(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変動する外乱磁場検出用のプローブ，及びそのプローブ周囲に間隙を介してプローブ検出軸と平行に付帯させた軟磁性材を備え，前記軟磁性材の周囲に生じる位相の進んだ二次的磁場の重畳された外乱磁場を前記プローブで検出してなる外乱磁場計測センサ。
【請求項２】
請求項１のセンサにおいて，前記プローブ周囲に間隙を介してプローブ検出軸と平行に複数の軟磁性材を付帯させてなる外乱磁場計測センサ。
【請求項３】
請求項１又は２のセンサにおいて，前記プローブ周囲に，前記プローブ検出軸と平行な長手方向軸を有する複数の帯状軟磁性板をプローブ検出軸と垂直方向に所定間隔で並べて付帯させてなる外乱磁場計測センサ。
【請求項４】
請求項１から３の何れかのセンサにおいて，前記プローブ検出軸と垂直な軸の周りに，プローブ検出軸と平行な軟磁性板とプローブ検出軸と交差するスリット付き軟磁性板とを筒状に結合して付帯させてなる外乱磁場計測センサ。
【請求項５】
請求項１から４の何れかのセンサにおいて，前記プローブ検出軸と垂直な軸の周りに，その垂直な軸と所定間隔で交差する複数の平行な面上に配置した環状軟磁性板の群を付帯させてなる外乱磁場計測センサ。
【請求項６】
請求項１から５の何れかのセンサにおいて，前記軟磁性材のプローブに対する相対位置をプローブ検出軸と垂直方向に調整する位置調整機構を設けてなる外乱磁場計測センサ。
【請求項７】
変動する外乱磁場から保護すべきシールド対象空間の周囲に配置する補償磁場発生用コイル，前記磁場検出用のプローブとそのプローブ周囲に間隙を介してプローブ検出軸と平行に付帯させた軟磁性材とを有し且つ前記シールド対象空間内に配置する外乱磁場計測用センサ，及び前記軟磁性材の周囲に生じる位相の進んだ二次的磁場の重畳された外乱磁場を検出する前記センサの検出値に応じて前記コイルの発生する補償磁場を制御する制御装置を備えてなるアクティブ型磁気シールドシステム。
【請求項８】
請求項７のシステムにおいて，前記センサのプローブ周囲に間隙を介してプローブ検出軸と平行に複数の軟磁性材を付帯させてなるアクティブ型磁気シールドシステム。
【請求項９】
請求項７又は８のシステムにおいて，前記センサのプローブ周囲に，プローブ検出軸と平行な長手方向軸を有する複数の帯状軟磁性板をプローブ検出軸と垂直方向に所定間隔で並べて付帯させてなるアクティブ型磁気シールドシステム。
【請求項１０】
請求項７から９の何れかのシステムにおいて，前記センサのプローブ検出軸と垂直な軸の周りに，プローブ検出軸と平行な軟磁性板とプローブ検出軸と交差するスリット付き軟磁性板とを筒状に結合して付帯させてなるアクティブ型磁気シールドシステム。
【請求項１１】
請求項７から１０の何れかのシステムにおいて，前記センサのプローブ検出軸と垂直な軸の周りに，その垂直な軸と所定間隔で交差する複数の平行な面上に配置した環状軟磁性板を付帯させてなるアクティブ型磁気シールドシステム。
【請求項１２】
請求項７から１１の何れかのシステムにおいて，前記センサに，前記軟磁性材のプローブに対する相対位置をプローブ検出軸と垂直方向に調整する位置調整機構を設けてなるアクティブ型磁気シールドシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は外乱磁場計測センサ及びアクティブ型磁気シールドシステムに関し、とく変動する外乱磁場から嫌磁気装置を保護するためのアクティブ型磁気シールドシステム及びそのシステムに適した外乱磁場計測センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造施設等に電子顕微鏡、ＥＢ露光装置、ＥＢステッパー等の電子ビーム応用装置等を設置する場合に、施設内外の鉄道、自動車、エレベータ、電気室等から生じる外乱磁場（環境磁場）の影響によって装置本来の仕様性能が確保できない磁気障害の問題が生じる。例えばＥＢ装置のひとつである電子顕微鏡等は、変動する外乱磁場の影響によって電子軌道が乱されて映像の解像度（分解能）が劣化する。また、医療施設等にＭＲＩ装置、ＮＭＲ装置、脳磁計や心磁計等のＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子）応用装置等を設置する場合にも、微小な磁場変動に対する装置の感度が高いために、同様に装置の磁気障害が問題となる。このような磁場の影響を嫌う装置（嫌磁気装置）の磁気障害を抑制・低減して正常な動作を保証するため、施設内に磁気シールド空間（シールド室）を設けることが求められる。
【０００３】
磁気シールド空間は、パッシブ型磁気シールドシステム（以下、単にパッシブ型システムということがある）とアクティブ型磁気シールドシステム（以下、単にアクティブ型システムということがある）とに大別することができる。パッシブ型システムは、一般的に空間周囲を透磁率μの高いパーマロイ、電磁鋼板等の軟磁性材（強磁性材）で覆い、その軟磁性材が外乱磁界を捕捉して迂回させる効果や、軟磁性材に誘起される電磁誘導（渦電流）の遮蔽効果によって空間内への外乱磁場の進入を防ぐ磁気シールドシステムであり、比較的広い周波数範囲の外乱磁場を遮蔽できる点で優れているが、軟磁性材の材料費が嵩む問題点がある。これに対しアクティブ型システムは、空間周囲に補償磁場発生用のコイル（以下、補償コイルということがある）を配置し、外乱磁場の変動に応じて補償コイルに適切な補償磁場を発生させて空間内の外乱磁場を打ち消す磁気シールドシステムであり、遮蔽できる外乱磁場の周波数帯は限定されるが、比較的安価に磁気シールド空間を実現できる利点がある。このため費用対効果の観点から磁気シールド空間をパッシブ型とアクティブ型とを組み合わせた複合型とすることもしばしばあり、シールド性能の高い複合型磁気シールドシステム（以下、単に複合型システムということがある）の研究開発が進められている（特許文献１及び非特許文献１、２参照）。
【０００４】
図６（Ａ）は、特許文献１の開示する複合型システムの一例を示す。図示例の複合型システムは、シールド対象空間Ｒの床、壁、天井の各内面にパーマロイ等の軟磁性板６、７（図７（Ａ）参照）を隙間なく配置したパッシブ型システム５と、アクティブ型システム１とを組み合わせたものである。図示例のアクティブ型システム１は、空間Ｒの周囲に配置した補償コイル２、３と、空間Ｒの内部磁場（磁束密度）を検出する磁気センサ１０と、磁気センサ１０の検出信号を入力して補償コイル２、３を駆動する制御装置２０とにより構成されている。例えば空間Ｒ内の嫌磁気装置を設置する位置のＸ軸に補償コイル２、３の中心軸線を芯合わせして配置し、パッシブ型システム５で減衰された空間Ｒの内側の外乱磁場（内部磁場）Ｂｅを磁気センサ１０で検出し、その内部磁場Ｂｅに補償コイル２、３の発生する補償磁場Ｂｃを重畳させ、その重畳磁場Ｂｓ（＝Ｂｅ−Ｂｃ）がゼロに近付くように制御装置２０でコイル電流を調整する。図示例はＸ軸方向の補償コイル２、３のみを示しているが、Ｙ軸方向及びＺ軸方向についても同様に補償コイルを配置することにより、あらゆる方向の外乱磁場に対応可能である。
【０００５】
非特許文献１は、図６（Ａ）のような複合型システムにおいて、アクティブ型システム１の補償コイル２、３をパッシブ型システム５の軟磁性板６、７の外側に配置した場合と内側に配置した場合とのシールド性能を比較検討し、パッシブ型システム５の外側に補償コイル２、３を配置して複合型とした方が、内側に配置した場合に比して、シールド対象空間Ｒ内の広い範囲で磁場分布を均一化することができると報告している。例えば、空間Ｒ内において嫌磁気装置の設置位置と磁気センサ１０の配置位置とが離れていても、パッシブ型システム５の外側に配置した補償コイル２、３によって空間Ｒ内の広い範囲で内部磁場を均一に減衰させて磁気障害を抑制することができれば、センサ１０の配置の自由度を高めて空間Ｒの利用効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２８２９８３号公報
【特許文献２】特開２００９−１７５０６７号公報
【特許文献３】国際公開２００４／０８４６０３号パンフレット
【特許文献４】特開２００６−３５１５９８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】山崎慶太他「簡易型磁気シールドルームに適したアクティブシールドシステム設計のための磁界分布と位相遅れの検討」電気学会論文誌Ａ、１２１巻１２号、２００１年、ｐｐ１０８５−１０９２
【非特許文献２】梅田雄介他「円筒形磁気シールドへのアクティブ・キャンセルの適用」電気学会論文誌Ａ、１２３巻８号、２００３年、ｐｐ７９０−７９６
【非特許文献３】社団法人日本建築学会編集「環境磁場の計測技術−現場における計測の実例−」丸善株式会社、１９９８年７月１５日、ｐｐ２３−５７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、図６（Ａ）のようにパッシブ型システム５の外側に補償コイル２、３を配置した複合型システムは、パッシブ型システム５の軟磁性板６、７に誘起される渦電流の影響によって、シールド対象空間Ｒの外側の外乱磁場Ｂに対して内側の重畳磁場Ｂｓ（＝内側磁場Ｂｅ−補償磁場Ｂｃ）に位相遅れ（位相遅延）が生じ、アクティブ型システム１のシールド性能が低下する問題点がある。図９のグラフは、図６（Ａ）のような複合型システムにおいて、パッシブ型システム５の外側の補償コイル２、３で発生させた交流磁場を内側の中心部で測定した遮蔽率及び位相遅れの周波数特性の測定結果を示したものである（非特許文献１参照）。また図９には、軟磁性板６、７に誘起される渦電流を考慮した位相遅れ及び遮蔽率の周波数特性の解析結果を併せて示している。図９の測定結果及び解析結果は共に、周波数の増加に従って軟磁性板６、７の渦電流の遮蔽効果により、パッシブ型システム５の遮蔽率が大きくなると同時に補償コイル２、３の位相遅れも大きくなることを表している。
【０００９】
図６（Ａ）のアクティブ型システム１のブロック図は、磁気センサ１０及び制御装置２０（フィルタ回路や電流駆動アンプその他の電子回路を含む）の周波数特性Ｇｏ（ω）と、補償コイル２、３の周波数特性Ｇｃ（ω）とを用いて、図６（Ｂ）の実線のように表すことができる。また、そのシールド性能（相殺性能）ＳＥｓは、重畳磁場Ｂｓに対する内部磁場Ｂｅの比率（＝Ｂｅ／Ｂｓ）として定義することができ、（１）〜（３）式のようにフィードバック系の一巡伝達関数Ｇ（ω）（＝Ｇｏ（ω）・Ｇｃ（ω））を用いて評価することができる。（３）式から分かるように、アクティブ型システム１のシールド性能ＳＥｓは一巡伝達関数Ｇ（ω）が大きいほど高くなる。
0005630861.tif 000002
【００１０】
図６（Ｂ）のブロック図において、磁気センサ１０及び制御装置２０の周波数特性Ｇｏ（ω）は、図８のような位相遅延特性（周波数の増加に従って位相遅延が大きくなる特性）を有している。また、図６（Ａ）のような複合型システムでは、補償コイル２、３の周波数特性Ｇｃ（ω）が上述した図９のような位相遅れ特性を示し、アクティブ型システム１の一巡伝達関数Ｇ（ω）にＧｏ（ω）の位相遅延とＧｃ（ω）の位相遅延とが累積される。この位相遅延が大きくなると、アクティブ型システム１は遅れた信号に基づいて動作することになり、伝達関数Ｇ（ω）が小さくなってシールド性能ＳＥｓが低下してしまう。また、一般に、磁場の周波数が高くなるに応じて一巡伝達関数の大きさは小さくなるから、位相遅延の影響は一層顕著になってシールド性能ＳＥｓを更に劣化させ、最悪の場合は位相遅延が１８０度になってシールド性能ＳＥｓ＝０、つまり発振現象を生じてしまう。
【００１１】
特許文献１は、このようなアクティブ型システム１の位相遅延によるシールド性能の低下（とくに高周波数領域でのシールド性能の劣化）を避けるため、図６（Ｃ）に示すように、アクティブ型システム１の制御装置２０に高周波信号処理回路２２と低周波数信号処理回路２３とを設け、磁気センサ１０で検出した広帯域の検出信号を高周波帯と低周波数帯とに分けて信号処理することを提案している。すなわち、磁気センサ１０の検出信号のうち位相遅延の比較的小さい低周波帯域（例えば３０Ｈｚ以下）については、バッファー２１から高域通過フィルタ２３ａ経由で直流成分を除去したうえで低域通過フィルタ２３ｂにより抽出し、そのまま積分器２３ｃ及び増幅度調整回路２３ｅにより逆位相信号に変換する。他方、位相遅延の比較的大きい高周波信号（例えば５０Ｈｚ）については、帯域通過フィルタ２２ａ、２２ｃにより抽出し、増幅度調整回路２２ｄにより逆位相信号に変換したのち、位相調整回路２２ｅによって位相遅延時間を調整して位相調整信号に変換する。低周波数信号処理回路２３の逆位相信号と高周波信号処理回路２２の位相調整信号とを加算器２４によって合成して補償コイル２、３に加えることにより、高周波数領域の位相遅延によるにシールド性能の低下を防止する。
【００１２】
しかし、図９に示すように補償コイル２、３の位相遅延時間は周波数毎に異なるのに対し、図６（Ｃ）の高周波信号処理回路２２（位相調整回路２２ｅ）は特定周波数（例えば５０Ｈｚ）の位相遅延時間しか調整できないので、特許文献１の制御装置２０で複数の異なる周波数の外乱磁場Ｂ（例えば５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ等）に対応するためには高周波信号処理回路２２を複数組み合わせた複雑な信号処理が必要となる。また、予め周波数が既知の外乱磁場については、その周波数に応じた高周波信号処理回路２２を設けることで対応できるが、特許文献１の制御装置２０は周波数の未知の外乱磁場に対応できない問題点もある。
【００１３】
更に、一般的なアクティブ型システム１ではフラックスゲート型磁気センサ１０等を利用して外乱磁場を検出しているが、フラックスゲート型磁気センサ１０の応答速度は数ｋＨｚ程度であって広帯域化に限界があり、磁気センサ１０の応答速度以上の高周波信号に対応することが難しい問題点もある。様々な外乱磁場に対してシールド性能の高い複合型システムを実現するためには、外乱磁場の周波数に拘らず位相遅延によるシールド性能の低下が生じにくいアクティブ型システムとすることが望ましい。
【００１４】
そこで本発明の目的は、外乱磁場の周波数に拘らず位相遅延によるシールド性能の低下が生じにくいアクティブ型磁気シールドシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
図６（Ａ）のような複合型システムにおいて、アクティブ型システム１の補償コイル２、３の周波数特性Ｇｃ（ω）に図９のような位相遅延が生じる理由は、補償コイル２、３の発生する補償磁場Ｂｃ（及び外乱磁場Ｂ）によってシールド対象空間Ｒの周囲を覆うパッシブ型システム５の軟磁性板６、７に渦電流が誘導されるからである（非特許文献１及び２参照）。例えば、図７（Ａ）のように空間Ｒを密閉するパッシブ型システム５にＸ軸方向の外乱磁場Ｂｘが暴露されたとすると、図７（Ｂ）に示すようにＸ軸と垂直な前後ＹＺ面の軟磁性板６ａ、６ｂには、そのＹＺ面に進入する磁場Ｂｘを妨げる環状方向の誘導起電力（回転電界）及び渦電流Ｅが誘導される。また、図７（Ｃ）に示すようにＸ軸と平行な周囲ＸＹ面及びＸＺ面の角筒状の軟磁性板７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄには、磁場Ｂｘ（磁束密度）の時間変動によって磁場Ｂｘの侵入を妨げる方向に大環状の渦電流Ｅが誘導される。
【００１６】
変動する外乱磁場Ｂによって渦電流が誘起される場合の軟磁性材の磁化特性は交流磁化特性として知られている。これは主として、変動する外乱磁場Ｂによって誘起される渦電流の作用により、外乱磁場Ｂに対する見かけ上の磁化の変動が位相遅延を起こすことにより生じる（交流ヒステリシス）。図７（Ｂ）及び（Ｃ）のように軟磁性板６、７に表面に誘導された大きな環状の渦電流Ｅは、軟磁性板６、７で囲まれた内側領域に外側の外乱磁場Ｂに対して位相の遅れた二次的磁場を生じ、その位相の遅れた二次的磁場との重畳によってパッシブ型システム５の内部磁場Ｂｅに外側の外乱磁場Ｂに対して位相遅延を生じさせる。
【００１７】
本発明者は、外乱磁場Ｂによって図７のような大きな環状の渦電流Ｅが表面に誘導されない軟磁性材の配置、例えば図３（Ａ）のように外乱磁場Ｂの到来方向と平行に配置した軟磁性板１２ａの生じる二次的磁場に着目した。先ず外乱磁場Ｂが静磁場又は周波数の低い変動磁場である場合は、外乱磁場Ｂと平行な図３（Ａ）の軟磁性板１２ａは外乱磁場Ｂと位相的に同相で磁化されて端部に磁極が生じる。この磁極は軟磁性板１２ａの内部に反磁場を発生し、磁化を弱める方向に作用すると同時に、外部にも二次的磁場を発生する。この二次的磁場は図３（Ｂ）のような等価磁石の生じる磁場として表現することができ、外乱磁場Ｂの向きと対向することから、外乱磁場Ｂに対して逆相の二次的磁場となる。外乱磁場Ｂが変動すると、図３（Ｃ）のように軟磁性板１２ａの断面に渦電流が誘起され、外乱磁場Ｂに対して位相の遅れた二次的磁場を発生するが（交流ヒステリシス）、この二次的磁場は上述した逆相よりも更にヒステリシス効果の分だけ位相が遅れるため、全体として見れば外乱磁場Ｂに対して位相の進んだ二次的磁場となる。
【００１８】
すなわち、外来磁場Ｂの到来方向に対して平行に軟磁性板１２ａを配置すれば、軟磁性板１２ａの周囲に外来磁場Ｂに対して位相の先進した二次的磁場を生成することができる。図６のようなアクティブ型システム１では、上述したように（ｉ）システムの構成要素（磁気センサ１０及び制御装置２０）による位相遅延が発生すると共に（図８参照）、（ｉｉ）複合型システムとしたときはパッシブ型システム５の誘導渦電流による位相遅延が累積されてシールド性能の劣化を招くが（図９参照）、そのようなアクティブ型システム１の磁気センサ１０の周辺に図３（Ａ）のような軟磁性板１２ａを付帯させ、磁気センサ１０の周辺に外乱磁場Ｂに対して位相の進んだ二次的磁場を発生させれば、その二次的磁場の位相進みによって位相遅延（ｉ）及び（ｉｉ）を低減又は補償し、アクティブ型システム１のシールド性能の低下を抑えることが期待できる。本発明は、この着想に基づく研究開発の結果、完成に至ったものである。
【００１９】
図１（Ｂ）の実施例を参照するに，本発明による外乱磁場計測センサ１０は，変動する外乱磁場Ｂの検出用プローブ１１，及びそのプローブ１１の周囲に間隙を介してプローブ検出軸Ａと平行に付帯させた軟磁性材１２を備え，その軟磁性材１２の周囲に生じる位相の進んだ二次的磁場の重畳された外乱磁場をプローブ１１で検出してなるものである。
【００２０】
また，図１（Ａ）のブロック図を参照するに，本発明によるアクティブ型磁気シールドシステムは，変動する外乱磁場Ｂから保護すべきシールド対象空間Ｒの周囲に配置する補償磁場発生用コイル２，３，外乱磁場Ｂの検出用プローブ１１とそのプローブ１１の周囲に間隙を介してプローブ検出軸Ａと平行に付帯させた軟磁性材１２とを有し且つシールド対象空間Ｒ内に配置する外乱磁場計測用センサ１０，及び軟磁性材１２の周囲に生じる位相の進んだ二次的磁場の重畳された外乱磁場を検出するセンサ１０の検出値に応じてコイル２，３の発生する補償磁場を制御する制御装置２０を備えてなるものである。
【００２１】
好ましくは，図１（Ｃ）に示すように，センサ１０のプローブ１１の周囲に間隙を介してプローブ検出軸Ａと平行に複数の軟磁性材１２ａ，１２ｂを付帯させる。望ましくは，センサ１０のプローブ検出軸Ａと垂直な軸Ｖの周りに，プローブ検出軸Ａと平行な軟磁性板１２ａ，１２ｂとプローブ検出軸Ａと交差するスリット１３付き軟磁性板１２ｃ，１２ｄとを筒状に結合して付帯させる。
【００２２】
或いは、図２（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、センサ１０のプローブ１１の周囲に、プローブ検出軸Ａと平行な長手方向軸を有する複数の帯状軟磁性板１４をプローブ検出軸Ａと垂直方向に所定間隔ｄで並べて付帯させてもよい。望ましくは、図２（Ｅ）に示すように、センサ１０のプローブ検出軸Ａと垂直な軸Ｖの周りに、その垂直な軸Ｖと所定間隔ｄで交差する複数の平行な面上に配置した環状軟磁性板１６の群を付帯させる。
【００２３】
更に好ましくは、図１（Ｂ）〜（Ｄ）及び図２（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｅ）に示すように、軟磁性材１２（又は軟磁性板１４又は１６）のプローブ１１に対する相対位置をプローブ検出軸Ａと垂直方向に調整する位置調整機構１７を設ける。
【発明の効果】
【００２４】
本発明による外乱磁場計測センサ及びアクティブ型磁気シールドシステムは，変動する外乱磁場Ｂを検出するプローブ１１の周囲に間隙を介してプローブ検出軸Ａと平行に軟磁性材１２を付帯させ，外乱磁場Ｂ中で軟磁性材１２の周囲に生じる位相の進んだ二次的磁場の重畳された外乱磁場Ｂをプローブ１１で検出するので，次の効果を奏する。
【００２５】
（イ）プローブ検出軸Ａを外来磁場Ｂの到来方向と一致させることにより、軟磁性材１２の周囲に位相の進んだ二次的磁場を生じさせ、外乱磁場Ｂに対して位相の進んだプローブ１１の検出値を出力する外乱磁場計測センサ１０とすることができる。
（ロ）また、外乱磁場Ｂに対して位相の進んだ検出値を出力する外乱磁場計測センサ１０をアクティブ型システムに組み込むことにより、システムの構成要素による位相遅延を低減又は補償し、位相遅延が小さくシールド性能の低下の生じにくいアクティブ型システムとすることができる。
（ハ）更に、外乱磁場Ｂに対して位相の進んだ検出値を出力する外乱磁場計測センサ１０を複合型システムに組み込むことにより、パッシブ型システム５に誘起される渦電流の影響による位相遅延を低減又は補償し、位相遅延が小さくシールド性能の低下の生じにくい複合型システムとすることができる。
【００２６】
（ニ）プローブ１１の周囲に複数の軟磁性材１２ａ、１２ｂを付帯させ、複数の軟磁性材１２ａ、１２ｂに位相の進んだ二次的磁場を生じさせることにより、外来磁場Ｂに対する位相進みの大きい検出値を出力する外乱磁場計測センサ１０とすることができる。
（ホ）また、プローブ検出軸Ａと垂直な軸Ｖの周りに複数の軟磁性材１２を筒状又は環状に付帯させて磁気回路を形成し、各軟磁性材１２中に渦電流を流れやすくすることにより、外来磁場Ｂに対する検出値の位相進みが一層大きい外乱磁場計測センサ１０とすることができる。
（ヘ）付帯させる軟磁性材１２の形状や透磁率等によって外来磁場Ｂに対する位相進みの大きさを調整することも可能であるが、軟磁性材１２のプローブ１１に対する相対位置をプローブ検出軸Ａと垂直方向に調整可能とすることにより、検出値の位相進みの調整が容易な外乱磁場計測センサ１０とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。
【図１】は、本発明によるアクティブ型磁気シールドシステム及び外乱磁場計測センサの一実施例の説明図である。
【図２】は、本発明によるアクティブ型磁気シールドシステム及び外乱磁場計測センサの他の実施例の説明図である。
【図３】は、本発明による外乱磁場計測センサの作用の説明図である。
【図４】は、本発明の外乱磁場計測センサの位相進み特性を確認した実験結果を示すグラフである。
【図５】は、本発明の外乱磁場計測センサの軟磁性材の中心からのプローブの距離と位相進み特性との関係を確認した実験結果を示すグラフである。
【図６】は、従来の複合型磁気シールドシステムの一例の説明図である。
【図７】は、図６の複合型磁気シールドシステムに誘起される渦電流の説明図である。
【図８】は、図６の磁気センサ１０及び制御装置２０の周波数特性Ｇｏ（ω）の位相遅れ（位相進み）特性を示すグラフの一例である。
【図９】は、図６の補償コイル２、３の周波数特性Ｇｃ（ω）の位相遅れ特性を示すグラフの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１（Ａ）は、本発明のアクティブ型システム１の一実施例を示す。図示例のアクティブ型システム１は、図６（Ａ）に示す従来のアクティブ型システム１と同様に、シールド対象空間Ｒのシールド対象位置（例えば嫌磁気装置４の設置位置）Ｐの周囲に配置した補償コイル２、３と、空間Ｒ内のセンサ位置Ｓに設置した外乱磁場計測用センサ１０と、センサ１０の検出値を入力して補償コイル２、３を駆動する制御装置２０とで構成されている。図示例の補償コイル２、３は、それぞれシールド対象位置Ｐを通るＸ軸に芯合わせして空間Ｒの周囲に配置されており、図６（Ａ）の場合と同様に、空間Ｒの内側の対象位置Ｐ付近の外乱磁場（内部磁場）を補償磁場Ｂｃの重畳によって減衰させるものである。Ｙ軸方向及びＺ軸方向についても同様に補償コイルを配置して、あらゆる方向の外乱磁場に対応可能なシステム１とすることができる。ただし、補償コイル２、３の配置位置や形状は図示例に限定されず、例えば空間Ｒの内面を複数に分割して各領域にそれぞれ補償コイル２、３を配置してもよい。なお、センサ位置Ｓは対象位置Ｐと近接させることが望ましいが、センサ位置Ｓが対象位置Ｐと離れていても、例えば制御装置２０においてセンサ１０の検出値を適当に補正することで対象位置Ｐ付近の外乱磁場を減衰させることが可能である（特許文献２参照）。
【００２９】
図１（Ａ）の外乱磁場計測用センサ１０は、制御装置２０に接続された外乱磁場Ｂの検出用プローブ１１と、その磁気プローブ１１の周囲にプローブ検出軸Ａと平行に付帯させた軟磁性材１２とを有する。磁気プローブ１１は、センサ位置Ｓの少なくとも１軸方向（図示例ではＸ軸方向）の外乱磁場（又は磁束密度）の検出値を制御装置２０に出力するものであればとくに制限はなく、従来のアクティブ型システムと同様のもの、例えばサーチコイル型、ホール素子型、フラックスゲート型、磁気発振方式型の磁気プローブ、高感度マイクロ磁気プローブ（ＭＩセンサ）、磁気抵抗効果素子を用いた磁気プローブ（ＭＲセンサ）、磁性薄膜を用いた高周波駆動型磁気プローブ（ＴＭＦセンサ）等とすることができる（非特許文献３参照）。プローブ１１に付帯させる軟磁性材１２は、外乱磁場Ｂの変動によって渦電流を生じると共にその渦電流に伴う磁化の遅れ（交流ヒステリシス）を生じるパーマロイ、電磁鋼板等の磁性部材であり、例えば図３（Ａ）のような板状のもの、又は図３（Ｄ）のような棒状のものとすることができる。
【００３０】
図１（Ｂ）は、プローブ１１の周囲にプローブ検出軸Ａと平行に軟磁性板（板状磁性部材）１２ａを付帯させた外乱磁場計測用センサ１０の一例を示す。例えば図１（Ａ）のようにＸ軸方向の変動する外乱磁場Ｂｘに暴露されるシールド対象空間Ｒにおいて、センサ１０のプローブ検出軸Ａを外来磁場Ｂｘの到来方向（Ｘ軸）に向けて設置し、その検出軸Ａと平行な軟磁性板１２ａの側面（厚さ方向断面）を外乱磁場Ｂｘと交差させる。図７（Ｂ）のように軟磁性板１２ａの表面を外乱磁場Ｂｘと交差させると、その表面に環状の渦電流Ｅが誘起され、外乱磁場Ｂｘに対して位相の遅れた二次的磁場が軟磁性板１２ａの周囲に発生するが、図１（Ｂ）のように軟磁性板１２ａを外乱磁場Ｂｘの到来方向と平行に配置すれば、軟磁性板１２の表面に大きな環状の渦電流Ｅが誘導されるのを抑制し、図３（Ａ）及び（Ｃ）を参照して上述したように、外乱磁場Ｂｘに対して位相の進んだ二次的磁場を軟磁性板１２ａの周囲に発生させることができる。軟磁性板１２ａの形状や透磁率等によって周囲に発生する二次的磁場の大きさや位相進みは相違するが、プローブ１１の周囲の外乱磁場Ｂｘに位相の進んだ二次的磁場が重畳されるので、その重畳磁場をプローブ１１で検出して外乱磁場Ｂｘより位相の進んだ検出値を出力することができる。
【００３１】
図１（Ｂ）の軟磁性板１２ａに代えて、例えば図３（Ｄ）に示すように、断面円形又は矩形の棒状軟磁性材１２をプローブ検出軸Ａと平行に付帯させて外乱磁場計測用センサ１０とすることも可能である。図３（Ａ）及び（Ｃ）の軟磁性板１２ａと同様に、外乱磁場Ｂｘの到来方向と平行に配置した棒状軟磁性材１２の周囲にも、外乱磁場Ｂｘに対して位相の進んだ二次的磁場が発生するので、その二次的磁場の重畳された外乱磁場Ｂｘをプローブ１１で検出することにより、外乱磁場Ｂｘに対して位相の進んだ検出値を出力する外乱磁場計測センサ１０とすることができる。
【００３２】
ただし、後述するように軟磁性材１２の周囲に発生する二次的磁場は、軟磁性材１２の外乱磁場Ｂｘと交差する断面（側面）の中心付近で最も位相が進んでおり、その断面中心から磁場到来方向と垂直方向にずれると位相の進みは徐々に小さくなる（図５参照）。位相の進んだセンサ１０の検出値を安定的に得るためには、図３（Ｄ）のように磁場到来方向と垂直方向の断面長さが小さい棒状軟磁性材１２よりも、図１（Ｂ）のように磁場到来方向と垂直方向の断面長さＤが大きい軟磁性板１２ａを付帯させることが望ましい。すなわち、プローブ検出軸Ａと垂直方向の断面長さＤが十分大きい軟磁性板１２ａを用い、その断面長さＤの中心付近をプローブ１１に隣接させて付帯させることにより、位相の進んだ検出値を安定的に出力するセンサ１０とすることができる。軟磁性板１２ａのプローブ検出軸方向の長さＬ（図１（Ｂ）参照）は、位相の進んだ検出値が安定的に得られるように適当に設計することができる。
【００３３】
好ましくは、図１（Ｃ）に示すように、プローブ１１の周囲に検出軸Ａと平行に複数の軟磁性材１２ａ、１２ｂを付帯させる。例えば、プローブ１１を挟んで一対の軟磁性材１２ａ、１２ｂを対向させて付帯させる。複数の軟磁性材１２ａ、１２ｂを付帯させた場合は、図３（Ｅ）に示すように各軟磁性材１２ａ、１２ｂの周囲にそれぞれ発生した位相の進んだ二次的磁場が外乱磁場Ｂｘに重畳されるので、単独の軟磁性材１２ａ（又は１２ｂ）のみを付帯させた場合に比して、プローブ１１の検出値の外来磁場Ｂに対する位相進みを拡大することができる。
【００３４】
更に好ましくは、図１（Ｄ）に示すように、プローブ検出軸Ａと垂直な軸Ｖの周りに、プローブ検出軸Ａと平行な軟磁性板１２ａ、１２ｂとプローブ検出軸Ａと交差するスリット１３付き軟磁性板１２ｃ、１２ｄとを筒状に結合して付帯させる。軟磁性板１２ａ〜１２ｄを筒状に結合して渦電流の流れやすい環状の磁路（磁気回路）を形成することにより、各軟磁性材１２の内部における渦電流の励起を促進し、軟磁性板１２ａ、１２ｂの周囲に発生する二次的磁場の外来磁場Ｂに対する位相進みを更に拡大することができる。また、プローブ検出軸Ａを外来磁場Ｂｘの到来方向（Ｘ軸）に向けて設置したときに、筒状に結合した軟磁性板１２ｃ、１２ｄの表面が外乱磁場Ｂｘと交差することになるが、その軟磁性板１２ｃ、１２ｄにスリット１３を設けて大きな環状の渦電流Ｅが誘導されるのを抑制することにより、軟磁性板１２ｃ、１２ｄの周囲に位相の遅れた二次的磁場が発生してプローブ１１の周囲の外乱磁場Ｂｘに重畳されるのを防止することができる。
【００３５】
図２（Ｂ）は、プローブ１１の周囲に、プローブ検出軸Ａと平行な長手方向軸Ｃを有する複数の帯状軟磁性板１４をプローブ検出軸Ａと垂直方向に所定間隔ｄで並べて付帯させた本発明の外乱磁場計測用センサ１０の他の実施例を示す。例えば、所定幅Ｗの複数の帯状軟磁性板１４の長手方向軸Ｃをプローブ検出軸Ａと平行な同一平面（又は曲面）Ｆ上に所定間隔ｄで平行に並ぶように配置して磁性簾体１５とし、その磁性簾体１５をプローブ１１の周囲に付帯させる。各帯状軟磁性板１４の相互間隔ｄは、磁性簾体１５の平面（又は曲面）Ｆが磁気シールド面として機能するように、具体的には間隔ｄ中の磁束の通りやすさ（間隔のパーミアンス）が磁性板１４中の磁束の通りやすさ（磁性板のパーミアンス）より小さくなるように設計することができる。例えば、磁性簾体１５の長手方向線Ｃと直交する間隔ｄの断面積Ｓａに対して、磁性板１４の断面積Ｓｍと比透磁率μとの積（Ｓｍ・μ）の割合（Ｓｍ・μ／Ｓａ）が１より大きくなるように設計する。
【００３６】
図２（Ｂ）のセンサ１０を、図２（Ａ）のようにプローブ検出軸Ａを外来磁場Ｂｘの到来方向（Ｘ軸）に向けて設置した場合、各帯状軟磁性板１４の周囲には、図１（Ｂ）の軟磁性板１２ａと同様に外乱磁場Ｂｘに比して位相の進んだ二次的磁場が発生する。また、複数の帯状軟磁性板１４を所定間隔ｄの磁性簾体１５として付帯することにより、図３（Ｆ）に示すように各磁性板１４の周囲に発生した二次的磁場がそれぞれ外乱磁場Ｂｘに重畳されるので、図１（Ｂ）の軟磁性板１２ａに比して外来磁場Ｂに対する位相進みの拡大した検出値を出力するセンサ１０とすることができる。磁性簾体１５のプローブ検出軸Ａと垂直方向の断面長さＤ及びプローブ検出軸方向の長さＬは、上述した図１（Ｂ）の軟磁性板１２ａの場合と同様に、位相の進んだ検出値が安定的に得られるように設計することができる。
【００３７】
また図２（Ｃ）に示すように、プローブ１１を挟んで一対の磁性簾体１５ａ、１５ｂを対向させて付帯させることにより、図２（Ｂ）のように単独の磁性簾体１５を付帯させた場合に比して、プローブ１１の検出値の外来磁場Ｂに対する位相進みを更に拡大することが期待できる。なお、磁性簾体１５の構成及び磁気シールド性能については、例えば特許文献３及び４に詳述されている。
【００３８】
好ましくは、図２（Ｅ）に示すように、プローブ検出軸Ａと垂直な軸Ｖの周りに、その垂直な軸Ｖと所定間隔ｄで交差する複数の平行な面上に配置した環状軟磁性板１６の群を筒状に付帯させる。渦電流の流れやすい環状の軟磁性板１６（磁気回路）を付帯させることにより、各軟磁性材１６の内部における渦電流の励起を促進し、軟磁性板１６の周囲に発生する二次的磁場の外来磁場Ｂに対する位相進みを更に拡大することが期待できる。また図２（Ｅ）の環状軟磁性板１６は、図２（Ｃ）のようにＸ軸方向のプローブ検出軸Ａと平行に並べた帯状軟磁性板１４（磁性簾体１５）と、図２（Ｄ）のようにＹ軸方向のプローブ検出軸Ａと平行に並べた帯状軟磁性板１４（磁性簾体１５）とを組み合わせて構成することができ、Ｘ軸方向の外来磁場Ｂｘ及びＹ軸方向の外来磁場Ｂｙの何れに対しても位相の進んだ二次的磁場を発生することができる。すなわち、図２（Ｅ）に示すような環状軟磁性板１６の群をプローブ１１の周囲に付帯させることにより、ＸＹ平面上の何れの方向からの外来磁場Ｂに対しても位相の進んだ検出値を出力する２軸対応のセンサ１０とすることができる。
【００３９】
［実験例１］
フラックスゲート型の磁気プローブ１１とパーマロイ製の環状軟磁性板１６の群とを用いて図２（Ｅ）のような外乱磁場計測用センサ１０を試作し、外来磁場Ｂに対するセンサ１０の検出値の位相進みを確認する実験を行った。本実験では、図２（Ｂ）に示すような長さＬの帯状軟磁性板１４を端縁の重ね合わせによりロ字型に接合して環状軟磁性板１６とし、その環状軟磁性板１６の複数枚を所定間隔ｄで平行に積み重ねて図２（Ｅ）に示すような積み重ね長さＤの筒型積層体を形成し、その筒型積層体の両端から等しい距離（＝Ｄ／２）の中心位置にプローブ１１を係止して外乱磁場計測用センサ１０とした。また、筒型積層体の中心軸線（筒軸）とプローブ検出軸Ａの垂直軸Ｖとを芯合わせし、プローブ検出軸Ａを各環状軟磁性板１６と平行になるように配置した。その筒型積層体を付帯したセンサ１０にプローブ検出軸Ａと平行に外乱磁場Ｂを周波数掃引しながら暴露し、暴露した外乱磁場Ｂｘに対するプローブ１１の検出値の位相進みを周波数毎に検出した。また、暴露する外乱磁場Ｂｘの強度を０．１μＴ、１μＴ、１０μＴ、４０μＴと切り替えながら、同様の実験を繰り返した。
【００４０】
実験結果を、外乱磁場Ｂｘの強度別のグラフとして図４に示す。図４の各グラフは、外来磁場Ｂｘの強度及び周波数に拘らず、センサ１０の検出値の位相が外乱磁場Ｂに対して進むことを示しており、上述した図２（Ｂ）のようなプローブ検出軸Ａと平行な帯状軟磁性板１４（又は図１（Ｂ）のような軟磁性板１２ａ）の付帯によって外乱磁場Ｂの検出値の位相が進むことを確認できた。また、図４の強度別のグラフは、それぞれ外乱磁場Ｂｘの周波数の増加に従ってセンサ１０の検出値の位相進みが大きくなることを示している。すなわち、本発明の外乱磁場計測用センサ１０の周波数特性Ｇｓ（ω）が、図８のように周波数の増加に従って位相遅延が大きくなる従来のアクティブ型システム１の磁気センサ１０及び制御装置２０の周波数特性Ｇｏ（ω）とほぼ正反対の特性に調整されており、位相遅延の影響が補償されていることが分かる。従って、本発明のセンサ１０を用いて図１（Ａ）又は図２（Ａ）のようなアクティブ型システム１を構成すれば、システム構成要素（制御装置２０等）の位相遅延特性Ｇｏ（ω）をセンサ１０の周波数特性Ｇｓ（ω）によって低減又は位相補償し、外乱磁場Ｂの周波数に拘らず位相遅延によるシールド性能の低下が生じにくいアクティブ型システム１とすることができる。
【００４１】
また、図４に示す本発明の外乱磁場計測用センサ１０の周波数特性Ｇｓ（ω）は、図９のような従来の複合型システムの補償コイル２、３の周波数特性Ｇｃ（ω）ともほぼ正反対の特性に調整されており、例えば図６（Ａ）のような複合型システムを本発明のセンサ１０を用いて構成することにより、パッシブ型システム５の渦電流による位相遅延の累積を低減し、複合型システムのシールド性能ＳＥｓの低下を防止することも可能である。図６（Ｂ）に点線で示すように、本発明のセンサ１０を組み込んだ複合型システムのシールド性能ＳＥｓは、そのセンサ１０の周波数特性Ｇｓ（ω）と制御装置２０の周波数特性Ｇｏ（ω）と補償コイル２、３の周波数特性Ｇｃ（ω）とを組み合わせた一巡伝達関数Ｇ（ω）（＝Ｇｓ（ω）・Ｇｏ（ω）・Ｇｃ（ω））によって評価することができる。
【００４２】
例えば、位相遅延が１８０度になると｜Ｇ（ω）｜＝１、すなわちシールド性能ＳＥｓ＝０となって発振現象を生じるが、この位相遅延を本発明のセンサ１０の位相進みＧｓ（ω）によって完全に補償できればシールド性能ＳＥｓ＝２に改善することができる。一巡伝達関数Ｇ（ω）の大きさは、シールド対象空間Ｒの規模に伴う補償コイル３、４の巻数や構成、接続方法等によって変化するので一概に示すことは難しいが、例えば１００Ｈｚにおいて｜Ｇ（ω）｜＝１となる場合を想定すると、本発明のセンサ１０を用いない場合の位相遅延が６５度程度（図８参照）であってシールド性能ＳＥｓ＝１．６８程度となるのに対して、本発明のセンサ１０の位相進みは４５度程度（図４参照）であるから、本発明のセンサ１０を組み込むことで位相遅延を２０度程度に補償し、シールド性能ＳＥｓ＝１．９７程度に改善することができる。同様に２００Ｈｚにおいて｜Ｇ（ω）｜＝１となる場合を想定すると、シールド性能ＳＥｓが１．５３程度であったシステムを、本発明のセンサ１０を組み込むことでシールド性能ＳＥｓを１．９２程度まで改善することができる。
【００４３】
こうして本発明の目的である「外乱磁場の周波数に拘らず位相遅延によるシールド性能の低下が生じにくいアクティブ型磁気シールドシステム」を提供することができる。
【００４４】
なお、本発明のセンサ１０は、外乱磁場Ｂに対して位相の進んだ検出値を出力すると共に、検出値の振幅（ゲイン）も外乱磁場Ｂに対して異なったものとなるが、そのような振幅（ゲイン）の検出値の劣化については、従来のアクティブ型システムと同様の校正処理によって推定又は補正することが可能である。すなわち、本発明のセンサ１０は、新規にアクティブ型システム又は複合型システムを構築する場合だけでなく、既存のアクティブ型システム又は複合型システムの位相遅延を補償してシールド性能の向上を図る場合にも有益である。
【実施例１】
【００４５】
上述したように本発明の外乱磁場計測用センサ１０を組み込んでアクティブ型システム又は複合型システムを構築する場合は、システムの制御装置２０の周波数特性Ｇｏ（ω）と補償コイル２、３の周波数特性Ｇｃ（ω）とを勘案して、センサ１０により適切な位相補償が行えるように付帯する軟磁性材１２（又は帯状軟磁性板１４、環状軟磁性板１６）の形状や大きさ、透磁率等を実験的又は数値解析により設計することができる。更に本発明者は、本発明のセンサ１０において、軟磁性材１２のプローブ１１に対する相対位置をプローブ検出軸Ａと垂直方向に調整可能とすることにより、位相補償（すなわち検出値の位相進み）を動的に調整できることを実験的に見出した。
【００４６】
［実験例２］
実験例１と同じ外乱磁場計測用センサ１０を使用し、環状軟磁性板１６の筒型積層体とプローブ１１との相対位置を変化させながら、外来磁場Ｂに対するセンサ１０の検出値の位相進みを確認する実験を行った。本実験では、図２（Ｂ）又は（Ｅ）のような位置調整機構１７を介して筒型積層体上にプローブ１１を係止し、位置調整機構１７により筒型積層体上のプローブ１１の係止位置を調整可能とした。図示例の位置調整機構１７は、筒型積層体上の両端間にプローブ検出軸Ａと垂直方向に延在させた移動レール１８と、その移動レール１８上の特定位置にプローブ１１を係止する係止部材１８とを有する。先ずプローブ１１を筒型積層体の中心位置に位置付けたうえでプローブ検出軸Ａと平行に周波数１Ｈｚの外乱磁場Ｂを暴露し、移動レール１８上で係止部材１８を移動させて筒型積層体の中心位置からのプローブ１１の距離を変えながら外乱磁場Ｂの暴露を繰り返し、中心からの距離毎にプローブ１１の検出値の位相進みを検出した。また、暴露する外乱磁場Ｂｘの周波数を１０Ｈｚ、６０Ｈｚ、２００Ｈｚと切り替えながら、同様の実験を繰り返した。
【００４７】
実験結果を、外乱磁場Ｂｘの周波数別のグラフとして図５に示す。図５の各グラフは、外来磁場Ｂｘの周波数に拘らず、筒型積層体の中心位置において外乱磁場計測用センサ１０の検出値の位相進み（位相先進）が最も大きく、中心位置から離れて筒型積層体の端部に近付くに従って位相進みが徐々に小さくなることを示している。このような位相進みの変動理由の詳細は不明であるが、筒型積層体の両端部から外乱磁場Ｂが内側に回り込み、その回り込みの影響によって筒型積層体の両端部に近付くに従って位相進みが小さくなると推定される。この実験結果から、本発明のセンサ１０によって位相進みの安定した検出値を出力するためには、筒型積層体（又は図１（Ｅ）の軟磁性板１２ａ）のプローブ検出軸Ａと垂直方向長さＤを、両端部からの外乱磁場Ｂの回り込みの影響が避けられる大きさとすることが有効であることが確認できた。
【００４８】
また、本発明の外乱磁場計測用センサ１０にプローブ１１の位置調整機構１７を含め、図５のグラフのようにプローブ１１の位置と応じたセンサ１０の検出値の位相進みとの対応関係を予め求めておくことにより、アクティブ型システム１を構築する各現場に応じて適切な位相補償が行えるように、検出値の位相進みを動的に調整可能な外乱磁場計測用センサ１０とすることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１…アクティブ型磁気シールドシステム    ２、３…補償コイル
４…嫌磁気装置                          ５…パッシブ型磁気シールドシステム
６、７…軟磁性板
１０…磁気検出センサ                    １１…プローブ
１２…軟磁性材                          １３…スリット
１４…帯状軟磁性板                      １５…磁性簾体
１６…環状軟磁性板                      １７…位置調整機構
１８…移動レール                        １９…係止部材
２０…制御装置                          ２１…バッファー
２２…高周波信号処理回路                ２２ａ、２２ｃ…帯域通過フィルタ
２２ｂ、２２ｄ…増幅度調整回路          ２２ｅ…位相調整回路
２３…低周波数信号処理回路              ２３ａ…高域通過フィルタ
２３ｂ…低域通過フィルタ                ２３ｃ…積分器
２３ｄ…増幅度調整回路                  ２４…加算器
Ａ…プローブ検出軸                      Ｂ…外乱磁場
Ｂｅ…内部磁場                          Ｂｃ…補償磁場
Ｂｓ…重畳磁場                          Ｒ…シールド対象空間
Ｖ…プローブ検出軸の垂直軸              Ｐ…シールド対象位置
Ｓ…センサ位置                          Ｃ…帯状軟磁性板の長手方向軸
ｗ…帯状軟磁性板の幅                    ｄ…軟磁性板の相互間隔
Ｄ…軟磁性板のプローブ検出軸と垂直方向の断面長さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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