(57)【要約】【課題】    磁気方位情報を高精度に、かつリアルタイムに得る電子装置を提供するにある。【解決手段】    本発明では、光強度が一定で連続的に発光している光源７と、この光源７から出た光ビーム１０Ａを磁石１２上に設けた反射ブロック１３に導く手段を有し、前記光ビーム１０Ａが前記反射ブロック１３で反射されて前記磁石１２の指す向きに放射された後、半導体１上に形成された感光部２に入射し、これにより前記半導体基板内に光電流を発生させ、この光電流を前記半導体基板の設けられた複数の電極Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４から取り出して信号処理回路１４により演算することにより前記感光部２に照射された前記光ビーム１０Ｂの照射位置と前記磁石１２の方位角を求める手段があり、そして前記光ビームの照射位置を求める手段に用いる回路１４を直流駆動させることを特徴にしている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光強度が一定で連続的に発光している光源と、この光源の光ビームを磁石上に設けた反射板に導く手段を有し、前記光ビームが前記反射板で反射されて前記磁石の指す向きに放射された後、半導体上に形成された感光部に入射し、これにより前記半導体基板内に光電流を発生させ、この光電流を前記半導体基板上に設けられた複数の電極から取り出して信号処理回路により演算することにより前記感光部に照射された前記光ビームの照射位置と前記磁石の方位角を求める手段を有し、そして前記光ビームの照射位置を求める手段に用いる信号処理回路を直流駆動させることを特徴とする磁気方位検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の反射板をハーフミラーで形成し、このハープミラーに入射した光ビームの一部を前記磁石の指す方向に反射させ、残り光ビームは前記ハーフミラーを透過し、そして前記ハーフミラーを置いている磁石に設けた高を透過した光ビームをこのハーフミラーを置いている磁石に設けた孔から先にある感光部を有する光検知素子に照射せしめることにより光ビーム光強度分布の変動を検知させることを特徴とする磁気方位検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光源を前記信号処理回路に近接して設けた駆動回路により動作させ、この光源から出た光ビームを前記反射板に導く光学系が可動する部分がなく固定されていることを特徴とする磁気方位検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体上にある感光部面が前記磁石中心を中心にした円弧に沿って形成されていることを特徴とする磁気方位検出装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体上にある感光部と前記磁石の間に凹レンズを設けていることを特徴とする磁気方位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は磁気方位を検出する電子装置に関する。
【従来技術】
【０００２】  地下の磁気方位を検出することは地質調査、地下への地震計設置などにおいて重要である。現在、この磁気方位検出に対して、磁気センサ、磁石、磁石の指す方向に感光体を設けて記録する方法などが使用、または提案されている。これに対し、更なる磁気方位精度の向上が求められている。また、地下深層部の磁気方位を高精度だけでなく、リアルタイムに地上で測定できる装置が求められている。これら要求は地下だけでなく、地上においても、離れた場所の磁気方位を高精度で、そしてリアルタイムに検出できる装置が要求されている。
【問題が解決しょうとする課題】
【０００３】  本発明は、上記の要求を解決するためになされたものであり、その目的は離れた場所の磁気方位情報を高精度に、かつリアルタイムに得る電子装置を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  本発明は、光強度が一定で連続的に発光している光源と、この光源の光ビームを磁石上に設けた反射板に導く手段を有し、前記光ビームが前記反射板で反射されて前記磁石の指す向きに放射された後、半導体上に形成された感光部に入射し、これにより前記半導体基板内に光電流を発生させ、この光電流を前記半導体基板の設けられた複数の電極から取り出して演算することにより前記感光部に照射された前記光ビームの照射位置と前記磁石の方位角を求める手段を有し、そして前記光ビームの照射位置を求める手段に用いる回路を直流駆動させることを特徴にしている。
【発明実施の形態】
【０００５】  以下の図面を参照にして本発明の実施形態に係る磁気方位検出装置を説明する。
【０００６】  図１は本発明に係わる磁気方位検出装置の構成図とこれに用いられる位置検出素子の構造図を示している。ａ図は本発明の磁気方位検出装置の構成図である。ｂ図は用いる位置検出素子の構造図を示している。実施例は地下４の磁気方位を検出する電子装置に本発明を適用した例である。地上６に設けた光源から出た光ビーム１０Ａを光ファイバ８により地下に導く。この光ビーム１０Ａは例えば、半導体レーザ光、または発光ダイオードなどで作られる。この光ビーム１０Ａは磁気方位検出期間において発光強度の時間的変化がなく、そして連続的に発光されている。この光ビーム１０Ａはファイバ８の先にあるコリメータレンズ９により並行光になるように調整される。そして、この並行光はレンズ１１により位置検出素子５の半導体基板１上形成された感光部２上に焦点を結ぶように絞られる。光ビーム１０Ａは磁石１２の上に設けられた反射ブロック１３により磁石１２の向きに反射される。この反射光ビーム１０Ｂは位置検出素子５の感光部２に照射される。この感光部２上の光ビーム１０Ｂの照射位置は磁石１２の方位角に対応して移動する。感光部に光ビーム照射位置で光電流が発生する。この光電流は感光部の周辺に設けられた複数の電極Ｄ１，Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４から端子Ｔ１，Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４を介して取り出される。それぞれ取り出された光電流Ｉｘ１，Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２は感光部上の光ビーム１０Ｂの照射位置により違っている。これら光電流Ｉｘ１，Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２を位置検出素子５に接続された信号処理回路１４にて演算されて、前記感光部上での光ビーム照射位置が求められる。この信号処理回路は前記演算にスイッチング素子を使用していなく、直流で駆動されている。得られた位置信号は、例えば発光素子１５により位置信号電圧に対応した光強度を持つ光信号に変換されてコリメータレンズ１６、光ファイバ１７を介して地上にある信号処理回路に送られ方位角信号を得ることができる。
【０００７】  上記、本発明の提供する磁気方位検知装置の位置検知素子５における感光部２には時間的に強度が変化しない光ビーム１０Ｂが照射されている。このため前記取り出された光電流Ｉｘ１，Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２の総和は常に一定となっている。このため、この光電流の総和値を検出していることによって、地下の磁気方位検出部の電気的、機械的、温度的な変動によって生じる磁気方位誤差の発生を地上において知ることができる。また、この光ビーム１０Ｂの光強度が時間的に変化しないため、磁石の方位角が定められると、それぞれの光電流Ｉｘ１，Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２も時間的に変化しない。そして、位置検出素子５の信号処理回路１４をスイッチング素子がない直流回路で形成することによって、近接して置かれた磁石１２の方位角誤差の発生原因になる信号処理回路１４からの電磁波の発生が抑えられる。また、用いた位置検出素子５はＣＣＤ（電荷結合素子）のように独立な画素が配列されていなく光ビーム強度分布の重心を求めているため、照射光ビーム１０ＢをＣＣＤの場合のように、光ビーム形状を要求される分解能まで絞る必要がない。このことは、光ビームを絞るための複雑な光学系を必要としないため、磁気方位角誤差の原因になる機械的な変動を低く抑えることができる。以上のことによって、高精度に磁気方位情報を得る電子装置を提供できる。また、信号処理回路１４からの位置信号電圧を発光素子１５により光変換させて光ファイバ１７を介して地上にある信号処理回路１８に送ることによって、リアルタイムに高精度磁気方位情報を得ることができる。
【０００８】  図２は磁気方位角誤差を生じる図１に記載された反射ブロック１３に照射される光ビーム１０Ａの光軸変化を検知する本発明に係わる実施例である。ａ図は磁気方位検出部の模式図である。ｂ図はこれに用いられる光軸検出素子の検出原理を説明するためのものである。本発明においては、光ビーム１０Ａは磁石１２上に置かれたハーフミラー２０によって、そのまま直進する光ビーム１０Ｃと磁石１２の指す方向に反射される光ビーム１０Ｂに分けられる。前記ハーフミラー２０は透明ブロック１９上にあり、そして磁石１２には前記光ビーム１０Ｃを下方に通過させるための孔２１がある。この孔２１を通過した光ビーム１０Ｃは光軸検知素子２２に照射される。この光軸検出素子２２は、例えば４個の独立な感光部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを持ち、光ビーム１０Ｃの照射分布に従って光電流Ｉａ，Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄが取り出される。これら光電流値を検出することによって、光ビームの光強度分布変化、照射位置変動を生じる光軸変化を検出することができる。これより、磁気方位角誤差に繋がる光ビーム１０Ａの光軸、そして光強度分布変動を知ることができる。
【０００９】      図３は、図２で説明した方位角誤差の発生原因である光ビーム１０Ａの光軸、そして光強度分布変動を少なくした磁気方位検出部を提供する本発明の実施例を説明するためのものである。図１の実施例では光ビーム光源７は地上にあり、光ビーム１０Ａは光ファイバ８により磁気方位検出部まで送られている。これにたいして、図３に示す本発明の装置では、位置検出素子の信号処理回路２４Ａに隣接して、発光素子２５の駆動回路２４Ｂを設ける。そして、発光素子２５から出た光ビーム１０Ａを固定された光ファイバ２６、コリレーションレンズ２７、レンズ１１を介して磁石１２上に設けた反射ブロック１３に照射する。反射された光ビーム１０Ｂは磁石１２の指す方向にある位置検出素子５に照射され、信号処理回路２４により感光部上での光ビーム位置信号が得られる。得られた位置信号は発光素子２６で光変換され、この光ビーム２８が光ファイバ２７により地上にある信号変換回路に送られる。
【００１０】  図１の場合では、少なくとも地下にある磁気方位検出部のある場所までの長さを持つ光ファイバ８が必要である。この光ファイバ８は磁気方位検出部を地下に移動させるとき、曲げられる。これにより、光ビーム１０Ａの反射ブロックに入射する光軸、または光強度分布が変動する場合がある。また、光ファイバ８の曲がりは、その曲がり場所での応力変化により光ビーム１０Ａの微小な光伝搬状態の変化を生じさせる。これに対して、本実施例は光軸、光強度分布変動を少なくさせるものである。これでは、光ファイバ２６を磁気方位検出部を地下に移動させる際に、曲げることがなく、少なくとも発光素子２５、光ファイバ２６、コリレーションレンズ２７、レンズ１１を一体に組むことによって、前述した磁気方位角誤差を発生する光軸、そして光強度分布変動を少なくすることができる。
【００１１】  図４は、方位角の違いによって位置検出素子上の感光部に照射される光ビームの強度分布変化を少なくさせた磁気方位検出部を提供する本発明の実施例である。光ビームは磁石３１の回転中心に照射されて、磁石３１の指す方向に光ビーム１０Ｂとなり、放射される。この放射された光ビーム１０Ｂは感光部３２が前記磁石３１の中心点を中心に描いた円弧の形状を持つ位置検出素子３３に照射される。これによって、方位角が前記光ビーム１０Ｂと方位角が異なる光ビーム１０Ｄにおいても、その光強度分布を変えないで感光部３２に照射され、光ビーム強度分布変化により生じる磁気方位誤差を減少させることができる。この位置検出素子３３は円筒３０の中に組み込まれている場合では、通常の湾曲面のない素子に比べて磁石３１の中心から感光部面までの距離が長くとれる。これにより、同じ方位角でも、位置検出素子の感光部上での移動距離が長くなり、方位分解能が大きくなる利点がある。また、図１で必要であった長い光ファイバーが不要になり、発光素子２５の駆動回路２４Ｂの電源線２９を信号処理回路２４Ａのものと共通にさせることで電源線の増加もないのでこの磁気方位検出装置の低価格化になる。
【００１２】  図５は図４と同じく方位角の違いによって位置検出素子上の感光部に照射される光ビームの強度分布変化を少なくさせた磁気方位検出部を提供する本発明の実施例を説明するためのものである。光ビームは磁石３１の回転中心に照射されて、磁石３１の指す方向に放射される。湾曲面を持たない感光部を有する位置検出素子５の前面に凹レンズ３４を設けている。これによって方位角の異なる光ビーム１０Ｂ、１０Ｅの位置検出素子５の感光部表面での光ビーム強度分布を同じくでき、光ビーム強度分布変化により生じる磁気方位誤差を減少させることができる。
【００１３】  以上の本発明の実施例は地下の磁気方位を測定する電子装置を例に説明をおこなったが、地上の離れた場所の磁気方位を検出する装置にも本発明は適用できる。図１の位置検出素子５は、例えば寺沢和夫、ほか「半導体センサによる二次元座標計測方式」（テレビジョン学会技術報告、ＴＥＢＳ５５−２、ｐｐ．２７−３３（１９７９）に記載されているセンサ構造を用いて説明をおこなったが、ほかの構造の感光部を有し、位置検出期間において時間的に出力信号が変化しないで入射光ビームの位置が検出される素子であれば、本発明は適用される。また、図１の実施例では信号処理回路１４からの位置信号を発光素子１５で光変換したのち光ファイバ１７を介して地上に送っていたが、ほかの伝送手段を用いてもよい。例えば、前記位置信号をメモリに記憶させておき磁気方位検出期間でない期間に電気的に伝送してもよい。この期間では磁気方位検出期間でないので、前記信号処理回路を直流動作から電波を発生するパルス駆動であってもよい。説明した本発明の実施例では、反射ブロック１３、ハーフミラー２０は磁石の上に設置させていたが、入射光ビームが磁石１２の指す方向に反射するものであれば、磁石の下に設けてもよい。また、図４の湾曲した感光部形状を持つ位置検知素子は円弧状にあったが、円筒３０に沿った円状のものであってもよい。信号処理回路１４、２４Ａ、または発光素子２５用駆動回路２４Ｂの電源電圧の供給は電源線２９より行うのでなく、この信号処理回路または駆動回路にソーラセルなどの素子をつなげ、入射光ビーム１０Ａの一部をこれに導き必要な電圧を得て駆動させてもよい。
【００１４】  図６は本発明に関係する従来例を説明するためのものである。ａ図は磁石１２を側面から見た図であり、ｂ図は上面から見た図である。特開平９−２４２４５８「定方位コアサンプリング装置及び定方位コアサンプリング方法」における要約の中で「磁気方位記録装置は磁石（磁気コンパス）とこの磁石の指し示す方向を記録する感光体を内蔵しており、磁石の指し示す方位とこの方位記録装置本体の方向との関係が記録される」とある。この従来例には感光体、方位記録方法の具体的な説明はない。これに対して、ここに書かれた文面から図６の模式図に示された磁気方位検出部が描かれる。入射光ビーム１０Ａが磁石１２の上にある反射ブロック１３で磁石１２の指し示す方向に反射され、感光体３４に照射され、この磁石方位は感光体にマークされる。ここでは、本発明が高精度に磁気方位を検出する方法は述べられていない。また、高精度磁気方位情報をリアルタイムに磁気方位検出部と離れた場所で得る方法についても述べられていない。
【００１５】  図７は異なる磁気方位角において位置検出素子５の感光部上に照射される光ビームの光強度分布が変化するのを説明するためのものである。例えば、磁石１３の指す方向に放射され、感光部に垂直に照射された光ビーム１０Ｂの光強度分布３５Ａが円の中心にピークを持ち等方的に減衰するとする。ここで、方位角が変化した光ビーム１０Ｅでは、この光ビーム１０Ｂ自体の光強度分布が変化しなくとも、感光部上での照射光強度分布３５Ｂは周辺に楕円状に伸びたものとなる。この光強度分布の変化は方位誤差を生じさせる。
【発明の効果】
【００１６】  以上説明したように、本発明によれば、高精度の磁気方位情報を得る電子装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施に係る磁気方位検出装置の構成図と、これに使われる位置検出素子の構造図である。
【図２】  図１に示された磁気方位検出装置における光ビームの光軸変化を検出するための本発明に係わる光軸変化検出部の構成図である。
【図３】  磁石の上に設けられた反射板に照射する光ビームの光源の駆動回路を位置検出素子の駆動回路に隣接して設けて、反射板に光ビームを導くための光学系に機械的な可動部分をなくした本発明に係わる磁気方位検出部の構成図である。
【図４】  本発明の電子装置に使われる位置検出素子の感光部面を、磁石中心を中心とした円状に沿った形状にすることで方位角の変化によって位置検出素子に照射される光ビームに強度分布の変化を生じさせない磁気方位検出装置を提供する本発明に係わる磁気方位検出部を示す模式図である。
【図５】  方位角によって、位置検出素子上に照射される光ビームの強度分布変化を生じさせない位置検出素子の前面に凹レンズを設けた本発明に係わる磁気方位検出部の模式図である。
【図６】  従来の磁気方位検出部の模式図である。
【図７】  従来磁気方位検出部において方位角によって感光体に照射される光ビームの強度分布に変化が生じることを説明した模式図である。
【符号の説明】
１・・・・位置検出素子の半導体基板
２、３２・・・・位置検出素子の感光部
３・・・・光ビーム
４・・・・地下
Ｄ１，Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４・・・信号電流取り出し電極
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３、Ｔ４・・・信号電流取り出し端子
Ｉｘ１，Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２・・信号電流
５、３３・・・位置検出素子
６・・・・地上
７・・・・光ビーム光源
８、１７、２６・・・光ファイバ
９、１６、２７・・・・・・コリメータレンズ
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、２８・・・光ビーム
１１・・・レンズ
１２、３１・・・磁石
１３・・・反射ブロック
１４・・・位置検出信号処理回路
１５、２６、２５・・・・発光素子
１８・・・方位角検出信号処理回路
１９・・・透明ブロック
２０・・・ハーフミラー
２１・・・透明孔
２２・・・光軸検出素子
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ・・・光検出素子
Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄ・・・・・・・取り出し光電流
２４・・・光ビーム光源回路を内蔵する位置検出信号処理回路
２９・・・電源線
３４・・・凹レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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