(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024119107
(43)【公開日】2024-09-03
(54)【発明の名称】磁気検出システム
(51)【国際特許分類】
G01R 33/09 20060101AFI20240827BHJP
G01R 33/02 20060101ALI20240827BHJP
【ＦＩ】
G01R33/09
G01R33/02 W
G01R33/02 V
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023025752
(22)【出願日】2023-02-22
(71)【出願人】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100115738
【弁理士】
【氏名又は名称】鷲頭 光宏
(74)【代理人】
【識別番号】100121681
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 和文
(72)【発明者】
【氏名】山地 勇一郎
(72)【発明者】
【氏名】上 正史
(72)【発明者】
【氏名】笠島 多聞
【テーマコード（参考）】
2G017
【Ｆターム（参考）】
2G017AA01
2G017AC01
2G017AC07
2G017AD55
2G017BA05
2G017BA09
(57)【要約】
【課題】金属異物が非磁性材料であっても検出可能な磁気検出システムを提供する。
【解決手段】磁気検出システム１００は、励磁コイル２５０と、励磁コイル２５０から見てコイル軸方向における互いに反対側に配置された磁気センサ４０Ａ，４０Ｂと、励磁コイル２５０と磁気センサ４０Ａの間に試料を保持する試料ステージ３００と、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂから出力される出力信号Ｐａ，Ｐｂの差に基づいて検出信号ＯＵＴを生成する検出回路と、測定空間２３０を囲む磁気シールドＳ１～Ｓ３とを備える。これにより、試料３１０に含まれる金属異物が非磁性材料からなる場合であっても、渦電流に起因する磁界を高感度に検出することが可能となる。
【選択図】図１０
【解決手段】磁気検出システム１００は、励磁コイル２５０と、励磁コイル２５０から見てコイル軸方向における互いに反対側に配置された磁気センサ４０Ａ，４０Ｂと、励磁コイル２５０と磁気センサ４０Ａの間に試料を保持する試料ステージ３００と、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂから出力される出力信号Ｐａ，Ｐｂの差に基づいて検出信号ＯＵＴを生成する検出回路と、測定空間２３０を囲む磁気シールドＳ１～Ｓ３とを備える。これにより、試料３１０に含まれる金属異物が非磁性材料からなる場合であっても、渦電流に起因する磁界を高感度に検出することが可能となる。
【選択図】図１０
【特許請求の範囲】
【請求項1】
励磁コイルと、
前記励磁コイルから見てコイル軸方向における互いに反対側に配置された第１及び第２の磁気センサと、
前記励磁コイルと前記第１の磁気センサの間に試料を保持する試料ステージと、
前記第１の磁気センサから出力される第１の出力信号と、前記第２の磁気センサから出力される第２の出力信号の差に基づいて検出信号を生成する検出回路と、
前記励磁コイル、前記第１及び第２の磁気センサ、並びに、前記試料ステージが配置される測定空間を囲む磁気シールドと、
を備え、
前記磁気シールドは、前記測定空間を前記コイル軸方向における両側及び前記コイル軸方向に対して垂直な第１の方向における両側から覆う筒状の第１の磁気シールドと、前記測定空間を前記コイル軸方向における両側、並びに、前記コイル軸方向及び前記第１の方向に対して垂直な第２の方向における一方側から覆う第２の磁気シールドとを含み、
前記試料ステージは、前記測定空間内に前記第２の方向における他方側から挿入される、磁気検出システム。
前記励磁コイルから見てコイル軸方向における互いに反対側に配置された第１及び第２の磁気センサと、
前記励磁コイルと前記第１の磁気センサの間に試料を保持する試料ステージと、
前記第１の磁気センサから出力される第１の出力信号と、前記第２の磁気センサから出力される第２の出力信号の差に基づいて検出信号を生成する検出回路と、
前記励磁コイル、前記第１及び第２の磁気センサ、並びに、前記試料ステージが配置される測定空間を囲む磁気シールドと、
を備え、
前記磁気シールドは、前記測定空間を前記コイル軸方向における両側及び前記コイル軸方向に対して垂直な第１の方向における両側から覆う筒状の第１の磁気シールドと、前記測定空間を前記コイル軸方向における両側、並びに、前記コイル軸方向及び前記第１の方向に対して垂直な第２の方向における一方側から覆う第２の磁気シールドとを含み、
前記試料ステージは、前記測定空間内に前記第２の方向における他方側から挿入される、磁気検出システム。
【請求項2】
前記磁気シールドは、前記第２の磁気シールドを前記コイル軸方向における両側及び前記第１の方向における両側から覆う筒状の第３の磁気シールドをさらに含む、請求項１に記載の磁気検出システム。
【請求項3】
前記試料ステージと前記シールドボックスの相対的な位置関係を変化させる駆動機構をさらに備える、請求項１に記載の磁気検出システム。
【請求項4】
前記駆動機構は、前記試料ステージと前記シールドボックスの相対的な位置関係を前記第１の方向に変化させる第１の駆動機構と、前記試料ステージと前記シールドボックスの相対的な位置関係を前記第２の方向に変化させる第２の駆動機構と、前記試料ステージと前記シールドボックスの相対的な位置関係を前記コイル軸方向に変化させる第３の駆動機構とを含む、請求項３に記載の磁気検出システム。
【請求項5】
前記第１及び第２の磁気センサにそれぞれ磁束を集める第１及び第２の集磁体をさらに備え、
前記第１及び第２の磁気センサは、いずれも感磁素子が形成された素子形成面が前記コイル軸と平行となるよう配置され、
前記第１の集磁体は、前記第１の磁気センサの前記素子形成面上に配置され、
前記第２の集磁体は、前記第２の磁気センサの前記素子形成面上に配置され、
前記コイル軸の中心は、前記第１の磁気センサの前記素子形成面と前記第１の集磁体の間に位置し、且つ、前記第２の磁気センサの前記素子形成面と前記第２の集磁体の間に位置する、請求項１に記載の磁気検出システム。
前記第１及び第２の磁気センサは、いずれも感磁素子が形成された素子形成面が前記コイル軸と平行となるよう配置され、
前記第１の集磁体は、前記第１の磁気センサの前記素子形成面上に配置され、
前記第２の集磁体は、前記第２の磁気センサの前記素子形成面上に配置され、
前記コイル軸の中心は、前記第１の磁気センサの前記素子形成面と前記第１の集磁体の間に位置し、且つ、前記第２の磁気センサの前記素子形成面と前記第２の集磁体の間に位置する、請求項１に記載の磁気検出システム。
【請求項6】
前記励磁コイルに供給される励磁信号を生成する信号生成回路と、
前記信号生成回路と前記励磁コイルの間に接続され、入力インピーダンスよりも出力インピーダンスが低いバッファ回路と、
をさらに備える、請求項１に記載の磁気検出システム。
前記信号生成回路と前記励磁コイルの間に接続され、入力インピーダンスよりも出力インピーダンスが低いバッファ回路と、
をさらに備える、請求項１に記載の磁気検出システム。
【請求項7】
前記バッファ回路は、並列接続された複数のボルテージフォロア回路を含む、請求項６に記載の磁気検出システム。
【請求項8】
前記第１の出力信号と前記第２の出力信号の位相を調整する位相調整回路をさらに備える、請求項１に記載の磁気検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は磁気検出システムに関し、特に、異物検知システムとして利用可能な磁気検出システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、流路の上流側に配置された帯磁装置によって流路を流れる金属異物を磁化し、磁化された金属異物を流路の下流側に配置された磁気センサによって検出する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１０－２７６５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献１に記載された装置では、金属異物がアルミニウムや銅などの非磁性材料からなる場合には検出不可能である。
【0005】
したがって、本開示は、金属異物が非磁性材料であっても検出可能な磁気検出システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一実施形態による磁気検出システムは、励磁コイルと、励磁コイルから見てコイル軸方向における互いに反対側に配置された第１及び第２の磁気センサと、励磁コイルと第１の磁気センサの間に試料を保持する試料ステージと、第１の磁気センサから出力される第１の出力信号と第２の磁気センサから出力される第２の出力信号の差に基づいて検出信号を生成する検出回路と、励磁コイル、第１及び第２の磁気センサ、並びに、試料ステージが配置される測定空間を囲む磁気シールドとを備え、磁気シールドは、測定空間をコイル軸方向における両側及びコイル軸方向に対して垂直な第１の方向における両側から覆う筒状の第１の磁気シールドと、測定空間をコイル軸方向における両側、並びに、コイル軸方向及び第１の方向に対して垂直な第２の方向における一方側から覆う第２の磁気シールドとを含み、試料ステージは、測定空間内に第２の方向における他方側から挿入される。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、金属異物が非磁性材料であっても検出可能な磁気検出システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、添付図面を参照しながら、本開示に係る技術の実施形態について詳細に説明する。
【0010】
図１は、本開示の一実施形態による磁気検出システム１００の外観を示す略斜視図である。
【0011】
図１に示すように、本実施形態による磁気検出システム１００は、フレーム１１０と、フレーム１１０に支持されたシールドボックス２００及び試料ステージ３００とを備えている。フレーム１１０は、Ｘ方向に延在するガイド１１１と、Ｚ方向に延在するガイド１１３と、ガイド１１１に沿ってＸ方向に移動可能に構成された可動ビーム１２０とを備えている。シールドボックス２００はガイド１１３に連結されており、試料ステージ３００は可動ビーム１２０に連結されている。
【0012】
可動ビーム１２０は、モーターなどからなる駆動機構１４１によってＸ方向に移動可能に構成されている。可動ビーム１２０にはＹ方向に延在するガイド１１２が設けられており、試料ステージ３００は、ガイド１１２に沿ってＹ方向に移動可能に構成されている。ガイド１１２に沿った試料ステージ３００のＹ方向における移動は、モーターなどからなる駆動機構１４２によって行われる。一方、シールドボックス２００は、ガイド１１３に沿ってＺ方向に移動可能に構成されている。ガイド１１３に沿ったシールドボックス２００のＺ方向における移動は、モーターなどからなる駆動機構１４３によって行われる。これにより、シールドボックス２００と試料ステージ３００のＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向における相対的な位置関係は、駆動機構１４１～１４３によって変化させることが可能となる。
【0013】
【0014】
図２及び図３に示すように、シールドボックス２００は、樹脂などからなる本体部２１０と、本体部２１０をガイド１１３に連結する連結部２２０とを有している。本体部２１０には、パーマロイなどの高透磁率材料からなる磁気シールドＳ１～Ｓ３が設けられている。磁気シールドＳ１～Ｓ３は、測定空間２３０を囲むように配置されており、磁気シールドＳ１が最も内側、磁気シールドＳ３が最も外側に位置する。本体部２１０は複数のパーツを含んでおり、このうちパーツ２１１Ａ，２１１Ｂは磁気シールドＳ１の内壁側に位置し、パーツ２１２は磁気シールドＳ１と磁気シールドＳ２の間に位置し、パーツ２１３は磁気シールドＳ２と磁気シールドＳ３の間に位置し、パーツ２１４は磁気シールドＳ３の外壁側に位置する。パーツ２１１Ａ，２１１Ｂには、それぞれセンサ本体部１０Ａ，１０Ｂを保持するセンサホルダー４００Ａ，４００Ｂが固定されており、これによりセンサ本体部１０Ａ，１０Ｂが測定空間２３０内においてシールドボックス２００に固定される。
【0015】
センサ本体部１０Ａ，１０Ｂは、Ｚ方向に対向するよう配置される。センサ本体部１０Ａとセンサ本体部１０ＢのＸＹ平面方向における位置は互いに一致している。センサ本体部１０Ａとセンサ本体部１０Ｂの間には、基板２４０が設けられている。基板２４０には、励磁コイル２５０が形成されている。励磁コイル２５０のコイル軸はＺ方向であり、コイル軸の中心はセンサ本体部１０Ａ，１０Ｂを通過する。これにより、励磁コイル２５０から見てコイル軸方向における互いに反対側にセンサ本体部１０Ａ，１０Ｂが配置されることになる。励磁コイル２５０とセンサ本体部１０Ａ，１０ＢのＺ方向における距離は同じである。したがって、励磁コイル２５０に電流を流した場合、センサ本体部１０Ａに印加される磁界強度とセンサ本体部１０Ｂに印加される磁界強度は一致する。
【0016】
磁気シールドＳ１は、測定空間２３０をＹ方向における両側及びＺ方向における両側から覆う筒状体であり、ＸＹ平面を構成する一対の平面部と、一対の平面部を円弧状に繋ぐ湾曲部を有している。本体部２１０のパーツ２１１Ａは、磁気シールドＳ１の一方の平面部の内壁をＺ方向から覆い、本体部２１０のパーツ２１１Ｂは、磁気シールドＳ１の他方の平面部の内壁をＺ方向から覆っている。磁気シールドＳ２は磁気シールドＳ１の外側に位置し、測定空間２３０をＸ方向における一方側及びＺ方向における両側から覆うようＣ字型に湾曲した板状体である。磁気シールドＳ３は磁気シールドＳ２のさらに外側に位置し、測定空間２３０をＹ方向における両側及びＺ方向における両側から覆う筒状体である。
【0017】
これにより、測定空間２３０は、磁気シールドＳ１～Ｓ３によってＹ方向及びＺ方向から２重又は３重にシールドされるとともに、磁気シールドＳ２によってＸ方向からシールドされる。測定空間２３０のＸ方向における他方側は開放されており、この部分から試料ステージ３００の一部が測定空間２３０内に挿入される。測定時においては、試料ステージ３００の一部が励磁コイル２５０とセンサ本体部１０Ａの間に挿入される。
【0018】
図４は、試料ステージ３００の構造を説明するための略斜視図である。
【0019】
図４に示すように、試料ステージ３００は、検査対象である試料３１０が載置されるテーブル３０１と、テーブル３０１と駆動機構１４２を連結する連結部３０２とを有している。テーブル３０１は、測定空間２３０内の励磁コイル２５０とセンサ本体部１０Ａの間に挿入される部分であり、その表面はＸＹ平面を構成している。特に限定されるものではないが、図４に示す例では試料３１０が平板状である。このように、試料３１０が載置されるテーブル３０１は、測定空間２３０内の励磁コイル２５０とセンサ本体部１０Ａの間に挿入されることから、試料３１０とセンサ本体部１０ＡのＺ方向における距離は、試料３１０とセンサ本体部１０ＢのＺ方向における距離よりも大幅に短くなる。
【0020】
図５は、センサホルダー４００Ａの構造を説明するための略斜視図である。
【0021】
センサホルダー４００Ａは樹脂などからなる成形品であり、図５に示すように、ＸＹ平面を構成する板状部４０１と、板状部４０１からＺ方向に突出するセンサ収容部４０２とを有している。板状部４０１のＸＹ平面は、シールドボックス２００のパーツ２１１ＡのＸＹ平面に固定される。センサ収容部４０２には、磁気センサを含むセンサ本体部１０Ａが保持される。図示しないが、センサホルダー４００Ｂもセンサホルダー４００Ａと同じ構造を有しており、そのセンサ収容部４０２には、磁気センサを含むセンサ本体部１０Ｂが保持される。
【0022】
【0023】
図６及び図７に示すように、センサ本体部１０Ａは、センサ基板３０の表面に搭載されたチップ状の磁気センサ４０Ａと集磁体５１～５３を備えている。同様に、センサ本体部１０Ｂは、センサ基板３０の表面に搭載されたチップ状の磁気センサ４０Ｂと集磁体５１～５３を備えている。磁気センサ４０Ａ，４０Ｂは略直方体形状であり、ＹＺ平面を構成する素子形成面４１及び裏面４２、ＸＹ面を構成する上面４３及び下面４４、ＸＺ面を構成する側面４５，４６を有している。素子形成面４１は、感磁素子が形成される面である。磁気センサ４０Ａ，４０Ｂは、下面４４がセンサ基板３０と向かい合い、素子形成面４１がセンサ基板３０の表面と直交するよう、センサ基板３０に搭載される。磁気センサ４０Ａ，４０Ｂの素子形成面４１には、パーマロイなどからなる磁性ヨークＭ１～Ｍ３が形成されており、磁性ヨークＭ１と磁性ヨークＭ２，Ｍ３によって形成される磁気ギャップの近傍に感磁素子が配置される。これにより、磁気ギャップを通過する磁束が感磁素子に印加される。
【0024】
図８は、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂから磁性ヨークＭ１～Ｍ３を取り除いた状態を示す略斜視図である。
【0025】
図８に示すように、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂの素子形成面４１には、感磁素子Ｒ１～Ｒ４が形成されている。感磁素子Ｒ１～Ｒ４は、いずれもＹ方向を感磁方向とする。そして、感磁素子Ｒ１，Ｒ２は、磁性ヨークＭ１と磁性ヨークＭ２によって形成される磁気ギャップの近傍に配置され、感磁素子Ｒ１，Ｒ２は、磁性ヨークＭ１と磁性ヨークＭ３によって形成される磁気ギャップの近傍に配置される。感磁素子Ｒ１～Ｒ４は端子電極６１，６２間にブリッジ接続され、磁界に応じた差動信号が端子電極６３，６４に現れる。
【0026】
集磁体５１～５３は、フェライトなどの磁性体材料からなるブロックであり、いずれも試料３１０から発せられる磁界を磁気センサ４０Ａ，４０Ｂに集める役割を果たす。集磁体５１～５３は、Ｘ方向から見てそれぞれ磁性ヨークＭ１～Ｍ３と重なりを有している。つまり、集磁体５１～５３は素子形成面４１上においてＹ方向に配列され、Ｘ方向から見て集磁体５１，５２間に感磁素子Ｒ３，Ｒ４が配置され、Ｘ方向から見て集磁体５１，５３間に感磁素子Ｒ１，Ｒ２が配置される。
【0027】
集磁体５１はＸ方向が長手方向であり、主にＸ方向の磁界を磁性ヨークＭ１に集める役割を果たす。集磁体５２は、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂの側面４５及び裏面４２を覆う部分を有しており、集磁体５３は、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂの側面４６及び裏面４２を覆う部分を有している。これにより、集磁体５１によって集められたＸ方向の磁界は、磁性ヨークＭ１によってＹ方向に曲げられ、磁性ヨークＭ２，Ｍ３を介して集磁体５２，５３に流れる。そして、磁性ヨークＭ１と磁性ヨークＭ２，Ｍ３の間の磁気ギャップを通過する磁界が感磁素子Ｒ１～Ｒ４によって検出される。図６及び図７に示す例では、集磁体５１に補償コイルＣが巻回されている。補償コイルＣには、感磁素子Ｒ１～Ｒ４に印加される磁界が打ち消されるよう、キャンセル電流が流れる。
【0028】
このような構成を有するセンサ本体部１０Ａは、駆動機構１４３を用いてシールドボックス２００ごとＺ方向に移動させることにより、テーブル３０１の表面に載置された試料３１０に近づけられる。試料３１０とセンサ本体部１０ＡのＺ方向における距離は、両者が干渉しない範囲でできるだけ近いことが好ましい。そして、駆動機構１４３を用いてセンサ本体部１０ＡのＺ方向における位置を調整した後、図９に示すように、駆動機構１４１，１４２を用いて試料ステージ３００をＸＹ方向に変位させることにより、試料３１０をセンサ本体部１０Ａによってスキャンする。試料３１０には、金属異物３１１が混入していることがある。
【0029】
図１０は、本実施形態による磁気検出システム１００の回路ブロック図である。
【0030】
図１０に示すように、本実施形態による磁気検出システム１００は、所定の周波数を有する励磁信号Ｐを生成する信号生成回路５０１を備えている。励磁信号Ｐは、デジタルフィルタ５０２及びバッファ回路５０３を介して、励磁コイル２５０の一端に供給される。励磁コイル２５０の他端は、抵抗５０４を介して接地される。励磁信号Ｐは、正弦波であっても構わないし、矩形波であっても構わない。デジタルフィルタ５０２は、励磁信号Ｐに含まれる不要な周波数成分を除去するための回路であり、バンドパスフィルタ機能を有している。バッファ回路５０３は、励磁信号Ｐの電圧波形を変化させることなく、電流量を増加させる回路であり、入力インピーダンスよりも出力インピーダンスが低い。
【0031】
図１１は、バッファ回路５０３の一例による回路図である。図１１に示す例では、並列接続された複数のボルテージフォロア回路５１０によってバッファ回路５０３が構成されている。これにより、出力される励磁信号Ｐｏｕｔの電圧波形を入力された励磁信号Ｐｉｎと同じ波形に維持しつつ、励磁コイル２５０により多くの電流を流すことが可能となる。励磁コイル２５０に流す電流量は、ボルテージフォロア回路５１０の並列接続数によって調整することができる。
【0032】
そして、励磁コイル２５０に励磁信号Ｐが流れると、励磁コイル２５０の周囲には磁界が生じ、これが２つの磁気センサ４０Ａ，４０Ｂに印加される。上述の通り、励磁コイル２５０から生じる磁界は、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂに対して均等に与えられる。したがって、試料３１０が存在しない場合、磁気センサ４０Ａから出力される出力信号Ｐａと、磁気センサ４０Ｂから出力される出力信号Ｐｂのレベルは一致する。
【0033】
出力信号Ｐａ，Ｐｂは、位相調整回路５０５を介して差動アンプ５０６に入力される。ここで、励磁コイル２５０と磁気センサ４０Ａ，４０ＢのＺ方向における距離は同じであることから、出力信号Ｐａと出力信号Ｐｂの位相は一致するはずであるが、製造ばらつきなどにより位相差が生じている場合には、位相調整回路５０５を用いて出力信号Ｐａと出力信号Ｐｂの位相が一致するよう調整される。
【0034】
差動アンプ５０６は、出力信号Ｐａと出力信号Ｐｂの差分を抽出する回路であり、これにより得られる差分信号Ｖａは、ロックインアンプ５０７に供給される。試料３１０が存在しない場合、出力信号Ｐａと出力信号Ｐｂのレベルは一致するため、差動アンプ５０６から出力される差分信号Ｖａはゼロとなる。
【0035】
ロックインアンプ５０７は、励磁信号Ｐをリファレンスとして、差分信号Ｖａに含まれる励磁信号Ｐと同じ周波数成分を抽出し、検出信号ＯＵＴを生成する回路である。検出信号ＯＵＴの波形は、オシロスコープ５０８に表示される。差動アンプ５０６とロックインアンプ５０７は、出力信号Ｐａと出力信号Ｐｂの差に基づいて検出信号ＯＵＴを生成する検出回路を構成する。図１０に示す例では、検出回路が差動アンプ５０６とロックインアンプ５０７によって構成されているが、本発明がこれに限定されるものではない。
【0036】
そして、試料３１０に金属異物が混入している場合、励磁コイル２５０からの磁界によって、金属異物に渦電流が生じる。この渦電流は新たな磁界を発生させ、これが磁気センサ４０Ａによって検出される。ここで、試料３１０は励磁コイル２５０と磁気センサ４０Ａの間に配置されており、試料３１０と磁気センサ４０Ｂの距離は十分に離れていることから、渦電流によって生じる磁界は磁気センサ４０Ｂにはほぼ印加されない。このため、試料３１０に金属異物が混入している場合、渦電流によって生じる磁界成分によって出力信号Ｐａと出力信号Ｐｂに差が生じ、これが検出信号ＯＵＴとなって現れる。
【0037】
このように、本実施形態による磁気検出システム１００を用いれば、試料３１０に金属異物が混入している場合、これを高感度に検出することが可能となる。しかも、磁気センサ４０Ａは、渦電流に起因する磁界を検出していることから、金属異物がアルミニウムや銅などの非磁性材料からなる場合であっても検出が可能となる。また、本実施形態においては、信号生成回路５０１から出力される励磁信号Ｐをそのまま励磁コイル２５０に供給するのはなく、駆動能力の高いバッファ回路５０３を介して励磁コイル２５０に供給していることから、励磁コイル２５０に流す電流量が大きい場合であっても、励磁コイル２５０によって生じる磁界に不必要な変動が生じにくい。これにより、磁界の不必要な変動に起因する測定誤差が低減されることから、試料３１０に金属異物が微小サイズであっても、これを高感度に検出することが可能となる。
【0038】
また、金属異物３１１とセンサ本体部１０Ａの位置関係はＺ方向であるが、試料３１０とセンサ本体部１０ＡのＺ方向における距離を十分に近づけることにより、模式図である図１２に示すように、金属異物３１１によって生じる磁界のＸ方向成分を集磁体５１～５３によって集磁し、感磁素子Ｒ１～Ｒ４に印加することができる。図１２において、符号３１２は金属異物３１１によって生じる磁界の向き及び強さを表している。このように、集磁体５１の長手方向（Ｘ方向）を試料３１０とセンサ本体部１０Ａの離間方向（Ｚ方向）に対して垂直に設定することにより、試料３１０と感磁素子Ｒ１～Ｒ４の距離をより近くすることができ、これにより高い検出感度を得ることが可能となる。特に、磁気センサ４０Ａの素子形成面４１と集磁体５１の間を励磁コイル２５０のコイル軸の中心が通り、且つ、磁気センサ４０Ｂの素子形成面４１と集磁体５１の間を励磁コイル２５０のコイル軸の中心が通るようレイアウトすれば、より高い検出感度を得ることが可能となる。
【0039】
以上説明したように、本実施形態による磁気検出システム１００は、励磁コイル２５０から見てコイル軸方向における互いに反対側に磁気センサ４０Ａ，４０Ｂを配置し、励磁コイル２５０と磁気センサ４０Ａの間に試料３１０を配置していることから、試料３１０に金属異物が混入している場合、金属異物に生じる渦電流を検出することが可能となる。これにより、金属異物が非磁性材料からなる場合であっても、これを高感度に検出することが可能となる。
【0040】
また、試料３１０及び磁気センサ４０Ａ，４０Ｂが配置される測定空間２３０が３重の磁気シールドＳ１～Ｓ３によってシールドされていることから、駆動機構１４１～１４３などから発せられる外乱磁場の影響が低減される。特に、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂから見て駆動機構１４１～１４３が配置されるＹＺ方向側が磁気シールドＳ１～Ｓ３によって２重又は３重にシールドされていることから、駆動機構１４１～１４３による磁気的な影響を大幅に抑制することが可能となる。
【0041】
しかも、磁気シールドＳ１～Ｓ３が円弧状の湾曲部を有していることから、平板状の部材を用いた箱形形状である場合よりも高いシールド効果を得ることが可能となる。より高いシールド効果を得るためには、磁気シールドＳ１～Ｓ３を全体的に円形とすればよいが、この場合、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂを測定空間２３０内に固定することが困難となる。これに対し、本実施形態による磁気検出システム１００では、磁気シールドＳ１～Ｓ３の一部を平板状とし、他の部分を円弧状としていることから、高いシールド効果を確保しつつ、測定空間２３０内における磁気センサ４０Ａ，４０Ｂの固定が容易となる。
【0042】
以上、本開示に係る技術の実施形態について説明したが、本開示に係る技術は、上記の実施形態に限定されることなく、その主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本開示に係る技術の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【0043】
本開示に係る技術には、以下の構成例が含まれるが、これに限定されるものではない。
【0044】
本開示の一実施形態による磁気検出システムは、励磁コイルと、励磁コイルから見てコイル軸方向における互いに反対側に配置された第１及び第２の磁気センサと、励磁コイルと第１の磁気センサの間に試料を保持する試料ステージと、第１の磁気センサから出力される第１の出力信号と第２の磁気センサから出力される第２の出力信号の差に基づいて検出信号を生成する検出回路と、励磁コイル、第１及び第２の磁気センサ、並びに、試料ステージが配置される測定空間を囲む磁気シールドとを備え、磁気シールドは、測定空間をコイル軸方向における両側及びコイル軸方向に対して垂直な第１の方向における両側から覆う筒状の第１の磁気シールドと、測定空間をコイル軸方向における両側、並びに、コイル軸方向及び第１の方向に対して垂直な第２の方向における一方側から覆う第２の磁気シールドとを含み、試料ステージは、測定空間内に第２の方向における他方側から挿入される。これによれば、試料に含まれる金属異物が非磁性材料からなる場合であっても、渦電流に起因する磁界を高感度に検出することが可能となる。しかも、試料ステージが挿入される測定空間の開口部を除いた全面がシールドされることから、外乱ノイズの影響を低減することが可能となる。
【0045】
上記の磁気検出システムにおいて、磁気シールドは、第２の磁気シールドをコイル軸方向における両側及び第１の方向における両側から覆う筒状の第３の磁気シールドをさらに含んでいても構わない。これによれば、より高いシールド効果を得ることが可能となる。
【0046】
上記の磁気検出システムは、試料ステージとシールドボックスの相対的な位置関係を変化させる駆動機構をさらに備えていても構わない。試料を広範囲に亘って磁気測定することが可能となる。
【0047】
上記の磁気検出システムにおいて、駆動機構は、試料ステージとシールドボックスの相対的な位置関係を第１の方向に変化させる第１の駆動機構と、試料ステージとシールドボックスの相対的な位置関係を第２の方向に変化させる第２の駆動機構と、試料ステージとシールドボックスの相対的な位置関係をコイル軸方向に変化させる第３の駆動機構とを含んでいても構わない。これによれば、試料と第１の磁気センサの平面的な位置関係のみならず、両者間の距離についても可変とすることができる。
【0048】
上記の磁気検出システムは、第１及び第２の磁気センサにそれぞれ磁束を集める第１及び第２の集磁体をさらに備え、第１及び第２の磁気センサは、いずれも感磁素子が形成された素子形成面がコイル軸と平行となるよう配置され、第１の集磁体は第１の磁気センサの素子形成面上に配置され、第２の集磁体は第２の磁気センサの素子形成面上に配置され、コイル軸の中心は、第１の磁気センサの素子形成面と第１の集磁体の間に位置し、且つ、第２の磁気センサの素子形成面と第２の集磁体の間に位置しても構わない。これによれば、より高感度な検出が可能となる。
【0049】
上記の磁気検出システムは、励磁コイルに供給される励磁信号を生成する信号生成回路と、信号生成回路と励磁コイルの間に接続され、入力インピーダンスよりも出力インピーダンスが低いバッファ回路とをさらに備えていても構わない。これによれば、励磁コイルに流す電流量が大きい場合であっても、励磁コイルによって生じる磁界に不必要な変動が生じにくくなる。
【0050】
上記の磁気検出システムにおいて、バッファ回路は、並列接続された複数のボルテージフォロア回路を含んでいても構わない。これによれば、励磁コイルに流す電流量を容易に調整することが可能となる。
【0051】
上記の磁気検出システムは、第１の出力信号と第２の出力信号の位相を調整する位相調整回路をさらに備えていても構わない。これによれば、製造ばらつきなどに起因する位相差をキャンセルすることが可能となる。
【符号の説明】
【0052】
１０Ａ，１０Ｂ センサ本体部
３０ センサ基板
４０Ａ，４０Ｂ 磁気センサ
４１ 素子形成面
４２ 裏面
４３ 上面
４４ 下面
４５，４６ 側面
５１～５３ 集磁体
６１～６４ 端子電極
１００ 磁気検出システム
１１０ フレーム
１１１～１１３ ガイド
１２０ 可動ビーム
１４１～１４３ 駆動機構
２００ シールドボックス
２１０ 本体部
２１１Ａ，２１１Ｂ，２１２～２１４ パーツ
２２０ 連結部
２３０ 測定空間
２４０ 基板
２５０ 励磁コイル
３００ 試料ステージ
３０１ テーブル
３０２ 連結部
３１０ 試料
３１１ 金属異物
３１２ 磁界
４００Ａ，４００Ｂ センサホルダー
４０１ 板状部
４０２ センサ収容部
５０１ 信号生成回路
５０２ デジタルフィルタ
５０３ バッファ回路
５０４ 抵抗
５０５ 位相調整回路
５０６ 差動アンプ
５０７ ロックインアンプ
５０８ オシロスコープ
５１０ ボルテージフォロア回路
Ｃ 補償コイル
Ｍ１～Ｍ３ 磁性ヨーク
Ｒ１～Ｒ４ 感磁素子
Ｓ１～Ｓ３ 磁気シールド
３０ センサ基板
４０Ａ，４０Ｂ 磁気センサ
４１ 素子形成面
４２ 裏面
４３ 上面
４４ 下面
４５，４６ 側面
５１～５３ 集磁体
６１～６４ 端子電極
１００ 磁気検出システム
１１０ フレーム
１１１～１１３ ガイド
１２０ 可動ビーム
１４１～１４３ 駆動機構
２００ シールドボックス
２１０ 本体部
２１１Ａ，２１１Ｂ，２１２～２１４ パーツ
２２０ 連結部
２３０ 測定空間
２４０ 基板
２５０ 励磁コイル
３００ 試料ステージ
３０１ テーブル
３０２ 連結部
３１０ 試料
３１１ 金属異物
３１２ 磁界
４００Ａ，４００Ｂ センサホルダー
４０１ 板状部
４０２ センサ収容部
５０１ 信号生成回路
５０２ デジタルフィルタ
５０３ バッファ回路
５０４ 抵抗
５０５ 位相調整回路
５０６ 差動アンプ
５０７ ロックインアンプ
５０８ オシロスコープ
５１０ ボルテージフォロア回路
Ｃ 補償コイル
Ｍ１～Ｍ３ 磁性ヨーク
Ｒ１～Ｒ４ 感磁素子
Ｓ１～Ｓ３ 磁気シールド
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】