JP4527273B2 - 方位測定方式 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基準位置に対する測定対象位置の方位を測定する方位測定方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
山腹や道路の路肩のような斜面の崩壊を測定する場合の測定手法として、以下のような例がある。第一の例では、測定対象位置と基準位置との間にワイヤを設置すると共にワイヤには張力計を設置し、ワイヤの張力から斜面の崩壊発生を検出する。第二の例では、測定対象位置と基準位置との間にワイヤを設置すると共にワイヤには移動計などを設置し、ワイヤの変位から斜面の崩壊発生を検出する。
【０００３】
これらの測定手法は、測定対象に対して測定系を接触させる形で測定しており、測定間隔、すなわち測定対象位置と基準位置との間隔を長くするとワイヤの弛みが測定誤差として影響することになることから、比較的短距離の間隔の測定に限定される。
【０００４】
上記の問題点を解消する測定手法として、光学測定方式がある。光学測定方式を用いる場合には光波距離計やトランシット等が用いられる。このような光学計測機器を用いることで、基準位置を決定して測定対象位置への光学測量を行い、基準位置に対する測定対象位置の方位変化を非接触で求めることができる。しかも、測定間隔も長距離にすることが可能となり、斜面の変位や崩壊を測定する方式として多く用いられている。
【０００５】
しかしながら、光学測定方式では地表面の変位を３次元座標系で求めることはできても、地中内部においては光学計測機器では検出対象位置を直視できないことから地中内部の変位を測定できないという欠点があった。
【０００６】
上記のような問題点を解決する手法として本発明者により以下のような方位測定装置が提案されている（特願２０００−２４５７６１号）。
【０００７】
以下に、図３を参照してこの方位測定装置について説明する。図３は方位測定装置の構成を示すブロック図である。
【０００８】
図３において、本方位測定装置は、交流信号を出力する発振回路１１とその出力を増幅するための増幅器１２とを有する。発振回路１１の周波数は可聴帯域が好ましいが、これに限定されない。方位測定装置はまた、互いに直交する三軸座標系のそれぞれの軸に中心軸が一致するように一体化してあらかじめ決められた基準位置Ｐ１に配置された第一、第二、第三の励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚと、第一、第二、第三の励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚを増幅器１２の出力で順に励磁するための切換回路１４とを有する。方位測定装置は更に、互いに直交する三軸座標系のそれぞれの軸に中心軸が一致するように一体化して基準位置Ｐ１から離れた測定対象位置Ｐｘに配置された第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚと、第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚの出力を順に取り出すための第四の切換回路１６とを有する。第四の切換回路１６には、これから取り出された出力から電圧信号を得る電圧取出し回路として、第四の切換回路１６の出力の検波を行う検波回路１７が接続されている。検波回路１７の出力は電圧計１８により電圧信号として取出されたり、後述する演算装置（図示せず）に入力される。
【０００９】
基準位置Ｐ１と測定対象位置Ｐｘとの位置関係は未知である。すなわち、基準位置Ｐ１はあらかじめ決められた位置に配置されるが、測定対象位置Ｐｘの位置は任意であり、第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚはどのような姿勢で配置されても良い。言い換えれば、第一、第二、第三の励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚの三軸座標系と、第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚの三軸座標系は、それぞれの軸を合わせて配置するようなことは不要である。これは、一体化された第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚは、地表面に限らず、地中に埋め込まれたり水中に投棄して配置されるからである。この場合、本方位測定装置の設置箇所に応じて、第一、第二、第三の励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚと切換回路１４より前段の回路を信号ケーブルで結び、第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚと第四の切換回路１６より後段の回路を信号ケーブルで結ぶようにするのが好ましい。これは、後述する実施の形態においても同様である。
【００１０】
本方位測定装置の動作は、簡単に言えば、はじめに、第一の励磁コイル１３Ｘを励磁してその際の第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起される電圧を順に取り出す。次に、第二の励磁コイル１３Ｙを励磁してその際の第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起される電圧を順に取り出し、続いて、第三の励磁コイル１３Ｚを励磁してその際の第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起される電圧を順に取り出す。そして、第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚから得られた合計９種類の誘起電圧を用いてあらかじめ定められた演算（後述する）を行うことにより、基準位置Ｐ１から測定対象位置Ｐｘへの方位を算出する。
【００１１】
具体的に言えば、発振回路１１の出力を増幅器１２で電力増幅した後、切換回路１４において第一から第三までの励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚをそれぞれ所定時間だけ励磁するように順次切り換え、互いに９０度の角度関係で磁界を発生させる。そして、第一の励磁コイル１３Ｘを励磁しているときに第一から第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起する電圧をそれぞれ、第四の切換回路１６を通して検波回路１７、電圧計１８により測定する。
【００１２】
次に、第二の励磁コイル１３Ｙを励磁しているときに第一から第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起する電圧をそれぞれ測定する。同様にして、第三の励磁コイル１３Ｚを励磁しているときに第一から第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起する電圧を測定する。これらの電圧測定により９種類の電圧データが得られる。
【００１３】
図４は本方位測定装置による方位測定の原理を説明するための図である。例えば、Ｘ軸コイルである励磁コイル１３Ｘから発生する磁気モーメントをＭとして、磁気モーメントＭが作る磁界上の点Ｐにおける磁界をＨとすれば、ｒ方向の成分をＨｒ、ｒと直交して中心軸（ここではＸ軸）の外側に向かう成分をＨθとすると、ＨｒとＨθは次式で示される。
【００１４】
Ｈｒ＝２Ｍ・ｃｏｓθ／４π・μ0 ・ｒ3 （１）
Ｈθ＝Ｍ・ｓｉｎθ／４π・μ0 ・ｒ3 （２）
磁界Ｈの二乗は次式で示される。
【００１５】
Ｈ2 ＝Ｈｒ2 ＋Ｈθ 2
＝ｋｒ2 （３ｃｏｓ2 θ＋１）
＝ｋｒ2 （３ｘ2 ／ｒ2 ＋１） （３）
但し、ｋｒ＝（Ｍ／４π・μ0 ・ｒ3 ）とし、ｘはｒのＸ軸成分とする。
【００１６】
基準位置Ｐ１のＸ軸コイル（励磁コイル１３Ｘ）を励磁したときの測定対象位置Ｐｘの第一から第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起される電圧をそれぞれＥu1、Ｅv1、Ｅw1とすれば、Ｘ軸コイルを励磁した磁界の二乗Ｈｘ2 は次式で示される。ここでθ1 はｒ成分がＸ軸と作る角度とする。
【００１７】
Ｈｘ2 ＝ｋｒ2 （３ｃｏｓ2 θ1 ＋１）
＝ｋｅ2 （Ｅu12 ＋Ｅv12 ＋Ｅw12 ）
＝ｋｅ・Ｅｘ2 （４）
但し、Ｋｅは角度θを電圧に変換した時の比例定数である。
【００１８】
（４）式をＥｘ2 について解くと、
Ｅｘ2 ＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｃｏｓ2 θ1 ＋１）
＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｘ2 ／ｒ2 ＋１） （５）
同様にＹ軸、Ｚ軸の励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚを励磁したときの出力電圧は、次式で示される。ここで、θ2 、θ3 はそれぞれ、ｒ成分がＹ軸、Ｚ軸と作る角度とする。
【００１９】
Ｅｙ2 ＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｃｏｓ2 θ2 ＋１）
＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｙ2 ／ｒ2 ＋１） （６）
Ｅｚ2 ＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｃｏｓ2 θ3 ＋１）
＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｚ2 ／ｒ2 ＋１） （７）
（５）式から（７）式を合計すると次式となる。
【００２０】
Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2
＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・［３（ｘ2 ＋ｙ2 ＋ｚ2 ）／ｒ2 ＋３］
＝６（ｋｒ2 ／ｋｅ） （８）
（８）式を（５）式に代入すれば、
Ｅｘ2 ＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｃｏｓ2 θ1 ＋１）
＝（Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2 ）・（３ｃｏｓ2 θ1 ＋１）／６ （９）
（９）式よりθ1 を算出すると、
３ｃｏｓ2 θ1
＝６Ｅｘ2 ／（Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2 ）−１
ｃｏｓθ1
＝（１／３1/2 ）・［６Ｅｘ2 ／（Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2 ）−１］1/2
θ1 ＝ｃｏｓ-1｛（１／３1/2 ）・［６Ｅｘ2 ／（Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2 ）−１］1/2 ｝ （１０）
同様に、Ｙ軸、Ｚ軸についてのθ2 、θ3 は次式で示される。
【００２１】
θ2 ＝ｃｏｓ-1｛（１／３1/2 ）・［６Ｅｙ2 ／（Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2 ）−１］1/2 ｝ （１１）
θ3 ＝ｃｏｓ-1｛（１／３1/2 ）・［６Ｅｚ2 ／（Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2 ）−１］1/2 ｝ （１２）
以上の通り、第一から第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起される電圧Ｅu1、Ｅv1、Ｅw1を計測すれば、（１０）式〜（１２）式の演算のみにより、基準位置Ｐ１から測定対象位置Ｐｘへの方位が求まることになる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような方位測定装置においても以下のような問題点がある。第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚを互いに直交する三軸座標系のそれぞれの軸に中心軸が一致するように組合わせることは難しく、角度ずれが生じることは避けられない。加えて、励磁コイルにおいて交流磁界の強度を高めるためにはフェライトなどの透磁率の高い素材をコアとして使用するため、コア材の特性も含めた実際の磁界の直交性を保つことが必要となり、形状上の直交だけでは実際の磁界の直交性は得にくい。
【００２３】
本発明の課題は、交流磁界を用いた方位測定方式であって、基準位置に配置される励磁コイルの形状、配置上の直交性の影響を受けることなく磁界の直交性を実現できる方位測定方式を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の形態によれば、互いに直交する磁界を発生させるべくあらかじめ決められた基準位置に配置された第一、第二、第三の励磁コイルと、前記第一、第二、第三の励磁コイルに順に交流信号を供給して励磁するための信号発生回路と、互いに直交する三軸座標系のそれぞれの軸に中心軸が一致するようにして前記基準位置から離れた測定対象位置に配置された第一、第二、第三の検出コイルと、前記第一、第二、第三の検出コイルの出力を順に取り出すための切換手段と、該切換手段から取り出された出力から電圧信号を得る電圧取出し回路とを含み、はじめに、前記第一の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、次に、前記第二の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、続いて、前記第三の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、前記第一、第二、第三の検出コイルから得られた合計９種類の誘起電圧を用いてあらかじめ定められた演算を行うことにより、前記基準位置から前記測定対象位置への方位を算出する方位測定装置であって、前記第一〜第三の励磁コイルのうちの１つの励磁コイル出力を基準とし、前記信号発生回路は、前記１つの励磁コイル以外の２つの励磁コイルのうちの一方の励磁コイルを励磁している時、前記一方の励磁コイルの磁界出力が前記１つの励磁コイルの磁界出力と直交するように前記１つ及び前記残りの２つの励磁コイルのうちの他方の励磁コイルに補償電圧を印加し、前記他方の励磁コイルを励磁している時には、該他方の励磁コイルの磁界出力が前記１つ及び前記一方の励磁コイルの磁界出力と互いに直交するように前記１つ及び前記一方の励磁コイルに補償電圧を印加することで互いに直交する交流磁界を生じさせるようにしたことを特徴とする方位測定方式が提供される。
【００２５】
この第一の形態においては、前記信号発生回路は、発振回路と、該発振回路の出力を増幅する第一〜第三の可変出力増幅器と、該第一〜第三の可変出力増幅器の出力側に接続されてそれぞれの出力を前記第一〜第三の励磁コイルに供給する第一〜第三の切換回路と、前記第一〜第三の可変出力増幅器の出力を、励磁コイル励磁用の出力レベルと該励磁コイル励磁用の出力レベルより十分に低い前記補償電圧用の出力レベルとのいずれかになるように制御すると共に前記第一〜第三の切換回路における切換えを制御するための制御回路とを含む。
【００２６】
本発明の第二の形態によれば、互いに直交する磁界を発生させるべくあらかじめ決められた基準位置に配置された第一、第二、第三の励磁コイルと、前記第一、第二、第三の励磁コイルに順に交流信号を供給して励磁するための信号発生回路と、互いに直交する三軸座標系のそれぞれの軸に中心軸が一致するようにして前記基準位置から離れた測定対象位置に配置された第一、第二、第三の検出コイルと、前記第一、第二、第三の検出コイルの出力を順に取り出すための切換手段と、該切換手段から取り出された出力から電圧信号を得る電圧取出し回路とを含み、はじめに、前記第一の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、次に、前記第二の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、続いて、前記第三の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、前記第一、第二、第三の検出コイルから得られた合計９種類の誘起電圧を用いてあらかじめ定められた演算を行うことにより、前記基準位置から前記測定対象位置への方位を算出する方位測定装置であって、前記第一〜第三の励磁コイルのそれぞれの中心軸上に巻かれた第一〜第三の補償コイルを有し、前記第一〜第三の励磁コイルのうちの１つの励磁コイル出力を基準とし、前記信号発生回路は、前記１つの励磁コイル以外の２つの励磁コイルのうちの一方の励磁コイルを励磁している時、前記一方の励磁コイルの磁界出力が前記１つの励磁コイルの磁界出力と直交するように前記１つの励磁コイルに対応する補償コイル及び前記残りの２つの励磁コイルのうちの他方の励磁コイルに対応する補償コイルに補償電圧を印加し、前記他方の励磁コイルを励磁している時には、該他方の励磁コイルの磁界出力が前記１つ及び前記一方の励磁コイルの磁界出力と互いに直交するように前記１つの励磁コイルに対応する補償コイル及び前記一方の励磁コイルに対応する補償コイルに補償電圧を印加することで互いに直交する交流磁界を生じさせるようにしたことを特徴とする位測定方式が提供される。
【００２７】
本第二の形態においては、前記信号発生回路は、発振回路と、該発振回路の出力を増幅する第一〜第三の可変出力増幅器と、該第一〜第三の可変出力増幅器の出力側に接続されてそれぞれの出力を前記第一〜第三の励磁コイル及び前記の第一〜第三の補償コイルのいずれかに切換えて供給する第一〜第三の切換回路と、前記第一〜第三の可変出力増幅器の出力を、励磁コイル励磁用の出力レベルと該励磁コイル励磁用の出力レベルより十分に低い前記補償電圧用の出力レベルとのいずれかになるように制御すると共に前記第一〜第三の切換回路における切換えを制御するための制御回路とを含む。
【００２８】
【作用】
本発明による方位測定方式によれば、方位測定のために励磁される主励磁コイル以外の励磁コイルに補償電圧を加えることで、コイル形状や磁性材料による特性あるいは配置上の位置決め誤差を補償することにより、交流磁界を直交するように発生させることが可能となる。
【００２９】
また、励磁コイルに補償コイルを組み合わせることによっても同様の効果が得られ、磁界の直交性を保つことが容易となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第一の実施の形態による方位測定方式を実現する装置の構成を示す図である。本形態は、発振回路１１と第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚとの間の構成、すなわち信号発生回路以外は図３に示された方位測定装置と同じである。したがって、図１では第一〜第三検出コイル１５Ｘ〜１５Ｚ側の構成は図示を削除し、図３と同じ部分には同一番号を付している。勿論、第一〜第三検出コイル１５Ｘ〜１５Ｚ側の動作についても図３で説明したのと同じであるので、説明は省略する。
【００３１】
信号発生回路は、発振回路１１と、発振回路１１の出力を増幅する第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３と、第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３の出力側に接続されてそれぞれの出力を第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚに供給する第一〜第三の切換回路１４−１〜１４−３と、第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３の出力を、励磁コイル励磁用の出力レベルとこれより十分に低い補償電圧用の出力レベルとのいずれかになるように制御すると共に第一〜第三の切換回路１４−１〜１４−３における切換えを制御するための制御回路２０とから成る。制御回路２０には、上記の制御のための情報があらかじめ設定されており、この情報は任意に設定変更することができる。
【００３２】
発振回路１１の出力は第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３に入力され、第一〜第三の切換回路１４−１〜１４−３によって第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚに電圧が印加される。この際、方位測定のために励磁される励磁コイル（以下、主励磁コイルと呼ぶ）以外の励磁コイルには方位測定のための主励磁電圧よりも低い補償電圧が印加される。この補償電圧には、通常は主励磁電圧の１〜２％程度の電圧が用いられる。
【００３３】
図１では、第一励磁コイル１３Ｘを主励磁コイルとして第一可変出力増幅器１２−１から主励磁電圧を印加し、第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚには第二及び第三可変出力増幅器１２−２、１２−３をそれぞれ接続して主励磁電圧よりも低い補償電圧を印加することが出来る接続状況を示している。
【００３４】
なお、第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚのいずれかが基準励磁コイルとして設定される。例えば、第一励磁コイル１３Ｘを基準励磁コイルとする場合、以下のようになる。
【００３５】
制御回路２０は、第一励磁コイル１３Ｘに主励磁電圧を印加する場合、つまり主励磁コイルが第一励磁コイル１３Ｘである場合、図１に示されるように、第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚには第二及び第三可変出力増幅器１２−２、１２−３をそれぞれ接続して主励磁電圧よりも低い補償電圧を印加する。
【００３６】
次に、主励磁コイルが第二励磁コイル１３Ｙとなる場合には、制御回路２０は第一及び第三励磁コイル１３Ｘ、１３Ｚに補償電圧を印加する接続状況を作る。続いて、主励磁コイルが第三励磁コイル１３Ｚとなる場合には、制御回路２０は第一及び第二励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙに補償電圧を印加する接続状況を作る。このような接続にするのは、主励磁コイルが第二励磁コイル１３Ｙである場合には、第二励磁コイル１３Ｙの磁界出力が第一励磁コイル１３Ｘの磁界出力と直交するように補正し、主励磁コイルが第三励磁コイル１３Ｚである場合には、第三励磁コイル１３Ｚの磁界出力が第一及び第二励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙの磁界出力と互いに直交するように補正するためである。このようにすることで、互いに直交する交流磁界を生じさせることができる。これは、例えば第二、第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚの中心軸がそれぞれ、第一励磁コイル１３Ｘの中心軸に対して９０度の角度から少し位ずれていたとしても互いに直交する交流磁界を生じさせることができることを意味する。
【００３７】
なお、第一励磁コイル１３Ｘを基準励磁コイルとする場合には、第一励磁コイル１３Ｘが主励磁コイルである時には、第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚに補償電圧を印加しないで良い場合もある。これは、第一励磁コイル１３Ｘが基準励磁コイルとなっている場合、第一励磁コイル１３Ｘの発生する磁界が基準となっており、この基準磁界に第二あるいは第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚの発生する磁界を直交させれば良いからである。但し、第一励磁コイル１３Ｘの発生する磁界が基準となっているとは言っても、第一励磁コイル１３Ｘの中心軸が三軸上の一軸に一致せずずれている場合には、誤差を生じる可能性がある。これを考慮する場合には、上記のように、第一励磁コイル１３Ｘが基準励磁コイルであって、第一励磁コイル１３Ｘが主励磁コイルである時でも、第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚに補償電圧を印加する。
【００３８】
上記の理由で、第二励磁コイル１３Ｙを基準励磁コイルとする場合には、第二励磁コイル１３Ｙが主励磁コイルである時には、第一及び第三励磁コイル１３Ｘ、１３Ｚに補償電圧を印加しないで良い場合もある。同様に、第三励磁コイル１３Ｚを基準励磁コイルとする場合には、第三励磁コイル１３Ｚが主励磁コイルである時には、第一及び第二励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙに補償電圧を印加しないで良い場合もある。
【００３９】
一方、第二励磁コイル１３Ｙを基準励磁コイルとする場合には、以下のようになる。制御回路２０は、第二励磁コイル１３Ｙに主励磁電圧を印加する場合、つまり主励磁コイルが第二励磁コイル１３Ｙである場合、第一及び第三励磁コイル１３Ｘ、１３Ｚには第一及び第三可変出力増幅器１２−１、１２−３をそれぞれ接続して主励磁電圧よりも低い補償電圧を印加する。次に、主励磁コイルが第一励磁コイル１３Ｘとなる場合には、制御回路２０は第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚに補償電圧を印加する接続状況を作る。続いて、主励磁コイルが第三励磁コイル１３Ｚとなる場合には、制御回路２０は第一及び第二励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙに補償電圧を印加する接続状況を作る。
【００４０】
このようにして、主励磁コイルが第一励磁コイル１３Ｘである場合には、第一励磁コイル１３Ｘの磁界出力が第二励磁コイル１３Ｙの磁界出力と直交するように補正し、主励磁コイルが第三励磁コイル１３Ｚである場合には、第三励磁コイル１３Ｚの磁界出力が第一及び第二の励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙの磁界出力と互いに直交するように補正する。
【００４１】
第三励磁コイル１３Ｚを基準励磁コイルとする場合でも原理は同じであるので説明は省略する。
【００４２】
図２を参照して、本発明の第二の実施の形態について説明する。本形態は、発振回路１１と第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚとの間の構成、すなわち信号発生回路と、第一〜第三補償コイル２１Ｘ〜２１Ｚ以外は図３に示された方位測定装置と同じである。したがって、図２では第一〜第三検出コイル１５Ｘ〜１５Ｚ側の構成は図示を削除し、図３と同じ部分には同一番号を付している。勿論、第一〜第三検出コイル１５Ｘ〜１５Ｚ側の動作についても図３で説明したのと同じであるので、説明は省略する。
【００４３】
信号発生回路は、発振回路１１と、発振回路１１の出力を増幅する第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３と、第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３の出力側に接続されてそれぞれの出力を第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚ及び第一〜第三補償コイル２１Ｘ〜２１Ｚのいずれかに切換えて供給する第一〜第三の切換回路１４−１´〜１４−３´と、第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３の出力を、励磁コイル励磁用の出力レベルとこの出力レベルより十分に低い補償電圧用の出力レベルとのいずれかになるように制御すると共に第一〜第三の切換回路１４−１´〜１４−３´における切換えを制御するための制御回路２０とから成る。
【００４４】
第一〜第三補償コイル２１Ｘ〜２１Ｚはそれぞれ、第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚのそれぞれの中心軸上に巻かれている。
【００４５】
発振回路１１の出力は第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３に入力され、第一〜第三の切換回路１４−１´〜１４−３´によって第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚ、第一〜第三補償コイル２１Ｘ〜２１Ｚにいずれかに電圧が印加される。この際、方位測定のために励磁される主励磁コイル以外の励磁コイルに対応する補償コイルには方位測定のための主励磁電圧よりも低い補償電圧が印加される。前述したように、この補償電圧には主励磁電圧の１〜２％程度の電圧が用いられる。なお、励磁コイルと補償コイルとの巻数比は、一例を言えば、１００：１程度である。
【００４６】
図２では、第一励磁コイル１３Ｘを主励磁コイルとして第一可変出力増幅器１２−１から主励磁電圧を印加し、第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚに対応する第二及び第三補償コイル２１Ｙ、２１Ｚには第二及び第三可変出力増幅器１２−２、１２−３をそれぞれ接続して主励磁電圧よりも低い補償電圧を印加することが出来る接続状況を示している。
【００４７】
本形態でも、第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚのいずれかが基準励磁コイルとして設定される。例えば、第一励磁コイル１３Ｘを基準励磁コイルとする場合、以下のようになる。
【００４８】
制御回路２０は、第一励磁コイル１３Ｘに主励磁電圧を印加する場合、つまり主励磁コイルが第一励磁コイル１３Ｘである場合、図２に示されるように、第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚに対応する第二及び第三補償コイル２１Ｙ、２１Ｚには第二及び第三可変出力増幅器１２−２、１２−３をそれぞれ接続して主励磁電圧よりも低い補償電圧を印加する。
【００４９】
次に、主励磁コイルが第二励磁コイル１３Ｙとなる場合には、制御回路２０は第一及び第三励磁コイル１３Ｘ、１３Ｚに対応する第一及び第三補償コイル２１Ｘ、２１Ｚに補償電圧を印加する接続状況を作る。続いて、主励磁コイルが第三励磁コイル１３Ｚとなる場合には、制御回路２０は第一及び第二励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙに対応する第一及び第二補償コイル２１Ｘ、２１Ｙに補償電圧を印加する接続状況を作る。このような接続にするのは、第一の実施の形態で述べたように、主励磁コイルが第二励磁コイル１３Ｙである場合には、第二励磁コイル１３Ｙの磁界出力が第一励磁コイル１３Ｘの磁界出力と直交するように補正し、主励磁コイルが第三励磁コイル１３Ｚである場合には、第三励磁コイル１３Ｚの磁界出力が第一及び第二励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙの磁界出力と互いに直交するように補正するためである。このようにすることで、第一の実施の形態と同じように互いに直交する交流磁界を生じさせることができる。
【００５０】
第一の実施の形態で述べた理由により、第一励磁コイル１３Ｘを基準励磁コイルとする場合、第一励磁コイル１３Ｘが主励磁コイルである時には、第二及び第三補償コイル２１Ｙ、２１Ｚに補償電圧を印加しないで良い場合もある。また、第二励磁コイル１３Ｙを基準励磁コイルとする場合、第二励磁コイル１３Ｙが主励磁コイルである時には、第一及び第三補償コイル２１Ｘ、２１Ｚに補償電圧を印加しないで良い場合もある。同様に、第三励磁コイル１３Ｚを基準励磁コイルとする場合、第三励磁コイル１３Ｚが主励磁コイルである時には、第一及び第二補償コイル２１Ｘ、２１Ｙに補償電圧を印加しないで良い場合もある。
【００５１】
なお、図１の第一の実施の形態について言えば、３つの励磁コイルの組合わせを２組用意し、これらを２箇所に配置して基準位置を２箇所に設定することにより、２箇所の基準位置から測定対象位置への３次元空間における方位が求まる。そして、２箇所の基準位置の間隔が既知であるため、測定対象位置の３次元座標を求めることができることは言うまでもない。これは、前に述べた特願２０００−２４５７６１号に詳しく説明されている。勿論、これは第二の実施の形態にも適用され得る。
【００５２】
また、図２の第二の実施の形態について言えば、励磁コイルと、この励磁コイルの配置軸とは異なる軸上に巻かれている補償コイルとを直列に接続する形態でも同様の効果が得られる。さらに、第二励磁コイル１３Ｙに第一及び第三補償コイル２１Ｘ、２１Ｚのどちらかを直列に接続するか、両方の補償コイルを直列に接続することによって第二励磁コイルの磁界発生方向を補償する接続形態なども用いることが出来ることは言うまでもない。これは、第三励磁コイルについても同様である。第二の実施の形態の説明では、補償電圧を主励磁電圧より十分に低くしているが、補償コイルの巻数を更に少なくすることで主励磁電圧と同じ値の補償電圧で補正を行うこともできる。この場合、可変出力増幅器は出力固定のもので良い。
【００５３】
第一、第二の実施の形態のいずれにおいても、第一〜第三可変出力増幅器の出力レベルの切換え、第一〜第三の切換回路の切換えを制御回路により自動的に行うようにしているが、制御回路を使用せずにこれらの切換えをマニュアルで行うようにしても良い。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の方位測定方式によれば、励磁コイルの磁界発生方向を直交させる手段として三軸のいずれかの励磁コイルを主励磁コイルとして励磁する際に、これと異なる軸方向の励磁コイルまたは補償コイルに微弱な電圧を印加することにより、主励磁コイルの発生する磁界方向を修正することが可能となるため、互いに直交する磁界を作ることが容易となるだけでなく、製作において三つの励磁コイルの組立てに精密さを要求されず、磁性材料の配置だけでなく磁性特性をも補償することが容易となり得られる効果は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態による方位測定方式を励磁コイル側について構成を示す図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態による方位測定方式を励磁コイル側について構成を示す図である。
【図３】本発明者により提案されている方位測定装置の構成を示す図である。
【図４】図３に示された方位測定装置の測定原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１１ 発振回路
１２−１〜１２−３ 第一〜第三可変出力増幅器
１４−１〜１４−３、１４−１´〜１４−３´ 第一〜第三の切換回路
１３Ｘ〜１３Ｚ 第一〜第三励磁コイル
１５Ｘ〜１５Ｚ 第一〜第三検出コイル
１７ 検波回路
１８ 電圧計
２１Ｘ〜２１Ｚ 第一〜第三補償コイル
【発明の属する技術分野】
本発明は基準位置に対する測定対象位置の方位を測定する方位測定方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
山腹や道路の路肩のような斜面の崩壊を測定する場合の測定手法として、以下のような例がある。第一の例では、測定対象位置と基準位置との間にワイヤを設置すると共にワイヤには張力計を設置し、ワイヤの張力から斜面の崩壊発生を検出する。第二の例では、測定対象位置と基準位置との間にワイヤを設置すると共にワイヤには移動計などを設置し、ワイヤの変位から斜面の崩壊発生を検出する。
【０００３】
これらの測定手法は、測定対象に対して測定系を接触させる形で測定しており、測定間隔、すなわち測定対象位置と基準位置との間隔を長くするとワイヤの弛みが測定誤差として影響することになることから、比較的短距離の間隔の測定に限定される。
【０００４】
上記の問題点を解消する測定手法として、光学測定方式がある。光学測定方式を用いる場合には光波距離計やトランシット等が用いられる。このような光学計測機器を用いることで、基準位置を決定して測定対象位置への光学測量を行い、基準位置に対する測定対象位置の方位変化を非接触で求めることができる。しかも、測定間隔も長距離にすることが可能となり、斜面の変位や崩壊を測定する方式として多く用いられている。
【０００５】
しかしながら、光学測定方式では地表面の変位を３次元座標系で求めることはできても、地中内部においては光学計測機器では検出対象位置を直視できないことから地中内部の変位を測定できないという欠点があった。
【０００６】
上記のような問題点を解決する手法として本発明者により以下のような方位測定装置が提案されている（特願２０００−２４５７６１号）。
【０００７】
以下に、図３を参照してこの方位測定装置について説明する。図３は方位測定装置の構成を示すブロック図である。
【０００８】
図３において、本方位測定装置は、交流信号を出力する発振回路１１とその出力を増幅するための増幅器１２とを有する。発振回路１１の周波数は可聴帯域が好ましいが、これに限定されない。方位測定装置はまた、互いに直交する三軸座標系のそれぞれの軸に中心軸が一致するように一体化してあらかじめ決められた基準位置Ｐ１に配置された第一、第二、第三の励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚと、第一、第二、第三の励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚを増幅器１２の出力で順に励磁するための切換回路１４とを有する。方位測定装置は更に、互いに直交する三軸座標系のそれぞれの軸に中心軸が一致するように一体化して基準位置Ｐ１から離れた測定対象位置Ｐｘに配置された第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚと、第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚの出力を順に取り出すための第四の切換回路１６とを有する。第四の切換回路１６には、これから取り出された出力から電圧信号を得る電圧取出し回路として、第四の切換回路１６の出力の検波を行う検波回路１７が接続されている。検波回路１７の出力は電圧計１８により電圧信号として取出されたり、後述する演算装置（図示せず）に入力される。
【０００９】
基準位置Ｐ１と測定対象位置Ｐｘとの位置関係は未知である。すなわち、基準位置Ｐ１はあらかじめ決められた位置に配置されるが、測定対象位置Ｐｘの位置は任意であり、第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚはどのような姿勢で配置されても良い。言い換えれば、第一、第二、第三の励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚの三軸座標系と、第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚの三軸座標系は、それぞれの軸を合わせて配置するようなことは不要である。これは、一体化された第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚは、地表面に限らず、地中に埋め込まれたり水中に投棄して配置されるからである。この場合、本方位測定装置の設置箇所に応じて、第一、第二、第三の励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚと切換回路１４より前段の回路を信号ケーブルで結び、第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚと第四の切換回路１６より後段の回路を信号ケーブルで結ぶようにするのが好ましい。これは、後述する実施の形態においても同様である。
【００１０】
本方位測定装置の動作は、簡単に言えば、はじめに、第一の励磁コイル１３Ｘを励磁してその際の第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起される電圧を順に取り出す。次に、第二の励磁コイル１３Ｙを励磁してその際の第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起される電圧を順に取り出し、続いて、第三の励磁コイル１３Ｚを励磁してその際の第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起される電圧を順に取り出す。そして、第一、第二、第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚから得られた合計９種類の誘起電圧を用いてあらかじめ定められた演算（後述する）を行うことにより、基準位置Ｐ１から測定対象位置Ｐｘへの方位を算出する。
【００１１】
具体的に言えば、発振回路１１の出力を増幅器１２で電力増幅した後、切換回路１４において第一から第三までの励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚをそれぞれ所定時間だけ励磁するように順次切り換え、互いに９０度の角度関係で磁界を発生させる。そして、第一の励磁コイル１３Ｘを励磁しているときに第一から第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起する電圧をそれぞれ、第四の切換回路１６を通して検波回路１７、電圧計１８により測定する。
【００１２】
次に、第二の励磁コイル１３Ｙを励磁しているときに第一から第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起する電圧をそれぞれ測定する。同様にして、第三の励磁コイル１３Ｚを励磁しているときに第一から第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起する電圧を測定する。これらの電圧測定により９種類の電圧データが得られる。
【００１３】
図４は本方位測定装置による方位測定の原理を説明するための図である。例えば、Ｘ軸コイルである励磁コイル１３Ｘから発生する磁気モーメントをＭとして、磁気モーメントＭが作る磁界上の点Ｐにおける磁界をＨとすれば、ｒ方向の成分をＨｒ、ｒと直交して中心軸（ここではＸ軸）の外側に向かう成分をＨθとすると、ＨｒとＨθは次式で示される。
【００１４】
Ｈｒ＝２Ｍ・ｃｏｓθ／４π・μ0 ・ｒ3 （１）
Ｈθ＝Ｍ・ｓｉｎθ／４π・μ0 ・ｒ3 （２）
磁界Ｈの二乗は次式で示される。
【００１５】
Ｈ2 ＝Ｈｒ2 ＋Ｈθ 2
＝ｋｒ2 （３ｃｏｓ2 θ＋１）
＝ｋｒ2 （３ｘ2 ／ｒ2 ＋１） （３）
但し、ｋｒ＝（Ｍ／４π・μ0 ・ｒ3 ）とし、ｘはｒのＸ軸成分とする。
【００１６】
基準位置Ｐ１のＸ軸コイル（励磁コイル１３Ｘ）を励磁したときの測定対象位置Ｐｘの第一から第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起される電圧をそれぞれＥu1、Ｅv1、Ｅw1とすれば、Ｘ軸コイルを励磁した磁界の二乗Ｈｘ2 は次式で示される。ここでθ1 はｒ成分がＸ軸と作る角度とする。
【００１７】
Ｈｘ2 ＝ｋｒ2 （３ｃｏｓ2 θ1 ＋１）
＝ｋｅ2 （Ｅu12 ＋Ｅv12 ＋Ｅw12 ）
＝ｋｅ・Ｅｘ2 （４）
但し、Ｋｅは角度θを電圧に変換した時の比例定数である。
【００１８】
（４）式をＥｘ2 について解くと、
Ｅｘ2 ＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｃｏｓ2 θ1 ＋１）
＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｘ2 ／ｒ2 ＋１） （５）
同様にＹ軸、Ｚ軸の励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚを励磁したときの出力電圧は、次式で示される。ここで、θ2 、θ3 はそれぞれ、ｒ成分がＹ軸、Ｚ軸と作る角度とする。
【００１９】
Ｅｙ2 ＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｃｏｓ2 θ2 ＋１）
＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｙ2 ／ｒ2 ＋１） （６）
Ｅｚ2 ＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｃｏｓ2 θ3 ＋１）
＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｚ2 ／ｒ2 ＋１） （７）
（５）式から（７）式を合計すると次式となる。
【００２０】
Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2
＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・［３（ｘ2 ＋ｙ2 ＋ｚ2 ）／ｒ2 ＋３］
＝６（ｋｒ2 ／ｋｅ） （８）
（８）式を（５）式に代入すれば、
Ｅｘ2 ＝（ｋｒ2 ／ｋｅ）・（３ｃｏｓ2 θ1 ＋１）
＝（Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2 ）・（３ｃｏｓ2 θ1 ＋１）／６ （９）
（９）式よりθ1 を算出すると、
３ｃｏｓ2 θ1
＝６Ｅｘ2 ／（Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2 ）−１
ｃｏｓθ1
＝（１／３1/2 ）・［６Ｅｘ2 ／（Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2 ）−１］1/2
θ1 ＝ｃｏｓ-1｛（１／３1/2 ）・［６Ｅｘ2 ／（Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2 ）−１］1/2 ｝ （１０）
同様に、Ｙ軸、Ｚ軸についてのθ2 、θ3 は次式で示される。
【００２１】
θ2 ＝ｃｏｓ-1｛（１／３1/2 ）・［６Ｅｙ2 ／（Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2 ）−１］1/2 ｝ （１１）
θ3 ＝ｃｏｓ-1｛（１／３1/2 ）・［６Ｅｚ2 ／（Ｅｘ2 ＋Ｅｙ2 ＋Ｅｚ2 ）−１］1/2 ｝ （１２）
以上の通り、第一から第三の検出コイル１５Ｘ、１５Ｙ、１５Ｚに誘起される電圧Ｅu1、Ｅv1、Ｅw1を計測すれば、（１０）式〜（１２）式の演算のみにより、基準位置Ｐ１から測定対象位置Ｐｘへの方位が求まることになる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような方位測定装置においても以下のような問題点がある。第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚを互いに直交する三軸座標系のそれぞれの軸に中心軸が一致するように組合わせることは難しく、角度ずれが生じることは避けられない。加えて、励磁コイルにおいて交流磁界の強度を高めるためにはフェライトなどの透磁率の高い素材をコアとして使用するため、コア材の特性も含めた実際の磁界の直交性を保つことが必要となり、形状上の直交だけでは実際の磁界の直交性は得にくい。
【００２３】
本発明の課題は、交流磁界を用いた方位測定方式であって、基準位置に配置される励磁コイルの形状、配置上の直交性の影響を受けることなく磁界の直交性を実現できる方位測定方式を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の形態によれば、互いに直交する磁界を発生させるべくあらかじめ決められた基準位置に配置された第一、第二、第三の励磁コイルと、前記第一、第二、第三の励磁コイルに順に交流信号を供給して励磁するための信号発生回路と、互いに直交する三軸座標系のそれぞれの軸に中心軸が一致するようにして前記基準位置から離れた測定対象位置に配置された第一、第二、第三の検出コイルと、前記第一、第二、第三の検出コイルの出力を順に取り出すための切換手段と、該切換手段から取り出された出力から電圧信号を得る電圧取出し回路とを含み、はじめに、前記第一の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、次に、前記第二の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、続いて、前記第三の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、前記第一、第二、第三の検出コイルから得られた合計９種類の誘起電圧を用いてあらかじめ定められた演算を行うことにより、前記基準位置から前記測定対象位置への方位を算出する方位測定装置であって、前記第一〜第三の励磁コイルのうちの１つの励磁コイル出力を基準とし、前記信号発生回路は、前記１つの励磁コイル以外の２つの励磁コイルのうちの一方の励磁コイルを励磁している時、前記一方の励磁コイルの磁界出力が前記１つの励磁コイルの磁界出力と直交するように前記１つ及び前記残りの２つの励磁コイルのうちの他方の励磁コイルに補償電圧を印加し、前記他方の励磁コイルを励磁している時には、該他方の励磁コイルの磁界出力が前記１つ及び前記一方の励磁コイルの磁界出力と互いに直交するように前記１つ及び前記一方の励磁コイルに補償電圧を印加することで互いに直交する交流磁界を生じさせるようにしたことを特徴とする方位測定方式が提供される。
【００２５】
この第一の形態においては、前記信号発生回路は、発振回路と、該発振回路の出力を増幅する第一〜第三の可変出力増幅器と、該第一〜第三の可変出力増幅器の出力側に接続されてそれぞれの出力を前記第一〜第三の励磁コイルに供給する第一〜第三の切換回路と、前記第一〜第三の可変出力増幅器の出力を、励磁コイル励磁用の出力レベルと該励磁コイル励磁用の出力レベルより十分に低い前記補償電圧用の出力レベルとのいずれかになるように制御すると共に前記第一〜第三の切換回路における切換えを制御するための制御回路とを含む。
【００２６】
本発明の第二の形態によれば、互いに直交する磁界を発生させるべくあらかじめ決められた基準位置に配置された第一、第二、第三の励磁コイルと、前記第一、第二、第三の励磁コイルに順に交流信号を供給して励磁するための信号発生回路と、互いに直交する三軸座標系のそれぞれの軸に中心軸が一致するようにして前記基準位置から離れた測定対象位置に配置された第一、第二、第三の検出コイルと、前記第一、第二、第三の検出コイルの出力を順に取り出すための切換手段と、該切換手段から取り出された出力から電圧信号を得る電圧取出し回路とを含み、はじめに、前記第一の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、次に、前記第二の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、続いて、前記第三の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、前記第一、第二、第三の検出コイルから得られた合計９種類の誘起電圧を用いてあらかじめ定められた演算を行うことにより、前記基準位置から前記測定対象位置への方位を算出する方位測定装置であって、前記第一〜第三の励磁コイルのそれぞれの中心軸上に巻かれた第一〜第三の補償コイルを有し、前記第一〜第三の励磁コイルのうちの１つの励磁コイル出力を基準とし、前記信号発生回路は、前記１つの励磁コイル以外の２つの励磁コイルのうちの一方の励磁コイルを励磁している時、前記一方の励磁コイルの磁界出力が前記１つの励磁コイルの磁界出力と直交するように前記１つの励磁コイルに対応する補償コイル及び前記残りの２つの励磁コイルのうちの他方の励磁コイルに対応する補償コイルに補償電圧を印加し、前記他方の励磁コイルを励磁している時には、該他方の励磁コイルの磁界出力が前記１つ及び前記一方の励磁コイルの磁界出力と互いに直交するように前記１つの励磁コイルに対応する補償コイル及び前記一方の励磁コイルに対応する補償コイルに補償電圧を印加することで互いに直交する交流磁界を生じさせるようにしたことを特徴とする位測定方式が提供される。
【００２７】
本第二の形態においては、前記信号発生回路は、発振回路と、該発振回路の出力を増幅する第一〜第三の可変出力増幅器と、該第一〜第三の可変出力増幅器の出力側に接続されてそれぞれの出力を前記第一〜第三の励磁コイル及び前記の第一〜第三の補償コイルのいずれかに切換えて供給する第一〜第三の切換回路と、前記第一〜第三の可変出力増幅器の出力を、励磁コイル励磁用の出力レベルと該励磁コイル励磁用の出力レベルより十分に低い前記補償電圧用の出力レベルとのいずれかになるように制御すると共に前記第一〜第三の切換回路における切換えを制御するための制御回路とを含む。
【００２８】
【作用】
本発明による方位測定方式によれば、方位測定のために励磁される主励磁コイル以外の励磁コイルに補償電圧を加えることで、コイル形状や磁性材料による特性あるいは配置上の位置決め誤差を補償することにより、交流磁界を直交するように発生させることが可能となる。
【００２９】
また、励磁コイルに補償コイルを組み合わせることによっても同様の効果が得られ、磁界の直交性を保つことが容易となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第一の実施の形態による方位測定方式を実現する装置の構成を示す図である。本形態は、発振回路１１と第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚとの間の構成、すなわち信号発生回路以外は図３に示された方位測定装置と同じである。したがって、図１では第一〜第三検出コイル１５Ｘ〜１５Ｚ側の構成は図示を削除し、図３と同じ部分には同一番号を付している。勿論、第一〜第三検出コイル１５Ｘ〜１５Ｚ側の動作についても図３で説明したのと同じであるので、説明は省略する。
【００３１】
信号発生回路は、発振回路１１と、発振回路１１の出力を増幅する第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３と、第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３の出力側に接続されてそれぞれの出力を第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚに供給する第一〜第三の切換回路１４−１〜１４−３と、第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３の出力を、励磁コイル励磁用の出力レベルとこれより十分に低い補償電圧用の出力レベルとのいずれかになるように制御すると共に第一〜第三の切換回路１４−１〜１４−３における切換えを制御するための制御回路２０とから成る。制御回路２０には、上記の制御のための情報があらかじめ設定されており、この情報は任意に設定変更することができる。
【００３２】
発振回路１１の出力は第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３に入力され、第一〜第三の切換回路１４−１〜１４−３によって第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚに電圧が印加される。この際、方位測定のために励磁される励磁コイル（以下、主励磁コイルと呼ぶ）以外の励磁コイルには方位測定のための主励磁電圧よりも低い補償電圧が印加される。この補償電圧には、通常は主励磁電圧の１〜２％程度の電圧が用いられる。
【００３３】
図１では、第一励磁コイル１３Ｘを主励磁コイルとして第一可変出力増幅器１２−１から主励磁電圧を印加し、第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚには第二及び第三可変出力増幅器１２−２、１２−３をそれぞれ接続して主励磁電圧よりも低い補償電圧を印加することが出来る接続状況を示している。
【００３４】
なお、第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚのいずれかが基準励磁コイルとして設定される。例えば、第一励磁コイル１３Ｘを基準励磁コイルとする場合、以下のようになる。
【００３５】
制御回路２０は、第一励磁コイル１３Ｘに主励磁電圧を印加する場合、つまり主励磁コイルが第一励磁コイル１３Ｘである場合、図１に示されるように、第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚには第二及び第三可変出力増幅器１２−２、１２−３をそれぞれ接続して主励磁電圧よりも低い補償電圧を印加する。
【００３６】
次に、主励磁コイルが第二励磁コイル１３Ｙとなる場合には、制御回路２０は第一及び第三励磁コイル１３Ｘ、１３Ｚに補償電圧を印加する接続状況を作る。続いて、主励磁コイルが第三励磁コイル１３Ｚとなる場合には、制御回路２０は第一及び第二励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙに補償電圧を印加する接続状況を作る。このような接続にするのは、主励磁コイルが第二励磁コイル１３Ｙである場合には、第二励磁コイル１３Ｙの磁界出力が第一励磁コイル１３Ｘの磁界出力と直交するように補正し、主励磁コイルが第三励磁コイル１３Ｚである場合には、第三励磁コイル１３Ｚの磁界出力が第一及び第二励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙの磁界出力と互いに直交するように補正するためである。このようにすることで、互いに直交する交流磁界を生じさせることができる。これは、例えば第二、第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚの中心軸がそれぞれ、第一励磁コイル１３Ｘの中心軸に対して９０度の角度から少し位ずれていたとしても互いに直交する交流磁界を生じさせることができることを意味する。
【００３７】
なお、第一励磁コイル１３Ｘを基準励磁コイルとする場合には、第一励磁コイル１３Ｘが主励磁コイルである時には、第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚに補償電圧を印加しないで良い場合もある。これは、第一励磁コイル１３Ｘが基準励磁コイルとなっている場合、第一励磁コイル１３Ｘの発生する磁界が基準となっており、この基準磁界に第二あるいは第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚの発生する磁界を直交させれば良いからである。但し、第一励磁コイル１３Ｘの発生する磁界が基準となっているとは言っても、第一励磁コイル１３Ｘの中心軸が三軸上の一軸に一致せずずれている場合には、誤差を生じる可能性がある。これを考慮する場合には、上記のように、第一励磁コイル１３Ｘが基準励磁コイルであって、第一励磁コイル１３Ｘが主励磁コイルである時でも、第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚに補償電圧を印加する。
【００３８】
上記の理由で、第二励磁コイル１３Ｙを基準励磁コイルとする場合には、第二励磁コイル１３Ｙが主励磁コイルである時には、第一及び第三励磁コイル１３Ｘ、１３Ｚに補償電圧を印加しないで良い場合もある。同様に、第三励磁コイル１３Ｚを基準励磁コイルとする場合には、第三励磁コイル１３Ｚが主励磁コイルである時には、第一及び第二励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙに補償電圧を印加しないで良い場合もある。
【００３９】
一方、第二励磁コイル１３Ｙを基準励磁コイルとする場合には、以下のようになる。制御回路２０は、第二励磁コイル１３Ｙに主励磁電圧を印加する場合、つまり主励磁コイルが第二励磁コイル１３Ｙである場合、第一及び第三励磁コイル１３Ｘ、１３Ｚには第一及び第三可変出力増幅器１２−１、１２−３をそれぞれ接続して主励磁電圧よりも低い補償電圧を印加する。次に、主励磁コイルが第一励磁コイル１３Ｘとなる場合には、制御回路２０は第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚに補償電圧を印加する接続状況を作る。続いて、主励磁コイルが第三励磁コイル１３Ｚとなる場合には、制御回路２０は第一及び第二励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙに補償電圧を印加する接続状況を作る。
【００４０】
このようにして、主励磁コイルが第一励磁コイル１３Ｘである場合には、第一励磁コイル１３Ｘの磁界出力が第二励磁コイル１３Ｙの磁界出力と直交するように補正し、主励磁コイルが第三励磁コイル１３Ｚである場合には、第三励磁コイル１３Ｚの磁界出力が第一及び第二の励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙの磁界出力と互いに直交するように補正する。
【００４１】
第三励磁コイル１３Ｚを基準励磁コイルとする場合でも原理は同じであるので説明は省略する。
【００４２】
図２を参照して、本発明の第二の実施の形態について説明する。本形態は、発振回路１１と第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚとの間の構成、すなわち信号発生回路と、第一〜第三補償コイル２１Ｘ〜２１Ｚ以外は図３に示された方位測定装置と同じである。したがって、図２では第一〜第三検出コイル１５Ｘ〜１５Ｚ側の構成は図示を削除し、図３と同じ部分には同一番号を付している。勿論、第一〜第三検出コイル１５Ｘ〜１５Ｚ側の動作についても図３で説明したのと同じであるので、説明は省略する。
【００４３】
信号発生回路は、発振回路１１と、発振回路１１の出力を増幅する第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３と、第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３の出力側に接続されてそれぞれの出力を第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚ及び第一〜第三補償コイル２１Ｘ〜２１Ｚのいずれかに切換えて供給する第一〜第三の切換回路１４−１´〜１４−３´と、第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３の出力を、励磁コイル励磁用の出力レベルとこの出力レベルより十分に低い補償電圧用の出力レベルとのいずれかになるように制御すると共に第一〜第三の切換回路１４−１´〜１４−３´における切換えを制御するための制御回路２０とから成る。
【００４４】
第一〜第三補償コイル２１Ｘ〜２１Ｚはそれぞれ、第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚのそれぞれの中心軸上に巻かれている。
【００４５】
発振回路１１の出力は第一〜第三可変出力増幅器１２−１〜１２−３に入力され、第一〜第三の切換回路１４−１´〜１４−３´によって第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚ、第一〜第三補償コイル２１Ｘ〜２１Ｚにいずれかに電圧が印加される。この際、方位測定のために励磁される主励磁コイル以外の励磁コイルに対応する補償コイルには方位測定のための主励磁電圧よりも低い補償電圧が印加される。前述したように、この補償電圧には主励磁電圧の１〜２％程度の電圧が用いられる。なお、励磁コイルと補償コイルとの巻数比は、一例を言えば、１００：１程度である。
【００４６】
図２では、第一励磁コイル１３Ｘを主励磁コイルとして第一可変出力増幅器１２−１から主励磁電圧を印加し、第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚに対応する第二及び第三補償コイル２１Ｙ、２１Ｚには第二及び第三可変出力増幅器１２−２、１２−３をそれぞれ接続して主励磁電圧よりも低い補償電圧を印加することが出来る接続状況を示している。
【００４７】
本形態でも、第一〜第三励磁コイル１３Ｘ〜１３Ｚのいずれかが基準励磁コイルとして設定される。例えば、第一励磁コイル１３Ｘを基準励磁コイルとする場合、以下のようになる。
【００４８】
制御回路２０は、第一励磁コイル１３Ｘに主励磁電圧を印加する場合、つまり主励磁コイルが第一励磁コイル１３Ｘである場合、図２に示されるように、第二及び第三励磁コイル１３Ｙ、１３Ｚに対応する第二及び第三補償コイル２１Ｙ、２１Ｚには第二及び第三可変出力増幅器１２−２、１２−３をそれぞれ接続して主励磁電圧よりも低い補償電圧を印加する。
【００４９】
次に、主励磁コイルが第二励磁コイル１３Ｙとなる場合には、制御回路２０は第一及び第三励磁コイル１３Ｘ、１３Ｚに対応する第一及び第三補償コイル２１Ｘ、２１Ｚに補償電圧を印加する接続状況を作る。続いて、主励磁コイルが第三励磁コイル１３Ｚとなる場合には、制御回路２０は第一及び第二励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙに対応する第一及び第二補償コイル２１Ｘ、２１Ｙに補償電圧を印加する接続状況を作る。このような接続にするのは、第一の実施の形態で述べたように、主励磁コイルが第二励磁コイル１３Ｙである場合には、第二励磁コイル１３Ｙの磁界出力が第一励磁コイル１３Ｘの磁界出力と直交するように補正し、主励磁コイルが第三励磁コイル１３Ｚである場合には、第三励磁コイル１３Ｚの磁界出力が第一及び第二励磁コイル１３Ｘ、１３Ｙの磁界出力と互いに直交するように補正するためである。このようにすることで、第一の実施の形態と同じように互いに直交する交流磁界を生じさせることができる。
【００５０】
第一の実施の形態で述べた理由により、第一励磁コイル１３Ｘを基準励磁コイルとする場合、第一励磁コイル１３Ｘが主励磁コイルである時には、第二及び第三補償コイル２１Ｙ、２１Ｚに補償電圧を印加しないで良い場合もある。また、第二励磁コイル１３Ｙを基準励磁コイルとする場合、第二励磁コイル１３Ｙが主励磁コイルである時には、第一及び第三補償コイル２１Ｘ、２１Ｚに補償電圧を印加しないで良い場合もある。同様に、第三励磁コイル１３Ｚを基準励磁コイルとする場合、第三励磁コイル１３Ｚが主励磁コイルである時には、第一及び第二補償コイル２１Ｘ、２１Ｙに補償電圧を印加しないで良い場合もある。
【００５１】
なお、図１の第一の実施の形態について言えば、３つの励磁コイルの組合わせを２組用意し、これらを２箇所に配置して基準位置を２箇所に設定することにより、２箇所の基準位置から測定対象位置への３次元空間における方位が求まる。そして、２箇所の基準位置の間隔が既知であるため、測定対象位置の３次元座標を求めることができることは言うまでもない。これは、前に述べた特願２０００−２４５７６１号に詳しく説明されている。勿論、これは第二の実施の形態にも適用され得る。
【００５２】
また、図２の第二の実施の形態について言えば、励磁コイルと、この励磁コイルの配置軸とは異なる軸上に巻かれている補償コイルとを直列に接続する形態でも同様の効果が得られる。さらに、第二励磁コイル１３Ｙに第一及び第三補償コイル２１Ｘ、２１Ｚのどちらかを直列に接続するか、両方の補償コイルを直列に接続することによって第二励磁コイルの磁界発生方向を補償する接続形態なども用いることが出来ることは言うまでもない。これは、第三励磁コイルについても同様である。第二の実施の形態の説明では、補償電圧を主励磁電圧より十分に低くしているが、補償コイルの巻数を更に少なくすることで主励磁電圧と同じ値の補償電圧で補正を行うこともできる。この場合、可変出力増幅器は出力固定のもので良い。
【００５３】
第一、第二の実施の形態のいずれにおいても、第一〜第三可変出力増幅器の出力レベルの切換え、第一〜第三の切換回路の切換えを制御回路により自動的に行うようにしているが、制御回路を使用せずにこれらの切換えをマニュアルで行うようにしても良い。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の方位測定方式によれば、励磁コイルの磁界発生方向を直交させる手段として三軸のいずれかの励磁コイルを主励磁コイルとして励磁する際に、これと異なる軸方向の励磁コイルまたは補償コイルに微弱な電圧を印加することにより、主励磁コイルの発生する磁界方向を修正することが可能となるため、互いに直交する磁界を作ることが容易となるだけでなく、製作において三つの励磁コイルの組立てに精密さを要求されず、磁性材料の配置だけでなく磁性特性をも補償することが容易となり得られる効果は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態による方位測定方式を励磁コイル側について構成を示す図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態による方位測定方式を励磁コイル側について構成を示す図である。
【図３】本発明者により提案されている方位測定装置の構成を示す図である。
【図４】図３に示された方位測定装置の測定原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１１ 発振回路
１２−１〜１２−３ 第一〜第三可変出力増幅器
１４−１〜１４−３、１４−１´〜１４−３´ 第一〜第三の切換回路
１３Ｘ〜１３Ｚ 第一〜第三励磁コイル
１５Ｘ〜１５Ｚ 第一〜第三検出コイル
１７ 検波回路
１８ 電圧計
２１Ｘ〜２１Ｚ 第一〜第三補償コイル
Claims (4)
- 互いに直交する磁界を発生させるべくあらかじめ決められた基準位置に配置された第一、第二、第三の励磁コイルと、
前記第一、第二、第三の励磁コイルに順に交流信号を供給して励磁するための信号発生回路と、
互いに直交する三軸座標系のそれぞれの軸に中心軸が一致するようにして前記基準位置から離れた測定対象位置に配置された第一、第二、第三の検出コイルと、
前記第一、第二、第三の検出コイルの出力を順に取り出すための切換手段と、該切換手段から取り出された出力から電圧信号を得る電圧取出し回路とを含み、
はじめに、前記第一の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、
次に、前記第二の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、
続いて、前記第三の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、
前記第一、第二、第三の検出コイルから得られた合計９種類の誘起電圧を用いてあらかじめ定められた演算を行うことにより、前記基準位置から前記測定対象位置への方位を算出する方位測定装置であって、
前記第一〜第三の励磁コイルのうちの１つの励磁コイル出力を基準とし、
前記信号発生回路は、前記１つの励磁コイル以外の２つの励磁コイルのうちの一方の励磁コイルを励磁している時、前記一方の励磁コイルの磁界出力が前記１つの励磁コイルの磁界出力と直交するように前記１つ及び前記残りの２つの励磁コイルのうちの他方の励磁コイルに補償電圧を印加し、
前記他方の励磁コイルを励磁している時には、該他方の励磁コイルの磁界出力が前記１つおよび前記一方の励磁コイルの磁界出力と互いに直交するように前記１つおよび前記一方の励磁コイルに補償電圧を印加することで互いに直交する交流磁界を生じさせるようにしたことを特徴とする方位測定方式。 - 請求項１記載の方位測定方式において、前記信号発生回路は、発振回路と、該発振回路の出力を増幅する第一〜第三の可変出力増幅器と、該第一〜第三の可変出力増幅器の出力側に接続されてそれぞれの出力を前記第一〜第三の励磁コイルに供給する第一〜第三の切換回路と、前記第一〜第三の可変出力増幅器の出力を、励磁コイル励磁用の出力レベルと該励磁コイル励磁用の出力レベルより十分に低い前記補償電圧用の出力レベルとのいずれかになるように制御すると共に前記第一〜第三の切換回路における切換えを制御するための制御回路とを含むことを特徴とする方位測定方式。
- 互いに直交する磁界を発生させるべくあらかじめ決められた基準位置に配置された第一、第二、第三の励磁コイルと、
前記第一、第二、第三の励磁コイルに順に交流信号を供給して励磁するための信号発生回路と、
互いに直交する三軸座標系のそれぞれの軸に中心軸が一致するようにして前記基準位置から離れた測定対象位置に配置された第一、第二、第三の検出コイルと、
前記第一、第二、第三の検出コイルの出力を順に取り出すための切換手段と、該切換手段から取り出された出力から電圧信号を得る電圧取出し回路とを含み、
はじめに、前記第一の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、
次に、前記第二の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、
続いて、前記第三の励磁コイルを励磁してその際の前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される電圧を順に取り出し、
前記第一、第二、第三の検出コイルから得られた合計９種類の誘起電圧を用いてあらかじめ定められた演算を行うことにより、前記基準位置から前記測定対象位置への方位を算出する方位測定装置であって、
前記第一〜第三の励磁コイルのそれぞれの中心軸上に巻かれた第一〜第三の補償コイルを有し、
前記第一〜第三の励磁コイルのうちの１つの励磁コイル出力を基準とし、
前記信号発生回路は、前記１つの励磁コイル以外の２つの励磁コイルのうちの一方の励磁コイルを励磁している時、前記一方の励磁コイルの磁界出力が前記１つの励磁コイルの磁界出力と直交するように前記１つの励磁コイルに対応する補償コイル及び前記残りの２つの励磁コイルのうちの他方の励磁コイルに対応する補償コイルに補償電圧を印加し、
前記他方の励磁コイルを励磁している時には、該他方の励磁コイルの磁界出力が前記１つおよび前記一方の励磁コイルの磁界出力と互いに直交するように前記１つの励磁コイルに対応する補償コイルおよび前記一方の励磁コイルに対応する補償コイルに補償電圧を印加することで互いに直交する交流磁界を生じさせるようにしたことを特徴とする方位測定方式。 - 請求項３記載の方位測定方式において、前記信号発生回路は、発振回路と、該発振回路の出力を増幅する第一〜第三の可変出力増幅器と、該第一〜第三の可変出力増幅器の出力側に接続されてそれぞれの出力を前記第一〜第三の励磁コイル及び前記の第一〜第三の補償コイルのいずれかに切換えて供給する第一〜第三の切換回路と、前記第一〜第三の可変出力増幅器の出力を、励磁コイル励磁用の出力レベルと該励磁コイル励磁用の出力レベルより十分に低い前記補償電圧用の出力レベルとのいずれかになるように制御すると共に前記第一〜第三の切換回路における切換えを制御するための制御回路とを含むことを特徴とする方位測定方式。
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