JP2006343300A - 渦電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】励磁コイルとＭＩセンサ出力波形の位相差が生じても常に正確な値を測定可能にする。
【解決手段】非磁性体導体対象物１を励磁する励磁コイル２、励磁コイル２により非磁性体導体対象物１による磁束変化を検出するＭＩ素子９、及びＭＩ素子９により検出された交流信号を処理する演算回路１６から構成される磁気インピーダンス検出装置であり、更に該磁気インピーダンス検出装置の交流出力最大値及び（または）最小値を検出するピーク検出回路２１、該ピーク検出回路２１のトリガで該交流出力最大値及び（または）最小値をサンプリングし保持するサンプルホールド回路２３を備えたことを特徴とする。
【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、距離、変位、ずれ、キズ、厚さ、薄膜の研削過程、めっき等の薄膜厚化工程、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素子と呼ぶ）、該ＭＩ素子からの信号を処理し交流信号を出力する回路および該出力信号を直流信号に変換する渦電流検出装置に関する。

非磁性導体を検出対象として、位置、距離、変位、ずれ、キズ、厚さ、厚さ変化、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する方法が知られている。

図２２は従来の渦電流検出装置８の概念図である。該渦電流検出装置８は励磁コイル２、発振回路４、増幅回路６、信号処理回路７から構成されている。同図において符号１は非磁性導体対象物である。該渦電流検出装置８は発振回路４より、励磁コイル２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１の表面とセンサ間の距離が短くなると、交流磁束の一部が非磁性導体対象物１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８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１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回路６で増幅し、信号処理回路７で処理する。

しかし、このような従来の渦電流検出装置は、例えば、コイル径を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２との距離（リフトオフと定義する）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し、コイル電圧を上げることが試みられたが、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、高感度で消費電力が少なく、形状が小さいことか注目され、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（例えば、特許文献１参照）。
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るか、あるいは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、距離、変位、ずれ、キズ、厚さ、厚さ変化、面ブレ、軸振動、表面凹凸、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の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計測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（例えば、非特許文献１参照）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）

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、速度を計測するにあたり、励磁コイルに流れる交流波形とＭＩセンサ出力波形の間に位相差があり、更に励磁コイル及びＭＩ素子と非磁性導体対象物の距離により、それぞれ、励磁コイルとＭＩセンサ出力波形の位相差は更に大きくなる不具合がある。
本発明はこのような位相差が生じても常に正確に測定する測定装置を提供することを目的としてなされたものである。

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、距離、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ＭＩ素子、及びＭＩ素子により検出された交流信号を処理する演算回路から構成される磁気インピーダンス検出装置であり、更に該磁気インピーダンス検出装置の交流出力最大値及び（または）最小値を検出するピーク検出回路、該ピーク検出回路のトリガで該交流出力最大値及び（または）最小値をサンプリングし保持するサンプルホールド回路を備えた渦電流検出装置を提供する。

本発明の検出装置はＭＩ素子を励磁コイルの内部、または外部に該ＭＩ素子の感磁方向を対象物面に平行になるように配置し、非磁性導体対象物に発生する渦電流による反磁場の影響を直接的に及び励磁コイルを介して効果的に検出装置出力信号として利用する方法である。高感度、小型化、高リフトオフが実現できる。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内部または外部に感磁方向が対象物面平行になるように配置して後述するコイル磁場の相互作用を利用して更に感度を高め、演算回路を除いたＭＩ素子と励磁コイルから構成するセンサヘッド部を小型化し、検出精度を向上すと同時に、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。
励磁コイル内部または励磁コイル周縁外部に設置されたＭＩ素子の出力電圧値は設置される位置により異なる。非磁性導体対象物が周囲に存在しない環境下で励磁コイルに交流電流を流すと磁気インピーダンス検出装置の出力に交流電圧が発生する。該交流電圧は励磁コイルとＭＩ素子の位置関係で値が異なる。特にコイル長さのおよそ中央付近で出力電圧値は最小を示す。この後非磁性導体対象物を励磁コイルに近づけると即ちリフトオフを小さくすると出力電圧値は増加し、さらに近接すると最大値に達する。ここで感度を下式に定義する。
感度（％）＝（出力電圧比の最大値−出力電圧比の最小値）×１００（１）
出力電圧値比の最大値を１とすると、ほぼ１００％の感度が得られる。ただし、出力電圧比の最小値は目的に合わせて該ピークより大きい値を用いてもよい。この説明は鉄などの強磁性体以外のほとんどの非磁性導電材料に当てはまる。従って、これらの特性を利用して非磁性体対象物の位置、距離、変位、ずれ、キズ、厚さ変化、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、図面を参照しながら、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。渦電流検出装置は励磁コイルとＭＩ素子からの交流信号を取り出す磁気インピーダンス検出装置１７と該交流信号の最大値及び（もしくは）最小値をホールドして直流信号に変換処理し出力する部分に大別する。先ず磁気インピーダンス検出装置１７について説明する。
ＭＩ素子９を励磁コイル２内部に配置した図４の構成において、またはＭＩ素子９を励磁コイル２周縁外部の適切な位置に配置する図５の構成において高感度のセンサヘッド１０を得ることが可能となる。

非磁性導体対象物１からの渦電流反磁界の影響をなくすようにリフトオフを最大限広げて励磁コイル２に図６の正弦波電圧を印加し、ＭＩ素子９をコイル内で移動するか、もしくはＭＩ素子９を固定して励磁コイル２を移動すると、該正弦波に相似の出力電圧が磁気インピーダンス検出装置１７の出力に現れる。該磁気インピーダンス検出装置１７の出力値は該コイル２内のＭＩ素子９の位置ごとに図７のように変化し、該コイル２の長さ中央部付近で最小値が得られる。出力電圧が最小値となる該バランスの取れた近辺で励磁コイル２を固定する。次に、強磁性材料を除くほとんどの非磁性導体対象物１に該励磁コイル２を近づけると、リフトオフが減少するにつれ、出力電圧値が図８のように大幅に増加するため高感度センサが可能となる。

図２は磁気インピーダンス検出装置１７の構成と機能を説明する概念図である。該磁インピーダンス検出装置１７は励磁コイル２及びＭＩ素子９で構成されているセンサヘッド１０とＭＩ素子用発振回路１１、及び演算回路１６（保持回路１４と増幅回路１５）が構成されている。ＭＩ素子９は、その外部磁場感知方向（長手方向）が励磁コイル２の軸に対して垂直に該コイル内部または周縁外部（図は省略）に配置されており、非磁性導体対象物１の面に対して平行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２とＭＩ素子９を配置することにより、リフトオフを大きくした場合の大幅な感度の向上を図ることができる。本発明において、ＭＩ素子９としては例えば、直径２０μｍ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素子の出力電圧はコイルの巻数、コイル形状、コイル電圧により異なるので、相対比、即ち出力電圧比を代わりに用いることによって全ての図を関連づけることができる。本出願は該センサの交流信号を直流信号に変える方法についての発明である。以下説明をする。

われわれの実験から図９のように励磁コイル２に印加する交流電圧波形（上）と磁気インピーダンス検出装置１７が出力する電圧波形（下）に位相差があり、この位相差は非磁性対象物から磁気インピーダンス検出装置１７までの距離、すなわちリフトオフの距離に依存して励磁コイル２及び 磁気インピーダンス検出装置１７双方にそれぞれ生じることが分かった。
このずれが生じるために、あらかじめ、最大値、または最小値で読み取るように設定しても正確に読み取ることが困難である。励磁コイル２の励磁交流波形および磁気インピーダンス装置１７の出力交流信号波形はリフトオフが大きくなるにつれ位相のずれが図１０に示す一例のように変わる。ずれの大きさは、該励磁コイル２と磁気インピーダンス検出装置１７でそれぞれ異なる。
本発明の目的は位相のずれがあっても正確に最大値および（あるいは）最小値を検して直流出力を得る方法に関する。具体的には図３のように磁気インピーダンス検出装置１７の後段にピーク検出回路２１を配置する。磁気インピーダンス検出装置１７の波形もしくはその増幅後の最大値及び（あるいは）最小値をピーク検出回路２１で検出し、その検出信号をサンプルホールド回路２２及び（あるいは）２３のロジック信号として伝える回路構成および方法に関する。更にサンプルホールド回路２２及び（あるいは）２３は該ロジック信号がハイでサンプル状態になり最大値および（あるいは）最小値を取り入れ、ロウでホールド状態になることにより該値を保持し、直流電圧として出力する方法に関する。

図１に磁気インピーダンス検出装置１７からの出力交流信号を直流信号に変える変換回路等の回路構成の概念図を示す。磁気インピーダンス検出装置１７からの出力直流成分を取り除き、交流分のみを取り出す直流カットコンデンサ１８を用いて図６と相似の交流波形のみを取り出すことができる。図１１のように該波形にノイズがある場合、低域ろ過フィルタ１９を用いて、磁気インピーダンス検出装置１７交流信号のノイズ成分を排除した図１２の正弦波を得る。該交流信号を増幅回路２０により適切値に増幅する。増幅後の該交流信号から分岐した一方の信号をピーク検出回路２１に入力する。ピーク検出回路２１に入力した該交流信号波形が最大値のとき、ピーク検出器２１の出力が短時間のハイに変わる。該ピーク検出器２１の出力をトリガとしてロジック入力端子から得ることにより、サンプルホールド回路２２は該増幅回路２０からの交流信号波形の最大値を入力し、ピーク検出器２１の出力がロウになるとその最大値の状態で保持する。

次に、ピーク検出回路２１に入力した該交流信号波形が最小値のとき、ピーク検出回路２１の出力がロウから短時間ハイに変わる。該ピーク検出器２１のハイ出力をトリガとしてロジック入力端子から得ることにより、サンプルホールド回路２３は該増幅回路２０による交流信号波形の最小値を入力し、該ピーク検出器２１のロウ出力なるとその最小値で保持する。
該出力信号の最大値は差動増幅回路２４のプラス端子に、最小値はマイナス端子に入力する。両出力はともに加算増幅されプラス信号として出力する。更にこの出力を直接外部装置２７に出力するかもしくは、必要に応じて、対数増幅回路２５で変換する。更にこの出力を外部装置２６に出力する。
また、本発明は該交流信号波形の最大値の位置をピーク検出回路２１で検出し、サンプルホールド回路２２で該最大値を入力し、保持し、該サンプル回路２２の出力を外部出力取り出してもよい。その際、サンプルホールド回路２３、差動増幅回路２４は省略する。同様に、本発明は該交流信号波形の最小値の位置をピーク検出回路２１で検出し、サンプルホールド回路２３で該最小値を入力し、保持し、該サンプル回路２３の出力を外部出力として取り出してもよい。その際、サンプルホールド回路２２、差動増幅回路２４は省略する。ただし、該サンプル回路２３の出力のマイナス出力信号をプラス信号に変換するため反転増幅回路が必要となる。

本回路の特徴を述べる。渦電流検出装置は励磁発振の波長とＭＩ素子出力信号の波長との間に位相のずれがあり、この位相のずれは非磁性導体対象物１から該装置までの距離が広がるにつれおおきくなる。該渦電流検出装置は該ピーク検出回路２１を備えることにより、非磁性導体対象物１から該渦電流検出装置までの距離によらず、常に該ピーク検出信号が該サンプルホールド回路２２，２３の最大値および最小値をホールドすることが可能であり信頼性の高い正確な装置を提供することができる。次に図１３を用いてピーク検出回路２１について詳細に説明する。
増幅回路２０から出力された交流信号は一部が増幅回路２８に入力し、該増幅回路２８の増幅後、出力信号としてＡ接点、およびＢ接点に同時間に伝達する。このとき、該増幅回路２８の出力即ち、接点Ａ点の電圧は接点Ｂ点の電圧よりも多少高めに調整される。しかしＡ‘点の信号の伝達速度は遅延回路２９による影響を受けるので、概念図１４のように該交流信号が立ち上がり最大値に到る過程において、Ａ’点の信号電圧はＢ’点の信号電圧に比べて一時的に低い。しかし最大値付近になるとＡ’点の信号電圧が増加し、Ｂ’点の電圧を越え閾値に達すると、比較回路３０が作動しロウであった出力がハイに変わる。該信号とＢ’の波形は相似形であり、位相が同じであるので、該信号の最大値付近で比較回路３０はハイの状態である。比較回路３０がロウからハイに変化したときモノマルチバイブレータ３１はロウからハイの状態に短時間変わる。該ハイのロジック信号を受け、該サンプルホールド回路２２は該入力信号の最大値付近でサンプリングしその値をホールドする。

該交流信号が最大値から下降して最小値に到る過程においも、増幅回路２０から出力された交流信号は一部が増幅回路２８に入力し、該増幅回路２８の増幅後、出力信号として接点及びＢ接点に同時に信号が伝達される。しかしＡ‘接点の信号の伝達速度は遅延Ａ回路２９による影響を受けＢ’接点の信号伝達速度に比べ遅れ、Ａ’接点の信号電圧はＢ’接点の信号電圧に比べて一時的に高い。該信号の最低値付近ではＡ接点の電圧はＢ’接点の電圧より下がり閾値に達すると比較回路３０が作動し、ハイであった出力がロウに変わる。該信号とＢ’接点の波形は相似形であり、位相が同じであるので、該信号の最小値付近で比較回路３０はロウの状態である。ロウに変化したときにモノマルチバイブレータ３２にトリガかかり、該モノマルチバイブレータ３２は出力をハイの状態とし適切な時間に設定する。該ロジック信号をサンプルホール回路２３のロジック入力信号とする。該サンプルホールド回路２３は該入力信号の最小値付近でサンプリングし該モノマルチバイブレータ３２は出力がロウでその最小値をホールドする。保持された値はそれぞれサンプルホールド回路２２，２３により直流値として出力される。出力された最大値は作動増幅回路２４の＋端子に入力し、最小値は該差動増幅回路２４の−端子より入力する。両入力の絶対値を加算し出力する。該出力信号は対数増幅回路２５で対数変換した後または直接外部に出力することが可能である。

該説明では交流信号の最大値と最小値の双方をサンプルホールドして直流化する方法であるが、最大値のみをサンプルホールドして直流化してもよい。この場合、モノマルチバイブレータ３２とサンプルホールド回路２３が省略される。同様にして最小値のみをサンプルホールドして直線化してもよい。この場合モノマルチバイブレータ３１とサンプルホールド回路２２は省略される。

アルミニウム材質の非磁性導体対象物１を隔離した状態で８０ｋＨｚの交流電圧を印加した巻き数４０ターン、外径１．５ｍｍの励磁コイル２の周縁外部にＭＩ素子９が配置するようにセンサヘッド１０を構成した。このとき、センサヘッド１０の出力端子に励磁コイル２の入力波形と相似の交流波形の出力を得た。
ＭＩ素子９を励磁コイル２の周縁外部に沿って該励磁コイル２軸に平行に移動し、該センサヘッド１０の出力が最小となる位置より幾分高い電圧値を得られる位置でＭＩ素子９と励磁コイル２を固定しセンサヘッド１０を構成した。

先ず、該アルミニウム材質の非磁性導体１と該励磁コイル２を密接状態にして該磁気インピーダンス検出装置１７の出力を測定した。該磁気インピーダンス検出装置１７の出力は交流信号であり、直流信号への変換のため図１の回路を用いた。
該アルミニウム非磁性導体１と該磁気インピーダンス検出装置１７が密接状態で、該磁気インピーダンス検出装置１７からの交流信号の直流分をカットフィルタ１８で除去し、交流成分のうち高周波ノイズ分を低域ろ過器１９により取り除いた。高周波ノイズの取れた交流信号を増幅回路２０で適切な値まで増幅した。交流信号の一部はサンプルホールド回路２２に、もう一部はピーク検出回路２１に伝送した。

ピーク検出回路２１の動作について次の方法で行った。図１３に回路図を示す。先ず、交流信号が最小値から最大値に至る推移する過程での現象を説明する。
増幅回路２８に入力した交流信号をＡ接点に出力した。増幅回路２８の出力Ｂ接点はＡ接点より幾分低い値に調節した。Ａ接点の信号は遅延回路２９により信号の伝達は遅れて増幅回路のプラス端子に到達するため最初はＡ‘接点の電圧はＢ‘接点よりも低かった。しかし、交流信号が最大ピーク値に達する時点でＡ’接点の電圧はＢ‘接点より上回り比較回路３０が作動しロジック出力がロウの状態からハイの状態に変化した。該ロジック出力がハイへの立ち上がりを捉え該モノマルチバイブレータ３１のロジック出力が該交流信号の最大ピーク付近でハイを維持するように調整した。

サンプルホールド回路２２の動作について次の方法で確認した。交流信号の最大時に該モノマルチバイブレータ３１からのハイの該トリガ信号が該サンプルホールド回路２２のロジック信号端子に入り、サンプル状態になり、該交流信号の最大値を取り込んだ。その直後、マルチバイブレータ３１のトリガ信号はロウになり，該サンプルホールド回路２２のロジック端子がロウの状態になり該交流信号最大値でホード状態になった。次に、該交流信号が最大値から最小値に至る推移について説明する。交流信号が最小値に達するまでに増幅器２８の出力Ａ接点の電圧はＢ接点の電圧より幾分低くなる。しかし、Ａ接点の該交流信号は遅延回２９により遅れてＡ’接点、即ち増幅回路２８のプラス端子に到達する。Ｂ接点の信号は即座にＢ‘接点即ち、増幅回路２８のマイナス端子に到達する。このためＡ’接点の電圧はＢ‘接点の電圧よりも高めのレベルにある。該交流信号が最小値近辺に到達するとＡ’接点の電圧はＢ‘接点の電圧より下がり比較回路３０の出力はハイからロウに変化した。この変化に応じて、該交流信号の最小値付近で該モノマルチバイブレータ３２の出力信号はハイとなった。 該サンプルホールド回路２３のロッジック端子がハイとなり、サンプル状態になり最小ピーク値でホールドした。このときの該サンプルホールド回路２３への交流信号入力波形の最小値と該トリガ信号のハイの時間が一致していた。実際の図で交流信号波形のピーク値とロジック端子入力の関係を示す。

図１５はアルミニウム材質の非磁性体対象物１と磁気インピーダンス検出装置１７近接状態のときのサンルホールド回路２２に入力する直前の交流信号最大値ピーク波形とロジック入力信号を示している。該サンプルホールド回路２２への交流信号入力波形の最大値が該トリガ信号のハイの時間が一致していることを示した。

図１６はアルミニウム材質の非磁性体対象物１と磁気インピーダンス検出装置１７を０．５ｍｍ離した場の交流信号最大値ピーク波形とロジック入力信号の状態を示す。交流出力信号は最大ピーク値の位相がシフトしたにもかかわらず、図１６に示すようにピーク検出回路２１は該交流信号の最大値と該トリガ信号のハイの時間が一致している。図１５の非磁性導体対象物と磁気インピーダンス検出装置１７が近接状態のときに比べロジック入力信号は一定なので最大値が小さくなっていることが分かる。

図１７は励磁コイル２とアルミニウム材質の非磁性体対象物１を３ｍｍ離したときのサンプルホールド回路に入力する直前の交流信号最大値ピーク波形とロジック入力信号を示している。該交流信号波形が最大値に達したときに一致してロジック信号がハイの状態なることを示している。図１５、１６の該非磁性体対象物１と磁気インピーダンス検出装置１７の距離が近接状態および０．５ｍｍ離れた状態に比べて、ロジック入力信号の値は一定なので最大値はより小さくなっていることが分かる、従って該サンプルホールド回路２２の出力も減少した。

図１８はアルミニウム材質の非磁性体対象物１と磁気インピーダンス検出装置１７の近接状態のときのサンルホールド回路２２に入力する直前の交流信号最小値ピーク波形とロジック入力信号を示している。該サンプルホールド回路２２への交流信号入力波形の最小値が該トリガ信号のハイの時間が一致していることを示した。

図１９は該アルミニウム材質の非磁性体対象物１と磁気インピーダンス検出装置１７を０．５ｍｍ離した場合の交流信号の最小値波形とロジック入力信号の状態を示す。該渦電流検出装置の交流出力信号は最小値の位相がシフトしたにもかかわらず、ピーク検出回路２１は該交流信号の最大値と該トリガ信号のハイの時間が一致している。
しかし、図１８の該アルミニウム材質の非磁性体対象物１と磁気インピーダンス検出置１７の距離が接状態のときに比べて、ロジック入力信号の値は一定なので最小値は大きくなっていることが分かる、従って該サンプルホールド回路２２の出力も減少した。

図２０は励磁コイル２とアルミニウム材質の非磁性体対象物１を３ｍｍ離したときのサンプルホールド回路２３に入力する直前の交流信号波形とロジック入力信号を示している。該交流信号波形が最小値に達したときに一致してロジック信号がハイの状態であることを示している。該最小値は更に大きくなり、従って該サンプルホールド回路２３の出力も更に減少して一定の値となった。このようにして、交流信号がピークになるごとに該サンプルホールド回路２３はサンプル状態になり、ピーク値を取り込み、該交流信号がピーク値を過ぎると、ホールド状態になり該ピーク値を保持する。該サンプルホールド回路２３の出力は図２１に示すように一定の値を示した。

銅材質の非磁性導体対象物１を隔離した状態で８０ＫＨｚ交流電圧交流電圧を印加した巻き数４０ターン、径３ｍｍの励磁コイル２の内部にセンサヘッド１０を配置し磁気インピーダンス検出装置１７を構成した。このとき、磁気インピーダンス検出装置１７の出力端子には励磁コイル２の入力波形と相似の交流出力波形を得た。励磁コイル２の内部を該励磁コイル２軸と平行に移動し、該磁気インピーダンス検出装置１７の出力が最小値となる位置より幾分高い電圧値が得られる位置でＭＩ素子９と励磁コイル２を固定し磁気インピーダンス検出装置１７を構成した。

該銅材質の非磁性導体対象物１と該ＭＩセンサ９が密接状態で磁気インピーダンス検出装置１７からの交流信号の直流分をカットフィルタ１８で除去し、交流成分のうち高周波ノイズ分を低域濾過器１９により除去した。それから、高周波のノイズの取れた交流信号を増幅回路２０で増幅して適正な値まで増幅した。該交流信号の一部をサンプルホールド回路２２に、もう一部はピーク検出回路２１に伝送した。次にピーク検出回路２１の動作について次の方法で行った。増幅回路２８に入力した交流信号はＡ接点に出力した。交流信号が最小値から最大値に上昇する過程で、増幅回路２８の出力をＡ接点に出力した。増幅回路２８の出力Ａ接点はＢ接点より幾分高い値に調節した。Ａ接点の信号は遅延回路２９により信号の伝達は遅れて比較回路３０のプラス端子に到達するため最初はＡ‘接点の電圧はＢ‘接点よりも低かった。

しかし、交流信号が最大ピーク値に達する時点でＡ’接点の電圧はＢ‘接点より上回り比較回路３０が作動しロジック出力がロウの状態からハイの状態に変化した。該ロジック出力がハイへの立ち上がりをトリガとしてモノマルチバイブレータ３１で該交流信号の最大ピーク値で該モノマルチバイブレータ３１のロジック出力が該交流信号の最大ピーク付近でハイを維持するように調整した。

サンプルホールド回路２２の動作について次の方法で確認した。該サンプルホールド回路２２の入力に交流信号の最大時に該サンプルホールド回路２２のロジック信号端子に該モノマルチバイブレータ３１からのハイの該トリガ信号が入り、サンプル状態になり、該交流信号のピーク値を取り込んだ。その直後、マルチバイブレータのトリガ信号はロウになり，よって、該サンプルホールド回路２２のロジック端子がロウの状態になり該交流信号最大値でホールド状態なった。該直流化した出力を外部装置に出力した。

真鍮材質の非磁性導体１を隔離した状態で６０ｋＨｚ交流電圧印加した巻数６０ターン、径１．５ｍｍの励磁コイル２の周縁外部にＭＩ素子９を配置した。このときＭＩセンサの出力端子には励磁コイル２の入力波形と相似の交流出力波形を得た。励磁コイル２の周縁外部を該励磁コイル２の周縁部と平行に移動し、該ＭＩセンサの出力が最小となる位置より幾分高い電圧値が得られる位置でＭＩ素子９と励磁コイル２を固定してインピーダンス検出装置９を構成した。まず真鍮材質の非磁性導体対象物１を該ＭＩ素子９に密着状態にして該インピーダンス検出装置９の出力を測定した。該インピーダンス検出装置１７の出力は交流信号であり、直流信号への変換のため図３の回路を用いた。以下回路について説明する。

該真鍮非磁性導体１と該ＭＩ素子９を密接状態にして該インピーダンス検出装置１７からの交流信号の直流分をカットフィルタで除去し、交流成分のうち高周波成分を低域濾過回路１９により取り除いた。交流信号の一部はサンプルホールド回路２３に、もう一部はピーク検出回路２１に伝送した。
次にピーク検出回路２１の動作について説明する。増幅回路２０から入力した交流信号を増幅回路２８で増幅後、Ａ接点に出力した。Ｂ接点はＡ接点よりも幾分高い値に調整した。Ｂ接点の電圧値はＢ’点に伝送され比較回路３０のマイナス端子に同時に印加されるが、Ａ接点の電圧値は遅延回路２９により信号のピーク値は遅れてＡ‘点に伝送され比較回路３０のプラス端子に到達した。該プラス端子に交流信号が到達し、入力端子間の電圧が逆転して該比較回路３０の出力がハイからロウに変化した。該出力電圧がハイからロウに変化する際にモノマルチバイブレータの出力がロウからハイに変化した。

該サンプルホールド回路２３の入力が交流信号の最小値時に、モノマルチバイブレータ３２からハイの出力信号が該サンプルホール回路２３のロジック端子に入ると、該サンプルホールド回路２３はサンプル状態になり交流信号波形の最小値を取り込んだ。該モノマルチバイブレータ３２の出力がロウになると、該サンプルホールド回路２３の該ロッジク端子もハイからロウに変わりサンプルホールド回路２３はホールド状態となりサンプルホールド回路出力は負の最小値を保持した状態であった。負の最小値を反転増幅回路２４で反転させて正の信号を出力した。交流信号が一定の交流電圧の場合、出力信号は一定であったが、ターゲットとＭＩセンサの距離を変えて交流信号が変化すれば、該交流信号の位相シフトんの影響を受けずにそれに相応して出力値も変化した。

産業上の利用の可能性

本発明は、非磁性導体からなる対象物の位置、距離、変位、ずれ、キズ、厚さ、膜厚の研削過程、めっき等の膜厚厚化工程、ブレ、軸振動、表面の凹凸、回転数、速度等を計測できる。

本発明の構成概念図 磁気インピーダンス検出装置の回路構成概念図 磁気インピーダンス検出装置と後段の回路概念図 励磁コイル内にＭＩ素子を配置した構成概念図 励磁コイル周縁外部にＭＩ素子を配置した構成概念図 励磁波形１例を示す図 周囲環境の磁場の影響のないところでの励磁コイルとＭＩ素子の位置による磁気インピーダンス検出装置の出力の一例を示す図 周囲環境の磁場の影響のないところで励磁コイルと磁気インピーダンス１７の出力が最小値に近いところで固定した磁気インピーダンス検出装置を用いて、非磁性導電性対象物に対するリフトオフと出力電圧の一例を示す図 励磁コイル波形と磁気インピーダンス検出装置出力波形の位相差を示す一例 励磁コイルと磁気インピーダンス検出装置出力波形のリフトオフに対する位相差を示す一例 磁気インピーダンス検出装置交流信号出力波形例 低域ろ過器を通過した交流信号出力波形例 ピーク検出器概念図 比較器＋端子Ａと−端子Ｂに入力する波形例 非磁性導電性対象物と磁気インピーダンス検出装置が密接した場合の交流信号最大値とロジック端子波形を示す一例図 非磁性導電性対象物磁気インピーダンス検出装置との距離が０．５ｍｍの場合の交流信号最大値とロジック端子波形を示す一例図 非磁性導電性対象物と磁気インピーダンス検出装置の距離が３ｍｍの場合の交流信号最大値とロジック端子波形を示す一例図 非磁性導電性対象物と磁気インピーダンス検出装置が密接した場合の交流信号最小値とロジック端子波形を示す一例図 非磁性導電性対象物と磁気インピーダンス検出装置の距離が０．５ｍｍの場合の交流信号最小値とロジック端子波形を示す一例図 非磁性導電性対象物と磁気インピーダンス検出装置の距離が３ｍｍの場合の交流信号最大値とロジック端子波形を示す一例図 差動増幅回路出力例 従来の渦電流検出器の一例概念図

符号の説明

１ 非磁性導体対象物
１ａ 被検出面
２ 励磁コイル
３ 磁束
４ 発振回路
５ 抵抗
６ 増幅回路
７ 保持回路
８ 従来の過電流測定器
９ 磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）
１０ センサヘッド
１１ ＭＩ素子用発振回路
１２ 励磁用発振回路
１３ 抵抗
１４ 保持回路
１５ 増幅回路
１６ 演算回路
１７ 磁気インピーダンス検出装置
１８ 直流カットコンデンサ
１９ 低域濾過器
２０ 増幅回路
２１ ピーク検出回路
２２ サンプルホールド回路
２３ サンプルホールド回路
２４ 差動増幅回路
２５ 対数増幅回路
２６ 外部装置
２７ 外部装置
２８ 増幅回路
２９ 遅延回路
３０ 比較回路
３１ モノマルチバイブレータ
３２ モノマルチバイブレータ

Claims (8)

1. 磁気インピーダンス素子９の外部磁場感知方向が励磁コイル２の軸に対して垂直に配置され、かつ非磁性導体対象物１の被検出面１ａに対して水平に配置されたセンサヘッド１０を有し、該センサヘッド１０を駆動して交流信号を出力する磁気インピーダンス検出装置１７において、該磁気インピーダンス検出装置１７の交流出力信号波形最大値付近及び最小値付近の位置を検出するピーク検出回路２１と該ピーク検出回路２１のロジック出力で該交流信号波形を取り込み、保持するサンプルホールド回路２２、２３を備えたことを特徴とする渦電流検出装置。
2. 磁気インピーダンス素子９の外部磁場感知方向が励磁コイル２の軸に対して垂直に配置され、かつ非磁性導体対象物１の被検出面１ａに対して水平に配置されたセンサヘッド１０を有し、該センサヘッド１０を駆動して交流信号を出力する磁気インピーダンス検出装置１７において、該磁気インピーダンス検出装置１７の交流出力信号波形の最大値付近の位置を検出するピーク検出回路２１と該ピーク検出回路２１のロジック出力で該交流信号波形を取り込み、保持するサンプルホールド回路２２を備えたことを特徴とする渦電流検出装置。
3. 磁気インピーダンス素子９の外部磁場感知方向が励磁コイル２の軸に対して垂直に配置され、かつ非磁性導体対象物１の被検出面１ａに対して水平に配置されたセンサヘッド１０を有し、該センサヘッド１０を駆動して交流信号を出力する磁気インピーダンス検出装置１７において、該磁気インピーダンス検出装置１７の交流出力信号波形の最小値付近の位置を検出するピーク検出回路２１と該ピーク検出回路２１のトリガ出力で該交流信号波形を取り込み、保持するサンプルホールド回路２３を備えたことを特徴とする渦電流検出装置。
4. 請求項１において、磁気インピーダンス検出装置１７の交流出力信号を入力する増幅回路２８、該増幅回路２８の出力電圧を遅延回路２９を介して遅延した出力値と該増幅回路２８の出力電圧を分割した分割値を入力する比較回路３０、該交流信号が最大値付近に達したとき該比較回路３０の出力がロウからハイになる変化を入力として捉え該入力により出力をロウからハイに変化し一定時間保持するモノマルチバイブレータ３１、該モノマルチバイブレータ３１の出力がハイの状態で最大値を取り込み、ロウの状態で取り込んだ最大値をホールドするサンプルホールド回路２２、該交流信号が最小値付近に達したとき該比較回路３０の出力がロウからハイになる変化を入力として捉え該入力により出力をロウからハイに変化し一定時間保持するモノマルチバイブレータ３２、該モノマルチバイブレータ３２の出力がハイの状態で最小値を取り込み、ロウの状態で取り込んだ最小値をホールドするサンプルホールド回路２３を備えたことを特徴とする渦電流検出装置。
5. 請求項２において、磁気インピーダンス検出装置１７の交流出力信号を入力する増幅回路２８、該増幅回路２８の出力電圧を遅延回路２９を介して遅延した出力値と該増幅回路２８の出力電圧を分割した分割値を入力する比較回路３０、該交流信号が最大値付近に達したとき該比較回路３０の出力がロウからハイになる変化を入力として捉え該入力により出力をロウからハイに変化し一定時間保持するモノマルチバイブレータ３１、該モノマルチバイブレータ３１の出力がハイの状態で最大値を取り込み、ロウの状態で取り込んだ最大値をホールドするサンプルホールド回路２２を備えたことを特徴とする渦電流検出装置。
6. 請求項３において、磁気インピーダンス検出装置１７の交流出力信号を入力する増幅回路２８、該増幅回路２８の出力電圧を遅延回路２９を介して遅延した出力値と該増幅回路２８の出力電圧を分割した分割値を入力する比較回路３０、該交流信号が最小値付近に達したとき該比較回路３０の出力がロウからハイになる変化を入力として捉え該入力により出力をロウからハイに変化し一定時間保持するモノマルチバイブレータ３２、該モノマルチバイブレータ３２の出力がハイの状態で最小値を取り込み、ロウの状態で取り込んだ最小値をホールドするサンプルホールド回路２３を備えたことを特徴とする渦電流検出装置。
7. 請求項１及び４において、サンプルホールド回路２２の出力を差動増幅回路２４のプラス端子に、かつサンプルホールド回路２３の出力を該差動増幅回路２４のマイナス端子に伝達し、該出力値を該差動増幅回路２４の該プラス、マイナスの２端子から入力し、絶対値の和として出力することを特徴とする渦電流検出装置。
8. 請求項３及び５において、サンプルホールド回路２３の出力を反転増幅回路を介して出力することを特徴とする渦電流検出装置。

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