JPH01272918A - 変位検出器の歪検出装置 - 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の機械的変位や液面の変
位などを検出する変位検出器の歪検出装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来、物体の機械的変位や液面の変位などを検出する変
位検出器としては差動変圧器やポテンショメータ、静電
容量式変位検出器など種々のものが知られており、その
中でも磁歪現象を応用した変位検出器が特に線形性、分
解能に優れている。

この種の磁歪式変位検出器として、米国特許箱３．８９
８．５５５号公報に記載のように、円管状の磁歪線の中
心に導線を挿通するとともに、磁歪線の外側に移動可能
な永久磁石を配置したものが知られている。そして、導
線に電流パルスを流すことにより永久磁石の近接する磁
歪線の近接する部位で捩り歪を発生させ、この捩り歪を
磁歪線の一端部に設けた歪検出装置で電気信号に変換し
、捩り歪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している。

上記歪検出装置は、自由端が磁歪線の表裏に固着された
２本の帯片と、これら帯片に巻回されたコイルと、両帯
片の間に配置したバイアス用磁石とで構成されており、
磁歪線を伝播した捩り歪を帯片の縦方向歪に変換し、こ
れをコイルによって電気信号に変換している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の歪検出装置の場合には、帯片の自由端を磁歪線に
溶接などによって固着するようになっているが、溶接作
業は高度の技術を必要とするため作業性が悪く、しかも
少しでも広い面積で溶接すると、磁歪線を伝播する捩り
歪が溶接部で分散。

反射してしまい、きれいな波形が検出できない欠点があ
る。また、帯片の縦方向歪をコイルによって電気信号に
変換しているが、コイルによる変換は無接触であるため
雑音の影響が少ない反面、感度が低く、しかも機械量か
ら電気量への変換効率が悪いため、アンプが必須であり
、装置が大型となる問題があった。

そこで、本発明の目的は、構成が簡単かつコンパクトで
、製造が容易であり、しかも捩り歪を高い精度で電気信
号に変換できる変位検出器の歪検出装置を得ることであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の歪検出装置は、磁
歪線のＩｌｈ定部位に設けられ、磁歪線に対して交差し
て接触するプローブと、該プローブの端部にほぼ直角に
取り付けられた圧電素子と、上記プローブと磁歪線との
外側に配置され、両者を圧接保持する弾性体とを具備し
、磁歪線を伝播した捩り歪をプローブの軸方向歪に変換
し、この軸方向歪を圧電素子にて電気信号に変換するよ
うにしたものである。

〔実施例〕

まず、本発明の前提となる磁歪式変位検出器の原理の一
例を第１図〜第４図にしたがって説明する。

図面において、１はＮ１などからなる線状の磁歪線、２
は磁歪線ｌを取り囲め磁歪線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は磁歪綿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１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の磁場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１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１の当該部位に捩り
歪が発生し、この捩り歪が急激に生じるため、磁歪線１
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、磁歪線１の始端から永久磁石２までの捩り歪の伝播
時間ｔが検出でき、捩り歪の伝播速度をＶとすると、 １１＝ｖ−ｔ となって、第１図に示すように磁歪線ｌの始端から永久
磁石２までの距離ｌを知ることができる。

なお、捩り歪の伝播速度Ｖは、磁歪線１の横弾性係数を
Ｇ、磁歪線１の密度をρとすると、ｖ＝ｉフ７ で与えられる。

伝播時間りは、例えば第２図Ａの電流パルスによって第
２図りのようにクロックをスタートさせ、歪検出装置４
で検出された第２図Ｂの波形をＣのように整形し、Ｃの
時点でクロックをセントすればデジタル信号として検出
でき、また、第２図Ａの電流パルスで第２図Ｅのように
のこぎり波状に変化する電圧をスタートさせ、第２図Ｃ
によってその瞬間ののこぎり波の電圧値をサンプルホー
ルドすれば、アナログ信号として検出できる。いずれに
しても、従来技術で容易に時間ｔを電気信号に変換する
ことができる。

上記構成の変位検出器において、磁歪線１の永久磁石２
が近接していない箇所に、軸方向に一様でない残留応力
や残留磁気が存在すると、第２図Ｂに破線で示すように
、永久磁石２によって生しる捩り歪板外の不要な信号が
歪検出装置４で検出される危険性がある。このような問
題は、検出途中に永久磁石２が回転した場合や、磁歪線
１に熱処理を行わず残留応力を除去しなかった場合に起
こり得る。

ところが、永久磁石２が磁歪線１を取り囲み、かつ磁歪
線１の軸方向に分極されているため、検出途中に永久磁
石２が回転しつつ移動しても、第４図のように永久磁石
２の形成する軸方向の磁場が磁歪線１の断面に常に−様
に作用し、残留磁気が磁歪線１のあらゆる箇所で軸方向
に−様に形成される。また、−度永久磁石２を磁歪線ｌ
の全域に通過させれば、製造時に形成された残留応力や
残留磁気が実用上問題のない程度に減するとともに、新
たに−様な軸方向の残留磁気が形成される。

したがって、歪検出装置４で検出される波形は第２図Ｂ
の実線で示すように理想的なものとなる。

なお、永久磁石２としては、図示のような円筒形状のも
のに限らず、例えば第５図に示すように一部にスリット
２ａを有する断面Ｃ字形状のものや、第６図に示すよう
に両端面にＮ、Ｓ極をそれぞれ着磁した複数の永久磁石
２ｂを２枚の円環状磁性板２ｃで挟んだ構成としたもの
でもよい。これらいずれの場合も、上記の円筒形状の永
久磁石２と同様な効果を奏するとともに、Ｃ字形状の場
合には磁歪線ｌに対しスリット２ａを介して側方より組
みつけることができるという利点がある。また、第６図
のものにおいて磁性板２ｃを図中破線で示すように半割
り形状とすれば、Ｃ字形状の場合と同様に磁歪線１に対
し側方より組み付けることができる。

第７図は本発明にかかる変位検出器の具体例を示す。

図面において、磁歪線１は非磁性で導電性の中筒７の中
に挿通され、この中筒７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８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７の両端部
を圧縮して絞り部９を形成することにより、磁歪線１と
弾性体８とを同時に押圧し、磁歪線１は中筒７の中に装
備される。

上記絞り部９では弾性体８が磁歪線１の外周に密着する
ので、磁歪線１０両端まで伝播した超音波が弾性体８で
効果的に吸収される。したがって、第２図Ｂで示したよ
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７に形成した開口部２５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１２に接続され、後端は導線１０
によって中筒７の右端に電気的に接続され、さらに中筒
７の左端は導線工１に接続されているため、多心ケーブ
ル１５に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７を導電体の一部として
使用したが、中筒７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
１１との間に設ければ、同様の目的を達する。

磁歪線ｌを装備した中筒７は非磁性の外筒１７の中に挿
入され、この外筒１７と中筒７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２３が
配置されている。この振動吸収材２３は、外筒１７や、
外筒１７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２０などに作用する外部からの機械的な振動や
衝撃を吸収３減衰させ、−８＝ 不必要な外乱が歪検出装置４で検出されないようにして
いる。

外筒１７の右端にはエンドキャップ１８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１７
が液中にあっても、液体が外筒１７の内部に浸入するこ
となく、永久磁石２の位置を検出することが可能となる
。

ケース２０の左端にはケースカバー１９が挿入固定され
、このケースカバー１９を貫通して多心ケーブル１５が
ケース２０内に導入されている。多心ケーブル１５は磁
歪線１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１３．１４を介して取り出すこと
ができる。また、多心ケーブル１５としてシールド線を
使用すれば、シールド導線１６をケース２０の内面に電
気的に接続し、ケース２０および外筒１７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器は、変位を検出すべき機械などの
固定部２４にケース２０のネジ部２１を挿入してナンド
２２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述べた方法によって検出することが
できる。

第８図は本発明の主要部である歪検出装置４の一例を示
す。左端に圧電素子２７が接着されたプローブ２６は磁
歪線１に対し角度をもって接触しており、口字形の押え
金具２９がゴム等の弾性体２８を介して磁歪線１とプロ
ーブ２６との接触を保持している。そして、押え金具２
９の左端部をネジ３０で締め付けることにより、磁歪線
１とプローブ２６との接触をより確実なものとしている
。

磁歪線１上の永久磁石２の近接する位置で生じた捩り歪
がプローブ２６と接触している磁歪線１の部分に到達す
れば、この捩り歪３１によってプローブ２６の軸方向に
歪３２が生し、圧電素子２７の両極板に接続された導線
１３．１４間に歪３２の大きさに応した電気信号が得ら
れ、第２図Ｂに示したような信号が検出される。このよ
うに、磁歪線１とプローブ２６とが角度をもって点接触
しているので、プローブ２６の接触による捩り歪の反射
の影響を最少限にとどめることができ、高精度の検出が
可能である。

〔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、プロー
ブを磁歪綿に交差させて圧接さセることにより、磁歪線
の捩り歪をプローブの軸方向変位へ変換するようにした
ので、面倒な溶接工程が不要であり、製造が遥かに簡単
となる。

また、プローブと磁歪線との背後を弾性体で支持してい
るので、適度な圧接力を容易に得ることができるととも
に、弾性体がプローブとの接触部に到達した捩り歪の分
散９反射を抑制し、従来の溶接方式に比べてきれいな波
形を検出することができる。

さらに、圧電素子はコイルによる検出に比べて感度が良
く、しかも変換効率が高いので、アンプ等が不要であり
、歪検出装置をコンパクトに構成できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁歪式変位検出器の原理を示す概略構成図、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図は永久磁石の磁
界の方向を示す一部断面側面図、第５図、第６図は永久
磁石の他の例の斜視図、第７図は変位検出器の一実施例
の断面図、第８図は歪検出装置の磁歪線の軸方向から見
た拡大断面図である。 １・・・磁歪線、２・・・永久磁石、３・・・パルス発
生装置、４・・・歪検出装置、２６・・・プローブ、２
７・・・圧電素子、２８・・・弾性体、２９・・・押え
金具。 出　願　人　　三京貿易株式会社 代　理　人　　弁理士　筒井　秀隆 （Ｑ）ＵＱ　　　　　　　　　　田

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁歪線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で捩り歪を発生させ、
   磁歪線の特定部位までの捩り歪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
   変位検出器において、磁歪線の特定部位に設けられ、磁
   歪線に対して交差して接触するプローブと、該プローブ
   の端部にほぼ直角に取り付けられた圧電素子と、上記プ
   ローブと磁歪線との外側に配置され、両者を圧接保持す
   る弾性体とを具備し、磁歪線を伝播した捩り歪をプロー
   ブの軸方向歪に変換し、この軸方向歪を圧電素子にて電
   気信号に変換するようにしたことを特徴とする変位検出
   器の歪検出装置。