JPH0530202B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は強磁性体の磁歪効果を用いた位置検出
器に係り、特に可動物体の固定物体に対する相対
的位置を検出するのに好適な位置検出器に関す
る。

〔発明の背景〕

強磁性体の磁歪効果を用いた位置検出器は、例
えば雑誌アイ・イー・イー・イー・トランザクシ
ヨンズ・オン・ニユークリア・サイエンス
（IEEE Transactions on Nuclear Science）第
NS−25巻第１月、1978年２月、第93頁から第97
頁までに掲載されているデー・シー・ベツテンコ
ート（D.C.Bettencourt）およびシー・エツチ・
メイジヤ（C.M.Meijer）著ア・マグネトソニツ
ク・タイプ・ロツド・ポジシヨン・モニタリン
グ・システム・フオア・ニユークリア・パワー・
プランツ（Ａ Magneto−Sonic Type Rod
Position Monitoring System For Nuclear
Power Plants）と題する論文に記載されている。
その位置検出器においては、可動物体に装着され
た永久磁石によつて発生する磁歪超音波の伝播時
間ｔを測定し、超音波伝播速度ｖを用いて ｘ＝ｖ・ｔ なる式より可動物体の位置ｘが算出される。

従来のこの位置検出器は超音波伝播時間に基づ
いて位置を計測するものであるため、伝播速度ｖ
が何らかの原因で変化すると、それが直接位置検
出誤差となつて表われる。例えば、Fe：52％，
Ni：42％の強磁性体導波管では、−0.015％℃程度
の伝播速度の温度係数を持ち、周囲温度が300℃
変化すると約4.5％の誤差となる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、温度変化の影響をほとんど受
けない、高い分解能、高精度の、固定物体に対す
る可動物体の相対的位置を検出するための位置検
出器を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的は、強磁性体でなる導波管と、該導波
管の内部に管軸方向に配線された導線と、該導線
にパルス電流を印加するパルス電流発生手段と、
前記導波管の管軸方向に所定間隔で周期的に配置
された複数個の固定側磁界発生手段と、前記導波
管の外部にあつて該導波管の管軸方向に移動する
可動物体に設置された可動側磁界発生手段と、固
定側磁界発生手段と可動側磁界発生手段の位置で
発生し前記導波管を伝播する超音波パルスを検出
する超音波パルス検出手段と、該超音波パルス検
出手段で検出した超音波パルスから固定側磁界発
生手段による固定側超音波パルスと可動側磁界発
生手段による可動側超音波パルスとを弁別する超
音波パルス弁別手段と、可動側超音波パルスを検
出するまでの固定側超音波パルスを計数する超音
波パルス計数手段と、固定側超音波パルスの検出
時間間隔および固定側超音波パルスと可動側超音
波パルスの検出時間間隔を計測する超音波パルス
間隔計測手段と、前記超音波パルス計数手段の出
力と前記超音波パルス間隔計測手段の出力を用い
て前記可動物体の前記導波管の管軸方向に対する
位置を算出する手段をを設けることで、達成され
る。

上記の構成により、温度の影響を受けるのは、
可動側磁界発生手段に最も近い固定側磁界発生手
段と可動側磁界発生手段との間の計測値だけとな
り、この固定側磁界発生手段までに複数の固定側
磁界発生手段があるときその距離はパルス数の計
数値となり、温度の影響はなくなる。このため、
高精度の計測が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。尚、実施例を用いて本発明を一層詳細に説
明するが、それらは例示に過ぎず、本発明の枠を
越えることなしにいろいろな変化や改良があり得
ることは勿論である。

第１図は、被測定物の斜視図を含む、本発明の
一実施例に係る位置検出器の構成を示すブロツク
図である。第１図の永久磁石４を以後固定磁石と
呼び、検出コイル６側からＭ１，Ｍ２，…の記号
で表わす。また可動物体９に装着される永久磁石
１０ａ，１０ｂを可動磁石Ma，Mbと表わす。

いま第１図の励磁パルス電流発生回路１から励
磁パルス電流を芯線２に印加すると、固定磁石Ｍ
１，Ｍ２，…および可動磁石Ma，Mbの存在す
る位置で強磁性体導波管３に磁歪超音波が発生す
る。この超音波は導波管３を伝播し、ガイド５に
到達してコイル６に電圧を誘起する。その電圧を
増幅器７で増幅後、波形整形回路１１を通して波
形整形する。

第２図ｂは励磁パルス電流印加後の波形整形回
路１１の出力信号を示すパルス波形図で、以後こ
の出力信号を超音波パルスと呼ぶ。また、固定磁
石Ｍ１，Ｍ２，…および可動磁石Ma，Mbに対
応する超音波パルスをそれぞれＳ１，Ｓ２，…お
よびSa，Sbと表わす。第２図ａは励磁パルスの
波形を示す。

第２図ｂのような超音波パルスを検出した場
合、固定磁石による超音波パルスSi〜S_i+1間の伝
播時間t1、およびSi〜Sa間の伝播時間t2、さらに
超音波パルスSaを検出するまでの超音波パルス
数ｉを計数することにより、可動磁石Maの位置
ｘを次式で算出することができる。

ｘ＝（ｉ＋t2／t1）・ｄ ……(1) ここで、ｄは固定磁石の設置間隔である。

要するに、固定磁石による超音波パルスの数に
よるデイジタル的な計測（式(1)のｉ・ｄ）と、２
個の固定磁石の間は超音波伝播時間を用いた補間
法による精密な計測（式(1)のt2／t1・ｄ）とが併
用される。

第３図は、本実施例の位置検出器り信号処理回
路の例であり、超音波パルス弁別部、超音波パル
ス計数部、超音波パルス間隔計測部から構成され
る。励磁パルス電流は端子１００に入力され、超
音波パルスは端子２００に入力される。第３図の
回路１３は超音波パルス弁別部である。第１図に
示すように、一定間隔で固定磁石が設置されてい
るから、固定磁石による超音波パルスの時間間隔
はほぼ等しくなる。しかし、可動磁石による超音
波パルスによるパルス時間間隔は大きく変化す
る。そこで、超音波パルス弁別部１３では固定磁
石による超音波パルスと、可動磁石による超音波
パルスはパルス時間間隔に基づいて分離される。
さらに、本実施例においては、可動磁石Maの位
置が問題であるから、超音波パルス弁別部１３に
おいて可動磁石Maによる超音波パルスSaだけが
抽出される。可動磁石Maと固定磁石が完全に重
なつた場合には、可動磁石Maによる超音波パル
スと固定磁石による超音波パルスの分離はでき
ず、可動磁石Mbによる超音波パルスSbのみが分
離できる。超音波パルス弁別部１３では、検出超
音波パルスのパターンから、分離した信号がSa
かSbかを判定する。

次に、超音波パルス計数部を説明する。励磁パ
ルス電流は、遅延回路１２を介して超音波パルス
弁別部１３、カウンタ１７およびカウンタ１９を
リセツトする。超音波パルス弁別部１３の第１の
出力信号（図中の信号ａ）は、励磁パルス電流印
加後から可動磁石Maによる超音波パルスを検出
するまで高レベル（以下本明細書においては
“Ｈ”と略記する。）となる信号であり、この信号
と端子２００に入力される超音波パルスをアンド
ゲート１８に入力することによつて、カウンタ１
９で式(1)中のｉ（可動磁石Maによる超音波パル
スSaを検出するまでの固定磁石による超音波パ
ルスの数）が計数される。

次に、超音波パルス間隔計測部を説明する。超
音波パルス弁別部１３の第２の出力信号（図中の
信号ｂ）は、超音波パルス検出後、固定磁石間の
超音波伝播時間より若干短かい時間だけ“Ｈ”と
なる信号である。この信号とクロツク発振器１４
のクロツクパルスはアンドゲート１５に入力さ
れ、超音波パルス間隔計測用カウンタ１７の入力
となる。

超音波パルス弁別部１３の第３の出力信号（図
中の信号ｃ）は、固定磁石による超音波パルスで
あり、その信号はオアゲート１６を介してカウン
タ１７をリセツトする。

超音波パルス弁別部１３の第４の出力信号（図
中の信号ｄ）は、検出超音波パルスから分離され
た可動磁石による超音波パルスSa，Sbのうち最
初のパルスであるSaであり、この信号をラツチ
２１のロード信号としてカウンタ１７の値がラツ
チ２１に取り込まれる。これは第２図ｂにおける
t2に相当する値である。可動磁石Maが固定磁石
と完全に重なつた場合には、信号ｄは可動磁石
Mbによる超音波パルスSbとなる。この場合には
ラツチ２１の内容は、固定磁石と可動磁石Mbと
の間の伝播時間に対応する値（これは、可動磁石
Ma，Mb間の伝播時間に等しい。）となり、この
値を用いて位置を算出すると、可動磁石Mbの値
を求めることになる。そこで、超音波パルス弁別
部１３の第５の出力信号（図中の信号ｅ）がラツ
チ２１の内容をクリアする。

信号ｅは可動磁石Maが固定磁石と重なつたこ
とを示す信号である。これは、固定磁石による超
音波パルスを検出して、可動磁石間隔に相当する
時間τ後に超音波パルスを検出しない場合であ
り、超音波パルス弁別部１３はこれを識別し、信
号ｅとしてラツチ２１のクリア信号とする。

超音波パルス弁別部１３の第６の出力信号（図
中の信号ｆ）は、ラツチ２１のロード信号ｄの後
の最初の固定磁石による超音波パルスであり、こ
の信号がラツチ２２のロード信号である。これに
より、ラツチ２２の内容は固定磁石間の伝播時間
に相当する値となる。これは第２図ｂにおけるt1
に相当する値である。

また、カウンタ１９の値は励磁パルスでラツチ
２０にロードされ、ラツチ２０には可動磁石Ma
による超音波パルスSaを検出するまでの固定磁
石による超音波パルスの数が取り込まれる。

以上のように、ラツチ２０，２１，２２にはそ
れぞれ式(1)中のｉ，t2，t1の値が格納されること
になり、演算回路２３では各ラツチの内容を用い
て、可動磁石Maの位置ｘが算出される。

第４図では、第３図の超音波パルス弁別部１３
の具体的回路例である。超音波パルス弁別部は、
固定側超音波パルス弁別部、可動側超音波パルス
弁別部、可動磁石と固定磁石の重なり検出部、可
動側超音波パルス検出後の固定側超音波パルス検
出部より成る。

超音波パルスが端子２００に入力される。超音
波パルスによつて単安定マルチバイブレータ２４
がセツトされる。その設定時間は、固定磁石の設
置間隔の伝播時間より若干短かい時間である。単
安定マルチバイブレータ２４の出力が、第３図の
超音波パルス弁別部１３の出力信号ｂである。

また、単安定マルチバイブレータ２４の出力と
超音波パルスをアンドゲート２５に入力すること
によりアンドゲート２５の出力は可動磁石による
超音波パルスとなる。そこで、アンドゲート２５
の出力をインバータ２６に入力し、その出力と超
音波パルスをアンドゲート２７に入力することに
より、アンドゲート２７の出力は、固定磁石によ
る超音波パルスとなる。これは、超音波パルス弁
別部１３の出力信号ｃである。

アンドゲート２５の出力である可動磁石による
超音波パルスはフリツプフロツプ２８のセツト端
子に入力され、その出力とアンドゲート２５の
出力はアンドゲート２９に入力される。これによ
り、アンドゲート２９の出力は、アンドゲート２
５の出力パルスのうち一番最初のパルスとなり、
通常は可動磁石Maによる超音波パルスSaであ
る。可動磁石Maと固定磁石が重なつた場合にの
み、可動磁石Mbによる超音波パルスSbとなる。
この信号が、超音波パルス弁別部１３の出力信号
ｄとなる。

また、励磁パルスでセツトしたフリツプフロツ
プ３０は上記信号ｄでリセツトされる。そのフリ
ツプフロツプ３０のＱ出力が超音波パルス弁別部
１３の出力信号ａである。

次に、可動磁石と固定磁石の重なり検出部につ
いて説明する。

信号ｃは遅延回路３１を介してアンドゲート３
２に入力される。その遅延時間は可動磁石Ma，
Mb間の超音波伝播時間τである。アンドゲート
３２の他方の入力は信号ｄである。アンドゲート
３２の出力でセツトされるフリツプフロツプ３３
のＱ出力が“Ｈ”となるのは、次の場合である。
一つは、可動磁石Maと固定磁石が重なつた場合
で、フリツプフロツプ３３をセツトするのは超音
波パルスSbである。他の一つは、固定磁石と可
動磁石Maの間隔が可動磁石の設置間隔に等しい
場合で、この場合にはフリツプフロツプ３３をセ
ツトする信号は超音波パルスSaとなる。また、
アンドゲート３２の出力パルスを遅延回路３４を
介して可動磁石間伝播時間τだけ遅延させた信号
とアンドゲート２５の出力信号（これは可動磁石
による超音波パルスである。）がアンドゲート３
５に入力される。

アンドゲート３５の出力にパルスが現われるの
は、上記二つの場合の後者である。そこで、アン
ドゲート３５の出力でセツトするフリツプフロツ
プ３６の出力と、フリツプフロツプ３３のＱ出
力のアンドをとることにより、可動磁石Maと固
定磁石が重なつた場合にのみ、アンドゲート３７
の出力は“Ｈ”となる。これが、超音波パルス弁
別部１３の出力信号ｅである。

次に、可動側超音波パルス検出後の固定側超音
波パルス検出部について説明する。

信号ｄでセツトされたフリツプフロツプ３８の
Ｑ出力と固定磁石による超音波パルスである信号
ｃはアンドゲート３９に入力され、その出力信号
がフリツプフロツプ４０およびアンドゲート４１
を介して信号ｆとなる。これにより、可動磁石に
よる超音波パルスを検出後の最初の超音波パルス
が抽出される。

第５図は可動磁石Ma，Mbがともに固定磁石
の中間に存在している場合の回路動作を示したも
のである。Ａはパルス電流、Ｂは超音波パルス，
Ｃは可動側超音波パルスを検出するまで“Ｈ”状
態となる第４図の信号ａ，Ｄは固定磁石の設置間
隔に相当する時間だけ“Ｈ”状態となる第４図の
信号ｂ，Ｅは固定側超音波パルスを示す第４図の
信号ｃ，Ｆは超音波パルス計数用カウンタの入力
信号、Ｇは超音波パルス間隔計測用クロツク信
号、Ｈは可動側超音波パルスを示す第４図の信号
ｄ，Ｉは固定磁石と可動磁石の重なり検出信号を
示す第４図の信号ｅ，Ｊは可動側超音波パルス検
出後の固定側超音波パルスを示す第４図の信号ｆ
である。

この場合、パルス間隔t2は固定磁石と可動磁石
Ma間の伝播時間であり、ラツチ２０〜２２の内
容を用い演算回路２３が式(1)による演算を行な
い、位置ｘを求める。

第６図は可動磁石Maと固定磁石が重なつた場
合の回路動作を示し、ＡからＪまでは第５図のＡ
からＪまでに対応する。この場合、ラツチ２１に
は一度図中t2に相当する値が取り込まれるが、そ
の内容は信号ｅによつてクリアされ、０となる。
そして演算回路２３がラツチ２０〜２２の内容を
用いて位置ｘを算出することができる。

さらに、可動磁石が固定磁石をはさんだ場合、
可動磁石Mbが固定磁石に重なつた場合でも第５
図の回動動作により位置検出が可能である。

なお、励磁パルス電流回路の発振周期は、基準
点から最も遠い固定磁石により発生する超音波が
ガイド５に到達するまでの所要時間より僅かに長
い時間に設定される。

以上の説明では、磁界発生手段として永久磁石
を用いる例を示したが、第７図に示すように固定
磁石をコイル４２に変え、芯線２と同時に励磁し
てもまつたく同様に位置を検出できる。

〔発明の効果〕

以上説明した通り、本発明によれば、パルス間
隔が変化するまでのパルスの数をデイジタル的に
計数し、同時に隣接する固定磁石間の伝播時間と
固定磁石−可動磁石間の伝播時間との比による補
間法を併用することにより、導波管周辺の温度変
化の影響をほとんど受けない高精度の位置検出が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、被測定物の斜視図を含む、本発明の
一実施例に係る位置検出器の構成を示すブロツク
図、第２図は励磁パルスおよび励磁パルス電流印
加後の波形整形回路の出力信号を示すパルス波形
図、第３図は本発明の一実施例に係る位置検出器
の信号処理回路のブロツク図、第４図は第３図に
示す超音波パルス弁別部の構成を示すブロツク
図、第５図は固定磁石が重ならない場合の信号処
理回路の各部の信号波形図、第６図は固定磁石と
可動磁石が重なつた場合の信号処理回路の各部の
信号波形図、第７図は本発明の他の実施例を示す
図である。 １……励磁パルス電流発生回路、２……芯線、
３……強磁性体導波管、４……固定磁石、６……
検出コイル、９……可動物体、１０……可動磁
石、１３……超音波パルス弁別部、１７，１９…
…カウンタ、２０〜２２……ラツチ、２３……演
算回路、４２……コイル、１００……励磁パルス
入力端子、２００……超音波パルス入力端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 強磁性体でなる導波管と、該導波管の内部に
   管軸方向に配線された導線と、該導線にパルス電
   流を印加するパルス電流発生手段と、前記導波管
   の管軸方向に所定間隔で周期的に配置された複数
   個の固定側磁界発生手段と、前記導波管の外部に
   あつて該導波管の管軸方向に移動する可動物体に
   配置された可動側磁界発生手段と、固定側磁界発
   生手段と可動側磁界発生手段の位置で発生し前記
   導波管を伝播する超音波パルスを検出する超音波
   パルス検出手段と、該超音波パルス検出手段で検
   出した超音波パルスから固定側磁界発生手段によ
   る固定側超音波パルスと可動側磁界発生手段によ
   る可動側超音波パルスとを弁別する超音波パルス
   弁別手段と、可動側超音波パルスを検出するまで
   の固定側超音波パルスを計数する超音波パルス計
   数手段と、固定側超音波パルスの検出時間間隔お
   よび固定側超音波パルスと可動側超音波パルスの
   検出時間間隔を計測する超音波パルス間隔計測手
   段と、前記超音波パルス計数手段の出力と前記超
   音波パルス間隔計測手段の出力を用いて前記可動
   物体の前記導波管の管軸方向に対する位置を算出
   する手段を有することを特徴とする位置検出器。 ２ 固定側磁界発生手段および可動側磁界発生手
   段がともに永久磁石であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の位置検出器。 ３ 固定側磁界発生手段がコイルであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の位置検出
   器。 ４ 固定側磁界発生手段の設置間隔をｄ、互いに
   隣接する固定側磁界発生手段による固定側超音波
   パルスの検出時間間隔をt1、可動側磁界発生手段
   による可動側超音波パルスと該可動側磁界発生手
   段の位置に対して超音波パルス検出手段側に位置
   する固定側磁界発生手段による固定側超音波パル
   スの検出時間間隔をt2、可動側超音波パルスを検
   出するまでに検出する固定側超音波パルスの数を
   ｉとし、可動側磁界波発生手段を設置した可動物
   体の位置ｘを、式 ｘ＝（ｉ＋t2／t1）・ｄ で算出することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の位置検出器。 ５ 可動側磁界発生手段として前記固定側磁界発
   生手段の前記所定間隔より短い距離だけ離間した
   ２つの可動側磁界発生手段を用い、一方の可動側
   磁界発生手段と固定側磁界発生手段とが同じ位置
   に重なつたときは他方の可動側磁界発生手段によ
   る超音波パルスを用いて可動物体の位置を算出す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   位置検出器。