JP2007139706A

JP2007139706A - 位置検知システム

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Publication number: JP2007139706A
Application number: JP2005337080A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hoshikawa; 洋星川; Kiyoshi Koyama; 潔小山
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2007-06-07
Anticipated expiration: 2025-11-22
Also published as: JP4713312B2

Abstract

【課題】光学的に遮蔽された空間を移動する移動体の位置も電磁気を利用して容易に検知する。
【解決手段】互いに直交する励磁コイル１３，１４を有し、これらの励磁コイル１３，１４に位相が９０°ずれた励磁信号が入力される回転磁界プローブ１１と、回転磁界プローブ１１と離間して位置され、励磁コイル１３，１４で発生した回転磁界によって起電力が発生する検出コイル２０とを備える。回転磁気プローブ１１は、検出コイル２０に対して移動するトンネル掘削機２の先導体３に取り付けられ、検出コイル２０は地表４に配置される。検出コイル２０は、回転磁界によって起電力が発生し、これに応じた位置信号を出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電磁気を利用して移動体の位置を検出する位置検出システムに関する。

生体内のマーカーの位置検知や、非特許文献１のような通信・電力ケーブル用のパイプラインを敷設するためのトンネル掘削機の位置検知等正確な位置計測に対する要求がある。生体内のマーカーの位置検知やトンネル掘削機の位置検知などは、光学的に遮蔽されておりレーザーを使った高精度の光学式の位置計測が適用できないのが現状である。一方、電磁気を利用した計測手法は、生体内や地中など光学的に遮蔽された空間でも位置計測が可能である。

なお、非特許文献１では、３次元磁場計測を行うため、３つの検出コイルを用い、各検出コイルで検出された微弱な信号を増幅し、磁束密度計算を行い、検出された検出コイルの起電力と計算した磁束密度から移動体の位置計測を行うようにしており、移動体の位置推定のための演算が極めて複雑である。

また、特許文献１には、溶接線、溶接突合わせ部の位置検出に電磁気を利用した計測手法が記載されている。しかしながら、特許文献１は、溶接線、溶接突合わせ部の位置検出に関するものであり、光学的に遮蔽された空間を移動する移動体の位置検知を行うものではなく、また、検出コイルを移動体側に取り付けたものでもない。

辻村「三次元磁界計測システムを用いたトンネル掘削装置の遠隔位置推定技術」非破壊検査、53(9)、pp.572-579（2004）特開２００２−１３１２８５号公報

本発明の目的は、電磁気を利用して移動体の位置を容易に検出することができる位置検出システムを提供することにある。

また、本発明の目的は、光学的に遮蔽された空間を移動する移動体の位置も電磁気を利用して容易に検知することができる位置検出システムを提供することにある。

本発明に係る位置検出システムは、上述の課題を解決するために、互いに直交する励磁コイルを有し、これらの励磁コイルに位相が９０°ずれた励磁信号が入力される回転磁界プローブと、上記回転磁界プローブと離間して位置され、上記励磁コイルで発生した回転磁界によって起電力が発生する検出コイルとを備える。上記回転磁気プローブは、上記検出コイルに対して移動する移動体に取り付けられる。

また、本発明に係る位置検出システムは、上述の課題を解決するために、互いに直交する励磁コイルを有し、これらの励磁コイルに位相が９０°ずれた励磁信号が入力される回転磁界プローブと、上記回転磁界プローブと離間して位置され、上記励磁コイルで発生した回転磁界によって起電力が発生する検出コイルとを備える。上記検出コイルは、上記回転磁気プローブに対して移動する移動体に取り付けられている。

本発明では、互いに直交する励磁コイルに位相が９０°ずれた交流の励磁電流が供給されると、これと同期する回転磁界が発生する。検出コイルは、コイル面に垂直な磁束成分を検出して起電力を発生し、起電力に応じた振幅と位相の異なる正又は負極性の信号を検出することによって、回転磁界プローブの位置信号を生成することができる。したがって、従来のように、３成分の磁束密度計算等を行う必要が無くなり、簡単なアルゴリズムで回転磁界プローブの位置検知を行うことができる。更に、回転磁界プローブは、２つのコイルで構成できることから、構成を極めて簡素化することができる。

以下、本発明が適用された位置検出システムについて図面を参照して説明する。

図１に示すように、本発明が適用された位置検知システム１は、通信ケーブル、上下水道、ガス、電力等の管埋設工事において、開削工法に代わって用いられているトンネル工法に用いられるものであって、例えば口径１ｍｍ以下のトンネルを掘削するトンネル掘削機２の位置を検出するものである。このトンネル工法は、開削工法に比べ、道路を広範に亘って通行止めに必要が無い点で優れている。

本発明を適用した位置検出システム１では、トンネル掘削機２の先端部、すなわち掘削機能と方向修正機能を備えた先導体３の位置を検出するものである。そして、この位置検知システム１は、先導体３に取り付けられる回転磁界プローブ１１と、地表４に配置されて回転磁界プローブ１１の発生する回転磁界ＲＭＦ（Rotating Magnetic Field）を検出する検出コイル２０とを備えている。

図２に示すように、トンネル掘削機２の先導体３に取り付けられる回転磁界プローブ１１は、コア１２に矩形に巻かれた２つの励磁コイル１３，１４を十字に組み合わせてなり、励磁コイル１３，１４で発生する回転磁界ＲＭＦを薄いプリントコイルの検出コイル２０で検出して位置検知を行う。具体的に、各励磁コイル１３，１４は、矩形のコア１２に形成された溝部１３ａ，１４ａに巻回される。

一方の励磁コイル１３は、励磁信号発生器１５より所定周波数の交流の励磁電流が供給され、他方の励磁コイル１４には、９０°位相器１６で励磁信号発生器１５からの交流の励磁電流が９０°位相がずらされて供給される。これにより、回転磁界プローブ１１は、各励磁コイル１３，１４に供給される励磁電流に同期して回転する回転磁界ＲＭＦが発生する。具体的に、図３に示すように、２つの励磁コイル１３，１４の巻線が重なった下面では、励磁電流に同期して方向が回転する回転磁界ＲＭＦが発生する。

検出コイル２０は、励磁コイル１３，１４の巻線の重なった面と平行に配置されるものであり、回転磁界ＲＭＦ中検出コイル２０のコイル面に垂直な磁束成分を検出して起電力を発生する。励磁コイルの電流が交流であるので、検出コイル２０の起電力、すなわち誘導電流は、励磁電流と同相成分（In-phase component）と９０°進成分（Quadrature component）となる。検出コイル２０には、位置検出器２１が接続されており、位置検出器２１は、検出コイル２０に発生する起電力に応じた正又は負極性の信号を検出することによって、回転磁界プローブ１１の位置信号を生成する。

具体的に、検出コイル２０を、ｘｙ平面と平行に置き、回転磁界プローブ１１の励磁コイル１３，１４の巻線の重なった平面を検出コイル２０のコイル面と平行にして、回転磁界プローブ１１をｘｙ平面に平行に移動させたときを説明する。回転磁界プローブ１１が検出コイル２０の中心上に位置した場合には、検出コイル２０は、回転磁界ＲＭＦの中心に位置することとなる。したがって、図４に示すように検出コイル２０が回転磁界ＲＭＦの中心に位置すると、検出コイル２０の中心を対称として検出コイル２０を鎖交する磁束の垂直成分の向きが正負対称となり、検出コイル２０には起電力が発生しない。なお、図４中の矢印は、検出コイル面に垂直な磁束成分の大きさと向きを表す。

そして、回転磁界プローブ１１をｘ軸上を移動させ、図５（Ａ）に示すように、回転磁界プローブ１１が検出コイル２０の中心より左側に位置すると、検出コイル２０に鎖交する磁束の垂直成分は負方向の磁束成分が多くなり、検出コイル２０に起電力ｅｆｍが発生し負極性の位置信号が位置検出器２１で得られることになる。一方、回転磁界プローブ１１が検出コイル２０の中心より右側に位置すると、図５（Ｂ）に示すように、検出コイル２０に鎖交する磁束の垂直成分の正方向が多くなり、検出コイル２０に正極性の位置信号が位置検出器２１で得られることになる。このように、位置検出器２１では、検出コイル２０の中心で位置信号が零となり左右対称の極性の異なる差動信号が得られることで、回転磁界プローブ１１の位置信号を生成することができる。

次に、回転磁界プローブ１１がｙ軸上を移動した場合には、検出コイル２０の中心で左右極性の異なる差動信号を得ることができるが、励磁電流に同期した回転磁界であるので、回転磁界プローブがｘ軸上を移動した場合とは９０°位相の異なる位置信号が得られることになる。かくして、位置検出器２１では、回転磁界プローブ１１のｘｙ平面上の位置に応じて振幅と位相が異なる位置信号を得ることができ、回転磁界プローブ１１の位置検知を行うことができる。

トンネル掘削機２の先導体３の位置検知は、光学的に遮蔽された、すなわち地中を移動する先導体３の位置検知であるから、検出コイル２０は、図６に示すように、格子状に複数設けられることで、地表４の広範囲に亘って配置される。図６では、回転磁界プローブ１１の大きさに対応させて３×３個の検出コイル２０を１組としている。各検出コイル２０は、回転磁界ＲＭＦを検出しているので、位置検出器２１では、３×３個の検出コイル２０を１組として、図７の信号条件を満たす検出コイル２０の組の位置を検索することによって、回転磁界プローブ１１の位置の概略位置を検知することができる。図７の信号条件を満たす検出コイル２０の組以外の検知コイル２０では、回転磁界ＲＭＦを検出しないことから、位置信号は出力されないことになる。そして、位置検出器２１は、概略の位置を検知した後で対をなす検出コイル２０の位置信号から補間計算を行って正確な位置検知を行うことができる。

そこで、次のような実験を行った。位置検知の実験に用いた回転磁界プローブ１１の励磁コイル１３，１４は、１層巻きの矩形コイルであり、その寸法は、幅３０ｍｍ、長さ４０ｍｍ、高さ３０ｍｍである。また、検出コイル２０は、薄いプリントコイルであり、その寸法は、外径５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍである。また、試験周波数を、１０ｋＨｚとし、回転磁界プローブ１１と検出コイル２０との相対距離を２０ｍｍで一定とした。

そして、ｘｙ平面の原点に検出コイル２０を平行に置き、２つの励磁コイル１３，１４の巻線が重なった面がｘｙ平面と平行となるように移動させた。検出コイル２０は、磁束密度のｚ成分を検出して起電力を発生する。励磁コイル２０がｙ＝０でｘ軸上を移動したときに得られる検出コイル２０からの位置信号が同相成分のみとなる様に位相の調整をはじめに行った。

検出コイル２０をｘｙ平面の原点に置き、回転磁界プローブ１１が−１５ｍｍから＋１５ｍｍまでの範囲を、ｘ軸を０°、ｙ軸を９０°として、０°、４５°、９０°、１３５°方向に移動した場合の検出コイル２０起電力の変化を観測した。なお、励磁コイル１３，１４の巻線の重なった面の一辺が３０ｍｍであるので、移動範囲を±１５ｍｍとした。

次に、検出コイル２０を格子状に配置した場合の位置検知を模擬して、回転磁界プローブ１１を固定して単一の検出コイル２０を−５０ｍｍから＋５０ｍｍの範囲を１０ｍｍ間隔でｘｙ方向に移動させて、位置検知の実験を行った。±５０ｍｍの範囲を１０ｍｍ間隔としたので、検出コイル２０を１１×１１個の格子状に配置したこととなる。

ここで、図８乃至図１１は、検出コイル２０をｘｙ平面の原点に置き、回転磁界プローブ１１が移動したときの検出コイル２０の信号変化を示す。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、０°方向、すなわちｘ軸上を移動した場合、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、４５°方向、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、９０°方向、すなわちｙ軸上を移動した場合、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、１３５°方向をそれぞれ示す。図８乃至図１１より、回転磁界プローブ１１の位置に応じて信号の同相成分（In-phase component）と９０°進相成分（Quadrature component）が変化していることが分かる。

以上の結果を踏まえ、原点を中心にｘｙ方向１０ｍｍ間隔で検出コイル２０からの位置信号の各成分の符号について考えると、図７が得られる。すなわち、ある検出コイル２０を中心に前後左右斜めの３×３個の検出コイル２０の位置信号が図７の条件を満たす位置に回転磁界プローブ１１が位置していることとなる。

１１×１１個に格子状配置された検出コイル２０の内３×３個の検出コイル２０を１組として図８乃至図１１に示した検出信号の条件を満たしているかを検索して回転磁界プローブ１１の位置検知を行った結果を表１に示す。表より、今回の条件下で概ね良好に位置検知が行えていることが分かる。

以上のように構成された本発明が適用された位置検知ステム１によれば、回転磁界プローブ１１が検出コイル２０の中心に位置したとき、位置信号は零となり、検出コイル２０の中心より移動すると符号の異なる差動信号が得られる。ここで、検出コイル２０は、回転磁界を検出しているので、差動信号の振幅と位相は、回転磁界プローブ１１の位置に応じて異なることになる。位置検出器２１では、検出コイル２０からの信号の変化を検出することによって、回転磁界プローブ１１の位置を検出することができる。そして、従来のように、３成分の磁束密度計算等を行う必要が無くなり、簡単なアルゴリズムで回転磁界プローブ１１の位置検知を行うことができる。更に、回転磁界プローブ１１は、２つのコイルで構成できることから、構成を極めて簡素化することができる。

なお、以上、本発明が適用された位置検出システムとして、トンネル掘削機２の先導体３の位置検知を例に取り説明したが、本発明は、光学的に遮蔽された空間を移動する移動体の位置検知でなくても良い。また、光学的に遮蔽された空間を移動する移動体の位置検知の場合であれば、例えば、上述の地下のパイプラインの敷設工事の他に、生体内のマーカーの位置検知に適用することができる。

また、以上の例では、回転磁界プローブ１１をトンネル掘削機２の先導体３、すなわち移動体側に配置し、回転磁界を発生しながら移動する移動体の位置検出を、地表にある固定側の検出コイル２０の信号変化によって検出する場合を説明したが、本発明は、これとは逆に、回転磁界プローブ１１を固定側に配置し、検出コイル２０を移動体に取り付けるようにしても良い。例えば、図１２に示すように、建築物の荷重試験の際、梁、柱等の変位量を検知する場合に用いることができる。この場合、検出コイル２０を建築物３０の例えば梁３１に取り付け、回転磁界プローブ１１を検出コイル２０に対して平行に離間配置する。そして、建築物３１に荷重Ｌを加えると、梁３１等が変位し、回転磁界プローブ１１との相対位置が変化する。この際の検出コイル２０から出力される位置信号の変化によって、建築物３０の変位量を検知することができる。

なお、検出コイル２０を移動体側に取り付けた場合についても、図１２の例に限定されるものではない。

また、以上の例に用いる回転磁界プローブ１１において、図１３に示すように、励磁コイル１３，１４のそれぞれは、全体に亘って巻線数が同じであると、コイルの両側で磁束φが弱くなる傾向にある（図１３中点線で示す）。そこで、励磁コイル１３，１４のそれぞれは、磁束φが一様になるように、両端部及びその近傍で巻線数を増やしても良い（図１３中実線）。

本発明が適用されたトンネル掘削機の位置検知システムを示す斜視断面図である。本発明が適用された位置検知システムの構成を示す図である。励磁コイル巻線下面における回転磁界を示す図である。検出コイルが回転磁界中心に位置した場合を示す検出コイルの平面図である。（Ａ）は、検出コイルが回転磁界中心より左にずれて位置した場合を示す検出コイルの平面図であり、（Ｂ）は、検出コイルが回転磁界中心より右にずれて位置した場合を示す検出コイルの平面図である。検出コイルを格子状に配置した例を示す平面図である。検出コイルから出力される位置信号の符号を示す図である。検出コイルをｘｙ平面の原点に置き、回転磁界プローブが０°方向、すなわちｘ軸上を移動した場合の検出コイルの信号変化を示す図である。検出コイルをｘｙ平面の原点に置き、回転磁界プローブが４５°方向を移動した場合の検出コイルの信号変化を示す図である。検出コイルをｘｙ平面の原点に置き、回転磁界プローブが９０°方向、すなわちｙ軸上を移動した場合の検出コイルの信号変化を示す図である。検出コイルをｘｙ平面の原点に置き、回転磁界プローブが１３５°方向を移動した場合の検出コイルの信号変化を示す図である。本発明を建築物の荷重試験に用い、荷重に対する建築物の変位量を検知するシステムに適用した例を示す図である。励磁コイルと磁束との関係を示す図である。

符号の説明

１位置検知システム、２トンネル掘削機、３先導体、４地表、１１回転磁界プローブ、１２コア、１３，１４励磁コイル、１３ａ，１４ａ溝部、１５励磁信号発生器、１６９０°位相器、２０検出コイル、２１位置検出器

Claims

互いに直交する励磁コイルを有し、これらの励磁コイルに位相が９０°ずれた励磁信号が入力される回転磁界プローブと、
上記回転磁界プローブと離間して位置され、上記励磁コイルで発生した回転磁界によって起電力が発生する検出コイルとを備え、
上記回転磁気プローブは、上記検出コイルに対して移動する移動体に取り付けられることを特徴とする位置検知システム。
上記移動体は、光学的に遮蔽された空間を移動し、
上記検出コイルは、上記移動体の移動空間の表面に配置されることを特徴とする請求項１記載の位置検知システム。
上記検出コイルは、上記移動体の移動空間の表面に格子状に複数配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の位置検知システム。
互いに直交する励磁コイルを有し、これらの励磁コイルに位相が９０°ずれた励磁信号が入力される回転磁界プローブと、
上記回転磁界プローブと離間して位置され、上記励磁コイルで発生した回転磁界によって起電力が発生する検出コイルとを備え、
上記検出コイルは、上記回転磁気プローブに対して移動する移動体に取り付けられていることを特徴とする位置検知システム。