JP6304658B2 - 回転体の運動検出方法及びそのシステム - Google Patents

Description

本発明は、基準物に対する被検出物の姿勢などを検出する方法及びそのシステムに関し、特に、回転軸を移動させながら回転する回転体の運動を電磁気的な手段によって検出する方法及びそのシステムに関する。

工作機械、建設機械、運輸機械など、各種産業機械の分野において基準物に対する被検出物の姿勢を検出するシステムが広く利用されている。かかるシステムでは、光学的な検出手段を用いたり、ビデオカメラを含む画像処理などを利用したりする非接触検出システムが多く提案されているが、電磁気的な手段によってこれを行おうとするシステムも提案されている。

例えば、特許文献１では、三軸直行座標系の各軸に与えられた送信コイル及び受信コイルをそれぞれ組み込まれたコイル台及び被検出物において、被検出物に姿勢角センサを与えて、受信コイル及び姿勢角センサの情報からコイル台上での被検出物の姿勢及びその位置を得ようとする姿勢等検出システムが開示されている。詳細には、送信コイルから放射された交流磁界を受信コイルで受信し、磁界成分だけを検出して磁界データとして情報処理装置に送る。一方で、姿勢角センサで受信コイルの送信コイルに対するロール角とピッチ角とヨー角とを測定し、この測定結果を姿勢データとして情報処理装置に送る。情報処理装置では、磁界データと姿勢データとから送信コイルを基準とした受信コイルの位置と姿勢とを得るのである。

また、自動車の車輪のように、被検出物が回転運動するような場合において、これを検出する電磁気的な手段による運動検出システムも提案されている。ここでは、一般的に、基準物に対する被検出物の姿勢として、回転体の回転軸に対する傾きや回転数などを検出している。

例えば、特許文献２では、自動車の車輪を支持する回転体にリング状の磁石を与えるとともに、この磁石のアキシャル方向で対向する位置に磁気抵抗効果素子を設け、磁石と磁気抵抗効果素子の距離の変動による磁気抵抗効果素子からの出力変化によって回転体の回転面の傾きなどを検出し、この情報を回転体の回転のフィードバック制御などに利用しようとするシステムを開示している。磁気抵抗効果素子で検出される交流波形から得られる矩形波によって回転体の回転数を検出でき、更に、交流波形のピーク値を比較することで回転体の傾きを検出できるとしている。

また、特許文献３でも、自動車の車輪等の回転体に物流システムに用いられる無線タグを取付け、この受信信号を受けて回転数や該回転体の傾きを検出するシステムが開示されている。無線タグを取付けた回転体が回転すると、送受信手段のループアンテナに対する無線タグのループアンテナの傾き角度が周期的に変化しその指向性から送受信手段の受信信号の大きさも周期的に変化する。これにより、回転体の回転数が検出できるとしている。無線タグは回転体の任意箇所に取り付けられ得るが、無線タグのアンテナと送受信を行う送受信手段のアンテナとの互いの面を対向させつつ、回転体の回転中心軸方向に互いに離間して配置するようになっている。無線タグのループアンテナ及び送受信手段のループアンテナの互いの主面が対向したときに受信信号の大きさは最大となる。一方、主面同士が略平行方向にずれて、互いのアンテナの傾き角度が変化すると受信信号の大きさが変化する。更に、回転体の変形や軸ずれ等によって傾いて回転する場合にあっても、所定の受信信号の処理でこれを算出し得るとしている。

特開２００４−９３３７３号公報 特開２０１０−６０３９９号公報 特開２００６−１９５７９８号公報

例えば、製造ライン上を回転しながら流れてくる部品のような被検出物の運動を検出するような場合、すなわち、回転軸を移動させながら回転する回転体の運動を検出する場合にも、電磁気的な手段を用いた運動検出システムを利用し得る。特に、上記したような被検出物にＲＦＩＤのようなタグを取り付ける方法によれば、複数の被検出物を個々に識別しつつそれぞれの運動データを収集することも出来得る。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、回転軸を移動させながら回転する回転体の運動を電磁気的な手段によって検出する方法及びそのシステムの提供であって、特に、数百〜数千ｒｐｍといった高速回転している複数の回転体の運動を検出できる方法及びそのシステムの提供にある。

本発明者は、送信機側アンテナと受信機側アンテナの相対位置の変化で互いの通信が途切れてしまうといった従来のアンテナの弱点とも言える点に着目し、アンテナを与えた被検出物の姿勢と通信状態とを関連付けて被検出物の運動を検出することを試みた。すなわち、被検出物側アンテナと検出側アンテナとの間で、直線偏波の直交性や、右旋偏波と左旋偏波の関係、その他の位相調整によって得られる偏波状態を利用して、被検出物の運動を検出できるのである。

すなわち、本発明による運動検出方法は、検出領域面上で回転軸を移動させながら回転する被検出物の運動を検出するための方法であって、リーダ／ライタ装置の本体アンテナからの磁界若しくは電波をタグアンテナで受けて作動し前記リーダ／ライタ装置と交信可能な受動タグを前記被検出物に与え、前記検出領域面上には前記本体アンテナによって所定方向に沿った交流磁場又は交流電場を与えるとともに、単一指向性若しくは単一偏波特性を有する前記タグアンテナにおける受信効率の時間変化を前記リーダ／ライタ装置で測定することを特徴とする。

かかる発明によれば、本体アンテナ及びタグアンテナの相対的位置（姿勢）の変化をリーダ／ライタ装置で受信効率の時間変化として測定できて、検出領域面上において回転軸を移動させながら回転する被測定物（回転体）の運動を検出できるのである。特に、タグシステムを用いることで、回転軸の移動速度に比較して高速で回転している複数の回転体の運動を検出できるのである。

上記した発明において、前記受信効率の時間変化をスペクトル解析し前記被検出物の回転情報を得ることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、回転軸の移動速度に比較して高速で回転している被検出物の回転運動を起因とした受信効率の変化は回転周期に依存し、回転周期に依存しないノイズ信号を除去し、精度よく被測定物（回転体）の運動を検出できるのである。また、回転を停止し及び／又は倒れたことを検出できるのである。

上記した発明において、前記受動タグは作動するための磁界若しくは電波の強度の閾値を有し、受信効率の時間変化においてゼロ値を周期的に生成させるように前記受動タグを前記被検出物に与えることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、信号の周期的な消失から被測定物の回転数を精度よく検出できるのである。

本発明による運動検出システムは、検出領域面上で回転軸を移動させながら回転する被検出物の運動を検出するためのシステムであって、本体アンテナを含むリーダ／ライタ装置と、前記本体アンテナからの磁界若しくは電波をタグアンテナで受けて作動し前記リーダ／ライタ装置と交信可能であり前記被検出物に与えられた受動タグと、前記検出領域面上には前記本体アンテナによって所定方向に沿った交流磁場又は交流電場を与えるとともに、単一指向性若しくは単一偏波特性を有する前記タグアンテナにおける受信効率の時間変化を前記リーダ／ライタ装置で測定することを特徴とする。

かかる発明によれば、本体アンテナ及びタグアンテナの相対的位置（姿勢）の変化をリーダ／ライタ装置で受信効率の時間変化として測定できて、検出領域面上において回転軸を移動させながら回転する被測定物（回転体）の運動を検出できるのである。特に、タグシステムを用いることで、回転軸の移動速度に比較して高速で回転している複数の回転体の運動を検出できるのである。

上記した発明において、前記所定方向は前記検出領域面に平行方向となる水平方向であることを特徴としてもよい。ここで、前記本体アンテナ及び前記タグアンテナはともにループアンテナであって、且つ、前記受動タグは作動するための磁界の強度の閾値を有し、前記本体アンテナはその主面を鉛直にしつつ前記検出領域面の側方に与えるとともに、前記タグアンテナは前記回転軸に平行となるように前記被検出物に与えられることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、信号の周期的な消失から被測定物の回転数を精度よく検出できるのである。
また、回転軸の移動速度に比較して高速で回転している被検出物の回転運動、歳差運動、章動運動を起因とした受信効率の変化は、それぞれの回転周期に依存し、回転周期に依存しないノイズ信号を除去し、精度よく被測定物（回転体）の運動を検出できるのである。また、信号の振幅が変動しない期間を計測することで、回転を停止したこと及び／又は倒れたことを検出できるのである。

若しくは、上記した発明において、前記本体アンテナ及び前記タグアンテナはともにダイポールアンテナであって、前記本体アンテナはエレメントを前記検出領域面に沿うように与えるとともに、前記タグアンテナはエレメントを前記回転軸に垂直に伸びるように前記被検出物に与えられることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、信号の周期的な消失から被測定物の回転数を精度よく検出できるのである。また、回転軸の移動速度に比較して高速で回転している被検出物の回転運動、歳差運動、章動運動を起因とした受信効率の変化はそれぞれの回転周期に依存し、回転周期に依存しないノイズ信号を除去し、精度よく被測定物（回転体）の運動を検出できるのである。また、信号の振幅が変動しない期間を計測することによって、回転を停止したこと及び／又は倒れたことを検出できるのである。

上記した発明において、前記所定方向は前記検出領域面の法線方向となる鉛直方向であることを特徴としてもよい。ここで、前記本体アンテナはループアンテナであってこの主面を前記検出領域面と対向させるように与えるとともに、前記タグアンテナもループアンテナであってこの主面を前記回転軸が直交し貫くように前記被検出物に与えられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、回転体の歳差運動による傾きの変化を検出することができるのである。歳差運動は回転体の回転速度が低下して来ると、章動運動が大きくなり、回転軸の小周期の回転が現れ、受信効率に周期成分が発生する。この信号の性質の変化から、回転を停止する時期、及び／又は倒れる時期を予測することができるのである。

若しくは、上記した発明において、前記本体アンテナ及び前記タグアンテナはともにダイポールアンテナであって、且つ、前記受動タグは作動するための電波の強度の閾値を有し、前記本体アンテナはエレメントを鉛直にしつつ前記検出領域面の側方に与えるとともに、前記タグアンテナはエレメントを前記回転軸に平行に伸びるように前記被検出物に与えられることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、回転体の歳差運動による傾きの変化を検出することができるのである。歳差運動は回転体の回転速度が低下して来ると、章動が大きくなり、回転軸の小周期の回転が現れ、受信効率に周期成分が発生する。この信号の性質の変化から、回転を停止する時期、及び／又は倒れる時期を予測することができるのである。

本発明による運動検出システムの構成図である。 本発明による運動検出システムにおけるタイムチャート図である。 本発明による運動検出システムの１例の側面図である。 電磁場とアンテナの関係を示す側面図である。 アンテナの角度と通過磁束低下率の関係を示す図である。 信号強度の時間変化を示す図である。 本発明による運動検出システムの１例の側面図である。 電磁場とアンテナの関係を示す側面図である。 被検出物の回転角度と受信効率の関係を示す図である。 信号強度の時間変化を示す図である。 本発明による運動検出システムの１例の側面図である。 電磁場とアンテナの関係を示す側面図である。

以下に、本発明による運動検出方法及びかかる方法のためのシステムの実施例について説明する。まず、その原理について図１及び２を用いて説明する。

図１に示すように、運動検出システム１は、例えば、生産ラインなどで回転軸を移動させながら検出領域Ｗの面上を回転し矢印Ｓに沿って流れてくる、若しくは、検出領域Ｗで回転しながら滞留している部品や製品等の被検出物２−１，２−２，２−３，…の回転の有無、その回転数、回転軸の傾き、歳差運動、章動運動などの運動を検出するために用い得るシステムである。検出されたデータは、被検出物２−１，２−２，２−３，…の個々の検査や評価などに使用され得る。

運動検出システム１では、リーダ／ライタ３と対応する複数の受動タグ１０を用いる。タグシステムを用いることで、複数の被測定物２−１，２−２，２−３，…の個々の情報を短時間に得ることができる。受動タグ１０は、リーダ／ライタ３のアンテナ１２からの磁界若しくは電波をそのアンテナ１４で受けて作動し、リーダ／ライタ３と交信可能なパッシブ型のタグである。これを被検出物２−１，２−２，２−３，…の所定位置に与えておくとともに、検出領域Ｗの面上にはリーダ／ライタ３のアンテナ１２によって所定方向に沿った交流磁場又は交流電場を与えておく。これにより、単一指向性若しくは単一偏波特性を有するアンテナ１４との受信効率の時間変化をリーダ／ライタ３側で測定でき、被検出物２−１，２−２，２−３，…の個々の運動を検出できるのである。

詳細には、リーダ／ライタ３側の偏波特性を有するアンテナ１２は、検出領域Ｗの近傍に所定の方向を向けて設置される。また、被検出物２−１，２−２，２−３，…には、それぞれ受動タグ１０が所定位置に与えられる。なお、受動タグ１０は、偏波特性を有するアンテナ１４とこれに接続する回路１４ａとを含み、リーダ／ライタ３側のアンテナ１２から磁界若しくは電波を介して電力の供給を受け所定の電力以上で作動し得る作動閾値を有するパッシブ型のタグである。なお、リーダ／ライタ３及び受動タグ１０は、電磁式及び電波式どちらのタイプであっても使用し得る。

検出領域Ｗは、典型的には水平面であって、リーダ／ライタ３側のアンテナ１２によって受動タグ１０を少なくとも作動させ得るだけの磁界若しくは電波を鉛直方向又は水平方向に与えられている領域である。この検出領域Ｗの内側において、被検出物２−１，２−２，２−３，…のそれぞれの運動に対応して、互いに偏波特性を有するアンテナ１２及び１４の相対的位置（姿勢）が変化し、受動タグ１０に供給される電力に変化が生じ得る。これに対応してリーダ／ライタ３側では受信効率の時間変化が測定されるのである。

ここで、被検出物２−１，２−２，２−３，…の回転軸の移動速度に比較して高速で回転している回転運動を起因とした受信効率の変化は、その回転周期に依存し、換言すれば、回転周期に依存しないノイズ信号などを除去できる。故に、受信効率の時間変化を制御回路２０でスペクトル解析することで、被検出物２−１，２−２，２−３，…のそれぞれの回転運動を検出できるのである。

更に、リーダ／ライタ３では、衝突防止方式（アンチコリジョン）を導入し、複数の受動タグ１０の信号を個々に解析でき、出力インターフェース２２を介し、被検出物２−１，２−２，２−３，…のそれぞれの回転運動を検出できる。

衝突防止方式を含む通信方式の１つとして、図２に示すように、リーダ／ライタ（Ｒ／Ｗ）３の制御回路２０は、アンテナ１２を介して受動タグＡ，Ｂ，…（図２では、上記した受動タグ１０の２つだけについて示す。）へ向けてタグ起動信号を送信する（Ｓ１）。これを受けた受動タグＡ，Ｂ…では、あらかじめ与えられたＩＤを一斉に返信する（Ｓ２）。制御回路２０は、最初に受信した受動タグＡのＩＤを照合し未だ登録の無い場合にはこれを登録し、かかるＩＤを含む情報信号を返信する（Ｓ３）。一方、その他の受動タグＢ，…からの応答信号についてはこれを破棄する（Ｓ３’）。なお、ＩＤの照合において、既に登録されていた場合には応答信号を破棄し、再度、受信を行って、受動タグ１０のＩＤについて照合を繰り返す。

そして、受動タグＡ，Ｂ，…では、一定時間待機し、自らのＩＤを含む情報信号を受信しなければ休止する（Ｓ４，Ｓ４’）。次に、制御回路２０は、登録された受動タグＡのＩＤの信号強度を検出し、返信信号を送信し（Ｓ５）、これに対応して受動タグＡは、休止することを示す信号を返信する（Ｓ６）。このＳ６の休止時間は、全てのタグを計測するために必用な時間から、Ｓ１からＳ６までに経過した時間を減じたものとし、全てのタグを計測し終えた後、全てのタグが待機状態に戻るようにしてもよい。これにより、毎回１番応答が早いタグのみを毎回検出する事を防ぐことができる。また、制御回路２０は、受動タグＡへの電力供給を停止する（Ｓ７）。

以上の動作において、典型的には、Ｓ２，Ｓ４、Ｓ６の各ステップに要する時間は６μ秒程度、その間隔は４μ秒程度と見積り得る。すると、１つの受動タグＡの信号強度を検出するには少なくとも２６μ秒だけ必要となる。すなわち、全ての受動タグ１０の信号強度を検出するには２６μ秒×（受動タグ１０の数）だけ必要である。例えば、受動タグ１０が２つ、回転体２の回転数が４０００ｒｐｍであった場合、合計計測時間は５２μ秒程度、回転体２は１回転に２５０μ秒要することを考慮すれば、ナイキスト周期を１２５μ秒以下まで小さくしたサンプリング間隔のデータにフーリエ変換等を用いれば、被検出物（回転体）２の回転数を求め得るのである。

なお、検出されたデータは、適宜、所定の制御システムによって各種フィードバックして用い得る。更に、出力インターフェース２２をインターネットなどの回線に接続することで、複数の運動検出システム１における運動データを集中管理することなども可能である。

以上によれば、アンテナ１２及び１４の相対的位置（姿勢）の変化をリーダ／ライタ３で受信効率の時間変化として測定できて、検出領域Ｗの面上において回転軸を移動させながら回転する被測定物（回転体）２−１，２−２，２−３，…の運動を個々に検出できるのである。特に、タグシステムを用いることで、回転軸の移動速度に比較して高速で回転している複数の被測定物（回転体）２−１，２−２，２−３，…の回転運動を検出できるのである。また、歳差運動の傾きの変化ならびに章動運動の周期変化を検出することにより、回転体の停止・転倒の時期を予測することができ得る。

［実施例１］
次に、本発明による運動検出システム１の第１の実施例について、図３乃至図６を用いて詳細を説明する。

図３に示すように、運動検出システム１は、ループコイルからなるアンテナ１２と制御回路２０とを組み合わせたリーダ／ライタ３と、これに対応する少なくとも１つ以上の電磁誘導式の受動タグ１０と、を組み合わせたシステムである。アンテナ１２はループコイルの主面を略水平になるように配置し、交流磁場Ｂが水平な検出領域Ｗの主面の法線と略平行に、つまり略鉛直方向に形成される。ループコイルからなるアンテナ１４を含む電磁誘導式の受動タグ１０は、アンテナ１２からの電磁誘導によって動作電流を得ることのできるパッシブ型のタグであり、典型的には、１３.５６ＭＨｚを交信周波数に持つＲＦタグである。受動タグ１０は、被検出物２の回転面内にアンテナ１４の主面を拡げるように、好ましくは、回転軸１６がアンテナ１４の主面を直交し貫くように、被検出物２に与えられている。

ここで、図４（ａ）に示すように、アンテナ１２からの交流磁場Ｂの方向にアンテナ１４を対向させたとき、つまり、傾きを０度としたときに、アンテナ１４を通過する磁束を「１」とする。次に、図４（ｂ）に示すように、アンテナ１２からの交流磁場Ｂの方向に対して、アンテナ１４を傾きθだけ斜めに傾けたとき、アンテナ１４を通過する磁束はｃｏｓθとなる。すなわち、図５に示すように、アンテナ１４の通過磁束は傾きθに対して余弦カーブを描いて低減し、交流磁場Ｂの方向にアンテナ１４を平行にさせたとき（傾き９０度）で０となる。なお、傾きθが小さいときには、傾きの変化に対する通過磁束の変化は小さく（Ｆ１）、傾きθが大きくなると、傾きの変化に対する通過磁束の変化も大きくなるのである（Ｆ２）。

ところで、図６には、アンテナ１２及び制御回路２０において検出されるアンテナ１４を通過する磁束量に応じた受動タグ１０からの信号の変化を表した。時間（ｔ１：０〜Ｔ１）では、図３（ａ）、つまり、被検出物２が回転軸１６を略鉛直にして回転しているときに対応した信号強度の変化を示している。また、時間（ｔ２：Ｔ１〜Ｔ２）では、図３（ｂ）、つまり、回転軸１６が傾いた状態で回転しているときの受動タグ１０の通過磁束の変化に対応して検出される受動タグ１０からの信号強度の変化を示している。時間（ｔ３：Ｔ２〜Ｔ３）では、図３（ｂ）の回転軸１６が傾いた状態から回転力が落ちて非検出物（回転体）２の歳差運動に章動運動が加わった状態での通過磁束の変化に対応して検出されるタグ１０からの信号強度の変化を示している。更に、時間（ｔ４：Ｔ３〜）では、回転が停止し、非検出物２が倒れた状態での通過磁束の変化に対応して検出されるタグ１０からの信号強度を示している。時間ｔ１では、回転軸１６の周りの回転において、交流磁場Ｂの方向に対するアンテナ１４の傾きθがほとんど変化しないため、磁束変化はほとんど生じない。時間ｔ２では、この傾きθはほぼ一定で時間ｔ１よりもやや低下した値で安定している。時間ｔ２では、更に、傾きθは章動運動によって変化するため、章動運動に対応して周期的な大きな磁束変化を示すのである。

かかる曲線は、受信効率の変化に対応する。これについて出力インターフェース２２を介して適宜、解析することで被検出物２の運動状態を求めることができる。例えば、回転運動の開始及び停止などを求めることができる。
また、磁束変化の大きさからは歳差運動による回転軸の傾きや章動運動の開始などを求めることができる。歳差運動では、回転体の回転速度が低下すると、章動が大きくなって、受信効率に周期成分が発生する。この信号変化から、回転を停止する時期、及び／又は倒れる時期を予測できる。

すなわち、かかる実施例では、受信効率の変化の大きさからは歳差運動による回転軸の傾きを求めることができ、更に、回転運動を停止する時期、及び／又は倒れる時期を予測することができる。

［実施例２］
次に、本発明による運動検出システム１の第２の実施例について、図７乃至１０を用いて説明する。

図７に示すように、実施例１とは、被検出物２への受動タグ１０の取付け位置及びリーダ／ライタ３のアンテナ１２の配置が異なる。すなわち、アンテナ１２はループコイルの主面を略鉛直になるように配置し、交流磁場Ｂが水平な検出領域Ｗの面と略平行（略水平方向）に形成される。また、受動タグ１０は、そのアンテナ１４（図１を併せて参照）を回転軸１６に平行となるように被検出物２に与えられる。その他は、第１の実施例と同じである故、詳述しない。

ここで、図８（ａ）に示すように、回転軸１６が略鉛直の場合、被検出物２が回転軸１６の周囲で１回転すると、アンテナ１４はＲ１→Ｒ２→Ｒ３→Ｒ４→Ｒ１と１周する。そして、アンテナ１２からの交流磁場Ｂの方向に対して、傾きθを９０度（Ｒ１）から０度（Ｒ２）、そして９０度（Ｒ３）、０度（Ｒ４）、９０度（Ｒ１）と変化させる。

図９には、アンテナ１２を含むリーダ／ライタ３側で検出される受信効率の変化を示した（なお、位置Ｒ１乃至Ｒ４でのアンテナ１２とアンテナ１４との距離の変化が磁束変化に影響を与えないように補正をしている）。まず、アンテナ１４の主面がアンテナ１２の作る交流磁場Ｂの方向に対向する位置Ｒ１及びＲ３で受信効率は最大となる。逆に、アンテナ１４の主面がアンテナ１２の作る交流磁場Ｂの方向と平行に沿う位置Ｒ２及びＲ４で受信効率はゼロとなる。すると、図６のＡ２と同様に、受信効率はＲ２やＲ４ではゼロに向けて漸減し余弦カーブを描き得る（図９の点線Ｌ参照）。しかしながら、一定の磁場強度で受動タグ１０は作動閾値以下となり作動しなくなるから、リーダ／ライタ３へ返信をしなくなる。故に、一定の受信効率（図９の実線ｍ参照）以下では、リーダ／ライタ３側で検出される受信効率はゼロとなる。すなわち、パルス状の応答となる。

なお、図８（ｂ）に示すように、回転軸１６が交流磁場の方向に鉛直線からθ傾いているとき、位置Ｒ１及びＲ３における受信効率はcosθとなり、位置Ｒ２及びＲ４における受信効率はゼロになる。図８（ｃ）に示すように、回転軸１６が交流磁場と垂直方向に鉛直線からθ傾いているとき、位置Ｒ１及びＲ３における受信効率は１となり、位置Ｒ２及びＲ４における受信効率はゼロになる。つまり、回転軸１６の傾斜を検出することができ得る。

ところで、被検出物２が回転軸１６を鉛直方向から傾きθだけ傾けて歳差運動している場合、図８（ｂ）及び（ｃ）に加え、同（ｂ）と反対方向に傾きθだけ傾斜した状態、同（ｃ）と反対方向に傾きθだけ傾斜した状態の４つの状態を周期的に繰り返すことになる。ただし、被検出物２の自転は歳差運動の回転よりも高速である。

ここで、交流磁場によるアンテナ１２のループコイルでの発電量は鎖交磁束数に比例するから、磁場方向に垂直な面へのループコイルの主面の面積の射影を求めることにする。受動タグ１０のアンテナ１２におけるループコイル主面の面積をＳとすると、回転軸１６が鉛直線からθだけ傾いたときのループコイル主面の実効面積の最大値はＳcosθとなる。歳差運動で交流磁場の磁場方向からφだけ回転すると、ループコイル主面の実効面積における最大値は、Ｓ√[1-(sinθcosφ)²] となる。
交流磁場の磁場方向から９０度回転すると、ループコイル主面の実効面積における最大値はＳとなる。すなわち、図８（ｃ）に示したように、被検出物２の回転軸１６が磁場方向と直角になる場合、受信効率の包絡線は最大となる。ここで包絡線としたのは、歳差運動のある地点において、被検出物２の自転運動のため、歳差運動の周期よりもごく短周期で受信効率をゼロから最大値までを変化することを繰り返すからである。

図１０に示すように、受信効率の変化において、歳差運動による軸の傾きが大きくなるにつれて、軸が磁場の供給方向にあるとき、受信効率の最大値が低下していく。一方、軸が磁場の供給方向と垂直方向にあるとき、最大値が常に１となるので、包絡線のボトムとピークを形成する。この包絡線のボトムからボトム、若しくは、ピークからピークまでの期間が歳差運動の周期に対応する。数周期分のデータに対しＦＦＴをかけることで、回転運動の周期のピークと歳差運動の周期のピークの２つを求めることができる。

更に、歳差運動の軸の傾きが大きくなる、若しくは、回転軸１６の周りの回転速度が低下してくると、章動運動という、歳差運動よりも短い周期成分を持つ波形が重畳される。この波形をＦＦＴ解析することで、先に述べた自転運動の周期成分と歳差運動の周期成分に加えて章動運動の周期成分を求めることができる。

以上述べた実施例によれば、信号の周期的な消失から被測定物の回転数を精度よく検出できるのである。なお、回転軸１６の移動速度に比較して高速で回転している被検出物２の回転運動を起因とした受信効率の変化は回転周期に依存し、制御回路２０において回転周期に依存しないノイズ信号を除去し、精度よく被測定物（回転体）の運動を検出できる。さらには、歳差運動の周期、章動運動の周期も検出することができる。

［実施例３］
次に、本発明による運動検出システム１の第３の実施例について、図１１を用いて説明する。

図１１に示すように、運動検出システム１は、電波式の受動タグ１０を用いたシステムであって、ダイポールアンテナ１２に制御回路２０を組み合わせたリーダ／ライタ３と、これに対応する少なくとも１つ以上の電波式の受動タグ１０とを含む。

図１１（ａ）に示すように、ここでは実施例１に対応し、ダイポールアンテナ１２はそのエレメントを略水平になるように検出領域Ｗの水平面に沿うように与え、偏波の方向を水平に与える（破線参照）。一方、やはりダイポールアンテナ１４を含む受動タグ１０は、アンテナ１２からの電波によって電力を得ることのできるパッシブ型のタグであり、典型的には、ＵＨＦ帯や２.４５ＧＨｚ帯を交信周波数に持つＲＦタグである。受動タグ１０は、ダイポールアンテナ１４のエレメントを回転軸１６と垂直に回転面に沿わせるように被検出物２に与えられる。

図１２（ａ）に示すように、検出領域Ｗに固定されたダイポールアンテナ１２のエレメントに対して、被検出物２が右回りに回転軸１６の周りを回転するとする。このとき、図１２（ａ）及び（ｃ）に示すように、ダイポールアンテナ１２のエレメントと受動タグ１０のダイポールアンテナ１４のエレメントが平行となる時、受信効率は最大となる。逆に、受動タグ１０のダイポールアンテナ１４のエレメントが垂直となるとき、受信効率は最小となる。つまり、図９と同様に、パルス状の受信効率の変化を示す。

なお、図１２（ｂ）に示すように、回転軸１６が交流電界の方向に鉛直方向からθ傾いているとき、位置Ｒ１及びＲ３における受信効率はゼロとなり、位置Ｒ２及びＲ４における受信効率は、図１２（ａ）の受信効率のcosθ倍になる。

また、図１２（ｃ）に示すように、回転軸１６が交流電界の方向と垂直な方向に鉛直方向からθ傾いているとき、位置Ｒ１及びＲ３における受信効率はゼロとなり、位置Ｒ２及びＲ４における受信効率は図１２（ａ）の受信効率と同じになる。つまり、回転軸１６が鉛直方向からθ傾いた状態で歳差運動を行う場合には、回転体の状態変化が図１２（ｂ）→図１２（ｃ）→図１２（ｂ）と反対方向に傾斜した状態→図１２（ｃ）と反対方向に傾斜した状態、の順に周期的に繰り返し、この周期よりも早い周期で自転運動を行うことになる。この時の受信効率の変化は、図１０と同様となる。

また、歳差運動の軸の傾きが大きくなる、若しくは、回転軸１６の回転速度が低下してくると、歳差運動よりも短い周期成分を持つ波形がさらに重畳され章動運動となる。この波形をＦＦＴ解析することで、先に述べた自転運動の周期成分と歳差運動の周期成分に加えて章動運動の周期成分を得られる。

上記した実施例では、信号の周期的な消失から被測定物の回転数を精度よく検出できる。なお、回転軸１６の移動速度に比較して高速で回転している被検出物２の回転運動を起因とした受信効率の変化は回転周期に依存し、制御回路２０において回転周期に依存しないノイズ信号を除去し、精度よく被測定物（回転体）の運動を検出できる。さらには、歳差運動の周期、章動運動の周期も検出することができる。

他方、図１１（ｂ）に示すように、ここでは実施例２に対応し、ダイポールアンテナ１２はそのエレメントを略垂直になるように検出領域Ｗの側方に配置され、偏波の方向を鉛直に与える。一方、ダイポールアンテナ１４を含む受動タグ１０は、被検出物２の回転軸１６と平行にダイポールアンテナ１４のエレメントを配置するように被検出物２に与えられる。

図１１（ｂ）に示すように、固定されたダイポールアンテナ１２のエレメントに対して、被検出物２が右回りに回転軸１６の周りを回転するとする。このとき、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、ダイポールアンテナ１２のエレメントと受動タグ１０のダイポールアンテナ１４のエレメントは平行を維持したままである。つまり、図６に対応して、回転軸１６の傾きの影響を受けた受信効率の変化を示す。

かかる実施例では、受信効率の変化の大きさからは歳差運動による回転軸の傾きを求めることができ、更に、回転運動を停止する時期、及び／又は、倒れる時期を予測することができる。

以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１ 運動検出システム
２−１，２−２，２−３，… 被検出物（回転体）
３ リーダ／ライタ（Ｒ／Ｗ）
１０ 受動タグ
１２，１４ アンテナ
１４ａ 制御回路
１６ 回転軸
２０ 信号制御回路
２２ 出力インターフェース

Claims (10)

1. 検出領域面上で回転軸を移動させながら回転する被検出物の運動を検出するための方法であって、
   リーダ／ライタ装置の本体アンテナからの磁界若しくは電波をタグアンテナで受けて作動し前記リーダ／ライタ装置と交信可能な受動タグを前記被検出物に与え、
   前記検出領域面上には前記本体アンテナによって所定方向に沿った交流磁場又は交流電場を与えるとともに、単一指向性若しくは単一偏波特性を有する前記タグアンテナにおける受信効率の時間変化を前記リーダ／ライタ装置で測定することを特徴とする運動検出方法。
2. 前記受信効率の時間変化をスペクトル解析し前記被検出物の回転情報を得ることを特徴とする請求項１記載の運動検出方法。
3. 前記受動タグは作動するための磁界若しくは電波の強度の閾値を有し、受信効率の時間変化においてゼロ値を周期的に生成させるように前記受動タグを前記被検出物に与えることを特徴とする請求項２記載の運動検出方法。
4. 検出領域面上で回転軸を移動させながら回転する被検出物の運動を検出するためのシステムであって、
   本体アンテナを含むリーダ／ライタ装置と、
   前記本体アンテナからの磁界若しくは電波をタグアンテナで受けて作動し前記リーダ／ライタ装置と交信可能であり前記被検出物に与えられた受動タグと、
   前記検出領域面上には前記本体アンテナによって所定方向に沿った交流磁場又は交流電場を与えるとともに、単一指向性若しくは単一偏波特性を有する前記タグアンテナにおける受信効率の時間変化を前記リーダ／ライタ装置で測定することを特徴とする運動検出システム。
5. 前記所定方向は前記検出領域面に平行方向となる水平方向であることを特徴とする請求項４記載の運動検出システム。
6. 前記本体アンテナ及び前記タグアンテナはともにループアンテナであって、且つ、前記受動タグは作動するための磁界の強度の閾値を有し、前記本体アンテナはその主面を鉛直にしつつ前記検出領域面の側方に与えるとともに、前記タグアンテナは前記回転軸に平行となるように前記被検出物に与えられることを特徴とする請求項５記載の運動検出システム。
7. 前記本体アンテナ及び前記タグアンテナはともにダイポールアンテナであって、前記本体アンテナはエレメントを前記検出領域面に沿うように与えるとともに、前記タグアンテナはエレメントを前記回転軸に垂直に伸びるように前記被検出物に与えられることを特徴とする請求項５記載の運動検出システム。
8. 前記所定方向は前記検出領域面の法線方向となる鉛直方向であることを特徴とする請求項４記載の運動検出システム。
9. 前記本体アンテナはループアンテナであってこの主面を前記検出領域面と対向させるように与えるとともに、前記タグアンテナもループアンテナであってこの主面を前記回転軸が直交し貫くように前記被検出物に与えられていることを特徴とする請求項８記載の運動検出システム。
10. 前記本体アンテナ及び前記タグアンテナはともにダイポールアンテナであって、且つ、前記受動タグは作動するための電波の強度の閾値を有し、前記本体アンテナはエレメントを鉛直にしつつ前記検出領域面の側方に与えるとともに、前記タグアンテナはエレメントを前記回転軸に平行に伸びるように前記被検出物に与えられることを特徴とする請求項８記載の運動検出システム。

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