(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪線の軸線方向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検出用永久磁石の近接する磁歪線の部位でねじり弾性波を発生させ、磁歪線の特定部位に設けた受信器までのねじり弾性波の伝播時間を計測することにより、検出用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、
上記電流パルスの印加と異なるタイミングで磁歪線に基準信号を印加する基準信号発生手段と、
上記基準信号発生手段と磁歪線との間の信号変化から磁歪線の抵抗値を検出する抵抗検出手段と、
検出された抵抗値から周囲温度に対応して検出用永久磁石に与えられる機械的変位を補償する補償手段と、を備えたことを特徴とする磁歪式変位検出装置。
【請求項２】
上記基準信号発生手段は、基準電圧信号を発生する基準電圧発生手段であり、
上記基準電圧発生手段と磁歪線との間に固定抵抗器が接続され、
上記抵抗検出手段は、固定抵抗器と磁歪線との間の分圧電圧から、磁歪線の抵抗値を検出することを特徴とする請求項１に記載の磁歪式変位検出装置。
【請求項３】
上記受信器は、磁歪線に挿通配置されたねじり弾性波受信用コイルであり、このコイルの近傍に軸方向の偏向磁場を与えるバイアス用永久磁石を配置し、上記コイルで磁歪線を伝播するねじり弾性波の成分のうちの縦波を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の磁歪式変位検出装置。
【請求項４】
上記磁歪線は、実質的な重量比がＮｉ５０％，Ｆｅ５０％の合金よりなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁歪式変位検出装置。
【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磁歪式変位検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁歪式変位検出装置として、図１に示すように、磁歪線３０にパルス発生回路３１から電流パルスを流すことにより、磁歪線３０に沿って移動可能な永久磁石３２の近接する磁歪線の部位でねじり弾性波（超音波）を発生させ、磁歪線３０の始端側に設けた受信器３３までのねじり弾性波の伝播時間を計測することにより、永久磁石３２に与えられる機械的変位を検出するものが知られている（例えば特開昭６１−１１２９２３号公報参照）。磁歪線３０の両端部は、支持部材３４，３５によって張力を持って支持されている。
【０００３】
図２は永久磁石３２の変位を検出する方法を示す波形図である。Ａは電流パルス、Ｂは受信器３３で受信された波形、Ｃは波形Ｂを成形した波形である。電流パルスＡの供給から波形Ｃ1 の到達までの時間ｔを計測すれば、次式により、永久磁石３２に与えられる変位ｘを計測できる。
ｘ＝ｖ・ｔ
なお、ｖはねじり弾性波の伝播速度である。
【０００４】
ねじり弾性波には、軸方向の成分である縦波と円周方向の成分である横波とが含まれているが、縦波と横波とではその伝播速度が異なる。縦波の伝播速度ｖL 、横波の伝播速度ｖT はそれぞれ次式で与えられる。
ｖL ＝√（Ｅ／ρ）
ｖT ＝√（Ｇ／ρ）
なお、Ｅは磁歪線の縦弾性係数、Ｇは剛性率、ρは密度である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
Ｎｉ−ＳｐａｎＣのような恒弾性材料では、縦弾性係数Ｅおよび剛性率Ｇは温度に関係なく一定であるが、ＮＳ−１のような材料では、縦弾性係数Ｅ，剛性率Ｇが温度によってかなり大きく変化する。例えば、磁歪式変位検出装置を原子炉の制御棒駆動装置の制御棒駆動軸の位置検出に使用する場合、周囲温度が約３５０℃にも達するため、温度変化による伝播速度の変動を無視できなくなる。
【０００６】
変位検出装置とは別に温度センサを設け、この温度センサの検出信号に基づいて伝播速度を補正することは可能であるが、これでは温度センサなどの格別な温度検出手段を必要とするので、コスト高になるばかりか、温度センサが磁歪線の温度を正確に検出できるとは限らない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、温度変化によるねじり弾性波の伝播速度の変動を補償し、高い精度で変位を検出できる安価な磁歪式変位検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、磁歪線の軸線方向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検出用永久磁石の近接する磁歪線の部位でねじり弾性波を発生させ、磁歪線の特定部位に設けた受信器までのねじり弾性波の伝播時間を計測することにより、検出用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、上記電流パルスの印加と異なるタイミングで磁歪線に基準信号を印加する基準信号発生手段と、上記基準信号発生手段と磁歪線との間の信号変化から磁歪線の抵抗値を検出する抵抗検出手段と、検出された抵抗値から周囲温度に対応して検出用永久磁石に与えられる機械的変位を補償する補償手段と、を備えた磁歪式変位検出装置を提供する。
【０００９】
本発明では、温度を検出するために磁歪線の抵抗値を検出している。例えば磁歪線として重量比でＮｉ５０％，Ｆｅ５０％の合金（ＮＳ- １（商品名））を用いた場合、その抵抗値は図３のように周囲温度によってほぼ直線的に変化する。一方、伝播速度も図４のように周囲温度によってほぼ直線的に変化する。したがって、磁歪線の抵抗値を検出すれば、周囲温度つまり伝播速度をほぼ正確に知ることができる。このようにして周囲温度に対応してねじり弾性波の伝播速度を補償すれば、温度が大きく変化しても、常に正確な変位測定を行なうことが可能となる。
【００１０】
なお、温度補償の方法は、検出された抵抗値から周囲温度に対応してねじり弾性波の伝播速度を補償する場合に限らない。例えば、検出用永久磁石の他に磁歪線の特定部位に固定永久磁石を設け、この永久磁石からの受信波形を利用して伝播速度を相殺する検出方法を用いた場合（例えば特開昭６１−２２６６１５号公報参照）には、固定永久磁石と受信器との距離を温度補償すればよい。また、電流パルスを流すと、磁歪線の終端で縦波が発生するので、この縦波を利用して伝播速度の影響を相殺することも可能であるが、この場合も磁歪線の長さを温度補償すればよい。
【００１１】
請求項２のように、基準電圧発生手段と磁歪線との間に固定抵抗器を接続し、固定抵抗器と磁歪線との間の分圧電圧を検出することで、磁歪線の抵抗値を検出するのが望ましい。磁歪線の終端部はパルス発生回路のアースに戻されているので、磁歪線の抵抗値を容易に検出できる。なお、固定抵抗器は、温度変化に対して安定、つまり温度が変化しても抵抗値が殆ど変化しないものを用いるのが望ましい。
なお、基準信号発生手段として定電流源を用い、この定電流源と磁歪線との間の電圧変化を検出することで、磁歪線の抵抗値を検出してもよい。この場合には、固定抵抗器が不要である。
【００１２】
このように、本発明では温度センサなどの格別な検出装置が不要であり、コストを低減できる。しかも、温度変化によって影響を受ける磁歪線そのものの温度を検出しているので、温度センサなどを用いる場合に比べてより正確に温度を検出できる。
【００１３】
請求項３のように、受信器として磁歪線に挿通配置されたねじり弾性波受信用コイルを用い、このコイルの近傍に軸方向の偏向磁場を与えるバイアス用永久磁石を配置し、コイルで磁歪線を伝播するねじり弾性波の成分のうちの縦波を検出するのが望ましい。
すなわち、磁歪線に電流パルスを印加すると、検出用永久磁石の近接する磁歪線の部位でねじり弾性波が発生し、このねじり弾性波は磁歪線を伝播して受信器で検出される。ねじり弾性波には円周方向の横波成分と軸方向の縦波成分とがあるが、ねじり弾性波の横波を検出した場合には、受信器と検出用永久磁石との距離が離れると、振幅が大きく減衰してしまう。これに対し、ねじり弾性波の縦波を検出すると、横波に比べて伝播距離による減衰が少なく、検出用永久磁石が磁歪線の軸方向に広範囲に動いても明確な検出波形が得られる。
【００１４】
図５は磁歪線にＮＳ−１を用いて、ねじり弾性波の横波を検出した場合と縦波を検出した場合の、受信器と永久磁石間の距離によるねじり弾性波の減衰を比較したものである。縦波では横波に比べて減衰が少なく、受信器と永久磁石間の距離が４ｍとなっても、縦波の減衰量は20％程度に抑えられることがわかる。
【００１５】
ところで、磁歪式変位検出装置は、周囲温度が磁歪線の磁気変態点を超えると、磁気現象が消失してしまうために機能しなくなる。また、周囲温度が磁気変態点を超えないまでも、同点に近づくだけで、発生するねじり弾性波の振幅が減衰することから、使用できる周囲温度範囲の制限を受ける。磁歪線の材質としては恒弾性材料であるＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ−Ａｌ系合金（例えばＮｉ−ＳｐａｎＣ（商品名））が一般的に用いられるが、Ｎｉ−ＳｐａｎＣの磁気変態点は１５０℃前後であり、周囲温度の上昇によるねじり弾性波の減衰のために、実用上は周囲温度が１００℃程度までの環境でしか使用できない。磁歪式変位検出装置を原子炉の制御棒駆動装置の制御棒駆動軸の位置検出に使用する場合、周囲温度が約３５０℃に達するため、磁歪線としてＮｉ−ＳｐａｎＣを用いることはできない。
【００１６】
そこで、磁歪式変位検出装置を原子炉の制御棒駆動装置にも使用することができるようにするために、磁歪線として様々な材料を試してみた結果、例えば上記のＮＳ- １を用いると、周囲温度が室温から３５０℃まで上昇してもねじり弾性波の振幅の温度変化による減衰が小さいことを発見した。
【００１７】
図６にＮｉ−ＳｐａｎＣとＮＳ−１の周囲温度の変化によるねじり弾性波の減衰を示す。ＮＳ−１では周囲温度を室温から３５０℃まで上昇させても、ねじり弾性波の温度変化による減衰量は４０％程度である。
【００１８】
そこで、請求項４では、磁歪線としてＮＳ−１を用いた変位検出装置に本発明を適用したものである。これによって、ねじり弾性波の温度変化による減衰量が小さく、かつ温度変化による伝播速度の変動も小さい、高性能な変位検出装置が得られる。
【００１９】
なお、磁歪線の材質としてＮＳ−１を用いると、周囲温度が上昇してもねじり弾性波の温度変化による減衰量が小さいという利点はあるが、その反面、ＮＳ−１はねじり弾性波が磁歪線を伝播して受信器に到達するまでの間の減衰量、すなわちねじり弾性波の伝播距離の長さによる減衰量がＮｉ−ＳｐａｎＣに比べて大きいという性質がある。そこで、磁歪線の材質としてＮＳ−１を用い、ねじり弾性波の縦波を検出するようにすれば、一層効果的である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図７は本発明にかかる磁歪式変位検出装置の一例を示し、図８はその各部の信号波形図である。
磁歪線１は重量比でＮｉ５０％，Ｆｅ５０％の合金（ＮＳ- １（商品名））を用いている。ＮＳ- １は周囲温度が室温から３５０℃まで上昇してもねじり弾性波の振幅の温度変化による減衰が少ない。磁歪線１の始端は基台２上に固定されたクランプ部材３によってクランプされ、終端はスプリング４を介して支持部材５によって支持されている。そのため、磁歪線１には常に一定の張力が与えられる。なお、磁歪線１の始端部にはねじり弾性波を吸収するシリコーンゴムなどのダンピング材６が塗布されており、クランプ部材３からの反射波などを吸収している。受信器７は磁歪線１の始端側に配置されており、内蔵したコイル７ａの中心部を磁歪線１が無接触で貫通している。コイル７ａはヴィラリー効果を利用して磁歪線１を伝播するねじり弾性波の到来を検出するものである。コイル７ａの負極は接地され、正極は増幅器８に接続される。
【００２１】
磁歪線１の近傍には、磁歪線１の軸線方向（ｘ方向）に移動可能な検出用永久磁石９が配置されている。なお、この実施例の永久磁石９は円環状で、軸方向に着磁したものであるが、これに限らず、ヴィーデマン効果によって磁歪線１にねじり弾性波を発生させることができるものであれば、形状や着磁方向は問わない。また、円環状永久磁石９を磁歪線１に挿通してもよい。
【００２２】
受信器７の背後に位置する磁歪線１の始端部、特にダンピング材６の近傍には、コイル７ａの近傍に軸方向の偏向磁場を与えるバイアス用永久磁石１０が配置されている。この実施例では、円板状永久磁石１０の両端面にＮ，Ｓ極を着磁したものであるが、軸方向の偏向磁場を与えるものであれば、永久磁石の形状や着磁方向、取付位置は限るものではない。例えば、軸方向に着磁した棒状のバイアス用永久磁石１０をコイル７ａの半径方向外側に配置してもよい。
【００２３】
クランプ部材３から突出した磁歪線１の始端には電流パルス発生回路１１から電流パルスが周期的（例えば１００Ｈｚ〜１ｋＨｚ）に供給され、磁歪線１の終端からスプリング４を介してパルス発生回路１１のアースに戻される。電流パルスが供給されると、ヴィーデマン効果により永久磁石９の近接する磁歪線１の部位でねじり弾性波が発生し、受信器７で検出される。検出されたねじり弾性波は増幅器８で増幅され、検出回路１２に送られる。検出回路１２は入力された信号を波形成形するとともに、所定の信号処理を行って永久磁石９に与えられる機械的変位ｘを検出する。なお、検出回路１２による機械的変位ｘの検出方法は、例えば特開昭６１−１１２９２３号公報，特開平５−１８７８５４号公報などにより公知であるため、ここでは説明を省略する。
【００２４】
電流パルス発生回路１１と磁歪線１の始端との間には第１スイッチ１３が接続され、電流パルス発生回路１１の電流パルスＡは遅延回路１４にも入力される。遅延回路１４は、電流パルスＡの発生から一定時間遅れてタイミング信号Ｃ1 ，Ｃ2 を発生する。遅延回路１４のタイミング信号Ｃ1 によって第１スイッチ１３がＯＦＦし、タイミング信号Ｃ2 によって第２スイッチ１５がＯＮする。タイミング信号Ｃ1 とＣ2 は同時であってもよいし、異なるタイミングであってもよいが、電流パルスＡの印加時に第２スイッチ１５がＯＮにならないように制御すればよい。第２スイッチ１５の一端は、基準電圧発生回路１６と固定抵抗器１７を介して接続され、他端は磁歪線１の始端に接続されている。そのため、基準電圧発生回路１６からの基準電圧Ｖｓは固定抵抗器１７と磁歪線１とによって分圧される。分圧電圧Ｖａは、サンプルホールド回路１８によってサンプルホールドされる。サンプルホールド回路１８には遅延回路１４からタイミング信号Ｃ1 ，Ｃ2 よりやや遅れてサンプリング信号Ｄが入力されており、このサンプリング信号Ｄに同期してサンプルホールドを行なう。サンプルホールドされた分圧電圧Ｖａは、検出回路１２へ入力され、温度補償が行なわれる。
【００２５】
なお、スイッチ１３，１５としては２個設けることなく、電流パルス発生回路１１側と基準電圧発生回路１６側とに選択的に切り換わる１個のスイッチであってもよいし、スイッチ１３を省略することも可能である。また、スイッチ１３，１５としては、リレーやトランジスタなどの公知の切換手段を用いることができる。
【００２６】
ここで、図８の波形図を参照しながら図７の変位検出装置の作動を説明する。まず、パルス発生回路１１から電流パルスＡを磁歪線１に供給すると、永久磁石９の近接する磁歪線１の部位でねじり弾性波が発生する。このねじり弾性波は受信器７で検出され、増幅器８で波形Ｂのように増幅される。この波形Ｂには、必要とする検出波形Ｂ1 ，Ｂ2 の他に、電流パルスＡの印加に伴う電磁的ノイズＢ0 も含まれているが、このノイズはマスキング回路などで容易に除去することができる。次の電流パルスＡの発生の直前に、遅延回路１４からタイミング信号Ｃ1 ，Ｃ2 が発生され、タイミング信号Ｃ2 からやや遅れてサンプリング信号Ｄが発生される。サンプリング信号Ｄをタイミング信号Ｃ2 から遅らせたのは、第２スイッチ１５がＯＮし、基準電圧Ｖｓが印加された後、磁歪線１による電圧降下が起こるまである程度の時間を必要とするからである。タイミング信号Ｃ1 によって第１スイッチ１３がＯＦＦされるとともに、タイミング信号Ｃ2 によって第２スイッチ１５がＯＮされる。これによって、固定抵抗器１７と磁歪線１との中間部の電位Ｅは、基準電圧ＶｓからＶａへと降下する。そして、サンプルホールド回路１８はサンプリング信号に同期して分圧電圧Ｖａをサンプルホールドし、Ｆのような信号を得る。サンプルホールド信号Ｆのうち、Ｖａ1 は前回の分圧電圧、Ｖａ2 は今回の分圧電圧である。
上記サンプルホールド信号Ｆは検出回路１２に入力され、これによってねじり弾性波の伝播速度が温度補償され、温度変化による変動の少ない正確な検出値ｘを得ることができる。
【００２７】
上記サンプルホールドされた分圧電圧Ｖａから磁歪線１の抵抗値Ｒｍを知るには、次のようにすればよい。すなわち、磁歪線１の抵抗値をＲｍ、固定抵抗器１７の抵抗値をＲｃ、基準電圧をＶｓ、分圧電圧をＶａとすると、抵抗値Ｒｍは次式で求めることができる。
Ｒｍ＝Ｖａ・Ｒｃ／（Ｖｓ−Ｖａ）
【００２８】
図３のように磁歪線１の抵抗値Ｒｍと周囲温度との関係は既知であるから、分圧された電圧信号Ｖａによって周囲温度を知ることができる。さらに、ねじり弾性波の伝播速度と温度との関係も図４によって既知であるから、結局、分圧電圧Ｖａからその時の温度における伝播速度を知ることができる。
【００２９】
上記のように、電流パルスの印加毎に分圧電圧Ｖａをサンプルホールドし、伝播速度を温度補償するようにすれば、急激に温度が変化した場合でも、常に高い精度で変位を検出できる。
また、変位検出装置を検出回路１２，パルス発生回路１１，遅延回路１４，基準電圧発生回路１６，固定抵抗器１７，サンプルホールド回路１８などのアナログ回路で構成すれば、極めて安価に構成でき、しかも調整しやすい。
【００３０】
上記変位検出装置の場合、検出用永久磁石９の近接する部位で発生したねじり弾性波は受信用コイル７ａで検出されるが、このときコイル７ａの近傍には軸方向の偏向磁場を与えるバイアス用永久磁石１０が配置されているので、ねじり弾性波のうち横波成分が抑圧され、縦波成分のみが強調される。図５に示したように、縦波は横波に比べて伝播距離による減衰が少ないので、永久磁石９が例えば０ｍ〜４ｍもの広範囲を移動する場合であっても、明瞭な検出波形をコイル７ａで受信することができる。
【００３１】
また、磁歪線１としてＮＳ- １を用いることで、図６に示すように、周囲温度が室温から３５０℃まで上昇してもねじり弾性波の振幅の温度変化による減衰が小さい。しかし、磁歪線１としてＮＳ- １を用いると、振幅の温度変化が小さくなる反面、伝播速度の温度変化が４０ｐｐｍ／℃にもなるが、本発明を用いることで、伝播速度の変動の影響をほぼ無視できる程度まで低減できる。
したがって、ねじり弾性波の縦波を検出し、磁歪線としてＮＳ- １を用い、かつねじり弾性波の伝播速度を温度補償することにより、原子炉の制御棒駆動装置のように温度変化が大きく、変位量も大きな装置に最適な変位検出装置を得ることができる。
【００３２】
なお、上記実施例は本発明の一例に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
上記実施例では、磁歪線の抵抗値と温度との関係、およびねじり弾性波の伝播速度と温度との関係が、図３，図４に示すように共に線形な関係にある材料を磁歪線として用いたが、これに限るものではなく、非線形な関係にある材料を用いてもよい。
また、上記実施例では、電流パルスを磁歪線に流し、この磁歪線を伝播するねじり弾性波を検出するようにしたが、特開昭５９- １６２４１２号公報に記載のように、磁歪線をチューブ状とし、その中に電流パルスを供給するための導線を挿通するようにしてもよい。
受信用コイルとして１個のコイルを用いたが、２個のコイルを軸方向に配置し、これらコイルの出力を差動的に取り出すようにしてもよい。この場合には、２個のコイルに共通に入るノイズを相殺することができる。
ねじり弾性波を検出する方法としては、上記のように受信器にコイルを使用し、ヴィラリー効果によってねじり弾性波を検出するものに限らず、触子を磁歪線に対してほぼ直交して接触させ、ねじり弾性波を触子の軸方向力に変換し、触子の端部に取り付けた圧電素子やコイルなどでねじり弾性波の到来を触子の軸方向変位の形で検出するものでもよい。
したがって、ねじり弾性波の縦波だけでなく、横波を検出してもよいことは勿論である。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、電流パルスの印加と異なるタイミングで磁歪線に基準信号を印加する基準信号発生回路と、基準信号発生手段と磁歪線との間の信号変化から磁歪線の抵抗値を検出する抵抗検出手段とを設けたので、磁歪線の抵抗値を検出すれば、周囲温度をほぼ正確に知ることができる。このように求めた周囲温度に対応して補償手段によりねじり弾性波の伝播速度などを補償することで、機械的変位を温度補償したので、大きく温度が変化しても、常に正確な変位測定を行なうことが可能となる。
【００３４】
また、本発明では温度センサなどの格別なセンサが不要であり、コストを低減できる。しかも、温度変化によって影響を受ける磁歪線そのものの温度を検出しているので、温度センサなどを用いる場合に比べてより正確に温度を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な磁歪式変位検出装置の構成図である。
【図２】図１の変位検出装置の波形図である。
【図３】磁歪線の抵抗値と温度との関係を示す図である。
【図４】ねじり弾性波の伝播速度と温度との関係を示す図である。
【図５】ねじり弾性（縦波および横波）の振幅と受信器と検出用永久磁石の軸方向距離との関係を示す比較図である。
【図６】ねじり弾性の振幅と温度との関係を示す比較図である。
【図７】本発明にかかる磁歪式変位検出装置の一例の構成図である。
【図８】図７の磁歪式変位検出装置の各部の波形図である。
【符号の説明】
１            磁歪線
７            受信器
９            検出用永久磁石
１１          パルス発生回路
１２          検出回路
１４          遅延回路
１６          基準電圧発生回路
１７          固定抵抗器
１８          サンプルホールド回路
【図１】
0003799416.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003799416.tif 000006
【図６】
0003799416.tif 000007
【図７】
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【図８】
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