JP5054969B2 - 変位計 - Google Patents

Description

本発明は、変位計、特に渦電流を用いた変位計に関する。

従来、渦電流変位計は高温環境下や、および蒸気雰囲気下などの苛酷な条件においても測定精度が高く耐久性も高いため、タービンや、コンプレッサや、発電機などにおける回転軸の変位測定に用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
特開昭５９−１８０４０２号公報 特開２００２−３６５０４０号公報

しかしながら、上述の渦電流変位計を５００℃より高い高温環境で長期間にわたって使用すると、渦電流変位計のコイルを構成する導線を被覆する絶縁膜の絶縁性能が低下するため、渦電流変位計の測定精度が低下したり、耐久性が低下したりするという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、高温環境における測定精度の低下、および耐久性の低下を防止することができる変位計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の変位計は、円筒形状の外周面に螺旋状の溝が形成された絶縁材料からなるボビンと、前記溝に沿って配置された導電材料を露出して形成された導線と、を有するコイル部と、該コイル部に所定周波数の磁界を発生させるべく所定周波数の電流を供給する電源部と、前記コイル部におけるインピーダンスの変化を検出する検出部と、が設けられ、前記溝は、隣り合う前記導線の間に所定の間隔が形成されるピッチで螺旋状に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、隣り合う導線の間に形成された所定の間隔により、隣り合う導線の間の絶縁が保たれる。間隔による絶縁は温度による影響を受けないため、高温環境であっても絶縁性が低下しない。
ここで、所定の間隔とは、上述のように隣り合う導線の絶縁を保つのに必要最小限な間隔であることが望ましい。このようにすることで、導線の巻き数を増やして磁界の発生能力などのコイル性能を確保することができる。

例えば、上述の螺旋状の溝をネジ溝のように加工機械により形成することにより、螺旋上の溝の形状（例えば、溝の幅や、深さや、ピッチなど）が一様に揃えられる。導線は溝に沿ってボビンに巻き付けられるため、コイル部における導線の巻き数などを一様に揃えることができる。そのため、異なるコイル部におけるコイル性能のばらつきを抑えることができる。

コイル部を形成する導線には絶縁材料からなる被覆が設けられておらず、導電材料が露出しているため、導線に被覆剥がれ等の絶縁に係る問題が発生しない。そのため、使用に問題が生じる導線がなく、ほぼ全ての導線をボビンに巻付けてコイル部として使用することができる。

上記発明においては、前記コイル部には前記ボビンが複数設けられ、一のボビンの内周側に、他のボビンが挿入されていることが望ましい。

本発明によれば、１つのボビンには導線のショートを避けるために導線が１層だけ巻き付けられ単層のコイルが形成される。これらのボビンを入れ子状に多層に重ねることにより、多層のコイルからなるコイル部を形成することができ、コイル部のコイル性能向上を図ることができる。

上記発明においては、前記一のボビンには、一の回転方向に回転するとともに中心軸線に沿う一の方向に向かう一の螺旋状の溝が形成され、前記他のボビンには、前記一の回転方向に回転するとともに前記中心軸線に沿う他の方向に向かう他の螺旋状の溝が形成されていることが望ましい。

本発明によれば、他のボビンに対して、導線が上記他の方向に向かって上記一の回転方向に巻付けられる。その後連続して、一のボビンに対して導線が一の方向に向かって上記一の回転方向に巻付けられる。
このようにすることで、多層に重ねられるボビンに導線を連続して巻付けることができ、コイル部の製造効率の向上を図ることができる。

なお、上述のように導線を移動させながらボビンに導線を巻付ける場合だけでなく、ボビンを移動させながら導線を巻付ける場合や、ボビンと導線が相対移動しながら導線が巻き付けられる場合であっても同様である。

上記発明においては、前記一のボビンの内周面と、前記他のボビンの外周面との間の距離は、前記他のボビンの外周面から前記導線の頂点までの距離から、前記導線の直径の長さまでの範囲の距離であることが望ましい。

本発明によれば、内側に配置された他のボビンの溝に配置された導線は、溝を乗り越える際に、外側に配置された一のボビンの内周面と接触するため、溝を乗り越えることができない。そのため、溝を乗り越えて隣り合う導線が接触することが防止される。

本発明の変位計によれば、隣り合う導線の間に形成された所定の間隔により、隣り合う導線の間の絶縁が保たれるため、高温環境における測定精度の低下を防止し、かつ、耐久性の低下を防止するという効果を奏する。

この発明の一実施形態に係る変位計について、図１から図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る変位計におけるセンサヘッドの構成を説明する断面図である。図２は、図１の変位計の構成を説明する回路図である。
変位計１には、図１および図２に示すように、所定周波数の磁界を発生するセンサヘッド３と、センサヘッド３に所定周波数の電流を供給する電源５と、センサヘッド３におけるインピーダンスの変化を検出する検出部７と、が設けられている。

センサヘッド３には、図１に示すように、ホルダ９およびプラグ１１と、アクティブコイル部（コイル部）１３と、ダミーコイル部（コイル部）１５と、磁芯１７と、が設けられている。

ホルダ９およびプラグ１１は、図１に示すように、内部にアクティブコイル部１３や、ダミーコイル部１５や、磁芯１７などを収める容器を構成するものである。ホルダ９は有底円筒状に形成された部材であり、プラグ１１はホルダ９の開口部を塞ぐ円柱状の部材である。ホルダ９には、アクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５と、電源５および検出部７とを電気的に接続するケーブル１９が貫通して配置されている。

図３は、図１のアクティブコイル部およびダミーコイル部の構成を説明する部分拡大図である。
アクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５には、図１および図３に示すように、絶縁材料から形成された第１ボビン（ボビン）２１、第２ボビン（ボビン）２３、第３ボビン（ボビン）２５および第４ボビン（ボビン）２７と、第１、第２、第３および第４ボビン２１，２３，２５，２７に螺旋状に巻き付けられコイルを形成する導線２９と、が設けられている。

第１、第２、第３および第４ボビン２１，２３，２５，２７は、セラミックなどの絶縁材料から形成された円筒状の部材である。
第１ボビン２１は、アクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５の最外周に配置される直径が最も大きなボビンである。第２ボビン２３は第１ボビン２１の内側に配置されるボビンであり、以下順に第３ボビン２５、第４ボビン２７がそれぞれ第２ボビン２３、第３ボビン２５の内側に配置されている。
なお、導線２９は、導電材料から形成され導電材料が露出したものであって、絶縁材料からなる被覆材料に覆われていないものである。

図４は、図３の各ボビンの間の間隔を説明する模式図である。
第１、第２、第３および第４ボビン２１，２３，２５，２７の外周面には、導線２９が配置される螺旋状の溝３１が形成されている。隣り合う溝３１の間隔（以後、ピッチと表記する。）Ｐは、隣り合う溝３１に配置された導線２９の間の絶縁が確保できる間隔とされている。
なお、ピッチＰは、隣り合う導線２９の間隔が絶縁を保つのに必要最小限な間隔となる値が望ましい。このようにすることで、導線２９の巻き数を増やしてアクティブコイル部１３やダミーコイル部１５における磁界の発生能力などのコイル性能を確保することができる。

第１、第２、第３および第４ボビン２１，２３，２５，２７における外側ボビン（例えば第１ボビン２１）の内周面から内側ボビン（例えば第２ボビン２３）の外周面までの間隔Ｌは、図４に示すように、ボビンの外周面から導線２９の頂点までの高さＨと略等しくなるように形成されている。
なお、間隔Ｌは、長くても導線２９の直径Ｄより短く設定されることが望ましい。

図５は、図３のボビンに形成される溝の螺旋の向きを説明する模式図である。
第１および第３ボビン２１，２５に形成された溝３１は、図５に示すように、一の回転方向に回転するとともに中心軸線に沿う一の方向（図５の右方向）に向かう、例えば左ネジ状（一の螺旋状）の溝３１である。一方、第２および第４ボビン２３，２７に形成された溝３１は、一の回転方向に回転するとともに他の方向（図５の左方向）に向かう、例えば右ネジ状（他の螺旋状）の溝３１である。
第１、第２、第３および第４ボビン２１，２３，２５，２７の両端面には、導線２９を掛ける凹部３３が形成されている。

磁芯１７は、図１に示すように、円柱状に形成された磁性材料であって、略中央部に半径方向外側に向かって延びる鍔部３５が設けられている。磁芯１７の外周面には、鍔部３５をはさんでアクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５が配置されている。アクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５の両端部には、絶縁材料から形成されたリング板状の絶縁板３７が導線２９と磁芯１７や、ホルダ９などとの短絡を防ぐために配置されている。アクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５の外周側には、絶縁材料から形成されたカバー円筒３９が、導線２９とホルダ９との短絡を防ぐために配置されている。

センサヘッド３には、さらに、アクティブコイル部１３、ダミーコイル部１５および磁芯１７をホルダ９の底面側に配置させるシールド４１および固定軸４３が設けられている。

アクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５は、図２に示すように、他の２つの素子４５とともにブリッジ回路４７を構成している。
ブリッジ回路４７には、所定周波数の電流を供給する電源５が電気的に接続されるとともに、アクティブコイル部１３のインピーダンス変化を検出する検出部７が電気的に接続されている。

上記の構成からなる変位計１における変位の計測方法は、従来のアクティブコイルおよびダミーコイルを備えた渦電流変位計による計測方法と同様であるので、その説明を省略する。

次に、上記構成からなる変位計１における特徴部であるアクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５の製造方法について説明する。
まず、アクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５を構成する第１、第２、第３および第４ボビン２１，２３，２５，２７の外周面に螺旋状の溝３１を加工により形成する。螺旋の回転方向は、上述のように、第１および第３ボビン２１，２５では、中心軸線に沿う一の方向に向かって一の回転方向であり、第２および第４ボビン２３，２７では他の回転方向である。
溝３１は加工により形成されるため、第１、第２、第３および第４ボビン２１，２３，２５，２７における溝３１の深さや、ピッチ等が一様となる。

第１、第２、第３および第４ボビン２１，２３，２５，２７に溝３１が形成されると、導線２９が第１、第２、第３および第４ボビン２１，２３，２５，２７に巻き付けられる。
最初に、最も径の小さな第４ボビン２７に導線２９が上記他の方向に向かって上記一の回転方向に巻き付けられる。第４ボビン２７の端部まで導線２９が巻き付けられると、次に第３ボビン２５に導線２９が続けて巻き付けられる。そのため、第４ボビン２７には導線２９が１回だけ巻き付けられ、単層のコイルが形成される。

このとき、第４ボビン２７は第３ボビン２５の内部に挿入され、導線２９は、第３ボビン２５の凹部３３に掛けられる。導線２９は、第３ボビン２５に、上記一の方向に向かって同じく上記一の回転方向に巻き付けられる。
第２ボビン２３および第１ボビン２１に対しても、同様に導線２９が巻き付けられ、アクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５が完成する。

上記の構成によれば、隣り合う導線２９の間に形成された間隔により、隣り合う導線２９の間の絶縁が保たれる。間隔による絶縁は温度による影響を受けないため、高温環境であっても絶縁性が低下しない。そのため、絶縁性の低下に起因する高温環境下の測定精度の低下を防止することができるとともに、耐久性の低下を防止することができる。

螺旋状の溝３１をネジ溝のように加工機械により形成することにより、形状（例えば、溝の幅や、深さや、ピッチなど）が一様に揃えられた溝３１が形成される。導線２９は溝３１に沿って各ボビン２１，２３，２５，２７に巻き付けられるため、アクティブコイル部１３や、ダミーコイル部１５における導線２９の巻き数などを一様に揃えることができる。そのため、アクティブコイル部１３とダミーコイル部１５との間におけるコイル性能のばらつきを抑えることができる。そのため、アクティブコイル部１３とダミーコイル部１５との間のコイル性能の差が小さくなり、バランスを取りやすくなる。

アクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５を形成する導線２９には絶縁材料からなる被覆が設けられておらず、導電材料が露出しているため、導線２９に被覆剥がれ等の絶縁に係る問題が発生しない。そのため、使用に問題が生じる導線がなく、ほぼ全ての導線２９を各ボビン２１，２３，２５，２７に巻付けてアクティブコイル部１３やダミーコイル部１５として使用することができる。

各ボビン２１，２３，２５，２７の１つ１つには、導線２９のショートを避けるために導線２９が１層だけ巻き付けられコイルが形成される。これらのボビンを入れ子状に多層に重ねることにより、多層のコイルからなるアクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５を形成することができ、アクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５のコイル性能の向上を図ることができる。

第４ボビン２７または第２ボビン２３に対して、導線２９が上記他の方向に向かって上記一の回転方向に巻付けられる。その後連続して、第３ボビン２５または第１ボビン２１に対して導線２９が一の方向に向かって上記一の回転方向に巻付けられる。
このようにすることで、多層に重ねられる各ボビン２１，２３，２５，２７に導線２９を連続して巻付けることができ、アクティブコイル部１３およびダミーコイル部１５の製造効率の向上を図ることができる。

なお、上述のように導線２９を移動させながら各ボビン２１，２３，２５，２７に導線を巻付ける場合だけでなく、各ボビン２１，２３，２５，２７を移動させながら導線２９を巻付ける場合や、各ボビン２１，２３，２５，２７と導線２９が相対移動しながら導線が巻き付けられる場合であっても同様である。

内側のボビンの溝３１に配置された導線２９は、溝３１を乗り越える際に外側のボビンの内周面と接触するため、溝３１を乗り越えることができない。そのため、隣り合う導線２９が溝３１を乗り越えて接触し、短絡することを防止することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、この発明を蒸気タービンにおける回転軸の変位を測定する変位計に適用して説明したが、この発明は蒸気タービンの回転軸の変位を測定する変位計に限られることなく、ガスタービンや、コンプレッサや、発電機等における回転軸の変位を測定する変位計に適用してもよく、特に限定するものではない。

本実施形態に係る変位計におけるセンサヘッドの構成を説明する断面図である。 図１の変位計の構成を説明する回路図である。 図２のアクティブコイル部およびダミーコイル部の構成を説明する部分拡大図である。 図３の各ボビンの間の間隔を説明する模式図である。 図３のボビンに形成される溝の螺旋の向きを説明する模式図である。

符号の説明

１ 変位計
５ 電源
７ 検出部
１３ アクティブコイル部（コイル部）
１５ ダミーコイル部（コイル部）
２１ 第１ボビン（ボビン）
２３ 第２ボビン（ボビン）
２５ 第３ボビン（ボビン）
２７ 第４ボビン（ボビン）
２９ 導線
３１ 溝

Claims (2)

1. 円筒形状の外周面に螺旋状の溝が形成された絶縁材料からなるボビンと、前記溝に沿って配置された導電材料を露出して形成された導線と、を有するコイル部と、
   該コイル部に所定周波数の磁界を発生させるべく所定周波数の電流を供給する電源部と、
   前記コイル部におけるインピーダンスの変化を検出する検出部と、
   が設けられ、
   前記溝は、隣り合う前記導線の間に所定の間隔が形成されるピッチで螺旋状に形成され、
   前記コイル部には前記ボビンが複数設けられ、
   一のボビンの内周側に、他のボビンが挿入され、
   前記一のボビンには、一の回転方向に回転するとともに中心軸線に沿う一の方向に向かう一の螺旋状の溝が形成され、
   前記他のボビンには、前記一の回転方向に回転するとともに前記中心軸線に沿う他の方向に向かう他の螺旋状の溝が形成されていることを特徴とする変位計。
2. 前記一のボビンの内周面と、前記他のボビンの外周面との間の距離は、前記他のボビンの外周面から前記導線の頂点までの距離から、前記導線の直径の長さまでの範囲の距離であることを特徴とする請求項１に記載の変位計。

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