JP2009103545A - 磁気探知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気源の存在の有無だけでなく、どちらの方向に存在するかをしることができる磁気探知装置を提供する。
【解決手段】磁気探知装置本体１１に、２軸磁気センサ１３と、センサの運動の変化を検出する加速度センサ１２と、データ処理部１５と、表示部１６とを備え、データ処理部１５で、２軸磁気センサ１３で検出された磁界の磁界変化、磁界角度変化を算出し、前記センサの速度変化、検出磁界変化、検出磁界角度変化から磁気源の存在方向を推定し、推定した存在方向を表示部１６に表示する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、地中などに埋もれた金属等の磁気源を探知する磁気探知装置に関する。

地中などに埋もれた金属などの磁気源を探知するのに、図９に示すように、ケース本体１内の先端に１軸磁気センサ２を、他端外部にハンドル６を設けてなる磁気探知装置のハンドル６を使用者が持って、探査領域を移動して磁界を計測し、その計測磁界をデータ処理部４に取り込み、データ処理部４の制御で計測磁界の測定値に応じた音をスピーカ５より出力し、音量が大きくなると、磁気源が近くにあると判断するようにした磁気探知装置を使用している。なお、ここに示す磁気探知装置の１軸磁気センサ２は、地磁気等補償用の１軸磁気センサ３により地磁気等による磁気ノイズを補償している。また、３軸磁気センサを用いて、海底ケーブル等を精度良く検出する磁気探知装置も開示されている。（例えば特許文献１参照）
特開平０８−２３３９４５号公報

上記した従来の磁気探知装置では、磁気源が近くに来ると音で、その旨、知ることができるが、使用者はその存在を知ることができるのみで、どちらの方向に磁気源が存在するのか不明であるという問題があった。

この発明は、上記問題点に着目してなされたものであって、磁気源の存在の有無を知るだけでなく、どちらの方向（位置）に存在するかを知ることができる磁気探知装置を提供することを目的とする。

この発明の磁気探知装置は、２軸以上の磁気センサと、前記磁気センサの運動の変化を検出する加速度センサと、前記磁気センサの検出磁界より検出磁界変化を算出する検出磁界変化算出手段と、前記磁気センサの検出磁界より検出磁界角度の変化を算出する検出磁界角度算出手段と、前記運動変化、前記検出磁界変化、前記検出磁界角度の変化から磁気源の存在方向を推定する磁気源方向推定手段と、を備えている。

また、この発明の磁気探知装置においては、前記磁気源方向推定手段で推定した磁気源方向を出力する磁気源方向出力手段をさらに備えることができる。

また、この発明の磁気探知装置において、前記磁気源方向出力手段は、例えば、磁気源方向を表示する磁気源方向表示手段とできる。

また、この発明の磁気探知装置において、前記磁気源方向出力手段は、例えば、外部装置に磁気源方向データを出力する通信手段としてもよい。

この発明によれば、加速度センサにより検出する装置の速度変化と、2軸以上の磁気センサにより検出する磁界の変化と、検出する磁界角度の変化から、センサの現位置から進行方向に向いて定まるどのエリアに磁気源が存在するか推定し、その存在推定エリアを出力、例えば表示部に表示するので、磁気探知装置が、磁気源の近傍に近づいた時、どちらの方向に磁気源が存在するかを知ることができ、探索作業時間を短縮できる。

以下、実施の形態により、この発明を更に詳細に説明する。図１は、この発明の一実施形態磁気探知装置を説明するための概略側断面図である。図２は、同実施形態磁気探知装置の回路構成を示すブロック図である。この実施形態磁気探知装置は、円筒状の本体ケース１１内に、加速度センサ１２と、２軸（Ｘ軸，Ｙ軸）の磁気センサ１３と、この２軸磁気センサ１３の地磁気等の補償を行う2軸の地磁気補償用磁気センサ１４と、これら加速度センサ１２、２軸磁気センサ１３、2軸地磁気補償用磁気センサ１４からの検出データを取り込み、磁気源の検出、磁気源の存在するエリアの推定などの所要の演算などの処理を実行するデータ処理部１５と、推定エリアを表示する表示部１６を備えている。なお、本体ケース１１の外部一端には、使用者が、この実施形態磁気探知装置を容易に持ち運び可能なように、ハンドル17を備えている。また、この実施形態磁気探知装置では、本体ケース１１のハンドル１７側の先端に設けた磁気センサ１４を地磁気補償用とし、ハンドル１７とは逆の先端に設けた磁気センサ１３を磁気検出用としているが、事前に決めてさえおけば、逆に磁気センサ１３を地磁気補償用とし、磁気センサ１４を磁気検出用としてもよい。

加速度センサ１２によって、センサ（の本体ケース１１）の移動による加速度ｄ²ｘ／ｄｔ^２、ｄ²ｙ／ｄｔ^２、ｄ²ｚ／ｄｔ^２を検出し、この加速度から磁気探知装置（センサ）１１の速度ｄｘ／ｄｔ、ｄｙ／ｄｔ、ｄｚ／ｄｔを求め、図３に例示する進行方向Ｐを求める。つまり、速度ｄｘ／ｄｔ、ｄｙ／ｄｔ、ｄｚ／ｄｔより、磁気探知装置１１に対するセンサの進行角度αを求める（図3参照）。この進行角度αによって、２軸の磁気センサの場合の座標変換を行う。この場合、センサの進行方向Ｐに新Ｘ^‘軸を一致させる。この座標変換後の座標系（図５のＸ^、Ｙ^、軸参照）において、磁気源がエリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄのどの方向（エリア）に存在するかを推定する。

この実施形態磁気探知装置において、磁気源から発生する磁界を検出した場合、磁気センサ１３によって、磁界の変化ｄＢ／ｄｔと検出磁界角度の変化ｄΘ／ｄｔを求める。

ここで，Ｂは、各軸の計測磁界の合成値であり、ＸＹ平面における検出磁界角度は
Θ（ｔ）＝ａｒｃｔａｎ｛Ｂ^、ｙ（ｔ）／Ｂ^、ｘ（ｔ）｝と定義できる。

ここで、Ｂ^、ｘ、Ｂ^、ｙは座標変換後のＸ軸，Y軸方向磁気計測結果である。

上記の検出磁界変化ｄＢ／ｄｔ、検出磁界角度変化ｄΘ／ｄｔの正負から磁気センサ１３を中心として、どのエリアに磁気源があるかを推定する。磁気センサ１３が２軸の場合の推定結果の一例を図４に示す。ここでは、例えば磁界の変化ｄＢ／ｄｔが正で、検出磁界角度変化が正の場合、磁気源はエリアＡにあると推定する。この推定結果を表示部１６に表示する。

この実施形態磁気探知装置を用いて、磁気源の存在方向を測定する場合の概略を説明する。図６に示す磁気源２０の右側を磁気探知装置１１が、進行方向Ｐに、すなわち紙面の下方から上方に向けて進行して磁気源２０の存在方向を探知する場合を想定する。

動作開始時に、磁気探知装置１１（１１ａ）はａ位置にあり、この場合に位置ａでの検出磁界をＢａとする。そしてこの場合の検出磁界角度θａとする。次に進行方向を紙面の上方に向けて磁気探知装置１１が移動しサンプリングタイムΔｔ経過時にｂ位置を通過し、この位置ｂでの検出磁界Ｂｂとする。また、この場合の検出磁界角度をθｂとする。このｂ位置における磁気探知装置１１（１１ｂ）の検出磁界Ｂの変化ｄＢ／ｄｔは、磁気探知装置１１が磁気源２０に接近しているので明らかに正である。

また、検出磁界角度の変化を見ると、その角度回転方向（θａ→θｂ）は、左回りであり、これを正方向の回転としているので、結局磁界の変化ｄＢ／ｄｔ、検出磁界角度変化ｄθ／ｄｔともに正であり、図４よりして、推定エリアＡとなる。つまり、磁気源２０は、磁気探知装置１１の左前方のエリアＡ（図５参照）に存在することが推定される。

もし、仮に磁気探知装置１１が、動作開始当初はｂの位置にあり、そこから上方にサンプリングタイムΔｔだけ移動したときの検出磁界の変化、検出磁界角度の変化を判定すると検出磁界ｄＢ／ｄｔは，磁気探知装置１１が磁気源２０より遠ざかるように移動しているので負、一方、検出磁界角度変化ｄθ／ｄｔは、上記した位置ａから位置ｂへの移動時と同じ回転方向なので正である。それゆえ検出磁界変化ｄＢ／ｄｔが負，検出磁界角度変化ｄθ／ｄｔが正であり、図４よりして、推定エリアは、エリアＣとなる。図５において、座標（０，０）の位置が磁気探知装置の現在位置を示すので、エリアＣは、磁気源２０が磁気探知装置１１の左後方に存在することを示すものである。

次に、図７に示すフロー図を参照して、この実施形態磁気探知装置の処理動作を説明する。時刻ｔの到来毎に,図７の処理を実行する。なお、ここでは、磁気センサ１３として、２軸のものを用いている場合について説明する。

ステップＳＴ１において、加速度センサ１２の出力ｄ^２ｘ／ｄｔ^２、ｄ^２ｙ／ｄｔ^２を取り込み、この加速度データをデータ処理装部１５の記憶部に記憶する。

次に、ステップＳＴ２へ移行する。ステップＳＴ２においては、２軸磁気センサ１３の出力Ｂｘ，Ｂｙを取り込み、この磁界データをデータ処理部１５の記憶部に記憶する。

続いて、ステップＳＴ３へ移行する。ステップＳＴ３においては、加速度センサ１２の出力ｄ^２ｘ／ｄｔ^２、ｄ^２ｙ／ｄｔ^２よりセンサ（装置）の速度ｄｘ／ｄｔ、ｄｙ／ｄｔを求め、この速度から磁気探知装置に対するセンサの進行角度αを求める（図3参照）。

進行角度αは以下の式を演算して求める。一般に加速度センサのサンプリング間隔がΔｔの場合、時間ΔｔにおけるセンサのＸＹ軸方向の速度ｄｘ／ｄｔ（ｔ）、ｄｙ／ｄｔ（ｔ）は、同時刻に加速度センサから得られるｄ^２ｘ／ｄｔ^２（ｔ）、ｄ^２ｙ／ｄｔ^２（ｔ
）から以下の数式にて計算される。

ここでは、センサが手動で動かされる場合も想定されるためセンサが等加速運動をするとは限らない。また、実施形態磁気探知装置が静止した状態で起動されることを前提として、初速度を０とする。つまり、時間Δｔの時の速度は、次式で表わせる。

上記のＸＹ軸方向の速度から、座標変換の際に用いる進行方向の角度α（ｔ）は、次式（３）にて計算される。

ステップＳＴ３においては、この式（３）によって進行角度αを求める。次にステップＳＴ４へ移行する。

ステップＳＴ４においては、磁気源からの磁界検出か否か判定する。具体的には、磁気センサ１３の検出磁界が所定値以上か否かを判定する。検出磁界が所定値以上の場合は、ステップＳＴ５へ移行する。一方、検出磁界が所定値以上でない場合は、センサ近傍に磁気源が存在しないものとして処理を終了し、リターンする。

ステップＳＴ５においては、進行角度αにより、磁界の座標変換を行う。座標変換は、計測座標（ｘ，ｙ）におけるＸＹ軸方向の計測磁界値をＢｘ，Ｂｙとすると、センサｘ軸と進行方向のなす角をα^０とすると、計測座標（ｘ、ｙ）をα^０回転させた座標系（ｘ^，，ｙ^、）での磁界値Ｂｘ^、、Ｂｙ^、は次式（４）にて計算されることにより行う。

この座標変換により、センサの進行方向Ｐに、新Ｘ^、軸を一致させる。続いて、ステップＳＴ６へ移行する。ステップＳＴ６においては、計測磁界の合成値Ｂを求める。

ＸＹ２軸の合成磁界値Ｂは，ＸＹ軸方向の計測磁界値をＢｘ、Ｂｙとすると次式（５）にて計算される。

続いてステップＳＴ７へ移行する。ステップＳＴ７においては、磁界の変化ｄＢ／ｄｔ、検出磁界角度の変化ｄθ／ｄｔを求める。次にステップＳＴ８へ移行する。

ステップＳＴ８においては、磁界の変化ｄＢ／ｄｔが正か否か判定する。磁界の変化ｄＢ／ｄｔが正の場合は、次にステップＳＴ９へ移行する。一方、磁界の変化ｄＢ／ｄｔが正でない場合（負の場合）には、ステップＳＴ１２へ移行する。

ステップＳＴ９においては、検出磁界角度の変化ｄθ／ｄｔが正か否か判定する。ここで 検出磁界角度の変化ｄθ／ｄｔが正の場合は、ステップＳＴ１０へ移行する。一方、検出磁界角度の変化ｄθ／ｄｔが正でない場合（負の場合）は、ステップＳＴ１１へ移行する。

ステップＳＴ１０においては、ステップＳＴ８の磁界の変化ｄＢ／ｄｔが正であり、かつステップＳＴ９の検出磁界角度の変化ｄθ／ｄｔが正であるところから、磁気源は、図５に示すエリアＡに存在すると推定し、磁気源の存在推定エリアＡを表示部１６に表示する。

表示部16は、図8に示すように、全体が円形でＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの部分に分割された独立のセグメントから構成されている。したがって、エリアＡが推定されたここでは、セグメントＡが点灯される。もっとも表示部１６のエリア表示は図8以外の他の表示態様であってもよい。

また、ステップＳＴ１１においては、ステップＳＴ８の磁界の変化ｄＢ／ｄｔが正であり、かつステップＳＴ９の検出磁界角度の変化ｄθ／ｄｔが負であるところから、磁気源は、図５に示すエリアＢに存在すると推定し、表示部１６のセグメントＢを点灯する。

ステップＳＴ１２においては、検出磁界角度の変化ｄθ／ｄｔが負か否か判定する。ここで検出磁界角度の変化が負の場合は、ステップＳＴ１４へ移行する。一方、検出磁界角度の変化ｄθ／ｄｔが負でない場合（正の場合）は、ステップＳＴ１３へ移行する。

ステップＳＴ１３においては、ステップＳＴ８の磁界の変化ｄＢ／ｄｔが正でなく（負であり）、かつステップＳＴ１２の検出磁界角度の変化ｄθ／ｄｔが負でない（正である）あるところから、磁気源は、図５に示すエリアＣに存在すると推定し、表示部１６のセグメントＣを点灯する。

また、ステップＳＴ１４においては、ステップＳＴ８の磁界の変化ｄＢ／ｄｔが正でなく（負であり）、かつステップＳＴ１２の検出磁界角度の変化ｄθ／ｄｔが負である（正でない）あるところから、磁気源は、図５に示すエリアＤに存在すると推定し、表示部１６のセグメントＤを点灯する。

なお、上記実施形態において、磁気センサ１３は、２軸のものを使用する場合について説明したが、この磁気センサ１３として３軸のものを使用する場合は、上記処理における各計算を３次元空間に拡張して行えばよい。

３軸磁気センサの場合、図７のステップＳＴ３における進行速度は、加速度センサのサンプリング間隔がΔｔの場合、時間ΔｔにおけるセンサのＸＹＺ軸方向の速度ｄｘ／ｄｔ（ｔ）、ｄｙ／ｄｔ（ｔ）、ｄｚ／ｄｔは、同時刻に加速度センサから得られるｄ^２ｘ／ｄｔ^２（ｔ）、ｄ^２ｙ／ｄｔ^２（ｔ）、ｄ^２ｚ／ｄｔ^２（ｔ）から以下の数式にて計算される。

上記のＸＹＺ軸方向の速度から、座標変換の際に用いる進行方向の角度α（ｔ）、β（ｔ）は、次式（７）にて計算される。

次にステップＳＴ５における座標変換は、計測座標（ｘ，ｙ，ｚ）におけるＸＹＺ軸方向の計測磁界値をＢｘ，Ｂｙ，Ｂｚとすると上記式（７）で求めたα^０回転後の座標系（ｘ，ｙ，ｚ）での磁界値Ｂｘ^、、Ｂｙ^、、Ｂｚ^、、更にβ^０回転させた座標系（ｘ^，、，ｙ^、、、ｚ^、、）での磁界値Ｂｘ^、、、Ｂｙ^、、、Ｂｚ^、、、は次式（８）、（９）にて計算されることにより行う。

また、ステップＳＴ６における３軸の合成磁界値Ｂは、ＸＹＺ軸方向の計測磁界値をＢｘ、Ｂｙ、Ｂｚとすると次式（１０）にて計算される。

上記式（９）の座標変換を行った後、ｘ^、、ｙ^、、平面における検出磁界角度θは次の式（１１）にて計算される。

ここで、ｄＢ／ｄ及びｄθ／ｄｔから、磁気源の存在するエリアを推定できるのは、ｘ^、、ｙ^、、平面上であり（図５と同じ方法を用いる）、３次元空間上での推定が可能という訳ではない。

したがって、図７のフロー図に関しても、２軸の場合の「α」という文言が「α及びβ」という文言に置き換わるだけとなる。

次に、上記実施形態磁気探知装置の適用スケールオーダの一例を説明する。

磁気源として径２２ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円筒形ネオジウム磁石１個（約４．８×１０^−６Ｗｂ・ｍの磁気モーメントに換算する）を想定する。

実施形態装置において、磁気源から約４ｍ離れた地点で磁界を計測した場合、センサを数十ｃｍ程度移動させれば位置の推定を行うことができる。磁気及び加速度は５Ｈｚでサンプリングされるとすると、この時の移動速度は数十ｃｍ／ｓｅｃ程度でよい。

また、上記実施形態磁気探知装置においては、推定した磁気源の存在方向を、自身が備える表示部に表示するようにしているが、磁気源存在方向の推定データは、無線あるいは有線の通信手段により、船上あるいは陸上などに設置するデータ処理装置に出力するようにしてもよい。

また、磁気源存在方向データは、磁気源探知装置に記憶しておき、外部装置からの呼び出しに応じ、伝送出力するようにしてもよい。

この発明の一実施形態に係る磁気探知装置の概略構成を説明するための側断面図である。 同実施形態磁気探知装置の概略回路構成を示すブロック図である。 同実施形態磁気探知装置における座標変換を説明する図である。 同実施形態磁気探知装置における磁気源の存在エリアを説明するための論理表を示す図である。 同実施形態磁気探知装置における装置から見た磁気源の存在エリアを説明するためのエリアを示す図である。 同実施形態磁気探知装置における磁気源の存在エリア推定の概略処理を説明するため説明図である。 同実施形態磁気探知装置の処理動作を説明するためのフロー図である。 同実施形態磁気探知装置の表示部の表示画面の一例を示す図である。 従来の磁気探知装置の概略構成を説明するための側断面図である。

符号の説明

１１ 本体ケース体
１２ 加速度センサ
１３ 2軸磁気センサ
１４ ２軸地磁気補償用磁気センサ
１５ データ処理装置
１６ 表示部
１７ ハンドル

Claims (4)

1. ２軸以上の磁気センサと、前記磁気センサの運動の変化を検出する加速度センサと、前記磁気センサの検出磁界より検出磁界変化を算出する検出磁界変化算出手段と、前記磁気センサの検出磁界より検出磁界角度の変化を算出する検出磁界角度算出手段と、前記運動変化、前記検出磁界変化、前記検出磁界角度の変化から磁気源の存在方向を推定する磁気源方向推定手段と、を備えたことを特徴とする磁気探知装置。
2. 前記磁気源方向推定手段で推定した磁気源方向を出力する磁気源方向出力手段を備えることを特徴とする請求項１記載の磁気探知装置。
3. 前記磁気源方向出力手段は、磁気源方向を表示する磁気源方向表示手段であることを特徴とする請求項２記載の磁気探知装置。
4. 前記磁気源方向出力手段は、外部装置に磁気源方向データを出力する通信手段であることを特徴とする請求項２記載の磁気探知装置。