁束方向に均一にコイル状に巻きまわした。実施例１と同様にシールド体の中心に電磁石を設置し、同じ条件で内部から磁場を発生した。この直流磁場が発生している状態で、シールド体のコイルに５０Ｈｚ、実効値１０Ａの電流を通電し、徐々に電流を減じ、最後に０とした。電流の制御はスライダックを用いて手動で行った。

電磁石軸がシールド体外壁面上と交わる点で漏洩磁場を測定した。また比較例としてシールド体にコイルを施さないで同様の漏洩磁場を測定した。漏洩磁場を表１と、図１０に示す。フレーム間隔が開いても、本発明によって漏洩磁場が抑制されていることが分かる。

＜実施例３＞
厚さ０．３５ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ９００ｍｍの、保磁力Ｈｃが８Ａ／ｍの方向性電磁鋼板を用いて、９００ｍｍ×９００ｍｍの四角形の磁性体フレームを用意した。磁性体フレームの磁路長Ｌは、３．５ｍである。磁性体フレーム一辺あたりには８層の電磁鋼板を重ねた。磁性体フレームを、１００ｍｍの間隔で１０段、縦方向に重ね、９００ｍｍのシールド体とした。ｄ／Ｗは４．０である。次に銅線を１０段の磁性体フレームにまとめて１０ターン、磁気回路の磁束方向に均一にコイル状に巻きまわした。以上からこのシールド体のＬ・Ｈｃ／Ｎは、２．８Ａである。実施例１と同条件で磁気シールド体の内部から磁場を発生させた。この直流磁場が発生している状態で、シールド体のコイルに周波数５０Ｈｚの電流を、最大到達値Ｉｍａｘを変化させて通電し、徐々に電流を減じ、最後０とした。その後、電磁石軸がシールド体外壁面上と交わる点で漏洩磁場を測定した。Ｉｍａｘと漏洩磁場を表２に示す。Ｉｍａｘを（１／１０）・Ｌ・Ｈｃ／Ｎ以上とすることによって、漏洩磁場は減少する。

実験１および実験２で用いたシールド体の構造を示す図。 磁気シールドフレームに巻いた磁束密度ピックアップコイルの様子を示す図。 実験１における、Ｂｍ／Ｂｓと漏洩磁場の関係を示す図。 実験２における、Ｂｍ／Ｂｓと漏洩磁場の関係を示す図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の基本構造の例を示す図。 （ａ）、（ｂ）は本発明の基本構造の例を示す図。 （ａ）はフレーム内の磁化挙動を模式的に示したＢ−Ｈ曲線図で、（ｂ）はシールド構造における磁化挙動を示す図。 実施例１の測定装置の構成を示す図。 実施例１で測定したシールド体の高さ方向の漏洩磁場分布を示す図。 実施例２で測定した漏洩磁場とｄ／Ｗの関係を示す図。

Claims (4)

1. 幅Ｗの板状磁性体、あるいは、それら板状磁性体の積層体を、長さ方向の端部同士で相互接触させ、磁気回路が閉じるように磁性体フレームを形成し、かつ複数の磁性体フレームを、磁性体の厚さ方向に間隙ｄをおいて配置する磁気シールド構造において、前記磁性体フレーム内で分布した磁束密度Ｂの内、最も大きな値Ｂｍを、板状磁性体の材料特性である飽和磁束密度Ｂｓとの比を、
   ０．４≦Ｂｍ／Ｂｓ≦０．９とし、
   かつ、板状磁性体幅Ｗと磁性体フレーム間隔ｄの比を、
   １≦ｄ／Ｗ≦２０
   とし、個々の磁性体フレームあるいは複数の磁性体フレームに銅線をコイル状に巻いた構造としたことを特徴とする磁気シールド構造。
2. 前記板状磁性体が電磁鋼板あるいはパーマロイであることを特徴とする請求項１に記載の磁気シールド構造。
3. 前記１記載の磁気シールド構造に遮蔽対象の磁場が印加された状態で、磁性体フレームに施された銅線コイルに交流電流を流し、徐々に交流電流を減少させ、最後に０とすることを特徴とする磁気シールド方法。
4. 前記銅線コイルに流す交流電流の実効最大到達値Ｉｍａｘを、
   Ｉｍａｘ≧（１／１０）・Ｌ・Ｈｃ／Ｎ
   ここで、Ｌ ：フレームの磁路長（ｍ）
   Ｈｃ：磁性体の保持力（Ａ／ｍ）
   Ｎ ：コイル巻き数
   とすることを特徴とする請求項３に記載の磁気シールド方法。

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