回転機械用物理量測定装置
【課題】エンコーダ１ａと組み合わせて使用するセンサ１０、１０の個数を、３個のみと、少なくした状態で、前記エンコーダ１ａを外嵌固定した回転部材の５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφｘ、φｚを測定できる構造を実現する。
【解決手段】前記エンコーダ１ａとして、被検出面である外周面に、複数の特性変化組み合わせ部３ａ、３ａを円周方向に等ピッチで形成したものを使用する。これら各特性変化組み合わせ部３ａ、３ａは、前記エンコーダ１ａの軸方向に対して互いに逆方向に傾斜した第一凹溝１１ａ及び第二凹溝１１ｂから成るものとする。前記エンコーダ１ａの外周面のうちで円周方向の位相が互いに異なる部分に、３個のセンサ１０、１０の検出部を対向させる。これにより、これら各センサ１０、１０の出力信号から得られる情報に基づいて、前記５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφｘ、φｚを算出可能とする。
【解決手段】前記エンコーダ１ａとして、被検出面である外周面に、複数の特性変化組み合わせ部３ａ、３ａを円周方向に等ピッチで形成したものを使用する。これら各特性変化組み合わせ部３ａ、３ａは、前記エンコーダ１ａの軸方向に対して互いに逆方向に傾斜した第一凹溝１１ａ及び第二凹溝１１ｂから成るものとする。前記エンコーダ１ａの外周面のうちで円周方向の位相が互いに異なる部分に、３個のセンサ１０、１０の検出部を対向させる。これにより、これら各センサ１０、１０の出力信号から得られる情報に基づいて、前記５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφｘ、φｚを算出可能とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、旋盤、フライス盤、マシニングセンタ等の各種工作機械の主軸や、自動車の車輪支持用転がり軸受ユニットを構成する回転側軌道輪部材等の回転部材に生じる変位や傾き、更には、この回転部材に作用する荷重やモーメントと言った物理量を測定する為に利用する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の主軸は、先端部に工具又は被加工物を取り付けた状態で、この工具又は被加工物に高精度な回転運動を与える、その工作機械で最も主要な軸である。この被加工物の加工時に、前記主軸には、加工抵抗に基づく荷重が加わる。この荷重は、加工送り速度が小さくなる程小さくなり、大きくなる程大きくなる。従って、前記荷重が所定範囲に収まる様に前記加工送り速度を調節すれば、この加工送り速度を、加工能率を確保しつつ、前記工具の耐久性、及び、前記被加工物の品質を確保できる適正範囲に収める事ができる。又、前記加工送り速度等の加工条件を一定とした場合に、前記荷重は、前記工具の切削性（切れ味）が劣化する程大きくなる。従って、前記加工条件との関係で前記荷重の大小を観察すれば、前記工具が寿命に達した事を知る事ができて、寿命に達した不良工具で加工を継続する事による、歩留まりの悪化を防止できる。又、前記荷重を、前記加工条件と関連付けて継続的に観察すれば、工具破損等の事故発生時に、その原因を特定する事が可能になる。
【０００３】
この様な目的で、工作機械の主軸等の回転軸に加わる荷重を測定する為の装置として従来から、例えば特許文献１に記載された構造のものが知られている。この特許文献１に記載された荷重測定装置は、水晶圧電式の荷重センサを複数個、荷重の作用方向に対して直列に配置し、これら各荷重センサの測定信号に基づいて、切削工具を支持固定した回転軸に加わる荷重（切削抵抗）を測定する様に構成している。この様な特許文献１に記載された荷重測定装置の場合、高価な水晶圧電式の荷重センサを使用する為、荷重測定装置全体としてのコストが嵩む事が避けられない。
【０００４】
一方、特許文献２には、水晶圧電式の荷重センサに比べて低コストで調達できる、磁気式のエンコーダとセンサとにより構成する、荷重測定装置付転がり軸受ユニットに関する発明が記載されている。例えば特許文献２の段落［００６６］〜［００６８］には、図１０に示す様なエンコーダ１を使用して、このエンコーダ１を同心に支持した回転部材の軸方向に関する変位量、延いてはこの回転部材に加わるアキシアル荷重を測定する技術が記載されている。
【０００５】
前記エンコーダ１は、鋼板等の磁性金属板により全体を円筒状に造られている。このエンコーダ１の軸方向中間部には、それぞれが円周方向に所定のピッチで離隔して設けられた第一特性変化部である第一透孔２ａと第二特性変化部である第二透孔２ｂとから成る、複数の特性変化組み合わせ部３、３が、円周方向に関して等ピッチで設けられている。これら各特性変化組み合わせ部３、３を構成する、前記第一透孔２ａと前記第二透孔２ｂとは、前記エンコーダ１の軸方向に対して、互いに逆方向に、同じ角度で傾斜している。別な言い方をすれば、前記第一透孔２ａと前記第二透孔２ｂとの、前記エンコーダ１の軸方向に対する傾斜角度は、絶対値が互いに等しく、且つ、正負の符号（傾斜方向）が互いに逆になっている。この様なエンコーダ１は、工作機械の主軸の如き回転部材の一部に、この回転部材と同心に固定する。これと共に、この回転部材に隣接する部分に設けられた静止部材の一部に、磁気検知式のセンサを支持した状態で、このセンサの検出部を、前記エンコーダ１の外周面に微小隙間を介して近接対向させる。
【０００６】
この状態で、前記主軸と共に前記エンコーダ１が回転すると、前記センサの検出部が、被検出面である、このエンコーダ１の外周面を走査する。このエンコーダ１の外周面の磁気特性は、前記第一、第二各透孔２ａ、２ｂの存在により円周方向に変化している為、前記エンコーダ１の回転に伴って前記センサの出力信号が変化する。例えば、このセンサの検出部が前記エンコーダ１の外周面のうち、図１１の（ａ）の鎖線イ位置を走査すると、このセンサの出力信号が、この図１１の（ｂ）に示す様に変化する。この図１１の（ｂ）で、円周方向に隣り合う１対の特性変化組み合わせ部３、３を構成する１対の第一透孔２ａ、２ａに基づいて発生する１対のパルス間の周期を全周期Ｌ1とする。又、同じ特性変化組み合わせ部３を構成する第一、第二両透孔２ａ、２ｂに基づいて発生する１対のパルス間の周期を部分周期ｓ1とする。前記センサの検出部が前記鎖線イ位置を走査する場合には、この部分周期ｓ1と前記全周期Ｌ1との比であるパルス周期比ｓ1／Ｌ1は、比較的小さな値となる。これに対して、前記センサの検出部が図１１の（ａ）の鎖線ロ位置を走査すると、このセンサの出力信号が、この図１１の（ｃ）に示す様に変化する。そして、部分周期ｓ2と全周期Ｌ2との比であるパルス周期比ｓ2／Ｌ2は、比較的大きな値となる。
【０００７】
この様に、前記センサの出力信号に関するパルス周期比ｓ／Ｌは、このセンサの検出部が走査する、前記エンコーダ１の外周面の軸方向位置（被検出面の幅方向位置）により変化する。そして、この軸方向位置は、エンコーダを固定した回転部材の軸方向変位により変化する。従って、前記センサの出力信号を処理する為の演算器に、前記回転部材の軸方向変位量を算出する為の演算式を組み込んだソフトウェアをインストールしておけば、前記演算器により、前記パルス周期比ｓ／Ｌに基づいて、前記回転部材の軸方向変位量を算出できる。又、この回転部材が、予圧を付与された転がり軸受により回転自在に支持されていた場合、この回転部材の軸方向変位量は、この回転部材に加わるアキシアル荷重の大きさに応じて変化する。言い換えれば、この回転部材に加わるアキシアル荷重と、この回転部材の軸方向変位量との間には、反復・再現性のある相関関係が存在する。そして、この相関関係は、転がり軸受の分野で広く知られている弾性接触理論により計算で求められる他、実験によっても求められる。従って、前記演算器に、前記相関関係を勘案した、前記アキシアル荷重を算出する為の演算式を組み込んだソフトウェアをインストールしておけば、前記演算器により、前記パルス周期比ｓ／Ｌに基づいて、前記回転部材に加わるアキシアル荷重を算出できる。
【０００８】
ところで、前記主軸の先端部に固定する工具が、例えばフライスやエンドミルである場合、この主軸には、アキシアル荷重も加わるが、それよりも大きな割合でラジアル荷重やモーメントが加わる。従って、この様な場合には、前記アキシアル荷重だけでなく、前記ラジアル荷重やモーメント（或いは、これらに基づいて発生した前記主軸の変位や傾き）を測定して、これらを前述した加工送り速度の調整等に利用する事が、この調整等をより高度に行う観点から好ましいと言える。一方、特許文献３には、回転部材に加わる、アキシアル荷重（変位）と、２方向のラジアル荷重（変位）と、２方向のモーメント（傾き）との、合計５方向の荷重及びモーメント（変位及び傾き）を測定可能な物理量測定装置に関する発明が記載されている。従って、この発明を工作機械に適用すれば、前述した加工送り速度の調整等をより高度に行える。
【０００９】
ところが、上述の特許文献３に記載された発明の場合には、エンコーダと組み合わせて使用するセンサの個数を、２個１組のものを３組、合計６個使用する必要がある。この為、これら各センサの費用が嵩む。又、総てのセンサの検出部を、前記エンコーダの被検出面の所定箇所に精度良く対向させる事が難しくなり、その分だけ、生産性が悪化する可能性がある。
尚、本発明に関連する他の先行技術文献として、以下の特許文献４が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−１８７０４８号公報
【特許文献２】特開２００６−３１７４２０号公報
【特許文献３】特開２００８−６４７３１号公報
【特許文献４】特開２０１０−５４２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述の様な事情に鑑み、エンコーダと組み合わせて使用するセンサの個数を６個よりも少なくして、しかも、回転部材の５方向の変位及び傾き（この回転部材に加わる５方向の外力）を測定できる構造を実現すべく発明したものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の回転機械用物理量測定装置は、回転機械と、エンコーダと、センサと、演算器とを備える。
このうちの回転機械は、回転しない静止部材、及び、それぞれが予圧を付与された複数の転がり軸受により、この静止部材に対して回転自在に支持された回転部材を備える。
又、前記エンコーダは、前記回転部材の一部に支持固定されており、この回転部材と同心の被検出面を有する。この被検出面は、複数の特性変化組み合わせ部を、円周方向に等ピッチで配置したもので、これら各特性変化組み合わせ部はそれぞれ、円周方向に関して所定ピッチで離隔配置された、前記被検出面の幅方向に対する正負の符号をも考慮した傾斜角度が互いに異なる第一特性変化部と第二特性変化部とから成る。
又、前記センサは、その検出部を前記被検出面に対向させた状態で、前記静止部材に支持されている。そして、前記各特性変化部が、前記被検出面のうちで前記検出部が対向する部分を通過する瞬間に、出力信号を変化させる。
更に、前記演算器は、前記センサの出力信号を処理する。
特に、本発明の回転機械用物理量測定装置に於いては、前記センサを３個のみ備えると共に、これら各センサの検出部を、前記被検出面のうちで円周方向の位相が互いに異なる部分に対向させている。又、前記演算器は、前記各センサの出力信号から得られる情報に基づいて、前記静止部材に対する前記エンコーダの、互いに直交する３方向の変位、及び、互いに直交する２方向の傾きのうちの、一部又は全部を算出する機能を有する。
尚、前記被検出面に対する前記各センサの検出部の対向位置は、この被検出面の円周方向等間隔位置とするのが好ましい。
又、前記互いに直交する３方向の変位としては、例えば、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のうちのｙ軸を、前記静止部材の中心軸に一致させた三次元直交座標系を設定した場合の、ｘ軸方向の変位ｘと、ｙ軸方向の変位ｙと、ｚ軸方向の変位ｚとを採用する事ができる。又、前記互いに直交する２方向の傾きとしては、前記三次元直交座標系を設定した場合の、ｘ軸周りの傾きφxと、ｚ軸周りの傾きφzとを採用する事ができる。
【００１３】
本発明を実施する場合には、例えば請求項２に記載した発明の様に、前記演算器が前記３方向の変位及び前記２方向の傾きのうちの一部又は全部を算出する際に使用する、前記各センサの出力信号から得られる情報として、これら各センサの出力信号のパルス周期比と、これら各センサの出力信号同士の間に存在する、これら各センサの出力信号中に含まれる前記第一特性変化部に基づいて発生したパルス同士の間の位相差比とを採用する。
【００１４】
又、本発明を実施する場合に、好ましくは、請求項３に記載した発明の様に、前記被検出面の幅方向に対する前記第一特性変化部の傾斜角度を、零とする。即ち、前記第二特性変化部のみを、前記被検出面の幅方向に対して傾斜させる。
【００１５】
更に、本発明を実施する場合に、好ましくは、請求項４に記載した発明の様に、前記演算器に、前記互いに直交する３方向の変位及び互いに直交する２方向の傾きのうちの一部又は全部に基づいて、前記静止部材と前記回転部材との間に作用する外力（例えば、前記三次元直交座標系を設定した場合の、ｘ軸方向の荷重Ｆｘ、ｙ軸方向の荷重Ｆｙ、ｚ軸方向の荷重Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメントＭｘ、ｚ軸周りのモーメントＭｚのうちの一部又は全部）を算出する機能を持たせる。
【発明の効果】
【００１６】
上述の様に構成する本発明の回転機械用物理量測定装置によれば、静止部材に対するエンコーダ（回転部材のうちでこのエンコーダを支持固定した部分）の、互いに直交する３方向の変位、及び、互いに直交する２方向の傾きのうちの、一部又は全部を求められる。これに加えて、請求項４に記載した発明の場合には、前記静止部材と前記回転部材との間に作用する外力を求められる。特に、本発明の場合には、前記エンコーダと組み合わせて使用するセンサの個数を、３個のみと少なくできる。この為、これら各センサの費用を抑えられる。更には、総てのセンサの検出部を、前記エンコーダの被検出面の所定箇所に精度良く対向させる事が比較的容易となり、その分だけ生産性を良くする事ができる。
又、請求項３に記載した発明の構成を採用すれば、被検出面の幅方向に対する第一、第二両特性変化部の傾斜角度をそれぞれ零としない構成を採用する場合に比べて、前記エンコーダの変位を算出する際の演算量を少なくできる。この為、この変位の演算速度の向上や、前記演算器のスペックダウンによる低コスト化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態の第１例を示す断面図。
【図２】エンコーダと３個のセンサとの配置関係を示す略斜視図。
【図３】エンコーダの被検出面の一部を示す展開図。
【図４】センサユニットを取り出して、先端のセンサ装着部を被覆していない状態（ａ）と被覆した状態（ｂ）とで示す斜視図。
【図５】センサの円周方向位置を示す図。
【図６】１個のセンサの出力信号を、エンコーダに５方向の変位及び傾きが生じる前の状態（ａ）と後の状態（ｂ）とで示す図。
【図７】２個のセンサの出力信号同士の間に位相差が生じている状態を示す図。
【図８】本発明の実施の形態の第２例を示す、エンコーダと３個のセンサとの配置関係を示す略斜視図。
【図９】エンコーダの被検出面の一部を示す展開図。
【図１０】従来から知られているエンコーダの斜視図。
【図１１】センサの出力信号に基づいて物理量を測定できる理由を説明する為の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［実施の形態の第１例］
図１〜７により、請求項１、２、４に対応する、本発明の実施の形態の第１例に就いて説明する。本例は、工作機械を構成する、回転部材である主軸４の変位及び傾きと、この主軸４に作用する外力である荷重及びモーメントとを測定する為の構造に、本発明を適用した例である。前記工作機械は、静止部材であるハウジング５の内径側に前記主軸４を、多列転がり軸受ユニット６により回転自在に支持すると共に、電動モータ７により、前記主軸４を回転駆動自在としている。前記多列転がり軸受ユニット６を構成する複数個の転がり軸受８ａ〜８ｄのうち、先端寄りに配置した２個の転がり軸受８ａ、８ｂと、基端寄りに配置した２個の転がり軸受８ｃ、８ｄとには、互いに逆向きの接触角を付与すると共に、これら各転がり軸受８ａ〜８ｄに、予圧を付与している。
【００１９】
前記工作機械の運転時には、前記主軸４の先端部（図１の左端部）に固定した図示しない工具を、適切な回転速度で回転させつつ被加工物に押し付け、この被加工物に、切削等の加工を施す。この様にして加工を施す際に、前記主軸４には、この被加工物に前記工具を押し付ける事の反作用として、各方向の荷重及びモーメントが加わる。本例の構造では、これら各方向の荷重及びモーメントに基づく、前記主軸４の変位及び傾きと、必要に応じてこれら各方向の荷重及びモーメントとを求められる様にしている。この為に本例の構造は、１個のエンコーダ１ａと、３個のセンサユニット９と、図示しない演算器とを備える。
【００２０】
このうちのエンコーダ１ａは、前記主軸４の中間部先端寄り部分で、前記多列転がり軸受ユニット６を構成する転がり軸受８ｂ、８ｃ同士の間に外嵌固定している。このエンコーダ１ａは、内輪間座を兼ねるもので、鋼等の磁性金属により造り、全体を円筒状としている。そして、被検出面である前記エンコーダ１ａの外周面の軸方向中央部に、複数の特性変化組み合わせ部３ａ、３ａを、円周方向に関して等ピッチで形成している。これら各特性変化組み合わせ部３ａ、３ａはそれぞれ、円周方向に関して所定ピッチで離隔配置された、第一特性変化部である直線状の第一凹溝１１ａと、第二特性変化部である直線状の第二凹溝１１ｂとから成る。これら第一凹溝１１ａと第二凹溝１１ｂとは、前記エンコーダ１ａの軸方向に対して、互いに逆方向に、同じ角度で傾斜している。別な言い方をすれば、前記第一透孔２ａと前記第二透孔２ｂとの、前記エンコーダ１ａの軸方向に対する傾斜角度は、絶対値が互いに等しく、且つ、正負の符号（傾斜方向）が互いに逆になっている。
【００２１】
又、前記３個のセンサユニット９、９はそれぞれ、図４に詳示する様に、合成樹脂製のホルダ１２の先端部に、センサ１０を包埋して成る。このセンサ１０は、検出部を構成するホールＩＣ、ホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子等の磁気検知素子と、永久磁石とから成る。この様な３個のセンサユニット９、９は、それぞれのセンサ１０、１０の検出部を、前記被検出面の円周方向等間隔の３箇所に近接対向させた状態で、前記ハウジング５に支持固定している。この状態で、前記主軸４と共に前記エンコーダ１ａが回転すると、前記各センサ１０、１０の検出部が、このエンコーダ１の外周面を走査する。このエンコーダ１の外周面の磁気特性は、前記第一、第二各凹溝１１ａ、１１ｂの存在により円周方向に変化している為、前記エンコーダ１ａの回転に伴って前記各センサ１０、１０の出力信号が変化する。
【００２２】
又、本例の場合には、上述の様なエンコーダ１ａ及びセンサユニット９、９を組み付けた工作機械に関して、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸から成る三次元座標系を設定している。この三次元座標系のｙ軸は、前記ハウジング５の中心軸に一致する、図１に於ける左右方向軸としており、同じくｘ軸は、図１に於ける表裏方向の軸としており、同じくｚ軸は、図１に於ける上下方向の軸としている。尚、本例の場合、前記主軸４に外力が作用していない中立状態で、この主軸４の中心軸は、前記ハウジング５の中心軸と一致している。この為、この中立状態で、前記主軸４の中心軸は、ｙ軸に一致した軸となる。又、前記三次元座標系の原点Ｏは、前記中立状態に於ける、前記エンコーダ１ａの幾何中心点に配置している。但し、図１では、図示の便宜上、前記原点Ｏを、ｙ軸上で、前記エンコーダ１ａの幾何中心点から左側に大きく外れた位置に配置している。又、ｙ軸を中心とする円周方向位置（角度）θを、図５に示す様に設定している。本例の場合、前記３個のセンサ１０、１０の検出部は、ｙ軸方向に関して零の位置に配置すると共に、円周方向に関してθ1＝０度、θ2＝１２０度、θ3＝２４０度の３箇所に配置している。
【００２３】
又、前記演算器は、前記各センサ１０、１０の出力信号から得られる情報に基づいて、前記ハウジング５に対する前記エンコーダ１ａの、ｘ軸方向の変位ｘと、ｙ軸方向の変位ｙと、ｚ軸方向の変位ｚと、ｘ軸周りの傾きφxと、ｚ軸周りの傾きφzとを、所定の演算式により算出する機能を有する。そこで、先ず、この所定の演算式の内容に就いて、以下に説明する。
【００２４】
今、前記エンコーダ１ａの外周面のうち、θ1＝０度の部分のｙ軸方向変位をｙ1とし、θ2＝１２０度の部分のｙ軸方向変位をｙ2とし、θ3＝２４０度の部分のｙ軸方向変位をｙ3とする。この場合に、これら各変位ｙi（ｉ＝１、２、３）と、前記変位ｙ及び傾きφx、φzとの間には、次の（１）式の関係が成立する。
【数１】
この（１）式の右辺中のＲ、δの意味は、それぞれ以下の通りである。
Ｒ：被検出面である前記エンコーダ１ａの外周面の半径。
δ：前記各センサ１０、１０の検出部のｚ軸からのｙ軸方向のずれ量。
本例の場合、このうちのずれ量δは零（δ＝０）である（実際には不可避な寸法誤差や組付誤差がある為、δ≠０となる事も予想されるが、その場合でもδは十分に小さな値となる為、δ＝０と仮定しても、その影響を無視できる）。そうすると、前記（１）式は、次の（２）式で表す事ができる。
【数２】
又、この（２）式を変形して、次の（３）式が得られる。
【数３】
更に、この（３）式に、θ1＝０度、θ2＝１２０度、θ3＝２４０度を代入すると、次の（４）式が得られる。
【数４】
【００２５】
一方、前記エンコーダ１ａに５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzが生じると、これに伴い、前記各センサ１０、１０の出力信号の位相が、それぞれ図６の（ａ）→（ｂ）に例示する様に変化する。ここで、この出力信号中に含まれる前記各第一凹溝１１ａ、１１ａに基づいて発生したパルスｐ1の位相変化量である、自己位相差ｋに着目し、この自己位相差ｋと全周期Ｌとの比ｋ／Ｌを、自己位相差比ε（θi）（ｉ＝１、２、３）と定義する。この様な自己位相差比ε（θi）と、前記５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzとの間には、次の（５）式の関係が成立する。
【数５】
この（５）式の右辺中のＰ、αの意味は、それぞれ以下の通りである。
Ｐ：前記エンコーダ１ａの円周方向に関する前記各特性変化組み合わせ部３ａ、３ａのピッチ。
α：第一凹溝１１ａ及び第二凹溝１１ｂの、前記エンコーダ１ａの軸方向に対する傾斜角度（図示の例では、４５度）。
尚、前記（５）式の右辺中のδは、前述した通り、零（δ＝０）である。前記各センサ１０、１０の出力信号に関する自己位相差比ε（０）、ε（１２０）、ε（２４０）は、前記（５）式中のθiに、それぞれの配置角度θ1＝０度、θ2＝１２０度、θ3＝２４０度を代入すると共に、同式中のα、δに、α＝４５度、δ＝０を代入する事により、次の（６）〜（８）式で表される。
【数６】
【数７】
【数８】
【００２６】
又、前記エンコーダ１ａに５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzが生じると、これに伴い、前記３個のセンサ１０、１０のうちから任意に選択される、２個のセンサ１０、１０の出力信号同士の間（これら両出力信号中に含まれる前記各第一凹溝１１ａ、１１ａに基づいて発生したパルスｐ1、ｐ1同士の間）に、それぞれ図７に例示する様な位相差（相互位相差）ｍが生じる。ここで、この相互位相差ｍと全周期Ｌとの比ｍ／Ｌを、相互位相差比と定義する。この様な相互位相差比は、前記（６）〜（８）式のうちから任意に選択される、２つの式同士の差を取る事によって、例えば、次の（９）式及び（１０）式の様に表す事ができる。
【数９】
【数１０】
このうちの（９）式は、θ1＝０度の位置とθ2＝１２０度の位置とに配置した２個のセンサ１０、１０の出力信号同士の間の相互位相差比「ε（１２０）−ε（０）」を表す式であり、前記（１０）式は、θ1＝０度の位置とθ3＝２４０度の位置とに配置した２個のセンサ１０、１０の出力信号同士の間の相互位相差比「ε（２４０）−ε（０）」を表す式である。これら（９）式及び（１０）式をまとめて整理すると、次の（１１）式が得られる。
【数１１】
更に、この（１１）式を変形して、次の（１２）式が得られる。
【数１２】
【００２７】
本例の場合、前記演算器は、前記各センサ１０、１０の出力信号から得られる情報に基づいて、前記５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzを、前記（４）式及び前記（１２）式により算出する。
この際に、前記演算器は、先ず、前記エンコーダ１ａの外周面の円周方向位置θi（ｉ＝１、２、３）に於ける変位ｙi（ｉ＝１、２、３）を、同じ円周方向位置θi（ｉ＝１、２、３）に存在するセンサ１０の出力信号のパルス周期比ｓ／Ｌ（図１１参照）に基づいて算出する。尚、この際の各変位ｙi（ｉ＝１、２、３）の算出原理は、前述の図１０〜１１に示した従来構造に於ける軸方向変位の算出原理と同様である。そして、この様に算出した各変位ｙi（ｉ＝１、２、３）を、前記（４）式の右辺に代入する事により、前記変位ｙ及び傾きφx、φzを算出する。
更に、前記演算器は、θ1＝０度の位置とθ2＝１２０度の位置とに配置した２個のセンサ１０、１０の出力信号同士の間の相互位相差比「ε（１２０）−ε（０）」と、θ1＝０度の位置とθ3＝２４０度の位置とに配置した２個のセンサ１０、１０の出力信号同士の間の相互位相差比「ε（２４０）−ε（０）」とを、それぞれ対象となる２個のセンサ１０、１０に関する図７の比ｍ／Ｌを計算する事により、算出する。そして、この様に算出した各相互位相差比「ε（１２０）−ε（０）」、「ε（２４０）−ε（０）」と、前記（４）式により算出した傾きφx、φzとを、それぞれ前記（１２）式の右辺に代入する事により、前記変位ｘ、ｚを算出する。
【００２８】
又、上述の様に算出した５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzと、これらに対応する、前記主軸４に作用する５方向の荷重及びモーメント（ｘ軸方向の荷重Ｆｘ、ｙ軸方向の荷重Ｆｙ、ｚ軸方向の荷重Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメントＭｘ、ｚ軸周りのモーメントＭｚ）との間には、前記多列転がり軸受ユニット６の剛性等により定まる、所定の関係が成立する。そして、この所定の関係は、転がり軸受の分野で広く知られている弾性接触理論等に基づいて計算により求められる他、実験によっても求められる。従って、前記演算器に、前記所定の関係を表した演算式を組み込んだソフトウェアをインストールしておけば、前記演算器により、前記５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzに基づいて、前記５方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｚを求められる。尚、この様にして５方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｚを求める方法に就いては、例えば特許文献３、４に詳しく記載されている為、これ以上の詳しい説明は省略する。
【００２９】
上述の様に構成する本例の回転機械用物理量測定装置によれば、前記エンコーダ１ａ（前記主軸４のうちでこのエンコーダ１ａを支持固定した部分）の５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzと、前記主軸４に作用する５方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｚを求められる。特に、本例の場合には、前記エンコーダ１ａと組み合わせて使用するセンサ１０、１０の個数を、３個と少なくできる。この為、これら各センサ１０、１０の費用を抑えられる。更には、総てのセンサ１０、１０の検出部を、前記エンコーダ１ａの被検出面の所定箇所に精度良く対向させる事が比較的容易となり、その分だけ生産性を良くする事ができる。
【００３０】
［実施の形態の第２例］
図８〜９は、請求項１〜４に対応する、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例の場合には、被検出面である、エンコーダ１ｂの外周面に設けた複数の特性変化組み合わせ部３ｂ、３ｂの構成が、上述した第１例の場合と若干異なる。即ち、本例の場合には、これら各特性変化組み合わせ部３ｂ、３ｂを構成する第一、第二両凹溝１１ｃ、１１ｄのうち、第二凹溝１１ｄ、１１ｄのみを、前記エンコーダ１ｂの軸方向に対して傾斜した方向に形成しており、第一凹溝１１ｃ、１１ｃは、前記エンコーダ１ｂの軸方向に形成している。即ち、このエンコーダ１ｂの軸方向に対する前記各第一凹溝１１ｃ、１１ｃの傾斜角度を、零としている。
【００３１】
又、本例の場合、図示しない演算器は、上述した第１例の場合と同様の手順で、即ち、３個のセンサ１０、１０の出力信号のパルス周期比に基づいて変位ｙi（ｉ＝１、２、３）を算出した後、前記（４）式を利用して、変位ｙ及び傾きφx、φzを算出する。これと共に、前記各センサ１０、１０の出力信号中に含まれる、前記各第一凹溝１１ｃ、１１ｃに基づいて発生したパルスを利用して、変位ｘ、ｚを算出する。ここで、本例の場合、前記エンコーダ１ｂの軸方向に対する前記各第一凹溝１１ｃ、１１ｃの傾斜角度αは、零（α＝０）である。この為、前記（５）式は、同式中のαに、α＝０を代入する事により、次の（５′）式で表す事ができる。
【数１３】
又、この（５′）式中のδが零（δ＝０）である事を考慮すると、この（５′）式に基づいて、前記（６）〜（８）式に対応する、次の（６′）〜（８′）式が得られる。
【数１４】
【数１５】
【数１６】
又、これら（６′）〜（８′）式に基づいて、前記前記（９）式及び（１０）式に対応する、次の（９′）式及び（１０′）式が得られる。
【数１７】
【数１８】
又、これら（９′）式及び（１０′）式に基づいて、前記（１１）式に対応する、次の（１１′）式が得られる。
【数１９】
更に、この（１１′）式に基づいて、前記（１２）式に対応する、次の（１２′）式が得られる。
【数２０】
本例の場合、前記演算器は、前記（１２）式の代わりに、この（１２′）式を利用して、前記各変位ｘ、ｚを算出する。
【００３２】
この様な本例の回転機械用物理量測定装置の場合、前記各変位ｘ、ｚを算出する際に利用する、前記（１２′）式は、前記（１２）式の右辺第２項が省略された式になっている。この為、本例の場合には、上述した第１例の場合と比較して、前記演算器が前記各変位ｘ、ｚを算出する際の演算量を少なくできる。従って、これら各変位ｘ、ｚの演算速度の向上や、前記演算器のスペックダウンによる低コスト化を図れる。その他の構成及び作用は、上述した第１例の場合と同様である。
【００３３】
尚、上述した各実施の形態では、前記（１）式及び前記（５）式｛（５′）式｝中のずれ量δを零（δ＝０）としたが、設計制約上の理由から、このずれ量δを零にする（或いは、十分に小さくする）事ができない場合には、このずれ量δを含めた状態で、前記（１）式から前記（４）式に相当する式を導出し、且つ、前記（５）式から前記（１２）式｛前記（５′）式から前記（１２′）式｝に相当する式を導出すれば良い。
【００３４】
又、本発明を実施する場合、磁性材製のエンコーダの被検出面に設ける第一、第二両特性変化部は、凹溝ではなく、例えば透孔や凸部とする事もできる。又、エンコーダは、永久磁石製のもの（被検出面のうち、第一、第二両特性変化部と、それ以外の部分とで、極性を異ならせたもの）を使用する事もできる。この場合には、各センサ側に永久磁石を設ける必要がなくなる。
又、本発明は、工作機械の主軸に関する物理量を測定する構造に限らず、例えば、自動車の車輪支持用転がり軸受ユニットを構成する回転側軌道輪部材に関する物理量を測定する構造に適用する事もできる。
【符号の説明】
【００３５】
１、１ａ エンコーダ
２ａ、２ｂ 透孔
３、３ａ、３ｂ 特性変化組み合わせ部
４ 主軸
５ ハウジング
６ 多列転がり軸受ユニット
７ 電動モータ
８ａ〜８ｄ 転がり軸受
９ センサユニット
１０ センサ
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 凹溝
１２ ホルダ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、旋盤、フライス盤、マシニングセンタ等の各種工作機械の主軸や、自動車の車輪支持用転がり軸受ユニットを構成する回転側軌道輪部材等の回転部材に生じる変位や傾き、更には、この回転部材に作用する荷重やモーメントと言った物理量を測定する為に利用する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の主軸は、先端部に工具又は被加工物を取り付けた状態で、この工具又は被加工物に高精度な回転運動を与える、その工作機械で最も主要な軸である。この被加工物の加工時に、前記主軸には、加工抵抗に基づく荷重が加わる。この荷重は、加工送り速度が小さくなる程小さくなり、大きくなる程大きくなる。従って、前記荷重が所定範囲に収まる様に前記加工送り速度を調節すれば、この加工送り速度を、加工能率を確保しつつ、前記工具の耐久性、及び、前記被加工物の品質を確保できる適正範囲に収める事ができる。又、前記加工送り速度等の加工条件を一定とした場合に、前記荷重は、前記工具の切削性（切れ味）が劣化する程大きくなる。従って、前記加工条件との関係で前記荷重の大小を観察すれば、前記工具が寿命に達した事を知る事ができて、寿命に達した不良工具で加工を継続する事による、歩留まりの悪化を防止できる。又、前記荷重を、前記加工条件と関連付けて継続的に観察すれば、工具破損等の事故発生時に、その原因を特定する事が可能になる。
【０００３】
この様な目的で、工作機械の主軸等の回転軸に加わる荷重を測定する為の装置として従来から、例えば特許文献１に記載された構造のものが知られている。この特許文献１に記載された荷重測定装置は、水晶圧電式の荷重センサを複数個、荷重の作用方向に対して直列に配置し、これら各荷重センサの測定信号に基づいて、切削工具を支持固定した回転軸に加わる荷重（切削抵抗）を測定する様に構成している。この様な特許文献１に記載された荷重測定装置の場合、高価な水晶圧電式の荷重センサを使用する為、荷重測定装置全体としてのコストが嵩む事が避けられない。
【０００４】
一方、特許文献２には、水晶圧電式の荷重センサに比べて低コストで調達できる、磁気式のエンコーダとセンサとにより構成する、荷重測定装置付転がり軸受ユニットに関する発明が記載されている。例えば特許文献２の段落［００６６］〜［００６８］には、図１０に示す様なエンコーダ１を使用して、このエンコーダ１を同心に支持した回転部材の軸方向に関する変位量、延いてはこの回転部材に加わるアキシアル荷重を測定する技術が記載されている。
【０００５】
前記エンコーダ１は、鋼板等の磁性金属板により全体を円筒状に造られている。このエンコーダ１の軸方向中間部には、それぞれが円周方向に所定のピッチで離隔して設けられた第一特性変化部である第一透孔２ａと第二特性変化部である第二透孔２ｂとから成る、複数の特性変化組み合わせ部３、３が、円周方向に関して等ピッチで設けられている。これら各特性変化組み合わせ部３、３を構成する、前記第一透孔２ａと前記第二透孔２ｂとは、前記エンコーダ１の軸方向に対して、互いに逆方向に、同じ角度で傾斜している。別な言い方をすれば、前記第一透孔２ａと前記第二透孔２ｂとの、前記エンコーダ１の軸方向に対する傾斜角度は、絶対値が互いに等しく、且つ、正負の符号（傾斜方向）が互いに逆になっている。この様なエンコーダ１は、工作機械の主軸の如き回転部材の一部に、この回転部材と同心に固定する。これと共に、この回転部材に隣接する部分に設けられた静止部材の一部に、磁気検知式のセンサを支持した状態で、このセンサの検出部を、前記エンコーダ１の外周面に微小隙間を介して近接対向させる。
【０００６】
この状態で、前記主軸と共に前記エンコーダ１が回転すると、前記センサの検出部が、被検出面である、このエンコーダ１の外周面を走査する。このエンコーダ１の外周面の磁気特性は、前記第一、第二各透孔２ａ、２ｂの存在により円周方向に変化している為、前記エンコーダ１の回転に伴って前記センサの出力信号が変化する。例えば、このセンサの検出部が前記エンコーダ１の外周面のうち、図１１の（ａ）の鎖線イ位置を走査すると、このセンサの出力信号が、この図１１の（ｂ）に示す様に変化する。この図１１の（ｂ）で、円周方向に隣り合う１対の特性変化組み合わせ部３、３を構成する１対の第一透孔２ａ、２ａに基づいて発生する１対のパルス間の周期を全周期Ｌ1とする。又、同じ特性変化組み合わせ部３を構成する第一、第二両透孔２ａ、２ｂに基づいて発生する１対のパルス間の周期を部分周期ｓ1とする。前記センサの検出部が前記鎖線イ位置を走査する場合には、この部分周期ｓ1と前記全周期Ｌ1との比であるパルス周期比ｓ1／Ｌ1は、比較的小さな値となる。これに対して、前記センサの検出部が図１１の（ａ）の鎖線ロ位置を走査すると、このセンサの出力信号が、この図１１の（ｃ）に示す様に変化する。そして、部分周期ｓ2と全周期Ｌ2との比であるパルス周期比ｓ2／Ｌ2は、比較的大きな値となる。
【０００７】
この様に、前記センサの出力信号に関するパルス周期比ｓ／Ｌは、このセンサの検出部が走査する、前記エンコーダ１の外周面の軸方向位置（被検出面の幅方向位置）により変化する。そして、この軸方向位置は、エンコーダを固定した回転部材の軸方向変位により変化する。従って、前記センサの出力信号を処理する為の演算器に、前記回転部材の軸方向変位量を算出する為の演算式を組み込んだソフトウェアをインストールしておけば、前記演算器により、前記パルス周期比ｓ／Ｌに基づいて、前記回転部材の軸方向変位量を算出できる。又、この回転部材が、予圧を付与された転がり軸受により回転自在に支持されていた場合、この回転部材の軸方向変位量は、この回転部材に加わるアキシアル荷重の大きさに応じて変化する。言い換えれば、この回転部材に加わるアキシアル荷重と、この回転部材の軸方向変位量との間には、反復・再現性のある相関関係が存在する。そして、この相関関係は、転がり軸受の分野で広く知られている弾性接触理論により計算で求められる他、実験によっても求められる。従って、前記演算器に、前記相関関係を勘案した、前記アキシアル荷重を算出する為の演算式を組み込んだソフトウェアをインストールしておけば、前記演算器により、前記パルス周期比ｓ／Ｌに基づいて、前記回転部材に加わるアキシアル荷重を算出できる。
【０００８】
ところで、前記主軸の先端部に固定する工具が、例えばフライスやエンドミルである場合、この主軸には、アキシアル荷重も加わるが、それよりも大きな割合でラジアル荷重やモーメントが加わる。従って、この様な場合には、前記アキシアル荷重だけでなく、前記ラジアル荷重やモーメント（或いは、これらに基づいて発生した前記主軸の変位や傾き）を測定して、これらを前述した加工送り速度の調整等に利用する事が、この調整等をより高度に行う観点から好ましいと言える。一方、特許文献３には、回転部材に加わる、アキシアル荷重（変位）と、２方向のラジアル荷重（変位）と、２方向のモーメント（傾き）との、合計５方向の荷重及びモーメント（変位及び傾き）を測定可能な物理量測定装置に関する発明が記載されている。従って、この発明を工作機械に適用すれば、前述した加工送り速度の調整等をより高度に行える。
【０００９】
ところが、上述の特許文献３に記載された発明の場合には、エンコーダと組み合わせて使用するセンサの個数を、２個１組のものを３組、合計６個使用する必要がある。この為、これら各センサの費用が嵩む。又、総てのセンサの検出部を、前記エンコーダの被検出面の所定箇所に精度良く対向させる事が難しくなり、その分だけ、生産性が悪化する可能性がある。
尚、本発明に関連する他の先行技術文献として、以下の特許文献４が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−１８７０４８号公報
【特許文献２】特開２００６−３１７４２０号公報
【特許文献３】特開２００８−６４７３１号公報
【特許文献４】特開２０１０−５４２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述の様な事情に鑑み、エンコーダと組み合わせて使用するセンサの個数を６個よりも少なくして、しかも、回転部材の５方向の変位及び傾き（この回転部材に加わる５方向の外力）を測定できる構造を実現すべく発明したものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の回転機械用物理量測定装置は、回転機械と、エンコーダと、センサと、演算器とを備える。
このうちの回転機械は、回転しない静止部材、及び、それぞれが予圧を付与された複数の転がり軸受により、この静止部材に対して回転自在に支持された回転部材を備える。
又、前記エンコーダは、前記回転部材の一部に支持固定されており、この回転部材と同心の被検出面を有する。この被検出面は、複数の特性変化組み合わせ部を、円周方向に等ピッチで配置したもので、これら各特性変化組み合わせ部はそれぞれ、円周方向に関して所定ピッチで離隔配置された、前記被検出面の幅方向に対する正負の符号をも考慮した傾斜角度が互いに異なる第一特性変化部と第二特性変化部とから成る。
又、前記センサは、その検出部を前記被検出面に対向させた状態で、前記静止部材に支持されている。そして、前記各特性変化部が、前記被検出面のうちで前記検出部が対向する部分を通過する瞬間に、出力信号を変化させる。
更に、前記演算器は、前記センサの出力信号を処理する。
特に、本発明の回転機械用物理量測定装置に於いては、前記センサを３個のみ備えると共に、これら各センサの検出部を、前記被検出面のうちで円周方向の位相が互いに異なる部分に対向させている。又、前記演算器は、前記各センサの出力信号から得られる情報に基づいて、前記静止部材に対する前記エンコーダの、互いに直交する３方向の変位、及び、互いに直交する２方向の傾きのうちの、一部又は全部を算出する機能を有する。
尚、前記被検出面に対する前記各センサの検出部の対向位置は、この被検出面の円周方向等間隔位置とするのが好ましい。
又、前記互いに直交する３方向の変位としては、例えば、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のうちのｙ軸を、前記静止部材の中心軸に一致させた三次元直交座標系を設定した場合の、ｘ軸方向の変位ｘと、ｙ軸方向の変位ｙと、ｚ軸方向の変位ｚとを採用する事ができる。又、前記互いに直交する２方向の傾きとしては、前記三次元直交座標系を設定した場合の、ｘ軸周りの傾きφxと、ｚ軸周りの傾きφzとを採用する事ができる。
【００１３】
本発明を実施する場合には、例えば請求項２に記載した発明の様に、前記演算器が前記３方向の変位及び前記２方向の傾きのうちの一部又は全部を算出する際に使用する、前記各センサの出力信号から得られる情報として、これら各センサの出力信号のパルス周期比と、これら各センサの出力信号同士の間に存在する、これら各センサの出力信号中に含まれる前記第一特性変化部に基づいて発生したパルス同士の間の位相差比とを採用する。
【００１４】
又、本発明を実施する場合に、好ましくは、請求項３に記載した発明の様に、前記被検出面の幅方向に対する前記第一特性変化部の傾斜角度を、零とする。即ち、前記第二特性変化部のみを、前記被検出面の幅方向に対して傾斜させる。
【００１５】
更に、本発明を実施する場合に、好ましくは、請求項４に記載した発明の様に、前記演算器に、前記互いに直交する３方向の変位及び互いに直交する２方向の傾きのうちの一部又は全部に基づいて、前記静止部材と前記回転部材との間に作用する外力（例えば、前記三次元直交座標系を設定した場合の、ｘ軸方向の荷重Ｆｘ、ｙ軸方向の荷重Ｆｙ、ｚ軸方向の荷重Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメントＭｘ、ｚ軸周りのモーメントＭｚのうちの一部又は全部）を算出する機能を持たせる。
【発明の効果】
【００１６】
上述の様に構成する本発明の回転機械用物理量測定装置によれば、静止部材に対するエンコーダ（回転部材のうちでこのエンコーダを支持固定した部分）の、互いに直交する３方向の変位、及び、互いに直交する２方向の傾きのうちの、一部又は全部を求められる。これに加えて、請求項４に記載した発明の場合には、前記静止部材と前記回転部材との間に作用する外力を求められる。特に、本発明の場合には、前記エンコーダと組み合わせて使用するセンサの個数を、３個のみと少なくできる。この為、これら各センサの費用を抑えられる。更には、総てのセンサの検出部を、前記エンコーダの被検出面の所定箇所に精度良く対向させる事が比較的容易となり、その分だけ生産性を良くする事ができる。
又、請求項３に記載した発明の構成を採用すれば、被検出面の幅方向に対する第一、第二両特性変化部の傾斜角度をそれぞれ零としない構成を採用する場合に比べて、前記エンコーダの変位を算出する際の演算量を少なくできる。この為、この変位の演算速度の向上や、前記演算器のスペックダウンによる低コスト化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態の第１例を示す断面図。
【図２】エンコーダと３個のセンサとの配置関係を示す略斜視図。
【図３】エンコーダの被検出面の一部を示す展開図。
【図４】センサユニットを取り出して、先端のセンサ装着部を被覆していない状態（ａ）と被覆した状態（ｂ）とで示す斜視図。
【図５】センサの円周方向位置を示す図。
【図６】１個のセンサの出力信号を、エンコーダに５方向の変位及び傾きが生じる前の状態（ａ）と後の状態（ｂ）とで示す図。
【図７】２個のセンサの出力信号同士の間に位相差が生じている状態を示す図。
【図８】本発明の実施の形態の第２例を示す、エンコーダと３個のセンサとの配置関係を示す略斜視図。
【図９】エンコーダの被検出面の一部を示す展開図。
【図１０】従来から知られているエンコーダの斜視図。
【図１１】センサの出力信号に基づいて物理量を測定できる理由を説明する為の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［実施の形態の第１例］
図１〜７により、請求項１、２、４に対応する、本発明の実施の形態の第１例に就いて説明する。本例は、工作機械を構成する、回転部材である主軸４の変位及び傾きと、この主軸４に作用する外力である荷重及びモーメントとを測定する為の構造に、本発明を適用した例である。前記工作機械は、静止部材であるハウジング５の内径側に前記主軸４を、多列転がり軸受ユニット６により回転自在に支持すると共に、電動モータ７により、前記主軸４を回転駆動自在としている。前記多列転がり軸受ユニット６を構成する複数個の転がり軸受８ａ〜８ｄのうち、先端寄りに配置した２個の転がり軸受８ａ、８ｂと、基端寄りに配置した２個の転がり軸受８ｃ、８ｄとには、互いに逆向きの接触角を付与すると共に、これら各転がり軸受８ａ〜８ｄに、予圧を付与している。
【００１９】
前記工作機械の運転時には、前記主軸４の先端部（図１の左端部）に固定した図示しない工具を、適切な回転速度で回転させつつ被加工物に押し付け、この被加工物に、切削等の加工を施す。この様にして加工を施す際に、前記主軸４には、この被加工物に前記工具を押し付ける事の反作用として、各方向の荷重及びモーメントが加わる。本例の構造では、これら各方向の荷重及びモーメントに基づく、前記主軸４の変位及び傾きと、必要に応じてこれら各方向の荷重及びモーメントとを求められる様にしている。この為に本例の構造は、１個のエンコーダ１ａと、３個のセンサユニット９と、図示しない演算器とを備える。
【００２０】
このうちのエンコーダ１ａは、前記主軸４の中間部先端寄り部分で、前記多列転がり軸受ユニット６を構成する転がり軸受８ｂ、８ｃ同士の間に外嵌固定している。このエンコーダ１ａは、内輪間座を兼ねるもので、鋼等の磁性金属により造り、全体を円筒状としている。そして、被検出面である前記エンコーダ１ａの外周面の軸方向中央部に、複数の特性変化組み合わせ部３ａ、３ａを、円周方向に関して等ピッチで形成している。これら各特性変化組み合わせ部３ａ、３ａはそれぞれ、円周方向に関して所定ピッチで離隔配置された、第一特性変化部である直線状の第一凹溝１１ａと、第二特性変化部である直線状の第二凹溝１１ｂとから成る。これら第一凹溝１１ａと第二凹溝１１ｂとは、前記エンコーダ１ａの軸方向に対して、互いに逆方向に、同じ角度で傾斜している。別な言い方をすれば、前記第一透孔２ａと前記第二透孔２ｂとの、前記エンコーダ１ａの軸方向に対する傾斜角度は、絶対値が互いに等しく、且つ、正負の符号（傾斜方向）が互いに逆になっている。
【００２１】
又、前記３個のセンサユニット９、９はそれぞれ、図４に詳示する様に、合成樹脂製のホルダ１２の先端部に、センサ１０を包埋して成る。このセンサ１０は、検出部を構成するホールＩＣ、ホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子等の磁気検知素子と、永久磁石とから成る。この様な３個のセンサユニット９、９は、それぞれのセンサ１０、１０の検出部を、前記被検出面の円周方向等間隔の３箇所に近接対向させた状態で、前記ハウジング５に支持固定している。この状態で、前記主軸４と共に前記エンコーダ１ａが回転すると、前記各センサ１０、１０の検出部が、このエンコーダ１の外周面を走査する。このエンコーダ１の外周面の磁気特性は、前記第一、第二各凹溝１１ａ、１１ｂの存在により円周方向に変化している為、前記エンコーダ１ａの回転に伴って前記各センサ１０、１０の出力信号が変化する。
【００２２】
又、本例の場合には、上述の様なエンコーダ１ａ及びセンサユニット９、９を組み付けた工作機械に関して、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸から成る三次元座標系を設定している。この三次元座標系のｙ軸は、前記ハウジング５の中心軸に一致する、図１に於ける左右方向軸としており、同じくｘ軸は、図１に於ける表裏方向の軸としており、同じくｚ軸は、図１に於ける上下方向の軸としている。尚、本例の場合、前記主軸４に外力が作用していない中立状態で、この主軸４の中心軸は、前記ハウジング５の中心軸と一致している。この為、この中立状態で、前記主軸４の中心軸は、ｙ軸に一致した軸となる。又、前記三次元座標系の原点Ｏは、前記中立状態に於ける、前記エンコーダ１ａの幾何中心点に配置している。但し、図１では、図示の便宜上、前記原点Ｏを、ｙ軸上で、前記エンコーダ１ａの幾何中心点から左側に大きく外れた位置に配置している。又、ｙ軸を中心とする円周方向位置（角度）θを、図５に示す様に設定している。本例の場合、前記３個のセンサ１０、１０の検出部は、ｙ軸方向に関して零の位置に配置すると共に、円周方向に関してθ1＝０度、θ2＝１２０度、θ3＝２４０度の３箇所に配置している。
【００２３】
又、前記演算器は、前記各センサ１０、１０の出力信号から得られる情報に基づいて、前記ハウジング５に対する前記エンコーダ１ａの、ｘ軸方向の変位ｘと、ｙ軸方向の変位ｙと、ｚ軸方向の変位ｚと、ｘ軸周りの傾きφxと、ｚ軸周りの傾きφzとを、所定の演算式により算出する機能を有する。そこで、先ず、この所定の演算式の内容に就いて、以下に説明する。
【００２４】
今、前記エンコーダ１ａの外周面のうち、θ1＝０度の部分のｙ軸方向変位をｙ1とし、θ2＝１２０度の部分のｙ軸方向変位をｙ2とし、θ3＝２４０度の部分のｙ軸方向変位をｙ3とする。この場合に、これら各変位ｙi（ｉ＝１、２、３）と、前記変位ｙ及び傾きφx、φzとの間には、次の（１）式の関係が成立する。
【数１】
この（１）式の右辺中のＲ、δの意味は、それぞれ以下の通りである。
Ｒ：被検出面である前記エンコーダ１ａの外周面の半径。
δ：前記各センサ１０、１０の検出部のｚ軸からのｙ軸方向のずれ量。
本例の場合、このうちのずれ量δは零（δ＝０）である（実際には不可避な寸法誤差や組付誤差がある為、δ≠０となる事も予想されるが、その場合でもδは十分に小さな値となる為、δ＝０と仮定しても、その影響を無視できる）。そうすると、前記（１）式は、次の（２）式で表す事ができる。
【数２】
又、この（２）式を変形して、次の（３）式が得られる。
【数３】
更に、この（３）式に、θ1＝０度、θ2＝１２０度、θ3＝２４０度を代入すると、次の（４）式が得られる。
【数４】
【００２５】
一方、前記エンコーダ１ａに５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzが生じると、これに伴い、前記各センサ１０、１０の出力信号の位相が、それぞれ図６の（ａ）→（ｂ）に例示する様に変化する。ここで、この出力信号中に含まれる前記各第一凹溝１１ａ、１１ａに基づいて発生したパルスｐ1の位相変化量である、自己位相差ｋに着目し、この自己位相差ｋと全周期Ｌとの比ｋ／Ｌを、自己位相差比ε（θi）（ｉ＝１、２、３）と定義する。この様な自己位相差比ε（θi）と、前記５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzとの間には、次の（５）式の関係が成立する。
【数５】
この（５）式の右辺中のＰ、αの意味は、それぞれ以下の通りである。
Ｐ：前記エンコーダ１ａの円周方向に関する前記各特性変化組み合わせ部３ａ、３ａのピッチ。
α：第一凹溝１１ａ及び第二凹溝１１ｂの、前記エンコーダ１ａの軸方向に対する傾斜角度（図示の例では、４５度）。
尚、前記（５）式の右辺中のδは、前述した通り、零（δ＝０）である。前記各センサ１０、１０の出力信号に関する自己位相差比ε（０）、ε（１２０）、ε（２４０）は、前記（５）式中のθiに、それぞれの配置角度θ1＝０度、θ2＝１２０度、θ3＝２４０度を代入すると共に、同式中のα、δに、α＝４５度、δ＝０を代入する事により、次の（６）〜（８）式で表される。
【数６】
【数７】
【数８】
【００２６】
又、前記エンコーダ１ａに５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzが生じると、これに伴い、前記３個のセンサ１０、１０のうちから任意に選択される、２個のセンサ１０、１０の出力信号同士の間（これら両出力信号中に含まれる前記各第一凹溝１１ａ、１１ａに基づいて発生したパルスｐ1、ｐ1同士の間）に、それぞれ図７に例示する様な位相差（相互位相差）ｍが生じる。ここで、この相互位相差ｍと全周期Ｌとの比ｍ／Ｌを、相互位相差比と定義する。この様な相互位相差比は、前記（６）〜（８）式のうちから任意に選択される、２つの式同士の差を取る事によって、例えば、次の（９）式及び（１０）式の様に表す事ができる。
【数９】
【数１０】
このうちの（９）式は、θ1＝０度の位置とθ2＝１２０度の位置とに配置した２個のセンサ１０、１０の出力信号同士の間の相互位相差比「ε（１２０）−ε（０）」を表す式であり、前記（１０）式は、θ1＝０度の位置とθ3＝２４０度の位置とに配置した２個のセンサ１０、１０の出力信号同士の間の相互位相差比「ε（２４０）−ε（０）」を表す式である。これら（９）式及び（１０）式をまとめて整理すると、次の（１１）式が得られる。
【数１１】
更に、この（１１）式を変形して、次の（１２）式が得られる。
【数１２】
【００２７】
本例の場合、前記演算器は、前記各センサ１０、１０の出力信号から得られる情報に基づいて、前記５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzを、前記（４）式及び前記（１２）式により算出する。
この際に、前記演算器は、先ず、前記エンコーダ１ａの外周面の円周方向位置θi（ｉ＝１、２、３）に於ける変位ｙi（ｉ＝１、２、３）を、同じ円周方向位置θi（ｉ＝１、２、３）に存在するセンサ１０の出力信号のパルス周期比ｓ／Ｌ（図１１参照）に基づいて算出する。尚、この際の各変位ｙi（ｉ＝１、２、３）の算出原理は、前述の図１０〜１１に示した従来構造に於ける軸方向変位の算出原理と同様である。そして、この様に算出した各変位ｙi（ｉ＝１、２、３）を、前記（４）式の右辺に代入する事により、前記変位ｙ及び傾きφx、φzを算出する。
更に、前記演算器は、θ1＝０度の位置とθ2＝１２０度の位置とに配置した２個のセンサ１０、１０の出力信号同士の間の相互位相差比「ε（１２０）−ε（０）」と、θ1＝０度の位置とθ3＝２４０度の位置とに配置した２個のセンサ１０、１０の出力信号同士の間の相互位相差比「ε（２４０）−ε（０）」とを、それぞれ対象となる２個のセンサ１０、１０に関する図７の比ｍ／Ｌを計算する事により、算出する。そして、この様に算出した各相互位相差比「ε（１２０）−ε（０）」、「ε（２４０）−ε（０）」と、前記（４）式により算出した傾きφx、φzとを、それぞれ前記（１２）式の右辺に代入する事により、前記変位ｘ、ｚを算出する。
【００２８】
又、上述の様に算出した５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzと、これらに対応する、前記主軸４に作用する５方向の荷重及びモーメント（ｘ軸方向の荷重Ｆｘ、ｙ軸方向の荷重Ｆｙ、ｚ軸方向の荷重Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメントＭｘ、ｚ軸周りのモーメントＭｚ）との間には、前記多列転がり軸受ユニット６の剛性等により定まる、所定の関係が成立する。そして、この所定の関係は、転がり軸受の分野で広く知られている弾性接触理論等に基づいて計算により求められる他、実験によっても求められる。従って、前記演算器に、前記所定の関係を表した演算式を組み込んだソフトウェアをインストールしておけば、前記演算器により、前記５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzに基づいて、前記５方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｚを求められる。尚、この様にして５方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｚを求める方法に就いては、例えば特許文献３、４に詳しく記載されている為、これ以上の詳しい説明は省略する。
【００２９】
上述の様に構成する本例の回転機械用物理量測定装置によれば、前記エンコーダ１ａ（前記主軸４のうちでこのエンコーダ１ａを支持固定した部分）の５方向の変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx、φzと、前記主軸４に作用する５方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｚを求められる。特に、本例の場合には、前記エンコーダ１ａと組み合わせて使用するセンサ１０、１０の個数を、３個と少なくできる。この為、これら各センサ１０、１０の費用を抑えられる。更には、総てのセンサ１０、１０の検出部を、前記エンコーダ１ａの被検出面の所定箇所に精度良く対向させる事が比較的容易となり、その分だけ生産性を良くする事ができる。
【００３０】
［実施の形態の第２例］
図８〜９は、請求項１〜４に対応する、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例の場合には、被検出面である、エンコーダ１ｂの外周面に設けた複数の特性変化組み合わせ部３ｂ、３ｂの構成が、上述した第１例の場合と若干異なる。即ち、本例の場合には、これら各特性変化組み合わせ部３ｂ、３ｂを構成する第一、第二両凹溝１１ｃ、１１ｄのうち、第二凹溝１１ｄ、１１ｄのみを、前記エンコーダ１ｂの軸方向に対して傾斜した方向に形成しており、第一凹溝１１ｃ、１１ｃは、前記エンコーダ１ｂの軸方向に形成している。即ち、このエンコーダ１ｂの軸方向に対する前記各第一凹溝１１ｃ、１１ｃの傾斜角度を、零としている。
【００３１】
又、本例の場合、図示しない演算器は、上述した第１例の場合と同様の手順で、即ち、３個のセンサ１０、１０の出力信号のパルス周期比に基づいて変位ｙi（ｉ＝１、２、３）を算出した後、前記（４）式を利用して、変位ｙ及び傾きφx、φzを算出する。これと共に、前記各センサ１０、１０の出力信号中に含まれる、前記各第一凹溝１１ｃ、１１ｃに基づいて発生したパルスを利用して、変位ｘ、ｚを算出する。ここで、本例の場合、前記エンコーダ１ｂの軸方向に対する前記各第一凹溝１１ｃ、１１ｃの傾斜角度αは、零（α＝０）である。この為、前記（５）式は、同式中のαに、α＝０を代入する事により、次の（５′）式で表す事ができる。
【数１３】
又、この（５′）式中のδが零（δ＝０）である事を考慮すると、この（５′）式に基づいて、前記（６）〜（８）式に対応する、次の（６′）〜（８′）式が得られる。
【数１４】
【数１５】
【数１６】
又、これら（６′）〜（８′）式に基づいて、前記前記（９）式及び（１０）式に対応する、次の（９′）式及び（１０′）式が得られる。
【数１７】
【数１８】
又、これら（９′）式及び（１０′）式に基づいて、前記（１１）式に対応する、次の（１１′）式が得られる。
【数１９】
更に、この（１１′）式に基づいて、前記（１２）式に対応する、次の（１２′）式が得られる。
【数２０】
本例の場合、前記演算器は、前記（１２）式の代わりに、この（１２′）式を利用して、前記各変位ｘ、ｚを算出する。
【００３２】
この様な本例の回転機械用物理量測定装置の場合、前記各変位ｘ、ｚを算出する際に利用する、前記（１２′）式は、前記（１２）式の右辺第２項が省略された式になっている。この為、本例の場合には、上述した第１例の場合と比較して、前記演算器が前記各変位ｘ、ｚを算出する際の演算量を少なくできる。従って、これら各変位ｘ、ｚの演算速度の向上や、前記演算器のスペックダウンによる低コスト化を図れる。その他の構成及び作用は、上述した第１例の場合と同様である。
【００３３】
尚、上述した各実施の形態では、前記（１）式及び前記（５）式｛（５′）式｝中のずれ量δを零（δ＝０）としたが、設計制約上の理由から、このずれ量δを零にする（或いは、十分に小さくする）事ができない場合には、このずれ量δを含めた状態で、前記（１）式から前記（４）式に相当する式を導出し、且つ、前記（５）式から前記（１２）式｛前記（５′）式から前記（１２′）式｝に相当する式を導出すれば良い。
【００３４】
又、本発明を実施する場合、磁性材製のエンコーダの被検出面に設ける第一、第二両特性変化部は、凹溝ではなく、例えば透孔や凸部とする事もできる。又、エンコーダは、永久磁石製のもの（被検出面のうち、第一、第二両特性変化部と、それ以外の部分とで、極性を異ならせたもの）を使用する事もできる。この場合には、各センサ側に永久磁石を設ける必要がなくなる。
又、本発明は、工作機械の主軸に関する物理量を測定する構造に限らず、例えば、自動車の車輪支持用転がり軸受ユニットを構成する回転側軌道輪部材に関する物理量を測定する構造に適用する事もできる。
【符号の説明】
【００３５】
１、１ａ エンコーダ
２ａ、２ｂ 透孔
３、３ａ、３ｂ 特性変化組み合わせ部
４ 主軸
５ ハウジング
６ 多列転がり軸受ユニット
７ 電動モータ
８ａ〜８ｄ 転がり軸受
９ センサユニット
１０ センサ
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 凹溝
１２ ホルダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転しない静止部材、及び、それぞれが予圧を付与された複数の転がり軸受により、この静止部材に対して回転自在に支持された回転部材を備えた回転機械と、この回転部材の一部に支持固定された、この回転部材と同心の被検出面を有するエンコーダと、検出部をこの被検出面に対向させた状態で前記静止部材に支持されたセンサと、このセンサの出力信号を処理する演算器とを備え、
前記エンコーダの被検出面は、複数の特性変化組み合わせ部を、円周方向に等ピッチで配置したもので、これら各特性変化組み合わせ部はそれぞれ、円周方向に関して所定ピッチで離隔配置された、前記被検出面の幅方向に対する正負の符号をも考慮した傾斜角度が互いに異なる第一特性変化部と第二特性変化部とから成るものであり、
前記センサは、前記各特性変化部が前記被検出面のうちで前記検出部が対向する部分を通過する瞬間に出力信号を変化させるものである
回転機械用物理量測定装置に於いて、
前記センサを３個のみ備えると共に、これら各センサの検出部を、前記被検出面のうちで円周方向の位相が互いに異なる部分に対向させており、
前記演算器は、前記各センサの出力信号から得られる情報に基づいて、前記静止部材に対する前記エンコーダの、互いに直交する３方向の変位及び互いに直交する２方向の傾きのうちの一部又は全部を算出する機能を有する事を特徴とする回転機械用物理量測定装置。
【請求項２】
前記演算器が前記３方向の変位及び前記２方向の傾きのうちの一部又は全部を算出する際に使用する、前記各センサの出力信号から得られる情報として、これら各センサの出力信号のパルス周期比と、これら各センサの出力信号同士の間に存在する、これら各センサの出力信号中に含まれる前記第一特性変化部に基づいて発生したパルス同士の間の位相差比とを採用している、請求項１に記載した回転機械用物理量測定装置。
【請求項３】
前記被検出面の幅方向に対する前記第一特性変化部の傾斜角度を零とした、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した回転機械用物理量測定装置。
【請求項４】
前記演算器は、前記互いに直交する３方向の変位及び互いに直交する２方向の傾きのうちの一部又は全部に基づいて、前記静止部材と前記回転部材との間に作用する外力を算出する機能を有する、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した回転部材用物理量測定装置。
【請求項１】
回転しない静止部材、及び、それぞれが予圧を付与された複数の転がり軸受により、この静止部材に対して回転自在に支持された回転部材を備えた回転機械と、この回転部材の一部に支持固定された、この回転部材と同心の被検出面を有するエンコーダと、検出部をこの被検出面に対向させた状態で前記静止部材に支持されたセンサと、このセンサの出力信号を処理する演算器とを備え、
前記エンコーダの被検出面は、複数の特性変化組み合わせ部を、円周方向に等ピッチで配置したもので、これら各特性変化組み合わせ部はそれぞれ、円周方向に関して所定ピッチで離隔配置された、前記被検出面の幅方向に対する正負の符号をも考慮した傾斜角度が互いに異なる第一特性変化部と第二特性変化部とから成るものであり、
前記センサは、前記各特性変化部が前記被検出面のうちで前記検出部が対向する部分を通過する瞬間に出力信号を変化させるものである
回転機械用物理量測定装置に於いて、
前記センサを３個のみ備えると共に、これら各センサの検出部を、前記被検出面のうちで円周方向の位相が互いに異なる部分に対向させており、
前記演算器は、前記各センサの出力信号から得られる情報に基づいて、前記静止部材に対する前記エンコーダの、互いに直交する３方向の変位及び互いに直交する２方向の傾きのうちの一部又は全部を算出する機能を有する事を特徴とする回転機械用物理量測定装置。
【請求項２】
前記演算器が前記３方向の変位及び前記２方向の傾きのうちの一部又は全部を算出する際に使用する、前記各センサの出力信号から得られる情報として、これら各センサの出力信号のパルス周期比と、これら各センサの出力信号同士の間に存在する、これら各センサの出力信号中に含まれる前記第一特性変化部に基づいて発生したパルス同士の間の位相差比とを採用している、請求項１に記載した回転機械用物理量測定装置。
【請求項３】
前記被検出面の幅方向に対する前記第一特性変化部の傾斜角度を零とした、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した回転機械用物理量測定装置。
【請求項４】
前記演算器は、前記互いに直交する３方向の変位及び互いに直交する２方向の傾きのうちの一部又は全部に基づいて、前記静止部材と前記回転部材との間に作用する外力を算出する機能を有する、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した回転部材用物理量測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１７７６７２（Ｐ２０１２−１７７６７２Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８１３９３（Ｐ２０１１−８１３９３）
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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