JP7046720B2 - 速度検出装置及び速度検出方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、非接触で移動体の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。

非接触で車両の走行速度を検出する車速センサが知られている（特許文献１参照）。特許文献１では、車両に設けた進行方向に変位する磁石と軌道との間に作用する電磁力を利用して車速の絶対速度を検知している。より具体的には、進行方向の電磁力と垂直方向の電磁力を検出し、検出した電磁力を走行速度に変換する演算式をテーブル化して走行速度を検出している。

特開平１－３０２１６５号公報

車両は走行中にたえず振動しており、検出される電磁力は車両の振動によるノイズ成分を含んでいる。特許文献１には、車両の振動等のノイズの影響を軽減する手法が開示されていないため、特許文献１の手法では、車両の走行速度を精度よく検出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検出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。

本実施形態によれば、相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記相対移動体の前記一主面上を通過する磁束を所定の周波数で変化させる磁束発生部と、
応力を検出して、前記応力に応じた電気信号を出力する応力検出部と、
前記相対移動体の移動又は回転速度に応じて前記相対移動体上に発生される渦電流による磁束に応じて前記磁束発生部に発生されるローレンツ力を前記応力検出部に伝達する応力伝達部材と、
前記電気信号に含まれる、前記ローレンツ力に関連する周波数成分を抽出する特定周波数帯域抽出部と、
前記特定周波数帯域抽出部で抽出された周波数成分に基づいて、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、前記所定の周波数を、前記相対移動体の加減速に応じて前記応力検出部に作用する慣性力に関連する周波数帯域とは異なる周波数に設定してもよい。

前記磁束発生部は、前記所定の周波数を、前記応力検出部で検出される外乱ノイズの周波数帯域とは異なる周波数に設定してもよい。

前記磁束発生部は、前記相対移動体の前記一主面上を通過する磁束を前記所定の周波数で変化させる励磁コイルを有してもよい。

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。

前記相対移動体の周囲の外乱ノイズを検出する外乱ノイズ検出部を備え、
前記磁束発生部は、前記所定の周波数を、前記外乱ノイズの周波数帯域とは異なる周波数に設定してもよい。

前記応力伝達部材は、前記ローレンツ力を前記応力検出部に伝達する剛性体であってもよい。

前記応力伝達部材は、前記ローレンツ力に応じた気圧を前記応力検出部に伝達してもよい。

前記応力検出部は、力センサ、歪センサ又は気圧センサであってもよい。

応力に応じた電気信号をそれぞれ出力する第１応力検出器及び第２応力検出器と、
前記第１応力検出器から出力された電気信号と、前記第２応力検出器から出力された電気信号との差分信号に基づいて、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、
前記第１応力検出器は、
前記相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記相対移動体の一主面を通過する磁束を所定の周波数で変化させる磁束発生部と、
前記応力を検出して、前記応力に応じた電気信号を出力する第１応力検出部と、
前記相対移動体の移動又は回転速度に応じて前記相対移動体上に発生される渦電流による磁束に応じて前記磁束発生部に発生されるローレンツ力を前記第１応力検出部に伝達する第１応力伝達部材と、を有し、
前記第２応力検出器は、
前記相対移動体の一主面から離隔して配置される非着磁体と、
前記応力を検出して、前記応力に応じた電気信号を出力する第２応力検出部と、
前記相対移動体の移動又は回転に応じた慣性力を含む前記相対移動体の周囲の外乱ノイズによる応力を前記第２応力検出部に伝達する第２応力伝達部材と、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、
前記磁束発生部は、前記所定の周波数を、前記列車の振動周波数帯域とは異なる周波数に設定してもよい。

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る磁束発生部にて、前記相対移動体の前記一主面上を通過する磁束を所定の周波数で変化させ、
応力検出部にて応力を検出して、前記応力に応じた電気信号を出力し、
前記相対移動体の移動又は回転速度に応じて前記相対移動体上に発生される渦電流による磁束に応じて前記磁束発生部に発生されるローレンツ力を前記応力検出部に伝達し、
前記電気信号に含まれる、前記ローレンツ力に関連する周波数成分を抽出し、
前記抽出された周波数成分に基づいて、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。 磁束発生部に発生されるローレンツ力を説明する図。 （ａ）は磁束発生部の励磁コイルに流れる電流の波形を示す図、（ｂ）は磁束発生部に発生されるローレンツ力の波形図。 一変形例による速度検出装置のブロック図。 ヨークに励磁コイルを巻回した磁束発生部の一例を示す図。 ヨークに励磁コイルを巻回した磁束発生部の他の一例を示す図。 ヨークに励磁コイルを巻回した磁束発生部の他の一例を示す図。 本発明の第２の実施形態による速度検出装置の概略構成を示す図。 本発明の第３の実施形態による速度検出装置の概略構成を示す図。 図７Ａの一変形例の概略構成を示す図。

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、応力検出部３と、応力伝達部材４と、特定周波数帯域抽出部５と、速度推定部６とを備えている。

磁束発生部２は、相対移動体７の一主面７ａから離隔して配置され、相対移動体７の一主面７ａ上を通過する磁束を所定の周波数で変化させる。この所定の周波数は、例えば、相対移動体７の加減速に応じて応力検出部３に作用する慣性力に関連する周波数帯域とは異なる周波数に設定される。あるいは、所定の周波数は、相対移動体７の加減速に応じて応力検出部３で検出される外乱ノイズの周波数帯域とは異なる周波数に設定されてもよい。磁束発生部２は、相対移動体７の一主面７ａ上を通過する磁束を所定の周波数で変化させる励磁コイル８を有する。励磁コイル８の両端には例えば交流電源９が接続されており、励磁コイル８に流れる電流は、所定の周波数で切り替えられる。なお、交流電源９の代わりに、例えば直流電源とスイッチを用いて、キャパシタを励磁コイル８に直列接続して、共振回路を構成してもよい。励磁コイル８は、所定の磁性部材１０の表面に沿って巻回されている。磁性部材１０は、励磁コイル８に交流電流を流して、かつ相対移動体７を移動又は回転させると、相対移動体７の移動又は回転方向に応じた方向のローレンツ力を発生させる。

応力検出部３は、応力を検出して、応力に応じた電気信号を出力する。応力検出部３は、例えば力センサや歪センサ、圧電センサ、気圧センサなどである。

応力伝達部材４は、相対移動体７の移動又は回転速度に応じて相対移動体７上に発生される渦電流による磁束に応じて磁束発生部２に発生されるローレンツ力を応力検出部３に伝達する。応力伝達部材４は、例えば剛性体である。剛性体の具体的な材料は問わないが、磁束発生部２に発生したローレンツ力を損失なく応力検出部３まで伝達可能な剛性を持った材料が望ましい。より具体的には、剛性体は、金属材料や樹脂材料などの変形しにくい材料が望ましい。また、応力伝達部材４は、応力に応じた圧縮力で空気を圧縮するピストン等の気圧伝達部材でもよい。

特定周波数帯域抽出部５は、電気信号に含まれる、ローレンツ力に関連する周波数成分を抽出する。特定周波数帯域抽出部５は、例えばバンドパスフィルタ１１を有する。バンドパスフィルタ１１は、ローレンツ力に関連する周波数成分を主に通過させる周波数特性を持っている。

速度推定部６は、特定周波数帯域抽出部５で抽出された周波数成分に基づいて、相対移動体７の移動又は回転速度を推定する。

相対移動体７は、その一主面７ａ上に渦電流を発生させることができる導体である。相対移動体７は、磁束発生部２の一端部から所定のギャップを隔てて配置されている。以下では、まず最初に、磁束発生部２が所定の周波数で磁束を変化させている状態で、相対移動体７が所定の方向に移動するときに、磁束発生部２にローレンツ力が発生する原理を説明する。

相対移動体７の移動速度に応じて、相対移動体７の一主面７ａ上には渦電流１２ａ，１２ｂが発生する。渦電流１２ａ，１２ｂの向きは、相対移動体７の移動方向に依存する。磁束発生部２で発生される磁束は周期的に変化するため、渦電流１２ａ，１２ｂの大きさが周期的に変化する。なお、本明細書では、相対移動体７自身が移動する例を説明するが、相対移動体７の移動とは、相対移動体７自身が停止して、磁束発生部２が移動する場合も含まれる。すなわち、相対移動体７の移動とは、相対移動体７と磁束発生部２との相対移動の意味である。相対移動体７の一主面７ａと磁束発生部２とのギャップは、磁束発生部２からの磁束が到達可能な範囲内に制限される。また、本明細書における「移動」とは、「回転」を含む意味で使われる場合もある。本明細書における相対移動体７は、所定方向に移動するものであっても、所定の回転軸回りに回転するものであってもよい。

図２に示すように、相対移動体７の一主面７ａに対向して配置される磁束発生部２で発生される磁束の向きと、相対移動体７の移動方向に応じて、相対移動体７の一主面７ａに渦電流１２ａ，１２ｂが発生する。図１では、紙面の表から裏に向かう渦電流１２ａ，１２ｂを「×」で示し、紙面の裏から表に向かう渦電流１２ａ，１２ｂを「●」で表している。なお、相対移動体７の一主面上には、磁束発生部２の交番磁束を打ち消す方向に、渦電流１２ａ，１２ｂとは別個の渦電流が発生するが、図１と図２では省略している。

相対移動体７が移動又は回転すると、相対移動体７の一主面７ａには、磁束発生部２からの磁束の変化を妨げる方向に渦電流１２ａ，１２ｂが生じ、この渦電流１２ａ，１２ｂによる磁束と磁束発生部２からの磁束との相互作用（反発力および誘引力）により、磁束発生部２にはローレンツ力が発生する。

例えば、磁束発生部２に、相対移動体７の一主面７ａに向かう方向の磁束が発生している場合、磁束発生部２における相対移動体７の移動方向前方のエッジｅ１からの磁束が到達する相対移動体７の一主面７ａに発生する渦電流１２ａの向きと、磁束発生部２における相対移動体７の移動方向後方のエッジｅ２からの磁束が到達する相対移動体７の一主面７ａに発生する渦電流１２ｂの向きとは相違している。エッジｅ２からの磁束により発生する渦電流１２ｂは、磁束発生部２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、エッジｅ１からの磁束が到達する相対移動体７の一主面７ａ部分に発生する渦電流１２ａは、磁束発生部２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７の回転に伴う磁束発生部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、磁束発生部２における相対移動体７の移動方向前方のエッジｅ１側では、渦電流１２ａによる磁束と磁束発生部２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、磁束発生部２における相対移動体７の移動方向後方のエッジｅ２側では、渦電流１２ｂによる磁束と磁束発生部２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。これら吸引力と反発力によって、磁束発生部２は相対移動体７の移動方向に沿った方向に応力すなわちローレンツ力を受ける。

なお、上述した磁束発生部２に発生されるローレンツ力は、以下のように説明することもできる。磁束発生部２における相対移動体７の移動方向前方のエッジｅ１からの磁束による発生する渦電流１２ａと、磁束発生部２における相対移動体７の移動方向後方のエッジ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、磁束発生部２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７が図２の矢印の向きに移動する場合には、相対移動体７の移動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磁束発生部２は、相対移動体７の移動方向へのローレンツ力の反力を受ける。この反力が磁束発生部２に発生される応力すなわちローレンツ力である。

図３（ａ）は磁束発生部２の励磁コイル８に流れる電流Ｉの波形を示す図、図３（ｂ）は磁束発生部２に発生されるローレンツ力Ｆの波形図である。図３（ａ）に示すように、励磁コイル８に流れる電流Ｉは、所定の周波数で変化する正弦波波形になる。一方、磁束発生部２に発生されるローレンツ力Ｆは、図３（ｂ）に示すように、励磁コイル８に流れる電流の周波数の２倍の周波数となる。すなわち、励磁コイル８に流れる電流が最大及び最小になるときに、磁束発生部２に発生されるローレンツ力Ｆは最大になる。このローレンツ力Ｆは、相対移動体７の移動又は回転速度に応じて振幅が増減する正弦波波形になる。図３（ｂ）は理想的な正弦波波形を示しているが、相対移動体７の移動又は回転速度が変化する場合は、励磁電流の２倍の基本周波数成分と、相対移動体７の加減速による周波数成分とを合成した波形になる。なお、図３（ｂ）に示すように、励磁コイル８に流れる電流が最大及び最小になるタイミングと、磁束発生部２に発生されるローレンツ力が最大になるタイミングとは、理想的には一致するが、実際には、励磁コイル８のコアの磁性材料にヒステリシスがある等の理由で、両タイミングがずれる場合もありうる。

したがって、図３（ｂ）のローレンツ力Ｆを検出すれば、相対移動体７の移動又は回転速度を推定できることになる。そこで、本実施形態では、磁束発生部２に発生されるローレンツ力を、応力伝達部材４で応力検出部３に伝達し、応力検出部３でローレンツ力に応じた電気信号を検出している。

ところが、相対移動体７の加速又は減速時には慣性力が発生し、慣性力が発生すると、磁束発生部２に作用する応力が変化してしまう。よって、相対移動体７の加速又は減速時には、慣性力の分だけ、応力検出部３で検出される応力が変化し、応力検出部３で検出された応力では、磁束発生部２に発生されるローレンツ力を正しく抽出できなくなる。

ここで、磁束発生部２に作用する慣性力は、周期関数で表すことができる。周期関数は、フーリエ級数展開により、複数の周波数の正弦波の和として表現できる。同様に、慣性力以外の外乱ノイズ（例えば、相対移動体７の振動など）の信号もすべて周波数解析をすることができる。

本実施形態では、慣性力を含めた外乱ノイズの信号解析を行って、外乱ノイズの周波数帯域と重ならない周波数帯域に、励磁コイル８に流す電流の周波数を設定するとともに、バンドパスフィルタ１１の通過周波数特性を設定する。

慣性力は相対移動体７の加速度に応じて変化する。また、慣性力以外の外乱ノイズは時と場合により異なる可能性がある。よって、慣性力を含めた外乱ノイズを予めシミュレーションや実験等によって検出し、外乱ノイズの周波数帯域を把握しておくのが望ましい。

バンドパスフィルタ１１は、外乱ノイズの周波数帯域を遮断するような周波数特性を有する。これにより、応力検出部３が出力する応力に応じた電気信号に含まれる周波数成分のうち、外乱ノイズに起因する周波数成分を除去することができる。

応力検出部３が出力する応力に応じた電気信号は、例えば応力によって信号振幅が変化する信号である。よって、磁束発生部２に発生される応力がローレンツ力であり、かつ外乱ノイズがないとすると、応力検出部３から出力される電気信号の信号振幅と、相対移動体７の移動又は回転速度とは、一対一に対応づけることができる。よって、予め、応力検出部３の電気信号の信号振幅と相対移動体７の移動又は回転速度との対応関係をテーブル化しておくか、あるいは演算式で表しておけば、速度推定部６は、テーブルを参照するか、あるいは演算式に応力検出部３の電気信号を入力することにより、相対移動体７の移動又は回転速度を推定することができる。

図４は図１に外乱ノイズ検出部１３と周波数調整部１４とを追加した一変形例による速度検出装置１のブロック図である。外乱ノイズ検出部１３は、圧電素子や加速度センサ等を用いて速度検出装置１１の周辺の外乱ノイズを検出する。なお、外乱ノイズの検出には種々の手法があり、いずれを採用してもよい。例えば、相対移動体７の振動を検出してもよい。外乱ノイズ検出部１３は、慣性力を検出してもよいし、検出しなくてもよい。以下では、外乱ノイズ検出部１３は、慣性力を検出しない代わりに、慣性力の周波数帯域は予め検出しておく例を説明する。

周波数調整部１４は、慣性力の周波数帯域と外乱ノイズ検出部１３で検出された外乱ノイズの周波数帯域とは異なるように励磁コイル８の励磁周波数を調整するとともに、慣性力の周波数帯域と外乱ノイズの周波数帯域とは異なる通過特性を持つようにバンドパスフィルタ１１の周波数特性を調整する。

図１と図４の速度検出装置１では、相対移動体７の一主面７ａと磁束発生部２とのギャップの時間平均値が一定であることを前提としている。ギャップが変化すると、磁束発生部２に発生されるローレンツ力が変化し、応力検出部３から出力される電気信号も変化してしまう。よって、相対移動体７の移動又は回転の最中にギャップの時間平均値が変動するおそれがある場合は、ギャップを推定するギャップ推定部を追加して、速度推定部６は、推定されたギャップを考慮に入れた上で、相対移動体７の移動又は回転速度を推定するのが望ましい。

図１及び図４の磁束発生部２は、磁性部材１０の表面に励磁コイル８を巻回した構造を備えているが、図５Ａ～図５Ｃに示すように、種々の形状のヨーク２０に励磁コイル８を巻回した構造を備えていてもよい。図５Ａは、コの字状のヨーク２０の中央部に励磁コイル８を巻回した構造を備えている。図５Ｂは、コの字状のヨーク２０の両側の枝部に励磁コイル８を巻回した構造を備えている。図５Ｃは、Ｅ字状のヨーク２０の中央の枝部に励磁コイル８を巻回した構造を備えている。ヨーク２０の形状及び励磁コイル８の巻回方法は、図５Ａ～図５Ｃに示したものに限定されない。ヨーク２０を設けることで、より小さい消費電力で大きな磁界を発生させることができ、磁気効率の向上が図れる。

このように、第１の実施形態では、相対移動体７の一主面７ａ上に発生される渦電流１２ａ，１２ｂによる磁束により磁束発生部２に発生されるローレンツ力を、応力伝達部材４を介して応力検出部３に伝達させ、応力検出部３から出力される応力に応じた電気信号に含まれる慣性力を含めた外乱ノイズをバンドパスフィルタ１１で除去した後に相対移動体７の速度を推定するため、慣性力等の外乱ノイズに依存せずに、相対移動体７の速度を精度よく検出できる。

（第２の実施形態）
図６は本発明の第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６の速度検出装置１は、磁束発生部２の構成が図１とは異なっているが、それ以外は図１と同様に構成されている。

図６の磁束発生部２は、永久磁石１５と、この永久磁石１５の表面に巻回されたボイスコイル１６と、永久磁石１５の一端側に接続されるバネ部材１７とを有する。ボイスコイルに交流電流を流すことで、永久磁石１５が力を受けてバネ部材１７が伸縮し、永久磁石１５の他端側の磁極と相対移動体７の一主面７ａ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７の一主面７ａ上の磁界強度は大きくなり、ギャップが大きいほど、相対移動体７の一主面７ａ上の磁界強度は小さくなる。よって、相対移動体７の一主面７ａ上の磁界強度は周期的に変化する。この磁界強度の変化によって、相対移動体７の一主面７ａ上には周期的に大きさが変化する渦電流１２ａ，１２ｂが発生する。渦電流１２ａ，１２ｂの大きさが周期的に変化することにより、磁束発生部２に発生されるローレンツ力も周期的に変化する。このローレンツ力の周波数に合わせて、バンドパスフィルタ１１の通過特性を設定することにより、応力検出部３で検出されるノイズ成分を除去できる。バンドパスフィルタ１１を通過したローレンツ力の周波数成分は、速度推定部６に入力されて、相対移動体７の移動又は回転速度が推定される。

相対移動体７が移動又は回転すると、図２と同様に、永久磁石１５における相対移動体７の移動方向前方のエッジと移動方向後方のエッジとで、これらエッジの直下の相対移動体７の一主面７ａ上に形成される渦電流１２ａ，１２ｂの向きが互いに逆になる。これにより、永久磁石１５に、相対移動体７の移動又は回転方向にローレンツ力が発生される。

図６の永久磁石１５と応力検出部３とは応力伝達部材４で接続されている。よって、永久磁石１５に発生されたローレンツ力は、応力伝達部材４を介して応力検出部３に伝達される。応力検出部３は、応力に応じた電気信号を出力する。この電気信号は、バンドパスフィルタ１１でフィルタリングされる。上述したように、バンドパスフィルタ１１の通過特性は、相対移動体７の一主面７ａ上に発生される渦電流１２ａ，１２ｂの大きさが変化する周波数に合わせて設定される。

図６の速度検出装置１においても、慣性力を含めた外乱ノイズの影響を回避するために、外乱ノイズの周波数帯域を事前に検出しておき、交流電源９は、外乱ノイズの周波数帯域とは異なる周波数の電流をボイスコイル１６に流す。また、バンドパスフィルタ１１で外乱ノイズの周波数成分を除去できるように、外乱ノイズの周波数帯域に応じてバンドパスフィルタ１１の通過周波数特性が調整される。

これにより、図６の速度推定部６は、慣性力等の外乱ノイズの影響を受けることなく、相対移動体７の移動又は回転速度を精度よく推定することができる。図６の速度検出装置１においても、図４と同様に、外乱ノイズ検出部１３と周波数調整部１４とを備えてもよい。

このように、第２の実施形態では、永久磁石１５とボイスコイル１６を用いて磁束発生部２を構成することにより、第１の実施形態と同様に、慣性力等の外乱ノイズに依存せずに、相対移動体７の速度を精度よく検出できる。また、第２の実施形態では、永久磁石１５を用いるため、相対移動体７とのギャップが大きい場合でも、相対移動体７の一主面７ａ上の磁界強度を強くすることができる。また、ボイスコイル１６に流す電流が小さくても、相対移動体７の一主面７ａ上の磁界強度を十分に変化させて周期的に大きさが変化する渦電流１２ａ，１２ｂを発生させることができ、第１の実施形態よりも消費電力を削減できる。

（第３の実施形態）
図７Ａ及び図７Ｂは本発明の第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７Ａ及び図７Ｂの速度検出装置１は、応力に応じた電気信号をそれぞれ出力する第１応力検出器２１及び第２応力検出器２２と、速度推定部６とを備えている。図７Ａと図７Ｂの違いは、図７Ａはバンドパスフィルタを備えていないのに対し、図７Ｂはバンドパスフィルタ１１を備えている点である。

第１応力検出器２１は、磁束発生部２と、第１応力検出部２３ａと、第１応力伝達部材２４ａとを有する。磁束発生部２は、相対移動体７の一主面７ａから離隔して配置され、相対移動体７の一主面７ａを通過する磁束を発生させる。第１応力検出部２３ａは、応力を検出して、応力に応じた電気信号を出力する。第１応力伝達部材２４ａは、相対移動体７の移動又は回転速度に応じて相対移動体７上に発生される渦電流１２ａ，１２ｂによる磁束に応じて磁束発生部２に発生されるローレンツ力を第１応力検出部２３ａに伝達する。

第２応力検出器２２は、非着磁体２５と、第２応力検出部２３ｂと、第２応力伝達部材２４ｂとを有する。非着磁体２５は、相対移動体７の一主面７ａから離隔して配置される。第２応力検出部２３ｂは、応力を検出して、応力に応じた電気信号を出力する。第２応力伝達部材２４ｂは、相対移動体７の移動又は回転に応じた慣性力を含む相対移動体７の周囲の外乱ノイズによる応力を第２応力検出部２３ｂに伝達する。

磁束発生部２は、例えば永久磁石１５である。永久磁石１５は、磁性体に強力な磁界を与えて着磁することにより形成される。非着磁体２５は、永久磁石１５を作製する母体となる磁性体を着磁しなかったものであり、主に慣性力を検出する目的で設けられることから、慣性体とも呼ばれる。

第１応力検出器２１の内部の磁束発生部２は永久磁石１５を有し、相対移動体７の移動又は回転速度に応じたローレンツ力を発生させる。この磁束発生部２で発生される応力は、ローレンツ力だけでなく、慣性力等の外乱ノイズによる応力も含んでいる。

一方、第２応力検出器２２の内部の非着磁体２５は、着磁されていないため、相対移動体７の一主面７ａ上に渦電流１２ａ，１２ｂが発生せず、非着磁体２５にも相対移動体７の移動又は回転速度に応じたローレンツ力を発生されない。ただし、非着磁体２５には、慣性力等の外乱ノイズによる応力が作用する場合がある。

速度推定部６は、第１応力検出器２１で検出された応力に応じた電気信号と、第２応力検出器２２で検出された応力に応じた電気信号との差分信号に基づいて、相対移動体７の移動又は回転速度を推定する。

第１応力検出器２１で検出された応力は、相対移動体７の移動又は回転速度に応じて磁束発生部２に発生されるローレンツ力と、慣性力を含む外乱ノイズによる応力とを含んでいるのに対し、第２応力検出器２２で検出された応力は、ローレンツ力を含まずに、慣性力を含む外乱ノイズによる応力を含んでいる。よって、第１応力検出器２１と第２応力検出器２２から出力された双方の電気信号の差分を取ることで、慣性力を含む外乱ノイズによる応力をキャンセルして、ローレンツ力だけを抽出できる。よって、本実施形態の速度検出装置１では、図７Ａのようにバンドパスフィルタ１１を設けなくても、相対移動体７の移動又は回転速度を精度よく検出できる。なお、図７Ｂの速度検出装置１がバンドパスフィルタ１１を備えている理由は、慣性力以外の外乱ノイズをキャンセルするためである。

このように、第３の実施形態では、第１応力検出器２１と第２応力検出器２２を設けて、第１応力検出器２１と第２応力検出器２２から出力された両方の電気信号の差分を取ることで、外乱ノイズをキャンセルできる。よって、バンドパスフィルタ１１が必須でなくなり、簡易な構成で、精度よく相対移動体７の移動又は回転速度を検出できる。

上述した第１～第３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３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。なお、第１～第３の実施形態における相対移動体６は、導電体である。

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 応力検出部、４ 応力伝達部材、５ 特定周波数帯域抽出部、６ 速度推定部、７ 相対移動体、８ 励磁コイル、９ 交流電源、１０ 磁性部材、１１ バンドパスフィルタ、１２ａ，１２ｂ 渦電流、１３ 外乱ノイズ検出部、１４ 周波数調整部、１５ 永久磁石、１６ ボイスコイル、１７ バネ部材、２１ 第１応力検出器、２２ 第２応力検出器、２３ａ 第１応力検出部、２３ｂ 第２応力検出部、２４ａ 第１応力伝達部材、２４ｂ 第２応力伝達部材、２５ 非着磁体

Claims (12)

1. 相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記相対移動体の前記一主面上を通過する磁束を所定の周波数で変化させる磁束発生部と、
   応力を検出して、前記応力に応じた電気信号を出力する応力検出部と、
   前記相対移動体の移動又は回転速度に応じて前記相対移動体上に発生される渦電流による磁束に応じて前記磁束発生部に発生されるローレンツ力を前記応力検出部に伝達する応力伝達部材と、
   前記電気信号に含まれる、前記ローレンツ力に関連する周波数成分を抽出する特定周波数帯域抽出部と、
   前記特定周波数帯域抽出部で抽出された周波数成分に基づいて、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、前記所定の周波数を、前記相対移動体の加減速に応じて前記応力検出部に作用する慣性力に関連する周波数帯域とは異なる周波数に設定する、請求項１に記載の速度検出装置。
3. 前記磁束発生部は、前記所定の周波数を、前記応力検出部で検出される外乱ノイズの周波数帯域とは異なる周波数に設定する、請求項１に記載の速度検出装置。
4. 前記磁束発生部は、前記相対移動体の前記一主面上を通過する磁束を前記所定の周波数で変化させる励磁コイルを有する、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. 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１乃至３のいずれか一項に記載の速度検出装置。
6. 前記相対移動体の周囲の外乱ノイズを検出する外乱ノイズ検出部を備え、
   前記磁束発生部は、前記所定の周波数を、前記外乱ノイズの周波数帯域とは異なる周波数に設定する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の速度検出装置。
7. 前記応力伝達部材は、前記ローレンツ力を前記応力検出部に伝達する剛性体である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の速度検出装置。
8. 前記応力伝達部材は、前記ローレンツ力に応じた気圧を前記応力検出部に伝達する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の速度検出装置。
9. 前記応力検出部は、力センサ、歪センサ又は気圧センサである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の速度検出装置。
10. 応力に応じた電気信号をそれぞれ出力する第１応力検出器及び第２応力検出器と、
    前記第１応力検出器から出力された電気信号と、前記第２応力検出器から出力された電気信号との差分信号に基づいて、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、
    前記第１応力検出器は、
    前記相対移動体の一主面から離隔して配置され、前記相対移動体の一主面を通過する磁束を所定の周波数で変化させる磁束発生部と、
    前記応力を検出して、前記応力に応じた電気信号を出力する第１応力検出部と、
    前記相対移動体の移動又は回転速度に応じて前記相対移動体上に発生される渦電流による磁束に応じて前記磁束発生部に発生されるローレンツ力を前記第１応力検出部に伝達する第１応力伝達部材と、を有し、
    前記第２応力検出器は、
    前記相対移動体の一主面から離隔して配置される非着磁体と、
    前記応力を検出して、前記応力に応じた電気信号を出力する第２応力検出部と、
    前記相対移動体の移動又は回転に応じた慣性力を含む前記相対移動体の周囲の外乱ノイズによる応力を前記第２応力検出部に伝達する第２応力伝達部材と、を有する、速度検出装置。
11. 前記相対移動体は、列車の車輪又はレールであり、
    前記磁束発生部は、前記所定の周波数を、前記列車の振動周波数帯域とは異なる周波数に設定する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の速度検出装置。
12. 相対移動体の一主面から離隔して配置される磁束発生部にて、前記相対移動体の前記一主面上を通過する磁束を所定の周波数で変化させ、
    応力検出部にて応力を検出して、前記応力に応じた電気信号を出力し、
    前記相対移動体の移動又は回転速度に応じて前記相対移動体上に発生される渦電流による磁束に応じて前記磁束発生部に発生されるローレンツ力を前記応力検出部に伝達し、
    前記電気信号に含まれる、前記ローレンツ力に関連する周波数成分を抽出し、
    前記抽出された周波数成分に基づいて、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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