JP5328593B2 - 開放型磁気シールド構造 - Google Patents

Description

本発明は開放型磁気シールド構造に関し、とくに透光性、通気性等を有しつつ高い磁気シールド性能を有する開放型磁気シールド構造に関する。

半導体製造施設等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、微弱な磁気ノイズ（例えば１００ｎＴ（１ｍＧ）程度）でも電子ビームの軌道が狂うので、製品の品質を維持するために環境磁気の影響を避ける必要がある。また、医療施設等で用いる脳磁計や心磁計等のＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子）応用機器は、脳磁波や心磁波といった超微弱な磁場を計測するために環境磁気の影響を１ｎＴ（０．０１ｍＧ）以下に制御する必要がある。一般的な建築物の構造（ＲＣ造の床・壁、軽量鉄骨造の壁・天井等）は磁気シールド機能をほとんど有していないため、このような機器を環境磁気から保護して正常な動作を保証することを目的として、半導体製造施設・医療施設等の建築物内に磁気シールド空間（シールドルーム）を設けることが要求される。また、ＭＲＩ装置やＮＭＲ装置等の磁気利用装置を用いる施設等では、そのような装置から発生する磁場の影響から周囲の人や機器を保護することを目的として、施設内に磁気シールド空間を設けることが要求される場合もある。

このような弱磁場に対する磁気シールド空間は、従来、シールド対象空間の床、壁、天井の内面を透磁率μの高いＰＣパーマロイ材、電磁鋼板等の磁性材料板（以下、磁性板ということがある）で隙間なく覆う構造（以下、密閉型シールド構造という）として構築することが一般的である（特許文献１参照）。しかし、密閉型シールド構造は磁性板のサイズの制約から接合部が多くなり、磁性板の接合部の隙間から磁気が侵入又は漏洩してシールド性能の劣化が生じやすく、設計から期待されるシールド性能をなかなか得ることができない問題点がある。また、密閉型シールド構造は基本的に隙間・開口のない構造であり、透視性、透光性、放熱性を確保することが難しい問題点もある。

これに対し本発明者らは、簾状又はルーバー状に並べた帯状磁性板の群（以下、シールド簾体という）を用いて透視性、透光性、放熱性を確保できる構造（以下、開放型シールド構造という）を開発した（特許文献２〜４参照）。図７（Ａ）に示すように、開放型シールド構造１では、比較的狭い幅（例えば３０〜５０ｍｍ）の複数の帯状磁性板（例えば、短冊形又は長尺形磁性板）２を長さ方向中心軸Ｃが同一簾面Ｆ上にほぼ平行に並ぶように板厚方向間隔ｄで重ねたシールド簾体３を基本構造とし、図７（Ｂ）に示すように複数のシールド簾体３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを各簾体３の対応する磁性板２の端縁の重ね合わせ（面接触、図中の符号９参照）により磁気的に接合して列状のシールド簾体３を形成する。また、そのような列状のシールド簾体３の一端側の未接合端縁を他端側の対応する未接合端縁と重ね合わせて接合することにより、図７（Ｂ）のようにシールド対象空間を囲む磁気的に閉じた環状の開放型シールド構造（以下、環状簾体５ということがある）を構築する。

図７（Ｂ）に示す開放型シールド構造１は、シールド簾体３の各帯状磁性板２の板厚方向間隔ｄによって対象空間に開放性（透視性、透光性、放熱性）を与えることができる。板厚方向間隔ｄは、磁性板２中の磁束の通りやすさ（磁性板のパーミアンス）が間隔ｄ中の磁束の通りやすさ（間隔のパーミアンス）より大きくなるように、すなわち間隔ｄの断面積Ｓａに対する磁性板２の断面積Ｓｍと比透磁率μｓとの積（Ｓｍ・μｓ）の割合（Ｓｍ・μｓ／Ｓａ）が１より大きくなるように設計する。実際には、その割合（Ｓｍ・μｓ／Ｓａ）を要求されるシールド性能に応じて１より充分に大きくなるように選択することができる。また開放型シールド構造１は、磁性板２の重ね合わせ（面接触）によってシールド簾体３の接合部に高い磁気的連続性を確保することができ、図７（Ｂ）のような環状構造の閉磁路（磁気を集中させる磁気回路）で対象空間を囲むことによりシールド性能の劣化（磁気の侵入又は漏洩）を小さく抑えて設計どおりのシールド性能を対象空間に与えることができる（特許文献２参照）。このような開放型シールド構造１を用いれば、上述したように高度なシールド性能が要求される磁気シールド空間を最小限の磁性材料によって効率的・経済的に構築することが期待できる。

特開平０９−１６２５８５号公報 国際公開２００４／０８４６０３号パンフレット 特開２００６−３５１５９８号公報 特開２００７−１０３８５４号公報

しかし、本発明者の実験によれば、直流磁場又は周波数が数Ｈｚ以下の充分小さい交流磁場を対象とする場合は図７の開放型シールド構造１によってほぼ設計どおりのシールド性能を対象空間に与えることができるものの、対象が周波数１０Ｈｚ以上の交流磁場（例えば５０〜６０Ｈｚの商用周波数程度）になると開放型シールド構造１のシールド性能に劣化が生じうる。この知見は、以下に示す３種類の試験体Ａ、Ｂ、及びＣの交流磁場に対するシールド性能を比較評価する実験結果から得られたものである。
（Ａ）試験体Ａ（密閉型シールド構造）
図８（Ａ）に示すように、幅２５０ｍｍ×高さ５７０ｍｍ×厚さ１ｍｍのＰＣパーマロイ製の４枚の方形磁性板７ａ、７ｂ、７ｃ、7ｄを端縁の突合せにより角筒形状に組み合わせ、各接合部（コーナー部）に３０ｍｍ×３０ｍｍのＰＣパーマロイ製のＬ字型アングル材７ｅ（高さ５７０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を重ね合わせて密閉型シールド構造６を作製し、実質的な内部空間の大きさが縦２５０ｍｍ×横２５０ｍｍ×高さ５７０ｍｍの密閉型シールド構造の試験体Ａとした。Ｌ字型アングル材７ｅは、各磁性板７の接合部におけるシールド性能の劣化を抑えるためのものである。

（Ｂ）試験体Ｂ（開放型シールド構造）
図７に示すように、幅３０ｍｍ×長さ３１０ｍｍ×厚さ１ｍｍのＰＣパーマロイ製の帯状磁性板２を用い、その磁性板２の２０枚を相互間隔ｄ＝３０ｍｍで平行に並べてシールド簾体３（図７（Ａ）参照）を形成し、４体の簾体３の端縁を３０ｍｍ×３０ｍｍの面積で相互に重ね合わせて列状に接合することにより環状の開放型シールド構造１（図７（Ｂ）参照）を作製し、実質的な内部空間の大きさが縦２５０ｍｍ×横２５０ｍｍ×高さ５７０ｍｍの開放型シールド構造の試験体Ｂとした。試験体Ｂで用いた磁性材料量は、試験体Ａで用いた磁性材料量とほぼ同じである。

（Ｃ）試験体Ｃ（開放型シールド構造）
幅３０ｍｍ×長さ３１０ｍｍ×厚さ０．３５ｍｍの３枚の方向性電磁鋼板を長さ方向中心軸で芯合わせしつつ積層して厚さ１．０５ｍｍの帯状磁性板２とし、その磁性板２の２０枚を相互間隔ｄ＝３０ｍｍで平行に並べて重ねてシールド簾体３（図７（Ａ）参照）を形成し、その４体の簾体３の端縁を３０ｍｍ×３０ｍｍの面積で相互に（電磁鋼板を１枚ずつ交互に）重ね合わせて列状に接合することにより環状の開放型シールド構造１（図７（Ｂ）参照）を作製し、実質的な内部空間の大きさが縦２５０ｍｍ×横２５０ｍｍ×高さ５７０ｍｍの開放型シールド構造の試験体Ｃとした。試験体Ｃで用いた磁性材料量も、試験体Ａで用いた磁性材料量とほぼ同じである。

実験では、各試験体Ａ、Ｂ及びＣをそれぞれ図８（Ｂ）に示すような環状コイル（例えばヘルムホルツ・コイル）Ｌの中央部に設置し、コイルＬの中央部に０．７〜５６．２μＴｐ−ｐの交流磁場Ｍ（周波数０．１Ｈｚ、直流磁場相当）を印加して各試験体の内部空間に設けた磁気センサ８（例えばガウスメータ）で磁場Ｂの強さを測定し、各試験体のシールド係数ＳＥ（＝印加磁場Ｍの強さ／シールド後の磁場Ｂの強さ）を算出した。また、印加磁場Ｍの周波数を１０Ｈｚ、１００Ｈｚに切り替えながら実験を繰り返し、交流磁場Ｍの周波数の相違による磁気シールド係数ＳＥを比較することにより、各試験体の交流磁場に対するシールド性能を評価した。各試験体Ａ、Ｂ及びＣの交流磁場に対するシールド性能の実験結果を図９（Ａ）、図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）に示す。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、ＰＣパーマロイ製の磁性板２、７を用いた密閉型シールド構造の試験体Ａ及び開放型シールド構造の試験体Ｂでは、何れも印加磁場Ｍの周波数が高くなるとシールド係数ＳＥが小さくなっていることが分かる。とくに試験体Ｂは、印加磁場Ｍが周波数０．１Ｈｚのときは６０〜９０程度の高いシールド係数ＳＥを示すのに対し、周波数１０Ｈｚになるとシールド係数ＳＥが３０〜７０程度に低下し、周波数１００Ｈｚになるシールド係数ＳＥが更に大幅に低下することが確認された。試験体Ａにおいても同様の傾向は見られるが、周波数１０Ｈｚのシールド係数ＳＥは周波数０．１Ｈｚのときとほぼ同程度であり、周波数１００Ｈｚのシールド係数ＳＥは低下するものの試験体Ｂに比して低下の度合いは小さい。他方、電磁鋼板を用いた密閉型シールド構造の試験体Ｃでは、印加磁場Ｍの周波数が増加してもシールド係数ＳＥがほとんど低下しなかったが、シールド係数ＳＥは１〜１０程度と小さいことが確認された。

上述した半導体製造施設、医療施設等で要求される高度な磁気シールド空間を実現するためには、図９（Ｃ）のような小さいシールド係数ＳＥでは不充分であり、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）のような高いシールド係数ＳＥが必要である。とくに図９（Ｂ）の開放型シールド構造は、対象が直流磁場又は周波数が充分小さい交流磁場であれば、同じ重量の磁性材料を用いた図９（Ａ）の密閉型シールド構造よりも高いシールド係数ＳＥが得られるので、高度な磁気シールド空間に適した構造といえる。ただし、図９の実験結果は、ＰＣパーマロイのような透磁率の高い磁性板を用いた開放型シールド構造のシールド性能が、対象交流磁場の周波数が１０Ｈｚ以上になると大幅に劣化することを示している。このような１０Ｈｚ以上の周波数（例えば商用周波数程度）におけるシールド性能の劣化を小さく抑えることができれば、開放型シールド構造の適用範囲を広げて普及を図ることができる。

そこで本発明の目的は、交流磁場においても磁気シールド性能の劣化が少ない開放型磁気シールド構造を提供することにある。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示す試験体Ａ及びＢのシールド性能の劣化は、磁性板内部に発生する渦電流のエネルギー損失（渦電流損）によるものと推定される。弱磁場における磁気シールド構造は周囲の低周波数の磁束を磁性板に集中させて磁気の侵入又は漏洩を防止するものであり、渦電流の発生を目的とするものではないが、対象磁場の周波数がある程度高くなると磁性板の内部に電磁誘導によって渦電流が発生すると考えられる。発生する渦電流の大きさは磁性板を貫く磁束の変化の割合に比例し、渦電流の向きは図４（Ａ）のように磁性板に入射する方向の磁場が増大する場合は反時計回り、図４（Ｂ）のように磁性板から出射する方向の磁場が増大する場合は時計回りとなる。

図８（Ａ）の密閉型シールド構造では、対象磁場の周波数が高くなると図４（Ｃ）に示すように、印加磁場Ｍと垂直な磁性板面７ａ及び７ｃに周囲の磁界を打ち消す方向の渦電流が流れ、周囲の磁界と渦電流による逆方向の磁界との相互作用の結果としてシールド効果を向上させる作用が生じる。これに対し印加磁場Ｍと平行な磁性板面７ｂ及び７ｄには内部の磁束変化を妨げる方向に渦電流が流れ、周囲の磁束の集中が妨げられる結果としてシールド効果を低下させる作用を生じる。図９（Ａ）のシールド係数ＳＥのシールド性能の劣化特性は、このような密閉型シールド構造の各面７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄで生じる渦電流の２つの作用が合算された結果のシールド効果である考えられる。

これに対して図７（Ｂ）の開放型シールド構造は、印加磁場Ｍと垂直な磁性板面が存在せず、印加磁場Ｍと平行な磁気回路のみによって構成されている。図９（Ａ）に比して図９（Ｂ）のシールド係数ＳＥの劣化が大きい理由は、開放型シールド構造において生じる渦電流が磁気回路への磁束の集中を妨げる作用のみを生じることによると考えられる。また、磁性板に生じる渦電流損（Ｗ）は式（１）で表すことが知られており、式（１）においてｆは対象磁場の周波数、ｔは磁性板の板厚、Ｂｍは磁性板の最大磁束密度、ρは磁性板の抵抗率、ｋは定数である。図９（Ｂ）において周波数ｆ＝１００Ｈｚのシールド係数ＳＥが周波数ｆ＝１０Ｈｚの場合に比して大幅に低下している理由は、（１）式で示すように渦電流損が対象磁場の周波数ｆの２乗に比例することによるものと考えられる。
Ｗ＝ｋ・ｔ^２・ｆ^２・Ｂｍ^２／ρ ……………………………………（１）

すなわち、密閉型シールド構造では渦電流損の影響があまり大きな問題とならないが、開放型シールド構造では交流磁場の周波数が１０Ｈｚ以上になると渦電流損の影響が大きくなり、シールド性能を大幅に低下させる原因となる。従って、開放型シールド構造で生じる渦電流損を小さく抑えることができれば、図９（Ｂ）のような１０Ｈｚ以上の交流磁場に対する開放型シールド構造のシールド性能の大幅な低下を避けることが期待できる。本発明は、この知見に基づく研究開発の結果、完成に至ったものである。

図２の実施例を参照するに、本発明による開放型磁気シールド構造は、所定幅ｗで厚さ３０μｍ以下の長尺リボン状の強磁性薄帯材１２をシールド対象空間の内周面の各辺に応じた長さで切り出し、切り出した強磁性薄帯材を対象空間のコーナー部において重ね合わせて接合することにより環状強磁性薄帯材１３を形成し、その複数の環状強磁性薄帯材１３を同じ形状の環状絶縁性薄帯材１５と長手方向中心軸Ｃで位置合せしつつ交互に重ね合わせて環状積層磁性板１１（図２（Ｂ）参照）とし、その複数の環状積層磁性板１１を対象空間の内周面に沿って各磁性板１１の長手方向中心軸Ｃが同一面Ｆ上にその所定幅ｗ以上の所定間隔ｄで平行に並ぶように配置してなるものである。

好ましくは、強磁性薄帯材１２を鉄系アモルファス製、コバルト系アモルファス製、又はナノ結晶軟磁性材料製とし、環状絶縁性薄帯材１５を強磁性薄帯材１２と実質上同じ厚さの紙製又は合成樹脂製のシート又はフィルムとする。

更に好ましくは、図２（Ｂ）に示すように、シールド対象空間の内周上に複数の環状積層磁性板１１と直交する向きに配置され且つ磁性板１１の各々を長手方向中心軸Ｃが内周面上に所定間隔ｄで平行に並ぶように係止する複数の係止部２１付き磁性板支持材２０を設け、図３に示すように、各係止部２１にそれぞれ複数の環状積層磁性板１１を内周面の法線方向に空隙ｓを隔てて同心状に係止することにより多重磁気シールド面Ｆ１、Ｆ２を形成することができる。

本発明の開放型シールド構造１は、所定幅ｗで厚さ３０μｍ以下の長尺リボン状の強磁性薄帯材１２をシールド対象空間の内周面の各辺に応じた長さで切り出し、切り出した強磁性薄帯材を対象空間のコーナー部において重ね合わせて接合することにより環状強磁性薄帯材１３を形成し、その複数の環状強磁性薄帯材１３を同じ形状の環状絶縁性薄帯材１５と長手方向中心軸Ｃで位置合せしつつ交互に重ね合わせて環状積層磁性板１１を構成し、その複数の環状積層磁性板１１を対象空間の内周面に沿って各磁性板１１の長手方向中心軸Ｃが同一面Ｆ上にその所定幅ｗ以上の所定間隔ｄで平行に並ぶように配置するので、次の効果を奏する。

（イ）各強磁性薄帯材１２を絶縁性薄帯材１４と交互に重ね合わせることでそれぞれ電気的に独立させ、帯状積層磁性板１０を板厚ｔの小さい強磁性薄帯材１２の束とすることにより、帯状積層磁性板１０で発生する渦電流損（（１）式参照）を小さく抑えることができる。
（ロ）また、渦電流損の小さい帯状積層磁性板１０を組み合わせて開放型シールド構造１とすることにより、渦電流損に起因するシールド性能の低下を避け、交流磁場に対する開放型シールド構造１のシールド性能を大幅に改善できる。
（ハ）更に、強磁性薄帯材１２の厚さを３０μｍ以下とすることにより、１００Ｈｚ以下の交流磁場に対する開放型シールド構造１のシールド性能を直流磁場に対する場合と実質上同等（８５〜９０％以上）にすることができ、１００Ｈｚ以下の弱磁場に対して汎用的な開放型シールド構造１とすることができる。
（ニ）また、強磁性薄帯材１２として長尺リボン状のアモルファスを用いることにより、その長尺リボンを適宜枚数積層して磁気シールド用の帯状積層磁性板１０とすることができるので、加工の手間を減らして開放型シールド構造１の施工の容易化を図ると共に、開放型シールド構造１においてシールド性能の劣化の原因となりうる接合部を削減（例えばコーナ部のみに削減）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。
本発明による開放型磁気シールド構造の一実施例の説明図である。 本発明による開放型磁気シールド構造の他の実施例の説明図である。 本発明による開放型磁気シールド構造の更に他の実施例の説明図である。 磁気シールド構造のシールド性能を劣化させる渦電流の説明図である。 本発明の開放型磁気シールド構造のシールド性能を示す実験結果の一例である。 本発明の開放型磁気シールド構造のシールド性能を示す実験結果の他の一例である。 従来の開放型磁気シールド構造の説明図である。 従来の密閉型磁気シールド構造及びシールド性能の計測方法の説明図である。 従来の磁気シールド構造のシールド性能を対比した実験結果である。

図１は、帯状積層磁性板１０を用いて構築した本発明の開放型シールド構造１の実施例を示す。図７を参照して上述したように開放型シールド構造１は、矩形断面（長手方向と交差する断面）の短辺を板厚ｔ（例えば１ｍｍ）とし長辺を板幅ｗ（例えば３０〜５０ｍｍ）とする所要長さの磁性板２を用いて構築するが、本発明ではそのような磁性板２として、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、板幅ｗの複数の強磁性薄帯材１２を同じ形状の絶縁性薄帯材１４と長手方向中心軸Ｃで交互に重ね合わせて板厚ｔとした帯状積層磁性板１０を用いる。帯状積層磁性板１０は、各強磁性薄帯材１２が絶縁性薄帯材１４によって相互に絶縁されており、電気的に独立した薄い強磁性材１２の集合した束とみなすことができる。式（１）に示すように磁性板に発生する渦電流損（Ｗ）は板厚ｔの２乗に比例するので、磁性板１０を薄い強磁性材１２の束とすることにより、磁性板１０で発生する渦電流損を小さく抑えることができる。

強磁性薄帯材１２の板厚は、できるだけ薄くして渦電流損を小さく抑えることが望ましい。例えば、強磁性薄帯材１２の板厚を２０μｍとすると、厚さ１ｍｍの磁性板２（図７参照）に比して渦電流損（Ｗ）を２５００分の１とすることができる（式（１）参照）。後述する実験例１及び２に示すように、厚さ３０μｍ以下の強磁性薄帯材１２を重ね合わせて帯状積層磁性板１０とすれば、１００Ｈｚ以下の周波数において帯状積層磁性板１０に発生する渦電流損（Ｗ）を充分に小さく抑え、帯状積層磁性板１０を用いた開放型シールド構造１の交流磁場に対するシールド性能を直流磁場に対する場合と実質上同等（８５〜９０％以上）に維持することができる。従って、１００Ｈｚ以下の交流磁場を対象とする場合は、厚さ３０μｍ以下の強磁性薄帯材１２を積層して用いることが好ましい。ただし、強磁性薄帯材１２の板厚は、シールド対象の周波数に応じて、その周波数における開放型シールド構造１のシールド性能が直流磁場に対する場合と実質上同等となるように、数値シミュレーション又は実験によって適宜設計することが可能である。

また強磁性薄帯材１２の材質は、弱磁場で高いシールド性能を発揮させるため、できるだけ高い透磁率（例えば初透磁率８０００以上、最大透磁率３５０００以上）を有する磁性材料とすることが望ましい。好ましくは強磁性薄帯材１２を初透磁率１００００以上、最大透磁率６００００以上の磁性材料製とし、更に好ましくはＰＣパーマロイと同等以上の透磁率を有する磁性材料製とする。このような磁性材料の一例は、単ロール法により長尺リボン状の箔材として製造されるアモルファス（非晶質金属）である。例えば鉄系アモルファス製は、ＰＣパーマロイよりやや劣るが同程度の透磁率（初透磁率８０００〜１５０００、最大透磁率３５０００〜６０００００）を有しており、厚さ１８〜３０μｍ、幅５０．８ｍｍの長尺リボン状の箔材として市販されている（日本非晶質金属製）。またコバルト系アモルファス製は、ＰＣパーマロイより優れた透磁率（初透磁率３００００〜１７００００、最大透磁率６０００００〜１００００００）を有しており、厚さ２０μｍ、幅２５ｍｍの長尺リボン状の箔材として提供されている（日立金属製）。更に、鉄系アモルファスを結晶化温度以上で熱処理して結晶粒径を１０ｎｍ程度に小さくしたナノ結晶軟磁性材料（登録商標ファインメット）が開発されており、ＰＣパーマロイより優れた透磁率（初透磁率１５０００、最大透磁率７００００）を有するナノ結晶軟磁性材料が、厚さ１８μｍ、幅４０ｍｍの長尺リボン状の箔材として市販されている（日立金属製）。このような長尺リボン状のアモルファスを、シールド対象空間に応じた長さに切断して開放型磁気シールド用の強磁性薄帯材１２として用いることができる。なお、開放型シールド構造１のシールド性能を高めるためには、長尺リボン状のアモルファスを予め磁気焼鈍したうえで用いることが有効である。

絶縁性薄帯材１４は、導電材でもある強磁性薄帯材１２をそのまま積層すると電気的に一体化して渦電流損（Ｗ）が大きくなるため、強磁性薄帯材１２の相互間に挿入して電気的な絶縁性を確保するためのものである。絶縁性薄帯材１４の材質は、強磁性薄帯材１２の相互間を電気的に絶縁できるものであればとくに制限はないが、紙製又は合成樹脂製のシート又はフィルムが適している。また、絶縁性薄帯材１４の厚さは、絶縁性の観点からは厚いほうが望ましいが、強磁性薄帯材１２の板厚に比してあまり大きくなると強磁性薄帯材１２の相互間にシールド性能を低下させる磁気的な隙間が生じるおそれがある。好ましくは絶縁性薄帯材１４を、強磁性薄帯材１２と同程度の３０μｍ以下で、且つ、絶縁性が確保できる厚さとする。例えばアモルファス製の強磁性薄帯材１２を用いた場合は、後述する実験例１及び２に示すように、絶縁性薄帯材１４を強磁性薄帯材１２と実質上同じ厚さの紙又は合成樹脂製シートとすることにより、強磁性薄帯材１２の相互間の絶縁性を確保すると共に磁気的な隙間の発生を避けることができる。

強磁性薄帯材１２と絶縁性薄帯材１４とを長手方向中心軸Ｃで位置合せしながら必要枚数積層することにより、所要のシールド性能（パーミアンス）を有し且つ渦電流損の小さい帯状積層磁性板１０を形成する。積層する枚数は適宜調整可能であり、要求されるシールド性能に応じて数値シミュレーション又は実験により最適値を設計することもできるが、図９（Ｂ）に示すＰＣパーマロイと同程度のシールド性能とするためには３０〜６０層の強磁性薄帯材１２を積層する必要がある。多層に積層された強磁性薄帯材１２と絶縁性薄帯材１４とを適当な間隔でテープ等の固定具を用いて一体化してもよいが、強磁性薄帯材１２に大きな応力が加わるとシールド性能に悪影響を及ぼすため、固定のための応力は最小限に抑える必要がある。

或いは、厚さ３０μｍ以下の強磁性薄帯材１２は脆弱であって単独での取り扱いが難しい場合もあるので、予め工場等で強磁性薄帯材１２と絶縁性薄帯材１４とを一体化し、絶縁性薄帯材１４により強度を高めて強磁性薄帯材１２の取り扱い性を改善することも考えられる。例えば、絶縁性薄帯材１４を強磁性薄帯材１２の片側又は両側の帯状面を覆う絶縁性被覆材（例えば合成樹脂製のラッピング材）とし、強磁性薄帯材１２と絶縁性薄帯材１４とを一体化する。この場合は、絶縁性薄帯材１４で被覆された強磁性薄帯材１２を、強磁性材１２が相互に接触しないように必要枚数重ね合わせることで帯状積層磁性板１０を形成することができる。

図１（Ｃ）は、上述した帯状積層磁性板１０を複数枚用い、各磁性板１０の長手方向中心軸Ｃが同一面Ｆ上にその所定幅ｗ以上の所定間隔ｄで平行に並ぶように配置して磁気シールド面Ｆを形成した本発明の開放型シールド構造１の実施例を示す。図示例のシールド構造１は、各帯状積層磁性板１０の長手方向と直交する方向（図示例では垂直方向）に配置された複数の磁性板支持材２０を有し、各支持材２０にそれぞれ磁性板１０の板幅ｗ以上の所定間隔ｄで複数段の係止部２１を設け、磁性板１０の各々をそれぞれ各支持材２０の対応する段の係止部２１に架け渡して平行に係止（図示例では載置）することにより、図７（Ａ）のシールド簾体３と同様に、複数段の磁性板１０が平行に配置された磁気シールド面Ｆを形成する。支持材２０及び係止部２１は、例えば木材、樹脂材等の磁性板１０と磁気的及び電気的に導通しない材質とすることが望ましいが、支持材２０及び係止部２１と磁性板１０との接触面（又は接触部位）に適当な非磁性かつ絶縁性の部材を介在させて磁性板１０との磁気的及び電気的な導通を防止してもよい。

各支持材２０における係止部２１の間隔ｄは、図７のシールド簾体３と同様に、間隔ｄの断面積Ｓａに対する帯状積層磁性板１０の断面積Ｓｍと比透磁率μｓとの積（Ｓｍ・μｓ）の割合（Ｓｍ・μｓ／Ｓａ）が１より大きくなるように設計する。例えば、間隔ｄを積層磁性板１０の板幅ｗと同程度の大きさ（ｄ＝ｗ）とすることにより、その割合（Ｓｍ・μｓ／Ｓａ）を１より充分に大きくすることができる。ただし、各係止部２１の間隔ｄは全て同じである必要はなく、各磁性板１０の対応する係止部２１の間隔ｄが同じであれば、係止部２１の位置によって間隔ｄが相違してもよい。各磁性板１０の対応する係止部２１を平行に位置決めするため、図１（Ｃ）に示すように、各支持材２０に交差する向きの下地材２２を固定したうえで係止部２１を取り付けてもよい。また、磁性板１０を架け渡す支持材２０の間隔Ｄは、架け渡した磁性板１０に撓みが発生すると相互間隔ｄが広がってシールド性能の低下に繋がるので、磁性板１０の撓みが生じない大きさ（例えば、積層磁性板１０の板幅ｗの８〜１０倍程度）に設定する。

図２（Ｂ）に示す本発明の実施例では、シールド対象空間を囲む内周面にそれぞれ磁性板支持材２０を平行に配置し、各支持材２０の対応する係止部２１にそれぞれ帯状積層磁性板１０を架け渡して環状に接合することにより磁気的に閉じた複数段の環状積層磁性板１１（磁気回路）を形成し、図７（Ｂ）の環状簾体５と同様に、対象空間を囲む環状の開放型シールド構造１を形成する。例えば、図１（Ｃ）に示す磁気シールド面Ｆを対象空間の四方内面にそれぞれ配置し、コーナ部において各内面の磁気シールド面Ｆの各段の磁性板１０を重ね合わせて接合することにより、図２（Ｂ）のような環状の開放型シールド構造１を構築することができる。

或いは、図２（Ａ）に示すように、シールド対象空間の内周面に沿って複数枚の強磁性薄帯材１２を端縁の重ね合わせにより環状に接合して磁気的に閉じた環状強磁性薄帯材１３を形成し、その上に複数枚の絶縁性薄帯材１４を敷き詰めて環状絶縁性薄帯材１５を形成し、そのような環状強磁性薄帯材１３と環状絶縁性薄帯材１５とを位置合せしながら必要枚数積層することにより、図２（Ｂ）のような環状積層磁性板１１（磁気回路）を形成してもよい。例えば強磁性薄帯材１２として長尺リボン状のアモルファスを用いる場合は、長尺リボンから対象空間の内周面の各辺に応じた長さの４枚の薄帯材１２を切り出し、その４枚の薄帯材１２をコーナ部において重ね合わせて接合することにより、コーナ部以外は接合部の存在しない環状強磁性薄帯材１３とすることができる。このようにシールド性能の劣化の原因となりうる接合部を減らすことができる点で、長尺リボン状のアモルファスは本発明の強磁性薄帯材１２に適している。図２（Ａ）の環状積層磁性板１１をシールド対象空間の内周面に設けた各支持材２０の対応する係止部２１に架け渡し、対象空間の内周面に複数段の環状積層磁性板１１を配置することにより、図２（Ｂ）のように対象空間を囲む環状の開放型シールド構造１を構築する。

［実験例１］
図２（Ｂ）のような環状積層磁性板１１を用いた開放型シールド構造１の交流磁場に対するシールド性能を確認するため、５０枚のナノ結晶軟磁性材料（日立金属製のファインメット、厚さ１８μｍ、幅４０ｍｍ）製の環状強磁性薄帯材１３を、絶縁紙（シート）製の環状絶縁性薄帯材１５（厚さ１８μｍ、幅４０ｍｍ）と共に積層した環状積層磁性板１１を用いて図２（Ｂ）の開放型シールド構造１（モデルＡ）を構成し、そのモデルＡのシールド性能を数値シミュレーション（三次元非線形動磁場解析）により確認した。この解析では、印加磁場の強度として１μＴｐ−ｐ、１０μＴｐ−ｐ、５０μＴｐ−ｐの３種類を想定し、印加磁場の周波数を０Ｈｚ、１０Ｈｚ、１００Ｈｚに切り替えながらモデルＡのシールド係数ＳＥ（＝印加磁場の強さ／シールド後の磁場の強さ）を算出した。また比較のため、環状絶縁性薄帯材１５を挿入せずに５０枚の環状強磁性薄帯材（ナノ結晶軟磁性材料）１３のみを積層した環状磁性板を用いて図２（Ｂ）の開放型シールド構造１（モデルＢ）を構成し、同じ印加磁場の強度及び周波数におけるモデルＢのシールド係数ＳＥを数値シミュレーションにより算出した。各モデルＡ及びＢの印加磁場に対するシールド性能のシミュレーション結果を図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す。

図５（Ｂ）に示すように、環状強磁性薄帯材１３のみを積層したモデルＢでは、周波数０Ｈｚ（直流磁場）のときのシールド係数ＳＥに比して、周波数１０Ｈｚになるとシールド係数ＳＥが６７〜７９％に低下し、周波数１００Ｈｚになるシールド係数ＳＥが３２〜３４％に大幅に低下し、図９（Ｂ）のＰＣパーマロイの場合と同様に周波数が高くなるとシールド性能が大幅に劣化することが分かる。これに対し、図５（Ａ）に示すように、環状強磁性薄帯材１３を環状絶縁性薄帯材１５と共に積層したモデルＡでは、直流磁場のときのシールド係数ＳＥに比して、周波数１０Ｈｚにおいて９５〜９７％のシールド係数ＳＥを維持し、周波数１００Ｈｚにおいても９０〜９４％のシールド係数ＳＥを維持しており、周波数が高くなっても直流磁場の場合と実質上同程度（９０％以上）のシールド係数ＳＥを示すことが分かる。この実験結果から、強磁性薄帯材１３（又は１２）と絶縁性薄帯材１５（又は１４）とを重ね合わせた帯状積層磁性板１１（又は１０）は、１００Ｈｚ以下の周波数において発生する渦電流損（Ｗ）が充分に低減されており、渦電流損の影響によるシールド性能の劣化が少ない開放型シールド構造を構築できることが確認できた。

［実験例２］
また、３０枚の鉄系アモルファス（日本非晶質金属製のＭＥＴＧＬＡＳ ２６０５ＳＣ、厚さ３０μｍ、幅５０．８ｍｍ）製の環状強磁性薄帯材１３を絶縁紙（シート）製の環状絶縁性薄帯材１５（厚さ３０μｍ、幅５０．８ｍｍ）と共に積層した環状積層磁性板１１を用いて図２（Ｂ）の開放型シールド構造１（モデルＡ）を構成し、そのモデルＡのシールド係数ＳＥを実験例１と同様の数値シミュレーション（三次元非線形動磁場解析）により算出した。また比較のため、環状絶縁性薄帯材１５を挿入せずに３０枚の環状強磁性薄帯材（鉄系アモルファス）１３のみを積層した環状磁性板を用いて図２（Ｂ）の開放型シールド構造１（モデルＢ）を構成し、そのモデルＢのシールド係数ＳＥを併せて算出した。各モデルＡ及びＢの印加磁場に対するシールド性能のシミュレーション結果を図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示す。

図６（Ｂ）に示すモデルＢでは、周波数０Ｈｚ（直流磁場）のときのシールド係数ＳＥに比して、周波数１０Ｈｚになるとシールド係数ＳＥが６９〜８２％となり、周波数１００Ｈｚになるシールド係数ＳＥが３３〜３５％となり、やはり周波数が高くなるとシールド性能が大幅に劣化していることが分かる。これに対し、図６（Ａ）に示すように、環状強磁性薄帯材１３を環状絶縁性薄帯材１５と共に積層したモデルＡでは、直流磁場のときのシールド係数ＳＥに比して、周波数１０Ｈｚにおいて９２〜９４％のシールド係数ＳＥを示し、周波数１００Ｈｚにおいても８５〜８７％のシールド係数ＳＥを維持しており、１００Ｈｚ以下の周波数においても直流磁場の場合と実質上同程度（８５％以上）のシールド係数ＳＥを有していることが分かる。この実験結果からも、実験例１と同様に、帯状積層磁性板１１（又は１０）を用いることで渦電流損の影響によるシールド性能の劣化が少ない開放型シールド構造が構築できることを確認できた。なお、図５（Ａ）に比して図６（Ａ）のシールド係数ＳＥが小さい理由は、ナノ結晶軟磁性材料と鉄系アモルファスとの磁気特性（透磁率）の相違によるものと考えられる。また、図５（Ａ）に比して図６（Ａ）のシールド係数ＳＥの低下率が大きい理由は、実験例２で用いた鉄系アモルファスの板厚が、実験例１で用いたナノ結晶軟磁性材料の板厚に比して大きいため、発生する渦電流損が大きい（２．７８倍程度）ためであると考えられる。

こうして本発明の目的である「交流磁場においても磁気シールド性能の劣化が少ない開放型磁気シールド構造」の提供を達成できる。

図３は、磁気シールド空間のシールド性能の向上を目的として、多重の磁気シールド面Ｆ１、Ｆ２を形成した本発明の開放型シールド構造１の実施例を示す。従来から密閉型シールド構造において、上述したように１層のみではシールド対象空間からの磁気漏洩を充分に防ぐことができないことから、シールド性能の向上を目的として、対象空間の周囲に２層又は３層以上のシールド構造を配置した多重シールド構造が用いられている（特許文献１参照）。本発明の開放型シールド構造においても、図３のように２層又は３層以上の磁気シールド面Ｆ１、Ｆ２を配置した多重シールド構造とすることにより、シールド性能の大幅な向上が期待できる。

図３（Ｂ）の実施例は、例えば図１（Ｃ）の磁性板支持材２０の各係止部２１に、それぞれ複数（図示例では２枚）の帯状積層磁性板１０ａ、１０ｂを磁気シールド面Ｆの法線方向に空隙ｓを隔てて係止（図示例では載置）することにより、多重磁気シールド面Ｆ１、Ｆ２を形成したものである。例えば強磁性薄帯材１２として長尺リボン状のコバルト系アモルファス（厚さ２０μｍ、幅２５ｍｍ）を用いる場合に、そのリボン幅が比較的小さいことから、強磁性薄帯材１２と絶縁性薄帯材１４とが積層された一対の帯状積層磁性板１０ａ、１０ｂを支持材２０の各係止部２１に並べて係止し、一対の磁気シールド面Ｆ１、Ｆ２を形成することにより開放型シールド構造１のシールド性能を向上させる。外層の磁気シールド面Ｆ１と内層の磁気シールド面Ｆ２とは相互に接触させてもよいが、両シールド面Ｆ１、Ｆ２の間に適当な空隙ｓを設けることによりシールド効果の更なる向上が期待できる。

図３（Ｂ）において、外層及び内層に積層する薄帯材１２の枚数は、要求されるシールド性能に応じて数値シミュレーション又は実験により最適値を設計すればよいが、外層と内層とで積層する枚数を相違させてもよい。例えば、外部から対象空間に侵入する磁気ノイズを想定した場合、外層で一旦減衰したものが内層に印加されるため、外層の積層枚数（例えば５０枚程度）に比して内層の積層枚数を少なく（例えば４０枚程度に）することができる。また、外層と内層との間の空隙ｓの大きさも数値シミュレーション又は実験により最適値を設計できるが、シールド性能から最適な空隙ｓとすると周囲の壁厚が大きくなり対象空間内部の有効面積が減少してしまう場合もあるので、実際には対象空間の許容壁厚を考慮して決定することになる。

図３（Ａ）は、例えば図２（Ｂ）のようにシールド対象空間を囲む内周面に配置した各支持材２０の対応する係止部２１に、それぞれ一対の環状積層磁性板（磁気回路）１１ａ、１１ｂを同心状に架け渡して係止することにより、外層の複数段の環状積層磁性板１１ａと内層の複数段の環状積層磁性板１１ｂとを対象空間の周囲に入れ子状に配置した開放型シールド構造１を示す。従来の密閉型シールド構造を入れ子状の多重構造とする場合は、外層及び内層毎にそれぞれ磁性板を取り付けるための下地を設けることが必要であり、施工に手間とコストが必要であった。これに対し本発明の開放型シールド構造は、各支持材２０の対応する係止部２１に複数の環状積層磁性板１１ａ、１１ｂを並べて係止するだけで図３（Ａ）のような入れ子状の多層構造を構築することができ、簡単な施工作業で経済的にシールド性能の向上を図ることが可能である。

１…開放型磁気シールド構造 ２…帯状磁性板（短冊形磁性板）
３…シールド簾体 ５…環状簾体
６…密閉型磁気シールド構造 ７…方形磁性板又は磁性アングル
８…磁気センサ ９…重ね合わせ部
１０…帯状積層磁性板 １１…環状積層磁性板
１２…強磁性薄帯材 １３…環状強磁性薄帯材
１４…絶縁性薄帯材 １５…環状絶縁性薄帯材
２０…支持材 ２１…係止部
２２…下地材
Ｃ…長手方向中心軸 ｄ…磁性板の配置間隔
Ｆ…磁気シールド面（磁気簾面） Ｉ…電流
Ｌ…電流担体（コイル） Ｍ…磁場
ｔ…磁性板の厚さ（板厚） ｓ…空隙
ＳＥ…シールド係数 ｗ…磁性板の幅

Claims (4)

1. 所定幅で厚さ３０μｍ以下の長尺リボン状の強磁性薄帯材をシールド対象空間の内周面の各辺に応じた長さで切り出し、切り出した強磁性薄帯材を対象空間のコーナー部において重ね合わせて接合することにより環状強磁性薄帯材を形成し、その複数の環状強磁性薄帯材を同じ形状の環状絶縁性薄帯材と長手方向中心軸で位置合せしつつ交互に重ね合わせて環状積層磁性板とし、その複数の環状積層磁性板を対象空間の内周面に沿って各磁性板の長手方向中心軸が同一面上に前記所定幅以上の所定間隔で平行に並ぶように配置してなる開放型磁気シールド構造。
2. 請求項１のシールド構造において、前記強磁性薄帯材を鉄系アモルファス製、コバルト系アモルファス製、又はナノ結晶軟磁性材料製としてなる開放型磁気シールド構造。
3. 請求項１又は２のシールド構造において、前記環状絶縁性薄帯材を強磁性薄帯材と実質上同じ厚さの紙製又は合成樹脂製のシート又はフィルムとしてなる開放型磁気シールド構造。
4. 請求項１から３の何れかのシールド構造において、前記シールド対象空間の内周面上に複数の環状積層磁性板と直交する向きに配置され且つ当該磁性板の各々を長手方向中心軸が内周面上に所定間隔で平行に並ぶように係止する複数の係止部付き磁性板支持材を設け、各係止部にそれぞれ複数の環状積層磁性板を内周面の法線方向に空隙を隔てて同心状に係止することにより多重磁気シールド面を形成してなる開放型磁気シールド構造。