(57)【要約】      （修正有）【課題】近距離で強磁性体の移動や振動の影響を受けずに微小磁性体を検出する。【解決手段】励磁用の第１磁気コア１２ａに、第１検出コイル１３ａが巻回された第１センサヘッド１１ａと、第１磁気コアに通電される電流と共通の電流が通電され、第１磁気コアと平行又は同軸上に配置される第２磁気コア１２ｂに第１センサヘッドが外部磁界による検出信号を打ち消すように巻回され第１検出コイルと直列接続される第２検出コイル１３ｂを有する第２センサヘッド１１ｂと、第１センサヘッド及び第２のセンサヘッドからの検出電圧に基づいて勾配磁界を出力するセンサ回路と、第１センサヘッド及び第２センサヘッドの端部位置に近接配設される磁気シールド板とを備え、センサ回路が、第１センサヘッド又は第２センサヘッドの端部近傍であって、第１センサヘッド又は第２センサヘッドに対する磁気シールド板位置と反対側領域を通過する微小磁性体による勾配磁界を出力。【選択図】図１
2015200524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁用の交流電流及び直流電流が通電される第１の磁気コアに、第１の検出コイルが巻回された第１センサヘッドと、
前記第１の磁気コアに通電される前記交流電流及び直流電流と共通の電流が通電され、前記第１の磁気コアと平行又は同軸上に配置される第２の磁気コアに、前記第１センサヘッドが外部からの共通の磁界に対して出力する検出信号を打ち消すように巻回され、前記第１の検出コイルと直列接続される第２の検出コイルを有する第２センサヘッドと、
前記第１センサヘッド及び前記第２のセンサヘッドが出力する検出電圧に基づいて、勾配磁界を出力するセンサ回路と、
少なくとも前記第１センサヘッド及び前記第２センサヘッドに対し、当該各センサヘッドのセンサの感度軸に平行に近接配設される磁気シールド板とを備え、
前記センサ回路が、前記第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの端部近傍であって、前記磁気シールド板の配置位置から見て前記第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドが配設されている側と同側の領域を通過する検出対象である磁性体による前記勾配磁界を出力することを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁界センサにおいて、
前記磁性体が前記第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの端部近傍を通過する前に、前記磁性体の磁化方向を、前記磁気シールド板の板面に対して垂直方向に磁化する磁化制御手段を備えることを特徴とする磁界センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁界センサにおいて、
前記磁気シールド板が円形もしくは楕円形又は矩形の板状体であり、当該磁気シールド板の内径又は一辺の長さが、前記第１センサヘッド及び前記第２センサヘッドの長手方向の長さの２倍以上であり、前記第１センサヘッド及び前記第２センサヘッドが前記磁気シールド板の略中央部分に近接配設されていることを特徴とする磁界センサ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の磁界センサにおいて、
前記第１センサヘッド及び前記第２センサヘッドと前記磁気シールド板との間の距離が、前記第１センサヘッドの中心位置と前記第２センサヘッドの中心位置との間の距離であるベースライン長の１．５倍以下であることを特徴とする磁界センサ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の磁界センサにおいて、
前記磁気シールド板が円形もしくは楕円形又は矩形の板状体であり、
前記第１センサヘッド及び前記第２センサヘッドと前記磁気シールド板との間の距離が、当該磁気シールド板の内径又は一辺の長さの１／３０以下であることを特徴とする磁界センサ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の磁界センサにおいて、
前記第１センサヘッドの中心位置と前記第２センサヘッドの中心位置との間の距離をベースライン長とし、前記磁性体が、前記第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの端部から当該第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの離間する方向における前記ベースライン長以内の領域を通過することを特徴とする磁界センサ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の磁界センサにおいて、
前記第１センサヘッドの中心位置と前記第２センサヘッドの中心位置との間の距離をベースライン長とし、前記磁性体が、前記第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの端部から当該第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの中心方向における当該第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの長さの１／１０以下の領域を通過することを特徴とする磁界センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部磁界を遮蔽した状態で勾配磁界を検出する磁界センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電池の製造工程における鉄粉の混入は電池の信頼性を著しく低下させるため、微細な磁性体を正確に検出する技術が望まれている。
【０００３】
また、鉄酸化物を主体とする磁気微粒子は体内の有用なトレーサとして利用が見込まれている。例えば、乳がんの病巣の近傍にあるリンパ節のながで、最初にがん細胞を取り込んで拡散を抑えるものがセンチネルリンパ節であるが、この特定にＭＲＩの造影剤である磁気微粒子を体内に注入し、どこに集積したかを磁界センサで探ることが行われている。さらに、磁気アッセイと呼ばれる特定蛋白質の結合が生起したかどうかの検出にも磁気微粒子が利用される。これらの技術においては、局在した（点源からの）微弱な磁界を検出することが必要とされる。
【０００４】
上記のような問題は、磁気シールドルームを利用することで解決することが可能であるが、磁気シールドルームは高価で重量が大きく、入口も狭い。また、作業空間もかなり制限されるため、作業性が極めて悪いものとなる。
【０００５】
また、高感度に微弱磁界を測定する技術として、例えば非特許文献１、２に示す技術が発明者らにより開示されている。非特許文献１、２に示す技術は、２つのセンサヘッドを当該２つのセンサヘッドに共通する同軸上に配設し、それぞれのセンサヘッドへの共通の外部磁界入力については打ち消し合い、一方のセンサヘッド近傍における勾配磁界のみを検出して出力するものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】原田翔夢，笹田一郎、”フラックスゲート磁界センサの対雑音性能向上と心磁界計測への適用”、一般社団法人電気学会、マグネティックス研究会、電気学会研究会資料、２０１３年１０月２５日、ｐ７−１１
【非特許文献２】原田翔夢，笹田一郎、”基本波形フラックスゲートグラディオメータの特性”、一般社団法人電気学会、マグネティックス，医用・生命工学合同研究会、電気学会研究会資料、２０１３年１１月２９日、ｐ１１−１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１、２に示す技術は、高感度グラディオメータであり、局在する磁界を高感度に計測することができるものであるが、作業環境によっては磁気シールドを併用する必要がある。例えば、非特許文献１、２に示すグラディオメータから１ｍぐらいの距離でドライバを動かしたり、スチール製の椅子を移動させたりすると、グラディオメータの出力が変動してしまう場合がある。
【０００８】
本発明は、近距離（例えば、１ｍ〜数ｍ程度）で強磁性器具類が移動、振動を伴う使用がなされても、その影響を受けることなく局在する極めて微小な磁性体を検出することができる磁界センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る磁界センサは、励磁用の交流電流及び直流電流が通電される第１の磁気コアに、第１の検出コイルが巻回された第１センサヘッドと、前記第１の磁気コアに通電される前記交流電流及び直流電流と共通の電流が通電され、前記第１の磁気コアと平行又は同軸上に配置される第２の磁気コアに、前記第１センサヘッドが外部からの共通の磁界に対して出力する検出信号を打ち消すように巻回され、前記第１の検出コイルと直列接続される第２の検出コイルを有する第２センサヘッドと、前記第１センサヘッド及び前記第２のセンサヘッドが出力する検出電圧に基づいて、勾配磁界を出力するセンサ回路と、少なくとも前記第１センサヘッド及び前記第２センサヘッドに対し、当該各センサヘッドのセンサの感度軸に平行に近接配設される磁気シールド板とを備え、前記センサ回路が、前記第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの端部近傍であって、前記磁気シールド板の配置位置から見て前記第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドが配設されている側と同側の領域を通過する検出対象である磁性体による前記勾配磁界を出力するものである。
【００１０】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、高感度なグラディオメータの近傍に磁気シールド板を備え、グラディオメータのセンサヘッドの端部近傍であって、磁気シールド板の配置位置から見てセンサヘッドが配設されている側を通過する測定対象である磁性体による勾配磁界を出力するため、外部の磁界を磁気シールド板により吸収させることで外部磁界に疎の領域を形成し、その疎領域にグラディオメータを配置して外部磁界の影響を排除し、高感度に微小勾配磁界を検出することができるという効果を奏する。
【００１１】
また、センサヘッドから見て磁気シールド板の配置位置と反対側の領域を磁性体が通過した場合は、当該磁性体の勾配磁界の検出においては磁気シールド板の磁束吸収の影響を受けることなく、高感度に微小勾配磁界を検出することができるという効果を奏する。
【００１２】
本発明に係る磁界センサは、前記磁性体が前記第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの端部近傍を通過する前に、前記磁性体の磁化方向を、前記磁気シールド板の板面に対して垂直方向に磁化する磁化制御手段を備えるものである。
【００１３】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、磁性体が第１センサヘッド又は第２センサヘッドの端部近傍を通過する前に、前記磁性体の磁化方向を、磁気シールド板の板面に対して垂直方向に磁化するため、磁気シールド板の影響を最小限に抑えつつ、磁性体の磁束をセンサヘッドに効率よく鎖交させることができ、検出感度を高めることができるという効果を奏する。
【００１４】
本発明に係る磁界センサは、前記磁気シールド板が円形もしくは楕円形又は矩形の板状体であり、当該磁気シールド板の内径又は一辺の長さが、前記第１センサヘッド及び前記第２センサヘッドの長手方向の長さの２倍以上であり、前記第１センサヘッド及び前記第２センサヘッドが前記磁気シールド板の略中央部分に近接配設されているものである。
【００１５】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、磁気シールド板が円形もしくは楕円形又は矩形の板状体であり、当該磁気シールド板の内径又は一辺の長さが、第１センサヘッド及び第２センサヘッドの長手方向の長さの２倍以上であり、前記第１センサヘッド及び前記第２センサヘッドが前記磁気シールド板の略中央部分に近接配設されているため、センサヘッドの検出領域に対して磁気シールド板が十分に広い磁性板として作用してシールド効果を発揮し、極めて微小な磁性体であってもグラディオメータを安定的に動作させることができるという効果を奏する。
【００１６】
本発明に係る磁界センサは、前記第１センサヘッド及び前記第２センサヘッドと前記磁気シールド板との間の距離が、前記第１センサヘッドの中心位置と前記第２センサヘッドの中心位置との間の距離であるベースライン長の１．５倍以下とするものである。
【００１７】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、第１センサヘッド及び第２センサヘッドと磁気シールド板との間の距離が、前記第１センサヘッドの中心位置と前記第２センサヘッドの中心位置との間の距離であるベースライン長の１．５倍以下であるため、磁気シールド板によるシールド効果を十分に得ることができ、微小な勾配磁界を高感度に検出することができるという効果を奏する。
【００１８】
本発明に係る磁界センサは、前記磁気シールド板が円形もしくは楕円形又は矩形の板状体であり、前記第１センサヘッド及び前記第２センサヘッドと前記磁気シールド板との間の距離が、当該磁気シールド板の内径又は一辺の長さの１／３０以下とするものである。
【００１９】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、第１センサヘッド及び第２センサヘッドと磁気シールド板との間の距離が、当該磁気シールド板の内径又は一辺の長さの１／３０以下であるため、磁気シールド板によるシールド効果を十分に得ることができ、微小な勾配磁界を高感度に検出することができるという効果を奏する。
【００２０】
本発明に係る磁界センサは、前記第１センサヘッドの中心位置と前記第２センサヘッドの中心位置との間の距離をベースライン長とし、前記磁性体が、前記第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの端部から当該第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの離間する方向における前記ベースライン長以内の領域を通過するものである。
【００２１】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、第１センサヘッドの中心位置と第２センサヘッドの中心位置との間の距離をベースライン長とし、磁性体が、前記第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの端部から当該第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの離間する方向における前記ベースライン長以内の領域を通過するため、測定対象である磁性体を高感度に検出することができるという効果を奏する。
【００２２】
本発明に係る磁界センサは、前記第１センサヘッドの中心位置と前記第２センサヘッドの中心位置との間の距離をベースライン長とし、前記磁性体が、前記第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの端部から当該第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの中心方向における当該第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの長さの１／１０以下の領域を通過するものである。
【００２３】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、第１センサヘッドの中心位置と第２センサヘッドの中心位置との間の距離をベースライン長とし、磁性体が、前記第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの端部から当該第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの中心方向における当該第１センサヘッド又は前記第２センサヘッドの長さの１／１０以下の領域を通過するため、測定対象である磁性体を高感度に検出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施形態に係る磁界センサにおけるグラディオメータの構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る磁界センサの座標系を示す図である。
【図３】磁性板近傍の磁界分布を示す図である。
【図４】磁気シールド効果の発現性を説明するための図である。
【図５】第１の実施形態に係る磁界センサの構造を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る磁界センサにおいて磁性体を検出する様子を示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る磁界センサにおける磁気コア内の磁束分布を示す図である。
【図８】第１の実施形態に係る磁界センサの効果を示す図である。
【図９】第１の実施形態に係る磁界センサの応用例を示す第１の図である。
【図１０】第１の実施形態に係る磁界センサの応用例を示す第２の図である。
【図１１】第１の実施形態に係る磁界センサの応用例を示す第３の図である。
【図１２】第１の実施形態に係る磁界センサの応用例を示す第４の図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
【００２６】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る磁界センサについて、図１ないし図１２を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る磁界センサにおけるグラディオメータの構成を示す図である。図１において、本実施形態におけるグラディオメータ１は、基本波型直交フラックスゲートのセンサヘッド１１（第１センサヘッド１１ａ，第２センサヘッド１１ｂ）を２つ使用する。第１センサヘッド１１ａ及び第２センサヘッド１１ｂは、平行又は同軸上に配置され、例えばＵ字型のＣｏ基アモルファスワイヤからなる磁気コア１２（第１磁気コア１２ａ，第２磁気コア１２ｂ）に検出コイル１３（第１検出コイル１３ａ，第２検出コイル１３ｂ）が巻回されている。第１検出コイル１３ａ及び第２検出コイル１３ｂは、逆方向に巻回されて直列接続している。
【００２７】
励磁は、交流電源１４とその振幅より大きな値を持つ直流電源１５の直列回路で与えられ、検出コイル１３は、一方がグランドへ他方は負帰還構成のセンサ回路へ入力される。図１に示すように、検出コイル１３の出力は、同期検波回路１８と平滑回路１９とを通して誤差増幅器２０へ送られる。その後、誤差増幅器２０への入力が０になるように、帰還抵抗２１を通して帰還電流ｉｆが検出コイル１３に流れる。このときに帰還抵抗２１に現れる電圧降下がセンサ出力に相当する。
【００２８】
第１検出コイル１３ａ及び第２検出コイル１３ｂは、逆方向に巻回されて直列接続しているため、出力としてはそれぞれのセンサヘッド１１で検出された出力の差分を取ったものが現れる。すなわち、遠方から到達してくる一様な磁気雑音に関しては、第１センサヘッド１１ａ及び第２センサヘッド１１ｂの双方で同様にピックアップされ、出力として現れない。しかしながら、センサヘッドの所に磁界勾配を引き起こす局所的な磁界に対しては、一方のセンサヘッド１１のみ、又は、それぞれに異なる大きさの磁界でピックアップされるため、センサ出力として観測することができる。また、電子回路で信号を増幅する前に差分を取る方式であるため、高いＳＮ比で検出することが可能である。
【００２９】
図２は、本実施形態に係る磁界センサの座標系を示す図である。図２に示すように、本実施形態に係る磁界センサ１０は、平行に配置したグラディオメータ１のセンサヘッド１１に円形の磁気シールド板２２を組み合わせて構成される。検出対象となる微小磁性体２３は、図２の矢印ａの方向からセンサヘッド１１に向かって近づきながら、センサヘッド１１の端部近傍の上方領域を通ってｙ軸方向に通過する。第１センサヘッド１１ａ及び第２センサヘッド１１ｂは、微小磁性体２３が端部を通過する際の当該微小磁性体２３の磁界を検出する。このときの一例として図２の下方に記載されるような波形が検出される。つまり、微小磁性体２３がセンサヘッド１１近傍を通過する際に当該微小磁性体２３が作る微小な鎖交磁束が検出コイル１３によってピックアップされることで、局所的な勾配磁界が検出可能となる。また、本実施形態においては、これらのセンサヘッド１１が磁気シールド板２２上の所定領域に配置されている。
【００３０】
一般に、磁性板（磁気シールド板２２）の面に近接した領域では、外部からの磁束は磁性板に吸い込まれるため磁界が弱くなり、磁性板に接近すればするほど、且つ、磁性板の中央付近で磁気シールド効果は高くなる。図３は、磁性板近傍の磁界分布を示す図である。磁性板近傍（図３における中心部分の白色領域及びその近傍）において、磁界が弱くなっていることがわかる。
【００３１】
シールド効果について、以下に定量的に計算した結果を示す。図４は、シールド効果の計算系及び解析結果を示す図である。図４（Ａ）において、水平に置かれた薄い磁性円板に水平方向から磁界Ｈｘが印加されているとする。磁性円板がなければその周囲の空間を通過するはずだった多くの磁界は磁性円板に吸い込まれる。その結果、磁性円板の両側面の近傍では磁界の弱いところができる。これを数値的に解析した結果を図４（Ｂ）、（Ｃ）に示す。解析では磁性板の比透磁率を２０，０００、厚みを１ｍｍ、直径Ｄを６，８，１０，１２，１４ｃｍと変化させた。図４（Ｂ）は、円板面に平行な磁界に対する円板中心軸上の磁気シールド効果、図４（Ｃ）は、円板中心点から２ｃｍ変位した点における軸上での円板面に平行な磁界に対する磁気シールド効果を示している。いずれも横軸はｚ方向距離で、ｚ＝０は円板面である。
【００３２】
図４（Ｂ）及び（Ｃ）における縦軸の磁気シールド比は（外部印加磁界Ｈｘ）／（磁性円板中央上空での磁界Ｈｘ（ｚ））で計算したものである。グラフの各線はｚ＝０．５の位置で、下からＤ＝６ｃｍ，８ｃｍ，１０ｃｍ，１２ｃｍ，１４ｃｍに対応する。ｚ＝０．３ｍｍあたりでグラフは交差する。これは，磁性円板の面に極めて近いところではＤが小さい方が高いシールド比を示すが、zが大きくなるにつれて円板周囲から磁界が侵入して磁界勾配の緩和（密度の平均化）が進むためである。この緩和の空間的広がりは円板のサイズに依存するので、円板が大きくなると磁界勾配の緩和も空間的にはなだらかになる。つまり、シールドが高い領域は比較的大きなzまで維持される。磁界の緩和は、電流が存在しない空間ではその分布はラプラス方程式に支配されることを考えれば定性的に理解できる。ラプラス方程式を差分方程式で近似すると、ある点での磁界はその点に接続される差分近似点（差分を計算するための空間格子上の点）における磁界の平均で与えられるからである。
【００３３】
円板直近でＤが小さい方がシールド効果が高くなることは以下の説明からもわかる。例えば、磁性板をその平面に平行に外部からの磁界Ｈが加わるとすると、磁性板の磁束密度Ｂは、磁性板の実効透磁率（磁性板に端部があるので反磁界が発生し、磁性材料の本来の透磁率よりは小さい（＝反磁界効果と呼ぶ））をμｒ＿ｅｆｆとすると、Ｂ＝μｒ＿ｅｆｆ・Ｈとなり、磁性板内での磁界Ｈｔは、Ｈ−Ｈｄ（Ｈｄは反磁界）で与えられ、磁性板の本来の透磁率（反磁界効果がないときの真性の透磁率）をμｒとすると、Ｈｔ＝Ｂ／μｒとなり、磁性板側面の直近ではＨ／Ｈｔ＝μｒ／μｒ＿ｅｆｆのシールド効果が発現する。μｒ＿ｅｆｆはＤが小さい程小さくなるため、μｒ／μｒ＿ｅｆｆはＤが小さくなる程大きくなるからである。磁界方向への磁性板長が短いと磁気シールドされる領域は磁性板側面からの距離、長さ方向への距離共に小さくなる。逆に磁性板が磁束を吸収しすぎて磁気飽和する程長くなると磁気シールド効果を消失する。また、磁性板はその面に平行な磁束成分のみを選択的に磁気シールドする。本実施形態においては、このような選択作用を利用する。
【００３４】
シールド空間の磁性板面からの範囲を必要に応じて設定する必要がある。図４を用いて説明したシールドの発現性から、センサヘッド１１をその受感部が磁気シールド板２２から０．３ｍｍ以内に接近できるようにすれば、小さい磁気シールド板２２でも高いシールド比を持って磁界の検出ができる。基本波型直交フラックスゲートのように１〜３ｍｍ径のセンサヘッドのものでは、ｚ＝１〜３ｍｍで高いシールド比となるような円板サイズが好適である。例えば、円板中心上空ｚ＝３ｍｍにおけるシールド比は、Ｄ＝１４ｃｍで２３、Ｄ＝１２ｃｍで２０．７、円板中心から２ｃｍ変位した点の上空ｚ＝３ｍｍにおけるシールド比は、Ｄ＝１４ｃｍで２０．８、Ｄ＝１２ｃｍで１７．９である。以下に結果をまとめて表で示す。
【００３５】
【表１】
2015200524.tif 000003
【００３６】
【表２】
2015200524.tif 000004
【００３７】
【表３】
2015200524.tif 000005
【００３８】
これらの結果から、ｚ（すなわち、磁気シールド板２２からセンサヘッド１１までの距離（ｃｍ））は、Ｄ／３０（磁気シールド板２２の直径（ｃｍ）の３０分の１）以内であることが望ましい。また、ｚが３ｍｍを超える場合は、Ｄ＝１０ｃｍより大きい磁気シールド板２２を用いることが望ましい。
【００３９】
図５は、本実施形態に係る磁界センサの構造を示す図である。図５（Ａ）は磁界センサ１０の上面図、図５（Ｂ）は磁界センサ１０の側面図である。なお、ここでは、磁気シールド板２２及びセンサヘッド１１以外の構成要素は省略している。
【００４０】
図５において、円形の磁気シールド板２２の面に沿って第１センサヘッド１１ａ及び第２センサヘッド１１ｂが平行に配置されている。センサヘッド１１の長さをＬとすると、磁気シールド板２２の直径は２Ｌ、さらに望ましくは３Ｌ程度とするのがよい。グラディオメータはセンサヘッド１１のコア先端に近接した空間でのみ感度を発揮するため、少なくともセンサヘッド１１の端部領域は、磁気シールド板２２によるシールド効果が得られるように配置する必要があり、磁気シールド板２２が十分に広い磁性板として作用することで十分なシールド効果を発揮することができる。すなわち、図５（Ａ）に示すように、直径が２Ｌ好ましくは３Ｌ程度の磁気シールド板２２の中央部分に長さＬのセンサヘッド１１が配置されるのが望ましい。また、第１センサヘッド１１ａの中心と第２センサヘッド１１ｂの中心との間の距離であるベースライン長をＢＬとすると、磁気シールド板２２と各センサヘッド１１との距離はＢＬの１．５倍以下、より好ましくはＢＬ程度又はそれ以下であることが望ましい。例えば、磁気シールド板２２の径＝１２ｃｍ（センサヘッド長の３倍）で磁気シールド板２２からの距離が１．０４ｃｍ程度の場合に、シールド比５．００という結果が得られており、この場合でも十分なシールド効果が得られている。
【００４１】
さらに、グラディオメータの検出感度を上げるためには、測定対象となる微小磁性体２３が通過する領域を図５（Ｂ）のように設定するのがよい。すなわち、磁気シールド板２２が配置されている位置に対してセンサヘッド１１が配置される側と同側（図５（Ｂ）の場合は磁気シールド板２２の上方）の領域であって、センサヘッド１１の端部からベースラインＢＬ程度外側（センサヘッド１１から離間する方向）の位置と、センサヘッド１１の端部から距離Ｌ／１０程度内側（センサヘッド１１の端部から中心への方向）の位置との間に測定対象となる微小磁性体２３が通過するように設定することで、高感度に微小磁性体２３を検出することができる。
【００４２】
なお、微小磁性体２３は、磁気シールド板２２が配置されている位置に対してセンサヘッド１１が配置される側と同側であって、且つ、センサヘッド１１を挟んで磁気シールド板２２の配置位置と反対側の位置（図５（Ｂ）の場合はセンサヘッド１１の上方）に配置されることで、微小磁性体２３が磁気シールド板２２の磁束吸収の影響を受けることなく、高感度に微小勾配磁界を検出することができる。
【００４３】
また、詳細は後述するが、測定対象である微小磁性体２３がセンサヘッド１１の近傍を通過する前段において、微小磁性体２３の磁化方向を制御するための制御手段として図５に示すような永久磁石２４が配設されている。ここでは、わかりやすく記載するために、一例として永久磁石２４を磁気シールド板２４の下方に示しているが、永久磁石２４の配置位置は、グラディオメータ１に影響を与えない距離であって、微小磁性体２３がセンサヘッド１１を通過する前に着磁できる位置であればよい。
【００４４】
図６は、本実施形態に係る磁界センサにおいて磁性体を検出する様子を示す図である。本実施形態に係る磁界センサ１０は、グラディオメータ１による測定を行う前段で永久磁石等により着磁される。その磁化方向は、図６（Ａ）に示すように、磁気シールド板２２に対して垂直方向（図６の場合は上方向又は下方向であり、ここでは上方向で示している）である。こうすることで、微小磁性体２３の磁束は磁気シールド板２２に対して垂直方向に鎖交するため、磁気シールド板２２の影響を最小限に抑えることができる。
【００４５】
図６（Ｂ）は、微小磁性体２３が丁度センサヘッド１１の端部あたりを通過する場合の磁束を示し、図６（Ｃ）は、微小磁性体２３がセンサヘッド１１の端部から内側方向（センサヘッド１１の中心方向）に入った位置を通過する場合の磁束を示している。また、図７（Ａ）は図６（Ｂ）における磁気コア１２内の磁束分布、図７（Ｂ）は図６（Ｃ）における磁気コア１２内の磁束分布を示す図である。
【００４６】
図６（Ｂ）に示すように、上方向又は下方向に磁化した微小磁性体２３がセンサヘッド１１の丁度端部あたりを通過した場合は、微小磁性体２３の鎖交磁束を効率よく検知することができるため、図７（Ａ）に示すように、高感度に微小磁性体２３を測定することができる。また、図６（Ａ）において上述したように、微小磁性体２３の磁束は磁気シールド板２２に対して垂直方向に鎖交しているため、磁気シールド板２２の影響を受けない。一方、図６（Ｃ）に示すように、上方向又は下方向に磁化した微小磁性体２３がセンサヘッド１１の内側を通過した場合は、本来鎖交する磁束と反対成分の磁束が発生するため、図７（Ｂ）に示すように、感度が悪くなってしまう。そして、センサヘッド１１の中心を通過した場合は、全磁束は正負が等しくなり０になってしまう。
【００４７】
このように、センサヘッド１１と微小磁性体２３の相対位置関係により、センサの感度が変わる。微小磁性体２３を高感度に検出するためには、図６におけるｇの値を０〜Ｌ／１０程度、すなわち、センサヘッド１１の端部からＬ／１０の距離内に微小磁性体２３が通過するように設定するのが望ましい。また、反対の外側方向についても、上述したように、センサヘッド１１の端部からベースラインＢＬの距離内に微小磁性体２３が通過するように設定するのが望ましい。
【００４８】
図８は、本実施形態に係る磁界センサの効果を示す図である。本実施形態に係る磁界センサ１０の比較対象として、マグネットメータ、磁気シールド板２２を有していないグラディオメータ１を用いた。磁界源は１ｍの距離にあり、各センサに対して３．７７μＴ／ｍの勾配磁界を印加した。横軸は外乱磁界方向がセンサヘッド１１の長手方向に対してなす角θである。
【００４９】
図８に示すように、マグネットメータの出力はｃｏｓθに比例し、検出対象となる磁界も雑音磁界も同一視するため雑音低減効果は無い。グラディオメータ１は、０°方向で入力を完全に相殺するため出力は０となり、θが５０°ぐらいまでは各コアに加わる磁界の差が大きくなり出力が増加するが、θ＝９０°に向けてまた小さくなる。そして、本実施形態のように、磁気シールド板２２を備える構成とした場合は、雑音低減効果がさらに１５倍改善された。
【００５０】
このように、センサヘッド１１がある面に平行な方向から来る勾配をもつ雑音磁界は、その勾配の大きさに応じて低減することが可能となる。雑音磁界源が遠くになればなるほど勾配が小さくなるので低減効果は大きくなる。本実施形態に係る磁界センサにおいては、通常の作業場では鉄製器具などが使用される場合が多く、雑音磁界源が１ｍぐらいの距離に存在する場合であっても、効果的に利用することができる。
【００５１】
図９ないし図１２に本実施形態に係る磁界センサの応用例を示す。図９において、磁気シールド板２２を楕円形に引き延ばし、当該磁気シールド板２２を引き延ばした方向に複数のグラディオメータ１を並列に配置している。こうすることで、微小磁性体２３を探索するためのチャンネル数を増加することができる。
【００５２】
図１０において、この場合も複数の検査チャンネルを配設するが、微小磁性体２３の進入方向に対して、各センサヘッド１１が当該各センサヘッド１１の長手方向に順次ずれた状態で配設されている。すなわち、検査空間に搬入される微小磁性体２３に対して、センサヘッド１１の感度を持つ領域が並ぶように配置される。こうすることで、各センサヘッド１１の夫々の出力結果に基づいて、微小磁性体２３の存在、位置及び磁界の強さを検出することができると共に広い検査範囲をカバーできる。
【００５３】
図１１において、図１０の場合と同様に複数のセンサヘッド１１が配設され、各センサヘッド１１における第１センサヘッド１１ａと第２センサヘッド１１ｂとが、当該センサヘッド１１の長手方向にずれた状態で配設されている。こうすることで、各センサヘッド１１の夫々の出力結果に基づいて、微小磁性体２３の存在、位置及び磁界の強さを検出することができる。
【００５４】
また、図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態に係る磁界センサの使用例を示しており、測定対象である微小磁性体２３を含む測定対象物がローラの回転に伴って移動し、上部に配置した磁界センサ１０により移動している測定対象物の磁界を測定する。磁界センサ１０が磁界を検知すると測定対象物が微小磁性体２３を含んでいることが明らかとなるため、製品の品質を向上させることができる。さらに、図１２（Ｃ）に示すように、磁気シールド板２２を湾曲させてセンサヘッド１１を覆うように配置することで、より確実に外部の雑音磁界をシールドすることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１  グラディオメータ
１１  センサヘッド
１１ａ  第１センサヘッド
１１ｂ  第２センサヘッド
１２  磁気コア
１２ａ  第１磁気コア
１２ｂ  第２磁気コア
１３  検出コイル
１３ａ  第１検出コイル
１３ｂ  第２検出コイル
１４  交流電源
１５  直流電源
１８  同期検波回路
１９  平滑回路
２０  誤差増幅器
２１  帰還抵抗
２２  磁性シールド板
２３  磁性体
２４  永久磁石
【図１】
2015200524.tif 000006
【図２】
2015200524.tif 000007
【図４】
2015200524.tif 000008
【図５】
2015200524.tif 000009
【図６】
2015200524.tif 000010
【図７】
2015200524.tif 000011
【図８】
2015200524.tif 000012
【図９】
2015200524.tif 000013
【図１０】
2015200524.tif 000014
【図１１】
2015200524.tif 000015
【図１２】
2015200524.tif 000016
【図３】
2015200524.tif 000017