JP6621581B2 - 渦電流形変位センサ - Google Patents

Description

本発明は、渦電流形変位センサに関し、特に、渦電流形変位センサの計測精度の向上に関する。

被測定物の変位を測定するセンサとして渦電流形変位センサがある。渦電流形変位センサは、センサコイルに高周波電流を供給して高周波磁界を発生させ、その磁界により被測定物の表面に渦電流が発生することで電磁誘導作用によってセンサコイルのインピーダンスが変化することを利用して被測定物との距離（変位）を測定するものである（例えば、特許文献１を参照）。渦電流形変位センサは被測定物の変位を非接触で測定することができ、また、被測定物は磁性体に限られず導体でも可能である。

特公平２−１９８８４号公報

渦電流形変位センサは、原理的に電流の流れない絶縁物は感知しないため、油や水がかかってもその影響を受けることなく被測定物の変位を高精度に計測することができる。しかし、雪や氷や水などの誘電体がセンサと被測定物との間に介在し、特にそれら誘電体に氷結や溶解などの状態変化が起きると誘電率が変化して、センサコイルが電極のような機能を果たしていると渦電流形変位センサの計測結果に影響を及ぼすおそれがある。

上記問題に鑑み、本発明は、渦電流形変位センサと被測定物との間に雪や氷や水などの誘電体が介在しても被測定物の変位を正確に計測できるようにすることを課題とする。

本発明の一局面に従った渦電流形変位センサは、センサコイルと、前記センサコイルに並列接続され、前記センサコイルとともに共振回路を構成するコンデンサと、高周波信号を発生させて前記共振回路に該高周波信号を供給する発振回路と、前記共振回路のグランド電位に接続されたグランド電極と、を備え、前記グランド電極が前記センサコイルの表面を覆って配置されているものである。

これによると、グランド電極とセンサコイルとによってコンデンサが形成され、当該コンデンサによって、渦電流形変位センサと被測定物との間に介在する雪や氷や水などの誘電体によって形成される渦電流形変位センサ１の対地静電容量および渦電流形変位センサ内の電気回路の対地静電容量（対筐体容量）が見えなくなり、センサ出力が当該介在物の誘電率の変化の影響を受けなくなる。

前記グランド電極が開ループ状にパターン形成された金属線からなっていてもよい。

これによると、グランド電極とセンサコイルとの間にコンデンサを形成しつつ、センサコイルから発生する高周波磁界がグランド電極に遮断されずに被測定物に作用させることができる。

さらに、前記金属線がフレキシブルプリント配線板上にパターン形成されていてもよい。

これによると、グランド電極を自由に曲げてセンサコイルの表面にぴたりと合わせて、グランド電極とセンサコイルとの間でコンデンサを形成することができる。

さらに、前記グランド電極が前記センサコイルの被測定物対向面および側面を覆っていてもよい。

これによると、センサコイルの表面の大部分をグランド電極で覆って、グランド電極とセンサコイルとの間でコンデンサを形成することができる。

本発明によれば、渦電流形変位センサと被測定物との間に雪や氷や水などの誘電体が介在しても被測定物の変位を正確に計測することができる。

本発明の一実施形態に係る渦電流形変位センサの外観図 渦電流形変位センサの概略回路構成図 センサコイルとグランド電極との配置関係を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）側面図、および（Ｃ）分解斜視図 グランド電極のさまざまなパターン例を示す図 従来の渦電流形変位センサの等価回路図 本発明の一実施形態に係る渦電流形変位センサの等価回路図 （Ａ）は従来の渦電流形変位センサの出力電圧のグラフ、（Ｂ）は本発明の一実施形態に係る渦電流形変位センサの出力電圧のグラフ

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る渦電流形変位センサの外観を示す。本実施形態に係る渦電流形変位センサ１は、例えば、鉄道レールの軌間や通り狂いを計測する検測車に搭載される電磁形レール変位計の電磁センサとして使用される。渦電流形変位センサ１は、被測定物２（例えば、鉄道レール）の変位を計測し、変位に応じた電圧信号を出力する。渦電流形変位センサ１の出力電圧はセンサケーブル３を経由して変換器４に入力され、デジタル信号に変換されて各種解析が行われる。

図２は、渦電流形変位センサ１の概略回路構成例を示す。渦電流形変位センサ１は、センサコイル１１と、コンデンサ１２と、発振回路１３と、グランド電極１４と、整流回路１５と、増幅回路１６とを備えている。これら構成部材は渦電流形変位センサ１の筐体１０内に収容されている。なお、渦電流形変位センサ１の電気回路には上記以外に抵抗素子などが含まれるが、便宜上、抵抗素子などの部材の図示を省略している。

センサコイル１１は、絶縁被覆銅線を適当な巻数だけ巻いて形成されたコイルである。絶縁被覆銅線はボビンに巻かれていてもよいし、ボビンなしで巻かれていてもよい。センサコイル１１は、その開口面が被測定物２の表面と対向するように筐体１０内に配設されている。

コンデンサ１２は、センサコイル１１に並列接続されている。すなわち、センサコイル１１とコンデンサ１２とで共振回路１７が構成される。

発振回路１３は、高周波信号を発生させて共振回路１７に高周波信号を供給する。なお、発振回路１３は、コンデンサ１８を介して共振回路１７に接続される。発振回路１３から共振回路１７に高周波信号が供給されることで、センサコイル１１から高周波磁界が発生する。

グランド電極１４は、共振回路１７のグランド電位に接続され、センサコイル１１の表面を覆うように配置された電極である。ここでいうグランド電位とは、渦電流形変位センサ１の電気回路の電圧０ボルトに相当する。図示しないが、発振回路１３や増幅回路１６などもグランド電位に接続されている。センサコイル１１とグランド電極１４との配置関係については後述する。

整流回路１５は、共振回路１７に接続され、共振回路１７に流れる交流電流を整流する回路である。

増幅回路１６は、整流回路１５による整流後の電圧を増幅する回路である。増幅回路１６は、電圧のゼロレベルを調整するゼロレベルシフト回路や電圧歪みを補正して線形化するリニアライザなどを含む。

次に、センサコイル１１とグランド電極１４との配置関係について説明する。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、センサコイル１１とグランド電極１４との配置関係を示す図であり、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は側面図、図３（Ｃ）は分解斜視図である。なお、図３（Ａ）〜（Ｃ）では各部材を模式的に描画しており、各部材の形状や寸法などは実際とは異なることがある。

グランド電極１４は、センサコイル１１の被測定物対向面に面する底面グランド電極１４ａと、センサコイル１１の側面に面する側面グランド電極１４ｂとからなり、センサコイル１１の被測定物対向面および側面を覆っている。底面グランド電極１４ａおよび側面グランド電極１４ｂはグランド電位に接続されている。このようにグランド電極１４でセンサコイル１１の表面を覆うことにより、センサコイル１１およびグランド電極１４を一組の対向電極とするコンデンサが形成される。

グランド電極１４は、例えば、フレキシブルプリント配線板１４１上にパターン形成された金属線１４２からなる。フレキシブルプリント配線板とは、ポリミイドフィルムなどの薄い絶縁材（ベースフィルム）の表面に銅箔（金属線１４２）などをパターン形成し、その上に絶縁層（カバーフィルム）を形成したプリント配線板であり、自由に曲げることができる。金属線１４２は、フレキシブルプリント配線板１４１の片面にのみ形成されていてもよいし、両面に形成されてもよい。

側面グランド電極１４ｂにフレキシブルプリント配線板を用いることにより、センサコイル１１の形状に合わせて側面グランド電極１４ｂを曲げて、センサコイル１１の側面にぴたりと合うように側面グランド電極１４ｂを配置することができる。これにより、センサコイル１１およびグランド電極１４でコンデンサを形成することができる。

ここで、金属線１４２は開ループ状に、すなわち、ループしないようにパターン形成するべきである。例えば、図３（Ａ）〜（Ｃ）の例では、金属線１４２は、くし状にパターン形成されている。もし金属線１４２をループ状にパターン形成したり、グランド電極１４を平面電極で形成したりすると、センサコイル１１から発生する高周波磁界によってグランド電極１４に渦電流が発生して被測定物２の変位を正確に計測できなくなるおそれがある。これに対して、本実施形態のように金属線１４２を開ループ状にパターン形成することで、センサコイル１１から発生する高周波磁界によりグランド電極１４に渦電流が生じさせないようにして、被測定物２の変位を正確に計測することができる。

また、グランド電極１４を平面電極ではなく金属線１４２でパターン形成したことにより、センサコイル１１から発生する高周波磁界がグランド電極１４に遮断されずに被測定物２に作用させることができる。この点において、グランド電極１４は一般的なシールド電極とは異なっている。

図４は、グランド電極１４（特に、底面グランド電極１４ａ）のさまざまなパターン例を示す。図中の太線が金属線１４２を表す。上述したように、金属線１４２は、ループしないようにパターン形成されていればよいため、くし状（５例）、放射状（４例）、うず巻き状（１例）、円状（３例）のさまざまなパターンがあり得る。図示したパターン以外に、例えばへび状のパターンなども可能である。

なお、図４に示したパターン例は、センサコイル１１の平面形状が円形であることに合わせたものである。センサコイル１１の平面形状が三角形や四角形であればグランド電極１４のパターンもそれに合わせて変形すべきである。

次に、グランド電極１４を設けたことによる作用・効果について説明する。図５は、従来の渦電流形変位センサの等価回路図である。図６は、本発明の一実施形態に係る渦電流形変位センサ１の等価回路図である。従来の渦電流形変位センサと本発明の一実施形態に係る渦電流形変位センサ１との相違点はグランド電極１４の有無である。

各構成要素の傍らに記した記号はインピーダンスや電圧などの電気特性である。例えば、センサコイル１１のインピーダンスをＺ_０（当該インピーダンスは被測定物の変位に応じて変化し得る）とし、コンデンサ１２の静電容量をインピーダンスＺ_ｒとし、コンデンサ１８の静電容量をインピーダンスＺ_ａとする。増幅回路１６は、入力電圧Ｖ_１を電圧Ｖ_２だけシフトするゼロシフト回路と、その後段に接続された増幅率αの増幅器とからなり、電圧Ｖ_ｏｕｔを出力するものとする。また、センサコイル１１に接続されたケーブルをインダクタンス（インピーダンスＺ_ｃ１）およびキャパシタンス（インピーダンスＺ_ｃ２）からなる等価回路で表し、渦電流形変位センサ１と被測定物との間に介在する雪や氷や水などの誘電体によって形成される渦電流形変位センサ１の対地静電容量をインピーダンスＺ_ｓ１とし、渦電流形変位センサ１内の電気回路の対地静電容量（対筐体容量）をインピーダンスＺ_ｓ２とし、上述したグランド電極１４とセンサコイル１１との間で形成されるコンデンサの静電容量をインピーダンスＺ_ｓｈとする。

図５に示した従来の渦電流形変位センサの等価回路図から次式（１）〜（４）が導出される。ただし、式（１）中のβは増幅回路１６の出力オフセットである。

式（４）にはインピーダンスＺ_ｓ１とインピーダンスＺ_ｓ２が含まれているため、これらインピーダンスが変化すると、増幅回路１６の出力電圧Ｖ_ｏｕｔが変化する。すなわち、従来の渦電流形変位センサでは、渦電流形変位センサと被測定物との間に介在する誘電体の誘電率が変化するとセンサ出力が変動する。この結果、被測定物の変位を正確に計測することができなくなるおそれがある。

一方、図６に示した本発明の一実施形態に係る渦電流形変位センサ１の等価回路図から次式（５）〜（８）が導出される。ただし、式（５）中のβは増幅回路１６の出力オフセットである。

式（８）にはインピーダンスＺ_ｓ１とインピーダンスＺ_ｓ２が含まれない。すなわち、本実施形態に係る渦電流形変位センサ１では、グランド電極１４を設けたことで、インピーダンスＺ_ｓ１とインピーダンスＺ_ｓ２を見えなくすることができる。したがって、本実施形態に係る渦電流形変位センサ１では、渦電流形変位センサ１と被測定物との間に介在する雪や氷や水などの誘電体の誘電率が変化しても、センサ出力はその影響を受けない。この結果、被測定物の変位を正確に計測することができる。

図７（Ａ）は、従来の渦電流形変位センサの出力電圧のグラフであり、図７（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る渦電流形変位センサ１の出力電圧のグラフである。

図７（Ａ）に示したように、従来の渦電流形変位センサでは、渦電流形変位センサと被測定物との間に介在物がある場合、介在物がない場合（基準）と比較してセンサ出力が若干ずれてしまう。

一方、図７（Ｂ）に示したように、本発明の一実施形態に係る渦電流形変位センサ１では、グランド電極１４を設けたことによる効果で、渦電流形変位センサ１と被測定物との間に介在物があっても、センサ出力は、介在物がない場合（基準）とほぼ一致する。すなわち、渦電流形変位センサ１と被測定物との間の介在物の有無にかかわらず、被測定物の変位を正確に計測することができる。

以上のように、本実施形態によれば、渦電流形変位センサ１と被測定物２との間に雪や氷や水などの誘電体が介在しても被測定物２の変位を正確に計測することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態の構成に限られず種々の変形が可能である。例えば、底面グランド電極１４ａとして、フレキシブルプリント配線板に代えて、紙フェノール基板やガラス・エポキシ基板などのプリント基板を用いてもよい。また、側面グランド電極１４ｂとして、フレキシブルプリント配線板に代えて、絶縁体で被覆された金属線を複数本束ねて形成されるフラットケーブルを用いてセンサコイル１１の側面を覆うようにしてもよい。あるいは、側面グランド電極１４ｂを省略して、底面グランド電極１４ａのみでグランド電極１４を構成してもよい。

また、上記実施形態により示した構成は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明を当該構成に限定する趣旨ではない。

１ 渦電流形変位センサ
１１ センサコイル
１２ コンデンサ
１４ グランド電極
１４１ フレキシブルプリント配線板
１４２ 金属線
１７ 共振回路
２ 被測定物

Claims (3)

1. 被測定物に対向する被測定物対向面を有するセンサコイルと、
   前記センサコイルに並列接続され、前記センサコイルとともに共振回路を構成するコンデンサと、
   高周波信号を発生させて前記共振回路に該高周波信号を供給する発振回路と、
   前記共振回路のグランド電位に接続され、開ループ状にパターン形成された金属線からなり、被測定物との間の静電容量によるセンサ出力の変動を低下させるために前記センサコイルの被測定物対向面を覆って配置されたグランド電極とを備える渦電流形変位センサ。
2. 前記金属線がフレキシブルプリント配線板上にパターン形成されている請求項１に記載の渦電流形変位センサ。
3. 前記グランド電極が前記センサコイルの被測定物対向面および側面を覆っている請求項１または請求項２に記載の渦電流形変位センサ。

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