(57)【要約】      （修正有）【課題】磁気微粒子等が誘発する微小な磁界を、外部からの励磁された磁界や地磁気の影響を抑えて高感度に検出することができるグラディオメータを提供する。【解決手段】第１の磁気コア１０及び当該第１の磁気コア１０に巻回される第１の検出コイル１１からなる第１のセンサヘッド１２と、第２の磁気コア２０及び当該第２の磁気コア２０に巻回され、前記第１の検出コイル１１と逆直列に接続される第２の検出コイル２１からなる第２のセンサヘッド２２と、検出対象である磁気微粒子集合体に対して励磁磁界を印加する励磁コイルと、前記第１のセンサヘッド１２又は前記第２のセンサヘッド２２の少なくとも一方と前記励磁コイルとの相対位置を変化させて、前記第１のセンサヘッドに影響する鎖交磁束又は前記励磁磁界が前記第２のセンサヘッドに影響する鎖交磁束の一方を他方に比べて増加又は減少させる磁束調整手段とを備える【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁気コア及び当該第１の磁気コアに巻回される第１の検出コイルからなる第１の検出手段と、
第２の磁気コア及び当該第２の磁気コアに巻回され、前記第１の検出コイルと逆直列に接続される第２の検出コイルからなる第２の検出手段と、
検出対象に対して励磁磁界を印加する励磁手段と、
前記第１の検出手段又は前記第２の検出手段の少なくとも一方と前記励磁手段との相対位置を変化させて、前記励磁磁界が前記第１の検出手段に影響する鎖交磁束又は前記励磁磁界が前記第２の検出手段に影響する鎖交磁束の一方を他方に比べて増加又は減少させる磁束調整手段とを備え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、
前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段が、前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルの同軸上に配設され、前記励磁手段が、前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段ごとにそれぞれ同じ磁束を誘磁する二つの励磁コイルからなり、
前記磁束調整手段が、前記第１の検出手段又は前記第２の検出手段の少なくとも一方と前記励磁コイルとの軸方向に対する相対位置を変化させて、当該第１の検出手段に影響する鎖交磁束又は当該第２の検出手段に影響する鎖交磁束の一方を他方に比べて増加又は減少させることを特徴とする磁界センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の磁界センサにおいて、
前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段が、前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルの軸が同一ではない平行となるように配設され、前記励磁手段が、前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルのそれぞれの軸を内部に含む単一の励磁コイルからなり、当該励磁コイルの軸と、前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルのそれぞれの軸とが同一ではなく、
前記磁束調整手段が、前記第１の検出手段と前記励磁コイルとの位置関係及び前記２の検出手段と前記励磁コイルとの位置関係を非対称に変化させて、前記第１の検出手段に影響する鎖交磁束又は前記第２の検出手段に影響する鎖交磁束の一方を他方に比べて増加又は減少させることを特徴とする磁界センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の磁界センサにおいて、
前記磁束調整手段が、前記励磁コイルを回動可能に配設し、当該励磁コイルが前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段に対して偏心して配設され、前記励磁コイルの一部が他の部分と比較して変形していることを特徴とする磁界センサ。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の磁界センサにおいて、
前記磁束調整手段が、前記励磁コイルを回動可能に配設し、当該励磁コイルが前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段に対して偏心して配設され、前記励磁コイルのコイル面と前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルの軸とが非垂直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のいずれに記載の磁界センサにおいて、
前記第１の磁気コアに巻回される第３の検出コイルと、
前記第２の磁気コアに巻回され、前記第３の検出コイルと順直列に接続される第４の検出コイルとを有し、
前記第１の磁気コア及び前記第３の検出コイルからなる第３の検出手段、及び、前記第２の磁気コア及び前記第４の検出コイルからなる第４の検出手段をそれぞれセンサヘッドとするマグネトメータを備え、
前記マグネトメータが負帰還回路を有し、当該負帰還回路が当該マグネトメータのそれぞれのセンサヘッドに入力される一様磁界成分を打ち消すことを特徴とする磁界センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の磁界センサにおいて、
前記第１の磁気コアに巻回される第１の検出コイルと第３の検出コイルとの巻線密度が、当該第１の磁気コアの先端部において第３の検出コイルの方が大きくなっており、当該巻線密度の大きさの差が、前記第１の磁気コアの先端部から中心部に向かって順次小さくなっており、
前記第２の磁気コアに巻回される第２の検出コイルと第４の検出コイルとの巻線密度が、当該第２の磁気コアの先端部において第４の検出コイルの方が大きくなっており、当該巻線密度の大きさの差が、前記第２の磁気コアの先端部から中心部に向かって順次小さくなっていることを特徴とする磁界センサ。
【請求項８】
請求項２に記載の磁界センサにおいて、
前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルの外側であって、前記励磁コイルの内側に、当該励磁コイルで励磁される前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段への励磁磁界をキャンセルする方向の磁界を発生するキャンセルコイルを備え、
前記励磁コイルのコイル径が前記キャンセルコイルのコイル径より十分に大きく、
前記磁束調整手段が、前記励磁コイルと前記キャンセルコイルとの軸方向の相対位置を変化させて、前記励磁磁界をキャンセル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、微弱な磁界をグラディオメータで検出する磁界センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、医療において磁気微粒子を簡易的且つ高感度に検出するセンサの開発が強く望まれている。乳癌では乳房周囲のリンパ節（主として腋窩リンパ節）への転移がしばしば起こる。センチネルリンパ節は、癌細胞がリンパ管を通って最初に到達する腋の下のリンパ節であり、生検によってセンチネルリンパ節に癌が転移していないことがわかれば、センチネルリンパ節を含めてそれ以外のリンパ節には癌の転移がないことを意味し、切除をする必要がなくなる。
【０００３】
センチネルリンパ節を特定するのに、現状ではラジオアイソトープ法と色素法とが併用されている。前者は非常に大掛かりな設備が必要となる。これに代わる技術として、乳癌の近くにＭＲＩの造影剤として用いられる磁気微粒子を追跡剤として用い、簡便にセンチネルリンパ節を特定する研究が進められている。そのための基本となるのが、リンパ節に蓄積される磁気微粒子を検出するセンサである。
【０００４】
磁気微粒子を磁気プローブで検出する技術として、非特許文献１及び特許文献１に示す技術が開示されている。非特許文献１に示す技術は、磁気微粒子を永久磁石で着磁し、磁気微粒子からの微弱な磁界をホールセンサで検出するものである。
【０００５】
特許文献１に示す技術は、外径の異なる２つのコイルの間の相互インダクタンス変化を利用するもので、磁気プローブ（１０９）と、磁気プローブに電流を供給するための、磁気プローブ（１００）と電気的に連絡している電力モジュール（１０４）と、磁気プローブからの信号を受信するための、磁気プローブと電気的に連絡している感知モジュール（１０８）と、電力モジュールおよび感知モジュールと電気的に連絡している処理モジュール（コンピュータ）を含み、処理モジュール（コンピュータ）は、電力モジュールからの電流の供給を制御する波形を生成し、かつ磁性材料の存在を示す感知モジュールからの信号を受信し、磁気プローブは、１０−６／℃以下の熱膨張係数と、実質的に５０ＧＰａ以上のヤング係数とを有する材料から構成されているものである。
【０００６】
また、勾配磁界を高感度に検出する技術として、発明者により特許文献２に示す技術が開示されている。特許文献３に示す技術は、磁界センサ１００は、グラディオメータ１０のセンサヘッドが、交流電流が供給される第１の磁気コア１と、第１の磁気コア１と別体であり、交流電流が供給される第２の磁気コア２と、第１の磁気コア１に巻回される第１の検出コイル３と、第２の磁気コア２に巻回され、第１の検出コイル３の一端３ａに逆直列に接続される第２の検出コイル４と、を備え、マグネトメータ２０のセンサヘッドが、第１の磁気コア１と、第２の磁気コア２と、第１の磁気コア１に巻回される第３の検出コイル５と、第２の磁気コア２に巻回され、第３の検出コイル５の一端に順直列に接続される第４の検出コイル６と、を備えるものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】大橋開智、他，“乳癌でのセンチネルリンパ節探索に用いる永久磁石型磁気プローブの開発と先端径縮小の検討”，マグネティックス研究会，電気学会研究会資料，２０１６年３月８日，ｐ１７−２１
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第５６９９１５９号
【特許文献２】特開２０１５−１９７４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１に示す技術は、感度が低いホールセンサを用いているため強力な永久磁石が必要になってしまうと共に、文献内にも記載されているように、患者の体表に検出器を接触させるために温度が上昇し、センサのドリフトが問題となってしまう。また、皮下１０ｍｍ程度の深度までしか検出することができず、検出装置として不十分なものとなってしまうという課題を有する。
【００１０】
また、特許文献１に示す技術は、外径が異なる２つのコイル間の相互インダクタンスを利用するもので、検出感度が低く、十分な信号を得るためには増幅率が高い検出回路が必要になる。熱膨張によるコイル間の相対位置が変化すると相互インダクタンスが変化し後段の増幅器を飽和させる恐れがあるため、熱膨張率が極めて小さい部材を必要とするという課題を有する。また、患部に押し当てて使用する場合にわずかでもコイル形状やコイル間相対位置が変化しないよう熱膨張率が極めて小さいだけでなく硬度も高い構成材が必要になるなど、実現性に課題を有する。
【００１１】
特許文献２に示す技術は、勾配磁界を高感度に検出することができるものの、極めて透磁率の小さな磁気微粒子集合体を検出するには、地磁気の一倍〜数十倍の大きさを持つ交流磁界で磁気微粒子集合体を磁化することが望ましい。また、一対のセンサヘッドの感度の平衡性は同一設計によって製作された部品を用いて作っても９８％程度（一対のセンサヘッドに一様磁界を加えた場合その１／５０程度がキャンセルされずに出力される）であり、高感度に検出するためにはこれをさらに高める必要がある。
【００１２】
本発明は、交流磁界を発生させる励磁コイルとグラディオメータに使用される一対のセンサヘッドの相対位置を容易に調整することでグラディオメータの一対のセンサヘッドの応答を平衡化する磁界センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る磁界センサは、第１の磁気コア及び当該第１の磁気コアに巻回される第１の検出コイルからなる第１の検出手段と、第２の磁気コア及び当該第２の磁気コアに巻回され、前記第１の検出コイルと逆直列に接続される第２の検出コイルからなる第２の検出手段と、検出対象に対して励磁磁界を印加する励磁手段と、前記第１の検出手段又は前記第２の検出手段の少なくとも一方と前記励磁手段との相対位置を変化させて、前記励磁磁界が前記第１の検出手段に影響する鎖交磁束又は前記励磁磁界が前記第２の検出手段に影響する鎖交磁束の一方を他方に比べて増加又は減少させる磁束調整手段とを備えるものである。
【００１４】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、第１の磁気コア及び当該第１の磁気コアに巻回される第１の検出コイルからなる第１の検出手段と、第２の磁気コア及び当該第２の磁気コアに巻回され、前記第１の検出コイルと逆直列に接続される第２の検出コイルからなる第２の検出手段と、検出対象に対して励磁磁界を印加する励磁手段と、前記第１の検出手段又は前記第２の検出手段の少なくとも一方と前記励磁手段との相対位置を変化させて、前記励磁磁界が前記第１の検出手段に影響する鎖交磁束又は前記励磁磁界が前記第２の検出手段に影響する鎖交磁束の一方を他方に比べて増加又は減少させる磁束調整手段とを備えるため、グラディオメータのセンサヘッドとして機能する第１の検出手段と第２の検出手段との感度の非平衡性（センサヘッドの構造及び交流励磁条件が同じであっても製造誤差等により感度には個体差が生じる）を解消し、極めて高感度な磁界センサを実現することができるという効果を奏する。
【００１５】
本発明に係る磁界センサは、前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段が、前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルの同軸上に配設され、前記励磁手段が、前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段ごとにそれぞれ同じ磁束を誘磁する二つの励磁コイルからなり、前記磁束調整手段が、前記第１の検出手段又は前記第２の検出手段の少なくとも一方と前記励磁コイルとの軸方向に対する相対位置を変化させて、当該第１の検出手段に影響する鎖交磁束又は当該第２の検出手段に影響する鎖交磁束の一方を他方に比べて増加又は減少させるものである。
【００１６】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、第１の検出手段及び第２の検出手段が、第１の検出コイル及び第２の検出コイルの同軸上に配設され、励磁手段が、前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段ごとにそれぞれ同じ磁束を誘磁する二つの励磁コイルからなり、磁束調整手段が、前記第１の検出手段又は前記第２の検出手段の少なくとも一方と前記励磁コイルとの軸方向に対する相対位置を変化させて、当該第１の検出手段に影響する鎖交磁束又は当該第２の検出手段に影響する鎖交磁束の一方を他方に比べて増加又は減少させるため、第１の検出手段と第２の検出手段との間に感度のずれがある場合に、一方又は双方の検出手段と励磁手段との相対位置を変化させて調整することで、第１の検出手段と第２の検出手段との検出感度を容易に平衡化することができるという効果を奏する。
【００１７】
また、第１の検出手段及び第２の検出手段を、第１の検出コイル及び第２の検出コイルの同軸上に配設することで、センサの先端部分を細長い構造にすることができ、特に医療行為において患部を特定するのに使い勝手が良くなるという効果を奏する。
【００１８】
本発明に係る磁界センサは、前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段が、前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルの軸が同一ではない平行となるように配設され、前記励磁手段が、前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルのそれぞれの軸を内部に含む単一の励磁コイルからなり、当該励磁コイルの軸と、前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルのそれぞれの軸とが同一ではなく、前記磁束調整手段が、前記第１の検出手段と前記励磁コイルとの位置関係及び前記２の検出手段と前記励磁コイルとの位置関係を非対称に変化させて、前記第１の検出手段に影響する鎖交磁束又は前記第２の検出手段に影響する鎖交磁束の一方を他方に比べて増加又は減少させるものである。
【００１９】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、第１の検出手段及び第２の検出手段が、第１の検出コイル及び第２の検出コイルの軸が同一ではない平行となるように配設され、励磁手段が、前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルのそれぞれの軸を内部に含む単一の励磁コイルからなり、当該励磁コイルの軸と、前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルのそれぞれの軸とが同一ではなく、磁束調整手段が、前記第１の検出手段と前記励磁コイルとの位置関係及び前記２の検出手段と前記励磁コイルとの位置関係を非対称に変化させて、前記第１の検出手段に影響する鎖交磁束又は前記第２の検出手段に影響する鎖交磁束の一方を他方に比べて増加又は減少させるため、第１の検出手段と第２の検出手段との間に感度のずれがある場合に、それぞれの検出手段と励磁コイルとの位置関係を変化させることで、第１の検出手段と第２の検出手段との検出感度を容易に平衡化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、前記磁束調整手段が、前記励磁コイルを回動可能に配設し、当該励磁コイルが前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段に対して偏心して配設され、前記励磁コイルの一部が他の部分と比較して変形しているものである。
【００２１】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、磁束調整手段が、励磁コイルを回動可能に配設し、当該励磁コイルが第１の検出手段及び第２の検出手段に対して偏心して配設され、前記励磁コイルの一部が他の部分と比較して変形しているため、励磁コイルを回動させるだけで、励磁コイルとそれぞれの検出手段との距離が変動し、位置関係を非対称にして、各検出手段が本質的に有している感度の差をこの位置関係の非対称性により解消することが可能になるという効果を奏する。
【００２２】
本発明に係る磁界センサは、前記磁束調整手段が、前記励磁コイルを回動可能に配設し、当該励磁コイルが前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段に対して偏心して配設され、前記励磁コイルのコイル面と前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルの軸とが非垂直であるものである。
【００２３】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、磁束調整手段が、励磁コイルを回動可能に配設し、当該励磁コイルが第１の検出手段及び第２の検出手段に対して偏心して配設され、前記励磁コイルのコイル面と第１の検出コイル及び第２の検出コイルの軸とが非垂直であるため、励磁コイルを回動させるだけで、励磁コイルとそれぞれの検出手段との位置関係が変動し、各検出手段が本質的に有している感度の差をこの位置関係の変化により解消することが可能になるという効果を奏する。
【００２４】
本発明に係る磁界センサは、前記第１の磁気コアに巻回される第３の検出コイルと、前記第２の磁気コアに巻回され、前記第３の検出コイルと順直列に接続される第４の検出コイルとを有し、前記第１の磁気コア及び前記第３の検出コイルからなる第３の検出手段、及び、前記第２の磁気コア及び前記第４の検出コイルからなる第４の検出手段をそれぞれセンサヘッドとするマグネトメータを備え、前記マグネトメータが負帰還回路を有し、当該負帰還回路が当該マグネトメータのそれぞれのセンサヘッドに入力される一様磁界成分を打ち消すものである。
【００２５】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、第１の磁気コアに巻回される第３の検出コイルと、第２の磁気コアに巻回され、前記第３の検出コイルと順直列に接続される第４の検出コイルとを有し、前記第１の磁気コア及び前記第３の検出コイルからなる第３の検出手段、及び、前記第２の磁気コア及び前記第４の検出コイルからなる第４の検出手段をそれぞれセンサヘッドとするマグネトメータを備え、前記マグネトメータが負帰還回路を有し、当該負帰還回路が当該マグネトメータのそれぞれのセンサヘッドに入力される一様磁界成分（入力される磁界の平均値）を打ち消すため、励磁手段で励磁された励磁磁界により第１の磁気コア及び第２の磁気コアが飽和してしまうことを防止することができ、磁気微粒子等が誘発する微小な磁界を外部からの励磁された磁界や地磁気の影響を抑えて高感度に検出することができるという効果を奏する。
【００２６】
本発明に係る磁界センサは、前記第１の磁気コアに巻回される第１の検出コイルと第３の検出コイルとの巻線密度が、当該第１の磁気コアの先端部において第３の検出コイルの方が大きくなっており、当該巻線密度の大きさの差が、前記第１の磁気コアの先端部から中心部に向かって順次小さくなっており、前記第２の磁気コアに巻回される第２の検出コイルと第４の検出コイルとの巻線密度が、当該第２の磁気コアの先端部において第４の検出コイルの方が大きくなっており、当該巻線密度の大きさの差が、前記第２の磁気コアの先端部から中心部に向かって順次小さくなっているものである。
【００２７】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、前記第１の磁気コアに巻回される第１の検出コイルと第３の検出コイルとの巻線密度が、当該第１の磁気コアの先端部において第３の検出コイルの方が大きくなっており、当該巻線密度の大きさの差が、前記第１の磁気コアの先端部から中心部に向かって順次小さくなっており、前記第２の磁気コアに巻回される第２の検出コイルと第４の検出コイルとの巻線密度が、当該第２の磁気コアの先端部において第４の検出コイルの方が大きくなっており、当該巻線密度の大きさの差が、前記第２の磁気コアの先端部から中心部に向かって順次小さくなっているため、先端部における磁束密度のピークをできるだけ抑えて、グラディオメータのセンサヘッドが磁気飽和するのを防止することができるという効果を奏する。
【００２８】
本発明に係る磁界センサは、前記第１の検出コイル及び前記第２の検出コイルの外側であって、前記励磁コイルの内側に、当該励磁コイルで励磁される前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段への励磁磁界をキャンセルする方向の磁界を発生するキャンセルコイルを備え、前記励磁コイルのコイル径が前記キャンセルコイルのコイル径より十分に大きく、前記磁束調整手段が、前記励磁コイルと前記キャンセルコイルとの軸方向の相対位置を変化させて、前記励磁磁界をキャンセルするものである。
【００２９】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、第１の検出コイル及び第２の検出コイルの外側であって、励磁コイルの内側に、当該励磁コイルで励磁される第１の検出手段及び第２の検出手段への励磁磁界をキャンセルする方向の磁界を発生するキャンセルコイルを備え、前記励磁コイルのコイル径が前記キャンセルコイルのコイル径より十分に大きく、磁束調整手段が、前記励磁コイルと前記キャンセルコイルとの軸方向の相対位置を変化させて、前記励磁磁界をキャンセルするため、第１の検出手段と第２の検出手段とが同軸上に配設された場合であっても、励磁コイルで励磁される励磁磁界が各検出手段に悪影響を及ぼす（各検出手段の磁気コアを飽和する）ことを防止すると共に、各センサヘッドの感度を容易に平衡化して調整することが可能となり、極めて高性能な磁界センサを実現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】
【００３０】
【図１】第１の実施形態に係る磁界センサの構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る磁界センサにおいてグラディオメータのセンサヘッドと励磁コイルとの配置構成を示す第１の図である。
【図３】第１の実施形態に係る磁界センサにおいてグラディオメータのセンサヘッドと励磁コイルとの配置構成を示す第２の図である。
【図４】第１の実施形態に係る磁界センサにおいて各センサヘッドと励磁コイルとの位置関係を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る磁界センサにおいて各センサヘッドと励磁コイルとの位置関係から出力に差が出る理由を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る磁界センサにおいて励磁コイルの回転角に対する非平衡成分に対する調整量を示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る磁界センサにおいて第３の励磁コイルを回動した場合の当該第３の励磁コイルと各センサヘッドとの相対位置の変化を示す図である。
【図８】第１の実施形態に係る磁界センサにおいてグラディオメータのセンサヘッドと励磁コイルとの配置構成を示す第３の図である。
【図９】第２の実施形態に係る磁界センサの構成を示すブロック図である。
【図１０】第３の実施形態に係る磁界センサにおいて第１のセンサヘッド及び第３のセンサヘッドの先端部分の構成を示す図である。
【図１１】第３の実施形態に係る磁界センサにおいてグラディオメータの検出コイルの割合とマグネトメータの検出コイルの割合とを徐々に変化させた場合の磁束密度の分布を示す第１の図である。
【図１２】第３の実施形態に係る磁界センサにおいてグラディオメータの検出コイルの割合とマグネトメータの検出コイルの割合とを徐々に変化させた場合の磁束密度の分布を示す第２の図である。
【図１３】第３の実施形態に係る磁界センサにおいてグラディオメータの検出コイルの割合とマグネトメータの検出コイルの割合とを徐々に変化させた場合の磁束密度の分布を示す第３の図である。
【図１４】第３の実施形態に係る磁界センサにおいてグラディオメータの検出コイルの割合とマグネトメータの検出コイルの割合とを徐々に変化させた場合の磁束密度の分布を示す第４の図である。
【図１５】第４の実施形態に係る磁界センサにおけるセンサヘッドの断面のイメージ図である。
【図１６】図１５の構成におけるセンサヘッドで励磁コイルをスライドした場合の磁束密度の変化を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
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。
【００３２】
（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８を用いて説明する。本実施形態に係る磁界センサはグラディオメータからなる。グラディオメータは、近接する２点の磁界の差を計測することができる磁界センサの一種であり、勾配磁界センサともいう。本実施形態に係る磁界センサおいては、十分な平衡化がなされたグラディオメータに対して地磁気の数十倍の交流磁界を磁気微粒子集合体を励磁する磁界として用いることが可能となる。そして、励磁された交流磁界の周波数は環境磁界に含まれる周波数とは異なるようにし、グラディオメータからの出力電圧を励磁された交流磁界に同期して検波することで高い分解能で磁気微粒子集合体を検出できるようになるものである。
【００３３】
図１は、本実施形態に係る磁界センサの構成を示すブロック図である。図１において、磁界センサ１におけるグラディオメータのセンサヘッドは、交流電流が供給される第１の磁気コア１０及び当該第１の磁気コア１０に巻回される第１の検出コイル１１からなる第１のセンサヘッド１２と、第１の磁気コア１０と別体であり、交流電流が供給される第２の磁気コア２０及び当該第２の磁気コア２０に巻回され、第１の検出コイル１１の一端１１ａに逆直列に接続される第２の検出コイル２１からなる第２のセンサヘッド２２とを有する。第２の検出コイル２１は、一端２１ａが第１の検出コイル１１の一端１１ａに接続され、他端２１ｂがグランドに接続（接地）される。
【００３４】
また、磁界センサ１は、第１の検出コイル１１の他端１１ｂに接続される負帰還構成のセンサ回路６０を備える。なお、本実施形態においては、センサ回路６０と第１のセンサヘッド１２（第１の検出コイル１１の他端１１ｂ）との接続にシールド線を用いている。センサ回路６０は、第１の検出コイル１１の他端１１ｂにコンデンサを介して接続され、第１の検出コイル１１の他端１１ｂからの入力信号に対して同期整流を行う同期検波回路６１と、同期検波回路６１により整流された電流の中に含まれている脈流を平滑化する平滑回路６２と、反転入力端子が平滑回路６２の後段に接続され、出力端子が帰還抵抗Ｒｆを介して第１の検出コイル１１の他端１１ｂに接続される誤差増幅器６３とを備える。
【００３５】
センサ回路６０においては、第１の検出コイル１１及び第２の検出コイル２１からの出力が、同期検波回路６１及び平滑回路６２を通して、誤差増幅器６３に送られる。その後、センサ回路６０においては、誤差増幅器６３への入力が０になるように、負帰還電流ｉｆが帰還抵抗Ｒｆを通して第１の検出コイル１１及び第２の検出コイル２１に流れる。このとき、帰還抵抗Ｒｆに現れる電圧降下がグラディオメータのセンサ出力に相当する。
【００３６】
本実施形態に係る磁界センサにおいては、図１の磁界センサの構成において、例えば、測定対象として第１のセンサヘッド１２の先端部分に存在する磁気微粒子を磁化する励磁コイル３０（例えば、１０〜２００Ｈｚ程度の交流磁界を発生するコイル）を備えており、この励磁コイル３０により強力な磁界を発生することで測定対象の磁気微粒子を磁化し、図１のグラディオメータにて検出する。グラディオメータの出力は励磁磁界に反応した磁気微粒子集合体からの交流磁界応答を含むが、これを励磁コイル３０の励磁磁界の周波数に同期して検波することで信号を得る。このとき、第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２との間で感度に非平衡性があると、磁気微粒子集合体の有無にかかわらず励磁磁界の周波数成分が出力され同期検波によって大きな直流電圧になり、出力電圧を増幅して信号を検出するのが困難になる。したがって、以下に示すような手法を用いることで、第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２との感度を簡単な操作で、且つ、高精度に平衡化する。
【００３７】
図２は、グラディオメータのセンサヘッドと励磁コイルとの配置構成を示す第１の断面図である。図２において、第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２とが同軸上（第１の検出コイル１１の軸と第２の検出コイル２１の軸とが同軸になるよう）に配設されており、それぞれのセンサヘッドが同軸上で正確に配置されるように単一のカバー体４０に格納されている。第１のセンサヘッド１２及び第２のセンサヘッド２２には、それぞれ同一の交流励磁条件で交流磁界を励磁する励磁コイル（第１のセンサヘッド１２に対応する励磁コイルを第１の励磁コイル１３とし、第２のセンサヘッド２２に対応する励磁コイルを第２の励磁コイル２３とする）を有する。
【００３８】
第１のセンサヘッド１２の先端を前方方向とした場合に、前方にある測定対象となる磁気微粒子を第１の励磁コイル１３で磁化する。このとき、第１の励磁コイル１３と全く同じ条件で同一構造を有している第２の励磁コイル２３でも交流磁界を励磁する。第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２との感度が平衡であれば、第１の励磁コイル１３及び第２の励磁コイル２３で励磁される磁界や地磁気等の一様な外部磁界は完全に除去されて測定対象である磁気微粒子による勾配磁界のみを高感度に検出することができる。しかしながら、実際には第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２とは、製造誤差などの個体差があり、若干であるが感度が異なっている場合が多い。
【００３９】
この感度の差異をなくすために、図２においては、第１の励磁コイル１３又は第２の励磁コイル２３の少なくとも一方が軸方向に沿って移動可能に配設されている。具体的には、例えば、第１の励磁コイル１３や第２の励磁コイル２３が巻回されている基体４１の内壁面とカバー体４０の外壁面とにそれぞれが嵌合するネジ山が形成されており、基体４１を回動させることで、第１の励磁コイル１３や第２の励磁コイル２３を軸方向に沿って移動させることができる。このとき、第１のセンサヘッド１２及び第２のセンサヘッド２２の位置は固定されている。図２（Ｂ）に移動後の状態を示す。
【００４０】
なお、第１の励磁コイル１３及び第２の励磁コイル２３の位置を固定した状態で、第１のセンサヘッド１２又は第２のセンサヘッド２２の少なくとも一方を軸方向に移動させるようにしてもよい。この場合も同様に、カバー体４０の内壁面と少なくとも一方の第１のセンサヘッド１２又は第２のセンサヘッド２２の外壁面とにそれぞれが嵌合するネジ山を形成し、第１のセンサヘッド１２又は第２のセンサヘッド２２の少なくとも一方を回動させることで、軸方向に沿った移動を実現するようにしてもよい。なお、この場合、第１のセンサヘッド１２又は第２のセンサヘッド２２の少なくとも一方を回動しやすいように、それぞれのセンサヘッドの先端部分又は中心部分が常にカバー体４０から露出した状態で格納されることで回動動作を行い易くしてもよい。
【００４１】
すなわち、非測定状態（勾配磁界の測定を行わず、一様磁界のみが生じている状態）で、第１のセンサヘッド１２又は第２のセンサヘッド２２の少なくとも一方と、第１の励磁コイル１３又は第２の励磁コイル２３の少なくとも一方との相対位置を軸方向に変化させた場合、第１の励磁コイル１３及び第２の励磁コイル２３で励磁されている交流磁界と少なくとも一方の第１のセンサヘッド１２又は第２のセンサヘッド２２との鎖交磁束が変化し、その鎖交磁束の変化に伴いグラディオメータの出力が変化する。そして、出力が０になった位置でそれぞれの励磁コイルやセンサヘッドを固定することで、第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２との感度を完全に一致させることができる。この状態であれば、勾配磁界を極めて高感度に検出することが可能となる。
【００４２】
なお、第１の励磁コイル１３又は第２の励磁コイル２３のいずれか一方のみ、又は、第１のセンサヘッド１２又は第２のセンサヘッド２２のいずれか一方のみを移動して感度調整をしてもよいし、第１の励磁コイル１３及び第２の励磁コイル２３の双方、又は、第１のセンサヘッド１２及び第２のセンサヘッド２２の双方を移動して感度調整をしてもよい。つまり、第１のセンサヘッド１２と第１の励磁コイル１３との相対位置を調整してもよいし、第２のセンサヘッド２２と第２の励磁コイル２３との相対位置を調整してもよいし、そのいずれもを調整してもよい。
【００４３】
図３は、グラディオメータのセンサヘッドと励磁コイルとの配置構成を示す第２の図である。図３において、第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２とが平行（第１の検出コイル１１の軸と第２の検出コイル２１の軸とが平行になるよう）に、且つ、端部を揃えて配設されている。各センサヘッドの先端部分には、測定対象である磁気微粒子を磁化するために交流磁界を励磁する単一の第３の励磁コイル３３を備え、第１の検出コイル１１の軸と第２の検出コイル２１の軸とが第３の励磁コイル３３の内部に含まれるように配設されている。また、各センサヘッドに対して、第３の励磁コイル３３が偏心した位置となるように配設されている。第３の励磁コイル３３のコイル面は、例えば円周の一部が内部に入り込むように（図３の場合は直線状に）変形しており、第３の励磁コイル３３を回動させた場合に、第１のセンサヘッド１２及び第２のセンサヘッド２２との相対位置が変化する構造となっている。
【００４４】
つまり、第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２との感度が一致しているとすると、図４（Ａ）に示すように、第１のセンサヘッド１２と第３の励磁コイル３３との位置関係が、第２のセンサヘッド１１と第３の励磁コイル３３との位置関係と対称性を有している場合に、グラディオメータの出力が非測定状態において０となる。これに対して、図４（Ｂ）に示すように、第３の励磁コイル３３を回動させたことにより、第１のセンサヘッド１２と第３の励磁コイル３３との位置関係が、第２のセンサヘッド２２と第３の励磁コイル３３との位置関係と非対称になった場合には、グラディオメータの出力が非測定状態において０ではなくなる。この出力の変化を利用して、第３の励磁コイル３３の位置（回転角度）を適正にすることで、第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２との感度を一致させるように調整することができる。
【００４５】
第１のセンサヘッド１２と第３の励磁コイル３３との位置関係と、第２のセンサヘッド２２と第３の励磁コイル３３との位置関係とが非対称となった場合に、出力に差が出る理由をより詳細に説明する。図５において、第３の励磁コイル３３に電流ｉが流れているとする。そして、第２のセンサヘッド２２の出力が、第１のセンサヘッド１２の出力に比べて相対的に小さいとする。第３の励磁コイル３３の一部が円周の内側に入り込んでコイル面が偏心することによって、この部分のコイルが円周上にあるときより距離ｒが小さくなり、ビオサバールの法則で与えられる次式の磁束密度は相対的に大きくなる。
【００４６】
【数１】
2017215256.tif 000003
【００４７】
これにより、第２のセンサヘッド２２の出力が回復し、グラディオメータを平衡状態にすることができる。このように、感度が一致した状態で磁気微粒子を測定すると、磁気微粒子が第１のセンサヘッド１２又は第２のセンサヘッド２２の延長上にあるときに大きな検出出力を得ることが可能となる。第１のセンサヘッド１２の延長上に磁気微粒子がある場合と、第２のセンサヘッド２２の延長上に磁気微粒子がある場合とでは、出力の極性が逆となる。
【００４８】
なお、図６に、第３の励磁コイル３３の回転角に対する非平衡成分に対する調整量（第１の磁気コア１０と第２の磁気コア２０との平均磁束密度の差）を示す。ここでは、第１の磁気コア１０及び第２の磁気コア２０の長さを３０ｍｍ、第１の磁気コア１０と第２の磁気コア２０との距離を２０ｍｍ、第３の励磁コイル３３の径を２０ｍｍ（図５のように、円周の一部を直線化して変形）、幅を５ｍｍ、磁化コイル電流を１Ａとした。グラフから明らかなように、第３の励磁コイル３３を回転させることで、第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２の磁束密度を変化させて感度を調整することが可能である。
【００４９】
また、図６の場合は、正の角度についてのみのデータであるが、負の角度に回転させた場合は原点対象のグラフとなり、同様に感度調整が可能である。また、第３の励磁コイル３３に流す電流の周波数は、信号処理のしやすさ等を考慮して１Ｈｚ〜１ｋＨｚ、好ましくは１０〜２００Ｈｚ程度がよい。
【００５０】
図７は、第３の励磁コイル３３を回動した場合の当該第３の励磁コイル３３と第１のセンサヘッド１２及び第２のセンサヘッド２２との相対位置の変化を示す図である。なお、図７の記載はあくまで例示であり、これに限定されるものではない。図７において、左側の状態は各センサヘッドと第３の励磁コイル３３との位置関係が対称性を有している場合であり、右側の状態は第３の励磁コイル３３を回動させることで各センサヘッドと第３の励磁コイル３３との位置関係が非対称となった場合を示している。
【００５１】
仮に、各センサヘッドの感度が一致している場合は、左側の状態で外部の一様磁界がキャンセルされて非測定状態においてグラディオメータの出力が０になるが、各センサヘッドの感度が一致していない場合は、左側の状態で外部の一様磁界が完全にキャンセルされず、非測定状態においてグラディオメータの出力が０ではなくなる。後者のような場合に、右側の状態（この状態において出力が０になるとする）にすることで、各センサヘッドの鎖交磁束が調整されて感度を一致させることができる。
【００５２】
なお、図４に示すような第３の励磁コイル３３や図７（Ｂ）に示すような第３の励磁コイル３３は、センサヘッドと励磁コイルとの距離が近づくように相対位置が変化するため、感度が弱いセンサヘッドを感度が強いセンサヘッドに揃えるように鎖交磁束が調整される。これに対して、図７（Ａ）及び（Ｃ）に示すような第３の励磁コイル３３は、センサヘッドと励磁コイルとの距離が遠ざかるように相対位置が変化するため、感度が強いセンサヘッドを感度が弱いセンサヘッドに揃えるように鎖交磁束が調整される。より感度を高めるためには、前者のようにセンサヘッドと励磁コイルとの距離が近づくように相対位置を変化させることが好ましい。
【００５３】
このように、第３の励磁コイル３３を回動することで、それぞれのセンサヘッドとの相対位置を非対称にしてセンサヘッドの感度を調整することが可能となる。この場合特に、回動する角度の大きさで感度の調整量を連続的に可変させることができるため、簡単な操作で高精度に感度調整を行うことが可能となる。
【００５４】
図８は、グラディオメータのセンサヘッドと励磁コイルとの配置構成を示す第３の図である。図８（Ａ）は、センサヘッドと励磁コイルとの相対位置が変化する前の状態を示し、図８（Ｂ）は、センサヘッドと励磁コイルとの相対位置が変化した後の状態を示す。それぞれの図における左側の図は上面図、右側の図は側面図である。図８において、第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２とが平行に、且つ、端部を揃えて配設されており、各センサヘッドの先端部分には単一の第３の励磁コイル３３を備え、第１の検出コイル１１の軸と第２の検出コイル２１の軸とが第３の励磁コイル３３の内部に含まれるように配設されている。また、各センサヘッドに対して、第３の励磁コイル３３が偏心した位置となるように配設されている。第３の励磁コイル３３のコイル面は、第１の検出コイル１１及び第２の検出コイル２１の軸に対して非垂直となっている。
【００５５】
図８（Ａ）の場合は、第１のセンサヘッド１２と第３の励磁コイル３３との位置関係と、第２のセンサヘッド２２と第３の励磁コイル３３との位置関係とが、対称性を有している。そのため、仮に第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２との感度が同じである場合は、非測定状態においてグラディオメータの出力は０となる。すなわち、第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２との感度が異なる場合は、非測定状態においてグラディオメータの出力が０にならない。
【００５６】
第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２との感度を揃えるために、例えば図８（Ｂ）に示すように、第３の励磁コイル３３の中心であって、各センサヘッドの検出コイルの軸に平行な軸を中心として回動させる。そうすることで、各センサヘッドに対する第３の励磁コイル３３の相対位置が変化し、鎖交する磁束を調整することができる。すなわち、第３の励磁コイル３３の回動角度を適正にすることで、第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２との感度を揃えることが可能となる。
【００５７】
このように、本実施形態に係る磁界センサにおいては、グラディオメータのセンサヘッドとして機能する第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２との感度の非平衡性を解消し、極めて高感度な磁界センサを実現することができる。特に、第１のセンサヘッド１２及び第２のセンサヘッド２２を、それぞれの検出コイルの同軸上に配設した場合には、センサの先端部分を細長い構造にすることができ、例えば医療行為において患部を特定するのに使い勝手が良くなる。
【００５８】
（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る磁界センサについて、図９を用いて説明する。本実施形態に係る磁界センサは、前記第１の実施形態におけるグラディオメータにマグネトメータを組み込んだ構成となっている（参考文献：特開２０１５−１９７４０１号公報を参照）。上記第１の実施形態において、励磁コイルで印加する磁界を大きくするほど、検出対象である磁気微粒子群から大きな反応を得ることができる。しかしながら、励磁コイルから印加される磁界が大きくなると、グラディオメータが磁気飽和してしまい、センサとして機能しなくなる可能性がある。本実施形態においては、後述するように、マグネトメータの負帰還動作を利用することで励磁コイルから印加される大きな磁界を打ち消して、グラディオメータが磁気飽和するのを防止する。なお、本実施形態において、前記第１の実施形態と重複する説明は省略する。
【００５９】
図９は、本実施形態に係る磁界センサの構成を示すブロック図である。図９に示す構成は、図１のグラディオメータの構成にマグネトメータが組み込まれた構成となっており、グラディオメータの第１のセンサヘッド１２と共通の第１の磁気コア１０及び当該第１の磁気コア１０に巻回される第３の検出コイル３１からなる第３のセンサヘッド３２と、同じくグラディオメータの第２のセンサヘッド２２と共通の第２の磁気コア２０及び当該第２の磁気コア２０に巻回される第４の検出コイル４１からなる第４のセンサヘッド４２とを備える。第４の検出コイル４１は、一端４１ａが第３の検出コイル３１の一端３１ａに接続され、他端４１ｂがグランドに接続（接地）される。
【００６０】
また、このマグネトメータは、図１に示すグラディオメータと同様に、第３の検出コイル３１の他端３１ｂに接続される負帰還構成のセンサ回路７０を備える。なお、本実施形態においては、センサ回路７０と第３のセンサヘッド３２（第３の検出コイル３１の他端３１ｂ）との接続にシールド線を用いている。センサ回路７０は、第１の検出コイル３１の他端３１ｂにコンデンサを介して接続され、第３の検出コイル３１の他端３１ｂからの入力信号に対して同期整流を行う同期検波回路７１と、同期検波回路７１により整流された電流の中に含まれている脈流を平滑化する平滑回路７２と、反転入力端子が平滑回路７２の後段に接続され、出力端子が帰還抵抗Ｒ’ｆを介して第１の検出コイル３１の他端３１ｂに接続される誤差増幅器７３とを備える。
【００６１】
センサ回路７０においては、第３の検出コイル３１及び第４の検出コイル４１からの出力が、同期検波回路７１及び平滑回路７２を通して、誤差増幅器７３に送られる。その後、センサ回路７０においては、誤差増幅器７３への入力が０になるように、負帰還電流ｉ’ｆが帰還抵抗Ｒ’ｆを通して第３の検出コイル３１及び第４の検出コイル４１に流れる。このとき、帰還抵抗Ｒ’ｆに現れる電圧降下がマグネトメータのセンサ出力に相当する。
【００６２】
すなわち、このような構成とすることで、励磁コイル（第１の励磁コイル１３、第２の励磁コイル２３又は第３の励磁コイル３３の少なくとも一）から大きな磁界が印加された場合であっても、マグネトメータのセンサ回路７０のフィードバックループで生成されるキャンセル電流がマグネトメータの第３の検出コイル３１及び第４の検出コイル４１に流れることにより、キャンセル磁界を発生し、大きな励磁磁界を打ち消すことができる。つまり、グラディオメータを磁気飽和させることなく、励磁コイルで印加する磁界を大きくし、検出対象である磁気微粒子群から大きな反応を得ることができる。
【００６３】
（本発明の第３の実施形態）
本実施形態に係る磁界センサについて、図１０ないし図１４を用いて説明する。本実施形態に係る磁界センサは、上記第２の実施形態に係る磁界センサを応用したものである。第２の実施形態に係る磁界センサの構成では、磁束密度は正負で打ち消されて０になるものの、ピーク値が大きくなることで磁気飽和してしまう可能性がある。そこで、本実施形態においては、第１のセンサヘッド１２及び第３のセンサヘッド３２、並びに、第２のセンサヘッド２２及び第４のセンサヘッド４２の各センサヘッドの先端部分において、センサヘッドの先端部ではグラディオメータの検出コイルの巻数に比べてマグネトメータの検出コイルの巻数を多くし、その差を先端部から中心方向に向かって徐々に小さくし、最終的に同数にする。そうすることで、先端部における磁束密度のピーク値を抑えて磁気飽和を確実に防止することが可能となる。なお、本実施形態において、前記各実施形態と重複する説明は省略する。
【００６４】
図１０は、本実施形態に係る第１のセンサヘッド及び第３のセンサヘッドの先端部分の構成を示す図である。図中の○は第１の磁気コア１０の周囲に巻回されている第１の検出コイル１１の断面を示し、●は第３の検出コイル３１の断面を示している。図１０に示すように、第１の磁気コア１０の周囲にマグネトメータを構成する第３の検出コイル３１が巻回され、その外側にグラディオメータを構成する第１の検出コイル１１が巻回されて、それぞれのセンサヘッドが構成されている。
【００６５】
センサヘッドの先端部から所定の長さ（例えば０〜５ｍｍ程度）までは第３の検出コイル３１のみが巻回され、そこからさらに所定の長さ（例えば６〜１０ｍｍ程度）までは第１の検出コイル１１に対して３倍巻の第３の検出コイル３１が巻回され、それ以降は第１の検出コイル１１と第３の検出コイル３１とが同数の巻数となっている。なお、第２のセンサヘッド及び第４のセンサヘッドについても、同様の構成でコイルが巻回される。このように、先端部ほどマグネトメータの検出コイルの巻数を多くすることで、先端部分に印加される磁界のピークを抑えて、グラディオメータの磁気飽和を防止することが可能となる。
【００６６】
図１１〜図１４は、グラディオメータの検出コイルの割合とマグネトメータの検出コイルの割合とを徐々に変化させた場合の磁束密度の分布を示す図である。縦軸はいずれも相対値とし、磁気コアの長さは３ｃｍである。図１１は、マグネトメータによる打消しがない場合（第１の実施形態における磁界センサ）の磁束密度の分布を示し、図１２は、マグネトメータの検出コイルとグラディオメータの検出コイルとを全体に亘って同数に巻回した場合の磁束密度の分布を示し、図１３は、先端部から６ｍｍの長さに亘ってマグネトメータの検出コイルの巻線密度を２倍にし、残りの区間を同数に巻回した場合の磁束密度の分布を示し、図１４は、先端部から６ｍｍの長さに亘ってマグネトメータの検出コイルの巻線密度を４倍にし、７〜１０ｍｍの区間を３倍、１１〜１５ｍｍの区間を２倍、残りの区間を同数に巻回した場合の磁束密度の分布を示している。
【００６７】
図１１の場合は、マグネトメータによる打消しがないため、大きな磁界が印加されてしまう。これに対して、図１２の場合は、マグネトメータを備えることで、磁束密度は正負で打ち消されて０になっているものの、ピーク値が大きくなってしまっている。図１３及び図１４では、先端部のマグネトメータの検出コイルの巻線密度を大きくしているため、図１２で現れるピークを抑えることができている。すなわち、先端部の磁気飽和を防止することが可能であることが明らかとなっている。
【００６８】
（本発明の第４の実施形態）
本実施形態に係る磁界センサについて、図１５及び図１６を用いて説明する。本実施形態に係る磁界センサは、前記第１の実施形態における図２のセンサ構造において、励磁コイルが励磁する磁界をキャンセルするキャンセルコイルを有するものである。なお、本実施形態において、前記各実施形態と重複する説明は省略する。
【００６９】
図１５は、本実施形態に係る磁界センサにおけるセンサヘッドの断面のイメージ図である。図１５は、第１のセンサヘッド１２のみを示しているが、図２に示すように、同軸上の反対側には第２センサヘッド２２が同様の構成で配設されているものとする。
【００７０】
第１のセンサヘッド１２は、図２の場合と同様に第１の磁気コア１０に第１の検出コイル１１が巻回された構造となっている。第１のセンサヘッド１２の周囲には、測定対象である磁気微粒子を誘磁するための、ｚ軸方向の遠方に磁界が届くように径を十分に大きくした第１の励磁コイル１３が配設されている。これに対して、磁界がｚ軸方向の遠方に作用しないように径を小さくしたキャンセルコイル１４０が、第１の検出コイル１１の外側であって第１の励磁コイル１３の内側に（例えば、第１の検出コイル１１の上に直接）巻回されている。
【００７１】
第１の励磁コイル１３の径をＤ、その巻数をＮとし、キャンセルコイル１４０の径をｄ、その巻数をｎとする。第１の励磁コイル１３に流す電流をｉとすると、キャンセルコイル１４０には−ｉを流す。第１の励磁コイル１３は、キャンセルコイル１４０に対してｚ方向にスライド移動が可能に配設されている。第１のセンサヘッド１２の前方方向をｚの正の方向とし、キャンセルコイル１４０の先端部をｚ＝０、キャンセルコイル１４０に対する第１の励磁コイル１３のスライド量をΔｚとする。Ｄ、ｄ、Ｎに対して、Δｚの値を適正に求めることで、第１の励磁コイル１３が作る励磁磁界が第１のセンサヘッド１２に影響する鎖交磁束と、キャンセルコイル１４０が第１のセンサヘッド１２に影響する鎖交磁束とが打消し合って０となるように、ｎは例えば数値計算等によって設計される。なお、第２のセンサヘッド２２における第２の励磁コイル２３及びキャンセルコイル１４１（図示しない）も鎖交磁束が打消し合うように設定配置される。
【００７２】
図１６は、図１５の構成におけるセンサヘッドで励磁コイルをスライドした場合の磁束密度の変化を示す図である。ここでは、第１の励磁コイル１３の長さ１０ｍｍ、径Ｄ＝１５ｍｍ、巻数Ｎ＝３４０ターン、キャンセルコイル１４の長さ２０ｍｍ、径ｄ＝４ｍｍ、巻数ｎ＝２８０ターンとし、電流ｉ＝２０ｍＡとした。図１６に示すように、この例では、スライド量Δｚ＝−２ｍｍ付近で第１の励磁コイル１３が作る励磁磁界が第１のセンサヘッド１２に影響する鎖交磁束と、キャンセルコイル１４０が第１のセンサヘッド１２に影響する鎖交磁束とが丁度打ち消す。
【００７３】
この状態で第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２とを平衡化する場合は、第１のセンサヘッド１２の検出感度が高い場合はΔｚ＝−２ｍｍよりも大きい範囲で第１の励磁コイル１３をスライド移動して感度が同じになるように調整する。逆に、第１のセンサヘッド１２の検出感度が低い場合はΔｚ＝−２ｍｍよりも小さい範囲で第１の励磁コイル１３をスライド移動して感度が同じになるように調整する。
【００７４】
このように、本実施形態に係る磁界センサにおいては、上記第１の実施形態における図２のように第１のセンサヘッド１２と第２のセンサヘッド２２とを同軸上に配設した場合であっても、励磁コイルで励磁される励磁磁界が各センサヘッドに悪影響を及ぼすことを防止すると共に、各センサヘッドの感度を容易に平衡化して調整することが可能となり、極めて高性能な磁界センサを実現することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１  磁界センサ
１０  第１の磁気コア
１１  第１の検出コイル
１２  第１のセンサヘッド
１３  第１の励磁コイル
２０  第２の磁気コア
２１  第２の検出コイル
２２  第２のセンサヘッド
２３  第２の励磁コイル
３１  第３の検出コイル
３２  第３のセンサヘッド
３３  第３の励磁コイル
４１  第４の検出コイル
４２  第４のセンサヘッド
６０，７０  センサ回路
６１，７１  同期検波回路
６２，７２  平滑回路
６３，７３  誤差増幅器
【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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【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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