JP5968305B2

JP5968305B2 - 渦電流センサ

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Publication number: JP5968305B2
Application number: JP2013507688A
Authority: JP
Inventors: 高久　正和; 正和高久
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: WO2012133569A1; JPWO2012133569A1

Description

本発明は、渦電流センサに関し、特にセンサヘッドとアンプ回路の間をケーブルで接続した渦電流センサに関する。

渦電流センサは、被検出体とセンサヘッドとの間の距離（ギャップ）を測定するために広く使用されており、高検出感度のものに共振型の渦電流センサがある。共振型の渦電流センサには、センサヘッドのインダクタンス素子（コイル）によるインピーダンスとアンプ回路内の容量素子（コンデンサ）で共振回路を形成し、特定のギャップ近傍での測定感度を大幅に増加させ、高精度でのギャップ測定を可能にしている。

図１は、共振型の渦電流センサの概略構成を示す図である。
センサヘッド１０の２個の端子は、同軸ケーブル２０により、アンプ回路３０の端子３１および３２に接続される。アンプ回路３０内では、端子３１は、アンプ容量素子Ｃ１を介して、および直列に接続された補助容量素子Ｃ２および発振回路３３を介して、グランドに接続される。端子３２は、グランドに接続される。

図２は、図１の共振型の渦電流センサの回路構成を示す図である。
センサヘッド１０は、内部にインダクタンス素子（コイル）ＬＳを有する。インダクタンス素子ＬＳの２個の端子１１および１２は、同軸ケーブル２０を介して、アンプ回路３０の端子３１および３２に接続される。アンプ容量素子Ｃ１は、端子３１と端子３２の間に接続される。直列に接続された補助容量素子Ｃ２および発振回路３３は、端子３１と端子３２の間に、アンプ容量素子Ｃ１と並列に接続される。端子３１に発生する出力電圧は、図示していない増幅器により増幅されて出力される。

この共振型の渦電流センサは、インダクタンス素子ＬＳ、ケーブル２０およびアンプ容量素子Ｃ１を含んだ参照番号５０で示す部分の全体（トータル）インピーダンスに応じて電圧波形が出力される。インダクタンス素子ＬＳやケーブル２０のインピーダンス特性の個体差等のため、最適な共振状態を得るには、アンプ容量素子Ｃ１および補助容量素子Ｃ２の容量値を調整可能にし、最適な共振状態が得られるようにアンプ容量素子Ｃ１および補助容量素子Ｃ２の容量値を調整する。このトータルインピーダンスＺは、次のように表される。

まず、次の式１で表される関数Ｐａｒａ（ａ，ｂ）を定義する。

図２の参照番号５０で示す部分のトータルインピーダンスＺは、次の式２で表される。

上記の式から明らかなように、トータルインピーダンスＺは、ケーブル２０のショート時のインピーダンスＺＳに応じて異なる。

ギャップの測定は、センサヘッド１０のインダクタンス素子ＬＳのインピーダンス変化を検出することにより行うため、ショート時のインピーダンスＺＳが小さいほど、信号におけるインダクタンス素子ＬＳのインピーダンス変化の割合が大きくなり、感度が向上するため、ショート時のインピーダンスＺＳは小さいことが望ましい。
ケーブル２０を長くすると、ケーブルのインピーダンスが増加するため、トータルインピーダンスＺにおけるセンサヘッド１０のインダクタンス素子ＬＳのインピーダンスの割合が減少し、測定分解能が低下する。

また、ケーブルの施工状態や外乱の影響により、ショート時のインピーダンスＺＳが変化し、それに応じて信号のＳ／Ｎ比が変化する。一般にケーブル２０が長くなるほどＳ／Ｎ比が低下する。そのため、ケーブル２０の長さには限界がある。

一方、インダクタンス素子ＬＳのインダクタンスを増加させるなどして、センサヘッド１０のインピーダンスを増加させて、測定分解能を向上することが考えられるが、そのような対策は、センサの特性を変化させ、センサの理想的な測定状態から外れるという問題を発生する。

このような問題を解決するために、特許文献１は、センサヘッドにアンプ回路を設け、インダクタンス素子ＬＳのインピーダンスの変化を増幅し、増幅した信号をケーブルを介して伝送する渦電流センサを記載している。ケーブルで伝送される信号は、増幅された信号であるため、Ｓ／Ｎ比の高い信号が得られる。

特開２００３−２１５０１号公報

しかし、センサヘッドにアンプ回路を設けると、センサヘッドが大型化する。センサヘッドは、所望の位置に取り付けられるように、小型化とケーブルの延長が求められており、アンプ回路を設けたセンサヘッドでは小型化に対応できない。

本発明は、センサヘッドを大型化すること無しに、ケーブルを長くしても検出感度を劣化させずに測定が可能な渦電流センサの実現を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の渦電流センサは、センサヘッドに、インダクタンス素子に並列に接続されるヘッド容量素子を設ける。

すなわち、本発明の渦電流センサは、インダクタンス素子を有するセンサヘッドと、前記センサヘッドの前記インダクタンス素子の両端に接続されるケーブルと、前記ケーブルの２つの端子間に接続されるアンプ回路と、を備え、前記アンプ回路は、発振回路と、前記ケーブルの２つの端子間に接続されるアンプ容量素子と、を備え、前記センサヘッドは、前記インダクタンス素子に設けられたヘッド容量素子を備え、前記インダクタンス素子、前記ヘッド容量素子、前記ケーブルおよび前記アンプ容量素子は、前記発振回路の出力する交流信号に対する共振回路を形成することを特徴とする。

本発明の渦電流センサは、アンプ容量素子の一部をセンサヘッド内のヘッド容量素子に移した構成を有する。インダクタンス素子と並列にヘッド容量素子を接続することにより、合成のインピーダンスが大きくなり、相対的にケーブルのインピーダンスの影響を低減できる。ヘッド容量素子の容量値は、インダクタンス素子との共振状態を構成する容量値に近ければ近いほど良い。

また、アンプ容量素子の容量値とヘッド容量素子の容量値の和を維持すれば、センサの理想的な測定状態から外れるという問題は発生しない。そして、上記の条件で、ヘッド容量素子の容量値とアンプ容量素子の容量値の組合せには比較的自由度があるので、ヘッド容量素子は汎用の小型の容量素子を選択し、アンプ容量素子は微調整可能なように回路を構成することができる。これにより、センサヘッドは小型の形状を維持して、ケーブルの長さを長くしても、検出感度は劣化しない。

理論上は、アンプ容量素子の容量の全てをヘッド容量素子へ移動することにより、センサヘッド内においてインダクタンス素子とヘッド容量素子が完全な共振状態を構築することができる（すなわちインダクタンス素子とヘッド容量素子の合成インピーダンスが無限大となる）。これにより、ケーブルのインピーダンスの比率が、インダクタンス素子とヘッド容量素子の合成のインピーダンスに対して、限りなく小さくなり、すなわち検出感度に対するケーブルの影響が限りなく小さくなる。これは、ケーブルの部分でインピーダンスの変動が生じても、検出感度が全く劣化しないことを意味する。また、ケーブルの部分でのインピーダンスの変動により検出感度が劣化しないのだから、ケーブルを必要なだけ長くしてもやはり、検出感度が劣化しないことを意味する。

但し、センサヘッド内のインダクタンス素子のインピーダンス値には個体差があり、図２の構成と同様の共振状態を構築するためには、インダクタンス素子の個体差に応じて、ヘッド容量素子を微調整しなければならない。市販のコンデンサ（容量素子）の容量値は連続的には準備されておらず、飛び飛びの値の容量値のみ販売されており、市販のコンデンサを用いて、ヘッド容量素子を構築しようとすると、センサヘッド内に多数の容量素子を埋め込まなければならず、大型化してしまう。これでは、「小型を維持し、かつケーブル長を長くする」という目的を実現することはできない。

そこで、アンプ容量素子の容量の全てをヘッド容量素子へ移動するのではなく、できるだけ多くの容量をヘッド容量へ移動することが現実的である。すなわち、アンプ容量素子以下の容量値で、かつ容易に入手可能な市販のコンデンサのうち、最も大きな容量のもの１個をヘッド容量素子とする。この場合、ヘッド容量素子１個だけではインダクタンス素子との共振状態を構成できないので、その差を埋めるために若干のアンプ容量素子を設ける。すなわち、ヘッド容量素子とアンプ容量素子との和が、インダクタンス素子と共振状態を構成するようにする。アンプ側にはスペース的な余裕があるため、多数の容量素子による調整回路等を設けることが可能である。

容量素子とインダクタンス素子を並列に接続すると、その合成インピーダンスは大きくなる。ヘッド容量素子をセンサヘッドのインダクタンス素子に並列に接続し、その合成インピーダンスを大きくすることにより、相対的にケーブルのインピーダンスの影響を低減できる。これは、センサの検出感度に対するケーブルの影響を低減できること意味する。ケーブルを長くすると、そのインピーダンスも増加するが、上記の方法でケーブルのインピーダンスの影響を低減することにより、ケーブルを長くしても、高精度での渦電流測定を可能とすることができる。

前述のとおり、センサヘッドのインダクタンス素子のインダクタンスには個体差がある。そこで、センサヘッドのインダクタンスと共振状態を構成する想定される全ての容量値を越えない範囲で、容易に入手可能なできるだけ大きな値の容量素子を１つ決定しておき、センサヘッドのインダクタンスの個体差によらず、その決定した容量素子をヘッド容量素子として組み込んでおいても、アンプ容量素子で充分に調整可能であるので、本発明の趣旨に反せず、容易な工程でセンサヘッドを製造することもできる。

本発明によれば、小型のセンサヘッドで、ケーブルが長く、検出感度の良好な渦電流センサが実現される。

図１は、共振型の渦電流センサの概略構成を示す図である。図２は、図１の共振型の渦電流センサの回路構成を示す図である。図３は、実施形態の渦電流センサの回路構成を示す図である。図４は、それぞれのケーブル長において、ケーブルインピーダンスが、１％変動した場合に、トータルインピーダンスがどの程度変動するかを、実施形態の渦電流センサと従来例の渦電流センサでシミュレーションした結果を示す図である。図５は、それぞれのケーブル長において、インダクタンス要素ＬＳのインダクタンス値の変化の影響が、トータルインピーダンスにどのように現れるかを、実施形態の渦電流センサと従来例の渦電流センサでシミュレーションした結果を示す図である。図６は、センサヘッドにおけるインダクタンス素子および容量素子の取り付け例を説明する図である。

図３は、実施形態の渦電流センサの回路構成を示す図である。
実施形態の渦電流センサは、図１に示すような概略構成を有し、回路構成が図２に示した従来例と異なる。

実施形態の渦電流センサは、センサヘッド６０と、同軸ケーブル２０と、アンプ回路と、を有する。センサヘッド６０の２個の端子６１および６２は、同軸ケーブル２０により、アンプ回路の端子７１および７２に接続される。アンプ回路内では、アンプ容量素子Ｃ１１が端子７１と７２の間に接続される。さらに直列に接続された補助容量素子Ｃ２および発振回路７３が、アンプ容量素子Ｃ１１と並列に、端子７１と７２の間に接続される。端子７１に発生する出力電圧は、図示していない増幅器により増幅されて出力される。

センサヘッド６０は、内部にインダクタンス素子（コイル）ＬＳと、インダクタンス素子ＬＳに並列に接続されたヘッド容量素子ＣＳと、を有する。インダクタンス素子ＬＳとヘッド容量素子ＣＳの接続ノードは、２個の端子６１および６２にそれぞれ接続され、同軸ケーブル２０を介して、アンプ回路の端子７１および７２に接続される。

図３を図２と比較して明らかなように、実施形態では、センサヘッド６０のインダクタンス素子ＬＳと並列に、ヘッド容量素子ＣＳを設けたことが、図２の従来例と異なり、他の部分は、同じである。言い換えれば、実施形態の渦電流センサは、アンプ容量素子の一部をセンサヘッド内のヘッド容量素子ＣＳに移した構成を有する。したがって、図２のアンプ容量素子Ｃ１と、図３のアンプ容量素子Ｃ１１およびヘッド容量素子ＣＳの容量値は、基本的には、Ｃ１＝Ｃ１１＋ＣＳの関係を有する。（ただし、ケーブルは分布定数回路等で近似される複雑なインピーダンス特性を有するため、最適な特性を得るためのＣ１１は、厳密にはＣ１＝Ｃ１１＋ＣＳの関係から多少は異なる場合があり得る。）

前述のように、アンプ容量素子Ｃ１１および補助容量素子Ｃ２は、最適な共振状態を得るために、容量値を調整可能にしている。具体的には、複数の容量値を有する容量素子を設け、スイッチ等で接続を選択して容量値を調整可能にしている。
また、参照番号８０で示す部分の全体（トータル）インピーダンスＺは、前述の関数Ｐａｒａ（ａ，ｂ）を利用して次のように表される。

上記の式に基づいて、以下の条件のもとに、ケーブルのインピーダンス（ショート時のインピーダンス）が、トータルインピーダンスへどのように影響するかを、図２の従来例と図３の本実施形態とで比較を行った。

出力電圧は、発振回路３３、７３の出力インピーダンスや検波回路の入力インピーダンスの影響を受け、本質的ではないため、本シミュレーションでは、より本質的なトータルインピーダンスについて検証することとした。

また、補助容量素子Ｃ２は、発振回路３３、７３の出力インピーダンスや検波回路の入力インピーダンス、検波回路の入力レンジ等により最適値が変動し、本質的ではないため、やはり本シミュレーションから除外した。

比較は、次の２項目について行った。
（１）第１の項目は、それぞれのケーブル長において、ケーブルインピーダンスが、１％変動した場合に、トータルインピーダンスがどの程度変動するかをシミュレーションした。この場合、変動が少ない方が、ケーブル部の不確定要素（変動）に対する耐性が強いと考えられるので、変動が少なければ改善したことを意味する。

（２）第２の項目は、それぞれのケーブル長において、インダクタンス要素ＬＳのインダクタンス値の変化の影響が、トータルインピーダンスにどのように現れるかをシミュレーションした。この場合、変動が大きい方が、感度が大きく取れ、Ｓ／Ｎが改善することを意味する。

シミュレーションの条件は、以下の通りである。
周波数ｆ＝４５５ｋＨｚ
Ｚ０（ケーブルの伝送インピーダンス）＝５０Ω

ショート時のインピーダンスＺＳは、ケーブル長により異なり、実在するケーブルの実測値をもとに、ケーブル長＝３．５ｍの時ＺＳ＝ｊ３．０７Ω、ケーブル長＝６．０ｍの時ＺＳ＝ｊ５．０１Ω、ケーブル長＝１０．０ｍの時ＺＳ＝ｊ８．５７Ωとした。ただし、計算を簡単にするため、インピーダンスの位相は９０°であるものとした。
インダクタンス素子ＬＳのインダクタンス値は、実在するセンサヘッドのインダクタンスをもとに、１２μＨ〜１３μＨで変化するとした。

ヘッド容量素子ＣＳの容量値は、６８００ｐＦとした。
図２の従来例では、アンプ容量Ｃ１のインピーダンスＺ１は、｜Ｚ１｜＝４／３×｜Ｚ｜となるように選んだ。

図３の本実施形態においては、アンプ容量Ｃ１１のインピーダンスＺ１１は、インダクタンス素子ＬＳのインダクタンス値＝１２μＨである場合に、図２の従来例と図３の本実施形態のトータルインピーダンスＺが一致するように選択した。具体的には、アンプ容量Ｃ１１の容量値は、ケーブル長が１ｍの時には７９１ｐＦを、ケーブル長が１０ｍの時には２２９ｐＦを、それぞれ中心として調整し、中間の長さのケーブルについてはその間の値を中心として調整した。

図４は、上記の第１の項目についてのシミュレーション結果を示し、参照符号Ａ〜Ｃが本実施形態の場合で、Ａがケーブル長３．５ｍの場合を、Ｂがケーブル長６．０ｍの場合を、Ｃがケーブル長１０．０ｍの場合を、それぞれ示す。参照符号Ｄ〜Ｆが図２の従来例の場合で、Ｄがケーブル長３．５ｍの場合を、Ｅがケーブル長６．０ｍの場合を、Ｆがケーブル長１０．０ｍの場合を、示す。対応するケーブル長で、トータルインピーダンスの変動率は、本実施形態における方が、図２の従来例におけるより小さくなっている。これは、本実施形態の方が従来例に比べて、ケーブル部の不確定要素（変動）に対する耐性が強いことを意味する。

図５は、上記の第２の項目についてのシミュレーション結果を示し、参照符号Ａ〜Ｃが本実施形態の場合で、Ａがケーブル長３．５ｍの場合を、Ｂがケーブル長６．０ｍの場合を、Ｃがケーブル長１０．０ｍの場合を、それぞれ示す。参照符号Ｄ〜Ｆが図２の従来例の場合で、Ｄがケーブル長３．５ｍの場合を、Ｅがケーブル長６．０ｍの場合を、Ｆがケーブル長１０．０ｍの場合を、示す。対応するケーブル長で、インダクタンス要素ＬＳのインダクタンス値の変化に対するトータルインピーダンスの変動率は、本実施形態における方が、図２の従来例におけるより大きくなっている。これは、本実施形態の方が従来例に比べて、インダクタンス要素ＬＳの変化に対して感度がよく、Ｓ／Ｎが改善することを意味する。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１および第２の項目についてのシミュレーション結果では、いずれのケーブル長でも特性は改善している。すなわち、ケーブルインピーダンスの影響を低減することができる。

本実施形態のように、センサヘッド６０において、インダクタンス素子ＬＳとヘッド容量素子ＣＳを並列接続すると、合成のインピーダンスが大きくなり、相対的にケーブル２０のインピーダンスの影響を低減できる。

また、アンプ容量素子Ｃ１１の容量値とヘッド容量素子ＣＳの容量値の和を維持した上で、ヘッド容量素子ＣＳの容量値とアンプ容量素子Ｃ１１の容量値の組合せには比較的自由度があるので、ヘッド容量素子ＣＳは汎用の小型の容量素子を選択し、アンプ容量素子Ｃ１１は微調整可能なように回路を構成することができる。これにより、センサヘッド６０は小型の形状を維持して、ケーブル２０の長さを長くしても、検出感度は劣化しない。また、センサの理想的な測定状態が維持される。

さらに、アンプ回路側のアンプ容量素子Ｃ１１は、容量値が小さくなるだけで、回路構成自体は変わらないので、従来のアンプ回路をそのまま使用できるか、変更する場合でもアンプ容量素子の変更等の小規模な変更だけで対応可能である。

上記のように、図２のアンプ容量素子Ｃ１の一部をセンサヘッド６０内のヘッド容量素子ＣＳに移した構成であり、アンプ容量素子Ｃ１１の容量値に対するヘッド容量素子ＣＳの容量値の比率は大きいほど効果があり、ヘッド容量素子ＣＳの容量は、アンプ容量素子Ｃ１１の容量以上であることが望ましく、さらにヘッド容量素子の容量は、アンプ容量素子の５倍以上であることが望ましい。

なお、センサヘッド内部（コイル部）の浮遊容量は、非常に小さく（本実施形態でのシミュレーションの実例として用いたセンサヘッドでは約２ｐＦである）、浮遊容量をもって、本実施形態におけるヘッド容量素子ＣＳを置き換えても、図２に記載した従来例の構成に対する優位な差は、明らかに得られない。また、浮遊容量の容量値を、流通しているコンデンサ（許容差２％以下、温度特性６０ｐｐｍ／°Ｃ以下）と同等レベルで安定させることもできない。

なお、本実施形態は、被検出体との距離を検出する装置について述べているが、本発明の適用範囲はその限りではない。例えば、検出体の姿勢や内部組成、焼き入れの状態、形状、磁化等の変化により、センサヘッド周辺のインダクタンスが変化する場合（すなわち、インダクタンス素子ＬＳのインピーダンスが変化する場合）は、それらの変化を検出する測定装置にも、本発明を適用することができる。

なお、本実施形態では、ケーブル２０は同軸であるとしているが、同軸に限らず他の種類のケーブルについても当然同様の効果が得られる。

なお、ヘッド容量素子を構成する素子数は、センサヘッドの大きさに影響を与えない範囲で、複数個であっても良い。
なお、ヘッド容量素子は、「アンプ容量素子以下の容量値で、かつ容易に入手可能な市販のコンデンサのうち、最も大きな容量のも」に限られるものではない。たとえば、共振状態に対するマージンを確保するために、最も大きなものより若干小さな容量の素子を用いたとしても、本特許の趣旨が充分達成できることは自明である。

図６は、センサヘッドにおけるインダクタンス素子および容量素子の取り付け例を説明する図であり、（Ａ）が従来の取り付け例を、（Ｂ）が実施形態の取り付け例を示す。

図６の（Ａ）に示すように、従来例では、センサヘッド１０は、円筒状のボビン９１を有し、ボビン９１の先端付近に円筒状の溝９２が形成されている。溝９２にシールド線を巻いて形成したコイル９３が、インダクタンス素子ＬＳをなす。シールド線の両端子９４および９５が、ケーブル２０に接続される。

一般に、小型のセンサヘッド内のコイルは微小であり、コイルから引き出された線を固定するには、困難さが伴う。コイルから引き出された線が固定できないと、ボビンに巻かれたコイルが崩れてしまうことになり、センサヘッドの特性に重大な不具合が発生することになる。

一般的な容量素子ＣＳであるコンデンサは、２つの電極を有している。図３に示すように、センサヘッド６０内のインダクタンス素子ＬＳの両端子は、コンデンサＣＳのそれぞれの電極に接続されることになる。そこで、図６の（Ｂ）に示すように、ボビン９１に貫通穴９６を設け、貫通穴９６内にコンデンサ９７を固定して、コンデンサ９７の両側の電極９８および９９がボビン９１の円筒表面付近に位置するようにする。そして、インダクタンス素子の両端子の線９４および９５を、電極９８および９９に接続して固定する。電極９８および９９は、ケーブル２０の線（図示せず）にさらに接続される。これにより、センサヘッド６０の組立が容易となり、両端子の線９４および９５を固定するので、コイルが崩れてしまう恐れを、容易に解消することができる。さらに、図６の（Ｂ）に示すように、ボビン９１に小さな貫通穴９６をあけておき、コンデンサ９７をボビン９１に貫通させることにより、容易にコンデンサ９７を固定でき、かつ、コンデンサ９７に接続する線９４および９５を、それぞれボビン９１の反対側に分離することが出来るため、作業性が向上するとともに、望まない誤接触等を防止することができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、各種の変形例が可能であるのはいうまでもない。
例えば、特許文献１の図３で示される容量素子１６および１７の一部容量だけをインダクタンス素子１１と並列となるようにセンサヘッド内部に組み込むようにしてもよい。

本発明は、共振型の渦電流センサに適用可能である。

１０、６０センサヘッド
２０ケーブル
７１．７２端子
７３発振回路
ＬＳインダクタンス素子
ＣＳヘッド容量素子
Ｃ１１アンプ容量素子
Ｃ２補助容量素子

Claims

インダクタンス素子を有するセンサヘッドと、
前記センサヘッドの前記インダクタンス素子の両端に接続されるケーブルと、
前記ケーブルの２つの端子間に接続されるアンプ回路と、を備え、
前記アンプ回路は、発振回路と、前記ケーブルの２つの端子間に接続される容量値が可変のアンプ容量素子と、を備え、
前記センサヘッドは、前記インダクタンス素子に設けられたヘッド容量素子を備え、
前記アンプ容量素子の容量値は、前記ケーブルが分布定数回路で近似されるインピーダンスを有するものとして、前記インダクタンス素子、前記ヘッド容量素子、前記ケーブルおよび前記アンプ容量素子が、前記発振回路の出力する交流信号に対する共振回路を形成するように設定されていることを特徴とする渦電流センサ。
前記インダクタンス素子は、被測定物との距離によってインピーダンスが変化する請求項１記載の渦電流センサ。
前記ヘッド容量素子は、１個の容量素子のみで構成される、請求項２記載の渦電流センサ。