JP5492389B2 - 磁場センサー装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁場センサー装置に関する。

近年、磁性非晶質材料のインピーダンスが外部磁場によって変化することが発見され、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子；Magneto-Impedance device）が開発された（特許文献１）。そして、この磁気インピーダンス素子を利用した磁気検出装置が開発されている（例えば特許文献２、非特許文献１）。

また、電磁誘導現象を利用して地下探査を行う電磁探査法は、鉱山、地熱、石油などの資源探査や地下構造調査に広く用いられてきた。このような電磁探査法として、各種の手法が開発されており、特に今日では、地下に人工的に電磁場を発生させ、地下探査を行う手法が実用化されている（例えば特許文献３）。

従来の地下電磁探査法として代表的な手法の一つとして、ＴＤＥＭ法（Time Domain Electromagnetic Method）がある。ＴＤＥＭ法では、誘導電流発生用送信源を地上に設置し、一般的にオン／オフ時間のある交替直流を誘導電流発生用送信源に通電する。誘導電流発生用送信源に流していた電流を急激に遮断すると、電磁誘導の法則により、それまで形成されていた磁場が変化するのを妨げるように、誘導電流が地表面に流れる。

この誘導電流は時間とともに地下深部に向けて拡散する。誘導電流はその電流経路の比抵抗に応じて減衰するため、誘導電流が作る磁場を時間の関数として地表で測定することにより、地下の比抵抗分布を調べることができる。
特開平７−１８１２３９号公報 特開２００３−１２１５１７号公報 特開２００２−７１８２８号公報 毛利佳年雄著、「磁気センサ理工学」、株式会社コロナ社、１９９８年３月１０日、ｐ．９２−１０１

従来の地下電磁探査においては、磁場センサーとして誘導コイルを用いるのが一般的であった。しかし、地下電磁探査で使用される誘導コイルは大型（例えば、長さ１ｍ以上、重さ１０ｋｇ以上）であった。そのため、その運搬や設置の困難性から、短期間で安価に多数の場所で測定を行うことは難しく、地下電磁探査の測定効率向上の妨げとなっていた。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、地下電磁探査に適した磁場センサー装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る磁場センサー装置は、
磁性非晶質構造体を持つ磁気インピーダンス素子を含むセンサー部を有する磁場センサー装置において、
前記磁性非晶質構造体の長手方向に、前記磁性非晶質構造体に磁場を導く棒状のコア部を有し、
前記磁性非晶質構造体に入力される地磁気による環境磁場を相殺する補正磁場を発生させる環境磁場相殺手段を含むことを特徴とする。

本発明によれば、磁場感度が最も大きい磁性非晶質構造体の長手方向（磁場測定方向）に棒状のコア部を有することにより磁場センサー装置の感度を高めることができ、さらに従来の誘導コイルに比べ小型かつ軽量化できる磁場センサー装置を実現することができる。また、環境磁場相殺することにより、観測対象となる磁場を精度よく観測することができる。

（２）この磁場センサー装置において、
前記コア部は、前記磁性非晶質構造体の長手方向の両側に設けられていてもよい。

コア部を磁性非晶質構造体の長手方向の両側に設けることにより、効率よく磁性非晶質構造体に磁場を導くことができる。

（３）この磁場センサー装置において、
前記コア部は、高透磁率材料で構成されていてもよい。

高透磁率材料は、例えばミューメタルやフェライトなどであってもよい。

（４）この磁場センサー装置において、
前記環境磁場相殺手段は、前記コア部を軸とするコイルであってもよい。

（５）この磁場センサー装置において、
観測データが所望の範囲内となるように前記環境磁場相殺手段を制御する調整手段を含んでもよい。

（６）この磁場センサー装置において、
誘導電流発生用送信源の出力に基づく磁場信号を含む磁場を経時的に観測する観測手段と、
前記観測手段で観測した観測データを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記観測データを前記誘導電流発生用送信源の出力に基づく磁場信号の積分値が０となる期間で積分した値に基づいて、前記観測データが所望の範囲内となるように、前記観測データの基準値を補正する補正手段を含んでもよい。

誘導電流発生用送信源の出力に基づく磁場信号の積分値が０となる期間は、例えば、誘導電流発生用送信源が交替直流（周期前半の正側の出力と周期後半の負側の出力が対称である信号）を出力する場合には、誘導電流発生用送信源の出力周期の整数倍の期間としたり、出力周期を第１区間から第４区間までに等しい時間で４分割した場合の第１区間と第３区間の組合せや第２区間と第４区間の組合せとすることができる。

また補正手段は、例えば、観測データを出力周期の整数倍の期間で積分した値が上限基準値を超えた場合には測定データの基準値を下げる制御を行い、観測データを出力周期の整数倍の期間で積分した値が下限基準値を下回った場合には測定データの基準値を上げる制御を行ってもよい。

これにより、地磁気の時間変動による観測データの時間変動量を自動的に補正することができるため、磁気インピーダンス素子を飽和させることがなくなる。したがって、自動測定が可能になる。

（７）この磁場センサー装置において、
前記センサー部の出力信号を増幅する増幅手段を含み、
前記補正手段は、前記増幅手段のオフセット量を制御してもよい。

（８）この磁場センサー装置において、
前記誘導電流発生用送信源の出力と同期した時刻データを取得する同期手段を含み、
前記記憶手段は、前記観測データと前記時刻データとを関連付けて記憶してもよい。

以下、本発明を適用した実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。また、本発明は、以下の内容を自由に組み合わせたものを含むものとする。

１．磁場センサー装置
図１は、本実施の形態に係る磁場センサー装置の構成の概略を示す模式図である。

本実施の形態に係る磁場センサー装置１は、センサー部１００と処理部２００を含む。説明を簡単にするために、図１においてはセンサー部１００と処理部２００を１つずつ示しているが、１つの記録部に対して複数のセンサー部を有する構成であってもよい。

センサー部１００は、磁性非晶質構造体を持つ磁気インピーダンス素子を含んで構成される。また、センサー部１００は、磁場を検出し、検出した磁場の大きさに基づいた出力信号を処理部２００に送信する。

処理部２００は、センサー部１００からの出力信号を受信し、所与の信号処理を行った後、観測データとして記録する。また、センサー部１００に対して種々の制御を行う。

図２は、センサー部１００の構成の一例を示す模式図である。

センサー部１００は、磁性非晶質構造体を持つ磁気インピーダンス素子１１０を含む。磁気インピーダンス素子１１０は、長手方向の磁場を検出する。本実施の形態においては、磁気インピーダンス素子１１０は、図２の上下方向（矢印方向）の磁場を検出する。本実施の形態においては、磁気インピーダンス素子１１０の長手方向の長さは４ｍｍ程度である。

センサー部１００は、駆動回路１２０を含む。駆動回路１２０は、磁気インピーダンス素子１１０を駆動し、処理部２００に出力信号を出力するための回路である。また、センサー部１００は、磁気インピーダンス素子１１０の周囲に、駆動回路１２０の一部となる測定用コイル１１１を含んでいてもよい。

図５は、駆動回路１２０の一例を示す回路図である。図５に示す例では、磁気インピーダンス素子１１０を含んだコルピッツ発振回路１２１を中心とした回路となっている。コルピッツ発振回路１２１は、測定用コイル１１１となるコイル１１１ａ、１１１ｂ及び１１１ｃ、トランジスタ１１２、抵抗１１３、コンデンサ１１４及び１１５、可変抵抗１１６を含んで構成されている。

この回路では、コルピッツ発振回路１２１の共振電圧の振幅が磁場Ｈによって振幅変調される。振幅変調された電圧がショットキーバリアダイオードＤを通して検波される。その後、ゼロ点設定用の直流バイアス電圧Ｖｂとの差電圧が増幅され、出力信号として出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。また、出力電圧Ｖｏｕｔはコルピッツ発振回路１２１に帰還される。これにより、直線性が高くヒステリシスのない駆動回路１２０を実現している。

センサー部１００は、棒形状のコア部１３０及び１３１を含む。コア部１３０及び１３１は、磁性非晶質構造体を持つ磁気インピーダンス素子１１０の長手方向の両側に設けられている。コア部１３０及び１３１は、磁気インピーダンス素子１１０の磁性非晶質構造体に磁場を導く作用を持つ。コア部１３０及び１３１は、高透磁率材料（例えばミューメタルやフェライトなど）で構成されていてもよい。

図３は、本実施の形態に係る磁場センサー装置１のセンサー部１００の外観の一例を示す図である。センサー部１００は、ケース１０００を含む。ケース１０００は、円筒部１００１及び１００２とセンサー支持部１１００から構成されている。ケース１０００の全長は２５０ｍｍ、直径は７６ｍｍである。

また、磁性非晶質構造体を持つ磁気インピーダンス素子１１０と駆動回路１２０を含んだセンサー基板１２００が支持部１１００に設置され、コア部１３０及び１３１がそれぞれ円筒部１００１及び１００２の内部に設置される。磁気インピーダンス素子１１０とコア部１３０及び１３１は、磁気インピーダンス素子１１０の長手方向とコア部１３０及び１３１の長手方向が同一直線上になるように配置されている。

本実施の形態においては、コア部１３０及び１３１は、透磁率１００００程度のミューメタルで構成されている。また、コア部１３０及び１３１の長手方向の長さはそれぞれ１２ｃｍ程度、直径は５ｍｍ程度である。この結果、磁場センサーの感度を、コア部１３０及び１３１を有さない場合に比べて約３００倍とすることが可能になった。

図４は、コア部１３０及び１３１を設けることによる感度の増加を確認する実験例を示すグラフである。この実験では、磁気インピーダンス素子１１０及び駆動回路１２０の組合せによる磁場センサー装置の感度が０．００４８ｍＶ／ｎＴである磁場センサー装置を用いている。

この磁場センサー装置にコア部１３０及び１３１を設け、磁場強度１７２７．６ｎＴの入力磁場を入力したときの出力電圧を示すグラフが図４である。図４のグラフより、磁場センサー装置の出力電圧は３．６６０Ｖ−０．８４８Ｖ＝２．８１２Ｖであることが分かる。したがって、コア部１３０及び１３１を設けることによる感度の増幅率は、（２．８１２×１０００／０．００４８）／１７２７．６＝３２７．７（倍）となっていることが分かる。

このように、棒状のコア部１３０及び１３１を有することにより磁場センサー装置の感度を高めることができ、さらに従来の誘導コイルに比べ小型かつ軽量化できる磁場センサー装置を実現することができる。

センサー部１００は、磁気インピーダンス素子１１０の磁性非晶質構造体に入力される環境磁場を相殺する補正磁場を発生させる環境磁場相殺手段１４０及び１４１を含んでもよい。本実施の形態において、環境磁場相殺手段１４０及び１４１は、それぞれコア部１３０又は１３１を軸とするコイルで構成されている。

また、磁場センサー装置１は、観測データが所望の範囲内となるように環境磁場相殺手段１４０及び１４１を制御する調整手段を含んでいてもよい。本実施の形態においては、処理部２００が調整手段の機能を含んでいる。処理部２００の構成例については後述する。

磁気インピーダンス素子１１０は磁場の変化量（時間微分）ではなく、磁場の大きさそのものを検出する。また、通常の地磁気による環境磁場は磁束密度０．５ガウス程度で存在している。したがって、例えばコア部１３０及び１３１により検出感度を３００倍とした場合には、磁気インピーダンス素子１１０は１５０ガウス程度の環境磁場を検出することになる。

磁場センサー装置の検出範囲は、磁気インピーダンス素子１１０と駆動回路１２０の組合せで決まるものである。市販されている磁気インピーダンス素子１１０と駆動回路１２０の組合せでは、例えば検出範囲が磁束密度±３ガウスで設計されているものが存在する。この場合、コア部１３０及び１３１により検出感度を３００倍とすると、地磁気による環境磁場のみで駆動回路１２０が飽和してしまい、磁場の測定は不可能になる。

そこで、環境磁場相殺手段１４０及び１４１により磁気インピーダンス素子１１０の磁性非晶質構造体に入力される環境磁場を相殺することで、磁気インピーダンス素子１１０と駆動回路１２０の組合せで決まる検出範囲内に観測データを収めることが可能になる。

また、特に観測対象となる磁場信号が地磁気による環境磁場よりも小さい場合には、環境磁場相殺手段１４０及び１４１が地磁気による環境磁場レベルが検出範囲の中心となるように環境磁場を相殺することにより、精度良く磁場信号を測定することができる。

環境磁場の相殺は、環境磁場相殺手段１４０及び１４１が地磁気による環境磁場と逆向きの磁場を発生させることにより行われる。特に、環境磁場相殺手段１４０及び１４１が地磁気による環境磁場と同程度の大きさの補正磁場を逆向きに発生させることにより、地磁気による環境磁場レベルが検出範囲の中心となるように環境磁場を相殺することができる。

図６は、処理部２００の構成の一例を示す回路ブロック図である。

処理部２００は、演算処理装置２２０を含んでもよい。演算処理装置２２０は、観測データの取得や、環境磁場相殺手段１４０及び１４１の制御、後述する記憶手段２４０への観測データの書き込み、その他各種演算処理などを行う。

また、演算処理装置２００は、Ｄ／Ａコンバータ２１７を介して環境磁場相殺手段１４０及び１４１を制御する調整手段として機能してもよい。

処理部２００は、駆動回路１２０の出力信号Ｖｏｕｔを入力し、必要に応じて増幅器２１０、ハイパスフィルタ２１１、ノッチフィルタ２１２、ローパスフィルタ２１３、増幅器２１４、Ａ／Ｄコンバータ２１５を介して演算処理装置２２０に入力する。例えば、ノッチフィルタ２１２で５０Ｈｚや６０Ｈｚなど電源に起因する環境ノイズをカットしたり、ローパスフィルタ２１３でサンプリング周波数の２倍以上の周波数の信号をカットしたりしてもよい。

また、記憶部２００は、精密クロック２３０を含んでもよい。精密クロック２３０は、高精度の時計であり、例えば１０^−９の精度を有する時計であってもよい。

本実施の形態においては、これら演算処理装置２２０及び精密クロック２３０と、必要に応じて増幅器２１０、ハイパスフィルタ２１１、ノッチフィルタ２１２、ローパスフィルタ２１３、増幅器２１４、Ａ／Ｄコンバータ２１５を用いて、所望の磁場を経時的に観測する観測手段２５０として機能している。例えば本実施の形態に係る磁場センサー装置１を、誘導電流発生用送信源を用いた地下電磁探査に用いる場合には、誘導電流発生用送信源の出力に基づく磁場信号を含む磁場を経時的に観測する観測手段２５０として機能する。

処理部２００は、記憶手段２４０を含んでもよい。記憶手段２４０は、観測手段２５０で観測した観測データを記憶する。記憶手段２４０は、メモリーカードのように取り外し可能に構成してもよいし、処理部２００内にハードディスクなどを内蔵して構成してもよい。なお、センサー部１００の出力信号を増幅する増幅手段（本実施の形態においては増幅器２１４）のダイナミックレンジで決まる測定可能範囲を超えて大きい値と小さい値の観測データが入力された場合には、それぞれ測定可能範囲の最大値と最小値として記憶手段２４０に記憶してもよい。

また、演算処理装置２２０は、記憶手段２４０に記憶された観測データを誘導電流発生用送信源の出力に基づく磁場信号の積分値が０となる期間で積分した値に基づいて、観測データが所望の範囲内となるように、観測データの基準値を補正する補正手段として機能してもよい。

誘導電流発生用送信源の出力に基づく磁場信号の積分値が０となる期間は、例えば、誘導電流発生用送信源が交替直流（周期前半の正側の出力と周期後半の負側の出力が対称である信号）を出力する場合には、誘導電流発生用送信源の出力周期の整数倍の期間としたり、出力周期を第１区間から第４区間までに等しい時間で４分割した場合の第１区間と第３区間の組合せや第２区間と第４区間の組合せとすることができる。

補正手段は、例えば、センサー部１００の出力信号を増幅する増幅手段のオフセット量を制御することで観測データの基準値を自動制御してもよい。本実施の形態においては、増幅器２１４がセンサー部１００の出力電圧Ｖｏｕｔを増幅する増幅手段として機能し、演算処理装置２２０がＤ／Ａコンバータ２１６を介して増幅器２１４のオフセット量を制御することにより観測データの基準値を制御している。

例えば本実施の形態に係る磁場センサー装置１を、誘導電流発生用送信源を用いた地下電磁探査に用いる場合には、補正手段は、記憶手段２４０に記憶された観測データを出力周期の整数倍の期間で積分した値が上限基準値を超えた場合には測定データの基準値を下げる制御を行い、観測データを出力周期の整数倍の期間で積分した値が下限基準値を下回った場合には測定データの基準値を上げる制御を行ってもよい。

これにより、地磁気の時間変動の影響による観測データの時間変動量を自動的に補正することができるため、センサー部１００や観測手段２５０を飽和させることがなくなる。したがって、自動測定が可能になる。

本実施の形態に係る磁場センサー装置１を、誘導電流発生用送信源を用いた地下電磁探査に用いる場合には、処理部２００は、誘導電流発生用送信源の出力と同期した時刻データを取得する同期手段を含んでもよい。本実施の形態においては、ＧＰＳ時計２３１でＧＰＳ情報に含まれる時刻情報を取得することにより、誘導電流発生用送信源の出力と同期した時刻データを取得することができる。

また、記憶手段２４０は、観測データと時刻データを関連付けて記憶してもよい。これにより、磁場センサー装置１を地下電磁探査に用いた場合の観測データの分析が容易になる。

処理部２００は、入力手段３００及び出力手段３１０と接続されていてもよい。入力手段３００及び出力手段３１０は、命令やデータを入出力する。入力手段３００は、キーボードであってもよい。出力手段３１０は、ディスプレイ（モニタ）であってもよい。

２．磁場センサー装置１を用いた地下電磁探査方法
磁場センサー装置１を用いた地下電磁探査方法について説明する。地下電磁探査方法については種々の方法が開発されているが、本実施の形態においては、地下に人工的に電磁場を発生させ、地下探査を行う地下電磁探査方法について説明する。

また、このような地下電磁探査方法として、電磁応答を周波数の関数として扱う周波数領域の地下電磁探査方法と、電磁応答を時間の関数として扱う時間領域の地下電磁探査方法とが知られている。周波数領域と時間領域とはフーリエ変換の対であり、理論的には等価である。本実施の形態においては、時間領域の地下電磁探査方法であるＴＤＥＭ法（Time Domain Electromagnetic Method）について説明する。

図７は、磁場センサー装置１を地下電磁探査に用いる場合の配置例の概略を示す模式図である。

磁場センサー装置１は、地表面に配置される。磁場センサー装置１の位置や傾きを固定するために、地表面に設けた凹部の中に配置してもよい。

誘導電流発生用送信源２は、地表面に配置される。また、誘導電流発生用送信源２の出力電流を流し、地中に誘導電流を発生させるための送信ループ３も地表面に配置される。本実施の形態においては、誘導電流発生用送信源２と送信ループ３により、地中に誘導電流を発生させる。なお、磁場センサー装置１と送信ループ３との距離は、地下電磁探査の目的に応じて任意に設定することが可能である。本実施の形態においては、磁場センサー装置１を送信ループ３から０ｋｍ〜１５ｋｍ程度の距離に配置している。

図８（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施の形態に係る地下電磁探査方法における誘導電流発生用送信源２の出力電流Ｉ、出力電流電流遮断後の逆起電力Ｐ及び出力電流電流遮断後の磁場Ｈのタイミングチャートである。出力電流Ｉは交替直流（周期前半の正側の出力と周期後半の負側の出力が対称である信号）であり、図７の矢印の向きを正とする。

まず図８（Ａ）に示すように、誘導電流発生用送信源２から送信ループ３に正の出力電流Ｉを出力する。次にこの出力電流Ｉを急激に遮断する。これにより、図８（Ｂ）に示すように、電磁誘導の法則により遮断前の同じ磁場を維持しようとする逆起電力が発生し、地表面に誘導電流が発生する。その後、誘導電流発生用送信源２から送信ループ３に負の出力電流Ｉを出力する。次にこの出力電流Ｉを急激に遮断する。かかる動作を周期Ｔで繰り返す。

この地表面の誘導電流は、大地の比抵抗に応じて減衰するが、この電流の変化を妨げるような新しい誘導電流が地中に生じる。このプロセスが繰り返され、あたかも誘導電流５００が、誘導電流５０１、誘導電流５０２へと地下深部に伝播していくような現象が発生する。

これらの誘導電流は、電流経路地層の比抵抗に応じて減衰する。このため、地表に設置された磁場センサー装置１を用い、誘導電流の減衰を磁場の時間変化として図８（Ｃ）に示すように検出し、地下の比抵抗分布を知ることができる。例えば、地下が高比抵抗の場合は、誘導電流は急速に減衰していくが、低比抵抗の場合はゆっくり減衰する。

したがって、磁場センサー装置１を測定ポイントに応じて次々と移動させながら、又は、複数の磁場センサー装置１をそれぞれの測定ポイントに設置して観測データを集め、この観測データを分析することにより地下の比抵抗分布を求めることができる。またこの比抵抗分布に基づき地下構造を知ることができる。

すなわち、磁場センサー装置１により誘導電流に基づく磁場を観測する観測工程と、誘導電流に基づく磁場の観測データを記憶する記憶工程とを含む磁場観測を、地表面に設けられた複数の測定ポイントにおいて繰り返し行い、測定ポイントごとの観測データに基づき地下の比抵抗分布を演算することにより地下構造を知ることができる。

また、磁場センサー装置として、磁性非晶質構造体をコアに持つ磁気インピーダンス素子１１０を含むセンサー部１００と、磁性非晶質構造体の長手方向に、磁性非晶質構造体に磁場を導く棒状のコア部１３０及び１３１を有する磁場センサー装置１を用いることにより、従来の誘導コイルに比べ小型かつ軽量化できる磁場センサー装置を実現できるため、短期間で安価に多数の場所で測定を行うこと可能にした地下電磁探査を行うことができる。

磁場センサー装置１が、磁性非晶質構造体に入力される環境磁場を相殺する補正磁場を発生させる環境磁場相殺手段１４０及び１４１を含む場合には、磁場の観測値が所望の範囲内となるように、磁性非晶質構造体に入力される環境磁場を相殺する補正磁場を発生させる環境磁場相殺工程を含んでもよい。環境磁場相殺工程は、例えば観測工程の前に行ってもよい。

図９は、本実施の形態に係る地下電磁探査方法における磁場観測フローの一例を示すフローチャートである。

まず、環境磁場相殺手段１４０及び１４１により、観測値が所望の範囲内となるように、磁性非晶質構造体に入力される環境磁場を相殺する補正磁場を発生させる環境磁場相殺工程を行う（ステップＳ１００）。

次に、観測手段２５０により、誘導電流に基づく磁場を観測する観測工程を行う（ステップＳ１１０）。次に、記憶手段２４０により、観測データを記憶する記憶工程を行う（ステップＳ１２０）。

次に、磁場観測が終了したか否かを判定する（ステップＳ１３０）。磁場観測を終了したか否かは、例えば、所定回数の観測工程が実行されたか否か、所定時間において観測工程が実行されたか否か、観測終了命令が入力されたか否かなどにより判定してもよい。

ステップＳ１３０により磁場観測を終了していないものと判定された場合には、ステップＳ１１０へ戻り、観測終了までステップＳ１１０からＳ１３０を繰り返す。ステップＳ１３０により磁場観測を終了したものと判定された場合には、磁場観測フローを終了する。

図１０は、本実施の形態に係る地下電磁探査方法における環境磁場相殺工程でのフローの一例を示すフローチャートである。本実施の形態においては、基準電圧Ｖ１及びＶ２の関係は０＜Ｖ２＜Ｖ１とし、補正磁場の変更幅δ１及びδ２の関係は０＜δ２＜δ１とする。また、補正磁場の向きは地磁気と逆向きを正とする。なお、補正磁場の変更幅や変更段階数は必要に応じて任意に設定することが可能である。

環境磁場相殺工程が始まると、環境磁場相殺手段１４０及び１４１は、予め設定した初期値による補正磁場を発生させる（ステップＳ２００）。初期値は０（補正磁場を全く発生させていない状態）であってもよい。

次に磁場センサー装置１の観測手段２５０により所定時間に亘って磁場の観測を行う（ステップＳ２０２）。次に所定時間内におけるセンサー部１００の駆動回路１２０の出力電圧Ｖｏｕｔに基づき記憶手段２４０に記憶された観測データの平均値Ｖａを算出する（ステップＳ２０４）。平均値Ｖａの算出は、例えば処理部２００の演算処理装置２２０で行う。なお、センサー部１００の出力信号を増幅する増幅手段（本実施の形態においては増幅器２１４）のダイナミックレンジで決まる測定可能範囲を超えて大きい値と小さい値の観測データが入力された場合には、それぞれ測定可能範囲の最大値と最小値として記憶手段２４０に記憶してもよい。

次に平均値Ｖａが０より大きいか否かを判定する（ステップＳ２０６）。以後、全ての判定処理は演算処理装置２２０で行うものとして説明する。

ステップＳ２０６で平均値Ｖａが０より大きいものと判定された場合には、平均値Ｖａが基準電圧Ｖ１よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２０８）。平均値Ｖａが基準電圧Ｖ１よりも小さくないものと判定された場合には、演算処理装置２２０は補正磁場の大きさを変更幅δ１だけ大きくする制御を行い（ステップＳ３０８）、ステップＳ２０２へ戻る。

ステップＳ２０８で平均値Ｖａが基準電圧Ｖ１よりも小さいものと判定された場合には、平均値Ｖａが基準電圧Ｖ２よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２１０）。平均値Ｖａが基準電圧Ｖ２よりも小さくないものと判定された場合には、演算処理装置２２０は補正磁場の大きさを変更幅δ２だけ大きくする制御を行い（ステップＳ３１０）、ステップＳ２０２へ戻る。

ステップＳ２１０で平均値Ｖａが基準電圧Ｖ２よりも小さいものと判定された場合には、補正磁場の大きさを確定し、処理を終了する。つまり、平均値Ｖａは、処理終了時には０＜Ｖａ＜Ｖ２の関係を満たすことになる。

ステップＳ２０６で平均値Ｖａが０以下と判定された場合には、平均値Ｖａが基準電圧（−Ｖ１）よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２１２）。平均値Ｖａが基準電圧（−Ｖ１）よりも大きくないものと判定された場合には、演算処理装置２２０は補正磁場の大きさを変更幅δ１だけ小さくする制御を行い（ステップＳ３１２）、ステップＳ２０２へ戻る。

ステップＳ２１２で平均値Ｖａが基準電圧（−Ｖ１）よりも大きいものと判定された場合には、平均値Ｖａが基準電圧（−Ｖ２）よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２１４）。平均値Ｖａが基準電圧（−Ｖ２）よりも大きくないものと判定された場合には、演算処理装置２２０は補正磁場の大きさを変更幅δ２だけ小さくする制御を行い（ステップＳ３１４）、ステップＳ２０２へ戻る。

ステップＳ２１４で平均値Ｖａが基準電圧（−Ｖ２）よりも大きいものと判定された場合には、補正磁場の大きさを確定し、処理を終了する。つまり、平均値Ｖａは、処理終了時には−Ｖ２＜Ｖａ＜０の関係を満たすことになる。

すなわち、図１０に示す環境磁場相殺工程でのフローでは、平均値Ｖａは、処理終了時には−Ｖ２＜Ｖａ＜Ｖ２の関係を満たすことになる。また、平均値Ｖａが０から遠い場合には大きな変更幅δ１で補正磁場の大きさを変更する制御を行い、平均値Ｖａが−Ｖ１＜Ｖａ＜Ｖ１の範囲に収まった後は小さな変動幅δ２で補正磁場の大きさを変更する制御を行っている。これにより、平均値Ｖａを速く正確に−Ｖ２＜Ｖａ＜Ｖ２の範囲に収めるための補正磁場の大きさを決定することができる。

図１１（Ａ）〜（Ｃ）は、図１０のフローに基づき補正磁場の大きさを決定する模式図である。図１１（Ａ）は演算処理装置２２０に入力される観測データ、図１１（Ｂ）は記憶手段２４０に記憶される記憶データ、図１１（Ｃ）は補正磁場の大きさを示す。図１１（Ａ）〜（Ｃ）の横軸はいずれも時間である。また、磁場センサー装置１の測定可能上限値をＶｕ、測定可能下限値をＶｄとし、Ｖｄ＜−Ｖ１＜−Ｖ２＜０＜Ｖ２＜Ｖ１＜Ｖｕの関係を満たすものとする。

期間ｔ１においては、予め設定した初期値による補正磁場を環境磁場相殺手段１４０及び１４１により発生させ、磁場センサー装置１の観測手段２５０により所定時間に亘って磁場の観測を行っている（ステップＳ２００、Ｓ２０２）。図１１に示す例では、補正磁場の初期値は０（補正磁場を全く発生させていない状態）である。

図１１（Ａ）に示す例の期間ｔ１においては、観測データの全てが測定可能上限値Ｖｕ以上となっている。したがって、記憶データは全てＶｕとなっているため、平均値Ｖａは０＜Ｖ１＜Ｖａの関係を満たす。よって、演算処理装置２２０は、補正磁場を変化量δ１だけ大きくする制御を行う（ステップＳ２０４、Ｓ２０６、Ｓ２０８、Ｓ３０８）。

期間ｔ２においては、期間ｔ１での観測結果に基づき変更した値による補正磁場を環境磁場相殺手段１４０及び１４１により発生させ、磁場センサー装置１の観測手段２５０により所定時間に亘って磁場の観測を行っている（ステップＳ２０２）。

期間ｔ２においては、観測データの一部が測定可能上限値Ｖｕ以上となっている。図１１に示す例では、平均値Ｖａは、まだ０＜Ｖ１＜Ｖａの関係を満たすものとする。よって、この場合も演算処理装置２２０は、補正磁場を変化量δ１だけ大きくする制御を行う（ステップＳ２０４、Ｓ２０６、Ｓ２０８、Ｓ３０８）。

期間ｔ３においては、期間ｔ２での観測結果に基づき変更した値による補正磁場を環境磁場相殺手段１４０及び１４１により発生させ、磁場センサー装置１の観測手段２５０により所定時間に亘って磁場の観測を行っている（ステップＳ２０２）。

期間ｔ３においては、観測データの一部が測定可能下限値Ｖｄ以下となっている。図１１に示す例では、平均値Ｖａは、まだ−Ｖ１＜Ｖａ＜０の関係を満たすものとする。この場合、演算処理装置２２０は、補正磁場を変化量δ２だけ小さくする制御を行う（ステップＳ２０４、Ｓ２０６、Ｓ２１２、Ｓ２１４、Ｓ３１４）。

期間ｔ４においては、期間ｔ３での観測結果に基づき変更した値による補正磁場を環境磁場相殺手段１４０及び１４１により発生させ、磁場センサー装置１の観測手段２５０により所定時間に亘って磁場の観測を行っている（ステップＳ２０２）。

期間ｔ４においては、観測データの全てが測定可能下限値Ｖｄ以上測定可能上限値Ｖｕ以下の範囲に収まっている。図１１に示す例では、平均値Ｖａは、０＜Ｖａ＜Ｖ２の関係を満たすものとする。この場合、演算処理装置２２０は、補正磁場の大きさを確定し、環境磁場相殺工程の処理を終了する（ステップＳ２０４、Ｓ２０６、Ｓ２０８、Ｓ２１０）。これ以後の期間ｔ５においては、環境磁場相殺手段１４０及び１４１は、期間ｔ４と同じ大きさの補正磁場を発生させる。

このように環境磁場を相殺することにより、観測対象となる磁場を効率よく観測することができる。また環境磁場相殺工程の自動化も容易となる。

本実施の形態に係る地下電磁探査方法は、誘導電流発生用送信源の出力に基づく磁場信号を含む磁場の観測データを誘導電流発生用送信源２の誘導電流発生用送信源の出力に基づく磁場信号の積分値が０となる期間で積分した値に基づいて、観測データが所望の範囲内となるように、観測データの基準値を補正する補正工程をさらに含んでもよい。

誘導電流発生用送信源の出力に基づく磁場信号の積分値が０となる期間は、例えば、誘導電流発生用送信源が交替直流（周期前半の正側の出力と周期後半の負側の出力が対称である信号）を出力する場合には、誘導電流発生用送信源の出力周期の整数倍の期間としたり、出力周期を第１区間から第４区間までに等しい時間で４分割した場合の第１区間と第３区間の組合せや第２区間と第４区間の組合せとすることができる。

補正工程は、例えば、磁場センサー装置１が補正手段を有し、補正手段がセンサー部１００の出力信号を増幅する増幅手段のオフセット量を制御することで観測データの基準値を自動制御してもよい。本実施の形態においては、増幅器２１４がセンサー部１００の出力電圧Ｖｏｕｔを増幅する増幅手段として機能し、演算処理装置２２０がＤ／Ａコンバータ２１６を介して増幅器２１４のオフセット量を制御することで観測データの基準値を制御している。

例えば本実施の形態に係る磁場センサー装置１を、誘導電流発生用送信源を用いた地下電磁探査に用いる場合には、補正手段は、記憶手段２４０に記憶された観測データを誘導電流発生用送信源２の出力周期の整数倍の期間で積分した値が上限基準値を超えた場合には測定データの基準値を下げる制御を行い、観測データを誘導電流発生用送信源２の出力周期の整数倍の期間で積分した値が下限基準値を下回った場合には測定データの基準値を上げる制御を行ってもよい。

観測データの基準値の制御は、例えば、誘導電流発生用送信源２が送信ループ３に出力電流を供給している期間に行うことができる。

図１２（Ａ）〜（Ｆ）及び図１３（Ａ）〜（Ｂ）は、補正工程を説明するための模式図である。横軸は全て時間である。また、積分期間は誘導電流発生用送信源２の出力周期と同一にしている。

図１２（Ａ）は、補正工程を行う前の観測データである。観測データは、図１２（Ｂ）に示すランダムノイズと、図１２（Ｃ）に示す誘導電流発生用送信源２の出力に基づく磁場信号と、図１２（Ｄ）に示す地磁気の時間変動や観測手段２５０の回路などの影響によるドリフト量の３成分が合計されたものと考えられる。

図１２（Ｂ）に示すランダムノイズと、図１２（Ｃ）に示す誘導電流発生用送信源２の出力に基づく磁場信号は、誘導電流発生用送信源２の出力周期で積分すると、それぞれ０となる。したがって、図１２（Ａ）に示す観測データを誘導電流発生用送信源２の出力周期で積分すると、図１２（Ｄ）に示す地磁気の時間変動や観測手段２５０の回路などの影響によるドリフト量の積分値のみを算出することができる。

この積分値が上限基準値Ｉｕを上回るか、下限基準値Ｉｄを下回った場合に、補正手段は観測データの基準値を変更する処理を行う。上限基準値Ｉｕ及び下限基準値Ｉｄは、ランダムノイズの大きさや積分期間を考慮して、観測データが測定可能上限値Ｖｕと測定可能下限値をＶｄの間に収まるように決定する。図１２（Ｅ）に示す例では、期間Ｔ４において積分値が上限基準値Ｉｕを上回っている。したがって、図１２（Ｆ）に示すように、補正手段は、期間Ｔ５以降においては観測データの基準値をΔＶだけ下げる処理を行う。

図１３（Ａ）は図１２（Ａ）と同一の観測データ、図１３（Ｂ）は補正工程を行った後の観測データである。図１３（Ａ）に示す観測データでは期間Ｔ５以降において測定可能上限値Ｖｕを上回るデータが含まれている。しかし、補正工程を行うことにより、図１３（Ｂ）に示すように、測定データが測定可能上限値Ｖｕと測定可能下限値をＶｄの間に収まるようにすることができる。

本実施の形態に係る地下電磁探査方法は、誘導電流発生用送信源２の出力と同期した時間データを取得する同期工程を含み、記憶工程（図９のステップＳ１２０）では観測データと時間データとを関連付けて記憶してもよい。同期工程は、例えば観測工程（図９のステップＳ１１０）よりも前に行ったり、観測工程中に適宜行ったりしてもよい。

本実施の形態においては、磁場センサー装置１及び誘導電流発生用送信源２にＧＰＳ時計を設け、それぞれがＧＰＳ情報に含まれる時刻情報を取得することにより、磁場センサー装置１と誘導電流発生用送信源２の出力とが同期した時刻データを取得することができる。

このように、磁場センサー装置１と誘導電流発生用送信源２の出力とが同期した時刻データと観測データとを関連付けて記憶することにより、観測データの分析が容易になる。

本実施の形態に係る地下電磁探査方法は、スタック処理工程を含んでもよい。スタック処理は、誘導電流発生用送信源２の出力周期Ｔの前半の観測データと、出力周期Ｔの後半の観測データの符号反転データを足し合わせたデータを複数周期分合わせて、平均する処理である。

図１４は、スタック処理工程後のデータの一例を示すグラフである。図１４の上から順に、１周期分、２周期分、４周期分、８周期分、１６周期分、３２周期分、６４周期分、８１周期分の観測データを用いてスタック処理を行ったデータである。スタック処理に用いる観測データの量（周期の回数）が４倍になるごとにノイズレベルが１／２倍になることが分かる。

このように、スタック処理工程を含むことにより、ランダムノイズを打ち消し、測定精度を上げることができる。また、スタック処理工程後のノイズレベルを監視することにより、測定終了の自動化も可能となる。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

例えば、本実施の形態においては、送信ループ３を用いて誘導電流を発生させていたが、地表面に複数の電極を設置し、地中を介して電極間に電流を流すことにより誘導電流を発生させても構わない。

本実施の形態に係る磁場センサー装置の構成の概略を示す模式図。 センサー部の構成の一例を示す模式図。 センサー部の外観の一例を示す図。 感度の増加を確認する実験例を示すグラフ。 駆動回路の一例を示す回路図。 記録部の構成の一例を示す回路ブロック図。 磁場センサー装置を地下電磁探査に用いる場合の配置例の概略を示す模式図。 本実施の形態に係る地下電磁探査方法における誘導電流発生用送信源の出力電流、逆起電力及び磁場のタイミングチャート。 本実施の形態に係る地下電磁探査方法における磁場観測フローの一例を示すフローチャート。 本実施の形態に係る地下電磁探査方法における環境磁場相殺工程でのフローの一例を示すフローチャート。 補正磁場の大きさを決定した実験例の一例を示すグラフ。 補正工程を説明するための模式図。 補正工程を説明するための模式図。 スタック処理工程後のデータの一例を示すグラフ。

符号の説明

１ 磁場センサー装置、２ 誘導電流発生用送信源、３ 送信ループ、１００ センサー部、１１０ 磁気インピーダンス素子、１１１，１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ 測定用コイル、１１２ トランジスタ、１１３ 抵抗、１１４，１１５コンデンサ、１１６ 可変抵抗、１２０ 駆動回路、１２１ コルピッツ発振回路、１３０，１３１ コア部、１４０，１４１ 環境磁場相殺手段、２００ 記録部、２１０ 増幅器、２１１ ハイパスフィルタ、２１２ ノッチフィルタ、２１３ ローパスフィルタ、２１４ 増幅器、２１５ Ａ／Ｄコンバータ、２１６，２１７ Ｄ／Ａコンバータ、２２０ 演算処理装置、２３０ 精密時計、２３１ ＧＰＳ時計、２４０ 記憶手段、２５０ 観測手段、３００ 入力手段、３１０ 出力手段、５００，５０１，５０２ 誘導電流、１０００ ケース、１００１，１００２ 円筒部、１１００ センサー支持部、１２００ センサー基板

Claims (3)

1. 磁性非晶質構造体を持つ磁気インピーダンス素子を含むセンサー部を有する磁場センサー装置において、
   前記磁性非晶質構造体の長手方向に、前記磁性非晶質構造体に磁場を導く棒状のコア部を有し、
   前記磁性非晶質構造体に入力される地磁気による環境磁場を相殺する補正磁場を発生させる環境磁場相殺手段と、
   誘導電流発生用送信源の出力に基づく磁場信号を含む磁場を経時的に観測する観測手段と、
   前記観測手段で観測した観測データを記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶された前記観測データを前記誘導電流発生用送信源の出力に基づく磁場信号の積分値が０となる期間で積分した値に基づいて、前記観測データが所望の範囲内となるように、前記観測データの基準値を補正する補正手段を含むことを特徴とする磁場センサー装置。
2. 請求項１に記載の磁場センサー装置において、
   前記センサー部の出力信号を増幅する増幅手段を含み、
   前記補正手段は、前記増幅手段のオフセット量を制御することを特徴とする磁場センサー装置。
3. 請求項１及び２のいずれかに記載の磁場センサー装置において、
   前記誘導電流発生用送信源の出力と同期した時刻データを取得する同期手段を含み、
   前記記憶手段は、前記観測データと前記時刻データとを関連付けて記憶することを特徴とする磁場センサー装置。

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