転がり軸受ユニットの状態量測定装置
【課題】従来から広く使用されている回転速度測定装置用のエンコーダを流用でき、しかも外輪１とハブ２との間に作用する多方向の外力を測定できる構造を実現する。
【解決手段】上記ハブ２の軸方向中間部と軸方向内端部とに、それぞれエンコーダ４ａ、４ｂを支持固定する。これら両エンコーダ４ａ、４ｂとしてそれぞれ、上記回転速度測定装置用のもの、即ち、被検出面の特性変化の境界を、この被検出面の幅方向に対して平行にしたものを使用する。上記両エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面に、センサ９Ａ1 、９Ｂ2 の検出部を、それぞれ少なくとも１個ずつ対向させる。これにより、これら各センサ９Ａ1 、９Ｂ2 の出力信号同士の間の位相差に基づき、上記多方向の外力を測定可能とする事で、上記課題を解決する。
【解決手段】上記ハブ２の軸方向中間部と軸方向内端部とに、それぞれエンコーダ４ａ、４ｂを支持固定する。これら両エンコーダ４ａ、４ｂとしてそれぞれ、上記回転速度測定装置用のもの、即ち、被検出面の特性変化の境界を、この被検出面の幅方向に対して平行にしたものを使用する。上記両エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面に、センサ９Ａ1 、９Ｂ2 の検出部を、それぞれ少なくとも１個ずつ対向させる。これにより、これら各センサ９Ａ1 、９Ｂ2 の出力信号同士の間の位相差に基づき、上記多方向の外力を測定可能とする事で、上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明に係る転がり軸受ユニットの状態量測定装置は、転がり軸受ユニットを構成する静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する外力等の状態量を測定する為に利用する。更に、この求めた状態量を、自動車等の車両の走行安定性確保を図る為に利用する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車の車輪は懸架装置に対し、複列アンギュラ型等の転がり軸受ユニットにより回転自在に支持する。又、自動車の走行安定性を確保する為に、例えばアンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）やトラクションコントロールシステム（ＴＣＳ）、更には、電子制御式ビークルスタビリティコントロールシステム（ＥＳＣ）等の車両用走行安定化装置が使用されている。この様な各種車両用走行安定化装置を制御する為には、車輪の回転速度、車体に加わる各方向の加速度等を表す信号が必要になる。そして、より高度の制御を行う為には、車輪を介して上記転がり軸受ユニットに加わる荷重（例えばラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）の大きさを知る事が好ましい場合がある。
【０００３】
この様な事情に鑑みて、特許文献１には、特殊なエンコーダを使用して、転がり軸受ユニットに加わる荷重の大きさを測定する発明が記載されている。図８は、この特許文献１に記載された構造と同じ荷重の測定原理を採用している、転がり軸受ユニットの状態量測定装置に関する従来構造の１例を示している。この従来構造は、使用時に懸架装置に結合固定した状態で回転しない外輪１の内径側に、使用時に車輪を支持固定した状態でこの車輪と共に回転するハブ２を、複数個の転動体３、３を介して、回転自在に支持している。これら各転動体３、３には、背面組み合わせ型の接触角と共に、予圧を付与している。尚、図示の例では、これら各転動体３、３として玉を使用しているが、重量が嵩む自動車用の軸受ユニットの場合には、玉に代えて円すいころを使用する場合もある。
【０００４】
又、上記ハブ２の軸方向内端部（軸方向に関して「内」とは、自動車への組付け状態で車両の幅方向中央側を言い、図１及び図５〜８の右側。反対に、車両の幅方向外側となる、図１及び図５〜８の左側を、軸方向に関して「外」と言う。本明細書全体で同じ。）には、円筒状のエンコーダ４を、上記ハブ２と同心に支持固定している。このエンコーダ４は、円環状の芯金５と、この芯金５の外周面に添着固定した、永久磁石製で円筒状のエンコーダ本体６とから成る。被検出面である、このエンコーダ本体６の外周面の軸方向内半部には、Ｓ極とＮ極とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔に配置している。これらＳ極とＮ極との境界は、軸方向中央部が円周方向に関して最も突出した、「く」字形となっている。
【０００５】
又、上記外輪１の軸方向内端開口を塞ぐ、金属板製で有底円筒状のカバー７の内側に、合成樹脂製のセンサホルダ８を介して、１対のセンサ９ａ、９ｂを支持固定している。そして、この状態で、これら両センサ９ａ、９ｂの検出部を、上記エンコーダ４の被検出面の軸方向両半部に、それぞれ１つずつ近接対向させている。尚、上記両センサ９ａ、９ｂの検出部には、ホールＩＣ、ホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子等の磁気検知素子を組み込んでいる。
【０００６】
上述の様に構成する転がり軸受ユニットの状態量測定装置の場合、外輪１とハブ２との間にアキシアル荷重が作用する事により、これら外輪１とハブ２とがアキシアル方向に相対変位すると、これに伴って、上記両センサ９ａ、９ｂの出力信号同士の間に存在する位相差比（＝位相差／１周期）が変化する。この位相差比は、上記アキシアル荷重の作用方向及び大きさ（上記相対変位の方向及び大きさ）に見合った値をとる。従って、この位相差比に基づいて、上記アキシアル荷重の作用方向及び大きさ（上記相対変位の方向及び大きさ）を求める事ができる。尚、これらを求める処理は、図示しない演算器により行う。この為、この演算器のメモリ中には、予め理論計算や実験により調べておいた、上記位相差比と、上記アキシアル方向の相対変位又は荷重との関係（零点及びゲイン）を表す、式やマップを記憶させておく。
【０００７】
尚、上述した従来構造の場合には、エンコーダの被検出面にその検出部を対向させるセンサの数を、２個としている。これに対し、図示は省略するが、特許文献２〜３及び特願２００６−３４５８４９には、当該センサの数を３個以上とする事で、多方向の変位や外力を求められる構造が記載されている。
【０００８】
ところで、上述の図８に示した転がり軸受ユニットの状態量測定装置では、ＡＢＳ等を制御する為に従来から広く使用されている、転がり軸受ユニットの回転速度測定装置とは異なる構造のエンコーダ４を使用している。即ち、従来から広く使用されている回転速度測定装置用のエンコーダの場合には、被検出面の特性変化の境界を、この被検出面の幅方向に対して平行にしている（例えば特許文献４参照）。これに対し、上記エンコーダ４の場合には、被検出面の特性変化の境界を、この被検出面の幅方向に対して傾斜させている。この様なエンコーダ４を実際に造る場合には、新たな（設計、及び、新規な製造設備の為の）コストがかかる。これに対し、従来から広く使用されている回転速度検出装置用のエンコーダを、状態量測定装置用のエンコーダとして流用できれば、このエンコーダに関する新たなコストが不要になる。この為、回転速度測定装置用のエンコーダを、状態量測定装置用のエンコーダとして流用できる様にする事が望まれる。更には、この様にエンコーダを流用した構造で、多方向の変位や外力を求められる構造を実現する事が望まれる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３１７４２０号公報
【特許文献２】特開２００６−３２２９２８号公報
【特許文献３】特開２００７−９３５８０号公報
【特許文献４】特開２００４−３０９３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の転がり軸受ユニットの状態量測定装置は、上述の様な事情に鑑み、回転速度検出装置用のエンコーダを流用でき、しかも多方向の変位や外力を求められ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】
【００１１】
本発明の転がり軸受ユニットの状態量測定装置は、転がり軸受ユニットと、状態量測定装置とを備える。
このうちの転がり軸受ユニットは、静止側周面に複列の静止側軌道を有し、使用時にも回転しない静止側軌道輪と、回転側周面に複列の回転側軌道を有し、使用時に回転する回転側軌道輪と、上記各静止側軌道と上記各回転側軌道との間にそれぞれ複数個ずつ転動自在に設けられた転動体とを備える。
又、上記状態量測定装置は、上記回転側軌道輪のうちで軸方向に離隔した２個所位置にそれぞれ１個ずつ、直接又は他の部材を介して支持固定された１対のエンコーダと、使用時にも回転しない部分に支持固定されたセンサ装置と、演算器とを備える。
このうちの１対のエンコーダはそれぞれ、上記回転側軌道輪と同心の被検出面を有し、この被検出面の特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させている。これと共に、円周方向に隣り合う、互いに異なる特性部同士の境界をそれぞれ、上記被検出面の幅方向に対して平行にしている。
又、上記センサ装置は、上記１対のエンコーダのうちの一方のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた１乃至複数個の第一のセンサと、他方のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた１乃至複数個の第二のセンサとを備える。そして、これら各センサはそれぞれ、上記各被検出面のうち、自身の検出部を対向させた部分の特性変化に対応して出力信号を変化させる。
又、上記演算器は、上記各センサの出力信号同士の間に存在する位相差に基づいて、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との相対変位と、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する外力とのうちの、少なくとも１種類の状態量を算出する機能を有する。
【００１２】
上述の様な本発明を実施する場合には、例えば請求項２に記載した様な構造、即ち、上記静止側軌道輪を、内周面に複列の外輪軌道を有する外輪とし、上記回転側軌道輪を、外周面に複列の内輪軌道を有するハブとし、上記一方のエンコーダを、このハブの軸方向中間部で１対の転動体列同士の間部分に支持固定し、上記他方のエンコーダを、上記ハブの軸方向端部に支持固定する構造を採用できる。
【発明の効果】
【００１３】
上述の様に構成する本発明の転がり軸受ユニットの状態量測定装置の場合には、１対のエンコーダとして、それぞれ従来から広く使用されている回転速度測定装置用のエンコーダ、即ち、被検出面の特性変化の境界を、この被検出面の幅方向に対して平行にしたエンコーダを流用できる。この為、上記両エンコーダに関する新たなコストが不要になる。又、本発明の場合には、回転側軌道輪のうちで軸方向に離隔した２個所位置に支持固定した１対のエンコーダ、即ち、静止側軌道輪に対し互いに異なる方向に変位し得る１対のエンコーダを使用する。この為、これら両エンコーダの被検出面に対向させた各センサの出力信号同士の間の位相差に基づいて、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の多方向の相対変位と、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する多方向の外力とを求められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［実施の形態の第１例］
図１〜２は、本発明の実施の形態の第１例を示している。本例の場合も、前述の図８に示した従来構造の場合と同様、使用時に懸架装置に結合固定した状態で回転しない外輪１の内径側に、使用時に車輪を支持固定した状態でこの車輪と共に回転するハブ２を、複数個の転動体３、３を介して、回転自在に支持している。これら各転動体３、３には、背面組み合わせ型の接触角と共に、予圧を付与している。尚、本例では、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸から成る三次元直交座標系のうち、ｙ軸を上記外輪１の中心軸とし、ｚ軸を上下方向軸とし、ｘ軸を前後方向軸として、以下の説明を行う。
【００１５】
本例の場合には、上記ハブ２の軸方向中間部で１対の転動体列同士の間部分（列間）と、このハブ２の軸方向内端部（軸端）とに、それぞれエンコーダ４ａ、４ｂを、このハブ２と同心に外嵌固定している。これと共に、上記両エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面に、上記外輪１に対して支持固定したセンサ（９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 ）（９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 ）の検出部を、それぞれ３個ずつ近接対向させている。
【００１６】
上述した各構成要素のうち、上記両エンコーダ４ａ、４ｂは、上記ハブ２に締り嵌めで外嵌固定した円環状の芯金５ａ、５ｂと、この芯金５ａ、５ｂを構成する円輪部の側面に添着固定した、永久磁石製で円輪状のエンコーダ本体６ａ、６ｂとから成る。それぞれが被検出面である、一方（列間）のエンコーダ４ａを構成するエンコーダ本体６ａの軸方向外側面と、他方（軸端）のエンコーダ４ｂを構成するエンコーダ本体６ｂの軸方向内側面とには、それぞれＳ極とＮ極とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔に配置している。それぞれが異なる特性部である、上記Ｓ極とＮ極との境界は、被検出面の幅方向（径方向）に対して平行にしている。又、上記両エンコーダ４ａ、４ｂ同士で、被検出面に設けるＳ極とＮ極との円周方向の配置のピッチ及び位相を、互いに等しくしている。
【００１７】
尚、図２の（Ａ）は、上記一方（列間）のエンコーダ４ａの被検出面と、この被検出面にそれぞれの検出部を対向させた、それぞれが第一のセンサである３個のセンサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 とを、同じく（Ｂ）は、上記他方（軸端）のエンコーダ４ｂの被検出面と、この被検出面にそれぞれの検出部を対向させた、それぞれが第二のセンサである３個のセンサ９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 とを、それぞれ図１の軸方向右側（＋ｙ側）から見た投影図である。この為、上記被検出面の奥側に各センサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 が位置する（Ａ）では、これら各センサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 を白丸で、上記被検出面の手前側に各センサ９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 が位置する（Ｂ）では、これら各センサ９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 を黒丸で、それぞれ表している（後述する図３〜４に就いても同様）。
【００１８】
又、上記列間に存在する３個のセンサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 は、上記外輪１の軸方向中間部に支持固定された、それぞれが合成樹脂製である３個のセンサホルダ１０の先端部に、それぞれ１個ずつ包埋支持している。これに対し、上記軸端に存在する３個のセンサ９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 は、上記外輪１の軸方向内端部に固定した有底円筒状のカバー７ａ内に保持固定された、合成樹脂製のセンサホルダ８ａ内に包埋支持している。そして、本例の場合には、上記外輪１とハブ２との間に外力が作用していない中立状態で、図２に示す様に、上記両エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面のうち、円周方向等間隔の３個所位置（θ＝６０度、１８０度、３００度の位置）にそれぞれ１個ずつ、上記各センサ（９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 ）（９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 ）の検出部を近接対向させている。尚、これら各センサ（９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 ）（９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 ）の検出部には、ホールＩＣ、ホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子等の磁気検知素子を組み込んでいる。
【００１９】
上述の様に構成する本例の転がり軸受ユニットの状態量測定装置の場合、外輪１とハブ２との間に外力が作用して、１対のエンコーダ４ａ、４ｂにラジアル変位が生じると、これに伴って、各センサ（９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 ）（９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 ）の出力信号の位相がずれる。ここで、この位相のずれを、位相差を１周期で除した位相差比ε（θ）で表し、上記各エンコーダ４ａ、４ｂのｘ軸方向、ｚ軸方向のラジアル変位をそれぞれＸ、Ｚとすると、上記位相差比ε（θ）は、次の（１）式で表される。
【数１】
【００２０】
又、上記各エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面のピッチ円直径（ＰＣＤ）をｄ、これら各被検出面の全周に配置するＳ極とＮ極との対の数（１回転当たりの上記各センサの出力信号のパルス数）をｎ、上記各被検出面同士の軸方向間隔（スパン）をＬ、一方（列間）のエンコーダ４ａのｘ軸方向、ｚ軸方向のラジアル変位をそれぞれｘA 、ｚA 、他方（軸端）のエンコーダ４ｂのｘ軸方向、ｚ軸方向のラジアル変位をそれぞれｘB 、ｚB とする。この場合に、これら各ラジアル変位ｘA 、ｚA 、ｘB 、ｚB により生じる、それぞれが２個のセンサの出力信号同士の間の位相差比｛パルスエッジ時間差Δｔをパルス周期Ｔで除した値Δｔ／Ｔ｝である、上記両センサ９Ａ2 、９Ａ1 間の位相差比εA2-A1 と、上記両センサ９Ａ2 、９Ａ3 間の位相差比εA2-A3 と、上記両センサ９Ｂ2 、９Ｂ1 間の位相差比εB2-B1 と、上記両センサ９Ｂ2 、９Ｂ3 間の位相差比εB2-B3 とは、それぞれ上記（１）式に基づいて、次の（２）〜（５）式で表す事ができる。
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
これら（２）〜（５）式の関係より、上記各エンコーダ４ａ、４ｂのラジアル変位（ｘA 、ｚA ）、（ｘB 、ｚB ）は、それぞれ次の（６）〜（７）式により算出できる。
【数６】
【数７】
又、この様に各エンコーダ４ａ、４ｂのラジアル変位（ｘA 、ｚA ）、（ｘB 、ｚB ）が求まれば、上記ハブ２の中心Ｏの変位ｘ、ｚ及び傾きφx 、φz は、それぞれ次の（８）〜（１１）式により算出できる。
【数８】
【数９】
【数１０】
【数１１】
尚、本例の場合、上記ハブ２の中心Ｏと上記一方のエンコーダ４ａとのｙ軸方向位置は、非常に近い為、それぞれのラジアル変位（ｘ、ｚ）（ｘA 、ｚA ）は、互いにほぼ等しく（ｘ≒ｘA 、ｚ≒ｚA ）なる。この場合に、これらを互いに等しい（ｘ＝ｘA 、ｚ＝ｚA ）と取り扱っても、測定精度に実用上問題となる程度の大きな誤差は生じない。この為、上記（８）〜（９）式の様にした。但し、これら（８）〜（９）式に代えて、上記ハブ２の中心Ｏの正確なラジアル変位（ｘ、ｚ）を表す式を採用する事もできる。この式は、上記ハブ２の中心Ｏ及び上記１対のエンコーダ４ａ、４ｂの各ｙ軸方向位置と、これら両エンコーダ４ａ、４ｂの各ラジアル変位（ｘA 、ｚA ）（ｘB 、ｚ）との関係に基づいて導出する事ができる。何れにしても、以上の算出処理は、車体側に設置した図示しない演算器により行う。
【００２１】
又、本例の対象となる転がり軸受ユニットの場合、
（１）上記変位ｘと、上記外輪１と上記ハブ２との間に作用するｘ軸方向のラジアル荷重Ｆｘとの間
（２）上記変位ｚと、上記外輪１と上記ハブ２との間に作用するｚ軸方向のラジアル荷重Ｆｚとの間
（３）上記傾きφx と、上記外輪１と上記ハブ２との間に作用する、車輪を構成するタイヤの接地面から入力されるｙ軸方向のアキシアル荷重Ｆｙ（若しくはこのアキシアル荷重Ｆｙに基づいて発生するｘ軸回りのモーメントＭｘ）との間
（４）上記傾きφz と、上記外輪１と上記ハブ２との間に作用するｚ軸回りのモーメントＭｚとの間
には、それぞれ対象となる転がり軸受ユニットの剛性等により定まる、所定の関係が成立する。そして、これら各所定の関係は、転がり軸受ユニット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（出荷時試験）によっても求められる。従って、上記演算器のメモリ中に、上記各所定の関係を表した式或はマップを記憶させておけば、上記変位ｘに基づいて上記ラジアル荷重Ｆｘを、上記変位ｚに基づいて上記ラジアル荷重Ｆｚを、上記傾きφx に基づいて上記アキシアル荷重Ｆｙ（モーメントＭｘ）を、上記φz に基づいて上記モーメントＭｚを、それぞれ求められる。
【００２２】
上述の様に構成し作用する本例の転がり軸受ユニットの状態量測定装置の場合には、１対のエンコーダ４ａ、４ｂとして、それぞれ従来から広く使用されている回転速度測定装置用のもの、即ち、被検出面の特性変化の境界を、この被検出面の幅方向に対して平行にしたものを使用（流用）している。この為、上記両エンコーダ４ａ、４ｂに関する新たな設計コストが不要になる。又、本例の場合には、ハブ２のうちで軸方向に離隔した２個所位置に支持固定した１対のエンコーダ４ａ、４ｂ、即ち、外輪１に対し互いに異なる方向に変位し得る１対のエンコーダ４ａ、４ｂを使用している。この為、上述した様に、これら両エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面に対向させた各センサ（９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 ）（９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 ）の出力信号同士の間の位相差比に基づいて、上記外輪１と上記ハブ２との間の多方向の相対変位ｘ、ｚ、φx 、φz と、これら外輪１とハブ２との間に作用する多方向の外力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｚとを求められる。
【００２３】
又、上述した様に、本例の場合には、上記相対変位及び外力を求める為に、列間に存在する各センサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 間の位相差比と、軸端に存在する各センサ９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 間の位相差比とを測定するだけで良く、双方の側を跨いだセンサ間の位相差比を測定する必要はない。この為、双方の側のエンコーダ４ａ、４ｂを組み付ける際の回転角度位置を規制して、双方の側を跨いだセンサ間の初期位相差を所定の大きさに設定すると言った作業を行わずに済む。従って、その分だけ、組み付けを容易に行える。又、本例の場合には、３個のセンサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 （９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 ）の検出部の円周方向の配置を等間隔としたが、等間隔でなくても、具体的な配置の仕方に合わせて上記（２）〜（７）式を修正すれば、上述した相対変位及び外力を求められる。
【００２４】
［実施の形態の第２例］
図３は、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、１対のエンコーダ４ａ、４ｂの被検出面に対向させるセンサの個数が、上述した実施の形態の第１例の場合と異なる。即ち、本例の場合には、中立状態で、上記両エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面のうち、ｘ軸上で径方向反対側となる２個所位置（θ＝９０度、２７０度の位置）にそれぞれ１個ずつ、センサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ｂ1 、９Ｂ2 の検出部を対向させている。
【００２５】
この様に構成する本例の場合、一方（列間）のエンコーダ４ａにｚ軸方向の変位ｚA が生じる事に伴って、２個のセンサ９Ａ1 、９Ａ2 の出力信号の位相差が変化し、他方（軸端）のエンコーダ４ｂに同方向の変位ｚB が生じる事に伴って、２個のセンサ９Ｂ1 、９Ｂ2 の出力信号の位相差が変化する。これに対し、それぞれのエンコーダ４ａ、４ｂにｙ軸方向の変位ｙが生じても、各被検出面と各検出部との間隔が変化するだけで、上記各位相差は変化しない。更に、それぞれのエンコーダ４ａ、４ｂにｘ軸方向の変位ｘが生じても、やはり上記各位相差は変化しない。従って、本例の場合には、これら各位相差に基づいて、それぞれのエンコーダ４ａ、４ｂのｚ軸方向の変位ｚA 、ｚB を検出できる為、ハブ２（図１参照）の中心Ｏの変位ｚと、このハブ２のｘ軸回りの傾きφx を求められる。
【００２６】
具体的には、列間に存在する２個のセンサ９Ａ1 、９Ａ2 の出力信号同士の間の位相差比をεA1-A2 とし、軸端に存在する２個のセンサ９Ｂ1 、９Ｂ2 の出力信号同士の間の位相差比をεB1-B2 とすると、上記ハブ２の中心Ｏの変位ｚと、このハブ２の傾きφx とは、それぞれ次の（１２）〜（１３）式で表される。
【数１２】
【数１３】
尚、これら（１２）〜（１３）式中の各記号ｄ、ｎ、Ｌの意味は、上述した実施の形態の第１例の場合と同様である。
従って、これら（１２）〜（１３）式に上記両位相差比εA1-A2 、εB1-B2 を代入し、これら（１２）〜（１３）式を演算器に計算させる事により、上記ハブ２の中心Ｏの変位ｚと、このハブ２の傾きφx とを求められる。
【００２７】
又、本例の場合も、上述した実施の形態の第１例の場合と同様、上記変位ｚに基づいて、外輪１（図１参照）とハブ２との間に作用するｚ軸方向のラジアル荷重Ｆｚを、上記傾きφx に基づいて、これら外輪１とハブ２との間に作用するｙ軸方向のアキシアル荷重Ｆｙ（ｘ軸回りのモーメントＭｘ）を、それぞれ求められる。その他の構成及び作用は、上述した実施の形態の第１例の場合と同様である。
【００２８】
［実施の形態の第３例］
図４は、本発明の実施の形態の第３例を示している。本例の場合も、１対のエンコーダ４ａ、４ｂの被検出面に対向させるセンサの個数が、前述の図１〜２に示した実施の形態の第１例の場合と異なる。即ち、本例の場合には、中立状態で、上記両エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面のうち、ｘ軸上の１個所位置（θ＝９０度の位置）にそれぞれ１個ずつ、センサ９Ａ1 、９Ｂ1 の検出部を対向させている。
【００２９】
この様に構成する本例の場合には、上記両センサ９Ａ1 、９Ｂ1 の出力信号同士の間の位相差に基づいて、外輪１に対するハブ２（図１参照）のｘ軸回りの傾きφx を求められる。即ち、本例の場合には、上記外輪１に対する上記ハブ２の傾きφx が生じる事に伴って、一方（列間）のエンコーダ４ａと、他方（軸端）のエンコーダ４ｂとに、ｚ軸方向に関して互いに異なる大きさの変位が生じる。この結果、上記両センサ９Ａ1 、９Ｂ1 の出力信号の同士の間の位相差が変化する。これに対し、上記外輪１に対して上記ハブ２（上記両エンコーダ４ａ、４ｂ）に変位ｘが生じても、上記位相差は変化しない。又、上記外輪１に対する上記ハブ２（上記両エンコーダ４ａ、４ｂ）にアキシアル方向の変位ｙ又はｚ軸回りの傾きφz が生じても、各被検出面と各検出部との間隔が変化するだけで、上記位相差は変化しない。又、上記外輪１に対して上記ハブ２（上記両エンコーダ４ａ、４ｂ）にｚ軸方向の変位ｚが生じても、上記両センサ９Ａ1 、９Ｂ1 の出力信号の位相がそれぞれ同じ向きに同じ大きさだけ変化するだけで、上記位相差は変化しない。従って、本例の場合には、この位相差に基づいて、上記ハブ４の傾きφx を（他の方向の変位や傾きの影響を受けずに）精度良く求められる。
【００３０】
具体的には、上記２個のセンサ９Ａ1 、９Ｂ1 の出力信号同士の間の位相差比をεB1-A1 とすると、上記ハブ２の傾きφx は、次の（１４）式により求められる。
【数１４】
尚、この（１４）式中の各記号ｄ、ｎ、Ｌの意味は、前述の図１〜２に示した実施の形態の第１例の場合と同様である。
又、本例の場合も、上記ハブ２の傾きφx に基づいて、上記外輪１とこのハブ２との間に作用するアキシアル荷重Ｆｙ（モーメントＭｘ）を求められる。その他の構成及び作用は、前述の図１〜２に示した実施の形態の第１例の場合と同様である。
【００３１】
［実施の形態の第４〜６例］
上述した実施の形態の第１〜３例では、それぞれハブ２に支持固定する１対のエンコーダ４ａ、４ｂとして、双方ともに円輪状の被検出面を備えたものを採用した。但し、本発明を実施する場合には、図５に示す実施の形態の第４例の様に、ハブ２に支持固定する１対のエンコーダ４ｃ、４ｄとして、双方ともに円筒状の被検出面を備えたものを採用する事もできる。これら両エンコーダ４ｃ、４ｄは、上記ハブ２に締り嵌めで外嵌固定した円筒状の芯金５ｃ、５ｄと、この芯金５ｃ、５ｄの外周面に添着固定した、永久磁石製で円筒状のエンコーダ本体６ｃ、６ｄとから成る。それぞれが被検出面である、これら両エンコーダ本体６ｃ、６ｄの外周面には、それぞれＳ極とＮ極とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔に配置している。これらＳ極とＮ極との境界は、被検出面の幅方向（径方向）に対して平行にしている。又、上記両エンコーダ４ａ、４ｂ同士で、被検出面に設けるＳ極とＮ極との円周方向の配置のピッチ及び位相を、互いに等しくしている。
【００３２】
又、本発明を実施する場合には、図６に示す実施の形態の第５例の様に、一方（列間）のエンコーダ４ａとして、円輪状の被検出面を備えたものを採用し、他方（軸端）のエンコーダ４ｄとして、円筒状の被検出面を備えたものを採用する事もできる。更には、図７に示す実施の形態の第６例の様に、一方（列間）のエンコーダ４ｃとして、円筒状の被検出面を備えたものを採用し、他方（軸端）のエンコーダ４ｂとして、円輪状の被検出面を備えたものを採用する事もできる。これら実施の形態の第４〜６例の場合も、上述した実施の形態の第１〜３例の場合と同様の原理で、１対のエンコーダの被検出面に対向させた各センサの出力信号同士の間に存在する位相差に基づいて、外輪１とハブ２との間の相対変位、及び、これら外輪１とハブ２との間に作用する外力を求められる。
【００３３】
又、本発明は、上述した各実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載した要件を満たす、各種の構造に適用可能である。例えば、転がり軸受ユニットは、車両の車輪支持用に限らず、各種産業機械の回転支持部分に組み込むものでも良い。又、１対のエンコーダは、回転側軌道輪の軸方向両端部に支持固定しても良い。又、本発明を実施する場合、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する外力を求める為には、必ずしもこれら静止側軌道輪と回転側軌道輪との相対変位を求める必要はない。即ち、演算器に、各センサの出力信号に基づいて、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間に作用する外力を直接（上記相対変位を求める過程を経る事なく）算出する機能を持たせる事もできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態の第１例を示す断面図。
【図２】１対のエンコーダ本体と各センサとを、軸方向に関して同じ側から見た投影図。
【図３】本発明の実施の形態の第２例を示す、図２と同様の図。
【図４】同第３例を示す、図２と同様の図。
【図５】同第４例を示す断面図。
【図６】同第５例を示す断面図。
【図７】同第６例を示す断面図。
【図８】転がり軸受ユニットの状態量測定装置に関する従来構造の１例を示す断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１ 外輪
２ ハブ
３ 転動体
４、４ａ〜４ｄ エンコーダ
５、５ａ〜５ｄ 芯金
６、６ａ〜６ｄ エンコーダ本体
７、７ａ カバー
８、８ａ センサホルダ
９ａ、９ｂ、９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 、９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 センサ
１０ センサホルダ
【技術分野】
【０００１】
この発明に係る転がり軸受ユニットの状態量測定装置は、転がり軸受ユニットを構成する静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する外力等の状態量を測定する為に利用する。更に、この求めた状態量を、自動車等の車両の走行安定性確保を図る為に利用する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車の車輪は懸架装置に対し、複列アンギュラ型等の転がり軸受ユニットにより回転自在に支持する。又、自動車の走行安定性を確保する為に、例えばアンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）やトラクションコントロールシステム（ＴＣＳ）、更には、電子制御式ビークルスタビリティコントロールシステム（ＥＳＣ）等の車両用走行安定化装置が使用されている。この様な各種車両用走行安定化装置を制御する為には、車輪の回転速度、車体に加わる各方向の加速度等を表す信号が必要になる。そして、より高度の制御を行う為には、車輪を介して上記転がり軸受ユニットに加わる荷重（例えばラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）の大きさを知る事が好ましい場合がある。
【０００３】
この様な事情に鑑みて、特許文献１には、特殊なエンコーダを使用して、転がり軸受ユニットに加わる荷重の大きさを測定する発明が記載されている。図８は、この特許文献１に記載された構造と同じ荷重の測定原理を採用している、転がり軸受ユニットの状態量測定装置に関する従来構造の１例を示している。この従来構造は、使用時に懸架装置に結合固定した状態で回転しない外輪１の内径側に、使用時に車輪を支持固定した状態でこの車輪と共に回転するハブ２を、複数個の転動体３、３を介して、回転自在に支持している。これら各転動体３、３には、背面組み合わせ型の接触角と共に、予圧を付与している。尚、図示の例では、これら各転動体３、３として玉を使用しているが、重量が嵩む自動車用の軸受ユニットの場合には、玉に代えて円すいころを使用する場合もある。
【０００４】
又、上記ハブ２の軸方向内端部（軸方向に関して「内」とは、自動車への組付け状態で車両の幅方向中央側を言い、図１及び図５〜８の右側。反対に、車両の幅方向外側となる、図１及び図５〜８の左側を、軸方向に関して「外」と言う。本明細書全体で同じ。）には、円筒状のエンコーダ４を、上記ハブ２と同心に支持固定している。このエンコーダ４は、円環状の芯金５と、この芯金５の外周面に添着固定した、永久磁石製で円筒状のエンコーダ本体６とから成る。被検出面である、このエンコーダ本体６の外周面の軸方向内半部には、Ｓ極とＮ極とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔に配置している。これらＳ極とＮ極との境界は、軸方向中央部が円周方向に関して最も突出した、「く」字形となっている。
【０００５】
又、上記外輪１の軸方向内端開口を塞ぐ、金属板製で有底円筒状のカバー７の内側に、合成樹脂製のセンサホルダ８を介して、１対のセンサ９ａ、９ｂを支持固定している。そして、この状態で、これら両センサ９ａ、９ｂの検出部を、上記エンコーダ４の被検出面の軸方向両半部に、それぞれ１つずつ近接対向させている。尚、上記両センサ９ａ、９ｂの検出部には、ホールＩＣ、ホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子等の磁気検知素子を組み込んでいる。
【０００６】
上述の様に構成する転がり軸受ユニットの状態量測定装置の場合、外輪１とハブ２との間にアキシアル荷重が作用する事により、これら外輪１とハブ２とがアキシアル方向に相対変位すると、これに伴って、上記両センサ９ａ、９ｂの出力信号同士の間に存在する位相差比（＝位相差／１周期）が変化する。この位相差比は、上記アキシアル荷重の作用方向及び大きさ（上記相対変位の方向及び大きさ）に見合った値をとる。従って、この位相差比に基づいて、上記アキシアル荷重の作用方向及び大きさ（上記相対変位の方向及び大きさ）を求める事ができる。尚、これらを求める処理は、図示しない演算器により行う。この為、この演算器のメモリ中には、予め理論計算や実験により調べておいた、上記位相差比と、上記アキシアル方向の相対変位又は荷重との関係（零点及びゲイン）を表す、式やマップを記憶させておく。
【０００７】
尚、上述した従来構造の場合には、エンコーダの被検出面にその検出部を対向させるセンサの数を、２個としている。これに対し、図示は省略するが、特許文献２〜３及び特願２００６−３４５８４９には、当該センサの数を３個以上とする事で、多方向の変位や外力を求められる構造が記載されている。
【０００８】
ところで、上述の図８に示した転がり軸受ユニットの状態量測定装置では、ＡＢＳ等を制御する為に従来から広く使用されている、転がり軸受ユニットの回転速度測定装置とは異なる構造のエンコーダ４を使用している。即ち、従来から広く使用されている回転速度測定装置用のエンコーダの場合には、被検出面の特性変化の境界を、この被検出面の幅方向に対して平行にしている（例えば特許文献４参照）。これに対し、上記エンコーダ４の場合には、被検出面の特性変化の境界を、この被検出面の幅方向に対して傾斜させている。この様なエンコーダ４を実際に造る場合には、新たな（設計、及び、新規な製造設備の為の）コストがかかる。これに対し、従来から広く使用されている回転速度検出装置用のエンコーダを、状態量測定装置用のエンコーダとして流用できれば、このエンコーダに関する新たなコストが不要になる。この為、回転速度測定装置用のエンコーダを、状態量測定装置用のエンコーダとして流用できる様にする事が望まれる。更には、この様にエンコーダを流用した構造で、多方向の変位や外力を求められる構造を実現する事が望まれる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３１７４２０号公報
【特許文献２】特開２００６−３２２９２８号公報
【特許文献３】特開２００７−９３５８０号公報
【特許文献４】特開２００４−３０９３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の転がり軸受ユニットの状態量測定装置は、上述の様な事情に鑑み、回転速度検出装置用のエンコーダを流用でき、しかも多方向の変位や外力を求められ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】
【００１１】
本発明の転がり軸受ユニットの状態量測定装置は、転がり軸受ユニットと、状態量測定装置とを備える。
このうちの転がり軸受ユニットは、静止側周面に複列の静止側軌道を有し、使用時にも回転しない静止側軌道輪と、回転側周面に複列の回転側軌道を有し、使用時に回転する回転側軌道輪と、上記各静止側軌道と上記各回転側軌道との間にそれぞれ複数個ずつ転動自在に設けられた転動体とを備える。
又、上記状態量測定装置は、上記回転側軌道輪のうちで軸方向に離隔した２個所位置にそれぞれ１個ずつ、直接又は他の部材を介して支持固定された１対のエンコーダと、使用時にも回転しない部分に支持固定されたセンサ装置と、演算器とを備える。
このうちの１対のエンコーダはそれぞれ、上記回転側軌道輪と同心の被検出面を有し、この被検出面の特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させている。これと共に、円周方向に隣り合う、互いに異なる特性部同士の境界をそれぞれ、上記被検出面の幅方向に対して平行にしている。
又、上記センサ装置は、上記１対のエンコーダのうちの一方のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた１乃至複数個の第一のセンサと、他方のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた１乃至複数個の第二のセンサとを備える。そして、これら各センサはそれぞれ、上記各被検出面のうち、自身の検出部を対向させた部分の特性変化に対応して出力信号を変化させる。
又、上記演算器は、上記各センサの出力信号同士の間に存在する位相差に基づいて、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との相対変位と、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する外力とのうちの、少なくとも１種類の状態量を算出する機能を有する。
【００１２】
上述の様な本発明を実施する場合には、例えば請求項２に記載した様な構造、即ち、上記静止側軌道輪を、内周面に複列の外輪軌道を有する外輪とし、上記回転側軌道輪を、外周面に複列の内輪軌道を有するハブとし、上記一方のエンコーダを、このハブの軸方向中間部で１対の転動体列同士の間部分に支持固定し、上記他方のエンコーダを、上記ハブの軸方向端部に支持固定する構造を採用できる。
【発明の効果】
【００１３】
上述の様に構成する本発明の転がり軸受ユニットの状態量測定装置の場合には、１対のエンコーダとして、それぞれ従来から広く使用されている回転速度測定装置用のエンコーダ、即ち、被検出面の特性変化の境界を、この被検出面の幅方向に対して平行にしたエンコーダを流用できる。この為、上記両エンコーダに関する新たなコストが不要になる。又、本発明の場合には、回転側軌道輪のうちで軸方向に離隔した２個所位置に支持固定した１対のエンコーダ、即ち、静止側軌道輪に対し互いに異なる方向に変位し得る１対のエンコーダを使用する。この為、これら両エンコーダの被検出面に対向させた各センサの出力信号同士の間の位相差に基づいて、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の多方向の相対変位と、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する多方向の外力とを求められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［実施の形態の第１例］
図１〜２は、本発明の実施の形態の第１例を示している。本例の場合も、前述の図８に示した従来構造の場合と同様、使用時に懸架装置に結合固定した状態で回転しない外輪１の内径側に、使用時に車輪を支持固定した状態でこの車輪と共に回転するハブ２を、複数個の転動体３、３を介して、回転自在に支持している。これら各転動体３、３には、背面組み合わせ型の接触角と共に、予圧を付与している。尚、本例では、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸から成る三次元直交座標系のうち、ｙ軸を上記外輪１の中心軸とし、ｚ軸を上下方向軸とし、ｘ軸を前後方向軸として、以下の説明を行う。
【００１５】
本例の場合には、上記ハブ２の軸方向中間部で１対の転動体列同士の間部分（列間）と、このハブ２の軸方向内端部（軸端）とに、それぞれエンコーダ４ａ、４ｂを、このハブ２と同心に外嵌固定している。これと共に、上記両エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面に、上記外輪１に対して支持固定したセンサ（９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 ）（９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 ）の検出部を、それぞれ３個ずつ近接対向させている。
【００１６】
上述した各構成要素のうち、上記両エンコーダ４ａ、４ｂは、上記ハブ２に締り嵌めで外嵌固定した円環状の芯金５ａ、５ｂと、この芯金５ａ、５ｂを構成する円輪部の側面に添着固定した、永久磁石製で円輪状のエンコーダ本体６ａ、６ｂとから成る。それぞれが被検出面である、一方（列間）のエンコーダ４ａを構成するエンコーダ本体６ａの軸方向外側面と、他方（軸端）のエンコーダ４ｂを構成するエンコーダ本体６ｂの軸方向内側面とには、それぞれＳ極とＮ極とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔に配置している。それぞれが異なる特性部である、上記Ｓ極とＮ極との境界は、被検出面の幅方向（径方向）に対して平行にしている。又、上記両エンコーダ４ａ、４ｂ同士で、被検出面に設けるＳ極とＮ極との円周方向の配置のピッチ及び位相を、互いに等しくしている。
【００１７】
尚、図２の（Ａ）は、上記一方（列間）のエンコーダ４ａの被検出面と、この被検出面にそれぞれの検出部を対向させた、それぞれが第一のセンサである３個のセンサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 とを、同じく（Ｂ）は、上記他方（軸端）のエンコーダ４ｂの被検出面と、この被検出面にそれぞれの検出部を対向させた、それぞれが第二のセンサである３個のセンサ９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 とを、それぞれ図１の軸方向右側（＋ｙ側）から見た投影図である。この為、上記被検出面の奥側に各センサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 が位置する（Ａ）では、これら各センサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 を白丸で、上記被検出面の手前側に各センサ９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 が位置する（Ｂ）では、これら各センサ９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 を黒丸で、それぞれ表している（後述する図３〜４に就いても同様）。
【００１８】
又、上記列間に存在する３個のセンサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 は、上記外輪１の軸方向中間部に支持固定された、それぞれが合成樹脂製である３個のセンサホルダ１０の先端部に、それぞれ１個ずつ包埋支持している。これに対し、上記軸端に存在する３個のセンサ９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 は、上記外輪１の軸方向内端部に固定した有底円筒状のカバー７ａ内に保持固定された、合成樹脂製のセンサホルダ８ａ内に包埋支持している。そして、本例の場合には、上記外輪１とハブ２との間に外力が作用していない中立状態で、図２に示す様に、上記両エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面のうち、円周方向等間隔の３個所位置（θ＝６０度、１８０度、３００度の位置）にそれぞれ１個ずつ、上記各センサ（９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 ）（９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 ）の検出部を近接対向させている。尚、これら各センサ（９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 ）（９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 ）の検出部には、ホールＩＣ、ホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子等の磁気検知素子を組み込んでいる。
【００１９】
上述の様に構成する本例の転がり軸受ユニットの状態量測定装置の場合、外輪１とハブ２との間に外力が作用して、１対のエンコーダ４ａ、４ｂにラジアル変位が生じると、これに伴って、各センサ（９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 ）（９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 ）の出力信号の位相がずれる。ここで、この位相のずれを、位相差を１周期で除した位相差比ε（θ）で表し、上記各エンコーダ４ａ、４ｂのｘ軸方向、ｚ軸方向のラジアル変位をそれぞれＸ、Ｚとすると、上記位相差比ε（θ）は、次の（１）式で表される。
【数１】
【００２０】
又、上記各エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面のピッチ円直径（ＰＣＤ）をｄ、これら各被検出面の全周に配置するＳ極とＮ極との対の数（１回転当たりの上記各センサの出力信号のパルス数）をｎ、上記各被検出面同士の軸方向間隔（スパン）をＬ、一方（列間）のエンコーダ４ａのｘ軸方向、ｚ軸方向のラジアル変位をそれぞれｘA 、ｚA 、他方（軸端）のエンコーダ４ｂのｘ軸方向、ｚ軸方向のラジアル変位をそれぞれｘB 、ｚB とする。この場合に、これら各ラジアル変位ｘA 、ｚA 、ｘB 、ｚB により生じる、それぞれが２個のセンサの出力信号同士の間の位相差比｛パルスエッジ時間差Δｔをパルス周期Ｔで除した値Δｔ／Ｔ｝である、上記両センサ９Ａ2 、９Ａ1 間の位相差比εA2-A1 と、上記両センサ９Ａ2 、９Ａ3 間の位相差比εA2-A3 と、上記両センサ９Ｂ2 、９Ｂ1 間の位相差比εB2-B1 と、上記両センサ９Ｂ2 、９Ｂ3 間の位相差比εB2-B3 とは、それぞれ上記（１）式に基づいて、次の（２）〜（５）式で表す事ができる。
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
これら（２）〜（５）式の関係より、上記各エンコーダ４ａ、４ｂのラジアル変位（ｘA 、ｚA ）、（ｘB 、ｚB ）は、それぞれ次の（６）〜（７）式により算出できる。
【数６】
【数７】
又、この様に各エンコーダ４ａ、４ｂのラジアル変位（ｘA 、ｚA ）、（ｘB 、ｚB ）が求まれば、上記ハブ２の中心Ｏの変位ｘ、ｚ及び傾きφx 、φz は、それぞれ次の（８）〜（１１）式により算出できる。
【数８】
【数９】
【数１０】
【数１１】
尚、本例の場合、上記ハブ２の中心Ｏと上記一方のエンコーダ４ａとのｙ軸方向位置は、非常に近い為、それぞれのラジアル変位（ｘ、ｚ）（ｘA 、ｚA ）は、互いにほぼ等しく（ｘ≒ｘA 、ｚ≒ｚA ）なる。この場合に、これらを互いに等しい（ｘ＝ｘA 、ｚ＝ｚA ）と取り扱っても、測定精度に実用上問題となる程度の大きな誤差は生じない。この為、上記（８）〜（９）式の様にした。但し、これら（８）〜（９）式に代えて、上記ハブ２の中心Ｏの正確なラジアル変位（ｘ、ｚ）を表す式を採用する事もできる。この式は、上記ハブ２の中心Ｏ及び上記１対のエンコーダ４ａ、４ｂの各ｙ軸方向位置と、これら両エンコーダ４ａ、４ｂの各ラジアル変位（ｘA 、ｚA ）（ｘB 、ｚ）との関係に基づいて導出する事ができる。何れにしても、以上の算出処理は、車体側に設置した図示しない演算器により行う。
【００２１】
又、本例の対象となる転がり軸受ユニットの場合、
（１）上記変位ｘと、上記外輪１と上記ハブ２との間に作用するｘ軸方向のラジアル荷重Ｆｘとの間
（２）上記変位ｚと、上記外輪１と上記ハブ２との間に作用するｚ軸方向のラジアル荷重Ｆｚとの間
（３）上記傾きφx と、上記外輪１と上記ハブ２との間に作用する、車輪を構成するタイヤの接地面から入力されるｙ軸方向のアキシアル荷重Ｆｙ（若しくはこのアキシアル荷重Ｆｙに基づいて発生するｘ軸回りのモーメントＭｘ）との間
（４）上記傾きφz と、上記外輪１と上記ハブ２との間に作用するｚ軸回りのモーメントＭｚとの間
には、それぞれ対象となる転がり軸受ユニットの剛性等により定まる、所定の関係が成立する。そして、これら各所定の関係は、転がり軸受ユニット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（出荷時試験）によっても求められる。従って、上記演算器のメモリ中に、上記各所定の関係を表した式或はマップを記憶させておけば、上記変位ｘに基づいて上記ラジアル荷重Ｆｘを、上記変位ｚに基づいて上記ラジアル荷重Ｆｚを、上記傾きφx に基づいて上記アキシアル荷重Ｆｙ（モーメントＭｘ）を、上記φz に基づいて上記モーメントＭｚを、それぞれ求められる。
【００２２】
上述の様に構成し作用する本例の転がり軸受ユニットの状態量測定装置の場合には、１対のエンコーダ４ａ、４ｂとして、それぞれ従来から広く使用されている回転速度測定装置用のもの、即ち、被検出面の特性変化の境界を、この被検出面の幅方向に対して平行にしたものを使用（流用）している。この為、上記両エンコーダ４ａ、４ｂに関する新たな設計コストが不要になる。又、本例の場合には、ハブ２のうちで軸方向に離隔した２個所位置に支持固定した１対のエンコーダ４ａ、４ｂ、即ち、外輪１に対し互いに異なる方向に変位し得る１対のエンコーダ４ａ、４ｂを使用している。この為、上述した様に、これら両エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面に対向させた各センサ（９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 ）（９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 ）の出力信号同士の間の位相差比に基づいて、上記外輪１と上記ハブ２との間の多方向の相対変位ｘ、ｚ、φx 、φz と、これら外輪１とハブ２との間に作用する多方向の外力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｚとを求められる。
【００２３】
又、上述した様に、本例の場合には、上記相対変位及び外力を求める為に、列間に存在する各センサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 間の位相差比と、軸端に存在する各センサ９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 間の位相差比とを測定するだけで良く、双方の側を跨いだセンサ間の位相差比を測定する必要はない。この為、双方の側のエンコーダ４ａ、４ｂを組み付ける際の回転角度位置を規制して、双方の側を跨いだセンサ間の初期位相差を所定の大きさに設定すると言った作業を行わずに済む。従って、その分だけ、組み付けを容易に行える。又、本例の場合には、３個のセンサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 （９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 ）の検出部の円周方向の配置を等間隔としたが、等間隔でなくても、具体的な配置の仕方に合わせて上記（２）〜（７）式を修正すれば、上述した相対変位及び外力を求められる。
【００２４】
［実施の形態の第２例］
図３は、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、１対のエンコーダ４ａ、４ｂの被検出面に対向させるセンサの個数が、上述した実施の形態の第１例の場合と異なる。即ち、本例の場合には、中立状態で、上記両エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面のうち、ｘ軸上で径方向反対側となる２個所位置（θ＝９０度、２７０度の位置）にそれぞれ１個ずつ、センサ９Ａ1 、９Ａ2 、９Ｂ1 、９Ｂ2 の検出部を対向させている。
【００２５】
この様に構成する本例の場合、一方（列間）のエンコーダ４ａにｚ軸方向の変位ｚA が生じる事に伴って、２個のセンサ９Ａ1 、９Ａ2 の出力信号の位相差が変化し、他方（軸端）のエンコーダ４ｂに同方向の変位ｚB が生じる事に伴って、２個のセンサ９Ｂ1 、９Ｂ2 の出力信号の位相差が変化する。これに対し、それぞれのエンコーダ４ａ、４ｂにｙ軸方向の変位ｙが生じても、各被検出面と各検出部との間隔が変化するだけで、上記各位相差は変化しない。更に、それぞれのエンコーダ４ａ、４ｂにｘ軸方向の変位ｘが生じても、やはり上記各位相差は変化しない。従って、本例の場合には、これら各位相差に基づいて、それぞれのエンコーダ４ａ、４ｂのｚ軸方向の変位ｚA 、ｚB を検出できる為、ハブ２（図１参照）の中心Ｏの変位ｚと、このハブ２のｘ軸回りの傾きφx を求められる。
【００２６】
具体的には、列間に存在する２個のセンサ９Ａ1 、９Ａ2 の出力信号同士の間の位相差比をεA1-A2 とし、軸端に存在する２個のセンサ９Ｂ1 、９Ｂ2 の出力信号同士の間の位相差比をεB1-B2 とすると、上記ハブ２の中心Ｏの変位ｚと、このハブ２の傾きφx とは、それぞれ次の（１２）〜（１３）式で表される。
【数１２】
【数１３】
尚、これら（１２）〜（１３）式中の各記号ｄ、ｎ、Ｌの意味は、上述した実施の形態の第１例の場合と同様である。
従って、これら（１２）〜（１３）式に上記両位相差比εA1-A2 、εB1-B2 を代入し、これら（１２）〜（１３）式を演算器に計算させる事により、上記ハブ２の中心Ｏの変位ｚと、このハブ２の傾きφx とを求められる。
【００２７】
又、本例の場合も、上述した実施の形態の第１例の場合と同様、上記変位ｚに基づいて、外輪１（図１参照）とハブ２との間に作用するｚ軸方向のラジアル荷重Ｆｚを、上記傾きφx に基づいて、これら外輪１とハブ２との間に作用するｙ軸方向のアキシアル荷重Ｆｙ（ｘ軸回りのモーメントＭｘ）を、それぞれ求められる。その他の構成及び作用は、上述した実施の形態の第１例の場合と同様である。
【００２８】
［実施の形態の第３例］
図４は、本発明の実施の形態の第３例を示している。本例の場合も、１対のエンコーダ４ａ、４ｂの被検出面に対向させるセンサの個数が、前述の図１〜２に示した実施の形態の第１例の場合と異なる。即ち、本例の場合には、中立状態で、上記両エンコーダ４ａ、４ｂの被検出面のうち、ｘ軸上の１個所位置（θ＝９０度の位置）にそれぞれ１個ずつ、センサ９Ａ1 、９Ｂ1 の検出部を対向させている。
【００２９】
この様に構成する本例の場合には、上記両センサ９Ａ1 、９Ｂ1 の出力信号同士の間の位相差に基づいて、外輪１に対するハブ２（図１参照）のｘ軸回りの傾きφx を求められる。即ち、本例の場合には、上記外輪１に対する上記ハブ２の傾きφx が生じる事に伴って、一方（列間）のエンコーダ４ａと、他方（軸端）のエンコーダ４ｂとに、ｚ軸方向に関して互いに異なる大きさの変位が生じる。この結果、上記両センサ９Ａ1 、９Ｂ1 の出力信号の同士の間の位相差が変化する。これに対し、上記外輪１に対して上記ハブ２（上記両エンコーダ４ａ、４ｂ）に変位ｘが生じても、上記位相差は変化しない。又、上記外輪１に対する上記ハブ２（上記両エンコーダ４ａ、４ｂ）にアキシアル方向の変位ｙ又はｚ軸回りの傾きφz が生じても、各被検出面と各検出部との間隔が変化するだけで、上記位相差は変化しない。又、上記外輪１に対して上記ハブ２（上記両エンコーダ４ａ、４ｂ）にｚ軸方向の変位ｚが生じても、上記両センサ９Ａ1 、９Ｂ1 の出力信号の位相がそれぞれ同じ向きに同じ大きさだけ変化するだけで、上記位相差は変化しない。従って、本例の場合には、この位相差に基づいて、上記ハブ４の傾きφx を（他の方向の変位や傾きの影響を受けずに）精度良く求められる。
【００３０】
具体的には、上記２個のセンサ９Ａ1 、９Ｂ1 の出力信号同士の間の位相差比をεB1-A1 とすると、上記ハブ２の傾きφx は、次の（１４）式により求められる。
【数１４】
尚、この（１４）式中の各記号ｄ、ｎ、Ｌの意味は、前述の図１〜２に示した実施の形態の第１例の場合と同様である。
又、本例の場合も、上記ハブ２の傾きφx に基づいて、上記外輪１とこのハブ２との間に作用するアキシアル荷重Ｆｙ（モーメントＭｘ）を求められる。その他の構成及び作用は、前述の図１〜２に示した実施の形態の第１例の場合と同様である。
【００３１】
［実施の形態の第４〜６例］
上述した実施の形態の第１〜３例では、それぞれハブ２に支持固定する１対のエンコーダ４ａ、４ｂとして、双方ともに円輪状の被検出面を備えたものを採用した。但し、本発明を実施する場合には、図５に示す実施の形態の第４例の様に、ハブ２に支持固定する１対のエンコーダ４ｃ、４ｄとして、双方ともに円筒状の被検出面を備えたものを採用する事もできる。これら両エンコーダ４ｃ、４ｄは、上記ハブ２に締り嵌めで外嵌固定した円筒状の芯金５ｃ、５ｄと、この芯金５ｃ、５ｄの外周面に添着固定した、永久磁石製で円筒状のエンコーダ本体６ｃ、６ｄとから成る。それぞれが被検出面である、これら両エンコーダ本体６ｃ、６ｄの外周面には、それぞれＳ極とＮ極とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔に配置している。これらＳ極とＮ極との境界は、被検出面の幅方向（径方向）に対して平行にしている。又、上記両エンコーダ４ａ、４ｂ同士で、被検出面に設けるＳ極とＮ極との円周方向の配置のピッチ及び位相を、互いに等しくしている。
【００３２】
又、本発明を実施する場合には、図６に示す実施の形態の第５例の様に、一方（列間）のエンコーダ４ａとして、円輪状の被検出面を備えたものを採用し、他方（軸端）のエンコーダ４ｄとして、円筒状の被検出面を備えたものを採用する事もできる。更には、図７に示す実施の形態の第６例の様に、一方（列間）のエンコーダ４ｃとして、円筒状の被検出面を備えたものを採用し、他方（軸端）のエンコーダ４ｂとして、円輪状の被検出面を備えたものを採用する事もできる。これら実施の形態の第４〜６例の場合も、上述した実施の形態の第１〜３例の場合と同様の原理で、１対のエンコーダの被検出面に対向させた各センサの出力信号同士の間に存在する位相差に基づいて、外輪１とハブ２との間の相対変位、及び、これら外輪１とハブ２との間に作用する外力を求められる。
【００３３】
又、本発明は、上述した各実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載した要件を満たす、各種の構造に適用可能である。例えば、転がり軸受ユニットは、車両の車輪支持用に限らず、各種産業機械の回転支持部分に組み込むものでも良い。又、１対のエンコーダは、回転側軌道輪の軸方向両端部に支持固定しても良い。又、本発明を実施する場合、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する外力を求める為には、必ずしもこれら静止側軌道輪と回転側軌道輪との相対変位を求める必要はない。即ち、演算器に、各センサの出力信号に基づいて、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間に作用する外力を直接（上記相対変位を求める過程を経る事なく）算出する機能を持たせる事もできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態の第１例を示す断面図。
【図２】１対のエンコーダ本体と各センサとを、軸方向に関して同じ側から見た投影図。
【図３】本発明の実施の形態の第２例を示す、図２と同様の図。
【図４】同第３例を示す、図２と同様の図。
【図５】同第４例を示す断面図。
【図６】同第５例を示す断面図。
【図７】同第６例を示す断面図。
【図８】転がり軸受ユニットの状態量測定装置に関する従来構造の１例を示す断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１ 外輪
２ ハブ
３ 転動体
４、４ａ〜４ｄ エンコーダ
５、５ａ〜５ｄ 芯金
６、６ａ〜６ｄ エンコーダ本体
７、７ａ カバー
８、８ａ センサホルダ
９ａ、９ｂ、９Ａ1 、９Ａ2 、９Ａ3 、９Ｂ1 、９Ｂ2 、９Ｂ3 センサ
１０ センサホルダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受ユニットと、状態量測定装置とを備え、
このうちの転がり軸受ユニットは、静止側周面に複列の静止側軌道を有し、使用時にも回転しない静止側軌道輪と、回転側周面に複列の回転側軌道を有し、使用時に回転する回転側軌道輪と、上記各静止側軌道と上記各回転側軌道との間にそれぞれ複数個ずつ転動自在に設けられた転動体とを備えたものであり、
上記状態量測定装置は、上記回転側軌道輪のうちで軸方向に離隔した２個所位置にそれぞれ１個ずつ、直接又は他の部材を介して支持固定された１対のエンコーダと、使用時にも回転しない部分に支持固定されたセンサ装置と、演算器とを備え、
このうちの１対のエンコーダはそれぞれ、上記回転側軌道輪と同心の被検出面を有し、この被検出面の特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させると共に、円周方向に隣り合う、互いに異なる特性部同士の境界をそれぞれ、上記被検出面の幅方向に対して平行にしたものであり、
上記センサ装置は、上記１対のエンコーダのうちの一方のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた１乃至複数個の第一のセンサと、他方のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた１乃至複数個の第二のセンサとを備えたもので、これら各センサはそれぞれ、上記各被検出面のうち自身の検出部を対向させた部分の特性変化に対応して出力信号を変化させるものであり、
上記演算器は、上記各センサの出力信号同士の間に存在する位相差に基づいて、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との相対変位と、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する外力とのうちの、少なくとも１種類の状態量を算出する機能を有するものである、
転がり軸受ユニットの状態量測定装置。
【請求項２】
静止側軌道輪が内周面に複列の外輪軌道を有する外輪であり、回転側軌道輪が外周面に複列の内輪軌道を有するハブであり、一方のエンコーダが、このハブの軸方向中間部で１対の転動体列同士の間部分に支持固定されており、他方のエンコーダが、上記ハブの軸方向端部に支持固定されている、請求項１に記載した転がり軸受ユニットの状態量測定装置。
【請求項１】
転がり軸受ユニットと、状態量測定装置とを備え、
このうちの転がり軸受ユニットは、静止側周面に複列の静止側軌道を有し、使用時にも回転しない静止側軌道輪と、回転側周面に複列の回転側軌道を有し、使用時に回転する回転側軌道輪と、上記各静止側軌道と上記各回転側軌道との間にそれぞれ複数個ずつ転動自在に設けられた転動体とを備えたものであり、
上記状態量測定装置は、上記回転側軌道輪のうちで軸方向に離隔した２個所位置にそれぞれ１個ずつ、直接又は他の部材を介して支持固定された１対のエンコーダと、使用時にも回転しない部分に支持固定されたセンサ装置と、演算器とを備え、
このうちの１対のエンコーダはそれぞれ、上記回転側軌道輪と同心の被検出面を有し、この被検出面の特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させると共に、円周方向に隣り合う、互いに異なる特性部同士の境界をそれぞれ、上記被検出面の幅方向に対して平行にしたものであり、
上記センサ装置は、上記１対のエンコーダのうちの一方のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた１乃至複数個の第一のセンサと、他方のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた１乃至複数個の第二のセンサとを備えたもので、これら各センサはそれぞれ、上記各被検出面のうち自身の検出部を対向させた部分の特性変化に対応して出力信号を変化させるものであり、
上記演算器は、上記各センサの出力信号同士の間に存在する位相差に基づいて、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との相対変位と、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する外力とのうちの、少なくとも１種類の状態量を算出する機能を有するものである、
転がり軸受ユニットの状態量測定装置。
【請求項２】
静止側軌道輪が内周面に複列の外輪軌道を有する外輪であり、回転側軌道輪が外周面に複列の内輪軌道を有するハブであり、一方のエンコーダが、このハブの軸方向中間部で１対の転動体列同士の間部分に支持固定されており、他方のエンコーダが、上記ハブの軸方向端部に支持固定されている、請求項１に記載した転がり軸受ユニットの状態量測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１８６４２８（Ｐ２００９−１８６４２８Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９４２２（Ｐ２００８−２９４２２）
【出願日】平成２０年２月８日（２００８．２．８）
【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２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月８日（２００８．２．８）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]