JP2005300510A - 検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 非磁性導体からなる対象物の位置、変位、ずれ、キズ、厚さ、面ブレ、振動、表面の凹凸、回転数、速度、等をＭＩ素子と励磁コイルで構成したセンサで高感度に検出する。
【解決手段】 非磁性体対象物の検出センサであって、該非対象物を励磁するコイルにより、該非対象物に生じた渦電流反磁界による磁束変化を検出する磁気インピーダンス素子、及び該インピーダンス素子を該コイルの円周外部に配置することを特徴とする信号処理回路を備えた検出センサ
【選択図】 図１

Description

本発明は、非磁性導体からなる対象物の位置、変位、ずれ、キズ、厚さ、面ブレ、軸振動、表面の凹凸、回転数、速度等を、励磁コイルと磁気インピーダンス素子（以下ＭＩ素子と略する）を用いて検出するセンサに関する。

非磁性導体を検出対象として、位置、変位、ずれ、キズ、厚さ、面ブレ、軸振動、表面の凹凸、回転数、速度等を検出するセンサとして渦電流を利用したものが知られている。

図１６は従来の渦電流を利用した検出センサ３の概念図である。同図の検出センサ３は空心コイルからなるコイル４、発振回路５、増幅器６、信号処理回路７からなっている。同図において符号２は非磁性導体対象物である。この検出センサ３は発振回路５よりコイル４に交流電流を流し交流磁束３を発生させる。該非磁性導体対象物２表面とセンサ間の距離が短くなると、交流磁束３の一部が非磁性導体対象物２の内部に侵入して渦電流を発生し、その渦電流により発生した反磁界が交流磁束３を打ち消し、コイル電圧は低下する。反対に、該非磁性導体対象物２の表面とセンサ間の距離が長くなるとコイル電圧は増加する。そこで、このコイル電圧を信号として増幅器６で増幅し、信号処理回路７で処理する。

しかしながら、このような回転センサは、例えば、コイル４を径１０ｍｍ以下に小型化すると感度が落ち、渦電流の反磁場の強さが急激に低下するため、測定対象物の表面積が小さい場合や測定対象物と励磁コイルとの距離（リフトオフ）がおよそ１ｍｍ以上の場合には測定が困難となる。様々な分野で該センサの小型化の要請がある。例えばアルミニウム製の測定対象物の凹凸上下の落差が１ｍｍ以下の測定の場合、径１０ｍｍ以下の励磁コイルを使用して安全を見てリフトオフを１ｍｍ以上での測定が困難となる。
このような問題に対しては、コイルの巻き数を増やし、コイル電圧を上げること試られたが、十分な信号を得るに到っていない。

これに対して、近年、ＭＩ素子が、高感度で、消費電流が少なく、形状が小さいことから注目され、例えば、車載センサとして車速センサ、位置センサ、高さ測定センサ、ポジションセンサ等、また工場内生産ラインとして各種近接センサ、工場内搬送装置などに使用されているか、又はされつつある（特許文献１）。
しかしながら、ＭＩ素子は基本的に非磁性物質に応答しないために、非磁性導体の測定個所に磁性物質を取り付けたり、蒸着をして使用する必要がある。一方測定個所の取り付けが不可能な場所や測定環境によっては好ましくはない場合がある。

そこで、位置、変位、ずれ、キズ、厚さ、面ブレ、軸振動、表面の凹凸、回転数、速度等を測定する場合、非磁性導体対象物に磁性物質を取り付けや蒸着することなくそのままの形態で高感度に求められるようにすることが求められている。なお、ＭＩ素子を利用した渦電流センサとしては、金属の欠陥検出を目的としたもの（非特許文献１）や、金属体との距離を検出するものが既に提案されているが感度の点で低いかもしくは不明確である。
特開２００２−１９５８５４号 特開２００３−２７３７１８号 日本応用磁気学会誌、２３、１４５３−１４５６（１９９９）

本発明は、ＭＩ素子を利用したセンサにより、非磁性体対象物の位置、変位、ずれ、キズ、厚さ、面ブレ、軸振動、表面の凹凸、回転数、速度をその非磁性対象物に磁性物質を取り付けたり、蒸着したりすることなく、そのままの形態で高感度に求めることができるようにし、更にそのセンサを小型化することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、非磁性導体対象物の位置、変位、ずれ、キズ、厚さ、面ブレ、軸振動、表面の凹凸、回転数、速度を検出するセンサであって、非磁性体導体対象物を励磁する励磁コイル、励磁コイルにより非磁性体導体対象物による磁束変化を検出する磁気インピーダンス素子、及び磁気インピーダンス素子により検出された信号を処理する演算回路を備えた検出センサを提供する。

本発明の検出センサはＭＩ素子を励磁コイルの外部に配置することで、渦電流による反磁場の影響を効果的にし、高感度で小型化にすることが実現できる。例えば従来の磁気抵抗素子の感度が１ガウス程度であるのに対して、１０−６ ガウス程度の高感度のＭＩ素子を反磁場の影響を効果的に取り出すために励磁コイルの外部に配置して更に感度を高め、演算回路を除いたセンサヘッド部を縦横数ｍｍないしそれ以下の寸法に小型化し、検出精度を向上すると同時に、従来測定不可能であったリフトオフでの測定を可能にすることができる。
従って、非磁性体対象物の位置、変位、ずれ、キズ、厚さ、面ブレ、軸振動、表面の凹凸、回転数、速度の計測に使用することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成要素を表している。
図１は、本発明の一実施例の検出センサ１の概念図である。この検出センサ１は、先端ヘッド部１１が励磁コイル９及び、ＭＩ素子１０で構成されており、また、回路部が励磁用発振回路１２、ＭＩ素子用発振回路１３、及び保持回路１５と増幅器６からなる演算回路１４で構成されている。ＭＩ素子１０は、その外部磁場感知方向（長手方向）が励磁コイル９の軸に対して垂直に該コイル円周外部に配置されており、非磁性導体対象物２の面に対して水平となるように配置されて使用される。このように励磁コイル９とＭＩ素子１０とを配置することにより、リフトオフを大きくした場合の感度の低下を大幅に抑制することができる。本発明において、ＭＩ素子１０としては例えば、直径２０から３０μｍ、長さ約０．５ｍｍから１．０ｍｍの棒状のアモルハスワイヤを使用する。この他、ＭＩ素子としては、ガラス等の基板に蒸着により形成した薄膜ＭＩ素子を使用してもよく、その場合、薄膜ＭＩ素子の大きさは、例えば、縦１〜３ｍｍ×横２〜４ｍｍ×厚さ０．２〜１．５ｍｍ程度となる。

ＭＩ素子１０には発振回路等により高周波電圧を印加する。ＭＩ素子１０の近傍には、必要に応じて、感度調整コイル１６を設け、適度に電流を流すことが好ましい。また、ＭＩ素子１０はその周囲をシリコーン樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、セラミック等図６のＭＩ素子保護物質１７で外気や障害物に触れないようで覆う構造が好ましい。一方、励磁コイル９としては、例えば、線径０．０１ｍｍ〜１ｍｍの銅、ニッケルメッキ銅からなる、外径０．５〜１０ｍｍのコイルを使用する。
図６−１のようにＭＩ素子保護物質１７上または下に銅線を巻いた励磁コイル９を設置してもよいし、図６−３のようにＭＩ素子１０の左または右に該励磁コイル９を設置してもよい。また、図６−２のようにＭＩ素子１０と励磁コイル９は互いに一定距離離して配置してよい。励磁コイル９の巻数（ターン数）は、２０〜１０００が好ましい。通常、この範囲では、ターン数が多い程好ましく、励磁コイル９の長さがＭＩ素子１０長を超えても良い。

そこで、励磁コイル９に印加する電圧を例えば５Ｖ以下に抑えるためには、１０〜２００ターンとすることが好ましい。ターン数が少なすぎると、交流信号の振幅は小さく、短いリフトオフでしか使用できなくなる。励磁コイル９には、励磁用発振回路１２により交流正弦波電圧を印加する。励磁コイル９への印加電圧を上げることによりＭＩ素子１０で検出される信号の変化分を大きくし、ノイズ比を低下させることができる。更に図２の形態のようにＭＩ素子１０を励磁コイル９内部に配置した検出センサ２に比べて、図１のようにＭＩ素子１０を励磁コイル９円周外部に配置している本考案の検出センサ１は飛躍的に高感度の検出が可能である。また、ＭＩ素子１０と励磁コイル９の間隔を数ｍｍ空けることで感度は高まることがあっても下がることはない。よって、信頼性が高く、高感度でかつ製作コストの安価な検出センサの提供が可能である。ここで、図２の構成の検出センサ２は図１の構成の検出センサ１においてＭＩ素子１０を励磁コイル９の内部に配置換えした場合に等しい。

検出センサ１の好ましい使用方法として、図１の態様ではアルミニウム、真鍮、またはこれら合金等の非磁性導体対象物２の表面から０．１ｍｍから５０ｍｍ離れた位置に、ＭＩ素子１０を、その外部磁場感知方向が非磁性導体対象物２の近接面と水平になるように配置する。このとき、ＭＩ素子１０の外部磁場感知方向とＭＩ素子１０の外部にある励磁コイル９の軸とは垂直になる。ＭＩ素子用発振回路１３によってＭＩ素子１０に高周波電流を流すと、ＭＩ素子１０は表皮効果により高感度の磁気検出状態となる。この状態で非磁性導体対象物２表面近辺に渦電流が生じる。非磁性導体対象物２をより接近させると渦電流が増加し、遠ざけると渦電流は減少し、最後に励磁電流の影響成分のみが残る。その増減は、図２のＭＩ素子を該励磁コイル９内に配置した検出センサ２の変化量に比較して格段に大きい。そこで、演算回路１４では、この渦電流によるＭＩ素子１０のインピーダンスの変化量を信号として取り出す。

より具体的には、まず、図１の保持回路１５で保持し、増幅回路６で増幅し、その信号の変化をオシロスコープ等のモニターに出力するか、あるいはＡＤ変換回路に出力する。図２の様態においても、図１の様態と同一の方法で測定を行なう。
なお、励磁コイル９円周内部にＭＩ素子１０を配置した構成のうち、特許文献２に記載されている、励磁コイル９軸と平行に外部磁場感知方向があり、測定時、非磁性導体対象物２面に垂直な図１５に示す検出センサ４の構成は、励磁コイル９軸に垂直外部磁場感知方向があり非磁性導体対象物２面と平行な図１の検出センサ１より特に高い感度でないので本考案では説明を省略する。

実施例１

ＭＩ素子を励磁コイル９の外部に配置した図１の構成からなる検出センサ１とＭＩ素子１０を励磁コイル９の内部に配置した図２の構成からなる検出センサ２の出力比較試験を行なった。また、検出センサ１の感度をも同時に調べた。ここで励磁コイルとして、銅線を外径３ｍｍに４０ターン（１．７Ω）、８０ターン（３．４Ω）、１２０ターン（５．１Ω）巻いたものを使用した。
図１及び図２の構成はともに、ＭＩ素子１０はその外部磁場感知方向が励磁コイル９の軸に垂直となるように取りつけられており、測定時にはＭＩ素子１０をその外部磁場感知方向がアルミニウム製非磁性導体対象物２に平行となるように配置した。ＭＩ素子１０の端子間に１０〜７０ｋＨｚの周波数範囲で電流を加え、またＭＩ素子１０と発振回路を含む回路への印加電圧（以下、回路印加電圧という）として５Ｖを加え試験をしたときの出力波形例をオシロスコープに表示させた。結果を図３に示す。
図３に示すように、ＭＩ素子１０の検出出力は、励磁コイル９の磁気の影響で正弦波になっている。この正弦波の出力波形には、非磁性導体対象物２に生じた渦電流による反磁場の影響を含まれている。
試験１−１

図２の構成（ＭＩ素子を励磁コイルの内部に配置）で、励磁電圧を０．２Ｖ〜５Ｖの範囲のときのリフトオフ（ｍｍ）と出力電圧（ｍＶ）の関係の測定結果を図４に示す。
０〜１０ｍｍまでのリフトオフにおいて、０．２Ｖ、０．５Ｖ、２Ｖ、５Ｖの各励磁電圧で各出力電圧を測定した。各励磁電圧ごとの出力の変化は０ｍｍ〜１ｍｍでは大きいが、１ｍｍを過ぎると次第に小さくなり、１０ｍｍ近くではほとんど無視できるほど小さくなる。
また、リフトオフの大小により励磁コイル電圧が高いほど出力電圧差を大きく取れる。
ここで感度を次のように定義し、各励磁電圧ごとの感度変化の度合いを比較した。
感度＝リフトオフ０ｍｍでの出力電圧値／リフトオフ１０ｍｍでの出力電圧値
感度は各励磁電圧ともおよそ１．３から１．４の間にあり、励磁電圧の大きさにあまり影響を受けない。
試験１−２

図１の構成（ＭＩ素子を励磁コイルの円周外部に密着して配置）で、コイル巻数４０タ−ン及び励磁電圧１Ｖ及び５Ｖのときのリフトオフ（ｍｍ）と出力電圧（ｍＶ）の関係について測定結果を図５に示す。
およそ径２０〜３０μｍのＭＩ素子１０と励磁コイル９は図６−１のように間にＭＩ素子保物質１７を介して接触している。この間の距離はおよそ０．５ｍｍであった。励磁電圧１Ｖ及び５Ｖでリフトオフ（ｍｍ）と出力電圧（ｍＶ）の関係を示す。０〜１０ｍｍまでのリフトオフにおいて、１Ｖと５Ｖの各励磁電圧で各出力電圧を測定した。各励磁電圧ごとの出力の変化は０ｍｍ〜２ｍｍまで大きいが、２ｍｍを過ぎると次第に小さくなり、それ以降１０ｍｍ近くでは微小となった。感度は各励磁電圧で２から３の範囲にあった。更に、図１の構成と図２の構成を比較するために、両構成のリフトオフ０ｍｍにおけるそれぞれの出力値を標準値１とし、各リフトオフにおける比をグラフにして図７に示す。図１の構成（ＭＩ素子を励磁コイルの周辺外部に密着し配置）は図２の構成（ＭＩ素子を励磁コイルの内部に配置）よりはるかに感度が高い。
以上、ＭＩ素子をコイルの外部に配置した検出センサはＭＩ素子をコイルの内側に配置した検出センサに比べて十分に大きな信号が得られた。
試験１−３

図１の構造（ＭＩ素子を励磁コイルの円周外部に密着して配置）で、コイルの巻き数８０ターン及び各励磁電圧０．２Ｖ，１Ｖ，５Ｖのときのリフトオフ（ｍｍ）と出力電圧（ｍＶ）の関係について測定結果を図８に示す。測定方法及びその他の条件は試１−２と同一である。この試験の結果を試１−２と比較すると、コイルの巻数が８０ターンにした検出センサは巻数が４０ターンの検出センサよりも出力電圧がおよそ２倍高い。しかし、感度は２．０から３．０の範囲であまり変わらない。
試験１−４

図１の構造（ＭＩ素子を励磁コイルの円周外部に密着して配置）で、励磁コイル電圧を５Ｖとコイルの巻数４０ターン、８０ターン、及び１２０の各ターンのときのリフトオフ出力電圧（ｍＶ）の関係について測定結果を図９に示す。ターン数が多い程出力電圧が高くなる。感度は２から３の間にあり差は認められなかった。
試験１−５

図１の構造（ＭＩ素子被覆部と励磁コイルの円周外部が密着して配置）の試１−２の検出センサの結果と、ＭＩ素子被覆物質と励磁コイルとの間隔を１ｍｍ離して設置した概念図６−２に示す検出センサの結果を図１０に示し、更に、図１１で各データのリフトオフ０ｍｍを基準値１とし、その他リフトオフでの数値を相対比に変換し、間隔の影響を検討した。
その結果、出力電圧は１ｍｍ間隔を空けると、出力電圧はおよそ１／３になったが、信号変化量は勝るとも劣らなかった。
試験１−６

図１の構造（ＭＩ素子の被腹膜を密着して励磁コイルの円周外部に配置）で、励磁コイル径をより小型に変えたときの効果を調べた。コイル径は内径３．１ｍｍ、外径４．４ｍｍ、線径０．１ｍｍ、長さ０．９８ｍｍ及び抵抗１．７Ωから内径１．２５ｍｍ、外径２．４ｍｍ、線径０．０６ｍｍ、長さ０．９５ｍｍ及び抵抗４．８Ωのコイルに変える前後の測定結果を図１２に示す。
その結果、コイル径の大小による出力差を明確にするほどではなかった。
試験１−７

図１の構造（ＭＩ素子を励磁コイルの円周外部に密着して配置）で、ＭＩ素子端子磁気感知方向延長線上に励磁コイルを配置する図６−３の構成の検出センサの結果を図１３示す。励磁電圧は２．６Ｖである。
図１３の結果より、該検出センサは図１の構成の検出センサのなかでも、特に高い出力電圧を示し、かつほぼ同等の感度変化を持ち合わせている。

真鍮を非磁性導体対象物として、コイル巻数４０ターンで図１の構成（ＭＩ素子を励磁コイルの外部に配置）にしたときと、図２の構成（ＭＩ素子を励磁コイルの内部に配置）にしたときの比較を示した。使用したＭＩ素子及びコイルは実施例１で用いたものと同じものである。ＭＩ素子の端子間に１０〜７０ｋＨｚの周波数範で電流を加え、またＭＩ素子と発振回路を含む回路への印加電圧（以下、回路印電圧という）として５Ｖを加えたときの出力波形をオシロスコープで表示させ図１４に結果を示す。
測定時、リフトオフ０ｍｍで両構成にもほぼ等しくなるように出力電圧を調整した。ＭＩ素子を励磁コイルの外部に構成した検出センサはコイル内部に構成したものより、アルミニウム非磁性導体対象物と同様高い感度を示す。

本発明実施例１のＭＩ素子を励磁コイルの円周外部に配置した検出センサの概念図 本発明実施例１と比較するため、ＭＩ素子が励磁コイルの円周内部にある検出センサの概念図 オシロスコープより得られる検出波形の一例図 実施例１の図２の構成（ＭＩ素子を励磁コイルの内部に配置）の結果を示す図 実施例１の図１の構成（ＭＩ素子を励磁コイルの円周外部に保護物質を密着して配置）での結果を示す図 実施例１のＭＩ素子を励磁コイルの外部に配置した３様態の説明図 実施例１のリフトオフ０ｍｍを基準値１にして、図１の構成（ＭＩ素子を励磁コイルの外部に保護物質を密着して配置）と図２の構成（ＭＩ素子を励磁コイルの内部に配置）との感度比の比較図 実施例１のコイル巻数８０ターンで、コイル電圧０．２Ｖ、１Ｖ、５Ｖの時のリフトオフと出力の関係図 実施例１のターン数と励磁コイル電圧の関係を示す図 実施例１で励磁コイルとＭＩ素子の間隔を保護物質密着（０．５ｍｍ間隔）した検出センサと１ｍｍ空けたセンサの出力電圧と感度の比較図 実施例１で、リフトオフ０ｍｍを基準値１にして、図１の構成（ＭＩ素子を励磁コイルの外部に保護物質を密着して配置）と１ｍｍ空けたセンサとの感度比の比較図 実施例１でコイル径の大小による出力電圧及び感度の比較図 実施例１ＭＩ素子端子磁気感知方向延長線上に励磁コイルを配置する図６−３の構成での出力結果を示す図 実施例２で真鍮を用いた場合の、リフトオフごとの感度比較図 励磁コイル内部にそのコイル軸と平行に外字磁場感知方向があり、非磁性導体対象物と垂直に測定する検出センサの概念図 従来のコイル式渦電流センサ概念図

符号の説明

１ 検出センサ
２ 非磁性導体対象物
３ 交流磁速
４ コイル
５ 発振回路
６ 増幅器
７ 信号処理器
８ 抵抗
９ 励磁コイル
１０ ＭＩ素子
１１ 先端ヘッド
１２ 励磁用発振回路
１３ ＭＩ素子用発振回路
１４ 演算回路
１５ 保持回路
１６ 感度調整用コイル
１７ ＭＩ素子保護物質
１８ 基板

Claims (6)

1. 非磁性導体対象物の検出センサであって、該非磁性導体対象物を励磁するコイルにより該非対象物に生じた渦電流反磁界による磁束変化を検出する磁気インピーダンス素子、及び該インピーダンス素子を該コイルの円周外部に配置することを特徴とする信号処理回路を備えた検出センサ
2. 磁気インピーダンス素子は、その外部磁場感知方向が励磁コイルの軸に対して垂直に配置され、かつ非磁性導体対象物の磁気インピーダンス素子に対する近接面に対して水平に配置される請求項１記載の検出センサ
3. 磁気インピーダンス素子の端部磁気感知方向延長上に励磁コイルを配置する請求項１及び２記載の検出センサ
4. 磁気インピーダンス素子とコイルは０．０１ｍｍから５０ｍｍの範囲で離れた位置に配置される請求項１から３記載の検出センサ
5. アルミニウム、真鍮等及びその合金の材料からなる請求項１から４記載の非磁性導体対象物
6. 励磁コイルは線径０．０１ｍｍから１ｍｍの銅又はニッケルメッキ銅からなる銅線を、外形０．５ｍｍから１０ｍｍとなるように１０から１０００ターン巻いたものからなる請求項１から４に記載の検出センサ

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