JP5399157B2 - 磁気測定センサ - Google Patents

Description

本発明は、板形状の磁性体の二次元平面における磁気特性を得るために用いられる磁気測定センサに関する。

省エネルギー化のために電気機器のエネルギーの高効率化が検討されている。この電気機器のエネルギーの高効率化を達成する手段として、電動機や変圧器などの鉄心材料に用いられている電磁鋼板の磁気損失を減らす必要がある。このためには、この電磁鋼板の局所磁気特性を正確に把握する必要がある。
この局所磁気特性を測定するため、二次元ベクトル磁気特性を利用した磁気センサが使用される。
従来の磁気測定センサは、非特許文献１に示すように、Ｘ方向とＹ方向との磁束密度を測定するための２組の探針と、磁界強度を測定するための各方向のコイルとを有している。これらの探針の中にはバネを有しており、圧力を加えることによって確実に試料に接触する。

榎園、藤山、芹川「三相誘導電動機モデル鉄心の局所二次元磁気特性分布」電気学会論文誌Ａ、１１９巻１１号、１３３６〜１３４１頁

しかしながら、非特許文献１に記載の発明によれば、電磁鋼板は絶縁被覆が施されており、通常の探針では絶縁被覆を貫通することができなかった。そのため、従来の磁気測定センサにて測定する際、絶縁被覆を剥離する必要があった。
さらにまた、従来の磁気測定センサで用いられてきたコイルは、サイズが大きい。しかし、十分な感度を得るためにはコイルの小型化、つまり、磁気測定センサの小型化が困難であった。

そこで、本発明は、測定精度を向上させた磁気測定センサを提供することを目的とする。また、電磁鋼板の絶縁被覆を剥離せずに、正確な磁気特性を得ることができ、コイルの小型化を達成した磁気測定センサを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、センサベースと、このセンサベースの先端平面から、測定される電磁鋼板に接触される各探針が四角形の頂点に位置するよう同一長さで突出し、かつ上記電磁鋼板の磁束密度を測定するための４本の探針と、上記センサベースの先端部のうち、このセンサベースの先端平面より下方領域に埋没され、かつそれぞれの巻き方向が成す角度が９０度となるように保持されるとともに、交流励磁された上記電磁鋼板の誘起電流から、この電磁鋼板の磁界強度を検出する２個のコイルとを有し、対角位置に存する２本の上記探針を１組の測定部とすることにより、２組の測定部を構成し、各測定部の２本の探針は２本の配線の一端に、上記センサベースの先端平面にてそれぞれ接続され、これら配線の他端はそれぞれ電圧検出部に接続された磁気測定センサであって、上記センサベースの先端平面には４箇所の孔が設けられ、これらの孔にバネがそれぞれ収納され、上記各探針の基端部が上記各孔にそれぞれ挿入され、これらの探針が孔から突出するように上記バネにより付勢されているとともに、これらの孔の内周面には螺旋状の溝が形成され、これらの螺旋状の溝に螺合されるように各探針の基端部の外周面にねじが形成され、上記センサベースの先端平面には、上記探針と上記電圧検出部とを電気的に接続する上記配線が形成されたフレキシブル基板が設けられた磁気測定センサである。

請求項１に記載の発明によれば、それぞれの巻き方向が成す角度が９０度になるように保持された２個のコイルを有している。このため、電磁鋼板のＸ方向及びＹ方向における磁界を検知することができる。
また、この磁気測定センサは４本の探針を有している。これらの探針は四角形の頂点に位置するように同一長さで突出している。対角位置に存する２本の探針を１組の測定部とすることにより、２組の測定部を構成している。このように構成することにより、電磁鋼板のＸ方向及びＹ方向における磁束密度を測定することができる。
この磁束密度を測定するに際し、本発明は、探針の先端部に近い位置、すなわち、センサベースの先端平面に接続している。このため、電磁鋼板の近い位置から測定することにより、従来より測定誤差を小さくすることができる。
また、センサベースに形成された４箇所の孔には螺旋状の溝が形成されている。そして、この螺旋状の溝に螺合されるように探針の基端部の外周面にはねじが形成されている。この孔に探針が挿入されている。このため、探針を押圧すると、螺旋状の溝とねじにより探針が回転する。探針が回転すると、てこの原理により探針は絶縁被覆を貫通し、電磁鋼板に接触させることができる。
また、孔の中にバネが収納されている。このため、押圧を解除すると、探針は逆回転し、探針は押圧前の状態に戻される。

探針は、電磁鋼板における磁束密度を求めるために設けられている。導電性の板状の磁性鋼板に探針を接触させる。その後、電磁鋼板が交流励磁される。この際に鋼板に渦電流が発生する。この渦電流を測定することによって、磁束密度を算出することができる。
コイルは、電磁鋼板における磁界強度を求めるために設けられている。電磁鋼板が交流励磁された際に、電磁鋼板表面の磁界から誘起され、コイルに電気が流れる。その電圧を測定することによって、磁界強度を算出することができる。
リード線の断面積Ｓｃ、巻数Ｎのコイルに流れる電気の電圧Ｖｃ、探針の断面積Ｓｐ［ｍ^２］、探針間の電位差Ｖｐ［Ｖ］の場合、探針間の磁束密度Ｂ及び磁界強度Ｈは、

にて求めることができる。

上記フレキシブル基板の材質は、フェノール、エポキシ、ポリイミド、ポリスチレンなどを採用することができる。好ましいものは、ポリイミド、ポリスチレンである。これらの材質は誘電損失が小さく、基板によるノイズの影響を小さくすることができる。

この発明にあっては、上記２個のコイルを外径０．０３ｍｍ以下のエナメル線で構成するようにした方が望ましい。上記コイルが使用するエナメル線の外径を０．０３ｍｍ以下と極細線を使用することで、コイルの巻き数が増えてもコイルが大型化することがなく、結果として磁気測定センサを小型化することができる。

本発明に係る磁気測定センサによれば、測定精度を向上させることができる。また、電磁鋼板の絶縁被覆を剥離せずに、正確な磁気特性を得ることができ、コイルの小型化を達成することができる。

本発明の実施例に係る磁気測定センサの分解斜視図である。 本発明の実施例に係る磁気測定センサの縦断面図である。 本発明の実施例に係る磁気測定センサの左側面図である。 本発明の実施例に係る磁気測定センサの縦断面の拡大図である。 本発明の実施例に係る磁気測定センサの先端部分における探針とフレキシブル基板との関係を示す説明図である。

本発明の実施例に係る磁気測定センサ１０は、図１に示すように、メインベース１１に嵌め込まれたサブベース１２にフレキシブル基板１４が設けられている。そして、このサブベース１２にコイルベース１５が設けられ、このコイルベース１５にコイル１６が取り付けられている。
上記メインベース１１と、上記サブベース１２に形成された４箇所の探針挿入孔部に４本の探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが、同じ長さだけ突出するように設けられている。

上記メインベース１１は、プラスチック製で形成された直方体の部材である。このメインベース１１の先端には、平面視して四角形の凹部１１ａが形成され、この凹部１１ａの周縁部分に４箇所の探針挿入孔１１ｂが形成されている。この探針挿入孔１１ｂの内壁には螺旋状の溝が形成されている。この探針挿入孔１１ｂの内部にはバネ１１ｄが収納されている。
また、この凹部の中央部分に第１のケーブル挿通貫通孔１１ｃが形成されている。

上記サブベース１２はプラスチック製で形成された略直方体の部材である。このサブベース１２の中央部分に第２のケーブル挿通貫通孔１２ｃが形成されている 上記探針挿入孔１１ｂと重なり合う位置に探針挿入貫通孔１２ｂが形成されている。
このサブベース１２は、上記凹部１１ａの大きさと略等しく形成されている。
このサブベース１２は、この凹部１１ａに嵌め込まれている。このサブベース１２がこの凹部に嵌め込まれた際に、上記第１のケーブル挿通貫通孔１１ｃと、上記第２のケーブル挿通貫通孔１２ｃとが、重なり合う位置に設けられているため、一つのケーブル挿通貫通孔となる。そして、上記探針挿入貫通孔１２ｂと、上記探針挿入孔１１ｂとが重なり合う位置に設けられているため、４箇所の探針挿入孔部が形成されている。

上記探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、それぞれ同じ長さの金属製の４本の棒材で形成されている。これらの探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，ａ３ｄは対角線が成す角度が９０度である四角形の頂点に位置するように設けられている。これらの探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、それぞれ上記探針挿入孔部に挿入されている。
上記探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの外周面にはねじが形成されている。このねじが上記探針挿入孔１１ｂの内壁に形成された螺旋状の溝に螺合される。このため、メインベース１１を押圧すると、この探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに形成されたねじと、この探針挿入孔１１ｂに形成された溝とが螺合することにより、探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは回転する。
上記探針のうちの１本１３ａと、それに対し対角位置に存在する探針１３ｂとをセットで、一方の測定部１３Ａとする。そして、残りの探針１３ｃ，１３ｄを他方の測定部１３Ｂとする。つまり、一方の測定部１３Ａは、測定対象である電磁鋼板の横方向（Ｘ方向）における磁気特性を測定する測定部として使用し、他方の測定部１３Ｂはこの電磁鋼板の縦方向（Ｙ方向）における磁気特性を測定する測定部として使用する。

上記フレキシブル基板１４は、ポリイミド製フィルムに銅箔を貼り合わせた銅張板の表面に上記銅箔をエッチングや金属メッキにより４本の配線が形成された基板である。これらの配線は、２本で１組の配線部１４ｃ，１４ｄとすることにより、２組の配線部１４ｃ，１４ｄを構成する。一方の配線部１４ｃの配線の一端はそれぞれ一方の測定部１３Ａを構成する探針１３ａ，１３ｂに接続されている。具体的には、このフレキシブル基板１４には対角線が成す角度が９０度である四角形の頂点に位置するように設けられた４箇所の孔があり、これらの孔に、上記探針１３ａ，１３ｂがそれぞれ挿入されている。これらの探針１３ａ，１３ｂと、上記配線の一端とが接する位置に、はんだで探針と配線とを接続している。同様に、他方の配線部１４ｄの配線の一端はそれぞれ一方の測定部１３Ｂを構成する探針１３ｃ，１３ｄに接続されている。
上記一方の配線部１４ｃの配線の他端は、図示しない電圧計に接続されている。

上記コイル１６は、０．０３ｍｍのリード線を平面視して正方形のセラミックス製板の外周面に巻回したものである。このコイル１６は、正方形の横方向に巻回したＨｘコイル１６ａと、正方形の縦方向に巻回したＨｙコイル１６ｂとを有している。つまり、Ｈｘコイル１６ａの巻き方向と、Ｈｙコイル１６ｂの巻き方向とが成す角度が９０°である。このＨｘコイル１６ａと、このＨｙコイル１６ｂとのリード線の巻き数が多くなるに従って、磁気特性の誤差を小さくすることができる。

上記の部材から構成された磁気測定センサ１０は、次のようにして組み立てられる。
まず、メインベース１１の凹部１１ａにサブベース１２を嵌め込む。その後、メインベース１１と、サブベース１２とによる形成された４箇所の探針挿入孔部にそれぞれ探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを挿入する。その後、フレキシブル基板１４に形成された孔に探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを挿入し、サブベース１２に接触させる。フレキシブル基板１４に形成された配線の一端と探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄとの接触する箇所にはんだで固定する。配線の他端は、メインベース１１とサブベース１２に形成されたケーブル挿通貫通孔を用いて外部に設けられた電圧計に接続される。
その後、コイルベース１５をサブベース１２に取付、コイル１６を、コイルベース１５に取り付ける。コイル１６のリード線は、上記ケーブル挿通貫通孔を通り、図示しない電圧計に接続される。

上記の磁気センサ１０を用いて、電磁鋼板の磁気測定を行う方法について説明する。
まず、絶縁被覆が施された電磁鋼板を交流励磁する。次に、この電磁鋼板の表面に、上記探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを接触させる。その後、磁気測定センサ１０を押圧する。この時、探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが回転し、上記絶縁被覆を貫通する。そして、探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが電磁鋼板の導電部分に接触する。
交流励磁された電磁鋼板には渦電流と、その表面に磁界が発生している。電磁鋼板が探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに接触されると、探針間に、渦電流による電気が流れる。この電気の電圧を電圧計で測定する。同時に、表面の磁界により、コイルに電気が流れる。この電気の電圧を電圧計で測定する。これらの電圧計にて測定された電圧を図示しない演算装置にて演算させることにより、電磁鋼板の探針１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ間の磁束密度および磁界強度を求めることができる。

１０ 磁気測定センサ、
１１ メインベース、
１２ サブベース、
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ 探針、
１４ フレキシブル基板、
１６ コイル。

Claims (1)

1. センサベースと、
   このセンサベースの先端平面から、測定される電磁鋼板に接触される各探針が四角形の頂点に位置するよう同一長さで突出し、かつ上記電磁鋼板の磁束密度を測定するための４本の探針と、
   上記センサベースの先端部のうち、このセンサベースの先端平面より下方領域に埋没され、かつそれぞれの巻き方向が成す角度が９０度となるように保持されるとともに、交流励磁された上記電磁鋼板の誘起電流から、この電磁鋼板の磁界強度を検出する２個のコイルとを有し、
   対角位置に存する２本の上記探針を１組の測定部とすることにより、２組の測定部を構成し、
   各測定部の２本の探針は２本の配線の一端に、上記センサベースの先端平面にてそれぞれ接続され、これら配線の他端はそれぞれ電圧検出部に接続された磁気測定センサであって、
   上記センサベースの先端平面には４箇所の孔が設けられ、これらの孔にバネがそれぞれ収納され、
   上記各探針の基端部が上記各孔にそれぞれ挿入され、これらの探針が孔から突出するように上記バネにより付勢されているとともに、
   これらの孔の内周面には螺旋状の溝が形成され、
   これらの螺旋状の溝に螺合されるように各探針の基端部の外周面にねじが形成され、
   上記センサベースの先端平面には、上記探針と上記電圧検出部とを電気的に接続する上記配線が形成されたフレキシブル基板が設けられた磁気測定センサ。

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