JPS61245002A - 非接触式線形変位センサ - 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） 本発明は対象物に磁界発生素子を固定し、対象物の変位
もしくは振動を磁界の変化として、マグネトメータ（磁
界センサ）で検出するようにした非接触式の高速応答性
に優れた線形変位センサに関するものである。

（従来の技術及び発明が解決しようとする問題点）近時
、自動車、モータ、工業用ロボット、工作機械などのい
わゆるメカトロニクス分野や医用電子工学分野などにお
いて、非接触式の変位センサ、特に高速応答性に優れた
変位センサが重要になっている。

従来、非接触式の変位センサとしてマグネトメータを使
用する方式はいくつか提案されている。

しかし、従来のこの方式の変位センサは、マグネトメー
タが線形であるため、距離に対して非線形である磁界を
検出するかぎり、本質的に非線形の変位センサとなって
しまう欠点がある。また、従来のものは、フラックスゲ
ートの磁心材料として、パーマロイ、スーパーマロイ、
ケイ素鋼板などの結晶質強磁性体を使用しているため、
応答速度が遅く、高速振動性の変位検出が困難である。

更に、衝撃や応力によって磁気特性が劣化するため、セ
ンサとしての取扱い、安定性の問題があった。

（問題点を解決するための手段） 以上の観点から、本発明者は低鉄損で高速応答特性をも
つ多機能素材であるアモルファス強磁性体ワイヤーを用
いて、飽和特性をもつ高感度のマグネトメータを構成し
、距離と磁界の非線形性をマグネトメータの飽和に至る
磁界検出特性によって相殺した、新規な非接触式・高速
応答性の線形変位センサを発明するに至った。

すなわち、本発明は、対象物に微小永久磁石やコイルな
どの磁界発生素子を固定し、対象物の変位を磁界発生素
子のアモルファス強磁性体ワイヤーに対する相対距離に
よる磁界強度の変化に変換し、該アモルファス強磁性体
ワイヤーをフラックスゲートの磁心とするマグネトメー
タで、該磁界強度の変化を直流出力として検出する変位
センサである。

本発明の特徴は、２個の分離した巻線を施したアモルフ
ァス強磁性体ワイヤーよりなる１個の共有磁心をフラッ
クスゲートとして用いた直流出力型磁気マルチバイブレ
ータや磁気変調器により磁界強度を検出することにある
。

本発明におけるアモルファス強磁性体ワイヤーとしては
、例えば、断面が円形で直径２００ミクロン以下の非晶
質状態にある磁性合金ワイヤーがあげられる。合金組成
は概略、金属成分６０〜９０原子％、半金属成分１０〜
４０原子％であればよく、液体超急冷により断面円形ワ
イヤーに作製することが好ましい。金属成分としては、
Ｇｏ。

Ｆｅを主成分とし、磁歪が零に近く、高透磁率を示すも
のが好ましい。半金属成分は非晶質化のために一般的に
用いられるＳｔ、Ｂ、Ｃ，Ｐ等の組合せである。

なお、ワイヤーの断面が円形とは、断面形状において外
接円の半径（Ｒ）と内接円の半径（ｒ）との比（Ｒ／ｒ
）が１．３以下であることを意味する。

また、断面が円形であることにより、ワイヤーを磁心と
して、ワイヤーに直接巻線を施こすことが可能となり、
磁界検出部が極めて小型化できるとともに高感度となり
、また、線形性にも優れたものとなる。しかし、アモル
ファス合金として一般的に知られている薄帯（リボン材
）を使用する場合、巻線部の絶縁被覆損傷が生じ、薄帯
に直接巻線を施こすことは不可能であり、本発明の効果
も具現されない。

また、磁歪が零のワイヤーを用いると、巻線時あるいは
衝撃などの応力によっても磁性特性が変化することなく
、検出部を任意の形状に変形することも可能となり、極
めて取扱いの容易なセンサとなる。

更にワイヤーを数本以上の集束体として磁心に用いるこ
とにより、高出力を得ることができ、また微少電流で動
作可能となり、電池駆動の携帯型センサとすることがで
きる。

（実施例） 以下に本発明による変位センサの動作原理および実施例
を図に基づいて詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施態様を示す構成図である。Ｔ１
．Ｔ２はスイッチングトランジスタ、ＲＢおよびＣＢは
転流用素子、ＲＬはダミー抵抗、ＶＲは零点調整用可変
抵抗、ＦＬはローパスフィルタである。センサはアモル
ファス強磁性体ワイヤーＷを磁心としてなる２個の分離
した巻線部ＣＩ、Ｃ２と２個のＲＬでＴＩ、Ｔ２を介し
て発振形ブリッジ（マルチバイブレーク）を構成する。

巻線部Ｃ１，Ｃ２の磁心はアモルファス強磁性体ワイヤ
ーを共有しているので、熱的バランスが良くなり、高精
度となる。巻線部ＣＩと０２は一様な外乱磁界を相殺す
る方向に巻いてあり、ＣＩと０２に印加される磁界強度
Ｈ１とＨ２との差を検出する。従って、対象物（図示せ
ず）と連動する微小磁石Ｍの変位Ｘにより、各巻線部内
の磁心に印加される磁界強度Ｈ１，Ｈ２が変化するので
、磁石Ｍの変位Ｘに対応した直流出力Ｅ　ｏｕｔが得ら
れる。

第２図は本発明の動作原理を説明するために、巻線部Ｃ
Ｉお上びＣ２内の磁心の磁化状態（Ｈ−φ関係）を示す
模式図である。第２図（１）および（２）は巻線部Ｃ１
内、第２図（３）および（４）は巻線部Ｃ２内を示す。

図中ａの矢印はＴＩがオン。

Ｔ２がオフの場合、ｂの矢印はその逆の場合の磁心の磁
化径路を示す。外部磁界Ｈｅｘ＝Ｏの状態では、夫々、
第２図（１）と（３）に示される如く、巻線部ＣＩと０
２内の磁心の磁化径路に差はなく、従って、出力Ｅｏｕ
ｔはゼロを示す。一方、外部磁界Ｈｅｘがゼロでない場
合、第２図（２）と（４）に示される如く、巻線部ＣＩ
と０２内の磁心の磁化径路は異なり、その差に応じた出
力Ｅ　０Ｌｌｔが得られる。

外部磁界Ｈｅｘに対する出力電圧Ｅ　ｏｕｔの大きさは
、次式の関係で近似される。

Ｂ−Ｈｂ Ｈｂはアモルファス強磁性体ワイヤーの反磁界であり、
磁心としてのワイヤーの長さによって定まった値をとる
。すなわち、ワイヤーの長さを適当に選択することによ
り、検出感度を任意に設定することが容易にできる。

第３図は外部磁界強度Ｈと出力Ｅｏｕｔの関係の一例を
示す。第３図の出力は上式で近似される線形部分と、そ
れ以後の飽和特性を有する非線形部分を有している。

第４図は磁石Ｍよりの距離Ｘと磁界強度Ｈの関係を示し
たものである。第４図の磁界強度は発生源からの距離に
よって指数関数的に減少していく。

本発明の特徴は、距離Ｘに対して第４図の如き指数関数
的非線形関係にある磁界強度Ｈをマグネトメータで測定
するに際して、磁界強度に対して第３図の如き飽和的非
線形関係の出力特性を相互補完的にマツチングすること
により、距離（変位）に対して線形の出力特性を有する
マグネトメータとしたことにある。

第５図に磁石の変位に伴なう出力を得るための、アモル
ファス強磁性体ワイヤーＷと、微小磁石Ｍとの相対位置
関係の例を示す。第５図（１）はＭの磁力線方向とＷと
を平行的に配置した例、第５図（２）は（１）図と同様
の配置でＷの他端にバイアス用の固定磁石Ｍ°を配置し
た例、第５図（３）はＭの磁力線方向とＷとを直交的に
配置した例である。

このような配置で、例えば、第６図に磁石の変位と出力
電圧の一例をコイルの寸法をパラメータとして示す。配
置は第５図（１）を用い、Ｅ＝３Ｖ。

発振周波数３５０ＫＨｚ、巻数１５０、対向磁極Ｎであ
る。第６図のパラメータについて、（１）は克ｖ＝４４
ｍｍ、　児ｃ＝５ｎｏｎ、（２）はＪ１ｗ＝　４４　ｍ
ｍ。

ｆｌｃ＝　１０ｍｍ、　（３）はＪｌｖ＝　５４　ｍｍ
、　ｊｌｃ＝　２０　＋＋＋ｎ＋である。アモルファス
磁性体ワイヤーは、組成Ｃｏ。

Ｆｅ、Ｓｔ、Ｂで線径１１０ミクロンの円形断面である
。この例よりコイル寸法を変えることにより、変位と出
力電圧との線形性成立範囲および感度を選択することが
できる。

第７図は共有磁心として、Ｃｏ、　Ｆｅ、　Ｓｔ、　Ｂ
組成のアモルファス強磁性体ワイヤー（線径１１０ミク
ロン）を７本実束して用いた例である。Ｅ＝１．５Ｖ、
発振周波数２９．４ＫＨｚ、巻数５００、Ｊ１ｗ＝５０
ｍｍ、ｌｃ＝　１５ｍｍである。第７図のパラメータに
ついて、（１）は対向磁極がＮ、（２）はＳの場合であ
る。ワイヤーを集束して磁心としての断面積を増加する
ことによって、稼動電圧、発振周波数を低くすることが
できる。

第８図は微小磁石とアモルファス磁性体ワイヤーの配置
として、第５図（２）の場合の例を示す。

Ｅ＝２．５Ｖ、発振周波数４３５ＫＨｚ、巻数１５０　
、　克ｗ＝　５　Ｏｎ＋ｎ＋、　Ｊｌｃ＝　２　Ｏｎ＋
ｍ、バイアス磁極Ｓである。磁心としては、第６図と同
様のアモルファス磁性体ワイヤーを２２０℃、２０分間
熱処理したものを使用した。第８図のパラメータについ
て、（１）は対向電極Ｓ、（２）はＮの場合である。

第９図は配置として第５図（３）の場合の例を示す。Ｅ
＝２．８Ｖ、発振周波数３８５ＫＨｚ、巻数１５０、　
、Ｅｗ＝４４ｍｍ、　ｊ２．ｃ＝５＋＋ｕｎである。出
力電圧Ｏを基準として、正負対称な線形出力特性を示し
ている。

第１０図は出力電圧の周波数特性の一例である。

配置は第５図（１）を用い、Ｅ＝２Ｖ、発振周波数３４
０ＫＨｚ、巻数１５０．　ｉ、ｗ＝５０ｍｍ、　ｆｌｃ
＝１０ｍｍである。優れた周波数特性を示しており、’
３ｄａ＝ＩＫＨｚである。このため、周波数の高い振動
性の変位に対しても充分な応答性を有しており、振動セ
ンサとしても使用可能である。

第１１図は本発明の別な一実施聾様を示す。第１図にお
けるスイッチングトランジスタによるバイブレータの代
りに高周波発振器ＯＣを使用した磁気変調器である。

第１２図は比較例として、アモルファス強磁性体の薄帯
を共有磁心として使用した場合の変位と出力電圧の関傾
を示すものである。配置は第５図（１）でＥ＝６Ｖ、　
ｉ、ｗ＝５０＋＊ｍ、　克Ｃ＝ｔ　Ｏｍｍである。第１
２図のパラメータについて、（１）は対向磁極がＮ、（
２）はＳの場合である。ワイヤーの場合に比して線形性
が著しく劣っていることが明白である。

上記実施例に詳記した如く、本発明にかかる非接触式変
位センサは、２個の分離した巻線を施したアモルファス
強磁性体ワイヤーよりなる１個の共有磁心を用いて構成
した直流出力型磁気マルチバイブレータもしくは磁気変
調器と、永久磁石もしくは磁界発生素子とを組合せたこ
とを特徴とするもので、簡単な構造で所期の目的を達成
し得るものである。

（発明の効果） したがって、本発明のフラックスゲート型マグネトメー
タの特性は、下表に示すように、従来の同型のマグネト
メータやホール素子に比して、高感度、高速応答性、温
度特性、耐衝撃性に優れており、かつ線形性を有してい
ることである。

（以　下　余　白） また、本発明はアモルファス強磁性体ワイヤーよりなる
１個の磁心を、２個の分離した巻線部の共有磁心として
いることに特徴があり、このことにより２個の巻線部磁
心の熱的バランスが良くなり、高精度のセンサとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施態様を示す回路図、第２図は本
発明の原理説明のための磁心の磁化径路を示す図、第３
図は外部磁界と出力電圧の関係を示す図、第４図は磁石
からの距離による外部磁界強度を示す図、第５図は本発
明における磁石とアモルファス強磁性体ワイヤー磁心と
の相対配置の例を示す図、第６図乃至第９図は本発明に
よる変位と出力電圧の関係を示す図、第１０図は本発明
によるセンサの周波数特性を示す図、第１１図は比較例
としてアモルファス強磁性体の薄帯を用いた場合の態様
を示す回路図、第１２図は第１１図の回路の変位と出力
電圧の関係を示す図である。 ＴＩ、Ｔ２・・・スイッチングトランジスタ、ＲＢ、Ｃ
Ｂ・・・転流用素子、ＲＬ、ＶＲ・・・抵抗、ＰＬ・・
・フィルタ、　　　　　Ｗ・・・ワイヤー、ＣＩ、Ｃ２
・・・巻線部、　　Ｍ・・・磁石。 特　許　出願人　毛利佳年雄ほか１名 代理人　弁理士　青白　葆　ほか２名 第１図 上りＭ 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）アモルファス強磁性体ワイヤーよりなる１個の共
   有磁心に２個の分離した巻線を夫々互に外乱磁界を相殺
   する方向に施した磁界センサと、該センサの夫々の巻線
   に印加される磁界強度の差を検出する回路とを備えて、
   測定対象物に取付けた磁界発生素子の上記センサに対す
   る相対距離を磁界強度の変化に変換して上記検出回路で
   検出するようにしたことを特徴とする非接触式線形変位
   センサ。
2. （２）特許請求の範囲第１項に記載した変位センサにお
   いて、上記センサのワイヤーを断面が円形であるように
   したことを特徴とするもの。