JPS60125519A - 位置検出装置 - 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】 本発明は位置指定用磁気発生器で指定された位置を検出
する装置に関し、特に磁歪効果を有する磁歪伝達媒体を
伝搬する磁歪振動波を利用して位置指定用磁気発生器で
指定された位置を検出する位置検出装置に関するもので
ある。

従来技術と問題点 従来のこの種装置は、例えば特公昭５６−３２６６８号
公報に見られるように、位置指定用磁気発生器で瞬時的
磁場変動を発生させた時から、この瞬時的磁場変動によ
シ磁歪伝達媒体中に生起した磁歪振動波が該磁歪伝達媒
体を伝搬し磁歪伝達媒体の端部に設けた検出コイルで検
出されるまでの時間を処理装置で算出し、この算出饋か
ら位置指定用磁気発生器で指定された位置を検出するの
が一般的である。しかしながら、このような構成では、
位置指定用磁気発生器で一時的磁場変動を発生させたタ
イミングを処理装置側へ通知する必要性から、位置指定
用磁気発生器を信号線によシ処理装置に接続しておく必
要があシ、位置指定用磁気発生器の移動範囲、取扱いが
著しく制限される欠点があると共に、その応用範囲も狭
かった。特に、位置検出面が平面状の場合、位置指定用
磁気発生器の動き得る範囲も広くなるので長い信号線が
必要となシ、操作性が悪化する欠点があった。

発明の目的 本発明はこのような従来の欠点を改善したものであシ、
位置指定用磁気発生器がどこにも接続されない応用範囲
の広い位置検出装置を提供することを課題としている。

発明の原理 磁歪伝達媒体中を磁歪振動波が伝搬する齢、磁歪振動波
が存在する部位において機械的振動エネルギーの一部が
磁気的エネルギーに変換され、局部的に磁場変動が発生
する。そして、この磁場変動の大きさは機械的エネルギ
ーから電気的エネルギー（又は電気的エネルギーから機
械的エネルギー）への変侠効率を示す係数（以下電気機
械結合係数という）が大きくなる程大きくなり、電気機
械結合係数はあるバイアス磁界付近で最大となる。従っ
て、はぼ全長にわたってコイルを巻回した磁歪伝達媒体
のある部位のみに位置指定用磁気発生器から電気機械結
合係数が大きくなる程度の磁気が加わっていると磁歪伝
達媒体を伝搬してきた磁歪振動波がその位置に到達した
とき大きな磁場変動が生じることになり、そのときコイ
ルに大きな誘導起電力（磁歪振動波による誘導電圧）が
発生する。従って、この大きな誘導起電力の発生タイミ
ングを検出すれば、磁歪振動波が位置指定用磁気発生器
で指定された位置まで到達するのに要した時間を知るこ
とができ、この時間から指定された位置を検出すること
が可能となる。

本発明は以上のような原理に基づき位置指定用磁気発生
器で指定された位置を検出するものであり、以下図面に
基づいて実施例を説明する発明の実施例 第１図は本発明の一実施例の構成説明図である。同図に
おいては、ｌａ〜１ｄは磁歪効果を有する材料で作られ
た磁歪伝達媒体であシ、互にほぼ平行に配置される。磁
歪伝達媒体１３〜１ｄは、強磁性体であればどのような
ものでも使用できるが、強い磁歪振動波を発生させる為
に磁歪効果の大きな材料たとえば鉄を多量に含むアモル
ファス合金が特に望ましい。又、磁石を接近させても磁
化され難い保持力の小さな材料が好ましい。アモルファ
ス合金として社、例えばＦｅ６７０ｏＨＩＢ１４Ｓ　ｉ
ｌ（Ｍ子Ｘ　）、　Ｆ　ｅｌｌｌ　Ｂ１ｓ＋５Ｓ　ｉ３
．ｓ　Ｏ！（原子％）廊が使用できる。磁歪伝達媒体１
ａ〜ｌｄは細長い形状をしており、その断面は長方形の
薄帯状か円形の線状が望ましく、薄帯状の場合幅は数晴
程度、厚さはμｍ−数１０μｒｒ＠度が製造も容易で且
つ特性も良好である。アモルファス合金は製造上、厚さ
が２０〜５０μｍの薄いものが作れるので、これを薄板
状或は線状に切断すれば良い。本実施例では、　Ｆｅ５
ｔＢ＋ｓ、ｓＳ　１３．５　ａｍ（原子％）から成る幅
２１１ｍ＋、厚さ０−０２ｍの磁歪伝達媒体を使用して
いる。

２は磁歪伝達媒体１ａ〜１ｄの一端に巻回された第１の
コイルであシ、各磁歪伝達媒体１ａ〜１ｄにそれぞれ対
応する各（部分）コイル２ａ〜２ｄは隣接するコイル同
士で逆方向に巻回されて゛おり、コイル２にノぐルス電
流を流しだ時に各コイル２３〜２ｄから発生するパルス
雑音は＠シ同士で互いに打ち消し合って弱められる。

なお、巻回数は図示例では１回であるが、２回以上にし
ても良い。この第１のコイル２は瞬時的磁場変動をコイ
ル面に垂直に発生させて磁歪伝達媒体１ａ＝１ｄ各々の
巻回部位に磁歪振動波を生起させる為のものであシ、コ
イル２の一端は、磁歪振動波を発生させるに足るパルス
電流を発生する。ｏルス電流発生器３の十端子に接続さ
れ、その他端はその一端子に接続される。

４はバイアス用磁性体であり、磁歪伝達媒体１　ａ　＝
　１　ｄの第１のコイル２０巻回部分に磁歪伝達媒体１
ａ＝１ｄの長手方向に平行なバイアス磁界を加える為の
ものである。このようにバイアス磁界を印加するのは、
少ない電流で太きな磁歪振動波の発生を可能にする為で
ある。即ち、磁歪伝達媒体１３〜１ｄの電気機械結合係
数は例えば第２図に示すようにあるノζイアス磁界のと
き最大となるから、このような磁気ノ旬アスを第１のコ
イル２０巻回部分に印加しておくことにより効率良く磁
歪振動波を発生するどとができる。

又第１図において、磁歪伝達媒体ｌ　ａ　＝　ｌ　ｄに
巻回された第２のコイル５ａ〜５ｄは、磁歪伝達媒体１
ａ〜１ｄを伝搬する磁歪振動波による誘導電圧を検出す
るだめのものであり、磁歪伝達媒体の広い範囲にわたっ
て巻回され、巻回された領域が位置検出領域となる。巻
きピッチは第２のコイル２に近接している側の一端より
反対側の他端に向って徐々に密に巻回されており、磁歪
振動波の減衰に上り誘導電圧が小さくなるのを補なって
いる。また一般的に誘導起電力を高める為にはせきピン
チは大きい方が好ましい。

各コイル５８〜５ｄの巻き方向は全て同一（この実施例
では左巻き）であシ、コイル５ａ。

５ｂの巻き終り間、コイル５ｂ　、５ｃの巻き始メ間、
コイル５　ｃ　、　５　ｄの巻き終り間は互いに接続さ
れ、即ちコイル５３〜５ｄは直列に接続サレ、コイル５
ａ　、５ｄの巻き始めは処理器６０入力端子にそれぞれ
接続される。従ってコイル５ａ〜５ｄは隣接するコイル
同士で接続の極性が逆に々っておシ、外部からの誘導を
受けにくく雑音に強い効果を有している。なお、コイル
５ａ〜５ｄにより第２のコイル５が構成される。又７は
位置指定用磁気発生器を構成する磁性体であシ、この実
施例では直径３ｆｉ長さ５０−の棒磁石を使用している
が、形状は板、リング、角等でもよく、又電磁石でもよ
い。本実施例では、この棒磁石７で指定された位置を検
出しようとするものである。

今、第１図において、位置指定用棒磁石７がＮ極を下に
して第１のコイル２のコイル面中心から距離ｒ盲歪伝達
媒体ｌａ上にめシ、電気機械結合係数が大きくなる程度
の磁気を真下の磁歪伝達媒体１ａの一部に加えているも
のとする。

このような状態において、ノξルス電流発生器３からノ
ξルス電流が第１のコイル２に印加されると、第１のコ
イル２で瞬時的磁場変動が発生し、これが原因で磁歪伝
達媒体１３〜１ｄの第１のコイル２の巻回部分で磁歪振
動波が生起する。この磁歪振動波は磁歪伝達媒体１　ａ
　＝　ｌ　ｄ固有の伝搬速度（約５０００ｆｆｉ／秒）
で磁歪伝達媒体１ａ〜１ｄを長手方向に沿って伝搬する
。

そして、この伝搬中において、磁歪振動波が存在する磁
歪伝達媒体１ａ〜１ｄの部位でその部位の電気機械結合
係数の大きさに応じて機械的エネルギーから磁気的エネ
ルギーへの変換が行なわれ、その高弟２のコイル５に＝
ｍ起電力が発生する。

第３図は第２のコイル５に発生する誘導起′鴫力の時間
的変化の一例を第１のコイル２にノξルス電流を印加し
た時刻を１＝０として図示したものでおる。同図に示す
ように、誘導起電力の振幅は時刻ｔ＝ｏ直後と時刻ｔｏ
からｔｌ　−ｔ２秒経過しだあたシで大きくなシ、他の
時刻では小さくなる。時刻１＝０直後で誘導起電力の振
幅が大きくなるのは、第１のコイル２と第２のコイル５
間の電磁誘導作用によるものであシ、時刻１＝！＝１１
〜ｔ２において１サイクルの一誘導起電力（磁歪振動波
による誘導電圧）の振幅が大きくなるのは、第１のコイ
ル２の巻回部分で発生した磁歪振動波が磁歪伝達媒体１
ａを伝搬して位置指定用棒磁石７の直下付近に到達し、
その部分で電気機械結合係数が大きくなった為である。

位置指定用棒磁石７を磁歪伝達媒体の長手方向に沿って
移動させると磁歪振動波による誘導電圧もそれに応じて
時間軸上を移動する。従って、時刻ｔｏから１１〜ｔ２
までの時間を測定することによシ位置指定用棒磁石７で
指定された位置、即ち距離ｔを算出することができる。

位置を算出する為の伝搬時間としては、例えば第３図（
で示すように磁歪振励による誘導電圧の振幅が聞直−Ｅ
１よシ小さくなった時点ｔａ　、聞直Ｅ、よシ大きくな
った時点ｔ４を使用しても良く、又、ゼロクロス点ｔ５
を使用しても良い。

また、第１図において、位置指定用棒磁石７を１社歪伝
達媒体１ａ〜１ｄの長手方向に垂直な方向に平行移動さ
せ、位置指定用棒磁石７のＮ極が磁歪伝達媒体１ｂ−１
ｄの上に位置したときも、第３図と同様の誘導電圧が得
られる。これは、コイル５ａ、５ｃとコイル５ｂ、５ｄ
の接続極性が逆であるが、コイル２ａ　、２ｃとコイル
２ｂ　、２ｄの巻回方向を反対にしであることによる。

従って、常に同一極性の磁歪振動による誘導電圧を取り
出すことができ、検出精度を高めることが可能となる。

また、コイル２　ａ。

２ｃとコイル２ｂ　、２ｄの巻回方向を逆にしているの
で、コイルによシ発生する誘導電圧は互いに打ち消し合
って小さくなシ、第１のコイル２から第２のコイル５に
直接誘導される第３図の１（、の直後の誘導電圧も小さ
くなる。従って、第１のコイル２と第２のコイル５の間
隔を狭くすることができ、その分位置検出執域を拡大す
ることが可能となる。一般に、第１のコイル部分の巻回
方向又は接続極性を隣接するコイル同士で逆にすればこ
の効果は得られる。

彦お、第１図の構成において、位置指定用棒磁石７が磁
歪伝達媒体１ａの上にある場合、位置指定用棒磁石７の
極性或は〕々イアス用棒磁石４の極性を図示と逆にした
場合、第１のコイル２ａ或は第２のコイル５ａの巻き方
向を逆向きにした場合、及び第１のコイル２ａ或は第２
のコイル５ａの接続を逆極性にした場合、・いずれも磁
歪振動波による誘導電圧の極性が反転することが実験に
よシ確められている。

従って、第１図においてコイル５ｂ　、５ｄの巻き方を
反対にした場合には、コイル２ｂ、２ｄの巻き方を逆に
すれば、常に同一極性の磁歪振動による誘導電圧を取シ
出すことができる。第１図においてコイル５３〜５ｄは
直列に接続しているが、誘導起電力は小さくなるがコイ
ル５３〜５ｄを並列に接続する構成としても良い。

第４図は位置検出装置の検出部の実施例を示す一部破断
平面図、第５図はその長手方向に沿う断面図である。同
図に示すように磁歪伝達媒体１ａ〜１ｄは補強材８ａ〜
８ｄ内に収容され、第１のコイル２ａ〜２ｄ及び第２の
コイル５３〜５ｄは該補強材８ａ〜８ｄの周囲に巻回さ
れ、これらは非磁性体の金属ケース１００の内部底面に
設けた鵠みに挿入され、必要に応じて接着剤等で同定さ
れる。第１のコイル２及び第２のコイル５は金属ケース
１００の側面から外部に取り出され、第１図のパルス電
流発生器３、処理器６に接続される。バイアス用磁性体
４は磁歪伝達媒体１ａ＝１ｄの端部に対向するように金
属ケース１００の内部底面に設けられた窪みに固定され
ているが、磁歪伝達媒体１３〜１ｄの上方或は下方に配
置しても良い。金属ケース１００には非磁性体の金属よ
り成る蓋１０１が被せられており、この蓋１０１の上で
位置指定用磁性体７を移動させるものである。

第６図はノξルス電流発生器３の実施例を示す電気回路
図であシ、コンデンサ３０を抵抗３１゜３２を介して直
流電源３３により充電しておいた電荷を、コンデンサ３
０″と抵抗３２の直列回路に並列に接続したサイリスタ
３４をオンさせることで該サイリスタ３４及び抵抗３２
を通して放電させ、抵抗３２の端子電圧を第１のコイル
２に印加する構成としたものである。なお、サイリスタ
３４は第１図の処理器６からトリガノξルスがゲートに
入力されることでオンされる。

第７図は処理器６の実施例を示す要部ブロック図である
。同図において、まずコンピュータ６０は入カパツファ
回路６１を介して測定基準ノξルスを出力し、カウンタ
６２をクリアする。

次にコンピュータ６ｏは測定スタートノξルスヲ出力し
、ノぞルス電流発生器３をトリガして第１のコイル２に
ノぐルス電流を印加すると共に、Ｄフリップフロップ６
３のＱ出力を“ビにする。

このＱ出力はアンド回路６４を開き、カウンタ６２はク
ロックツぐルス発生器６５の出力パルス（パルス繰返し
周波数は例えば１００ＭＨｚ）のカウントを開始する。

第２のコイル５で発生する誘導起電力は信号増幅器６６
で増幅され、比較器６７の（＋）入力端子に入力される
。比較器６７の（−）入力端子には例えば第３図の閾値
Ｅ１に相当する電圧Ｅｒが印加されておシ、比較器６７
は信号増幅器６６の出力が電圧Ｅｒよシー大きい間、即
ち磁歪振動波による誘導電圧の正極性部分を検出したと
きにその出力をハイレベルとする。

さて、比較器６７の出力は７７１回路６８を介してＤフ
リップフロップ６３をセットするので、そのＱ出力によ
ってアンド回路６４は閉ざされ、カウンタ６２はカウン
ト動作を停止する。

このように第２のコイル５に磁歪振動波による誘導電圧
が現われるとカウンタ６２はカウント動作を停止するの
で、最初に測定指定が出てからの経過時間をカウンタの
ディジタル値として知ることができる。また、この値は
磁歪振動波が毎秒的５０００ｔｒＬの速さで進むことに
よシ第１のコイル２から位置指定用磁性体７までの距離
に対応したものとなる。このようにしてディジタル値と
して得られた位置データは、出力バッファ回路６９を介
してディジタル数字表示器７゜に入力され表示されたシ
、コンピュータ６ｏに入力されて処理されることになる
。

第８図は本発明の他の実施例を示す構成説明図である。

同図において、コイル２　ａ’〜２　ｄ’ハ磁歪伝達媒
体１３〜１ｄの所定範囲に渡って巻回され、第１のコイ
ル２′を構成する。各コイル２　ａ’〜２　ｄ’は巻き
方向が全て同一（この実施例では左巻き）であるが、隣
接するコイル同士で接続の極性が逆になっており、第１
図のコイル２ａ〜２ｄと同様に、コイル２　ａ’〜２ｄ
ｌにノξルス電流を流した時にコイルから発生するノξ
ルス雑音は互いに打ち消し合う如くなっている。このコ
イル２ａ／〜２ｄ′は瞬時的磁場変動を発生させて磁歪
伝達媒体１ａ〜１ｄに磁歪振動波を発生させるものであ
シ、磁歪伝達媒体１ａ〜ｌｄに巻回された領域が磁歪振
動の発生領域となる。

また９はバイアス用磁性体の代シに使用する第２の位置
指定用磁性体であシ、磁歪伝達媒体１ａ＝ｌｄに局部的
に長手方向に平行なバイアス磁界を加えて磁歪伝達媒体
１ａ〜１ｄに発生させる磁歪振動波の発生位置を指定す
るものである。

従って本実施例では位置指定磁気発生器７で指定する位
置と第２の位置指定用磁気発生器９で指定する位置との
間の相対距離ｔ′を検出することができる。なお、その
他の構成・効果は第１図の実施例と同様である。

また上記実施例では第１のコイル２ａ′〜２ｄ’の巻き
ピッチを同一としているが、第２のコイル５ａ〜５ｄに
近接する側の一端よシ他端に向けて徐々に蟹となるよう
に巻回しても良く、この場合にも磁歪振動波の減衰によ
りｉ導起電力が小さくなるのを補なうことができる。ま
た位置指定用磁気発生器９としては棒磁石の他に板状や
リング状でも良く、また電磁石でも良いことは勿論であ
る。

第９図は本発明の更に他の実施例を示す構成説明図であ
る。同図において、ｌＱａ、１０ｂは長尺の磁歪伝達媒
体であり、複数の補強材８１ａ〜８３ａ、８１ｂ〜８３
ｂ内に収容されている。また補強材８１８〜８３ａの周
囲には第２のコイル５１ａ〜５３ａがそれぞれ巻回され
、また補強材８１ｂ〜８３ｂの周囲には第２のコイル５
１ｂ〜５３ｂがそれぞれ巻回されている。コイル５１ａ
〜５３ａは全て同一方向（この実施例では左巻き）に巻
回され、またコイル５１ｂ〜５３ｂは全て上記コイル５
１ａ〜５３ａと逆の同一方向（この実施例では右巻き）
に巻回され、各コイル５１ａ〜５３ａ、５１ｂ〜５３ｂ
の巻き始めは共通に処理器６の一方の端子に接続し、巻
き終シは共通に処理器６の他の端子に接続する。従って
各コイル５１ａ〜５３ａ。

５１ｂ〜５３ｂは隣接するコイル同士で接続の極性は同
一であるが巻き方が逆となっておシ、外部からの雑音を
受けにくくなっている。また補強材８１ａ、８１ｂの一
端には第１のコイル２が巻回されており、前記第２のコ
イル５１ａ〜５３ａ、５１ｂ〜５３ｂの巻回された領域
が位置検出領域となる。従って本笑施例によれば、長い
距離の位置検出を行ないたい場合、即ち磁歪伝達媒体の
長さが長い場合、製造の容易な比較的短いコイルを接続
して上記磁歪伝達媒体の長さに合わせたコイルを構成で
きる。

以上の実施例では、第２のコイルを磁歪振動波の検知用
に使用した。しかし発明の原理の項で述べたように、第
２のコイルを磁歪振動波発生用としてノクルス電流発生
器３に接続し、第１のコイルを磁歪振動波検知用として
処理器６に接続する構成にすることもできる。

なお、以上の説明から明らかなように、本発明の位置検
出装置は、図形データ等をコンピュータ等に入力する為
の装置として使用できる他、移動物体に位置指定用磁性
体を取り付けておき、その移動経路に沿って磁歪伝達媒
体を配ＩＷシておくことで移動物体の位置を自動的に検
知する装置としても使用することかり能である。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、互いにほぼ平行に
配列された複数の磁歪伝達媒体に第１のコイルと第２の
コイルとを、前記各磁歪伝達媒体毎又は隣接する２個以
上の磁歪伝達媒体毎に接続極性又は巻回方向が逆方向と
なるように巻回しただめ、隣接するコイル同士で第１の
コイルと第２のコイルとの間の電磁誘導作用によシ発生
する誘導電圧値を小さくでき、第１のコイルと第２のコ
イル間を狭ぐでき、その分位置検出領域を拡大すること
ができると共に、外部からのノイズを受けにくり、検出
精度を高めることができ、まだ機器外へ放射する不要な
誘導成分やノイズを小さくできる等の利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成説明図、第２図は磁気
バイアス対電気機械結合係数の特性図、第３図は第２の
コイル５に発生する誘導起電力の時間的変化の一例を示
す線図、第４図は位置検出装置の検出部の実施例を示す
一部破断乎血図、第５図はその長手方向に沿う断面図、
第６図はノξルス電流発生器３の実施例の電気回路図、
第７図は処理器６の実施例を示す要部ブロック図、第８
図は本発明の別の実施例の構成説明図、第９図は本発明
の別の実施例の構成説明図である。 ｌａ〜１ｄ・・・磁歪伝達媒体、２・・・第１のコイル
、３・・・ノξルス電流発生器、４・・・バイアス用磁
性体、５・・・第２のコイル、６・・・処理器、７・・
・位置指定用磁気発生器を構成する棒磁石。 特許出願人　株式会社　ワコム 代理人　弁理士　吉　１）　精　孝 第２図 第３図 第４図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）互いにほぼ平行に配列された複数の磁歪伝達媒体
   と、該複数の磁歪伝達媒体に巻回された第１のコイル及
   び第２のコイルと、該第１のコイル又は第２のコイルの
   どちらか一方にノξルス′亀流を印加して前記各磁歪伝
   達媒体に同時に磁歪振動波を生起させるノξルス′亀流
   発生器と、該磁歪振動波が生起してから前記第１のコイ
   ル又は第２のフィルの他方にイｉｃ歪振動波による誘辱
   電圧が現れるまでの時間を検知する処理器を具備して成
   る位置検出装置にオイて、前記第１のコイル及び第２の
   コイルを前記／４磁歪伝伝達体毎又は隣接する２個以上
   の磁歪伝達媒体毎に接続極性又は巻回方向がｉＱ＜方向
   となるように巻回したことを特徴とする位置検出装置。 ＜２＞紀ｌのコイル又は第２のコイルのどちらか一方あ
   るいは第１のコイル及び第２のコイルを、その互いに近
   接している一端から他端に向って徐々に密となるように
   巻回したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   位置検出装置。 （３）第１のコイル又は第２のコイルのどちらか一方あ
   るいは第１のコイル及び第２のコイルを被数個のコイル
   により構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   又は第２項記載の位置検出装置。 （４）磁歪伝達媒体を収容するスペースを有する補強材
   を備えたことを特徴とする特許請求の鴨囲第１項乃至第
   ３項いずれか１項記載の位置検出装置。 （５）第１及び第２の位置指定用磁気発生器を備えだこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１．！ＪＲ乃至ｇ４項
   いずれか１項記載の位置検出装置。 （６）磁歪伝達媒体とコイルヶ非磁性体の金属ケースに
   収容したことを特徴とする特許ｄ請求の範囲第１項乃至
   第５項いずれか１項記載の位置検出装置。