(57)【要約】【課題】一様な磁界および一様でない磁界を補償する、妨害電磁界を補償するシステムを提供する。【解決手段】本発明は、妨害電磁界（一様でない妨害電磁界）を補償するシステムであって、リアル・センサ信号を出力する２つの３軸磁界センサ（３、４）と、保護すべき対象物（２）の周りにケージとして構成され、個別に作動する６つの補償コイル（６）と、６つの入力および６つの出力、ならびに入力側でセンサ信号を受信し、信号を処理して補償コイル（６）用の制御信号にするデジタル・プロセッサを有する制御ユニット（７）とを備え、対象物（２）の位置における妨害電磁界をマッピングする第１の行列乗算によりリアル・センサ信号が変換されて仮想センサ信号になり、制御装置の構成を記述する演算子により仮想センサ信号が変換されて修正された信号になり、第２の行列乗算により修正された信号が変換されてリアル制御信号になり、これらの制御信号が６つの補償コイル（６）に個別に供給される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
妨害電磁界、また一様でない妨害電磁界を補償するシステムであって、
リアル・センサ信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）を出力する２つの３軸磁界センサ（３、４）と、
保護すべき対象物（２）の周りにケージとして構成され、個別に作動させることができる６つの補償コイル（６）と、
６つの入力および６つの出力、ならびに前記入力側で前記センサ信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）を受信し、前記信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）を処理して前記補償コイル（６）用の制御信号（Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４、Ｏ５、Ｏ６）にするデジタル・プロセッサを有する制御ユニット（７）とを含み、前記対象物（２）の位置における前記妨害電磁界をマッピングするための第１の行列乗算（Ｖ＝Ｍ・Ｓ）により前記リアル・センサ信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）が変換されて仮想センサ信号（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６）になり、制御装置の構成を記述する演算子（Ω）により前記仮想センサ信号（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６）が変換されて、修正された信号
【数１】
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になり、
第２の行列乗算
【数２】
2010287574.tif 000007
により、前記修正された信号
【数３】
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が変換されて、リアル制御信号（Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４、Ｏ５、Ｏ６）になり、これらの制御信号が前記６つの補償コイル（６）に個別に供給されるシステム。
【請求項２】
互いに影響し合う、保護すべき２つの対象物（２ａ、２ｂ）の周りに２つのケージ（Ｈａ、Ｈｂ）を備え、前記制御ユニット（７）の前記６つの出力がそれぞれコイル対と接続され、前記磁界センサ（３、４）のうちの１つが前記対象物（２ａ、２ｂ）のうちの１つに対して配置され、前記制御信号（Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４、Ｏ５、Ｏ６）がフィードバック行列（Ｃ）で乗算され、請求項１による方式でさらに処理されて前記センサ信号と同様の信号になる、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、妨害電磁界を補償するためのシステムに関し、詳細には、２つのセンサとデジタル・プロセッサとを有する磁界補償用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
妨害電磁界、特に妨害磁界を補償するために、ほとんどの場合にフィードバック制御システムが使用され、それにより、１つまたは複数のセンサが、カルテシアン空間の３つ全ての軸について妨害電磁界の振幅を測定する。各センサの測定信号が制御ループに供給され、この制御ループは、磁界を生成する装置について、各センサの測定信号から制御信号またはアクチュエータ信号を計算する。
【０００３】
補償すべき磁界は、地磁界でもよく、また周囲に存在する他の導電装置によって生成されてもよい。
【０００４】
たとえば、磁界補償システムは、たとえば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の場合には、磁界を使用するイメージング・システムとともに使用される。
【０００５】
磁界を生成するための上記装置の場合、もっとも容易なケースでは、導電体の問題になることがある。一般に、遠方界の特性を有する妨害電磁界、すなわち５ｍの範囲内で電磁界の振幅が本質的に変化しないような電磁界を仮定する。この仮定は、たとえば鉄道車両による妨害に対しては当てはまる。妨害電磁界が対象範囲において一様である場合、補償電磁界もまた一様でなければならない。
【０００６】
一様な補償磁界を生成するには、複数対のいわゆるヘルムホルツ・コイルを使用することが好ましい。ここでは、すなわち、それぞれが同じ向きに接続され、互いの距離が縁部（＝コイルの直径）の半分の長さに等しい２つのコイルについての説明である（いわゆるヘルムホルツ条件）。
【０００７】
さらに、互いの距離が縁部の１つの長さに等しい複数対のヘルムホルツ・コイルが使用される。３つの空間軸のそれぞれに対して１対のヘルムホルツ・コイルが使用される場合、これら複数対のコイルは、その位置の周りに立方体形状のケージを形成し、そこで１つまたは複数の妨害電磁界が補償されることになる。このようなコイル配置の場合、ケージの内部には確かに電磁界の不均質性が存在するが、こうした不均質性は、用途のほとんどの場合において許容可能である。
【０００８】
磁界を補償するための装置が、米国特許出願公開第２００５／０１９５５５号に開示してあり、ケージ内に３つのコイル対を有する。アナログ制御装置が使用されている場所で、補償すべき磁界が測定され補償される。
【０００９】
補償電磁界を生成するのに空間軸毎に１つのコイルのみを使用するシステムも利用可能であるが、補償領域すなわち良好な補償が実現される領域は、ヘルムホルツ・コイルの場合よりも著しく小さい。
【００１０】
一般に、対象となる場所での磁界を測定するためには、１つの単一磁界センサが使用される。例外として、ただし診断目的で使用される第２のセンサが存在する。単一の磁界センサは、保護すべき対象物の位置において、補償すべき磁界が一様なのか一様でないのかを検出することができない。
【００１１】
妨害電磁界に対して保護すべき対象物は、一般にこの位置にあるので、妨害電磁界が補償されることになる位置において妨害電磁界を直接測定できないことが、妨害電磁界を補償するときにさらなる問題となる。
【００１２】
２つの磁界補償システムが互いに直接隣接して配置される場合に、さらなる問題が生じる。次いで、これら２つのシステム間には、不要なフィードバック効果が生じることがある。
【００１３】
制御システムは一般に、単一の用途に対して最適化することができるという点で、これら制御システムに関連する問題がある。制御構成における変化などに対する、全く異なる制御タスクへの適応は、通例は不可能であり、もしくは限定されたやり方でのみ可能であり、かつ／または実装することが非常に困難である。さらに、線形制御システムよりも妨害電磁界補償がより良好になり得る非線形制御システムは、一般にコストが高い場合にのみ実装することができる。制御環境が変化するとき、全体の制御回路または制御ループを新規に計算し、設計し、かつ／または変更しなければならないはずである。ほとんどの場合、直接ユーザはそれを行う立場にない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０１９５５５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、一様な磁界および一様でない磁界を補償することのできる、妨害電磁界を補償するためのシステムを提供することが、本発明の一目的である。
【００１６】
保護すべき対象物の位置における妨害電磁界の測定シミュレーションを実行することが、本発明の別の目的である。
【００１７】
直近で２つの磁界補償システムを使用する場合に潜在的に生じるフィードバックの影響を等化することが、本発明のさらに別の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の不可欠な特徴が、特許請求の範囲に示してある。
【００１９】
具体的には、妨害電磁界を補償するためのシステムが提供され、このシステムは、妨害電磁界の影響から対象物を保護するための、２つの３軸リアル磁界センサ、３対の補償コイル、および１つの制御ユニットを有する。デジタル信号プロセッサＤＳＰまたはフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイＦＰＧＡなどの制御プロセッサとして、制御ユニットを設計することが好ましい。
【００２０】
自由に定義可能な種類の平均化ステップにより、２つのリアル・センサの合計６つの出力信号を組み合わせて、仮想センサの３つの出力信号にしてもよい。平均化アルゴリズムを適切に選択することにより、仮想センサの出力信号が、保護すべき対象物の位置における妨害電磁界の振幅を表すことが可能になる。
【００２１】
平均化ステップは制御システムによって実行され、この制御システムは、６つの入力を介して２つのリアル磁界センサの６つの出力信号を受信する。
【００２２】
あらゆるセンサにおいて、２つの磁界センサの出力信号を３次元ベクトルで表してもよい。これら２つのベクトルを組み合わせて、６次元のベクトルすなわち６×１行列にしてもよい。２つのリアル・センサの出力信号の平均化ステップ、すなわち仮想センサの出力信号を計算するステップは、行列乗算によって記述してもよい。
Ｖ＝Ｍ・Ｓ
Ｖ：仮想センサの各出力信号の６×１行列
Ｍ：リアル・センサの各出力信号の平均化ステップを記述する６×６行列
Ｓ：仮想センサの各出力信号の６×１行列
【００２３】
ここで仮想センサの使用可能な出力信号（＝制御システムの仮想入力信号）は、並列に動作している独立制御ループ用の入力として使用される。これらの制御ループは広帯域でもよく、周波数範囲について選択的でもよく、また周波数について選択的でもよい。各制御ループは、仮想入力信号Ｖを変更された信号
【数１】
2010287574.tif 000003
（以下、「Ｖ＾」と表記、他の記号についても同じ）に変換する制御アルゴリズムを有する。ここでＶ＾は、制御システムの変更された合計６つの入力信号を表す６×１行列である。制御アルゴリズムは、演算子Ωで記述される。使用される制御アルゴリズムについて制限はない。したがって、演算子Ωは、行列でなくてもよく、したがって非線形のアルゴリズムを使用してもよい。したがって、修正された信号Ｖ＾への変換は以下の通りに記述される。
Ｖ＾＝Ω（Ｖ）
【００２４】
行列Ｖ＾を６×６行列Ｌで乗算して、６つのコイルに対する制御信号を得る。すなわち、
Ｏ＝Ｌ・Ｖ＾
ここで、Ｌは修正された信号Ｏ＝Ｌ・Ｖ＾から制御信号Ｏを計算するための６×６行列である。
【００２５】
したがって、制御システムが使用するアルゴリズムは、総合的に以下のように記述してもよい。
Ｏ＝Ｌ・Ω（Ｍ・Ｓ）
【００２６】
妨害が一様である場合に補償電磁界が一様でないほど、また妨害が一様でない場合に補償電磁界が一様であるほど、良好な補償効果を有するフィードバック・センサの周りの領域が小さくなる。
【００２７】
妨害電磁界が一様でない場合、一様な補償電磁界を生成することは意味がない。この場合には、１対のヘルムホルツ・コイルの代わりに単一のアクチュエータ・コイルを使用することも意味がある。
【００２８】
この場合は単一の補償システムのみが使用される。すなわち、仮想センサの位置を処理するために、またＭが３×６行列になり得、Ｌが６×３行列になり得るように勾配電磁界を生成するために、３つの仮想信号のみが使用される。あるいは、６×６行列のうちの「使用しない」要素は、ゼロに等しくてもよい。
【００２９】
ヘルムホルツ・コイル構成の場合には、コイル対のうちの１つのコイルのみがアクティブに作動し、しかも補償領域の下または補償領域の上の妨害電磁界の勾配に依存する。したがって、妨害電磁界の構造が変化する場合には、制御ループの新規パラメータ化以外に、単一コイルの位置を変更するための再構成は必要でない。
【００３０】
２つの補償システムが直接隣り合って動作する場合には、結果として相互干渉が生じる。２つのシステム間のフィードバックは、６×６フィードバック行列または交差結合行列Ｃによって記述してもよい。Ｃは、仮想信号Ｖｉを有する制御信号Ｏｉのフィードバックを表す。
【００３１】
妨害を回避するためには、フィードバック・システムは最適な結果をもたらすことにはならない。通例、デジタル制御システムでのみ過補償または不十分な補償が実現可能であり、この場合、広帯域で動作していないシステムでも実現可能である。他の全てのシステムにおいては、センサの位置を合わせなければならないはずである。こうした位置の変更により、３つの空間軸に対する各センサを空間内の様々な位置に位置決めしなければならないことが必要になる。しかし、全ての種類の用途に対する１つの単一システムを意図してはいないので、過補償または不十分な補償は、それぞれ適切な方法ではない。
【００３２】
そうすると、リアル・センサの出力信号の行列Ｓは、６×１行列Ｓ＾に拡張される。したがって、以下は全体として真である。
Ｏ＝Ｌ・Ω（Ｍ・（Ｓ−Ｃ・Ｏ））
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】一様でない妨害電磁界を補償するためのシステムの概略図である。
【図２】妨害電磁界を補償するためのシステムと、その制御システムの概略図である。
【図３】妨害電磁界を補償するためのシステムの制御信号を計算するためのブロック図である。
【図４】磁界補償システムを使用しているところの概略図である。
【図５】直接隣り合う２つの磁界補償システムを使用しているところの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に、例示的な実施形態により添付図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。ここで、同じ参照番号は同じ構成要素を指す。
【００３５】
図１には、妨害電磁界を補償するためのシステムが概略的に示してある。妨害電磁界１の影響から保護すべき対象物２には、妨害電磁界１が透過する。ここで、妨害電磁界１は勾配電磁界と仮定する。妨害電磁界１の振幅は２つのリアル磁界センサ３および４によって測定される。第１のリアル・センサ３は、出力信号Ｓ１→＝［ｘ１（ｔ），ｙ１（ｔ），ｚ１（ｔ）］をもたらし、第２のリアル・センサ４は、出力信号Ｓ２→＝［ｘ２（ｔ），ｙ２（ｔ），ｚ２（ｔ）］をもたらす。これら２つの出力信号は、図２に示す制御ユニット７にデジタル化形式で供給される。
【００３６】
制御ユニット７は、合計６つの信号用の６つの入力を有し、２×３の空間軸に対応する。さらに、制御ユニット７は、６つのコイル６に対して制御信号を出力するための６つの出力を有する。
【００３７】
２つのベクトルＳ１→およびＳ２→を組み合わせて、６ベクトルＳ＝（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６）にする。図３に概略的に示したアルゴリズムに従って、制御ユニット７によってＳが処理される。第１のステップで、制御ユニット７に供給された合計６つの信号が変換されて、仮想センサ５（図１）の信号Ｖ＝（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６）になる。Ｓを６×６行列Ｍで乗算することにより、これが生じる。したがって、以下は有効である。
Ｖ＝Ｍ・Ｓ
【００３８】
仮想信号Ｖは、保護すべき対象物２の位置における妨害電磁界の振幅に対応する。したがって、Ｍは、全体構成の幾何学的形状、ならびに２つのリアル・センサ３および４の各信号をどのように組み合わせるかを記述する。
【００３９】
このようにして生成される仮想信号Ｖは、並列に動作する独立制御ループに供給され、さらに処理される。制御ユニット７の一部分としてのこれらの制御ループは、広帯域でもよく、周波数範囲について選択的でもよく、また周波数について選択的でもよい。制御ループは、仮想信号Ｖを変更して、修正された信号Ｖ＾にする。ＶからＶ＾への変換が、演算子Ωで記述される。したがって、以下のようになる。
Ｖ＾＝Ω（Ｖ）
【００４０】
使用される制御アルゴリズムについての制限はないので、一般に、信号Ｖの修正は演算子Ωによって記述されるが、この演算子は必ずしも行列ではなく、したがって非線形のアルゴリズムを使用してもよい。
【００４１】
コイル６についての制御信号を得るために、修正された信号Ｖ＾が変換されてリアル制御信号Ｏになる。やはりＯは６×１行列であり、したがって６つの単一信号を含み、それら信号が６つのコイル６を制御するのに使用される。したがって、修正された信号Ｖ＾から制御信号Ｏへの変換は次式で示される。
Ｏ＝Ｌ・Ｖ＾
または、全体として、
Ｏ＝Ｌ・Ω（Ｍ・Ｓ）
である。
【００４２】
ここで、Ｌは６×６行列である。その要素の正確な値は、補償すべき妨害電磁界の性質、および補償電磁界を生成するコイル６の幾何学的形状に依存する。たとえば、ｘ方向で動作している勾配電磁界が補償されるものとすると、この方向で動作している２つのコイルが別々に強い信号を得て、その結果これら２つのコイルは別々に強磁界を生成し、したがって、補償電磁界はまた勾配電磁界になり、その電磁界強度の方向は妨害電磁界の方向とは逆になる。
【００４３】
１つの単一補償システムのみが使用される限り、これまでに述べてきたアルゴリズムが使用される。この場合、３つの仮想信号が必要になるだけであった。そうすると、仮想センサの位置が計算され、勾配電磁界が生成される。このためには、Ｍが３×６行列であり、Ｌが６×３行列であれば十分である。あるいは、６×６行列のうちの「使用しない」要素は、ゼロに等しくてもよい。
【００４４】
やはり、直接隣り合って配置されている２つの補償システムは、制御ユニット７によって作動してもよい。保護すべき２つの対象物が隣り合って直接配置されており、大規模な補償システムによって保護されることになっていない、または保護されないことがある場合に、これは意味をなし得る。このことは、２つの補償システムが使用されているために、保護すべき領域のボリュームが著しく小さいことを意味する。したがって、補償するための勾配電磁界は必要とされない。しかし、このように設置すると、補償のための勾配電磁界を生成することも可能ではない。というのも、制御ユニット７の６つの出力信号が６対のコイルに与えられ、これらのコイルは、もっぱら空間内の各方向のそれぞれで一様な磁界を生成することができるからである。各コイル対は、直列に、並列に、またはインピーダンスに応じて接続してもよい。これらのコイル対は、保護すべき対象物２の周りにそれぞれ配置され、対応するシステムのそれぞれは、３対のコイルそれぞれによって形成されたケージの内部にそれぞれ配置される。この構成が、図４に示してある。３対のヘルムホルツ・コイルＨ１、Ｈ２、Ｈ３が、保護すべき対象物２の周りに配置される。２つのリアル・センサ３、４が、１つのケージＨの内部にある。
【００４５】
２つの補償システムも、直接隣り合って配置してよい。この場合が、図５に示してある。ここで、３対のヘルムホルツ・コイルＨ１ａ、Ｈ２ａ、Ｈ３ａ、またはＨ１ｂ、Ｈ２ｂ、Ｈ３ｂはそれぞれ、ケージＨａまたはＨｂをそれぞれ形成する。２つのリアル・センサ３、４のうちの一方が、２つのケージＨａ、Ｈｂのそれぞれの中にある。
【００４６】
２つの補償システムが直接近接して使用される場合、２つのシステムの間にフィードバックの影響が生じることがある。６×６反結合行列Ｃを提供することにより、この説明がつく。この行列により、出力信号Ｏｉから仮想信号Ｖｉへのクロストークとなる信号の各部分がコンピュータ処理によって排除される。したがって、Ｃは、直接隣り合って配置された２つの補償システム間のフィードバックの種類を記述する。
【００４７】
本発明によれば、リアル・センサ信号の６×１行列が、このフィードバック部分によって拡張される。これら拡張された信号の６×１行列をＳ＾で示すと、以下のようになる。
Ｓ＾＝Ｓ−Ｃ・Ｏ
【００４８】
仮想センサ信号を有する６×１行列は、このようにして得られたフィードバック部分によって拡張された信号Ｓ＾から計算される。したがって、以下のようになる。
Ｖ＝Ｍ・Ｓ＾
最後に、以下の関係式に従って制御信号が得られる。
Ｏ＝Ｌ・Ω（Ｍ・（Ｓ−Ｃ・Ｏ））
【００４９】
以下では、システムの標準的な設置を想定することにする。すなわち、１つのシステムだけを設置する。したがって、フィードバックの影響は発生せず、このことは、行列Ｃがゼロ行列に等しいことを意味する。さらに、妨害電磁界の勾配はｘ方向に進むので、ｘ方向における仮想センサ信号は、ｘ方向における２つのリアル・センサ信号の算術平均からなるものと仮定しなければならない。たとえば、第１のリアル・センサのｙ方向における信号は局所的な妨害源によって生じる望ましくない成分を含むので、ｙ方向における仮想センサ信号は、第２のリアル・センサのｙ方向における信号に等しくなければならない。平均化／雑音の抑圧理由により、ｚ方向における仮想センサ信号は、ｚ方向における２つのリアル・センサ信号の算術平均に等しくなければならない。これらの仮定の下で、行列Ｍは以下の形式になる。
【数２】
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【００５０】
補償コイルが対で形成され、ｘ方向において勾配を有する一様な補償電磁界がｙ方向およびｚ方向で放出されるものとする場合、行列Ｌは以下の形式になる。
【数３】
2010287574.tif 000005
【００５１】
以下の例では、２重の設置を考える。すなわち、電磁界を補償するための２つのシステムは、直接隣り合って動作する。
【００５２】
この場合、両方の補償ケージについての出力信号は制御ユニット７内部で知られているので、ここで、制御構成においてフィードバック部分も考慮に入れることができる。すでに述べたように、フィードバック行列または交差結合行列Ｃを使用することにより、これが生じる。第１の補償システムの出力に信号を加え、どの成分が第２のシステムの各センサによって吸収されるのか、また振幅のどのくらいの割合が吸収されるのかを、第１のシステムのセンサと比較して、第２のシステムで測定することにより、この行列Ｃまたはその要素をそれぞれ、同様に容易なやり方で実験的に求めてもよい。次いで、これらの信号部分は、フィードバック行列Ｃの各要素である。そうすると、この測定法は全てのコイルに対して実行しなければならない。
【００５３】
たとえば、依然として出力Ｏ５がセンサ入力ＳＳ上に４０％で放射する場合、行列の要素はＣ２５＝０．４でなければならない。
【図１】
2010287574.tif 000009
【図２】
2010287574.tif 000010
【図３】
2010287574.tif 000011
【図４】
2010287574.tif 000012
【図５】
2010287574.tif 000013
【外国語明細書】
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