JP2829375B2 - 微弱磁界測定装置及び測定方法 - Google Patents
微弱磁界測定装置及び測定方法Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/24—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、大きな背景磁界中で微
弱磁界を分離測定するために、マグネトメータのピック
アップ部が背景磁界中で振動して生じる非定常ノイズ成
分を適宜低減・除去し、微弱磁界を高い精度で計測可能
とする微弱磁界測定装置を提供するものである。本発明
の産業上の利用分野は、生体磁気計測、脳磁界計測等の
生体磁気利用医療診断、脳磁界計測装置及び位置センサ
による精密測定装置、非破壊検査装置、位置トラッキン
グ装置等である。
弱磁界を分離測定するために、マグネトメータのピック
アップ部が背景磁界中で振動して生じる非定常ノイズ成
分を適宜低減・除去し、微弱磁界を高い精度で計測可能
とする微弱磁界測定装置を提供するものである。本発明
の産業上の利用分野は、生体磁気計測、脳磁界計測等の
生体磁気利用医療診断、脳磁界計測装置及び位置センサ
による精密測定装置、非破壊検査装置、位置トラッキン
グ装置等である。
【０００２】
【従来の技術】けた違いに大きい直流あるいは直流に近
い低周波磁界の存在する環境で、微弱な交流磁界を計測
しようとする時、検出感度が方向によって異なるマグネ
トメータのピックアップ部が背景をなす磁界中でわずか
でも振動すると、たとえ背景磁界が直流であっても、振
動と同じ周波数の交流出力が現れこれがノイズ又は測定
誤差の原因となる。
い低周波磁界の存在する環境で、微弱な交流磁界を計測
しようとする時、検出感度が方向によって異なるマグネ
トメータのピックアップ部が背景をなす磁界中でわずか
でも振動すると、たとえ背景磁界が直流であっても、振
動と同じ周波数の交流出力が現れこれがノイズ又は測定
誤差の原因となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】振動周波数が、被測定
磁界周波数帯とオーバラップしていると測定を妨げるノ
イズとなる。特に振動が非定常であると、振動性ノイズ
のフィルタリングは困難となる。このような問題は、実
際、磁気シールドルーム内での脳磁界（ｐＴオーダ）計
測において問題となっている。すなわち、磁気シールド
内残留磁界中でＳＱＵＩＤマグネトメータのピックアッ
プ部の振動周波数は脳磁界周波数帯（0.1ヘルツ〜30ヘ
ルツ）にオーバラップすることが多く、また振動は人の
活動に起因する非定常であるのでフィルタでノイズ成分
を分離除去することができない。この振動に対する問題
は、装置全体の剛性を増す建築設計で回避する方法があ
るが、（例えば、阿部他：第７回日本生体磁気学会大会
論文集Ｂ２−12，1992）十分な効果を上げていない。
磁界周波数帯とオーバラップしていると測定を妨げるノ
イズとなる。特に振動が非定常であると、振動性ノイズ
のフィルタリングは困難となる。このような問題は、実
際、磁気シールドルーム内での脳磁界（ｐＴオーダ）計
測において問題となっている。すなわち、磁気シールド
内残留磁界中でＳＱＵＩＤマグネトメータのピックアッ
プ部の振動周波数は脳磁界周波数帯（0.1ヘルツ〜30ヘ
ルツ）にオーバラップすることが多く、また振動は人の
活動に起因する非定常であるのでフィルタでノイズ成分
を分離除去することができない。この振動に対する問題
は、装置全体の剛性を増す建築設計で回避する方法があ
るが、（例えば、阿部他：第７回日本生体磁気学会大会
論文集Ｂ２−12，1992）十分な効果を上げていない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、大きな背景磁
界中で微弱交流磁界を分離測定するために、マグネトメ
ータピックアップ部が背景磁界中で振動して生じる非定
常ノイズ成分に応答して適宜低減・除去し、微弱交流磁
界を高い精度で計測可能とする微弱磁界測定装置を提供
することを目的とするものである。
界中で微弱交流磁界を分離測定するために、マグネトメ
ータピックアップ部が背景磁界中で振動して生じる非定
常ノイズ成分に応答して適宜低減・除去し、微弱交流磁
界を高い精度で計測可能とする微弱磁界測定装置を提供
することを目的とするものである。
【０００５】本発明は、ｘ，ｙ，ｚの空間座標のうち
ｘ，ｙ軸方向の微小な回転を妨げない支点に支持された
地磁気等の背景磁界に対する磁界センサとしてのマグネ
トメータと、その先端に位置しｚ軸方向の指向性をもっ
たピックアップ部分の振動を検出するセンサ部分と、マ
グネトメータの支持部に前記ピックアップ部の位置検出
のための参照信号を求めるための前記ｘ軸及びｙ軸にそ
れぞれ勾配の方向が平行で互に直交する交流線形勾配磁
界とを設けたものにおいて、前記交流線形勾配磁界の周
波数は被測定磁界である前記背景磁界の周波数より高く
設定し、前記ｘ軸及びｙ軸に勾配の方向が平行で互に直
交する１対の交流線形勾配磁界に対して互に直交する２
対の平行線状導体に流れる交流電流（ｉｘ，ｉｙ）を前
記マグネトメータのピックアップ部近傍の導体に流すこ
とにより、人為的に参照磁界として発生させた交流勾配
線形磁界をもちいて、マグネトメータピックアップ部分
の振動を非接触に検出することを特徴とする微弱磁界測
定方法にある。本発明の更に他の目的とする所は、磁界
センサとしてのマグネトメータの直交するｘ及びｙ軸方
向に勾配を持つ互いに異なる周波数（ｆ1 Ｈｚ，ｆ2 Ｈ
ｚ）の交流線形勾配磁界成分と被検出磁界成分及び背景
磁界に対する磁界センサのピックアップ部の振動を検出
した振動ノイズ成分とを磁界センサで検出し、この出力
からローパスフィルタを通じて被検出磁界成分と振動ノ
イズ成分を取り出す工程と、磁界センサの出力を同期検
波器でそれぞれの周波数成分（ｆ1 Ｈｚ成分及びｆ2 Ｈ
ｚ成分）を同期検波し、その２つの検波出力からそのピ
ックアップコイルの面の法線ベクトルの成分を求めて背
景磁界の鎖交磁束変化分を求めそれに感度係数をかけて
振動ノイズ成分の推定値を求める工程と、前記被検出磁
界成分と振動ノイズ成分より振動ノイズ成分の推定値を
差引し、被検出磁界成分を求める工程とより成り、前記
被検出磁界成分と振動ノイズ成分から同期検波器より得
られた振動ノイズ成分の推定値を差引して、磁界センサ
の振動に対応して磁界センサの出力に含まれる振動ノイ
ズを適宜低減、除去することを特徴とする微弱磁界測定
方法にある。
ｘ，ｙ軸方向の微小な回転を妨げない支点に支持された
地磁気等の背景磁界に対する磁界センサとしてのマグネ
トメータと、その先端に位置しｚ軸方向の指向性をもっ
たピックアップ部分の振動を検出するセンサ部分と、マ
グネトメータの支持部に前記ピックアップ部の位置検出
のための参照信号を求めるための前記ｘ軸及びｙ軸にそ
れぞれ勾配の方向が平行で互に直交する交流線形勾配磁
界とを設けたものにおいて、前記交流線形勾配磁界の周
波数は被測定磁界である前記背景磁界の周波数より高く
設定し、前記ｘ軸及びｙ軸に勾配の方向が平行で互に直
交する１対の交流線形勾配磁界に対して互に直交する２
対の平行線状導体に流れる交流電流（ｉｘ，ｉｙ）を前
記マグネトメータのピックアップ部近傍の導体に流すこ
とにより、人為的に参照磁界として発生させた交流勾配
線形磁界をもちいて、マグネトメータピックアップ部分
の振動を非接触に検出することを特徴とする微弱磁界測
定方法にある。本発明の更に他の目的とする所は、磁界
センサとしてのマグネトメータの直交するｘ及びｙ軸方
向に勾配を持つ互いに異なる周波数（ｆ1 Ｈｚ，ｆ2 Ｈ
ｚ）の交流線形勾配磁界成分と被検出磁界成分及び背景
磁界に対する磁界センサのピックアップ部の振動を検出
した振動ノイズ成分とを磁界センサで検出し、この出力
からローパスフィルタを通じて被検出磁界成分と振動ノ
イズ成分を取り出す工程と、磁界センサの出力を同期検
波器でそれぞれの周波数成分（ｆ1 Ｈｚ成分及びｆ2 Ｈ
ｚ成分）を同期検波し、その２つの検波出力からそのピ
ックアップコイルの面の法線ベクトルの成分を求めて背
景磁界の鎖交磁束変化分を求めそれに感度係数をかけて
振動ノイズ成分の推定値を求める工程と、前記被検出磁
界成分と振動ノイズ成分より振動ノイズ成分の推定値を
差引し、被検出磁界成分を求める工程とより成り、前記
被検出磁界成分と振動ノイズ成分から同期検波器より得
られた振動ノイズ成分の推定値を差引して、磁界センサ
の振動に対応して磁界センサの出力に含まれる振動ノイ
ズを適宜低減、除去することを特徴とする微弱磁界測定
方法にある。
【０００６】
【実施例】本発明の実施例を図１，図２に示す。本発明
は、大きく分けて２つの構成要素からなる。図１は、測
定対象磁界（低周波微弱磁界）及び背景磁界（地磁気）
に対するマグネトメータ（磁界センサ）のピックアップ
部の振動を検出する部分である。図２は得られた振動モ
ードの情報と、背景磁界分布の情報から振動によって発
生する低周波磁気ノイズを予測生成し、生の計測結果か
らその影響を信号処理によって除去する部分である。図
１のマグネトメータ１はｘ，ｙ軸まわりの微小な回転を
妨げない支点によって支持されており、振動ノイズが発
生しやすい構造となっているが、これは、本発明の振動
ノイズ低減効果を示すために取った構造である。ここ
で、マグネトメータ１のピックアップ部は、マグネトメ
ータ１の下端に位置しておりｚ軸方向の指向性を持って
いる。ピックアップ部の振動モードは、ピックアップ部
の位置と簡単な振り子運動を仮定して同定される。ピッ
クアップ部の位置検出のための参照信号として交流線形
勾配磁界３を使用する。この周波数は、被測定磁界に干
渉しないよう被測定磁界の周波数より十分高いところに
設定する。本例では、２次元振り子的に振動する場合を
仮定して、勾配の方向が互いに直交する１対の交流線形
勾配磁界３Ａ，３Ｂを、互いに直交する２対の線状導体
５Ａ，５Ｂにながれる交流電流によって与えている。こ
の場合、交流線形勾配磁界３Ａ，３Ｂの周波数は異なら
せる。たとえば、ｉx はｆ1 Ｈz ，ｉy はｆ2 Ｈz （ｆ
1 ≠ｆ2 ）の交流電流とする。ｘ方向，ｙ方向の位置
は、それぞれ、ｆ1 Ｈz に同調した同期検波器とｆ2 Ｈ
z に同調した同期検波器によって独立に検出される。
は、大きく分けて２つの構成要素からなる。図１は、測
定対象磁界（低周波微弱磁界）及び背景磁界（地磁気）
に対するマグネトメータ（磁界センサ）のピックアップ
部の振動を検出する部分である。図２は得られた振動モ
ードの情報と、背景磁界分布の情報から振動によって発
生する低周波磁気ノイズを予測生成し、生の計測結果か
らその影響を信号処理によって除去する部分である。図
１のマグネトメータ１はｘ，ｙ軸まわりの微小な回転を
妨げない支点によって支持されており、振動ノイズが発
生しやすい構造となっているが、これは、本発明の振動
ノイズ低減効果を示すために取った構造である。ここ
で、マグネトメータ１のピックアップ部は、マグネトメ
ータ１の下端に位置しておりｚ軸方向の指向性を持って
いる。ピックアップ部の振動モードは、ピックアップ部
の位置と簡単な振り子運動を仮定して同定される。ピッ
クアップ部の位置検出のための参照信号として交流線形
勾配磁界３を使用する。この周波数は、被測定磁界に干
渉しないよう被測定磁界の周波数より十分高いところに
設定する。本例では、２次元振り子的に振動する場合を
仮定して、勾配の方向が互いに直交する１対の交流線形
勾配磁界３Ａ，３Ｂを、互いに直交する２対の線状導体
５Ａ，５Ｂにながれる交流電流によって与えている。こ
の場合、交流線形勾配磁界３Ａ，３Ｂの周波数は異なら
せる。たとえば、ｉx はｆ1 Ｈz ，ｉy はｆ2 Ｈz （ｆ
1 ≠ｆ2 ）の交流電流とする。ｘ方向，ｙ方向の位置
は、それぞれ、ｆ1 Ｈz に同調した同期検波器とｆ2 Ｈ
z に同調した同期検波器によって独立に検出される。
【０００７】図２は、本発明の原理説明用のブロック線
図である。センサ（マグネトメータ）７の入力端６に
は、被検出磁界、センサの振動を検出するのに使うｆ1
Ｈｚとｆ2 Ｈｚの線形勾配磁界、及び振動ノイズの発生
要因で不可避的に存在する背景磁界が重畳したものが入
力として入る。センサ７はこの入力に比例した電圧を出
力する。センサがわずかでも振動すると、背景磁界の一
部がセンサの振動周波数と同じ変動磁界として観測さ
れ、これがセンサ出力に振動ノイズを引き起こす。交流
線形勾配磁界、被検出磁界に対応する出力と振動ノイズ
が混合された出力をローパスフィルタ８に通して、交流
線形勾配磁界に対する出力成分を落とし、求めたい被検
出磁界に対する出力成分とそれに混入している振動ノイ
ズとを次の引算器10に送る。また一方、位置情報を含む
ｆ1 Ｈｚとｆ2 Ｈｚの交流線形勾配磁界に対するセンサ
の出力成分は２つの同期検波器12，13で分離検波され、
ｆ1Ｈｚ成分はＧｘΔｘに比例する出力を、ｆ2 Ｈｚ成
分はＧｙΔｙに比例する出力を与える。ここで、Ｇx ，
Ｇy は線状導体５Ａ，５Ｂの間隔及び電流値によって決
まる定数で事前に求められるので、各同期検波器出力か
ら、センサの基準点からの振動変位Δｘ，Δｙを求める
ことができる。計数回路16では、マグネトメータのピッ
クアップコイル部の位置情報Δｘ，Δｙからピックアッ
プコイルの法線ベクトルのｘ，ｙ成分αx ，αy を計算
し、それから更に振動によってピックアップコイルに鎖
交する磁束のｘ成分Δφx ，ｙ成分Δφy の値を予測的
に固定する回路である。Δφx ，Δφy を次の計数回路
17に送り、ここでセンサに含まれるであろう振動ノイズ
成分ΔＶ＝ｋ（Δφx ＋Δφy ）（但し、ｋは感度係
数）を求める。計数回路17は、振動ノイズの推定値ΔＶ
を次の引算回路10に送り、被検出磁界に対する出力と振
動ノイズとの混合値より振動ノイズを引算し、被検出磁
界のみを求めるのである。上記一連の計算は以下のよう
にする。
図である。センサ（マグネトメータ）７の入力端６に
は、被検出磁界、センサの振動を検出するのに使うｆ1
Ｈｚとｆ2 Ｈｚの線形勾配磁界、及び振動ノイズの発生
要因で不可避的に存在する背景磁界が重畳したものが入
力として入る。センサ７はこの入力に比例した電圧を出
力する。センサがわずかでも振動すると、背景磁界の一
部がセンサの振動周波数と同じ変動磁界として観測さ
れ、これがセンサ出力に振動ノイズを引き起こす。交流
線形勾配磁界、被検出磁界に対応する出力と振動ノイズ
が混合された出力をローパスフィルタ８に通して、交流
線形勾配磁界に対する出力成分を落とし、求めたい被検
出磁界に対する出力成分とそれに混入している振動ノイ
ズとを次の引算器10に送る。また一方、位置情報を含む
ｆ1 Ｈｚとｆ2 Ｈｚの交流線形勾配磁界に対するセンサ
の出力成分は２つの同期検波器12，13で分離検波され、
ｆ1Ｈｚ成分はＧｘΔｘに比例する出力を、ｆ2 Ｈｚ成
分はＧｙΔｙに比例する出力を与える。ここで、Ｇx ，
Ｇy は線状導体５Ａ，５Ｂの間隔及び電流値によって決
まる定数で事前に求められるので、各同期検波器出力か
ら、センサの基準点からの振動変位Δｘ，Δｙを求める
ことができる。計数回路16では、マグネトメータのピッ
クアップコイル部の位置情報Δｘ，Δｙからピックアッ
プコイルの法線ベクトルのｘ，ｙ成分αx ，αy を計算
し、それから更に振動によってピックアップコイルに鎖
交する磁束のｘ成分Δφx ，ｙ成分Δφy の値を予測的
に固定する回路である。Δφx ，Δφy を次の計数回路
17に送り、ここでセンサに含まれるであろう振動ノイズ
成分ΔＶ＝ｋ（Δφx ＋Δφy ）（但し、ｋは感度係
数）を求める。計数回路17は、振動ノイズの推定値ΔＶ
を次の引算回路10に送り、被検出磁界に対する出力と振
動ノイズとの混合値より振動ノイズを引算し、被検出磁
界のみを求めるのである。上記一連の計算は以下のよう
にする。
【０００８】図５のようにピックアップコイル５の面の
法線ベクトル（ループ面の下向き法線方向を正とする）
の成分を（αｘ，αｙ，αｚ）とすると、振動が小さい
範囲で（振り子の腕の長さＬ≫Δｘ，Δｙ）で
法線ベクトル（ループ面の下向き法線方向を正とする）
の成分を（αｘ，αｙ，αｚ）とすると、振動が小さい
範囲で（振り子の腕の長さＬ≫Δｘ，Δｙ）で
【数１】 αｘ＝Δｘ／Ｌ αｙ＝Δｙ／Ｌ αｚ≒１ --------- (1) となる。地磁気のベクトル成分を（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈ
ｚ）、真空の透磁率μo 、ピックアップコイル面積をＳ
とすれば、マグネトメータ出力Ｖは、感度をｋとして、
ｚ）、真空の透磁率μo 、ピックアップコイル面積をＳ
とすれば、マグネトメータ出力Ｖは、感度をｋとして、
【数２】 Ｖ＝ｋ・μｏ・Ｓ・（Ｈｘ・αｘ＋Ｈｙ・αｙ＋Ｈｚ・αｚ） ＝ｋ（Δφx ＋Δφy ＋φz ） ---------- (2) ここに、Δφx ＝μo ＳＨx αx ，Δφy ＝μo ＳＨy αy ， φz ＝μo ＳＨz αz ≒μo ＳＨz である。第３項は振
動はなく、静止した基準状態での出力とみなせるので、
振動による出力成分ΔＶは、ΔＶ＝ｋ（Δφx ＋Δ
φy ）と書ける。以上の原理説明では、被検出磁界を検
出するセンサ自体に振動を知るための交流線形勾配磁界
を分離検出する機能を組み込んだ場合であるが、多チャ
ネルセンサシステムでは各センサが相互に固定されるの
で、必ずしも全てのセンサについて前記機能を組み込む
必要はない。複数あるセンサの内のいくつかに対し本発
明の機能を組み込むか、あるいは、特定少数のセンサを
振動検出のみに特定し、振動を精度よく検出すれば、こ
れを用いて振動ノイズを推定し、打ち消すことができ
る。
動はなく、静止した基準状態での出力とみなせるので、
振動による出力成分ΔＶは、ΔＶ＝ｋ（Δφx ＋Δ
φy ）と書ける。以上の原理説明では、被検出磁界を検
出するセンサ自体に振動を知るための交流線形勾配磁界
を分離検出する機能を組み込んだ場合であるが、多チャ
ネルセンサシステムでは各センサが相互に固定されるの
で、必ずしも全てのセンサについて前記機能を組み込む
必要はない。複数あるセンサの内のいくつかに対し本発
明の機能を組み込むか、あるいは、特定少数のセンサを
振動検出のみに特定し、振動を精度よく検出すれば、こ
れを用いて振動ノイズを推定し、打ち消すことができ
る。
【０００９】図３は、振動モード検出原理について示
す。図３（Ａ）はｘ軸方向に線形勾配を持つｚ軸方向交
流磁界を、図３（Ｂ）はｙ軸方向に線形勾配を持つｚ軸
方向交流磁界を示す。ここで、周波数は前者はｆ1 ヘル
ツ、後者がｆ2 ヘルツでｆ1 ≠ｆ2 である。図３（Ｃ）
はｚ軸方向に線形勾配をもつ線形勾配磁界（ｆ1 ≠ｆ
2，ｆ2 ≠ｆ3 ，ｆ3 ≠ｆ1 ）を示す。
す。図３（Ａ）はｘ軸方向に線形勾配を持つｚ軸方向交
流磁界を、図３（Ｂ）はｙ軸方向に線形勾配を持つｚ軸
方向交流磁界を示す。ここで、周波数は前者はｆ1 ヘル
ツ、後者がｆ2 ヘルツでｆ1 ≠ｆ2 である。図３（Ｃ）
はｚ軸方向に線形勾配をもつ線形勾配磁界（ｆ1 ≠ｆ
2，ｆ2 ≠ｆ3 ，ｆ3 ≠ｆ1 ）を示す。
【００１０】ここで、各勾配磁界は背景磁界を記述する
空間座標系に固定されており、例えば、各勾配方向は空
間座標系ｘ，ｙ，ｚのｘ，ｙ各軸に平行方向である。例
として、背景磁界が地磁気の場合には、線形勾配磁界の
勾配方向はたとえば東西南北及び鉛直の各方向からなる
座標系に対し固定すればよい。図１の構成では、磁界は
全てｚ成分としているがこれに限定するものではない。
しかし、このように参照勾配磁界の成分を同一方向に揃
えられる場合は、１個のマグネトメータにて各成分を同
時に検出することができる。磁界信号源からの磁界のｚ
成分も同時にこのマグネトメータで測定することができ
る。いま、図１のような配置で、マグネトメータのピッ
クアップコイルがｘ−ｙ面で振動すると、マグネトメー
タ１の出力には、ｆ1 ，ｆ2 ヘルツの各成分をキャリア
波形とする振幅変調波形が現れる。振幅変調の大きさが
基準点（支点を通る鉛直線がｘ−ｙ平面と交わる点）か
らの相対変位に対応する。ここで、各成分の周波数を互
いに異ならせているので、狭帯域の同期検波器（例えば
ロックインアンプ）によって各成分を分離検出できる。
このとき、各成分の検波出力は相対変位の各成分に比例
する。すなわち、ｘ軸方向を例にとれば、相対変位Δｘ
は、センサ出力をΔＶ〔ボルト〕その感度をｋ〔ボルト
／ガウス〕、磁界振幅勾配をＧｘ〔ガウス／cm〕とする
と、
空間座標系に固定されており、例えば、各勾配方向は空
間座標系ｘ，ｙ，ｚのｘ，ｙ各軸に平行方向である。例
として、背景磁界が地磁気の場合には、線形勾配磁界の
勾配方向はたとえば東西南北及び鉛直の各方向からなる
座標系に対し固定すればよい。図１の構成では、磁界は
全てｚ成分としているがこれに限定するものではない。
しかし、このように参照勾配磁界の成分を同一方向に揃
えられる場合は、１個のマグネトメータにて各成分を同
時に検出することができる。磁界信号源からの磁界のｚ
成分も同時にこのマグネトメータで測定することができ
る。いま、図１のような配置で、マグネトメータのピッ
クアップコイルがｘ−ｙ面で振動すると、マグネトメー
タ１の出力には、ｆ1 ，ｆ2 ヘルツの各成分をキャリア
波形とする振幅変調波形が現れる。振幅変調の大きさが
基準点（支点を通る鉛直線がｘ−ｙ平面と交わる点）か
らの相対変位に対応する。ここで、各成分の周波数を互
いに異ならせているので、狭帯域の同期検波器（例えば
ロックインアンプ）によって各成分を分離検出できる。
このとき、各成分の検波出力は相対変位の各成分に比例
する。すなわち、ｘ軸方向を例にとれば、相対変位Δｘ
は、センサ出力をΔＶ〔ボルト〕その感度をｋ〔ボルト
／ガウス〕、磁界振幅勾配をＧｘ〔ガウス／cm〕とする
と、
【数３】 Δｘ＝ΔＶ／（ｋＧｘ） --------- (3) と表される。Δｘが負であれば、振幅変調の位相が反転
するので、ΔＶも負になる。位置分解能は磁界振幅勾配
Ｇｘとマグネトメータの分解能Ｂn に依存し、ｘ軸方向
の分解能はΔｘn ＝Ｂn ／Ｇｘで表される。ｙに対して
も同様である。この例では、２次元的に振動する場合を
示したが、マグネトメータの感度軸方向（図１でｚ軸方
向）に振動する場合は、更に図３（ｃ）に示すｚ軸方向
に線形勾配を持つ交流磁界（ｆ3 ヘルツ，ｆ3 ≠ｆ2 ，
ｆ3 ≠ｆ1 ）を重畳すればよい。
するので、ΔＶも負になる。位置分解能は磁界振幅勾配
Ｇｘとマグネトメータの分解能Ｂn に依存し、ｘ軸方向
の分解能はΔｘn ＝Ｂn ／Ｇｘで表される。ｙに対して
も同様である。この例では、２次元的に振動する場合を
示したが、マグネトメータの感度軸方向（図１でｚ軸方
向）に振動する場合は、更に図３（ｃ）に示すｚ軸方向
に線形勾配を持つ交流磁界（ｆ3 ヘルツ，ｆ3 ≠ｆ2 ，
ｆ3 ≠ｆ1 ）を重畳すればよい。
【００１１】ｉｘをｆ1 ＝400 ヘルツ、ｉｙをｆ2 ＝10
00ヘルツ、各117 ｍＡとしたときのマグネトメータ１の
ピックアップ部２の振動軌跡を図４に示す。直交した線
形勾配磁界３Ａ，３Ｂとｚ軸方向に指向性を有するマグ
ネトメータ１によって位置が正確に測定できることがわ
かる。ここで、振り子運動する腕の長さＬ（マグネトメ
ータ１の下端部から支点までの長さ）は約100cm であ
る。
00ヘルツ、各117 ｍＡとしたときのマグネトメータ１の
ピックアップ部２の振動軌跡を図４に示す。直交した線
形勾配磁界３Ａ，３Ｂとｚ軸方向に指向性を有するマグ
ネトメータ１によって位置が正確に測定できることがわ
かる。ここで、振り子運動する腕の長さＬ（マグネトメ
ータ１の下端部から支点までの長さ）は約100cm であ
る。
【００１２】図６の実線の波形は、ピックアップ部２の
わずかな振動により生じた振動ノイズ成分である。地磁
気の鉛直成分が約320 ｍＧあるために、わずかな振動で
も振動ノイズ成分が±1.5 ｍＧ発生しており、これより
小さな磁界の測定は困難となる。これに対し、図６の破
線が(1) ，(2) 式から計算された振動ノイズ成分の推定
値で、振動ノイズ成分の実測値からこの推定値を差し引
いたものが図７である。実験ではアクティブフィルタの
ノイズが混入しているが、系統的な誤差は見られない。
ちなみに、このとき誤差は１／10程度に低減されてお
り、本発明になる装置の振動ノイズ低減効果は顕著であ
る。受動素子によるフィルタを使用すれば回路のノイズ
は問題なくなる。
わずかな振動により生じた振動ノイズ成分である。地磁
気の鉛直成分が約320 ｍＧあるために、わずかな振動で
も振動ノイズ成分が±1.5 ｍＧ発生しており、これより
小さな磁界の測定は困難となる。これに対し、図６の破
線が(1) ，(2) 式から計算された振動ノイズ成分の推定
値で、振動ノイズ成分の実測値からこの推定値を差し引
いたものが図７である。実験ではアクティブフィルタの
ノイズが混入しているが、系統的な誤差は見られない。
ちなみに、このとき誤差は１／10程度に低減されてお
り、本発明になる装置の振動ノイズ低減効果は顕著であ
る。受動素子によるフィルタを使用すれば回路のノイズ
は問題なくなる。
【００１３】本発明を図８（Ａ）の円筒型の磁気シール
ド内に構築する場合は、図８（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の
ような線形勾配磁界発生コイルを使用する。図８
（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）には各勾配磁界の分布を合わせ
て示している。図８（Ａ）のこれらのコイルは筒内側に
固定され、３つの異なった周波数によって駆動される。
この場合、各周波数は脳磁界のような測定対象とする磁
界の周波数より１桁程度あるいはそれ以上に高くする。
図８のコイルにつけられた矢印は電流の極性を示したも
ので、矢印が２個あるところは２倍の電流を流すところ
であることを示す。
ド内に構築する場合は、図８（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の
ような線形勾配磁界発生コイルを使用する。図８
（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）には各勾配磁界の分布を合わせ
て示している。図８（Ａ）のこれらのコイルは筒内側に
固定され、３つの異なった周波数によって駆動される。
この場合、各周波数は脳磁界のような測定対象とする磁
界の周波数より１桁程度あるいはそれ以上に高くする。
図８のコイルにつけられた矢印は電流の極性を示したも
ので、矢印が２個あるところは２倍の電流を流すところ
であることを示す。
【００１４】剛体運動は６つの自由度を持つので、基本
的にはこれら全てを検出できる方法が好ましいが、この
ためには検出コイルをただ１個のみでなくｘ軸方向及び
ｙ軸方向に指向性を持つ各ピックアップ部をさらに追加
し、参照磁界もｘ，ｙの各方向に成分を有する線形勾配
磁界を組み合わせればよい。また、一様な磁界もピック
アップ部の局所的回転を検出するのに使用することがで
きる。もちろん、これらの場合には、各磁界の周波数を
互いに異ならせる必要がある。
的にはこれら全てを検出できる方法が好ましいが、この
ためには検出コイルをただ１個のみでなくｘ軸方向及び
ｙ軸方向に指向性を持つ各ピックアップ部をさらに追加
し、参照磁界もｘ，ｙの各方向に成分を有する線形勾配
磁界を組み合わせればよい。また、一様な磁界もピック
アップ部の局所的回転を検出するのに使用することがで
きる。もちろん、これらの場合には、各磁界の周波数を
互いに異ならせる必要がある。
【００１５】
【発明の効果】本発明は、地磁気等の大きな背景磁界中
で低周波、微弱交流磁界例えば脳磁界等を分離測定する
ために、マグネトメータピックアップ部が前記背景磁界
中で振動して生ずる非定常ノイズ成分を適応的に低減除
去できる微弱磁界を高精度で計測可能とした微弱磁界計
測装置を提供できる工業上大なる効果がある。
で低周波、微弱交流磁界例えば脳磁界等を分離測定する
ために、マグネトメータピックアップ部が前記背景磁界
中で振動して生ずる非定常ノイズ成分を適応的に低減除
去できる微弱磁界を高精度で計測可能とした微弱磁界計
測装置を提供できる工業上大なる効果がある。
【００１６】本発明は生体磁気利用医療診断及び精密測
定の分野で応用が可能であり、具体的に適用できる機器
としては、脳磁界計測装置、非破壊検査装置、位置トラ
ッキング装置等である。
定の分野で応用が可能であり、具体的に適用できる機器
としては、脳磁界計測装置、非破壊検査装置、位置トラ
ッキング装置等である。
【図１】図１は測定対象磁界（低周波微弱磁界）及び背
景直流磁界（地磁気）に対するマグネトメータ（磁界セ
ンサ）のピックアップ部の振動を検出する部分の関係位
置を示す本発明の磁界測定部及び線形勾配磁界発生方法
の原理説明用配置図である。
景直流磁界（地磁気）に対するマグネトメータ（磁界セ
ンサ）のピックアップ部の振動を検出する部分の関係位
置を示す本発明の磁界測定部及び線形勾配磁界発生方法
の原理説明用配置図である。
【図２】図２は交流線形勾配磁界成分、被検出磁界成
分、振動ノイズ成分をセンサで検出し、被検出成分より
振動ノイズ成分を除去し、被検出磁界成分を求める測定
原理のブロック線図である。
分、振動ノイズ成分をセンサで検出し、被検出成分より
振動ノイズ成分を除去し、被検出磁界成分を求める測定
原理のブロック線図である。
【図３】図３（Ａ）は本発明による振動モード検出原理
を示すｘ軸方向に線形勾配を持つｚ軸方向の交流磁界を
示す図である。 図３（Ｂ）は同じく、ｙ軸方向に線形勾配を持つｚ軸方
向の交流磁界を示す図である。 図３（Ｃ）はｚ軸方向に線形勾配を持つ交流磁界を示す
図である。
を示すｘ軸方向に線形勾配を持つｚ軸方向の交流磁界を
示す図である。 図３（Ｂ）は同じく、ｙ軸方向に線形勾配を持つｚ軸方
向の交流磁界を示す図である。 図３（Ｃ）はｚ軸方向に線形勾配を持つ交流磁界を示す
図である。
【図４】図４はｉｘをｆ1 ＝400 ヘルツ，ｉｙをｆ2 ＝
1000ヘルツ，各117 ｍＡとしたときのマグネトメータピ
ックアップ部の振動軌跡を示す図である。
1000ヘルツ，各117 ｍＡとしたときのマグネトメータピ
ックアップ部の振動軌跡を示す図である。
【図５】図５は本発明のピックアップコイル面の法線ベ
クトルの成分（αx ，αy ，αz ）を示す図である。
クトルの成分（αx ，αy ，αz ）を示す図である。
【図６】図６の実線の波形は、ピックアップ部のわずか
な振動により生じた振動ノイズ成分、図６の波線は振動
ノイズ成分の推定値を示す図面である。
な振動により生じた振動ノイズ成分、図６の波線は振動
ノイズ成分の推定値を示す図面である。
【図７】図７は図６において示した振動ノイズ成分の実
測値より推定値を差し引いた誤差を示す図面である。
測値より推定値を差し引いた誤差を示す図面である。
【図８】図８（Ａ）は円筒磁気シールド、図８（Ｂ）は
ｘ成分コイル、図８（Ｃ）はｙ成分コイル、図８（Ｄ）
はｚ成分コイルをそれぞれ示す図である。
ｘ成分コイル、図８（Ｃ）はｙ成分コイル、図８（Ｄ）
はｚ成分コイルをそれぞれ示す図である。
１ マグネトメータ（磁界センサ） ２ ピックアップ部 ３Ａ，３Ｂ 交流線形勾配磁界 ４ 背景磁界の方向 ５Ａ，５Ｂ 線状導体 ６ 入力｛ｆ1 Ｈｚ，ｆ2 Ｈｚ成分、被検出磁界成分、
振動ノイズ成分｝ ７ 磁界センサ ８ ローパスフィルタ ９ ローパスフィルタ出力（被検出磁界成分，振動ノイ
ズ成分） １０ 引算回路 １１ 混合器出力（被検出磁界成分） １２ 同期検波器（ｆ1 Ｈｚ） １３ 同期検波器（ｆ2 Ｈｚ） １４ 同期検波器12の出力（ＧｘΔｘ） １５ 同期検波器13の出力（ＧｙΔｙ） １６ 計数回路（αx ，αy ，Δφx ，Δφy の予測計
数） １７ 計数回路（ΔＶ＝ｋ（Δφx ＋Δφy の計数）、
但しｋ：感度計数） １８ 計数回路17の出力（振動ノイズ成分の推定値）
振動ノイズ成分｝ ７ 磁界センサ ８ ローパスフィルタ ９ ローパスフィルタ出力（被検出磁界成分，振動ノイ
ズ成分） １０ 引算回路 １１ 混合器出力（被検出磁界成分） １２ 同期検波器（ｆ1 Ｈｚ） １３ 同期検波器（ｆ2 Ｈｚ） １４ 同期検波器12の出力（ＧｘΔｘ） １５ 同期検波器13の出力（ＧｙΔｙ） １６ 計数回路（αx ，αy ，Δφx ，Δφy の予測計
数） １７ 計数回路（ΔＶ＝ｋ（Δφx ＋Δφy の計数）、
但しｋ：感度計数） １８ 計数回路17の出力（振動ノイズ成分の推定値）
Claims (10)
- 【請求項１】 背景磁界の存在する空間で微弱低周波交
流磁界を検出する磁界センサと、背景磁界中で振動する
磁界センサの振動を検知する振動検出器と、前記磁界セ
ンサの振動によって前記磁界センサのピックアップコイ
ルへの鎖交磁束が変化して生じる振動性ノイズを予測し
打ち消すための信号処理手段を持つことを特徴とする微
弱磁界測定装置。 - 【請求項２】 磁界センサの振動を検出する振動検出器
が人為的に発生させた参照磁界を用いるものである請求
項１記載の微弱磁界測定装置。 - 【請求項３】 磁界センサの振動を検出する機構が、勾
配方向が互いに直交するよう重畳された２つ以上の交流
勾配磁界において互いの周波数を異ならせたものからな
る参照磁界と、前記勾配磁界を測定する磁界センサと、
前記磁界センサが前記勾配磁界中で微小振動するとき出
力に現れる前記各周波数をキャリアとする振幅変調波を
各周波数毎に分離検波する同期検波器とからなる請求項
１記載の微弱磁界測定装置。 - 【請求項４】 参照磁界が、勾配磁界と一様磁界とを組
み合わせたものよりなる請求項２記載の微弱磁界測定装
置。 - 【請求項５】 勾配磁界が線形勾配磁界である請求項３
記載の微弱磁界測定装置。 - 【請求項６】 ｘ，ｙ，ｚの空間座標のうちｘ，ｙ軸方
向の微小な回転を妨げない支点に支持された地磁気等の
背景磁界に対する磁界センサとしてのマグネトメータ
(1) と、その先端に位置しｚ軸方向の指向性をもったピ
ックアップ部分の振動を検出するセンサ部分(7) と、マ
グネトメータ(1) の支持部に前記ピックアップ部(2) の
位置検出のための参照信号を求めるための前記ｘ軸及び
ｙ軸にそれぞれ勾配の方向が平行で互に直交する交流線
形勾配磁界（３Ａ，３Ｂ）とを設けたものにおいて、前
記交流線形勾配磁界（３Ａ，３Ｂ）の周波数は被測定磁
界である前記背景磁界の周波数より高く設定し、前記ｘ
軸及びｙ軸に勾配の方向が平行で互に直交する１対の交
流線形勾配磁界（３Ａ，３Ｂ）に対して互に直交する２
対の平行線状導体に流れる交流電流（ｉｘ，ｉｙ）を前
記マグネトメータ(1) のピックアップ部(2) 近傍の導体
（５Ａ，５Ｂ）に流すことにより、人為的に参照磁界と
して発生させた交流勾配線形磁界（３Ａ，３Ｂ）をもち
いて、マグネトメータピックアップ部分の振動を非接触
に検出することを特徴とする微弱磁界測定方法。 - 【請求項７】 磁界センサとしてのマグネトメータ(1)
の直交するｘ及びｙ軸方向に勾配を持つ互いに異なる周
波数（ｆ1 Ｈｚ，ｆ2 Ｈｚ）の交流線形勾配磁界（３
Ａ，３Ｂ）成分と被検出磁界成分(6) 及び背景磁界に対
する磁界センサ(7)のピックアップ部(2) の振動を検出
した振動ノイズ成分とを磁界センサ(7) で検出し、この
出力からローパスフィルタ(8) を通じて被検出磁界成分
と振動ノイズ成分を取り出す工程と、磁界センサ(7) の
出力を同期検波器(12,13) でそれぞれの周波数成分（ｆ
1 Ｈｚ成分及びｆ2 Ｈｚ成分）を同期検波し、その２つ
の検波出力からそのピックアップコイルの面の法線ベク
トルの成分を求めて背景磁界の鎖交磁束変化分を求めそ
れに感度係数をかけて振動ノイズ成分の推定値(18)を求
める工程と、前記被検出磁界成分と振動ノイズ成分(9)
より振動ノイズ成分の推定値(18)を差引し、被検出磁界
成分(11)を求める工程とより成り、前記被検出磁界成分
と振動ノイズ成分(9) から同期検波器(12,13) より得ら
れた振動ノイズ成分の推定値(18)を差引して、磁界セン
サの振動に対応して磁界センサの出力に含まれる振動ノ
イズを適宜低減、除去することを特徴とする請求項６記
載の微弱磁界測定方法。 - 【請求項８】 人為的に発生させた参照磁界は周波数の
互いに異なる２つの交流磁界から成り、その成分はいず
れもｚ軸方向にあり、その勾配の方向はｘ軸方向及びｙ
軸方向に設けた勾配磁界である請求項６記載の微弱磁界
測定方法。 - 【請求項９】 参照磁界が、勾配磁界と一様磁界とを組
み合せたものより成る請求項６記載の微弱磁界測定方
法。 - 【請求項１０】 勾配磁界が線形勾配磁界（３Ａ，３
Ｂ）である請求項６記載の微弱磁界測定方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7052668A JP2829375B2 (ja) | 1995-03-13 | 1995-03-13 | 微弱磁界測定装置及び測定方法 |
| US08/526,928 US5686836A (en) | 1995-03-13 | 1995-09-12 | Apparatus for reducing noise due to sensor vibration during measurement of a weak magnetic field |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7052668A JP2829375B2 (ja) | 1995-03-13 | 1995-03-13 | 微弱磁界測定装置及び測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08248106A JPH08248106A (ja) | 1996-09-27 |
| JP2829375B2 true JP2829375B2 (ja) | 1998-11-25 |
Family
ID=12921258
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7052668A Expired - Lifetime JP2829375B2 (ja) | 1995-03-13 | 1995-03-13 | 微弱磁界測定装置及び測定方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5686836A (ja) |
| JP (1) | JP2829375B2 (ja) |
Families Citing this family (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5842986A (en) | 1995-08-16 | 1998-12-01 | Proton Sciences Corp. | Ferromagnetic foreign body screening method and apparatus |
| US6965792B2 (en) * | 1996-06-25 | 2005-11-15 | Mednovus, Inc. | Susceptometers for foreign body detection |
| US7047059B2 (en) * | 1998-08-18 | 2006-05-16 | Quantum Magnetics, Inc | Simplified water-bag technique for magnetic susceptibility measurements on the human body and other specimens |
| US20020115925A1 (en) * | 1996-06-25 | 2002-08-22 | Avrin William F. | Ferromagnetic foreign body detection utilizing eye movement |
| US6496713B2 (en) | 1996-06-25 | 2002-12-17 | Mednovus, Inc. | Ferromagnetic foreign body detection with background canceling |
| US20030216632A1 (en) * | 2001-10-29 | 2003-11-20 | Mednovus, Inc. | Ferromagnetic sensing method and apparatus |
| US20030083588A1 (en) * | 2001-10-29 | 2003-05-01 | Mcclure Richard J. | Pre-screening utilizing magnetic resonance imaging field |
| US20060038558A1 (en) * | 2004-08-20 | 2006-02-23 | The Boeing Company | Eddy current inspection device |
| US8518014B2 (en) * | 2005-10-25 | 2013-08-27 | Thomas M. Fassuliotis | Surgical suction instrument |
| US7383734B2 (en) * | 2006-01-31 | 2008-06-10 | Medtronic, Inc. | Simulation of magnetic field induced vibrations in implantable medical devices |
| US8456159B2 (en) * | 2010-01-15 | 2013-06-04 | Vale S.A. | Stabilization system for sensors on moving platforms |
| US20130121879A1 (en) * | 2010-07-21 | 2013-05-16 | Hitachi, Ltd. | Magnetic-Field Measurement Device |
| EP2600164A4 (en) * | 2010-07-30 | 2016-03-30 | Mitsubishi Electric Corp | MAGNETIC SENSOR DEVICE |
| US9915552B2 (en) * | 2013-11-19 | 2018-03-13 | Infineon Technologies Ag | Perpendicular gradiometric angle sensors, systems and methods |
| CN110632536A (zh) * | 2019-09-09 | 2019-12-31 | 电子科技大学 | 一种三分量磁通门传感器信号处理电路 |
| CN112526415B (zh) * | 2020-11-27 | 2022-02-11 | 北京航空航天大学 | 一种基于线性调频信号的磁屏蔽系数快速测量方法及装置 |
| CN112881953B (zh) * | 2021-01-11 | 2023-04-28 | 中国科学院国家空间科学中心 | 一种用于极弱剩磁材料的测量装置及测量方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3557777A (en) * | 1967-05-04 | 1971-01-26 | David Cohen | Magnetic study of bioelectric phenomena |
| US4362992A (en) * | 1978-01-30 | 1982-12-07 | Sperry Limited | System and method of detecting the proximity of an alternating magnetic field |
| US4913152A (en) * | 1988-04-28 | 1990-04-03 | The Johns Hopkins University | Magnetoencephalograph (MEG) using a multi-axis magnetic gradiometer for localization and tracking of neuromagnetic signals |
| JP3106701B2 (ja) * | 1992-06-29 | 2000-11-06 | ダイキン工業株式会社 | 生体磁場計測装置 |
-
1995
- 1995-03-13 JP JP7052668A patent/JP2829375B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1995-09-12 US US08/526,928 patent/US5686836A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08248106A (ja) | 1996-09-27 |
| US5686836A (en) | 1997-11-11 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |