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ホイールスピードセンサー（WSS）または車速センサー（VSS ）は、タコメーターの一種です。車両の車輪の回転速度を読み取るための送信装置であり、通常は歯付きリングとピックアップで構成されています。
ホイールスピードセンサーは、当初、ホイールからスピードメーターへの機械的なリンク機構を置き換えるために使用され、ケーブルの断線を防ぎ、可動部品をなくすことで計器の構造を簡素化しました。これらのセンサーは、 ABSなどの自動運転支援システムを機能させるためのデータも生成します。
最も一般的な車輪速度センサーシステムは、強磁性体の歯付きリラクタリングとセンサー（受動型または能動型）で構成されています。
トーンホイールは通常、鋼鉄製で、開放型または密閉型（一体型ベアリングアセンブリの場合など）があります。歯数は、低速センシングの精度と高速センシングのコストとのトレードオフによって決定されます。歯数が多いほど加工工程が増え、（受動型センサーの場合）出力信号の周波数が高くなるため、受信側での解釈が容易ではない可能性がありますが、分解能と信号更新レートは向上します。より高度なシステムでは、センサーがホイールの正回転と逆回転を区別できるように、歯を非対称形状にすることができます。
パッシブセンサーは通常、トーンホイールから放射状に突き出すように配置された強磁性ロッドと、その反対側の端に永久磁石を備えています。ロッドには細いワイヤーが巻かれており、トーンホイールの回転に伴い、歯が磁場と干渉することで誘導交流電圧が発生します。パッシブセンサーは、ホイールの回転速度に応じて振幅と周波数が増加する正弦波信号を出力します。
受動型センサーのバリエーションとして、磁石を背面に持たず、代わりに磁極が交互に配置されたトーンホイールを用いて交流電圧を生成する方式がある。このセンサーの出力は正弦波というよりは方形波に近い形状になる傾向があるが、ホイールの回転速度が上がるにつれて振幅も大きくなる。
アクティブセンサーとは、信号調整回路がデバイスに組み込まれたパッシブセンサーのことです。この信号調整には、信号の振幅を増幅したり、信号の形状をPWM、方形波などに変更したり、送信前に値を通信プロトコルにエンコードしたりすることが含まれます。
車速センサー（VSS）は、必ずしも真のホイールスピードセンサーとは限りません。例えば、フォードのAODトランスミッションでは、VSSはテールシャフトエクステンションハウジングに取り付けられており、トーンリングとセンサーが一体化されています。これはホイールスピードを正確に測定するものではありませんが（ディファレンシャルを備えた車軸では各ホイールが異なる速度で回転することができ、最終速度はドライブシャフトのみに依存しないため）、通常の運転状況ではスピードメーター信号を提供するのに十分な精度があり、1987年以降のフォードFシリーズ（ ABSを搭載した最初のピックアップトラック）の後輪ABSシステムに使用されました。
車輪速度センサーは、アンチロックブレーキシステムの重要な構成要素です。
機関車や電車などの鉄道車両の多くのサブシステムは、信頼性が高く正確な回転速度信号に依存しており、場合によっては速度や速度変化の測定に用いられます。これは特に牽引制御に当てはまりますが、車輪滑り防止、位置合わせ、列車制御、ドア制御などにも当てはまります。これらの機能は、車両の様々な箇所に設置された複数の回転速度センサーによって実行されます。
速度センサーの故障は頻繁に発生し、その主な原因は鉄道車両で遭遇する極めて過酷な運転条件にある。関連規格では詳細な試験基準が規定されているが、実際の運用では、衝撃や振動、特に電磁両立性（EMC）など、さらに厳しい条件に遭遇することが多い。
鉄道車両の中にはセンサーなしの駆動装置を使用するものもあるが、ほとんどの場合、速度制御システムには回転式速度センサーが必要となる。最も一般的なタイプは、モーターシャフトまたはギアボックス上の歯車をスキャンする2チャンネルセンサーで、このセンサーは専用に設計されている場合もあれば、既に駆動システムに組み込まれている場合もある。
この種の最新のホール効果センサーは、磁場変調の原理を利用しており、モジュールがm=1～m=3.5（DP=25～DP=7）の強磁性ターゲットホイールに適しています。歯の形状は二次的な重要性しかなく、インボリュート歯形または矩形歯形のターゲットホイールをスキャンできます。ホイールの直径と歯数に応じて、1回転あたり60～300パルスを得ることができ、これは低～中程度の牽引性能の駆動装置には十分です。
このタイプのセンサーは通常、2つのホール効果センサー、希土類磁石、および適切な評価回路で構成されています。磁石の磁場は、通過するターゲットの歯によって変調されます。この変調はホールセンサーによって検出され、比較器段で方形波信号に変換され、ドライバ段で増幅されます。
ホール効果は温度によって大きく変化します。そのため、センサーの感度と信号オフセットは、エアギャップだけでなく温度にも依存します。これにより、センサーとターゲットホイール間の最大許容エアギャップも大幅に減少します。室温では、 モジュールm=2の一般的なターゲットホイールの場合、2～3mmのエアギャップは問題なく許容できますが、-40 ℃～120 ℃の要求温度範囲では、有効な信号記録のための最大ギャップは1.3mmに低下します 。時間分解能を高めたり、構造をよりコンパクトにするために、モジュールm=1のより小さなピッチのターゲットホイールがよく使用されます。この場合、可能な最大エアギャップはわずか0.5～0.8mmです 。
設計エンジニアにとって、センサーの最終的な目に見えるエアギャップは、主に特定の機械設計の結果ですが、回転速度を検出するために必要な制約を受けます。つまり、可能なエアギャップが非常に狭い範囲に収まる必要がある場合、動作中の信号途絶を防ぐために、モーターハウジングとターゲットホイールの機械的公差も制限されます。これは、特にモジュールm=1の小さなピッチのターゲットホイールや、不利な公差の組み合わせ、極端な温度などでは、実際には問題が発生する可能性があることを意味します。したがって、モーターメーカー、そしてさらにオペレーターの視点からすると、より広い範囲のエアギャップを持つ速度センサーを探す方が良いでしょう。
ホールセンサーからの主信号は、エアギャップが大きくなるにつれて振幅が急激に減少します。ホールセンサーメーカーにとって、これはホール信号の物理的に誘発されるオフセットドリフトを最大限に補償する必要があることを意味します。従来の方法は、センサーの温度を測定し、その情報を使用してオフセットを補償することですが、これには2つの理由があります。1つ目は、ドリフトが温度に対して線形に変化しないこと、2つ目は、ドリフトの符号さえもすべてのセンサーで同じではないことです。
現在、一部のセンサーには、ホールセンサー信号のオフセットと振幅を補正する統合信号プロセッサが搭載されています。この補正により、速度センサーにおける許容最大エアギャップが大きくなります。モジュールm=1のターゲットホイールでは、これらの新しいセンサーは1.4mmのエアギャップを許容できますが 、これはモジュールm=2のターゲットホイールにおける従来の速度センサーよりも広くなっています。モジュールm=2のターゲットホイールでは、新しい速度センサーは最大2.2mmのギャップを許容できます 。また、信号品質も大幅に向上させることができました。2つのチャンネル間のデューティサイクルと位相差は、エアギャップの変動や温度ドリフトに対して少なくとも3倍安定しています。さらに、複雑な電子回路にもかかわらず、新しい速度センサーの平均故障間隔を3～4倍に延ばすことができました。つまり、より高精度な信号を提供するだけでなく、信号の可用性も大幅に向上しています。
ギア付きホール効果センサーの代替として、磁気抵抗を利用したセンサーやエンコーダーがあります。ターゲットホイールはアクティブな多極磁石であるため、エアギャップは最大4.0mmまでさらに大きくすることができます 。磁気抵抗センサーは角度に敏感で振幅には敏感ではないため、ギャップが変動するアプリケーションでは、ホールセンサーよりも信号品質が向上します。また、信号品質がはるかに高いため、センサー/エンコーダー内部または外部回路による補間が可能になります。
ベアリングが内蔵されていないホールセンサーでは、パルス数に限界があります。 直径300mmのターゲットホイールの場合、通常は1回転あたり300パルスを超えることはできません。しかし、多くの機関車や電車（EMU）では、牽引コンバータを適切に動作させるために、より多くのパルス数が必要となります。例えば、低速走行時に牽引レギュレータに厳しい制約がある場合などです。
このようなホール効果センサーの用途では、内蔵ベアリングが有利となる場合があります。内蔵ベアリングは、モーターベアリングに比べてセンサー本体の遊びが大幅に少ないため、許容できるエアギャップが桁違いに小さくなります。これにより、測定スケールのピッチをモジュールm = 0.22まで小さくすることが可能になります。同様に、磁気抵抗センサーは、ベアリングを内蔵したモーターエンコーダに実装した場合、ホールセンサーよりもさらに高い分解能と精度を実現します。
さらに高い信号精度を求める場合は、高精度エンコーダを使用することができます。
2つのエンコーダの動作原理は類似しています。マルチチャンネル磁気抵抗センサが256歯のターゲットホイールをスキャンし、正弦波と余弦波を生成します。正弦波/余弦波信号の周期から矩形パルスを生成するために、逆正接補間が使用されます。高精度エンコーダは、振幅補正機能とオフセット補正機能も備えています。これにより、信号品質をさらに向上させることが可能になり、トラクション制御が大幅に改善されます。
ベアリングレス速度センサは、鉄道車両のほぼすべての車輪セットに見られます。これらは主に車輪滑り防止に使用され、通常は車輪滑り防止システムのメーカーから供給されます。これらのセンサは十分に小さなエアギャップを必要とし、特に信頼性が求められます。車輪滑り防止に使用される回転式速度センサの特長の1つは、統合された監視機能です。7 mA/14 mAの電流出力を持つ2線式センサは、断線を検出するために使用されます。他の設計では、信号周波数が1 Hzを下回るとすぐに約7 Vの出力電圧が得られます。別の方法として、電源を50 MHzで周期的に変調したときに、センサからの 50 MHzの出力信号を検出する方法があります。また、2チャンネルセンサでは、チャンネルが電気的に絶縁されていることも一般的です。
牽引モーターから車輪滑り防止信号を取り外す必要がある場合があり、その場合、出力周波数が車輪滑り防止回路にとって高すぎることがよくあります。このような用途には、周波数分周器またはエンコーダを内蔵した速度センサーを使用できます。
鉄道車両、特に機関車には、それぞれ独立した電気的に絶縁された速度信号を必要とする多数のサブシステムが存在します。通常、個別のパルス発生器を設置できる十分な取り付け場所やスペースがありません。そこで、ベアリングシェルや車輪カバーにフランジ取り付けするマルチチャンネルパルス発生器が解決策となります。ベアリングレス速度センサーを複数使用すると、ケーブルも追加で必要になりますが、屋外機器では、例えば軌道バラストの飛散などによる損傷を受けやすいため、ケーブルの使用は避けるべきです。
1～4チャンネルを実装可能で、各チャンネルには、スロット付きディスク上の最大2つの信号トラックのうち1つをスキャンするフォトセンサーが備えられています。しかし、この技術で実現可能なチャンネル数はまだ十分ではないことが経験上分かっています。そのため、多くのサブシステムは、ホイール滑り防止回路からのループスルー信号で我慢しなければならず、例えば利用可能なパルス数を受け入れることを余儀なくされています。ただし、速度信号を別途取得すれば、いくつかの利点が得られる可能性があります。
光センサーは産業界で広く利用されている。しかし、長期間にわたって安定して機能させるには、光学部品が汚れに非常に弱いことと、光源の劣化が早すぎるという2つの根本的な問題がある。
微量の汚れはレンズを通過する光量を大幅に減少させ、信号の途切れを引き起こす可能性があります。そのため、これらのエンコーダは非常に高い密閉性を必要とします。さらに、露点を超える環境下でパルス発生器を使用すると、レンズが曇り、信号が頻繁に途切れるという問題が発生します。
光源には発光ダイオード（LED）が用いられます。しかし、LEDは必ず経年劣化を起こし、数年で光量が著しく低下します。この劣化を補うために、LEDに流れる電流を徐々に増加させる特殊なレギュレータが用いられますが、残念ながらこれは劣化をさらに加速させてしまいます。
磁気的に強磁性測定スケールをスキャンする原理では、これらの欠点は見られません。磁気エンコーダを長年使用してきた経験から、シールが破損し、パルス発生器が厚いブレーキダストやその他の汚れで完全に覆われていることが判明したケースもありましたが、そのようなパルス発生器でも完全に機能しました。
従来、磁気センサーシステムは光学式センサーシステムよりも高価でしたが、その差は急速に縮まっています。磁気ホールセンサーや磁気抵抗センサーシステムは、プラスチックや封止材に埋め込むことができ、これにより機械的信頼性が向上し、水や油による損傷を防ぐことができます。
車輪速度センサーにはヒステリシス機能も備わっている。これは、車両が停止している間に発生する不要なパルスを抑制する機能である。
この原理に基づいて製造されたパルス発生器は、2005年初頭から複数の鉄道事業者によって実地試験に成功裏に実施されてきました。EN 50155 [ 1 ]に規定された型式試験も無事完了したため、これらのパルス発生器は現在納入可能です。
内側ジャーナル式台車は、車輪軸の回転を検出するための基準となるベアリングカバーが端部にないため、パルス発生器の設計者に特別な要求を課します。この場合、パルス発生器は車輪軸に取り付けられたシャフトスタブに装着され、回転を防止するために台車フレームに接続されたトルクコンバーターが取り付けられる必要があります。
この場所での激しい振動は、パルス発生器のベアリングに相当な負荷をかけます。この設置方法では、ベアリングはパルス発生器のシャフトの比較的小さな質量だけでなく、パルス発生器全体の質量も支えなければなりません。ベアリングの寿命は負荷の少なくとも3乗に反比例して短くなることを考慮すると、このような状況に適した信頼性と耐久性を備えたパルス発生器は、一般的な外軸台車用標準パルス発生器に中間フランジなどを取り付けるだけで済むものではないことがわかります。このような場所の要件に合わせて設計を変更したパルス発生器が実際に必要となるのです。
一部の輸送会社は、特殊な問題に直面しています。モーターを冷却する循環空気には、車輪やレールから摩耗した切削屑が含まれており、これが磁気センサーのヘッドに付着してしまうのです。また、インペラがアルミニウム合金製で、メーカーが別途強磁性体のギアリムを焼き付けたくない場合など、センサーがアルミニウム製のターゲットホイールをスキャンしなければならないモーターも増えています。
これらの用途向けには、ターゲット磁石を必要としない速度センサーが用意されています。[ 2 ]複数の送信コイルと受信コイルを使用して、周波数が約 1 MHz の交流電場を生成し、送信機と受信機間の結合の変調を評価します。このセンサーは、磁気センサーと設置および信号互換性があります。一般的なターゲットホイールモジュールのほとんどでは、他の対策を必要とせずにユニットを交換するだけで済みます。
顧客は、利用可能なスペースと最小モジュールm = 1で実現できるよりも多くのパルスを1回転あたりに必要とすることがよくあります。この目標を達成するために、補間機能を備えたセンサーが利用可能です。これらのセンサーは、対象ホイールの元の歯数または磁極数の2～64倍の出力を提供します。精度はセンサー入力の品質に依存します。ホールセンサーは低コストですが精度が低く、磁気抵抗センサーは高コストですが精度が高くなります。