(57)【要約】【課題】補償磁界を用いた補償をより効果的に行うことができる磁気シールド装置および磁気シールドの能動補償方法を提供する。【解決手段】本発明の磁気シールド装置１は、磁性体を含んで形成され、磁気シールド空間Ｓを規定するシールド部１０と、シールド部に取り付けられた補償コイル２０と、補償コイルに補償電流を流してシールド空間Ｓ内の所定位置の磁界をゼロとしたときにシールド空間外に生じる零磁界点に設置される磁界センサ４０と、磁界センサの検出した磁界に基づいて補償電流の大きさを変更可能に構成された制御部３０とを備える。【選択図】図１
2017152573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体を含んで形成され、磁気シールド空間を規定するシールド部と、
前記シールド部に取り付けられた補償コイルと、
前記補償コイルに補償電流を流して前記シールド空間内の所定位置の磁界をゼロとしたときに前記シールド空間外に生じる零磁界点に設置される磁界センサと、
前記磁界センサの検出した磁界に基づいて前記補償電流の大きさを変更可能に構成された制御部と、
を備える、
磁気シールド装置。
【請求項２】
前記シールド部は、第一シールド部材および第二シールド部材を有し、
前記補償コイルは、前記第一シールド部材および第二シールド部材に巻き回される第一補償コイルおよび第二補償コイルを有し、
前記第一シールド部材と前記第二シールド部材とが相対移動可能に構成されている、
請求項１に記載の磁気シールド装置。
【請求項３】
補償コイルを備えた磁気シールド装置における磁気シールドの能動補償方法であって、
前記補償コイルに初期補償電流を流して前記磁気シールド装置内のシールド空間内の所定位置の磁界をゼロとし、
前記所定位置の磁界がゼロであるときに前記シールド空間外に生じる零磁界点に磁界センサを設置し、
前記磁界センサが検出する磁界に基づいて前記補償電流の大きさを設定する、
磁気シールドの能動補償方法。
【請求項４】
前記所定位置は、前記シールド空間の中心である、
請求項３に記載の磁気シールドの能動補償方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気シールド装置、および磁気シールドの能動補償方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、心臓などの人の身体から発せられる磁界は、重要なリアルタイム生体情報で、しかも多くの情報を含んでいる。例えば心臓磁界を心磁計、例えばＳＱＵＩＤ磁束計６４チャンネルで検出すれば、心臓の電気生理学的機能を２次元マップすることが可能である。また、その刺激伝導系を伝って流れる電流ベクトルの時間的空間的情報など、心電図の波形分析による方法に比べ圧倒的に的確で多様な診断情報の獲得が可能である。
【０００３】
そこで、健常者はもちろん寝たきりの患者であっても、身体から発せられる心臓磁界等の生体磁気の計測に無理なく使用できる、高性能な磁気シールド装置の開発が望まれている。
【０００４】
本発明者らは、特許文献１にて、従来の部屋型磁気シールド装置よりもコンパクトな分離型磁気シールド装置を提案している。シールド空間を規定する第１磁気シールド本体及び第２磁気シールド本体の外周壁部材には、その周面に沿って巻き回した導体からなる補償コイルが設置されている。補償コイルに電流を流すと、第１磁気シールド本体及び第２磁気シールド本体の回転対称軸方向の磁束が補償コイルに発生する補償磁界により偏向され、シールド空間への磁束の流れ込みが阻止される。
この分離型磁気シールド装置は、磁気シールド空間への高いアクセス性を有し、且つ、全方向の磁界成分に対して効果的に遮蔽することができ、磁気シールドが極めて有効に達成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−８１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、引き続き磁気シールド装置の改良のための検討を行い、上述した補償磁界による補償をより効果的に行うための知見を得て、本発明を完成させた。
【０００７】
本発明は、補償磁界を用いた補償をより効果的に行うことができる磁気シールド装置および磁気シールドの能動補償方法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】
【０００８】
本発明の第一の態様は、磁性体を含んで形成され、磁気シールド空間を規定するシールド部と、前記シールド部に取り付けられた補償コイルと、前記補償コイルに補償電流を流して前記シールド空間内の所定位置の磁界をゼロとしたときに前記シールド空間外に生じる零磁界点に設置される磁界センサと、前記磁界センサの検出した磁界に基づいて前記補償電流の大きさを変更可能に構成された制御部とを備える磁気シールド装置である。
【０００９】
前記シールド部は、第一シールド部材および第二シールド部材を有し、前記補償コイルは、前記第一シールド部材および第二シールド部材に巻き回される第一補償コイルおよび第二補償コイルを有し、前記第一シールド部材と前記第二シールド部材とが相対移動可能に構成されてもよい。
【００１０】
本発明の第二の態様は、補償コイルを備えた磁気シールド装置における磁気シールドの能動補償方法であって、前記補償コイルに初期補償電流を流して前記磁気シールド装置内のシールド空間内の所定位置の磁界をゼロとし、前記所定位置の磁界がゼロであるときに前記シールド空間外に生じる零磁界点に磁界センサを設置し、前記磁界センサが検出する磁界に基づいて前記補償電流の大きさを設定する磁気シールドの能動補償方法である。
このとき、前記所定位置は、前記シールド空間の中心であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の磁気シールド装置および磁気シールドの能動補償方法によれば、補償磁界を用いた補償をより効果的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の磁気シールド装置の構成を示す模式図である。
【図２】同磁気シールド装置におけるシールド部を示す斜視図である。
【図３】同シールド部の平面図である。
【図４】零磁界点の例を示す図である。
【図５】第一補償コイルとシールド空間中心とのｘ方向距離と、シールド空間中心と零磁界点との距離の関係を示すグラフの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態の磁気シールド装置の構成を示す模式図である。磁気シールド装置１は、シールド空間Ｓを規定するシールド部１０と、シールド部１０に取りつけられる補償コイル２０と、補償コイル２０と接続された制御部３０と、制御部３０に接続された磁界センサ４０とを備えている。
【００１４】
図２は、シールド部１０の斜視図である。図３は、シールド部１０を上方から見た状態を示す平面図である。
シールド部１０は、図２および図３に示すように、上側に配置される第一シールド部材１１と、下側に配置される第二シールド部材１２とを有する。第一シールド部材１１は、半円筒状の本体部１１ａと、本体部１１ａの周方向における両端部に設けられた平面部１１ｂとを有する。２つの平面部１１ａは、同一面上に位置するように形成されている。第二シールド部材１２も、同様に、本体部１２ａおよび平面部１２ｂを有する。
【００１５】
第一シールド部材１１および第二シールド部材１２は、磁性体を含み、所望の磁気シールド特性を満足するように形成されている。磁性体としては、アモルファス磁性体やパーマロイ等を用いることができる。第一シールド部材１１および第二シールド部材１２の構造としては、これらの磁性体の単層または多層体や、磁性体の両面に樹脂等が積層された構造等を採用することができる。
【００１６】
第一シールド部材１１と第二シールド部材１２とは、半円筒形の内部空間が対向し、かつ平面部１１ｂと平面部１２ｂとが所定の距離（例えば３〜５センチメートル（ｃｍ）程度）離間するように配置されている。第一シールド部材１１と第二シールド部材１２とが対向配置されることにより、第一シールド部材１１と第二シールド部材１２との間に、略円柱状のシールド空間Ｓが規定される。
【００１７】
補償コイル２０は、地磁気を打ち消すための第一補償コイル２１と、変動磁界を打ち消すための第二補償コイル２２とを有する。第一補償コイル２１には、直流電流が流され、第二補償コイル２２には、制御部３０で生成された交流電流が流される。第一補償コイル２１および第二補償コイル２２は、いずれも導体で形成され、シールド部１０の平面視において、各シールド部材１１、１２の本体部１１ａおよび１２ａの少なくとも一部を囲うループを形成するように巻き回されている。各補償コイル２１、２２において、ループの大きさ、コイルとシールド空間中心（後述）との位置関係、巻き数等については、後述する諸条件を考慮して適宜設定される。
【００１８】
制御部３０は、公知のゲイン調整器、積分器、比例増幅器等を有して構成されており、第二補償コイル２２と接続されている。
磁界センサ４０としては、例えば基本波型直交フラックスゲートセンサを用いることができる。
制御部３０は、磁界センサ４０の検出した磁界の値に基づいて、例えばＰＩ制御等の所定の制御を行うことにより、第二補償コイル２２に流れる電流の設定および調節を可能に構成されている。
【００１９】
上記のように構成された、本実施形態の磁気シールド装置１の使用時の動作について説明する。
磁気シールド装置１においては、シールド部１０が、第一シールド部材１１および第二シールド部材１２からなる。したがって、例えば両者をスライド可能等の相対移動可能に構成する等により、シールド空間Ｓへのアクセスを容易にすることができる。また、部屋型の磁気シールド装置に比べてはるかに軽量とすることができ、移設が容易となる利点もある。
【００２０】
その一方で、第一シールド部材１１と第二シールド部材１２とが離間して配置されるため、閉構造の磁気シールド装置に比べてシールド効果が劣るという点に留意する必要がある。本発明では、補償コイル２０に電流を流すことで、補償コイルが発生する補償磁界により外部磁界を好適に打ち消して、シールド空間Ｓ内のシールド性能を安定させる。
【００２１】
本実施形態において、外部磁界の直流成分である地磁気は一定であるため、第一補償コイル２１には直流の定電流を流して直流補償を行う。一方、外部磁界の交流成分は常に一定ではないため、磁界センサ４０で検出した磁界に基づいて制御部３０がＰＩ制御を行い、第二補償コイル２２に流す電流の電流値をフィードバック制御により逐次更新する。これにより、磁気シールド装置１が発生する磁気シールドの能動補償を行う。
以下、本実施形態における磁気シールドの能動補償方法の詳細について説明する。
【００２２】
まず、シールド空間Ｓの中心（所定位置）Ｓｃに磁界センサを設置する。中心Ｓｃは、図２に示されるｘｙｚ座標系の原点として示される位置である。図２におけるｚ軸は、略円柱形のシールド空間Ｓの軸線と同一である。図２におけるｙ軸は、シールド空間Ｓの軸線方向における中点において、ｚ軸を通り鉛直方向に延びる軸である。図２におけるｘ軸は、シールド空間Ｓの軸線方向における中点において、ｙ軸およびｚ軸と直交する軸であり、略円柱形のシールド空間Ｓの径方向と平行に（すなわち水平に）延びる。
【００２３】
次に、第一補償コイル２１に電流を流してｙ方向に一様の磁界を発生させ、シールド空間Ｓの中心Ｓｃに設置した磁界センサの直流成分の検出値がゼロとなるように電流値を調節する。すると、中心Ｓｃを通るｘ方向断面における、第一補償コイル２１と中心Ｓｃとのｘ軸方向における距離（以下、「ｘ方向距離」と称する。）によっては、図４に示す符号Ｚｍ１およびＺｍ２のように、シールド空間Ｓの外部においても磁界の直流成分がゼロとなる点がｙ軸上に出現する。本発明では、これを「零磁界点」と称する。
【００２４】
図５に、第一補償コイル２１と中心Ｓｃとのｘ方向距離と、中心Ｓｃと零磁界点との距離の関係を示すグラフの一例を示す。図５に示すように、第一補償コイル２１と中心Ｓｃとのｘ方向距離と、中心Ｓｃと零磁界点との距離との間には一定の関係があるため、磁界センサ４０をｙ軸上で所定距離（例えば１ｃｍ）ずつ移動させながら磁界の直流成分を測定し、直流成分がゼロとなる点を探すことにより零磁界点の位置を特定することができる。零磁界点の位置特定にあたっては、例えば有限要素法ベースの物理シミュレーションソフトウェア等を用いて、零磁界点の大まかな位置を推定してから上記手順を行ってもよい。
【００２５】
次に、上記手順で特定された零磁界点に、磁界センサ４０を設置する。図１では、シールド部１０の上方に磁界センサ４０が設置される例を示しているが、図４のように、シールド空間Ｓの中心Ｓｃの上下にそれぞれ零磁界点Ｚｍ１、Ｚｍ２が出現している場合は、設置可能であればそのいずれに磁界センサ４０が設置されてもよい。例えば、シールド部１０が床面から十分な高さに設置されていれば、シールド部１０下方の零磁界点Ｚｍ２に磁界センサ４０が設置されてもよい。
【００２６】
磁界センサ４０が零磁界点に設置された後は、第一補償コイル２１に直流の定電流を流し、かつ第二補償コイル２２に交流の補償電流を流すことで、磁気シールド装置１に生じる磁気シールドの能動補償を行うことができる。
すなわち、外部磁界の交流成分が変化することによりシールド空間Ｓの中心Ｓｃの磁界が変化すると同時に零磁界点の磁界も変化し、その変化が磁界センサ４０により検出される。制御部３０は、磁界センサ４０の検出した磁界に基づいてＰＩ制御を行い、第二補償コイル２２に流される補償電流値が再度設定されて更新される。これにより、シールド空間Ｓ内においては、磁界ゼロの状態が好適に保持される。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態の磁気シールド装置１および磁気シールドの能動補償方法によれば、シールド部１０により規定されるシールド空間Ｓの外部に位置する零磁界点に磁界センサ４０が設置され、磁界センサ４０の検出した磁界にもとづいて制御部３０が第二補償コイル２２に流す電流値を設定し、電流値を随時変更する。
これにより、外部磁界の変化に好適に対応して補償磁界を発生させ、好適な能動補償を行うことができる。その結果、シールド空間Ｓのシールド性が安定して発揮される。
【００２８】
磁気シールドの能動補償の目的は、シールド空間内のシールド性を安定させることであるから、ＰＩ制御の起点となる磁界変化を検出する磁界センサは、シールド空間Ｓ内に設置されるのが自然である。しかし、発明者らの検討において、磁界センサをシールド空間内に設置した場合、能動補償がうまく働かないことがあることが確認された。
【００２９】
能動補償がうまく働かない原因は様々考えられるが、その一つとして、シールド空間内で検出される磁界の値が小さすぎるという可能性が挙げられる。今回、発明者らは、シールド空間内の所定位置において磁界がゼロとなるときに、同時にシールド空間外にも磁界がゼロとなる零磁界点が生じることがあることを見出した。さらに、零磁界点はシールド空間の外部に位置するため、外部磁界の交流成分が変化した際に検出される磁界の大きさが、シールド空間内で検出される磁界よりも大きいことを見出した。そこで、能動補償に用いる磁界を零磁界点に設置した磁界センサで検出し、これを用いて能動補償を行うことにより、シールド空間内で磁界を検出して能動補償を行うのに比して、はるかに好適に能動補償を行うことに成功した。
【００３０】
発明者らは、直径６５ｃｍ、高さ２４０ｃｍの略円柱状のシールド空間において、磁界センサをシールド空間内に設置して能動補償を行った場合と、磁界センサを零磁界点に設置して能動補償を行った場合とでシールド空間内の内部雑音を比較した。
その結果、商用周波数である６０ヘルツ（Ｈｚ）における雑音、低周波帯の雑音としての１Ｈｚの雑音のいずれも、磁界センサを零磁界点に設置した場合の方がより大きく低減できることを確認している。
【００３１】
本実施形態において、制御部３０における制御態様は適宜設定することができる。以下に、その考え方の一例を示す。
まず制御に関連するパラメータを以下のように定義する。
磁界センサ４０の磁束密度に対する感度  KFG  ［V/T］
制御部３０におけるゲイン調整器の増幅率  k1
制御部３０における積分器の伝達関数  k2/(sτ＋1)  （ただし、τは積分器時定数。）
制御部３０における比例増幅器の増幅率  k3
第二補償コイル２２の形状および巻き数により定まる定数  k4
第二補償コイル２２のインピーダンス  r＋sL
第二補償コイル２２に流される補償電流  i
第二補償コイル２２が発生する補償磁界  Bcomp
外乱変動磁界  Bex
制御部３０の出力電圧  vc
シールド部１０の一様磁界に対するシールド特性  Ssh
シールド部１０の補償磁界に対するシールド特性  S’sh
シールド空間Ｓ内の磁界  Bin＝Bex/Ssh＋Bcomp/S’sh
零磁界点の磁界  a(Bex/Ssh＋Bcomp/S’sh)  （ただし、aは１以上の定数。）
すると、下記の（１）から（４）の各式が成り立つ。
【００３２】
【数１】
2017152573.tif 000003
【００３３】
【数２】
2017152573.tif 000004
【００３４】
【数３】
2017152573.tif 000005
【００３５】
【数４】
2017152573.tif 000006
【００３６】
式（１）から（４）より、下記の式（５）が成り立つ。
【００３７】
【数５】
2017152573.tif 000007
【００３８】
以上より、下記の式（６）が成り立つ。
【００３９】
【数６】
2017152573.tif 000008
【００４０】
なお、式（６）において、
K1＝k1×k2×k4、K2＝k1×k3×k4、ｂ＝Ssh／S’sh
である。
以上より、K1およびK2の一方あるいは両方を大きくすることで、シールド空間Ｓ内の磁界Binを低減させることができる。
【００４１】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。
【００４２】
例えば、本発明においてシールド部の具体的構成は、上述したものに限られない。したがって、異なる形状のシールド部材が用いられたり、単一のシールド部材で形成された、分離型でない閉構造のシールド部であったりしてもよい。シールド部によって規定されるシールド空間の形状も、円柱形状以外の、例えば多角柱状や楕円柱形状等であってもよい。
【００４３】
また、上述の説明では、零磁界点を特定する際に、磁界センサがシールド空間の中心に設置される例を示したが、中心でないシールド空間内の位置に磁界センサが設置された状態で零磁界点が特定されてもよい。この場合、零磁界点は必ずしもｙ軸上に存在しない場合があるが、この場合でも、特定された零磁界点に磁界センサを設置することで、一定の能動補償効果を得ることができる。
【００４４】
本発明において、「磁界がゼロである」とは、磁界の大きさがゼロでないがゼロに非常に近い値（以下、「ゼロ近傍値」と称する。）である場合を含む。
したがって、シールド空間内の所定位置の磁界が、ゼロ近傍値であるときに磁界がゼロである位置が零磁界点として特定されてもよい。また、シールド空間内の所定位置の磁界がゼロであるときに、シールド空間外において磁界がゼロ近傍値となる位置が零磁界点として特定されてもよい。さらには、シールド空間内の所定位置の磁界がゼロ近傍値であるときに、シールド空間外において磁界がゼロ近傍値となる位置が零磁界点として特定されてもよい。
これらの態様でも、一定の効果を奏しつつ磁気シールドの能動補償を行うことができる。ただし、上述の実施形態で説明した態様が最も高精度に能動補償を行うことができるのは当然である。
【符号の説明】
【００４５】
１  磁気シールド装置
１０  シールド部
１１  第一シールド部材
１２  第二シールド部材
２０  補償コイル
２１  第一補償コイル
２２  第二補償コイル
３０  制御部
４０  磁界センサ
Ｓ  シールド空間
Ｓｃ  （シールド空間の）中心（所定位置）
Ｚｍ１、Ｚｍ２  零磁界点
【図１】
2017152573.tif 000009
【図２】
2017152573.tif 000010
【図３】
2017152573.tif 000011
【図４】
2017152573.tif 000012
【図５】
2017152573.tif 000013