(57)【要約】【課題】空気や光を透過可能としながら、性能の優れる磁気シールド構造を提供することを目的とし、板状磁性体からなる磁性体フレームを板状磁性体板方向に間隙をおいて複数配置する透過型磁気シールド構造において、シールド体重量やコストを低減するための最適構造を提供する。【解決手段】シールド体を構成する磁性体中の磁束密度には分布が生じるが、その分布のうちの最大値Bmを、飽和磁束密度Bsとの比において0.4 ≦ Bm/Bs ≦ 0.9とし、かつ、磁性体幅Ｗとフレーム間隔dの比を0＜ ｄ／Ｗ ≦4.5とした磁気シールド構造。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅Wの板状磁性体、あるいは、それら板状磁性体の積層体を、長さ方向の端部同士で相互接触させ、磁気回路が閉じるように磁性体フレームを形成し、これらフレームを、磁性体の厚さ方向に間隙dをおいて配置する磁気シールド構造において、磁性体フレーム内で分布した磁束密度Bの内、最も大きな値Bmを、板状磁性体の材料特性である飽和磁束密度Bsとの比において、
0.4 ≦ Bm/Bs ≦ 0.9
とし、かつ、板状磁性体幅Ｗとフレーム間隔dの比を、
0 ＜ ｄ／Ｗ≦ 4.5
としたことを特徴とする磁気シールド構造。
【請求項２】
前記板状磁性体が電磁鋼板あるいはパーマロイであることを特徴とする請求項1に記載の磁気シールド構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療分野、精密計測分野、超ＬＳＩ製造分野などにおいて、ある空間を磁気的に清浄な状態に保つことを目的とした、強磁性体を用いた磁気シールド構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
透磁率の高い磁性体を用いた磁気シールド技術は一般的な技術である。その構成は、例えば、特許文献１、特許文献２に記載されているように、板状の磁性体で対象の空間を密閉して包囲することが基本となっており、磁性体を複合化したり、板の接合部分からの漏洩をカバーなどで防止したりすることによって、シールド性能の向上を図っている。これらの構成は、磁性体の面が磁気シールドルームの壁面と平行に配置し対象空間を密閉しているため、空気や光の透過性がなかった。さらに、磁性体複合化や接合部の漏洩防止カバーなどの対策では、材料特性から期待されるまでのシールド性能がなかなか得られないという問題もあった。
【０００３】
空気や光を透過可能とした磁気シールド法として、板状磁性体を板厚方向に間隔を設けて設置するという提案が特許文献３〜７でなされている。しかし、これらはどれも、一つの面の構成を与えているだけで、ある空間を磁気シールドするための構成については何ら記述がなく、そのために優れたシールド性能を得るには不十分である。また、特許文献８では、磁性体の断面積Smと空隙の断面積Saを磁性体の比透磁率μsを用いて（Sm・μs）／Sa＞1と規定し、実質的に磁性体の間隔を規定している。厚さＥ、幅Ｆの磁性体を簾状に並べた場合を考えると、空隙の断面積Saは磁性体間隔をＧとすればＧ・Ｆとなる。従って、上記断面積の規定は（Ｅ／Ｇ）＞（1／μs）とできる。ここで磁性体の透磁率μsは材料によって異なり、更に同一材料でも磁束密度によっても異なる。仮に、μsとして特許文献８中に記載の60000を使えば（一般に磁気シールド用途で使われる磁性体は軟質磁性体であり、最大比透磁率であれば、数万の値は妥当である）、Ｅ／Ｇ＞1／60000となる。これは1ｍｍの磁性体を用いれば空隙の間隔は60ｍにできることを示しており、磁気シールド構造の最適設計指針を与えるには不十分である。
【０００４】
これに対し、発明者らは、空気や光が透過可能でありながら遮蔽性能に優れる磁気シールド法として、板状磁性体からなる磁性体フレームを板状磁性体の厚さ方向に間隔をおいて複数配置する構造を特許文献９で提案している。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３２７２６３号公報
【特許文献２】特開平７−２７３４８４号公報
【特許文献３】特開平８−２８８６８８号公報
【特許文献４】特開平９−２８７３６８号公報
【特許文献５】特開平９−２７３３６６号公報
【特許文献６】特開平１０−１６９３３６号公報
【特許文献７】特開平１０−４６９５８号公報
【特許文献８】特開２００２−１６４６８６号公報
【特許文献９】ＷＯ２００４１０８４６０３Ａ１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
先に述べたように、本発明者らは、空気や光が透過可能でありながら遮蔽性能に優れる磁気シールド法を特許文献９にて提案している。そこでは、磁性体フレームを、間隔をおいて並べることにより、磁性体フレーム間の空隙から空気や光の自由透過を確保できる。さらに、磁性体フレームを形成する磁性体同士は、面で接合することにより接合部からの磁束漏洩を減少せしめ、従来工法と同等以上のシールド性能を確保できる。本発明ではこのような透過型磁気シールド法について、シールド体重量やコストを低減するための最適シールド構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、シールド体を構成する磁性体中の磁束密度と、磁性体の幅、フレーム相互の間隔を最適に定めることを基本としている。具体的には以下の通りである。
（１）幅Wの板状磁性体、あるいは、それら板状磁性体の積層体を、長さ方向の端部同士で相互接触させ、磁気回路が閉じるように磁性体フレームを形成し、これらフレームを、磁性体の厚さ方向に間隙dをおいて配置する磁気シールド構造において、磁性体フレーム内で分布した磁束密度Bの内、最も大きな値Bmを、板状磁性体の材料特性である飽和磁束密度Bsとの比において、
0.4 ≦ Bm/Bs ≦ 0.9
とし、かつ、板状磁性体幅Ｗとフレーム間隔dの比を、
0 ＜ ｄ／Ｗ≦  4.5
としたことを特徴とする磁気シールド構造。
（２）前記板状磁性体が電磁鋼板あるいはパーマロイであることを特徴とする（1）に記載の磁気シールド構造。
【発明の効果】
【０００８】
本発明による強磁性体を用いた磁気シールド構造は、医療分野、精密計測分野、超LSI製造分野などの分野において、特定の空間を磁気的に清浄な状態に保つことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００１０】
まず本発明は、幅Wの板状磁性体、あるいは、それら板状磁性体の積層体を、長さ方向の端部同士で相互接触させ、閉じた磁気回路となるよう磁性体フレームを形成する。端部での接触は、磁性体あるいは磁性体積層体の面同士での接触が望ましい。接触部位での磁束漏洩が少なく、磁気シールド性能が良好となるからである。施工を容易にするためには、多少の性能劣化を許容するなら、突き合わせ接触でも良い。また接触部における磁性体間の距離は、磁束漏洩を防止するために3mm以内に保つことが望ましい。以上のように、閉じた磁気回路となるように対象の空間にあわせて磁性体フレームを形成する。次に、このような磁性体フレームを間隙ｄを置いて配置し磁気シールド構造とする。この間隙を空気や光が透過することができる。
【００１１】
上記磁気シールド構造の磁性体フレーム内には磁束密度Ｂに分布が生じる。このＢの分布は、空間の磁場分布や強度、磁気シールド体の形状によって決まる。本発明者らは、このＢの分布のうち、最も大きな磁束密度値Bmを制御することが磁性材料を効率よく使い、性能の優れた磁気シールド構造を得るための最良の方策であることを見出した。即ち、磁束密度の分布のうち最大値Bmを、使用している材料特性である飽和磁束密度Bsとの比において、
0.4 ≦ Bm/Bs ≦ 0.9
とすることである。この限定理由を以下に、実験事実を元に説明する。
＜実験1＞
長手方向に圧延方向を揃えた板厚0.35mm、幅33mm、長さ300mmの方向性電磁鋼板（飽和磁束密度Bs＝2.0T）を用いて積層体を作り、積層体を長さ方向端部で互いに面接合し、300mm×300mmの四角形のフレームとした。積層体をなす電磁鋼板の枚数を種々変化させることによって、フレーム内の磁束密度を変化させる事ができる。このフレームを20セット用意し、間隙15mmをおいて図１のように配置し磁気シールド体とした。このシールド体のｄ／Ｗは15mm / 33mm ≒0.45である。シールド体内部の中心に径33mm×長さ167mmの鉄心にコイルを巻いた電磁石を設置し、直流磁場を発生させた。電磁石の軸とシールド体外壁が交わる位置で、シールド体がない場合の磁場の強さが2000μT （20Ｇ）、5000μT（50Ｇ）となるよう電磁石の電流を調整した。シールド後の漏洩磁場もこの位置で測定した。この電磁石の軸と同じ高さのフレームに磁束密度検出用コイルを、図２に示すように75mmピッチで、対象性を考慮して4辺の内2辺に巻いた。直流磁束計を用いて各部の直流磁束密度を測定し、最も大きな値をBmとした。そのBmをBsで規格化したBm / Bsと漏洩磁場の関係を図３に示す。シールドなしの磁場が2000μTのときも5000μTの時も、ほぼ同じ曲線を描き、Bm / Bsの上昇に従い漏洩磁場は大きくなる。特に、この値が0.9より大きくなると漏洩磁場が急激に大きくなる。また、方向性電磁鋼板の重量を増加させBm / Bsを小さくしていった場合、0.6より小さいと漏洩磁場の大きさは一定となりシールド性能は飽和してしまう。
＜実験2＞
次に飽和磁束密度1.1Ｔの、Ｎｉ-Ｆｅ合金であるPCパーマロイを用いて実験を行った。厚さ1mm、幅33mm、長さ300mmのPCパーマロイ４枚を、長さ方向端部で互いに面接合し、300mm×300mmの四角形のフレームとした。このフレームを20セット用意し、間隙15mmをおいて図１のように配置し磁気シールド体とした。ｄ／Ｗは15mm / 33mm ≒0.45である。シールド体への磁場印加には直径900mmのヘルムホルツコイルを用いた。ヘルムホルツコイルの中心にシールド体を設置し、シールド体の二つの面が磁場方向と垂直となるように向きを決めた。ヘルムホルツコイルの発生する磁場を変化させて、シールド体中心部での磁場とパーマロイフレーム内の磁束密度を測定した。印加磁場はシールド体がない状態のコイル中心で、0〜1000μT（0〜10G）とした。フレーム内磁束密度は、シールド体高さ方向最高部と中心部に図２のコイルを巻いたフレームを設置し、各コイルの電圧から検出した。フレーム内での最大磁束密度BmをBsで規格化したBm / Bsと漏洩磁場の関係を図４に示す。方向性電磁鋼板を用いた＜実験１＞の場合と同様、Bm / Bsが0.9より大きくなると漏洩磁場が急激に大きくなる。また、印加磁場を減少しBm / Bsを小さくしていった場合、＜実験1＞より小さい0.4未満の場合に漏洩磁場の大きさは一定となりシールド性能は飽和した。
【００１２】
以上の実験より磁性体が異なっても、Bm / Bsが0.9より大きくなると急激に漏洩磁場が大きくなることが分かった。従って、本発明ではBm / Bs≦0.9とする。
【００１３】
また、方向性電磁鋼板とパーマロイではシールド性能が飽和するBm / Bsの下限値が異なった。これは、方向性電磁鋼板は圧延方向に容易軸を持ち異方性が強いが、パーマロイは等方的であることを反映していると考えられる。等方的な材料の使用を考慮して、本発明では0.4≦Bm / Bsとする。
【００１４】
Bm / Bsの制御は、フレームを構成する磁性体の重量の増減によって可能となるが、さらに、空間の磁場が大きい場所に磁性体を多く配置し、磁場が小さい場所には少なく配置するなどの工夫をすれば、シールド体全体の重量を効率的に最大のシールド性能を得る事ができる。
【００１５】
次に、本発明では磁性体幅Ｗとフレーム間隔dの比ｄ／Ｗを、0 ＜ ｄ／Ｗでありかつ、ｄ／Ｗ≦4.5とする。これは次のような実験事実に基づいている。
＜実験3＞
長手方向に圧延方向を揃えた、厚さ0.35mm、幅25mm、50mm、100mm、長さ900mmの方向性電磁鋼板を用いて、900mm×900mmの四角形のフレームからなり、種々のｄ／Ｗ値を持つ高さ900mmのシールド体を作製した。その構成の詳細は表１の通りである。シールド体への磁場印加には、コイル間隔1mで一辺が2.1mの方形ヘルムホルツコイルを用いた。シールド体の二つの面が磁場方向と垂直となるように向きを決め、ヘルムホルツコイルの中心にシールド体を設置した。印加磁場はシールド体がない状態のコイル中心での値を120μT（1.2G）として、シールド体中心位置で漏洩磁場を測定した。測定装置の構成を図５に示す。図６にシールド係数SE（=シールド前磁場／シールド後磁場、大きいほどシールド性能が良好）のｄ／Ｗによる変化を示す。板幅が変化しても、シールド係数SEはｄ／Ｗで整理することができる。ｄ／Ｗ≦4.5の範囲でSEは急激に大きくなりシールド性能は向上する。同時に磁束密度を測定したが、すべての場合において、Bm/Bsは0.5〜0.7の範囲であった。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
＜実験4＞
厚さ1.0mm、幅50mm、100mm、長さ900mmのＰＣパーマロイを用いて、900mm×900mmの四角形のフレームからなる高さ900mmのシールド体を作製した。その構成の詳細は表２の通りである。ｄ／Ｗを変化させた。漏洩磁場の測定方法、条件は＜実験3＞と同じである。図７にシールド係数SEのｄ／Ｗによる変化を示す。全体的に、方向性電磁鋼板を用いた＜実験3＞よりもシールド性能が良好である。また、ｄ／Ｗ≦4.5の範囲でSEが急激に大きくなることは、＜実験3＞と同様の挙動である。Bm/Bsは0.7〜0.8の範囲であった。
【００１８】
【表２】
2007208071.tif 000004
【００１９】
＜実験5＞
長手方向に圧延方向を揃えた、厚さ0.35mm、幅25mmおよび50mm、長さ900mmの方向性電磁鋼板を用いて、900mm×900mmの四角形のフレームからなる高さ900mmのシールド体を作製した。その構成の詳細は表３の通りである。磁気シールド体の内部中心に、径100mm×長さ500mmの鉄心にコイルを巻いた電磁石を設置し磁場を発生させる。ここで調べたのは、壁近傍の漏洩磁場であり、電磁石軸に垂直なシールド体外壁面上を、電磁石軸を高さの基準として上下方向に漏洩磁場の分布を調べた。測定点の壁からの距離は約18mmである。発生させる磁場の強さは、シールド体外壁が電磁石の軸と交わる位置において、シールド体がない状態で2000μT （20Ｇ）となるように調整した。測定装置の構成を図８に示す。図９は、各種ｄ／Ｗにおける高さ方向磁場分布である。ｄ／Ｗが4.5では、シールドがない場合に比べて、磁場は減衰している。ｄ／Ｗを3.0にすると、全体的に漏洩磁場は小さく抑えられている。ｄ／Ｗを1.0以下にすると、磁場の振動はほとんど見られず、漏洩も非常に小さい。
【００２０】
さらに、上記＜実験3＞、＜実験4＞より、ｄ／Ｗ≦4.5の範囲で良好なシールド性能が得られるので、ｄ／Ｗ≦4.5とする。また、ｄ／Ｗは0になる事はないので、0＜ｄ／Ｗ≦4.5とする。好ましくは、ｄ／Ｗ≦3.0、さらに好ましくは、ｄ／Ｗ≦1.0、である。その理由は、図６、図７よりｄ／Ｗ≦3.0でシールド係数が急激に改善されており、材料がパーマロイの場合の例である表２に示すとおり、No.33、34の比較例のシールド係数が11程度であるのに対して、本発明のｄ／Ｗ≦3.0になるとシールド係数は、No.28のように１７以上と5割も急激によくなる。さらに、ｄ／Ｗ≦1.0になるとシールド係数は、No.26のように29以上と3倍ほど格段に改善される。
【００２１】
また、図９から分かるように、シールド体近傍からの漏洩も、ｄ／Ｗ≦3.0、さらに好ましくはｄ／Ｗ≦1.0とすることによって著しく抑制される。
【００２２】
【表３】
2007208071.tif 000005
【００２３】
本発明に用いることができる磁性体は所謂、軟質磁性体であり、方向性電磁鋼板、無方向性電磁鋼板、Ni、Feを主成分とするPBパーマロイ、PCパーマロイなどであるが、その他、純鉄系材料、アモルファス、微結晶軟質磁性材料なども用いることができる。対象の磁場の強さ、要求シールド性能、設置環境、コストなどによって、材料を使い分ける。
【実施例】
【００２４】
＜実施例１＞
図10に示すようなMRIの磁気シールドルームを模したモデルを作製した。モデルルーム内側のサイズは幅2.8m×長さ3.5m×高さ1.7mであり、ルーム内には電磁石を設置した。電磁石の励磁は、Ａ面、Ｂ面の壁内側に1mT、C面に0.5mT、ガントリー面に相当する壁D面の内側に5mTの磁場が印加される条件で行った。シールドモデルルームの基本構成は以下の通りである。50mm幅の方向性電磁鋼板で、内寸2.8m×3.5mの磁性体フレームを構成し、垂直方向に150mmピッチで10段重ねた。磁性体フレームを構成する電磁鋼板はA、B、D面では4枚積層、C面では2枚積層とした。天井と床ではそれぞれ、方向性電磁鋼板12枚をＤ面と垂直方向に圧延方向を一致させ全面に貼った。
【００２５】
本実施例ではd／Wは3.0である。電磁石で上記磁場を印加した際のフレーム内の最大磁束密度Bmは1.5Tであり、Bsは2.0Tであるから、Bm／Bsは0.75であり、本発明の要件を満たしていることが分かる。
【００２６】
床面からの高さ1mで部屋の外壁から0.5m離れた点を、シールドルーム外壁に沿って磁場を測定した。最も大きな磁場が観測されたのはＤ面で、磁場の値は0.3mTであった。その他の面では0.1mT以下の磁場であった。ＭＲＩのルーム外への漏洩磁場を0.5mT以下とする規制を達成できた。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実験1および実験2で用いたシールド体の構造を示す図。
【図２】磁気シールドフレームに巻いた磁束密度ピックアップコイルの様子を示す図。
【図３】実験1における、Bm/Bsと漏洩磁場の関係を示す図。
【図４】実験2における、Bm/Bsと漏洩磁場の関係を示す図。
【図５】実験3、４における測定装置の構成を示す図。
【図６】実験3における、ｄ／Ｗとシールド係数SEの関係を示す図。
【図７】実験4における、ｄ／Ｗとシールド係数SEの関係を示す図。
【図８】実験5における測定装置の構成を示す図。
【図９】実験5における、シールド体から漏洩する磁場の高さ方向の変化を示す図。
【図１０】実施例で用いたＭＲＩ磁気シールドモデルルームの平面図。
【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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