JP6674366B2 - 磁気センサーの位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁界測定のための磁気センサーの位置決め装置に関する。

磁石はモーター等の様々な機器に多用される。この磁石が設計どおりの磁界を発生しているかどうかを確認するために磁界測定装置が使用される。磁界測定装置は、磁気センサーをプローブ先端に取り付けて測定対象物近傍の磁界強度分布を測定して記録する機能を備える。これには測定対象物と磁界センサーの相対的な位置関係を高精度に管理する必要がある。そこで、磁界測定機構中で設定された座標系に対して、磁気センサーを正確に位置決めする技術が種々開発されている（特許文献１〜４）。

特開２００８−２８６７２３号公報 特許４９７２５６８号公報 特許５６０３９００号公報 特許５６８８８４２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。
従来の装置の位置決め装置には、できるだけ磁力線の乱れの少ない高品質な永久磁石を使用する。さらに、磁気センサーに対して少なくとも二方向から同じ永久磁石による対称的な磁界を与えてこれを測定しながら位置決め処理をする。ところが、一般に容易に入手できる永久磁石の品質にはバラツキがある。発生する磁力線の向きは均質ではない。さらに、この測定に使用する永久磁石以外の物から発生する外乱磁界を完全に遮断するのは容易でない。従って、位置決め精度の維持には細心の環境と高い技術が要求されている。本発明は、可能な限り簡便にかつ精度良く、１次元測定用から３次元測定用まで自由に位置決めができる磁気センサーの位置決め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＞
磁界測定空間中に任意の方向に設定した基準線上に、上記測定に使用する磁気センサーの位置を移動させるためのものであって、
上記基準線を軸にして一定の速度で自転もしくは公転するように磁石を回転させる回転機構と、
上記磁気センサーにより検出した磁界検出信号を受け入れてフーリエ解析をして、上記自転もしくは公転の周期と一致する第１の信号成分と、この第１の信号成分の２分の１の周期の第２の信号成分とを抽出し、第１の信号成分に対する第２の信号成分の割合を計算する信号解析部と、
上記の割合がより小さくなる方向に上記磁気センサーを移動させるようにセンサ支持機構を制御するセンサ位置制御部とを備えたことを特徴とする磁気センサーの位置決め装置。

＜構成２＞
上記基準線を第１の基準線とし、この第１の基準線と交差する第２の基準線を設定して、
上記センサ位置制御部は、
上記第１の基準線を軸にして一定の速度で自転もしくは公転するように磁石を回転させて、上記磁気センサーを上記第１の基準線上に移動させた後、
上記第２の基準線を軸にして一定の速度で自転もしくは公転するように磁石を回転させて、上記磁気センサーを上記第１の基準線上の、上記第１の基準線と第２の基準線の交差する点上に移動させるように制御することを特徴とする構成１に記載の磁気センサーの位置決め装置。

＜構成３＞
上記センサ位置制御部は、上記第１の信号成分に対する第２の信号成分の割合を計算した後に、上記磁気センサーを任意の方向に移動させて、再び上記第１の信号成分に対する第２の信号成分の割合を計算して、上記の割合がより小さくなったかどうかを判断する処理を繰り返して、上記の割合がより小さくなる方向に上記磁気センサーを順次移動させるようにセンサ支持機構を制御することを特徴とする構成１または２に記載の磁気センサーの位置決め装置。

＜構成４＞
磁界測定空間中に任意の方向に設定した基準線上に、上記測定に使用する磁気センサーの位置を移動させる方法であって、
磁石を回転させる回転機構を使用して、上記基準線を軸にして一定の速度で自転もしくは公転するように磁石を回転させ、
信号解析部により、上記磁気センサーにより検出した磁界検出信号を受け入れてフーリエ解析をして、上記自転もしくは公転の周期と一致する第１の信号成分と、この第１の信号成分の２分の１の周期の第２の信号成分とを抽出し、第１の信号成分に対する第２の信号成分の割合を計算させ、
センサ支持機構を制御して、上記の割合がより小さくなる方向に上記磁気センサーを移動させることを特徴とする磁気センサーの位置決め方法。

＜構成５＞
コンピュータを、構成１または２に記載の信号解析部とセンサ位置制御部として機能させるコンピュータプログラム。

＜構成６＞
構成５に記載のコンピュータプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。

＜構成１の効果＞
上記の構成により以下の効果をもたらすことができる。
（１）使用する磁石の構造も品質も高度なものが要求されない
（２）発生する磁力線に乱れがあって構わない
（３）外乱磁界が静止磁界であれば、その影響を受けることがない。
（４）磁石を基準線を軸にして自転させ、あるいはその軸の周りを公転させるとき、磁石を固定する位置や向きを精密に調整する必要がない
（５）磁気センサーに一定以上の強度の磁力線が到達すれば位置制御ができる。
（６）磁気センサーは、一軸、二軸、三軸構造のいずれでも同様に制御できる。
（７）磁気センサーと磁石の相対的な向きには制約がない。
＜構成２の効果＞
第１の基準線と交差する第２の基準線を設定して、両者が交差する点に磁気センサーの位置を自動的に移動させることができる。
＜構成３の効果＞
一回の割合計算では基準線に向かう方向が正確に検出できないとき、割合計算と判断を繰り返すので、基準線上に順次段階的に磁気センサーを移動させることができる。

本発明の磁気センサーの位置決め装置の主要部斜視図と機能ブロック図である 磁気センサー１６の種類を示す主要部斜視図である。 （ａ）は基準線１４と磁気センサー１６との位置関係と検出信号の関係説明図、（ｂ）は信号波形図である。 磁気センサー１６の移動制御方法の説明図である。 特定の位置に磁気センサー１６を移動させるための方法説明図である。 上記の処理を実現できる装置の主要な機構概略図である。

以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。

図１は、本発明の磁気センサーの位置決め装置の主要部斜視図と機能ブロック図である。
この装置は、磁界測定空間１２中に図示しない測定対象部材を配置して、プローブ３７の先端に取り付けた磁気センサー１６により測定対象部材の近傍の磁界を測定するためのものである。この磁界測定方法等については、上記特許文献等に詳細に記載されているので説明を省略する。

ここでは、磁界測定空間１２の特定の位置に、磁気センサー１６を配置するための機構を説明する。この装置は、磁界測定空間１２中に任意の方向に設定した基準線１４上に、上記磁界測定に使用する磁気センサー１６の位置を移動させるためのものである。例えば、この基準線１４に沿う磁界を測定したり、基準線１４の位置から測定を開始したりする場合にこの装置が利用される。

この装置には、上記基準線１４を軸にして一定の速度で自転もしくは公転するように磁石１８を回転させる回転機構２０が設けられている。この回転機構２０は、装置のどこかに固定されていてもよいし、自由に移動させるように支持されていてもよい。磁石は、位置決め処理中に安定に支持されていればよく、例えば、簡単な着脱式のクランプ等でもよい。その機構の具体例はあとで図６により説明する。

また、磁石１８には、着磁されて安定的に磁界を形成できるものを使用する。使用する磁石１８の構造や形状や品質は高度なものを要求する必要がない。発生する磁力線３６の強度が安定していれば、その方向毎の強度等に乱れがあっても構わない。磁石１８は磁気センサー１６に対してどの向きに固定されていても構わない。磁気センサー１６も、磁界測定空間１２中であれば、どのように傾斜していてもどの場所に配置されていても構わない。磁気センサー１６に一定以上の強度の磁力線３６が安定に到達すればよい。

即ち、本発明の装置は、磁気センサー１６がどの場所にどの方向に向けて配置されていようとも、磁気センサー１６を基準線１４の方向に移動させる機能を持つ。この装置には、図１に示すように、信号解析部２９と回転駆動部２１とセンサ位置制御部３４とが設けられている。信号解析部２９には、フーリエ解析部２４と比較部３０とが設けられている。

信号解析部２９は、磁気センサー１６により検出した磁界検出信号２２を受け入れて、センサ位置制御部３４に対してその解析結果を出力する機能を持つ。信号解析部２９に設けられたフーリエ解析部２４は、磁界検出信号２２をフーリエ解析して信号成分を抽出する機能を持つ。フーリエ解析部２４は、上記磁石１８の自転もしくは公転の周期と一致する第１の信号成分２６と、この第１の信号成分２６の２分の１の周期の第２の信号成分２８とを抽出する。その他の成分は使用しない。

比較部３０は、第１の信号成分２６に対する第２の信号成分２８の割合を計算する機能を持つ。第１の信号成分２６と第２の信号成分２８の比を求める計算をするとよい。センサ位置制御部３４は、ここで、センサ支持機構３２を制御して、磁気センサー１６を一方に移動させる。移動させるべき方向が分かっているときは、そのほうこうに移動させる。基準線１４の位置と磁気センサー１６の位置とが分かっていて、基準線１４の方向に磁気センサー１６を１単位分だけ移動させるといった制御をする。

そして、再度回転駆動部２１を通じて回転機構２０を起動して磁石１８を回転させる。ここで磁気センサー１６から磁界検出信号２２を受け入れて解析し、比較部３０で第１の信号成分２６と第２の信号成分２８の比を計算させる。こうして、上記の割合がより小さくなる方向に、１単位分ずつ上記磁気センサー１６を移動させるように制御する。その結果、磁気センサー１６を基準線１４上まで順次移動させて正確に位置決めできる。

図２は磁気センサー１６の種類を示す主要部斜視図である。
この図の（ａ）は一軸センサー３８、（ｂ）は二軸センサー４０（ｃ）は三軸センサー４２の概略構成斜視図である。このように、磁気センサー１６はプローブ３７の先端に固定されるが、二軸センサー４０や三軸センサー４２は複数の磁気センサー１６がそれぞれ向きを変えて搭載されている。複数の磁気センサー１６の出力信号を合成して磁石１８の発生する磁気ベクトルを二軸センサー４０や三軸センサー４２で検出して位置決めをしようとすると、複数の磁気センサー１６のオフセットが問題になる。

これに対して、上記の装置は、プローブ３７上の１個の磁気センサー１６の出力信号を検出すれば基準線１４上にその磁気センサー１６を正確に移動させることができるから、他の磁気センサー１６の位置は考慮しなくてよい。即ち、一軸、二軸、三軸構造のいずれでもまったく同様にその位置制御ができる。

図３（ａ）は基準線１４と磁気センサー１６との位置関係と検出信号の関係説明図、（ｂ）は磁界検出信号２２と第１の信号成分２６や第２の信号成分２８の一例を示す波形図である。
図３（ｂ）に示すように、磁界検出信号２２をフーリエ解析すると、第１の信号成分２６と第２の信号成分２８とその他の信号成分３１が得られる。磁石１８を一定の速度で一定時間連続回転するとこのような磁界検出信号２２が得られる。回転速度は第１の信号成分２６と第２の信号成分２８がはっきり現れて、その比を計算できる程度の値に選定するとよい。

このような信号が得られるのは次のような現象によると考えられる。まず、磁石１８が回転すると、磁気センサー１６には、基準線１４の周囲を回転する磁界の回転周期でレベル変動する第１の信号成分２６が検出される。さらに、磁気センサー１６が基準線１４に対して偏心した位置にあるから、基準線１４から磁気センサー１６に対して接近したり遠ざかったりする磁界により第２の信号成分２８が検出される。このほかに、磁石１８の不均一な着磁による様々な周期でレベル変動する磁界によりその他の信号成分３１が検出される。

磁石１８を等速回転させていると、磁気センサー１６が基準線１４に近づくにつれて第１の信号成分２６の周期は短くなり、磁石１８と磁気センサー１６の距離は少しずつ減少するから、検出される第１の信号成分２６のレベルは少しずつ減少する。一方、磁気センサー１６と基準線１４の距離が縮まると第２の信号成分２８のレベルは大きく低下する。従って、第１の信号成分２６と第２の信号成分２８の比が減少する方向に磁気センサー１６を移動させると、最終的に基準線１４上に磁気センサー１６を到達させることができる。

このように、磁気センサー１６により動的な磁界を検出してその信号を解析して磁気センサー１６の移動制御をすると、静的な外乱磁界によるノイズを完全に排除できる。例えば、地磁気や周辺機器の発生する磁界の影響を除外できる。さらに、検出信号の増幅器の発生するノイズの影響も除外できる。従って、高精度の位置決めによる磁界測定が可能になる。磁石１８の向きや発生する磁界の性質に制限がないから、任意の場所で任意の方向に基準線を設定して位置決めができる。しかも、位置決めのために設ける装置を小型化でき、かつ、操作も自動制御も簡便にできるという格別の効果がある。

センサ支持機構３２は、磁界測定時に磁気センサー１６を前後左右に自由に移動させる機構である。センサ位置制御部３４はセンサ支持機構３２による磁気センサー１６の移動方向や移動量を指示する機能を持つ。磁石１８を回転させたまま少しずつ磁気センサー１６を移動させて、一定時間毎に磁界検出信号２２を解析して、第１の信号成分２６と磁石１８の比を計算すると、第１の信号成分２６に対する第２の信号成分２８の割合が減少しているか増加しているかが分かる。その後、磁気センサー１６を割合がより小さくなる方向に移動制御をすればよい。

この装置によれば、磁界検出信号２２の信号成分のうち、磁石１８の回転によって検出される移動磁界（第１の信号成分２６と第２の信号成分２８）のみを抽出するから、外乱磁界が静止磁界であれば、その影響を受けることがない。基準線１４の周りを回転する磁界があればよいから、磁石１８を基準線１４を軸にして自転させ、あるいはその軸の周りを公転させるとき、磁石１８を固定する位置や向きを精密に調整する必要がない

図４は磁気センサー１６の移動制御方法の説明図である。
図のように、磁気センサー１６が配置されているとき、矢印５２の方向に磁気センサー１６を移動させても矢印５６の方向に磁気センサー１６を移動させても、第１の信号成分２６に対する第２の信号成分２８の割合が減少する。矢印５２の方向が最短であるが１個の磁気センサー１６でこれを検出することはできない。従って、矢印５４の方向に磁気センサー１６を移動させて、第１の信号成分２６に対する第２の信号成分２８の割合が極小値を示す部分を検出し、その後矢印５６の方向に移動させるという処理を繰り返して基準線１４上に磁気センサー１６を移動させるとよい。

一方、二軸センサー４０や三軸センサー４２では、他の磁気センサー１６を補助に使用して、矢印５６の方向を検出することができる。即ち、２個または３個の磁気センサー１６の磁界検出信号２２を取得して解析し、これらの磁気センサー１６による第１の信号成分２６に対する第２の信号成分２８の割合がともに減少する方向が、矢印５２の方向ということができる。

図５は特定の位置に磁気センサー１６を移動させるための方法説明図である。
ここでは、２本の基準線を使用する。一方を第１の基準線４４とし、この第１の基準線４４と交差する第２の基準線４６を設定する。そして、まず、第１の基準線４４を軸にして一定の速度で自転もしくは公転するように磁石１８を回転させて、磁気センサー１６を第１の基準線４４上に移動させる。次に、上記第２の基準線４６を軸にして一定の速度で自転もしくは公転するように磁石１８を回転させる。

このとき、２個のそれぞれ別体の磁石１８や回転機構２０を使用しても構わないし、同じ回転機構２０を磁界測定空間１２中で移動させてそのつど磁石１８を回転させてもよい。そして、磁気センサー１６を、第１の基準線４４上の、第１の基準線４４と第２の基準線４６の交差する点４８上に移動させるように制御する。

予め第１の基準線４４上の２点を検出しておいてから、第２の基準線４６を軸にして磁石１８を回転させれば、第２の基準線４６に沿って磁気センサー１６を自動的に移動させることができる。

図６は上記の処理を実現できる装置の主要な機構概略図である。
この装置は、試料クランプ６０に測定対象物６４をクランプして、磁気センサー１６でその近傍磁界を測定し、解析装置６２でその結果を解析して出力する装置である。磁気センサー１６を先端に固定したプローブ３７は、センサ支持機構３２に支持されて、測定対象物６４の周囲を自在に移動する。この装置の側方に、磁石１８を配置し回転機構２０で磁石１８を一定速度で回転させる。測定対象物６４に凹部があればプローブ３７の方向や傾きを調節して奥部まで差し込んで近傍磁界を測定する。この測定空間に１本あるいは複数本の基準線を設定し、起動時のみならず、任意のタイミングで磁気センサー１６を基準線上に移動させる制御を行うことができる。

１２ 磁界測定空間
１４ 基準線
１６ 磁気センサー
１８ 磁石
２０ 回転機構
２１ 回転駆動部
２２ 磁界検出信号
２４ フーリエ解析部
２６ 第１の信号成分
２８ 第２の信号成分
２９ 信号解析部
３０ 比較部
３２ センサ支持機構
３４ センサ位置制御部
３６ 磁力線
３７ プローブ
３８ 一軸センサー
４０ 二軸センサー
４２ 三軸センサー
４４ 第１の基準線
４６ 第２の基準線
４８ 交差する点
６０ 試料クランプ
６２ 解析装置
６４ 測定対象物

Claims (6)

1. 磁界測定空間中に任意の方向に設定した基準線上に、上記測定に使用する磁気センサーの位置を移動させるためのものであって、
   上記基準線を軸にして一定の速度で自転もしくは公転するように磁石を回転させる回転機構と、
   上記磁気センサーにより検出した磁界検出信号を受け入れてフーリエ解析をして、上記自転もしくは公転の周期と一致する第１の信号成分と、この第１の信号成分の２分の１の周期の第２の信号成分とを抽出し、第１の信号成分に対する第２の信号成分の割合を計算する信号解析部と、
   上記の割合がより小さくなる方向に上記磁気センサーを移動させるようにセンサ支持機構を制御するセンサ位置制御部とを備えたことを特徴とする磁気センサーの位置決め装置。
2. 上記基準線を第１の基準線とし、この第１の基準線と交差する第２の基準線を設定して、
   上記センサ位置制御部は、
   上記第１の基準線を軸にして一定の速度で自転もしくは公転するように磁石を回転させて、上記磁気センサーを上記第１の基準線上に移動させた後、
   上記第２の基準線を軸にして一定の速度で自転もしくは公転するように磁石を回転させて、上記磁気センサーを上記第１の基準線上の、上記第１の基準線と第２の基準線の交差する点上に移動させるように制御することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサーの位置決め装置。
3. 上記センサ位置制御部は、上記第１の信号成分に対する第２の信号成分の割合を計算した後に、上記磁気センサーを任意の方向に移動させて、再び上記第１の信号成分に対する第２の信号成分の割合を計算して、上記の割合がより小さくなったかどうかを判断する処理を繰り返して、上記の割合がより小さくなる方向に上記磁気センサーを順次移動させるようにセンサ支持機構を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサーの位置決め装置。
4. 磁界測定空間中に任意の方向に設定した基準線上に、上記測定に使用する磁気センサーの位置を移動させる方法であって、
   磁石を回転させる回転機構を使用して、上記基準線を軸にして一定の速度で自転もしくは公転するように磁石を回転させ、
   信号解析部により、上記磁気センサーにより検出した磁界検出信号を受け入れてフーリエ解析をして、上記自転もしくは公転の周期と一致する第１の信号成分と、この第１の信号成分の２分の１の周期の第２の信号成分とを抽出し、第１の信号成分に対する第２の信号成分の割合を計算させ、
   センサ支持機構を制御して、上記の割合がより小さくなる方向に上記磁気センサーを移動させることを特徴とする磁気センサーの位置決め方法。
5. コンピュータを、請求項１または２に記載の信号解析部とセンサ位置制御部として機能させるコンピュータプログラム。
6. 請求項５に記載のコンピュータプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。

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