(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘルムホルツ・コイル（１）、（２）の外側または内側に、検出コイル（３）、（４）を取り付け、前記ヘルムホルツ・コイル（１）、（２）の平等磁界発生部に、固有抵抗の小さな非磁性体金属よりなる変位検出用のコア（５）を変位伝達用の軸（６）を介して保持し、位相弁別回路を用いて振幅と方向の両者を含めた変位測定が出来るようにしたシグナルコンディショナ（１３ａ）で前記ヘルムホルツ・コイル（１）、（２）を励磁したとき、コア（５）内に生じる渦電流効果を用いて被測定体の変位ｄを測定する変位検出器。
【請求項２】
コア（５）を複数個とした請求項１記載の変位検出器。
【請求項３】
ヘルムホルツ・コイル（１）、（２）と検出コイル（３）、（４）の一方または両者を平面状コイルにした請求項１記載の変位検出器。
【請求項４】
ヘルムホルツ・コイル（１）、（２）の外側または内側に、検出コイル（３）、（４）を取り付け、前記ヘルムホルツ・コイル（１）、（２）の平等磁界発生部に、透磁率の大きな磁性体金属よりなる変位検出用のコア（５）を変位伝達用の軸（６）を介して保持し、位相弁別回路を用いて振幅と方向の両者を含めた変位測定が出来るようにしたシグナルコンディショナ（１３ａ）で前記ヘルムホルツ・コイル（１）、（２）を励磁したとき、コア（５）内に生じる渦電流効果が小さく、磁気誘導効果が主体を占めるようにして被測定体の変位ｄを測定する変位検出器。
【請求項５】
ヘルムホルツ・コイル（１）、（２）の外側または内側に、検出コイル（３）、（４）を取り付け、前記ヘルムホルツ・コイル（１）、（２）の平等磁界発生部に、透磁率の大きな磁性体金属または透磁率の大きな磁性体金属と固有抵抗の小さな非磁性体金属よりなる変位検出用のコア（５）を変位伝達用の軸（６）を介して保持し、位相弁別回路を用いて振幅と方向の両者を含めた変位測定が出来るようにしたシグナルコンディショナ（１３ａ）で前記ヘルムホルツ・コイル（１）、（２）を励磁したとき、コア（５）内に生じる渦電流効果と磁気誘導効果の両者が併存するような励磁周波数を用いて被測定体の変位ｄを測定する変位検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平等磁界を発生するヘルムホルツ・コイルの機能を利用して、大小構造物に生じる変位量を測定する変位検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、大小構造物の変位測定に用いられている差動トランスは、図１３に概略構造を示す断面図と、図１４に１、２次コイルの接続図を示すように、一つの１次コイル１４と二つの２次コイル１５、１６と、その中心部に変位検出用のコア１７と軸１８とを設けている。図１７は、差動トランス１９とシグナルコンディショナ１３ｂを組み合わせ変位測定装置とした例を示すブロック図である。１次コイル１４に一定周波数、電圧の励磁入力ｅｐを加えた上、被測定構造物の動きを軸１８を通じてコア１７に伝えると、コア１７の磁気誘導効果によって二つの２次コイル１５、１６に発生する電圧の大きさｅｏ１、ｅｏ２は、コア１７の動きと共に差動的に増減する様になる。
【０００３】
この差動的に増減する両出力ｅｏ１、ｅｏ２は、図１４に示すようにそれらが引き算となる極性で接続される（図中、コイルに付した黒丸は各コイルの巻き始めを示す）。図１５に示す差動トランスの交流差動出力ｅｏ１−ｅｏ２は、変位ｄの基準点０を中心にプラス、マイナス同振幅の変位ｄが順次与えられると変位ｄに対応した同振幅の交流電圧ｅｏ１、ｅｏ２（ただし位相は逆）が出力軸を挟んで対称の位置に現れる。従って、この交流差動出力ｅｏ１−ｅｏ２では変位ｄの大きさは分かっても基準位置からの変位ｄの方向迄見分ける事は不可能である。
【０００４】
このため、図１７の差動トランス用シグナルコンディショナ１３ｂのブロック図のように、差動トランス１９の二つの２次コイル１５、１６の出力ｅｏ１、ｅｏ２をそれぞれ先ず位相弁別回路９ｂに導いている。これは変位ｄの振幅と方向を、最終的な出力ｅｏの電圧とその極性に対応させて、図１６の直流差動出力ｅｏ（前記交流差動出力ｅｏ１−ｅｏ２に対比させて直流差動出力ｅｏとした）のグラフに示す様に、振幅と方向の両者を含めた変位測定が出来る様にするためである。
（比較的小さな変位測定用差動トランスの例として特許公報  平１−５４８４５参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の差動トランスにあっては、外形寸法を決めるのは主として巻き心の上に密着巻きされたソレノイドコイル自体であり、測定範囲の大小に関わらず形状は筒状で、測定範囲の数倍〜数十倍以上の長さを要し、常に”細長く測定範囲の割に大きく重い”というのが定説であった。従って、変位計として単独で使用する場合は勿論のこと、他の物理量たとえば荷重や圧力その他の量を測定するセンサに組み込み１ミリ程度の変位を計る場合でも、出来上がった製品全体の形状は大きく、重くかつ高価になっていた。
【０００６】
さらに従来の差動トランスには、原理的に二つのグループが存在し、そのひとつは数十キロヘルツ以下（通常１０〜３０キロヘルツ程度）の比較的低い励磁周波数で使用、磁性体コアの磁気誘導効果によって出力をコントロールするもの、他は数十キロヘルツ以上（通常百キロヘルツ程度以上）の高い励磁周波数で使用、非磁性体コア内の渦電流効果を利用して元の磁束を打ち消すことで出力をコントロールするものである。前者は歴史も長く、量的にも圧倒的に多いが一般には大型大重量である。一方後者は歴史も短く、市場も小さいが前者よりは小型のものが多い（前記特許公報  平１−５４８４５は後者の参考例である）。この両者は、互いに他にない特長も持っているので、それらを併せ持った新しい変位検出器の出現も待たれるところである。
【０００７】
また、ＩＣの採用等で技術革新を繰り返すシグナルコンディショナに対して、差動トランス本体の技術革新は取り残された状態にある。すなわち、ソレノイドコイルの１次、２次巻き線に採用されている何百回、何千回という巻き数は、プリント配線技術やＩＣ技術によって小型化、量産化出来る見込みは殆どないままである。
【０００８】
本発明は、変位計として単体で用いても、他の物理量センサに組み込む場合でも小型、軽量、高応答でかつ安価な変位検出器を提供する事を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、従来の差動トランスの１個の１次コイルと２個一組の２次コイルに相当する部分を、２個一組のヘルムホルツ・コイルと同じく２個一組の検出コイルによる構成に変更する。また従来の棒状金属コアに相当する部分を従来形状の他、板状（以下の説明は、便宜上円盤形を中心にして進める）、円筒形、円柱形、球状体等々従来とは異なる形状のコアを使用可能として、それらを測定対象構造物や物理量に応じて選択可能とする。
【０００１０】
一般に磁気を応用した変位の検出器には、その一部に平等磁界となる部分が必要であり、従来の差動トランスは筒状ソレノイドコイルによってそれを実現していた。この平等磁界を得る方法には、他にも単純かつ巧妙で同時に小型化も可能な方法があり、それが商用周波数における電流力計形計器等に用いられ、よく知られているヘルムホルツ・コイルである。
【０００１１】
ヘルムホルツ・コイルは、ドーナツ状ないしは平板状をした半径ｒの同じコイル二つを用意し、両コイルの中心を合わせた上、一直線上に距離を半径ｒに等しく離して対向設置したものである。この二つのコイルをその発生磁界が加算されるように直列に結んで同一電流を流すと、距離ｒを隔てた二つのコイルの中間部分に平等磁界が現れる。この磁界の強さはビオ・サバールの法則から個々のコイルが発生する磁界の強さの１．４３倍になることもよく知られている。
【０００１２】
ここで、ヘルムホルツ・コイルの励磁周波数を数十キロヘルツ以上の高い周波数に選択すると、コア内の渦電流効果が大きくなってくるので、コアは非磁性体で固有抵抗の小さな金属、例えば銅などを使用する。この場合には、渦電流効果を持ったコアがコイルに近づくとそこで励磁による磁束をうち消すので、従ってコアに近い検出コイルは鎖交する磁束が減って、その電圧がより低下するようになり、以下これを渦電流モードと呼ぶことにする。
【００１３】
一方、これとは対照的にヘルムホルツ・コイルの励磁周波数を数十キロヘルツ以下の低い周波数に下げてくると、コア内の渦電流効果は減少し、コアの磁気誘導効果で出力が決まるようになるので、コアは磁性体金属で透磁率の大きなものとする。従って、コアに近い検出コイルにより多くの磁束が結合して、より大きな電圧が発生するようになり、以下これを磁気誘導モードと呼ぶことにする。
【００１４】
このように、ヘルムホルツ・コイルの励磁周波数とコア材質の組み合わせ如何により、同じ変位に対して相反する二つの動作モードが生じるが、これを利用する方法もある。即ち、磁性体コアを単体あるいは非磁性体コアと併用して、磁気誘導モードと渦電流モードが同時に生じる程度の励磁周波数で使用、両動作モードをミックスして、第三の動作モードとして変位検出器の出力特性を改善できる場合がある。また、用途を広める手段とすることもできる。（以下の記述においては、原則として前記渦電流モードを中心に進めることとする）。
【００１５】
また、ヘルムホルツ・コイルは本来、ドーナツ状ないしは平板状をしているが、プリント配線技術やＩＣ技術を用いて平面状にすることも可能であり、変位検出器のさらなる小型化、換言すれば極小化への道も開けてくる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
図１において、半径ｒなるヘルムホルツ・コイル１、２の外側に同心円状の検出コイル３、４を配置する。ヘルムホルツ・コイル１、２の平等磁界発生部に例えば板状（円盤形）のコア５を配置して軸６で支え、軸６を介して与えられた変位ｄを板状（円盤形）のコア５に伝達する。これが本発明変位検出器の基本となる構造であり、図１０に斜視図を、また図１１にはヘルムホルツ・コイル１、２と検出コイル３、４の接続図を示す（なお、図８，図９はそれぞれヘルムホルツ・コイルの原理を示す説明図で、コイルは簡略化し１ターンで示した）。
【００１７】
図２の実施例は、ヘルムホルツ・コイル１、２と検出コイル３、４の位置を内外互いに入れ替えたもので、構造的にはコア５の移動範囲は縮小するが全体としては小型化できる。ヘルムホルツ・コイル１、２と検出コイル３、４の位置関係は任意に選択可能であるが、以下の説明では便宜上、前記図１と同様な配置をもとに進めることとする。
【００１８】
図３の実施例は、前記図１の板状（円盤形）のコア５を複数枚、ここでは２枚にして渦電流に対する電気抵抗を減らした例である。
【００１９】
図４の実施例は、コアを円筒形のコア５ｃに変えた場合を示している。高速作動時にコアの慣性や空気抵抗を減らしたり、また、同時に渦電流効果を高めるために金属あるいは非金属円筒にメッキを施すことも可能である。
【００２０】
図５の実施例は、コアを円柱形のコア５ｄに変えた場合を示す。ヘルムホルツ・コイル１、２の励磁周波数が、例えば１０〜３０キロヘルツ等の低い場合には、コア材質に磁性体金属の採用が可能であり、もう少し細長くして従来の棒状コアに近くする事もできる。
【００２１】
図６の実施例は、傾斜計としての応用で外部から人為的な傾斜入力の必要はなく、容器内で流動体のコア５ｅが重力の作用で移動する。ヘルムホルツ・コイル１、２の励磁周波数を考慮した上、例えば磁性流体等も使用可能である。
【００２２】
図７の実施例は、前記図６同様傾斜計としての応用で、受け皿６の上を球状体のコア５ｆ（形状は大きく強調表示している）が重力の作用で移動するようになっている。図示はしていないが、球状体のコア５ｆは、受け皿６ではなく上方あるいは下方からバネ等で支えても同じ効果が期待できる。
【００２３】
図１２に示すブロック図は、本発明変位検出器７をシグナルコンディショナ１３ａと組み合わせて、変位測定装置を構成した例を示す。この場合、変位測定装置全体としての特性評価は、図１５、図１６にそれぞれ示した交流差動出力、直流差動出力の特性グラフに基づいて、従来の差動トランスと同様な手法で行うことができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００２５】
ヘルムホルツ・コイルの応用により、従来の差動トランスの”細く長く重い”形でなく”小さく軽い”変位検出器が容易に製作できる様になる。これにより、変位計として単体の場合は勿論、他の物理量センサに組み込んだ場合でも最終的な製品形状を小さく、軽く、高応答とし同時に安くすることが可能となる。
【００２６】
ヘルムホルツ・コイルや検出コイルは、プリント配線技術やＩＣ技術により、平面状コイル化、超小形化することも出来る。もともとＩＣ技術の取り入れが容易なシグナルコンディショナと相俟って、極めて小さな変位測定装置の実現も可能となる。
【００２７】
静的な変位からキロヘルツオーダの高速変位の測定まで、幅広く対応する事が可能となる。即ち、ヘルムホルツ・コイル、コアおよび励磁周波数等の組み合わせを測定の要求条件に合わせて選択することが出来るようになる。
【００２８】
コアの磁気誘導効果と渦電流効果のそれぞれを単独で、或いは両者を併せて利用する事も可能となり、変位検出器の出力特性の改善や用途の拡大に役立てることができる。
【００２９】
本発明には多くの変更を加えることが可能で、用途に応じて可能な範囲でヘルムホルツ・コイルの形状（多角形化等）やその励磁周波数、検出コイルやコアおよび支持部の形状迄さまざまに変えて、変位や傾斜にとどまらず他の多くの物理量測定にも応用できる。
【００３０】
例えば、ヘルムホルツ・コイルと検出コイルの共通軸に対して直角方向から軸を挿入、測定目的に応じて各種形状のコアをこの軸上に偏心させて取り付ける。いま、この軸を回転させると実質的なコア位置が変わって軸の回転角度を測定する事ができる。
【００３１】
さらに、加速度を測る例を述べれば、円柱形や球状体等のある程度質量を持ったコアを加速度の大きさによって直線的に移動させればよい。従って、通常はコアに変位を伝える軸に代えて、金属または非金属の支持バネを用いてコアを保持することで対応できる。
【００３２】
この他の物理量においても、前記加速度の測定例のように、物理量が作用したときコアの移動量をその物理量の動きに比例させるようなコア支持体を考えて対応できる。この場合、物理量が動的な変化を伴うようなときは、コア部分に機械的あるいは電気的なダンピングをかけ、周波数特性等を改善することは従来公知の技術で可能である。
【００３３】
この他、ヘルムホルツ・コイルの励磁波形も正弦波のみならず、方形波等にする事もできる。
【００３４】
さらに従来の差動トランスのみでなく、例えば、ひずみゲージ式センサの欠点もカバーすることができる。土木工事現場等で、ひずみゲージ式センサは絶縁低下事故に悩まされることが多い。これはひずみゲージが変形することで出力を発生することに起因している。極言すれば、ひずみゲージ式センサは変形の都度、その内部に”水分や不純物等を吸い込む”動作を繰り返しているので、何時かは絶縁抵抗が低下する恐れがある。本発明変位検出器においては、可動部分はコアと軸または支持バネであり、静止しているコイルの絶縁抵抗保持は容易なので、水中でも油中でも長期間本来の機能を発揮することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明変位検出器の実施例の内、最も基本的な構造を示す断面図である。
【図２】ヘルムホルツ・コイルと検出コイルの位置を入れ替えた変位検出器の実施例を示す断面図である。
【図３】コアを板状（円盤形）で複数枚（図は２枚）にした変位検出器の実施例を示す断面図である。
【図４】コアを円筒形にした変位検出器の実施例を示す断面図である。
【図５】コアを円柱形にした変位検出器の実施例を示す断面図である。
【図６】コアを流動体にした変位検出器（傾斜測定用）の実施例を示す断面図である。
【図７】コアを球状体にした変位検出器（傾斜測定用）の実施例を示す断面図である。
【図８】後記図９と共に、ヘルムホルツ・コイルの原理を示す説明図である。
【図９】前記図８と共に、ヘルムホルツ・コイルの原理を示す説明図である。
【図１０】前記図１に示した、コアを板状（円盤形）にした実施例の斜視図である。
【図１１】本発明を構成するヘルムホルツ・コイルと検出コイルの接続図である。
【図１２】本発明変位検出器とシグナルコンディショナを組み合わせて、変位測定装置を構成した例を示すブロック図である。
【図１３】従来の差動トランスの概略構造を示す断面図である。
【図１４】従来の差動トランスの１，２次コイルの接続図である。
【図１５】従来の差動トランスおよび本発明変位検出器の交流差動出力特性を示すグラフである。
【図１６】従来の差動トランスおよび本発明変位検出器の直流差動出力特性を示すグラフである。
【図１７】従来の差動トランスとシグナルコンディショナを組み合わせて、変位測定装置を構成した例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、２  ヘルムホルツ・コイル
３、４  検出コイル
５  コア
６  軸
７  変位検出器
８  発振回路
９  位相弁別回路
１０  増幅回路
１１  出力回路
１２  電源回路
１３  シグナルコンディショナ
１４  差動トランスの１次コイル
１５、１６  差動トランスの２次コイル
１７  差動トランスのコア
１８  差動トランスの軸
１９  差動トランス
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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