JP2005090993A - 転がり軸受ユニットの荷重測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 各公転速度検出用エンコーダ２６ａ、２６ｂを支持固定した保持器２１ａ、２１ｂの回転速度、延ては外輪１とハブ２との間に加わる荷重を正確に求める。
【解決手段】 上記各保持器２１ａ、２１ｂの振れ回り方向を一義的に規制して、これら各保持器２１ａ、２１ｂに対する上記各公転速度検出用エンコーダ２６ａ、２６ｂの設置位置をずらせるか、これら各保持器２１ａ、２１ｂを軌道輪案内とする。この構成により、上記各公転速度検出用エンコーダ２６ａ、２６ｂの回転中心と幾何中心とのずれを抑えて、各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂによる、上記各保持器２１ａ、２１ｂの回転速度検出の精度を高くして、上記課題を解決する。
【選択図】 図２

Description

この発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、例えば自動車、鉄道車両、各種搬送車等の移動体の車輪を支持する為の転がり軸受ユニットの改良に関し、この転がり軸受ユニットに負荷される荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）を測定し、上記移動体の運行の安定性確保を図る為に利用する。

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、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）、更にはビークルスタビリティコントロールシステム（ＶＳＣ）等の車両用走行安定装置が使用されている。この様な各種車両用走行安定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の信号が必要になる。そして、より高度の制御を行なう為には、車輪を介して上記転がり軸受ユニットに加わる荷重（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。

この様な事情に鑑みて、特許文献１には、ラジアル荷重を測定自在な、荷重測定装置付転がり軸受ユニットが記載されている。この従来の第１例の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、ラジアル荷重を測定するもので、図９に示す様に構成している。懸架装置に支持される、静止輪であり外輪相当部材である外輪１の内径側に、車輪を結合固定する、回転輪であり内輪相当部材であるハブ２を支持している。このハブ２は、車輪を固定する為の回転側フランジ３をその外端部（車両への組み付け状態で幅方向外側となる端部）に有するハブ本体４と、このハブ本体４の内端部（車両への組み付け状態で幅方向中央側となる端部）に外嵌されてナット５により抑え付けられた内輪６とを備える。そして、上記外輪１の内周面に形成した、それぞれが静止側軌道である複列の外輪軌道７、７と、上記ハブ２の外周面に形成した、それぞれが回転側軌道である複列の内輪軌道８、８との間に、それぞれ複数個ずつの転動体９ａ、９ｂを配置して、上記外輪１の内径側での上記ハブ２の回転を自在としている。

上記外輪１の軸方向中間部で複列の外輪軌道７、７の間部分に、この外輪１を直径方向に貫通する取付孔１０を、この外輪１の上端部にほぼ鉛直方向に形成している。そして、この取付孔１０内に、荷重測定用のセンサである、円杆状（棒状）の変位センサ１１を装着している。この変位センサ１１は非接触式で、先端面（下端面）に設けた検出面は、ハブ２の軸方向中間部に外嵌固定したセンサリング１２の外周面に近接対向させている。上記変位センサ１１は、上記検出面と上記センサリング１２の外周面との距離が変化した場合に、その変化量に対応した信号を出力する。

上述の様に構成する従来の荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合には、上記変位センサ１１の検出信号に基づいて、転がり軸受ユニットに加わる荷重を求める事ができる。即ち、車両の懸架装置に支持した上記外輪１は、この車両の重量により下方に押されるのに対して、車輪を支持固定したハブ２は、そのままの位置に止まろうとする。この為、上記重量が嵩む程、上記外輪１やハブ２、並びに転動体９ａ、９ｂの弾性変形に基づいて、これら外輪１の中心とハブ２の中心とのずれが大きくなる。そして、この外輪１の上端部に設けた、上記変位センサ１１の検出面と上記センサリング１２の外周面との距離は、上記重量が嵩む程短くなる。そこで、上記変位センサ１１の検出信号を制御器に送れば、予め実験等により求めた関係式或はマップ等から、当該変位センサ１１を組み込んだ転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重を求める事ができる。この様にして求めた、各転がり軸受ユニットに加わる荷重に基づいて、ＡＢＳを適正に制御する他、積載状態の不良を運転者に知らせる。

尚、図９に示した従来構造は、上記転がり軸受ユニットに加わる荷重に加えて、上記ハブ２の回転速度も検出自在としている。この為に、前記内輪６の内端部にセンサロータ１３を外嵌固定すると共に、上記外輪１の内端開口部に被着したカバー１４に回転速度検出用センサ１５を支持している。そして、この回転速度検出用センサ１５の検知部を、上記センサロータ１３の被検出部に、検出隙間を介して対向させている。

上述の様な回転速度検出装置を組み込んだ転がり軸受ユニットの使用時、車輪を固定したハブ２と共に上記センサロータ１３が回転し、このセンサロータ１３の被検知部が上記回転速度検出用センサ１５の検知部の近傍を走行すると、この回転速度検出用センサ１５の出力が変化する。この様にして回転速度検出用センサ１５の出力が変化する周波数は、上記車輪の回転数に比例する。従って、この回転速度検出用センサ１５の出力信号を図示しない制御器に送れば、ＡＢＳやＴＣＳを適切に制御できる。

上述の様な従来構造の第１例の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重を測定する為のものであるが、転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重を測定する構造も、特許文献２等に記載されて、従来から知られている。図１０は、この特許文献２に記載された、アキシアル荷重を測定する為の荷重測定装置付転がり軸受ユニットを示している。この従来構造の第２例の場合、回転輪であり内輪相当部材であるハブ２ａの外端部外周面に、車輪を支持する為の回転側フランジ３ａを固設している。又、静止輪であり外輪相当部材である外輪１ａの外周面に、この外輪１ａを懸架装置を構成するナックル１６に支持固定する為の、固定側フランジ１７を固設している。そして、上記外輪１ａの内周面に形成した複列の外輪軌道７、７と、上記ハブ２ａの外周面に形成した複列の内輪軌道８、８との間に、それぞれ複数個ずつの転動体９ａ、９ｂを転動自在に設ける事により、上記外輪１ａの内径側に上記ハブ２ａを回転自在に支持している。

更に、上記固定側フランジ１７の内側面複数個所で、この固定側フランジ１７を上記ナックル１６に結合する為のボルト１８を螺合する為のねじ孔１９を囲む部分に、それぞれ荷重センサ２０を添設している。上記外輪１ａを上記ナックル１６に支持固定した状態でこれら各荷重センサ２０は、このナックル１６の外側面と上記固定側フランジ１７の内側面との間で挟持される。

この様な従来構造の第２例の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、図示しない車輪と上記ナックル１６との間にアキシアル荷重が加わると、上記ナックル１６の外側面と上記固定側フランジ１７の内側面とが、上記各荷重センサ２０を、軸方向両面から強く押し付け合う。従って、これら各荷重センサ２０の測定値を合計する事で、上記車輪と上記ナックル１６との間に加わるアキシアル荷重を求める事ができる。又、図示はしないが、特許文献３には、一部の剛性を低くした外輪相当部材の振動周波数から転動体の公転速度を求め、更に、転がり軸受に加わるアキシアル荷重を測定する方法が記載されている。

前述の図９に示した従来構造の第１例の場合、変位センサ１１により、外輪１とハブ２との径方向に関する変位を測定する事で、転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する。但し、この径方向に関する変位量は僅かである為、この荷重を精度良く求める為には、上記変位センサ１１として、高精度のものを使用する必要がある。高精度の非接触式センサは高価である為、荷重測定装置付転がり軸受ユニット全体としてコストが嵩む事が避けられない。

又、上述の図１０に示した従来構造の第２例の場合、ナックル１６に対し外輪１ａを支持固定する為のボルト１８と同数だけ、荷重センサ２０を設ける必要がある。この為、荷重センサ２０自体が高価である事と相まって、転がり軸受ユニットの荷重測定装置全体としてのコストが相当に嵩む事が避けられない。又、特許文献３に記載された方法は、外輪相当部材の一部の剛性を低くする必要があり、この外輪相当部材の耐久性確保が難しくなる可能性がある。

この様な事情に鑑みて本発明者等は先に、複列アンギュラ型玉軸受である転がり軸受ユニットを構成する１対の列の転動体（玉）の公転速度に基づいて、この転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重又はアキシアル荷重を測定する、転がり軸受ユニットの荷重測定装置に関する発明を行なった（特願２００３−１７１７１５号、１７２４８３号）。この先発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、上記各列の転動体の公転速度を求めるのに、これら各列の転動体を保持した保持器の回転速度を検出する事が、この公転速度を高分解能で求める面から有効である。但し、上記各列の転動体の転動面と、各列の保持器のポケットの内面との間には、これら各転動体の転動を許容すると共に、これら各転動体の転動面へのグリースの付着を許容する為の隙間が存在する為、上記各保持器は、回転に伴って径方向に変位しつつ回転する、振れ回りを生じる可能性がある。そして、この様な振れ回りが発生すると、上記各列の転動体の公転中心と上記各列の保持器の回転中心とがずれ、これら各列の保持器の回転速度、延いては上記各列の転動体の公転速度を正確に測定できなくなる。

この様な原因での回転速度検出の精度悪化を防止する為には、公転速度検出用エンコーダの径方向反対側２個所位置に配置した１対の回転速度検出センサの検出信号を足し合わせる事で、上記両中心のずれによる影響をなくす事も考えられる。但し、この場合には回転速度検出センサが２個必要になってその分、コスト並びに設置スペースが嵩む原因となる為、採用が難しくなる場合も考えられる。又、例えば、一般的な乗用車用の転がり軸受ユニットの場合、上記転動面とポケットの内面との間の隙間を、径方向に関する変位量で、１００μｍ以下、更には５０μｍ以下に抑えれば、上記各保持器の径方向に関する位置決めを転動体により図る、所謂転動体案内の構造でも、上記公転速度の精度を実用上問題ない程度に抑えられるものと考えられる。但し、この場合には、上記各転動体の転動面に十分なグリースを付着させられなくなって、潤滑不良に基づく耐久性低下等の原因となる為、好ましくない。

特開２００１−２１５７７号公報 特開平３−２０９０１６号公報 特公昭６２−３３６５号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、低コストで構成できて、耐久性や設置スペースに問題を生じる事がなく、しかも転がり軸受ユニットに加わる荷重を、制御の為に必要とされる精度を確保しつつ測定できる、転がり軸受ユニットの荷重測定装置を実現するものである。

本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、何れも、静止輪と、回転輪と、複数個の転動体と、１対の保持器と、１対の公転速度検出用エンコーダと、１対の公転速度検出用センサと、演算器とを備える。
このうちの静止輪は、使用時にも回転しない。
又、上記回転輪は、上記静止輪と同心に配置されて使用時に回転する。
又、上記各転動体は、上記静止輪と回転輪との互いに対向する部分にそれぞれ１対ずつ形成された静止側軌道と回転側軌道との間にそれぞれ複数個ずつ、１対の列同士の間で接触角の方向を互いに逆にして転動自在に設けられている。
又、上記各保持器は、上記静止輪と上記回転輪との間に設けられ、それぞれに複数個ずつ設けたポケット内に保持した上記各転動体の公転に伴って回転する。
又、上記各公転速度検出用エンコーダは、上記各保持器に支持固定されてこれら各保持器と共に回転するもので、特性を円周方向に関して交互に変化させている。
又、上記各公転速度検出用センサは、上記各列の転動体の公転速度をそれぞれ検出する為、上記各保持器に支持固定した公転速度検出用エンコーダの被検出面にそれぞれの検出部を対向させている。
更に、上記演算器は、上記各公転速度検出用センサから送り込まれる検出信号に基づいて、上記静止輪と上記回転輪との間に加わる荷重を算出する。

特に、請求項１に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合には、上記各保持器の径方向に関する位置決めを、上記各転動体の転動面と上記各ポケットの内面との係合に基づいて行なう転動体案内により、或は、この様な転動体案内に代えて、上記各保持器の内外両周面のうちの何れかの周面を、上記静止輪と上記回転輪とのうちの何れか一方の軌道輪の周面に近接対向させる軌道輪案内により行なっている。
そして、上記各保持器の円周方向の一部の重量を他の部分よりも重くする事で、これら各保持器の回転時にこれら各保持器の振れ回り方向を一義的に規制している。
更に、この振れ回り状態でこれら各保持器に支持固定した上記各公転速度検出用エンコーダの回転中心と幾何中心とが一致する方向に、これら各保持器に対してこれら各公転速度検出用エンコーダを、互いの幾何中心同士をずらせた状態で支持固定している。

又、請求項２に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合には、上記各公転速度検出用エンコーダを上記各保持器に対し、互いに幾何中心同士を一致させた状態で支持固定している。
更に、上記各保持器の径方向に関する位置決めを、これら各保持器の内外両周面のうちの何れかの周面を、上記静止輪と上記回転輪とのうちの何れか一方の軌道輪の周面に近接対向させる軌道輪案内により行なっている。

上述の様に構成する本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、保持器の回転中心と公転速度検出用エンコーダの幾何中心とを一致させて、この保持器の回転速度を正確に求められる。この為、回転検出センサの検出信号中に、この保持器の振れ回り運動に基づく変動が生じる事がなく、上記保持器の回転速度に基づく、静止輪と回転輪との間に作用する荷重を正確に求められる。

本発明を実施する場合に好ましくは、請求項３に記載した様に、静止輪と回転輪とのうちの一方の軌道輪を外輪相当部材とし、他方の軌道輪を内輪相当部材とし、各転動体を玉とする。そして、この内輪相当部材の外周面に形成された複列アンギュラ型の内輪軌道と上記外輪相当部材の内周面に形成された複列アンギュラ型の外輪軌道との間にそれぞれ複数個ずつ設けられた玉に、背面組み合わせ型の接触角を付与する。
この様に構成すれば、支持剛性の大きな転がり軸受ユニットで、しかも、荷重の変動に伴う各列の公転速度の変動を大きくして、この荷重測定精度の向上を図れる。

又、好ましくは、請求項４に記載した様に、上記回転輪の回転速度を検出する為の回転速度検出用センサを備える。そして、演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との和又は積と、上記回転輪の回転速度との比に基づいて、上記静止輪と上記回転輪との間に加わるラジアル荷重を算出する。
この様に構成すれば、上記回転輪の回転速度の変動に拘らず、この回転輪と上記静止輪との間に加わるラジアル荷重を正確に求められる。

更に、好ましくは、請求項５に記載した様に、上記回転輪の回転速度を検出する為の回転速度検出用センサを備える。そして、演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との差と、上記回転輪の回転速度との比に基づいて、上記静止輪と上記回転輪との間に加わるアキシアル荷重を算出する。
この様に構成すれば、上記回転輪の回転速度の変動に拘らず、この回転輪と上記静止輪との間に加わるアキシアル荷重を正確に求められる。

図１〜５は、請求項１、３、４、５に対応する、本発明の実施例１を示している。本実施例は、自動車の従動輪（ＦＲ車、ＲＲ車、ＭＤ車の前輪、ＦＦ車の後輪）を支持する為の転がり軸受ユニットに加わる荷重（ラジアル荷重及びアキシアル荷重）を測定する為の転がり軸受ユニットの荷重測定装置に本発明を適用した場合に就いて示している。この転がり軸受ユニット自体の構成及び作用は、前述の図９に示した従来構造と同様であるから、同等部分には同一符号を付して重複する説明を省略若しくは簡略にし、以下、本例の特徴部分を中心に説明する。

回転輪であり内輪相当部材であるハブ２の外周面に形成した、それぞれが回転側軌道である複列アンギュラ型の内輪軌道８、８と、静止輪であり外輪相当部材である外輪１の内周面に形成した、それぞれが静止側軌道である複列アンギュラ型の外輪軌道７、７との間に、それぞれ転動体（玉）９ａ、９ｂを複列（２列）に分けて、各列毎にそれぞれ複数個ずつ、保持器２１ａ、２１ｂにより保持した状態で転動自在に設ける事により、上記外輪１の内径側に上記ハブ２を、回転自在に支持している。この状態で上記各列の転動体９ａ、９ｂには、互いに逆方向で、且つ、同じ大きさの接触角α_a 、α_b （図２）が付与されて、背面組み合わせ型の、複列アンギュラ型玉軸受を構成する。上記各列の転動体９ａ、９ｂには、使用時に加わるアキシアル荷重によって喪失する事がない程度に十分な予圧を付与している。この様な転がり軸受ユニットの使用時には、上記外輪１を懸架装置に支持固定し、上記ハブ２の回転側フランジ３に制動用のディスクと車輪のホイールとを支持固定する。

上述の様な転がり軸受ユニットを構成する上記外輪１の軸方向中間部で上記複列の外輪軌道７、７の間部分に取付孔１０ａを、この外輪１を径方向に貫通する状態で形成している。そして、この取付孔１０ａにセンサユニット２２を、上記外輪１の径方向外方から内方に挿通し、このセンサユニット２２の先端部に設けた検出部２３を、上記外輪１の内周面から突出させている。この検出部２３には、１対の公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂと、１個の回転速度検出用センサ１５ａとを設けている。

このうちの各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂは、上記複列に配置された転動体９ａ、９ｂの公転速度を測定する為のもので、上記検出部２３のうち、上記ハブ２の軸方向（図１〜２の左右方向）に関する両側面に、それぞれの検出面を配置している。本例の場合、上記各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂは、上記複列に配置された各転動体９ａ、９ｂの公転速度を、前記各保持器２１ａ、２１ｂの回転速度として検出する。この為に本例の場合には、これら各保持器２１ａ、２１ｂを構成するリム部２５、２５を、互いに対向する側に配置している。そして、これら各リム部２５、２５の互いに対向する面に、それぞれが円輪状である公転速度検出用エンコーダ２６ａ、２６ｂを、全周に亙り添着支持している。これら各公転速度検出用エンコーダ２６ａ、２６ｂの被検出面の特性は、円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させて、上記各保持器２１ａ、２１ｂの回転速度を上記各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂにより検出自在としている。

この為に、これら各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂの検出面を、上記各公転速度検出用エンコーダ２６ａ、２６ｂの被検出面である、互いに対向する面に近接対向させている。尚、これら各公転速度検出用エンコーダ２６ａ、２６ｂの被検出面と上記各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂの検出面との距離（検出隙間）は、上記各保持器２１ａ、２１ｂのポケットの内面と上記各転動体９ａ、９ｂの転動面との間の隙間であるポケット隙間よりも大きく、２mm以下とする事が好ましい。上記検出隙間がポケット隙間以下になると、上記各保持器２１ａ、２１ｂがこのポケット隙間分変位した場合に、上記被検出面と上記検出面とが擦れ合う可能性を生じる為、好ましくない。反対に、上記検出隙間が２mmを越えると、上記各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂにより上記各公転速度検出用エンコーダ２６ａ、２６ｂの回転を正確に測定する事が難しくなる。

一方、前記回転速度検出用センサ１５ａは、回転輪である前記ハブ２の回転速度を測定する為のもので、上記検出部２３の先端面、即ち、上記外輪１の径方向内端面に、その検出面を配置している。又、上記ハブ２の中間部で前記複列の内輪軌道８、８同士の間に、円筒状の回転速度検出用エンコーダ２７を外嵌固定している。上記回転速度検出用センサ１５ａの検出面は、この回転速度検出用エンコーダ２７の被検出面である、外周面に対向させている。この回転速度検出用エンコーダ２７の被検出面の特性は、円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させて、上記ハブ２の回転速度を上記回転速度検出用センサ１５ａにより検出自在としている。上記回転速度検出用エンコーダ２７の外周面と上記回転速度検出用センサ１５ａの検出面との間の測定隙間に関しても、２mm以下に抑える。

尚、上記各エンコーダ２６ａ、２６ｂ、２７としては、従来からＡＢＳやＴＣＳの制御用の信号を得るべく、車輪の回転速度を検出する為に利用していた各種構造のものを使用できる。例えば、上記各エンコーダ２６ａ、２６ｂ、２７として、被検出面（側面又は外周面）にＮ極とＳ極とを交互に且つ等間隔に配置した、多極磁石製のものが、好ましく使用できる。但し、単なる磁性材製のエンコーダや、光学的特性を円周方向に亙って交互に且つ等間隔に変化させたものも、（光学式の回転速度検出用センサと組み合わせる事で）使用可能である。

本例の場合には、上記各公転速度検出用エンコーダ２６ａ、２６ｂとして、被検出面である軸方向側面にＳ極とＮ極とを交互に且つ等間隔で配置した、円輪状の永久磁石を使用している。この様な各公転速度検出用エンコーダ２６ａ、２６ｂは、別途造られた上記各保持器２１ａ、２１ｂのリム部２５、２５の側面に接着により結合固定したり、或はこれら各保持器２１ａ、２１ｂを射出成形する際にキャビティ内に上記各公転速度検出用エンコーダ２６ａ、２６ｂをセットしておく事で、インサート成形する。何れの方法を採用するかは、コスト及び要求される結合強度等に応じて選択する。

又、何れも回転速度を検出するセンサである、上記各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂ及び上記回転速度検出用センサ１５ａとしては、磁気式の回転速度検出用センサが、好ましく使用できる。又、この磁気式の回転速度検出用センサとしては、ホール素子、ホールＩＣ、磁気抵抗素子（ＭＲ素子、ＧＭＲ素子）、ＭＩ素子等の磁気検出素子を組み込んだアクティブ型のものが、好ましく使用できる。この様な磁気検出素子を組み込んだアクティブ型の回転速度検出用センサを構成するには、例えば、この磁気検出素子の一側面を、直接又は磁性材製のステータを介して永久磁石の着磁方向一端面に突き当て（磁性材製のエンコーダを使用する場合）、上記磁気検出素子の他側面を、直接又は磁性材製のステータを介して、上記各エンコーダ２６ａ、２６ｂ、２７の被検出面に対向させる。尚、本例の場合、永久磁石製のエンコーダを使用するので、センサ側の永久磁石は不要である。

本実施例の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、上記各センサ２４ａ、２４ｂ、１５ａの検出信号は、図示しない演算器に入力する。そして、この演算器が、これら各センサ２４ａ、２４ｂ、１５ａから送り込まれる検出信号に基づいて、前記外輪１と前記ハブ２との間に加わるラジアル荷重とアキシアル荷重とのうちの一方又は双方の荷重を算出する。例えば、このラジアル荷重を求める場合に上記演算器は、上記各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂが検出する各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度の和（又は積）を求め、この和（又は積）と、上記回転速度検出用センサ１５ａが検出する上記ハブ２の回転速度（又はこの回転速度の二乗）との比に基づいて、上記ラジアル荷重を算出する。又、上記アキシアル荷重は、上記各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂが検出する各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度の差を求め、この差と、上記回転速度検出用センサ１５ａが検出する上記ハブ２の回転速度との比に基づいて算出する。この点に就いて、図４を参照しつつ説明する。尚、以下の説明は、アキシアル荷重Ｆ_a が加わらない状態での、上記各列の転動体９ａ、９ｂの接触角α_a 、α_b が互いに同じであるとして行なう。

図４は、前述の図１に示した車輪支持用の転がり軸受ユニットを模式化し、荷重の作用状態を示したものである。複列の内輪軌道８、８と複列の外輪軌道７、７との間に複列に配置された転動体９ａ、９ｂには予圧Ｆ₀ 、Ｆ₀ を付与している。又、使用時に上記転がり軸受ユニットには、車体の重量等により、ラジアル荷重Ｆ_r が加わる。更に、旋回走行時に加わる遠心力等により、アキシアル荷重Ｆ_a が加わる。これら予圧Ｆ₀ 、Ｆ₀ 、ラジアル荷重Ｆ_r 、アキシアル荷重Ｆ_a は、何れも上記各転動体９ａ、９ｂの接触角α（α_a 、α_b ）に影響を及ぼす。そして、この接触角α_a 、α_b が変化すると、これら各転動体９ａ、９ｂの公転速度ｎ_c が変化する。これら各転動体９ａ、９ｂのピッチ円直径をＤとし、これら各転動体９ａ、９ｂの直径をｄとし、上記各内輪軌道８、８を設けたハブ２の回転速度をｎ_i とし、上記各外輪軌道７、７を設けた外輪１の回転速度をｎ_o とすると、上記公転速度ｎ_c は、次の（１）式で表される。
ｎ_c ＝｛１−（ｄ・cosα／Ｄ）・（ｎ_i ／２）｝＋｛１＋（ｄ・cosα／Ｄ）・（ｎ_o ／２）｝ −−− （１）

この（１）式から明らかな通り、上記各転動体９ａ、９ｂの公転速度ｎ_c は、これら各転動体９ａ、９ｂの接触角α（α_a 、α_b ）の変化に応じて変化するが、上述した様にこの接触角α_a 、α_b は、上記ラジアル荷重Ｆ_r 及び上記アキシアル荷重Ｆ_a に応じて変化する。従って上記公転速度ｎ_c は、これらラジアル荷重Ｆ_r 及びアキシアル荷重Ｆ_a に応じて変化する。本例の場合、上記ハブ２が回転し、上記外輪１が回転しない為、具体的には、上記ラジアル荷重Ｆ_r に関しては、大きくなる程上記公転速度ｎ_c が遅くなる。又、アキシアル荷重Ｆ_a に関しては、このアキシアル荷重Ｆ_a を支承する列の公転速度が速くなり、このアキシアル荷重Ｆ_a を支承しない列の公転速度が遅くなる。従って、この公転速度ｎ_c に基づいて、上記ラジアル荷重Ｆ_r 及びアキシアル荷重Ｆ_a を求められる事になる。

但し、上記公転速度ｎ_c の変化に結び付く上記接触角αは、上記ラジアル荷重Ｆ_r と上記アキシアル荷重Ｆ_a とが互いに関連しつつ変化するだけでなく、上記予圧Ｆ₀ 、Ｆ₀ によっても変化する。又、上記公転速度ｎ_c は、上記ハブ２の回転速度ｎ_i に比例して変化する。この為、これらラジアル荷重Ｆ_r 、上記アキシアル荷重Ｆ_a 、予圧Ｆ₀ 、Ｆ₀ 、ハブ２の回転速度ｎ_i を総て関連させて考えなければ、上記公転速度ｎ_c を正確に求める事はできない。このうちの予圧Ｆ₀ 、Ｆ₀ は、運転状態に応じて変化するものではないので、初期設定等によりその影響を排除する事は容易である。これに対して上記ラジアル荷重Ｆ_r 、アキシアル荷重Ｆ_a 、ハブ２の回転速度ｎ_i は、運転状態に応じて絶えず変化するので、初期設定等によりその影響を排除する事はできない。

この様な事情に鑑みて本実施例の場合には、前述した様に、ラジアル荷重Ｆ_r を求める場合には、前記各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂが検出する各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度の和（又は積）を求める事で、上記アキシアル荷重Ｆ_a の影響を少なくしている。又、アキシアル荷重Ｆ_a を求める場合には、上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度の差を求める事で、上記ラジアル荷重Ｆ_r の影響を少なくしている。更に、何れの場合でも、上記和又は差と、前記回転速度検出用センサ１５ａが検出する上記ハブ２の回転速度ｎ_i との比に基づいて上記ラジアル荷重Ｆ_r 又は上記アキシアル荷重Ｆ_a を算出する事により、上記ハブ２の回転速度ｎ_i の影響を排除している。

尚、上記各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂの信号に基づいて上記ラジアル荷重Ｆ_r とアキシアル荷重Ｆ_a とのうちの一方又は双方の荷重を算出する方法は、他にも各種存在するが、この様な方法に就いては、前述の特願２００３−１７１７１５号、１７２４８３号に詳しく説明されているし、本発明の要旨とも関係しないので、詳しい説明は省略する。
但し、何れの方法により何れの荷重を求めるにしても、上記各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂの検出信号に基づいて上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度を正確に求められる事が、荷重の測定精度を高める為に重要である。

これに対して上記各公転速度検出用センサ２４ａ、２４ｂの検出信号中には、被検出面の着磁ピッチ（円周方向に隣り合うＳ極とＮ極との間のピッチ）の誤差に基づく比較的高周波の変動と、保持器２１ａ、２１ｂの振れ回り運動に伴う比較的低周波の変動とが入り込んでいる。この様な変動を処理（低減）しないと、各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度を正確に求められず、従って、上記ラジアル荷重や上記アキシアル荷重の測定精度が悪化する。

この様な、上記各荷重の測定精度の悪化に結び付く、上記２種類の変動が生じる理由に就いて、図６〜７により説明する。前記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）を保持した（或は自身が公転速度検出用エンコーダとしての機能を有する）保持器２１ａ（２１ｂ）のポケットの内面と前記各転動体９ａ（９ｂ）の転動面との間には、これら各転動体９ａ（９ｂ）を転動自在に保持する必要上、隙間が存在する。従って、各構成部材の組み付け精度をいくら高めても、転がり軸受ユニットの運転時に、上記各転動体９ａ（９ｂ）のピッチ円の中心（上記ハブ２の回転中心）Ｏ₂ と上記保持器２１ａ（２１ｂ）の回転中心Ｏ₂₁とが、図６に誇張して示す様に、δ分だけずれる可能性がある。又、従来は、このδ分のずれの方向を特に規制していなかった。そして、このずれに基づいて上記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）は、上記ピッチ円の中心Ｏ₂ の周囲で振れ回り運動を行なう。

この様にして生じる振れ回り運動の結果、上記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）の被検出面は、回転方向以外にも移動速度を持つ事になる。そして、この回転方向以外の移動速度、例えば図６の左右方向の移動速度が、回転方向の移動速度に加減される。一方、公転速度検出用センサ２４ａ（２４ｂ）は、上記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）の被検出面の移動速度に基づいて上記各転動体９ａ（９ｂ）の公転速度を検出するので、上記δ分の偏心は、上記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）の側面にその検出面を対向させた、上記公転速度検出用センサ２４ａ（２４ｂ）の検出信号に影響を及ぼす。

この様な公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）の側面に上記公転速度検出用センサ２４ａ（２４ｂ）の検出面を対向させると、この公転速度検出用センサ２４ａ（２４ｂ）の検出信号は、図７の鎖線αに示す様に、正弦波的に変化する。即ち、各転動体９ａ（９ｂ）の公転速度が一定である場合でも、この公転速度検出用センサ２４ａ（２４ｂ）の出力信号が表す公転速度は、上記鎖線αで示す様に、正弦波的に変化する。具体的には、図６の左右方向の移動速度が回転方向の移動速度に足される場合には、上記出力信号は、実際の公転速度よりも早い速度に対応する信号となる。反対に、図６の左右方向の移動速度が回転方向の移動速度から差し引かれる場合には、上記出力信号は、実際の公転速度よりも遅い速度に対応する信号となる。図６は偏心量δを実際の場合よりも誇張して描いているが、例えば車両安定の為の制御をより厳密に行なうべく、転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重Ｆ_r 及びアキシアル荷重Ｆ_a をより正確に求める場合には、上記偏心に伴う誤差を解消する必要がある。

又、上記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）の側面に配列されたＳ極とＮ極とのピッチは、本来同じはずであるが、製造時に発生する着磁誤差等により、少しずつではあるが互いに異なる場合がある。そして、この誤差に基づいても、上記公転速度検出用センサ２４ａ（２４ｂ）の検出信号が変動する。この様な着磁ピッチに基づく変動の周期は、上記振れ回り運動に基づく変動の周期に比べると遥かに短くなる。例えば、上記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）の側面（被検出面）の特性（Ｓ極とＮ極との繰り返し）が、この被検出面の全周で６０回変化する場合、上記着磁ピッチに基づく変動の周期は、上記振れ回り運動に基づく変動の周期の１／６０程度になる。

上記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）から出力される検出信号は、上記２種類の変動が足し合わされた（重畳された）、図７に実線βで示す様なものになる。上記ラジアル荷重Ｆ_r 及びアキシアル荷重Ｆ_a を正確に求める為には、上記２種類の変動を低減する必要がある。この様な変動のうち、上記着磁ピッチの誤差に基づく、上記比較的高周波の変動は、従来からこの様な信号の処理方法として広く知られている、平均化フィルタを使用した電気的処理により、容易に低減できる。これに対して、上記振れ回り運動に伴う、上記比較的低周波の変動を低減する方法に就いては、従来は知られていなかった。

この様な事情に鑑みて、本実施例の場合には、図５に示した構造により、上記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）を支持固定した、前記保持器２１ａ（２１ｂ）の振れ回り運動に拘らず、この公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）が振れ回り運動しない様にしている。即ち、本実施例の場合には、上記保持器２１ａ（２１ｂ）の径方向に関する位置決めを、前記各転動体９ａ、９ａ（９ｂ、９ｂ）の転動面と、この保持器２１ａ（２１ｂ）に形成した複数のポケットの内面との係合に基づいて行なう、転動体案内により図っている。前述した様に、このポケットの内面と上記転動面との間には隙間が存在するので、上記保持器２１ａ（２１ｂ）はこの隙間分だけ、径方向に変位する。この変位量は、この隙間の大きさから予測できるが、従来は、何れの方向に変位するかは予測不能であった。この為従来は、前記鎖線αに示す低周波の変動に結び付く様な、上記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）の振れ回り運動の影響を抑えられなかった。

これに対して本実施例の場合には、上記保持器２１ａ（２１ｂ）の円周方向に関して一部分に重り２８を固定する事で、この部分の重量を他の部分よりも重くしている。従って、上記各転動体９ａ、９ａ（９ｂ、９ｂ）の公転運動に伴って上記保持器２１ａ（２１ｂ）が回転すると、この保持器２１ａ（２１ｂ）は、上記重り２８を設けた部分が最も径方向外方に変位した状態で振れ回り運動する。即ち、この重り２８を設ける事で、上記保持器２１ａ（２１ｂ）の回転時にこの保持器２１ａ（２１ｂ）の振れ回り方向が一義的に規制される。更に本実施例の場合には、この保持器２１ａ（２１ｂ）のリム部２５の側面に対する上記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）の組み付け位置を、上記重り２８の取付位置と１８０度反対側に、δ分だけずらせている。このδは、前記図６に示した偏心量δに見合うもので、上記ポケットの内面と上記転動面との間の隙間に基づく、上記保持器２１ａ（２１ｂ）の径方向の変位分に相当する大きさとする。

本実施例の場合、上述の様な構造により、上記保持器２１ａ（２１ｂ）の振れ回り方向を一義的に規制すると共に、この保持器２１ａ（２１ｂ）に対する上記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）の組み付け位置を、上記振れ回り方向に対して直径方向反対側に、上記保持器２１ａ（２１ｂ）の径方向の変位分だけずらせている。従って、上記各転動体９ａ、９ａ（９ｂ、９ｂ）の公転時に、上記保持器２１ａ（２１ｂ）の振れ回り運動に拘らず、上記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）の回転中心と幾何中心とが一致する。この為、前記公転速度検出用センサ２４ａ（２４ｂ）の検出信号中に、前記図７に鎖線αに示した様な低周波の変動が入り込む事を防止できる。この結果、上記各転動体９ａ、９ａ（９ｂ、９ｂ）の公転速度、延ては前記外輪１とハブ２との間に作用する荷重（ラジアル荷重及びアキシアル荷重）を正確に求められる。
尚、図示は省略するが、上記保持器２１ａ（２１ｂ）の径方向に関する位置決めを、上述した様な転動案内に代えて、保持器の内外両周面のうちの何れかの周面を、ハブの外周面と外輪の内周面とのうちの何れかの部材の周面に近接対向させる軌道輪案内により行なう場合にも、上述の様な構造を採用できる。即ち、この様な軌道輪案内の場合でも、被案内面と案内面との隙間の大きさによっては、上述の様な振れ回り運動を避けられない可能性がある。この様な場合に、上述の様な構造を採用する事は、上記荷重を正確に求める上で有効である。

次に、図８は、請求項２に対応する、本発明の実施例２を示している。本実施例の場合には、上述した実施例１とは異なり、公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）を保持器２１ａ（２１ｂ）に対し、互いに幾何中心同士を一致させた状態で支持固定している。そして、上記保持器２１ａ（２１ｂ）の径方向に関する位置決めを、この保持器２１ａ（２１ｂ）の内周面の一部を、ハブ２の外周面に近接対向させる、内輪案内により行なっている。この為に本実施例の場合には、上記保持器２１ａ（２１ｂ）を構成するリム部２５ａを、全周に亙って、或は周方向に関して間欠的に、径方向内方に延長し、この延長部の内周面を上記ハブ２の外周面に近接対向させている。この様に互いに近接対向した部分で、上記保持器２１ａ（２１ｂ）の内径Ｒ₂₁とハブ２の外径Ｄ₂ との差（Ｒ₂₁−Ｄ₂ ）は、１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下に抑えている。

上述の様に構成する本実施例の場合、各転動体９ａ（９ｂ）の公転運動に伴って上記保持器２１ａ（２１ｂ）が回転した場合に、この保持器２１ａ（２１ｂ）は殆ど振れ回り運動しない。従って、この保持器２１ａ（２１ｂ）と同心に設けた上記公転速度検出用エンコーダ２６ａ（２６ｂ）の回転中心と幾何中心とを一致させて、公転速度検出用センサ２４ａ（２４ｂ）（図１〜３参照）の検出信号中に、前記図７に鎖線αに示した様な低周波の変動が入り込む事を防止できる。この結果、上記各転動体９ａ（９ｂ）の公転速度、延ては外輪１（図１〜２参照）と上記ハブ２との間に作用する荷重（ラジアル荷重及びアキシアル荷重）を正確に求められる。

尚、上記保持器２１ａ（２１ｂ）の振れ回りを低減する為には、この保持器２１ａ（２１ｂ）の一部外周面を外輪１の一部内周面に近接対向させる、所謂外輪案内の構造を採用する事もできる。但し、上記保持器２１ａ（２１ｂ）を構成する一般的な材料（合成樹脂）と、上記外輪１を構成する一般的な材料（炭素鋼）との熱膨張率の差を勘案し、温度上昇時にも上記保持器２１ａ（２１ｂ）の一部周面と相手部材の一部周面とが強く擦れ合う事を防止する為には、図８に示す様な内輪案内の構造が好ましい。

本発明は、各実施例に示した様な、自動車の車輪を支持する転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する為の転がり軸受ユニットの荷重測定装置に限らず、工作機械、産業機械等、各種回転機械装置に作用する荷重（ラジアル荷重及びアキシアル荷重）を求める為に利用できる。

本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の基本となる構造を示す断面図。 図１のＡ部拡大図。 保持器及び転動体と、公転速度検出用エンコーダと、回転検出センサとを取り出して図２の上方から見た状態で示す模式図。 回転速度に基づいて荷重を測定できる理由を説明する為の、転がり軸受ユニットの模式図。 保持器の振れ回りに拘らず公転速度検出用エンコーダの振れ回りを防止する構造を、保持器と転動体と公転速度検出用エンコーダとを取り出して図１の側方から見た状態で示す図。 保持器の振れ回りに基づいて公転速度検出センサの出力信号が変動する理由を説明する為、保持器及び公転速度検出用エンコーダを図１〜３の側方から見た状態で示す模式図。 保持器の振れ回り及び着磁ピッチの誤差に基づいて、公転速度検出センサの出力信号が変動する状態を示す線図。 保持器の振れ回りを防止する構造の別例を示す、図２のＢ部に相当する図。 従来から知られている、ラジアル荷重測定用のセンサを組み込んだ転がり軸受ユニットの断面図。 従来から知られている、アキシアル荷重測定用のセンサを組み込んだ転がり軸受ユニットの断面図。

符号の説明

１、１ａ 外輪
２、２ａ ハブ
３、３ａ 回転側フランジ
４ ハブ本体
５ ナット
６ 内輪
７ 外輪軌道
８ 内輪軌道
９ａ、９ｂ 転動体
１０、１０ａ 取付孔
１１ 変位センサ
１２ センサリング
１３ センサロータ
１４ カバー
１５、１５ａ 回転速度検出センサ
１６ ナックル
１７ 固定側フランジ
１８ ボルト
１９ ねじ孔
２０ 荷重センサ
２１ａ、２１ｂ 保持器
２２ センサユニット
２３ 検出部
２４ａ、２４ｂ 公転速度検出用センサ
２５、２５ａ リム部
２６ａ、２６ｂ 公転速度検出用エンコーダ
２７ 回転速度検出用エンコーダ
２８ 重り

Claims (5)

1. 使用時にも回転しない静止輪と、この静止輪と同心に配置されて使用時に回転する回転輪と、これら静止輪と回転輪との互いに対向する部分にそれぞれ１対ずつ形成された静止側軌道と回転側軌道との間にそれぞれ複数個ずつ、１対の列同士の間で接触角の方向を互いに逆にして転動自在に設けられた転動体と、上記静止輪と上記回転輪との間に設けられ、それぞれに複数個ずつ設けたポケット内に保持した上記各転動体の公転に伴って回転する１対の保持器と、これら各保持器に支持固定されてこれら各保持器と共に回転する、特性を円周方向に関して交互に変化させた１対の公転速度検出用エンコーダと、上記各列の転動体の公転速度をそれぞれ検出する為、上記各保持器に支持固定した公転速度検出用エンコーダの被検出面にそれぞれの検出部を対向させた１対の公転速度検出用センサと、これら各公転速度検出用センサから送り込まれる検出信号に基づいて上記静止輪と上記回転輪との間に加わる荷重を算出する演算器とを備え、上記各保持器の円周方向の一部の重量を他の部分よりも重くする事で、これら各保持器の回転時にこれら各保持器の振れ回り方向を一義的に規制すると共に、これら各保持器に対して上記各公転速度検出用エンコーダを、上記振れ回り状態で上記各保持器に支持固定した上記各公転速度検出用エンコーダの回転中心と幾何中心とが一致する方向に、互いの幾何中心同士をずらせた状態で支持固定した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
2. 使用時にも回転しない静止輪と、この静止輪と同心に配置されて使用時に回転する回転輪と、これら静止輪と回転輪との互いに対向する部分にそれぞれ１対ずつ形成された静止側軌道と回転側軌道との間にそれぞれ複数個ずつ、１対の列同士の間で接触角の方向を互いに逆にして転動自在に設けられた転動体と、上記静止輪と上記回転輪との間に設けられ、それぞれに複数個ずつ設けたポケット内に保持した上記各転動体の公転に伴って回転する１対の保持器と、これら各保持器に支持固定されてこれら各保持器と共に回転する、特性を円周方向に関して交互に変化させた１対の公転速度検出用エンコーダと、上記各列の転動体の公転速度をそれぞれ検出する為、上記各保持器に支持固定した公転速度検出用エンコーダの被検出面にそれぞれの検出部を対向させた１対の公転速度検出用センサと、これら各公転速度検出用センサから送り込まれる検出信号に基づいて上記静止輪と上記回転輪との間に加わる荷重を算出する演算器とを備え、上記各公転速度検出用エンコーダを上記各保持器に対し、互いに幾何中心同士を一致させた状態で支持固定すると共に、これら各保持器の径方向に関する位置決めを、これら各保持器の内外両周面のうちの何れかの周面を、上記静止輪と上記回転輪とのうちの何れか一方の軌道輪の周面に近接対向させる軌道輪案内により行なった転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
3. 静止輪と回転輪とのうちの一方の軌道輪が外輪相当部材であり、他方の軌道輪が内輪相当部材であり、各転動体が玉であり、この内輪相当部材の外周面に形成された複列アンギュラ型の内輪軌道と上記外輪相当部材の内周面に形成された複列アンギュラ型の外輪軌道との間にそれぞれ複数個ずつ設けられた玉に、背面組み合わせ型の接触角が付与されている、請求項１〜２の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
4. 回転輪の回転速度を検出する為の回転速度検出用センサを備え、演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との和と、上記回転輪の回転速度との比に基づいて、静止輪とこの回転輪との間に加わるラジアル荷重を算出する、請求項１〜３の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
5. 回転輪の回転速度を検出する為の回転速度検出用センサを備え、演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との差と、上記回転輪の回転速度との比に基づいて、静止輪とこの回転輪との間に加わるアキシアル荷重を算出する、請求項１〜３の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。

Images