(57)【要約】【課題】簡易かつ低廉な装置構成で環境磁気ノイズの影響を低減することにより、高精度に磁性物を検出可能な磁性物検出装置を提供する。【解決手段】磁性物検出装置１００は、被検査体１に混入された磁性異物を所定の方向に磁化させるための帯磁装置２０と、磁性異物を検出する検出部１０と、制御装置３０と、被検査体１を搬送させるための搬送機構４０とを備える。検出部１０は、磁気シールド１２内に配置された磁気センサ１８を含む。磁気センサ１８は、一対の差動構成された検出コイルを有するＳＱＵＩＤグラジオメータである。磁気センサ１８は、該検出コイルのコイル面が被検査体１の移動面に対して所定の角度を有するように配置される。【選択図】図１
2009092507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査体に磁性物が混入されている場合に、該磁性物を検出する磁性物検出装置であって、
前記磁性物を所定の方向に磁化させるための帯磁装置と、
磁界を受ける面であるコイル面が同一平面上に配された２つの検出コイルを有し、前記２つの検出コイルのそれぞれに対して鎖交する磁束の差に応じた電流に基づいて前記磁性物を検出する磁気センサと、
前記被検査体と前記磁気センサとの相対的な位置が変化するように、前記被検査体および前記磁気センサの少なくとも一方を移動させる搬送機構とを備え、
前記磁気センサは、前記２つの検出コイルのコイル面が、前記所定の方向と垂直な面に対して所定の角度を有するように配置される、磁性物検出装置。
【請求項２】
被検査体に磁性物が混入されている場合に、該磁性物を検出する磁性物検出装置であって、
磁界を受ける面であるコイル面が同一平面上に配された２つの検出コイルを有し、前記２つの検出コイルのそれぞれに対して鎖交する磁束の差に応じた電流に基づいて前記磁性物を検出する磁気センサと、
前記被検査体と前記磁気センサとの相対的な位置が変化するように、前記被検査体および前記磁気センサの少なくとも一方を移動させる搬送機構とを備え、
前記磁気センサは、前記２つの検出コイルのコイル面が、前記被検査体の相対的な移動面に対して所定の角度を有するように配置される、磁性物検出装置。
【請求項３】
前記所定の角度は、９０度未満である、請求項１または請求項２に記載の磁性物検出装置。
【請求項４】
前記所定の角度は、略４５度である、請求項３に記載の磁性物検出装置。
【請求項５】
前記所定の角度は、前記磁気センサと前記被検査体との相対的な距離に応じて設定される、請求項３に記載の磁性物検出装置。
【請求項６】
外部からの磁気ノイズを遮蔽するためのシールド部材をさらに備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の磁性物検出装置。
【請求項７】
前記磁気センサは、グラジオメータである、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の磁性物検出装置。
【請求項８】
被検査体に磁性物が混入されている場合に、磁気センサを利用して該磁性物を検出する磁性物検出方法であって、
前記磁気センサは、磁界を受ける面であるコイル面が同一平面上に配された２つの検出コイルを有し、
前記磁性物検出方法は、
前記磁性物を所定の方向に磁化させるステップと、
前記２つの検出コイルのコイル面が、前記所定の方向に垂直な面に対して所定の角度を有するように配置するステップと、
前記被検査体と前記磁気センサとの相対的な位置が変化するように、前記被検査体および前記磁気センサの少なくとも一方を移動させるステップと、
前記２つの検出コイルのそれぞれに対して鎖交する磁束の差に応じた電流に基づいて前記磁性物を検出するステップとを備える、磁性物検出方法。
【請求項９】
被検査体に磁性物が混入されている場合に、磁気センサを利用して該磁性物を検出する磁性物検出方法であって、
前記磁気センサは、磁界を受ける面であるコイル面が同一平面上に配された２つの検出コイルを有し、
前記磁性物検出方法は、
前記被検査体と前記磁気センサとの相対的な位置が変化するように、前記被検査体および前記磁気センサの少なくとも一方を移動させるステップと、
前記２つの検出コイルのコイル面が、前記被検査体の相対的な移動面に対して所定の角度を有するように配置するステップと、
前記２つの検出コイルのそれぞれに対して鎖交する磁束の差に応じた電流に基づいて前記磁性物を検出するステップとを備える、磁性物検出方法。
【請求項１０】
前記磁気センサと前記被検査体との相対的な距離に応じて前記所定の角度を設定するステップをさらに備える、請求項８または請求項９に記載の磁性物検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被検査体に混入される磁性物を非破壊で検出する磁性物検出装置および磁性物検出方法に関し、より特定的には、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を用いた構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
食品などの製品の製造ラインにおいては、原料に由来する金属細片や製造工程における製造設備の損磨耗による金属破片などの異物が製品に誤って混入することがある。そのため、従来から、製品出荷前において製品に混入した異物の検出および異物混入製品の排除を行なうことによって、製品の安全性を確保している。
【０００３】
このような製品内の異物を検出する方法としては、従来から、Ｘ線を用いるＸ線異物検査装置や過電流を利用した金属検出装置などが適用されてきたが、検出精度が低いという問題があった。
【０００４】
そこで、最近では、このような問題を解消するために、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device；以下、「ＳＱＵＩＤ」とも称す）を用いた磁気センサを利用して、磁性異物を検出する構成が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
【０００５】
ＳＱＵＩＤは、超伝導リング中に絶縁体を挿入したいわゆるトンネル効果を応用するジョセフソン接合を有する素子である。ＳＱＵＩＤを磁気センサとして機能させるために、ジョセフソン接合の臨界電流値を少し超えるバイアス電流を素子に印加する。外部からの磁場に応じてＳＱＵＩＤの出力電圧が変化し、この電圧変化を検出することにより、外部からの微小な磁場を検出することができる。
【特許文献１】特開２００５−３５１８０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したように製品内の磁性異物の検出にＳＱＵＩＤを用いた場合には、高い磁気感度を有するが故に、製造ライン等において発生する環境磁気ノイズを誤って検出してしまうという問題があった。そのため、従来では、磁気シールドを設けてその内部にＳＱＵＩＤを配置することによって、環境磁気ノイズを遮蔽する構成が採られてきた。ところが、この磁気シールドは、一般にパーマロイなどの高透磁性材料で構成されるため、装置のコストおよびサイズを増大させてしまい、汎用性において問題が生じていた。
【０００７】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡易かつ低廉な装置構成で環境磁気ノイズの影響を低減することにより、高精度に磁性物を検出可能な磁性物検出装置を提供することである。
【０００８】
また、この発明の別の目的は、簡易かつ低廉な装置構成で環境磁気ノイズの影響を低減することにより、高精度に磁性物を検出可能な磁性物検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明のある局面に従えば、被検査体に磁性物が混入されている場合に、該磁性物を検出する磁性物検出装置であって、磁性物を所定の方向に磁化させるための帯磁装置と、磁界を受ける面であるコイル面が同一平面上に配された２つの検出コイルを有し、２つの検出コイルのそれぞれに対して鎖交する磁束の差に応じた電流に基づいて磁性物を検出する磁気センサと、被検査体と磁気センサとの相対的な位置が変化するように、被検査体および磁気センサの少なくとも一方を移動させる搬送機構とを備える。磁気センサは、２つの検出コイルのコイル面が、所定の方向と垂直な面に対して所定の角度を有するように配置される。
【００１０】
この発明の別の局面に従えば、被検査体に磁性物が混入されている場合に、磁気センサを利用して該磁性物を検出する磁性物検出方法であって、磁気センサは、磁界を受ける面であるコイル面が同一平面上に配された２つの検出コイルを有する。磁性物検出方法は、磁性物を所定の方向に磁化させるステップと、２つの検出コイルのコイル面が、所定の方向に垂直な面に対して所定の角度を有するように配置するステップと、被検査体と磁気センサとの相対的な位置が変化するように、被検査体および磁気センサの少なくとも一方を移動させるステップと、２つの検出コイルのそれぞれに対して鎖交する磁束の差に応じた電流に基づいて磁性物を検出するステップとを備える。
【００１１】
上記の磁性物検出装置および磁性物検出方法によれば、２つの検出コイルのコイル面が磁性物の磁化方向と垂直な面に対して所定の角度を有するように磁気センサを配置することにより、被検査体と検出コイルとの距離が検出コイルの中心間距離を上回る場合であっても、環境磁気ノイズの影響を低減しつつ、高い検出精度で磁性物を検出することができる。
【００１２】
この発明の別の局面に従えば、被検査体に磁性物が混入されている場合に、該磁性物を検出する磁性物検出装置であって、磁界を受ける面であるコイル面が同一平面上に配された２つの検出コイルを有し、２つの検出コイルのそれぞれに対して鎖交する磁束の差に応じた電流に基づいて磁性物を検出する磁気センサと、被検査体と磁気センサとの相対的な位置が変化するように、被検査体および磁気センサの少なくとも一方を移動させる搬送機構とを備える。磁気センサは、２つの検出コイルのコイル面が、被検査体の相対的な移動面に対して所定の角度を有するように配置される。
【００１３】
また、この発明の別の局面に従えば、被検査体に磁性物が混入されている場合に、磁気センサを利用して該磁性物を検出する磁性物検出方法であって、磁気センサは、磁界を受ける面であるコイル面が同一平面上に配された２つの検出コイルを有する。磁性物検出方法は、被検査体と磁気センサとの相対的な位置が変化するように、被検査体および磁気センサの少なくとも一方を移動させるステップと、２つの検出コイルのコイル面が、被検査体の相対的な移動面に対して所定の角度を有するように配置するステップと、２つの検出コイルのそれぞれに対して鎖交する磁束の差に応じた電流に基づいて磁性物を検出するステップとを備える。
【００１４】
上記の磁性物検出装置および磁性物検出方法によれば、２つの検出コイルのコイル面が被検査体の相対的な移動面に対して所定の角度を有するように磁気センサを配置することにより、検出コイルと被検査体との距離が検出コイルの中心間距離を上回る場合であっても、環境磁気ノイズの影響を低減しつつ、高い検出精度で磁性物を検出することができる。
【００１５】
好ましくは、所定の角度は、９０度未満である。
より好ましくは、所定の角度は、略４５度である。
【００１６】
上記の磁性物検出装置によれば、２つの検出コイルのそれぞれに鎖交する磁束に有意な差を生じさせるとともに、磁気センサの磁界感受方向を磁性物の磁化方向に対して直交させないことから、磁気センサの検出感度を確保することができる。
【００１７】
好ましくは、所定の角度は、磁気センサと被検査体との相対的な距離に応じて設定される。
【００１８】
好ましくは、磁性物検出方法は、磁気センサと被検査体との相対的な距離に応じて所定の角度を設定するステップをさらに備える。
【００１９】
上記の磁性物検出装置および磁性物検出方法によれば、磁気センサと被検査体との相対的な距離の大小にかかわらず、安定して磁気センサの検出感度を確保することができる。
【００２０】
好ましくは、磁性物検出装置は、外部からの磁気ノイズを遮蔽するためのシールド部材をさらに備える。
【００２１】
上記の磁性物検出装置によれば、環境磁気ノイズの影響を低減できるため、従来の磁性物検出装置と比較して、より小型かつ低廉なシールド部材を用いて磁性物検出装置を構築することができる。
【００２２】
好ましくは、磁気センサは、グラジオメータである。
上記の磁性物検出装置によれば、複数の検出コイルから構成されるグラジオメータを用いることにより、環境磁気ノイズの影響を低減しつつ、高い検出精度で磁性物を検出することができる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、簡易かつ低廉な装置構成で環境磁気ノイズの影響を低減することができる。その結果、高精度に磁性物を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２５】
（全体構成）
図１は、この発明の実施の形態に従う磁性物検出装置１００の概略構成図である。
【００２６】
図１を参照して、この発明の実施の形態に従う磁性物検出装置１００は、代表的に製品ラインで誤って製品に混入した磁性異物の検出などに用いられる。被検査体に混入する磁性異物の磁性モーメントを誘起して、これを磁気センサで検出することにより、磁性異物を検出することができる。
【００２７】
より具体的には、磁性物検出装置１００は、検出部１０と、帯磁装置２０と、制御装置３０と、搬送機構４０とを備える。
【００２８】
検出部１０は、パーマロイなどの高透磁性材料で構成される磁気シールド１２と、磁気シールド１２内に配置される磁気センサ１８と、磁気シールド１２を支持する支持台１１とを含む。
【００２９】
磁気シールド１２は、搬送路４２の搬送方向に沿って前方および後方に開口部１２０ａ，１２０ｂを有する。この開口部１２０ａ，１２０ｂを介して搬送路４２のベルト４４に載置された被検査体１を磁気シールド１２空間内に導入する。
【００３０】
磁気シールド１２は、地磁気および環境磁気ノイズをシールドして、磁気検出動作に悪影響が生じるのを防止する。この磁気シールド１２を配置することにより、製品ライン等の一般環境下においても磁性異物を検出することが可能となる。なお、磁気シールド１２は、環境に応じて複数層で形成することも可能である。また必要に応じて電波シールドも設けられる。
【００３１】
磁気センサ１８は、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device；以下、「ＳＱＵＩＤ」とも称す）を用いて構成される。ＳＱＵＩＤは、超伝導リング中に絶縁体を挿入したいわゆるトンネル効果を応用するジョセフソン接合を有する素子である。磁気センサ１８は、ＳＱＵＩＤを超伝導状態に維持するために磁気シールド１２内において冷却される。具体的には、磁気センサ１８は、容器部１４に格納された冷却媒体１６に浸漬されている。
【００３２】
なお、ＳＱＵＩＤとしては、ニオブ化合などからなる低温超伝導体、もしくはセラミックスなどからなる高温超電導体のいずれで構成してもよいが、本実施の形態に従う磁性物検出装置１００では、高温超電導体を用いる場合について説明する。高温超電導体は、約９０Ｋで超伝導状態となるため、冷却媒体１６として液体窒素（沸点：７７．３Ｋ）が用いられる。なお、低温超伝導体を用いる場合には、冷却媒体として液体ヘリウム（沸点：４．２Ｋ）を用いる必要がある。
【００３３】
容器部１４は、代表的にガラスエポキシなどの非磁性の材料で構成されており、容器外部からの熱侵入を抑制するために、その外周には図示しない真空層が形成されている。また、容器部１４は、熱侵入を防ぐための蓋部（図示せず）により密閉されている。
【００３４】
帯磁装置２０は、磁気シールド１２の入口側の開口部１２０ａ近傍に配置される。帯磁装置２０は、搬送路４２を挟んで上下方向に配置される一対の永久磁石２２，２４を含む。なお、強い磁場を生成するものであれば、永久磁石に限らず電磁石であってもよい。
【００３５】
この帯磁装置２０内を被検査体１が通過することにより、一対の永久磁石２２，２４が、被検査体１内に存在する磁性異物に直流磁界を印加する。これにより、該磁性異物は、被検査体１の搬送方向に対して垂直となる磁場Ｈを有するように強制的に磁化され、確実に帯磁状態となる。その結果、磁気センサ１８における磁性異物の検出感度を改善することができる。なお、磁気センサ１８の検出感度が十分高い場合には、帯磁装置２０を設けなくてもよい。
【００３６】
搬送機構４０は、被検査体１を搬送するための搬送路４２と、搬送路４２を支持する支持台５０とを含む。搬送路４２は、被検査体１を搬送するベルト４４と、ベルト４４を滑らかに移動させるローラ４８と、搬送方向の前後に配置されベルト４４を駆動するプーリ４６とにより構成される。ベルト４４は、磁気シールド１２内を通過しており、帯磁装置２０から搬出された被検査体１を磁気シールド１２内に搬送するとともに、検査後の被検査体１を磁気シールド１２から搬出する。
【００３７】
図２は、この発明の実施の形態に従う検出部１０の一部断面側面図である。
図２を参照して、磁気センサ１８は、容器部１４の底部において搬送路４２と対向するように配置される。すなわち、磁気センサ１８は、搬送路４２の上方に配置され、搬送路４２を移動する被検査体１の磁性異物２からの磁場Ｈの検出を行なう。
【００３８】
なお、磁気センサ１８は、中空絶縁性の熱膨張率の小さな空洞管１８０内に挿入されて案内される配線１８２を介して駆動回路（図示せず）に結合される。この駆動回路は、制御装置３０に設けられる。
【００３９】
図２に示されるように、磁気センサ１８を容器部１４の底部に配置することによって磁気センサ１８を被検査体１に近接させることにより、被検査体１に磁性異物２が含まれている場合に、その磁性異物２による磁場Ｈを高精度に検出することができる。
【００４０】
（磁気センサ）
ここで、図３を用いて、磁気センサ１８に用いられるＳＱＵＩＤによる磁場検出の原理について説明する。
【００４１】
図３を参照して、ＳＱＵＩＤ６０は、ループ状に形成された超電導材料からなり、そのループ上に２個のジョセフソン接合ＪＪが形成される。このジョセフソン接合ＪＪは、絶縁材料を２つの超電導材料で積層した構造を有し、他の部分に比較して超電導材料としての特性が低い。そのため、ジョセフソン接合ＪＪは、ＳＱＵＩＤ６０の中で、最も早く超電導状態から常電導状態に移行する。すなわち、ループを流れる電流が所定の制限値を超えると、ＳＱＵＩＤ６０には常電導状態の部分が生じるが、この制限値はジョセフソン接合ＪＪによって制限されることになる。
【００４２】
ところで、ＳＱＵＩＤ６０は、超電導状態においては、自身を貫く磁束を排除するような現象（マイスナー効果）を生じる。より具体的には、外部からの磁束がＳＱＵＩＤ６０を貫通しようとすると、この磁束を打ち消すための遮蔽電流が流れる。このマイスナー効果を利用する以下の方法によりＳＱＵＩＤ６０を貫通しようとする磁束が存在するか否か、および存在する場合にはその磁束の大きさを検出することができる。
【００４３】
まず、ジョセフソン接合ＪＪが超電導状態を維持できる制限値にほぼ等しいバイアス電流を外部から与えておく。この状態で、磁束がＳＱＵＩＤ６０を貫通すると、この磁束を打ち消す方向に遮蔽電流が流れる。ジョセフソン接合ＪＪは、当該遮蔽電流が流れると超伝導状態を維持できる制限値を超え、その超過分の電流が常電導電流となり電気抵抗を発生させる。この場合、この電気抵抗は、前記遮蔽電流の大きさ、すなわち磁束の大きさに応じて変動するため、電気抵抗に起因して生じる出力電圧を測定することで、ＳＱＵＩＤ６０を貫通する磁束の大きさを検出することができる。
【００４４】
そして、このＳＱＵＩＤを用いた磁気センサとしては、代表的には、１つの検出コイルを有し、該検出コイルを鎖交する磁界を検出するマグネトメータと、複数の検出コイルから構成され、それぞれに鎖交する磁束の差を検出するグラジオメータとの２種類が存在する。
【００４５】
図４は、磁気センサ１８としてマグネトメータを用いた構成を説明するための図である。
【００４６】
図４（ａ）を参照して、磁性異物２が混入された被検査体１（図示せず）は、搬送方向（図中のｘ軸方向に相当）に沿って移動する。マグネトメータは、磁性異物２の移動面（図中のｘ−ｙ平面に相当）に対して、ＳＱＵＩＤ６０の磁界を受ける面であるコイル面が平行となるように配置されている。すなわち、マグネトメータは、ｚ軸方向を磁界感受方向とするように配置されており、磁界感受方向が磁性異物２の磁化方向と一致している。
【００４７】
ＳＱＵＩＤ６０は、公知のＦＬＬ（Flux Locked Loop）といわれる帰還回路を用いて駆動することにより、この感受磁束を電圧の形で出力する。また、帰還磁束は帰還コイル５６を介してＳＱＵＩＤ６０に入力している。
【００４８】
図４（ｂ）は、磁性異物２がｘ軸方向に移動したときのマグネトメータの出力信号を示す図である。図４（ｂ）の出力信号は、図４（ａ）の構成においてＳＱＵＩＤ６０に鎖交する磁束をシミュレーションすることにより得られたものである。
【００４９】
図４（ｂ）を参照して、出力信号は、磁性異物２とＳＱＵＩＤ６０との距離が最も短くなるときに鋭いピークを示していることが分かる。ここで、ＳＱＵＩＤ６０に生じる磁束は、磁束量子φ０（＝２．０７×１０−１５Ｗｂ）の単位で量子化される。ＦＬＬ帰還回路により、磁束量子φ０よりも小さな磁束を検出できるようになるため、マグネトメータは、０．１〜１ｐＴレベルの微小磁場を検出することができる。
【００５０】
その一方で、このような高い磁気感度に起因して、マグネトメータでは、磁性異物２の磁場Ｈとともに、周囲の磁気ノイズ源から発生した環境磁気ノイズも検出されることから、環境磁気ノイズを磁性異物２と誤って検出する可能性がある。したがって、マグネトメータを用いて磁性異物２を検出する場合には、環境磁気ノイズに対して高い遮蔽率を有する磁気シールドが必要となる。したがって、マグネトメータを用いて磁性異物２による磁束を検出する場合には、環境磁気ノイズの影響を排除するために、大型で高価な高遮蔽率磁気シールドを備えなければならない。
【００５１】
これに対して、以下に述べるように、磁気センサ１８に複数の検出コイルから構成されたグラジオメータを用いた場合では、環境磁気ノイズの影響を低減できるため、上述したような問題を回避することが可能となる。
【００５２】
図５は、グラジオメータを模式的に示す図である。図６は、図５のグラジオメータの一構成例を示す平面図である。なお、図５および図６では、一例として、一対の検出コイルからなる一次微分型グラジオメータが示される。
【００５３】
図５を参照して、グラジオメータ７０は、面積が略等しく、かつ平行に配置された２つの検出コイル７０１，７０２を有している。検出コイル７０１，７０２にそれぞれ鎖交する磁束の差分がＳＱＵＩＤ６０に伝達される。なお、２つの検出コイル７０１，７０２の面積を略等しくするのは、検出コイル間で環境磁気ノイズを効率良く相殺させるためである。
【００５４】
すなわち、グラジオメータ７０からは、２つの検出コイル７０１，７０２にそれぞれ鎖交した磁束密度の空間勾配に比例した出力電圧が得られる。このとき、検出コイル７０１，７０２から離れた場所に磁気ノイズ源をもつ環境磁気ノイズについては、検出コイル７０１，７０２に鎖交する磁束が略等しいためにその差分が略零となる。この結果、グラジオメータ７０の出力（検出される磁界）から環境磁気ノイズの影響を排除することができる。
【００５５】
なお、磁気センサ１８にグラジオメータ７０を用いる場合であっても、磁性異物２による磁束をより高精度に検出するためには、磁気シールドを備えることが好ましい。ただし、この磁気シールドは、マグネトメータを用いる場合と比較して、小型で安価なもので構築することができる。
【００５６】
図６を参照して、グラジオメータ７０は、基板７２と、基板７２上に形成された超伝導薄膜パターン７４とを有して構成される。超伝導薄膜パターン７４には、左右対称に超伝導薄膜ループである２つの検出コイル７０１，７０２が形成される。四角形状である検出コイル７０１，７０２は、一辺が共有されており、該一辺の中央にはＳＱＵＩＤ６０が形成されている。
【００５７】
より具体的には、ＳＱＵＩＤ６０は、中央部分に開口部を有しており、その右側の一部分において、該開口部を挟んで位置する２つの所定部分にジョセフソン接合部７６が形成されている。ジョセフソン接合部７６は、たとえば基板７２に設けられた段差部を超伝導材料が覆うことによって段差部上に形成される弱結合を利用して形成される。ジョセフソン接合部７６を挟んだＳＱＵＩＤ６０の左右の両端には、各々２つの端子７８が、端子接続部７７を介して接続されている。
【００５８】
図６の構成において、検出コイル７０１、７０２には、外部からの磁束を受けると、その鎖交数に応じた遮蔽電流Ｉ１，Ｉ２がそれぞれ流れる。したがって、検出コイル７０１の方が検出コイル７０２よりも磁束の鎖交数がより大きい場合には、遮蔽電流Ｉ１が遮蔽電流Ｉ２よりも大きくなる。そして、その遮蔽電流の差分（＝Ｉ１−Ｉ２）がＳＱＵＩＤ６０を流れることにより、検出コイル７０１，７０２に鎖交する磁束の差分が検出される。
【００５９】
次に、以上の構成からなるグラジオメータ７０を磁気センサ１８として用いた磁性物検出装置１００における磁性異物２の検出動作について説明する。
【００６０】
図７は、磁気センサ１８としてグラジオメータ７０を用いた構成を説明するための図である。
【００６１】
図７（ａ）を参照して、磁性異物２が混入された被検査体１（図示せず）は、搬送方向（図中のｘ軸方向に相当）に沿って移動する。グラジオメータ７０は、磁性異物２の移動面（図中のｘ−ｙ平面に相当）に対して、検出コイル７０１，７０２のコイル面が平行となるように配置されている。すなわち、グラジオメータ７０は、ｚ軸方向を磁界感受方向とするように配置されており、磁界感受方向が磁性異物２の磁化方向と一致している。
【００６２】
なお、上述したように、検出コイル７０１，７０２は一辺を共有しており、該一辺上には２個のジョセフソン接合部７６が形成されている。
【００６３】
このような構成において、磁性異物２がｘ軸方向に沿って移動すると、磁性異物２と検出コイル７０１，７０２との距離Ｌ１，Ｌ２が連続的に変化する。そして、この距離Ｌ１，Ｌ２の変化に従って、検出コイル７０１，７０２にそれぞれ鎖交する磁束が連続的に変化する。このとき、グラジオメータ７０からは、検出コイル７０１，７０２にそれぞれ鎖交する磁束の差分に比例した出力信号が得られる。
【００６４】
図７（ｂ）は、磁性異物２がｘ軸方向に移動したときのグラジオメータ７０の出力信号を示す図である。
【００６５】
図７（ｂ）を参照して、出力信号は、正側および負側にそれぞれピークを有していることが分かる。正側のピークは、検出コイル７０１に鎖交する磁束が検出コイル７０２に鎖交する磁束よりも多いことを示し、負側のピークは、検出コイル７０２に鎖交する磁束が検出コイル７０１に鎖交する磁束よりも多いことを示している。これらのピークは、磁性異物２が移動するに従って、検出コイル７０１，７０２と磁性異物２との距離Ｌ１，Ｌ２の大小関係が連続的に変化することによって生じるものである。
【００６６】
さらに出力信号において、そのピークは、検出コイル７０１，７０２にそれぞれ鎖交する磁束の差分に比例した大きさとなる。このピークが大きいほど、高い検出精度が得られる。
【００６７】
しかしながら、磁性物検出装置１００の構成上、検出コイル７０１，７０２の中心間距離であるベースラインＬＴに対して検出コイル７０１，７０２と磁性異物２との距離Ｌ１，Ｌ２が十分に長くなる場合がある。この場合には、距離Ｌ１と距離Ｌ２とが略等しくなるために，検出コイル７０１，７０２にそれぞれ鎖交する磁束が略等しくなる。その結果、出力信号のピークが小さくなり、磁性異物２を正確に検出することが困難となる。
【００６８】
かかる場合において検出精度を高めるためには、ベースラインＬＴをより長くすることが有効である。しかしながら、超伝導薄膜を形成する大型の単結晶基板がないため、大面積の超伝導薄膜パターン７４（図５）を形成することは必ずしも容易でない。
【００６９】
そこで、ベースラインＬＴを変えることなく、検出コイル７０１，７０２の間で磁性異物２までの距離Ｌ１，Ｌ２に有意な差を設ける手段としては、図８に示すように、検出コイル７０１，７０２のコイル面を磁性異物２の移動面（ｘ−ｙ平面）に対して垂直となるように、グラジオメータ７０を配置する構成（以下、垂直配置とも称する）とすることが考えられる。
【００７０】
図８は、磁気センサ１８としてのグラジオメータ７０を垂直配置した構成を説明するための図である。
【００７１】
図８（ａ）を参照して、磁性異物２が混入された被検査体１（図示せず）は、搬送方向（図中のｘ軸方向に相当）に沿って移動する。グラジオメータ７０は、磁性異物２の移動面（図中のｘ−ｙ平面に相当）に対して、検出コイル７０１，７０２のコイル面が垂直となるように配置されている。すなわち、グラジオメータ７０は、ｘ軸方向を磁界感受方向とするように配置されており、磁界感受方向が磁性異物２の磁化方向と直交している。
【００７２】
このような構成において、磁性異物２がｘ軸方向に沿って移動すると、磁性異物２と検出コイル７０１，７０２との距離Ｌ１，Ｌ２が連続的に変化する。この距離Ｌ１，Ｌ２の変化に従って、検出コイル７０１，７０２にそれぞれ鎖交する磁束が連続的に変化する。このとき、グラジオメータ７０からは、検出コイル７０１，７０２にそれぞれ鎖交する磁束の差分に比例した出力信号が得られる。
【００７３】
図８（ｂ）は、磁性異物２がｘ軸方向に移動したときのグラジオメータ７０の出力信号のシミュレーション結果を示す図である。
【００７４】
図８（ｂ）を参照して、出力信号は、正側および負側にそれぞれピークを有している。それぞれのピークの大きさは、図７（ｂ）で示した出力信号のピークと比較して大きくなっていることが分かる。検出コイル７０１，７０２のベースラインＬＴが、直接的に、磁性異物２までの距離Ｌ１，Ｌ２の差となっていることによる。なお、図４（ｂ）で示したマグネトメータの出力信号のピークの大きさを１とすると、シミュレーションの結果、０．１３程度の大きさとなっている。
【００７５】
その一方で、出力信号は、磁性異物２が検出コイル７０１，７０２に最も近接する位置、すなわち、磁性異物２が検出コイル７０１，７０２の直下となる位置では、零を示している。磁性異物２が検出コイル７０１，７０２の直下となる位置で出力信号が零となるのは、検出コイル７０１，７０２の直下では、磁性異物２の磁化方向（ｘ軸方向）がグラジオメータ７０の磁界感受方向（ｚ軸方向）と直交するために、磁性異物２の磁場Ｈを検出できないからである。
【００７６】
このように検出コイル７０１，７０２のコイル面を磁性異物２の移動面に対して垂直に配置した場合には、該コイル面を磁性異物２の移動面に対して平行に配置した場合と比較して、ピークにおける出力信号のレベルを大きくすることができる反面、検出コイル７０１，７０２の直下となる位置からオフセットされた位置で出力信号がピークを示すことになる。このオフセットされた位置から検出コイル７０１，７０２までの距離は、検出コイル７０１，７０２の直下となる位置から検出コイル７０１，７０２までの距離よりも長いことから、磁場Ｈの検出感度においては不利となってしまう。したがって、検出感度を確保するためには、検出コイル７０１，７０２の直下により近い位置で出力信号がピークを示すことが要求される。
【００７７】
そこで、本実施の形態による磁性物検出装置は、磁性異物２の移動面に対して検出コイル７０１，７０２のコイル面が所定の角度を有するようにグラジオメータ７０を配置する構成（以下、傾斜配置とも称する）とする。所定の角度は、９０°よりも小さい角度に設定される。以下では、一例として、所定の角度を４５°とした場合の検出動作について説明する。
【００７８】
図９は、磁気センサ１８としてのグラジオメータ７０を傾斜配置した構成を説明するための図である。
【００７９】
図９（ａ）を参照して、磁性異物２が混入された被検査体１（図示せず）は、搬送方向（図中のｘ軸方向に相当）に沿って移動する。グラジオメータ７０は、磁性異物２の移動面（図中のｘ−ｙ平面に相当）に対して、検出コイル７０１，７０２のコイル面が４５°の角度を有するように配置されている。すなわち、グラジオメータ７０は、ｚ軸方向に対して４５°だけ傾斜した方向を磁界感受方向とするように配置されている。
【００８０】
このような構成において、磁性異物２がｘ軸方向に沿って搬送されると、磁性異物２と検出コイル７０１，７０２との距離Ｌ１，Ｌ２が連続的に変化する。この距離Ｌ１，Ｌ２の変化に従って、検出コイル７０１，７０２にそれぞれ鎖交する磁束が連続的に変化する。このとき、グラジオメータ７０からは、検出コイル７０１，７０２にそれぞれ鎖交する磁束の差分に比例した出力信号が得られる。
【００８１】
図９（ｂ）は、磁性異物２がｘ軸方向に移動したときのグラジオメータ７０の出力信号のシミュレーション結果を示す図である。
【００８２】
図９（ｂ）を参照して、出力信号は、正側および負側にそれぞれピークを有している。それぞれのピークの大きさは、図８（ｂ）で示した出力信号のピークよりもさらに大きいことが分かる。なお、図４（ｂ）で示したマグネトメータの出力信号のピークの大きさを１とすると、シミュレーションの結果、およそ０．２２程度の大きさとなっている。
【００８３】
さらに、出力信号は、検出コイル７０１，７０２の中央部分に対して略直下となる位置でピークを示している。
【００８４】
このように検出コイル７０１，７０２のコイル面を磁性異物２の移動面に対して傾斜させたことによって、出力信号は、検出コイル７０１，７０２の中央部分に対して略直下となる位置でピークを示すととも、ピークの大きさが上記の垂直配置に対して大きくなっている。
【００８５】
これは、当該位置においても、ベースラインＬＴによって磁性異物２から検出コイル７０１，７０２までの距離Ｌ１，Ｌ２に有意な差が生じていることに加えて、磁性異物２の磁化方向とグラジオメータ７０の磁界感受方向とが直交していないために、グラジオメータ７０の検出感度が確保されていることによる。
【００８６】
この結果、グラジオメータ７０を磁性異物２の移動面に対して傾斜配置することにより、環境磁気ノイズの影響を低減しつつ、高い検出感度で磁性異物２を検出することが可能となる。
（実測データ）
図１０は、磁気センサ１８としてマグネトメータ（図４）を用いた場合、磁気センサ１８としてグラジオメータ（図６）を用い、かつ検出コイル７０１，７０２のコイル面を磁性異物２の移動面に対して垂直となるようにグラジオメータ７０を配置した場合、および、磁気センサ１８としてグラジオメータを用い、かつ検出コイル７０１，７０２のコイル面を磁性異物２の移動面に対して４５°の角度を有するようにグラジオメータ７０を配置した場合における実測結果を示す図である。
【００８７】
なお、本実測結果は、グラジオメータ７０の検出コイル７０１，７０２を、マグネトメータの検出コイルと同一形状とし、かつ、ベースラインを該検出コイルの一辺の長さと同じとした条件下において、図１および２に示した構成において被検査体１を搬送させた場合にそれぞれ得られたものである。
【００８８】
図１０を参照して、ラインＬＮ１は、マグネトメータの出力信号を示し、ラインＬＮ２は、検出コイルのコイル面が磁性異物２の移動面に対して垂直となるように配置されたグラジオメータの出力信号を示し、ラインＬＮ３は、検出コイルのコイル面が磁性異物２の移動面に対して４５°の角度を有するように傾斜配置されたグラジオメータの出力信号を示す。
【００８９】
これら３つの出力信号間でピークとなる信号レベルを比較すると、マグネトメータの出力信号が最も大きく、磁性異物２の移動面に対して４５°の角度を有するように傾斜配置されたグラジオメータの出力信号が次に大きく、磁性異物２の移動面に対して垂直となるように配置されたグラジオメータの出力信号が最も小さい。具体的には、マグネトメータの出力信号のピークを１としたときに、垂直に配置されたグラジオメータの出力信号のピークが０．１７程度となるのに対して傾斜配置されたグラジオメータの出力信号のピークは０．２５程度となった。これらは、図８および図９で示したシミュレーション結果が実証されていることが示している。
【００９０】
以上のような結果から、グラジオメータ７０を傾斜配置することによって垂直に配置するのに対して、出力信号のピークを大きくすることができるため、検出感度が確保されることが示された。
【００９１】
なお、グラジオメータ７０の傾斜配置において、検出コイル７０１，７０２のコイル面と磁性異物２の移動面とがなす所定の角度については、グラジオメータ７０のベースラインＬＴおよびグラジオメータ７０と被検査体１との距離に基づいて、磁気感度が最適となるように適宜調整することが可能である。たとえばグラジオメータ７０と被検査体１との距離に応じて所定の角度を可変とするように構成してもよい。
【００９２】
（変更例）
なお、上述した本実施の形態における効果は、図１１に示すように、搬送路４２をグラジオメータ７０に対して傾斜配置することによっても得ることができる。すなわち、検出コイル７０１，７０２のコイル面と磁性異物２の移動面とが所定の角度を有する限りにおいて、搬送路４２およびグラジオメータ７０のどちらが傾斜していてもよい。
【００９３】
さらには、検出コイル７０１，７０２と磁性異物２との相対的な位置が連続的に変化すればよいことから、移動するのが磁性異物２ではなく、磁気センサ１８とすることも可能である。
【００９４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】この発明の実施の形態に従う磁性物検出装置の概略構成図である。
【図２】この発明の実施の形態に従う検出部の一部断面側面図である。
【図３】ＳＱＵＩＤによる磁場検出の原理を説明するための図である。
【図４】磁気センサとしてマグネトメータを用いた構成を説明するための図である。
【図５】グラジオメータを模式的に示す図である。
【図６】図５のグラジオメータの一構成例を示す平面図である。
【図７】磁気センサとしてグラジオメータを用いた構成を説明するための図である。
【図８】グラジオメータを垂直配置した構成を説明するための図である。
【図９】グラジオメータを傾斜配置した構成を説明するための図である。
【図１０】マグネトメータおよびグラジオメータにおける実測結果を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態の変更例に従う磁性物検出装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００９６】
１  被検査体、２  磁性異物、１０  検出部、１１，５０  支持台、１２  磁気シールド、１４  容器部、１６  冷却媒体、１８  磁気センサ、２０  帯磁装置、２２，２４  永久磁石、３０  制御装置、４０  搬送機構、４２  搬送路、４４  ベルト、４６  プーリ、４８  ローラ、７０１，７０２  検出コイル、５６  帰還コイル、６０  ＳＱＵＩＤ、７０  グラジオメータ、７２  基板、７４  超伝導薄膜パターン、７６  ジョセフソン接合部、７７  端子接続部、７８  端子、１００  磁性物検出装置、１２０ａ，１２０ｂ  開口部、１８０  空洞管、１８２  配線、ＪＪ  ジョセフソン結合。
【図１】
2009092507.tif 000003
【図２】
2009092507.tif 000004
【図３】
2009092507.tif 000005
【図４】
2009092507.tif 000006
【図５】
2009092507.tif 000007
【図６】
2009092507.tif 000008
【図７】
2009092507.tif 000009
【図８】
2009092507.tif 000010
【図９】
2009092507.tif 000011
【図１０】
2009092507.tif 000012
【図１１】
2009092507.tif 000013