JP2008232894A - Displacement sensor using helmholtz coil - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a great displacement by making a measuring range of a displacement sensor using a Hermholtz coil not limited within a range of a uniform magnetic field of the Helmholtz coil. <P>SOLUTION: This displacement sensor has, as constitutive elements, a set of two air-cored transformers 15a, 15b formed of the Hermholtz coil 10 and a detecting coil 20, a core 30 for detecting a displacement accompanying a shaft 40, and a magnetic shielding body 50 comprising a set of two nonmagnetic metals, an unnecessary magnetic flux is eliminated by the magnetic shielding body 50 to secure a moving space, the core is thereafter displaced in the uniform magnetic field of the Helmholtz coil 10 and across the center axis c1, while bringing the core 30 into a shape of point symmetric to the shaft 40, and is functioned as displaced along the center axis c1. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、特開2001−66103号「ヘルムホルツ・コイルを応用した変位検出器」の改良に関するものである。   The present invention relates to improvement of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-66103 “Displacement detector using Helmholtz coil”.

ヘルムホルツ・コイルは、同じ形状をした2個のコイルの中心軸を一致させて、その半径に等しい間隔で向かい合わせにし、両コイルの発生する磁界が互いに加わる様に接続したもので、両コイルの中間部分に合成磁界として磁界の強さが均一な部分が生じ、平等磁界と呼ばれている。アナログ形の交流・直流電気計器のうち、電流力(りき)計形計器として電圧・電流・電力の測定に用いられているコイルである。   A Helmholtz coil is made by matching the central axes of two coils of the same shape, facing each other at equal intervals to their radii, and connecting them so that the magnetic fields generated by both coils are added to each other. A portion having a uniform magnetic field strength is generated as a combined magnetic field in the middle portion, which is called an equal magnetic field. Among analog AC / DC electric meters, it is a coil used for measuring voltage, current, and power as a current force meter.

図8〜図11は、本発明に関連する特開2001−66103号の説明図を示す。図8は、ヘルムホルツ・コイルの原理を示す説明図であり、ヘルムホルツ・コイルが発生する平等磁界のうち、実用的な平等磁界の範囲(以下、単に平等磁界の範囲と言う)を扁平な円筒形としてイメージ的に示している。その範囲は、ヘルムホルツ・コイルの中心軸cl上で、コイルの径方向にコイル径(2×r)の1/3程度、軸方向(磁界に沿った方向)にコイル間隔dの1/3程度の扁平な円筒形の空間を占める。ここで「程度」と表現したのは、どの程度の厳密さで平等磁界の範囲を定義するかで左右されるからである。   8 to 11 are explanatory diagrams of JP 2001-66103 A related to the present invention. FIG. 8 is an explanatory diagram showing the principle of the Helmholtz coil. Of the equal magnetic fields generated by the Helmholtz coil, the practical equal magnetic field range (hereinafter simply referred to as the equal magnetic field range) is a flat cylindrical shape. As an image. The range is about 1/3 of the coil diameter (2 × r) in the radial direction of the coil on the central axis cl of the Helmholtz coil, and about 1/3 of the coil interval d in the axial direction (direction along the magnetic field). Occupies a flat cylindrical space. The term “degree” is used here because it depends on how precise the range of the equal magnetic field is defined.

図9は、ヘルムホルツ・コイルの発生磁界を示すグラフであり、各コイルが発生する磁界hも含めて示している。X軸は変位でヘルムホルツ・コイルの半径rを1として、また、Y軸は磁界の強さで各コイルが発生する磁界の強さhの最大値を1として、それぞれ基準化し相対的な値で示している。この様な表現に従えば、合成磁界である平等磁界heの相対的な磁界の強さは1.43になることもよく知られている。なお、点線で示した傾斜磁界hgは、ヘルムホルツ・コイルのもう一つの特性で、各コイルの発生磁界hの差を示している。   FIG. 9 is a graph showing the magnetic field generated by the Helmholtz coil, including the magnetic field h generated by each coil. The X axis is a displacement and the Helmholtz coil radius r is 1, and the Y axis is a magnetic field strength and the maximum value of the magnetic field strength h generated by each coil is 1. Show. According to such an expression, it is well known that the relative magnetic field strength of the equal magnetic field he that is the combined magnetic field is 1.43. Note that the gradient magnetic field hg indicated by the dotted line is another characteristic of the Helmholtz coil and indicates the difference in the generated magnetic field h of each coil.

図10は、特開2001−66103号の基本構成を示す斜視図であり、ヘルムホルツ・コイル1の平等磁界中に軸4を介して変位検出用のコア3を設け、その動きを検出コイル2で検出している。図11はヘルムホルツ・コイル1と検出コイル2の接続図で、図中の黒点で各コイルの巻きはじめを示し、ヘルムホルツ・コイル1は同一電流が同一方向に流れて各磁界が加算され、検出コイル2は各出力が引き算される様子を表している。   FIG. 10 is a perspective view showing the basic configuration of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-66103. A displacement detection core 3 is provided through a shaft 4 in an equal magnetic field of the Helmholtz coil 1, and its movement is detected by the detection coil 2. Detected. FIG. 11 is a connection diagram of the Helmholtz coil 1 and the detection coil 2. The black dots in the figure indicate the start of winding of each coil. In the Helmholtz coil 1, the same current flows in the same direction, and each magnetic field is added to the detection coil. 2 represents a state in which each output is subtracted.

いま、被測定体(図示略)の変位dmに応じて軸4を介してコア3が平等磁界中で磁界に沿って変位すると、コア3の渦電流効果又は磁気誘導効果によって、検出コイル2には変位に応じた交流差動出力e1−e2が発生する。   Now, when the core 3 is displaced along the magnetic field in the uniform magnetic field via the shaft 4 in accordance with the displacement dm of the measured object (not shown), the detection coil 2 is caused to eddy by the eddy current effect or magnetic induction effect of the core 3. Generates an AC differential output e1-e2 corresponding to the displacement.

この場合、渦電流効果を利用するなら、コア3は固有抵抗の小さな非磁性体金属がよく、ヘルムホルツ・コイル1の励磁周波数は数十kHz前後からそれ以上とする(渦電流モードと呼ぶ)。また、磁気誘導効果を利用するなら、コア3は透磁率の大きな磁性体金属がよく、励磁周波数は10kHz前後とする(磁気誘導モードと呼ぶ)。   In this case, if the eddy current effect is used, the core 3 is preferably a non-magnetic metal having a small specific resistance, and the excitation frequency of the Helmholtz coil 1 is set to about several tens kHz or more (referred to as an eddy current mode). If the magnetic induction effect is used, the core 3 is preferably a magnetic metal having a high magnetic permeability, and the excitation frequency is about 10 kHz (referred to as a magnetic induction mode).

こうして得られる交流差動出力e1−e2は、その振幅が変位dmの大きさに比例し、位相が変位dmの方向を示しているので、単に交流電圧計で測定したのでは変位dmの大きさしか分からない。このため、交流差動出力e1−e2は、位相弁別回路等を内蔵するシグナルコンディショナを用いて変位dmの大きさと方向を知る様になっている。   Since the amplitude of the AC differential output e1-e2 thus obtained is proportional to the magnitude of the displacement dm and the phase indicates the direction of the displacement dm, the magnitude of the displacement dm is simply measured with an AC voltmeter. I only know. For this reason, the AC differential outputs e1-e2 know the magnitude and direction of the displacement dm using a signal conditioner incorporating a phase discrimination circuit or the like.

なお、特開2001−66103号で発明の効果についての説明中に、回転角度の測定も可能との記述(5頁、段落番号0030、図示略)があり、ヘルムホルツ・コイルと検出コイルの共通軸(本発明では「中心軸」としている)に対して、直角方向から軸を介して偏心コアを挿入し、軸を回転させて角度が計れる旨説明している。この場合、コアの動きはあくまでも平等磁界中で共通軸に沿って、すなわち、磁界に沿って偏心(変位)しており、本発明のようにヘルムホルツ・コイルの中心軸および平等磁界を横切るようには変位していない。   In addition, in the description of the effect of the invention in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-66103, there is a description (page 5, paragraph number 0030, not shown) that the rotation angle can be measured, and the common axis of the Helmholtz coil and the detection coil (In the present invention, it is referred to as “center axis”), it is described that an eccentric core is inserted through a shaft from a perpendicular direction, and the shaft can be rotated to measure an angle. In this case, the movement of the core is decentered (displaced) along the common axis in the uniform magnetic field, that is, along the magnetic field so as to cross the central axis and the equal magnetic field of the Helmholtz coil as in the present invention. Is not displaced.

特開2001−66103号の変位検出器は、この様な構成・作用に基づいているので、その測定範囲はヘルムホルツ・コイルの平等磁界の範囲(この場合、磁界に沿った共通軸方向)に制約され、基本的に微小変位の検出器となる。例えば、1mm以下の微小変位の測定時には、平等磁界の範囲が1mm、ヘルムホルツ・コイルの直径が6mm(原理上、測定範囲の約6倍必要)、その間隔が3ミリ(原理上、測定範囲の約3倍必要)程度となって、検出コイルも含めて差動トランスのコイルの様に大きな形状にはならず、応答も速い。また、変位検出器として他の物理量センサに組み込む場合には、さらに小さな変位測定でよく、一層形状効果が発揮され有利となる。その一方で、50mmの変位測定をしようとすると、平等磁界の範囲が50mm、ヘルムホルツ・コイルの直径が300mm、その間隔が150mmとなり、平等磁界中でコアを磁界に沿って変位させる限り、この関係は打破できず、大きな変位の測定には適さないと言う欠点があった。
特開2001−66103号公報
Since the displacement detector of Japanese Patent Laid-Open No. 2001-66103 is based on such a configuration and action, its measurement range is limited to the range of the equal magnetic field of the Helmholtz coil (in this case, the common axis direction along the magnetic field). Basically, it becomes a small displacement detector. For example, when measuring a small displacement of 1 mm or less, the range of the equal magnetic field is 1 mm, the diameter of the Helmholtz coil is 6 mm (in principle, about 6 times the measurement range is required), and the interval is 3 mm (in principle, the measurement range It is about 3 times necessary), and it does not have a large shape like the coil of the differential transformer including the detection coil, and the response is fast. In addition, when incorporated in another physical quantity sensor as a displacement detector, a smaller displacement measurement may be used, which is advantageous because a shape effect is further exhibited. On the other hand, when measuring displacement of 50 mm, the range of the equal magnetic field is 50 mm, the diameter of the Helmholtz coil is 300 mm, and the interval is 150 mm. Cannot be overcome and is not suitable for measuring large displacements.
JP 2001-66103 A

ヘルムホルツ・コイルを用いた変位センサの測定範囲について、ヘルムホルツ・コイルの平等磁界の範囲に制約されない様にして、大きな変位の測定を可能にする。   The measurement range of the displacement sensor using the Helmholtz coil is not restricted by the range of the equal magnetic field of the Helmholtz coil, and a large displacement can be measured.

この課題を解決するための請求項1の発明は、ヘルムホルツ・コイルと2個一組の検出コイルの中心軸を一致させて形成する2個一組の空芯トランスと、2個一組の非磁性体金属の磁気遮蔽体と、2枚一組で長手方向に非対称な形状にした非磁性体金属板を軸の両側で点対称な位置に固定した変位検出用のコアとを構成要素として、渦電流効果の期待できる程度の高い周波数でヘルムホルツ・コイルを励磁すること、磁気遮蔽によって不要な磁束を排除してコアを平等磁界中で磁界を横切る様に変位させること、コアの点対称な形状を利用してコアに一組の差動的な渦電流効果が生じるようにしてあたかもコアが平等磁界に沿って変位したかの様に機能させること、コアの渦電流効果を2個一組の空芯トランスに差動的に与えること、を併せて課題を解決するための手段としており、以下、順を追ってその作用について説明する。   In order to solve this problem, the invention of claim 1 includes a pair of air-core transformers formed by matching the center axes of a Helmholtz coil and a pair of detection coils, and a pair of non-core transformers. As a constituent element, a magnetic shielding body made of magnetic metal and a core for displacement detection in which a pair of two nonmagnetic metal plates that are asymmetric in the longitudinal direction are fixed at point-symmetrical positions on both sides of the shaft, Exciting the Helmholtz coil at a high frequency at which eddy current effects can be expected, eliminating unnecessary magnetic flux by magnetic shielding, and displacing the core so that it crosses the magnetic field in a uniform magnetic field, the point-symmetrical shape of the core To make the core function as if it were displaced along an equal magnetic field so that a pair of differential eddy current effects occur in the core. Combined with differential feeding to air core transformer And a means for solving the problem, will be described below step by step operation thereof.

2個一組の空芯トランスは、最初にヘルムホルツ・コイルの仕様を定めてから、検出コイルの配置を決める。このとき、一般の電子機器用空芯トランスの設計とほぼ同様に考えて良いが、個々の空芯トランス内でコイルの位置関係(上下左右など)や間隔は結合係数に関係してくるので、2個一組の対称性には注意する。   For a set of two air-core transformers, the Helmholtz coil specification is first determined, and then the arrangement of the detection coil is determined. At this time, it may be considered almost the same as the design of a general air core transformer for electronic equipment, but the coil positional relationship (up, down, left, right, etc.) and spacing in each air core transformer are related to the coupling coefficient. Pay attention to the symmetry of each pair.

なお、特開2001−66103号においては、「空芯トランス」および「結合係数」という用語は用いていなかったが、本発明では使用している。変位検出用のコアを用いていながら「空芯」としたのは、以下の理由による。一般の電子機器用トランスでは、磁路全体を磁性体のコアで形成して、1次・2次コイル間の結合係数を1に近づけている。これに対し、本発明では磁路全体を磁性体のコアで形成することはなく、また、ヘルムホルツ・コイルと検出コイルの結合係数も1より小さい。逆にコアの渦電流効果がコイル自体の結合係数を見かけ上減少させており、その減少の程度を差動的に制御して交流差動出力を得ているとの見方もできるので、この様な概念を取り入れた方が発明の正確な把握・説明に役立つと考えたことによる。   In Japanese Patent Laid-Open No. 2001-66103, the terms “air core transformer” and “coupling coefficient” are not used, but are used in the present invention. The reason why the “air core” is used while using the displacement detection core is as follows. In a general electronic device transformer, the entire magnetic path is formed of a magnetic core, and the coupling coefficient between the primary and secondary coils is close to 1. In contrast, in the present invention, the entire magnetic path is not formed by a magnetic core, and the coupling coefficient between the Helmholtz coil and the detection coil is smaller than 1. On the contrary, the eddy current effect of the core apparently reduces the coupling coefficient of the coil itself, and it can be seen that AC differential output is obtained by differentially controlling the degree of the reduction. This is because it was thought that it would be useful for the accurate understanding and explanation of the invention to adopt a simple concept.

磁気遮蔽は一般には困難なことの一つとされるが、本発明では磁界(磁束の流れ)を乱すことなく強さのみを弱めると言うさらなる要求もある。そこで、2個一組の非磁性体金属からなる磁気遮蔽体を平等磁界周辺の不平等な磁界(不要な磁束の流れ)の中において、渦電流効果を利用した磁気遮蔽を用いている。磁気遮蔽の原理は、磁気遮蔽体を不要な磁束が貫いたとき、渦電流が生じて貫いた元の磁束を打ち消す方向に新たな磁束が生じる現象の応用である。これによって、コアをヘルムホルツ・コイルの中心軸に対して横切る様に挿脱しても、不平等な磁界にさらされることなく、平等磁界のみの影響下で変位可能にしている。   Although magnetic shielding is generally considered one of the difficulties, there is a further requirement in the present invention to reduce only the strength without disturbing the magnetic field (flux flow). In view of this, a magnetic shield made of a pair of non-magnetic metals uses a magnetic shield utilizing an eddy current effect in an unequal magnetic field (unnecessary magnetic flux flow) around an equal magnetic field. The principle of magnetic shielding is an application of a phenomenon in which when an unnecessary magnetic flux passes through a magnetic shield, a new magnetic flux is generated in a direction that cancels the original magnetic flux that has passed through due to an eddy current. As a result, even if the core is inserted / removed so as to cross the central axis of the Helmholtz coil, the core can be displaced under the influence of only the equal magnetic field without being exposed to the unequal magnetic field.

平等磁界中でのコアの役割は、2個一組の空芯トランスを形成する検出コイルに交流差動出力を生じる様に振る舞うことである。そのためには、コアは、平等磁界中で磁界を横切る様に変位したとき、あたかも平等磁界に沿って変位したかの様に振る舞う必要がある。その一つの手段として、2枚の細長い矢形をした非磁性体金属板を用いて、両端を互い違いに揃えてから、一つの軸に添える様に左右両側の対称的な位置に取り付けて、点対称な形状にしている。   The role of the core in the equal magnetic field is to act so as to generate an AC differential output in the detection coil forming a pair of air core transformers. For that purpose, when the core is displaced so as to cross the magnetic field in the equal magnetic field, it is necessary to behave as if it is displaced along the equal magnetic field. One means is to use two non-magnetic metal plates in the form of elongated arrows, align both ends in a staggered fashion, and attach them to symmetrical positions on both the left and right sides to attach to one axis. It has a simple shape.

いま、被測定体の変位に応じて、コアに生じる渦電流効果が2個一組の空芯トランスに差動的に作用した場合を考えると、見かけ上コアに近い方(平等磁界中に占めるコア面積の大きい方)の空芯トランスで、コアの渦電流が増加→磁束の打ち消しが増加→磁束鎖交数が減少→見かけ上結合係数が減少→検出コイルの出力が減少、同時に、他方の空芯トランスで、コアの渦電流が減少→磁束の打ち消しが減少→磁束鎖交数が増加→見かけ上結合係数が増加→差動的に検出コイルの出力が増加、する。こうして、空芯トランスを形成する検出コイルに得られる交流差動出力は、位相弁別回路等を内蔵したシグナルコンディショナを用いて被測定体の変位の大きさと方向を知ることが可能となる。   Considering the case where the eddy current effect generated in the core acts differentially on a pair of air core transformers according to the displacement of the object to be measured, it appears that it is closer to the core (in the equal magnetic field) Air core transformer with larger core area) core eddy current increases → magnetic flux cancellation increases → magnetic flux linkage number decreases → apparent coupling coefficient decreases → detection coil output decreases at the same time With an air-core transformer, the core eddy current decreases → magnetic flux cancellation decreases → magnetic flux linkage number increases → apparent coupling coefficient increases → the output of the detection coil increases differentially. Thus, the AC differential output obtained in the detection coil forming the air-core transformer can know the magnitude and direction of the displacement of the measured object using a signal conditioner incorporating a phase discrimination circuit and the like.

以上に述べた手段によって、ヘルムホルツ・コイルの平等磁界の範囲による制約から解放されて、変位の測定範囲を決める要因は、平等磁界の範囲ではなく、コアの長さである、としたことを最大の特徴とする。   By the means described above, it is released from the restriction due to the range of the equal magnetic field of the Helmholtz coil, and the maximum factor is that the factor that determines the measurement range of the displacement is not the range of the equal magnetic field but the length of the core. It is characterized by.

この課題を解決するための請求項2の発明は、コアに生じる渦電流効果ではなく磁気誘導効果を用いて課題を解決している。すなわち、ヘルムホルツ・コイルと2個一組の検出コイルの中心軸を一致させて形成する2個一組の空芯トランスと、2個一組の非磁性体金属の磁気遮蔽体と、2枚一組で長手方向に非対称な形状にした磁性体金属板を軸の両側で点対称な位置に固定した変位検出用のコアとを構成要素として、磁気誘導効果の期待できる程度の低い周波数でヘルムホルツ・コイルを励磁すること、 磁気遮蔽によって不要な磁束を排除してコアを平等磁界中で磁界を横切るように変位させること、 コアの点対称な形状を利用してコアに一組の差動的な磁気誘導効果が生じる様にしてあたかもコアが平等磁界に沿って変位したかの様に機能させること、コアの磁気誘導効果を2個一組の空芯トランスに差動的に与えること、を併せて課題を解決するための手段としており、以下、請求項1の渦電流効果を用いた場合との作用の違いについて説明する。   The invention of claim 2 for solving this problem solves the problem using the magnetic induction effect instead of the eddy current effect generated in the core. That is, a pair of air core transformers formed by aligning the center axes of the Helmholtz coil and the pair of detection coils, a pair of non-magnetic metal magnetic shields, and one by two Helmetholtz with a low-frequency that is expected to have a magnetic induction effect, with a displacement detection core that is fixed in a point-symmetrical position on both sides of the shaft with a magnetic metal plate that is asymmetric in the longitudinal direction. Exciting the coil, eliminating unnecessary magnetic flux by magnetic shielding, displacing the core across the magnetic field in an equal magnetic field, utilizing a point-symmetric shape of the core, a pair of differential Combines the function of the core as if it were displaced along an equal magnetic field so that a magnetic induction effect occurs, and the differential induction of the core's magnetic induction effect to a pair of air-core transformers. Means for solving problems And which is hereinafter described difference in action between the case of using the eddy current effects of claim 1.

請求項1における非磁性体金属のコアによる渦電流効果は、周りの磁束の流れを乱すことなく作用し、空芯トランスを形成する検出コイルの差動出力は、見かけ上コアに近い方で減少、他方で増加した。これに対し、請求項2の磁性体金属のコアによる磁気誘導効果は、周りの磁束を引き込む様に作用する(ただし、平等磁界は崩れない)ことから、見かけ上コアに近い方(平等磁界中に占めるコア面積の大きい方)の空芯トランスで、磁気誘導が増加→磁束鎖交数が増加→見かけ上結合係数が増加→検出コイルの出力が増加、同時に、他方の空芯トランスで、磁気誘導が減少→磁束鎖交数が減少→見かけ上結合係数が減少→差動的に検出コイルの出力が減少、する。   The eddy current effect of the non-magnetic metal core according to claim 1 acts without disturbing the flow of the surrounding magnetic flux, and the differential output of the detection coil forming the air core transformer apparently decreases closer to the core. Increased on the other. On the other hand, the magnetic induction effect of the magnetic metal core according to claim 2 acts to attract the surrounding magnetic flux (however, the equal magnetic field does not collapse). The air core transformer with the larger core area) increases magnetic induction → increases the number of flux linkages → apparently increases the coupling coefficient → increases the output of the detection coil, and at the same time, the other air core transformer Induction decreases → Magnetic flux linkage number decreases → Apparent coupling coefficient decreases → Differential detection coil output decreases.

従って、請求項1の渦電流効果を利用した場合と、請求項2の磁気誘導効果を利用した場合とでは、交流差動出力の極性が反転するので、位相弁別回路等を内蔵したシグナルコンディショナとの組み合わせ段階で考慮する。   Therefore, when the eddy current effect of claim 1 is used and when the magnetic induction effect of claim 2 is used, the polarity of the AC differential output is reversed, so that a signal conditioner with a built-in phase discrimination circuit or the like is used. Consider in the combination stage.

この課題を解決するための請求項3の発明は、請求項1および2の構成において、変位検出用コアの形状を単純化・小形化する狙いから、コアの形状と共にヘルムホルツ・コイルの中心軸を横切る様に挿脱する位置を2個一組の空芯トランスの何れか一方に偏倚したことを特徴としている。   In order to solve this problem, the invention of claim 3 is characterized in that, in the configuration of claims 1 and 2, the central axis of the Helmholtz coil is set together with the shape of the core for the purpose of simplifying and downsizing the shape of the displacement detecting core. It is characterized in that the insertion / removal position so as to cross is biased to one of a set of two air core transformers.

コアの形状は長手方向(軸方向)に対して非対称、例えば、細長い矢形の非磁性体又は磁性体金属板1枚にして単純化する。コアをこの様な形状にするのは、2個一組の空芯トランスの何れか一方に偏倚して平等磁界中で磁界を横切る様に変位させるためである。因みにこの形状のコアを平等磁界の真ん中で磁界を横切る様に変位させた場合には、2個一組の空芯トランスの結合係数が見かけ上常に同じ値になって、検出コイルに交流差動出力が得られなくなる。   The shape of the core is asymmetric with respect to the longitudinal direction (axial direction), for example, a simple non-magnetic or magnetic metal plate having an elongated arrow shape. The reason why the core has such a shape is that it is displaced to one of a pair of air core transformers and displaced across the magnetic field in a uniform magnetic field. By the way, when the core of this shape is displaced so that it crosses the magnetic field in the middle of an equal magnetic field, the coupling coefficient of the pair of air core transformers appears to be always the same, and the AC differential is applied to the detection coil. No output can be obtained.

2個一組の空芯トランスの何れか一方に偏倚して、平等磁界中に細長い矢形の非磁性体又は磁性体金属のコアを磁界を横切る様に挿脱すると、近くの空芯トランスの結合係数が大きく変化、他方の結合係数が小さく変化する。この結合係数の偏りは、空芯トランスを形成する検出コイルに交流差動出力として、また、最終的にはシグナルコンディショナの直流差動出力として偏った固定出力となって現れる。   When it is biased to one of a pair of air core transformers and an elongated arrow-shaped non-magnetic or magnetic metal core is inserted into or removed from a uniform magnetic field so as to cross the magnetic field, a nearby air core transformer is coupled. The coefficient changes greatly, and the other coupling coefficient changes small. This bias in the coupling coefficient appears as a fixed output biased as an AC differential output to the detection coil forming the air-core transformer and finally as a DC differential output of the signal conditioner.

この状態で、被測定体の変位に応じて、コアが平等磁界中で磁界を横切る様に変位した場合には、偏った固定出力を基点にして、被測定変位がその上下に変化するので、位相弁別回路等を内蔵したシグナルコンディショナにおいて、偏った固定出力を零点調整で補正することでコアを単純化・小型化して変位測定ができる様になる。   In this state, when the core is displaced so as to cross the magnetic field in an equal magnetic field according to the displacement of the measured object, the measured displacement changes up and down with the biased fixed output as the base point. In a signal conditioner with a built-in phase discriminator, etc., displacement can be measured by correcting the biased fixed output with zero adjustment to simplify and downsize the core.

本発明変位センサは、ヘルムホルツ・コイルを用いて、変位測定用のコアを平等磁界の外部から平等磁界中に挿脱して、平等磁界を横切りながら変位を測定するので、従来から存在する各種の変位センサに比べ、次の様な点で有利となる。   The displacement sensor of the present invention uses a Helmholtz coil to measure the displacement while crossing the equal magnetic field by inserting / removing the displacement measurement core into the equal magnetic field from the outside of the equal magnetic field. Compared to the sensor, it is advantageous in the following points.

ヘルムホルツ・コイルを用いているので、コイルの巻き数を少なくすることができ、平面コイル・プリント配線コイル・ICコイル等も使用できる。変位の測定範囲が平等磁界の範囲に左右されないので、測定範囲はコアの長さで決めることができ、差動トランスのようにコイルが長大化しない。渦電流効果・磁気誘導効果の何れも利用することができるので、コアの形状・材料の選択範囲が広く、また、特殊な材料も必要としない。ミリ単位からメートル単位の変位まで静的・動的変位を問わず測定できる。コアは挿脱が自由なので、取り替えて変位の測定範囲を変えることもできる。渦電流効果はこの他にも興味深い性質を備えており、磁気を応用した変位センサでありながら、差動トランスが動作不能になるような静磁場中でも使用できるし、測定反力を極めて小さくすることも、また、零にすることもできる。基本的に少ない巻き数のコイルとコアを主体にした単純な構造なので、ホイートストンブリッジ回路を用いるひずみゲージのような零点変動がない。また、コイルとコア間に接触・摩耗部分がない、油や水などの悪環境に強い、安価にできる、等の利点がある。   Since the Helmholtz coil is used, the number of turns of the coil can be reduced, and a planar coil, a printed wiring coil, an IC coil, etc. can be used. Since the measurement range of the displacement does not depend on the range of the equal magnetic field, the measurement range can be determined by the length of the core, and the coil does not become long like a differential transformer. Since both the eddy current effect and the magnetic induction effect can be used, the selection range of the core shape and material is wide, and no special material is required. Measurements can be made regardless of static or dynamic displacement from millimeter to metric displacement. Since the core can be freely inserted and removed, it can be replaced to change the displacement measurement range. The eddy current effect has other interesting properties. It is a displacement sensor using magnetism, but it can be used even in a static magnetic field where the differential transformer becomes inoperable, and the measurement reaction force is extremely small. Can also be zero. Basically, it has a simple structure mainly composed of a coil with a small number of turns and a core, so there is no zero point variation like a strain gauge using a Wheatstone bridge circuit. In addition, there are advantages such as no contact / abrasion between the coil and the core, resistance to bad environments such as oil and water, and low cost.

以下、本発明の実施の形態を図1〜図7に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

磁気を応用した変位センサでは、通常、変位検出用のコアが磁界に沿って変位するので、測定範囲は磁界の制約を避けることできない。これに対し本発明では、変位検出用のコアを平等磁界中で磁界を横切る様に変位させると共に、点対称なコア形状を利用して、あたかもそれが中心軸に沿って変位したかの様に機能させることで変位測定範囲の拡張を可能にしている。   In a displacement sensor using magnetism, the displacement detection core is usually displaced along the magnetic field, so the measurement range cannot avoid the restriction of the magnetic field. On the other hand, in the present invention, the displacement detection core is displaced so as to cross the magnetic field in an equal magnetic field, and the point-symmetric core shape is used as if it were displaced along the central axis. By making it function, the displacement measurement range can be expanded.

図1は、本発明の基本構成を示す斜視図で、10はヘルムホルツ・コイル(半径をr、間隔をdとするとd=r)、15aおよび15bは2個一組の空芯トランス、20は2個一組の検出コイル、30は変位検出用のコア、40は軸、50は非磁性体金属よりなる2個一組の磁気遮蔽体である。dmは被測定体(図示略)の変位に応じたコア30の変位を示す。   FIG. 1 is a perspective view showing the basic configuration of the present invention, wherein 10 is a Helmholtz coil (d = r where r is a radius and d is a distance), 15a and 15b are a pair of air core transformers, A set of two detection coils, 30 is a core for detecting displacement, 40 is a shaft, and 50 is a set of two magnetic shields made of nonmagnetic metal. dm indicates the displacement of the core 30 according to the displacement of the measured object (not shown).

ヘルムホルツ・コイル10と検出コイル20の中心軸clを一致させ、両コイルを接近させて対称的な2個一組の空芯トランス15a、15bを形成する。このとき、2個一組の対称性には注意する。また、結合係数については、通常の電子機器用空芯トランスと同様な考えで、少し離して巻いても、重ねて巻いても、両コイルの線を同時に巻くバイファイラー巻きにしてもよい。   The center axes cl of the Helmholtz coil 10 and the detection coil 20 are made to coincide with each other and the two coils are brought close together to form a pair of symmetrical air-core transformers 15a and 15b. At this time, pay attention to the symmetry of each pair. Further, the coupling coefficient may be a bifilar winding in which the wires of both coils are wound at the same time, even if they are wound slightly apart, overlapped, or wound, based on the same idea as an ordinary air core transformer for electronic equipment.

ヘルムホルツ・コイル10の平等磁界heが生じる範囲は、ヘルムホルツ・コイル10の中心軸cl上の中央部分においてコイル径(2×r)および間隔dのそれぞれ1/3程度で、扁平な円筒状をしている。この平等磁界heの周辺では、どの方向にも周りに行くほど磁界の強さを弱め不平等な磁界となるので、当然、不要な磁束も存在することになる(背景技術説明用の図8のイメージ、図9のグラフ参照)。   The range in which the equal magnetic field he of the Helmholtz coil 10 is generated is a flat cylindrical shape having a coil diameter (2 × r) and a distance d of about 1/3 at the central portion on the central axis cl of the Helmholtz coil 10. ing. In the vicinity of the equal magnetic field he, the intensity of the magnetic field is reduced and the magnetic field becomes unequal as it goes in any direction, and naturally, unnecessary magnetic flux exists (see FIG. 8 for explaining the background art). Image, see graph in FIG. 9).

この不要な磁束を排除して、変位検出用のコア30が平等磁界heのみの影響下で変位可能とするため、ヘルムホルツ・コイル10の中心軸clを横切るような方向から磁気遮蔽体50を空芯トランス15a、15bの間に中心軸clを通るように設けて磁気遮蔽を行っている。このとき、中心軸clを横切る方向は、直角方向を基本とするが、多少の傾きは問題とはならない。   In order to eliminate the unnecessary magnetic flux and allow the displacement detection core 30 to be displaced only under the influence of the equal magnetic field he, the magnetic shield 50 is emptied from the direction crossing the central axis cl of the Helmholtz coil 10. Between the core transformers 15a and 15b, a magnetic shield is provided by passing through the central axis cl. At this time, the direction crossing the central axis cl is basically a perpendicular direction, but a slight inclination is not a problem.

渦電流による磁気遮蔽効果は、出来るだけ固有抵抗の小さな非磁性体金属を用いて磁気遮蔽体50とし、出来るだけ高い周波数を用いてヘルムホルツ・コイル10を励磁したとき、より効果的となる。このため、銅やアルミ等を用いて磁気遮蔽体50とし、ヘルムホルツ・コイル10の励磁周波数は数十kHz前後からそれ以上にするのがよい。これについては、コア30の渦電流効果にも同様なことがいえるが、仮に数十kHz前後を下回った低い励磁周波数でも動作は可能であるが、渦電流効果としては低下する傾向にある。   The magnetic shielding effect by the eddy current becomes more effective when the Helmholtz coil 10 is excited by using a nonmagnetic metal having as small a specific resistance as possible to form the magnetic shielding body 50 and using a frequency as high as possible. For this reason, it is preferable that the magnetic shield 50 be made of copper, aluminum, or the like, and the excitation frequency of the Helmholtz coil 10 be about several tens kHz or higher. The same can be said for the eddy current effect of the core 30. Although the operation is possible even at a low excitation frequency lower than around several tens of kHz, the eddy current effect tends to decrease.

こうして、軸40と共に平等磁界he中に挿脱可能な変位検出用コア30の磁気遮蔽空間を確保するが、強磁性体を用いた磁気遮蔽とは異なり、周囲の磁束の流れは変えないので本発明に即した磁気遮蔽と言うことができる。   Thus, a magnetic shielding space of the displacement detection core 30 that can be inserted into and removed from the equal magnetic field he together with the shaft 40 is ensured. However, unlike the magnetic shielding using a ferromagnetic material, the flow of the surrounding magnetic flux does not change. It can be said that it is a magnetic shielding according to the invention.

一方、コア30の形状は、平等磁界he中で磁界を横切る様に変位することと併せて重要である。非磁性体金属、例えば、銅やアルミ等を用いて同形で2枚一組の矢形をした金属板を用いて両端を互い違いに揃えてから、図1の様に軸40の左右両側の対称的な位置に取り付けて、点対称な形状としている。このとき、2枚一組の金属板の間隔は平等磁界he中で適宜に決めて良い。   On the other hand, the shape of the core 30 is important in conjunction with the displacement so as to cross the magnetic field in the equal magnetic field he. After using a non-magnetic metal, such as copper or aluminum, to align both ends alternately using a pair of arrow-shaped metal plates, the symmetrical shape on the left and right sides of the shaft 40 as shown in FIG. It is attached at a certain position and has a point-symmetric shape. At this time, the interval between the pair of metal plates may be appropriately determined in the equal magnetic field he.

軸40と共にコア30が平等磁界he中および中心軸cl上を横切る様に変位したとき、コア30は中心軸cl方向には変位しないが、あたかも中心軸clに沿って変位したかの様な機能を見せる。すなわち、いま平等磁界he中にコア30があるとして、点対称な2枚の非磁性体金属板が平等磁界he中に占める面積に差があると、面積の多い方の非磁性体金属板では渦電流が多く、多くの磁束を打ち消し、検出コイル20の磁束鎖交数が減少し、その出力が減少する。この金属板の面積が多い方の検出コイル20の出力を仮にe2とする。   When the core 30 is displaced with the shaft 40 in the equal magnetic field he and across the central axis cl, the core 30 is not displaced in the direction of the central axis cl, but functions as if it is displaced along the central axis cl. Show. That is, assuming that the core 30 is present in the equal magnetic field he, and there is a difference in the area occupied by the two point-symmetric non-magnetic metal plates in the equal magnetic field he, There are many eddy currents, canceling out many magnetic fluxes, the number of magnetic flux linkages of the detection coil 20 decreases, and the output decreases. The output of the detection coil 20 having the larger area of the metal plate is assumed to be e2.

同時に、面積の少ない方の非磁性体金属板では渦電流が少なく、磁束の打ち消しも少なく、検出コイル20の磁束鎖交数が増加し、その出力が増加する。この金属板の面積が少ない方の検出コイル20の出力を仮にe1とすると、交流差動出力e1−e2が得られる。被測定体の変位dmと共にこれら一連の動作が間断なく繰り返され、本発明を最も特徴づける機能となっている。   At the same time, the non-magnetic metal plate having the smaller area has less eddy current, less magnetic flux cancellation, increases the number of flux linkages of the detection coil 20, and increases its output. If the output of the detection coil 20 having the smaller metal plate area is assumed to be e1, an AC differential output e1-e2 is obtained. A series of these operations are repeated without interruption along with the displacement dm of the object to be measured, which is the function that characterizes the present invention most.

ここにおいて、コア30のみを非磁性体金属から磁性体金属に変更した場合を考えてみる。ヘルムホルツ・コイル10の発生する磁界は、差動トランスの場合と同様にコア30に引き寄せられ、コア30は周りの磁束を引き連れながら変位する様になる。このため、平等磁界he中に留まっているコア30で2枚の磁性体金属板の面積に差があると、面積の多い方の磁性体金属板に多くの磁束が引き寄せられ、検出コイル20の磁束鎖交数が増加、その出力が増加する。これを仮にe2とする。同時に、面積の少ない方の磁性体金属板では磁束の引きつけが少なく、検出コイル20の磁束鎖交数が減少、その出力が減少、これを仮にe1とすると、交流差動出力e2−e1が得られる。   Here, consider a case where only the core 30 is changed from a non-magnetic metal to a magnetic metal. The magnetic field generated by the Helmholtz coil 10 is attracted to the core 30 as in the case of the differential transformer, and the core 30 is displaced while attracting the surrounding magnetic flux. For this reason, if there is a difference in area between the two magnetic metal plates in the core 30 remaining in the equal magnetic field he, a large amount of magnetic flux is attracted to the larger magnetic metal plate, and the detection coil 20 The number of flux linkages increases and the output increases. This is assumed to be e2. At the same time, the magnetic metal plate having the smaller area has less magnetic flux attraction, the number of magnetic flux linkages of the detection coil 20 is reduced, and the output is reduced. If this is assumed to be e1, an AC differential output e2-e1 is obtained. It is done.

従って、コア30が、非磁性体金属の場合と磁性体金属の場合では、変位dmに対する交流差動出力e1−e2の極性が逆になるので、位相弁別回路71等を内蔵したシグナルコンディショナ70との組み合わせ段階で考慮する必要がある。通常はコア30の材質に関係なく、右方向への変位dmをプラス、左方向への変位dmをマイナスと定めたら、シグナルコンディショナ70の直流差動出力Eoの極性をそれに合わせる様にする。   Therefore, when the core 30 is made of a non-magnetic metal and a magnetic metal, the polarity of the AC differential output e1-e2 with respect to the displacement dm is reversed. Therefore, the signal conditioner 70 incorporating the phase discriminating circuit 71 and the like. It is necessary to consider at the combination stage. Normally, regardless of the material of the core 30, if the rightward displacement dm is determined to be positive and the leftward displacement dm is determined to be negative, the polarity of the DC differential output Eo of the signal conditioner 70 is adjusted to that.

図2は、図1の磁気遮蔽体50の形状を変更した斜視図であり、2個一組の円盤状をした磁気遮蔽体50aとしたもので、構造の単純化・多機能化・コストダウンなどを目的に応じて選択可能にしている。    FIG. 2 is a perspective view in which the shape of the magnetic shield 50 of FIG. 1 is changed, and is a magnetic shield 50a having a pair of discs. The structure is simplified, multifunctional, and cost-reduced. Etc. can be selected according to the purpose.

構造を単純化することで、ヘルムホルツ・コイル10と検出コイル20と磁気遮蔽体50aとを一体化し易く、コア30の移動空間も周辺が解放されるので、設計の自由度も増す。また、コア30の形状を全体又は一部に曲線を用いた関数型、すなわち、変位に対する交流差動出力e1−e2を一定の関数関係にしたり、非直線性の改善をしたりできる他、コア30のみを幾つも用意して取り替えて使用したりする等の多機能化も実現し易くなる。なお、図2を分かり易くするため、磁気遮蔽体50aを実際的な形状よりも、孔径を大きく、外径を小さく、間隔を広く、強調表示している。   By simplifying the structure, it is easy to integrate the Helmholtz coil 10, the detection coil 20, and the magnetic shield 50a, and the movement space of the core 30 is released, so that the degree of design freedom is also increased. In addition, the core 30 may be a functional type that uses a curve in whole or in part, that is, the AC differential output e1-e2 with respect to the displacement may have a fixed functional relationship, or non-linearity may be improved. It becomes easy to realize multi-functionality such as preparing and replacing only a few of 30. In order to make FIG. 2 easier to understand, the magnetic shield 50a is highlighted with a larger hole diameter, a smaller outer diameter, and a wider interval than the actual shape.

図3は、ヘルムホルツ・コイル10と検出コイル20の接続図を示す。図中で各コイルに付した黒点は各コイルの巻きはじめを示し、ヘルムホルツ・コイル10に励磁電圧evが印加されると、2個のコイルに同一電流が同一方向に流れ、発生磁界が加算されて平等磁界heが得られることを示している。なお、ヘルムホルツ・コイル10の一方を逆極性に接続すると、逆接続ヘホルムホルツ・コイルとなって、平等磁界heに代わって図9に示す様な傾斜磁界hgが得られ、アンテナなどに利用されているが、これについては別途後述する。他方、検出コイル20では、2個のコイルの出力が引き算されて交流差動出力e1−e2となることを表している。なお、コア30と軸40は、変位dmと交流差動出力e1−e2との関係を考慮、略図化して記入した。    FIG. 3 is a connection diagram of the Helmholtz coil 10 and the detection coil 20. The black dots attached to the coils in the figure indicate the beginning of winding of the coils. When the excitation voltage ev is applied to the Helmholtz coil 10, the same current flows in the two coils in the same direction, and the generated magnetic field is added. This shows that an equal magnetic field he is obtained. If one of the Helmholtz coils 10 is connected in reverse polarity, the Helmholtz coil is reversely connected to obtain a gradient magnetic field hg as shown in FIG. However, this will be separately described later. On the other hand, the detection coil 20 represents that the outputs of the two coils are subtracted to become an AC differential output e1-e2. The core 30 and the shaft 40 are shown in a simplified form in consideration of the relationship between the displacement dm and the AC differential output e1-e2.

図4は、図1および図2のコア30を単純化した例の部分的な斜視図であり、構造の単純化・軽量化・コストダウンなどを目的としている。コア30aが2個一組の空芯トランス15a、15bの何れか一方に偏倚して、平等磁界he中で磁界を横切って変位する位置を平等磁界heのイメージと共に示している。   FIG. 4 is a partial perspective view of a simplified example of the core 30 of FIGS. 1 and 2 for the purpose of simplifying the structure, reducing the weight, reducing the cost, and the like. A position where the core 30a is displaced to one of the pair of air core transformers 15a and 15b and is displaced across the magnetic field in the equal magnetic field he is shown together with an image of the equal magnetic field he.

コア30aは、その形状を軸方向に非対称な細長い矢形の金属板1枚にしているので、仮にコア30aが中心軸cl上に長さsを持つ平等磁界heの真ん中(s1=s2の点)を変位した場合には、2個一組の空芯トランス15aおよび15bに対して磁気的に差動的な影響を及ぼすことができなくなり、検出コイル20に交流差動出力e1−e2が得られない。   Since the shape of the core 30a is a single long and thin arrow-shaped metal plate that is asymmetric in the axial direction, the core 30a is temporarily in the middle of a uniform magnetic field he having a length s on the central axis cl (point of s1 = s2). Is displaced, the pair of air core transformers 15a and 15b can no longer have a magnetically differential effect, and an AC differential output e1-e2 is obtained at the detection coil 20. Absent.

従って、この形状のコア30aは、2個一組の空芯トランスの何れか一方に偏倚して平等磁界he中で磁界を横切る様に変位させる必要があり、平等磁界heの軸方向長さsをs1:s2に按分する点として、s1およびs2を適宜定める。すなわち、s1とs2の何れかを小さく他を大きくして、コア30aを平等磁界heの何れか一方の端に近づけて挿脱可能にする。   Therefore, the core 30a having this shape needs to be displaced to one of a pair of air core transformers and displaced so as to cross the magnetic field in the equal magnetic field he, and the axial length s of the equal magnetic field he. S1 and s2 are appropriately determined as points that divide s1 into s2. That is, one of s1 and s2 is made small and the others are made large so that the core 30a can be inserted / removed close to one end of the equal magnetic field he.

この様にして、コア30aが平等磁界heの何れか一方の端近くで、平等磁界he中で磁界を横切って変位すると、コア30aに近い側の空芯トランス15a又は15bで結合係数が大きく変化、他方の空芯トランス15b又は15aで小さく変化する。この結合係数の偏りを与えることによって、はじめてコア30aの変位dmが交流差動出力e1−e2を生みだす様になり、被測定変位dmが結合係数の偏りを中心に上下する様になる。   In this way, when the core 30a is displaced across the magnetic field in the equal magnetic field he near one end of the equal magnetic field he, the coupling coefficient changes greatly in the air core transformer 15a or 15b on the side closer to the core 30a. The other air core transformer 15b or 15a changes slightly. By giving the bias of the coupling coefficient, the displacement dm of the core 30a first produces the AC differential output e1-e2, and the measured displacement dm goes up and down around the bias of the coupling coefficient.

また、この結合係数の偏りは、検出コイル20の交流差動出力e1−e2に偏った固定出力となって現れるので、位相弁別回路71等を内蔵したシグナルコンディショナ70と組み合わせて、零点調整など必要な補正を行って使用する。なお、コア30aは非磁性体金属又は磁性体金属の何れでもよいが、前述の様に両者の交流差動出力e1−e2の極性が反転するので注意する。   Further, since the bias of the coupling coefficient appears as a fixed output biased to the AC differential outputs e1-e2 of the detection coil 20, it is combined with the signal conditioner 70 having a built-in phase discriminating circuit 71 and the like to adjust the zero point. Make necessary corrections before use. The core 30a may be made of either a non-magnetic metal or a magnetic metal. However, it should be noted that the polarities of both AC differential outputs e1-e2 are inverted as described above.

図5は、図1および図2のコア30を巻き尺状に変更した例の部分的な斜視図であり、コア30b自体の変位スペースを小さく変更した例である。すなわち、コア30bの形状を細長い矢形とし、全体を巻き尺状にしてケース内に巻き込んでいるため(巻き込み用のばね等は図示略)、静的な変位測定に限られるが、狭い空間での大きな変位測定にも対応できる。平等磁界中を変位するコアの位置等は図4において記載した内容と同様である。   FIG. 5 is a partial perspective view of an example in which the core 30 of FIGS. 1 and 2 is changed to a tape measure, and is an example in which the displacement space of the core 30b itself is changed to be small. That is, since the core 30b has a long and narrow arrow shape and is wound in the case with the entire tape measure (the spring for winding is not shown), it is limited to static displacement measurement, but it is large in a narrow space. Can also handle displacement measurement. The position of the core displaced in the equal magnetic field is the same as that described in FIG.

図6は、本発明変位センサ60とシグナルコンディショナ70とを組み合わせて変位測定装置を構成したブロック図である。また、図7は、変位dmに対する検出コイル20の交流差動出力e1−e2、シグナルコンディショナ70の位相弁別出力Es、直流差動出力Eo等を示すグラフである。変位センサ60は、発振回路74の励磁出力evを印加されて、被測定体の変位dmに応じて、変位の大きさと方向を持つ交流差動出力e1−e2を発生する。   FIG. 6 is a block diagram in which a displacement measuring device is configured by combining the displacement sensor 60 of the present invention and the signal conditioner 70. FIG. 7 is a graph showing the AC differential output e1-e2 of the detection coil 20 with respect to the displacement dm, the phase discrimination output Es of the signal conditioner 70, the DC differential output Eo, and the like. The displacement sensor 60 receives the excitation output ev of the oscillation circuit 74 and generates an AC differential output e1-e2 having a displacement magnitude and direction according to the displacement dm of the measured object.

交流差動出力e1−e2は、図7のようにV字特性を示し、変位dmの方向がプラス・マイナス何れの方向であっても、変位の絶対値が同じなら同じ値なる。いま、この値を知るために交流電圧計を用いたとすれば、電圧の大きさから変位の大きさは分かるが、どちらの方向に変位したのかは分からないので、位相弁別という機能が必要となる。   The AC differential outputs e1-e2 have V-shaped characteristics as shown in FIG. 7, and have the same value as long as the absolute value of the displacement is the same regardless of the direction of the displacement dm. Now, if an AC voltmeter is used to know this value, the magnitude of the displacement is known from the magnitude of the voltage, but the direction of the displacement is unknown, so a function called phase discrimination is necessary. .

位相弁別回路71は、交流差動差動出力e1−e2の検波と平滑を行って、位相弁別出力Esとして、図7に示すように変位の大きさを直流電圧で、変位の方向をプラス・マイナスの符号で識別できる様にする。位相弁別出力Esは、電圧レベルも低く、零点調整や感度調整も必要とするので、増幅回路・出力回路で適宜増幅と必要な調整を行って最終的に変位dmの大きさと方向を示す直流差動出力Eoとする。   The phase discriminating circuit 71 detects and smoothes the AC differential differential outputs e1-e2, and as the phase discrimination output Es, as shown in FIG. 7, the magnitude of the displacement is a DC voltage and the direction of the displacement is added. Make it possible to identify with a minus sign. Since the phase discrimination output Es has a low voltage level and requires zero point adjustment and sensitivity adjustment, the amplification circuit / output circuit appropriately amplifies and makes necessary adjustments, and finally a DC difference indicating the magnitude and direction of the displacement dm. The dynamic output is Eo.

なお、本発明は、これまでの説明に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で多くの変更を加えることができる。   The present invention is not limited to the above description, and many changes can be made without departing from the scope of the invention.

例えば、前述の逆接続ヘルムホルツ・コイルも本発明に応用でき、ヘルムホルツ・コイルの一方を逆接続にした側で検出コイルも逆接続にすると、これまでの説明通りに変位測定が可能となる。   For example, the above-described reversely connected Helmholtz coil can also be applied to the present invention. If one of the Helmholtz coils is reversely connected and the detection coil is reversely connected, displacement measurement can be performed as described above.

また、コアの点対称中心をコアの軸上あるいは軸外の任意の点に移動すること、コアに用いる長手方向に非対称な金属板を異種金属で複数枚の組み合わせとすること、軸を片持ちにすること、軸に目盛りを付すこと、軸を中空にすること、コアと軸を樹脂等で覆って一体化すること、取り付け上の制約がある場合には、軸をヘルムホルツ・コイルの中心軸に対して直角方向から意識的に傾けて挿入すること等も可能である。   Also, move the point symmetry center of the core to an arbitrary point on or off the axis of the core, use a combination of multiple asymmetric metal plates for the core in the longitudinal direction, and cantilever the axis If there are restrictions on mounting, the shaft should be the central axis of the Helmholtz coil. It is also possible to insert it consciously tilted from the right angle direction.

また、コアの形状を細長い直角三角形状にして一層軽量化することもできる。コアをこの様な形状にすると、コアの面を水平方向にして平等磁界中に挿脱することもより容易となる。その他、コアの一部に孔や切り欠きを設けて変位に対する交流差動出力を任意に変更すること等も可能である。   Further, the core can be made lighter and more lightweight by making it an elongated right triangle. When the core has such a shape, it becomes easier to insert and remove it into the equal magnetic field with the core surface in the horizontal direction. In addition, it is possible to arbitrarily change the AC differential output with respect to the displacement by providing a hole or notch in a part of the core.

また、磁気遮蔽体を複数の異種金属で構成して、磁気遮蔽効果を高めることも可能である。   It is also possible to increase the magnetic shielding effect by configuring the magnetic shielding body with a plurality of different metals.

さらに、ヘルムホルツ・コイル、2個一組の検出コイル、2個一組の磁気遮蔽体を中心軸上で一体構造として製作したうえ、変位の測定時とは逆に、外部からの電気信号によりそれらが中心軸を横切るように、あるいは、中心軸に沿って一定の変位を生じる様な機能を予め与えておいて、被測定体が静止状態にあるときを見計らって、動作点検や変位校正を行うことも可能である。   In addition, a Helmholtz coil, two detection coils, and two magnetic shields are manufactured as an integral structure on the central axis, and in contrast to the measurement of displacement, they are generated by external electrical signals. A function that generates a certain displacement along the central axis is given in advance so that the measured object is in a stationary state, and the operation inspection and displacement calibration are performed. It is also possible.

本発明の基本構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the basic composition of this invention. 図1の磁気遮蔽体の形状を変更した斜視図である。It is the perspective view which changed the shape of the magnetic shielding body of FIG. ヘルムホルツ・コイルと検出コイルの接続図である。It is a connection diagram of a Helmholtz coil and a detection coil. 図1および図2のコアを単純化した例の部分的な斜視図である。FIG. 3 is a partial perspective view of a simplified example of the core of FIGS. 1 and 2. 図1および図2のコアを巻き尺状にした例の部分的な斜視図である。It is a partial perspective view of the example which made the core of FIG. 1 and FIG. 2 into the tape measure shape. 本発明変位センサとシグナルコンディショナとを組み合わせて変位測定装置を構成したブロック図である。It is the block diagram which comprised the displacement measuring apparatus combining this invention displacement sensor and the signal conditioner. 変位に対する交流差動出力、直流差動出力等を示すグラフである。It is a graph which shows the alternating current differential output, direct current differential output, etc. with respect to a displacement. 本発明に関連する特開2001−66103号の説明図である。It is explanatory drawing of Unexamined-Japanese-Patent No. 2001-66103 relevant to this invention. 本発明に関連する特開2001−66103号の説明図である。It is explanatory drawing of Unexamined-Japanese-Patent No. 2001-66103 relevant to this invention. 本発明に関連する特開2001−66103号の説明図である。It is explanatory drawing of Unexamined-Japanese-Patent No. 2001-66103 relevant to this invention. 本発明に関連する特開2001−66103号の説明図である。It is explanatory drawing of Unexamined-Japanese-Patent No. 2001-66103 relevant to this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、10 ヘルムホルツ・コイル
2、20 検出コイル
3、30、30a、30b コア
4、40、40a、40b 軸
50、50a 磁気遮蔽体
60 変位センサ
70 シグナルコンディショナ
71 位相弁別回路
72 増幅回路
73 出力回路
74 発振回路
75 電源回路
cl ヘルムホルツ・コイルおよび検出コイルの中心軸
d ヘルムホルツ・コイルの間隔
dm 変位
e1、e2 検出コイルの出力
e1−e2 交流差動出力
ev 励磁電圧
Es 位相弁別出力
Eo 直流差動出力
he 平等磁界の範囲
r ヘルムホルツ・コイルの半径
s 平等磁界の軸方向長さ
1, 10 Helmholtz coil 2, 20 Detection coil 3, 30, 30a, 30b Core 4, 40, 40a, 40b Shaft 50, 50a Magnetic shield 60 Displacement sensor 70 Signal conditioner 71 Phase discrimination circuit 72 Amplification circuit 73 Output circuit 74 Oscillation circuit 75 Power supply circuit cl Center axis of Helmholtz coil and detection coil d Helmholtz coil interval dm displacement e1, e2 Detection coil output e1-e2 AC differential output ev Excitation voltage Es Phase discrimination output Eo DC differential output he Range of equal magnetic field r Helmholtz coil radius s Axial magnetic field length

Claims (3)

ヘルムホルツ・コイルと、2個一組の検出コイルと、2個一組の非磁性体金属よりなる磁気遮蔽体と、軸に固定され非磁性体金属よりなる変位検出用のコアとからなり、前記ヘルムホルツ・コイルと前記検出コイルとの中心軸を一致させ、かつ、離間して2個一組の空芯トランスを形成し、前記磁気遮蔽体を前記空芯トランスの間に前記中心軸を通る様に設けることによって、前記コアが移動可能な磁気遮蔽空間を構成し、併せて前記コアの形状を長手方向に非対称な2枚一組の金属板として、前記軸の両側で軸方向に点対称な位置に固定して、前記磁気遮蔽空間内に挿脱可能とすると共に、前記コアの渦電流効果を利用して前記検出コイルに生じる交流差動出力を用いて変位を測定する変位センサ。   A Helmholtz coil, a set of two detection coils, a magnetic shield made of a pair of nonmagnetic metals, and a displacement detection core made of a nonmagnetic metal fixed to a shaft, The center axis of the Helmholtz coil and the detection coil are aligned and spaced apart to form a pair of air core transformers, and the magnetic shield passes through the center axis between the air core transformers. Providing a magnetic shielding space in which the core can move, and at the same time, the shape of the core is a pair of metal plates that are asymmetric in the longitudinal direction, and is symmetrical in the axial direction on both sides of the shaft. A displacement sensor that is fixed at a position and can be inserted into and removed from the magnetic shielding space, and that measures displacement using an AC differential output generated in the detection coil by using an eddy current effect of the core. ヘルムホルツ・コイルと、2個一組の検出コイルと、2個一組の非磁性体金属よりなる磁気遮蔽体と、軸に固定され磁性体金属よりなる変位検出用のコアとからなり、前記ヘルムホルツ・コイルと前記検出コイルとの中心軸を一致させ、かつ、離間して2個一組の空芯トランスを形成し、前記磁気遮蔽体を前記空芯トランスの間に前記中心軸を通る様に設けることによって、前記コアが移動可能な磁気遮蔽空間を構成し、併せて前記コアの形状を長手方向に非対称な2枚一組の金属板として、前記軸の両側で軸方向に点対称な位置に固定して、前記磁気遮蔽空間内に挿脱可能とすると共に、前記コアの磁気誘導効果を利用して前記検出コイルに生じる交流差動出力を用いて変位を測定する変位センサ。   A Helmholtz coil, a set of two detection coils, a magnetic shield made of a pair of non-magnetic metals, and a displacement detection core made of a magnetic metal fixed to a shaft; A central axis of the coil and the detection coil are aligned and spaced apart to form a pair of air core transformers, and the magnetic shield passes through the central axis between the air core transformers. By providing, a magnetic shielding space in which the core can move is formed, and at the same time, the shape of the core is a set of two metal plates that are asymmetric in the longitudinal direction. A displacement sensor that is fixed to the magnetic shield space so that it can be inserted into and removed from the magnetic shielding space and that measures displacement using an AC differential output generated in the detection coil by using the magnetic induction effect of the core. 磁気遮蔽空間内で挿脱可能なコアは、長手方向に非対称として2個一組の空芯トランスの何れか一方に偏倚して設けられた請求項1又は2記載の変位センサ。   The displacement sensor according to claim 1, wherein the core that can be inserted and removed in the magnetic shielding space is provided to be biased to one of a pair of air core transformers as asymmetric in the longitudinal direction.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008056698B4 (en) * 2008-11-11 2015-03-05 Zf Friedrichshafen Ag Distance measuring sensor according to the Helmholtz principle
CN108106771A (en) * 2017-11-29 2018-06-01 清华大学 A kind of electric vortex force/deformation/pressure detection method based on micro-/ nano film
CN114944277A (en) * 2022-07-26 2022-08-26 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 Design method of magnetic field generating device for improving stability of magnetic field

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008056698B4 (en) * 2008-11-11 2015-03-05 Zf Friedrichshafen Ag Distance measuring sensor according to the Helmholtz principle
CN108106771A (en) * 2017-11-29 2018-06-01 清华大学 A kind of electric vortex force/deformation/pressure detection method based on micro-/ nano film
CN108106771B (en) * 2017-11-29 2020-09-18 清华大学 Electric eddy force and/or deformation and/or pressure detection method based on micro/nano film
CN114944277A (en) * 2022-07-26 2022-08-26 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 Design method of magnetic field generating device for improving stability of magnetic field

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