JPWO2020145344A1

JPWO2020145344A1 - 磁場校正装置及びこれを用いた磁気計測装置のキャリブレーション方法

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Publication number: JPWO2020145344A1
Application number: JP2020565201A
Authority: JP
Inventors: 朝彦澁谷; 善昭足立
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT); TDK Corp
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT); TDK Corp
Priority date: 2019-01-11
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2021-12-02
Anticipated expiration: 2040-01-09
Also published as: US20220057470A1; US11846693B2; DE112020000394T5; WO2020145344A1; JP7399426B2

Abstract

磁場校正装置１は、複数の磁気センサを有する磁気計測装置のキャリブレーションに用いる磁場校正装置であって、第１保持面Ｓ１を有する第１保持具１０と、第１保持面Ｓ１との相対的な位置関係が固定された第２保持面Ｓ２を有する第２保持具２０と、第１保持面Ｓ１及び第２保持面Ｓ２に固定された磁気発生部Ｍとを備える。

Description

本発明は磁場校正装置に関し、特に、複数の磁気センサを有する磁気計測装置のキャリブレーションに用いる磁場校正装置に関する。また、本発明は、このような磁気計測装置のキャリブレーション方法に関する。

近年、医療現場においては、被検体の心臓や脊髄、末梢神経等から発生する微弱な生体磁気を計測する脳磁計、心磁計、筋磁計などといった生体磁気計測装置が使用されることがある。生体磁気計測装置は、これら器官を構成する細胞の興奮に伴う微弱電流によって生じる磁気を検出するものであり、心臓病や神経疾患等の診断にとって重要な装置である。生体磁気計測装置には、通常、微弱磁界を高感度に検出可能なＳＱＵＩＤセンサが使用される。

ＳＱＵＩＤセンサを用いて実際に生体磁気計測を行う際には、計測誤差を低減すべく、あらかじめ校正（キャリブレーション）動作が行われる。例えば、非特許文献１には、所定の平面上に複数配置された３軸の磁場コイルに順番に電流を流しながらＳＱＵＩＤセンサによって磁気計測を行い、計測結果から最小二乗法などを用いて逆問題を解くことによりキャリブレーションする方法が提案されている。

Calibration for a Multichannel Magnetic Sensor Array of a Magnetospinography System, Yoshiaki Adachi 他, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 50, NO. 11, NOVEMBER 2014

しかしながら、ＳＱＵＩＤセンサは、液体ヘリウムを用いた冷却が必要であることから装置が大がかりであるとともに、運用コストが高いという問題がある。また、ＳＱＵＩＤセンサは、計測面が１面のみであり、２以上の計測面を設けることは構造上困難である。

このような問題は、磁気抵抗（Magnetic Resistance）センサ（以下、「ＭＲセンサ」と略す）をアレイ状に配列した磁気計測装置において、ＭＲセンサを超高感度化すれば解決できる可能性がある。ＭＲセンサには、巨大磁気抵抗（Giant Magnetoresistance）センサ（以下、「ＧＭＲセンサ」と略す）、トンネル磁気抵抗（Tunnel Magnetoresistance）センサ（以下、「ＴＭＲセンサ」と略す）、異方向性磁気抵抗（An-Isotropic Magnetoresistance）センサ（以下、「ＡＭＲセンサ」と略す）などがあり、ＳＱＵＩＤセンサよりも低価格且つ小型であるため、非接触の回転数検出や位置検出などに広く使用されている。回転数検出や位置検出などの応用範囲においては、ＭＲセンサの高感度化は特に必要とされていないが、これを超高感度化することにより、ＳＱＵＩＤセンサを代替できるものと考えられる。

ＭＲセンサを用いて生体磁気計測装置を構成すれば、液体ヘリウムなどを用いた冷却が不要であり、装置を小型化することができるだけでなく、計測面を２面以上設けることも容易である。また、フラックスゲートセンサや磁気インピーダンス（Magneto-Impedance）センサも常温で動作することから、ＭＲセンサの代わりに使用できる可能性がある。

しかしながら、計測面が２面以上存在する場合、非特許文献１に記載されたキャリブレーション方法では、計測面毎にキャリブレーションを別個に行う必要があることから、キャリブレーション時間が長くなるという問題があった。しかも、ある計測面に対するキャリブレーション結果と、別の計測面に対するキャリブレーション結果が別々に得られるため、計測面間における計測結果が必ずしも整合しないという問題もあった。

したがって、本発明は、計測面を２面以上有する磁気計測装置のキャリブレーションに用いることにより、キャリブレーション時間を短縮するとともに、計測面間における計測結果を整合させることが可能な磁場校正装置を提供することを目的とする。

本発明による磁場校正装置は、複数の磁気センサを有する磁気計測装置のキャリブレーションに用いる磁場校正装置であって、第１保持面を有する第１保持具と、第１保持面との相対的な位置関係が固定された第２保持面を有する第２保持具と、第１保持面に固定された少なくとも一つの第１磁気発生部と、第２保持面に固定された少なくとも一つの第２磁気発生部とを備えることを特徴とする。

また、本発明による磁気計測装置のキャリブレーション方法は、それぞれ複数の磁気センサを有する第１計測面及び第２計測面を備えた磁気計測装置のキャリブレーション方法であって、第１保持具の第１保持面が第１計測面と向かい合い、第２保持具の第２保持面が第２計測面と向かい合うよう、上記磁場校正装置を磁気計測装置に固定した状態で、第１磁気発生部及び第２磁気発生部から磁界を発生させることによって、複数の磁気センサをキャリブレーションすることを特徴とする。

本発明によれば、相対的な位置関係が固定された第１保持面と第２保持面にそれぞれ磁気発生部が設けられていることから、磁気計測装置に設けられた第１計測面及び第２計測面に対して磁場校正装置の第１保持面及び第２保持面を割り当てることにより、キャリブレーション作業を１回で完了することが可能となる。しかも、第１保持面と第２保持面の相対的な位置関係が固定されていることから、計測面間における計測結果も整合する。

本発明において、第１及び第２磁気発生部は、いずれも第１軸方向に巻回された第１コイルと、第１軸と直交する第２軸方向に巻回された第２コイルと、第１及び第２軸と直交する第３軸方向に巻回された第３コイルとを含むものであっても構わない。これによれば、第１及び第２磁気発生部から３方向に磁界を発生させることができるため、より正確なキャリブレーションを行うことが可能となる。

本発明において、第１保持具の第１保持面には複数の第１磁気発生部が固定され、第２保持具の第２保持面には複数の第２磁気発生部が固定されていても構わない。これによれば、第１保持面に近く第２保持面から遠い磁気センサと、第２保持面に近く第１保持面から遠い磁気センサの両方に対して、十分な大きさの基準磁気信号を与えることができることから、キャリブレーション作業における測定の信号雑音比が向上する。これにより、磁気計測装置の計測面が複数面存在する場合でも、より正確なキャリブレーションを行うことが可能となる。また、第１保持部と第２保持部の相対距離や相対角度を精度よく定義することで、異なる計測面に配置された磁気センサの相対位置の位置決めの精度を向上させることができる。

この場合、複数の第１磁気発生部がアレイ状に配列され、複数の第２磁気発生部と複数の第１磁気発生部の一部がアレイ状に配列されていても構わない。これによれば、磁気計測装置に設けられた２つの計測面に対して、一部の磁気発生部が共通に割り当てられることから、部品点数を削減することが可能となる。

本発明において、第１保持面と第２保持面は互いに直交するものであっても構わない。これによれば、互いに直交する２つの計測面を有する磁気計測装置に対してキャリブレーションを行うことが可能となる。

このように、本発明によれば、計測面を２面以上有する磁気計測装置のキャリブレーションに好適な磁場校正装置を提供することが可能となる。

図１は、本発明の好ましい実施形態による磁場校正装置１の外観を示す略斜視図である。図２は、磁場校正装置１をｚ方向から見たｘｙ平面図である。図３は、磁場校正装置１をｘ方向から見たｙｚ平面図である。図４は、磁気発生部Ｍの構造を説明するための略斜視図である。図５は、磁場校正装置１によるキャリブレーションの対象となる磁気計測装置２の外観を示す略斜視図である。図６は、磁場校正装置１を用いて磁気計測装置２のキャリブレーションを行っている状態を示す略斜視図である。図７は、第１の変形例を示す模式図である。図８は、第２の変形例を示す模式図である。図９は、第３の変形例を示す模式図である。図１０は、第４の変形例を示す模式図である。図１１は、第５の変形例を示す模式図である。図１２は、第６の変形例を示す模式図である。図１３は、第７の変形例を示す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による磁場校正装置１の外観を示す略斜視図である。また、図２は磁場校正装置１をｚ方向から見たｘｙ平面図であり、図３は磁場校正装置１をｘ方向から見たｙｚ平面図である。

本実施形態による磁場校正装置１は、磁気計測装置のキャリブレーションに用いるものであって、図１〜図３に示すように、第１保持具１０と、第２保持具２０と、第１保持具１０の第１保持面Ｓ１及び第２保持具２０の第２保持面Ｓ２に固定された複数の磁気発生部Ｍとを備えている。第１保持具１０及び第２保持具２０は、いずれもアクリルなどの非磁性材料からなる板状体であり、両者は互いに固定されている。第１保持具１０の第１保持面Ｓ１はｘｙ面を構成し、第２保持具２０の第２保持面Ｓ２はｙｚ面を構成している。

第１保持具１０の第１保持面Ｓ１には、９個の磁気発生部Ｍ_１１１，Ｍ_１２１，Ｍ_１３ _１，Ｍ_２１１，Ｍ_２２１，Ｍ_２３１，Ｍ_３１１，Ｍ_３２１，Ｍ_３３１が固定されている。一方、第２保持具２０の第２保持面Ｓ２には、６個の磁気発生部Ｍ_３１２，Ｍ_３２２，Ｍ_３３２，Ｍ_３１３，Ｍ_３２３，Ｍ_３３３が固定されている。各磁気発生部Ｍに下付で付された符号_ｘｙｚは、それぞれのｘ座標位置、ｙ座標位置、ｚ座標位置を示している。尚、本明細書において特に区別する必要がない場合は、磁気発生部Ｍと総称する。

図２に示すように、第１保持面Ｓ１に固定された９個の磁気発生部Ｍ_１１１，Ｍ_１２１，Ｍ_１３１，Ｍ_２１１，Ｍ_２２１，Ｍ_２３１，Ｍ_３１１，Ｍ_３２１，Ｍ_３３１は、ｘｙ面にアレイ状に配列された第１グループＧ１を構成する。第１グループＧ１を構成する９個の磁気発生部Ｍは、ｚ座標位置が全て同じであるとともに、ｘ座標位置及びｙ座標位置の少なくとも一方が互いに相違している。また、図３に示すように、第１保持面Ｓ１に固定された３個の磁気発生部Ｍ_３１１，Ｍ_３２１，Ｍ_３３１と、第２保持面Ｓ２に固定された６個の磁気発生部Ｍ_３１２，Ｍ_３２２，Ｍ_３３２，Ｍ_３１３，Ｍ_３２３，Ｍ_３３３は第２グループＧ２を構成する。第２グループＧ２を構成する９個の磁気発生部Ｍは、ｘ座標位置が全て同じであるとともに、ｙ座標位置及びｚ座標位置の少なくとも一方が互いに相違している。このように、第１保持面Ｓ１に固定された３個の磁気発生部Ｍ_３１１，Ｍ_３２ _１，Ｍ_３３１は、第１グループＧ１と第２グループＧ２に共有される。

図４は、磁気発生部Ｍの構造を説明するための略斜視図である。

図４に示すように、磁気発生部Ｍは、球状のボビン３０と、ボビン３０に巻回された第１コイルＣｘ、第２コイルＣｙ及び第３コイルＣｚと、ボビン３０に接続された８つの脚部３１〜３８とを備えている。第１コイルＣｘはコイル軸がｘ軸方向となるよう巻回され、第２コイルＣｙはコイル軸がｙ軸方向となるよう巻回され、第３コイルＣｚはコイル軸がｚ軸方向となるよう巻回されている。第１コイルＣｘ、第２コイルＣｙ及び第３コイルＣｚは互いに独立したコイルであり、各コイルに電流を流すことによって３軸方向に任意の磁界を発生させることが可能となる。また、脚部３１〜３８のいくつかは、磁気発生部Ｍを第１保持具１０又は第２保持具２０に固定するためのネジ穴３９を有している。

図５は、磁場校正装置１によるキャリブレーションの対象となる磁気計測装置２の外観を示す略斜視図である。

図５に示す磁気計測装置２は、ｘｙ面を構成する第１計測面４１と、ｙｚ面を構成する第２計測面４２を有している。第１計測面４１及び第２計測面４２には、複数の磁気センサ５０のセンサヘッドがアレイ状に配列されている。実際に磁気計測装置２を使用する際には、第１及び第２計測面４１，４２と向かい合うエリアに計測対象物、例えば被験者を配置し、この状態で、第１計測面４１にアレイ状に配列された複数の磁気センサ５０と、第２計測面４２にアレイ状に配列された複数の磁気センサ５０を用いて磁界を計測する。磁気センサ５０は、ＭＲセンサなどからなる１又は２以上の感磁素子を有している。ＭＲセンサとしては、ＧＭＲセンサ、ＴＭＲセンサ、ＡＭＲセンサなどを用いることができる。また、ＭＲセンサの代わりに、フラックスゲートセンサや磁気インピーダンス（Magneto-Impedance）センサを用いることも可能である。

そして、磁気計測装置２の第１計測面４１においては、磁気センサ５０のセンサヘッドがｘｙ方向にアレイ状に配列され、磁気計測装置２の第２計測面４２においては、磁気センサ５０のセンサヘッドがｙｚ方向にアレイ状に配列される。これにより、２つの計測面４１，４２を用いて、計測対象物から発生する微弱な磁界を検出することが可能となる。

ここで、各磁気センサ５０の位置、傾き及び感度は、製造段階である程度既知であるものの、実際の位置、傾き及び感度にはばらつきが存在するため、計測対象物から発生する磁界が非常に微弱である場合には、このばらつきが大きな測定誤差となって現れる。このため、磁気計測装置２を実際に使用する際には、あらかじめ校正（キャリブレーション）動作を行う必要がある。本実施形態による磁場校正装置１は、このような磁気計測装置２のキャリブレーションに使用される。

図６は、磁場校正装置１を用いて磁気計測装置２のキャリブレーションを行っている状態を示す略斜視図である。

図６に示すように、キャリブレーション時においては、第１保持具１０の第１保持面Ｓ１が磁気計測装置２の第１計測面４１と向かい合い、第２保持具２０の第２保持面Ｓ２が磁気計測装置２の第２計測面４２と向かい合うよう、磁場校正装置１を磁気計測装置２に固定する。磁気計測装置２に対する磁場校正装置１の厳密な位置決めは不要であり、キャリブレーション中に磁場校正装置１と磁気計測装置２の相対的な位置関係が変化しない限り、任意の位置に固定すれば良い。

これにより、第１グループＧ１を構成する９個の磁気発生部Ｍ_１１１，Ｍ_１２１，Ｍ_１ _３１，Ｍ_２１１，Ｍ_２２１，Ｍ_２３１，Ｍ_３１１，Ｍ_３２１，Ｍ_３３１から発生する磁界は、第１計測面４１に配置された複数の磁気センサ５０によって主に検出され、第２グループＧ２を構成する９個の磁気発生部Ｍ_３１１，Ｍ_３２１，Ｍ_３３１，Ｍ_３１２，Ｍ_３２ _２，Ｍ_３３２，Ｍ_３１３，Ｍ_３２３，Ｍ_３３３から発生する磁界は、第２計測面４２に配置された複数の磁気センサ５０によって主に検出される。

キャリブレーション時においては、各磁気発生部Ｍに含まれる各コイルＣｘ，Ｃｙ，Ｃｚに一つずつ電流を流し、これによって生じる磁界を各磁気センサ５０によって計測し、磁場データを取得する。この動作を各磁気発生部Ｍに含まれる各コイルＣｘ，Ｃｙ，Ｃｚの全てについて一つずつ実行し、これにより得られた磁場データから最小二乗法などを用いて逆問題を解くことにより、各磁気センサ５０に対するキャリブレーションを行う。

具体的には、磁気センサ５０の出力をＶ_ｍｅａｓとし、各コイルによって磁気センサの位置に生じる磁場をＢ_ｍｅａｓとした場合、
Ｂ_ｍｅａｓ＝ｇ・Ｖ_ｍｅａｓ
が成り立つ。ここでｇは、磁気センサ５０の感度である。一方、各磁気センサ５０の位置、傾き及び感度はある程度既知であることから、各コイルから各磁気センサ５０に与えられるであろう推定の磁場Ｂ_ｃａｌは、各コイルからの位置（ｘ、ｙ、ｚ）、傾き（θ、φ）及び感度（Ｇ）に基づく円積分によって算出可能である。ここで傾きθとは、ｘ軸を中心としたｚ方向の角度を表し、傾きφとは、ｘ軸を中心としたｙ方向の角度を表す。そして、下記式（１）における値Ｅが最も小さくなるよう最小二乗法を用いて演算を行えば、磁気センサ５０の実際の位置（ｘ、ｙ、ｚ）及び傾き（θ、φ）を算出することができる。

さらに、下記式（２）を解くことにより、磁気センサ５０の実際の感度ｇを算出することもできる。

このようにして、各磁気センサ５０の位置、傾き及び感度が判明すれば、これに基づいて実際の計測値を補正することにより、正確な磁気計測を行うことが可能となる。

以上説明したように、本実施形態による磁場校正装置１は、ｘｙ面である第１保持面Ｓ１を有する第１保持具１０と、ｙｚ面である第２保持面Ｓ２を有する第２保持具２０が互いに固定された構造を有し、第１保持面Ｓ１及び第２保持面Ｓ２にそれぞれ複数の磁気発生部Ｍが設けられていることから、ｘｙ面である第１計測面４１とｙｚ面である第２計測面４１を有する磁気計測装置２に対し、一度にキャリブレーション動作を行うことが可能となる。しかも、第１保持具１０と第２保持具２０は互いに固定されていることから、第１計測面４１による計測結果と第２計測面４２による計測結果も整合し、両者間にずれが生じることもない。

また、本実施形態による磁場校正装置１は、第１保持面Ｓ１に固定された３個の磁気発生部Ｍ_３１１，Ｍ_３２１，Ｍ_３３１が第１グループＧ１と第２グループＧ２に共有されていることから、部品点数を削減することも可能となる。

ここで、位置（ｘ、ｙ、ｚ）及び傾き（θ、φ）及び感度（Ｇ）からなる６個のパラメータを確定するためには、最低６個のコイルがあれば足りる。したがって、磁気発生部Ｍが３つのコイルＣｘ，Ｃｙ，Ｃｚを有しており、且つ、これらのコイルによって発生する磁界を各磁気センサ５０が検出可能であれば、第１保持面Ｓ１及び第２保持面Ｓ２にそれぞれ最低１個の磁気発生部Ｍを配置することにより、位置（ｘ、ｙ、ｚ）及び傾き（θ、φ）及び感度（Ｇ）からなる６個のパラメータを確定することが可能となる。

また、上記実施形態では、第１保持具１０と第２保持具２０が直接固定されているが、図７に示す第１の変形例のように、接続部材６０を介して第１保持具１０と第２保持具２０を間接的に固定しても構わない。

さらに、上記実施形態では、第１保持具１０の第１保持面Ｓ１と第２保持具２０の第２保持面Ｓ２が互いに直交しているが、図８に示す第２の変形例のように、第１保持面Ｓ１と第２保持面Ｓ２が成す角度は直角でなくても構わない。図８に示す例では、第１保持面Ｓ１と第２保持面Ｓ２が成す角度が鈍角であるが、これが鋭角であっても構わない。さらに、図９に示す第３の変形例のように、第１保持面Ｓ１と第２保持面Ｓ２が互いに平行であっても構わない。図９に示す例では、第１保持面Ｓ１と第２保持面Ｓ２がいずれもｙｚ面を構成している。

また、上記実施形態では、第１保持面Ｓ１と第２保持面Ｓ２がいずれも平面であるが、図１０に示す第４の変形例のように、第１保持面Ｓ１及び第２保持面Ｓ２の一方又は両方が曲面であっても構わない。図１０に示す例では、第１保持面Ｓ１が曲面であり、第２保持面Ｓ２が平面である。さらに、図１１に示す第５の変形例のように、第１保持具１０が第１保持面Ｓ１と第２保持面Ｓ２の両方を備えており、両者が連続的につながる面であっても構わない。

また、上記実施形態では、第１保持面Ｓ１及び第２保持面Ｓ２からなる２つの面に磁気発生部Ｍが設けられているが、図１２に示す第６の変形例のように、３つの面に磁気発生部Ｍを設けても構わない。図１２に示す例では、第１保持面Ｓ１がｘｙ面を構成し、第２保持面Ｓ２と第３保持面Ｓ３がいずれもｙｚ面を構成している。さらに、図１３に示す第７の変形例のように、第１保持面Ｓ１がｘｙ面を構成し、第２保持面Ｓ２がｙｚ面を構成図６し、第３保持面Ｓ３がｘｚ面を構成しても構わない。図示しないが、磁場校正装置に４以上の面を設け、各面に磁気発生部Ｍを固定しても構わない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１磁場校正装置
２磁気計測装置
１０第１保持具
２０第２保持具
３０ボビン
３１〜３８脚部
３９ネジ穴
４１，４２計測面
５０磁気センサ
６０接続部材
Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚコイル
Ｇ１第１グループ
Ｇ２第２グループ
Ｍ磁気発生部
Ｓ１第１保持面
Ｓ２第２保持面
Ｓ３第３保持面

Claims

複数の磁気センサを有する磁気計測装置のキャリブレーションに用いる磁場校正装置であって、
第１保持面を有する第１保持具と、
前記第１保持面との相対的な位置関係が固定された第２保持面を有する第２保持具と、
前記第１保持面に固定された少なくとも一つの第１磁気発生部と、
前記第２保持面に固定された少なくとも一つの第２磁気発生部と、を備えることを特徴とする磁場校正装置。
前記第１及び第２磁気発生部は、いずれも第１軸方向に巻回された第１コイルと、前記第１軸と直交する第２軸方向に巻回された第２コイルと、前記第１及び第２軸と直交する第３軸方向に巻回された第３コイルとを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁場校正装置。
前記第１保持具の前記第１保持面には、複数の前記第１磁気発生部が固定され、
前記第２保持具の前記第２保持面には、複数の前記第２磁気発生部が固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁場校正装置。
前記複数の第１磁気発生部がアレイ状に配列され、
前記複数の第２磁気発生部と前記複数の第１磁気発生部の一部がアレイ状に配列されていることを特徴とする請求項３に記載の磁場校正装置。
前記第１保持面と前記第２保持面が互いに直交す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場校正装置。
それぞれ複数の磁気センサを有する第１計測面及び第２計測面を備えた磁気計測装置のキャリブレーション方法であって、
前記第１保持具の前記第１保持面が前記第１計測面と向かい合い、前記第２保持具の前記第２保持面が前記第２計測面と向かい合うよう、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁場校正装置を前記磁気計測装置に固定した状態で、前記第１磁気発生部及び前記第２磁気発生部から磁界を発生させることによって、前記複数の磁気センサをキャリブレーションすることを特徴とする磁気計測装置のキャリブレーション方法。