JP6056153B2 - 磁気シールド、プログラムおよび選定方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気シールド、磁気シールドの材料選定に用いるプログラムおよび磁気シールドの材料の選定方法の技術に関する。

脳磁計や心磁計のように微弱な磁場を測定する場合、測定ターゲットに対し地磁気など遥かに大きな外部環境磁界をキャンセルして測定ターゲット磁場のみを取り出す必要がある。そのため、従来から、磁気シールドを用いる事で環境磁場をキャンセルしている。
外部環境磁場をキャンセルする磁気シールドの技術として、特許文献１には、外側の層に最も透磁率の高い磁気遮蔽材を用い、内側の層に向かって段階的に透磁率が低くなるように構成された多層構造の磁気シールドルームが記載されている。また、特許文献２には、パッシブ方式とアクティブ方式の磁気シールドを併用させる磁気シールド装置が記載されている。また、特許文献３には、外側の高導電材料層と内側の磁性材料層とが対をなして形成されている磁気シールド装置が記載されている。

特開平５−３２７２６３号公報 特開２００８−２８２９８３号公報 特開２００８−２８８３２８号公報

本発明は、共通の材料で構成された磁気シールドや、異なる材料を用いていても、その比透磁率に注目せずに製造された磁気シールドに比較して、高い効率で磁場の遮蔽をする磁気シールドを提供することを目的とする。

本発明は、第１材料で構成された第１の筒型構造体と、前記第１材料と異なる第２材料で構成された第２の筒型構造体と、更に、第３材料で構成された第３の筒型構造体と、を備え、前記第２の筒型構造体は前記第１の筒型構造体の内部に配置され、第１の磁場での前記第１材料の比透磁率は、前記第１の磁場での前記第２材料の比透磁率よりも高く、前記第１の磁場よりも弱い第２の磁場での前記第１材料の比透磁率は、前記第２の磁場での前記第２材料の比透磁率よりも低く、前記第３の筒型構造体は前記第２の筒型構造体の内部に配置され、前記第２の磁場よりも弱い第３の磁場での前記第２材料の比透磁率は、前記第３の磁場での前記第３材料の比透磁率よりも低く、前記第２の磁場は、前記第１の筒型構造体と前記第２の筒型構造体との間の磁場であって、該第２の筒型構造体を配置する前の磁場であることを特徴とする磁気シールドを提供する。この構成によれば、共通の材料で構成された磁気シールドや、異なる材料を用いていても、その比透磁率に注目せずに製造された磁気シールドに比較して、高い効率で磁場の遮蔽をする磁気シールドを提供することができる。

また本発明は、前記第３の磁場は、前記第２の筒型構造体と前記第３の筒型構造体との間の磁場であって、該第３の筒型構造体を配置する前の磁場であることを特徴としてもよい。

また本発明は、材料ごとに磁場の強さに対する比透磁率を記憶した記憶手段を備えたコンピューターに、磁気シールドが設置される環境の磁場の強さを特定する特定手段と、前記記憶手段の記憶内容を参照して、前記特定手段によって特定された磁場の強さに対して最も高い比透磁率を示す材料を、磁気シールドの第１の筒型構造体の材料である第１材料として選定する第１選定手段と、前記第１選定手段によって選定された前記第１材料を用いて前記第１の筒型構造体を製造した場合において、当該第１の筒型構造体と、当該第１の筒型構造体の内部に配置される第２の筒型構造体と、の間の領域であって、該第２の筒型構造体を配置する前の領域における磁場の強さを推算する推算手段と、前記記憶手段の記憶内容を参照して、前記推算手段によって推算された磁場の強さに対して最も高い比透磁率を示す材料を、前記第２の筒型構造体の材料である第２材料として選定する第２選定手段、として機能させるためのプログラムを提供する。この構成によれば、共通の材料で構成された磁気シールドや、異なる材料を用いていても、その比透磁率に注目せずに製造された磁気シールドに比較して、高い効率で磁場の遮蔽をする磁気シールドを製造するために必要な材料の選定を、コンピューターに行わせることができる。

また本発明は、特定手段が、磁気シールドの設置される環境の磁場の強さを特定し、第１選定手段が、材料ごとに磁場の強さに対する比透磁率を記憶した記憶手段の記憶内容を参照して、前記特定手段によって特定された磁場の強さに対して最も高い比透磁率を示す材料を、磁気シールドの第１の筒型構造体の材料である第１材料として選定し、推算手段が、前記第１選定手段によって選定された前記第１材料を用いて前記第１の筒型構造体を製造した場合において、当該第１の筒型構造体と、当該第１の筒型構造体の内部に配置される第２の筒型構造体と、の間の領域であって、該第２の筒型構造体を配置する前の領域における磁場の強さを推算し、第２選定手段が、前記記憶手段の記憶内容を参照して、前記推算手段によって推算された磁場の強さに対して最も高い比透磁率を示す材料を、前記第２の筒型構造体の材料である第２材料として選定することを特徴とする前記磁気シールドの材料の選定方法を提供する。この構成によれば、共通の材料で構成された磁気シールドや、異なる材料を用いていても、その比透磁率に注目せずに製造された磁気シールドに比較して、高い効率で磁場の遮蔽をする磁気シールドを製造するために必要な材料の選定をすることができる。

本発明の第１実施形態に係る磁気シールドの概要を示す図である。 磁気シールドを軸方向に見たときの図である。 磁場の強さに対する磁性体材料の磁束密度の変化を表す図である。 磁場の強さに対する磁性体材料の比透磁率の変化を表す図である。 実施例１−１におけるシールドファクターを比較した図である。 実施例１−２におけるシールドファクターを比較した図である。 磁気シールドを製造するための材料を選定する選定装置の一例を示す図である。 制御部による材料選定の動作を説明するためのフロー図である。 本発明の第２実施形態に係る磁気シールドを軸方向に見たときの図である。 磁場の強さに対する磁性体材料の比透磁率の変化を表す図である。 実施例２における各層の比透磁率を表した図である。 実施例２におけるシールドファクターを比較した図である。 本発明の第３実施形態に係る磁気シールドの概要を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る磁気シールドの概要を示す図である。

１．第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁気シールド９の概要を示す図である。磁気シールド９の各構成の配置などを説明するため、磁気シールド９が配置される空間をｘｙｚ右手系座標空間として表す。ここで座標記号のうち、内側が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表している。空間においてｘ成分が増加する方向を＋ｘ方向といい、ｘ成分が減少する方向を−ｘ方向という。同様に、ｙ、ｚ成分についても、＋ｙ方向、−ｙ方向、＋ｚ方向、−ｚ方向を定義する。図２は、磁気シールド９を＋ｙ方向に見たときの図である。

図１および図２に示すように、磁気シールド９は、内部に中空部を有する外層１と、その外層１の中空部に配置される中空状の部材である内層２とを備える、２層構造の磁気シールドである。外層１および内層２は、いずれも軸方向（＋ｙ方向）に予め決められた長さＬを有する円筒部材である。内層２の外径Ｄ_O1は、外層１の内径Ｄ_i2よりも小さい。内層２は、その軸が外層１の軸Ｏと重なるように配置される。なお、径方向は、軸方向に垂直な平面において、その平面が軸Ｏと交差する点を中心として周囲へ延びる方向である。したがって、径方向には、±ｘ方向や±ｚ方向が含まれる。

外層１の材料は、パーマロイ、鉄・クロム・コバルト系の各アモルファス材、フェライト焼結体、などの各磁性体材料のうち、磁気シールド９が配置される環境の磁場の強さにおける比透磁率が比較的高いものが選定される。ここでは外層１の材料を材料αとする。内層２の材料は、上述した各磁性体材料のうち、材料αと異なる材料である材料βであり、外層１と内層２との間において観測される磁場の強さに対する比透磁率が、その磁場の強さに対する材料αの比透磁率に比べて高い材料が選定される。すなわち、外層１は、第１材料で構成され、内部に中空部を有する第１層の一例であり、内層２は、第１材料と異なる第２材料で構成された中空状の部材であり、第１層の中空部に配置された第２層の一例である。そして、材料αは、第１層を構成する第１材料の一例である。材料βは、第２層を構成する材料であって、第１層の中空部の第１層と第２層との間における磁場の強さのときの比透磁率が、その磁場の強さにおける第１材料の比透磁率に比べて高い第２材料の一例である。

より詳細に材料α，βについて説明する。次の式（１）は円筒型開口２層の磁気シールド９における径方向実行シールドファクターを求めるための数式である。

上述の式１における各記号の意味はそれぞれ以下のとおりである。
μ：磁性体材料の透磁率［Ｈ／ｍ］、μ₀：真空透磁率＝４π×１０^-7［Ｈ／ｍ］、μ_r＝μ／μ₀：磁性体材料の比透磁率、μ_r1：内層２の比透磁率、μ_r2：外層１の比透磁率、ｔ₁：内層２の磁性体材料厚み［ｍ］、ｔ₂：外層１の磁性体材料厚み［ｍ］、Ｄ_o1：内層２の外直径［ｍ］、Ｄ_o2：外層１の外直径［ｍ］、Ｄ_i1：内層２の内直径［ｍ］、Ｄ_i2：外層１の内直径［ｍ］、Ｌ：磁気シールド９の長さ［ｍ］、Ｓ_T1：径方向・無限長・内層２単体のシールドファクター、Ｓ_T2：径方向・無限長・外層１単体のシールドファクター、Ｓ_Top：径方向・有限長・内層２単体のシールドファクター、Ｓ_TD：径方向・無限長・磁気シールド９のシールドファクター、Ｓ_Teff：径方向・有限長・開口・磁気シールド９の実行シールドファクター。

磁気シールドのシールドファクターとは、その磁気シールドの性能を表す指標であり、磁気シールドのシールドファクターが高いほど、その磁気シールドの性能が高いことを示す。上述の式１からわかるように、比透磁率μ_rが高い程、磁気シールドのシールドファクターが高くなる。一方、磁性体材料の比透磁率μ_rはその磁性体材料が置かれる場所における磁場の強さＨに依存する。

図３は、磁場の強さに対する磁性体材料の磁束密度の変化を表す図である。材料αの磁束密度Ｂ［Ｔ］は、その材料αが置かれる環境の磁場の強さＨ［Ａ／ｍ］に対して、図３に破線で示すＢα（Ｈ）の曲線に従って変化する。材料βの磁束密度Ｂ［Ｔ］は、その材料βが置かれる環境の磁場の強さＨ［Ａ／ｍ］に対して、図３に実線で示すＢβ（Ｈ）の曲線に従って変化する。

磁性体材料の磁束密度Ｂ［Ｔ］は、その磁性体材料の透磁率μと、その磁性体材料が置かれる環境の磁場の強さＨとの積で表される。磁性体材料の比透磁率μ_rは透磁率μを真空透磁率μ₀で除算した式、すなわちμ_r＝μ／μ₀に従う。したがって、Ｂ−Ｈの関係は次の式（２）で表される。

この式（２）に基づいて、図３における曲線を、磁場の強さに対する各材料の比透磁率の関係を表す曲線に変換する。図４は、磁場の強さに対する磁性体材料の比透磁率の変化を表す図である。各材料の磁束密度Ｂ［Ｔ］を、それぞれ真空透磁率μ₀と磁場の強さＨとの積で除算することにより、図４に示すように、磁場の強さＨ［Ａ／ｍ］に対する各材料の比透磁率μ_rα（Ｈ），μ_rβ（Ｈ）の変化曲線を得る。各材料の比透磁率μ_rα（Ｈ），μ_rβ（Ｈ）は、いずれも磁場の強さＨ［Ａ／ｍ］に依存する関数で表され、材料ごとに固有のピークを有する。図４に示したこの変化曲線に基づいて、磁気シールド９は設計される。

以下に、磁気シールド９の設計方法の一例を示す。磁気シールド９が設置される環境が例えば、東京だとすると、東京の地磁気レベルはおよそ４５［μＴ］程度であることが知られている。この値を環境磁場の強さＨ₀［Ａ／ｍ］に換算すると、以下のとおりとなる。
Ｈ₀＝４５［μＴ］／（４π×１０^-7）≒３５．８［Ａ／ｍ］
すなわち、磁気シールド９を東京に設置する場合、強さが３５．８［Ａ／ｍ］の磁場が外層１に入力される。環境磁場の強さＨ₀［Ａ／ｍ］は、例えば、図２に示す領域Ｒ₀の磁場の強さである。

図４に示すように、環境磁場の強さＨ₀に対する材料αの比透磁率μ_rα（Ｈ₀）と、材料βの比透磁率μ_rβ（Ｈ₀）を比較すると、材料αの比透磁率μ_rα（Ｈ₀）の方が、材料βの比透磁率μ_rβ（Ｈ₀）よりも高いことがわかる。そこで、外層１の材料として材料αが選定される。

次に、材料αを用いた外層１のみで円筒型開口磁気シールドを構成した場合の内部の領域Ｒ₁の磁場Ｈ₁を特定する。領域Ｒ₁とは、図２の材料αを用いた外層１の内部にある中空部の領域であって、外層１と内層２との間の領域である。また、磁場Ｈ₁とは材料αを用いた外層１のみで円筒型開口の磁気シールドを構成した場合の領域Ｒ₁における磁場の事である。材料αを用いた外層１のみで円筒型開口磁気シールドを構成した場合の領域Ｒ₁における磁場の強さＨ₁［Ａ／ｍ］は、測定やシミュレーションによって求められる。

１−１．実施例１−１
本発明の第１実施形態における第１の実施例である実施例１−１を説明する。
ここでは、以下の条件下にシミュレーションを行って、磁場の強さＨ₁［Ａ／ｍ］を求める。
材料αを使った外層１のμ_r＝μ_rα（Ｈ₀）＝２２１８２
Ｃａｓｅ１において内層２に材料αを使った場合のμ_r＝μ_rα（Ｈ₁）＝１０７４３０
Ｃａｓｅ２において内層２に材料βを使った場合のμ_r＝μ_rβ（Ｈ₁）＝１８７００７
内層２の内直径［ｍ］：Ｄ_i1＝０．２
外層１の内直径［ｍ］：Ｄ_i2＝０．３
内層２の磁性体材料厚み［ｍ］：ｔ₁：＝０．００１
外層１の磁性体材料厚み［ｍ］：ｔ₂＝０．００１
環境磁場［μＴ］：Ｂ₀＝１０
磁気シールド９の長さ［ｍ］：Ｌ＝０．８

このシミュレーションの結果、材料αを用いた外層１のみで円筒型開口磁気シールドを構成した場合の領域Ｒ₁における磁束密度Ｂ₁が２．３［μＴ］であると特定されたため、以下の計算により材料αを用いた外層１のみで円筒型開口磁気シールドを構成した場合の領域Ｒ₁における磁場の強さＨ₁［Ａ／ｍ］は求められる。
Ｈ₁＝２．３［μＴ］／（４π×１０^-7）≒１．８３［Ａ／ｍ］
すなわち、東京に設置される磁気シールド９であって、外層１が材料αで構成されている場合に、外層１による磁場減衰により環境磁場は領域Ｒ₁では１．８３［Ａ／ｍ］まで低下する。そのため、内層２には外層１で減衰された磁場レベル１．８３［Ａ／ｍ］が入力される事となる。

図４に示すように、磁場の強さＨ₁に対する材料αの比透磁率μ_rα（Ｈ₁）と、材料βの比透磁率μ_rβ（Ｈ₁）を比較すると、材料βの比透磁率μ_rβ（Ｈ₁）の方が、材料αの比透磁率μ_rα（Ｈ₁）よりも高いことがわかる。そこで、内層２の材料として材料βが選定される。

このように外層１および内層２の各材料が選定されることで、磁気シールド９のシールドファクターが増大し、磁気シールド９の磁場の遮蔽効果は向上する。図５は、同じ材料で製造した２層のシールドと、上述した磁気シールド９とのシールドファクターを比較した図である。図５に示すＣａｓｅ１は、外層１および内層２を従来のように同じ材料αで製造した２層のシールドである。一方、Ｃａｓｅ２は、上述した磁気シールド９であり、外層１は材料αで、内層２は材料βでそれぞれ製造されている。その結果、Ｃａｓｅ１における中心部の磁束密度は、−１．１５×１０^-7［Ｔ］であるのに対し、Ｃａｓｅ２における中心部の磁束密度は、−６．７４×１０^-8［Ｔ］である。ここで「中心部の磁束密度」とは、Ｃａｓｅ１の２層シールドやＣａｓｅ２の磁気シールド９の軸がある位置における磁束密度である。これはＣａｓｅ１の２層シールドによる磁場の遮蔽の倍率が８９倍であるのに対し、Ｃａｓｅ２の磁気シールド９による磁場の遮蔽の倍率が１５２倍と約１．７倍に上昇していることを意味している。言い換えると、磁気シールド９による磁場の遮蔽の効果は、従来の２層シールドに対して約５ｄＢの性能向上があることがわかる。

１−２．実施例１−２
本発明の第１実施形態における第２の実施例である実施例１−２を説明する。
ここでは、以下の条件下にシミュレーションを行って、磁場の強さＨ₁［Ａ／ｍ］を求める。なお、シミュレーションは実施例１−１と同様、有限要素法に基づくアルゴリズムを用いて行ったが、実施例１−２における空間の離散化に関する条件は、上述した実施例１−１とは異なるものを用いた。
材料αを使った外層１のμ_r＝μ_rα（Ｈ₀）＝２２１８２
内層２の内直径［ｍ］：Ｄ_i1＝０．２
外層１の内直径［ｍ］：Ｄ_i2＝０．３
内層２の磁性体材料厚み［ｍ］：ｔ₁：＝０．０００２７８
外層１の磁性体材料厚み［ｍ］：ｔ₂＝０．０００２７８
環境磁場［μＴ］：Ｂ₀＝４５
磁気シールド９の長さ［ｍ］：Ｌ＝０．８

このシミュレーションの結果、材料αを用いた外層１のみで円筒型開口磁気シールドを構成した場合の領域Ｒ₁における磁束密度Ｂ₁が２．３［μＴ］であると特定されたため、以下の計算により材料αを用いた外層１のみで円筒型開口磁気シールドを構成した場合の領域Ｒ₁における磁場の強さＨ₁［Ａ／ｍ］は求められる。
Ｈ₁＝２．３［μＴ］／（４π×１０^-7）≒１．８３［Ａ／ｍ］
すなわち、東京に設置される磁気シールド９であって、外層１が材料αで構成されている場合に、外層１による磁場減衰により環境磁場は領域Ｒ₁では１．８３［Ａ／ｍ］まで低下する。そのため、内層２には外層１で減衰された磁場レベル１．８３［Ａ／ｍ］が入力される事となる。

ここで、材料αを用いた外層１の内部に材料αを用いた内層２を設ける場合をＣａｓｅ１ａとし、材料βを用いた内層２を設ける場合をＣａｓｅ２ａとするとそれぞれにおける比透磁率は以下の通りである。
Ｃａｓｅ１ａにおいてμ_r＝μ_rα（Ｈ₁）＝１０７４３０
Ｃａｓｅ２ａにおいてμ_r＝μ_rβ（Ｈ₁）＝１８７００７
つまり材料βの比透磁率μ_rβ（Ｈ₁）の方が、材料αの比透磁率μ_rα（Ｈ₁）よりも高いことがわかる。そこで、内層２の材料として材料βが選定される。

このように外層１および内層２の各材料が選定されることで、磁気シールド９のシールドファクターが増大し、磁気シールド９の磁場の遮蔽効果は向上する。図６は、同じ材料で製造した２層のシールドと、上述した磁気シールド９とのシールドファクターを比較した図である。図６に示すＣａｓｅ１ａは、外層１および内層２を従来のように同じ材料αで製造した２層のシールドである。一方、Ｃａｓｅ２ａは、上述した磁気シールド９であり、外層１は材料αで、内層２は材料βでそれぞれ製造されている。その結果、Ｃａｓｅ１ａにおける中心部の磁束密度は、−３．０２×１０^-8［Ｔ］であるのに対し、Ｃａｓｅ２ａにおける中心部の磁束密度は、−１．７５×１０^-8［Ｔ］である。これはＣａｓｅ１ａの２層シールドによる磁場の遮蔽の倍率が１４９１倍であるのに対し、Ｃａｓｅ２ａの磁気シールド９による磁場の遮蔽の倍率が２５８１倍と約１．７倍に上昇していることを意味している。言い換えると、磁気シールド９による磁場の遮蔽の効果は、従来の２層シールドに対して約５ｄＢの性能向上があることがわかる。

以上のように、各材料が選定されて製造された磁気シールド９は、例えば、共通の材料で構成された磁気シールドや、異なる材料を用いていても、その比透磁率に注目せずに製造された磁気シールドに比較して、高い効率で磁場の遮蔽をする。

なお、本発明は、上述した磁気シールド９の製造方法、磁気シールド９の材料の選定方法として観念することも可能である。また、本発明は、上述した磁気シールド９を製造するための材料を選定する選定装置として観念することも可能であり、さらに、この選定装置であるコンピューターに、上述した磁気シールド９を製造するための材料を選定させるコンピュータープログラム（以下、単にプログラムという）として観念することも可能である。

図７は、磁気シールド９を製造するための材料を選定する選定装置３の一例を示す図である。選定装置３は、制御部３１、記憶部３２、操作部３３、および表示部３４を備える。制御部３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを備え、ＣＰＵが、ＲＯＭに記憶されているブートローダーや記憶部３２に記憶されているプログラムをＲＡＭに読み出して実行することにより、選定装置３の各部を制御する。記憶部３２は、ハードディスクドライブなどの大容量の記憶手段であり、制御部３１により利用されるプログラムを記憶する。操作部３３は、各種の指示を入力するための操作ボタンやタッチパネルなどを備えており、ユーザーによる操作を受け付けてその操作内容に応じた信号を制御部３１に供給する。表示部３４は、制御部３１の制御の下、操作を促す対話型ウィンドウや選定の結果を表すウィンドウなどを表示する。表示部３４は、例えば、液晶を用いた表示素子などにより構成される。

また、記憶部３２は、磁場の強さに対する比透磁率の変化が材料ごとに表されたデータを格納する比透磁率データベース３２１を有する。比透磁率データベース３２１は、図４で示した材料α、βのほか、複数の材料について、磁場の強さに対する比透磁率の変化を記憶している。なお、比透磁率データベース３２１は、比透磁率を磁場の強さの関数として表した場合に、その関数に用いられるパラメータを記憶していてもよい。
制御部３１は、特定部３１１、第１選定部３１２、推算部３１３、および第２選定部３１４としてそれぞれ機能する。以下、これら制御部３１の各構成による動作を説明する。

図８は、制御部３１による材料選定の動作を説明するためのフロー図である。特定部３１１は、磁気シールド９が設置される環境の磁場の強さＨ₀［Ａ／ｍ］を、例えば、ユーザーの操作を受け付けた操作部３３により制御部３１へ出力された、その操作に応じた信号に基づいて特定する（ステップＳ１０１）。第１選定部３１２は、記憶部３２の比透磁率データベース３２１を参照して、特定部３１１によって特定された磁場の強さＨ₀［Ａ／ｍ］に基づき、この磁場の強さＨ₀［Ａ／ｍ］に対して最も高い比透磁率を示す材料を、外層１の材料である第１材料として選定する（ステップＳ１０２）。

次に、推算部３１３は、ステップＳ１０２で選定された第１材料を用いて外層１を製造した場合において、外層１の内部にある中空部の領域であって、外層１と内層２との間の領域における磁場の強さＨ₁［Ａ／ｍ］を推算する（ステップＳ１０３）。第２選定部３１４は、記憶部３２の比透磁率データベース３２１を参照して、推算部３１３によって推算された磁場の強さＨ₁［Ａ／ｍ］に対して最も高い比透磁率を示す材料を、内層２の材料である第２材料として選定する（ステップＳ１０４）。
以上のようにプログラムに従って選定装置３の制御部３１を稼働させることにより、磁気シールド９の外層１と内層２とのそれぞれを構成する各材料が選定される。

２．第２実施形態
第１実施形態において磁気シールド９は、外層１と内層２とを備える２層構造であったが、磁気シールドが備える層は２つに限られず３層以上であってもよい。図９は、本発明の第２実施形態に係る磁気シールド９ａを＋ｙ方向に見たときの図である。

図９に示すように、磁気シールド９ａは、内部に中空部を有する外層１ａと、その外層１ａの中空部に配置される中空状の部材である中間層２ａと、その中間層２ａの中空部に配置される中空状の部材である内層４とを備える、３層構造の磁気シールドである。外層１ａ、中間層２ａおよび内層４は、いずれも軸方向（＋ｙ方向）に予め決められた長さＬを有する。外層１ａの形状や大きさは、第１実施形態の磁気シールド９における外層１と同じであり、中間層２ａの形状や大きさは、第１実施形態の磁気シールド９における内層２と同じである。磁気シールド９ａが磁気シールド９と異なる点は、中間層２ａの内部にある中空部の領域に内層４が配置されている点である。内層４は、外径及び内径が、それぞれ外径Ｄ_O4、内径Ｄ_i4、厚みｔ₄の円筒部材である。内層４の外径Ｄ_O4は中間層２ａの内径Ｄ_i1よりも小さい。内層４は、その軸が外層１の軸Ｏと重なるように配置される。

図９に示すように、領域Ｒ₀は、外層１ａの外側の領域のうち、外層１ａの隣の領域である。ここで、或る層の『隣の領域』とは、その或る層との間に他の層を介在させていない領域をいう。つまり『外層１ａの隣の領域』とは、この外層１ａとの間に外層１ａ以外の層を介在させていない領域のことである。
また、図９に示すように領域Ｒ₁は、外層１ａと中間層２ａとの間の領域のうち、中間層２ａの隣の領域である。そして、領域Ｒ₂は、外層１ａと内層４との間の領域のうち、内層４の隣の領域である。この領域Ｒ₂は、中間層２ａと内層４との間の領域のうち、内層４の隣の領域、とも言えることは言うまでもない。
なお、上述した第１実施形態において内層２の材料は、外層１と内層２との間において観測される磁場の強さに対する比透磁率が、その磁場の強さに対する外層１の材料の比透磁率に比べて高いものが選定される。そして、第１実施形態における磁気シールド９は２層構造である。すなわち、磁気シールド９において、外層１と内層２との間に他の層が介在していない。したがって、「外層１と内層２との間」とは「外層１と内層２との間の領域のうち、内層２の隣の領域」のことである。

磁気シールド９ａでは、磁気シールド９で用いた材料α、βに加えて、これらと異なる材料γを用いる。

図１０は、磁場の強さに対する磁性体材料の比透磁率の変化を表す図である。図１０には、磁場の強さＨ［Ａ／ｍ］に対する各材料の比透磁率μ_rα（Ｈ），μ_rβ（Ｈ），μ_rγ（Ｈ）の変化曲線が示されている。各材料の比透磁率μ_rα（Ｈ），μ_rβ（Ｈ），μ_rγ（Ｈ）は、いずれも磁場の強さＨ［Ａ／ｍ］に依存する関数で表され、材料ごとに固有のピークを有する。図１０に示したこれらの変化曲線に基づいて、磁気シールド９ａは設計される。

以下に、磁気シールド９ａの設計方法の一例を示す。磁気シールド９ａが設置される環境は、第１実施形態と同じく東京であるとし、その地磁気レベルはおよそ４５［μＴ］程度であるとする。したがって、環境磁場の強さＨ₀［Ａ／ｍ］は、およそ３５．８［Ａ／ｍ］である。環境磁場の強さＨ₀［Ａ／ｍ］とは、例えば図９に示す領域Ｒ₀の磁場の強さである。

２−１．実施例２
本発明の第２実施形態における実施例である実施例２を説明する。
実施例２では、Ｃａｓｅ３，４，５，６を考える。Ｃａｓｅ３とは、外層１ａ、中間層２ａ、内層４の全てに材料αを用いた場合である。Ｃａｓｅ４とは、外層１ａに材料α、中間層２ａに材料β、内層４に材料αを用いた場合である。Ｃａｓｅ５とは、外層１ａに材料α、中間層２ａに材料β、内層４に材料βを用いた場合である。Ｃａｓｅ６とは、外層１ａに材料α、中間層２ａに材料β、内層４に材料γを用いた場合である。そして、Ｃａｓｅ３〜６のそれぞれについて、以下の条件下にシミュレーションを行って、図９に示す領域Ｒ₁の磁場の強さＨ₁［Ａ／ｍ］を求める。

材料αを使った外層１ａのμ_r＝μ_rα（Ｈ₀）＝２２１８２
内層４の内直径［ｍ］：Ｄ_i4＝０．１
中間層２ａの内直径［ｍ］：Ｄ_i1＝０．２
外層１ａの内直径［ｍ］：Ｄ_i2＝０．３
内層４の磁性体材料厚み［ｍ］：ｔ₄：＝０．０００２７８
中間層２ａの磁性体材料厚み［ｍ］：ｔ₁：＝０．０２７８
外層１ａの磁性体材料厚み［ｍ］：ｔ₂＝０．０００２７８
環境磁場［μＴ］：Ｂ₀＝４５
磁気シールド９ａの長さ［ｍ］：Ｌ＝０．８

このシミュレーションの結果、材料αを用いた外層１ａのみで円筒型開口磁気シールドを構成した場合の領域Ｒ₁における磁場の強さＨ₁［Ａ／ｍ］は約１．８３［Ａ／ｍ］と求められる。すなわち、東京に設置される磁気シールド９ａであって、外層１ａが材料αで構成されている場合に、外層１ａによる磁場減衰により環境磁場は領域Ｒ₁では１．８３［Ａ／ｍ］まで低下する。そのため、中間層２ａには外層１ａで減衰された磁場レベル１．８３［Ａ／ｍ］が入力される事となる。

磁場の強さＨ₁として磁場レベル１．８３［Ａ／ｍ］が入力されると、各Ｃａｓｅのそれぞれにおける中間層２ａの比透磁率は以下の通りとなる。
Ｃａｓｅ３における中間層２ａ（材料α）のμ_r＝μ_rα（Ｈ₁）＝１０７４３０
Ｃａｓｅ４における中間層２ａ（材料β）のμ_r＝μ_rβ（Ｈ₁）＝１８７００７
Ｃａｓｅ５における中間層２ａ（材料β）のμ_r＝μ_rβ（Ｈ₁）＝１８７００７
Ｃａｓｅ６における中間層２ａ（材料β）のμ_r＝μ_rβ（Ｈ₁）＝１８７００７

ここで内層４の材料の選定は、Ｃａｓｅ３，４，５においていずれも内層４の隣の領域における磁場の強さと無関係に行われる。すなわち、内層４の材料は、Ｃａｓｅ３、４において材料α、Ｃａｓｅ５において材料βである。

一方、Ｃａｓｅ６については、内層４の隣の領域における磁場の強さに応じて内層４の材料の選定が行われる。

具体的にはＣａｓｅ６において、各層の材料は以下のように選定される。すなわち、図１０に示すように、磁場の強さＨ₁に対する材料αの比透磁率μ_rα（Ｈ₁）と、材料βの比透磁率μ_rβ（Ｈ₁）と、材料γの比透磁率μ_rγ（Ｈ₁）とを比較すると、材料βの比透磁率μ_rβ（Ｈ₁）の方が、材料αの比透磁率μ_rα（Ｈ₁）や材料γの比透磁率μ_rγ（Ｈ₁）よりも高いことがわかる。そこで、中間層２ａの材料として材料βが選定される。

そして、中間層２ａの材料として材料βを用いた場合、領域Ｒ₂の磁場の強さＨ₂が０．０１［Ａ／ｍ］と求められる。すなわち、Ｃａｓｅ６において内層４には、磁場レベル０．０１［Ａ／ｍ］が入力される事となる。この磁場の強さＨ₂に対する材料αの比透磁率μ_rα（Ｈ₂）と、材料βの比透磁率μ_rβ（Ｈ₂）と、材料γの比透磁率μ_rγ（Ｈ₂）とは、以下のように計算される。
材料αの比透磁率μ_rα（Ｈ₂）＝７９６
材料βの比透磁率μ_rβ（Ｈ₂）＝８０
材料γの比透磁率μ_rγ（Ｈ₂）＝７９５８
これらを比較すると、材料γの比透磁率μ_rγ（Ｈ₂）の方が、材料αの比透磁率μ_rα（Ｈ₂）や材料βの比透磁率μ_rβ（Ｈ₂）よりも高いことがわかる。そこで、内層４の材料として材料γが選定される。

図１１は、Ｃａｓｅ３，４，５，６のそれぞれにおける各層の比透磁率を表した図である。Ｃａｓｅ６のように外層１ａ、中間層２ａおよび内層４の各材料が選定されることで、Ｃａｓｅ３〜５における各シールドに比べて、磁気シールド９ａのシールドファクターが増大し、磁気シールド９ａの磁場の遮蔽効果は向上する。

図１２は、Ｃａｓｅ３，４，５，６のシールドファクターを比較した図である。
図１１，１３に示すＣａｓｅ３は、外層１ａ、中間層２ａおよび内層４を同じ材料αで製造した３層のシールドである。Ｃａｓｅ４は、外層１ａを材料αで、中間層２ａを材料βで、内層４を材料αで製造した３層のシールドである。Ｃａｓｅ５は、外層１ａを材料αで、中間層２ａを材料βで、内層４を材料βで製造した３層のシールドである。Ｃａｓｅ６は、外層１ａを材料αで、中間層２ａを材料βで、内層４を材料γでそれぞれ製造した磁気シールド９ａである。その結果、Ｃａｓｅ３における中心部の磁束密度は−１．２０×１０^-8［Ｔ］であり、Ｃａｓｅ４における中心部の磁束密度は−７．１７×１０^-9［Ｔ］であり、Ｃａｓｅ５における中心部の磁束密度は−１．５１×１０^-8［Ｔ］であるのに対し、Ｃａｓｅ６における中心部の磁束密度は、−１．２６×１０^-9［Ｔ］である。これはＣａｓｅ３、Ｃａｓｅ４、Ｃａｓｅ５の３層シールドによる磁場の遮蔽の倍率がそれぞれ３７５２倍、６２９３倍、２９９５倍であるのに対し、Ｃａｓｅ６の磁気シールド９ａによる磁場の遮蔽の倍率が３５７３１倍と上昇していることを意味している。

以上のように、Ｃａｓｅ６において各材料が選定されて製造された磁気シールド９ａは、例えば、従来のように共通の材料で構成された磁気シールド（Ｃａｓｅ３）や、異なる材料を用いていても、内層４についてその比透磁率に注目せずに製造された磁気シールド（Ｃａｓｅ４，５）に比較して、高い効率で磁場の遮蔽をする。

なお、３つ以上の層を備えている磁気シールドにあっては、この３つ以上の層のうち、最も内側に配置された層を除くいずれか１つの層を第１層とし、第１層が内部に有する中空部に配置された層のうちいずれか１つの層を第２層とした場合に、第１層を構成する第１材料と、前記第２層を構成する第２材料とは異なり、第１層と第２層との間の領域のうち、第２層の隣の領域における磁場の強さのときの第２材料の比透磁率が、その磁場の強さにおける第１材料の比透磁率に比べて高ければよい。また、この場合、第２層は、第１層の中空部に配置された層のうち最も外側に配置された層であることが好ましい。そしてさらにこの場合、第１層および第２層の全ての組み合わせにおいて、第１層と第２層との間の領域のうち、第２層の隣の領域における磁場の強さのときの、第２層の材料（第２材料）の比透磁率が、その磁場の強さにおける、第１層の材料（第１材料）の比透磁率に比べて高いことが好ましい。

３．第３実施形態
第１実施形態および第２実施形態において磁気シールド９，９ａを構成する各層は、円筒状の部材であったが、これらは、円筒状の部材に限られず、断面が多角形（三角形、四角形、五角形…など）の角筒状であってもよいし、断面が楕円形の筒状であってもよい。また、磁気シールドの形状は筒状に限定されるものではなく、上述した中空部を有していれば、四角柱などの多角柱状の箱体や、筒における２つの開口部のうち一方のみを壁で閉鎖した、いわゆる『有底筒状』であってもよい。また、磁気シールドは、内側の空間に通じる開口部を有する形状の筒状の部材と、その開口部を覆う大きさの蓋状の部材とを有していてもよい。この場合、磁気シールドは、筒状の部材の開口部を蓋状の部材で閉鎖する構成であってもよい。

図１３は、本発明の第３実施形態に係る磁気シールド９ｂの概要を示す図であり、図１４における矢視XIII−XIIIから磁気シールド９ｂを見たときの断面図である。図１４は、本発明の第３実施形態に係る磁気シールド９ｂの概要を示す図であり、図１３における矢視XIV−XIVから磁気シールド９ｂを見たときの断面図である。

磁気シールド９ｂは、断面が正方形である角筒状の（以下、角筒状部材という）と、その角筒状部材の開口部のうち、一方の側に設けられた平板状の部材（以下、平板状部材という）とを有する。磁気シールド９ｂの形状は、２つの角筒状部材と、１つの平板状部材とを組み合わせた有底筒状である。磁気シールド９ｂは、内部に中空部を有する角筒状部材である外層１ｂと、その外層１ｂの中空部に配置される中空状の角筒状部材である内層２ｂと、外層１ｂおよび内層２ｂの−ｙ方向の端にある各開口部を塞ぐ平板状部材である底層５とを備えるシールドである。

外層１ｂは、ｙ軸方向に平行な軸Ｏを有する。内層２ｂは、その軸が外層１ｂの軸Ｏと重なるように配置される。すなわち、外層１ｂと内層２ｂとは共通の軸を有する。なお、角筒状部材における軸は、その断面のうち、内周または外周に相当する正方形の回転対称の中心を通り、その角筒状部材の伸びる方向に沿って伸びる。

図１４に示すように、外層１ｂの外周に相当する正方形の一辺の長さはＤ_o2b［ｍ］である。外層１ｂの内周に相当する正方形の一辺の長さはＤ_i2b［ｍ］である。内層２ｂの外周に相当する正方形の一辺の長さはＤ_o1b［ｍ］である。内層２ｂの内周に相当する正方形の一辺の長さはＤ_i1b［ｍ］である。外層１ｂの磁性体材料厚みはｔ_2b［ｍ］である。内層２ｂの磁性体材料厚みはｔ_1b［ｍ］である。

図１３に示すように矢視XIV−XIVは、外層１ｂおよび内層２ｂの軸方向の中央を通る断面を示している。すなわち、矢視XIV−XIVが示す断面を境に、＋ｙ方向および−ｙ方向にそれぞれ長さＬの半分の長さＬｈにわたって、外層１ｂおよび内層２ｂが伸びている。
図１４に示すように矢視XIII−XIIIは、軸Ｏを通る。磁気シールド９ｂの外層１ｂの材料は、図１４に示す領域Ｒ_0bにおける磁場の強さＨ₀［Ａ／ｍ］に基づいて決められる。磁気シールド９ｂの内層２ｂの材料は、図１４に示す領域Ｒ_1bにおける磁場の強さＨ₁［Ａ／ｍ］に基づいて決められる。

ここで、第１実施形態や第２実施形態の場合には、外層や内層にそれぞれ入力される磁場の強さは、外層や内層の外側であって、それらの隣の領域で求められていたが、第３実施形態において、外層および内層は多角形である。そのため、多角形の辺の隣であるか、頂点の隣であるかによって、磁場の強さが異なることがある。この場合、辺の中央の隣の領域の磁場の強さを材料選定の基準とすることが望ましい。

ここで、断面の多角形の辺のうち、その中央の隣の領域とは、その多角形の外側であって、且つ、その多角形の回転対称の中心に最も近い領域と言える。したがって、上述したことは、外層（第１層）と内層（第２層）との間の領域であって内層の隣の領域のうち、この内層の軸に最も近い領域における磁場の強さを、材料選定の基準とするということを意味する。要するに、上述した領域における磁場の強さのとき、内層に用いる材料の比透磁率の方が、外層に用いる材料の比透磁率に比べて高ければよい。

したがって、外層１ｂの材料は、頂点の隣の領域である領域Ｒ_0xではなく、辺の中央の隣の領域Ｒ_0bにおける磁場の強さＨ₀［Ａ／ｍ］に基づいて選定される。具体的にこの材料は、その磁場の強さＨ₀［Ａ／ｍ］のときに、候補となる各材料の比透磁率が高いものが選定される。

また、内層２ｂの材料も、頂点の隣の領域である領域Ｒ_1xではなく、辺の中央の隣の領域Ｒ_1bにおける磁場の強さＨ₁［Ａ／ｍ］に基づいて選定される。具体的にこの材料は、その磁場の強さＨ₁［Ａ／ｍ］のときに、候補となる各材料の比透磁率が高いものが選定される。

４．変形例
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。
（１）上述した実施形態において、層の材料は、その層の外側においてその層の隣の領域の磁場の強さを特定し、その磁場の強さのときに最も比透磁率が高くなるものが選ばれていたが、層の隣の領域について、その層の軸方向について特に限定しなかった。しかし、この領域を、さらに軸方向の位置で限定してもよい。例えば、層の材料は、その層の外側においてその層の隣の領域のうち、その層の軸方向における中央部の領域の磁場の強さに基づいて決められてもよい。この中央部とは、軸の中点を通り、軸に垂直な平面を含む領域であって、層全体の軸方向の範囲のうち、予め決められた割合（例えば２０％）の範囲にわたる領域である。

（２）また、領域の軸方向の位置は、その領域における磁場の強さによって限定されてもよい。つまり、層の材料は、その層の外側においてその層の隣の領域のうち、最も磁場の強さが強い部分の領域の、その磁場の強さに基づいて決められてもよい。

（３）磁気シールドは、例えば、磁気測定装置と、その磁気測定装置によって測定される測定対象とをそれぞれ内部に収納して、それらに入力される環境磁場を遮る目的で用いられる。この場合、材料の選定の基準とした領域の位置に応じて、測定対象を配置する位置を決めてもよい。例えば、層の隣の領域のうち、その層の軸方向における中央部の磁場の強さを材料選定の基準とした場合、測定対象は、その層の軸の中点に配置されてもよい。また、層の外側であってその層の隣の領域のうち、磁場の強さが最も強い点を材料選定の基準とした場合、測定対象は、その点から層の軸へ伸ばした垂線と、軸との交点に配置されてもよい。

１，１ａ…外層、２…内層、２ａ…中間層、２ｂ…内層、３…選定装置、３１…制御部、３１１…特定部、３１２…第１選定部、３１３…推算部、３１４…第２選定部、３２…記憶部、３２１…比透磁率データベース、３３…操作部、３４…表示部、４…内層、５…底層、９，９ａ，９ｂ…磁気シールド。

Claims (4)

1. 第１材料で構成された第１の筒型構造体と、
   前記第１材料と異なる第２材料で構成された第２の筒型構造体と、
   更に、第３材料で構成された第３の筒型構造体と、
   を備え、
   前記第２の筒型構造体は前記第１の筒型構造体の内部に配置され、
   第１の磁場での前記第１材料の比透磁率は、前記第１の磁場での前記第２材料の比透磁率よりも高く、
   前記第１の磁場よりも弱い第２の磁場での前記第１材料の比透磁率は、前記第２の磁場での前記第２材料の比透磁率よりも低く、
   前記第３の筒型構造体は前記第２の筒型構造体の内部に配置され、
   前記第２の磁場よりも弱い第３の磁場での前記第２材料の比透磁率は、前記第３の磁場での前記第３材料の比透磁率よりも低く、
   前記第２の磁場は、前記第１の筒型構造体と前記第２の筒型構造体との間の磁場であって、該第２の筒型構造体を配置する前の磁場である
   ことを特徴とする磁気シールド。
2. 前記第３の磁場は、前記第２の筒型構造体と前記第３の筒型構造体との間の磁場であって、該第３の筒型構造体を配置する前の磁場であることを特徴とする請求項１に記載の磁気シールド。
3. 材料ごとに磁場の強さに対する比透磁率を記憶した記憶手段を備えたコンピューターに、
   磁気シールドが設置される環境の磁場の強さを特定する特定手段と、
   前記記憶手段の記憶内容を参照して、前記特定手段によって特定された磁場の強さに対して最も高い比透磁率を示す材料を、磁気シールドの第１の筒型構造体の材料である第１材料として選定する第１選定手段と、
   前記第１選定手段によって選定された前記第１材料を用いて前記第１の筒型構造体を製造した場合において、当該第１の筒型構造体と、当該第１の筒型構造体の内部に配置される第２の筒型構造体と、の間の領域であって、該第２の筒型構造体を配置する前の領域における磁場の強さを推算する推算手段と、
   前記記憶手段の記憶内容を参照して、前記推算手段によって推算された磁場の強さに対して最も高い比透磁率を示す材料を、前記第２の筒型構造体の材料である第２材料として選定する第２選定手段、
   として機能させるためのプログラム。
4. 特定手段が、磁気シールドの設置される環境の磁場の強さを特定し、
   第１選定手段が、材料ごとに磁場の強さに対する比透磁率を記憶した記憶手段の記憶内容を参照して、前記特定手段によって特定された磁場の強さに対して最も高い比透磁率を示す材料を、磁気シールドの第１の筒型構造体の材料である第１材料として選定し、
   推算手段が、前記第１選定手段によって選定された前記第１材料を用いて前記第１の筒型構造体を製造した場合において、当該第１の筒型構造体と、当該第１の筒型構造体の内部に配置される第２の筒型構造体と、の間の領域であって、該第２の筒型構造体を配置する前の領域における磁場の強さを推算し、
   第２選定手段が、前記記憶手段の記憶内容を参照して、前記推算手段によって推算された磁場の強さに対して最も高い比透磁率を示す材料を、前記第２の筒型構造体の材料である第２材料として選定する
   ことを特徴とする前記磁気シールドの材料の選定方法。

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