(57)【要約】【課題】磁気異方性材料とピックアップコイルとを含む一対の磁気センサを有する磁気計測装置であって、該一対の磁気センサの出力の差分を算出することにより磁気の静磁界成分を高精度に計測することが可能な磁気計測装置を提供することにある。【解決手段】調整手段５０により前記一対のＭＩセンサ１４、１６の位置における局所磁界差およびそれら一対のＭＩセンサ１４、１６間の感度差が許容値以下とされるので、一対のＭＩセンサ１４、１６の出力Ｏｃｏｉｌ１，Ｏｃｏｉｌ２の差を算出した場合に、例えば地磁気のようにこれらの一対のＭＩセンサ１４、１６に共通して印加される磁界の影響が精度よく相殺されることになる。そのため前記一対のＭＩセンサ１４、１６の一方にのみ印加される計測対象の磁界が直流成分を含むものであったとしても好適に計測可能となる。【選択図】図１
2014190774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気異方性材料とピックアップコイルとを含む一対の磁気センサを有し、該一対の磁気センサの出力に基づいて磁気を計測する磁気計測装置であって、
該一対の磁気センサの位置における局所磁界差および該一対の磁気センサ間の感度差がそれぞれ所定の許容値以下となるように調整する調整手段を有し、
該一対の磁気センサの出力の差分を算出することにより磁気の静磁界成分を計測すること、
を特徴とする磁気計測装置。
【請求項２】
前記調整手段は、前記一対の磁気センサの近傍に調整部材を配置するものであり、
該調整部材は、磁性体、磁石、導体、コイルの少なくとも１つであること、
を特徴とする請求項１に記載の磁気計測装置。
【請求項３】
前記調整手段は、前記一対の磁気センサの方向を相対的に変更する機械的機構であること、
を特徴とする請求項１または２に記載の磁気計測装置。
【請求項４】
前記一対の磁気センサに励起パルスを通電するパルスゲート器具と、該一対の磁気センサの出力が入力される高速インスツゥルメンツアンプを有し、
該高速インスツゥルメンツアンプは、該一対の磁気センサの出力の差分および増幅を行うこと、
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の磁気計測装置。
【請求項５】
前記一対の磁気センサの出力を、前記励起パルスに同期して検出する検出手段を有すること、
を特徴とする請求項４に記載の磁気計測装置。
【請求項６】
前記一対の磁気センサの出力を、所定のサンプリング周波数によりサンプリングすることによりデジタル化するＡＤ変換部を有すること、
を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の磁気計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気計測装置に関するものであり、特に、磁気異方性材料とピックアップコイルとを含む一対の磁気センサを有する磁気計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気異方性材料である磁性アモルファスワイヤ等のアモルファス素材とピックアップコイルを用いた磁気センサを用いた磁気計測装置が知られている。たとえば特許文献２に記載の磁気センサ（ＭＩセンサ）がそれである。このＭＩセンサは、環境磁界の綿密な遮蔽や超低温を維持するためのコンテナなどの大がかりな装置を必要としない反面、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ；superconducting quantum interference device）のように高感度な計測を行うためには、精密な調整が必要である。
【０００３】
すなわち、前記ＳＱＵＩＤなどの超伝導磁気計測技術では、磁気シールドルームなどの特殊な環境下ではあるが、安定してピコテスラ（ｐＴ）、フェムトテスラ（ｆＴ）レベルの微小磁界計測が行える。一方、これまでの非超伝導技術では、高感度化されたＭＩセンサーにおいてピコテスラレベルの計測が行われているが、その利用は未だ限定的である。
【０００４】
このＭＩセンサは、磁気異方性材料であるアモルファス材料に通電する交流電流周波数に依存してそのインピーダンスが変化する現象を利用した磁気センサである。高感度化したＭＩセンサにおいては、磁性アモルファスワイヤへ通電したときにコイルに発生する一過性の誘導起電力波形のピークをサンプルホールドして検出し、その変化から磁界を計測している。
【０００５】
非特許文献１乃至４は、高感度化されたＭＩセンサを用いた磁気計測装置に関するものである。これらに開示されたように、高感度化するために一般的に２つのMI素子を使用してグラジオセンサー方式で計測を行う。図１０は、たとえば非特許文献２、３に記載されたＭＩセンサを用いてピコテスラレベルの磁気計測を行うための磁気計測装置の一例である。図１０の磁気計測装置においては、ＣＭＯＳ  ＩＣ１０６から生成されるクロック信号に基づいてパルスジェネレータ（パルスゲート）ＰＧを駆動してパルスＰｅを対象物測定用センサＭＩ１および環境磁界差分用センサＭＩ２へ印可する。対象物測定用センサＭＩ１および環境磁界差分用センサＭＩ２のそれぞれのコイル誘導起電力は、サンプルホールド回路ＳＨ１およびＳＨ２で処理され、ピーク振幅が検出される。検出のタイミングは、ＣＭＯＳ  ＩＣ１０６のクロックと同期している。その出力は、差動アンプ１０８で差分されたのち、ハイカット・ローカットフィルタ１１０で所定上限周波数以上の成分がハイカット及び所定下限周波数以下の成分がローカットされ、増幅器（アンプ）１１２で１０００倍程度に信号増幅され、ハイカット・ローカットフィルタ１１４で再度ハイカット及びローカットされ、出力される。
【０００６】
ところで、ＭＩ素子の磁気―電圧変換効率は、一般的に１００μＶ／ｎＴ（０．１μＶ／ｐＴ）程度であるため、ピコテスラレベルの微小な磁界信号変化を検出するためには、オペアンプ、具体的には前記差動アンプ１０８、ハイカット・ローカットフィルタ１１０、１１４、アンプ１１２などでセンサＭＩ１、ＭＩ２の出力を大きく増幅する前に信号を安定させる必要がある。そのためＭＩセンサを用いた高感度の磁気計測装置では、センサＭＩ１、ＭＩ２の出力をサンプルホールド回路（ＳＨ１、ＳＨ２）でそれぞれ処理した後に、差動アンプ１０８においてコンデンサーを配置した差動アンプ１０８を交流アンプ（ＡＣアンプ）としており、またアンプ１１２もコンデンサーを直列に配置して交流アンプとしている。
【０００７】
このように、従来においては、ＭＩセンサを用いて高感度化して使用する磁気計測装置においては、差動増幅前後での直列コンデンサーを用いたＡＣアンプを使用しなくては、安定した計測が行えない。従って、回路のハイパス特性の時定数で、信号が減衰するため、一過性の磁界変化しか検出することができない。そのため、応用範囲が限定されるという問題があった。即ち、高感度で磁性体の発する静磁界を検出する場合は、磁性体とセンサヘッド部分（ＭＩセンサ）の相対的な位置関係を変化させなければ磁界の変化が起こらないので、実際の使用にはかなりの困難があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２３４６９４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５６１０９号公報
【特許文献３】国際公開第２００５／０１９８５１号
【特許文献４】国際公開第２００９／１３０８１４号
【特許文献５】特開２０１２−１８５１０３
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Uchiyama, T., Nakayama, S., Mohri, K. & Bushida, K., "Biomagnetic field detection using very high sensitive MI sensor for medical application", Physica Status Solidi A-Applications and Materials Science, 2009, Vol.206, p.639-643
【非特許文献２】Nakayama, S., Atsuta, S., Shinmi, T. & Uchiyama, T., "Pulse-driven magnetoimpedance sensor detection of biomagnetic fields in musculatures with spontaneous electric activity", Biosensors and Bioelectronics, 2011, Vol.27, p.34-39
【非特許文献３】Nakayama, S., Sawamura, K., Mohri, K. & Uchiyama, T., "Pulse-driven magnetoimpedance sensor detection of cardiac magnetic activity", PLoS ONE , 2011, 6(10), e25834
【非特許文献４】Uchiyama, T., Mohri, K. & Nakayama, S., "Measurement of spontaneous oscillatory magnetic field of guinea-pig stomach muscle preparation using pico-Tesla resolution amorphous wire magneto-impedance sensor", IEEE Transactions on Magnetics,  2011, 47, p.3070-3073
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、これまでのＭＩセンサを用いた磁気計測においては、ＡＣアンプおよびＤＣアンプを使用した場合の計測範囲・条件などの差異が考慮されていない。特に磁気コンパスのような用途とは異なり、生体における磁気計測のような高分解能が必要となる磁気計測では、計測装置の最終出力はＡＣアンプを用いたものとされており、時間的に変動する磁界のみを計測している。さらに、サンプルホールド回路で検出コイルの誘導起電力波形の振幅を検出する際は、オペアンプでＤＣ（直流信号）のままで検出している。しかしながら、このサンプルホールド回路での検出では、ＤＣである必要はなく、むしろ、ＡＣカップルしバンドパスフィルタも使用して、目的の周波数波形を検出する方が有利である。このようにこれまで、高感度の磁界計測では、ＤＣアンプとしてＭＩセンサーを使用した場合の使用条件や回路特性について考慮されていない。
【００１１】
さらに、現在のコイル電圧のサンプルホールド方式処理では、パルス繰り返しの頻度（例えば１乃至４μｓｅｃに１回）でしか信号検出が行われないので、ノイズレベルを低減しようとしても、このサンプルホールド回路による情報量の取捨で、本来の分解能を損ねてしまうという問題もあった。
【００１２】
本発明は、以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、上記課題を解決することを目的としたものであり、磁気異方性材料とピックアップコイルとを含む一対の磁気センサを有する磁気計測装置であって、該一対の磁気センサの出力の差分を算出することにより磁気の静磁界成分を高精度に計測することが可能な磁気計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、（ａ）磁気異方性材料とピックアップコイルとを含む一対の磁気センサを有し、該一対の磁気センサの出力に基づいて磁気を計測する磁気計測装置であって、（ｂ）該一対の磁気センサの位置における局所磁界差および該一対の磁気センサ間の感度差がそれぞれ所定の許容値以下となるように調整する調整手段を有し、（ｃ）該一対の磁気センサの出力の差分を算出することにより磁気の静磁界成分を計測すること、にある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の磁気計測装置によれば、前記一対の磁気センサの位置における局所磁界差およびそれら一対の磁気センサ間の感度差が許容値以下とされるので、一対の磁気センサの出力差を算出した場合に、例えば地磁気のようにこれらの一対の磁気センサに共通して印加される磁界の影響が精度よく相殺されることになる。そのため前記一対の磁気センサの一方にのみ印加される計測対象の磁界が直流成分を含むものであったとしても好適に計測可能となる。
【００１５】
好適には、前記調整手段は、前記一対の磁気センサの近傍に調整部材を配置するものであり、該調整部材は、磁性体、磁石、導体及びコイルの少なくとも１つである。このようにすれば、一対の磁気センサの位置における局所磁界差を予め設定された許容値以下とすることができる。
【００１６】
また好適には、前記調整手段は、前記一対の磁気センサの方向を相対的に変更する機械的機構である。このようにすれば、一対の磁気センサ間の感度差を予め設定された許容値以下とすることができる。
【００１７】
また好適には、前記磁気計測装置は、（ａ）前記一対の磁気センサに励起パルスを通電するパルスゲート器具と、該一対の磁気センサの出力が入力される高速インスツゥルメンツアンプを有し、（ｂ）該高速インスツゥルメンツアンプは、該一対の磁気センサの出力の差分の算出および増幅を行うこと、を特徴とする。このようにすれば、一対の磁気センサはパルスゲート器具により励起させられて磁気の計測を行うことができるとともに、該一対の磁気センサの出力が前記高速インスツゥルメンツアンプにより差分の算出および増幅が行われるので、一対の磁気センサを差動させることにより磁気計測を行うことのできる磁気計測装置が構成される。
【００１８】
また好適には、前記磁気計測装置は、前記一対の磁気センサの出力を、前記励起パルスに同期して検出する検出手段を有するものである。このようにすれば、前記一対の磁気センサがパルスゲート器具により励起させられるのに同期して前記検出手段によりその出力が検出されるので、前記磁気センサの出力を好適に検出しうる。
【００１９】
また好適には、前記磁気計測装置は、前記一対の磁気センサの出力を、所定のサンプリング周波数によりサンプリングすることによりデジタル化するＡＤ変換部を有することを特徴とする。このようにすれば、静磁界成分を有する磁界を検出する際においても、好適にデジタル演算を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例である磁気計測装置の構成の概要を説明する図である。
【図２】図１の実施例におけるＭＩセンサの構成例を説明する図である。
【図３】図１の実施例におけるセンサ位置調整手段の一例を説明する図である。
【図４】図１の実施例における局所磁界調整手段の一例を説明する図である。
【図５】本発明の別の実施例における磁気計測装置の構成の概要を説明する図である。
【図６】図５の実施例における平均誘導起電力差分波形の一例と、その中に設けられた計測位相ごとの値の変化を説明する図である。
【図７】図５の実施例において、局所磁界調整手段を設けた場合における平均誘導起電力差分波形の一例を説明する図であって、図６（ｂ）に対応する図である。
【図８】本発明の別の実施例におけるＭＩセンサの構成例を説明する図であって、図２に対応する図である。
【図９】本発明の別の実施例におけるセンサ位置調整手段の構成例を説明する図であって、図３に対応する図である。
【図１０】従来技術におけるＭＩセンサを用いた磁気計測装置の一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の一実施例である磁気計測装置１０の構成の概要を説明する図である。磁気計測装置１０は後述するクロック回路２４、電源部２６、パルスジェネレータ（パルスゲート）１８、一対のＭＩセンサ１４、１６、ＡＣカップル器２０、インスツルメンツアンプ２２、ＡＣカップル器３０、ロックインアンプ３２、ローパスフィルタ３４などを含んで構成されている。
【００２３】
このうち、クロック回路２４は後述するパルスジェネレータ１８やロックインアンプ３２の差動のタイミングを決定するためのクロック信号をそれらに供給する。クロック回路２４としては、繰り返し時間の精度が高く、好適には５桁以上の精度を持って正確に繰り返すファンクションジェネレータなどがクロックとして使用される。このクロック回路２４において、クロック信号の繰り返し時間を可変にする事により、適切な励起効率を得ることが出来る。
【００２４】
パルスジェネレータ１８は、後述するＭＩセンサ（磁気センサ）１４、１６を駆動するためのパルス状の駆動電流ＰｅをＭＩセンサ１４、１６に供給するためのもので、電源部（ｐｏｗｅｒ  ｓｕｐｐｌｙ）２６によって供給された電力により作動する。またパルスジェネレータ１８は前記クロック回路２４から出力されたクロック信号に基づいて駆動電流を反復的に出力する。この駆動電流Ｐｅは、地磁気などの影響を考慮して、例えば５Ｖ、１００ｎｓ程度のパルスが０．２５乃至１ＭＨｚ程度の周波数とされる。
【００２５】
一対のＭＩセンサ１４、１６はそれぞれ、前記パルスジェネレータ１８から供給される駆動電流（励磁電流）Ｐｅが流されるためのＭＩ素子と該ＭＩ素子の周囲の磁界を計測するための検出コイルとを含んで構成されている。一対のＭＩセンサ１４、１６の両者は同様の構成を有している。
【００２６】
図２はこの一対のＭＩセンサ１４、１６の構成の一例を説明する図である。図２に示す一対のＭＩセンサ１４、１６は、２つのセンサに共通するＭＩ素子３８と、それぞれのＭＩセンサ１４、１６に対して設けられた検出コイル４０、４２を含んでいる。この検出コイル４０、４２は、ＭＩ素子によって生ずる磁界変化を検出することができる位置に設けられており、図２の例においてはソレノイド状のコイル４０、４２の中心をＭＩ素子３８が突き抜けるように配設されている。前記パルスジェネレータ１８とＭＩセンサ１４、１６のＭＩ素子３８とは電気的に接続されており、パルスジェネレータ１８から出力された駆動電流Ｐｅは、ＭＩ素子３８を流れるようになっている。このように一対のＭＩセンサ１４、１６で共通するＭＩ素子３８を有することで、それらＭＩセンサ１４、１６の出力を共通する磁界に対して同じものとすることができる。共通するＭＩ素子３８はアモルファスワイヤなどの磁気異方性材料により構成されている。そのため、駆動電流ＰｅがＭＩ素子３８に流されるとその表皮効果により検出コイル４０、４２に一過性の誘導起電力波形を生ずることとなる。ＭＩセンサ１４の検出コイル４０の出力Ｏｃｏｉｌ１およびＭＩセンサ１６の検出コイル４２の出力Ｏｃｏｉｌ２（以下それぞれ、ＭＩセンサ１４の出力Ｏｃｏｉｌ１およびＭＩセンサ１６の出力Ｏｃｏｉｌ２ともいう。）はそれぞれ後述するＡＣカップル器２０に入力される。本実施例の磁気計測装置１０は、前記一過性の誘導起電力波形の所定の位相における値、例えばピーク値に基づいて磁界を計測する。具体的には、一対のＭＩセンサ１４、１６の両方には地磁気などの環境磁界が加わっている一方、一方のＭＩセンサ、例えばＭＩセンサ１４にのみ計測対象となる磁界Ｂｍｅｓを加えることにより、一対のＭＩセンサ１４、１６が出力する誘導起電力波形は異なるものとなる。本発明の磁気計測装置１０はその波形の相違に基づいて計測対象の磁界Ｂｍｅｓを計測するものである。
【００２７】
なお、図２の例においては、ＭＩセンサ１４、１６に共通するＭＩ素子３８のうち、コイル４０、４２による磁界の検出するに関与しない部分においては駆動電流Ｐｅを流す必要がないため、ＭＩ素子３８よりも電気抵抗の低い導線４４により駆動電流Ｐｅをバイパスすることが可能とされているが、これは必須のものではない。
【００２８】
図１に戻って、ＭＩセンサ１４、１６のＯｃｏｉｌ１およびＯｃｏｉｌ２はそれぞれＡＣカップル器（バンドパスフィルタ）２０に入力され、例えば１０ｋＨｚから１００ＭＨｚ程度のカップリングが行われる。そして、インスツゥルメンツアンプ２２においてオフセット等のバランス調整、差分の算出、所定の増幅率による増幅が行われる。このインスツゥルメンツアンプ２２には、好適には例えば２ＭＨｚ以上の信号伝達が可能な高速インスツゥルメンツアンプが用いられる。
【００２９】
インスツゥルメンツアンプ２２の出力は、更にＡＣカップル器３０によりクロック回路２４のクロック周波数（繰り返し周波数）に適合した所定のバンドパスフィルタによる処理が行われ、さらにロックインアンプ３２に入力される。ロックインアンプ３２には前述のクロック回路部２４からクロック信号が供給されるようになっており、ロックインアンプ３２はインスツゥルメンツアンプ２２によって差分されたＭＩセンサ１４、１６の出力Ｏｃｏｉｌ１、Ｏｃｏｉｌ２の振幅を、クロック回路２４のクロック信号と同期して検出する。具体的には検出した振幅、すなわちピーク値を連続的に出力する。そしてこの出力は、所定のオフセット電圧だけオフセットされた後に所定の増幅率、例えば１０００倍程度に増幅される。このロックインアンプ３２の出力は、さらにローパスフィルタ３４により高周波成分が取り除かれた後、磁気計測装置１０の出力信号とされる。なお、好適には、このように生成した出力信号だけではなく、前記オフセット電圧や、検出位相（ディレイ時間）についても併せて出力するようにしてもよい。
【００３０】
また、図２の例においては、磁気計測装置１０を構成する部材のうち、パルスジェネレータ１８、ＭＩセンサ１４、１６、ＡＣカップル器２０、およびインスツゥルメンツアンプ２２が一つの筐体に収められて、センサプローブ１２とされている。このようにすれば、センサプローブ１２を磁気計測装置１０の本体部分とケーブルなどにより接続されることによりその本体部分とは離れて設けられるとができるので、センサプローブ１２のみを計測対象となる部分に近接させることができる。
【００３１】
さらに、本実施例の磁気計測装置１０は、一対のＭＩセンサ１４、１６の位置における局所磁界差および一対のＭＩセンサ１４、１６間の感度差がそれぞれ所定の許容値以下となるように調整する調整手段を有している。この調整手段は、前記一対の磁気センサの方向を相対的に変更する機械的機構であるセンサ位置調整手段４５と、一対のＭＩセンサ１４、１６の少なくとも一方の近傍に配置する調整部材である局所磁界調整手段５０とを含む。
【００３２】
図３は前記センサ位置調整手段４５の一例を説明する図である。図３に示すように、センサ位置調整手段４５は一対のボード４６、４７を含んでおり、それら一対のボード４６、４７はそれぞれと一体的に設けられた回転軸４８、４９を中心に回動可能とされている。一方、ボード４６、４７にはそれぞれ一対のＭＩセンサ１４、１６が固定されている。ボード４６、４７、および一対のＭＩセンサ１４、１６はそれぞれ同一平面内を動くものとされている。すなわちボード４６、４７がそれぞれ回転軸４８、４９を中心に回動することにより、一対のＭＩセンサ１４、１６の相対的な角度を増減することができるものとされている。
【００３３】
例えば、環境磁界として最大のものである磁気の影響を考慮すると、ＭＩセンサ１４、１６は地磁気の影響を低減するため、いずれも南北方向に直交して設置することが考えられる。このように同一の向きに一対のＭＩセンサ１４、１６が配設され、共通する環境磁界が加えられると、一対のＭＩセンサ１４、１６が同一のセンサである場合には、理想的には同一の磁界を印加した場合において同一の出力が得られることとなる。しかしながら、両者の個体差などによりその出力が相違する場合には、例えば出力が大きくなるＭＩセンサを、そのセンサが配設されたボード４６または４７を回動させ環境磁界との角度を異ならせることで環境磁界の影響を弱めることができ、その出力を補正し、結果として一対のＭＩセンサ１４、１６の出力を予め定められた所定値以下、例えば同一なものとすることができる。
【００３４】
図４は、局所磁界調整手段５０の一例を説明する図である。図４の例においては、局所磁界調整手段５０は例えば調整部材としての磁性体５２であり、一対のＭＩセンサ１４、１６の少なくとも一方の近傍に配設される。この磁性体５２は、前記センサ位置調整手段４５と同様、一対のＭＩセンサ１４、１６に同一の磁界を印加した場合に両者の出力が相違する場合に、少なくとも一方の出力を補正するために用いられる。例えば磁性体５２が図４のｘ，ｙ，ｚの各方向に可動とされており、その磁性体による磁界Ｂｅｑが一対のＭＩセンサ１４，１６の前記少なくとも一方に影響を与える結果、一対のＭＩセンサ１４、１６に同一の磁界を印加した場合に両者の出力が予め定められた所定値以下、例えば等しくなるように実験的にその位置が決定されればよい。
【００３５】
本実施例の磁気計測装置１０によれば、調整手段５０により前記一対のＭＩセンサ１４、１６の位置における局所磁界差およびそれら一対のＭＩセンサ１４、１６間の感度差が許容値以下とされるので、一対のＭＩセンサ１４、１６の出力Ｏｃｏｉｌ１，Ｏｃｏｉｌ２の差を算出した場合に、例えば地磁気のようにこれらの一対のＭＩセンサ１４、１６に共通して印加される磁界の影響が精度よく相殺されることになる。そのため前記一対のＭＩセンサ１４、１６の一方にのみ印加される計測対象の磁界が直流成分を含むものであったとしても好適に計測可能となる。
【００３６】
また、本実施例の磁気計測装置１０によれば、調整手段５０は、一対のＭＩセンサ１４、１６の近傍に配置する調整部材として局所磁界調整手段を有し、その調整部材は、磁性体、磁石、電磁石、導体、コイルの少なくとも１つであるので、一対のＭＩセンサ１４、１６の位置における局所磁界差を予め設定された許容値以下とすることができる。
【００３７】
また、本実施例の磁気計測装置１０によれば、調整手段は、一対のＭＩセンサ１４、１６の方向を相対的に変更する機械的機構としての相互に回動可能なボード４６、４７であるので、一対のＭＩセンサ１４、１６間の感度差を予め設定された許容値以下とすることができる。
【００３８】
また、本実施例の磁気計測装置１０は、（ａ）一対のＭＩセンサ１４、１６に励起パルスを通電するパルスジェネレータ１８と、一対のＭＩセンサ１４、１６の出力が入力される高速インスツゥルメンツアンプ２２を有し、（ｂ）高速インスツゥルメンツアンプ２２は、一対のＭＩセンサ１４、１６の出力Ｏｃｏｉｌ１，Ｏｃｏｉｌ２の差分の算出および増幅を行うので、一対のＭＩセンサ１４，１６はパルスジェネレータ１８により励起させられて磁気の計測を行うことができるとともに、一対のＭＩセンサ１４、１６の出力が高速インスツゥルメンツアンプ２２により差分の算出および増幅が行われるので、一対の磁気センサを差動させることにより磁気計測を行うことのできる磁気計測装置が構成される。
【００３９】
また、本実施例の磁気計測装置１０は、一対のＭＩセンサ１６，１８の出力Ｏｃｏｉｌ１、Ｏｃｏｉｌ２を、励起電流Ｐｅに同期して検出する検出手段としてのロックインアンプ３２を有するので、一対のＭＩセンサ１４、１６がパルスジェネレータ１８により励起させられるのに同期してロックインアンプ３２によりその出力が検出されるので、ＭＩセンサ１４、１６の出力を好適に検出しうる。
【００４０】
続いて、本発明の別の実施例について説明する。以下の説明において、実施例相互に共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【実施例２】
【００４１】
図５は、本発明の別の実施例における磁気計測装置６０の構成の概要を説明する図である。本実施例の磁気計測装置６０は、前述の実施例の磁気計測装置１０におけるクロック回路２４、ロックインアンプ３２などが高速のコンピュータシステム６１により実装されている点で異なる。
【００４２】
すなわち、コンピュータシステム６１はＲＡＭ、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従ってＣＰＵなどにおいて処理を実行するものであり、クロック部６２、第１デジタルアナログ変換部（ＤＡＣ１）６３、第１アナログデジタル変換部（ＡＤＣ１）６４、データ処理部６６、第２デジタルアナログ変換部６８などを機能的に有する。このうち、クロック部６２は前述の実施例１におけるクロック回路２４に想到するもので、周期的に所定のクロック信号を発生させる。
【００４３】
第１デジタルアナログ変換部６３は、クロック部６２から出力されるデジタル信号としてのクロック信号をアナログ信号に変換してパルスジェネレータ１８に送信する。また、ＡＣカップリング器３０からの出力は、第１アナログデジタル変換部６４に入力される。第１アナログデジタル変換部６４においては、クロック部６２から第１デジタルアナログ変換部６３を介して供給されるクロック信号に基づいて、所定のサンプリングレートによりデジタル信号に変換される。第１アナログデジタル変換部６４の出力信号はデータ処理部６６に入力される。
【００４４】
データ処理部６６においては、一対のＭＩセンサ１４、１６から発生する出力信号Ｏｃｏｉｌ１、Ｏｃｏｉｌ２の差分信号を連続的に積算し、ノイズを１／√（積算回数）に低下させたのちに所定の位相（ディレイ時間）における振幅を検出する。このように複数の位相（ディレイ時間）での振幅を演算することにより、より正確な磁界変化を計算することが出来る。例えば、単純には、時間ドメインでパルス通電Ｐｅのオン状態とオフ状態で出来る２つのピークは反対方向の振幅となる。この振幅またはピークを差分すればより正確に磁界を検出できる。
【００４５】
以下においては、本願の発明者らが本実施例の磁気計測装置６０を用いて行った磁気計測の実験例を示す。この実験例においては、図７の磁気計測装置６０を用いたが、クロック信号についてはコンピュータ６１のクロック部６２に代えて図示しないファンクションジェネレータによりトリガーパルスを１μｓｅｃ間隔で発生させた。このパルスをトリガーとして、センサプローブ１２内のパルスゲート１８用のＩＣを駆動して、約１００ｎｓ幅、５Ｖ振幅のパルス状の電流を、駆動電流Ｐｅとして発生させ、この駆動電流Ｐｅを図５に示すＭＩセンサ１４、１６に共通するＭＩ素子３８に通電させた。このときのＭＩセンサ１４、１６の検出コイル４０、４２の誘導起電力Ｏｃｏｉｌ１，Ｏｃｏｉｌ２を検出プローブ１２内の高速インストゥルメンツアンプ２２で差分した。
【００４６】
差分された信号は、１ｍ程度離れたコンピュータ６１へケーブルを介して送信される。コンピュータ６１においては、第１アナログデジタル変換部６４によって４００ＭＨｚ高速Ａ／Ｄ変換され、１４ｂｉｔ、２．５ｎｓ間隔でコンピュータメモリーへ取り込まれる。取り込まれたデジタルデータは、400個（＝１μｓ分のデータ相当）を単位として１μｓ間隔で１０００回の積算が順次行われる。１０００回積算（＝１ｍｓ分のデータ相当）とコンピュータメモリーの書き込みまでの全てのプロセスで約１．１ｍｓを要した。図６（ｂ）は前記１ｍｓ分を積算して得られた平均誘導起電力差分波形の一例である。なお、図６においては、インスツゥルメンツアンプ２２のゲインは１倍としている。続いて、差分波形の繰り返し周期内に４点の計測位相を設け（図６（ｂ）のＰ１乃至Ｐ４）、約１．１ｍｓ間隔で連続的に計測を行ったところ、それぞれの計測位相ごとの値の変化は図６（ａ）に示すものが得られた。正方向のピーク位相であるＰ２の値の時間変化と負方向のピーク位相であるＰ３の値の時間変化とを比較すると、両者は反対の方向へ、すなわち、Ｐ２の値が増加する場合にはＰ３の値は減少するように、あるいはＰ２の値が減少する場合にはＰ３の値は増加するように、それぞれの値が変化している。しかし、電流通電直前の位相であるＰ１およびＰ４の値の時間変化は、僅かしか信号変化が起こらなかった。
【００４７】
図７は、本実施例の局所磁界調整手段５０の有効性を検証するための実験結果であり、ＭＩセンサ１６の近傍に配置した磁性体５２を配置した場合の誘導起電力差分波形をそれぞれ図７（ａ）に、磁性体５２の位置をさらに調整した場合の誘導起電力差分波形を図７（ｂ）にそれぞれ示している。なお、図７においてはインスツゥルメンツアンプ２２のゲインは１０倍とされている。前記差分波形の振幅は図７（ａ）の場合で約２００ｍＶであり、図７（ｂ）の場合で約１００ｍＶとなっていることが分かる。さらに、図６（ａ）のように局所磁界調整手段５０を設けない場合の振幅は約５００ｍＶであったことから、局所磁界調整手段５０を設けること、さらに適切な位置に調整することにより振幅を抑えることが出来ていることがわかる。従って、第１アナログデジタル変換部６４が１４ｂｉｔであり、そのフルレンジを１００ｍＶと設定すると、ある１つの位相において計測する電位変動に対応した磁界分解能は６０ｐＴ程度にする事が出来る。すなわちピコテスラレベルでの磁気計測が可能となる。本実施例に示すように、前記調整手段としてのセンサ位置調整手段４５および局所磁界調整手段５０により一対のＭＩセンサ１４、１６の出力を等しい、もしくはそれに近づけることができるので、インスツゥルメンツアンプ２２における差分の値が小さくすることができる。その結果、第１アナログデジタル変換部６４における変換の対象となるレンジを小さくできる。すなわち、ＡＤ変換におけるレンジ幅に対応する数値範囲を小さくすることができるので、ＡＤ変換における分解能が向上するという効果が得られる。
【００４８】
本実施例の磁気計測装置１０は、一対のＭＩセンサ１４、１６の出力を、所定のサンプリング周波数によりサンプリングすることによりデジタル化する第１アナログデジタル変換部６４を有するので、静磁界成分を有する磁界を検出する際においても、好適にデジタル演算を行うことができる。
【実施例３】
【００４９】
図８は、本発明の別の実施例における一対のＭＩセンサ１１４、１１６の態様を説明する図であって、前述の実施例における図２のＭＩセンサ１４、１６に対応する図である。図８のＭＩセンサ１１４、１１６はそれぞれＭＩ素子１３８、１３９および検出コイル１４０、１４２を有して構成されている。このＭＩ素子１３８、１３９はそれぞれパルスジェネレータ１８（図１などを参照）に電気的に接続され、パルスジェネレータ１８によって発生させられるパルス状の駆動電流Ｐｅが流されるようになっている。また、ＭＩセンサ１１４、１１６の検出コイル１４０、１４２の誘導起電力は出力信号Ｏｃｏｉｌ１、Ｏｃｏｉｌ２としてそれぞれ出力されるようになっている。すなわち、図２のＭＩセンサ１４、１６は相互に共通するＭＩ素子３８を有していた一方、本実施例のＭＩセンサ１１４、１１６はそれぞれがＭＩ素子１３８および１３９を有している点において異なる。このような場合であっても、２つのＭＩセンサ１１４、１１６のＭＩ素子１３８、１３９の局所磁界差及び出力の感度差を本発明の手段で許容値以下の精度で等しくすることにより、、一対のＭＩセンサ１１４、１１６の出力Ｏｃｏｉｌ１、Ｏｃｏｉｌ２を差動させることにより測定対象となる静磁界成分を含む磁界Ｂｍｅｓを計測しうる。
【実施例４】
【００５０】
図９は、本発明の別の実施例におけるセンサ位置調整手段１４５の態様を説明する図であって、前述の実施例における図３のセンサ位置調整手段４５に代えて、あるいは加えて用いられ得るものである。図９の例においては、一対のＭＩセンサ１４、１６は１枚の平面状のボード１４６上に配設されている。しかしながら、ボード１４６の微小なひずみの影響により、一対のＭＩセンサ１４、１６のそれぞれの外部磁界に対する方向が異なることがあり、かかる場合には一対のＭＩセンサ１４、１６に同じ磁界を加えた場合の出力が異なることがある。本実施例においては、前記ボード１４６に平行なボード１４７が設けられており、両者は対応する位置に複数のネジ穴が設けられている。そして、これらの対応するネジ穴のそれぞれにボルト１５４ａが通されるとともに、ボルト１５４が通された一対のナット１５４ｂでボード１４６を、別の一対のナット１５４ｂでボード１４７をそれぞれ挟み込むようにされている。そしてこれらナット１５４ｂの位置を変更することにより各ネジ穴ごとにボード１４６とボード１４７との距離を調節可能とされている。かかる構成において各ボルト１５４ａ毎にナット１５４ｂの位置を調整し、ボード１４６のひずみを低減させることにより、一対のＭＩセンサ１４、１６の外部磁界に対する方向を同じものとすることができ、ひいては一対のＭＩセンサ１４、１６の出力を差動させた場合に、好適に外部磁界の影響を低減しうる。
【００５１】
このように、本実施例においては、ボード１４６、１４７、複数のボルト１５４ａおよび各ボルトごとに設けられたナット１５４ｂがセンサ位置調整手段１４５に対応する。なお、図９においては例として一本のボルト１５４ａが図示されているが、上述のようにボルト１５４ａは複数本設けられる。また、好適にはボルト１５４ａおよびナット１５４ｂは非磁性体の素材により構成される。なお、本実施例４は実施例３のＭＩセンサ１１４、１１６に対して適用することも可能である。
【００５２】
その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。
【００５３】
例えば、前述の実施例においては、インスツゥルメンツアンプ２２において一対のＭＩセンサ１４、１６の出力Ｏｃｏｉｌ１、Ｏｃｏｉｌ２の差分が算出された後に増幅されたが、このような態様に限られない。例えば一対のＭＩセンサ１４、１６のそれぞれに対してインスツゥルメンツアンプが用意され、それぞれのＭＩセンサ１４、１６の出力が対応するインスツゥルメンツアンプにより増幅された後、前述の実施例と同様にして出力波形の計測位相（例えばピーク）の値が検出された後に、別に用意される差動アンプにより差分が算出されるようにしてもよい。
【００５４】
また、前述の実施例においては、調整手段としてセンサ位置調整手段４５と局所磁界調整手段５０とが設けられたが、両方が同時に設けられる必要はなく、いずれか一方のみが設けられた場合であっても一定の効果を生ずる。
【００５５】
また、前述の実施例においては、パルスジェネレータ１８、ＭＩセンサ１４、１６、ＡＣカップル器２０、およびインスツゥルメンツアンプ２２が一つの筐体に収められて、センサプローブ１２とされたが、センサプローブ１２を構成する組み合わせはこれに限られず、少なくともＭＩセンサ１４、１６が含まれればよい。
【００５６】
また、前述の実施例の構成に加え、地磁気低減作用をもたらすために、または、この地磁気低減作用をさらに補助するために、センサプローブ１２、もしくは磁気計測装置１０全体を取り囲むようにパーマロイなどの磁気遮蔽板を設置したり、アクティブシールド装置を設置してもよい。
【００５７】
前述の実施例において、一対のＭＩセンサ１４、１６の出力の差分を増幅するアンプの増幅率は可変としてもよい。また、一対のＭＩセンサ１４、１６の出力の相違をセンサ位置調整手段４５、１４５および局所磁界調整手段５０によっても十分に調整できない場合には、いずれか一方のセンサの出力を微調整増幅するためのアンプをさらに設けることもできる。
【００５８】
また、前述の実施例においては、局所磁界調整手段５０としての磁性体磁性体５２は、図４に示すように１個設けられて、ＭＩセンサ１６の近傍に配設されているが、これに限定されない。これに代えて、あるいはこれに加えて他方のＭＩセンサ１４の近傍にも設けられても良いし、複数の磁性体５２が１つのＭＩセンサの近傍に設けられてもよい。また、調整部材としての磁性体５２は磁性アモルファス材料を含むものであってもよく、さらに磁性体５２に代えて磁石や電磁石、導体、コイル等が設けられてもよいし、それらが組み合わせて用いられてもよい。また、コイルが設けられた場合、そのコイルに電流を流して電磁石として磁界を発生して局所的に磁界を補正してもよいが、ＭＩセンサ１４、１６の検出コイル４０、４２と調整部材としてのコイルとをデカップルさせ、コイル検出効率を補正することもできる。
【００５９】
また、前述の実施例２においては、積算した時系列データをフーリエ変換し、周波数ドメインでの対象となる計測磁界のピークの振幅や面積に基づいてより正確な計算が出来るほか、磁界変化以外の原因で見かけ上発生する時間ドメインでの信号変化も推定する事が可能となる。
【００６０】
また、前述の実施例２において、第１アナログデジタル変換部６４により高速ＡＤ変換して通電中および通電後のコイル起電力の一部又は全体を計測する場合には、回路中のバンドパスフィルタを調整し、適度な共鳴・共振回路として使用すれば、誘導起電力を効果的に検出することができる。通電によって発生する直接の誘導起電力ピークだけでなく、通電後しばらくの間において共振波形が検出できるので、この波形も含め周波数ドメインで対象とする周波数領域の信号強度を評価することで、検出感度を向上することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１０、６０：磁気計測装置
１４、１６、１１４、１１６：ＭＩセンサ（磁気センサ）
１８：パルスジェネレータ（パルスゲート器具）
２２：インスツゥルメンツアンプ
３２：ロックインアンプ（検出手段）
３８、１３８、１３９：ＭＩ素子（磁気異方性材料）
４０、４２、１４０、１４２：検出コイル（ピックアップコイル）
４５、１４５：センサ位置調整手段（調整手段、機械的機構）
５０：局所磁界調整手段（調整手段）
５２：磁性体（調整部材）
６４：第１アナログデジタル変換部（ＡＤ変換部）
６６：データ処理部（検出手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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