JP2009075099A - 磁気計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】姿勢を気にせず３軸磁気センサを設置でき、姿勢を規定して設置することが困難な場所においても微小磁気計測を行いうる磁気計測装置を提供する。
【解決手段】所定の姿勢に設置される基準姿勢３軸磁気センサ１−１と、任意の姿勢に設置した複数個の３軸磁気センサ１−２、１−３と、信号処理装置２を備え、信号処理装置２で、任意姿勢の３軸磁気センサ１−２，１−３の各出力データを、基準姿勢と等価な姿勢での計測データに変換し、変換後のデータを地磁気補償用磁気データと被補償用磁気データとして用い、被補償用磁気データから地磁気補償用データを引くことにより、地磁気補償を行う。
【選択図】 図１

Description

この発明は、地磁気中における微小磁気の計測を行う磁気計測装置に関する。

一般に、地磁気の変動よりも微小な磁気を計測する場合、地磁気補償用磁気センサ出力を被補償用磁気センサ出力から引いて地磁気補償を行っており、３軸磁気センサにおいては、地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサの設置の際、東西南北に関しては地磁気を利用し、鉛直方向に関しては水準器を利用して、地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサの姿勢を調整し、３軸の方向を一致させている。

また、磁気センサの姿勢を調整するのが困難な場所においては、基準の姿勢の磁気センサで測定した地磁気の３成分より、任意の姿勢の磁気センサで測定した地磁気の３成分の感度軸に対するずれ角を算出し、前記ずれ角に基づいて軸まわりの回転演算を行い、感度軸に対して所望する関係となるように被測定磁界値を変換し、３軸の方向を一致させる磁気測定装置が開示されており（例えば特許文献１参照）、任意の姿勢で設置された地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサを基準姿勢に変換し、地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサの３軸の方向を一致させている。
特開平７−１９８８０９号公報

上記した従来の一般的な方法で地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサの３軸方向を一致させる場合、地磁気及び水準器を使用して合わせる方法では、手間、時間がかかる。また、特許文献１に記載の方法では、任意姿勢の磁気センサから見れば、基準姿勢磁気センサと姿勢が異なっていても、地磁気の３軸の出力が同じになる姿勢が存在するため、任意姿勢の地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサの姿勢を基準姿勢に一致させるのは、困難である、
この発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサの姿勢を任意に設置しても、地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサの３軸の方向が一致するようにし、地磁気補償をなしうる磁気計測装置を提供することを目的とする。

本願の請求項１に係る磁気計測装置は、 地磁気中で動作させる複数個の３軸磁気センサとこれら３軸磁気センサからの信号を地磁気補償する信号処理装置とを具備してなるものにおいて、前記信号処理装置に任意の姿勢に設置した３軸磁気センサの各軸の出力データを、少なくとも１個の姿勢を規定して設置した基準姿勢３軸磁気センサの各軸の出力データを用いて、前記基準姿勢磁気センサと同じ姿勢で計測した場合と等価な出力データに変換する手段を備えたことを特徴とする。

また、請求項２に係る磁気計測装置は、前記基準姿勢変換後の３軸磁気センサを、地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサに分類し、請求項１に係る磁気計測装置の前記信号処理装置により、基準姿勢変換後の被補償磁気センサ各軸出力データから基準姿勢変換後の地磁気補償磁気センサ各軸出力データを減算することにより地磁気補償を行う手段を備えたことを特徴とする。

また、請求項３に係る磁気計測装置は、請求項２に係る磁気計測装置の前記信号処理装置により、前記基準姿勢変換後の地磁気補償用磁気センサの出力データに係数をかけて、前記基準姿勢変換後の被補償用磁気センサの出力データから減算を行い、基準姿勢変換後の被補償用磁気センサの各軸の出力データ及び全磁力の出力データの地磁気補償を行う手段を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、３軸磁気センサを設置する際に、基準姿勢磁気センサ以外の３軸磁気センサの姿勢を気にせずに、つまり方向を規定することなく設置できるので、姿勢を規定して設置することが困難な場所においても磁気測定を行なうことが可能となる。

また、信号処理装置が、基準姿勢変換後の被補償磁気センサ各軸出力データから基準姿勢変換後の地磁気補償磁気センサ各軸出力データを減算する機能を備えることとすれば、地磁気補償を行うことができるため、微小磁気計測を行うことが可能となる。

以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図１はこの発明の一実施形態磁気計測装置のシステム構成を示す概略構成図である。

この実施形態磁気計測装置では、複数個（ここでは３個）の３軸磁気センサ１−１、１−２、１−３が配置されている。これらの３軸磁気センサ１−１〜１−３は少なくとも１個の３軸磁気センサ１−１が姿勢を規定した基準姿勢磁気センサとされ、この３軸磁気センサ１−１の３軸は、例えば、南北、東西、鉛直方向に向いている。その他の複数個の３軸の磁気センサ１−２、１−３は、それぞれ任意の姿勢で設置されている。３軸磁気センサ１−１〜１−３で検出された３軸の磁気データは、信号処理装置２に取り込まれ、データ処理される。

信号処理装置２では、図２に示すフロー図の各信号処理を実行する機能を有する。第１の処理として、ステップＳ１において、基準姿勢変換係数計算を行う。ここでは、任意姿勢の３軸磁気センサ１−２、１−３の出力を基準姿勢の出力に変換するための変換係数（基準姿勢変換係数）を求める。次にステップＳ２に移行する。

ステップＳ２において、第２の処理として、基準姿勢変換を行う。ここでは、第１の処理で求めた基準姿勢変換係数を任意姿勢の３軸磁気センサ１−２、１−３の出力に適用し、基準姿勢出力に変換する。次にステップＳ３に移行する。

ステップＳ３において、第３の処理として、地磁気補償係数計算を行う。ここでは、地磁気補償を行うために、基準姿勢に変換した３軸磁気センサ１−２、１−３の出力を地磁気補償用出力及び被補償用出力に分類し、被補償用磁気データから地磁気補償用磁気データを引く際の振幅、オフセット補償用の地磁気補償係数を求める。次にステップＳ４へ移行する。

ステップＳ４において、第４の処理として、地磁気補償を行う。ここでは、第３の処理で求めた地磁気補償係数を用いて地磁気補償を行う。

以下に、第１の処理から第４の処理の詳細を説明する。

先ず、第１の処理、基準姿勢変換係数計算について説明する。図３に示すように、基準姿勢磁気センサのＺ軸と地磁気Ｈのなす角をθｋ、基準姿勢磁気センサのX軸と地磁気のＸY平面成分のなす角をφｋ、任意姿勢磁気センサのZ軸と地磁気のなす角をθｎ、任意姿勢磁気センサのＸ軸と地磁気のＸY平面成分のなす角をφｎ、任意姿勢磁気センサのＺ軸まわりの回転角をψｎとする。また姿勢の変換に関しては、式（１）に示す各軸周りの回転に関する一般式を用いる。式（１）の回転方向を図４に示す。図４において、（ａ）はＸ軸周りの回転を、（ｂ）はＹ軸周りの回転を、（ｃ）はＺ軸周りの回転を示す。

次に、第１の処理における基準姿勢変換係数の信号処理過程を図5に示すフロー図を用いて説明する。先ずステップＳＴ１において、時刻tにおける基準姿勢センサデータHx、Hy、Hzを取り込む。
次に、ステップＳＴ２へ移行する。

ステップＳＴ２においては、基準姿勢センサの角度θｋ、φｋを求める。この角度θｋ、φｋは式（２）にステップＳＴ１で求めたデータHx、Hy、Hzを入れて求める。なお、基準姿勢センサは地磁気を基準として東西方向を合わせている場合、φkは0である。また、θkを求めるときは、式（２）に示すように、式（３）を用いて、Hx’、Hy’をHx_φ’、Hy_φ’に変換しておく必要がある。

次に、ステップＳＴ３へ移行する。

ステップＳＴ３においては、基本姿勢センサのZ軸周りにφｋ、Y軸周りにθｋ回転し、基本姿勢センサのZ軸を地磁気のベクトルの方向と一致させる変換（以下、変換１という）を行う。変換式は、式（１）を用いて、式（３）、式（４）のように表せる。

次に、ステップＳＴ４へ移行する。
ステップＳＴ４においては、時刻tにおける任意姿勢センサデータHx^’、Hy^’、Hz^’を取り込む。
次に、ステップＳＴ５へ移行する。
ステップＳＴ５においては、時刻tにおけるθｎ、φｎを求める。この係数θｎ、φｎは、ステップＳT２における式（２）と同様に式（５）に、ステップＳＴ４で求めたHx^’、Hy^’、Hz^’を入れて求める。なお、θnを求めるときは、式（５）に示すように、式（６）を用いて、Hx’、Hy’をHx_φ’、Hy_φ’に変換しておく必要がある。

次に、ステップＳＴ６へ移行する。
ステップＳＴ６においては、ステップＳＴ３で基準姿勢センサに変換を行なったと同様に、任意姿勢センサについても、式（６）、式（７）を用いて変換１を行なう。

次に、ステップＳＴ７へ移行する。
ステップＳＴ７においては、変換１後の基準姿勢センサと任意姿勢センサのｘ、y軸を一致させるために、任意姿勢センサのｘ、y軸をz軸周りにψn回転させ、変換１後の基準姿勢センサのｘ、y軸と一致させる。回転角ψｎは式（８）を用いて求める。

次に、ステップＳＴ８へ移行する。
ステップＳＴ８においては、基準姿勢変換係数θｎ、φｎ、ψｎを記憶部に格納する。

続いて、第２の処理における基準姿勢変換の処理過程を図６に示すフロー図を参照して説明する。

先ずステップＳＴ１１においては、上記した第１の処理過程で求めた基準姿勢変換係数θｎ、φｎ、ψｎを読み込む。
次に、ステップＳＴ１２へ移行する。

ステップＳＴ１２においては、任意姿勢センサデータHx^’、Hy^’、Hz^’を取り込む。
次に、ステップＳＴ１３へ移行する。
ステップＳＴ１３においては、基準姿勢変換係数θｎ、φｎ、ψｎ、θkと任意姿勢センサデータHx^’、Hy^’、Hz^’とを用いて式（９）を演算し、基準姿勢変換を実行する。この演算の実行により、基準姿勢変換結果Hx₀ ^’、Hy₀ ^’、Hz₀ ^’を得る。

続いて、第３の処理における地磁気補償係数計算の処理過程を図７に示すフロー図を参照して説明する。
先ず処理開始のステップＳＴ２１においては、基準姿勢変換後の地磁気補償用磁気データを読み込む。
次に、ステップＳＴ２２へ移行する。

ステップＳＴ２２においては、基準姿勢変換後の被補償用磁気データを読み込む。
次に、ステップＳＴ２３へ移行する。
ステップＳＴ２３においては、地磁気補償係数をステップＳＴ２１と、ステップＳＴ２２で読み込んだデータから最小自乗法を用いて３軸分の地磁気補償係数を求める。地磁気補償係数α、βは式（１０）を演算実行して求める。

なお、Ｎはデータ数、Hx₀’は補償用磁気データ、Hx_１ ^’は地磁気補償用磁気データを示す。また、ｙ、ｚ軸についても、式（１０）と同様に求める。
最後に、第４の処理における地磁気補償計算の処理過程を図８に示すフロー図を参照して説明する。

先ずステップＳＴ３１において、地磁気補償係数を読み込む。
次に、ステップＳＴ３２へ移行する。
ステップＳＴ３２においては、基準姿勢変換後地磁気補償用磁気データを取り込む。
次にステップＳＴ３３へ移行する。

ステップＳＴ３３においては、基準姿勢変換後被補償用磁気データを取り込む。
次にステップＳＴ３４に移行する。
ステップＳＴ３４おいては、基準姿勢変換後被補償用磁気データから、基準姿勢変換後地磁気補償用磁気データに地磁気補償係数をかけた結果を引く。地磁気補償データは、次の式（１１）を演算実行して求める。

ここで、Hｘ₀ ^’は被補償用磁気データ、Hｘ₁ ^’は地磁気補償用磁気データ、Hｘ₂ ^’は地磁気補償結果を示す。y軸、z軸についても同様に求める。
なお、上記実施形態において、第１の処理における角度ψｎは式（８）を用いて求めたが、最小自乗法を用いて求めても良いし、式（１２）に示すように、角度ψnによる回転の代わりに、任意姿勢センサの一致させる軸の出力と他の２軸の出力を用いて、基準姿勢センサの軸と一致させても良いし、角度ψnによる回転と式（１２）を用いた方法を併用しても良い。式（１２）は、x軸をあわせる場合に使用する式である。y軸、z軸も同様の式を用いる。また、第３の処理における地磁気補償係数は式（１１）を用いて求めたが、オフセット、感度のみでなく、３軸の直交度も考慮した補償係数を求めても良い。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明における信号処理装置２は、上記第１の処理及び第２の処理のみを実行可能に構成されているもの、及び、上記第１〜第４の処理を全て実行可能に構成されているもののいずれであってもよい。ただし、第１〜第４の処理をすべて実行可能に構成されている信号処理装置２を採用すれば、地磁気補償を行うことができるため、微小磁気計測が可能となる。

また、上記実施形態において、基準姿勢変換後の地磁気補償用磁気センサの出力データに地磁気補償係数α、β等をかけて減算することとしたが、係数を掛けることなく減算することとしても良い。ただし、上記実施形態のように求めた地磁気補償係数を掛けて減算することにより、地磁気補償の精度を向上させることが可能となる。

この発明の一実施形態磁気計測装置のシステム構成を示す概略図である。 同実施形態磁気計測装置の処理概要を説明する図である。 地磁気と３軸感度軸の位置関係と説明する図である。 ３軸まわりの回転移動を説明する図である。 上実施形態磁気計測装置における基準姿勢変換係数計算の処理過程を説明するフロー図である。 同実施形態磁気計測装置における基準姿勢変換の処理過程変換を説明するフロー図である。 同実施形態磁気計測装置における地磁気補償係数計算の処理過程を説明するフロー図である。 同実施形態磁気計測装置における地磁気補償の処理過程を説明するフロー図である

符号の説明

１−１ 基準姿勢センサ
１−２、１−３ 任意姿勢センサ
２ 信号処理装置

Claims (3)

1. 地磁気中で動作させる複数個の３軸磁気センサと、これら３軸磁気センサからの信号を地磁気補償する信号処理装置とを具備してなる磁気計測装置において、
   前記信号処理装置に、任意の姿勢に設置した３軸磁気センサの各軸の出力データを、少なくとも１個の姿勢を規定して設置した基準姿勢３軸磁気センサの各軸の出力データを用いて、前記基準姿勢磁気センサと同じ姿勢で計測した場合と等価な出力データに変換する手段を備えたことを特徴とする磁気計測装置
2. 前記任意の姿勢に設置した３軸磁気センサを、地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサに分類し、前記信号処理装置により、地磁気補償用磁気センサ及び被補償用磁気センサの出力データを基準姿勢変換し、基準姿勢変換後の被補償用磁気センサ各軸出力データから基準姿勢変換後の地磁気補償用磁気センサ各軸出力データを減算することにより、地磁気補償を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の磁気計測装置。
3. 前記基準姿勢変換後の地磁気補償用磁気センサの出力データに係数をかけて、前記基準姿勢変換後の被補償用磁気センサの出力データから減算を行い、基準姿勢変換後の被補償用磁気センサの各軸の出力データ及び全磁力の出力データの地磁気補償を行うようにしたことを特徴とする請求項２記載の磁気計測装置。