JP5461894B2 - 磁気マーカ−および磁気探査装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象の加工面の裏面に配置し加工位置を特定する磁気マーカ−および加工面において磁気マーカ−の位置を探査する磁気探査装置に関する。

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。

特表２０００−５０６８１６号公報

しかしながら、大型、高精度の工作機械を使用するシステムにおいて、加工対象部材が大型化し、治具や作業も大規模となる。

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（たとえば３５ｍｍ以上）なるとさらに高精度な探査が困難となる。

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、非磁性の加工対象に対して非侵襲で穴加工位置を高精度かつ簡易に特定することができ、さらに対象が厚い場合でも加工位置が探査可能な磁気マーカおよび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、本発明の第１の側面によれば、非磁性の対象の加工において所定の基準位置を特定するための磁気マーカーであって、磁気基準軸を規定するようにそのまわりに実質的に軸対称な磁場を形成する磁場発生器を具備し、前記磁場発生器の一の磁極表面における磁束密度はその中央部よりも周縁部において大きいことを特徴とする。

本発明の第２の側面によれば、非磁性の対象の基準位置に所定の磁場を発生する磁気マーカーを固定し、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基準位置に相応する加工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、第１ベースと、前記第１ベースに位置固定される第１の仮想軸のまわりに第１のベアリング機構により揺動自在に支持される第２ベースと、前記第２ベースに位置固定され前記第１の仮想軸と直交する第２の仮想軸の廻りに第２のベアリング機構により揺動自在に支持される支持シャフトとを有する軸受組立体であって、前記第１ベースを介して前記本体内に固定されるものと、前記支持シャフトに固定され所定の主軸に沿って延在する磁気探査子であって、前記磁気探査子の一端に固定され、前記磁気マーカーが形成する磁場と相互作用する磁場発生器と前記磁気探査子の他端に固定される標識部とを有し、前記磁気探査子の重心が前記第１の仮想軸と第２の仮想軸の交点に一致するように位置づけられるものと、前記本体に固定され前記磁気探査子の傾動を表示する表示部であって、前記標識部の相対位置を介して前記磁気マーカーの位置を表示するものとを具備することを特徴とする。

本発明によれば、磁気マーカーは磁気基準軸を規定しその周囲に安定な磁場を形成する磁気ビームを発生するため、加工対象が厚い場合でも磁気探査することができ、なおかつ磁気基準軸から離れる方向で有意な磁場勾配成分を有するため位置決めの精度が高い。

さらに本発明によれば、磁気探査装置は磁気探査子をベアリング機構により揺動自在に支持し、軸受機構を一体に構成して本体に固定するため、揺動にともなう摩擦が低減し、ガタが発生しないため、微弱な磁場であっても安定に探査することができるため信頼性が高い。

本発明の磁気マーカーと磁気探査装置を示す斜視図。 本発明の磁気探査装置による磁気探査における表示部の上面図。 第１実施形態の磁気マーカーの縦断面図。 第１実施形態の磁場発生器の（ａ）磁極面の上面図と（ｂ）縦断面図。 リング型磁石を模式的に表現した概念図。 第２実施形態の磁場探査装置の第１回動軸に沿った縦断面図。 第２実施形態の磁場探査装置の第２回動軸に沿った縦断面図。 軸受アセンブリの上面図。 標識部の上面図。 表示部の上面図。

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。

図１に本実施形態にかかる磁気マーカーと磁気探査装置の斜視図を示す。加工対象５は所定の厚さｈ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５の裏面７には所定位置（以下基準位置という）８に磁気マーカーとしてのバックセンサー（以下磁気マーカーという）１０が取り付けられ、その裏面７が規定する平面に垂直な仮想軸のまわりに分布する磁束を発生する。磁気マーカー１０は第１実施形態で詳述するように所定の方向を向く仮想軸のまわりに安定に分布する磁束を形成することができる。

磁気マーカー１０の磁場は非磁性の加工対象５を透過し表面６に配置された磁気探査装置２０により探査される。磁気探査装置２０は第２実施形態で詳述するが図示しない位置決めユニットにより加工対象５の表面６に対して二次元（Ｘ、Ｙ方向）に移動することができる。磁気探査装置２０は内蔵する磁気探知子４０により磁気マーカー１０が形成する磁場を探査し、磁気マーカーとの相対位置から裏面６の基準位置８からのずれを表示する。磁気探知子４０が磁気マーカー１０上に位置づけられると表示部２５にその標識が表示される。

磁気マーカー１０による位置検出が完了すると磁気探査装置２０は位置決めユニットから取り外され、そこに図示しないドリルガイド等の治具が取り付けられて穴加工が行われる。その結果表面６からは視認できない裏面７の基準位置８の真上（主軸Ｌ上）の同芯位置に穴の芯を合わせることができる。

第１実施形態
本発明の磁気マーカーおよび磁気探査装置の好適な実施形態を以下詳細に説明する。

加工対象５の裏面７の基準位置８を特定するために、所定の磁場を発生する磁気マーカーとしての磁石を基準位置８に取り付けることによって表面６における基準位置８の対応位置を迅速かつ正確に探査することができ、なおかつ電力や動力を必要としないため信頼性が高い。

ところが、加工対象５の厚さが３５ｍｍ程度より大きくなると磁石の発生する磁場が表面６側で減衰し磁気探査子による探査が困難または不安定になることが判明した。すなわち、対象表面６側における磁束密度が小さいと磁気探査子と十分な相互作用ができないため基準位置８からの変位を視認により検知できない。そこで発明者は鋭意研究の結果、後述する磁気マーカー１０および磁気探査装置２０により厚い加工対象においても基準位置８を正確かつ迅速に探査することができることを見いだした。

図３に示すように、本実施形態にかかる磁気マーカー１０は磁場発生器１５、磁場発生器１５の一の磁極１６を加工対象５の基準位置８に位置づけるためのガイド１２、他の磁極の磁路を規定するヨーク１３、および磁気マーカー本体１１を有する。

磁場発生器１５から離れた位置に形成された磁場から仮想軸Ｌの位置情報を取得するためには、磁気探査装置２０の磁気探査子にトルクが作用する程度の吸引力が発生する程度に安定した磁場が形成されていなければならない。

本実施形態の磁場発生器１５が発生する磁場（磁力線）は磁極１６側で所定の仮想軸Ｌのまわりに実質的に対称に形成され、なおかつ仮想軸方向とその近傍に安定に分布する磁場が形成される。以下仮想軸Ｌを磁気基準軸という。

ガイド１２は磁場発生器の磁場が規定する磁気基準軸Ｌに対して垂直な表面を規定する表面を有し、その表面には突起１２ａが形成される。ガイド１２の突起１２ａが対象裏面７に配置された磁気マーカー保持プレート９の所定の部位と係合することによって磁気マーカー１０が基準位置８に位置づけられる。これにより磁気基準軸Ｌが基準位置８を通り対象裏面７が規定する面と垂直を成す。

磁場発生器
本実施形態にかかる磁場発生器１５は図４（ａ）（ｂ）に示すように円筒形状をなすリングタイプのネオジ磁石である。磁場発生器１５の一の磁極１６は中央部１７ａが空洞（内径δ）であり周縁部１７ｂに磁束が集中している。したがって、磁極面ＰＬにおける磁束（磁力線）は磁極の中央部１７ａよりも周縁部１７ｂにおいて磁束密度が大きくなるように局在している。

図４（ｂ）は磁場発生器１５の円筒の長軸に沿った断面図であるが、ネオジ磁石は円筒の長軸方向に磁化されその一端の磁極１６から出た磁束が長軸方向に局在するように形成されている。

図５はリング状の磁石を長形の小磁石（磁気モーメントＭ）が円形状に配置されたものとして模式的に表したものである。磁気基準軸Ｌに対して対称の位置に所定の距離ｄをおいて配置された小磁石対１５ａ，１５ｂを考える。磁極１６ａ，１６ｂは同じ極性（ＮまたはＳ）を有する。すなわち、向きと大きさが同じ２つの磁気モーメント対が磁気基準軸Ｌに対して軸対称に配置される。この場合に磁極１６ａ，１６ｂ同士には斥力が働く。そのため各磁極から相手側に湧き出す磁力線は相互に退けあい磁気基準軸Ｌ方向に沿って排除される結果磁気基準軸Ｌ近傍にも磁力線１８が存在するものと考えられる。

磁極１６の中央領域（磁気基準軸Ｌの周辺）では磁束は小さいが、磁極面１６から上方に離れるにしたがって磁気基準軸Ｌの周辺における磁束が漸増し、磁極面の近傍領域から離れた高さでは磁気基準軸上およびその周辺にわたって磁束分布が安定する。これに伴い、磁極面１６の周縁部から出た磁力線のうち中央よりのものは磁極面ＰＬから所定の高さに到るまで磁気基準軸Ｌに漸近するように形成される。そのため磁気基準軸Ｌの周辺の磁力線は磁気基準軸Ｌの方向に沿って形成される傾向がある。

軸対称に配置された小磁石対１９ａ，１９ｂの集合としてのリング状磁石の場合は、磁極面ＰＬの近傍領域から離れた高さでは磁束密度は磁気基準軸Ｌ上にピークをもった分布となり、磁気基準軸Ｌの周辺においても磁力線が磁気基準軸Ｌの方向に沿って分布し、磁気基準軸Ｌ上およびその周辺において安定した「磁束ビーム」が形成されている。特に小磁石対の離隔距離ｄに相当する範囲内では磁気基準軸Ｌの方向に沿った磁束が安定に形成されているため、所定の大きさをもつ磁気探査子がｘ方向に探査する中でトルクを発生させるための十分な相互作用をすることができると考えられる。

その結果、磁気モーメントの等しい円柱型磁石とリング状磁石を比較した場合には、本発明のリング状磁石を磁気マーカー１０の磁場発生器として採用すると磁気探査における探査の信頼性および精度が格段に向上することが確認された。また、円柱型磁石よりも軽量な磁気マーカーを構成することができる。なお、磁気基準軸Ｌからの距離が磁極面１６の大きさより十分遠方の領域ではリング状磁石と円柱型磁石が形成する磁場に顕著な相違はない。

磁気探査方法
磁気探査装置２０による磁気探査は、揺動自在な磁気探査子４０と磁気マーカー１０が発生する磁場の相互作用によって磁気探査子４０の一端にいわゆる吸引力が作用することにより磁気探査子４０が傾動し、この傾動を表示機能で視認することにより行われる。

磁気探査装置２０は磁気マーカー１０が形成する磁気基準軸Ｌのまわりに分布する磁場を探知して磁気基準軸Ｌに収束する方向に移動することを繰り返し、最終的に磁気探査装置２０が磁気基準軸Ｌ上に位置づけられたところで探査が完了する。磁気探査装置２０は磁石を有する磁気探査子４０を揺動自在に支持し、磁気探査子４０の傾動を視認することで磁気マーカー１０の磁場の磁気基準軸Ｌを探査することができる。

本実施形態では磁気探査装置２０として磁気的相互作用による磁気探査子４０の傾動により電力や動力を使用せずに磁気探査を行うことができるものを示したが、磁気探査装置としてホール素子等の磁気センサーを用いて磁気測定をすることにより同様の磁気探査を行うことができる。この場合においても、本実施形態の磁気マーカー１０が形成する指向性の高い磁場（磁束ビーム）を探査することにより、厚い加工対象でも高精度かつ迅速に磁気基準軸Ｌを探査することが可能である。

以上述べたように、本発明にかかる磁気マーカー１０の磁場発生器１５は、軸対称（極性も含む）に所定の距離ｄをおいて配置された磁気モーメントペアとしての小磁石対を具備するものであって、その一の磁極１６の表面ＰＬにおいて磁束密度が中央部よりも周縁部で大きくなるように偏在している。

このような磁場発生器１５によれば磁気基準軸Ｌを規定しその周囲に磁束が安定して分布する磁束ビームを発生することにより、磁気探査子４０がこれを容易に捕捉することができる。

第２実施形態
以下に本発明の磁気マーカーおよび磁気探査装置の第２実施形態を詳細に説明する。

図６の縦断面図に示すように、本実施形態にかかる磁気探査装置２０は、磁気探査装置本体２２、磁気探査装置２０を位置決めユニットに仮固定するためのボス２１、磁気マーカー１０の磁気を検知するための磁気探査子４０、磁気探査子４０を本体２２に揺動自在に支持するための軸受アセンブリ３０、磁気探査子４０の姿勢を表示するための表示部２５、透明または半透明材料のカバー２３を有する。

磁気探査子
磁気探査子４０は、図６、図７に示すようにメインシャフト４１に対して一端側にヨーク４４および磁場発生器４５が、他端側にカウンタウェイト４２および指標部４７が取り付けられている。磁気探査子４０はその重心において軸受アセンブリ３０によって揺動自在に支持されるため、カウンタウェイト４２によってメインシャフト４１の所定位置に重心が位置づけられるように調整される。

その結果磁気探査装置２０が傾斜していても磁気探査子４０の重量バランスが保たれているため、磁気探査子４０による磁気マーカー１０の磁気探査が可能となる。

磁場発生器４５は磁気マーカー１０が形成する磁場と相互作用して吸引力により磁気探査子３０に重心のまわりのトルクを発生させる。本実施形態の磁場発生器４５は第１実施形態の磁場発生器１５と同様に軸対称に配置された磁気モーメント対の集合、すなわち円筒形状のネオジ磁石が好ましい。このような磁場発生器４５は磁場発生器１５と同様に所定の磁気基準軸を規定しその周辺に安定な磁束を形成することができるため、第１実施形態の磁気マーカー１０とともに用いるとそれぞれの磁気基準軸を相互に探査することによって磁気探査の精度、安定度が向上する。

なお、本実施形態では磁場発生器４５は円筒状のネオジ磁石が好ましいが通常の長形の磁石でもよい。また、磁気マーカー１０は第１実施形態の磁場発生器１５を用いることが好ましいが既知の磁石でもよい。

傾動視認機構
標識部４７と表示部２５は磁気探査子４０の傾動を視認するための機構を構成する。標識部４７は図６および図９に示すように、磁気探査子４０の重心を中心とする球面の一部をなし、その中心がメインシャフト４１に取り付けられる。また、標識部４７の外方面にはメインシャフト４１の主軸上にある中心に円形の模様を施した標識４７ａと周縁部に所定の直径を有するリング状の模様を施した標識４７ｂが形成される。

磁気探査装置本体２２の上部に取り付けられる表示部２５は、磁気探査子４０の標識部４７が揺動自在となるように内側が球面をなし、中心部に標識４７ａを表示する窓２５ａが、その周囲には標識部の標識４７ｂを表示する同心円状の窓２５ｂが形成される。また表示部２５には方位の基準を示す方位線２６が表示される。窓２５ｂは標識４７ｂのリングの外径よりもやや大きい直径をもつ円上に配置される。表示部２５は窓２５ａ，２５ｂが視認可能な透明または半透明材料のカバー２３で覆われて保護されている。

磁気探査子４０が磁気マーカー１０が規定する磁気基準軸上にある場合には、表示部２５の窓２５ａと標識部４７の中心部の標識４７ａの位置が重なる。このとき窓２５ｂと標識４７ｂは同心で半径が異なるリング形状であるため、図２の状態Ｓ２に示すように標識４７ａのみが視認できる。また磁気探査子４０が磁気基準軸Ｌからはずれている場合には、磁気探査子４０が傾動するため窓２５ａと標識４７ａの位置はずれ、窓２５ｂと標識４７ｂの一部が偏芯して重なるため、図２の状態Ｓ１またはＳ３に示すように偏芯の方向が容易に視認できる。

軸受アセンブリ
本実施形態の図６、７に示すように、軸受アセンブリ３０は磁気探査子４０をその重心において本体２２に対して揺動自在に保持するものである。

本発明の磁気探査装置２０は電力や動力を使用せず、磁気マーカー１０が発生する磁場と磁気探査子４０の相互作用による微弱な吸引力のみにより磁気探査を行うため、軸受機構での摩擦、ガタによる軸ズレは致命的となる。

したがってたとえば外部から圧力、衝撃、振動を受けやすい本体に軸受機構を構成すると上記外力により軸ズレ等が生じて高感度の磁気探査が困難となる。このような課題に鑑みて、本発明の軸受機構は軸受アセンブリとして独立一体に構成される。

軸受アセンブリ３０は磁気探査装置本体２２にセットスクリュー３７で固定される第１ベース３１と、第１ベースに固定された第１回動軸（仮想軸）Ｒａの廻りに第１軸受部３９ａを介して回動可能に支持される第２ベース３２と、第２ベースに固定された第２回動軸（仮想軸）Ｒｂの廻りに磁気探査子４０を回動可能に支持するための第２軸受部３９ｂを有する。

第１回動軸Ｒａと第２回動軸Ｒｂは直交し、磁気探査子４０の重心はこの直交点ｃに位置づけられる。したがって、第１ベース３１が本体２２に固定されると磁気探査子４の重心は本体２２に対して位置固定される。

第１軸受部３９ａおよび第２軸受部３９ｂはいずれもベアリング機構を有する。したがって軸両端部と軸受部が点接触する機構に比べて重心位置の位置ズレが生じ難くメンテナンスも不要であるため、磁気探査子４０の重心を安定して保持することができる。また、このような保持機構を軸受アセンブリとして磁気探査子４０とともに一体に構成し、第１ベース３１を磁気探査装置本体２２にセットスクリュー３７およびキャップネジ３８にて位置固定するため、本体２２に振動やストレスが付与されても保持機構等が一体構造を有するため安定した磁気探査を行うことができる。

本実施形態によれば、磁気マーカー１０により形成した磁場の磁気基準軸Ｌを磁気探査装置２０により探査することにより、非磁性の加工対象５が厚い場合であっても高感度かつ安定して磁気探査することができ、同芯位置を迅速に特定することができる。

１０ 磁気マーカー
１２ 磁気マーカーガイド
１５ 磁場発生器
１６，１６ａ，１６ｂ 磁極
２０ 磁場探査装置
２１ ボス
４０ 磁気探査子
４１ メインシャフト
４５ 磁場発生器
ｃ 重心位置
４７ 指標部
２５ 表示部
３０ 軸受アセンブリ
３１ 第１ベース
３２ 第２ベース
３９ａ，３９ｂ 軸受部（ベアリング機構）
５ 加工対象
８ 基準位置
９ 磁気マーカー保持プレート

Claims (6)

1. 非磁性の対象の基準位置（８）に所定の磁場を発生する磁気マーカー（１０）を固定し、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基準位置に相応する加工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（２２）と、
   第１ベース（３１）と、前記第１ベースに位置固定される第１の仮想軸（Ｒａ）のまわりに第１のベアリング機構（３９ａ）により揺動自在に支持される第２ベース（３２）と、前記第２ベースに位置固定され前記第１の仮想軸と直交する第２の仮想軸（Ｒｂ）の廻りに第２のベアリング機構（３９ｂ）により揺動自在に支持される支持シャフト（４１）とを有する軸受組立体（３０）であって、前記第１ベースがセットスクリュー（３７）により前記本体内に固定されるものと、
   前記支持シャフトに固定され所定の主軸に沿って延在する磁気探査子（４０）であって、
   前記磁気探査子の一端に固定され、前記磁気マーカーが形成する磁場と相互作用する磁場発生器（４５）と
   前記磁気探査子の他端に固定される標識部（４７）と
   を有し、前記磁気探査子の重心が前記第１の仮想軸と第２の仮想軸の交点に一致するように位置づけられるものと、
   前記本体に固定され前記磁気探査子の傾動を表示する表示部（２５）であって、前記標識部の相対位置を介して前記磁気マーカーの位置を表示するものと
   を具備することを特徴とする磁気探査装置。
2. 前記磁場発生器は筒状の磁石であってその長手方向に磁化しかつその長手方向が前記磁気探査子の主軸に平行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. 前記磁場発生器は所定の仮想軸に対して相互に軸対称に離れるように配置された磁気モーメントペアであることを特徴とする請求項２記載の磁気探査装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気探査装置により前記基準位置（８）を磁気探査するために前記基準位置を特定する磁気マーカー（１０）であって、
   磁気基準軸（Ｌ）を規定するようにそのまわりに実質的に軸対称な磁場を形成する基準磁場発生器（１５）を具備し、
   前記基準磁場発生器（１５）の一の磁極表面（ＰＬ）における磁束密度はその中央部（１７ａ）よりも周縁部（１７ｂ）において大きいことを特徴とする磁気マーカー。
5. 前記磁気マーカーを前記基準位置に対して位置づけるガイド部（１２）を具備し、前記ガイド部は前記磁極に取り付けられ前記磁気基準軸が前記基準位置を通るように位置固定されることを特徴とする請求項４記載の磁気マーカー。
6. 前記基準磁場発生器は前記磁気基準軸に対して相互に軸対称に離隔して配置された磁気モーメントペアであることを特徴とする請求項４又は５記載の磁気マーカー。

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