JP2003149311A - Wide band active magnetic shield method - Google Patents
Wide band active magnetic shield methodInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、シールドルーム、
クリーンルーム、電子顕微鏡電子線描が装置、医療機器
等に使用される磁気シールドに使用する広帯域アクティ
ブ磁気シールド法に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a shielded room,
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a broadband active magnetic shield method used for a magnetic shield used in a clean room, an electron microscope, an electron drawing apparatus, a medical device and the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】磁気シールドは、基本的には、透磁率の
大きな物質の内部で磁界が弱くなる性質を利用して磁気
シールドをつくる。しかし、透磁率の無限大の物質は存
在しないことより、完全な磁気シールドは単純には造る
ことが出来ない。しかし、近年各種電気製品等におい
て、外部磁気ノイズが多数発生している。特に、先端の
製造施設、研究機関、例えばＭＲＩ施設等に於いては、
磁気シールドルームの善し悪しが検査結果に大きく影響
を及ぼす。そこで各種精密機器では、設置環境基準を設
けている。例えば、電子顕微鏡（ＳＥＭ，ＴＥＭ）、半
導体製造装置，ＥＢ描画装置では、３ｍＧ以下、ＭＲＩ
は３〜２０ｍＧ以下、ＮＭＲ５ｍＧ以下，ＣＴスキャナ
ー１０００ｍＧ以下、ペースメーカは５０００ｍＧ以下
である。そこで、シールドルーム、クリーンルームの設
計の建築分野、或いは電子顕微鏡電子線描画装置等の電
気電子設備、医療機器等において、外部磁界の影響を少
なくする磁気シールド装置が不可欠となり種々の提案が
されている。基本的には、シールドする部分を比較的大
きな透磁率の物質で囲い、入り口等、或いは囲った周り
の部分にキャンセルコイルを設け、キャンセルコイルの
中心に磁束計により磁界を検出し、この検出磁界を、増
幅し、負帰還回路で、検出磁界と反対方向にキャンセル
コイルで磁界発生させ、検出磁界を打ち消し、より完全
な磁気シールド装置とする考えである。2. Description of the Related Art Basically, a magnetic shield is manufactured by utilizing the property that a magnetic field is weak inside a substance having a large magnetic permeability. However, since there is no material with infinite magnetic permeability, a perfect magnetic shield cannot be simply made. However, in recent years, a large number of external magnetic noises have been generated in various electric products and the like. Especially in advanced manufacturing facilities, research institutions such as MRI facilities,
The good or bad of the magnetically shielded room greatly affects the inspection result. Therefore, various precision instruments have established environmental standards. For example, in an electron microscope (SEM, TEM), a semiconductor manufacturing apparatus, an EB drawing apparatus, 3 mG or less, MRI
Is 3 to 20 mG or less, NMR is 5 mG or less, CT scanner is 1000 mG or less, and pacemaker is 5000 mG or less. Therefore, in the field of architecture for designing shielded rooms and clean rooms, or in electrical and electronic equipment such as electron microscopes and electron beam drawing devices, medical equipment, etc., magnetic shield devices that reduce the influence of external magnetic fields are indispensable and various proposals have been made. . Basically, the shielded part is surrounded by a material with a relatively large magnetic permeability, and a cancel coil is provided at the entrance or the surrounding part, and the magnetic field is detected at the center of the cancel coil by a flux meter. Is amplified, a negative feedback circuit is used to generate a magnetic field in a direction opposite to the detection magnetic field with a canceling coil, and the detection magnetic field is canceled, thereby making a more complete magnetic shield device.
【０００３】しかし、この磁気シールド装置として、例
えば、特開２０００−３２９８３６号公報に示す技術で
は、磁束計により磁界を検出した検出磁界を、Ａ／Ｄコ
ンバータを通してディジタル信号としてコンピューター
処理しＤ／Ａコンバータで出力、増幅し、負帰還回路
で、検出磁界と反対方向にキャンセルコイルで磁界発生
させ、検出磁界を打ち消すとする考えである。この考え
によって、処理しようとすると、高速化に課題があり、
高周波磁界シールドを行うことが出来ず、この方式で
は、Ａ／Ｄコンバータ−コンピューター処理−Ｄ／Ａコ
ンバータの際のデジタル処理の際等、高額なソフト、ハ
ードが必要となる課題を有している。また、磁気シール
ドに於いて、一番の問題としては、微小磁界の検出とい
う課題がある。この点で、先述の特開２０００−３２９
８３６号公報に示す例で言えば、磁界を検出する際の検
出磁界計として、ＳＱＵＩＤ磁束計による、極微小域の
磁界を検出し、これを利用し磁気シールドに利用してい
る。しかし、この方式にあっては、磁界検出計として用
いるＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉デバイス）磁束計で検
出できる周波数は、数Ｈｚ以下の磁界であるため、高周
波の磁気シールドを行うことは出来ない。However, as the magnetic shield device, for example, in the technique disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-329836, the detected magnetic field obtained by detecting the magnetic field by a magnetometer is computer processed as a digital signal through an A / D converter to perform D / A. It is considered that the converter outputs and amplifies, and a negative feedback circuit causes a cancel coil to generate a magnetic field in a direction opposite to the detected magnetic field to cancel the detected magnetic field. With this idea, when trying to process, there is a problem in speeding up,
High frequency magnetic field cannot be shielded, and this method has a problem that expensive software and hardware are required for A / D converter-computer processing-digital processing in D / A converter. . Further, in the magnetic shield, the biggest problem is the detection of a minute magnetic field. In this respect, the above-mentioned JP 2000-329A
In the example shown in Japanese Patent No. 836, a SQUID magnetometer detects a magnetic field in an extremely small area as a detection magnetic field meter for detecting a magnetic field, and this is used for a magnetic shield. However, in this method, the frequency that can be detected by the SQUID (superconducting quantum interference device) magnetometer used as the magnetic field detector is a magnetic field of several Hz or less, and therefore high-frequency magnetic shielding cannot be performed.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】従来より磁気シールド
に於いて、磁束計により検出した検出磁界を、増幅し負
帰還回路で、検出磁界と反対方向にキャンセルコイルで
磁界発生させ、検出磁界を打ち消すものである。従っ
て、正確な磁界検出が、必要不可欠である。特に現代の
他種類の磁気ノイズに対処するためには、直流から高周
波まで磁界を検出出来る検出器が不可欠である。また、
この検出器の信号が、アナログ信号で処理できるもので
あれば、回路等を簡略に出来大幅に簡略化でき、大幅な
コストダウンを図ることが出来る。そこで、本発明で
は、比較的簡易な構成でありながら、広い周波数を検出
できる検出器を提供し、かつ、制御のし易い磁気シール
ド法を提供することにある。Conventionally, in a magnetic shield, a detection magnetic field detected by a magnetometer is amplified and a negative feedback circuit causes a cancel coil to generate a magnetic field in a direction opposite to the detection magnetic field to cancel the detection magnetic field. It is a thing. Therefore, accurate magnetic field detection is essential. In particular, in order to deal with other types of magnetic noise in the present age, a detector capable of detecting a magnetic field from direct current to high frequency is indispensable. Also,
If the signal of this detector can be processed by an analog signal, the circuit etc. can be simplified and greatly simplified, and a large cost reduction can be achieved. Therefore, it is an object of the present invention to provide a detector capable of detecting a wide range of frequencies with a relatively simple structure and a magnetic shield method that is easy to control.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明は、上述した目的
を達成するため、以下の特徴点を備えている。すなわ
ち、アクテブ磁気シールド法に於いて、シールドを行う
部位に設けているキャンセルコイルとシールドを行う部
位の中央に設けている磁界検出手段と、検出した磁界信
号を増幅する増幅器と、増幅した信号をキャンセルコイ
ルに供給する負帰還回路とよりなり、前記磁気検出セン
サーとして、磁気インピーダンス効果素子を使用するこ
とを特徴とする。また、磁気検出センサーとして、双ヘ
ッド形インピーダンス効果素子を使用し、双ヘッド形イ
ンピーダンス効果素子の各出力を作動増幅器で増幅しキ
ャンセルコイルに負帰還回路で供給することを特徴とす
る。更に、次式（１）〜（３）式を満たす負帰還回路で
構成し、Ａ×Ｓ×Ｋの値１００以上の範囲となることを
特徴とする。
Ｖ＝ＳＢｉ （１）
Ｂｉ＝Ｂｅ−VＡＫ＝Ｂｅ−ＳＢｉＡＫ （２）
Ｂｉ／Ｂｅ ＝１＋ＡＫＳ／（１＋ＡＫＳ）＝１／（１＋ＡＫＳ） （３）
ここで、Ｖ：磁気センサーの出力電圧（Ｖ）、Ｓ ：磁
気センサーの感度（Ｖ／Ｇ）、Ａ：増幅器の増幅度（Ｖ
／Ｖ）、Ｋ：変換係数Ｋ（Ｇ／Ｖ）、Ｂｅ ：外部磁界
（Ｇ）、Ｂｉ ：シールド後の磁界（Ｇ）In order to achieve the above-mentioned object, the present invention has the following characteristic points. That is, in the active magnetic shield method, a cancel coil provided in a portion to be shielded, a magnetic field detection means provided in the center of a portion to be shielded, an amplifier for amplifying a detected magnetic field signal, and an amplified signal A negative feedback circuit for supplying the cancel coil, and a magnetic impedance effect element is used as the magnetic detection sensor. Further, the present invention is characterized in that a twin head type impedance effect element is used as a magnetic detection sensor, each output of the twin head type impedance effect element is amplified by an operational amplifier and supplied to a cancel coil by a negative feedback circuit. Further, it is characterized in that it is constituted by a negative feedback circuit that satisfies the following equations (1) to (3), and the value of A × S × K is in the range of 100 or more. V = SB i (1) B i = B e −VAK = B e −SB i AK (2) B i / B e = 1 + AKS / (1 + AKS) = 1 / (1 + AKS) (3) where V: magnetic Sensor output voltage (V), S: Magnetic sensor sensitivity (V / G), A: Amplifier amplification (V)
/ V), K: conversion coefficient K (G / V), Be : external magnetic field (G), Bi : magnetic field after shield (G)
【０００６】[0006]
【発明の実施の形態】以下、図面に示す具体的な実施例
に基づいて、本発明の一実施形態に係る磁気シールド法
及び装置を説明する。本発明によりシールド空間磁界を
±１ｍＧ以下にシールドすることを目標に、図１に示す
磁気シールド法に使用する概略回路図を製作した。な
お、説明の簡略化のため１軸方向のみの説明をするが、
３軸方向の場合も、同様の構成として磁気シールドする
ことが出来る。本発明の概略は、双ヘッド形磁気インピ
ーダンス効果素子を駆動する発信器と、発信器の出
力を接続する双ヘッド形磁気インピーダンス効果素子の
センサーヘッド部と、センサーヘッド部の各出力を
検波する検波回路と、検波回路に続けて設けている
差動増幅器で、アナログの出力電圧を得る構成で、こ
の出力電圧を、図２、図３に示す如く、磁気インピーダ
ンス効果素子の磁気センサー２を中心に設けているキャ
ンセルコイル１に供給し、外部磁界Ｂｅを打ち消す方向
にキャンセルコイル１に磁界を発生させる構成となって
いる。以下図１の回路に沿って説明するBEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A magnetic shield method and apparatus according to an embodiment of the present invention will be described below based on specific examples shown in the drawings. According to the present invention, a schematic circuit diagram used in the magnetic shield method shown in FIG. 1 was produced for the purpose of shielding the shield space magnetic field to ± 1 mG or less. It should be noted that, for simplification of the description, only the uniaxial direction will be described.
Also in the case of three axes, magnetic shielding can be performed with the same configuration. The outline of the present invention is to provide a transmitter for driving a twin-head type magneto-impedance effect element, a sensor head section of a twin-head type magneto-impedance effect element for connecting the output of the oscillator, and detection for detecting each output of the sensor head section. A circuit and a differential amplifier provided subsequent to the detection circuit are configured to obtain an analog output voltage, and this output voltage is centered on the magnetic sensor 2 of the magneto-impedance effect element as shown in FIGS. is supplied to the cancel coil 1 is provided, and has a configuration for generating a magnetic field to cancel coil 1 in a direction to cancel the external magnetic field B e. A description will be given below along the circuit of FIG.
【０００７】（発信器）発信器は、双ヘッド形磁気
インピーダンス効果素子のセンサーヘッド部に、高周
波電流を供給するためのもので、例えば６個のＣＭＯＳ
インバータを内蔵するＩＣチップを利用し、その中の２
個のインバータとＲ１，Ｃ１による方形波マルチバイブ
レータ発振電圧をＲｄ、ＣＤで微分パルスとし、インバ
ータで整形増幅するものである。この時、製作したマル
チインバータの発振周波数は、
ｆ＝１／２Ｒ１Ｃ１Ｉｎ３≒２３０［ｋＨｚ］
である。なお、ＣＭＯＳＦＥＴはスイッチング以外の定
常状態では電流は零なので、回路の消費電力はパルス電
流による消費電力のみの微少量である。また１個のＣＭ
ＯＳ ＩＣのみを能動素子として使用しているため安定
性が高い。(Oscillator) The oscillator is for supplying a high-frequency current to the sensor head portion of the twin-head type magneto-impedance effect element, for example, 6 CMOSs.
2 of the IC chips that incorporate an inverter are used.
The square wave multivibrator oscillation voltage generated by the individual inverters and R 1 and C 1 is differentiated by R d and C D , and shaped and amplified by the inverter. At this time, the oscillation frequency of the manufactured multi-inverter is f = 1 / 2R 1 C 1 In 3 ≈230 [kHz]. Since the CMOSFET has a zero current in a steady state other than switching, the power consumption of the circuit is only a very small amount due to the pulse current. Also 1 CM
The stability is high because only the OS IC is used as an active element.
【０００８】（センサーヘッド部）センサーヘッド部
として、本発明において、磁界検出器として、磁気イ
ンピーダンス効果素子を用いている。これは、例えば前
述のＳＱＵＩＤは、１０−５〜１０−１０（Ｇ）の範囲
の検出が可能であるが、±１ｍＧ程度のシールド空間磁
界を効率的に検出することが出来ない。±１ｍＧ程度の
シールド空間磁界を検出することが出来るセンサとして
は、フラックスゲートセンサーと磁気インピーダンス効
果素子である。ここで、フラックスゲートセンサーは、
磁性材料を励磁コイルに電流を流し励磁する方法である
ため、磁性材料の反磁界の影響や周波数特性により高周
波域での測定はは難しくなる。一方、磁気インピーダン
ス効果素子は、磁気インピーダンス効果を利用し、磁界
を検出する素子である。即ち、金属材料に高周波電流を
通電すると、表皮効果によって電流の通路断面積が決ま
る。即ち、当該磁性体の電気抵抗率ρ、透磁率μとし、
高周波電流の角速度ω、とすると表皮深さδは、δ＝
（２ρ／ωμ）１／２によって決まる。そして、軟磁性
金属材料では、電流と直角方向の透磁率が外部印加磁界
によって変化する。この為、電流の通る表皮深さδが変
化することで断面積が変化し、試料の電気抵抗が磁界に
より変化することになる。また、内部インダクタンスＬ
（＝μＩ／８π）も変化することになり試料のインピー
ダンスも磁界によって変化する。このように磁気インピ
ーダンス効果素子は、アルモファスのような高透磁率磁
性体に高周波電流を通電することによって磁界の変化を
検出出来る素子である。そこで、本発明では、この磁気
インピーダンス効果素子を使用出来ることに着目したも
のである。(Sensor Head Section) In the present invention, the sensor head section uses a magneto-impedance effect element as a magnetic field detector. For example, the above-mentioned SQUID can detect a range of 10 −5 to 10 −10 (G), but cannot efficiently detect a shield space magnetic field of about ± 1 mG. A flux gate sensor and a magneto-impedance effect element are sensors that can detect a shield space magnetic field of about ± 1 mG. Where the fluxgate sensor is
Since this is a method of exciting a magnetic material by passing a current through an exciting coil, it is difficult to measure in a high frequency region due to the influence of the demagnetizing field of the magnetic material and the frequency characteristics. On the other hand, the magneto-impedance effect element is an element that detects a magnetic field by utilizing the magneto-impedance effect. That is, when a high-frequency current is passed through the metal material, the skin effect determines the cross-sectional area of the current passage. That is, the electrical resistivity ρ and the magnetic permeability μ of the magnetic body,
If the angular velocity of the high frequency current is ω, and the skin depth δ is δ =
(2ρ / ωμ) 1/2. Then, in the soft magnetic metal material, the magnetic permeability in the direction perpendicular to the current changes depending on the externally applied magnetic field. Therefore, the cross-sectional area changes as the skin depth δ through which the current passes changes, and the electrical resistance of the sample changes due to the magnetic field. Also, the internal inductance L
(= ΜI / 8π) also changes, and the impedance of the sample also changes with the magnetic field. As described above, the magneto-impedance effect element is an element that can detect a change in magnetic field by passing a high-frequency current through a high-permeability magnetic material such as Armofus. Therefore, the present invention focuses on the fact that this magneto-impedance effect element can be used.
【０００９】具体的には、本発明に使用する磁気インピ
ーダンス効果素子よりなるセンサーヘッド部２０Ａ，２
０Ｂは、図２に示す如く、直径３０μｍのＣｏＦｅＳｉ
Ｂよりなるアモルファスワイヤ２１（ＤＣ−２Ｔ
（（株）ユニチカ製））を、長さａ＝３ｍｍに切断し、
これをチューブ２２内に通し、次いで、バイアスコイル
２３Ａ，２３Ｂを３０回巻き、これを同一直線上にｂ数
ｍｍ離して、対に置く構成とした。また、アモルファス
ワイヤ２１の両端は半田等適宜接続手段により、接続線
２４を介し図１，図３に示すように回路の所定位置に接
続されている。なお、バイアスコイル２３Ａ，２３Ｂの
間隔ｂは、接続線２４の半田付けを行うことが出来る間
隔で設置する。ここで、磁気インピーダンス効果素子
は、単ヘッド形を使用することが出来るが、特に双ヘッ
ド形磁気インピーダンス効果素子の２つのセンサーヘッ
ド部の磁気インピーダンス効果素子の差をとることで、
回路共通のノイズ、コモンモードノイズ等をカットし、
感度の向上を図ることが出来る為、双ヘッド形磁気イン
ピーダンス効果素子を使用することが望ましい。Specifically, the sensor head portions 20A, 20A composed of the magneto-impedance effect element used in the present invention are used.
OB is CoFeSi with a diameter of 30 μm as shown in FIG.
Amorphous wire 21 made of B (DC-2T
(Manufactured by Unitika Ltd.) to a length of a = 3 mm,
This was passed through the tube 22, and then, the bias coils 23A and 23B were wound 30 times, and the bias coils 23A and 23B were placed in pairs on the same straight line with a distance of a few mm. Further, both ends of the amorphous wire 21 are connected to predetermined positions of the circuit through connecting wires 24 by appropriate connecting means such as solder. The distance b between the bias coils 23A and 23B is set so that the connection wire 24 can be soldered. Here, the magneto-impedance effect element can use a single head type, but in particular, by taking the difference between the magneto-impedance effect elements of the two sensor heads of the twin-head type magneto-impedance effect element,
Cuts common circuit noise, common mode noise, etc.
Since it is possible to improve the sensitivity, it is desirable to use a twin head type magneto-impedance effect element.
【００１０】次に上記バイアスコイル２３Ａ，２３Ｂに
流す電流は、１つ１つのセンサの感度が一番高くなるよ
うに可変抵抗器Ｒｆで調節する（本実施例では７ｍＡと
８．８ｍＡ）。また、それぞれのセンサーヘッド部２０
Ａ，２０Ｂの通電パルス電流の大きさを可変抵抗器ＶＲ
で調節する。ここで、可変抵抗器Ｒｆで調節し、センサ
の感度が一番高くなるよう設定するのは、センサーヘッ
ド部２０Ａ，２０Ｂの長さ等の個々差があり、インピー
ダンスが個々に相違しても有効に素子の出力を得ようと
するものである。そして、バイアスコイル２３Ａ，２３
Ｂに電流を流し、センサーヘッド部２０Ａ，２０Ｂに磁
界を与えた状態とする。そして、このセンサーヘッド部
２０Ａ，２０Ｂにアクテイブシールド場所の磁界が加わ
ると、前述に述べた如く、センサーヘッド部２０Ａ，２
０Ｂのインピーダンスが変化する。この為、センサーヘ
ッド部２０Ａ，２０Ｂを通過する電流に対する電圧が変
化し、磁界変化が電圧変化に対応することになる。なお
上述の例では、アモルファスワイヤを用いたセンサーヘ
ッドの例を述べているが、これに限らず、例えばパーマ
ロイ薄膜、アルモファス薄膜等、他の磁気インピーダン
ス効果素子を用いても良い。Next, the current flowing through the bias coils 23A and 23B is adjusted by the variable resistor R f so that the sensitivity of each sensor becomes the highest (7 mA and 8.8 mA in this embodiment). In addition, each sensor head unit 20
A, 20B variable resistor the magnitude of the energizing current pulse V R
Adjust with. Here, it is adjusted by the variable resistor R f to set the sensitivity of the sensor to be the highest, because there are individual differences such as the lengths of the sensor heads 20A and 20B, and the impedance is different. It is intended to effectively obtain the output of the device. Then, the bias coils 23A, 23
An electric current is passed through B, and a magnetic field is applied to the sensor head units 20A and 20B. When a magnetic field at the active shield location is applied to the sensor heads 20A, 20B, as described above, the sensor heads 20A, 2B are
The 0B impedance changes. Therefore, the voltage with respect to the current passing through the sensor heads 20A and 20B changes, and the magnetic field change corresponds to the voltage change. In the above example, the example of the sensor head using the amorphous wire is described, but the present invention is not limited to this, and other magneto-impedance effect elements such as a permalloy thin film and an almoface thin film may be used.
【００１１】（検波回路）次いで、検波回路は、前
記センサーヘッド部２０Ａ，２０Ｂで得た誘起電圧に
は、前記発信器から出る高周波を遮断する。測定する
磁界が小さいとき磁気インピーダンス効果素子の誘起電
圧も小さいため、順方向電圧の小さいショットキーバリ
アダイオード（ＳＢＤ）を利用している。ここで、遮断
周波数は
ｆ＞１／２πＲ２Ｃ２ ≒３１２ ［Ｈｚ］
となる。しかし、増幅器のＯＰ入力部が、仮想設置に
なっているため、Ｒ３を考慮に入れると実際の遮断周波
数は１６ｋＨｚとなる。また、センサーヘッド部と検
波回路が、対称形に構成されているので。電源電圧や
電源ラインに混入するコモンモードノイズなどを相殺す
る構成となっている。(Detection Circuit) Next, the detection circuit cuts off the high frequency generated from the oscillator to the induced voltage obtained at the sensor heads 20A and 20B. Since the induced voltage of the magneto-impedance effect element is small when the magnetic field to be measured is small, a Schottky barrier diode (SBD) having a small forward voltage is used. Here, the cutoff frequency is f> 1 / 2πR 2 C 2 ≈312 [Hz]. However, because the OP input of the amplifier is virtually installed, the actual cutoff frequency is 16 kHz when R 3 is taken into consideration. Also, the sensor head and the detection circuit are configured symmetrically. It is configured to cancel common mode noise mixed in the power supply voltage and power supply line.
【００１２】（差動増幅器）差動増幅器は、センサ
ーヘッド部２０Ａ，２０Ｂからの誘起電圧の差を得て、
これを増幅し、逆方向に磁界を発生せさせる電源として
の意義を有する。なお、増幅度を大きく例えば１００倍
となるよう設計し、ＯＰの電源には電源ノイズの影響を
なくすために電池等を使用することが好ましい。電解コ
ンデンサＣ３とセラミックコンデンサＣ１を並列接続す
ることで、発信器の電流電圧の安定化を図っている。(Differential amplifier) The differential amplifier obtains the difference in induced voltage from the sensor heads 20A and 20B,
This has the significance as a power source that amplifies this and generates a magnetic field in the opposite direction. It is preferable to design the amplification degree to be large, for example, 100 times, and use a battery or the like as the power source of the OP in order to eliminate the influence of power source noise. By connecting the electrolytic capacitor C 3 and the ceramic capacitor C 1 in parallel, the current and voltage of the oscillator are stabilized.
【００１３】上述の回路で、得られた磁界検出特性を図
４，周波数特性を図５に示す。この図からも判るよう
に、交流磁界に対し正確に磁界の検出が可能である。ま
た、出力周波数については、１０ｋＨｚ程度までは安定
した出力を得ることが出来た。さらに、上記センサーヘ
ッド部２０Ａ，２０Ｂを入出力の位相差測定回路で、位
相差特性を測定し、図６に示した。この図からも判るよ
うに、磁気インピーダンス効果素子は、入出力の位相差
性能に優れており、入出力の位相差が９０°以下の状態
で、高周波域（２０ｋＨｚ）まで拡張することが出来
る。従って、負帰還回路が収束し、高周波磁界までシー
ルドが可能となる。なお、本発明は、負帰還回路では、
入出力の位相差が１８０℃で発振領域に入る。そして、
パワーアンプを使用することより、位相差が９０°で、
発振領域となる。従って、アクテブ磁気シールド制御に
於いて、入出力の位相差が９０°以下の状態で使用する
必要があり、高周波域（２０ｋＨｚ）まで使用すること
が出来る。The magnetic field detection characteristics obtained by the above circuit are shown in FIG. 4 and the frequency characteristics are shown in FIG. As can be seen from this figure, the magnetic field can be accurately detected with respect to the AC magnetic field. Regarding the output frequency, a stable output could be obtained up to about 10 kHz. Further, the phase difference characteristics of the sensor heads 20A and 20B were measured by an input / output phase difference measuring circuit and shown in FIG. As can be seen from this figure, the magneto-impedance effect element has excellent input / output phase difference performance, and can be expanded to a high frequency range (20 kHz) in a state where the input / output phase difference is 90 ° or less. Therefore, the negative feedback circuit converges, and it is possible to shield up to a high frequency magnetic field. Incidentally, the present invention, in the negative feedback circuit,
When the phase difference between input and output is 180 ° C, it enters the oscillation region. And
By using a power amplifier, the phase difference is 90 °,
It becomes the oscillation region. Therefore, in the active magnetic shield control, it is necessary to use the input / output phase difference of 90 ° or less, and it is possible to use up to a high frequency range (20 kHz).
【００１４】次に、上記磁気検出で得たデータに基づ
き、具体的なアクティブ磁気シールドの制御を図３に基
づき説明する。図において、２個のキャンセルコイル１
の中心に、上述の磁界センサ２を配置している。そし
て、磁気センサー２から、パワーアンプ３の出力をキャ
ンセルコイル１に戻す構成である。ここで、シールドし
ようとする磁界（外部磁界）をＢｅ（Ｇ）、センサの感
度をＳ（Ｖ／Ｇ）、センサー２の出力電圧をＶ、パワー
アンプの増幅度をＡ（Ｖ／Ｖ）、キャンセルコイル１に
入力される電圧が磁界に変換される係数（変換係数）を
Ｋ（Ｇ／Ｖ）とすると、キャンセルコイル１→磁気セン
サー２→パワーアンプ３→キャンセルコイル１のシール
ド装置構成全体を含んだ負帰還に構成することで、磁界
センサの出力が０Ｖ、つまり、磁界がゼロとなるように
制御するものである。このときのループ内における関係
式は、
Ｖ＝（Ｂｅ−ＶＡＫ）Ｓ
より
Ｖ＝ＢｅＳ／（１＋ＡＫＳ）
となる。シールド後の磁界（シールド空間磁界と呼ぶ）
をＢｉとすると、
Ｖ＝ＳＢｉ （１）
Ｂｉ ＝Ｂｅ−VＡＫ＝Ｂｅ−ＳＢｉＡＫ （２）
従って
Ｂｉ ／Ｂｅ ＝１＋ＡＫＳ／（１＋ＡＫＳ）＝１／（１＋ＡＫＳ）（３）
となる。ここで、ＡＫＳ＞＞１にできればシールド空間
磁界を零（Ｂｉ ／Ｂｅ＝０）に近づけることができ、
精度の高い磁気シールドを得ることが出来る。Next, the specific control of the active magnetic shield will be described with reference to FIG. 3 based on the data obtained by the magnetic detection. In the figure, two cancel coils 1
The above-mentioned magnetic field sensor 2 is arranged at the center of. The magnetic sensor 2 returns the output of the power amplifier 3 to the cancel coil 1. Here, the magnetic field to be shielded (external magnetic field) B e (G), the sensitivity of the sensor S (V / G), the output voltage of the sensor 2 V, the amplification degree of the power amplifier A (V / V) , Where the coefficient (conversion coefficient) by which the voltage input to the cancel coil 1 is converted into a magnetic field is K (G / V), the cancel coil 1 → magnetic sensor 2 → power amplifier 3 → cancel coil 1 overall shield device configuration By configuring the negative feedback including, the output of the magnetic field sensor is controlled to 0V, that is, the magnetic field becomes zero. Relational expression of the loop in this case is V = (B e -VAK) S from V = B e S / (1 + AKS). Magnetic field after shield (called shield space magnetic field)
If the the B i, V = SB i ( 1) B i = B e -VAK = B e -SB i AK (2) hence B i / B e = 1 + AKS / (1 + AKS) = 1 / (1 + AKS) (3 ). Here, if AKS >> 1 is achieved, the shield space magnetic field can be brought close to zero (B i / B e = 0),
It is possible to obtain a highly accurate magnetic shield.
【００１５】次に上式（１）から（３）において、ＡＫ
Ｓの値は、大きければ大きいほど完全なシールドを行う
ことが出来好ましいのであるが、現時点では、センサ感
度Ｓは、センサー素子磁性材料の透磁率特性と電流周波
数で決まるが、２４〜４０（Ｖ／Ｇ）程度である。ま
た、キャンセルコイルの出力Ｋは、コイル巻数を大きく
すれば大きくできるが、またインダクタンスＬ、およ
び、キャバシタンスＣも効いてくる可能性もあり、０．
０４５〜０．０４８（Ｇ／Ｖ）であること、及び増幅度
Ａについては、Ａ＝１０〜３００の範囲で可能である。
しかし、増幅器により異なるが一般的に２２０以上で発
振する可能性があり、増幅度Ａは１８０以下となる。従
って、これらを考慮に入れてＡＫＳ値を決定する。ここ
で、シールドしようとする磁界Ｂｅに対し、シールド後
の磁界Ｂｉとがどのくらいかを表すシールド性能ＳＨ
は、
ＳＨ＝２０ｌｏｇ（Ｂｉ ／Ｂｅ ）
で定義される。このシールド性能とＡＫＳ値の関係を図
７に示す。この図からも判るように、シールド性能が４
０ｄＢの時、ＡＫＳ値が９９となる。また、シールド性
能が４５ｄＢの時、ＡＫＳ値が１７８となる。また、シ
ールドしようとする磁界Ｂｅに対し、シールド後の磁界
Ｂｉとがどのくらいかの割合を表すシールド率［（Ｂ
ｉ ／Ｂｅ ）×１００］で表すと、前記シールド性能
が４０ｄＢ（ＡＫＳ値が９９）の時、シールド率１％と
なり、前記シールド性能が４５ｄＢ（ＡＫＳ値が１７
８）の時、シールド率０．６％となる。一般的に通常問
題となるシールド対象機器は、通常１００ｍＧ程度の外
部交流磁界程度を除去できれば十分であることより、Ａ
ＫＳ値が１００以上、好ましくは１７８以上で回路構成
を使用することと良い。Next, in the above equations (1) to (3), AK
It is preferable that the larger the value of S is, the more complete shielding can be performed, but at this time, the sensor sensitivity S is determined by the magnetic permeability characteristics of the magnetic material of the sensor element and the current frequency. / G). Further, the output K of the cancel coil can be increased by increasing the number of turns of the coil, but the inductance L and the capacitance C may also be effective, and the output K.
It is possible to be 045 to 0.048 (G / V) and the amplification degree A in the range of A = 10 to 300.
However, although it varies depending on the amplifier, it may oscillate generally at 220 or more, and the amplification degree A becomes 180 or less. Therefore, the AKS value is determined taking these into consideration. Here, with respect to the magnetic field B e to try to shield, shielding performance SH representing the how much and the magnetic field B i after the shield
Is defined as SH = 20log (B i / B e ). FIG. 7 shows the relationship between the shield performance and the AKS value. As you can see from this figure, the shielding performance is 4
At 0 dB, the AKS value is 99. When the shield performance is 45 dB, the AKS value is 178. Further, with respect to the magnetic field B e to be shielded, shielding factor representing the ratio of how much and the magnetic field B i after shield [(B
i / B e ) × 100], when the shield performance is 40 dB (AKS value is 99), the shield rate is 1%, and the shield performance is 45 dB (AKS value is 17).
In the case of 8), the shield rate is 0.6%. Generally, the shielded device, which is usually a problem, needs only to remove an external AC magnetic field of about 100 mG.
It is advisable to use a circuit configuration with a KS value of 100 or more, preferably 178 or more.
【００１６】（実施例）図１に示す回路構成で構成し、
Ａ＝１８０、Ｋ＝０．０４５、Ｓ＝２４で、図２の磁気
センサーを用い、図３の４５０ｍｍ角のキャンセルコイ
ル１で、負帰還回路を構成した。そして、外部磁界が静
磁界から交流磁界までの、アクティブシールドを行っ
た。磁界強さは５０ｍＧ、周波数は、１〜１０ｋＨｚの
交流磁界を印加し、図８の結果を得た。この図からも判
るようにシールド性能＝４８ｄＢが、２ｋＨｚまで得ら
れた。また、磁界強さが−２２０〜２２０ｍＧの静磁界
を印加し、図９の結果を得た。この図からも判るように
シールド性能４８ｄＢを得た。最後に変動磁界を模擬し
た非正弦波で磁界強さ１２．５ｍＧの磁界を印加し、図
１０の結果を得た。この図からも判るようにシールド性
能４８ｄＢを得た。上述のように、本発明によれば、１
０ｋＨｚ以下の周波数で、アクテブシールドが有効に働
いていることが示している。なお、図１に示す回路構成
で構成し、Ａ＝２０、Ｋ＝０．０４８、Ｓ＝２８で、外
部磁界１００Ｈｚの磁界シールドでは、シールド性能が
２５．９ｄＢで、十分なシールド性能を得ることが出来
なかった。(Embodiment) The circuit configuration shown in FIG.
A negative feedback circuit was configured with A = 180, K = 0.045, S = 24, the magnetic sensor of FIG. 2 and the 450 mm square cancel coil 1 of FIG. Then, the external magnetic field was active shielded from the static magnetic field to the alternating magnetic field. An AC magnetic field having a magnetic field strength of 50 mG and a frequency of 1 to 10 kHz was applied, and the results shown in FIG. 8 were obtained. As can be seen from this figure, a shield performance of 48 dB was obtained up to 2 kHz. A static magnetic field having a magnetic field strength of -220 to 220 mG was applied, and the results shown in FIG. 9 were obtained. As can be seen from this figure, a shield performance of 48 dB was obtained. Finally, a magnetic field having a magnetic field strength of 12.5 mG was applied as a non-sinusoidal wave simulating a fluctuating magnetic field, and the results shown in FIG. 10 were obtained. As can be seen from this figure, a shield performance of 48 dB was obtained. As mentioned above, according to the present invention, 1
It is shown that the active shield works effectively at a frequency of 0 kHz or less. In addition, with the circuit configuration shown in FIG. 1, with A = 20, K = 0.048, S = 28, and a magnetic field shield with an external magnetic field of 100 Hz, the shielding performance is 25.9 dB and sufficient shielding performance is obtained. I couldn't.
【発明の効果】本発明は、上述した構成を備えているた
め、以下の効果を奏することができる。磁気インピーダ
ンス効果素子を使用することにより、２ｋＨｚの高周波
磁界まで、４８ｄBの高性能磁気シールドが得ることが
出来広範囲な磁気シールの用途に適用することが出来
る。また、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａを行わずアナログ回路で静磁
界から２ｋHｚのシールドが可能となり、安価で、メン
テナンスフリーのアクティブ磁気シールドが可能とな
る。Since the present invention has the above-mentioned structure, the following effects can be obtained. By using the magneto-impedance effect element, a high-performance magnetic shield of 48 dB can be obtained up to a high frequency magnetic field of 2 kHz, and it can be applied to a wide range of magnetic seal applications. Further, the analog circuit can shield the static magnetic field at 2 kHz without performing A / D and D / A, and an inexpensive and maintenance-free active magnetic shield can be realized.
【図１】本発明の磁気シールド法に使用する回路の一実
施形態の回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment of a circuit used in the magnetic shield method of the present invention.
【図２】本発明の磁気シールド法に使用する一実施形態
の制御図である。FIG. 2 is a control diagram of an embodiment used in the magnetic shield method of the present invention.
【図３】本発明の磁気シールド法に使用する磁気センサ
ーの斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a magnetic sensor used in the magnetic shield method of the present invention.
【図４】本発明によって得られた磁界検出特性を示す説
明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing magnetic field detection characteristics obtained by the present invention.
【図５】本発明によって得られた周波数特性を示す説明
図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing frequency characteristics obtained by the present invention.
【図６】本発明によって得られた位相差特性を示す説明
図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a phase difference characteristic obtained by the present invention.
【図７】本発明のシールド性能とＡＫＳ値の関係を示す
説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram showing the relationship between the shield performance and the AKS value of the present invention.
【図８】本発明の交流磁界を印加によって得られた周波
数とシールド率を示す説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram showing frequencies and shield ratios obtained by applying an AC magnetic field of the present invention.
【図９】正負の静磁界を印加によって得られた特性を示
す説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram showing characteristics obtained by applying positive and negative static magnetic fields.
【図１０】非正弦波で磁界を印加によって得られた特性
を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing characteristics obtained by applying a magnetic field with a non-sinusoidal wave.
１ キャンセルコイル ２、 磁気センサー ２０Ａ，Ｂ センサーヘッド ２１ アルモファスワイヤ ２２ チューブ ２３Ａ，Ｂ バイアスコイル ２４ 接続線 ３ パワーアンプ 1 cancel coil 2. Magnetic sensor 20A, B sensor head 21 Armofus Wire 22 tubes 23A, B bias coil 24 connection line 3 power amplifier
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 徹 東京都千代田区大手町２−６−３ 新日本 製鐵株式会社内 (72)発明者 筑摩 顕太郎 東京都港区芝５−20−６ マルケンシール ドテック株式会社内 Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AC01 AD69 BA05 5E321 AA42 GG07 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Toru Takeuchi 2-6-3 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo New Japan Steelmaking Co., Ltd. (72) Inventor Kentaro Chikuma Markenseal 5-20-6 Shiba, Minato-ku, Tokyo Dotech Co., Ltd. F term (reference) 2G017 AA01 AC01 AD69 BA05 5E321 AA42 GG07
Claims (4)
と、 検出した磁界信号を増幅する増幅器と、 増幅した信号をキャンセルコイルに供給する負帰還回路
とよりなり、 前記磁気検出センサーとして、磁気インピーダンス効果
素子を使用することを特徴とする広帯域アクティブ磁気
シールド法。1. In the active magnetic shield method, a canceling coil provided in a portion to be shielded, a magnetic field detecting means provided in the center of the portion to be shielded, an amplifier for amplifying a detected magnetic field signal, and an amplifier. And a negative feedback circuit for supplying the signal to a cancel coil, wherein a magnetic impedance effect element is used as the magnetic detection sensor.
ピーダンス効果素子を使用し、双ヘッド形インピーダン
ス効果素子の各出力を作動増幅器で増幅しキャンセルコ
イルに負帰還回路で供給することを特徴とする請求項１
記載の広帯域アクティブ磁気シールド法。2. A twin head type impedance effect element is used as a magnetic detection sensor, each output of the twin head type impedance effect element is amplified by an operational amplifier and supplied to a cancel coil by a negative feedback circuit. Item 1
Broadband active magnetic shield method described.
気シールド法において、 信号処理をアナログ処理することを特徴とする広帯域ア
クティブ磁気シールド法。3. The broadband active magnetic shield method according to claim 1 or 2, wherein signal processing is analog-processed.
シールド法において、 式（１）〜（３）式を満たす負帰還回路で構成し、 Ａ×Ｓ×Ｋの値１００以上の範囲となることを特徴とす
る広帯域アクティブ磁気シールド法。 Ｖ＝ＳＢｉ （１） Ｂｉ＝Ｂｅ−VＡＫ＝Ｂｅ−ＳＢｉＡＫ （２） Ｂｉ／Ｂｅ ＝１＋ＡＫＳ／（１＋ＡＫＳ）＝１／（１＋ＡＫＳ） （３） ここで、 Ｖ ：磁気センサーの出力電圧（Ｖ） Ｓ ：磁気センサーの感度（Ｖ／Ｇ） Ａ ：増幅器の増幅度 （Ｖ／Ｖ） Ｋ ：変換係数Ｋ（Ｇ／Ｖ） Ｂｅ ：外部磁界（Ｇ） Ｂｉ ：シールド後の磁界（Ｇ）4. The broadband active magnetic shield method according to claim 1, wherein the negative feedback circuit satisfies the equations (1) to (3), and the value of A × S × K is 100 or more. A broadband active magnetic shield method characterized by the above. V = SB i (1) B i = B e −V AK = B e −SB i AK (2) B i / B e = 1 + AKS / (1 + AKS) = 1 / (1 + AKS) (3) where V: magnetic Output voltage of sensor (V) S: Sensitivity of magnetic sensor (V / G) A: Amplification degree of amplifier (V / V) K: Conversion coefficient K (G / V) Be : External magnetic field (G) Bi : Magnetic field after shield (G)
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|---|---|---|---|---|
| JP2017062122A (en) * | 2015-09-23 | 2017-03-30 | 国立大学法人名古屋大学 | Magnetic field detector |
| US9759785B2 (en) | 2011-03-07 | 2017-09-12 | National University Corporation Nagoya University | Magnetic-field detecting device |
| US10444298B2 (en) | 2016-01-29 | 2019-10-15 | Advantest Corporation | Magnetic noise rejection apparatus and magnetic field measurement apparatus |
-
2001
- 2001-11-16 JP JP2001351204A patent/JP2003149311A/en active Pending
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| JP2017062122A (en) * | 2015-09-23 | 2017-03-30 | 国立大学法人名古屋大学 | Magnetic field detector |
| US10444298B2 (en) | 2016-01-29 | 2019-10-15 | Advantest Corporation | Magnetic noise rejection apparatus and magnetic field measurement apparatus |
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