JP3936470B2

JP3936470B2 - 非接触式振動センサ

Info

Publication number: JP3936470B2
Application number: JP14836398A
Authority: JP
Inventors: 昌紀三邊
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2018-05-13
Also published as: JPH11326034A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気−インピ−ダンス素子（ＭＩ素子）を用いた非接触式振動センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、振動を検出するには、被検出体に圧電変換素子、例えば圧電セラミックスを固着し、被検出体の機械的振動歪を電気量に変換し、この電気量から振動を検出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電変換素子においては、素子の弾性率や密度や寸法で定まる共振周期数が存在し、振動周波数がこの共振周波数から外れるに従い検出感度が低下していき、周波数が変化する振動を効率よく検出し難い。
また、被検出体の機械的歪を圧電変換素子に伝達するために圧電変換素子を被検出体に強固に固着する必要があり、固着面が平坦面に限られ、その固着も厄介である。
周知の通り、電流ｉが流れている微小部分Δｌにより任意の点ｐに生じる磁界の強さΔＨは、微小部分の中心から点ｐまでの距離をｒ、距離ｒとΔｌ部分の接線とがなす角をβとすれば、点ｐの磁界ΔＨはビオ・サバ−ルの法則より、
【０００４】
ΔＨ＝ｉΔｌ・sinβ/(4πr^２)
【００００】
で与えられ、距離ｒの微小変化Δｒに対する点ｐの磁界変化率は
【０００５】
｜ΔＨ’｜＝ｉΔｌ・sinβ/(2πr^３)
【０００６】
である。
而して、距離ｒが小であれば、｜ΔＨ’｜を大にでき、磁気的に振動体の変位を検出することは可能である。しかしながら、実際は、距離ｒを小さくし得ず、従来技術では有効な磁気的な振動検出は困難である。
【０００７】
本発明の目的は、振動体の振動を磁気的に高感度で、しかも非接触式にて検出できる振動センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る非接触式振動センサは、振動体に円盤状磁石を取付け、磁気インピーダンスワイヤ素子で磁界を検出する磁気センサの当該磁気インピーダンスワイヤ素子をそのワイヤ軸線を前記円盤状磁石の中心軸に一致させるようにその磁石に対し所定の間隔を隔てて設けたことを特徴とする。
請求項２に係る非接触式振動センサは、振動体にループ状の磁界発生用通電導電体を取付け、磁気インピーダンスワイヤ素子で磁界を検出する磁気センサの当該磁気インピーダンスワイヤ素子を前記磁界発生用通電導電体のループの中心線が前記磁気インピーダンスワイヤ素子の軸線を通るようにそのループ状磁界発生用通電導電体に対し所定の間隔を隔てて設けたことを特徴とする。
請求項３に係る非接触式振動センサは、導電体ロッドに２本の絶縁リード線を互いに逆方向に巻付け、それら絶縁リード線の先端を前記導電体ロッドの先端面に直径の距離を隔ててはんだ付けしてなる磁界発生部材を振動体に取付け、磁気インピーダンスワイヤ素子で磁界を検出する磁気センサの当該磁気インピーダンスワイヤ素子を、前記導電体ロッド先端面の前方に所定の距離を隔て、しかも前記はんだ付け箇所を通る直径の方向と前記磁気インピーダンスワイヤ素子の軸方向とを直交させるようにして設けたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１の（イ）は本発明に係る非接触式振動センサの一例を示す平面図、図１の（ロ）は同じく側面図をそれぞれ示している。
図１において、１は振動を検出しようとする振動体である。２は振動体１に取付けた導電体ロッド、２１は直流電源（電池）、２２は絶縁リ−ド線であり、導電体ロッド２の先端面の主に直径方向に電流を流している。
３は振動体に対し非接触方式で配設した磁界センサ、３１は磁界センサ３の検出部の制御及び増幅部、３２は出力波形表示器である。
上記磁界センサ３には、磁気−インピ−ダンス効果を利用した磁気−インピ−ダンス素子（ＭＩ素子）を使用しており、このＭＩ素子の概略は次ぎの通りである。
【００１０】
即ち、アモルファス合金ワイヤとして自発磁化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向の磁区が交互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤに高周波電流したときに発生するワイヤ両端間出力電圧中のインダクタンス電圧分は、ワイヤの横断面内に生じる円周方向磁束によって円周方向に易磁化性の外殻部が円周方向に磁化されることにより変動する。而るに、この通電中のアモルファスワイヤにワイヤ軸方向の外部磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁束と外部磁束との合成により上記円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれ、それだけ円周方向への磁化が生じ難くなり、周方向透磁率μ_θが変化し、上記インダクタンス電圧分が変動する。更に、表皮深さδ＝（２ρ／wμ_θ） ^１／２（μ_θは円周方向透磁率、ρは電気抵抗率、wは角周波数)がμ_θにより変化し、このμ_θが前記した通り外部磁界によって変化してワイヤ両端間出力電圧中の抵抗電圧分も外部磁界で変動する。而して、ＭＩ素子は、これらのインダクタンス電圧分と抵抗電圧分の双方、すなわち、ワイヤ両端間出力電圧の変動（インピ−ダンス効果）から外部磁界（ワイヤ軸方向の外部磁界）を検出するものである。
【００１１】
今、図２に示すように導電体１の通電方向がｘ方向、アモルファス合金ワイヤ３の方向がｚ方向であり、アモルファス合金ワイヤ３が導電体通電路の両端ｅ−ｅから等距離にあるとすると、長さΔｌによる点ｐにおける磁界ΔＨは、前記式のビオ・サバ−ルの法則より、
【００１２】
ΔＨ＝Iｘ・sinβ・Δｌ/(4πa^２)
【００１３】
で与えられ、導電体通電路ｅ−ｅに流れる電流Ｉｘによりアモルファス合金ワイヤ３に作用する磁界Ｈはアモルファス合金ワイヤ３の軸方向であり、その大きさは、
【００１４】
Ｈ＝Iｘcosα/(2πa)
【００１５】
となる。
図１において、電流Ｉy、−Ｉyによる点ｐでの磁界は互いに打ち消し合って現れない。
従って、図１において、振動体１が±ｙ方向に振動すれば、磁界Ｈがその振動周波数で変動し、ＭＩ素子３の出力が変動し、振動を出力波形表示器３２の出力波形で検出できる。
【００１６】
上記の通電導電体には、図３に示すようなル−プを使用することもでき、図３において、点ｐでの磁界は垂直方向成分のみで、その大きさＨは
【００１７】
Ｈ＝ｉsin^２α/(2L)
【００１８】
で与えられる。このル−プはその中心線が上記アモルファス合金ワイヤを通るように振動体に取り付けられる。
【００１９】
図４の（イ）は本発明に係る非接触式振動センサの別例を、図４の（ロ）は図４の（イ）におけるロ−ロ断面図をそれぞれ示している。
図４において、１は振動を検出しようとする振動体、２０は絶縁棒２３の先端に取付けた円盤状の永久磁石であり、絶縁棒２３と共に振動体１に固定してある。
３は振動体１に対し非接触方式で配設した磁気−インピ−ダンス素子、３１は磁気−インピ−ダンス素子３の検出部の制御及び増幅部、３２は出力波形表示器である。
【００２０】
図５において、点ｐでの磁界はアモルファス合金ワイヤ（磁気−インピ−ダンス素子）３の軸方向成分のみで、円盤状磁石２０の単位面積当たりの磁気モ−メントをφ、円盤状磁石の半径をａ、距離をｒとすると、その大きさＨは
【００２１】
Ｈ＝φａ^２／〔2μ (a^２＋r^２)^３／２〕
【００２２】
で与えられる。
従って、図４において、振動体１が±ｙ方向に振動すれば、磁界Ｈがその振動周波数で変動し、ＭＩ素子３の出力が変動し、振動を出力波形表示器３２の表示より検出できる。
【００２３】
本発明に係る振動センサの使用形態には、平面状振動体の数箇所に通電導体または永久磁石を取付けておき、磁界センサを走行させることによりそれら数箇所の振動状態を経時的に測定すること、振動センサをアレイ状に多数箇設け、各箇所の振動状態を合成して全体の振動状態を把握すること等も含まれる。
【００２４】
【実施例】
〔実施例１〕
図１に示す構成の非接触式振動センサである。
磁界センサには、外径５０μｍのＣｏ_７１Ｂ_１５Ｓｉ_１０Ｆｅ_４アモルファスワイヤを用いた磁気−インピ−ダンス素子を使用し、この磁界センサをインダクティブ素子とするコルピッツ発振回路を組立て、更に、外部磁界によるこの発振回路の振幅変調を復調する復調回路を接続して検出部を構成した。
通電導体には、直径４０ｍｍ，長さ１００ｍｍのアルミニウム棒の長手方向に２本の絶縁リ−ド線を互いに逆方向に巻き付け、その絶縁リ−ド線の先端をアルミニウム棒先端面に直径の距離を隔ててはんだ付けし、リ−ド線後端に電池を接続したものを用い、これらを超音波振動子に両絶縁リ−ド線先端（はんだ付け点）間の方向（通電導体の通電方向）が磁界センサのアモルファスワイヤに対し図の位置関係で、かつａ＝２ｍｍとするように取付けた。
磁界センサのアモルファスワイヤの通電電流を約４０MHz，約１０mA、通電導体の通電電流を直流１A、振動子の振動を周波数４０KHz,振幅２μｍとした。
磁界センサの出力を確認したところ、周波数４０KHzの振動出力であった。また、振動振幅を増減すると、これに伴い磁界センサの出力も増減し、入力に対応した出力が得られた。
【００２５】
〔実施例２〕
図４に示す構成の非接触式振動センサである。
磁界センサには実施例１で使用したのと同じものを用いた。
直径１０ｍｍ，長さ５０ｍｍのガラス棒の先端面に円盤状のフェライト系永久磁石を接着剤で固定し、これを超音波振動子に円盤状磁石の中心軸を磁界センサのアモルファスワイヤの軸線に一致させ、かつ円盤状磁石先端面からアモルファスワイヤ端までの距離を１ｍｍとするように取付けた。
磁界センサのアモルファスワイヤの通電電流を約４０MHz，約１０mA、振動子の振動を周波数８０KHz,振幅１μｍとした。
磁界センサの出力を確認したところ、周波数８０KHzの振動出力であった。また、振動振幅を増減すると、これに伴い磁界センサの出力も増減し、入力に対応した出力が得られた。
更に、共振周波数が４０KHzの超音波振動子を用い、振幅１μｍの連続波で振振動させたところ、同一周波数の出力波形が観測された。
【００２６】
【発明の効果】
本発明に係る非接触式振動センサにおいては、磁界発生素子を振動体に固定すればよく圧電変換素子のように応力−歪を伝達を可能とする一体不可分的な固着を必要としないから、取付け面形状に左右されることなく振動検出が可能であり、また共振周波数のないフラットな周波数特性の振動検出が可能である。
特に、ＭＩ素子が応答の速い磁化の回転による円周方向の磁束変化を利用するものであるから、高速応答であり、超高周波の振動の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る非接触式振動センサの一実施例を示す図面である。
【図２】図１の非接触式振動センサにおける通電導体の磁界発生パタ−ンを示す図面である。
【図３】本発明において使用する通電導体の別例の磁界発生パタ−ンを示す図面である。
【図４】本発明に係る非接触式振動センサの別実施例を示す図面である。
【図５】図４の非接触式振動センサにおける磁石円盤の磁界発生パタ−ンを示す図面である。
【符号の説明】
１振動体
２通電導体
２０円盤状磁石
２００棒磁石
３磁界センサ

Claims

振動体に円盤状磁石を取付け、磁気インピーダンスワイヤ素子で磁界を検出する磁気センサの当該磁気インピーダンスワイヤ素子をそのワイヤ軸線を前記円盤状磁石の中心軸に一致させるようにその磁石に対し所定の間隔を隔てて設けたことを特徴とする非接触式振動センサ。
振動体にループ状の磁界発生用通電導電体を取付け、磁気インピーダンスワイヤ素子で磁界を検出する磁気センサの当該磁気インピーダンスワイヤ素子を前記磁界発生用通電導電体のループの中心線が前記磁気インピーダンスワイヤ素子の軸線を通るようにそのループ状磁界発生用通電導電体に対し所定の間隔を隔てて設けたことを特徴とする非接触式振動センサ。
導電体ロッドに２本の絶縁リード線を互いに逆方向に巻付け、それら絶縁リード線の先端を前記導電体ロッドの先端面に直径の距離を隔ててはんだ付けしてなる磁界発生部材を振動体に取付け、磁気インピーダンスワイヤ素子で磁界を検出する磁気センサの当該磁気インピーダンスワイヤ素子を、前記導電体ロッド先端面の前方に所定の距離を隔て、しかも前記はんだ付け箇所を通る直径の方向と前記磁気インピーダンスワイヤ素子の軸方向とを直交させるようにして設けたことを特徴とする非接触式振動センサ。