産業用途向け高精度渦電流変位センサー

渦電流変位センサーは誘導変位センサーグループに属し、産業用途に適しています。従来の誘導センサーとは異なり、渦電流センサーの測定原理により、非強磁性材料（アルミニウムなど）と強磁性材料（鋼など）の両方で測定可能です。非接触・非摩耗で変位、距離、位置、振動、振幅、厚さを測定するように設計されており、機械・システムの監視に最適です。圧力、汚れ、温度変動が発生する過酷な産業環境でも測定可能です。

一般的に、高精度測定が要求され、他のセンサーが既存の環境条件に対応できない場面で渦電流変位センサーが使用されます。例えば光学センサーは、測定隙間の汚れや粉塵、高温の影響を受けます。従来の誘導変位センサーはフェライトコアを使用し、比較的高い直線性誤差と低い周波数応答を持ちます。また、周囲温度変動により測定精度が低下します。

導電性金属ターゲット（強磁性・非強磁性を問わず）のみが渦電流変位センサーで測定可能です。非導電性材料は渦電流測定システムからは不可視であり、測定結果に影響を与えません。このため、これらのセンサーはプラスチックや油などの材料を通して金属物体を測定できます。これにより、オイルギャップ測定やプラスチックフィルムをガイドするローラーへの距離測定などの用途が可能になります。

従来型誘導変位センサーの限界

古典的な誘導変位センサーは、強磁性コアに巻かれたコイルを使用します。このコアのため出力が非線形になるため、センサー電子回路でリニアライズするか、ユーザーがプラント制御システムでこの非線形性を考慮する必要があります。

非線形性に加え、コア自体が磁場を吸収することによる鉄損という限界があります。これらの損失は周波数とともに増大し、誘導変位センサーは毎秒約100回測定で性能限界に達します。

誘導変位センサーのもう一つの問題は、フェライトコアの高い熱膨張係数による極端な温度変化への感受性です。これにより温度補償が困難になり、通常大きな熱ドリフトを生じます。

渦電流センサー vs 静電容量センサー

渦電流センサーと静電容量センサーは、電気場の変化に基づいて導電性測定物体までの距離を検出します。渦電流センサーはセンサーコイルのインピーダンス変化で距離を測定します。静電容量センシングでは、センサーと測定物体がコンデンサの極板を形成します。

両タイプともサブミクロン範囲で測定可能です。しかし、動作環境に関しては大きく異なります。渦電流センサーは汚れ、粉塵、湿気を含む過酷な産業環境に最適です。一方、静電容量センサーは電子製造、実験室、クリーンルームのような清浄な環境を必要とします。

渦電流変位センサーの優位性

渦電流センサーは誘導変位センサーおよび近接センサーと同じ磁気誘導の法則を用いますが、空芯コイル構造により、より高い精度、測定速度、安定性を実現します。非線形性と温度ドリフトは問題になりません。

主な利点：

• 最大100kHzの高速測定
• 0.5μm以下の高分解能
• 高い直線性
• 変動する周囲温度での高い温度安定性（内蔵アクティブ温度補償でさらに向上可能）
• 強磁性・非強磁性の両ターゲット材料で測定可能
• 高圧、高温、汚れ、蒸気、油の影響を受けない

渦電流センサーの動作原理

センシングコイルの交流が変化する磁場を生成。この場がターゲットに電流を誘導し、これが渦電流です。交流渦電流は独自の磁場を生成し、センシングコイルの磁場と相反するため、センシングコイルのインピーダンスが変化します。インピーダンス変化量は、ターゲットとプローブ内センシングコイルの距離に依存します。インピーダンスに依存するセンシングコイルの電流が処理され、出力電圧が生成され、これがプローブに対するターゲットの位置を示します。

温度補償

Micro-Epsilonから複数の渦電流センサー設計が提供されているため、エンジニアは特定用途に最適なセンサーを選択できます。例えば、高精度測定が必要な場合はアクティブ温度補償が必要です。温度変化時、測定信号に影響を与える2つの要因があります：機械的変化（センサーとターゲットの幾何学的寸法が伸縮により変化）と電気的効果（電磁特性の変化により、機械的変化より大きな影響）。

例えば、eddyNCDT 3001シリーズは、従来型誘導変位センサーが性能限界に達することが多い用途向けに特別に設計されています。コンパクトでM12およびM18ハウジングがあり、測定範囲は2mm〜8mmをカバー。IP67保護で、オートメーション、工作機械、設計に適用可能。さらに70℃まで温度補償済み。高い測定精度と直線性、5kHz周波数応答を持ち、強磁性・非強磁性物体（アルミニウム、鋼など）で工場校正済みです。

静圧軸受への応用

渦電流変位センサーの用途の一つは、石材製粉機や望遠鏡設置などの大型機械で、これらはしばしば静圧軸受で動作します。これらの軸受システムは外部圧力供給により液体潤滑剤が継続的に供給されます。潤滑剤が軸受面間に押し込まれ、薄い潤滑剤膜で継続的に分離されます。軸受面は摩擦にさらされず、摩耗フリーで動作します。これによりサブミクロン位置制御が可能です。しかし、油圧系の障害や圧力低下は壊滅的な結果を招きます。軸受損傷、最終的にはシステム故障を引き起こし、高いメンテナンス・修理コストが発生します。したがって、静圧軸受のオイルギャップには継続的な信頼性の高い検査が必要です。この用途では、センサーを軸受シューズに水平に取り付け、オイル圧力に直接晒されないようにします。オイル膜を通して対向軸受面を測定します。

内燃機関への応用

ピストン、ピストンリング、既存圧力条件の正確な位置は、内燃機関メーカーにとって必須情報です。シミュレーションツールを用いて、このデータは主に摩耗、摩擦、オイル消費について信頼性の高い予測を行うために使用されます。渦電流センサーはピストンリングといわゆるピストン二次運動を高精度で測定します。ここで、渦電流センサーの利点、すなわち内燃機関内の高温（最大180℃、短時間ならそれ以上）への耐性が発揮されます。 既存の振動、圧力、オイル、燃料、燃焼ガス、継続的な機械的動きは結果の精度に影響を与えません。さらに、eddyNCDTセンサーは小測定範囲（0〜0.5mm）で高速測定、極めて高い分解能（1μm未満）を提供します。

小型化：埋め込みコイル技術（ECT）

Micro-Epsilonは、埋め込みコイル技術（ECT）を用いたセンサーを開発し、小型化を実現しました。この製造技術により、センサーの外部設計と幾何学的形状にほぼ無限の自由度が生まれ、評価電子回路をセンサー内に統合できます。二次元渦電流コイルを無機材料に埋め込むことで構築され、センサーの安定性、堅牢性、耐熱性が向上します。これらのセンサーは、半導体製造における超高真空のような極めて過酷な用途に適しています。

小さくて強力な産業用ワーカー

これらの小さなセンサーは、環境が最も過酷で困難でありながら、極めて精密な測定が要求される産業環境に最適です。大型機械の静圧軸受ギャップ測定、ピストンとシリンダーのクリアランス、プラスチックフィルムをガイドするローラーへの距離測定など、あらゆる用途に使用できます。

本記事は、Micro-Epsilon USAマネージングディレクター、マーティン・ダンバーガー氏（ノースカロライナ州ローリー）によって執筆されました。詳細については、ダンバーガー氏までご連絡いただくか、こちら . をご覧ください。