非磁性サーボ機構磁力計
【課題】 １軸方式光磁気共鳴磁力計では目標上空を通過した時に生ずる磁気歪み量を元に目標の存在の有無を識別するが、地磁気の向きに対して動作しない不感帯があるため、従来は、ＤＣモータを使用したサーボ機構等を用いて常に不感帯を避けた向きになるように磁力計の姿勢制御していた。そのため、磁力計の方位を検出するために姿勢制御するためのＤＣモータを用いていたが、モータによって発生する変動磁界によって磁力計周囲の磁界を歪ませて磁力計動揺時に動揺磁気雑音が生じ、探知性能を低下させるという課題があった。
【解決手段】 ピエゾ素子(圧電セラミック弾性素子)に電圧を印加するとピエゾ素子自信が伸び縮みする電歪現象を利用した非磁性超音波モータを用いた非磁性サーボ機構１５により、周囲の磁界を歪ませることなく、１軸方式光磁気共鳴磁力計を常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御するようにした。
【解決手段】 ピエゾ素子(圧電セラミック弾性素子)に電圧を印加するとピエゾ素子自信が伸び縮みする電歪現象を利用した非磁性超音波モータを用いた非磁性サーボ機構１５により、周囲の磁界を歪ませることなく、１軸方式光磁気共鳴磁力計を常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、１軸方式光磁気共鳴磁力計の目標探知能力向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
１軸方式光磁気共鳴磁力計を航空機等の移動体に設置して目標上空を通過した時に生ずる磁界変化量を基に目標の存在の有無を識別するようにしたものは既に開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２９６３３４号（第５図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
吸収セル、セシウムランプ、光検知器、光学系、高周波電源、増幅器、コイル等から構成される１軸方式光磁気共鳴磁力計は地磁気の向きに対して動作しない不感帯があるため、従来は、例えば、ＤＣモータを使用したサーボ機構等を用いて常に不感帯を避けた向きになるように磁力計を姿勢制御していた。
そのため、磁力計の方位を検出するためのフラックスゲート方式磁気方位センサや姿勢制御をするためのＤＣモータを用いていたが、夫々、パーマロイコア、鉄製ステータなど強磁性体が使用されており、磁力計周囲の磁界を歪ませていた。
この静的な磁界は磁気補償などにより、ある程度低減できるが、モータによって発生する磁界は絶えず変動するので磁気補償することが困難であり、補償不可能の動揺磁気雑音として残り、探知性能を低下させるという問題点があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、サーボ機構を用いた１軸方式光磁気共鳴磁力計のサーボ機構を非磁性にして変動磁界が発生しないようにし、磁力計周囲の磁界を歪ませないようにして目標の探知能力向上を目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の非磁性サーボ機構磁力計は、量子遷移を起こすゼーマンサブレベルを有するセシウムを内蔵した吸収セルと、上記吸収セルに光を照射するセシウムランプと、上記吸収セルを透過したセシウムの光を電気信号に変換する光検知器と、上記セシウムランプと吸収セルを点灯させるための高周波電源と、上記光検知器からの電気信号を増幅するＲＦ増幅器と、上記吸収セルに磁気共鳴を生じせしめるために上記増幅器で増幅した電気信号を磁界に変換して印加するための上記吸収セルの近傍に設けたコイルとから構成される１軸方式光磁気共鳴磁力計と、上記１軸方式光磁気共鳴磁力計の出力を基に地磁気に対するセンサ光軸の向きを検出する方位検出部と、上記方位検出部の出力を基に上記１軸方式光磁気共鳴磁力計の出力が常に最大となるように方位制御するサーボモータ制御部と、上記サーボモータ制御部の出力を基に上記１軸方式光磁気共鳴磁力計のセンサ光軸と地磁気が常に４５°の向きになるように超音波モータを駆動して当該センサ光軸の方位を制御する非磁性サーボ機構とを設けたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、ピエゾ素子(圧電セラミック弾性素子)に電圧を印加するとピエゾ素子自信が伸び縮みする電歪現象を利用した非磁性超音波モータを用いた非磁性サーボ機構により、周囲の磁界を歪ませることなく、１軸方式光磁気共鳴磁力計を常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御するようにしたことによって、絶えず磁力計の姿勢が変化する移動式磁力計の場合でも、磁力計周囲の磁界歪や、変動磁界を発生することなく、常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、磁気補償量や動揺磁気雑音を減少させ、探知能力を向上させることができるという効果が得られる。
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施例１を示す構成図である。
図中、１はセシウムランプ、２、３はそれぞれ第１、第２のレンズ、４は吸収セル、５はＲＦコイル、６は円偏光板、７は光検知器、８は位相器、９はＲＦ増幅器、１０は高周波電源、１１はセシウムランプ１、第１のレンズ２、第２のレンズ３、吸収セル４、ＲＦコイル５、円偏光板６、光検知器７、位相器８、ＲＦ増幅器９、高周波電源１０で構成される１軸方式光磁気共鳴磁力計、１２は方位検出部、１３はサーボモータ制御部、１４は非磁性超音波回転部、１５は方位検出部１２、サーボモータ制御部１３、非磁性超音波回転部１４で構成される非磁性サーボ機構１５、Ｈ０は周囲磁界、ＳＳは磁力計の出力である。
【０００９】
次に、この発明の実施例１の１軸方式光磁気共鳴磁力計の動作について説明する。
高周波電源１０によって、セシウムランプ１と吸収セル４に高周波電力が供給されて点灯され、セシウムランプ１で先ずＤ１光を発生してこの光を第１のレンズで平行にして、さらに、円偏光板６によって円偏向に変換した光を吸収セル４に投射すると、吸収セル４中のセシウムがゼーマンサブレベルにおいて偏分布するが、この状態の時に、周囲磁界に比例したゼーマンサブレベル間隔に対応する周波数で振動する高周波磁界をＲＦコイル５を介して吸収セル４に印加すると誘導遷移が発生して原子群が基底状態のゼーマンサブレベルにランダムに分布する初期状態に戻る動作が連続して起こる。
【００１０】
この現象を第２のレンズ３、光検知器７によって変調光信号という形で取出してさらに電気信号に変換し、この電気信号を位相器８、ＲＦ増幅器９によってＲＦコイル５に正帰還がかかるようにしてこの発振周波数を計測することによって周囲磁界を計測することができる。
【００１１】
セシウム原子の場合、磁界1ｎＴ当り約３Ｈｚのスケールファクタで地球の各地域において周囲磁界Ｈ０の大きさに応じて１００ＫＨｚ〜２００ＫＨｚで発振するので、この発振周波数を電圧変換したものを磁力計出力として計測すれば、周囲磁界Ｈ０を正確に計測することができる。
【００１２】
図４は目標が存在しない場合と存在する場合の磁界分布を示す図である。
目標が存在しない場合は図４（ａ）のように地磁気の磁界はこのように局所的には大きさも向きも一様であり、例えば北半球では斜め下に向かっているが、目標が存在する場合は、船体材質の磁性体が棒磁石のように弓なり状の磁界を誘起するので、例えば、図４（ｂ）のＡ地点では地磁気と目標が誘起する磁界は両方とも下向きでベクトル的に加算されて大きくなり、Ｂ地点では、目標が誘起する磁界は上向きになっていて地磁気と逆方向なのでベクトル的に減算されて小さくなって目標の周辺では歪んだ空間分布をしている。
【００１３】
その結果、周囲磁界Ｈ０は水中移動体等の目標がない状態では、図４（ａ）のように地磁気のみの一様な空間分布をしているが、目標が存在する場合は目標が誘起する磁界と地磁気とがベクトル的に加減算されて、図４（ｂ）のように僅かに正弦波状に歪んだ空間分布、即ち、磁気歪みを生じている。
【００１４】
ここで１軸方式光磁気共鳴磁力計のセンサ出力は地磁気との向きに対して依存性があり、センサ光軸、即ち、セシウムランプ１、第１のレンズ２、第２のレンズ３、吸収セル４、円偏光板６、光検知器７を一直線に結ぶ向きと地磁気のなす角度によってセンサ出力の大きさが変わるという特性を有している。
図５はこの様子を示したものであり、横軸はセンサ光軸−地磁気間のなす角度が０°の場合、縦軸は９０°の場合であり、クローバ状の曲線はその間の任意の角度におけるセンサ出力を示しており、４５°の時にセンサ出力は最大となり、０°、９０°の場合はゼロとなる。
【００１５】
移動式磁力計の場合では、例えば、１軸方式光磁気共鳴磁力計を航空機や水中ビークル等の移動体に搭載して上空を飛行したり、海中を推進してスキャンし、この磁気歪みを時系列の磁気歪み信号として検出することによって目標の存在の有無を探知するが、１軸方式光磁気共鳴磁力計は図５のように地磁気に対してセンサ光軸と地磁気のなす角度が、０°又は９０°になると、磁力計出力がゼロとなって動作しない不感帯があるため、磁力計の向きが頻繁に変わる移動式磁力計の場合には、従来は、ＤＣモータを使用したサーボ機構等を用いて常に不感帯を避けた向きになるように磁力計を姿勢制御していた。
【００１６】
そのため、磁力計の方位を検出するためのフラックスゲート方式磁気方位センサや姿勢制御をするためのＤＣモータを用いていたが、夫々、パーマロイコア、鉄製ステータなど強磁性体が使用されており、磁力計周囲の磁界を歪ませていた。
【００１７】
この静的な磁界は磁気補償などによりある程度低減できるが、ＤＣモータによって発生する磁界は絶えず変動するので磁気補償することが困難であり、補償不可能の動揺磁気雑音として残り、磁力計としての性能を低下させる。
【００１８】
そこで、絶えず磁力計の方位が変わる移動式磁力計の場合であっても、磁力計自身の出力及びピエゾ素子の摺動運動を利用した非磁性超音波モータを用いることにより、磁力計周囲の磁界を歪ませることなく、不感帯を避けた向きになるように姿勢制御し、目標の探知能力を向上させた。
【００１９】
この発明の実施例１の非磁性サーボ機構１５磁力計の動作について説明する。
非磁性超音波回転部１４を構成する非磁性超音波モータは従来の磁力を利用したモータとは異なり、ピエゾ素子(圧電セラミック弾性素子)に電圧を印加するとピエゾ素子自信が伸び縮みする電歪現象を利用したものであり、複数のピエゾ素子が非磁性化した金属のステータ片面に固定されていて、もう一方のステータ面がロータと重なりあって垂直方向から圧力が印加された状態となっている。
【００２０】
図６はこの様子を示すものであり、図６中、ＫＺは非磁性超音波モータの回転軸、ＲＴ、ＳＴは銅やりん青銅等の非磁性金属を用いて非磁性化した、其々、非磁性ロータＲＴ、非磁性ステータ、ＰＺ１、ＰＺ２、…、ＰＺnは、其々、第１、第２、…第ｎのピエゾ素子である。
上記第１、第２、…第ｎのピエゾ素子ＰＺ１、ＰＺ２、…、ＰＺnは非磁性ステータＳＴの片面に全周に渡って固定されていて、もう一方のステータ面が非磁性ロータＲＴと重なりあっており、この非磁性ロータＲＴが同様に銅やりん青銅を用いて非磁性化したケースとバネによって垂直方向に圧力が加わえられている。
【００２１】
このような構成において、個々のピエゾ素子に印加された高周波電圧によって順次ピエゾ素子が盛り上がったり下がったりしながら、例えば第１のピエゾ素子ＰＺ１に正弦波の＋電圧が、第２のピエゾ素子ＰＺ２に正弦波の−電圧が加わるように位相制御しながら、其々、第１、第２のピエゾ素子に高周波電圧を印加して、其々、第１、第２のピエゾ素子が、順次、伸び、縮みするようにして、非磁性ステータＳＴをこの順に順次連続的にたわませ、そのたわみに応じて垂直方向に加えられている圧力によって上側にある非磁性ロータＲＴが横滑りして回転するものである。
【００２２】
非磁性超音波回転部１４はこのように非磁性の状態で回転する非磁性超音波モータと強化プラスチック等で非磁性化し非磁性超音波モータの回転を利用して回転制御する回転機構をロール、ピッチ、ヨー方向の３軸方向に設けて其々、±１８０°の範囲内で自由に回転できるようになっている。
【００２３】
尚、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸の超音波モータの制御信号は符号が回転の向きを表し、大きさが回転角度に対応しており、この制御信号により、機体機軸に対して1軸方式光磁気共鳴磁力計１１をロール、ピッチ、ヨー方向に回転させてどの方位にも変えられるようになっている。
【００２４】
図７はこの様子を示したものであり、図７（ａ）図は非磁性超音波回転部１４の構成を示したものであり、ＲＫはロール軸用回転機構、ＲＭはロール軸用非磁性超音波モータ、ＹＫはヨー軸用回転機構、ＹＭはヨー軸用非磁性超音波モータ、ＰＫはピッチ軸用回転機構、ＰＭはピッチ軸軸用非磁性超音波モータである。
また、図７（ｂ）図は一例としてこの中のロール軸回転部を示したものであり、ＲＫはロール軸用回転機構、ＲＭはロール軸用非磁性超音波モータ、ＭＧは非磁性超音波モータに取付けられた超音波モータ用歯車、ＳＴは固定用支柱、ＳＰはスリップリング、ＫＧは回転機構用歯車、ＫＫは上記固定用支柱ＳＴ、スリップリングＳＰ、回転機構用歯車ＫＧから構成される回転アッセイである。なお、これら固定用支柱ＳＴ、スリップリングＳＰ、モータ用歯車ＭＧ、回転機構用歯車ＫＧ、回転アッセイＫＫはいづれも銅、りん青銅、強化プラスチック等で非磁性化されている。
【００２５】
このような構成において光磁気共鳴磁力計１１の一端が上記固定用支柱ＳＴによってロール軸の回転アッセイＫＫに固定されて支えられる一方、上記回転アッセイＫＫが回転フリーの状態で上記ロール軸用回転機構回転ＲＫの枠で包み込まれ、ロール軸用非磁性超音波モータＲＭがこの枠に固定されていて、ロール軸用非磁性超音波モータＲＭの回転が超音波モータ用歯車ＭＧ、回転機構用歯車ＫＧを介して伝えられて回転制御されるようになっている。なお、光磁気共鳴磁力計１１の電源や信号線はスリップリングＳＰを介してロール軸用回転機構ＲＫに接続されるようになっている。
【００２６】
さらに、このロール軸用回転機構ＲＫの一端が、同様にヨー軸用回転機構ＹＫの固定用支柱ＳＴによって固定されて支えられ、ヨー軸用非磁性超音波モータＹＭ、超音波モータ用歯車ＭＧ、スリップリングＳＰ、回転機構用歯車ＫＧ、回転アッセイＫＫによって電源や信号線の接続を保ちながらロール軸用回転機構ＲＫがヨー方向に回転制御され、ヨー軸用回転機構ＹＫが、同様に、ピッチ軸用回転機構ＰＫの固定用支柱ＳＴによって固定されて支えられ、ヨー軸用非磁性超音波モータＹＭ、超音波モータ用歯車ＭＧ、スリップリングＳＰ、回転機構用歯車ＫＧ、回転アッセイＫＫによって電源や信号線の接続を保ちながらロール軸用回転機構ＲＫがヨー方向に回転制御される。
【００２７】
一方、方位検出部１２は機体から入力したＧＰＳ情報やロール情報等機体の方位情報を基にセンサ光軸を地球の基準方位に対して、例えば、磁北に対して所定の方位に向けるための機体機軸におけるセンサ光軸の方位情報を算出するとともに、この方位情報と磁力計出力ＳＳを時々刻々記憶する役目をし、サーボモータ制御部１３は方位検出部１２の方位情報を基に非磁性超音波回転部１４のロール軸、ピッチ軸、ヨー軸の３つの超音波モータを制御する制御信号を生成し、非磁性超音波回転部１４はサーボモータ制御部１３の制御信号を入力して1軸方式光磁気共鳴磁力計１１を所定の方位に姿勢制御する役目をする。
【００２８】
非磁性サーボ機構１５は、方位検出部１２、サーボモータ制御部１３、非磁性超音波回転部１４によって、先ず、機体から入力した機体の方位情報を基に、磁北に対してセンサ光軸を所定の方位に向けるための制御信号を生成して１軸方式光磁気共鳴磁力計１１を所定の方位に向けるとともに、このときの磁力計出力ＳＳとセンサ光軸の方位情報を時々刻々記憶しながら１軸方式光磁気共鳴磁力計１１を全ての方位に変え、この時の磁力計出力ＳＳと記憶している磁力計出力ＳＳを比較することによってこの値が最大となる方位、即ち、センサ光軸と地磁気のなす角度が４５°となって磁力計出力ＳＳが最大となる方位を見つけ、この後、その向きを中心にロール、ピッチ、ヨー方向に微小角度振りながら磁力計出力ＳＳを基に非磁性超音波回転部１４のロール軸用、ピッチ軸用、ヨー軸用の３つの超音波モータにフィードバック制御して、磁力計出力ＳＳが常に最大となるように姿勢制御する。
【００２９】
このような非磁性サーボ機構１５により周囲の磁界を歪ませることなく、１軸方式光磁気共鳴磁力計を常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、従来のように磁力計の方位検出用フラックスゲート方式磁気方位センサや姿勢制御用ＤＣモータを用いていたために生じていた磁界歪が減少し、さらに、変動性の磁界を発生しないので、磁気補償量が少なくて済み、さらに、従来は磁気補償することが困難で補償不可能の磁気雑音として残っていた動揺磁気雑音をほとんどなくすことができる。
【００３０】
以上によれば、絶えず磁力計の姿勢が変化する移動式磁力計の場合でも、磁力計周囲の磁界歪や、変動磁界を発生することなく、常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、磁気補償量や動揺磁気雑音を減少させ、探知能力を向上させることができる。
【００３１】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施例２を示す構成図であり、１〜１５は実施例１と同一のもの、１６は磁力計の電源がオンにされてから上記非磁性サーボ機構１５によりセンサ光軸と地磁気のなす角度が最良の４５°になって磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプ１、吸収セル４が十分に安定した時間に、例えば５分後に、良否判別モニタ用計測指令信号を発するタイマ、１７は上記タイマ１６の良否判別モニタ用計測指令信号により最良動作角度における磁力計出力ＳＳを基に上記１軸方式光磁気共鳴磁力計１１の構成部品であるセシウムランプ１や吸収セル４の良否判別をするマイクロプロセッサ、１８はマイクロプロセッサ１７が判断した最良動作角度における磁力計出力ＳＳの数分間の平均値を記憶しておくための不揮発性メモリ、ＴＴはマイクロプロセッサから出力される良否判別信号である。
【００３２】
１軸方式光磁気共鳴磁力計１１によってゼーマンサブレベルの編分布を利用して周囲磁界を計測し、構成される非磁性サーボ機構１５によって上記１軸方式光磁気共鳴磁力計１１が常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御しているところまでは実施例１と同じである。
【００３３】
ここでタイマ１６は、磁力計を動作させる都度、上記非磁性サーボ機構１５によりセンサ光軸と地磁気のなす角度が最良動作角度の４５°になって磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプ１、吸収セル４が十分安定した例えば電源オン５分後にタイマ１６が良否判別モニタ用計測指令信号を生成し、この良否判別モニタ計測指令信号によってマイクロプロセッサ１７が最良動作角度における磁力計出力ＳＳの数分間の平均値を計測してこの値を取込むとともに閾値と比較することによってランプ１や吸収セル４が劣化していないか判断して、この値を劣化状態を示す指標値として磁力計を動作させた最初の1回のみ、この指標値を上記不揮発性メモリ１８に出力し、レファレンス用の指標値として記憶しておく。
【００３４】
そして次回に磁力計を動作させたときに非磁性サーボ機構１５、タイマ１６、マイクロプロセッサ１７によって、同様にして電源オン５分後の最良動作角度における磁力計出力ＳＳの数分間の平均値を計測してセシウムランプ１や吸収セル４の劣化状態を示す指標値として算出し、この値と最初の磁力計動作時に不揮発性メモリ１８に記憶させたレファレンス用の指標値との比がある値以下に下がっていないかどうか判定することによってランプ１や吸収セル４が劣化していないかどうかを判断する。
【００３５】
図８はこの様子を示す図であり、図８（ａ）は動作累積時間に対するセシウムランプ１の光強度、（ｂ）は動作累積時間に対する吸収セル４の光強度、図８（ｃ）は動作累積時間に対する上記セシウムランプ１と上記吸収セル４の光強度の相関値として表される磁力計出力ＳＳの最大値との関係を示している。なお、図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）とも横軸の動作累積時間を合せて示しており、図８（ａ）はセシウムランプの光強度が動作累積時間とともにゆるやかに低下し例えばＡ点において急激に低下する特性を、また、図８（ｂ）は吸収セルの光強度が動作累積時間とともにゆるやかに低下し例えばＡ点において急激に低下する特性を、また、図８（ｃ）はこれらセシウムランプ、吸収セルの特性に伴って、セシウムランプと吸収セルの光強度の積も動作累積時間とともにゆるやかに低下しＡ点において急激に低下する特性を示している。
【００３６】
このようにセシウムランプ１や吸収セル４は一般的に動作累積時間、即ち、寿命とともに光強度もゆるやかに低下していって両者の積の相関値である磁力計出力ＳＳの最大値は図（ｃ）のようにある動作累積時間においてＡ点のように急激に低下する特性を有しているので、磁力計を動作させる度に、例えば、磁力計の電源をオンにした５分後にタイマ１６の良否判別モニタ用計測指令信号によって、センサ光軸と地磁気のなす角度が最良動作角度の４５°になって磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプ１、吸収セル４が十分安定した時の磁力計出力ＳＳを指標値としてマイクロプロセッサ１７が取込んで、この指標値と磁力計初回動作時に記憶させたレファレンス用の指標値との比がある値以下に下がっていないかどうかマイクロプロセッサ１７が判定することによってセシウムランプ１や吸収セル４が劣化していないかどうかを判断し、良否判別信号ＴＴとして出力する。
【００３７】
こうして磁力計は、非磁性サーボ機構１５により磁力計周囲の磁界を歪ませることなく、１軸方式光磁気共鳴磁力計を常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、従来のように磁力計の方位検出用フラックスゲート方式磁気方位センサや姿勢制御用ＤＣモータを用いていたために生じていた磁界歪が減少し、さらに、変動性の磁界を発生しないので、磁気補償量が少なくて済み、さらに、従来は磁気補償することが困難で補償不可能の磁気雑音として残っていた動揺磁気雑音をほとんどなくすことができる上に、磁力計の電源をオンにしてからセンサ光軸と地磁気のなす角度が最良動作角度の４５°になって磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプや吸収セルが十分安定した時の磁力計出力ＳＳをマイクロプロセッサが指標値として取込んで、この指標値と磁力計初回動作時に記憶させたレファレンス用の指標値との比がある値以下に下がっていないかどうか判定することによってセシウムランプや吸収セルが劣化していないかどうか自動的に判断して報知するので、交換時期を見極めるのに、実機に組込まれたセシウムランプや吸収セルを外して専用装置にかけて定期的に診断しなければならないという不便をなくすことができる。
【００３８】
以上によれば、絶えず磁力計の姿勢が変化する移動式磁力計の場合でも、磁力計周囲の磁界歪や、変動磁界を発生することなく、常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、磁気補償量や動揺磁気雑音を減少させ、探知能力を向上させることができる上に、動作する毎に磁力計出力が減少していないか確認することによりセシウムランプや吸収セルが劣化していないか自動判別するので、定期的に診断しなければならないという不便をなくすことができる。
【００３９】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施例３を示す構成図であり、１〜１８は実施例２と同一のもの、１９はタイマ１６の良否判別モニタ用計測指令信号により、ある一定の期間だけ非磁性サーボ機構１５を制御して１軸方式光磁気共鳴磁力計１１を、順次、ロール、ピッチ、ヨー方向に±数度姿勢を強制的に変える動揺磁気雑音測定用姿勢制御部、２０は磁力計出力ＳＳをＦ／Ｖ変換して、さらに、バンドパスフィルタでフィルタ処理をし、磁界変化分のみを検出して動揺磁気雑音を計測する動揺磁気雑音評価部である。
【００４０】
このような構成において、１軸方式光磁気共鳴磁力計１１によってゼーマンサブレベルの編分布を利用して周囲磁界を計測し、非磁性サーボ機構１５によって上記１軸方式光磁気共鳴磁力計１１が常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御しているところまでは実施例１と同じである。
【００４１】
図９は動揺磁気雑音の様子を示す図である。
図９は、例えば、ロール方向に±５°数秒の周期で磁力計を回転させた時に生ずる動揺磁気雑音を示したものであり、ピッチ方向、ヨー方向に±５°数秒の周期で磁力計を回転させた時にも同様の動揺磁気雑音が生じ、図９（ａ）の場合は磁力計１１の構成部品が正常な場合であり、図９（ｂ）の場合は異常がある場合を示している。
【００４２】
一般に磁力計の姿勢が、例えば、ロール、ピッチ、ヨー方向に変化したときに誤差計測分として生ずる動揺磁気雑音は、１軸方式光磁気共鳴磁力計１１の構成部品が正常の場合には、図９の（ａ）のようには僅かであるが、磁化していたり、光透過率が低下して性能が劣化している場合には図９（ｂ）のように大きくなる。
【００４３】
タイマ１６は、磁力計を動作させる都度、上記非磁性サーボ機構１５によりセンサ光軸と地磁気のなす角度が最良動作角度の４５°になって磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプ１、吸収セル４が十分安定した例えば電源オン５分後に良否判別モニタ用計測指令信号を生成し、この良否判別モニタ用計測指令信号によって動揺磁気雑音測定用姿勢制御部１９が非磁性サーボ機構１５を制御して、順次、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸方向に１軸方式光磁気共鳴磁力計１１を±数度姿勢を強制的に変え、その時に生ずる動揺磁気雑音を動揺磁気雑音評価部２０が計測する。
【００４４】
この動揺磁気雑音の総和値をマイクロプロセッサ１７が動揺磁気雑音評価指数として取込み、この値を閾値と比較することによって１軸方式光磁気共鳴磁力計１１を構成する部品が磁化したことを含めて劣化していないか判断するとともにこの値を劣化状態を示す評価指数値として磁力計を動作させた最初の1回のみ、この評価指数値を上記不揮発性メモリ１８に出力し、レファレンス用の評価指数値として記憶しておく。
【００４５】
そして次回に磁力計を動作させたときに非磁性サーボ機構１５、タイマ１６、マイクロプロセッサ１７、動揺磁気雑音測定用姿勢制御部１９、動揺磁気雑音評価部２０によって、同様にして電源オン５分後の磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプ１、吸収セル４が十分安定した時の動揺磁気雑音の総和値を動揺磁気雑音評価指数として算出し、この値と最初の磁力計動作時に記憶不揮発性メモリ１８に記憶させたレファレンス用の評価指数値との比がある値以上に上がっていないかどうか判定することによって１軸方式光磁気共鳴磁力計１１を構成する部品が磁化したことを含めて劣化していないか判断する。
【００４６】
こうして磁力計は、非磁性サーボ機構１５により磁力計周囲の磁界を歪ませることなく、１軸方式光磁気共鳴磁力計を常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、方位検出用フラックスゲート方式磁気方位センサや姿勢制御用ＤＣモータを用いていたために生じていた磁界歪が減少し、さらに、変動性の磁界を発生しないので、磁気補償量が少なくて済むことになる。
【００４７】
さらに、従来は磁気補償することが困難で補償不可能の磁気雑音として残っていた動揺磁気雑音をほとんどなくすことができる上に、磁力計の電源をオンにしてからセンサ光軸と地磁気のなす角度が最良動作角度の４５°になって磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプ、吸収セルが十分安定した時の動揺磁気雑音の総和値をマイクロプロセッサが動揺磁気雑音評価指数として取込み、この評価指数値と磁力計初回動作時に記憶させたレファレンス用の評価指数値との比がある値以上に上がっていないかどうか判定することによって１軸方式光磁気共鳴磁力計の構成部品が劣化していないかどうか自動的に判断して報知するので、構成部品を外して専用装置にかけて定期的に診断しなければならないという不便をなくする上に、さらに広い範囲に渡っての故障診断ができるという長所がある。
【００４８】
以上によれば、絶えず磁力計の姿勢が変化する移動式磁力計の場合でも、磁力計周囲の磁界歪や、変動磁界を発生することなく、常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、磁気補償量や動揺磁気雑音を減少させ、探知能力を向上させることができる上に、動作する毎に磁力計を強制的に動揺させその時に動揺磁気雑音が増加していないか比較確認することにより磁力計の構成部品が劣化していないか自動判別するので、定期的に診断しなければならないという不便がなくなる上に、さらに広い範囲に渡っての故障診断ができるという長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明の実施の形態１の例を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態２の例を示すブロック図である
【図３】この発明の実施の形態３の例を示すブロック図である。
【図４】目標の存在の有無と周囲磁界関係を示す図である。
【図５】センサ光軸−地磁気間の方位角度対する磁力計出力の関係を示す図である。
【図６】非磁性超音波モータの構成と原理を示す図である。
【図７】非磁性超音波回転部の構成の一例を示す図である。
【図８】経過時間に対するセシウムランプや吸収セルの光強度及びこれらの相関値との関係を示す図である。
【図９】磁気センサ構成部品不良の有無と動揺磁気雑音との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ セシウムランプ、 ２ 第１のレンズ、 ３ 第２のレンズ、 ４ 吸収セル、 ５ ＲＦコイル、 ６ 円偏向板、 ７ 光検知器、 ８ 位相器、 ９ ＲＦ増幅器、 １０ 高周波電源、 １１ １軸方式光磁気共鳴磁力計、 １２ 方位特性検出部、 １３ サーボモータ制御部、 １４ 非磁性超音波回転部、 １５ 非磁性サーボ機構１５。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、１軸方式光磁気共鳴磁力計の目標探知能力向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
１軸方式光磁気共鳴磁力計を航空機等の移動体に設置して目標上空を通過した時に生ずる磁界変化量を基に目標の存在の有無を識別するようにしたものは既に開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２９６３３４号（第５図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
吸収セル、セシウムランプ、光検知器、光学系、高周波電源、増幅器、コイル等から構成される１軸方式光磁気共鳴磁力計は地磁気の向きに対して動作しない不感帯があるため、従来は、例えば、ＤＣモータを使用したサーボ機構等を用いて常に不感帯を避けた向きになるように磁力計を姿勢制御していた。
そのため、磁力計の方位を検出するためのフラックスゲート方式磁気方位センサや姿勢制御をするためのＤＣモータを用いていたが、夫々、パーマロイコア、鉄製ステータなど強磁性体が使用されており、磁力計周囲の磁界を歪ませていた。
この静的な磁界は磁気補償などにより、ある程度低減できるが、モータによって発生する磁界は絶えず変動するので磁気補償することが困難であり、補償不可能の動揺磁気雑音として残り、探知性能を低下させるという問題点があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、サーボ機構を用いた１軸方式光磁気共鳴磁力計のサーボ機構を非磁性にして変動磁界が発生しないようにし、磁力計周囲の磁界を歪ませないようにして目標の探知能力向上を目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の非磁性サーボ機構磁力計は、量子遷移を起こすゼーマンサブレベルを有するセシウムを内蔵した吸収セルと、上記吸収セルに光を照射するセシウムランプと、上記吸収セルを透過したセシウムの光を電気信号に変換する光検知器と、上記セシウムランプと吸収セルを点灯させるための高周波電源と、上記光検知器からの電気信号を増幅するＲＦ増幅器と、上記吸収セルに磁気共鳴を生じせしめるために上記増幅器で増幅した電気信号を磁界に変換して印加するための上記吸収セルの近傍に設けたコイルとから構成される１軸方式光磁気共鳴磁力計と、上記１軸方式光磁気共鳴磁力計の出力を基に地磁気に対するセンサ光軸の向きを検出する方位検出部と、上記方位検出部の出力を基に上記１軸方式光磁気共鳴磁力計の出力が常に最大となるように方位制御するサーボモータ制御部と、上記サーボモータ制御部の出力を基に上記１軸方式光磁気共鳴磁力計のセンサ光軸と地磁気が常に４５°の向きになるように超音波モータを駆動して当該センサ光軸の方位を制御する非磁性サーボ機構とを設けたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、ピエゾ素子(圧電セラミック弾性素子)に電圧を印加するとピエゾ素子自信が伸び縮みする電歪現象を利用した非磁性超音波モータを用いた非磁性サーボ機構により、周囲の磁界を歪ませることなく、１軸方式光磁気共鳴磁力計を常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御するようにしたことによって、絶えず磁力計の姿勢が変化する移動式磁力計の場合でも、磁力計周囲の磁界歪や、変動磁界を発生することなく、常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、磁気補償量や動揺磁気雑音を減少させ、探知能力を向上させることができるという効果が得られる。
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施例１を示す構成図である。
図中、１はセシウムランプ、２、３はそれぞれ第１、第２のレンズ、４は吸収セル、５はＲＦコイル、６は円偏光板、７は光検知器、８は位相器、９はＲＦ増幅器、１０は高周波電源、１１はセシウムランプ１、第１のレンズ２、第２のレンズ３、吸収セル４、ＲＦコイル５、円偏光板６、光検知器７、位相器８、ＲＦ増幅器９、高周波電源１０で構成される１軸方式光磁気共鳴磁力計、１２は方位検出部、１３はサーボモータ制御部、１４は非磁性超音波回転部、１５は方位検出部１２、サーボモータ制御部１３、非磁性超音波回転部１４で構成される非磁性サーボ機構１５、Ｈ０は周囲磁界、ＳＳは磁力計の出力である。
【０００９】
次に、この発明の実施例１の１軸方式光磁気共鳴磁力計の動作について説明する。
高周波電源１０によって、セシウムランプ１と吸収セル４に高周波電力が供給されて点灯され、セシウムランプ１で先ずＤ１光を発生してこの光を第１のレンズで平行にして、さらに、円偏光板６によって円偏向に変換した光を吸収セル４に投射すると、吸収セル４中のセシウムがゼーマンサブレベルにおいて偏分布するが、この状態の時に、周囲磁界に比例したゼーマンサブレベル間隔に対応する周波数で振動する高周波磁界をＲＦコイル５を介して吸収セル４に印加すると誘導遷移が発生して原子群が基底状態のゼーマンサブレベルにランダムに分布する初期状態に戻る動作が連続して起こる。
【００１０】
この現象を第２のレンズ３、光検知器７によって変調光信号という形で取出してさらに電気信号に変換し、この電気信号を位相器８、ＲＦ増幅器９によってＲＦコイル５に正帰還がかかるようにしてこの発振周波数を計測することによって周囲磁界を計測することができる。
【００１１】
セシウム原子の場合、磁界1ｎＴ当り約３Ｈｚのスケールファクタで地球の各地域において周囲磁界Ｈ０の大きさに応じて１００ＫＨｚ〜２００ＫＨｚで発振するので、この発振周波数を電圧変換したものを磁力計出力として計測すれば、周囲磁界Ｈ０を正確に計測することができる。
【００１２】
図４は目標が存在しない場合と存在する場合の磁界分布を示す図である。
目標が存在しない場合は図４（ａ）のように地磁気の磁界はこのように局所的には大きさも向きも一様であり、例えば北半球では斜め下に向かっているが、目標が存在する場合は、船体材質の磁性体が棒磁石のように弓なり状の磁界を誘起するので、例えば、図４（ｂ）のＡ地点では地磁気と目標が誘起する磁界は両方とも下向きでベクトル的に加算されて大きくなり、Ｂ地点では、目標が誘起する磁界は上向きになっていて地磁気と逆方向なのでベクトル的に減算されて小さくなって目標の周辺では歪んだ空間分布をしている。
【００１３】
その結果、周囲磁界Ｈ０は水中移動体等の目標がない状態では、図４（ａ）のように地磁気のみの一様な空間分布をしているが、目標が存在する場合は目標が誘起する磁界と地磁気とがベクトル的に加減算されて、図４（ｂ）のように僅かに正弦波状に歪んだ空間分布、即ち、磁気歪みを生じている。
【００１４】
ここで１軸方式光磁気共鳴磁力計のセンサ出力は地磁気との向きに対して依存性があり、センサ光軸、即ち、セシウムランプ１、第１のレンズ２、第２のレンズ３、吸収セル４、円偏光板６、光検知器７を一直線に結ぶ向きと地磁気のなす角度によってセンサ出力の大きさが変わるという特性を有している。
図５はこの様子を示したものであり、横軸はセンサ光軸−地磁気間のなす角度が０°の場合、縦軸は９０°の場合であり、クローバ状の曲線はその間の任意の角度におけるセンサ出力を示しており、４５°の時にセンサ出力は最大となり、０°、９０°の場合はゼロとなる。
【００１５】
移動式磁力計の場合では、例えば、１軸方式光磁気共鳴磁力計を航空機や水中ビークル等の移動体に搭載して上空を飛行したり、海中を推進してスキャンし、この磁気歪みを時系列の磁気歪み信号として検出することによって目標の存在の有無を探知するが、１軸方式光磁気共鳴磁力計は図５のように地磁気に対してセンサ光軸と地磁気のなす角度が、０°又は９０°になると、磁力計出力がゼロとなって動作しない不感帯があるため、磁力計の向きが頻繁に変わる移動式磁力計の場合には、従来は、ＤＣモータを使用したサーボ機構等を用いて常に不感帯を避けた向きになるように磁力計を姿勢制御していた。
【００１６】
そのため、磁力計の方位を検出するためのフラックスゲート方式磁気方位センサや姿勢制御をするためのＤＣモータを用いていたが、夫々、パーマロイコア、鉄製ステータなど強磁性体が使用されており、磁力計周囲の磁界を歪ませていた。
【００１７】
この静的な磁界は磁気補償などによりある程度低減できるが、ＤＣモータによって発生する磁界は絶えず変動するので磁気補償することが困難であり、補償不可能の動揺磁気雑音として残り、磁力計としての性能を低下させる。
【００１８】
そこで、絶えず磁力計の方位が変わる移動式磁力計の場合であっても、磁力計自身の出力及びピエゾ素子の摺動運動を利用した非磁性超音波モータを用いることにより、磁力計周囲の磁界を歪ませることなく、不感帯を避けた向きになるように姿勢制御し、目標の探知能力を向上させた。
【００１９】
この発明の実施例１の非磁性サーボ機構１５磁力計の動作について説明する。
非磁性超音波回転部１４を構成する非磁性超音波モータは従来の磁力を利用したモータとは異なり、ピエゾ素子(圧電セラミック弾性素子)に電圧を印加するとピエゾ素子自信が伸び縮みする電歪現象を利用したものであり、複数のピエゾ素子が非磁性化した金属のステータ片面に固定されていて、もう一方のステータ面がロータと重なりあって垂直方向から圧力が印加された状態となっている。
【００２０】
図６はこの様子を示すものであり、図６中、ＫＺは非磁性超音波モータの回転軸、ＲＴ、ＳＴは銅やりん青銅等の非磁性金属を用いて非磁性化した、其々、非磁性ロータＲＴ、非磁性ステータ、ＰＺ１、ＰＺ２、…、ＰＺnは、其々、第１、第２、…第ｎのピエゾ素子である。
上記第１、第２、…第ｎのピエゾ素子ＰＺ１、ＰＺ２、…、ＰＺnは非磁性ステータＳＴの片面に全周に渡って固定されていて、もう一方のステータ面が非磁性ロータＲＴと重なりあっており、この非磁性ロータＲＴが同様に銅やりん青銅を用いて非磁性化したケースとバネによって垂直方向に圧力が加わえられている。
【００２１】
このような構成において、個々のピエゾ素子に印加された高周波電圧によって順次ピエゾ素子が盛り上がったり下がったりしながら、例えば第１のピエゾ素子ＰＺ１に正弦波の＋電圧が、第２のピエゾ素子ＰＺ２に正弦波の−電圧が加わるように位相制御しながら、其々、第１、第２のピエゾ素子に高周波電圧を印加して、其々、第１、第２のピエゾ素子が、順次、伸び、縮みするようにして、非磁性ステータＳＴをこの順に順次連続的にたわませ、そのたわみに応じて垂直方向に加えられている圧力によって上側にある非磁性ロータＲＴが横滑りして回転するものである。
【００２２】
非磁性超音波回転部１４はこのように非磁性の状態で回転する非磁性超音波モータと強化プラスチック等で非磁性化し非磁性超音波モータの回転を利用して回転制御する回転機構をロール、ピッチ、ヨー方向の３軸方向に設けて其々、±１８０°の範囲内で自由に回転できるようになっている。
【００２３】
尚、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸の超音波モータの制御信号は符号が回転の向きを表し、大きさが回転角度に対応しており、この制御信号により、機体機軸に対して1軸方式光磁気共鳴磁力計１１をロール、ピッチ、ヨー方向に回転させてどの方位にも変えられるようになっている。
【００２４】
図７はこの様子を示したものであり、図７（ａ）図は非磁性超音波回転部１４の構成を示したものであり、ＲＫはロール軸用回転機構、ＲＭはロール軸用非磁性超音波モータ、ＹＫはヨー軸用回転機構、ＹＭはヨー軸用非磁性超音波モータ、ＰＫはピッチ軸用回転機構、ＰＭはピッチ軸軸用非磁性超音波モータである。
また、図７（ｂ）図は一例としてこの中のロール軸回転部を示したものであり、ＲＫはロール軸用回転機構、ＲＭはロール軸用非磁性超音波モータ、ＭＧは非磁性超音波モータに取付けられた超音波モータ用歯車、ＳＴは固定用支柱、ＳＰはスリップリング、ＫＧは回転機構用歯車、ＫＫは上記固定用支柱ＳＴ、スリップリングＳＰ、回転機構用歯車ＫＧから構成される回転アッセイである。なお、これら固定用支柱ＳＴ、スリップリングＳＰ、モータ用歯車ＭＧ、回転機構用歯車ＫＧ、回転アッセイＫＫはいづれも銅、りん青銅、強化プラスチック等で非磁性化されている。
【００２５】
このような構成において光磁気共鳴磁力計１１の一端が上記固定用支柱ＳＴによってロール軸の回転アッセイＫＫに固定されて支えられる一方、上記回転アッセイＫＫが回転フリーの状態で上記ロール軸用回転機構回転ＲＫの枠で包み込まれ、ロール軸用非磁性超音波モータＲＭがこの枠に固定されていて、ロール軸用非磁性超音波モータＲＭの回転が超音波モータ用歯車ＭＧ、回転機構用歯車ＫＧを介して伝えられて回転制御されるようになっている。なお、光磁気共鳴磁力計１１の電源や信号線はスリップリングＳＰを介してロール軸用回転機構ＲＫに接続されるようになっている。
【００２６】
さらに、このロール軸用回転機構ＲＫの一端が、同様にヨー軸用回転機構ＹＫの固定用支柱ＳＴによって固定されて支えられ、ヨー軸用非磁性超音波モータＹＭ、超音波モータ用歯車ＭＧ、スリップリングＳＰ、回転機構用歯車ＫＧ、回転アッセイＫＫによって電源や信号線の接続を保ちながらロール軸用回転機構ＲＫがヨー方向に回転制御され、ヨー軸用回転機構ＹＫが、同様に、ピッチ軸用回転機構ＰＫの固定用支柱ＳＴによって固定されて支えられ、ヨー軸用非磁性超音波モータＹＭ、超音波モータ用歯車ＭＧ、スリップリングＳＰ、回転機構用歯車ＫＧ、回転アッセイＫＫによって電源や信号線の接続を保ちながらロール軸用回転機構ＲＫがヨー方向に回転制御される。
【００２７】
一方、方位検出部１２は機体から入力したＧＰＳ情報やロール情報等機体の方位情報を基にセンサ光軸を地球の基準方位に対して、例えば、磁北に対して所定の方位に向けるための機体機軸におけるセンサ光軸の方位情報を算出するとともに、この方位情報と磁力計出力ＳＳを時々刻々記憶する役目をし、サーボモータ制御部１３は方位検出部１２の方位情報を基に非磁性超音波回転部１４のロール軸、ピッチ軸、ヨー軸の３つの超音波モータを制御する制御信号を生成し、非磁性超音波回転部１４はサーボモータ制御部１３の制御信号を入力して1軸方式光磁気共鳴磁力計１１を所定の方位に姿勢制御する役目をする。
【００２８】
非磁性サーボ機構１５は、方位検出部１２、サーボモータ制御部１３、非磁性超音波回転部１４によって、先ず、機体から入力した機体の方位情報を基に、磁北に対してセンサ光軸を所定の方位に向けるための制御信号を生成して１軸方式光磁気共鳴磁力計１１を所定の方位に向けるとともに、このときの磁力計出力ＳＳとセンサ光軸の方位情報を時々刻々記憶しながら１軸方式光磁気共鳴磁力計１１を全ての方位に変え、この時の磁力計出力ＳＳと記憶している磁力計出力ＳＳを比較することによってこの値が最大となる方位、即ち、センサ光軸と地磁気のなす角度が４５°となって磁力計出力ＳＳが最大となる方位を見つけ、この後、その向きを中心にロール、ピッチ、ヨー方向に微小角度振りながら磁力計出力ＳＳを基に非磁性超音波回転部１４のロール軸用、ピッチ軸用、ヨー軸用の３つの超音波モータにフィードバック制御して、磁力計出力ＳＳが常に最大となるように姿勢制御する。
【００２９】
このような非磁性サーボ機構１５により周囲の磁界を歪ませることなく、１軸方式光磁気共鳴磁力計を常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、従来のように磁力計の方位検出用フラックスゲート方式磁気方位センサや姿勢制御用ＤＣモータを用いていたために生じていた磁界歪が減少し、さらに、変動性の磁界を発生しないので、磁気補償量が少なくて済み、さらに、従来は磁気補償することが困難で補償不可能の磁気雑音として残っていた動揺磁気雑音をほとんどなくすことができる。
【００３０】
以上によれば、絶えず磁力計の姿勢が変化する移動式磁力計の場合でも、磁力計周囲の磁界歪や、変動磁界を発生することなく、常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、磁気補償量や動揺磁気雑音を減少させ、探知能力を向上させることができる。
【００３１】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施例２を示す構成図であり、１〜１５は実施例１と同一のもの、１６は磁力計の電源がオンにされてから上記非磁性サーボ機構１５によりセンサ光軸と地磁気のなす角度が最良の４５°になって磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプ１、吸収セル４が十分に安定した時間に、例えば５分後に、良否判別モニタ用計測指令信号を発するタイマ、１７は上記タイマ１６の良否判別モニタ用計測指令信号により最良動作角度における磁力計出力ＳＳを基に上記１軸方式光磁気共鳴磁力計１１の構成部品であるセシウムランプ１や吸収セル４の良否判別をするマイクロプロセッサ、１８はマイクロプロセッサ１７が判断した最良動作角度における磁力計出力ＳＳの数分間の平均値を記憶しておくための不揮発性メモリ、ＴＴはマイクロプロセッサから出力される良否判別信号である。
【００３２】
１軸方式光磁気共鳴磁力計１１によってゼーマンサブレベルの編分布を利用して周囲磁界を計測し、構成される非磁性サーボ機構１５によって上記１軸方式光磁気共鳴磁力計１１が常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御しているところまでは実施例１と同じである。
【００３３】
ここでタイマ１６は、磁力計を動作させる都度、上記非磁性サーボ機構１５によりセンサ光軸と地磁気のなす角度が最良動作角度の４５°になって磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプ１、吸収セル４が十分安定した例えば電源オン５分後にタイマ１６が良否判別モニタ用計測指令信号を生成し、この良否判別モニタ計測指令信号によってマイクロプロセッサ１７が最良動作角度における磁力計出力ＳＳの数分間の平均値を計測してこの値を取込むとともに閾値と比較することによってランプ１や吸収セル４が劣化していないか判断して、この値を劣化状態を示す指標値として磁力計を動作させた最初の1回のみ、この指標値を上記不揮発性メモリ１８に出力し、レファレンス用の指標値として記憶しておく。
【００３４】
そして次回に磁力計を動作させたときに非磁性サーボ機構１５、タイマ１６、マイクロプロセッサ１７によって、同様にして電源オン５分後の最良動作角度における磁力計出力ＳＳの数分間の平均値を計測してセシウムランプ１や吸収セル４の劣化状態を示す指標値として算出し、この値と最初の磁力計動作時に不揮発性メモリ１８に記憶させたレファレンス用の指標値との比がある値以下に下がっていないかどうか判定することによってランプ１や吸収セル４が劣化していないかどうかを判断する。
【００３５】
図８はこの様子を示す図であり、図８（ａ）は動作累積時間に対するセシウムランプ１の光強度、（ｂ）は動作累積時間に対する吸収セル４の光強度、図８（ｃ）は動作累積時間に対する上記セシウムランプ１と上記吸収セル４の光強度の相関値として表される磁力計出力ＳＳの最大値との関係を示している。なお、図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）とも横軸の動作累積時間を合せて示しており、図８（ａ）はセシウムランプの光強度が動作累積時間とともにゆるやかに低下し例えばＡ点において急激に低下する特性を、また、図８（ｂ）は吸収セルの光強度が動作累積時間とともにゆるやかに低下し例えばＡ点において急激に低下する特性を、また、図８（ｃ）はこれらセシウムランプ、吸収セルの特性に伴って、セシウムランプと吸収セルの光強度の積も動作累積時間とともにゆるやかに低下しＡ点において急激に低下する特性を示している。
【００３６】
このようにセシウムランプ１や吸収セル４は一般的に動作累積時間、即ち、寿命とともに光強度もゆるやかに低下していって両者の積の相関値である磁力計出力ＳＳの最大値は図（ｃ）のようにある動作累積時間においてＡ点のように急激に低下する特性を有しているので、磁力計を動作させる度に、例えば、磁力計の電源をオンにした５分後にタイマ１６の良否判別モニタ用計測指令信号によって、センサ光軸と地磁気のなす角度が最良動作角度の４５°になって磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプ１、吸収セル４が十分安定した時の磁力計出力ＳＳを指標値としてマイクロプロセッサ１７が取込んで、この指標値と磁力計初回動作時に記憶させたレファレンス用の指標値との比がある値以下に下がっていないかどうかマイクロプロセッサ１７が判定することによってセシウムランプ１や吸収セル４が劣化していないかどうかを判断し、良否判別信号ＴＴとして出力する。
【００３７】
こうして磁力計は、非磁性サーボ機構１５により磁力計周囲の磁界を歪ませることなく、１軸方式光磁気共鳴磁力計を常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、従来のように磁力計の方位検出用フラックスゲート方式磁気方位センサや姿勢制御用ＤＣモータを用いていたために生じていた磁界歪が減少し、さらに、変動性の磁界を発生しないので、磁気補償量が少なくて済み、さらに、従来は磁気補償することが困難で補償不可能の磁気雑音として残っていた動揺磁気雑音をほとんどなくすことができる上に、磁力計の電源をオンにしてからセンサ光軸と地磁気のなす角度が最良動作角度の４５°になって磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプや吸収セルが十分安定した時の磁力計出力ＳＳをマイクロプロセッサが指標値として取込んで、この指標値と磁力計初回動作時に記憶させたレファレンス用の指標値との比がある値以下に下がっていないかどうか判定することによってセシウムランプや吸収セルが劣化していないかどうか自動的に判断して報知するので、交換時期を見極めるのに、実機に組込まれたセシウムランプや吸収セルを外して専用装置にかけて定期的に診断しなければならないという不便をなくすことができる。
【００３８】
以上によれば、絶えず磁力計の姿勢が変化する移動式磁力計の場合でも、磁力計周囲の磁界歪や、変動磁界を発生することなく、常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、磁気補償量や動揺磁気雑音を減少させ、探知能力を向上させることができる上に、動作する毎に磁力計出力が減少していないか確認することによりセシウムランプや吸収セルが劣化していないか自動判別するので、定期的に診断しなければならないという不便をなくすことができる。
【００３９】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施例３を示す構成図であり、１〜１８は実施例２と同一のもの、１９はタイマ１６の良否判別モニタ用計測指令信号により、ある一定の期間だけ非磁性サーボ機構１５を制御して１軸方式光磁気共鳴磁力計１１を、順次、ロール、ピッチ、ヨー方向に±数度姿勢を強制的に変える動揺磁気雑音測定用姿勢制御部、２０は磁力計出力ＳＳをＦ／Ｖ変換して、さらに、バンドパスフィルタでフィルタ処理をし、磁界変化分のみを検出して動揺磁気雑音を計測する動揺磁気雑音評価部である。
【００４０】
このような構成において、１軸方式光磁気共鳴磁力計１１によってゼーマンサブレベルの編分布を利用して周囲磁界を計測し、非磁性サーボ機構１５によって上記１軸方式光磁気共鳴磁力計１１が常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御しているところまでは実施例１と同じである。
【００４１】
図９は動揺磁気雑音の様子を示す図である。
図９は、例えば、ロール方向に±５°数秒の周期で磁力計を回転させた時に生ずる動揺磁気雑音を示したものであり、ピッチ方向、ヨー方向に±５°数秒の周期で磁力計を回転させた時にも同様の動揺磁気雑音が生じ、図９（ａ）の場合は磁力計１１の構成部品が正常な場合であり、図９（ｂ）の場合は異常がある場合を示している。
【００４２】
一般に磁力計の姿勢が、例えば、ロール、ピッチ、ヨー方向に変化したときに誤差計測分として生ずる動揺磁気雑音は、１軸方式光磁気共鳴磁力計１１の構成部品が正常の場合には、図９の（ａ）のようには僅かであるが、磁化していたり、光透過率が低下して性能が劣化している場合には図９（ｂ）のように大きくなる。
【００４３】
タイマ１６は、磁力計を動作させる都度、上記非磁性サーボ機構１５によりセンサ光軸と地磁気のなす角度が最良動作角度の４５°になって磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプ１、吸収セル４が十分安定した例えば電源オン５分後に良否判別モニタ用計測指令信号を生成し、この良否判別モニタ用計測指令信号によって動揺磁気雑音測定用姿勢制御部１９が非磁性サーボ機構１５を制御して、順次、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸方向に１軸方式光磁気共鳴磁力計１１を±数度姿勢を強制的に変え、その時に生ずる動揺磁気雑音を動揺磁気雑音評価部２０が計測する。
【００４４】
この動揺磁気雑音の総和値をマイクロプロセッサ１７が動揺磁気雑音評価指数として取込み、この値を閾値と比較することによって１軸方式光磁気共鳴磁力計１１を構成する部品が磁化したことを含めて劣化していないか判断するとともにこの値を劣化状態を示す評価指数値として磁力計を動作させた最初の1回のみ、この評価指数値を上記不揮発性メモリ１８に出力し、レファレンス用の評価指数値として記憶しておく。
【００４５】
そして次回に磁力計を動作させたときに非磁性サーボ機構１５、タイマ１６、マイクロプロセッサ１７、動揺磁気雑音測定用姿勢制御部１９、動揺磁気雑音評価部２０によって、同様にして電源オン５分後の磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプ１、吸収セル４が十分安定した時の動揺磁気雑音の総和値を動揺磁気雑音評価指数として算出し、この値と最初の磁力計動作時に記憶不揮発性メモリ１８に記憶させたレファレンス用の評価指数値との比がある値以上に上がっていないかどうか判定することによって１軸方式光磁気共鳴磁力計１１を構成する部品が磁化したことを含めて劣化していないか判断する。
【００４６】
こうして磁力計は、非磁性サーボ機構１５により磁力計周囲の磁界を歪ませることなく、１軸方式光磁気共鳴磁力計を常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、方位検出用フラックスゲート方式磁気方位センサや姿勢制御用ＤＣモータを用いていたために生じていた磁界歪が減少し、さらに、変動性の磁界を発生しないので、磁気補償量が少なくて済むことになる。
【００４７】
さらに、従来は磁気補償することが困難で補償不可能の磁気雑音として残っていた動揺磁気雑音をほとんどなくすことができる上に、磁力計の電源をオンにしてからセンサ光軸と地磁気のなす角度が最良動作角度の４５°になって磁力計出力ＳＳが最大となり、かつ、セシウムランプ、吸収セルが十分安定した時の動揺磁気雑音の総和値をマイクロプロセッサが動揺磁気雑音評価指数として取込み、この評価指数値と磁力計初回動作時に記憶させたレファレンス用の評価指数値との比がある値以上に上がっていないかどうか判定することによって１軸方式光磁気共鳴磁力計の構成部品が劣化していないかどうか自動的に判断して報知するので、構成部品を外して専用装置にかけて定期的に診断しなければならないという不便をなくする上に、さらに広い範囲に渡っての故障診断ができるという長所がある。
【００４８】
以上によれば、絶えず磁力計の姿勢が変化する移動式磁力計の場合でも、磁力計周囲の磁界歪や、変動磁界を発生することなく、常に不感帯を避けた向きになるように姿勢制御することができるので、磁気補償量や動揺磁気雑音を減少させ、探知能力を向上させることができる上に、動作する毎に磁力計を強制的に動揺させその時に動揺磁気雑音が増加していないか比較確認することにより磁力計の構成部品が劣化していないか自動判別するので、定期的に診断しなければならないという不便がなくなる上に、さらに広い範囲に渡っての故障診断ができるという長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明の実施の形態１の例を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態２の例を示すブロック図である
【図３】この発明の実施の形態３の例を示すブロック図である。
【図４】目標の存在の有無と周囲磁界関係を示す図である。
【図５】センサ光軸−地磁気間の方位角度対する磁力計出力の関係を示す図である。
【図６】非磁性超音波モータの構成と原理を示す図である。
【図７】非磁性超音波回転部の構成の一例を示す図である。
【図８】経過時間に対するセシウムランプや吸収セルの光強度及びこれらの相関値との関係を示す図である。
【図９】磁気センサ構成部品不良の有無と動揺磁気雑音との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ セシウムランプ、 ２ 第１のレンズ、 ３ 第２のレンズ、 ４ 吸収セル、 ５ ＲＦコイル、 ６ 円偏向板、 ７ 光検知器、 ８ 位相器、 ９ ＲＦ増幅器、 １０ 高周波電源、 １１ １軸方式光磁気共鳴磁力計、 １２ 方位特性検出部、 １３ サーボモータ制御部、 １４ 非磁性超音波回転部、 １５ 非磁性サーボ機構１５。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子遷移を起こすゼーマンサブレベルを有するセシウムを内蔵した吸収セルと、上記吸収セルに光を照射するセシウムランプと、上記吸収セルを透過したセシウムの光を電気信号に変換する光検知器と、上記セシウムランプと吸収セルを点灯させるための高周波電源と、上記光検知器からの電気信号を増幅するＲＦ増幅器と、上記吸収セルに磁気共鳴を生じせしめるために上記増幅器で増幅した電気信号を磁界に変換して印加するための上記吸収セルの近傍に設けたコイルとから構成される１軸方式光磁気共鳴磁力計と、
上記１軸方式光磁気共鳴磁力計の出力を基に地磁気に対するセンサ光軸の向きを検出する方位検出部と、
上記方位検出部の出力を基に上記１軸方式光磁気共鳴磁力計の出力が常に最大となるように方位制御するサーボモータ制御部と、
上記サーボモータ制御部の出力を基に上記１軸方式光磁気共鳴磁力計のセンサ光軸と地磁気が常に４５°の向きになるように超音波モータを駆動して当該センサ光軸の方位を制御する非磁性サーボ機構と、
を設けたことを特徴とする非磁性サーボ機構磁力計。
【請求項２】
上記１軸方式光磁気共鳴磁力計出力の初回動作時に計測した最大値を記憶する不揮発メモリと、
上記ＲＦ増幅器からの電気信号により、動作開始一定時刻後の上記１軸方式光磁気共鳴磁力計出力で計測された最大値と、上記不揮発メモリに記憶された基準最大値とを比較して、上記セシウムランプ、及び上記吸収セルの良否判別を判断するマイクロプロセッサとを設けたことを特徴とする請求項１記載の非磁性サーボ機構磁力計。
【請求項３】
上記光検知器の向きをある一定期間変える動揺雑音測定用姿勢変更部と、
上記動揺雑音測定用姿勢変更部で制御された非磁性サーボ機構の駆動を受けてセンサ動揺時の動揺磁気雑音を演算及び上記不揮発メモリに記憶することによって１軸方式光磁気共鳴磁力計の構成部品の良否判別をするマイクロプロセッサとを設けたことを特徴とする請求項２記載の非磁性サーボ機構磁力計。
【請求項１】
量子遷移を起こすゼーマンサブレベルを有するセシウムを内蔵した吸収セルと、上記吸収セルに光を照射するセシウムランプと、上記吸収セルを透過したセシウムの光を電気信号に変換する光検知器と、上記セシウムランプと吸収セルを点灯させるための高周波電源と、上記光検知器からの電気信号を増幅するＲＦ増幅器と、上記吸収セルに磁気共鳴を生じせしめるために上記増幅器で増幅した電気信号を磁界に変換して印加するための上記吸収セルの近傍に設けたコイルとから構成される１軸方式光磁気共鳴磁力計と、
上記１軸方式光磁気共鳴磁力計の出力を基に地磁気に対するセンサ光軸の向きを検出する方位検出部と、
上記方位検出部の出力を基に上記１軸方式光磁気共鳴磁力計の出力が常に最大となるように方位制御するサーボモータ制御部と、
上記サーボモータ制御部の出力を基に上記１軸方式光磁気共鳴磁力計のセンサ光軸と地磁気が常に４５°の向きになるように超音波モータを駆動して当該センサ光軸の方位を制御する非磁性サーボ機構と、
を設けたことを特徴とする非磁性サーボ機構磁力計。
【請求項２】
上記１軸方式光磁気共鳴磁力計出力の初回動作時に計測した最大値を記憶する不揮発メモリと、
上記ＲＦ増幅器からの電気信号により、動作開始一定時刻後の上記１軸方式光磁気共鳴磁力計出力で計測された最大値と、上記不揮発メモリに記憶された基準最大値とを比較して、上記セシウムランプ、及び上記吸収セルの良否判別を判断するマイクロプロセッサとを設けたことを特徴とする請求項１記載の非磁性サーボ機構磁力計。
【請求項３】
上記光検知器の向きをある一定期間変える動揺雑音測定用姿勢変更部と、
上記動揺雑音測定用姿勢変更部で制御された非磁性サーボ機構の駆動を受けてセンサ動揺時の動揺磁気雑音を演算及び上記不揮発メモリに記憶することによって１軸方式光磁気共鳴磁力計の構成部品の良否判別をするマイクロプロセッサとを設けたことを特徴とする請求項２記載の非磁性サーボ機構磁力計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１１６３２２（Ｐ２００８−１１６３２２Ａ）
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２９９７８４（Ｐ２００６−２９９７８４）
【出願日】平成１８年１１月６日（２００６．１１．６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月６日（２００６．１１．６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
[ Back to top ]