DE102017115083A1

DE102017115083A1 - Magnetfeldmessgerät und -verfahren für Umgebungsrauschen

Info

Publication number: DE102017115083A1
Application number: DE102017115083.8A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Tanaka; Yuji Ogata; Yoshiyuki Hata; Toshiaki Hayakawa; Tomoaki Ueda
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 2016-07-13
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2018-01-18
Also published as: JP2018007821A; US10575738B2; US20180014738A1; JP6748499B2

Abstract

Bei einem hierin bereitgestellten Magnetfeldmessgerät und Magnetfeldmessverfahren wird ein Magnetfeld von einem Objekt durch eine Magnetsensorgruppe enthaltend eine Vielzahl von Magnetsensoren gemessen. Dann wird ein Schätzwert einer gemeinsamen Rauschkomponente, die in beobachteten Quantitäten der Magnetsensoren aller Kanäle der Magnetsensorgruppe enthalten sind, als externe Magnetrauschkomponente erhalten. Schließlich wird das magnetische Signal vom Objekt durch Subtrahieren des Schätzwerts von der beobachteten Quantität eines jeden Magnetsensors berechnet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetfeldmessgerät und -verfahren.
Stand der Technik
Magnetische Signale, die beispielsweise von einem lebenden Körper erzeugt werden, umfassen beispielsweise ein mit der Bewegung der Herzmuskeln einhergehendes Herzmagnetfeld des Herzens und Gehirnmagnetfeld, die durch Erregungsübertragung zwischen den Nervenzellen des Gehirns erzeugt wird. Das von solch einem lebenden Körper erzeugte Magnetfeld ist äußerst schwach, wobei das Herzmagnetfeld etwa 1 bis 100 Piko-Tesla beträgt, während das zerebrale Magnetfeld etwa 10 bis 1000 Femto-Tesla beträgt.
Andererseits gibt es magnetische Rauschkomponenten, wie etwa Geomagnetismus und das Magnetfeld einer Stromleitung, welche mehrere zehn Mikro-Tesla groß und größer sind als magnetische Signale, die vom lebenden Körper erzeugt werden. Um ein magnetisches Signal von einem lebenden Körper zu erfassen, ist es deshalb wichtig, eine magnetische Rauschkomponente zu beseitigen.
Als Verfahren zum Messen eines von einem lebenden Körper erzeugten schwachen magnetischen Signals wurde ein Verfahren unter Verwendung eines Gradiometers vorgeschlagen.
Im Gradiometer werden ein Messsensor zur Messung eines magnetischen Signals von einem lebenden Körper und ein Referenzsensor zum Erfassen eines von außen eintretenden externen Magnetfelds paarweise verwendet. Von diesen Sensoren wird der Messsensor nahe am lebenden Körper angeordnet und der Referenzsensor wird in einem Abstand von etwa 5 cm bis 10 cm vom Messsensor angeordnet.
Dabei beinhaltet die Messung eines Magnetsignals vom lebenden Körper das Subtrahieren des durch den Referenzsensor erfassten Magnetfelds als Rauschkomponente vom durch den Messsensor erfassten Magnetfeld.
Bei der Messung eines Objekts wird das Objekt in eine Magnetabschirmkammer gelegt, die mit einem Material mit einer großen magnetischen Permeabilität, wie etwa Permalloy, ausgekleidet ist, wodurch verhindert wird, dass ein externes Magnetfeld eindringt.
Literaturstellenliste
Patentdokumente

[Patent Dokument 1] JP 2016 006817 A
[Patent Dokument 2] JP 2004 172151 A
[Patent Dokument 3] JP 2005 217341 A

Zusammenfassung der Erfindung
Zu lösendes Problem
Das herkömmliche Gradiometer berechnet lediglich einen einfachen Unterschied zwischen dem Referenzsensor und dem Messsensor. Aus diesem Grund ist die Rauschverminderung an einem Ort, an dem es Einflüsse von verschiedenen Magnetfeld-Rauschkomponenten gibt, nicht ausreichend und deshalb ist es schwierig, ein schwaches Magnetfeld zu messen, wie etwa ein magnetisches Signal von einem lebenden Körper.
Mit einem großen und schweren Aufbau infolge der Notwendigkeit, die Messung in der aus Permalloy oder dergleichen gefertigten Magnetabschirmkammer auszuführen, ist das Gradiometer zudem schwer zu tragen und im Freien zu betreiben.
Da der Referenzsensor in einem Abstand von der Oberfläche eines Objekts, wie etwa einem lebenden Körper, angeordnet sein muss, ist es zudem schwierig, ein Gradiometer auf einen dünnen tragbaren Sensor zur Verwendung in engem Kontakt zum Objekt, wie etwa einem lebenden Körper, anzuwenden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Magnetfeldmessgerät und Magnetfeldmessverfahren bereitzustellen, welche in schwaches magnetisches Signal messen kann, wobei eine Verkleinerung des Geräts erreicht wird. Man beachte, dass schwache magnetische Signale bei der vorliegenden Erfindung nicht auf Signale von einem lebenden Körper beschränkt sind.
Mittel zur Lösung des Problems
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Magnetfeldmessgerät bereitgestellt, umfassend: eine Magnetsensorgruppe, enthaltend eine Vielzahl von Magnetsensoren, eine Mittelwert-Berechnungseinheit, die konfiguriert ist, eine gemeinsame Rauschkomponente zu berechnen, die gemeinsam auf beobachtete Quantitäten der Magnetsensoren aller Kanäle der Magnetsensorgruppe angewendet wird, und eine Rauschbeseitigungseinheit, die konfiguriert ist, ein Magnetfeld von einem Objekt durch Subtrahieren der gemeinsamen Rauschkomponente, die von der Mittelwert-Berechnungseinheit als Schätzwert einer Magnetrauschkomponente erhalten wird, von der beobachteten Quantität eines jeden Magnetsensors zu erfassen.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Magnetfeldmessverfahren bereitgestellt, umfassend die Schritte: Erhalten von beobachteten Quantitäten aus der Vielzahl von Magnetsensoren, die nahe einem Objekt angeordnet sind, Berechnen einer gemeinsamen Rauschkomponente, die gemeinsam auf beobachtete Quantitäten der Vielzahl von Magnetsensoren aller Kanäle angewendet werden, und Erfassen eines Magnetfelds von einem Objekt durch Subtrahieren der gemeinsamen Rauschkomponente von der beobachteten Quantität von jedem der Magnetsensoren.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist ein Blockschema eines Magnetfeldmessgeräts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
2 ist eine Draufsicht, welche den Aufbau einer Magnetsensorgruppe des Magnetfeldmessgeräts von 1 zeigt.
3 ist eine Darstellung, die ein auf die Magnetsensorgruppe angelegtes Magnetfeld zeigt.
4 ist ein Ablaufplan, der die Funktionsweise des Magnetfeldmessgeräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
5 ist ein Blockschema des Magnetfeldmessgeräts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
6 ist ein Ablaufplan, der die Funktionsweise des Magnetfeldmessgeräts gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
7 ist eine Darstellung, die ein Beispiel zeigt, wie benachbarte Kanäle ausgewählt werden, wenn nichtkorrelierte Komponenten beseitigt werden.
8 ist ein Blockschema eines Magnetfeldmessgeräts gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
9 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zum Erhalten eines Magnetfeldgradienten beim dritten Ausführungsbeispiel zeigt.
10 ist ein Ablaufplan, der die Funktionsweise des Magnetfeldmessgeräts von 8 zeigt.
11 ist ein Blockschema eines Magnetfeldmessgeräts gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
12 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Korrelation zwischen der beobachteten Quantität des Magnetsensors und des Mittelwerts der beobachteten Quantitäten aller Kanäle zeigt.
13 ist ein Ablaufplan, der die Funktionsweise des Magnetfeldmessgeräts von 11 zeigt.
14 ist eine Darstellung, die ein anderes Beispiel einer Korrelation zwischen der beobachteten Quantität des Magnetsensors und des Mittelwerts der beobachteten Quantitäten aller Kanäle zeigt.
15 ist Darstellung, die zu beseitigende Rauschkomponenten bei einem fünften Ausführungsbeispiel schematisch zeigt.
16 ist ein Blockschema eines Magnetfeldmessgeräts gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
17 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zur Berechnung eines Magnetgradienten beim fünften Ausführungsbeispiel zeigt.
18 ist eine Darstellung, die eine Verteilung eines externen Magnetfelds zeigt, das bei einem sechsten Ausführungsbeispiel beseitigt werden kann.
19 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zum Erhalten einer Korrelation zwischen Kanälen bei einem siebten Ausführungsbeispiel zeigt.
20 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zum Erhalten eines Schätzwerts des Mittelwerts bei einem achten Ausführungsbeispiel zeigt.
21 ist eine Draufsicht auf eine Magnetsensoreinheit gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel.
22 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zum Messen eines Herzmagnetfelds gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel zeigt.
23 ist ein Blockschema eines Fahrzeugfunktionssteuersystems gemäß einem elften Ausführungsbeispiel.
24 ist ein Blockschema eines Magnetfelderkundungssystems gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel.
25A ist eine perspektivische Ansicht einer magnetischen Sonde gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel, bei dem eine Magnetsensorgruppe auf einem Halbleiterchip ausgebildet ist.
25B ist ein Blockschema eines magnetischen Mikroskops, das die magnetische Sonde von 25A einsetzt.
26 ist ein Blockschema eines Halbleiteruntersuchungsgeräts gemäß einem vierzehnten Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[Erstes Ausführungsbeispiel]
1 ist ein Blockschema eines Magnetfeldmessgeräts 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel und 2 ist eine Draufsicht, welche den Aufbau einer Magnetsensorgruppe 11 des Magnetfeldmessgeräts von 1 zeigt.
Wie in 1 dargestellt, umfasst das Magnetfeldmessgerät 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Magnetsensorgruppe 11, welche eine Vielzahl von Magnetsensoren 1 enthält.
Wie in 2 dargestellt, weist die Magnetsensorgruppe 11 die Vielzahl von Magnetsensoren 1 in einem Matrixmuster mit festen Abständen in Zeilenrichtung und Spaltenrichtung angeordnet auf. Die Magnetsensoren 1 sind auf einem flexiblen Trägerelement 2 befestigt.
Mit jedem Magnetsensor 1 ist eine Verdrahtung 3 verbunden. Die Verdrahtung 3 liefert einen Strom an den Magnetsensor 1 und überträgt ein Erfassungssignal des Magnetsensors 1.
Die Größe der Magnetsensorgruppe 11 beträgt beispielsweise 20 cm in Länge und Breite zum Zwecke der Messung des Magnetfelds des Herzens. In diesem Fall beträgt die Zahl der Magnetsensoren 1 beispielsweise insgesamt 64 bei 8 Zeilen × 8 Spalten.
Vorzugsweise kann die Größe der Magnetsensorgruppe 11 größer als das Messobjekt sein. Besonders bevorzugt kann die Größe der Magnetsensorgruppe 11 auf eine solche Größe festgelegt sein, dass die Magnetsensorgruppe 11 wenigstens einen Teil des Messobjekts abdeckt. In diesem Fall sind die Zahl der vom Messobjekt erzeugten und durch die Magnetsensorgruppe 11 laufenden Magnetflusslinien und die Zahl der durch die Magnetsensorgruppe 11 laufenden und zum Messobjekt zurücklaufenden Magnetflusslinien ungefähr gleich. Die auf diese Weise angeordnete Magnetsensorgruppe 11 kann Bedingungen erfüllen, die zur Beseitigung von Rauschen geeignet sind, wie später beschrieben wird.
Was den in der Magnetsensorgruppe 11 enthaltenen Magnetsensor 1 betrifft, können verschiedene magnetische Sensoren verwendet werden, wie etwa ein Magnetimpedanz-Element (MI-Element), ein Magnetwiderstandselement (MR-Element), ein Riesenmagnetwiderstand (GMR-Element) und ein Hall-Element. Die Empfindlichkeit des Magnetsensors 1 wird in Abhängigkeit vom Messobjekt eingestellt. Beispielsweise wird die Empfindlichkeit auf die Größenordnung von Pico-Tesla eigestellt, um ein Magnetfeld in der Größenordnung von Pico-Tesla zu erfassen, wie es von der Bewegung des Herzmuskels erzeugt wird, und wird auf die Größenordnung von Femti-Tesla eingestellt, um ein sehr schwaches Magnetfeld in der Größenordnung von Femti-Tesla zu erfassen, wie es bei der Übertragung von Gehirnnervensignalen erzeugt wird.
Diese in der Magnetsensorgruppe 11 enthaltenen Magnetsensoren 1 sind auf dem flexiblen Trägerelement 2 angeordnet. Dadurch kann die Magnetsensorgruppe 11 entlang der Oberfläche des lebenden Körpers verformt werden. Auf dem Trägerelement 2 sind die Verdrahtungen 3 in einem Gittermuster vorgesehen und an jedem Schnittpunkt ist der Magnetsensor 1 angeordnet.
Die Anordnung der Magnetsensoren 1 ist nicht auf die Schnittpunkte des regelmäßigen Gitters beschränkt. Anstelle dessen können die Magnetsensoren 1 auch an Knoten einer triangularen oder hexagonalen Netzstruktur oder an anderen Abschnitten als den Knoten der Netzstruktur angeordnet sein. Der Magnetsensor 1 kann auch so angeordnet sein, dass er wahllos auf dem Trägerelement 2 angeordnet ist.
Wie in 1 dargestellt, sind die Magnetsensoren 1 in der Magnetsensorgruppe 11 parallel verschaltet. Mit den Magnetsensoren 1 ist eine gemeinsame Stromquelle 14 verbunden und die Magnetsensoren 1 werden vom Strom der gemeinsamen Stromquelle 14 angetrieben. Dies liegt daran, dass das Rauschen der gemeinsamen Stromquelle 14 den Signalen der Magnetsensoren 1 als gemeinsame Komponente überlagert wird und die gemeinsame Komponente leicht beseitigt werden kann.
Erfassungssignale der Magnetsensoren 1 werden in eine Eingangsschaltung 12 eingespeist. Die Eingangsschaltung 12 enthält eine Verstärkerschaltung 121, die für jeden Magnetsensor 1 vorgesehen ist.
Die Signale der Magnetsensoren 1 werden durch die Verstärkerschaltung 121 verstärkt und dann in einen Tiefpassfilter 122 eingespeist. Da das magnetische Signal vom lebenden Körper etwa 100 Hz oder weniger beträgt, ist eine Frequenzkomponente, die diesen Wert stark überschreitet, für die Messung unnötig. Deshalb wird eine für die Messung unnötige Hochfrequenzkomponente (Rauschen) durch den Tiefpassfilter 122 aus dem Erfassungssignal des Magnetsensors 1 beseitigt.
Danach wird das Erfassungssignal des Magnetsensors 1 durch eine AD-Wandler-Schaltung 123 in ein Digitalsignal umgesetzt und in eine Signalverarbeitungsschaltung 13 eingespeist.
Die Signalverarbeitungsschaltung 13 führt eine Rauschbeseitigung aus einem Erfassungssignal des Magnetsensors 1 aus (im Folgenden als beobachtete Quantität bezeichnet) und gibt einen Erfassungswert eines Magnetfelds vom Objekt aus (im Folgenden als gemessene Quantität bezeichnet).
Die Signalverarbeitungsschaltung 13 ist mit einer Mittelwert-Berechnungseinheit 131, einer Rauschbeseitigungseinheit 132 und einer Speichereinheit 133 zur Ausführung der Rauschbeseitigungsverarbeitung versehen.
Aus demselben Grund wie die Stromzuführungsschaltung 14 ist mit der Eingangsschaltung 12 zudem eine einzelne Stromzufuhrschaltung 15 verbunden. Die Verstärkerschaltungen 121, die Tiefpassfilter 122 und die AD-Wandler-Schaltungen 123 arbeiten durch den Strom von der Stromzufuhrschaltung 15.
Im Folgenden wird ein Rauschbeseitigungsverfahren des Magnetfeldmessgeräts 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschrieben.
3 ist eine Darstellung, die ein auf die Magnetsensoren 1 wirkendes Magnetfeld zeigt.
Wie in 3 gezeigt, ist die Magnetsensorgruppe 11 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel so angeordnet, dass es wenigstens einen Teil eines Objekts 99 abdeckt.
Bei einer solchen Anordnung liegen einige der Magnetsensoren 1 dem Objekt 99 gegenüber.
Es wird angenommen, dass ein Strom, der zur Rückseite des Zeichnungsblatts fließt, in das Objekt 99 hineinfließt. In diesem Fall erzeugt der durch das Objekt 99 fließende Strom einen Magnetfluss um das Objekt 99, der in 3 durch das Bezugszeichen Φ angegeben ist.
Die Magnetsensoren 1 erfassen jeweils die Intensität einer Komponente in vertikaler Richtung in 3 aus dem Magnetfluss Φ. Die beobachteten Quantitäten der von den Magnetsensoren 1 erfassten Magnetfeldkomponenten zeigen eine Verteilung wie durch die Pfeile 91 in 3 angedeutet.
Da die Magnetsensorgruppe 11 so angeordnet ist, dass sie das Objekt 99 abdeckt, ist die Zahl der Magnetflusslinien, die die Magnetsensorgruppe 11 nach oben kreuzen, und die Zahl der Magnetflusslinien, die die Magnetsensorgruppe 11 nach unten kreuzen, unter den vom Objekt 99 erzeugten Magnetflusslinien ungefähr gleich, wie durch die Pfeile 91 in 3 angedeutet.
Das Objekt 99 sind beispielsweise Herzmuskeln, die eine Bewegung des Herzens in einem lebenden Körper ausführen, und die auf den Magnetsensor 1 ausgeübte Magnetflussdichte liegt in der Größenordnung von mehreren Pico-Tesla bis mehreren zehn Pico-Tesla.
Andererseits werden eine von einer kommerziellen Stromquelle, die ein elektrisches Gerät umgibt, und dergleichen erzeugte Wechselstrom-Magnetfeldkomponente und eine Gleichstrom-Magnetfeldkomponente infolge von Geomagnetismus den Magnetsensoren 1 als externe Magnetfeldrauschkomponente auferlegt.
Solch eine externe Magnetfeldrauschkomponente tritt an einer Position auf, die sich auf Abstand zum Objekt 99 befindet, und weist eine dermaßen große Krümmung auf, dass die externe Magnetfeldrauschkomponente im Wesentlichen auf gleichem Pegel über die Magnetsensorgruppe 11 wirkt, wie es durch die Konturpfeile 92 in 3 gezeigt ist. Mit anderen Worten, die externe Magnetfeldrauschkomponente wirkt als gemeinsame Rauschkomponente. Im Allgemeinen kann die externe Magnetfeldrauschkomponente einen wesentlich größeren Wert annehmen als die des Objekts. Wenn sich das Objekt 99 während der Messung beispielsweise bewegt und einen Stahlrahmen eines Gebäudes erreicht, kann das Magnetfeld des durch Geomagnetismus magnetisierten Stahlrahmens so wirken, dass ein magnetisches Rauschen von mehreren zehn Milli-Tesla auf die Magnetsensorgruppe 11 wirkt.
Wenn es einen Fahrstuhl oder eine Eisenbahnstrecke um das Objekt 99 gibt, wird zudem zusätzlich zum Magnetfeld von der Eisenstruktur ein Magnetfeld als Rauschkomponente hinzugefügt, das durch mehrere tausend Ampere des in den Oberleitungen oder der Leitung fließenden Stroms erzeugt wird.
In der städtischen Umgebung wird zudem magnetisches Rauschen von nahen Autos und elektrischen Innen- und Außenleitungen hinzugefügt und es ist äußerst schwierig, das Magnetfeld eines Objekts 99 wie etwa einem lebenden Körper zu messen.
Allerdings verursachen diese Rauschquellen ein Rauschen an einer Stelle, die vom Objekt 99 entfernt ist. Der magnetische Fluss von solch einer entfernten Stelle weist eine große Krümmung auf und das magnetische Rauschen von der magnetischen Rauschquelle erscheint als Komponenten, die den Magnetsensoren 1 der Magnetsensorgruppe 11 gemeinsam sind.
Das heißt, die Dichteverteilung des die Magnetsensoren 1 der Magnetsensorgruppe 11 kreuzenden magnetischen Flusses neigt dazu konstant zu sein.
Andererseits erzeugt das Magnetfeld vom Objekt 99 magnetische Flusslinien, die auf einen engen Bereich begrenzt sind, so dass sie das Objekt 99 umgeben. Wenn die Magnetsensorgruppe 11 wie in 3 angeordnet ist und wenn die Summe (oder der Mittelwert) über die von den jeweiligen Magnetsensoren 1 der Magnetsensorgruppe 11 ausgegebenen beobachteten Quantitäten genommen wird, werden deshalb die Pluskomponenten und die Minuskomponenten der magnetischen Flusslinien gegenseitig ausgelöscht und ihr resultierender Wert ist in Summe (im Mittelwert) im Wesentlichen null.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Mittelwert der beobachteten Quantitäten der Magnetsensoren 1 aller Kanäle genommen. Dieser Mittelwert repräsentiert die externe Magnetrauschkomponente. Danach wird der Mittelwert von der beobachteten Quantität des Magnetsensoren 1 eines jeden Kanals subtrahiert. Im Ergebnis wird die externe Magnetrauschkomponente beseitigt und das magnetische Signal vom Objekt 99 wird als gemessene Quantität erhalten.
4 ist ein Ablaufplan, der die Funktionsweise des Magnetfeldmessgeräts 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt.
Wie in 4 dargestellt, erlangt das Magnetfeldmessgerät 10 in Schritt S10 zuerst die beobachteten Quantitäten der Magnetsensoren 1 aller Kanäle. Daten über die beobachteten Quantitäten der Magnetsensoren 1 werden in der Speichereinheit 133 der Signalverarbeitungseinheit 13 gespeichert.
Als nächstes berechnet die Signalverarbeitungseinheit 13 in Schritt S11 eine magnetische Rauschkomponente. Bei diesem Ausführungsbeispiel liest die Mittelwert-Berechnungseinheit 131 der Signalverarbeitungseinheit 13 die beobachteten Quantitäten aller Kanäle aus der Speichereinheit 133 aus und erhält durch Berechnen eines Mittelwerts der beobachteten Quantitäten eine magnetische Rauschkomponente.
In Schritt S12 liest die Rauschbeseitigungseinheit 132 die beobachtete Quantität des Magnetsensors 1 des ersten (i = 1) Kanals aus der Speichereinheit 133 aus. Anschließend wird der in Schritt S11 berechnete Mittelwert von der ausgelesenen beobachteten Quantität subtrahiert, um die gemessene Quantität des ersten Kanals zu berechnen.
Man beachte, dass die gemessene Quantität eine Quantität ist, die durch Beseitigen der Rauschkomponente aus der beobachteten Quantität des Magnetsensors 1 berechnet wurde. Die gemessene Quantität repräsentiert ein magnetisches Signal vom Objekt 99 an der Position eines jeden Magnetsensors 1.
Danach bestimmt die Signalverarbeitungseinheit 13 in Schritt S13 basierend auf dem Zähler i, ob die Rauschbeseitigung für alle Kanäle abgeschlossen wurde oder nicht. Wenn die Signalverarbeitungseinheit 13 in Schritt S13 bestimmt, dass die Rauschbeseitigung nicht für alle Kanäle abgeschlossen wurde (NEIN), fährt der Prozess mit Schritt S14 fort, um den Zähler i um 1 zu erhöhen, und kehrt dann zum Schritt S12 zurück.
Wenn die Signalverarbeitungseinheit 13 in Schritt S13 andererseits bestimmt, dass die Rauschbeseitigung für alle Kanäle abgeschlossen wurde, wird der Prozess beendet.
Durch die Verarbeitung der Schritte S11 bis S14 wird die gemessene Quantität der magnetischen Komponente vom Objekt 99 in jedem Magnetsensor 1 erhalten.
Da wie oben beschrieben die im Mittelwert der beobachteten Quantitäten aller Kanäle verbleibende Komponente als magnetische Rauschkomponente beseitigt wird, kann ein schwaches Magnetfeld vom Objekt 99 mit hoher Empfindlichkeit ohne Verwendung einer Referenzspule gemessen werden. Dadurch kann die Magnetsensorgruppe 11 dünn genug gefertigt werden, um die Messung mit der auf einem lebenden Körper aufgebrachten Magnetsensorgruppe 11 auszuführen.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
Wie unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, werden beim berechneten Mittelwert der beobachteten Quantitäten aller Kanäle der Magnetsensorgruppe 11 die magnetischen Komponenten vom Objekt 99 gegenseitig ausgelöscht, so dass sie null werden, wohingegen die magnetische Rauschkomponente hauptsächlich verbleibt.
Allerdings enthalten die vom Magnetsensor 1 erzeugten Rauschkomponenten Schrotrauschen und thermisches Rauschen. Schrotrauschen und thermisches Rauschen treten zufällig in jedem der Magnetsensoren 1 auf und weisen keine Korrelation mit denen in den anderen Magnetsensoren 1 auf. Im Folgenden wird eine zwischen den Magnetsensoren 1 nichtkorrelierte Rauschkomponente als nichtkorrelierte Komponente bezeichnet. Beim berechneten Durchschnitt der beobachteten Quantitäten der Magnetsensoren aller Kanäle wird die nichtkorrelierte Komponente durch Mittelwertbildung ununterscheidbar gemacht. Deshalb kann die nichtkorrelierte Komponente nicht durch das im ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Verfahren beseitigt werden.
Da das vom lebenden Körper erzeugte Magnetfeld sehr schwach ist, kann die nichtkorrelierte Komponente eines jeden Magnetsensors 1 nicht ignoriert werden. Die nichtkorrelierte Komponente erschwert zudem die Erfassung des Signals durch das Magnetfeld vom lebenden Körper.
Deshalb wird es bevorzugt, die in den Magnetsensoren 1 auftretende nichtkorrelierte Komponente zu beseitigen.
Unter Bezugnahme auf 3 erscheinen magnetische Signale vom Objekt 99 zwischen dem Magnetsensor 1 von Interesse und dem Magnetsensor 1 neben dem Magnetsensor 1 in dessen Umgebung als In-Phase-Komponenten. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die nichtkorrelierte Komponente unter Verwendung solcher In-Phase-Komponenten verringert.
Das heißt, nach Beseitigung einer externen Magnetrauschkomponente für den Magnetsensor 1 von Interesse, wird der lokale Mittelwert des Magnetsensors 1 von Interesse und des benachbarten Magnetsensors 1 genommen. Dann wird der lokale Mittelwert als gemessene Quantität des Magnetsensors 1 von Interesse erfasst.
Durch solch eine lokale Mittelwertbildung werden die nichtkorrelierten Komponenten der benachbarten Magnetsensoren 1 gegenseitig ausgelöscht und die nichtkorrelierten Komponenten können verringert werden.
5 ist ein Blockschema des Magnetfeldmessgeräts 20 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 6 ist ein Ablaufplan, der die Funktionsweise des Magnetfeldmessgeräts 20 von 5 zeigt.
Beim in 5 dargestellten Magnetfeldmessgerät 20 sind der Aufbau der Magnetsensorgruppe 11 und der Eingangsschaltung 12 gleich wie der des in 1 dargestellten Magnetfeldmessgeräts 10. Das Magnetfeldmessgerät 20 unterscheidet sich vom Magnetfeldmessgerät 10 darin, dass ein Signalverarbeitungsabschnitt 23 ferner eine Schaltung 134 zur Beseitigung der nichtkorrelierten Komponenten enthält.
Die Rauschbeseitigungsoperation des Magnetfeldmessgeräts 20 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
In 6 ist die Operation vom Schritt S20 bis Schritt S24 gleich wie die Operation in den Schritten S10 bis S14 in 4, so dass deren Beschreibung ausgelassen wird.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die nichtkorrelierten Komponenten in den Schritten S25 bis S28 beseitigt.
In Schritt S25 setzt die Signalverarbeitungseinheit 23 dem Zähler i auf den Anfangswert 1.
Als nächstes beseitigt die Schaltung 134 zur Beseitigung der nichtkorrelierten Komponenten der Signalverarbeitungseinheit 23 in Schritt S26 die nichtkorrelierte Komponente aus der gemessenen Quantität des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals.
Hier berechnet die Schaltung 134 zur Beseitigung der nichtkorrelierten Komponenten einen lokalen Mittelwert der gemessenen Quantitäten des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals und des dem Magnetsensor 1 des i-ten Kanals benachbarten Magnetsensors 1. Dann gibt die Schaltung 134 zur Beseitigung der nichtkorrelierten Komponenten den lokalen Mittelwert als gemessene Quantität nach Beseitigung der nichtkorrelierten Komponente des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals aus.
7 ist eine Darstellung, die Beispiele zeigt, wie benachbarte Magnetsensoren 1 zur Beseitigung von nichtkorrelierten Komponenten ausgewählt werden. Man beachte, dass 7 mehrere der in der Magnetsensorgruppe 11 enthaltenen Magnetsensoren 1 zeigt.
In 7 repräsentiert Ch.i den Magnetsensor 1 des i-ten Kanals von Interesse. Ein Beispiel, wie ein benachbarter Magnetsensor 1 ausgewählt wird, ist durch eine gestrichelte Linie A gekennzeichnet. In diesem Fall wird ein Mittelwert der gemessenen Quantitäten von zwei Magnetsensoren 1, das heißt des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals und eines Magnetsensors 1 in der Zeile oder Spalte daneben genommen.
Auf diese Art und Weise der Auswahl verringert sich die zufällig erzeugte nichtkorrelierte Komponente auf 1/√2.
Ein anderes Beispiel der Auswahl ist durch eine gestrichelte Linie B gekennzeichnet. In diesem Fall wird ein Mittelwert der gesamten neun gemessenen Quantitäten des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals und der acht Magnetsensoren 1 in der Zeile, Spalte und Schräge daneben genommen.
Auf diese Art und Weise der Auswahl verringert sich die zufällig erzeugte nichtkorrelierte Komponente auf 1/√9.
Die Auswahl benachbarter Kanäle ist nicht auf das obige Beispiel beschränkt. Allgemein gesprochen, wenn ein Mittelwert von n gemessenen Werten genommen wird, verringert sich die nichtkorrelierte Komponente auf das 1/√n-fache.
Danach fährt der Prozess in 6 mit Schritt S27 fort und die Signalverarbeitungseinheit 23 bestimmt, ob die Beseitigung der nichtkorrelierten Komponente für die Magnetsensoren 1 aller Kanäle abgeschlossen wurde.
Wenn die Signalverarbeitungseinheit 23 in Schritt S27 bestimmt, dass die Beseitigung der nichtkorrelierten Komponente für die Magnetsensoren 1 aller Kanäle nicht abgeschlossen wurde, fährt der Prozess mit Schritt S28 fort, der Zähler i wird um 1 erhöht und der Prozess kehrt zu Schritt S26 zurück.
Wenn die Signalverarbeitungseinheit 23 in Schritt S27 andererseits bestimmt, dass die Beseitigung der nichtkorrelierten Komponente für die Magnetsensoren 1 aller Kanäle nicht abgeschlossen wurde, wird der Prozess beendet.
Wie oben beschrieben, ist es gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel möglich, durch Bildung des lokalen Mittelwerts der gemessenen Quantitäten der Magnetsensoren 1, nichtkorrelierte Komponenten zu verringern, die beim ersten Ausführungsbeispiel nicht beseitigt werden können.
[Drittes Ausführungsbeispiel]
Das erste und zweite Ausführungsbeispiel gründeten auf der Voraussetzung, dass das magnetische Rauschen N_i auf alle Magnetsensoren 1 mit gleichen Werten ausgeübt wird.
Allerdings wird der Magnetfluss des Geomagnetismus in der Umgebung eines magnetischen Körpers wie etwa beispielsweise einer Armierung in einem Gebäude konzentriert. Wenn die Sensoren nahe einer solchen Stelle angeordnet sind, wird die Magnetrauschkomponente nicht gleichmäßig auf alle Sensoren ausgeübt und deshalb kann das Rauschen nicht ausreichend beseitigt werden.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zur Messung eines Magnetfelds in dem Fall beschrieben werden, bei dem die Intensität des magnetischen Rauschens N_i mit einer gewissen Inklination über die Positionen der Sensoren verteilt ist.
8 ist ein Blockschema eines Magnetfeldmessgeräts 30 gemäß diesem Ausführungsbeispiel. 10 ist ein Ablaufplan der Funktionsweise des Magnetfeldmessgeräts 30 von 8.
Wie in 8 gezeigt, unterscheidet sich das Magnetfeldmessgerät 30 vom Magnetfeldmessgerät 20 (siehe 5) des zweiten Ausführungsbeispiels darin, dass das Magnetfeldmessgerät 30 eine Magnetgradienten-Berechnungseinheit 136 in der Signalverarbeitungseinheit 33. Der übrige Aufbau ist der gleiche wie der des Magnetfeldmessgeräts 20 und dessen Beschreibung wird ausgelassen, wobei gleiche Bezugszeichen vergeben sind.
In Schritt S31 von 10 berechnet die Magnetgradienten-Berechnungseinheit 136 den Magnetgradienten unter Verwendung der beobachteten Quantitäten der nahe dem Rand der Magnetsensorgruppe 11 angeordneten Magnetsensoren 1.
9 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zum Erhalten eines Magnetfeldgradienten eines externen Magnetfelds zeigt.
Das Beispiel von 9 wird zur Vereinfachung der Beschreibung unter der Annahme beschrieben, dass die Magnetsensorgruppe 11 aus neun Magnetsensoren 1 in 3 Zeilen × 3 Spalten aufgebaut ist.
Bei der Magnetsensorgruppe 11 dieses Beispiels sind die Magnetsensoren 1 der jeweiligen Kanäle an Positionen –1, 0, 1 in Richtung der x-Achse und an Positionen 1, 0, 1 in Richtung der y-Achse angeordnet. Somit ist der relative Positionszusammenhang zwischen den Magnetsensoren 1 in der Magnetsensorgruppe 11 vorgegeben.
Die Magnetgradienten-Berechnungseinheit 136 berechnet den Magnetgradienten unter Verwendung der Positionskoordinaten der Magnetsensoren 1.
Zuerst wird ein Verfahren zur Berechnung des Magnetgradienten in Richtung der x-Achse beschrieben.
Die Magnetgradienten-Berechnungseinheit 136 extrahiert die beobachteten Quantitäten O₁, O₄ und O₇ der drei Magnetsensoren 1, deren x-Koordinate in der Magnetsensorgruppe 11 –1 beträgt und ermittelt daraus den Mittelwert A_x1.
Als nächstes extrahiert die Magnetgradienten-Berechnungseinheit 136 die beobachteten Quantitäten O₃, O₆ und O₉ der drei Magnetsensoren 1, deren x-Koordinate 1 beträgt und ermittelt daraus den Mittelwert A_x2.
Danach berechnet die Magnetgradienten-Berechnungseinheit 136 auf der Grundlage der Mittelwerte A_x1 und A_x2 den Gradienten in Richtung der x-Achse gemäß dem folgenden Ausdruck.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Berechnung des Magnetgradienten in Richtung der x-Achse beschrieben.
Die Magnetgradienten-Berechnungseinheit 136 extrahiert die beobachteten Quantitäten O₇, O₈ und O₉ der drei Magnetsensoren 1, deren y-Koordinate in der Magnetsensorgruppe 11 –1 beträgt und ermittelt daraus den Mittelwert A_y1.
Die Magnetgradienten-Berechnungseinheit 136 extrahiert die beobachteten Quantitäten O₁, O₂ und O₃ der drei Magnetsensoren 1, deren y-Koordinate 1 beträgt und ermittelt daraus den Mittelwert A_y2.
Dann berechnet die Magnetgradienten-Berechnungseinheit 136 auf der Grundlage der Mittelwerte A_y1 und A_y2 den Gradienten in Richtung der y-Achse gemäß dem folgenden Ausdruck.
Somit wird der Gradient der Magnetrauschkomponente erhalten.
Als nächstes berechnet die Magnetgradienten-Berechnungseinheit 136 in Schritt S32 das magnetische Rauschen N_i des Magnetsensors 1 des ersten Kanals i.
Hier wird N_i durch die folgende Gleichung ausgedrückt. N_i = (g_xx_i + g_yy_i)·f (3-7)
Man beachte, dass f ein Mittelwert aus den beobachteten Quantitäten aller Kanäle ist und die Mittelwert-Berechnungseinheit 131 den Mittelwert f berechnet.
Die Position (x_i, y_i) des i-ten Magnetsensors 1 ist als vorgegebener Wert bekannt. Deshalb berechnet die Magnetgradienten-Berechnungseinheit 136 das magnetische Rauschen N_i des i-ten Magnetsensors 1 gemäß der Formel (3-7).
Als nächstes berechnet die Rauschbeseitigungseinheit 132 in Schritt S33 die gemessene Quantität S_i unter Verwendung des magnetischen Rauschens N_i.
Hier wird die gemessene Quantität S_i für den i-ten Magnetsensor 1 durch den folgenden Ausdruck als Subtraktion des magnetischen Rauschens N_i von der beobachteten Quantität O_i ausgedrückt. S_i = O_i – N_i (3-8)
Das heißt, die Rauschbeseitigungseinheit 132 subtrahiert das auf der Grundlage von Ausdruck (3-7) erhaltene magnetische Rauschen N_i von der beobachteten Quantität O_i des i-ten Magnetsensors 1 auf der Grundlage des Ausdrucks (3-8). Dadurch wird das Rauschen beseitigt und die gemessene Quantität S_i des Magnetsensors 1 erhalten.
Danach fährt der Prozess mit Schritt S34 fort, wo die Signalverarbeitungseinheit 33 bestimmt, ob die Rauschbeseitigung für alle Kanäle abgeschlossen wurde oder nicht. Wenn die Rauschbeseitigung nicht für alle Kanäle abgeschlossen wurde, zählt die Signalverarbeitungseinheit 33 den Zähler vorwärts, um zum nächsten Kanal zu gelangen (Schritt S35) und wiederholt die Arbeitsvorgänge der Schritte S32 und S33.
Wenn die Signalverarbeitungseinheit 33 in Schritt S34 andererseits bestimmt, dass die Rauschbeseitigung für alle Kanäle abgeschlossen wurde, fährt der Prozess mit Schritt S36 fort. Dann beseitigt die Schaltung 134 zur Beseitigung der nichtkorrelierten Komponenten die nichtkorrelierten Komponenten.
Die Beseitigung der nichtkorrelierten Komponenten kann auf die gleiche Art und Weise ausgeführt werden, wie in den Schritten S25 bis S28 in 6 beschrieben.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann magnetisches Rauschen wie oben beschrieben beseitigt werden, selbst wenn die Verteilung der Intensität des magnetischen Rauschens N_i vom externen Magnetfeld geneigt ist.
[Viertes Ausführungsbeispiel]
Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Korrektur, wie etwa Rauschbeseitigung, unter der Annahme ausgeführt, dass alle Magnetsensoren 1 völlig gleiche Leistungseigenschaften aufweisen. Allerdings weist der reale Magnetsensor 1 einzigartige Leistungseigenschaften. Selbst wenn das gleiche Magnetfeld wirkt, kann der Wert der Ausgangsspannung zwischen den Magnetsensoren 1 schwanken. Es ist zudem nötig, den Einfluss der Schwankungen der Leistungseigenschaften zwischen den Verstärkerschaltungen 121 zu berücksichtigen.
Der Einfluss der Leistungseigenschaften des Magnetsensors 1 und der Verstärkerschaltung 121 erscheint als eine Komponente, die für jeden Kanal einzigartig ist. Deshalb kann eine solche Komponente nicht durch das vorherige Verfahren der Subtraktion der den beobachteten Quantitäten in allen Kanälen gemeinsamen Komponente beim ersten Ausführungsbeispiel beseitigt werden.
Ein vorstellbarer Weg, um den Einfluss von Schwankungen in den Leistungseigenschaften zwischen den Magnetsensoren 1 zu beseitigen ist, die Leistungseigenschaften unter Verwendung von variablen Widerständen, die an den jeweiligen Magnetsensoren 1 angebracht sind, selbst einzustellen. Solch eine Einstellung ist jedoch sehr zeitaufwendig und ist zudem nicht praktisch, wenn die Zahl der Magnetsensoren 1 zunimmt.
Deshalb wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Beschreibung für ein Magnetfeldmessverfahren gegeben, das in der Lage ist, den Einfluss von Schwankungen in den Leistungseigenschaften zwischen den Magnetsensoren 1 aller Kanäle zu beseitigen.
11 ist ein Blockschema eines Magnetfeldmessgeräts 40 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Beim Magnetfeldmessgerät 40 des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind gleichen Komponenten gleiche Bezugszeichen zugeordnet wie jenen der Magnetfeldmessgeräte 10 bis 30 von 1 und deren detaillierte Beschreibung wird weggelassen.
Wie in 11 gezeigt, unterscheidet sich das Magnetfeldmessgerät 40 vom Magnetfeldmessgerät 20 (siehe 5) durch eine Signalverarbeitungseinheit 43.
Die Signalverarbeitungseinheit 43 umfasst zusätzlich zur Mittelwert-Berechnungseinheit 131, der Rauschbeseitigungseinheit 132, der Speichereinheit 133 und der Schaltung 134 zur Beseitigung der nichtkorrelierten Komponenten eine Rauschabschätzschaltung 135. Die Rauschabschätzschaltung 135 berechnet Rauschen unter Berücksichtigung des Einflusses der Leistungseigenschaft eines jeden Kanals.
Im Folgenden wird das Prinzip des Rauschbeseitigungsverfahrens beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wie in 2 gezeigt, enthält die Magnetsensorgruppe 11 eine Vielzahl von Magnetsensoren 1. Hier wird die Rauschbeseitigung des Magnetsensors 1 eines daraus ausgewählten i-ten Kanals beschrieben.
Zuerst wird ein Erfassungssignal (beobachtete Quantität) zum Zeitpunkt t des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals betrachtet.
Hier wird die Magnetfeldkomponente vom lebenden Körper als Objekt durch S_i(t) bezeichnet und das magnetische Rauschen an der Position des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals wird als N_i(t) bezeichnet.
Lässt man die vom i-ten Magnetsensor 1 beobachtete Quantität O_i(t) sein, wird die Magnetfeldkomponente S_i(t) vom Objekt wie folgt ausgedrückt. S_i(t) = O_i(t) – N_i(t) (4-1)
Man beachte, dass die beobachtete Quantität O_i(t) die Messdaten des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals selbst sind.
Gemäß Gleichung (4-1) kann die Magnetfeldkomponente S_i(t) vom zu erfassenden Objekt durch Subtrahieren des magnetischen Rauschens N_i(t) von der tatsächlich gemessenen beobachteten Quantität O_i(t) ermittelt werden.
Allerdings ist die Magnetfeldkomponente S_i(t) vom Objekt unbekannt und das magnetische Rauschen N_i(t) ist ebenso unbekannt. Die Magnetfeldkomponente S_i(t) vom Objekt kann nicht direkt durch die Gleichung (4-1) erhalten werden.
Hier spiegelt der Mittelwert der beobachteten Quantitäten der Magnetsensoren 1 aller Kanäle die Magnetrauschkomponente vom externen Magnetfeld wider, wie beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Deshalb wird in Betracht gezogen, dass es eine bestimmte Korrelation zwischen dem unbekannten magnetischen Rauschen N_i(t) und dem Mittelwert der beobachteten Quantitäten der Magnetsensoren 1 aller Kanäle gibt. Diese Korrelation wird als Schätzung angesehen unter Verwendung einer Versatzkomponente b, die in den Magnetsensor 1 des Kanals von Interesse eindringt, und einer Komponente basierend auf einer Leistungseigenschaft (Empfindlichkeit), die dem Kanal eigen ist.
Das heißt, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das unbekannte magnetische Rauschen N_i(t) als Schätzung durch den folgenden linearen Ausdruck angesehen. N_i(t) = af(t) + b (4-2)
Hier ist die Variable a eine Komponente, welche die Empfindlichkeit (Leistungseigenschaft) des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals widerspiegelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel bedeutet die Empfindlichkeit des Magnetsensors 1 einen Koeffizienten, der das Verhältnis des Änderungsbetrags des Ausgangssignals des Kanals enthaltend den Magnetsensor 1 und die Verstärkerschaltung 121 zur Schwankung des Magnetfelds. Die Variable b ist eine Versatzkomponente, die auf den Magnetsensor 1 und die Verstärkerschaltung 121 des i-ten Kanals ausgeübt wird.
f(t) repräsentiert einen Mittelwert der beobachteten Quantitäten O(t) zum Zeitpunkt t der Magnetsensoren 1 aller Kanäle. Dieser Mittelwert wird durch den folgenden Ausdruck erhalten.
Bei der obigen Gleichung (4-3) repräsentiert n die Gesamtzahl der Kanäle.
Als nächstes wird ein Verfahren beschrieben, um eine unbekanntes magnetisches Rauschen N_i(t) zu erhalten.
12 ist eine Darstellung, die die Korrelation zwischen der beobachteten Quantität O(t) des Magnetsensors 1 des Kanals von Interesse und des Mittelwerts f(t) der Magnetsensoren 1 aller Kanäle zeigt. Man beachte, dass die vertikale Achse die beobachtete Quantität O(t) repräsentiert und die horizontale Achse den Mittelwert f(t) repräsentiert.
Die beobachtete Quantität O(t) des Magnetsensors 1 von Interesse enthält S(t), welches eine Magnetfeldkomponente (gemessene Quantität) vom Objekt und eine externe Magnetrauschkomponente N_i(t) ist.
Von diesen beträgt die Magnetfeldkomponente vom Objekt beispielsweise mehrere zehn Pico-Tesla, wohingegen die Magnetrauschkomponente mehre Milli-Tesla groß ist, so dass die Magnetrauschkomponente N_i(t) den Großteil der beobachteten Quantität O(t) einnimmt.
Wenn eine angenäherte gerade Linie zwischen der beobachteten Quantität O(t) und dem Mittelwert f(t) in 12 gefunden ist, werden deshalb die Variablen „a” und „b” in der Gleichung (4-2) bestimmt, welche die Korrelation zwischen der Magnetrauschkomponente N_i(t) und dem Mittelwert f(t) repräsentieren.
Das heißt, der dem Magnetsensor 1 einzigartige Empfindlichkeitskoeffizient, die Variable „a” in der Gleichung (4-2), wird als Neigung der angenäherten gerade Linie L in 12 bestimmt und der Versatz des Magnetsensors 1, die Variable „b” in der Gleichung (4-2), wird als Achsenabschnitt der angenäherten gerade Linie L bestimmt.
Das externe Magnetfeld schwankt infolge der Bewegung des Objekts oder des Rauschens von der Wechselspannungsquelle von Moment zu Moment. Demgemäß ändern sich die beobachteten Quantitäten O(t) der Magnetsensoren 1 und dessen Mittelwert f(t) jeden Moment zu Moment.
Wenn eine ausreichende Menge an Kombinationen der beobachteten Quantität O(t) und des Mittelwerts f(t) erhalten werden können durch Wiederholen der Operation zum Erhalten der beobachteten Quantität O(t) und des Mittelwerts f(t) in vorgegebenen Probenintervallen, kann die Korrelation zwischen dem magnetischen Rauschen N_i(t) und dem Mittelwert f(t) deshalb dann mit hoher Genauigkeit erhalten werden.
Im Ergebnis kann die Magnetrauschkomponente N_i(t) erhalten werden, die die Leitungseigenschaft eines jeden Magnetsensors 1 enthält.
Um die obigen Messdaten zu gewinnen, wiederholt das Magnetfeldmessgerät 40 die Messung durch die Magnetsensoren 1 aller Kanäle, die in der Magnetsensorgruppe 11 enthalten sind, in festen Probenintervallen. Die Daten der Messergebnisse werden in der Speichereinheit 133 der Signalverarbeitungseinheit 43 gespeichert. Beispielsweise gewinnt die Signalverarbeitungseinheit 43 m-1-te bis 0-te beobachtete Quantitäten O_i(t) für m momentane und vergangene Stichproben, wobei t = 0 die momentane Zeit bedeutet.
Wenn das Objekt beispielsweise ein Herz ist, kann die Probenfrequenz das Zweifache oder Mehrfache der Frequenz des zu den Herzmuskeln übertragenen Nervensignals sein und das Probenintervall kann beispielsweise auf 5 Millisekunden oder weniger festgelegt sein.
Die Signalverarbeitungseinheit 43 berechnet die Variablen a und b zur Bestimmung der Magnetrauschkomponente N_i(t) unter Verwendung der m beobachteten Quantitäten O_i(t) und des Mittelwerts f(t).
Zuerst wird die Summe der Quadrate j der Differenz zwischen dem magnetischen Rauschen N_i(t) und der beobachteten Quantität O_i(t) durch die folgende Gleichung erhalten.
Hier ist „m” die Zahl von Stichproben und repräsentiert einen Abschnitt in Richtung der Zeitachse, auf die das Verfahren der kleinsten Quadrate angewendet wird.
Als nächstes werden der Koeffizient a und der Achsenabschnitt b der geraden Linie (af(t) + b) unter der Bedingung dass j den Minimumwert annimmt auf der Grundlage der folgenden Gleichung erhalten. ∂j / ∂a = ∂j / ∂b = 0 (4-5)
Die obige Gleichung wird wie folgt berechnet.
Diese Simultangleichungen werden in die folgende Gleichung (4-8) transformiert.
Die Gleichung wird weiter wie folgt transformiert.
Wie oben beschrieben, wird eine Determinante von Ax = B erhalten. Deshalb werden die Variablen „a” und „b” durch Berechnen von x = A^–1B erhalten. Das heißt, durch Multiplizieren der inversen Matrix A^–1 und der Matrix B können die Variablen „a” und „b” durch die folgenden Gleichungen erhalten werden.
Die korrekte Magnetrauschkomponente wird durch Ausführen der Berechnung der oben genannten Gleichungen (4-12) und (4-13) erhalten. Das heißt, die Signalverarbeitungseinheit 43 liest die beobachteten Quantitäten O(t) der Magnetsensoren 1 aller Kanäle im Zeitbereich vom Zeitpunkt 0 bis zum Zeitpunkt m – 1 und berechnet den Mittelwert f(t). Dann setzt die Signalverarbeitungseinheit 43 die beobachtete Quantität O_i(t) des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals von Interesse in die Gleichungen (4-12) und (4-13) ein, um die Variablen „a” und „b” zu ermitteln.
Durch diese Berechnung wird die wie in 12 gezeigte angenäherte gerade Linie 91 erhalten und dann wird die Magnetrauschkomponente N_i(t) zum momentanen Zeitpunkt t durch Einsetzen der gefundenen Werte der Variablen a und b in af(t) + b erhalten.
Bei der obigen Berechnung wird das magnetische Rauschen N_i(t) unter der Bedingung erhalten, dass die Summe der Quadrate j der Differenzen zwischen dem magnetischen Rauschen N_i(t) und der beobachteten Quantität O_i(t) minimiert wird.
Dies liegt daran, dass bei der beobachteten Quantität O_i(t) die Magnetfeldkomponente S_i(t) vom Objekt mehrere zehn Pico-Tesla beträgt, wohingegen die Magnetrauschkomponente N_i(t) mehrere Milli-Tesla beträgt, was überwältigend größer ist die Magnetfeldkomponente vom Objekt, und nimmt den Großteil der beobachteten Quantität O_i(t) ein. Zudem wird die Magnetfeldkomponente S_i(t) vom Objekt als Wechselstromkomponente erfasst, wie etwa eine Komponente von beispielsweise Herzschlägen. Wenn Stichproben für eine ausreichend lange Dauer ausgeführt werden, nähert sich der Mittelwert der Magnetfeldkomponente S_i(t) vom Objekt im Wesentlichen null an.
Wenn die Zahl der Stichproben ausreichend groß ist, kann eine angenäherte Funktion des Mittelwerts f(t) aus den oben genannten Gründen unter der Bedingung erhalten werden, dass die Summe der Quadrate j der Differenzen zwischen der Magnetrauschkomponente N_i(t) und der beobachteten Quantität O_i(t) einen Minimumwert ergibt.
Auf diese Weise wird die Leistungseigenschaft (Empfindlichkeit), die jedem Kanal eigen ist, bei der Korrekturberechnung berücksichtigt und es ist keine Einstelltätigkeit für jeden Magnetsensor 1 notwendig.
Als nächstes wird die Berechnung des Magnetsignals S_i(t) vom Objekt beschrieben.
Die Magnetrauschkomponente N_i(t) zum momentanen Probenzeitpunkt t wird durch Einsetzen des Werts der Variablen a und b, die durch Berechnen der Gleichungen (4-12) und (4-13) erhalten werden, und des Mittelwerts f(t) zum momentanen Probenzeitpunkt t in die Gleichung (4-2) erhalten.
Als nächstes wird das magnetische Signal S_i(t) vom Objekt durch Subtrahieren des Werts der Magnetrauschkomponente N_i(t) von der beobachteten Quantität O_i(t) wie in der folgenden Gleichung berechnet. S_i(t) = O_i(t) – (af(t) + b) (4-14)
Somit kann das magnetische Signal S_i(t) des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals zum momentanen Probenzeitpunkt t erhalten werden.
Die Werte der Variablen „a” und „b” sind zwischen den Kanälen des Magnetsensors 1 unterschiedlich. Die Signalverarbeitungseinheit 43 berechnet die Gleichungen (4-1) bis (4-14) für den Magnetsensor 1 eines jeden Kanals, um die gemessenen Quantitäten S_i(t) aller Magnetsensoren 1 der anderen Kanäle zu erhalten. Auf diese Weise ist es durch Verwendung aller in der Magnetsensorgruppe 11 enthaltenen Magnetsensoren 1 möglich, ein vom Objekt erzeugtes schwaches magnetisches Signal zu erfassen.
Die Funktionsweise des Magnetfeldmessgeräts 40 wird auf der Grundlage des obigen Magnetfeldmessverfahrens beschrieben. Hier ist 13 ein Ablaufplan, der die Funktionsweise des Magnetfeldmessgeräts 40 des vorliegenden Ausführungsbeispiels zeigt.
Zuerst gewinnt das Magnetfeldmessgerät 40 in Schritt S41 die beobachteten Quantitäten von den Magnetsensoren 1 aller Kanäle zu einem bestimmten Probenzeitpunkt und speichert sie in der Speichereinheit 133.
Das Magnetfeldmessgerät 40 wiederholt die Messung des Magnetfelds in festen Probenintervallen, wodurch die Messdaten (beobachtete Quantitäten) der Magnetsensoren 1 aller Kanäle für die m momentanen und vergangenen Stichproben gewonnen werden. Die gewonnenen Messdaten werden in der Speichereinheit 133 gespeichert.
Als nächstes berechnet die Mittelwert-Berechnungseinheit 131 in Schritt S42 den Mittelwert der beobachteten Quantitäten aller Kanäle zu jedem Probenzeitpunkt.
Als nächstes fährt der Prozess mit Schritt S43 fort und der Wert des Zählers i wird auf den Anfangswert „1” gesetzt.
In Schritt S44 ermittelt die Rauschabschätzschaltung 135 die Korrelation zwischen der beobachteten Quantität des i-ten Kanals und dem in Schritt S42 berechneten Mittelwert.
Das heißt, die Rauschabschätzschaltung 135 setzt den in Schritt S42 erhaltenen Mittelwert und den Wert der beobachteten Quantität des i-ten Kanals in die Gleichungen (4-12) und (4-13) ein, so dass der Wert der Variablen a und b erhalten wird.
Als nächstes berechnet die Rauschabschätzschaltung 135 in Schritt S45 den Wert der korrigierten Magnetrauschkomponente zum Zeitpunkt t. Das heißt, die Rauschabschätzschaltung 135 berechnet die Magnetrauschkomponente N_i(t) durch den Ausdruck af(t) + b unter Verwendung der in Schritt S44 erhaltenen Werte der Variablen a und b und des Mittelwerts der beobachteten Quantitäten zum Zeitpunkt t.
Als nächstes beseitigt die Rauschbeseitigungseinheit 132 in Schritt S46 Rauschen aus der beobachteten Quantität des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals. Das heißt, die Rauschbeseitigungseinheit 132 subtrahiert die in Schritt S45 erhaltene Magnetrauschkomponente N_i(t) von der beobachteten Quantität O_i(t) des i-ten Kanals zum Zeitpunkt t.
Als nächstes bestimmt die Signalverarbeitungseinheit 43 in Schritt S47, ob die Rauschbeseitigung für alle Kanäle abgeschlossen wurde.
Wenn in Schritt S47 bestimmt wird, dass die Rauschbeseitigung nicht für alle Kanäle abgeschlossen worden ist, fährt der Prozess mit Schritt S48 fort, wo der Zähler i um 1 erhöht wird, und dann wird die Verarbeitung in den Schritten S44 bis S46 wiederholt.
Wenn andererseits in Schritt S47 bestimmt wird, dass die Rauschbeseitigung für alle Kanäle abgeschlossen worden ist, wird der Prozess beendet.
Durch Wiederholen der obigen Operation durch das Magnetfeldmessgerät 40 wird die Rauschbeseitigung aller Magnetsensoren 1 abgeschlossen.
Wenn nötig, kann nach der Verarbeitung von Schritt S41 bis Schritt S48 durch das im zweiten Ausführungsbeispiel beschriebene Verfahren die nichtkorrelierte Komponente beseitigt werden.
Wie oben beschrieben, spiegelt die Ausgabe von jedem in der Magnetsensorgruppe 11 enthaltenen Magnetsensor 1 die Leistungseigenschaft (Empfindlichkeit), die dem Magnetsensor eigen ist, und die unbekannte Versatzkomponente infolge des externen Magnetfelds wider.
Um eine genaue Messung auszuführen, ist es üblicherweise notwendig geworden, die Empfindlichkeitsleistungseigenschaft eines jeden Magnetsensors 1 unter der Bedingung zu messen und einzustellen, dass das externe Magnetfeld minimiert wird, und solche eine komplizierte Tätigkeit notwendig geworden ist.
Im Gegensatz dazu ist es gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel möglich, den Einfluss der Schwankung der Leistungseigenschaft des Magnetsensors 1 zusammen mit der externen Magnetfeldrauschkomponente zu beseitigen und somit das schwache Magnetfeld ohne Ausführung irgendeiner komplizierten Einstelltätigkeit zu messen.
[Modifikation des vierten Ausführungsbeispiels]
14 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines Verfahrens zur Beseitigung einer Magnetrauschkomponente gemäß einer Modifikation des vierten Ausführungsbeispiels zeigt.
Wie in 14 dargestellt, kann eine Näherung basierend auf einer Polynomkurve M höherer Ordnung verwendet werden, um eine Korrelation zwischen dem Mittelwert f(t) aller Kanäle und der beobachteten Quantität O_i(t) des Magnetsensors 1 von Interesse auszudrücken. Dadurch kann die Genauigkeit der Näherung verbessert werden.
Bei der vorliegenden Modifikation wird eine Polynomkurve M als Näherungskurve zwischen dem Mittelwert f(t) aller Kanäle und der beobachteten Quantität O_i(t) des Magnetsensors 1 von Interesse ermittelt.
Im Folgenden wird ein Beispiel beschrieben, bei dem eine Näherung ein quadratisches Polynom verwendet. Das magnetische Rauschen N_i(t) wird durch die folgende Gleichung angenähert. N_i(t) = c₁j²(t) + c₂f(t) + c₃ (4-15)
Zuerst wird die Summe von Quadraten j der Differenz zwischen dem magnetischen Rauschen N_i(t) und der beobachteten Quantität O_i(t) erhalten. Dann werden die Variablen c₁, c₂ und c₃ des Ausdrucks (c₁f²(t) + c₂f(t) + c₃) einer Kurve, welche die Summe der Quadrate j minimiert, durch das Verfahren der kleinsten Quadrate erhalten.
Um die Zahl der Stichproben zu erhöhen, kann die Messfrequenz erhöht werden. Im Ergebnis kann ein genauerer Näherungswert der Magnetrauschkomponente N_i(t) erhalten werden.
Wie oben beschrieben, kann die Magnetrauschkomponente N_i(t) gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel genauer erhalten werden und die Messgenauigkeit der gemessenen Quantität S_i(t), die im Rauschen verdeckt ist, kann weiter verbessert werden.
[Fünftes Ausführungsbeispiel]
15 ist schematische Darstellung von zu beseitigenden Rauschkomponenten beim vorliegenden Ausführungsbeispiel.
In 15 enthält eine Magnetsensorgruppe 11 Magnetsensoren 1 in 5 Zeilen × 5 Spalten. Ein Balken, der sich vom Magnetsensor 1 nach oben erstreckt, veranschaulicht schematisch Leistungseigenschaften (Verstärkungseigenschaften) der Magnetsensoren 1 und der Verstärkerschaltungen 121.
Wie in der Figur gezeigt, kann in Abhängigkeit von der Umgebung, in der die Magnetsensorgruppe 11 tatsächlich verwendet wird, ein Magnetgradient auftreten. Selbst in einer solchen Umgebung ist eine Korrektur von Schwankungen in der Leistungseigenschaft zwischen den Magnetsensoren 1 und den Verstärkerschaltungen 121 erforderlich.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum gleichzeitigen Beseitigen der Schwankungen in der Leistungseigenschaft zwischen den Magnetsensoren 1 und den Rauschkomponenten infolge des Magnetgradienten beschrieben.
16 ist ein Blockschema eines Magnetfeldmessgeräts 50 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.
Wie in 16 gezeigt, unterscheidet sich das Magnetfeldmessgerät 50 des vorliegenden Ausführungsbeispiels vom Magnetfeldmessgerät 40 (siehe 11) des vierten Ausführungsbeispiel darin, dass das Gerät 50 eine Magnetgradienten-Berechnungsschaltung 136 in der Signalverarbeitungseinheit 53 aufweist. Der sonstige Aufbau ist der gleiche wie der des Magnetfeldmessgeräts 40 und dessen Beschreibung wird weggelassen, wobei gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Beseitigung von Rauschkomponenten beim vorliegenden Ausführungsbeispiel zusammen mit der Funktionsweise des Magnetfeldmessgeräts 50 beschrieben.
Zuerst berechnet die Mittelwert-Berechnungseinheit 131 des Magnetfeldmessgeräts 50 einen Mittelwert f(t) der beobachteten Quantitäten der Magnetsensoren 1 aller Kanäle. Der Mittelwert f(t) wird durch den folgenden Ausdruck erhalten.
Hier ist „n” die Gesamtzahl der Kanäle und O_i(t) ist die beobachtete Quantität des i-ten Kanals.
Als nächstes berechnet die Magnetgradienten-Berechnungsschaltung 136 auf der Grundlage der beobachteten Quantitäten aller Kanäle den Magnetgradienten unter Verwendung der Positionskoordinaten der Magnetsensoren 1.
17 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zur Berechnung eines Magnetgradienten beim vorliegenden Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Hier wird eine Magnetsensorgruppe 11 beschrieben werden, die aus 25 Magnetsensoren 1 in 5 Zeilen × 5 Spalten besteht.
Zuerst wird ein Verfahren zur Berechnung des Magnetgradienten in der Richtung der x-Achse beschrieben werden.
Die Magnetgradienten-Berechnungsschaltung 136 extrahiert die beobachteten Quantitäten O₁, O₆, O₁₁, O₁₆, O₂₁ der fünf Magnetsensoren 1 mit der kleinsten x-Koordinate in der Magnetsensorgruppe 11 und berechnet von diesen den Mittelwert A_x1.
Als nächstes extrahiert die Magnetgradienten-Berechnungsschaltung 136 die beobachteten Quantitäten O₅, O₁₀, O₁₅, O₂₀, O₂₅ der fünf Magnetsensoren 1 mit der größten x-Koordinate und berechnet von diesen den Mittelwert A.
Danach berechnet die Magnetgradienten-Berechnungsschaltung 136 den Gradienten in Richtung der x-Achse auf der Grundlage der folgenden Gleichung unter Verwendung der oben erwähnten A_x1 und A_x2. Es wird unterstellt, dass die Länge der Magnetsensorgruppe 11 in x-Richtung 4 beträgt.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Berechnung des Magnetgradienten in Richtung der y-Achse beschrieben werden.
Die Magnetgradienten-Berechnungsschaltung 136 extrahiert die beobachteten Quantitäten O₂₁, O₂₂, O₂₃, O₂₄, O₂₅ der fünf Magnetsensoren 1 mit der kleinsten y-Koordinate in der Magnetsensorgruppe 11 und berechnet von diesen den Mittelwert A_y1.
Zudem extrahiert die Magnetgradienten-Berechnungsschaltung 136 die beobachteten Quantitäten O₁, O₂, O₃, O₄, O₅ der fünf Magnetsensoren 1 mit der größten y-Koordinate und berechnet von diesen den Mittelwert A_y2.
Danach berechnet die Magnetgradienten-Berechnungsschaltung 136 den Gradienten in Richtung der y-Achse auf der Grundlage der folgenden Gleichung unter Verwendung der oben erwähnten A_y1 und A_y2.
Somit wird der Gradient der Magnetrauschkomponente bestimmt.
Als nächstes berechnet die Rauschabschätzschaltung 135 einen angenäherten Wert einer Rausch- und Versatzkomponente infolge des externen Magnetgradienten.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass die beobachtete Quantität O_i(t) des i-ten Kanals durch eine Näherungsfunktion ausgedrückt wird, die durch eine Linearkombination der Leistungseigenschaft f(t) des Magnetsensors 1, der Magnetgradientenkomponenten g_x(t), g_y(t) und der Versatzkomponente d gebildet wird. Dann werden die optimalen Koeffizienten durch das Verfahren der kleinsten Quadrate erhalten, so dass die Summe der Quadrate j der Differenz zwischen der Näherungsfunktion und der tatsächlichen beobachteten Quantität O_i(t) minimiert wird.
Das heißt, die Summe der Quadrate j wird durch die folgenden Gleichung erhalten.
Hier repräsentiert m die Zahl der Stichproben, die zur Erlangung der Summe der Quadrate verwendet werden. Die Rauschabschätzschaltung 135 setzt die m Messdaten, die m-Mal in einer vorgegebenen Stichprobenperiode gewonnen wurden, in die Gleichung (5-8) ein, um sie Summe der Quadrate zu erhalten.
Als nächstes wird eine Kombination der Koeffizienten „a”, „b”, „c” und „d”, die den Minimumwert der Summe der Quadrate j ergibt, unter den folgenden Bedingungen berechnet. ∂j / ∂a = ∂j / ∂b = ∂j / ∂c = ∂j / ∂d = 0 (5-9)
Um genau zu sein, die Koeffizienten a, b, c und d werden durch Lösen der folgenden Simultangleichungen erhalten.
Die Rauschabschätzschaltung 135 berechnet die Koeffizienten „a”, „b”, „c” und „d” durch Einsetzen der tatsächlich beobachteten Quantität O_i(t) in die zuvor erhaltene Berechnungsgleichung durch Lösen der obigen Simultangleichungen.
Als nächstes erhält die Rauschbeseitigungseinheit 132 das magnetische Signal S_i(t) vom Objekt durch Beseitigung der Rauschkomponente von der tatsächlich beobachteten Quantität O_i(t) wie folgt. S_i(t) = D_i(t) – (af(t) + bg_x(t) + cg_y(t) + d) (5-11)
Wie oben beschrieben, ist es gemäß dem Magnetfeldmessgerät 50 und dem Magnetfeldmessverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels möglich, den Einfluss der Leistungseigenschaften der Magnetsensorgruppe 11 zu beseitigen, selbst in einem Fall, bei dem das externe Magnetfeld ansteigend ist.
[Sechstes Ausführungsbeispiel]
18 veranschaulicht eine externe Magnetfeldverteilung, die beim sechsten Ausführungsbeispiel beseitigt werden kann.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Rauschen, wie in 18 dargestellt, auf solche Weise beseitigt, dass die Verteilung der Intensität des externen Magnetfelds im Anbringungsbereich der Magnetsensorgruppe 11 an die parabolische Fläche Q angenähert wird.
In städtischen Gebieten, wo es viele Magnetrauschquellen gibt, wird erwartet, dass solch eine gekrümmte Magnetfeldverteilungen auftritt. Dieses Ausführungsbeispiel ist wirksam, um Rauschen bei der Magnetfeldmessung in solch einer städtischen Rauschumgebung zu beseitigen.
Man beachte, dass die Rauschauslöschung dieses Ausführungsbeispiels durch das in 16 gezeigte Magnetfeldmessgerät 50 ausgeführt werden kann.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Verteilung in der Raumrichtung der Magnetrauschkomponente durch eine Funktion eines Paraboloids ausgedrückt.
Die variablen der parabolischen Funktion werden durch die Näherung der kleinsten Quadrate der Funktion an die beobachtete Quantität ermittelt, um dadurch die räumliche Verteilung der Magnetrauschkomponente zu erhalten.
Zuerst wird die Modellfunktion der Magnetrauschkomponente wie folgt angenähert. N(x, y) = d₁x² + d₂x + d₃y² + d₄y + d₅ (6-1)
Es sollte beachtet werden, dass die Modellfunktion nicht auf die oben beschriebene beschränkt ist, sondern wie folgt angenähert werden kann. N(x, y) = d₁x² + d₂x + d₃y² + d₄y + d₅xy + d₆ (6-2)
Bei der folgenden Erläuterung wird beispielsweise der Fall der Näherung durch die Gleichung (6-1) beschrieben werden.
Die beobachtete Quantität bei der letzten Stichprobe wird als O(x, y) bezeichnet.
Es wird angenommen, dass die Magnetsensorgruppe 11 n Magnetsensoren enthält. Hier repräsentiert (x_i, y_i) die Positionskoordinaten des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals und O(x_i, y_i) repräsentiert die beobachtete Quantität des Magnetsensors 1 des i-ten Kanals.
Als nächstes wird eine Kombination von Variablen d₁ bis d₅ ermittelt, welche die Bedingung der Minimierung des Fehlers zwischen dieser beobachteten Quantität O(x_i, y_i) und der Modelfunktion erfüllt.
Die Fehlerbewertungsfunktion E der beobachteten Quantität und der Modellfunktion wird als Summe der Quadrate der Differenz zwischen der beobachteten Quantität und dem Wert der Modellfunktion an dieser Position wie folgt ausgedrückt.
Der Minimumwert der Fehlerbewertungsfunktion E wird durch die folgende Bedingung erhalten.
Die obigen Simultangleichungen werden gelöst, um die unbekannten Variablen d₁ bis d₅ zu finden.
Wenn N(x_i, y_i) in Gleichung (6-3) in der Form von Gleichung (6-1) geschrieben wird, wird die Fehlerbewertungsfunktion wie folgt ausgedrückt.
Deshalb wird die Gleichung (6-4) wie folgt ausgedrückt.
In der Matrix von 5 Zeilen und 5 Spalten auf der linken Seite der obigen Gleichung entspricht X_i, Y_i den Koordinaten des i-ten Kanals und werden im Vorhinein festgelegt, so dass die Berechnung leicht ist und die inverse Matrix ebenso erhalten werden kann. Deshalb ist es möglich, die Variablen d₁ bis d₅ unter Verwendung der Magnetgradienten-Berechnungseinheit 136 der Signalverarbeitungseinheit 53 des in 16 gezeigten Magnetmessgeräts 50 zu berechnen.
Im Ergebnis wird der Gradient der externen Magnetrauschkomponente erhalten. Anschließend ist es möglich, die gemessene Quantität, welche die Magnetfeldkomponente vom Objekt wie etwa ein lebender Körper ist, durch Subtrahieren der geschätzten Rauschkomponente von der beobachteten Quantität zu erhalten.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, Rauschen in dem Fall abzuschätzen, in dem ein Magnetgradient mit Krümmung über die Kanäle auf der Magnetsensorgruppe 11 vorliegt.
Die parabolische Näherung, wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, erreicht ein höheres Reduktionsverhältnis der Magnetrauschkomponenten als die m dritten und vierten Ausführungsbeispiel beschriebene ebene Näherung.
Zudem kann beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Beseitigung der nichtkorrelierten Komponente, wie im zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben, auf die obige Rauschkomponente angewendet werden.
[Siebtes Ausführungsbeispiel]
Beim vierten Ausführungsbeispiel werden mehrere Messdaten in der Richtung der Zeitachse gewonnen und die Rauschkomponente wird auf der Grundlage der Korrelation zwischen den Messdaten abgeschätzt. Auf der Grundlage des gleichen Konzepts wie diesem können mehrere Messdaten von diskreten Punkten in der Raumrichtung gewonnen werden und können zur Rauschbeseitigung durch Abschätzen einer Rauschkomponente bei einem unterschiedlichen Berechnungsverfahren basierend auf einer Korrelation zwischen den mehreren Messdaten verwendet werden.
Zu diesem Zweck wird beim siebten Ausführungsbeispiel ein Rauschbeseitigungsverfahren basierend auf der Korrelation zwischen den Messdaten der Magnetsensoren 1 der Magnetsensorgruppe 11 beschrieben werden.
19 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zum Erhalten einer räumlichen Korrelation beim vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt.
Beim Beispiel von 19 enthält die Magnetsensorgruppe 11 n + 1 Magnetsensoren 1. Hier repräsentiert O_pt die beobachtete Quantität zum Zeitpunkt t des Magnetsensors 1 eines p-ten Kanals von Interesse. Die beobachteten Quantitäten zum Zeitpunkt t der Magnetsensoren 1 der anderen Kanäle werden durch O_1t bis O_nt repräsentiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird angedacht, dass die Intensität der Magnetrauschkomponente des Magnetsensors 1 eines p-ten Kanals durch eine Linearkombination der Produkte der Koeffizienten u₁ bis u_n und der jeweiligen beobachteten Quantitäten O_i bis O_n der anderen Kanäle repräsentiert wird.
Das heißt, der Schätzwert für die in den p-ten Kanal zum Zeitpunkt t eindringenden Magnetrauschkomponente wird mit F_pt bezeichnet und durch die folgende Gleichung definiert.
Hier ist u_i eine unbekannte Variable, die den Einflussgrad der beobachteten Quantität des i-ten Kanals auf die Rauschkomponente des Magnetsensors 1 des p-ten Kanals repräsentiert.
Als nächstes wird die Schwankung des Fehlers zwischen der beobachteten Quantität O_pt des p-ten Kanals und der Schätzwert F_pt der Magnetrauschkomponente aus der Quadratsumme der Reste erhalten.
Hier wird die Schwankung unter Verwendung der beobachteten Quantitäten O_pt des p-ten Kanals, die aus m momentanen und vergangenen Stichproben, wobei t = 0 bis m – 1, gewonnen wurden, und den Schätzwerten F_pt der Magnetrauschkomponente erhalten. Die Zahl von m kann gleich oder größer als die Zahl der Variablen u_i sein.
Dann kann u_i, das den Wert von E in der obigen Gleichung (7-2) minimiert, ermittelt werden. Die Gleichung (7-2) wird nach der unbekannten Variable u_i umgeformt.
Aus der Gleichung (7-4) ist ersichtlich, dass E eine Parabel in Bezug auf die unbekannte Variable u_i ist und an der Achse der Parabel minimal ist.
Aus der Gleichung (7-3) werden die folgenden Gleichungen erhalten.
Vorausgesetzt, dass der Wert der Achse der Parabel u'_i ist, kann die folgende Gleichung aus den Gleichungen (7-5), (7-6) und (7-7) abgeleitet werden.
Auf der Grundlage der obigen Gleichungen wird die unbekannte Variable u_i unter Verwendung der beobachtete Quantitäten der mehreren Magnetsensoren 1 erhalten und ein Schätzwert der Rauschkomponente des Magnetsensors 1 des p-ten Kanals wird ermittelt. Der Schätzwert dieser Rauschkomponente kann durch die Rauschabschätzschaltung 135 des Magnetfeldmessgeräts 50 in 16 berechnet werden.
Danach subtrahiert die Rauschbeseitigungseinheit 132 den Schätzwert F_p der Magnetrauschkomponente von der beobachteten Quantität, wodurch die gemessene Quantität S_p nach Rauschbeseitigung erhalten wird.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann zudem der Prozess der Beseitigung einer nichtkorrelierten Komponente durch Nehmen eines lokalen Durchschnitts der gemessenen Quantitäten S der benachbarten Kanäle ausgeführt werden.
Wie oben beschrieben, ist es gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenso möglich, eine externe Magnetrauschkomponente zu beseitigen und somit ein schwaches Magnetfeldsignal von einem Objekt wie etwa einem lebenden Körper zu erfassen.
[Achtes Ausführungsbeispiel]
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Schätzwert durch Extrapolieren der beobachteten Quantitäten der Kanäle auf einer anderen Seite der Magnetsensorgruppe 11, die die Messung tatsächlich ausführt. Anstelle des Mittelwerts des ersten bis siebten Ausführungsbeispiels wird der Schätzwert als gemeinsame Rauschkomponente verwendet, die gemeinsam auf die Magnetsensoren 1 ausgeübt wird.
20 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zum Erhalten eines Schätzwerts des Mittelwerts beim vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt.
Wie in 20 gezeigt, sind die Magnetsensoren 1 der Magnetsensorgruppe 11 in einem Gittermuster in x-Richtung und y-Richtung angeordnet und die Magnetsensoren 1 am und um das Zentrum der Magnetsensorgruppe 11 wird als an einem Teil über einem Objekt 99 (beispielsweise dem Herz) angebracht angesehen.
Das Magnetfeld vom Objekt 99 wird quadratisch oder kubisch umgekehrt proportional zum Abstand schwächer.
Wenn die Magnetsensorgruppe 11 in Bezug auf das Objekt 99 ausreichend groß ist, wird das Magnetfeld vom Objekt 99 deshalb nicht erfasst oder sehr schwach im Kanal O₂₅ an der Außenseite der Magnetsensorgruppe 11.
Deshalb werden beim vorliegenden Ausführungsbeispiel in 20 die beobachteten Quantitäten der Kanäle O₂₅ und O₂₀ verwendet, um einen Schätzwert A an einer Position äquidistant vom Kanal O₂₅ in der -y-Richtung zu berechnen. Dieser Schätzwert A wird als gemeinsame Rauschkomponente verwendet, die gemeinsam auf die Magnetsensoren 1 ausgeübt wird, anstelle des Mittelwerts aller Magnetsensoren 1 bei der Rauschbeseitigung des ersten bis siebten Ausführungsbeispiels.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel können ferner die beobachteten Quantitäten der Kanäle O₂₅ und O₂₀ verwendet werden, um einen Schätzwert B an einer Position äquidistant vom Kanal O₂₅ in der x-Richtung zu berechnen.
In diesem Fall wird der Mittelwert der Schätzwerte A und B erhalten und anstelle des Mittelwerts aller Magnetsensoren 1 verwendet.
Die Magnetrauschbeseitigung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann unter Verwendung des Magnetfeldmessgeräts 50 von 15 ausgeführt werden. Um genau zu sein, die Mittelwert-Berechnungseinheit 131 kann die beobachteten Quantitäten der Kanäle O₂₀, O₂₄ und O₂₅ gewinnen und die Schätzwerte A und B und ihren Mittelwert auf der Grundlage der beobachteten Quantitäten berechnen.
[Neuntes Ausführungsbeispiel]
Beim oben beschriebenen achten Ausführungsbeispiel wird der Referenzkanal aus der Magnetsensorgruppe 11 ausgewählt. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und der Referenzkanal kann zusätzlich zu den Magnetsensoren 1 der Magnetsensorgruppe 11 vorgesehen sein.
21 ist eine Draufsicht auf eine Magnetsensoreinheit 111 eines Magnetfeldmessgeräts gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel. Da der Aufbau des Magnetfeldmessgeräts gleich dem eines in 24 dargestellten Magnetfeldmessgeräts 70 ist, wird die Beschreibung weggelassen.
Wie in 21 gezeigt, unterscheidet sich die Magnetsensoreinheit 111 des vorliegenden Ausführungsbeispiels von der Magnetsensorgruppe 11 darin, dass zusätzlich zu den im Gittermuster angeordneten Magnetsensoren 1 ein Referenzmagnetsensor 1a vorgesehen ist.
Ein Trägerelement 2 der Magnetsensoreinheit 111 enthält einen vorstehenden Teil 2a, der sich von einer Seite der Magnetsensorgruppe 11 erstreckt. Ein Referenzmagnetsensor 1a ist an der Spitze des vorstehenden Teils 2a vorgesehen. Eine Verdrahtung 3a ist eine Verdrahtung, die auf dem Trägerelement 2 und dem vorstehenden Teil 2a ausgebildet ist. Ein Ende der Verdrahtung 3a ist mit dem Referenzmagnetsensor 1a verbunden. Der Referenzmagnetsensor 1a ist mit der Eingangsschaltung 12 des Magnetfeldmessgeräts 70 über die Verdrahtung 3a verbunden. Das Erfassungssignal des Referenzmagnetsensors 1a wird in die Mittelwert-Berechnungseinheit 131 als beobachtete Quantität des Referenzkanals eingespeist.
Bei der Magnetsensoreinheit 111 ist der Referenzmagnetsensor 1a an einer Position weg von der Magnetsensorgruppe 11 vorgesehen. Dadurch kann der Referenzmagnetsensor 1a an einer Position weg vom Objekt 98 angeordnet sein. Das macht es möglich, das vom Objekt 98 in den Referenzmagnetsensor 1a eintretende Magnetfeld weiter zu verringern und den Effekt der Rauschbeseitigung weiter zu verbessern.
Das Magnetfeldmessgerät kann ferner durch Bereitstellen des Referenzmagnetsensors 1a auf dem die Magnetsensorgruppe 11 tragenden Trägerelement 2 dünner gefertigt werden.
Die Installationsposition des Referenzmagnetsensors 1a ist nicht notwendigerweise auf den vorstehenden Teil 2a des Trägerelements 2 beschränkt, sondern kann ein separates Modul sein. Der Referenzmagnetsensor 1a kann an irgendeiner Position angeordnet sein, solange die Position ausreichend weit weg vom durch die Magnetsensorgruppe 11 zu messenden Objekt 98 ist.
[Zehntes Ausführungsbeispiel]
Im Folgenden werden Anwendungsbeispiele der in den obigen Ausführungsbeispielen beschriebenen Magnetfeldmessgeräte beschrieben. Die folgenden Beispiele sind nicht dazu gedacht, den Anwendungsbereich der in den obigen Ausführungsbeispielen beschriebenen Magnetfeldmessgeräte zu beschränken. Zur leichteren Beschreibung, wird ein Beispiel unter Verwendung des Magnetfeldmessgeräts 50 (siehe 16) beschrieben werden, aber die in den anderen Ausführungsbeispielen beschriebenen anderen Magnetfeldmessgeräte 10, 20, 30, 40 und 70 können ebenso verwendet werden.
22 ist eine Darstellung, die ein Anwendungsbeispiel dieses Ausführungsbeispiels zeigt, bei dem das Magnetfeldmessgerät 50 auf einen tragbaren Sensor zur Messung eines Herzmagnetfelds angewendet wird.
Beim in 22 dargestellten Beispiel ist die Magnetsensorgruppe 11, die auf einer flexiblen Folie befestigt ist, auf der Brust eines Subjekts angebracht. Wenn die Magnetsensorgruppe 11 auf diese Art und Weise angebracht ist, kann die Magnetsensorgruppe 11 das Magnetfeld vom nahe gelegenen Herz erfassen. Das heißt, die Magnetsensoren 1 der Magnetsensorgruppe 11 erfasst das durch Myoelektrizität durch die Muskeln des Herzens übertragene Magnetfeld.
Das beobachtete Signal der Magnetsensorgruppe 11 wird über die Eingangsschaltung 12 in die Signalverarbeitungseinheit 53 eingespeist. Die Signalverarbeitungseinheit 53 beseitigt die Rauschkomponenten aus dem beobachteten Signal. Dadurch kann vom Magnetsensor 1 ein Erfassungssignal des schwachen Herzmagnetfelds erhalten werden.
Die Verwendung des Erfassungssignals des Herzmagnetfelds durch die Magnetsensorgruppe 11 ermöglicht nicht nur die Erfassung der Herzfrequenz, sondern auch die Überwachung der Bewegungen der Muskeln im Herzen, was zudem die Erfassung einer abnormalen Bewegung des Herzens ermöglicht, welche ein Zeichen für eine Herzattacke ist. Somit kann der Anwender über das Zeichen einer Herzattacke informiert werden und kann das Auftreten der Herzattacke verhindern, beispielsweise durch Ausruhen des Körpers.
Es sollte beachtet werden, dass die Magnetsensorgruppe 11 zur Erfassung des Herzmagnetfelds nicht auf den tragbaren Sensor beschränkt ist.
Wenn sie beispielsweise in der Bettwäsche installiert ist, kann die Magnetsensorgruppe 11 verwendet werden, um den Zustand der Herzfrequenz während des Schlafens zu erfassen.
Die Herzfrequenz während des Schlafens spiegelt die Atemfrequenz wider. Wenn ein Subjekt aus irgendeinem Grund während des Schlafs in einem Apnoezustand verfällt, nimmt die Herzfrequenz zu. Deshalb kann das Auftreten von Schlafapnoesyndrom unter Verwendung der in der Bettwäsche installierten Magnetsensorgruppe 11 untersucht werden.
[Elftes Ausführungsbeispiel]
23 ist eine Darstellung, die ein Anwendungsbeispiel eines elften Ausführungsbeispiels zeigt, bei dem das Magnetfeldmessgerät 50 auf ein Antriebsträgersystem 71 angewendet wird.
Das Antriebsträgersystem 71 ist dazu aufgebaut, den Gesundheitszustand eines Fahrers mit der Magnetsensorgruppe 11 am Körper des Fahrers angebracht zu überwachen.
Die Signale von den Magnetsensoren 1 werden über die Eingangsschaltung 12 in die Signalverarbeitungseinheit 53 eingespeist. Die Signalverarbeitungseinheit 53 beseitigt die Rauschkomponenten und erfasst die Herzfrequenz, die Bewegung des Herzens oder dergleichen des Fahrers.
Von der Signalverarbeitungseinheit 53 ausgegebene Daten über die Herzfrequenz, die Bewegung des Herzens oder dergleichen des Fahrers zu einer Abnormitäts-Erfassungseinheit 71a gesendet. Die Abnormitäts-Erfassungseinheit 71a erfasst den Gesundheitszustand des Fahrers, wie etwa einen unerwünschten Gesundheitszustand oder Schläfrigkeit, welche normales Fahren stören.
Beim Erfassen einer Abnormität des Fahrers sendet die Abnormitäts-Erfassungseinheit 71a dementsprechend ein Signal zu einem Fahrzeugsteuervorrichtung 71b.
Basierend auf dem Signal von der Abnormitäts-Erfassungseinheit 71a übernimmt die Fahrzeugsteuervorrichtung 71b die Fahroperation des Fahrers und führt eine Steuerung aus, um das Fahrzeug an einem sicheren Platz zu parken.
Wenn der Fahrer infolge einer Herzattacke oder dergleichen unfähig wird, zu fahren, oder wenn der Fahrer infolge Einnickens keine normale Fahrt durchführen kann, entzieht das Antriebsträgersystem 71 dem Fahrer auf diese Weise die Fahrkompetenz und schaltet auf die automatische Fahrsteuerung, um das Auftreten eines Unfalls zu verhindern.
[Zwölftes Ausführungsbeispiel]
24 ist eine Darstellung, die ein Anwendungsbeispiel eines zwölften Ausführungsbeispiels zeigt, bei dem das Magnetfeldmessgerät 50 auf ein Magnetfelderkundungssystem angewendet wird.
Die Größe der Magnetsensorgruppe 11 (siehe 2) des ersten Ausführungsbeispiels ist beispielsweise auf ein Quadrat von 20 cm festgelegt, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf festgelegt.
Wie in 24 gezeigt, enthält ein Magnetfelderkundungssystem 72 die Magnetsensorgruppe 11, bei der das Intervall zwischen den Magnetsensoren 1 auf mehrere zehn cm bis mehrere Meter erweitert ist. Die Magnetsensorgruppe 11 ist auf eine Größe von mehreren Metern im Quadrat erweitert.
Durch Verwendung des Magnetfelderkundungssystems 72 ist es möglich, ein Objekt 99 unter einer Bodenfläche 191 zu erfassen. Das Objekt 99 ist nicht auf einen unterirdischen magnetischen Körper beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, den Fließpfad von Grundwasser, einen Sickerweg einer Stromleitung und so weiter zu erkunden.
Im Fall der Magnetsensorgruppe 11 in großer Größe, wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, kann die Funktion der Eingangsschaltung 12 in eine periphere Schaltung der Magnetsensoren 1 eingebaut werden. In diesem Fall können die Signalverarbeitungseinheit 53 und die Magnetsensoren 1 miteinander durch eine optische Leitung oder ein drahtloses Kommunikationssystem verbunden sein.
[Dreizehntes Ausführungsbeispiel]
25A ist eine Ansicht, die ein Anwendungsbeispiel eines dreizehnten Ausführungsbeispiels zeigt, bei dem eine Sonde 103 ausgebildet ist, bei der die Magnetsensorgruppe 11 auf einem Halbleitersubstrat integriert ist. 25B ist eine Darstellung, die ein Anwendungsbeispiel zeigt, bei dem die Magnetsensorgruppe, das heißt die Sonde 103 von 25A auf ein magnetisches Mikroskop angewendet wird.
Wie in 25A gezeigt, sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel Magnetsensoren 101 auf einem Halbleitersubstrat 102 ausgebildet. Die in der Magnetsensorgruppe (Sonde) 103 enthaltenen Magnetsensoren 101 werden unter Verwendung von Mikrofabrikationstechnologie hergestellt.
Die Größe der Magnetsensorgruppe 11 auf der Sonde 103 wie oben beschrieben hängt vom Grad der Miniaturisierung des Magnetsensors 101 ab und kann beispielsweise etwa 1 mm × 1 mm betragen.
Wie in 25B gezeigt, wird unter Verwendung der Sonde 103 von 25A ein magnetisches Mikroskop 73 erhalten.
Das magnetische Mikroskop 73 enthält eine Bühnenvorrichtung 73b und platziert und hält eine Probe 93 auf der Bühnenvorrichtung 73b. Die Bühnenvorrichtung 73b arbeitet auf der Grundlage eines Steuersignals einer Steuereinheit 73a.
Über der Bühnenvorrichtung 73b ist die Sonde 103 angeordnet, so dass sie zur Probe 93 weist. Das Signal der Sonde 103 wird über die Eingangsschaltung 12 in die Signalverarbeitungseinheit 53 eingespeist, wo Rauschen aus dem Signal beseitigt wird, und wird dann in die Steuereinheit 73a eingespeist.
Die Steuereinheit 73a treibt die Bühnenvorrichtung 73b so an, dass die Sonde 103 die Oberfläche der Probe 93 rastert und ein lokales Magnetfeld misst. Durch Erzeugen eines Verteilungsplans des Magnetfelds basierend auf den Positionskoordinaten der Sonde 103 und der Intensität des lokalen Magnetfelds wird ein Magnetbild der Probe 93 erhalten.
Ein herkömmliches magnetisches Mikroskop ist mit einer SQUID-Sonde (supraleitende Quanteninterferenzeinheit) oder dergleichen ausgestattet, aber erfordert eine große Abschirmkammer, die aus einer schweren und dicken magnetischen Legierung gefertigt ist. Außerdem ist zudem eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des SQUID-Elements auf die Supraleitungs-Übergangstemperatur oder weniger erforderlich. Demgemäß wird der Vorrichtungsaufbau kompliziert und groß.
Im Gegensatz dazu kann das magnetische Mikroskop 73 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Magnetsensoren 101 bei Raumtemperatur betreiben und es muss keine Abschirmkammer verwendet werden, weil die Fähigkeit, ein magnetisches Rauschen des externen Magnetfelds zu beseitigen äußerst hoch ist. Somit kann der Vorrichtungsaufbau vereinfacht werden.
Mit einer ausgezeichneten Fähigkeit, ein schwaches Magnetfeld zu messen, kann die Sonde 103 zudem verwendet werden, um nichtmagnetische Materialien wie etwa lebende Körper zu beobachten.
[Vierzehntes Ausführungsbeispiel]
26 ist ein Blockschema eines Halbleiteruntersuchungsgeräts 74 gemäß einem vierzehnten Ausführungsbeispiel.
Wie in 26 dargestellt, legt das Halbleiteruntersuchungsgerät 74 des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine zu untersuchende Halbleitervorrichtung 94 auf die Magnetsensorgruppe 11. Die Halbleitervorrichtung 94 wird mit Laserlicht bestrahlt, das von einer Laserlichtquelle 74b emittiert wird.
Wenn die Halbleitervorrichtung 94 mit dem Laserlicht bestrahlt wird, werden Elektronen und Löcher in der Halbleitervorrichtung 94 erzeugt. Wenn eine unregelmäßige Struktur, wie etwa ein pn-Übergang oder eine Verunreinigungskonzentration innerhalb des Bereichs der Diffusionslänge von Elektronen und Löchern besteht, werden die Träger separiert und ein lokaler Strom fließt, so dass ein Magnetfeld erzeugt wird.
Das vom lokalen Strom erzeugte Magnetfeld wird von den in der Magnetsensorgruppe 11 enthaltenen Magnetsensoren 1 erfasst. Das Erfassungssignal von der Magnetsensorgruppe 11 wird über die Eingangsschaltung 12 in die Signalverarbeitungsschaltung 53 eingespeist und wird dann von der Signalverarbeitungsschaltung 53 verarbeitet.
Das durch die Bestrahlung der Halbleitervorrichtung mit Laserlicht ist schwach und die Erfassung eines solch schwachen Magnetfelds erfordert herkömmlicherweise den SQUID. Allerdings enthält das Halbleiteruntersuchungsgerät 74 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Magnetsensorgruppe 11, die Eingangsschaltung 12 und die Signalverarbeitungsschaltung 53 und somit ist es in der Lage, das im Halbleiter erzeugte Magnetfeld zu erfassen, weil es eine ausgezeichnete Rauschbeseitigungsfähigkeit besitzt.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel erfasst das Halbleiteruntersuchungsgerät 74 die Intensität des von der Halbleitervorrichtung 94 erzeugten Magnetfelds mittels dem Magnetfeldmessgerät 50 während dem Raster der Strahlungsposition des Laserlichts von der Laserlichtquelle 74b unter Steuerung der Steuereinheit 74a. Dann kann das Halbleiteruntersuchungsgerät 74 durch Kartieren der Koordinaten der Strahlungsposition des Laserlichts und der Intensität des erfassten Magnetfelds ein zweidimensionales Bild erhalten.
Dies macht es möglich, Information über die Halbleitervorrichtung 94 wie etwa Defekte und elektrische Eigenschaften zu erhalten.
Bei einem herkömmlichen Halbleiteruntersuchungsgerät, das ein Magnetfeld durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl erfasst, ist eine große Abschirmkammer erforderlich, die aus einer schweren und dicken magnetischen Legierung gefertigt ist, um externes magnetisches rauschen zu verringern. Zusätzlich ist eine Kühlvorrichtung erforderlich, um den SQUID zur Erfassung eines schwachen Magnetfelds auf die Supraleitungsübergangstemperatur oder niedriger zu kühlen. Deshalb wird der Vorrichtungsaufbau groß, kompliziert und teuer.
Gemäß dem Halbleiteruntersuchungsgerät 74 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann die Magnetsensorgruppe 11 andererseits bei Raumtemperatur betrieben werden und die Fähigkeit, magnetisches Rauschen des externen Magnetfelds zu beseitigen, ist äußerst hoch. Deshalb sind eine Abschirmkammer und eine Kühlvorrichtung unnötig und der Vorrichtungsaufbau kann vereinfacht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2016006817 A [0008]
JP 2004172151 A [0008]
JP 2005217341 A [0008]

Claims

Magnetfeldmessgerät, umfassend: eine Magnetsensorgruppe, enthaltend eine Vielzahl von Magnetsensoren, eine Mittelwert-Berechnungseinheit, die konfiguriert ist, eine gemeinsame Rauschkomponente zu berechnen, die gemeinsam auf beobachtete Quantitäten der Magnetsensoren aller Kanäle der Magnetsensorgruppe angewendet wird, und eine Rauschbeseitigungseinheit, die konfiguriert ist, ein Magnetfeld von einem Objekt durch Subtrahieren der gemeinsamen Rauschkomponente, die von der Mittelwert-Berechnungseinheit als Schätzwert einer Magnetrauschkomponente erhalten wird, von der beobachteten Quantität eines jeden Magnetsensors zu erfassen.
Magnetfeldmessgerät nach Anspruch 1, wobei die Mittelwert-Berechnungseinheit die gemeinsame Rauschkomponente durch Nehmen eines Mittelwerts der beobachteten Quantitäten der Magnetsensoren aller Kanäle berechnet.
Magnetfeldmessgerät nach Anspruch 1, wobei die Mittelwert-Berechnungseinheit als gemeinsame Rauschkomponente einen Schätzwert berechnet, der durch Extrapolieren der beobachteten Quantitäten der Magnetsensoren der Kanäle, die an einer Außenseite der Magnetsensorgruppe angeordnet sind, erhalten wird.
Magnetfeldmessgerät nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Rauschabschätzschaltung, die konfiguriert ist, einen Schätzwert der gemeinsamen Rauschkomponente eines jeden Magnetsensors zu berechnen, durch Nehmen einer Korrelation zwischen der gemeinsamen Rauschkomponente und der beobachteten Quantität des Magnetsensors basierend auf Ergebnissen einer Vielzahl von Messungen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgeführt werden.
Magnetfeldmessgerät nach Anspruch 4, ferner umfassend eine Magnetgradienten-Berechnungseinheit, die konfiguriert ist, eine Verteilung der Magnetrauschkomponenten als Näherungsfunktion der gemeinsamen Rauschkomponente mit Positionskoordinaten der Magnetsensoren zu berechnen und den Schätzwert der Magnetrauschkomponente eines jeden Magnetsensors basierend auf der Näherungsfunktion berechnet.
Magnetfeldmessgerät nach Anspruch 5, wobei die Magnetgradienten-Berechnungseinheit die Verteilung der Magnetrauschkomponenten als eine Ebene annähert.
Magnetfeldmessgerät nach Anspruch 5, wobei die Magnetgradienten-Berechnungseinheit die Verteilung der Magnetrauschkomponenten als eine parabolische Fläche annähert.
Magnetfeldmessgerät nach Anspruch 4, wobei die Rauschabschätzschaltung den Schätzwert der Magnetrauschkomponente des Magnetsensors eines Kanals von Interesse durch Nehmen einer Korrelation zwischen der beobachteten Quantität des Magnetsensors des Kanals von Interesse mit den beobachteten Quantitäten der Magnetsensoren der anderen Kanäle basierend auf Ergebnissen einer Vielzahl von Messungen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgeführt werden.
Magnetfeldmessgerät nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Einheit zur Beseitigung nichtkorrelierte Komponenten, die konfiguriert ist, eine nichtkorrelierte Komponente durch Ermitteln eines lokalen Mittelwert der gemessenen Quantität eines Magnetsensors von Interesse und der gemessen Quantität eines Magnetsensors neben dem Magnetsensor von Interesse zu beseitigen.
Magnetfeldmessgerät nach Anspruch 1, ferner umfassend eine gemeinsame Stromquelle, die konfiguriert ist, die Vielzahl von in der Magnetsensorgruppe enthaltenen Magnetsensoren anzutreiben.
Magnetfeldmessverfahren, umfassend die Schritte: Erhalten von beobachteten Quantitäten aus der Vielzahl von Magnetsensoren, die nahe einem Objekt angeordnet sind, Berechnen einer gemeinsamen Rauschkomponente, die gemeinsam auf beobachtete Quantitäten der Vielzahl von Magnetsensoren aller Kanäle angewendet werden, und Erfassen eines Magnetfelds von einem Objekt durch Subtrahieren der gemeinsamen Rauschkomponente von der beobachteten Quantität von jedem der Magnetsensoren.
Magnetfeldmessverfahren nach Anspruch 11, wobei die gemeinsame Rauschkomponente durch Nehmen eines Mittelwerts der beobachteten Quantitäten der Magnetsensoren aller Kanäle berechnet wird.
Magnetfeldmessverfahren nach Anspruch 11, wobei als gemeinsame Rauschkomponente ein Schätzwert durch Extrapolieren der beobachteten Quantität eines Magnetsensors berechnet wird, der unter der Vielzahl von Magnetsensoren weg vom Objekt angeordnet ist.
Magnetfeldmessverfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend die Schritte: Berechnen eines Schätzwerts einer Magnetrauschkomponente eines jeden Magnetsensors durch Nehmen einer Korrelation zwischen der gemeinsamen Rauschkomponente und der beobachteten Quantität des Magnetsensors basierend auf Ergebnissen einer Vielzahl von Messungen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgeführt werden, Erfassen eines Magnetfelds vom Objekt durch Subtrahieren des Schätzwerts der Magnetrauschkomponente von der beobachteten Quantität des Magnetsensors.
Magnetfeldmessverfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend einen Schritt des Berechnens einer Verteilung von Magnetrauschkomponenten der Magnetsensoren als eine Näherungsfunktion der gemeinsamen Rauschkomponente mit den Positionskoordinaten der Magnetsensoren und Berechnen eines Schätzwerts der Magnetrauschkomponente eines jeden Magnetsensors basierend auf der Näherungsfunktion.
Magnetfeldmessverfahren nach Anspruch 15, wobei die Verteilung der Magnetrauschkomponenten durch eine Ebene angenähert wird.
Magnetfeldmessverfahren nach Anspruch 15, wobei die Verteilung der Magnetrauschkomponenten durch eine parabolische Fläche angenähert wird.
Magnetfeldmessverfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend einen Schritt des Berechnens eines Schätzwerts der Magnetrauschkomponente des Magnetsensors eines Kanals von Interesse durch Nehmen einer Korrelation zwischen der beobachteten Quantität des Magnetsensors des Kanals von Interesse mit den beobachteten Quantitäten der Magnetsensoren der anderen Kanäle basierend auf Ergebnissen einer Vielzahl von Messungen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgeführt werden.
Magnetfeldmessverfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend einen Schritt des Beseitigens einer nichtkorrelierten Komponente durch Ermitteln eines lokalen Mittelwerts der gemessenen Quantität eines Magnetsensors von Interesse und der gemessenen Quantität eines Magnetsensors neben dem Magnetsensor von Interesse.