JP2010148578A

JP2010148578A - Ｓｑｕｉｄ磁束計及びグラジオメータのバランス調整方法

Info

Publication number: JP2010148578A
Application number: JP2008327803A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kubota; 寛久保田; Kunio Kazami; 邦夫風見
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2028-12-24
Also published as: JP5376394B2

Abstract

【課題】第１ピックアップコイル及び第２ピックアップコイル間のバランス調整を容易にし、効率よく微弱磁場を検出することを可能としたＳＱＵＩＤ磁束計及びグラジオメータのバランス調整方法を提供する。
【解決手段】生体磁場から発生する磁束を、グラジオメータを介して入力するＳＱＵＩＤ磁束計において、
同心円状のコイルボビンの軸方向に所定距離を隔てて巻回された第１ピックアップコイル及び第２ピックアップコイルを有するグラジオメータと、
前記コイルボビン内において前記第１ピックアップコイルまたは第２ピックアップコイルに近接し、その位置が前記コイルボビン外から調整可能に配置された超伝導部材部材と、
を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体磁場から発生する磁束を、グラジオメータを介して入力するＳＱＵＩＤ磁束計及びグラジオメータのバランス調整方法に関するものである。

脳内の細胞活動で生成される磁場から発生する磁束を、をＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device）磁束計を用いて測定する脳磁計測システム、ＳＱＵＩＤ磁束計の構成、磁束を検出してＳＱＵＩＤ磁束計に入力する、グラジオメータと呼ばれるノイズキャンセル機能を備えるピックアップコイル手段については、非特許文献１に詳細な技術開示がある。更に、バランス調整手段を具備する従来の同軸型１次グラジオメータの構成例については、特許文献１に技術開示がある。

ＳＱＵＩＤ磁束計によれば、地磁気の１０億分の１という極めて微弱な磁場を検出することが可能である。そのため脳磁のような微弱な磁場から発生する磁束を検出することが可能である。一方で、同様に外来磁場(外来ノイズ)の影響も受け易い。通常、ＳＱＵＩＤの使用環境下では、磁気シールドルーム(以下、ＭＳＲ)が使用されるが、そのＭＳＲで外来ノイズを遮蔽しても１００％の遮蔽は見込めない。

遮蔽を１００％近傍にするためには、設置環境及びコストといった問題が発生する。そのため、外来ノイズを除去すると共に脳磁のような微弱な磁場からの磁束を検出してＳＱＵＩＤ磁束計に入力する、グラジオメータと呼ばれるピックアップコイル手段が使用されている。

図６は、従来のＳＱＵＩＤ磁束計におけるグラジオメータの動作説明図であり、代表的な同軸型１次微分グラジオメータを示す。このグラジオメータは、第１ピックアップコイル１０と、これより所定距離を隔てて同軸に配置された第２ピックアップコイル２０を備えている。

第１及び第２ピックアップコイル１０及び２０は、逆巻きに巻いて直列接続され、ＳＱＵＩＤ磁束計３０に入力されている。このために、第１及び第２ピックアップコイル１０及び２０の両方を同時に通過する外来ノイズによる磁束Φ２がキャンセルされ、第１ピックアップコイル１０だけを通過する、このピックアップコイルの近傍にあるダイポールＤ（磁場源）からの磁束Φ１のみを感知してＳＱＵＩＤ磁束計３０に渡すことができる。

横河技報Vol.44 No.3 P151-154 「脳磁計測システムMEGvision」特開平５−０４５４３２号公報

図７は、従来のＳＱＵＩＤ磁束計におけるグラジオメータの課題を説明する模式図である。図７（Ａ）に示すように、第１ピックアップコイル１０及び第２ピックアップコイル２０の面積、傾き（以下、バランスという）が同一であれば、第１ピックアップコイル１０及び第２ピックアップコイル２０を共通に通過する磁束Φ２は論理的にはキャンセルすることが可能であり、極めて微弱な信号を検出することが可能となる。

しかしながら、現実の設計では、図７（Ｂ）のように第１ピックアップコイル１０及び第２ピックアップコイル２０の傾きに不並行があり、更に図７（Ｃ）のように第１ピックアップコイル１０及び第２ピックアップコイル２０の径に誤差があるので、磁束Φ２のキャンセルを理想的に実施することができず、検出感度に限界が生じる。

現在、第１及び第２ピックアップコイルのバランス改善手法が色々検討されているが（薄膜で作製したり等)、立体構造をしているこの同軸型一次微分グラジオメータでは、理想的なバランスを備えるグラジオメータの作製は不可能である。

現在は、機械精度で凹に削られた溝に第１及び第２ピックアップコイルの線を人手で巻きつけているため、バランスの精度は機械精度に頼られた状態である。また、このグラジオメータは、極低温中(LHe4.2k)にあるため、常温中で調整しようとしても、その調整棒の侵入熱等によりLHeが蒸発してしまい、調整は容易ではない。

図８は、特許文献１に開示されているグラジオメータの縦断面図である。コイルボビン４０に所定距離を隔てて巻回された第１ピックアップコイル１０及び第２ピックアップコイル２０間の空間内に超伝導部材５０を配置し、これにヒータ手段６０を接触させ、外部からの電流Ｉでこれを発熱させることで超伝導部材５０を部分的に常温化させ、第１ピックアップコイル１０と第２ピックアップコイル２０のバランス調整を実行する。

このような調整手法では、極低温環境のコイルボビン４０内にヒータ手段６０を備える超伝導部材５０を配置する必要があり、ピックアップコイルの内部構造が複雑であり、コスト的にも問題がある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、第１ピックアップコイル及び第２ピックアップコイル間のバランス調整を容易にし、効率よく微弱磁場を検出することを可能としたＳＱＵＩＤ磁束計及びグラジオメータのバランス調整方法の提供を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）生体磁場から発生する磁束を、グラジオメータを介して入力するＳＱＵＩＤ磁束計において、
同心円状のコイルボビンの軸方向に所定距離を隔てて巻回された第１ピックアップコイル及び第２ピックアップコイルを有するグラジオメータと、
前記コイルボビン内において前記第１ピックアップコイルまたは第２ピックアップコイルに近接し、その位置が前記コイルボビン外から調整可能に配置された超伝導部材部材と、
を備えることを特徴とするＳＱＵＩＤ磁束計。

（２）前記第１ピックアップコイル及び第２ピックアップコイルは、その断面積が互いに異なる形状を備えることを特徴とする（１）に記載のＳＱＵＩＤ磁束計。

（３）前記超伝導部材は、前記第１ピックアップコイル及び第２ピックアップコイルの一方に近接して固定位置された第１超伝導部材及び他方に近接してその位置が前記コイルボビン外から調整可能に配置された第２超伝導部材を備えることを特徴とする（１）に記載のＳＱＵＩＤ磁束計。

（４）前記超伝導部材は、その位置が前記コイルボビンに螺合する非磁性材の調整ネジにより前記コイルボビン外から調整可能に配置されていることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のＳＱＵＩＤ磁束計。

（５）前記超伝導部材は、前記コイルボビン内においてその軸方向に移動調整されることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のＳＱＵＩＤ磁束計。

（６）前記超伝導部材は、前記コイルボビン内においてその直径向に移動調整されることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のＳＱＵＩＤ磁束計。

（７）前記グラジオメータを交番磁界中に配置して第１ピックアップコイル及び第２ピックアップコイルのバランスの狂いを計測するステップと、
前記超伝導部材の位置と前記バランスとの関係を予め計測するステップと、
常温環境において、前記計測により取得されたデータに基づいて、前記超伝導部材を前記調整ネジの回転または角度により位置決めするステップと、
を備えることを特徴とするグラジオメータのバランス調整方法。

本発明の構成によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）位置調整可能な超伝導部材を、ピックアップコイルの微分効率の高い点に配置させることにより、磁場を検知する微妙なコイルの面積比を調整することができる。

（２）その結果、遠方から来る環境磁界が効率よく除去できるため、信号対雑音比が高くなり脳磁のような微弱な磁場を検出することが容易となる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用したＳＱＵＩＤ磁束計の基本構成を説明する模式図である。図１（Ａ）の第１ピックアップコイル１０１及び第２ピックアップコイル１０２は、同一断面積Ａを備えるものであり、図７（Ａ）で説明した従来構成と同一である。

図１（Ｂ）は、本発明構成の第１の特徴を示すものであり、第２ピックアップコイル１０２´は、図１（Ａ）に示した第２ピックアップコイル１０２の断面積よりは大の断面積Ａ´を備えている。

図１（Ｃ）は、本発明構成の第２の特徴を示すものであり、第２ピックアップコイル１０２´に近接して配置された超伝導部材２００の位置が、外部よりコイルの直径方向または軸方向に調整可能に配置されている。

本発明は、超伝導部材の特徴であるマイスナー効果を利用し、第２ピックアップコイル１０２´に入る磁束の量を制御し、第１ピックアップコイル１０１及び第２ピックアップコイル１０２´間のバランスを調整しようとするものである。

従来の技術では機械精度で凹に削られたコイルコイルボビンの溝に、第１ピックアップコイル及び第２ピックアップコイルの面積、傾きを同じになるように線(コイル)を手巻きしていた。そのためバランスの良し悪しは機械精度(凹状に削るための、バイト精度など)に頼っていた。

本発明では、図１（Ｃ）に示すように、第２ピックアップコイル１０２´のコイル面積を、第１ピックアップコイル１０１より意図的に大きくし、第２ピックアップコイル１０２´に入る磁束の量を超伝導部材のマイスナー効果を利用して調整する。

図２は、本発明を適用したＳＱＵＩＤ磁束計の動作説明図である。コイル面積を第１ピックアップコイル１０１よりは大に設計された第２ピックアップコイル１０２´に入力される一部の磁束Φ３は、超伝導部材２００のマイスナー効果により第２ピックアップコイル１０２´をバイパスするように曲げられるので、超伝導部材２００の位置調整により、第１ピックアップコイル１０１と第２ピックアップコイル１０２´を共に通過するノイズ磁束Φ２を高精度で一致させる調整が可能となる。

図３（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明を適用したグラジオメータの一実施形態を示す斜視図及び縦断面図である。コイルボビン３００内に配置された超伝導部材２００の位置を調整するには、コイルボビン外部より非磁性材の調整ネジ４００を使用して超伝導部材２００をコイルコイルボビン３００の直径方向に可変させる。

調整ネジ４００は、非磁性材のネジではなく超伝導体のネジを使用してもよい。この場合の超伝導部材は、例えばＮｂ（ニオブ）の小片がよい。超伝導部材２００は、この実施形態では直径方向に可変させる。尚、超伝導部材２００の移動方向は、コイルボビン３００の軸方向に可変させるようにしてもよい。

更に、この調整ネジ４００の可変量、つまり、超伝導部材２００とコイルコイルボビン３００との相互位置及び第２ピックアップコイル１０２´のバランスの関係を事前に値づけしておけば、調整が難しい極低温中ではなく、常温中でのバランス調整が可能となる。

調整の手順としては、まずヘルムホルツコイルなどの均一性の高いコイル中にグラジオメータを設置して交番磁界を印加し、そのとき出てくる信号を検知する。次に、グラジオメータを常温に戻し、予め求めた超伝導部材２００と第２ピックアップコイル１０２´の相互位置と、微分コイルのバランスの関係から、最も微分効率が高くなるネジの押し出し量を決定し、超伝導部材２００の位置決めをすればよい。

なお、均一性の高い磁場としては、ヘルムホルツコイルばかりでなく、遠方に設置したコイル、あるいはシングルターンの大型コイル、有限長ソレノイドコイル等で形成される磁場を利用することができる。

図４は、本発明が適用可能な各種のグラジオメータの模式図である。本発明の応用として、測定対象物に対し色々な検出コイルがあるが、図４（Ａ）乃至図４（Ｄ）の各種形態のグラジオメータ全てに使用でき、応用分野も広がる。

尚、図４（Ａ）の平面型のグラジオメータに適用すれば、コイルの実効的な面積を制御できるので、マグネトメータ間の感度バラツキを抑制できるため、任意のコイル間の差分をとって、効率よく信号を拾うことができるという長所がある。

図５は、本発明を適用したグラジオメータの他の実施形態を示す縦断面図である。グラジオメータのコイル１０１と１０２の中間のコイルボビン３００内に超伝導部材の小片２００を置いて、外部よりボールネジによる調整手段６００を用いて位置の微調整を行う手法である。

この場合、コイルボビン３００の中の中央付近にニオブネジを設置しておき、コイルバランスの測定結果に合わせてネジ位置を微調整すればよく、コイルの大きさを予めアンバランスにしておかなくてもよい。コイルバランスを計測した結果、製造工程のバラツキから混入するコイルバランスのずれがなければ、調整工程を省略できるという利点がある。

複数のピックアップコイルを備えるＳＱＵＩＤ磁束計において、ピックアップコイルの１つの近傍に、予め超伝導体部材を設置して実効的にそのコイルをアンバランスにしておき、もう一方のコイルの近傍に位置調整可能な超伝導部材を配置する実施形態を取ることも可能である。

本発明を適用したＳＱＵＩＤ磁束計の基本構成を説明する模式図である。本発明を適用したＳＱＵＩＤ磁束計の動作説明図である。本発明を適用したグラジオメータの一実施形態を示す斜視図及び縦断面図である。本発明が適用可能な各種のグラジオメータの模式図である。本発明を適用したグラジオメータの他の実施形態を示す縦断面図である。従来のＳＱＵＩＤ磁束計におけるグラジオメータの動作説明図である。従来のＳＱＵＩＤ磁束計におけるグラジオメータの課題を説明する模式図である。特許文献１に開示されているグラジオメータの縦断面図である。

符号の説明

３０ＳＱＵＩＤ磁束計
１０１第１ピックアップコイル
１０２´ 第２ピックアップコイル
２００超伝導部材

Claims

生体磁場から発生する磁束を、グラジオメータを介して入力するＳＱＵＩＤ磁束計において、
同心円状のコイルボビンの軸方向に所定距離を隔てて巻回された第１ピックアップコイル及び第２ピックアップコイルを有するグラジオメータと、
前記コイルボビン内において前記第１ピックアップコイルまたは第２ピックアップコイルに近接し、その位置が前記コイルボビン外から調整可能に配置された超伝導部材部材と、
を備えることを特徴とするＳＱＵＩＤ磁束計。
前記第１ピックアップコイル及び第２ピックアップコイルは、その断面積が互いに異なる形状を備えることを特徴とする請求項１に記載のＳＱＵＩＤ磁束計。
前記超伝導部材は、前記第１ピックアップコイル及び第２ピックアップコイルの一方に近接して固定位置された第１超伝導部材及び他方に近接してその位置が前記コイルボビン外から調整可能に配置された第２超伝導部材を備えることを特徴とする請求項１に記載のＳＱＵＩＤ磁束計。
前記超伝導部材は、その位置が前記コイルボビンに螺合する非磁性材の調整ネジにより前記コイルボビン外から調整可能に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＳＱＵＩＤ磁束計。
前記超伝導部材は、前記コイルボビン内においてその軸方向に移動調整されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＳＱＵＩＤ磁束計。
前記超伝導部材は、前記コイルボビン内においてその直径向に移動調整されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＳＱＵＩＤ磁束計。
前記グラジオメータを交番磁界中に配置して第１ピックアップコイル及び第２ピックアップコイルのバランスの狂いを計測するステップと、
前記超伝導部材の位置と前記バランスとの関係を予め計測するステップと、
常温環境において、前記計測により取得されたデータに基づいて、前記超伝導部材を前記調整ネジの回転または角度により位置決めするステップと、
を備えることを特徴とするグラジオメータのバランス調整方法。