(57)【要約】【課題】ヘルムホルツ・コイルを用いた変位センサの測定範囲をヘルムホルツ・コイルの平等磁界の範囲に制約されないようにして、大きな変位の測定を可能とする。【解決手段】ヘルムホルツ・コイル１０および検出コイル２０で形成した２個一組の空芯トランス１５ａ、１５ｂと、軸４０を伴った変位検出用のコア３０と、２個一組の非磁性体金属よりなる磁気遮蔽体５０とを構成要素として、磁気遮蔽体５０によって不要な磁束を排除してコア３０の移動空間を確保したうえ、コア３０を軸４０に対して点対称な形状として、ヘルムホルツ・コイル１０の平等磁界中および中心軸ｃｌ上を横切る様に変位させ、それがあたかも中心軸ｃｌに沿って変位したかの様に機能させて課題を解決した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘルムホルツ・コイルと、２個一組の検出コイルと、２個一組の非磁性体金属よりなる磁気遮蔽体と、軸に固定され非磁性体金属よりなる変位検出用のコアとからなり、前記ヘルムホルツ・コイルと前記検出コイルとの中心軸を一致させ、かつ、離間して２個一組の空芯トランスを形成し、前記磁気遮蔽体を前記空芯トランスの間に前記中心軸を通る様に設けることによって、前記コアが移動可能な磁気遮蔽空間を構成し、併せて前記コアの形状を長手方向に非対称な２枚一組の金属板として、前記軸の両側で軸方向に点対称な位置に固定して、前記磁気遮蔽空間内に挿脱可能とすると共に、前記コアの渦電流効果を利用して前記検出コイルに生じる交流差動出力を用いて変位を測定する変位センサ。
【請求項２】
ヘルムホルツ・コイルと、２個一組の検出コイルと、２個一組の非磁性体金属よりなる磁気遮蔽体と、軸に固定され磁性体金属よりなる変位検出用のコアとからなり、前記ヘルムホルツ・コイルと前記検出コイルとの中心軸を一致させ、かつ、離間して２個一組の空芯トランスを形成し、前記磁気遮蔽体を前記空芯トランスの間に前記中心軸を通る様に設けることによって、前記コアが移動可能な磁気遮蔽空間を構成し、併せて前記コアの形状を長手方向に非対称な２枚一組の金属板として、前記軸の両側で軸方向に点対称な位置に固定して、前記磁気遮蔽空間内に挿脱可能とすると共に、前記コアの磁気誘導効果を利用して前記検出コイルに生じる交流差動出力を用いて変位を測定する変位センサ。
【請求項３】
磁気遮蔽空間内で挿脱可能なコアは、長手方向に非対称として２個一組の空芯トランスの何れか一方に偏倚して設けられた請求項１又は２記載の変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特開２００１−６６１０３号「ヘルムホルツ・コイルを応用した変位検出器」の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヘルムホルツ・コイルは、同じ形状をした２個のコイルの中心軸を一致させて、その半径に等しい間隔で向かい合わせにし、両コイルの発生する磁界が互いに加わる様に接続したもので、両コイルの中間部分に合成磁界として磁界の強さが均一な部分が生じ、平等磁界と呼ばれている。アナログ形の交流・直流電気計器のうち、電流力（りき）計形計器として電圧・電流・電力の測定に用いられているコイルである。
【０００３】
図８〜図１１は、本発明に関連する特開２００１−６６１０３号の説明図を示す。図８は、ヘルムホルツ・コイルの原理を示す説明図であり、ヘルムホルツ・コイルが発生する平等磁界のうち、実用的な平等磁界の範囲（以下、単に平等磁界の範囲と言う）を扁平な円筒形としてイメージ的に示している。その範囲は、ヘルムホルツ・コイルの中心軸ｃｌ上で、コイルの径方向にコイル径（２×ｒ）の１／３程度、軸方向（磁界に沿った方向）にコイル間隔ｄの１／３程度の扁平な円筒形の空間を占める。ここで「程度」と表現したのは、どの程度の厳密さで平等磁界の範囲を定義するかで左右されるからである。
【０００４】
図９は、ヘルムホルツ・コイルの発生磁界を示すグラフであり、各コイルが発生する磁界ｈも含めて示している。Ｘ軸は変位でヘルムホルツ・コイルの半径ｒを１として、また、Ｙ軸は磁界の強さで各コイルが発生する磁界の強さｈの最大値を１として、それぞれ基準化し相対的な値で示している。この様な表現に従えば、合成磁界である平等磁界ｈｅの相対的な磁界の強さは１．４３になることもよく知られている。なお、点線で示した傾斜磁界ｈｇは、ヘルムホルツ・コイルのもう一つの特性で、各コイルの発生磁界ｈの差を示している。
【０００５】
図１０は、特開２００１−６６１０３号の基本構成を示す斜視図であり、ヘルムホルツ・コイル１の平等磁界中に軸４を介して変位検出用のコア３を設け、その動きを検出コイル２で検出している。図１１はヘルムホルツ・コイル１と検出コイル２の接続図で、図中の黒点で各コイルの巻きはじめを示し、ヘルムホルツ・コイル１は同一電流が同一方向に流れて各磁界が加算され、検出コイル２は各出力が引き算される様子を表している。
【０００６】
いま、被測定体（図示略）の変位ｄｍに応じて軸４を介してコア３が平等磁界中で磁界に沿って変位すると、コア３の渦電流効果又は磁気誘導効果によって、検出コイル２には変位に応じた交流差動出力ｅ１−ｅ２が発生する。
【０００７】
この場合、渦電流効果を利用するなら、コア３は固有抵抗の小さな非磁性体金属がよく、ヘルムホルツ・コイル１の励磁周波数は数十ｋＨｚ前後からそれ以上とする（渦電流モードと呼ぶ）。また、磁気誘導効果を利用するなら、コア３は透磁率の大きな磁性体金属がよく、励磁周波数は１０ｋＨｚ前後とする（磁気誘導モードと呼ぶ）。
【０００８】
こうして得られる交流差動出力ｅ１−ｅ２は、その振幅が変位ｄｍの大きさに比例し、位相が変位ｄｍの方向を示しているので、単に交流電圧計で測定したのでは変位ｄｍの大きさしか分からない。このため、交流差動出力ｅ１−ｅ２は、位相弁別回路等を内蔵するシグナルコンディショナを用いて変位ｄｍの大きさと方向を知る様になっている。
【０００９】
なお、特開２００１−６６１０３号で発明の効果についての説明中に、回転角度の測定も可能との記述（５頁、段落番号００３０、図示略）があり、ヘルムホルツ・コイルと検出コイルの共通軸（本発明では「中心軸」としている）に対して、直角方向から軸を介して偏心コアを挿入し、軸を回転させて角度が計れる旨説明している。この場合、コアの動きはあくまでも平等磁界中で共通軸に沿って、すなわち、磁界に沿って偏心（変位）しており、本発明のようにヘルムホルツ・コイルの中心軸および平等磁界を横切るようには変位していない。
【００１０】
特開２００１−６６１０３号の変位検出器は、この様な構成・作用に基づいているので、その測定範囲はヘルムホルツ・コイルの平等磁界の範囲（この場合、磁界に沿った共通軸方向）に制約され、基本的に微小変位の検出器となる。例えば、１ｍｍ以下の微小変位の測定時には、平等磁界の範囲が１ｍｍ、ヘルムホルツ・コイルの直径が６ｍｍ（原理上、測定範囲の約６倍必要）、その間隔が３ミリ（原理上、測定範囲の約３倍必要）程度となって、検出コイルも含めて差動トランスのコイルの様に大きな形状にはならず、応答も速い。また、変位検出器として他の物理量センサに組み込む場合には、さらに小さな変位測定でよく、一層形状効果が発揮され有利となる。その一方で、５０ｍｍの変位測定をしようとすると、平等磁界の範囲が５０ｍｍ、ヘルムホルツ・コイルの直径が３００ｍｍ、その間隔が１５０ｍｍとなり、平等磁界中でコアを磁界に沿って変位させる限り、この関係は打破できず、大きな変位の測定には適さないと言う欠点があった。
【特許文献１】特開２００１−６６１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ヘルムホルツ・コイルを用いた変位センサの測定範囲について、ヘルムホルツ・コイルの平等磁界の範囲に制約されない様にして、大きな変位の測定を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題を解決するための請求項１の発明は、ヘルムホルツ・コイルと２個一組の検出コイルの中心軸を一致させて形成する２個一組の空芯トランスと、２個一組の非磁性体金属の磁気遮蔽体と、２枚一組で長手方向に非対称な形状にした非磁性体金属板を軸の両側で点対称な位置に固定した変位検出用のコアとを構成要素として、渦電流効果の期待できる程度の高い周波数でヘルムホルツ・コイルを励磁すること、磁気遮蔽によって不要な磁束を排除してコアを平等磁界中で磁界を横切る様に変位させること、コアの点対称な形状を利用してコアに一組の差動的な渦電流効果が生じるようにしてあたかもコアが平等磁界に沿って変位したかの様に機能させること、コアの渦電流効果を２個一組の空芯トランスに差動的に与えること、を併せて課題を解決するための手段としており、以下、順を追ってその作用について説明する。
【００１３】
２個一組の空芯トランスは、最初にヘルムホルツ・コイルの仕様を定めてから、検出コイルの配置を決める。このとき、一般の電子機器用空芯トランスの設計とほぼ同様に考えて良いが、個々の空芯トランス内でコイルの位置関係（上下左右など）や間隔は結合係数に関係してくるので、２個一組の対称性には注意する。
【００１４】
なお、特開２００１−６６１０３号においては、「空芯トランス」および「結合係数」という用語は用いていなかったが、本発明では使用している。変位検出用のコアを用いていながら「空芯」としたのは、以下の理由による。一般の電子機器用トランスでは、磁路全体を磁性体のコアで形成して、１次・２次コイル間の結合係数を１に近づけている。これに対し、本発明では磁路全体を磁性体のコアで形成することはなく、また、ヘルムホルツ・コイルと検出コイルの結合係数も１より小さい。逆にコアの渦電流効果がコイル自体の結合係数を見かけ上減少させており、その減少の程度を差動的に制御して交流差動出力を得ているとの見方もできるので、この様な概念を取り入れた方が発明の正確な把握・説明に役立つと考えたことによる。
【００１５】
磁気遮蔽は一般には困難なことの一つとされるが、本発明では磁界（磁束の流れ）を乱すことなく強さのみを弱めると言うさらなる要求もある。そこで、２個一組の非磁性体金属からなる磁気遮蔽体を平等磁界周辺の不平等な磁界（不要な磁束の流れ）の中において、渦電流効果を利用した磁気遮蔽を用いている。磁気遮蔽の原理は、磁気遮蔽体を不要な磁束が貫いたとき、渦電流が生じて貫いた元の磁束を打ち消す方向に新たな磁束が生じる現象の応用である。これによって、コアをヘルムホルツ・コイルの中心軸に対して横切る様に挿脱しても、不平等な磁界にさらされることなく、平等磁界のみの影響下で変位可能にしている。
【００１６】
平等磁界中でのコアの役割は、２個一組の空芯トランスを形成する検出コイルに交流差動出力を生じる様に振る舞うことである。そのためには、コアは、平等磁界中で磁界を横切る様に変位したとき、あたかも平等磁界に沿って変位したかの様に振る舞う必要がある。その一つの手段として、２枚の細長い矢形をした非磁性体金属板を用いて、両端を互い違いに揃えてから、一つの軸に添える様に左右両側の対称的な位置に取り付けて、点対称な形状にしている。
【００１７】
いま、被測定体の変位に応じて、コアに生じる渦電流効果が２個一組の空芯トランスに差動的に作用した場合を考えると、見かけ上コアに近い方（平等磁界中に占めるコア面積の大きい方）の空芯トランスで、コアの渦電流が増加→磁束の打ち消しが増加→磁束鎖交数が減少→見かけ上結合係数が減少→検出コイルの出力が減少、同時に、他方の空芯トランスで、コアの渦電流が減少→磁束の打ち消しが減少→磁束鎖交数が増加→見かけ上結合係数が増加→差動的に検出コイルの出力が増加、する。こうして、空芯トランスを形成する検出コイルに得られる交流差動出力は、位相弁別回路等を内蔵したシグナルコンディショナを用いて被測定体の変位の大きさと方向を知ることが可能となる。
【００１８】
以上に述べた手段によって、ヘルムホルツ・コイルの平等磁界の範囲による制約から解放されて、変位の測定範囲を決める要因は、平等磁界の範囲ではなく、コアの長さである、としたことを最大の特徴とする。
【００１９】
この課題を解決するための請求項２の発明は、コアに生じる渦電流効果ではなく磁気誘導効果を用いて課題を解決している。すなわち、ヘルムホルツ・コイルと２個一組の検出コイルの中心軸を一致させて形成する２個一組の空芯トランスと、２個一組の非磁性体金属の磁気遮蔽体と、２枚一組で長手方向に非対称な形状にした磁性体金属板を軸の両側で点対称な位置に固定した変位検出用のコアとを構成要素として、磁気誘導効果の期待できる程度の低い周波数でヘルムホルツ・コイルを励磁すること、 磁気遮蔽によって不要な磁束を排除してコアを平等磁界中で磁界を横切るように変位させること、 コアの点対称な形状を利用してコアに一組の差動的な磁気誘導効果が生じる様にしてあたかもコアが平等磁界に沿って変位したかの様に機能させること、コアの磁気誘導効果を２個一組の空芯トランスに差動的に与えること、を併せて課題を解決するための手段としており、以下、請求項１の渦電流効果を用いた場合との作用の違いについて説明する。
【００２０】
請求項１における非磁性体金属のコアによる渦電流効果は、周りの磁束の流れを乱すことなく作用し、空芯トランスを形成する検出コイルの差動出力は、見かけ上コアに近い方で減少、他方で増加した。これに対し、請求項２の磁性体金属のコアによる磁気誘導効果は、周りの磁束を引き込む様に作用する（ただし、平等磁界は崩れない）ことから、見かけ上コアに近い方（平等磁界中に占めるコア面積の大きい方）の空芯トランスで、磁気誘導が増加→磁束鎖交数が増加→見かけ上結合係数が増加→検出コイルの出力が増加、同時に、他方の空芯トランスで、磁気誘導が減少→磁束鎖交数が減少→見かけ上結合係数が減少→差動的に検出コイルの出力が減少、する。
【００２１】
従って、請求項１の渦電流効果を利用した場合と、請求項２の磁気誘導効果を利用した場合とでは、交流差動出力の極性が反転するので、位相弁別回路等を内蔵したシグナルコンディショナとの組み合わせ段階で考慮する。
【００２２】
この課題を解決するための請求項３の発明は、請求項１および２の構成において、変位検出用コアの形状を単純化・小形化する狙いから、コアの形状と共にヘルムホルツ・コイルの中心軸を横切る様に挿脱する位置を２個一組の空芯トランスの何れか一方に偏倚したことを特徴としている。
【００２３】
コアの形状は長手方向（軸方向）に対して非対称、例えば、細長い矢形の非磁性体又は磁性体金属板１枚にして単純化する。コアをこの様な形状にするのは、２個一組の空芯トランスの何れか一方に偏倚して平等磁界中で磁界を横切る様に変位させるためである。因みにこの形状のコアを平等磁界の真ん中で磁界を横切る様に変位させた場合には、２個一組の空芯トランスの結合係数が見かけ上常に同じ値になって、検出コイルに交流差動出力が得られなくなる。
【００２４】
２個一組の空芯トランスの何れか一方に偏倚して、平等磁界中に細長い矢形の非磁性体又は磁性体金属のコアを磁界を横切る様に挿脱すると、近くの空芯トランスの結合係数が大きく変化、他方の結合係数が小さく変化する。この結合係数の偏りは、空芯トランスを形成する検出コイルに交流差動出力として、また、最終的にはシグナルコンディショナの直流差動出力として偏った固定出力となって現れる。
【００２５】
この状態で、被測定体の変位に応じて、コアが平等磁界中で磁界を横切る様に変位した場合には、偏った固定出力を基点にして、被測定変位がその上下に変化するので、位相弁別回路等を内蔵したシグナルコンディショナにおいて、偏った固定出力を零点調整で補正することでコアを単純化・小型化して変位測定ができる様になる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明変位センサは、ヘルムホルツ・コイルを用いて、変位測定用のコアを平等磁界の外部から平等磁界中に挿脱して、平等磁界を横切りながら変位を測定するので、従来から存在する各種の変位センサに比べ、次の様な点で有利となる。
【００２７】
ヘルムホルツ・コイルを用いているので、コイルの巻き数を少なくすることができ、平面コイル・プリント配線コイル・ＩＣコイル等も使用できる。変位の測定範囲が平等磁界の範囲に左右されないので、測定範囲はコアの長さで決めることができ、差動トランスのようにコイルが長大化しない。渦電流効果・磁気誘導効果の何れも利用することができるので、コアの形状・材料の選択範囲が広く、また、特殊な材料も必要としない。ミリ単位からメートル単位の変位まで静的・動的変位を問わず測定できる。コアは挿脱が自由なので、取り替えて変位の測定範囲を変えることもできる。渦電流効果はこの他にも興味深い性質を備えており、磁気を応用した変位センサでありながら、差動トランスが動作不能になるような静磁場中でも使用できるし、測定反力を極めて小さくすることも、また、零にすることもできる。基本的に少ない巻き数のコイルとコアを主体にした単純な構造なので、ホイートストンブリッジ回路を用いるひずみゲージのような零点変動がない。また、コイルとコア間に接触・摩耗部分がない、油や水などの悪環境に強い、安価にできる、等の利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
【００２９】
磁気を応用した変位センサでは、通常、変位検出用のコアが磁界に沿って変位するので、測定範囲は磁界の制約を避けることできない。これに対し本発明では、変位検出用のコアを平等磁界中で磁界を横切る様に変位させると共に、点対称なコア形状を利用して、あたかもそれが中心軸に沿って変位したかの様に機能させることで変位測定範囲の拡張を可能にしている。
【００３０】
図１は、本発明の基本構成を示す斜視図で、１０はヘルムホルツ・コイル（半径をｒ、間隔をｄとするとｄ＝ｒ）、１５ａおよび１５ｂは２個一組の空芯トランス、２０は２個一組の検出コイル、３０は変位検出用のコア、４０は軸、５０は非磁性体金属よりなる２個一組の磁気遮蔽体である。ｄｍは被測定体（図示略）の変位に応じたコア３０の変位を示す。
【００３１】
ヘルムホルツ・コイル１０と検出コイル２０の中心軸ｃｌを一致させ、両コイルを接近させて対称的な２個一組の空芯トランス１５ａ、１５ｂを形成する。このとき、２個一組の対称性には注意する。また、結合係数については、通常の電子機器用空芯トランスと同様な考えで、少し離して巻いても、重ねて巻いても、両コイルの線を同時に巻くバイファイラー巻きにしてもよい。
【００３２】
ヘルムホルツ・コイル１０の平等磁界ｈｅが生じる範囲は、ヘルムホルツ・コイル１０の中心軸ｃｌ上の中央部分においてコイル径（２×ｒ）および間隔ｄのそれぞれ１／３程度で、扁平な円筒状をしている。この平等磁界ｈｅの周辺では、どの方向にも周りに行くほど磁界の強さを弱め不平等な磁界となるので、当然、不要な磁束も存在することになる（背景技術説明用の図８のイメージ、図９のグラフ参照）。
【００３３】
この不要な磁束を排除して、変位検出用のコア３０が平等磁界ｈｅのみの影響下で変位可能とするため、ヘルムホルツ・コイル１０の中心軸ｃｌを横切るような方向から磁気遮蔽体５０を空芯トランス１５ａ、１５ｂの間に中心軸ｃｌを通るように設けて磁気遮蔽を行っている。このとき、中心軸ｃｌを横切る方向は、直角方向を基本とするが、多少の傾きは問題とはならない。
【００３４】
渦電流による磁気遮蔽効果は、出来るだけ固有抵抗の小さな非磁性体金属を用いて磁気遮蔽体５０とし、出来るだけ高い周波数を用いてヘルムホルツ・コイル１０を励磁したとき、より効果的となる。このため、銅やアルミ等を用いて磁気遮蔽体５０とし、ヘルムホルツ・コイル１０の励磁周波数は数十ｋＨｚ前後からそれ以上にするのがよい。これについては、コア３０の渦電流効果にも同様なことがいえるが、仮に数十ｋＨｚ前後を下回った低い励磁周波数でも動作は可能であるが、渦電流効果としては低下する傾向にある。
【００３５】
こうして、軸４０と共に平等磁界ｈｅ中に挿脱可能な変位検出用コア３０の磁気遮蔽空間を確保するが、強磁性体を用いた磁気遮蔽とは異なり、周囲の磁束の流れは変えないので本発明に即した磁気遮蔽と言うことができる。
【００３６】
一方、コア３０の形状は、平等磁界ｈｅ中で磁界を横切る様に変位することと併せて重要である。非磁性体金属、例えば、銅やアルミ等を用いて同形で２枚一組の矢形をした金属板を用いて両端を互い違いに揃えてから、図１の様に軸４０の左右両側の対称的な位置に取り付けて、点対称な形状としている。このとき、２枚一組の金属板の間隔は平等磁界ｈｅ中で適宜に決めて良い。
【００３７】
軸４０と共にコア３０が平等磁界ｈｅ中および中心軸ｃｌ上を横切る様に変位したとき、コア３０は中心軸ｃｌ方向には変位しないが、あたかも中心軸ｃｌに沿って変位したかの様な機能を見せる。すなわち、いま平等磁界ｈｅ中にコア３０があるとして、点対称な２枚の非磁性体金属板が平等磁界ｈｅ中に占める面積に差があると、面積の多い方の非磁性体金属板では渦電流が多く、多くの磁束を打ち消し、検出コイル２０の磁束鎖交数が減少し、その出力が減少する。この金属板の面積が多い方の検出コイル２０の出力を仮にｅ２とする。
【００３８】
同時に、面積の少ない方の非磁性体金属板では渦電流が少なく、磁束の打ち消しも少なく、検出コイル２０の磁束鎖交数が増加し、その出力が増加する。この金属板の面積が少ない方の検出コイル２０の出力を仮にｅ１とすると、交流差動出力ｅ１−ｅ２が得られる。被測定体の変位ｄｍと共にこれら一連の動作が間断なく繰り返され、本発明を最も特徴づける機能となっている。
【００３９】
ここにおいて、コア３０のみを非磁性体金属から磁性体金属に変更した場合を考えてみる。ヘルムホルツ・コイル１０の発生する磁界は、差動トランスの場合と同様にコア３０に引き寄せられ、コア３０は周りの磁束を引き連れながら変位する様になる。このため、平等磁界ｈｅ中に留まっているコア３０で２枚の磁性体金属板の面積に差があると、面積の多い方の磁性体金属板に多くの磁束が引き寄せられ、検出コイル２０の磁束鎖交数が増加、その出力が増加する。これを仮にｅ２とする。同時に、面積の少ない方の磁性体金属板では磁束の引きつけが少なく、検出コイル２０の磁束鎖交数が減少、その出力が減少、これを仮にｅ１とすると、交流差動出力ｅ２−ｅ１が得られる。
【００４０】
従って、コア３０が、非磁性体金属の場合と磁性体金属の場合では、変位ｄｍに対する交流差動出力ｅ１−ｅ２の極性が逆になるので、位相弁別回路７１等を内蔵したシグナルコンディショナ７０との組み合わせ段階で考慮する必要がある。通常はコア３０の材質に関係なく、右方向への変位ｄｍをプラス、左方向への変位ｄｍをマイナスと定めたら、シグナルコンディショナ７０の直流差動出力Ｅｏの極性をそれに合わせる様にする。
【００４１】
図２は、図１の磁気遮蔽体５０の形状を変更した斜視図であり、２個一組の円盤状をした磁気遮蔽体５０ａとしたもので、構造の単純化・多機能化・コストダウンなどを目的に応じて選択可能にしている。
【００４２】
構造を単純化することで、ヘルムホルツ・コイル１０と検出コイル２０と磁気遮蔽体５０ａとを一体化し易く、コア３０の移動空間も周辺が解放されるので、設計の自由度も増す。また、コア３０の形状を全体又は一部に曲線を用いた関数型、すなわち、変位に対する交流差動出力ｅ１−ｅ２を一定の関数関係にしたり、非直線性の改善をしたりできる他、コア３０のみを幾つも用意して取り替えて使用したりする等の多機能化も実現し易くなる。なお、図２を分かり易くするため、磁気遮蔽体５０ａを実際的な形状よりも、孔径を大きく、外径を小さく、間隔を広く、強調表示している。
【００４３】
図３は、ヘルムホルツ・コイル１０と検出コイル２０の接続図を示す。図中で各コイルに付した黒点は各コイルの巻きはじめを示し、ヘルムホルツ・コイル１０に励磁電圧ｅｖが印加されると、２個のコイルに同一電流が同一方向に流れ、発生磁界が加算されて平等磁界ｈｅが得られることを示している。なお、ヘルムホルツ・コイル１０の一方を逆極性に接続すると、逆接続ヘホルムホルツ・コイルとなって、平等磁界ｈｅに代わって図９に示す様な傾斜磁界ｈｇが得られ、アンテナなどに利用されているが、これについては別途後述する。他方、検出コイル２０では、２個のコイルの出力が引き算されて交流差動出力ｅ１−ｅ２となることを表している。なお、コア３０と軸４０は、変位ｄｍと交流差動出力ｅ１−ｅ２との関係を考慮、略図化して記入した。
【００４４】
図４は、図１および図２のコア３０を単純化した例の部分的な斜視図であり、構造の単純化・軽量化・コストダウンなどを目的としている。コア３０ａが２個一組の空芯トランス１５ａ、１５ｂの何れか一方に偏倚して、平等磁界ｈｅ中で磁界を横切って変位する位置を平等磁界ｈｅのイメージと共に示している。
【００４５】
コア３０ａは、その形状を軸方向に非対称な細長い矢形の金属板１枚にしているので、仮にコア３０ａが中心軸ｃｌ上に長さｓを持つ平等磁界ｈｅの真ん中（ｓ１＝ｓ２の点）を変位した場合には、２個一組の空芯トランス１５ａおよび１５ｂに対して磁気的に差動的な影響を及ぼすことができなくなり、検出コイル２０に交流差動出力ｅ１−ｅ２が得られない。
【００４６】
従って、この形状のコア３０ａは、２個一組の空芯トランスの何れか一方に偏倚して平等磁界ｈｅ中で磁界を横切る様に変位させる必要があり、平等磁界ｈｅの軸方向長さｓをｓ１：ｓ２に按分する点として、ｓ１およびｓ２を適宜定める。すなわち、ｓ１とｓ２の何れかを小さく他を大きくして、コア３０ａを平等磁界ｈｅの何れか一方の端に近づけて挿脱可能にする。
【００４７】
この様にして、コア３０ａが平等磁界ｈｅの何れか一方の端近くで、平等磁界ｈｅ中で磁界を横切って変位すると、コア３０ａに近い側の空芯トランス１５ａ又は１５ｂで結合係数が大きく変化、他方の空芯トランス１５ｂ又は１５ａで小さく変化する。この結合係数の偏りを与えることによって、はじめてコア３０ａの変位ｄｍが交流差動出力ｅ１−ｅ２を生みだす様になり、被測定変位ｄｍが結合係数の偏りを中心に上下する様になる。
【００４８】
また、この結合係数の偏りは、検出コイル２０の交流差動出力ｅ１−ｅ２に偏った固定出力となって現れるので、位相弁別回路７１等を内蔵したシグナルコンディショナ７０と組み合わせて、零点調整など必要な補正を行って使用する。なお、コア３０ａは非磁性体金属又は磁性体金属の何れでもよいが、前述の様に両者の交流差動出力ｅ１−ｅ２の極性が反転するので注意する。
【００４９】
図５は、図１および図２のコア３０を巻き尺状に変更した例の部分的な斜視図であり、コア３０ｂ自体の変位スペースを小さく変更した例である。すなわち、コア３０ｂの形状を細長い矢形とし、全体を巻き尺状にしてケース内に巻き込んでいるため（巻き込み用のばね等は図示略）、静的な変位測定に限られるが、狭い空間での大きな変位測定にも対応できる。平等磁界中を変位するコアの位置等は図４において記載した内容と同様である。
【００５０】
図６は、本発明変位センサ６０とシグナルコンディショナ７０とを組み合わせて変位測定装置を構成したブロック図である。また、図７は、変位ｄｍに対する検出コイル２０の交流差動出力ｅ１−ｅ２、シグナルコンディショナ７０の位相弁別出力Ｅｓ、直流差動出力Ｅｏ等を示すグラフである。変位センサ６０は、発振回路７４の励磁出力ｅｖを印加されて、被測定体の変位ｄｍに応じて、変位の大きさと方向を持つ交流差動出力ｅ１−ｅ２を発生する。
【００５１】
交流差動出力ｅ１−ｅ２は、図７のようにＶ字特性を示し、変位ｄｍの方向がプラス・マイナス何れの方向であっても、変位の絶対値が同じなら同じ値なる。いま、この値を知るために交流電圧計を用いたとすれば、電圧の大きさから変位の大きさは分かるが、どちらの方向に変位したのかは分からないので、位相弁別という機能が必要となる。
【００５２】
位相弁別回路７１は、交流差動差動出力ｅ１−ｅ２の検波と平滑を行って、位相弁別出力Ｅｓとして、図７に示すように変位の大きさを直流電圧で、変位の方向をプラス・マイナスの符号で識別できる様にする。位相弁別出力Ｅｓは、電圧レベルも低く、零点調整や感度調整も必要とするので、増幅回路・出力回路で適宜増幅と必要な調整を行って最終的に変位ｄｍの大きさと方向を示す直流差動出力Ｅｏとする。
【００５３】
なお、本発明は、これまでの説明に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で多くの変更を加えることができる。
【００５４】
例えば、前述の逆接続ヘルムホルツ・コイルも本発明に応用でき、ヘルムホルツ・コイルの一方を逆接続にした側で検出コイルも逆接続にすると、これまでの説明通りに変位測定が可能となる。
【００５５】
また、コアの点対称中心をコアの軸上あるいは軸外の任意の点に移動すること、コアに用いる長手方向に非対称な金属板を異種金属で複数枚の組み合わせとすること、軸を片持ちにすること、軸に目盛りを付すこと、軸を中空にすること、コアと軸を樹脂等で覆って一体化すること、取り付け上の制約がある場合には、軸をヘルムホルツ・コイルの中心軸に対して直角方向から意識的に傾けて挿入すること等も可能である。
【００５６】
また、コアの形状を細長い直角三角形状にして一層軽量化することもできる。コアをこの様な形状にすると、コアの面を水平方向にして平等磁界中に挿脱することもより容易となる。その他、コアの一部に孔や切り欠きを設けて変位に対する交流差動出力を任意に変更すること等も可能である。
【００５７】
また、磁気遮蔽体を複数の異種金属で構成して、磁気遮蔽効果を高めることも可能である。
【００５８】
さらに、ヘルムホルツ・コイル、２個一組の検出コイル、２個一組の磁気遮蔽体を中心軸上で一体構造として製作したうえ、変位の測定時とは逆に、外部からの電気信号によりそれらが中心軸を横切るように、あるいは、中心軸に沿って一定の変位を生じる様な機能を予め与えておいて、被測定体が静止状態にあるときを見計らって、動作点検や変位校正を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の基本構成を示す斜視図である。
【図２】図１の磁気遮蔽体の形状を変更した斜視図である。
【図３】ヘルムホルツ・コイルと検出コイルの接続図である。
【図４】図１および図２のコアを単純化した例の部分的な斜視図である。
【図５】図１および図２のコアを巻き尺状にした例の部分的な斜視図である。
【図６】本発明変位センサとシグナルコンディショナとを組み合わせて変位測定装置を構成したブロック図である。
【図７】変位に対する交流差動出力、直流差動出力等を示すグラフである。
【図８】本発明に関連する特開２００１−６６１０３号の説明図である。
【図９】本発明に関連する特開２００１−６６１０３号の説明図である。
【図１０】本発明に関連する特開２００１−６６１０３号の説明図である。
【図１１】本発明に関連する特開２００１−６６１０３号の説明図である。
【符号の説明】
【００６０】
１、１０  ヘルムホルツ・コイル
２、２０  検出コイル
３、３０、３０ａ、３０ｂ  コア
４、４０、４０ａ、４０ｂ  軸
５０、５０ａ  磁気遮蔽体
６０  変位センサ
７０  シグナルコンディショナ
７１  位相弁別回路
７２  増幅回路
７３  出力回路
７４  発振回路
７５  電源回路
ｃｌ  ヘルムホルツ・コイルおよび検出コイルの中心軸
ｄ    ヘルムホルツ・コイルの間隔
ｄｍ  変位
ｅ１、ｅ２  検出コイルの出力
ｅ１−ｅ２  交流差動出力
ｅｖ  励磁電圧
Ｅｓ  位相弁別出力
Ｅｏ  直流差動出力
ｈｅ  平等磁界の範囲
ｒ    ヘルムホルツ・コイルの半径
ｓ    平等磁界の軸方向長さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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