JP5165347B2 - 位置測定装置 - Google Patents

Description

本発明は位置測定装置に関し、特に地すべり地帯におけるすべり面上下の相対的な変位測定に適した位置測定装置に関する。

交流磁界を用いて二点間の方位や距離を測定する方式としては、特許文献１に開示された方位測定方法及び測定装置、特許文献２に開示された方位測定方式、さらには特許文献３に開示された位置測定方式及び位置測定装置などが知られている。これらの測定方式あるいは測定装置では何れも三軸構成の送信系コイルと、同じく三軸構成の受信コイルを用いている。

このような測定方式あるいは測定装置は、例えば地すべりの監視に適用することが考えられている。この場合、地すべり面上下の相対変位を測定するためには、すべり面を挟んだ上下にそれぞれ基準点を設け、その相対変位を求める必要がある。この場合、すべり面下側の地層に送信系の三軸コイルを設置する一方、すべり面上の地層に受信系の三軸コイルを設置し、上記何れかの測定方式によって二点間の相対変位を求める。

特開２００２−０５４９２８号公報 特開２００２−１８１５４７号公報 特開２００３−００４４０９号公報

しかしながら、上記従来の測定方式あるいは測定装置では、送信系に三軸コイルを用いることと、出来れば受信系コイルは地表に設置したいため送受信間の距離を長くする関係から、送信系のコイルにはある程度の大きさが必要となる。一方、形状が大きくなることは送信系のコイルを地中に設置するためのボーリングの直径が大きくなることを意味し、結果的にコストの増大となる。この解決には送信系のコイルを小さくし、細いボーリング孔内へ設置出来るようにすることが必要とされていた。

本発明によれば、コイルの中心軸方向が重力方向を保てるようにして第一の地点に配置された一軸の励磁コイルと、該励磁コイルに交流信号を供給して励磁するための信号発生回路と、中心軸が互いに直交するようにし、しかも１つのコイルの軸心を重力方向として第二の地点に配置された第一、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から電圧信号を得る回路とを含み、前記励磁コイルを励磁して前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される誘起電圧を用いて予め定められた演算を行うことにより、前記第二の地点から前記第一の地点までの方位と距離を算出することを特徴とする位置測定装置が得られる。

さらに、本発明によれば上記の位置測定装置において、励磁コイルの中心軸が常に重力方向を保てるようにつり下げられていることを特徴とする位置測定装置が得られる。

さらに、本発明によれば上記の位置測定装置において、励磁コイルの中心軸が常に重力方向を保てるように液体中に浮かべたフロート構造で支えられていることを特徴とする位置測定装置が得られる。

本発明によれば、斜面の地中内部に設置した励磁コイルから発生された磁気信号の検出コイルにおける検出強度から励磁コイルの位置が検出できるため、地すべり土塊にひずみが発生して斜面表面が崩壊に至る前兆を検出することが可能となり、斜面表面の崩壊だけでなく斜面内部のひずみ発生段階で警報表示を行うことも可能となる。

図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は本発明による位置測定装置の構成を示すブロック図である。

位置測定装置は、発信器１０と受信器２０を含む。発信器１０は一定周期でトリガを出力するタイマ回路１１と、タイマ回路１１のトリガを得て一定期間交流信号を出力する発振回路１２と、発振回路１２の出力を増幅する増幅器１３と、増幅器１３の出力で励磁されて磁気信号を発生する励磁コイル１４と、タイマ回路１１と発振回路１２と増幅器１３に電力を供給するバッテリ１５からなる。発振回路１２の発振周波数は可聴帯域が望ましいが、これに限定されない。また、電力はバッテリによらず、場合によってはケーブルを介して外部から供給されても良い。

受信器２０は、互いに軸心が直交するように組み合わせた第一、第二、第三の検出コイル２１−１、２１−２、２１−３と、これらの検出コイルの出力を順に取り出すための切替回路２２と、切替回路２２の出力の検波を行う検波回路２３とを含む。検波回路２３の出力は電圧計２４により電圧信号として取り出される。ここで、第一〜第三の検出コイル２１−１〜２１−３は、以降で説明される図２〜図６に示されるように、中心点が一致するようにしていることは言うまでも無い。これは、励磁コイル１４と各検出コイルとの間の距離はそれぞれの中心間の距離で規定され、第一〜第三の検出コイル２１−１〜２１−３すべてについて同じ距離となるようにするためである。

つぎに、図２〜図６をも参照して本発明の位置測定装置の原理を説明する。

図２に示すように、三次元空間(Ｕ−Ｖ−Ｗ軸座標）に配置した三軸の検出コイル（Ｕコイル、Ｖコイル、Ｗコイル）と一軸の励磁コイル（Ｔコイル）において、Ｕコイル、Ｖコイル、Ｗコイルはそれぞれ中心が原点Ｏにあり、コイル軸がそれぞれＵ、Ｖ、Ｗ軸と同一であったとする。また、ＴコイルがＰ点にあり、その軸心がＷ軸と平行であったとする。

ここで、Ｔコイルが発生した磁場によって生じる原点Ｏでの磁界をＨｏとし、磁界ＨｏのＵ、Ｖ、Ｗ軸方向の磁界成分をＨｕ、Ｈｖ、Ｈｗ、Ｕ、Ｖ、Ｗコイルに誘起される電圧をＶｕ、Ｖｖ、Ｖｗとすると、以下の数１のように表すことができる。

また、｜Ｖｏ｜＝（Ｖｕ^２、Ｖｖ^２、Ｖｗ^２）^１／２とすると、
以下の数２のように表すことができ、電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗから得られる電圧｜Ｖｏ｜（絶対値）は磁界｜Ｈｏ｜（絶対値）に比例した電圧となる。

ここで、Ｗ軸方向成分の磁界Ｈｗによって誘起電圧を生じるＷコイルに対して、Ｗ軸方向と直交する成分の磁界によって誘起電圧を生じるＵ、Ｖコイルの合成をＬコイルとすれば、以下の数３のように表すことができ、図３に示すように原点ＯとＰ点を含み、かつＷ軸に平行な２次元の配置（ＷＬ平面）に置き換えることができる。

また、点О−Ｐ間の距離をｒ、線分ОＰとＷ軸のなす角度をθとすれば、図４に示すように、原点Ｏでの磁界は線分ОＰに平行な成分をＨｒ、Ｈｒと直交する成分をＨθとすると、以下の数４、５のように表すことができ、原点Оにおける磁界Ｈｏは以下の数６として表すことができる。但し、Ｍは磁気モーメント、μ_０は透磁率、Ｋｈ＝Ｍ／２πμ_０

また、図２において磁界ＨｏとＨｒのなす角度φは、以下の数７で表すことができる。

式（６）から角度θを一定とした場合、磁界は距離の−３乗に比例して減衰することがわかる。

また、角度θを０度としてｒ＝ｒ_ｒｅｆ(基準距離）での磁界強度をＨ_ｒｅｆ（基準磁界）とし、基準磁界Ｈ_ｒｅｆで誘起される電圧（基準電圧）をＶ_ｒｅｆとすれば、Ｋｈ＝ｒ^３ _ｒｅｆ｜Ｈｒｅｆ｜から以下の数８を導き出すことができる。

そして、以下の条件数９から、式（８）を以下の数１０のように表すことができる。

ここで、図３のように原点Ｏでの磁界Ｈｏを、図４のように、Ｗ軸方向成分Ｈｗ、Ｌ軸方向成分ＨＬで表せば、以下の数１１のようになる。

磁界の強さとコイルの誘起電圧は比例することから、ＷコイルとＬコイルに誘起する電圧をそれぞれＶｗ、ＶＬとすれば、以下の数１２のように表すことができる。

ここで、α＝（θ＋φ）とすると、式（６）から、
（１／２）ｔａｎθ＝ｔａｎφ＝ｔａｎ（α−θ）
＝（ｔａｎα−ｔａｎθ）／（１＋ｔａｎα・ｔａｎθ）
ここで、ｔａｎα＝βとすると、
（１／２）ｔａｎθ＝（β−ｔａｎθ）／（１＋β・ｔａｎθ）であり、本式からｔａｎθを以下の数１３で表すことができ、この式（１３）から角度θを以下の数１４で表すことができる。

ここで、β＝ｔａｎαで、以下の数１５で表すことができることから、角度θをＵ、Ｖ、Ｗコイルの誘起電圧から式（１４）で得ることができる。

また、式（１０）から距離ｒを以下の数１６で表すことにより、О−Ｐ間の距離ｒが得られる。

図３においてＷＬ平面で示した、Ｗ軸と直交する磁界成分ＨＬをＵＶ平面で示すと図５のようになる。ここで、Ｕ軸と磁界ＨＬのなす角ωは、
ｔａｎω＝｜Ｈｖ｜／｜Ｈｕ｜
として表すことができ、ＵコイルならびにＶコイルでの誘起電圧Ｖｕ、Ｖｖの大きさから以下の数１７を用いて角度ωを求めることができる。

ここではТコイル（励磁コイル）の軸心とＷコイル（検出コイル）の軸心が平行である条件について示したが、励磁コイルとＵコイルまたはＶコイルの場合においても同様の手法で演算可能なことは言うまでもない。

また、ここでは励磁コイルの軸心といずれかの検出コイルの軸心が平行である条件について示したが、検出コイルの座標系に対し励磁コイルの中心軸方向が既知である場合では角度補正の演算を行うことで同様な効果が得られることは言うまでもない。

さらに、本実施形態では、励磁コイルが一つの場合について説明したが、同軸上に配置した複数の励磁コイルであっても、それらを一つの等価的な合成コイルと置き換えることで、同様の原理が利用できることは言うまでもない。

したがって、三軸の検出コイル軸を基準とした３次元座標に配置した励磁コイル（Ｔコイル）のコイル軸心が検出コイルの軸心のいずれかと平行である場合、検出コイルＵ、Ｖ、Ｗに誘起される電圧（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）ならびに基準距離ｒ_ｒｅｆ、基準電圧Ｖ_ｒｅｆから、図６に示すように励磁コイルと検出コイルの相対距離ｒと検出コイルから見た励磁コイルの方位（θ、ω）を得ることができる。

ここで原点Оの位置とＵ、Ｖ、Ｗ軸方向が既知であったとすれば、励磁コイルの位置を求めることができる。

以上、本発明における励磁コイルの方位、位置の測定原理を説明したが、土中に励磁コイルを埋没させた場合や地すべりによって励磁コイルに変位が生じた場合には励磁コイルの軸心と三つの検出コイルのうちの一つの軸心を平行に保つことが困難な場合がある。

そこで、本発明では既知の位置に配置する三つの検出コイルのうちの一つの軸心を重力方向として配置し、励磁コイルに、その軸心が常に重力方向を保てるような構造を組み合わせることで、本発明における位置測定装置の原理の条件を満たすようにすることができる。

図７は請求項３記載の位置測定装置における励磁コイル構造を示すものである。励磁コイル１４は外筐体１６の内部に配置し、外筐体１６の上方から吊り下げ線１７によって吊り下げられている。吊り下げ線１７は励磁コイル１４のコイル軸上の上方に固定されていることが望ましく、吊り下げ線１７は非金属であることが望ましいが、これに限定されない。励磁コイル１４を励磁するための発振回路やバッテリは励磁コイル１４の内側に配置していることが望ましいが、これに限定しない。また、励磁コイル１４は内部に錘等を配置し、コイル軸上に重心を設定している。この構造により外筐体１６に傾斜が与えられた場合においても励磁コイル１４の軸心を重力方向に維持することができる。

図７の構造において励磁コイル１４の軸心が重力方向に維持されるのは外筐体１６の傾斜により励磁コイル１４と外筐体１６が接しない範囲である。したがって、外筐体１６の寸法は想定される外筐体１６の傾斜に応じて設定することは言うまでもない。

図８は請求項４記載の位置測定装置における励磁コイル構造を示すものである。励磁コイル１４は防水構造の内筐体１６−２内に配置し、錘等で励磁コイル軸上の下方に重心を設定している。励磁コイル１４を励磁するための発振回路やバッテリは励磁コイル１４の内側に配置していることが望ましいが、これに限定しない。図１で説明した励磁コイル、発振回路、バッテリ等を含む内筐体１６−２は外筐体１６−１内に配置し、外筐体１６−１と内筐体１６−２の間には液体１８を封入し、内筐体１６−２は外筐体１６−１内の液体１８に浮いている状態としている。

このようなフローティング構造により外筐体１６−１に回転が生じた場合においても励磁コイル１４の軸心を重力方向に維持することか可能となる。ここで、図８で示すように内筐体１６−２の外側と外筐体１６−１の内側は接した際の接触面積を小さくするために球形とすることが望ましいが、これに限定しない。液体は、水、不凍液、オイル等、様々なものが考えられるが、内筐体の重量に応じて選択される。内筐体の重量や液体の比重、量を設定し、内筐体が外筐体の底や上部に接しないように調整していることは言うまでもない。

また、請求項４記載の位置測定装置では、液体中に浮かべたフロート構造で励磁コイルの軸心を重力方向に維持しているが、ジンバル構造により励磁コイルの軸心を重力方向に維持することができるのは言うまでもない。

以上の説明の通り、本発明による位置測定装置によれば、一軸の励磁コイルを用いて励磁コイルの方位、位置を測定できることから、励磁コイルを地中に設置するためのボーリング孔の直径が細くなり、設置費用の低減を図れることから得られる効果は大である。

図１は、本発明による位置測定装置の構成を示した図である。 図２は、本発明の位置測定装置による位置測定の原理を説明するための図である。 図３は、本発明の位置測定装置による位置測定の原理を説明するための図である。 図４は、本発明の位置測定装置による位置測定の原理を説明するための図である。 図５は、本発明の位置測定装置による位置測定の原理を説明するための図である。 図６は、本発明の位置測定装置による位置測定の原理を説明するための図である。 図７は、本発明の位置測定装置における励磁コイル構造の一例を示した断面図である。 図８は、本発明の位置測定装置における励磁コイル構造の他の例を示した断面図である。

符号の説明

１０ 発信器
１４ 励磁コイル
２０ 受信器
１６、１６−１ 外筐体
１６−２ 内筐体
１７ 吊り下げ線
１８ 液体

Claims (3)

1. コイルの中心軸方向が重力方向を保てるようにして第一の地点に配置された一軸の励磁コイルと、
   該励磁コイルに交流信号を供給して励磁するための信号発生回路と、
   中心軸が互いに直交するようにし、しかも１つのコイルの軸心を重力方向として第二の地点に配置された第一、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から電圧信号を得る回路とを含み、
   前記励磁コイルを励磁して前記第一、第二、第三の検出コイルに誘起される誘起電圧を用いて予め定められた演算を行うことにより、前記第二の地点から前記第一の地点までの方位と距離を算出することを特徴とする位置測定装置。
2. 請求項１に記載の位置測定装置において、前記励磁コイルは中心軸が常に重力方向を保てるようにつり下げられていることを特徴とする位置測定装置。
3. 請求項１に記載の位置測定装置において、前記励磁コイルは中心軸が常に重力方向を保てるように液体中に浮かべたフロート構造で支えられていることを特徴とする位置測定装置。

Images