JP3613572B2 - 磁性金属センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば工作機械や精密測定機器等における相対変位する２部材の変位量を検出するセンサに関し、特に、被検出部に磁性金属を用いる方式のものにおいて、微小な磁性金属片の速い応答速度での検出等を可能にしたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工作機械や精密測定機器等における相対変位する２部材の変位量を、被検出部に磁性金属を用いて検出するセンサ（磁性金属センサと呼ぶことにする）として、渦電流方式センサが存在していた。図１２はこの渦電流方式センサのセンシングコイルの構成図、図１３は駆動回路部及び検波回路部を含めた渦電流方式センサ全体の概略構成図である。
【０００３】
渦電流方式センサの原理は次の通りである。
図１２のように円筒形のコア３１の円周上にボビン３２を用いてコイル３３を巻くことによりセンシングコイルを構成し、図１３の駆動回路部３４でこのコイル３３を励振駆動すると、コイル３３の周囲に磁界が発生する。
【０００４】
このように磁界を発生したセンシングコイルに、図１３のように磁性金属の金属片３６を近づけていくと、電磁誘導作用による起電力に基づき、この磁界と反対向きの磁界を発生するような渦電流が金属片３６内に流れる。
【０００５】
この渦電流に基づく磁界の発生によってセンシングコイルのインピーダンスが変化するので、図１３の検波回路部３５中の検波回路３５ａでこのインピーダンスの変化分を電圧等の出力信号の変化として取り出す。
【０００６】
検波回路部３５中のスイッチング回路３５ｂ（アナログスイッチのようなスイッチ素子を用いたものであり、金属片３６の材質やセンシングコイル・金属片３６間の距離と検波回路３５ａの出力レベルとの関係等に応じて閾値を設定したもの）の出力は、センシングコイル・金属片３６間の距離が一定未満／以上のときオン／オフとなり、このオン／オフ時に、図示しない別の回路部からそれぞれ所定レベルの検出信号を得るようにする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この渦電流方式センサには、次のような不都合があった。
（１）一般的な渦電流方式センサの応答速度は、２〜３ｋＨｚ程度であって、あまり速くない。従って、高速で振動または移動する金属片の検出や、複数の金属片の検出に用いるのには適していない。
【０００８】
（２）コイルの径よりも小さい金属片の検出は困難であり、また、微小金属片や薄い金属片を検出するためにコイルを小型化しようとしても限界がある。従って、微小金属片や薄い金属片の検出に用いるのには適していない。
【０００９】
（３）電磁誘導により金属片に渦電流が流れるためには、センシングコイルから金属片に及ぶ磁界の強さが十分に大きくなければならない。従って、センシングコイル・金属片間の距離をあまり長くとることはできない。逆に、この距離を長くとろうとすると、センシングコイルを大きくしなければならないので、センサの大型化とコスト高とを招いてしまう。
【００１０】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、応答速度が速く、微小金属片等の検出にも適しており、しかもセンサの大型化やコスト高を招くことなく磁界検出部・被検出部間の距離を長くとることのできる磁性金属センサを提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る磁性金属センサは、磁界発生手段と、この磁界発生手段の発生する磁界中に、高透磁率材料から成り開磁路を形成したコアが置かれており、このコアの回りに１対のコイルが巻かれている磁界検出部と、磁性金属を有する被検出部と、このコイルを高周波信号で励振駆動する回路部と、このコイルのインピーダンスの変化分を出力信号として取り出す回路部とを備え、この出力信号からコアの開口端と磁性金属との変位量を検出するようにしたことを特徴としている。
【００１２】
磁界発生手段の発生する磁界中に置かれたコアに巻かれたコイルが励振駆動されることにより、コア内には、磁界発生手段からの磁界とコイルの周囲に発生する磁界との双方による磁束が通る。
【００１３】
ここで、被検出部の磁性金属が、磁界検出部のコアの開口端から離れている状態では、磁界発生手段からの磁界による磁束は、コアとその回りの空気とから成る磁気回路を通る。そして、空気の透磁率が小さい（従って磁気回路全体の磁気抵抗が大きい）ので、この磁界によるコア内の磁束量はあまり多くならない。
【００１４】
これに対し、磁性金属がコアの開口端に近づいた状態では、磁界発生手段からの磁界による磁束は、コアと磁性金属とその回りの空気とから成る磁気回路を通るようになる。そして、磁性金属の透磁率が大きい（従って、磁気回路全体の磁気抵抗が小さくなる）ので、この磁界によるコア内の磁束量が、磁性金属が離れている状態よりも多くなる。
【００１５】
コア内の磁束量が変化すると、コイルのインピーダンスが変化する。このインピーダンスの変化分がコイルからの出力信号として取り出され、この出力信号からコアの開口端と磁性金属との変位量（即ち磁界検出部と被検出部との変位量）が検出される。
【００１６】
このように、この磁性金属センサによれば、磁界発生手段の発生する磁界によるコア内の磁束量の変化に基づいて変位量を検出するようにしているので、電磁誘導の起電力による渦電流に基づいて変位量を検出する渦電流方式センサよりも応答速度が速くなる。
【００１７】
また、コアの開口端の大きさや形状は、磁性金属の大きさや形状に合わせて任意に決定することが可能なので、微小金属片や薄い金属片の検出に用いるのにも適している。
【００１８】
また、コアの開口端・磁性金属間の距離（即ち磁界検出部・被検出部間の距離）を長くとるためには、磁界発生手段の磁化の強さを大きくすればよいので、センサの大型化やコスト高を招くことなくこの距離を長くとることができる。
【００１９】
また、コアの開口端・磁性金属間の距離（即ち磁界検出部・被検出部間の距離）を長くとるためには、磁界発生手段からの磁界による磁束が磁性金属に届く程度に磁界発生手段の磁化の強さを大きくすればよい（渦電流方式センサのように磁性金属に渦電流を流すほどに大きくする必要はない）ので、センサの大型化やコスト高を招くことなくこの距離を長くとることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図１〜図１０は、本発明に係る磁性金属センサの一実施例を示す。
図１に示すように、永久磁石１の発生する磁界中に、コの字形の開磁路を形成したコア２が置かれており、このコア２の回りに１対のコイル３，４が巻かれている。
【００２１】
永久磁石１の寸法は、高さ，幅，厚さがそれぞれ２ｍｍ，１ｍｍ，１ｍｍになっている（寸法はあくまで一例であって、これに限定する趣旨ではない。以下の各部についても同じである。）
。
永久磁石１は、一例として表面磁束密度約６００Ｇ（ガウス）の強さで厚さ方向に磁化されている。
永久磁石１の材料としては、フェライト磁石が用いられている。（但し、アルニコ磁石や希土類コバルト磁石等を用いてもよい。）
【００２２】
コア２のコア厚は、０．０５ｍｍになっている。コア２の開口端２ａの長さｇは、後述の被検出部の金属片の一辺の長さと同じか、またはそれよりも小さくなっており、ここでは１ｍｍになっている。コア２のその他の部位の寸法は、図２に示す通りである。
【００２３】
コア２の材料としては、パーマロイが用いられている。（但し、軟磁性体であればコア２の材料として用いることができるので、例えば鉄−ボロンのような半金属−鉄属合金やコバルト−チタンのような金属−コバルト合金から成る軟磁性のアモルファス磁性体を用いるようにしてもよい。）
【００２４】
コイル３，４は、直径０．０５ｍｍの銅線を、より具体的には例えば図３に示すようにボビン５を用いて、互いの長手方向軸が平行になるようにしてそれぞれ所定回数（一例として５０回）ずつ巻いたものである。
【００２５】
コイル３と４の巻き方向と、後述の駆動回路部とは、コイル３，４を励振駆動したときにコイル３の周囲に発生する磁界Ｈ１とコイル４の周囲に発生する磁界Ｈ１’とが逆向きになるような関係にある（即ち、コイル３と４の巻き方向が同じであり且つ駆動回路部がコイル３と４を逆相の高周波信号で駆動するか、あるいはコイル３と４の巻き方向が逆であり且つ駆動回路部がコイル３と４を同相の高周波信号で駆動するかのいずれかになっている）。
【００２６】
永久磁石１に対するコイル３，４の配置は、永久磁石１の磁化の方向とコイル３，４の長手方向とが平行になるように、且つ、永久磁石１からの磁界Ｈ２がコイル３と４に均一な強さで及ぶような関係になっている。
【００２７】
これにより、図４に示すように、コイル３，４は、一方のコイル内で励振駆動により発生する磁界と永久磁石１からの磁界Ｈ２とが同じ向きになるとき、もう一方のコイル内では、励振駆動により発生する磁界と磁界Ｈ２とが逆向きになる関係にある（図では、コイル３の励振駆動による磁界Ｈ１と磁界Ｈ２とが同じ向きであり、コイル４の励振駆動による磁界Ｈ１’と磁界Ｈ２とが逆向きである状態を示している）。
【００２８】
尚、図１では永久磁石１はそのＮ極側をコア２に対向させるような配置状態にあるが、逆に永久磁石１がそのＳ極側をコア２に対向させるような配置状態にある場合にも、単に磁界Ｈ２の向きが反対になるだけなので、コイル３，４は、やはり磁界Ｈ１と磁界Ｈ２とが同じ向き／逆向きになるとき、磁界Ｈ１’と磁界Ｈ２とが逆向き／同じ向きになる関係となる。従って、永久磁石１は、そのＮ極側とＳ極側とのいずれをコア２に対向させるように配置してもよい。
【００２９】
コイル３，４がこうした関係となる結果、コイル３，４内を通る磁束量が互いに相違する（励振駆動による磁界と磁界Ｈ２とが同じ向きのコイル内を通る磁束量のほうが、励振駆動による磁界と磁界Ｈ２とが逆向きのコイル内を通る磁束量よりも多くなる）ので、図５に例示するように、コイル３のインピーダンスとコイル４のインピーダンスとが相違するようになる（図では、コイル３のインピーダンスのほうが高い状態を示している）。
【００３０】
尚、永久磁石１とコイル３，４との間の距離Ｌは、一例として、後述のコイル３，４からの出力信号の差動を取った信号の値（これは、図５に示したようなコイル３のインピーダンスとコイル４のインピーダンスとの差分値に対応する値となる）が、図６に示すように最小値０（永久磁石１が無限遠に存在する場合の値）と最大値Ｍ（永久磁石１がコア２に接触するまでコイル３，４に近づいた場合の値）との中間値Ｍ／２になるような長さに決定されており、ここでは実測の結果２ｍｍになっている。これにより、後述するようなこの差動信号の値の変化による変位量の検出を、高精度に行えるようになっている。
【００３１】
これら永久磁石１，コア２，コイル３，４は、図示しない検出対象（工作機械または精密測定機器等）において相対移動する２部材の相対移動方向（図１Ｂの方向Ｘ）とコイル３，４の長手方向軸を含む平面とが直交するような配置で、当該２部材のうちの一方の部材に周知の手段（図示せず）で取り付けられることにより、磁界検出部６を構成している。
【００３２】
図１に戻り、平行に並べられた複数枚の薄板状の金属片群７（図では一例として５枚の金属片７ａ〜７ｅから成っている）が、板面と相対移動方向Ｘとが直交するような配置で、且つ、厚さ方向の面が相対移動の過程において磁界検出部のコア２の開口端２ａと所定距離Ｄだけ離隔して向き合うような配置で（図は金属片７ｃの厚さ方向の面がコア２の開口端２ａと向き合った状態を示している）、検出対象の残りの一方の部材に周知の手段（図示せず）で取り付けられることにより、被検出部８を構成している。
【００３３】
金属片群７中の個々の金属片の寸法は、縦，横，厚さがそれぞれ２ｍｍ，２ｍｍ，０．５ｍｍになっている。
金属片群７中の隣り合う金属片間の間隔は、それぞれ０．５ｍｍになっている（従って、隣り合う金属片の厚さ方向の中心間の距離は、それぞれ１ｍｍになっている）。
金属片群７の材料としては、鉄が用いられている。（但し、それ以外の磁性金属を用いてもよい。）
【００３４】
このような配置関係の結果、検出対象の２部材の相対移動に伴い、被検出部８の金属片群７中の各金属片の厚さ方向の面が、順に、磁界検出部６のコア２の開口端２ａに近づき、向き合い、遠ざかっていくようになっている。
【００３５】
図７は、磁界検出部６のコイル３，４を励振駆動する回路部と、コイル３，４から出力信号を取り出す回路部との構成の一例を示す。
端子１１に供給される電源（図示せず）からの１２Ｖの電圧が、電圧変換回路１２で５Ｖに変換されて、発振回路１３に供給される。発振回路１３は、マルチバイブレータ回路を応用したものであり、周波数１ＭＨｚ，デューティ比１／１０，振幅９Ｖのパルスを発生してコイル３，４に供給する。これにより、前述のように、コイル３の周囲に発生する磁界とコイル４の周囲に発生する磁界とが逆向きになるようにコイル３，４が励振駆動される。
【００３６】
コイル３，４からの出力信号は、ブリッジ回路及び平滑回路１４により整流・平滑化され、増幅回路１５により増幅されて、出力端子１６ａ，１６ｂにそれぞれ取り出される。
【００３７】
次に、以上のような構成を有する磁性金属センサの動作を説明する。
金属片群７中の各金属片が、コア２の開口端２ａから離れている状態（コア２の開口端２ａに向き合っていない状態）では、永久磁石１からの磁界Ｈ２による磁束は、図８Ａに示すように、コア２とその回りの空気とから成る磁気回路を通る。そして、空気の透磁率が小さい（従って磁気回路全体の磁気抵抗が大きい）ので、磁界Ｈ２によるコア２内の磁束量φ１はあまり多くならない。
【００３８】
これに対し、検出対象の２部材の相対移動に伴い、金属片群７中のいずれかの金属片がコア２の開口端２ａに近づき、向き合った状態では、図８Ｂに示すように、永久磁石１による磁束は、コア２と当該金属片とその回りの空気とから成る磁気回路を通るようになる。そして、金属片の透磁率が大きい（従って、磁気回路全体の磁気抵抗が小さくなる）ので、永久磁石１からの磁界Ｈ２によるコア２内の磁束量φ２は、金属片が離れている状態の磁束量φ１よりも多くなる。
【００３９】
このように磁界Ｈ２によるコア２内の磁束量が多くなると、前述のようにコイル３，４では励振駆動による磁界（Ｈ１，Ｈ１’）が互いに逆向きであることから、コイル３，４のうち、励振駆動による磁界と磁界Ｈ２とが同じ向きのコイル内を通る磁束量が一層増加するとともに、励振駆動による磁界と磁界Ｈ２とが逆向きのコイル内を通る磁束量が一層減少する。その結果、例えば金属片群７がコア２の開口端２ａから離れている状態でのコイル３，４のインピーダンスの関係が前出の図５の通りであったとすると、金属片群７中の金属片がコア２の開口端２ａに向き合った状態でのコイル３，４のインピーダンスは、図５に示した関係から例えば図９に示すような関係に変化するようになる。従って、コイル３のインピーダンスとコイル４のインピーダンスとの差分値の大きさは、コア２の開口端２ａと金属片群７との変位量に応じて変化することになる。
【００４０】
図７の回路部の出力端子１６ａ，１６ｂには、コイル３，４のインピーダンスの変化分が、コイル３，４からの出力信号としてそれぞれ取り出される。従って、出力端子１６ａ，１６ｂの出力信号の差動を取ると、この差動信号のレベルは、上述のようなコイル３とコイル４とのインピーダンスの差分値の大きさに対応する（即ちコア２の開口端２ａと金属片群７との変位量に対応する）ようになる。
【００４１】
図１０Ａは、この差動信号の実測例を示す。金属片群７中の隣り合う金属片の厚さ方向の中心間の距離がそれぞれ１ｍｍなので、各金属片が順にコア２の開口端２ａに近づき、向き合い、遠ざかっていくことにより、相対移動距離１ｍｍを周期として空間的にレベル変動する差動信号が得られる様子が表れている（同図におけるピークｐ１〜ｐ５は、それぞれ金属片７ａ〜７ｅがコア２の開口端２ａに向き合った状態に対応している）。
【００４２】
この差動信号を、例えば閾値をピークｐ１〜ｐ５におけるレベルよりも僅かに低いレベルＶｔｈに設定したスイッチング回路（図示せず）に供給すれば、図１０Ｂのようなオン／オフ信号が得られるので、例えばこの信号がオンになる回数をカウントすること等により、コア２の開口端２ａと金属片群７の変位量（即ち検出対象の相対移動する２部材の変位量）が検出される。
【００４３】
このように、この磁性金属センサによれば、永久磁石１の発生する磁界によるコア２内の磁束量の変化に基づいて変位量を検出するようにしているので、応答速度が速くなる。
【００４４】
また、コア２の開口端２ａの大きさや形状は、金属片群７のような磁性金属の大きさや形状に合わせて任意に決定することが可能なので、微小金属片や薄い金属片の検出に用いるのにも適している。
【００４５】
また、コア２の開口端２ａ・金属片群７間の距離Ｄ（即ち磁界検出部６・被検出部８間の距離）を長くとるためには、永久磁石１からの磁界による磁束が金属片群７に届く程度に永久磁石１の磁化の強さを大きくすればよいので、センサの大型化やコスト高を招くことなくこの距離を長くとることができる。
【００４６】
図１に示した例では磁界検出部６における磁界発生手段として永久磁石１を用いているが、永久磁石に代えて電磁石を用いるようにしてもよい。図１１は、電磁石のコアにボビン２１を用いて巻かれたコイル２２が発生する磁界中に、コア２が置かれた様子を示している。
【００４７】
磁界発生手段として電磁石を用いることには、次の（ａ）〜（ｃ）のような利点がある。
（ａ）永久磁石を用いる場合には、センサを取り付ける検出対象に応じて寸法や磁化の強さの異なる磁石に交換しなければならないことがあるが、電磁石を用いる場合には、センサを取り付ける検出対象が代わっても、コイルに流す電流を調整するだけで足りる。従って、センサの組立が容易になる。
【００４８】
（ｂ）永久磁石を用いる場合には、磁石の部位によって磁化の強さにばらつきが存在することにより磁界にむらが生じることがあるが、電磁石を用いる場合には、磁界にむらが生じるおそれが少ない。従って、検出精度が一層向上する。
【００４９】
（ｃ）永久磁石を用いる場合には、コイル３，４からの出力の差動信号の値を図６に示した中間値Ｍ／２に設定するために、永久磁石を実際に移動させてコイル３，４との間の距離を変化させなければならないが、電磁石を用いる場合には、コイルに流す電流を調整するだけで、この値を中間値Ｍ／２に設定できる。従って、センサの調整が容易になる。
【００５０】
尚、以上の実施例では磁界検出部のコアはコの字形を成しているが、コアは開磁路を形成してさえいれば任意の形状であってよいので、例えばＣ字形（円環の一部に開磁路を形成した形状）を成していてもよい。
【００５１】
また、以上の実施例では被検出部に磁性金属として複数枚の薄板状の金属片群を設けているが、薄板状の金属片を１枚のみ設けたり、薄板以外の適宜の形状の１または複数の金属片を設けたりしてもよい。そして、コアのコア厚やその開口端の形状や開口長も、この金属片の形状や寸法等に応じて適宜設計するようにすればよい。
【００５２】
また、本発明は、以上の実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、その他様々の構成をとりうることはもちろんである。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る磁性金属センサによれば、次に列挙するような様々な効果が得られる。
（１）磁界発生手段の発生する磁界によるコア内の磁束量の変化に基づいて変位量を検出するので、応答速度が速くなる。従って、高速で振動または移動する金属片の検出や、複数の金属片の検出に用いるのに適している。
【００５４】
（２）コアの開口端の大きさや形状は、磁性金属の大きさや形状に合わせて任意に決定することが可能なので、微小金属片や薄い金属片の検出に用いるのにも適している。
（３）磁界検出部・被検出部間の距離を長くとるためには、磁界発生手段からの磁界による磁束が磁性金属に届く程度に磁界発生手段の磁化の強さを大きくすればよいので、センサの大型化やコスト高を招くことなくこの距離を長くとることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁性金属センサの構成の一例を示す図であり、Ａは側面図、Ｂは平面図である。
【図２】図１のコア２の寸法の一例を示す図である。
【図３】図１のコイル３，４の巻装方法の一例を示す図である。
【図４】図１のコイル３，４内の磁界の強さの関係の一例を示す図である。
【図５】コイル３，４のインピーダンスの関係の一例を示す図である。
【図６】コイル３，４間の距離Ｌと、コイル３とコイル４とのインピーダンスの差分値との関係の一例を示す図である。
【図７】コイル３，４を励振駆動する回路部と、コイル３，４から出力信号を取り出す回路部との構成の一例を示す図である。
【図８】図１のセンサの動作原理を示す図である。
【図９】コイル３，４のインピーダンスの関係の一例を示す図である。
【図１０】図１のセンサの検出信号の一例を示す図である。
【図１１】磁界発生手段の別の構成例を示す図である。
【図１２】従来の磁性金属センサの構成の一例を示す図であり、Ａは正面図、Ｂは平面図である。
【図１３】従来の磁性金属センサの構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 永久磁石、 ２ コア、 ２ａ 開口端、 ３，４ コイル、 ５，２１ボビン、 ６ 磁界検出部、 ７ 金属片群、 ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ 金属片、 ８ 被検出部、 １１ 電源、 １２ 電圧変換回路、 １３ 発振回路、 １４ ブリッジ回路及び平滑回路、 １５ 増幅回路、 １６ａ，１６ｂ 出力端子、 ２２ 電磁石のコイル

Claims (1)

1. 磁界発生手段と、
   前記磁界発生手段の発生する磁界中に、高透磁率材料から成り開磁路を形成したコアが置かれており、前記コアの回りに１対のコイルが巻かれている磁界検出部と、
   磁性金属を有する被検出部と、
   前記コイルを高周波信号で励振駆動する回路部と、
   前記コイルのインピーダンスの変化分を出力信号として取り出す回路部と
   を備え、前記出力信号から前記コアの開口端と前記磁性金属との変位量を検出するようにしたことを特徴とする磁性金属センサ。

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