(57)【要約】【課題】高精度な時間間隔が検出可能な時間計数装置を提供する。【解決手段】電圧パルスＰｊを励振体２２０に１パルス分印加し超音波を発生させ、検出部２３０で超音波にて発生するパルスを検出し第１のタイミングとする。第１のタイミングの認識にて、電圧パルスＰｊと異なる周期の電圧パルスＱｋを出力させる。第１のタイミングから電圧パルスＰｊのパルス間に電圧パルスＱｋが連続して２個発生する第２のタイミングまで、電圧パルスＰｊのパルス数Ｃを計数する。演算部３８０で、第１のタイミングから第１のタイミング直後に出力する電圧パルスＰｊのパルス波までの時間間隔Ｔｇを、（Ｃ／ｍ）＊Ｔｐの演算式に基づいて演算する。バーニアの時間目盛を構成し、高精度に演算できる。【選択図】  図１
2004333359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス発振器によりパルスを連続して発生させ、その任意の１パルスを選択して磁歪遅延線に当該する１パルスを発生せしめ、前記磁歪遅延線に移動自在に設けた超音波検出コイルにより前記当該する１パルスを検出するための時間計数装置であって、
前記超音波検出コイルにより前記当該する１パルスを検出した時点を始点として対比パルス発振器を発振開始させる際、この対比パルス発振器の発振周波数が、前記パルス発振器の発振周波数と互いに素となる隣接した整数比に設定され、
前記当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間が、前記当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間の間に前記パルス発振器が発生するパルス数と、前記パルス発振器のパルスおよび前記対比パルス発振器のパルスとの位相が転換する時点をもって、所定の演算から求められる時間との和として演算する
ことを特徴とした時間計数装置。
【請求項２】
請求項１に記載の時間計数装置であって、
前記パルス発振器の周波数をｆｐ、周期をＴｐとし、
前記対比パルス発振器の周波数をｆｑ、周期をＴｑとし、０
前記互いに素となる隣接した整数をｍおよびｎとし（ｍ＜ｎ）、ｍＴｐ＝ｎＴｑとなるＴｑが設定され、
前記当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間の間に前記パルス発振器が発生するパルス数をＭ、前記対比パルスと前記受信パルスとの位相が転換する時点の間に前記対比パルス発振器が発生するパルス数をＮとすれば、前記当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間を、
ＭＴｐ＋Ｎ／ｎ・Ｔｑ
として演算する
ことを特徴とした時間計数装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の時間計数装置であって、
前記パルス発振器の周波数をｆｐ、周期をＴｐとし、
前記対比パルス発振器の周波数をｆｑ、周期をＴｑとし、
前記互いに素となる隣接した整数をｍおよびｎとし（ｍ＞ｎ）、ｍＴｐ＝ｎＴｑとなるＴｑが設定され、
前記当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間の間に前記パルス発振器が発生するパルス数をＭ、前記対比パルスと前記受信パルスとの位相が転換する時点の間に前記対比パルス発振器が発生するパルス数をＮとすれば、前記当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間を、
ＭＴｐ＋（ｎ−Ｎ）／ｎ・Ｔｑ
として演算する
ことを特徴とした時間計数装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の時間計数装置であって、
前記整数ｍ，ｎは、
ｍ−ｎ＝±１
の関係である
ことを特徴とした時間計数装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の時間計数装置であって、
前記計数時間に磁歪遅延線中の音速を乗じて距離を演算する
ことを特徴とした時間計数装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の時間計数装置であって、
前記対比パルス発振回路は、２個の単安定マルチバイブレータを有し、初段の単安定マルチバイブレータの出力が通常開状態のゲート回路を経由して次段の単安定マルチバイブレータの入力に接続され、前記超音波検出コイルにより前記当該する１パルスの検出信号によって前記ゲート回路を閉状態とし、前記次段の単安定マルチバイブレータの出力は前記初段の入力に接続されて前記２個の単安定マルチバイブレータが連続発振を開始する発振回路を備えた
ことを特徴とした時間計数装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁歪遅延線を超音波が伝播する際の時間を検出するための時間計数装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来、例えば被測定物の長さを計測する長さ計測器として、計測した長さの情報をパターン化した目盛を製作し、この製作した目盛を電気的あるいは光学的に検出して長さを計測する構成が知られている。この長さ計測器では、長い距離を測定するために、計測範囲と略同一の長さのパターンを正確に製作する必要があり、そのために大きな加工機が必要で、製造性の向上やコストの低減が図れないなどの問題がある。そこで、目盛を用いない長さ計測器が検討されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
この非特許文献１に記載の長さ計測器は、例えば図５に示すような磁歪遅延線を用いるものである。すなわち、図５（Ａ）において、長さ計測器９００は、超音波駆動用コイルＮ０と、第１の検出用コイルＮ１と、第２の検出用コイルＮ２と、を備えている。超音波駆動用コイルＮ０は、磁歪遅延線９１０に沿って移動（図５において左右方向）する可動体に設けられている。また、磁歪遅延線９１０の両端部には、第１の検出用コイルＮ１および第２の検出用コイルＮ２がそれぞれ配設されている。そして、超音波駆動用コイルＮ０と、第１の検出用コイルＮ１および第２の検出用コイルＮ２との相対的な位置を検出することにより、可動体の位置が計測される。ここで、超音波を伝播させる磁歪遅延線９１０としては、ニッケルなどの磁歪特性のある線材やパイプなどを用い、電気信号と超音波の変換とを単にコイルを巻く簡単な構成可能としている。
【０００４】
そして、可動体の位置は、以下に示すように計測される。すなわち、変圧器ＣＴ１の一次コイルに電圧パルスＶｉが印加されると、二次コイルに相当する磁歪遅延線９１０を含む閉ループに電流ｉ２が流れる。この閉ループは変圧器ＣＴ２が一次巻線を形成するため、変圧器ＣＴ２の二次巻線に起電力が生じ、超音波駆動用コイルＮ０にパルス電流ｉ０が供給される。そして、超音波駆動用コイルＮ０にパルス電流ｉ０が流れると、超音波駆動用コイルＮ０の下部に磁歪効果により局部的な機械歪みである縦波超音波が発生し、磁歪遅延線９１０に沿って伝播する。この縦波超音波が第１の検出用コイルＮ１あるいは第２の検出用コイルＮ２の下部に達すると、磁歪効果により、永久磁石９５０でバイアス磁界が与えられている磁歪遅延線９１０に磁束変化が生じ、電圧パルスが発生する。このことにより、電圧パルスＶｉの発生時点から、第１の検出用コイルＮ１あるいは第２の検出用コイルＮ２で電圧パルスが発生するまでの時間を測定することで、伝播時間が求められる。
【０００５】
ここで、可動体の変位ｘを磁歪遅延線９１０の中央部からの超音波駆動用コイルＮ０の移動量とすると、変位ｘは以下に示す数１で与えられる。なお、以下に示す数１は、非特許文献１に記載された式を多少変形することに求められるが、その演算の詳細の説明は省略する。
【０００６】
【数１】
ｘ＝Ｌ／２＊（（ｔ１−ｔ２）／（ｔ１＋ｔ２））
Ｌ：第１の検出用コイルＮ１および第２の検出用コイルＮ２間の距離
ｔ１：超音波駆動用コイルＮ０から第１の検出用コイルＮ１までの伝播時間
ｔ２：超音波駆動用コイルＮ０から第２の検出用コイルＮ２までの伝播時間
【０００７】
この数１に示す式から明らかなように、第１の検出用コイルＮ１および第２の検出用コイルＮ２間の距離Ｌが分かれば、第１の検出用コイルＮ１および第２の検出用コイルＮ２までの伝播時間ｔ１，ｔ２の比から変位ｘが求められる、すなわち可動体の位置が計測されることとなる。
【０００８】
【非特許文献１】
植田  羅著「磁歪遅延線を使用した変位変換器」
計測自動制御学会論文集  第１７巻第８号、昭和５６年１１月、Ｐ７０−Ｐ７６
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記非特許文献１では、例えば温度変化が生じた場合など、長さの基準となる第１の検出用コイルＮ１および第２の検出用コイルＮ２間の距離Ｌが変化してしまい、精度の高い長さの計測ができないおそれがある。すなわち、０．３ｍの長さを５０μｍ程度の誤差範囲の精度で計測することは可能でも、１０μｍ以下の誤差範囲となる高精度の長さ計測が困難である。
【００１０】
そこで、温度変化に対する安定性を高めるために、第１の検出用コイルＮ１および第２の検出用コイルＮ２を低膨張材料にて支持したり、断面形状が一様で全体的に均一な組成で形成したりするなどが考えられる。しかしながら、第１の検出用コイルＮ１および第２の検出用コイルＮ２が磁歪遅延線９１０の両端部に配設されているため、可動体の動きに影響を与えないように大型化するなどの工夫が必要となり、可動体の動きに影響を与えずに温度変化に対する安定性を高める構成を施すことは困難である。また、磁歪特性を有するニッケルを用いて磁歪遅延線を形成した場合、５０００ｍ／秒のような極めて大きな伝播速度であることから、数百ｍｍ程度の短い長さを１μｍ程度で高精度に計測することは、時間計測分解能が大幅に不足してしまい、良好な計測結果が得られないおそれがあるなどの問題が一例として挙げられる。
【００１１】
本発明は、このような点に鑑みて、高精度な時間間隔が検出可能な時間計数装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、パルス発振器によりパルスを連続して発生させ、その任意の１パルスを選択して磁歪遅延線に当該する１パルスを発生せしめ、前記磁歪遅延線に移動自在に設けた超音波検出コイルにより前記当該する１パルスを検出するための時間計数装置であって、前記超音波検出コイルにより前記当該する１パルスを検出した時点を始点として対比パルス発振器を発振開始させる際、この対比パルス発振器の発振周波数が、前記パルス発振器の発振周波数と互いに素となる隣接した整数比に設定され、前記当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間が、前記当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間の間に前記パルス発振器が発生するパルス数と、前記パルス発振器のパルスおよび前記対比パルス発振器のパルスとの位相が転換する時点をもって、所定の演算から求められる時間との和として演算することを特徴とした時間計数装置である。
【００１３】
この発明では、対比パルス発振器のパルスは、パルス発振器からのパルスに対してある位相角を持って発振が開始され、かつこの両者のパルスは周期が異なることから、いずれ位相の相対的関係は時間とともに変化し、徐々に小さくなり、ゼロとなり、また大きくなっていくこととなる。両者間の位相差が反転するまでの時間は、両者の初めの位相角の情報を含んでおり、この時間を計数することによって、高精度な時間間隔が計数される。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の時間計数装置であって、前記パルス発振器の周波数をｆｐ、周期をＴｐとし、前記対比パルス発振器の周波数をｆｑ、周期をＴｑとし、前記互いに素となる隣接した整数をｍおよびｎとし（ｍ＜ｎ）、ｍＴｐ＝ｎＴｑとなるＴｑが設定され、前記当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間の間に前記パルス発振器が発生するパルス数をＭ、前記対比パルスと前記受信パルスとの位相が転換する時点の間に前記対比パルス発振器が発生するパルス数をＮとすれば、前記当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間を、ＭＴｐ＋Ｎ／ｎ・Ｔｑとして演算することを特徴とする。
【００１５】
この発明では、当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間を、以下の式に基づいて演算することにより、時間目盛のバーニアを利用した時間間隔の高精度な演算が容易に得られる。
【００１６】
ＭＴｐ＋Ｎ／ｎ・Ｔｑ
ｆｐ：パルス発振器の周波数
Ｔｐ：周期
ｆｑ：対比パルス発振器の周波数
Ｔｑ：周期
ｍ，ｎ：互いに素となる隣接した整数（ｍ＜ｎ）
Ｍ：当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間の間にパルス発振器が発生するパルス数
Ｎ：対比パルスと受信パルスとの位相が転換する時点の間に対比パルス発振器が発生するパルス数
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の時間計数装置であって、前記パルス発振器の周波数をｆｐ、周期をＴｐとし、前記対比パルス発振器の周波数をｆｑ、周期をＴｑとし、前記互いに素となる隣接した整数をｍおよびｎとし（ｍ＞ｎ）、ｍＴｐ＝ｎＴｑとなるＴｑが設定され、前記当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間の間に前記パルス発振器が発生するパルス数をＭ、前記対比パルスと前記受信パルスとの位相が転換する時点の間に前記対比パルス発振器が発生するパルス数をＮとすれば、前記当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間を、ＭＴｐ＋（ｎ−Ｎ）／ｎ・Ｔｑとして演算することを特徴とする。
【００１８】
この発明では、当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間を、以下の式に基づいて演算することにより、時間目盛のバーニアを利用した時間間隔の高精度な演算が容易に得られる。
【００１９】
ＭＴｐ＋（ｎ−Ｎ）／ｎ・Ｔｑ
ｆｐ：パルス発振器の周波数
Ｔｐ：周期
ｆｑ：対比パルス発振器の周波数
Ｔｑ：周期
ｍ，ｎ：互いに素となる隣接した整数（ｍ＜ｎ）
Ｍ：当該する１パルスが発生から検出されるまでの時間の間にパルス発振器が発生するパルス数
Ｎ：対比パルスと受信パルスとの位相が転換する時点の間に対比パルス発振器が発生するパルス数
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の時間計数装置であって、前記整数ｍ，ｎは、ｍ−ｎ＝±１の関係であることを特徴とする。
【００２１】
この発明では、整数ｍ，ｎの関係をｍ−ｎ＝±１とする。このことにより、一方のパルス信号のパルス波間に他方のパルス信号のパルス波が連続して２個発生する状態が所定周期毎に生じる周期関係の構成が容易に得られ、高精度な時間間隔が容易に得られる構成が簡単な構成で容易に得られる。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の時間計数装置であって、前記計数時間に磁歪遅延線中の音速を乗じて距離を演算することを特徴とする。
【００２３】
この発明では、高精度な時間間隔ＭＴｐ＋Ｎ／ｎ・ＴｑまたはＭＴｐ＋（ｎ−Ｎ）／ｎ・Ｔｑが容易に得られる請求項１ないし請求項４のいずれかを用い、この時間に基づいて超音波発生手段にて磁歪遅延線に超音波を発生させた位置から伝播する超音波を検出する検出手段までの距離を演算手段にて演算する。このことにより、超音波を発生させた位置から伝播する超音波を検出する位置までの距離が高精度に容易に得られる。
【００２４】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の時間計数装置であって、前記対比パルス発振回路は、２個の単安定マルチバイブレータを有し、初段の単安定マルチバイブレータの出力が通常開状態のゲート回路を経由して次段の単安定マルチバイブレータの入力に接続され、前記超音波検出コイルにより前記当該する１パルスの検出信号によって前記ゲート回路を閉状態とし、前記次段の単安定マルチバイブレータの出力は前記初段の入力に接続されて前記２個の単安定マルチバイブレータが連続発振を開始する発振回路を備えたことを特徴とする。
【００２５】
この発明では、初段の単安定マルチバイブレータの出力をゲート回路を経由して次段の単安定マルチバイブレータの入力に接続して通常はゲート回路を開状態とし、超音波検出コイルにより当該する１パルスの検出信号によってゲート回路を閉じるようにし、次段の単安定マルチバイブレータの出力を初段の単安定マルチバイブレータの入力に接続させ、２個の単安定マルチバイブレータが連続発振を開始する発振回路を設けて対比パルス発振回路を構成している。このことにより、簡単な回路構成で、高精度な時間間隔が計数される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の長さ計測装置における実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
〔長さ計測装置の構成〕
図１は、本実施の形態における長さ計測装置の概略構成を示す模式図である。図２は、供給する電圧パルスと検出する受信パルスとの関係に基づいて長さを計測するためのタイミングを説明するためのタイミングチャートである。
【００２８】
図１において、１００は長さ計測装置で、この長さ計測装置１００は、長さが計測される被計測物の長さを計測するもので、計測部２００と、図示しない演算手段と、を備えている。そして、計測部２００は、磁歪遅延線２１０と、励振体２２０と、検出部２３０と、パルス供給手段２４０と、を備えている。なお、励振体２２０とパルス供給手段２４０とにて、本発明の超音波発生手段が構成される。また、演算手段は、時間間隔を検出するための時間計数装置としての時間間隔検出部３００と、この時間間隔検出部３００で検出した時間間隔に基づいて計測した長さを演算する図示しない長さ演算部と、を備えている。そして、時間間隔検出部３００は、第１波検出部３１０と、第２の増幅器３２０と、第１のタイミング検出部３３０と、対比パルス発振器３４０と、第２のタイミング検出部３５０と、第２のゲート手段３６０と、計数手段としての計数部３７０と、演算部３８０と、を備えている。
【００２９】
磁歪遅延線２１０は、長手状に形成されている。材料としては、例えばニッケルなどの磁歪特性のある線材やパイプ、あるいは磁歪特性のある低膨張材料、または、低膨張材料とニッケルなどの磁歪金属との複合材料、例えばゼロデュア（商品名：ドイツショット社製）などの結晶化ガラスにニッケル薄板を貼り合わせたものや低膨張材料と磁歪金属とが混合された混合材料などが例示できる。また、磁歪遅延線２１０には、外部の温度変化に影響を受けないように、図示しない温度調整手段が設けられている。この温度調整手段としては、例えば磁歪遅延線２１０内に略同軸上にヒートパイプを設けたり、冷媒が流通可能な冷却パイプを設けたりするなどにより、温度を一定に保持するいずれの構成が利用できる。なお、空調などにより温度変化を受けない状況では、温度調整手段を設けなくてもよい。
【００３０】
励振体２２０は、例えばリング状に形成された図示しない磁性体と、この磁性体に巻装された図示しないコイルと、を備えている。そして、励振体２２０は、磁歪遅延線２１０の一端部に取付部材２２１にて一体的に配設されている。具体的には、磁性体の内周側に磁歪遅延線２１０が嵌挿する状態に取付部材２２１にて取付固定されている。そして、励振体２２０は、コイルに電流が流れることにより、磁性体による磁歪遅延線２１０の断面の沿った方向の磁気の強さが変化し、磁歪効果により機械歪である縦波の超音波を発生させる。
【００３１】
検出部２３０は、例えばリング状に形成された図示しない検出用磁性体と、この検出用磁性体に巻装された検出用コイルと、を備えている。この検出部２３０は、ガイド体２３１により、磁歪遅延線２１０に配設されている。ガイド体２３１は、略円筒状に形成され、磁歪遅延線２１０を内周側に非接触で嵌挿し、相対的に移動可能に配設されている。このガイド体２３１の内周側に検出部２３０が一体的に配設され、検出部２３０は磁歪遅延線２１０に非接触の状態で配設される。そして、検出部２３０は、検出用磁性体で磁歪遅延線２１０にバイアス磁界が与えられて磁束変化が生じていることから、磁歪遅延線２１０を伝播する超音波により磁歪効果で検出用コイルに電圧パルスを発生させる。そして、発生した電圧パルスを時間間隔検出部３００に出力する。
【００３２】
パルス供給手段２４０は、電圧パルスＰｊを１個分だけ計測部２００の励振体２２０に印加する。このパルス発振器２４１は、パルス発振器２４１と、第１のゲート手段２４２と、第１の増幅器２４３と、を備えている。
【００３３】
パルス発振器２４１は、所定の周波数のパルス信号である電圧パルスＰｊを定常的に出力する。第１のゲート手段２４２は、パルス発振器２４１および時間間隔検出部３００に接続され、時間間隔検出部３００からの信号Ｓ１に基づいて、所定時間すなわちパルス１個分だけ電圧パルスＰｊを通過させる。第１の増幅器２４３は、第１のゲート手段２４２に接続され、第１のゲート手段２４２を通過した電圧パルスＰｊを適宜増幅して、励振体２２０のコイルに印加してパルス状に通電させる。
【００３４】
一方、時間間隔検出部３００の第１波検出部３１０には、演算部３８０およびパルス供給手段２４０の第１のゲート手段２４２が接続されている。そして、第１波検出部３１０は、演算部３８０から出力される所定の信号Ｓ０、すなわち一旦リセット状態として長さ計測を開始する旨の信号Ｓ０を受信する。また、第１波検出部３１０は、信号Ｓ０を取得して長さ計測を開始する旨を認識することにより、パルス供給手段２４０の第１のゲート手段２４２に上述した信号Ｓ１を出力する。この信号Ｓ１は、長さ計測のためにパルス発振器２４１から電圧パルスＰｊを供給させる旨の信号である。この信号Ｓ１をパルス供給手段２４０の第１のゲート手段２４２に出力することにより、第１のゲート手段２４２は、所定時間だけ開状態、すなわち電圧パルスＰｊをパルス１個分だけ通過させる。
【００３５】
第２の増幅器３２０は、検出部２３０に接続され、検出部２３０の検出用コイルから出力される電圧パルスを取得し、時間波形を整形し、受信パルスとして出力する。この受信パルスは、励振体２２０に供給される電圧パルスＰｊに対応して１個である。すなわち、供給された１個の電圧パルスＰｊが磁歪遅延線２１０を伝播して検出部２３０で検出されることとなる。
【００３６】
第１のタイミング検出部３３０は、第２の増幅器３２０に接続している。この第１のタイミング検出部３３０は、第２の増幅器３２０から出力される受信パルスを取得する。そして、第１のタイミング検出部３３０は、受信パルスを取得することにより、所定の信号Ｓ２を出力する。すなわち、第１のタイミング検出部３３０は、図２に示すように、１個のパルスの受信パルスを取得した状態を第１のタイミング（図２中の黒三角形）として、第１のタイミングを認識した旨の信号Ｓ２を出力する。また、第１のタイミング検出部３３０には演算部３８０が接続され、演算部３８０から出力される信号Ｓ０を入力可能となっている。この信号Ｓ０の入力により、リセット状態、および計測開始状態すなわち再び第２の増幅器３２０からの受信パルスの入力待機状態となる。
【００３７】
対比パルス発振器３４０は、第１のタイミング検出部３３０に接続されている。この対比パルス発振器３４０は、第１のタイミング検出部３３０から出力される信号Ｓ２が入力されて第１のタイミングを認識することにより、所定の周波数でパルス状のパルス信号である電圧パルスＱｋを出力する。この電圧パルスＱｋは、例えば図２に示すように、周波数がパルス発振器２４１から出力する電圧パルスＰｊの周波数より高い、すなわちパルス間隔が短いものとする。また、電圧パルスＰｊのパルス間隔Ｔｐと、電圧パルスＱｋのパルス間隔Ｔｑとの間には、ｍＴｐ＝ｎＴｑ，（ｍ，ｎは自然数で互いに割り切れない値）の関係で、かつｍ＜２ｎ、特にｍ−ｎ＝±１、すなわち、電圧パルスＰｊのパルス間に３個以上の電圧パルスＱｋが存在しない関係であるものとして説明する。より具体的には、電圧パルスＰｊの周期と、電圧パルスＱｋの周期とが、一対の時間目盛となってバーニアを構成する状態である。
【００３８】
第２のタイミング検出部３５０は、パルス発振器２４１および対比パルス発振器３４０に接続されている。そして、第２のタイミング検出部３５０は、パルス発振器２４１から出力される電圧パルスＰｊと対比パルス発振器３４０から出力される電圧パルスＱｋとを比較し、第２のタイミングを認識する。この第２のタイミングとしては、例えば図２中に白抜き三角形で示すように、パルス発振器２４１で出力する電圧パルスＰｊのパルス間隔Ｔｐ間に周期が短い電圧パルスＱｋが連続して２個出力された直後に出力される電圧パルスＰｊの出力タイミングとする。そして、第２のタイミング検出部３５０は、第２のタイミングを認識することにより、第２のタイミングを認識した旨の信号Ｓ３を出力する。また、第２のタイミング検出部３５０には演算部３８０が接続され、演算部３８０から出力される信号Ｓ０を入力可能となっている。この信号Ｓ０の入力により、リセット状態、および第２のタイミングの認識待機状態となる。
【００３９】
第２のゲート手段３６０は、パルス発振器２４１、第１のタイミング検出部３３０および第２のタイミング検出部３５０に接続している。この第２のゲート手段３６０は、第１のタイミング検出部３３０からの信号Ｓ２を認識することにより、パルス発振器２４１から出力される電圧パルスＰｊを通過させる開状態となる。また、第２のゲート手段３６０は、第２のタイミング検出部３５０からの信号Ｓ３を認識することにより、パルス発振器２４１から出力される電圧パルスＰｊを通過を停止させる閉状態となる。すなわち、第２のゲート手段３６０は、第１のタイミングから第２のタイミングまでの間において、電圧パルスＰｊを通過させる。
【００４０】
計数部３７０は、第２のゲート手段３６０に接続されている。そして、計数部３７０は、第２のゲート手段３６０を通過して出力される電圧パルスＰｊのパルス数ｍを計数し、計数値Ｃを生成する。そして、この計数部３７０は、演算部３８０に接続され、生成した計数値Ｃを演算部３８０に出力する。
【００４１】
演算部３８０は、計数部３７０に接続され、計数部３７０から出力される計数値Ｃを認識し、時間間隔Ｔｇを演算する。そして、演算部３８０は、演算した結果である時間間隔Ｔｇに関する信号を図示しない長さ演算部に出力し、第１波検出部３１０、第１のタイミング検出部３３０および第２のタイミング検出部３５０に再び信号Ｓ０を出力し、再び時間間隔Ｔｇを演算する処理の待機状態となる。なお、時間間隔Ｔｇに関する信号を取得した長さ演算手段は、時間間隔Ｔｇに基づいて、長さ、すなわち励振体２２０から検出部２３０までの距離Ｌを検算する。そして、この演算部３８０における時間間隔Ｔｇの演算は、以下の数２に示す式に基づいて演算する。
【００４２】
【数２】
Ｔｇ＝（Ｃ／ｍ）＊Ｔｐ
Ｔｇ：時間間隔
Ｃ：計数部３７０で計数する計数値
ｍ：第２のタイミングとなる電圧パルスＰｊ，Ｑｋの特有のパルス関係が発生する周期（ｍＴｐ）のパルス間隔Ｔｐの係数
【００４３】
（対比パルス発振器の構成）
次に、対比パルス発振器の具体的な内部構成について図面を参照して説明する。図３は、対比パルス発振器の構成を説明する説明図で、（Ａ）は内部構成図、（Ｂ）は入力パルスを示す波形図、（Ｃ）はゲート出力を示す波形図、（Ｄ）は第１単安定マルチバイブレータの動作を示す波形図、（Ｅ）は第２単安定マルチバイブレータの動作を示す波形図である。
【００４４】
対比パルス発振器３４０は、図３（Ａ）に示すように、フリップフロップ３４１と、ゲート回路３４２と、初段である第１単安定マルチバイブレータ３４３と、次段である第２単安定マルチバイブレータ３４４と、を備えている。フリップフロップ３４１の入力端Ｓおよび第１単安定マルチバイブレータ３４３入力端Ａは、それぞれ第１のタイミング検出部３３０に接続され、当該する１パルスに対応する信号Ｓ２が入力される。また、フリップフロップ３４１の出力端Ｑおよび第１単安定マルチバイブレータ３４３の出力端Ｑがそれぞれ通常開状態のゲート回路３４２に接続され、ゲート回路３４２の出力端が第２単安定マルチバイブレータ３４４の入力端Ｂに接続されている。そして、第２単安定マルチバイブレータ３４４の出力端Ｑは、第１単安定マルチバイブレータ３４３の入力端Ｂに接続されている。
【００４５】
そして、対比パルス発振器３４０は、図３（Ｂ）に示すように、超音波検出コイルにより当該する１パルスの検出信号に対応する第１のタイミング検出部３３０から出力される信号Ｓ２が入力されると、図３（Ｄ）に示すように、第１単安定マルチバイブレータ３４３が起動するとともに、フリップフロップ３４１がＲＳ  Ｆ／Ｆのセット状態となる。このセット状態となることで、ゲート回路３４２が図３（Ｃ）に示すように、開状態となる。このことにより、図３（Ｅ）に示すように、第１単安定マルチバイブレータ３４３の出力がゲート回路３４２を介して第２単安定マルチバイブレータ３４４に入力される。さらに、第２単安定マルチバイブレータ３４４の出力が第１単安定マルチバイブレータ３４３に入力されるので、対比パルス発振器３４０は無限に発振する状態となる。すなわち、入力信号の立ち上がりタイミングを始点として、無安定マルチバイブレータが発振を開始するようになる。これを止めるには、図３（Ｃ）に示すように、Ｆ／Ｆリセット信号を出力させてＲＳ  Ｆ／Ｆを強制的にリセットすればよい。これは時間計測が済んだ後（例えば所定のデータが図示しない記憶装置あるいは表示装置などに取り込まれた後）、自動的にリセット信号を出力させるようにすればよいこととなる。
【００４６】
〔長さ計測装置の動作〕
次に、上記実施の形態の長さ計測装置の動作について説明する。
【００４７】
まず、長さを計測する位置に対応して磁歪遅延線２１０を配置するとともに、励振体２２０および検出部２３０を計測する長さの両端の位置に対応して配置する。この状態で、長さ計測を開始する旨の入力操作により、演算部３８０が信号Ｓ０を出力する。この信号Ｓ０が入力された第１波検出部３１０は、所定の信号Ｓ１を出力する。この信号Ｓ１の出力により、第１のゲート手段２４２がパルス発振器２４１から出力される電圧パルスＰｊを、１パルス分だけ通過される時間のみ開状態となり、１パルスの電圧パルスＰｊが第１の増幅器２４３を介して励振体２２０に印加される。
【００４８】
このパルス供給手段２４０からの電圧パルスＰｊの印加により、励振体２２０のコイルにパルス状に電流が流れる。この励振体２２０のコイルの通電により、励振体２２０の磁性体による磁歪遅延線２１０の径方向における磁気の強さが変化し、磁歪効果により縦波の超音波する。この超音波は、磁歪遅延線２１０にて検出部２３０に伝播される。この検出部２３０の検出用磁性体にてバイアス磁界が与えられて磁束変化が生じているので、検出部２３０の検出用コイルに印加した１パルスの電圧パルスＰｊに対応して１パルスの電圧パルスが発生する。
【００４９】
この検出部２３０で発生する電圧パルスは、第２の増幅器３２０で適宜整形されて、第１のタイミング検出部３３０へ受信パルスとして出力される。この第２の増幅器３２０からの受信パルスを第１のタイミング検出部３３０が検出することにより、第１のタイミング検出部３３０は第１のタイミングを認識して信号Ｓ２を出力する。この出力された信号Ｓ２を第２のゲート手段３６０が認識すると、パルス発振器２４１から出力される電圧パルスＰｊを通過させて計数部３７０へ出力させる開状態となる。この第２のゲート手段３６０の開状態により、計数部３７０は第２のゲート手段３６０から出力される電圧パルスＰｊのパルス数を係数する。
【００５０】
さらに、第１のタイミング検出部３３０から出力された信号Ｓ２を対比パルス発振器３４０が認識すると、パルス発振器２４１から出力される電圧パルスＰｊとは異なる周期の電圧パルスＱｋを出力する。この対比パルス発振器３４０からの電圧パルスＱｋの出力により、第２のタイミング検出部３５０は、パルス発振器２４１から出力される電圧パルスＰｊと対比パルス発振器３４０から出力される電圧パルスＱｋとを比較し、電圧パルスＰｊのパルス間隔Ｔｐ間に電圧パルスＱｋが連続して２個出力された直後に出力される電圧パルスＰｊの出力タイミングである第２のタイミングを判断する。そして、第２のタイミング検出部３５０は、第２のタイミングを認識することにより、信号Ｓ３を出力する。
【００５１】
そして、第２のタイミング検出部３５０からの信号Ｓ３を第２のゲート手段３６０が認識すると、通過させている電圧パルスＰｊの通過を停止する閉状態となる。このことにより、計数部３７０は、第１のタイミングから第２のタイミングまでの電圧パルスＰｊのパルス数を計数し、計数値Ｃを生成し、演算部３８０へ出力する。
【００５２】
さらに、演算部３８０は、計数部３７０からの計数値Ｃを認識することにより、計数値Ｃおよび別途取得したｍ／Ｔｐの情報に基づいて、上述した数２の式を利用して、時間間隔Ｔｇを算出し、図示しない長さ演算部に出力する。そして、長さ演算部にて、演算部３８０から取得した時間間隔Ｔｇに基づいて、励振体２２０および検出部２３０間の距離Ｌを演算し、被計測物の長さが計測される。
【００５３】
〔長さ計測装置の作用〕
次に、上記実施の形態における長さ計測装置のバーニアを構成する電圧パルスＰｊ，Ｑｋの周期の関係について説明する。
【００５４】
時間間隔検出部３００は、パルス発振器２４１および対比パルス発振器３４０により、異なる周期Ｔｐ，Ｔｑ（Ｔｐ＜Ｔｑ）で、ｍＴｐ＝ｎＴｑ，（ｍ，ｎは自然数）かつｍ＜２ｎの関係のパルス列で電圧パルスＰｊ，Ｑｋをそれぞれ出力する。これら出力される電圧パルスＰｊ，Ｑｋには、電圧パルスＰｊのパルス間で電圧パルスＱｋのパルスが連続して２個発生する周期は、ｍＴｐ（＝ｎＴｑ）の時間間隔で繰り返し生じる。これ以外の時間帯では、電圧パルスＰｊ，Ｑｋのパルスは必ず交互に発生する。したがって、この電圧パルスＰｊのパルス間で電圧パルスＱｋのパルスが連続して２個発生する周期は、電圧パルスＰｊ，Ｑｋのパルスの発生状態を認識することで識別できる。そして、この電圧パルスＱｋのパルスが連続して２個発生した直後に電圧パルスＰｊのパルスが発生する時期、すなわち、電圧パルスＱｋの２個目のパルスから直後に発生する電圧パルスＰｊまでの時間は、図２に示すように、ｍＴｐ（＝ｎＴｑ）の時間間隔において、０もしくは（Ｔｐ−Ｔｑ）の極めて短い時間である。このことにより、電圧パルスＱｋのパルスが連続して２個発生した直後の電圧パルスＰｊのパルスの発生時を第２のタイミングとし、電圧パルスＰｊ，Ｑｋの周期の計測、すなわち時間間隔Ｔｇを演算するためのパルス数の計数のタイミングの基準時間としても大きな誤差となることはない。
【００５５】
そして、距離Ｌを算出するために、電圧パルスＰｊを１パルスだけ励振体２２０に印加して（第１のタイミング）超音波として磁歪遅延線２１０を伝播する時間を計測する。この伝播する時間の計測としては、第１のタイミングから上述した特有の周期タイミングとなる第２のタイミングまでの電圧パルスＰｊのパルス数を計数部３７０で係数し、計数値Ｃを生成させる。この計数値Ｃは、第２のタイミングとなる上述した特有の周期タイミングｍＴｐ（＝ｎＴｑ）の係数であるｍよりも大きくない自然数である（Ｃ≦ｍ）。そして、計数値Ｃの時間間隔Ｔｇとの関係は、比例的であることから、上述した数２に示す式で求められる。なお、この比例関係は、オフセット誤差により、実質的に０を含まない場合がある。すなわち、上述したように、第２のタイミングの判断基準となる連続した電圧パルスＱｋの２個目のパルスと第２のタイミングとの０もしくは（Ｔｐ−Ｔｑ）となる差異ｅによるためである。
【００５６】
具体的には、通常の立ち上がり、立ち下がりのジッタの低減された回路技術でパルス波の周期に関し、Ｔｐを１０００ナノ秒、Ｔｑを９９０ナノ秒に設定することは容易である。そして、時間計測の誤差の最大値は、以下の数３に示すようになる。
【００５７】
【数３】
（１０００−９９０）×１０−９〔秒〕
＝１０〔ナノ秒〕
【００５８】
このように、時間計測の誤差の最大が１０ナノ秒と電圧パルスＰｊの２桁程度小さい値であり、計測誤差は極めて小さいことが分かる。
【００５９】
また、Ｔｐを１０００ナノ秒、Ｔｑを９９０ナノ秒、ｍを９９、ｎを１００として時間目盛のバーニアを構成させ、電圧パルスＰｊのパルスを９９個計数する間に、第２のタイミングにて電圧パルスＰｊの計数値Ｃを生成させる。そして、上述した数２の式にて等価的に内挿入時間分割を１００として時間間隔Ｔｇを演算する。このことから、時間目盛のバーニア構成を利用することで、高速回路技術を用いたデバイス構成でも困難な電圧パルスＰｊの時間間隔Ｔｐよりも短い時間となる時間間隔Ｔｇを精度よく、すなわち高い時間分解能で、例えば１００倍程度改善して計測することが容易にできる。
【００６０】
また、超音波を発生させるために励振体２２０に供給する電圧パルスＰｊを１パルス波のみとしている。そして、超音波を発生させる励振体２２０の位置と、超音波の反射部となる磁歪遅延線２１０の端部との往復の間隔が、超音波の走行区間となる。このことから、発生する超音波が１パルス分であれば、励振体２２０で発生した超音波が伝播する伝播方向の先にある磁歪遅延線２１０の端部で反射され、逆向きに再び伝播されて励振体２２０で以降に発生される超音波と衝突して干渉するという不都合が防止される。このため、超音波を検出する際に、干渉されていない超音波が検出されるので、Ｓ／Ｎ（信号対ノイズの比）が良好となり、高精度の時間間隔Ｔｇが良好に検出できることとなる。
【００６１】
上述したように、上記実施の形態では、パルス発振器２４１から所定の周波数で出力される電圧パルスＰｊにて長手状の磁歪遅延線２１０に発生されて伝播するパルス状の超音波を検出した時点である第１のタイミングから、電圧パルスＰｊのパルス数を計数部３７０にて計数するとともに、パルス発振器２４１の電圧パルスＰｊと異なる周期の電圧パルスＱｋを対比パルス発振器３４０から出力させる。そして、伝播する超音波を検出した時点の第１のタイミングから、パルス発振器２４１からの電圧パルスＰｊおよび対比パルス発振器３４０からの電圧パルスＱｋが所定の周期関係となる第２のタイミングまでの間に計数部３７０にて計数したパルス数（計数値Ｃ）に基づいて、第１のタイミングからこの第１のタイミング直後にパルス発振器２４１から電圧パルスＰｊのパルス波が出力されるまでの時間間隔Ｔｇを演算部３８０にて演算する。このため、パルス発振器２４１からの電圧パルスＰｊの周期と、対比パルス発振器３４０からの電圧パルスＱｋの周期とにて異なる時間目盛のバーニアが構成され、別途特別な構成を構成を設ける必要がなく容易に高精度な時間間隔Ｔｇを得ることができる。
【００６２】
そして、磁歪遅延線２１０に発生されるパルス状の超音波を１パルス波とする。このため、例えば超音波をパルス列として発生する場合に磁歪遅延線２１０の端部で反射する超音波の反射波と発生した超音波とが干渉する不都合を防止でき、良好に超音波により発生する受信パルスを認識でき、高精度な時間間隔Ｔｇを容易に得ることができる。
【００６３】
また、パルス発振器２４１からの電圧パルスＰｊおよび対比パルス発振器３４０からの電圧パルスＱｋが所定の周期関係となる第２のタイミングまで計数部３７０にて電圧パルスＰｊのパルス数を計数して計数値Ｃを生成させるタイミングとして、一方のパルス信号である周期が長い電圧パルスＰｊのパルス波間に他方のパルス信号である周期が短い電圧パルスＱｋのパルス波が連続して２パルス波出力された後の電圧パルスＰｊのパルス波が出力された時点を第２のタイミングとする。このため、時間間隔Ｔｇを演算するためのパルス数を計数するタイミングの識別が容易にでき、高精度な時間間隔Ｔｇが簡単な構成で容易に得ることができる。
【００６４】
さらに、計数部３７０にて計数するパルス数を計数値Ｃ、パルス発振器２４１から出力する電圧パルスＰｊのパルス間隔時間をＴｐ、対比パルス発振器３４０から出力する電圧パルスＱｋのパルス間隔時間をＴｑとした場合に、ｍＴｐ＝ｎＴｑ（ｍ，ｎ：自然数）との関係となる状態に、パルス発振器２４１および対比パルス発振器３４０からそれぞれ電圧パルスＰｊ，Ｑｋを出力させる。そして、演算部３８０により、数２に示す（Ｃ／ｍ）＊Ｔｐの演算式に基づいて時間間隔Ｔｇを演算する。このため、時間目盛のバーニアを利用した時間間隔Ｔｇの高精度な演算を容易に得ることができる。
【００６５】
また、パルス発振器２４１および対比パルス発振器３４０から、（ｍ−ｎ）の値が±１の関係となる状態で、それぞれ電圧パルスＰｊ，Ｑｋを出力する。このため、一方の電圧パルスＰｊのパルス波間に他方の電圧パルスＱｋのパルス波が連続して２個発生する状態が所定周期（ｍＴｐ（＝ｎＴｑ））毎に生じる周期関係の構成が容易に得られ、高精度な時間間隔Ｔｇが容易に得られる構成が、簡単な構成で容易に得られる。
【００６６】
さらに、パルス発振器２４１および対比パルス発振器３４０から、ｍおよびｎが互いに割り切れない自然数の関係となる状態、それぞれパルス信号を出力する。このため、一方の電圧パルスＰｊのパルス波間に他方の電圧パルスＱｋのパルス波が連続して２個発生する状態が所定周期（ｍＴｐ（＝ｎＴｑ））毎に生じる周期関係の構成が容易に得られ、高精度な時間間隔Ｔｇが容易に得られる構成が、簡単な構成で容易に得られる。
【００６７】
そして、時間間隔検出部３００にて高精度に求めた時間間隔Ｔｇを用いて距離Ｌを演算するため、容易に高精度な長さの計測ができる。
【００６８】
〔他の実施の形態〕
なお、本発明の長さ計測装置は、上述した各実施の形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００６９】
すなわち、上述したように、磁歪遅延線２１０に温度調整手段を設けたり、温度変化が生じない環境では温度調整手段を設けない構成とするなどしてよい。さらには、磁歪遅延線２１０として、温度変化により長さ寸法が変動しない材料にて形成することが好ましいが、温度変化を生じない環境では、低膨張材料を用いることなく磁歪特性を有する材料にて形成するのみでもよい。
【００７０】
また、電圧パルスＰｊの周期が電圧パルスＱｋの周期より短いパルス間隔としてもよい。
【００７１】
さらに、発振する異なるパルスは、上記実施の形態の条件に限られるものではない。
【００７２】
また、バーニアを構成させる時間目盛として電圧パルスＰｊと異なる周期の電圧パルスＱｋを出力させて計数値Ｃを求め、この計数値Ｃを利用して時間間隔Ｔｇを演算するのみに限らない。すなわち、対比パルス発振器３４０で最初の周期の間において電圧パルスＱｋを出力させない構成として、例えば図４に示すようにしてもよい。この図４に示す構成は、最初の第１のタイミングで１ショットマルチバイブレータによりマスク信号Ｔｍａｓｋを発生させる。このマスク信号Ｔｍａｓｋにより第２のゲート手段３６０で閉状態としておくことにより実現している。なお、このマスク信号Ｔｍａｓｋの時間幅は、ｎＴｑ＜Ｔｍａｓｋ＜（ｎ＋１）Ｔｑであることから、容易にマスク信号Ｔｍａｓｋを誤差なく発生させることが容易に制御できる。
【００７３】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造および手順などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の構成に変更するなどしてもよい。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、パルス発振器からのパルス信号にて磁歪遅延線に発生されて伝播する超音波を検出した時点から、パルス信号のパルス数を計数手段にて計数するとともに、パルス発振器のパルス信号と異なる周期のパルス信号を対比パルス発振器から出力させ、伝播する超音波を検出した時点から、パルス発振器からのパルス信号および対比パルス発振器からのパルス信号が所定の周期関係となるまでの間に計数したパルス数に基づいて、超音波を検出した時点からこの時点直後にパルス発振器からパルス信号のパルス波が出力されるまでの時間間隔を演算するため、パルス発振器からのパルス信号の周期と、対比パルス発振器からのパルス信号の周期とにて異なる時間目盛のバーニアが構成され、別途特別な構成を構成を設ける必要がなく容易に高精度な時間間隔を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の時間計数装置に係わる一実施の形態における長さ計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】前記一実施の形態における電圧パルスＰｊ，Ｑｋとの関係に基づいて時間間隔Ｔｇを演算するタイミングを説明するためのタイミングチャートである。
【図３】前記一実施の形態における対比パルス発振器の構成を説明する説明図である。
（Ａ）：内部構成図
（Ｂ）：入力パルスを示す波形図
（Ｃ）：ゲート出力を示す波形図
（Ｄ）：第１単安定マルチバイブレータの動作を示す波形図
（Ｅ）：第２単安定マルチバイブレータの動作を示す波形図
【図４】本発明の時間計数装置に係わる他の実施の形態における電圧パルスＰｊ，Ｑｋとの関係に基づいて時間間隔Ｔｇを演算するタイミングを説明するためのタイミングチャートである。
【図５】従来例の長さ計測装置を示す図である。
（Ａ）：長さ計測装置の概略構成を示すブロック図
（Ｂ）：変圧器ＣＴ１の１次コイルに印加される電圧パルスＶｉの波形図
（Ｃ）：第１の検出用コイルＮ１で発生する電圧パルスの波形図
（Ｄ）：第１の検出用コイルＮ２で発生する電圧パルスの波形図
【符号の説明】
１００    長さ計測装置
２１０    磁歪遅延線
２２０    超音波発生手段を構成する励振体
２３０    検出手段としての検出部
２４０    超音波発生手段を構成するパルス供給手段
２４１    パルス発振器
３００    時間計数装置としての時間間隔検出部
３４０    対比パルス発振器
３４２    ゲート回路
３４３    第１単安定マルチバイブレータ
３４４    第２単安定マルチバイブレータ
３７０    計数手段としての計数部
３８０    演算部
【図１】
2004333359.tif 000003
【図２】
2004333359.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004333359.tif 000006
【図５】
2004333359.tif 000007