JP2011103319A

JP2011103319A - アクティブ磁気シールド

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Publication number: JP2011103319A
Application number: JP2009256768A
Authority: JP
Inventors: Fumihiko Onuma; 文彦大沼
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: JP5589355B2

Abstract

【課題】コイルの径を大きくすることなく、均一な磁界領域を広範囲に亘って形成する。
【解決手段】アクティブ磁気シールド１０は、複数のヘルムホルツコイル１１０Ａ，１１０Ｂが同軸上に並べて設けられたヘルムホルツコイルユニットと、前記複数のヘルムホルツコイル１１０Ａ，１１０Ｂのそれぞれに対して電流を供給する電流供給部１６０と、前記電流の供給対象とする前記ヘルムホルツコイルを切り替え、切り替え後の前記ヘルムホルツコイルに対して前記電流を供給するように、前記電流供給部を制御する制御部１８０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、アクティブ磁気シールドに関する。

特許文献１に記載の環境磁気雑音遮蔽磁界印加装置によれば、ヘルムホルツコイル条件を満たす一対のコイルに対して、同一の電流を供給して、環境磁気雑音と逆位相の磁界を発生させることにより、環境磁気雑音がキャンセルされた均一な磁界領域を両コイル間に発生することができるとされている。

特開２００５−２１７３４１号公報

しかしながら、上記技術では、均一な磁界領域を広範囲に亘って形成するためには、コイルの径を大きくする必要がある。本発明は、上記課題を解決することで、コイルの径を大きくすることなく、均一な磁界領域を広範囲に亘って形成することができる、アクティブ磁気シールドを提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様のアクティブ磁気シールドは、複数のヘルムホルツコイルが同軸上に並べて設けられたヘルムホルツコイルユニットと、前記複数のヘルムホルツコイルのそれぞれに対して電流を供給する電流供給部と、前記電流の供給対象とする前記ヘルムホルツコイルを切り替え、切り替え後の前記ヘルムホルツコイルに対して前記電流を供給するように、前記電流供給部を制御する制御部とを備えることを特徴とする。係る構成によれば、複数のヘルムホルツコイルによって、均一な磁界領域を軸方向に複数形成することができるため、コイルの径を大きくすることなく、均一な磁界領域を広範囲に亘って形成することができる。

上記アクティブ磁気シールドにおいて、前記複数のヘルムホルツコイルは、少なくとも、隣接する一方の前記ヘルムホルツコイルが形成した均一な磁界領域の一部と、隣接する他方の前記ヘルムホルツコイルが形成した均一な磁界領域の一部とが重なり合う、という条件を満たす間隔を有して、並べて設けられていてもよい。係る構成によれば、複数のヘルムホルツコイルが形成した複数の均一な磁界領域間に、均一でない磁界領域が形成されないため、均一な磁界領域を広範囲に亘って形成することができる。

上記アクティブ磁気シールドにおいて、前記制御部は、当該アクティブ磁気シールドが形成した均一な磁界領域において被測定物を測定する測定装置の測定周期よりも短い周期で、前記電流の供給対象とする前記ヘルムホルツコイルを切り替え、切り替え後の前記ヘルムホルツコイルに対して前記電流を供給するように、前記電流供給部に指示してもよい。係る構成によれば、測定装置による１回の測定期間内に、複数のヘルムホルツコイルに均一な磁界領域を発生させることにより、均一かつ広範囲な磁界領域を形成することができる。

上記アクティブ磁気シールドにおいて、前記ヘルムホルツコイルユニットが、異なる２軸方向のそれぞれに対して設けられていてもよい。係る構成によれば、均一な磁界領域を２軸方向に広範囲に亘って形成することができる。

上記アクティブ磁気シールドにおいて、前記ヘルムホルツコイルユニットが、異なる３軸方向のそれぞれに対して設けられていてもよい。係る構成によれば、均一な磁界領域を３軸方向に広範囲に亘って形成することができる。

第１の実施形態に係るアクティブ磁気シールド１０の外観を示す。第１の実施形態に係るアクティブ磁気シールド１０の構成を示す。アクティブ磁気シールド１０が形成する磁界領域１１４の一例を示す。電流供給部１６０による電流の供給タイミングを示す。第２の実施形態に係るアクティブ磁気シールド１０の外観を示す。第３の実施形態に係るアクティブ磁気シールド１０の外観を示す。

図１は、第１の実施形態に係るアクティブ磁気シールド１０の外観を示す。図２は、第１の実施形態に係るアクティブ磁気シールド１０の構成を示す。アクティブ磁気シールド１０は、均一かつ広範囲な磁界領域１１４を形成することができる。たとえば、アクティブ磁気シールド１０は、心臓磁気計測システムなどの生体計測システムに用いられるが、磁気を計測するシステムであれば、生体計測システム以外のシステムにも用いることができる。

アクティブ磁気シールド１０は、基板１２、ヘルムホルツコイルユニット１００、および制御装置１５０を備える。ヘルムホルツコイルユニット１００および制御装置１５０は、基板１２上に設けられている。ヘルムホルツコイルユニット１００は、複数のヘルムホルツコイル１１０を有する。たとえば、本実施形態のヘルムホルツコイルユニット１００は、図２に示すように、ヘルムホルツコイル１１０Ａおよびヘルムホルツコイル１１０Ｂを有する。すなわち、本実施形態のヘルムホルツコイルユニット１００は、２つのヘルムホルツコイル１１０を有する。

複数のヘルムホルツコイル１１０のそれぞれは、ヘルムホルツコイル条件を満たす一対のコイル１１２を有する。ヘルムホルツコイル条件を満たすため、一対のコイル１１２には、コイルの大きさおよび巻き数が略同一のものが用いられる。また、ヘルムホルツコイル条件を満たすため、一対のコイル１１２には、コイル１１２の半径と一対のコイル１１２間の距離が略同一となるように配置されている。たとえば、本実施形態のヘルムホルツコイルユニット１００において、ヘルムホルツコイル１１０Ａは、ヘルムホルツコイル条件を満たす一対のコイル１１２Ａを有する。また、ヘルムホルツコイル１１０Ｂは、ヘルムホルツコイル条件を満たす一対のコイル１１２Ｂを有する。コイル１１２Ａとコイル１１２Ｂとは、軸Ａ方向に交互に並べて配置されている。

ここで、実際のコイル１１２は、コイルボビンに対してコイルが多重に巻かれている。また、実際のコイル１１２は、基板１２上において立った状態で設置され、支持部材などによって支持されている。図１および図２においては、アクティブ磁気シールド１０の構成をわかりやすくするために、これらの図示を省略している。なお、本実施形態のアクティブ磁気シールド１０は、円形状のコイル１１２を用いているが、これに限らず、四角形、その他の多角形、楕円形状など、円形状以外のコイル１１２を用いてもよい。

複数のヘルムホルツコイル１１０のそれぞれは、一対のコイル１１２のそれぞれに同一の電流が供給されることで、一対のコイル１１２の中間点の周囲に均一な磁界領域１１４を形成する。たとえば、ヘルムホルツコイル１１０Ａは、一対のコイル１１２Ａの中間点Ｐａの周囲に均一な磁界領域１１４Ａを形成する。また、ヘルムホルツコイル１１０Ｂは、一対のコイル１１２Ｂの中間点Ｐｂの周囲に均一な磁界領域１１４Ｂを形成する。ここで、均一な磁界領域１１４とは、位置の変化に伴う磁界変化が最小の領域を示す。磁界変化が最小の領域とは、他の領域よりも磁界変化が小さい領域であれば、磁界変化が０の領域であってもよく、それ以外の領域であってもよい。均一な磁界領域１１４は、位置の変化に伴う磁界変化が最小の領域のみに限らず、位置の変化に伴う磁界変化が最小〜予め定められている値の範囲内の領域を含んでもよい。

複数のヘルムホルツコイル１１０は、同軸上に並べて設けられている。具体的には、複数のヘルムホルツコイル１１０は、少なくとも、隣接する一方のヘルムホルツコイル１１０が形成した均一な磁界領域１１４の一部と、隣接する他方のヘルムホルツコイル１１０が形成した均一な磁界領域１１４の一部とが重なり合う、という条件を満たす間隔を有して、同軸上に並べて設けられている。たとえば、図２に示す例では、ヘルムホルツコイル１１０Ａおよびヘルムホルツコイル１１０Ｂは、ヘルムホルツコイル１１０Ａが形成した均一な磁界領域１１４Ａの一部と、ヘルムホルツコイル１１０Ｂが形成した均一な磁界領域１１４Ｂの一部とが重なり合う、という条件を満たす間隔Ｄを有して、軸Ａ上に並べて設けられている。

制御装置１５０は、電流供給部１６０、磁界検出部１７０、および制御部１８０を有する。電流供給部１６０は、複数のヘルムホルツコイル１１０のそれぞれに対して電流を供給する。磁界検出部１７０は、複数のヘルムホルツコイル１１０のそれぞれの磁界を検出する。たとえば、磁界検出部１７０は、複数のヘルムホルツコイル１１０のそれぞれについて、当該ヘルムホルツコイル１１０が形成する磁界領域１１４の近傍に設けられた、フラックスゲート磁束計などの磁気センサーによって、当該ヘルムホルツコイル１１０の磁界を検出する。

制御部１８０は、電流供給部１６０を制御する。具体的には、制御部１８０は、複数のヘルムホルツコイル１１０のそれぞれについて、磁界検出部１７０よって検出された磁界に基づいて、ヘルムホルツコイル１１０が均一な磁界領域を形成するために必要な、環境磁気雑音と逆位相の磁界を発生するための電流を、ヘルムホルツコイル１１０へ供給するように、電流供給部１６０を制御する。制御部１８０は、電流の供給対象とするヘルムホルツコイル１１０を切り替え、切り替え後のヘルムホルツコイル１１０に対して電流を供給するように、電流供給部１１０を制御する。特に、制御部１８０は、アクティブ磁気シールド１０が形成した均一な磁界領域において被測定物を測定する測定装置の測定周期よりも短い周期で、電流の供給対象とするヘルムホルツコイル１１０を切り替え、切り替え後のヘルムホルツコイル１１０に対して電流を供給するように、電流供給部１１０を制御する。

図３は、アクティブ磁気シールド１０が形成する磁界領域１１４の一例を示す。図３に示すグラフにおいて、縦軸は、アクティブ磁気シールド１０が形成する磁界の強度を示す。横軸は、アクティブ磁気シールド１０が形成する磁界の軸Ａ方向における位置を示す。アクティブ磁気シールド１０が備えるヘルムホルツコイルユニット１００のうち、ヘルムホルツコイル１１０Ａは、図３に示すグラフにおいて点線で示されているように、一対のコイル１１２Aの中間点Ｐａを中心として、軸Ａ方向の前後に亘って、位置の変化に伴う磁界の強度の変化が最も低い領域、すなわち、均一な磁界領域１１４Ａを形成する。ヘルムホルツコイルユニット１００のうち、ヘルムホルツコイル１１０Bは、図３に示すグラフにおいて一点鎖線で示されているように、一対のコイル１１２Ｂの中間点Ｐｂを中心として、軸Ａ方向の前後に亘って、位置の変化に伴う磁界の強度の変化が最も低い領域、すなわち、均一な磁界領域１１４Ｂを形成する。このようにして、アクティブ磁気シールド１０は、図３に示すグラフにおいて実線で示されているように、均一な磁界領域１１４Ａおよび均一な磁界領域１１４Ｂを含む均一な磁界領域１１４ｃｏｍを形成することができる。

第１の実施形態に係るアクティブ磁気シールド１０によれば、複数のヘルムホルツコイル１００によって、均一な磁界領域１１４を軸Ａ方向に複数形成することができるため、コイルの径を大きくすることなく、均一かつ広範囲な磁界領域１１４ｃｏｍを形成することができる。ここで、ヘルムホルツコイル１１０Ａが形成した均一な磁界領域１１４Ａの一部と、ヘルムホルツコイル１１０Ｂが形成した均一な磁界領域１１４Ｂの一部とが重なり合っている。このように、第１の実施形態に係るアクティブ磁気シールド１０によれば、複数のヘルムホルツコイル１１０が形成した複数の均一な磁界領域１１４間に、均一でない磁界領域が形成されないため、均一かつ広範囲な磁界領域１１４ｃｏｍを形成することができる。

図４は、電流供給部１６０による電流の供給タイミングを示す。図４のタイミングチャートは、（ａ）測定装置の測定タイミング、（ｂ）ヘルムホルツコイル１１０Ａへの電流の供給タイミング、および（ｃ）ヘルムホルツコイル１１０Ｂへの電流の供給タイミングを示す。（ａ）測定装置の測定タイミングにおいては、測定している期間をＨｉレベルで示し、測定していない期間をＬｏｗレベルで示す。（ｂ）ヘルムホルツコイル１１０Ａへの電流の供給タイミング、および（ｃ）ヘルムホルツコイル１１０Ｂへの電流の供給タイミングにおいては、電流を供給している期間をＨｉレベルで示し、電流を供給していない期間をＬｏｗレベルで示す。

図４のタイミングチャートが示すように、電流供給部１６０は、制御部１８０の制御により、ヘルムホルツコイル１１０Ａおよびヘルムホルツコイル１１０Ｂに対して、交互に電流を供給する。また、電流供給部１６０は、制御部１８０の制御により、測定装置の測定周期よりも短い周期で、電流供給対象のヘルムホルツコイル１１０を切り替え、切り替え後のヘルムホルツコイル１１０に対して電流を供給する。たとえば、心臓磁気測定装置のように測定装置の測定周期が１００Ｈｚであれば、電流供給対象のヘルムホルツコイル１１０を切り替える周期は、数１０ｋＨｚとすることが好ましい。これにより、アクティブ磁気シールド１０は、測定装置が生体を正確に計測するための、均一かつ広範囲な磁界領域１１４を形成することができる。このように、第１の実施形態に係るアクティブ磁気シールド１０によれば、測定装置による１回の測定期間内に、各ヘルムホルツコイル１１０に対して、均一な磁界領域１１４を交互に発生させることにより、均一かつ広範囲な磁界領域１１４を形成することができる。また、ヘルムホルツコイル１１０Ａおよびヘルムホルツコイル１１０Ｂに対して交互に電流を供給することで、双方のヘルムホルツコイル１１０が形成する複数の磁界領域１１４が合成されてしまうことを抑えることができる。なお、ヘルムホルツコイル１１０Ａへの電流供給期間と、ヘルムホルツコイル１１０Ｂへの電流供給期間とでは、一部が重なってもよく、間隔があってもよい。

図５は、第２の実施形態に係るアクティブ磁気シールド１０の外観を示す。図５に示すアクティブ磁気シールド１０は、ヘルムホルツコイルユニット１００ｘおよびヘルムホルツコイルユニット１００ｙを備える。ヘルムホルツコイルユニット１００ｘにおいては、複数のヘルムホルツコイル１１０が、Ｘ軸方向の軸Ａｘ上に、並べて設けられている。ヘルムホルツコイルユニット１００ｙにおいては、複数のヘルムホルツコイル１１０が、Ｘ軸に対して平面方向に略直交するＹ軸方向の軸Ａｙ上に、並べて設けられている。図示を省略するが、複数のヘルムホルツコイル１１０のそれぞれは、配線によって電流供給部１６０に対して電気的に接続されている。ヘルムホルツコイルユニット１００ｘは、第１の実施形態で説明したヘルムホルツコイルユニット１００と同様の構成を有し、同様に動作する。したがって、ヘルムホルツコイルユニット１００ｘは、均一な磁界領域１１４をＸ軸方向に形成する。ヘルムホルツコイルユニット１００ｙは、第１の実施形態で説明したヘルムホルツコイルユニット１００と同様の構成を有し、同様に動作する。したがって、ヘルムホルツコイルユニット１００ｙは、均一な磁界領域１１４をＹ軸方向に形成する。このように、第２の実施形態に係るアクティブ磁気シールド１０によれば、ヘルムホルツコイルユニット１００を異なる２軸方向のそれぞれに設けたことにより、均一かつ広範囲な磁界領域１１４を異なる２軸方向に形成することができる。

図６は、第３の実施形態に係るアクティブ磁気シールド１０の外観を示す。図６に示すアクティブ磁気シールド１０は、ヘルムホルツコイルユニット１００ｘおよびヘルムホルツコイルユニット１００ｙに加えて、ヘルムホルツコイルユニット１００ｚをさらに備える点で、第２の実施形態のアクティブ磁気シールド１０と異なる。ヘルムホルツコイルユニット１００ｚにおいては、複数のヘルムホルツコイル１１０が、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれに対して空間方向に略直交するＺ軸方向の軸Ａｚ上に、並べて設けられている。図示を省略するが、複数のヘルムホルツコイル１１０のそれぞれは、配線によって電流供給部１６０に対して電気的に接続されている。ヘルムホルツコイルユニット１００ｚは、第１の実施形態で説明したヘルムホルツコイルユニット１００と同様の構成を有し、同様に動作する。したがって、ヘルムホルツコイルユニット１００ｚは、均一な磁界領域１１４をＺ軸方向に形成する。このように、第３の実施形態に係るアクティブ磁気シールド１０によれば、ヘルムホルツコイルユニット１００を異なる３軸方向のそれぞれに設けたことにより、均一かつ広範囲な磁界領域１１４を異なる３軸方向に形成することができる。

なお、これまでに説明したいずれのアクティブ磁気シールド１０においても、ヘルムホルツコイルユニット１００は、３つ以上のヘルムホルツコイル１１０を有し、これら複数のヘルムホルツコイル１１０が同軸上に並べて設けられてもよい。この場合、制御部１８０は、３つ以上のヘルムホルツコイル１１０のうちの電流供給対象とするヘルムホルツコイル１１０を、並び順に順次切り替えて、電流供給部１６０に電流を供給させてもよく、並び順以外の順序で切り替えて、電流供給部１６０に電流を供給させてもよい。たとえば、制御部１８０は、３つ以上のヘルムホルツコイル１１０のうちの電流供給対象とするヘルムホルツコイル１１０を、ランダムな順序で切り替えて、電流供給部１６０に電流を供給させてもよい。

１０…アクティブ磁気シールド、１２…基板、１００…ヘルムホルツコイルユニット、１１０…ヘルムホルツコイル、１１２…コイル、１１４…磁界領域、１５０…制御装置、１６０…電流供給部、１７０…磁界検出部、１８０…制御部

Claims

複数のヘルムホルツコイルが同軸上に並べて設けられたヘルムホルツコイルユニットと、
前記複数のヘルムホルツコイルのそれぞれに対して電流を供給する電流供給部と、
前記電流の供給対象とする前記ヘルムホルツコイルを切り替え、切り替え後の前記ヘルムホルツコイルに対して前記電流を供給するように、前記電流供給部を制御する制御部と
を備えることを特徴とするアクティブ磁気シールド。
前記複数のヘルムホルツコイルは、
少なくとも、隣接する一方の前記ヘルムホルツコイルが形成した均一な磁界領域の一部と、隣接する他方の前記ヘルムホルツコイルが形成した均一な磁界領域の一部とが重なり合う、という条件を満たす間隔を有して、並べて設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載のアクティブ磁気シールド。
前記制御部は、
当該アクティブ磁気シールドが形成した均一な磁界領域において被測定物を測定する測定装置の測定周期よりも短い周期で、前記電流の供給対象とする前記ヘルムホルツコイルを切り替え、切り替え後の前記ヘルムホルツコイルに対して前記電流を供給するように、前記電流供給部を制御する
ことを特徴とする請求項１または２に記載のアクティブ磁気シールド。
前記ヘルムホルツコイルユニットが、異なる２軸方向のそれぞれに対して設けられている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアクティブ磁気シールド。
前記ヘルムホルツコイルユニットが、異なる３軸方向のそれぞれに対して設けられている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアクティブ磁気シールド。