磁场产生源检测装置和磁场产生源检测方法
阅读：80发布：2021-06-14
专利汇可以提供磁场产生源检测装置和磁场产生源检测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 的 磁场 产生源检测装置以及磁场产生源检测方法，能够以较低的成本，推断检查对象物体内部的磁场产生源的深度方向的 位置 ；磁 传感器 部(10)在检查对象物体的表面上或者表面上方检测被测量磁场的强度和方向；位置推断部(22)根据通过 磁传感器 部(10)在所述表面的二维方向上的至少两个位置处检测出的被测量磁场的强度和方向，推断检查对象物体内部的不确 定位 置处存在的磁场产生源的深度方向的位置。，下面是磁场产生源检测装置和磁场产生源检测方法专利的具体信息内容。
1.一种磁场产生源检测装置，其特征在于，
具备：
磁传感器部，其在检查对象物体的表面上或者表面上方检测被测量磁场的强度和方向；
位置推断部，其根据通过所述磁传感器部在所述表面的二维方向上的至少两个位置处检测出的所述被测量磁场的强度和方向，推断所述检查对象物体内部的不确定位置处存在的磁场产生源的深度方向的位置。
2.如权利要求1所述的磁场产生源检测装置，其特征在于，
所述磁场产生源检测装置还具备测量控制部和基准磁场产生部；
所述磁传感器部具备：
光检测磁共振部件，
线圈，其对所述光检测磁共振部件施加微波，
照射装置，其向所述光检测磁共振部件照射光，
受光装置，其检测由所述光检测磁共振部件发出的光，并输出与检测出的所述光对应的电气信号；
所述光检测磁共振部件具有多个特定色心，
所述特定色心具有可塞曼分裂的能级，且能够取得塞曼分裂时的能级的位移宽度相互不同的多个方向；
所述基准磁场产生部施加使多个所述特定色心的能级塞曼分裂的基准磁场；
多个所述特定色心具有相互不同的多个方向；
多个所述特定色心的所述能级，利用所述基准磁场，分别以与多个所述方向对应的多个不同的宽度发生塞曼分裂；
所述测量控制部，在规定的多个位置的各个位置处，使所述微波的频率发生变化，并且，根据所述电气信号确定所述光的强度的频率特性；
所述位置推断部，进行如下处理：
(a)根据所述光的强度的频率特性，确定多个所述方向的各个方向上的所述被测量磁场引起的磁场成分，
(b)根据多个所述方向的所述磁场成分，确定所述被测量磁场的强度和方向，(c)根据针对所述至少两个位置确定的所述被测量磁场的强度和方向，推断所述磁场产生源的深度方向的位置。
3.如权利要求1或2所述的磁场产生源检测装置，其特征在于，
所述位置推断部根据与应检测的所述磁场产生源的种类对应的所述被测量磁场的分布特性和针对所述至少两个位置确定的所述被测量磁场的强度和方向，推断所述磁场产生源的深度方向的位置。
4.如权利要求1或2所述的磁场产生源检测装置，其特征在于，
所述检查对象物体由非磁性材料构成，
所述磁场产生源是(a)在所述检查对象物体内部的不确定位置、或者在所述检查对象物体内部多层敷设的多个导电线路的任意一者中导通的电流，以及(b)进入所述检查对象物体内部的不确定位置的磁性物体中的任意一者。
5.一种磁场产生源检测方法，其特征在于，
包括：
使用检测被测量磁场的强度和方向的磁传感器部，在检查对象物体的表面上或者表面上方，在所述表面的二维方向上的至少两个位置处检测所述被测量磁场的强度和方向的步骤；
根据所述至少两个位置处检测出的所述被测量磁场的强度和方向，推断所述检查对象物体内部的不确定位置处存在的磁场产生源的深度方向的位置的步骤。
磁场产生源检测装置和磁场产生源检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及磁场产生源检测装置和磁场产生源检测方法。
背景技术
[0002] 在一种磁场产生源推断方法中，被检测体内部以三维立体点阵网表达，使用配置于被检测体外部的检测线圈和SQUID(超导量子干涉仪)，将三维立体点阵网的节点(node)中的电流分布推断为被检测体中的电流分布(例如参照专利文献1)。
[0003] 另一方面，在一种电导率分布导出方法中，在检查对象物体的表面上使磁传感器(TMR传感器)扫描而取得磁场信息，根据该磁场信息，导出检查对象物体的二维的内部电导率分布(对应于扫描面的二维方向上的电导率分布)(例如参照专利文献2)。
[0004] 【现有技术文献】
[0005] 【专利文献】
[0006] 专利文献1：日本公报、特开平5-220123号
[0007] 专利文献2：国际公开公报、WO2015/136931号
[0008] 但是，在上述的磁场产生源推断方法中，能够根据利用检测线圈测量出的外部的磁场强度分布利用SQUID推断内部电流分布，但是，由于使用SQUID，因此需要非常高的成本，在一般的产业领域(尤其是工业领域)并不实用。
[0009] 另外，在上述的电导率分布导出方法中，能够导出二维的电导率分布，但是，难以检测出检查对象物体的深度方向的电导率变化。
发明内容
[0010] 本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于得到一种能够以较低的成本，推断检查对象物体内部的磁场产生源的深度方向的位置的磁场产生源检测装置以及磁场产生源检测方法。
[0011] 本发明涉及的磁场产生源检测装置，具备：磁传感器部，其在检查对象物体的表面上或者表面上方检测被测量磁场的强度和方向；位置推断部，其根据通过磁传感器部在所述表面的二维方向上的至少两个位置处检测出的被测量磁场的强度和方向，推断检查对象物体内部的不确定位置处存在的磁场产生源的深度方向的位置。
[0012] 本发明涉及的磁场产生源检测方法，包括：使用检测被测量磁场的强度和方向的磁传感器部，在检查对象物体的表面上或者表面上方，在所述表面的二维方向上的至少两个位置处检测被测量磁场的强度和方向的步骤；根据所述至少两个位置处检测出的被测量磁场的强度和方向，推断检查对象物体内部的不确定位置处存在的磁场产生源的深度方向的位置的步骤。
[0013] (发明效果)
[0015] 图1是表示本发明实施方式涉及的磁场产生源检测装置的构成的图。
[0016] 图2是表示检查对象物体内的作为磁场产生源的电流的透视立体图。
[0017] 图3是对实施方式一中的磁传感器部10的扫描进行说明的立体图。
[0018] 图4是对由作为磁场产生源的电流产生的磁场进行说明的图。
[0019] 图5中的(A)是对实施方式一中的作为磁场产生源的电流的深度方向的位置推断进行说明的图，图5中的(B)是对实施方式一中的作为磁场产生源的电流的深度方向的位置(电流I在深度方向上倾斜的情况)推断进行说明的图。
[0020] 图6是对NV中心的多个方向进行说明的图。
[0023] 图9是表示检查对象物体内的电极间产生的作为磁场产生源的漏电流的另一例的图。
[0024] 图10是表示磁场分析的一例的运算式的图。
具体实施方式
[0025] 以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。
[0026] 【实施方式一】
[0027] 图1是表示本发明实施方式涉及的磁场产生源检测装置的构成的图。图2是表示检查对象物体内的作为磁场产生源的电流的透视立体图。
[0028] 图1中所示的磁场产生源检测装置，如图2中所示，检测检查对象物体100内的作为磁场产生源的电流I。即，在实施方式一中，磁场产生源是：(a)导通检查对象物体100内部的不确定位置的电流(例如，电极间的漏电流等)、或者(b)在检查对象物体100内部多层敷设的多个导电线路(例如，单层电路板的表面和背面上敷设的布线图案、多层电路板的各层中敷设的布线图案等)中导通的电流。另外，检查对象物体100由非磁性材料构成。
[0029] 图1中所示的磁场产生源检测装置，具备：磁传感器部10、运算处理装置11以及高频电源12。
[0030] 磁传感器部10是在检查对象物体的表面上或者表面上方检测被测量磁场的强度和方向。磁传感器部10是在各位置处同时检测被测量磁场的强度和方向。
[0031] 在该实施方式中，磁传感器部10具备：光检测磁共振部件1、线圈2、基准磁场产生部3、照射装置4以及受光装置5。
[0032] 另外，在该实施方式中，光检测磁共振部件1具有多个特定色心(color center)。该特定色心具有可塞曼分裂的能级，并且，能够取得塞曼分裂时的能级的位移宽度(shift width)相互不同的多个方向。
[0033] 在此，光检测磁共振部件1是作为单一种类的特定色心具有多个NV(NitrogenVacancy)中心(氮空位中心)的金刚石等的板材，该光检测磁共振部件1固定于支撑板1a上。当为NV中心时，是基态为Ms＝0、+1、-1的三重态，Ms＝+1的能级和Ms＝-1的能级发生塞曼分裂。另外，如后所述，根据金刚石晶格上的原子(此处为氮)和空位的位置关系，NV中心能够取得塞曼分裂时的能级的位移宽度相互不同的四个方向。
[0034] 线圈2对光检测磁共振部件1施加微波。微波的频率是根据光检测磁共振部件1的种类(即，根据特定色心的基态的次能级间的能量差)而设定。例如，当光检测磁共振部件1为具有NV中心的金刚石时，与无塞曼分裂的次能级(Ms＝0和Ms＝±1)间的能量差对应的频率为约2.87GHz，因此，线圈2施加的是包含2.87GHz的规定频率范围(即，包含与基于塞曼分裂的次能级的位移部分对应的范围的频率范围)的微波。另外，高频电源12是使微波的电流(即，用于生成上述微波的磁场的电流)在线圈2中导通。
[0035] 基准磁场产生部3施加使光检测磁共振部件1内的多个特定色心(此处为多个NV中心)的能级塞曼分裂的基准磁场(直流磁场)。作为基准磁场产生部3使用永久磁铁、线圈等。当作为基准磁场产生部3使用线圈时，设置直流电源，该直流电源电连接于该线圈，对该线圈供给直流电流，由此产生基准磁场。上述多个特定色心具有相互不同的多个方向，利用该基准磁场，该多个特定色心的能级，分别以与该多个方向对应的多个不同的位移宽度发生塞曼分裂。
[0036] 照射装置4向光检测磁共振部件1照射光(规定波长的激发光和规定波长的测量光)。受光装置5检测测量光的照射时由光检测磁共振部件1发出的荧光。
[0037] 另外，运算处理装置1具有例如计算机，利用计算机执行程序，从而作为各种处理部进行工作。在该实施方式中，运算处理装置11作为测量控制部21和位置推断部22进行工作。
[0038] 测量控制部21根据规定的直流磁场测量序列控制高频电源12和照射装置4，确定由磁传感器部10的受光装置5检测出的荧光的检测光量。例如，照射装置4作为光源具备激光二极管等，受光装置5作为受光元件具备光电二极管等，测量控制部21根据对受光元件的输出信号进行放大等而得到的受光装置5的输出信号，确定上述检测光量。
[0039] 在该实施方式中，作为上述规定的直流磁场测量序列，使用例如拉姆塞脉冲序列。然而，并不限于此。
[0040] 位置推断部22根据通过磁传感器部10在检查对象物体100表面的二维方向上的至少两个位置处检测出的被测流量磁场的强度和方向，推断检查对象物体内部的不确定位置处存在的磁场产生源的深度方向的位置以及上述二维方向的位置。
[0041] 图3是对实施方式一中的磁传感器部10的扫描进行说明的立体图。测量控制部21控制未图示的滑块(slider)等的驱动装置，在检查对象物体100表面的二维方向(X方向和Y方向)上，例如如图3中所示，在平面状的测量区域111内使磁传感器部10进行扫描，在扫描路径上的规定的多个位置处，进行使用磁传感器部10的磁场测量(磁场强度和磁场方向的测量)。另外，磁传感器部10的扫描图案并不限定于图3中所示的图案。
[0042] 图4是对由作为磁场产生源的电流I产生的磁场进行说明的图。图5中的(A)、(B)是对实施方式一中的作为磁场产生源的电流的深度方向的位置的推断进行说明的图。
[0043] 如图4中所示，当为大致直线状的电流I时，基于安培定律产生环路磁场。因此，根据扫描路径上的X方向的位置(或者Y方向的位置)，由电流I产生的磁场的强度和方向发生变化。
[0044] 因此，(a)提取出在扫描路径上夹持磁场强度呈峰值的位置且测量磁场强度大致相同的两个位置的对，(b)选择被提取出的两个位置的对中的、该两个位置的测量磁场Bm1的矢量和测量磁场Bm2的矢量存在于单一平面内的对，(c)例如，如图5中的(A)所示，对于所选择的对的两个位置(X1、Y1)、(X2、Y2)，将测量磁场Bm1的法线方向和测量磁场Bm2的法线方向的交点，推断为与该测量磁场Bm1、Bm2对应的电流I的位置。
[0045] 另外，如图5中的(B)所示，当该单一平面相对于检查对象物体100表面的法线方向倾斜角度φ时(即，电流I在深度方向上倾斜时)，电流I的深度方向的位置以cos(φ)进行校正。
[0046] 另一方面，当已知电流I在深度方向上未倾斜时(即，电流I相对于表面平行地导通)，φ＝90，因此不需要角度φ的确定以及以cos(φ)进行校正。
[0047] 即，该情况下，电流I的深度方向(即，相对于磁传感器部10的扫描面垂直的方向)的推断位置ZIest，是以下面的算式导出。
[0048] ZIest＝(D/2)×cot(θ)×cos(φ)－Zs
[0049] 在此，θ为由磁传感器部10的扫描面(此处为平面)和测量磁场Bm1、Bm2所形成的角度。另外，Zs为从检查对象物体100的表面到磁传感器部10的扫描面为止的高度。另外，D为两个位置(X1、Y1)、(X2、Y2)间的距离。
[0050] 该情况下，电流I的表面的二维方向(X方向和Y方向)的推断位置XIest、YIest，也是同样地，根据两个位置(X1、Y1)、(X2、Y2)和测量磁场Bm1、Bm2并通过几何计算导出。
[0051] 另外，在此，由两个位置处的磁场测量结果推断出电流I的位置，但是，也可以由三个或三个以上的位置(例如四个位置)处的磁场测量结果推断出电流I的位置。
[0052] 另外，位置推断部22是根据与应检测的磁场产生源的种类(实施方式一中为电流)对应的被测量磁场的分布特性以及对上述至少两个位置确定的被测量磁场的强度和方向来推断磁场产生源的深度方向的位置。
[0053] 即，当应检测的磁场产生源的种类为大致直线状的电流时，被测量磁场的分布特性是如上所述那样基于安培定律，因此，是根据由大致直线状的电流生成的已知的分布特性来推断磁场产生源的深度方向的位置。如此，利用与应检测的磁场产生源的种类相对应的运算，位置推断部22根据被测量磁场的强度和方向导出磁场产生源的深度方向的位置。
[0054] 另外，当应检测的磁场产生源的种类为未知时，也可以构成为：位置推断部22根据扫描路径上的多个位置处得到的被测量磁场的强度和方向推断磁场产生源的种类，并根据与所推断的磁场产生源的种类相对应的被测量磁场的分布特性来推断磁场产生源的深度方向的位置。
[0055] 在该实施方式中，测量控制部21是在上述扫描路径上的规定的多个位置(例如，每隔规定距离的位置)的各个位置处，控制高频电源12而使上述微波的频率发生变化，并且，根据来自受光装置5的电气信号确定光的强度的频率特性。
[0056] 位置推断部22是(a)根据该光的强度的频率特性，确定上述多个方向的各个方向上的被测量磁场引起的磁场成分，(b)根据多个方向的磁场成分(即，通过合成多个方向的磁场成分矢量)来确定被测量磁场的强度和方向，(c)根据针对上述至少两个位置确定的被测量磁场的强度和方向，推断磁场产生源的深度方向的位置。
[0057] 图6是对NV中心的多个方向进行说明的图。图7是对与NV中心的多个方向对应的NV中心的塞曼分裂后的荧光强度的频率特性(相对于微波频率的荧光强度的特性)进行说明的图。
[0058] 如图6中所示，相对于金刚石晶体内的空位(V)，相邻的氮(N)的可取位置有4种，根据这些位置(即，空位和氮的对的方向)的各个位置，因塞曼分裂引起的次能级的位移宽度是不同的。
[0059] 因此，如图7中所示，在相对于微波的频率的基于基准磁场的塞曼分裂后的荧光强度的特性中，与各个方向i相对应地，呈现出相互不同的跌落频率(dip frequency)的对(fi+，fi-)。
[0060] 进而，对于被测量磁场的方向，通过分别确定与上述四个方向i对应的四个跌落频率的对(fi+，fi-)的位移量dfi+、dfi-，能够确定被测量磁场的方向。具体而言，预先通过实验等确定由磁传感器部10的几何学形状的基准方向和被测量磁场的方向所形成的角度、与四个跌落频率的对(fi+，fi-)的位移量的图案的对应关系，基于该对应关系，根据四个跌落频率的对(fi+，fi-)的位移量dfi+、dfi-的图案来确定被测量图案的方向。另外，根据四个跌落频率的对(fi+，fi-)的位移量的大小来确定被测量磁场的强度。
[0061] 如此，在该实施方式中，利用使用了金刚石NV中心的磁传感器部10来确定被测量磁场的强度和方向。
[0062] 另外，在取代NV中心而将其他色心作为上述的特定色心使用的情况下，也可以同样地确定被测量磁场的强度和方向。
[0063] 上述检查对象物体100内的电流I，例如也可以为检查对象物体100内部的电极间的漏电流Ileak。图8是表示在检查对象物体内的电极间产生的作为磁场产生源的漏电流的一例的图。图9是表示在检查对象物体内的电极间产生的作为磁场产生源的漏电流的另一例的图。
[0064] 例如，如图8中所示，相对于磁传感器部10的扫描面(X-Y平面)垂直且在相对于扫描面平行的方向上排列的两个电极121间的漏电流Ileak的位置(即，漏电流的路径)，能够按照上述方式进行推断。
[0065] 另外，例如，如图9中所示，相对于磁传感器部10的扫描面(X-Y平面)平行且在相对于扫描面平行的方向上排列的两个电极121间的漏电流Ileak的位置(即，漏电流的路径)，能够按照上述方式进行推断。
[0066] 接下来，对实施方式一涉及的磁场产生源检测装置的动作进行说明。
[0067] 测量控制部21使磁传感器部10沿着规定的扫描图案移动，在扫描路径上的规定的测量位置处，如上所述那样，使磁传感器部10检测出该测量位置处的磁场的强度和方向。
[0068] 然后，位置推断部22，如上所述那样，从所有测量位置中选择位置推断中所使用的至少两个测量位置作为测量位置组，根据在所选择的测量位置组的测量位置处测量的磁场的强度和方向，推断与该测量位置对应的电流I的位置(即，深度方向(Z方向)的位置和与该深度方向的位置对应的表面(X方向和Y方向)上的位置)。
[0069] 如此，位置推断部22从所有测量位置中提取出多个测量位置组，推断与各测量位置对应的电流I的位置，从而确定电流I的路径。
[0070] 如上所述，根据上述实施方式一，磁传感器部10在检查对象物体100的表面上或者表面上方检测被测量磁场的强度和方向。位置推断部22根据通过磁传感器部10在上述表面的二维方向上的至少两个位置处检测出的被测量磁场的强度和方向，推断检查对象物体100内部的不确定位置处存在的磁场产生源(此处为电流I)的深度方向的位置ZIest。
[0071] 由此，能够以较低的成本，推断检查对象物体100内部的磁场产生源的深度方向的位置。
[0072] 尤其是，在实施方式一中，磁传感器部10利用使用了上述特定色心的磁传感器，由此能够推断作为磁场产生源的漏电流等的微电流的位置。
[0073] 【实施方式二】
[0074] 在实施方式二涉及的磁场产生源检测装置中，取代利用磁传感器部10进行扫描，而是使用将多个磁传感器部10呈二维地排列在测量区域111的传感器阵列，通过各位置处固定配置的磁传感器部10测量该位置的磁场的强度和方向。然后，与实施方式一同样地，根据这些位置的磁场的强度和方向来推断磁场产生源(电流等)的位置。
[0075] 另外，实施方式二涉及的磁场产生源检测装置的其他构成及动作与实施方式一相同，因此省略其说明。
[0076] 【实施方式三】
[0077] 在实施方式三涉及的磁场产生源检测装置中，磁场产生源为进入非磁性(即，顺磁性)的检查对象物体100内部的不确定位置的磁性物体(即，强磁性的物体)，并推断该磁性物体的位置。
[0078] 当磁性物体未被磁化时，暂时地将外部磁场施加于检查对象物体上，从而使磁性物体磁化。然后，当磁性物体的形状或者被测量磁场的分布特性为已知时，与实施方式一、二同样地，根据在二维(X-Y平面)的多个位置处得到的磁场的强度和分布，推断该磁性物体的位置(包含深度方向的位置)和方向(姿态)。
[0079] 另外，实施方式三涉及的磁场产生源检测装置的其他构成及动作与实施方式一、二相同，因此省略其说明。
[0080] 需要说明的是，关于上述实施方式，也可以在不脱离其主旨和范围且不减弱其所意图的优点的范围内进行各种变更和修改，由于这些变更和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，因此这些变更和修改，也应该包含在本申请权利要求的范围内。
[0082] 另外，在上述实施方式三中，上述应检测的磁性物体，例如也可以是混入作为检查对象物体的食品中的金属片、混入作为检查对象物体的衣服中的缝针等的金属片等。
[0083] 进而，也可以将上述实施方式三涉及的磁场产生源检测装置适用于机场等中设置的金属探测器中，将人所携带的作为检查对象物体的金属制物品(刀子、手枪等)作为应检测的磁性物体。
[0085] 另外，当在这些检查对象物体的形状中无平面状的表面时，也可以将检查对象物体配置于平面状的台(非磁性)的下方，在平面状的台上或者台上方使磁传感器部10进行扫描。
[0086] 另外，在上述实施方式三中，也可以由一个磁场产生部产生为了使应检测的磁性物体磁化而施加的外部磁场和上述的基准磁场。
[0087] 进而，在上述实施方式一至三中，光检测磁共振部件1作为上述特定色心使用金刚石NV中心，然而，也可以使用SiV中心、GeV中心、SnV中心等来代替金刚石NV中心。
[0088] 另外，作为含有特定色心的基体材料的晶体，除了金刚石之外，也可以是SiC等。
[0089] 进而，在上述实施方式一至三中，利用与磁传感器部10相同的另一磁传感器部，在不受被测量磁场的影响的位置处，测量地磁等的环境磁场的强度和方向，并且，与该环境磁场的强度和方向相对应地，对利用磁传感器部10得到的被测量磁场的强度和方向进行校正。
[0090] 进而，在上述实施方式一至三中，也可以构成为：利用磁传感器部10，基于在测量面得到的被测量磁场的强度φm，利用图10中所示的运算式，进行检查对象物体内的磁场分布φ(x、y、z)的分析，根据磁场分布φ(x、y、z)推断出磁场产生源的位置。
[0091] 具体而言，如算式(1)所示，在稳定磁场内，Z方向的磁场强度φ满足拉普拉斯方程。然后，如算式(2)所示，当将磁场强度φ进行傅里叶变换，进而，对傅里叶变换后的磁场强度进行傅里叶逆变换时，能够得到算式(3)。在此，当将在测量面得到的磁场强度φm的傅里叶变换及其Z微分如算式(4)所示那样定义时，如算式(5)所示，从磁场强度φm经过傅里叶变换后，得到傅里叶变换后的磁场强度，并且，如算式(6)所示，通过将算式(5)的傅里叶变换后的磁场强度进行傅里叶逆变换，能够得到作为目标的磁场分布φ(x、y、z)。
[0092] (产业上的可利用性)
[0093] 本发明可以适用于例如磁场产生源的检测中。
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