JP2009002866A - 埋設物探知センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサの検出感度を向上させた複合型の埋設物探知センサを提供する。
【解決手段】受信部１６及び送信部１８からなる磁気センサ１２と電波センサ１４を備え、電波センサ１４を構成する複数のアンテナ要素を受信部１６の外周上に配置し、さらに受信部１６を中心として、電波センサ１４の外周上に送信部１８を配置した埋設物探知センサ１０である。受信部１６は、一対の半円形状のコイル２０を対称に組み合わせて円形とし、コイル２０のコイルパターン方向を互いに反対に形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は埋設物探知センサに係り、特に複合センサにより地上から埋設物の探知を行う埋設物探知センサに関する。

埋設物を地上から探知するには、磁気センサや電波センサを用いた探知装置が利用されている。磁気センサを用いた探知装置は、磁気を発受信するコイルを有し、比較的浅い部分に埋設された物の探査に適している。一方、電波センサを用いた探知装置は、電波を発受信するアンテナを有し、磁気センサを用いた場合と比較して深度の深い部分に埋設された検査物の探査に適している。このことから、磁気センサと電波センサとの両方の特徴が得られる、磁気センサと電波センサとのいずれも用いた複合型探知装置が提案されている。

この複合型探知装置のセンサに関する発明として、特許文献１が挙げられる。特許文献１に開示された埋設物探知センサ１は、図７（１）に示すように磁気センサ２となるリング形状の受信部３及び送信部４と、このコイル間に電波センサ５となるアンテナ６とを備えた構成である。そして送信部４は、電流が供給されると磁界を発生させ、地中に埋設されている金属物に誘導起電力を発生させる。受信部３は、この誘導起電力により発生される磁界を感知して、埋設物の有無を探査する。また電波センサ５は、電流が供給されるとアンテナ６から電波を発生させる。埋設物はこの電波を反射するので、アンテナ６は反射電波を感知して、埋設物の有無を探査する。このように磁気センサ２及び電波センサ５を複合的に用いることにより埋設物の探知を行っている。
特開２００６−７１４０８号公報

ところで磁気センサと電波センサとからなる複合型探知センサにおいて、磁気センサは、導電線を巻き回したコイルにより形成している。すなわち受信部及び送信部はいずれも、ボビンに導電線を周方向に必要数巻き回した構成となる（図７（２）は送信部の側面図を示す）。

この巻き回し作業は作業員の手作業で長時間を要し、かつコイルごとに巻き方が不均一であり一定しない。コイルごとに巻き方が不均一であると、種々の測定誤差、例えばコイルの感度にばらつきが生じることがある。また磁気センサの製作に長時間を必要としていた。

また特許文献１の受信部は円形状であり探知センサの中心に配置している。この受信部３は、図８（１）に示すように大小２つのコイル（内側コイル３ａ、外側コイル３ｂ）から形成されている。内側コイル３ａの巻き線方向は反時計回りであり、外側コイル３ｂの巻き方向は時計回りである。各コイルは巻き数が同じであるが径が異なる。コイル３ａ，３ｂの磁界の大きさは図８（２）に示すようになり、探知する範囲が異なる。また径の異なる内側コイル３ａ及び外側コイル３ｂと図示しない送信コイルとの距離の違いにより、差動動作において送信磁界をキャンセルするときに完全にキャンセル（ゼロ）することができない。図８（３）は内側コイル３ａと外側コイル３ｂを軸対称に配置した状態の探知範囲を示す。図示のようにコイルの探知範囲は平面方向に対して同心円状に拡がるため、微小金属Ｍが移動してきたとき、その位置が探知できない。受信部３は中心で最大感度を示し、その周辺は３６０度方向同じ感度になるため、受信部３の中心から見た微小金属Ｍの方向の区別が困難であった。
上記従来技術の問題点を解決するために本発明は、磁気センサの検出感度を安定化させる複合型の埋設物探知センサを提供することを目的とする。

本発明の埋設物探知センサは、電波センサと受信部及び送信部からなる磁気センサとを備え、前記電波センサを構成する複数のアンテナ要素を本体中心に取り付けた前記受信部の外周上に配置し、さらに前記受信部を中心として、前記電波センサの外周上に前記送信部を配置した埋設物探知センサであって、前記受信部は、一対の半円形状のコイルを対称に組み合わせて円形とし、前記コイルの巻き方向を互いに反対に形成したことを特徴としている。
この場合において、前記受信部及び送信部は、基板の表面に複数巻きのコイルパターンを形成し基板化するとよい。

本発明の埋設物探知センサは、一対の半円形状のコイルを対称に組み合わせて円形の受信部としている。また一対のコイルはパターン数及び積層数が同等であって、互いにコイルパターンが反対方向となるように形成している。このため基板には正負号が逆転した電流が検出される。そして埋設物探知センサを走査させて例えば受信部の中心位置、すなわち一対の基板間の直下位置に金属製異物が配置されたとき、左右の受信部に同じ大きさの電流が流れることになる。このとき一方のコイルにはプラス電流、他方のコイルにはマイナス電流が流れており符号のみ逆転し、いずれも電流の大きさは等しい。よって、このコイル間の差分を取ることによって金属製異物の位置情報を正確に特定することができる。したがって受信部の検出感度及び精度が向上する。

本発明の埋設物探知センサは、受信部及び送信部からなる磁気センサを基板化している。具体的には受信部及び送信部は基板にコイルパターンを複数巻きし、この基板を複数カスケード（数珠つなぎ）接続して積層させた多層としている。このため、従来の導電線を巻き回したコイルに比べ基板にコイルパターンを均一に形成することができる。よってセンサは一定の品質が得られ安定する。したがって測定誤差、測定位置ずれを防止することができ、センサの精度及び検出感度が向上する。

また従来手作業で巻き回して作成していたのに比べ、プリント基板によりコイルの製作が短時間かつ容易となり、量産性がある。さらに検査物の受信感度に合わせて、受信部の層数を例えば４層およびそれ以上の層数（８層、１２層………）へ拡張することもできる。

以下に、本発明に係る埋設物探知センサの最良の実施形態について説明する。図１は埋設物探知センサにおけるセンサ部分の平面図である。図２は磁気センサの受信部基板の説明図である。図３は磁気センサの送信部基板の説明図である。図４は受信部及び送信部のコイルパターンの説明図である。

図１に示すように埋設物探知センサ１０は、主に磁気センサ１２と電波センサ１４とから構成されている。
磁気センサ１２は、センサ本体中心に配置した受信部と、センサ本体の外周に沿って配置した送信部との２つのコイルから構成されている。

受信部１６は図２（１）に示すように基板上に形成した一対の半円形状のコイル２０ａ，２０ｂからなり、コイル２０の切欠き部２１を線対称に組み合わせて全体として円形となるように配置している。また受信部１６の中心はセンサ本体の軸心と同心に形成している。

図２（３）は同図（１）のＢ部断面拡大図を示し、図示のように受信部１６は基板２３上に予め設定した複数巻きのコイルパターンを形成している。すなわちコイルパターンは、検査物に応じて受信部１６の抵抗値（Ω）が定まり、この抵抗値の範囲に収まるコイル径、巻き数が決まり、さらにこのコイル径、巻き数によってコイルパターンの幅、厚みが定まる。本実施形態では一例として、基板２３上にパターン幅０．１５ｍｍ、厚さ７０μｍのコイルパターンを１００μｍの間隔を開けて形成している。

図４（１）は受信部のコイル２０ａのコイルパターンの説明図である。本実施形態では一例として２００パターンの受信部１６の場合について説明する。設定したコイル径に受信部１６を収めるため、第１層から第４層にそれぞれ５０パターンを形成している。このとき第１層の終点と第２層の始点を電気的に接続し、第２層の終点と第３層の始点を電気的に接続し、第３層の終点と第４層の始点を電気的に接続し、第４層の終点をスルーホールを介して第１層の始点付近に近接配置している。各層は図示のようにいずれもパターン方向が時計回り（矢印ｇ）となるようにカスケード（数珠つなぎ）接続している。

図２（２）は同図（１）のａ矢視図を示し、図示のように受信部１６はコイル２０を形成した基板２３を複数積層させた多層に形成している。また、コイル２０ａの切欠き部側の平面Ａを線対称として、一対の第１コイル２０ａ，第２コイル２０ｂを組み合わせて円状に配置している。

図２（４）は同図（１）のＡ部拡大図を示し、コイル２０ａ，２０ｂに形成したパターンの始点及び終点は、切欠き部側に終点を配置し、円弧側に始点を配置している。これにより（１）に示すようにコイル２０ａのパターン方向は、切欠き部２１から右回り（時計回り）となる矢印ｆ方向となる。一方コイル２０ｂのパターン方向は、コイル２０ａと逆方向であって、切欠き部２１から左回りとなる矢印ｅ方向となる。

送信部１８は、図３（１）に示すように基板２３ｃ上に形成したリング形状のコイル２０ｃからなる。送信部１８は受信部１６と同心及び同一平面上に形成している。

図３（３）は同図（１）のＣ部拡大図を示し、図示のように送信部１８は基材２３ｃ上に予め設定した複数巻きのコイルパターンを形成している。コイルパターンは、受信部１６同様に、検査物に応じて送信部１８の抵抗値（Ω）が定まり、この抵抗値の範囲に収まるコイル径、巻き数が決まり、さらにこのコイル径、巻き数によってコイルパターンの幅、厚みが定まる。本実施形態では一例として、基板２３ｃ上にパターン幅０．５ｍｍ、厚さ７０μｍのコイルパターンを０．２ｍｍの間隔を開けて形成している。

図４（２）は送信部のコイルパターンの説明図である。本実施形態では一例として１００パターンの送信部１８の場合について説明する。設定したコイル径に送信部１８を収めるため、第１層から第４層にそれぞれ２５パターンを形成している。このとき第１層の終点と第２層の始点を電気的に接続し、第２層の終点と第３層の始点を電気的に接続し、第３層の終点と第４層の始点を電気的に接続し、第４層の終点をスルーホールを介して第１層の始点付近に近接配置している。各層は図示のようにいずれもパターン方向が時計回り（矢印ｈ）となるようにカスケード（数珠つなぎ）接続している。

図３（２）は同図（１）にｂ矢視図を示し、図示のように送信部１８は基板２３ｃを複数積層させた多層に形成している。
図３（４）同図（１）のＤ部拡大図を示し、基板２３ｃに形成したコイルパターンの始点及び終点は、これによりパターン方向が右回り（時計回り）となる矢印ｉ方向となる。

受信部の外側であって送信部１８の内側には、電波センサ１４を配設している。この電波センサ１４は、磁気センサ１２の受信部１６や送信部１８と略同一平面上に形成されている。この電波センサ１４は受信部１６の周囲に設けられた３素子型レーダセンサである。電波センサ１４は、３つのレーダアンテナ部２２（アンテナ要素）に分割されている。このレーダアンテナ部２２は、レーダアンテナ部２２の外側におけるある点を基準とした円周上においてずらして配置されており、本実施形態ではある点を基準として回転方向に１２０度ずつずらした状態で配置されている。レーダアンテナ部２２は複数層によって構成され、アンテナ基板が最下層に配置されている。アンテナ基板は三角状の板をエレメントとし、その頂点を対向させることで構成されたレーダアンテナ２６が設けられている。レーダアンテナ２６は本実施形態では金属メッキ処理により形成している。

次に、埋設物探知センサ１０の作用について説明する。図５は磁気センサの探知の説明図である。磁気センサ１２は、電源から送信部１８に電流が供給されると、送信部１８の断面を回るように磁束Ｇが発生する。送信部１８から発生した磁界によって、地中に埋設されている金属物に誘導起電力が発生する。この誘導起電力によって発生される磁界を受信部１６のコイル２０ａ，２０ｂが感知して、埋設物の探知を行っている。

図６は磁気センサの受信部の説明図である。同図（１）は平面図であり、同図（２）は（１）のＡ矢視図である。図示のように、半円形状のコイル２０ａ、２０ｂは巻き線方向が異なるが、同じパターン数、同一形状であり、磁界が同じ大きさになる。また図示しない送信コイルとの距離もコイル２０ａ、２０ｂでは同じであり、差動動作において、送信磁界をキャンセルすることができる。さらに、（２）に示すように微小金属Ｍが移動してきたときに、左右コイルの信号に違いが生じるためその方向がわかる。すなわち左側のコイル２０ｂのコイル極性の信号が大きくなり、中央の位置でほぼゼロになり、さらに移動すると右側のコイル２０ｂのコイル極性の信号が大きくなる。

また一対のコイル２０ａ，２０ｂはパターン数及び積層数が同等であって、互いにコイルパターンが反対方向となるように形成しているため、基板２０ａ，２０ｂには正負号が逆転した電流Ｉ_１が検出される（図５（２））。そして埋設物探知センサ１０を走査させて例えば受信部１６の中心位置、すなわち一対のコイル２０ａ，２０ｂ間の直下位置に埋設物３０が配置されたとき、左右のコイル２０ａ，２０ｂに同じ大きさの電流Ｉ_１が流れることになる。このとき一方のコイル２０ａにはプラス電流、他方のコイル２０ｂにはマイナス電流が流れて、符号のみ逆転し、いずれも電流の大きさは等しい。よって、このコイル２０ａ，２０ｂ間の差分を取ることによって埋設物３０の位置情報を正確に特定することができる。したがって受信部１６の検出感度及び精度が向上する。

一方、電波センサ１４は、図示しない給電モジュールからレーダアンテナ２６へ電流が供給されると、このレーダアンテナ２６は電波を発生させる。この電波は下方に向けて放射され、埋設物で反射する。そして電波センサ１４は、この反射波を感知して、埋設物の探知を行っている。具体的には、まずレーダコントローラは３つの偏波切換パルスを順次発生させる。このパルスは、偏波切換回路に供給され、偏波切換回路はレーダアンテナ２６のうち２つのアンテナを順次選択し、一つを受信用、他の一つを送信用としている。切換パルスが発生する度に、送信アンテナと受信アンテナが切り換えられる。このように送信の偏波が１２０度おきに回転し、受信の偏波もこれと１２０度の位相差をもって１２０度おきに回転するので、あらゆる方向に電波が送信され、またあらゆる方向から反射波が受信されることになる。偏波方向が固定されていると埋設物の埋設方向によっては検出が難しい場合があるが、このシステムは偏波方向が刻々と変わるので、どのような埋設方向の埋設物でも検出可能となる。

このように埋設物探知センサ１０は、一対の半円形状のコイルを対称に組み合わせて円形とし、互いにコイルパターンが反対方向となる受信部としたので、このコイル間の差分を取ることによって埋設物の位置情報を正確に特定することができる。したがって磁気センサの検出感度及び精度が向上する。

ところで電波センサのレーダアンテナは、アルミなどの金属を用いて形成されている。金属性材料を用いると渦電流の大きさが大きくなり、埋設物の検出性能が低下してしまうという問題があった。

本発明の電波センサ１４は、レーダアンテナを金属メッキにより形成している。一般に鉄、銅、アルミなどの金属は透磁率が大きい。これに比べ銅メッキ、ニッケルメッキなどのメッキ製品は透磁率が小さく受信部への影響が小さくなり、電波センサの材質としては適している。よって、本発明では電波センサの材質にＰＣＢ電解メッキを用いている。これによりレーダアンテナの金属部に発生する渦電流の影響を少なくすることができる。

本実施形態では、受信部の基板を円形状で説明したが、基板の形状はコイルパターンが半円形状に形成できればこれに限らず、例えばコイルパターンよりも一回り大きい半円形状とすることもできる。

埋設物探知センサにおける磁気センサの平面図である。 磁気センサの受信部基板の説明図である。 磁気センサの送信部基板の説明図である。 受信部及び送信部のコイルパターンの説明図である。 磁気センサの探知の説明図である。 磁気センサの受信部の説明図である。 従来の磁気コイルの説明図である。 従来の磁気センサの受信部の説明図である。

符号の説明

１………埋設物探知センサ、２………磁気センサ、３………受信部、４………送信部、５………電波センサ、６………アンテナ、１０………埋設物探知センサ、１２………磁気センサ、１４………電波センサ、１６………受信部、１８………送信部、２０………コイル、２１………切欠き部、２２………レーダアンテナ部、２３………基板、２６………レーダアンテナ、３０………埋設物。

Claims (2)

1. 電波センサと受信部及び送信部からなる磁気センサとを備え、前記電波センサを構成する複数のアンテナ要素を本体中心に取り付けた前記受信部の外周上に配置し、さらに前記受信部を中心として、前記電波センサの外周上に前記送信部を配置した埋設物探知センサであって、
   前記受信部は、一対の半円形状のコイルを対称に組み合わせて円形とし、前記コイルの巻き方向を互いに反対に形成したことを特徴とする埋設物探知センサ。
2. 前記受信部及び前記送信部は、基板の表面に複数巻きのコイルパターンを形成し基板化したことを特徴とする請求項１記載の埋設物探知センサ。

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