CN115485588A - 磁探测装置 - Google Patents

Abstract

磁探头(10)具备：支撑轴(15)；磁场发生器(11)，其固定于支撑轴(15)的一端，与磁标记物(5)所形成的磁场及地磁相互作用；以及补偿磁场发生器(12)，其固定于支撑轴(15)的另一端，与地磁相互作用，磁场发生器(11)和补偿磁场发生器(12)构成为，与地磁相互作用，抵消绕磁探头(10)的旋转中心(TC)的转矩。

Description

磁探测装置

技术领域

本发明涉及一种探测配置于对象的加工面的背面的磁标记物的加工面上的位置的磁探测装置。

背景技术

在船舶、飞机、汽车等的组装技术中，在进行外部面板与内部的零件的组装的情况下，需要在外部面板上指定与内部零件的孔同芯的位置，对面板进行孔加工而利用螺栓等结合。因此，通常从进行结合的截面方向通过目视来指定孔的同芯位置并进行加工。近年来，作为船舶、飞机、汽车等的材料，使用轻量且高强度的碳纤维，正在推进部件的整体化、大型化。其结果，孔加工的位置的指定变得困难，另外，若部件变厚，则更加难以进行高精度的探测。

如日本专利公报第5461894号(专利文献1)所公开地，为了提高磁探测精度，正在研发如下技术：对摆动自如地支撑磁探头的支撑轴的万向架机构的转动轴采用轴承机构，减小伴随着磁探头的转动的摩擦。

发明内容

发明所要解决的课题

为了提高磁探测精度，需要极力减小固定于磁探测装置主体的转动机构的摩擦、固定件的抖动等，提高磁测量灵敏度。然而，很明显，即使测量灵敏度提高，也会产生测量误差，测量精度存在极限。也就是，发现了如下倾向，即使在完全排除了包含能够与磁标记物磁相互作用的磁性体的工具、夹具等的测量环境下进行磁探测测量，磁探头所指向的方向也会从磁标记物的位置偏离。

另外，在飞机的机体修理中对部件进行更换或修补的情况下，有时在向机体安装加强材料时，在没有夹具的情况下，必须在短期间安装板状部件等。例如在保养吊架等中，由于在运行时刻表等制约中作业的情况，有时要求高效且准确的定位。在这样的情况下，鉴于在部件的孔位置存在各种制约，必须以取得匹配的方式迅速地决定加工位置。为了满足这样的要求，存在迫切研发能够高精度地适应各种要求的磁探测装置的状况。

本发明着眼于这样的课题而作成，根据本发明，能够提供一种磁探测装置，即使对象是厚的非磁性材料，也能够进行更高精度且迅速的加工位置的磁探测。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，根据本发明的技术方案，提供一种磁探测装置，用于在非磁性的对象的预定位置配置磁标记物，经由上述对象探测上述磁标记物所形成的磁场，指定与上述预定位置相应的位置，该磁探测装置的特征在于，具备：主体，其配置于上述对象表面的预定位置；磁探头，其经由两轴万向架机构将旋转中心位置固定于上述主体；以及显示部，其显示磁探头的姿势，上述磁探头具备：支撑轴，其支撑于上述两轴万向架机构；磁场发生器，其固定于上述支撑轴的一端，与上述磁标记物所形成的磁场以及地磁相互作用；以及补偿磁场发生器，其固定于上述支撑轴的另一端，与地磁相互作用，上述磁场发生器和补偿磁场发生器构成为，与地磁相互作用，抵消绕上述磁探头的旋转中心的转矩。

附图说明

图1是表示本发明的磁探测装置的原理的概念图。

图2是表示磁环境的影响的概念图。

图3是表示背景磁场的补偿的原理的概念图。

图4是表示磁传感器与磁探头的关系的概念图。

图5是显示部的概念图。

具体实施方式

参照表示本发明的优选的实施方式的图进行说明。

测量误差和背景磁场的验证

参照图2，利用磁标记物5与磁探头110的磁相互作用，基于磁探头的姿势，探测磁标记物5所形成的磁场规定的磁基准轴Lm。在该情况下，通过极力减小作为阻碍要因的磁探头的摆动机构的摩擦力等，提高磁探测灵敏度。但是，发现了如下课题：即使磁探测灵敏度提高，磁探头110的主轴指向的方向Lp和磁基准轴Lm也不一致。即，明确了如下课题：不管是否将磁探头的旋转中心TC定位于磁标记物规定的磁基准轴Lm上，磁探头110的主轴Lp都倾斜，与磁基准轴Lm未准确地一致。由于该偏移具有一定的倾向，因此发现了如下可能性：磁标记物5与磁探头110的磁相互作用在能够磁探测的程度上为显著的大小，并且其它的磁因素为偏差而产生了偏移。

因此，在完全排除了包含能够与磁标记物5磁相互作用的磁性体的工具、夹具等的测量环境中进行磁探测测量，对其它原因进行深入研究，其结果，明确了在实施高精度的磁探测的环境中，不能忽视地磁Bg与磁探头110的磁相互作用。

在图2中，磁标记物5具备磁矩Mm的永久磁铁，将纸面上的上表面设为S极，将下表面设为N极。磁标记物5所发生的磁场用磁力线Bm表示，磁力线Bm从磁极(S，N)沿假想的磁基准轴Lm方向延伸。磁探头110的磁场发生器111具备永久磁铁，为了方便，将纸面上的上表面设为S极，将下表面设为N极。磁发生器111具有朝向沿着磁探头110的主轴115的方向的磁矩Mp，与磁力线Bm磁相互作用，从而作用磁力，以使磁探头110的主轴(主轴115方向)指向磁标记物5的基准轴Lm。因此，在磁探头110的旋转中心TC位于磁基准轴Lm上时，磁场发生器111也应该指向纸面上正下方的磁标记物5。

然而，在地磁作为背景磁场著地作用的情况下，磁探头110有时会稍微倾斜。即，在图2中，若将纸面上左侧设为北方向(S极侧)，则地磁的磁力线Bg相对于磁场发生器111从横向发挥作用。因此，在磁场发生器(具有磁矩Mp的永久磁铁)111作用有纸面上顺时针的转矩Np，与之对应地，在磁探头110发生绕旋转中心TC的顺时针方向的转矩，因此磁场发生器111的位置向左方向偏置，成为测量误差的原因。在相关的磁探测装置中未发生这样的偏置的问题，但通过之后的改良，磁检测灵敏度提高，能够探测更小的磁场，其结果，可以理解为，作为背景磁场的地磁的影响作为测量误差明显化。因此，考虑对这样的磁探测误差产生影响的背景磁场的存在，研发更高精度化的磁探测装置。

在此，背景磁场是指在进行磁探测的区域中空间上可以视为一样的磁场环境，典型的是地磁。另外，地磁不限于朝向水平方向，只要是在探测区域内均匀的磁场即可。

磁探测装置的结构

图1表示本实施方式的磁探测装置1的概念图。加工对象7具有预定的厚度，由碳纤维等非磁性材料构成。当在加工对象7的第一面(背面)7b决定孔加工位置时，在该位置配置磁标记物5。在加工对象7的第一面7b插入有间隔件(板材)7s，在用于将磁标记物5位置固定于孔加工位置的贯通孔7sh卡合有磁标记物5的凸部5p。磁标记物5内置永久磁铁，磁力线从磁极(S)沿磁基准轴Lm方向延伸。

磁探测装置1隔着加工对象7在与配置有磁标记物5的第一面7b对置的第二面(表面)7a线索性地探测磁标记物5所发生的磁场。磁探测装置1的主体2的底面2a为磁探测面，一边在探测面7a上移动，一边探测。

磁探测装置1具有主体2、用于感知磁标记物5发生的磁场的磁探头10、用于将磁探头10可摆动地支撑于主体1的内部的轴承组件(x，y)、用于显示磁探头10的姿势的显示部(20a、20b)。

磁探头10在存在于主轴15上的旋转中心TC被未图示的轴承组件(x、y)摆动自如地支撑，旋转中心TC的位置相对于主体1位置固定。另外，旋转中心TC构成为与磁探头10的重心一致。具体而言，磁场发生器11的重量由后述的补偿磁场发生器12、标记物20a等进行重量补偿。

与主体底面2a垂直地位置固定的假想基准线L0穿过旋转中心TC，以基准线L0与磁标记物5的磁基准轴Lm一致的方式进行磁探测。

轴承组件(x、y)具有未图示的两轴万向架机构(陀螺仪机构)，包括绕位置固定于主体1的内部的旋转轴x摆动自如地支撑的外侧万向架和位置固定于外侧万向架且绕与x轴正交的y轴摆动自如地支撑的内侧万向架，内侧万向架支撑磁探头10的主轴(支撑轴)15。由此，磁探头10绕也作为重心位置的旋转中心TC摆动自如，磁探头10的姿势(倾斜)的原因实质上仅为磁探头10所感受到的磁场。另外，轴承组件的转动轴采用轴承机构。

磁探头10在主轴15的一端侧安装有磁场发生器11，在另一端侧安装有补偿磁场发生器12。另外，在补偿磁场发生器12的端部安装有用于目视确认磁探头10的倾斜的标识20a，标识20a与主体2的窗部20b一起构成显示部20。

磁场发生器11和补偿磁场发生器12典型的是永久磁铁，但也可以是铁、钴、镍或含有它们的合金这样的强磁性材料。在使用不是永久磁铁的强磁性材料的情况下，优选在探测之前调整磁化，确认背景磁场的影响的降低效果。

背景磁场的抵消

参照图3，从磁标记物5扩展的磁场Bm沿朝向基准轴Lm吸引磁场发生器11的方向作用。此时，存在作为背景磁场的地磁Bg，因此在磁场发生器11发生纸面上绕顺时针方向的转矩Np，并发生作用，以将磁探头10沿顺时针方向旋转。另一方面，补偿磁场发生器12典型地相对于旋转中心TC定位于与磁场发生器11相同的距离，磁矩Ms的大小与Mp相同，朝向相反。于是，在补偿磁场发生器12仅作用地磁的磁场Bg，因此发生纸面上绕逆时针的转矩Nc，并发生作用，以将磁探头10沿逆时针方向旋转，因此抵消磁场发生器11的转矩Np的效果。

补偿磁场发生器12典型地具备具有与磁场发生器11相同的形状、相同的磁矩的永久磁铁。另外，补偿磁场发生器12相对于旋转中心TC也是磁场发生器11的配重。地磁的磁力线Bg不限于水平朝向，只要是对磁场发生器11和补偿磁场发生器12实质上作用相同的磁场的环境，就无论地磁的朝向如何，地磁的影响都被消除。另外，磁探头10完全重量平衡，摆动自如地支撑于轴承组件(x、y)，因此无需加工对象7的探测面7a为水平，不管是倾斜，还是向下，还是任何角度，都可进行磁探测。

另外，为了排除背景磁场的作用，作用于磁场发生器11和补偿磁场发生器12的转矩相对于旋转中心TC抵消即可，因此也可以适当变更各自的磁矩、相距旋转中心TC的距离。

根据上述结构，(i)磁场发生器11与磁标记物5的磁场Bm及背景磁场(地磁)Bg相互作用，(ii)补偿磁场发生器12与背景磁场Bg相互作用，并且(iii)磁场发生器11和补偿磁场发生器12的磁矩的极性相反，背景磁场相对于磁探头的效果被抵消，因此能够不受背景磁场的影响地进行磁探测。即，在磁探测中，即使在磁标记物5所形成的磁场变得微弱的距离(加工对象的厚度)磁场Bm作用于磁场发生器11的力和作为背景磁场的地磁的影响为相同程度的情况下，也能够不发生误差地进行高精度探测。

显示部

在图4、5中示意性地示出显示部20的结构。图4(a)表示从主体2的主轴(基准轴)L0方向观察到的可摆动的补偿磁场发生器12与位置固定于主体2的磁传感器21的位置关系，图4(b)表示从与主轴L0垂直的方向观察到的补偿磁场发生器12与磁传感器21的关系。磁探头10的倾斜状态通过直接目视确认安装于一端的标记物20a的位置来进行，但在加工对象厚的情况等探测的磁场Bm弱的情况下，有时难以目视确认。

本实施方式的显示部20利用补偿磁场发生器12的磁场，由磁传感器部21非接触地检测磁探头10的倾斜状态，并输出到指示器27。磁传感器部21以与可摆动的补偿磁场发生器12非接触的状态位置固定于主体内部的上部，多个磁通门22排列成包围主体2的主轴L0。另外，在本实施方式中使用了三个磁通门，但也可以是六个。另外，磁感元件22除了磁通门，也可以使用霍尔元件、MR元件。补偿磁场发生器12发生的磁场以磁力线从磁极(N)沿磁探头10的主轴Lp方向延伸的方式分布。因此，各磁感元件22所感受到的补偿磁场发生器12的磁通密度的关系与磁探头10的摆动相应变化，因此能够非接触地检测磁探头10的倾斜状态。

控制器23构成为包含微控制单元(MCU)，在辅助磁场发生器12从位置固定于主体2的基准线L0偏移的情况下，检测该位置并将对应的指示器27点亮或闪烁来引导磁探测装置1的探测操作，以指向基准线L0。磁探头10的姿势的显示是用于引导磁探测的显示，表示磁探测装置应移动的方向。指示器27在本实施方式中位置固定于主体且在与主轴L0垂直的平面上沿着正交的X轴、Y轴排列多个显示元件，在补偿磁场发生器12从主体2的主轴L0离开的状态时，能够目视确认磁探测装置1应移动的方向和距离。

另外，也可以构成为，在磁探测装置1(基准轴L0)收敛到磁标记物5的基准轴Lm上且辅助磁场发生器12位于基准线L0上的情况下，全部的指示器27点亮。指示器27可以使用多个LED等发光灯，也可以在液晶显示器、有机EL显示器上显示同等的设计。根据本实施方式的显示部20，即使在探测磁场Mb小且难以视觉确认磁探头10的倾斜的情况下，也能够迅速地引导磁探测。另外，在磁探测中，磁探头10一边摆动而振动一边收敛于静止位置，但根据本实施方式的显示部，即使磁探头10的摆动未收敛，控制器23也能够根据振动幅度推测倾斜量，迅速地引导磁探测。

根据本发明，在磁探头的一端具备磁场发生器，在另一端具备补偿磁场发生器，因此磁场发生器与磁标记物的磁场及背景磁场磁作用，补偿磁场发生器与背景磁场磁相互作用，因此背景磁场的作用被抵消，磁探测精度提高。另外，补偿磁场发生器也作为配重发挥作用，因此容易调整磁探头的重心。进一步地，显示部利用补偿磁场发生器的磁场由磁传感器检测磁探头的倾斜，因此即使是微弱的磁场，也能够迅速地引导探测。

(美国指定)

本国际专利申请涉及美国指定，关于2020年5月11日申请的日本专利申请第2020-083185号引用基于美国专利法第119条(a)的优先权的利益，并引用该公开内容。

Claims (5)

1.一种磁探测装置，其用于在非磁性的对象的预定位置配置磁标记物，隔着所述对象探测所述磁标记物所形成的磁场，指定与所述预定位置相应的位置，

该磁探测装置的特征在于，具备：

主体，其配置于所述对象的表面；

磁探头，其经由两轴万向架机构将旋转中心位置固定于所述主体；以及

显示部，其显示所述磁探头的姿势，

所述磁探头具备：

支撑轴，其支撑于所述两轴万向架机构；

磁场发生器，其固定于所述支撑轴的一端，与所述磁标记物所形成的磁场及地磁相互作用；以及

补偿磁场发生器，其固定于所述支撑轴的另一端，与地磁相互作用，

所述磁场发生器和所述补偿磁场发生器构成为，与地磁相互作用，抵消绕所述磁探头的旋转中心的转矩。

2.根据权利要求1所述的磁探测装置，其特征在于，

所述磁场发生器及补偿磁场发生器是强磁性体。

3.根据权利要求1所述的磁探测装置，其特征在于，

所述磁场发生器及补偿磁场发生器是永久磁铁。

4.根据权利要求3所述的磁探测装置，其特征在于，

所述显示部具备位置固定于所述主体且检测所述补偿磁场发生器的磁的磁传感器，且基于检测出的磁显示所述磁探头的姿势。

5.根据权利要求4所述的磁探测装置，其特征在于，

所述磁传感器通过多个磁通门检测磁。

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