JP7001385B2

JP7001385B2 - 速度検出装置及び速度検出方法

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Publication number: JP7001385B2
Application number: JP2017152721A
Authority: JP
Inventors: ミヒャエル、フランクル; アルダ、トウスズ; ヨハン、ベー．コラー; 裕介塚田; 和人中村
Original assignee: Nabtesco Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2017-08-07
Publication date: 2022-01-19
Anticipated expiration: 2037-08-07
Also published as: EP3450987A3; EP3450987A2; JP2019032215A; CN109387664A; EP3450987B1; CN109387664B

Description

本発明は、非接触で速度を検出する速度検出装置と、浮遊磁界抑制方法とに関する。

非接触式の速度センサは、機械加工、組み立て、移動体など、広範囲の産業分野で使用されている。一般的に、これらの速度センサは、光学（カメラ、エンコーダ）若しくは電磁気（磁気抵抗、ホール素子）の技術を応用したものである。すなわち、従来の速度センサは、計測対象の移動体の光学的または磁気的な不連続特性の時間変化から速度を算出する。このため、不連続特性を持たない完全に平坦な移動体に対しては速度計測が不可能である。

完全に平坦な移動体の移動速度を検出する方式として、渦電流による誘起電力を利用した速度センサが知られている（特許文献１、２参照）。この種の速度センサでは、励磁コイルによる磁束中を移動体が移動することにより移動体上に発生する渦電流による磁束を２つの検出コイルで検出する。移動体の速度に応じて、２つの検出コイルの誘起電圧に差違が生じるため、誘起電圧同士の差分電圧を検出して、速度を推定する。

特開平８－２３３８４３号公報特開平８－１４６０２４号公報

励磁コイルに流れる交流電流によって移動体上に発生される渦電流と、この渦電流による磁束によって検出コイルに発生される誘起電圧はそれほど大きくないため、励磁コイルと検出コイルの周囲にヨークを設けて、磁束の漏れを防止して磁気効率を向上させるのが望ましい。

しかしながら、ヨークの形状や、励磁コイルと検出コイルの配置、移動体までの距離などの種々の条件を最適化しないと、移動体の移動速度を精度よく検出することはできない。

特に、上述した渦電流による誘起電力を利用した速度センサでは、励磁コイルで発生された磁束のうち検出コイルを鎖交しない磁束の割合が増えると、移動体が移動時に発生される渦電流の大きさが小さくなり、移動体の移動速度を精度よく検出できなくなる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、非接触で精度よく移動体の速度を検出可能な速度検出装置及び浮遊磁界抑制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、交流電流に応じた磁束を発生するｎ個（ｎは３以上の整数）の励磁コイルと、
前記磁束中を移動する導体からなる移動体の移動速度に応じて前記移動体上に発生される渦電流による磁束に応じた誘起電圧を発生する複数の検出コイルと、
前記複数の検出コイルに発生される誘起電圧に基づいて、前記移動体の移動速度を推定する速度推定部と、を備え、
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ｎ個の励磁コイルを流れる交流電流により発生される磁束が前記複数の検出コイルの少なくとも一つを鎖交するように配置される、速度検出装置が提供される。

前記ｎ個の励磁コイルのうち一つの励磁コイルを除く他の励磁コイルと、前記複数の検出コイルとは、前記一つの励磁コイルを挟んで第１方向の両側と、前記第１方向に交差する第２方向の両側とに配置されてもよい。

前記ｎ個の励磁コイルを流れる交流電流により発生される磁束が通過するヨークを備え、
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ヨークの周囲に配置されてもよい。

前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルのうち少なくとも一つは、前記ヨークに巻回されていてもよい。

前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルのうち一部のコイルは、前記ヨークの第１幅方向に巻回され、残りの少なくとも一部のコイルは、前記ヨークの前記第１幅方向に交差する第２幅方向に巻回されていてもよい。

前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ヨークの一方向に沿って配置されており、
前記一方向の両側に２つの前記検出コイルが配置されており、
前記２つの検出コイルの間に前記ｎ個の励磁コイルが配置されていてもよい。

前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ヨークの一方向に沿って配置されており、
前記一方向の両側に２つの前記励磁コイルが配置されており、
前記２つの励磁コイルの間に前記複数の検出コイルが配置されていてもよい。

前記励磁コイルに電流を流す第１期間と、電流を流さない第２期間とを交互に設け、前記速度推定部が前記移動体の移動速度を推定するのに必要な時間長さ以上に前記第１期間を設定する電流制御部を備えてもよい。

前記速度推定部は、前記第１期間が開始されてから所定時間が経過した後に前記移動体の移動速度を推定してもよい。

前記励磁コイルを含み、前記交流電流の周波数で共振する第１共振回路を備えてもよい。

前記検出コイルを含み、前記交流電流の周波数と同じ共振周波数で共振する第２共振回路を備えてもよい。

前記交流電流は、前記移動体を備える機器の振動を含めた前記移動体の周囲の環境ノイズの周波数帯域とは異なる周波数を有してもよい。

前記移動体の周囲の環境ノイズを検出する環境ノイズ検出部と、
前記交流電流の周波数を、前記環境ノイズ検出部にて検出された環境ノイズの周波数帯域とは異なる周波数に調整する励磁周波数調整部と、を備えてもよい。

前記移動体は、列車の車輪であり、
前記交流電流は、前記列車の振動周波数帯域とは異なる周波数を有してもよい。

前記交流電流は、正弦波波形を有してもよい。

前記ｎ個の励磁コイルは、前記ｎ個の励磁コイルのうち中央の励磁コイルを鎖交する磁束を集中させ、前記中央の励磁コイル以外の励磁コイルから外側に向かう磁束を互いに打ち消し合うように前記交流電流を流してもよい。

前記ｎ個の励磁コイルは、第１方向に沿って順に配置された第１～第３励磁コイルを有し、
前記第１励磁コイルにより発生される磁束の向きは、前記第２励磁コイルにより発生される磁束の向きとは逆であり、
前記第３励磁コイルにより発生される磁束の向きは、前記第２励磁コイルにより発生される磁束の向きとは逆であり、
前記第１励磁コイルの前記第１方向とは反対方向側では、前記第１励磁コイルの磁束と前記第２励磁コイルの磁束とが打ち消し合い、
前記第１励磁コイルの前記第１方向側では、前記第１励磁コイルの磁束と前記第２励磁コイルの磁束とが強め合い、
前記第３励磁コイルの前記第１方向では、前記第２励磁コイルの磁束と前記第３励磁コイルの磁束とが打ち消し合い、
前記第３励磁コイルの前記第１方向とは反対側では、前記第２励磁コイルの磁束と前記第３励磁コイルの磁束とが強め合ってもよい。

本発明の一態様では、ｎ個（ｎは３以上の整数）の励磁コイルにより、交流電流に応じた磁束を発生し、
複数の検出コイルにより、前記磁束中を移動する導体からなる移動体の移動速度に応じて前記移動体上に発生される渦電流による磁束とに応じた誘起電圧を発生し、
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ｎ個の励磁コイルを流れる交流電流により発生される磁束が前記複数の検出コイルの少なくとも一つを鎖交するように配置される、浮遊磁界抑制方法が提供される。

本発明によれば、非接触で精度よく移動体の速度を検出できる。

一実施形態による速度検出装置の基本原理を説明する図。渦電流の対称性を示す図。渦電流の非対称性を示す図。移動体を移動させた場合の渦電流による磁束の通過経路を示す図。差分電圧の波形図。速度推定部の出力信号の波形図。励磁コイルを流れる交流電流の波形図。第１変形例による速度検出装置を示す図。第２変形例による速度検出装置を示す図。図１の速度検出装置の磁束の経路を示す図。一実施形態による速度検出装置を示す図。図７の速度検出装置の磁束の経路を示す図。図７の第１変形例による速度検出装置１を示す図。図７の速度検出装置をより簡略化した第１例を示す図。図７の速度検出装置をより簡略化した第２例を示す図。図１１の一変形例を示す図。本実施形態による速度検出装置を上方から見た模式的な平面図。中央の励磁コイルを円環状にし、周囲の励磁コイルを三日月形状にした例を示す図。図９の速度検出装置を二次元方向に配置した場合の平面図。共振回路の一例を示す回路図。図１６の回路構成に加えて、検出コイルも共振回路構成にした図。図１に電流制御部を追加した速度検出装置を示す図。励磁コイルに流れる交流電流の波形図。

以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

さらに、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

＜基本原理＞
図１は本実施形態による速度検出装置１の基本原理を説明する図である。図１の速度検出装置１は、励磁コイル２と、２つの検出コイル３と、速度推定部４とを備えている。２つの検出コイル３の巻数は同数である。励磁コイル２の数と検出コイル３の数は任意であるが、図１では、励磁コイル２が１個で、検出コイル３が２個の例を示している。励磁コイル２は、交流電流に応じた磁束を発生する。検出コイル３は、磁束中を移動する導体からなる移動体６の移動速度に応じて移動体６上に発生される渦電流による磁束に応じた誘起電圧を発生する。

励磁コイル２と２つの検出コイル３は、ヨーク５の周囲に配置されている。ヨーク５は、励磁コイル２と２つの検出コイル３を鎖交する磁束を集中的に通過させる磁束集中部材である。より具体的には、ヨーク５の一方向（長手方向）に沿って、励磁コイル２を挟んで両側に２つの検出コイル３が配置されている。ヨーク５は、図１に示すように、３つの凸状部５ａを備えており、これら凸状部５ａに励磁コイル２と２つの検出コイル３が巻回されている。後述するように、ヨーク５の形状は任意であり、図１のヨーク５は一例にすぎない。各凸状部５ａに各コイルを巻回することで、磁束の漏れを抑制できる。また、各凸状部５ａに銅線を巻き付けるだけで各コイル２，３を生成できるため、作業性がよくなる。

ヨーク５の凸状部５ａの先端部からギャップを隔てて移動体６が配置されている。この移動体６は導体である。移動体６は、導体であればよく、磁性体でも非磁性体でもよい。移動体６は、一方向（ヨーク５の長手方向）に移動自在とされている。ギャップは、典型的にはエアギャップであるが、本明細書では単にギャップと呼ぶ。以下では、ギャップが、励磁コイル２と移動体６との距離、および検出コイル３と移動体６との距離に等しいものとする。

速度検出を行う際には、励磁コイル２に所定の周波数の交流電流が供給される。この交流電流は、等価的には図１に示すように電流源１５から供給される。検出コイル３に流れる交流電流によって磁束が発生し、この磁束は、移動体６を通って検出コイル３を鎖交して励磁コイル２に戻る経路ｐ１，ｐ２に沿って流れる。図１は、移動体６が停止している例を示している。本実施形態では、紙面の裏から表に向かう方向の電流を「●」で表記し、紙面の表から裏に向かう方向の電流を「×」で表記する。また、磁束のＮ極側を矢印の矢先にしている。

移動体６上には、励磁コイル２にて発生された磁束による渦電流が発生する。この渦電流は、励磁コイル２にて発生された磁束の変化を妨げる方向に磁束を発生するものである。渦電流は、励磁コイル２に流れる交流電流の振幅、周波数、励磁コイル２と移動体６とのギャップ、励磁コイル２の巻き数、移動体６の速度及び材料に応じて変化する。渦電流は、移動体６が停止している間は、図２Ａに示すように、励磁コイル２を挟んで両側で対称になる。

励磁コイル２の両側に設けられる２つの検出コイル３には、励磁コイル２を流れる交流電流による磁束と、移動体６上の渦電流による磁束とが鎖交する。移動体６が停止している状態では、２つの検出コイル３を鎖交する移動体６上の渦電流による磁束は同一である。よって、２つの検出コイル３を鎖交する磁束の総量は同一になり、各検出コイル３の誘起電圧は互いに打ち消し合って、速度推定部４に入力される電圧はゼロになる。よって、速度推定部４は移動体６が停止していると推定する。

ここで、図３に示すように、移動体６が矢印の向き（図示の右方向）に、移動速度ｖで移動すると、図２Ｂに示すように移動体６上の渦電流に歪みが生じる。図３では、図１と同様に、励磁コイル２を上向きに鎖交する磁束が発生する例を示している。この渦電流の歪は、移動体６が励磁コイル２により発生される磁束中を移動することで生じる。具体的には、移動体６上の渦電流は、移動体６が停止している状態で、励磁コイル２の磁束によって発生する渦電流と、移動体６が励磁コイル２の磁束中を移動することによって発生する渦電流との和になる。移動体６が励磁コイル２の磁界中を移動することによって発生する渦電流は主に、励磁コイル２の直下に紙面奥から手前方向の向きに流れる。この渦電流により発生される磁束は、移動体６の進行方向前方に配置された右側の検出コイル３を上向きに鎖交し、また移動体６の進行方向後方に配置された左側の検出コイル３を下向きに鎖交する。これにより、移動体６の進行方向前方の検出コイル３を鎖交する磁束量と、移動体６の進行方向後方の検出コイル３を鎖交する磁束量とに差違が生じ、２つの検出コイル３の誘起電圧の差分電圧がゼロでなくなる。移動体６の移動速度が速いほど、上述した検出コイル３を鎖交する磁束量の差異が大きくなり、その結果検出コイル３に発生する差電圧は大きくなる。よって、速度推定部４は、上述した差分電圧に応じて、移動体６の速度を推定することができる。

このように、移動体６が移動すると、励磁コイル２の両側の移動体６上で渦電流が非対称になり、この非対称性により、２つの検出コイル３を鎖交する磁束にわずかな差違が生じる。この磁束の差違が誘起電圧の差分電圧として検出される。

速度推定部４は、図１に示すように、バンドパスフィルタ７と、増幅復調部８とを有する。バンドパスフィルタ７は、２つの検出コイル３の誘起電圧同士の差分電圧に含まれるノイズを除去する。増幅復調部８は、バンドパスフィルタ７でフィルタリングした後の電圧信号に基づいて、移動体６の移動速度を検出する。

図４Ａは差分電圧ｕdiffの波形図、図４Ｂは速度推定部４の出力信号ｕlpの波形図、図４Ｃは励磁コイル２を流れる交流電流ｉinjの波形図である。図４Ａの波形ｗ１(ｖ1)と図４Ｂの波形ｗ２(ｖ1)は、移動体６が停止している状態を示し、図４Ａの波形ｗ１(ｖ2)と図４Ｂの波形ｗ２(ｖ2)は、移動体６がゆっくりとした速度ｖ２で移動している状態を示し、図４Ａの波形ｗ１(ｖ3)と図４Ｂの波形ｗ２(ｖ3)は、移動体６が速い速度ｖ３で移動している状態を示している。これらの波形図からわかるように、移動体６の移動速度が速くなるほど、差分電圧ｕdiffの振幅が大きくなり、速度推定部４の出力信号の振幅も大きくなる。よって、速度推定部４は、差分電圧ｕdiffの振幅により、移動体６の速度を推定できる。

ヨーク５の形状と、励磁コイル２および検出コイル３の配置は任意であり、種々の変形例が考えられる。図５Ａは第１変形例による速度検出装置１を示している。図５Ａの速度検出装置１は、長手方向の中央部に凸状部５ａを有するＴ型のヨーク５を備えており、この凸状部５ａに励磁コイル２が巻回されている。この励磁コイル２の両側には、２つの検出コイル３が配置されているが、２つの検出コイル３の巻回方向が図１とは９０度異なっている。すなわち、励磁コイル２はヨーク５の凸状部５ａの第１幅方向に巻回されており、２つの検出コイル３はヨーク５の本体部である第１幅に交差する第２幅方向に巻回されている。検出コイル３をヨーク５の本体部に巻回するため、ヨーク５の本体部を磁束が飽和しない程度に細くすることで、検出コイル３のサイズを増加させることなく、検出コイル３の巻数を増加させることができる。これにより、検出感度を向上できるため、移動体６の移動速度の変化を敏感に検出できる。その結果、励磁コイル２の電流を削減することができ、消費電力も削減できる。

図５Ｂは第２変形例による速度検出装置１を示している。図５Ｂは、図５Ａと比べて、励磁コイル２の巻回方向を９０度回転させた点で相違する。図５Ｂの励磁コイル２は、ヨーク５の本体部の第２幅方向に巻回されている。この構成では、第２幅を第１幅よりも小さくすることで、励磁コイル２と検出コイル３のコイル径を図１よりも小さくでき、各コイルの材料使用量を削減でき、各コイルの抵抗成分による電力損失を抑制できる。なお、各コイルの材料としては、例えば銅が用いられ、各コイルの巻線長が短いほど、銅損が少なくなる。また、図５Ｂでは各コイルがヨーク５の凸状部５ａではなく、本体部に直接巻回されており、凸状部５ａに巻回するための製造設備が不要となり、製造費用を削減できる。

なお、図１、図５Ａおよび図５Ｂでは、便宜上、電流源１５から励磁コイル２に交流電流ｉinjを流す例を示しているが、実際には、励磁コイル２に交流電圧源を接続して、励磁コイル２に交流電流ｉinjを流す。簡略化のため、本明細書では、電流源１５から励磁コイル２に交流電流ｉinjを流すものとして説明する。

＜浮遊磁界の抑制＞
図１に示すように、ヨーク５の長手方向に沿って、中央に励磁コイル２を配置し、その両側に２つの検出コイル３を配置し、励磁コイル２はヨーク５の長手方向長さの１／３を占めるようにした配置した場合、励磁コイル２の両端側から磁束の漏れが生じてしまう。この磁束の漏れにより、速度検出装置１の周囲に置かれた機器類に何らかの悪影響を与えるおそれがある。

図６は図１の速度検出装置１の磁束の経路を示す図である。図示のように、励磁コイル２を流れる交流電流ｉinjにより発生された磁束は、励磁コイル２の両側の検出コイル３を通過するだけでなく、検出コイル３の外側にも進行し、検出コイル３と鎖交しない磁束も発生する。本明細書では、検出コイル３と鎖交しない磁束を浮遊磁界と呼ぶ。

図７は速度検出装置１を示す図、図８は図７の速度検出装置１の磁束の経路を示す図である。図７の速度検出装置１は、ｎ個（ｎは３以上の整数）の励磁コイル２と、複数の検出コイル３と、速度推定部４とを備えている。

ｎ個の励磁コイル２は、交流電流ｉinjに応じて発生される磁束にて、導体からなる移動体６上に渦電流を発生する。図７の例では、３つの励磁コイル２を備えている。各励磁コイル２の巻数は同一であり、中央の励磁コイル２にはｉinjを、両サイドの励磁コイルには、ｉinjの１／２の電流を流している。また、中央の励磁コイル２により発生される磁束と、両サイドの励磁コイル２により発生される磁束が逆方向になるように接続している。

複数の検出コイル３には、ｎ個の励磁コイル２に流れる交流電流ｉinjに応じた磁束中を移動する移動体６の移動速度に応じて移動体６上に発生される渦電流による磁束に応じた誘起電圧が発生する。図７の例では、２つの検出コイル３を備えている。各検出コイル３の巻数は同一である。

速度推定部４は、図１と同様に、複数の検出コイル３に発生された誘起電圧に基づいて、移動体６の移動速度を推定する。

図７における３つの励磁コイル２のうち、中央の励磁コイル２と左側の励磁コイル２により発生される磁束は逆方向となるように接続してある。これにより、左側の励磁コイル２の左側では、中央の励磁コイル２と左側の励磁コイル２により発生される磁束の向きが逆方向となって打ち消し合い、左側の励磁コイル２の右側では、中央の励磁コイル２と左側の励磁コイル２により発生される磁束の向きが同方向となって強めあう。同様に、中央の励磁コイル２と右側の励磁コイル２においても、右側の励磁コイル２の右側では磁束が打ち消し合い、右側の励磁コイル２の左側では磁束が強めあう。これにより、速度検出装置１の中央に磁束を集中させて、速度検出装置１の両サイドの浮遊磁界を抑制することが出来る。なお、図６と図８の励磁コイル２の銅損は同程度である。

左右両側の励磁コイル２のそれぞれを取り囲むように、２つ検出コイル３が設けられている。図７では、励磁コイル２に流れる交流電流に応じた磁束の通過経路を破線で示し、移動体６の移動速度に応じて移動体６に発生する渦電流による磁束の通過経路を一点鎖線で示している。

浮遊磁界を抑制可能な励磁コイル２と検出コイル３の配置は、必ずしも図７に示した配置に限定されない。図９は図７の第１変形例による速度検出装置１を示す図である。図９の速度検出装置１は、２つの検出コイル３の向きが図７とは異なっている。図９のヨーク５は３つの凸状部５ａを有し、各凸状部５ａに励磁コイル２が巻回されている。このヨーク５の本体部は、凸状部５ａの幅である第１幅よりも幅狭の第２幅を有しており、この本体部に２つの検出コイル３が巻回されている。

図９の速度検出装置１では、ヨーク５の本体部を磁束が飽和しない程度に細くすることで、検出コイル３のサイズを増加させることなく、検出コイル３の巻数を増加させることができ、検出感度を向上できるため、移動体６の移動速度の変化を敏感に検出できる。その結果、励磁コイルの電流を削減することができ、消費電力も削減できる。

浮遊磁界を抑制するには、図７と図９の速度検出装置１に示すように、３つ以上の励磁コイル２と２つ以上の検出コイル３が必要になり、速度検出装置１の構成が複雑化してしまう。そこで、浮遊磁界の抑制効果は若干劣るものの、速度検出装置１をより簡略化した構成も考えられる。

図１０は図７の速度検出装置１をより簡略化した第１例を示す図である。図１０の速度検出装置１は、ヨーク５に３つの凸状部５ａを設け、そのうちの中央の凸状部５ａに検出コイル３を巻回し、その両側の２つの凸状部５ａに励磁コイル２を巻回した構成を備えている。また、左右の励磁コイル２により発生される磁束の向きは逆方向である。左右の励磁コイル２により発生される磁束は広がりを持っているが、速度検出装置１の外側では、それぞれ左右の励磁コイルにより発生される磁束の向きが逆方向となり、それぞれを弱める向きに働くため、速度検出装置１の外部への浮遊磁界を抑制できる。

また、検出コイル３を鎖交する磁束の向きは逆であり、検出コイル３は、左右の励磁コイル２に流れる交流電流ｉinjにより発生された磁束を相殺することができる。なお、移動体６が移動することにより移動体６上に発生した渦電流による磁束は、検出コイル３を鎖交するため、検出コイル３に誘起電圧が発生する。よって、単一の検出コイル３だけで、移動体６が移動することにより移動体６上に発生した渦電流による磁束のみを検出することができ、移動体６の移動速度を推定することができる。

図１１は図７の速度検出装置１をより簡略化した第２例を示す図である。図１１の速度検出装置１は、検出コイル３を２つ備えており、各検出コイル３はヨーク５の本体部に巻回されている点で図１０とは異なっている。各検出コイル３は、対応する励磁コイル２にて発生された磁束を鎖交させている。移動体６が停止している状態では、各検出コイル３を鎖交する磁束の大きさは同じであるため、各検出コイル３で発生される誘起電圧も同じになり、両者が相殺されて速度ゼロが推定される。一方、移動体６が移動した場合には、各検出コイル３を鎖交する磁束の大きさが相違し、各検出コイル３で発生される誘起電圧にも差が生じる。速度推定部４は、誘起電圧同士の差分電圧ｕdiffにより速度を推定する。

図１２は図１１の一変形例を示す図である。図１２の速度検出装置１は、図１１よりも検出コイル３の数を増やしている。より具体的には、図１１の構成に加えて、ヨーク５の長手方向の両端部に２つの検出コイル３を追加したものである。ヨーク５の長手方向の両側に２つの検出コイル３を追加することにより、左右の励磁コイル２から外側に向かう磁束を両側の検出コイル３に鎖交させることができ、磁束がヨーク５よりも外側に広がりにくくなる。

＜二次元方向への浮遊磁界の抑制＞
上記では、主に一次元方向への浮遊磁界の抑制について説明したが、二次元方向への浮遊磁界の抑制を図る速度検出装置１にも適用が可能である。図１３は本実施形態による速度検出装置１を上方から見た模式的な平面図である。図１３は、例えば図７の速度検出装置１の平面図である。中央に励磁コイル２が配置され、その第１方向Ｘの両側と、第１方向Ｘに交差する第２方向Ｙの両側とに励磁コイル２が配置されている。また、中央以外の励磁コイル２を取り囲むように検出コイル３が配置されている。図１３の速度検出装置１では、励磁コイル２から４方向に進行する浮遊磁界を抑制することができる。

図１３では、各コイルを矩形状にしているが、各コイルの形状やサイズは任意である。例えば、図１４は中央の励磁コイル２を円環状にし、周囲の励磁コイル２を三日月形状にした例を示している。周囲の励磁コイル２の内側に、同じく三日月形状の検出コイル３を配置してもよい。図１４の検出コイル３は、隣接する２つの励磁コイル２の間に、励磁コイル２の巻回方向とは略９０度異なる方向に配置されている点で図１３とは異なっている。

図１５は図９の速度検出装置１を二次元方向に配置した場合の平面図である。図１５の検出コイル３は、図１４と同様に、隣接する２つの励磁コイル２の間に、励磁コイル２の巻回方向とは略９０度異なる方向に配置されている点で図１３とは異なっている。図１３～図１５の二次元配置は、図７、図９～図１２のいずれの速度検出装置１にも適用可能である。

＜共振動作＞
励磁コイル２は、等価的にはＲ－Ｌ直列回路である。ギャップと移動体６の表面での磁界を励起するには、有効電力と無効電力を励磁コイル２に供給する必要がある。また、励磁コイル２に流す交流電流ｉinjは、正弦波電流が望ましい。その理由は、交流電流ｉinjに高調波成分が含まれていると、検出コイル３に誘起される誘起電圧にノイズ成分となる高調波成分が重畳してしまい、速度推定部４にてその高調波成分を除去しなければならないためである。

以上のことから、速度検出装置１内に、励磁コイル２を有する共振回路（第１共振回路）１１を備えてもよい。図１６は共振回路１１の一例を示す回路図である。図１６の共振回路１１は、無効電力補償を行うだけでなく、最小のスイッチング損失にて正弦波電流励起を行う。

図１６の共振回路１１は、直流電圧が供給される直流電圧端子間に直列接続される２つのキャパシタＣiと、同じく直流電圧端子間に直列接続される２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２とを有する。励磁コイル２の一端は、キャパシタＣi同士の接続ノードに接続され、励磁コイル２の他端は、電流計１１ａを介して、スイッチＳＷ１，ＳＷ２同士の接続ノードに接続されている。

図１６のスイッチＳＷ１，ＳＷ２は、共振回路１１の共振周波数に合わせて、交互にオンオフする。図１６では、スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン／オフを切り替える回路を省略している。図１６の励磁コイル２に流れる交流電流ｉinjの周波数は、共振回路１１の共振周波数となる。

図１７は、図１６の回路構成に加えて、検出コイル３も共振回路構成にしたものである。図１７の２つの検出コイル３のそれぞれには、キャパシタＣpが並列接続されている。検出コイル３とキャパシタＣpとを並列接続することで共振回路（第２共振回路）１２が構成される。励磁コイル２の励磁電流周波数と共振回路１２の共振周波数が一致するように、検出コイル３のインダクタンスとキャパシタＣpを設定しておけば、速度推定に利用する励磁電流周波数と同じ周波数の検出コイル３の誘起電圧の検出感度を上げることができ、共振周波数とは異なる周波数の外乱ノイズの検出を抑えることが出来る。

本実施形態による速度検出装置１の適用範囲は特に問わないが、例えば列車の速度を検出するために本実施形態による速度検出装置１を用いる場合、検出結果が列車の振動によるノイズの影響を受けないようにする必要がある。列車の平均的な振動周波数帯域を予め調べて、この周波数帯域とは無相関の周波数となるよう、図１６または図１７の共振回路１１、１２の共振周波数を設定するのが望ましい。無相関とは、列車の振動周波数だけではなく、その高調波周波数とも重ならないように共振周波数を設定する趣旨である。あるいは、後述するように、環境ノイズを常時検出して、検出されたノイズの周波数とは無相関の周波数となるように、共振回路１１、１２の共振周波数を設定してもよい。

また、励磁コイル２に流す交流電流ｉinjをできるだけ理想的な正弦波波形にして、検出コイル３に誘起される誘起電圧に交流電流ｉinjの高調波成分が重畳されないようにするのが望ましい。交流電流ｉinjを理想的な正弦波波形にするのは、図１６の共振回路１１により実現可能である。

本実施形態による速度検出装置１は、図１６の共振回路１１と図１７の共振回路１２の両方、あるいはいずれか一方を備えていてもよい。これら共振回路１１，１２は、上述した図１、図３、図５Ａ、図５Ｂ、図７、図９～図１５のいずれの速度検出装置１にも適用可能である。

＜励磁コイル２の間欠駆動＞
本実施形態による速度検出装置１では、ヨーク５のコア損失、励磁コイル２の銅損、移動体６上の渦電流損失の計３つの損失に対する対策を施すのが望ましい。ヨーク５のコア損失は、フェライト、鉄粉又は積層鋼板等の低損失ヨーク材料を用いることにより最小化できる。一方、励磁コイル２の銅損と移動体６上の渦電流損は、速度検出装置１の本質的要素であり、避けられないものである。特に、ギャップが大きくなるほど励磁コイル２に必要な電流は増大し、励磁コイル２の銅損も増大してしまう。これにより、バッテリ電源を利用して、大きいギャップのある移動体６の速度を推定する場合への適用が困難になりうる。

速度検出装置１の消費電力を削減する一手法として、励磁コイル２を間欠的に駆動してもよい。図１８は図１に電流制御部１３を追加した速度検出装置１を示している。電流制御部１３は、励磁コイル２の電流を流す第１期間と電流を流さない第２期間とを交互に設け、速度推定部４が移動体６の移動速度を推定し、かつ速度推定部４が移動体６の移動速度を推定するのに必要な時間長さ以上に第１期間を設定する。

図１９は励磁コイル２に流れる交流電流ｉinjの波形図である。交流電流ｉinjは周期Ｔpを有する間欠電流である。電流制御部１３は、周期Ｔp内の第１期間Ｔbのみ、所定の周波数の交流電流ｉinjを励磁コイル２に流す。第１期間Ｔbの開始直後は、電流波形にオーバーシュートやアンダーシュートが生じるおそれがあり、交流電流波形が不安定である。そこで、第１期間Ｔbが開始してから所定時間が経過した後（図１９の期間Ｔc）に移動体６の移動速度を推定してもよい。

図１８の電流制御部１３は、上述した図１、図３、図５Ａ、図５Ｂ、図７、図９～図１７のいずれの速度検出装置１にも適用可能である。

このように、本実施形態では、励磁コイル２に流れる交流電流ｉinjにより移動体６上に磁束を発生させた状態で移動体６を移動させ、移動体６の移動により生じた新たな渦電流による磁束を検出コイル３に鎖交させて、検出コイル３に誘起電圧を誘起させ、この誘起電圧に基づいて移動体６の移動速度を推定する。また、本実施形態では、励磁コイル２にて発生された磁束が速度検出装置１の外側にまで広がることを防止するために、励磁コイル２と検出コイル３の配置を工夫する。これにより、浮遊磁界を抑制して磁気効率を向上でき、低消費電力でありながら、精度よく移動体６の移動速度を推定できる。

また、図１３や図１５のように二次元方向に励磁コイル２と検出コイル３を配置することで、二次元方向への浮遊磁界を抑制できる。

さらに、励磁コイル２を共振回路１１の構成にすることで、励磁電流（交流電流）を流すための電源電圧を低く抑えることができ、励磁電流用の高電圧発生回路が不要となる。また、少ないスイッチング回数で励磁電流を正弦波波形にすることができる。また、検出コイル３を共振回路１２の構成にすることで、共振周波数以外の周波数成分を抑制でき、Ｓ／Ｎ比を向上できる。また、小さい励磁電流でも検出コイル３にて誘起電圧を検出でき、検出感度の向上と省電力化を図れる。

また、励磁コイル２に流れる交流電流ｉinjを正弦波波形にすることで、検出コイル３に誘起される誘起電圧に交流電流ｉinjの高調波成分が含まれなくなり、移動体６の移動速度を精度よく推定できる。

さらに、励磁コイル２に間欠的に交流電流ｉinjを供給することにより、速度検出装置１の消費電力を削減できる。

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励磁コイル、３検出コイル、４速度推定部、５ヨーク、６移動体、７バンドパスフィルタ、８増幅復調部、１１，１２共振回路、１３電流制御部、１５電流源

Claims

交流電流に応じた磁束を発生するｎ個（ｎは３以上の整数）の励磁コイルと、
前記磁束中を移動する導体からなる移動体の移動速度に応じて前記移動体上に発生される渦電流による磁束に応じた誘起電圧を発生する複数の検出コイルと、
前記複数の検出コイルに発生される誘起電圧に基づいて、前記移動体の移動速度を推定する速度推定部と、
前記励磁コイルに電流を流す第１期間と、電流を流さない第２期間とを交互に設け、前記速度推定部が前記移動体の移動速度を推定するのに必要な時間長さ以上に前記第１期間を設定する電流制御部と、を備え、
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ｎ個の励磁コイルを流れる交流電流により発生される磁束が前記複数の検出コイルの少なくとも一つを鎖交するように配置される、速度検出装置。
前記ｎ個の励磁コイルのうち一つの励磁コイルを除く他の励磁コイルと、前記複数の検出コイルとは、前記一つの励磁コイルを挟んで第１方向の両側と、前記第１方向に交差する第２方向の両側とに配置される、請求項１に記載の速度検出装置。
前記ｎ個の励磁コイルを流れる交流電流により発生される磁束が通過するヨークを備え、
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ヨークの周囲に配置される、請求項１または２に記載の速度検出装置。
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルのうち少なくとも一つは、前記ヨークに巻回されている、請求項３に記載の速度検出装置。
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルのうち一部のコイルは、前記ヨークの第１幅方向に巻回され、残りの少なくとも一部のコイルは、前記ヨークの前記第１幅方向に交差する第２幅方向に巻回されている、請求項４に記載の速度検出装置。
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ヨークの一方向に沿って配置されており、
前記一方向の両側に２つの前記検出コイルが配置されており、
前記２つの検出コイルの間に前記ｎ個の励磁コイルが配置されている、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の速度検出装置。
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ヨークの一方向に沿って配置されており、
前記一方向の両側に２つの前記励磁コイルが配置されており、
前記２つの励磁コイルの間に前記複数の検出コイルが配置されている、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の速度検出装置。
前記速度推定部は、前記第１期間が開始されてから所定時間が経過した後に前記移動体の移動速度を推定する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の速度検出装置。
前記励磁コイルを含み、前記交流電流の周波数で共振する第１共振回路を備える、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の速度検出装置。
前記検出コイルを含み、前記交流電流の周波数と同じ共振周波数で共振する第２共振回路を備える、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の速度検出装置。
前記交流電流は、前記移動体を備える機器の振動を含めた前記移動体の周囲の環境ノイズの周波数帯域とは異なる周波数を有する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の速度検出装置。
前記移動体の周囲の環境ノイズを検出する環境ノイズ検出部と、
前記交流電流の周波数を、前記環境ノイズ検出部にて検出された環境ノイズの周波数帯域とは異なる周波数に調整する励磁周波数調整部と、を備える、請求項１１に記載の速度検出装置。
前記移動体は、列車の車輪であり、
前記交流電流は、前記列車の振動周波数帯域とは異なる周波数を有する、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の速度検出装置。
前記交流電流は、正弦波波形を有する、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の速度検出装置。
前記ｎ個の励磁コイルは、前記ｎ個の励磁コイルのうち中央の励磁コイルを鎖交する磁束を集中させ、前記中央の励磁コイル以外の励磁コイルから外側に向かう磁束を互いに打ち消し合うように前記交流電流を流す、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の速度検出装置。
前記ｎ個の励磁コイルは、第１方向に沿って順に配置された第１～第３励磁コイルを有し、
前記第１励磁コイルにより発生される磁束の向きは、前記第２励磁コイルにより発生される磁束の向きとは逆であり、
前記第３励磁コイルにより発生される磁束の向きは、前記第２励磁コイルにより発生される磁束の向きとは逆であり、
前記第１励磁コイルの前記第１方向とは反対方向側では、前記第１励磁コイルの磁束と前記第２励磁コイルの磁束とが打ち消し合い、
前記第１励磁コイルの前記第１方向側では、前記第１励磁コイルの磁束と前記第２励磁コイルの磁束とが強め合い、
前記第３励磁コイルの前記第１方向では、前記第２励磁コイルの磁束と前記第３励磁コイルの磁束とが打ち消し合い、
前記第３励磁コイルの前記第１方向とは反対側では、前記第２励磁コイルの磁束と前記第３励磁コイルの磁束とが強め合う、請求項１５に記載の速度検出装置。
ｎ個（ｎは３以上の整数）の励磁コイルにより、交流電流に応じた磁束を発生し、
複数の検出コイルにより、前記磁束中を移動する導体からなる移動体の移動速度に応じて前記移動体上に発生される渦電流による磁束に応じた誘起電圧を発生し、
前記ｎ個の励磁コイルを流れる交流電流により発生される磁束が前記複数の検出コイルの少なくとも一つを鎖交し、
前記複数の検出コイルに発生される誘起電圧に基づいて、前記移動体の移動速度を推定し、
前記励磁コイルに電流を流す第１期間と、電流を流さない第２期間とを交互に設け、前記移動体の移動速度を推定するのに必要な時間長さ以上に前記第１期間を設定する、速度検出方法。
交流電流に応じた磁束を発生するｎ個（ｎは３以上の整数）の励磁コイルと、
前記磁束中を移動する導体からなる移動体の移動速度に応じて前記移動体上に発生される渦電流による磁束に応じた誘起電圧を発生する複数の検出コイルと、
前記複数の検出コイルに発生される誘起電圧に基づいて、前記移動体の移動速度を推定する速度推定部と、を備え、
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ｎ個の励磁コイルを流れる交流電流により発生される磁束が前記複数の検出コイルの少なくとも一つを鎖交するように配置され、
前記ｎ個の励磁コイルのうち一つの励磁コイルを除く他の励磁コイルと、前記複数の検出コイルとは、前記一つの励磁コイルを挟んで第１方向の両側と、前記第１方向に交差する第２方向の両側とに配置される、速度検出装置。
交流電流に応じた磁束を発生するｎ個（ｎは３以上の整数）の励磁コイルと、
前記磁束中を移動する導体からなる移動体の移動速度に応じて前記移動体上に発生される渦電流による磁束に応じた誘起電圧を発生する複数の検出コイルと、
前記複数の検出コイルに発生される誘起電圧に基づいて、前記移動体の移動速度を推定する速度推定部と、
前記ｎ個の励磁コイルを流れる交流電流により発生される磁束が通過するヨークと、を備え、
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ｎ個の励磁コイルを流れる交流電流により発生される磁束が前記複数の検出コイルの少なくとも一つを鎖交するように配置され、
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ヨークの周囲に配置され、
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルのうち一部のコイルは、前記ヨークの第１幅方向に巻回され、残りの少なくとも一部のコイルは、前記ヨークの前記第１幅方向に交差する第２幅方向に巻回されている、速度検出装置。
交流電流に応じた磁束を発生するｎ個（ｎは３以上の整数）の励磁コイルと、
前記磁束中を移動する導体からなる移動体の移動速度に応じて前記移動体上に発生される渦電流による磁束に応じた誘起電圧を発生する複数の検出コイルと、
前記複数の検出コイルに発生される誘起電圧に基づいて、前記移動体の移動速度を推定する速度推定部と、
前記ｎ個の励磁コイルを流れる交流電流により発生される磁束が通過するヨークと、を備え、
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ｎ個の励磁コイルを流れる交流電流により発生される磁束が前記複数の検出コイルの少なくとも一つを鎖交するように配置され、
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ヨークの周囲に配置され、
前記ｎ個の励磁コイル及び前記複数の検出コイルは、前記ヨークの一方向に沿って配置されており、
前記一方向の両側に２つの前記検出コイルが配置されており、
前記２つの検出コイルの間に前記ｎ個の励磁コイルが配置されている、速度検出装置。