JP4435255B1

JP4435255B1 - 交流磁場対応型のアクティブ磁気シールド装置

Info

Publication number: JP4435255B1
Application number: JP2008274819A
Authority: JP
Inventors: 信次郎竹内
Original assignee: 信次郎竹内
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2028-10-24
Also published as: JP2010103373A

Abstract

【課題】磁気センサに印加する不要な打ち消し磁場を除去して、交流磁場及び変動磁場の外乱磁場を高精度かつ確実に打ち消すことを可能にしたアクティブ磁気シールド装置の提供。
【解決手段】磁気センサＳの出力信号に含まれる不要な打ち消し磁場勾配センサ信号を除去するために、打ち消し磁場勾配センサ信号に酷似した疑似センサ信号を、補償コイル１１に流す打ち消し電流を検出する電流電圧変換回路１５と磁気センサ疑似回路１０で形成し、信号中の不要な打ち消し磁場勾配センサ信号を、加減算手段１２において相殺させて消去する。磁気センサ疑似回路１０は、電流電圧変換回路１５の出力信号の位相を磁気センサの出力信号の位相に同期化させるための位相同期化手段１７と、打ち消し磁場勾配センサ信号の位相に呼応して疑似センサ信号の位相を切り替える極性切り替え機能付き振幅調整手段１８とからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流磁場である外乱磁場を打ち消すための打ち消し磁場の位相と振幅を、外乱磁場の位相と振幅に合わせて相殺させるアクティブ磁気シールド技術に関する。

各種材料部品の磁気的精密非破壊検査、各種生体磁気計測、医療診断機器や生体生理機能を解析するシステムで使用する極微弱磁場測定装置、磁気的応答による免疫診断システム、病原菌検査システムの精密測定、電子顕微鏡やＭＲＩ装置など、無磁場に近い磁場管理空間でしか計測できない分野においては、従来は珪素鋼板やパーマロイなどの高透磁率の磁性材料で機器の周囲を囲んで外乱磁場の影響を抑えていたが、このようなパッシブ磁気シールドでは、磁気シールド効果が不十分であり、限界があった。

これに対して、アクティブ磁気シールド技術は、磁気シールドを施したいターゲット空間における外乱磁場に対して、正反対方向から打ち消し磁場を発生させて外乱磁場と相殺し、磁気的に安定した磁場空間を形成しようとする技術である。ここで、ターゲット空間には外乱磁場から防護したい装置類が設置されるので、磁気センサ設置空間とターゲット空間が重なることは少なく、ほとんどの場合において離れている。

そのため、磁気センサは、打ち消したい外乱磁場のセンサ信号（以下、外乱磁場センサ信号という）の他に、磁気センサが配置された空間において補償コイルの打ち消し磁場も検出するので、磁気センサ出力信号には、不要な打ち消し磁場勾配センサ信号も含まれてくることになる。

この打ち消し磁場勾配センサ信号は、アクティブ磁気シールド性能を低下させる大きな要因になる。この打ち消し磁場勾配センサ信号を除去しようとした代表的な従来技術の例が、特許文献１および特許文献２に開示されている。

この技術を、図５に示した概略構成図において説明すると、ターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅの外乱磁場を打ち消すために、磁気センサ設置空間Ｓ−Ｓｐａｃｅに設置した磁気センサＳで外乱磁場Ｂｎを検出し、その検出した信号を増幅器２１で増幅し、増幅された信号の中から地磁気成分などの静磁場オフセット分を減算回路２２で差し引き、変動磁場分の信号だけを電流出力回路２３に送る。

そして、電流出力回路２３から出力される外乱磁場の打ち消し電流は分流器２４において分流する。分流先の一つは、外乱磁場を打ち消す磁場を発生させる補償コイルＬ１である。残りの一つは、補償コイルＬ１の打ち消し磁場の一部が磁気センサＳに不要な磁場として印加されるので、それを打ち消す磁場勾配発生用の打ち消しコイルＬ２である。

この従来技術では、磁気センサＳに加わる打ち消し磁場勾配を打ち消すために、磁気センサＳに巻いた打ち消しコイルＬ２に外乱磁場打ち消し電流を分流し、磁気センサＳに印加する打ち消し磁場勾配を打ち消す方法を採用している。

特開昭４８−３８９７２号公報（図２参照）特許第３４０６２７３号公報（図１、図２参照）

前掲の従来の方式が有効に適用出来る範囲は、外乱磁場が直流磁場かそれに近い変動磁場に限られ、外乱磁場の周波数が高くなると増幅現象あるいは発振現象を起こして、アクティブ磁気シールドが不能になるという欠陥を内在していた。

その主な原因は、補償コイルＬ１に流れる電流位相と打ち消しコイルＬ２に流れる電流位相の間にずれが存在するためである。言い換えれば、コイルＬ１とコイルＬ２で発生する磁場の位相にずれが存在するためである。位相ずれがあれば外乱磁場の周波数が高くなるにつれて、コイルＬ１とコイルＬ２で発生する磁場の位相が当初は０相とπ相で互いに打ち消し合っていた状態から、次第に位相が重なり合って増幅する関係へと推移し、遂にはアクティブ磁気シールドの負帰還回路系が発振して、アクティブ磁気シールド装置自体が磁場雑音発生源になってしまうのである。

ここで、分流器２４の回路を単純化してコイルＬ１とコイルＬ２の各インダクタンスをＬ１，Ｌ２、抵抗Ｒ１とＲ２の抵抗値をＲ１，Ｒ２とすれば、分流器２４は図６の回路で表現できる。
この図６は位相ずれを説明するための代表的な回路図で、電流出力回路２３から出力される交流の打ち消し電流ｉが分岐点Ｐで分流されたとし、その分岐点Ｐにおける電圧を
ｅ＝Ｅ_mＳｉｎωｔ
として、コイルＬ１とコイルＬ２に流れる各電流ｉ₁、ｉ₂について解いてみる。

図６の回路では、
ｅ＝Ｅ_mＳｉｎωｔ＝Ｌ１(ｄｉ₁／ｄｔ)＋Ｒ１ｉ₁＝Ｌ２(ｄｉ₂／ｄｔ)＋Ｒ２ｉ₂
という微分方程式が成り立つ。
これを解くと各電流ｉ₁、ｉ₂は、
ｉ₁＝Ｅ_m／√(Ｒ１²＋ω²Ｌ１²)・Ｓｉｎ(ωｔ−Ｔａｎ^-1ωＬ１／Ｒ１)
ｉ₂＝Ｅ_m／√(Ｒ２²＋ω²Ｌ２²)・Ｓｉｎ(ωｔ−Ｔａｎ^-1ωＬ２／Ｒ２)
となる。

そして、ｉ₁とｉ₂の間の位相角の差ΔΦは、
ΔΦ＝(−Ｔａｎ^-1ωＬ１／Ｒ１)−(−Ｔａｎ^-1ωＬ２／Ｒ２)・・・式（１）
となる。そして、この位相角の差ΔΦを零にすれば、交流磁場の打ち消しが可能になるはずである。

式（１）の右辺第１項は補償コイルＬ１と抵抗Ｒ１における位相遅れ分であり、設置環境に依存される要素であるから、パラメータとしてかなり固有かつ固定的な定数になる。それに対して、右辺第２項は調整可能な磁気センサＳに巻く打ち消しコイルＬ２と抵抗Ｒ２による位相遅れ分である。磁気センサＳに巻くコイルＬ２のインダクタンス調整は、かなり高精度を要しかつ複雑であるため現場における調整には不向きで、事前に固定されるか半固定されるパラメータである。

結局のところ、磁気センサに加わる不要な打ち消し磁場勾配を打ち消す電流ｉ₂は、一番簡単な抵抗Ｒ２で調整されることになる。

しかしながら、抵抗Ｒ２の主目的は、打ち消しコイルＬ２に流れる打ち消し電流ｉ₂を調整して、打ち消し磁場勾配の強度を調整する抵抗、言い換えれば振幅を主調整とする抵抗である。そのため、１個の抵抗素子だけで位相調整と振幅調整の個別要素を同時調整することは、２個の独立した回路パラメータを１個の素子パラメータで調整することを意味し非現実的である。

打ち消し電流を流す両コイルＬ１，Ｌ２では、両者のインダクタンスは異なり、配線線材等を含む直流抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値も異なるので、偶発的な条件が重ならない限り位相角ΔΦは零にはならない。

また、磁気センサの配置された空間で磁気的に打ち消す手法では副次的な課題として、配線回線数が多くなるために回線途中からの電磁誘導雑音や磁気センサに巻いたコイル自身に誘導雑音が重畳したりする。

磁気センサに巻いた打ち消しコイルのターン数調整方法、特に３軸構成では磁気センサ自体の磁気検出部と直交度の微調整、打ち消しコイル位置や打ち消しコイルの直交度の微調整、打ち消しコイル各軸間の磁場干渉や電磁誘導雑音などの避けがたい技術課題が現場調整を煩雑化している。

交流磁場の打ち消し周波数帯域の高周波化にあたり、磁気センサに打ち消しコイルを巻いて磁場を打ち消す磁気的方式では、これらの技術的課題が現実的に障害になっている。

従来技術を端的に言えば、磁場の強度を調整する機能に限られていて、磁気センサに印加する不要な交流磁場を打ち消す時に最も重視する位相に関しては、何ら積極的に調整する手段は無いという問題が残されている。

本発明は、直流の外乱磁場はもちろん、交流の外乱磁場を高精度かつ確実に打ち消すことのできる交流磁場対応型のアクティブ磁気シールド装置を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するため、本発明の第１の構成に係る交流磁場対応型のアクティブ磁気シールド装置は、外乱磁場を打ち消すための打ち消し磁場を発生させる少なくとも１つの補償コイルと、前記外乱磁場を検出する少なくとも１つの磁気センサと、該磁気センサの出力信号中の不要な打ち消し磁場勾配センサ信号を疑似センサ信号で相殺する加減算手段を備え、前記補償コイルに打ち消し電流を出力する少なくとも１つの電流出力回路と、前記補償コイルに流れる打ち消し電流を検出する少なくとも１つの電流電圧変換回路と、該電流電圧変換回路の出力信号を前記打ち消し磁場勾配センサ信号に酷似した前記疑似センサ信号に形成して出力する少なくとも１つの磁気センサ疑似回路とを有することを特徴とする。

本発明の第１の構成においては、高精度かつ確実に交流の外乱磁場を打ち消すために、磁気センサの出力信号に含まれる不要な打ち消し磁場勾配センサ信号と同じ特性の信号を、別途に設けた磁気センサ疑似回路で疑似センサ信号として作りだし、両方の信号を加減算手段で相殺させるようにしたものである。

また、本発明の第２の構成に係る交流磁場対応型のアクティブ磁気シールド装置は、前記疑似センサ信号を形成する前記磁気センサ疑似回路は、前記電流電圧変換回路の出力信号の位相を前記磁気センサの出力信号の位相に同期化させるための位相同期化手段と、前記打ち消し磁場勾配センサ信号の位相に呼応して疑似センサ信号の位相を切り替える少なくとも１つの極性切り替え機能付き振幅調整手段とを備えたことを特徴とする。
この第２の構成により、磁気センサ疑似回路を既存の手法の組み合わせにより実現することができる。

本発明の第３の構成に係る交流磁場対応型のアクティブ磁気シールド装置は、外乱磁場の直交する３軸のうち少なくとも２軸成分以上の磁場成分を打ち消すための、前記各軸に対応する軸成分の打ち消し磁場成分の発生が可能な複数個の補償コイル構成において、前記各軸成分の補償コイルが発生する打ち消し磁場成分が互いに他軸の磁気センサに影響を与える他軸磁場成分信号を打ち消すために、前記磁気センサ疑似回路に、他軸磁場成分信号の打ち消し用に前記疑似センサ信号の極性と振幅を個別調整し、該他軸磁場成分信号の打ち消し用疑似センサ信号として各軸別に出力する手段を付加し、前記加減算手段に、他軸から前記他軸磁場成分信号の打ち消し用疑似センサ信号を受けて加減算する手段を付加したことを特徴とする。
この第３の構成により、２軸方向、３軸方向の磁場成分の打ち消しが可能となる。

本発明の第４の構成に係る交流磁場対応型のアクティブ磁気シールド装置は、前記磁気センサ疑似回路の一部あるいは全体、及び／又は前記加減算手段の一部あるいは全体をソフトウエア手段で構成することを特徴とする。
この第４の構成により、磁気センサ疑似回路、加減算手段を、回路を用いて実現するほかに、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）やＣＰＵ（中央処理装置）を用いたコンピュータソフトウエアにより実現することもできる。

本発明によれば、交流磁場を高精度かつ確実に打ち消すために、磁気シールド性能に悪影響を与える不要な打ち消し磁場を磁気センサに巻く打ち消しコイルで打ち消すような従来手法ではなく、電子回路的な手法による解決を実施した結果、打ち消し対象の外乱磁場は、直流磁場、変動磁場、数１００Ｈｚの交流磁場までに拡大した。また、磁気センサ周辺の打ち消しコイルは無くなり配線工事は簡略化され、調整の作業効率を大幅に改善した。

磁気シールド性能も従来に比べて１０倍以上向上し、交流雑音の発生源や電磁誘導を受ける長いリード線、コード配線、電磁誘導雑音を惹起するコイルなどの誘導雑音が懸念される部品の使用を避けて、ターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅを磁気センサの性能限界に近い性能までに低雑音化、安定化させることに成功した。
本発明は交流磁場を打ち消す基本的な技術であるため、公知のアクティブ磁気シールド技術の周波数帯域を拡大させる技術として、従来装置の性能改善にも大いに役立つ。

たとえば、特許文献１（特開昭４８−３８９７２号公報（特公昭５１−３８２１５号公報））、特許文献２（特開２００１−２８１３１１号公報（特許第３４０６２７３号公報））、特開２００２−９４２８０号公報、特開２００２−２３２１８２号公報、特開２００３−２７３５６５号公報、特開２００５−４４８２６号公報、特開２００８−７８５２９号公報などのすでに公開されている技術に、本発明のセンサ疑似回路技術を有機的に組み込めば、外乱磁場の打ち消し可能な周波数帯域の上限は著しく拡大し、飛躍的に磁気シールド性能を向上させることができる。

結局のところ、本発明のセンサ疑似回路技術を組み込んで生み出される製品および改造技術は、本発明に包含される実施形態になるので、磁気シールド業界において有益な技術として幅広く活用されることが期待できる。

以下に、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施の形態１の基本構成図である。図１において、１１は補償コイルであり、外乱磁場Ｂｎを打ち消すための打ち消し磁場Ｂｃを発生させる。コイルの磁場の特性として中央部からコイルに近づくに従い磁場強度は大きくなり、均一な磁場空間はコイル中央部に限られる。

均一磁場空間を大きく確保するための対策として２個のコイルを対向させてヘルムホルツコイル型で構成することが多く、ヘルムホルツコイルの中央部付近に変動磁場から防護したい装置類を設置することが多い。このため、図１では、補償コイル１１はヘルムホルツ型の場合を示し、Ｔ−Ｓｐａｃｅは装置を設置するターゲット空間を示している。

外乱磁場Ｂｎを検出する磁気センサＳは、ターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅより離れた磁気センサ設置空間Ｓ−Ｓｐａｃｅに設置される。この空間における磁場は、外乱磁場の他に補償コイル１１から発生した打ち消し磁場がある。磁場はベクトルとして分解や合成が可能であるから、磁気センサ設置空間における打ち消し磁場は、ターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅにおける打ち消し磁場Ｂｃに、ターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅから離れた位置の打ち消し磁場勾配（本書でいう磁場勾配とは、ターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅの中心点における磁場強度とセンサ設置空間の中心点における磁場強度との磁場強度差をいう）が合成された磁場に置き換えることができる。

結局、磁気センサＳが検出する磁場は、ターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅにおける打ち消し磁場−Ｂｃとターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅから離れた磁場勾配分−ΔＢｃと外乱磁場Ｂｎの総和｛Ｂｎ−（Ｂｃ＋ΔＢｃ）｝になり、磁気センサＳの出力信号は外乱磁場センサ信号ｅ（Ｂｎ）と打ち消し磁場センサ信号−ｅ（Ｂｃ）と打ち消し磁場勾配センサ信号−ｅ（ΔＢｃ）の総和｛ｅ（Ｂｎ）−ｅ（Ｂｃ）−ｅ（ΔＢｃ）｝になる。

この信号の中で、磁気センサ設置空間Ｓ−Ｓｐａｃｅがターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅより離れていることによって、磁気シールド性能を劣化させる信号は、打ち消し磁場勾配センサ信号−ｅ（ΔＢｃ）である。

この打ち消し磁場勾配センサ信号−ｅ（ΔＢｃ）は、次に接続される後述の加減算手段１２において、磁気センサ疑似回路１０から出力される反転信号の疑似センサ信号ｅ（ΔＢｃ）によって相殺される。

電流出力回路５０は、入力信号を加減算する加減算手段１２と、加減算手段１２の出力信号の振幅および位相を調整する信号処理回路１３と、信号処理回路１３の出力信号を電力増幅する電力増幅器１４の構成要素からなる。

加減算手段１２の入力部ではオペアンプを使用して、疑似センサ信号ｅ（ΔＢｃ）と打ち消し磁場勾配センサ信号−ｅ（ΔＢｃ）については、加算演算で両信号とも消去する。また、加減算手段１２では、その他の磁気センサ出力信号に関しては、地磁気などの直流成分の減算やオフセットの調整をしてターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅにおける磁場成分だけの信号が残るように加減算を実行する。

加減算された信号は、さらに信号処理回路１３においてその振幅と位相が調整され、その後、電力増幅器１４に送られる。電力増幅器１４は信号処理回路１３の出力信号を増幅し、外乱磁場を打ち消すための打ち消し電流ｉ_cancelを補償コイル１１の片方の端子へ出力する。

補償コイル１１の他端側の端子は、電流電圧変換回路１５の構成要素である抵抗Ｒに直列接続され、この抵抗Ｒを介して接地されている。この抵抗Ｒに流れる電流によって抵抗端子間に電圧降下が生じ、電流がこの電圧降下分の端子間電圧に変換されて検出できるので、抵抗Ｒは電流電圧変換素子として動作していることになる。

補償コイル１１を流れる打ち消し電流ｉ_cancelは、打ち消し磁場Ｂｃを発生させて外乱磁場Ｂｎを打ち消し、抵抗Ｒを介して接地点に流れる。補償コイル１１と抵抗Ｒは、直列接続であるために分流器のときのような並列回路の構成は存在しない。そして、補償コイル１１の浮遊容量が問題にならない限り、補償コイル１１と抵抗Ｒの電流位相は同位相である。この場合では、打ち消し電流で作られる打ち消し磁場の位相は打ち消し電流の位相に一致するので、抵抗Ｒの端子間電圧の位相は、補償コイル１１で発生させる打ち消し磁場の位相と同位相であるという関係が成立する。

このような回路構成にすることにより、打ち消し磁場の位相と同位相の情報を抵抗Ｒの端子間電圧から抽出できることが明らかとなった。また、電流電圧変換回路１５の出力端子は打ち消し電流波形を監視するチェックポイントにもなるので、アクティブ磁気シールドの動作状態を監視するモニタ端子としても使用できる。

磁気センサ疑似回路１０は、バッファ回路１６と、位相同期化手段１７と、極性切り替え機能付き振幅調整手段１８の各構成要素から構成される。

具体的には、磁気センサＳに印加する不要な打ち消し磁場を検出した打ち消し磁場勾配センサ信号−ｅ（ΔＢｃ）と同位相の疑似センサ信号を作るために、同じ位相特性の疑似回路を作る。そして、その疑似回路の出力信号の振幅と極性を再調整して反転位相の疑似センサ信号ｅ（ΔＢｃ）を形成する。磁気センサ疑似回路１０は、このように疑似センサ信号を作って加減算手段１２へ送り出すことを目的とする。

自明のことながら、外乱磁場に磁場勾配が存在する場合も、打ち消し磁場勾配の場合と同様に取り扱えるが、さらに、磁気センサ疑似回路１０を１個分追加しても、本発明の範囲内で対処できる。すなわち、打ち消し磁場による打ち消し磁場勾配センサ信号−ｅ（ΔＢｃ）を除去する疑似センサ信号と外乱磁場による外乱磁場勾配センサ信号を除去する疑似センサ信号を、それぞれの磁気センサ疑似回路１０で作る。そして、極性と振幅が調整された各疑似センサ信号を加算減算手段１２へ送り出す。

また、磁気センサＳの配置位置の関係で、おのおのの磁場勾配センサ信号が疑似センサ信号と同極性になるような場合では、加減算手段１２で両信号を減算して除去することができる。

次に、位相同期化手段１７の具体的な実施例について説明すれば、たとえば、磁気センサＳが磁気発振型磁気センサやフラックスゲート型磁気センサなどの場合では、磁電変換回路（増幅回路を含む）にローパスフィルタＬＰＦが一般的に使用されている。この場合、最も簡単に実施できる位相同期化手段１７の近似的構成は抵抗だけによる構成であるが、抵抗とコンデンサで１次ローパスフィルタ（積分回路）を構成し、この回路の抵抗値を可変させて、疑似センサ信号の位相を磁気センサＳの出力位相に合わせることもできる。

位相同期化手段１７では、磁気センサＳの入力信号位相と出力信号位相との間において、位相遅れがあればローパスフィルタか積分回路を使用し、位相進みがあればハイパスフィルタか微分回路を使用するとよい。各フィルタの遮断周波数と次数は基本的には磁気センサＳと後続の接続回路定数を含めて考慮するが、近い次数で類似近似させることも可能であり、いかなる回路構成であっても、これらは全て本発明範囲に属する。

なお、電流出力回路５０および磁気センサ疑似回路１０における各構成要素およびその要素機能の接続処理順序は、必ずしも上述の順序にこだわるものではなく、本発明の目的を達成する範囲において限定するものではない。また、位相同期化手段１７はインダクタと抵抗によるフィルタや、インダクタ、コンデンサ、抵抗、オペアンプなどの任意の素子の組み合わせで実現できるので、これらの組み合わせによるオールパスフィルタをはじめ各種回路あるいは手段も、本発明の目的を実現するための手段に含まれる。

更に、極性切り替え機能付き振幅調整手段１８について説明すれば、補償コイル１１と磁気センサＳの配置位置関係によって打ち消し磁場の方向は正負逆転し、打ち消し磁場勾配センサ信号の位相も正負逆転することもある。たとえば、単一補償コイルでは補償コイル枠の内側部と外側部では打ち消し磁場の方向は逆方向であるため、打ち消し磁場勾配センサ信号の位相も反転位相になる。また、補償コイル枠内側部であっても磁気センサ配置位置によっては、加減算手段１２に入力する疑似センサ信号の位相を切り替えることもありうる。この極性切り替え機能は、加減算手段のオペアンプの反転入力端子と非反転入力端子において、各入力信号の加算演算あるいは減算演算を代行することも可能である。

いずれにしても、補償コイル１１と磁気センサＳの配置の位置関係から、事前に極性反転の有無を把握しておく必要がある。

また、磁気センサ疑似回路１０の一部あるいは全体、加減算手段の一部あるいは全体をソフトウエア手段で実行することも可能である。この場合には、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、ＤＳＰあるいはパソコンを含むデジタル信号処理回路と、処理されたデジタル信号をアナログ信号に戻すＤＡ変換器と、Ｉ／Ｏインターフェイスと、デジタル信号処理回路を制御するソフトウエアを以て、該当箇所を置き換える。このソフトウエアには、本発明思想を実行するメインプログラムの他に、入出力データのインターフェイス制御プログラム等が含まれる。

図２に補償コイル１１の様々な実施形態を示す。図では補償コイルの巻線数や接続、補償コイルを捲くあるいは固定する固定材や壁面に付帯した状況、床に埋設するピット等の表示は省略し、補償コイルの巻線の枠中心線のみで配置関係を図示している。（ａ）〜（ｃ）は単一コイルで補償コイルを構成した時の事例で、（ａ）は１軸構成、（ｂ）は２軸構成、（ｃ）は３軸構成の場合である。複数軸では、各軸成分は直交する関係にある。
均一磁場領域を広く確保したヘルムホルツ型の構成例として、（ｄ）は１軸構成、（ｅ）は２軸構成、（ｆ）は３軸構成の場合をそれぞれ示している。

ヘルムホルツ型では、基本的には単一コイル２個分を対向させ、そのコイルの中心軸を一致させるが、必ずしもこれに拘泥するものではなく、コイルの形状、両コイルの間隔も現地にあった変形配置でよい。

磁気センサＳの検出軸は原則として各コイルの軸成分の中心軸と平行に保持する。磁気センサＳの種類は補償コイルの軸成分の数に応じて、１軸磁気センサ、２軸磁気センサ、３軸磁気センサと使い分けるが、補償コイルの軸成分数以上の軸成分を検出する磁気センサの使用も可能で、たとえば、１軸構成で３軸磁気センサを使用することもあり得る。また、３軸磁気センサの代わりに１軸磁気センサを３本使用して、各軸のコイル面の近傍に分散配置させることも可能である。

磁気センサＳの信号処理は、各成分毎に独立させる。それ故、電流出力回路５０、磁気センサ疑似回路１０、電流電圧変換回路１５についても、少なくとも軸成分だけの数は必要になる。

補償コイルの形状寸法によっては２軸構成や３軸構成の場合に、補償コイルが輻輳して補償コイル内部のターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅへの接近、出入が困難になることがある。

この対策として扉部の配線が、日本生体磁気学会誌Ｖｏｌ．２０Ｎｏ．１Ｊｕｎｅ２００７（１３０頁の写真１、１３１頁の図１）に紹介されているので、これを参考にすればよい。

図３は、本発明の実施の形態２に係る補償コイルの３軸構成時における回路結線図である。
図３において、ＳＸ、ＳＹ、ＳＺは各軸の磁気センサ、１１Ｘ、１１Ｙ、１１Ｚは各軸の補償コイル、５０Ｘ、５０Ｙ、５０Ｚは電流出力回路、ＲＸ、ＲＹ、ＲＺは各軸の電流電圧変換回路、１０Ｘ、１０Ｙ、１０Ｚは磁気センサ疑似回路である。

補償コイル１１Ｘ、１１Ｙ、１１Ｚが、図２の（ｆ）に示すように互いに直交する３軸構成になっている場合には、新たな問題として各軸の打ち消し磁場の一部が、残りの他軸（２つの軸）の各磁気センサに印加されて、おのおの影響し合うという磁場干渉現象が生じる。すなわち、Ｘ軸の打ち消し磁場成分はＹ軸とＺ軸の磁気センサＳＹ，ＳＺに、Ｙ軸の打ち消し磁場成分はＸ軸とＺ軸の磁気センサＳＸ，ＳＺに、Ｚ軸の打ち消し磁場成分はＸ軸とＹ軸の磁気センサＳＸ，ＳＹに、それぞれ影響を与えることになるので除去する必要がある。

この磁場干渉を解決するために、Ｘ軸を例にして説明する。
閉コイルで作る磁場（磁力線でも可）は、原理的には、必ず全方位に向かって湾曲した閉ループを形成する。補償コイル１１Ｘの磁場が及ぶ磁気センサ設置空間Ｓ−Ｓｐａｃｅでは、Ｘ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分の成分が存在すると考えてよい。自軸のＸ軸成分に関しては前述の実施形態１で詳述したが、他軸に関しても同様な手法が成り立つ。

まず、最初にＹ軸への対策は、Ｘ軸打ち消し磁場によってＹ軸成分に悪影響を及ぼす磁場成分を、Ｙ軸の電流出力回路５０Ｙにおいて打ち消す。そのために、Ｘ軸の磁気センサ疑似回路１０Ｘには自軸分の振幅調整手段の他に、Ｙ軸専用の振幅調整手段とＺ軸専用の振幅調整手段を付加し、このＹ軸専用振幅調整手段から悪影響を及ぼす磁場成分を打ち消すために疑似センサ信号を電流出力回路５０Ｙへ送り出す。疑似センサ信号の振幅と極性はＹ軸専用振幅調整手段で実施する。

電流出力回路５０Ｙの入力部には自軸分の反転疑似センサ信号受け入れ端子の他にＸ軸およびＺ軸からの疑似センサ信号を受け入れる端子を独立して設けておき、先ほどのＸ軸からの疑似センサ信号をＸ軸用端子から受け入れ、電流出力回路５０Ｙの加減算手段で除去する。

次に、Ｚ軸への対策であるが、Ｘ軸打ち消し磁場によってＺ軸成分に悪影響を及ぼす磁場成分についても、同様にしてＺ軸の電流出力回路５０Ｚにおいて打ち消す。そのために、Ｘ軸の磁気センサ疑似回路１０ＸのＺ軸専用振幅調整手段から悪影響を及ぼす磁場成分を打ち消すために疑似センサ信号を電流出力回路５０Ｚへ送り出す。疑似センサ信号の振幅と極性はＺ軸専用振幅調整手段で実施する。

電流出力回路５０Ｚの入力部には自軸分の反転疑似センサ信号受け入れ端子の他にＸ軸およびＹ軸からの疑似センサ信号を受け入れる端子を独立して設けておき、先ほどのＸ軸からの疑似センサ信号をＸ軸用端子から受け入れ、電流出力回路５０Ｚの加減算手段で除去する。

以下、Ｙ軸打ち消し磁場によってＸ軸成分Ｚ軸成分に悪影響を及ぼす磁場成分の除去方法も、Ｚ軸打ち消し磁場によってＸ軸成分およびＹ軸成分に悪影響を及ぼす磁場成分の除去方法も前述のＸ軸の場合と同様に実施するので説明を省略する。
図中の切り替えＳＷは、疑似センサ信号による調整の必要性の程度によって、そのＯＮ／ＯＦＦを判断する。

図４は実測データ事例を示す波形図である。外乱磁場として磁場強度が１９．７４μＴｐ−ｐである商用周波数５０Ｈｚの交流磁場を試験磁場とした。試験磁場の発生では、ターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅと磁気センサ設置空間Ｓ−Ｓｐａｃｅに同時に印加できる大きなコイルを使用した。アクティブ磁気シールド装置を稼働させたアクティブ−オン期間では、ターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅにおける交流磁場がアクティブ−オフ期間（アクティブ磁気シールド装置を稼働させる前）の１９．７４μＴｐ−ｐから０．０７３μＴｐ−ｐに減衰し、その減衰率は１／２７０．４になることがわかった。

従来方式では減衰率が約１／２０であったのに対し、本発明方式では１０倍以上の性能改善になった（当社比）。

本発明に関する説明は以上であるが、回路常数などの調整作業においては、ターゲット空間Ｔ−Ｓｐａｃｅに磁力計を置いて、その磁力計の出力値あるいは磁場波形あるいはＦＦＴ（高速フーリエ変換）解析値を小さくするように調整する方法が簡便である。

本発明は、無磁場に近い磁場管理空間でしか計測できない各種材料部品の磁気的精密非破壊検査の分野、各種生体磁気計測、医療診断機器や生体生理機能を解析するシステムで使用する極微弱磁場測定装置、磁気的応答による免疫診断システム、病原菌検査システムの精密測定の分野、また、電子顕微鏡やＭＲＩ装置の分野において幅広く使用できる。

本発明の実施の形態１の基本構成図である。本発明における補償コイルの様々な実施形態を示す説明図である。本発明の実施の形態２に係る補償コイルの３軸構成時における回路結線図である。本発明における実測データ事例を示す波形図である。従来技術の例を示す概略構成図である。従来技術における位相ずれを説明するための回路図である。

符号の説明

Ｓ磁気センサ
１０磁気センサ疑似回路
１１補償コイル
１２加減算手段
１３信号処理回路
１４電力増幅器
１５電流電圧変換回路
１６バッファ回路
１７位相同期化手段
１８極性切り替え機能付き振幅調整手段

Claims

外乱磁場を打ち消すための打ち消し磁場を発生させる少なくとも１つの補償コイルと、
前記外乱磁場を検出する少なくとも１つの磁気センサと、
該磁気センサの出力信号中の不要な打ち消し磁場勾配センサ信号を疑似センサ信号で相殺する加減算手段を備え、前記補償コイルに打ち消し電流を出力する少なくとも１つの電流出力回路と、
前記補償コイルに流れる打ち消し電流を検出する少なくとも１つの電流電圧変換回路と、
該電流電圧変換回路の出力信号を前記打ち消し磁場勾配センサ信号に酷似した前記疑似センサ信号に形成して出力する少なくとも１つの磁気センサ疑似回路と
を有することを特徴とする交流磁場対応型のアクティブ磁気シールド装置。
前記疑似センサ信号を形成する前記磁気センサ疑似回路は、
前記電流電圧変換回路の出力信号の位相を前記磁気センサの出力信号の位相に同期化させるための位相同期化手段と、
前記打ち消し磁場勾配センサ信号の位相に呼応して疑似センサ信号の位相を切り替える少なくとも１つの極性切り替え機能付き振幅調整手段と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の交流磁場対応型のアクティブ磁気シールド装置。
外乱磁場の直交する３軸のうち少なくとも２軸成分以上の磁場成分を打ち消すための、前記各軸に対応する軸成分の打ち消し磁場成分の発生が可能な複数個の補償コイル構成において、
前記各軸成分の補償コイルが発生する打ち消し磁場成分が互いに他軸の磁気センサに影響を与える他軸磁場成分信号を打ち消すために、
前記磁気センサ疑似回路に、他軸磁場成分信号の打ち消し用に前記疑似センサ信号の極性と振幅を個別調整し、該他軸磁場成分信号の打ち消し用疑似センサ信号として各軸別に出力する手段を付加し、
前記加減算手段に、他軸から前記他軸磁場成分信号の打ち消し用疑似センサ信号を受けて加減算する手段を付加したこと
を特徴とする請求項１記載または請求項２記載の交流磁場対応型のアクティブ磁気シールド装置。