︒ ' ト

ホ ︑ ノ

{口

小が

J ︑

東 山

μ刈

一 一 一

図 4. 1 2  磁 気 緯 度 に よ る 自 差 の 変 化

R e s i d u a l   D e v i a t i o n ( O ) ポアッソン補正〈電子コンパス〉在来型磁気コンパス

3 0   ^r  一 :東京 一一一:東京

^A

一一:ジ〉力柏木。一J~ …・一一:ジ〉力、、ホ。 -J~

. / 、 、

/"  ¥  一一:フリーマントル 一一一:フリーマ〉トJ~

2 0  

^{/  ¥} 

¥ 

¥  _/ ^/ 

nH

U 

4lEA 

I  / 

/， 

，・ゾF

2 2 5  

^，，

2 守 0

^・ノ

3 1 5 " . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 " 6 0 

/ 門

a g n e t i  c  C o .  

^(0 ) 

/ 

︑•

• •

︑•

• •

•

︑︐ 

•

•

•

• •

︐ •

• •

•

'  1 ^、. . . _一、

t 

' ω m '  

。

^{l ・}

^{4 5}

‑ 1 0  

. 、

・

・ """・・・・・ ・

9 0   時三. ^{1 8 0}  

、. . 

1  ー..、...‑̲^{. J}・・ー

九 / 

1  ノ

‑ 2 0  

¹ _{¥  /} ^/ 

'¥..  ./ 

ー ー /

‑ 3 0  

(ポアッソン係数測定，白差修正場所:東京〉

関 4. 1 3  ボ ア ツ ソ ン 補 正 と 白 差 修 正 の 磁 気 緯 度 の 変 化 に よ る 比 較

第 5立 試 作 し た 電 子 コ ン パ ス の 機 器 構 成

5.  1 ib:チコンパスの構成概要

電 子 コ ン パ ス は ， 船 体 の 3軸 〈 船 首 方 向

X

，右舷プj向Y， 船 底 方 向 Z) に固定し た 磁 気 セ ン サ と ， 船体 の 傾 斜 を 測 定 す る 2軸 〈 ローリング，ピ、ソチング〉の傾斜 計 ， そ れ ら の 出 力 信 号 を 処 理 し 表 示 す る パ ー ソ ナ ル コ ン ビ ュ ー タ で 構 成 さ れ る .

そ し て ， 磁 気 セ ン サ は コ ン パ ス デ ッ キ に ， 傾 斜 計 は 船 体 の 垂 心 付 近 に 設 置 す る . (図

5 . 1

参照〉

5 .  2  3

軸 磁 気 セ ン サ

5.  2 ‑ 1 磁 気 セ ン サ

船 体

3

軸方向の磁界センサには，

M  R

泰 子 〈 臼 上 過

: P S O ‑ 2 0 0 5 5 A Y ‑ 0 0 1 )

を用い た . こ の 素 子 の 特 性 を を 表5.1示す. M R素 子 は 磁 気 抵 抗 素 子 の ー 縄 で ， 現 在 多 用 さ れ て い る I

n 

S bホ ー ル 素 子 を 用 い た 磁 気 セ ン サ に 比 べ ， 温 度 特 性 が 1桁 以 上 優 れ て い る(71• (表

5 . 2

参照〉

また， 50/L T以下の低磁東密度での磁界感度は，

2 0

倍 以 上 も 高 い と い う 特 徴 が あ る . 逆 にM R素 子 は 強 磁 界 で は 直 線 性 が 失 わ れ る と い う 欠 点 は あ る が ， 船 内 磁 界 の 範 囲 内 で は 卜 分 に 直 接 性 を 有 し て い る .

そ の た め ， 他 の 磁 気 セ ン サ の よ う に 1方 向 に2個の素子を用いて， 2倍 の 出 力 電 圧 を 得 る よ う に し た り ， 温 度 の 影 響 を 打 ち 消 し 合 う よ う に し て 温 度 差 に 対 す る 出 力 変 化 を 相 殺 す る 必 要 が な い .

磁気センサは， 1辺3mmの 立 方 体 の ア ル ミ ブ ロ ッ ク の 3商 にM R素子を接着し，

さ ら に30mm角 の ア ク リ ル ボ ッ ク ス に 収 納 し た 〈 凶5，2). こ の 磁 気 セ ン サ は ， 船 体 に肺!定 さ れ て い る の で ， 船 首 方 位 を 求 め る に は 船 体 の 傾 斜 の 情 報 が 必 要 で あ る .

‑37・

3 

ITIII磁 界 セ ン サ

‑ 表示 装 置

図 5. 1  電 子 コ ン パ ス の 機 詩 構 成 雌 念 図

‑38・

5. 2.  2  駆 動 お よ び 増 幅 回 路

噌 幅 回 路 を 下 記 の よ う な 計 算 に 基 づ き 設 計 し た . 磁気方位を求めるためには，

Y = S I 

n  e ， 

X = cos 8  Y /X = tan 8 

Y 

=  x .  

tan 

e 

これを Ll

Y /

Ll

8

で 偏 微 分 す る と

LlY/Ll 8 =X/cos28=l/cose 

。

^{=0のとき Ll y= L1} 

^e 

^であり

(5.1)  (5.2)  (5.3) 

(5.4) 

L1 8 =1。のときL1y=π 1180> 1/57> 1164となる.よ って

ADC

は (6+1)ビットで よい.

磁 気 赤 道 か ら 南 北 磁 気 緯 度60度 ま で の 移 動 を 考 え る . 水 平 成 分 は 余 裕 を 見 て10 μ Tから60JL T， 鉛 直 成 分 はOμTから60μTの変化をする.

よって，方{なを計算するのに最悪の状態は， 11=10μTのときである.

MR~ 子の積感度 2.5X 10‑2 mV /mA/ /1 T / Qで あ る か ら ， 定 電 流 駆 動5mA.地磁気 の 水 平 成 分 の 大 き さ10μT， 入 力 抵 抗800Qとすれば， 10μTでO.lmVの 出 力 が 得 ら れる. 12ビットのフルレンジ:t5. OVの

ADC

では， 7ビットを1:5.0X 128/4096 

= 1: O. 156Vフ ル レ ン ジ で 用 い れ ば よ い . 10μTで は 最 低 増 幅 度 約64dB， こ の 増 幅 度 で， 60μTで は 増 幅 後 の 出 力 電 圧 が O.936Vとなるが

ADC

の 十 分 許 容 範 囲 に あ る .

門

R

素 子 の 場 合 ヒ ス テ リ シ ス が2500μTで0.5mVある.しかし， 30μTでは0.006mV と な り ， 方 位 計 算 の 誤 差 に は な ら な い .

上 記 か ら 製 作 し たM R素 子 の 駆 動 と 増 幅 回 路 を 図5.3に示す. M R素 子 は 定 電 涜 ダ イ オ ー ド で 5mA定 電 涜 駆 動 さ れ る . そ し て ， ゼ ロ 磁 界 で の 出 力 を ゼ ロ に す る オフセット調整回路を経て， 0 Pア ン プ で 増 幅 さ れ る . 京 子 出 力 か ら の ノ イ ズ を

ー39‑

表 5. 1  M R素 子 の 特 性

入 力 抵 抗 I  8 0 0 Q 

磁 界 感 度

I 

0.25(mV/mA)

パ

^μT)

直 線 性

I 

1.0 %以 下

ヒ ス テ リ シ ス

I 

0.5%以 ド

不 平 衡 電 圧

I 

1 mV以 下 (5mA駆動〉

不 平 衡 電 圧 温 度 変 化

I

^0.5mV以 下 (5mA駆動〉

‑30‑‑80⁰C 

‑40‑

表

5. 2  M R

素 子 と 半 導 体 磁 気 セ ン サ の 温 度 特 性 比 較

嘉 子

￨ 

磁 界 感 度 の 温 度 係 数

子 一 子 素 一 素

子一

b一S

24・.

︑‑

・

︐ 戸

・ 5︐

‑ f

‑E 

R 一 n 一 a

M

一

I

一

G

‑0.09% / 

o c  

‑1.0  %/OC 

‑0.06 

%  /  " C  

i

主 〉 す べ て 定 電 流 駆 動 の 場 合

‑41・

'・ーー‑‑‑...‑................‑・・・・・・・・・‑‑

. .

  ^可‑‑

p︐ ︐ 

• ・ ︐

•

•

•

•

・

， 

. 

， ， 

‑・・・・・・・・・・・・・・・・・ーーーー・・・・，・・・‑‑‑ーーーーーーー・ー ーー・・・・・・・・・・・・・・・・・・・-_...__._..._.__.-~

M R素 子

山 一 ー

γlJ

U 

， ， 

4・

. 

. 

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ーーーー・・・・・・・・・・

^. 

ーーーーーーーー・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・

ヘ~ アクリルボックス

図 5. 2  3軸 磁 気 セ ン サ の 精 道

‑42・

>‑

q  u

、

〆

。

o

e〓_ー・_・.・_̲・・・・・・・・・・・・・・ r甲、

守 N

ι3  (/) 

u.. 

E452 

F f ‑ 1 5 υ  

図 5. 3  磁 気 tンザ ( MR素 子 〉 駆 動 ・ 増 幅 回 路 図

‑43‑

鈎lえるために， 1 段目の OP アンプでは作動用rt1~をお乙ない，カットオフ周波数 fo=30Hz の ロ ー バ ス フ ィ ル タ で ノ イ ズ を 低 減 さ せ て い る.ま た . こ こ の 妻 子 ご と に山力也!正か多少異なるので可変増幅とし曹各輔の

H J) J

屯

F f

が 一 定 磁 界 で 同 じ と な る よ う に 調 整 し た . 出 力 レ ベ ル は ， 磁 東 語 度 30μn乙対して 0.3Vとした.

この出よjを 12ピット:t5V入 力 のA / Oコ ン バ ー タ を 介 し て デ ジ タ ル 変 換 し ， ワ ンチ、ソプC P Uで シ リ ア ル デ ー タ (RS232C) に 変 換 し パ ー ソ ナ ル コ ン ビ ュ ー タ に 転送する.

5. 3  2軸 傾 斜 計

5. 3. 1  傾 斜 セ ン サ

船体傾斜計には， MR 素子を用いた差，)J豆l 加速度 ~I・〈富士通: FSO‑210R8Al‑OO 

1 )  を財いた.こ の 加 速 度 計 は，2個の M H素 子 の 問 に ， 磁 石 を 細 い 金 属 柱 で 支 持 す る 振 チ構 造 〈 間 期 O.025sec，図 5.4) に な っ て い る の で ， 図 5.5に 示 す よ う に，

士30。 の 範 聞 で 十 分 な 精 度と応答性老有 す る 傾 斜 計 と し て も利用できる. この傾 斜 計 を 21闘 用 い て ， 船 体 の ロ ー リ ン グ と ピ ッ チ ン グ を 測 定 し た .

5. 3.  2  駆 動 お よ び 増 幅 回 路

図5.6に 傾 斜 計 の 駆 動 お よ び 増 幅 回 路 を 示 す・この加速 度 セ ン サ の 出 力 を そ の ま ま 増 帽 し た の で は ， 船 体 の 振 動 な ど で 過 敏 に な り す ぎ る た め ， カ ッ ト オ フ 周 波 数 fo=5Hzの ロ ー パ ス フ ィ ル タ で ダ ン ピ ン グ を か け ， 振 動 な ど の 加 速 度 に 反 応 し な い よ う に し ， な お か つ 傾 斜 計 と し て の 性 能 を 硲 保 し た ・ さ ら に ， こ の 出 力 を 8ピ

ット ，モ ノ ボ ー ラ A / O変 換 (GPY‑12) に必要な出ノjで，動揺角:t30。 で 十 分 な l

l'I線 性 を 得 ら れ る よ う に 増 幅 し た . こ の 結 果 . 1ビ ッ ト の 分解能は， 0.4⁰である・

5.  4 

1 5 ‑ F

コ ン パ ス の シ ス テ ム

この ~r

^{コンパスでは，磁気センサを} コンパスデッキに，傾斜計を船体の竜心

‑44^・

出 力

M R素 子 M R妻 子

はり

図

5 . 4 

傾 斜 計 の 構 造

‑45^・

{頃斜計 ( e  ^{c )}  

4 0

。

/  〆

. / 

:  

A 

ye  標準偏差

‑ 4 0 ・ ‑ 3 0

⁰

‑ 2 0 ・ ‑10:/

幸子三

1 0

て

. d r ^・

^‑2

〆 〆

/ 

0 . 8

⁰ 

30~

20~

︒

nH U 

4.︐A 

3 0

⁰ 

4 0

⁰ 

{齢ヰ〈 θ t )

2 0

⁰ 

︒

n

Hu  

dfEE 

‑ 2 0 。

‑ 3 0 。

:

←J、.

・

e

l  .'

‑ 4 0 ^。

4117. 

2鮪 船 体 傾 斜 計 の 精 度 5 

図 5.

‑46‑

付 近 に 設 置 す る . そ の た め ， 各 セ ン サ か ら の 出 力 信 号 を 処 理 し 表 示 す る パ ー ソ ナ ル コ ン ビ ュ ー タ ま で に 距 離 が あ る.よ っ て ， 各 々 の セ ン サ の 出 力 信 号 は ， セ ン サ に 影 響 の 無 い 距 離 に 置 か れ た ワ ン チ ッ プC P Uにより A D変換し，

R S 2 3 2 C

で光フ ァ イ バ ー ケ ー プ ル を 経 て パ ー ソ ナ ル コ ン ビ ュ ー タ

( E P S O N : P C ‑ 2 8 6 L E )

へ 取 り 込 む シ ス テ ム と し た.パーソナルコンビュータには， 3チ ャ ン ネ ル の

R S 2 3 2 C

切 り 替 え 器 をt特設した.

各 セ ン サ に は チ ャ ン ネ ル が 割 当 て ら れ ， そ れ ぞ れ ご と に ワ ン チ ッ プC P Uへ A D C開 始 信 号 が 送 ら れ る . ワ ン チ ッ プ C P Uで は ， 開 始 信 号 を 受 け 取 っ て ， セ ン サ の 出 力 信 号 を A D変換し，返答信号と修了信号を付加して， A 0 C したデータ を パ ー ソ ナ ル コ ン ビ ュ ー タ へ 送 り 返 す.

信 号 を す べ て 受 け 取 っ た パ ー ソ ナ ル コ ン ビ ュ ー タ は ， 磁 気 セ ン サ と 傾 斜 計 の デ ー タ を フ ロ ッ ピ ー デ ィ ス ク に 記 録 す る と 共 に . 各 セ ン サ の デ ー タ か ら 船 首 磁 気 方 位 を 計 算 し て ， 液 品 デ ィ ス プ レ ー に そ の デ ー タ と 計 算 し た 船 首 磁 気 方 位 を 表 示 す

る.

‑'17‑

E452 

図 5. 6  傾 斜 計 回 路 図

‑48‑

第 6立 実 験 の 結 果 と 考 察

6.  1  既 知 磁 石 に よ る ポ ア ッ ソ ン 係 数 の 確 認

第 2~立に述べたボアツソン係数の計算方法を確認するため，磁気能率のわかっ

て い る 永 久 磁 石 を 用 い て ， 永 久 磁 気 成 分 だ け の 自 差 を 生 じ さ せ ， こ れ を 電 子 コ ン パ ス で 測 定 し ， ボ ア ッ ソ ン 係 数 を 求 め た .

ま ず ， 清 水 式 磁 気 能 率 測 定 器 を 用 い て 永 久 磁 石 〈 長 さ 0.2m， 直 径 0.02m)の 磁 気 能 率 を 測 定 し た . 測 定 場 所 の 地 磁 気 水 平 成 分 の 大 き さHは， O. 30S[OeJ (也東密度 30.5uT) で あ っ た . そ の 結 果，こ の 磁 石 の 磁 気 能 率 は 門=1.39

・

10‑4Wb.mと測定さ れた.

無 磁 性 の 舟 形 回 転 台 上 で ， 電 子 コ ン パ ス か ら あ る 距 離 は な し た 位 置 に こ の 永 久 磁 石 を 固 定 し た . そ し て 自 差 測 定 し ， さ き に 述 べ た 計 算 方 法 で ボ ア ツ ソ ン 係 数 を 求めた.

電 子 コ ン パ ス と 磁 石 の 配 置 は 種 々 変 え た が，そ の 結 果 の一例と し て ， 図6.1に 示 す よ う に 電 子 コ ン パ ス と 同 一 の 高 さ で 0.530m離 し た船尾根I}で ， 船 首 方 向 に 磁 石 のN梧 を 向 け て 同 定 し た 方 法 の 結 果 を 示 す . 地 磁 気 の 条 件 は 先 と 同 じ で あ る.ボ ァ ッ ソ ン 係 数 は ， 表6.1に 示 す よ う に 求 ま っ た.こ の 場 合 ， 船 首 方 向 の 永 久 磁 気 成 分 Pは， 14.2uTと な り ， 右 舷 方 向 のQは OuTと な っ た . 下 方 成 分Qや ， 誘 導 磁 気 に 関 す る ボ ア ッ ソ ン 係 数 a‑kの 値 が わ ず か に # 在 す る が ， 測 定 誤 差 の 範 囲 内 で 無 視 し て よ い 悼 で あ る . な お ， こ の 表 に は 参 考 の た め に 在 来 の 自 差 係 数 の 値 も 示 す .

こ の 場 合 ， ポ ア ッ ソ ン 係 数Pか ら ， こ の 実 験 に 用 い た 永 久 磁 石 の 磁 気 能 率 を 逆 算 で き る . 永 久 磁 石 の 軸 方 向 で ， そ の 中 心 か ら の 距 離r離 れ た 点 で の 磁 界 の 強 さ

IIp は，

2門

I

Ip 

= 一一一一一 ・

^(6.1) 

4π

・

10‑2  1'3 

で 与 え ら れ る . よ っ て Hp=14.3uT， r=0.530mで計算すると.門は1.34・104Wb.mと

‑49・

な っ た . こ の 永 久 磁 石 の 磁 気 能 率 は . 前 述 し た よ う に 門=1.39・10‑41.'b. mで あ る か ら ， ほ ぽ 正 し く 求 ま る 乙 と が 確 認 で き た .

‑50‑

電子ユン¥J0 hの 測 定 値 か ら 求 め た 磁 気 能 率

護 費 ー ー ー ー ー ー ー ー ‑ ̲ . E E J ‑ ‑

_門=

_1.34

・

104Vb‑m

E 

0.530  m 

国:永久磁石〈磁気能5'~M= 1. 39.10-4 ^{I J b . m )}  

関 : 電 子 ]

J J¥ 0 

凶 6. 1  既 知 磁 石 に よ る ボ ア 、ソソン係数の 確 認

‑ 5 1 ‑

表 6. 1  磁 石 N極 船 首 方 向 の と き の ポ ア ッ ソ ン 係 数 及 び 自 差 係 数 ド7ッゾン係数

a  = 

‑0.002  b 

= 

0.011  c 

= 

0.000  Pニ 14.3  uT  d 

= 

0.007  e 

= 

0.002  f 

= 

0.000  Q 

= 

0.0  uT  g ニ ー0.007 h 

= 

0.022  k 

= 

0.004  R二 l. 

8 

uT 

自 差 係 数

A =ーO.1。 _B 

= 

27.0"  C 

= 

0.9。

D  = 

‑0.1。 _E 

= 

^0.5。

注 ) Hニ 30.5uTCO.305Oe)， 越 石 中 心 か ら の 距 離

r = 

0.530 

m 

‑52・

6.  2  実 船 実 験

試 作 し た 電 子 コ ン パ ス を 実 船 に 装 備 し て ， ポ ア ッ ソ ン 係 数 の 測 定 と ， ボ ア ッ ソ ン 補 正 の 磁 気 緯 度 と 傾 船 差 へ の 有 効 性 を 確 認 す る 実 験 を 行 っ た . 装 備 し た 船 は ， 東 京 水 産 大 学 研 究 練 習 船 海 鷹 丸 〈 総 ト ン 数 1828.66ト ン 〉 で あ る . 実 験 は ， 平 成

2年 11月 13白 か ら 平 成 3年 3月2 2日 ま で の 第 4 9i欠 遠 洋 航 海 〈 北 緯8度

40

度 〉 に お い て 行 っ た .

6.  2. 1 実 験 に 用 い た 電 子 コ ン パ ス シ ス テ ム

海 鹿 丸 に 装 備 し た 電 子 コ ン パ ス の 実 験 機 器 の 情 成 を 図6.2'こ示す.

磁 界 セ ン サ は コ ン パ ス デ ッ キ に ， 傾 斜 計 は 船 体 の 雫 心 近 く に 設 置 し た . 磁 気 セ ン サ の 装 備 位 置 を 図6.3に示す.

船 の 現 在 位 置 と 船 首 真 方 位 を 得 る 為 に ， G P S受 信 機 (JRC:JLR‑4000)か ら の 船 位 置 と 船 速 ベ ク ト ル 等 の 情 報 と ， ジ ャ イ ロ コ ン パ ス (BOKUSUIN:O‑l) 方 位 の AD

変 換 信 号 もRS232Cで パ ー ソ ナ ル コ ン ビ ュ ー タ へ 取 り 込 ん だ .

パ ー ソ ナ ル コ ン ビ ュ ー タ で は ， 各RS232C信 号 を 受 け ， 全 て の デ ー タ 値 を フ ロ ッ ピ ー デ ィ ス ク に 記 録 す る と 同 時 に ， 電 子 コ ン パ ス 瞬 時 抱 示 { 直 を 液 品 デ ィ ス プ レ イ に 表 示 し た .

6.  2.  2  ポ ア ッ ソ ン 係 数 のjill定 結 果

実 験 船 の ボ ア ッ ソ ン 係 数 を 表6.2に 示 す . ボ ア ッ ソ ン 係 数 のk( 上 下 方 向 に 軟 鉄 が 配 置 さ れ て い る こ と に よ る 船 底 方 向 に 作 ら れ る 誘 導 磁 界 成 分 の 係 数 〉 が 絶 対 値 的 に 最 も 大 き く ， 次 に ， 係 数

e

(左右舷方向 lこ 軟 鉄 が 配 置 さ れ て い る こ と に よ り 作 ら れ る 右 舷 方 向 の 誘 導 磁 界 の 係 数 〉 が 大 き い . こ の よ う に ， 磁 界 セ ン サ の 設 置 位 置 の 磁 界 ， つ ま り レ ー ゲ マ ス ト が 船 首 領11に あ る 特 徴 が よ く 現 れ て い る . 同 様 に ， 永 久 磁 気 成 分 の 大 き さp(船首方向〉と，

R 

( 船 底 方 向 〉 の 絶 対 値 が 大 き い こ と も 設 置 位 置 の 特 徴 を よ く 現 し て い る .

‑53・

ドキュメント内 磁気センサを用いた電子コンパスに関する研究 (ページ 42-69)