JP2021179317A - 磁気探査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微弱な磁気でも感受可能でかつ背景磁場の影響をうけずに高精度の磁気探査を可能とする磁気探査装置を提供すること。【解決手段】磁気探査子１０は、支持シャフト１５と、支持シャフトの一端に固定され磁気マーカー５が形成する磁場および地磁気と相互作用する磁場発生器１１と、支持シャフトの他端に固定され地磁気と相互作用する補償磁場発生器１２とを備え、磁場発生器と補償磁場発生器は地磁気と相互作用して磁気探査子の回転中心のまわりのトルクを相殺するように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、対象の加工面の裏面に配置した磁気マーカーの加工面における位置を探査する磁気探査装置に関するものである。

船舶、航空機、自動車等の組立技術において、外部パネルと内部の部品の組み付けをする場合に、内部部品の穴と同芯の位置を外部パネル上で特定し、パネルに穴加工してボルト等で結合する必要がある。そのため、通常は結合する断面方向より穴の同芯位置を目視にて特定し加工する。近年船舶、航空機、自動車等の材料として、軽量かつ高強度のカーボンファイバーが使用されるようになり、部材の一枚板化、大型化が進んでいる。その結果、穴加工の位置の特定が困難となり、また、部材が厚くなるとさらに高精度な探査が困難となる。

日本国特許公報第５４６１８９４号（特許文献１）に開示されるように、磁気探査精度を高めるべく、磁気探査子の支持シャフトを揺動自在に支持するジンバル機構の回動軸にベアリング機構を採用して磁気探査子の回動に伴う摩擦を低減したものが開発されている。

磁気探査精度を向上させるためには、磁気探査装置本体に固定される回動機構の摩擦、固定具のブレ等を極力低減させて磁気測定感度を向上させる必要がある。ところが測定感度が向上しても測定誤差が生じて測定精度に限界があることが明らかになった。すなわち、磁気マーカーと磁気的に相互作用しうるような磁性体を含む工具、治具等を一切排除した測定環境において磁気探査測定をしても、磁気探査子の指向する方向が磁気マーカーの位置からずれる傾向が見いだされた。

また、航空機の機体修理で部材を交換したり補修において機体に補強材を取り付ける際に、治具がない状況で短期間に板状部材等を取り付けなければならない場合がある。たとえば整備ハンガー等において運行スケジュール等の制約のなかで作業する事情により効率よくかつ的確な位置決めが求められることがある。このような場合にも部材の穴位置に種々の制約があることを踏まえ、整合がとれるように迅速に加工位置を決定しなければならない。このような要求に応えるべく高精度で種々の要求に即応できる磁気探査装置の開発が急がれる状況にある。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、本発明によれば対象が厚い非磁性材料であってもさらに高精度で迅速な加工位置の磁気探査が可能な磁気探査装置を提供することができる。

上記課題を解決するために、本発明の技術的側面によれば、非磁性の対象の所定位置に磁気マーカーを配置し、前記磁気マーカーが形成する磁場を前記対象を介して探査し前記所定位置に相応する位置を特定するための磁気探査装置であって、前記対象表面の所定位置に配置される本体と、２軸ジンバル機構を介して回転中心が前記本体に位置固定される磁気探査子と、磁気探査子の姿勢を表示する表示部とを具備し、前記磁気探査子は、前記２軸ジンバル機構に支持される支持シャフトと、前記支持シャフトの一端に固定され前記磁気マーカーが形成する磁場および地磁気と相互作用する磁場発生器と、前記支持シャフトの他端に固定され地磁気と相互作用する補償磁場発生器とを備え、前記磁場発生器と補償磁場発生器は地磁気と相互作用して前記磁気探査子の回転中心のまわりのトルクを相殺するように構成されることを特徴とする。

本発明によれば、磁気探査子の一端に磁場発生器、他端に補償磁場発生器を備えるため、磁場発生器は磁気マーカーの磁場および背景磁場と磁気的に作用し、補償磁場発生器は背景磁場と磁気的に相互作用するので、背景磁場の作用が相殺されて磁気探査精度が向上する。また、補償磁場発生器はカウンタウェイトとしても作用するため磁気探査子の重心調整が容易になる。さらに表示部は補償磁場発生器の磁場を利用して磁気センサにより磁気探査子の傾動を検出するため微弱な磁場であっても迅速に探査を誘導することができる。

本発明の磁気探査装置の原理を示す概念図。 磁気環境の影響を示す概念図。 背景磁場の補償の原理を示す概念図。 磁気センサと磁気探査子の関係を示す概念図。 表示部の概念図。

本発明の好適な実施形態を示す図面を参照して説明する。

＜測定誤差と背景磁場の検証（図２参照）＞
磁気マーカー５と磁気探査子１１０の磁気的相互作用を利用して磁気探査子の姿勢により磁気マーカー５の形成する磁場が規定する磁気基準軸Ｌｍを探査する場合に、それを阻害する要因である磁気探査子の揺動機構における摩擦力等を極力低減することによって磁気探査感度が向上する。ところが、磁気探査感度が向上しても磁気探査子１１０の主軸が指向する方向Ｌｐと磁気基準軸Ｌｍが一致しないという問題が生じた。すなわち、磁気マーカーが規定する磁気基準軸Ｌｍ上に磁気探査子の回転中心ＴＣが位置づけられているにもかかわらず磁気探査子１１０の主軸Ｌｐが傾斜して磁気基準軸Ｌｍと一致しない課題が明らかになった。このずれに一定の傾向があることから、磁気マーカー５と磁気探査子１１０の磁気的相互作用は磁気探査可能な程度に有意な大きさでありながら、他の磁気的要因がバイアスになってずれが生じている可能性が見いだされた。

そこで、磁気マーカー５と磁気的に相互作用しうるような磁性体を含む工具、治具等を一切排除した測定環境において磁気探査測定をして他の原因を鋭意検討した結果、高精度の磁気探査をする環境においては地磁気Ｂｇと磁気探査子１１０の磁気的相互作用が無視できないことが明らかとなった。

図２において磁気マーカー５は磁気モーメントＭｍの永久磁石を備え紙面上の上面をＳ極、下面をＮ極としている。磁気マーカー５の発生する磁場は磁力線Ｂｍで表され、磁力線Ｂｍは磁極（Ｓ，Ｎ）から仮想的な磁気基準軸Ｌｍ方向に伸びる。磁気探査子１１０の磁場発生器１１１は永久磁石を備え便宜上紙面における上面をＳ極、下面をＮ極としている。磁気発生器１１１は磁気探査子１１０のメインシャフト１１５に沿った方向を向く磁気モーメントＭｐを有し磁力線Ｂｍと磁気的に相互作用して磁気探査子１１０の主軸（メインシャフト１１５方向）が磁気マーカー５の基準軸Ｌｍを指向するように磁気力が作用する。したがって、磁気探査子１１０の回転中心ＴＣが磁気基準軸Ｌｍ上に位置しているときには磁場発生器１１１も紙面上真下の磁気マーカー５を指向するはずである。

ところが、背景磁場として地磁気が有意に作用する場合には磁気探査子１１０がわずかに傾動することがある。すなわち、図２において紙面上左側を北方向（Ｓ極側）とすると地磁気の磁力線Ｂgは磁場発生器１１１に対して横方向から作用する。そのため磁場発生器（磁気モーメントＭpの永久磁石）１１１は紙面上時計回りのトルクＮpが作用しそれに対応して磁気探査子１１０に回転中心ＴＣのまわりの時計方向のトルクが発生するので、磁場発生器１１１の位置が左方向にオフセットして測定誤差の原因となる。関連する磁気探査装置ではこのようなオフセットの問題は生じていなかったが、その後の改良により磁気検出感度が向上してより小さな磁場を探知することができるようになった結果、背景磁場としての地磁気の影響が測定誤差として顕在化したものと理解された。そこでこのような磁気探査誤差に影響を与える背景磁場の存在を考慮してさらに高精度化した磁気探査装置を開発するに到った。

ここで背景磁場とは磁気探査するエリアにおいて空間的に一様と見なせる磁場環境をいい、典型的には地磁気である。なお、地磁気は水平方向を向いているとは限らないが探査エリア内で一様な磁場であればよい。

＜磁気探査装置の構成＞
図１に本実施形態にかかる磁気探査装置１の概念図を示す。加工対象７は所定の厚さを有しカーボンファイバー等の非磁性材料から成る。加工対象７の第１面（裏面）７ｂにおいて穴加工位置が決定されると当該位置に磁気マーカー５が配置される。加工対象７の第１面７ｂにはスペーサー（板材）７ｓが挿入され磁気マーカー５を穴加工位置に位置固定するための貫通孔７ｓｈに磁気マーカー５の凸部５ｐが係合する。磁気マーカー５は永久磁石を内蔵し磁力線は磁極（Ｓ）から磁気基準軸Ｌｍ方向に伸びる。

磁気探査装置１は加工対象７を介して磁気マーカー５が配置される第１面７ｂに対向する第２面（表面）７ａにおいて磁気マーカー５が発生する磁場を探査する。磁気探査装置１は本体２の底面２ａが磁気探査面であり探査面７ａ上を移動しながら探査する。

磁気探査装置１は本体２、磁気マーカー５が発生する磁場を検知するための磁気探査子１０、磁気探査子１０を本体１の内部に揺動可能に支持するための軸受アセンブリ（ｘ，ｙ）、磁気探査子１０の姿勢を表示するための表示部２０ａ，２０ｂを有する。

磁気探査子１０はメインシャフト１５上に存在する回転中心ＴＣにおいて図示しない軸受アセンブリ（ｘ、ｙ）によって揺動自在に支持され、回転中心ＴＣは本体１に対して位置固定されている。また回転中心ＴＣは磁気探査子１０の重心と一致するように構成される。具体的には磁場発生器１１の重量は後述する補償磁場発生器１２や標識２０ａなどにより重量補償される。

本体底面２ａに垂直に位置固定された仮想基準線Ｌ０は回転中心ＴＣを通り、基準線Ｌ０が磁気マーカー５の磁気基準軸Ｌｍと一致するように磁気探査する。

軸受アセンブリ（ｘ、ｙ）は図示しない２軸ジンバル（ジャイロ）機構を有し、本体１の内部に位置固定された回転軸ｘのまわりに揺動自在に支持される外側ジンバルと外側ジンバルに位置固定されｘ軸に直交するy軸のまわりに揺動自在に支持される内側ジンバルを含み、内側ジンバルは磁気探査子１０のメインシャフト（支持シャフト）１５を支持する。これにより磁気探査子１０は重心位置でもある回転中心ＴＣのまわりに揺動自在となり、磁気探査子１０の姿勢（傾動）の原因は実質的に磁気探査子１０が感受する磁場のみとなる。なお、軸受アセンブリの回動軸にはベアリング機構が採用される。

磁気探査子１０はメインシャフト１５の一端側に磁場発生器１１が他端側に補償磁場発生器１２が取り付けられている。また、補償磁場発生器１２の端部には磁気探査子１０の傾動を視認するための標識２０ａが取り付けられ、本体２の窓部２０ｂとともに表示部２０を構成する。

磁場発生器１１と補償磁場発生器１２は典型的には永久磁石であるが鉄、コバルト、ニッケルやこれらを含む合金の強磁性材料でもよい。永久磁石ではない強磁性材料を使用する場合には探査の前に磁化を調整して背景磁場の影響の低減効果を確認することが好ましい。

＜背景磁場の相殺＞
図３を参照すると、磁気マーカー５から拡がる磁場Ｂｍは磁場発生器１１を基準軸Ｌｍに向かって吸引する方向に作用する。このとき背景磁場としての地磁気Ｂgが存在するため磁場発生器１１に紙面上時計回りのトルクＮpを発生してこれが磁気探査子１０を時計方向に回転するように作用する。一方、補償磁場発生器１２は典型的には回転中心ＴＣに対して磁場発生器１１と同じ距離に位置づけられ、磁気モーメントＭｓは大きさがＭpと同一で向きが反対である。すると、補償磁場発生器１２には地磁気の磁場Ｂgのみが作用するため紙面上反時計回りのトルクＮｃが発生してこれが磁気探査子１０を反時計方向に回転するように作用するため磁場発生器１１のトルクＮpの効果を相殺する。

補償磁場発生器１２は典型的には磁場発生器１１と同一形状、同一磁気モーメントを有する永久磁石を備える。また補償磁場発生器１２は回転中心ＴＣに対して磁場発生器１１のカウンタウェイトでもある。地磁気の磁力線Ｂgは水平向きとは限らないが磁場発生器１１と補償磁場発生器１２に実質的に同一の磁場が作用する環境であれば地磁気の向きにかかわらず地磁気の影響はキャンセルされる。また、磁気探査子１０は完全に重量バランスして軸受アセンブリ（ｘ、ｙ）に揺動自在に支持されているため、加工対象７の探査面７ａが水平である必要はなく傾斜していても下向きでもいかなる角度でも磁気探査可能であることはいうまでもない。

なお、背景磁場の作用を排除するためには磁場発生器１１と補償磁場発生器１２に作用するトルクが回転中心ＴＣに関して相殺すればよいので、それぞれの磁気モーメントや回転中心ＴＣからの距離を適宜変更してもよい。

上記構成によれば、（ｉ）磁場発生器１１は磁気マーカー５の磁場Ｂｍおよび背景磁場（地磁気）Ｂｇと相互作用し、（ｉｉ）補償磁場発生器１２は背景磁場Ｂｇと相互作用し、なおかつ（ｉｉｉ）磁場発生器１１と補償磁場発生器１２の磁気モーメントは極性が逆でありそれぞれの磁気探査子に対する背景磁場の効果が相殺されるため背景磁場の影響を受けずに磁気探査することができる。すなわち、磁気探査において磁気マーカー５が形成する磁場が微弱となる距離（加工対象の厚さ）において磁場Ｂｍが磁場発生器１１に作用する力と背景磁場としての地磁気の影響が同程度である場合でも誤差を発生せず高精度探査をすることができる。

＜表示部＞
図４、５に表示部２０の構成を模式的に示す。図４（ａ）は本体２の主軸（基準軸）Ｌ０方向からみた揺動可能な補償磁場発生器１２と本体２に位置固定された磁気センサ２１の位置関係を示し、図４（b）は主軸Ｌ０に垂直な方向からみた補償磁場発生器１２と磁気センサ２１の関係を示す。磁気探査子１０の傾動状態は一端に取り付けられた標識２０ａの位置を直接視認することにより行われてきたが、加工対象が厚い場合など探査する磁場Ｂｍが弱い場合には視認が困難な場合があった。

本実施形態の表示部２０は補償磁場発生器１２の磁場を利用して磁気センサ部２１により非接触で磁気探査子１０の傾動状態を検出しインジケータ２７に出力する。磁気センサ部２１は揺動可能な補償磁場発生器１２と非接触の状態で本体内部の上部に位置固定され、複数のフラックスゲート２２が本体２の主軸Ｌ０を取り囲むように配列している。なお、本実施形態では３個のフラックスゲートを用いたが６個としてもよい。また、磁気感受素子２２はフラックスゲートのほかにホール素子、ＭＲ素子を用いてもよい。補償磁場発生器１２が発生する磁場は磁力線が磁極（Ｎ）から磁気探査子１０の主軸Ｌp方向に延びるように分布する。したがって、磁気探査子１０の揺動に相応して各磁気感受素子２２が感受する補償磁場発生器１２の磁束密度の関係が変化するため、非接触で磁気探査子１０の傾動状態を検出することができる。

コントローラ２３はマイクロコントロールユニット（ＭＣＵ）を含んで構成され、本体２に位置固定された基準線Ｌ０から補助磁場発生器１２がずれた場合にはその位置を検出して基準線Ｌ０を指向するように対応するインジケータ２７を点灯または点滅して磁気探査装置１の探査操作を誘導する。磁気探査子１０の姿勢の表示は磁気探査を誘導するための表示であって、磁気探査装置の移動すべき方向を示す。インジケータ２７は本実施形態では本体に位置固定され主軸Ｌ０に垂直な平面上で直交するＸ軸、Ｙ軸に沿って各表示素子が複数配列し、補償磁場発生器１２が本体２の主軸Ｌ０から離れた状態のときに磁気探査装置１の移動すべき方向と距離を視認することができる。

また、磁気探査装置１（基準軸Ｌ０）が磁気マーカー５の基準軸Ｌｍ上に収束して補助磁場発生器１２が基準線Ｌ０上に位置した場合にはすべてのインジケータ２７が点灯するように構成してもよい。インジケータ２７は複数のＬＥＤ等の発光灯を用いてもよいが液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ上に同等のデザインを表示してもよい。本実施形態の表示部２０によれば探査磁場Ｍｂが小さく磁気探査子１０の傾動が視認しにくい場合でも迅速に磁気探査を誘導することができる。また、磁気探査においては磁気探査子１０が揺動して振動しながら静止位置に収束していくが、本実施形態の表示部によれば磁気探査子１０の揺動が収まらなくてもコントローラ２３が振動幅から傾動量を推測して迅速に磁気探査を誘導することができる。

１ 磁気探査装置 ２ 本体
１０ 磁気探査子
１５ メインシャフト
１１、１１１ 磁場発生器
１２ 補助磁場発生器
２０ａ，２０ｂ、１２０、２０ 表示部
ＴＣ 回転中心（磁気探査子）
ｘ、ｙ ジンバル機構の回動軸
７ 加工対象
５ 磁気マーカー
Ｌｍ 磁気基準軸（磁気マーカー）
Ｌ０ 磁気探査装置の基準軸
２１ 磁気センサ部
２２ 磁気感受素子
２３ コントローラ（ＭＣＵ）
２７ インジケータ

Claims (5)

1. 非磁性の対象の所定位置に磁気マーカーを配置し、前記磁気マーカーが形成する磁場を前記対象を介して探査し前記所定位置に相応する位置を特定するための磁気探査装置であって、
   前記対象の表面に配置される本体と、
   ２軸ジンバル機構を介して回転中心が前記本体に位置固定される磁気探査子と、
   前記磁気探査子の姿勢を表示する表示部と、
   を具備し、
   前記磁気探査子は、
   前記２軸ジンバル機構に支持される支持シャフトと、
   前記支持シャフトの一端に固定され前記磁気マーカーが形成する磁場および地磁気と相互作用する磁場発生器と、
   前記支持シャフトの他端に固定され地磁気と相互作用する補償磁場発生器と、
   を備え、
   前記磁場発生器と補償磁場発生器は地磁気と相互作用して前記磁気探査子の回転中心のまわりのトルクを相殺するように構成されることを特徴とする磁気探査装置。
2. 前記磁場発生器および補償磁場発生器は強磁性体であることを特徴とする請求項１記載の磁気探査装置。
3. 前記磁場発生器および補償磁場発生器は永久磁石であることを特徴とする請求項１記載の磁気探査装置。
4. 前記表示部は前記本体に位置固定され前記補償磁場発生器の磁気を検出する磁気センサを具備し、検出された磁気に基づいて前記磁気探査子の姿勢を表示することを特徴とする請求項３記載の磁気探査装置。
5. 前記磁気センサは複数のフラックスゲートにより磁気を検出することを特徴とする請求項４記載の磁気探査装置。

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