JPH08114437A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は変位検出装置に関し、部品点数が少
なくて済み、構成が簡単なことを目的とする。 【構成】 磁歪線２６は、磁歪材料で形成されており、
電流パルス発生部２８は、磁歪線に電流パルスを供給す
る。永久磁石３０は、磁歪線に対して相対変位して、磁
歪線に静的磁界を交差させる。検出コイル３１は、磁歪
線の所定位置に配設されている。検出回路は、距離ｘを
伝播した１回目の超音波信号が検出された検出時間Ｔａ
と距離２Ｌ＋ｘを伝播した３回目の超音波信号が検出さ
れた検出時間Ｔｂとの差ΔＴを検出して ｘ＝２Ｌ・Ｔａ／ΔＴ … （４） 磁歪線２６の全長Ｌは決められているので、上式より距
離ｘを算出する。距離ｘは磁歪伝達速度Ｖとは無関係に
求められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は変位検出装置に関し、特
に磁歪現象を利用して変位量を検出する変位検出装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から磁歪現象を利用して変位量を検
出する変位検出装置として、例えば特開昭６１−２２６
６１５号公報に記載のものは、磁歪線に対して２個の永
久磁石を設けた構造である。この公報の装置では、２個
の永久磁石のうち一方が固定永久磁石であり、他方が移
動永久磁石になっている。そして、パルス発生装置から
磁歪線に電流パルスが印加されると、２個の永久磁石か
らの磁界により発生した超音波信号が磁歪線を伝播して
歪検出装置により検出される。

【０００３】又、歪検出装置により検出された移動永久
磁石からの超音波信号と固定永久磁石からの超音波信号
から移動永久磁石の位置、即ち変位量が検出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記従来の
変位検出装置は、移動永久磁石からの超音波信号と固定
永久磁石からの超音波信号との時間差が固定永久磁石と
移動永久磁石との相対距離に比例することを利用して移
動永久磁石の変位量を検出する構成であるので、温度変
化による超音波信号の伝播時間の変化を補償することが
できる反面、磁歪線に２個の永久磁石を設けなければな
らず、その分部品点数が多くなるといった課題がある。

【０００５】本発明は上記の点に鑑みなされたもので、
磁歪線に設けられた永久磁石の数を減らすことを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、磁歪材料で形
成された磁歪線と、該磁歪線の延在方向に移動可能に設
けられた永久磁石と、該磁歪線に信号を供給する発信部
と、該パルス発信部から発信され該磁歪線を伝播した超
音波信号を検出する受信部と、を有する変位検出装置に
おいて、前記発信部から信号が発信された後、前記受信
部で検出された一の超音波信号と、該一の超音波信号に
続いて前記受信部で検出された後続の超音波信号との時
間差に基づいて、前記受信部と永久磁石との距離を演算
する演算回路を備えてなることを特徴とする。

【０００７】

【作用】発信部から磁歪線に信号が発信されて超音波信
号が磁歪線を伝播した後、受信部で検出された一の超音
波信号と、一の超音波信号に続いて受信部で検出された
後続の超音波信号との時間差に基づいて、受信部と永久
磁石との距離を演算するため、永久磁石が１個で済み構
成の簡略化が図れるとともに、温度変化による超音波信
号の伝播時間の変化を補償することができる。

【０００８】

【実施例】図１及び図２に本発明になる変位検出装置の
一実施例を示す。尚、この実施例では、変位検出装置は
エアサスペンションのショックアブソーバの車高センサ
として適用されている。同図中、アブソーバシリンダ１
１とサスタワー（図示せず）との間には高圧のエアを封
入するメインエアチャンバ１２及びサブエアチャンバ１
３が形成されている。アブソーバシリンダ１１は上下動
するため、メインエアチャンバ１２とアブソーバシリン
ダ１１とはフレキシブル樹脂で形成されたダイヤフラム
１５で連結されている。

【０００９】ショックアブソーバの減衰力制御はピスト
ン２０内に設けられた可変オリフィスを切換えることに
より行われる。ピストン２０で仕切られたアブソーバシ
リンダ１１内の上下室のオイルが、アブソーバシリンダ
１１の上下動に伴い、可変オリフィスを通して移動する
ことにより減衰力が発生する。従って、オリフィスの径
を可変して減衰力を増減させる。

【００１０】減衰力切換機構は、中空状のアブソーバロ
ッド２２内に配設されているコントロールロッド２３を
回転させてオリフィスの径を切換える。このため、アブ
ソーバロッド２２の上部に減衰力切換アクチュエータ２
５が配設されている。また、ショックアブソーバには、
図３に示すような車高センサとしての変位検出装置２９
が設けられている。即ち、アブソーバロッド２２内に
は、内部に磁歪線２６を備える筒体２７が配設されてい
る。筒体２７の上部には電流パルス発生部（発信部）２
８が設けられ、ここで発生した電流パルスが磁歪線２６
に供給される。尚、本実施例では、電流パルスを磁歪線
２６に供給する構成としたが、これに限らず、例えば圧
電素子等を使用して超音波信号を磁歪線２６に供給する
ようにしても良い。

【００１１】アブソーバシリンダ１１の上部にはリング
状の永久磁石３０がアブソーバロッド２２に挿通された
状態で配設固定されている。更に、電流パルス発生部２
８が設けられた側の内部に磁歪線２６を備える筒体２７
の端部には検出コイル（受信部）３１が磁歪線２６を周
回する状態で配設されている。従って、上記変位検出装
置２９は、磁歪線２６，電流パルス発生部２８，永久磁
石３０，検出コイル３１より構成されている。この変位
検出装置では、電流パルス発生部２８から電流パルスが
磁歪線２６に供給されると、図４に示すように永久磁石
３０の磁界により超音波信号が発生して検出コイル３１
に向かって伝播する。これとともに、磁歪線２６の先端
に向かって伝播した超音波信号が磁歪線２６の端部で反
射して検出コイル３１に向かって伝播する。

【００１２】そのため、検出コイル３１では、永久磁石
３０の位置から距離ｘを伝播した１回目の超音波信号に
よる磁歪が検出された後、永久磁石３０の位置から距離
２Ｌ−ｘを伝播した２回目の超音波信号による磁歪が検
出される。さらに、永久磁石３０の位置で発生した超音
波信号が磁歪線２６の両端で反射して磁歪線２６を伝播
するため、永久磁石３０の位置から距離２Ｌ＋ｘを伝播
した３回目の超音波信号による磁歪が検出され、その後
永久磁石３０の位置から距離４Ｌ−ｘを伝播した４回目
の超音波信号による磁歪が検出される。このように、超
音波信号は磁歪線２６を伝播する。

【００１３】ここで、距離ｘを伝播した１回目の超音波
信号が検出された検出時間Ｔａと距離２Ｌ＋ｘを伝播し
た３回目の超音波信号が検出された検出時間Ｔｂとの差
ΔＴは、磁歪伝達速度をＶとすると次式のように表せ
る。 ΔＴ＝２Ｌ／Ｖ … （１） Ｖ＝２Ｌ／ΔＴ … （２） そして、１回目の超音波信号による磁歪は、電流パルス
発生部２８から磁歪線２６に電流パルスが供給されてか
ら時間Ｔａ（＝ｘ／Ｖ）後に検出される。

【００１４】従って、距離ｘは次式により求まる。 ｘ＝Ｖ・Ｔａ … （３） 上記（２）（３）式より、 ｘ＝２Ｌ・Ｔａ／ΔＴ … （４） となり、磁歪線２６の全長Ｌは決められているので、距
離ｘは（４）式より時間Ｔａと時間差ΔＴとが分かれば
求まる。即ち、距離ｘは磁歪伝達速度Ｖとは無関係に求
められる。

【００１５】尚、温度変化等により回路の感度が変化し
た場合にも、その感度変化による検出時間Ｔａ及びＴｂ
への影響は、同じ検出回路を使用しているため、同一で
あり、検出時間Ｔａ，Ｔｂとの差ΔＴへの影響はない。
従って、回路部の特性変化に影響を受けることなく、距
離ｘを求めることも可能である。ここで、上記構成のシ
ョックアブソーバの動作について説明する。

【００１６】車両走行時に路面の凹凸を車輪が通過する
と車高が変化する。この車高の変化によりメインエアチ
ャンバ１２の容量が変化すると、それと共にピストン２
０がアブソーバシリンダ１１内を上下するので検出コイ
ル３１から永久磁石３０までの間の磁歪線２６の長さが
変化する。磁歪線２６はＦｅ−Ｎｉ又はＦｅ−Ｃｏ等を
主成分とした、温度による密度変化の極めて小さな軟質
磁性材料を用いる。特にＮｉ４５〜５０−Ｆｅは−１０
０〜４００℃の温度範囲で熱膨脹係数が略一定で磁歪伝
達速度の変化が極めて小さい。

【００１７】図５（Ａ）に示す如く、磁歪線２６は導電
性の非磁性材料で形成された筒体２７内に配設され、磁
歪線２６の一端２６ａと筒体２７の一端２７ａとを接続
し、磁歪線２６の他端２６ｂと筒体２７の他端２７ｂと
の間にパルス発生部２８を接続して磁歪線２６に電流パ
ルスを供給するため、磁歪線２６と筒体２７との間は両
者の一端２６ａ，２７ａを除いて絶縁をとる必要があ
る。

【００１８】このため、図５（Ｂ）に示す如く磁歪線２
６の外周面に酸化被膜４０を形成して絶縁を行う。磁歪
線２６の製造時に冷間加工を行うと加工歪が発生し磁歪
効果も小さくなる。この加工歪を除くための焼鈍加工時
に酸化被膜４０を同時に形成し、加工歪も低減させる。
このように酸化被膜４０を形成した磁歪線２６は別途絶
縁材を設ける必要がないため、筒体２７の磁歪線収容ス
ペースを小さくでき、図５（Ｃ），（Ｄ）夫々に示す如
く磁歪線２６を筒体２７の一部に埋め込む構造とするこ
とも可能となる。

【００１９】ところで、永久磁石３０は静的磁界を磁歪
線２６に交差させるために設けられているが、図６
（Ａ）に示す如く永久磁石３０と磁歪線２６を内部に備
えた筒体２７との間には磁性材料のアブソーバロッド２
２が存在する。この場合、永久磁石３０からアブソーバ
ロッド２２の長手方向に沿って出た磁束の大半は磁気抵
抗の小さなアブソーバロッド２２を通る磁気ループを形
成し、わずかの磁束が磁歪線２６及び筒体２７に交差す
るだけとなる。

【００２０】そこで、図６（Ｂ）に示す如く永久磁石３
０の両極を軟磁性材３３，３４で挟持する。これによ
り、永久磁石３０の磁束の大半は軟磁性材３３，３４か
らアブソーバロッド２２の軸方向に出て、これに対向す
るアブソーバロッド２２を通る磁気ループを形成し、磁
束が軟磁性材３３，３４に集中するため、多くの磁束が
漏洩して永久磁石の磁界を有効に磁歪線２６及び筒体２
７に交差させることができる。これによって磁歪線２６
に生じる機械的ねじれを大きくでき、検出コイル３１で
検出される磁歪信号のレベルが大きくなる。

【００２１】ここで、電流パルス発生部２８で発生した
電流パルスを磁歪線２６に供給すると、この電流パルス
により磁歪線２６に円周方向の磁場が形成される。上記
電流パルスが検出コイル３１の設置位置を通るとき、検
出コイル３１には起電力が生じる。この円周方向の磁場
が永久磁石３０による軸方向の磁場と重ね合わせられる
ことにより磁歪線２６をねじる方向に合成磁場が形成さ
れる。磁歪材は磁場を与えると磁力線方向に歪を生じ、
逆に機械的歪を与えると歪方向に磁化される物理的性質
を持っている。このため、永久磁石３０の配置位置にお
いて磁歪線２６に機械的ねじれが発生し、この機械的ね
じれは磁歪線２６の磁化を伴って磁歪線２６上をアブソ
ーバロッド２２の上下方向に伝播し、検出コイル３１の
設置位置まで到達する。検出コイル３１には磁歪線２６
の機械的ねじれに伴う磁化により起電力が生じる。

【００２２】図２は検出回路の一実施例の回路図を示
す。同図中、検出コイル３１と並列に抵抗Ｒ₁ 及びコン
デンサＣ₁ が接続され、共振回路を構成している。磁歪
線２６に電流パルスを流すと、検出コイル３１には電流
パルスの一次微分の誘導起電力が発生し、また磁歪線２
６の機械的ねじれに伴う誘導起電力が発生する。上記検
出コイル３１の誘導起電力は次式で表わされる。

【００２３】

【数１】

【００２４】但し、ａ₁ ，ａ₂ はコイルの内半径、外半
径、Ｌはコイル長、Ｎは総巻数、ｍは磁化量、Ｖは磁歪
伝達速度である。これによって、上記発振回路の出力電
圧を増幅したバッファ４０の出力信号は図７（Ａ）に示
す如くなる。ここで、Ｐ１が電流パルスの検出信号、Ｐ
２〜Ｐ５ａが機械的ねじれの検出信号（磁歪信号、超音
波信号）である。

【００２５】この図７（Ａ）に示す検出信号ａは第１コ
ンパレータ４１において基準値と比較されて、図７
（Ｂ）に示すパルス信号ｂに整形される。このパルス信
号ｂはＳＲ形フリップフロップ４２のＲ端子に入力され
る。又、図７（Ａ）に示す検出信号ａは第２コンパレー
タ４３において基準値と比較されて、図７（Ｃ）に示す
パルス信号ｃに整形される。このパルス信号ｃはＳＲ形
フリップフロップ４２のＳ端子に入力されるとともに、
モノマルチバイブレータ４４にも入力される。

【００２６】従って、図７（Ｄ）に示すＳＲ形フリップ
フロップ４２から出力された信号ｄは、パルス信号ｃが
Ｓ端子に入力されるとともにＨレベルになり、パルス信
号ｂがＲ端子に入力されるとともにＬレベルになる。従
って、ＳＲ形フリップフロップ４２から出力された信号
ｄは、電流パルス発生部２８から電流パルスが磁歪線２
６に出力されてから永久磁石３０の磁界により発生した
１回目の超音波信号（機械的ねじれ）が検出されるまで
Ｈレベルに保持される。即ち、パルス信号ｂがＨレベル
に保持される間が時間Ｔａとなる。

【００２７】又、モノマルチバイブレータ４４は、パル
ス信号ｃが入力されると、所定時間の間インバータ４５
に信号を出力する。このモノマルチバイブレータ４４か
ら出力された信号は、インバータ４５により図７（Ｅ）
に示す信号ｅに成形される。カウンタ４６はインバータ
４５からの信号ｅが入力されている所定時間の間、パル
ス信号ｂをカウントし、図７（Ｆ）（Ｇ）に示す信号
ｆ，ｇを出力する。この信号ｆは、１回目の超音波信号
が検出されたときＨレベルになり、２回目の超音波信号
が検出されたときＬレベルになる。又、信号ｇは、２回
目の超音波信号が検出されたときＨレベルになり、３回
目の超音波信号が検出されたときＬレベルになる。

【００２８】そのため、オア回路４７は信号ｆ，ｇのい
ずれかが入力されている間だけ信号ｈを出力しており、
即ち１回目の超音波信号（伝播距離＝ｘ）が検出されて
から３回目の超音波信号（伝播距離＝２Ｌ＋ｘ）が検出
されまで信号ｈを出力する。尚、カウンタ４６は、図２
に示すように、例えば３回目の超音波信号（伝播距離＝
２Ｌ＋ｘ）が検出されてから５回目の超音波信号（伝播
距離＝４Ｌ＋ｘ）が検出されまで信号ｈを出力するよう
にしても良いし、あるいは１回目の超音波信号（伝播距
離＝ｘ）が検出されてから５回目の超音波信号（伝播距
離＝４Ｌ＋ｘ）が検出されまで信号ｈを出力する。

【００２９】上記信号ｄ，ｈは、演算回路に出力され、
永久磁石３０の変位位置（検出コイル３１からの距離
ｘ）が演算される。ここで、演算回路が実行する演算処
理につき図８を参照して説明する。同図中、演算回路
は、ステップＳ１（以下「ステップ」を省略する）で上
記ＳＲ形フリップフロップ４２から出力された信号ｄよ
り時間Ｔａを読み込む。続いて、Ｓ２ではオア回路４７
から出力された信号ｈより時間差ΔＴを読み込む。

【００３０】そして、Ｓ３に進み、前述した（４）式に
磁歪線２６の全長Ｌ、時間Ｔａ、時間差ΔＴを代入して
永久磁石３０の変位位置（検出コイル３１からの距離
ｘ）算出する。従って、距離ｘは温度変化により変動す
る磁歪伝達速度Ｖとは無関係に算出され温度補償され
る。その後、Ｓ４に進み、算出した距離ｘを車高調整制
御回路（図示せず）あるいはショックアブソーバの減衰
力調整制御回路（図示せず）に出力される。

【００３１】このように本実施例では、１個の永久磁石
３０を使用して検出コイル３１から永久磁石３０までの
距離ｘを正確に測定できるとともに、温度補償できる。
よって、構成の簡略化を図ることができる。尚、上記実
施例では、ショックアブソーバに設けられた変位検出装
置を一例として説明したが、これに限らず、他の機構に
おける移動部分の変位を検出するようにしても良いのは
勿論である。

【００３２】又、上記実施例では、磁歪線２６の端部に
受信部としての検出コイル３１を設け、磁歪線２６の機
械的ねじれに伴う磁化により起電力が検出コイル３１に
生じることを利用して磁歪線２６を伝播する超音波信号
を検出する構成を一例として説明したが、これに限ら
ず、磁歪線を伝播した超音波信号を検出することができ
る他の検出手段、例えば磁歪線２６で生じた磁歪を検出
することができる素子又はセンサ等を設けても良い。

【００３３】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、発信部か
ら磁歪線に信号が発信されて超音波信号が磁歪線を伝播
した後、受信部で検出された一の超音波信号と、一の超
音波信号に続いて受信部で検出された後続の超音波信号
との時間差に基づいて、受信部と永久磁石との距離を演
算するため、永久磁石が１個で済み構成の簡略化が図れ
るとともに、温度変化による超音波信号の伝播時間の変
化を補償することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる変位検出装置の一実施例が適用さ
れたショックアブソーバの縦断面図である。

【図２】本発明の要部を構成する回路図である。

【図３】変位検出装置の概略構成図である。

【図４】磁歪線に沿って伝播する超音波信号を説明する
ための図である。

【図５】磁歪線の構成を説明するための図である。

【図６】永久磁石及び軟磁性材を説明するための縦断面
図である。

【図７】図２の回路各部の信号タイミングチャートであ
る。

【符号の説明】

１１ アブソーバシリンダ １２ メインエアチャンバ １３ サブエアチャンバ ２０ ピストン ２２ アブソーバロッド ２３ コントロールロッド ２５ アクチュエータ ２６ 磁歪線 ２７ 筒体 ２８ 電流パルス発生部 ３０ 永久磁石 ３１ 検出コイル ４２ ＳＲ形フリップフロップ ４４ モノマルチバイブレータ ４６ カウンタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁歪材料で形成された磁歪線と、 該磁歪線の延在方向に移動可能に設けられた永久磁石
   と、 該磁歪線に信号を供給する発信部と、 該パルス発信部から発信され該磁歪線を伝播した超音波
   信号を検出する受信部と、 を有する変位検出装置において、 前記発信部から信号が発信された後、前記受信部で検出
   された一の超音波信号と、該一の超音波信号に続いて前
   記受信部で検出された後続の超音波信号との時間差に基
   づいて、前記受信部と永久磁石との距離を演算する演算
   回路を備えてなることを特徴とする変位検出装置。