JP2007057343A - 荷重測定装置付転がり軸受ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 転がり軸受ユニットに作用するアキシアル荷重Ｆｙが０若しくは十分に小さい場合でも、転動体列を構成する複数個の転動体３、３が公転運動する際に、検出すべき周波数成分を含む振動を安定して発生させられる構造を実現する。
【解決手段】 上記各転動体３、３を円周方向に関して不等間隔に配置する。この様な構成を採用する事により、上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

この発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、例えば車両（自動車）の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持すると共に、この車輪に加わる荷重の大きさを測定して、車両の安定運行の確保に利用する。或は、各種工作機械の主軸を支持する為の転がり軸受ユニットに組み込んで、この主軸に加わる荷重を測定し、工具の送り速度等を適切に調節する為に利用する。

例えば、車両の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する為に、転がり軸受ユニットを使用する。又、車両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）、エレクトロニックスタビリティーコントロール装置（ＥＳＣ）等の車両の走行状態安定化装置が広く使用されている。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。

この様な問題に対応する為には、懸架装置に対して車輪を支持する為の転がり軸受ユニットに、この車輪に加わる荷重を測定する為の荷重測定装置を組み込む事が考えられる。この様な場合に使用可能な荷重測定装置付車輪支持用転がり軸受ユニットとして従来から、例えば特許文献１〜４に記載されたものが知られている。ところが、これら特許文献１〜４に記載された荷重測定装置付車輪支持用転がり軸受ユニットの場合には、コストが嵩んだり、或は耐久性や荷重の測定精度を十分に確保するのが難しいと言った不都合がある。

この様な不都合を解消できる構造として、特願２００５−１４７６４２号には、荷重の作用方向に配置された１対のセンサの出力信号の位相差に基づき、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開示されている。図４〜１１は、上記出願に開示された先発明のうちの２例の構造を示している。これら各先発明に係る構造は、何れも、図４、８に示す様に、懸架装置に支持された状態で回転しない静止側軌道輪である外輪１の内径側に、車輪を支持固定（結合固定）して回転する回転側軌道輪であるハブ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。そして、このハブ２の中間部にエンコーダ４、４ａを外嵌固定すると共に、上記外輪１の軸方向中間部で複列に配置された上記各転動体３、３の間部分にセンサ５、５ａを、それぞれの検出部を、被検出面である上記エンコーダ４、４ａの外周面に近接対向させた状態で、それぞれ１対ずつ設けている。尚、上記センサ５、５ａ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む事が適切である。

図４〜６に示した、先発明の第１例の構造の場合、上記エンコーダ４として、永久磁石製のものを使用している。被検出面である、このエンコーダ４の外周面には、Ｎ極に着磁した部分とＳ極に着磁した部分とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置している。これらＮ極に着磁された部分とＳ極に着磁された部分との境界は、上記エンコーダ４の軸方向に対し同じ角度だけ傾斜させると共に、この軸方向に対する傾斜方向を、このエンコーダ４の軸方向中間部を境に互いに逆方向としている。従って、上記Ｎ極に着磁された部分とＳ極に着磁された部分とは、軸方向中間部が円周方向に関して最も突出した（又は凹んだ）、「く」字形となっている。

又、上記両センサ５、５の検出部が上記エンコーダ４の外周面に対向する位置は、このエンコーダ４の円周方向に関して同じ位置としている。言い換えれば、上記両センサ５、５の検出部は、上記外輪１の中心軸を含む仮想平面上に配置されている。又、この外輪１と上記ハブ２との間にアキシアル荷重が作用しない状態で、上記Ｎ極に着磁された部分とＳ極に着磁された部分との軸方向中間部で円周方向に関して最も突出した部分（境界の傾斜方向が変化する部分）が、上記両センサ５、５の検出部同士の間の丁度中央位置に存在する様に、各部材４、５、５の設置位置を規制している。この様に、上記境界の傾斜方向が変化する部分を上記中央位置に存在させる事で、内外輪の温度差や熱膨張等の変形による誤差（変位が生じていなくても内外輪の温度差によって位相差が生じる、所謂オフセット）を小さく抑えられる様にしている。尚、先発明の第１例の場合には、上記エンコーダ４として永久磁石製のものを使用しているので、上記両センサ５、５側に永久磁石を組み込む必要はない。

上述の様に構成する先発明の第１例の場合、上記外輪１とハブ２との間にアキシアル荷重が作用すると、上記両センサ５、５の出力信号が変化する位相がずれる。即ち、上記外輪１とハブ２との間にアキシアル荷重が作用しておらず、上記外輪１と上記ハブ２とが相対変位していない、中立状態では、上記両センサ５、５の検出部は、図７の（Ａ）の実線イ、イ上、即ち、上記最も突出した部分から軸方向に同じだけずれた部分に対向する。従って、上記両センサ５、５の出力信号の位相は、同図の（Ｃ）に示す様に一致する。

これに対して、上記エンコーダ４を固定したハブ２に、図７の（Ａ）で下向きのアキシアル荷重が作用し｛外輪１とハブ２とがアキシアル方向（軸方向）に相対変位し｝た場合には、上記両センサ５、５の検出部は、図７の（Ａ）の破線ロ、ロ上、即ち、上記最も突出した部分からの軸方向に関するずれが互いに異なる部分に対向する。この状態では上記両センサ５、５の出力信号の位相は、同図の（Ｂ）に示す様にずれる。更に、上記エンコーダ４を固定したハブ２に、図７の（Ａ）で上向きのアキシアル荷重が作用した場合には、上記両センサ５、５の検出部は、図７の（Ａ）の鎖線ハ、ハ上、即ち、上記最も突出した部分からの軸方向に関するずれが、逆方向に互いに異なる部分に対向する。この状態では上記両センサ５、５の出力信号の位相は、同図の（Ｄ）に示す様にずれる。

上述の様に先発明の第１例の場合には、上記両センサ５、５の出力信号の位相が、上記外輪１とハブ２との間に加わるアキシアル荷重の方向に応じた方向にずれる。又、このアキシアル荷重により上記両センサ５、５の出力信号の位相がずれる程度（変位量）は、このアキシアル荷重が大きくなる程大きくなる。従って、上記第１例の場合には、上記両センサ５、５の出力信号の位相ずれの有無、ずれが存在する場合にはその方向及び大きさに基づいて、上記外輪１とハブ２との間に作用しているアキシアル荷重の方向及び大きさを求められる。

次に、図８〜１１に示した、先発明の第２例の構造の場合には、ハブ２の中間部に、磁性金属板製のエンコーダ４ａを外嵌固定している。被検出面である、このエンコーダ４ａの外周面には、スリット状の透孔６ａ、６ｂと柱部７ａ、７ｂとを、円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置している。これら各透孔６ａ、６ｂと各柱部７ａ、７ｂとは、上記エンコーダ４ａの軸方向に対し同じ角度だけ傾斜させると共に、この軸方向に対する傾斜方向を、このエンコーダ４ａの軸方向中間部を境に互いに逆方向としている。即ち、このエンコーダ４ａは、軸方向片半部に、上記軸方向に対し所定方向に同じだけ傾斜した透孔６ａ、６ａを形成すると共に、軸方向他半部に、この所定方向と逆方向に同じ角度だけ傾斜した透孔６ｂ、６ｂを形成している。

一方、外輪１の軸方向中間部で複列に配置された転動体５、５同士の間部分に、前記１対のセンサ５ａ、５ａを設置し、これら両センサ５ａ、５ａの検出部を、上記エンコーダ４ａの外周面に近接対向させている。これら両センサ５ａ、５ａの検出部がこのエンコーダ４ａの外周面に対向する位置は、このエンコーダ４ａの円周方向に関して同じ位置としている。又、上記外輪１とハブ２との間にアキシアル荷重が作用しない状態で、上記各透孔６ａ、６ｂ同士の間に位置し、全周に連続するリム部８が、上記両センサ５ａ、５ａの検出部同士の間の丁度中央位置に存在する様に、各部材４ａ、５ａ、５ａの設置位置を規制している。尚、先発明の第２例の場合には、上記エンコーダ４ａが単なる磁性材製である為、上記両センサ５ａ、５ａの側に永久磁石を組み込む必要がある。

上述の様に構成する先発明の第２例の場合、上記外輪１とハブ２との間にアキシアル荷重が作用（し外輪１とハブ２とがアキシアル方向に相対変位）すると、前述した先発明の第１例の場合と同様に、上記両センサ５ａ、５ａの出力信号が変化する位相がずれる。即ち、上記外輪１とハブ２との間にアキシアル荷重が作用していない状態では、上記両センサ５ａ、５ａの検出部は、図１１の（Ａ）の実線イ、イ上、即ち、上記リム部８から軸方向に同じだけずれた部分に対向する。従って、上記両センサ５ａ、５ａの出力信号の位相は、同図の（Ｃ）に示す様に一致する。

これに対して、上記エンコーダ４ａを固定したハブ２に、図１１の（Ａ）で下向きのアキシアル荷重が作用した場合には、上記両センサ５ａ、５ａの検出部は、図１１の（Ａ）の破線ロ、ロ上、即ち、上記リム部８からの軸方向に関するずれが互いに異なる部分に対向する。この状態では上記両センサ５ａ、５ａの出力信号の位相は、同図の（Ｂ）に示す様にずれる。更に、上記エンコーダ４ａを固定したハブ２に、図１１の（Ａ）で上向きのアキシアル荷重が作用した場合には、上記両センサ５ａ、５ａの検出部は、図１１の（Ａ）の鎖線ハ、ハ上、即ち、上記リム部８からの軸方向に関するずれが、逆方向に互いに異なる部分に対向する。この状態では上記両センサ５ａ、５ａの出力信号の位相は、同図の（Ｄ）に示す様にずれる。

上述の様に先発明の第２例の場合も、前述の先発明の第１例の場合と同様に、上記両センサ５ａ、５ａの出力信号の位相が、上記外輪１とハブ２との間に加わるアキシアル荷重の方向に応じた方向にずれる。又、このアキシアル荷重により上記両センサ５ａ、５ａの出力信号の位相がずれる程度は、このアキシアル荷重が大きくなる程大きくなる。従って第２例の場合も、上記両センサ５ａ、５ａの出力信号の位相ずれの有無、ずれが存在する場合にはその方向及び大きさに基づいて、上記外輪１とハブ２との間に作用しているアキシアル荷重の方向及び大きさを求められる。

次に、図１２〜１３に示した先発明の第３例の場合には、単一のセンサ５ｂにより外輪１ａとハブ２ａとの間に加わるアキシアル方向の変位を求める構造を示している。本例の場合には、重量の嵩む自動車の駆動輪を支持する為の車輪支持用転がり軸受ユニットを対象としている為に、転動体３ａ、３ａとして円すいころを使用している。又、回転側軌道輪であるハブ２ａの中心部に、等速ジョイントに付属のスプライン軸を挿通する為のスプライン孔９を形成している。そして、上記ハブ２ａの軸方向中間部に、磁性金属材製で円環状のエンコーダ４ｂを外嵌固定している。このエンコーダ４ｂの外周面には、凹部１０、１０と凸部１１、１１とを、円周方向に関して交互に配置している。これら各凹部１０、１０と凸部１１、１１とは、径方向から見た形状を台形として、それぞれの円周方向に関する幅寸法を、軸方向に関して漸次変化させている。

一方、静止側軌道輪である上記外輪１ａの中間部に形成した取付孔１２に、磁気検知式の上記センサ５ｂを挿通し、このセンサ５ｂの先端部に設けた検出部を、被検出面である、上記エンコーダ４ｂの外周面に近接対向させている。上記センサ５ｂの検出信号は、上記検出部の近傍を上記各凹部１０、１０と上記各凸部１１、１１とが交互に通過する事に伴って変化する。そして、付属の波形整形回路により矩形波とされてから、図示しない演算器に送り出される。この様に、波形整形回路から演算器に送り出される、上記センサ５ｂの検出信号の変化のパターン（検出信号のデューティ比＝高電位継続時間／１周期）は、上記検出部が対向する、上記エンコーダ４ｂの外周面の軸方向位置によって変化する。そこで、上記変化のパターンに基づいて、上記外輪１ａと上記ハブ２ａとのアキシアル方向の相対変位、延いてはこれら外輪１ａとハブ２ａとの間に作用するアキシアル荷重を求められる。

次に、図１４は、先発明の第４例として、単一のセンサにより外輪１、１ａとハブ２、２ａと（図４、８、１２、１５参照）の間のラジアル方向の変位を求める為の構造を示している。この構造に組み込むエンコーダ４ｃは、磁性金属板により円輪状に形成されたもので、それぞれが径方向外側程円周方向に関する幅が大きくなる、台形の透孔６ｃ、６ｃを、円周方向に関して等間隔に形成している。この様なエンコーダ４ｃの軸方向片側面にはセンサの検出部を、近接対向させる。この様なエンコーダ４ｃを含んで構成する、先発明の第４例の場合、ラジアル荷重に基づいて外輪１、１ａとハブ２、２ａとが径方向に相対変位すると、上記センサの検出信号のデューティ比（高電位継続時間／１周期）が変化する。そこで、このデューティ比に基づいて、上記相対変位の大きさ、更には上記外輪１、１ａとハブ２、２ａとの間に加わるラジアル荷重の大きさを求められる。

ところで、上述の様にして各方向の変位、更には荷重を求める、複列転がり軸受ユニットには、所定の予圧を付与している。この様な予圧の付与は、車輪等の回転部材の支持剛性を高め、この回転部材の回転精度を向上させる為に必要である。又、予圧が付与されていない（正の内部隙間を有する）と、上記変位と上記荷重との間に明確な相関関係が成立しなくなる為、測定した変位から荷重を求める事ができなくなる。従って、この点からも、上記複列転がり軸受ユニットには、所定の予圧を付与しておく事が重要となる。

この為、先に述べた図４、８、１２に示した構造は、何れも、ハブ２、２ａとして、ハブ本体１３、１３ａと内輪１４、１４ａとを結合固定したものを使用して、各転動体３、３ａに背面組み合わせ形の接触角と共に予圧を付与する様にしている。即ち、上記ハブ本体１３、１３ａの小径段部１５、１５ａに外嵌した上記内輪１４、１４ａを、このハブ本体１３に螺合したナット１６、或いは駆動輪用の複列転がり軸受ユニットと組み合わされる等速ジョイントのスプライン軸の先端部に螺合するナット（図示省略）の緊締に基づき、上記小径段部１５、１５ａの端部に存在する段差面１７、１７ａに向け抑え付けている。そして、上記ナット１６の締め付けトルクを規制する事により、上記ハブ２の外周面に設けられた複列の内輪軌道同士の間隔が、上記外輪１の内周面に設けられた複列の外輪軌道同士の間隔との関係で適正値になる様にして、上記各転動体３、３ａに所望の（適正値の）予圧を付与する様にしている。尚、上記内輪１４、１４ａを上記ハブ本体１３、１３ａに固定する為に、ナットに代えて、このハブ本体１３、１３ａの端部を径方向外方に塑性変形して成る、かしめ部により行なう構造もある。又、外側の内輪軌道をハブ２、２ａと別体の内輪に形成する構造等もある。

この様にして上記各転動体３、３ａに付与した予圧が、各複列転がり軸受ユニット同士の間で同じであり、しかも、付与された予圧が適正値のままであれば、特に問題を生じる事はない。ところが、この予圧は、各複列転がり軸受ユニット毎に微妙に異なる事が避けられないし、一度付与した予圧にしても、長期間に亙る使用に伴って変化する（低下する）場合がある。この様な場合には、各複列転がり軸受ユニットの変位と荷重との関係が、予め用意しておいた（マップ或は関係式等の型式で荷重測定装置を構成する演算器に記憶させておいた）変位と荷重との関係からずれる。そして、このずれの程度によっては、上記複列転がり軸受ユニットに加わる荷重を、例えば自動車の走行安定性確保の為に必要とする精度で求められなくなる可能性がある。

この様な事情に鑑みて特願２００５−１１８０８０号には、複列転がり軸受ユニットに付与されている予圧を求め、この求めた予圧に基づいて、変位と荷重との関係である零点及びゲイン特性を補正する発明が記載されている。そこで、次に、この特願２００５−１１８０８０号に記載された発明（先発明の第５例）に就いて、図１５〜１８を参照しつつ説明する。尚、このうちの図１５に示した構造は、上記出願に文章としてのみ記載されているものである。又、この先発明の第５例の特徴は、個々の転がり軸受ユニット毎に転動体３、３に付与されている予圧が異なったり、或いは、長期間に亙る使用に伴って、この予圧が変化した場合でも、この予圧の値を把握し、上記転がり軸受ユニットに加わる荷重を正確に求められる構造を実現すべく、転がり軸受ユニットに関する組み付け誤差の影響或は経年変化を排除する点にある。静止側軌道輪である外輪１と回転側軌道輪であるハブ２との間のアキシアル方向の変位を推定し、この変位に基づいてこれら外輪１とハブ２との間に加わるアキシアル荷重を求める事に関する、基本的な構成及び作用に就いては、前述の図８〜１１で示した、先発明の第２例の場合と同様である。就いては、同等部分に関する説明は省略若しくは簡略にし、以下、先発明の第５例の特徴である、上記組み付け誤差或は経年変化の影響を排除する点、及び、上記先発明の第２例の構造と異なる点に就いて説明する。

この先発明の第５例の場合、上記ハブ２の中間部外周面に、磁性板製のエンコーダ４ｄを外嵌固定している。このエンコーダ４ｄの軸方向中間部には、それぞれが「く」字形の多数の透孔１８、１８を、円周方向に関して互いに等間隔に形成して、上記エンコーダ４ｄの軸方向中間部の磁気特性を、円周方向に関して等間隔に変化させている。この様なエンコーダ４ｄの構成に就いては、軸方向中間部にリム部８（図９〜１１参照）が存在しない点以外、上記先発明の第２例と同様である。

一方、上記外輪２の軸方向中間部に取付孔１２ａを、この外輪１の内外両周面同士を連通させる状態で形成している。そして、この取付孔１２ａ内に、２個のセンサ１９ａ、１９ｂを組み込んだセンサユニット２０を、径方向外方から内方に挿通している。これら両センサ１９ａ、１９ｂの検出部は、上記エンコーダ４ｄの外周面（被検出面）に近接対向している。そして、これら両センサ１９ａ、１９ｂの検出信号の位相差により、上記外輪１と上記ハブ２との間のアキシアル方向に関する変位を求め、この変位を、これら外輪１とハブ２との間に作用しているアキシアル荷重を求める為に利用する。この点に就いては、上記先発明の第２例の構造と同様であるから、重複する説明は省略する。

又、この先発明の第５例の場合には、上記センサ１９ａ（又は１９ｂ）の検出信号に基づいて、上記ハブ２の回転速度ｎ_i を求める。即ち、上記センサ１９ａ（又は１９ｂ）の検出信号の周波数は、上記ハブ２の回転速度ｎ_i に比例し、同じく周期はこの回転速度ｎ_i に反比例する。従って、上記センサ１９ａ（又は１９ｂ）の検出信号に基づいて、上記ハブ２の回転速度ｎ_i を求められる。更に、この先発明の第５例の場合には、上記両センサ１９ａ、１９ｂの検出信号の位相差比（位相差／１周期）を表す信号を、各転動体３、３の公転速度ｎ_c を求める為に利用する。具体的には、上記位相差比を表す信号から、上記各転動体３、３の公転運動に伴う振動のｚｆ_c （各列を構成する転動体３、３の数ｚと、各列を構成する転動体３、３の公転周波数ｆ_c との積）なる周波数成分を抽出する事により、これら各転動体３、３の公転速度ｎ_c を求める。この場合に、上記ｚｆ_c なる周波数成分は、次の様にして、上記位相差比を表す信号から抽出する。即ち、求めるべき上記公転速度ｎ_c の概略値は、上記ハブ２の回転速度ｎ_i が分かれば、上記各転動体３、３の初期接触角αから、後述する（１）式を使って求められる。又、上記転動体３、３の数ｚは既知であるので、上記公転運動に伴う振動のｚｆ_c なる周波数成分の概略値を求められる。そこで、上記位相差比を表す信号を、このｚｆ_c なる周波数成分の概略値近辺の周波数を通過させるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）により処理する事で、このｚｆ_c なる周波数成分を抽出する（このｚｆ_c 周波数成分に関する正確な値を求める）。尚、この公転運動に伴う振動のｚｆ_c なる周波数成分は、上記位相差比を表す信号から抽出する他、上記外輪１の振動を検出する振動センサの検出信号からを抽出する事もできる。

又、この先発明の第５例の場合、インナー列（車両の幅方向中央側の転動体列）とアウター列（車両の幅方向外側の転動体列）との区別を容易にする為に、両列のｚｆ_c なる周波数成分を互いに異ならせている。この為に、具体的には、上記両列同士の間で、接触角、上記各転動体３、３の直径、これら各転動体３、３のピッチ円（各転動体３、３の中心を通る円）直径、これら転動体３、３の数等のうちから選択される１乃至複数の要素を、上記両列同士の間で互い異ならせている（異ならせた状態は、図示せず）。

又、この先発明の第５例の場合、上述の様にして求めた、両列の転動体３、３の公転速度ｎ_ca、ｎ_cbと、上記ハブ２の回転速度ｎ_i とから、上記各転動体３、３の予圧Ｆ₀ を求める。即ち、上記各転動体３、３の接触角αはこの予圧Ｆ₀ に応じて変化し（予圧Ｆ₀ が大きくなる程、接触角αが大きくなり）、この接触角αの変化に伴って上記公転速度ｎ_ca、ｎ_cbが変化するので、この公転速度ｎ_ca、ｎ_cbから、上記予圧Ｆ₀ を求められる。尚、上記両列の転動体３、３には、互いに同じ予圧Ｆ₀ が付与された状態となるので、この予圧Ｆ₀ を求める為には、必ずしも両列の転動体３、３の公転速度ｎ_ca、ｎ_cbを求める必要はない。そこで、何れかの列の転動体３、３の公転速度ｎ_c と上記ハブ２の回転速度ｎ_i とから上記予圧Ｆ₀ を求める方法に就いて説明する。

上記公転速度ｎ_c は、一般的に、次の（１）式で表される。
ｎ_c ＝｛１−（ｄ・cos α）／Ｄ｝・（ｎ_i ／２）＋｛１＋（ｄ・cos α）／Ｄ｝・（ｎ_o ／２） −−− （１）
この（１）式中、Ｄは上記各転動体３、３のピッチ円直径を、ｄはこれら各転動体３、３の直径を、ｎ_i はハブ２の回転速度を、ｎ_o は外輪１の回転速度を、それぞれ表している。図示の例の場合、上記ハブ２が回転し、上記外輪１は回転しない（ｎ_o ＝０である）ので、上記公転速度ｎ_c は、次の（２）式で表される。
ｎ_c ＝｛１−（ｄ・cos α）／Ｄ｝・（ｎ_i ／２） −−− （２）
この（２）式中、上記各転動体３、３のピッチ円直径Ｄ、同じく直径ｄは既知（軸受諸元）であり、個々の転がり軸受ユニット毎に殆ど変わらないし、長期間に亙る使用によって変化する値でもない。

従って、上記公転速度ｎ_c は、上記各転動体３、３の接触角αと、上記ハブ２の回転速度ｎ_i とによって決まる。又、この接触角αは、各方向の荷重によって変化するが、アキシアル荷重が負荷されていない状況下であれば、ほぼ上記予圧Ｆ₀ によって決まる。図１６は、予圧Ｆ₀ を４９００Ｎ（５００kgf ）〜７８４０Ｎ（８００kgf ）の間で９８０Ｎ（１００kgf ）刻みで変化させた場合に於ける、アキシアル荷重Ｆｙと、上記各転動体３、３の公転速度ｎ_c と上記ハブ２の回転速度ｎ_i との比（ｎ_c ／ｎ_i ）との関係を示している。この様な図１６から明らかな通り、上記各転動体３、３の公転速度ｎ_c （とハブ２の回転速度ｎ_i との比）は、上記予圧Ｆ₀ により変化する。

尚、上記図１６の横軸に表したアキシアル荷重Ｆｙは、自動車の幅方向中央側（内側、インナー側）に向いたアキシアル荷重Ｆｙの値を正（＋）としている。この点を考慮して上記図１６を見ればから明らかな通り、アキシアル荷重Ｆｙを支承する側の転動体３、３の公転速度ｎ_c が、同じく支承しない側の転動体３、３の公転速度ｎ_c に比べて、上記アキシアル荷重Ｆｙの変化に対応して大きく変化する。これに対して、アキシアル荷重Ｆｙを支承しない側の転動体３、３の公転速度ｎ_c が、同じく支承する側の転動体３、３の公転速度ｎ_c に比べて、上記予圧Ｆ₀ の変化に対応して大きく変化する。自動車の車輪支持用転がり軸受ユニットの場合、自動車の幅方向中央側に向いて加わるアキシアル荷重Ｆｙの値が、同じく幅方向外側（アウター側）に向いて加わるアキシアル荷重Ｆｙの値よりも大きくなる。尚、このアキシアル荷重Ｆｙを支承しない側の転動体３、３に就いても、予圧Ｆ₀ が残っている事が前提である。

但し、上記接触角αは、上記外輪１と上記ハブ２との間に加わるラジアル荷重によっても変化する。図１７は、上下方向のラジアル荷重Ｆｚを変化させた場合に於ける、アキシアル荷重Ｆｙと、上記各転動体３、３の公転速度ｎ_c と上記ハブ２の回転速度ｎ_i との比（ｎ_c ／ｎ_i ）との関係を示している。この様な図１７から明らかな通り、上記ラジアル荷重Ｆｚが変化した場合にも上記各転動体３、３の接触角αが変化し、その結果、これら各転動体３、３の公転速度ｎ_c が変化する。但し、アキシアル荷重Ｆｙが負荷されていない状態では、上記ラジアル荷重Ｆｚの変化に伴う上記公転速度ｎ_c の変化は非常に小さい。従って、上記アキシアル荷重Ｆｙが０若しくは十分に小さい状態（例えば、車両の直進走行状態）を判断し、その状態での上記公転速度ｎ_c を求めてから、上記予圧Ｆ₀ を推定すれば、この予圧Ｆ₀ に関して、精度の良い推定値を得られる。尚、車両の走行状態が直進状態であるか否かは、車両に搭載されている舵角センサ、加速度センサ、ヨーレートセンサ等の情報に基づいて判断できる。

何れにしても、アキシアル荷重Ｆｙが０若しくは十分に小さい状態が分かれば、上述の図１６から明らかな通り、予圧Ｆ₀ を求められる。即ち、この図１６の横軸でアキシアル荷重Ｆｙが０の状態での公転速度比｛（各転動体３、３の公転速度ｎ_c ）／（ハブ２の回転速度ｎ_i ）｝から、上記予圧Ｆ₀ を求める事ができる。尚、上記図１６の特性は、予め実験或いは計算により求めておき、制御器中にマップ等として記憶させておく。

尚、上記予圧Ｆ₀ は、アキシアル荷重Ｆｙが０若しくは十分に小さい状態で求めるのに限らず、アキシアル荷重が或る程度大きい状態で求める事も可能である。但し、この場合には、図１６から明らかな通り、アキシアル荷重Ｆｙを負荷していない側（プラス荷重の場合にはインナー側、マイナス荷重の場合にはアウター側）の列の転動体３、３の公転速度ｎ_ca、ｎ_cbから上記予圧Ｆ₀ を求める事が、この予圧Ｆ₀ の精度を確保する面から好ましい。

図１８は、以上に述べた様な先発明の第５例を実施する場合に使用する処理回路の１例を示している。この図１８に示した処理回路では、先ず、１対のセンサＡ、Ｂの検出信号に基づいて、外輪１とハブ２との相対変位（位相差／１周期＝位相差比）を測定する。そして、この位相差比を表す信号に基づいて、これら外輪１とハブ２との間に作用する荷重を求めると共に、この位相差比を表す信号をＢＰＦにより処理して、公転周波数ｚｆ_c （又はｆ_c ）を抽出し、各転動体３、３の公転速度ｎ_c を求める。又、何れかのセンサＡ（又はＢ）の出力信号から、上記ハブ２の回転速度ｎ_i を求める。そして、上記公転速度ｎ_c とこのハブ２の回転速度ｎ_i との比「ｎ_c ／ｎ_i 」を算出し、上記各転動体３、３に付与されている予圧Ｆ₀ を求める。この様にして求めた予圧Ｆ₀ の値は、上記荷重を算出する為の演算器に設けたメモリに格納すると共に、予圧補正判定回路で、初期の予圧、又は、以前に推定した予圧等と比較して補正を行なうかどうかの判定を行なう。そして、予圧Ｆ₀ の変動が大きいと判定した場合には、新たに求めた予圧Ｆ₀ から求めた零点及びゲイン特性を用いて、荷重変換部で、上記位相差比から上記荷重を求める計算を行なわせる。この様に構成する事により、予圧Ｆ₀ の経年変化にも対応可能で、この経年変化に拘らず上記荷重を精度良く求められる、荷重測定装置付転がり軸受ユニットを実現できる。
尚、上述した先発明の第５例では、求めた予圧Ｆ₀ に基づいて変位と荷重との関係を補正する機能を、前述した先発明の第２例とほぼ同様の構造に付加したが、当該機能は、例えば前述した先発明の第１、３、４例の構造に付加する事もできる。

ところで、上述した様な先発明の第５例を実施する場合には、前述した様に、転がり軸受ユニットに負荷されているアキシアル荷重Ｆｙが０若しくは十分に小さい状態で、各転動体３、３の公転速度ｎ_c を求めてから、予圧Ｆ₀ を推定するのが、この推定精度を良好にできる為、好ましい。ところが、上述した様な先発明の第５例を構成する転がり軸受ユニットを含む、一般的な転がり軸受ユニットの場合、各列を構成する転動体３、３は、例えば図１９（転動体３、３の数ｚが８個の場合）や図２０（同じく９個の場合）に示す様に、円周方向に関して等間隔に配置している。この様な一般的な転がり軸受ユニットの場合、上記アキシアル荷重Ｆｙが０若しくは十分に小さい状態では、上記各転動体３、３の公転運動に伴う振動のｚｆ_c なる周波数成分が発生しにくい。この為、このｚｆ_c なる周波数成分から上記公転速度ｎ_c を安定して求められなくなる可能性があり、結果として、上記予圧Ｆ₀ の推定を安定して行なえなくなる可能性がある。

特開平３−２０９０１６号公報 特開２００４−３９１８号公報 特公昭６２−３３６５号公報 特開２００１−２１５７７号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑み、転がり軸受ユニットに負荷されているアキシアル荷重Ｆｙが０若しくは十分に小さい状態でも、転動体の公転運動に伴う振動の所定の周波数成分を安定して発生させる事ができる構造を実現すべく発明したものである。

本発明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と荷重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、使用状態で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、使用状態で回転する回転側軌道輪と、これら各回転側軌道と上記各静止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、上記荷重測定装置は、上記回転側軌道輪と共に回転する部分（例えば、回転側軌道輪自体、或はディスクロータ、等速ジョイントの如く、この回転側軌道輪に結合固定される部材の一部）にこの回転する部分と同心に設けられ、被検出面の特性を円周方向に関して交互に変化させると共に、特性変化のパターンを、測定すべき変位の方向に対応して漸次変化させている被検出部と、検出部を上記被検出面に対向させた状態で回転しない部分に支持され、この被検出面の特性変化に対応した波形の信号（例えば矩形波信号）を出力するセンサ装置と、このセンサ装置の出力信号を入力される演算器とを備える。
そして、この演算器は、上記出力信号が変化するパターンに基づいて上記変位を求める第一の機能と、この第一の機能により求めた変位から上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間に加わる荷重（アキシアル荷重、ラジアル荷重、モーメントのうちの少なくとも１種類）を求める第二の機能と、上記各転動体の公転運動に伴う振動の所定の周波数成分から求められる、これら各転動体の公転速度に基づいて、これら各転動体に付与されている予圧を推定する第三の機能と、この第三の機能により推定した予圧に基づいて、上記第二の機能で変位から荷重を求める際に使用する、これら変位と荷重との関係に関する零点及びゲイン特性を補正する、第四の機能とを有する。
更に、それぞれが上記各静止側軌道輪と上記各回転側軌道輪との間に設けられた複数の転動体列のうちの少なくとも１つの転動体列を構成する複数個の転動体を、円周方向に関して不等間隔に配置している。

上述の様に構成する本発明の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、前述した先発明の第５例の場合と同様に、演算器の第一の機能により静止側軌道輪と回転側軌道輪との相対変位を求める。次いで、第二の機能により、これら両軌道輪同士の間に加わる荷重を求める。次いで、第三の機能により、各転動体の公転運動に伴う振動の所定の周波数成分から求められる、これら各転動体の公転速度に基づいて、これら各転動体に付与されている予圧を推定する。次いで、第四の機能により、上記第三の機能により推定した予圧に基づいて、上記第二の機能で変位から荷重を求める際に使用する、これら変位と荷重との関係に関する零点及びゲイン特性を補正する。

特に、本発明の荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合には、少なくとも１つの転動体列を構成する複数個の転動体を、円周方向に関して不等間隔に配置している。この結果、転がり軸受ユニットに負荷されているアキシアル荷重Ｆｙが０若しくは十分に小さい状態でも、上記各転動体の公転運動に伴う振動の所定の周波数成分が発生し易くなる。即ち、この所定の周波数成分を安定して発生させる事ができる。従って、本発明の場合には、この所定の周波数成分から上記各転動体の公転速度を安定して求められる為、上記予圧の推定を安定して行なえる。
尚、本発明を実施する場合には、上記各転動体の円周方向に関する具体的な配置の仕方等を規制する事により、上記所定の周波数成分の発生量を必要最小限の範囲に抑えられる様にする。即ち、発生した所定の周波数成分により、軸受ユニットの耐久性低下等の不具合が発生しない様にする。

本発明を実施する場合に、好ましくは、少なくとも１つの転動体列を構成する複数個の転動体３、３を保持する保持器２２に設けた、複数のポケット２３、２３（図１５参照）を、円周方向に関して不等間隔に配置する事に基づき、上記各転動体３、３を円周方向に関して不等間隔に配置する構成を実現する。
この様な構成を採用すれば、上記各転動体３、３を円周方向に関して不等間隔に（所望通りの間隔で）配置する事が容易になる。即ち、この様な構成を採用すれば、上記各転動体３、３を上記各ポケット２３、２３内に保持する事により、これら各転動体３、３を円周方向に関して、正しく、不等間隔に配置できる。

又、本発明を実施する場合には、例えば請求項３に記載した様に、複数個の転動体３、３（図１５参照）を円周方向に関して不等間隔に配置すべき転動体列を構成する転動体３、３の数ｚを、２以上の正の整数であるｍの倍数とする。且つ、これら各転動体３、３を、それぞれが円周方向に関して連続して配置されるｍ個の転動体から成る、ｚ／ｍ個のグループに分ける。これと共に、円周方向に隣り合うこれら各グループ同士の間隔を、これら各グループ内で円周方向に関して互いに隣り合う各転動体同士の間隔よりも大きくする。
具体的には、例えば図１に示す様に、対象となる転動体列を構成する転動体３、３の数ｚを、ｍ＝２の倍数である８個とする。そして、これら各転動体３、３を、それぞれが円周方向に関して連続する２個の転動体３、３から成る、４つのグループＧ₁ 〜Ｇ₄ に分ける。そして、これら各グループＧ₁ 〜Ｇ₄ 内で円周方向に関して互いに隣り合う２個の転動体３、３同士の間隔（中心角ピッチ）を３５度とし、且つ、円周方向に隣り合う上記各グループＧ₁ 〜Ｇ₄ 同士の間隔（中心角ピッチ）を、それぞれ５５度（＞３５度）とする。
更に、別の例を挙げれば、図２〜３に示す様に、対象となる転動体列を構成する転動体３、３の数ｚを、ｍ＝３の倍数である９個とする。そして、これら各転動体３、３を、それぞれが円周方向に関して連続する３個の転動体３、３から成る、３つのグループＧ₁ 〜Ｇ₃ に分ける。そして、図２に示す様に、これら各グループＧ₁ 〜Ｇ₃ 内で円周方向に関して互いに隣り合う各転動体３、３同士の間隔（中心角ピッチ）を、それぞれ３０度とし、且つ、円周方向に隣り合う上記各グループＧ₁ 〜Ｇ₃ 同士の間隔（中心角ピッチ）を、それぞれ６０度（＞３０度）とする。或は、図３に示す様に、上記各グループＧ₁ 〜Ｇ₃ 内で円周方向に関して互いに隣り合う各転動体３、３同士の間隔（中心角ピッチ）を、それぞれ時計回りの順番で３０度、４０度とし、且つ、円周方向に隣り合う上記各グループＧ₁ 〜Ｇ₃ 同士の間隔（中心角ピッチ）を、それぞれ５０度（＞３０度、４０度）とする。

何れにしても、上述した様な請求項３の構成を採用すれば、円環状の転動体設置部の円周方向１個所に存在する負荷圏を、上記各転動体３、３が円周方向に関して密に配置された部分と疎に配置された部分とが、交互に通過する様になる。この結果、上記転動体設置部で、所定の周波数成分を含む振動が発生し易くなる。この際に発生する振動の周波数成分は、「ｚ・ｆ_c ／ｍ」（ｆ_c ：公転周波数。図１の例では「ｚ・ｆ_c ／２」、図２〜３の例では「ｚ・ｆ_c ／３」）が基本となり、その整数倍である「ｎ・ｚ・ｆ_c ／ｍ」（ｎ：正の整数）の周波数成分も発生する。

そこで、上記請求項３に記載した構成を採用する場合には、請求項４に記載した様に、センサ装置の出力信号又は転がり軸受ユニットに装着した振動センサの出力信号に含まれる、「ｎ・ｚ・ｆ_c ／ｍ」の周波数成分を抽出し、この周波数成分に基づいて上記各転動体３、３の公転速度（ｚ・ｆ_c 又はｆ_c ）を求める。
尚、本発明を実施する場合、対象となる転動体列を構成する複数個の転動体３、３を円周方向に関してランダムに配置しても、振動は発生し易くなり、この振動に基づいて公転速度を求められるが、より安定して公転速度を求められる様にする為には、上述した様な請求項３の構成を採用するのが好ましい。

又、本発明を実施する場合、転動体の公転速度は、各転動体列毎に異なる場合がある為、測定した特定の周波数成分が何れの転動体列で発生したものであるかを識別できる様にする事が要求される。
そこで、この様な要求に応えられる様にすべく、本発明を実施する場合に、好ましくは、請求項５に記載した様に、複数個の転動体を円周方向に関して不等間隔に配置する転動体列を、複数の転動体列のうちの１つの転動体列のみとする。
この様な構成を採用すれば、安定して測定される特定の周波数成分が、当該１つの転動体列で発生したものであると識別できる。

或は、やはり上述した様な要求に応えられる様にすべく、本発明を実施する場合に、好ましくは、請求項６に記載した様に、複数個の転動体を円周方向に関して不等間隔に配置する転動体列の数を、２以上とし、これら２以上の転動体列同士で、上記各転動体を円周方向に関して不等間隔に配置するパターンを互いに異ならせる。例えば、対象となる転動体列を２列とし、これら各列を構成する転動体の数ｚがそれぞれ８個である場合には、例えば、一方の列として、それぞれが円周方向に連続する２個の転動体から成る、合計４つのグループを、円周方向に関して比較的大きな間隔をあけて配置する構成を採用すると共に、他方の列として、それぞれが円周方向に連続する４個の転動体から成る、合計２つのグループを、円周方向に関して比較的大きな間隔をあけて配置する構成を採用する。
この様な構成を採用すれば、対象となる転動体列毎に、発生する特定の周波数成分が互いに異なる（上述した例では、一方の列に関して「ｎ・ｚ・ｆ_c ／２」となり、他方の列に関して「ｎ・ｚ・ｆ_c ／４」となる）為、測定した特定の周波数成分が、何れの列で発生したものであるかと言う事を識別できる。

又、上記請求項５〜６に記載した発明を実施する場合に、より好ましくは、請求項７に記載した様に、例えば各列同士の間で、接触角、転動体の直径、転動体のピッチ円直径等のうちから選択される１乃至複数の要素を互い異ならせる事により、上記各列毎に転動体の基本公転速度（外部から荷重が加わらない、中立状態での公転速度）を、互いに異ならせる。
この様な構成を採用すれば、測定した特定の周波数成分が何れの列で発生したものであるかと言う事を、より確実に識別できる。
尚、上述した請求項５〜７に記載された発明を実施する場合に、好ましくは、各列で発生する周波数成分「ｚ・ｆ_c ／ｍ」が整数次数と重ならない様に設計する。設計上、重なってしまった場合の対応策としては、測定信号をＬＭＳフィルタにより処理した後に、ｚ・ｆ_c を検出する事が考えられる。

尚、以上の実施例では、予圧を検出した上で零点及びゲインを補正する、第四の機能を果たす場合に就いて説明したが、検出した予圧から軸受の状態や寿命等を判定する事もできる。この場合に、第四の機能を省略する事もできる。

本発明を実施する場合に採用できる、転動体列を構成する複数個の転動体の円周方向に関する配置の仕方の第１例を示す図。 同第２例を示す図。 同第３例を示す図。 先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第１例を示す断面図。 この第１例に組み込むエンコーダの斜視図。 同じく展開図。 アキシアル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図。 先発明の第２例を示す断面図。 この第２例に組み込むエンコーダの斜視図。 同じく展開図。 アキシアル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図。 先発明の第３例を示す断面図。 この構造に組み込むエンコーダを取り出して示す部分斜視図。 先発明の第４例に組み込むエンコーダを軸方向から見た側面図。 同第５例を示す断面図。 予圧とアキシアル荷重とが転動体の公転速度に及ぼす影響を示す線図。 ラジアル荷重とアキシアル荷重とが転動体の公転速度に及ぼす影響を示す線図。 先発明の第５例を実施する場合に使用する処理回路の１例を示すブロック図。 転動体列を構成する８個の転動体を円周方向に関して等間隔に配置した状態を示す図。 同じく９個の転動体を円周方向に関して等間隔に配置した状態を示す図。

符号の説明

１、１ａ 外輪
２、２ａ ハブ
３、３ａ 転動体
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ エンコーダ
５、５ａ、５ｂ センサ
６ａ、６ｂ、６ｃ 透孔
７ａ、７ｂ 柱部
８ リム部
９ スプライン孔
１０ 凹部
１１ 凸部
１２、１２ａ 取付孔
１３、１３ａ ハブ本体
１４、１４ａ 内輪
１５、１５ａ 小径段部
１６ ナット
１７、１７ａ 段差面
１８ 透孔
１９ａ、１９ｂ センサ
２０ センサユニット
２１ ホルダ
２２ 保持器
２３ ポケット

Claims (7)

1. 転がり軸受ユニットと荷重測定装置とを備え、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、使用状態で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、使用状態で回転する回転側軌道輪と、これら各回転側軌道と上記各静止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、上記荷重測定装置は、上記回転側軌道輪と共に回転する部分にこの回転する部分と同心に設けられ、被検出面の特性を円周方向に関して交互に変化させると共に、特性変化のパターンを、測定すべき変位の方向に対応して漸次変化させている被検出部と、検出部を上記被検出面に対向させた状態で回転しない部分に支持され、この被検出面の特性変化に対応した波形の信号を出力するセンサ装置と、このセンサ装置の出力信号を入力される演算器とを備え、この演算器は、上記出力信号が変化するパターンに基づいて上記変位を求める第一の機能と、この第一の機能により求めた変位から上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間に加わる荷重を求める第二の機能と、上記各転動体の公転運動に伴う振動の所定の周波数成分から求められる、これら各転動体の公転速度に基づいて、これら各転動体に付与されている予圧を推定する第三の機能と、この第三の機能により推定した予圧に基づいて、上記第二の機能で変位から荷重を求める際に使用する、これら変位と荷重との関係に関する零点及びゲイン特性を補正する、第四の機能とを有するものであり、更に、それぞれが上記各静止側軌道輪と上記各回転側軌道輪との間に設けられた複数の転動体列のうちの少なくとも１つの転動体列を構成する複数個の転動体を、円周方向に関して不等間隔に配置している荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
2. 少なくとも１つの転動体列を構成する複数個の転動体を保持する保持器に設けた、複数のポケットを、円周方向に関して不等間隔に配置する事に基づき、上記各転動体を円周方向に関して不等間隔に配置する構成を実現する、請求項１に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
3. 複数個の転動体を円周方向に関して不等間隔に配置すべき転動体列を構成する転動体の数ｚを、２以上の正の整数であるｍの倍数とし、且つ、これら各転動体を、それぞれが円周方向に関して連続して配置されるｍ個の転動体から成る、ｚ／ｍ個のグループに分けると共に、円周方向に隣り合うこれら各グループ同士の間隔を、これら各グループ内で円周方向に関して互いに隣り合う各転動体同士の間隔よりも大きくしている、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
4. ｎを正の整数とし、円周方向に関して不等間隔に配置した各転動体の公転周波数をｆ_c とした場合に、センサ装置の出力信号又は転がり軸受ユニットに装着した振動センサの出力信号に含まれる、ｎ・ｚ・ｆ_c ／ｍの周波数成分を抽出し、この周波数成分に基づいて上記各転動体の公転速度を求める、請求項３に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
5. 複数個の転動体を円周方向に関して不等間隔に配置する転動体列を、複数の転動体列のうちの１つの転動体列のみとする、請求項１〜４のうちの何れか１項に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
6. 複数個の転動体を円周方向に関して不等間隔に配置する転動体列の数を、２以上とし、これら２以上の転動体列同士で、上記各転動体を円周方向に関して不等間隔に配置するパターンを互いに異ならせている、請求項１〜４のうちの何れか１項に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
7. 複数の転動体列毎に転動体の基本公転速度を異ならせている、請求項５〜６のうちの何れか１項に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。

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