JPH02218979A - 磁界測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は磁界測定装置に関し、 微分型ピックアップ・コイルを用いた磁界測定装置にお
いて、一様磁界による雑音成分を除去することを目的と
し、 微分形コイルをピックアップ・コイルとする第１の磁界
測定器と、補正用コイルと、該補正用コイルの面の傾き
を自在に設定する設定機構と、該補正用コイルをピック
アップ・コイルとする第２の磁界測定器と、第２の磁界
測定器の出力を所定の値に設定する増幅器と、前記第１
の磁界測定器の出力から該増幅器の出力を減じる減算手
段とを備え、前記補正用コイルの面の傾きを該微分型コ
イルの一様磁界に対する等価コイル面の傾きに設定し、
一様磁界に対する前記第１および第２の磁界測定器の出
力が同一になるように該増幅器を設定して該微分型コイ
ルで得られた被測定磁界の測定値から一様磁界による雑
音成分を除去するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は外来磁界雑音成分を除去する磁界測定装置の改
良に関する。

近年、生体などから発する微小磁界の測定にスクイド（
超伝導量子干渉計）を利用した高感度の磁界測定装置が
利用されているが、極く微小な磁界を測定するため、外
来磁界の影響が問題になっている。

外来磁界雑音の主な発生源となっているものに地磁気や
電車、エレベータ、コンピュータその他の電気機器など
があるが、これらの発生源は被測定磁界源に較べ非常に
離れた位置にある。このため外来磁界雑音は被測定磁界
源の近くでは場所によってその大きさと方向が殆ど変わ
らない一様磁界と見做すことができる。

このことを利用して、外来磁界雑音成分を除去するため
に、ピックアップ・コイルとして１次微分形コイルや２
次微分形コイルなどの微分形コイルが用いられているが
、ピックアップ・コイルの製作誤差の点から一様磁界に
よる雑音成分を充分には除去しきれないという問題を残
している。

〔従来の技術〕

第８図は従来の磁界測定装置ブロック図、第９図は従来
の雑音除去方式説明図である。

従来磁界測定装置では、外来一様磁界による雑音を除去
するために、ピックアンプ・コイルＬ１として、第８図
に示すような１次微分形コイルが用いられている。

また図示しないが、一様勾配磁界による雑音を除去する
２次微分形コイル、さらには３次微分形コイルなど種々
の微分形コイルが用いられている。

これらのピックアップ・コイルし、と高感度磁気センサ
であるスクイドＳ１に磁気結合するインップト・コイル
Ｌ２とは超伝導材でできており超伝導ループを構成して
いる。

第８図において、磁界Ｈが一次微分型のピックアップ・
コイルＬ１に入力すると、ピックアップ・コイルＬ１に
文楽する磁束Φいを打ち消す方向にΦ、に比例した電流
■がピックアップ・コイルＬ１とインプットコイルＬ２
に流れ、インプット・コイルＬ２から磁束Φ、に比例し
た磁束Φ正がスクイドＳ、に文楽する。

スクイドＳ１に文楽した磁束Φ□はスクイドＳ、で検出
され、その出力は磁界測定回路ｌｌで処理されて文楽磁
束Φ、に応じた信号ｖ０が出力される。この信号■。は
電流変換回路１２で■。に比例した電流に変換され、ス
クイドＳ１に磁気結合したフィードバック・コイルし３
に流入され、インプット・コイルＬ２からスクイドＳ１
に入力する磁束Φ１を打ち消す方向に磁束がフィードバ
ックされ、ヌルメソッドで磁束Φｉ１従って磁界Ｈが計
測されて磁界測定回路１１の出力端には磁界Ｈに比例し
た信号が出力されるようになっている。

ここで、−次微分形ピックアップ・コイルを例にして、
微分形ピックアップ・コイル（以下微分型コイル）の一
様磁界に対する等価コイルについて説明する。

一次微分形コイルを構成する２個のコイルの面積および
それらの面の法線方向の単位ベクトルをそれぞれＡ　Ｈ
、ｎ　１およびＡｚ、ｎｚ＆すると、−次微分形コイル
に一様磁界■が叉交する磁束Φは、Φ−（Ａ＋ｎ＋・Ｈ
）＋　（Ａ２石：＞＞　　　　　（１）となる。ここで
括弧内はスカラ積を表す。

このΦがゼロになるためには、 Ａｔ　ｊｌ、＝−Ａｚ　ｎｚ　　　　　　　　　　　　
（２）であればよい。即ち２個のコイルの面積が等しく
面の法線方向が丁度逆向きであればよい。

しかし、実際に製作されたものには製作誤差が含まれる
ため、（２）式が満たされず一様磁界に対しても一次微
分形コイルから出力がでることになる。いま Ａ　ｚ　＝　Ａ　＋　＋ΔＡＸ　ｎｚ＝　　（ｎ＋＋Ａ
ｎ　）とするとき、文楽磁束Φは Φ＝（Ａｔ　　ｎ＋・Ｔ） −（（ＡＩ　　＋ΔＡ）［ｎ、＋τｎ］　・■）＝（Ａ
　　τｎ＋ΔＡ　　ｎ　＋Ａｎ　　　　・Ｔ）　　（３
）となる。（３）式で下線の部分は一つのベクトル量を
示すものであるから、このベクトルの大きさをＡ、、そ
の方向の単位ベクトルをＷｏとすると（３）式は次の如
く書ける。

Φ＝（Ａ、丁。・Ｈ）　　　　　　　　　　　　（４）
これは面積がＡ、で、その面の法線方向が−ｂ−０の方
向を向いたコイルに一様磁界が文楽する磁束に等しい。

従って一様磁界に対して、−次微分形コイルはそれを構
成する２個のコイルが（２）式を満たさない場合には面
積が八〇で、その面の法線が方向が−ｎ、の方向を向い
たコイルと等価となり、一様磁界に対して感度を有する
ことになる。

他の形の微分形コイルについても、製作誤差があると前
記と同様にある面積を有し、ある面の向きを有する１個
のコイルと等価となる。

実際に製作されたコイルの面積Ａには通常０．１％程度
或いはそれ以上の誤差ををし、また各コイル面間の平行
度にも誤差を含んでいるため、これらの外部磁界による
雑音は高々１０００分の１程度までにしか低減すること
ができない。

そこで、第９図（１）に示すように、３個の超伝導タブ
７　（面積の小さい薄い板）をそれぞれ互いに直交する
３軸方向の磁界の内の１方向の磁界に対してのみ感度変
化を与えるように配置し、これらの超伝導タブ７の位置
を調整して磁界分布を変えるか、または第９図（ＩＩ）
に示すように、互いに面が直交する補正用のループ９を
３個設け、超伝導タブ８の位置をずらせてその面が超伝
導タブ８で磁気的に遮蔽される量を調整することにより
、この製作誤差によるコイルのアンバランスの補正を行
っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

第９図Ｎ）（ｎ）で示した従来の方法では３個の超伝導
タブや３個の補正用のループの各面の法線方向に合わせ
て、■軸ずつ外部から一様交流磁界を加えて磁界測定器
の出方が最小になるよう順次調整を行うので、かなり調
整が面倒であるという課題があった。

また、前記３個の超伝導タブや３個の補正用のループの
各面の法線方向は互いに正確に直交している必要が有る
が、やはり製作誤差を含んでいるために、ある軸方向の
一様磁界に対して出力がないように調整すると、他の軸
方向の一様磁界に対し出力が増加することなどがあり、
同様な調整を繰り返して雑音出力が最小になるよう調整
を行っているが、それでも一様磁界に起因する雑音成分
の除去が十分には行えない欠点があった。

また３個の補正コイルをその面の法線がそれぞれＸ、Ｙ
、Ｚ方向を向くように配置して一様磁界に起因する雑音
を除去する方法が考案（特開昭６３−３２３８４　）さ
れているが、本方式で正確に短時間で調整を行うには、
３個の補正コイルの面の法線が互いに正確に直交してい
て、且つ調整の際に外部から加える一様磁界の方向が、
いずれかの法線方向に正確に一致していることが必要と
されるが、コイル面の方向にも、一様磁界の方向にも誤
差が含まれ易く、何度も同じ調整を繰り返してもなかな
か一様磁界に起因する雑音の除去が十分には行えない欠
点を有している。

本発明は、上記課題に鑑み、微分形ピックアップ・コイ
ルのアンバランスにより生ずる一様磁界による雑音をよ
り節単に、より確実に除去できる方式を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理説明図である。図中、１０は微分
形コイルＬ、をピックアップ・コイルとして被測定磁界
を測定する第１の磁界測定器で、ＬＩ、に文楽する磁束
に比例した信号を出力するもの、 Ｌ、は補正用コイル、 ３０は補正用コイルし、の面の傾きを回転自在に設定す
る設定機構、 ２０は補正用コイルＬｃをピンクアンプコイルとする第
２の磁界測定器で、Ｌｃに文楽する磁束に比例した信号
を出力するもの、 １は増幅器で、第２の磁界測定器２０の出力を所定の値
に設定するもの、 ２は減算手段で、第１の磁界測定器１０の出力から増幅
器１の出力を減するものである。

重み→〔作用］ 補正用コイルし、の面の法線方向を、設定機構３０によ
り、微分形コイルＬ、の一様磁界に対する等価コイル（
ＬＤ）の面の法線方向に一致するように設定する。

この法線方向は次のように求められる。（第３図参照） 即ち、Ｘ、Ｙ、Ｚの直交３軸方向に順次一様交流磁界Ｈ
，Ｈ，Ｈヨを加えたとき、微分形コイルＬＤをピックア
ップ・コイルとする第１の磁界測定器１０の出力をそれ
ぞれＶ、、Ｖア、■２とする。

等価コイルＬ０の面の法線方向の単位ベクトルを一石−
とすると ａ　　（ｎ−・ｉＨｘ　）　＝ＶＸ ａ　（ｎ・丁Ｈｙ）＝Ｖｙ ａ　　（ｎ−ｋＨ，）　＝Ｖ、　　　　　　　　　　　
　（５）となる。ここで、ａは微分型コイルＬｏの製作
誤差の度合いと磁界測定器１０の回路特性とで定まる定
数、下２丁、Ｖはそれぞれｘ、ｙ、ｚ軸方向の単位ベク
トルを表す。また括弧内はスカラ積を表す。故に下のＸ
、Ｙ、Ｚ軸方向の各成分ｎＸ。

ｎ、、ｎ、は、 ・　・　・　　　（６） となる。（６）式で示されるＴの方向に補正用コイルＬ
ｃＯ法線方向を設定すると、一様磁界に対して、補正用
コイルＬｃをピックアップ・コイルとする第２の磁界測
定器２０の出力は、微分形コイルＬ。の製作誤差により
生ずる第１の磁界測定器１０の出力の成る係数倍となる
。

このため、補正用コイルし、ならびに微分型コイルＬＤ
に一様磁界を加え、増幅器１で増幅後の第２の磁界測定
器２０の出力が第１の磁界測定器１０の出力と等しくな
るように増幅器１の利得を調整する。

以上のごとく設定した後、微分形コイルし、は被測定磁
界源の近くに、補正用コイルし、は微分形コイルＬＤに
比較して被測定磁界源から光分離れた位置に配置すると
、被測定磁界（Ｈｓ）は補正用コイルＬｃには殆ど入力
せず、減算手段２から、第１の磁界測定器１０の出力よ
り一様磁界による雑音成分が除去された被測定磁界成分
のみ出力される。

〔実施例〕

第２図は第１の実施例の磁界測定装置ブロック図、第４
図は設定機構例を表す図、第５図は第２の実施例を表す
図、第６図は第３の実施例を表す図、第７図は第４の実
施例を表す図である。

（第１の実施例） 第２図において、 Ｌｃは補正用コイル、 ２０は第２の磁界測定器（以下磁界測定器２０と称する
）で、磁界測定回路２１．電流変換回路２２ならびにス
クイドＳ２を備え、従来例と同様の動作で補正用コイル
Ｌｃに叉交する磁束に比例した信号を出力するもの、 Ｌｏは微分形コイル、 １０は第１の磁界測定器（以下磁界測定器１０）で、磁
界測定回路１１．電流変換回路１２ならびにスクイドＳ
ｌを備え、磁界測定器２０と同様の動作で微分型コイル
Ｌｏに叉交する磁束に比例した信号を出力するもの、 １は利得が可変の増幅器、 ４は差分増幅器（減算手段２に対応）で、磁界測定器１
０の出力から増幅器１の出力を減じた信号を出力するも
の、 ３０は設定機構で、補正用コイルＬ、の傾きを設定する
ものである。

設定機構３０は、第４図に示すように、座標軸の原点に
中心を有し、Ｚ軸を中心軸として回転する円形リング３
１と、座標軸の原点に中心を有し、ｘＹ平面が円形リン
グ３１と交叉する２点Ａ、Ｂを通る直線を軸としてその
周りに回転し、その径が円形リング３１の径より小さい
円形リング３２と、円形リング３１ならびに円形リング
３２の径より少し大きい径を有し、それぞれｘＹ平而面
らびにＸｚ平面に固定された円形状目盛板３３ならびに
３４とから構成され、補正用コイルし、は円形リング３
１の面と平行な面状に固定される。

なお、円形リング３２は、ＡＢ点で円形リング３１に回
転可能に固定され、さらに回転設定後は摩擦または固定
機構により、円形リング３１．３２の相対位置が保たれ
るように構成される。

また、補正用コイルＬｃが設けられた設定機構３０と微
分型コイルＬ、とは、補正用コイルし、に被測定磁界が
殆ど作用しない間隔で且つ相対位置が変わらないように
固定しておく。

以上構成の磁界測定装置において、まず、微分形コイル
ＬＤの一様磁界に対する等価コイルＬ０の面の法線方向
の単位ベクトルＴを以下の方法で求める。

設定機構３０の座標軸を基準にして、ｘ、ｙ、ｚの直交
３軸方向に夫々一様磁界Ｈつ、Ｈ，、Ｈ，を順次に加え
て、各方向に於ける磁界測定器１０の出力ＶＸ、Ｖ、、
Ｖ、を測定する。

これらの値を前記（６）式に代入して単位ベクトルＴの
ｘ、ｙ、ｚ軸成分ｎｘ　＋　　”Ｖ　＋　　ｎ＊を求め
る。

次に、第３図に示すように７およびＺ軸を含む面とＸ軸
およびＺ軸を含む面とがなす角をφ、ｎ−とＺ軸とがな
す角をθとすると、ｉの方向はｎ８ｎＶ　＋　　ｎ　ｔ
の代わりにφ、θにより表すことができる。

φ、θは（７）式によりｎ、、ｎ、：ｎ、の値から求め
ることができる。

補正用コイルし、の法線方向を（７）式で示される方向
に設定するには、先ず円形リング３１をＹＺ平面に、円
形リング３２をＸＹ平面にそれぞれ設定し、次に円形リ
ング３２を円形状目盛板３４を見ながらＡＢ軸（このと
きＡＢ軸はＹ軸と重なっている）の周りに角度θだけ回
転する。次に円形リング３１と円形リング３２との相対
位置を保ちながら、Ｚ軸の周りを円形状目盛板３３を見
ながら角度Φだけ回転することにより完了する。

Ｌｃの設定が終了した後、再びなるべく等価コイルし、
の面の法線方向に近い方向の交流一様磁界を加えた状態
で、差分増幅器４の出力がゼロになるよう増幅器１の利
得を設定することにより調整を完了する。

以上により、微分型コイルし。と補正用コイルＬｃとの
相対位置が保たれている限り、微分型コイルＬ０で得ら
れた測定値より一様磁界の雑音成分が除去された値が差
分増幅器４の出力から得られることになる。

（第２の実施例） 第５図は本発明の第２の実施例である。

補正用コイルし、をその面の法線方向を微分形コイルＬ
Ｄの一様磁界に対する等価コイルの面の法線方向とは逆
方向に設定し、一様磁界に対し磁界測定器１０の出力と
磁界測定器２０の出力との極性が反対になるようにし、
両出力を演算増幅器５、抵抗器Ｒ，，Ｒ２およびＲ８か
らなる加算器で加算を行うよう接続し、Ｒ，を変化させ
て、一様磁界による雑音成分を除去する。

（第３の実施例） 第６図は本発明の第３の実施例である。

補正用コイルＬｃは第１の実施例と同様に設定し、微分
形コイルＬ０に磁界結合するコイルＬ４に増幅器１の出
力に比例した電流を抵抗Ｒ４を通して流入させ、Ｌ、に
文楽する一様磁界の磁束が打ち消されるよう増幅器１の
利得を調整することにより、一様磁界による雑音成分を
除去する。

（第４の実施例） 第７図は本発明の第４の実施例である。

磁界測定器１０のフィードバック・コイルＬ３に増幅器
１の出力に比例した電流を電流変換器６から流入させ、
増幅器１の利得を調整することにより、一様磁界により
Ｒ３からスクイドＳ１に文楽する磁束を打ち消して、一
様磁界による雑音成分を除去する。

なお、設定機構３０はＺ軸とＹ軸の回りに円形リングが
回転するようにしているが、他の軸の周りに回転するよ
うにしてもよいことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、１個の補正用コ
イルの面の方向を設定することと増幅器の増幅度の設定
だけで調整が行われるので、従来方式で３個の補正用の
超伝導タブ、３個の補正用リング或いは３個の補正用コ
イルなどの製作誤差によって生ずる調整の不完全さが無
くなる。また調整の後戻りがなく、ただ１回だけの調整
手順に従った調整により一様磁界による雑音を除去する
ことが可能となる。

図、第４図は設定機構例を表す図、第５図は第２の実施
例を表す図、第６図は第３の実施例を表す図、第７図は
第４の実施例を表す図、第８図は従来の磁界測定装置ブ
ロック図、第９図は従来の雑音除去方式説明図である。

図中、１は増幅器、２は減算手段、４は差分増幅器、５
は演算増幅器、６は電流変換回路、７，８は超電導タブ
、９は補正用のループ、１０は第１の磁界測定器、２０
は第２の磁界測定器、ＩＬ２１は磁界測定回路、１２．
２２は電流変換回路、Ｓｌ、ＳＺはスクイド、ＬＤは微
分型コイル、Ｌ、は補正用コイル、Ｌ＋はピックアップ
・コイル、３０は設定機構、３１．３２は円形リング、
３３．３４は円形状目盛板、Ｒ２−Ｒ４は抵抗である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、第２図は実施例の磁界測定装
置ブロック図、第３図は等価コイル面説明第１図 等価コイル面説明図 第３図 ’−””１０’ｉｍｉ 実施例の磁界測定装置ブロック図 第２図 第４図 第５図 Ｗ。 従来の磁界４防コ渇Ｗブロック図 第８図 （ｎ） 従来の雑音除去方式説明図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 微分形コイル（Ｌ＿Ｄ）をピックアップ・コイルとする
   第１の磁界測定器（１０）と、 補正用コイル（Ｌ＿Ｃ）と、 該補正用コイルの面の傾きを自在に設定する設定機構（
   ３０）と、 該補正用コイルをピックアップ・コイルとする第２の磁
   界測定器（２０）と、 第２の磁界測定器（２０）の出力を所定の値に設定する
   増幅器（１）と、 前記第１の磁界測定器（１０）の出力から該増幅器（１
   ）の出力を減じる減算手段（２）と を備え、前記補正用コイル（Ｌ＿Ｃ）の面の傾きを該微
   分型コイル（Ｌ＿Ｄ）の一様磁界に対する等価コイル面
   の傾きに設定し、一様磁界に対する前記第１および第２
   の磁界測定器の出力が同一になるように該増幅器（１）
   を設定して該微分型コイルで得られた被測定磁界の測定
   値から一様磁界による雑音成分を除去することを特徴と
   する磁界測定装置。