JP2012033669A - 外乱変動磁場のアクティブ磁気シールド方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】磁束密度分布が時間と共に変化するような外乱変動磁場を打ち消すことができるアクティブ磁気シールド方法及びシステムを提供する。
【解決手段】シールド対象位置Ｐに外乱変動磁場を打ち消す補償磁場の発生用コイル１を設置し、対象位置Ｐ周辺の所定センサ位置Ｓａで外乱磁場を検知しながら対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔ内を移動する磁場発生源２０ａの位置Ｑ１を検出し、センサ位置Ｓａの検知磁場と発生源２０ａの検出位置Ｑ１とから発生源２０ａの磁気モーメントを算出し、発生源２０ａの検出位置Ｑ１と前記磁気モーメントとから対象位置Ｐに発生すべき補償磁場を算出してコイル１を駆動し、前記外乱磁場の検知からコイル１の駆動までのサイクルを繰り返す。好ましくは、対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔの外乱磁場の距離減衰式を予め求め、その距離減衰式に基づき発生源２０ａの磁気モーメント及び対象位置Ｓａの補償磁場を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は外乱変動磁場のアクティブ磁気シールド方法及びシステムに関し、とくにシールド対象位置に影響が及ぶ外乱変動磁場を対象位置に設けたコイルの発生する補償磁場で打ち消すアクティブ磁気シールド方法及びシステムに関する。

半導体製造施設で用いる電子顕微鏡、ＥＢ露光装置、ＥＢステッパー等の電子ビーム応用装置は、例えば１００ｎＴ（１ｍＧ）程度の微弱な磁気ノイズでも電子ビームの軌道が変化するので、製品の品質を維持するために外乱磁場（環境磁場）の影響を避けることが求められる。また、医療施設等で用いるＭＲＩ装置、ＮＭＲ装置、脳磁計や心磁計等のＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子）応用装置も、超微弱な磁気を正確に測定するために外乱磁場の影響を遮断することが求められる。このような外乱磁場の影響を嫌う装置（嫌磁気装置）を外乱磁場から保護して正常な動作を保証するため、半導体製造施設・医療施設等の内部に磁気シールド空間（シールド室）を設けることが必要とされる。

磁気シールド室は、例えば透磁率μの高いパーマロイ、電磁鋼板等の強磁性材料で周囲内面を覆うパッシブ型（受動型）構造として構築することができる。ただし、パッシブ型は静的な性能・構造であるため外乱磁場の分布形状等が動的に変化する場合等に対応することができず、例えば外乱磁場の一時的なピークに対応するため過重な強磁性材料を必要とする等の問題点がある。これに対し、シールド室の内面又は周囲に補償磁場発生用のコイル（以下、補償コイルということがある）を配置し、外乱磁場の変動に応じて補償コイルに適切な補償磁場を発生させて外乱磁場の動的な変動を打ち消すアクティブ型（能動型）の磁気シールド構造が開発されている（特許文献１及び２参照）。変動する外乱磁場に効率的・経済的に対応するためには、アクティブ型とパッシブ型とを組み合わせた複合型の磁気シールド構造とすることも有効である。

一般的なアクティブ磁気シールドは、図９に示すように、磁気シールド室３の周囲又は内面に配置された補償コイル６ａ〜６ｄと、シールド室３の内側又は外側に設置した磁気センサ１１と、磁気センサ１１の計測磁場（磁束密度）を入力して補償コイル６を駆動する制御装置１０とにより構成される。例えばシールド室３内の所定位置Ｐにシールド対象の嫌磁気装置（例えばＭＲＩ装置等）５を設置し、その対象位置Ｐ上のＸ軸に補償コイル６の中心軸線を位置合わせすることにより、補償コイル６の発生する補償磁場で対象位置ＰのＸ軸方向の外部磁場の変動を相殺する。図示例はＸ軸方向の補償コイル６ａ〜６ｄのみを示しているが、Ｙ軸方向及びＺ軸方向についても同様に補償コイル６を配置することで、あらゆる方向の外部磁場に対応できる。

アクティブ磁気シールドの磁気センサ１１は、嫌磁気装置５を設置する対象位置Ｐ又はその近傍の外部磁場を計測することが望ましいが、例えば強磁場を発生する装置５（例えばＭＲＩ装置のデュワ部）の近傍では微弱な外部磁場の変動を計測すること自体が難しい場合があり、また利用者のハンドリング等の観点から装置５の近傍に設置スペースを確保できない場合もあり、現実には対象位置Ｐから離れたセンサ位置Ｓに設置せざるを得ないことも多い。実際に、例えばＭＲＩ装置を設置するアクティブ磁気シールド室１では、磁気センサ１１をＭＲＩ装置から離れた天井面等に設置することが通常である。

このように外部磁場を制御する対象位置Ｐと外部磁場を計測するセンサ位置Ｓとが離れている場合は、外乱磁場の分布が一様でないとき（例えば外乱磁場の磁束密度分布に勾配が存在するとき）に、センサ位置Ｓの外乱磁場の情報に基づく補償コイル６の駆動では対象位置Ｐの外乱磁場を十分に打ち消すことができない（アクティブ磁気シールドの性能が劣化する）ことがある。また、補償コイル６の駆動によって対象位置Ｐの外乱磁場が逆に大きくなる（アクティブ磁気シールドが外乱要因となる）ことも起こり得る。このため、アクティブ磁気シールドでは、対象位置Ｐとセンサ位置Ｓとが離隔していることに起因する性能劣化や外乱要因化を防止する対策が必要となる。

アクティブ磁気シールドの性能劣化や外乱要因化を防止する対策として、例えば特許文献１は、シールド室３の各内面に補償コイル６と磁気センサ１１と制御装置１０とが一体型となったパネルをそれぞれ配置し、シールド室３の内面毎に磁気センサ１１の計測値が一定となるように（時間的に変動しないように）補償コイル６を駆動することにより、シールド室３内の対象位置Ｐにおける外乱磁場の時間的変動を抑える方法を提案している。また特許文献２は、図９に示すように、シールド室３内の対象位置Ｐを囲む複数のセンサ位置Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４（同一直線上又は正ｎ角形の各頂点上の位置）にそれぞれ磁気センサ１１を配置し、複数の磁気センサ１１の外乱磁場計測値からシールド室３内の対象位置Ｐの外乱磁場を推定して補償コイル６ａ〜６ｄを駆動する方法を提案している。例えば図９において、対象位置Ｐ１、Ｐ２はセンサ位置Ｓ２、Ｓ４を結ぶ直線上に配置されており、センサ位置Ｓ２、Ｓ４の計測値を按分（平均操作）することで対象位置Ｐ１、Ｐ２の外乱磁場を推定することができる。また、センサ位置Ｓ１、Ｓ３を結ぶ直線上に配置された対象位置Ｐ３、Ｐ４の外乱磁場も、同様にセンサ位置Ｓ１、Ｓ３の計測値から按分（平均操作）により推定することができる。対象位置Ｐ１〜Ｐ４の各々で推定した外乱磁場を相殺するように複数の補償コイル６ａ〜６ｄをそれぞれ駆動制御する。

特開２００４−１７２１５１号公報 特開２００９−１７５０６７号公報

後藤憲一・山崎修一郎「詳解電磁気学演習」共立出版、１９７０年発行、ｐｐ１８６−１８７

しかし、特許文献１のアクティブ磁気シールド方法は、シールド室３の各内面に配置した複数の補償コイル６を同時に制御する必要があり、各内面の相互干渉を考慮すると複雑な制御が必要となるため、磁束密度分布に勾配があるような外乱磁場を十分に相殺できるか否か必ずしも明らかではない。外乱磁場の分布に勾配がある場合は、シールド室３の各内面で外乱磁場が一定となるように補償磁場を制御しても、内面毎で発生する補償磁場が相違するため、それらの補償磁場の相互干渉によってシールド室３内の対象位置Ｐに影響を及ぼすこともあり得る。これに対し、特許文献２のアクティブ磁気シールド方法によれば、外乱磁場の分布に勾配があっても、分布勾配が一定であれば、平均操作による推定精度の限界はあるものの、複数のセンサ位置Ｓ１〜Ｓ４の計測値からシールド室３内の各対象位置Ｐ１〜Ｐ４の外乱磁場を推定して打ち消すことが期待できる。

ただし、特許文献２のアクティブ磁気シールド方法では、例えばシールド室３付近を移動する磁場発生源によって生じる外乱磁場のように、磁束密度分布の勾配が時間と共に変化する外乱磁場に対応できない問題点がある。例えば医療施設等の付近を往来する車両（自動車）や施設内のエレベータ等の移動体は、強磁性材料を部品に含んでいるため、地磁気中を移動することで磁化され（場合によっては移動前から既に着磁していることもある）、シールド室３に外乱磁場を引き起こす磁場発生源となる。図６は、図１（Ａ）のような道路２に隣接するシールド室３において、種類や移動向きの異なる様々な車両の接近・離隔によって起きる外乱磁場の計測結果を示し、車両の移動向きや移動速度によって外乱磁場の波形が大きく異なることを表している。また図７は、同じシールド室３において、シールド室３からの離隔距離の異なる車両の往来によって生じる外乱磁場の計測結果を示し、外乱磁場の波形が検出距離によっても大きく異なることを表している。図６及び図７のように磁場発生源が同じであっても外乱磁場の波形が大きく異なる場合は、センサ位置Ｓの計測値から特定の波形に基づき対象位置Ｐの磁場を推定することはできず、センサ位置Ｓの計測値の単純なスケーリング等によって対象位置Ｐの磁場を推定することも困難である。

図８は、図１（Ａ）のようなシールド室３内の対象位置Ｐ（例えばＭＲＩ装置等の設置予定位置）及びセンサ位置Ｓ（例えば磁気センサの設置予定位置）において、同じ車両の移動によって生じた外乱磁場（磁束密度）の変化をそれぞれ計測した結果を示す。同図は、対象位置Ｐ及びセンサ位置Ｓの検出磁場の比率を併せて示しており、車両の移動によって生じる外乱磁場の磁束密度分布（両位置の検出磁場の比率ないし勾配）が時間と共に変化することを表している（図示例では０．５〜１．５の範囲で変化している）。シールド室３内に設置する嫌磁気装置を外乱磁場から確実に保護して正常な動作を保証するためには、図８のような時間と共に磁束密度分布が変化するような外乱磁場をも相殺できるアクティブ磁気シールドが必要である。

そこで本発明の目的は、磁束密度分布が時間と共に変化するような外乱変動磁場を打ち消すことができるアクティブ磁気シールド方法及びシステムを提供することにある。

本発明者は、シールド室３に影響が及ぶ範囲内を移動する磁場発生源の位置を特定することに着目した。例えばシールド室３付近の車両等の磁場発生源の位置は、比較的高速で移動している場合でも、従来技術によって比較的容易に検出できる。磁場発生源の位置が検出できれば、その検出時点における磁場発生源と対象位置Ｐとセンサ位置Ｓとの相対的位置（又は距離）関係が求まるので、その時点のセンサ位置Ｓの計測値から対象位置Ｐの外乱磁場を推定することができる。また、磁場発生源の位置は実時間（リアルタイム）で検出可能であり、磁場発生源の移動時間に対して十分に短い時間サイクルで対象位置Ｐの外乱磁場の推定及び補償コイルによる磁場の制御を繰り返すことにより、磁束密度分布が時間と共に変化する外乱磁場であっても打ち消すことが期待できる。本発明は、この着想に基づく研究開発により完成に至ったものである。

図１の実施例を参照するに、本発明による外乱変動磁場のアクティブ磁気シールド方法は、シールド対象位置Ｐに外乱変動磁場Ｈｐを打ち消す補償磁場Ｃの発生用コイル１を設置し、対象位置Ｐ周辺の所定センサ位置Ｓで外乱磁場Ｈｓを検知しながら対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔ内を移動する磁場発生源２０の位置Ｑを検出し、センサ位置Ｓの検知磁場Ｈｓと発生源２０の検出位置Ｑとから発生源２０の磁気モーメントＭを算出し、発生源２０の検出位置Ｑと磁気モーメントＭとから対象位置Ｐに発生すべき補償磁場Ｃを算出してコイル１を駆動し、前記外乱磁場Ｈｓの検知からコイル１の駆動までのサイクルを繰り返してなるものである。対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔ内の磁場発生源２０の一例は、例えば図示例のように対象位置Ｐ付近の通路２上を移動する磁性移動体である。

また、図１のブロック図を参照するに、本発明による外乱変動磁場のアクティブ磁気シールドシステムは、シールド対象位置Ｐに設置して外乱変動磁場Ｈｐを打ち消す補償磁場Ｃの発生用コイル１、対象位置Ｐ周辺の所定位置Ｓで外乱磁場Ｈｓを検知する磁気センサ１１、対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔ内を移動する磁場発生源２０の位置Ｑを検出する位置検出器２１、及びセンサ位置Ｓの検知磁場Ｈｓと発生源２０の検出位置Ｑとから発生源２０の磁気モーメントＭを算出し且つ発生源２０の検出位置Ｑと磁気モーメントＭとから対象位置Ｐに発生すべき補償磁場Ｃを算出してコイル１を駆動するサイクルを繰り返す制御装置１０を備えてなるものである。

好ましくは、制御装置１０にシールド対象位置Ｐからの距離Ｒ_１、Ｒ_２、……が異なる複数位置Ｑ_１、Ｑ_２、……に磁場発生試験体２４を移動させたときのセンサ位置Ｓの検知磁場Ｈ_１、Ｈ_２、……から対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔの外乱磁場Ｈの距離減衰式Ａを求める減衰式推定手段１７を含め、その距離減衰式Ａに基づき発生源２０の磁気モーメントＭ及び対象位置Ｓの補償磁場Ｃを算出する。

更に好ましくは、対象位置Ｐ周辺の複数の所定位置Ｓａ、Ｓｂにそれぞれ磁気センサ１１ａ、１１ｂを設け、制御装置１０により複数のセンサ位置Ｓａ、Ｓｂの検知磁場Ｈａ、Ｈｂと発生源２０の検出位置Ｑとから発生源２０の磁気モーメントＭを算出する。

本発明による外乱変動磁場のアクティブ磁気シールド方法及びシステムは、シールド対象位置Ｐに補償磁場発生用コイル１を設置したうえで、対象位置Ｐ周辺のセンサ位置Ｓで外乱磁場Ｈｓを検知しながら対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔ内を移動する磁場発生源２０の位置Ｑを検出し、センサ位置Ｓの検知磁場Ｈｓと発生源２０の検出位置Ｑとから発生源２０の磁気モーメントＭを算出し、発生源２０の検出位置Ｑと磁気モーメントＭとから対象位置Ｐに発生すべき補償磁場Ｃを算出してコイル１を駆動するサイクルを繰り返すので、次の効果を奏する。

（イ）磁場発生源２０の位置Ｑは実時間（リアルタイム）で検出可能であり、その位置Ｑの検出時に対象位置Ｐに実際に晒される外乱磁場を推定して補償コイル１を駆動するサイクルを短時間で繰り返すことにより変動波形に拘らず外乱磁場を打ち消すことができ、磁束密度分布が時間と共に変化するような外乱磁場も遮断できる。
（ロ）移動する磁場発生源２０の位置Ｑを検出して補償コイル１を駆動するので、発生源２０の種類や移動速度に拘らず適用可能であり、例えば対象位置Ｐ付近の屋外を移動する様々な車両による外乱磁場を遮蔽することができると共に、対象位置Ｐ付近の屋内のエレベータ等による外乱磁場も遮蔽することができる。
（ハ）磁場発生源２０の位置Ｑから対象位置Ｐとセンサ位置Ｓとの相対的位置関係が求まるので、一般的な物理法則（後述の式（１）参照）によって発生源の磁気モーメントＭを算出することもできるが、予め対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔにおける外乱磁場の距離減衰式Ａを求めておけば、発生源の磁気モーメントＭ及び対象位置Ｐの外乱磁場の算出精度を高めることができ、ひいてはアクティブ磁気シールドの性能向上を図ることができる。
（ニ）また、対象位置Ｐ周辺の複数のセンサ位置Ｓａ、Ｓｂでそれぞれ外乱磁場Ｈａ、Ｈｂを検知し、その複数の検知磁場Ｈａ、Ｈｂから発生源２０の磁気モーメントＭを算出することにより、アクティブ磁気シールドの更なる性能向上を図ることができる。
（ホ）対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔに磁場発生源２０が存在しないとき（磁場発生源２０の位置Ｑが検出されていないとき）は、通常のアクティブ磁気シールドシステムとして動作させることが可能であり、移動する磁場発生源２０に起因する外乱磁界だけでなくそれ以外の変動する外乱磁界の遮断も可能である。
（ヘ）従来のアクティブ型では対応できずパッシブ型に依存していた外乱変動磁場の遮蔽をアクティブ型のみで対応することが可能となるので、例えばアクティブ・パッシブ複合型の磁気シールド構造においてパッシブ型の強磁性材料を削減し、高性能な複合型磁気シールド構造を経済的に構築することができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。
本発明によるアクティブ磁気シールドシステムの一実施例の説明図である。 本発明によるアクティブ磁気シールド方法の流れ図の一例である。 本発明によるアクティブ磁気シールドの原理を示す説明図である。 磁場発生源の磁気モーメントＭの算出に用いる距離減衰式の説明図である。 本発明のシステムによるシールド性能を確認した実験結果を示すグラフである。 移動する磁場発生源（車両）によって生じる外乱変動磁場（磁束密度の変化）の一例を示すグラフである。 移動する磁場発生源（車両）によって生じる外乱変動磁場（磁束密度の変化）の他の一例を示すグラフである。 移動する磁場発生源（車両）によって生じる外乱変動磁場を、離隔した対象位置Ｐ及びセンサ位置Ｓでそれぞれ計測したグラフの一例である。 従来のアクティブ磁気シールドシステムの一例の説明図である。

図１（Ａ）は、本発明のアクティブ磁気シールドシステムを、車両の通路２に隣接する医療施設等の建築物１内のシールド室３に適用した実施例（俯瞰図）を示す。図示例のシールド室３のシールド対象位置Ｐには、例えばＭＲＩ装置等の嫌磁気装置５が設置される。図１（Ｂ）は、そのシールド室３の拡大垂直断面図と磁気シールドシステムのブロック図を示す。図示例の磁気シールドシステムは、図９を参照して説明した従来のアクティブ型のシステムと同様に、シールド室３のシールド対象位置Ｐの周囲又は内面に配置された補償コイル６ａ、６ｂと、対象位置Ｐから離れたシールド室３の内側又は外側の所定位置Ｓで外乱磁場Ｈｓ（又は磁束密度Ｂｓ）を検知する磁気センサ１１と、補償コイル６を駆動する制御装置１０とを有する。また、従来のシステム構成に加えて、対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔ内を移動する磁場発生源２０（図示例では通路２上を往来する車両２０ａ、２０ｂ）の位置Ｑを検出する位置検出器２１を有する。位置検出器２１の検出位置Ｑを磁気センサ１１の検知磁場Ｈｓと共に制御装置１１へ入力し、検出位置Ｑ及び検知磁場Ｈｓの両者に基づいて補償コイル６の駆動を制御する。

図示例の磁気サンサ１１は、センサ位置Ｓの３軸方向（例えば図９に示すＸＹＺ軸方向）の外乱磁場Ｈｓ（又は磁束密度Ｂｓ）を計測できるものであればとくに制限はなく、従来のアクティブ磁気シールドと同様のもの、例えば高感度マイクロ磁気サンサ（ＭＩセンサ）、ホール素子を用いた磁気センサ、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサ（ＭＲセンサ）、磁性薄膜を用いた高周波駆動型の磁気センサ（ＴＭＦセンサ）等を用いることができる。

また、図示例の位置検出器２１も、対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔ内の磁場発生源２０の三次元位置Ｑを実時間（リアルタイム）で計測できるものであればとくに制限はなく、その設置位置も対象位置Ｐの周辺の任意位置とすることができる。例えば通路２に沿った複数位置（図示例では建築物１の壁面上の所定位置）に分散配置した車両検出センサ（超音波センサ、光センサ等）、又は車両の通過に伴う圧力変化から車両の位置を特定する圧力センサ等を用いることができる。通路２にＩＴＣ／ＤＳＲＣ（高度道路交通システムの双方向無線通信技術）が導入されている場合は、位置検出器２１をその車両位置情報を利用するものとしてもよい。また、磁場発生源２０は通路２上の移動体に限らず、無軌道の移動体とすることも可能であり、その場合はシールド室３の周辺画像から無軌道の移動体の位置を検出できるステレオ式画像解析装置等を位置検出器２１に含めることができる。更に、屋外の磁場発生源２０だけでなく、屋内のシャフト等を通路２として移動するエレベータ等の磁場発生源２０を対象とすることも可能であり、その場合は位置検出器２１がエレベータの制御信号を直接利用して位置を検出してもよい。

図示例の制御装置１０は、磁気センサ１１の検知磁場Ｈｓ及び位置検出器２１の検出位置Ｑを入力する入力手段１２と、その検知磁場Ｈｓ及び検出位置Ｑから磁場発生源２０の磁気モーメントＭを算出する算出手段１４と、その発生源２０の磁気モーメントＭと検出位置Ｑとから対象位置Ｐにおける外乱磁場を推定する外乱磁場算出手段１５と、その対象位置Ｐの外乱磁場に基づき補償コイル６ａ、６ｂの制御信号（補償コイル６ａ、６ｂにより発生すべき補償磁場Ｃ）を算出する制御信号算出手段１６とを有する。例えば、補償磁場算出手段１６の算出された制御信号をセレクタ７及び増幅器（アンプ）８を介して補償コイル６ａ、６ｂに印加するフィードフォワード制御により、シールド対象位置Ｐに外乱変動磁場を打ち消すために必要な補償磁場Ｃを発生させる。また、図示例の制御手段１０は、対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔの外乱磁場の距離減衰式Ａを求める距離減衰式算出手段１７と記憶手段１８とを有する。

図２は、図１のシステムを用いて、磁場発生源２０の移動によってシールド対象位置Ｐに生じる外乱変動磁場を打ち消す本発明のアクティブ磁気シールド方法の流れ図を示す。以下、図２を参照して図１のシステムの制御装置１０の作用を説明する。ステップＳ００１は、上述した補償コイル６ａ、６ｂ、磁気センサ１１、及び位置検出器２１をそれぞれシールド室３の内部又は周辺に設置する初期処理を示す。好ましくは、ステップＳ００２において対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔの外乱磁場Ｈの距離減衰式Ａを検出するが、後述するようにステップＳ００２は省略可能である。ステップＳ００３において、対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔ内を移動する磁場発生源２０の三次元位置Ｑを位置検出器２１で検出すると共に、センサ位置Ｓの外乱磁場Ｈｓを磁気センサ１１で検知し、発生源位置Ｑ及び検知磁場Ｈｓを制御装置１０の入力手段１２に入力する。例えば図１のように磁場発生源２０を地磁気中で移動する車両とした場合、車両を中心とする磁束密度分布の外乱（地磁気の騒乱）は車両に伴って移動し、磁気センサ１１によって経時的に変化する波形（図６及び図７参照）として検出されるが、ステップＳ００３では外乱磁場Ｈｓを波形としてではなく磁場発生源２０の検出時点の瞬時値として検知する。

図３は、ステップＳ００３の磁場発生源２０の検出時点における対象位置Ｐとセンサ位置Ｓと発生源位置Ｑとの相対的位置関係を示す。移動中の磁場発生源２０は、地磁気がほぼ一定であることを考慮すると、図示例のように微小距離ｄを隔てた２つの点磁荷＋ｍ、−ｍからなる単一の微小磁気双極子（磁気モーメントＭ＝ｍｄ）として近似することが可能である。このように磁場発生源２０を磁気双極子で近似することにより、後述するように発生源２０の磁気モーメントＭを簡易に精度よく推定することができる。またセンサ位置Ｓ及び発生源位置Ｑは、図示例のように磁気双極子で近似した磁場発生源２０の磁気モーメントベクトルＭ（その大きさは磁気モーメントＭ＝ｍｄ）と対象位置Ｐとを含む平面上に位置付けることができる。図中の符合Ｒｓ、Ｒｑは、それぞれ対象位置Ｐから見たセンサ位置Ｓ、発生源位置Ｑの位置ベクトルを示す。ただし、発生源２０の磁気モーメントＭのより高精度な推定が必要とされる場合は、磁場発生源２０を有限長の磁気双極子又は複数個の微小磁気双極子の組み合わせとして近似することも可能である。

図３に示すように、磁気モーメントベクトルＭと対象位置Ｐとを含む平面上において、磁気双極子の２磁荷の中点（発生源位置）Ｑを原点とし、その原点Ｑから見たセンサ位置Ｓを位置ベクトルｒ（その大きさはＱＳ間の離隔距離ｒ）とし、磁気モーメントベクトルＭと位置ベクトルｒとのなす相対角度をθとし、磁気モーメントベクトルＭの方向を基線とする極座標をとると、センサ位置Ｓの検知磁場Ｈｓ［Ａ／ｍ］のｒ軸方向及びθ軸方向の成分Ｈ_ｒ、Ｈ_θはそれぞれ式（１）で表すことができる（非特許文献１参照）。式（１）は、センサ位置Ｓの検知磁場Ｈｓが発生源位置Ｑとの離隔距離ｒの３乗に応じて減衰することを示しており、μ_０は真空中の透磁率（＝４π×１０^−７［Ｈ／ｍ］）を表し、センサ位置Ｓの検知磁場Ｈｓと磁束密度Ｂｓとの関係はＢｓ＝μ_０Ｈｓによって表される。

図３のステップＳ００４において、制御装置１０の磁気モーメント算出手段１４により、位置検出器２１の検出位置Ｑと磁気センサ１１の検知磁場Ｈｓとを式（１）へ代入することにより、磁場発生源２０の磁気モーメントＭを算出する。式（１）において、ｒ軸方向及び離隔距離ｒ（図３参照）は検出位置Ｑとセンサ位置Ｓとから求めることができ、磁場Ｈ_ｒ及びＨ_θは磁気センサ１１の出力値とｒ軸方向とから求めることができるから、それらを式（１）に代入して解くことにより、残りの未知数である磁気モーメントベクトルＭ（磁気モーメントＭと相対角度θ）を算出できる。式（１）は非線形方程式となるが、例えばＮｅｗｔｏｎ法等の数値演算を利用して解くことにより、磁気モーメントＭを算出することがができる。

好ましくは、図１に示すように対象位置Ｐ周辺の複数のセンサ位置Ｓａ、Ｓｂにそれぞれ磁気センサ１１ａ、１１ｂを設け、磁気モーメント算出手段１４により、複数のセンサ位置Ｓａ、Ｓｂの検知磁場Ｈａ、Ｈｂから発生源２０の磁気モーメントベクトルＭを算出する。上述したように、単一の磁気センサ１１の検知磁場Ｈｓから式（１）を解くことも可能であるが、磁気センサ１１を増やして連立方程式の数を増やすることにより、磁気モーメントＭの算出精度を高めることができる。

ステップＳ００５において、制御装置１０の外乱磁場算出手段１５により、ステップＳ００４で算出した磁場発生源２０の磁気モーメントＭ（及び相対角度θ）と、ステップＳ００３で入力した磁場発生源２０の三次元位置Ｑとから、検出位置Ｑの磁場発生源２０がシールド対象位置Ｐに及ぼす外乱磁場Ｈｐを算出する。具体的には、発生源２０の検出位置Ｑと対象位置Ｓとから両者の離隔距離ｒｑ（位置ベクトルＲｑの大きさ）を求めることができ、そのｒｑと磁気モーメントＭと相対角度θとを式（１）の右辺へ代入することにより、対象位置Ｐにおける外乱磁場Ｈｐのｒ軸方向成分Ｈ_ｒ及びθ軸方向成分Ｈ_θをそれぞれ算出することができる。

更にステップＳ００５において、制御装置１０の制御信号算出手段１６により、例えば極座標の外乱磁場Ｈｐ（ｒ軸方向成分Ｈ_ｒ及びθ軸方向成分Ｈ_θ）をシールド対象位置Ｐの補償コイル６ａ、６ｂの配置方向に応じたＸＹＺ座標に変換することにより、外乱磁場Ｈｐを打ち消すために必要な補償コイル６ａ、６ｂで発生すべき補償磁場Ｃ（補償コイル６ａ、６ｂの制御信号）を算出する。算出した制御信号をセレクタ７及び増幅器（アンプ）８へ出力して補償コイル６ａ、６ｂを駆動することにより、対象位置Ｐに実際に晒される外乱磁場Ｈｐを打ち消すことができる。

ステップＳ００６においてアクティブ磁気シールドを終了するか否かを判断し、継続する場合はステップＳ００３へ戻り、上述したステップＳ００３〜Ｓ００５を繰り返す。図２の流れ図では、ステップＳ００３においてセンサ位置Ｓの外乱磁場Ｈｓ（又は磁束密度Ｂｓ）を瞬時値として検出し、その瞬時値に対応するシールド対象位置Ｐの外乱磁場ＨｐをステップＳ００５において推定するので、外乱磁場の磁束密度分布の波形に拘らず、センサ位置Ｓの外乱磁場Ｈｓから対象位置Ｐの外乱磁場Ｈｐを精度よく推定することができる。また、ステップＳ００３における発生源位置Ｑ及び外乱磁場Ｈｓの検出は実時間（リアルタイム）で実行可能であり、磁場発生源２０の移動時間に対してステップＳ００３〜Ｓ００５を十分短い時間サイクルで繰り返すことにより、磁束密度分布が時間と共に変化する外乱磁場であっても打ち消すことができる。

［実験例１］
図５は、上述した本発明のアクティブ磁気シールドシステムによるシールド性能を確認した実験結果を示す。本実験では、図１（Ａ）のシールド室３の内部又は周辺に補償コイル６ａ、６ｂ及び位置検出器２１をそれぞれ配置し、センサ位置Ｓに磁気センサ１１を設置すると共に、シールド対象位置Ｐ（ＭＲＩ装置等の設置する前の対象位置）にも磁気センサ１１を設置したうえで、同じ車両の移動によって実際に生じた外乱磁場（磁束密度）の変化をセンサ位置Ｓ及び対象位置Ｐでそれぞれ測定した。また、図２の流れ図に沿ってセンサ位置Ｓの測定磁場と位置検出器２１の検出位置とから、その車両の移動が対象位置Ｐに及ぼす外乱磁場（磁束密度）を推定した。図５のグラフは、対象位置Ｐで実際に生じた外乱磁場の３軸方向の磁束密度Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚの測定値と、センサ位置Ｓの測定値から算出した対象位置Ｐの外乱磁場の３軸方向の磁束密度Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚの推定値とを併せて表したものである。

図５の磁束密度Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚの測定値と推定値とは、何れの軸方向においてもほぼ一致しており、図３に示すように磁場発生源２０を磁気双極子で近似する本発明のシールド方法によって、センサ位置Ｓの測定磁場から対象位置Ｐの外乱磁場を十分な精度で推定できることを示している。また、図５の磁束密度Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚの推定値から補償コイル６ａ、６ｂの制御信号を算出して補償コイル６ａ、６ｂを駆動しながら、同様にして同じ車両の移動によって実際に生じる外乱磁場（磁束密度）の変化をセンサ位置Ｓ及び対象位置Ｐでそれぞれ測定する実験を繰り返したところ、今度は対象位置Ｐの磁束密度Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚの測定値が何れの軸方向においてもほぼ０となることを確認することができた。これらの実験結果から、本発明のアクティブ磁気シールドシステムは、シールド室３付近を移動する磁場発生源２０によって生じる外乱磁場（磁束密度分布の勾配が時間と共に変化する外乱磁場）をも十分に打ち消すことが可能であり、シールド室３内に設置するＭＲＩ装置等を外乱磁場から確実に保護するために有効であるといえる。

こうして本発明の目的である「磁束密度分布が時間と共に変化するような外乱変動磁場を打ち消すことができるアクティブ磁気シールド方法及びシステム」の提供を達成することができる。

なお、以上の説明ではシールド室３に磁場発生源２０以外の外乱磁場の影響がないことを前提としているが、磁場発生源２０以外にも一定レベルの環境磁場（背景磁場）が存在しているようなシールド室３では、例えば図２のステップＳ００１の初期処理（補償コイル６ａ、６ｂの設置時）において、予め磁場発生源２０の存在しない状態で対象位置Ｐ及びセンサ位置Ｓの初期磁場Ｈ_０（背景磁場）を求めて制御装置１０の記憶手段１８に記憶しておくことができる。この場合は、ステップＳ００４において、センサ位置Ｓの検知磁場Ｈｓの初期磁場Ｈ_０からの偏差（＝Ｈｓ−Ｈ_０）と、位置検出器２１による磁場発生源２０の検出位置Ｑとから発生源２０の磁気モーメントＭを算出することにより、背景磁場による磁気モーメントＭの算出誤差の発生を避けることができる。また、ステップＳ００５において、磁場発生源２０の磁気モーメントＭから推定した対象位置Ｐの外乱磁場Ｈｐと対象位置Ｐの初期磁場Ｈ_０との加算値（＝Ｈｐ＋Ｈ_０）によって補償コイル６ａ、６ｂの制御信号を算出することにより、背景磁場を含めた対象位置Ｐの外乱磁場を精度よく打ち消すことができる。本発明のアクティブ磁気シールドシステムは、磁場発生源２０の位置Ｑが検出されていない状態（例えば周辺に車両が存在しない状態）で動作させることも可能であり、磁場発生源２０に起因する外乱磁界だけでなくそれ以外の変動する外乱磁界を遮断するためにも適用可能である。

図１のステップＳ００２は、制御装置１０の減衰式推定手段１７により、対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔの外乱磁場Ｈの距離減衰式Ａを求める処理を示す。上述したように磁場発生源２０の移動により引き起こされる外乱変動磁場の波形は発生源２０の種類や速度等に応じて様々であるが（図６及び図７参照）、外乱磁場の距離減衰特性は一般的な物理法則に従い、式（１）に示すように離隔距離ｒのほぼ３乗に反比例して減衰すると考えることができる。ただし、実際の外乱磁場の距離減衰特性は、シールド室３の周囲の建築物等の環境条件により相違し、式（１）の離隔距離ｒの冪次数が変化し得る。

図４は、各種車両の移動によって引き起こされる図６のシールド室３の外乱磁場（磁束密度）の計測結果から、外乱磁場が最大となる離隔距離ｒ＝３．０ｍを基準地点とし、離隔距離ｒ（基準地点の離隔距離との差）に応じた外乱磁場の減衰率（基準地点の外乱磁場に対する割合）をプロットしたグラフを示す。同図のグラフから、この実験例のシールド室３の周辺では、周囲の建築物等の影響によって、離隔距離ｒの３乗ではなくほぼ２．６乗に反比例して外乱磁場が減衰していることが分かる。図２のステップＳ００３において磁場発生源２０の磁気モーメントＭの推定精度を高め、更にステップＳ００５における対象位置Ｓの補償磁場Ｃの算出精度を高めるためには、一般的な距離減衰特性（離隔距離ｒのほぼ３乗に反比例する式（１））に代えて、図４のように対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔにおける実際の距離減衰式（離隔距離ｒのほぼ２．６乗に反比例する減衰式）を用いることが望ましい。

図１の制御装置１０には、対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔの外乱磁場の距離減衰式Ａを求める距離減衰式算出手段１７を設けている。図２のステップＳ００２において、例えばシールド対象位置Ｐからの離隔距離Ｒ_１、Ｒ_２、……が異なる複数位置Ｑ_１、Ｑ_２、……にそれぞれ一定の磁場を発生する試験体２４を移動させ、シールド室３のセンサ位置Ｓの磁気センサ１１によって各位置Ｑで発生する外乱磁場Ｈ_１、Ｈ_２、……をそれぞれ検知し、検知した各位置Ｑの外乱磁場Ｈを離隔距離Ｒと共に距離減衰式算出手段１７へ入力する。図１のようにシールド室３に隣接して通路２が存在する場合は、図４の場合と同様に、通路２上を移動する移動体（車両やエレベータ）を磁場発生試験体２４として利用してもよい。距離減衰式Ａの算出精度を高めるためには、対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔ内のできるだけ多くの位置Ｑに磁場発生試験体２４を移動させて外乱磁場Ｈを検知することが望ましい。

制御装置１０の距離減衰式算出手段１７は、例えば外乱磁場Ｈが最大となる離隔距離Ｒを基準地点として検出し、図４に示すように対象位置Ｐからの離隔距離ｒ（基準地点の離隔距離との差）に応じた外乱磁場Ｈの減衰率（基準地点の外乱磁場に対する割合）をプロットしたグラフを作成することにより、対象位置Ｐに影響が及ぶ範囲Ｔの外乱磁場の距離減衰式Ａを算出する。算出した距離減衰式Ａを、例えば制御装置１０の記憶手段１８に記憶しておき、上述したステップＳ００３の磁気モーメントＭの推定、及びステップＳ００５の補償磁場Ｃの算出に利用することにより、本発明のアクティブ磁気シールドシステムのシールド性能を一層高めることができる。

１…医療施設（又は半導体製造施設） ２…通路（車道）
３…シールド室（シールドルーム） ５…シールド対象装置（嫌磁気装置）
６…補償コイル ７…セレクタ
８…増幅器（アンプ）
１０…制御装置 １１…磁気センサ
１２…入力手段 １４…磁気モーメント算出手段
１５…外乱磁場算出手段 １６…制御信号算出手段
１７…距離減衰式算出手段 １８…記憶手段
２０…磁場発生源 ２１…位置検出器
２４…磁場発生試験体
Ａ…距離減衰式 Ｃ…補償磁場
ｄ…磁気双極子の微小距離 Ｈｐ…対象位置の外乱磁場
Ｈｓ…センサ位置の外乱磁場 Ｈ_０…センサ位置の初期磁場
Ｍ…磁気モーメント ｍ…磁気双極子の磁荷
Ｐ…シールド対象位置 Ｑ…磁場発生源の位置
ｒ…センサ位置から磁場発生源位置までの離隔距離
Ｓ…センサ位置 Ｔ…影響が及ぶ範囲

Claims (10)

1. シールド対象位置に外乱変動磁場を打ち消す補償磁場発生用コイルを設置し、前記対象位置周辺の所定センサ位置で外乱磁場を検知しながら対象位置に影響が及ぶ範囲内を移動する磁場発生源の位置を検出し、前記センサ位置の検知磁場と発生源の検出位置とから発生源の磁気モーメントを算出し、前記発生源の検出位置と磁気モーメントとから対象位置に発生すべき補償磁場を算出してコイルを駆動し、前記外乱磁場の検知からコイルの駆動までのサイクルを繰り返してなる外乱変動磁場のアクティブ磁気シールド方法。
2. 請求項１の方法において、前記対象位置に影響が及ぶ範囲内の磁場発生源を、前記対象位置付近の通路上を移動する磁性移動体としてなる外乱変動磁場のアクティブ磁気シールド方法。
3. 請求項１又は２の方法において、前記コイル設置時にシールド対象位置からの距離が異なる複数位置に磁場発生試験体を移動させたときのセンサ位置の検知磁場から対象位置に影響が及ぶ範囲の外乱磁場の距離減衰式を求め、その距離減衰式に基づき前記発生源の磁気モーメント及び対象位置の補償磁場を算出してなる外乱変動磁場のアクティブ磁気シールド方法。
4. 請求項１から３の何れかの方法において、前記対象位置周辺の複数の所定センサ位置でそれぞれ外乱磁場を検知し、前記複数のセンサ位置の検知磁場と発生源の検出位置とから発生源の磁気モーメントを算出してなる外乱変動磁場のアクティブ磁気シールド方法。
5. 請求項１から４の何れかの方法において、前記コイル設置時に磁場発生源の存在しない状態でセンサ位置の初期磁場を求め、前記センサ位置の検知磁場の初期磁場からの偏差と発生源の検出位置とから発生源の磁気モーメントを算出してなる外乱変動磁場のアクティブ磁気シールド方法。
6. シールド対象位置に設置して外乱変動磁場を打ち消す補償磁場発生用コイル、前記対象位置周辺の所定位置で外乱磁場を検知する磁気センサ、前記対象位置に影響が及ぶ範囲内を移動する磁場発生源の位置を検出する位置検出器、及び前記センサ位置の検知磁場と発生源の検出位置とから発生源の磁気モーメントを算出し且つ前記発生源の検出位置と磁気モーメントとから対象位置に発生すべき補償磁場を算出してコイルを駆動するサイクルを繰り返す制御装置を備えてなる外乱変動磁場のアクティブ磁気シールドシステム。
7. 請求項６のシステムにおいて、前記対象位置に影響が及ぶ範囲内の磁場発生源を、前記対象位置付近の通路上を移動する磁性移動体としてなる外乱変動磁場のアクティブ磁気シールドシステム。
8. 請求項６又は７のシステムにおいて、前記制御装置にシールド対象位置からの距離が異なる複数位置に磁場発生試験体を移動させたときのセンサ位置の検知磁場から対象位置に影響が及ぶ範囲の外乱磁場の距離減衰式を求める減衰式推定手段を含め、その距離減衰式に基づき前記発生源の磁気モーメント及び対象位置の補償磁場を算出してなる外乱変動磁場のアクティブ磁気シールドシステム。
9. 請求項６から８の何れかのシステムにおいて、前記対象位置周辺の複数の所定位置にそれぞれ磁気センサを設け、前記制御装置により複数のセンサ位置の検知磁場と発生源の検出位置とから発生源の磁気モーメントを算出してなる外乱変動磁場のアクティブ磁気シールドシステム。
10. 請求項６から９の何れかのシステムにおいて、前記制御装置に磁場発生源の存在しない状態のセンサ位置の初期磁場を記憶し、前記センサ位置の検知磁場の初期磁場からの偏差と発生源の検出位置とから発生源の磁気モーメントを算出してなる外乱変動磁場のアクティブ磁気シールドシステム。