JPH03501159A - ロールの影響を受けない磁力計システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ロールの影響を受けない磁　ｎシステム本発明は、方位測定用の磁力計システム に及び特に１つの軸の周りの姿勢の影響を受けない磁力計システムに係る。

水面下の位置を得るために、現在の典型的な実用的装置は、連続的に符号化され た方位角測定値から方向情報を提供するジンバル付コンパスを使用する。そうし た応用の多くでは、軽量性及び信頼性が必要条件である。可動部品を取り除くこ とによって信頼性が改善されることが可能である。ジンバル軸受を省くためには 、方位変化以外の磁気センサの諸条件について、測定された磁気ベクトルを補正 するための、姿勢センシング装置を提供することが必要である。磁力計の姿勢の 測定方法の１つは、高感度の加速度計を使用することであった。この方法が、長 期ドリフトに関して問題があり、及び波によって引き起こされる衝撃条件に耐え ることが不可能であることが明らかになっている。

本発明の目的は、可動部品への依存を最少限度とする、ロール（ｒｏｌｌ）の影 響を受けない磁力計システムを提供することである。

本発明は、ロール軸の回りに等角磁束感度を持つ第１！１界センサ及びロール軸 に沿って感度を持つ第２磁界センサから成る、ロールの影響を受けない磁力計シ ステムを提供し、その配置は、ロール軸に沿った磁界成分が第２の一方向性セン サで測定され及びロール軸の横方向の磁界成分が第１センサで測定されるような 配置である。

前記センサがトロイド状の磁心から成ることが有利である。

第１センサが、そのトロイド平面に垂直な軸の周りに対称性を持つ正トロイドで あり、及び第２センサが、そのトロイドと同じ場所に空間的に精密に配置するこ とを可能にし及び／又は容易にするために、長さ部分対幅部分の比率が大きい、 細長い磁気本体であることが好ましい。あるいはその代わりに、第２センサは、 少なくとも単一の巻きのトロイドである。好ましい配置では、交流励起信号源に 接続するための均一な１次トロイダル巻き線、及びそのトロイドを囲む、１対以 上の互いに垂直な２次ピックオフコイルが第１センサに備えられる。あるいは、 １組の直交コイルを各々に有する追加のトロイドが、そのすべての軸角度データ が隣接のトロイドに関し等しい角度にあるように、各々にずらされて「同時に作 動するように一組にされる」（（ｔａｎ（ｌｅｄ）ことが可能である。第２セン サは、そのロール軸に縦方向に置かれ、交流励起信号源と接続するための１次コ イルと、並びにその磁気本体を囲み及びロール軸に平行な軸を持つ２次ビックオ フコイルとを備える。前記の２つの１次コイルは同一の交流電流源に接続される ことが好ましい。その好ましい配置では、第１及び第２センサのビックオフコイ ルが、１次励起信号の第２調波に選択的に応答する各々の回路に接続される。こ れらの回路が位相感知検出器を含むことが好ましい。第１センサの直交ビックオ フコイルからの検出信号は、外部磁界の構成分が前記検出信号の平方和の平方根 から得られる処理回路に接続される。縦磁界対横磁界の比率から得られた計算さ れた方位がどんな非線形性に関しても補正可能であるように、方位の校正ルック アツプ表と共にプログラムされた記憶装置が含まれることが有利であり、又、そ のトロイド出力に対する直交誤差の補正に関しても同様である。

前記ルックアツプ表から得られる方位が伏角角度による不正確性に関し補正され ることが可能であるように、地球の磁界に対する磁力計システムのロール軸の相 対的な傾斜角度を測定する手段が含まれることが好ましい。その測定手段は、そ の磁力計の水平面に対する傾斜を測定する傾斜計を含んでもよい。

別の配置では、ロール軸に平行であり且つ交流電流を伝送するミューメタル又は 他の適当な材料のワイヤ、そのミューメタルワイヤの周囲に備えられたビックオ フコイル、そのミューメタルワイヤに接続された直流バイアス源、並びにそのビ ックオフコイルに接続された交流検出器を備えることによって、外部磁界の縦成 分が測定されてもよく、この配置は、磁界の作用を打ち消すために必要とされる 直流バイアスから前記磁界が測定されるような配置である。

以下では、次の添付図面を参照して、単に実施例の形でのみ、本発明が説明され ることとなる。

第１図は公知の磁力計を示す図、 第２図及び第３図は、外部磁界が存在する時に、シヌソイド形励起信号に対する 前記磁力計の感応の変化を示す図、第４図は公知のトロイダル磁力計を示す図、 第５図は本発明による磁力計システムを示す図、第６ａ図及び第６ｂ図は、動作 の１つのモードを例示する、第５図の磁力計システムの感応曲線を示す図、第７ 図は、第５図の磁力計システムの信号処理ａｍのブロック図、 第８図及び第９図は、３６０°　に亘って正確な方位読み取りを提供するために 使用される電流位相監視機橘を説明するための、第５図の磁力計の平面図及び側 面立面図、第１０図は、第５図の配置での使用のための別の磁界プローブを示す 図、 第１１図〜第１３図は、方位測定に対する地球磁界の伏角角度の作用を説明する ために、第５図の磁ツノ８１システムを示づ図、第１４図は、ベクトルＸに対す る傾斜の作用を示すベクトル図、第１５図は、傾斜に関し補正された方位測定の ための、傾斜基準磁力計を使用する配置を示す図である。

公知の磁力計の動作原理が第１図〜第４図を参照して説明される。磁力；１の基 本機能は、静止した高透磁性装置の中に磁束を誘導する静磁界の存在を検出する ことである。この静磁束は、基準起磁力から励起される時に磁気不均衡を引き起 こすような形で、磁性材料のＢ／Ｈ曲線動作モードを変化させるように働く。励 起信号は入力コイル１０を経由して磁気回路に結び付けられる。その磁気回路は 、その周りにコイルが置かれた別の強磁性要素１３によってその一端で接続され た、一定の間隔を開けて置かれた２つの強磁性棒状要素１１．１２を含む。出力 ］イル１４１棒状要素１１．１２を囲み、このコイル内に誘導される電流は外部 磁界１５を測定するために使用される。誘導する外部磁界１５が零である時には 、入力コイル１０に与えられるシヌソイド形励起入力信号２０は、磁性要素１１ 及び１２内に逆位相の相似の磁界Ａ（２１）及びＢ　（２２）を１１し、その結 果、出力コイル１４内に零の電流Ａ＋［３（２３）が誘導される。しかし、誘導 する外部磁界１５が存在する中では、棒状要素１１．１２が非対称的な磁束関係 を有する時、Ｂ−Ｈ特性曲ｌ１Ａ２５上の動作点（３４）が変化し、その結果と して生じる出力コイル１４内の信号３３は次の形である。

ｋ−ａ　ｃｏｓ　２ｎ　−ｂ　ｃｏｓ　４ｎ−ｃ　ｃｏｓ　８ｎ−・・・・・・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）上記式中で、ｋ、　ａ、　ｂ、・ ・・・・・は定数であり、ｎは入力信号の周波数である。この信号の振幅は、誘 導磁界の大きさに従属のするだろう。

第４図に示されるように、トロイダルコイル４０が入力４１において交流信号に よって励起され且つ静止周囲磁束４２に暉される時に、同様の効果が得られる。

図のプラス及びマイナスの符号は、静磁界４２の存在による磁束不均衡を示す。

この結果として、同一の調波（等式（１））を含む信号を出力４３において作り 出す非対称の磁束が生じる。電流フラックスゲート磁力計は、Ｘ−Ｙ方位角座標 を得るための直交ソレノイドビックオフコイルを伴う水平に置かれたトロイドを 使用して、この特徴を利用する。

様々な信号処理技術が使用されるが、最も一般的なものは、第２調波信号を抽出 し且つその２つの信号にｊａｎ−’Ｉｌａ数を及ぼすための帯域フィルタを使用 することである。

この従来のフラックスゲート磁力計は３つすべての直交座標軸において磁束を感 知し、そして、曳航モジュール応用に適するものとするためには、ジンバル付き 構造の使用を避けるために姿勢補正を与えることが必要である。

第５図は本発明による磁力計システムを示す。その配置は、仰角の変化が単一の 補正係数によって補正されることが可能でありながら、しかもその磁力計がロー ルの影響を受けないように、曳航モジュールのロール軸に対し平行にされること が可能な縦軸を有するような配置である。鉛直に置かれたフェライトトロイド５ ０には、そのトロイドの回りに螺旋状に巻かれた励起入力コイル５１が備えられ る。互いに直交するｒＸＪ及びｒＹＪビックオフコイル５２及び５３がそのトロ イドを囲む。磁界プローブ５４がトロイド５０と共軸に一直線上に並べられる。

プローブ５４は、その端部部材５７．５９及びそれよりも大きな長さの側部部材 ５５．５６と共に長方形本体を形成する引き延ばされたトロイドから成る。プロ ーブ５４は、プローブ５４の縦の対称軸がトロイド５０の軸５９と共線であるよ うに配置され、続いて１次入力コイル５１０がプローブ５４の側部アーム５５． ５６の周りに巻かれ、２次ビックオフコイル５１１がそのプローブ５４を囲む。

方位角度測定は水平面に対するその磁界の局所角度、即ち、伏角角度によってば かりでなく、水平面からの磁力計の傾斜又は仰角によって彰−される。その装置 の磁界に対する相対角度がφであるならば、その時、真正角度θは、φによるト ロイド及びプローブ内の磁束変化によって影響されるだろう。

鉛直に取り付けられたトロイド５０と共に、本発明におけるように、ソレノイド コイル５２及び５３からの信号の平方の和は、軸５９周りのすべてのロール角度 に対し一定となるだろう。

コイル５２．５３からの直交出力Ｘ、ｙは、各々の角度の符号を保つために及び １組のコイルの場合に、複素表記法で保持される。

ｘｌ＝Ｉｓｉｎθ　ｓｉｎα　■ ｙ＝ｃｏｓθ　５ｉｎｃｚ　とする。

式中でθはロール軸角度であり、αは方位角度である。

このように、その２つのコイルの出力の平方の和の平方根は、方位角度に従属す る。トロイド５０のこのモードの動作では、合成出力の第２調波はその方位位置 の関数であり、その出力はロール軸姿勢の影響を受けない。

従って、トロイド５０は、磁気方向ベクトルの構成分に一致する出力を生じさせ る。その縦成分はロール軸５９と一直線にされたプローブ５４から得られる。

しかし、信号処理の様々な方法が可能であるが、第６ａ図に示されるように、選 択される方法は飽和状態にされた磁心を持相感知検出処理を用いて検出される。

第７図は、方位情報を得る詳細な方法を説明する。周波数源（図示されていない ）からの周波数Ｎの励起信号が、トロイド７２及びプローブ７３の各々のＸ、Ｙ コイル７ｏ及び７１に与えられる。

測定の精度は１つ以上（ｎ）の組の直交フィルを使用することによって改善され るであろうが、便宜上、１つの組の直交Ｘ。

Ｙコイルだけが示される。帯域フィルタ７４〜７６が各々に、そのＸ、Ｙ並びに プローブビックオフコイル７７、７８及び１９からの周波数２Ｎの第２ｉ３１波 成分を通過させる。濾波された信号は、基準周波数２Ｎもそれに接続される位相 感知検出器７１０〜７１２各々に接続される。励起信号源からの基準周波数２Ｎ も共通入ｈ７１３を経由して位相感知検出７１０〜７１２に接続される。ルック アツプ表（７１４）が、ｎつの組のコイルＸ、Ｙ出力を監視するために、及び］ ・ロイドのソレノイドコイルの直交誤差を調整するために、備えられてもよい。

典型的には、回路７１７内で得られるＸ、Ｙ出力の平方和の値に対し、チャンネ ル７１６を経由して必要な補正係数を更新し及び与えながら、チャンネル７１５ を経由してＸ／Ｙｌｉｉを得ることによって、ロール角度のタンジェントが監視 されるだろう。校正の間に得られた対応する配列の係数に対してＸ／Ｙｆｉｌを 写像することによって、これがなし遂げられるだろう。これらの係数は、各々の 最小の分解可能ロール角度に関して、実際の測定された平方和から比率で粋出さ れた真平方和から成るだろう。従って、これらの係数の逆数が、実際の平方和の 計算を補正するために使用される係数を構成する。

１〜ｎの各々の組のコイルに関し、Ｘ及びＹ位相感知検出器７１０及び７１１か らの出力が回路７１８．７１９の各々において平方され、その後で、複素振幅の 母数ａ　（＝Ｗ−、２−０２）が回路７１７内で得られ、後述されるように、前 記式中でｅは測定された伏角角度から得られた補正値である。１つ以上の組の直 交コイルを含むシステムについては、複素振幅母数ａは、ｎの組のビックオフコ イルの時、次のものとなるだろう。

回路７１７からの出力はプローブ位相感知検出器７１２からの出力すと共に比率 化され（７２０）　、出力信号ｃ　（＝ａ／ｂ）を与える。

後述されるように、ベクトルｒｂＪは、伏角角度補正信号ｅ及び傾斜４７３２に よって測定される計器傾斜角度βに基づいて補正される（７３３）。その後で、 出力信号Ｃは処理され（７２１）　、後述される補正を受けて、方位出力ｔａｎ −１ｃを与える。地球磁界に対する磁力計ロール軸の相対的角度φの電気的測定 （７２２）によって得られる傾斜角度ｄの測定値は、処理されて（７２３）、ｆ 　ｓｉｎ　ｄに等しい伏角補正信号ｅを与える。ｆは更に別の回路７２４からの 出力であり、Ｘ及びｙがｘ、ｙ位相感知検出器７１０゜７１１に接続された出カ ニニット７２５からの出力Ｑより得られる調整可能アースタップ又は同等の技術 を伴う正規化レジスタ７２６が、プローブ及びトロイド動作の校正のために備え られる。

どんな非線型性をも補償するように、ＦＲＯＭルックアップ表７２１が方位ｆＩ ｉＣを補正するために備えられる。トロイダル要素２１が方位角転回を被ると共 にロールの際に自由に回転するが故に、法線からのＯ−ル方向に従属する東／西 区別を与えることが必要である。これは、Ｘ、Ｙ位相感知検出器７１０及び７１ １からの出力（７２５）から得られるソレノイドＸ、Ｙコイルの位相を検出し及 び監視することによって達成されることが可能である。

従って、トロイダル出力も、極性制御感知記憶ｆｉｆｉ　７２９に対しＸ及びＹ の大きさ及び符号を与える入力チャンネル７２８を提供する。位相監視のための 符号基準並びに方位角セクタ制御１ａ装置７３０によって記憶装置７２９内の情 報を東／西の方位角内面急性を取り除き及び方位に１’ＩＩ（７２１）を補正づ るために使用することは、第８図及び第９図に図説され、その実施例は１つの対 のＸ／Ｙコイルだめのものである。方位角度が北の東又は西であるかに基づき、 方位角度は緑又は赤で指示される。ロール軸角度θはｒＸＪビックオフコイル５ ２の平面から測定され、θが０〜９０’の時Ｘ−＋ｖｅであり、θが９０〜１８ ０’の時、ｙ−−ｖｅである。従って、符号表は次のようになる。

従って、その論理は次の通りである。

ａ、ｘ、ｙ両方の位相が漸進的な方位角変化の間に反転する時、測定された方位 角度は１８０°逆のセクタどなる。

ｂ、ｔａｎθ符号が変化づる時、ロール置換が起こっており、大きさ及び位相が 更に比較されるために記憶装置内に入れられる。

Ｃ，ロールの近接的な同時発生及び１８０°逆のセクタへの方位角の移動による Ｔラーの恐れは、上述のように、コイルの組を追加することによって取り除かれ ることが可能である。これらの条件の下で方位角移動が生じる電気的条件は、ｎ −ｉコイルの最小限が磁界極性の反転に遭遇する場合だけである（ｎはコイルの 組の数）。伏角角度の補正は位相監視の前に行われるのが好ましい。

こうして、データチャンネル７２８はトロイド出力の位相情報を伝える。記憶装 置７２９内では、あらゆる位相反転が生じる度に、論理表に従ってセクタ移動が 予め定義された論理条件の下で実行されるように、アルゴリズムが両方のトロイ ド出力を質疑応答する。その後で、方位角セクタ制御装置７３０が、方向処理装 置７２１に対する縦軸に関し左舷に又は右舷に、方向示度を移す。従って、１つ 以上の組のトロイダルコイルにおける極性反転を捜すことによって、そのセンサ は東西セクタの間を区別することができる。零以外の伏角角度については、反転 が遅延され又は出力の永続的なオフセットが感知されるように、位相シフトがｘ ／ｙコイル内に生じる。ｘ／ｙベクトル振幅は、零の伏角角度と同等の補償が達 成されるように補正されることが可能である。傾斜信号りと共に伏角角度信号ｄ を傾斜計１３２から記憶装置ｉ！７２９へ接続することによって、伏角角度につ いてセクタ制御が補正される。これは、伏角角度が零である状況をシミュレーシ ョンするために、トロイドのＸ／Ｙ出力に対し補正ベクトルを与える。

磁力計を据え付ける際には（時間１＝０で）、記憶装置７２９及び方位角セクタ ｉ、１ｌｔｌ装置ｉｔ　７３０に接続されたセクタｒＡ設スイツチア３１が、典 型的には北西方向にある磁力計軸５９と共にＸ及びＹコイル電流パラメタが記憶 装置７２９のランダムアクセス記憶装置内に保存されるように操作される。その 後は、トロイドのロール位置のリアルタイム記録を与えて、コイル電流パラメタ が更新される。

別の方法は、スイッチを入れる際に正確なセクタが適切に選択されることが可能 であるように、東／四反転を与えることである。

実際のシステムでは、その組立にはプローブ／トロイドの相対的位置の小さな許 容誤差が必要となるだろうし、従って、プローブの「ｓｉｎ最大値」閾値条件は セクションルーチン用のアルゴリズムの中に組み入れられるだろう。

電流パラメタを処理するための別の方法が使用されてもよい。

磁気システムが磁気増幅器として使用されてもよいが、しかし、第６図に示され るように、その磁気システムは飽和状態にされてはならない。これは利得を与え るが、制御されたバイアス信号がトロイダルコイルに与えられることが不可能な らば、一方向性のものとなるだろう。半サイクル当たりの磁束ドエル時間を測定 し並びにクリッピング及び微分の後で基準信号と相関させることも可能だろう。

一方向性磁界プローブ５４が、第１０図に示される配置によって置き換えられて もよい。別の電流源が、ロール軸５９に平行に置かれた、ミューメタル（ｍｕｍ ｅｔａ　ｌ　）又は他の適当な磁性材料のワイヤ１０１を経て接続される。ピッ クオフコイル１０２はワイヤ１０１の周りに巻かれる。ワイヤ１０１に平行な外 部磁界の成分は、ビックオフコイル１０２内に誘導される交流信号を打ち消すた めにワイヤ１０１に与えられる直流バイアス信号のレベルを測定することによっ て測定される。この方法は、地球上の位置に伴う地球の磁束密度の変化に関した 補正が必要だろう。更に別の態様では、トロイド上の直交Ｘ、Ｙコイルが、位相 感知検出の前に、２Ｎの周波数に同調されてもよい。

別の配置では、センサ傾斜及び地球磁界の伏角角度の変化に対する同時補正が行 われてもよい。

伏角角度φは地球磁界ベクトルの水平面からの角度である。

磁気方向誤差は、後述されるように、トロイド及びプローブ出力に対する伏角角 度の作用の関数である。その装置が傾斜磁界の誘導内に置かれる時には、その水 平面に対する磁気ベクトル角度のサインに比例する成分が、平方和の平方根のト ロイド出力に含まれる。更に、プローブ出力は、この磁気ベクトル角度のコサイ ンに比例する形で減少される。

従って、伏角角度補正が正確な方位θを得るために必要とされる。

磁力計のベクトル関係は第１１図に示され、この図より、 伏角角度φにおける方位　■ Ｘ−（プローブ出力）−ＣＯ８δ 伏角角度φの真正方位としては、 式中θは真正方位である。

成分子ＺＪはｓｉｎφの関数として磁界強度から得られ、ｘｏが伏角角度φにお ける磁力計ベクトル合計である場合、Ｘｏｓｉｎθとして表される。公知の基準 において正規化されるために、上記の関係はすべてトロイド及びプローブからの 出力を想定する。

、°、縦軸からの真正方位 又は、第１１図ベクトル図からも分かるように、別の配置では、伏角角度補正は 地球上すべてで適用可能とするために必要とされる。そうした補正は、トロイド 及びプローブからの出力の平方和の平方根を用いることによって得られることが 可能である。

伏角角度φにおけるトロイド及びプローブからの出力の一般上記の式中で、Ｙ２ −トロイドＲ８５Ｘ／Ｖ成分のみ、Ｘφ＝伏角が零の場合のプローブ出力。

上記式中でＸ　−ＸφＣＯＳφ及びＹ。−Ｘφ　ｓｉｎφであり、従ｎ って、伏角角度φは、真Ｎ−３で得られるように、逆ＣＯＳφ関数が得られるの を可能とするために、Ｋｒ＋＝ｌ−ロイドＸ　／’　Ｙ及びプローブの平方和の 平方根並びに×ｎ−プローゾである場合、そのポイントにおいてχｎ／Ｋｎの値 が縛られるＮ／Ｓ基準点で必要とされる。

これは、共存する最大値探索ブ【〕−ブ及び最小値探索［・ロイドによって行わ れることが可能である。その後で、これらの条件の検、知が完了する時に、校正 更新が実行される。

これが行われるのを可能とするためには、北又は南の交差が必要であるが、これ は不利であり得る。別の７ｊｌは、【］−ルを被らない曳航船に装置１２０を使 用することであり、従つ（、第１２図及び第１３図に示されるように校正及び処 理が容易である。

この場合、伏角角度φ情報はその船から曳航モジュール装置１２１に伝送される 。その船の装置ユニット１２０では、伏角角度φ検出器は、プローブ１３１が鉛 直であるように移し変えられたトロイド１３０及びプローブ１３１から成ること が可能である。

この状態テハ、伏角角度−５ｉｎ−’　（Ｘｎ／　Ｋｎ）上記式中で、Ｙ２−ト ロイド平方和出力、×２−プローブ平方出力である。

曳航モジュール１２１内では、そのモジュールの傾斜θの影響に対する補正は、 その−例としては、単純な差分静水圧検出器１２２によって行われることが可能 である。

水平面で対するモジュール１２１の傾斜は、Ｐｌ−Ｐ２が分ｍｌで測定された差 圧である場合に、逆５ｉｒｉ［ｋ（Ｐｌ−Ｐ２）／　１　］によって与えられる 。その後で、ベクトル補正１２３が、第１４図から次の関数によって測定された Ｘ′成分１２４に加えられ、上記式中で、Ｘ＝真真数成分Ｘ′−角度βにおける 測定値、及び７＝ＸＯｓｉｎφ（前記等式７より）である。

この方法に対し別の方法は、様々な伏角角度に関するＰＲＯＭルックアツプ表を 使用することであり、局所伏角角度の更新を可能とするために輸送船舶の航法シ ステムと合体する。

第１５図に示されるように、その場合には装置が測定磁力計と共に水平面から傾 斜するＹ／Ｚ平面内での鉛直基準を与えるため、（軸１５２周りに）ロール内に １つの自由度を持つ船外［ウェットエンド］参照磁力計１５１を使用することが 可能である。

これによって、角度βにおけるｒＺＪ成分が直接的に測定され、従って、Ｘの真 価が計算されることが可能となる。この配置によって処理回路７２３は必要とさ れず、それはｅが次の条件の下上記式中で７１は測定されたｒＺＪ成分である。

他のタイプの磁力計は前述の磁力形の代わりに使用されてもよい。これらは当業 者には明からなことだろう。

ａ、ｌ　Ａダーレを芥゛４°、さ民ｊ！−４に１ミ７ノ４？、１軍ｔシロ）Ａチ ーレ１祢イ、鈷シー卑。メ必Ｊヤめ飛（）公知の磁力計の動作原理が第１図〜第 ４図を参照して説明さ補正書の写しく翻訳文）提出日（特許法第１８４条の８） 平成元年１０月１３４１ 特許庁長官　古　１）文　毅　殿 １、特許出願の表示　ＰＣＴ／ＧＢ　８Ｂ１００２４９２、発明の名称　ロール の影響を受けない磁力計システム３、特許出願人 住　所　イギリス国、ロンドン・ニス・ダブリュ・　トエイ・　２・エイチ・ビ イ、ホワイトホール（番地なし）名　称　イギ１ナス国 ４、代　理　人　東京都新宿区新宿１丁目１番１４号　山田ビル５、補正書の提 出年月日　１９８９年５月１６日６、添附書類の目録 に−ａ　ｃｏｓ　２ｎ−ｂ　ｃｏｓ　４ｎ−ｃ　ｃｏｓ　８ｎ−・・・・・・・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）れる。磁力計の基本機能は、静止し た高透磁性装置の中に磁束を誘導する静磁界の存在を検出することである。この 静磁束は、基準起磁力から励起される時に磁気不均衡を引き起こすような形で、 磁性材料のＢ／Ｈ曲線動作モードを変化させるように働く。励起信号は入力コイ ル１０を経由して磁気回路に結び付けられる。その磁気回路は、その周りにコイ ルが置かれた別の強磁性要素によってその一端で接続された、一定の間隔を開け て置かれた２つの強磁性棒状要素１１．１２を含む。出力コイル１３−１４は棒 状要素１１．１２を囲み、このコイル内に誘導される電流は外部磁界１５を測定 するために使用される。誘導する外部磁界１５が零である時には、入力コイル１ ０に与えられるシヌソイド形励起パノＪ信号２０は、磁性要素１１及び１２内に 逆位相の相似の磁界Ａ　（２１）及びＢ　（２２）を誘導し、その結果、出力コ イル１４内に零の電流Ａ　＋　Ｂ　（２３）が誘導される。しかし、誘導する外 部磁界１５が存在する中では、棒状要素１１．１２が非対称的な磁束関係を有す る時、Ｂ−Ｈ特性曲線２５上の動作点（３４）が変化し、その結果と上記式中で 、ｋ、　ａ、　ｂ、・・・・・・は定数であり、ｎは入力信号の周波数である。

この信号の振幅は、誘導磁界の大きさに従属のするだろう。

第４図に示されるように、トロイダルコイル４０が入力４１において交流信号に よって励起され且つ静止周囲磁束４２に曝される時に、同様の効果が得られる。

図のプラス及びマイナスの符号は、静磁界４２の存在による磁束不均衡を示ず。

この結果として、同一の調波（等式（１））を含む信号を出力４３において作り 出す非対称の磁束が生じる。電流フラックスゲート磁力計は、Ｘ−Ｙ方位角座標 を得るための直交ソレノイドビックオフコイルを伴う水平に置かれたトロイドを 使用して、この特徴を利用する。

様々な信号処理技術が使用されるが、最も一般的なものは、第２調波信号を抽出 し且つその２つの信号にｔａｎ”関数を及ぼすための帯域フィルタを使用するこ とである。

この従来のフラックスゲート磁力計は３つすべての直交座標軸において磁束を感 知し、そして、曳航モジュール応用に適するものとするためには、ジンバル付き 構造の使用を避けるために姿勢補正を与えることが必要である。

第５図は本発明によ一、磁力計システムを示す。その配置は、仰角の変化が単一 の補正係数によって補正されることが可能でありながら、しかもその磁力計がロ ールの影響を受けないように、曳航モジュールのロール軸に対し平行にされるこ とが可能な縦軸を有するような配置である。鉛直に置かれたフェライトトロイド ５０には、そのトロイドの回りに螺旋状に巻かれた励起入力コイル５１が備えら れる。互いに直交するｒＸＪ及びｒＹＪビックオフコイル５２及び５３がそのト ロイドを囲む。磁界プローブ５４がトロイド５０と共軸に一直線上に並べられる 。プローブ５４は、その端部部材５７．５８及びそれよりも大きな長さの側部部 材５５．５６と共に長方形本体を形成する引き延ばされたトロイドから成る。プ ローブ５４は、プローブ５４の縦の対称軸がトロイド５０の軸５９と共線である ように配置され、続いて１次入力コイル５１０がプローブ５４の側部アーム５５ ．５６の周りに巻かれ、２次ビックオフコイル５１１がそのプローブ５４を囲む 。

方位角度測定は水平面に対するその磁界の局所角度、即ち、伏角角度によってば かりでなく、水平面からの磁力計の傾斜又は仰角によって影響される。その８Ｈ の磁界に対する相対角度がφであるならば、その時、真正角度θは、φによるト ロイド及びプローブ内の磁束変化によって影響されるだろう。

鉛直に取り付けられたトロイド５０と共に、本発明におけるように、ソレノイド コイル５２及び５３からの信号の平方の和は、軸５９周りのすべてのロール角度 に対し一定となるだろう。

コイル５２．５３からの直交出力ｘ、ｙは、各々の角度の符号を保つために及び １組のコイルの場合に、複素表記法で保持される。

ｘ＝ｓｉｎθ　ｓｉｎα　■ ｙ＝ｃｏｓθ　ｓ：ｎａ　とする。

式中でθはロール軸角度であり、αは方位角度である。

このように、その２つのコイルの出力の平方の和の平方根は、方位角度に従属す る。トロイド５０のこのモードの動作では、合成出力の第２ｉｌ！ｌ波はその方 位位置の関数であり、その出力はロール軸姿勢の影響を受けない。

従って、トロイド５０は、磁気方向ベクトルの構成分に一致する出力を生じさせ る。その縦成分はロール軸５９と一直線にされたプローブ５４から得られる。

しかし、信号処理の様々な方法が可能であるが、第６ａ図に示されるように、選 択される方法は飽和状態にされた磁心を持つ装置を動作させることである。オフ セットした磁界は、オフセットしていない磁界の出力６１に比較すると、出力６ ０（第６ｂ図）を歪める。その後、第２調波成分は、以下で説明される位相感知 検出処理を用いて検出される。

第７図は、方位情報を得る詳細な方法を説明する。周波数源（図示されていない ）からの周波数Ｎの励起信号が、補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８ ４条の８）平成元年１０月１３日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、特許出願の表示　ＰＣＴ／ＧＢ　８８１００２４９２、発明の名称　ロール の影響を受けない磁力計システム３、特許出願人 住　所　イギリス国、ロンドン・ニス・ダブリュ・　ｌ・エイ・　２・エイチ・ ビイ、ホワイトホール（番地なし）名　称　イギリス国 ４、代　理　人　東京都新宿区新宿１丁目１番１４号　山田ビル（郵便番号１６ Ｇ）電話（０３）　３５４ｉ６２３（６２００）　弁理士　川　口　義　雄（ほ か２名） ５、補正書の提出年月日　１９８９年７月７日６、添附書類の目録 （１）補正書の翻訳文　１通 （１）１９０年７月７日提出の第１頁から第２頁　（別紙１）０１９８９年７４ ７日提出の請求項１から１５（別紙２）（別紙１）　％＋瓶＠ｔｚｎ口かう眸１ 早口行Ｂすマ°゛に技ツロールの　を爪けない　言システム 本発明は、方位測定用の磁力計システムに及び特に１つの軸の周りの姿勢の影響 を受けない磁力計シ、ステムに係る。

水面下の位置を得るために、現在の典型的な実用的装置は、連続的に符号化され た方位角測定値から方向情報を提供するジンバル付コンパスを使用する。そうし た応用の多くでは、軽量性及び信頼性が必要条件である。可動部品を取り除くこ とによって信頼性が改善されることが可能である。ジンバル軸受を省くためには 、方位変化以外の磁気センサの諸条件について、測定された磁気ベクトルを補正 するための、姿勢センシング装置を提供することが必要である。磁力計の姿勢の 測定方法の１つは、高感度の加速度計を使用することであった。この方法が、長 期ドリフトに関して問題があり、及び波によって引き起こされる衝撃条件に耐え ることが不可能であることが明らかになっ本発明の目的は、可動部品への依存を 最少限度とする、ロール（ｒｏｌｌ）の影響を受けない磁力計システムを提供す ることである。

本発明は、可動物体上に取り付【ブ可能であり且つロール軸の周りに等角磁束感 度を持つ第１１界センサ、及び前記物体上に取り付は可能であり且つロール軸に 沿って感度を持つ第２磁界セ：ノサから成る、２つの磁界センサを含むロールの 影響を受けない磁力計システムを提供し、その配置は、ロール軸に沿った磁界成 分が第２の一方向性センサで測定され且つロール軸の横方向の磁界成分が第１セ ンサで測定されるような配置である。

前記センサがトロイド状の磁心から成ることが有利である。

第１センサが、そのトロイド平面に垂直な軸の周りに対称性を持つ正トＤイドで あって且つその軸が物体のロール軸に平行であるように物体上に取り付は可能で あり、及び第２センサが、そのトロイドと同じ空間的場所に精密に配置すること を可能にし及び／又は容易にするために、長さ部分対幅部分の比率が大きく且つ 物体のロール軸に縦方向で配置可能な寸法の細長い磁気本体であることが好まし い。好ましい配置では、交流励起信号源に接続するための均一な１次トロイダル 巻き線、及びそのトロイドを囲む、１対以上の互いに垂直な２次ビックオフコイ ルが第１センサに備えられる。あるいは、１組の直交コイルを各々に有する追加 のトロイドが、そのすべての軸角度データが隣接のトロイドに関し等しい角度に あるように、各々にずらされて［同時に作動するように一組にされるＪ　（ａａ ｎｇｅｄ）ことが可能である。第２センサは、そのロール軸に縦方向に置かれ、 交流励起信号源と接続するための１次コイルと、並びにその磁気本体を囲み及び ロール軸に平行な軸を持つ２次ビックオフコイルとを備える。前記の２つの１次 コイルは同一の交流電流源に接続されることが好ましい。その好ましい配置では 、第１及び第２センサのビックオフコイルが、１次励起信号の第２調波に選択的 に応答する各々の回路に接続される。これらの回路が位相感知検出器を含むこと が好ましい。第１センサの直交ビックオフコイルからの検出信号は、外部磁界の 構成分が前記検出信号の平方和の平方根から得られる処理回路に接続される。縦 磁界対横磁界の比率から得られた計算された方位がどんな非線形性に関しても補 正可能であるように、方位の校正ルックアツプ表と共にプログラムされた記憶Ｉ Ｉが含まれることが有利であり、又、そのトロイド出力に対する直交誤差の補正 に関しても同様である。

前記ルックアツプ表から得られる方位が伏角角度による不正確性に関し補正され ることが可能であるように、地球の磁界に対する磁力計システムのロール軸の相 対的な傾斜角度を測定する手段が含まれることが好ましい。その測定手段は、そ の磁力計の水平面に対する傾斜を測定する傾斜計を含んでもよい。

（別紙２）　楯朱ら崎・Ｉｔ文 １−」−Ｊと−１ｎ （１）２つの磁界センサから成る、ロールの影響を受けない磁力計システムであ って、可動物体上に取り付は可能であり且つロール軸５９の周りに等角磁束感度 を持つように配置された第１１１ｉ界センサ５ｏ、並びに前記物体上に取り付は 可能であり且つロール軸５９に沿って感度を持つように配置され１＝第２！１界 センサ５４が備えられ、その配置が、前記ロール軸に沿った磁界の成分が第２の 一方向性センサ５４によって測定され及び前記ロール軸に対し横方向の磁界成分 が第１センサ５０によって測定されることを特徴とする磁力計システム。

■　前記第１センサが、トロイド平面に対し垂直な軸の周りに対称性を有し且つ その軸が可動物体のロール軸に対し平行であるように物体上に取り付は可能な、 一般的に正トロイド形の磁気本体であることを特徴とする請求項１に記載の磁力 計システム。

■　前記第２センサが、物体のロール軸の縦方向に配置可能であり且つ前記第１ センサと同じ場所に空間的に正確に配置することを可能にし及び／又は容易にす るような寸法で作られた、長さ部分５５．５６対幅部分５７．５９の比率が大き な、細長いトロイダル磁気本体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の 磁力計システム。

（Ａ）　前記第１センサに、交流励起信号源及び前記トロイドを囲む互いに直交 した２次ビックオフコイルの１つ以上の対５２’、５３と接続するための均一な １次トロイダル巻き線５１が備えられることを特徴とする請求項１〜３のいずれ か一項に記載の磁力計システム。

■　前記第２センサに、交流励起信号源並びに前記磁気本体を囲み且つ前記ロー ル軸５９に平行な軸をもつ２次ビックオフコイル５１１に接続する１次コイル５ １０が備えられることを特徴とする請求項３又は４に記載の磁力計システム。

（６）　前記第１及び第２センサの一次コイル５０．５１０が同一の交流電流源 に接続されることを特徴とする請求項４又は５に記載の磁力計システム。

■　前記第１及び第２センサのビックオフコイルが、１次励起信号の第２調波に 対し選択的に反応する別々の回路７４，７５．７６に接続されることを特徴とす る請求項６に記載の磁力計システム。

■　第２ｔｌｌ波回路が位相感知検出器７１０，７１１，７１２を含む請求項７ に記載の磁力計システム。

■　前記第１センサの前記直交ビックオフコイル５２．５３からの検出信号が、 外部磁界の構成分が前記検出信号の平方和の平方根から得られる処理回路７１７ に接続されることを特徴とする請求項８に記載の磁力計システム。

ω　ｉ＆界の縦成分対構成分の比率から又は磁界の他の比率化された成分から得 られた計算された方位が、どんな非線形性についても又はトロイド出力の直交誤 差についても補正されることが可能であるように、校正された方位ルックアツプ 表でプログラムされた少なくとも１つの記憶装置７１４，７２７が含まれること を特徴とする請求項１−９のいずれか一項に記載の磁力計システム。

ａｔ＋　前記ルックアツプ表から得られた方位が伏角角度による不する磁力計シ ステムのロール軸の傾斜の相対的角度を測定し又は格納されたデータから得るた めの手段７３２が含まれることを特徴とする請求項１０に記載の磁力計システム 。

Ｏ前記測定手段が、前記磁力計の水平位置に対する傾斜を測定する傾斜計７３２ 及び前記磁力計の測定値を補正するために前記傾斜計に接続される手段７３３を 含むことを特徴とする請求項１１に記載の磁力計システム。

■　補助基準磁力計１５１が、前記傾斜計と関連して伏角角度の補正手段として 含まれることを特徴とする請求項１２に記載の磁力計システム。

０　前記基準磁力計が、前記磁力計システムのロール軸の周りに１つの自由度を 有するように支持される（１５２）ことを特徴とする請求項１３に記載の磁力計 システム。

■　前記外部磁界の縦成分が、前記ロール軸に平行で且つ交流電流を伝送するミ ューメタル又は他の材料のワイヤ１ｏ１、前記ミニ−メタルワイヤの周りに備え られたビックオフ巻き線１０２、前記ミューメタルに接続された直流バイアス源 、並びに前記ビックオフコイルに接続された交流検出器を備えることによって測 定され、その配置が前記外部磁界の作用を打ち消すために必要とされる直流バイ アスから、前記磁界が測定されるような配置ｐあることを特徴とする請求項１に 記載の磁力計システム。

国際調査報告 ＋ｍ＠ｍｓ＋ｍ＋ａ＋ａｓ＊＋ｂｍ＋ｎ＊＋＋ｖＰＣＴ／ＧＢ８８１００２４９ ２ＳＡ　２１４９７

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. （１）２つの磁界センサから成る、ロールの影響を受けない磁力計システムであ って、ロール軸５９の周りに等角磁束感度を持つ第１磁界センサ５０、及びロー ル軸５９に沿って感度を持つ第２磁界センサ５４が備えられ、その配置が、前記 ロール軸に沿った磁界の成分が第２の一方向性センサ５４によって測定され及び 前記ロール軸に対し横方向の磁界成分が第１センサ５０によって測定されること を特徴とする磁力計システム。
2. （２）前記センサがトロイダル磁心から成ることを特徴とする請求項１に記載の 磁力計システム。
3. （３）前記第１センサが、そのトロイド平面に垂直な軸の周りに対称性を持つ正 トロイドであることを特徴とする請求項２に記載の磁力計システム。
4. （４）前記第２センサが、空間的に正確に前記トロイドと同一の場所に配置する ことを可能にし及び／又は容易にするために、長さ部分５５，５６対幅部分５７ ，５９の大きな比率を有する、細長い磁気本体であることを特徴とする請求項２ 又は３に記載の磁力計システム。
5. （５）前記第２センサが少なくとも１つの巻き線５１１を有するトロイドである ことを特徴とする請求項２又は３に記載の磁力計システム。
6. （６）前記第１センサに、交流励起信号源及び前記トロイドを囲む互いに直交し た２次ピックオフコイルの１つ以上の対５２，５３と接続する均一な１次トロイ ダル巻き線５１が備えられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記 載の磁力計システム。
7. （７）前記第２センサが前記ロール軸に縦に置かれ、並びに交流励起信号源及び 前記磁気本体を囲み且つ前記ロール軸５９に平行な軸をもつ２次ピックオフコイ ル５１１に接続する一次コイル５１０が備えられることを特徴とする請求項１〜 ６のいずれか一項に記載の磁力計システム。
8. （８）前記第１及び第２センサの一次コイル５１，５１０が同一の交流電流源に 接続されることを特徴とする請求項６又は７に記載の磁力計システム。
9. （９）前記第１及び第２センサのピックオフコイルが、一次励起信号の第２調波 に対し選択的に反応する別々の回路７４，７５，７６に接続されることを特徴と する請求項８に記載の磁力計システム。
10. （１０）第２調波回路が位相感知検出器７１０，７１１，７１２を含む請求項９ に記載の磁力計システム。
11. （１１）前記第１センサの前記直交ピックオフコイル５２，５３からの検出信号 が、外部磁界の横成分が前記検出信号の平方和の平方根から得られる処理回路７ １７に接続されることを特徴とする請求項１０に記載の磁力計システム。
12. （１２）磁界の縦成分対横成分の比率から又は磁界の他の比率化された成分から 得られた計算された方位が、どんな非線形性についても又はトロイド出力の直交 誤差についても補正されることが可能であるように、校正された方位ルックアッ プ表でプログラムされた記憶装置７１４が含まれることを特徴とする請求項１〜 １１のいずれか一項に記載の磁力計システム。
13. （１３）前記ルックアップ表から得られた方位が伏角による誤差について補正さ れることが可能なように、地球磁界に対する磁力計システムのロール軸の傾斜の 相対的角度を測定し又は格納されたデータから縛るための手段７３２が含まれる ことを特徴とする請求項１２に記載の磁力計システム。
14. （１４）前記測定手段が、前記磁力計の水平位置に対する傾斜を測定する傾斜計 ７３２及び前記磁力計の測定値を補正するために前記傾斜計に接続される手段７ ３３を含むことを特徴とする請求項１３に記載の磁力計システム。
15. （１５）補助基準磁力計１５１が、前記傾斜計と関連する伏角角度の補正手段と して含まれることを特徴とする請求項１４に記載の磁力計システム。
16. （１６）前記基準磁力計が、前記磁力計システムのロール軸の周りに１つの自由 度を有するように支持される（１５２）請求項１５に記載の磁力計システム。
17. （１７）前記外部磁界の縦成分が、前記ロール軸に平行で且つ交流電流を伝送す るミューメタル又は他の材料のワイヤ１０１、前記ミューメタルワイヤの周りに 備えられたピックオフ巻き線１０２、前記ミューメタルに接続された直流バイア ス源、並びに前記ピックオフコイルに接続された交流検出器を備えることによっ て測定されてもよく、その配置が、前記磁界の作用を打ち消すために必要とされ る直流バイアスから、前記磁界が測定されるような配置であることを特徴とする 請求項１に記載の磁力計システム。