JPS61194313A - 変位検出装置の超音波信号検知方法 - 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、物体の変位量あるいは機械
的変位などを検出する変位検出装置に関　・するもので
ある。

従来技術とその問題点 従来、物体の機械的変位や層面などの変位を検出する変
位検出装置には種々のものがあり、その。

中でも磁歪現象を応用した変位検出装置が特に線形性１
分解能に優れている。

この種の変位検出装置として、例えば特開昭５５−６６
７１０号公報や特開昭５５−２３４２０公報に開示のも
のが知られているが、いずれの場合も永久磁石と磁歪線
との位置関係が少しでも変化すると、磁歪線には軸方向
に一様でない残留磁気が残り、この残留磁気のために永
久磁石の部位で生じる捩り歪取外の不要な信号が検出さ
れるという問題があった。

かかる問題を解決するため、本出願人は既に、永久磁石
の磁歪線に対する位置関係が変化しても高精度な検出が
できる変位検出装置を提案した（特願昭５９−２３４７
３５号）。この装置の原理を第１図〜第３図に示す。

図面において、１はＮｉなどからなる線状の磁歪線、２
は磁歪線１を取り囲み磁歪線ｌに沿って移動可能な永久
磁石であり、この永久磁石２は磁歪線１の軸方向に分極
されている。３は磁歪線１にパルス状の電流を供給する
パルス発生装置、４は磁歪線１の始端に装備された歪検
出装置である。

パルス発生装置３によって磁歪線ｌに第２図Ａのような
幅の短い電流パルスを供給すると、磁歪線１には第３図
に示すような円周方向に磁場５が形成されるとともに、
永久磁石２が近接している磁歪線ｌの部位にのみ永久磁
石２による磁歪線ｌの軸方向の磁場６が形成され、いわ
ゆるビープマン効果によって磁歪線ｌの当該部位に捩り
歪が発生し、この模り歪が急激に生じるため、磁歪線ｌ
の両端に向かって捩り振動（超音波）が伝播する。

第１図のように、磁歪線１の始端に到達した捩り歪を歪
検出装置４で検出すれば、第２図Ｂのような波形が得ら
れ、その波形の適当な高さｈで第２図Ｃのようにパルス
信号を発生させれば、磁歪線１の始端から永久磁石２ま
での距離ｌを時間ｔの関数として次式で求めることがで
きる。

１＝ｖ−を 上式において、■は候り歪の伝播速度であり、磁歪線ｌ
の横弾性係数をＧ、磁歪線ｌの密度をρとすると、 ■＝丑フ７ で与えられる。

上記のようにして時間ｔを測定することにより永久磁石
２の変位を検出することができる。しかしながら、この
種の変位検出装置では、磁歪線１上を超音波が伝播する
ので、磁歪線ｌに外部から振動や衝撃などの外乱が加わ
った場合には、この外乱によって生じる音波が磁歪線１
を伝播し、第２図Ｂに示される本来必要な超音波信号に
対する雑音となる恐れがある。

第４図はこの様子を示したものであり、第４図Ａは第２
図Ａと同様に磁歪線１に与えられる電流パルス、第４図
Ｂは本来測定すべき雑音のない波形、第４図Ｃは本来測
定すべき波形の上に外部からの振動や衝撃による雑音が
重畳された波形である。第４図Ｂでは波形の高さｈにな
るまでの時間ｔが測定され、第４図Ｃでは同じ高さｈに
よって時間ｔ′が測定されることになり、永久磁石２の
位置が同一であるにもかかわらず、異なった測定結果を
もたらすことになる。

このような問題は、上記のように永久磁石１が磁歪線１
を取り囲んだ形状の場合に限らず、磁歪現象を応用した
変位検出装置には一般に起こる問題である。

発明の目的 本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目
的は、磁歪現象を応用した変位検出装置を振動や衝撃な
どの外乱が多い環境で使用しても、誤差なく超音波信号
を検知できる超音波信号検知方法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、本発明は、特定部位で検出
された超音波信号を微分し、磁歪によって生じた超音波
の波形の頂点で超音波の伝播時間を計測するものである
。

すなわち、本来測定すべき超音波９波形の頂点は、たと
え雑音が重畳されても時間軸に対する位置は一定してお
り、したがってこの波形の頂点で超音波の伝播時間を計
測すれば、誤差なく超音波信号を検知できる。

実施例の説明 第５図は本発明を利用した装置の第１実施例を示し、第
６図は第５図に示した回路の各部の電圧波形を示す。

第６図Ａはパルス発生装置３によって磁歪線ｌに与えら
れる電流パルスであり、該パルスが与えられてから適当
な時間後、第６図Ｂの如き波形が歪検出装置４で検出さ
れる。この第６図Ｂの波形は磁歪線１に振動や衝撃など
の外乱が加わっていない状態におけるものである。

第６図Ｃは磁歪線１に加わる外乱のみを検出した波形で
あり、例えば磁歪線１に永久磁石２を挿入していない状
態で磁歪線ｌに外乱が加わり、これを歪検出装置４で検
出したときの波形を示したものである。実際には、第６
図ＢとＣとが合成された第６図りのような波形が歪検出
装置４で検出される。

７は高域通過フィルタであり、磁歪線１上の永久磁石２
の部位で発生する超音波の周波数（例えば１００Ｋ）ｌ
ｚ）近傍以上の信号のみ通過させ、これ以下の周波数信
号をカットするものである。歪検出装置４から高域通過
フィルタフに伝えられた信号は、高域通過フィルタ７で
低域がカントされ、第６図Ｅのように出力される。

８は電圧コンパレータであり、正入力に加えられた高域
通過フィルタフの出力電圧が負入力に加えられた電圧（
この実施例の場合にはＶ）よりも高いときに、第６図Ｆ
のように出力される。高域通過フィルタフの出力Ｅは、
また同時にコンデンサ１０と抵抗１１とで構成される微
分回路９にも伝えられ、微分された波形は第６図Ｇのま
うになる。

１２は電圧コンパレータであり、負入力に加えられた微
分回路９の出力電圧が正入力に加えられている電圧（こ
の実施例の場合には０）よりも低いときに出力Ｈを発生
し、この様子を示したのが第６図Ｈである。

コンパレータ８，１２の出力Ｆ、　ＨはＡＮＤ素子１３
に印加されているので、信号Ｆ、　Ｈが同時にＯＮのと
きにのみ第６図■に示すようにパルス信号が出力される
。パルス信号Ｉの立ち上がり時刻は、磁歪線ｌ上の永久
磁石２の部位で発生した超音波の波形の頂点が歪検出装
置４で検出される時刻と一致する。

このように、電流パルスＡが発生した時刻からパルス信
号Ｉの立ち上がり時刻までをｔのように測定すれば、磁
歪線１を伝播してくる超音波の波形の頂点の到達時刻を
正確に知ることができる。

第７図、第８図は本発明の第２実施例を示し、第５図の
場合と同様に、歪検出装置４の出力信号りは高域通過フ
ィルタフに供給され、出力信号Ｅを得る。出力信号Ｅは
演算増幅器１４、抵抗１５．１６からなる回路に伝えら
れ、この回路は第７図に示すようにＶ。でバイアスされ
ているため、第８図Ｅに示すようにＶ。よりも高い信号
のみ増幅され、また例えば演算増幅器１４として片電源
で動作する演算増幅器を使用すれば、ｖｏよりも低い信
号は０にクランプされて、第８図Ｊのように波形の頂点
近傍のみが増幅された信号が得られることになる。

上記Ｊ信号を第５図と同様なコンデンサ１０と抵抗１１
とで構成された微分回路９に印加すれば、微分出力信号
が第８図にのように得られ、第８図Ｅの波形の頂点と一
致する時刻にゼロをクロスする信号が得られる。微分出
力信号には電圧コンパレータ１２に伝えられ、既に第５
図の例で述べたように、コンパレータ１２の負入力の信
号がゼロ以下の場合にコンパレータ１２がＯＮになるた
め、第８図りのような出力信号が得られることになる。

第８図りの信号の立ち上がり時刻は第８図Ｅの波形の頂
点と一致するので、時間ｔを正確に測定することができ
る。

第９図は本発明の第３実施例を示す。第１．第２実施例
では、磁歪線ｌに加えられた低域の雑音を電気的に除去
するために高域通過フィルタ７を使用したが、この実施
例では磁歪線１への外乱の伝達を機械的に防止したもの
である。

図面において、磁歪線１は非磁性で導電性の中筒１７の
中に挿入され、この中筒１７の両端部内部には中心を磁
歪線１が貫通するゴムなどの弾性体１８が組み込まれて
いる。そして、磁歪線１に張力を持たせた後、中筒１７
の両端部を圧縮して絞り部１９を形成することにより、
磁歪線ｌと弾性体１８とを同時に押圧し、磁歪線１は中
筒１７の中に装備される。

上記絞り部１９では弾性体１８が磁歪線ｌの外周に密着
するので、磁歪線１の両端まで伝播した超音波が弾性体
１８で効果的に吸収、される。したがって、第２図Ｂで
示すような永久磁石２で生じた捩り歪による超音波のみ
を、中筒１７に形成した開口部３５を経て歪検出装置４
で検出することが可能となる。

磁歪線１の始端は導線２２に接続され、後端は導線２０
によって中筒１７の右端に電気的に接続され、さらに中
筒１７の左端は導線２１に接続されているため、多心ケ
ーブル２５より供給される電流パルスが磁歪線１に流れ
る。なお、この実施例では、中筒１７を導電体の一部と
して使用したが、中筒１７が非導電性材料で構成されて
いる場合には、別の導線（図示せず）を磁歪線１の後端
と導線２１との間に設ければ、同様の目的を達する。

磁歪線１を装備した中筒１７は非磁性の外筒２７の中に
挿入され、この外筒２７と中筒１７との間に形成される
環状空間に、例えばスポンジなどからなる振動吸収材３
３が配置されている。この振動吸収材３３は、外筒２７
や、外１ｉｉ２７に溶接あるいは他の機械的方法で接合
固定されたケース３０などに作用する外部からの機械的
な振動や衝撃を吸収、減衰させ、不必要な外乱が歪検出
装置４で検出され得ないようにしている。

外筒２７の右端にはエンドキャップ２８が圧入もしくは
他の機械的方法で密封固定されており、例えば外筒２７
が液中にあっても、液体が外筒２７の内部に浸入するこ
とな（、永久磁石２の位置を検出することが可能となる
。

ケース３０の左端にはケースカバー２９が挿入固定され
、このケースカバー２９を貫通して多心ケーブル２５が
ケース３０内に導入されている。

多心ケーブル２５は磁歪線ｌへの電流パルスの供給を行
うとともに、歪検出装置４の検出信号を導線２３．２４
を介して取り出すことができる。また、多心ケーブル２
５としてシールド線を使用すれば、シールド導線２６を
ケース３０の内面に電気的に接続し、ケース３０および
外筒２７を磁歪線１および歪検出装置４の電気的シール
ドとして使用することもできる。

上記構成の変位検出装置は、変位を検出すべき機械など
の固定部３４にケース３０のネジ部３１を挿入してナフ
ト３２で締め付は固定し、機械などの可動部（図示せず
）に永久磁石２を固定すれば容易に設置でき、機械など
の可動部の変位を既に第５図〜第８図で述べた方法によ
って検出することができる。

上記のように、この実施例では外筒２７と中筒１７との
間に振動吸収材３３を配置することにより、外部からの
機械的な振動や衝撃を吸収、減衰させることができるた
め、高域通過フィルタフなどの電気的な外乱除去手段を
省略することも可能である。

なお、上記のような機械的な振動吸収材３３を第１．第
２実施例に示す高域通過フィルタ７と併用すれば、不必
要な外乱をより効果的に除去することができる。

また、本発明の超音波信号検知方法は、上記各実施例の
ように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場合に限らず、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を反射させ
ることにより、永久磁石の変位を検出する場合にも同様
に応用することができるものである。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、本発明によれば変位検出
装置を振動や衝撃の多い環境で使用しても、本来必要な
超音波の波形の頂点を時間測定の基準としているため、
常に正確な永久磁石の位置を時間の関数として知ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の前提となる変位検出装置の一例の概略
構成図、第２図は検出方法の一例を示す波形図、第３図
は磁歪線に生じる磁場の方向を示す斜視図、第４図は外
乱が加わった場合の超音波の波形図、第５図以下は本発
明の実施例を示し、第５図は本発明方法を使用した装置
の第１実施例の構成図、第６図は第５図に示す回路の各
部の電圧波形図、第７図は本発明の第２実施例の回路図
、第８図は第７図に示す回路の各部の電圧波形図、第９
図は本発明方法を使用した変位検出装置の第３実施例の
断面図である。 １・・・磁歪線、２・・・永久磁石、３・・・パルス発
生装置、４・・・歪検出装置、７・・・高域通過フィル
タ、９・・・微分回路、３３・・・振動吸収材。 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２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁歪線に電流パルスあるいは超音波信号を流し、
   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
   部位で超音波を発生あるいは反射させ、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装置において、
   上記特定部位で検出された超音波信号を微分し、磁歪に
   よって生じた超音波の波形の頂点で超音波の伝播時間を
   計測することを特徴とする超音波信号検知方法。