JPH02183117A - 変位検出装置 - Google Patents
変位検出装置Info
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- JPH02183117A JPH02183117A JP186689A JP186689A JPH02183117A JP H02183117 A JPH02183117 A JP H02183117A JP 186689 A JP186689 A JP 186689A JP 186689 A JP186689 A JP 186689A JP H02183117 A JPH02183117 A JP H02183117A
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- Japan
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- permanent magnet
- magnetostrictive
- pulse
- magnetostrictive line
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Links
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Landscapes
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は磁歪現象を用いて物体の機械的変位や液面の変
位などを検出する変位検出装置に関するものである。
位などを検出する変位検出装置に関するものである。
従来、Ｍ１歪式変位検出装置として、米国特許第３１７
３１３１号公報に記載のように、磁歪線と、磁歪線に沿
って移動可能な永久磁石と、磁歪線に電流パルスを供給
する発信手段と、磁歪線の特定部位に設けられ、上記永
久磁石の近接する磁歪線の部位で発生した超音波信号を
受信する受信手段とを備えたものが知られている。
３１３１号公報に記載のように、磁歪線と、磁歪線に沿
って移動可能な永久磁石と、磁歪線に電流パルスを供給
する発信手段と、磁歪線の特定部位に設けられ、上記永
久磁石の近接する磁歪線の部位で発生した超音波信号を
受信する受信手段とを備えたものが知られている。
上記受信手段によって磁歪線に電流パルスを供給すると
、磁歪線には円周方向の磁場が形成されるとともに、永
久磁石が近接している磁歪線の部位にのみ永久磁石によ
る磁歪線の軸方向の磁場が形成され、所謂ビープマン効
果（綽１ｅｄｅ鵬ａｎｎ ｅｆｆｅｃｔ）によって磁歪
線の当該部位に捩り歪が発生し、この捩り歪が２、激に
生じるため、磁歪線の両端に向かって捩り振動（超音波
）が伝播する。この超音波を受信手段で検出すれば、磁
歪線の受信手段の位置から永久磁石までの距＊２を時間
りの関数として次式で求めることができる。
、磁歪線には円周方向の磁場が形成されるとともに、永
久磁石が近接している磁歪線の部位にのみ永久磁石によ
る磁歪線の軸方向の磁場が形成され、所謂ビープマン効
果（綽１ｅｄｅ鵬ａｎｎ ｅｆｆｅｃｔ）によって磁歪
線の当該部位に捩り歪が発生し、この捩り歪が２、激に
生じるため、磁歪線の両端に向かって捩り振動（超音波
）が伝播する。この超音波を受信手段で検出すれば、磁
歪線の受信手段の位置から永久磁石までの距＊２を時間
りの関数として次式で求めることができる。
ｊ！冒ｖ−ｔ
上式において、■は超音波の伝播速度であり、磁歪線の
横弾性係数をＧ、Ｍ１歪線の密度をρとすで与えられる
。
横弾性係数をＧ、Ｍ１歪線の密度をρとすで与えられる
。
ところが、磁歪線として一般的な磁歪材料であるＮｉを
使用した場合には、横弾性係数Ｇや密度ρが温度によっ
て変化する特性を有しているため、伝播速度Ｖが温度に
よって変化し、測定距離ｌに誤差をもたらすことになる
。
使用した場合には、横弾性係数Ｇや密度ρが温度によっ
て変化する特性を有しているため、伝播速度Ｖが温度に
よって変化し、測定距離ｌに誤差をもたらすことになる
。
この問題を解消するため、本出願人は磁歪線に沿って移
動可能な永久磁石の他に、磁歪綿の特定部位に永久磁石
を固定し、可動永久磁石から伝播される超音波信号の到
達時間と固定永久磁石から伝播される超音波信号の到達
時間との比を求めることにより、温度変化の影響のない
距離測定を行うことができる変位検出装置を提案した（
特開昭６１−２２６６１５号公報）。
動可能な永久磁石の他に、磁歪綿の特定部位に永久磁石
を固定し、可動永久磁石から伝播される超音波信号の到
達時間と固定永久磁石から伝播される超音波信号の到達
時間との比を求めることにより、温度変化の影響のない
距離測定を行うことができる変位検出装置を提案した（
特開昭６１−２２６６１５号公報）。
しかしながら、上記変位検出装置の場合には超音波の伝
播速度の温度変化による測定誤差は解消できるものの、
受信手段の回路部の温度変化による測定誤差を解消する
ことはできない。即ち、周囲の温度が変化すると、超音
波信号を検出する歪検出装置の感度が変化したり、歪検
出装置の検出波をパルス状に成形するコンパレータの比
較点（闇値という）が変化するからである。
播速度の温度変化による測定誤差は解消できるものの、
受信手段の回路部の温度変化による測定誤差を解消する
ことはできない。即ち、周囲の温度が変化すると、超音
波信号を検出する歪検出装置の感度が変化したり、歪検
出装置の検出波をパルス状に成形するコンパレータの比
較点（闇値という）が変化するからである。
第５図は歪検出装置の感度が変化した場合の波形図であ
り、波形Ａは発信手段から供給される電流パルス、波形
Ｂは歪検出装置で検出される超音波信号の検出波形、波
形Ｃは検出波形Ｂをコンパレータで成形した出力波形で
ある。このうち、歪検出装置の゛感度が温度によって変
化すると、第５図破線で示すように検出波形Ｂが変化し
、これによりコンパレータの出力波形Ｃも破線のように
変化し、本来の測定時間りがＬｏへずれ、測定誤差ΔＬ
を生しる。
り、波形Ａは発信手段から供給される電流パルス、波形
Ｂは歪検出装置で検出される超音波信号の検出波形、波
形Ｃは検出波形Ｂをコンパレータで成形した出力波形で
ある。このうち、歪検出装置の゛感度が温度によって変
化すると、第５図破線で示すように検出波形Ｂが変化し
、これによりコンパレータの出力波形Ｃも破線のように
変化し、本来の測定時間りがＬｏへずれ、測定誤差ΔＬ
を生しる。
第６図はコンパレータの闇値が変化した場合の波形図で
あり、本来の閾（Ｉ！！ｈが温度変化によりｈｏへ変化
すると、測定誤差ΔＬを生じる。
あり、本来の閾（Ｉ！！ｈが温度変化によりｈｏへ変化
すると、測定誤差ΔＬを生じる。
上記のような回路部の測定誤差を解消するための温度補
償回路があるが、これでは温度センサ等の多数の電子部
品を使用する関係でコストが上昇するとともに、各部品
のバラフキのために良好な温度補償を期待するのは困難
であった。
償回路があるが、これでは温度センサ等の多数の電子部
品を使用する関係でコストが上昇するとともに、各部品
のバラフキのために良好な温度補償を期待するのは困難
であった。
そこで、本発明の目的は、温度補償回路を使用せずに、
回路部の温度変化による測定誤差を解消できる変位検出
装置を提供することにある。
回路部の温度変化による測定誤差を解消できる変位検出
装置を提供することにある。
（課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明は、線状または管状
の磁歪材料と、磁歪材料の近傍に任意の間隔を隔てて配
置された第１永久磁石および第２永久磁石と、磁歪材料
の軸線方向に電流パルスを供給する発信手段と、磁歪材
料の特定部位に設けられ、第１．第２永久磁石の近接す
る磁歪材料の部位で発生した超音波信号を受信する受信
手段と、第１永久磁石から受信手段への超音波信号の伝
播時間と第２永久磁石から受信手段への超音波信号の伝
播時間との差により、第１永久磁石と第２永久磁石との
相対変位量を求める演算手段とを備えたものである。
の磁歪材料と、磁歪材料の近傍に任意の間隔を隔てて配
置された第１永久磁石および第２永久磁石と、磁歪材料
の軸線方向に電流パルスを供給する発信手段と、磁歪材
料の特定部位に設けられ、第１．第２永久磁石の近接す
る磁歪材料の部位で発生した超音波信号を受信する受信
手段と、第１永久磁石から受信手段への超音波信号の伝
播時間と第２永久磁石から受信手段への超音波信号の伝
播時間との差により、第１永久磁石と第２永久磁石との
相対変位量を求める演算手段とを備えたものである。
即ち、一方の永久磁石からの超音波信号波形が回路部の
温度変化により変化した場合には、他方の永久磁石から
の超音波信号波形も全く同様に変化するのであるから、
これら波形の到達時間の差を求めれば温度変化による影
響を解消できる。そこで、本発明では両方の永久礎石か
らの超音波信号の到達時間差を求めることにより、温度
補償回路等を全く使用せずに正確な変位検出を行うこと
ができる。
温度変化により変化した場合には、他方の永久磁石から
の超音波信号波形も全く同様に変化するのであるから、
これら波形の到達時間の差を求めれば温度変化による影
響を解消できる。そこで、本発明では両方の永久礎石か
らの超音波信号の到達時間差を求めることにより、温度
補償回路等を全く使用せずに正確な変位検出を行うこと
ができる。
なお、本発明では超音波の伝播速度が温度によって変化
しないことを前掃としているが、これについては磁歪材
料としてＮ１５ｐａｎＣ（商品名）のような恒弾性金属
を使用すれば解決できる。恒弾性金属の超音波伝播速度
の温度変化率は、熱処理等によってＯ〜２０ｐｐｍ／”
Ｃ程度にまで低減できる。これに対し、回路部の温度に
よる測定バラツキは一般に２００〜５００ｐｐｍ ／
’Ｃ程度であるから、恒弾性金１の超音波伝播速度の温
度変化は実用上無視できる。
しないことを前掃としているが、これについては磁歪材
料としてＮ１５ｐａｎＣ（商品名）のような恒弾性金属
を使用すれば解決できる。恒弾性金属の超音波伝播速度
の温度変化率は、熱処理等によってＯ〜２０ｐｐｍ／”
Ｃ程度にまで低減できる。これに対し、回路部の温度に
よる測定バラツキは一般に２００〜５００ｐｐｍ ／
’Ｃ程度であるから、恒弾性金１の超音波伝播速度の温
度変化は実用上無視できる。
第１図は本発明にかかる変位検出装置の基本的構成の一
例を示し、１はＮ１５ｐａｎＣ（商品名）のような恒弾
性金属からなる磁歪線、２は磁歪線１を取り囲み磁歪線
１に沿って移動可能な環状の永久磁石であり、この永久
磁石２は磁歪線１の軸線方向に分極されている。３は磁
歪線１の始端に電流パルスを供給する発信手段の一例で
あるパルス発生装置、４は磁歪線ｌの始端側に設けられ
た受信手段の一例である歪検出装置、５は磁歪線ｌの特
定部位に固定され、可動永久磁石２と同様な特性を存す
る環状の固定永久磁石、６は歪検出装置４の検出信号を
パルス状の信号に変換するコンパレータ等のパルス成形
回路である。
例を示し、１はＮ１５ｐａｎＣ（商品名）のような恒弾
性金属からなる磁歪線、２は磁歪線１を取り囲み磁歪線
１に沿って移動可能な環状の永久磁石であり、この永久
磁石２は磁歪線１の軸線方向に分極されている。３は磁
歪線１の始端に電流パルスを供給する発信手段の一例で
あるパルス発生装置、４は磁歪線ｌの始端側に設けられ
た受信手段の一例である歪検出装置、５は磁歪線ｌの特
定部位に固定され、可動永久磁石２と同様な特性を存す
る環状の固定永久磁石、６は歪検出装置４の検出信号を
パルス状の信号に変換するコンパレータ等のパルス成形
回路である。
第２図は上記構成の変位検出装置の各部の波形を示し、
Ａはパルス発生装置３によって磁歪線１に供給される電
流パルス、Ｂは歪検出装置４で検出される信号波形であ
り、このうち７は固定永久磁石５によって発生した超音
波信号波形、８は可動永久磁石２によって発生した超音
波信号波形である。また、Ｃはパルス成形口−路６で上
記波形７゜８をパルス状の波形９．ｌＯに変換したもの
である。
Ａはパルス発生装置３によって磁歪線１に供給される電
流パルス、Ｂは歪検出装置４で検出される信号波形であ
り、このうち７は固定永久磁石５によって発生した超音
波信号波形、８は可動永久磁石２によって発生した超音
波信号波形である。また、Ｃはパルス成形口−路６で上
記波形７゜８をパルス状の波形９．ｌＯに変換したもの
である。
可動永久磁石２と歪検出装置４との距離を１１、固定永
久磁石５と歪検出装置４との距離を２８、可動永久ｉｎ
石２で発生した超音波が歪検出装置４まで伝播する時間
をＬｌ、固定永久磁石５で発生した超音波が歪検出装置
４まで伝播する時間を１、、［音波の伝播速度をＶとす
ると、４２、 ＝ｖ−ｔ、 ・・・（１）
！□＝Ｖ −ｊｌ ・・・（２）で与えら
れる。
久磁石５と歪検出装置４との距離を２８、可動永久ｉｎ
石２で発生した超音波が歪検出装置４まで伝播する時間
をＬｌ、固定永久磁石５で発生した超音波が歪検出装置
４まで伝播する時間を１、、［音波の伝播速度をＶとす
ると、４２、 ＝ｖ−ｔ、 ・・・（１）
！□＝Ｖ −ｊｌ ・・・（２）で与えら
れる。
いま、第２図に破線で示すようにパルス成形回路６の闇
値が温度変化によってｈからｈｏへと変化すると、第２
図Ｃ′のように可動永久磁石２の超音波伝播時間１＋
はｔ１＋ΔＬへ、固定永久磁石２の超音波伝播時間ｔ２
はり、＋Δｔへとそれぞれ変化する。そのため、（１）
式および（２）式は次のようになる。
値が温度変化によってｈからｈｏへと変化すると、第２
図Ｃ′のように可動永久磁石２の超音波伝播時間１＋
はｔ１＋ΔＬへ、固定永久磁石２の超音波伝播時間ｔ２
はり、＋Δｔへとそれぞれ変化する。そのため、（１）
式および（２）式は次のようになる。
ｊ！、 ＝ｖ （ｔ、 ＋Δｔ） ・・・
（３）Ｉｌ、 −ｖ （ｔｔ ＋Δｔ）
−（４）ここで、！、とｌ、との比を演算すると、回
路部の誤差ΔＬは解消できない、そこで、（１）式と（
２）式との差により可動永久磁石２と固定永久磁石５と
の相対距離２を演算すると、 １ ＝ ｌ Ｉｌ ｚ ＝ｖ（ｔ＋ ｔｇ） ・・・（６）となり、
回路部の誤差ΔＬを解消できる。つまり、パルス成形回
路６の闇値が変化したり、歪検出装置′ｔ４の感度が変
化しても、両方の永久磁石２．５からの伝播時間差ｔｃ
＝ｔ＋ Ｌりは変化しない、したがって、伝播時間
差ｔを求めることにより、可動永久磁石２と固定永久磁
石５との相対距離２を温度変化に影響されずに精密に求
めることが可能となる。なお、伝播速度Ｖは磁歪線ｌと
して恒弾性金属を使用することにより、温度変化による
誤差を実用上無視することができる。
（３）Ｉｌ、 −ｖ （ｔｔ ＋Δｔ）
−（４）ここで、！、とｌ、との比を演算すると、回
路部の誤差ΔＬは解消できない、そこで、（１）式と（
２）式との差により可動永久磁石２と固定永久磁石５と
の相対距離２を演算すると、 １ ＝ ｌ Ｉｌ ｚ ＝ｖ（ｔ＋ ｔｇ） ・・・（６）となり、
回路部の誤差ΔＬを解消できる。つまり、パルス成形回
路６の闇値が変化したり、歪検出装置′ｔ４の感度が変
化しても、両方の永久磁石２．５からの伝播時間差ｔｃ
＝ｔ＋ Ｌりは変化しない、したがって、伝播時間
差ｔを求めることにより、可動永久磁石２と固定永久磁
石５との相対距離２を温度変化に影響されずに精密に求
めることが可能となる。なお、伝播速度Ｖは磁歪線ｌと
して恒弾性金属を使用することにより、温度変化による
誤差を実用上無視することができる。
上記伝播時間差【は従来技術によって容易に電気信号に
変換できる０例えば、第２図りのように波形９で三角波
状に変化する電圧をスタートさせ、波形１０によってそ
の瞬間の三角波の電圧値をサンプルホールドすればアナ
ログ信号として検出でき、また第２図Ｅのように波形９
でクロックをスタートさせ、波形ｌＯの時点でクロック
をセットすればデジタル信号として検出できる。
変換できる０例えば、第２図りのように波形９で三角波
状に変化する電圧をスタートさせ、波形１０によってそ
の瞬間の三角波の電圧値をサンプルホールドすればアナ
ログ信号として検出でき、また第２図Ｅのように波形９
でクロックをスタートさせ、波形ｌＯの時点でクロック
をセットすればデジタル信号として検出できる。
一他の実施例−
上記実施例では２個の永久磁石の一方を可動永久磁石２
．他方を固定永久磁石５としたが、これに代えて双方と
も可動永久磁石とし、両永久磁石の相対距離を測定する
こ゛ともできる。
．他方を固定永久磁石５としたが、これに代えて双方と
も可動永久磁石とし、両永久磁石の相対距離を測定する
こ゛ともできる。
また、永久磁石として両側面に異極を着磁した円環状磁
石に限らず、例えば第３図に示すように磁歪Ｉｌｌを間
にして同極（図ではＮＷＡ）を対向させた２個又はそれ
以上の永久磁石１１．１２で構成してもよく、あるいは
第３図のうち１個の永久磁石のみで構成してもよい。
石に限らず、例えば第３図に示すように磁歪Ｉｌｌを間
にして同極（図ではＮＷＡ）を対向させた２個又はそれ
以上の永久磁石１１．１２で構成してもよく、あるいは
第３図のうち１個の永久磁石のみで構成してもよい。
また、磁歪材料として磁歪線を用い、この磁歪線に電流
パルスを直接供給するものに限らず、第４図に示すよう
に筒状の磁歪管１３を用い、この磁歪管１３の中央に電
流パルスを流すための導線１４を挿通した構成としても
よい、この場合には、侑歪管１３を伝播する超音波を受
信手段で検出すればよい。
パルスを直接供給するものに限らず、第４図に示すよう
に筒状の磁歪管１３を用い、この磁歪管１３の中央に電
流パルスを流すための導線１４を挿通した構成としても
よい、この場合には、侑歪管１３を伝播する超音波を受
信手段で検出すればよい。
さらに、受信手段としては、歪検出装置のように接触型
受信手段を使用してもよいが、コイルのような非接触型
受信手段を使用してもよい。
受信手段を使用してもよいが、コイルのような非接触型
受信手段を使用してもよい。
（発明の効果）
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、２個の
永久磁石からの超音波信号の到達時間差によって両永久
磁石の相対変位を測定するようにしたので、受信回路部
の温度変化による影響を受けずに精密に変位を検出でき
る。しかも、複雑な温度補償回路等を全く使用する必要
がないので、安価に構成できる。
永久磁石からの超音波信号の到達時間差によって両永久
磁石の相対変位を測定するようにしたので、受信回路部
の温度変化による影響を受けずに精密に変位を検出でき
る。しかも、複雑な温度補償回路等を全く使用する必要
がないので、安価に構成できる。
第１図は本発明にかかる変位検出装置の一例の基本構成
図、第２図は検出方法の一例を示す波形図、第３図は永
久磁石の他の実施例の斜視図、第４図は磁歪材料の他の
実施例の斜視図、第５図は歪検出装置の感度が変化した
場合の波形図、第６図はコンパレークの閾値が変化した
場合の波形図である。 ｌ・・・磁歪線、２・・・可動永久磁石、３・・・パル
ス発生装置（発信手段）、４・・・歪検出装置（受信手
段）、５・・・固定永久磁石、６・・・パルス成形コ路
。 特許出願人 三京貿易株式会社 代 理 人 弁理士 筒井 秀隆 第１図 第３図 第４図 第５図 第６図 Δｔ
図、第２図は検出方法の一例を示す波形図、第３図は永
久磁石の他の実施例の斜視図、第４図は磁歪材料の他の
実施例の斜視図、第５図は歪検出装置の感度が変化した
場合の波形図、第６図はコンパレークの閾値が変化した
場合の波形図である。 ｌ・・・磁歪線、２・・・可動永久磁石、３・・・パル
ス発生装置（発信手段）、４・・・歪検出装置（受信手
段）、５・・・固定永久磁石、６・・・パルス成形コ路
。 特許出願人 三京貿易株式会社 代 理 人 弁理士 筒井 秀隆 第１図 第３図 第４図 第５図 第６図 Δｔ
Claims (1)
- 線状または管状の磁歪材料と、磁歪材料の近傍に任意の
間隔を隔てて配置された第１永久磁石および第２永久磁
石と、磁歪材料の軸線方向に電流パルスを供給する発信
手段と、磁歪材料の特定部位に設けられ、第１，第２永
久磁石の近接する磁歪材料の部位で発生した超音波信号
を受信する受信手段と、第１永久磁石から受信手段への
超音波信号の伝播時間と第２永久磁石から受信手段への
超音波信号の伝播時間との差により、第１永久磁石と第
２永久磁石との相対変位量を求める演算手段とを備えた
ことを特徴とする変位検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1001866A JPH0678899B2 (ja) | 1989-01-07 | 1989-01-07 | 変位検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1001866A JPH0678899B2 (ja) | 1989-01-07 | 1989-01-07 | 変位検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02183117A true JPH02183117A (ja) | 1990-07-17 |
| JPH0678899B2 JPH0678899B2 (ja) | 1994-10-05 |
Family
ID=11513471
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1001866A Expired - Lifetime JPH0678899B2 (ja) | 1989-01-07 | 1989-01-07 | 変位検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0678899B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5412317A (en) * | 1992-07-07 | 1995-05-02 | Santest Co., Ltd. | Position detector utilizing absolute and incremental position sensors in combination |
| DE19700681A1 (de) * | 1996-01-12 | 1997-07-17 | Toyota Motor Co Ltd | Magnetostriktiver Draht und Vorrichtung zur Erfassung einer Verschiebung |
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1989
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0678899B2 (ja) | 1994-10-05 |
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