JPS6285819A - 変位検出装置 - Google Patents

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。

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や液面などの機械的変位
を検出する変位検出装置に関するものである。

従来技術とその問題点 従来、磁歪現象を用いて物体や液面の機械的変位を知る
変位検出装置としては、例えば米国特許第３１７３１３
１号公報に記載のように、磁歪線の一端に電流パルスを
流し、磁歪線に沿って移動可能な永久磁石の近接する磁
歪線の部位にいわゆるビープマン効果（Ｗｉｅｄｅｍａ
ｎｎ　ｅｆｆｅｃｔ）により超音波（捩り歪）を発生さ
せ、磁歪線の特定部位までの超音波の伝播時間を計測す
ることにより、永久磁石に与えられる機械的変位を検出
するものが知られている。しかしながら、この種の変位
検出装置の場合には、超音波の伝播速度が例えば温度変
化によって変動すると測定距離に誤差をもたらすという
問題がある。

このような伝播速度の変動による測定誤差を解消するた
めに、例えば特開昭５５−６６７１０号公報に記載のよ
うに、磁歪線の両端部に第１と第２の受信手段を設け、
永久磁石からこれら受信手段までの超音波の伝播時間を
それぞれ検出することによって、伝播速度に関係なく永
久磁石の位置を求めることができる変位検出装置が提供
されている。ところが、上記の変位検出装置の場合には
１、両端部に受信手段を設ける必要があるため、装置の
一端部が測定すべき対象物の内部に埋没するような場合
、例えば液面検出などに使用すると、液中に一方の受信
手段が位置するためにリード線を液中に配線しなければ
ならず、測定困難となるとともに、受信手段を２個必要
とするため高価になる欠点がある。

そこで本出願人は、上記欠点を解消するため、磁歪線に
沿って移動可能な永久磁石の他に磁歪線の特定部位に固
定した永久磁石を設け、この固定永久磁石と可動永久磁
石とからの双方の超音波信号の伝播時間によって、可動
永久磁石に与えられる機械的変位を検出するようにした
変位検出装置を提案した（特願昭６０−６７７１６号）
。

この場合には、第７図に示すように発信手段からの電流
パルス３０に基づいて固定永久磁石および可動永久磁石
の双方で超音波信号３１．３２が同時に発生し、これら
信号が受信手段で検出されるが、特に可動永久磁石が固
定永久磁石に一定距離以内に接近すると、可動永久磁石
による超音波信号３２が固定永久磁石による超音波信号
３１の余韻波の上に重畳し、測定時間ｔに誤差を生じる
おそれがある。これを第８図にしたがって説明すると、
図中破線の波３２ａは余韻波の影響を受けない可動永久
磁石による本来の波、実線の波３２ｂは余韻波の上に重
畳した時の波であり、本来であれば時間ｔが測定される
が、余ｇＡｌ！Ｌの影響で波３２ａが下方へ押し下げら
れて測定時間がｔ゛　となり、Δｔだけ誤差が出ること
になる。このような誤差を避けるには、２個の永久磁石
の接近距離に制限を設けるしか方法がなく、これでは測
定可能範囲が磁歪線の全長に比べて（走に制約される欠
点がある。

発明の目的 本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、
その目的は、超音波の伝播速度の影響を受けずに変位を
検出できるようにし、かつ２個の永久磁石の接近距離の
制限を無くした変位検出装置を提供することにある。

発明の構成 上記目的を達成するために、本発明の変位検出装置は、
磁歪線と、該磁歪線に沿って移動可能な可動永久磁石と
、磁歪線の特定部位に固定された固定永久磁石と、磁歪
線の一端に電流パルスあるいは超音波信号を供給する第
１発信手段と、磁歪線上の可動永久磁石と固定永久磁石
との間でかつ固定永久磁石の近傍部位に、第１発信手段
とは別時刻に電流パルスあるいは超音波信号を供給する
第２発信手段と、可動永久磁石および固定永久磁石の近
接する磁歪線の部位で発生あるいは反射した超音波信号
を受信する受信手段と、可動永久磁石および固定永久磁
石の近接する磁歪線の部位で発生あるいは反射した超音
波信号の受信手段までの伝播時間に関連した信号により
、可動永久磁石に与えられる機械的変位を求める演算手
段とを備えたものである。

すなわち、第１発信手段の供給信号と第２発信手段の供
給信号とによつて固定および可動永久磁石の超音波信号
を別個に検出し、波形が重畳することによる伝播時間の
検出誤差を解消するものである。

実施例の説明 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Ｎｉなどの磁歪材料からなる磁歪線、２
は両端面にそれぞれＮ極、Ｓ極が着磁され、磁歪線Ｉに
沿って移動可能な円筒形状の可動永久磁石、３は磁歪線
１の特定部位に固定され、可動永久磁石２と同様の特性
を有する固定永久磁石、４は磁歪線１の始端に電流パル
スＡ１を印加する発信手段の一例である第１パルス発生
装置、５は磁歪線１の固定永久磁石３の直後に電流パル
スＡ２を印加する第２パルス発生装置、６は磁歪線１の
始端側に設けられ、磁歪線１を伝播する超音波信号を受
信する受信手段の一例である歪検出装置、７は歪検出装
置６で受信した超音波信号Ｂをパルス状の信号Ｂ゛に成
形するパルス成形回路である。

Ｓ−Ｒ型フリンプフロンプ回路８のＳ端子には第１パル
ス発生装置４の電流パルスＡ、が入力され、Ｒ端子には
第２パルス発生装置５の電流パルスＡ２が入力されてい
る。ＡＮＤ回路９にはフリップフロップ回路８の出力Ｑ
とパルス成形回路７の出力信号Ｂ゛とが入力され、ＡＮ
Ｄ回路１０にはフリップフロップ回路８の出力ことパル
ス成形回路７の出力信号Ｂ′　とが入力されている。

第２図は第１図に示した回路各部の電圧波形を示し、１
１は電流パルスＡ、により固定永久磁石３の部位で発生
した超音波信号波形、１２は電流パルスＡ１により可動
永久磁石２の部位で発生した超音波信号波形、１３は電
流パルスＡ２により可動永久磁石２の部位で発生した超
音波信号波形である。すなわち、電流パルスＡ１は磁歪
線１の全域に流れるので、両方の永久磁石２，３で発生
した超音波信号１１．１２が検出されるが、電流パルス
Ａ２は固定永久磁石３の直後から終端までの間にのみ流
れるので、可動永久磁石２で発生した超音波信号１３の
みが検出される。これら波形１１．１２．１３はパルス
成形回路７によってパルス状の信号１４，１５．１６に
変換される。フリップフロップ回路８の出力Ｑは電流パ
ルスＡ１が印加されてから電流パルスＡ２が印加される
までの間ＯＮとなるので、ＡＮＤ回路９の出力Ｃ７はパ
ルス信号１４．１５のみとなり、一方フリップフロップ
回路８の出力とは電流パルスＡ２が印加されてから次の
電流パルスＡ１が印加されるまでの間ＯＮとなるので、
ＡＮＤ回路１０の出力Ｃ２はパルス信号１６のみとなる
。

上記可動永久磁石２と歪検出装置６との距離を！、可動
永久磁石２で発生した超音波１３が伝播する時間をｔ、
固定永久磁石３と歪検出装置６との距離を７！。、固定
永久磁石３で発生した超音波１１が伝播する時間をｔ。

、超音波の伝播速度をＳとすると、 β　＝ｓ−ｔ　　　　　　　　　　　　・・・（１１１
２ｏ＝ｓ・ｔｏ　　　　　　　　　　・・・（２）とな
る。このように２個の永久磁石２．３を用いることによ
って２種の信号１，１ｏが得られ、＋１１、（２）式に
より１．１ｏの比を求めると、ｔ／１ｏ−ＩｌＺＩｌｏ
　　　　　　　　・・・（３）となる。（３２式では伝
播速度Ｓが消去され、！！ｏは既知であるから、２種の
信号１．１ｏの比を演算すれば、可動永久磁石２の位置
ｌが一定の距離ｌ。に対する比として測定され、伝播速
度の影響を受けない距離測定が可能となる。

また、電流パルスＡ、によって可動永久磁石２で発生し
た超音波１２の伝播時間は電流パルスＡ２によって可動
永久磁石２で発生した超音波１３の伝播時間ｔと間−で
あるため、上記超音波１２の伝播時間を計測することも
可能であるが、この場合には可動永久磁石２が固定永久
磁石３に対して一定距離以内に接近すると、固定永久磁
石３の超音波１１の余韻波が可動永久磁石２の超音波１
２に重畳され、測定時間ｔの検出誤差を生じるおそれが
ある。したがって、本発明では超音波１２を無視し、誤
差を含まない超音波１３の伝播時間ｔのみを測定してい
る。

上記信号１．１ｏの比を求める方法としては、例えば１
，１ｏに比例する電圧を発生させ、この２つの電圧信号
を半導体集積回路で構成された除算器で演算すれば、（
３）式の計算が可能となる。また、他の方法として１，
１ｏをカウンタでデジタル信号として検出すれば、マイ
クロプロセッサにより（３）式の演算が可能となる。い
ずれの方法も既存の技術で演算可能であるが、構成部品
が高価であり調整が複雑であるという欠点があるので、
以下に安価で安定性に優れた演算手段である演算回路を
説明する。

第３図は演算回路の一例であり、第４図は当該回路の各
部の電圧波形を示し、第４図のＡ、、Ａ７＋　Ｂ、Ｃ，
、Ｃ２は第２図と同様である。

第３図において、１７は三角波発生回路、１８はサンプ
ルホールド回路であり、三角波発生回路１７は第１パル
ス発生装置４の電流パルスＡ、によってスタートする一
定勾配を持った第４図りのような三角波を発生する。サ
ンプルホールド回路１８は固定永久磁石３で発生した波
形１１をパルス化した第４図Ｃ７のパルス１４によって
動作し、そのときの三角波りの電圧Ｖ。を保持する。

ここで、超音波の伝播速度が速くなったと仮定すると、
波形１１は１１”のように速く到達し、パルス１４°に
よって保持される三角波りの電圧はｖｏｏ　となり、Ｖ
Ｑより小さくなる。逆に伝播速度が遅くなると、波形１
１は１１”のように遅く到達し、パルス１４パによって
保持される三角波りの電圧はＶ。°゛となりＶ。より大
きくなる。

これを式で示すと、ｖｏは時間り。に比例するので、そ
の比例定数（勾配）をａとすると、ＶＯ＝ａ　Ｌｇ　　
　　　　　　　　　　−・・（４）これに（２）式を代
入すると、 ｖ　（１ｗ　ａ　ｌ１ｔ３　−　　　　　　　　　−（
５１となる。

磁歪線上を伝播する超音波の伝播速度Ｓが温度によって
変化することは既に述べた通りであるが、実用温度範囲
ではその変化率はさほど大きくはない。そこで、常温に
おける伝播速度をＳ。とじ、常温における温度変化によ
る伝播速度の変化をΔＳとして（５）式をテーラ−展開
し、ΔＳの２次以上を無視すると、 のように１次式で近似できる。

（６）式を具体的に演算するのが第３図の演算増幅器１
９であり、演算増幅器１９で演算されたＶ。

は増幅器２０の正入力に加えられる。増幅器２０、ＰＮ
ＰＮ上形ンジスタ２１．抵抗２２　（抵抗値Ｒ）および
コンデンサ２３（容量値Ｃ）は積分回路を構成し、ＮＰ
Ｎ形トランジスタ２４は電流パルスＡ２によってＯＮす
る。したがって、コンデンサ２３にチャージされている
電圧は電流パルスＡ２によってトランジスタ２４を介し
て接地されて零となり、コンデンサ２３の電圧は第４図
Ｅのように電流パルスＡ２と同時にスタートする三角波
状に変化する。増幅器２０はその正入力と負入力の電圧
が同一になるように作動し、したがってトランジスタ２
１のエミッタ電圧がｖ（１となり、一定電圧Ｖが供給さ
れている抵抗２２を流れる電流ｉは の関係で制御され、トランジスタ２１を経てコンデンサ
２３に流れ込む。電流パルスＡ２が印加された時点でコ
ンデンサ２３の電圧を０とすると、コンデンサ２３の電
圧Ｖは となり、これに（７）式を代入して（８）式を積分すれ
ばｖ　＝　−（Ｖ　−ＶＯ）　　ｔ　　　　　　・・・
（９）Ｃ となり、第４図Ｅのように変化する。

固定永久磁石３の場合と同様に、可動永久磁石２で発生
した超音波１３の波形は、伝播速度が速くなると第４図
Ｂの波形１３゛、遅くなると波形１３°゛のように到達
時間が変化し、第４図Ｅの実線で示すように三角波の勾
配が一定であれば、サンプルホールド回路２５で保持さ
れる出力電圧■が到達時間によって変化することになる
。このとき、増幅器２０の正入力の電圧Ｖ。を変化させ
て第４図Ｅの破線で示すように三角波の勾配を調整して
やれば、伝播速度が変化しても同一の出力電圧ｙ　７５
（得られることになる。

可動永久磁石２から発せられる波形１３の到達時間りは ｔ＝　□　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・００Ｓ で表されるから、（６）式と同様にテーラ−展開すれば となる。そこで、（６１，（１１）式を（９）式に代入
して整理すると、 ＳＱ　　　　５ＱＳＱ となる。（１２）式において Ｏ となるように電圧■を設定すれば、（１２）式は次のよ
うになる。

ＲＣＳｏ　　ｓ６　　　　Ｓ。

（１４）式の中で変数は可動永久磁石２の距離ｌと伝播
速度の変化ΔＳのみである。また、（１４）式の（）の
第２項は２次であり、既に述べたように多くの場合無視
できるので、実際上次のように近似できる。

ＲＣＳｏ　　　Ｓ。

以上のようにして、第３図に示すような安価な構成部品
で安定した温度補償回路が構成でき、磁歪線上を伝播す
る超音波の伝播速度が温度によって変動しても、その変
動を補償でき、元来が高精度な検出を行うことができる
磁歪現象を応用した変位検出装置をさらに安定したもの
とすることが可能となる。

第５図、第６図は本発明の他の実施例を示し、固定永久
磁石３を磁歪線ｌの終端側に固定し、可動永久磁石２を
歪検出装置６と固定永久磁石３の間で移動させるように
したものである。この場合には、第２パルス発生装置５
が固定永久磁石３の直前に電流パルスＡ２を供給するた
め、第６図のように電流パルスＡ２によって固定永久磁
石３が発生する超音波１１のみを検出できる。なお、電
流パルスＡ、によって固定永久磁石３が発生する別の超
音波１１°は可動永久磁石２が発生する超音波１３の余
韻波の影響を受けるおそれがあるので、無視すればよい
。

第５図の変位検出装置を例えば暖かい液体の液面検出に
使用した場合には、磁歪線１の終端側、即ち固定永久磁
石３側が液中に埋没することになるので、固定永久磁石
３による温度補償が第１図に比べてさらに的確となり、
高精度の液面検出が可能となる。また、この変位検出装
置の演算手段として第３図の回路を使用した場合には、
電流パルスＡ、をトランジスタ２４に、電流パルスＡ２
を三角波発生回路１７に、出力Ｃ２をサンプルホールド
回路２５に、出力Ｃ２をサンプルホールド回路１８にそ
れぞれ入力すればよい。これにより第４図りの三角波は
電流パルスＡ２によってスタートし、第４図Ｅの三角波
は電流パルスＡ１によってスタートすることになる。

なお、本発明の変位検出装置は上記実施例に限るもので
はなく、種々に変更可能である。例えば、パルス発生装
置４．５の電流パルスＡ、、Ａ２と歪検出装置６の検出
信号Ｂとから２種の信号Ｃ７，Ｃ２を取り出すために、
フリップフロップ回路８とＡＮＤ回路９．ＩＯを設けた
例を示したが、これは単なる一例であって、既存の回路
で代替することが可能である。また、受信手段と゛して
２台のパルス発生袋Ｗ４，５を設けたが、１台のパルス
発生装置によって異なる時刻にかつ別個の箇所に電流パ
ルスＡ、、Ａ２を供給するように構成することも可能で
ある。

また、本発明は磁歪線に電流パルスを流し、永久磁石の
近接する部位で超音波を発生させるものの他、例えば特
開昭５５−２３４２０号公報に記載のように、磁歪線に
超音波を流し、永久磁石の近接する部位で超音波の一部
を反射させるものにも通用できる。この場合には、発信
手段としてパルス発生装置に代えてコイルあるいは圧電
素子などの励振装置を使用すればよい。

さらに、本発明で使用する永久磁石としては、実施例の
ような両端面にＮ、Ｓ極を着磁した円筒形状のものに限
らず、通常の棒状磁石あるいは上記公報に記載のような
磁歪線を交差する磁界を有するコ字形磁石を使用しても
よい。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、本発明によれば固定永久
磁石と可動永久磁石とからの双方の超音波信号の伝播時
間により、可動永久磁石に与えられる機械的変位を検出
するので、超音波の伝播速度の影響を受けるおそれがな
く、また１箇所に受信手段を設ければよいので、測定す
べき対象物に制約がなく、安価に構成できる。

また、第１発信手段の供給信号と第２発信手段の供給信
号とによって固定および可動永久磁石の超音波信号を別
個に検出するため、双方の波形が重畳することによる伝
播時間の検出誤差を解消できる。したがって、可動永久
磁石と固定永久磁石との接近距離に制限を設ける必要が
なく、磁歪線の全長に対する測定可能範囲を従来に比べ
て広げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる変位検出装置の一例の基本構造
図、第２図は検出方法の一例を示す波形図、第３図は演
算回路の構成図、第４図は演算回路の各部の電圧波形図
、第５図は本発明の他の例の基本構成図、第６図はその
検出方法を示す波形図、第７図、第８図は従来例の検出
方法を示す波形図である。 １・・・磁歪線、２・・・可動永久磁石、３・・・固定
永久磁石、４・・・第１パルス発生装置（第１発信手段
）、５・・・第２パルス発生装置（第２発信手段）、６
・・・歪検出装置（受信手段）。 出　願　人　　三京貿易株式会社 代　理　人　　弁理士　部外　秀隆 第７図 第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁歪線と、該磁歪線に沿って移動可能な可動永久
   磁石と、磁歪線の特定部位に固定された固定永久磁石と
   、磁歪線の一端に電流パルスあるいは超音波信号を供給
   する第１発信手段と、磁歪線上の可動永久磁石と固定永
   久磁石との間でかつ固定永久磁石の近傍部位に、第１発
   信手段とは別時刻に電流パルスあるいは超音波信号を供
   給する第２発信手段と、可動永久磁石および固定永久磁
   石の近接する磁歪線の部位で発生あるいは反射した超音
   波信号を受信する受信手段と、可動永久磁石および固定
   永久磁石の近接する磁歪線の部位で発生あるいは反射し
   た超音波信号の受信手段までの伝播時間に関連した信号
   により、可動永久磁石に与えられる機械的変位を求める
   演算手段とを備えたことを特徴とする変位検出装置。
2. （２）上記演算手段は、磁歪線に第１、第２発信手段の
   一方から電流パルスが印加されたときにスタートする一
   定勾配を持つ三角波状の電圧を、固定永久磁石の部位で
   発生した超音波信号が受信手段に到達したときに保持し
   、該電圧によって磁歪線に第１、第２発信手段の他方か
   ら電流パルスが印加されたときにスタートする別の三角
   波状の電圧の勾配を調整し、該三角波状の電圧を移動永
   久磁石の部位で発生した超音波信号が受信手段に到達し
   たときに保持することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の変位検出装置。