JP2010025784A - 速度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便安価な構成で、しかも、被測定物が電磁力で移動方向に駆動されるものであっても測定精度への影響が小さい速度測定装置を得ることを目的とする。
【解決手段】被測定物１の始端位置近傍と終端位置近傍に、磁路に流れる磁束の単位移動距離当たりの変化が一定の磁束／距離変化率値とみなせる磁束線形領域を確保し、被測定物１がこの磁束線形領域を移動中のコイル５の電圧検出値と磁束／距離変化率値とから被測定物１の移動速度を求める。
【選択図】図１

Description

この発明は、所定の移動方向に移動する被測定物の上記移動方向の移動速度を測定する速度測定装置に係り、特に、簡便な構成により測定を可能とする技術に関する。

従来の速度測定装置においては，永久磁石，コイルを備え被測定物には強磁性体の挿入物を入れる構成で磁場変化の割合、または被測定物の速度に比例した電圧を発生させることで出力が直接測定速度になる様な仕組みになっている（例えば、特許文献1参照）。

特表２００６−５０８３６５号公報（６頁、図２）

従来の速度測定装置では、移動範囲の全てに亘って線形な磁場を形成するために、移動範囲全体で線形になるような強い磁場強度が必要となり装置が複雑高価になるという問題があった。また、磁場変化の検出方向が被測定物の移動方向に対して平行方向であることから、例えば、被測定物が電磁力で移動方向に駆動されるものであれば、検出部が漏れ磁場の影響を受け易く測定精度が低下するという問題があった。

この発明は以上のような従来の問題点を解消するためになされたもので、簡便安価な構成で、しかも、被測定物が電磁力で移動方向に駆動されるものであっても測定精度への影響が小さい速度測定装置を得ることを目的とする。

この発明に係る速度測定装置は、所定の移動方向に移動する被測定物の移動方向の移動速度を測定するものであって、
被測定物に取り付けられた第１の磁性材、コ字状でその両脚が第１の磁性材と対向し移動方向に所定距離離反するよう配置された第２の磁性材、第１と第２の磁性材とで形成される磁路に起磁力を付加する起磁力材、および被測定物の移動に伴う磁路を流れる磁束の単位時間当たりの変化ｄφ／ｄｔに基づく電圧を検出するコイルを備え、
被測定物の移動に伴う磁路を流れる磁束の単位移動距離当たりの変化ｄφ／ｄｘが所定の移動距離に亘って一定の磁束／距離変化率値とみなせる磁束線形領域を被測定物の移動範囲内の一部に確保できるよう第１の磁性材と第２の磁性材との相対位置関係を設定しておき、
被測定物が磁束線形領域を移動中のコイルの電圧検出値と磁束／距離変化率値とから被測定物の移動速度を求めるものである。

この発明に係る速度測定装置は、以上のように、被測定物がその移動範囲の一部に確保した磁束線形領域を移動中のコイルの電圧検出値と磁束／距離変化率値とから被測定物の移動速度を求めることができるので、移動範囲の全てに亘って線形な磁場を形成する必要が無く、装置が簡便安価となる。また、コイルによる磁束変化の検出方向が被測定物の移動方向と垂直な方向となるので、被測定物が電磁力で移動方向に駆動されるものであっても測定精度への影響が小さくなる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における速度測定装置の原理を説明するための基本構成を示す図である。図１（ａ）は、図では左右方向となる移動方向に移動する被測定物１がその始端位置にあるときの状態、図１（ｂ）は、図１（ａ）の始端位置から被測定物１が図の左方に移動し終端位置に至ったときの状態を示す。被測定物１には強磁性体からなる第１の磁性材２が取り付けられている。そして、移動する被測定物１に対し装置に固定されたコ字状の強磁性体からなる第２の磁性材３が設けられている。第２の磁性材３の一方の脚３Ａには起磁力材としての永久磁石４が取り付けられ、他方の脚３Ｂには鎖交する磁束の時間変化（磁束の単位時間当たりの変化）に基づく電圧を検出するコイル５が巻回されている。

以上の構成により、第１の磁性材２と第２の磁性材３とによりエアギャップを介して磁路が形成される。そして、この磁路内に永久磁石４が挿入されているので、その永久磁石４の起磁力により当該磁路に磁束が流れる。ここで、被測定物１が移動すると、その位置に応じて第１の磁性材２と第２の磁性材３との相対位置関係が変化し、それに伴って当該磁路の磁気抵抗が変化し磁路に流れる磁束も変化する。コイル５は、その磁束の変化を検出するものである。

図２は、総移動量１７ｍｍの電磁アクチュエータを例にとった場合の、被測定物１の移動位置とコイル５が巻回された脚３Ｂの磁束密度との関係を示したものである。（１）は、被測定物１が図１（ａ）で示す始端位置にある場合で、ここでは、第１の磁性材２と脚３Ａとの移動方向中心位置が一致しており、図２の付図に示すようにエアギャップ長が大きく磁束量は小さな値となっている。被測定物１が移動していくと次第にエアギャップ長が減少しそれに応じて磁束量が増大し、移動範囲のほぼ中央の（２）で、第１の磁性材２が脚３Ａと脚３Ｂとのほぼ中間位置となりエアギャップ長が最小となって磁束量が最大となる。
被測定物１の移動が更に進むと再びエアギャップ長が増大し、図１（ｂ）で示す、第１の磁性材２と脚３Ｂとの移動方向中心位置が一致する終端位置に至ると、同じく図２の付図に示すように、エアギャップ長が最長となって磁束量が最小となる。

即ち、被測定物１の移動に伴いコイル５と鎖交する磁束量の変化特性は、被測定物１の移動範囲のほぼ中央で極大値となる常に下に凸の曲線となる。そして、被測定物１の移動範囲に対して第２の磁性材３を適当に配置することにより、図３に示すように、被測定物１の始端位置近傍および終端位置近傍に、被測定物１の移動に伴う磁束量の単位移動距離当たりの変化が一定の値とみなせる磁束線形領域を確保することが出来る。この磁束線形領域は、図の磁束量−距離の特性曲線が直線とみなせる領域と言い換えることが出来る。
以上のように、磁束量が移動範囲のほぼ中央で極大値をとる二次関数状に変化すると、その移動範囲の裾野に該当する始端近傍および終端近傍に磁束線形領域を確保し易くなるわけである。

磁束量φに相当する磁束密度をｙ（Ｔ）、移動距離をｘ（ｍｍ）とし、ここでの具体例に当てはめると、始端近傍には、直線ｙ＝−０．０８２ｘ＋αとみなせる磁束線形領域が存在する。また、終端近傍には、直線ｙ＝０．０１７ｘ−βとみなせる磁束線形領域が存在する。
従って、この磁束線形領域においては、磁束量の単位移動距離当たりの変化は図３に示す特性の勾配（磁束／距離変化率値）に相当し、それぞれｄｙ／ｄｘ＝−０．０８２、ｄｙ／ｄｘ＝０．０１７となる。

そして、被測定物１がこの磁束線形領域を移動中にコイル５に発生する電圧ｖは、磁束量の単位時間当たりの変化に相当する。即ち、
ｖ＝ｄｙ／ｄｔ
で表される。
従って、被測定物１の単位時間当たりの移動距離である移動速度ｄｘ／ｄｔは、
ｄｘ／ｄｔ＝（ｄｙ／ｄｔ）／（ｄｙ／ｄｘ）＝（電圧ｖ）／（磁束／距離変化率値）
の式により求めることが出来る。

図４は、被測定物１の移動速度を測定する要領を説明する図である。図に示すように、例えば、被測定物１に取り付けられた発光ダイオード６とこの発光ダイオード６と対応して磁束線形領域に相当する位置に取り付けられた受光ダイオード７Ａ、７Ｂとからなる位置検出手段を設ける。これら受光ダイオード７Ａ、７Ｂは、この図３の例では、それぞれ始端近傍の磁束線形領域内である全移動範囲の２０％に相当する位置、および終端近傍の磁束線形領域内である全移動範囲の９０％に相当する位置に設置する。

そして、電圧出力回路８は、コイル５からの電圧を入力し、被測定物１が磁束線形領域を通過中であることを受光ダイオード７Ａ、または７Ｂからのトリガ信号の入力で検知し、そのタイミングでコイル５の電圧を出力する。速度演算回路９は、電圧出力回路８からの電圧信号と予め保存しているそれぞれの磁束線形領域に応じた磁束／距離変化率値のデータとから被測定物１の移動速度を演算する。

なお、厳密には、被測定物１の移動速度は、その位置によって変化するが、例えば、図３で示したように、磁束線形領域を２箇所確保できれば、両者での測定結果の平均値を求めることで位置による変化分を抑制することも出来る。
また、電磁アクチュエータの異常や経年変化をこの速度測定結果から判定するような場合には、同一の磁束線形領域での速度測定結果の履歴を照合すれば足りるので、上述の位置による変化分は問題にならない。

図５は、被測定物１をその移動方向に駆動する電磁アクチュエータ１０の構成を示す図である。電磁アクチュエータ１０は、固定鉄心１１とこの固定鉄心１１の内部に駆動方向に移動可能に支持された可動鉄心１２と固定鉄心１１および可動鉄心１２からなる磁気回路に起磁力を与える電磁コイル１３とから構成される。そして、被測定物１は可動鉄心１２に取り付けられている。この場合、可動鉄心１２を駆動する磁束Φは、駆動方向（被測定物１の移動方向）の成分を有するもので、その漏れ分が本願発明の速度測定装置に及ぼす影響が懸念される。
しかし、図５に示すように、コイル５が検出する磁束φは、当該移動方向と垂直な成分であり、電磁アクチュエータ１０で発生する磁束Φの影響をほとんど受けないことが判る。

以上のように、この発明の実施の形態１に係る速度測定装置は、磁束の単位移動距離当たりの変化が所定の移動距離に亘って一定とみなせる磁束線形領域を移動範囲の一部に確保できればコイル５の電圧検出値から被測定物１の移動速度を測定できるので、従来のように、移動範囲の全てに亘って線形な磁場を形成するための強力な磁場を必要とせず、装置が簡便安価となる。
また、この発明の実施の形態１に係る速度測定装置においては、コイル５による磁束変化の検出方向が被測定物１の移動方向と垂直な方向となるので、被測定物１が電磁力で移動方向に駆動される、従って、駆動力を得るため移動方向と同一方向の磁束が発生しその漏れ成分が存在しても、本願発明による速度測定精度への影響は小さくなる。

なお、以上の説明では、移動範囲の２箇所に磁束線形領域を確保するようにしたが、１箇所のみに確保するものとしてもよいことは勿論である。この場合、装置の全体を更に簡便なものとできる可能性がある。
また、測定精度の若干の低下を許容できれば、以下のような構成でも、本願発明を適用することが出来る。即ち、例えば、オシロスコープを使用し、被測定物１が始端から終端に移動する過程のコイル５の電圧出力−時間特性を求める。そして、被測定物１が磁束線形領域を通過中であることの判断を、上記オシロスコープの出力である電圧−時間特性上の時間軸に検出時点（例えば、移動全時間に対する割合％で規定する）を設定することで行い、この検出時点におけるコイル５の出力から移動速度を演算する。

この発明の実施の形態１における速度測定装置の基本構成を示す図である。 被測定物１の移動位置とコイル５が巻回された脚３Ｂの磁束密度との関係を示す図である。 磁束線形領域を説明するための図である。 被測定物１の移動速度を測定する要領を説明する図である。 被測定物１をその移動方向に駆動する電磁アクチュエータ１０の構成を示す図である。

符号の説明

１ 被測定物、２ 第１の磁性材、３ 第２の磁性材、３Ａ，３Ｂ 脚、
４ 永久磁石、５ コイル、６ 発光ダイオード、７Ａ，７Ｂ 受光ダイオード、
８ 電圧出力回路、９ 速度演算回路。

Claims (4)

1. 所定の移動方向に移動する被測定物の上記移動方向の移動速度を測定するものであって、
   上記被測定物に取り付けられた第１の磁性材、コ字状でその両脚が上記第１の磁性材と対向し上記移動方向に所定距離離反するよう配置された第２の磁性材、上記第１と第２の磁性材とで形成される磁路に起磁力を付加する起磁力材、および上記被測定物の移動に伴う上記磁路を流れる磁束の単位時間当たりの変化ｄφ／ｄｔに基づく電圧を検出するコイルを備え、
   上記被測定物の移動に伴う上記磁路を流れる磁束の単位移動距離当たりの変化ｄφ／ｄｘが所定の移動距離に亘って一定の磁束／距離変化率値とみなせる磁束線形領域を上記被測定物の移動範囲内の一部に確保できるよう上記第１の磁性材と第２の磁性材との相対位置関係を設定しておき、
   上記被測定物が上記磁束線形領域を移動中の上記コイルの電圧検出値と上記磁束／距離変化率値とから上記被測定物の移動速度を求めることを特徴とする速度測定装置。
2. 上記第２の磁性材のそれぞれ一方の脚に上記起磁力材としての永久磁石を取り付け他方の脚に上記コイルを取り付けるとともに、上記被測定物が上記移動範囲の始端位置にあるとき上記第１の磁性材の上記移動方向中心位置と上記第２の磁性材の上記一方の脚または他方の脚の上記移動方向中心位置とが一致するように、かつ上記被測定物が上記移動範囲の終端位置にあるとき上記第１の磁性材の上記移動方向中心位置と上記第２の磁性材の上記他方の脚または一方の脚の上記移動方向中心位置とが一致するように上記被測定物の移動範囲に対して上記第２の磁性材を配置することにより、上記被測定物の移動範囲のほぼ中央で上記磁路に流れる磁束が極大値となり、上記被測定物の始端近傍および終端近傍に上記磁束線形領域を確保するようにしたことを特徴とする請求項１記載の速度測定装置。
3. 上記被測定物が上記磁束線形領域を移動中であることを判定する位置検出手段を備え、この位置検出手段の判定出力に基づき、上記被測定物の移動速度を求めるための上記コイルの電圧検出値を得るようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の速度測定装置。
4. 上記被測定物を上記移動方向に駆動する駆動源が、上記移動方向成分の磁束の発生を伴う電磁アクチュエータであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の速度測定装置。

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