スピードメーター

スピードメーター
スピードメーター
	トヨタカローラの最新スピードメーター
分類	ゲージ
業界	自動車
応用	速度測定
発明家	ヨシップ・ベルシッチ
発明された	1888年（136年前）

スピードメーターまたはスピードメーターは、車両の瞬間速度を測定して表示する計器です。現在では自動車に広く装備されていますが、20世紀初頭にはオプションとして利用できるようになりました。1910年頃からは標準装備となりました。^{[1]他の車両では、速度を感知する手段が異なるスピードメーターに類似した装置が使用される場合があります。たとえば、ボートでは}ピットログが使用され、航空機では対気速度計が使用されます。

チャールズ・バベッジは、機関車に取り付けられていた初期のタイプの速度計を発明したと言われています。^[2]

電気式速度計は1888年にクロアチア人のヨシップ・ベルシッチ^[3]によって発明され、当初は速度計と呼ばれていました。

手術

スピードメーターは、もともと1888年にヨシップ・ベルシッチ（ジュゼッペ・ベルッシッチ）によって特許取得されました。彼は1889年のパリ万国博覧会でこの発明を発表しました。彼の発明品には指針と磁石があり、電気を使って作動しました。^[4]^[5]^[6] ドイツの発明家オットー・シュルツェは、1902年10月7日に彼のバージョン（ベルシッチのものと同様に渦電流で作動）の特許を取得しました。^[7]

機械

多くのスピードメーターは、車両のトランスミッションにリンクされたギアによって駆動される回転するフレキシブルケーブルを使用しています。ただし、初期のフォルクスワーゲンビートルや多くのオートバイでは、前輪から駆動されるケーブルが使用されています。

初期の機械式速度計には、蒸気機関で使用されている調速機と同様に、速度が増加するとバネに抗して回転する重りが外側に移動する調速機の原理で動作するものがありました。この動きが指針に伝達され、速度が表示されました。

これに続いてクロノメトリックスピードメーターが登場しました。これは、エスケープメントによって測定された正確な時間間隔 (一部のスミススピードメーターは 3/4 秒を使用) で移動距離を測定するものです。これがスピードメーターのポインターに転送されました。クロノメトリックスピードメーターは振動に耐性があり、1970 年代までオートバイに使用されていました。

車両が走行中、スピードメーターギアアセンブリがスピードメーターケーブルを回転させ、スピードメーターメカニズム自体を回転させます。スピードメーターケーブルに取り付けられた小さな永久磁石は、アナログスピードメーター計器の指針のシャフトに取り付けられた小さなアルミニウムカップ (スピードカップと呼ばれる) と相互作用します。磁石がカップの近くで回転すると、変化する磁場によってカップ内に渦電流が発生し、それ自体が別の磁場を生成します。その結果、磁石はカップにトルクを及ぼし、カップを「引きずり」、スピードメーターの指針を回転方向に引きずります。両者の間には機械的な接続はありません。^[1]

指針の軸は、細いねじりバネによってゼロ方向に保持されます。カップにかかるトルクは、磁石の回転速度とともに増加します。したがって、車の速度が増加すると、カップとスピードメーターの指針がバネに抗してねじられます。カップと指針は、カップにかかる渦電流のトルクがバネの反対トルクと釣り合うまで回転し、その後停止します。カップにかかるトルクは車の速度に比例し、バネのたわみはトルクに比例するため、指針の角度も速度に比例します。そのため、等間隔のマーカーをダイヤル上に使用して速度のギャップを表すことができます。特定の速度では、指針は動かず、スピードメーターのダイヤル上の適切な数字を指します。

リターンスプリングは、ケーブルの特定の回転速度がスピードメーターの特定の速度表示に対応するように調整されます。この調整では、フレキシブルケーブルを駆動するテールシャフトギアの比率、差動装置の最終駆動比、駆動タイヤの直径など、いくつかの要素を考慮する必要があります。

渦電流式速度計の主な欠点の 1 つは、カップが逆方向に回転するため、バックギアで走行しているときに車両速度を表示できないことです。このシナリオでは、針はゼロ位置の機械式ストップピンに押し付けられます。

電子

現代のスピードメーターの多くは電子式である。初期の渦電流式モデルから派生した設計では、トランスミッションに取り付けられた回転センサーが、一連の電子パルスを発する。このパルスの周波数は、ドライブシャフトの（平均）回転速度、つまり車輪がフルトラクション状態にあると仮定した場合の車速に対応する。センサーは通常、出力軸または（トランスアクスルの場合）差動冠輪に取り付けられた1つ以上の磁石のセット、または磁石と磁場センサーの間に配置された歯付き金属ディスクである。問題の部品が回転すると、磁石または歯がセンサーの下を通過し、そのたびにセンサーにパルスが生成され、測定対象の磁場の強度に影響する。^{[1]あるいは、特に多重配線を備えた車両では、一部のメーカーは、}CANバスを介して計器パネルと通信するABSホイールセンサーからのパルスを使用している。現代の電子式スピードメーターのほとんどは、渦電流式にはない追加機能を備えており、後退ギアで走行しているときの車速を表示できる。

コンピュータはパルスを速度に変換し、この速度を電子制御のアナログ式の針またはデジタルディスプレイに表示します。パルス情報は、 ECUまたは車両全体の制御システムによって、ABS またはトラクションコントロールの起動、平均走行速度の計算、スピードメーターケーブルで直接回転する代わりにオドメーターを増分するなど、さまざまな目的にも使用されます。

電子式スピードメーターのもう 1 つの初期の形態は、精密な時計機構と、車のホイールまたはトランスミッションによって駆動される機械式パルセーターとの相互作用に依存しています。時計機構はスピードメーターの針をゼロに押し込もうとし、車両駆動パルセーターは無限大に押し込もうとします。スピードメーターの針の位置は、2 つの機構の出力の相対的な大きさを反映します。

仮想スピードメーター

仮想スピードメーターは、車両または物体の現在の速度を表示するコンピューター生成ツールです。仮想スピードメーターは通常、物体が時間とともに移動する距離に基づいて物体の速度を計算します。このようなスピードメーターは、HTML、CSS、Javascript などのプログラミング言語を使用してプログラムされます。プログラムは、モバイルデバイスの GPS モジュールを使用します。

モバイルデバイスで GPS モジュールを継続的に使用すると、バッテリーの消耗が早くなる可能性があります。さらに、仮想速度計は、GPS 信号を使用して 2 点間の距離と時間を測定して速度を計算します。ただし、気象条件、地形、障害物などのさまざまな環境要因によってこれらの信号の精度が損なわれ、速度の読み取りが不正確になる可能性があります。

自転車のスピードメーター

一般的な自転車用スピードメーターは、車輪が一回転する間の時間を計測し、ハンドルに取り付けられた小さなデジタルディスプレイに表示します。センサーは自転車の固定位置に取り付けられており、スポークに取り付けられた磁石が通過するとパルスを発します。この点では、ABS センサーからのパルスを使用する電子式自動車スピードメーターに似ていますが、時間/距離の分解能がはるかに粗く、通常は 1 回転につき 1 パルス/ディスプレイの更新ですが、26 インチ (660 mm) の車輪で低速の場合は 2～3 秒に 1 回という頻度です。ただし、これが重大な問題になることはめったになく、システムがより重要な情報である高速走行時には頻繁に更新を行います。また、パルス周波数が低いことが測定精度に及ぼす影響はほとんどありません。これらのデジタルデバイスは、車輪のサイズでプログラムしたり、さらに車輪やタイヤの円周でプログラムして、一般的な自動車用ゲージよりも正確で精密な距離測定を行えるためです。ただし、これらのデバイスには、受信機 (およびワイヤレスモデルの場合はセンサー) で定期的に交換する必要があるバッテリーからの電源が必要であり、有線モデルでは、ブレーキ、ギア、またはケーブル式スピードメーターに使用されるケーブルよりもはるかに強度の低い細いケーブルで信号が伝送されるという、いくつかの小さな欠点があります。

その他の、通常は古い自転車のスピードメーターは、上記のオートバイのスピードメーターのように、どちらかの車輪からケーブルで駆動されます。これらは電池電源を必要としませんが、比較的かさばり重く、精度が低い場合があります。車輪の回転力は、一般的なオートバイのようにハブのギアリングシステム (ハブブレーキ、シリンダーギア、ダイナモなどを使用) から提供される場合もあれば、リムの外縁 (リムブレーキと同じ位置ですが、フォークの反対側の端) またはタイヤのサイドウォール自体を押す摩擦ホイールデバイスによって提供される場合もあります。前者は非常に信頼性が高く、メンテナンスもほとんど必要ありませんが、リムとタイヤのサイズに適切に適合したゲージとハブギアが必要です。一方、後者は適度に正確な読み取りのためにほとんどまたはまったくキャリブレーションを必要としません (標準タイヤの場合、リムに対して設定された摩擦ホイールが各ホイールを回転させる際の「距離」は、ホイールのサイズにほぼ比例し、地面に沿って転がっているかのようになります)。ただし、オフロードでの使用には適しておらず、滑ったり詰まったりしないように、適切に張力をかけ、道路の汚れを取り除いておかなければなりません。

エラー

ほとんどのスピードメーターの許容誤差は、主にタイヤの直径のばらつきにより、約 ±10% です。^{[引用が必要]}タイヤの直径のばらつきによる誤差の原因は、摩耗、温度、圧力、車両荷重、公称タイヤサイズです。車両メーカーは通常、平均誤差と同じ量だけ高めにスピードメーターの読み取り値を調整して、スピードメーターが車両の実際の速度よりも低い速度を表示しないようにし、ドライバーが速度制限に違反した場合に責任を負わないようにしています。^{[引用が必要]}

製造後のスピードメーターの過度の誤差はいくつかの原因で発生しますが、最も一般的な原因はタイヤの直径が標準外である場合で、その場合の誤差は次のようになります。 ${\mbox{パーセンテージ誤差}}=100\times \left(1-{\frac {\mbox{新しい直径}}{\mbox{標準直径}}}\right)$

現在、ほぼすべてのタイヤには、タイヤの側面にサイズが「T/A_W」として表示されています (参照:タイヤコード)。

${\mbox{直径（ミリメートル）}}=2\times T\times A/100+W\times 25.4$ ${\mbox{直径（インチ）}}=T\times A/1270+W$

たとえば、標準タイヤは「185/70R14」で、直径は 2*185*(70/100)+(14*25.4) = 614.6 mm (185x70/1270 + 14 = 24.20 インチ) です。もう 1 つは「195/50R15」で、直径は 2*195*(50/100)+(15*25.4) = 576.0 mm (195x50/1270 + 15 = 22.68 インチ) です。最初のタイヤ (およびホイール) を 2 番目のタイヤ (およびホイール) に交換すると (15 インチ = 381 mm のホイール)、スピードメーターは実際の速度より 100 * ((614.6/576) - 1) = 100 * (24.20/22.68 - 1) = 6.7% 高い速度を示します。実際の速度が 100 km/h (60 mph) の場合、スピードメーターはおよそ 100 x 1.067 = 106.7 km/h (60 * 1.067 = 64.02 mph) を示します。

摩耗の場合、直径 620 mm (24.4 インチ) の新しい「185/70R14」タイヤのトレッドの深さは約 8 mm ですが、法定限度では 1.6 mm に減少し、その差は直径で 12.8 mm、つまり 0.5 インチとなり、620 mm (24.4 インチ) では 2% になります。

国際協定

多くの国では、スピードメーターの読み取り値の法定誤差は、最終的には、スピードメーターに関連する車両型式認証の側面を規定する国連欧州経済委員会（UNECE）規則39 ^[8]によって規制されています。UNECE規則の主な目的は、販売される各国で車両モデルが異なる認証プロセスを経るのではなく、統一された型式認証基準に同意することで自動車の取引を促進することです。

欧州連合加盟国も同様のEU基準を満たす車両に型式認可を与えなければならない。速度計に関するもの^[9]^[10]^[11]は、UNECE規則と似ており、以下のことを規定している。

表示される速度は実際の速度よりも低くてはなりません。つまり、スピードメーターの読み取り値が不正確であるために、不注意で速度を上げてしまうことがないようにする必要があります。
指定された試験速度では、表示速度は実速度の 110 パーセントプラス 4 km/h (2.5 mph) を超えてはなりません。たとえば、80 km/h (50 mph) では、表示速度は 92 km/h (57 mph) を超えてはなりません。

規格では、精度の限界と、承認プロセス中に精度を測定する方法の詳細が多数規定されています。たとえば、テスト測定は (ほとんどの車両の場合) 時速 40、80、120 km (25、50、75 mph) で、特定の周囲温度と路面状態で実施する必要があります。車両の実際の速度を測定する機器の最小精度など、規格によって若干の違いがあります。

UNECE 規則は、型式承認後に大量生産される車両に対する要件を緩和します。生産適合性監査では、表示速度の上限が、乗用車、バス、トラック、および類似の車両の場合は 110% プラス 6 km/h (3.7 mph) に引き上げられ、最高速度が 50 km/h (31 mph) を超える二輪車または三輪車 (または熱機関で駆動される場合はシリンダー容量が 50 cm ³ (3.1 cu in)を超える) の場合は 110% プラス 8 km/h (5.0 mph) に引き上げられます。二輪車および三輪車に関連する欧州連合指令 2000/7/EC では、生産において同様に若干緩和された制限が規定されています。

オーストラリア

1988年7月以前には、オーストラリアにはスピードメーターに関するオーストラリア設計規則は存在しなかった。スピードカメラが初めて使用されたときに導入する必要があった。つまり、これらの古い車両には法的に正確なスピードメーターがないということだ。2007年7月1日以降に製造されたすべての車両、および2006年7月1日以降に導入されたすべての車両モデルは、UNECE規則39に準拠する必要がある。^[12]

これらの日付より前で 1995 年 7 月 1 日以降 (フォワードコントロール乗用車およびオフロード乗用車の場合は 1995 年 1 月 1 日以降) に製造された車両のスピードメーターは、以前のオーストラリア設計規則に準拠する必要があります。この規則では、時速 40 km を超える速度では速度を ±10% の精度で表示するだけでよく、時速 40 km 未満の速度では精度の規定はまったくないと規定されています。

オーストラリアで製造される、またはオーストラリア市場に供給するために輸入されるすべての車両は、オーストラリア設計規則に準拠する必要があります。^[13]州政府および準州政府は、ビクトリア州などの以前のバージョンのオーストラリア設計規則で許可されていた10％よりも低い、表示された速度制限を超える速度の許容範囲に関するポリシーを設定することができます。^[14]これは、車両に読み取り不足の速度計が装備されている場合、ドライバーが速度超過に気付かない可能性があるため、いくつかの論争を引き起こしました。^[15]

イギリス

1986年改正道路車両（構造および使用）規則では、EC理事会指令75/443（指令97/39により改正）またはUNECE規則39のいずれかの要件を満たす速度計の使用が許可されています。^[16]

2001年自動車（認可）規則^[17]では、単一の車両の認可が許可されています。UNECE規則やEC指令と同様に、スピードメーターは実際の速度よりも低い表示速度を表示してはいけません。ただし、25mphから70mph（または車両の最高速度がこれより低い場合はその最高速度）の間のすべての実際の速度に対して、表示速度は実際の速度の110％に6.25mphを加えた値を超えてはならないと規定している点で、UNECE規則やEC指令とは若干異なります。

たとえば、車両が実際に時速 50 マイルで走行している場合、速度計は時速 61.25 マイル以上または時速 50 マイル未満を示してはなりません。

アメリカ合衆国

米国の連邦基準では、商用車のスピードメーターの読み取り値について、時速50マイルで最大5マイルの誤差が許容されています。^[18]タイヤやホイールのサイズや差動ギアの変更などのアフターマーケットの変更は、スピードメーターの不正確さを引き起こす可能性があります。

米国における規制

1979年9月1日以降に製造された米国の自動車から、NHTSAはスピードメーターが時速55マイル（90km/h）を特に強調し、最高速度85マイル（136km/h）以上を表示しないようにすることを義務付けた。1982年3月25日、NHTSAは基準を維持しても「重大な安全上の利点」が得られないとしてこの規則を撤回した。^[19]

GPS

GPSデバイスは次の 2 つの方法で速度を測定できます。

最初の、より簡単な方法は、受信機が最後の測定からどれだけ移動したかに基づきます。このような速度計算は、車両のスピードメーターと同じ誤差源 (ホイールサイズ、トランスミッション/ドライブ比) の影響を受けません。代わりに、GPS の位置精度、つまり計算された速度の精度は、その時点の衛星信号の品質に依存します。速度計算は、位置誤差と位置変化の比率が低いほど、速度が速いほど正確になります。GPS ソフトウェアは、誤差を減らすために移動平均計算を使用する場合もあります。一部の GPS デバイスは、車の垂直位置を考慮しないため、道路の傾斜によって速度が実際よりも低く報告されます。
あるいは、GPSはドップラー効果を利用して速度を推定することもあります。^[20]理想的な条件下では、市販のデバイスの精度は0.2～0.5km/hですが、^[20]^[21]^[22]信号品質が低下すると精度が悪化する可能性があります。

衛星ナビの記事で述べたように、GPS データはスピード違反切符を覆すために使用されました。GPS ログは、被告が切符を切られたときに制限速度以下で走行していたことを示しています。データが GPS デバイスから取得されたことよりも、ログに記録されたという事実の方が重要だった可能性があります。車両のスピードメーターのログが存在していた場合は、代わりにそれを使用した可能性があります。

参照

参考文献

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外部リンク

Autoblog: 変化を測る
スピードメーター

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