JP2019215322A - 磁場計測装置、磁場計測方法、磁場計測プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】より詳細な勾配磁場分布を得ることができる磁場計測装置を提供する。【解決手段】各々が磁気抵抗素子と磁気抵抗素子の一端および他端の少なくともいずれか一方に配置された磁気収束板とを有する磁気センサを複数有し、磁場を３軸方向で検出可能な複数の磁気センサセルを三次元に配列して構成される磁気センサアレイと、複数の磁気センサのそれぞれが出力するアナログの検出信号をデジタルの計測データに変換する複数のＡＤ変換器と、デジタルの計測データを取得する磁場取得部と、磁場取得部からのデジタルの計測データを、主軸感度、他軸感度、および、オフセットの少なくともいずれかを用いて較正する較正演算部と、デジタルの計測データを較正した磁場計測データを用いて、勾配磁場を算出する勾配磁場演算部と、を備える、磁場計測装置を提供する。【選択図】図８

Description

本発明は、磁場計測装置、磁場計測方法、磁場計測プログラムに関する。

従来、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を２次元アレイ状に配置した磁束計を用いた生体磁場計測装置が知られている。（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２００８−１４２１５４号公報

従来の磁束計では、生体から発生する生体磁場の略体表面に沿ったＸＹ面に垂直なＺ方向の磁場成分、もしくは、Ｘ方向の磁場成分およびＹ方向の磁場成分、のいずれかを計測する構成となっていた。しかしながら、生体をより精密に検査するためには、より詳細な勾配磁場分布を得ることができる磁場計測装置を実現することが望まれる。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、磁場計測装置を提供する。磁場計測装置は、各々が磁気抵抗素子と磁気抵抗素子の一端および他端の少なくともいずれか一方に配置された磁気収束板とを有する磁気センサを複数有し、磁場を３軸方向で検出可能な複数の磁気センサセルを三次元に配列して構成される磁気センサアレイを備えてよい。磁場計測装置は、複数の磁気センサのそれぞれが出力するアナログの検出信号をデジタルの計測データに変換する複数のＡＤ変換器を備えてよい。磁場計測装置は、デジタルの計測データを取得する磁場取得部を備えてよい。磁場計測装置は、磁場取得部からのデジタルの計測データを、主軸感度、他軸感度、および、オフセットの少なくともいずれかを用いて較正する較正演算部を備えてよい。磁場計測装置は、デジタルの計測データを較正した磁場計測データを用いて、勾配磁場を算出する勾配磁場演算部を備えてよい。勾配磁場演算部は、複数の磁気センサセルのうちの隣接する磁気センサセル間で計測された磁場計測データを用いて、隣接する磁気センサセル間の磁場の差分を算出することで、３軸方向の全ての磁場に対して三次元の勾配磁場を算出してよい。

３軸方向と三次元の方向とが同一方向であってよい。

勾配磁場演算部は、複数の隣接する磁気センサセル間で計測された計測データを用いて２次以上の勾配磁場を算出してよい。

勾配磁場演算部は、隣接する磁気センサセル間で計測された計測データを用いて隣接する磁気センサセル間の磁場の差分を算出してよい。

複数の磁気センサセルは、各々が磁気センサとコイルとを有する複数のセンサ部を有してよい。複数のセンサ部は、三次元方向それぞれから見て互いに重ならないように配置されてよい。

複数のセンサ部は、複数のセンサ部の間に設けるギャップ側に一端が設けられ、他端がギャップから離れるように３軸方向の各軸方向に延伸して配置されてよい。

勾配磁場演算部が算出した勾配磁場に基づいて磁気センサアレイの故障を判定する故障判定部を更に備えてよい。

故障判定部は、勾配磁場に基づいて複数の磁気センサセルのうちの任意の磁気センサセルの位置における磁場の回転（ｒｏｔ）を示す値を算出し、磁場の回転を示す値が第１の閾値以上である場合に、磁気センサアレイが故障していると判定してよい。

故障判定部は、勾配磁場に基づいて複数の磁気センサセルのうちの任意の磁気センサセルの位置における磁場の発散を示す値を算出し、磁場の発散（ｄｉｖ）を示す値が第２の閾値以上である場合に、磁気センサアレイが故障していると判定してよい。

較正演算部は、複数の磁気センサセル同士の姿勢を補正する演算を行ってよい。

本発明の第２の態様においては、磁場計測装置が磁場を計測する磁場計測方法を提供する。磁場計測方法は、磁場計測装置が、各々が磁気抵抗素子と磁気抵抗素子の一端および他端の少なくともいずれか一方に配置された磁気収束板とを有する磁気センサを複数有し、磁場を３軸方向で検出可能な複数の磁気センサセルを三次元に配列して構成される磁気センサアレイにおける複数の磁気センサのそれぞれが出力するアナログの検出信号をデジタルの計測データに変換することを備えてよい。磁場計測方法は、磁場計測装置が、デジタルの計測データを取得することを備えてよい。磁場計測方法は、磁場計測装置が、デジタルの計測データを、主軸感度、他軸感度、および、オフセットの少なくともいずれかを用いて較正することを備えてよい。磁場計測方法は、磁場計測装置が、デジタルの計測データを較正した磁場計測データを用いて、勾配磁場を算出することを備えてよい。勾配磁場を算出することは、複数の磁気センサセルのうちの隣接する磁気センサセル間で計測された磁場計測データを用いて、隣接する磁気センサセル間の磁場の差分を算出することで、３軸方向の全ての磁場に対して三次元の勾配磁場を算出することを含んでよい。

本発明の第３の態様においては、磁場計測プログラムを提供する。磁場計測プログラムは、コンピュータにより実行されてよい。磁場計測プログラムは、コンピュータを、各々が磁気抵抗素子と磁気抵抗素子の一端および他端の少なくともいずれか一方に配置された磁気収束板とを有する磁気センサを複数有し、磁場を３軸方向で検出可能な複数の磁気センサセルを三次元に配列して構成される磁気センサアレイにおける複数の磁気センサのそれぞれが出力するアナログの検出信号をデジタルの計測データに変換する複数のＡＤ変換器として機能させてよい。磁場計測プログラムは、コンピュータを、デジタルの計測データを取得する磁場取得部として機能させてよい。磁場計測プログラムは、コンピュータを、磁場取得部からのデジタルの計測データを、主軸感度、他軸感度、および、オフセットの少なくともいずれかを用いて較正する較正演算部として機能させてよい。磁場計測プログラムは、コンピュータを、デジタルの計測データを較正した磁場計測データを用いて、勾配磁場を算出する勾配磁場演算部であって、複数の磁気センサセルのうちの隣接する磁気センサセル間で計測された磁場計測データを用いて、隣接する磁気センサセル間の磁場の差分を算出することで、３軸方向の全ての磁場に対して三次元の勾配磁場を算出する、勾配磁場演算部として機能させてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る磁場計測装置１０の構成を示す。 本実施形態に係る磁気センサユニット１１０の構成を示す。 本実施形態に係る磁気センサアレイ２１０中の磁気センサセル２２０の構成および配置を示す。 本実施形態に係る磁気抵抗素子を有する磁気センサの入出力特性の一例を示す。 本実施形態に係るセンサ部３００の構成例を示す。 本実施形態に係るセンサ部３００の入出力特性の一例を示す。 本実施形態に係る磁気センサ５２０の構成例を示す。 本実施形態に係る磁気センサアレイ２１０、センサデータ収集部２３０、およびセンサデータ処理部８００の構成を示す。 本実施形態に係るＮ次の勾配磁場を算出するフローを示す。 本実施形態に係る磁場計測装置１０により得られる１次の勾配磁場分布の一例を示す。 本実施形態に係る磁場計測装置１０により得られる２次の勾配磁場分布の一例を示す。 磁場計測装置１０の変形例に係る磁気センサアレイ２１０、センサデータ収集部２３０、センサデータ処理部８００、および故障判定部１２００の構成を示す。 本実施形態に係る故障判定フローの一例を示す。 本実施形態の変形例に係る磁気センサアレイ２１０中の磁気センサセル２２０の構成および配置を示す。 本発明の複数の態様が全体的または部分的に具現化されてよいコンピュータ２２００の例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る磁場計測装置１０の構成を示す。磁場計測装置１０は、磁気抵抗素子を用いて磁場を計測する。磁場計測装置１０は、心磁計測装置の一例であり、人間の心臓の電気活動により生成される磁場（「心磁」と示す。）を計測する。これに代えて、磁場計測装置１０は、人間以外の生体の心磁を計測するために用いられてもよいし、脳磁場等の心磁以外の生体磁場を計測するために用いられてもよい。また、磁場計測装置１０は、鉄鋼材料や溶接部の表面および表面下の傷等を検出するための磁気探傷検査のために用いられてもよい。

磁場計測装置１０は、本体部１００と、情報処理部１５０とを備える。本体部１００は、被験者の心磁をセンシングするためのコンポーネントであり、磁気センサユニット１１０と、ヘッド１２０と、駆動部１２５と、ベース部１３０と、ポール部１４０とを有する。

磁気センサユニット１１０は、心磁計測時に被験者の胸部における心臓に向かう位置に配置され、被験者の心磁をセンシングする。ヘッド１２０は、磁気センサユニット１１０を支持し、磁気センサユニット１１０を被験者に対向させる。駆動部１２５は、磁気センサユニット１１０およびヘッド１２０の間に設けられ、キャリブレーションを行う場合にヘッド１２０に対する磁気センサユニット１１０の向きを変更する。本実施形態に係る駆動部１２５は、図中のＺ軸を中心に磁気センサユニット１１０を３６０度回転させることができる第１アクチュエータと、Ｚ軸と垂直な軸（図中の状態においてはＸ軸）を中心に磁気センサユニット１１０を回転させる第２アクチュエータとを含み、これらを用いて磁気センサユニット１１０の方位角および天頂角を変更する。図中の駆動部１２５として示したように、駆動部１２５は図中のＹ軸方向から見るとＹ字形状を有し、第２アクチュエータは、磁気センサユニット１１０を図中Ｘ軸中心に３６０度回転させることができる。

ベース部１３０は、他の部品を支える基台であり、本実施形態においては心磁計測時に被験者が乗る台となっている。ポール部１４０は、ヘッド１２０を被験者の胸部の高さに支持する。ポール部１４０は、磁気センサユニット１１０の高さを被験者の胸部の高さに調整するべく上下方向に伸縮可能であってよい。

情報処理部１５０は、本体部１００による計測データを処理して表示・印刷等により出力するためのコンポーネントである。情報処理部１５０は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、タブレット型コンピュータ、スマートフォン、ワークステーション、サーバコンピュータ、または汎用コンピュータ等のコンピュータであってよく、複数のコンピュータが接続されたコンピュータシステムであってもよい。これに代えて、情報処理部１５０は、心磁計測の情報処理用に設計された専用コンピュータであってもよく、専用回線によって実現された専用ハードウェアであってもよい。

図２は、本実施形態に係る磁気センサユニット１１０の構成を示す。磁気センサユニット１１０は、磁気センサアレイ２１０およびセンサデータ収集部２３０を有する。磁気センサアレイ２１０は、各々が複数の磁気抵抗素子を有し、磁場を３軸方向で検出可能な複数の磁気センサセル２２０を三次元に配列して構成される。本図において、磁気センサアレイ２１０は、Ｘ方向に４個、Ｙ方向に４個、Ｚ方向に２個の磁気センサセル２２０を含む。

センサデータ収集部２３０は、磁気センサアレイ２１０に含まれる複数の磁気センサセル２２０に電気的に接続され、複数の磁気センサセル２２０からのセンサデータ（検出信号）を収集して情報処理部１５０へと供給する。

図３は、本実施形態に係る磁気センサアレイ２１０中の磁気センサセル２２０の構成および配置を示す。各磁気センサセル２２０は、各々が磁気抵抗素子を有する複数のセンサ部３００ｘ〜ｚ（以下、「センサ部３００」と総称する）を有する。本実施形態において、センサ部３００ｘはＸ軸方向に沿って配置されＸ軸方向の磁場を検出可能である。また、センサ部３００ｙはＹ軸方向に沿って配置されＹ軸方向の磁場を検出可能である。また、センサ部３００ｚはＺ軸方向に沿って配置されＺ軸方向の磁場を検出可能である。

複数の磁気センサセル２２０は、Ｘ軸方向に沿ってΔｘ、Ｙ軸方向に沿ってΔｙ、Ｚ軸方向に沿ってΔｚの間隔でそれぞれ等間隔に配列されている。磁気センサアレイ２１０における各磁気センサセル２２０の位置は、Ｘ方向の位置ｉ、Ｙ方向の位置ｊ、およびＺ方向の位置ｋの組［ｉ，ｊ，ｋ］により表される。ここで、ｉは０≦ｉ≦Ｎｘ−１を満たす整数であり（ＮｘはＸ方向に配列された磁気センサセル２２０の個数を示す）、ｊは０≦ｊ≦Ｎｙ−１を満たす整数であり（ＮｙはＹ方向に配列された磁気センサセル２２０の個数を示す）、ｋは０≦ｋ≦Ｎｚ−１を満たす整数である（ＮｚはＺ方向に配列された磁気センサセル２２０の個数を示す）。

本図において、センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚにより検出する磁場の３軸方向と、磁気センサセル２２０を配列する三次元の方向とが同一方向である。これにより、後に示す勾配磁場の分布図において勾配磁場の各成分の把握が容易となる。また、センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚは、各磁気センサセル２２０内において、磁気センサセル２２０を配列する三次元方向それぞれから見て互いに重ならないように配置されている。また、本図において、センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚは、複数のセンサ部３００の間に設けるギャップ側に一端が設けられ、他端が当該ギャップから離れるように３軸方向の各軸方向に延伸して配置されている。一例として、本図において、磁気センサセル２２０の正面視左下の角部に空隙（ギャップ）が設けられ、センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚは、一端が当該空隙に接するように設けられ、他端が当該空隙から離れるようにＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向の各軸方向に延伸して配置されている例を示す。本図において、センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚが、立方体状の磁気センサセル２２０の一角部から互いに垂直な３辺に沿って配置され、該一角部に空隙が設けられている。また、後に述べるセンサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚが有するコイルまたは磁性体が、互いに重ならないように配置されていることが好ましい。これにより、測定点を明確にでき、勾配磁場の各成分の把握がさらに容易となる。また、センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚが有する他軸感度を互いに等価なものとみなすことができる。この他軸感度は、センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚが有するコイル、または磁性体による相互干渉によって発生するものである。しかしながら、検出する磁場の３軸方向と磁気センサセル２２０を配列する三次元の方向とは異なっていてもよい。両者が異なる場合、磁気センサセル２２０内におけるセンサ部３００の配置や、磁気センサセル２２０の配列方向に制約を受けることがなく、磁気センサアレイ２１０の設計の自由度を増すことができる。

図４は、本実施形態に係る磁気抵抗素子を有する磁気センサの入出力特性の一例を示す。本図は、横軸が磁気センサに入力する入力磁場の大きさＢを示し、縦軸が磁気センサの検出信号の大きさＶ＿ｘＭＲ０を示す。磁気センサは、例えば、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子またはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子等を有し、予め定められた一軸方向の磁場の大きさを検出する。

このような磁気センサは、入力磁場Ｂに対する検出信号Ｖ＿ｘＭＲ０の傾きである磁気感度が高く、１０ｐＴ程度の微小な磁場を検出することができる。その一方で、磁気センサは、例えば、入力磁場Ｂの絶対値が１μＴ程度で検出信号Ｖ＿ｘＭＲ０が飽和してしまい、入出力特性の直線性が良好な範囲が狭い。そこで、このような磁気センサにフィードバック磁場を発生させる閉ループを加えると、磁気センサの直線性（または線形性と呼ぶ）を改善することができる。このような磁気センサについて次に説明する。

図５は、本実施形態に係るセンサ部３００の構成例を示す。センサ部３００は、複数の磁気センサセル２２０のそれぞれの内部に設けられ、磁気センサ５２０と、磁場生成部５３０と、出力部５４０とを有する。なお、センサ部３００の一部、例えば増幅回路５３２および出力部５４０は、磁気センサセル２２０側ではなくセンサデータ収集部２３０側に設けられてもよい。

磁気センサ５２０は、図４で説明した磁気センサと同様に、ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子を有する。磁気センサ５２０は、感磁軸の正の方向を＋Ｘ方向とした場合に、＋Ｘ方向の磁場が入力すると抵抗値が増加し、−Ｘ方向の磁場が入力すると抵抗値が減少するように形成されてよい。即ち、磁気センサ５２０の抵抗値の変化を観測することにより、当該磁気センサ５２０に入力する磁場Ｂの大きさを検出することができる。例えば、磁気センサ５２０の磁気感度をＳとすると、磁気センサ５２０の入力磁場Ｂに対する検出結果は、Ｓ×Ｂと算出できる。なお、磁気センサ５２０は、一例として、電源等が接続され、抵抗値の変化に応じた電圧降下を、入力磁場の検出結果として出力する。

磁場生成部５３０は、磁気センサ５２０が検出した入力磁場を低減させるフィードバック磁場を磁気センサ５２０に与える。磁場生成部５３０は、例えば、磁気センサ５２０に入力する磁場Ｂとは逆向きで、絶対値が当該入力磁場と略同一のフィードバック磁場Ｂ＿ＦＢを発生させ、入力磁場を打ち消すように動作する。磁場生成部５３０は、増幅回路５３２と、コイル５３４とを含む。

増幅回路５３２は、磁気センサ５２０の入力磁場の検出結果に応じた電流をフィードバック電流Ｉ＿ＦＢとして出力する。増幅回路５３２は、例えば、トランスコンダクタンスアンプを含み、磁気センサ５２０の出力電圧に応じたフィードバック電流Ｉ＿ＦＢを出力する。例えば、増幅回路５３２の電圧・電流変換係数をＧとすると、フィードバック電流Ｉ＿ＦＢは、Ｇ×Ｓ×Ｂと算出できる。

コイル５３４は、フィードバック電流Ｉ＿ＦＢに応じたフィードバック磁場Ｂ＿ＦＢを発生させる。コイル５３４は、磁気センサ５２０の全体にわたって均一のフィードバック磁場Ｂ＿ＦＢを発生させることが望ましい。例えば、コイル５３４のコイル係数をβとすると、フィードバック磁場Ｂ＿ＦＢは、β×Ｉ＿ＦＢと算出できる。ここで、フィードバック磁場Ｂ＿ＦＢは、入力磁場Ｂを打ち消す向きに発生するので、磁気センサ５２０に入力する磁場は、Ｂ−Ｂ＿ＦＢに低減されることになる。したがって、フィードバック電流Ｉ＿ＦＢは、次式のように示される。

（数１）式をフィードバック電流Ｉ＿ＦＢについて解くと、センサ部３００の定常状態におけるフィードバック電流Ｉ＿ＦＢの値を算出することができる。磁気センサ５２０の磁気感度Ｓおよび増幅回路５３２の電圧・電流変換係数Ｇが十分に大きいとすると、（数１）式から次式が算出される。

出力部５４０は、磁場生成部５３０がフィードバック磁場Ｂ＿ＦＢを発生するために流すフィードバック電流Ｉ＿ＦＢに応じた出力信号Ｖ＿ｘＭＲを出力する。出力部５４０は、例えば、抵抗値Ｒの抵抗性素子を有し、当該抵抗性素子にフィードバック電流Ｉ＿ＦＢが流れることによって生じる電圧降下を出力信号Ｖ＿ｘＭＲとして出力する。この場合、出力信号Ｖ＿ｘＭＲは、（数２）式より次式のように算出される。

以上のように、センサ部３００は、外部から入力する磁場を低減させるフィードバック磁場を発生するので、磁気センサ５２０に実質的に入力する磁場を低減させる。これにより、センサ部３００は、例えば、磁気センサ５２０として図４の特性を有する磁気抵抗素子を用い、入力磁場Ｂの絶対値が１μＴを超えても、検出信号Ｖ＿ｘＭＲが飽和することを防止できる。このようなセンサ部３００の入出力特性を次に説明する。

図６は、本実施形態に係るセンサ部３００の入出力特性の一例を示す。本図は、横軸がセンサ部３００に入力する入力磁場の大きさＢを示し、縦軸がセンサ部３００の検出信号の大きさＶ＿ｘＭＲを示す。センサ部３００は、磁気感度が高く、１０ｐＴ程度の微小な磁場を検出することができる。また、センサ部３００は、例えば、入力磁場Ｂの絶対値が１００μＴを超えても、検出信号Ｖ＿ｘＭＲの良好な直線性を保つことができる。

即ち、本実施形態に係るセンサ部３００は、例えば、入力磁場Ｂの絶対値が数百μＴ以下といった、予め定められた入力磁場Ｂの範囲において、当該入力磁場Ｂに対する検出結果が線形性を有するように構成される。このようなセンサ部３００を用いることにより、例えば、心磁信号といった微弱な磁気的信号を簡便に検出することができる。

図７は、本実施形態に係る磁気センサ５２０の構成例を示す。一例として、本実施形態に係る磁気センサ５２０は、磁気抵抗素子７０２と、磁気抵抗素子７０２の一端および他端に配置された磁気収束板７０４、７０６を有する。磁気収束板７０４、７０６は磁気抵抗素子７０２を間に挟むように配置されている。図７において、正面視で感磁軸に沿って磁気抵抗素子７０２の右端に配置されている磁気収束板７０４が、感磁軸の正側に設けられた磁気収束板であり、磁気抵抗素子７０２の左端に配置されている磁気収束板７０６が、感磁軸の負側に設けられた磁気収束板である。感磁軸の負側から正側に向かって磁場が磁気収束板７０４、７０６に入力すると、磁気抵抗素子７０２の抵抗が増加または減少してよい。なお、感磁軸は、磁気抵抗素子７０２を形成する磁化固定層で固定された磁化の方向に沿っていてよい。磁気収束板７０４、７０６は、例えば鉄等の軟磁性体材料により構成される。軟磁性体材料により構成される磁気収束板７０４、７０６を磁気抵抗素子７０２の一端および他端に配置することにより、磁気抵抗素子７０２を通過する磁力線を増やすことができ、これにより磁気センサ５２０の感度を高めることができる。

なお、本図においては、磁気収束板が、磁気抵抗素子７０２の一端および他端のそれぞれに設けられた例を示したが、磁気収束板は磁気抵抗素子７０２の一端および他端のいずれか一方のみに設けられてもよい。しかしながら、磁気センサ５２０の感度をより高めるためには磁気抵抗素子７０２の一端および他端の両方に磁気収束板を設けることが好ましい。

図８は、本実施形態に係る磁気センサアレイ２１０、センサデータ収集部２３０、およびセンサデータ処理部８００の構成を示す。

磁気センサアレイ２１０は、複数の磁気センサセル２２０を有する。複数の磁気センサセル２２０のそれぞれは、上述のとおり複数のセンサ部３００ｘ〜ｚを有する。本図においては、磁気センサアレイ２１０が各次元方向に有する複数の磁気センサセル２２０のうち、［ｉ，ｊ，ｋ］における１次の勾配磁場の算出に関する部分、すなわち、［ｉ，ｊ，ｋ］、［ｉ＋１，ｊ，ｋ］、［ｉ，ｊ＋１，ｋ］、［ｉ，ｊ，ｋ＋１］に関する部分を示す。

センサデータ収集部２３０は、複数のＡＤ変換器８１０を有する。複数のＡＤ変換器８１０は、磁気センサセル２２０の複数のセンサ部３００ｘ〜ｚのそれぞれに対応して設けられており、対応するセンサ部３００が出力するアナログの検出信号（図６のセンサ出力信号Ｖ＿ｘＭＲ）をデジタルの計測データ（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）に変換する。ここで、Ｖｘ、Ｖｙ、およびＶｚは、センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚからの検出信号をデジタルに変換した計測値（例えばデジタルの電圧値）である。

センサデータ処理部８００は、複数の磁気センサセル２２０のそれぞれに対応して設けられた複数の磁場取得部８２０、複数の較正演算部８３０、複数のデータ出力部８４０、および勾配磁場演算部８５０、を有する。

磁場取得部８２０は、それぞれ対応する磁気センサセル２２０に接続された３つのＡＤ変換器８１０に接続され、磁気センサアレイ２１０を構成する複数の磁気センサセル２２０内のセンサ部３００ｘ〜ｚによって計測された計測データをそれぞれ取得する。具体的に、磁場取得部８２０は、ＡＤ変換器８１０によってデジタルに変換されたデジタルの計測データ（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）を所定のタイミングＴでラッチして取得するフリップフロップ等を用いて構成されてよい。

較正演算部８３０は、磁場取得部８２０に接続され、磁場取得部８２０が取得した計測データを較正パラメータを用いて較正する。較正演算部８３０による計測データの較正の概要は以下のとおりである。位置［ｉ，ｊ，ｋ］にある磁気センサセル２２０に入力される磁場をＢ（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）とし、センサ部３００ｘ、３００ｙ、３００ｚによる３軸磁気センサの検出結果をＶ（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）とする。この場合、３軸磁気センサの磁気センサ特性を行列Ｓとすると、３軸磁気センサの検出結果Ｖは次式のように示すことができる。

ここで、Ｓｘｘ、Ｓｙｙ、Ｓｚｚは、それぞれセンサ部３００ｘ、３００ｙ、３００ｚの主軸方向の感度（主軸感度）を表し、Ｓｘｙ、Ｓｘｚ、Ｓｙｘ、Ｓｙｚ、Ｓｚｘ、Ｓｚｙは他軸方向の感度（他軸感度）を表している。また、Ｖｏｓ，ｘ、Ｖｏｓ，ｙ、Ｖｏｓ，ｚは、それぞれセンサ部３００ｘ、３００ｙ、３００ｚのオフセットを表している。ここで主軸方向とは、センサ部３００ｘ、３００ｙ、３００ｚが主として計測する方向であり、他軸方向とは、主として計測しない方向である。磁気センサの計測において、主軸方向は磁場が入力されたときに磁気センサが最大の感度を示す方向（入力軸方向、感度軸方向）である。そして、他軸方向は、主軸方向と垂直な軸とする。例えば、センサ部３００ｘがＸ軸方向を計測する場合、主軸方向はＸ軸であり、他軸方向はＹ軸方向、Ｚ軸方向である。磁気センサ５２０は主軸感度のみを持つことが理想的だが、プロセス因等により他軸感度を持つことがある。また、上述した相互干渉によって発生する他軸感度も持つ。

センサ部３００のそれぞれが、検出すべき入力磁場の範囲において、当該入力磁場に対する検出結果が線形性を有するので、行列Ｓの各要素は、入力磁場Ｂの大きさとは無関係な略一定の係数となる。また、センサ部３００が他軸感度を有していても、当該センサ部３００の検出結果が線形性を有していれば、行列Ｓの各要素は、入力磁場Ｂの大きさとは無関係な略一定の係数となる。

したがって、較正演算部８３０は、行列Ｓの逆行列Ｓ^−１とオフセット（Ｖｏｓ，ｘ，Ｖｏｓ，ｙ，Ｖｏｓ，ｚ）とを用いることで、次式のように、計測データＶ（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）を元の入力される磁場を示す磁場計測データＢ（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）に変換することができる。つまり、較正演算部８３０は、磁場取得部８２０からのデジタルの計測データＶを、主軸感度、他軸感度、および、オフセットを用いて較正する。これにより、較正演算部８３０は、オフセット、主軸方向の感度、他軸方向の感度を補正する。なお、この変換は、センサ部３００ｘ〜ｚが上述の磁気収束板を備えている場合も成立する。これは、磁気センサセル２２０がセンサ部３００ｘ〜ｚを利用した３軸磁気センサとして構成されるためであり、線形代数を利用した変換が可能となるからである。なお、センサ部３００の出力から較正演算部８３０までに、ハイパスフィルタ等を備えることにより、計測データＶを交流成分とする場合は、オフセットの較正は省略してもよい。すなわち、較正演算部８３０は、磁場取得部８２０からのデジタルの計測データＶを、主軸感度、他軸感度、および、オフセットの少なくともいずれかを用いて較正してもよい。

較正演算部８３０は、環境磁場計測データを用いて行列Ｓの逆行列Ｓ^−１およびオフセット（Ｖｏｓ，ｘ，Ｖｏｓ，ｙ，Ｖｏｓ，ｚ）を算出し、磁場取得部８２０により取得された計測データを、これらの較正パラメータを用いて磁場計測データＢに変換してデータ出力部８４０に供給する。

以上のように、各センサ部３００が線形性を有するので、較正演算部８３０は、略一定の係数を用いて計測データを磁場計測データＢに変換することができる。すなわち、較正演算部８３０が用いる略一定の係数は、環境磁場データを用いて一組の較正パラメータとして定めることができる。

また、同じ磁気センサアレイ２１０中の磁気センサセル２２０と別の磁気センサセル２２０の姿勢が異なっていることがある。そこで較正演算部８３０は、さらに各磁気センサセル２２０の姿勢をそろえる演算を行ってもよい。すなわち、較正演算部８３０は、複数の磁気センサセル２２０同士の姿勢を補正する演算を行ってもよい。一例として、較正演算部８３０は、各磁気センサセル同士の姿勢を同一座標系へと変換する姿勢変換行列をＲとすると、以下のような演算で姿勢補正を行ってよい。

これにより、各磁気センサセル同士の出力がすべて同一の座標系の出力とみなせるので、一様な環境磁場が存在する場合、すべて同一の出力となるため、後述する勾配磁場の演算において、一様な環境磁場の影響をキャンセルすることができる。各磁気センサセル同士の姿勢は、基準となる磁気センサセルの姿勢にあわせてもよい。また、磁気センサアレイ２１０の筐体の姿勢にあわせてもよい。また、姿勢変換行列Ｒは、各磁気センサセルに加速度センサをさらに備え、加速度センサの出力から算出してもよい。また、姿勢変換行列Ｒは、各磁気センサセルの出力同士が直交変換の関係にあることを利用して、算出してもよい。すなわち、ある基準の磁気センサセル２２０の出力に対して、（数５）の補正を行った後の計測データ行列をＤａとし、他の補正対象の磁気センサセル２２０についても、同じ磁場を検出したときの出力に対して、（数５）の補正を行った後の計測データ行列をＤｂとする。このとき、ＤａとＤｂの間には直交変換の関係があり、次のように算出する。行列Ｄａと行列Ｄｂの転置行列との積である行列ＤａＤｂ^Ｔを算出し、これを特異値分解して２つのユニタリ行列ＵおよびＷを算出する。このとき、Ｒ＝ＵＷ^Ｔにより算出することができる。また、姿勢変換行列Ｒは、あらかじめ既知の磁場を利用したキャリブレーションによって求めておいてもよい。このように、較正演算部８３０は、計測データのオフセット、主軸方向の感度、他軸方向の感度、および、姿勢を補正してよい。

データ出力部８４０は、較正演算部８３０によって較正された磁場計測データＢを勾配磁場演算部８５０に供給する。

勾配磁場演算部８５０は、データ出力部８４０から供給された磁場計測データＢ、すなわち、デジタルの計測データＶを較正した磁場計測データＢを用いて勾配磁場を算出する。本実施形態において、勾配磁場演算部８５０は、３軸方向の全ての磁場に対して三次元の全ての方向についての勾配磁場を算出する。これによって、より詳細な勾配磁場分布を得ることができる。これに代えて、勾配磁場演算部８５０は、３軸方向の一部の磁場に対してのみ勾配磁場を算出してもよい。また、勾配磁場演算部８５０は、三次元方向の一部の方向についてのみ勾配磁場を算出してもよい。これにより、必要な勾配磁場成分のみを算出することができ、勾配磁場演算部８５０における演算処理の負荷を低減できる。

また、本実施形態においては、検出する磁場の３軸方向と磁気センサセル２２０を配列する三次元方向とが同一方向である。これにより、後に示す勾配磁場の分布図において勾配磁場の各成分の把握が容易となる。これに代えて、検出する磁場の３軸方向と磁気センサセル２２０を配列する三次元方向とが異なっていてもよい。両者が異なる場合、磁気センサセル２２０内におけるセンサ部３００の配置や、磁気センサセル２２０の配列方向に制約を受けることがなく、磁気センサアレイ２１０の設計の自由度を増すことができる。

勾配磁場演算部８５０は、複数の磁気センサセル２２０のうちの隣接する磁気センサセル２２０間で計測された磁場計測データを用いて隣接する磁気センサセル２２０間の磁場の差分を算出することで、すなわち磁場計測データの差分を算出することで、３軸方向の全ての磁場に対して三次元の勾配磁場を算出する。勾配磁場演算部８５０は、複数の隣接する磁気センサセル２２０間で計測された磁場計測データを用いて２次以上の勾配磁場を算出してもよい。

図９は、Ｎ次の勾配磁場を算出するフローを示す。ステップ９１０において、勾配磁場演算部８５０は、ｎに１を代入する。ステップ９２０において、勾配磁場演算部８５０は、各位置における磁気センサセル２２０により計測された磁場計測データを取得する。ここで、位置［ｉ，ｊ，ｋ］の磁気センサセル２２０により計測された磁場計測データを次の（数７）式のように表記する。

ステップ９３０において、勾配磁場演算部８５０は、磁気センサアレイ２１０に含まれる隣接する各磁気センサセル２２０間の磁場計測データを用いて磁場の１次の差分を算出することで、１次の勾配磁場を算出する。勾配磁場演算部８５０は、Ｘ軸方向についての１次の勾配磁場を、磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間で計測された磁場計測データを用いて次式により算出する。

すなわち、勾配磁場演算部８５０は、磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］におけるＸ軸の磁場計測データＢｘ^{ｉ＋１，ｊ，ｋ}から磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］におけるＸ軸の磁場計測データＢｘ^{ｉ，ｊ，ｋ}を減算して磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間の磁場計測データのＸ軸成分の差分を算出し、これを磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間の距離Δｘで除すことで、位置［ｉ，ｊ，ｋ］における磁場計測データのＸ軸成分に対するＸ軸方向についての１次の勾配磁場を算出する。

同様に、勾配磁場演算部８５０は、磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］におけるＹ軸の磁場計測データＢｙ^{ｉ＋１，ｊ，ｋ}から磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］におけるＹ軸の磁場計測データＢｙ^{ｉ，ｊ，ｋ}を減算して磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間の磁場計測データのＹ軸成分の差分を算出し、これを磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間の距離Δｘで除すことで、位置［ｉ，ｊ，ｋ］における磁場計測データのＹ軸成分に対するＸ軸方向についての１次の勾配磁場を算出する。

同様に、勾配磁場演算部８５０は、磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］におけるＺ軸の磁場計測データＢｚ^{ｉ＋１，ｊ，ｋ}から磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］におけるＺ軸の磁場計測データＢｚ^{ｉ，ｊ，ｋ}を減算して磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間の磁場計測データのＺ軸成分の差分を算出し、これを磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間の距離Δｘで除すことで、位置［ｉ，ｊ，ｋ］における磁場計測データのＺ軸成分に対するＸ軸方向についての１次の勾配磁場を算出する。

また、勾配磁場演算部８５０は、Ｘ軸方向についての１次の勾配磁場と同様に、Ｙ軸方向についての１次の勾配磁場を、磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ＋１，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間で計測された磁場計測データを用いて次式により算出する。

また、勾配磁場演算部８５０は、Ｘ軸方向についての１次の勾配磁場と同様に、Ｚ軸方向についての１次の勾配磁場を、磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ＋１］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間で計測された磁場計測データを用いて次式により算出する。

勾配磁場演算部８５０は、（数８）〜（数１０）式の演算により、３軸の磁場計測データに対して三次元方向について、以下の（数１１）の１次の勾配磁場を得ることができる。つまり、勾配磁場演算部８５０は、３軸方向の全ての磁場に対して三次元の全ての方向についての勾配磁場を得ることができる。なお、勾配磁場演算部８５０は、各磁気センサセル２２０間の距離Δｘ＝Δｙ＝Δｚを１単位として１次の勾配磁場を算出してもよい。この場合、勾配磁場演算部８５０は、磁場計測データの差分を１次の勾配磁場としてみなすことができる。

ステップ９４０において、勾配磁場演算部８５０は、ｎがＮに等しいか否か判定する。ｎがＮに等しい場合、勾配磁場演算部８５０は、処理を終了する。ステップ９４０において、ｎがＮに等しくない場合、勾配磁場演算部８５０は、処理をステップ９５０へ進め、ｎを１インクリメントする。そして、勾配磁場演算部８５０は、処理をステップ９６０へ進める。

ステップ９６０において、勾配磁場演算部８５０は、磁場のｎ−１次の勾配磁場を用いてｎ次の勾配磁場を算出する。一例として、勾配磁場演算部８５０は、２次の勾配磁場の算出前のステップ９３０において、（数８）式に加えて、Ｘ軸方向についての１次の勾配磁場として磁気センサセル２２０［ｉ＋２，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］との間で計測された磁場計測データを用いて、位置［ｉ＋１，ｊ，ｋ］におけるの１次の勾配磁場を次式により算出済みである。

そこで、２次の勾配磁場を算出する場合のステップ９６０において、勾配磁場演算部８５０は、（数８）式および（数１２）式で算出した１次の勾配磁場を用いて次式によりＸ軸方向についての２次の勾配磁場を算出する。

すなわち、勾配磁場演算部８５０は、位置［ｉ＋１，ｊ，ｋ］におけるＸ軸方向についての１次の勾配磁場から位置［ｉ，ｊ，ｋ］におけるＸ軸方向についての１次の勾配磁場を減算した値を、Ｘ軸方向における隣接する磁気センサセル２２０間の距離ΔＸで除すことで、Ｘ軸方向についての２次の勾配磁場を算出する。

勾配磁場演算部８５０は、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向についてもＸ軸方向と同様の演算により、２次の勾配磁場を算出することができる。次に、勾配磁場演算部８５０は、処理をステップ９４０へ戻し、以下処理を繰り返す。これにより、勾配磁場演算部８５０は、隣接する磁気センサセル２２０間で計測された磁場計測データを用いて３軸の磁場計測データに対して三次元方向についてのｎ次の勾配磁場を取得することができる。

ここで、Ｎ＝１の場合、勾配磁場演算部８５０は、Δｘ＝Δｙ＝Δｚが十分小さいとして、ステップ９３０で得られた（数１１）式で与えられる１次の勾配磁場を以下のように表すことができる。

Ｎ＝２の場合、勾配磁場演算部８５０は、１次の勾配磁場と本図のフローにより以下の２次の勾配磁場を取得する。

Ｎが２より大きい場合、勾配磁場演算部８５０は、１次および２次の勾配磁場と本図のフローにより以下のｎ次の勾配磁場を取得する。

ここで、特許文献１に示されるような従来のＺ軸ＳＱＵＩＤグラジオアレイでは、∂Ｂｘ／∂ｘ、∂Ｂｘ／∂ｙ、∂Ｂｘ／∂ｚ、∂Ｂｙ／∂ｘ、∂Ｂｙ／∂ｙ、∂Ｂｙ／∂ｚ成分を取得することができない。また、特許文献１に示されるような従来のＸＹ軸ＳＱＵＩＤグラジオアレイでは、∂Ｂｘ／∂ｚ、∂Ｂｙ／∂ｚ、∂Ｂｚ／∂ｘ、∂Ｂｚ／∂ｙ、∂Ｂｚ／∂ｚ成分を取得することができない。これに対して、本実施形態の磁場計測装置１０によれば、（数１４）、（数１５）、（数１６）式に示されるように、３軸の磁場計測データに対して三次元方向についての勾配磁場をもれなく得ることができる。また、本実施形態の磁場計測装置１０によれば、隣接する磁気センサセル２２０間の磁場からの演算となるので、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のみの２次以上の勾配磁場だけでなく、∂^２Ｂ／∂ｘ∂ｙ、∂^２Ｂ／∂ｙ∂ｚ、∂^２Ｂ／∂ｚ∂ｘのような、異なる軸方向に偏微分した形式に相当する勾配磁場成分も得られる。

また、本実施形態の磁場計測装置１０によれば、三次元方向についての勾配磁場をもれなく得ることができるので、例えば心磁計測において、接線成分を利用した計測と、法線成分を利用した計測を同時に実施できる。例えば、図１に示すように、人の胸に平行な面のＸＹ平面において、例えば、接線成分の勾配磁場（∂Ｂｘ／∂ｚ、∂Ｂｙ／∂ｚ）を利用して、ベクトルアロー図を作成する。また例えば、法線成分の勾配磁場（∂Ｂｚ／∂ｘ、∂Ｂｚ／∂ｙ）を利用して、ベクトルアロー図を作成する。ここで、ベクトルアロー図とは、電流アロー図とも呼ばれ、代表的な法線成分の勾配磁場（∂Ｂｚ／∂ｘ、∂Ｂｚ／∂ｙ）を利用する場合、次の式によって求められる。

ここで、ｅｘ、ｅｙはX方向、Y方向の単位ベクトルである。接線成分を利用する場合は、（∂Ｂｘ／∂ｚ、∂Ｂｙ／∂ｚ）をそれぞれ（−∂Ｂｚ／∂ｘ、−∂Ｂｚ／∂ｙ）と入れ替えてよい。そして、上記はＸＹ平面に磁場源を投影した概念であるが、本実施形態の磁場計測装置１０によれば、これを三次元に拡張できる。すなわち、ＹＺ平面、ＸＺ平面に投影したベクトルアロー図を作成することができる。したがって、勾配磁場演算部８５０は、さらに、二次元のベクトルアロー図、または、三次元のベクトルアロー図（ＸＹ平面、ＹＺ平面、ＸＺ平面のベクトルアロー図）を演算して出力してもよい。なお、本実施形態の磁場計測装置１０によれば、磁気センサ５２０の各センサ部３００が線形性を有し、磁場の入力レンジを広くできるため、較正演算部８３０によって、各磁気センサセルの磁場計測データを同一座標系の出力とすることで、勾配磁場演算部８５０の演算において一様磁場がキャンセルされた勾配磁場を演算することができる。したがって、本実施形態の磁場計測装置１０は、シールドルームのない地磁気のある環境においても勾配磁場の演算が利用可能となる。

図１０は、本実施形態に係る磁場計測装置１０により得られる１次の勾配磁場分布の一例を示す。図１１は、本実施形態に係る磁場計測装置１０により得られる２次の勾配磁場分布の一例を示す。これらの図は、（Ｘ，Ｙ）＝（０，−５ｃｍ）の点にＸ＝５ｍｍ、Ｙ＝０．５ｍｍ、Ｚ＝０．５ｍｍの磁石をＮ極がＸ軸の正方向を向くように配置し、（Ｘ，Ｙ）＝（０，５ｃｍ）の点にＸ＝５ｍｍ、Ｙ＝０．５ｍｍ、Ｚ＝０．５ｍｍの磁石をＮ極がＸ軸の負方向を向くように配置し、３０ｃｍ×３０ｃｍの平面を１ｃｍ間隔の格子点で、磁石の置かれた面から高さＺ＝１ｃｍで磁場計測装置１０によって計測した場合の勾配磁場分布を示す。これらの図において、各座標におけるドット密度は任意単位における勾配磁場の大きさを示しており、ドット密度が小さい方が勾配磁場が大きいことを表している。図１０は、この条件によって得られた１次の勾配磁場分布のうちの∂Ｂｘ／∂ｘ成分を示した図であり、図１１は、この条件によって得られた２次の勾配磁場分布のうちの∂^２Ｂｘ／∂ｘ^２成分を示した図である。

図１０および図１１に示すように、本実施形態に係る磁場計測装置１０によれば、算出した勾配磁場を可視化した勾配磁場分布を得ることができる。なお、本図においては、１次の勾配磁場分布については∂Ｂｘ／∂ｘ成分、２次の勾配磁場分布については∂^２Ｂｘ／∂ｘ^２成分のみを一例として示したが、磁場計測装置１０は、他の勾配成分や３次以上の勾配磁場についても同様に勾配磁場分布を得ることができる。

図１２は、磁場計測装置１０の変形例に係る磁気センサアレイ２１０、センサデータ収集部２３０、センサデータ処理部８００、および故障判定部１２００の構成を示す。本変形例において、磁場計測装置１０は、故障判定部１２００を更に備える。故障判定部１２００は、勾配磁場演算部８５０が算出した勾配磁場に基づいて磁気センサアレイ２１０の故障を判定する。

図１３は、故障判定フローを示す図である。ステップ１３１０において、故障判定部１２００は、一例として図９の処理フローにより得られた勾配磁場に基づいて、複数の磁気センサセル２２０のうちの任意の磁気センサセル２２０の位置における磁場の回転を示す値を算出する。

そして、ステップ１３２０において、故障判定部１２００は、算出した磁場の回転を示す値が第１の閾値以上であるか否か判定する。故障判定部１２００は、算出した磁場の回転を示す値が第１の閾値以上である場合に、磁気センサアレイ２１０が故障していると判定する。

これについて説明する。ベクトル解析に基づけば、位置［ｉ，ｊ，ｋ］の磁気センサセル２２０が計測する磁場が（数７）式で与えられるとき、その回転は次のように、∂Ｂｚ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｙと∂Ｂｙ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｚとの差、∂Ｂｘ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｚと∂Ｂｚ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｘとの差、∂Ｂｙ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｘと∂Ｂｘ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｙとの差を各成分とするベクトル関数で表される。

ここで、マクスウェル方程式に基づけば、磁場の発生は、電場の時間変化と電流とで生じるものであるが、磁気センサアレイ２１０には電流源が存在しない。このため、位置［ｉ，ｊ，ｋ］における磁場の回転は０、すなわち、ｒｏｔ Ｂ＝０となる。つまり、（数１８）式で表されるベクトル関数の各成分は理論上０となる。

したがって、故障判定部１２００は、例えば（数１４）式に示される勾配磁場の対称成分の差から、∂Ｂｚ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｙと∂Ｂｙ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｚとの差、∂Ｂｘ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｚと∂Ｂｚ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｘとの差、∂Ｂｙ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｘと∂Ｂｘ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｙとの差を求め、これら対称成分の差の絶対値を位置［ｉ，ｊ，ｋ］における磁場の回転を示す値とし、当該値のいずれかが０よりも著しく離れた場合、すなわち、第１の閾値以上である場合に、磁気センサアレイ２１０が故障していると判定することができる。

なお、上述の説明では、（数１８）式で表されるベクトル関数の各成分のいずれかが０よりも著しく離れた場合に磁気センサアレイ２１０が故障していると判定する場合について示したが、故障判定部１２００は、（数１８）式で表されるベクトル関数の大きさが０よりも著しく離れた場合に磁気センサアレイ２１０が故障していると判定してもよい。この場合、故障判定部１２００は、∂Ｂｚ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｙと∂Ｂｙ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｚとの差の２乗、∂Ｂｘ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｚと∂Ｂｚ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｘとの差の２乗、∂Ｂｙ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｘと∂Ｂｘ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｙとの差の２乗の総和の平方根を位置［ｉ，ｊ，ｋ］における磁場の回転を示す値とし、当該値が０よりも著しく離れた場合、すなわち、第１の閾値以上である場合に、磁気センサアレイ２１０が故障していると判定する。

ステップ１３２０において、磁場の回転を示す値が第１の閾値未満である場合には、故障判定部１２００は、処理をステップ１３３０へ進める。ステップ１３３０において、故障判定部１２００は、一例として図９の処理フローにより得られた勾配磁場に基づいて、複数の磁気センサセル２２０のうちの任意の磁気センサセル２２０の位置における磁場の発散を示す値を算出する。

そして、ステップ１３４０において、故障判定部１２００は、算出した磁場の発散を示す値が第２の閾値以上であるか否か判定する。故障判定部１２００は、算出した磁場の発散を示す値が第２の閾値以上である場合に、磁気センサアレイ２１０が故障していると判定する。

これについて説明する。ベクトル解析に基づけば、位置［ｉ，ｊ，ｋ］の磁気センサセル２２０が計測する磁場が（数７）式で与えられるとき、その発散は次のように、∂Ｂｘ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｘと、∂Ｂｙ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｙと、∂Ｂｚ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｚとの和であるスカラー関数で表される。

ここで、マクスウェル方程式に基づけば、磁力線は必ず閉曲線となる。このため、位置［ｉ，ｊ，ｋ］における磁場の発散は０、すなわち、ｄｉｖ Ｂ＝０となる。つまり、（数１９）式で表されるスカラー関数の解は理論上０となる。

したがって、故障判定部１２００は、例えば（数１４）式に示される対角成分の和から、∂Ｂｘ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｘと、∂Ｂｙ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｙと、∂Ｂｚ^{ｉ，ｊ，ｋ}／∂ｚとの和を求め、対角成分の和の絶対値を位置［ｉ，ｊ，ｋ］における磁場の発散を示す値とし、当該値が０よりも著しく半れた場合、すなわち、第２の閾値以上である場合に、磁気センサアレイ２１０が故障していると判定することができる。

ステップ１３４０において、磁場の発散を示す値が第２の閾値未満である場合には、磁気センサアレイ２１０が正常であると判定する。このように、３軸の磁場計測データに対して三次元方向についてもれなく勾配磁場を取得することで、当該勾配磁場を用いて磁気センサアレイ２１０が故障しているか否かを検出することができる。また、故障判定を行う際に用いた勾配磁場が、どの隣接する磁気センサセル２２０間での勾配磁場であるかに基づいて、磁気センサアレイ２１０中のどの位置で故障が発生したかを特定することができる。

図１４は、本実施形態に係る磁気センサアレイ２１０の変形例を示す。図１４においては、図３と同じ機能および構成を有する部材に対して同じ符号を付すとともに、以下相違点を除き説明を省略する。本図において、磁気センサアレイ２１０が有する複数の磁気センサセル２２０のそれぞれは、角部に空隙（ギャップ）を設けることなく、センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚが設けられている。このように、複数の磁気センサセル２２０のそれぞれは、センサ部３００をこのように配置しても、各センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚが、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の三次元方向それぞれから見て互いに重ならないように配置することができる。このような配置とすることにより、複数のセンサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚを磁気センサセル２２０内に分散して配置することができ、１つの角部に複数のセンサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚが集中して配置されることを防ぐことができる。本実施形態の磁場計測装置１０は、このようにセンサ部３００が配置された磁気センサアレイ２１０を用いて計測データを取得してもよい。

本発明の様々な実施形態は、フローチャートおよびブロック図を参照して記載されてよく、ここにおいてブロックは、（１）操作が実行されるプロセスの段階または（２）操作を実行する役割を持つ装置のセクションを表わしてよい。特定の段階およびセクションが、専用回路、コンピュータ可読媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプログラマブル回路、および／またはコンピュータ可読媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプロセッサによって実装されてよい。専用回路は、デジタルおよび／またはアナログハードウェア回路を含んでよく、集積回路（ＩＣ）および／またはディスクリート回路を含んでよい。プログラマブル回路は、論理ＡＮＤ、論理ＯＲ、論理ＸＯＲ、論理ＮＡＮＤ、論理ＮＯＲ、および他の論理操作、フリップフロップ、レジスタ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）等のようなメモリ要素等を含む、再構成可能なハードウェア回路を含んでよい。

コンピュータ可読媒体は、適切なデバイスによって実行される命令を格納可能な任意の有形なデバイスを含んでよく、その結果、そこに格納される命令を有するコンピュータ可読媒体は、フローチャートまたはブロック図で指定された操作を実行するための手段を作成すべく実行され得る命令を含む、製品を備えることになる。コンピュータ可読媒体の例としては、電子記憶媒体、磁気記憶媒体、光記憶媒体、電磁記憶媒体、半導体記憶媒体等が含まれてよい。コンピュータ可読媒体のより具体的な例としては、フロッピー（登録商標）ディスク、ディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリ）、電気的消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、静的ランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、コンパクトディスクリードオンリメモリ（ＣＤ-ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイ（ＲＴＭ）ディスク、メモリスティック、集積回路カード等が含まれてよい。

コンピュータ可読命令は、アセンブラ命令、命令セットアーキテクチャ（ＩＳＡ）命令、マシン命令、マシン依存命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ、またはＳｍａｌｌｔａｌｋ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ＋＋等のようなオブジェクト指向プログラミング言語、および「Ｃ」プログラミング言語または同様のプログラミング言語のような従来の手続型プログラミング言語を含む、１または複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで記述されたソースコードまたはオブジェクトコードのいずれかを含んでよい。

コンピュータ可読命令は、汎用コンピュータ、特殊目的のコンピュータ、若しくは他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサまたはプログラマブル回路に対し、ローカルにまたはローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、インターネット等のようなワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を介して提供され、フローチャートまたはブロック図で指定された操作を実行するための手段を作成すべく、コンピュータ可読命令を実行してよい。プロセッサの例としては、コンピュータプロセッサ、処理ユニット、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ等を含む。

図１５は、本発明の複数の態様が全体的または部分的に具現化されてよいコンピュータ２２００の例を示す。コンピュータ２２００にインストールされたプログラムは、コンピュータ２２００に、本発明の実施形態に係る装置に関連付けられる操作または当該装置の１または複数のセクションとして機能させることができ、または当該操作または当該１または複数のセクションを実行させることができ、および／またはコンピュータ２２００に、本発明の実施形態に係るプロセスまたは当該プロセスの段階を実行させることができる。そのようなプログラムは、コンピュータ２２００に、本明細書に記載のフローチャートおよびブロック図のブロックのうちのいくつかまたはすべてに関連付けられた特定の操作を実行させるべく、ＣＰＵ２２１２によって実行されてよい。

本実施形態によるコンピュータ２２００は、ＣＰＵ２２１２、ＲＡＭ２２１４、グラフィックコントローラ２２１６、およびディスプレイデバイス２２１８を含み、それらはホストコントローラ２２１０によって相互に接続されている。コンピュータ２２００はまた、通信インターフェイス２２２２、ハードディスクドライブ２２２４、ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ２２２６、およびＩＣカードドライブのような入／出力ユニットを含み、それらは入／出力コントローラ２２２０を介してホストコントローラ２２１０に接続されている。コンピュータはまた、ＲＯＭ２２３０およびキーボード２２４２のようなレガシの入／出力ユニットを含み、それらは入／出力チップ２２４０を介して入／出力コントローラ２２２０に接続されている。

ＣＰＵ２２１２は、ＲＯＭ２２３０およびＲＡＭ２２１４内に格納されたプログラムに従い動作し、それにより各ユニットを制御する。グラフィックコントローラ２２１６は、ＲＡＭ２２１４内に提供されるフレームバッファ等またはそれ自体の中にＣＰＵ２２１２によって生成されたイメージデータを取得し、イメージデータがディスプレイデバイス２２１８上に表示されるようにする。

通信インターフェイス２２２２は、ネットワークを介して他の電子デバイスと通信する。ハードディスクドライブ２２２４は、コンピュータ２２００内のＣＰＵ２２１２によって使用されるプログラムおよびデータを格納する。ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ２２２６は、プログラムまたはデータをＤＶＤ−ＲＯＭ２２０１から読み取り、ハードディスクドライブ２２２４にＲＡＭ２２１４を介してプログラムまたはデータを提供する。ＩＣカードドライブは、プログラムおよびデータをＩＣカードから読み取り、および／またはプログラムおよびデータをＩＣカードに書き込む。

ＲＯＭ２２３０はその中に、アクティブ化時にコンピュータ２２００によって実行されるブートプログラム等、および／またはコンピュータ２２００のハードウェアに依存するプログラムを格納する。入／出力チップ２２４０はまた、様々な入／出力ユニットをパラレルポート、シリアルポート、キーボードポート、マウスポート等を介して、入／出力コントローラ２２２０に接続してよい。

プログラムが、ＤＶＤ−ＲＯＭ２２０１またはＩＣカードのようなコンピュータ可読媒体によって提供される。プログラムは、コンピュータ可読媒体から読み取られ、コンピュータ可読媒体の例でもあるハードディスクドライブ２２２４、ＲＡＭ２２１４、またはＲＯＭ２２３０にインストールされ、ＣＰＵ２２１２によって実行される。これらのプログラム内に記述される情報処理は、コンピュータ２２００に読み取られ、プログラムと、上記様々なタイプのハードウェアリソースとの間の連携をもたらす。装置または方法が、コンピュータ２２００の使用に従い情報の操作または処理を実現することによって構成されてよい。

例えば、通信がコンピュータ２２００および外部デバイス間で実行される場合、ＣＰＵ２２１２は、ＲＡＭ２２１４にロードされた通信プログラムを実行し、通信プログラムに記述された処理に基づいて、通信インターフェイス２２２２に対し、通信処理を命令してよい。通信インターフェイス２２２２は、ＣＰＵ２２１２の制御下、ＲＡＭ２２１４、ハードディスクドライブ２２２４、ＤＶＤ−ＲＯＭ２２０１、またはＩＣカードのような記録媒体内に提供される送信バッファ処理領域に格納された送信データを読み取り、読み取られた送信データをネットワークに送信し、またはネットワークから受信された受信データを記録媒体上に提供される受信バッファ処理領域等に書き込む。

また、ＣＰＵ２２１２は、ハードディスクドライブ２２２４、ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ２２２６（ＤＶＤ−ＲＯＭ２２０１）、ＩＣカード等のような外部記録媒体に格納されたファイルまたはデータベースの全部または必要な部分がＲＡＭ２２１４に読み取られるようにし、ＲＡＭ２２１４上のデータに対し様々なタイプの処理を実行してよい。ＣＰＵ２２１２は次に、処理されたデータを外部記録媒体にライトバックする。

様々なタイプのプログラム、データ、テーブル、およびデータベースのような様々なタイプの情報が記録媒体に格納され、情報処理を受けてよい。ＣＰＵ２２１２は、ＲＡＭ２２１４から読み取られたデータに対し、本開示の随所に記載され、プログラムの命令シーケンスによって指定される様々なタイプの操作、情報処理、条件判断、条件分岐、無条件分岐、情報の検索／置換等を含む、様々なタイプの処理を実行してよく、結果をＲＡＭ２２１４に対しライトバックする。また、ＣＰＵ２２１２は、記録媒体内のファイル、データベース等における情報を検索してよい。例えば、各々が第２の属性の属性値に関連付けられた第１の属性の属性値を有する複数のエントリが記録媒体内に格納される場合、ＣＰＵ２２１２は、第１の属性の属性値が指定される、条件に一致するエントリを当該複数のエントリの中から検索し、当該エントリ内に格納された第２の属性の属性値を読み取り、それにより予め定められた条件を満たす第１の属性に関連付けられた第２の属性の属性値を取得してよい。

上で説明したプログラムまたはソフトウェアモジュールは、コンピュータ２２００上またはコンピュータ２２００近傍のコンピュータ可読媒体に格納されてよい。また、専用通信ネットワークまたはインターネットに接続されたサーバーシステム内に提供されるハードディスクまたはＲＡＭのような記録媒体が、コンピュータ可読媒体として使用可能であり、それによりプログラムを、ネットワークを介してコンピュータ２２００に提供する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 磁場計測装置
１００ 本体部
１１０ 磁気センサユニット
１２０ ヘッド
１２５ 駆動部
１３０ ベース部
１４０ ポール部
１５０ 情報処理部
２１０ 磁気センサアレイ
２２０ 磁気センサセル
２３０ センサデータ収集部
３００ センサ部
５２０ 磁気センサ
５３０ 磁場生成部
５３２ 増幅回路
５３４ コイル
５４０ 出力部
７０２ 磁気抵抗素子
７０４、７０６ 磁気収束板
８００ センサデータ処理部
８１０ ＡＤ変換器
８２０ 磁場取得部
８３０ 較正演算部
８４０ データ出力部
８５０ 勾配磁場演算部
１２００ 故障判定部
２２００ コンピュータ
２２０１ ＤＶＤ−ＲＯＭ
２２１０ ホストコントローラ
２２１２ ＣＰＵ
２２１４ ＲＡＭ
２２１６ グラフィックコントローラ
２２１８ ディスプレイデバイス
２２２０ 入／出力コントローラ
２２２２ 通信インターフェイス
２２２４ ハードディスクドライブ
２２２６ ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ
２２３０ ＲＯＭ
２２４０ 入／出力チップ
２２４２ キーボード

Claims (12)

1. 各々が磁気抵抗素子と前記磁気抵抗素子の一端および他端の少なくともいずれか一方に配置された磁気収束板とを有する磁気センサを複数有し、磁場を３軸方向で検出可能な複数の磁気センサセルを三次元に配列して構成される磁気センサアレイと、
   複数の前記磁気センサのそれぞれが出力するアナログの検出信号をデジタルの計測データに変換する複数のＡＤ変換器と、
   前記デジタルの計測データを取得する磁場取得部と、
   前記磁場取得部からの前記デジタルの計測データを、主軸感度、他軸感度、および、オフセットの少なくともいずれかを用いて較正する較正演算部と、
   前記デジタルの計測データを較正した磁場計測データを用いて、勾配磁場を算出する勾配磁場演算部と、を備え、
   前記勾配磁場演算部は、前記複数の磁気センサセルのうちの隣接する磁気センサセル間で計測された前記磁場計測データを用いて、隣接する磁気センサセル間の磁場の差分を算出することで、３軸方向の全ての磁場に対して三次元の前記勾配磁場を算出する、
   磁場計測装置。
2. 前記３軸方向と前記三次元の方向とが同一方向である請求項１に記載の磁場計測装置。
3. 前記勾配磁場演算部は、複数の前記隣接する磁気センサセル間で計測された前記計測データを用いて２次以上の前記勾配磁場を算出する請求項１または２に記載の磁場計測装置。
4. 前記勾配磁場演算部は、前記隣接する磁気センサセル間で計測された前記計測データを用いて前記隣接する磁気センサセル間の磁場の差分を算出する請求項１から３のいずれか一項に記載の磁場計測装置。
5. 前記複数の磁気センサセルは、各々が前記磁気センサとコイルとを有する複数のセンサ部を有し、
   前記複数のセンサ部は、前記三次元方向それぞれから見て互いに重ならないように配置されている請求項１から４のいずれか一項に記載の磁場計測装置。
6. 前記複数のセンサ部は、前記複数のセンサ部の間に設けるギャップに一端が設けられ、他端が前記ギャップから離れるように前記３軸方向の各軸方向に延伸して配置されている請求項５に記載の磁場計測装置。
7. 前記勾配磁場演算部が算出した前記勾配磁場に基づいて前記磁気センサアレイの故障を判定する故障判定部を更に備える請求項１から６のいずれか一項に記載の磁場計測装置。
8. 前記故障判定部は、前記勾配磁場に基づいて前記複数の磁気センサセルのうちの任意の磁気センサセルの位置における磁場の回転を示す値を算出し、前記磁場の回転を示す値が第１の閾値以上である場合に、前記磁気センサアレイが故障していると判定する請求項７に記載の磁場計測装置。
9. 前記故障判定部は、前記勾配磁場に基づいて前記複数の磁気センサセルのうちの任意の磁気センサセルの位置における磁場の発散を示す値を算出し、前記磁場の発散を示す値が
   第２の閾値以上である場合に、前記磁気センサアレイが故障していると判定する請求項７または８に記載の磁場計測装置。
10. 前記較正演算部は、前記複数の磁気センサセル同士の姿勢を補正する演算を行う、請求項１から９のいずれか一項に記載の磁場計測装置。
11. 磁場計測装置が磁場を計測する磁場計測方法であって、
    前記磁場計測装置が、各々が磁気抵抗素子と前記磁気抵抗素子の一端および他端の少なくともいずれか一方に配置された磁気収束板とを有する磁気センサを複数有し、磁場を３軸方向で検出可能な複数の磁気センサセルを三次元に配列して構成される磁気センサアレイにおける複数の前記磁気センサのそれぞれが出力するアナログの検出信号をデジタルの計測データに変換することと、
    前記デジタルの計測データを取得することと、
    前記デジタルの計測データを、主軸感度、他軸感度、および、オフセットの少なくともいずれかを用いて較正することと、
    前記デジタルの計測データを較正した磁場計測データを用いて、勾配磁場を算出することと、を備え、
    前記勾配磁場を算出することは、前記複数の磁気センサセルのうちの隣接する磁気センサセル間で計測された前記磁場計測データを用いて、隣接する磁気センサセル間の磁場の差分を算出することで、３軸方向の全ての磁場に対して三次元の前記勾配磁場を算出することを含む、
    磁場計測方法。
12. コンピュータにより実行されて、前記コンピュータを、
    各々が磁気抵抗素子と前記磁気抵抗素子の一端および他端の少なくともいずれか一方に配置された磁気収束板とを有する磁気センサを複数有し、磁場を３軸方向で検出可能な複数の磁気センサセルを三次元に配列して構成される磁気センサアレイにおける複数の前記磁気センサのそれぞれが出力するアナログの検出信号をデジタルの計測データに変換する複数のＡＤ変換器と、
    前記デジタルの計測データを取得する磁場取得部と、
    前記磁場取得部からの前記デジタルの計測データを、主軸感度、他軸感度、および、オフセットの少なくともいずれかを用いて較正する較正演算部と、
    前記デジタルの計測データを較正した磁場計測データを用いて、勾配磁場を算出する勾配磁場演算部であって、前記複数の磁気センサセルのうちの隣接する磁気センサセル間で計測された前記磁場計測データを用いて、隣接する磁気センサセル間の磁場の差分を算出することで、３軸方向の全ての磁場に対して三次元の前記勾配磁場を算出する、勾配磁場演算部と、
    して機能させる磁場計測プログラム。