(57)【要約】本発明は強磁性材料を備える物体の変位を検出する装置に関する。この装置は、強磁性材料からなる第１および第２コアと、励磁コイルと、測定コイルとを備えた磁気回路発生器を備える。磁気回路発生器は、物体の変位によって回路に引き起こされる磁気抵抗変動を検出し、その変動から物体の位置を導き出すように設計された検出ユニットに接続される。本装置において、磁気回路発生器は開磁気回路を有する第１および第２トランスを備え、これらのトランスは並置され、各トランスはそれぞれのコアを通って延びる軸を備え、これらの軸は上記経路に実質的に垂直に延びる。励磁コイルは第１および第２トランスの一次巻線を形成する直列接続された２つのコイルを備える。測定コイルは第１および第２トランスの二次巻線を形成する直列接続された２つのコイルを備え、一次巻線と二次巻線は逆位相で接続される。
2004537735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性材料を含み、経路に沿って運動可能な物体の運動を検出する装置であって、該装置は、強磁性材料からなる第１および第２コア、励磁コイルならびに測定コイルを有する磁気回路発生器を含み、該発生器は、前記物体の運動によって前記回路に生成される磁気抵抗変動を検出し該変動から前記物体の位置を導き出すようになっている検出ユニットに接続され、前記磁気回路発生器は第１および第２の開磁気回路トランスを備え、該第１トランスは前記第１コアを含み、該第２トランスは前記第２コアを含み、これらのトランスは並置され、各トランスはそれぞれのコアを通って延びる軸を有し、該軸は前記経路に実質的に垂直に延び、前記励磁コイルは前記第１および第２トランスの一次コイルを形成する２つのコイルの直列接続を備え、前記測定コイルは前記第１および第２トランスの二次コイルを形成する２つのコイルの直列接続を備え、該二次コイルは逆位相で接続されることを特徴とする検出装置。
【請求項２】
電流の不良導体である金属壁によって前記トランスが前記物体から隔てられることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記物体は非磁性材料支持体に取り付けられることを特徴とする請求項１または２に記載の検出装置。
【請求項４】
各トランスはそれぞれの前記軸上にフェライトねじを含み、これが各トランスの前記磁気回路における磁気特性の差を補償するようになっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項５】
前記一次コイルは前記検出器の第１入力に接続され、前記二次コイルは前記検出器の第２入力に逆位相で接続され、前記検出器は該第２入力に接続された演算増幅器を含み、該演算増幅器の出力は移相器を通して乗算器の第１入力に接続され、該乗算器は前記検出器の前記第１入力に接続された第２入力を有し、該乗算器の出力はローパスフィルタに接続されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項６】
前記検出器は、前記ローパスフィルタの出力に接続され、該フィルタの出力信号を線形化するようになっている線形化手段を含むことを特徴とする請求項５に記載の検出装置。
【請求項７】
発振器によって駆動され前記一次コイルに接続されるＡＣ電圧源を含むことを特徴とする請求項５または６に記載の検出装置。
【請求項８】
前記発振器は３ｋＨｚから６ｋＨｚまでの周波数を生成するようになっていることを特徴とする請求項７に記載の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁性材料を含み、経路に沿って運動可能な物体の運動を検出する装置であって、該装置は、強磁性材料からなる第１および第２コア、励磁コイルならびに測定コイルを有する磁気回路発生器を含み、該発生器は、物体の運動によって該回路に生成される磁気抵抗変動を検出し該変動から物体の位置を導き出すようになっている検出ユニットに接続される検出装置に関する。
【０００２】
上記の種類の装置が米国特許第５，１１７，１８１号に開示されている。従来技術の装置では、磁気回路発生器は、同一平面内で背中合わせに配置された２つのＵ字型強磁性材料コアを備える。測定コイルは、各コアの中心部の周りの逆位相の単一ループコイルである。励磁コイルは２つのコアの周りに直列に巻かれる。検出装置は、物体が２つのコアを含む平面に垂直に運動するように配置される。運動を検出すべき物体は、互いに所定距離だけ離れて配置された強磁性材料からなる一連の要素から構成される。物体がその経路に沿って運動し、要素の１つが経路に面したコアのブランチに近づくと、励磁コイルによって囲まれたそのコアによって形成される磁気回路が形成される。交流が励磁コイルに流されるので、その交流は強磁性コア内に磁場を発生する。経路に沿って運動する要素が磁気回路に誘導される磁束を変更することにより、その磁気抵抗を変更する。そこで、検出器によってこの磁気抵抗変動を測定することにより物体の運動速度を確定することができる。
【０００３】
従来技術の装置の１つの欠点は、磁気回路発生器の構成が複雑なことである。この理由は、励磁コイルおよび測定コイルの配置のされ方から、強磁性材料コアのそれぞれの側面を非磁性遮蔽板で覆うことが必要となるためである。このため励磁コイルが測定コイルから隔てられる。したがって、この複雑さにより、一般に磁場変動を検出するために使用されるコンポーネントを使用せずに装置全体を構成することが必要となる。
【０００４】
本発明の目的は、行うべき測定の精度を低下させずに、より作製が容易な運動検出装置を提供することである。
【０００５】
この目的のため、本発明による装置は、磁気回路発生器が第１および第２の開磁気回路トランスを備え、該第１トランスは第１コアを含み、第２トランスは第２コアを含み、これらのトランスは並置され、各トランスはそれぞれのコアを通って延びる軸を有し、これらの軸は上記経路に実質的に垂直に延び、上記励磁コイルは第１および第２トランスの一次コイルを形成する２つのコイルの直列接続を備え、上記測定コイルは第１および第２トランスの二次コイルを形成する２つのコイルの直列接続を備え、該二次コイルは逆位相で接続されることを特徴とする。第１および第２トランスの選択は、一般的に使用されるコンポーネントの使用を可能にする。トランスは開回路であり、それらの軸は物体が運動する経路に実質的に垂直であるので、物体（強磁性材料を含む）が軸の１つを横切る時に、経路に沿った物体の運動が磁気回路を閉じる。励磁コイルが両トランスの一次コイルを形成するとすれば、物体の運動により磁気回路が閉じる時に、励磁コイルにかかる電圧が二次コイルに電圧を誘導する。二次コイルに誘導されるこの電圧は、物体がその経路に沿って運動するとともに変化する。二次コイルは測定コイルを形成するので、測定される二次コイルの電圧変化から、物体の運動、したがって位置を導き出すことができる。こうして、トランスを用いて、物体の位置の信頼できる測定が可能となる。
【０００６】
本発明による検出装置の第１実施形態は、電流の不良導体である金属壁によってトランスが物体から隔てられることを特徴とする。このため、運動は壁を通しても検出可能である。この種の応用は、例えば化学反応器や原子炉のように隔離されたままでなければならない媒体内を物体が運動する場合に特に有益である。
【０００７】
本発明による検出装置の第２実施形態は、各トランスがそれぞれの上記軸上にフェライトねじを含み、これが各トランスの磁気回路における磁気特性の差を補償するようになっていることを特徴とする。フェライトねじを使用することは、磁気特性差を補償するための簡易で信頼できる解決法を提供する。
【０００８】
本発明による検出装置の第３実施形態は、上記一次コイルが検出器の第１入力に接続され、逆位相の二次コイルが検出器の第２入力に接続され、検出器は第２入力に接続された演算増幅器を含み、その出力が移相器を通して乗算器の第１入力に接続され、乗算器は検出器の第１入力に接続された第２入力を有し、乗算器の出力はローパスフィルタに接続されることを特徴とする。検出器のこの実施形態は、二次コイルの励磁電圧および測定電圧から物体の位置を高い信頼性で確定する。
【０００９】
検出器は、ローパスフィルタの出力に接続され、フィルタの出力信号を線形化するようになっている線形化手段を備えることが好ましい。これは、測定値を線形化し、物体の位置を線形的に確定し、これがその実際の位置に対応する。そのような線形化手段の際立った特徴は、フィルタ出力信号の値に影響し得る周囲温度変動の効果の補償である。本発明の装置で使用されるトランスのコイルは金属ワイヤ（一般に銅または鋼ワイヤ）からなるので、ワイヤの物理的性質に対する温度の効果がトランスの二次コイルで測定される信号に、したがってフィルタの上記出力信号に反映される。線形化手段は、フィルタの出力信号に対する補間多項式、好ましくは６次多項式の適用であってもよい。これは、信号への直接の適用でも、信号の処理後の適用でもよい。
【００１０】
発振器は、好ましくは５０ｋＨｚ未満、より好ましくは３０ｋＨｚ未満、さらにより好ましくは３ｋＨｚから６ｋＨｚまでの周波数を生成するようになっている。実験により、これらの周波数値は信頼できる結果を与えることが示されている。
【００１１】
次に、図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。図面は、本発明による検出装置の好ましい実施形態を示す。
【００１２】
図中、同一参照番号は同一または類似の部材に割り当てられている。
【００１３】
図１に示すように、物体４の運動を検出する本発明による装置１は、互いに平行に並置された第１および第２のトランス２および３を備える。各トランスは強磁性材料コアを有し、磁気回路発生器の一部である。図２に示すように、第１軸ａ１および第２軸ａ２がそれぞれ第１および第２トランスの第１コアおよび第２コアを通って延びる。２つのトランスは開磁気回路を有し、それらの軸は、物体４が支持体５上を運動する時にとる経路７に実質的に垂直である。したがって、軸ａ１およびａ２は物体の軌跡と交わる。
【００１４】
トランス２および３のコアと同様に、物体４は強磁性材料を含む。支持体５は、磁気回路発生器（下記参照）と干渉しないように非磁性材料からなる。図１に示す実施形態では、電流の不良導体である金属壁６が、トランス２および３から物体４を隔てる。物体４の運動は、この壁を通して検出することができる。しかし、この壁の存在は、検出装置の動作にとって必須ではない。
【００１５】
図２ａに示すように、第１および第２トランスの一次コイル２−１および３−１は直列接続される。２つのトランスの二次コイル２−２および３−２も直列接続される。一次コイルは励磁コイルを形成し、二次コイルは測定コイルを形成する。発振器により駆動されるＡＣ電圧源８が一次コイルに、および検出ユニット９の第１入力９−１に接続される。発振器は、好ましくは、３ｋＨｚから６ｋＨｚまでの周波数を供給する。検出器９の第２入力９−２が二次コイルに接続され、二次コイルは一次コイルに対して逆位相で接続される。
【００１６】
２つのトランス２および３はそれぞれ、一次コイルおよび二次コイルの軸上にフェライトねじ（二次コイル内の矢印で示す）を含み、各トランスの磁気回路の磁気特性の差を補償するようになっている。
【００１７】
経路７に沿って左（７−Ｌ）または右（７−Ｒ）のいずれかに向かって運動する物体４の位置を確定するため、正弦波電圧が電源８によってトランスの一次コイル２−１および３−１にかけられる。トランスは開磁気回路を有し、それらの軸ａ１およびａ２は強磁性材料を含む物体の軌跡と交わるので、軸ａ１およびａ２の一方を横切る物体はその軸を有する磁気回路を閉じる。この磁気回路の閉成により、励磁回路を形成する一次コイルにかかる電圧Ｖｉが、測定回路を形成する二次コイルに電圧Ｖｓを誘導する。こうして、物体の運動がトランスの磁気回路の磁気抵抗を変動させる。この磁気抵抗変動を測定することにより、検出ユニット９は、物体の、その軌跡上での相対または絶対位置を確定することができる。運動の方向は、コイルが直列接続されている２つのトランスが存在することにより検出される。
【００１８】
二次コイル２−２および３−２に誘導される電圧Ｖｓは、検出ユニットの第２入力９−２に供給される。この電圧は、検出ユニット９の入力９−１にかかる励磁電圧（Ｖｉ）に対して小さい位相シフトを有する。図３は、検出ユニットの好ましい実施形態を示している。二次コイルは演算増幅器１１に接続され、演算増幅器１１の出力は移相器１２に接続される。一次コイルは電圧発生器に接続される。電圧発生器は発振器１３によって駆動され、その台形状出力信号は乗算器１４の第２入力にも加えられる。乗算器１４の第１入力は移相器１２の出力に接続される。乗算器１４の出力はローパスフィルタ１５の入力に接続され、ローパスフィルタ１５の出力は、アナログ−デジタル変換器１６を通して、物体の位置を表示するようになっている表示ユニット１７に接続される。
【００１９】
二次コイルは逆位相で演算増幅器１１に接続されるので、演算増幅器は減算の結果に対して演算を行う。乗算器１４は、電圧ＶｉとＶｓを乗じて、同期検出器として機能する。ローパスフィルタ１５は、乗算器に供給される周波数の成分ｆ１＋ｆ２を除去するために使用される。この理由は、信号ｆ１およびｆ２の乗算が２つの成分ｆ１＝ｆ２およびｆ１−ｆ２を生成しているからである。本実施例では周波数ｆ１とｆ２が等しいので、得られる結果は２ｆ１および０（ＤＣ）となる。こうして、ＤＣ信号により運動が確定される。
【００２０】
運動値を得るためには、ローパスフィルタの出力で得られる、図２ｂに示される信号Ｖ１を線形化することが必要である。この目的のため、好ましくは６次の補間多項式がアナログ−デジタル変換器１６の出力に供給されるデジタル信号に適用される。この線形化を信号Ｖ１に適用した結果Ｖ２を図２ｃに示す。その場合、電圧Ｖ２は、定数ｋに物体の位置ｘを乗じたものに等しい。この値から位置ｘを確定することができる。図４は、物体の位置ｘを、確定された値Ｖ２の関数として示している。
【００２１】
図４に示すように、位置ｘ＝０は好ましくは軸ａ１とａ２の間の中央である。図５は、物体の回転を示している。これも、物体の直線運動を確定するのと同様にして、電圧Ｖ２から確定することができる。
【００２２】
図６は、本発明による装置のもう１つの実施形態を示している。これは、コンデンサ１０が二次コイルと並列に接続されていることによって、図２に示したものとは異なる。コンデンサの値は、二次コイルのコイル２−２および３−２と並列共振回路を生成するように選択される。このコンデンサを追加することにより、同期検出前の所要信号のレベルが上昇し、応答時間のために周波数が増大する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による装置の一実施形態の全体図である。
【図２】本発明による装置の一実施形態を示す図である。図２ｂおよび２ｃは線形化の前および後の二次コイルにおける測定電圧を示す図である。
【図３】装置をその検出器とともに示す図である。
【図４】グラフを用いて物体の運動および回転を示す図である。
【図５】グラフを用いて物体の運動および回転を示す図である。
【図６】本発明による装置のもう１つの実施形態を示す図である。
【図１】
2004537735.tif 000003
【図２】
2004537735.tif 000004
【図３】
2004537735.tif 000005
【図４】
2004537735.tif 000006
【図５】
2004537735.tif 000007
【図６】
2004537735.tif 000008
【国際公開パンフレット】
2004537735.tif 000009
2004537735.tif 000010
2004537735.tif 000011
2004537735.tif 000012
2004537735.tif 000013
2004537735.tif 000014
2004537735.tif 000015
2004537735.tif 000016
2004537735.tif 000017
2004537735.tif 000018
2004537735.tif 000019
2004537735.tif 000020
2004537735.tif 000021
2004537735.tif 000022
2004537735.tif 000023
2004537735.tif 000024
2004537735.tif 000025
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004537735.tif 000026
2004537735.tif 000027
【国際調査報告】
2004537735.tif 000028
2004537735.tif 000029
2004537735.tif 000030
2004537735.tif 000031