JP2000009456A - 磁歪式変位検出装置 - Google Patents
磁歪式変位検出装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】検出用永久磁石が広範囲に移動しても、検出用
永久磁石の位置を正確に検出することができる磁歪式変
位検出装置を提供すること。 【解決手段】磁歪線１の軸線方向に電流パルスを流すこ
とにより、磁歪線に沿って移動可能な検出用永久磁石９
の近接する磁歪線の部位でねじり弾性波を発生させ、受
信用コイル７ａまでのねじり弾性波の伝播時間を計測す
ることにより、検出用永久磁石９に与えられる機械的変
位を検出する。受信用コイル７ａの近傍に軸方向の偏向
磁場を与えるバイアス用永久磁石１０を配置し、コイル
７ａで磁歪線を伝播するねじり弾性波の成分のうちの縦
波を検出する。縦波は横波に比べて伝播距離による減衰
が少なく、検出用永久磁石９が広範囲に移動しても明瞭
な検出波形を得ることができる。
永久磁石の位置を正確に検出することができる磁歪式変
位検出装置を提供すること。 【解決手段】磁歪線１の軸線方向に電流パルスを流すこ
とにより、磁歪線に沿って移動可能な検出用永久磁石９
の近接する磁歪線の部位でねじり弾性波を発生させ、受
信用コイル７ａまでのねじり弾性波の伝播時間を計測す
ることにより、検出用永久磁石９に与えられる機械的変
位を検出する。受信用コイル７ａの近傍に軸方向の偏向
磁場を与えるバイアス用永久磁石１０を配置し、コイル
７ａで磁歪線を伝播するねじり弾性波の成分のうちの縦
波を検出する。縦波は横波に比べて伝播距離による減衰
が少なく、検出用永久磁石９が広範囲に移動しても明瞭
な検出波形を得ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は磁歪現象を用いて物
体の機械的変位や液面の変位などを検出する磁歪式変位
検出装置に関するものである。
体の機械的変位や液面の変位などを検出する磁歪式変位
検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、磁歪式変位検出装置として、図１
に示すように、磁歪線３０にパルス発生回路３１から電
流パルスを流すことにより、磁歪線３０に沿って移動可
能な永久磁石３２の近接する磁歪線の部位でねじり弾性
波（超音波）を発生させ、磁歪線３０の始端側に設けた
受信器３３までのねじり弾性波の伝播時間を計測するこ
とにより、永久磁石３２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（例えば特開昭６１−１１２９
２３号公報参照）。磁歪線３０の両端部は、支持部材３
４，３５によって張力を持って支持されている。
に示すように、磁歪線３０にパルス発生回路３１から電
流パルスを流すことにより、磁歪線３０に沿って移動可
能な永久磁石３２の近接する磁歪線の部位でねじり弾性
波（超音波）を発生させ、磁歪線３０の始端側に設けた
受信器３３までのねじり弾性波の伝播時間を計測するこ
とにより、永久磁石３２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（例えば特開昭６１−１１２９
２３号公報参照）。磁歪線３０の両端部は、支持部材３
４，３５によって張力を持って支持されている。
【０００３】図２は永久磁石３２の変位を検出する方法
を示す波形図である。Ａは電流パルス、Ｂは受信器３３
で受信された波形、Ｃは波形Ｂを成形した波形である。
電流パルスＡの供給から波形Ｃ1 の到達までの時間ｔを
計測すれば、次式により、永久磁石３２に与えられる変
位ｘを計測できる。 ｘ＝ｖ・ｔ ・・・（１） なお、ｖはねじり弾性波の伝播速度である。
を示す波形図である。Ａは電流パルス、Ｂは受信器３３
で受信された波形、Ｃは波形Ｂを成形した波形である。
電流パルスＡの供給から波形Ｃ1 の到達までの時間ｔを
計測すれば、次式により、永久磁石３２に与えられる変
位ｘを計測できる。 ｘ＝ｖ・ｔ ・・・（１） なお、ｖはねじり弾性波の伝播速度である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、永久磁石３
２の部位で発生したねじり弾性波は磁歪線３０を伝わっ
て受信器３３に到達するが、磁歪線３０を伝播する間に
減衰するという性質がある。図３は受信器３３と永久磁
石３２との間の距離と、ねじり弾性波の振幅との関係を
示す図である。例えば、この磁歪式変位検出装置を原子
炉の制御棒駆動装置に使用するためには、磁歪線３０の
長さが約４ｍ必要であるが、受信器３３と永久磁石３２
との間が４ｍ離れると、永久磁石３２が受信器３３の近
傍にある場合に比べて、ねじり弾性波の振幅が15％程度
まで減衰してしまう。
２の部位で発生したねじり弾性波は磁歪線３０を伝わっ
て受信器３３に到達するが、磁歪線３０を伝播する間に
減衰するという性質がある。図３は受信器３３と永久磁
石３２との間の距離と、ねじり弾性波の振幅との関係を
示す図である。例えば、この磁歪式変位検出装置を原子
炉の制御棒駆動装置に使用するためには、磁歪線３０の
長さが約４ｍ必要であるが、受信器３３と永久磁石３２
との間が４ｍ離れると、永久磁石３２が受信器３３の近
傍にある場合に比べて、ねじり弾性波の振幅が15％程度
まで減衰してしまう。
【０００５】磁歪式変位検出装置においては、ねじり弾
性波を検出する方法として受信器にコイルを使用し、ヴ
ィラリー効果によってねじり弾性波を検出するものや、
触子を磁歪線に対してほぼ直交して接触させ、ねじり弾
性波を触子の軸方向力に変換し、触子の端部に取り付け
た圧電素子やコイルなどでねじり弾性波の到来を触子の
軸方向変位の形で検出するものがある。しかしながら、
いずれの検出方法もねじり弾性波の横波を検出している
ため、上記のように受信器と永久磁石との距離に起因す
る振幅の減衰が大きく、長尺な磁歪線を用いる変位検出
装置の問題となっている。
性波を検出する方法として受信器にコイルを使用し、ヴ
ィラリー効果によってねじり弾性波を検出するものや、
触子を磁歪線に対してほぼ直交して接触させ、ねじり弾
性波を触子の軸方向力に変換し、触子の端部に取り付け
た圧電素子やコイルなどでねじり弾性波の到来を触子の
軸方向変位の形で検出するものがある。しかしながら、
いずれの検出方法もねじり弾性波の横波を検出している
ため、上記のように受信器と永久磁石との距離に起因す
る振幅の減衰が大きく、長尺な磁歪線を用いる変位検出
装置の問題となっている。
【０００６】従来では、ねじり弾性波の伝播時間ととも
に増幅度を変化させることによって、永久磁石３２の磁
歪線３０の軸線方向の位置に関係なくほぼ一定レベルの
検出波形を得ることができる変位検出装置が提案されて
いる（特開平５−１８７８５４号公報）。しかし、永久
磁石が磁歪線の軸方向に広範囲に動いた場合には、検出
波形の減衰が大きく、上記の方法を用いてもねじり弾性
波の検出が不可能となる場合がある。
に増幅度を変化させることによって、永久磁石３２の磁
歪線３０の軸線方向の位置に関係なくほぼ一定レベルの
検出波形を得ることができる変位検出装置が提案されて
いる（特開平５−１８７８５４号公報）。しかし、永久
磁石が磁歪線の軸方向に広範囲に動いた場合には、検出
波形の減衰が大きく、上記の方法を用いてもねじり弾性
波の検出が不可能となる場合がある。
【０００７】そこで、本発明の目的は、検出用永久磁石
が広範囲に移動しても、検出用永久磁石の位置を正確に
検出することができる磁歪式変位検出装置を提供するこ
とにある。
が広範囲に移動しても、検出用永久磁石の位置を正確に
検出することができる磁歪式変位検出装置を提供するこ
とにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、磁歪線の軸線方向に電流パルスを流すこ
とにより、磁歪線に沿って移動可能な検出用永久磁石の
近接する磁歪線の部位でねじり弾性波を発生させ、磁歪
線の特定部位までのねじり弾性波の伝播時間を計測する
ことにより、検出用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、上記磁歪線の特定部位にねじり
弾性波受信用コイルを挿通配置し、このコイルの近傍に
軸方向の偏向磁場を与えるバイアス用永久磁石を配置
し、上記コイルで磁歪線を伝播するねじり弾性波の成分
のうちの縦波を検出することを特徴とする磁歪式変位検
出装置を提供する。
に、本発明は、磁歪線の軸線方向に電流パルスを流すこ
とにより、磁歪線に沿って移動可能な検出用永久磁石の
近接する磁歪線の部位でねじり弾性波を発生させ、磁歪
線の特定部位までのねじり弾性波の伝播時間を計測する
ことにより、検出用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、上記磁歪線の特定部位にねじり
弾性波受信用コイルを挿通配置し、このコイルの近傍に
軸方向の偏向磁場を与えるバイアス用永久磁石を配置
し、上記コイルで磁歪線を伝播するねじり弾性波の成分
のうちの縦波を検出することを特徴とする磁歪式変位検
出装置を提供する。
【０００９】図４のように磁歪線に電流パルスを印加す
ると、検出用永久磁石の近接する磁歪線の部位でねじり
弾性波が発生し、このねじり弾性波は磁歪線を伝播して
受信器で検出される。ねじり弾性波には円周方向の横波
成分と軸方向の縦波成分とがあるが、従来のように受信
器でねじり弾性波の横波を検出した場合には、受信器と
検出用永久磁石との距離が離れると、振幅が大きく減衰
してしまう。これに対し、ねじり弾性波の縦波を検出す
ると、横波に比べて伝播距離による減衰が少なく、検出
用永久磁石が磁歪線の軸方向に広範囲に動いても明確な
検出波形が得られることを発見した。
ると、検出用永久磁石の近接する磁歪線の部位でねじり
弾性波が発生し、このねじり弾性波は磁歪線を伝播して
受信器で検出される。ねじり弾性波には円周方向の横波
成分と軸方向の縦波成分とがあるが、従来のように受信
器でねじり弾性波の横波を検出した場合には、受信器と
検出用永久磁石との距離が離れると、振幅が大きく減衰
してしまう。これに対し、ねじり弾性波の縦波を検出す
ると、横波に比べて伝播距離による減衰が少なく、検出
用永久磁石が磁歪線の軸方向に広範囲に動いても明確な
検出波形が得られることを発見した。
【００１０】図５は磁歪線に図３と同様な材料を用い
て、ねじり弾性波の横波を検出した場合と縦波を検出し
た場合の、受信器と永久磁石間の距離によるねじり弾性
波の減衰を比較したものである。縦波では横波に比べて
減衰が少なく、受信器と永久磁石間の距離が４ｍとなっ
ても、縦波の減衰量は２０％程度に抑えられることがわ
かる。
て、ねじり弾性波の横波を検出した場合と縦波を検出し
た場合の、受信器と永久磁石間の距離によるねじり弾性
波の減衰を比較したものである。縦波では横波に比べて
減衰が少なく、受信器と永久磁石間の距離が４ｍとなっ
ても、縦波の減衰量は２０％程度に抑えられることがわ
かる。
【００１１】本発明では、磁歪線を伝播するねじり弾性
波の成分のうち縦波のみを選択的に検出するため、ねじ
り弾性波受信用コイルの近傍に軸方向の偏向磁場を与え
るバイアス用永久磁石を配置している。この永久磁石に
よって、磁歪線を伝播するねじり弾性波の成分のうち、
横波を抑圧するとともに縦波を強調し、縦波の到達をコ
イルで正確に検出することができる。
波の成分のうち縦波のみを選択的に検出するため、ねじ
り弾性波受信用コイルの近傍に軸方向の偏向磁場を与え
るバイアス用永久磁石を配置している。この永久磁石に
よって、磁歪線を伝播するねじり弾性波の成分のうち、
横波を抑圧するとともに縦波を強調し、縦波の到達をコ
イルで正確に検出することができる。
【００１２】ところで、磁歪線の始端に電流パルスを供
給すると、検出用永久磁石の近接する磁歪線の部位でね
じり弾性波が発生すると同時に、バイアス用永久磁石の
近接する磁歪線の部位でもねじり弾性波が発生する。こ
れらのねじり弾性波が受信用コイルへ到達すると、検出
波形に本来必要な波形の他に多くの不要な波形が含まれ
ることになり、好ましくない。
給すると、検出用永久磁石の近接する磁歪線の部位でね
じり弾性波が発生すると同時に、バイアス用永久磁石の
近接する磁歪線の部位でもねじり弾性波が発生する。こ
れらのねじり弾性波が受信用コイルへ到達すると、検出
波形に本来必要な波形の他に多くの不要な波形が含まれ
ることになり、好ましくない。
【００１３】そこで、請求項２では、受信用コイルの背
後に位置する磁歪線の始端部にねじり弾性波を吸収する
ダンピング材を設け、このダンピング材の近傍にバイア
ス永久磁石を配置している。つまり、バイアス用永久磁
石で発生したねじり弾性波はダンピング材で即座に吸収
され、受信器では殆ど検出されない。そのため、ノイズ
を少なくすることができる。
後に位置する磁歪線の始端部にねじり弾性波を吸収する
ダンピング材を設け、このダンピング材の近傍にバイア
ス永久磁石を配置している。つまり、バイアス用永久磁
石で発生したねじり弾性波はダンピング材で即座に吸収
され、受信器では殆ど検出されない。そのため、ノイズ
を少なくすることができる。
【００１４】磁歪式変位検出装置は、周囲温度が磁歪線
の磁気変態点を超えると、磁気現象が消失してしまうた
めに機能しなくなる。また、周囲温度が磁気変態点を超
えないまでも、同点に近づくだけで、発生するねじり弾
性波の振幅が減衰することから、使用できる周囲温度範
囲の制限を受ける。磁歪線の材質としては恒弾性材料で
あるＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ−Ａｌ系合金（例えばＮｉ
−ＳｐａｎＣ（商品名））が一般的に用いられるが、Ｎ
ｉ−ＳｐａｎＣの磁気変態点は１５０℃前後であり、周
囲温度の上昇によるねじり弾性波の減衰のために、実用
上は周囲温度が１００℃程度までの環境でしか使用でき
ない。磁歪式変位検出装置を原子炉の制御棒駆動装置の
制御棒駆動軸の位置検出に使用する場合、周囲温度が約
３５０℃に達するため、磁歪線としてＮｉ−ＳｐａｎＣ
を用いることはできない。
の磁気変態点を超えると、磁気現象が消失してしまうた
めに機能しなくなる。また、周囲温度が磁気変態点を超
えないまでも、同点に近づくだけで、発生するねじり弾
性波の振幅が減衰することから、使用できる周囲温度範
囲の制限を受ける。磁歪線の材質としては恒弾性材料で
あるＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ−Ａｌ系合金（例えばＮｉ
−ＳｐａｎＣ（商品名））が一般的に用いられるが、Ｎ
ｉ−ＳｐａｎＣの磁気変態点は１５０℃前後であり、周
囲温度の上昇によるねじり弾性波の減衰のために、実用
上は周囲温度が１００℃程度までの環境でしか使用でき
ない。磁歪式変位検出装置を原子炉の制御棒駆動装置の
制御棒駆動軸の位置検出に使用する場合、周囲温度が約
３５０℃に達するため、磁歪線としてＮｉ−ＳｐａｎＣ
を用いることはできない。
【００１５】そこで、磁歪式変位検出装置を原子炉の制
御棒駆動装置にも使用することができるようにするため
に、磁歪線として様々な材料を試してみた結果、例えば
重量比でＮｉ５０％，Ｆｅ５０％の合金（ＮＳ- １（商
品名））を用いると、周囲温度が室温から３５０℃まで
上昇してもねじり弾性波の振幅の温度変化による減衰が
小さいことを発見した。
御棒駆動装置にも使用することができるようにするため
に、磁歪線として様々な材料を試してみた結果、例えば
重量比でＮｉ５０％，Ｆｅ５０％の合金（ＮＳ- １（商
品名））を用いると、周囲温度が室温から３５０℃まで
上昇してもねじり弾性波の振幅の温度変化による減衰が
小さいことを発見した。
【００１６】図６にＮｉ−ＳｐａｎＣとＮＳ−１の周囲
温度の変化によるねじり弾性波の減衰を示す。ＮＳ−１
では周囲温度を室温から３５０℃まで上昇させても、ね
じり弾性波の温度変化による減衰量は４０％程度であ
る。
温度の変化によるねじり弾性波の減衰を示す。ＮＳ−１
では周囲温度を室温から３５０℃まで上昇させても、ね
じり弾性波の温度変化による減衰量は４０％程度であ
る。
【００１７】上記のように磁歪線の材質としてＮＳ−１
を用いると、周囲温度が上昇してもねじり弾性波の温度
変化による減衰量が小さいという利点はあるが、その反
面、ＮＳ−１はねじり弾性波が磁歪線を伝播して受信器
に到達するまでの間の減衰量、すなわちねじり弾性波の
伝播距離の長さによる減衰量がＮｉ−ＳｐａｎＣに比べ
て大きいという性質がある。
を用いると、周囲温度が上昇してもねじり弾性波の温度
変化による減衰量が小さいという利点はあるが、その反
面、ＮＳ−１はねじり弾性波が磁歪線を伝播して受信器
に到達するまでの間の減衰量、すなわちねじり弾性波の
伝播距離の長さによる減衰量がＮｉ−ＳｐａｎＣに比べ
て大きいという性質がある。
【００１８】そこで、請求項３では、磁歪線としてＮＳ
−１を用いた変位検出装置に本発明を適用したものであ
る。これによって、ねじり弾性波の温度変化による減衰
量が小さく、かつ伝播距離の長さによる減衰量も小さ
い、高性能な変位検出装置が得られる。
−１を用いた変位検出装置に本発明を適用したものであ
る。これによって、ねじり弾性波の温度変化による減衰
量が小さく、かつ伝播距離の長さによる減衰量も小さ
い、高性能な変位検出装置が得られる。
【００１９】ねじり弾性波の縦波と横波とではその伝播
速度が異なる。縦波の伝播速度ｖL 、横波の伝播速度ｖ
T はそれぞれ次式で与えられる。 ｖL ＝√（Ｅ／ρ） ・・・（２） ｖT ＝√（Ｇ／ρ） ・・・（３） なお、Ｅは磁歪線の縦弾性係数、Ｇは剛性率、ρは密度
である。
速度が異なる。縦波の伝播速度ｖL 、横波の伝播速度ｖ
T はそれぞれ次式で与えられる。 ｖL ＝√（Ｅ／ρ） ・・・（２） ｖT ＝√（Ｇ／ρ） ・・・（３） なお、Ｅは磁歪線の縦弾性係数、Ｇは剛性率、ρは密度
である。
【００２０】Ｎｉ−ＳｐａｎＣのような恒弾性材料で
は、縦弾性係数Ｅおよび剛性率Ｇは温度に関係なく一定
であるが、ＮＳ−１のような材料では、縦弾性係数Ｅ，
剛性率Ｇが温度によってかなり大きく変化する。例え
ば、磁歪式変位検出装置を原子炉の制御棒駆動装置の制
御棒駆動軸の位置検出に使用する場合、周囲温度が約３
５０℃にも達するため、温度変化による伝播速度の変動
を無視できなくなる。
は、縦弾性係数Ｅおよび剛性率Ｇは温度に関係なく一定
であるが、ＮＳ−１のような材料では、縦弾性係数Ｅ，
剛性率Ｇが温度によってかなり大きく変化する。例え
ば、磁歪式変位検出装置を原子炉の制御棒駆動装置の制
御棒駆動軸の位置検出に使用する場合、周囲温度が約３
５０℃にも達するため、温度変化による伝播速度の変動
を無視できなくなる。
【００２１】変位検出装置とは別に温度センサを設け、
この温度センサの検出信号に基づいて測定値を温度補正
することは可能であるが、これでは温度センサなどの格
別な温度検出手段を必要とするので、コスト高になるば
かりか、温度センサが磁歪線の温度を正確に検出できる
とは限らない。
この温度センサの検出信号に基づいて測定値を温度補正
することは可能であるが、これでは温度センサなどの格
別な温度検出手段を必要とするので、コスト高になるば
かりか、温度センサが磁歪線の温度を正確に検出できる
とは限らない。
【００２２】そこで、請求項４では、磁歪線の終端部で
発生する縦波を利用することで、検出値を温度補償して
いる。すなわち、磁歪線の始端部に電流パルスを供給す
ると、検出用永久磁石の有無に関係なく磁歪線の終端部
でねじり弾性波の縦波が発生するという現象がある。こ
の縦波を永久磁石で発生した縦波とともにコイルで検出
すれば、温度変化に伴う縦波の伝播速度の影響を補償す
ることが可能である。
発生する縦波を利用することで、検出値を温度補償して
いる。すなわち、磁歪線の始端部に電流パルスを供給す
ると、検出用永久磁石の有無に関係なく磁歪線の終端部
でねじり弾性波の縦波が発生するという現象がある。こ
の縦波を永久磁石で発生した縦波とともにコイルで検出
すれば、温度変化に伴う縦波の伝播速度の影響を補償す
ることが可能である。
【００２３】磁歪線の全長をＬ、終端部で発生した縦波
のコイルへの伝播時間をｔL 、縦波の伝播速度をｖL と
すると、 Ｌ＝ｖL ・ｔL ・・・（４） である。一方、検出用永久磁石に与えられる変位ｘと伝
播時間ｔx との関係は（１）式で与えられる。（１）式
と（４）式の比を取ると、次式のように伝播速度ｖL の
影響を排除できる。 ｘ／Ｌ＝ｔx ／ｔL この式を変形すると、次式のようになる。 ｘ＝Ｌ・ｔx ／ｔL ・・・（５）
のコイルへの伝播時間をｔL 、縦波の伝播速度をｖL と
すると、 Ｌ＝ｖL ・ｔL ・・・（４） である。一方、検出用永久磁石に与えられる変位ｘと伝
播時間ｔx との関係は（１）式で与えられる。（１）式
と（４）式の比を取ると、次式のように伝播速度ｖL の
影響を排除できる。 ｘ／Ｌ＝ｔx ／ｔL この式を変形すると、次式のようになる。 ｘ＝Ｌ・ｔx ／ｔL ・・・（５）
【００２４】（５）式のうち、ｔx とｔL は検出波形か
ら求められるが、全長Ｌは温度によって変化する。一般
に、磁歪線の長さの温度変化率は１０ｐｐｍ程度であ
る。そこで、例えば予め試験を行なって温度と伝播時間
ｔL との関係データを求めておけば、ｔL から温度を知
ることができる。そして、この温度から全長Ｌを知るこ
とができるので、（５）式によって正確な変位ｘを求め
ることができる。
ら求められるが、全長Ｌは温度によって変化する。一般
に、磁歪線の長さの温度変化率は１０ｐｐｍ程度であ
る。そこで、例えば予め試験を行なって温度と伝播時間
ｔL との関係データを求めておけば、ｔL から温度を知
ることができる。そして、この温度から全長Ｌを知るこ
とができるので、（５）式によって正確な変位ｘを求め
ることができる。
【００２５】なお、（５）式のように伝播速度ｖL を排
除する方法に限らず、予め試験を行なって温度と伝播時
間ｔL との関係データおよび温度と伝播速度ｖL との関
係データを求めておき、ｔL から温度を知り、温度から
伝播速度ｖL を知ることができるので、（１）式により
変位ｘを求めることも可能である。
除する方法に限らず、予め試験を行なって温度と伝播時
間ｔL との関係データおよび温度と伝播速度ｖL との関
係データを求めておき、ｔL から温度を知り、温度から
伝播速度ｖL を知ることができるので、（１）式により
変位ｘを求めることも可能である。
【００２６】磁歪線の終端部で発生するねじり弾性波の
縦波は、非常に大きな波形が得られるので、長尺な磁歪
線を用いた変位検出装置であっても、このねじり弾性波
の縦波を容易に検出することができる。しかも、終端部
で発生する縦波も検出用永久磁石で発生する縦波も共に
縦波であるから、一個のコイルで両方の波形を検出でき
る。
縦波は、非常に大きな波形が得られるので、長尺な磁歪
線を用いた変位検出装置であっても、このねじり弾性波
の縦波を容易に検出することができる。しかも、終端部
で発生する縦波も検出用永久磁石で発生する縦波も共に
縦波であるから、一個のコイルで両方の波形を検出でき
る。
【００２７】
【発明の実施の形態】図７は本発明にかかる磁歪式変位
検出装置の一例を示す。磁歪線１は重量比でＮｉ５０
％，Ｆｅ５０％の合金（ＮＳ- １（商品名））を用いて
いる。ＮＳ- １は周囲温度が室温から３５０℃まで上昇
してもねじり弾性波の振幅の温度変化による減衰が少な
い。磁歪線１の始端は基台２上に固定されたクランプ部
材３によってクランプされ、終端はスプリング４を介し
て支持部材５によって支持されている。そのため、磁歪
線１には常に一定の張力が与えられる。なお、磁歪線１
の始端部にはねじり弾性波を吸収するシリコーンゴムな
どのダンピング材６が塗布されており、クランプ部材３
からの反射波などを吸収している。受信器７は磁歪線１
の始端側に配置されており、内蔵したコイル７ａの中心
部を磁歪線１が無接触で貫通している。コイル７ａはヴ
ィラリー効果を利用して磁歪線１を伝播するねじり弾性
波、特に縦波の到来を検出するものである。コイル７ａ
の負極は接地され、正極は増幅器８に接続される。
検出装置の一例を示す。磁歪線１は重量比でＮｉ５０
％，Ｆｅ５０％の合金（ＮＳ- １（商品名））を用いて
いる。ＮＳ- １は周囲温度が室温から３５０℃まで上昇
してもねじり弾性波の振幅の温度変化による減衰が少な
い。磁歪線１の始端は基台２上に固定されたクランプ部
材３によってクランプされ、終端はスプリング４を介し
て支持部材５によって支持されている。そのため、磁歪
線１には常に一定の張力が与えられる。なお、磁歪線１
の始端部にはねじり弾性波を吸収するシリコーンゴムな
どのダンピング材６が塗布されており、クランプ部材３
からの反射波などを吸収している。受信器７は磁歪線１
の始端側に配置されており、内蔵したコイル７ａの中心
部を磁歪線１が無接触で貫通している。コイル７ａはヴ
ィラリー効果を利用して磁歪線１を伝播するねじり弾性
波、特に縦波の到来を検出するものである。コイル７ａ
の負極は接地され、正極は増幅器８に接続される。
【００２８】磁歪線１の近傍には、磁歪線１の軸線方向
（ｘ方向）に移動可能な検出用永久磁石９が配置されて
いる。なお、この実施例の永久磁石９は円環状で、軸方
向に着磁したものであるが、これに限らず、ヴィーデマ
ン効果によって磁歪線１にねじり弾性波を発生させるこ
とができるものであれば、形状や着磁方向は問わない。
また、円環状永久磁石９を磁歪線１に挿通してもよい。
（ｘ方向）に移動可能な検出用永久磁石９が配置されて
いる。なお、この実施例の永久磁石９は円環状で、軸方
向に着磁したものであるが、これに限らず、ヴィーデマ
ン効果によって磁歪線１にねじり弾性波を発生させるこ
とができるものであれば、形状や着磁方向は問わない。
また、円環状永久磁石９を磁歪線１に挿通してもよい。
【００２９】受信器７の背後に位置する磁歪線１の始端
部、特にダンピング材６の近傍には、図８に示すように
コイル７ａの近傍に軸方向の偏向磁場を与えるバイアス
用永久磁石１０が配置されている。この実施例では、円
板状永久磁石１０の両端面にＮ，Ｓ極を着磁したもので
あるが、軸方向の偏向磁場を与えるものであれば、永久
磁石の形状や着磁方向、取付位置は図８に限るものでは
ない。例えば、バイアス用永久磁石１０をコイル７ａの
半径方向外側に配置してもよい。
部、特にダンピング材６の近傍には、図８に示すように
コイル７ａの近傍に軸方向の偏向磁場を与えるバイアス
用永久磁石１０が配置されている。この実施例では、円
板状永久磁石１０の両端面にＮ，Ｓ極を着磁したもので
あるが、軸方向の偏向磁場を与えるものであれば、永久
磁石の形状や着磁方向、取付位置は図８に限るものでは
ない。例えば、バイアス用永久磁石１０をコイル７ａの
半径方向外側に配置してもよい。
【００３０】クランプ部材３から突出した磁歪線１の始
端にはパルス発生回路１１から電流パルスが周期的（例
えば１００Ｈｚ〜１ｋＨｚ）に供給され、磁歪線１の終
端からスプリング４を介してパルス発生回路１１のアー
スに戻される。電流パルスが供給されると、ヴィーデマ
ン効果により永久磁石９の近接する磁歪線１の部位でね
じり弾性波が発生し、受信器７で検出される。検出され
たねじり弾性波は増幅器８で増幅され、検出回路１２に
送られる。検出回路１２は入力された信号を波形成形す
るとともに、演算処理して永久磁石９に与えられる機械
的変位ｘを検出する。なお、検出回路１２による機械的
変位ｘの検出方法は、例えば特開昭６１−１１２９２３
号公報，特開平５−１８７８５４号公報などにより公知
であるため、ここでは説明を省略する。
端にはパルス発生回路１１から電流パルスが周期的（例
えば１００Ｈｚ〜１ｋＨｚ）に供給され、磁歪線１の終
端からスプリング４を介してパルス発生回路１１のアー
スに戻される。電流パルスが供給されると、ヴィーデマ
ン効果により永久磁石９の近接する磁歪線１の部位でね
じり弾性波が発生し、受信器７で検出される。検出され
たねじり弾性波は増幅器８で増幅され、検出回路１２に
送られる。検出回路１２は入力された信号を波形成形す
るとともに、演算処理して永久磁石９に与えられる機械
的変位ｘを検出する。なお、検出回路１２による機械的
変位ｘの検出方法は、例えば特開昭６１−１１２９２３
号公報，特開平５−１８７８５４号公報などにより公知
であるため、ここでは説明を省略する。
【００３１】上記構成の変位検出装置において、検出用
永久磁石９の近接する部位で発生したねじり弾性波は受
信用コイル７ａで検出されるが、このときコイル７ａの
近傍には軸方向の偏向磁場を与えるバイアス用永久磁石
１０が配置されているので、ねじり弾性波のうち横波成
分が抑圧され、縦波成分のみが強調される。図５に示し
たように、縦波は横波に比べて伝播距離による減衰が少
ないので、永久磁石９が例えば０ｍ〜４ｍもの広範囲を
移動する場合であっても、明瞭な検出波形をコイル７ａ
で受信することができる。さらに、磁歪線１としてＮＳ
- １を用いることで、周囲温度が室温から３５０℃まで
上昇してもねじり弾性波の振幅の温度変化による減衰が
小さい。そのため、この変位検出装置を原子炉の制御棒
駆動装置に使用することが可能になる。
永久磁石９の近接する部位で発生したねじり弾性波は受
信用コイル７ａで検出されるが、このときコイル７ａの
近傍には軸方向の偏向磁場を与えるバイアス用永久磁石
１０が配置されているので、ねじり弾性波のうち横波成
分が抑圧され、縦波成分のみが強調される。図５に示し
たように、縦波は横波に比べて伝播距離による減衰が少
ないので、永久磁石９が例えば０ｍ〜４ｍもの広範囲を
移動する場合であっても、明瞭な検出波形をコイル７ａ
で受信することができる。さらに、磁歪線１としてＮＳ
- １を用いることで、周囲温度が室温から３５０℃まで
上昇してもねじり弾性波の振幅の温度変化による減衰が
小さい。そのため、この変位検出装置を原子炉の制御棒
駆動装置に使用することが可能になる。
【００３２】また、磁歪線１の始端に電流パルスを供給
すると、検出用永久磁石９の近接する磁歪線１の部位で
ねじり弾性波が発生すると同時に、バイアス用永久磁石
１０の近接する磁歪線１の部位でもねじり弾性波が発生
することになる。しかし、バイアス用永久磁石１０はダ
ンピング材６の近傍に位置しているので、バイアス用永
久磁石１０で発生したねじり弾性波はダンピング材６で
即座に吸収され、受信器７では殆ど検出されない。その
ため、バイアス用永久磁石１０の近接する磁歪線１の部
位で発生するねじり弾性波を影響を受けずに、高精度に
検出することができる。
すると、検出用永久磁石９の近接する磁歪線１の部位で
ねじり弾性波が発生すると同時に、バイアス用永久磁石
１０の近接する磁歪線１の部位でもねじり弾性波が発生
することになる。しかし、バイアス用永久磁石１０はダ
ンピング材６の近傍に位置しているので、バイアス用永
久磁石１０で発生したねじり弾性波はダンピング材６で
即座に吸収され、受信器７では殆ど検出されない。その
ため、バイアス用永久磁石１０の近接する磁歪線１の部
位で発生するねじり弾性波を影響を受けずに、高精度に
検出することができる。
【００３３】次に、変位ｘの温度補償について説明す
る。周囲温度が変化すると、縦波の伝播速度の影響によ
って測定値ｘが変化する。このような温度変化による誤
差を解消するため、磁歪線１の終端部で発生する縦波を
利用する。
る。周囲温度が変化すると、縦波の伝播速度の影響によ
って測定値ｘが変化する。このような温度変化による誤
差を解消するため、磁歪線１の終端部で発生する縦波を
利用する。
【００３４】すなわち、磁歪線１の始端部に電流パルス
を供給すると、図９に示すように、検出用永久磁石９の
部位で発生するねじり弾性波の縦波２０の他に、磁歪線
１の終端部でねじり弾性波の縦波２１が発生する。これ
ら縦波２０，２１をコイル７ａで検出する。なお、波形
２２は電流パルスによる電磁的ノイズである。
を供給すると、図９に示すように、検出用永久磁石９の
部位で発生するねじり弾性波の縦波２０の他に、磁歪線
１の終端部でねじり弾性波の縦波２１が発生する。これ
ら縦波２０，２１をコイル７ａで検出する。なお、波形
２２は電流パルスによる電磁的ノイズである。
【００３５】縦波２０と縦波２１の伝播時間ｔX ，ｔL
を求めれば、（５）式から変位ｘを求めることができ
る。なお、磁歪線１の全長Ｌも温度変化によって変動す
るので、予め試験を行なって温度と伝播時間ｔL との関
係データを求めておき、ｔL から温度を求め、この温度
から全長Ｌを求めれば、（５）式によって正確な変位ｘ
を求めることができる。なお、予め試験を行なって温度
と伝播時間ｔL との関係データ，温度と伝播速度ｖL と
の関係データを求めておき、ｔL から温度を求め、この
温度から伝播速度ｖL を求めるようにすれば、（１）式
によって変位ｘを求めることもできる。
を求めれば、（５）式から変位ｘを求めることができ
る。なお、磁歪線１の全長Ｌも温度変化によって変動す
るので、予め試験を行なって温度と伝播時間ｔL との関
係データを求めておき、ｔL から温度を求め、この温度
から全長Ｌを求めれば、（５）式によって正確な変位ｘ
を求めることができる。なお、予め試験を行なって温度
と伝播時間ｔL との関係データ，温度と伝播速度ｖL と
の関係データを求めておき、ｔL から温度を求め、この
温度から伝播速度ｖL を求めるようにすれば、（１）式
によって変位ｘを求めることもできる。
【００３６】なお、上記実施例は本発明の一例に過ぎ
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記実施例では、電流パルスを磁歪線に流し、
この磁歪線を伝播するねじり弾性波を検出するようにし
たが、特開昭５９- １６２４１２号公報に記載のよう
に、磁歪線をチューブ状とし、その中に電流パルスを供
給するための導線を挿通するようにしてもよい。受信用
コイルとして１個のコイルを用いたが、２個のコイルを
軸方向に配置し、これらコイルの出力を差動的に取り出
すようにしてもよい。この場合には、２個のコイルに共
通に入るノイズを相殺することができる。
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記実施例では、電流パルスを磁歪線に流し、
この磁歪線を伝播するねじり弾性波を検出するようにし
たが、特開昭５９- １６２４１２号公報に記載のよう
に、磁歪線をチューブ状とし、その中に電流パルスを供
給するための導線を挿通するようにしてもよい。受信用
コイルとして１個のコイルを用いたが、２個のコイルを
軸方向に配置し、これらコイルの出力を差動的に取り出
すようにしてもよい。この場合には、２個のコイルに共
通に入るノイズを相殺することができる。
【００３７】
【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、受信用コイルの近傍に軸方向の偏向磁場を与え
るバイアス用永久磁石を配置し、コイルで磁歪線を伝播
するねじり弾性波の成分のうちの縦波を検出するように
したので、検出用永久磁石とコイルの軸方向距離による
減衰の影響を軽減でき、検出用永久磁石が広範囲に移動
する場合であっても、検出用永久磁石の位置を正確に検
出することができる。
よれば、受信用コイルの近傍に軸方向の偏向磁場を与え
るバイアス用永久磁石を配置し、コイルで磁歪線を伝播
するねじり弾性波の成分のうちの縦波を検出するように
したので、検出用永久磁石とコイルの軸方向距離による
減衰の影響を軽減でき、検出用永久磁石が広範囲に移動
する場合であっても、検出用永久磁石の位置を正確に検
出することができる。
【図１】一般的な磁歪式変位検出装置の構成図である。
【図２】図１の変位検出装置の波形図である。
【図３】受信器と検出用永久磁石の軸方向距離とねじり
弾性（横波）の振幅との関係を示す図である。
弾性（横波）の振幅との関係を示す図である。
【図４】ねじり弾性波の発生原理を示す斜視図である。
【図５】受信器と検出用永久磁石の軸方向距離とねじり
弾性（横波および縦波）の振幅との関係を示す比較図で
ある。
弾性（横波および縦波）の振幅との関係を示す比較図で
ある。
【図６】磁歪材料の温度とねじり弾性波の振幅との関係
を示す図である。
を示す図である。
【図７】本発明にかかる磁歪式変位検出装置の一例の構
成図である。
成図である。
【図８】図７の磁歪式変位検出装置の要部の拡大図であ
る。
る。
【図９】永久磁石で発生する縦波と磁歪線の終端部で発
生する縦波とを示す波形図である。
生する縦波とを示す波形図である。
１ 磁歪線 ７ａ 受信用コイル ６ ダンピング材 ９ 検出用永久磁石 １０ バイアス用永久磁石 １１ パルス発生回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市川 利郎 東京都千代田区丸の内２丁目５番１号 三 菱重工業株式会社内 (72)発明者 今吉 祥 茨城県那珂郡東海村舟石川622番地12 ニ ュークリア・デベロップメント株式会社内 (72)発明者 京和泉 宏三 大阪市此花区常吉１丁目１番60号 サンテ スト株式会社内 (72)発明者 竹内 秀之 大阪市此花区常吉１丁目１番60号 サンテ スト株式会社内 Ｆターム(参考） 2F068 AA02 AA22 CC01 DD03 DD05 EE02 EE03 FF03 FF12 FF25 GG02 HH01 2F077 AA13 AA18 AA21 AA49 CC02 LL03 LL07 UU11
Claims (4)
- 【請求項１】磁歪線の軸線方向に電流パルスを流すこと
により、磁歪線に沿って移動可能な検出用永久磁石の近
接する磁歪線の部位でねじり弾性波を発生させ、磁歪線
の特定部位までのねじり弾性波の伝播時間を計測するこ
とにより、検出用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、上記磁歪線の特定部位にねじり弾
性波受信用コイルを挿通配置し、このコイルの近傍に軸
方向の偏向磁場を与えるバイアス用永久磁石を配置し、
上記コイルで磁歪線を伝播するねじり弾性波の成分のう
ちの縦波を検出することを特徴とする磁歪式変位検出装
置。 - 【請求項２】上記受信用コイルの背後に位置する磁歪線
の始端部にねじり弾性波を吸収するダンピング材が設け
られ、このダンピング材の近傍にバイアス永久磁石が配
置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁歪式
変位検出装置。 - 【請求項３】上記磁歪線は、実質的な重量比がＮｉ５０
％，Ｆｅ５０％の合金よりなることを特徴とする請求項
１または２に記載の磁歪式変位検出装置。 - 【請求項４】上記電流パルスの供給によって磁歪線の終
端部で発生したねじり弾性波の縦波を上記コイルで検出
し、電流パルスの供給から上記終端部で発生したねじり
弾性波の縦波のコイルへの到達時間を計測することによ
り、検出値の温度補償を行なう補償手段を設けたことを
特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁歪式
変位検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18177698A JP3799415B2 (ja) | 1998-06-29 | 1998-06-29 | 磁歪式変位検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18177698A JP3799415B2 (ja) | 1998-06-29 | 1998-06-29 | 磁歪式変位検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000009456A true JP2000009456A (ja) | 2000-01-14 |
| JP3799415B2 JP3799415B2 (ja) | 2006-07-19 |
Family
ID=16106692
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18177698A Expired - Fee Related JP3799415B2 (ja) | 1998-06-29 | 1998-06-29 | 磁歪式変位検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3799415B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101392303B1 (ko) | 2014-02-14 | 2014-05-07 | 한라아이엠에스 주식회사 | 웨이블릿 변환을 이용한 주파수 해석식 자왜센서 |
| JP2019020407A (ja) * | 2017-07-14 | 2019-02-07 | バルフ ゲーエムベーハー | 磁歪位置測定装置を動作させる方法 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104596458B (zh) * | 2014-10-27 | 2017-10-27 | 徐工集团工程机械股份有限公司 | 一种拉线长度传感器及拉线长度测量方法 |
| CN109560719B (zh) * | 2017-09-25 | 2020-06-05 | 佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司 | 磁致伸缩激励装置、容器以及家用电器 |
-
1998
- 1998-06-29 JP JP18177698A patent/JP3799415B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101392303B1 (ko) | 2014-02-14 | 2014-05-07 | 한라아이엠에스 주식회사 | 웨이블릿 변환을 이용한 주파수 해석식 자왜센서 |
| JP2019020407A (ja) * | 2017-07-14 | 2019-02-07 | バルフ ゲーエムベーハー | 磁歪位置測定装置を動作させる方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3799415B2 (ja) | 2006-07-19 |
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