JPH03277901A - 磁気式変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えば工作機械の工具の変位や自動車のク
ランクシャフトの角度変位等を非接触で測定する磁気式
変位計、特に測定精度の向上に関するものである。

［従来の技術］ 例えば工作機械の工具の変位を非接触で測定する方法と
して、渦電流や光、超音波あるいは磁気等を利用した変
位計従来から使用されている。

これらの各種変位計を使用して変位を測定する方法にお
いて、磁気を利用した測定方法は他の測定方法と比べて
悪環境でも変位を測定することができるため、あらゆる
場所で古くから利用されている。

従来の磁気を利用した変位計はホール素子や磁気抵抗効
果素子等からなる磁気センサを用いている０例えば第１
２図に示すように、Ｘ方向に移動する被測定物の可動部
ｌＯに磁極の方向なＸ方向と垂直にした磁石１１を固定
し、この磁石１１に対して一定の距離りを置いて磁気セ
ンサ１３を設置し、可動部ｌＯの移動により変化する磁
石１１の磁界の強さを磁気センサ１３で電圧変化あるい
は抵抗変化として検出している。

第１３図は例えば、磁束密度がＩＫガウスの磁石１１を
用い、距離りを５ｍｍに固定してホール素子からなる磁
気センサ１３によりＸ方向の変位に対する磁石１１の磁
界の強さの水平成分を測定した結果を示す、第１３図に
示すように、磁気センサ１３の出力電圧は、正規分布の
ように変化し、磁気センサ１３と磁石１１の中心が一致
しているときに最大になり、磁石１１の変位が大きくな
るにしたがって急激に小さくなっている。この磁気セン
サ１３の出力電圧の変化を検出して、間接的に可動部１
０の変位を計測している。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来のホール素子や磁気抵抗効果素子等からなる磁
気センサ１３を使用した変位計においては、磁石４の移
動による磁気センサ１３の出力特性はピーク値から急激
に小さくなっているため、測定可能なＸ方向の変位が、
例えば数ｍｍと限定されてしまうという短所があった。

また、磁気センサ１３の出力電圧が小さ（ｍｙのオーダ
である。このため高精度の測定をするときには高感度増
幅器を必要とするとともに、測定精度に外部ノイズの影
響が受けやすいという短所があった。

さらに、磁気センサ１３の出力電圧は磁石１１との相対
距離りが大きくなると急激に小さくなるため、相対距離
りの適用範囲が限定され磁気センサ１３を磁石１１に接
近させておかなければ正確な測定を行なうことができな
いという短所があつた。

この発明はかかる短所を解決するためになされたもので
あり、変位測定領域を拡大するとともに高精度に測定す
ることができる磁気式変位計を得ることを目的とするも
のである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る磁気式変位計は、強磁性体コアに巻き回
され、被測定部に設置した磁石に対向して配置されたコ
イルと、このコイルに固定インピーダンスを介して一定
周波数、一定電圧の交流電力を供給する交流電力供給装
置と、上記強磁性体コアによる磁束と上記磁石の磁束と
の交差により変動する上記コイルの両端出力電圧の正側
電圧と負側電圧をそれぞれ検出する直流電圧検出手段と
、検出した正側電圧と負側電圧の差から被測定部の変位
を演算する変位算出手段とを備えたことを特徴とする。

また、交流電力供給装置からパルス電流を出力し、この
パルス電流に直流バイアスを加算してコイルに供給する
ことが好ましい。

さらに、直流電圧検出手段がコイルの出力電圧を、あら
かじめ定めた正の基準電圧と負の基準電圧と比較し、コ
イルの出力電圧が正の基準電圧に達したときにハイレベ
ル、負の基準電圧に達したときにローレベルになるパル
ス信号を出力するレベル弁別回路からなり、変位算出手
段で上記パルス信号のデユーティ比から被測定部の変位
を演算するようにしてもよい。

［作用］ この発明においては、強磁性体コアに巻き回されコイル
に一定周波数、一定電圧の交流電力を供給し、このコイ
ルに流れる交流電流により生じる磁界によってヒステリ
シス特性を示す強磁性体コアの透磁率によりコイルのイ
ンピーダンスを変化させ、コイルの両端出力電圧を正負
対象のほぼ矩形波状に変化させる。このコイルに被測定
部に固定された磁石の磁束を交差させ、被測定部の相対
適移動により変化する磁石の磁束によりコイルの両端出
力電圧の正側電圧と負側電圧のｔ、ＥＥ値を変化させる
。この磁石の位置に応じて変化する正側電圧と負側電圧
をそれぞれ検出し、検出した正側電圧と負側電圧の差を
算出して、被測定部の変位を算出する。

また、交流電力供給装置からパルス電流を出力し、この
パルス電流に直流バイアスを加算してコイルに供給する
ことにより、変位の測定レンジを拡大することができる
。

また、コイルの両端出力電圧の正側電圧と負側電圧のパ
ルス幅に対応したパルス信号により外部磁界の変化を検
出して、変位を測定することにより、検出感度を向上さ
せることができる。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図である０
図に示すように、変位計は棒状の強磁性体コアｌと、強
磁性体コアｌに巻き回されたコイル２．コイル２に固定
インピーダンス４を介して一定周波数、一定電圧の交流
電力を供給する発振器を有する交流電力供給装＠３、コ
イル２の両端に接続された直流電圧検出手段５、変位算
出手段６、距離入力手段７、記憶手段８及び表示手段９
で構成されている。

直流電圧検出手段５は１操性検波器と負極性検波器とを
有し、コイル２の出力電圧の正側電圧と負側電圧をそれ
ぞれ検出する。

変位算出手段６は直流電圧検出手段５の出力を受けてコ
イル２の正側電圧と負側電圧の差を求め、この電圧差と
距離入力手段７で入力されるコイル２と被測定部間の距
離とから被測定部の変位を算出する。

第２図は上記変位計によりＸ方向に移動する被測定物の
可動部１０の変位を測定するときのコイル２の配置を示
す０図に示すように、可動部ｌＯには磁極の方向をＸ方
向に向けた磁石１１が固定され、この磁石１１と距離り
を置いて強磁性体コアｌに巻き回されたコイル２が設置
されている。

上記のように構成された変位計の動作を説明するにあた
り、まずこの変位計の原理を第３図の電圧波形図と第４
図の強磁性体コアの磁化特性図を参照して説明する。

第３図（ａ）の電圧波形図に示すように一定周波数、一
定電圧の交流電圧Ｅをコイル２に供給すると、コイル２
の両端に発生する電圧Ｅ０は固定インピーダンス４の抵
抗値Ｒとコイル２のインピーダンス２．により次式で決
定される。

Ｅｏ　＝Ｅ−Ｚｓ　／　（Ｒ＋Ｚｓ　）で示される。

このコイル２のインピーダンスｚ３は強磁性体コアｌの
透磁率に比例して変化する。すなわち外部磁界を加えな
い状態でコイル２に交流電流を流すると、コイル２の磁
束により強磁性体コアｌが磁化される０強磁性体コアｌ
の透磁率は一定でなく、磁界の強さによって変化し、第
４図に示すように磁化曲線がヒステリシス特性を示す、
なお、第４図において、Ｂは磁束密度、ｎはコイル２の
巻数、ｉはコイル電流である。

このためコイル２の両端に発生する出力電圧は第３図（
ｂ）に示すように、正負対象の矩形波状の波形になる。

そして外部磁界が加えられない状態では正側電圧ｖ１と
負側電圧ｖ２は等しくなる。

この状態でコイル２に外部磁界を加えると強磁性体コア
ｌを交差する磁束はコイル２で発生する磁束と外部磁界
の磁束の合成磁束となる。このためコイル２の両端に発
生する波形は第３図（Ｃ）に示すように、正側電圧ｖ１
と負側電圧ｖ２に差生じる。このコイル２０両端に発生
する出力電圧の正側電圧ＶＩと負側電圧Ｖ２を比較しそ
の差を求めることによって間接的に外部磁界を計測でき
る。

次に上記原理に基ずく変位計の動作を説明する。第２図
に示すように変位計の強磁性体コアｌに巻き回されたコ
イル２を被測定物の可動部１０に固定された磁石１１に
対して一定距離りを置いて設置する。この状態でコイル
２に交流電力供給装置３から固定インピーダンス４を介
して、例えば第３図（ａ）に示すような一定周波数、一
定電圧の交流電力を供給する。コイル２は供給された交
流電流により磁界を生じ、その磁束が強磁性体コア１を
第４図に示すように、磁束密度Ｂが飽和状態になるまで
磁化する。この強磁性体コアｌの磁界の強さはコイル２
に流れる交流電流によりヒステリシス特性を繰返し、コ
イル２のインピーダンスを交流電流の周波数と同じ周波
数で変化させる。一方、このコイル２には可動部１０に
固定された磁石１１の磁束が加えられる。このコイル２
に加えられる磁石１１の磁束密度の磁捲方向に対する垂
直な成分は可動部１０のＸ方向移動距離に応じて変化す
る。このため、第３図（Ｃ）に示すようにコイル２の両
端出力電圧の正側電圧ｖＩと負側電圧Ｖｔに差が生じる
。

そこで、直流電流検出手段５でコイル２の正側電圧ｖ１
と負側電圧Ｖ、をそれぞれ検出し、変位算出手段６に送
る。変位算出手段６は送られた正側電圧ｖＩと負側電圧
Ｖ、の電圧差ΔＶを演算する。

第５図は例えば磁束密度ＩＫガウスの磁石１１を用い、
磁石１１とコイル２の距離りを変えて測定したときの電
圧差ΔＶの変化特性の一例を示す。図において、ａは距
離りが３０ｍｍの場合、ｂは距離りが３５ｍ＋＋ｅの場
合、Ｃは距離りが４０ｍｍの場合、ｄは距離りが４５ｍ
ｍの場合、ｅは距離りが５０＋＋＋ｍの場合、ｆは距離
りが５５Ｉｌ■の場合をそれぞれ示す。

第５図に示すように、コイル２の軸心な通る基準線１２
と磁石１１の中心が一致しているとき、すなわち、磁石
１１のＸ方向の変位が零のときの電圧差ΔＶを零にして
、距離りを３０−一〜５５ｍ−に可変したときの電圧差
ΔＶの変化を測定した結果、電圧差ΔＶはほぼ線形で変
化している。この距離りに対する電圧差ΔＶの変化特性
があらかじめ測定されて記憶手段８に記憶されている。

そこで、変位算出手段６で距離りに応じて定まる可動部
１０のＸ方向に変位したときの電圧差ΔＶと、距離入力
手段７で入力される距離りとを用い、記憶手段８に記憶
されている電圧差ΔＶの変化特性から可動部１０の変位
りを求める。この求めた変位りを表示手段９に送り表示
する。

この変位りを求める電圧差ΔＶの変化特性は第５図に示
すように距離りが３０ｍｍのときにほぼ４Ｖ１５ｍｍの
オーダで変化し、距離りが５５ｍ＋＋のときにもボルト
のオーダで変化する。このため変位検出感度が大きく、
地磁気等による外部ノイズの影響を簡単なフィルタで除
去することができる。また、強磁性体コアｌに巻き回し
たコイル２で磁石１１の垂直成分の磁束密度変化を計測
しているから電圧差ΔＶの変化特性をほぼ線形特性にす
ることができ、簡単にかつ精度良く変位りを求めること
ができる。

なお、上記実施例においては、強磁性体コア１に巻き回
したコイル２に交流電力供給手段３から、第３図（ａ）
に示すような連続した交流電力を供給する場合について
説明したが、交流電力供給手段３からパルス電流を出力
し、このパルス電流に直流バイアスを加算することによ
り、磁束密度検出の測定スパンを拡大し、変位の測定レ
ンジを拡大させることができる。

第６図はコイル２に直流バイアスを加えたパルス電流を
供給する場合の実施例を示す。図において、２１は加算
器、２２は直流電源であり、直流電源２２は出力電圧を
任意に可変できるように構成されている。

加算器２１には交流電力供給手段３から高周波のパルス
電圧が供給されるとともに、直流電源２２から直流バイ
アスが供給される。加算器２１は高周波電圧に直流バイ
アスを加算して合成電圧を発生し、その合成電圧が電力
増幅器２３で増幅され、抵抗からなる固定インピーダン
ス４を介してコイル２に印加される。

この実施例において、直流電源２２からの直流バイアス
電流の値をＯｍＡ、　５０　ｍＡ、　１００ｍＡ　。

１５０ｍＡ　、　２００ｍＡと変化させたときのコイル
２の磁化電流−出力電圧特性を測定した結果を第７図に
示す。

第７図に示すように、コイル２に直流バイアス電流を１
００■Ａ供給すると、直流バイアスがＯｍＡのときに比
べて線形特性が得られる範囲が磁化電流の０〜４．５Ａ
程度になり、約２倍の測定スパンが得られることになる
。したがって、直流バイアス電流を可変することにより
、変位の測定レンジを必要に応じて調整することができ
る。

なお、上記実施例はコイル２の出力電圧の正側電圧と負
側電圧をそれぞれ直流電圧検出手段５で検出し、変位算
出手段６で検出した正側電圧と負側電圧の差をを求めて
、被測定部の変位を算出する場合について説明したが、
コイル２の出力電圧の正側電圧と負側電圧のパルス幅に
対応したパルス信号により変位を測定することもできる
。

すなわち、第８図（ａ）に示すように、コイル２の出力
電圧がそれぞれ一定の基準電圧子Ｅ、。

−Ｅ、に達する時間で３．て、を検出する。この時間比
でＩ／で宜は外部磁界の強度が零のときは「ｌ」となり
、外部磁界が加えられると、その磁界の強度に応じて変
化する。この時間比で、／τ２を検出することにより、
外部磁界の強度を検出することができる。

第９図は時間比で、／τ２により被測定部の変位を算出
する場合の実施例を示すブロック図である。

図に示すように、直流電圧検出手段５は、演算増幅器３
１と５正帰還用の抵抗３２と、非反転入力端子（＋）と
接地間に接続された抵抗３３とからなるレベル弁別回路
で構成されている。

そして、コイル２の出力電圧を演算増幅器３１の反転入
力端子（−）に入力すると、演算増幅器３１からの出力
電圧Ｅ０が抵抗３２．３３で分圧され、非反転大入力端
子（＋）に正帰還される。

ここで抵抗３２．３３の抵抗値Ｒｓ＊、Ｒｓａを基準電
圧Ｅ、のレベルに応じて次式で選択する。

Ｉ　ＥＲ１＝　Ｉ　Ｅｏｌ　（Ｒｓｓ／（Ｒａ＊＋Ｒ５
１ｌ）　）このように、抵抗３２．３３を選択すること
により、第８図（ａ）に示す一定の基準電圧＋Ｅ＊。

−Ｅｌｌが演算増幅器３１に自動的に印加される。

したがって、演算増幅器３１からは第８図（ｂ）に示す
ように、コイル２の出力電圧が正の基準電圧＋ＥＩ＋に
達したときにハイレベル、負の基準電圧−ＥＲに達した
ときにローレベルになるパルス信号を変位算出手段６に
出力する。

変位算出手段６は送られたパルス信号のデユーティ比（
τ＋／Ｔ）、あるいはパルス幅の時間比（て、／てよ）
から外部磁界の変化を求めて、被測定部の変位を演算す
る。

この場合、外部磁界の磁束密度が０−Ｉｏｎガウスと微
小変化したとき、変位算出手段６の出力電圧Ｖ０が第１
０図に示すようにＯ〜６００ｍＶ以上と変化し、検出感
度の向上を図ることができた。

また、上記各実施例は棒状の強磁性体コアｌにコイル２
．を巻き回して、移動する磁石１１の磁束密度変化を検
出して変位りを求めた場合について説明したが、第１１
図に示すようにＵ字状あるいはコ宇状の強磁性体コア１
ａにコイル２を巻き回すことにより、地磁気や磁石１１
以外の他の部分からの磁界の影響を打ち消し、磁石１１
のみの磁束密度の変化分を検出するようにすると、変位
りの測定精度をより高めることができると共に、地磁気
等による外部ノイズを除去するフィルタを省略すること
もできる。

なお、°上記各実施例においては、強磁性体コアｌに巻
き回したコイル２の出力電圧の正側電圧と負側電圧を比
較して被測定部の変位を算出する場合について説明した
が、コイル２の出力電圧を半波整流して正側電圧を検出
し、正側電圧の電圧レベルの変動を検出しても被測定部
の変位を算出することができる。なお、この場合コイル
２に温度補償回路を接続しておくことにより、変位測定
の際に温度が変動しても、その影響を打消すことができ
る。

［発明の効果］ この発明は以上説明したように、強磁性体コアに巻き回
されコイルに一定周波数、一定電圧の交流電力を供給し
、このコイルに流れる交流電流により生じる磁界によっ
てヒステリシス特性を示す強磁性体コアの透磁率により
コイルのインピーダンスを変化させ、コイルの両端出力
電圧を正負対象のほぼ矩形波状に変化させる。このコイ
ルに被測定部に固定された磁石の磁束を交差させ、被測
定部の相対的移動により変化する磁石の磁束によりコイ
ルの両端出力電圧の正側電圧と負側電圧の電圧値を変化
させるようにしたから、磁石の磁束密度変化を高感度に
測定することができ、磁石とコイルの相対距離を大幅に
拡大することができて、変位計を種々の条件で使用する
ことができる。

また、磁石の位置に応じて変化するコイルの正側電圧と
負側電圧をそれぞれ検出し、検出した正側電圧と負側電
圧の差を算出するようにしたから、正側電圧と負側電圧
の差をほぼ線形に変化させることができる。この変化特
性に基すいて被測定部の変位を算出するようにしたから
、被測定部の変位を精度よく測定することができる。

さらに、変位測定の際に温度が変動してコイルの巻線抵
抗と強磁性体コアの透磁率が変化しても、この変化によ
るコイルのインピーダンスは磁化電流の正負礪性とも等
しく変化するので相互に補償し合うから、温度変化によ
るコイルの正側電圧と負側電圧の差にドリフトは発生せ
、ず、温度変動の影響なしに精度良く変位を測定するこ
とができる。

また、強磁性体コアをコイルに流す電流で充分飽和する
まで磁化することにより、コイルの両端に発生する出力
電圧は一定値にクリップされ、コイル両端の出力電圧は
外部磁界の強弱のみによって正極と負掻との振幅及び位
相が変化するようにしたから、交流電力の電圧や固定イ
ンピーダンスの抵抗値が多少変化しても検出感度は変化
せず、高感度で変位を測定することができる。

また、コイルに直流バイアスを加算したパルス電流を供
給すると、直流バイアスにより変位の測定レンジを拡大
することができるから、直流バイアスを可変して変位の
測定レンジを調整することができ、変位測定性能を向上
させることができる。

また、コイルの両端出力電圧の正側電圧と負側電圧のパ
ルス幅に対応したパルス信号により外部磁界の変化を高
精度に検出することにより、変位を測定するから、検出
感度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示すブロック図、第２図は
上記実施例により変位を測定するときのコイルの配置図
、第３図、第４図は上記実施例の原理を示し、第３図（
ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ電圧波形図、第４図は
強磁性体コアの磁化特性図、第５図は上記実施例の変位
と電圧差を示す特性図、第６図は他の実施例を示すブロ
ック図、第７図は第６図に示した実施例の出力特性図、
第８図は第３の実施例の動作を示す波形図、第９図は第
３の実施例を示すブロック図、第１Ｏ図は第８図に示し
た実施例の出力特性図、第１１図は第４の実施例を示す
配置図、第１２図は従来例を示す配置図、第１３図は従
来例の出力電圧特性図である。 ｌ・・・・強磁性体コア、２・・・・コイル、３・・・
・交流電力供給装置、４・・・・固定インピーダンス、
５・・・・直流電圧検出手段、６・・・・変位算出手段
、７・・・・距離入力手段、ｌＯ・・・・可動部、１１
・・・・磁石、２１・・・・加算器、２２・・・・直流
電源、３１・・・・演算増幅器、３２．３３・・・・抵
抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、強磁性体コアに巻き回され、被測定部に設置した磁
   石に対向して配置されたコイルと、該コイルに固定イン
   ピーダンスを介して一定周波数、一定電圧の交流電力を
   供給する交流電力供給装置と、 上記強磁性体コアによる磁束と、上記磁石の磁束との交
   差により変動する上記コイルの両端出力電圧の正側電圧
   と負側電圧をそれぞれ検出する直流電圧検出手段と、 該直流電圧検出手段で検出した正側電圧と負側電圧の差
   から被測定部の変位を演算する変位算出手段と、 を備えたことを特徴とする磁気式変位計。 ２、上記交流電力供給装置からパルス電流を出力し、該
   パルス電流に直流バイアスを加算する直流バイアス加算
   手段を設けた請求項１記載の磁気式変位計。 ３、上記直流電圧検出手段がコイルの出力電圧を、あら
   かじめ定めた正の基準電圧と負の基準電圧と比較し、コ
   イルの出力電圧が正の基準電圧に達したときにハイレベ
   ル、負の基準電圧に達したときにローレベルになるパル
   ス信号を出力するレベル弁別回路からなり、変位算出手
   段で上記パルス信号のデューティ比から被測定部の変位
   を演算する請求項１又は２記載の磁気式変位計。