磁性流体性状計測に用いる針状磁気プローブの オフセット電圧の低減に関する研究

磁性流体性状計測に用いる針状磁気プローブのオフセット電圧の低減に関する研究

磁気応用工学研究室　　　 戸塚　聡文　

A-4

1. 研究背景 ( 誘導加温法 )

体内の癌患部に磁性流体を注入

均一交流磁界を照射

磁性流体が発熱

癌細胞が局所的に加熱される

癌細胞の加熱

癌細胞付近滞留

癌細胞は正常細胞に比べて熱に弱い腫瘍局所を一定時間 42.5℃ 以上に加温する事で癌細胞が死滅する

2BDfkQwm

112 /)( BBB

1B

2B

磁性流体

均一交流磁界

磁性流体はヒステリシス損により発熱

f　：実験係 [W/Hz/[mgFe]/T/ml]　： 周波数 [Hz]　： 磁性流体の重量濃度 [mgFe/ml]　： 磁束密度 [T]

mk

wDB

均一交流磁界下に磁性流体を置いた時

磁性流体の内外の磁束密度を磁気センサで計測

wD ∝

(1)[W/cc]

磁性流体

2. プローブの構成とオフセット電圧

・磁気抵抗係数 K1,K2 の算出・オフセット電圧の低減方法を検討・オフセット電圧による影響の評価

感度方向

150µm

150μm

x

yz

プローブからの出力 ( )kKK 12

(2)20

120

12

)(2

BR

VkBB

R

KVVV ccccrefout

必要な信号 オフセット電圧

( 均一に近い磁界下 ) 　　　　 　　　　　 オフセット電圧 : 磁性流流体による信号 　　 80 　　　　 : 1

磁気抵抗係数 K1,K2 の違いが原因と考察

( 高分解能 )SV-GMR センサ

0.5 mm

30 mm

R1(GMR1)

R4=R0

R3=R0

R2(GMR2)

V ｃｃ

0

VrefVout

1101 BKRR

2202 BKRR

x

z

y

極低濃度での測定が困難

3. 検出部の磁気抵抗係数 K2 の算出方法

半径 15 mm長さ 80 mm巻数 80 巻周波数　　　　　 100 Hz　内部の磁束密度 0µT ～ 24μT 　　

ソレノイドコイル01 B

2B

磁界

03 RR

04 RR refV

ccV

0

outV01 RR )1(1 GMRR

)2(2 GMRR

2202 BKRR

ccrefout VRBK

VV0

224

cc

refout

V

R

B

VVK 0

22

4)(

プローブからの出力

(3)

(4)

4. リファレンス部の磁気抵抗係数 K1 の算出方法

ヘルムホルツコイル半径　 125mm巻き数　 106 巻中心磁束密度0 µT ～ 75 μT

磁界方向 (0 µT ～ 75μT)

ヘルムホルツコイル

プローブ

磁界

磁界 03 RR

04 RR

refV

ccV

0

outV

BKRR 101 )1(1 GMRR

)2(2 GMRR

BKRR 202

)(4 12

0KK

RBV

VV ccrefout

cc

refout

VR

B

VVKK 0

214

プローブからの出力

BB 1

BB 2

(5)

(6)

5. 磁気抵抗係数 K1 ,K2 の算出

0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70

80

f(x) = 0.957234818028483 x − 0.174118694908479

B [µT]

Vout

-Vre

f [µV

]

96.0

B

VV refout

0.6664 0

21

cc

refout

VR

B

VVKK

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f(x) = 3.40035783026111 x − 0.0167594836182445

B [µT]

Vout

-Vre

f [µV

]

0.9284

)( 02

cc

refout

V

R

B

VVK

4.3

B

VV refout

式 (4) から 式 (6) からΩ/mT Ω/mT

ソレノイドコイルを用いた計測 ヘルムホルツコイルを用いた計測

µV/µT µV/µT

6. オフセット電圧の低減方法

/mT 0.9282 ΩK/mT 0.6661 ΩK検出部とリファレンス部の磁気抵抗係数

2.5x

均一磁束密度を照射時のブリッジ回路を平衡状態にするため

4

3

22

11

R

xR

BKR

BKR

しかし，自分で付け加えることが出来なく行うことができなかった。

模擬的に磁気抵抗係数の差分を照射される磁束密度に差をつけオフセット電圧を低減し重量濃度計測をおこなった。

Ω

ヘルムホルツコイルの中心に磁性流体が入った容器を固定

21 BB

オフセット電圧低減前ヘルムホルツコイルの中心から -65mm の不均一部に磁性流体が入った容器を固定

検出部2B 1B

リファレンス部

オフセット電圧低減

||2 1122

0

KBKBR

VVV ccrefout

7. 重量濃度計測でのオフセット電圧の影響比較

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.675

76

77

78

79

80

81

重量濃度 [wt%]

出力

[µV]

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.646.5

47

47.5

48

48.5

49

49.5

50

50.5

重量濃度 [wt%]

出力

[µV]

ヘルムホルツコイル半径　　　 　 125 mm周波数 　　　 100 Hz 中心磁束密度　 75 µT

磁性流体重量濃度 0 ％～ 0.58% の５点を容器に入れ測定

21 BB 21 BB

中心部( オフセット電圧 77µV) 　

中心から -65 mm( オフセット電圧　 47.8µV)

B1>B2 とすることでオフセット電圧が低減されオフセット電圧を低減することでより高精度な重量濃度測定ができる

8. まとめ・今後の課題

・プローブの 2 つの磁気抵抗係数の算出2 つの磁気抵抗係数の算出を行った。その値から均一磁界照射時にオフセット電圧を低減させるために　　　　　　　　　　 R3→+5.2 Ω 加える必要がある

・重量濃度測定におけるオフセット電圧の影響オフセット電圧を低減することで極低濃度での重量濃度測定が可能となる

算出した固定抵抗値を利用し均一磁界下でプローブ内のブリッジ回路が平衡になるように調整しオフセット電圧を低減する

今後の課題

ご清聴ありがとうございました

三大治療法

外科療法 化学療法 放射線治療

副作用による身体的影響が大きい

温熱療法

誘電加温法 誘導加温法

正常な細胞も火傷をおって

しまう

・癌細胞を局所的にアポトーシスによって死滅させる事が出来き、身体的負荷が少ない。

現在の癌治療法

現在併用して行われている

Dw （重量濃度）と 計測した磁束密度の関係

クラスタ構造を成している磁性微粒子が均一に分散した磁性流体の比透磁率は(Dvが非常に小さい場合)　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　(1)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　；磁性流体の体積濃度　　　　　　　　　　　　　　　　　　　；磁性流体の重量濃度　　　　　　　　　　　　　　　　　　　；微粒子の比重（マグネタイトの場合 =4.56）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　；クラスタ構造の占有率 と表す事が出来る．磁性流体を注入した楕円体に均一な磁束密度を印加すると，その磁性流体内の磁界は均一で磁束密度は 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (2)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　N;反磁界係数この(1)と(2)より 　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)

)/(4141*

fswvhDD

)1(1 *

0

*

1

NB

B

)/()1(4/)(001 fsw

hDNBBB

2BDfkQwm

磁性流体の発熱量

[W/cc]

f

sh

wDvD

オフセット電圧

オフセット電圧80 µV 程度

変化するオフセット電圧数 µV

得たい出力

プローブからの出力 得たい出力

オフセット電圧

プローブから発生するオフセット電圧が測定に影響を及ぼす

オフセット電圧を低減する事でオフセット電圧の変化を抑える

磁性流体の重量濃度を測定することが出来る

低減

ヘルムホルツコイル磁束密度分布

250

200

150

100

0

50

-50

-100

-150

ヘルムホルツコイル中心検出部　　　　 (0,0) → 　　 75.015 µTリファレンス部 (0,3) → 　　 75.01 µT

ヘルムホルツ不均一部検出部　　 (0,-7) → 　　 72.6 µTリファレンス部 (0,-4) → 　　 75.0 µT

ソレノイドコイル磁束密度シュミレーション

ソレノイドコイル

y 軸

z軸 0X 軸

y 軸

z軸

+30mm

シュミレーション範囲

ソレノイドコイル　 長さ 　　　 80mm 巻数 　　　 80 巻励磁電流　　　　 24mA 周波数　　　　　 100Hz

シュミレーション範囲ソレノイドコイルの中心 (0,0,0)(0,0,-50) ～ (0,0,+50)(0,30,-50) ～ (0,30,+50)

シュミレーション結果

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

Ｘ軸 [mm]

磁束

密度

[µT]

ソレノイドコイルの内部の中心では磁束密度が生まれ、根元の GMR センサにはほぼ磁束密度が存在しない。　　→　先端のＧＭＲセンサのみに磁界を照射する

内部の磁束密度

外部の磁束密度

重量濃度測定装置

透

ヘルムホルツコイル半径　　 125 mm

125 mm

125 mm

楕円形の容器直径 5.5mm高さ 3mm

ヘルムホルツコイル

測定風景

周辺機器

PC

ファンクションジェネレータ

電力増幅器

ヘルムホルツコイル

ロックインアンプ

電流プローブ

針状磁気プローブ

DC

周波数変化での時間的なオフセットのばらつき

　　　　　　　周波数を変化させそれぞれ 2 分間隔で 30 分計測GMR センサをヘルムホルツコイルの中心に設置磁界　 75μT (100mA) 時定数 300ms周波数　 80Hz ～ 200Hz で 10Hz間隔

0 5 10 15 20 25 30 351.140E-04

1.160E-04

1.180E-04

1.200E-04

1.220E-04

1.240E-04

1.260E-04

80Hz90Hz100Hz110Hz120Hz130Hz140Hz150Hz170Hz190Hz200Hz

時間 [ 分 ]

GM

Rセ

ンサ

[V]

磁性流体の内外の磁束密度を磁気センサで測定

(2))/()1(4/)(001 fsw

hDNBBB

交流磁界照射時磁性流体の発熱量

(1)2BDfkQ

wm

0B

1B

磁性流体

均一交流磁界

低濃度　→　大きくばらついたオフセット電圧で測定が困難

オフセットの原因と低減方法の調査する

f

　：実験係数 [W/Hz/[mgFe]/T /ml]　： 周波数 [Hz]　： 磁性流体の重量濃度 [mgFe/ml]　： 磁束密度 [T]　：反磁界係数　：微粒子の比重　：クラスタ構造の占有率

mk

wDBN

sh

f

大

小

小

移動

プローブ

ヘルムホルツコイル磁束密度

z

r

ヘルムホルツコイル半径　　　　　　 125 mm周波数　　　　 100 Hz中心磁束密度　　　　　　　　　75µT

||2 1122

0

KBKBR

VVV ccrefout

磁気抵抗係数大小関係

磁気抵抗係数大小関係結果

-15 -10 -5 0 5 100

20

40

60

80

100

120

140

ヘルムコイル位置 [cm]

出力

[µV

]

||2 1122

0

KBKBR

VVV ccrefout

　　　　　　　に出力が増え、　　　　　　　に出力減少21 BB 21 BB 12 KK