JPS60140109A - 超音波測距装置 - 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〉 本発明は直線距離を測定するための超音波測距装置に関
する。

〈従来の技術〉 磁気歪を生じ易い材料からなる筒、核部に対して変位し
、パルス発生器によって作られた電気パルスの関数とし
て、位置信号として用いられ、前記筒に沿って進行する
捩れ超音波ノ旬レスを発生するマグネット、と前記筒内
に発生した超音波パルスを電気的信号に変換するために
前記筒に接続された超音波受信器及び位置信号から得ら
れた信号と電気的信号の出現によりて発生せしめられる
少なくとも一つの基準信号との間の時間々隔の関数とし
て前記可動マグネットの位置を確認するための測定回路
を具えてなる超音波測距装置は米国特許明細書第３，８
９８，５５５号に開示されている。

この公知の測距装置は磁気歪性の材料の筒の内部に収め
られた電線を有している。電気パルスがパルス発生器の
出力部からこの電線に供給される。

これらの電気パルスは夫々、位置信号を発生するために
筒に沿ってマグネットが設けられている各地点で超音波
パルスを引起す。この超音波パルスは捩れ波を含む波の
束からなシ、変換器によって検出されて電気的信号に変
換される。電気的信号と基準信号との時間々隔は可動マ
グネ、トの位置に相当する。この公知の測距装置におい
ては基準信号は電気パルスからもたらされる電気的信号
である。この公知の測距装置は磁気歪性材料からなる二
つのテープを有する超音波受信器と共に機り目する。こ
れらのテープは磁気歪性材料の筒の周面上に接線的に取
付けられ、変換コイルによって囲繞されている。筒の捩
れ波は先ずテープによってたて波に変えられ、引続いて
コイル内に電気的出力信号が誘導される。これはコイル
によって直接に電気的信号に変換できるのはたて波だけ
だからである。

同じような超音波測距装置がドイツ公開公報第３１３１
４５５号に記載されておシ、これによれば筒を囲繞し、
変換器から所定の距離の所に設けられた補助マグネット
の助けによって基準信号が発せられる。この公知の超音
波測距装置もまた前記米国特許明細書第３．８９８，５
５５号について説明したのと同様な超音波受信器と協働
して機能する。ドイツ公開公報第３１３１４５５号にが
かる測距装置の特別な利点は基準信号が静止している基
準マグネットの場所で発生せしめられる超音波パルスに
よって得られるために磁気歪性材料からなる筒の温度に
依存する長さの変化と伝播時間の変化が補償されること
にある。

ドイツ公開公報２３１３１４５５号にがかる測距装置の
改良が本出願人の先願（ドイツ特許出願第Ｐ　３３０４
５２０．８号）に記載されている。この測距装置におい
ては二つの基準マグネットが相互に所定の距離をおいて
設けられ、基準信号としての超音波パルスを発生する。

これらの信号は温度又は時間的劣化による測定回路の７
４ラメータのドリフトが高度に補償されるように処理さ
れる。

この先願にがかる測距装置もまた米国特許第３、８９８
．５５５号で用いられたのと同様な超音波受信器と共に
機能する。

公知すべての捩れパルス用の受信器においては、磁気歪
性材料製の筒に到来する捩れパルスは磁気歪性材料のテ
ープ上のたて方向ノ臂ルスに変換され、このたて方向ノ
４ルスは磁気歪の逆転効果のためにテープを囲繞するコ
イル内に電気的信号を誘導する（ヴイラリ効果、Ｖｉｌ
ｌａｒｉ　Ｅｆｆｅｃｔ　）。前述の超音波受信器を具
えた公知の超音波測距装置においては筒の端部上での超
音波パルスの反射のために無数のエコーが生じ、特に三
個のマグネット、即ち二つの基準マグネットと一つの位
置マグネットが使用された場合には著るしい。これらの
エコーは多かれ少なかれ重なシ合って信号の正確な評価
を困難にする。基準マグネット間の距離を増加し及び／
又は超音波受信器に隣接する筒端の振動を抑えることは
比較的高価につき、又必要なスペースもかなり大きくな
るためこのタイツの超音波測距装置の実用上の目的に反
することが判っている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 斜上の先行技術とその問題点に鑑み、本発明の目的は初
めに述べたワイスの超音波測距装置を、筒に沿って伝播
する超音波パルス同士の間の時間間隔の検出が特に正確
に行なえるように改良することにある。

〈問題点を解決するための手段〉 この目的は捩れパルスの直接検出用の超音波受信器が残
留磁気によって円周方向に磁化された筒の一区域と、こ
の区域を軸方向に囲繞するコイルとによって構成されて
いる本発明によって達成することができる。

この超音波測距装置、特にその超音波受信器の特徴的な
構成は次の思想に基いている。磁気歪性の材料からなる
筒に沿って位置マグネット及び基準マグネットによって
たて方向の磁場が発生せしめられる。これは筒内の磁的
双極子又はその群、即らワイス領域が筒の長手方向に整
列することを意味する。電気パルスが筒に沿って伝播す
るとき、又は筒の内部に電気導体が配設されているとき
には、電気（電流）／母ルスによって生起された円周方
向磁界に関連個所に設けられた永久磁石のたて方向磁界
が重畳されて螺旋状磁界を形成する。磁的双極子即ちワ
イス領域はその結果この新らしい磁界方向に回転し、そ
れによってジュール効果（Ｊｏｕｌｅ　Ｅｆｆｅｃｔ　
）に従って螺旋方向の材料の変形（磁気歪）が生ずる。

これが接線成分即ち円周成分とたて成分とを有し、両方
向に音速で伝播する超音波パルスをもたらす。これらの
捩れ波は既に述べた米国特許明ｍ書第３，８９８，５５
５号の超音波受信器などによって予じめたて波に変換さ
れていた。なぜならばたて波だけがコイルによって電気
的信号に変換され得るからである。

本発明の重要な特色はこれらの捩れ波が一筒な軸方向に
囲繞するコイルによってモード変換器を用いなくても直
接検出できることにある。捩れ波は軸方向に整列したコ
イルに検出可能な電気的信号を発生しないので過去の装
置を以ってしてはこのようなことは不可能であった。

検出はコイルによって囲繞された筒の区域が捩れ波の到
来する前に円周方向に磁化されているときにはじめて可
能となる。この円周方向の磁化は軸方向に整列したフィ
ル内に何等の信号をも生じない。

捩九パルスの形の超音波パルスが筒を囲繞する超音波受
信器のコイル領域内の円周方向磁化された筒の螺旋状の
機械的変形を誘導するとき、筒の個々の体積要素は捩ら
れ、その中に含まれている磁的双極子は、それによって
その円周方向から外れて回転せしめられる。このことは
コイルの軸方向の磁界に変化をもたらし、電磁誘導の法
則に従って電気的信号がコイル内に誘導される。この結
果、モード変換器を使用しなくても捩れ波を直接的に検
出することが可能になる。

本発明の超音波測距装置の筒の円周方向磁化には磁気歪
性材料の残留磁気が利用されている。即ち捩れ波の到来
する前に磁気歪性の筒は適宜の手段によって前取って磁
化させられる。前述のように、この円周方向磁化は捩れ
波がそれに衝突する際に軸方向成分を受取る。

本発明の開発過程において、各測定に先立って、電流パ
ルスの助けによってコイルで囲繞された筒の第１区域内
を円周方向磁化をさせ、且つノリレス発生器を電気ノ４
ルスが発生し、それが前記第１区域と離れた筒の第２区
域に沿って伝達されるように接続するための予備磁化手
段が設けられることが望ましいことが判った。

出力・臂ルスが入って来る磁気歪性筒の区域を再発生パ
ルスと相称される特別な電気ノ４ルスが加えられて磁気
歪性材料の円周方向磁化な生ぜしめるコイルによって囲
繞された筒の区域から分離することは本発明において特
に好ましいことである。

測定の時にパルス発生器からの出力ノクルスによって生
じる干渉信号はコイル内に誘導されない。干渉信号に関
しては次の考え方が基礎となっている。

超音波受信器のコイル領域内の小さなたて方向の磁界、
たとえば隣接する基準マグネットの迷走磁界であっても
筒の磁気歪材料をそれに対応する程度には磁化する。パ
ルス発生器からの電気パルスがこれらの条件下で筒に沿
って伝播するとき、これは測定信号の発生と共に磁的双
極子な回転させるかその方向を変える結果をもたらす。

磁界の方向のこの変更は磁気歪、特にり°イラリ効果の
消散機構なしに本発明の超音波受信器のコイルに直接検
出されるので、この結果誘導される干渉電圧はヴイラリ
効果を基礎として評価されるべき超音波パルスによって
発生させられる情報信号よ）もかなυ高い。このように
して超音波受信器内に発生された振動は位置信号と基準
マグネットによりて発生された基準信号の正確な測定に
かなシの影響を与える。この欠点は測定中にパルス発生
器によって発生された電気パルスがコイルによって囲繞
された磁気歪性の筒の区域に沿って伝播しない時及びコ
イルによって囲繞されたその区域内に生ぜしめられる円
周方向磁化が測定と測定の間に特別の再発生ノクルスに
よって生ぜしめられる時に回避される。

基準信号の発生に関しては本発明の超音波測距装置は以
前のシステムのように−又は二個の基準マグネット又は
米国特許明細書第３，８９８，５５５号の測距装置のよ
うにパルス発生器自身からの出力パルスと共に機能する
。本発明の超音波受信器の主たる利点はそれによって何
等害されることはない。

本発明の有利な態様は従属する特許請求の範囲の主題と
なっている。

本発明の細部並びに利点は添付の図面を参照して更に詳
細に説明されよう。

〈実施例〉 第１図は磁気歪性の筒１０の詳細を示し、振動減衰が小
さく且つ電導性を持たせるようにろう付は又は溶接によ
って商１ｏｖｃ接続された三つの電気接続部１２．１４
．１６を有している。接続部１４と１６の間の筒１０の
第１区域はコイル２４によって囲繞されている。一つの
位置マグネット１８と二つの基準マグネッ）２０．２２
が、接続部１２と１４の間の筒１０（２）第２区域に沿
って、配列されている。接続部１２に隣接した筒１０の
端部は減衰装置２６によって囲繞されておシ、該装置は
概略でしか示されていないが、たとえば硬度の異なった
複数のゴムディスクからなっている。

第１図はクォーツのプレート２８をも示し、これに二つ
の基準マグネッ）２０．２２が相互に所定の距離をおい
て取付けられている。

く作用〉 第１図の超音波測距装置は次のように作動する。

電流パルスが最初に発生せしめられ、接続部１４゜１６
間の筒１０の第１区域内に残留円周方向磁化を生ずる。

この第１区域はコイル２４によって囲繞され、同時に導
電体としても機能する。次いでパルス発生器が電気パル
スを発生し、これは同じく導電体として機能する筒１０
の第２区域に沿って伝播する。この電気パルスは位置マ
グネット１８及び二つの基準マグネッ）２０．２２にお
いて超音波パルスを引起す。この超音波パルスは初めに
述べた相関々係のためにコイル２４の接続部同士の間に
対応する電気的信号をもたらす。本発明の一態様として
、マグネッ）１８，２０．２２から遠い方のコイル２４
の側の筒１０の長さが、超音波パルスによって誘導され
た、第１の極性を有する半波電気信号の直ぐ後に筒の端
部から反射されコイル２４を通って戻って来た関連する
超音波／ぐルスによって誘導された反対極性の半波信号
が続くように選ばれるときに特に有利である。この態様
に更に零通過検出器をコイル２４の接続部に接続しても
よい。これによって超音波パルスの伝播時間が特別に正
確に測定できる。その上第１図の超音波測距装置内で信
号が初めに述べた先願（ドイツ特許出願第Ｐ　３３０４
５２０．８号）と同じようにして評価される。

コイルが筒１０を軸方向に囲繞している本発明の超音波
受信器の特別な機能に関して第３ａ図及び第３ｂ図を参
照して説明する。これらの図はコイル２４によって囲繞
された磁気歪性の筒１０の接線方向に、即ち局面方向に
磁化された区域（第３ａ図）に超音波パルスの捩シ応力
波が到達すると如何にして磁界の変化（第３ｂ図）が生
じるかを明瞭に示している。捩れ応力波、特に超音波・
ぐルスの伝播方向が第３１図に矢印Ｂで示されている。

、第３ａ図、第３ｂ図から、捩れ応力波が接続部１４．
１６の間の電流パルスによって誘導された円周方向磁化
領域を越えて反射されると捩れ液内の機械的応力の方向
が１８０°回転し、それによって復帰超音波パルス、即
ち超音波ノ４ルスのエコーが磁界内に反対方向の変化を
生じさせると云うことが判る。この結果、コイル２４内
に電気的信号が生じ、その極性はコイル２４内に生じた
最初の信号の極性と逆になっている。従って斜上のよう
に、コイル２４の向う側の筒の長さを適当に選ぶと超音
波パルスとそのエコーを基礎とする互いに反対極性の二
つの半波電気信号が得られ、又信号間の零通過を検出す
ることができる。零通過は半波の捩れや振巾変動によっ
て影響されないので伝播時間の測定が非常に精密に行な
える。

この超音波測距装置の機械的構造に関しては、第２図に
示す設計が好適であることが判った。この図は磁気歪性
の筒１０が支持リング３０によって適宜な間隔で支持さ
れていることを示している。

これらのリングは比較的狭い中央開口３２を有し、これ
を筒１０が僅かな間隙を残して通っている。

又リング３０は磁気歪性の筒１０を囲繞する保護チュー
ｆ（０部分３６を支持するための環状肩部３４をも形成
している。この支持リング３０と保護チー−プの部分３
６はたとえば適宜なプラスチック材料で作られている。

第１図は支持リング３０を概略的に筒１０の支持体とし
て示している。

本発明においては電気的接続部１２，１４゜１６の接続
点領域における磁気歪性の筒１０に沿って伝播する超音
波パルスの干渉、特に好ましくないエコーを避けるため
にこれらの電気的接続部に非常に細い軽量のワイヤが用
いられている。これらのワイヤはスポット溶接によって
筒１０に固定されることが好ましい。ス、Ｉ？　、ト溶
接によって筒１０に取付けられた細い接続ワイヤの使用
は筒に沿って伝播する超音波パルスの如何なる干渉をも
生じない。ス４！ット溶接された接続部は連続操作の間
も信頼性を持って存在するので電気的信号の磁気歪性筒
１０への伝達は干渉なしに低い抵抗で行なわれることが
保証される。

最後に、原理的には磁気歪性の筒の代シに磁気歪性材料
のロッドな用いることも可能である。しかし固いロッド
の使用は超音波パルスがその大きな慣性質量のためにか
なりの程度減衰すると云う欠点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波測距装置の一好適実施例の主要
部の概略側面図、 第２図は第１図の測距装置の磁気歪性筒の支持手段の拡
大部分断面図、 第３ａ図と第３ｂ図は第１図、第２図の超音波測距装置
の基本原理の模式的説明図である。 １０・・・磁気歪性筒、１２，１４．１６・・・電気的
接続部、１８，２０．２２・・・マグネット、２４・・
・コイル、２６・・・減衰装置、２８・・・クォーツ、
３０・・・支持リング。 特許出願人 グプハルト　パル７．７アプリク フアインメハニツシヤー　エルツォイクニツセペルパル
ツングス　ダゼルシャフト ミット　ペシュレンクテル　ハフッング特許出願代理人 弁理士　青　木　朗 弁理士　西　舘　和　之 弁理士　山　口　昭　之 弁理士　西　山　雅　也 第１頁の続き ０発　明　者　ファイト　コーニング　ドイツ連邦共和
国。 ル　ユトラーセ　５５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、磁気歪性の材料からなる筒、及び／ぐルス発生器に
   よって作られた電気パルスの関数としての捩れ超音波／
   ４’ルスを発生し且つ筒に沿って伝播するために筒に対
   して変位自在なマグネットを具え、前記捩れ超音波パル
   スは位置信号として用いられ、又更に前記筒内に発生し
   た超音波パルスを電気的信号へ変換するために筒に接続
   された超音波受信器及び位置信号から得られた信号と電
   気的信号の出現によって発生せしめられる少なくとも一
   つの基準信号との間の時間々隔の関数として前記可動マ
   グネットの位置を確認するための測定回路を具えてなる
   超音波測距装置であって、捩れパルスの直接検出のため
   の前記超音波受信器が残留磁気に基いて円周方向に磁化
   された筒（１０）の区域と該区域を軸方向に囲繞するコ
   イル（２４）によって構成されていることを特徴とする
   超音波パルス２、各測定に先立って電流パルスの助けに
   よってコイル（２４）によって囲繞された筒（１０）の
   第１区域内に円周方向磁界を生ぜしめるための予備磁化
   手段を具え、且つパルス発生器用の接続部（１２，１４
   ）が配設され、それによって電気パルスが発生し、前記
   第１区域からずれた筒（１０）の第２区域に沿って伝播
   するようになされたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載された超音波測距装置 ３、　コイル（２４）の可動マグネット（１８）から遠
   い方の側の筒（１０）の長さが超音波パルス及び筒の端
   部からのそのエコーによって誘導された半波電気信号が
   相互に相次いで伝播し零通過を形成するように選択され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２
   項に記載された超音波測距装置 ４、基準信号を発生するために少なくとも一つの基準マ
   グネッ）（２０，２２）が設けられていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項から第３項までのいずれか一
   項に記載された超音波測距装置 ５、二つの基準マグネッＢ２ｏ、ｚ２）が設けられ、該
   マグネットは相互に離れておシ、低熱膨張係数を有する
   接続要素に静止的に接続されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第４項に記載された超音波測距装置 ６、＃ｊの減衰が小さくなるように所定の間隔で配設さ
   れた支持リング（３０）によって筒（ｉｏ）が支持され
   、該リングは筒の通る中央開口（３２）を有し、又磁気
   歪性の側斜からなる筒（１ｏ）を囲繞する保膜チューブ
   の部分（３６）を支持するための肩部（３４）を有して
   いることを特徴とする第１項から第５項までのいずれか
   一項に記載された超音波測距装置 ７、磁気歪性の筒（１０）がそれ自身電気的信号のため
   の導電体を構成し、核部（１ｏ）用の電気接続部（１２
   ，１４，１６）が低質量の細い導電体として設計されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第６項
   までのいずれか一項に記載された超音波測距装置 音波測距装置 波測距装置