JPH0274817A - 距離センサ - 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２点間の距離を非接触で測定する距離センサに
関するものである。

［従来の技術］ 従来の距離センサとしては、電気抵抗線、インダクタン
ス導線、着磁磁気テープ、レーザ光、磁歪波（弾性波、
超音波）伝搬線などを利用した多くの方式がある。これ
らの方式は、それぞれに特徴を有しているが、実用上の
欠点や経済性の問題もある。このため用途に応じて、各
種性能（Ｍ度、信頼性、耐環境性、操作性、携帯性）や
コストなどを勘案して、適当な方式が採用されるのが現
状である。

［発明が解決しようとする課題］ しかし実用化されている方法において問題がないわけで
はない。

たとえば、電気抵抗線、インダクタンス導線、着磁磁気
テープを用いる方法は低コストではあるが、接触式であ
るため信頼性や寿命に問題がある。

またレーザ方式は衝撃や振動に対して信頼性が低く、装
置も大形で複雑となる。

さらに、磁歪波伝搬線を用いる方式は、ニッケル線やパ
イカロイ線、さらにアモルファス磁歪線の磁歪波伝搬の
等速性を利用するもので非接触型か特長である。なかで
もアモルファス磁歪線は磁歪波の減衰が小さいので１〜
２ｍの比較的長い距離の距離センサとして利用できる。

磁歪波伝搬方式は第２図に例示するように、磁歪波の発
信と受信を兼ねた２個の磁気ヘッドあるいは検出コイル
を磁歪波伝搬線３の長手方向の異なる位置に配置する。

磁気ヘッド１の巻線にパルス電流を流すと、磁気ヘッド
１に対向する磁歪線に磁歪波（弾性波）のパルスが発生
する。磁歪波は音速で伝搬し、磁気ヘッド２に電気信号
として検出される。

発信から受信の遅延時間を計測することにより、磁気ヘ
ッド１と２の間の距離を知ることができる。なお反射波
を小さくするため両端には吸収体４を配設する。

この方式は非接触型で信頼性、寿命などの点から実用的
にすぐれた方法であるが、次のような欠点かあった。即
ち、磁歪線の端部で生ずる反射波が正規の信号近傍に現
われるため（第３図参照）粒度を低下させる要因となる
こと、また、磁歪波の伝搬速度がきわめてはやいく数千
ｍ／ｓ）ため遅延時間を高精度で測定する必要かあるこ
と、ざらにΔＥ効果を通して外乱磁界による誤差の発生
などの諸問題がある。

本発明は従来の距離センサに付随する諸問題を解決する
ため、これまで実用化されていない原理に基く、新しい
距離センサを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段・作用］ 本発明の距離センサは大バルクハウゼン効果を示すアモ
ルファス磁性合金細線の長手方向に伝搬する磁壁の等速
運動を利用した距離センサである。すなわち、より具体
的に述べれば、大バルクハウゼン効果を示すアモルファ
ス磁性合金細線に磁壁駆動用磁界を印加しながら反転磁
区形成臨界磁界より大きな磁界を付与するとき形成され
る磁壁の等速運動を利用し、複数の検出手段に誘起され
る信号の時間差により、検出手段間の距離を測定する距
離センサである。

本発明の距離センサは従来の方法とは異なり、特殊な磁
歪線において単一の磁壁か長い距離を等速伝搬するとい
う新しい知見に基いている。

単一の磁壁が磁歪線に沿って伝搬する現象（大バルクハ
ウゼン効果）ははじめ５ｉｘｔｕｓとＴｏｎｋｓによっ
て発見された。（Ｋ、　Ｊ、　５ｉｘｔｕｓ　Ｉｆ　Ｌ
、　Ｔｏｎｋｓ。

Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｖｏｌ、３７１９３
１年９３０頁）。彼らはパーマロイの線に張力をかけて
大きな磁区（したがって磁壁の数の減少をもたらす）を
つくることに成功した。磁壁のエネルギ密度γ、は次の
式％式％（） ：） 張力の増加とともに増大するので、磁壁のエネルギを下
げるため磁壁の数が減少するのである。

５ｉｘｔｕｓらは強い張力をかけた状態で５励磁コイル
でバイアス磁界をかけて一方向に磁化を飽和させた後、
磁界を反転し、別のコイルで反転磁区の発生に必要なパ
ルス磁界をかけると、反転磁区とともに形成されるｍ−
の磁壁が磁歪線に沿って反転磁界の方向に伝搬する現象
を見いだした。これを大バルクハウゼン効果と呼んでい
る。

この磁歪線に沿って、検出コイル（あるいは６Ｂ気ヘツ
ド）を２個配置すれば、２つのコイルに誘起されるパル
ス電圧の時間間隔を計測することによって磁壁の移動速
度を測定できることは知られていた。磁壁移動速度Ｖは
、バイアス磁界をＨ１磁壁駆動臨界磁界をＨ８とすると
き次の式で表わすことができる。

ｖ＝Ａ　（ＨＨａ）　　　　　　　　　・・・・（１）
２Ｍ。

ここでＡ＝　　　　　（ＭＳ：飽和磁化、βｅ：渦電渦
電流 間動係数）である。もしＨｏが磁歪線の任意の位置で一
定値をもつならば、■は任意の位置で一定（すなわち等
速運動）となる。

しかし、パーマロイやパイカロイなどの結晶質の磁歪線
は結晶粒界や結晶欠陥などが存在し、般にＨ８は場所に
より不規則分布となり、ＶとＨの直線性か悪い。また結
晶粒界等は反転磁区形成核となって、１枚以上の磁壁が
同時に伝搬し易くなるので、１枚の磁壁の伝搬距離は数
ｃｍ以下である。このような理由から大バルクハウゼン
効果を利用する距離センサはこれまで、実用化されたこ
とはなかった。

本発明は、大バルクハウゼン効果を示すアモルファス磁
性合金細線（以下アモルファス磁歪線と称する）におい
て単一磁区の等速移動距離が５０ｃｍ以上にも及ぶこと
を本発明者自らが初めて実験的に見い出した知見に基い
て完成されたものである。

第１図は本発明の距離センサの主要部の構成を示す。ア
モルファス磁歪線ＩＩには駆動用のバイアス磁界Ｈを印
加する励磁コイル１２が巻回され、それに直列に接続し
た反転磁区Ｈｎ形成用励磁コイル１３が端部に巻かれて
いる。励磁用の電源には方形波発振器１４を抵抗体ＲＩ
５を通して直列に接続される。

一方、検出部は２つの検出コイル１６．１７が未知の距
ｆｉｘを隔てて配置される。検出コイル１６．１７には
磁壁の通過にともなう磁化の反転によって誘起されるパ
ルス電圧が発生する。これを適宜の手段で検出すればよ
い。

次に本発明の距離を測定する原理を詳細に説明する。今
、アモルファス磁歪線ＩＩは左方向（ｅ方向）に磁化が
飽和しているとする。次にｅの方形波で励磁されるとき
、右方向（ｅ方向）のバイアス磁界が励磁コイル１２に
よってアモルファス磁歪線１１に印加されると同時に励
磁コイル１３によって形成された磁壁が右方向に等速で
伝搬する。伝搬速度■は眞記（＋）式に示したように、
バイアス磁界Ｈが一定であれば、原理的には一定値であ
るから前もってＶとＨの相関を求めておくことにより２
つの検出コイル１６．１７に誘起されるパルス電圧ｅｌ
とｅ２の時間差Δｔを用いて、未知の距離ｘは■Δｔと
して知ることができる。まお本発明において検出コイル
の代りに磁気ヘッドを用いることができる。また駆動用
励磁コイルの代りに磁歪線に直接通電する方法によって
励磁することも可能である。

本発明の大バルクハウゼン効果を利用した距離センサの
性能を左右する大きな要因はアモルファス磁歪線の材質
である。本発明において用い得るアモルファス合金は、
磁歪定数の大きな組成の合金であるＦｅ基基金金属系合
金が好適に用い得る。

具体例としてＦｅ７５Ｓｉ＋ｏＢ＋ｓ（数字は原子％、
以下同じ）　＋ＦｅａＯ，５Ｓｉ６．５Ｂ１２ＣＩなど
の　Ｆｅ−５ｉ−８（−Ｇ）合金、ｐｅ７０Ｃｏ＋ｏＳ
ｉａｅ１２１　　Ｆｅ７２ＧＯ＋ｏＭＯ２Ｂ＋２（：４
などのＦｅ−（：ｏ−５ｉ−８（−Ｃ）合金を挙げるこ
とができる。しかしこれらに限定されるものではなく、
磁歪定数の大きなアモルファス合金であればよい。

本発明で用いられるアモルファス磁歪線はいわゆる回転
液中紡糸法によって作製されるアモルファス線材あるい
は単ロール法、遠心急冷法、双ロール法で代表される液
体急冷法で作製される細巾のアモルファスリボンである
。

これらの線材あるいはリボンは均一化のため熱処理を施
すことが望ましい。その際張力あるいはひねり（ねじり
）応力を付与しながら熱処理すると一層、均一化の効果
が高まる。均一化処理は、磁壁の速度の等速性を向上さ
せるためにきわめて有効である。アモルファス磁歪線が
リボン状の場合、ロール巻きして熱処理することも均一
化に効果があることが認められた。

熱処理したアモルファス磁歪線はそのまま固定せずに用
いることもできるが、ひねり応力を付与した状態で用い
ると精度は一段と向上する。第５図はひねり応力の効果
を例示している。用いたアモルファス磁歪線は回転液中
紡糸法によって作製された直径１２０μＩのＦｅアロ５
ｉｙＢ＋ｓアモルファス合金線材を直径５０ＩＪｍに線
引きした後、１００ｋｇ／ｍｍ２の張力を付与しながら
４００℃で１　ｗｉｎ間熱処理したものである。この線
材１４０ｃｌ、　３本を各々次の３つの条件で使用した
。

■ひねりなし ■２回ひねって固定 ０１０回ひねって固定 ただしいずれの条件においても、線材は励磁コイルを巻
いた細いガラス管の中に挿入して用いてぃる。

駆動磁界に０．５７０ｅ　、周波数１１１Ｚの方形波を
用い、反転磁区形成磁界は１．５０ｅの同相の方形波で
ある。第５図は２つの検出コイルの一方を固定し他方を
移動させるとき、両者の間の距離Ｘと磁壁の伝搬時間τ
（パルス間の時間差）の関係をプロットしたものである
。第５図から３条件のうちＸ−での直線性が最もよいの
は■の１０回ひねりを与えた場合で、約７０ｃ＋ｎにも
及ぶ長い距離で、Ｘ−τのプロットが直線によく乗って
いることが分る。

アモルファス磁歪線において駆動臨界磁界Ｈ０は通常０
．５０ｅ程度であるので、地磁気など外部磁界の影響を
受けることかある。このような場合、本発明では次のよ
うな平均操作をすることによって外乱磁界の影響を排除
する。

外乱磁界Ｈａｘか存在するとき、磁壁の移動速度を右方
向ｖ　＋、左方向■−とするとき、Ｖ　”　＝　Ａ　（
Ｈ−Ｈｏ　＋　Ｈｅ　Ｘ　）ｖ　−＝　Ａ　（Ｈ−Ｈｏ
　−Ｈｅ　ｘ　）と表わすことができる。したがってＶ
“と■−の平均値ｖ＝　−（ｖ”　＋ｖ−）＝Ａ　（Ｈ
−Ｈａ）はＨｅｘに影響されないのである。平均操作の
実施は、駆動磁界、反転磁区形成磁界をともに同相の方
形波とすることによって達成できる。

本発明のアモルファス磁歪線を利用した距離センサは従
来の磁歪波伝搬方式に比べて検出コイルに誘起ざわる電
圧のパルス波形は第４図に示すようにきわめて鋭くかつ
シンプルである。第３図に示した磁歪波の生ずるパルス
のように複雑でなく、また反射波を伴なわないので、信
号処理がきわめて簡便になるという利点もある。さらに
石壁の移動速度は磁歪波伝搬速度に比べて少なくとも１
桁遅いので、パルスの時間差計測の精度、したがって距
離測定精度か大幅に向上する。

次に実施例をあげて説明する。

［実施例］ （実施例１） 回転液中紡糸法により作製した直径１２０μｍのＦｅ７
ＢＳｉ７Ｂ＋　ｓアモルファス合金線材を直径５０ｕｍ
に線引きした後、ｌｏＯｋｇ／ｎ＋ｍ２の張力を付与し
ながら４００℃で１　ｒｎｉｎ間の熱処理を施した。こ
の線材１４０ｃｍを細長いガラス管に入れ、１６回のひ
ねりを入れ両端を固定した。このガラス管には磁壁駆動
用励磁コイルが全長に巻いており、一端に反転磁区形成
用励磁コイルが巻いである。励磁には方形波の発振器を
用いた。検出コイルは駆動コイルの外側に２個配置し、
ガラス管に沿ってスライドさせることができるようにし
た。回路構成の主要部は第１図に示した通りである。

駆動磁界は、大きさが±０．５７０ｅ　、周波数ＩＨｚ
の方形波で、反転磁区形成磁界は大きさ１．５０ｅの同
相の方形波を用いた。

■方向磁壁移動によるパルス間隔とｅ方向磁壁移動によ
るパルス間隔の平均操作から求めた検出コイル間の距１
ＩＩＩ×とメジャーで実測した距離Ｘとの直線性は１０
〜９０ｃｍの範囲で０．１　！に／ＦＳ　（フルスケー
ル）のすぐれた値を示した。

（実施例２） 単ロール法により作製した巾０．５　ｍｍ、厚さ２０μ
ｍのＦｅ７□Ｇｏ、ｏＭｏ２Ｂ、□Ｃ４アモルファス合
金リボンに１００ｋｇ／＋ｎｍ２の張力を付与しながら
３６０℃で３０ｍ１ｎ間の熱処理を施した。このリボン
１４０ｃｍを細長いガラス管に入ね、ｌ０ｃｍ当り３回
のひねりをリボン全長に与え、両端を固定した。その他
の条件は実施例１と同じ条件とするとき、検出コイル間
の距１１ｘとメジャーで実測した距離Ｘとの直線性は６
０ｃ＋１１まで０．２　！に／ＦＳのすぐれた値を示し
た。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明の距離センサは長い距離の
範囲で直線性がきわめてすぐわ、非接触方式なので信頼
性が高く、寿命の長い距離センサとしてすぐれた機能を
発揮する。したかって本発明の距離センサは、大面積の
座標読取り装置や身長計などに適用することにより、経
済性を損なわずに、高性能化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の距離センサの主要部の構成を示す図、
第２図は磁歪波を利用する従来の距離センサの構成を示
す図、第３図は磁歪波による誘起電圧のパルス形状を示
す図、第４図は磁壁移動による誘起電圧のパルス形状を
示す図および第５図は本発明において検出コイル間の距
１１１ｘとその間の磁壁の伝搬時間での関係を示す図、
但し■はひねり応力なし、■ひねり応力２回／１４０Ｃ
ＩＩＩ、■ひねり応力１０回／１４０ｃｍで測定した結
果である。 １１・・・アモルファス磁歪線、１２．１３・・・励磁
コイル、１４・・・方形波発振器、１５・・・抵抗体、
１６．１７・・・検出コイル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、大バルクハウゼン効果を示すアモルファス磁性合金
   細線の長手方向に伝搬する磁壁の等速運動を利用するこ
   とを特徴とする距離センサ。 ２、大バルクハウゼン効果を示すアモルファス磁性合金
   細線に磁壁駆動用磁界を印加しながら反転磁区形成臨界
   磁界より大きな磁界を付与するとき形成される磁壁の等
   速運動を利用し、複数の検出手段に誘起される信号の時
   間差により、検出手段間の距離を測定することを特徴と
   する距離センサ。 ３、磁壁駆動用磁界をアモルファス磁性合金細線に巻い
   たコイルに電流を流すことによって形成せしめるか、あ
   るいはアモルファス磁性合金細線に直接通電することに
   よって形成せしめることを特徴とする請求項２記載の距
   離センサ。