JPH0366839B2

JPH0366839B2 -

Info

Publication number: JPH0366839B2
Application number: JP63099731A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Harada; Ichiro Sasada; Shoichiro Kubo
Original assignee: Kyushu University NUC
Current assignee: Kyushu University NUC
Priority date: 1988-04-21
Filing date: 1988-04-21
Publication date: 1991-10-18
Also published as: JPH0289399A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は磁気シールド法に関し、特に、導体板
上に角形磁性体を被着、合体、積層或いはスペー
スを介して併設させたものの角形磁性体層にシエ
イキングのため比較的振幅の大きな交流磁界を印
加すると角形磁性体層の増分実効透磁率を格段に
高められることを発見し、これにより空間を仕切
ると大きなシールド効果が得られ、軽量、高性能
磁気シールドの実現に有効に適用し得るようにし
たものである。

（従来の技術およびその課題）磁界の極めて小さい空間は、物理計測、生体磁
気計測、超伝導エレクトロニクス等の分野で必要
とされる。特に生体磁気計測の分野においては、
極めて微弱な信号（InT〜10fT）がおよそ0.1Hz
の低周波から1kHz帯に存在するので、同帯域の
外乱磁界に対する効果的シールド不可欠である。
外乱磁界には、地磁気や電気機器、電車等から漏
洩する磁界がある。ところで、外乱磁界をシール
ドするには２通りの方法が利用できる。第１は、
強磁性体の高い透磁率を利用して、磁界をシール
ドしたい空間外へ導く方法であり、第２は導電体
に変動磁界によつて誘導される渦電流によるシー
ルド効果を利用するものである。前者は直流か
ら、透磁率が減少し始める周波数帯（通常数ｋHz
程度まで）で効果が大きく、後者は高周波で効果
が大きいが周波数の低下と共にその効果は減少し
直流で消失する。金属強磁性体は両者の効果を合
わせ持つため、一般に磁気シールドのシールド比
Ｓ（外乱磁界強度Hoとシールド内漏洩磁界強度
Hiの比Ho／Hi）は周波数を持つ。また、振幅が
磁性体の保磁力程度あるいはそれ以下の磁界に対
しては、磁性体は初透磁率または増分透磁率範囲
にある。そのため、従来、磁気シールド比として
は、地磁気程度0.3×10^-4〜0.5×10^-4T（1T＝
10⁴G）以下の弱磁界に対して初透磁率及び増分
透磁率の比較的大きな（比透磁率で10⁴〜３×
10⁴）ミユーメタルや４−79モリブデンパーマロ
イ等のパーマロイ系材料（Ni、鉄を主成分とす
る結晶質合金）が多く用いられている。しかし、
その透磁率は十分とは言えず、第２の方法が使え
なくなる周波数で十分なシールド比が得られな
い。４−79モリブデンパーマロイを使用した２層
磁気シールドルームのシールド特性は、外乱磁界
の周波数をｆとすると近似的にe^fに比例すること
がD.Cohenの論文“Ａ Shielded Facility for
Low−Level Magnetic Measurements”
Journal of Applied Physics Vol.38，No.３，
March 1967に報告されている。ちなみに、20Hz
以下ではシールド比Ｓ＜100となつた。直流ない
しは低周波帯で、磁界の極めて小さい空間を作り
出すためには、強磁性体の高透磁率特性に頼らざ
るを得ない。

磁気シールドのシールド比Ｓ＝Ho／Hiは透磁
率μ（≫１）、厚さｄ（ｍ）、直流Ｄ（ｍ）、Ｄ≫ｄ、
の磁性球殻に対しシールド比Ｓ（２／３）
μd／Ｄで与えられる。また、Ｎ層磁性球殻によ
るSnは、各層のシールド比をSiとした時近似的
にこれらSiの積に比例する。磁性円筒や磁性四角
筒の場合もほぼ同様の関係にあり、円筒垂直方向
のシールド比に対しては、上記シールド比Ｓの係
数を１／２に、四角筒のそれに対しては0.35に置
換したものとなる。磁気シールドに関し重要な透
磁率は、直流磁界の存在下で小振幅磁界に対し磁
性体の磁気抵抗率を規定する増分透磁率μrであ
る。高性能の磁気シールドを実現するには高い増
分透磁率μrを示す磁性材料を使用すること、及び
形状フアクタであるｄ／Ｄをある程度大きくする
ことが必要である。また多層構造とすればシール
ド比は各層のシールド比の積となることから、更
に高いシールド比を得ることが可能となる。しか
し、形状フアクタｄ／Ｄをこと更に大きくするこ
と、あるいは層数をこと更に増やすことは磁性材
料あるい導電材料を大量に使用することを意味
し、材料コストや重い重量を支えるための建設コ
スト等の著しい増加を招いている。従来技術で、
0.1HzにおいてＳ＝10⁴のシールド比を実現するの
に約10トンのミユーメタルと15トンの銅や鉄が使
用されたことが、S.N.Erne.H.−D.Hahlbohm.H.
Scheer.Z.Tronteljらの論文“The Berlin
Magnetically Shielded Room（BMSR）”S.N.
Erne.H.−D.Hahlbohm.H.Lubbig編
Biomagnetism.Walter de.Gruyter＆Co..Berlin
New York.1981に述べられている。

ところで、磁性体の増分透磁率を実効的に高め
る方法としてシエイキング（Shaking）と呼ばれ
る交流磁界（以後シエイキング磁界）をそれらに
印加する技術が知られている。これは、周波数ｆ
の小振幅磁界に周波数fs（ｆ≪fs）の比較的振幅
の大きなシエイキング磁界を重畳すると、周波数
ｆを通して見た透磁率が増加する効果を持つもの
である。この効果は以下のように説明される。そ
もそも、磁性体は磁区と呼ばれるその内部では磁
化の方向が揃つている微少な領域の集合からな
る。磁界の小さい時は、磁区と磁区の境界である
磁壁が磁界方向の磁化成分が増加するよう移動す
ることによつて磁化過程が進行する。この場合、
透磁率は磁壁の移動の容易さにより決まる。すな
わち、磁壁移動がスムーズに行われるならば透磁
率は高く、そうでないなら透磁率は低くなる。比
較的振幅の大きなシエイキング磁界は磁壁を動か
すためのエネルギを供給し、低周波小振幅磁界に
対して磁壁移動がスムーズになるようにするもの
である。従来良く磁気シールドに使用されている
パーマロイの一種であるミユーメタルや４−79モ
リブデンパーマロイでは、増分透磁率を高くする
よう内在する磁気異方性はできるだけ小さくなる
ように作られており、結果として磁化曲線は全体
的に丸みを帯びる。ちなみにその角形比は残留磁
束密度Brと40A／ｍの励磁磁界での磁束密度B₄₀
の比で表すと0.75以下である。しかし、丸みを帯
びた磁化曲線を有する磁性体にシエイキングを施
してもその効果は小さいことが知られている。
V.O.Kelha.R.Peltonen and B.Rantalaの論文
“The Effect of Shaking on Magnetic
Shields”IEEE Trans.on Magnetics，Vol.
MAG−16，No.４，July1980には、ミユーメタル
にシエイキングを行つた場合の実験効果が報告さ
れている。それによると、シエイキングによる増
分透磁率の増加は、外乱磁界の直流成分が極めて
小さい場合に限つて効果があること、またその時
でも増加率は約７倍程度であり、また、一辺20cm
長さ40cmの四角筒を構成し側面からの外乱磁界に
対するシールド比を測定した結果は、シエイキン
グにより高々２倍程度のシールド比の増加しか得
られなかつたことが同論文に述べられている。

また、従来の磁気シールド技術では増分透磁率
μΔの低さを磁性体層の厚を厚くして補つていた
ため（ｄ＝１mm〜数mm）、シエイキングを併用す
るとしても交流励磁に伴う渦電流損失の問題が重
大となり、その周波数は商用周波数程度の低周波
を使用せざるをえず、シエイキング磁界自身がシ
ールド空間内へ漏洩しやすい欠点を有する。

本発明は、十分高い透磁率が従来の材料で得ら
れないために生じる問題点、即ち、高価な材料の
多量使用、高い建設コスト、設置場所の制限等を
解決すべくなされたもので、軽量で高性能な磁気
シールドを低コストで実現可能とする磁気シール
ド法の提供を目的とする。

使用する磁性材料の増分透磁率μΔを十分高く
する方法を考究することが、ｄ／Ｄやシールド壁
の層数が小さくありながら（軽量であること）、
高性能である磁気シールドを実現する方法である
との認識を基にして、具体的には以下の手段によ
つて従来技術の課題を解決したものである。

（課題を解決するための手段）本発明はアルミニウムや銅等の導体板上に角形
磁性体層を合体させたもので所定の空間を仕切
り、前記角形磁性体層側から前記角形磁性体層の
増分透磁率を高めるための交流磁界を印加する方
式の磁気シールド法において、前記角形磁性体層
の磁気特性が、残留磁束密度Br対励磁磁界
40A／ｍでの磁束密度B₄₀の比（Br／B₄₀）が0.8
以上の角形磁化特性であり、前記角形磁性体層の
厚みが1μｍ以上500μｍ以下、前記角形磁性体層
にその増分透磁率を高めるため150Hz以上10kHz
以下の周波数の交流磁界を印加することを特徴と
する磁気シールド法にある。

ここで、角形磁性体層は非晶質磁性体を使用す
るのが好ましく、また、非晶質磁性体はCo基零
磁歪材料であることが好ましい。

（作用）本発明の原理は、アルミニウムや銅等の導体板
上に磁性層を固定し、磁性層側からシエイキング
磁界を印加する方式の磁気シールド法において、
磁性体層の磁気特性を角形磁性特性（Br／B₄₀≧
0.8）とすると共に１層当りの磁性体層厚を1μｍ
以上500μｍ以下、好ましくは20μｍ以上500μｍ以
下とし、かつ、シエイキング磁界周波数を150Hz
以上10kHz以下とし、軽量化をはかりながらシー
ルド比を著しく高めると同時にシエイキング磁界
自身がシールド空間内へ漏洩することを十分抑制
するようにしたことを特徴とする。

第１図は、角形磁化特性を有する磁性体におけ
るシエイキング磁界の効果を説明するための図で
ある。簡単のため、磁性体は消磁されているもの
とするが、磁性体が磁化飽和していなければ、消
磁されていない場合もほぼ同様に説明される。ま
ず、シエイキング磁界が印加されていない場合、
振幅が保磁力より小さな低周波磁界（周波数をｆ
とする）に対する磁化曲線１は、線分ABのよう
になりその傾き、すなわち透磁率は極めて小さ
い。一方、上記低周波小振幅磁界が印加されてな
く適度なシエイキング磁界（周波数fs≫ｆ）が印
加されている状態の磁化曲線２はabcdのように
なる。この状態に振幅の小さな低周波磁界が印加
され、その磁界の大きさが０からΔHへ増加する
場合を考えると、前記磁化曲線２abcdは、角形
磁化曲線３の傾きに沿つてＨ軸方向推移量がΔH
となるよう、別の磁化曲線４a′b′c′d′へ推移する。
この時、シエイキング周波数fsの磁界成分を除去
し、周波数ｆの成分を通過させるような低減フイ
ルタを用いて見た磁束密度変化は同図中ΔBであ
る。したがつて、周波数ｆに対する実効的な増分
透磁率（以下実効透磁率）はΔB／ΔHとなり、
これは角形磁化曲線３の非常に大きな傾き、すな
わち微分透磁率にほぼ等しくなる。この効果を利
用すれば、磁性対層の厚みを1μｍ以上500μｍ以
下、好ましくは20μｍ以上500μｍ以下とし、シエ
イキング周波数fsを150Hz以上、10kHz以下とし十
分なシールド特性を得ると共に、シエイキング磁
界の漏洩成分を磁性体層裏面に置いた導体板によ
る渦電流シールドによつて十分に減衰させること
ができる。この場合、シエイキング周波数fsは、
および500μｍ以下の磁性体層に対しては１〜10k
Hzとし、および50μｍ以上から500μｍの磁性体層
に対しては150〜1000Hz程度とするのが渦電流損
とシエイキング磁界の漏洩を抑制する上で効果的
である。仮に、シエイキング磁界の減衰量が併用
される導体板の渦電流シールドだけでは不十分で
あつても、更にその内側にシエイキングを施さな
い通常のシールド壁を設ければシエイキング磁界
周波数fsが高いので容易に減衰させることができ
る。

本発明の中心である角形磁化特性を有する磁性
体にシエイキングを施すと低周波小振幅磁界に対
する実効透磁率が極めて高くなることを実証する
ために、第２図、第３図にその実験効果を示し
た。第２図の実験において使用した角形磁性体材
料は幅2.5cm、厚さ約20μｍ、保磁力Hc≒0.53A／
ｍの非晶質磁性体薄帯メツトグラス2705M（米国
アライド社製）で、角形磁化特性は（Br／B₄₀≧
0.85）である。前記磁性薄帯を直径6.5cm、長さ
12cm、厚さ0.5cmの銅の筒に、薄帯の端部が互い
に１〜２mm程度重なるようにして、螺旋状に１層
巻き付け固定したシールドケースを使用した。こ
こで低周波弱磁界の励磁磁界周波数は10Hzで、そ
の実効値は0.05〜0.002A／ｍに設定し、シエイキ
ング周波数fs＝1kHzのシエイキング磁界を与え、
その振幅を独立変数としている。実効透磁率は周
波数ｆ＝10Hzの励磁電流と誘起電圧成分をロツク
インアンプで測定しそれらの比から求めたもので
ある。シエイキングにより実効透磁率（比透磁率
値）が3.5×10⁵〜5.2〜10⁵と極めて高くなること
がわかる。これは、従来用いられているパーマロ
イ系材料の増分透磁率（比透磁率で10⁴〜３×
10⁴）のざつと20倍である。シエイキングにより
高められた実効透磁率の周波数特性を規定するも
のは、磁壁の渦電流によるダンピングであり、こ
れは周波数が高くなる程大きくなる効果である。
従つて、実効透磁率は低周波側で更に大きくな
る。

第３図は、結晶質角形磁性体材料の１つである
6.5％珪素鋼板からなるトロイダル磁心（内径5.2
cm、外形7.4cm、高さ２cm、板厚350μｍ、保磁力
Hc8A／ｍ、Br／B₄₀0.8）についてfs＝200Hz
励磁磁界５Hzとし、励磁磁界の振幅をパラメータ
として実効透磁率を測定した結果である。磁束振
幅が約3kG前後のシエイキングに対し、実効透磁
率は約30倍程度増大しており、その時の大きさは
7.1×10⁴〜7.7×10⁴と、パーマロイ系材料のそれ
の数倍である。このように、角形磁化特性を有す
る磁性体に適度にシエイキングを施すと低周波小
振幅磁界に対する実効透磁率を極めて大きく増加
できる。

本発明の実施にあたつては、磁性体は角形磁化
特性を持つものであれば良いが、取り扱いが容易
でシエイキングの効果が大きい磁歪が零または零
に近い角形磁化特性の非晶質磁性体によるのが好
ましい。

（実施例）第４図Ａは、本発明の効果を調べるための１実
施例に関するシールドケース５の構造を示し、第
４図Ｂは磁性体層にシエイキング磁界を与えるた
めのシエイキング電流の印加方法をトロイダル巻
線８で示している。磁性体として第２図の実験に
使用したものと同じメツトグラス2705M非晶質磁
性体薄帯を使用し、それを銅筒６の外表面に一層
螺旋状に固定している。この場合、非晶質磁性体
薄帯７の端は１〜２mm程度重ねられており、固定
方法としては特別な方法は必要なく通常の接着剤
が使用できる。シエイキング電流を供給するため
の交流電源９は多少波形歪があつても良いが、出
力インピーダンスの小さいものが好ましい。第５
図は、第４図イの方法で構成したシールドケース
（直径6.5cm、筒の長さ約12cm）に側面方向から低
周波小振幅外乱磁界Hd（ｆ＝10Hz、振幅：
0.35A／ｍ）を印加したときのシールド特性を示
したものである。ここでは、比較のためシエイキ
ング周波数fsを1kHz及び100Hzとしている。この
結果から、適度のシエイキングを施すことにより
僅かな磁性体の量（本実験では4.85ｇ使用）でＳ
＝100以上の高いシールド比が得られることがわ
かる。脳磁界や心臓磁界を２次微分形SQUIDグ
ラデイオメータで簡便に測定しようとする場合、
グラデイオメータの外乱磁界低減率が1000程度で
あり、Ｓ＝100程度の磁気シールドでも十分な効
果がある。

第４図のシールドケースを人が入れるくらいに
例えば20倍程スケールアツプしたとすれば、磁性
体重量は4.85ｇ×20³＝38.8Kg程度となる。第６図
はシールド効果の周波数特性を示したものであ
る。これから外乱磁界が低周波であるほどシール
ド効果が大きいことが明白であり、従来技術で困
難を伴つていた直流ないし低周波帯でのシールド
が容易にでき、例えば生体磁気計測用磁気シール
ドに適していることが分かる。実際に10⁴程度の
高シールド比の磁気シールドを実現するには、一
層当たりの非晶質磁性体薄帯層数を増やすと共
に、本発明により構成されるシールド壁を用いた
２〜３層構造とすれば良い。また、もし必要があ
れば磁気シールドの最も内側にシエイキング磁界
の漏洩をふせぐためシエイキングを施さない通常
のシールド壁を設けることもできる。また、シエ
イキング磁界の振幅は、非晶質磁性薄帯の場合、
シエイキングによる磁束密度振幅を飽和磁束密度
の約30％〜40％程度とするような大きさが良いこ
とが実験からわかつた。

第７図は、シールド比及び最適なシエイキング
磁界の大きさがシエイキング周波数fsの関数とし
てどのように変化するかをfs＝150Hz〜10kHzの間
で調べたものである。これからシールド比はfsに
それほど依存していないことが分かる。すなわ
ち、シエイキング磁界の周波数は、シエイキング
磁界の漏洩、シエイキング電力等の問題を先に考
慮して決定することが可能となる。シエイキング
磁界の与え方は、第８図のようにソレノイド巻線
１０による方法、シールドケース内側の円筒６自
身に通電する方法によつても同様の効果が得られ
る。

（発明の効果）本発明の方法は、アルミニウムや銅等の導体板
上に磁性体層を固定し、磁性体層側からシエイキ
ング磁界を印加する方式の従来の磁気シールド法
において、磁性体層の磁気特性を角形磁化特性
（Br／B₄₀≧0.8）とすると共に磁性体層の厚みを
1μｍ以上500μｍ以下、好ましくは20μｍ以上500μ
ｍ以下とし、シエイキング磁界周波数を150Hz以
上10kHz以下とすることにより、直流ないしは低
周波小振幅外乱磁界に対するシールド比を著しく
高められると共にシエイキング磁界がシールド空
間内へ漏洩するのを十分に抑制することを可能と
する。これにより、本発明によると直流ないしは
低周波の外乱磁界のシールドに多量の磁性材料を
必要としていた従来の磁気シールド法に比べて大
幅なコストの低減のみならず、軽量でシールド比
の高い磁気シールドの実現を可能とする工業上大
なる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は角形磁化特性を有する磁性体における
シエイキング磁界の効果を説明するための特性
図、第２図は実効透磁率に及ぼすシエイキングの
効果をアモルフアス薄帯について調べた実験結果
を示す特性図、第３図は同様のことを6.5％珪素
鋼板について調べた実験結果を示す特性図、第４
図Ａ，Ｂは本発明の１実施例の構成を示す図、第
５図、第６図はシールド効果を調べた実験結果を
示す特性図、第７図はシエイキング周波数とシー
ルド特性及び最適シエイキング磁界の大きさの関
係を調べた実験結果を示す特性図、第８図はシエ
イキング磁界を与える他の巻線法を示す図であ
る。１……保磁力より小さな磁界に対する磁化曲
線、２……シエイキング磁界による磁化曲線（低
周波小振幅磁界がない場合）、３……角形磁化曲
線、４……低周波磁界がΔHに増加した時のシエ
イキング磁界による磁化曲線、５……シールドケ
ース、６……銅筒、７……角形非晶質磁性薄帯、
８……シエイキングのための巻線（トロイダル
形）、９……交流電源、１０……シエイキングの
ための巻線（ソレノイド形）。

Claims

【特許請求の範囲】１アルミニウムや銅等の導体板上に磁性体層を
被着、合体、積層或いはスペースを介在させて併
設したもので所定の空間を仕切り、前記磁性体層
側から前記磁性体層の実効透磁率を高めるための
交流磁界を印加する方式の磁気シールド法におい
て、前記磁性体層は角形磁性体よりなり、その磁
気特性が、残留磁束密度Br対励磁磁界40A／ｍ
での磁束密度B₄₀の比（Br／B₄₀）が0.8以上の角
形磁化特性であり、前記角形磁性体層の厚みが
1μｍ以上500μｍ以下、前記角形磁性体層にその
実効透磁率を高めるため150Hz以上10kHz以下の
周波数の交流磁界を印加し、シエイキングするこ
とを特徴とする磁気シールド法。２前記角形磁性体層の厚みは20μｍ以上500μｍ
以下である特許請求の範囲第１項記載の磁気シー
ルド法。３角形磁性体層が非晶質磁性体である特許請求
の範囲第１項記載の磁気シールド法。４前記非晶質磁性体がCo基零磁歪材である特
許請求の範囲第２項記載の磁気シールド法。