JPS63217224A

JPS63217224A - 変位検出装置

Info

Publication number: JPS63217224A
Application number: JP5148387A
Authority: JP
Inventors: Kozo Kyoizumi; 宏三京和泉
Original assignee: SANKYO BOEKI KK
Current assignee: SANKYO BOEKI KK
Priority date: 1987-03-06
Filing date: 1987-03-06
Publication date: 1988-09-09

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磁歪現象を用いて物体の機械的変位や液面の変
位などを検出する変位検出装置に関するものである。

従来技術とその問題点従来、物体の機械的変位や液面の変位などを検出する変
位検出装置としては差動変圧器やポテンショメータ、静
電容量式変位検出器など種々のものが知られており、そ
の中でも磁歪現象を応用した変位検出装置が特に線形性
、分解能に優れている。

かかる磁歪式変位検出装置として、本出願人は永久磁石
の磁歪線に対する位置関係が変化しても高精度な検出が
可能な変位検出装置を提案している（特開昭６１−１１
２９２３号公報）。この変位検出装置の原理を第１図〜
第３図にしたがって説明すると、ｌはＮｉなどからなる
磁歪線、２は磁歪線１を取り囲み磁歪線１に沿って移動
可能な永久磁石であり、この永久磁石２は磁歪線１の軸
線方向に分極されている。３は磁歪線１に電流パルスを
供給するパルス発生装置、４は磁歪線１の一端部に設け
られた歪検出装置である。

パルス発生装置３によって磁歪線１に第２図Ａのような
幅の短い電流パルスを供給すると、磁歪線１には第３図
に示すような円周方向の磁場５が形成されるとともに、
永久磁石２が近接している磁歪線１の部位にのみ永久磁
石２による軸方向の磁場６が形成され、上記双方の磁場
５．６の合成により所謂ビープマン効果（ＷｉｅｄｅＩ
Ｉａｎｎ　ｅｆｆｅｃｔ）によって磁歪線１の当該部位
に捩り弾性波（超音波）７が発生する。この捩り弾性波
７が磁歪線１の両端に向かって伝播し、これを磁歪線１
の一端部に設けた歪検出装置４によって検出すれば第２
図Ｂのような波形が得られ、その波形の適当な高さで第
２図Ｃのようにパルス信号を発生させれば、磁歪線１の
一端から永久磁石２までの距離ｌを時間ｔの関数として
次式で求めることができる。

１ｗｖｌ−を上式において、Ｖ工は捩り弾性波７の伝播速度であり、
磁歪線１の剛性率をＧ、磁歪線１の密度をρとすると、・・−Ｆ万一で与えられる。

上記歪検出装置４は前記公報に記載のように、永久磁石
２の近接部位で発生した捩り弾性波のみを検出するため
、触子を磁歪線に対してほぼ直交して接触させ、捩り弾
性波を触子の軸方向力に変遺し、触子の端部に取り付け
た圧電素子で捩り弾性波の到来を検出している。この検
出方式の問題点は、触子を磁歪線に接触させているに過
ぎないため、捩り弾性波を触子の軸方向力に変換する場
合に必然的にすべりを生じ、捩り弾性波のエネルギー損
失を生じることと、敗り弾性波が伝播する媒体である磁
歪線に余分な触子が接触している関係で、接触部分で捩
り弾性波の反射が生じて変位検出装置の性能、特に線形
性に悪影響を及ぼすことである。

上記のような接触形の検出方法の問題を解消するものと
して、特開昭５５−６６７１０号公報に記載のように上
記歪検出装置に代えて受信用コイルを設け、逆磁歪効果
（Ｖｉｌｌａｒｉ　ｅｆｆｅｃｔ）を利用して磁歪線を
伝播した捩り弾性波をコイルで電気信号に変換するもの
が知られている。この場合には、コイルを磁歪線に対し
て無接触状態に配置することが可能であるため、を戻り
弾性波の持つエネルギーを効率良く電気信号に変換でき
るとともに、捩り弾性波の反射の影響もない。

ところが、この変位検出装置の場合には次のような問題
がある。即ち、永久磁石２の近接する磁歪線１の部位に
は第３図に示すように捩り弾性波（これを横波という）
７のほかに縦波８も同時に発生するが、この縦波８も受
信用コイルで検出されることである。縦波８の伝播速度
ｖＬは、磁歪線の縦弾性係数をＥとすると次式で与えら
れる。

・・−φラフ磁歪線の材質によって異なるが、縦波の伝播速度ＶＬは
横波の伝播速度ｖＴのおよそ１．５〜１．７倍であるの
で、第２図Ｂに示すように横波７による信号７゛より前
に縦波８による信号８°が受信用コイルで検出されるこ
とになる。一般に、永久磁石２の位置を精密に知るため
には伝播速度の遅い横波を検出する方が有利であるが、
上記のように同一の受信用コイルで２種の波を受信する
と、横波のみを正確に検出することは困難である。

発明の目的本発明は上記従来の問題点を解消すべくなされたもので
、第１の目的は、磁歪材料を伝播する捩り弾性波（横波
）のみを無接触状態で効率的に検出することができる変
位検出装置を提供することであり、第２の目的は、外部
磁界による誤動作を防止しうる変位検出装置を提供する
ことであり、第３の目的は、外部の環境変化や超音波の
反射の影響を受けにくく、コンパクトで高い検出精度の
変位検出装置を提供することである。

発明の構成上記目的を達成するために、第１の発明は、磁歪材料の
軸線方向に電流パルスを流すことにより、磁歪材料に沿
って移動可能な永久磁石の近接する磁歪材料の部位で捩
り弾性波を発生させ、磁歪材料の特定部位までの捩り弾
性波の伝播時間を計測することにより永久磁石に与えら
れる機械的変位を検出する装置において、上記磁歪材料
の特定部位に捩り弾性波受信用コイルを無接触状態で挿
通配置し、該コイルの近傍に、上記磁歪材料を伝播する
捩り弾性波のみを強調しかつ他の弾性波を抑制する方向
に偏奇磁場を与える催奇磁石を配置したものである。

また、第２の発明は、磁歪線に電流パルスを流すことに
より、磁歪線に沿って移動可能な永久磁石の近接する磁
歪線の部位で捩り弾性波を発生させ、磁歪線の特定部位
までの捩り弾性波の伝播時間を計測することにより永久
磁石に与えられる機械的変位を検出する装置において、
磁歪線は非磁性材料からなる外筒で外包され、核外筒の
外周部に磁歪線の軸線方向の磁場を形成する可動永久磁
石が挿通され、上記外筒の一端部は捩り弾性波受信用コ
イルを保持したコイルホルダーに固定され、該コイルホ
ルダーの上記コイルと近接する部位に、磁歪線を伝播す
る捩り弾性波のみを強調しかつ他の弾性波を抑制する方
向に偏奇磁場を与える偏奇永久磁石が固定され、磁歪線
の一端は上記コイルに無接触状態で挿通されかつコイル
ホルダーに弾性ゴムを介して圧着支持され、磁歪線の他
端は外筒の他端部にスプリングによって張力を付与した
状態で支持されているものである。

即ち、第１の発明は、磁歪材料に無接触状態で挿通され
た受信用コイルの近傍に偏奇磁場を与える磁石を配置す
れば、縦波を実用上無視し得る程度に抑え、横波のみを
強調して検出できる点に着目して成されたものである。

また、第２の発明によれば、偏奇磁場を与える磁石を永
久磁石とし、かつ受信用コイルを磁歪線の外周近傍に配
置することにより、極めてコンパクトに構成でき、また
磁歪線の一端が弾性ゴムで支持され、かつ磁歪線に常に
一定の張力が付与されるので、超音波の反射や温度変化
の影響も受けにくく、極めて高い検出精度を得ることが
できる。

ここで、本発明の原理を第４図、第５図にしたがって説
明すると、第４図において受信用コイル９は磁歪線１の
特定部位に無接触状態で挿通配置されており、コイル９
の外周部近傍には催奇磁石１０が斜め方向に配置されて
いる。磁歪線１を伝播した横波７と縦波８が受信用コイ
ル９の近傍部位まで到達すると、催奇磁石１０の磁力線
の方向が一点鎖線で示すように横波７とほぼ同一方向に
あるので、第５図Ｂのようにコイル９で検出される縦波
８による信号波形８゛は低く抑えられ、横波７による信
号波形７゛は強調される。したがって、第５図への電流
パルスを供給してから横波７がコイル９の近傍部位に到
達するまでの時間ｔのみを既存の検出方法（第２図参照
）で容易に検出できる。

また、催奇磁石１０によって偏奇磁場を与えることによ
り、次のような効果も期待できる。即ち、磁歪線ｌは当
然ながら強磁性体でもあり、事故または故意により別の
不要な永久磁石を受信用コイルに接近、離間させると、
その磁場によってコイル近傍の磁歪線の残留磁気が変化
し、場合によっては縦波を強調するような磁気が磁歪線
に残留するおそれがある。この場合には、本来横波を検
出すべきところ縦波を検出してしまい、誤動作となる。

ところが、本発明では第４図に一点鎖線で示す偶奇磁界
を常時与えているので、この偶奇磁界によって磁歪線１
は支配され、不要な永久磁石によって縦波を強調するよ
うな磁気が残留せず、誤動作を防止できる。

なお、第４図では１個の受信用コイル９のみを設けた例
を示したが、第６図のように２個の受信用コイル９ａ　
、　９ｂを設け、これらコイル９ａ、９ｂの引き出し線
の一端を接地し、他端を差動増幅器１１の正入力および
負入力にそれぞれ接続してもよい。

この場合には、両コイル９ａ、９ｂに共通に入るノイズ
を少なくできる利点がある。

実施例の説明第７図は本発明にかかる変位キ食出装置の具体例を示す
。

図面において、磁歪線１は非磁性で導電性の外筒１２の
中に挿通され、この外筒１２の左端部はコイルホルダー
１３に嵌合され、止めネジ１４によって固定されている
。上記外筒１２は磁歪線ｌの保護筒としての機能と、磁
歪線１に供給された電流パルスの戻り導線としての機能
とを有している。なお、外ｗ１１２を非金属で構成する
こともできるが、この場合には電流パルスの戻り導線を
別個に設ける必要がある。上記外筒１２の外周には円環
状の可動永久磁石２が摺動自在に挿通されており、この
可動永久磁石２は第１図と同様に両側面に異極が着磁さ
れている。

コイルホルダー１３の内部には２個の捩り弾性波受信用
コイル１５．１６が固定されており、これらコイル１５
．１６は磁歪線１に対して無接触状態で挿通され、第６
図と同様に磁歪線１を伝播する横波を差動増幅にて検出
している。上記コイル１５．１６の近傍には偏奇永久磁
石１７が斜め方向に固定されており、その偏奇磁場は磁
歪線１を伝播する横波による磁気変化の方向とほぼ一致
している。なお、偏奇永久磁石１７の具体的な固定方法
は、実際に偏奇永久磁石１７を回しながら第５図に示さ
れる横波による信号が最大限に強調され、かつ縦波によ
る信号が最小限に抑制される方向を決定し、この方向で
粘着材１８を塗布することにより偏奇永久磁石１７をコ
イルホルダー１３に固定している。

コイルホルダー１３の左端部には２枚のゴム板１９゜２
０と押え板２１とが配置され、ゴム板１９．２０を挟ん
で押え板２１を締付ネジ２２によってコイルホルダー１
３に対して締め付けることにより、磁歪線１はゴム板１
９，２０の間で圧着固定される。このように磁歪線１の
左端部はゴム板１９．２０によって圧着支持されている
ので、超音波の反射を少なくすることができる。なお、
磁歪線１がゴム板１９．２０に対して抜けるのを防止す
るため、磁歪線１の左端にはストッパ２３が溶接または
ハンダ付されており、このストッパ２３あるいは磁歪線
１の左端に図示しないパルス発生装置から電流パルスが
供給されるようになっている。

磁歪線１の右端部は外ｉ’！？ｉ１２の右端部に嵌合固
定されたスプリングホルダー２４に挿通され、このスプ
リングホルダー２４内を摺動自在なばね受は板２５に溶
接またはハンダ付などによって固定されている。ばね受
は板２５とスプリングホルダー２４との間にはスプリン
グ２６が圧縮状態で配置されており、そのため磁歪線１
には右方向への張力が与えられている。上記スプリング
２６の働きは、単に磁歪線１に適度な張力を付与するだ
けでなく、外筒１２や磁歪線１が周囲の温度変化により
伸縮した場合に磁歪線１の緩みも防止できる。なお、磁
歪線ｌの右端部近傍には粘着性ゴムなどのダンピング材
２７が塗布されており、磁歪線ｌの右端からの超音波の
反射を吸収している。

磁歪線１と外筒１２との間には適当な距離を置いて複数
のサポータ−２８が配置されている。このサポータ−２
８は第８図、第９図に示すように弾性ゴムにて一体成形
されており、外筒１２の内周面に密着する円筒形外周部
２８ａと、外周部２８ａの内側に連続する薄肉な中間膜
部２８ｂとを有し、中間膜部２８ｂの中心に磁歪１１ｉ
１１を保持するための小孔２８ｃが形成され、かつ外周
部２８ａから上記小孔２８ｃへ至る切溝２８ｄが形成さ
れている。そして、上記サポータ−２８は、磁歪線１を
張った状態で外筒１２の開口部１２ａより挿入され、切
溝２８ｃを磁歪線１に対して挿入することにより外ｍ１
２の内部に組み込まれる。

上記のようにサポータ−２８を追加することにより、磁
歪線ｌは外筒１２の中心部に保持され、外部からの振動
や衝撃によって弦のように振動するのを防止でき、誤動
作を防止できる。また、サボーター２８と磁歪線１との
接触長さが短いので、磁歪線ｌ上を伝播する捩り弾性波
を不必要に減衰させることがなく、一方外乱の磁歪線１
への伝達を抑制することができる。また、上記サポータ
−２８は外ｉ’ｉ１２の開口部１２ａを介して磁μ線１
に軸線と直交方向より組み込まれるので、サポータ−２
８を磁歪線１に対して軸線方向より挿通する場合に比べ
、磁歪線１を張った後でサポータ−２８を組み込むこと
ができるため作業性が良く、しかもサポータ−２８が磁
歪線１に対して位置ずれしたり組付状態で磁歪線１に不
必要な荷重が作用するといった不具合がない。

なお、上記実施例では可動永久磁石２として両側面に異
極を着磁した円環状磁石を使用したが、これのみに限ら
ず、例えば第１０図に示すように磁歪線１を間にして同
極（図ではＮ極）を対向させた２個又はそれ以上の永久
磁石２９．３０で構成してもよく、あるいは第１０図の
うち１個の永久磁石のみで構成してもよい。

また、上記実施例では磁歪材料として磁歪線を用い、こ
の磁歪線に電流パルスを直接供給する例を示したが、第
１１図に示すように筒状の磁歪管３１を用い、この磁歪
管３１の中央に電流パルスを流すための導線３２を挿通
した構成としてもよい。この場合には、磁歪管３１を伝
播する横波を受信用コイルと偏奇永久磁石とで検出すれ
ばよい。

さらに、偏奇磁場を与える催奇磁石としては永久磁石に
限らず、電磁石を使用してもよい。

発明の効果以上の説明で明らかなように、第１の発明によれば、磁
歪材料の特定部位に捩り弾性波受信用コイルを無接触状
態で挿通配置し、このコイルの近傍に偏奇磁場を与える
催奇磁石を配置したので、縦波を実用上無視し得る程度
に抑え、横波のみを強調して検出することができる。し
たがって、複雑な回路や装置を用いずに捩り弾性波（横
波）のみを効率良く検出できる。また、外部の不要な永
久磁石が受信用コイルに接近、Ｎｉ間しても、偏奇磁場
によって磁歪部材が支配されるので、悪影響が出るおそ
れがない。

また、第２の発明によれば、第１の発明の効果に加え、
磁歪線、コイル、偏奇永久磁石などの部品がコイルホル
ダーに対して極めてコンパクトに配置できるとともに、
磁歪線の一端が弾性ゴムで支持され、他端がスプリング
で張力を付与されているので、超音波の反射や温度変化
の影響を受けに＜＜、極めて高い精度の変位検出装置を
実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の磁歪式変位検出装置の原理図、第２図は
その検出信号波形図、第３図は磁歪線に生じる磁場およ
び弾性波の方向を示す斜視図、第４図は本発明にかかる
変位検出装置の原理図、第５図はその検出信号波形図、
第６図は本発明の他の原理図、第７図は本発明を利用し
た変位検出装置の具体例の断面図、第８図は外筒とサポ
ータ−との分解斜視図、第９図はサポータ−の縦断面図
、第１０図は可動永久磁石の他の実施例の斜視図、第１
１図は磁歪材料の他の実施例の斜視図である。１・・・磁歪線、２・・・可動永久磁石、９．９ａ、９
ｂ、１５゜１６・・・捩り弾性波受信用コイル、１０．
１７・・・偏奇永久磁石、１２・・・外筒、１３・・・
コイルホルダー、１９．２０・・・ゴム板、２４・・・
スプリングホルダー、２６・・・スプリング、２８・・
・サポータ−０第１図第３図第４図第６図Ｉ○

Claims

【特許請求の範囲】

（１）磁歪材料の軸線方向に電流パルスを流すことによ
り、磁歪材料に沿って移動可能な永久磁石の近接する磁
歪材料の部位で捩り弾性波を発生させ、磁歪材料の特定
部位までの捩り弾性波の伝播時間を計測することにより
永久磁石に与えられる機械的変位を検出する装置におい
て、上記磁歪材料の特定部位に捩り弾性波受信用コイル
を無接触状態で挿通配置し、該コイルの近傍に、上記磁
歪材料を伝播する捩り弾性波のみを強調しかつ他の弾性
波を抑制する方向に偏奇磁場を与える偏奇磁石を配置し
たことを特徴とする変位検出装置。
（２）磁歪線に電流パルスを流すことにより、磁歪線に
沿って移動可能な永久磁石の近接する磁歪線の部位で捩
り弾性波を発生させ、磁歪線の特定部位までの捩り弾性
波の伝播時間を計測することにより永久磁石に与えられ
る機械的変位を検出する装置において、磁歪線は非磁性
材料からなる外筒で外包され、該外筒の外周部に磁歪線
の軸線方向の磁場を形成する可動永久磁石が挿通され、
上記外筒の一端部は捩り弾性波受信用コイルを保持した
コイルホルダーに固定され、該コイルホルダーの上記コ
イルと近接する部位に、磁歪線を伝播する捩り弾性波の
みを強調しかつ他の弾性波を抑制する方向に偏奇磁場を
与える偏奇永久磁石が固定され、磁歪線の一端は上記コ
イルに無接触状態で挿通されかつコイルホルダーに弾性
ゴムを介して圧着支持され、磁歪線の他端は外筒の他端
部にスプリングによって張力を付与した状態で支持され
ていることを特徴とする変位検出装置。