JPH0545149A - 直線位置センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 磁気弾性波伝播方式の利点を生かしながら簡
単な構成で広い範囲にわたって可動体の位置を精度よく
検出することができる直線位置センサを提供する。 【構成】 磁歪を有し長尺状をなす磁性体１に沿って、
所定間隔を存し夫々磁性体１に対して位相が反転した磁
気弾性波を発生させる複数個の励磁コイル４ａ，４ｂを
設ける。励磁コイル４ａ，４ｂにより発生された磁気弾
性波を検出する検出コイル３ａ，３ｂは、励磁コイル４
ａ，４ｂと同じ位置に設ける。磁性体１の長手方向に沿
って移動可能に設けられた可動体６には磁石５を設け
る。可動体６に付設した磁石５は磁性体１にバイアス磁
界を加えるため、弾性波がその位置で遮断ないしは減衰
されて、両側から検出部に伝播する弾性波のバランスが
崩れ、検出コイル３ａ，３ｂに電圧が誘起され可動体６
の位置を求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＮＣ機器等において可
動体の移動位置を磁気的に検出する直線位置センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】この種の直線位置センサとしては、デジ
タル形ではマグネスケールがあり、また、アナグロ形で
は磁気弾性波伝播方式によるものがある。このうち、後
者の磁気弾性波伝播方式のものは、一般に精度よりも速
応性，操作性，簡易性が要求される場合に利用されるこ
とが多く、例えば図４に示すような構成となっている。
即ち、可動体６に対してその移動方向と平行に配置され
た磁歪を有する長尺状の磁性体１を設け、この磁性体１
の一端側に励磁コイル４を配設すると共に可動体６に検
出コイル３を設けて構成したものである。励磁コイル４
に交流電流を与えると磁性体１には磁気弾性波が生じ、
これが磁性体１の他端部に伝播していく。この場合、磁
気弾性波は磁性体１内を４〜５km／ｓで伝播するため、
励磁コイル４から遠ざかるにつれて位相遅れ及び振幅減
衰が大きくなる。つまり、磁性体１の不特定位置で観測
される磁気弾性波は、その観測位置に応じて振幅及び位
相が異なるようになる。一方、検出コイル３には、磁性
体１内を伝播する磁気弾性波により電圧が誘起される。
従って、例えば図４において、励磁コイルと同じ位置に
相当する（ａ）と、磁性体２に沿って全体の半分程度隔
った位置に相当する（ｂ）との両者の位置における検出
電圧を比較すると、夫々図５（ａ），（ｂ）に対応させ
て示すようになる。即ち、励磁コイル４から遠ざかる位
置にある（ｂ）の検出電圧は、（ａ）に比べて振幅はＡ
からＡ´へと減衰し、伝播に要する遅れ時間τが発生し
て位置がずれる。このような関係が生ずることに基き、
検出コイル３に誘起される電圧を励磁コイル４への印加
電圧と比較することにより、可動体６の位置を検出する
ことができるのである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような従来構成のものは、磁気弾性波が伝播距離の増
加に伴って指数関数的に減衰するため、長距離の伝播が
望めず検出範囲が広く取れなくなり、従って、前述した
ように広い範囲で精度の良い検出が行えないという問題
があった。これは、磁性体１には材質的な限界があるた
め、励磁電流を増加させても磁性体１が飽和現象を起こ
して磁化が比例して増加しなくなることによるものであ
り、単に励磁コイル４への入力を増加させてもそれに比
例して伝播距離つまり検出距離を増やすことができない
ことを意味している。また検出コイル３を可動部分であ
る可動体６に設けているため、検出信号の処理が複雑と
なる問題もある。

【０００４】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、磁気弾性波伝播方式の利点を生かしな
がら簡単な構成で広い範囲に渡って可動体の位置を精度
良く検出することができる直線位置センサを提供するに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の直線位置センサ
は、磁歪を有し長尺状をなす磁性体と、所定間隔を存し
て配置され、夫々前記磁性体に対して位相が反転した磁
気弾性波を発生させる複数個の励磁手段と、これら励磁
手段と同じ位置に配置され、前記励磁手段により発生さ
れた磁気弾性波を検出する検出手段と、前記磁性体の長
手方向に沿って移動可能に配置され、磁性体に対向する
ように磁石を付設した可動体とを具備して構成したとこ
ろに特徴を有する。

【０００６】

【作用】本発明の直線位置センサによれば、複数個の励
磁手段に励磁電流を与えると、磁性体には磁気弾性波が
生起され、しかも隣り合う励磁手段との間に生ずる磁気
弾性波が互いに位相が反転していることにより、一定の
条件で干渉し合うので、例えば両者の振幅が同じであれ
ば、ちょうど中央部で振幅がゼロになり、且つ励磁手段
を設けた位置ではピークとなるような分布状態が得られ
る。励磁手段と同じ位置に設けた検出手段は、励磁手段
より伝播して来た弾性波を検出し電圧に変換するが、前
記の状態では弾性波が相殺し合うため電圧が誘起されな
い。しかし、可動体に付設した磁石は磁性体にバイアス
磁界を加えるため、弾性波がその位置で遮断ないしは減
衰されて、両側から検出部に伝播する弾性波のバランス
が崩れ、検出手段に電圧が誘起される。この電圧は、可
動体の位置と一対一の対応を持つため可動体の位置を求
めることができる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を用い
て説明する。図１は直線位置センサの全体の構成を示し
ている。移動可能に配置された可動体６には磁石５が付
設されており、磁石は永久磁石（電磁石でも良い）を用
いている。この可動体６の移動位置に対応して磁歪を有
する長尺状の磁性体１が非接触で配置されている。磁性
体１は例えばＦｅ系のアモルファス薄帯等の材料からな
る。そしてこの磁性体１の両端部に夫々位置して励磁手
段たる励磁コイル４ａ，４ｂが配置され、これらは磁性
体１に対して生起させる磁気弾性波の位相を反転させる
ように逆接続状態で直列にして励磁源となる交流電源７
の両端子間に接続されている。

【０００８】また励磁コイル４ａ，４ｂと同じ位置に検
出手段たる検出コイル３ａ，３ｂが配置されており、こ
れらは直列に接続されて端子ｃ−ｄが引き出されてい
る。この検出コイル３ａ，３ｂは励磁コイル４ａ，４ｂ
と同軸状に配置してモールド成形して構成することもで
きる。次に本実施例の作用について説明する。

【０００９】交流電源７から励磁コイル４ａ，４ｂに対
して励磁周波数ｆの電流を与えると、同一周波数の磁気
弾性波が磁性体１に発生する。そしてこの磁気弾性波は
互いに位相が反転しているので検出コイル３ａ，３ｂで
磁気弾性波が通過した際に誘起される電圧も互いに位相
が反転することになる。従って、直列に接続した検出コ
イル３ａ，３ｂの端子ｃ−ｄ間には、弾性波の振幅の差
による誘起電圧分のみ現われる。励磁コイル４ａ，４ｂ
のコイル巻数を等しくすると発生する弾性波も同じ振幅
を持つため、誘起電圧も等しくなり、検出コイル端子ｃ
−ｄ間には電圧が誘起されないことになる。しかし、可
動体６が図中の可動範囲（励磁コイル４ａ，４ｂ間）内
に存在すると、可動体６に取付られた磁石５の生じる直
流磁界により磁性体１が局部的にバイアスを受ける形と
なり、その部分で弾性波が遮断ないしは減衰されること
になる、この効果により、夫々の検出コイル３ａ，３ｂ
で生じる電圧の振幅には差が生じ、検出コイル端子ｃ−
ｄ間には電圧が誘起される。この電圧の位相と振幅は、
磁石５のバイアスを受ける位置すなわち可動体６の位置
により変化し、その位置と一対一の対応を示す。

【００１０】ここで、発明者らが実験的に得た結果につ
いて説明する。励磁コイル４ａ，４ｂの間の距離Ｌをパ
ラメータとして、入力電圧に対する出力電圧の大きさの
比を表すと、図２に示すような結果が得られた。即ち、
この場合距離Ｌを５cm，８cm及び１６cmとし、励磁周波
数を５ＫＨｚ，励磁コイル４ａ，４ｂの巻数を３回，検
出コイル３ａ，３ｂの巻数を２０回としたときの結果で
ある。この図２から明らかなように、入出力電圧比Ｒ
（％）は夫々の場合において距離Ｌの中間点に可動体６
がある場合ゼロとなり、励磁コイル４ａ，４ｂと同じ位
置に可動体６がある場合には、互いに位相が反転し、最
大の振幅となるような結果が得られた。そして距離Ｌに
対しては、距離Ｌが短くなる程そのピーク値は大きくな
り、分解能が良くなっているが、従来のものでは距離Ｌ
が１６cmの場合には電圧の変化を検出することが困難で
あったのに対し、本実施例によれば、距離Ｌが１６cmの
場合であっても十分な分解能が得られ、検出距離が増大
していることがわかる。

【００１１】従って本実施例によれば、可動体６の位置
を広い範囲に渡って非接触で精度良く検出できることに
なる。また本実施例によれば、検出コイル３ａ，３ｂを
可動部分である可動体６に設けていないので検出信号の
処理が容易となる。しかも検出コイル３ａ，３ｂは固定
して設けたことにより増幅器を接続することができ、検
出コイル３ａ，３ｂのリードが長くなってもノイズの影
響を受けることが少なくなって精度の低下を防止でき
る。

【００１２】なお、図２にみられるように、可動体６の
位置と検出電圧との間には一対一の対応があるが、この
関係は一般的に比線形であるため、線形関係に補正した
方が良い。検出電圧は位置に対してＥＸＰＯＮＥＮＴ
（べき指数）的に変化するため、検出電圧を対数変換す
ればかなりの精度（実験では０．０１mm）で線形関係に
補正できる。しかし、ある程度（対数変換より１桁落ち
る）の精度で良い場合は１／２乗変換でも十分である。
これはコスト的な関係が左右し、後者の方がかなり安く
なる。図１では検出コイル端子ｃ−ｄに補正回路９とし
て１／２乗変換回路を接続し、検出電圧と可動体６の位
置との関係を直線関係に補正した場合を示している。

【００１３】また上記実施例において、検出コイル３
ａ，３ｂや励磁コイル４ａ，４ｂに代えて図３に示すよ
うな磁気ヘッド８を用いるようにしても良い。この磁気
ヘッド８はギャップＧを有する磁性ヨーク８ａにコイル
８ｂを巻回してなり、励磁や磁気弾性波の検出にホール
素子等の磁気検出素子を用いることもできる。

【００１４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の直線位置
センサによれば、磁気弾性波伝播方式における検出手段
を励磁手段と同じ位置に固定して設けたことにより、簡
単な構成で広い範囲に渡って可動体の位置を精度良く検
出することができ、また可動体から信号を取出すための
構成が不要となって信号処理が簡単になるという優れた
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の全体構成図

【図２】入出力電圧比を実験により求めた結果を示す図

【図３】本発明の他の実施例を示す要部概略図

【図４】従来例を示す図１相当図

【図５】従来例の検出信号波形を示す図

【符号の説明】

１は磁性体，３ａ，３ｂは検出コイル，４ａ，４ｂは励
磁コイル，５は磁石，６は可動体，７は交流電源，８ａ
は磁性ヨーク，８ｂはコイル，９は補正回路を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁歪を有し長尺状をなす磁性体と、所定
   間隔を存して配置され、夫々前記磁性体に対して位相が
   反転した磁気弾性波を発生させる複数個の励磁手段と、
   これら励磁手段と同じ位置に配置され、前記励磁手段よ
   り発生された磁気弾性波を検出する検出手段と、前記磁
   性体の長手方向に沿って移動可能に配置され、前記磁性
   体に対向するように磁石を付設した可動体とを具備して
   なる直線位置センサ。