JP5603900B2 - 磁界測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、高精度に３軸方向の磁界を測定するために使用される磁界測定装置に関する。

例えば、永久磁石が設計どおりのバタンに着磁されているかどうかを確認するために、磁気センサが使用される。この磁気センサをプローブ先端に取り付けて、測定対象物近傍の磁界を精密に測定するための装置が開発されている（特許文献１参照）。

特開２００５−１８９２００号公報

既知の従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
例えば、３軸方式の磁気センサは一辺が５０ミクロン程度の素子で、数ミリメートル幅の棒状の基板先端付近に搭載されている。この棒状の基板に磁気検出出力取り出し用の電極を取り付け、保護用の樹脂を被覆したものが磁気測定用プローブである。磁界測定機構中でこのプローブの先端を移動させて、測定対象物の近傍磁界を３次元的に測定する。

しかしながら、磁界測定機構中で設定された３軸に対して、磁気センサの検出素子の想定する測定系の３軸とが一致しないと、測定値に誤差が生じる。
上記の課題を解決するために、本発明は、３軸方向の磁界を精密に測定することができる磁界測定装置を提供することを目的とする。

以下の構成はそれぞれ上記の課題を解決するための手段である。
〈構成１〉
互いに直交する３軸方向の磁界を個別に測定できる検出素子を搭載した３軸センサと、
この３軸センサを支持するアームと、上記アームを、磁界測定機構中で設定された互いに直交する３軸方向に自在に移動させるアクチュエータと、上記磁界測定機構中で設定された互いに直交する３軸のうちのいずれかの軸上に一対の基準点を設定したとき、上記一対の基準点間を結ぶ基準線と直交する交差直線上に、上記基準線を間に挟んで第１固定点と第２固定点とを設定し、同一の磁石片を上記第１固定点から上記第２固定点に移動させて、上記第１固定点と第２固定点に、上記同一の磁石片を互いに鏡像の関係になるように向けて支持する固定手段とを備えたことを特徴とする磁界測定装置。

〈構成２〉
構成１に記載の磁界測定装置において、上記固定手段は、上記磁石片を支持する１個の支持台からなり、この支持台は回転テーブル上に配置されており、この回転テーブルは、上記基準線と上記交差直線の交点上に回転軸を持ち、この回転軸は、上記基準線と上記交差直線を含む面に対して垂直なことを特徴とする磁界測定装置。

〈構成３〉
構成２に記載の磁界測定装置において、上記回転テーブルを１８０度回転させて、上記回転テーブルの回転とともに上記一個の支持台を移動させ、上記磁石片を上記第１固定点から上記第２固定点に移動させる機構を備えたことを特徴とする磁界測定装置。

〈構成１の効果〉
第１固定点と第２固定点に、同一の磁石片を、互いに鏡像の関係になるように向けて支持することにより、３軸センサの支持角度を調整して、磁界測定機構中で設定された３軸方向と３軸センサの検出素子の想定する測定系の３軸とを一致させることができる。
〈構成２と３の効果〉
第１固定点と第２固定点における磁石片の位置決めをスピーディーに正確に行える。

実施例１の磁界測定装置を示す平面図である。 磁石の発生する磁力線と磁界測定値と３軸センサ１４の傾きとの関係を説明する説明図である。 上記の測定誤差を補正することができる装置の原理図である。 第１の測定結果と第２の測定結果の比較説明図である。 磁界測定値の補正係数の求め方を示す説明図である。 具体的な磁界測定方法のフローチャートである。 補正係数の計算処理動作フローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。

３軸センサは、３個の磁気センサをそれぞれ測定系の３軸方向に向けて、プローブの先端に固定したものである。３個の磁気センサは、素子の製造段階で相互に精密に軸合わせ（角度合わせ）されている。一方、この磁気センサを用いて磁界測定をする磁界測定機構は、測定対象物を支持し、移動させたり回転したりする。その磁界測定機構中で設定された３軸も、相互に精密に軸合わせ（角度合わせ）されている。しかし、磁気センサの検出素子の想定する測定系の３軸とは必ずしも一致しない。両者が一致しないと、測定対象物の磁界測定機構のＸ軸方向の磁界を測定したはずなのに、実際に検出素子の想定する測定系のＸ軸方向の磁界の測定値を取得してしまう。そこで、測定対象物の磁界測定に先だって、磁石片を使用して調整をする。以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。

図１は実施例１の磁界測定装置を示す平面図である。図２はその測定値の性質を示す説明図である。
これらの図を用いて、本発明の装置の動作原理を説明する。３軸センサ１４は、磁界測定機構１８中を３軸方向に自在に移動できるようにアーム１６に支持されている。磁界測定機構１８のアクチュエータ２０は、アーム１６を、磁界測定機構１８中で設定された互いに直交する３軸方向に移動させる機構群を備える。この機構群は、従来から、各種工作機械や測定装置に多用されているものであり、詳細な説明を省略する。

３軸センサ１４は、互いに直交する３軸方向の磁界を個別に測定できる検出素子１２を搭載したものである。ここでは、アーム１６を磁界測定機構１８のＸ軸方向に移動する例を説明する。この装置には、磁界測定値の補正処理のために、磁石片２８が設けられている。磁石片２８は、３軸センサ１４の側方からＹ軸方向に向けて磁力線を発生する磁石である。一点鎖線は、磁力線を示す。

図２は、磁石の発生する磁力線と磁界測定値と３軸センサ１４の傾きとの関係を説明する説明図である。
図のように、アーム１６をＸ軸方向に移動させて３軸センサ１４により磁石片２８の前方の磁界を測定する。Ｙ軸方向の磁界は、３軸センサ１４が磁石片２８の正面に位置したときに最大値になる。一方、Ｘ軸方向の磁界は、図のように、磁石片２８の正面でゼロになり、その前後では向きを反転して次第に絶対値が大きくなる。

ここで、３軸センサ１４の測定系のＸ軸方向がアーム１６の移動するＸ軸方向に対して傾斜していると、Ｘ軸方向磁界のゼロクロス点を測定する位置は、若干磁石片２８の正面の位置からシフトする。Ｙ軸方向磁界の最大値を測定する位置も、若干磁石片２８の正面の位置からシフトする。このとき、３軸センサ１４で測定したＸ軸方向の磁界測定値は、磁界測定機構１８のＸ軸方向の磁界を測定したものでなくなる。即ち、微妙に測定誤差が生じる。

図３は、上記の測定誤差を補正することができる装置の原理図である。
図に示すように、この装置は、３軸センサ１４を支持するアーム１６と、磁石片２８を支持する回転テーブル５６を備える。３軸センサ１４を図のＸ軸方向に移動させて上記の測定を行う。このとき、Ｘ軸上に、一対の基準点２２を設定する。一対の基準点２２間を結ぶ線を基準線２４とする。基準線２４と直交する線を交差直線２５とする。
この交差直線２５上に、基準線２４を間に挟んで第１固定点３０と第２固定点３２とを設定する。

磁石片２８は、基準線２４に並行で、基準線２４と交差直線２５を含む面に垂直な側面６２を持つ支持板６０に固定されている。基準線２４や交差直線に対して支持板６０の側面６２の向きを調整すると、磁石片２８を目的とする状態に正確に支持できる。

第１固定点３０と第２固定点３２に、磁石片２８を支持するように構成された第１固定手段３４と第２固定手段３６とを設ける。各固定手段は、磁石片２８を一定の方向に向けて一定の姿勢で保持する皿やピンやクランプにより構成するとよい。なお、全く同一の特性の磁石片２８を一対用意するのは困難である。従って、１個の磁石片２８を第１固定手段３４を用いて第１固定点３０に支持し第１の測定結果を得る。次に、磁石片２８を第２固定点３２側に移動し、第２固定手段３６を用いて支持して第２の測定結果を得る。

このとき、磁石片２８が発生する磁力線は、基準線２４に対して左右対称であることが好ましい。従って、磁石片２８を第１固定手段３４で固定したときと第２固定手段３６で固定したときとでは、互いに鏡像の関係になるように、磁石片２８の位置や向きを選定することが好ましい。磁石片２８が互いに鏡像の関係になるように支持できればよい。

センサ駆動手段２６は、アクチュエータ２０（図）を駆動して、基準線２４に沿って３軸センサ１４を直線的に移動させる。１回目は、第１固定点３０に磁石片２８を支持した状態で、基準線２４上を一方から他方に向かって３軸センサ１４を移動させる。これを元に戻して、第２固定点３２に磁石片２８を支持した状態で、同じ動作を繰り返す。この動作により、３軸センサ１４は、基準線２４の方向と交差直線２５の方向の磁界を測定した結果を、第１の測定結果３８及び第２の測定結果４０として測定結果記憶手段４２に記憶させることができる。

図４は、第１の測定結果と第２の測定結果の比較説明図である。
図のグラフの形式は図２と同様である。図のように、第１の測定結果３８と第２の測定結果４０とは、極性が反転しているが、ほぼ同レベルの磁界測定値が得られている。基準線２４と第１固定点３０との間の距離と基準線２４と第２固定点３２との間の距離が等しくなければ、磁界測定値の絶対値は若干相違するが、Ｙ軸方向磁界の最大値の位置とＸ軸方向磁界のゼロクロス点４４の位置は、一致するはずである。しかしながら、磁界測定機構１８中で設定された３軸方向と、３軸センサ１４の検出素子の想定する測定系の３軸とが一致しないと、図のようにゼロクロス点４４の位置にずれが生じる。

ここで、例えば、３軸センサ１４の支持角度を調整して、磁界測定機構１８中で設定された３軸方向と３軸センサ１４の検出素子の想定する測定系の３軸とを一致させることができる。図のゼロクロス点４４のＸ軸方向の位置が一致するように支持角度調整をするとよい。

しかし、この調整には熟練を要し、精度の高い調整機構が必要になる。機械的に角度を調整する方法のほかに、角度の狂いは許容してそのまま測定をし、磁界測定値をその後に数字的に補正すれば、高精度の測定が可能である。

図５は、磁界測定値の補正係数の求め方を示す説明図である。
図において、磁界測定機構１８中で設定されたＸ軸とＹ軸に対して、３軸センサ１４の測定系のＸ軸とＹ軸を、Ｐ、Ｑと表した。３軸センサ１４の測定系は、磁界測定機構１８中のＸ−Ｙ平面上でβだけ傾斜している。

このとき、磁界ベクトルＡを３軸センサ１４で測定すると、そのＸ軸方向磁界はＧｘ、Ｙ軸方向磁界はＧｙとなる。ベクトルＡは、磁界測定機構１８中のＸ軸に対してαだけ傾いている。このとき、Ｇｘ、Ｇｙと、ベクトルＡの絶対値と角度α、βの関係は、（ｂ）の式のようになる。真の測定値は、Ｈｘ、Ｈｙである。

（ｂ）の関係式から、Ｘ軸補正係数は（ｃ）に示すようになる。また、Ｙ軸補正係数は（ｄ）に示すようになる。これにより、基準線２４の方向と交差直線２５の方向の磁界測定値を求めるための補正係数４６が求められる。論理的にはこのとおりであるが、コンピュータが処理する場合には演算処理が比較的複雑になる。そこで、予めこのような角度ずれを想定した補正係数を多数算出して保持しておく。

βの考えられる最大値が５度とすれば、例えば、０．１度刻みで対応する補正値を準備しても、５０個程度である。すべての補正値を当てはめてみて、第１の測定結果３８と第２の測定結果４０の測定値のゼロクロス点４４がＸ軸方向にみて一致したとき、その補正値を採用するとよい。図３に示した補正係数演算手段４８は、こうした演算処理を実行するコンピュータにより構成するとよい。

なお、図３に示した回転テーブル５６は、基準線２４と交差直線の交点５４上に、基準線２４と交差直線を含む面に対して垂直な回転軸を持つものにすることができる。この回転テーブル５６は磁界測定の対象物を置いて回転させる等のために使用される。その周辺部に、第１固定手段を設ける。第１固定手段３４は皿やクランプ等の支持台５０である。回転テーブル５６を１８０度回転させて、回転テーブル５６の回転とともに支持台５０が移動すると、第１固定点３０から第２固定点３２に移動させることができる。これにより、位置精度調整済みの移動機構を用いれば、第１固定点３０と第２固定点３２における磁石片２８の位置決めをスピーディーに正確に行える。

図６は具体的な磁界測定方法のフローチャートである。
磁界測定は、具体的にはこの図に示すように進められる。まず、ステップＳ１１で、磁石を初期状態にセットする。即ち、磁石片２８を第１固定点３０に支持する。次に、ステップＳ１２で、３軸センサ１４を基準点２２にセットをする。続いて、ステップＳ１３で、３軸センサ１４をＸ軸に沿って移動する。即ち、基準線２４上を移動させる。ステップＳ１４では、Ｘ軸とＹ軸方向の磁界測定をする。

磁界測定が終了すると、第１の測定結果３８が取得される。ステップＳ１５では、中央のゼロクロス点４４（第１）の検出をする。ステップＳ１６では、磁石片２８を１８０度公転させる。こうして、磁石片２８を第２固定点３２の位置に支持する。ステップＳ１７では、磁石片２８の３軸センサ１４に面した面の向きは変えずに、交差直線２５を軸にして１８０度自転させる。これで、磁石片２８を鏡像関係にセットできる。ステップＳ１８で、磁石片２８を基準点２２にセットする。ステップＳ１９で、３軸センサ１４をＸ軸に沿って移動する。ステップＳ２０では、Ｘ軸とＹ軸方向の磁界測定をする。これで、第２の測定結果４０が取得できる。ステップＳ２１で、中央のゼロクロス点４４（第２）の検出をする。

図７は、補正係数の計算処理動作フローチャートである。
ステップＳ３１では、取得されたゼロクロス点（第１と第２）のＸ軸上の位置を比較する。ステップＳ３２では、Ｘ軸上の位置が一致しているかどうかという判断をする。この判断の結果がイエスのときは補正の必要が無いから処理を終了する。ノーのときはステップＳ３３の処理に移行する。ステップＳ３３では、既に説明した多数の補正係数を保存した補正値テーブルを参照する。ステップＳ３４では、取得した補正係数で第１の測定結果３８と第２の測定結果４０の測定値を補正する。ステップＳ３５では、ゼロクロス点（第１と第２）の比較をする。ステップＳ３６では、Ｘ軸上の位置が一致しているかどうかという判断をする。この判断の結果がイエスのときはステップＳ３７の処理に移行し、使用した補正値を、実際の測定時に使用する補正係数としてセットする。ノーのときはステップＳ３３の処理に戻り、ステップＳ３３からステップＳ３６の処理で、補正係数の探索を繰り返す。

図６と図７のステップＳ３７までの処理で、３軸センサをＸ軸方向に移動させて、Ｘ−Ｙ平面上の３軸センサのＺ軸方向から見たときの角度ずれ補正係数を取得した。全く同様の要領で、３軸センサをＹ軸方向に移動させて、Ｙ−Ｚ平面上の３軸センサのＸ軸方向から見たときの角度ずれ補正係数を取得する（図７ステップＳ３８）。さらに、３軸センサをＺ軸方向に移動させて、Ｚ−Ｘ平面上の３軸センサのＹ軸方向から見たときの角度ずれ補正係数を取得する（図７ステップＳ３９）。なお、Ｚ軸方向から見たときの角度ずれは、Ｙ軸上に磁石片を配置してセンサをＸ軸方向に移動する。Ｘ軸方向から見たときの角度ずれは、Ｙ軸上に磁石片を配置してセンサをＺ軸方向に移動する。Ｙ軸方向から見たときの角度ずれは、Ｘ軸上に磁石片を配置してセンサをＺ軸方向に移動するとよい。この方法によれば、マグネットをＸ−Ｙ平面上にだけ配置して補正係数の取得ができる。従って、Ｚ軸上にマグネットを配置するための特別の機構は不用になり、特許文献１に記載されたような既知の構成の装置をそのまま使用できる。以上のようにして、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向からみたときの角度ずれ補正係数を取得して装置にセットする。

以上の演算処理で得られた補正係数を使用すると、実際の測定対象物を回転テーブル５６等の上に固定して、アクチュエータ２０を使用して、３軸センサ１４を移動させながら、得た磁界測定値を補正して、精密な３次元磁界を測定することができる。

１０ 磁界測定装置
１２ 検出素子
１４ ３軸センサ
１６ アーム
１８ 磁界測定機構
２０ アクチュエータ
２２ 基準点
２４ 基準線
２５ 交差直線
２６ センサ駆動手段
２８ 磁石片
３０ 第１固定点
３２ 第２固定点
３４ 第１固定手段
３６ 第２固定手段
３８ 第１の測定結果
４０ 第２の測定結果
４２ 測定結果記憶手段
４４ ゼロクロス点
４６ 補正係数
４８ 補正係数演算手段
５０ 支持台
５２ センサ移動機構
５４ 交点
５６ 回転テーブル
５８ 切り替え機構
６０ 支持板
６２ 側面

Claims (3)

1. 互いに直交する３軸方向の磁界を個別に測定できる検出素子を搭載した３軸センサと、
   この３軸センサを支持するアームと、
   上記アームを、磁界測定機構中で設定された互いに直交する３軸方向に自在に移動させるアクチュエータとを備え、
   上記磁界測定機構中で設定された３軸方向と上記３軸センサの検出素子の想定する測定系の３軸とが一致しているかどうかを調べるための装置であって、
   上記磁界測定機構中で設定された互いに直交する３軸のうちのいずれかの軸上に一対の基準点を設定したとき、上記一対の基準点間を結ぶ基準線と直交する交差直線上に、上記基準線を間に挟んで第１固定点と第２固定点とを設定し、同一の磁石片を上記第１固定点から上記第２固定点に移動させて、上記第１固定点と第２固定点に、上記同一の磁石片を互いに鏡像の関係になるように向けて支持する固定手段と、
   上記磁石片を上記第１固定点に支持し第１の測定結果を得て、次に、同一の磁石片を上記第２固定点側に移動して第２の測定結果を得ることにより、極性が反転した磁界測定値を得て、これらの測定結果を記憶する測定結果記憶手段と、
   を備えたことを特徴とする磁界測定装置。
2. 請求項１に記載の磁界測定装置において、
   上記固定手段は、上記磁石片を支持する１個の支持台からなり、この支持台は回転テーブル上に配置されており、
   この回転テーブルは、上記基準線と上記交差直線の交点上に回転軸を持ち、
   この回転軸は、上記基準線と上記交差直線を含む面に対して垂直なことを特徴とする磁界測定装置。
3. 請求項２に記載の磁界測定装置において、
   上記回転テーブルを１８０度回転させて、上記回転テーブルの回転とともに上記一個の支持台を移動させ、上記磁石片を上記第１固定点から上記第２固定点に移動させる機構を備えたことを特徴とする磁界測定装置。

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