JP6563611B2 - 速度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体の速度を検出する速度検出装置に関する。

移動体に磁石を取り付けて、その磁石が発生する磁束の変化率に応じた誘起電圧を出力する電磁誘導型の非接触センサにより移動体の移動速度を検出する技術が開示されている（特開平３−２５３７２号公報参照）。

特開平３−２５３７２号公報に開示された技術では、非接触で移動体の移動速度を検出できるが、移動体に磁石を取り付ける必要があり、磁石を持たない移動体の移動速度を検出することはできない。また、接触式で移動体の移動速度を検出するセンサも知られているが、接触式の場合は、振動等の衝撃により破壊しやすく、信頼性および耐久性の点で問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためのものであり、その目的は、非接触で精度よく移動体の移動または回転速度を検出できる速度検出装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する永久磁石を有する回転体と、
前記回転体に回転駆動力を付与するモータと、
前記モータが前記回転体に付与する前記回転駆動力を制御して、前記回転体の回転速度を可変制御する回転制御部と、
前記ローレンツ力による回転駆動力を受けている前記回転体を任意の回転速度で回転させる際に前記モータに流れる電流値を検出する電流検出部と、
前記電流検出部にて検出された電流値に基づいて、前記移動体の移動または回転速度を推測する移動速度推測部と、を備える、速度検出装置が提供される。

前記回転制御部は、前記回転体の回転速度が所定の回転速度になるように前記回転駆動力を制御してもよい。

前記移動速度推測部により推測された前記移動体の移動または回転速度に基づいて、前記所定の回転速度を決定してもよい。

前記電流検出部にて検出された電流値と前記移動体の移動または回転速度との相関関係を検出する相関関係検出部を備え、
前記移動速度推測部は、前記電流検出部にて検出された電流と、前記相関関係と、に基づいて、前記移動体の移動または回転速度を推測してもよい。

前記移動速度推測部は、前記電流検出部にて検出された電流と前記モータの回転軸に加わるトルクとの相関関係と、前記回転体と前記移動体との磁気結合度合に応じた前記トルクと前記回転体の回転速度との相関関係と、前記磁気結合度合に応じた前記回転体の回転速度と前記移動体の移動または回転速度との相関関係と、に基づいて、前記移動体の移動または回転速度を推測してもよい。

前記回転体と前記移動体との複数の磁気結合度合についての、前記トルクと前記回転体の回転速度との相関関係と、前記回転体の回転速度と前記移動体の移動または回転速度との相関関係とを検出する相関関係検出部と、
前記回転体の回転速度が変化する状況で連続して複数回検出された前記モータを流れる電流と、各回における前記相関関係検出部で検出された各相関関係と、に基づいて、前記磁気結合度合を推測する磁気結合度合推測部と、を備え、
前記移動速度推測部は、前記電流検出部にて検出された電流と、前記磁気結合度合推測部にて推測された前記磁気結合度合と、前記相関関係検出部で検出された相関関係と、に基づいて、前記移動体の移動または回転速度を推測してもよい。

前記磁気結合度合は、前記回転体と前記移動体とのギャップであってもよい。

前記磁気結合度合は、前記回転体と前記移動体との対向面同士の重なり具合であってもよい。

前記回転体は、前記移動体の外周面に連なる一側面を前記一主面として、前記移動体から離隔して対向配置されてもよい。

前記移動体の一主面に対向する面を含めて、前記回転体の外表面の少なくとも一部を覆う保護部材と、
前記保護部材のうち、前記移動体の一主面に対向される面に付着された磁性体を除去する磁性体除去部と、を備えてもよい。

前記永久磁石は、前記移動体に対向配置される２つ以上の磁極を有してもよい。

前記モータは、前記回転体の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機として機能し、
前記発電機が変換した電気エネルギを蓄電する蓄電器をさらに備え、
前記蓄電器が蓄電した電気エネルギは、前記モータ、前記回転制御部、前記電流検出部および前記移動速度推測部の少なくとも一つの電力源として用いられてもよい。

本発明によれば、非接触で精度よく移動体の移動または回転速度を検出できる。

本発明の第１の実施形態による速度検出装置の概略構成を示すブロック図。 移動体の一主面と回転体の一主面との一部同士が重なり合うように対向配置した例を示す図。 移動体の表面または外周面と回転体の外周面とを対向配置させる例を示す図。 移動体の一側面に発生する渦電流により回転体に回転駆動力が加わる原理を説明する図。 移動体の移動速度と回転体の最大回転速度との相関関係を表すグラフ。 回転体の回転速度とモータの回転軸に加わるトルクとの相関関係を表すグラフ。 モータを流れる電流とモータの回転軸に加わるトルクとの相関関係を示すグラフ。 移動体の移動または回転速度の時間変化を示す波形を示す図。 回転体の回転速度の時間変化を示す波形を示す図。 モータの回転軸に加わるトルクまたはモータを流れる電流の時間変化を示す波形を示す図。 移動体の移動または回転速度を推測した推測波形を示す図。 図１の速度検出装置に相関関係検出部と磁気結合度合推測部を追加したブロック図。 第２の実施形態による速度検出装置１の概略構成を示すブロック図。 図１０の速度検出装置を備えた非接触発電機の分解斜視図。 図１１の非接触発電機の断面図。 速度検出装置の第１変形例を示す図。 速度検出装置の第２変形例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態による速度検出装置１の概略構成を示すブロック図である。図１の速度検出装置１は、回転体２と、モータ３と、回転制御部４と、電流検出部５と、移動速度推測部６と、電源部７とを備えている。

回転体２は、移動または回転する導体である移動体８の一主面上に離隔して配置されている。回転体２は、移動体８の移動または回転方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する永久磁石２ａを有する。回転体２は、所定の回転軸回りに回転自在とされている。回転体２は移動体８の移動または回転方向に合わせて、時計回りまたは反時計回りに回転する。回転体２の永久磁石２ａは、周状に配置された複数の磁極２ｂを有する。永久磁石２ａが有する磁極２ｂの数は、２つ以上であればよく、数には特に制限はない。磁極２ｂの数が多いほど、回転体２の回転角度による回転力の斑（コギングトルク）は減少するが、移動体８と回転体２とのギャップが広い場合には、磁極２ｂの数を多くすることで、磁極一つあたりの磁力の大きさが小さくなって、移動体８に到達する磁束が減少し、回転体２を回転させる力が弱くなる。

移動体８は、例えば車両の車輪やホイールなどの回転する動体、あるいは一方向または複数方向に移動する動体である。移動体８は、回転体２に対向配置された一主面上に渦電流を発生させる。したがって、移動体８の一主面は、渦電流を発生可能な金属などの導電材料で形成されている必要がある。

モータ３は、移動体８との磁気結合によるローレンツ力とは無関係に、回転体２に回転駆動力を付与する。これにより、回転体２は、移動体８が移動または回転をしていなくても、回転する。モータ３は、移動体８の移動または回転速度に応じて発生するローレンツ力によって回転体２が回転する方向または逆方向に、回転体２に回転駆動力を付与する。モータ３によって回転体２に回転駆動力が付与されていない場合、回転体２はローレンツ力によって、移動体８の移動または回転速度に応じた回転速度（以下、第１回転速度と呼ぶ）で回転している。回転体２が第１回転速度で安定に回転している状態では、摩擦などの損失を無視すると、回転体２にはローレンツ力は作用しておらず、モータ３による回転駆動力も付与されていない。
この状態で、モータ３にて、回転体２の回転速度を遅くするような回転駆動力を付与すると、回転体２には制動力がかかって、モータ３は発電機として機能する。このときモータ３に流れる電流は正の向きであり、この電流値は電流検出部５にて検出される。一方、モータ３が第１回転速度で安定して回転している状態で、モータ３にて、回転体２の回転速度を速くするような回転駆動力を付与すると、モータ３はいわゆるモータとして機能し、消費電力が増大する。このときモータ３に流れる電流は負の向きであり、この電流値もやはり電流検出部５にて検出される。このように、モータ３は、発電機として機能したり、いわゆるモータとして機能したりするが、本明細書では単に「モータ」と呼称する。なお、上記では、モータ３が発電機として機能する場合にモータ３に流れる電流を正の向きとし、モータ３がいわゆるモータとして機能する場合にモータ３に流れる電流を負の向きとしたが、これは一例であり、正負の向きを逆にしてもよい。

回転制御部４は、モータ３が回転体２に付与する回転駆動力を制御して、回転体２の回転速度を可変制御する。より具体的には、回転制御部４は、回転体２の回転速度を検出器９にてモニタして、回転体２が任意の回転速度で回転するように、モータ３が回転体２に付与する回転駆動力を制御する。あるいは、回転制御部４は、検出器９を用いずに、回転体２が任意の回転速度で回転するように、モータ３の回転駆動力を制御してもよい。この場合、検出器９は不要となる。なお、回転体２の回転速度は、モータ３の駆動電流周波数により制御することができる。よって、検出器９なしで回転体２を任意の回転速度で回転させるには、モータ３の駆動電流周波数を制御すればよい。このように、回転制御部４は、回転体２の回転速度が可変可能な所定の回転速度になるように回転駆動力を制御する。より具体的には、回転制御部４は、移動速度推測部６により推測された移動体８の移動または回転速度に基づいて、モータ３に付与する回転駆動力を制御して、回転体２の回転速度を所定の回転速度に制御する。

検出器９は、回転体２の回転速度を検出する。検出器９には、非接触式と接触式がある。非接触式の検出器９は、ホール効果を利用したホール素子や、光学スリットを利用したエンコーダや、誘導起電力を利用したコイルや、ギアの歯数またはギャップの変動を利用した静電容量タイプまたは誘導タイプまたはホール素子タイプの近接センサを適用可能である。接触式の検出器９は、回転体２の回転軸に取り付けられたポテンショメータなどを適用可能である。このように、検出器９の具体的な形態は、特に問わない。

電流検出部５は、ローレンツ力による回転駆動力を受けている回転体２を任意の回転速度で回転させる際にモータ３に流れる電流値を検出する。以下、この電流値をモータ電流と呼ぶ場合もある。モータ３の回転駆動力が大きくなるほど、モータ３を流れる電流が増大する。移動体８の移動または回転速度と、回転体２の回転速度との速度差が大きくなるほど、モータ３の回転駆動力は増加し、モータ３を流れる電流が増加する。より詳細には、移動体８の移動または回転速度が変化すると、モータ３を流れる電流波形の周波数は変化せずに、電流波形の実効値が変化する。よって、電流検出部５は、モータ３を流れる電流波形の実効値を検出する。

移動速度推測部６は、電流検出部５にて検出された電流に基づいて、移動体８の移動または回転速度を推測する。

電源部７は、図１の速度検出装置１の各部に電源電圧を供給する。図１では、電源部７から回転制御部４と移動速度推測部６に電源電圧を供給する矢印線を図示しているが、それ以外のモータ３や電流検出部５などにも必要に応じて電源電圧を供給してもよい。

以下では、まず最初に、移動体８の移動に応じて回転体２が回転する原理を説明する。移動体８と回転体２とは対向配置されている。図２は移動体８の一側面である一主面を回転体２の一主面２ｄと向き合わせて、移動体８の一主面と回転体２の一主面２ｄとの一部同士が重なり合うように対向配置した例を示している。回転体２の一主面２ｄの全体が移動体８の一主面と重なり合って対向配置されている場合には、回転体２がほとんど回転しなくなるため、このような配置のさせ方は望ましくない。なお、移動体８の一側面を回転体２の一主面２ｄと対向配置させる代わりに、図３に示すように移動体８の表面または外周面と回転体２の外周面とを対向配置させてもよい。

本実施形態では、回転体２を構成する永久磁石２ａの各磁極２ｂからの磁束により、移動体８の一側面８ａに渦電流を発生させる。よって、回転体２の一主面２ｄと移動体８の一側面８ａとの間のギャップは、回転体２の各磁極２ｂからの磁束が移動体８に到達可能な範囲内に制限される。

永久磁石２ａの各磁極２ｂは、対向する移動体８の一側面８ａに向かう方向またはその反対方向に磁化されている。また、永久磁石２ａの隣接する磁極２ｂ同士の磁化方向は逆である。図３では、永久磁石２ａの各磁極２ｂの磁化方向を矢印で示している。図３及び図４に示すように、回転体２の第１側面２ｄには、周状にＮ極とＳ極が交互に並んでいる。また、回転体２の移動体８に対向する一側面２ｄとは反対側の側面は、一側面２ｄとは逆極性になる。

図４は、回転体２の第１側面２ｄの表面速度が、対向する移動体８の位置側面８ａの表面速度より遅くなるように、回転制御部４とモータ３で制御されている場合の、移動体８の一側面８ａに発生する渦電流５ｄ，５ｅにより回転体２に回転駆動力が加わる原理を説明する図である。回転体２の第１側面２ｄ上に周状に並ぶ複数の磁極２ｂのうち、移動体８の一側面８ａに対向配置された磁極２ｂからの磁束は、移動体８の一側面８ａ方向に伝搬する。回転体２の第１側面２ｄと移動体８の一側面８ａとの間は、エアギャップであり、回転体２からの磁束はこのエアギャップを伝搬する。

移動体８が回転すると、移動体８の一側面８ａには、回転体２からの磁束の変化を妨げる方向に渦電流が生じ、この渦電流による磁束と回転体２からの磁束との相互作用（反発力および誘引力）により、回転体２に回転駆動力が加わる。

例えば、回転体２のＮ極が移動体８の一側面８ａに対向配置されている場合、Ｎ極の回転方向前方のエッジｅ１からの磁束が到達する移動体８の一側面８ａ部分に発生する渦電流５ｄの向きと、Ｎ極の回転方向後方のエッジｅ２からの磁束が到達する移動体８の一側面８ａ部分に発生する渦電流５ｅの向きとは相違している。Ｎ極の回転方向後方のエッジｅ２からの磁束により発生する渦電流５ｅは、Ｎ極からの磁束とは反対方向の磁束を発生させる向きに流れる。一方、Ｎ極の回転方向前方のエッジｅ１からの磁束が到達する移動体８の一側面８ａ部分に発生する渦電流５ｄは、Ｎ極からの磁束と同方向の磁束を発生させる向きに流れる。いずれの渦電流５ｄ，５ｅも、移動体８の回転に伴う回転体２からの磁束の変化を妨げる方向に流れる。

上述したように、回転体２のＮ極の回転方向前方のエッジｅ１側では、渦電流５ｄによる磁束と回転体２のＮ極からの磁束との方向が同じになることから、互いに引き寄せ合う誘引力が働く。一方、回転体２のＮ極の回転方向後方のエッジｅ２側では、渦電流５ｅによる磁束と回転体２のＮ極からの磁束とは反対方向になることから、互いに反発し合う反発力が働く。回転体２の第１側面２ｄの表面速度が、対向する移動体８の一側面８ａの表面速度より遅い場合には、上述した、回転体２と渦電流５ｄ、５ｅの関係が常に成り立つ。これにより、回転体２には、対向する移動体８の一側面８ａの移動表面の移動方向に応じた回転駆動力が加わる。

なお、上述した回転体２に加わる回転駆動力の原理は、ローレンツ力による反力にて説明することもできる。上述したように、回転体２のＮ極の回転方向前方のエッジｅ１からの磁束による発生する渦電流５ｄと、回転体２の回転方向後方のエッジｅ２からの磁束による発生する渦電流５ｅとは、電流の向きが逆になっていて、Ｎ極の直下には常に一定方向の電流が流れる。これら渦電流５ｄ，５ｅによる電流は、移動体８が図４の矢印の向きに回転する場合には、移動体８の回転方向とは反対方向のローレンツ力を受ける。よって、これら渦電流５ｄ，５ｅによる磁束を受ける回転体２には、移動体８の回転方向への、ローレンツ力の反力を受けて回転駆動力が加わる。

なお、図４の渦電流および磁力の矢印の向きは、回転体２が移動体８の表面速度よりも遅い速度で回転する場合を示しており、モータ３の回転駆動力にて回転体２を移動体８の表面速度よりも速い速度で回転させる場合には、渦電流および磁力の矢印の向きは図４とは逆になる。

次に、移動体８の移動または回転速度を推測する手順を説明する。上述したように、回転体２には、移動体８の移動または回転速度と、回転体２の回転速度との相対速度差に応じた回転駆動力が加わる。

図５は移動体８の移動速度と回転体２の最大回転速度との相関関係を表すグラフである。図５の横軸は移動体８の移動速度ｖ２（ｋｍ／ｈ）、縦軸は回転体２の最大回転速度ω1max（ｒａｄ／ｓ）である。回転体２の最大回転速度ω1maxとは、モータ３の回転駆動力なしで回転体２が回転する際の最大回転速度ω1maxである。回転体２の最大回転速度ω1maxは、以下の（１）式で表される。

ω1max(ｇ，ｖ2)＝ｋ1(ｇ)・ｖ2 …（１）

上記（１）式において、ｖ2は移動体８の移動または回転速度、ｇは移動体８と回転体２とのギャップ、ｋ1はギャップｇに依存する比例係数である。（１）式からわかるように、回転体２の最大回転速度ω1maxは、ギャップｇと移動体８の移動または回転速度ｖ2に依存する。

図５のグラフは、移動体８と回転体２とのギャップｇが１０ｍｍの場合の特性を示している。ギャップｇが変わると、図５のグラフの傾きが変化する。ギャップｇとは、移動体８と回転体２の対向面同士の最短距離を指す。

図５のグラフからわかるように、回転体２の最大回転速度ω1maxと、移動体８の移動速度とは、線形の関係にあり、移動体８の移動速度が変化すると、その変化に同期して、回転体２の回転速度が線形に変化する。図５では、移動体８が一方向または複数方向に移動する例を示したが、移動体８が回転する場合であっても、移動体８の回転速度と回転体２の回転速度とは線形の関係になる。

図６は回転体２の回転速度とモータ３の回転軸に加わるトルクとの相関関係を表すグラフである。図６の横軸は回転体２の回転速度ω１（ｒａｄ／ｓ）、縦軸はトルクＴorque（Nmm）である。図６では、移動体８と回転体２とのギャップを変化させた場合の回転体２の回転速度とトルクとの相関関係が別々のグラフで示されている。図６の各グラフからわかるように、ギャップが小さいほど、同じ回転速度でのトルクは大きくなる。また、同じギャップでは、回転体２の回転速度が大きくなるほど、トルクは小さくなる。回転体２の回転速度の変化に対するトルクの変化の割合は、ギャップが小さいほど大きくなる。図６の各グラフの横軸との交点が最大回転速度ω1maxを表している。最大回転速度ω1maxでは、トルクは０である。これは、モータ３による回転駆動力を加えない場合でも、回転体２が回転することを示している。このときの回転体２の回転速度が最大回転速度ω1maxになる。

図６からわかるように、トルクＴ1は、以下の（２）式で表される。

Ｔ1≒ｋ2(ｇ)・(ω1max(ｇ，ｖ2)−ω1)＝ｋ2(ｇ)・(ｋ1(ｇ)・ｖ2−ω1) …（２）

ｋ2はギャップに依存する比例係数、ω1は回転体２の回転速度である。（２）式からわかるように、トルクＴ1は、回転体２の回転速度ω1、移動体８の移動または回転速度ｖ2、および移動体８と回転体２とのギャップｇに依存する関数Ｔ1(ω1，ｖ2，ｇ)である。

図７はモータ３を流れる電流とモータ３の回転軸に加わるトルクとの相関関係を示すグラフである。図７の横軸はモータ３を流れる電流（Ａ）であり、より詳しくはモータ３の回転トルクに寄与する電流である。縦軸はトルク（Nmm）である。図７からわかるように、トルクとモータ３を流れる電流とは線形な関係にあり、モータ３を流れる電流が多いほど、トルクが大きくなる。図７のグラフの傾きは、使用するモータ３固有の比例定数であり、モータ３の種類によって比例定数は変化する。

移動速度推測部６は、電流検出部５によって検出されたモータ３を流れる電流を用いて、図７のグラフからトルクを検出し、続いて、検出したトルクに対応する回転体２の最大回転速度ω1maxを図６のグラフから検出し、続いて、検出した回転体２の最大回転速度ω1maxに対応する移動体８の移動速度を図５のグラフから検出することができる。このように、モータ３を流れる電流がわかれば、移動体８の移動速度を検出することができる。

図５〜図７より、移動体８の移動または回転速度の推測値ｖ2,estは、以下の（３）式で表される。

ｖ2,est＝Ｔ1^-1(ω1，Ｔ1，ｇ)＝ｖ2(ω1，Ｔ1，ｇ) …（３）

（３）式からわかるように、移動体８の移動または回転速度の推測値ｖ2,estは、回転体２の回転速度ω1、トルクＴ1、およびギャップｇをパラメータとする関数である。

図６のグラフからわかるように、移動体８と回転体２とのギャップが変化すると、回転体２の回転速度とトルクとの相関関係も変化する。よって、移動体８と回転体２のギャップを予め把握しておく必要がある。移動体８の移動または回転によってギャップが変化しない場合には、予め検出したギャップに基づいて、図６から回転体２の回転速度とトルクとの相関関係を取得することができる。

一方、移動体８の移動または回転によってギャップが変動する可能性がある場合は、現時点でのギャップを検出する必要がある。ギャップを検出するには、移動体８の移動または回転速度が同一であり、且つギャップが同一であると考えられる程度のごく短い時間に連続して、回転体２の回転速度を少なくとも２つの異なる値に制御し、その際のそれぞれの回転速度の時のトルクＴ１を検出すればよい。上述したように、回転体２の回転速度は回転制御部４にて制御することができ、トルクＴ１はモータ３を流れる電流を電流検出部５にて検出すれば図７のグラフから求めることができる。よって、ごく短い時間に、複数回にわたって回転体２の回転速度を制御し、モータ３を流れる電流を検出し、検出された電流と、図６および図７のグラフから、回転体２の回転速度の変化に対するトルク変化の割合を検出し、この割合からギャップを推測する。図６からわかるように、ギャップごとに、回転体２の回転速度の変化に対するトルク変化の割合が異なるため、モータ３を流れる電流の実測値から上述した割合を検出されば、ギャップを精度よく推測できる。
ギャップは、（３）式を用いて算出することもできる。移動体８の移動または回転速度が同一であり、且つギャップが同一であると考えられる程度のごく短い時間に連続して、回転体２の回転速度を少なくとも２つの異なる値に制御し、その際のそれぞれの回転速度の時のトルクＴ１を検出する。それぞれ検出した値を（３）式に代入すれば、２変数（ｖ２，ｇ）の連立方程式が得られる。この連立方程式を解くことで、速度ｖ２とギャップｇを同時に求めることができる。ただし、この場合には、（３）式の関数が明らかになっている必要がある。

図８Ａは移動体８の移動または回転速度の時間変化を示す波形、図８Ｂは回転体２の回転速度の時間変化を示す波形、図８Ｃはモータ３の回転軸に加わるトルクまたはモータ３を流れる電流の時間変化を示す波形、図８Ｄは移動体８の移動または回転速度を推測した推測波形である。

図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃおよび図８Ｄの各波形からわかるように、回転体２の回転速度が一定になるように回転制御部４にて制御した状態で、移動体８の移動または回転速度が変化すると、それに応じて、モータ３の電流およびトルクが変化し、モータ３の電流変化を電流検出部５にて検出することで、図５〜図７のグラフから、移動体８の移動または回転速度を精度よく推測することができる。

なお、回転体２と移動体８とは、対向面同士の一部が重なり合っており、重なり具合が変化すると、移動体８と回転体２との磁気結合度合が変化して、図５や図６のグラフの傾きが変化してしまう。したがって、図５のような移動体８の移動速度と回転体２の最大回転速度との相関関係を表すグラフを求める際は、ギャップを含めた移動体８と回転体２との磁気結合度合を所定値に設定しておく必要がある。移動体８と回転体２との磁気結合度合は、移動体８と回転体２とのギャップや、移動体８と回転体２との対向面同士の重なり具合などによって変化する。あるいは、移動体８や回転体２との対向面に異物が付着した場合や、移動体８と回転体２との間に何らかの磁気遮蔽部材を配置した場合も変化する。図６のグラフについても、本来的には、ギャップだけでなく、種々の要因で移動体８と回転体２との磁気結合度合を複数通りに変化させた場合のそれぞれについて、回転体２の回転速度とトルクとの相関関係を求めておくのが望ましい。

図９は図１の速度検出装置１に相関関係検出部１１と磁気結合度合推測部１２を追加したブロック図である。相関関係検出部１１は、モータ３を流れる電流と移動体８の移動または回転速度との相関関係を検出する。より具体的には、相関関係検出部１１は、回転体２と移動体８との複数の磁気結合度合についての、トルクと回転体２の回転速度との相関関係と、回転体２の回転速度と移動体８の移動または回転速度との相関関係とを検出する。

磁気結合度合推測部１２は、連続して複数回異なる回転体の回転数の時に検出されたモータ３を流れる電流と、各回における相関関係検出部１１で検出された各相関関係と、に基づいて、磁気結合度合を推測する。

図９の移動速度推測部６は、電流検出部５にて検出された電流と、磁気結合度合推測部１２にて推測された磁気結合度合と、相関関係検出部１１で検出された相関関係と、に基づいて、移動体８の移動または回転速度を推測する。

移動体８の移動または回転速度が推測されると、その速度を微分することで加速度情報を検出でき、移動体８の移動または回転速度を積分することで、移動体８の位置情報を検出できる。

このように、第１の実施形態では、移動体８の移動または回転方向に応じて回転駆動力を受ける回転体２に対して、モータ３から回転駆動力を付与し任意の回転数に制御した状態でモータ３を流れる電流を検出し、その電流によりモータ３のトルクを検出し、検出したトルクにより回転体２の最大回転速度を検出し、検出した最大回転速度により移動体８の移動または回転速度を検出するため、モータ３を流れる電流および回転体２の回転速度によって、移動体８の移動または回転速度を検出できる。

移動体８の移動または回転速度を検出するには、通常は移動体８に速度検出のための永久磁石や、エンコーダ用の光学スリットリングや、近接センサ用の検出歯車などを取り付けるが、移動体８への追加加工が許容されない場合であっても、本実施形態によれば、移動体８の近傍に回転体２を対向配置して、モータ３の電流を検出することにより、移動体８の移動または回転速度を精度よく推測できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、回転体２の回転エネルギを電気エネルギに変換して蓄電器に蓄電しておき、蓄電された電気エネルギを利用して、移動体８の移動または回転速度を推測するものである。

図１０は第２の実施形態による速度検出装置１の概略構成を示すブロック図である。図１０の速度検出装置１は、図１の構成に加えて、蓄電器１３を備えている。図１０のモータ３も、図１のモータ３と同様に、発電機として機能したり、いわゆるモータとして機能したりする。

モータ３は、回転体２の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する。蓄電器１３は、モータ３が変換した電気エネルギを蓄電する。蓄電器１３が蓄電した電気エネルギは、検出器９および移動速度推測部６の少なくとも一方の電力源として用いられる。蓄電器１３は、図９の速度検出装置１に追加してもよい。

図１１は図１０の速度検出装置１を備えた非接触発電機２０の分解斜視図、図１２は図１１の非接触発電機２０の断面図である。図１１の非接触発電機２０内のロータ２１と、第２永久磁石２２ａを有する第２回転体２２と、ステータ２３と、コイル２４は、発電機の一部を構成するとともに、速度検出装置１の一部を兼ねている。以下では、速度検出装置１内の回転体２および永久磁石２ａをそれぞれ第１回転体２および第１永久磁石２ａと呼び、非接触発電機２０内の第２回転体２２および第２永久磁石２２ａと区別する。

速度検出装置１、ケース（保護部材）２５によって覆われている。ステータ２３は、実装プレート２６上に固定されている。ケース２５や実装プレート２６は、必須の構成部品ではなく、その形状やサイズも任意である。

第１回転体２、ロータ２１および第２回転体２２は、いずれも共通の回転軸２７回りに回転自在とされている。この回転軸２７回りに、第１回転体２、ロータ２１および第２回転体２２は一体に回転する。より詳細には、ロータ２１は、ベアリング２８を介して回転軸２７に回転自在に支持されている。第１回転体２、ロータ２１および第２回転体２２の径サイズは、同じでも、それぞれ異なっていてもよい。典型的な一例では、ロータ２１と第２回転体２２は接続されている。あるいは、第１回転体２、ロータ２１および第２回転体２２を物理的に接続してもよい。回転軸２７の周囲にはベアリング２８が配置されており、回転軸２７は移動体８の回転方向に合わせて、時計回りまたは反時計回りに回転する。図１１および１２の例では、第１回転体２とロータ２１の径サイズを略同一とし、第２回転体２２の径サイズをロータ２１よりも小さくしている。これにより、ロータ２１の内周面の内側に第２回転体２２を収納できるようにしている。

第２回転体２２は、図１１に示すように、周方向に複数の磁極２ｂが配置された円環状の第２永久磁石２２ａを有する。第２永久磁石２２ａの磁極数は特に問わない。

円環状の第２永久磁石２２ａの内周面の内側には、ステータ２３が配置されている。ステータ２３は、固定されており、第２永久磁石２２ａの中心から放射状に伸びる複数のティース２３ａを有する。ステータ２３は、磁性体で形成されており、各ティース２３ａにはコイル２４が巻回されている。これらコイル２４は、第２永久磁石２２ａからの磁束が鎖交する位置に配置されており、鎖交した磁束の変化量に応じた誘導起電力を発生させる。放射状に伸びるティース２３ａの先端位置と第２永久磁石２２ａの内周面との間にはギャップが設けられている。

モータ３は、第２回転体２２とステータ２３とコイル２４とを含んで構成されている。移動体８の移動または回転により第１回転体２が回転すると、第１回転体２と一体にロータ２１と第２回転体２２も回転する。これにより、ステータ２３のティース２３ａに巻回されたコイル２４には、周期的に方向が変化する交番磁束が鎖交し、コイル２４に誘導起電力が発生する。このように、モータ３は、第１回転体２の回転エネルギを、第２回転体２２を介して、コイル２４に流れる誘導起電力に変換する機能を持っている。なお、ロータ２１は、磁性材料で形成されており、第１回転体２と第２回転体２２のヨークとしても機能する。これにより、第１永久磁石２ａと第２永久磁石２２ａで生じた磁束の漏れを防止でき、発電効率が向上する。

速度検出装置１内の回転制御部４、電流検出部５、移動速度推測部６、検出器９および蓄電器１３は、図１２に示すように、例えば実装プレート２６などの、第１回転体２の近傍で、かつ静止体上に配置されている。静止体上であればよいため、実装プレート２６に限られるわけではなく、ケース２５などに配置されていてもよいし、ケーブルで接続して別体としてもよい。

第２永久磁石２２ａとステータ２３は、移動体８と第１永久磁石２ａとの相対的な形状および位置関係により第１永久磁石２ａに発生するコギングトルクの少なくとも一部を相殺する機能を兼ねるようにしてもよい。

図１１や図１２に示すように、速度検出装置１内の第１回転体２をケース２５で覆う場合、ケース２５内の第１永久磁石２ａの磁力に引きつけられて、ケース２５の外表面に磁性体が付着しやすくなる。特に、移動体８が列車の車輪の場合、レールとの接触により、車輪が削れて、その削り屑がケース２５の外表面に付着しやすくなる。ケース２５の外表面に付着した削り屑等の磁性体は、移動体８と回転体２との磁気結合度合を変動させる要因となる。ケース２５内部の回転体２は、移動体８の移動または回転に応じて回転するため、ケース２５の外表面に付着した磁性体も、回転体２の回転に応じて回転し、遠心力によりケース２５の外表面から外側に飛散することが期待できる。ただし、油分や水分を含む粘着性の高い磁性体や、回転体の回転中心付近に付着した遠心力をあまり受けない部分の磁性体は、飛散せずにケース２５の外表面に留まる可能性がある。よって、ケース２５の外表面に付着した磁性体を除去する磁性体除去部を設けてもよい。磁性体除去部の具体的な機構は問わないが、例えば車両のワイパに類似した機構にしてもよい。また、蓄電器１３に蓄電した電気エネルギを利用して、磁性体除去部を駆動してもよい。また、ケース２５の外表面に溝や突起などのガイドを設けて、回転している磁性体がガイドに沿って移動し、ケース２５の外周方向へ飛散するようなケース形状としてもよい。

このように、第２の実施形態では、移動体８の移動または回転による運動エネルギを回転体２の回転エネルギに変換し、回転体２の回転エネルギをモータ３にて電気エネルギに変換して蓄電器１３に蓄電する。そして、蓄電器１３に蓄電された電気エネルギを利用して、速度検出装置１を駆動して、移動体８の移動または回転速度を測定する。これにより、外部電源を確保できない環境下であっても、移動体８の移動または回転速度を推測でき、速度検出装置１の適用範囲を拡げることができる。また、外部電源と速度検出装置１を繋ぐケーブルも不要となるため、速度検出装置１の設置場所についての制約も少なくなる。

上述した第１および第２の実施形態では、移動体８の一側面８ａを回転体２の一主面２ｄに対向配置する例を示したが、移動体８と回転体２との配置は上述したものに限定されない。本開示による速度検出装置１は、移動体８の移動または回転方向に応じて発生するローレンツ力によって回転する永久磁石２ａを有する回転体２を備えていれば、上述した構造以外の構造であっても、適用可能である。

図１３Ａは速度検出装置１の第１変形例を示す図である。図１３Ａの速度検出装置１は、回転軸周りに回転する永久磁石２ａを有する回転体２と、２個のコイル（第１コイル３１ａと第２コイル３１ｂ）と、ヨーク３２とを備えている。

永久磁石２ａは、回転または移動する移動体８の一主面８ａ上に離隔して対向配置され、移動体８の回転または移動方向に応じて回転する。永久磁石２ａは、少なくとも２個の磁極２ｂを有し、各磁極２ｂの磁化方向は、永久磁石２ａの外周面の法線方向である。

永久磁石２ａの外周面２ｃは、移動体８の一主面８ａから離隔して配置されており、永久磁石２ａは、移動体８の一主面８ａに接触することなく、回転自在とされている。図１３Ａの例では、２個のコイルのうち一方の第１コイル３１ａは、移動体８の回転または移動方向に対して永久磁石２ａの後方側に配置されている。２個のコイルのうち他方の第２コイル３１ｂは、移動体８の回転または移動方向に対して永久磁石２ａの前方側に配置されている。第１および第２コイル３１ａ，３１ｂは、移動体８の一主面８ａ上に離隔して配置されている。

また、図１３Ａの例では、第１および第２コイル３１ａ，３１ｂの内部と上部には、コの字状のヨーク３２が配置されている。ヨーク３２と永久磁石２ａとの間には隙間があり、同様に、永久磁石２ａと第１および第２コイル３１ａ，３１ｂとの間にも隙間がある。これら隙間はエアギャップである。よって、永久磁石２ａは、移動体８の一主面と、第１および第２コイル３１ａ，３１ｂと、ヨーク３２とで囲まれる領域内で回転する。

図１３Ｂは速度検出装置１の第２変形例を示す図であり、１個のコイル３１で発電を行う例を示す図である。永久磁石２ａの上方には、ヨーク３２に巻回されたコイル３１が配置されている。ヨーク３２は永久磁石２ａの上方から移動体８の移動方向の両側に延びて、永久磁石２ａを取り囲むように配置されている。コイル３１は、永久磁石２ａからの磁束のほぼすべてを鎖交させるため、必ずしも複数のコイル３１を設ける必要はない。なお、コイル３１を配置する場所は、永久磁石２ａからの全磁束が集中する場所（例えば、永久磁石２ａのＮ極とＳ極の少なくとも一方の近傍）であればよい。

図１３Ａと図１３Ｂのいずれにおいても、永久磁石２ａを有する回転体２の回転軸に、図１と同様のモータ３を接続し、さらに、回転制御部４、電流検出部５および移動速度推測部６を設けることで、移動体８の移動速度を推測することができる。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１ 速度検出装置、２ 回転体、２ｂ 磁極、３ モータ、４ 回転制御部、５ 電流検出部、６ 移動速度推測部、７ 電源部、８ 移動体、９ 検出器、１１ 相関関係検出部、１２ 磁気結合度合推測部、１３ 蓄電器、２０ 非接触発電機、２１ ロータ、２２ 第２回転体、２２ａ 第２永久磁石、２３ ステータ、２４ コイル、２５ ケース、２６ 実装プレート、２７ 回転軸、２８ ベアリング、３１ａ 第１コイル、３１ｂ 第２コイル、３２ ヨーク

Claims (12)

1. 回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する永久磁石を有する回転体と、
   前記回転体に回転駆動力を付与するモータと、
   前記モータが前記回転体に付与する前記回転駆動力を制御して、前記回転体の回転速度を可変制御する回転制御部と、
   前記ローレンツ力による回転駆動力を受けている前記回転体を任意の回転速度で回転させる際に前記モータに流れる電流値を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部にて検出された電流値に基づいて、前記移動体の移動または回転速度を推測する移動速度推測部と、を備える、速度検出装置。
2. 前記回転制御部は、前記回転体の回転速度が可変可能な所定の回転速度になるように前記回転駆動力を制御する、請求項１に記載の速度検出装置。
3. 前記回転制御部は、前記移動速度推測部により推測された前記移動体の移動または回転速度に基づいて、前記モータに付与する回転駆動力を制御して、前記回転体の回転速度を前記所定の回転速度に制御する、請求項２に記載の速度検出装置。
4. 前記電流検出部にて検出された電流値と前記移動体の移動または回転速度との相関関係を検出する相関関係検出部を備え、
   前記移動速度推測部は、前記電流検出部にて検出された電流と、前記相関関係と、に基づいて、前記移動体の移動または回転速度を推測する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の速度検出装置。
5. 前記移動速度推測部は、前記電流検出部にて検出された電流値と前記モータの回転軸に加わるトルクとの相関関係と、前記回転体と前記移動体との磁気結合度合に応じた前記トルクと前記回転体の回転速度との相関関係と、前記磁気結合度合に応じた前記回転体の回転速度と前記移動体の移動または回転速度との相関関係と、に基づいて、前記移動体の移動または回転速度を推測する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の速度検出装置。
6. 前記回転体と前記移動体との複数の磁気結合度合についての、前記トルクと前記回転体の回転速度との相関関係と、前記回転体の回転速度と前記移動体の移動または回転速度との相関関係とを検出する相関関係検出部と、
   前記回転体の回転速度が変化する状況で連続して複数回検出された前記電流検出部にて検出された電流値と、各回における前記相関関係検出部で検出された各相関関係と、に基づいて、前記磁気結合度合を推測する磁気結合度合推測部と、を備え、
   前記移動速度推測部は、前記電流検出部にて検出された電流と、前記磁気結合度合推測部にて推測された前記磁気結合度合と、前記相関関係検出部で検出された相関関係と、に基づいて、前記移動体の移動または回転速度を推測する、請求項５に記載の速度検出装置。
7. 前記磁気結合度合は、前記回転体と前記移動体とのギャップである、請求項５または６に記載の速度検出装置。
8. 前記磁気結合度合は、前記回転体と前記移動体との対向面同士の重なり具合である、請求項５または６に記載の速度検出装置。
9. 前記回転体は、前記移動体の外周面に連なる一側面を前記一主面として、前記移動体から離隔して対向配置される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の速度検出装置。
10. 前記移動体の一主面に対向する面を含めて、前記回転体の外表面の少なくとも一部を覆う保護部材と、
    前記保護部材のうち、前記移動体の一主面に対向される面に付着された磁性体を除去する磁性体除去部と、を備える、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の速度検出装置。
11. 前記永久磁石は、前記移動体に対向配置される２つ以上の磁極を有する、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の速度検出装置。
12. 前記モータは、前記回転体の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機として機能し、
    前記発電機が変換した電気エネルギを蓄電する蓄電器をさらに備え、
    前記蓄電器が蓄電した電気エネルギは、前記モータ、前記回転制御部、前記電流検出部および前記移動速度推測部の少なくとも一つの電力源として用いられる、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の速度検出装置。