JPH0542630B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

発明の関連する技術分野 本発明は、測定車輪とコイルと評価回路とを有
しており、前記測定車輪は回転体と連結されてお
り、前記測定車輪には周方向で周期的に繰返され
るマークとしての相異なつた材料部材が取付けら
れており、前記材料部材の一方は非強磁性の導電
材であり、他方は強磁性材であり、前記コイルは
前記測定車輪の近くに配設されていて、所定の周
波数の交流電流が流されており、かつ前記測定車
輪の回転数に依存する測定信号を送出するように
構成されており、前記評価回路は所定の限界電圧
で前記測定信号に応動するように構成されてい
る、回転体の回転数検出装置に関する。 技術水準 測定車輪を歯車として形成したこの種の装置は
既に公知である。この際、測定信号を発生するた
めのマークは、歯車の歯先と歯溝とによつて構成
されている。歯車は、一体的に強磁性材かまたは
非強磁性（反磁性または常磁性）の導電材から形
成されている。どの材料が使われるかに応じて、
測定の際磁気効果と渦電流効果または渦電流効果
だけが利用される。コイルと歯車との間隔が増大
すると磁気効果も渦電流効果も減少するので、公
知のこの装置の場合、歯数の他に歯車の非円形回
転（回転の非真円性）も検出される。その種の回
転は、例えば支承軸の遊び、軸の湾曲または歯車
を支持する軸に対して歯車が垂直に取付けられて
いないことによつて生じる。従つて、歯数が第１
次の回転数に重畳された測定信号がコイルから取
出される。この信号は、歯車が非円形に回転して
いる場合、後続のパルス形成のための処理には適
していない。と言うのは、この場合、所定の限界
電圧で応動する評価回路はすべての歯車を検出し
ないからである。 発明の目的および効果 本発明の装置は、コイルに生じる測定信号が、
測定車輪が非円形回転している場合でも、評価回
路の出力側に、マークの繰返し周波数に正確に相
応した繰返し周波数のパルス列が供給されるよう
に形成されるという利点を有している。それ故、
本発明の装置によると、測定車輪の非円形回転と
は無関係に測定車輪のすべてのマークが検出され
る。また、本発明の装置によると、測定値指示に
おいて前述の第１次の回転数信号も抑圧して歯に
相応するマークすべてを評価回路によつて評価す
ることができる。 発明の説明 第１図は、歯車とコイルとから構成された公知
の回転数検出装置の原理の説明に供する装置の部
分略図、第３図は、第１図の装置の測定電圧特性
曲線を形成するために、歯車をコイルに対して３
つの異なつた位置に配置した装置の部分略図を示
す。 機械の制御と調整のために、回転数または位置
の検出に適したセンサがますます必要になつてき
ている。その際、回転機械の場合センサ１１と共
働する歯付きの円板たる測定車輪１０が、パルス
発生のためにしばしば用いられる。公知の、第１
図と第３図に示した無接触の受動的な測定方式の
場合、センサ１１に対する歯先と歯溝の、異なる
間隔ａが測定のために利用されている。 第２図は、第１図の装置において歯車が非円形
回転する際にコイルから送出される、時間ｔに依
存した測定信号UM、およびコイルに後置接続し
たシユミツトトリガから出力されるパルス列を示
す。 第１図、第３図の装置の場合、１次的には間隔
測定方式であるので、歯数の他に歯車の非円形回
転も検出される。そのような回転は、例えば軸受
けの遊び、軸の湾曲により生じ、または軸に対し
て歯車が垂直に取付けられていない場合に生じ
る。従つて、歯数が第１次の回転数に重畳されて
第２図ａに示すような測定信号（測定電圧）が得
られる。しかし、この信号は後続のパルス形成の
ための処理には不適当である。と言うのは、例え
ばシユミツトトリガを有する後続の評価回路は、
第２図ｂに示すように、すべての歯を検出しない
からである。 公知の、無接触の電気的な誘導または渦電流測
定方式の場合、発生器１２によつて発生された、
搬送周波数_Tの交流電流が第８ａ図に示すように
センサ１１のコイルを流れる。センサ１１のコイ
ルに生じた電圧降下Ｕ→_gが測定信号の形成のため
に利用されるので、センサ１１のコイルの実効イ
ンピーダンスの大きさが測定電圧U_Mの高さを決
定する。その際、次の関係が生じる。 測定対象である歯車１０を強磁性材（例えば
St37.11）から形成すると、２つの効果によりセ
ンサ１１のコイルのインダクタンスが定まる。測
定対象である歯車１０がセンサ１１のコイルに接
近すると、磁気効果によつてコイルのインダクタ
ンスが増大する。それに対して、渦電流効果によ
つてコイル１１のインダクタンスが低減する。そ
れ故、磁気効果と渦電流効果は対照的である。周
波数_Tが上昇すると、渦電流効果は増大するが透
磁率は減少することが公知である。それ故、例え
ば強磁性鋼において周波数_Tが比較的低い場合、
磁気効果が優勢となる。そのため、測定対象１０
がセンサ１１のコイルに接近する場合、センサ１
１のコイルの自己インダクタンスが増大する。そ
れに対して、測定対象１０を非強磁性材、例えば
非鉄金属から形成すると、この材料の表面が導電
性である場合に、渦電流効果しか生じない。従つ
て、センサ１１のコイルの自己インダクタンス
は、測定対象１０がセンサ１１のコイルに接近す
る場合に低減する。 次の考察では、センサ１１のコイルが次のよう
に巻回されているということを前提としている。
即ち、使用搬送周波数_TMにおいて、センサ１１
のコイルのインダクタンスがセンサ１１のコイル
の全インピーダンスＺ→_gに支配的な影響を及ぼす、
つまり、センサ１１のコイルの全インピーダンス
Ｚ→_gはセンサ１１のコイルのインダクタンスに相
応した傾向で変化するように作用する。 第４図は、歯車の材料および交流電流の周波数
を、測定信号の渦電流成分が極めて小さい（有利
には誘導測定方式）ように選定した場合、第３図
の３つの位置において、コイルから送出される、
コイルと測定歯車との間隔に依存した測定電圧特
性曲線図を示す。 回転数測定を有利な誘導形式で、つまり、歯車
１０を強磁性材から形成し、比較的低い周波数
_TMで行なう場合、センサ１１のコイルの全イン
ピーダンスＺ→_gと測定電圧U_Mとは同様に変化する
と仮定されている。そのような電気評価回路の相
応の構成の場合、次に説明する状況が生じる。 １ センサ１１が歯先１３ａに対向して測定する
場合（第３図α）。 前述の関係に相応して、磁気効果による測定電
圧U_Mは、間隔０mmの場合に最大である。このこ
とは、第４図の特性曲線から明らかである。セン
サ１１と測定対象１０との間隔ａに関して、第４
図の特性曲線図の左端の縦座標軸に相当する距離
０mmのところから始まる測定電圧U_Mが曲線αで
図示されている。距離ａが増大すると測定電圧
U_Mは減少し、間隔ａが充分大きくなると一定値
に接近する。そこでは、センサ１１は「空気」に
対向して測定しており、有効透磁率は最早変化し
ない。 ２ センサ１１が歯溝１３ｂに対向して測定する
場合（第３図β）。 歯先と歯先との間隔を極端に広くした実現不可
能な理想状態では、測定電圧U_Mはそれぞれ間隔
ａの全領域にわたつて常時同じ一定値をとる。と
言うのは、歯先に対して間隔ａ＝０mmの場合（セ
ンサ１１が歯溝に対向して測定する）でも比較的
大きな距離ａの場合でもセンサ１１は常時空気に
対向して測定するからである。しかし、これは滅
多に起こらない。センサ１１の直径に対して歯先
と歯先との間隔を狭くすればする程、距離０mmの
場合に、コイルから出た電磁交番磁界は歯先、歯
の側面および／または歯底も一層良く検出するよ
うになる。その際、有効透磁率は、第３図αの場
合よりも小さいが、コイルが「空気」に対向して
しかを測定しない場合よりも大きい。つまり、特
性曲線βは、曲線αより若干平坦であるが、同じ
ような特性を有している。 ３ センサ１１が歯先１３ａと歯溝１３ｂとに対
向して測定する場合（第３図γ）。 センサ１１が歯先と歯溝との間にある場合、特
性曲線αおよび特性曲線βと傾向が同じ特性を持
つた特性曲線γが得られる。但し、曲線γの高さ
は前述の特性曲線αと特性曲線βとの間にある。 第５図は、歯車の材料を、測定信号が誘導成分
を有しない（純渦電流測定方式）ように選定した
場合の、第３図の３つの位置において、コイルか
ら選出されるコイルと測定歯車との間隔に依存し
た測定電圧の特性曲線図を示す。 渦電流測定の場合、特に搬送周波数_TMの場合、
センサと測定対象１０とが接近すると、コイルイ
ンダクタンス、従つてコイルのインピーダンスは
減少する。それ故、この測定方式の場合、測定電
圧特性曲線は第５図に示すように第４図の場合と
反対の経過を辿る。つまり、間隔ａが大きくなる
と、測定電圧は上昇する。その際、いずれにせよ
逆の極性で、誘導測定方式と類似して測定値が変
化する。つまり、間隔ａ＝０mmの場合にセンサ１
１が渦電流を発生すればする程、距離ａの増大と
共に電圧は益々増大し、間隔ａが充分広くなる
と、一定値をとるようになる（空心コイル−電圧
降下）。このことは、第５図の特性曲線αを第３
図αのセンサと歯車との位置と比較し、同じく特
性曲線βを第３図βの位置と比較し、特性曲線γ
を第３図γの位置と比較することによつてわか
る。 例えば、歯車１０の非真円性、軸受けの不良、
または軸の湾曲によつて、回転中に間隔ａが変化
すると、両方の測定方式とも回転数検出に適しな
い。と言うのは、後置接続されたシユミツトトリ
ガの一定トリガ電圧U_Tはすべての歯を検出でき
ないからである。これは、第４図、第５図からわ
かる。破線で示した、一定高さの、所定の一定ト
リガ電圧U_Tの場合、誘導測定方式でも渦電流測
定方式でも、間隔ａがそのつど図示の領域Δaの
中で変化する時にだけすべての歯が測定される。
間隔ａの変化がそれより大きくなると、最早すべ
ての歯が検出されなくなる。 第６図は、コイルに対して３つの異なつた位置
に測定車輪が位置する場合の本発明の装置の実施
例を示す部分略図、第７図は、第６図の３つの位
置において、コイルから送出される、コイルと測
定車輪との間隔に依存した測定電圧の特性曲線図
を示す。 本発明の装置では測定車輪１０を少なくとも２
つの異なつた材料から製作し、同じセンサ１１を
用いて検出すべき回転数を、誘導測定方式と渦電
流測定方式とによつて同時に測定し、その際、ト
リガ電圧U_Tによつて、（偏心率と無関係に）測定
車輪の回転を正しく検出できるように対照的な較
正曲線を形成する。原理的には第６図δ，ε，
に示すように、測定車輪１０に、セグメント状に
均一に配分して被着された金属薄板または金属面
１３ａは歯先の機能を果し、測定車輪の、金属で
被覆されていない、残りの部分１３ｂは歯溝の機
能を果すか、逆に金属面１３ａが歯溝の機能を果
し、部分１３ｂが歯先の機能を果す。その際、薄
板材の磁気特性と測定車輪の磁気特性とが異なつ
ていることが重要である。ここで述べるように、
例えば薄板１３ａを良導電性の、非強磁性の非鉄
金属、例えば銅から形成し、測定車輪を強磁性
の、高透磁率の材料、例えばフエライトから製作
すると、良好な測定効果が得られる。 第６図δの位置のように、センサ１１が薄板１
３ａに対向している場合、センサ１１は有利には
渦電流方式で作動する。即ち、第７図の曲線δの
ように、測定電圧U_Mは、間隔ａが大きくなると
上昇する。第６図εの位置では、センサ１１は有
利には強磁性材１３ｂに向して測定する。この
際、センサ１１はセンサと車輪との間隔を有利に
は誘導方式で検出する。つまり、測定電圧U_Mは、
第７図の曲線εに示すように、距離ａが大きくな
ると減少する。第６図の位置では、センサ１１
のコイルは、磁性ないし非磁性領域のそれぞれほ
ぼ半分づつ対向して測定している。この場合に
は、間隔ａが増大または減少する際、そのコイル
半部において対照的に作用する電圧の変化が実質
的に相殺し合う。理想状態では、高さが間隔ａと
は無関係なほぼ一定の測定電圧U_MLが得られる。 図示の曲線の経過から、ほぼU_MLの高さの一定
トリガ電圧U_Tは、回転数測定の際、回転の偏心
率とは無関係にすべての薄板セグメント１３ａお
よび金属で被覆していない部分１３ｂを検出する
ことがわかる。この測定方式の性能は第９図から
わかる。第９図には、測定車輪１０が、強く偏心
して（例えば0.6mmの偏心）支承されている場合
に生じる、測定電圧U_Mの特性曲線が示されてい
る。第６図δ，ε，において、薄板１３ａは、
0.5〜0.8mmの幅ｂを有し、薄板セグメント１３ａ
と薄板で被覆されていない部分１３ｂとの比は
１：１であり、センサ１１のコイルの直径は1.4
mmである。一定トリガ電圧U_Tによつて、分解能
の限界まで、すべての薄板セグメント１３ａと金
属で被覆されていない部分１３ｂを、間隔ａとは
無関係に検出できる。 この測定装置を申し分なく機能させるために
は、第７図の、誘導測定方式の特性曲線εと渦電
流測定方式の特性曲線δとが少なくとも対照的に
ほぼ対称的に接近し合うような経過をとることが
前提となる。これは、本発明によると、コイルを
流れる交流電流の周波数_T、例えば搬送周波数を
調整することによつて行うことができる。更に、
前述のことから、磁性材の場合、搬送周波数が上
昇すると、誘導効果が低減し、同時に渦電流効果
は、磁性材の場合でも非磁性材の場合でも増大す
ることがわかる。それ故、搬送周波数_Tを、前述
の状態になるまで変える必要がある。その際、セ
ンサと測定車輪との間隔が非常に大きい場合、空
心コイルの電圧降下U_MLを、トリガ電圧の高さの
基準量として、即ちU_MLU_Tとなるように選定す
ると屡々有利である。 十分な電圧降下を得るために、小型のセンサ１
１のコイルを非常に高周波の交流電流によつて作
動させる必要がしばしばある。 第８ａ図は、評価回路も設けていないセンサコ
イルの電気接続の実施例を示す回路図を示し、第
８ｂ図は、コイルと測定車輪との間隔が一定の場
合、特にキヤパシタンスをセンサコイルに並列に
接続した際の、本発明の装置の、交流電流の周波
数に依存した測定電圧の特性曲線を示す。 しかし、第８ａ図に示すように、キヤパシタン
スC_pをセンサ１１に並列に接続することによつ
て、搬送周波数_TMを低減させることもできる。
第８ｂ図の線図には、センサと車輪との間隔が一
定の場合の、測定電圧U_Mの、搬送周波数_Tに関
する特性曲線が示されている。その際曲線δは第
６図δに相応した車輪１０に対するセンサ１１の
位置の場合、曲線εは同じく第６図εの場合、曲
線は第６図の場合の特性曲線である。 この場合、搬送周波数_Tを変えることによつ
て、測定信号U_Mにおける渦電流および誘導測定
効果の成分に影響を与えて、前述の最適な状態
（第８ｂ図に破線で示した_TM）に調整することが
できる。 しかし、コスト上の理由から、単に固定的に調
整された搬送周波数_T、例えば2MHzを発生する
発振器を設けることがしばしば行なわれている。
その際、本発明によると、キヤパシタンスC_pを
変えることによつて、所定周波数_TMの場合でも
測定値の指示における第１次の信号の抑圧に関連
して前述の最適な状態に調整されるまで共振位置
をシフトさせることができる。これは、可変コン
デンサによつて行うことができる。第８ａ図に破
線で示したように、コイルに並列に１つの可変コ
ンデンサを設けるか、または既に設けられている
コンデンサに付加的に可変コンデンサを設ける。
回転数測定を量産品で行う必要がある場合、それ
ぞれのセンサ１１を、相互に交換できるような精
度で製作して、調整部材をなくすこともできる。 コンデンサを比較的大きく構成すると、コイル
インダクタンスの上昇によつて、コイルに加わつ
た測定電圧が低下し、インダクタンスの減少によ
つて電圧が上昇するようにできる。と言うのは、
その際、搬送周波数_TM1は共振周波数よりも高い
からである（第８ｂ図参照）。しかし、この測定
方式を用いても第１次の信号の指示を抑圧するこ
とができる。と言うのは、その際、第７図からわ
かるように、曲線εと曲線δとが鏡像的になつて
いるからである。 本発明の回転数測定方式によると、測定車輪の
回転の非真円性によつて生じる誤差を抑圧するだ
けでなく、センサ１１の半径方向の振動運動によ
つて生じることがある測定誤差も阻止できる。セ
ンサ１１は、例えば、ばねを介して測定車輪軸と
連結されたシヤシ部に取付けることができる。 本発明の測定方式の場合、前述のように、測定
車輪１０の周囲においてセグメント状に領域１３
ｂを、渦電流の形式を阻止する強磁性材で形成
し、領域１３ａを、渦電流を形成するのに必要
な、良導電性の非強磁性材、例えば銅、アルミニ
ウムで形成して測定車輪１０の周囲を分割すると
非常に有効である。この条件を実現するのに、多
くの材料と多様な構造形式がある。例えば、薄板
１３ａを強磁性材から製作し、測定車輪を非強磁
性材から製作することもできる。更に、例えば、
測定車輪をレジテツクス（商品名）、ポリメチル
メタクリレート（商品名プレキシガラス）、ポリ
塩化ビニール等のプラスチツクから製造し、測定
する外周面に金属薄板を接着することもできる。
その際、金属薄板は、別の金属を被着することに
よつて条片状に区分する、即ち、前述のような異
なつた材料を交互に設け、このようにして測定に
有効な領域１３ａ，１３ｂを形成する。 磁性材を非磁性材に、または非磁性材を磁性材
にセグメント状ないし条片状に被着するために、
例えば接着、蒸着または電気化学的方法のような
種々の手段がある。必要な材料特性を持つた多数
の材料のうちの幾つかを具体的に表にまとめた。

【表】 前述までは、第６図に示すように金属薄板被覆
部分１３ａと非被覆部分１３ｂとの比が１：１の
場合に薄板の幅をｂとして、センサコイルの直径
ｄは幅ｂと同じ大きさ、または一層有利には、セ
グメント幅ｂよりも若干小さいことを前提として
きた。しかし、測定車輪１０の外周面を特に狭い
部分１３ａ，１３ｂに分割する場合、コイルの直
径ｄを幅ｂよりきく構成することが不可避とな
る。この場合、センサ１１の外径ｄをセグメント
幅ｂのほぼ奇数倍の大きさ、例えばｂ＝0.5mm、
ｄ＝1.5mmにすると有利である。しかし、その際、
センサ１１は３つの部分にわたつて測定するの
で、センサ１１は極端な位置状態では、第６δ図
に相応して１つの薄板かまたは第６ε図に相応し
て２つの薄板にわたつて測定する。その際、セン
サ１１はこの位置状態では最早渦電流ないし有利
には誘導的にだけ間隔ａないし回転数を測定する
のではなく、同時に渦電流と誘導効果が作用し、
それぞれ渦電流または誘導効果の一方が支配的で
あるにすぎない。その際、原理的には、上述の同
じ状態があてはまる。いずれにせよ、電磁交番磁
界の縁領域によつて、両方の測定方式は完全に分
離されることはない。センサ１１を部分的に金属
薄板によつて覆うと、実質的に同じ関係になる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第３図は、従来公知技術による回
転数検出装置の原理の説明に供する図、第２図、
第４図および第５図は公知の回転数検出装置の特
性曲線図、第６図は、本発明の装置の実施例を示
す部分略図、第７図、第８ｂ図、第９図は、第６
図の本発明の装置の説明に供する特性曲線図であ
る。第８ａ図は本発明による回転数検出装置の実
施例の評価回路部分を除く回路略図を示す。 １０……測定車輪、１３ａ……金属薄板被覆部
分、１３ｂ……金属薄板の非被覆部分、１１……
センサ、１２……発生器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定車輪とコイルと評価回路とを有してお
   り、前記測定車輪は回転体と連結されており、前
   記測定車輪には周方向で周期的に繰返されるマー
   クとしての相異なつた材料部材が取付けられてお
   り、前記材料部材の一方は非強磁性の導電材であ
   り、他方は強磁性材であり、前記コイルは前記測
   定車輪の近くに配設されていて、所定の周波数の
   交流電流が流されており、かつ前記測定車輪の回
   転数に依存する測定信号を送出するように構成さ
   れており、前記評価回路は所定の限界電圧で前記
   測定信号に応動するように構成されている、回転
   体の回転数検出装置において、前記強磁性材から
   なるマークによる測定信号の変化が誘導的磁気作
   用によつて生じるように当該強磁性材の選定はな
   されており、前記非強磁性材からなるマークによ
   る測定信号の変化が渦電流作用によつて生じるよ
   うに前記コイルに流される交流電流の周波数
   （_TM）の選定はなされており、前記強磁性材の前
   記誘導的磁気作用および前記非強磁性材の渦電流
   作用によつて、前記コイルに流される前記交流電
   流の周波数に依存して前記コイルに生じる各電圧
   はほぼ逆方向の特性経過を有しており、それによ
   り、合成された測定電圧（U_ML）が生じ、前記合
   成された測定電圧（U_ML）の評価のために評価回
   路が応動する当該評価回路の限界電圧（U_T）は、
   前記コイルと前記測定車輪との間隔が十分に広い
   場合の前記コイルの前記合成された測定電圧
   （U_ML）に相応するようにしたことを特徴とする
   回転体の回転数検出装置。 ２ それぞれ異なつた材料の領域１３ａ，１３ｂ
   は測定車輪１０の周方向においてそれぞれ少なく
   ともほぼ同じ広がりを有している特許請求の範囲
   第１項記載の回転数検出装置。 ３ 評価回路に、コイルに後置接続したシユミツ
   トトリガを設けた特許請求の範囲第１項記載の回
   転数検出装置。 ４ 周波数（_TM）の選択は、磁気作用および渦
   電流作用の、測定車輪とコイルとの間隔への依存
   性が近似的に相殺されるように行なわれる特許請
   求の範囲第１項記載の回転数検出装置。 ５ 評価回路は少なくとも１つの可変容量コンデ
   ンサを有している特許請求の範囲第１項記載の回
   転数検出装置。 ６ 交流電流の周波数（_TM）はコンデンサの容
   量を最適に調整することによつて決められる特許
   請求の範囲第５項記載の回転数検出装置。 ７ 測定車輪は非金属材料から構成され、該測定
   車輪の表面はセグメント状に配分された金属薄板
   で被覆されており、前記セグメント状の金属薄板
   は交互に強磁性材料と非磁性導電材料とを有して
   いる特許請求の範囲第１項記載の回転数検出装
   置。