WO2023204135A1 - 磁気検出システム - Google Patents

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WO2023204135A1
WO2023204135A1 PCT/JP2023/015011 JP2023015011W WO2023204135A1 WO 2023204135 A1 WO2023204135 A1 WO 2023204135A1 JP 2023015011 W JP2023015011 W JP 2023015011W WO 2023204135 A1 WO2023204135 A1 WO 2023204135A1
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WO
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magnetic
shield
detection system
sensor
measurement space
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PCT/JP2023/015011
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English (en)
French (fr)
Inventor
勇一郎 山地
多聞 笠島
承彬 林
Original Assignee
Tdk株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic detection system, and particularly to a magnetic detection system that can be used as a foreign object detection system.
  • Patent Document 1 discloses a foreign object detection system having a structure in which a plurality of magnetic sensors are arranged in a measurement space surrounded by a magnetic shield. Since the foreign object detection system described in Patent Document 1 has a plurality of magnetic sensors arranged within the measurement space, it is possible to detect foreign objects over a wide range.
  • an object of the present invention is to provide a magnetic detection system that can perform magnetic measurements over a wide range while reducing the number of magnetic sensors used.
  • a magnetic detection system includes a shield box having a magnetic shield surrounding a measurement space, a magnetic sensor fixed to the shield box within the measurement space, a sample stage at least partially inserted into the measurement space, and a sample stage. and a drive mechanism that changes the relative positional relationship of the shield box and the shield box.
  • the relative positional relationship between the sample stage and the shield box is variable by the drive mechanism, it is possible to perform magnetic measurements over a wide range with a single or a small number of magnetic sensors.
  • the drive mechanism includes a first drive mechanism that changes the relative positional relationship between the sample stage and the shield box in a first direction, and a first drive mechanism that changes the relative positional relationship between the sample stage and the shield box in the first direction.
  • a second drive mechanism that changes the relative positional relationship between the sample stage and the shield box in a third direction that is orthogonal to the first and second directions; It may also include a mechanism. According to this, not only the two-dimensional positional relationship between the sample and the magnetic sensor but also the distance between them can be made variable.
  • the surface of the sample stage on which the sample is placed extends in first and second directions
  • the first and second drive mechanisms drive the sample stage
  • the third drive mechanism includes a shield box. It does not matter if it is something that drives. According to this, the planar positional relationship between the sample and the magnetic sensor can be changed by the first and second drive mechanisms, and the distance between them can be adjusted by the third drive mechanism. .
  • the magnetic detection system according to the present invention may further include a magnetic flux collector that is arranged on the element formation surface parallel to the third direction of the magnetic sensor and whose longitudinal direction is perpendicular to the element formation surface. According to this, it becomes possible to bring the sample closer to the element formation surface of the magnetic sensor.
  • the magnetic shield includes a cylindrical first magnetic shield that covers the measurement space from both sides in the second and third directions, and a second magnetic shield that covers the measurement space from one side in the first direction.
  • the sample stage may be inserted into the measurement space from the other side in the first direction. According to this, it becomes possible to shield the entire surface of the measurement space except for the opening into which the sample stage is inserted.
  • At least a portion of the first and second magnetic shields may be arcuate. According to this, it becomes possible to further enhance the shielding effect.
  • the magnetic detection system further includes a sensor holder that holds the magnetic sensor, the first magnetic shield has a flat portion extending in the first and second directions, and the shield box has the first magnetic shield.
  • the sensor holder may further include a part that covers the inner wall of the flat part of the shield from the third direction, and the sensor holder may be fixed to the part of the shield box. According to this, it becomes easy to fix the magnetic sensor.
  • the magnetic shield may further include a third magnetic shield that covers the first magnetic shield from the second and third directions. According to this, it becomes possible to obtain a higher shielding effect.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing the external appearance of a magnetic detection system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view for explaining the structure of the shield box 200.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view for explaining the structure of the shield box 200.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view for explaining the structure of the sample stage 300.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view for explaining the structure of the sensor holder 400.
  • FIG. 6 is a schematic perspective view for explaining the structure of the sensor main body 10.
  • FIG. 7 is a schematic exploded perspective view for explaining the structure of the sensor main body 10.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view showing the magnetic sensor 40 with the magnetic yokes M1 to M3 removed.
  • FIG. 9 is a schematic diagram for explaining a method of scanning the sample 310 using the sensor main body 10.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the magnetic field generated by the metal foreign object 311.
  • FIG. 11 is a schematic perspective view showing an example in which the sensor body 10 is covered with another magnetic shield S4.
  • FIG. 12 is a graph for explaining the effect of the magnetic shield S4.
  • FIG. 13 is a schematic perspective view showing a first example in which a plurality of sensor main bodies are provided within the measurement space 230.
  • FIG. 14 is a schematic perspective view showing a second example in which a plurality of sensor main bodies are provided within the measurement space 230.
  • FIG. 15 is a schematic perspective view showing an example in which the sensor main bodies 11 to 15 are each covered with a magnetic shield S4.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing the appearance of a magnetic detection system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic detection system 100 includes a frame 110, a shield box 200, and a sample stage 300 supported by the frame 110.
  • the frame 110 includes a guide 111 extending in the X direction, a guide 113 extending in the Z direction, and a movable beam 120 configured to be movable in the X direction along the guide 111.
  • the shield box 200 is connected to the guide 113, and the sample stage 300 is connected to the movable beam 120.
  • the movable beam 120 is configured to be movable in the X direction by a drive mechanism 141 consisting of a motor or the like.
  • the movable beam 120 is provided with a guide 112 extending in the Y direction, and the sample stage 300 is configured to be movable in the Y direction along the guide 112. Movement of the sample stage 300 in the Y direction along the guide 112 is performed by a drive mechanism 142 consisting of a motor or the like.
  • the shield box 200 is configured to be movable in the Z direction along the guide 113. Movement of the shield box 200 in the Z direction along the guide 113 is performed by a drive mechanism 143 consisting of a motor or the like. Thereby, the relative positional relationship between the shield box 200 and the sample stage 300 in the X direction, Y direction, and Z direction can be changed by the drive mechanisms 141 to 143.
  • FIGS 2 and 3 are schematic perspective views for explaining the structure of the shield box 200, and show states seen from different directions.
  • the shield box 200 has a main body part 210 made of resin or the like, and a connecting part 220 that connects the main body part 210 to the guide 113.
  • the main body portion 210 is provided with magnetic shields S1 to S3 made of a high magnetic permeability material such as permalloy.
  • the magnetic shields S1 to S3 are arranged to surround the measurement space 230, with the magnetic shield S1 located at the innermost position and the magnetic shield S3 located at the outermost position.
  • the main body part 210 includes a plurality of parts, among which part 211 is located on the inner wall side of magnetic shield S1, part 212 is located between magnetic shield S1 and magnetic shield S2, and part 213 is located between magnetic shield S2 and magnetic shield S2.
  • a sensor holder 400 that holds the sensor main body 10 is fixed to the part 211, and thereby the sensor main body 10 is fixed to the shield box 200 within the measurement space 230.
  • the magnetic shield S1 is a cylindrical body that covers the measurement space 230 from both sides in the Y direction and both sides in the Z direction, and has a pair of flat parts forming an XY plane and a curved part connecting the pair of flat parts in an arc shape. are doing.
  • the part 211 of the main body part 210 covers the inner wall of one plane part of the magnetic shield S1 from the Z direction.
  • the magnetic shield S2 is a plate-shaped body located outside the magnetic shield S1 and curved in a C-shape so as to cover the measurement space 230 from one side in the X direction and both sides in the Z direction.
  • the magnetic shield S3 is a plate-shaped body located further outside the magnetic shield S2 and curved in a C-shape so as to cover the measurement space 230 from both sides in the Y direction and from one side in the Z direction.
  • the magnetic shield S3 may be a cylindrical body that is covered from both sides in the Y direction and both sides in the Z direction.
  • the measurement space 230 is doubly or triple shielded from the Y direction and Z direction by the magnetic shields S1 to S3, and shielded from the X direction by the magnetic shield S2.
  • the other side of the measurement space 230 in the X direction is open, and a part of the sample stage 300 is inserted into the measurement space 230 from this part.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view for explaining the structure of the sample stage 300.
  • the sample stage 300 includes a table 301 on which a sample 310 to be inspected is placed, and a connecting portion 302 that connects the table 301 and the drive mechanism 142.
  • the table 301 is a part inserted into the measurement space 230, and its surface forms an XY plane.
  • the sample 310 has a flat plate shape.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view for explaining the structure of the sensor holder 400.
  • the sensor holder 400 is a molded product made of resin or the like, and as shown in FIG. 5, it has a plate-like part 401 forming an XY plane and a sensor housing part 402 protruding from the plate-like part 401 in the Z direction. There is.
  • the XY plane of the plate-shaped portion 401 is fixed to the XY plane of the part 211 of the shield box 200.
  • the sensor housing section 402 holds the sensor main body section 10 that includes a magnetic sensor.
  • FIG. 6 and 7 are diagrams for explaining the structure of the sensor main body 10, with FIG. 6 being a schematic perspective view and FIG. 7 being a schematic exploded perspective view.
  • the sensor main body 10 includes a chip-shaped magnetic sensor 40 mounted on the surface of the sensor substrate 30 and magnetic collectors 51 to 53.
  • the magnetic sensor 40 has a substantially rectangular parallelepiped shape, and has an element forming surface 41 and a back surface 42 forming a YZ plane, an upper surface 43 and a lower surface 44 forming an XY plane, and side surfaces 45 and 46 forming an XZ plane.
  • the element forming surface 41 is a surface on which a magnetically sensitive element is formed.
  • the magnetic sensor 40 is mounted on the sensor substrate 30 so that the lower surface 44 faces the sensor substrate 30 and the element forming surface 41 is perpendicular to the surface of the sensor substrate 30.
  • Magnetic yokes M1 to M3 made of permalloy or the like are formed on the element forming surface 41 of the magnetic sensor 40, and a magnetic sensing element is arranged near the magnetic gap formed by the magnetic yoke M1 and the magnetic yokes M2 and M3. Ru. As a result, magnetic flux passing through the magnetic gap is applied to the magnetic sensing element.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view showing the magnetic sensor 40 with the magnetic yokes M1 to M3 removed.
  • magnetic sensing elements R1 to R4 are formed on the element forming surface 41 of the magnetic sensor 40.
  • the magnetically sensitive elements R1 to R4 all have the Y direction as their magnetically sensitive direction.
  • the magnetic sensing elements R1 and R2 are arranged near the magnetic gap formed by the magnetic yoke M1 and the magnetic yoke M2, and the magnetic sensing elements R1 and R2 are arranged near the magnetic gap formed by the magnetic yoke M1 and the magnetic yoke M3. is placed near.
  • Magnetically sensitive elements R1 to R4 are bridge-connected between terminal electrodes 61 and 62, and differential signals corresponding to the magnetic field appear at terminal electrodes 63 and 64.
  • the magnetic collectors 51 to 53 are blocks made of magnetic material such as ferrite, and each plays the role of collecting the magnetic field emitted from the sample 310 onto the magnetic sensor 40.
  • the magnetic flux collectors 51 to 53 overlap the magnetic yokes M1 to M3, respectively, when viewed from the X direction. That is, the magnetic flux collectors 51 to 53 are arranged in the Y direction on the element forming surface 41, and the magnetic sensing elements R3 and R4 are arranged between the magnetic flux collectors 51 and 52 when viewed from the X direction, and when viewed from the X direction, the magnetic flux collector 51 , 53, magnetic sensing elements R1 and R2 are arranged between them.
  • the X-direction is the longitudinal direction of the magnetic collector 51, and it mainly serves to collect the magnetic field in the X-direction onto the magnetic yoke M1.
  • the magnetic field collector 52 has a portion that covers the side surface 45 and the back surface 42 of the magnetic sensor 40
  • the magnetic field collector 53 has a portion that covers the side surface 46 and the back surface 42 of the magnetic sensor 40.
  • the magnetic field passing through the magnetic gap between the magnetic yoke M1 and the magnetic yokes M2 and M3 is detected by the magnetic sensing elements R1 to R4.
  • a compensation coil C is wound around the magnetic collector 51.
  • a cancellation current flows through the compensation coil C so that the magnetic field applied to the magnetosensitive elements R1 to R4 is canceled.
  • the sensor main body 10 having such a configuration is brought close to the sample 310 placed on the surface of the table 301 by moving the entire shield box 200 in the Z direction using the drive mechanism 143. It is preferable that the distance between the sample 310 and the sensor main body 10 in the Z direction is as close as possible without interference between the two.
  • After adjusting the position of the sensor main body 10 in the Z direction using the drive mechanism 143, as shown in FIG. 310 is scanned by the sensor body 10.
  • a magnetic field is applied to the sample 310 in advance, so that if a metal foreign substance 311 such as iron (Fe) is mixed in the sample 310, the magnetic field generated by the magnetized metal foreign substance 311 can be detected.
  • the positional relationship between the metal foreign object 311 and the sensor body 10 is in the Z direction, but by making the distance between the sample 310 and the sensor body 10 sufficiently close in the Z direction, as shown in FIG. 10, which is a schematic diagram, , the X-direction component of the magnetic field generated by the metal foreign object 311 can be collected by the magnetic collectors 51 to 53 and applied to the magnetic sensing elements R1 to R4.
  • reference numeral 312 represents the direction and strength of the magnetic field generated by the metal foreign object 311.
  • the distance between the sample 310 and the magnetic sensing elements R1 to R4 can be adjusted. can be made closer to each other, thereby making it possible to obtain high detection sensitivity.
  • the magnetic detection system 100 since the magnetic detection system 100 according to the present embodiment is configured such that the magnetic sensor 40 scans the surface of the sample 310 in the XY plane direction, the number of magnetic sensors used can be reduced to one. can. This not only makes it possible to reduce the cost of the magnetic sensor, but also eliminates problems caused by variations in characteristics, which occur when a plurality of magnetic sensors are used. Furthermore, since the measurement space 230 in which the sample 310 and the magnetic sensor 40 are placed is shielded by the triple magnetic shields S1 to S3, the influence of disturbance magnetic fields emitted from the drive mechanisms 141 to 143 and the like is reduced.
  • the magnetic shields S1 to S3 have arcuate curved parts, it is possible to obtain a higher shielding effect than when the magnetic shields S1 to S3 have a box-like shape using a flat member.
  • the magnetic shields S1 to S3 may be made entirely circular, but in this case, it becomes difficult to fix the magnetic sensor 40 within the measurement space 230.
  • part of the magnetic shields S1 to S3 is made into a flat plate shape, and the other part is made into an arc shape, so that a high shielding effect is ensured and the inside of the measurement space 230 is The magnetic sensor 40 can be easily fixed.
  • FIG. 11 is a schematic perspective view showing an example in which the sensor main body 10 is covered with another magnetic shield S4.
  • the magnetic shield S4 shown in FIG. 11 is a cylindrical body arranged in the measurement space 230 by being fixed to the sensor holder 400 shown in FIGS. 2 and 5.
  • a magnetic material such as ferrite can be used.
  • the magnetic shield S4 covers the sensor main body 10 in the measurement space 230 from both sides in the X direction and from both sides in the Y direction.
  • the shielding characteristics in the X and Y directions are further enhanced, so that it is possible to further suppress the magnetic influence caused by the drive mechanisms 141 to 143. .
  • FIG. 12 is a graph for explaining the effect of the magnetic shield S4, where the solid line shows the noise characteristics when the magnetic shield S4 is used, and the broken line shows the noise characteristics when the magnetic shield S4 is not used.
  • the influence of the environmental magnetic field which cannot be completely removed by the magnetic shields S1 to S3 alone, is reduced by using the magnetic shield S4.
  • the 50 Hz component which is power supply noise, is significantly reduced.
  • the noise density in the low frequency region of 1 Hz or less is also reduced.
  • FIG. 13 is a schematic perspective view showing a first example in which a plurality of sensor main bodies are provided within the measurement space 230.
  • three sensor main bodies 11 to 13 are arranged in the Y direction within the measurement space 230.
  • the positions of the sensor main bodies 11 to 13 in the X direction are equal to each other.
  • the number of scan operations described using FIG. 9 can be reduced, and thus the measurement speed can be improved.
  • the number of required scans is reduced to 1/3 compared to when one sensor body 10 is used, so the measurement speed is tripled. improves.
  • the number and arrangement direction of the sensor main bodies are not particularly limited. However, data processing becomes easier by arranging the sensor main body parts in the X direction or the Y direction.
  • FIG. 14 is a schematic perspective view showing a second example in which a plurality of sensor main bodies are provided within the measurement space 230.
  • two sensor main bodies 14 and 15 arranged in the Y direction within the measurement space 230 are added.
  • the positions of the sensor main bodies 14 and 15 in the X direction are equal to each other.
  • the sensor main body 14 is located between the sensor main body 11 and the sensor main body 12 in the Y direction.
  • the sensor main body 15 is located between the sensor main body 12 and the sensor main body 13 in the Y direction. In this way, by arranging a plurality of sensor main bodies in a staggered manner, it is possible to narrow the scan pitch in the Y direction without interference between the plurality of sensor main bodies.
  • FIG. 15 is a schematic perspective view showing an example in which the sensor main bodies 11 to 15 are each covered with a magnetic shield S4.
  • each of the plurality of sensor main bodies 11 to 15 is covered with a magnetic shield S4, the magnetic field from a position different from the scan position is shielded, thereby enabling more accurate measurement. Further, by arranging a plurality of sensor main bodies in a staggered manner as shown in FIG. 15, it is possible to narrow the scan pitch while ensuring a sufficient thickness of the magnetic shield S4.

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Abstract

【課題】使用する磁気センサの数を削減しつつ、広範囲に亘る磁気測定が可能な磁気検出システムを提供する。 【解決手段】磁気検出システム１００は、測定空間２３０を囲む磁気シールドＳ１～Ｓ３有するシールドボックス２００と、測定空間２３０内においてシールドボックス２００に固定された磁気センサ４０と、少なくとも一部が測定空間２３０内に挿入される試料ステージ３００と、試料ステージ３００とシールドボックス２００の相対的な位置関係を変化させる駆動機構１４１～１４３とを備える。このように、試料ステージ３００とシールドボックス２００の相対的な位置関係が駆動機構１４１～１４３によって可変であることから、単一又は少数の磁気センサ４０によって広範囲に亘る磁気測定が可能となる。

Description

磁気検出システム
　本発明は磁気検出システムに関し、特に、異物検知システムとして利用可能な磁気検出システムに関する。
　特許文献１には、磁気シールドに囲まれた測定空間内に複数の磁気センサを配置した構造を有する異物検知システムが開示されている。特許文献１に記載された異物検知システムは、測定空間内に複数の磁気センサを配置していることから、広範囲に亘って異物を検出することが可能である。
特開２０１１－２３７１８１号公報
　しかしながら、複数の磁気センサを用いると、製品コストが高くなるだけでなく、磁気センサ間における特性ばらつきによって検出精度が低下するという問題があった。
　したがって、本発明は、使用する磁気センサの数を削減しつつ、広範囲に亘る磁気測定が可能な磁気検出システムを提供することを目的とする。
　本発明による磁気検出システムは、測定空間を囲む磁気シールド有するシールドボックスと、測定空間内においてシールドボックスに固定された磁気センサと、少なくとも一部が測定空間内に挿入される試料ステージと、試料ステージとシールドボックスの相対的な位置関係を変化させる駆動機構とを備えることを特徴とする。
　本発明によれば、試料ステージとシールドボックスの相対的な位置関係が駆動機構によって可変であることから、単一又は少数の磁気センサによって広範囲に亘る磁気測定が可能となる。
　本発明において、駆動機構は、試料ステージとシールドボックスの相対的な位置関係を第１の方向に変化させる第１の駆動機構と、試料ステージとシールドボックスの相対的な位置関係を第１の方向と直交する第２の方向に変化させる第２の駆動機構と、試料ステージとシールドボックスの相対的な位置関係を第１及び第２の方向と直交する第３の方向に変化させる第３の駆動機構とを含むものであっても構わない。これによれば、試料と磁気センサの平面的な位置関係のみならず、両者間の距離についても可変とすることができる。
　本発明において、試料が載置される試料ステージの表面は第１及び第２の方向に延在し、第１及び第２の駆動機構は試料ステージを駆動し、第３の駆動機構はシールドボックスを駆動するものであっても構わない。これによれば、第１及び第２の駆動機構によって試料と磁気センサの平面的な位置関係を変化させることができるとともに、第３の駆動機構によって両者間の距離を調整することが可能となる。
　本発明による磁気検出システムは、磁気センサの第３の方向と平行な素子形成面上に配置され、素子形成面と直交する方向を長手方向とする集磁体をさらに備えていても構わない。これによれば、試料を磁気センサの素子形成面により近づけることが可能となる。
　本発明において、磁気シールドは、測定空間を第２及び第３の方向における両側から覆う筒状の第１の磁気シールドと、測定空間を第１の方向における一方側から覆う第２の磁気シールドとを含み、試料ステージは、測定空間内に第１の方向における他方側から挿入されるものであっても構わない。これによれば、試料ステージが挿入される測定空間の開口部を除いた全面をシールドすることが可能となる。
　本発明において、第１及び第２の磁気シールドの少なくとも一部は円弧状であっても構わない。これによれば、シールド効果をより高めることが可能となる。
　本発明による磁気検出システムは、磁気センサを保持するセンサホルダーをさらに有し、第１の磁気シールドは第１及び第２の方向に延在する平面部を有し、シールドボックスは第１の磁気シールドの平面部の内壁を第３の方向から覆うパーツをさらに有し、センサホルダーはシールドボックスのパーツに固定されていても構わない。これによれば、磁気センサの固定が容易となる。
　本発明において、磁気シールドは、第１の磁気シールドを第２及び第３の方向から覆う第３の磁気シールドをさらに含んでいても構わない。これによれば、より高いシールド効果を得ることが可能となる。
　このように、本発明によれば、使用する磁気センサの数を削減しつつ、広範囲に亘る磁気測定が可能な磁気検出システムを提供することが可能となる。
図１は、本発明の一実施形態による磁気検出システム１００の外観を示す略斜視図である。 図２は、シールドボックス２００の構造を説明するための略斜視図である。 図３は、シールドボックス２００の構造を説明するための略斜視図である。 図４は、試料ステージ３００の構造を説明するための略斜視図である。 図５は、センサホルダー４００の構造を説明するための略斜視図である。 図６は、センサ本体部１０の構造を説明するための略斜視図である。 図７は、センサ本体部１０の構造を説明するための略分解斜視図である。 図８は、磁気センサ４０から磁性ヨークＭ１～Ｍ３を取り除いた状態を示す略斜視図である。 図９は、センサ本体部１０による試料３１０のスキャン方法を説明するための模式図である。 図１０は、金属異物３１１によって生じる磁界を説明するための模式図である。 図１１は、センサ本体部１０を別の磁気シールドＳ４によって覆った例を示す略斜視図である。 図１２は、磁気シールドＳ４の効果を説明するためのグラフである。 図１３は、測定空間２３０内に複数のセンサ本体部を設けた第１の例を示す略斜視図である。 図１４は、測定空間２３０内に複数のセンサ本体部を設けた第２の例を示す略斜視図である。 図１５は、センサ本体部１１～１５をそれぞれ磁気シールドＳ４によって覆った例を示す略斜視図である。
　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、本発明の一実施形態による磁気検出システム１００の外観を示す略斜視図である。
　図１に示すように、本実施形態による磁気検出システム１００は、フレーム１１０と、フレーム１１０に支持されたシールドボックス２００及び試料ステージ３００とを備えている。フレーム１１０は、Ｘ方向に延在するガイド１１１と、Ｚ方向に延在するガイド１１３と、ガイド１１１に沿ってＸ方向に移動可能に構成された可動ビーム１２０とを備えている。シールドボックス２００はガイド１１３に連結されており、試料ステージ３００は可動ビーム１２０に連結されている。
　可動ビーム１２０は、モーターなどからなる駆動機構１４１によってＸ方向に移動可能に構成されている。可動ビーム１２０にはＹ方向に延在するガイド１１２が設けられており、試料ステージ３００は、ガイド１１２に沿ってＹ方向に移動可能に構成されている。ガイド１１２に沿った試料ステージ３００のＹ方向における移動は、モーターなどからなる駆動機構１４２によって行われる。一方、シールドボックス２００は、ガイド１１３に沿ってＺ方向に移動可能に構成されている。ガイド１１３に沿ったシールドボックス２００のＺ方向における移動は、モーターなどからなる駆動機構１４３によって行われる。これにより、シールドボックス２００と試料ステージ３００のＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向における相対的な位置関係は、駆動機構１４１～１４３によって変化させることが可能となる。
　図２及び図３は、シールドボックス２００の構造を説明するための略斜視図であり、互いに異なる方向から見た状態を示している。
　図２及び図３に示すように、シールドボックス２００は、樹脂などからなる本体部２１０と、本体部２１０をガイド１１３に連結する連結部２２０とを有している。本体部２１０には、パーマロイなどの高透磁率材料からなる磁気シールドＳ１～Ｓ３が設けられている。磁気シールドＳ１～Ｓ３は、測定空間２３０を囲むように配置されており、磁気シールドＳ１が最も内側、磁気シールドＳ３が最も外側に位置する。本体部２１０は複数のパーツを含んでおり、このうちパーツ２１１は磁気シールドＳ１の内壁側に位置し、パーツ２１２は磁気シールドＳ１と磁気シールドＳ２の間に位置し、パーツ２１３は磁気シールドＳ２と磁気シールドＳ３の間に位置し、パーツ２１４は磁気シールドＳ３の外壁側に位置する。パーツ２１１には、センサ本体部１０を保持するセンサホルダー４００が固定されており、これによりセンサ本体部１０が測定空間２３０内においてシールドボックス２００に固定される。
　磁気シールドＳ１は、測定空間２３０をＹ方向における両側及びＺ方向における両側から覆う筒状体であり、ＸＹ平面を構成する一対の平面部と、一対の平面部を円弧状に繋ぐ湾曲部を有している。本体部２１０のパーツ２１１は、磁気シールドＳ１の一方の平面部の内壁をＺ方向から覆っている。磁気シールドＳ２は磁気シールドＳ１の外側に位置し、測定空間２３０をＸ方向における一方側及びＺ方向における両側から覆うようＣ字型に湾曲した板状体である。磁気シールドＳ３は磁気シールドＳ２のさらに外側に位置し、測定空間２３０をＹ方向における両側及びＺ方向における片側から覆うようＣ字型に湾曲した板状体である。磁気シールドＳ３は、磁気シールドＳ１と同様、Ｙ方向における両側及びＺ方向における両側から覆う筒状体であっても構わない。
　これにより、測定空間２３０は、磁気シールドＳ１～Ｓ３によってＹ方向及びＺ方向から２重又は３重にシールドされるとともに、磁気シールドＳ２によってＸ方向からシールドされる。測定空間２３０のＸ方向における他方側は開放されており、この部分から試料ステージ３００の一部が測定空間２３０内に挿入される。
　図４は、試料ステージ３００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、試料ステージ３００は、検査対象である試料３１０が載置されるテーブル３０１と、テーブル３０１と駆動機構１４２を連結する連結部３０２とを有している。テーブル３０１は、測定空間２３０内に挿入される部分であり、その表面はＸＹ平面を構成している。特に限定されるものではないが、図４に示す例では試料３１０が平板状である。
　図５は、センサホルダー４００の構造を説明するための略斜視図である。
　センサホルダー４００は樹脂などからなる成形品であり、図５に示すように、ＸＹ平面を構成する板状部４０１と、板状部４０１からＺ方向に突出するセンサ収容部４０２とを有している。板状部４０１のＸＹ平面は、シールドボックス２００のパーツ２１１のＸＹ平面に固定される。センサ収容部４０２には、磁気センサを含むセンサ本体部１０が保持される。
　図６及び図７は、センサ本体部１０の構造を説明するための図であり、図６は略斜視図、図７は略分解斜視図である。
　図６及び図７に示すように、センサ本体部１０は、センサ基板３０の表面に搭載されたチップ状の磁気センサ４０と集磁体５１～５３を備えている。磁気センサ４０は略直方体形状であり、ＹＺ平面を構成する素子形成面４１及び裏面４２、ＸＹ面を構成する上面４３及び下面４４、ＸＺ面を構成する側面４５，４６を有している。素子形成面４１は、感磁素子が形成される面である。磁気センサ４０は、下面４４がセンサ基板３０と向かい合い、素子形成面４１がセンサ基板３０の表面と直交するよう、センサ基板３０に搭載される。磁気センサ４０の素子形成面４１には、パーマロイなどからなる磁性ヨークＭ１～Ｍ３が形成されており、磁性ヨークＭ１と磁性ヨークＭ２，Ｍ３によって形成される磁気ギャップの近傍に感磁素子が配置される。これにより、磁気ギャップを通過する磁束が感磁素子に印加される。
　図８は、磁気センサ４０から磁性ヨークＭ１～Ｍ３を取り除いた状態を示す略斜視図である。
　図８に示すように、磁気センサ４０の素子形成面４１には、感磁素子Ｒ１～Ｒ４が形成されている。感磁素子Ｒ１～Ｒ４は、いずれもＹ方向を感磁方向とする。そして、感磁素子Ｒ１，Ｒ２は、磁性ヨークＭ１と磁性ヨークＭ２によって形成される磁気ギャップの近傍に配置され、感磁素子Ｒ１，Ｒ２は、磁性ヨークＭ１と磁性ヨークＭ３によって形成される磁気ギャップの近傍に配置される。感磁素子Ｒ１～Ｒ４は端子電極６１，６２間にブリッジ接続され、磁界に応じた差動信号が端子電極６３，６４に現れる。
　集磁体５１～５３は、フェライトなどの磁性体材料からなるブロックであり、いずれも試料３１０から発せられる磁界を磁気センサ４０に集める役割を果たす。集磁体５１～５３は、Ｘ方向から見てそれぞれ磁性ヨークＭ１～Ｍ３と重なりを有している。つまり、集磁体５１～５３は素子形成面４１上においてＹ方向に配列され、Ｘ方向から見て集磁体５１，５２間に感磁素子Ｒ３，Ｒ４が配置され、Ｘ方向から見て集磁体５１，５３間に感磁素子Ｒ１，Ｒ２が配置される。
　集磁体５１はＸ方向が長手方向であり、主にＸ方向の磁界を磁性ヨークＭ１に集める役割を果たす。集磁体５２は、磁気センサ４０の側面４５及び裏面４２を覆う部分を有しており、集磁体５３は、磁気センサ４０の側面４６及び裏面４２を覆う部分を有している。これにより、集磁体５１によって集められたＸ方向の磁界は、磁性ヨークＭ１によってＹ方向に曲げられ、磁性ヨークＭ２，Ｍ３を介して集磁体５２，５３に流れる。そして、磁性ヨークＭ１と磁性ヨークＭ２，Ｍ３の間の磁気ギャップを通過する磁界が感磁素子Ｒ１～Ｒ４によって検出される。図６及び図７に示す例では、集磁体５１に補償コイルＣが巻回されている。補償コイルＣには、感磁素子Ｒ１～Ｒ４に印加される磁界が打ち消されるよう、キャンセル電流が流れる。
　このような構成を有するセンサ本体部１０は、駆動機構１４３を用いてシールドボックス２００ごとＺ方向に移動させることにより、テーブル３０１の表面に載置された試料３１０に近づけられる。試料３１０とセンサ本体部１０のＺ方向における距離は、両者が干渉しない範囲でできるだけ近いことが好ましい。そして、駆動機構１４３を用いてセンサ本体部１０のＺ方向における位置を調整した後、図９に示すように、駆動機構１４１，１４２を用いて試料ステージ３００をＸＹ方向に変位させることにより、試料３１０をセンサ本体部１０によってスキャンする。試料３１０にはあらかじめ磁界が印加されており、これにより試料３１０に鉄（Ｆｅ）などの金属異物３１１が混入している場合、着磁された金属異物３１１によって生じる磁界を検出することができる。
　ここで、金属異物３１１とセンサ本体部１０の位置関係はＺ方向であるが、試料３１０とセンサ本体部１０のＺ方向における距離を十分に近づけることにより、模式図である図１０に示すように、金属異物３１１によって生じる磁界のＸ方向成分を集磁体５１～５３によって集磁し、感磁素子Ｒ１～Ｒ４に印加することができる。図１０において、符号３１２は金属異物３１１によって生じる磁界の向き及び強さを表している。このように、集磁体５１の長手方向（Ｘ方向）を試料３１０とセンサ本体部１０の離間方向（Ｚ方向）に対して垂直に設定することにより、試料３１０と感磁素子Ｒ１～Ｒ４の距離をより近くすることができ、これにより高い検出感度を得ることが可能となる。
　このように、本実施形態による磁気検出システム１００は、試料３１０の表面上を磁気センサ４０がＸＹ平面方向にスキャンするよう構成されていることから、使用する磁気センサ数を１個とすることができる。これにより、磁気センサのコストを低減することができるだけでなく、複数の磁気センサを用いた場合のように特性ばらつきによる問題も生じない。また、試料３１０及び磁気センサ４０が配置される測定空間２３０が３重の磁気シールドＳ１～Ｓ３によってシールドされていることから、駆動機構１４１～１４３などから発せられる外乱磁場の影響が低減される。特に、磁気センサ４０から見て駆動機構１４１～１４３が配置されるＹＺ方向側が磁気シールドＳ１～Ｓ３によって２重又は３重にシールドされていることから、駆動機構１４１～１４３による磁気的な影響を大幅に抑制することが可能となる。
　しかも、磁気シールドＳ１～Ｓ３が円弧状の湾曲部を有していることから、平板状の部材を用いた箱形形状である場合よりも高いシールド効果を得ることが可能となる。より高いシールド効果を得るためには、磁気シールドＳ１～Ｓ３を全体的に円形とすればよいが、この場合、磁気センサ４０を測定空間２３０内に固定することが困難となる。これに対し、本実施形態による磁気検出システム１００では、磁気シールドＳ１～Ｓ３の一部を平板状とし、他の部分を円弧状としていることから、高いシールド効果を確保しつつ、測定空間２３０内における磁気センサ４０の固定が容易となる。
　図１１は、センサ本体部１０を別の磁気シールドＳ４によって覆った例を示す略斜視図である。
　図１１に示す磁気シールドＳ４は、図２及び図５に示すセンサホルダー４００に固定されることにより、測定空間２３０内に配置される筒状体である。磁気シールドＳ４の材料としては、フェライトなどの磁性体材料を用いることができる。磁気シールドＳ４は、測定空間２３０内においてセンサ本体部１０をＸ方向における両側及びＹ方向における両側から覆う。このような筒状の磁気シールドＳ４によってセンサ本体部１０を覆うことにより、ＸＹ方向のシールド特性がより高められることから、駆動機構１４１～１４３による磁気的な影響をさらに抑制することが可能となる。
　図１２は、磁気シールドＳ４の効果を説明するためのグラフであり、実線は磁気シールドＳ４を用いた場合のノイズ特性を示し、破線は磁気シールドＳ４を用いない場合のノイズ特性を示している。図１２に示すように、磁気シールドＳ１～Ｓ３だけでは除去し切れていない環境磁場の影響が、磁気シールドＳ４を用いることにより低減することが分かる。例えば、電源ノイズである５０Ｈｚの成分が大幅に低減していることが分かる。また、１Ｈｚ以下の低周波領域における雑音密度も低下していることが分かる。
　図１３は、測定空間２３０内に複数のセンサ本体部を設けた第１の例を示す略斜視図である。
　図１３に示す例では、測定空間２３０内に３つのセンサ本体部１１～１３がＹ方向に配列されている。センサ本体部１１～１３のＸ方向における位置は互いに等しい。このように、測定空間２３０内に複数のセンサ本体部を設ければ、図９を用いて説明したスキャン動作の回数を低減できることから、測定スピードが向上する。例えば、３つのセンサ本体部１１～１３を設けた場合、１個のセンサ本体部１０を用いた場合と比べて、必要なスキャン回数が１／３に低減することから、測定スピードが３倍に向上する。尚、測定空間２３０内に複数のセンサ本体部を配置する場合、センサ本体部の数や配列方向については特に限定されない。但し、センサ本体部配列方向については、Ｘ方向又はＹ方向とすることにより、データ処理が容易となる。
　図１４は、測定空間２３０内に複数のセンサ本体部を設けた第２の例を示す略斜視図である。
　図１４に示す例では、センサ本体部１１～１３に加え、測定空間２３０内にＹ方向に配列された２つのセンサ本体部１４，１５がさらに追加されている。センサ本体部１４，１５のＸ方向における位置は互いに等しい。センサ本体部１４のＹ方向における位置は、センサ本体部１１とセンサ本体部１２の間に位置する。センサ本体部１５のＹ方向における位置は、センサ本体部１２とセンサ本体部１３の間に位置する。このように、複数のセンサ本体部を千鳥状に配置すれば、複数のセンサ本体部が干渉することなく、Ｙ方向におけるスキャンピッチを狭くすることが可能となる。
　図１５は、センサ本体部１１～１５をそれぞれ磁気シールドＳ４によって覆った例を示す略斜視図である。
　図１５に示すように、複数のセンサ本体部１１～１５をそれぞれ磁気シールドＳ４で覆えば、スキャン位置とは異なる位置からの磁場がシールドされることから、より正確な測定が可能となる。また、図１５に示すように複数のセンサ本体部を千鳥状に配置すれば、スキャンピッチを狭くしつつ、磁気シールドＳ４の厚みを十分に確保することも可能となる。
　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。
１１～１５　　センサ本体部
３０　　センサ基板
４０　　磁気センサ
４１　　素子形成面
４２　　裏面
４３　　上面
４４　　下面
４５，４６　　側面
５１～５３　　集磁体
６１～６４　　端子電極
１００　　磁気検出システム
１１０　　フレーム
１１１～１１３　　ガイド
１２０　　可動ビーム
１４１～１４３　　駆動機構
２００　　シールドボックス
２１０　　本体部
２１１～２１４　　パーツ
２２０　　連結部
２３０　　測定空間
３００　　試料ステージ
３０１　　テーブル
３０２　　連結部
３１０　　試料
３１１　　金属異物
３１２　　磁界
４００　　センサホルダー
４０１　　板状部
４０２　　センサ収容部
Ｃ　　補償コイル
Ｍ１～Ｍ３　　磁性ヨーク
Ｒ１～Ｒ４　　感磁素子
Ｓ１～Ｓ４　　磁気シールド

Claims (12)

  1. 　測定空間を囲む磁気シールド有するシールドボックスと、
    　前記測定空間内において前記シールドボックスに固定された磁気センサと、
    　少なくとも一部が前記測定空間内に挿入される試料ステージと、
    　前記試料ステージと前記シールドボックスの相対的な位置関係を変化させる駆動機構と、を備えることを特徴とする磁気検出システム。
  2. 　前記駆動機構は、前記試料ステージと前記シールドボックスの相対的な位置関係を第１の方向に変化させる第１の駆動機構と、前記試料ステージと前記シールドボックスの相対的な位置関係を前記第１の方向と直交する第２の方向に変化させる第２の駆動機構と、前記試料ステージと前記シールドボックスの相対的な位置関係を前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向に変化させる第３の駆動機構とを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気検出システム。
  3. 　試料が載置される前記試料ステージの表面は、前記第１及び第２の方向に延在し、
    　前記第１及び第２の駆動機構は、前記試料ステージを駆動し、
    　前記第３の駆動機構は、前記シールドボックスを駆動することを特徴とする請求項２に記載の磁気検出システム。
  4. 　前記磁気センサの前記第３の方向と平行な素子形成面上に配置され、前記素子形成面と直交する方向を長手方向とする集磁体をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の磁気検出システム。
  5. 　前記磁気シールドは、前記測定空間を前記第２及び第３の方向における両側から覆う筒状の第１の磁気シールドと、前記測定空間を前記第１の方向における一方側から覆う第２の磁気シールドとを含み、
    　前記試料ステージは、前記測定空間内に前記第１の方向における他方側から挿入されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の磁気検出システム。
  6. 　前記第１及び第２の磁気シールドの少なくとも一部が円弧状であることを特徴とする請求項５に記載の磁気検出システム。
  7. 　前記磁気センサを保持するセンサホルダーをさらに有し、
    　前記第１の磁気シールドは、前記第１及び第２の方向に延在する平面部を有し、
    　前記シールドボックスは、前記第１の磁気シールドの前記平面部の内壁を前記第３の方向から覆うパーツをさらに有し、
    　前記センサホルダーは、前記シールドボックスの前記パーツに固定されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気検出システム。
  8. 　前記磁気シールドは、前記第１の磁気シールドを前記第２及び第３の方向から覆う第３の磁気シールドをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の磁気検出システム。
  9. 　前記測定空間内において、前記磁気センサを前記第１及び第２の方向から覆う第４の磁気シールドをさらに備えることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の磁気検出システム。
  10. 　前記測定空間内に前記磁気センサが複数設けられており、
    　前記複数の磁気センサは、前記第１及び第２の方向の一方に配列された第１及び第２の磁気センサを含むことを特徴とする請求項２に記載の磁気検出システム。
  11. 　前記複数の磁気センサは、前記第３の磁気センサをさらに含み、
    　前記第３の磁気センサは、前記第１及び第２の方向の前記一方における位置が、前記第１の磁気センサと前記第２の磁気センサの間に位置し、且つ、前記第１及び第２の方向の他方における位置が、前記第１及び第２の磁気センサと相違することを特徴とする請求項１０に記載の磁気検出システム。
  12. 　前記測定空間内において、前記複数の磁気センサを前記第１及び第２の方向からそれぞれ覆う複数の第４の磁気シールドをさらに備えることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の磁気検出システム。
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