JP2007292571A - 転がり軸受ユニットの荷重測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１対のセンサ５、５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との間に作用する荷重を算出する荷重測定装置に関し、構成部品や配線等に欠陥が生じた事に伴い、上記各センサ５、５の出力信号に異常が発生した事を検知できる構造を実現する。
【解決手段】図示しない異常監視器により、上記両センサ５、５の出力信号の周波数若しくは周期の差、又は、これら各周波数若しくは周期からそれぞれ求められる上記ハブ２の回転速度の差が、予め設定した閾値を越えた場合に、上記各センサ５、５の出力信号に異常ありと判定する。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

この発明の対象となる転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、複数個の転動体を介して相対回転自在に組み合わされた静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に加わる荷重を求める為に利用する。更に、この求めた荷重を、自動車等の車両の走行安定性確保を図る為に利用する。特に、本発明は、構成部品である複数個のセンサの出力信号に異常が発生した事を検知可能とする技術に関する。

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、例えば非特許文献１に記載されている様な、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（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。

この様な事情に鑑みて、特許文献１には、複列アンギュラ型の玉軸受ユニットである転がり軸受ユニットを構成する１対の列の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が記載されている。又、特許文献２〜４には、この様な転がり軸受ユニットの荷重測定装置を対象として、構成部品や配線等に欠陥が生じる事に伴い、複数個のセンサの出力信号に異常が発生した場合に、この異常を検知可能とする発明が記載されている。この異常を検知する為に具体的には、公転速度検出用センサの出力信号から算出される回転側軌道輪の回転速度を表す信号と、回転速度検出用センサから送り出される回転側軌道輪の回転速度を表す信号とを比較し（特許文献２）、或は公転速度検出用センサから送り出される玉の公転速度を表す信号と、回転速度検出用センサの出力信号から算出される玉の公転速度を表す信号とを比較し（特許文献３）、或は公転速度検出用センサから送り出される玉の公転速度を表す信号を、異なる車輪毎に設けられた転がり軸受ユニットの荷重測定装置同士で比較する（特許文献４）。そして、比較の結果、各回転速度同士又は各公転速度同士の間に閾値を越える差が生じている場合に、何れかのセンサの出力信号に異常ありと判定する。又、これら特許文献１〜４に記載された発明の場合には、上記各列の玉の公転速度を、これら各玉を保持した保持器の回転速度として測定する。但し、この保持器に設けたポケットの内面と上記各玉の転動面との間には、これら各玉の転動を可能にする為の隙間（ポケット隙間）が存在する為、上記各列の玉の公転速度と上記保持器の回転速度との間には微妙なずれを生じる場合がある。そして、ずれが生じた場合には、上記荷重の測定精度が、このずれの分だけ悪化する。

この様な原因での荷重の測定精度の悪化を防止できる構造として、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１〜４は、上記出願に開示された、本発明の対象となる先発明の構造の第１例を示している。この先発明の構造の第１例は、図１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、回転側軌道輪であって車輪を支持固定するハブ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。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１対のセンサ５、５（５ａ、５ａ）を、それぞれの検出部を、特性変化部（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設けている。尚、上記センサ５、５（５ａ、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んでいる。

図２〜３に示した構造の場合、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。尚、上記被検出面のうち、軸方向の何れか一方の半部が第一の特性変化部に相当し、他方の半部が第二の特性変化部に相当する。

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の中心軸を含む同一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。尚、図２〜３に示した構造の場合には、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、これら外輪１とハブ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３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、上記エンコーダ４を固定したハブ２に、図３の（Ａ）で下向きのアキシアル荷重が作用｛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３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３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３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。

この様に、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と上記ハブ２との間に加わるアキシアル荷重（これら外輪１とハブ２とのアキシアル方向の相対変位）の向きに応じた向きにずれる。又、このアキシアル荷重（相対変位）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は、このアキシアル荷重（相対変位）が大きくなる程大きくなる。従って、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向き及び大きさに基づいて、上記外輪１とハブ２とのアキシアル方向の相対変位の向き及び大きさ、並びに、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の向き及び大きさを、それぞれ図示しない演算器により求める事ができる。尚、上記両センサ５、５の出力信号の位相差に基づいて上記アキシアル方向の相対変位及び荷重を算出する処理は、図示しない演算器により行なう。この為、この演算器には、予め理論計算や実験により調べておいた上記位相差と上記アキシアル方向の相対変位及び荷重との関係を、計算式やマップ等の形式で組み込んでおく。

又、上記先発明の第１例の場合、ハブ２の中間部に外嵌固定するエンコーダ４ａとして、図４に示す様な磁性金属板製のものを使用する事もできる。この磁性金属板製のエンコーダ４ａの場合には、被検出面である外周面に、Ｓ極、Ｎ極の代わりに、スリット状の透孔６ａ、６ｂと柱部７ａ、７ｂとを設けている。この様な磁性金属板製のエンコーダ４ａを使用する場合には、被検出面の軸方向両半部（第一、第二の特性変化部）に対向させる１対のセンサ５ａ、５ａ側に、永久磁石を組み込む。尚、この図４に示した磁性金属板製のエンコーダ４ａの場合には、被検出面の軸方向中間部に全周に亙るリム部８を設けて、上記各透孔６ａ、６ｂを「ハ」字形としている。但し、後述する図１１に示す磁性金属板製のエンコーダ４ｄの様に、被検出面である外周面に形成する透孔６ｃ、６ｃを「へ」字形とする場合でも、同様の効果を得られる。

次に、図５は、本発明の対象となる先発明の構造の第２例を示している。この先発明の構造の第２例の場合、ハブ２（図１参照）の一部に同心に支持固定したエンコーダ４ｂは、前述の図２に示した円筒状のエンコーダ４を、円輪状にした如き構成を有する。そして、この円輪状のエンコーダ４ｂの軸方向側面に設けた被検出面の径方向内半部（第一の特性変化部）と径方向外半部（第二の特性変化部）とに、外輪１（図１参照）等の静止部材に支持した１対のセンサ５、５の検出部を、径方向にずらせた状態で対向させている。この様な先発明の第３例の構造によれば、上述した先発明の第１例の場合と同様の原理で、上記両センサ５、５の出力信号同士の間に存在する位相差に基づいて、上記外輪１と上記ハブ２とのラジアル方向（径方向）の相対変位量、並びに、これら外輪１とハブ２との間に作用するラジアル荷重を求められる。

又、特願２００５−２５６７５２号には、図６〜７に示す様な構造で、外輪１とハブ２との間に加わるアキシアル荷重を、これら外輪１の中心軸とハブ２の中心軸との傾きから求める発明が記載されている。本発明の対象となる、この先発明の構造の第３例の場合、磁性金属板製のエンコーダ４ｃの先半部に設けた円筒状部９にスリット状の透孔６ｄ、６ｄを、円周方向に関して等間隔に形成している。これら各透孔６ｄ、６ｄは、それぞれが上記円筒状部９の軸方向に対し傾斜した、直線状である。又、上記外輪１の内端部に嵌合固定した、有底円筒状のカバー１０の内周面の上下２個所位置に、１対のセンサ５ａ、５ａを支持している。そして、これら両センサ５ａ、５ａの検出部を、被検出面である、上記円筒状部９の外周面の上下２個所位置（円周方向の位相が互いに１８０度異なる部分）に近接対向させている。

自動車の車輪支持用転がり軸受ユニットの場合、上記外輪１と上記ハブ２との間に加わるアキシアル荷重は、このハブ２に結合固定した車輪１１を構成するタイヤ１２の外周面と路面１３との接地面から入力される。この接地面は、上記外輪１及び上記ハブ２の回転中心よりも径方向外方に存在する為、上記アキシアル荷重はこれら外輪１とハブ２との間に、純アキシアル荷重としてではなく、これら外輪１及びハブ２の中心軸と上記接地面の中心とを含む（鉛直方向の）仮想平面内での、モーメントを伴って加わる。この様なモーメントが上記外輪１と上記ハブ２との間に加わると、このハブ２の中心軸がこの外輪１の中心軸に対して傾く。これに伴い、上記エンコーダ４ｃの上端部が軸方向に関して何れかの方向に、同じく下端部がこれと逆方向に、それぞれ変位する。この結果、上記エンコーダ４ｃの外周面の上下両端部にそれぞれの検出部を近接対向させた、上記両センサ５ａ、５ａの出力信号の位相が、それぞれ中立位置に対して、逆方向にずれる。

又、この結果生じた、上記両センサ５ａ、５ａの出力信号同士の間の位相差と、上記外輪１の中心軸と上記ハブ２の中心軸との傾斜角度との間には、上記被検出面の形状・寸法等の幾何学的要因によって定まる、所定の関係（第一の関係）がある。従って、上記両センサ５ａ、５ａの出力信号を処理する図示しない演算器中のメモリに、上記第一の関係を表した式或いはマップを記憶させておけば、上記位相差に基づいて上記傾斜角度を求められる。又、この傾斜角度と、上記モーメントとの間には、車輪支持用転がり軸受ユニットのモーメント剛性等により定まる、一定の関係（第二の関係）がある。そして、この第二の関係は、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、実験によっても求められる。従って、上記演算器中のメモリに、上記第二の関係を表した式或いはマップを記憶させておけば、上記傾斜角度に基づいて上記モーメントを求められる。更に、このモーメントと、上記接地面から入力されるアキシアル荷重との間には、上記タイヤ１２の回転半径等の幾何学的要因によって定まる、一定の関係（第三の関係）がある。従って、上記演算器中のメモリに、この第三の関係を表した式或いはマップを記憶させておけば、上記モーメントに基づいて上記アキシアル荷重を求められる。

又、特願２００５−１２５０２９号には、図８〜９に示す様に、磁性金属板製のエンコーダ４ａの外周面に、３個又は４個のセンサ５ａ₁ 〜５ａ₄ の検出部をラジアル方向に対向させる構造が開示されている。詳しい説明は省略するが、本発明の対象となる、この先発明の構造の第４例によれば、外輪１とハブ２（図１、６参照）との相対変位により生じる、上記３個又は４個のセンサ５ａ₁ 〜５ａ₄ の出力信号同士の間の位相差に基づいて、アキシアル方向の変位及び荷重だけでなく、ラジアル方向の変位及び荷重も求められる。

更に、特願２００６−０５１６０５号には、図１０〜１１に示す様に、磁性金属板製のエンコーダ４ｄの外周面に、６個のセンサ５ａ₁ 〜５ａ₆ の検出部をラジアル方向に対向させる構造が開示されている。ここでも詳しい説明は省略するが、本発明の対象となる、この先発明の第５例の構造によれば、外輪１とハブ２との相対変位により生じる、上記６個のセンサ５ａ₁ 〜５ａ₆ の出力信号同士の間の位相差に基づいて、アキシアル方向（ｙ方向）の変位及び荷重、並びに、ラジアル方向（ｘ方向、ｚ方向等）の変位及び荷重だけでなく、傾斜角度（φ_x 、φ_z 等）及びモーメント（Ｍ_x 、Ｍ_z 等）も求められる。

次に、図１２は、本発明に関連する、参考発明を示している。この参考発明に係る構造の場合、自動車の動力伝達機構に組み込まれる、プロペラシャフトやドライブシャフト等の回転部材である回転軸１４の両端部に、それぞれ磁性金属製のエンコーダ４ｅ、４ｅを外嵌固定している。被検出面である、これら各エンコーダ４ｅ、４ｅの外周面には、凹部と凸部とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置している。又、これら凹部と凸部との境界はそれぞれ、上記回転軸１４に対し平行であり、且つ、これら凹部と凸部とを円周方向に関して交互に配置するピッチは、上記各エンコーダ４ｅ、４ｅ同士で互いに等しい。又、これら各エンコーダ４ｅ、４ｅの外周面にそれぞれ、センサ５ａ、５ａの検出部を近接対向させている。又、この状態で、これら両センサ５ａ、５ａを、それぞれ静止部材であるフレームやケーシング等（図示せず）の一部に支持固定している。

この様な参考発明に係る構造の場合、上記回転軸１４に伝達すべきトルク（外力）が加わると、この回転軸１４が自身の中心軸を中心として捩れる（弾性変形する）。この結果、上記両センサ５ａ、５ａの出力信号同士の間に位相差が生じる。この様にして生じた位相差と、上記回転軸１４の捩り角度及びこの回転軸１４に加わるトルクとの間には、一定の関係がある。従って、上記両センサ５ａ、５ａの出力信号を処理する図示しない演算器中のメモリに、上記所定の関係を表した式或いはマップを記憶させておけば、上記位相差に基づいて上記捩り角度及びトルクを求められる。そして、この様にして求めた捩り角度やトルクを、安全走行を実現する為の車両制御に利用できる。

ところで、上述の図１〜１１に示した先発明の第１〜５例に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置の構成部品や配線等に欠陥が生じる事に伴い、各センサ５、５ａ、５ａ₁ 〜５ａ₆ の出力信号に異常が発生した場合には、所期の性能を発揮できない。即ち、この様に各センサ５、５ａ、５ａ₁ 〜５ａ₆ の出力信号に異常が発生した場合には、演算器が算出する荷重が不正確になる。そして、この不正確な荷重を車両制御に利用すると、この車両制御が適切に行なわれず、車両の走行状態が却って不安定になる可能性がある。この様な事態を回避する為には、上記各センサ５、５ａ、５ａ₁ 〜５ａ₆ の出力信号に異常が発生した事を検知できる様にする必要がある。即ち、この様な検知を行なう事ができれば、上記演算器が算出した荷重（少なくとも異常が発生したセンサの出力信号を利用して算出される荷重）に基づく車両制御を停止する、フェイルセーフが可能となる。

一方、荷重測定装置を構成する複数個のセンサの出力信号に異常が発生した事を検知する方法としては、前述の特許文献２〜４に記載された方法があるが、これらの方法は、特許文献１〜４に記載された様な、玉の公転速度検出用センサを備えた荷重測定装置を対象とするものであり、この様な玉の公転速度検出用センサを備えていない、上述した先発明の第１〜５例に係る荷重測定装置を対象として実施する事はできない。そこで、これらの方法に代わる別の方法として、例えば、車両制御を実行する制御器（車両コントローラ）により、操舵角、車速、ヨーレイト、横Ｇ等の情報から上記荷重を推定（計算）し、更にこの様に推定した荷重と上記演算器が算出した荷重とを比較し、両者の差が予め設定した閾値を越えた場合に、上記演算器で算出した荷重が不正確である（上記各センサ５、５ａ、５ａ₁ 〜５ａ₆ の出力信号に異常が発生している）と判定する方法を実施する事が考えられる。ところが、この様な方法を実施すると、上記制御器の負担が大きくなる為、荷重測定装置自身に異常を検知させる構造を実現する事が望まれる。

特開２００５−３１０６３号公報 特開２００５−１４７７６３号公報 特開２００５−１４７７７６号公報 特開２００５−２４９７２６号公報 青山元男著、「レッドバッジスーパー図解シリーズ／クルマの最新メカがわかる本」、ｐ．１３８−１３９、ｐ．１４６−１４９、株式会社三推社／株式会社講談社、平成１３年１２月２０日

本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、上述の様な事情に鑑みて、この荷重測定装置を構成する複数個のセンサの出力信号に異常が発生した事を、この荷重測定装置自身に検知させる構造を実現すべく発明したものである。

本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、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、上記静止側軌道と上記回転側軌道との間に転動自在に設けられた複数個の転動体とを備える。
又、上記荷重測定装置は、エンコーダと、複数個のセンサと、演算器と、異常監視器とを備える。
このうちのエンコーダは、上記回転側軌道輪の一部に直接又は他の部材を介して支持固定されると共に、上記回転側軌道輪と同心の被検出面を有する。そして、この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、この被検出面の特性が円周方向に関して変化する位相を、少なくともこの被検出面の幅方向一部分で、この幅方向に応じて連続的に変化させている。
又、上記各センサはそれぞれ、検出部を上記被検出面のうち互いに異なる部分に対向させた状態で、使用時にも回転及び変位しない部分に支持され、上記被検出面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間に作用する荷重を算出する機能を有する。
又、上記異常監視器は、上記各センサの出力信号の周波数若しくは周期の差、又は、これら各センサの出力信号の周波数若しくは周期からそれぞれ求められる上記回転側軌道輪の回転速度の差を監視する。そして、この差が予め設定した閾値を越えた場合に、何れかのセンサの出力信号に異常ありと判定する機能を有する。この場合に、例えばセンサの数が２個である場合には、何れのセンサが異常であるかの判定は行なえないので、両センサの出力信号を、制御に利用しない。これに対して、センサが３個以上である場合、１個のセンサの出力信号が他の２個以上のセンサの出力信号に対し大きくずれた場合には、当該１個のセンサが異常であると考えられる。そこで、当該１個のセンサの出力信号の利用を停止する。
尚、本発明を実施する場合に、上記異常監視器は、上記演算器と一体化する（この演算器にこの異常監視器の機能を持たせる）事もできる。

上述の様な請求項１に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項２に記載した様に（例えば前述の図１〜４に示した先発明の第１例の構造や、前述の図５に示した先発明の第２例の構造や、前述の図８〜９に示した先発明の第４例の構造の様に）、エンコーダとして、被検出面のうちこの被検出面の幅方向に関して互いに異なる２個所位置に第一、第二の特性変化部を有し、これら両特性変化部の特性を円周方向に関して交互に且つ互いに同じピッチで変化させると共に、少なくとも一方の特性変化部の特性変化の位相を上記幅方向に関し、他方の特性変化部と異なる状態で漸次変化させたものを使用する事ができる。この場合には、少なくとも２個のセンサの検出部を、上記第一、第二の両特性変化部のうち円周方向に関する位相が互いに等しい部分に対向させる。

又は、例えば請求項３に記載した様に（例えば前述の図６〜７に示した先発明の構造の第３例の様に）、エンコーダとして、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、円周方向に隣り合う特性の境界をそれぞれ、この被検出面の幅方向片側に向かう程円周方向片側に向かう方向に傾斜させたものを使用する事ができる。この場合には、少なくとも２個のセンサの検出部を、上記被検出面うち円周方向に関する位相が互いに１８０度異なる部分に対向させる。

又、上述の請求項１〜３に記載した発明を実施する場合に好ましくは、請求項４に記載した様に、転がり軸受ユニットを、自動車の車輪支持用ハブユニットとする。そして、使用状態で静止側軌道輪を自動車の懸架装置に支持し、回転側軌道輪であるハブに車輪を結合固定する。

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によれば、複数個のセンサのうちの何れかのセンサの出力信号に異常が発生した場合に、これを検知できる。この点に就いて、前述した先発明の第１〜５例の構造を示す、図１〜１１を参照しつつ、以下に説明する。
本発明の場合、複数個のセンサ（５、５ａ、５ａ₁ 〜５ａ₆ ）の出力信号はそれぞれ、回転側軌道輪（ハブ２）及びエンコーダ（４、４ａ〜４ｄ）の回転速度に比例した周波数を有する。この為、転がり軸受ユニットの荷重測定装置の構成部品や配線等に欠陥が生じていない、正常な状態では、特段の事情がない限り、静止側軌道輪（外輪１）と回転側軌道輪との間に作用する荷重の変化に伴って、上記各センサの出力信号同士の間に、位相差が生じる事はあっても、周波数若しくは周期の差（又はこれら周波数若しくは周期からそれぞれ求められる上記回転速度の差）が生じる事はない。但し、上述した正常な状態でも、特段の事情として、上記エンコーダの被検出面のうち、上記各センサの検出部を対向させる互いに異なる部分同士の間に、誤差によるピッチ差（ピッチ誤差）が生じている場合には、その分だけ、僅かではあるが、上記各センサの出力信号同士の間に、周波数若しくは周期の差（又はこれら周波数若しくは周期からそれぞれ求められる上記回転速度の差）が生じる。

言い換えれば、上記各センサの出力信号同士の間に、周波数若しくは周期の差（又はこれら周波数若しくは周期からそれぞれ求められる上記回転速度の差）が生じている場合には、転がり軸受ユニットの荷重測定装置の構成部品や配線等に欠陥が生じる事に伴い、少なくとも１つのセンサの出力信号に異常が発生しているか、或は上記ピッチ誤差が生じている事になる。従って、本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の様に、異常監視器によって、上記各センサの出力信号の周波数若しくは周期の差（又はこれら各センサの出力信号の周波数若しくは周期からそれぞれ求められる上記回転速度の差）を監視し、この差が予め設定した閾値（上記ピッチ誤差によっては生じない程度の大きな値）を越えた場合に、何れかのセンサの出力信号に異常ありと判定すれば、この異常を検知できる。

従って、本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置を使用すれば、上述の様に異常を検知した場合に、上記演算器が算出した荷重（前述の図８〜９に示した先発明の第４例の構造や、前述の図１０〜１１に示した先発明の第５例の構造の様に、センサを３個以上設けて、複数方向の荷重を測定可能とする構造の場合には、少なくとも異常が発生したセンサの出力信号を利用して算出される方向の荷重）に基づく車両制御を停止する、フェイルセーフが可能となる。尚、この場合に、上記３個以上のセンサのうちの、何れのセンサの出力信号に異常が発生したかと言う事は、例えばこれら各センサの出力信号の周波数又は周期を互いに比較する等に基づいて、容易に知る事ができる。何れにしても、上述の様なフェイルセーフを実施する場合には、上述の様に異常を検知した荷重測定装置から、車両制御を実行する制御器（車両コントローラ）に対し、ＣＡＮ等の車両ネットワーク媒体や無線装置等を利用して、上記フェイルセーフを実施するのに必要となる情報（信号）を送信する。例えば、荷重測定装置から上記制御器に向け、上記演算器が算出した荷重をアナログ信号で送信している場合には、この荷重（少なくとも異常が発生したセンサの出力信号を利用して算出すべき荷重）がゼロである事に相当するアナログ信号を送信する。これにより、当該荷重に基づく車両制御が行われない様にする。この様にすれば、上記各センサの出力信号に異常が発生した瞬間に、上記制御器によって突発的な（誤った）車両制御が行われる事を防止できる。

尚、前述の図１〜１１に示した先発明の第１〜５例の構造の場合、回転側軌道輪の極低速回転時乃至停止時には、上記各センサの出力信号同士の間の位相差を正確に検出できない為、上記荷重を正確に算出できない。従って、この様な場合には、荷重測定装置から上記制御器に誤った算出結果が送信されない様にすべく、この荷重測定装置を構成する演算器の出力（上記荷重に関する出力）を停止するのが好ましい。又、この様な理由（或は故障等の他の理由）で上記演算器の出力が停止した場合には、荷重測定装置から上記制御器に向け、単に荷重信号を送信しないか、或は上記演算器の出力停止状態を表す信号を送信する等により、上記荷重に基づく車両制御を実行させない様にするのが好ましい。特に、この場合、荷重測定装置から上記制御器に向け、上記荷重をアナログ信号で送信している場合には、この荷重がゼロである事に相当するアナログ信号を送信する事により、この荷重に基づく車両制御を実行させない様にするのが好ましい。この理由は、上記アナログ信号が電圧値である場合、上記演算器の出力停止は０Ｖと等価であり、仮にこの０Ｖの電圧値が高荷重に相当している場合には、この０Ｖの信号を受信した制御器が、上記演算器の出力停止と同時に突然、高荷重が作用したと誤認識し、突発的な（誤った）車両制御を実施する可能性がある為である。

又、本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置を使用すれば、上記各センサの出力信号の異常を検知した場合に、上述した様なフェイルセーフを行なえる他、例えば運転席のダッシュボードに設けた警告灯を点灯させる等、運転者に修理を促す為の警報を発する事もできる。

本発明は、前述の図１〜１１に示した先発明の第１〜５例の構造に限らず、特許請求の範囲に記載した要件を満たす、各種の構造に適用できる。この場合に、転がり軸受ユニットとしては、車輪支持用ハブユニットに限らず、産業機械や工作機械等の各種機械装置に組み込まれる転がり軸受ユニットを採用できる。

又、本発明が採用する異常検知構造は、前述の図１２に示した様な構造、即ち、
回転軸（１４）と、荷重測定装置とを備え、
このうちの荷重測定装置は、複数個のエンコーダ（４ｅ、４ｅ）及びセンサ（５ａ、５ａ）と、演算器とを備え、
上記各エンコーダはそれぞれ、上記回転軸のうち軸方向に関して互いに異なる部分（例えば両端部）に支持固定されると共に、この回転軸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互いに同じピッチで変化させており、
上記各センサはそれぞれ、検出部を上記各エンコーダのうち互いに異なるエンコーダの被検出面に対向させた状態で、使用時にも回転及び変位しない部分に支持され、当該被検出面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、上記回転軸の捩り角度と、この回転軸に作用するトルクとのうちの、少なくとも一方を算出する機能を有するものである、と言った構造にも適用できる。
即ち、この様な構造に、本発明が採用する異常検知構造を適用する場合には、上記荷重測定装置に、異常監視器を付加する。この異常監視器は、上記各センサの出力信号の周波数若しくは周期の差、又は、これら各センサの出力信号の周波数若しくは周期からそれぞれ求められる上記回転軸の回転速度の差を監視し、この差が予め設定した閾値を越えた場合に、何れかのセンサの出力信号に異常ありと判定する機能を有するものとする。或は、上記異常監視器を、上記演算器と一体化する（この演算器にこの異常監視器の機能を持たせる）事もできる。
尚、上記回転軸としては、例えば、自動車の駆動系に組み込まれるプロペラシャフトやドライブシャフト、若しくは産業機械や工作機械等の各種機械装置に組み込まれる回転軸を採用できる。

本発明の対象となる先発明の第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。 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。 上記先発明の第１例に組み込むエンコーダの別例を示す斜視図。 本発明の対象となる先発明の第２例に組み込むエンコーダ及びセンサを示す正面図。 同じく第３例を示す断面図。 この第３例を組み付ける、自動車の懸架装置と車輪とを示す略断面図。 本発明の対象となる先発明の第４例に組み込むエンコーダ及びセンサを示す斜視図。 同じくエンコーダ及びセンサの別例を斜視図。 本発明の対象となる先発明の第５例を示す断面図。 同じく模式図。 本発明に関連する参考発明を示す側面図。

符号の説明

１ 外輪
２ ハブ
３ 転動体
４、４ａ〜４ｅ エンコーダ
５、５ａ、５ａ₁ 〜５ａ₆ センサ
６ａ〜６ｃ 透孔
７ａ、７ｂ 柱部
８ リム部
９ 円筒状部
１０ カバー
１１ 車輪
１２ タイヤ
１３ 路面
１４ 回転軸

Claims (4)

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、上記静止側軌道と上記回転側軌道との間に転動自在に設けられた複数個の転動体とを備えたものであり、
   上記荷重測定装置は、エンコーダと、複数個のセンサと、演算器と、異常監視器とを備え、
   このうちのエンコーダは、上記回転側軌道輪の一部に直接又は他の部材を介して支持固定されると共に、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変化させると共に、この被検出面の特性が円周方向に関して変化する位相を、少なくともこの被検出面の幅方向一部分で、この幅方向に応じて連続的に変化させたものであり、
   上記各センサはそれぞれ、検出部を上記被検出面のうちの互いに異なる部分に対向させた状態で、使用時にも回転及び変位しない部分に支持され、上記被検出面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間に作用する荷重を算出する機能を有するものであり、
   上記異常監視器は、上記各センサの出力信号の周波数若しくは周期の差、又は、これら各センサの出力信号の周波数若しくは周期からそれぞれ求められる上記回転側軌道輪の回転速度の差を監視し、この差が予め設定した閾値を越えた場合に、何れかのセンサの出力信号に異常ありと判定する機能を有するものである、
   転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
2. エンコーダが、被検出面のうちこの被検出面の幅方向に関して互いに異なる２個所位置に第一、第二の特性変化部を有し、これら両特性変化部の特性を円周方向に関して交互に且つ互いに同じピッチで変化させると共に、少なくとも一方の特性変化部の特性変化の位相を上記幅方向に関し、他方の特性変化部と異なる状態で漸次変化させたものであり、
   少なくとも２個のセンサの検出部が、上記第一、第二の両特性変化部のうち円周方向に関する位相が互いに等しい部分に対向している、
   請求項１に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
3. エンコーダが、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、円周方向に隣り合う特性の境界をそれぞれ、この被検出面の幅方向片側に向かう程円周方向片側に向かう方向に傾斜させたものであり、
   少なくとも２個のセンサの検出部が、上記被検出面うち円周方向に関する位相が互いに１８０度異なる部分に対向している、
   請求項１に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
4. 転がり軸受ユニットが自動車の車輪支持用ハブユニットであり、使用状態で静止側軌道輪が自動車の懸架装置に支持され、回転側軌道輪であるハブに車輪が結合固定される、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。

Images