デジタル・ディレクショナル・モジュールの開発

技術紹介 15 デジタル・ディレクショナル・モジュールの開発
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技術紹介
15 デジタル・ディレクショナル・モジュールの開発
Development of Digital Directional Module
佐藤 秀俊
Hidetoshi Sato
航機事業部 第一設計部
エキスパート
佐藤 靖裕
Yasuhiro Sato
航機事業部 第一設計部
主任
石井 俊介
Shunsuke Ishii
航機事業部 第一設計部
キーワード: 加速度計、油田開発、磁気測定、地磁気
Keywords : Accelerometer, Oil development, Magnetic measurement, Earth magnetism
要 旨
SUMMARY
今回、3 軸加速 度、及び 3 軸磁 気を検出しデジタ
We have produced a trial model of digital directional
module (DDM) which detects 3 axis acceleration
and 3 axis magnetism and outputs digital signal.
The module has A/D converter, CPU, etc., which are
added to the existing sensor package for oil drilling.
By this addition, digital signal output function is
provided. Further, the module is designed to perform
temperature correction for sensor outputs internally.
ル出力を行うデジタル・ディレクショナル・モジュー
ル (DDM) を試作いたしました。本モジュールは、従
来 の 油田掘削用センサパッケージに、A/D 変 換 器、
CPU 等を付加し、デジタル信号出力機能を付加する
とともに内部でのセンサ出力の温度補正等を実現して
います。
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1 まえがき
当社ではこれまで油田掘削市場に対して、耐高温および耐高振動・衝撃要求を満足した
掘削装置のセンサパッケージを販売してきました。その製品には、掘削ドリルの傾斜を計測
するための加速度センサを 3 軸有する「インクリノメータ・パッケージ 1)」
、掘削ドリルの
磁方位を計測するための地磁気センサを 3 軸有する「マグネットメータ・パッケージ 2)」
、
インクリノメータ・パッケージとマグネットメータ・パッケージ双方の計測機能を持ち合わ
せた
「ディレクショナル・モジュール (DM)」があります。
これらのセンサ信号の出力形態はアナログ信号であり、磁方位角 (Azimuth)、傾斜角
(Inclination) および回転角 (Tool Face) 等の計算はお客様の装置で行われます。そのた
めパッケージ毎に取得する加速度センサと地磁気センサの補正情報をお客様の装置にパッ
ケージ毎に設定していただく必要があります。そこで、我々はデジタル信号処理部を内蔵
しセンサ補正済みのデータをデジタル出力するセンサパッケージとして DDM の開発を進
めています。
2 DDM
DDM は図 1 に示すように、地磁気検出用の 3 軸磁気センサ、傾斜角検出用の 3 軸加
速度センサ、及び、センサ出力補正用に用いる温度センサからなるセンサ部とデジタル信
号処理部から成ります。デジタル信号処理部では、センサ部から入力されるアナログ信号
を A/D 変換し、汎用 CPU により補正計算を行いシリアル信号として外部出力します。し
たがって、例えば、DDM 内部でセンサ出力の温度補正計算を実施するなど、お客様から
の要求に対して柔軟に対応することが可能です。
図 1 に DDM の基本構成を示します。
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図 1 DDM 構成
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3 開発のポイント
本品は加速度センサ、及び地磁気センサ出力をデジタル信号化するため、高温環境にお
いて安定に動作するデジタル信号処理回路の開発が重要となります。また、地磁気センサ
は周囲の磁性体、電流等に影響を受けてしまうため、その影響を極力小さくすることが重
要となります。
(1) デジタル信号処理回路
DDM には従来のセンサのアナログ処理回路に加えて、高温で安定動作するデジタル信
号処理回路が必要です。そのため、新たに必要となる CPU 等のデジタル IC について温
度特性等を考慮した部品選定を行うことが必要です。また、従来から高温で使用していた
部品についてもデジタル化を考慮して再選定を行いました。例えば、従来から使用してい
たオペアンプにつきましても、デジタル化により今まで以上に高速応答性が必要となった
ため、再選定を行いました。
なお、センサデータの補正および傾斜角等の演算データ算出はデジタル信号処理回路で
行っています。
(2) センサ処理回路
従来、磁気センサを動作させるための励磁信号および検出信号は、磁気センサ回路内で
構成された発振回路で作成していましたが、DDM ではそれらの回路をデジタル信号処理
回路に搭載された部品と共有化して構成することで可能な限り部品点数を減らし、コスト
低減および信頼性向上を図っています。
(3) 形状・配置への配慮
磁気センサ回路基板および信号処理回路基板上には地磁気センサに影響を与えてしま
う部品もあるため、本 DDM ではこの影響を最小限にするよう検出コイルとこれらの部品
の位置関係も十分配慮した配置としています。
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4 試作品の評価結果
4.1 試作品の仕様
表 1 に試作品の仕様、および外観を写真 1 に示します。
表 1 試作品の仕様
項 目
センサ部
仕 様
加速度センサ
JA-25H200A
磁気センサ
MAGNETOMETER PACKAGE (KT000513) 相当
インターフェース
シリアル (RS232C)
データ更新レート
100Hz (センサデータ )
動作温度範囲
− 40 ∼ + 200℃
電 源
+12V、−12V、+ 5V
寸 法
L:347.0mm、Φ:30.0mm
出力信号
センサデータ
・加速度データ ( 非補正 )
・地磁気データ ( 非補正 )
・加速度データ ( 補正後 )
・地磁気データ ( 補正後 )
・温度データ
その他 ( 参考データとして下記演算データを出力 )
・Total Gravitational Field
・Total Magnetic Field
・Magnetic Dip Angle
・Inclination Angle
・Azimuth Angle
・Gravitational Toolface Angle
・Magnetic Toolface Angle
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写真 1 DDM 外観
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4.2 デジタル信号処理回路部の性能
+ 25℃から+ 200℃の温度範囲において、入力として基準電圧を印加してデジタル変
換された出力を測定することでデジタル信号処理回路の性能評価を行いました。その結果
を表 2 に示します。感度およびバイアスの+ 25℃から+ 200℃における変動量はともに
デジタル信号処理回路としての目標値以下であり、デジタル信号処理回路の特性がセンサ
性能へ及ぼす影響は十分に小さいことが確認できます。
表 2 デジタル信号処理回路の性能
項 目
目標値
評価結果
感度の変動量
0.4% 以下
0.25%
バイアスの変動量
2.0mV 以下
0.8mV
(測定温度:+ 25 ∼ + 200℃)
4.3 DDM の性能
表 3 および図 2 ∼ 5 に DDM の性能評価結果を示します。図 2 ∼ 5 は+ 25℃から
+ 200℃における非補正の X 軸加速度データおよび X 軸地磁気データの温度特性を代
表として示しています。非補正のデジタルデータと従来の方式で取得したアナログデータ
に加え、補正後のデータを破線で示します。加速度センサ、地磁気センサともに感度、バ
イアスのデジタルデータとアナログデータでほぼ同様の傾向を示しており、いずれも従来
のアナログデータのディレクショナル・モジュールに対する目標値を満足しています。Y 軸、
Z 軸についても同様に良好な結果であることが確認されており、本 DDM はアナログデー
タのディレクショナル・モジュールと同等の性能をデジタル出力形式で達成することが出
来ていると言えます。また、補正後の値はいずれも温度による変動が抑えられており、補
正の効果を確認することができます。
表 3 DDM の性能
項 目
目標性能
X軸
加速度
データ
地磁気
データ
感度 ( 非補正 )
2.375 ∼ 2.625 V/G
感度補正残差
評価結果
Y軸
備考
Z軸
2.51
2.56
2.48
0 ± 600ppm
− 576
− 308
− 356
―
バイアス ( 非補正 )
0 ± 15mG (@+25 ℃ )
0 ± 30mG (@+200℃ )
− 1.40
3.96
− 5.44
4.38
− 2.49
5.50
図 3 参照
バイアス補正残差
0 ± 1.0mG
− 0.30
− 0.18
− 0.31
―
感度 ( 非補正 )
3.325 ∼ 3.675 V/Gs
3.41
3.43
3.43
図 4 参照
感度補正残差
0 ± 1000ppm
606
574
908
―
バイアス ( 非補正 )
0 ± 0.8mGs (@+25 ℃ )
0 ± 6.8mGs (@+200℃ )
0.10
− 1.48
− 0.33
0.85
− 0.02
− 3.16
図 5 参照
バイアス補正残差
0 ± 1.0mGs
0.26
0.47
− 0.28
―
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図 2 参照
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[V/G]
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2.375 ~ 2.625 V/G
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図 2 加速度センサ感度温度特性
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��30 mG
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図 3 加速度センサ バイアス温度特性
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[V/Gauss]
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3.325 ~ 3.675 V/Gs
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図 4 地磁気センサ感度温度特性
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��6.8 mGs
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��0.8mGauss
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図 5 地磁気センサ バイアス温度特性
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5 むすび
DDM は試作品による評価を行っているところですが、デジタル信号処理部については
高温環境下での動作をほぼ確認することができました。今後、長期安定性などの信頼性
評価を実施して、DDM の製品化を進めて行きたいと考えています。
[ 参考文献 ]
1) 安藤芳之 : “油田掘削用インクリノメータ・パッケージの開発”,
航空電子技法 ,24 号 (2000)
2) 高辻祐輔 : “油田掘削用マグネットメータ・パッケージの開発”,
航空電子技法 ,26 号 (2002)
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