JPH0124264B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 物理的な位置が繰り返し変化する領域１６を
備えたギア歯等の部品１２の速度検出システムに
おいて、 出力端６４および、この出力端の信号周波数を
制御するタンク回路５６を備えた電子式オシレー
タ５８と、 前記部品１２に隣接して配置され、この部品に
結合している磁束通路を形成しており、前記磁束
通路の磁束強度が、隣接した前記部品の物理的な
位置の変動に応じて変化するようになつている磁
気センサ２０と、 前記磁束通路に結合しており、前記部品１２が
前記センサ２０に対して移動すると、前記オシレ
ータ出力信号の周波数を、高い周波数と低い周波
数との間で交互に変更するようになつた前記タン
ク回路５６と、 前記オシレータの出力信号の前記高い周波数お
よび低い周波数の間の周波数を有する基準信号を
発生する手段６８と、 前記オシレータの出力信号を前記基準信号と比
較して、前記基準信号の周波数に対して、前記オ
シレータの出力信号の周波数が大きいときには第
１のレベルのデジタル出力を発生し、小さいとき
には第２のレベルのデジタル出力を発生する手段
６６，７０と、 前記デジタル出力における第１および第２のレ
ベルの間の間隔に基づいて、前記センサ２０に対
する前記部品１２の速度を算出する手段３８とを
有することを特徴とする速度検出システム。

２ 請求の範囲第１項に記載の速度検出システム
において、前記基準信号の周波数が、ほぼ全作動
状態の下で、前記オシレータの出力信号の高い周
波数と低い周波数との間の値となるように、前記
オシレータの出力信号周波数の変動に応じて、前
記基準信号の周波数を変更するようになつた手段
４８を有していることを特徴とする速度検出シス
テム。

３ 請求の範囲第１項に記載の速度検出システム
において、前記磁気センサ２０は、強磁性体のコ
ア５０と、磁束源５４と、前記コアおよび前記磁
束源を磁気的に並列配置した状態で支持している
支持体とを備えており、 前記タンク回路５６は、前記コアを通過する磁
束に応じてコアのインダクタンスを変化させるよ
うに、前記コアに結合されているコイルを備えて
いることを特徴とする速度検出システム。

４ 請求の範囲第２項に記載の速度検出システム
において、第２のオシレータ６２と、第２の磁気
センサ６２と、これらに接続された第２の検出手
段７６とを有しており、この第２の検出手段にお
いて得られる第２のデジタル出力は、前記デジタ
ル出力と同一ではあるが、位相がシフトしたもの
であることを特徴とする速度検出システム。

技術分野 本発明は歯車等の金属部品の速度を検出する為
の装置、特に、モニタされる部品とセンサとの間
の相対運動の結果として周波数変調された
（FM）信号が生み出される速度検出システム、
に関する。速度はローエンドではゼロに至る迄の
広い範囲にわたつて検出可能である。

背景技術 駆動ギヤ又はギヤラツク等の回転体又は直線移
動体の運動の速度と方向は、多数の先行の装置及
び技術によつて測定可能である。例えば、電気光
学的装置、ホール効果装置、及び電磁気的センサ
を、部品が検出器を通つて動いてゆく時にパルス
を発生させる為に使用する事が出来、次いでこれ
らのパルスが、希望するデータを作り出す為に処
理される。光学的装置は比較的クリーンな環境を
必要とし、ホール効果装置は高価であり且つしば
しば技術的に複雑である。これらの要素から電磁
気的センサが有利であると思われるかもしれない
が、電磁気的センサの実用上の欠点はセンサと移
動部品との間の間隔の変動の影響を受けやすい事
と信号の強さが移動部品の速度に依存していると
云う事である。即ち、このセンサの中の信号発生
器は単位時間当りの磁束の変化に対して反応する
ので、移動の速度が非常に低くなると、センサの
信号は後のデータ処理器の中でほとんど役に立た
なくなつてしまうのである。従つて、電磁気的セ
ンサは、ゼロ又はゼロに近い速度が検出されなけ
ればならない様な所ではあまり使用されていな
い。電磁気的センサの欠点を少なくしたホイール
又はギヤ速度測定への一つのアプローチの仕方が
1977年９月27日にRuhnau他に対して交付された
米国特許No.4050747の中に開示されている。この
装置はデジタルの速度表示を行なう為にセンサ信
号のプラスとマイナスの移動に対して反応するカ
ウンタとデータ・レジスタを使用している。

本発明は上に述べられた諸問題の一つ又は幾つ
かを克服する事を目的としている。

発明の開示 本発明の一つの特徴は、堅牢且つシンプルな電
磁気的センサを使用し且つ低速及び速度ゼロの測
定能力を持つ速度検出システムが備えられている
ことにある。このシステムはオシレータの出力の
周波数を制御するタンク回路を持つオシレータ
と；部品に隣接し、この部品と結合し且つこの部
品の物理的存在に応じて磁束がその強さを変える
磁束通路の部分を確定する、磁束に感応するセン
サとを含んでいる。オシレータのタンク回路は、
部品がセンサの傍を通過する際にタンク回路の電
気的チユーニングが変化する様に磁束通路と結合
されており、かくして比較的高い周波数レベルか
ら低い周波数レベル迄の間で出力信号の周波数の
交互的シフトを作り出す。部品の速度は、オシレ
ータが高い周波数と低い周波数の間で変化する速
度の関数として確定される。

本発明の別の特徴では、先に言及された米国特
許No.4050747の先行技術の複雑なマルチプル・カ
ウンタ及びレジスタ・システムを用いずに、測定
されつつある部分の速度に比例した割合で生じる
デイスクリート（不連続）な遷移を持つデジタル
信号をもたらす部品の速度検出システムが備えら
れていることにある。本発明のこの特徴にもとづ
く速度検出システムは可変周波数信号を作り出す
オシレータ；部品の傍に配置され、この部品がセ
ンサを通過するのにつれて高い周波数と低い周波
数の間で周波数信号を変化させるセンサ；及びこ
の信号を受取つて、部品の速度を表わす割合で遷
移が起こるデジタルの波形を作り出す検出器；を
含んでいる。この様なシステムは単に信号の強さ
の変化から独立であるだけでなく、始動及び通常
の作動の間にも容易に較正される。

【図面の簡単な説明】

第１図はギヤの歯の速度の測定に適用された本
発明の一つの実施態様を示している。

第２図は第１図の実施態様の、様々な作動条件
の下における幾つかの信号周波数をグラフによつ
て示している。

第３図は第１図のシステムの運動センサ部分の
中に用いられる好ましい電磁気的ピツクアツプの
設計の平面図である。

第４図は大型ダンプトラツクの速度制御システ
ムに用いられた、本発明の一つの実施態様のブロ
ツク図である。

発明を実施するための最良の形態 第１図は回転ギヤ１２の中の歯１６の周速度を
測定する為に用いられた本発明の一つの実施態様
を図示している。この実施態様は、ギヤ１２が矢
印の方向に動くとセンサ本体の端部が交互にギヤ
の歯１６と歯ミゾ１８に隣接する様に、ギヤ１２
にびつたりと隣接して配置されたピツクアツプ２
０を含んでいる。センサ２０はエポキシ樹脂又は
適当なモールド加工の出来るポリマー等の非磁性
材料で作られた本体２１を含み、この本体の中
に、ギヤの歯の運動方向に、隣接する歯と歯１６
の間の円周距離よりもはるかに少ない距離だけ間
隔をあけた１対の強磁性のコア５０及び５２が収
められている。センサ２０の本体２１は又その中
に、磁束のパターンが１対のコア５０及び５２の
間を通過し、モニタされつつあるギヤの歯形に隣
接する本体の端部から現われ出る様に方向を定め
られた永久磁石５４の形をした単一方向の磁束源
を備えている。電磁気的現象に親しんでいる者に
とつては、与えられた時点において実際にコア５
０と５２を結合させている磁束の量は磁束通路の
リラクタンスと密接に関係しており、このリラタ
ンスは、本例の場合には強磁性体から作られてい
ると見なされるギヤ１２の近さの関数であると云
う事は明らかであろう。従つて、歯１６がセンサ
の本体２０に隣接している時はより大きな磁束強
度がコア５０と５２を結合させているのに対し
て、歯ミゾ１８がセンサの端部のすぐ近くに隣接
している時はより小さな磁束強度が上記の１対の
コア５０及び５２を結合させている。

コア５０は導体５６によつて結合されて、従来
形のオシレータ５８のタンク回路を形成してい
る。同様に、コア５２は導体６０によつて結合さ
れて、従来形のオシレータ６２のタンク回路を形
成している。従つて、オシレータ５８及び６２の
出力信号の周波数は、ギヤ１２がセンサ２０を通
つて移動してゆくのにつれて比較的高い値から低
い値迄の間で変化し、比較的高い周波数成分がギ
ヤの歯１６の近くを表わしているのに対して比較
的低い周波数成分は歯ミゾ１８の近くを表わして
いる。オシレータ５８と６２によつて作り出され
る信号も又本質的に同一に作られ得るが、位相は
コア５０と５２の間の物理的間隔に依存する角度
だけシフトしている。信号処理の目的から、これ
らのコアの間の物理的間隔は好ましくは相隣接す
る歯１６の間隔の半分以下とする。

オシレータ５８の可変周波数出力はライン６４
を経て、デジタル変換器回路３０へのFMの１部
を形成している位相検出器６６の最初の入力へ接
続される。位相検出器６６の第２の入力は、通常
の作動状態の下ではオシレータの高い周波数出力
と低い周波数出力の中間又平均にセツトされる基
準周波数信号を作り出す電圧制御オシレータ６８
から取り出される。従つて、基準周波数信号は好
ましくは高い周波数成分と低い周波数成分の中間
点にある。検出器６６の出力は、ライン６４の上
の周波数が電圧制御オシレータ６８の出力周波数
よりも低いか高い時の入力サイクルの部分の間に
非常に密接に間隔をつめて並べられた一連のパル
スを含む信号である。この出力信号は積分器７０
へ加えられ、オシレータ５８からの信号の中の周
波数変化を表わす比較的高い振幅と低い振幅の間
を交替するデジタル信号が生み出される。このデ
ジタル化された信号はマイクロプロセツサ４８へ
戻され、このマイクロプロセツサは後に説明され
る様に初期設定（initializaticn）と再較正の為に
デジタル／アナログ変換器７４を通じて電圧制御
オシレータ６８の基準周波数を制御する。上記の
デジタル信号は又第４図の開示によれば後の回路
構成要素による処理の為にラツチ回路７２を通じ
て出力端f₁へ接続される。

オシレータ６２からの位相をシフトされた信号
はデジタル変換器３４の為にFMへ接続される。
このデジタル変換器３４は変換器３０と同様に、
位相検出器７６、電圧制御オシレータ７８、及び
デジタル出力信号f₂を作り出す為の積分器８０を
含んでいる。ラツチ回路８４が後に説明される初
期設定と再較正の為にこの信号ラインの中に配置
されている。このデジタル信号も又、デジタル／
アナログ変換器８２を含んでいる制御チヤンネル
を通じて電圧制御オシレータ７８の基準周波数の
制御の為にマイクロプロセツサ４８へ戻される。

第１図の回路の作動は以上の説明から明らかで
あると思われるが、以下に簡単に要約してみよ
う。ギヤ１２が回転すると、センサ２０のすぐ近
くに隣接する歯１６の存在からオシレータ５８の
チユーニングは高い周波数のレベルとなり、又遅
延位相の関係でオシレータ６２の同様のチユーニ
ングも高い周波数レベルとなる。高い周波数レベ
ルは周波数検出器６６によつて電圧制御オシレー
タ６８からの基準周波数よりも高い周波数として
検出され、従つて変換器の出力端３０に高いデジ
タルのレベルが生み出される。ギヤが運動を続け
てゆくと、センサ２０は歯ミゾ１８を検出し、タ
ンク回路５６がオシレータ５８を低い周波数成分
に合わせてチユーニングし、低い周波数のレベル
が周波数検出器６６によつて、オシレータ６８か
らの基準周波数よりも低い周波数として検出さ
れ、従つて変換器３０の出力端に低いデジタルの
レベルが生み出される。ギヤ１２が回転を続けて
ゆくと、変換器３０の中の検出器６６がデジタル
信号を生み出しながら高い状態と低い状態の間で
往復のスイツチングを続け、高い状態と低い状態
のレベルはギヤの歯１６がセンサ２０の近くに出
現する速度と同期の速度で発生する。信号のレベ
ルはギヤ１２がセンサ２０を通過してゆく移行の
速度には全く依存していないので、電磁気的セン
サ２０が働く様態によつて従属装置に対して速度
制限が課せられる事はない。変換器３４は同じ様
に働いて第１のデジタル信号と同じ第２のデジタ
ル信号を作り出すが、この第２のデジタル信号は
第１の信号に対してわずかだけ位相がシフトして
いる。

もし第１図の回路のすべての物理的及び電気的
パラメータがわかつていれば、オシレータ５８及
び６２の高い出力周波数と低い出力周波数の構成
要素を前以つて定める事が理論的に可能であり、
このデータから、電圧制御オシレータ６８及び７
８によつて生み出される基準周波数を前以つてセ
ツトする事が出来る。しかしながら、実際上は、
取付けのやり方、温度、ギヤの歯形、センサの間
隔、及びその他の関連するフアクターの変動の為
に、基準周波数は、第１図の実施態様ではマイク
ロプロセツサ４８によつて容易に実施出来るプロ
セスによつて経験的にセツトされる。このプロセ
スの最初のステツプが第２図のグラフにもとづい
て以下に説明される。

このプロセスの全体的目的はギヤ１２がセンサ
の本体２０の端部を通過する際にオシレータ５８
によつて生み出される高い周波数と低い周波数の
成分を識別し、又これらの周波数の間で電圧制御
オシレータ６８の周波数をセツトする事である。
最初は高い周波数の値も低い周波数の値も知られ
ていないものとする。

最初のステツプは、電圧制御オシレータを第２
図のラインＡの上に示されている様に、オシレー
タ５８からの低い周波数又は高い周波数の成分の
予想最低値の周波数よりも相当低くなる様な非常
に低い周波数にセツトする事である。この様な状
況の下では高いデジタル信号のレベルが生み出さ
れ、信号ライン８６の上のマイクロプロセツサ４
８へ送られる。電圧制御オシレータ６８の周波数
（vco_o）はマイクロプロセツサ４８からの適当な
信号によつて約1KHzずつの割合で繰返し増やさ
れる。マイクロプロセツサ４８は周波数が増やさ
れる度毎に、オシレータ５８からの周波数（第２
図−A1）が電圧制御オシレータvco６８からの周
波数をオーバーしたか否かを確認する為に変換器
３０の出力信号を再検査する。第２図のラインＢ
の上に示されている様に、t₁の時点に於ける約
1KHzずつの増分による増加がオシレータ５８の
未知の出力よりも上になると（vco）、積分器７
０の出力の遷移が行なわれる。この遷移は_LOの
位置を増分によつて許される分解度の範囲内で識
別するが、この識別された周波数がhiであるか
_LOであるかを確認するのに十分な情報はもたら
さない。従つて、識別された周波数の値はhiと
_LOの両方に対応する記憶位置に１時的に記憶さ
れる。

電圧制御オシレータ６８の出力は識別された周
波数（_LO）が変わらない限りこの周波数を越え
て前後にステツプされる。これらのステツプの
各々が積分器７０の出力端に遷移を生じさせる。
オシレータ５８からの信号周波数が増加の方向又
は減少の方向へ変化すると、vcoの約1KHzずつ
の増分による往復運動はもはや遷移を生じさせな
くなる。かくして、積分器７０の出力は、識別さ
れた信号の変化の方向に従つて、高低のいずれか
にとどめられる。積分器７０からの信号がとどめ
られているレベルが、その時発見された信号の周
波数がhiであるか_LOであるかを決定する−即
ち、もしこれが高にとどまつていればその信号は
_LOである。

オシレータ６８の出力は今やオシレータ５８か
らのとどめられている未知の周波数に向つて増加
又は減少される。図に示されている例では、とど
められている未知の周波数はniであり、t₂の後
に続いている高い信号状態がはつきりとその事を
示している。従つて、VCOからの出力t₄で積分
器７０の出力端にもう１度遷移が行なわれる迄増
加される。この最後の遷移がhiを識別し、又そ
の値はマイクロプロセツサ４８によつて、先に
hiの記憶位置に入れられていた_LOに代わつて、
hiの記憶位置に記憶される。最後に、hiと_LO
とが平均されて、第２図のラインＦの上に示され
ている様にvcoが二つの周波数の正確に中間点
にセツトされる。この様な状況の下でオシレータ
５８の出力は_LOとhiの間を交互に往復して第１
図のf₁に交替デジタル信号を生じさせる。

再較正の目的の為には第１図のシステムの中で
ほとんど同じ方法が定期的使用の為にプログラム
される。但し、この場合には出発点は最初の較正
で生み出された非常に低い周波数ではなく、マイ
クロプロセツサ４８の中の最後に記憶された値と
なる。この方法は好ましくは、誤つた遷移を生み
出すのに十分な程出力周波数を混乱させ得るギヤ
の偏心率、ふらつき、温度シフト、及びその他の
作動条件の変化を考慮する為に、繰返し且つデジ
タル出力信号f₁の遷移と遷移の間に実施される。
再較正プロセスの間に遷移を生じさせるvcoの
人工的シフトを防止する為に、マイクロプロセツ
サ４８は再較正のプロセスが完了する迄最後に生
み出されたデジタル信号のレベルを保持する為
に、回路７２及び８４をラツチする。

次に第３図にもとづくセンサ２０の好ましい形
が、中心軸８８を中心として回転するギヤ１２の
歯に隣接して示されている。このセンサ２０は、
小さな永久磁石５４と、第３図には一方のコア５
０だけしか示されていない１対のフエライトのコ
アを中心にしてモールドされたエポキシ樹脂のバ
ーの形をした本体を含んでいる。コア５０は、好
ましくは細長い構造を持ち、コイル５６の巻かれ
ているアパーチユア（開口部）はセンサの先端か
ら離して配置されている。この様な構造によつて
センサ２０は、扁心又は負荷によるシフトに起因
する偶発的な接触がコア５０の細く伸ばされた先
端だけを摩耗させるだけで磁気特性にはほとんど
又は全く変化を与えず且つコア５０の密接したル
ープと云う性質を破らないか或いは変化させない
と云う信頼性をもつて、第３図の相対的間隔によ
つて示されているよりもはるかに近く、ギヤの歯
１６の周辺に接近させてセツトする事ができる。

産業上の利用可能性 第４図は、トラクターや地ならし機等の重量の
ある土工用車輌１０の駆動ユニツトの制御に適用
された、本発明を具体化したシステムを示してい
る。この車輌１０の駆動ユニツトは、ベベルギヤ
１２を持つ差動装置１４を含んでおり、このベベ
ルギヤ１２の回転の速度と方向が本発明の実施態
様によつて決定される。ギヤ１２は合わせギヤと
かみ合わされる様に歯ミゾ１６によつて隔てられ
た円周上の歯１６を有しており、これらの歯１６
と歯ミゾ１８はそれぞれ交互に反対的な物理的特
徴を持つ比較的良く確定された部分を示してい
る。

複数の個別ピツクアツプを持つ電磁気的センサ
２０がギヤ１２の周辺部に隣接させて車輌１０の
上に取付けられている。これらのピツクアツプの
中の最初のものは回路２２によつてFM信号発生
器２４へ接続されている。このFM信号発生器２
４の出力は、ギヤ１２がその軸を中心として回転
してギヤの歯形がセンサ２０の傍を通過するにつ
れて比較的高い周波数から低い周波数の間で不連
続に且つ急激に変化する周波数変調された信号で
ある。図に示された実施例では、センサ２０のす
ぐ近くにギヤの歯１６が存在する事によつてFM
信号発生器２４から比較的高い周波数出力信号が
得られ、センサ２０のすぐ近くに歯ミゾ１８が存
在する事によつて比較的低い周波数信号が得られ
る。信号発出器２４は、周波数のレベル相互間の
シフトが比較的急激に且つギヤ１２の直線的移行
と一般に同期的となる様に設計されている。

センサ２０の第２のピツクアツプはライン２６
によつて第２のFM信号発生器２８へ接続されて
おり、この信号発生器２８の出力は信号発生器２
４の出力と同じであるが、センサ２０の領域内に
あるギヤ２０の領域内にあるギヤ１２の円周に対
する接線に沿つて測定されたピツクアツプ相互間
の物理的間隔に対応する位相角だけ位相がシフト
されている。

信号発生器２４からの周波数変調された出力信
号は、３２でデジタルの出力信号を作り出す為の
周波数検出器として働くFM／デジタル信号変換
器３０へ接続されている。３２のデジタルの出力
信号の振幅のレベルは信号発生器２４からのFM
信号の比較的高い周波数と低い周波数の成分を表
わしている。要するに、変換器３０は信号発生器
２４からの信号を、後の回路構成要素の中で速度
と方向のデータを生み出す為に処理出来る様にデ
ジタル化する。

FM信号発生器２８は３６で第２のデジタル化
された信号を作り出す為にユニツト３０と同じ交
換器ユニツト３４へ接続されている。この信号は
３２の信号と同じであるが、位相だけはシフトさ
れている。３２と３６の信号は共に、周知の装置
である速度及び方向計算器３８へ入力として接続
されている。当業者には明らかであるが、速度は
デジタル信号の遷移と遷移の間のクロツク・パル
スをカウントするという簡単な方法によつて容易
に決定する事ができ、又方向は３２と３６の信号
相互間の位相のシフトを比較する事によつて決定
する事ができる。速度及び方向計算器ユニツト３
８は、速度及び方向の制御の為に車輌１０に搭載
されている小型の容量の限られたデジタル・コン
ピユータであるマイクロプロセツサ４８と相互接
続する事ができる。このマイクロプロセツサ４８
は又以下により詳しく説明される初期設定と再較
正の為に第１と第２の位相変換器ユニツト３０及
び３４と相互接続する事もできる。

駆動計算器３８からのデータは適当な多重導体
バスによつて駆動制御ユニツト４４へ接続され、
最終的に動力をギヤ１２へ供給するトランスミツ
シヨン・ユニツトへ制御信号を送り込む。駆動制
御ユニツト４４はフイードバツク・システムであ
り、この中でチヤンネル４６の上の制御信号が運
転者の入力命令とユニツト３８からの実際の速度
及び方向信号との間の差をゼロに至らしめる。本
発明の速度センサは上に説明された様に、車輌の
駆動装置の構成要素の速度を制御する為に適用す
る事ができる。更にこの速度センサは位置制御シ
ステム、自動フライス盤、ダイセツト加速器、チ
ユーブミルの為の長さ制御システム、コンベヤ
ー、及びタコメータ等、その他の多くの産業的用
途に於いてギヤの速度をモニタする為に使用する
事ができる。本発明は又角度的にではなく直線的
に運動する鋳造や押抜き等の様にギヤ・ラツクや
不連続の部品をカウントし又／或いはモニタする
為に適用する事もできよう。

本発明は図示された実施態様にもとづいて説明
されたが、当業者にとつては様々な修正や追加が
可能であると云う事は明らかであろう。又本発明
が車輌の駆動システム以外の用途に適用できると
云う事も明らかであろう。

本発明のその他の特徴、目的、及び長所は図
面、説明、及び付属の請求の範囲を検討する事に
よつて得られる。