JPS60164214A - 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】 （技術分野） 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、特に磁歪効果を右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１Ｊ゛る位置検出装置に関するも
のである。

（従来技術ｉ問題点） 従来のこの゛種装置は、例えば、特公昭５６−３２６６
８号公報に見られるＪ：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
動により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
出値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瞬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り処理装置に接続して
おく必要があり、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。

（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り、
位置指定用磁気発生器がどこにも接続されず応用範囲が
広く、■つ検出精度の高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際、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、この磁場変動の大ぎ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）への変換効率を示す係数（以下、電気
機械結合係数という）が大きくなる程太き（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、広い範囲にわたって電磁変換器を配設した磁歪伝
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
、磁歪伝達媒体の一端より加えられ該磁歪伝達媒体を伝
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
誘導起電力（磁歪振動波による誘導電圧）が発生する。

前記磁歪振動波は更に磁歪伝達媒体中を伝搬し他端に達
するが、該他端が開放端（即ち、固定されていない）の
場合、同相の波形を有する磁歪振動波の反射波が発生す
る。この反射波は再度、磁歪伝達媒体中を伝搬するが、
前記位置指定用磁気発生器で指定された位置に達すると
、再麿大きな誘導起電力が発生する。

ところで前記磁歪伝達媒体、例えばアモルファス合金に
おいて、その電気機械結合係数はバイアス磁界が加えら
れた瞬間、即ち位置指定用磁気発生器で指示した瞬間か
ら変化し前記誘導起電力の発生時点が時間の経過と」ｔ
に移動する性質がある。そしてこの性質は前記磁歪化３
１！媒体の一端より加えられた磁歪振動波による第１の
誘導起電力と共に反射波による第２の誘導起電力に対し
ても同様に作用する。従って、第１の誘導起電力の発生
時点より第２の誘導起電力の発生時点までの時間を検出
し、この検出値を１７２に除算すれば磁歪振動波が磁歪
伝達媒体の他端より前記指示された位置まで到達するの
に要した時間を、前記位置指定用磁気発生器で指示した
時点からの時間の経過に拘らず、正確に知ることができ
、この時間から指定された位置を正確に検出することが
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づ゛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、１ａ〜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り、互にほぼ平行に配置される。磁
歪伝達媒体１ａ〜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聞に含むアモル
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
ス合金としては、例えばＦｅ６７ＣＯ１８Ｂ１４Ｓｉ　
（原子％”　Ｆｅ８１Ｂ１３．！＋Ｓ’　３．５Ｃ２（
原子％）等が使用できる。磁歪伝達媒体１ａ〜１ｄ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　。

幅は数層程度、厚さは数μｍ〜数１０μｍ程痕が製造も
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２０〜５０７１１１１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、Ｆｅ８１Ｂ１３．５８’　３．５０２　（Ｎ子％
）から成る幅２＃、厚さ０．０２厘の磁歪伝達媒体を使
用している。

２は磁歪伝達媒体１８〜１ｄの一端に巻回された第１の
電磁変換器、例えばニ１イルであり、各磁歪伝達媒体１
ａ〜１ｄにそれぞれ対応する各（部分）コイル２ａ〜２
ｄ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にパルス電流を流した時に各コイル２ａ〜２ｄか
ら発生するパルス雑音は隣り同士で豆いに打ち消し合っ
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１
８〜１ｄ各々の巻回部位に磁歪振動波を生起さＵる為の
ものであり、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パルス電流発生器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１ａ〜１ｄ
の第１コイル２の巻回部分に磁歪伝達媒体１ａ〜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
で大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１ａ〜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バイアス磁界のとき最大となる
から、このような磁気バイアスを第１のコイル２の巻回
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
生することができる。

５は磁歪伝達媒体１ａ〜１ｄの広い範囲にわたって配設
された第２の電磁変換器、例えば］イルであり、各磁歪
伝達媒体１８〜１ｄにそれぞれ対応して巻回されたコイ
ル５ａ〜５ｄより成っている。この第２のコイル５は磁
歪伝達媒体１ａ〜１ｄを伝搬する磁歪振動波にＪ：る誘
導電圧を検出する為のものであり、巻回された領域が位
置検出領域となる。巻きピッチは誘導起電力を高める為
に大きい方が好ましく、例えばこの実施例では平均７タ
ーン／ｃａ＋としている。

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）であり、コイル５ａ。

５ｂの巻き終り間、コイル５ｂ、５ｃの巻き始め間、コ
イル５ｃ、５ｄの巻き終り間は互いに接続され、即ちコ
イル５８〜５ｄは直列に接続され、コイル５ａ、５ｄの
巻き始めは処理器６の入力端子にそれぞれ接続される。

従って、コイル５８〜５ｄは隣接するコイル同士で接続
の極性が逆になっており、コイル５に一方向の磁束が加
わった時に各コイル５８〜５ｄより生起されるｔｌｊｌ
、又はコイル５に電流を流した時に各コイル５８〜５ｄ
より生起される磁束が逆方向となる如くしである。

このため、第１コイル２と同様に、外部からの誘導や雑
音が隣接するコイル５８〜５ｄ間で互いに打ち消し合っ
て弱められる。

又、７は位置指定用磁気発生器を構成する磁性体であり
、この実施例では直径３厘、長さ５０Ｍ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Ｎ磁
石でもよい。第１図ではこの棒磁石７で指定されたＸ方
向の位置を検出しようとするものである。

今、第１図において、磁歪伝達媒体１ａ〜１ｄの第１の
コイル２を設けた側の反対側の他端ｉａ−〜ｌｄ−が開
放端となっており、位置指定用棒磁石７がＮ極を下にし
て前記他端１ａ′〜１ｄ′から距離１の磁歪伝達媒体１
ａの上にあり、電気機械結合係数が大きくなる程喰の磁
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、パルス電流発生器３からパル
ス電流が第１コイル２に印加されると、第１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１
ａ〜１ｄの第１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１８〜１ｄ固有の
伝搬速度（約５０００７ＦＬ／秒）で磁歪伝３Ｉｔｌｌ
休１ａ〜１ｄ４！：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１８〜１ｄ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、その為第２のコイル５に誘導起電
力が発生ずる。

第３図は第２コイル５に発生する誘導起電力の時間的変
化の一例を第１のコイル２にパルス電流を印加した時刻
を１−０として図示したものである。同図に示すように
、誘導起電力の振幅は時刻１−０直後と時刻ｔ０からｔ
１〜ｔ２秒経過したあたりとｔ３〜ｔ４秒経過したあた
りで大きくなり、他の時刻では小さくなる。時刻ｔ＝Ｑ
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間の雷！！誘導作用によるもので
あり、時刻１＝１．〜ｔ２において１サイクルの誘導起
電力の振幅が大きくなるのは、第１のコイル２０巻回部
分で発生した磁歪振動波が磁歪伝達媒体１ａ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。また、時刻１
＝１３〜ｔ４において１サイクルの誘導起電力の振幅が
大′ぎくなるのは、前記磁歪振動波が更に磁歪伝達媒体
１ａを伝搬しその他端１ａ′に到達し、ここで反射され
た磁歪振動波が４”ｊｆＩ、位置指定用棒磁石７の直下
付近に到達した為である。

第３図において、時刻ｔ１〜ｔ２からｔ３〜ｔ４までの
時間Ｔは磁歪振動波が位置指定用棒磁石７で指定された
位置から磁歪伝達媒体の他端まで伝搬し、反射されて戻
ってくるまでに要する時間であり、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それに
応じて前記時間Ｔも増減する。また、第３図において、
破線で示す波形は位置指定用棒磁石７を磁歪伝達媒体上
に置いてから所定時間経過した時点における誘導電圧を
示すもので、時刻ｔ１〜ｔ２にお番ノる誘導電圧と時刻
ｔ３〜ｔ４にお【プるＩｔ棚電電圧は共に、磁歪伝達媒
体の電気機械結合係数の時間的変動によって、時間軸上
を同一方向へ同一時間だけ移動する。従って前記時間王
については時間的変動がなく、該時間Ｔを測定しこれを
２で割ることによ・て位置指定用棒磁石７で指定された
位−１即ち他端からの距離１を算出することができる。

位置を算出するための時点としては、例えば第３図に示
すように誘導電圧の振幅が閾値Ｅ１より大きくなった時
点１５．１６を用いてもよく、又、図示しない閾値−Ｅ
、より小さくなった時点、又はゼロクロス点等を用いて
もよい。

また、第１図において、位置指定用棒磁石７を磁歪伝達
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〜１ｄ
の上に位置したときも、第３図と同様のＭ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、２Ｇ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、検出精疫を高めることが可能となる。また、コ
イル２ａ、２Ｃとコイル２ｂ。

２ｄの巻回方向を逆にしているので、コイルにより発生
する誘導電圧は互いに打ち消し合って小さくなり、第１
のコイル２から第２の］イル５に直接誘導される第３図
のｔ。の直接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］イル５の間隔を狭くすることができ
、その分位置検出領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。

なお、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
極性或はバイアス用棒磁石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の巻ぎ方向
を逆向きにしだ場合、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
り１波による誘導電圧の極性が反転することが実験にＪ
：り確められている。

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−極性の磁歪振動による誘導電圧を取り出
すことができる。第１図においてコイル５ａ〜５ｄは直
列に接続しているが、誘導起電力は小さくなるが」イル
５ａ〜５ｄを並列に接続する構成としても食い。

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
図に示すにうにＩｌ歪伝達媒体１８〜１ｄは補強材８８
〜８ｄ内に収容され、第１のコイル２ａ〜２ｄ及び第２
のコイル５８〜５ｄは該補強材８８〜８ｄの周囲に巻回
され、これらは非磁性体の金属ケース１０の内部底面に
設けた窪みに挿入され、必要に応じて接着剤等で固定さ
れる。第１のコイル２及び第２のコイル５は金属ケース
１０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１０の内部底面に設置ｊられた窪みに固定されて
いるが、磁歪伝達媒体１ａ〜１ｄの上方或は下方に配置
しても良い。金属ケース１０には非磁性体の金属より成
る蓋１１が被せられており、このＭｌｌの上で位首指定
用１牲体７を移動させるものである。

第６図は処理器６の実施例を示す要部１０ツク図である
。同図において、まずコンピュータ６０は図示しないス
イッチ等より測定開始を示す信号を受け、出力バッフ７
６１を介してスタートパルスをカウンタ６２、フリップ
７０ツブ６３及びパルス電流発生器３に送出し、カウン
タ６２をクリアしフリップフロップ６３をリセットする
と共にパルス電流発生器３をトリガして第１の］イル２
にパルス電流を印加する。該パルス電流は前述したよう
に磁歪伝達媒体１に磁歪振動波を生起する。

磁歪振動波により第２の］イル５で発生Ｊる誘ｙｓ電圧
は信号増幅器６４で増幅され、比較器６５の（＋）入力
端子に入力される。比較器６５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
おり、比較器６５は信号増幅器６４の出力が電圧Ｅｒよ
り大ぎい間をハイレベルとしたパルス信号を出力する。

さて、比較器６５の出力はアンド回路６６を介′してフ
リップフロップ６３に送出されるが、第′１番目のパル
ス信号により該フリップフロップ６３はセットされる。

このＱ出力によってアンド回路６７が開かれ、カウンタ
６２はりｎツクパルス発生器６８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。

比較器６５より第２番目のパル２４３号が出されると、
フリップフロップ６３がリヒツ１〜されそのＱ出力によ
ってアンド回路６７がＩＳざされカウンタ６２はカウン
ト動作を停止する。ここで前記第１番目のパルス信号は
磁歪振動波が磁歪伝達媒体１を伝搬して位置指定用棒磁
石７直下に到達した時点（例えば第３図における時刻ｔ
１〜ｔ２）における第１の誘導電圧によるものであり、
また第２番目のパルス信号は磁歪振動波が更に伝搬し磁
歪伝達媒体１の他端で反射され、再瓜位置指定用棒磁石
７直下に到達した時点（例えば第３図における時刻ｔ３
〜ｔ４）における第２のＭ導電圧によるものであり、第
１の誘導電圧が現われてから第２のＩＩ導電圧現われる
までの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５０００　
ｙｎの速さで進むことにより位置指定用棒磁石７から磁
歪伝達媒体１の他端までの距離の２倍に対応したものと
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、入力バッファ６９を介してコンピュータ６０
に入力され処理され、更に必要に応じてデジタル数字表
示器７０等に表示される。

なお、１＆場（磁束）変動を電圧、電流等の変化に変換
し、又電圧、電流等の変化を！１場変動に変換する素子
、装置を本発明では電磁変換器と呼ぶものとする。実施
例では電磁変換器としてコイルを用いたがこれに限られ
ることはなく、特に第１の電磁変換器として磁気ヘッド
を用いれば外部に漏れる磁束が極めて少なくなり、より
高精疫な座標位置の検出が可能となる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、少なくとも１本の
磁歪伝達媒体と、該磁歪伝達媒体の一端に配設された第
１の電磁度ｉ！ｋＩＪＡと、前記磁歪伝達媒体の広い範
囲にわたって配設された第２の電磁変換器と、前記第１
の電磁変換器にパルス電流を印加して前記磁歪伝達媒体
に磁歪振動波を生起させるパルス電流発生器と、前記磁
歪伝達媒体の前記第２の電磁変換器を配設した範囲内の
任意の部位に該磁歪伝達媒体の局部的な電気機械結合係
数を大きくする程度の磁気を印加する位置指定用磁気発
生器と、前記第２の電磁変換器に前記磁歪振動波が前記
磁歪伝達媒体の磁気が印加された位置に到達することに
よる第１の誘導電圧が現われてから該磁歪振動波が磁歪
伝達媒体の他端で反射され再度前記位置に到達すること
による第２の誘導電圧が現われるまでの時間な検知する
処理器とを具備したので、磁歪伝達媒体における電気機
械結合係数の１ｙ間的変動による影響のない時間を測定
することができ、従って位置指定用磁気発生器の指定位
置を高精度に検出することができる。また、位置指定用
磁気発生器はタイミング検出等の信号を装置へ送る必要
がなく、コードレスとすることができ操作性が大幅に向
トすると共に、磁歪伝達媒体の電気機械係合係数は少量
の磁界で最大どなり位置指定用磁気発生器を特に検出面
に近接させる必要がなく数ｃｍ以上の間隔をありでも位
置検出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
１線図、第４図は位置検出装置の検出部の実施例を示づ
一部破断乎面図、第５図はその長手方向に沿う断面図、
第６図は処理器６の実施例を示す要部ブロック図である
。 １ａ〜１ｄ・・・・・・・・・磁歪伝達媒体、２・旧・
・第１のコイル、３・・・・・・パルス電流発生器、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　株式会ネ１　ワコム 代理人　弁理士　古　［１１精　孝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも１本の磁歪伝達媒体と、該磁歪伝達媒体の一
   端に配設された第１のＮ磁度換器と、前記磁歪伝達媒体
   の広い範囲にわたって配設された第２のＩ磁度換器と、
   前記第１の電磁変換器にパルス電流を印加して前記磁歪
   伝達媒体に磁歪振動波を生起さｌｉるパルス電流発生器
   と、前記磁歪伝達媒体の前記第２の電磁変換器を配設し
   た範囲内の任意の部位に該磁歪伝達媒体の局部的な電気
   機械結合係数を大ぎくするＦｉ！度の磁気を印加する位
   置指定用磁気発生器と、前記第２の電磁変換器に前記磁
   歪振動波が前記磁歪伝達媒体の磁気が印加された位置に
   到達することによる第１の誘導電圧が現われてから該磁
   歪振動波が磁歪伝達媒体の他端で反射され再痕前記位置
   に到達することによる第２の誘導電圧が現われるまでの
   時間を検知する処理器とを具備したことを特徴とする位
   置検出装置。