JP2005345192A - 移動速度検出器及びその検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの速度センサで移動速度及び移動方向を検出し、しかも高精度で確実に速度検出及び移動方向を検出できる簡易な構成で、かつコストの安価な極めてユニークな移動速度検出器を得る。
【解決手段】移動速度検出器Ａ₁ は、移動体の移動速度を磁気の作用により検出する速度センサ３と、このセンサの磁気の作用に影響を与える能動化素子２を回転ロータ１の外周に所定の間隔で複数組設けて成る。速度センサ３はホール素子を用いて磁気の変化をホール電圧の変化として検出するセンサであり、能動化素子２は鋸歯状の非対称な形状で、かつホール電圧の出力波形に非正弦波状の非対称な出力変動を与える素子である。出力波形の１サイクル変動から移動速度及び移動方向をその波形処理により検出するように構成される。
【選択図】図１Ａ

Description

この発明は、移動物体や回転体等の移動速度及び移動方向を１つの検出器で検出できる移動速度検出器及びその検出回路に関する。

車輪等の回転体の回転速度を検出する回転検出器は、電磁発電方式、ホール素子や磁気抵抗素子を用いる方式、あるいは光センサによる方式など種々の方式のものが知られているが、アナログ信号として検出される方式であっても、一般にその信号を二値化してディジタル信号として検出し、回転速度が変化するとそのパルス数、周期の変化からその瞬間の回転速度を計測し、検出が行なわれる。その一例として、特許文献１による「回転速度及び回転方向の検出システム (Rotational velocity and direction sensing system) 」が知られている。

この検出システムは、車軸のような回転部材の回転速度と回転方向とを検出するものであり、回転部材にはトーンリングと、このトーンリングに近接して互いに所定距離を置いて取付けられた一対の能動センサを備え、このセンサは作動時にはトーンリングの動きに応答して電気信号を発生する。処理部は、このセンサからの電気信号を受け、回転部材の回転速度と回転方向の信号を表示し、又出力信号は矩形波を用いて異なる増幅レベルで回転方向による高、低の信号として発生されるというものである。即ち、回転速度と回転方向を検出するために２つのセンサが用いられており、具体例のセンサとしてはホール素子による磁気センサが用いられている。

回転速度と回転方向とを検出する他の方式による手段の一例として、特許文献２に開示されたものが知られている。この公報の装置は、車両加減速装置に関しており、車両の加減速制御を操作する手段としてステアリングホイールに回転式操作スイッチが設けられ、この操作スイッチは光学式エンコーダを用いたスイッチの回転速度と回転方向をパルス信号に基づいて検出し、その信号の演算により車両の加減速制御を行なうというものである。

操作スイッチは、ステアリングホイールを手で握る際の親指位置付近に設けられ、回転に応じたパルス信号を出力する光学式エンコーダが設けられている。操作スイッチの操作円盤にはＡ列、Ｂ列の２つのスリット列が１／４ピッチずつずらして設けられ、各スリット列に対応して設けられた光電素子の前をスリットが通過中はエンコーダｏｎ、それ以外はｏｆｆとなり、そのｏｎ／ｏｆｆの状態をＡ列、Ｂ列の組合わせに対応して組合わせ、加速、減速の制御が行なわれる。

上記２つの特許文献１、２から分かるように、回転体の回転速度と回転方向を検出する手段では、必ず２つのセンサが用いられており、かつそれぞれのセンサからの検出信号をパルス状のディジタル信号として演算処理部で処理して回転速度と回転方向が検出される。このため、２つのセンサ及び関連する部材を半減させることは不可能であり、又２つのセンサの検出信号を用いるために関連する構成が複雑となり、センサのコストを低減することには限界がある。

さらに、従来の一般的な回転検出器は、回転ロータの外周の歯形を出来るだけ多く設け、１つの歯形に対応する正弦波状のアナログ信号を二値化処理器でパルス信号に変換し、そのパルス信号の立上がりエッジの時間タイミングと位相角の関係から速度を得るという方式であるため、その所定の歯形ピッチで可能な分解能以下の微低速域では速度検出精度が低下し、信頼性が失われる。
米国特許明細書第６，４９８，４７４号 特開２０００−４５８００号公報

この発明は、上記の問題に留意して、１つの速度センサで移動速度及び移動方向を検出し、しかも高精度で確実に速度検出及び移動方向を検出できる簡易な構成、かつコストの安価な極めてユニークな移動速度検出器を提供することを課題とする。

又、これにより得られた移動速度検出器を用いて移動速度及び移動方向を演算により高精度で検出し得る移動速度検出回路を提供することをもう１つの課題とする。

この発明は、上記の課題を解決する手段として、直線移動又は回転移動する移動体の移動速度を磁気又は光の作用により検出する速度センサと、上記センサに近接して設けられ、かつこのセンサの磁気又は光の作用に影響を与えてセンサ出力を変化させる能動化素子を移動体の側辺、外周、又は内部に所定間隔で複数組有する被測定用移動体とを備え、各能動化素子は所定方向への移動による作用変化に基づく出力波形への影響が能動化素子毎の所定の各サイクル毎に非正弦波状で出力増加の割合と減少の割合が異なり非対称に連続する波形となるように形成し、この非対称の出力波形に基づいて速度センサが回転速度と回転方向を検出し得る信号を出力するように構成した移動速度検出器としたのである。

上記の構成としたこの発明の移動速度検出器は、速度センサに近接して移動自在に設置された被測定用移動体が移動すると、この移動体の側辺、外周、又は内部に設けられた能動化素子の影響により速度センサの検出信号に変化が生じる。この出力変化は能動化素子の形状が移動方向に非対称な形状とされているため、各能動化素子との反応で生じる各サイクル毎の波形は正弦波状の規則的な波形とならず非正弦波状であり、１サイクルの位相角（又は時間）の進みの間に出力電圧の最大値（上ピーク）と最小値（下ピーク）の生じる位置が異なり非対称な波形となる。このような非正弦波状の非対称な出力波形の特徴から、カウンタやパルス信号を発生する信号回路などを用いることにより、移動速度と移動方向を検出することができる。

上記の第１の発明の移動速度検出器により検出された出力信号は、次の移動速度検出回路へ送られる。この検出回路は、上記に記載の移動速度検出器の出力信号をパルス信号変換部を介して送り、その入力信号に基づいて移動体の移動速度及び移動方向を検出する論理演算回路から成り、この論理演算回路が、上記入力信号のパルスエッジのタイミング周期に基づいて移動速度を演算する移動速度演算部と、入力信号の各サイクル毎の非対称な連続波形の増加の割合と減少の割合の大小関係を判定し、その判定結果に基づいて移動方向を検出する移動方向検出部とを備えた移動速度検出回路とすることができる。

あるいは、検出回路として、上記に記載の移動速度検出器から送り出された出力信号をパルス信号に変換する信号回路と、この信号回路で上記出力信号の波形変化に基づいて生成されたパルス信号が入力され、このパルス信号に基づいて移動体の移動速度及び移動方向を検出する論理演算回路から成り、この論理演算回路が、上記入力信号のパルスエッジのタイミング周期に基づいて移動速度を演算する移動速度演算部と、入力信号の各サイクル毎の非対称な連続波形の増加の割合と減少の割合の大小関係を判定し、その判定結果に基づいて移動方向を検出する移動方向検出部とを備えた移動速度検出回路とすることもできる。

上記第２又は第３の発明の移動速度検出回路では、入力信号に基づいて上記検出器で検出された波形の特徴を利用して移動速度及び移動方向が検出される。移動速度は、所定のパルス信号の立上りエッジを各能動化素子に対応させ、隣接する能動化素子までの時間と距離により演算して求めることができ、これは通常のパルス計測法による移動速度の計測法に基づくものである。

上記能動化素子による出力波形への影響は、１つの能動化素子毎に、出力波形が非正弦波状に変動するように与えられ、その変動波形を１サイクルとして捉え、各サイクル毎にその非正弦波状の出力波形の同じ値の出力電圧が異なる移動位置（時間）に対応するという特性を利用して移動方向を特定することができる。異なる位相位置はカウンタを所定のパルス信号の立上りエッジ信号で起動させて計時するタイマを異なる位相位置に対応させておき、その計時時間の差の正、負により移動方向が特定される。

この発明の移動速度検出器は、移動体の移動速度を検出する速度センサと、能動化素子を有する被測定用移動体とを備え、非正弦波状の非対称な出力波形を出力するようにしたから、その特徴的な出力波形を利用して高精度で移動速度と移動方向を１つの速度センサで検出し得る信号を出力でき、かつ簡易な構成であるためコストも安価で、速度センサへの接続ラインも半減するため接続配線がシンプルになるという顕著な効果が得られる。

又、移動速度検出回路では上記検出器からの出力信号に基づいて移動速度演算部で移動速度を演算し、かつ移動方向検出部で移動方向を検出できるようにしたから、簡単なプログラムにより１つの速度センサの信号で移動速度と移動方向とを検出できるという効果が得られる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１Ａは第１実施形態の移動速度を検出する移動速度検出器の概略構成図を示す。この実施形態の移動速度検出器Ａ₁ は、移動体の移動速度を検出する速度センサ３と、この速度センサ３に非接触で作動状態に変化を与える能動化素子２を外周に所定の間隔で有する回転ロータ１とを互いに所定の近接した位置に設けた回転速度検出器として構成されている。従って、図１Ａの例では被測定用移動体は能動化素子２を有する回転ロータ１であり、移動速度は回転速度として検出される。１_X は回転ロータ１の軸、Ｏ_X は軸心である。

回転ロータ１は所定厚さの磁性体による回転板であり、能動化素子２も同じく磁性体を用いて回転ロータ１に一体に形成されている。又、能動化素子２は、図示のように、回転ロータ１の外周に鋸歯状の突出片として設けられ、１つの鋸歯状の突出片はこの突出片のない外周長さｄ_O を置いて外周長さｄ_l の間に亘って直線状に突出量が変化する略三角状の移動方向の前後で非対称な形状の突出片として形成され、このような鋸歯状の能動化素子２が複数箇所（図示の例では８箇所であるが、これは例示であり、数は任意である）所定の間隔で設けられている。なお、能動化素子２の外周辺は直線状としたが、ゆるやかな曲線状であってもよく、外周辺の突出量が連続的に変化し、１つの素子の移動方向の前後で突出量が非対称であればよい。

速度センサ３はホール素子による磁気センサが用いられており、この磁気センサを能動化するため、その背面には永久磁石４が接合して設けられている。この速度センサ３には電源回路５より所定の電流が送られ、能動化素子２を有する回転ロータ１が正転方向（ＣＷ；時計方向）又は逆転方向（ＣＣＷ；反時計方向）に回転すると、その鋸歯状の能動化素子２の影響により出力電圧が変動し、その変動を検出して１組の移動速度検出器Ａ₁ （回転速度検出器）により回転速度と回転方向とを検出するための出力信号を出力することができる。

図１Ｂは第２実施形態の移動速度検出器の概略構成図である。この移動速度検出器Ａ₂ は、図１Ａの移動速度検出器Ａ₁ に対し磁石４を省略し、かつ能動化素子２’の移動方向の前後端寄りをそれぞれＳ極、Ｎ極として磁化したものを回転ロータ１の外周に一体に設けた点が異なる。速度センサ３への磁気の影響の変化により回転速度と回転方向を検出し得る点は図１Ａの例と同じであり、速度センサ３による検出レベルに差異があるだけで、基本的な作用は同じである。従って、以下では主として図１Ａの例について検出方法を説明する。

図２に信号検出回路の全体概略構成（ハード構成）を示す。図示のように、移動速度検出回路１０は、前述した移動速度検出器Ａ₁ により検出した信号Ｑ（アナログ信号）をパルス信号に変換する信号回路１１と、そのパルス信号に基づいて回転速度Ｖ及び回転方向（ＣＷ，ＣＣＷ）を演算により検出する演算回路１２（マイクロコンピュータ、以下マイコンと略称する）を備えている。接続ラインＬ_DIは信号回路で検出された各種パルス信号、タイマ信号を必要に応じ複数の接続ラインＬ_DIを演算回路１２の入力端子ＤＩに接続している。又、接続ラインＬ_A/D は、信号回路１１にＡ／Ｄ変換器を接続せずに、マイコンのＡ／Ｄ変換機能を利用することもできるようにする場合を想定したラインであり、ラインＬ_DIでパルス信号を送る限り必ずしも設ける必要はない。

タイマ１３は、後述する回転速度及び回転方向を演算するインターバル割込みプログラムを開始させるための割込端子に接続されている。１０ａは基準クロック、１０ｂは電源回路であり、マイコンのリセットは電源起動時のマイコンプログラムのリセット用である。又、演算回路１２の出力端子Ｄ_O は表示器１４、制御部１５へ接続されており、表示器１４には回転速度や回転方向が表示され、演算された回転速度信号を用いて、制御部１５からの制御信号により、例えばＡＢＳ制御などが行なわれる。なお、演算回路１２内のプログラムには、回転速度Ｖや回転方向の検出だけでなく、ＡＢＳ制御プログラムも内蔵されているが、図示は省略している。

図３、図４に信号回路１１の概略図及び詳細図を示す。この信号回路１１は、移動速度検出器Ａ₁ により検出されたアナログの検出信号Ｑを論理回路の組合わせによりハード的に処理することができる場合を示すためのものであり、Ａ／Ｄ変換器１１_A を経由するディジタル化された信号Ｓ_V を用いて演算回路１２のマイコン内のプログラムで信号回路１１（Ａ／Ｄ変換器１１_A を除く）による処理機能と同じ処理をするようにしてもよいが、以下では分かり易く説明するため上記信号回路１１のハード構成により処理をする場合について説明する。

図３に示すように、信号ＱはＡ／Ｄ変換器１１_A 、シュミットトリガ・フリッププロップ（以下トリガ・フロップと略記する）から成るパルス信号部１１_S 、回転ロータ１の位相や停止状態を検出するための位相・停止判別回路１１_P へそれぞれ分岐して送られ、ディジタル信号Ｓ_V 、Ｓ_U 、Ｓ_D 、Ｔ、Ｐ_haseの信号がそれぞれの端子から送り出される。パルス信号部１１_S では、後述するように、シュミットトリガ回路でアナログの入力信号の電圧波形に対し、閾値電圧を越えたり、閾値電圧内に戻るとその立上り、立下り信号によりパルス波形を生じさせ、かつフリップフロップでは閾値電圧が指定方向に変化すると出力を「１」にセットし、自分自身以外の回路がセットされると出力を「０」にリセットする。

又、パルス信号部１１_S のパルス信号は、分岐されてタイマ１１_T 、バッファメモリ１１_B に送られ、所定のタイミングでタイマ値Ｔの信号が端子から送り出される。さらに、位相・停止判別回路１１_P では回転に対応する位相や停止状態が判別され、その情報に基づいて現在停止状態にあるのか、そして移動（回転）している場合は出力電圧からその回転位相がどの位相位置にあるのか、又位相変化が回転のいずれの方向に変化しているのかを判別して回転方向を検出する。

図４は、図３の信号回路１１の具体例の１つである。図３で説明した構成部、機能に対応してさらに詳しく説明する。Ａ／Ｄ変換器１１_A については既に説明したので省略する。Ｓ_V は端子であり、かつその出力電圧をも表す。パルス信号部１１_S のトリガ・フロップ１１_S1〜１１_S4は、図５の（ａ）図に示す出力電圧波形に対応して矩形波の出力信号Ｓ₁Ｕ、Ｓ₂Ｕ、Ｓ₁Ｄ、Ｓ₂Ｄを端子から出力する。例えば、Ｓ₁Ｕについて見れば、検出電圧が閾値Ｓ₁ を越えて上昇（−側）すると、トリガ・フロップ１１_S1の立上り信号でフリップフロップの出力が１にセットされ、かつその立上り信号によりタイマ１１_T1も時間の計測を始め、信号Ｑの電圧が＋側の閾値Ｓ₂ を越えるまでその状態が保持される。

次に、信号Ｑの電圧がＳ₂ を越えた瞬間にトリガ・フロップ１１_S2がトリガされてその出力がセットされ、その立上り信号によりトリガ・フロップ１１_S1は反転されてリセット状態となり、タイマ１１_T1の計時も終了し、これにより信号Ｑの出力がＳ₁ からＳ₂ に上向きに変化するのに要した時間Ｔ_UPをＳ₂ に達した時点でその値をバッファＢ_ff1 に転送し、タイマ１１_T1はリセットされる。さらに、信号Ｑの電圧が下降して再び＋側の閾値Ｓ₂ となった瞬間にトリガ・フロップ１１_S3がセットされ（トリガ・フロップ１１_S2はリセット）、タイマ１１_T2が計時を始め、−側の閾値Ｓ₁ となるまで持続される。

そして、電圧がＳ₁ になるとトリガ・フロップ１１_S4がセット状態となり、その出力信号でトリガ・フロップ１１_S3、タイマ１１_T2がそれぞれリセットされる。その間の出力がＳ₂ からＳ₁ へ下向きに変化するのに要する時間Ｔ_DWN を計時して、電圧Ｓ₁ に達した時点でその値をバッファＢ_ff2 に転送する。以上により、図５の（ａ）図による信号Ｑの入力電圧の変化に対応して各端子Ｓ₁Ｕ、Ｓ₂Ｕ、Ｓ₁Ｄ、Ｓ₂Ｄから（ｃ）図の矩形波の信号
、端子Ｔ_UP、Ｔ_DWN から（ｂ）図のタイマ信号Ｔ_UP、Ｔ_DWN がそれぞれ得られる。これらの信号は次の演算回路１２へ送られ、後述する種々の演算に用いられる。

又、位相・停止判別回路１１_P では、まず信号Ｑから微分器１１_P1によりその瞬時の微分値Ｓ’が検出され、さらにその微分信号は２次微分器１１_P2により２回微分される。そして、微分値Ｓ’がゼロ、つまりＳ_V が時間的に変化せず、かつ微分値Ｓ”がゼロ、つまりその状態が変化しない場合は回転が停止していることを示しており、Ｓ_top にはゼロが出力されている。上記微分器１１_P1の微分信号Ｓ’はスロープ検出器１１_P3でその値Ｓ’が＋（出力増加中）か、あるいは−（出力減少中）かを検出し、出力端子Ｓ_lopeから出力される。又、微分値Ｓ’の値が増加方向及び減少方向の両方でゼロを横切るたびに出力が反転するフリップ・フロップ１１_P4により図５の（ａ）図中の出力電圧が＋側又は−側にあるかを表す信号（０又は１）を端子Ｃ_phase より出力する。但し、上記判別回路１１_P はアナログ回路とディジタル回路を混合して表示しているが、微分量１１_P2、フリップフロップ１１_P4について必要に応じてディジタル信号とするための２値化回路が含まれるとする。

図６は演算回路１２のマイコン内でのメインルーチン（プログラム）を示すフローチャートである。実際の演算処理は、この例では後述するように、インターバル割込みメインルーチン（割込みプログラム）で行なわれるため、このメインルーチンでは各パラメータ値の初期化と割込み許可を与える状態のみを行なう。即ち、電源投入により起動するメインルーチンでは、ステップＳＳ₁ 、ＳＳ₂ で回転方向Ｒ_D 、前回の回転速度Ｖ_pn-1、今回の回転速度Ｖ_pn、タイマ値Ｔ_UP、Ｔ_DWN の初期値にそれぞれ０を代入する初期化の処理を行なう。そして、ステップＳＳ₃ で割込みメインルーチンのタイマ割込み許可を行なう。

その後は無限ループでよいが、ステップＳＳ₄ の点線で示すように、システムの自己監視機能など非定時性のルーチンを置いて繰返し実行する処理を組込んでもよい。又、電源投入後にシステム全体の自己診断を行うことは、マイコンを用いる機器ではイニシャルチェックとして一般に行なわれる機能であり、図示省略しているが、この機能を設ける場合はステップＳＳ₁ の前に入れて行なう。

次に、図７Ａ、図７Ｂにインターバル割込みメインルーチン（割込みプログラム）のフローチャートを示し、一般的な回転速度、回転方向、及び微低速域速度を検出する方法について説明する。まず、ステップＳ₁ では例えば前述のパルス信号Ｓ₁Ｕを用いた通常のパルス計測法により回転速度Ｖ_pnを演算する。通常のパルス計測法とは、ＡＢＳ制御の分野等では周知の方法であり、各種の方法が提案されているから、詳細な説明は省略するが、簡単に説明すると、ここでは非対称な波形であってもパルス信号Ｓ₁Ｕについてパルス間隔時間又は一定時間内のパルス数を計算し、この計算結果とロータの歯数とからロータの回転速度Ｖ_pnを計算することにより得られるものである。

なお、このパルス計測法としては、例えば特開昭５０−４６１７６号公報、特開昭４９−１２８７７０号公報、特公平３−２１０６号公報、特開平２−４４２５８号公報など各種の公報で提案されており、そのいずれを用いてもよい。

ステップＳ₂ では前述の端子Ｓ_top の信号をチェックし、この値が０であるかを判断する。この場合、Ｖ_pnは初期化処理で０にセットされているが、Ｖ_sn（微低速域速度）も０にセットするのが好ましい（但し、Ｖ_pn，Ｖ_snの値に拘らずＳ_top が０であることにより完全停止を識別することは可能）。Ｓ_top の信号が０であれば完全に回転を停止している。但し、一般には停止していない状態で回転速度を検出することに意味があり、まずＳ_top ＝０でない場合（ＮＯ）について説明する。従ってステップＳ₃ へ進み、回転方向確定フラグＲ_D ＝１？を判断し、回転方向が確定しているかを確認する。

回転方向が確定していない場合（ＮＯ）、新たに回転方向を確定できるかどうか判断するため、パルス情報（例Ｓ₁Ｕ）に基づいて演算された回転速度Ｖ_pnとＶ_pn-1から回転速度の変化率（加速度、減速度）をチェックする。このとき、｜Ｖ_pn−Ｖ_pn-1｜＞Ａの比較の基準値Ａは、０（等速回転）でなくてもよく、出力波形により決まるその加減速でＴ_UP、Ｔ_DWN の大小が瞬時に逆転しない範囲での所定の加減速度値とすることができ、回転方向の判別を行うことができる（ＹＥＳ）。そうでない場合（ＮＯ）は未だ回転方向を特定できない。

なお、図示省略しているが、パルスを用いた車輪速演算において特に微低速域においては数サイクルインターバルに亘って回転速度データを更新できない場合があるため、図示のフローチャートでは｜Ｖ_pn−Ｖ_pn-1｜を計算するとしているが、ｎ−１を直前のサイクルインターバルの値とすると、上記のような演算では実際には加減速が行われているにも拘らず、見かけ上加減速が小さいと判定され、誤判断となる可能性があり、このような不都合を避けるため十分なサイクル数を隔てて変化率を評価するのが好ましい。

加減速値がＡより小さい（ＮＯ）場合は、ステップＳ₅ で時間Ｔ_UPとＴ_DWN を比較する。この場合、Ｔ_UP≠０、Ｔ_DWN ≠０でないことが前提であり、加減速度の値のチェックと同時にチェックする。そして、この例で示した歯形では正転時（ＣＷ）にＴ_UPがＴ_DWN より小さくなるパターン（形状）を採用しているので、Ｔ_UP＞Ｔ_DWN であれば（ＹＥＳ）回転方向フラグＤを１（正転）にセットし（Ｓ₆ ）、ＮＯであればＤを０（逆転）にセットする（Ｓ₇ ）。さらに、ステップＳ₈ で回転方向確定フラグＲ_D に１（確定）をセットする。

その後ステップＳ₉ で回転方向Ｄをチェックし、正転中又は逆転中であるかを確認する。正転中（Ｄ＝１）（ＹＥＳ）であれば、ステップＳ₁₀で図４のＳ_lope端子からのＳ_lope信号をチェックし、Ｓ_lope＝＋であればＡ相、Ｓ_lope＝−であればＢ相と判定される。又、ステップＳ₉ の判定で逆転中（Ｄ≠１）（ＮＯ）であれば、ステップＳ₁₁でＳ_lope信号によりＳ_lope＝＋であればＢ相、Ｓ_lope＝−であればＡ相と判定される。従って、正転、逆転いずれの場合もＡ相であれば、ステップＳ₁₂でＰ_n に１をセットし、Ｂ相であればステップＳ₁₃でＰ_n に０をセットする。

上記判定及び相の設定をした後ステップＳ₁ で演算された回転速度Ｖ_pnが、十分な精度を持つと考えられるほど高速かどうかを、ステップＳ₁₄でＶ_pn＜Ｖ_H ？の判定によりチェックする。十分な高速であればステップＳ₁₅でＶ_pnの値を回転速度Ｖとしてセットする。高速であるかの基準値Ｖ_H は、後述する微低速域速度Ｖ_snの演算をするプログラムのフローチャートの説明で定義する。

ステップＳ₁₄での判定で、パルス情報による回転速度Ｖ_pnの値が基準値Ｖ_H 以下であり、十分な精度でない値と判断されると、ステップＳ₁₇でセンサアナログ出力値Ｓ_V を用いた微低速域速度Ｖ_snの演算を行う。この処理については後で図７Ｃのフローチャートに基づいて別途詳述する。微低速域の場合はステップＳ₁₈で回転速度ＶにＶ_snをセットする。その後、ステップＳ₁₆で上記出力電圧の＋、−を表すＣ_phase の値が次回に反転したかどうかをチェックするために記憶する変数Ｃ_pnにその瞬時のＣ_phase の値を代入する。

さて、上記処理の始まり付近のステップＳ₃ の判定で回転方向確定フラグＲ_D が確定していた場合（Ｒ_D ＝１）、ステップＳ₂₀へ進み、前回のサイクル処理において停車中であったかをＶ_sn-1＝０？の判断により判定し、停車中でない限り、回転方向確定フラグＲ_D は確定しているから、図７Ａの記号（Ａ）を経て図７ＢのステップＳ₉ へ進み、ステップＳ₈ 以降の処理と同じ処理が行なわれる。しかし、ステップＳ₂₀での判定で停車中であった場合（ＹＥＳ）、記号（Ｂ）を経て図７ＢのステップＳ₂₁へ進み、ここで前回停車中であった場合は今回正転で起動したのか、逆転で起動したのかを判別する必要があり、まず停車した時の位相Ｐをチェックする。

ステップＳ₂₁での判定でＰ＝１である場合（ＹＥＳ）、又Ｐ≠１の場合（ＮＯ）のいずれの場合も、それぞれステップＳ₂₂、Ｓ₂₃でＣ_phase ＝Ｃ_pnであるかを判定する。ステップＳ₂₂、Ｓ₂₃での判定は、停車前の最後に観測されたＣ_phase の値が格納されているＣ_pnと、今回の回転開始後に初めて観測したＣ_phase の値が反転していないかをチェックすることを意味する。これは、上死点近く又は下死点近くで停止した場合、サイクルインターバルの間の回転で上死点又は下死点を通過している可能性があるためである。

上記ステップＳ₂₂、Ｓ₂₃の判定で、Ａ相のまま相変化がないか（Ｓ₂₂）、停車前はＢ相であったが起動後相変化が確認された場合（Ｓ₂₃）、いずれもＡ相にあるから、ステップＳ₂₄でＰに１をセットする。又Ｂ相のまま相変化がないか（Ｓ₂₃）、停車前はＡ相であったが起動後相変化が確認された場合（Ｓ₂₂）、いずれもＢ相にあるから、ステップＳ₂₅でＰに０をセットする。そして、ステップＳ₂₆、Ｓ₂₇へ進み、ステップＳ₁₀、Ｓ₁₁の場合と同様に各相のＳ_lopeをチェックする。ステップＳ₂₆でＡ相のＳ_lope＝＋であれば正転、Ｓ_lope＝−であれば逆転、ステップＳ₂₇でＢ相のＳ_lope＝＋であれば逆転、Ｓ_lope＝−であれば正転となるので、逆転の判定ではステップＳ₂₈でＤに０、正転の判定ではステップＳ₂₉でＤに１をセットする。以後の処理はステップＳ₁₄へ進み、以降は同じ処理が行なわれる。

さらに、上記処理の第２のステップＳ₂ の判定でＳ_top 信号の判定がＹＥＳ、即ち完全に回転を停止していた場合、ステップＳ₃₀、Ｓ₃₁へ進み、ここでＶ_pn、Ｖ_snに０をセットし、かつＴ_UP、Ｔ_DWN に０をセットする。そして、ステップＳ₃₂、Ｓ₃₃で回転停止位置の出力（電圧）が上死点Ｖ_UDP 、又は下死点Ｖ_BDP であるかをそれぞれ判定する。この判定で、上死点又は下死点で回転が停止していると判定されると、次の回転時に即座に回転方向を特定したり、パルス情報を用いずに微低速域速度Ｖ_snを求めることはできないから、ステップＳ₃₄で回転方向特定フラグＲ_D を０にリセットする。

実際には、センサの取付の誤差を考慮してＶ_UDP 、Ｖ_BDP は若干の余裕を持って設定することになるため、完全な上死点、下死点での停止だけでなく、その近傍で停止した場合もＲ_D が０にリセットされるが、大勢に影響はない。上記判定で上死点、又は下死点でない場合（ＮＯ）も、完全に回転を停止している場合であるから、その出力情報は全てのパラメータが０として出力され、ＡＢＳ制御プログラム等の他のプログラムにその旨のデータが送られ、所定のサイクルインターバルでフローチャートの先頭に戻り、上記のプログラム処理が繰返されることとなる。

次に、図７Ｃに上述したプログラム中のステップＳ₁₇における微低速域速度Ｖ_snの演算をするプログラムのフローチャートを示す。なお、微低速とは、微速＋低速の意であり、微速とは従来のパルス信号による速度センサでは測定できなかった程の低速域であって、低速とは従来のパルス信号による速度センサからの信号により速度演算は可能であったが、トーンホイールによる多数の歯を有する従来の速度センサから歯数を大きく減少させた場合に従来の速度センサでは演算できなくなる程の低速域であると定義する。数式でこの例でのその限界値を示すと次の通りである。

即ち、サイクルインターバルの間に１歯進行しない最大の速度は、次式で得られる。
（２×π×Ｒ×１０００）／（Ｎ×Ｔ） （ｍ／ｓｅｃ）
ここで、Ｔ；サイクルインターバル（ｍｓｅｃ）
Ｎ；回転運動の場合のロータの歯数
Ｒ；車輪タイヤの有効半径
従って、上式で得られる回転速度が上記微低速の最大速度であり、前述した図７ＢのフローチャートのステップＳ₁₄での基準速度Ｖ_H として取扱うものとする。但し、１サイクルインターバルの間に１歯以上進行するような場合であっても、それを考慮して位相計算するようにすれば上記を必ずしも微低速の最大速度と定義する必要はないが、ここではプロセスの簡略化のため上記定義に沿って説明するものとする。１サイクルインターバルに１歯以上進行する場合は、Ｖ_pnで十分な精度が得られると考えられるからである。

上記Ｖ_snの演算は図4 の端子Ｓ_V からのアナログ信号Ｓ_V を用いて行なわれる。まず、上記アナログ信号Ｓ_V が送られて来ると、ステップＳＴ₁ で現在の相Ｐ（Ａ相かＢ相のいずれに属するか）のデータ、及びＳ_V の値に基づいてＳ_V に相当する位相角θ_n を演算する。ステップＳＴ₂ では正転中かをＤ＝１？により判定し、正転中であれば（ＹＥＳ）ステップＳＴ₃ で位相角差Ｔ_H ＝θ_n −θ_n-1 、即ち今回の位相角θ_n から前回の位相角θ_n-1 を差引いた値を演算し、逆転中であれば（ＮＯ）ステップＳＴ₄ で位相角差Ｔ_H ＝θ_n-1 −θ_n 、即ち前回の位相角θ_n-1 から今回の位相角θ_n を差引いた値を演算する。

そして、いずれの場合も結果が負であれば、位相角位置が０°又は３６０°の位相を跨いだ回転であるため、３６０°を加算して正の値とし、正であれば位相角差Ｔ_H の値をそのまま用いて、ステップＳＴ₇ で示す演算式に基づいて回転速度Ｖ_snを演算により求めることができる。この演算式では、アナログ信号Ｓ_V の値に位相角を対応させ、サイクルインターバル×歯数は１歯分の時間であるから、この値を用いてＴ_H ／（サイクルインターバル×歯数×３６０°）の演算をすることにより回転速度（ｒｐｓ）が求められることとなる。但し、この場合サイクルインターバル中に１歯分進行しないような微低速域速度を求めている。

図８Ａは第３実施形態の移動速度検出器の概略構成図を示す。図示の移動速度検出器Ａ₃ では、移動体１’として直線状の帯板で磁性材が用いられている。この移動体１の内側には所定の間隔で不等辺三角形状の窓（切欠き）が能動化素子２’として設けられ、移動方向（長さ方向）に非対称に形成されている。これに対し、速度センサ３には第１実施形態と同じホール素子の磁気センサが用いられ、かつ永久磁石４がセンサに一体に接合して設けられているが、速度センサ３の取付方向はホール素子の磁気センサを透過する磁束の方向が移動体１’の面と直交する方向とされている点が第１実施形態と異なる。５は電源回路であり、速度センサ３の出力波形から移動速度及び移動方向を検出し得るように出力される点は第１実施形態と同じである。

この実施形態の移動速度検出器Ａ₃ は、三角形状の窓の能動化素子２’が移動体１’と共に正方向（Ｆ）へ移動することによりホール素子の磁気センサへの磁束の分布は窓の高さが高いほど弱く、窓の高さが低くなるにつれて強くなり、非正弦波状の連続する非対称な出力波形を生じる点は第１実施形態と同じである。従って、作用の説明は省略する。なお、この例では移動速度、移動方向を移動体１’が直線方向に移動する場合でも検出できることを示すため直線移動する移動体１’を直線状の帯板形状の例として示したが、第１、第２実施形態Ａ₁ 、Ａ₂ の場合と同様に移動体として回転ロータを用いて回転速度、回転方向を検出することもできる。

図８Ｂは第４実施形態の移動速度検出器の概略構成図を示す。この実施形態の移動速度検出器Ａ₄ は、第２実施形態の検出器Ａ₂ と同様であり、回転ロータ１に代えて直線状の移動体１’の側辺に永久磁石片２”をゆるやかな曲板状に形成した点が異なる。作用は第１、第２実施形態と同様であるから説明を省略する。

上述した各実施形態では速度センサ３としてホール素子による磁気センサを用いたが、ホール素子に代えて磁気抵抗素子による磁気センサを用いることもできる。又、発光、受光の一対の光センサを用いることもできる。ホール素子による検出は磁気の変化をホール電圧の変化として検出する方式であるが、磁気抵抗素子による検出は磁気の変化を磁気抵抗の変化として検出する方式である。さらに、上記光センサ方式は第３実施形態に適用可能であり、移動体１’の一面側に発光部、他面側に受光部を置いた光量センサを用いて検出できる。

又、第１実施形態以下の各実施形態の能動化素子２の数は複数個設けるとしているが、従来のパルス計測法（後述する）によるトーンホイールを用いる形式では歯数は出来るだけ多い方が高精度であるとされているのに対し、以下の各実施形態では複数であっても出来るだけ数を少なくするのが好ましい。又、歯数を大きくする必要がないため、パルス割込みを用いる場合も高速での処理負担が大きくならず、又出力波形を正弦波から大きくずらした設計が可能となる。

さらに、移動速度、移動方向の検出は、各実施形態では速度センサ３を固定し、移動体１、１’、１”が移動することを前提として説明したが、各移動体に対して速度センサ３を相対的に移動させるようにしてもよい。又、移動には直線移動と回転移動が含まれることも明らかであろう。

産業上の利用分野

この発明の移動速度検出器は、１つの移動速度検出器で移動速度と移動方向を検出可能であるから、車両の車輪速検出センサや工作機械、搬送装置など移動速度と移動方向を検出する必要のある各種装置に広く利用可能である。

第１実施形態の移動速度検出器の概略構成図 第２実施形態の移動速度検出器の概略構成図 第１実施形態の信号検出回路の全体概略ブロック図 第１実施形態の信号回路の概略構成図 第１実施形態の信号回路の詳細回路図 第１実施形態の移動速度検出器による（ａ）検出波形、（ｂ）タイマカウント値、（ｃ）信号回路の検出信号のパルス波形 演算回路のメインルーチンのフローチャート 割込みメインルーチンのフローチャート（前半部） 割込みメインルーチンのフローチャート（後半部） 微低速域速度の演算ルーチンのフローチャート 第３実施形態の移動速度検出器の概略構成図 第４実施形態の移動速度検出器の概略構成図

符号の説明

１ 回転ロータ
２ 能動化素子
３ 速度センサ
４ 永久磁石
５ 電源回路
１０ 速度検出回路
１１ 信号回路
１１_A Ａ／Ｄ変換器
１１_S パルス信号部
１１_P 位相・停止判別回路
１１_T タイマ
１１_B バッファメモリ
１２ 演算回路
１３ タイマ
１４ 表示器
１５ 制御部

Claims (8)

1. 直線移動又は回転移動する移動体の移動速度を磁気又は光の作用により検出する速度センサと、上記センサに近接して設けられ、かつこのセンサの磁気又は光の作用に影響を与えてセンサ出力を変化させる能動化素子を移動体の側辺、外周、又は内部に所定間隔で複数組有する被測定用移動体とを備え、各能動化素子はこの素子の所定方向への移動による上記作用の変化に基づく出力波形への影響が能動化素子毎の所定の各サイクル毎に非正弦波状で出力増加の割合と減少の割合が異なり非対称に連続する波形となるように形成し、この非対称の出力波形に基づいて速度センサが回転速度と回転方向を検出し得る信号を出力するように構成した移動速度検出器。
2. 前記速度センサを磁気作用の変化で速度を検出する磁気センサとし、被測定用移動体を回転ロータとし、能動化素子を回転ロータの外周に所定の間隔で複数組設け、かつ鋸歯状の非対称形状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の移動速度検出器。
3. 前記磁気センサとしてホール素子により磁気の変化をホール電圧の変化として検出するセンサを用い、この磁気センサに一体に磁石を設け、かつ回転ロータとその能動化素子に非磁性体を用いたことを特徴とする請求項２に記載の移動速度検出器。
4. 前記磁気センサとしてホール素子により磁気の変化をホール電圧の変化として検出するセンサを用い、回転ロータを非磁性体とし、磁石で形成された能動化素子を回転ロータの外周に所定の間隔で複数組設けたことを特徴とする請求項２に記載の移動速度検出器。
5. 前記磁気センサとして磁気抵抗素子により磁気の変化を磁気抵抗の変化として検出するセンサを用いたことを特徴とする請求項３又は４に記載の移動速度検出器。
6. 前記請求項１乃至５のいずれかに記載の移動速度検出器の出力信号をパルス信号変換部を介して送り、その入力信号に基づいて移動体の移動速度及び移動方向を検出する論理演算回路から成り、この論理演算回路が、上記入力信号のパルスエッジのタイミング周期に基づいて移動速度を演算する移動速度演算部と、入力信号の各サイクル毎の非対称な連続波形の増加の割合と減少の割合の大小関係を判定し、その判定結果に基づいて移動方向を検出する移動方向検出部とを備えた移動速度検出回路。
7. 前記請求項１乃至５のいずれかに記載の移動速度検出器から送り出された出力信号をパルス信号に変換する信号回路と、この信号回路で上記出力信号の波形変化に基づいて生成されたパルス信号が入力され、このパルス信号に基づいて移動体の移動速度及び移動方向を検出する論理演算回路から成り、この論理演算回路が、上記入力信号のパルスエッジのタイミング周期に基づいて移動速度を演算する移動速度演算部と、入力信号の各サイクル毎の非対称な連続波形の増加の割合と減少の割合の大小関係を判定し、その判定結果に基づいて移動方向を検出する移動方向検出部とを備えた移動速度検出回路。
8. 前記論理演算回路が、移動速度演算部により移動速度を演算した結果、移動速度が所定の微低速域以下の場合、移動速度検出器によるアナログの出力信号から微低速域速度を位相角データに基づいて演算する微低速域速度演算部を備えたことを特徴とする請求項６又は７に記載の移動速度検出回路。

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