JPWO2006046358A1 - Equipment with high frequency coil - Google Patents
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Abstract
導電性物体検出測定装置は、導電性物体20に非接触で対向するコイル11、およびコイル11の出力電圧を測定する電圧測定器19を有し、コイル11が発振する高周波の電磁誘導で導電性物体20の内部に流れる渦電流による、コイル11の出力電圧変化を電圧測定器19で測定することで該導電性物体を検出測定する装置であって、検出コイル11の線材10が外周を磁性体層3・5で覆った銅線1である。高周波変圧器は、少なくとも一次側コイル25と、二次側コイル27を備えた高周波変圧器において、コイル25・27の線材10が外周を磁性体層3・5で覆った銅線である。The conductive object detection / measurement device includes a coil 11 facing the conductive object 20 in a non-contact manner, and a voltage measuring device 19 that measures the output voltage of the coil 11. A device for detecting and measuring a conductive object by measuring a change in the output voltage of the coil 11 due to an eddy current flowing inside the object 20 with a voltage measuring device 19, wherein the wire 10 of the detection coil 11 has a magnetic body around the outer periphery. A copper wire 1 covered with layers 3 and 5. The high-frequency transformer is a copper wire in which, in the high-frequency transformer including at least the primary side coil 25 and the secondary side coil 27, the wire 10 of the coils 25 and 27 covers the outer periphery with the magnetic layers 3 and 5.
Description
本発明は、電磁波を励起する高周波コイルを備えた機器、具体的には導電性物体を検出測定する装置、近接スイッチ、高周波コイルを備えた高周波変圧器に関するものである。 The present invention relates to a device including a high-frequency coil that excites electromagnetic waves, specifically to a device for detecting and measuring a conductive object, a proximity switch, and a high-frequency transformer including a high-frequency coil.
高周波コイルから電磁波が発振されると、その磁界内にある導電性物体には電磁誘導電流が流れることが知られている。かかる高周波コイルによる誘導渦電流を利用して各種のセンサが開発されている。例えば特開平9‐277070号公報には、レーザー加工ヘッド衝撃防止のためのギャップセンサが開示されている。また特開平7‐83606号公報には木材チップの精砕機用の非接触式隙間測定、特開2002‐4773号公報には掘削作業に使用するカッターの駆動軸の距離測定、特開11‐165430号公報には画像記録用紙の厚さ検出、特開平8‐184579号公報には金属材質の判定、特開平2‐201101号公報には磁気軸受けなど、多様なセンサが示されている。これらの各種センサに使用される高周波コイルは、通常、エナメル絶縁の銅線で巻かれている。
これら各種センサと同一原理を使用するものに、渦電流形近接スイッチがある。近接スイッチは、渦電流形以外に、静電容量形、直流磁界の変化を捉える磁気形などがあり、接近する導電物体を非接触で検出してスイッチ信号を出すもので、マイクロスイッチのように接触してスイッチ信号を出すもの以上の高応答、長寿命、高信頼性が期待できる。なかでも渦電流形近接スイッチは、測定対象の磁性、非磁性の判別が可能であり、かつ小形化が容易で外部磁界の影響を受けにくい利点もあり工業用途での利用が期待されている。
一方、実公昭42−1339号公報は、銅線円周上に強磁性体メッキを施したエナメル絶縁電線を高周波輪用巻線に用いた場合、高周波利得を向上し得ることを開示している。また特開昭62−211904号公報には、表面に磁性体メッキをした銅線からなるインダクタが記載されている。It is known that when an electromagnetic wave is oscillated from a high-frequency coil, an electromagnetic induction current flows through a conductive object in the magnetic field. Various sensors have been developed using the induced eddy current generated by the high-frequency coil. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-277070 discloses a gap sensor for preventing laser processing head impact. Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-83606 discloses a non-contact clearance measurement for a wood chip refiner, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-4773 measures a distance of a driving shaft of a cutter used for excavation work, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-165430. JP-A-8-184579 discloses a variety of sensors such as detection of the thickness of an image recording sheet, JP-A-8-184579, determination of a metal material, and JP-A-2-201101, a magnetic bearing. High frequency coils used in these various sensors are usually wound with enamel-insulated copper wires.
An eddy current proximity switch is one that uses the same principle as these various sensors. In addition to the eddy current type, the proximity switch includes a capacitance type and a magnetic type that captures changes in the DC magnetic field. It detects contacted conductive objects in a non-contact manner and outputs a switch signal. Higher response, longer life, and higher reliability than those that come in contact with the switch signal can be expected. In particular, the eddy current proximity switch can be discriminated between magnetic and non-magnetic objects to be measured, has the advantage of being easily miniaturized and hardly affected by an external magnetic field, and is expected to be used in industrial applications.
On the other hand, Japanese Utility Model Publication No. 42-1339 discloses that a high frequency gain can be improved when an enameled insulated wire having a ferromagnetic plating on the circumference of a copper wire is used for a high frequency ring winding. . Japanese Patent Laid-Open No. 62-219044 discloses an inductor made of a copper wire having a surface plated with a magnetic material.
図1は、本発明を適用する機器のコイルに使用される線材の一実施例の断面図である。
図2は、線材に電流を流したときの磁束線を示す図である。
図3は、コイルからの距離による磁界の強さを示す図である。
図4は、本発明を適用する導電性物体検出測定装置の一実施例を示す回路図である。
図5は、前記実施例の検出測定装置における導電性物体と検出コイルの位置関係を示す図である。
図6は、本発明の検出測定装置に使用するコイルと、従来のコイルとの等価直列抵抗の実測値を比較したグラフである。
図7は、本発明の検出測定装置に使用するコイルと、従来のコイルとの等価インダクタンスの実測値を比較したグラフである。
図8は、本発明の検出測定装置に使用するコイルと、従来のコイルとの高周波利得Q値の実測値を比較したグラフである。
図9は、導電性物体と検出コイルとの距離による抵抗変化を示すグラフである。
図10は、導電性物体と検出コイルとの距離によるインダクタンスを示すグラフである。
図11は、導電性物体と検出コイルとの距離による高周波利得Q値を示すグラフである。
図12は、導電性物体と検出コイルとの距離による出力電圧を示すグラフである。
図13は、導電性物体と検出コイルとの距離による出力電圧特性の直線性を示すグラフである。
図14は、導電性物体と検出コイルとの距離による感度を示すグラフである。
図15は、本発明を適用する導電性物体検出測定装置の一実施例である傷探知センサの要部構成断面図である。
図16は、本発明を適用する高周波変圧器の断面図である。
図17は、本発明を適用する近接スイッチのブロック回路図である。
図18は、本発明を適用する近接スイッチに使用されるコイルの断面図である。
図19は、本発明を適用する機器のコイルに使用される線材の別な実施例の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of a wire used for a coil of a device to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram showing magnetic flux lines when a current is passed through the wire.
FIG. 3 is a diagram showing the strength of the magnetic field depending on the distance from the coil.
FIG. 4 is a circuit diagram showing an embodiment of a conductive object detection and measurement apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 5 is a diagram showing the positional relationship between the conductive object and the detection coil in the detection measurement apparatus of the above embodiment.
FIG. 6 is a graph comparing measured values of equivalent series resistance between a coil used in the detection measurement apparatus of the present invention and a conventional coil.
FIG. 7 is a graph comparing measured values of equivalent inductances of a coil used in the detection measurement apparatus of the present invention and a conventional coil.
FIG. 8 is a graph comparing the measured values of the high-frequency gain Q value between the coil used in the detection measurement apparatus of the present invention and a conventional coil.
FIG. 9 is a graph showing a change in resistance depending on the distance between the conductive object and the detection coil.
FIG. 10 is a graph showing the inductance depending on the distance between the conductive object and the detection coil.
FIG. 11 is a graph showing the high-frequency gain Q value according to the distance between the conductive object and the detection coil.
FIG. 12 is a graph showing the output voltage depending on the distance between the conductive object and the detection coil.
FIG. 13 is a graph showing the linearity of the output voltage characteristic depending on the distance between the conductive object and the detection coil.
FIG. 14 is a graph showing the sensitivity depending on the distance between the conductive object and the detection coil.
FIG. 15 is a cross-sectional view of the main part configuration of a flaw detection sensor which is an embodiment of the conductive object detection and measurement apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 16 is a cross-sectional view of a high-frequency transformer to which the present invention is applied.
FIG. 17 is a block circuit diagram of a proximity switch to which the present invention is applied.
FIG. 18 is a cross-sectional view of a coil used in a proximity switch to which the present invention is applied.
FIG. 19 is a cross-sectional view of another embodiment of a wire used for a coil of a device to which the present invention is applied.
1は銅線、3は鉄層、5はニッケル層、7は絶縁層、8は磁束線、9は線材、10は線材、11は検出コイル、13はコンデンサ、15は分圧用コンデンサ、17は発振器、19は電圧測定器、20は導電性物体、23は鉄芯、25は一次コイル、27は二次コイル、30はクラック、32は線材、33は融着層、35は発振回路、36は比較回路、37は出力回路、40は磁性コア、Icは励振電流、Ieは渦電流、Φc・Φeは磁束、R(x)は等価直列抵抗、L(x)はインダクタンス、xは導電性物体と検出コイルとの距離である。1 is a copper wire, 3 is an iron layer, 5 is a nickel layer, 7 is an insulating layer, 8 is a magnetic flux line, 9 is a wire, 10 is a wire, 11 is a detection coil, 13 is a capacitor, 15 is a voltage dividing capacitor, 17 is An oscillator, 19 is a voltage measuring device, 20 is a conductive object, 23 is an iron core, 25 is a primary coil, 27 is a secondary coil, 30 is a crack, 32 is a wire, 33 is a fusion layer, 35 is an oscillation circuit, 36 Is a comparison circuit, 37 is an output circuit, 40 is a magnetic core, I c is an excitation current, I e is an eddy current, Φc · Φe is a magnetic flux, R (x) is an equivalent series resistance, L (x) is an inductance, and x is This is the distance between the conductive object and the detection coil.
発明の実施に先立ち、本発明の発明者は、以下の予備実験、およびコンピュータによるFEM(Finite Element Method:有限要素法)解析を行い、本発明の完成に到る知見を得た。
先ず試作コイルと従来のコイルを作成した。図1(断面図)に詳細を示すとおり、試作コイルの線材10(本発明の機器のコイルに使用される線材)は、銅線1からなる芯線(外径90μm)に、磁性体層である鉄層3とニッケル層5がメッキされ、その外側にポリウレタンの絶縁層7が塗布されている。この線材10を、内径:1.6mm、外形:2.24mm、軸方向の長さ:0.63mm、巻数:N=26回のコイルとした。
従来のコイルは、銅線(芯線外径90μm)の外周にポリウレタンの絶縁層が塗布されている線材で同一巻数、同一形状とした。
(1) コイルに電流を流したときの磁束線を、FEM解析(ソフトウエア Maxwell)によって得た。解析条件はf=1.4MHz、Ic=1mAで行った。図2(A)に示す試作コイルの線材10周辺における磁束線8の分布、(B)に示す従来コイルの線材9周辺における磁束線8の分布のように、試作コイルは磁性薄膜のシールド効果によって従来のコイルよりも導線内部に磁束が入り込みにくいことがわかる。
(2)コイルに電流を流したときの線材断面における電流密度を、FEM解析によって得た。試作コイルの線材10は、従来のコイルの線材9よりも電流密度分布の偏りが小さい。試作コイルの線材10は磁性体層のシールド効果により磁束が線材内部に入りにくいが、従来のコイルは磁束が導体内部に入りこの磁束によって線材内部に渦電流が流れる。磁束がはいり込みづらい試作コイルは、従来のコイルよりも電流密度分布の偏りが小さくなる。したがって、電流密度分布は偏りによって抵抗が増加(近接効果)するために、試作コイルよりも従来のコイルの方が抵抗は大きい。
(3)コイルからの距離による磁界の強さを、FEM解析で求めた。図3に示すように、距離rが離れた場合に、従来のコイルよりも試作コイルの磁界の強さは大きいことが解かった。
本発明は、上記のような知見の下になされたものであり、電磁波を励起する高インダクタンスの高周波コイルを備えた機器を提供するものであり、詳細には、優れた検出感度と広い検出範囲を得られる導電性物体の検出測定装置、周辺の磁界に影響されず高感度で動作確実性に優れた近接スイッチ、力率の高いモータやアクチュエータ、高周波変圧器を提供することを目的とするものである。
前記の目的を達成するためになされた本発明の導電性物体検出測定装置は、導電性物体(20)に非接触で対向するコイル(11)、および該コイル(11)に連結する電圧測定器(19)を有し、該コイル(11)が発振する高周波の電磁誘導で該導電性物体(20)の内部に流れる渦電流による、該コイル(11)の出力電圧変化を該電圧測定器で測定することで該導電性物体(20)を検出測定する装置であって、該高周波発振コイル(11)の線材(10)が外周を磁性体層(3・5)で覆った銅線(1)であることを特徴とする。
本発明の該導電性物体検出測定装置の検出測定対象は、金属類の探知として実施できる。すなわち、この検出測定装置は、金属探知センサを意味する。
同じく本発明の該導電性物体検出測定装置の検出測定対象は、該導電性物体(20)と該コイル(11)との間隔距離(x)として実施できる。すなわち、この検出測定装置は、導電性物体(20)までの距離センサを意味する。
また、本発明の該導電性物体検出測定装置の検出測定対象は、該導電性物体(20)内部の傷(30)として実施できる。すなわち、この検出測定装置は、導電性物体中の傷探知センサを意味する。
前記の目的を達成するためになされた本発明の近接スイッチは、コイル(11)、およびコイル(11)に接続して発振回路(35)と比較回路(36)と出力回路(37)とを有し、導電性物体(20)の接近でコイル(11)に流れる誘導電流により出力回路(37)からオン・オフ信号を出力する渦電流形近接スイッチであって、コイル(11)の線材(10)が外周を磁性体層(3・5)で覆った銅線(1)であることを特徴とする。
前記の目的を達成するためになされた本発明の高周波変圧器は、少なくとも一次側コイル(25)と、二次側コイル(27)を備え、コイル(25・27)の線材(10)が外周を磁性体層(3・5)で覆った銅線(1)であることを特徴とする。
本発明の検出測定装置、近接スイッチ、または高周波変圧器に使用されるコイル(11・25・27)の線材10の外周の磁性体層は、フェライト、鉄、ニッケル、コバルト、Fe−N、Fe−X−N(X=Ta、Nb、Hf,etc.),Fe−X−O(X=Mg、Al、etc.)、NiFe(パーマロイ)、CoFe、CoNiFe、CoFeB、FeP、NiFeP、CoNiFeMoC、CoFeB、CoNbZr、Fe−Si、などの軟磁性体から選ばれる少なくとも1層で実施できる。
また磁性体層が、鍍金された鉄または/およびニッケルの層であることが好ましい。
発明の効果
本発明の検出測定装置、近接スイッチ、または高周波変圧器に使用されるコイルは、線材として外周を磁性体層で覆った銅線を使用し、インダクタンスが増加するため、高周波利得Q値が向上する。また磁性体層のシールド効果によって渦電流の近接効果による抵抗増を防止できるため、検出測定装置は感度が向上し、近接スイッチは接近距離の感度が向上し、高周波変圧器は効率が向上する。
検出測定装置のコイルから検出測定対象である導電性物体までの距離と、コイルの出力電圧の関係を比較すると、本発明の装置で使用したコイルの出力電圧は、従来の銅線を使用したコイルの出力電圧よりも大きく、検出感度が高くなっており、また距離の検出範囲も広くなっている。Prior to the implementation of the invention, the inventor of the present invention conducted the following preliminary experiment and FEM (Finite Element Method) analysis using a computer, and obtained knowledge for completing the present invention.
First, a prototype coil and a conventional coil were created. As shown in detail in FIG. 1 (sectional view), the prototype coil wire 10 (wire used for the coil of the device of the present invention) is a magnetic layer on a core wire (outer diameter 90 μm) made of
The conventional coil has the same number of turns and the same shape with a wire in which a polyurethane insulating layer is applied to the outer periphery of a copper wire (core wire outer diameter 90 μm).
(1) Magnetic flux lines when a current was passed through the coil were obtained by FEM analysis (software Maxwell). The analysis conditions were f = 1.4 MHz and I c = 1 mA. As shown in FIG. 2A, the distribution of the
(2) The current density in the cross section of the wire when current was passed through the coil was obtained by FEM analysis. The
(3) The strength of the magnetic field according to the distance from the coil was determined by FEM analysis. As shown in FIG. 3, it was found that when the distance r was increased, the magnetic field strength of the prototype coil was larger than that of the conventional coil.
The present invention has been made under the above-described knowledge, and provides a device including a high-inductance high-frequency coil that excites electromagnetic waves, and more specifically, has excellent detection sensitivity and a wide detection range. It is intended to provide a device for detecting and measuring conductive objects, proximity switches with high sensitivity and excellent operation reliability that are not affected by the surrounding magnetic field, motors and actuators with high power factor, and high-frequency transformers It is.
The conductive object detection and measurement apparatus of the present invention made to achieve the above object includes a coil (11) opposed to the conductive object (20) in a non-contact manner, and a voltage measuring device connected to the coil (11). (19), and the voltage measuring device measures the change in the output voltage of the coil (11) due to the eddy current flowing inside the conductive object (20) by high-frequency electromagnetic induction oscillated by the coil (11). An apparatus for detecting and measuring the conductive object (20) by measuring, wherein the wire (10) of the high-frequency oscillation coil (11) has a copper wire (1) covered with a magnetic layer (3.5). ).
The detection and measurement object of the conductive object detection and measurement apparatus of the present invention can be implemented as detection of metals. That is, this detection measurement device means a metal detection sensor.
Similarly, the detection and measurement object of the conductive object detection and measurement apparatus of the present invention can be implemented as the distance (x) between the conductive object (20) and the coil (11). That is, this detection and measurement device means a distance sensor to the conductive object (20).
Moreover, the detection and measurement object of the conductive object detection and measurement apparatus of the present invention can be implemented as a scratch (30) inside the conductive object (20). In other words, this detection and measurement device means a flaw detection sensor in a conductive object.
The proximity switch of the present invention made to achieve the above object includes a coil (11), an oscillation circuit (35), a comparison circuit (36), and an output circuit (37) connected to the coil (11). An eddy current proximity switch that outputs an on / off signal from an output circuit (37) by an induced current flowing through the coil (11) when the conductive object (20) is approached. 10) is a copper wire (1) whose outer periphery is covered with a magnetic layer (3.5).
The high-frequency transformer of the present invention made to achieve the above object comprises at least a primary side coil (25) and a secondary side coil (27), and the wire (10) of the coil (25, 27) is an outer periphery. Is a copper wire (1) covered with a magnetic layer (3.5).
The magnetic layer on the outer periphery of the
The magnetic layer is preferably a plated iron or / and nickel layer.
Effect of the Invention The coil used in the detection and measurement device, proximity switch, or high-frequency transformer of the present invention uses a copper wire whose outer periphery is covered with a magnetic layer as a wire, and the inductance increases, so that the high-frequency gain Q value is increased. Will improve. Further, since the increase in resistance due to the proximity effect of the eddy current can be prevented by the shielding effect of the magnetic layer, the sensitivity of the detection and measurement device is improved, the sensitivity of the proximity switch is improved, and the efficiency of the high frequency transformer is improved.
Comparing the relationship between the distance from the coil of the detection measurement device to the conductive object to be detected and the output voltage of the coil, the output voltage of the coil used in the device of the present invention is a coil using a conventional copper wire. The output voltage is larger than the output voltage, the detection sensitivity is high, and the distance detection range is wide.
以下、本発明の実施例を図面により詳細に説明する。しかしながら本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
図4には、本発明を適用する導電性物体検出測定装置の一実施例の回路図を示してある。同図に示す導電性物体検出測定装置は、装置の検出コイルから導電性物体までの距離センサ、金属類の有無を調べる金属探知センサ、導電性物体中のクラックの有無を検出する傷探知センサとして利用できる。
図4に示すとおり、導電性物体20に非接触で検出コイル(高周波発振コイル)11が対向している。検出コイル11は、等価直列インダクタンスL(x)と等価直列抵抗R(x)特性を持つものである。検出コイル11はコンデンサ13と並列されて共振回路を形成している。その共振回路には交流電圧計19が接続されている。また検出コイル11は、電流を制限するための分圧用コンデンサ15を介して発振器17に繋がっている。
本発明の導電性物体の検出測定装置に使用される検出コイル11の線材は、外周を磁性体層で覆った銅線である。本発明の実施例の線材10は、図1(断面図)に詳細を示すとおり、銅線1からなる芯線に、磁性体層である鉄層3とニッケル層5がメッキされ、その外側にポリウレタンの絶縁層7が塗布されている。銅線1の芯線外径は90μm、鉄層3の外形は92μm(層厚1μm)、ニッケル層5の外形は92.1μm(層厚0.05μm)である。尚、ニッケル層は半田がつきやすくするために、設けたものである。
この線材10をアクリル樹脂製の直径3.36mmのボビンに、巻数102回、軸方向の長さ2.15mmに巻き、コイル外径4.54mm(コイル内径3.36mm、コイル内外差厚み0.59mm、コイル平均半径=1.975mm)の実施例の検出コイル11(以下、実施例コイルということもある)とした。
比較対象のため、銅線(芯線外径90μm)の外周にポリウレタンの絶縁層が塗布されている線材で同一巻数のコイルを従来タイプの高周波発振コイル(以下、比較例コイル)とする。
測定対象の導電性物体20は、この実施例では磁性体であるクロムモリブデン鋼(SCM440)である。
上記の検出測定装置で、検出測定対象を導電性物体20とコイル11との間隔距離xとする場合は以下のように動作する。以下、動作と装置の性能評価を述べる。
装置の発振器17からは励振電圧V(励振周波数f=1.4MHz)を印加し検出コイル11に励振電流Icを流すと、図5に示すように、磁束Φcが発生する。磁束Φcが導電性物体20に作用すると、電磁誘導により導電性物体20に渦電流Ieが流れて磁束Φeが生ずる。検出コイル11から導電性物体20までの距離xに応じて導電性物体20に作用する磁束が変化するために、導電性物体20に流れる渦電流Ieが変わり、その結果、検出コイル11のインピーダンスが変化する。このインピーダンスの変化が並列共振回路により出力電圧Voに変換される。このとき実測された出力電圧Voの共振周波数の実測値はfo=10.5MHzであった。出力電圧Voは次式で表わされる。
Q(x)=ωL(x)/R(x) (2)
k=1+Cp/Cs (3)
ここに、x:測定対象である導電性物体から検出コイルまでの距離、Q(x):距離xに依存するQ値、V:励振電圧[V]、ω:角周波数[rad/s]、L(x):インダクタンス[H]、R(x):抵抗[Ω]、Cp:共振用コンデンサ13、Cs:分圧用コンデンサ15。
上記式から出力電圧VoはコイルのQ(x)値とコンデンサ容量CpおよびCsだけで表され、図1に示した並列共振を利用した検出測定装置の測定範囲の拡大や検出感度の向上には、コイルのQ(x)値、すなわち距離xに依存する高周波利得が影響することを示している。
そこで、実施例コイルと比較例コイルの周波数に対する等価直列抵抗R(x=∞)を測定し、図6に示した。実験では、実施例コイルのR(∞)は比較例コイルの約1.5倍となった。実施例コイルではFe層とNi層によって導線間の近接効果が軽減されるため、比較例コイルに比べ等価直列抵抗R(∞)が減少している。図6中に比較例コイルの表皮効果による抵抗の計算値を示した。
表皮効果による抵抗Rseは、下式から算出した。
ここに、Rdc:コイルの直流抵抗[Ω]、l:巻始めから巻終りまでの導線の長さ[m]、σ:導線の導電率[S/m]、d:導線の線径[m]、ri:コイルの内径半径[m]、re:コイルの外形半径[m]、δ:表皮厚さ[m]、μo:導線の比透磁率、μo:真空の透磁率(4π×10−7)[H/m]、ber:0次実数ケルビン関数、bei:0次複素数ケルビン関数。
さらに、図6は周波数に対する抵抗の増加が主に近接効果によって生じていることを示している。また共振周波数はいずれのコイルも10.5MHzとなった。
実施例コイルと比較例コイルの周波数に対する等価直列インダクタンスを、図7に示した。周波数f=100kHz〜2MHzの範囲で実施例コイルと比較例コイルの等価直列インダクタンスL(∞)はそれぞれ41μHと37μHであり、実施例コイルは比較例コイルの1.1倍となった。
実施例コイルと比較例コイルの周波数ゲインQ(∞)値を、測定し図8に示した。同図において、実施例コイルは、比較例コイルに比して、Q(∞)値は1.76倍となっている。この理由として、等価直列抵抗R(∞)が減少し、等価直列インダクタンスL(∞)が増加していることが挙げられる。
図9に示すように、実施例コイルと比較例コイルのインピーダンス
実施例コイルのインピーダンス特性が優れていることが明らかである。距離xが小さくなるにしたがって、測定対象である導電性物体により大きな磁束Φcが作用して、導電性物体の渦電流損が増加する。これによりインピーダンス特性R(x)が増加する。実施例コイルは、比較例コイルよりも大きな磁束Φcが導電性物体に作用する(図3の試作コイル、従来のコイル参照)。したがって、距離xが小さくなるにしたがって実施例コイルのインピーダンスR(x)は比較例コイルよりも急増する。
図10に示すとおり、実施例コイルと比較例コイルは、夫々距離xに対してインダクタンスL(x)は一定である。実施例コイルと比較例コイルのインダクタンスL(x)はそれぞれ40μHと36μHであり、実施例コイルのインダクタンスL(x)は比較例コイルの1.1倍である。磁性薄膜の効果によって実施例コイルのインダクタンスL(x)は比較例コイルよりも大きいことが解かる。
ンダクタンスL(x)も大きいために、図11から分るように、高周波
図12に実施例コイルと比較例コイルの出力電圧特性の比較を示した。また、同図中にそれぞれの出力電圧特性の最小二乗法を用いた近
V、試作コイルで850mVとなり、実施例コイルが比較例コイルの
ΔVo=Vo(∞)−Vo(0.1) [V]
図13に実施例コイルと比較例コイルの出力電圧特性の直線性の比較を示した。図12に示した出力電圧特性を最小二乗法を用いて直線近似し、その近似値と実測値との誤差e(x)が±3%以内の範囲で直線性が保たれている距離の範囲Lを求めた。誤差e(x)は下式を用いて算出した。
ここに、Vl(x):近似直線の電圧[V]。
出力電力の直線性がε(x)=±3%以内に保たれている範囲は、表1に示すとおり、実施例コイルと比較例コイルでそれぞれ0.1〜2.2mmと0.1〜1.6mmである。すなわち実施例コイルと比較例コイルの直線範囲Lはそれぞれ2.1mmと1.5mmである。また、コイルの外径寸法Dに対する直線範囲L/Dは、実施例コイルと比較例コイルでそれぞれ0.58と0.33となった。コイルの平均半径raに対する直線範囲L/raは、実施例コイルと比較例コイルでそれぞれ1.23と0.87となった。L/D、L/raともに実施例コイルが比較例コイルの約1.4倍となった。なお、いずれのコイルもD=4.54mm、ra=1.73mmである。したがって、実施例コイルは、比較例コイルと比較して、直線性に優れており、導電性物体検出測定装置の距離検出範囲の拡大が実現されている。
実施例コイルで最大310V/mとなり、1.5倍になった。すべての距離において実施例コイルの方が比較例コイルより高感度となった。したがって、実施例コイルは比較例コイルと比較して距離検出感度の向上が実現されている。
以上の結果から、導電性物体検出測定装置のコイルに磁性めっき線を用いることで、従来の銅線と比較して距離測定範囲の拡大と距離検出感度の向上が可能である。
上記の実施例では、装置の検出コイルから導電性物体までの距離を測定できる距離センサとしての例を説明したが、同一の構成で金属類など導電性物体の有無そのものを調べる金属探知センサとしての利用もでき、実施例コイルを使用した装置が比較例コイルを使用した装置よりも高感度であるし、探査範囲も広くなることが明らかである。
また、図15には上記検出測定装置を傷探知センサとして利用した実施例の概略構成の断面が示してある。この図に示すとおり、測定対象である導電性物体20にクラック30がある場合、導電性物体20の内部に流れる渦電流がクラック30の存在により変化する。その結果、検出コイル11の共振出力が変わり、クラック30の有無を検出できる。このような傷探知センサとして利用した場合においても、実施例コイルを使用した装置が比較例コイルを使用した装置よりも高感度であるし、探査範囲も広くなる。
図16には本発明の高周波変圧器の一実施例の断面が示してあり、鉄芯23に一次コイル25と、二次コイル27が巻かれている。これらのコイル25・27のそれぞれの線材が外周を磁性体層で覆った銅線になっている。一次コイル25に入力した高周波電圧は変圧され、二次コイル27から出力される。
高周波変圧器の例としてDC−DCコンバータに用いられているパルス変圧器がある。一次コイル25には外部の電子回路(図示していない)から高周波の電流が流される。図6の実施例コイルと比較例コイルの周波数に対する直列等価抵抗R(∞)の比較に示したように、実施例コイルの抵抗Rは、比較例コイルと比較して小さい。すなわち、高周波変圧器において、銅線の外周を磁性体薄膜で覆った磁性めっき線を用いたコイルで構成することで、コイルに発生する銅損を低減することができ、高周波変圧器は高効率になる。
この実施例では鉄心を有する変圧器で説明したが、鉄心がない空心形変圧器でもよい。実施例コイルは、比較例コイルよりも多くの磁束を作用させる、すなわち、磁束をより遠くに飛ばすことができるから、実施例コイルを用いた空心トランスも高性能化を実現できる。
図17は、本発明の近接スイッチの構成であり渦電流形である。コイル11、コイル11に接続して発振回路35と比較回路36と出力回路37とを有している。発振回路35は、コイルとコイルに並列に接続されたコンデンサから構成される共振回路に励振電流を供給しており、共振回路の電圧(変位)が出力されている。比較回路36は、予め設定された電圧(以下、設定変位)と共振回路の出力をOPアンプを用いて比較することで、変位が設定変位未満の場合と変位が設定変位以上の場合に対応した電圧を出力する。出力回路37は、比較回路36の出力から、変位が設定変位未満の場合には0Vを出力し、変位が設定変位以上の場合には5Vを出力する。
コイル11は、図18に示すとおり、フェライトなどの軟磁性体から構成されるコア40に、図1に示した線材10を巻いた構成となっている。なお、コイル11はコアのない空心コイルであってもよい。
上記の渦電流形近接スイッチで導電性物体20の接近でコイルに流れる誘導電流に起因して出力回路からオン・オフの二値の出力電圧を得ている。
このような構成としたことで、コイル11の交流抵抗が上昇することを抑制し、インダクタンスが増加し、磁束を導電性物体20に多く作用させることができるので、コイル11から導電性物体20までの感度距離を拡大し、コイル11の小形化が実現できる。
尚、図1に示した線材10の断面図では、線材10は、銅線1に鉄層3とニッケル層5がメッキされているが、NiFeやフェライトなどの高透磁率と高抵抗率をもつ磁性体をめっきなどの工程で形成してもよい。
図20には、本発明を適用する機器のコイルに使用される線材であって、図1に示した例とは別な実施例の線材の断面図が示してある。この例の線材32は、銅線1からなる芯線に、磁性体層である鉄層3とニッケル層5がメッキされ、その外側にポリウレタンの絶縁層7があり、さらに外側に熱可塑性樹脂からなる融着層が設けてある。この実施例の線材32は、加熱しながら磁性コアに直接巻線を行うことができ、また融着層がとけて導線どうしが結合する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these examples.
FIG. 4 shows a circuit diagram of an embodiment of a conductive object detection and measurement apparatus to which the present invention is applied. The conductive object detection and measurement apparatus shown in the figure is a distance sensor from the detection coil of the apparatus to a conductive object, a metal detection sensor that checks for the presence of metals, and a flaw detection sensor that detects the presence or absence of cracks in a conductive object. Available.
As shown in FIG. 4, the detection coil (high-frequency oscillation coil) 11 is opposed to the
The wire of the
This
For comparison purposes, a coil with the same number of turns is used as a conventional high-frequency oscillation coil (hereinafter referred to as a comparative example coil) in which a polyurethane insulating layer is coated on the outer periphery of a copper wire (core wire outer diameter 90 μm).
The
In the above detection / measurement apparatus, when the detection / measurement target is the distance x between the
When an excitation voltage V (excitation frequency f = 1.4 MHz) is applied from the
Q (x) = ωL (x) / R (x) (2)
k = 1 + C p / C s (3)
Where x: distance from the conductive object to be measured to the detection coil, Q (x): Q value depending on the distance x, V: excitation voltage [V], ω: angular frequency [rad / s], L (x): Inductance [H], R (x): Resistance [Ω], Cp:
From the above equation, the output voltage Vo is expressed only by the Q (x) value of the coil and the capacitor capacities Cp and Cs. For the purpose of expanding the measurement range and improving the detection sensitivity of the detection measurement device using the parallel resonance shown in FIG. This shows that the Q (x) value of the coil, that is, the high frequency gain depending on the distance x is affected.
Therefore, the equivalent series resistance R (x = ∞) with respect to the frequencies of the example coil and the comparative example coil was measured and shown in FIG. In the experiment, R (∞) of the example coil was about 1.5 times that of the comparative example coil. In the example coil, the proximity effect between the conductors is reduced by the Fe layer and the Ni layer, so that the equivalent series resistance R (∞) is reduced as compared with the comparative example coil. FIG. 6 shows a calculated value of resistance due to the skin effect of the comparative example coil.
The resistance Rse due to the skin effect was calculated from the following equation.
Where, Rdc: DC resistance [Ω] of the coil, l: length of the conducting wire from the beginning to the end of winding [m], σ: conductivity of the conducting wire [S / m], d: wire diameter of the conducting wire [m] ], Ri: inner radius of the coil [m], re: outer radius of the coil [m], δ: skin thickness [m], μo: relative permeability of the conductor, μo: permeability of vacuum (4π × 10 − 7 ) [H / m], ber: 0th order real Kelvin function, bei: 0th order complex Kelvin function.
Furthermore, FIG. 6 shows that the increase in resistance with respect to frequency is mainly caused by the proximity effect. The resonance frequency was 10.5 MHz for all coils.
FIG. 7 shows the equivalent series inductance with respect to the frequencies of the example coil and the comparative example coil. In the frequency range of f = 100 kHz to 2 MHz, the equivalent series inductance L (∞) of the example coil and the comparative example coil was 41 μH and 37 μH, respectively, and the example coil was 1.1 times that of the comparative example coil.
The frequency gain Q (∞) values of the example coil and the comparative example coil were measured and shown in FIG. In the figure, the example coil has a Q (∞) value of 1.76 times that of the comparative example coil. This is because the equivalent series resistance R (∞) decreases and the equivalent series inductance L (∞) increases.
As shown in FIG. 9, the impedance of the example coil and the comparative example coil
It is clear that the impedance characteristics of the example coil are excellent. As the distance x decreases, a large magnetic flux Φc acts on the conductive object to be measured, and the eddy current loss of the conductive object increases. As a result, the impedance characteristic R (x) increases. In the example coil, a magnetic flux Φc larger than that in the comparative example coil acts on the conductive object (see the prototype coil in FIG. 3 and the conventional coil). Therefore, as the distance x decreases, the impedance R (x) of the example coil increases more rapidly than the comparative example coil.
As shown in FIG. 10, the inductance and the comparative example coil have constant inductance L (x) with respect to the distance x. The inductance L (x) of the example coil and the comparative example coil are 40 μH and 36 μH, respectively, and the inductance L (x) of the example coil is 1.1 times that of the comparative example coil. It can be seen that the inductance L (x) of the example coil is larger than that of the comparative example coil due to the effect of the magnetic thin film.
Since the conductance L (x) is also large, as shown in FIG.
FIG. 12 shows a comparison of output voltage characteristics between the example coil and the comparative example coil. Also, in the figure, each output voltage characteristic is calculated using the least square method.
V, 850 mV for the prototype coil, and the example coil is a comparative example coil
ΔV o = V o (∞) −V o (0.1) [V]
FIG. 13 shows a comparison of the linearity of the output voltage characteristics of the example coil and the comparative example coil. The output voltage characteristic shown in FIG. 12 is linearly approximated using the least square method, and the distance range where linearity is maintained within an error e (x) within ± 3% of the approximate value and the actual measurement value. L was determined. The error e (x) was calculated using the following equation.
Here, Vl (x): voltage of approximate line [V].
As shown in Table 1, the ranges in which the linearity of the output power is kept within ε (x) = ± 3% are 0.1 to 2.2 mm and 0.1 to 0.1 mm for the example coil and the comparative coil, respectively. 1.6 mm. That is, the linear ranges L of the example coil and the comparative example coil are 2.1 mm and 1.5 mm, respectively. The linear range L / D with respect to the outer diameter D of the coil was 0.58 and 0.33 for the example coil and the comparative coil, respectively. The linear range L / ra with respect to the average radius ra of the coil was 1.23 and 0.87 for the example coil and the comparative example coil, respectively. In both L / D and L / ra, the coil of the example was about 1.4 times the coil of the comparative example. Note that in all the coils, D = 4.54 mm and ra = 1.73 mm. Therefore, the example coil is excellent in linearity as compared with the comparative example coil, and the distance detection range of the conductive object detection and measurement apparatus is expanded.
The maximum value of the example coil was 310 V / m, which was 1.5 times higher. The example coil was more sensitive than the comparative coil at all distances. Therefore, the example coil achieves improved distance detection sensitivity compared to the comparative example coil.
From the above results, by using a magnetic plating wire for the coil of the conductive object detection and measurement device, it is possible to expand the distance measurement range and improve the distance detection sensitivity as compared with the conventional copper wire.
In the above embodiment, an example of a distance sensor that can measure the distance from the detection coil of the apparatus to a conductive object has been described. However, as a metal detection sensor that checks the presence or absence of a conductive object such as metals with the same configuration. It is obvious that the apparatus using the example coil is more sensitive than the apparatus using the comparative example coil, and the exploration range is widened.
Further, FIG. 15 shows a cross section of a schematic configuration of an embodiment in which the detection and measurement apparatus is used as a flaw detection sensor. As shown in this figure, when the
FIG. 16 shows a cross section of an embodiment of the high-frequency transformer of the present invention, in which a
An example of a high-frequency transformer is a pulse transformer used in a DC-DC converter. The
In this embodiment, the transformer having an iron core has been described, but an air core type transformer without an iron core may be used. Since the embodiment coil allows a larger amount of magnetic flux to act than the comparative example coil, that is, the magnetic flux can be dissipated further away, the air core transformer using the embodiment coil can also achieve high performance.
FIG. 17 shows the configuration of the proximity switch according to the present invention, which is an eddy current type. An
As shown in FIG. 18, the
With the above eddy current type proximity switch, a binary output voltage of ON / OFF is obtained from the output circuit due to the induced current flowing in the coil when the
By adopting such a configuration, it is possible to suppress an increase in the AC resistance of the
In the cross-sectional view of the
FIG. 20 shows a cross-sectional view of a wire rod of an embodiment different from the example shown in FIG. 1 that is a wire rod used in a coil of a device to which the present invention is applied. The wire 32 in this example has a core wire made of
【0005】
材9よりも電流密度分布の偏りが小さい。試作コイルの線材10は磁性体層のシールド効果により磁束が線材内部に入りにくいが、従来のコイルは磁束が導体内部に入りこの磁束によって線材内部に渦電流が流れる。磁束がはいり込みづらい試作コイルは、従来のコイルよりも電流密度分布の偏りが小さくなる。したがって、電流密度分布は偏りによって抵抗が増加(近接効果)するために、試作コイルよりも従来のコイルの方が抵抗は大きい。
(3)コイルからの距離による磁界の強さを、FEM解析で求めた。図3に示すように、距離rが離れた場合に、従来のコイルよりも試作コイルの磁界の強さは大きいことが解かった。
本発明は、上記のような知見の下になされたものであり、電磁波を励起する高インダクタンスの高周波コイルを備えた機器を提供するものであり、詳細には、優れた検出感度と広い検出範囲を得られる導電性物体の検出測定装置、周辺の磁界に影響されず高感度で動作確実性に優れた近接スイッチ、力率の高いモータやアクチュエータ、高周波変圧器を提供することを目的とするものである。
前記の目的を達成するためになされた本発明の導電性物体検出測定装置は、導電性物体(20)に非接触で対向するコイル(11)、および該コイル(11)に連結する電圧測定器(19)を有し、該コイル(11)が発振する高周波の電磁誘導で該導電性物体(20)の内部に流れる渦電流による、該コイル(11)の出力電圧変化を該電圧測定器で測定することで該導電性物体(20)を検出測定する装置であって、該高周波発振コイル(11)の線材(10)が、銅線からなる芯線に鉄層とニッケル層がメッキされ、その外側にポリウレタンの絶縁層が塗布されていることを特徴とする。ポリウレタンの絶縁層の外側に、熱可塑性樹脂からなる融着層が設けられていてもよい。さらに融着層により線材どうしが結合していてもよい。
本発明の該導電性物体検出測定装置の検出測定対象は、金属類の探知として実施できる。すなわち、この検出測定装置は、金属探知セン[0005]
The bias of the current density distribution is smaller than that of the
(3) The strength of the magnetic field according to the distance from the coil was determined by FEM analysis. As shown in FIG. 3, it was found that when the distance r was increased, the magnetic field strength of the prototype coil was larger than that of the conventional coil.
The present invention has been made under the above-described knowledge, and provides a device including a high-inductance high-frequency coil that excites electromagnetic waves, and more specifically, has excellent detection sensitivity and a wide detection range. It is intended to provide a device for detecting and measuring conductive objects, proximity switches with high sensitivity and excellent operation reliability that are not affected by the surrounding magnetic field, motors and actuators with high power factor, and high-frequency transformers It is.
The conductive object detection and measurement apparatus of the present invention made to achieve the above object includes a coil (11) opposed to the conductive object (20) in a non-contact manner, and a voltage measuring device connected to the coil (11). (19), and the voltage measuring device measures the change in the output voltage of the coil (11) due to the eddy current flowing inside the conductive object (20) by high-frequency electromagnetic induction oscillated by the coil (11). An apparatus for detecting and measuring the conductive object (20) by measuring, wherein the wire (10) of the high-frequency oscillation coil (11) is plated with an iron layer and a nickel layer on a core wire made of copper wire, A polyurethane insulating layer is coated on the outside. A fusion layer made of a thermoplastic resin may be provided outside the polyurethane insulating layer. Further, the wires may be bonded to each other by the fusion layer.
The detection and measurement object of the conductive object detection and measurement apparatus of the present invention can be implemented as detection of metals. In other words, this detection measurement device is a metal detection sensor.
【0006】
サを意味する。
同じく本発明の該導電性物体検出測定装置の検出測定対象は、該導電性物体(20)と該コイル(11)との間隔距離(x)として実施できる。すなわち、この検出測定装置は、導電性物体(20)までの距離センサを意味する。
また、本発明の該導電性物体検出測定装置の検出測定対象は、該導電性物体(20)内部の傷(30)として実施できる。すなわち、この検出測定装置は、導電性物体中の傷探知センサを意味する。
前記の目的を達成するためになされた本発明の近接スイッチは、コイル(11)、およびコイル(11)に接続して発振回路(35)と比較回路(36)と出力回路(37)とを有し、導電性物体(20)の接近でコイル(11)に流れる誘導電流により出力回路(37)からオン・オフ信号を出力する渦電流形近接スイッチであって、コイル(11)の線材(10)が、銅線からなる芯線に鉄層とニッケル層がメッキされ、その外側にポリウレタンの絶縁層が塗布されていることを特徴とする。ポリウレタンの絶縁層の外側に、熱可塑性樹脂からなる融着層が設けられていてもよい。さらに融着層により線材どうしが結合していてもよい。
前記の目的を達成するためになされた本発明の高周波変圧器は、少なくとも一次側コイル(25)と、二次側コイル(27)を備え、コイル(25・27)の線材(10)が、銅線からなる芯線に鉄層とニッケル層がメッキされ、その外側にポリウレタンの絶縁層が塗布されていることを特徴とする。ポリウレタンの絶縁層の外側に、熱可塑性樹脂からなる融着層が設けられていてもよい。さらに融着層により線材どうしが結合していてもよい。
本発明の検出測定装置、近接スイッチ、または高周波変圧器に使用されるコイル(11・25・27)の線材10の外周の磁性体層は、前記した鉄の他、フェライト、ニッケル、コバルト、Fe−N、Fe−X−N(X=Ta、Nb、Hf,etc.),Fe−X−O(X=Mg、Al、etc.)、NiFe(パーマロイ)、CoFe、CoNiFe、CoFeB、FeP、NiFeP、CoNiFeMoC、CoFeB、CoNbZr、Fe−Si、などの軟磁性体から選ばれる少なくとも1層で実施できる。[0006]
It means sa.
Similarly, the detection and measurement object of the conductive object detection and measurement apparatus of the present invention can be implemented as the distance (x) between the conductive object (20) and the coil (11). That is, this detection and measurement device means a distance sensor to the conductive object (20).
Moreover, the detection and measurement object of the conductive object detection and measurement apparatus of the present invention can be implemented as a scratch (30) inside the conductive object (20). In other words, this detection and measurement device means a flaw detection sensor in a conductive object.
The proximity switch of the present invention made to achieve the above object includes a coil (11), an oscillation circuit (35), a comparison circuit (36), and an output circuit (37) connected to the coil (11). An eddy current proximity switch that outputs an on / off signal from an output circuit (37) by an induced current flowing through the coil (11) when the conductive object (20) is approached. 10) is characterized in that an iron layer and a nickel layer are plated on a core wire made of a copper wire, and an insulating layer of polyurethane is applied on the outside thereof. A fusion layer made of a thermoplastic resin may be provided outside the polyurethane insulating layer. Further, the wires may be bonded to each other by the fusion layer.
The high-frequency transformer of the present invention made to achieve the above object includes at least a primary side coil (25) and a secondary side coil (27), and the wire (10) of the coil (25, 27) includes: A core wire made of copper wire is plated with an iron layer and a nickel layer, and a polyurethane insulating layer is coated on the outside thereof. A fusion layer made of a thermoplastic resin may be provided outside the polyurethane insulating layer. Further, the wires may be bonded to each other by the fusion layer.
The magnetic material layer on the outer periphery of the
【0007】
【発明の効果】
本発明の検出測定装置、近接スイッチ、または高周波変圧器に使用されるコイルは、線材として外周を磁性体層で覆った銅線を使用し、インダクタンスが増加するため、高周波利得Q値が向上する。また磁性体層のシールド効果によって渦電流の近接効果による抵抗増を防止できるため、検出測定装置は感度が向上し、近接スイッチは接近距離の感度が向上し、高周波変圧器は効率が向上する。
検出測定装置のコイルから検出測定対象である導電性物体までの距離と、コイルの出力電圧の関係を比較すると、本発明の装置で使用したコイルの出力電圧は、従来の銅線を使用したコイルの出力電圧よりも大きく、検出感度が高くなっており、また距離の検出範囲も広くなっている。
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面により詳細に説明する。しかしながら本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
図4には、本発明を適用する導電性物体検出測定装置の一実施例の回路図を示してある。同図に示す導電性物体検出測定装置は、装置の検出コイルから導電性物体までの距離センサ、金属類の有無を調べる金属探知センサ、導電性物体中のクラックの有無を検出する傷探知センサとして利用できる。
図4に示すとおり、導電性物体20に非接触で検出コイル(高周波発振コイル)11が対向している。検出コイル11は、等価直列インダクタンスL(x)と等価直列抵抗R(x)特性を持つものである。検出[0007]
【The invention's effect】
The coil used in the detection and measurement apparatus, proximity switch, or high-frequency transformer of the present invention uses a copper wire whose outer periphery is covered with a magnetic layer as a wire, and the inductance increases, so that the high-frequency gain Q value is improved. . Further, since the increase in resistance due to the proximity effect of the eddy current can be prevented by the shielding effect of the magnetic layer, the sensitivity of the detection and measurement device is improved, the sensitivity of the proximity switch is improved, and the efficiency of the high frequency transformer is improved.
Comparing the relationship between the distance from the coil of the detection measurement device to the conductive object to be detected and the output voltage of the coil, the output voltage of the coil used in the device of the present invention is a coil using a conventional copper wire. The output voltage is larger than the output voltage, the detection sensitivity is high, and the distance detection range is wide.
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these examples.
FIG. 4 shows a circuit diagram of an embodiment of a conductive object detection and measurement apparatus to which the present invention is applied. The conductive object detection and measurement apparatus shown in the figure is a distance sensor from the detection coil of the apparatus to a conductive object, a metal detection sensor that checks for the presence of metals, and a flaw detection sensor that detects the presence or absence of cracks in a conductive object. Available.
As shown in FIG. 4, the detection coil (high-frequency oscillation coil) 11 is opposed to the
【0015】
接続されたコンデンサから構成される共振回路に励振電流を供給しており、共振回路の電圧(変位)が出力されている。比較回路36は、予め設定された電圧(以下、設定変位)と共振回路の出力をOPアンプを用いて比較することで、変位が設定変位未満の場合と変位が設定変位以上の場合に対応した電圧を出力する。出力回路37は、比較回路36の出力から、変位が設定変位未満の場合には0Vを出力し、変位が設定変位以上の場合には5Vを出力する。
コイル11は、図18に示すとおり、フェライトなどの軟磁性体から構成されるコア40に、図1に示した線材10を巻いた構成となっている。なお、コイル11はコアのない空心コイルであってもよい。
上記の渦電流形近接スイッチで導電性物体20の接近でコイルに流れる誘導電流に起因して出力回路からオン・オフの二値の出力電圧を得ている。
このような構成としたことで、コイル11の交流抵抗が上昇することを抑制し、インダクタンスが増加し、磁束を導電性物体20に多く作用させることができるので、コイル11から導電性物体20までの感度距離を拡大し、コイル11の小形化が実現できる。
尚、図1に示した線材10の断面図では、線材10は、銅線1に鉄層3とニッケル層5がメッキされているが、NiFeやフェライトなどの高透磁率と高抵抗率をもつ磁性体をめっきなどの工程で形成してもよい。
図19には、本発明を適用する機器のコイルに使用される線材であって、図1に示した例とは別な実施例の線材の断面図が示してある。この例の線材32は、銅線1からなる芯線に、磁性体層である鉄層3とニッケル層5がメッキされ、その外側にポリウレタンの絶縁層7があり、さらに外側に熱可塑性樹脂からなる融着層が設けてある。この[0015]
Excitation current is supplied to a resonance circuit composed of connected capacitors, and the voltage (displacement) of the resonance circuit is output. The
As shown in FIG. 18, the
With the above eddy current type proximity switch, a binary output voltage of ON / OFF is obtained from the output circuit due to the induced current flowing in the coil when the
By adopting such a configuration, it is possible to suppress an increase in the AC resistance of the
In the cross-sectional view of the
FIG. 19 shows a cross-sectional view of a wire rod of an embodiment different from the example shown in FIG. 1 which is a wire rod used in a coil of a device to which the present invention is applied. The wire 32 in this example has a core wire made of
【書類名】 明細書
【発明の名称】 高周波コイルを備えた機器
【技術分野】
【0001】
本発明は、電磁波を励起する高周波コイルを備えた機器、具体的には導電性物体を検出測定する装置、近接スイッチ、高周波コイルを備えた高周波変圧器に関するものである。
【背景技術】
【0002】
高周波コイルから電磁波が発振されると、その磁界内にある導電性物体には電磁誘導電流が流れることが知られている。かかる高周波コイルによる誘導渦電流を利用して各種のセンサが開発されている。例えば特許文献1には、レーザー加工ヘッド衝撃防止のためのギャップセンサが開示されている。また特許文献2には木材チップの精砕機用の非接触式隙間測定、特許文献3には掘削作業に使用するカッターの駆動軸の距離測定、特許文献4には画像記録用紙の厚さ検出、特許文献5には金属材質の判定、特許文献6には磁気軸受けなど、多様なセンサが示されている。これらの各種センサに使用される高周波コイルは、通常、エナメル絶縁の銅線で巻かれている。
【0003】
これら各種センサと同一原理を使用するものに、渦電流形近接スイッチがある。近接スイッチは、渦電流形以外に、静電容量形、直流磁界の変化を捉える磁気形などがあり、接近する導電物体を非接触で検出してスイッチ信号を出すもので、マイクロスイッチのように接触してスイッチ信号を出すもの以上の高応答、長寿命、高信頼性が期待できる。なかでも渦電流形近接スイッチは、測定対象の磁性、非磁性の判別が可能であり、かつ小形化が容易で外部磁界の影響を受けにくい利点もあり工業用途での利用が期待されている。
【0004】
一方、特許文献7は、銅線円周上に強磁性体メッキを施したエナメル絶縁電線を高周波輪用巻線に用いた場合、高周波利得を向上し得ることを開示している。また特許文献8には、表面に磁性体メッキをした銅線からなるインダクタが記載されている。
【0005】
【特許文献1】特開平9‐277070号公報
【特許文献2】特開平7‐83606号公報
【特許文献3】特開2002‐4773号公報
【特許文献4】特開平11‐165430号公報
【特許文献5】特開平8‐184579号公報
【特許文献6】特開平2‐201101号公報
【特許文献7】実公昭42−1339号公報
【特許文献8】特開昭62−211904号公報
【発明の開示】
【0006】
発明の実施に先立ち、本発明の発明者は、以下の予備実験、およびコンピュータによるFEM(Finite Element Method:有限要素法)解析を行い、本発明の完成に到る知見を得た。
【0007】
先ず試作コイルと従来のコイルを作成した。図1(断面図)に詳細を示すとおり、試作コイルの線材10(本発明の機器のコイルに使用される線材)は、銅線1からなる芯線(外径90μm)に、磁性体層である鉄層3とニッケル層5がメッキされ、その外側にポリウレタンの絶縁層7が塗布されている。この線材10を、内径:1.6mm、外形:2.24mm、軸方向の長さ:0.63mm、巻数:N=26回のコイルとした。
【0008】
従来のコイルは、銅線(芯線外径90μm)の外周にポリウレタンの絶縁層が塗布されている線材で同一巻数、同一形状とした。
【0009】
(1) コイルに電流を流したときの磁束線を、FEM解析(ソフトウエアMaxwell)によって得た。解析条件はf=1.4MHz、Ic=1mAで行った。図2(A)に示す試作コイルの線材10周辺における磁束線8の分布、(B)に示す従来コイルの線材9周辺における磁束線8の分布のように、試作コイルは磁性薄膜のシールド効果によって従来のコイルよりも導線内部に磁束が入り込みにくいことがわかる。
【0010】
(2)コイルに電流を流したときの線材断面における電流密度を、FEM解析によって得た。試作コイルの線材10は、従来のコイルの線材9よりも電流密度分布の偏りが小さい。試作コイルの線材10は磁性体層のシールド効果により磁束が線材内部に入りにくいが、従来のコイルは磁束が導体内部に入りこの磁束によって線材内部に渦電流が流れる。磁束がはいり込みづらい試作コイルは、従来のコイルよりも電流密度分布の偏りが小さくなる。したがって、電流密度分布は偏りによって抵抗が増加(近接効果)するために、試作コイルよりも従来のコイルの方が抵抗は大きい。
【0011】
(3)コイルからの距離による磁界の強さを、FEM解析で求めた。図3に示すように、距離rが離れた場合に、従来のコイルよりも試作コイルの磁界の強さは大きいことが解かった。
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明は、上記のような知見の下になされたものであり、電磁波を励起する高インダクタンスの高周波コイルを備えた機器を提供するものであり、詳細には、優れた検出感度と広い検出範囲を得られる導電性物体の検出測定装置、周辺の磁界に影響されず高感度で動作確実性に優れた近接スイッチ、力率の高いモータやアクチュエータ、高周波変圧器を提供す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】
【0013】
前記の目的を達成するためになされた本発明の導電性物体検出測定装置は、導電性物体(20)に非接触で対向するコイル(11)、および該コイル(11)に連結する電圧測定器(19)を有し、該コイル(11)が発振する高周波の電磁誘導で該導電性物体(20)の内部に流れる渦電流による、該コイル(11)の出力電圧変化を該電圧測定器で測定することで該導電性物体(20)を検出測定する装置であって、該高周波発振コイル(11)の線材(10)が外周を磁性体層(3・5)で覆った銅線(1)であることを特徴とする。
【0014】
本発明の該導電性物体検出測定装置の検出測定対象は、金属類の探知として実施できる。すなわち、この検出測定装置は、金属探知センサを意味する。
【0015】
同じく本発明の該導電性物体検出測定装置の検出測定対象は、該導電性物体(20)と該コイル(11)との間隔距離(x)として実施できる。すなわち、この検出測定装置は、導電性物体(20)までの距離センサを意味する。
【0016】
また、本発明の該導電性物体検出測定装置の検出測定対象は、該導電性物体(20)内部の傷(30)として実施できる。すなわち、この検出測定装置は、導電性物体中の傷探知センサを意味する。
【0017】
前記の目的を達成するためになされた本発明の近接スイッチは、コイル(11)、およびコイル(11)に接続して発振回路(35)と比較回路(36)と出力回路(37)とを有し、導電性物体(20)の接近でコイル(11)に流れる誘導電流により出力回路(37)からオン・オフ信号を出力する渦電流形近接スイッチであって、コイル(11)の線材(10)が外周を磁性体層(3・5)で覆った銅線(1)であることを特徴とする。
【0018】
前記の目的を達成するためになされた本発明の高周波変圧器は、少なくとも一次側コイル(25)と、二次側コイル(27)を備え、コイル(25・27)の線材(10)が外周を磁性体層(3・5)で覆った銅線(1)であることを特徴とする。
【0019】
本発明の検出測定装置、近接スイッチ、または高周波変圧器に使用されるコイル(11・25・27)の線材10の外周の磁性体層は、フェライト、鉄、ニッケル、コバルト、Fe-N、Fe-X-N(X=Ta、Nb、Hf,etc.),Fe-X-O(X=Mg、Al、etc.)、NiFe(パーマロイ)、CoFe、CoNiFe、CoFeB、FeP、NiFeP、CoNiFeMoC、CoFeB、CoNbZr、Fe-Si、などの軟磁性体から選ばれる少なくとも1層で実施できる。
【0020】
また磁性体層が、鍍金された鉄または/およびニッケルの層であることが好ましい。
【発明の効果】
【0021】
本発明の検出測定装置、近接スイッチ、または高周波変圧器に使用されるコイルは、線材として外周を磁性体層で覆った銅線を使用し、インダクタンスが増加するため、高周波利得Q値が向上する。また磁性体層のシールド効果によって渦電流の近接効果による抵抗増を防止できるため、検出測定装置は感度が向上し、近接スイッチは接近距離の感度が向上し、高周波変圧器は効率が向上する。
【0022】
検出測定装置のコイルから検出測定対象である導電性物体までの距離と、コイルの出力電圧の関係を比較すると、本発明の装置で使用したコイルの出力電圧は、従来の銅線を使用したコイルの出力電圧よりも大きく、検出感度が高くなっており、また距離の検出範囲も広くなっている。
【発明を実施するための好ましい形態】
【0023】
以下、本発明の実施例を図面により詳細に説明する。しかしながら本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【0024】
図4には、本発明を適用する導電性物体検出測定装置の一実施例の回路図を示してある。同図に示す導電性物体検出測定装置は、装置の検出コイルから導電性物体までの距離センサ、金属類の有無を調べる金属探知センサ、導電性物体中のクラックの有無を検出する傷探知センサとして利用できる。
【0025】
図4に示すとおり、導電性物体20に非接触で検出コイル(高周波発振コイル)11が対向している。検出コイル11は、等価直列インダクタンスL(x)と等価直列抵抗R(x)特性を持つものである。検出コイル11はコンデンサ13と並列されて共振回路を形成している。その共振回路には交流電圧計19が接続されている。また検出コイル11は、電流を制限するための分圧用コンデンサ15を介して発振器17に繋がっている。
【0026】
本発明の導電性物体の検出測定装置に使用される検出コイル11の線材は、外周を磁性体層で覆った銅線である。本発明の実施例の線材10は、図1(断面図)に詳細を示すとおり、銅線1からなる芯線に、磁性体層である鉄層3とニッケル層5がメッキされ、その外側にポリウレタンの絶縁層7が塗布されている。銅線1の芯線外径は90μm、鉄層3の外形は92μm(層厚1μm)、ニッケル層5の外形は92.1μm(層厚0.05μm)である。尚、ニッケル層は半田がつきやすくするために、設けたものである。
【0027】
この線材10をアクリル樹脂製の直径3.36mmのボビンに、巻数102回、軸方向の長さ2.15mmに巻き、コイル外径4.54mm(コイル内径3.36mm、コイル内外差厚み0.59mm、コイル平均半径=1.975mm)の実施例の検出コイル11(以下、実施例コイルということもある)とした。
【0028】
比較対象のため、銅線(芯線外径90μm)の外周にポリウレタンの絶縁層が塗布されている線材で同一巻数のコイルを従来タイプの高周波発振コイル(以下、比較例コイル)とする。
【0029】
測定対象の導電性物体20は、この実施例では磁性体であるクロムモリブデン鋼(SCM440)である。
【0030】
上記の検出測定装置で、検出測定対象を導電性物体20とコイル11との間隔距離xとする場合は以下のように動作する。以下、動作と装置の性能評価を述べる。
【0031】
装置の発振器17からは励振電圧V(励振周波数f=1.4MHz)を印加し検出コイル11に励振電流Icを流すと、図5に示すように、磁束Φcが発生する。磁束Φcが導電性物体20に作用すると、電磁誘導により導電性物体20に渦電流Ieが流れて磁束Φeが生ずる。検出コイル11から導電性物体20までの距離xに応じて導電性物体20に作用する磁束が変化するために、導電性物体20に流れる渦電流Ieが変わり、その結果、検出コイル11のインピーダンスが変化する。このインピーダンスの変化が並列共振回路により出力電圧Voに変換される。このとき実測された出力電圧Voの共振周波数の実測値はfo=10.5MHzであった。出力電圧Voは次式で表わされる。
【0032】
【数1】
【0033】
【数2】
【0034】
【数3】
ここに、x:測定対象である導電性物体から検出コイルまでの距離、Q(x):距離xに依存するQ値、V:励振電圧[V]、 ω:角周波数[rad/s]、L(x):インダクタンス[H]、R(x):抵抗[Ω]、Cp:共振用コンデンサ13、Cs:分圧用コンデンサ15。
【0035】
上記式から出力電圧VoはコイルのQ(x)値とコンデンサ容量CpおよびCsだけで表され、図1に示した並列共振を利用した検出測定装置の測定範囲の拡大や検出感度の向上には、コイルのQ(x)値、すなわち距離xに依存する高周波利得が影響することを示している。
【0036】
そこで、実施例コイルと比較例コイルの周波数に対する等価直列抵抗R(x=∞)を測定し、図6に示した。実験では、実施例コイルのR(∞)は比較例コイルの約1.5倍となった。実施例コイルではFe層とNi層によって導線間の近接効果が軽減されるため、比較例コイルに比べ等価直列抵抗R(∞)が減少している。図6中に比較例コイルの表皮効果による抵抗の計算値を示した。
【0037】
表皮効果による抵抗Rseは、下式から算出した。
【0038】
【数4】
【0039】
【数5】
【0040】
【数6】
【0041】
【数7】
【0042】
【数8】
ここに、Rdc:コイルの直流抵抗[Ω]、l:巻始めから巻終りまでの導線の長さ[m]、σ:導線の導電率[S/m]、d:導線の線径[m]、ri:コイルの内径半径[m]、re:コイルの外形半径[m]、δ:表皮厚さ[m]、μo:導線の比透磁率、μo:真空の透磁率(4π×10−7)[H/m]、ber:0次実数ケルビン関数、bei:0次複素数ケルビン関数。
【0043】
さらに、図6は周波数に対する抵抗の増加が主に近接効果によって生じていることを示している。また共振周波数はいずれのコイルも10.5MHzとなった。
【0044】
実施例コイルと比較例コイルの周波数に対する等価直列インダクタンスを、図7に示した。周波数f=100kHz〜2MHzの範囲で実施例コイルと比較例コイルの等価直列インダクタンスL(∞)はそれぞれ41μHと37μHであり、実施例コイルは比較例コイルの1.1倍となった。
【0045】
実施例コイルと比較例コイルの周波数ゲインQ(∞)値を、測定し図8に示した。同図において、実施例コイルは、比較例コイルに比して、Q(∞)値は1.76倍となっている。この理由として、等価直列抵抗R(∞)が減少し、等価直列インダクタンスL(∞)が増加していることが挙げられる。
【0046】
図9に示すように、実施例コイルと比較例コイルのインピーダンス特性R(x)の変化量ΔRは、それぞれ31Ωと38Ωであり、比較例コイルのインピーダンス変化量ΔRは実施例コイルの1.2倍あり、実施例コイルのインピーダンス特性が優れていることが明らかである。距離xが小さくなるにしたがって、測定対象である導電性物体により大きな磁束Φcが作用して、導電性物体の渦電流損が増加する。これによりインピーダンス特性R(x)が増加する。実施例コイルは、比較例コイルよりも大きな磁束Φcが導電性物体に作用する(図3の試作コイル、従来のコイル参照)。したがって、距離xが小さくなるにしたがって実施例コイルのインピーダンスR(x)は比較例コイルよりも急増する。
【0047】
図10に示すとおり、実施例コイルと比較例コイルは、夫々距離xに対してインダクタンスL(x)は一定である。実施例コイルと比較例コイルのインダクタンスL(x)はそれぞれ40μHと36μHであり、実施例コイルのインダクタンスL(x)は比較例コイルの1.1倍である。磁性薄膜の効果によって実施例コイルのインダクタンスL(x)は比較例コイルよりも大きいことが解かる。
【0048】
また、実施例コイルはインピーダンス変化量ΔRが大きく、かつインダクタンスL(x)も大きいために、図11から分るように、高周波利得Q(x)値の変化量ΔQは、比較例コイルの約2倍である。
【0049】
図12に実施例コイルと比較例コイルの出力電圧特性の比較を示した。また、同図中にそれぞれの出力電圧特性の最小二乗法を用いた近似直線を示した。出力電圧の変化量ΔVoは従来のコイルで430mV、試作コイルで850mVとなり、実施例コイルが比較例コイルの約2倍となった。変化量ΔVoは下式から算出した。
【0050】
【数9】
図13に実施例コイルと比較例コイルの出力電圧特性の直線性の比較を示した。図12に示した出力電圧特性を最小二乗法を用いて直線近似し、その近似値と実測値との誤差e(x)が±3%以内の範囲で直線性が保たれている距離の範囲Lを求めた。誤差e(x)は下式を用いて算出した。
【0051】
【数10】
ここに、Vl(x):近似直線の電圧[V]。
【0052】
出力電力の直線性がε(x)=±3%以内に保たれている範囲は、表1に示すとおり、実施例コイルと比較例コイルでそれぞれ0.1〜2.2mmと0.1〜1.6mmである。すなわち実施例コイルと比較例コイルの直線範囲Lはそれぞれ2.1mmと1.5mmである。また、コイルの外径寸法Dに対する直線範囲L/Dは、実施例コイルと比較例コイルでそれぞれ0.58と0.33となった。コイルの平均半径raに対する直線範囲L/raは、実施例コイルと比較例コイルでそれぞれ1.23と0.87となった。L/D、L/raともに実施例コイルが比較例コイルの約1.4倍となった。なお、いずれのコイルもD=4.54mm、ra=1.73mmである。したがって、実施例コイルは、比較例コイルと比較して、直線性に優れており、導電性物体検出測定装置の距離検出範囲の拡大が実現されている。
【0053】
【表1】
図14に実施例コイルと比較例コイルを用いた場合における導電性物体検出測定装置の検出感度の比較を示した。n番目の測定点における検出感度ΔVo’(xn)/Δxnは下式を用いて算出した。
【0054】
【数11】
同図より検出感度ΔVo’/Δxは、比較例コイルで最大195V/m、実施例コイルで最大310V/mとなり、1.5倍になった。すべての距離において実施例コイルの方が比較例コイルより高感度となった。したがって、実施例コイルは比較例コイルと比較して距離検出感度の向上が実現されている。
【0055】
以上の結果から、導電性物体検出測定装置のコイルに磁性めっき線を用いることで、従来の銅線と比較して距離測定範囲の拡大と距離検出感度の向上が可能である。
【0056】
上記の実施例では、装置の検出コイルから導電性物体までの距離を測定できる距離センサとしての例を説明したが、同一の構成で金属類など導電性物体の有無そのものを調べる金属探知センサとしての利用もでき、実施例コイルを使用した装置が比較例コイルを使用した装置よりも高感度であるし、探査範囲も広くなることが明らかである。
【0057】
また、図15には上記検出測定装置を傷探知センサとして利用した実施例の概略構成の断面が示してある。この図に示すとおり、測定対象である導電性物体20にクラック30がある場合、導電性物体20の内部に流れる渦電流がクラック30の存在により変化する。その結果、検出コイル11の共振出力が変わり、クラック30の有無を検出できる。このような傷探知センサとして利用した場合においても、実施例コイルを使用した装置が比較例コイルを使用した装置よりも高感度であるし、探査範囲も広くなる。
【0058】
図16には本発明の高周波変圧器の一実施例の断面が示してあり、鉄芯23に一次コイル25と、二次コイル27が巻かれている。これらのコイル25・27のそれぞれの線材が外周を磁性体層で覆った銅線になっている。一次コイル25に入力した高周波電圧は変圧され、二次コイル27から出力される。
【0059】
高周波変圧器の例としてDC−DCコンバータに用いられているパルス変圧器がある。一次コイル25には外部の電子回路(図示していない)から高周波の電流が流される。図6の実施例コイルと比較例コイルの周波数に対する直列等価抵抗R(∞)の比較に示したように、実施例コイルの抵抗Rは、比較例コイルと比較して小さい。すなわち、高周波変圧器において、銅線の外周を磁性体薄膜で覆った磁性めっき線を用いたコイルで構成することで、コイルに発生する銅損を低減することができ、高周波変圧器は高効率になる。
【0060】
この実施例では鉄心を有する変圧器で説明したが、鉄心がない空心形変圧器でもよい。実施例コイルは、比較例コイルよりも多くの磁束を作用させる、すなわち、磁束をより遠くに飛ばすことができるから、実施例コイルを用いた空心トランスも高性能化を実現できる。
【0061】
図17は、本発明の近接スイッチの構成であり渦電流形である。コイル11、コイル11に接続して発振回路35と比較回路36と出力回路37とを有している。発振回路35は、コイルとコイルに並列に接続されたコンデンサから構成される共振回路に励振電流を供給しており、共振回路の電圧(変位)が出力されている。比較回路36は、予め設定された電圧(以下、設定変位)と共振回路の出力をOPアンプを用いて比較することで、変位が設定変位未満の場合と変位が設定変位以上の場合に対応した電圧を出力する。出力回路37は、比較回路36の出力から、変位が設定変位未満の場合には0Vを出力し、変位が設定変位以上の場合には5Vを出力する。
【0062】
コイル11は、図18に示すとおり、フェライトなどの軟磁性体から構成されるコア40に、図1に示した線材10を巻いた構成となっている。なお、コイル11はコアのない空心コイルであってもよい。
【0063】
上記の渦電流形近接スイッチで導電性物体20の接近でコイルに流れる誘導電流に起因して出力回路からオン・オフの二値の出力電圧を得ている。
【0064】
このような構成としたことで、コイル11の交流抵抗が上昇することを抑制し、インダクタンスが増加し、磁束を導電性物体20に多く作用させることができるので、コイル11から導電性物体20までの感度距離を拡大し、コイル11の小形化が実現できる。
【0065】
尚、図1に示した線材10の断面図では、線材10は、銅線1に鉄層3とニッケル層5がメッキされているが、NiFeやフェライトなどの高透磁率と高抵抗率をもつ磁性体をめっきなどの工程で形成してもよい。
【0066】
図20には、本発明を適用する機器のコイルに使用される線材であって、図1に示した例とは別な実施例の線材の断面図が示してある。この例の線材32は、銅線1からなる芯線に、磁性体層である鉄層3とニッケル層5がメッキされ、その外側にポリウレタンの絶縁層7があり、さらに外側に熱可塑性樹脂からなる融着層が設けてある。この実施例の線材32は、加熱しながら磁性コアに直接巻線を行うことができ、また融着層がとけて導線どうしが結合する。
【図面の簡単な説明】
【0067】
【図1】
図1は、本発明を適用する機器のコイルに使用される線材の一実施例の断面図である。
【図2】
図2は、線材に電流を流したときの磁束線を示す図である。
【図3】
図3は、コイルからの距離による磁界の強さを示す図である。
【図4】
図4は、本発明を適用する導電性物体検出測定装置の一実施例を示す回路図である。
【図5】
図5は、前記実施例の検出測定装置における導電性物体と検出コイルの位置関係を示す図である。
【図6】
図6は、本発明の検出測定装置に使用するコイルと、従来のコイルとの等価直列抵抗の実測値を比較したグラフである。
【図7】
図7は、本発明の検出測定装置に使用するコイルと、従来のコイルとの等価インダクタンスの実測値を比較したグラフである。
【図8】
図8は、本発明の検出測定装置に使用するコイルと、従来のコイルとの高周波利得Q値の実測値を比較したグラフである。
【図9】
図9は、導電性物体と検出コイルとの距離による抵抗変化を示すグラフである。
【図10】
図10は、導電性物体と検出コイルとの距離によるインダクタンスを示すグラフである。
【図11】
図11は、導電性物体と検出コイルとの距離による高周波利得Q値を示すグラフである。
【図12】
図12は、導電性物体と検出コイルとの距離による出力電圧を示すグラフである。
【図13】
図13は、導電性物体と検出コイルとの距離による出力電圧特性の直線性を示すグラフである。
【図14】
図14は、導電性物体と検出コイルとの距離による感度を示すグラフである。
【図15】
図15は、本発明を適用する導電性物体検出測定装置の一実施例である傷探知センサの要部構成断面図である。
【図16】
図16は、本発明を適用する高周波変圧器の断面図である。
【図17】
図17は、本発明を適用する近接スイッチのブロック回路図である。
【図18】
図18は、本発明を適用する近接スイッチに使用されるコイルの断面図である。
【図19】
図19は、本発明を適用する機器のコイルに使用される線材の別な実施例の断面図である。
【符号の説明】
【0068】
1は銅線、3は鉄層、5はニッケル層、7は絶縁層、8は磁束線、9は線材、10は線材、11は検出コイル、13はコンデンサ、15は分圧用コンデンサ、17は発振器、19は電圧測定器、20は導電性物体、23は鉄芯、25は一次コイル、27は二次コイル、30はクラック、32は線材、33は融着層、35は発振回路、36は比較回路、37は出力回路、40は磁性コア、Icは励振電流、Ieは渦電流、Φc・Φeは磁束、R(x)は等価直列抵抗、L(x)はインダクタンス、xは導電性物体と検出コイルとの距離である。
[Document Name] Description [Title of Invention] Equipment with High Frequency Coil [Technical Field]
[0001]
The present invention relates to a device including a high-frequency coil that excites electromagnetic waves, specifically to a device for detecting and measuring a conductive object, a proximity switch, and a high-frequency transformer including a high-frequency coil.
[Background]
[0002]
It is known that when an electromagnetic wave is oscillated from a high-frequency coil, an electromagnetic induction current flows through a conductive object in the magnetic field. Various sensors have been developed using the induced eddy current generated by the high-frequency coil. For example,
[0003]
An eddy current proximity switch is one that uses the same principle as these various sensors. In addition to the eddy current type, the proximity switch includes a capacitance type and a magnetic type that captures changes in the DC magnetic field. It detects contacted conductive objects in a non-contact manner and outputs a switch signal. Higher response, longer life, and higher reliability than those that come in contact with the switch signal can be expected. In particular, the eddy current proximity switch can be discriminated between magnetic and non-magnetic objects to be measured, has the advantage of being easily miniaturized and hardly affected by an external magnetic field, and is expected to be used in industrial applications.
[0004]
On the other hand,
[0005]
[Patent Document 1] JP-A-9-277070 [Patent Document 2] JP-A-7-83606 [Patent Document 3] JP-A 2002-4773 [Patent Document 4] JP-A-11-165430 [Patent Document 3] [Patent Document 5] JP-A-8-184579 [Patent Document 6] JP-A-2-201101 [Patent Document 7] Japanese Utility Model Publication No. 42-1339 [Patent Document 8] JP-A-62-211904 Disclosure]
[0006]
Prior to the implementation of the invention, the inventor of the present invention performed the following preliminary experiment and FEM (Finite Element Method) analysis by a computer, and obtained knowledge for completing the present invention.
[0007]
First, a prototype coil and a conventional coil were created. As shown in detail in FIG. 1 (sectional view), the prototype coil wire 10 (wire used for the coil of the device of the present invention) is a magnetic layer on a core wire (outer diameter 90 μm) made of
[0008]
The conventional coil has the same number of turns and the same shape with a wire in which a polyurethane insulating layer is applied to the outer periphery of a copper wire (core wire outer diameter 90 μm).
[0009]
(1) Magnetic flux lines when current was passed through the coil were obtained by FEM analysis (software Maxwell). The analysis conditions were f = 1.4 MHz and I c = 1 mA. As shown in FIG. 2A, the distribution of the
[0010]
(2) The current density in the cross section of the wire when current was passed through the coil was obtained by FEM analysis. The
[0011]
(3) The strength of the magnetic field according to the distance from the coil was determined by FEM analysis. As shown in FIG. 3, it was found that when the distance r was increased, the magnetic field strength of the prototype coil was larger than that of the conventional coil.
[Problems to be solved by the invention]
[0012]
The present invention has been made under the above-described knowledge, and provides a device including a high-inductance high-frequency coil that excites electromagnetic waves, and more specifically, has excellent detection sensitivity and a wide detection range. It is intended to provide a device for detecting and measuring conductive objects, proximity switches with high sensitivity and excellent operation reliability that are not affected by the surrounding magnetic field, motors and actuators with high power factor, and high-frequency transformers It is.
[Means for Solving the Problems]
[0013]
The conductive object detection and measurement apparatus of the present invention made to achieve the above object includes a coil (11) opposed to the conductive object (20) in a non-contact manner, and a voltage measuring device connected to the coil (11). (19), and the voltage measuring device measures the change in the output voltage of the coil (11) due to the eddy current flowing inside the conductive object (20) by high-frequency electromagnetic induction oscillated by the coil (11). An apparatus for detecting and measuring the conductive object (20) by measuring, wherein the wire (10) of the high-frequency oscillation coil (11) has a copper wire (1) covered with a magnetic layer (3.5). ).
[0014]
The detection and measurement object of the conductive object detection and measurement apparatus of the present invention can be implemented as detection of metals. That is, this detection measurement device means a metal detection sensor.
[0015]
Similarly, the detection and measurement object of the conductive object detection and measurement apparatus of the present invention can be implemented as the distance (x) between the conductive object (20) and the coil (11). That is, this detection and measurement device means a distance sensor to the conductive object (20).
[0016]
Moreover, the detection and measurement object of the conductive object detection and measurement apparatus of the present invention can be implemented as a scratch (30) inside the conductive object (20). In other words, this detection and measurement device means a flaw detection sensor in a conductive object.
[0017]
The proximity switch of the present invention made to achieve the above object includes a coil (11), an oscillation circuit (35), a comparison circuit (36), and an output circuit (37) connected to the coil (11). An eddy current proximity switch that outputs an on / off signal from an output circuit (37) by an induced current flowing through the coil (11) when the conductive object (20) is approached. 10) is a copper wire (1) whose outer periphery is covered with a magnetic layer (3.5).
[0018]
The high-frequency transformer of the present invention made to achieve the above object comprises at least a primary side coil (25) and a secondary side coil (27), and the wire (10) of the coil (25, 27) is an outer periphery. Is a copper wire (1) covered with a magnetic layer (3.5).
[0019]
The magnetic body layer on the outer periphery of the
[0020]
The magnetic layer is preferably a plated iron or / and nickel layer.
【The invention's effect】
[0021]
The coil used in the detection and measurement apparatus, proximity switch, or high-frequency transformer of the present invention uses a copper wire whose outer periphery is covered with a magnetic layer as a wire, and the inductance increases, so that the high-frequency gain Q value is improved. . Further, since the increase in resistance due to the proximity effect of the eddy current can be prevented by the shielding effect of the magnetic layer, the sensitivity of the detection and measurement device is improved, the sensitivity of the proximity switch is improved, and the efficiency of the high frequency transformer is improved.
[0022]
Comparing the relationship between the distance from the coil of the detection measurement device to the conductive object to be detected and the output voltage of the coil, the output voltage of the coil used in the device of the present invention is a coil using a conventional copper wire. The output voltage is larger than the output voltage, the detection sensitivity is high, and the distance detection range is wide.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0023]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these examples.
【Example】
[0024]
FIG. 4 shows a circuit diagram of an embodiment of a conductive object detection and measurement apparatus to which the present invention is applied. The conductive object detection and measurement apparatus shown in the figure is a distance sensor from the detection coil of the apparatus to a conductive object, a metal detection sensor that checks for the presence of metals, and a flaw detection sensor that detects the presence or absence of cracks in a conductive object. Available.
[0025]
As shown in FIG. 4, the detection coil (high-frequency oscillation coil) 11 is opposed to the
[0026]
The wire of the
[0027]
This
[0028]
For comparison purposes, a coil with the same number of turns is used as a conventional high-frequency oscillation coil (hereinafter referred to as a comparative example coil) in which a polyurethane insulating layer is coated on the outer periphery of a copper wire (core wire outer diameter 90 μm).
[0029]
The
[0030]
In the above detection / measurement apparatus, when the detection / measurement target is the distance x between the
[0031]
When an excitation voltage V (excitation frequency f = 1.4 MHz) is applied from the
[0032]
[Expression 1]
[0033]
[Expression 2]
[0034]
[Equation 3]
Where x: distance from the conductive object to be measured to the detection coil, Q (x): Q value depending on the distance x, V: excitation voltage [V], ω: angular frequency [rad / s], L (x): Inductance [H], R (x): Resistance [Ω], Cp:
[0035]
From the above equation, the output voltage Vo is expressed only by the Q (x) value of the coil and the capacitor capacities Cp and Cs. For the purpose of expanding the measurement range and improving the detection sensitivity of the detection and measurement apparatus using the parallel resonance shown in FIG. This shows that the Q (x) value of the coil, that is, the high frequency gain depending on the distance x is affected.
[0036]
Therefore, the equivalent series resistance R (x = ∞) with respect to the frequency of the example coil and the comparative example coil was measured and shown in FIG. In the experiment, R (∞) of the example coil was about 1.5 times that of the comparative example coil. In the example coil, the proximity effect between the conductors is reduced by the Fe layer and the Ni layer, so that the equivalent series resistance R (∞) is reduced as compared with the comparative example coil. FIG. 6 shows a calculated value of resistance due to the skin effect of the comparative example coil.
[0037]
The resistance Rse due to the skin effect was calculated from the following equation.
[0038]
[Expression 4]
[0039]
[Equation 5]
[0040]
[Formula 6]
[0041]
[Expression 7]
[0042]
[Equation 8]
Where, Rdc: DC resistance [Ω] of the coil, l: length of the conducting wire from the beginning to the end of winding [m], σ: conductivity of the conducting wire [S / m], d: wire diameter of the conducting wire [m] , Ri: inner radius of coil [m], re: outer radius of coil [m], δ: skin thickness [m], μo: relative permeability of conductor, μo: permeability of vacuum (4π × 10 − 7 ) [H / m], ber: 0th order real Kelvin function, bei: 0th order complex Kelvin function.
[0043]
Furthermore, FIG. 6 shows that the increase in resistance with respect to frequency is mainly caused by the proximity effect. The resonance frequency was 10.5 MHz for all coils.
[0044]
FIG. 7 shows the equivalent series inductance with respect to the frequencies of the example coil and the comparative example coil. In the frequency range of f = 100 kHz to 2 MHz, the equivalent series inductance L (∞) of the example coil and the comparative example coil was 41 μH and 37 μH, respectively, and the example coil was 1.1 times that of the comparative example coil.
[0045]
The frequency gain Q (∞) values of the example coil and the comparative example coil were measured and shown in FIG. In the figure, the example coil has a Q (∞) value of 1.76 times that of the comparative example coil. This is because the equivalent series resistance R (∞) decreases and the equivalent series inductance L (∞) increases.
[0046]
As shown in FIG. 9, the amount of change ΔR of the impedance characteristic R (x) of the example coil and the comparative example coil is 31Ω and 38Ω, respectively, and the amount of impedance change ΔR of the comparative example coil is 1.2 of the example coil. It is clear that the impedance characteristics of the example coil are excellent. As the distance x decreases, a larger magnetic flux Φc acts on the conductive object to be measured, and the eddy current loss of the conductive object increases. As a result, the impedance characteristic R (x) increases. In the example coil, a magnetic flux Φc larger than that in the comparative example coil acts on the conductive object (see the prototype coil in FIG. 3 and the conventional coil). Therefore, as the distance x decreases, the impedance R (x) of the example coil increases more rapidly than the comparative example coil.
[0047]
As shown in FIG. 10, the inductance coil L and the comparative example coil have constant inductance L (x) with respect to the distance x. The inductance L (x) of the example coil and the comparative example coil is 40 μH and 36 μH, respectively, and the inductance L (x) of the example coil is 1.1 times that of the comparative example coil. It can be seen that the inductance L (x) of the example coil is larger than that of the comparative example coil due to the effect of the magnetic thin film.
[0048]
Further, since the embodiment coil has a large impedance change amount ΔR and a large inductance L (x), as can be seen from FIG. 11, the change amount ΔQ of the high frequency gain Q (x) value is about the same as that of the comparative example coil. 2 times.
[0049]
FIG. 12 shows a comparison of output voltage characteristics between the example coil and the comparative example coil. In addition, approximate straight lines using the least square method of each output voltage characteristic are shown in FIG. The change amount ΔVo of the output voltage was 430 mV for the conventional coil and 850 mV for the prototype coil, and the example coil was about twice that of the comparative example coil. The change amount ΔVo was calculated from the following equation.
[0050]
[Equation 9]
FIG. 13 shows a comparison of the linearity of the output voltage characteristics of the example coil and the comparative example coil. The output voltage characteristics shown in FIG. 12 are linearly approximated using the least square method, and the distance range where linearity is maintained within an error e (x) within ± 3% of the approximate value and the actual measurement value. L was determined. The error e (x) was calculated using the following equation.
[0051]
[Expression 10]
Here, Vl (x): voltage [V] of the approximate straight line.
[0052]
As shown in Table 1, the range in which the linearity of the output power is kept within ε (x) = ± 3% is 0.1 to 2.2 mm and 0.1 to 0.1 for the example coil and the comparative example coil, respectively. 1.6 mm. That is, the linear ranges L of the example coil and the comparative example coil are 2.1 mm and 1.5 mm, respectively. The linear range L / D with respect to the outer diameter D of the coil was 0.58 and 0.33 for the example coil and the comparative example coil, respectively. The linear range L / ra with respect to the average radius ra of the coil was 1.23 and 0.87 for the example coil and the comparative coil, respectively. In both L / D and L / ra, the coil of the example was about 1.4 times the coil of the comparative example. In all of the coils, D = 4.54 mm and ra = 1.73 mm. Therefore, the example coil is excellent in linearity as compared with the comparative example coil, and the distance detection range of the conductive object detection and measurement apparatus is expanded.
[0053]
[Table 1]
FIG. 14 shows a comparison of detection sensitivities of the conductive object detection and measurement apparatus when the example coil and the comparative example coil are used. The detection sensitivity ΔVo ′ (xn) / Δxn at the nth measurement point was calculated using the following equation.
[0054]
[Expression 11]
From the figure, the detection sensitivity ΔVo ′ / Δx is 1.5 times as large as 195 V / m at the maximum for the comparative example coil and 310 V / m at the maximum for the example coil. The example coil was more sensitive than the comparative coil at all distances. Therefore, the example coil achieves improved distance detection sensitivity compared to the comparative example coil.
[0055]
From the above results, by using a magnetic plating wire for the coil of the conductive object detection and measurement device, it is possible to expand the distance measurement range and improve the distance detection sensitivity as compared with the conventional copper wire.
[0056]
In the above embodiment, an example of a distance sensor that can measure the distance from the detection coil of the apparatus to a conductive object has been described. However, as a metal detection sensor that checks the presence or absence of a conductive object such as metals with the same configuration. It is obvious that the apparatus using the example coil is more sensitive than the apparatus using the comparative example coil, and the exploration range is widened.
[0057]
Further, FIG. 15 shows a cross section of a schematic configuration of an embodiment in which the detection and measurement apparatus is used as a flaw detection sensor. As shown in this figure, when the
[0058]
FIG. 16 shows a cross section of an embodiment of the high-frequency transformer of the present invention, in which a
[0059]
An example of a high-frequency transformer is a pulse transformer used in a DC-DC converter. The
[0060]
In this embodiment, the transformer having an iron core has been described, but an air core type transformer without an iron core may be used. Since the embodiment coil allows a larger amount of magnetic flux to act than the comparative example coil, that is, the magnetic flux can be dissipated further away, the air core transformer using the embodiment coil can also achieve high performance.
[0061]
FIG. 17 shows the configuration of the proximity switch according to the present invention, which is an eddy current type. An
[0062]
As shown in FIG. 18, the
[0063]
With the above eddy current type proximity switch, a binary output voltage of ON / OFF is obtained from the output circuit due to the induced current flowing in the coil when the
[0064]
By adopting such a configuration, it is possible to suppress an increase in the AC resistance of the
[0065]
In the cross-sectional view of the
[0066]
FIG. 20 shows a cross-sectional view of a wire rod of an embodiment different from the example shown in FIG. 1 that is a wire rod used in a coil of a device to which the present invention is applied. The wire 32 in this example has a core wire made of
[Brief description of the drawings]
[0067]
[Figure 1]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of a wire used for a coil of a device to which the present invention is applied.
[Figure 2]
FIG. 2 is a diagram showing magnetic flux lines when a current is passed through the wire.
[Fig. 3]
FIG. 3 is a diagram showing the strength of the magnetic field depending on the distance from the coil.
[Fig. 4]
FIG. 4 is a circuit diagram showing an embodiment of a conductive object detection and measurement apparatus to which the present invention is applied.
[Figure 5]
FIG. 5 is a diagram showing the positional relationship between the conductive object and the detection coil in the detection measurement apparatus of the above embodiment.
[Fig. 6]
FIG. 6 is a graph comparing measured values of equivalent series resistance between a coil used in the detection measurement apparatus of the present invention and a conventional coil.
[Fig. 7]
FIG. 7 is a graph comparing measured values of equivalent inductances of a coil used in the detection measurement apparatus of the present invention and a conventional coil.
[Fig. 8]
FIG. 8 is a graph comparing the measured values of the high-frequency gain Q value between the coil used in the detection measurement apparatus of the present invention and a conventional coil.
FIG. 9
FIG. 9 is a graph showing a change in resistance depending on the distance between the conductive object and the detection coil.
FIG. 10
FIG. 10 is a graph showing the inductance depending on the distance between the conductive object and the detection coil.
FIG. 11
FIG. 11 is a graph showing the high-frequency gain Q value according to the distance between the conductive object and the detection coil.
FIG.
FIG. 12 is a graph showing the output voltage depending on the distance between the conductive object and the detection coil.
FIG. 13
FIG. 13 is a graph showing the linearity of the output voltage characteristic depending on the distance between the conductive object and the detection coil.
FIG. 14
FIG. 14 is a graph showing the sensitivity depending on the distance between the conductive object and the detection coil.
FIG. 15
FIG. 15 is a cross-sectional view of the main part configuration of a flaw detection sensor which is an embodiment of the conductive object detection and measurement apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 16
FIG. 16 is a cross-sectional view of a high-frequency transformer to which the present invention is applied.
FIG. 17
FIG. 17 is a block circuit diagram of a proximity switch to which the present invention is applied.
FIG. 18
FIG. 18 is a cross-sectional view of a coil used in a proximity switch to which the present invention is applied.
FIG. 19
FIG. 19 is a cross-sectional view of another embodiment of a wire used for a coil of a device to which the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
[0068]
1 is a copper wire, 3 is an iron layer, 5 is a nickel layer, 7 is an insulating layer, 8 is a magnetic flux line, 9 is a wire, 10 is a wire, 11 is a detection coil, 13 is a capacitor, 15 is a voltage dividing capacitor, 17 is An oscillator, 19 is a voltage measuring device, 20 is a conductive object, 23 is an iron core, 25 is a primary coil, 27 is a secondary coil, 30 is a crack, 32 is a wire, 33 is a fusion layer, 35 is an oscillation circuit, 36
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