JP2011232277A

JP2011232277A - 磁気計測装置

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Publication number: JP2011232277A
Application number: JP2010104919A
Authority: JP
Inventors: Noboru Ninomiya; 登二宮; Kazumichi Kikuhara; 和通菊原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-17
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: JP5434782B2

Abstract

【課題】複数のセルを並べて配置した磁気計測装置において、セル内のガスの圧力を均一化して検出精度を向上させる技術を提供する。
【解決手段】磁気計測装置は、所定の原子を含む複数のセル１１〜１３を接続した磁気センサーアレイ１０を備える。磁気センサーアレイ１０は、セル１１に設けた孔ａ１１とセル１２に設けた孔ａ２１とを接続する接続管ｂ１１と、セル１２に設けた孔ａ２２とセル１３に設けた孔ａ３１とを接続する接続管ｂ１２によってセル１１〜１３を接続して構成されている。接続管ｂ１１とｂ１２は、接続管ｂ１１を出入する原子の移動方向Ｐ１と接続管ｂ１２を出入する原子の移動方向Ｐ２の各延長線が一致しないように設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気計測装置に関する。

生体の心臓等から発せられる磁場を検出する生体磁気計測装置等において、光ポンピングを利用した磁気センサーが利用されている。このような磁気センサーとしては、ガスが封入された各セルに、円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分を有するプローブ光とが直交するように照射され、生体から発せられる磁場をプローブ光によって検出するものがある。下記特許文献１には、そのような光ポンピング原子磁力計が開示されている。

特開２００９−２３６５９９号公報

ところで、複数の独立したセルを並べて生体の広範囲な部分を測定する場合、各セル内のガスの圧力が均一でなければセルにおける磁気の測定感度にばらつきが生じる。
本発明は、複数のセルを並べて磁気を測定する磁気計測装置において、セル内の圧力を均一にして測定精度を向上させる技術を提供する。

本発明の一態様に係る磁気計測装置は、円偏光により励起される複数の原子からなる原子群を内部に含むセルを複数有するセルアレイと、前記各セルに対し、円偏光成分を有するポンプ光を照射するポンプ光照射部と、前記ポンプ光の照射方向と直交するように前記各セルに対して直線偏光成分を有するプローブ光を照射するプローブ光照射部と、前記プローブ光照射部によって前記各セルに照射されたプローブ光を検出する検出部とを備え、前記複数のセルは隣接する１以上のセルと管路によって接続されており、前記各セルのうち隣接する２以上のセルと接続されるセルは、隣接する一のセルに連通する前記管路を出入りする前記原子の移動方向の延長線と、隣接する他のセルに連通する前記管路に出入りする前記原子の移動方向の延長線とが一致しないように前記各管路が設けられていることを特徴とする。この構成によれば、各セル内のガスの圧力が均一になり、磁気の検出精度を向上させることができる。

本発明に係る磁気計測装置は、別の好ましい態様において、前記管路は、管軸方向に直線状に伸びる管路であることとしてもよい。この構成によれば、各セル内のガスの圧力を均一にすることができ、また、セル間の接続構造が複雑にならない。

本発明に係る磁気計測装置は、さらに別の好ましい態様において、前記管路は、管軸が屈曲する部分を有する管路であることとしてもよい。この構成によれば、各セル内のガスの圧力を均一にすることができ、管路を介して他のセルへ原子が移動することが抑制される。

実施形態に係る磁気計測装置の構成例を示すブロック図である。実施形態に係る磁気センサーアレイを示す模式図である。図２中の矢印Ａ方向から見た磁気センサーアレイの模式図である。（ａ）及び（ｂ）は、磁気センサーアレイにおける原子の移動を説明する図である。（ａ）は、実施形態に係る磁気センサーアレイとポンプ光照射ユニット示す図である。（ｂ）は、実施形態に係る磁気センサーアレイとプローブ光照射ユニット及び検出ユニットを示す図である。変形例１に係る磁気センサーアレイを説明する図である。（ａ）及び（ｂ）は、変形例２に係る磁気センサーアレイを説明する図である。変形例３に係る磁気センサーアレイを説明する図である。変形例４に係る磁気センサーアレイを説明する図である。

本発明に係る磁気計測装置は、生体の心臓等から発生される磁場を計測するものである。図１は、本発明に係る実施形態の磁気計測装置の構成を表すブロック図である。磁気計測装置１は、図１に示すように、磁気センサーアレイ１０、ポンプ光照射ユニット２０、プローブ光照射ユニット３０、検出ユニット４０を含んで構成されている。

ここで、磁気センサーアレイ１０の構成について図２及び図３を用いて説明する。図２は、磁気センサーアレイ１０を表す模式図であり、図３は、図２中の矢印Ａ方向から磁気センサーアレイ１０を見た模式図である。図２及び図３に示すように、本実施形態に係る磁気センサーアレイ１０は、一列に配列された３つのセル１１、１２、１３で構成されている。以下、これらを区別しない場合には単にセルと呼ぶ。

各セルは、光を透過するガラス等の素材で構成され、内部に所定の原子を含む立方体形状の物体である。セル内の所定の原子は、円偏光によって励起状態となり、スピン偏極する原子であり、例えば、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）及びフランシウム（Ｆｒ）等のアルカリ金属である。また、セル内には、これらのアルカリ金属原子の他に、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ）などのバッファーガスが含まれていてもよい。所定の原子は、気体（ガス）の状態でセルに含まれており、セル内でスピン偏極している原子は、検体からの磁場の大きさに応じて歳差運動を行う。尚、アルカリ金属の原子は磁気を検出する際に気体の状態であればよく、常時気体の状態でなくてもよい。
また、各セルには、隣接するセルと向かい合う面に孔ａ（ａ１１、ａ２１、ａ２２、ａ３１）が設けられている。各孔ａの部分を、セルと同様の素材で形成された直線形状の管路である接続管ｂ（ｂ１１、ｂ１２）で接続することで、セル１１、１２、１３が接続される。このように、本実施形態では、各セルに設けた孔ａを接続管ｂによって接続することで、各セル内におけるガスの圧力を一定にしている。

また、図２及び図３に示すように、本実施形態の磁気センサーアレイ１０は、接続管ｂ１１を出入りする原子の移動方向（破線矢印Ｐ１）の延長線と接続管ｂ１２を出入りする原子の移動方向（破線矢印Ｐ２）の延長線とが一致しないように構成されている。これは、各セルに孔ａを設けることによって、セル内で歳差運動を行っている原子が接続管ｂ（ｂ１１、ｂ１２）を経由して離れた位置にある他のセルへ移動すると、各セルにおける磁気を正確に測定できなくなるので、それを防止するための構成である。
例えば、図４（ａ）に示すように、接続管ｂ１１を出入りする原子の移動方向の延長線（破線矢印Ｐ１）と接続管ｂ１２を出入りする原子の移動方向（破線矢印Ｐ２）の延長線とが一致するように接続管ｂ１１及びｂ１２が設けられている場合、即ち、接続管ｂ１１を介して原子がセル１２に流入する方向の延長線上に接続管ｂ１２を設けた場合、セル１１内の原子の一部は接続管ｂ１１を通ってセル１２に移動し、その移動方向の延長上にある接続管ｂ１２を通ってセル１３まで容易に移動できる。
これに対し、図４（ｂ）に示すように、本実施形態では、接続管ｂ１１を出入りする原子の移動方向破線矢印Ｐ１の延長線と接続管ｂ１２を出入りする原子の移動方向破線矢印Ｐ２
の延長線とが一致しないように接続管ｂ１１及びｂ１２が設けられ、セル１１、１２、１３が接続されている。即ち、接続管ｂ１１を介して原子がセル１２に流入する方向の延長線上ではない位置に接続管ｂ１２が設けられた構成となっている。従って、セル１１内の一部の原子が接続管ｂ１１を通ってセル１２に移動しても、その移動方向と一致しない位置に接続管ｂ１２が設けられていることから、セル１２に移動した原子は接続管ｂ１２の管路を容易に通過することができない。
このように、接続管ｂ１１及び接続管ｂ１２を出入する原子の移動方向の延長線が一致しないようにセルを接続することで、図４（ａ）の場合と比べて、セル１１内の原子がセル１３まで移動したり、セル１３内の原子がセル１１まで移動したりする等、セル１１から離れた隣接していないセルへの移動を抑制することができる。その結果、各セルにおける磁気の測定において、測定対象領域から離れた位置において磁化された原子の影響を受けにくくすることができる。

なお、本実施形態では、磁気センサーアレイ１０のセルの数は一列に３つ並べられている例であるが、セルの数は複数であればこれに限らない。また、図２に示すように接続した一列のセル群を複数列並べたものを磁気センサーアレイとして用いてもよい。また、セルは立方体形状である場合について説明するが、セルの形状はこの形状には限らない。

以上が、本実施形態に係る磁気センサーアレイ１０の構成である。次に、図４を参照して、ポンプ光照射ユニット２０について説明する。図５（ａ）は、図２に示した磁気センサーアレイ１０とポンプ光照射ユニット２０を示す図である。ポンプ光照射ユニット２０は、磁気センサーアレイ１０の各セルに対して円偏光成分を有するポンプ光を照射するポンプ光照射手段として機能する。
図５（ａ）に示すように、ポンプ光照射ユニット２０は、セル１１、１２、１３の下面方向からポンプ光を各々照射するポンプ光照射部２１、２２、２３を備えて構成されている。ポンプ光照射部２１、２２、２３は、円偏光成分を有するレーザー光をポンプ光として出力する光源を各々有し、円偏光成分を有するポンプ光をセル１１、１２、１３に対して各々照射する。ポンプ光照射部２１、２２、２３の各々から照射されたポンプ光がセル１１、１２、１３に入射すると、セル内の原子はポンプ光によってスピン偏極し、検体からの磁気の影響を受けて歳差運動を行う。

次に、図５（ｂ）を参照して、プローブ光照射ユニット３０及び検出ユニット４０について説明する。図５（ｂ）は、図２に示した磁気センサーアレイ１０とプローブ光照射ユニット３０及び検出ユニット４０を示す図である。
プローブ光照射ユニット３０は、磁気センサーアレイ１０の各セルに対して直線偏光成分を有するプローブ光を照射するプローブ光照射手段として機能する。図５（ｂ）に示すように、プローブ光照射ユニット３０は、プローブ光照射部３１、３２、３３を備えて構成されている。プローブ光照射部３１、３２、３３は、直線偏光成分を有するレーザー光をプローブ光として出力する光源を各々有し、直線偏光成分を有するプローブ光をセル１１、１２、１３に対して矢印方向に照射する。セル１１、１２、１３に照射されたプローブ光は、各々のセル内の原子による歳差運動の回転力に応じて偏光面が回転され、セル１１、１２、１３を透過して検出ユニット４０に入射する。

検出ユニット４０は、磁気センサーアレイ１０を透過したプローブ光を検出する検出手段として機能する。図５（ｂ）に示すように、検出ユニット４０は、検出部４１、４２、４３を備えて構成されている。検出部４１、４２、４３は、セル１１、１２、１３に対応するフォトディテクタを有し、セル１１、１２、１３を透過したプローブ光を各々のフォトディテクタで受光し、光量に応じた電気信号を解析して各セルにおいて受光したプローブ光の偏光面の回転角度を求め、回転角度に応じた磁気を検出する。

（動作）
次に、この磁気計測装置１を用い、検体から発せられる磁場を測定する場合の動作について説明する。磁気計測装置１において磁気の計測が開始されると、ポンプ光照射部２１〜２３の各々から円偏光成分を有するポンプ光が、磁気センサーアレイ１０のセル１１〜１３の各々に対して照射される。これにより、セル１１〜１３内の原子はポンプ光によって励起されて同一方向にスピン偏極され、検体からの磁場に応じて磁気モーメントの方向を変化させて歳差運動を行う。このとき、例えば、セル１１内の原子の一部は、接続管ｂ１１を通ってセル１２へ移動するが、その移動方向の延長上でない位置に接続管ｂ１２が設けられているため、接続管ｂ１２を通ってセル１３まで直接的に移動することが制限される。この結果、各セルにおける原子は隣接しないセルへの移動が抑制される。また、各セルに設けられた孔ａを接続する接続管ｂ１１、ｂ１２によって各セルが連通されているため、各セルにおけるガスの圧力は均一となっている。

続いて、プローブ光照射ユニット３０のプローブ光照射部３１〜３３の各々から直線偏光成分を有するプローブ光が、セル１１〜１３の各々に対し、ポンプ光と直交するように照射される。セル１１〜１３の各々に入射されたプローブ光は、各セル内の原子が受けている磁場の大きさに応じて偏光面が回転されて各セルを透過する。セル１１〜１３を透過したプローブ光は、各セルに対応する検出部４１〜４３の各々に入射し、検出部４１〜４３においてプローブ光が受光される。そして、検出部４１〜４３において、プローブ光の光量に応じた電気信号を解析し、プローブ光の偏光面の回転角を求め、セル１１、１２、１３における磁気を検出する。

このように、上記実施形態に係る磁気センサーアレイ１０は、各セルに設けた孔ａを接続管ｂで接続して構成されているため、各セルにおけるガスの圧力を一定にすることができる。また、磁気センサーアレイ１０は、接続管ｂ１１を出入りする原子の移動方向の延長線と接続管ｂ１２を出入りする原子の移動方向の延長線とが一致しないように、各セルを接続管ｂ１１及びｂ１２によって接続して構成されているため、各セル内のガスの圧力が均一になり、各セルにおける磁気の測定感度を一定にすることができる。また、隣接しないセルへの原子の移動を最小限に抑制することができ、各セルにおける磁気の測定精度が向上する。

＜変形例＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、以下のように変形させて実施してもよい。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。
（１）上述した実施形態では、磁気センサーアレイ１０の各セルを接続する接続管ｂが隣接面に対して垂直に設けられている例であったが、隣接面に対して一定角度だけ傾斜するように接続管ｂを設けるように構成してもよい。このような例を図６に示す。図６は、本変形例に係る磁気センサーアレイ１０を示す模式図である。この図において、セル１１の孔ａ１１はセル１２の孔ａ２１より上面側の高い位置に設けられ、また、セル１２の孔ａ２２はセル１３の孔ａ３１より上面側の高い位置に設けられており、これらの孔ａを接続する接続管ｂ１１とｂ１２は、セル１１、１２、１３において接続された面に対して傾斜している。なお、セル１２において、孔ａ２１とａ２２をできるだけ離れた位置に設けるように構成することで、隣接しないセルへの原子の移動をより抑制することができる。

（２）また、上述した実施形態では、接続管ｂは管軸方向に直線状に伸びる直線形状である例について説明したが、接続管ｂは、管軸が曲線部分を有してもよいし、屈曲する部分を有していてもよい。このような例を図７に示す。図７は、本変形例に係る磁気センサーアレイ１０を示す模式図である。図７（ａ）は、上述した変形例１の接続管ｂ１１及びｂ１２に代えて、管路が曲線形状の接続管ｂ２１及びｂ２２で各セルを接続した例である。また
、図７（ｂ）は、上述した変形例１の接続管ｂ１１及びｂ１２に代えて、管路が屈曲した形状の接続管ｂ３１及びｂ３２によって各セルを接続した例である。このように、接続管ｂを曲線形状や屈曲した形状にすることにより、直線形状の接続管と比べて原子の移動を抑制することができる。

（３）また、上述した実施形態では、磁気センサーアレイ１０において、各セルは接続管ｂの長さ分だけ離れた位置に配置されて構成されている例であったが、セルの上面又は下面の一部分が隣接するセルと連結されて構成され、連結部分を接続管ｂとして機能させるように構成してもよい。このような例を図８に示す。図８は、本変形例に係る磁気センサーアレイ１０を示す模式図である。図８の例では、セル１１とセル１２の隣接面における上部の一部に開口部ａ１１、ａ２１が設けられ、セル１２とセル１３の隣接面における下部の一部に開口部ａ２２、ａ３１が設けられており、開口部ａ１１とａ２１を接続管ｂ４１で接続し、開口部ａ２２とａ３１を接続管ｂ４２で接続している。これにより、セル１１とセル１２の上面の一部が連結され、セル１２とセル１３の下面の一部が連結された磁気センサーアレイ１０が形成される。この場合も、実施形態と同様、接続管ｂ４１を出入りする原子の移動方向の延長線とｂ４２を出入りする原子の移動方向の延長線とが一致しないように構成されているため、例えば、セル１１内の原子がセル１３へ容易に移動することができず、隣接しないセルへの原子の移動を抑制することができる。また、セルの一部が隣接するセルと連結されているため、セルを高密度に配置することができる。

（４）上述した実施形態では、接続管ｂによって各セルを接続する例であったが、例えば、図９に示すように、接続管ｂを用いずに磁気センサーアレイ１００を構成してもよい。図９の例では、例えば、セル１０１とセル１０２を仕切る壁には各セルに共通の孔ａ１が設けられており、セル１０１とセル１０３を仕切る壁には共通の孔ａ２が設けられている。また、セル１０２とセル１０４とを仕切る壁には共通の孔ａ３が設けられており、他のセルも同様に隣接するセルとの間を仕切る壁に共通の孔ａが少なくとも２つ設けられている。このように、全てのセルにおいて、隣接するセルとの間に孔ａを設けることで、各セル内のガスの圧力を一定にすることができる。また、図９に示すように、各セルにおける共通の孔は、当該セルにおける一の孔を原子が移動する移動方向と他の孔を原子が移動する移動方向とが一致しないように設けられている。

つまり、例えば、セル１０１の孔ａ１の位置に対し、セル１０２の孔ａ３は、孔ａ１が設けられている壁に対向する壁の下方向に設けられており、孔ａ１を出入りする原子の移動方向の延長線と、孔ａ３を出入りする原子の移動方向の延長線とが一致していない。従って、セル１０１内の原子が孔ａ１を通過してセル１０２に移動したとしても、その移動した原子が、その移動方向に沿ってセル１０４へ移動することはできないため、セル１０１からセル１０４へ容易に移動することができない。他のセルについても同様である。

なお、この磁気センサーアレイ１００の各セルに対してポンプ光及びプローブ光を照射する場合には、磁気センサーアレイ１００の下面から矢印Ｘ方向にセル単位にポンプ光を照射するようにポンプ光照射部を設けると共に、Ａ１、Ａ２、Ａ３の各列のセル群に対して矢印Ｙ方向にプローブ光を照射するようにプローブ光照射部を設けるように構成する。そして、測定対象領域に対応するセル毎にポンプ光を照射するように、各ポンプ光照射部を制御するポンプ光照射制御部を備えると共に、ポンプ光を照射したセルの列に対してプローブ光を照射するプローブ光照射部の制御を行うプローブ光照射制御部を備えるように構成する。ポンプ光が照射されたセル内の原子は、ポンプ光によって励起されて歳差運動を行うので、当該セルを透過したプローブ光を検出することにより各セルにおける磁気を検出することができる。なお、各セルにおける磁気の検出を行う場合、隣接するセルが連続しないようにセルを選択してポンプ光及びプローブ光を照射するようにポンプ光照射部及びプローブ光制御部を制御することで、測定対象のセルと隣接するセル内の原子の影響
を受けずに磁気を測定することができる。

１・・・磁気計測装置、１０，１００・・・磁気センサーアレイ、１１，１２，１３・・・セル、２０・・・ポンプ光照射ユニット、２１，２２，２３・・・ポンプ光照射部、３０・・・プローブ光照射ユニット，３１，３２，３３・・・プローブ光照射部、４０・・・検出ユニット、４１，４２，４３・・・検出部

Claims

円偏光により励起される複数の原子からなる原子群を内部に含むセルを複数有するセルアレイと、
前記各セルに対し、円偏光成分を有するポンプ光を照射するポンプ光照射部と、
前記ポンプ光の照射方向と直交するように前記各セルに対して直線偏光成分を有するプローブ光を照射するプローブ光照射部と、
前記プローブ光照射部によって前記各セルに照射されたプローブ光を検出する検出部とを備え、
前記複数のセルは隣接する１以上のセルと管路によって接続されており、前記各セルのうち隣接する２以上のセルと接続されるセルは、隣接する一のセルに連通する前記管路を出入りする前記原子の移動方向の延長線と、隣接する他のセルに連通する前記管路に出入りする前記原子の移動方向の延長線とが一致しないように前記各管路が設けられていることを特徴とする磁気計測装置。
前記管路は、管軸方向に直線状に伸びる管路であることを特徴とする請求項１に記載の磁気計測装置。
前記管路は、管軸が屈曲する部分を有する管路であることを特徴とする請求項１に記載の磁気計測装置。