(57)【要約】【課題】  電流、電圧の測定ではなく、遠隔地の磁場を周波数の変化で検知可能な高感度磁場測定方法及び測定装置を提供する。【解決手段】  アイソレータ１に測定対象の外部磁場が印加されていない状態での、ポートＰ２に接続の高周波掃引発振回路１３からの周波数掃引を行ない、ポートＰ１に接続の電力測定回路１２Ａにより逆方向損失Ｓ１２を測定し、演算処理回路１０に出力して、その時のときの逆方向損失のピーク周波数ｆ０を基準周波数とする。次に、測定対象の外部磁場中において高周波掃引発振回路１３からの周波数掃引を行ない、電力測定回路１２Ａにより逆方向損失Ｓ１２のピーク周波数ｆｈを測定し、演算処理回路１０に出力して、そのピーク周波数ｆｈを測定する。演算処理回路１０は得られたｆ０とｆｈの差ｄｆ＝ｆｈ−ｆ０を演算し、外部磁場の変化とピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを得る。【選択図】            図６
2006201066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成されるジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回転素子に、外部磁場の値に対応した逆方向損失のピークとなる周波数を求め、基準値に対応した周波数と外部磁場の差に対応した周波数との値から外部磁場の大きさを測定することを特徴とする高感度磁気測定方法。
【請求項２】
前記ジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回転素子はアイソレータ／サーキュレータであることを特徴とする請求項１記載の高感度磁気測定方法。
【請求項３】
少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成される、ジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回転素子の上下に磁気回路を配置し、該非可逆回転素子のいずれかのポートにマイクロ波供給手段を接続し、他のポートに周波数特性を検知する手段を接続し、逆方向損失のピーク周波数の値と基準周波数との差を演算し、外部磁場の変化と逆方向損失のピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを演算する演算処理回路からなることを特徴とする高感度磁気測定装置。
【請求項４】
前記マイクロ波用非可逆回転素子はアイソレータであり、該アイソレータのポートＰ１とポートＰ２に順方向損失および逆方向損失測定回路を接続してなることを特徴とする請求項３記載の高感度磁気測定装置。
【請求項５】
前記マイクロ波用非可逆回転素子はアイソレータであり、該アイソレータのポートＰ１に電力測定回路を接続し、ポートＰ２に高周波掃引発振回路を接続してなることを特徴とする請求項３記載の高感度磁気測定装置。
【請求項６】
前記マイクロ波用非可逆回転素子はアイソレータであり、該アイソレータのポートＰ１に周波数分析可能な電力測定回路を接続し、ポートＰ２に白色雑音源を接続してなることを特徴とする請求項３記載の高感度磁気測定装置。
【請求項７】
磁気センサヘッド部と測定器部からなり、該測定器部のアンテナから掃引マイクロ波を送信する送信回路と、磁気センサヘッド部の受信用アンテナで受信されたマイクロ波を分波する分波器と、分波された一方が直接入力されるＡＮＤ回路と、分波された他方は少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成されるジャイロ磁気効果を利用したアイソレータのポートＰ２に接続され、該アイソレータのポートＰ１からＮＯＴ回路を通して前記ＡＮＤ回路に接続され、磁気センサヘッド部に配置され該ＡＮＤ回路の出力を測定器部の受信回路に送信する送信回路と、受信されたマイクロ波により逆方向損失のピーク周波数の値と基準周波数との差を演算し、外部磁場の変化と逆方向損失のピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを演算する演算処理回路からなることを特徴とする高感度磁気測定装置。
【請求項８】
前記マイクロ波用非可逆回転素子はサーキュレータであり、該サーキュレータのポートＰ１に高周波掃引発振回路を接続し、ポートＰ２およびポートＰ３にそれぞれスペクトラムアナライザを接続し、ポートＰ２、ポートＰ３に生じるマイクロ波の電力差が最も大きい周波数を測定して演算処理回路に供給してなることを特徴とする請求項３記載の高感度磁気測定装置。
【請求項９】
前記マイクロ波用非可逆回転素子はサーキュレータであり、該サーキュレータのポートＰ１に白色雑音源を接続し、ポートＰ２およびポートＰ３にそれぞれ周波数分析可能な電力測定回路を接続し、ポートＰ２、ポートＰ３に生じるマイクロ波の電力差が最も大きい動作周波数を測定して演算処理回路に供給してなることを特徴とする請求項３記載の高感度磁気測定装置。
【請求項１０】
磁気センサヘッド部と測定器部からなり、該測定器部のアンテナから掃引マイクロ波を送信する送信回路と、磁気センサヘッド部の受信用アンテナで受信されたマイクロ波を、少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成されるジャイロ磁気効果を利用したサーキュレータのポートＰ１に接続され、該アイソレータのポートＰ２およびポートＰ３は排他的論理和回路に接続され、磁気センサヘッド部に配置され該排他的論理和回路の出力を測定器部の受信回路に送信する送信回路と、受信されたマイクロ波により逆方向損失のピーク周波数の値と基準周波数との差を演算し、外部磁場の変化と逆方向損失のピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを演算する演算処理回路からなることを特徴とする高感度磁気測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジャイロ磁気効果を利用した非可逆回転素子であるアイソレータ／サーキュレータの周波数特性変化により外部磁場を検出する高感度磁気測定方法及び測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ホール素子、ＳＱＵＩＤ、ＧＭＲヘッドおよび磁気インピーダンスヘッドなどでなる従来の磁気センサは外部磁場の変化を電磁誘導現象を利用して電流・電圧の変化として検知している。また、ファラデー効果を用いた磁気センサでは遠隔地の磁場センサとしての使用が提唱されていて、ファラデー効果による磁気センサはバイアス磁場により磁化された軟磁性体を光が透過または反射するときに偏光面が回転することを利用しており、回転角の違いを偏光子を透過する光の強度として検出している。
【０００３】
このようなものとして、伝送中に偏光面に回転する光を受けたコリメータで平行光にした後、第１の複屈折板に透過させて偏光面の回転状態に関係なく直交する２つの偏光とする。そして２つの偏光はファラデー素子を透過する過程で、磁界の強度による偏光面の回転を受け、後段のミラーで反射されて同一光路を通り戻され、新たな偏光となって再度複屈折板を透過する。このとき、偏光面の回転に応じて光強度の比の異なった４つの偏光に分離され、コリメータ・レンズで検出対象である直交する２つの偏光のみが選択される。そして、後段の光検出器で検出されて、これら２つの光強度に基づいて演算処理が行なわれることにより、高感度な測定磁界を得るものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−３４９８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の外部磁場の変化を電流、電圧の変化として検知しているが、高い周波数における電流、電圧の測定は困難であり、電流、電圧を測定するために、遠隔地での使用は困難である。また、ファラデー効果を用いた磁気センサを遠隔地の磁場センサとして使用するものは、センサヘッドに光源を内蔵した場合はサイズが大きくなり、狭い場所での使用ができなく、また、光源を内蔵しない場合は、光が届かない場所での使用ができない等の問題があった。そこで、本発明は、電流、電圧の測定ではなく、遠隔地の磁場を検知可能な高感度磁場測定方法及び測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、これまで磁気センサとして用いられてこなかった、ジャイロ磁気効果を利用することによって、外部磁場の変化を電流、電圧の変化ではなく、周波数の変化として検出することを提案するものである。
【０００６】
ジャイロ磁気効果とはバイアス磁場が印加されたフェライト中を磁場の振幅がバイアス磁場と垂直な電磁波がバイアス磁場と垂直に伝搬する場合、フェライト中の磁化と電磁波の相互作用の結果、電磁波の伝搬方向が回転する効果である。従って、ジャイロ磁気効果により、バイアス磁場が電磁波の伝搬方向および電磁波の磁場の振幅方向の両方に垂直となるように印加されたフェライト中を電磁波が進行する際、その電磁波の伝搬方向は回転する。
【０００７】
マイクロ波帯（ここでは、０.５〜３０ＧＨz帯を含める）の非可逆回転素子はこのジャイロ効果を利用しているものが多い。この非可逆回転素子の特性は、フェライトに印加された磁気バイアス磁場に依存する。本発明のアイソレータ／サーキュレータは、このジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回転素子である。
【０００８】
アイソレータ／サーキュレータの基本構造を図１（Ａ）、（Ｂ）に示す。図１（Ａ）は集中定数型アイソレータ／サーキュレータであり、図１（Ｂ）は分布定数型アイソレータ／サーキュレータである。アイソレータ／サーキュレータは、少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよび永久磁石よって基本的な部分が構成される。
【０００９】
図１（Ａ）において、アイソレータ／サーキュレータ１は、中心導体２が永久磁石３とフェライト４、接地面５により挟まれた構造である。中心導体２のポートＰ１、ポートＰ２、ポートＰ３（図の後方のため示されていない）にはそれぞれ集中定数としてのコンデンサ５が接続されている。中心導体２のポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３のうち何れかのポートが抵抗素子を介して接地されると、接地してない２つのポート間でアイソレータとなる。中心導体２のポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３の何れのポートも接地せずに用いられると、３つのポート間でサーキュレータとなる。
【００１０】
図１（Ｂ）において、アイソレータ／サーキュレータ１は、中心導体２が永久磁石３とフェライト４、接地面５により挟まれた構造である。中心導体２にはポートＰ１、ポートＰ２、ポートＰ３（図の後方のため示されていない）が形成され、分布定数型アイソレータ／サーキュレータを構成する。これも同様に中心導体２の何れかのポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３が接地されると、接地してない２つのポート間でアイソレータとなり、中心導体２の何れのポートも接地せずに用いられると、３つのポート間でサーキュレータとなる。
【００１１】
このようなジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回転素子の周波数特性、順方向損失と逆方向損失（アイソレーション）は大きく異なり、特に、図２に示すように、逆方向損失（アイソレーション）はフェライトに印加されるバイアス磁場が変化するとピーク周波数がｆｔだけ変化する。従って、外部磁場の変化と逆方向損失のピーク周波数の変化の関係を関数として準備することにより、逆方向損失のピーク周波数の変化を見ることにより外部磁場の変化を検出することができる。本発明の磁気測定装置はこのことを利用し外部磁場の変化を周波数変化として検出するものである。
【００１２】
図１のアイソレータ／サーキュレータにおいて、フェライト４は永久磁石３によりバイアス磁場が印加され磁気飽和している。その向きをｚ軸方向とする。フェライト４はｚ軸方向に磁気飽和状態にあるため、同方向の外部磁場は、反磁場の影響は受けずフェライト４にそのまま印加される。特に、外部磁場を効率良くフェライトに導くために磁気回路を設けることができる。この磁気回路はフェライト４を貫く磁束がｚ軸方向になるようにすることが望ましい。
【００１３】
図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、アイソレータ／サーキュレータ１を挟むように、上下に磁気回路７、８を設けた構造とすることができる。図３（Ａ）のものは、磁気回路７の上面を大きくすることにより、外部磁場の変化を広い範囲で検出する場合に適している。また、図３（Ｂ）のものは、磁気回路８はストレートであるので外部磁場の変化が狭い範囲で生じる場合に適している。このような構造にすれば、ｚ軸方向以外の外部磁場でもフェライトを貫く磁束はｚ軸方向となる。図３は一例であってこれに限るものではない。
【００１４】
図３の磁気測定装置では、フェリ磁性共鳴の共鳴周波数ｆｒは、フェライトの内部磁場Ｈと磁気回転比γからｆｒ＝｜γ｜Ｈで表わされる。よってフェライトの内部磁場がｄＨだけ変化したとき共鳴周波数はｄｆｒ＝｜γ｜ｄＨだけ変化する。つまり、フェライトの内部磁場の変化dＨが１／｜γ｜（Ａ／ｍ）のとき、共鳴周波数の変化は１（Ｈｚ）となる。磁気回転比はγ＝−３.５×１０４（Ｈｚ／（Ａ／ｍ））であるから、３.０×１０−５（Ａ／ｍ）フェライトの内部磁場が変化したとき、共鳴周波数は約１（Ｈｚ）変化する。アイソレータ／サーキュレータ１の逆方向損失のピーク周波数（動作周波数）は、この共鳴周波数と密接に関連しているため、逆方向損失のピーク周波数も、共鳴周波数と同様に変化すると考えられる。よって、電磁波検出器の周波数分解能をｆｄ（Ｈｚ）とすると、約３×１０−５×ｆｄ（Ａ／ｍ）の磁場分解能を有する高感度磁場測定装置となることが予見される。
【００１５】
通常のスペクトラムアナライザやネットワークアナライザは周波数分解能が１Ｈｚ程度であるから、これらを用いれば、約３×１０−５（Ａ／ｍ）程度の分解能をもつ磁気測定装置となる。また、前述したように、フェライト４は飽和しているから、外部磁場はフェライト４の内部にそのまま印加されるため、この分解能程度の弱い磁場の検出が可能である。
【００１６】
図４にシミュレーションにより得られた、分布定数型アイソレータにおける逆方向損失（アイソレーション）の周波数変化を示す。曲線の左から順次に、バイアス磁場が４０、４４、４８（ｋＡ／ｍ）時のバイアス磁場依存性を示す。これから判明するように、僅か４（ｋＡ／ｍ）バイアス磁場が変化することで、非可逆特性のピーク周波数が約１.５×１０８（Ｈｚ）変化していることがわかる。
【００１７】
よって測定器の周波数分解能が１（Ｈｚ）の場合は、４.０×１０３／１.５×１０８≒３×１０−５（Ａ／ｍ）度の分解能で、３×１０−５（Ａ／ｍ）程度の磁場が検出可能である。この値は、原理的には、現在最も高感度な磁気センサであるＳＱＵＩＤに匹敵する感度である。また、周波数測定は、あらゆる物理量の中で最も正確に測定可能な量であるから、本発明による磁気測定装置は測定精度が高く、分解能も高いと考えられる。また、０.３（ＧＨｚ）から１０（ＧＨｚ）程度のマイクロ波を用いれば、光が遮られる状況においても光源をセンサヘッドに内蔵せずに使用することができ、遠隔地での使用に有利である。
【００１８】
かかる測定原理に基づき、この発明の請求項１に係る高感度磁気測定方法は、少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成されるジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回転素子に、外部磁場の値に対応した逆方向損失のピークとなる周波数を求め、基準値に対応した周波数と外部磁場の値に対応した周波数との差から外部磁場の大きさを測定するように構成した。
【００１９】
この発明の請求項２に係る高感度磁気測定方法は、少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成されるジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回転素子からなるアイソレータ／サーキュレータに、外部磁場の値に対応した逆方向損失のピークとなる周波数を求め、基準値に対応した周波数と外部磁場の値に対応した周波数との差から外部磁場の大きさを測定するように構成した。
【００２０】
この発明の請求項３に係る高感度磁気測定装置は、少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成される、ジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回転素子の上下に磁気回路を配置し、該非可逆回転素子のいずれかのポートにマイクロ波供給手段を接続し、他のポートに周波数特性を検知する手段を接続し、逆方向損失のピーク周波数の値と基準周波数との差を演算し、外部磁場の変化と逆方向損失のピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを演算する演算処理回路からなる構成とした。
【００２１】
この発明の請求項４に係る高感度磁気測定装置は、少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成される、ジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回転素子でなるアイソレータの上下に磁気回路を配置し、該アイソレータのポートＰ１とポートＰ２に順方向損失および逆方向損失測定回路を接続し、逆方向損失のピーク周波数の値と基準周波数との差を演算し、外部磁場の変化と逆方向損失のピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを演算する演算処理回路からなる構成とした。
【００２２】
この発明の請求項５に係る高感度磁気測定装置は、少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成される、ジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回転素子でなるアイソレータの上下に磁気回路を配置し、該アイソレータのポートＰ１に電力測定回路を接続し、ポートＰ２に高周波掃引発振回路を接続し、逆方向損失のピーク周波数の値と基準周波数との差を演算し、外部磁場の変化と逆方向損失のピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを演算する演算処理回路からなる構成とした。
【００２３】
この発明の請求項６に係る高感度磁気測定装置は、少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成される、ジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回転素子でなるアイソレータの上下に磁気回路を配置し、該アイソレータのポートＰ１に周波数分析可能な電力測定回路を接続し、ポートＰ２に白色雑音源を接続し、逆方向損失のピーク周波数の値と基準周波数との偏差値を演算し、外部磁場の変化と逆方向損失のピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを演算する演算処理回路からなる構成とした。
【００２４】
この発明の請求項７に係る高感度磁気測定装置は、磁気センサヘッド部と測定器部からなり、該測定器部のアンテナから掃引マイクロ波を送信する送信回路と、磁気センサヘッド部の受信用アンテナで受信されたマイクロ波を分波する分波器と、分波された一方が直接入力されるＡＮＤ回路と、分波された他方は少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成されるジャイロ磁気効果を利用したアイソレータのポートＰ２に接続され、該アイソレータのポートＰ１からＮＯＴ回路を通して前記ＡＮＤ回路に接続され、磁気センサヘッド部に配置され該ＡＮＤ回路の出力を測定器部の受信回路に送信する送信回路と、受信されたマイクロ波により逆方向損失のピーク周波数の値と基準周波数との偏差値を演算し、外部磁場の変化と逆方向損失のピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを演算する演算処理回路からなる構成とした。
【００２５】
この発明の請求項８に係る高感度磁気測定装置は、少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成される、ジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回転素子でなるサーキュレータの上下に磁気回路を配置し、該サーキュレータのポートＰ１に高周波掃引発振回路を接続し、ポートＰ２およびポートＰ３にそれぞれ電力測定回路を接続し、ポートＰ２、ポートＰ３に生じるマイクロ波の電力差が最も大きい動作周波数を測定して供給され、動作周波数と基準周波数との差を演算し、外部磁場の変化と動作周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを演算する演算処理回路からなる構成とした。
【００２６】
この発明の請求項９に係る高感度磁気測定装置は、少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成される、ジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回転素子でなるサーキュレータの上下に磁気回路を配置し、該サーキュレータのポートＰ１に白色雑音源を接続し、ポートＰ２およびポートＰ３にそれぞれ周波数分析可能な電力測定回路を接続し、ポートＰ２、ポートＰ３に生じるマイクロ波の電力差が最も大きい動作周波数を測定して供給され、動作周波数と基準周波数との差を演算し、外部磁場の変化と動作周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを演算する演算処理回路からなる構成とした。
【００２７】
この発明の請求項１０に係る高感度磁気測定装置は、磁気センサヘッド部と測定器部からなり、該測定器部のアンテナから掃引マイクロ波を送信する送信回路と、磁気センサヘッド部の受信用アンテナで受信されたマイクロ波を、少なくとも中心導体と接地面、フェライトおよびバイアス用の永久磁石よって基本的な部分が構成されるジャイロ磁気効果を利用したサーキュレータのポートＰ１に接続され、該アイソレータのポートＰ２およびポートＰ３は排他的論理和回路に接続され、磁気センサヘッド部に配置され該排他的論理和回路の出力を測定器部の受信回路に送信する送信回路と、受信されたマイクロ波により動作周波数と基準周波数との差を演算し、外部磁場の変化とピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを演算する演算処理回路からなる構成とした。
【発明の効果】
【００２８】
以上のように、本発明の磁気測定方法及び測定装置は、外部磁場の変化を周波数変化として検出するものであり、周波数測定は、あらゆる物理量の中で最も正確に測定可能な量であるから、測定精度が高く、分解能も高いものとなる。また、原理的には、現在、最も高感度な磁気センサであるＳＱＵＩＤに匹敵する感度を持つことから、心臓や脳からの磁場を検出する医療機器に適用することができる。
【００２９】
また、０.３（ＧＨｚ）から１０（ＧＨｚ）程度のマイクロ波を用いれば、光が遮られる状況においても光源をセンサヘッドに内蔵せずに使用することができ、遠隔地の磁場を検出することができると共に、小型化が可能なことから、人の手の届かない場所での磁場測定や、生体内での磁場測定に利用することを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
上記した、ジャイロ磁気効果を利用した非可逆回転素子でなるアイソレータ／サーキュレータの周波数特性変化を利用して外部磁場を検出する原理に基づく、本発明の高感度磁気測定方法及び測定装置の実施例を図５〜図１１を参照して次に説明する。図において、実質的に同一物には同一の符号を付している。尚、本発明による磁気測定方法及び装置に用いるアイソレータ／サーキュレータは集中定数型でも分布定数型でもよい。
【実施例１】
【００３１】
第１の実施例を図５のブロック図に示す。図において、１は非可逆回転素子でなるアイソレータであり、ポートＰ１とポートＰ２を有する。１１はポートＰ１、ポートＰ２に接続された順方向損失および逆方向損失測定回路（ここで言う順方向損失および逆方向損失測定回路とは、ネッワークアナライザのように、ポートＰ１からポートＰ２へ電磁波を伝送する際の伝送損失Ｓ２１（ｄＢ）およびポートＰ２からポートＰ１へマイクロ波を伝送する際の伝送損失Ｓ１２（ｄＢ）を測定可能な回路を表す）、１０は演算処理回路であり、順方向損失および逆方向損失測定回路の出力を記憶し、逆方向損失の周波数と基準周波数との差を演算し、外部磁場の変化と逆方向損失の周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを演算する。
【００３２】
ポートＰ１からポートＰ２への伝送が順方向であり、ポートＰ２からポートＰ１への逆方向であるアイソレータ１に測定対象の外部磁場が印加されていない状態の逆方向損失  Ｓ１２を順方向損失および逆方向損失測定回路１１により測定し、演算処理回路１０に出力する。その時のピーク周波数ｆ０を基準周波数とする。
【００３３】
次に測定対象の外部磁場中において逆方向損失Ｓ１２を順方向損失および逆方向損失測定回路１１により測定し、演算処理回路１０に出力して、そのピーク周波数ｆｈを測定する。演算処理回路１０は得られたｆ０とｆｈの差ｄｆ＝ｆｈ−ｆ０を演算し、外部磁場の変化とピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを得る。
【実施例２】
【００３４】
第２の実施例を図６のブロック図に示す。図において、１は非可逆回転素子でなるアイソレータであり、ポートＰ１とポートＰ２を有する。１２Ａは電力測定回路、１３は高周波掃引発振回路、１０は実施例１のものと同一機能の演算処理回路である。ここで、電力測定回路１２Ａとは、スペクトラムアナライザのように、ポートから出力される電磁波の電力を測定可能な回路を言う。
【００３５】
Ｓ２１が順方向損失、Ｓ１２が逆方向損失であるアイソレータ１のポートＰ２に周波数掃引可能な電磁波源である高周波掃引発振回路１３を接続し、ポートＰ１に電磁波の検出器である電力測定回路１２Ａを接続する。
【００３６】
このように接続した後、アイソレータ１に測定対象の外部磁場が印加されていない状態での高周波掃引発振回路１３からの周波数掃引を行ない、電力測定回路１２Ａにより逆方向損失Ｓ１２を測定し、演算処理回路１０に出力して、その時のときのピーク周波数ｆ0を基準周波数とする。
【００３７】
次に、測定対象の外部磁場中において高周波掃引発振回路１３からの周波数掃引を行ない、電力測定回路１２Ａにより逆方向損失Ｓ１２のピーク周波数ｆｈを測定し、演算処理回路１０に出力して、そのピーク周波数ｆｈを測定する。演算処理回路１０は得られたｆ０とｆｈの差ｄｆ＝ｆｈ−ｆ０を演算し、外部磁場の変化とピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを得る。
【実施例３】
【００３８】
第３の実施例を図７のブロック図に示す。図において、１は非可逆回転素子でなるアイソレータであり、ポートＰ１とポートＰ２を有する。１２Ｂは周波数分析可能な電力測定装置、１４は白色雑音源、１０は実施例１、２のものと同一機能の演算処理回路である。ここで、周波数分析可能な電力測定装置１２Ｂとは、スペクトラムアナライザのように、ポートから出力される電磁波の各周波数成分ごとの電力を測定可能な回路を言う。
【００３９】
この実施例のものは実施例２の電磁波源である高周波掃引発振回路１３を白色雑音源１４に変えたものであり、その他は実施例２と同様に接続する。そして、外部磁場の測定方法も実施例２と同様であるので、説明は省略する。
【実施例４】
【００４０】
第４の実施例を図８のブロック図に示す。この実施例のものは磁気センサヘッド部１８と測定器部１５に分かれた構造を有する。測定器部１５側の送信回路１６に接続されたアンテナから周波数ｆの掃引マイクロ波を送信し、磁気センサヘッド部１８の受信用アンテナで受信する。
【００４１】
受信されたマイクロ波は分波器（図示せず）により２つに分けられ、一方は、直接ＡＮＤ回路２０に接続される。他方はＳ２１が順方向損失、Ｓ１２が逆方向損失のアイソレータ１のポート２に接続され、アイソレータ１のポート１からＮＯＴ回路１９を通してＡＮＤ回路２０に接続される。
【００４２】
アイソレータ１の逆方向損失が２０ｄＢ以上になったときＡＮＤ回路２０の出力は１となり、信号が送信回路に送られ、ある固定された周波数ｆｓのマイクロ波を送信回路２１から送信する。そのマイクロ波を測定器部１５の受信回路１７で受信し、そのときに測定器部１５側の送信回路１６から出力されたマイクロ波の周波数からアイソレータ１の動作周波数を検知することができる。
【００４３】
測定にあたり、まず、測定対象の外部磁場が印加されていない状態でのアイソレータ１の動作周波数を測定し、その周波数をｆ０とする。次に、測定対象の外部磁場中においてアイソレータ１の動作周波数を測定し、その周波数をｆｈとして、演算処理回路１０に出力する。演算処理回路１０は得られたｆ０とｆｈの差ｄｆ＝ｆｈ−ｆ０を演算し、外部磁場の変化と動作周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを得る。
【実施例５】
【００４４】
第５の実施例を図９のブロック図に示す。図において、１は非可逆回転素子でなるサーキュレータであり、ポートＰ１とポートＰ２およびポートＰ３を有する。１２Ａは電力測定回路、１３は電磁波源である高周波掃引発振回路、１０は上記実施例のものと同一機能の演算処理回路である。
【００４５】
順方向損失がＳ２１、Ｓ３２、Ｓ１３、逆方向損失がＳ１２、Ｓ２３、Ｓ３１であるサーキュレータ１のポートＰ１を高周波掃引発振回路１３に接続し、残りの２つのポートＰ２およびポートＰ３に検出器の電力測定回路１２Ａをそれぞれ接続する。
【００４６】
この構成において、まず、サーキュレータ１に測定対象の外部磁場が印加されていない状態で、ポートＰ１の高周波掃引発振回路１３から周波数ｆのマイクロ波を発信し、周波数を掃引する。ポートＰ２、ポートＰ３に生じるマイクロ波の電力差が最も大きい動作周波数を測定して、その時の動作周波数ｆ０を基準周波数とする。
【００４７】
次に、測定対象の外部磁場中において、同様に測定し、演算処理回路１０に出力して、その時のピーク周波数をｆｈとする。演算処理回路１０は得られたｆ０とｆｈの差ｄｆ＝ｆｈ−ｆ０を演算し、外部磁場の変化とピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを得る。
【実施例６】
【００４８】
第６の実施例を図１０のブロック図に示す。図において、１は非可逆回転素子でなるサーキュレータであり、ポートＰ１とポートＰ２およびポートＰ３を有する。１２Ｂは周波数分析可能な電力測定装置、１４は白色雑音源、１０は他の実施例のものと同一機能の演算処理回路である。
【００４９】
この実施例のものは実施例５の電磁波源である高周波掃引発振回路１３を白色雑音源１４に変えたものであり、その他は実施例５と同様に接続する。そして、外部磁場の測定方法も実施例５と同様であるので、説明は省略する。
【実施例７】
【００５０】
第７の実施例を図１１のブロック図に示す。この実施例のものは磁気センサヘッド部１８と測定器部１５に分かれた構造を有する。測定器部１５側の送信回路１６に接続されたアンテナから周波数ｆの掃引マイクロ波を送信し、磁気センサヘッド部１８の受信用アンテナで受信する。
【００５１】
非可逆回転素子でなるサーキュレータ１はポートＰ１とポートＰ２およびポートＰ３を有する。アンテナで受信されたマイクロ波はサーキュレータ１のポートＰ１に接続される。サーキュレータ１の残りのポートＰ２、Ｐ３は排他的論理和回路２２に接続される。排他的論理和回路２２では２つの入力ポートＰ２、Ｐ３のうち一方のみに信号が入ってきた時だけ排他的論理和回路２２の出力ポートに信号が出力される。
【００５２】
よって、非可逆動作した時のみ信号が送信回路２１に送られ、ある固定された周波数ｆｓのマイクロ波を送信回路２１から送信する。そのマイクロ波を測定器部１５の受信回路１７で受信した時に、測定器部１５側の送信回路１６から出力されたマイクロ波の周波数から、サーキュレータ１の動作周波数を検知することができる。
【００５３】
測定にあたり、まず、測定対象の外部磁場が印加されていない状態でのサーキュレータ１の動作周波数を測定し、その周波数をｆ０とする。次に、測定対象の外部磁場中においてサーキュレータ１の動作周波数を測定し、その周波数をｆｈとして、演算処理回路１０に出力して、そのピーク周波数ｆｈを測定する。演算処理回路１０は得られたｆ０とｆｈの差ｄｆ＝ｆｈ−ｆ０を演算し、外部磁場の変化とピーク周波数の変化の関係を表わす関数に基づいて、外部磁場の大きさを得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の高感度磁気測定方法及び測定装置は、ＳＱＵＩＤに匹敵する高感度を持つことから、心臓や脳からの磁場を検出する医療機器に適用することができる。また、遠隔地の磁場を検出することができ、小型化が可能なことから、人の手の届かない場所での磁場測定や、カメラ付きカプセルに内蔵して生体内での磁場測定にも利用できる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の非可逆回転素子でなるアイソレータ／サーキュレータの斜視図である。
【図２】フェライトの内部磁場変化による逆方向損失の周波数変化を示す図である。
【図３】アイソレータ／サーキュレータの上下に磁気回路を設けた構造図である。
【図４】外部磁場変化による逆方向損失の周波数変化を示すシミュレーション図である。
【図５】本発明の高感度磁気測定装置の第１の実施例図である。
【図６】本発明の高感度磁気測定装置の第２の実施例図である。
【図７】本発明の高感度磁気測定装置の第３の実施例図である。
【図８】本発明の高感度磁気測定装置の第４の実施例図である。
【図９】本発明の高感度磁気測定装置の第５の実施例図である。
【図１０】本発明の高感度磁気測定装置の第６の実施例図である。
【図１１】本発明の高感度磁気測定装置の第７の実施例図である。
【符号の説明】
【００５６】
１          アイソレータ／サーキュレータ
２          中心導体
３          永久磁石
４          フェライト
５          接地面
６          コンデンサ
７、８      磁気回路
１０        演算処理回路
１１        順方向損失および逆方向損失測定回路
１２Ａ      電力測定回路
１２Ｂ      周波数分析回路可能な電力測定回路
１３        高周波掃引発振回路
１４        白色雑音源
１５        測定器部
１６        送信回路
１７        受信回路
１８        磁気センサヘッド部
１９        ＮＯＴ回路
２０        ＡＮＤ回路
２１        送信回路
２２        排他的論理和回路
【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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【図１１】
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