JP2005214934A

JP2005214934A - 物体の位置測定方法および温度測定方法

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Publication number: JP2005214934A
Application number: JP2004025667A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Shizuku; 雫　　孝久; Masami Kikuchi; 正美菊池
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】磁石による磁界の磁束密度を磁気センサで検知して、検知された磁束密度から、磁石もしくは磁気センサが取付けられている物体の位置を測定する方法において、温度等の影響を受けることなく、高精度に物体の位置を特定することのできる物体の位置測定方法を提供し、併せて、物体が変位するものであった場合、物体の位置に影響されることなくその温度を特定することのできる物体の温度測定方法を提供する。
【解決手段】物体Ｂに取付けられた磁石Mgによる磁界の磁束密度を、この磁石Mgを通って物体Ｂが変位する方向に延在する直線L上に互いに所定距離Dだけ離隔して配置された二つの磁気センサSN1、SN2で検知し、これらの磁気センサSN1、SN2で検出したそれぞれの磁束密度の比から前記物体Ｂの位置を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁石による磁界の磁束密度を磁気センサで検知して、検知された磁束密度から、磁石もしくは磁気センサが取付けられている物体の位置もしくは温度を測定する方法に関し、特に、高精度に測定することができるものに関する。

従来から、磁界の強さを磁気センサで検知して、検知した磁束密度から、磁界を変化させる物体の位置を特定する位置測定方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、この方法は、磁界の強さと物体の位置とが一対一の関係があることを前提にしており、例えば、物体の位置が変化しなくとも、磁界を発生させる元となる磁石の温度が変化すれば、磁界は変化し、その結果、この方法によって算出される物体の位置の特定には誤差が生じてしまうという問題があった。
特開平５−８７５０４号公報

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、磁石による磁界の磁束密度を磁気センサで検知して、検知された磁束密度から、磁石もしくは磁気センサが取付けられている物体の位置を測定する方法において、温度等の影響を受けることなく、高精度に物体の位置を特定することのできる物体の位置測定方法を提供し、併せて、物体が変位するものであった場合、物体の位置に影響されることなくその温度を特定することのできる物体の温度測定方法を提供することを目的とする。

＜１＞本発明は、所定の方向に変位する物体の位置を測定する方法において、
前記物体に取付けられた磁石による磁界の磁束密度を、この磁石を通って前記所定方向に延在する直線上に互いに所定距離だけ離隔して配置された二つの磁気センサで検知し、これらの磁気センサで測定した磁束密度を、それぞれ、H₁、H₂とし、前記磁石からいずれか一方の磁気センサまでの距離rをとして、距離rを,式（１）および（２）に基づいて求めることにより前記物体の位置を測定する物体の位置測定方法である。

r＝R(X) （１）
ただし、
X＝H₁/H₂ （２）
Rは予め定められた関数とする。

＜２＞本発明は、所定の方向に変位する物体の位置を測定する方法において、
前記物体に取付けられ、前記所定方向に互いに所定距離だけ離隔して配列された二つの磁気センサで、これらの磁気センサを結ぶ線の延長線上に配置された磁石による磁界の磁束密度を検知し、これらの磁気センサで測定した磁束密度を、それぞれ、H₁、H₂とし、前記磁石からいずれか一方の磁気センサまで距離をrをとして、距離rを、＜１＞に記載の式（１）および（２）に基づいて求めることにより前記物体の位置を測定する物体の位置測定方法である。

＜３＞本発明は、＜１＞もしくは＜２＞において、距離rを、式（３）に基づいて求めることにより前記物体の位置を測定する物体の位置測定方法。

X²＝ar² + br + c （３）
ただし、
a、b、cは定数とする。

＜４＞本発明は、所定の方向に変位する物体の温度を測定する方法において、
前記物体に密着して取付けられた磁石による磁界の磁束密度を、この磁石を通って前記所定方向に延在する直線上に所定距離だけ離隔して配置された二つの磁気センサで検知し、一方の磁気センサで測定した磁束密度をH₁、他方の磁気センサで測定した磁束密度をH₂とし、前記物体の温度をTとして、温度Tを、式（４）〜（６）に基づいて求める物体の温度測定方法である。

T＝A(Y) （４）
ただし、
Y＝H₁/Hc₁ （５）
Hc₁＝B(r) （６）
AおよびBは予め定められた関数とし、rは、＜１＞に記載の式（１）および（２）に基づいて求められた値とする。

＜５＞本発明は、＜４＞において、関数AをYの一次式とし、関数Bをrの二次式とする物体の温度測定方法である。

＜１＞の発明によれば、詳細を後述するように、磁石を通って物体の変位する方向に延在する直線上に互いに所定距離だけ離隔して配置された二つの磁気センサで検知されたそれぞれの磁束密度の相互の比は、磁石の磁荷の大きさに関わらず、磁石と磁気センサとの位置関係だけに依存して変化するので、磁石の温度が変化して磁荷が変わってもその影響を受けることがなく、高精度に物体の位置を特定することができる。

＜２＞の発明によれば、磁石の代わりに磁気センサを測定対象とする物体に取り付け、磁石を物体外に配置した点が、＜１＞の発明と異なるだけであり、＜１＞の発明と同様、磁石の温度が変化して磁荷が変わってもその影響を受けることがなく、高精度に物体の位置を特定することができる。

＜３＞の発明によれば、距離rを、式（３）ように近似したので、簡易にrを算出することができる。

＜４＞の発明によれば、詳細を後述するように、磁石を通って物体の変位する方向に延在する直線上に互いに所定距離だけ離隔して配置された二つの磁気センサで検知されたそれぞれの磁束密度H₁、H₂をもとに、（４）〜（６）の式を用いて求めた温度Tは、変位する物体の位置に関わらず、磁石の磁荷だけに依存して変化するので、物体の位置の影響を受けることがなく、高精度に物体の温度を特定することができる。

＜５＞の発明によれば、関数AをYの一次式で、関数Bをrの二次式で近似するので、簡易に温度Tを算出することができる。

本発明の実施形態について、図に基づいて説明する。図１はこの発明の原理を説明するための概念図であり、測定対象とする物体Ｂに磁石Mgを取付けて固定し、この磁石Mgを通って物体Ｂが変位する方向Dnに延在する直線L上に互いに所定距離Dだけ離隔して配置された二つの磁気センサSN1、SN2で、磁石Mgによる磁界の磁束密度を検知する。

磁石Mgの磁荷をｍとし、二つの磁気センサSN1、SN2で検知される磁束密度をそれぞれH₁、H₂とすると、H₁、H₂はそれぞれ式（７）および（８）により表わすことができ、これらH₁、H₂の相互の比Xは、式（９）として表わすことができる。

H₁＝C(m/r²) （７）
H₂＝C(m/(r＋D)²) （８）
X＝H₁/H₂＝((r＋D)/r)² （９）

ただし、
C＝1/(4πμ₀) （μ₀は真空の透磁率）

式（９）から明らかなように、H₁/H₂は、磁荷ｍに依存することなく、磁気センサSN1と磁石Mgとの間の距離rだけに依存することになり、式（９）を用いて、測定値H₁およびH₂から、距離rを磁石Mgの磁荷ｍに無関係に求めることができ、したがって、磁荷ｍと相関のある温度と関係なく、物体Ｂの位置を特定することができる。

上記の説明では、磁石Mgを物体Ｂに取付けたが、図２に概念図として示すように、磁気センサSN1、SN2を、物体Ｂに取付けても、同様の原理で、物体Ｂの位置をその温度に関係なく特定することができ、その場合、物体Ｂに取付けられ、物体Ｂの変位方向に互いに所定距離Dnだけ離隔して配列された二つの磁気センサSN1、SN2で、これらの磁気センサSN1、SN2を結ぶ線の延長線L上に配置された磁石Mgによる磁界の磁束密度を検知し、これらの磁気センサSN1、SN2で検出したそれぞれの磁束密度の比H₁/H₂から前記物体の位置を求めることとなる。

以上の説明においては、前記磁石の磁荷は点磁荷と仮定したが、実際には、磁荷は分布したものとなり、磁束密度の比Xと距離rとの関係は、式（９）で示したものから外れてくるが、この関係を、実験等に基づいて定めることにより、磁束密度の比Xから距離rを求めることができる。式（３）は、これを二次式で近似した例である。

次に、物体Ｂの温度を測定する方法ついて、前出の図１を参照して説明する。この測定方法の原理は次の通りである。物体Ｂの温度Tが上昇すれば、磁石Mgと磁気センサSN1との間の距離rが同じであっても、磁石Mgの磁荷が減少するので磁気センサSN1で測定される磁束密度H₁も減少し、逆に、もし、距離rが一定とするならば、磁束密度H₁から磁石Mgの磁荷と一対一の関係にある温度Tを逆算することできる。

ここで、距離rが変化する場合は、この距離rを別途、求めたうえで温度Ｔを逆算する必要があるが、本発明は、この距離rを、先に説明した、式（１）によって求めるものであり、もし物体Ｂの温度が基準温度T₀とした場合に、距離rだけ離れた磁気センサSN1で検出されるであろう磁束密度H_c1を計算によってシミュレーションし、この計算値Hc₁と実際に磁気センサSN1で測定された磁束密度H₁の比は、現在の温度Tと基準温度T₀との違いによって生じたものであるとして、この磁束密度の比Y＝ H₁/ Hc₁と温度Tとの関係を予め求めておき、このYとTとの関係式から温度Tを逆算するものである。このように求められた温度Tは、すでに距離rの影響がキャリブレーションされているので高精度に温度を逆算することができる。

具体的には、まず、物体Ｂを、基準の温度、例えば15℃に保ち、磁石Mgと磁気センサSN1との間の距離rを変化させ、このときの、磁束密度Hc₁を磁気センサSN1で計測し、距離rと磁束密度Hc₁との関係を求め、この近似式を式（６）として準備する。式（６）は、例えば、rの二次式で表わすことができる。

一方、距離rをある一定の値、例えばr＝r_cに設定して、物体Ｂの温度を変化させ、一方の磁気センサSN1でその時の磁力H₁を測定するとともに、距離r_cを式（６）に代入してHc₁を計算し、H₁とHc₁とから、Yを式（５）に基づいて求め、その時の温度TとYとの関係をプロットし、その近似式を式（４）として別途準備する。式（４）は、例えば、Yの一次式で表わすことができる。

そして、これらの関係式（６）、（４）を準備した上で、まず、測定値H₁、H₂から式（１）に基づいてrをもとめ、このrから式（６）に基づいてHc₁を求め、H₁とHc₁から式（４）に基づいてTを求めることができる。

上述した原理を用いて、物体の位置ならびに温度を測定した実験結果を以下に示す。図３は、実験の概要を示す概念図であり、物体Ｂをリフタ１の上面に固定して取り付け、磁石Mgを物体Ｂに貼り付けた。リフタ１の上面はこれを上下方向Dnに変位させることができ、磁石の真上に二つの磁気センサSN1、SN2を距離Dだけ離して配置し、ヒートガン２で物体Ｂを加熱した後、リフタ１の上面が上下するよう加振器でリフタ１を加振しながら物体Ｂを自然冷却した。この間、磁石Mgからの磁界の磁束密度H₁、H₂の変化を、それぞれ、磁気センサSN1、SN2で測定するとともに、レーザ距離計２を用いてリフタ１の上面の位置の変化を記録した。

そして、磁気センサSN1、SN2で検出した磁束密度から、前述の説明に従って、磁石Mgと磁気センサSN1の間の距離rの変化、および、物体Ｂの温度変化を計算によって求めるが、距離rを求める式として、式（３）の定数a、b、cにそれぞれ、実験から求めた具体的な数値を代入した式（１０）を用い、物体Ｂの温度変化を求める式として、式（４）の関数Aに、実験より求めた一次式（１１）を適用するとともに、（６）式の関数Bに、同じく実験より求めた二次式（１２）を適用した。

(H₁/H₂)²=0.0081r²−0.6494r＋17.088 （１０）
T＝−833.33(H₁/Hc₁)＋862.75 （１１）
Hc₁＝0.0291r²−2.2528r＋47.18 （１２）

図４は、加熱終了直後からの経過時間を横軸にとって、式（１０）を用いて求めた磁石Mgと磁気センサSN1の間の距離rの変化、および、レーザ距離測定器２を用いて測定したリフタ１の上面までの距離R_Oの変化を、それらの距離を縦軸にとって示すとともに、式（１１）、（１２）を用いて求めた物体Ｂの温度Tの変化を、常温時の値を１にとった指数で示した。

図４から明らかなように、式（１０）を用いて求めた磁石Mgと磁気センサSN1の間の距離rの変化は、物体Ｂの温度変化があるにも関わらず、レーザ距離測定器２を用いて測定したリフタ１の上面までの距離R_Oの変化と高い相関があり、また、式（１１）、（１２）を用いて求めた物体Ｂの温度Tの変化は、温度が単調に低下していることを示していて、物体Ｂの位置変化に関係なくまた振動の影響をほとんど受けることなく、物体Ｂの温度変化を正確に捉えていることが分かる。

本発明の物体の位置測定方法および温度測定方法は、変位する種々の物体の測定に用いることができ、例えば、回転するタイヤ等の所要部分の位置や温度の変化を非接触で測定するのに用いることができる。

本発明の測定原理を説明するための概念図である。他の形態の本発明の測定原理を説明するための概念図である。実施例の実験方法を示す概念図である。実施例の実験において、距離rおよび値Mの変化を示すグラフである。

符号の説明

１リフタ
２レーザ距離計
３ヒートガン
Ｂ物体
Mg 磁石
SN1、SN2 磁気センサ

Claims

所定の方向に変位する物体の位置を測定する方法において、
前記物体に取付けられた磁石による磁界の磁束密度を、この磁石を通って前記所定方向に延在する直線上に互いに所定距離だけ離隔して配置された二つの磁気センサで検知し、これらの磁気センサで測定した磁束密度を、それぞれ、H₁、H₂とし、前記磁石からいずれか一方の磁気センサまでの距離rをとして、距離rを,式（１）および（２）に基づいて求めることにより前記物体の位置を測定する物体の位置測定方法。

r＝R(X) （１）
ただし、
X＝H₁/H₂ （２）
Rは予め定められた関数とする。
所定の方向に変位する物体の位置を測定する方法において、
前記物体に取付けられ、前記所定方向に互いに所定距離だけ離隔して配列された二つの磁気センサで、これらの磁気センサを結ぶ線の延長線上に配置された磁石による磁界の磁束密度を検知し、これらの磁気センサで測定した磁束密度を、それぞれ、H₁、H₂とし、前記磁石からいずれか一方の磁気センサまで距離をrをとして、距離rを、請求項１に記載の式（１）および（２）に基づいて求めることにより前記物体の位置を測定する物体の位置測定方法。
距離rを、式（３）に基づいて求めることにより前記物体の位置を測定する請求項１もしくは２に記載の物体の位置測定方法。

X²＝ar² + br + c （３）
ただし、
a、b、cは定数とする。
所定の方向に変位する物体の温度を測定する方法において、
前記物体に密着して取付けられた磁石による磁界の磁束密度を、この磁石を通って前記所定方向に延在する直線上に所定距離だけ離隔して配置された二つの磁気センサで検知し、一方の磁気センサで測定した磁束密度をH₁、他方の磁気センサで測定した磁束密度をH₂とし、前記物体の温度をTとして、温度Tを、式（４）〜（６）に基づいて求める物体の温度測定方法。

T＝A(Y) （４）
ただし、
Y＝H₁/Hc₁ （５）
Hc₁＝B(r) （６）
AおよびBは予め定められた関数とし、rは、請求項１に記載の式（１）および（２）に基づいて求められた値とする。
関数AをYの一次式とし、関数Bをrの二次式とする請求項４に記載の物体の温度測定方法。