JP2007298300A - 金属探知機及び金属探知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】崩落現場における埋没車両などを探知し得る金属探知機を提供する。
【解決手段】磁力線を発生する１次コイルと、前記１次コイルの直径の略延長上に磁気軸を有し、誘導磁場を検出する２次コイルとを備え、前記１次コイルの直径が２０ｃｍより大きく、２次コイルの直径が１６ｃｍ未満である金属探知機である。１次コイルに８０〜７１０Ｈｚの周波数の交流電流を流して磁力線を発生させ、地面から５０ｃｍ以上離して探知する。
【選択図】図１

Description

本発明は金属探知機及び金属探知方法に関し、更に詳しくは、崩落現場における埋没車両などを探知し得る金属探知機及びこれを使用した金属探知方法に関する。

地表から数ｍ程度の土砂に埋もれた車両を、採掘を伴わずに探知するためには、物理探査法を適用することが最適である。周知のように、物理探査法には異なる原理に基づく手法が数々ある。その中で対象となる深さ、被探知体を考えたとき、有望と考えられる手法は、電気探査、磁気探査、電磁探査、地中レーダー探査（広義には電磁探査の範疇に入る）が考えられる。電気探査は探査能力が高いが、現地状況を推測すると電極を地表に確実に設置することが難しい。したがって、磁気探査、電磁探査、地中レーダー探査の３手法が有望である。

ところで、現地状況を想定した場合、地表面はかなり凹凸があり、安全確保の観点から、飛行体等や重機からセンサを吊り下げて計測することになる。上記３手法のうち、地中レーダー探査はセンサ（アンテナ）を地面に沿わせて計測することが必須条件であることから、適用可能な現地はかなり狭められる。磁気探査と電磁探査は、浅部地盤を対象とした場合、類似した計測方法であるが、計測データからリアルタイムに被探知体の有無を判定するには電磁探査が有利である。しかしながら、電磁探査システムには利便性に富んだリアルタイム表示装置を組み込んだシステムがほとんど無い。そこで、本発明者らは、探査能力の高い電磁探査機器の特徴を生かしながら、やや深い埋没金属探知に特化させた金属探知機を開発することにした。

市販の金属探知機は、（１）服飾製品内に残っている針等の探知、（２）公共交通機関、特に航空機内に持込が禁止されているナイフ等の探知、（３）地雷探知、（４）トレジャーハンティング（コイン探し）などの目的に使用されていて、実用に耐えられる距離（深さ）は２０〜５０ｃｍ程度までのものがほとんどである。すなわち、市販の金属探知機は、比較的近距離にある比較的小さい金属を探知するのに用いられている。

一方、本発明が目的とする被探知体は、軽自動車以上の大きさの車両であって埋没深さは最大３ｍである。

このような条件において、好適に被探知体を探知できる金属探知機及び金属探知方法は知られていなかった。
特開平８−１０５９２３号公報 特開平８−１０５９７９号公報

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、軽自動車以上の大きさの車両であって埋没深さが最大約３ｍである被探知体を探知することができる金属探知機及び金属探知方法を提供することにある。

本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、所定の金属探知機及び所定の金属探知方法によって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明によれば、以下に示す金属探知機及び金属探知方法が提供される。

［１］磁力線を発生する１次コイルと、前記１次コイルの直径の略延長上に磁気軸を有し、被探知体からの誘導磁場を検出する２次コイルとを備えており、前記１次コイルの直径が２０ｃｍより大きく、前記２次コイルの直径が１６ｃｍ未満である金属探知機。

［２］少なくとも前記［１］の金属探知機を備えた重機又は飛行体からなる金属探知システム。

［３］前記［１］の金属探知機を使用して地中０〜３ｍの深さに埋没した被探知体を探知する方法であって、１次コイルに８０〜７１０Ｈｚの周波数の交流電流を流して磁力線を発生させ、地面から５０ｃｍ以上離して計測する金属探知方法。

［４］１次コイルから発生する１次磁場と、前記１次磁場から被探知体により誘導される２次磁場の位相差及び２次磁場の振幅を用いて探知を行う前記［３］に記載の金属探知方法。

［５］前記［２］の金属探知システムを使用して地中０〜３ｍの深さに埋没した被探知体を探知する方法であって、１次コイルに８０〜７１０Ｈｚの周波数の交流電流を流して磁力線を発生させ、地面から５０ｃｍ以上離して計測する災害時の金属探知方法。

本発明の金属探知機及び金属探知方法は、地中０〜３ｍに埋没した被探知体、特に軽自動車以上の大きさの車両を探知することができる。

以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

本発明の金属探知機及び金属探知方法は、比較的大きい被探知体に対して有用である。特に、軽自動車以上の大きさの車両を探知するのに好適である。

電磁探査方式で金属を探知するには、（１）１つのコイルを用いて、送信と受信を切り替える、（２）２つのコイルを用いて、送信と受信を行う、（３）１つのコイルで送信し、複数成分の受信を行う方式のいずれでも良いが、構造がシンプルであるため（２）の２つのコイルを用いて、送信と受信を行う方式が好ましい。

前記２つのコイルの配置方式は、いずれでも良いが、（１）１次磁場のカップリングが無く、（２）地盤の応答は大きいものの計測時のセンサの動揺に強く、（３）浸透する電磁波が強い垂直配置が好ましい。また、垂直配置の装置は、部品数が少なく、機器構成を簡略化できるという効果も奏する。以上から、本発明の好ましい金属探知機の概略を図１に示す。

図１において、１次コイル１及び２次コイル２は支持軸３に支持されている。支持軸３は、１次コイル１の中心５を通る１次コイル１の直径４の延長上にその長手方向を沿わせて位置している。支持軸３は一方端が１次コイル１に固着されているとともに、他方端付近に、支持軸３を軸として２次コイル２が巻回されている。従って、２次コイル２の磁気軸は１次コイル１の直径の延長上に位置している。

１次コイル１の大きさ（直径、コイルが切り取る面の面積）は被探知体の大きさに依存する。軽自動車以上の大きさの被探知物を探知するためには、１次コイル１の直径が２０ｃｍ以下であると感度が悪い。従って、１次コイル１の直径は２０ｃｍより大きいことが必要である。また、４８ｃｍ以上であると好ましい。コイルが切り取る面の形はいずれでも良い。円、楕円及び四角形、五角形等の多角形が例示できる。

２次コイル２の大きさは、探知すべき被探知体からの誘導磁場を効率良く探知できるよう決定する必要がある。１６ｃｍ以上であると、軽自動車からの誘導磁場を探知するのには感度が悪くなる傾向にある。従って、２次コイル２の直径は１６ｃｍ未満であると好ましく、２ｃｍ以下であるとより好ましい。

本発明の金属探知システムは、少なくとも上記の金属探知機を重機または飛行体に備えさせることにより構成できる。好ましい重機としては、自由度の高いアームを持つバックホウを例示することができる。また、飛行体としては、無人の小型自立航行型空中移動体を例示することができ、特に、ラジオコントロールヘリコプター、ラジオコントロール飛行機、ラジオコントロール飛行船、カイトプレーンが好ましい。

重機又は飛行体に金属探知機を備えさせる位置はいずれでも良いが、重機又は飛行体本体等の金属反応が探知されないよう十分離して備えさせることが必要である。金属探知機を重機又は飛行体から３ｍ以上離すのが好ましい。

本発明の金属探知方法においては、１次コイル１に８０〜７１０Ｈｚの周波数の電流を流して探知することが必要である。また、３９０〜４８５Ｈｚの電流を流して探知することが好ましい。

本発明の金属探知方法においては、検出器（センサ）を地面から５０ｃｍ以上離して探知することが好ましく、１ｍ以上離すとより好ましい。なお、地面からの距離の上限については、地盤の磁場応答の点からは制限されないが、１次コイル１から発生する磁場は１次コイル１からの距離の３乗に反比例することから、あまり離しすぎると被探知体に１次コイル１の磁場が届かなくなり、好ましくない。

本発明の金属探知方法においては、１次コイル１から発生する１次磁場と、前記１次磁場から被探知体により誘導される２次磁場の位相差及び２次磁場の振幅を用いるのが好ましく、より詳しくは、１次コイル１から発生する１次磁場と被探知体により前記１次磁場から誘導される２次磁場の位相差及び２次磁場の振幅の和を用いるのが好ましい。

［参考例１］
図２は１次コイル１に流す電流の周波数と位相角のずれの関係を示したものである。１次コイル１は、直径４５０ｍｍ、５４巻、太さ１．０ｍｍ線のものを用い、被探知体は１ｍ×１ｍの鉄板を用いた。この図から、同じ距離においては、周波数が８０〜７１０Ｈｚの感度が高く、その中でも、中程度（３９０〜４８５Ｈｚ）の感度が最も高い（位相角のずれが大きい）ことが分かる。

［参考例２］
受信した電磁波を処理する方式としては、時間領域で処理する方式と周波数領域で処理する方式があるが、リアルタイムで金属の有無を判定するには、時間領域データを使う方式が好ましい。

金属の有無は送信波形と受信波形の相対的な変化として探知し得る。好適に利用し得る方式として、（１）送信電流又は１次磁場と２次磁場の位相差、（２）２次磁場の振幅変化、（３）方向の異なる複数のコイルで受信した信号の振幅比と位相差、（４）複数の周波数の電磁波を送受信し、周波数に対する応答差を挙げることができる。前記（１）及び（２）は時間領域での処理に適しており、前記（３）及び（４）は周波数領域での処理に適している。

図３に示すような１次コイル１から十分に離れた軸以外の任意の点における磁場と電場の間には、下記式（Ａ）の関係がある（Ｋａｕｆｍａｎｎ）。

上記式から、（１）１次コイル１から発生する磁場は、１次コイル１に流れる電流に比例する、（２）１次コイル１から発生する磁場は、１次コイル１の断面積に比例する、（３）１次コイル１から発生する磁場は、１次コイル１からの距離の３乗に反比例する、（４）磁場はベクトルであり、計測地点と計測方向によって異なる、（５）１次コイル１における軸方向の磁場の絶対値は、水平方向に比べて２倍になる、という関係が導かれる。

図４は被探知体（軽自動車）までの距離と相対感度の関係を示したものである。１次コイル１は、直径４５０ｍｍ、５４巻、太さ１．０ｍｍ線のものを用いた。相対感度とは位相角あるいは位相角と振幅の和である。３００ｍＡの電流を流した際、位相角のみで相対感度を現したものと位相角と振幅を同じ比率で加算したものの相対感度は同様の傾向を示しているが、加算したものの方が、感度が上昇している。

通常の電磁探査機器は２次磁場の振幅で判定を行うが、上記式（Ａ）より、振幅は距離の３乗に反比例するため、被探知体が深い場合振幅による探知が困難になる。一方、図２及び図４から、位相は対象物までの距離にほぼ反比例の関係があることが分かる。従って、応答の安定性を勘案し、位相差と振幅の合成値を用いると有利である。より詳しくは、位相角と振幅の和を用いるのが好ましい。

［参考例３］
図５は地盤の磁気特性を示す図である。地盤を構成する土や岩も電磁反応がある。電磁探査ではこの性質を利用して地盤の比抵抗や透磁率を求めている。金属探知機にとっては、これらの値はノイズに他ならないが、電磁探査機器と同じように地盤の物性が探知される。やや深い場所に埋没している被探知体を探知する場合、金属探知機の感度を高く設定していることもあって、地盤から発生する２次磁場を無視できない。そこで、地表付近の２次電磁場に応答しにくいように機器を調整し、深部の被探知体の反応を相対的に向上させることが欠かせない。この調整方法として、上記特許文献１の方法を採用することができる。

被探知体とセンサの距離が変わると磁場が変動することと同様に、地盤からの２次磁場も距離によって変動する。つまり、センサの高さが変動すると金属探知機はその影響を大きく受ける。そこで、地表近傍の土は均質に分布していると考えて、影響を可能な限りキャンセルするように調整を施した。使用した金属探知機の詳細は表１の通りである。

図５（ａ）は調整を行って地盤の磁場応答を減少させた際の感度を示したものであり、（ｂ）は参考のために未調整の機器の反応を示した。使用した金属探知機の詳細は上記表１の通りであるが、５０−１６型の２次コイルの径は１６ｃｍである。（ｂ）中、５０−１６型は未調整であり、その他は調整済みである。両図とも横軸は地表からセンサまでの高さ、縦軸は相対的な電磁反応の強さである。未調整の機器ではセンサ高０．２ｍと１．０ｍでは検出値に４，０００ほど開きがあるが、調整済みのものは、２程度に収まっている。また調整済みの機器では、センサ高５０ｃｍ以上になるとほとんど変動しておらず、１ｍ以上になるとさらに変動は少ない。換言すれば、センサ高を５０ｃｍ以上、好ましくは１ｍ以上にして計測すれば、地盤の有する電磁的な影響を受けないことになる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。特に示さない限り、金属探知機の仕様は上記表１の通りである。

実験ヤードにおいて、平坦なグラウンドを約６ｍ×２０ｍの面積で最深４ｍの深さまでバックホウで掘削し、軽自動車を埋設した。埋め戻しは、自然災害の崩落土を模擬するため、できるだけ締め固めが生じないように配慮して行った。また、表面の整形は行わず、凹凸のある状態とした。埋設条件を表２に示す。また、探知実験ヤード造成時の車両配置等を図６に示す。

実験ヤードの長軸方向に１ｍ間隔の測線を設定し、測線に沿って金属探知機を移動させながら計測した。図７を参照して手順の概要を以下に示す。

金属探知機６のセンサ８をソリ９にセットする。センサ高は地表から０．５ｍ及び１．０ｍの２通りとする。次に、ソリ９を第一の測線１６にて始点（Ａ地点１４）から終点（Ｂ地点１５）まで計測する。さらに、トラックを順次変えて、第六の測線１７まで計測する。その際センサ８の向きは第一の測線１６での配置方向と同一にする。

図８は測線毎に収録したデジタルデータをもとに簡単な位置情報の補正を行い、コンター作成ソフトを用いて平面２次元座標に対する応答の強さを濃度表示している。実施例１及び２は、それぞれ本発明の金属探知器６を使用し、センサ高１ｍ及び５０ｃｍで測定した。比較例１及び２は２次コイル径を１６ｃｍとし、その他は実施例１と同様の条件でそれぞれセンサ高１ｍ及び５０ｃｍで測定した。比較例３は１次コイル径を２０ｃｍとした以外は実施例１と同様にして、センサ高５０ｃｍで測定した。これらを表３にまとめた。

図８から、深さ１．５ｍにある軽乗用車は、すべてのケースにおいて明瞭にその平面的な位置がわかる。反面、深さ３．０ｍの軽乗用車の位置は、１次コイルが２０ｃｍの従来品では探知できず、また、２次コイルが１６ｃｍのものでも探知できない。

ソリの曳航速度は０．８ｍ／ｓ（時速２．９ｍ）程度であった。センサの移動速度と記録の安定性の間は、トレードオフである。電磁気の応答自体はセンサの移動速度に比較すると格段に早いが、センサを移動させるとセンサの動揺によるノイズが発生して安定性が失われる。そこで、一定時間内の平均的な計測値を求め、その値を出力することにより安定化を図っている（時定数の延伸による安定化）。金属応答が大きい条件、すなわち車両が浅部に埋設されていて、かつセンサの動揺がない条件下では時速４ｋｍ程度あるいはそれ以上の速度で計測しても埋没車両の探知が可能であるが、対象物の深さが３ｍになると、ある程度時定数を延伸させて金属の応答の有無を判断する必要があり、本実施例では時速３ｋｍ程度より遅い速度で計測することが望ましい。

バックホウのバケットに金属探知機を備えさせた金属探知システムを構築した。概略を図９に示す。バックホウ及びバックホウのバケットと金属探知機とは３ｍ以上離れるよう構成した。

バックホウのキャビン下部に金属探知機を備えさせた金属探知システムを構築した。概略を図１０に示す。金属探知機を使用する際には（ａ）のように金属探知機を前に下ろしてバックホウ本体から３ｍ以上離れるようにする一方、バケットは金属探知機から３ｍ以上離れるよう上げておく。バケットで掘削する際には、（ｂ）のように掘削の邪魔にならないように金属探知機を上げておく。

このシステムは、バックホウオペレータが旋回と移動を繰り返し、その場で判断して掘削を試みることができる点で優れている。

このシステムに、さらに、ＧＰＳ（ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｇ ｓｙｓｔｅｍ）ユニットを搭載すれば、金属探知機からの出力と、ＧＰＳによる機械位置と方向の情報を合成して、探知結果を地図上にマッピングすることができる。このシステムの概略を図１１に示す。

バックホウに代えて、無人ヘリコプターに金属探知機を備えさせた例の概略を図１２に、飛行船に備えさせた例の概略を図１３に示す。

以上実施例を用いて本発明を説明したが、本発明は上記実施例に限定されない。例えば、上記実施例においては、土砂に埋設した被探知体を探知したが、本発明はこれに限定されない。土砂よりも磁気的特性が少ない雪に埋没した被探知体に対しても有効であることは言うまでもない。

本発明は、災害時等の埋没車両を探知する際に利用できる。

本発明の金属探知機の概略図である。 周波数と位相差の関係を示す図である。 コイルから離れた地点での磁場を示す図である。 金属探知機と被探知物との距離と相対感度の関係を示す図である。 センサの高さと相対感度の関係を示す図である。（ａ）はセンサを調整後のもの、（ｂ）はセンサの調整前後を比較したものである。 探知対象物の埋設イメージを示す図である。 実施例の模式図である。 探知結果の２次元データの写真である。 バックホウのバケットに金属探知機を備えさせた金属探知機システムの概略図である。 バックホウのキャビン下部に金属探知機を備えさせた金属探知システムの概略図である。（ａ）は探知中、（ｂ）は掘削時の図である。 バックホウのキャビン下部に金属探知機を備えさせ、ＧＰＳユニットをさらに備えさせたシステムの概略図である。 無人ヘリコプターに金属探知機を備えさせた金属探知システムの概略図である。 飛行船に金属探知機を備えさせた金属探知システムの概略図である。

符号の説明

１：１次コイル、２：２次コイル、３：支持軸、４：１次コイルの直径、５：１次コイルの中心、６：金属探知機、７：車両、８：センサ、９：ソリ、１０：ケーブル、１１：処理装置、１２：電池、１３：記録装置、１４：Ａ地点、１５：Ｂ地点、１６：第一測線、１７：第六測線、１８：バックホウ、１９：バケット、２０：キャビン、２１：ＧＰＳユニット、２２：ＧＰＳ基地局、２３：ＧＰＳ衛星、２４：カメラ、２５：オペレータ、２６：コンピュータ、２７：ヘリコプター、２８：飛行船、２９：通信装置

Claims (5)

1. 磁力線を発生する１次コイルと、
   前記１次コイルの直径の略延長上に磁気軸を有し、被探知体からの誘導磁場を検出する２次コイルとを備えており、
   前記１次コイルの直径が２０ｃｍより大きく、前記２次コイルの直径が１６ｃｍ未満である金属探知機。
2. 少なくとも請求項１に記載の金属探知機を備えた重機又は飛行体からなる金属探知システム。
3. 請求項１に記載の金属探知機を使用して地中０〜３ｍの深さに埋没した被探知体を探知する方法であって、
   １次コイルに８０〜７１０Ｈｚの周波数の交流電流を流して磁力線を発生させ、
   地面から５０ｃｍ以上離して計測する金属探知方法。
4. １次コイルから発生する１次磁場と、前記１次磁場から被探知体により誘導される２次磁場の位相差及び２次磁場の振幅を用いて探知を行う請求項３に記載の金属探知方法。
5. 請求項２に記載の金属探知システムを使用して地中０〜３ｍの深さに埋没した被探知体を探知する方法であって、
   １次コイルに８０〜７１０Ｈｚの周波数の交流電流を流して磁力線を発生させ、
   地面から５０ｃｍ以上離して計測する災害時の金属探知方法。