(57)【要約】【課題】ＭＲＩ診断装置等の強力な磁石が設置された室内に磁性体が侵入する事を警告する手段として、磁性体の侵入による磁束密度の変化を検知する磁気センサについて、強い磁束密度環境下にあっても飽和することなく、小さな磁性体も検知して告知する磁性体検知機の提供を図る。【解決手段】  磁束密度を検出する磁気センサと、閾値と、該磁気センサの出力を該閾値と比較する比較機能と、該比較機能の結果を告知する機能からなる磁性体検知機において、該磁気センサの検出軸と鉛直軸または水平軸の立体角度を１５°以内にすることにより、該検出軸に印加される直流磁束密度を低減し、入力許容範囲は狭いが、高分解能の該磁気センサを用いることにより、小さな磁性体の侵入による磁束密度の小さな変化を検出可能とする構成からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁束密度を検出する磁気センサと、閾値と、該磁気センサの出力を該閾値と比較する比較機能と、該比較機能の結果を告知する機能とを有する磁性体検知機において、該磁気センサの検出軸と鉛直軸または水平軸の立体角度を１５°以内にすることを特徴とする磁性体検知機。
【請求項２】
前記磁性体検知機において、前記磁気センサを複数備えるとともに各磁気センサを異なる位置に設置するを特徴とする請求項１に記載の磁性体検知機。
【請求項３】
前記磁性体検知機において、前記磁気センサのアナログ出力量をディジタル量に変換する変換回路を各磁気センサの直近に設置し、該変換回路のディジタル量を演算する演算回路と、該演算回路の演算結果と前記閾値とを比較する機能とを備えることを特徴とする請求項２に記載の磁性体検知機。
【請求項４】
前記磁性体検知機において、電源回路の数量を前記磁気センサと同数備え、各磁気センサと前記変換回路の直近に該電源回路を設置することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の磁性体検知機。
【請求項５】
前記磁性体検知機において、前記閾値を可変にする機能を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁性体検知機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体検知機に関し、詳しくは、強い磁束密度の環境下でも小さな磁性体を検出可能とする磁性体検知機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の医療診断に欠かせない装置として、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ）診断装置がある。この装置は、核磁気共鳴現象を利用して生体内の内部の情報を画像化する方法であり、強力な磁石を必要とする。近年、分解能向上と処理速度の向上のために、１．５Ｔ（テスラ）や３Ｔといった極めて強力な磁石を使用したＭＲＩ診断装置が開発されつつある。このような強力な磁石は、一般的に超伝導磁石を使用する。
【０００３】
磁石が強力になると、当然ではあるが磁性体を引き付ける力も強くなる。鉄などの磁性体でできたドライバなどの工具や酸素ボンベなどの医療器具を診断室に持ち込んだ場合、これらが吸い寄せられて装置に貼り付いてしまう。強力な力で貼り付いたドライバ等の工具は、人間の力では外すことができない。これらを外すには、一旦超伝導磁石を停止しなければならないが、停止や再起動するには数日程の時間が掛かり、その間診断することができない。その他にも多額の費用も必要とする。そのため、一度起動した超伝導磁石は常時動作させ、特別な理由がない限り停止しないのが通例となっている。
【０００４】
また、磁性体の工具や医療器具を誤って診断室に持ち込んだ場合、被検者や検査技師等に磁性体が衝突して怪我等をする危険性もある。従って診断室に磁性体を持ち込むことは絶対に行ってはならない。被検者を診断室に運搬する場合も、アルミ等の非磁性体でできた専用のストレッチャーを使用する必要がある。
【０００５】
検査技師や関係する看護士は、磁石の危険性について周知しており、基本的に磁性体の持ち込みはしない。被検者については、検査技師等が事前にペースメーカ等の体内磁性体の有無を確認するので問題はない。しかし、検査技師等が完全な知識を持っているとは限らない。例えば、フェライトは金属ではないので、磁石に付かないように見えるが、磁性体である。このような磁性体と思っていない物を持ち込む場合がある。検査中に被検者が緊急状態になり、看護士が酸素ボンベ等を持ち込んでしまう場合もある。ＭＲＩ診断装置について詳しく知らない看護士もいる。磁石について何も知らない作業者が、診察室の整備のために脚立や工具などを持ち込む場合もある。
【０００６】
これらの危険性を防ぐためには、ＭＲＩ診断装置の診断室のドアに、磁性体を検知して警告する磁性体検知機を設置することが必要である。
【０００７】
なお、磁性体検知機に似た装置として金属探知機がある。この装置は金属に流れる渦電流を検出するものであって、アルミ等の非磁性体金属も検知する。逆にフェライト等の電流を流さない磁性体は検知できない。従ってＭＲＩ診断装置の診断室のドアに金属探知機を用いても意味はない。
【０００８】
かかる磁性体検知に関する先行技術として、特開平５−５２９６２号公報（特許文献１）では、２方向のヘルムホルツコイルを用いて交互に均一磁場を発生させ、磁性体の侵入によって発生する磁束密度Ｂの変化を２方向の検知コイルで検知し、その起電力を増幅して検出を行う発明が提案されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平５−５２９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記特許文献１記載の発明では、磁気センサとして巻線コイルを使用しているが、巻線コイルは分解能が低く、小さな磁性体を検出できないという問題点がある。
【００１１】
すなわち、ある磁界内に磁性体が侵入することにより、磁束密度Ｂが変化する。その磁束密度の変化量デルタＢを磁気センサを用いて検出しなければならないが、場合によっては変化量デルタＢの値が極めて小さい。磁束密度の変化量デルタＢは、基本的に磁性体の大きさに比例し、磁気センサまでの距離の２乗に反比例する。その他にも磁性体の形状や向きによっても複雑な影響を受ける。従って単純に変化量デルタＢを求めることはできないが、場合によっては変化量デルタＢ＝１０ｎＴ程度の極めて小さな変化しか発生しない場合もある。微小な磁束密度の変化を検知するには高感度の磁気センサが必要である。
【００１２】
近年、高感度の磁気センサが各種開発され、１０ｆＴの感度を持つ超伝導量子干渉素子と呼ばれるセンサもある。このような高感度磁気センサを用いれば変化量デルタＢ＝１０ｎＴを検出する事は極めて簡単である。
しかし磁気センサに限らず、全てのセンサには、分解能と測定できる入力許容範囲を意味するダイナミックレンジに比例関係がある。分解能以下の被測定物は測定することができない。また、ダイナミックレンジを超えた被測定物は、飽和してしまい、測定することができない。
【００１３】
ＭＲＩ診断室外に漏洩する直流磁束密度Ｂのスカラ量は、５００μＴ以下にするように勧告されている。これは、平均的な地磁気の直流磁束密度Ｂの３０μＴより１０倍以上強い磁束密度である。
【００１４】
直流磁束密度Ｂ＝５００μＴの環境下で変化量デルタＢ＝１０ｎＴを検出するのは極めて困難な作業である。例えて言うならば、５ｍの長さの棒の０．１ｍｍの変化を検出するようなものである。ダイナミックレンジが大きい巻尺を使用すれば、５ｍの長さを測定することができるが、０．１ｍｍ単位で測定することはできない。分解能が高いノギスを用いれば、０．１ｍｍ単位で測定できるが、５ｍの長さは飽和してしまって測定することができない。
【００１５】
ダイナミックレンジが大きい巻線コイルによる磁気センサでは、飽和はしないが、分解能が低くく、変化量デルタＢ＝１０ｎＴという微小な変化量を検出することができない。高感度の超伝導量子干渉素子では、微小な変化量を検出することができるが、Ｂ＝５００μＴという強い直流磁束密度のため飽和してしまい、検出動作を行うことはできない。
【００１６】
ダイナミックレンジが大きく、かつ、高分解能の磁気センサがあれば、この問題は簡単に解決する。しかし、現実的に開発するのは極めて困難であり、開発したとしても極めてコストが高く、応用することができない。ダイナミックレンジが大きい磁気センサを用いて小さな磁束密度の変化量デルタＢを検出する方法と、高分解能の磁気センサを用いて飽和しないように使用する方法の２つの方法しかない。分解能の低い磁気センサを用いた場合、分解能以下の信号は検出することができない。高性能な増幅器を使用しても、信号とノイズが同じ増幅率で大きくなるだけであるので、全く効果はない。従って、強い直流磁束密度の環境下で、ダイナミックレンジの低い高感度磁気センサを飽和しないように使用する技術が必要になる。
【００１７】
また、前記特許文献１記載の発明では、２方向のヘルムホルツコイルによって交互に磁束密度を発生させる。この磁束密度の変化によって、ＭＲＩ診断装置に影響を与え、正しい診断ができなくなる。さらに、地磁気程度の３０μＴであれば、自分で発生した２方向の磁場を制御できるが、５００μＴといった強い磁界内での制御は困難であり、磁性体の検出自体も行えなくなる。
【００１８】
磁気的な相互干渉を防ぐには、磁性体検知機を診断室から十数ｍ以上遠い位置に設置すれば問題はない。しかし、特別に広い待合室を備えない限り設置は不可能である。
【００１９】
またさらに、前記特許文献１記載の発明では、床面にもコイルを通す必要があるので、段差が生じてしまう。被検者の中には体の不自由な人もおり、杖や車椅子の通行の邪魔になるだけでなく、転倒などの危険性も生じる。
【００２０】
ヘルムホルツコイルや検知コイルを構成するために、エナメル線を人が通過できる大きさのボビンに何ターンも巻く必要があり、コストも組み立て工数も必要になる。装置全体も大型であり、設置工事作業にもコストが掛かる。また、ヘルムホルツコイルに磁場を発生させるために多大な電力も消費してしまう。
【００２１】
検知コイルにはノイズが侵入する。検知コイルに発生した信号が、磁性体によるものなのか、ノイズによるものなのかを区別することは本質的に不可能である。このノイズによって誤動作が発生してしまう。磁性体の有無を判定する閾値を高く設定すれば、誤動作の頻度は低下する。しかし、検知感度が低下するため、小さな磁性体を検知することが不可能になる。また、設置環境によってノイズの大きさは異なる。ある設置環境下では問題なく動作したとしても、他の設置環境下では、誤動作が頻発する場合もある。
【００２２】
上記問題点に鑑み、本発明は、診察室近傍の強い直流磁束密度Ｂの環境下で、高感度の磁気センサを飽和させずに使用し、微小な磁束密度の変化を検出することを目的とする。
また、装置からＭＲＩ診断に影響を与える磁界を発生させず、床に段差を設けずに、低コストかつ低消費電力で、ノイズにも耐えられる装置を実現することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決するため、本発明は、磁束密度を検出する磁気センサと、閾値と、該磁気センサの出力を該閾値と比較する比較機能と、該比較機能の結果を告知する機能とを有する磁性体検知機において、該磁気センサの検出軸と鉛直軸または水平軸の立体角度を１５°以内にする構成を採用している。
【００２４】
また、本発明は、前記磁性体検知機において、前記磁気センサを複数備えるとともに各磁気センサを異なる位置に設置する構成を採用している。
【００２５】
磁束密度Ｂはベクトルである。ベクトル軸方向にはスカラ量の磁束密度Ｂがあるが、ベクトル軸に直交する方向の磁束密度Ｂは０である。一方、磁気センサにも検出軸というベクトル軸を持っている。検出軸方向では最大の感度を持っているが、検出軸に直交する方向の磁束密度Ｂは検出しない。
【００２６】
従って、超伝導磁石が発生する磁束密度Ｂのベクトル軸に直交した方向に、磁気センサの検出軸を設定すれば、磁気センサの検出軸に加わる直流磁束密度Ｂは０である。従って、小さなダイナミックレンジしか持たない高感度磁気センサを使用しても、飽和することはない。その磁界内に磁性体が侵入した場合、磁束密度Ｂのベクトルが変化し、磁気センサの検出軸方向に磁束密度の変化が発生する。この変化量デルタＢを検知すれば、磁性体の侵入を検知することが可能である。
【００２７】
しかし、超伝導磁石が発生する磁束密度Ｂの方向は、場所によって異なり、一定方向ではない。診断室の大きさや磁気センサを取り付けるドアの位置も様々である。磁気センサの位置に発生する磁束密度Ｂのベクトル軸方向は、超伝導磁石と磁気センサの位置関係、距離、発生する磁場の強さの他に、地磁気や建物内部の鉄筋や機器などの磁性体によって定まるものである。直流磁束密度Ｂのベクトル軸を測定器を用いて調査し、直交するように磁気センサの検出軸を調整すれば、対応可能である。しかし、専門的な知識と高度な技術が必要であり、一般の作業者によって設置する事は不可能である。
【００２８】
ここで、ＭＲＩ診断装置が設置されている環境について考察する。一般的なＭＲＩ診断装置では、円筒形の超伝導磁石の中心軸を水平方向に設置している。磁石の中心軸は床面から約１ｍの位置であり、メーカや機種による差はあまりない。診断室の横方向と奥行方向は、漏洩する磁束密度Ｂを低くするために、ある程度の距離がある。設置場所によって異なり６〜１５ｍである。一方ドアの大きさはあまり差がなく高さ約２ｍ、幅約１ｍである。即ち、ドアの高さのほぼ中心に磁石の中心軸がある。
【００２９】
円筒形の磁石を水平に置いた場合、中心軸の水平面方向には直流磁束密度Ｂが発生するが、鉛直方向の直流磁束密度Ｂｚは０である。従って、磁石の中心軸と同一水平面上に、磁気センサを設置し、検出軸を鉛直方向にすれば、磁気センサの検出軸方向に加わる直流磁束密度Ｂは０であり、飽和しない。
【００３０】
磁石の中心軸と同一水平面から上下に離れた位置の場合、鉛直軸方向にも直流磁束密度Ｂｚが発生する。しかし、鉛直方向の直流磁束密度Ｂｚは、水平方向の直流磁束密度Ｂｘ、Ｂｙより小さいという特徴がある。スカラ量Ｂが５００μＴという強い直流磁束密度の環境下であっても、磁気センサの検出軸方向に印加する直流磁束密度を低減することができる。磁気センサに加わる直流磁束密度Ｂｚが小さければ、その分、ダイナミックレンジは低いが、分解能の高い高感度磁気センサを使用することが可能になる。
【００３１】
これは診断室の寸法が、鉛直方向より水平方向の方が大きいという特徴を利用したものである。上述した棒の長さで例えるならば、５ｍの長さの棒を斜めの方向から見れば、短く見ることができ、分解能が高いノギスを使用しても飽和せずに計測することが可能である。
【００３２】
単純に考えると、磁束密度の変化量デルタＢも同じ比率で小さくなり、高分解能の磁気センサを用いても、結局検出できないと考えてしまう。しかし、変化量デルタＢも方向を持っており、その向きは直流磁束密度Ｂと同じ方向とは限らない。各種の条件によって変化量デルタＢのスカラ量が決まる。変化量デルタＢの方向と磁気センサの検出軸の方向が近い方向であれば、充分に検出することが可能である。
【００３３】
しかし、変化量デルタＢの方向と磁気センサの検出軸の方向が一致するとは限らない。直交した場合は、全く検出することができない。そこで、磁気センサを複数備え、異なる位置で検出する。変化量デルタＢの方向と検出軸の方向の相対的な方向の違いは、磁気センサの位置によってそれぞれ異る。ある磁気センサは直交して全く検出しない場合でも、別な磁気センサで変化量デルタＢを検出することが可能である。
【００３４】
先にも述べたように、磁束密度の変化量デルタＢは、磁性体と磁気センサの距離の２乗に反比例する。従って、１個のセンサでは磁性体が通過する空間であるドア全体を検出することは不可能である。ドアの左右両側に磁気センサを備えることにより、ドアの幅約１ｍの半分の約５０ｃｍの空間を検出すればよい。また、磁性体はドアの上下位置のどの位置を通過するのか不定である。従って、上下方向に磁気センサを備えることにより、ドア全体の空間を検出することができる。
【００３５】
ドアの両側の上下に磁気センサを備えた場合、磁石の中心軸平面から離れている上端と下端の磁気センサでは、中心軸付近の磁気センサに比べて、鉛直方向の直流磁束密度Ｂｚが強く印加される。磁気センサの検出軸を厳密に鉛直方向に設置した場合でも、ある程度の直流磁束密度Ｂｚが印加されてしまうのを防ぐことはできない。
【００３６】
また、磁気センサの検出軸の方向を厳密に鉛直方向にする事も技術的に困難である。ある程度の誤差はどうしても発生してしまう。磁気センサの検出軸を鉛直方向ではなく立体角θＤの傾きに設置した場合、θＤが大きければ検出軸方向の磁束密度Ｂｓが大きくなり、飽和レベルに近づいてしまう。
【００３７】
以上を考慮すると、磁気センサの検出軸を厳密に鉛直方向に設置することは特に大きな意味は持たない。立体角θＤにある程度の許容差を持たせても問題はない。
【００３８】
検出軸方向の直流磁束密度Ｂｓを直流磁束密度Ｂの３０％以下にするならば、下記の数１に示すように、磁気センサの検出軸と鉛直軸の立体角θＤは、１５°以下にすれば良い。この範囲以内であれば、飽和しにくくなる。
【００３９】
【数１】
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【００４０】
オープン型のＭＲＩ診断装置では、磁石の中心軸が鉛直方向を向いているものもある。そのような装置の場合、センサの検出軸を水平方向に設置すれば、同様の結果を得ることができる。この場合の磁気センサの検出軸と水平軸の立体角θＤは、１５°以下にすれば良い。
【００４１】
高感度磁気センサについては超伝導量子干渉素子の他にも、色々な種類のものが開発されている。ＭＲ（磁気抵抗効果素子）センサや、ＭＩ（磁気インピーダンス素子）センサやフラックスゲートセンサなど、多様なものがある。本発明では、磁気センサの種類を規定するものではなく、ダイナミックレンジは小さいが高感度のセンサであれば、種類について特定しない。前記のいづれの磁気センサも磁場を発生させるコイルは不要であり、ＭＲＩ診断に影響を与えることはなく、消費電力も小さい。また、ドア全体に検出コイルを巻く必要がないため、床に段差を付ける必要はない。大きなコイルを作成する必要がないので、組み立て工数を少なくできるだけでなく、特殊な測定器や技能を使わずに設置できるため、総合的なコストを低減することが可能である。
【００４２】
さらに、本発明は、前記磁性体検知機において、前記磁気センサのアナログ出力量をディジタル量に変換する変換回路を各磁気センサの直近に設置し、該変換回路のディジタル量を演算する演算回路と、該演算回路の演算結果と前記閾値とを比較する機能とを備える構成とすることもできる。
【００４３】
磁性体の有無の判断を誤らせる原因として、ノイズと電源変動がある。ノイズはケーブルとノイズ源が構成してしまう相互インダクタンスＭによって侵入する。磁気センサと判断部の距離が長い場合、長いケーブルによって接続しなければならないが、長いケーブルは大きな相互インダクタンスＭを持つため、磁気センサの検出出力にノイズが重畳されてしまう。その結果、磁性体の有無の判断を誤ってしまう。
【００４４】
磁気センサと判断部を近接すればケーブルが短くなるので、相互インダクタンスＭが小さくなり、ノイズを小さくすることが可能である。しかし、ドアに取り付ける事を前提にすると、ケーブルを短くすることは不可能である。そこで、磁気センサの直近にアナログ値である磁気センサの検出出力をディジタル値に変換する変換回路を備えることが有効である。ディジタル値であれば、ケーブルが長くても、伝送品質を確保すればノイズの影響を受けない。
【００４５】
またさらに、本発明は、前記磁性体検知機において、電源回路の数量を前記磁気センサと同数備え、各磁気センサと前記変換回路の直近に該電源回路を設置する構成を採ることもできる。
【００４６】
磁気センサに供給する電源に電源変動があった場合、出力信号にその変動の影響が出てしまう。ケーブルが長い場合、抵抗成分Ｒがあるため、負荷電流が変動した場合、電源電圧の変動になってしまう。そこで、磁気センサの直近に電源回路を設けることが有効であり、負荷電流の変動があっても、磁気センサに安定的に電源を供給することが可能となる。
【００４７】
そしてまた、本発明は、前記磁性体検知機において、前記閾値を可変にする機能を備える構成を採用することも可能である。
【発明の効果】
【００４８】
本発明にかかる磁性体検知機によれば、強い直流磁束密度Ｂの環境下であっても、高感度の磁気センサを使用することが可能なため、小さな磁性体による微小な磁束密度の変化を検出することが可能である。
【００４９】
また、装置からＭＲＩ診断に影響を与える磁界を発生させず、床に段差を設けずに、低コストかつ低消費電力で、耐ノイズ性の高い検知機を実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
本発明にかかる磁性体検知機は、磁気センサの検出軸を鉛直方向または水平方向に設定することにより、飽和することなく微小な磁束密度の変化デルタＢを検出することを最大の特徴とする。以下、本発明にかかる磁性体検知機の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００５１】
図１は、本発明にかかる磁性体検知機の構成態様を示す概略説明図である。図１は、磁石４の中心軸５が水平の場合に適用されるものである。磁気センサ１の検出軸２と鉛直軸３との立体角θＤが１５°以内にあることを示している。磁石４の中心軸５は水平に設置されている。なお磁気センサ１と磁石４の形状は、具体的な形状を示すものではなく、機能を模式的に示すものである。
【００５２】
図２は、本発明にかかる磁性体検知機の構成態様を示すもう一つの概略説明図である。図２では、磁石４の中心軸５が鉛直の場合に適用されるものである。磁気センサ１の検出軸２と水平軸６との立体角θＤが１５°以内にあることを示しいる。
【００５３】
次に順を追って、図１及び図２に示す構成態様が有効であることを説明する。
最初に磁気センサ１によって磁性体７を検出する原理を説明する。図３に磁界内に磁気センサ１のみが設置された状態を示す。模式的に直流磁束密度Ｂのベクトルを四角錐で表現する。磁気センサ１にはスカラ量Ｂｔ１を持つ直流磁束密度８が印加されている。検出軸２と直流磁束密度８の方向は立体角θ１の関係にある。磁気センサ１が検出するものは、検出軸２の方向の成分のみであり、このスカラ量をＢｓ１とする。Ｂｔ１とＢｓ１は次の数２で表される。
【００５４】
【数２】
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【００５５】
次に磁界内に磁性体７が入って来た状態を図４に示す。磁性体７によって、直流磁束密度８が直流磁束密度９に変化する。スカラ量がＢｔ１からＢｔ２に変化し、立体角もθ１からθ２に変化する。その結果磁気センサ１の検出軸２の方向成分のスカラ量Ｂｓ２は次の数３のように変化する。
【００５６】
【数３】
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【００５７】
従って、磁性体７によって磁気センサ１の検出軸２の方向成分のスカラ量の変化量デルタＢｓは次の数４で示すことができる。
【００５８】
【数４】
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【００５９】
磁気センサの検出出力の変化量デルタＶｏは、変換係数をαとすると、次の数５で示される。
【００６０】
【数５】
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【００６１】
デルタＶｏの値をある閾値で判定することによって、磁性体の有無を判定することができる。
【００６２】
ここで数２を見ると、同じスカラ量Ｂ１ｔを持つ直流磁束密度８を印加しても、直流磁束密度８と検出軸２の立体角θ１によって、検出軸２方向の磁束密度のスカラ量Ｂｓ１が変化する事が判る。直流磁束密度８の方向と検出軸２の方向が一致すればｃｏｓ０°＝１となり、スカラ量Ｂｔ１全てが磁気センサ１に印加される。スカラ量Ｂｔ１が磁気センサ１の入力許容範囲であるダイナミックレンジを超えた場合、飽和してしまい、検出することができなくなる。なお、直流磁束密度８の方向と検出軸２の方向が逆方向の場合もｃｏｓ１８０°＝−１となり、同様に飽和する。
【００６３】
一方、直流磁束密度８の方向と検出軸２の方向が直交すればｃｏｓ９０°＝０となり、スカラ量Ｂｔ１は磁気センサ１に印加されない。従ってスカラ量Ｂｔ１がどのような大きな値であっても、磁気センサ１は飽和しない。
【００６４】
分解能が高いセンサは、必然的にダイナミックレンジが小さい。センサを飽和させずに動作させるには、センサに入力する直流成分を小さくしなければならない。従って、小さな磁性体を検出するには、直流磁束密度８のベクトルと磁気センサ１の検出軸２のベクトルの立体角θ１を、直交または直交に近い角度に設定する必要がある。
【００６５】
磁性体検知機を設置する時に、直流磁束密度８の方向を測定器を用いて測定し、検出軸２との立体角θ１を直交するように調整すれば、上記問題は解決する。しかし、直流磁束密度８の方向は設置環境によって千差万別であり、一定方向ではない。これを調整するには測定器と、設置者の技能が求められる。設置費用を含めた総合的なコストを低減するには、特別な測定器や技能なしで設置しても、高分解能の磁気センサ１を強い直流磁束密度環境下で使用できるようにしなければならない。
【００６６】
図５にＭＲＩ診断装置が設置されている診断室１０の模式図を示す。ＭＲＩ装置の磁石４の中心軸５は水平に設置されている。診断室１０の４方向には壁１１、壁１２、壁１３、壁１４があり、上方には天井１５、下方には床１６がある。診断室の外部に漏洩する直流磁束密度Ｂを低減するために、診断室の幅及び奥行きは６〜１５ｍ程度ある。幅及び奥行きや形状は、設置環境によって異なる。
【００６７】
診察室１０の壁１１〜１４のいづれかにはドア１７が設置されている。ドア１７の高さは約２ｍ、幅は約１ｍであり、設置環境による大きな違いはない。ドア１７は壁１１〜１４のいづれかに設置されるが、どの壁に設置されるのかは不定であり、磁石４との相対的な位置は設置環境によって異なる。実際の天井１５の高さはドアの高さより一般的に高いが、本発明による磁性体検知機は、ドア１５を通過して侵入する磁性体を検知すれば問題ないので、等価的な天井の高さは約２ｍである。磁石４の中心軸５は水平に設置しており、この方向を以下ｘ軸とする。中心軸５と床１６の間隔は約１ｍであり、設置環境による大きな違いはない。なお、図３では診察室の形状を上方から見て長方形としたが、壁１１〜１４がほぼ鉛直であれば、形状を規定するものではない。
【００６８】
図６に中心軸が水平に設置されている磁石４が発生する立体的な磁束線による直流磁束密度Ｂのベクトル８を立体的に示す。ベクトル８はｘ、ｙ、ｚの座標で表現される空間によって、立体的に色々な向きとスカラ量を持っている。診断室１０外に漏洩する磁束密度のスカラ量は、設置上の勧告基準として５００μＴ以下という値が設定されている。以降、具体的な数値を例にして計算を行うが、磁石の強さや診察室の大きさなどの数値は計算例であり、これらの数値に拘束されるものではない。
【００６９】
１．５Ｔ相当の磁石をシミュレーションするために、直径１ｍ、長さ１ｍの磁石４に約４．４ＭＡ／ｍ２の電流を流し、磁界を発生させる。漏洩直流磁束密度Ｂの勧告基準である５００μＴ以下にする診察室１０の大きさは、ｘ軸方向９ｍ、ｙ軸方向７．２ｍである。以降、このような形状の診断室１０の壁にドア１７を設置した場合を想定して計算を行う。なお座標原点は、磁石４の中心とする。
【００７０】
図７にｚ＝０の平面上の直流磁束密度Ｂのベクトル８を示す。図８に図７で示した壁１１におけるｘ、ｙ、ｚ方向成分とスカラ量の直流磁束密度Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚ、及びＢｔを示す。同様に図９に壁１２における直流磁束密度Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚ、及びＢｔを示す。なお、壁１３及び壁１４の直流磁束密度は、壁１１及び壁１２の符号が反転したものであり、絶対値は同じである。
【００７１】
図８及び図９より、直流磁束密度のスカラ量Ｂｔは、２００〜５００μＴと大きな値を持っている事が判る。磁気センサ１の検出軸２を水平にして、ｘ方向またはｙ方向に設置した場合、場所によっては０μＴだが、最大５００μＴまで直流磁束密度が印加されるのが判る。従って検出軸２を水平に設置した場合、飽和せずに動作させるには、磁気センサ１のダイナミックレンジは５００μＴ以上必要になる。ダイナミックレンジの大きなセンサは、必然的に分解能が低い。従って、小さな磁性体がドアを通過しても、これを検知することができない。
【００７２】
再度図８及び図９を見ると、ｚ方向、即ち鉛直方向の直流磁束密度Ｂｚは、どの位置であっても０である。これは、磁石４の中心軸５に直交する方向には、直流磁束密度Ｂが発生しないためである。従って、ｚ＝０の平面上に磁気センサ１を配置し、検出軸２を鉛直方向に設置すれば、ドア１７の設置位置に関係なく、ダイナミックレンジの低い高分解能磁気センサを使用しても飽和することはない。ダイナミックレンジは低いが高分解能の磁気センサであれば、小さな磁性体を検出することが可能である。
【００７３】
しかし、磁気センサ１をｚ＝０の平面上に配置するには、磁石４の中心軸５を測定してその位置に合わせなければならない。実際の設置作業において、このような作業を行うには専門的な知識が必要であり、現実的ではない。色々な要因によって、ｚ＝０の平面上と磁気センサ１の距離は０にはならない事を前提にする必要がある。
【００７４】
視点を変え、ｙ＝０の平面上の直流磁束密度Ｂのベクトル５を図１０に示す。発生する直流磁束密度Ｂのベクトル８は図７と全く同じである。しかし、天井１５と床１６という構造物までの距離が異なる。
【００７５】
図１１に壁１１のｙ＝０における直流磁束密度Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚ、及びＢｔを示す。また図１２に壁１２のｘ＝０における直流磁束密度Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚ、及びＢｔを示す。図１１に示すように、中心軸５から最も離れている天井１５、即ちｚ＝１ｍと、床１６、即ちｚ＝−１ｍの位置であっても、Ｂｚの最大値は１５０μＴであり、Ｂｘ、Ｂｙの最大値の５００μＴより小さな値になっている事が判る。
【００７６】
磁気センサ１の検出軸２を鉛直軸３に設置した場合、検出軸２に印加される直流磁束密度Ｂｚの値は、検出軸２を水平方向に設置した場合より小さくなる。これは、磁石の中心軸５と天井１５及び床１６との距離が、壁１１〜壁１４の距離よりも短いためである。ｚの座標がｚ＝０より離れるに従って、直流磁束密度Ｂｚの値が大きくなるが、ＢｘやＢｙより小さい値で済む。
【００７７】
磁気センサ１の取り付け位置の最大公差を０．２５ｍとし、ｚ＝０．２５ｍの位置の壁１１及び壁１２の位置に磁気センサ１を取り付けた場合の直流磁束密度Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚ、及びＢｔを計算した結果を図１３と図１４に示す。なお、ｚ＝−０．２５ｍの位置の磁束密度は符号が変わるだけで、絶対値は同じ値である。
【００７８】
図１３及び図１４より、鉛直方向の直流磁束密度Ｂｚの最大値は５０μＴであることが判る。従って検出軸２を水平方向に設置する場合に比べ、鉛直方向に設置すれば、１／１０のダイナミックレンジの磁気センサ１を使用しても、飽和せずに検知動作を行うことができる。これは、検出軸２を水平方向に設置する場合に比べ、鉛直方向に設置すれば、１０倍の分解能を持つ磁気センサ１を使用しても飽和せずに、小さな磁性体を検知できるという意味である。
【００７９】
次に診察室内に磁性体がドアを通って侵入して来た時のｚ軸方向の磁束密度Ｂの変化量デルタＢｚを求める。図１５に磁石とドアの位置の模式図を示す。ドアの位置は不定であるが、代表例として４箇所の位置にドアを設置した場合で計算を行う。ドアＡの位置を１８、ドアＢの位置を１９、ドアＣの位置を２０、ドアＤの位置を２１とする。ｘ軸及びｙ軸に対して線対称の位置にドアを設置した場合は、変化量デルタＢｚの符号が変わるだけで、絶対値は同じである。ドア１８〜２１の中間にドアを設置した場合は、それらのドアで検出する値の範囲以内の変化量デルタＢｚの値になる。
【００８０】
磁性体の例として、一般的な工具であるドライバを模して、１０ｍｍ角、長さ１００ｍｍの鉄製の棒とする。この磁性体２２がドア１８〜２１（ドアＡ〜Ｄ）から進入した場合を計算する。磁性体２２は棒状であるので、方向を持つ。図１６にドアに対して垂直に侵入した場合の磁束密度の変化量デルタＢｚを示す。同様に図１７と図１８にドアに対して平行に侵入した場合と鉛直に侵入した場合の磁束密度の変化量デルタＢｚを示す。磁性体２２は、ドア１８〜２１の中央を通過した場合とする。磁性体２２がドアより１ｍ離れた位置から移動を開始し、ドアを通過し、診察室１０の内部０．５ｍの位置まで移動した状態を計算する。磁性体２２とドアの距離は相対位置表示とし、ドアを通過した時点の距離を０とする。
【００８１】
図１６〜１８に示すように、磁性体２２がドアを通して侵入することにより、鉛直方向の磁束密度の変化が発生する。磁気センサ１の検出軸２を鉛直軸３に一致させた場合は、スカラ量の変化量デルタＢｓ＝鉛直方向の磁束密度の変化量デルタＢｚである。スカラ量の変化量デルタＢｓの値を判定することにより、磁性体２２の通過を検知する。
【００８２】
図１６〜１８より、同じ磁性体２２を用いても、侵入するドアの位置と磁性体２２の向きによって、スカラ量の変化量デルタＢｓの値が異なることが判る。例えば図１７に示すように、磁性体２２をドアに平行にし、ドア２１（ドアＤ）を通過させた場合のスカラ量の変化量デルタＢｓの差は７５０ｎＴと大きな値である。しかし図１８に示すように、同じ磁性体２２を鉛直にし、ドア２０（ドアＣ）を通過させた場合のスカラ量の変化量デルタＢｓの差は１．５ｎＴしかない。このような微小なスカラ量の変化量デルタＢｓでは、高分解能の磁気センサ１であっても検出することはできない。
【００８３】
そこで、図１９に示すように、磁気センサをドアの片側１個だけでなく、ドア両側及び上下方向に複数個備える。磁性体７がない場合のセンサ１の位置の磁束密度のベクトルを２３で示す。２３によって印加される検出軸２方向の直流磁束密度のベクトル２４のスカラ量はＢｓ２４である。同様にセンサ２５の位置の直流磁束密度のベクトルを２７で示す。２７によって印加される検出軸２６方向の直流磁束密度のベクトル２８のスカラ量はＢｓ２８である。
【００８４】
この空間に磁性体７が侵入ると、直流磁束密度のスカラ量と方向が変化する。磁気センサ１の位置の２３が直流磁束密度のベクトル２９に変化した場合、検出軸２方向の直流磁束密度がベクトル３０に変化し、スカラ量がＢｓ２４からＢｓ３０に変化する。しかし条件によっては、Ｂｓ２４からＢｓ３０の変化量が小さい場合がある。Ｂｓ２４からＢｓ３０の変化量が分解能より小さい場合は、これを検出することができない。
【００８５】
磁気センサ１と同様に磁気センサ２５の位置でも、直流磁束密度のスカラ量と方向が変化する。磁気センサ２５の位置の２７が直流磁束密度のベクトル３１に変化した場合、検出軸２６方向の直流磁束密度がベクトル３２に変化し、スカラ量がＢｓ２８からＢｓ３２に変化する。しかし、磁気センサ２５の位置では、磁気センサ１と別な角度で磁性体７が侵入することになる。従って、Ｂｓ２８とＢｓ３２の変化量は、Ｂｓ２４からＢｓ３０の変化量と異なり、大きな値になり、これを検知することができる。
【００８６】
なお、１個の磁気センサが磁性体７を検出しなくても、他の磁気センサが検出すれば、装置全体の検出機能としては問題はない。
【００８７】
以上のように、磁気センサ１の検出軸２を鉛直軸３に一致させる事によって、ドアの位置に関係なくダイナミックレンジは低いが高分解能の磁気センサ１を用いることが可能になる。しかし、図２０に示すように、磁気センサ１を筐体３３に取り付ける時、必ず検出軸２と筐体３３の筐体軸３４が一致するとは限らない。同様に筐体３３を壁３５に取り付ける時、筐体軸３４と鉛直軸３が一致するとは限らない。色々な公差などの誤差によって、検出軸２を鉛直軸３に完全に一致させる事は、不可能である。
【００８８】
そこで、検出軸２と鉛直軸３の立体角にある程度の公差θＤを予め設けることにする。しかし、θＤが大きくなり過ぎると、磁気センサ１の検出軸２に発生する直流磁束密度Ｂｓが大きくなるため、飽和してしまって動作することができない。検出軸方向の直流磁束密度Ｂｓを直流磁束密度Ｂの３０％以下にするならば、上記数１より、磁気センサ１の検出軸２と鉛直軸３の立体角θＤは、１５°以下にすれば良い。この範囲以内であれば、飽和しにくくなる。
【００８９】
以上の説明は、磁石４の中心軸５が水平方向に設置されている場合に適用される。しかし、オープン型ＭＲＩ診断装置の中には、磁石４の中心軸５が鉛直方向に設置されている物もある。このようなＭＲＩ診断装置では、鉛直方向の直流磁束密度Ｂが大きく、水平方向の直流磁束密度Ｂが小さい。従って、磁気センサ１の検出軸２を鉛直方向に設置した場合、飽和して動作することができない。
【００９０】
磁石４の中心軸５が鉛直方向に設置されている環境では、磁気センサ１の検出軸２を、水平に設置する。同様に取り付け公差が存在するため、磁気センサ１の検出軸２と水平軸６の立体角θＤは、１５°以下にすれば良い。この範囲以内であれば、飽和しにくくなる。
【００９１】
磁石４の中心軸５の設置方向によって、磁気センサ１の検出軸２の方向が異なる。従って１台の磁性体検知機で２種類のＭＲＩ診断装置に適用させるのは不可能である。しかし、２種類のＭＲＩ診断装置を同一場所で使用することはないので、特に問題はない。
【００９２】
磁気センサ１の検出軸２の方向は１５°以下であれば問題ないが、特殊な環境条件を考慮して、角度を調整する機能を設けても問題はない。
【００９３】
次に耐ノイズ性能について検討する。磁気センサには色々な種類があるが、ここでは、磁束密度Ｂを電気量に変換するセンサを想定する。センサの出力は、入力される磁束密度Ｂに相関関係を持つ電気量であり、アナログ値である。なお磁気センサ１が検知する磁束密度Ｂは直流であっても交流であっても問題はない。
【００９４】
対象物の有無を判定する一般的な方法として、センサ出力のアナログ値をある閾値で判定する比較回路（コンパレータ）を用いる方法がある。その他にも、図２１に示すように一般的な方法として、センサ出力のアナログ値をディジタル値に変換する変換回路３７を用いて数値化し、演算比較回路３８を用いて閾値と比較し、告知機能３６を用いて告知する方法もある。告知手段としては光や音などがある。一般的な変換回路３７では、複数の入力を選択できる機能を持つものもあり、複数の磁気センサ１の出力を１個の変換回路３７で処理することも可能である。各センサの電源は電源回路３９で供給する。なお、図２１では一つの実施例として、磁気センサを４個備えた場合で説明する。無論、磁気センサの数は４個に規定されるものではない。
【００９５】
図２１に示すように、本発明のような磁性体検知機では、ドア４０の左右に複数の磁気センサ４１〜４４を備えなければならない。一方、磁性体の有無の総合的な判定は、１つの判定部４５で行わなければならない。但し、判定部４５の位置は必ずしもドア４０の上部である必要はなく、ドア４０の左右のいづれかでも良く、ドア４０と全く異なる位置でも良い。一般的なドアの大きさは高さ約２ｍ、幅約１ｍであるので、ドア４０上部中央に設置した判定部４５とセンサ４１〜４４の沿面距離は１．５ｍ以上必要である。判定部４５をドアの左右いづれかに設置した場合、一方の磁気センサとの距離は短くなるが、反対側の磁気センサとの沿面距離少なくとも３ｍ以上必要になる。どのような手段を用いても、ケーブルの総長は３ｍ以上になる。
【００９６】
磁気センサ４１〜４４のアナログ出力信号を長いケーブル４６〜４７を用いて変換回路３７に接続した場合、ケーブル４６〜４７にノイズＮＬが重畳されてしまう。磁性体の侵入による磁束密度の変化デルタＢは小さな値であるため、磁気センサ４１〜４４の検出出力の変化デルタＶｏも小さな値である。この小さな検出出力の変化デルタＶｏに外来ノイズＮＥが重畳し、ノイズＮＬが加算された場合、変換回路３７の入力信号の変化デルタＶｉがデルタＶｏによって変化したものなのか、ＮＬによって変化したものなのか判定することができなくなり、誤動作してしまう。従ってノイズＮＬを低減させないと、正しい動作を行うことができない。
【００９７】
ノイズＮＬの大きさは色々な要因によって変化するが、装置自体に関する最も大きい要因としてケーブル４６〜４７の長さがある。ケーブル４６〜４７の長さが長い場合、必然的にインダクタンスＬＬが増加し、外来ノイズＮＥとの相互インダクタンスＭＬも大きくなる。相互インダクタンスＭＬが大きくなれば、ケーブルに重畳するノイズＮＬが大きくなり、誤動作を引き起こす。これを防ぐにはケーブル４６〜４７の長さを短くする必要がある。しかし、磁気センサ４１〜４４と判定部４５の物理的な距離を短くすることは不可能である。
【００９８】
そこで、図２２に示すように、各磁気センサ４１〜４４の直近にそれぞれ変換回路４８〜５１を備える。各磁気センサ４１〜４４と変換回路４８〜５１の距離が極めて短くなるため、接続ケーブルのインダクタンスＬＡと外来ノイズＮＥとの相互インダクタンスＭＡは小さくなる。従って変換回路４８〜５１に重畳する外来ノイズＮＥによるノイズＮＡが小さくなるため、誤動作を低減することが可能になる。ケーブル４６〜４７は長いため、図２１と同様にノイズＮＬが大きく重畳されるが、ディジタル化された量であるので、伝送品質を確保すればノイズＮＬの影響を０にすることが可能である。
【００９９】
ノイズが重畳するもう一つの要因として、電源がある。図２１に示すように、１つの電源回路から、ケーブル４６〜４７を通して電源を供給する場合、ケーブルが長いため、電源線に抵抗成分Ｒを持ってしまう。負荷変動によって、消費電流が変動した場合、磁気センサ４１〜４４に供給される電源電圧ＶｃＬが抵抗成分Ｒによって変動してしまう。その結果、磁気センサ４１〜４４の電源電圧が変動するため、磁束密度に関係なく検出出力Ｖｏを変動させてしまう。
【０１００】
これを防ぐため、図２２に示すように、各磁気センサ４１〜４４の直近にそれぞれ電源回路５２〜５５を備える。負荷変動によってＶｃＬは変動するが、磁気センサ４１〜４４に供給される電源電圧ＶｃＡは変動しない。
【０１０１】
図２２に示すように、変換回路４８〜５１や電源回路５２〜５５を複数備えることにより、コストの面では不利になる。しかし、性能を確保するためには必要なものである。
【０１０２】
以上のようなノイズ対策を行ってもノイズは０にはならない。色々な要因によって必ずノイズは侵入してしまう。そのノイズの大きさは、設置環境によって大きく異なる。検出の有無を判定する閾値を固定にした場合、ノイズが小さい環境では問題がないが、ノイズが大きい環境では誤動作する場合がある。
【０１０３】
そこで、閾値を外部から容易に設定できる閾値入力装置５６を備え、設置環境に合わせた閾値を設定する。具体的な閾値入力装置５６としては、可変抵抗器等を想定する。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明にかかる磁性体検知機の一の構成態様を示す概略説明図である。
【図２】本発明にかかる磁性体検知機の他の構成態様を示す概略説明図である。
【図３】磁界内に磁気センサを設置した場合の磁束密度を示す概略説明図である。
【図４】磁界内に磁気センサと磁性体を設置した場合の磁束密度を示す概略説明図である。
【図５】ＭＲＩ診断装置が設置されている診断室を示す概略説明図である。
【図６】磁石が発生する磁束密度のベクトルを立体的に示した概略説明図である。
【図７】ｚ＝０の平面上における磁束密度のベクトルを示した概略説明図である。
【図８】１つの壁における磁束密度の大きさを示すグラフである。
【図９】１つの壁における磁束密度の大きさを示すグラフである。
【図１０】ｙ＝０の平面上における磁束密度のベクトルを示した概略説明図である。
【図１１】１つの壁における磁束密度の大きさを示すグラフである。
【図１２】１つの壁における磁束密度の大きさを示すグラフである。
【図１３】１つの壁における磁束密度の大きさを示すグラフである。
【図１４】１つの壁における磁束密度の大きさを示すグラフである。
【図１５】磁石とドアと侵入する棒状の磁性体の関係を示した概略説明図である。
【図１６】ドアに垂直方向で侵入する棒状の磁性体によって発生する磁束密度の変化を示すグラフである。
【図１７】ドアに平行方向で侵入する棒状の磁性体によって発生する磁束密度の変化を示すグラフである。
【図１８】鉛直方向で侵入する棒状の磁性体によって発生する磁束密度の変化を示すグラフである。
【図１９】磁気センサを複数備えた場合の磁束密度の概略説明図である。
【図２０】磁気センサと筐体と壁の位置関係を示す概略説明図である。
【図２１】変換回路と電源回路を１個備えた磁性体検知機のブロック図である。
【図２２】変換回路と電源回路を複数個備えた磁性体検知機のブロック図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１    磁気センサ
２    検出軸
３    鉛直軸
４    磁石
５    中心軸
６    水平軸
７    磁性体
８    直流磁束密度
９    直流磁束密度
１０    診察室
１１    壁
１２    壁
１３    壁
１４    壁
１５    天井
１６    床
１７    ドア
１８    ドアＡ
１９    ドアＢ
２０    ドアＣ
２１    ドアＤ
２２    磁性体
２３    直流磁束密度
２４    直流磁束密度
２５    磁気センサ
２６    検出軸
２７    直流磁束密度
２８    直流磁束密度
２９    直流磁束密度
３０    直流磁束密度
３１    直流磁束密度
３２    直流磁束密度
３３    筐体
３４    筐体軸
３５    壁
３６    告知機能
３７    変換回路
３８    演算比較回路
３９    電源回路
４０    ドア
４１    磁気センサ
４２    磁気センサ
４３    磁気センサ
４４    磁気センサ
４５    判定部
４６    ケーブル
４７    ケーブル
４８    変換回路
４９    変換回路
５０    変換回路
５１    変換回路
５２    電源回路
５３    電源回路
５４    電源回路
５５    電源回路
５６    閾値入力装置
【図６】
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【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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