JP7046719B2 - 速度検出装置及び速度検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、非接触で速度を検出する速度検出装置及び速度検出方法に関する。

特許文献１には、非接触で発電する自転車用ダイナモが開示されている。特許文献１の自転車用ダイナモは、自転車のホイールの回転軸と直交する方向に延びる回転軸周りに回転する円環状の永久磁石の外周面を、ホイールの外周面に連なる一側面から離隔して配置している。

永久磁石は、複数の磁極を周方向に並べて配置したものであり、隣接する磁極では、磁化方向が逆になっている。例えば、永久磁石のＮ極がホイールの一側面に対向配置された状態でホイールが回転すると、永久磁石からの磁束の変化を妨げる方向に、ホイールの一側面に渦電流が発生する。この渦電流による磁束と永久磁石からの磁束との反発力および誘引力により、永久磁石は、ホイールの回転方向に回転する。

よって、永久磁石の周囲をコイルで巻回して、永久磁石からの磁束がコイルを鎖交するようにすれば、コイルから誘導電力を取り出すことができる。

米国特許公開公報 ２０１４／０１３２１５５号

特許文献１の永久磁石の回転速度を検出することで、自転車の移動速度を推定することもできるが、永久磁石はスリップすることがあり、永久磁石がスリップした場合には、自転車の移動速度を精度よく推定できなくなる。特許文献１には、永久磁石のスリップを防止する対策は何ら開示されておらず、特許文献１の手法では、自転車の移動速度を精度よく推定できないおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、相対移動体の移動又は回転速度を精度よく推定可能な速度検出装置及び速度検出方法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、相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記相対移動体の移動又は回転に応じて前記一主面上に着磁パターンが形成されるように所定の周波数で変化する磁束を発生させる磁束発生部と、
前記相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記一主面上の前記着磁パターンによる磁束に応じて誘起される誘起電圧を検出する磁束検出部と、
前記磁束検出部で検出される前記誘起電圧がゼロになるように、前記所定の周波数を制御する磁束周波数制御部と、
前記磁束検出部で検出される前記誘起電圧がゼロの状態で、前記磁束周波数制御部で制御された前記所定の周波数に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する速度推定部と、を備える、速度検出装置が提供される。

前記磁束発生部は、回転軸回りに回転自在な永久磁石を有する回転体を有し、
前記永久磁石は、前記回転体の周方向に配置される複数の磁極を有し、
前記着磁パターンは、前記回転体の回転に応じて前記相対移動体の前記一主面に離隔して対向配置される前記磁極からの磁束により形成され、
前記磁束検出部は、前記相対移動体の一主面上に形成される前記着磁パターンの間隔に応じた径の検出コイルを有し、
前記磁束周波数制御部は、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロになるように、前記相対移動体の移動又は回転速度と、前記回転体の回転速度とを一致させてもよい。

前記磁束周波数制御部は、前記相対移動体が移動又は回転している期間内に継続して、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロになるように前記回転体の回転速度を制御してもよい。

前記磁束発生部が磁束を変化させる前記所定の周波数を検出する磁束変化速度検出部を備え、
前記速度推定部は、前記磁束検出部で検出される前記誘起電圧がゼロの状態で、前記磁束変化速度検出部で検出された前記所定の周波数に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定してもよい。

本発明の他の一態様では、相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記相対移動体の移動又は回転に応じて前記一主面上に着磁パターンが形成されるように所定の周波数で変化する磁束を発生させる磁束発生部と、
前記相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記一主面上の前記着磁パターンによる磁束に応じて誘起される誘起電圧を検出する磁束検出部と、
前記磁束発生部が磁束を変化させる前記所定の周波数を検出する磁束変化速度検出部と、
前記磁束変化速度検出部で検出される前記所定の周波数と、前記磁束検出部で検出される前記誘起電圧と、に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する速度推定部と、を備える、速度検出装置が提供される。

前記磁束発生部と前記相対移動体の前記一主面とのギャップを推定するギャップ推定部を備え、
前記速度推定部は、前記推定されたギャップと、前記磁束変化速度検出部で検出される前記所定の周波数と、前記磁束検出部で検出される前記誘起電圧と、に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定してもよい。

前記磁束発生部は、回転軸回りに回転自在な永久磁石を有する回転体を有し、
前記永久磁石は、前記回転体の周方向に配置される複数の磁極を有し、
前記着磁パターンは、前記回転体の回転に応じて前記相対移動体の前記一主面に離隔して対向配置される前記磁極からの磁束により形成され、
前記ギャップ推定部は、前記回転体の外周面と前記相対移動体の前記一主面とのギャップを推定し、
前記磁束変化速度検出部は、前記回転体の回転速度を検出し、
前記磁束検出部は、所定の径を持つ検出コイルを有し、
前記速度推定部は、前記推定されたギャップと、前記回転体の回転速度と、前記検出コイルで発生される誘起電圧と、に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定してもよい。

前記ギャップと、前記回転体の回転速度と、前記誘起電圧と、前記相対移動体の移動又は回転速度との相関関係データを記憶する記憶部を備え、
前記速度推定部は、前記ギャップ推定部で推定されたギャップと、前記磁束変化速度検出部で検出された前記回転体の回転速度と、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧と、に基づいて、前記相関関係データを参照することにより、対応する前記相対移動体の移動又は回転速度を推定してもよい。

前記速度推定部は、前記ギャップ推定部で推定されたギャップと、前記磁束変化速度検出部で検出された前記回転体の回転速度と、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧と、を所定の演算式に代入して演算処理を行った演算結果に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定してもよい。

前記磁束発生部は、前記相対移動体の前記一主面上に形成される前記着磁パターンの極性を前記所定の周波数で変化させる磁束を発生させる励磁コイルを有し、
前記磁束検出部は、所定の径を持つ検出コイルを有し、
前記磁束周波数制御部は、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロになるように、前記所定の周波数を制御し、
前記速度推定部は、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロの状態で、前記磁束周波数制御部が前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロになるように制御した前記所定の周波数と、前記検出コイルの径とに基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定してもよい。

前記磁束周波数制御部は、前記所定の周波数を前記相対移動体の移動又は回転速度よりも低い所定の初期周波数から徐々に大きくしていき、最初に前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロになるときの周波数で前記励磁コイルの磁束を変化させ、
前記速度推定部は、前記検出コイルの径と、前記磁束周波数制御部で制御後の前記所定の周波数とを乗じた値により、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定してもよい。

前記磁束発生部は、前記相対移動体の前記一主面上に形成される前記着磁パターンの着磁の強さを前記所定の周波数で変化させる磁束を発生させる励磁コイルを有し、
前記磁束検出部は、所定の径を持つ検出コイルを有し、
前記磁束周波数制御部は、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロになるように、前記所定の周波数を制御し、
前記速度推定部は、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロの状態で、前記磁束周波数制御部で制御された前記所定の周波数と、前記検出コイルの径とに基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定してもよい。

前記磁束発生部は、
前記相対移動体の前記一主面から離隔して対向配置される永久磁石と、
前記相対移動体の前記一主面と前記永久磁石とのギャップを前記所定の周波数で変化させるボイスコイルと、を有してもよい。

前記相対移動体は、列車の車輪又はレールであり、
前記所定の周波数は、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。

本発明の他の一態様では、相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記相対移動体の移動又は回転に応じて前記一主面上に着磁パターンが形成されるように所定の周波数で変化する磁束を発生させ、
前記相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記一主面上の前記着磁パターンによる磁束に応じて誘起される誘起電圧を検出し、
前記検出された前記誘起電圧がゼロになるように、前記所定の周波数を制御し、
前記誘起電圧がゼロの状態で、前記制御された所定の周波数に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する、速度検出方法が提供される。

本発明の他の一態様では、相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記相対移動体の移動又は回転に応じて前記一主面上に着磁パターンが形成されるように所定の周波数で変化する磁束を発生させ、
前記相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記一主面上の前記着磁パターンによる磁束に応じて誘起される誘起電圧を検出し、
前記一主面上に前記着磁パターンが形成されるように発生させた前記磁束が変化する前記所定の周波数を検出し、
前記検出された前記所定の周波数と、前記検出された前記誘起電圧と、に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する、速度検出方法が提供される。

本発明によれば、相対移動体の移動又は回転速度を精度よく推定できる。

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図。 図１の速度検出装置に磁束変化速度検出部を追加した図。 回転体の永久磁石から発生される磁力線を模式的に示す図。 検出コイルを鎖交する磁束密度を示すグラフ。 第２の実施形態による速度検出装置の概略構成を示す図。 交流電源の一具体例を示す回路図。 第３の実施形態による速度検出装置の概略構成を示す図。 検出コイルが２つの着磁パターンと上下に重なる場合の磁束密度のグラフ。 検出コイルが２つの着磁パターンと上下方向の位置がずれる場合の磁束密度のグラフ。 第４の実施形態による速度検出装置の概略構成を示す図。 相対移動体の一主面を所定のギャップを維持しつつ、回転体の外周面に対向配置した例を示す図。 図９にギャップ推定部を追加した速度検出装置の概略構成を示す図。 検出コイルを鎖交する磁束密度を示すグラフ。

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、適宜縮尺及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。

（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の概略構成を示す図である。図１の速度検出装置１は、磁束発生部２と、磁束検出部３と、磁束周波数制御部４と、速度推定部５とを備えている。

磁束発生部２は、相対移動体６の一主面６ａから離隔して配置され、相対移動体６の移動又は回転に応じて一主面６ａ上に着磁パターン７が形成されるように所定の周波数で変化する磁束を発生させる。より具体的には、磁束発生部２は、回転軸回りに回転自在な永久磁石８ａを有する回転体８であってもよい。永久磁石８ａは、回転体８の周方向に配置される複数の磁極８ｂを有する。着磁パターン７は、回転体８の回転に応じて相対移動体６の一主面６ａに離隔して対向配置される磁極８ｂからの磁束により形成される。ここで、着磁パターン７とは、着磁の強さが略同一の範囲であり、着磁パターン７内の着磁の強さは、着磁パターン７の外側の領域の着磁の強さとは異なっている。相対移動体６の一主面６ａ上に複数の着磁パターン７がある場合、個々の着磁パターン７ごとに着磁の強さは異なっている可能性がある。

磁束検出部３は、相対移動体６の一主面６ａから離隔して配置され、着磁パターン７による磁束に応じて誘起される誘起電圧を検出する。より具体的には、磁束検出部３は、磁束発生部２内の永久磁石８ａの各磁極８ｂの間隔に応じた径の検出コイル３ａを有する。検出コイル３ａの巻数は任意である。なお、磁束検出部３は、必ずしも検出コイル３ａを用いる必要はなく、相対移動体６の一主面６ａに形成された着磁パターン７からの磁束を検出する部材（例えば、ホール素子等）であればよい。以下では、磁束検出部３として検出コイル３ａを用いる例を説明する。

磁束周波数制御部４は、磁束検出部３で検出される誘起電圧がゼロになるように、磁束発生部２が磁束を変化させる周波数を制御する。より具体的には、磁束周波数制御部４は、磁束検出部３で検出される誘起電圧がゼロになるように、相対移動体６の移動又は回転速度と、回転体８の回転速度とを一致させる。磁束周波数制御部４は、相対移動体６が移動又は回転している期間内に継続して、磁束検出部３で検出される誘起電圧がゼロになるように回転体８の回転速度を制御してもよい。

速度推定部５は、磁束検出部３で検出される誘起電圧がゼロの状態で、磁束周波数制御部４で制御された周波数に基づいて、相対移動体６の移動又は回転速度を推定する。速度推定部５は、回転体８の回転速度を検出しなくても、磁束検出部３で検出される誘起電圧がゼロになるときの磁束発生部２で発生される周波数に基づいて、相対移動体６の移動又は回転速度を推定できる。

相対移動体６は、その一主面６ａ上に磁束発生部２にて着磁パターン７を形成可能な磁性体である。

図２は図１の速度検出装置１に磁束変化速度検出部９を追加した図である。磁束変化速度検出部９は、磁束発生部２が磁束を変化させる周波数を検出する。磁束発生部２が回転体８の場合、磁束変化速度検出部９は、不図示のホール素子等を用いて、回転体８の回転速度を検出する。この場合、速度推定部５は、磁束検出部３で検出される誘起電圧がゼロの状態で、磁束変化速度検出部９で検出された周波数（より具体的には、回転体８の回転速度）に基づいて、相対移動体６の移動又は回転速度を推定する。相対移動体６の移動又は回転速度は、以下の（１）式で推定することができる。
相対移動体６の移動（回転）速度＝回転体８の周速度
＝２×π×回転体８の半径×回転体８の回転数 …（１）

回転体８は、理想的には、相対移動体６の移動又は回転速度と同じ回転速度で回転するはずであるが、摩擦等により、実際には、回転体８の回転速度は、相対移動体６の移動又は回転速度よりも遅くなる。本明細書では、回転体８の回転速度とが相対移動体６の移動又は回転速度よりも遅くなる状況を回転体８のスリップと呼ぶ。

図３は回転体８の永久磁石８ａから発生される磁力線を模式的に示す図である。図３の永久磁石８ａは、周方向に配置された４つの磁極（２つのＮ極と２つのＳ極）を有する。なお、永久磁石８ａの磁極数は特に問わない。Ｎ極から出た磁力線は、相対移動体６の一主面６ａを通過した後に、隣接するＳ極に向かう。これらの磁極により、相対移動体６の表面には、相対移動体６の移動方向に沿ってＮ極に着磁された着磁パターン７とＳ極に着磁された着磁パターン７が近接して交互に形成される。各着磁パターン７からは、極性に応じた方向に磁力線が出ている。各着磁パターン７からの磁力線は、空中を通って相対移動体６の内部を進行し、元の着磁パターン７に戻る経路に設けられている。

着磁パターン７のサイズは、相対移動体６の移動又は回転速度と、回転体８の回転速度に依存する。相対移動体６の移動又は回転速度が回転体８の回転速度に等しければ、相対移動体６の移動又は回転速度によらずに、各着磁パターン７のサイズは一定になる。

検出コイル３ａは、例えば、回転体８の回転速度と相対移動体６の移動速度が同じ場合に、極性が逆で隣接する２つの着磁パターン７の領域を合わせた径を有する。したがって、これら２つの着磁パターン７からの磁力線はほぼ等量ずつ検出コイル３ａを鎖交するが、２つの着磁パターン７からの磁力線の向きは互いに逆であるため、検出コイル３ａを鎖交する磁束は互いに相殺されて、ほぼゼロになる。よって、検出コイル３ａには、誘起電圧は発生せず、誘起電流も流れなくなる。

なお、検出コイル３ａの径は、偶数個分の着磁パターン７のサイズを合わせた径を有していればよい。例えば、検出コイル３ａの径が２ｎ個（ｎは１以上の整数）分の着磁パターン７のサイズを合わせた径を有する場合、検出コイル３ａを鎖交するｎ個の正方向の磁束とｎ個の負方向の磁束とが互いに相殺されて、検出コイル３ａの誘起電圧がゼロになる。以下では、説明の簡略化のために、検出コイル３ａが２個の着磁パターン７のサイズを合わせた径を有する例を説明する。

図４は検出コイル３ａを鎖交する磁束密度を示すグラフである。図４のグラフの横軸は相対移動体６の移動又は回転方向の座標位置、縦軸は磁束密度Ｂ［Ｔ］である。図４のハッチ領域が検出コイル３ａを鎖交する磁束密度を表している。検出コイル３ａを鎖交する磁束密度は正方向と負方向の面積が同一であり、両者が相殺し合うことから、検出コイル３ａには誘起電圧は発生せず、誘起電流も流れなくなる。

本実施形態では、磁束周波数制御部４による磁束の周波数制御により、回転体８の回転速度が相対移動体６の移動又は回転速度に一致するように制御している。したがって、着磁パターン７のサイズは一定に制御される。よって、予め検出コイル３ａの径を２つの着磁パターン７のサイズに合わせておくことで、検出コイル３ａに流れる電流がゼロ、すなわち、検出コイル３ａに誘起される誘起電圧がゼロであれば、回転体８の回転速度が相対移動体６の移動又は回転速度に一致したと判断できる。

磁束周波数制御部４は、例えば回転体８の回転軸を回転駆動させる不図示のモータを有する。磁束周波数制御部４は、モータの回転駆動力を調整することで、回転体８の回転速度を制御する。より具体的には、磁束周波数制御部４は、検出コイル３ａに誘起される誘起電圧を磁束検出部３にて検出し、この検出結果に基づいて、誘起電圧がゼロになるように、回転体８の回転速度を制御する。

図１の速度推定部５は、検出コイル３ａの誘起電圧がゼロの状態で、磁束周波数制御部４が制御している磁束の周波数に基づいて、相対移動体６の移動又は回転速度を推定する。一方、図２の速度推定部５は、検出コイル３ａの誘起電圧がゼロの状態で、磁束変化速度検出部９にて検出された回転体８の回転速度に基づいて、相対移動体６の移動又は回転速度を推定する。検出コイル３ａの誘起電圧がゼロであれば、回転体８の回転速度は相対移動体６の移動又は回転速度と同一とみなせるため、速度推定部５は、容易に相対移動体６の移動又は回転速度を推定できる。

このように、第１の実施形態は、相対移動体６と磁束発生部２の距離が変化したとしても、磁束検出部３で検出される誘起電圧がゼロになるときの磁束発生部２で発生される周波数に基づいて、相対移動体６の移動又は回転速度を推定できる。本実施形態は、相対移動体６の一主面６ａに離隔して回転体８を対向配置させ、相対移動体６の移動又は回転に応じて回転する回転体８の回転速度から相対移動体６の移動又は回転速度を推定する場合、回転体８と相対移動体６の速度差（スリップ）によって、相対移動体６の移動又は回転速度を精度よく速度を推定することはできないことに着目したものである。本実施形態では、回転体８のスリップがゼロの状態を検出するために、回転体８を磁束周波数制御部４にて意図的に回転駆動し、検出コイル３ａの誘起電圧がゼロになるようにする。検出コイル３ａの誘起電圧がゼロになると、回転体８の回転速度が相対移動体６の移動又は回転速度に一致したと判断できるため、回転体８の回転速度から、相対移動体６の移動又は回転速度を容易に推定できる。

また、本実施形態は、回転体８の永久磁石８ａの磁力によって相対移動体６の一主面６ａ上に形成される着磁パターン７を積極的に利用している。回転体８の回転速度を相対移動体６の移動又は回転速度に一致させることで、相対移動体６の一主面６ａ上の各着磁パターン７のサイズを同一にしている。そして、検出コイル３ａの径を２つの着磁パターン７のサイズにすることで、回転体８の回転速度が相対移動体６の移動又は回転速度に一致するときの検出コイル３ａを鎖交する着磁パターン７からの正方向の磁束量と負方向の磁束量を相殺させることができる。よって、ギャップ変動の影響を受けることなく、簡易な構成で、相対移動体６の移動又は回転速度を精度よく推定できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、磁束発生部２の構成が第１の実施形態とは異なるものである。

図５は第２の実施形態による速度検出装置１の概略構成を示す図である。図５の速度検出装置１は、図１の速度検出装置１と同様に、磁束発生部２と、磁束検出部３と、磁束周波数制御部４と、速度推定部５とを備えている。

図５の磁束発生部２は、相対移動体６の一主面６ａ上に形成される着磁パターン７の極性を所定の周波数で変化させる磁束を発生させる励磁コイル２ａと、励磁コイル２ａに交流電流を流す交流電源２ｂとを有する。交流電源２ｂは、磁束周波数制御部４からの制御信号により、交流電流の周波数を切り替える。励磁コイル２ａに流れる電流の方向が変化することで、励磁コイル２ａから発生される磁束の向きが逆になる。励磁コイル２ａから発生された磁束は、相対移動体６の一主面６ａ上を通過する。その際、相対移動体６の一主面６ａ上に、励磁コイル２ａに流れる電流の向きに応じた極性の着磁パターン７が形成される。

図６は交流電源２ｂの一具体例を示す回路図である。磁束発生部２は、図６に示すように、発振回路２ｃと、電流計２ｄとを有する。発振回路２ｃは、直流電圧Ｕdcが印加される二端子間に直列接続された２つのキャパシタＣ１，Ｃ２と、同じく直流電圧Ｕdcが印加される二端子間に直列接続された２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２とを有する。２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２の接続ノードには、電流計２ｄを介して励磁コイル２ａの一端が接続され、励磁コイル２ａの他端は２つのキャパシタＣ１，Ｃ２の接続ノードに接続されている。スイッチＳＷ１，ＳＷ２の切替周波数は、磁束周波数制御部４からの制御信号により制御することができる。

磁束周波数制御部４は、検出コイル３ａで検出される誘起電圧がゼロになるように、励磁コイル２ａに流す電流の向きを切り替える周波数を制御する。

励磁コイル２ａに流れる電流の向きによって、相対移動体６の一主面６ａ上の着磁パターン７の極性が変化するため、励磁コイル２ａに流れる電流の向きを切り替える周波数によって、相対移動体６上の着磁パターン７のサイズを調整できる。

本実施形態では、検出コイル３ａの径を予め定めた長さに設定しておく。磁束周波数制御部４にて、励磁コイル２ａに流す電流の周波数を可変させて、検出コイル３ａの誘起電圧がゼロになる周波数を検出し、検出された周波数に基づいて、以下の（２）式にて、相対移動体６の移動又は回転速度を計算（推定）する。
相対移動体６の移動（回転）速度＝検出コイル３ａの径×励磁コイル２ａに流す電流の周波数
…（２）

より具体的には、磁束周波数制御部４は、励磁コイル２ａに流す電流の周波数を、所定の低周波数を初期値として、徐々に高くし、最初に検出コイル３ａの誘起電圧がゼロになる周波数を選択する。

このように、第２の実施形態では、検出コイル３ａの誘起電圧がゼロになるように励磁コイル２ａに流れる電流の向きを切り替える周波数を制御し、検出コイル３ａの誘起電圧がゼロになるときの励磁コイル２ａの電流切替周波数により、相対移動体６の移動又は回転速度を簡易かつ精度よく推定できる。

第１の実施形態では、磁束発生部２として回転体８を用いているため、回転体８を回転させる機械的な機構が必要となるのに対し、第２の実施形態では、磁束発生部２として励磁コイル２ａを用いており、励磁コイル２ａを流れる電流の向きを切り替えるだけであり、機械的な機構が不要であり、より壊れにくくなり、保守性により優れている。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、磁束発生部２としてボイスコイル部を用いたものである。

図７は第３の実施形態による速度検出装置１の概略構成を示す図である。図７の速度検出装置１は、図１の速度検出装置１と同様に、磁束発生部２と、磁束検出部３と、磁束周波数制御部４と、速度推定部５とを備えている。

図７の磁束発生部２は、ボイスコイル部２１を有する。ボイスコイル部２１は、相対移動体６の一主面６ａの法線方向に沿って２つの磁極が配置された永久磁石２１ａと、永久磁石２１ａに巻回されたボイスコイル２１ｂと、この永久磁石２１ａの一端側に接続されるバネ部材２１ｃとを有する。ボイルコイル２１ｂに交流電流を流すことで、永久磁石２１ａが力を受けてバネ部材２１ｃが伸縮し、永久磁石２１ａの他端側の磁極と相対移動体６の一主面６ａとのギャップが変化する。

ボイスコイル２１ｂに電流を流すと、ボイスコイル２１ｂと永久磁石２１ａの磁界との間に働くローレンツ力により、永久磁石２１ａが力を受ける。ボイスコイル２１ｂに流れる電流の向きに応じて、このローレンツ力の向きも変わるため、これによって、永久磁石２１ａは、ボイスコイル２１ｂの電流切替周波数により振動し、永久磁石２１ａの他端側の磁極の先端部と相対移動体６の一主面６ａとのギャップが変化する。

ギャップが小さいほど、相対移動体６の一主面６ａ上の着磁パターン７の着磁の強さは強くなり、ギャップが大きいほど、相対移動体６の一主面６ａ上の着磁パターン７の着磁の強さは弱くなる。よって、相対移動体６の一主面６ａ上には、永久磁石２１ａの振動に同期して、着磁の強さが異なる２種類の着磁パターン７が交互に形成される。

第１及び第２の実施形態では、相対移動体６の一主面６ａ上に、極性の異なる２種類の着磁パターン７が交互に形成されたが、本実施形態では、着磁の強弱が異なる２種類の着磁パターン７が交互に形成される。

検出コイル３ａは、例えば、隣接する２つの着磁パターン７のサイズ分の径を有する。よって、検出コイル３ａには、隣接する２つの着磁パターン７からの磁束が鎖交することになる。これらの磁束の方向は同じであるため、第１及び第２の実施形態のように、磁束が相殺されることはない。

図８Ａ及び図８Ｂは検出コイル３ａを鎖交する磁束密度のグラフである。これらのグラフの横軸は相対移動体６の移動又は回転方向の座標位置、縦軸は磁束密度Ｂ［Ｔ］である。検出コイル３ａ間に、着磁パターン７の強弱の一周期が含まれる場合、検出コイル３ａを鎖交する磁束密度は図８Ａのようなグラフになる。この場合、検出コイル３ａを鎖交する磁束量が常に一定となり磁束の変化が発生しないため、検出コイル３ａに誘起電圧は発生しない。検出コイル３ａ間に、着磁パターン７の強弱の一周期が含まれない場合、検出コイル３ａを鎖交する磁束密度は図８Ｂのようなグラフになる。この場合、検出コイル３ａを鎖交する磁束量が時間と共に変化するため、検出コイル３ａに誘起電圧が発生する。

よって、磁束周波数制御部４は、検出コイル３ａで検出される誘起電圧がゼロになるようにボイスコイル２１ｂの電流切替周波数を制御し、誘起電圧がゼロの時のボイスコイル２１ｂの電流切替周波数と、検出コイル３ａの直径に基づいて、相対移動体６の移動又は回転速度を推定する。

このように、第３の実施形態では、検出コイル３ａで検出される誘起電圧がゼロになるようにボイスコイル２１ｂの電流切替周波数を制御することにより、誘起電圧がゼロのときのボイスコイル２１ｂの電流切替周波数と検出コイル３ａの直径とに基づいて相対移動体６の移動又は回転速度を推定できる。第３の実施形態は、強力な磁力を持った永久磁石２１ａを用いていることで、ボイスコイル２１ｂに流す電流が小さくても、相対移動体６の一主面６ａ上に着磁パターン７を形成でき、第１及び第２の実施形態よりも、消費電力を削減できる可能性がある。

（第４の実施形態）
第１及び第２の実施形態では、相対移動体６の移動又は回転速度に合わせて、回転体８の回転速度を制御、あるいは励磁コイル２ａの電流切替周波数を制御したが、このような制御を行わない構成も考えられる。

図９は第４の実施形態による速度検出装置１の概略構成を示す図である。図９の速度検出装置１は、磁束発生部２と、磁束検出部３と、磁束変化速度検出部９と、速度推定部５と、を備えている。磁束発生部２と磁束検出部３は、図５と同様である。

磁束発生部２は、例えば回転軸回りに回転自在な回転体８であるが、本実施形態の回転体８は、相対移動体６の移動又は回転速度に応じて相対移動体６の一主面６ａに発生される渦電流による磁束により回転されるものである。図９の速度検出装置１は、図１の磁束周波数制御部４を備えていないため、回転体８は、相対移動体６の移動又は回転速度に応じた回転速度で回転する受動的な回転動作を行う。このため、回転体８の回転速度は、相対移動体６の移動又は回転速度以下になる。すなわち、回転体８の回転速度と相対移動体６の移動又は回転速度とに差があることが、回転体８が回転するための必須条件である。

図１０は相対移動体６の一主面６ａを所定のギャップを維持しつつ、回転体８の外周面に対向配置した例を示している。相対移動体６の一主面６ａは、平坦面でもよいし、曲面でもよい。典型的な一例としては、相対移動体６は回転体であり、相対移動体６の一主面６ａは回転体の外周面である。

回転体８の永久磁石８ａの各磁極８ｂからの磁束中を相対移動体６が移動することにより、相対移動体６の一主面６ａ上に渦電流が発生する。渦電流の向きは、相対移動体６の移動方向に依存する。なお、本明細書では、相対移動体６自身が移動する例を説明するが、相対移動体６の移動とは、相対移動体６自身が停止して、回転体８が移動する場合も含まれる。すなわち、相対移動体６の移動とは、相対移動体６と回転体８との相対移動の意味である。相対移動体６の一主面６ａと回転体８とのギャップは、回転体８の永久磁石８ａの各磁極８ｂからの磁束が到達可能な範囲内に制限される。

永久磁石８ａの各磁極８ｂは、対向する相対移動体６の一主面６ａ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８ａの隣接する磁極８ｂ同士の磁化方向は逆である。図１０では、永久磁石８ａの各磁極８ｂの磁化方向を矢印で示している。

図１０に示すように、相対移動体６の一主面６ａに対向して配置される永久磁石８ａの磁極の極性に応じて、相対移動体６の一主面６ａに渦電流が発生する。相対移動体６が移動又は回転すると、相対移動体６の一主面６ａには、回転体８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８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８は回転する。ただし、回転体８の一主面６ａの表面速度は、対向する相対移動体６の一主面６ａの表面速度よりも遅くなる。

例えば、回転体８のＮ極が相対移動体６の一主面６ａ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相対移動体６の一主面６ａ部分に発生する渦電流１２ａ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相対移動体６の一主面６ａ部分に発生する渦電流１２ｂ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１２ｂ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相対移動体６の一主面６ａ部分に発生する渦電流１２ａ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１２ａ，１２ｂも、相対移動体６の回転に伴う回転体８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８のＮ極の回転方向前方のエッジｅ１側では、渦電流１２ａによる磁束と回転体８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８のＮ極の回転方向後方のエッジｅ２側では、渦電流１２ｂによる磁束と回転体８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８の外周面の表面速度が、対向する相対移動体６の一主面６ａの表面速度より遅い場合には、上述した、回転体８と渦電流１２ａ，１２ｂの関係が常に成り立つ。これにより、回転体８は、対向する相対移動体６の一主面６ａの移動表面を追いかけるようにして、対向する相対移動体６の一主面６ａの表面速度よりも遅い表面速度で回転することになる。

なお、上述した回転体８の回転の原理は、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８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１２ａと、回転体８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１２ｂ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１２ａ，１２ｂによる電流は、相対移動体６が図１０の矢印の向きに回転する場合には、相対移動体６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１２ａ，１２ｂによる磁束を受ける回転体８は、相対移動体６の回転方向への、ローレンツ力の反力を受けて回転する。このように、回転体８と相対移動体６は、両者の対向面同士では同一方向に移動する。

図９の磁束変化速度検出部９は、磁束発生部２が磁束を変化させる周波数を検出する。速度推定部５は、磁束発生部２が磁束を変化させる周波数と、相対移動体６の移動又は回転速度との対応関係を予め調べて例えばテーブル化しておき、磁束変化速度検出部９で検出された周波数からテーブルを参照して、相対移動体６の移動又は回転速度を推定する。テーブル化する代わりに、上述した対応関係を示す関数式を用意しておき、この関数式に磁束変化速度検出部９で検出された周波数を代入して、相対移動体６の移動又は回転速度を推定してもよい。

ところで、回転体８の回転速度は、相対移動体６の一主面６ａと回転体８の外周面との距離（ギャップ）によって変化する。このため、図１１に示すように、速度検出装置１内にギャップ推定部１１を設けてもよい。

ギャップ推定部１１は、例えば、回転体８の永久磁石８ａの磁束と鎖交する位置に不図示のコイルを設けて、このコイルに流れる電流と誘起電圧に基づいて、相対移動体６と励磁コイル２ａとのギャップを推定する。

ギャップ推定部１１は、インピーダンス解析手法によってギャップを推定する。より具体的には、ギャップ推定部１１は、上述したコイルに流れる電流及び誘起電圧に基づいて算出したコイルのインダクタンスと、予め定めたギャップの基準値に対応するコイルのインダクタンスとの対比に基づいてギャップを推定する。

図１２は検出コイル３ａを鎖交する磁束密度を示すグラフである。図１２のグラフの横軸は相対移動体６の移動又は回転方向の座標位置、縦軸は磁束密度Ｂ［Ｔ］である。図４のグラフと異なり、図１２のグラフでは、検出コイル３ａを鎖交する磁束量が正負で等量にはならず、検出コイル３ａに誘起電圧が誘起される。

ギャップを考慮に入れる場合の速度推定部５は、磁束変化速度検出部９で検出される回転体８の回転速度と、磁束検出部３で検出される検出コイル３ａの誘起電圧と、ギャップ推定部１１で推定されたギャップとに基づいて、相対移動体６の移動又は回転速度を推定する。予め、回転体８の回転速度と、検出コイル３ａの誘起電圧と、ギャップと、相対移動体６の移動又は回転速度の対応関係をテーブル化しておき、このテーブルを参照することで、相対移動体６の移動又は回転速度を推定してもよい。あるいは、上記の対応関係を数式化した演算式に、回転体８の回転速度、検出コイル３ａの誘起電圧、及びギャップを入力して、相対移動体６の移動又は回転速度を演算してもよい。

このように、第４の実施形態では、回転体８の回転制御を行わずに、相対移動体６の移動又は回転速度を推定できるため、第１～第３の実施形態による速度検出装置１よりも構成を簡略化できる。また、回転体８と相対移動体６の一主面６ａとのギャップを考慮に入れて相対移動体６の移動又は回転速度を推定することもでき、推定精度を向上できる。

上述した第１～第４の実施形態における相対移動体６は、それ自体が移動又は回転するものだけでなく、速度検出装置１に対して相対的に移動するものも含む概念である。よって、第１～第４の実施形態においては、速度検出装置１が列車等に搭載されている場合、列車等に対して相対的に移動するレール等の固定物も相対移動体６に含めて解釈される。

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 磁束発生部、３ 磁束検出部、４ 磁束周波数制御部、５ 速度推定部、６ 相対移動体、７ 着磁パターン、８ 回転体、８ａ 永久磁石、８ｂ 磁極、９ 磁束変化速度検出部、１１ ギャップ推定部、２１ ボイスコイル部、 ２１ａ 永久磁石、２１ｂ ボイスコイル

Claims (16)

1. 相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記相対移動体の移動又は回転に応じて前記一主面上に着磁パターンが形成されるように所定の周波数で変化する磁束を発生させる磁束発生部と、
   前記相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記一主面上の前記着磁パターンによる磁束に応じて誘起される誘起電圧を検出する磁束検出部と、
   前記磁束検出部で検出される前記誘起電圧がゼロになるように、前記所定の周波数を制御する磁束周波数制御部と、
   前記磁束検出部で検出される前記誘起電圧がゼロの状態で、前記磁束周波数制御部で制御された前記所定の周波数に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する速度推定部と、を備える、速度検出装置。
2. 前記磁束発生部は、回転軸回りに回転自在な永久磁石を有する回転体を有し、
   前記永久磁石は、前記回転体の周方向に配置される複数の磁極を有し、
   前記着磁パターンは、前記回転体の回転に応じて前記相対移動体の前記一主面に離隔して対向配置される前記磁極からの磁束により形成され、
   前記磁束検出部は、前記相対移動体の一主面上に形成される前記着磁パターンの間隔に応じた径の検出コイルを有し、
   前記磁束周波数制御部は、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロになるように、前記相対移動体の移動又は回転速度と、前記回転体の回転速度とを一致させる、請求項１に記載の速度検出装置。
3. 前記磁束周波数制御部は、前記相対移動体が移動又は回転している期間内に継続して、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロになるように前記回転体の回転速度を制御する、請求項２に記載の速度検出装置。
4. 前記磁束発生部が磁束を変化させる前記所定の周波数を検出する磁束変化速度検出部を備え、
   前記速度推定部は、前記磁束検出部で検出される前記誘起電圧がゼロの状態で、前記磁束変化速度検出部で検出された前記所定の周波数に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の速度検出装置。
5. 相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記相対移動体の移動又は回転に応じて前記一主面上に着磁パターンが形成されるように所定の周波数で変化する磁束を発生させる磁束発生部と、
   前記相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記一主面上の前記着磁パターンによる磁束に応じて誘起される誘起電圧を検出する磁束検出部と、
   前記磁束発生部が磁束を変化させる前記所定の周波数を検出する磁束変化速度検出部と、
   前記磁束変化速度検出部で検出される前記所定の周波数と、前記磁束検出部で検出される前記誘起電圧と、に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する速度推定部と、を備える、速度検出装置。
6. 前記磁束発生部と前記相対移動体の前記一主面とのギャップを推定するギャップ推定部を備え、
   前記速度推定部は、前記推定されたギャップと、前記磁束変化速度検出部で検出される前記所定の周波数と、前記磁束検出部で検出される前記誘起電圧と、に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する、請求項５に記載の速度検出装置。
7. 前記磁束発生部は、回転軸回りに回転自在な永久磁石を有する回転体を有し、
   前記永久磁石は、前記回転体の周方向に配置される複数の磁極を有し、
   前記着磁パターンは、前記回転体の回転に応じて前記相対移動体の前記一主面に離隔して対向配置される前記磁極からの磁束により形成され、
   前記ギャップ推定部は、前記回転体の外周面と前記相対移動体の前記一主面とのギャップを推定し、
   前記磁束変化速度検出部は、前記回転体の回転速度を検出し、
   前記磁束検出部は、所定の径を持つ検出コイルを有し、
   前記速度推定部は、前記推定されたギャップと、前記回転体の回転速度と、前記検出コイルで発生される誘起電圧と、に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する、請求項６に記載の速度検出装置。
8. 前記ギャップと、前記回転体の回転速度と、前記誘起電圧と、前記相対移動体の移動又は回転速度との相関関係データを記憶する記憶部を備え、
   前記速度推定部は、前記ギャップ推定部で推定されたギャップと、前記磁束変化速度検出部で検出された前記回転体の回転速度と、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧と、に基づいて、前記相関関係データを参照することにより、対応する前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する、請求項７に記載の速度検出装置。
9. 前記速度推定部は、前記ギャップ推定部で推定されたギャップと、前記磁束変化速度検出部で検出された前記回転体の回転速度と、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧と、を所定の演算式に代入して演算処理を行った演算結果に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する、請求項７に記載の速度検出装置。
10. 前記磁束発生部は、前記相対移動体の前記一主面上に形成される前記着磁パターンの極性を前記所定の周波数で変化させる磁束を発生させる励磁コイルを有し、
    前記磁束検出部は、所定の径を持つ検出コイルを有し、
    前記磁束周波数制御部は、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロになるように、前記所定の周波数を制御し、
    前記速度推定部は、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロの状態で、前記磁束周波数制御部が前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロになるように制御した前記所定の周波数と、前記検出コイルの径とに基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する、請求項１に記載の速度検出装置。
11. 前記磁束周波数制御部は、前記所定の周波数を前記相対移動体の移動又は回転速度よりも低い所定の初期周波数から徐々に大きくしていき、最初に前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロになるときの周波数で前記励磁コイルの磁束を変化させ、
    前記速度推定部は、前記検出コイルの径と、前記磁束周波数制御部で制御後の前記所定の周波数とを乗じた値により、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する、請求項１０に記載の速度検出装置。
12. 前記磁束発生部は、前記相対移動体の前記一主面上に形成される前記着磁パターンの着磁の強さを前記所定の周波数で変化させる磁束を発生させる励磁コイルを有し、
    前記磁束検出部は、所定の径を持つ検出コイルを有し、
    前記磁束周波数制御部は、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロになるように、前記所定の周波数を制御し、
    前記速度推定部は、前記検出コイルで検出される前記誘起電圧がゼロの状態で、前記磁束周波数制御部で制御された前記所定の周波数と、前記検出コイルの径とに基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する、請求項１に記載の速度検出装置。
13. 前記磁束発生部は、
    前記相対移動体の前記一主面から離隔して対向配置される永久磁石と、
    前記相対移動体の前記一主面と前記永久磁石とのギャップを前記所定の周波数で変化させるボイスコイルと、を有する、請求項１２に記載の速度検出装置。
14. 前記相対移動体は、列車の車輪又はレールであり、
    前記所定の周波数は、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１３のいずれか一項に記載の速度検出装置。
15. 相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記相対移動体の移動又は回転に応じて前記一主面上に着磁パターンが形成されるように所定の周波数で変化する磁束を発生させ、
    前記相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記一主面上の前記着磁パターンによる磁束に応じて誘起される誘起電圧を検出し、
    前記検出された前記誘起電圧がゼロになるように、前記所定の周波数を制御し、
    前記誘起電圧がゼロの状態で、前記制御された所定の周波数に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する、速度検出方法。
16. 相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記相対移動体の移動又は回転に応じて前記一主面上に着磁パターンが形成されるように所定の周波数で変化する磁束を発生させ、
    前記相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記一主面上の前記着磁パターンによる磁束に応じて誘起される誘起電圧を検出し、
    前記一主面上に前記着磁パターンが形成されるように発生させた前記磁束が変化する前記所定の周波数を検出し、
    前記検出された前記所定の周波数と、前記検出された前記誘起電圧と、に基づいて、前記相対移動体の移動又は回転速度を推定する、速度検出方法。

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