内部アクティブ磁気シールドシステム開発のための磁界解析古賀文隆

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内部アクティブ磁気シールドシステム開発のための磁界解析

古賀文隆

^*1

竹内信次郎

^*2

Magnetic Field Analysis for Development of Magnetic Shield System Using Inside Compensation Coils

Fumitaka Koga, Shinjiro Takeuchi

低コスト，省資源で高性能な磁気シールドシステムを実現する手法として，磁気シールドルームの内部または外部に補償コイルを付帯させ，動的に侵入磁界を補償する方法があげられる。前者は後者に比べコイルに流す電流を小さくでき，また補償コイルが新たな磁気ノイズ源になりにくい等の利点が見込まれる。このことを実証するため数値解析及び実験を行い，補償に要する電流に関して前者は後者の1/100，磁気シールドルーム外部で観測される磁界(磁気ノイズ)に関して前者は後者の約1/30000と，いずれも極めて有利であることがわかった。

1 はじめに

病院に設置されているMRI装置や，脳磁図・心磁図等の極微弱な生体磁気を計測する磁気計測システムでは，

電車の通行等によって生じる変動磁界の影響を受けやすく，診断画像に歪みが生じて画像解析精度が悪くなる。また，電子顕微鏡やEB(電子ビーム)描画装置でも同様に悪影響を受ける。そのためこれらの悪影響を除去するには磁気的に遮蔽された空間(磁気シールドルーム，以下MSRと略す)が必要となる。しかし，シールド性能を上げるためにパーマロイ等の磁性材料を多量に用いて多層化するのみでは，重量，コストや省資源化の観点から問題がある。そこで，軽量，低コストで高いシールド性能を実現するためにアクティブ磁気シールドシステムの研究が行われている

^1-4)

。これは，MSR に付帯させた補償コイルにより，侵入磁界を能動的にキャンセルすることでシールド性能を向上させるものである。この補償コイルは，MSR外部

^1-3)

または内部

^4,5)

に配置する方法が提案されている。

補償コイルをMSR内部に配置する内部アクティブ磁気シールドシステムは，補償コイルが新たな磁気ノイズ源にならず，またコイルに流す電流が小さいため安定化が容易で省電力化できる等の利点が期待される。

そこで本稿では，これらの利点を実証すると共にコイル配置の設計を行うために数値計算による磁界解析及び実験を行った。その結果，補償コイルをMSR外部に配置する方法に対して，補償に要する電流に関しては 1/100，磁気シールドルーム外部で観測される磁束密度

(磁気ノイズ)に関しては約1/30000と，大きく優れていることが確認された。

2 内部アクティブ磁気シールドシステム

図1に内部アクティブ磁気シールドシステムの概略図を示す。MSR内部に補償コイルと磁界センサを配置することを特徴とする。MSRに侵入する磁界を磁気センサで測定し，測定値に基づいた電流を補償コイルに流して打ち消し磁界を発生させ，能動的にキャンセルすることで低磁界の空間を形成する。図1では磁界のz成分のみを打ち消す1組の補償コイルしか描いていないが，

実際はx，y，z3成分を補償するために3組のコイルを配置する。

なお，MSRに用いる磁性材料の磁化過程に起因するような磁気ノイズが発生する場合に対しては，補償コイルをMSR内部に配置する本方式でなければ補償することはできない。

内部補償コイル磁気シールドルーム磁界センサ

制御部 X

Z Y

図1 内部アクティブ磁気シールドシステムの概略図

*1 機械電子研究所

*2 ユニテック有限会社

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3 磁界解析

3-1 内部補償コイルの配置と補償電流

表1に示す寸法の2重構造のMSRに関して有限要素法による数値解析を行い，内部補償を行ったときのMSR 内部の磁束分布として図2に示す結果が得られている

5)

。この図は，Z方向に磁束密度6・Tの一様な磁界を加え，2個のループコイルの間隔を変えて補償を行ったときの，MSRの中心を原点とするZ軸に沿った磁束密度のz 成分の変化を示している。コイルに流す電流はMSR中心での磁束密度がゼロになるように設定した。図2より，

コイル間隔をMSRの高さの約1/2である1.05〜1.1mとしたときに低磁界の空間を広範囲に形成できることがわかる。このとき補償に要する電流は0.07ATであった。

次に，比較のために， MSR外壁から外部方向に50mm の空隙を設けて2個のループコイルで構成される補償コイルを配置した場合について同様に計算を行った。

結果を図3に示す。低磁界の空間を広範囲に形成できるのは外部補償コイルを0.8m間隔で配置したときであり，

このとき補償に要する電流は7ATであった。

同じ大きさの侵入磁界を打ち消すために，内部補償コイルで要する電流は外部補償コイルで要する電流の 1/100であった。このことは，内部アクティブ磁気シールドシステムが，補償コイル駆動回路の安定化，低価格化や省電力化等の点で外部アクティブ磁気シールドシステムより有利であることを示している。

3-2 周辺環境への磁気ノイズの影響

補償コイルから発生する磁界は，MSR外部の周辺環境にとっては磁気ノイズとなる可能性がある。そこで，

補償コイルから発生する磁界が周辺環境へ及ぼす磁気的影響について，補償コイルをMSRの内部及び外部に配置した場合の比較を行った。

3-2-1 磁気シールドケースによる実測

厚さ1mm，1辺0.6mの立方体形状のパーマロイ製磁気シールドケースの内部または外部に補償コイル(2個のループコイル)を配置し，それぞれのコイルに20ATの電流を流したときに，磁気シールドケース外部に発生する磁界の磁束密度を磁界センサで測定した。補償コイルの間隔は，図2または図3を参考にシールドケースのスケールを考慮して，内部補償コイルは0.3m間隔，外部補償コイルは0.22mとして配置した。測定は，図4のように磁気シールドケースの中心を原点としたZ軸上におけるz成分を対象とした。図5に結果を示す。内部補償コイルにより発生する磁界は，磁気シールドケースにより外部への漏洩が遮蔽され，外部補償コイルから発生する磁界の1/100程度の小さな値となっていた。

実際には3-1節からわかるように，同レベルの侵入磁界を補償するのに要する電流は，内部補償コイルでは外部補償コイルに比べて1/100と小さいため，周辺環境へ及ぼす磁気的影響はさらに小さくなる。

-40 -20 0 20 40

20 40 60 80 100

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Flux density (nT) Flux density (nT)

Position (m)

Z 0.7m0.8m 0.9m 1.1m 1.3m 1.5m

コイル間隔

補償コイルあり補償コイルなし

1.7m

3-2-2 MSRに対する数値解析

有限要素法を用いた数値解析により，内部及び外部補償コイルから発生される，MSR外部での磁界の比較を行った。対象としたのは表1に示した2重構造のMSRで，

z成分の補償コイルを内部または外部に配置した。3-1 節の結果を基に，内部補償コイルについては1.1m間隔図2 内部補償を行ったときのMSR内部の磁束分布

-10 0 10 20 30 40

60 70 80 90 100 110

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Flux density (nT) Flux density (nT)

Position (m)

Z 0.9m 1.0m 1.05m 1.1m 1.2m 1.3m

コイル間隔

補償コイルあり

補償コイルなし

図3 外部補償を行ったときのMSR内部の磁束分布表 1 磁気シールドルームの諸元

磁気遮蔽材：パーマロイ

構造：２重

外側寸法：幅2.304 m 奥行2.504 m 高さ2.304 m 厚さ1.6 mm 内側寸法：幅2.100 m 奥行2.300 m 高さ2.100 m 厚さ2.0 mm

(3)

10^-5 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100

0 1 2 3 4 5

外部コイル内部コイル

Flux density (µT)

Position (m) MSR外部 MSR内部

で0.07ATの電流を流し，外部補償コイルについては 0.8m間隔で7ATの電流を流した状態とし，MSR中心部での磁束密度が同じ値になるように設定した。図6にMSR 中心を原点とするZ軸に沿った磁束密度の変化を示す。

横軸はMSR中心からの距離を示しており，1.152m以上が MSR外部である。MSR外部全域において，内部補償コイルから発生する磁界は外部補償コイルから発生する磁界の約1/30000と極めて小さな値となっていた。

以上のことは，内部アクティブ磁気シールドシステムが周辺環境へ及ぼす磁気ノイズに関しても有利であることを示している。

4 まとめ

数値計算による磁界解析を行い以下の結論を得た。

1. 補償に要する電流は，内部補償コイルでは外部補償コイルの1/100でよく，内部アクティブ磁気シールドシステムは駆動回路の安定化，低価格化，省電力化に関して有利である。

2.内部補償コイルによってMSR外部に発生する磁界は

外部補償コイルにより発生する磁界の約1/30000と極めて小さく，内部アクティブ磁気シールドシステムは，

周辺環境へ及ぼす磁気ノイズに関して有利である。

5 参考文献

1)風見，足立，河合，上原，尾形，賀戸：日本生体磁気学会誌，Vol.13(No.1)，p.166(2000)

2) 加藤，山崎，松葉，炭：日本生体磁気学会誌， Vol.13(No.1)，p.170(2000)

3)山崎，藤原，栗城，林，平田：電気学会論文誌A，

Vol.121(No.12)，p.1085(2001)

4)竹内，坂井，酒井，円福：三島光産技報(No.22), p.26(2001)

5)古賀，竹内，酒井，円福：福岡県工業技術センター研究報告(No.13)，p.167(2003)

図 5 補償コイルにより周辺環境発生する磁気ノイズの影響(磁束密度の実測値)

横軸は磁気シールドケース中心からの距離

0.01

0.1 1 10 100 1000

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

外部補償コイル内部補償コイル

Flux density (µT)

Position (m)

Z

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