JPH0980132A - 差動型交流磁気センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 取り扱いが容易で高感度な海底ケーブル探知
用の交流磁気センサを提供する。 【解決手段】 ステンレス製円柱状耐圧容器１３の中
に、交流磁気を感知するためのコイル１１および１２が
収納されている。コイル１１および１２の軸は耐圧容器
１３の軸と一致しており、押さえ金具１５により、それ
ぞれ、蓋１４に固定されている。コイル１１および１２
からの出力信号は、電子回路２０内の差動増幅器に入力
され、該電子回路２０からは２つのコイル１１および１
２の出力信号の差信号が出力される。この出力信号は、
水中コネクタ１６を介して水中ケーブル２２を通り、さ
らに、図示しない曳航ケーブルを介して母船に伝送され
る。２つのコイルの出力信号の差をとっているために、
センサが揺動して、地球磁気の中で回転することにより
生じる雑音信号を除去できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は交流磁気センサに関
し、特に、海底ケーブルの存在を検知する海底ケーブル
探査システムにおいて、母船により曳航して用いる場合
に好適な交流磁気センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】海底ケーブルに生じた障害を修理するた
めには、まず、海底ケーブルの敷設位置を探査するこ
と、および、その障害の発生位置を特定することが必要
である。海底ケーブルを探査する方法のうち、最も感度
が高く取り扱いが容易なのは水中ロボットに搭載した交
流磁気センサを利用する方法である。この方法は、あら
かじめ海底ケーブル内の導体に陸上の海底ケーブル中継
所から１６〜２５Ｈｚ程度の交流電流を流しておき、こ
の交流電流から発生する交流磁界を交流磁気センサで検
出することにより、海底ケーブルの位置を探知するもの
である。しかしながら、水中ロボットに故障が生じた場
合や利用できる水中ロボットがない場合なども考えら
れ、このような場合にも海底ケーブルの探査をすること
ができるセンサが必要とされている。

【０００３】従来はこのような場合、曳航式の直流磁気
センサが利用されてきた。この直流磁気センサは、海底
ケーブルに流れる直流電流や海底ケーブルを構成する鉄
などの磁性体から発生する直流磁界を検出するものであ
る。この場合、大きな地磁気の中から微少な直流磁界の
変動を検知する必要があるため、直流磁気センサとし
て、非常に高感度なプロトン磁力計が利用されている。
また、前述したようにあらかじめ海底ケーブル内の導体
に交流電流を流しておき、交流磁気センサを曳航ケーブ
ルにつないで曳航することも考えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、曳航式
の直流磁気センサを利用する方法は、使用するプロトン
磁力計が非常に高感度であるために、近くに鉄などの磁
性体があるだけで敏感に反応してしまう。また、修理船
の上などではその動作の確認もできないなど、非常に取
り扱いが難しい欠点を有している。

【０００５】一方、交流磁気センサを曳航ケーブルにつ
ないで曳航すると、センサが動揺するときに大きな雑音
が発生し、ケーブルから発生する交流磁界による信号と
の区別がつきにくくなるという問題点がある。すなわ
ち、交流磁気センサは、通常、感度の指向性があるた
め、センサが動揺すると、直流の地球磁場の変動を感じ
ることになる。その変動の交流成分が雑音として検知さ
れ、この雑音が大きいため、従来は交流磁気センサを曳
航する方法を採用することが困難であった。

【０００６】本発明は、このような問題点を解決し、取
り扱いが容易で高感度な海底ケーブル探知用の交流磁気
センサを提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の差動型交流磁気センサは、感度の指向性を
有する２個以上の交流磁気センサと、各交流磁気センサ
からの出力信号の差を出力する手段とを有し、前記各交
流磁気センサの各々の軸が互いに平行になるように配置
したものである。また、前記各交流磁気センサは、コイ
ルからなっており、かつ、耐圧容器内に収容されている
ものである。さらに、前記各々の交流磁気センサの感度
を補正する手段を有するものである。

【０００８】さらにまた、本発明の差動型交流磁気セン
サは、電力と信号とを伝送する伝送路と抗張力体を有す
る曳航ケーブルを用いて母船により曳航されるものであ
る。さらにまた、緩衝材で被覆ており、曳航時の海底と
の接触による衝撃に起因する雑音が低減されるようにな
されているものである。さらにまた、浮力材と姿勢安定
用の翼とが取り付けられ、曳航時に水中で安定して浮遊
するようになされているとともに、前記曳航ケーブルの
先端に水中重量の軽いロープを用いて接続されており、
前記曳航ケーブルはその先端に該曳航ケーブルの先端が
海底に接触するように重りが取り付けられているもので
ある。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の差動型交流磁気
センサの原理を説明するための図である。この図に示す
ように、本発明の差動型交流磁気センサは、同じ構造と
特性を持つ左右２個のコイルから構成されている。ま
た、直交座標系ｘ−ｙ−ｚが図のように定義されてい
る。図示するように、２個のコイルは、ともに、その軸
がｙ軸に平行で、かつ、一直線に並んで配置されてお
り、Δｙは２個のコイルの中心の間隔である。このよう
に配置された２個のコイルは磁界のｙ成分のみに感度を
有する。

【００１０】そして、ケーブルが紙面に垂直で、かつ直
交座標系ｘ−ｙ−ｚの原点を通るように配置されている
ものとし、このケーブルには低周波数（２５Ｈｚ）の交
流電流が流れているものとする。この場合に、おのおの
のコイルに発生する出力電圧Ｖは、次式で表される。

【数１】 ここで、Ｎはコイルの巻き数、Ｓはコイル１ターン分の
面積の代表値、Ｂｙは磁界のｙ成分を表している。従っ
て、おのおののコイルの出力の差を求めることにより、
２個のコイルが置かれている２地点の交流磁界の差を求
めることができる。

【００１１】一般に、単独のコイルを地球磁場の中で回
転させると、コイルは回転磁場を感じることになり、回
転の角速度と地球磁場の大きさに比例した出力電圧が現
れる。この出力電圧のうち、ケーブルに流れる電流と同
じ周波数を持つ交流成分は、雑音となり、ケーブルの検
知の障害となる。図２に単一のコイルを地球磁場の中で
ランダムに回転させたときの出力の２５Ｈｚの周波数成
分を理論的に求めた結果の一例を示す。通常、海底ケー
ブルから発生する交流磁場の大きさは数十ｎＴ（nano T
esla）であり、これに比べて図２に現れる雑音の大きさ
はかなり大きく、この条件では海底ケーブルの検知は困
難である。

【００１２】この問題を解決するために、本発明では、
２個のコイルを一体として動くように固定し、その出力
の差を求めるようにする。このようにすることにより、
コイルの回転による出力を相殺することができ、海底ケ
ーブルから発生する交流磁場のみを検出することが可能
となる。

【００１３】図３に、図１のセンサをｙ軸に平行に動か
したときの２つのコイルの位置における磁界のｙ成分の
差ΔＢｙとケーブルからの水平距離Ｌｙの関係を計算し
た一例を示す。なお、この計算例では２つのコイルの間
隔Δｙを１［ｍ］、ケーブルからの垂直距離を１［ｍ］
としている。このように、２つのコイルの間隔を適度に
とることにより、その出力電圧の差の信号から、ケーブ
ルの存在を探知することができる。なお、参考のため、
差をとる前の交流磁界の大きさＢｙを同じ図面上に示
す。

【００１４】図４は、上述した原理に基づいて構成され
た本発明の差動型交流磁気センサ１０の一実施形態を示
す図である。この図において、１１および１２は交流磁
場を検出するためのコイル、１３はステンレスなどから
なる円柱状耐圧容器、１４は耐圧容器１３の蓋、１５は
コイル１１あるいはコイル１２を蓋１４に固定するため
の押さえ金具、１６は水中コネクタ、１７は水中コネク
タ１６の保護枠、１８および１９は、それぞれ、コイル
１１および１２の巻き枠、２０は電子回路、２１はＯリ
ング、２２は水中コードである。

【００１５】この実施形態においては、ステンレス製円
柱状耐圧容器１３の中に、２つのコイル１１および１２
が固定されている。これらのコイルの軸の方向は、円柱
状耐圧容器１３の軸と一致している。そして、コイル１
１および１２は、それぞれ、押さえ金具１５を使用して
耐圧容器１３の蓋１４に固定されている。蓋１４と耐圧
容器１３の間にはＯリング２１が挿入されており、容器
内の水密が保たれるようになされている。

【００１６】耐圧容器１３内には電子回路２０を搭載し
た基板が固定されており、該電子回路２０には、後述す
るような、２つのコイル１１および１２からの出力信号
の差を出力する回路が設けられている。このセンサ１０
からの出力信号および前記電子回路２０に供給される電
力は、水中コード２２、蓋１４に固定された水中コネク
タ１６および図示していない曳航ケーブルを介して、図
示しない母船に伝送される。なお、水中コネクタ１６は
保護枠１７により外力から守られている。また、この差
動型交流磁気センサの外形寸法は、長さが約１〜１．５
［ｍ］、直径が約１０〜１５［ｃｍ］程度である。な
お、ステンレス製の容器を用いることによる磁界の乱れ
の影響はほとんど無視できる程度である。

【００１７】図５は図４の耐圧容器内に収容されている
電子回路２０の一構成例を示したものである。この図に
おいて、１１および１２は前述したコイル、２０１およ
び２０２は、それぞれ、コイル１１および１２の出力信
号が入力される可変利得型増幅器、２０３は、可変利得
型増幅器２０１および２０２からの出力信号の差信号を
出力する差動増幅器、２０４はケーブルに流される交流
電流の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタで
ある。

【００１８】このように構成された電子回路２０におい
て、コイル１１および１２からの信号はそれぞれ利得を
調整することができる可変利得増幅器２０１および２０
２により増幅された後、差動増幅器２０３に入力され、
差動増幅器２０３からその差の信号が出力される。その
出力信号はバンドパスフィルタ２０４を通されることに
より、海底ケーブルに流れる交流電流と同じ周波数の信
号が取り出される。なお、初段の可変利得増幅器２０１
あるいは２０２の利得を個別に制御することにより、コ
イル１１および１２の感度に差がある場合に、その感度
差を補償することができる。

【００１９】図６に、上述した差動型交流磁気センサ１
０の曳航方法の一例を示す。この例は、センサ１０を海
底に接触しながら曳航する例である。このように海底に
接触しながら曳航する場合には、海底との接触による衝
撃により２つのコイルの軸が相対的に振動し、出力のＳ
／Ｎ（信号雑音比）が劣化することがある。

【００２０】そこで、本例においては、このような劣化
を防止するために、耐圧容器１３の周囲に、ゴムやスポ
ンジあるいはビニルホースなどの緩衝材２３を配置し、
その周りを例えばプラスチック製の円柱状カバー２４で
覆っている。さらに、その外側を麻袋や網などの袋２５
で包み、その袋に曳航用のロープ２６が引き留められて
いる。そして、このロープ２６の他端は曳航ケーブル２
７に引き留められている。この曳航ケーブル２７の構造
は図示していないが、電力と信号の伝送線、および抗張
力材からなる複合ケーブルが使用される。前述したよう
に、曳航ケーブル２７内の電力線と信号線は、水中コー
ド２２と水中コネクタ１６を介して耐圧容器１３内の電
子回路２０に接続されている。曳航ケーブル２７の他端
は母船により曳航される。

【００２１】さらに、センサ１０の尾部（曳航ケーブル
２７に接続されていない側）に金属製チェーンなどの重
りを取り付けることにより、海底面の凹凸によるセンサ
の尾部のはね上がりを防止することができる。以上のよ
うに構成することにより、海底との接触による衝撃に起
因する雑音のレベルを低減することが可能となる。

【００２２】また、母船上の表示装置については図示し
ていないが、センサ１０から出力される信号は、例え
ば、バンドパスフィルタを通過された後、整流器により
整流され、Ｘ−Ｔレコーダなどに記録されることとな
る。前述したように、本発明の差動型交流磁気センサ１
０が海底ケーブル上を横切ると、図３のΔＢｙのような
波形がＸ−Ｔレコーダ上に現れる。この波形を観察する
ことにより、海底ケーブルの位置を探知することができ
る。

【００２３】通常、海底ケーブルの敷設位置と敷設方向
は、工事記録によりおおよそ予測することができる。そ
こでセンサ１０は母船によりケーブルと直交するように
曳航される。海底ケーブルには陸上の端局より探査用の
交流電流が供給されている。さらに具体的に説明する
と、海底ケーブルは、その中心部に配置された信号線群
の外側に中継器に直流電力を供給するための給電線が設
けられている。海底ケーブルに障害が発生したとき、陸
上の端局から、前記給電線に１６〜２５ヘルツ程度の周
波数を有する探査用の交流信号を重畳して送出する。海
底ケーブルの障害発生個所においては前記給電線が海水
に接触しているから、前記陸上の端局から送出された探
査用の交流信号は、端局から海底ケーブルの障害点まで
は該海底ケーブル中を流れるが、障害点より先において
は海水に接地される。したがって、障害点までの海底ケ
ーブルからは交流磁界が発生されるが、その先の海底ケ
ーブルからは交流磁界が発生されていない。

【００２４】そこで、本発明の交流磁気センサ１０を海
底ケーブルと直行するように曳航して、前述したよう
に、Ｘ−Ｔレコーダ上に現れる波形を観察することによ
り海底ケーブルの位置を探知する。次いで、前記探査用
の交流信号を送出している端局より遠くなる方向に曳航
位置をずらせて、再度海底ケーブルの位置を探査する。
このように探査を繰り返すことにより、交流磁界が発生
しなくなる点、すなわち、障害位置を特定することがで
きる。なお、障害位置を特定した後は、該障害位置の近
傍で海底ケーブルを切断し、切断位置の両端の海底ケー
ブルを母船上に引き上げて、障害箇所を切除し、補修用
のケーブルを接続して、再び海底に敷設することによ
り、障害箇所の修理が行われる

【００２５】図７は差動型センサの曳航方法の他の例を
示す図である。図７の（ａ）はその平面図を示し、
（ｂ）は正面図を示している。この例は、海底面との接
触に起因する衝撃によるＳ／Ｎの劣化を防止するため、
センサ１０を海底面から浮かして曳航する例である。

【００２６】センサ１０に浮力を与えるため、センサの
上部には浮力材３０が固定されている。また、センサと
海底面との高さを調整するために、センサ１０からロー
プ２６を介して重り２９をぶら下げている。重り２９の
重さと浮力材３０の浮力を調整することにより、重り２
９が常に接地する様な状況でセンサを曳航することが可
能となる。すなわち、重り２９をぶら下げるロープ２６
の長さによりセンサの海底面からの高さを調整すること
が可能となる。また、曳航ケーブル２７の重量がセンサ
１０の浮力に影響を与えないように、曳航ケーブル２７
の先端とセンサ１０の間は、ロープ２６で接続されてい
る。さらに、曳航ケーブル２７の先端が着底するよう
に、その先端に重り２８が取り付けられている。センサ
１０の後部には、その水中での姿勢が安定するように、
水平安定翼３１と垂直安定翼３２が取り付けられてい
る。なお、センサ１０と海底面との距離は０．５〜１
［ｍ］程度となるように設定すればよい。

【００２７】このようにセンサを海底面から浮かすこと
により、海底面との接触による衝撃を防ぐことができ
る。センサのゆっくりとした姿勢の動揺は取り除くこと
ができないが、速い動揺は除くことができる。ゆっくり
とした姿勢の動揺によるセンサの出力変動の周波数成分
は低いので測定に大きな影響を与えない。すなわち、本
例のように構成することにより測定に大きな影響を与え
る速い周期でのセンサの動揺を除くことができる。

【００２８】なお、以上の実施例では、２個のコイルを
使用したセンサを想定しているが、２個以上のコイルを
用いることも可能であり、使用するコイルも、空心のも
のに限らず、磁心入りのものを使用することができる。
また、交流磁気センサとして、上述したコイルのほか
に、フラックスゲート型磁気センサのような他のセンサ
を用いることもできる。さらにまた、図１から図３の説
明では、コイルで検出する磁界の成分としてｙ成分を用
いたが、ｚ成分でもほぼ同じ結果を得ることができる。
ケーブルと平行なｘ軸方向の磁界の成分の大きさはゼロ
であるので、コイルの軸方向はｘ軸以外の方向であれば
よい。さらに、例えば、異なる方向に感度を持つ２組の
差動型交流磁気センサを組み合わせて使用することも可
能である。

【００２９】さらにまた、今までの説明では差動型交流
磁気センサを曳航する例について説明したが、本発明の
差動型交流磁気センサは、水中ロボットなどの水中移動
体に搭載することも可能である。さらにまた、今までの
説明では、海底ケーブルを探査する場合について説明し
たが、これに限られることはなく、交流電流が流される
長尺物であればいかなるものであっても検知することが
できることは明らかである。

【００３０】

【発明の効果】感度の指向性を有する２個以上の交流磁
気センサを各々の軸が互いに平行になるように配置し、
その出力の差の信号を出力するように構成された本発明
の差動型交流磁気センサによれば、センサの位置の変動
によって地球磁場を横切ることにより生じる雑音信号を
除去することができ、所望の信号のみを検出することが
できる。また、交流磁気センサがコイルにより構成され
た本発明によれば、差動型交流磁気センサを安価なもの
とすることができる。

【００３１】さらにまた、各々の交流磁気センサの感度
を補正する手段を有する本発明によれば、各交流磁気セ
ンサの感度に差異がある場合においてもその感度差を補
償することができる。さらにまた、電力と信号を伝送す
る伝送路と抗張力体とを有する曳航ケーブルを用いて母
船により曳航される本発明によれば、安価な交流磁気セ
ンサを用いて海底ケーブルなどの障害位置を検出するこ
とが可能となる。さらにまた、緩衝材で被覆されている
本発明によれば、海底との接触による衝撃により２つの
コイルの軸が相対的に振動することを防止でき、そのた
めに雑音が生じることがなくなる。

【００３２】さらにまた、浮力材と姿勢安定用の翼とが
取り付けられ、曳航時に水中で安定して浮遊するように
なされているとともに、その先端に重りが取り付けられ
て海底に接触するようになされた曳航ケーブルの先端と
水中重量の軽いロープを用いて接続されている本発明に
よれば、センサと海底面との接触がなく測定に大きな影
響を与える速い周期でのセンサの動揺を防止することが
でき、雑音をなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の差動型交流磁気センサの原理を説明
するための図である。

【図２】 単独のコイルを地球磁場の中でランダムに回
転した場合の出力の２５Ｈｚ成分の大きさの計算例を示
す図である。

【図３】 海底ケーブルからの水平距離ｙと海底ケーブ
ルから発生する交流磁界のｙ成分Ｂｙとの関係、および
２個のコイルに発生する交流磁界Ｂｙの差ΔＢｙの計算
例を示す図である。

【図４】 本発明の差動型交流磁気センサの実施の形態
の一例を示す図である。

【図５】 本発明の差動型交流磁気センサに使用される
電子回路２０の構成の一例を示す図である。

【図６】 本発明の差動型交流磁気センサの曳航方法の
一例を示す図である。

【図７】 本発明の差動型交流磁気センサの曳航方法の
他の例を示す図である。

【符号の説明】

１０ 差動型交流磁気センサ １１、１２ コイル １３ 円柱状耐圧容器 １４ 蓋 １５ 押さえ金具 １６ 水中コネクタ １７ 保護枠 １８、１９ コイルの巻き枠 ２０ 電子回路 ２１ Ｏリング ２２ 水中コード ２３ 緩衝材 ２４ 円柱状カバー ２５ 袋 ２６ ロープ ２７ 曳航ケーブル ２８、２９ 重り ３０ 浮力材 ３１ 水平安定翼 ３２ 垂直安定翼 ２０１、２０２ 可変利得増幅器 ２０３ 差動増幅器 ２０４ バンドパスフィルタ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 感度の指向性を有する２個以上の交流磁
   気センサと、 前記各交流磁気センサからの出力信号の差を出力する手
   段とを有し、 前記各交流磁気センサの各々の軸が互いに平行になるよ
   うに配置したことを特徴とする差動型交流磁気センサ。
2. 【請求項２】 前記各交流磁気センサは、コイルからな
   っており、かつ、耐圧容器内に収容されていることを特
   徴とする請求項１記載の差動型交流磁気センサ。
3. 【請求項３】 前記各々の交流磁気センサの感度を補正
   する手段を有することを特徴とする請求項１あるいは２
   のいずれかに記載の差動型交流磁気センサ。
4. 【請求項４】 電力と信号とを伝送する伝送路と抗張力
   体とを有する曳航ケーブルを用いて母船により曳航され
   ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の差
   動型交流磁気センサ。
5. 【請求項５】 緩衝材で被覆されており、曳航時の海底
   との接触による衝撃に起因する雑音が低減されるように
   なされていることを特徴とする請求項４に記載の差動型
   交流磁気センサ。
6. 【請求項６】 浮力材と姿勢安定用の翼とが取り付けら
   れ、曳航時に水中で安定して浮遊するようになされてい
   るとともに、前記曳航ケーブルの先端に水中重量の軽い
   ロープを用いて接続されており、前記曳航ケーブルはそ
   の先端に該曳航ケーブルの先端が海底に接触するように
   重りが取り付けられていることを特徴とする請求項４に
   記載の差動型交流磁気センサ。