JP5900014B2

JP5900014B2 - 磁気シールド装置

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Publication number: JP5900014B2
Application number: JP2012039679A
Authority: JP
Inventors: 成満戸田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: JP2013175625A

Description

本発明は、外部磁場を遮断する磁気シールド装置に関する。

脳磁計や心磁計などによって数ｆＴ（フェムトテスラ）以下の非常に微弱な磁場を測定する場合には、測定対象よりも遥かに大きな環境磁界（地磁気など）をキャンセルして測定対象の磁場のみを取り出す必要がある。そこで、従来、環境磁界をキャンセルするための手段として、パーマロイに代表される強磁性体材料でシールドルームを構成するパッシブ型磁気シールドが広く用いられている。

脳磁や心磁の測定には一般的に磁気センサーが用いられるが、複数個のセンサーで測定を行う必要が生じる場合がある。しかし、磁気シールドの内部では、磁気シールドの残留磁化の状態や環境磁場の遮断能力に応じて、磁場勾配が発生してしまう。そのため、複数個のセンサーを配置することができる領域は非常に限られてしまう。また、場合によっては、センサーの配置ができない場合もある。

そこで、例えば、非特許文献１では、磁気シールドを３軸磁界発生コイルの中央に配置して、当該コイルを用いて環境磁界をキャンセルするシステムが提案されている。当該システムによれば、磁気シールドに対して３軸（ｘ，ｙ，ｚ軸）方向に磁界発生コイルが配置されるため、各軸方向の磁場勾配のレベルが軽減される。

松岡信仁、外４名、「コイルを組み合わせた開口部を有する磁気シールドの検討」、日本ＡＥＭ学会誌、日本ＡＥＭ学会、平成22年9月、第18巻、第3号、p. 215‐220

しかし、非特許文献１に記載の構成では、３軸磁界発生コイルが磁気シールドを包み込むような構成をとるため、システム全体のサイズが大型化してしまう。また、磁気シールド内にアクセスするためのスペースを確保するために、各コイル間に十分なスペースを確保する必要が生じ、その結果、システム全体がさらに大型化する可能性がある。また、コイル駆動用の回路及び電源も３軸分必要となり、コストや設置スペースが増大してしまう。

本発明は、磁気シールドの軸方向のみに磁界発生コイルを設置する磁気シールド装置において、軸方向のみならず径方向の磁場勾配のレベルを低減することを目的とする。

本発明は、磁性体で構成された筒状のシールド部と、前記シールド部の一の開口面と同一平面上、又は当該開口面と対向する位置に設けられた第１のコイルとを有し、前記第１のコイルは、励磁状態において、前記シールド部内の軸方向の磁場勾配のレベルを低減させるとともに、前記シールド部内の径方向の磁場勾配のレベルをも低減させることを特徴とする磁気シールド装置を提供する。この構成によれば、軸方向のみならず径方向の磁場勾配のレベルを低減することができる。

上記の磁気シールド装置において、前記第１のコイルが励磁状態において前記シールド部を消磁する消磁部をさらに有するようにしてもよい。この構成によれば、前記第１のコイルの励磁状態において前記シールド部の消磁を行うことにより、消磁効果の最適化を図ることができる。

また、上記の磁気シールド装置において、前記第１のコイルは、前記シールド部の一の開口端縁に沿って形成されてもよい。この構成によれば、装置全体が占めるスペースをより減らすことができる。

また、上記の磁気シールド装置において、前記シールド部内に配置される複数の磁気測定装置をさらに有するようにしてもよい。この構成によれば、前記シールド部内において、複数の測定装置を使った磁気の測定を行うことができる。

また、上記の磁気シールド装置において、前記シールド部は、その一方の開口部が蓋により覆われていてもよい。この構成によれば、外部磁場の遮蔽率をより向上させることができる。

また、上記の磁気シールド装置において、前記シールド部の外側面に対して平行な開口面を有する第２のコイルであって、前記第２のコイルの励磁状態において、前記シールド部内の径方向の磁場勾配のレベルを低減させる第２のコイルをさらに有するようにしてもよい。この構成によれば、径方向の磁場勾配のレベルをさらに低減することができる。

本発明の一実施形態に係る磁気シールド装置１０の構成を示す図である。制御回路５の構成の一例を示す図である。シールド部１及びキャンセルコイル３Ａ，３Ｂの俯瞰図である。シールド部１の斜視図である。測定領域Ｒの斜視図である。測定領域Ｒにおける磁場（ｘ成分）の勾配を示す図である。測定領域Ｒにおける磁場（ｚ成分）の勾配を示す図である。測定領域Ｒにおける磁場（ｘ成分）の勾配を示す図である。シールド部１Ａの俯瞰図である。測定領域Ｒにおける磁場（ｚ成分）の勾配を示す図である。一変形例に係るキャンセルコイルを示す図である。一変形例に係るキャンセルコイルを示す図である。

（１）実施形態
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気シールド装置１０の構成を示す図である。同図に示されるように、磁気シールド装置１０は、シールド部１と、消磁コイル２と、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂと、駆動回路４Ａ〜４Ｃと、制御回路５とを有する。ここで、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂは、本発明に係る「第１のコイル」の一例であり、消磁コイル２及び駆動回路４Ａは、本発明に係る「消磁部」の一例である。

シールド部１は、強磁性体により構成された円筒状の磁気シールドである。シールド部１は、その内側に、脳磁計や心磁計等の磁気センサーを１又は複数格納する。シールド部１の材料は、磁性体シートである。

消磁コイル２は、シールド部１に巻きつけられており、交流磁界を発生させることによりシールド部１を消磁する。キャンセルコイル３Ａ，３Ｂは、正方形に巻かれたヘルムホルツコイルである。両コイルは、その半径ｒの距離だけ離して平行かつ同軸に配置される。両コイルに同方向の電流を流すと、両コイルに挟まれた空間の中心付近に一様な磁場が発生する。

シールド部１は、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂに挟まれた空間内に設置される。その際、シールド部１は、その軸方向にキャンセルコイル３Ａ，３Ｂが位置するように配置される。すなわち、シールド部１は、その開口部が、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂの開口面と対向するように配置される。

駆動回路４Ａは、消磁コイル２と接続され、図示せぬ電源から当該コイルに交流電流を流す。駆動回路４Ｂは、キャンセルコイル３Ａと接続され、図示せぬ電源から当該コイルに交流電流を流す。駆動回路４Ｃは、キャンセルコイル３Ｂと接続され、図示せぬ電源から当該コイルに交流電流を流す。キャンセルコイル３Ａ，３Ｂにより発生させられる磁場の強さは、シールド部１を設置前にシールド部１の重心が位置する予定の場所の環境磁界（地磁気など）の強さを０になるように予め調節される。制御回路５は、駆動回路４Ａ〜４Ｃと接続され、これらを制御する。

図２は、制御回路５の構成の一例を示す図である。同図に示されるように、制御回路５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）５２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）５３と、入力部５４と、出力部５５とを有する。各構成要素は、それぞれバスを介して相互に接続されている。

ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５２に記憶されている制御プログラムを読み出して実行することにより、駆動回路４Ａ〜４Ｃを制御する。ＲＡＭ５３は、ＣＰＵ５１が制御プログラムを実行する際の作業エリアを提供する。入力部５４は、図示せぬ操作部（例えば、ボタン）を介して、シールド部１の消磁を指示する操作信号や、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を指示する操作信号を受け取る。出力部５５は、駆動回路４Ａ〜４Ｃに対して駆動信号を出力する。

ＣＰＵ５１は、入力部５４により、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を指示する操作信号が受け取られると、出力部５５を介して、駆動回路４Ｂ，４Ｃに対して駆動信号を出力する。一方、ＣＰＵ５１は、入力部５４により、シールド部１の消磁を指示する操作信号が受け取られると、出力部５５を介して、駆動回路４Ａ〜４Ｃに対して駆動信号を出力する。すなわち、ＣＰＵ５１は、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂが励磁状態においてシールド部１の消磁を行うことにより、消磁効果の最適化を図る。

次に、シールド部１及びキャンセルコイル３Ａ，３Ｂの寸法について説明する。
図３は、シールド部１及びキャンセルコイル３Ａ，３Ｂの俯瞰図である。同図におけるｚ軸方向は、シールド部１の軸方向に相当する。ｙ軸方向は、シールド部１の設置面に対して垂直な方向に相当する。ｘ軸方向は、ｚ軸方向及びｙ軸方向に対して垂直な方向に相当する。なお、同図に示される、白い円の中に交差する２本の線分を描いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を示している。

同図に示されるように、シールド部１は、その直径が２０ｃｍであり、軸方向の長さが４０ｃｍである。また、図示は省略されているが、その厚みは０．１８ｍｍである。一方、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂは、その一辺の長さが２００ｃｍである。図３において二点鎖線で囲まれた領域Ｒについては後述する。

次に、上記の構成を有する磁気シールド装置１０により得られる効果について説明する。より具体的には、磁気シールド装置１０を動作させた場合に、シールド部１内に発生する磁場の勾配について説明する。なお、以下の説明では、磁気シールド装置１０は、そのシールド部１の軸方向が東西を向くように配置されているものとする。また、地磁気の強さはｘ軸方向に２６μＴ（マイクロテスラ）、ｚ軸方向にマイナス２μＴであり、ｚ軸方向の地磁気をキャンセルするためキャンセルコイル３Ａ，３Ｂにより発生させられる磁場の強さは２μＴであるものとする。

また、以下の説明において、磁場が測定される領域は、図４に示される測定領域Ｒである。この測定領域Ｒは、その重心がシールド部１の重心Ｇと重なるように位置する、長方形形状の領域である。測定領域Ｒの寸法は、図５に示されるように、そのｘ軸方向の長さが９ｃｍであり、ｚ軸方向の長さが５ｃｍである。

図６は、この測定領域Ｒにおける磁場（ｘ成分）の勾配を示す図である。図６（ａ）は、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行わなかった場合を示す図であり、図６（ｂ）は、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行った場合を示す図である。なお、同図における軸方向（ｚ軸方向）及び径方向（ｘ軸方向）の距離は、重心Ｇからの距離を示している。例えば、軸方向２．５ｃｍの位置は、重心Ｇから−ｘ方向に２．５ｃｍ進んだ位置であり、径方向４．５ｃｍの位置は、重心Ｇから＋ｚ方向に４．５ｃｍ進んだ位置である。これは、後述する図８及び図１０についても同様である。

図６において、軸方向の磁束密度の勾配として、例えば、図６（ａ）の点Ｐ₁‐Ｐ₂間の勾配と、図６（ｂ）の点Ｑ₁−Ｑ₂間の勾配とを比較すると、図６（ｂ）の方が明らかに緩やかになっている。すなわち、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行わなかった場合と比較して、行った方が軸方向のｘ成分磁場勾配が緩やかになっている。また、径方向のｘ成分磁束密度の勾配についても、例えば、図６（ａ）の点Ｐ₂‐Ｐ₃間の勾配と、図６（ｂ）の点Ｑ₂−Ｑ₃間の勾配とを比較すると、図６（ｂ）の方が緩やかになっている。すなわち、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行わなかった場合と比較して、行った方は径方向のｘ成分磁場勾配が緩やかになっている。

以上は、測定領域Ｒにおける磁場（ｘ成分）の勾配についての説明であるが、図７は、測定領域Ｒにおける磁場（ｚ成分）の勾配を示す図である。図７（ａ）は、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行わなかった場合を示す図であり、図７（ｂ）は、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行った場合を示す図である。

同図において、軸方向の磁束密度の勾配として、例えば、図７（ａ）の点Ｐ₄‐Ｐ₅間の勾配と、図７（ｂ）の点Ｑ₄−Ｑ₅間の勾配とを比較すると、図７（ｂ）の方が緩やかになっている。すなわち、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行わなかった場合と比較して、行った方が軸方向のｚ成分磁場勾配が緩やかになっている。また、径方向のｚ成分磁束密度の勾配についても、例えば、図７（ａ）の点Ｐ₅‐Ｐ₆間の勾配と、図７（ｂ）の点Ｑ₅−Ｑ₆間の勾配とを比較すると、図７（ｂ）の方が緩やかになっている。すなわち、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行わなかった場合と比較して、行った方は径方向のｚ成分磁場勾配が緩やかになっている。

このように、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行う本実施形態に係る磁気シールド装置１０は、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行わない構成と比較して、軸方向の磁場勾配のレベルを低減させることができる。また、上記の測定データから、本実施形態に係る磁気シールド装置１０は、軸方向に配置されたキャンセルコイル３Ａ，３Ｂによって、径方向の磁場勾配のレベルをも低減させることができることがわかる。

よって、本実施形態に係る磁気シールド装置１０によれば、軸方向だけでなく径方向についても磁場勾配のレベルが低減されるため、磁気センサーの設置可能領域が広くなる。また、本実施形態に係る磁気シールド装置１０によれば、軸方向にのみキャンセルコイルを設置すれば足りるため、従来のように３軸分のキャンセルコイルを設置する構成と比較して、システム全体のサイズ及びコストが低減される。また、シールド部１内へのアクセスが容易になる。

また、以下に説明するように、本実施形態に係る磁気シールド装置１０によれば、シールド部１の軸方向の長さの短縮化が可能になる。これは、通常、磁気シールドにおいてシールドの軸方向の長さを短縮化すると軸方向及び径方向の磁場勾配のレベルに悪影響が出てしまうが、本実施形態に係る磁気シールド装置１０によれば、上述のように、軸方向及び径方向の磁場勾配のレベルを低減させることができるからである。

図８は、上述の測定領域Ｒにおける磁場（ｘ成分）の勾配を示す図である。ただし、図８（ａ）は、上記の構成においてシールド部１の軸方向の長さを８０ｃｍとし（以下、この構成を有するシールド部１を「シールド部１Ａ」という。）、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行わなかった場合を示す図である。図９は、シールド部１Ａの俯瞰図である。一方、図８（ｂ）は、上記の構成を有する磁気シールド装置１０において、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行った場合を示す図である。すなわち、上述の図６（ｂ）と同じ図である。

図１０は、測定領域Ｒにおける磁場（ｚ成分）の勾配を示す図である。ただし、この場合も、図１０（ａ）は、シールド部１に代えてシールド部１Ａを採用し、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行わなかった場合を示す図である。図１０（ｂ）は、上記の構成を有する磁気シールド装置１０において、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂによる磁界発生を行った場合を示す図である。すなわち、上述の図７（ｂ）と同じ図である。

図８及び図１０に示されるように、本実施形態に係るシールド部１は、シールド部１Ａと比較して軸方向の長さが２分の１しかないが、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂを有することにより、シールド部１Ａを有する構成と比較して同程度の磁場勾配のレベルを確保することができることがわかる。すなわち、本実施形態に係る磁気シールド装置１０によれば、シールド部１の軸方向の長さの短縮化が可能になることがわかる。

（２）変形例
上記の実施形態は、以下のように変形してもよい。また、下記の変形例は、互いに組み合わせてもよい。

（２−１）変形例１
上記の実施形態に係るシールド部１は、その径方向の断面が円形となっているが、この形状は楕円や多角形であってもよい。また、上記の実施形態に係るシールド部１は、その両端が開口しているが、その一方（片方）の開口部が蓋により覆われていてもよい。なお、シールド部１と蓋とは、一体に成形されてもよい。また、上記の実施形態に係るシールド部１は、単層構造となっているが、多層構造であってもよい。

また、上記の実施形態に係るシールド部１は、パーマロイや、鉄、クロム又はコバルト系のアモルファスや、フェライト焼結体により構成されてもよい。パーマロイのような保磁力の弱い磁性体により構成される場合には、消磁コイル２（及び駆動回路４Ａ）を省略してもよい。また、上記の実施形態に係るシールド部１の寸法はあくまで例であり、他の寸法を採用してもよい。

（２−２）変形例２
上記の実施形態に係るキャンセルコイル３Ａ，３Ｂは、正方形に巻かれているが、円形や楕円形又は他の多角形の形状に巻かれてもよい。また、キャンセルコイル３Ａ，３Ｂは、図１１に示されるように、シールド部１の開口端縁に沿って形成されてもよい。なお、図１１に示される、白い円の中に交差する２本の線分を描いた記号は、紙面手前側から奥側に向かう矢印を示している。

また、上記の実施形態に係るキャンセルコイル３Ａ，３Ｂは、ヘルムホルツコイルであるが、他の構成を採用してもよい。例えば、図１２に示されるように、Simple box-9（正方形コイルを等間隔に９つ並べた構成）を採用してもよい。この場合、外側２つのコイルは、その開口面が、シールド部１の開口面の同一平面上に位置するように配置される。また、上記の実施形態に係るキャンセルコイル３Ａ，３Ｂの寸法はあくまで例であり、他の寸法を採用してもよい。

また、上記の実施形態では、軸方向にのみキャンセルコイルが設置されているが、径方向にもキャンセルコイルを設置するようにしてもよい。具体的には、上記のシールド部１の外側面に対して平行な開口面を有するキャンセルコイルであって、その励磁状態において、シールド部１内の径方向の磁場勾配のレベルを低減させるキャンセルコイルをさらに設置するようにしてもよい。当該キャンセルコイルは、本発明に係る「第２のコイル」の一例である。

１，１Ａ…シールド部、２…消磁コイル、３Ａ，３Ｂ…キャンセルコイル、４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…駆動回路、５…制御回路、５１…ＣＰＵ、５２…ＲＯＭ、５３…ＲＡＭ、５４…入力部、５５…出力部

Claims

一対の第１のコイルと、
前記一対の第１のコイルに挟まれた空間に配置され、磁性体で構成された筒状のシールド部と、
を有し、
前記一対の第１のコイルは、前記一対の第１のコイルの少なくとも一方の開口面が前記シールド部の開口部と対向する様に配置されており、励磁状態において、前記シールド部内の軸方向の磁場勾配のレベルを低減させるとともに、前記シールド部内の径方向の磁場勾配のレベルをも低減させることを特徴とする磁気シールド装置。
前記一対の第１のコイルが励磁状態において前記シールド部を消磁する消磁部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の磁気シールド装置。
前記一対の第１のコイルの少なくとも一方は、前記シールド部の一の開口端縁に沿って形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気シールド装置。
前記シールド部内に配置される複数の磁気測定装置をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気シールド装置。
前記シールド部は、その一方の開口部が蓋により覆われていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気シールド装置。
前記シールド部の外側面に対して平行な開口面を有する第２のコイルであって、前記第２のコイルの励磁状態において、前記シールド部内の径方向の磁場勾配のレベルを低減させる第２のコイルをさらに有することを特徴とする請求項５に記載の磁気シールド装置。