JP3406273B2 - 外乱磁界キャンセル装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、分析装置等が外部
からの変動磁界による悪影響を受けないように、その使
用場所において変動磁界をキャンセルするための装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡などが配置されている場
所の周辺には、車輌やエレベーター等の移動に伴う変動
磁界や配電線から生じる交流磁界など、その分析性能を
劣化させるような変動磁界の発生源が多く存在する。こ
の様な変動磁界による悪影響をなるべく少なくするた
め、従来から磁気シールドルームや外乱磁界をキャンセ
ルする装置が実用化されている。従来の外乱磁界キャン
セル装置では、図４に示すように、磁界検出器５１、増
幅器５２、減算回路５３、電流出力回路５４、外乱磁界
の打ち消し磁界用コイル５５により構成されており、走
査電子顕微鏡筒など分析装置５６の周りを前記外乱磁界
打ち消し磁界用コイル５５で囲って磁界キャンセルの領
域が形成されている。そして、その磁界キャンセル領域
内部であって分析装置５６の近傍に前記磁界検出器５１
を設置して使用されているのである。図中５７は前述し
た外乱磁界の発生源を示している。上記装置において
は、外乱磁界の発生源５７で生じた磁界は磁界検出器５
１で検知され、この磁気検知信号は増幅器５２で増幅さ
れた後、減算回路５３で地磁気等の静磁界が減算され
る。そして、それにより算出された磁界変動分が、電流
出力回路５４により外乱磁界の打ち消し磁界用コイル５
５を励磁する。磁界検出器５１の検知信号が０となるよ
うにフィードバック制御を行うように出力され、これに
より前記外乱磁界を打ち消すようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記外乱磁
界キャンセル装置にあっては、外乱磁界を打ち消すコイ
ルを円形コイルとし、コイル間隔を半径とする理想的ヘ
ルムホルツコイルにすると、走査電子顕微鏡筒などの分
析装置５６のスペース確保が狭くなって困難となる。し
かし、スペース確保のために、前記打ち消し磁界用コイ
ル５５の一方５５ａ，他方５５ｂのコイル間隔を拡張し
なければならない。その結果として発生磁界の勾配がで
きる範囲が広くなり、均一性に欠けることになる。ま
た、打ち消し磁界用コイル５５を小さくすると変動磁界
キャンセル領域は狭くなり、打ち消し磁界用コイル５５
を大きくするとコイル周辺にある他の装置に乱磁界を発
生することになる。

【０００４】ここで、磁界キャンセル装置で使用される
コイル形状は正方形が一般的であり、単独の正方形コイ
ルの中心から面に垂直に、Ｄの距離における磁界は、正
方形コイルの一辺を２Ｌ、巻線数をＮ、流す電流をＩと
すれば、次式で表される。 Ｈ＝２ＩＬ2 Ｎ／（π（Ｌ2 ＋Ｄ2 ）（２Ｌ2 ＋Ｄ2 ）1/2 ）・・（１） （１）式から、コイルからの距離により磁界の強さ一様
ではなく、減衰していくことが分かる。図５は、対向す
る一対の打ち消し用コイルにおける磁界の強度分布を、
（１）式を基にしてグラフ化したものであって、横軸に
距離、縦軸に磁界の強さを示す。 図中の５５ａｘ，５
５ｂｘは対向する単独の打ち消し用コイルによる各打ち
消し磁界、５５ｃは打ち消し合成磁界、５７ａは外乱磁
界で理解し易いように極性を反転（負）して表示してい
る。図から磁界検出器５１の位置では、合成磁界の強さ
と外乱磁界が一致しているので外乱磁界５７ａは相殺で
きているが、分析装置５６などを置くコイル中央部の最
も重要な位置では、合成磁界５５ｃと外乱磁界５７ａと
の間に差が生じており、外乱磁界が完全に打ち消されて
いないことが分かる。

【０００５】従来の外乱磁界キャンセル装置ではこのよ
うな欠点があって、磁界検出器５１と分析装置５６との
距離が離れるほど打ち消し誤差は増大し、走査電子顕微
鏡などの装置を使用して精確な分析はできないという問
題があった。

【０００６】本発明はこのような従来の問題点を解決す
るもので、磁界検出器を走査電子顕微鏡筒など装置の重
要な中心に置くことができない場合でも外乱磁界を打ち
消し精確な分析ができ、さらに打ち消すコイルを最小限
に設置できる外乱磁界キャンセル装置を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の手段として、本発明請求項１記載の外乱磁界キャンセ
ル装置では、外乱磁界を打ち消す磁界を発生するための
コイルを備えた外乱磁界キャンセル装置において、前記
外乱磁界の打ち消し磁界用コイル近傍であって該コイル
における磁束通過面の一部において前記磁束通過面の法
線方向と同一方向の磁界をキャンセルする局部磁界打ち
消しコイルと、前記局部磁界打ち消しコイルの磁束通過
領域内に配置される前記外乱磁界を検知する磁界検出器
と、前記磁界検出器の検知信号により前記外乱磁界の打
ち消し磁界用コイルと前記局部磁界打ち消しコイルに外
乱磁界キャンセル用電流を出力する電流出力回路と、を
有することを特徴とする。

【０００８】請求項２記載の外乱磁界キャンセル装置で
は、請求項１記載の外乱磁界キャンセル装置において、
局部磁界打ち消しコイルを備えた外乱磁界の打ち消し磁
界用コイルが互いに直交する３軸の位置ごとに対を成し
て対向配置されていることを特徴とする。

【０００９】請求項３記載の外乱磁界キャンセル装置で
は、請求項１または請求項２記載の外乱磁界キャンセル
装置において、局部磁界打ち消しコイルが外乱磁界の打
ち消し磁界用コイルの面内に配置され、磁界検出器が局
部磁界打ち消しコイルの磁束中心位置に配置されている
ことを特徴とする。

【００１０】請求項４記載の外乱磁界キャンセル装置で
は、外乱磁界を検知する磁界検出器と、この磁界検出器
と対を成して配置され外乱磁界を打ち消す磁界を発生さ
せるための打ち消し磁界用コイルと、前記磁界検出器の
位置に前記打ち消し磁界用コイルの発生磁界の影響を一
部分キャンセルして補正する磁界を発生する局部磁界打
ち消しコイルと、前記磁界検出器よりの出力信号が供給
される増幅器と、前記増幅器の信号から静磁界成分を減
算し変動磁界成分を出力する回路と、変動磁界成分を励
磁電流として出力する電流出力回路と、前記電流出力を
打ち消し磁界用コイルと局部磁界打ち消しコイルとに分
流する分流器を備え、外乱磁界の打ち消し磁界用コイル
と局部磁界打ち消しコイルは前記電流出力回路の出力に
基づいて励磁されるように構成されていることを特徴と
する。

【００１１】

【作用】本発明の外乱磁界キャンセル装置では、外乱磁
界を検出する磁界検出器を外乱磁界の打ち消し磁界用コ
イル近傍であって磁束通過領域の一部において磁界をキ
ャンセルする局部磁界打ち消しコイルの磁束通過領域内
に配置したので、磁界検出器は静磁界成分と変動磁界成
分を検出する。そこで検出信号成分から変動磁界成分だ
けを抽出し、その値を基にしてリアルタイムで打ち消し
磁界用電流と磁界レベル補正のための局部磁界打ち消し
用電流を各コイルに流すことにより、判定装置などが設
置される真に必要な位置での外乱磁界を良好にキャンセ
ルし、走査電子顕微鏡筒などによる判定を極めて精確に
行うことができるようになる。また、余分に強力なキャ
ンセル用磁界を必要としないので、外乱磁界の打ち消し
磁界用コイルを小型化でき、使用場所や装置の大きさ等
に限定されることなく使用することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。図１は実施の形態の外乱磁
界キャンセル装置を示す模式図、図２は同上の使用状態
を示す斜視図、図３は同上の装置内発生磁界を示すグラ
フ図である。

【００１３】まず、実施の形態の構成を説明する。本実
施の形態の外乱磁界キャンセル装置は、磁界検出器ｘ
１，ｙ１，ｚ１、増幅器ｘ２，ｙ２，ｚ２、減算回路ｘ
３，ｙ３，ｚ３、電流出力回路ｘ４，ｙ４，ｚ４、分流
器ｘ５，ｙ５，ｚ５、外乱磁界の打ち消し磁界用コイル
ｘ６，ｙ６，ｚ６、局部磁界打ち消しコイルｘ７，ｙ
７，ｚ７を主要な構成としている。図中８は外乱磁界発
生源、９は走査電子顕微鏡筒などの判定装置である。

【００１４】前記磁界検出器ｘ１は従来と同様に、ホー
ル素子や磁気抵抗素子等の磁界を検知する素子やフラッ
クスゲートセンサのような磁気検知回路を使用してお
り、外乱発生源８で発生した変動磁界を検知するもので
ある。増幅器ｘ２は、磁界検出器ｘ１の検知信号を増幅
するものであり、減算回路ｘ３は、増幅器ｘ２の出力か
ら地磁気等の静磁界成分を減算し変動磁界成分を算出す
るものである。電流出力回路ｘ４は、前記変動磁界成分
のみに比例した電流出力を行うものであり、分流器ｘ５
は、前記出力電流を外乱磁界の打ち消し磁界用コイルｘ
６と磁界レベル補正のための局部磁界打ち消しコイルｘ
７に分流するものである。外乱磁界の打ち消し磁界用コ
イルｘ６，ｙ６，ｚ６は、前記判定装置９を囲繞するよ
うにそれぞれ三軸上に一対づつ対向配置され、内部に磁
界キャンセルの領域を形成するものである。局部磁界打
ち消しコイルｘ７〜ｚ７は、それぞれ前記外乱磁界の打
ち消し磁界用コイルｘ６〜ｚ６の面内中心位置に配置さ
れ、更に、それぞれその中心位置に、前記磁界検出器ｘ
１〜ｚ１を配置させるものである。尚、ｙ２〜ｙ５，ｚ
２〜ｚ５も前記と同様の構成であるので、その説明は省
略する。

【００１５】次に作用を説明する。磁界検出器ｘ１によ
り、外乱発生源８で発生した変動磁界成分の磁界を検出
し電流出力回路ｘ４で励磁電流として発生させるのだ
が、従来装置との違いはここから生じてくる。まず、図
３は、本発明装置内で発生する磁界の強さを横軸に距離
を取って表示したものである。図中のｘ６ａ，ｘ６ｂ
は、（１）式に基づいて発生する外乱磁界の打ち消し磁
界用コイルｘ６の一方６ａと他方６ｂによる磁界を示
す。また、ａ１は前記磁界ｘ６ａ，ｘ６ｂによるキャン
セル用合成磁界、ｂ１は外乱磁界である。ｃ１は局部磁
界打ち消しコイル７の局部キャンセル用磁界、ｄ１はキ
ャンセル用合成磁界ａ１と逆極性の局部キャンセル用磁
界ｃ１の合成磁界を示す。

【００１６】図のｃ１は、円形コイルの中心に磁界検出
器ｘ１を配置した事例であって、次式（２）に基づいて
発生する磁界であって、コイル径が小さいと、磁界の強
さはコイルから離れるに従い急激に減少するので、局部
キャンセル用磁界ｃ１の影響は外乱磁界の打ち消し磁界
用コイルｘ６の一方６ａと他方６ｂとの中央部まで及ば
ない。 Ｈ＝ｒ2 ・Ｎ・Ｉ／２（ｒ2 ＋Ｄ2 ）3/2 ・・・（２） ただし、ｒはコイルの径、Ｎは巻数、Ｉは電流、Ｄはコ
イルの中心から面に垂直に離れた距離である。そこで、
磁界検出器ｘ１が設置されているコイル位置Ａ点におい
て、打ち消し磁界用コイルｘ６が発生する磁界ｘ６ａ，
ｘ６ｂの合成磁界ａ１を打ち消すように、局部磁界打ち
消しコイルｘ７に電流を流せば、コイル位置近傍におけ
る磁界の強度分布は曲線ｄ１となり、Ａ点では打ち消し
磁界用コイルｘ６が発生する磁界の影響を受けなくな
り、外乱磁界キャンセル性能は著しく改善される。

【００１７】具体的にはそのために、外乱磁界の打ち消
し磁界用コイルｘ６に流す電流出力回路４の励磁電流
を、分流器ｘ５で局部磁界打ち消しコイルｘ７に分流
し、相互のコイルに同様な比率で励磁電流を流す。その
結果、変動する外乱磁界は打ち消し磁界用コイルｘ６が
発生する磁界でキャンセルすると同時に、Ａ点にその影
響が現れなくする。結局のところ、磁界検出器ｘ１は、
外乱磁界の打ち消し磁界用コイルで発生した磁界に影響
されることなく、外乱磁界の静磁界成分と変動磁界成分
を検出し、その検出信号を増幅器ｘ２で増幅し、減算回
路ｘ３で静磁界成分を減算し、電流出力回路ｘ４から変
動分だけの出力電流を分流器ｘ５を介して局部磁界打ち
消しコイルｘ７と打ち消し磁界用コイルｘ６に分流する
ことにより、外乱磁界を精度良くキャンセルすることが
できるのである。尚、これまでの説明はｘ軸成分にのみ
着目して記載してきたが、ｙ軸成分、ｚ軸成分について
も同様の構成、機能であるので、その説明を省略する。
図中、外乱磁界の打ち消し磁界用コイルｙ６とｚ６につ
いてその一方と他方を区別する符号は省略している。ま
た、各コイルの形状は、正方形、長方形、円形以外にソ
レノイド形状であっても本発明の目的が達成できるもの
であれば、その形状に限定されるものではない。

【００１８】以上、説明してきたように本実施の形態の
外乱磁界キャンセル装置にあっては、磁界検出器１は静
磁界成分と変動磁界成分の磁界検出だけとなるので、変
動磁界成分だけを抽出しその値によってリアルタイムで
各コイルを励磁することにより、真に必要な位置での外
乱磁界を良好にキャンセルし、走査電子顕微鏡筒９など
による判定を極めて精確に行うことができる。また、余
分に強力なキャンセル用磁界を必要としないので、外乱
磁界の打ち消し磁界用コイルを小型化でき、使用場所や
装置の大きさ等に限定されることなく使用することがで
きる。

【００１９】以上、本発明の実施の形態を説明してきた
が、本発明の具体的な構成はこの実施の形態に限定され
るものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変
更等があっても本発明に含まれる。

【００２０】

【発明の効果】以上、説明してきたように本発明の外乱
磁界キャンセル装置にあっては、前記構成としたため、
打ち消し磁界用コイル間隔内側に磁界検出器を設置しな
いでも要部の外乱磁界を精確に検知することができ、極
めて精確な判定などの作業を行うことができる。また、
打ち消し磁界用コイルを最小限に小さく構成して設置す
ることができる。そのため、外部装置に及ぼす悪影響を
減少させることができる。更に、コイル間隔の内部に磁
界検出器を置く必要がないため、乱磁界発生源を逆に打
ち消し磁界用コイルで囲み、外部装置に及ぼす乱磁界の
悪影響を減少させることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施の形態の外乱磁界キャンセル装置を
示す模式図である。

【図２】実施の形態の使用状態を示す斜視図である。

【図３】実施の形態の装置内発生磁界を示すグラフ図で
ある。

【図４】従来の外乱磁界キャンセル装置を示す説明図で
ある。

【図５】従来の磁界の作用を示す説明図である。

【符号の説明】

ｘ１，ｙ１，ｚ１ 磁界検出器 ｘ２，ｙ２，ｚ２ 増幅器 ｘ３，ｙ３，ｚ３ 減算回路 ｘ４，ｙ４，ｚ４ 電流出力回路 ｘ５，ｙ５，ｚ５ 分流器 ｘ６，ｙ６，ｚ６ 外乱磁界の打ち消し磁界用コイル ｘ７，ｙ７，ｚ７ 局部磁界打ち消しコイル ８ 外乱磁界発生源 ９ 判定装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−25726（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−357481（ＪＰ，Ａ) 特開2000−37362（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−38972（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 33/02 - 33/10 H05K 9/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外乱磁界を打ち消す磁界を発生するため
   のコイルを備えた外乱磁界キャンセル装置において、 前記外乱磁界の打ち消し磁界用コイル近傍であって該コ
   イルにおける磁束通過面の一部において前記磁束通過面
   の法線方向と同一方向の磁界をキャンセルする局部磁界
   打ち消しコイルと、 前記局部磁界打ち消しコイルの磁
   束通過領域内に配置される前記外乱磁界を検知する磁界
   検出器と、 前記磁界検出器の検知信号により前記外乱磁界の打ち消
   し磁界用コイルと前記局部磁界打ち消しコイルに外乱磁
   界キャンセル用電流を出力する電流出力回路と、を有す
   ることを特徴とする外乱磁界キャンセル装置。
2. 【請求項２】 局部磁界打ち消しコイルを備えた外乱磁
   界の打ち消し磁界用コイルが互いに直交する３軸の位置
   ごとに対を成して対向配置されていることを特徴とする
   請求項１記載の外乱磁界キャンセル装置。
3. 【請求項３】 局部磁界打ち消しコイルが外乱磁界の打
   ち消し磁界用コイルの面内に配置され、磁界検出器が局
   部磁界打ち消しコイルの磁束中心位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の外乱磁
   界キャンセル装置。
4. 【請求項４】 外乱磁界を検知する磁界検出器と、この
   磁界検出器と対を成して配置され外乱磁界を打ち消す磁
   界を発生させるための打ち消し磁界用コイルと、前記磁
   界検出器の位置に前記打ち消し磁界用コイルの発生磁界
   の影響を一部分キャンセルして補正する磁界を発生する
   局部磁界打ち消しコイルと、前記磁界検出器よりの出力
   信号が供給される増幅器と、前記増幅器の信号から静磁
   界成分を減算し変動磁界成分を出力する回路と、変動磁
   界成分を励磁電流として出力する電流出力回路と、前記
   電流出力を打ち消し磁界用コイルと局部磁界打ち消しコ
   イルとに分流する分流器を備え、外乱磁界の打ち消し磁
   界用コイルと局部磁界打ち消しコイルは前記電流出力回
   路の出力に基づいて励磁されるように構成されているこ
   とを特徴とする外乱磁界キャンセル装置。