JPS5856413B2 - 変位位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は機械的な変位位置を電気信号に変換する変位位
置検出装置に関するものである。

本発明の目的は、構成が簡単であって、周囲温度等の影
響を受けず高い精度で変位位置の検出ができるこの種の
装置を実現しようとするものである。

図に訃いて、１は例えばＮｉ−８ＰＡＮＣ，Ｎｉ等の磁
歪材料を線状にして構成した磁歪線で、外部からの機械
的振動が伝わらないように、寸た、磁歪線１の一端１１
に３いて、磁歪線１内に発生し伝播してきた歪波信号（
超音波信号）が極性が反転して反射するように軽く支持
されている。

２は磁歪線１の他方の端（又は端付近）に配置した受信
手段で、ここでは磁歪線に巻回されるコイルで構成した
例を示す。

４は磁歪線１に移動可能に結合し、との磁歪線１内に歪
波信号（超音波信号）を発生させる励振手段で、ここで
は磁歪線１が一次コイルとしての役目をなすトロイダル
状の鉄心をもったトランス４０と、このトランス４０の
二次コイルに誘起する信号が印加され磁歪線１に巻回さ
れた励振コイル４１とで構成されている。

５は機械的変位が与えられ、この機械的変位に対応して
移動する可動部を総括的に示したもので、励振手段４は
この可動部５の機械的変位に対応し、磁歪線１に沿って
移動する。

ｏｓは励振パルス発土器で、その出力パルスｐＥは磁歪
線１を介して励振手段４に印加されるとともに、フリッ
プフロップ回路Ｆ’Ｆ１．ＦＦ２のセント端子Ｓに印加
されている。

ＯＰＩ 、ＯＦ２はいずれも比較増幅器で、比較増幅器
ＯＰ１は受信コイル２からの信号と正極性の基準電圧Ｅ
ｓとを比較し、その出力信号はノリツブフロップ回路Ｆ
Ｆ”１のリセット端子に印加されている。

比較増幅器ＯＰ２は受信コイル２からの信号と負極性の
基準電圧−Ｅｓとを比較し、その出力信号はフリップフ
ロップ回路ＦＦ’２ のリセット端子Ｒに印加されてい
る。

ＣＫはフリップフロップ回路ＦＦＩ 、ＦＦ２から得ら
れる２つの時間幅信号ＰＷ１ 、ＰＷ２を人力とする演
算回路である。

このように構成した装置の動作を次に第２図を参照しな
がら説明する。

筐ず、はじめに励振パルス発生器Ｏ８から、第２図イに
示すように励振パルスｐＥを磁歪線１に印加すると、ト
ランス４０を介してその二次コイルにパルスが誘起され
、このパルスが励振コイル４１に印加される。

励振コイル４１に励振パルスが印加されると、励振コイ
ル４１の位置に釦いて、所謂ジュール（Ｊｏｕｌｅ）効
果によって磁歪線１内部に超音波信号が発生し、これが
磁歪線１の両端に向けて伝播する１、励振コイル４１か
ら右側に伝播した信号が受信コイル２の位置に到達する
と、この受信コイル２には第２図口のｅ、に示すような
信号が所謂ピラリ（Ｖｉｌｌａｒｉ）効果によって検出
される。

励振コイル４１から左側に伝播した信号は、端面１１で
反射し、磁歪線１を再び戻って受信コイル２に到達し、
受信コイル２によって第２図口の０２に示すような信号
が検出される。

励振コイル４１から受信コイル２に直接伝播してくる超
音波信号によって生ずる信号ｅ１と、端面１１で反射し
極性が反転し伝播してきた超音波信号によって生ずる信
号ｅ２とは、図示するように互に極性を異にしたものと
なっている。

い斗、励振パルスｐＥを磁歪線１に印加すると同時に磁
歪線１内に超音波信号が発生するものとすれば、この超
音波信号が励振コイル４１の位置から直接受信コイル２
の位置に到達する芽での時間ｔｌ訃よび励振コイル４１
の位置から端面で反射し受信コイル２の位置に到達する
芽での特開ｔ２はそれぞｔｌｉｌ）式お・よヒ２）式で
表わすことがでただし、ｖ８：磁歪線１内を超音波信号
が伝播する速度 Ｌ：磁歪線１の端面１１と受信コイ ル２との間の距離 Ｘ：磁歪線１の端面１１と励振コイ ル４１との間の距離 フリップフロップ回路Ｆ’ＦＩ 、ＦＦ２の各セット端
子Ｓには、励振パルス発生器Ｏ８からの励振パルスＰＥ
が印加されており、これらのフリップフロラフ’回路Ｆ
Ｆ１ 、ＦＦ２はこの励振パルスＰＥＫよって第２図
ハ、二に示すようにセット状態となる。

比較増幅器ＯＰ１は、受信コイル２からの信号のうち最
初に検出された正極性受信信号ｅ１を選択し、フリップ
フロップ回路ＦＦ１を第２図ハに示すようにリセット状
態とする。

同じように、比較増幅器ＯＰ２は、受信コイル２からの
信号のうち負極性受信信号ｅ２を選択し、ノリツブフロ
ップ回路ＦＦ２を第２図二に示すようにリセット状態と
する。

したがって、フリロブフロップ回路ＦＦＩ 、ＦＦ２の
出力端から第２図ハ、二に示すようにｔｌ、ｔ２の時間
幅をもった時間幅信号ＰＷ１ 。

ＰＷ２が得られる。

演算回路ＣＫは、各フリップフロップ回路ＦＦ”ｌ。

ＦＦ２からの時間幅信号ＰＷＩ 、ＰＷ２を人力とし、
（３）式のような演算を行なうことにより、励振手段４
、すなわち可動部５の変位位置Ｘに関連した信号Ｅｏを
出力端子ＯＵＴから得ることができる。

（３）式にむいて、Ｌは一定な値であるから、出力信号
Ｅｏは、可動部５の変位位置Ｘに正確に比例し伝播速度
Ｖ％Ｊ影響を受けない信号となる。

なト、演算回路ＣＫをディジタル演算回路で構成すれば
、出力信号Ｅｏをディジタル信号で、芽た、アナログ回
路で構成すればＥｏをアナログ信号で容易に得ることが
できる。

このようにして得られた本発明にかかわる変位位置検出
装置は、一つの受信手段で２種の伝播信号を受信し、こ
れらの２種の信号を利用して（３）式のような演算を行
なうものであるから、構成が簡単であって、前述したよ
うに超音波信号の伝播速度ｖ８の影響を受けず高精度の
変位検出が行なえるという特長がある。

芽た、励振手段４をトランス４０と励振コイル４１で構
成すれば、励振ハ／Ｌ／スを供給するためのリード線を
特別に必要としないという特長もある。

昔た、温度変化等による磁歪線１自身の線膨張による長
さ変化の影響をも受けないという特長がある。

すなわち、磁歪線１の線膨張係数をα、温度変化をＪｔ
とし、 これを考慮して（３）式を書き改めると次式の
通りとなり、Ｅｌ ｔ２の演算を行なｔｌ＋ｔ２ うことにより、磁歪線１自身の長さが変ることによる影
響も除去できる。

芽た、このように構成した装置は、可動部５の移動に伴
って生ずる励振手段と磁歪線との結合度の変化による影
響も除去することができる。

すなわち、励振手段４によって磁歪線１に発生し２、そ
れぞれ左右に伝播する超音波信号は、はぼ同一振幅の信
号であって、受信手段２は極性は異なるがほぼ同一振幅
の伝播信号を受信する。

こりことから、各フリップフロップＦＦＩ 、ＦＦ２か
らの信号の時間幅ｆ、１ 、ｊ２にはそれぞれ、伝播信
号の振幅値の変化（振幅値の変化は励振手段と磁歪線と
の結合度変化によって変る）による誤差も同じ様に介入
することとなる。

それ故に、１． １２の演算を含ｔ（３）式の演算を行
なうことにより、この誤差をキャンセルすることができ
る。

従って、本発明に係る装置によれば、環境変化の影響を
受けず、高い精度で変位位置の測定を行なうことができ
る。

第３図１よび第４図は本発明装置に用いられる励振手段
の他の例を示す構成図である。

第３図の例は、励振手段をその磁界が磁歪線と交差する
ようにした永久磁石４としたものである。

芽た、励振パルス発生器Ｏ８の出力信号をＣＴを介して
磁歪線１に印加するようにしている。

励振パルス信号が磁歪線１に流れると、このパルス電流
による磁界と永久磁石４の磁界の相互作用によって永り
磁石４の存在する位置で磁歪線１内に超音波信号が発生
する。

第４図の例は、励振手段を磁歪線１に巻回されたコイル
４とし、これに励振パルス発生器Ｏ８かラノパルス信号
をフレキシブルワイヤＦＷを介してコイル４に供給する
ようにしたものである。

なお、受信手段２として、ここでは圧電素子を設けた場
合を示す。

第５図は本発明にかかわる装置を位置帰還手段に適用し
た場合の自動平衡計器の→りを示す構成ブロック図であ
る。

この装置に釦いては、演算回路ＣＫをアナログ回路で構
成したものである。

すなわち、演算回路ＣＫに釦いて、スイッチＳＷ１はフ
リップフロップ回路ＦＦ１からの時間幅信号ＰＷ１によ
って駆動され、また、スイッチＳＷ２はフリップフロッ
プ回路ＦＦ２からの時間幅信号ＰＷ２によって駆動され
ている。

演算増幅器ＯＰ３とその帰還回路に接続されたコンデン
サＣ１で構成される積分器ＩＮＴは、抵抗ＲＪＩ Ｊ
ＲＩ２ およびスイッチＳＷ１ 、ＳＷ２を介して印加
される基準電圧Ｅ 、−Ｅと、抵抗Ｒ２１、Ｒ２゜訃よ
びスイッチＳＷ１ 、ＳＷ２を介して印加される演算回
路ＣＫの出力Ｅ、（サンプルホールドＳＨの出力）とを
積■ 分する。

サンプルホールド回路ＳＨは、励振パルス発生器Ｏ８か
ら得られるサンプリングパルスＳＰによって駆動される
スイッチＳＷ３とコげフサＣ２トよび演算増幅器ＯＰ４
で構成されており、積分器ＩＮＴの出力信号を励振パル
スＰＥ の周期に対応してサンプリング・ホールドし、
可動部５、すなわち指針５０の位置に関連したアナログ
信号Ｅｆを得ている。

この演算回路ＣＫにおいて、定常状態に訃いて、その出
力信号Ｅｆは、Ｒ，＝Ｒ］。

＝Ｒ，。

、Ｒ２＝Ｒ２、＝Ｒ２゜とすれば、（４）式で代表され
る。

この演算回路ＣＫの指針５０の位置に関連した信号Ｅｆ
は、被測定信号Ｅｉと比較される。

増幅器ＯＰ５は、被測定信号ＥｉとＥｆとの偏差信号ｅ
を増幅し、Ｅｉ＝Ｅｆとなるように平衡電動機ＢＭを、
駆動する。

これによって、指針５０を被測定信号Ｅｉに従って追従
させることができる。

第６図釦よび第７図は本発明装置の応用例を示す構成図
である。

第６図はレベル計に適用した場合であって、励振手段４
を可動部たるフロート５に結合し、タンク内の液位を検
出するようにしている。

第７図は差圧変換器に適用した場合であって、ダイヤフ
ラム５Ｌ５２とを結ぶ連結棒を磁歪線１で構成し、この
磁歪線１の一端に受信コイル２を設け、磁歪線１の他端
１１を超音波信号が反射するように構成したものである
。

寸た励振手段４をボテイＢＯに固定したものである。

ダイヤフラム５１，５２はその両側に形成された部屋５
３゜５４に導入される圧力の差に応じて変位し、磁歪線
１、受信手段２がともに変位し、励振手段４と受信手段
２との距離が変化し、差圧を検出するようにしている。

な釦、第６図訃よび第７図に示す構成例は、いずれも一
つの適用例であって、これ以外に温度、粘度等、各種の
物理量に対応する機械的変位の検出に適用が可能である
。

以上説明したように、本発明によれば、構造が簡単で高
精度の変位位置検出装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成ブロック図、第２
図は第１図装置の動作波形図、第３図および第４図は本
発明装置に用いられる励振手段の他の例を示す構成図、
第５図は本発明にかかわる装置を適用した自動平衡計器
の一例を示す構成ブロック図、第６図および第７図は本
発明装置の応用例を示す構成図である。 １・・・・・・磁歪線、２・・・・・・受信手段、１１
・・・・・・反射端、４・・・・・・励振手段、５・・
・・・・可動部、Ｏ８・・・・・・励振パルス発生器、
ＯＰＩ 、ＯＰ２・・・・・・比較増幅器、ＦＦＩ 、
ＦＦ２・・・・・・フリップフロップ回路、ＣＫ・・・
・・・演算回路手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁歪材料で構成されかつ一端において伝播信号が極
   性を反転して反射するように軽く支持された磁歪線、と
   の磁歪線の他端付近において設置された磁歪線に結合す
   る受信手段、前記磁歪線に結合にの磁歪線内に超音波信
   号を発生する励振手段、との励信手段と前記受信手段と
   （ＩＥの距離を機械的変位に対応して変化サヒろ手段、
   前記励振手段に励駁）９レスを出力サケる励振パルス発
   生器、前記励振パルスによってセントされ前記受信手段
   ７５４の正極性パルスによってリセツトされる第１のフ
   リップフロップ回路、前記励振パルスによってセットサ
   れ前記受信手段からの負極性パルスによってリセツ）３
   れる第２のフリップフロップ回路、前記第１、第２のフ
   リップフロップ回路から出力される時間幅１． 、１２
   の信号を人力し少なくとも（ｔｌ−ｔ２）／（ｔ１＋ｔ
   ２）？、ｃる演算を行なって前記機械的変位に対応する
   信号を得る演算回路手段を具備した変位位置検出装置。 ２ 演算回路手段を第１、第２のフリップフロップ回路
   から出力される時間幅ｔ１．ｔ２の各信号によってそれ
   ぞれ駆動されるスイッチと、このスイッチを介してそれ
   ぞれ極性の異なる基準電圧が印加される積分器と、この
   積分器の出力を励振パルス信号の周期に応じてサンプリ
   ングボールドする回路と、このサンプルホールド回路の
   出力を前記スイッチを介して積分器の人力側に印加する
   手段とで構成した特許請求の範囲第１項記載の変位位置
   検出装置。