JP2006520464A - ころがり軸受部材の運動方向を求めるための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、固定軸受部材（１）に対する可動軸受部材（２）の運動方向を求めるためのころがり軸受０にある測定装置に関する。本発明によれば、ブリッジ回路（８）の圧力に関係する４つの抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）が、測定範囲（５）において１つの軸受部材（１，２）に、ころがり体（３）又は可動軸受部材（２）の運動方向に対して平行に互いに１列に設けられ、間隔（Ｒ１−Ｒ２）が間隔（Ｒ３−Ｒ４）とちょうど同じ大きさであり、間隔（Ｒ２−Ｒ３）が他の間隔より大きいことによって、測定装置の特に安価な構造が得られる。抵抗及びブリッジ回路の位置は、非対称な形状を持つただ１つの出力信号が生じるように選ばれている。回転方向は、例えば２つの隣接する最小値の間の中間位置からの最大値のずれの評価によって求められる。

Description

本発明は、請求項１，６及び９の上位概念の特徴に記載の、ころがり軸受部材の運動方向を求めるための測定装置、ころがり軸受及び方法に関する。

ドイツ連邦共和国特許第２７４６９３７号明細書から、いわゆる測定ころがり軸受が公知であり、ころがり軸受に作用する力が、軸受の固定軸受メタルに設けられて伸びに感応するセンサにより検出される。伸びに感応するこれらのセンサは伸び測定抵抗として構成され、ホイートストンブリッジにおいて互いに接続されている。

更にドイツ連邦共和国特許出願公開第１００４１０９３号明細書は、伸びに感応するセンサを持つころがり軸受を示しており、これらのセンサにより特に回転可能な軸受メタルの回転数が求められる。これらのセンサは互いに対応する伸び測定抵抗又は伸び抵抗測定ブリッジ回路であり、固定外側軸受メタルに取付けられている。両方の伸び測定条片は、これらが直列接続され、回転方向にころがり素子の角度間隔の半分だけ互いにずれて軸受メタルに取付けられているように、配置することができる。回転数測定のため、この測定装置に関する方法によれば、これら両方のセンサの取付け場所を越えてころがる際これらのセンサにより得られる信号が評価回路へ供給され、この評価回路において信号が差を形成される。しかしドイツ連邦共和国特許第１００４１０９３号明細書は、この測定軸受によりころがり軸受の玉の運動方向従って回転する軸受メタルの回転方向をどのように求めるかについて、示唆していない。

最後にドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１００２９９号明細書から、ころがり軸受にある測定装置が公知であり、この測定装置により、ころがり軸受を負荷する力のほかに、ころがり体の回転数及び回転方向も求めることができる。この測定装置は、回転方向の検出に関して、伸びに感応する複数対のセンサ素子が、ころがり軸受にあるころがり体の角度間隔のほぼ１／４の相互角度間隔をおいて、軸受メタルに取付けられている、という特徴を持っている。更に複数対のセンサが例えば１２時の位置又は９時の位置をとるように、これらのセンサが互いにずれて設けられている。軸受に奇数のころがり体があると、この刊行物によれば、１２時の位置及び９時の位置にある両方のセンサ素子の測定信号が相反する位相ずれを持ち、この位相ずれによりころがり体の運動方向従って可動軸受レースの回転方向を求めることができる。

これに反しそれに代わる実施形態において、偶数のころがり体がころがり軸受に存在すると、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１００２９９号明細書によれば、ころがり体の運動方向がセンサ対の測定信号により求められ、これらのセンサ対において、１２時の位置に取付けられるセンサと９時の位置に取付けられるセンサとの間のセンサ対の相互角度ずれが、９０°から若干ずれている。

結局この刊行物は、ころがり体の運動方向を求めるために、各センサ素子対の両方のセンサ素子により発生される信号を受けて、センサ素子に対してころがり体の各々の相対位相位置を求める評価装置が必要であることを、示している。その場合この相対位相位置から、ころがり軸受において案内される部材の運動方向を推論することができる。

例えばころがり軸受において案内される部材の回転方向を求める測定装置のこの構造は、比較的費用がかかる。特にこのような測定軸受を製造する際、各センサ素子の取付け、及びセンサ対の精確な相互角度の位置ぎめは、非常に慎重従って費用のかかる処置を必要とする。

この背景技術から出発して本発明の課題は、特に安価であまり複雑でない構造を持つころがり軸受の運動方向測定装置、回転軸受及び直線軸受を提案することである。更にこのような測定装置を持つころがり軸受及び測定装置により発生される測定信号の評価方法を紹介する。

この課題の解決策は独立請求項の特徴から明らかになり、本発明の有利な構成及び展開は従属請求項からわかる。

従って本発明は、なるべく固定した軸受部材に対する可動軸受部材の運動方向を求めるためころがり軸受にある測定装置であって、測定装置が複数の電気抵抗（例えば伸び測定抵抗）を含み、これらの電気抵抗が圧縮力及び／又は引張り力に応じてその電気抵抗を変化し、かつブリッジ回路において互いに接続されているものから出発する。このような測定装置に関して、ブリッジ回路の４つの抵抗が、測定範囲において１つの軸受部材に、ころがり体又は可動軸受部材の運動方向に対して平行に、互いに１列に設けられ、第１の抵抗と第２の抵抗との間隔Ｋが、第３の抵抗と第４の抵抗との間隔Ｌとちょうど同じ大きさであり、両方の中間の抵抗の間隔Ｊが、第１の抵抗と第２の抵抗との間隔Ｋ又は第３の抵抗と第４の抵抗との間隔Ｌより大きいようになっている。

この構造により、測定軸受に１つのセンサしか持たない従来技術の解決策とは異なり、可動軸受部材の運動方向従って軸受により支持される部材についての情報を与える測定信号が発生可能であるようにすることができる。

本発明の実際の利用に閏して特に重要なことは、力Ｆがころがり体を介して測定装置へ作用することを考慮すべきであるとしても、回転方向センサの電気抵抗を測定軸受の任意の個所に設けることが可能なことである。

更に測定ブリッジの抵抗の非常に精確な配置が必要ではない。なぜならば、抵抗の相互間隔のひどい非対称でも、回転方向についての表出を可能にする左傾斜又は右傾斜の測定信号を発生するのに充分だからである。従ってこのような測定ころがり軸受は、安価に製造し、回転運動するか又は直線運動する運動素子例えばポンプ、空気圧装置、ピストン−シリンダ装置又は密封装置の支持のために有利に使用することができる。

本発明の特に有利な構成では、測定ブリッジの特に明白な測定信号を発生するため、第１の抵抗と第３の抵抗との間隔Ｈ、及び第２の抵抗と第４の抵抗との間隔Ｇが、すぐ隣接する２つのころがり体の間隔とちょうど同じ大きさであるように考慮されている。

例えば可動軸受部材の１回転毎に求められる測定値の数を増大し、従って測定値の統計的表出力を改善するため、軸受に１つより多い測定ブリッジが設けられて、１つの評価装置に接続されているようにすることができる。抵抗を固定軸受部材に設けるのがよい。

本発明は、本発明による測定装置の抵抗が軸受部材の任意の範囲に取付けられているころがり軸受にも関する。本発明の好ましい実施形態では、この測定範囲は、固定外レースの周囲溝又は直線軸受部材の縦溝にあり、この溝内で測定ブリッジの抵抗が、抵抗ブリッジに属する接続導線と共にスパッタされている。別の変形例では、これらの抵抗はひずみ計として可撓基板担体に取付けられ、これと共に前記の溝内に接着されることもできる。ＤＭＳ測定条片の形では、市販の長方形又は任意の基本形状のＤＭＳ測定条片も使用することができる。

更に本発明は、本発明による測定装置の測定信号により可動ころがり軸受部材の運動方向を求める方法に関する。この評価方法において、時間的に２つの順次に続く負の振幅最大値Ａ_ｍｉｎ１， Ａ_ｍｉｎ２の発生の中間ｔ_ｓｙｍにない時点にそれぞれ正の振幅細大値Ａ_ｍａｘが現れるか否かの趣旨に沿って、測定信号Ｍが、可動軸受部材の左回転又は右回転に関して分析される。

更に２つの順次に続く正の振幅最大値Ａ_ｍａｎ１， Ａ_ｍａｎ２の発生の中間ｔ_ｓｙｍにない時点にそれぞれ負の振幅最大値Ａ_ｍｉｎが現れるか否かを検出することができる。

そのため本発明によれば、可動軸受部材の運動方向が、式

を利用する評価プログラムにより求められ、ここで式の結果の正の符号が一方の方向への運動方向を示し、式の結果の負の符号が逆の方向を示すようにすることができる。

更に可動軸受部材の運動方向が、式

を利用する評価プログラムにより求められ、ここで式の結果の正の符号が一方の方向への運動方向を示し、式の結果の負の符号が逆の方向を示すようにすることができる。

最後に本発明の方法によれば、式１及び式２の計算結果が互いに比較され、符号が一致すると真の運動方向指標として評価されて、別の情報の利用のために使用される。両方の計算（式１及び式２）により求められる符号が互いに相違すると、測定及び計算の結果が少なくとも一部棄却され、運転方向を求めるため測定及び計算が再び行われる。

本発明による測定装置、測定装置を持つころがり軸受、測定装置により発生される測定信号の評価方法、及びその有利な構成が、添付図面に示されている具体的な実施例により説明される。

図１はころがり軸受の概略図を示し、固定外レース１はころがり体３により内レース２を回転可能に支持している。この内レース２は、ここには図示してないが内レース２へ力Ｆを及ぼす部材を受入れるのに用いられる。この図からわかるように、この力Ｆは内レース２及びころがり体３を介して外レース１へ作用する。

外レース１の周面には、測定範囲５に測定抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が取付けられて、伸びに応じてその電気抵抗を変化し、従ってころがり体３が各抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を越えてころがる際、これらの抵抗により外レース１の変形が検出可能である。

更に図１は、回転可能な外レース１には、測定範囲６に抵抗Ｒ１１，Ｒ２１，Ｒ３１，Ｒ４１を持つ第２の測定ブリッジも設けられて、測定範囲５にある第１の測定ブリッジのように、比較可能な測定信号を発生するように考慮されかつ適している。しかしこの第２の測定ブリッジは、例えば測定値の数を多くするため又は第１の測定ブリッジの測定値を証明するため、別の測定値が望まれる時にのみ設けられる。しかしこれに関して重要なことは、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４及びＲ１１，Ｒ２１，Ｒ３１，Ｒ４１を持つ両方の測定ブリッジが、その相互間隔に関して特別には調整されていないことである。いずれにせよ注意すべきことは、両方の測定範囲５，６が、ころがり体３を介して前記の抵抗を変形する力を受けることである。

図２に示すように、測定抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４はなるべく外レース１の周囲溝４内に置かれ、かつ接着又はスパッタ範囲７に配置されて、それぞれ２つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４がそれぞれ１対を形成しながら内レース２又はころがり体３の運動方向に対して軸線を平行に位置せしめられている。

抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、簡単な回路図で図３に示す測定ブリッジ８となるように互いに接触されている。この測定ブリッジ８は、公知のように電圧Ｕを印加され、接触個所Ｖ−及びＶ＋を介して測定信号Ｍを供給する。

図４の上半分に示すように、公知の測定ブリッジでは、電気抵抗は同じ間隔Ｂ，Ｃ，Ｄを持ち、対が形成されないように、設けられている。

これに反し図４の下部には、測定ブリッジ８の電気抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の本発明による配置が示され、この例では内レース２の回転方向が検出可能である。そのため抵抗Ｒ１とＲ３及び抵抗Ｒ２とＲ４がそれぞれ１つの対を形成して、従来技術と比較して互いにずれているように、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４がころがり体３又は可動内レース２の運動方向に対して平行に１列に前後に配置されている。ここで第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２との間隔Ｋは、第３の抵抗Ｒ３と第４の抵抗Ｒ４との間隔Ｌとちょうど同じ大きさである。更に中間の両方の抵抗Ｒ２とＲ３との間隔Ｊは、第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２との間隔Ｋ又は第３の抵抗Ｒ３と第４の抵抗Ｒ４の抵抗Ｒ４との間隔Ｌより大きい。

更に本発明のこの好ましい実施形態では、第１の抵抗Ｒ１と第３の抵抗Ｒ３との間隔Ｈ及び第２の抵抗Ｒ２と第４の抵抗Ｒ４との間隔Ｇが、２つのすぐ隣接するころがり体３の間隔とちょうど同じ大きさであるように考慮されている。

このような測定ブリッジは、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を越えてころがる際、例えば図５及び図６に示す測定信号Ｍを発生する。これらの図に示すように、測定される電圧経過は対象な曲線経過を持たず、非対称な曲線経過を持っている。この非対称性の理由は、測定ブリッジ８における２つの抵抗Ｒ１とＲ２との間隔Ｋ又はＲ３とＲ４との間隔Ｌが、すぐ隣接する２つの測定抵抗Ｒ２とＲ３の間隔Ｊより小さいからである。更に抵抗Ｒ１，Ｒ２の両方の抵抗変化の重畳により、測定ブリッジ８の測定信号Ｍの非対称な変形が生じる。

非対称の程度が図５及び図６に誇張して示されているけれども、これは次のことを非常によく明らかにしている。例えば図５において測定信号Ｍの正の最大振幅Ａ_ｍａｘ１は、対称な測定信号経過の場合振幅最大値が実際に生じなければならない時点ｔ_ｓｙｍより期間△ｔ_１だけ前にある時点ｔ_ｍａｘ１に現われる。この時点ｔ_ｓｙｍは、時点ｔ_ｍｉｎ１及びｔ_ｍｉｎ２における２つの負の振幅最大値Ａ_ｍｉｎ１及びＡ_ｍｉｎ２の出現の間にある期間ｔ_Ａの二等分から得られる。
式

により、２つの順次に続く負の振幅最大値Ａ_ｍｉｎ１及びＡ_ｍｉｎ２の出現時点の測定値ｔ_ｍｉｎ１及びｔ_ｍｉｎ２と、正の振幅最大値Ａ_ｍａｘ１の時点の測定値ｔ_ｍａｘ１とから、測定曲線Ｍの対称性が計算される。

この計算の結果では、運動方向の検出に関して、所定の運動方向が割当てられる符号が問題である。左回転の測定軸受が正の計算値を発生するか負の計算値を発生するかは、本発明による測定軸受の取付け状態に関係している。しかしまず特定の運動方向に符号が割当てられ、軸受が規定通りに構成されると、運動方向計算は軸受の実際の回転方向に関して確実な値を生じる。

測定信号Ｍの各半周期について回転方向の値をなるべく得たくないので、測定曲線Ｍの次の対称性計算が繰返し行われる。

ここで測定値ｔ_ｍａｘ１及びｔ_ｍａｘ２は２つの順次に続く正の振幅最大値の出現時点を意味し、ｔ_ｍｉｎ１は負の振幅最大値の出現時点を意味する。

図６は、式２による計算のため測定が行われる時間区間における測定曲線Ｍを示している。ここで両方の正の最大振幅Ａ_ｍａｘ１及びＡ_ｍａｘ２が時点ｔ_ｍａｘ１、及びｔ_ｍａｘ２に現われ、負の振幅最大値Ａ_ｍｉｎ１が対称な信号経過の場合予想されるより期間△ｔ_２だけ遅く現われることが明らかになる。この対称時点ｔ_ｓｙｍは、時点ｔ_ｍａｘ１及びｔ_ｍａｘ２における両方の正の振幅最大値Ａ_ｍａｘ１及びＡ_ｍａｘ２の出現の間にある期間ｔ_Ａの中間にある。

この第２の計算により、測定信号の対称性の第２の結果値が得られるので、式１及び式２の計算結果の続く符号比較により、運動方向算定の確実性を高めることができる。求められる符号の値又は運動方向の値は、両方の計算結果が同じ符号値を生じた時にのみ、引続く情報処理（例えば表示装置、制御コンピュータ）へ与えられる。計算が異なる符号を生じる場合、求められる値が平均され（なるべく奇数の個別結果を介して平均され）、運動方向算定のため新たに測定方法及び計算方法が実施される。

本発明によるころがり軸受の概略断面図を示す。 測定ブリッジの範囲にある図１の軸受の周囲の平面図を示す。 図２による電気測定ブリッジ回路を簡単化した図で示す。 従来技術による測定ブリッジの抵抗配置と本発明による抵抗配置との比較を示す。 軸受部材の運動方向を計算するための測定点を持ちかつ本発明の測定ブリッジにより発生される測定信号の図を示す。 異なる測定点を持つ図５におけるような図を示す。

符号の説明

１ 外レース
２ 内レース
３ ころがり体
４ 溝
５ 測定範囲
６ 測定範囲
７ 接着又はスパッチ範囲
８ 測定ブリッジ
Ａ_ｍａｘ 正の振幅最大値
Ａ_ｍｉｎ 負の振幅最大値
Ｂ 間隔
Ｃ 間隔
Ｄ 間隔
Ｆ 力
Ｇ 間隔
Ｈ 間隔
Ｊ 間隔
Ｋ 間隔
Ｌ 間隔
Ｍ 非対称測定信号
Ｒ１ 測定抵抗
Ｒ２ 測定抵抗
Ｒ３ 測定抵抗
Ｒ４ 測定抵抗
Ｒ１１ 測定抵抗
Ｒ２１ 測定抵抗
Ｒ３１ 測定抵抗
Ｒ４１ 測定抵抗
Ｕ 供給電圧
Ｖ 測定電圧
ｔ 時間
ｔ_Ａ 順次に続く２つの振幅最大値の出現の間の期間
ｔ_ｓｙｍ ｔ_Ａの中間の時点
ｔ_ｍａｘ１ 正の振幅最大値の時点
ｔ_ｍａｘ２ 正の振幅最大値の時点
ｔ_ｍｉｎ１ 負の振幅最大値の時点
ｔ_ｍｉｎ２ 負の振幅最大値の時点
△ｔ_１ 対称性ずれの期間
△ｔ_２ 対称性ずれの期間

Claims (12)

1. 固定軸受部材（１）に対する可動軸受部材（２）の運動方向を求めるためころがり軸受にある測定装置であって、両方の軸受部材（１，２）の間にころがり体（３）が設けられ、測定装置が複数の電気抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）を含み、これらの電気抵抗が圧縮力及び／又は引張り力に応じてその電気抵抗を変化し、かつブリッジ回路（８）において互いに接続されているものにおいて、ブリッジ回路（８）の４つの抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）が、測定範囲（５）において１つの軸受部材（１，２）に、ころがり体（３）又は可動軸受部材（２）の運動方向に対して平行に、互いに１列に設けられ、第１の抵抗（Ｒ１）と第２の抵抗（Ｒ２）との間隔（Ｋ）が、第３の抵抗（Ｒ３）と第４の抵抗（Ｒ４）との間隔（Ｌ）とちょうど同じ大きさであり、両方の中間の抵抗（Ｒ２及びＲ３）の間隔（Ｊ）が、第１の抵抗（Ｒ１）と第２の抵抗（Ｒ２）との間隔（Ｋ）又は第３の抵抗（Ｒ３）と第４の抵抗（Ｒ４）との間隔（Ｌ）より大きいことを特徴とする、測定装置。
2. 第１の抵抗（Ｒ１）と第３の抵抗（Ｒ３）との間隔（Ｈ）、及び第２の抵抗（Ｒ２）と第４の抵抗（Ｒ４）との間隔（Ｇ）が、すぐ隣接する２つのころがり体（３）の間隔とちょうど同じ大きさであることを特徴とする、請求項１に記載の測定装置。
3. 抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）が固定軸受部材（１，２）に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 軸受に１つより多い測定ブリッジ（８）が隣接する測定範囲に設けられて、共通な評価装置に接続されていることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の測定装置。
5. 抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）がひずみ計として構成されていることを特徴とする、請求項１〜４の１つに記載の測定装置。
6. 測定ブリッジ（８）の抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）が、接着範囲又はスパッタ範囲において軸受部材（１，２）に接着又はスパッタされ、接着範囲又はスパッタ範囲（７）がなるべく固定軸受部材の溝（４）に設けられていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の測定装置を持つころがり軸受。
7. 固定軸受部材が回転軸受の外レース（１）として構成されていることを特徴とする、請求項６に記載のころがり軸受。
8. ころがり軸受が直線軸受として構成されていることを特徴とする、請求項６に記載のころがり軸受。
9. 請求項１〜５に記載の測定装置の測定信号（Ｍ）により可動ころがり軸受部材の運動方向を求める方法において、時間的に２つの順次に続く負の振幅最大値（Ａ_ｍｉｎ１， Ａ_ｍｉｎ２）の発生の中間（ｔ_ｓｙｍ）にない時点にそれぞれ正の振幅細大値（Ａ_ｍａｘ）が現れるか否か、又は２つの順次に続く正の振幅最大値（Ａ_ｍａｎ１， Ａ_ｍａｎ２）の発生の中間（ｔ_ｓｍ）にない時点にそれぞれ負の振幅最大値（Ａ_ｍｉｎ１， Ａ_ｍｉｎ２）に現れるか否かの趣旨に沿って、測定信号（Ｍ）が、可動軸受部材（２）の左回転又は右回転に関して分析されることを特徴とする、方法。
10. 可動軸受部材（２）の運動方向が、式
    

    

    を利用する評価プログラムにより求められ、ここで式の結果の正の符号が一方の方向への運動方向を示し、式の結果の負の符号が逆の方向を示すことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 可動軸受部材（２）の運動方向が、式
    

    

    を利用する評価プログラムにより求められ、ここで式の結果の正の符号が一方の方向への運動方向を示し、式の結果の負の符号が逆の方向を示すことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
12. 式１及び式２の計算結果が互いに比較され、符号が一致すると真の運動方向指標として評価されて、別の情報の利用のために使用され、両方の計算（式１及び式２）により求められる符号が互いに相違すると、測定及び計算の結果が奇数の個別結果と介して求められることを特徴とする、請求項９〜１１の１つに記載の方法。

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