JP4866966B1 - 回転検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサでは困難な、高速な回転の検出に好適な回転検出装置を提供する。また同時に、耐環境性に優れ、低コストな装置とする。
【解決手段】本発明の回転検出装置は、ターゲット１との対向距離に反応するインダクタンス（又はキャパシタンスも可）を含む回路の共振周波数に基づく周波数の第１信号を発生する第１信号発生器９、及び、基準となる周波数の第２信号を発生する第２信号発生器１０を具備し、第１信号発生器９には電圧制御発振器２が含まれている。位相同期回路１２は、第１信号及び第２信号について、位相及び周波数が相互に一致するように、電圧制御発振器２に制御電圧を付与する。出力回路８は、制御電圧が変化している時期を捉えた矩形波信号、すなわち、ターゲットの凹部又は凸部に対応した信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出対象物の変位すなわち距離の変化を検出し、その変位検出の繰り返しに基づいて回転を検出する装置に関する。

例えば、自動車の車軸の回転速度を検出するためのセンサは、車軸の軸受ユニットに搭載されている。従来、典型的に用いられているセンサは、回転する車軸側に多数の磁極（Ｎ・Ｓ）が並んだパルサーリングを装着し、このパルサーリングと径方向に対向する磁気センサによって、車軸の回転による検知領域の磁界の変化を検出するように構成されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−２７０２５７号公報（図１）

しかしながら、例えば、自動車におけるターボチャージャのファンの回転数を、上記のような磁気センサによって検出しようとすると、車軸の回転数をはるかに上回るファンの高速回転（例えば２００，０００ｒｐｍ）に対して、磁気センサの応答速度が十分ではなく、従って精度良く検出することは困難である。また、ターボチャージャのような高い環境温度に耐え得る磁気センサを製作することは困難である。さらに、磁気センサは、検出対象物に永久磁石を装着する必要があるため、コストが比較的高くなる。
なお、磁気センサに代えて光センサによって回転検出を行うことも可能であるが、光センサは、センサヘッドの汚れによって検出感度が低下するという弱点がある。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、磁気センサでは困難な、高速な回転の検出に好適な回転検出装置を提供することを目的とする。また同時に、耐環境性に優れ、低コストな、回転検出装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の回転検出装置は、回転検出の対象物である回転体に設けられ、周方向に等間隔で凹部又は凸部が形成されたターゲットと、前記ターゲットと対向してその対向距離に反応するインダクタンス又はキャパシタンスを含む回路の共振周波数に基づく周波数の第１信号を発生する第１信号発生器、及び、基準となる周波数の第２信号を発生する第２信号発生器を具備し、当該第１信号発生器及び第２信号発生器の一方に電圧制御発振器が含まれている信号発生器と、前記第１信号及び第２信号について、位相及び周波数が相互に一致するように、ループフィルタから前記電圧制御発振器に制御電圧を付与する位相同期回路と、前記対向距離の変化に反応して同期が外れている状態の前記位相同期回路が同期を求める挙動として前記制御電圧を変化させている時期を捉えた矩形波信号を出力する出力回路とを備えている。

上記のように構成された回転検出装置では、ターゲットとの対向距離に応じてインダクタンス又はキャパシタンスが変化し、共振周波数及び、第１信号の周波数が変化する。このとき、位相同期回路は、電圧制御発振器に制御電圧を付与して、第１信号及び第２信号についての位相及び周波数を、相互に一致させる制御を行う。その結果、対向距離の変化が位相同期回路のループにおける制御電圧の変化として現れる。そこで、出力回路により、同期が外れている状態での位相同期回路が同期を求める挙動として制御電圧を変化させている時期を捉えた矩形波信号、すなわち、ターゲットの凹部又は凸部に対応した信号を出力する。このようにして、回転を、電気的現象に対するアナログ処理のみで、信号として取り出すことができ、回転体の回転を検出することができる。

（２）また、上記（１）の回転検出装置において、第１信号発生器は電圧制御発振器を含んで構成されており、位相同期回路は、ターゲットとの対向距離が変化しても電圧制御発振器の発振周波数が一定に維持されるように制御電圧を変化させるものであってもよい。
この場合、発振周波数を一定に維持しようとする制御電圧の変化に基づいて、回転が検出されることになる。

（３）また、上記（１）の回転検出装置において、第１信号発生器は、ターゲットと対向する平面コイルを備えているものであってもよい。
この場合、ターゲットが金属である場合に回転の検出が可能となる。また、平面コイルは非常にコンパクトで、かつ、平面であるので、コイル全体を、ターゲットに容易に接近させることができる。

（４）また、上記（１）の回転検出装置において、第１信号発生器は、ターゲットと対向するコンデンサを備えているものであってもよい。
この場合、ターゲットが金属でなくても、回転の検出が可能である。

（５）また、上記（４）の回転検出装置において、コンデンサは同軸ケーブルであってもよい。
この場合、同軸ケーブルの長さによって所望のキャパシタンスを容易に確保することができる。また、同軸ケーブルは柔軟性があるので、自在に曲げて所望の位置へ先端（端面）を配置することができる。

本発明によれば、回転を、電気的現象に対するアナログ処理のみで検出することができるので、磁気センサでは困難な高速な回転の検出に好適な回転検出装置を提供することができる。また同時に、磁気検出素子や光素子を要しないので、耐環境性に優れ、低コストに製造することができる。

本発明の第１実施形態に係る回転検出装置の構成を示すブロック回路図である。 平面コイルを示す図である。 図１における電圧制御発振器の回路図の一例である。 （ａ）は、ターゲットの形状を簡略化して示す図、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、電圧制御発振器の出力する発振周波数及び位相同期回路の制御電圧が、ターゲットの形状によってどのように変化するかの一例を示す図である。 出力回路の入出力変化を示す図であり、（ａ）に示す制御電圧が所定の閾値と比較され、（ｂ）に示す矩形波（パルス）の出力信号となる様子を示す。 玉軸受の断面図である。 センサヘッドとして利用可能な同軸ケーブルの断面図である。 第３実施形態に係る回転検出装置の構成を示すブロック回路図である。 一般的に知られている位相同期回路の構成を示すブロック図である。

《第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態に係る回転検出装置の構成を示すブロック回路図である。図において、ターゲット（検出対象物）１は、金属製で、例えば歯車状の外周形状を有し、中心軸１ａを中心として回転する。このようなターゲット１は、回転を検出しようとする対象の回転体そのものであってもよいし、対象の回転体と一体回転するように取り付けられたものであってもよい。また、歯車状としたのは一例であり、周方向に等間隔で凹部又は凸部が形成されたターゲットであればよい。さらに、タービンブレードや、プロペラ等の、羽状のものをターゲットとしてもよい。ターボチャージャであれば、例えばファンのプロペラを、径方向外方から検知すべきターゲットとすることができる。

センサヘッド２ｓは、回転するターゲット１に対して径方向に対向し、ターゲット１の最外周に対してエアギャップを設けて、非接触で配置される。このエアギャップは、例えば０．１〜１．０ｍｍである。センサヘッド２ｓは、具体的には図２に示す平面コイルである。図２において、平面コイル２１は、絶縁基板２２上に、図示のように導電部を渦巻状に形成して成る。渦巻の直径は、例えば０．７ｍｍ程度である。渦巻の直径は、識別して検出できる歯車状の歯の最小ピッチと関連性があり、この場合、ピッチ０．５ｍｍで隣接する歯をも識別可能である。なお、このような平面コイル２１は、例えば、エッチングやスパッタリングにより形成される。平面コイル２１は非常にコンパクトで、かつ、平面であるので、コイル全体を、検出対象物に容易に接近させることができる。

上記平面コイル２１によるセンサヘッド２ｓを含む電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）２は、制御電圧によって発振周波数を制御する発振器である。図３は、この電圧制御発振器２の回路図の一例である。電圧制御発振器２は、インダクタンスＬ１、可変容量ダイオード（バリキャップ）Ｄ１，Ｄ２、トランジスタＱ２，Ｑ３、コンデンサＣ１〜Ｃ６及び抵抗Ｒ１〜Ｒ７を、図示のように接続して構成されている。

平面コイル２１は、回路上は、インダクタンスＬ１である。インダクタンスＬ１は、可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２その他のキャパシタンス（コンデンサＣ１，Ｃ３，Ｃ４の各キャパシタンス及びトランジスタＱ２のベース−エミッタ間容量）と共に共振回路を構成し、共振周波数に基づく発振周波数で信号が出力される。可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２のキャパシタンスは、制御電圧Ｖｆにより変化する。発振周波数は例えば３５２ＭＨｚである。インダクタンスＬ１の周囲には高周波磁界が生じ、インダクタンスＬ１（平面コイル２１）と、金属であるターゲット１との対向距離の変化に応じて実際のインダクタンスの値Ｌが変化する。

図１に戻り、電圧制御発振器２から出力される信号の周波数（例えば３５２ＭＨｚ）は、分周器３によって（１／Ｎ）に分周される。分周された周波数ｆの信号は、位相比較器４に入力される。一方、基準周波数発生器６は典型的には水晶発振器である。基準周波数発生器６から出力される信号の周波数（例えば１０ＭＨｚ）は分周器７によって（１／Ｒ）に分周される。分周された周波数ｆｒの信号は、位相比較器４に入力される。上記分周器３，７におけるＮ，Ｒの値は、分周した結果の周波数ｆ，ｆｒが互いに等しくなるように設定される。例えば、Ｒが１０、Ｎが３５２であれば、分周した結果の周波数ｆ，ｆｒは共に１ＭＨｚとなる。位相比較器４は、入力された２つの信号の位相及び周波数を比較し、その差に応じた電圧を出力する。

すなわち、図１に示すように、位相比較器４へは、２系統の信号発生器１１から入力信号が与えられている。第１信号発生器９は、ターゲット１と、センサヘッド２ｓを含む電圧制御発振器２と、分周器３とによって構成されており、ターゲット１との対向距離に反応する（影響を受ける）インダクタンスを含む回路の共振周波数に基づく周波数ｆの第１信号を発生する。また、第２信号発生器１０は、基準周波数発生器６と分周器７とによって構成されており、基準となる周波数ｆｒの第２信号を発生する。

ループフィルタ５は、例えばローパスフィルタであり、不要な短周期変動を遮断して、必要な制御電圧Ｖｆのみを電圧制御発振器２に与える。位相比較器４からループフィルタ５、電圧制御発振器２、分周器３を経て位相比較器４に帰還するフィードバックループは、位相同期回路（ＰＬＬ：Phase-Locked Loop）１２を構成している。この位相同期回路１２は、第１信号発生器９における分周器３から位相比較器４に入力される信号の位相及び周波数を、第２信号発生器１０における分周器７から位相比較器４に入力される信号の位相及び周波数に合わせるように動作する。

上記の制御電圧Ｖｆは、電圧制御発振器２に与えられるのみならず、位相同期回路１２から取り出されて、出力回路８に与えられる。出力回路８は、例えばコンパレータを含むものであり、制御電圧Ｖｆを所定値と比較して２値（１，０）の矩形波信号を生成し、これを出力信号として出力する。

なお、参考までに、図９は一般的に知られている位相同期回路の構成を示すブロック図である。すなわち、入力側から位相比較器Ｌ１、ループフィルタＬ２、電圧制御発振器Ｌ３を経て出力側に至り、電圧制御発振器Ｌ３の出力信号（周波数）が分周器Ｌ４を介して位相比較器Ｌ１にフィードバックされる。これにより、入力信号と同じ位相・周波数を持つ信号が出力され、入出力信号間の位相同期が実現される。このような一般的位相同期回路と、図１における位相同期回路１２とを比較すると、基本的な構成要素は共通するが、ループにおける出力の位置が異なり、取り出そうとする情報（制御電圧）が全く異なる。

次に、上記の回転検出装置の動作を、信号波形を用いて具体的に説明する。
図４の（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、電圧制御発振器２の出力する発振周波数及び位相同期回路１２の制御電圧Ｖｆが、ターゲット１の形状によってどのように変化するかの一例を示す図である。なお、発振周波数の初期値は３５２ＭＨｚ、制御電圧Ｖｆの初期値は、この３５２ＭＨｚに対応した一定値とする。

簡略化のため、ターゲット１の形状を（ａ）に示すような矩形波で表すと、当該矩形波の立ち上がりすなわち、センサヘッド２ｓの平面コイル２１に対向している部位が、凹部から凸部に変わるとき、対向距離が相対的に短くなることにより、発振周波数が僅かに下がる。なお、下がるタイミングは、対向距離の変化の発生よりも電圧制御発振器２のごく僅かな応答時間の分だけ遅れる。

このような発振周波数の低下が発生すると、位相同期回路１２は直ちに周波数を元に戻すように制御電圧Ｖｆを上昇させる。その結果、周波数の低下は迅速に解消され、元の周波数（３５２ＭＨｚ）に戻る。戻る時期は、次に凸部から凹部への変化が起こる時期よりも早い。変位が凸で一定の状態になると、制御電圧Ｖｆは上昇した後の一定値に維持される。

次に、矩形波の立ち下がりすなわち、センサヘッド２ｓの平面コイル２１に対向している部位が、凸部から凹部に変わるとき、対向距離が相対的に長くなることにより、発振周波数が僅かに上がる。このときも、上がるタイミングは、対向距離の変化の発生よりも電圧制御発振器２のごく僅かな応答時間の分だけ遅れる。
このような発振周波数の上昇が発生すると、位相同期回路１２は直ちに周波数を元に戻すように制御電圧Ｖｆを低下させる。その結果、周波数の上昇は迅速に解消され、元の周波数（３５２ＭＨｚ）に戻る。戻る時期は、次に凹部から凸部への変化が起こる時期よりも早い。変位が凹で一定の状態になると、制御電圧Ｖｆは低下した後の一定値に維持される。

こうして、発振周波数の僅かな変化の発生に位相同期回路１２が反応して変化を解消させる、という動作が繰り返し行われる。その結果、ターゲット１の凹凸の変化に対応した制御電圧Ｖｆの変化が得られる。言い換えれば、変位が、周波数という物理量を媒介して制御電圧Ｖｆに変換されることになる。

図５は、出力回路８の入出力変化を示す図である。（ａ）に示す制御電圧Ｖｆは所定の閾値と比較され、（ｂ）に示す矩形波（パルス）の出力信号となる。この信号は、図４の（ａ）に示すターゲット１の形状と対応しており、周期は一致する。従って、単位時間内のパルス数をカウントするか又は周期を求めることにより、ターゲット１の回転速度（回転数）を求めることができる。なお、回転検出装置として基本的に必要な機能は、ターゲット１の回転に応じて図５の（ｂ）に示す出力信号を提供することであり、そこから回転速度を求める既知の機能は、回転検出装置の機能の一部として搭載してもよいし、外部の測定装置、演算装置等に委ねてもよい。

以上のように、上記回転検出装置によれば、回転するターゲット１と平面コイル２１との間の対向距離の変化が位相同期回路１２のループにおける制御電圧Ｖｆの変化として現れる。従って、この制御電圧Ｖｆを取り出すことにより、ターゲット１との対向距離に応じて変化する信号を出力することができる。出力される信号に基づいて、ターゲット１の回転速度を容易に検出することができる。この回転検出装置は、回転を、電気的現象（共振周波数の変化）に対するアナログ処理のみで、制御電圧として取り出すことができるので、磁気センサでは困難な、高速な回転の検出に好適である。具体的には、３００，０００ｒｐｍもの極めて高速な回転の検出が可能である。

また、磁気検出素子や光素子を要しないので、熱や汚れ等の耐環境性に優れ、かつ、低コストに製造することができる。例えば、平面コイル２１を含むセンサヘッド２ｓは、−４０℃〜２００℃の温度範囲で使用可能である。

上記の回転検出装置におけるセンサヘッド２ｓやターゲット１は、例えば軸受に設けることができる。図６は、玉軸受の断面図である。図において、玉軸受は、固定輪としての外輪１０１、回転輪としての内輪１０２、転動体としての玉１０３、当該玉１０３の保持器１０４、内外輪間の隙間を塞ぐシール１０５，１０６の他、パルサーリング１００、センサヘッド２ｓ、当該センサヘッド２ｓと接続されるケーブル１０７、ケーブル１０７及びセンサヘッド２ｓを支持するリング状の支持部材１０８を備えている。

パルサーリング１００は、図１のターゲット１に相当するリング状の金属部材で、その外周には、歯車状の凹凸が一定ピッチで周方向に形成されている。センサヘッド２ｓは、パルサーリング１００との間に僅かなギャップを空けて径方向に対向している。このような構成においては、内輪１０２が回転するとパルサーリング１００も回転する。パルサーリング１００の凹凸が通過することによりセンサヘッド２ｓ（平面コイル２１）との間の対向距離の変化が繰り返し生じるので、上記の回転検出装置によって、回転速度を検出することができる。

《第２実施形態》
上記第１実施形態におけるセンサヘッド２ｓは、インダクタンスとしての平面コイル２１を含むものとしたが、これに代えて、キャパシタンスを含むセンサヘッドとしてもよい。
図７は、センサヘッドとして利用可能な同軸ケーブル２００の断面図である。図において、同軸ケーブル２００は、銅の内導体２０１、絶縁物２０２、及び、銅の外導体２０３によって構成されている。絶縁物２０２としては、誘電体損失を小さくするため、及び、耐熱性の点で、ポリエチレンよりも、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を用いたものが、より好ましい。長さは、所望のキャパシタンスが得られる長さにすればよいが、例えば６０ｍｍ程度でよい。内導体２０１の直径は０．１〜１ｍｍ程度が好ましい。全体の外径は、１〜３ｍｍ程度が好ましい。例えば、内導体２０１の左端部と、これに対向するターゲット１との間のギャップ（最短距離）は、０．１〜１ｍｍの範囲内とする。

上記のような同軸ケーブル２００は、外導体２０３と内導体２０１との間に絶縁物２０２を挟んでいるので、コンデンサとなる。そして、このコンデンサのキャパシタンスは、ターゲット１が有している電荷（接地していない物体は電荷を有している。）の影響を受ける。その影響の受け方は、内導体２０１の左端部と、ターゲット１との対向距離によって異なる。すなわち、ターゲット１との対向距離に応じて、同軸ケーブル２００のキャパシタンスが変化する。

従って、このような同軸ケーブル２００を図１のセンサヘッド２ｓとして、電圧制御発振器２内に当該キャパシタンスとＬＣ共振を起こす回路を設けておけば、ターゲット１との対向距離の変化に応じて共振周波数を変化させることができる。
この場合、ターゲット１の材質が金属に限定されないので、例えばプラスチックであってもよい。また、同軸ケーブルは柔軟性があるので、自在に曲げて所望の位置へ先端（端面）を配置することができる。

《第３実施形態》
図８は、第３実施形態に係る回転検出装置の構成を示すブロック回路図である。図１との違いは、図１における基準周波数発生器６が電圧制御発振器６Ａに替わっていること、図１における電圧制御発振器２が単なる発振器２Ａに替わっていること、及び、位相同期回路１２の構成が異なること、である。すなわち位相同期回路１２は、位相比較器４からループフィルタ５、電圧制御発振器６Ａ、分周器７を経て位相比較器４に帰還するフィードバックループとして構成されている。発振器２Ａは、発振周波数を一定に維持するのではなく、センサヘッド２ｓの平面コイル２１とターゲット１との対向距離が変化すれば、それに応じて発振周波数を変化させる。

上記第３実施形態の構成において、位相同期回路１２は、第２信号発生器１０における分周器７から位相比較器４に入力される信号の位相及び周波数を、第１信号発生器９における分周器３から位相比較器４に入力される信号の位相及び周波数に合わせるように動作する。すなわち、第１実施形態における位相同期回路１２は、ターゲット１側の周波数を基準値に合わせるよう制御していたが、第３実施形態における位相同期回路１２は、対向距離の変化に応じて変化するターゲット１側の周波数に、基準値側の周波数が追随する、という主従逆転した制御を行う。この場合も、ターゲット１とセンサヘッド２ｓの平面コイル２１との間の対向距離の変化が制御電圧Ｖｆの変化として現れるので、同様に、回転を検出することができる。

《その他》
なお、第２実施形態では、センサヘッドを構成するキャパシタンスとしての同軸ケーブルを示したが、電極と絶縁物とを交互に重ねるように多層に巻いた構成であってもよい。さらに、絶縁板を２枚の平板電極でサンドイッチ状に挟む構成、又は、それをさらに複数層にした構成であってもよい。

１ ターゲット
２ 電圧制御発振器
２ｓ センサヘッド
６Ａ 電圧制御発振器
９ 第１信号発生器
１０ 第２信号発生器
１１ 信号発生器
１２ 位相同期回路
２１ 平面コイル
１００ パルサーリング
２００ 同軸ケーブル

Claims (5)

1. 回転検出の対象物である回転体に設けられ、周方向に等間隔で凹部又は凸部が形成されたターゲットと、
   前記ターゲットと対向してその対向距離に反応するインダクタンス又はキャパシタンスを含む回路の共振周波数に基づく周波数の第１信号を発生する第１信号発生器、及び、基準となる周波数の第２信号を発生する第２信号発生器を具備し、当該第１信号発生器及び第２信号発生器の一方に電圧制御発振器が含まれている信号発生器と、
   前記第１信号及び第２信号について、位相及び周波数が相互に一致するように、ループフィルタから前記電圧制御発振器に制御電圧を付与する位相同期回路と、
   前記対向距離の変化に反応して同期が外れている状態の前記位相同期回路が同期を求める挙動として前記制御電圧を変化させている時期を捉えた矩形波信号を出力する出力回路と
   を備えていることを特徴とする回転検出装置。
2. 前記第１信号発生器は前記電圧制御発振器を含んで構成されており、
   前記位相同期回路は、前記ターゲットとの対向距離が変化しても前記電圧制御発振器の発振周波数が一定に維持されるように前記制御電圧を変化させる請求項１記載の回転検出装置。
3. 前記第１信号発生器は、前記ターゲットと対向する平面コイルを備えている請求項１記載の回転検出装置。
4. 前記第１信号発生器は、前記ターゲットと対向するコンデンサを備えている請求項１記載の回転検出装置。
5. 前記コンデンサは同軸ケーブルである請求項４記載の回転検出装置。

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