JP2008039155A - 状態量測定装置付転がり軸受ユニットとその組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数個のセンサ６ａ₁ 〜６ｃ₂ の出力信号同士の間の位相差比に基づいて、外輪１とハブ２との相対変位量を精度良く算出できる構造を実現する。
【解決手段】組み立て前（例えば工場からの出荷時）に、使用時とほぼ同じ条件を設定した状態で、上記各センサ６ａ₁ 〜６ｃ₂ の検出部とエンコーダ４の被検出面との相対変位量と、上記位相差比との関係を、実測により調べておく。そして、この実測した関係を、演算器にインストールする。そして、使用時に、このインストールした関係を利用して、上記位相差比に基づき、上記外輪１とハブ２との相対変位量を算出する。この様な構造を採用する事により、上記課題を解決する。
【選択図】図４

Description

本発明の状態量測定装置付転がり軸受ユニットとその組立方法の対象となる、状態量測定装置付転がり軸受ユニットは、この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相対変位量を測定する為に利用し、延いては、この相対変位量に基づいて、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間に作用している外力や、上記転がり軸受ユニットを構成する両列の転動体に付与されている予圧を求める為に利用する。尚、上記転がり軸受ユニットとしては、例えば、自動車の車輪を回転自在に支持する為の車輪支持用複列転がり軸受ユニット、マシニングセンタ等の各種工作機械の主軸等を回転自在に支持する為の複列転がり軸受ユニット、印刷機や圧延機等の各種産業機械のドラム等を回転自在に支持する為の複列転がり軸受ユニットが対象となり得る。

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を表す信号が必要になる。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外力（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、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１〜３は、この特許文献１に記載された構造ではないが、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、荷重測定装置付転がり軸受ユニットに関す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、使用時にも回転しない静止側軌道輪である外輪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、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。これら各転動体３、３には、互いに逆向きの（図示の場合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、上記転動体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。

又、上記ハブ２の内端部（軸方向に関して「内」とは、自動車への組み付け状態で車両の幅方向中央側を言い、図１、４、６、８の右側。反対に、自動車への組み付け状態で車両の幅方向外側となる図１、４、６、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。又、上記外輪１の内端開口を塞ぐ有底円筒状のカバー５の内側に、１対のセンサ６ａ₁ 、６ａ₂ を支持すると共に、これら両センサ６ａ₁ 、６ａ₂ の検出部を、上記エンコーダ４の被検出面である外周面に近接対向させている。

このうちのエンコーダ４は、磁性金属板製である。被検出面である、このエンコーダ４の外周面の先半部（軸方向内半部）には、透孔７、７（第一特性部）と柱部８、８（第二特性部）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。これら各透孔７、７と各柱部８、８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、上記エンコーダ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、上記各透孔７、７と上記各柱部８、８とは、軸方向中間部が円周方向に関して最も突出した「へ」字形（又は「く」字形）となっている。そして、上記境界の傾斜方向が互いに異なる、上記被検出面の軸方向外半部と軸方向内半部とのうち、軸方向外半部を第一の特性変化部９とし、軸方向内半部を第二の特性変化部１０としている。尚、これら両特性変化部９、１０を構成する各透孔は、図示の様に互いに連続した状態で形成しても良いし、互いに独立させて形成しても良い。又、検出精度は劣るが、上記両特性変化部９、１０のうちの何れか一方の特性変化部の境界のみを軸方向に対し傾斜させ、他方の特性変化部の境界を軸方向と平行にする事もできる。

又、上記１対のセンサ６ａ₁ 、６ａ₂ はそれぞれ、永久磁石と、検出部を構成するホールＩＣ、ホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子等の磁気検知素子とから成る。これら両センサ６ａ₁ 、６ａ₂ は、上記カバー５の内側に支持固定した状態で、一方のセンサ６ａ₁ の検出部を上記第一の特性変化部９に、他方のセンサ６ａ₂ の検出部を上記第二の特性変化部１０に、それぞれ近接対向させている。これら両センサ６ａ₁ 、６ａ₂ の検出部が上記両特性変化部９、１０に対向する位置は、上記エンコーダ４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７、７及び柱部８、８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６ａ₁ 、６ａ₂ の検出部同士の間の丁度中央位置に存在する様に、各部材の設置位置を規制している。

上述の様に構成する荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合、上記外輪１とハブ２との間にアキシアル荷重が作用（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、上記両センサ６ａ₁ 、６ａ₂ 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、中立状態では、上記両センサ６ａ₁ 、６ａ₂ 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６ａ₁ 、６ａ₂ 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３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６ａ₁ 、６ａ₂ 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６ａ₁ 、６ａ₂ 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６ａ₁ 、６ａ₂ 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６ａ₁ 、６ａ₂ 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、先発明の構造の第１例の場合には、上記両センサ６ａ₁ 、６ａ₂ 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作用方向に応じた向きにずれる。又、このアキシアル荷重により上記両センサ６ａ₁ 、６ａ₂ 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、上記両センサ６ａ₁ 、６ａ₂ 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との間に作用しているアキシアル荷重の向き及び大きさを求められる。尚、上記両センサ６ａ₁ 、６ａ₂ の出力信号の位相差に基づいて上記アキシアル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。

次に、図４〜７は、特願２００６−５１６０５号に開示された、先発明の構造の第２例を示している。上述した先発明の構造の第１例の場合には、それぞれの検出部をエンコーダ４の被検出面の第一、第二の両特性変化部９、１０に対向させた１対のセンサ６ａ₁ 、６ａ₂ から成るセンサ組を、１組だけ設けていた。これに対し、上記先発明の構造の第２例の場合には、上記センサ組を、３組設けている。具体的には、図６〜７に示す様に、エンコーダ４の円周方向に関して、θ＝０度の位置に、第一のセンサ組を構成する２個のセンサ６ａ₁ 、６ａ₂ を、θ＝１２０度の位置に、第二のセンサ組を構成する２個のセンサ６ｂ₁ 、６ｂ₂ を、θ＝２４０度の位置に、第三のセンサ組を構成する２個のセンサ６ｃ₁ 、６ｃ₂ を、それぞれ配置している。本例の場合も、外輪１とハブ２との間に外力が作用せず、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、同じセンサ組を構成する１対のセンサ６ａ₁ 、６ａ₂ ｛（６ｂ₁ 、６ｂ₂ ）、（６ｃ₁ 、６ｃ₂ ）｝の出力信号同士の間に存在する位相差は、それぞれ０となる。更に、本例の場合には、上記中立状態で、異なるセンサ組を構成する（異なる円周方向位置θに存在する）各センサ間の出力信号の位相差も、それぞれ０となる様に、上記両特性変化部９、１０の特性変化のピッチ（１周期の円周方向長さ）Ｐを規制している。

上述の様に構成する先発明の構造の第２例の場合、車輪を介して転がり軸受ユニットに外力が作用する事に伴い、上記外輪１（上記各センサ６ａ₁ 、６ａ₂ 、６ｂ₁ 、６ｂ₂ 、６ｃ₁ 、６ｃ₂ の検出部）と上記ハブ２（上記エンコーダ４の被検出面）との間の位置関係がずれると、これに応じて、上記各センサ６ａ₁ 、６ａ₂ 、６ｂ₁ 、６ｂ₂ 、６ｃ₁ 、６ｃ₂ の出力信号の位相が変化する。ここで、この位相の変化量（自己位相差）を、位相差比（自己位相差比＝自己位相差／１周期）で表す事にする。具体的には、軸方向外側（ｏｕｔ側）に存在する一方のセンサ６ａ₁ （６ｂ₁ 、６ｃ₁ ）に関する自己位相差比を、それぞれε_out （θ）（θ＝０度、１２０度、２４０度）で表し、軸方向内側（ｉｎ側）に存在する他方のセンサ６ａ₂ （６ｂ₂ 、６ｃ₂ ）に関する自己位相差比を、それぞれε_in（θ）（θ＝０度、１２０度、２４０度）で表す。又、図６に示す様に、前後方向軸をｘ軸とし、上記外輪１の中心軸（横方向軸）をｙ軸とし、上下方向軸をｚ軸とする、三次元直交座標系を考える。そして、上記外輪１に対する上記エンコーダ４の、ｘ軸方向の変位をｘとし、ｙ軸方向の変位をｙとし、ｚ軸方向の変位をｚとし、ｘ軸周りの傾きをφ_x とし、ｚ軸周りの傾きをφ_z とする。

この場合に、上記各自己位相差比ε_out （θ）、ε_in（θ）と、上記各変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z との間には、それぞれ次の（１）式及び（２）式の関係が成立する。

尚、これら（１）式及び（２）式の右辺中の各記号の意味は、以下の通りである。
Ｐ：上記第一、第二の各特性変化部９、１０の特性変化のピッチ（１周期の円周方向長さ）
α：上記第一、第二の各特性変化部９、１０に存在する特性境界の、軸方向に対する傾斜角度、本例の場合には、４５度
Ｒ：上記第一、第二の各特性変化部９、１０（被検出面）の半径
δ：上記各センサ組を構成する１対のセンサ６ａ₁ 、６ａ₂ ｛（６ｂ₁ 、６ｂ₂ ）、（６ｃ₁ 、６ｃ₂ ）｝の検出部の中心同士の、軸方向に関するの間隔（２δ）の１／２

従って、第一のセンサ組を構成する各センサ６ａ₁ 、６ａ₂ に関する自己位相差比ε_out （０）、ε_in（０）はそれぞれ、上記（１）式及び（２）式に、θ＝０度、α＝４５度を代入して、

となる。
又、第二のセンサ組を構成する各センサ６ｂ₁ 、６ｂ₂ に関する自己位相差比ε_out （１２０）、ε_in（１２０）はそれぞれ、上記（１）式及び（２）式に、θ＝１２０度、α＝４５度を代入して、

となる。
又、第三のセンサ組を構成する各センサ６ｃ₁ 、６ｃ₂ に関する自己位相差比ε_out （２４０）、ε_in（２４０）はそれぞれ、上記（１）式及び（２）式に、θ＝２４０度、α＝４５度を代入して、

となる。

従って、第一のセンサ組を構成する１対のセンサ６ａ₁ 、６ａ₂ の出力信号同士の間に存在する位相差（相互位相差）は、位相差比（相互位相差比＝相互位相差／１周期）で表すと、

となる。
又、第二のセンサ組を構成する１対のセンサ６ｂ₁ 、６ｂ₂ の出力信号同士の間に存在する位相差（相互位相差）は、相互位相差比で表すと、

となる。
又、第三のセンサ組を構成する１対のセンサ６ｃ₁ 、６ｃ₂ の出力信号同士の間に存在する位相差（相互位相差）は、相互位相差比で表すと、

となる。

更に、ここで、異なるセンサ組を構成する（異なる円周方向位置θに存在する）２つのセンサ間の位相差（相互位相差）を、２通り、それぞれ相互位相差比で表す。尚、ここで採用する２通りのセンサ間は、ｏｕｔ側のセンサ間同士、ｉｎ側のセンサ間同士、ｏｕｔ側とｉｎ側とのセンサ間のうち、何れのセンサ間でも良いが、ここでは、２通り共、ｏｕｔ側のセンサ間同士（センサ６ａ₁ 、６ｂ₁ 間、及び、センサ６ａ₁ 、６ｃ₁ 間）を採用した場合に就いて説明する。これら２通りのセンサ間の相互位相差比は、それぞれ以下の通りである。

以上の様に、本例の構造の場合には、５つの未知数（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）に対して５個の関係式｛（９）〜（１３）式｝を得られるから、上記５つの未知数（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）を、解析的に求める事ができる。即ち、上記５個の関係式｛（９）〜（１３）式｝を行列で表示すると、

となり、これを上記５つの未知数（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）に就いての式に書き換えると、

となる。この（１５）式の右辺中、Ｐ、Ｒ、δは、前記α（＝４５度）と同様、何れも本例の構造により決まる定数である。又、５つの相互位相差比「ε_in（０）−ε_out （０）」、「ε_in（１２０）−ε_out （１２０）」、「ε_in（２４０）−ε_out （２４０）」、「ε_out （１２０）−ε_out （０）」、「ε_out （２４０）−ε_out （０）」は、上記６個のセンサ６ａ₁ 、６ａ₂ 、６ｂ₁ 、６ｂ₂ 、６ｃ₁ 、６ｃ₂ の出力信号に基づいて求められる。従って、図示しない演算器に、上記各定数Ｐ、Ｒ、δ及び５つの相互位相差比に基づいて上記（１５）式の右辺を計算させれば、上記５つの未知数（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）を算出できる。

又、上記５方向変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）と、これらに対応する、前記外輪１とハブ２との間に作用する５方向外力（ｘ軸方向の荷重Ｆｘ、ｙ軸方向の荷重Ｆｙ、ｚ軸方向の荷重Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメントＭｘ、ｚ軸周りのモーメントＭｚ）との間には、対象となる転がり軸受ユニットの剛性等により定まる、所定の関係がある。そして、この所定の関係は、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、実験によっても求められる。従って、上記演算器のメモリに、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５方向変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）に基づいて上記５方向外力（荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｚ）を求められる。

次に、図８は、特願２００６−６５６７５号に開示された、先発明の構造の第３例を示している。前述の図１〜３に示した先発明の構造の第１例の場合には、それぞれの検出部をエンコーダ４の被検出面の第一、第二の両特性変化部９、１０に対向させた１対のセンサ６ａ₁ 、６ａ₂ から成るセンサ組を、１組だけ設けていた。これに対し、上記先発明の構造の第３例の場合には、上記センサ組を、２組設けている。これら両センサ組は、上記被検出面の直径方向反対側２個所位置に配置している。具体的には、この被検出面の下端部下方に第一のセンサ組を構成する１対のセンサ６ａ₁ 、６ａ₂ を、この被検出面の上端部上方に第二のセンサ組を構成する１対のセンサ６ｂ₁ 、６ｂ₂ を、それぞれ配置している。

上述の様に構成する先発明の構造の第３例の場合、図示の様なｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３次元直交座標系を考えると、上記第一のセンサ組を構成する１対のセンサ６ａ₁ 、６ａ₂ の出力信号同士の間の位相差比（位相差／１周期）δ_a と、上記第二のセンサ組を構成する１対のセンサ６ｂ₁ 、６ｂ₂ の出力信号同士の間の位相差比（位相差／１周期）δ_b との平均値｛（δ_a ＋δ_b ）／２｝と、外輪１に対する上記エンコーダ４のアキシアル方向変位ｙとの間には、所定の関係が成立する。この為、上記平均値｛（δ_a ＋δ_b ）／２｝に基づいて、上記アキシアル方向変位ｙを求める事ができる。又、上記両位相差比δ_a 、δ_b 同士の差「δ_a −δ_b 」と、上記外輪１の中心軸に対する上記エンコーダ４の中心軸のｘ軸周りの傾斜角度φ_x との間には、所定の関係が成立する。この為、上記差「δ_a −δ_b 」に基づいて、上記傾斜角度φ_x を求める事ができる。更に、上記アキシアル方向変位ｙと上記傾斜角度φ_x との比ｙ／φ_x と、転がり軸受ユニットを構成する複数個の転動体３、３に付与されている予圧との間には、所定の関係が成立する。この為、上記比ｙ／φ_x に基づいて、上記予圧を求める事ができる。本例の場合も、この予圧を求める為の一連の計算は、図示しない演算器により行なう。

上述した先発明の構造の第１〜３例は何れも、２個以上のセンサ（６ａ₁ 〜６ｃ₂ ）同士の間に存在する位相差（位相差比）を利用して、最終的に測定すべき所望の状態量を算出できる点で共通する。但し、前述した先発明の構造の第１例（図１〜３）と、上述した先発明の構造の第２例（図４〜７）及び第３例（図８）との間には、次の様な相違がある。即ち、前述した先発明の構造の第１例（図１〜３）の場合には、上記所望の状態量が、外輪１とハブ２との間に作用しているアキシアル荷重（単一方向荷重）である為、前記マップを使用する事により、この位相差（位相差比）から直接、上記アキシアル荷重を正確に算出できる。これに対し、上述した先発明の構造の第２例（図４〜７）及び第３例（図８）の場合には、上記所望の状態量が、外輪１とハブ２との間に作用している５方向外力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｚ（第２例）、或は複数の転動体３、３に付与されている予圧（第３例）である為、上記位相差（位相差比）から直接は、これら各所望の状態量を算出できない。即ち、これらの場合には、上記位相差（位相差比）から一旦、上記外輪１に対する上記エンコーダ４の変位｛５方向変位ｘ、ｙ、ｚ、φ_x 、φ_z （第２例）、或はアキシアル方向変位ｙ及び傾斜角度φ_x （第３例）｝を算出した後、これら各変位に基づいて、上記各所望の状態量を算出する必要がある。

ところが、上述した先発明の構造の第２例（図４〜７）の場合には、上記外輪１に対する上記エンコーダ４の５方向変位ｘ、ｙ、ｚ、φ_x 、φ_z を算出する事に関して、次の様な不都合を生じる可能性がある。即ち、上述した先発明の構造の第２例の場合には、上記位相差（位相差比）から上記５方向変位ｘ、ｙ、ｚ、φ_x 、φ_z を算出する為に、前記（１５）式を使用する。この（１５）式は、センサ６ａ₁ 〜６ｃ₂ と上記エンコーダ４との幾何学的な位置関係のみから理論的に導出した、前記（３）〜（８）式｛延いては（９）〜（１３）式｝（何れもセンサ感度に関する式）に基づいて作成した式である。ところが、実際には、ｇａｐ依存、非線形性、指向性等の要因によって、上記（３）〜（８）式｛延いては（９）〜（１３）式｝が正しく（理論通りに）は成立せず、これら各式の関係が多少ずれる可能性がある。そして、これら各式の関係が多少でもずれた場合には、上記５方向変位ｘ、ｙ、ｚ、φ_x 、φ_z の算出結果に誤差が生じる。この結果、上記所望の状態量である、５方向外力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｚの算出結果にも誤差が生じる。

一方、上述した先発明の構造の第３例（図８）の場合には、上記外輪１に対する上記エンコーダ４のアキシアル方向変位ｙ及び傾斜角度φ_x を算出する事に関して、次の様な不都合を生じる可能性がある。即ち、上述した様に、先発明の構造の第２例の場合には、上記位相差（位相差比）から上記アキシアル方向変位ｙ及び傾斜角度φ_x を算出する。一方、この算出を行なう演算器には、センサ感度に相当する関係である、上記位相差（位相差比）と上記エンコーダ４の変位との関係がインストールされている。ここで、図９にイメージ図として示す様に、上記位相差（位相差比）と上記エンコーダ４の変位との関係は、上記エンコーダ４とセンサ６ａ₁ 〜６ｃ₂ との幾何学的な位置関係のみから理論的に求めれば、実線αで示す様な直線的な関係になるが、実際には、ｇａｐ依存、非線形性、指向性等の要因によって、破線βや鎖線γで示す様な、上記実線αから多少ずれた、非直線的な関係になる可能性がある。即ち、位相差（位相差比）δが生じた場合に、上記実線αから求めた変位Ｓαが、実際に生じた変位｛上記破線β（鎖線γ）から求めた変位Ｓβ（Ｓγ）｝と異なる可能性がある。この為、上記演算器に、上記実線αの関係をインストールしても、実際には上記破線βや鎖線γで示す様な別の関係が成立している場合には、上記アキシアル方向変位ｙ及び傾斜角度φ_x の算出結果に誤差が生じる。この結果、上記所望の状態量である、複数の転動体３、３に付与されている予圧の算出結果にも誤差が生じる。

特開２００６−１１３０１７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

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、静止側軌道輪に対するエンコーダの変位を正確に測定できる構造及びその組立方法を実現すべく発明したものである。

本発明の状態量測定装置付転がり軸受ユニットとその組立方法のうち、請求項１に記載した状態量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、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、上記各静止側軌道と上記各回転側軌道との間に、両列同士の間で互いに逆方向の接触角を付与された状態で、両列毎に複数個ずつ、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、エンコーダと、センサ装置と、演算器とを備える。
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若しくはピッチを、少なくともこの被検出面の幅方向一部分で、この幅方向に関して連続的に変化させている。
又、上記センサ装置は、使用時にも回転しない部分に支持されると共に、少なくとも１個のセンサを備える。そして、これら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ており、且つ、この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に関する情報｛例えば、これら各センサの出力信号の自己又は相互の位相差（位相差比）やデューティ比｝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の状態量を算出する機能を有する。
特に、請求項１に記載した状態量測定装置付転がり軸受ユニットの場合には、上記各センサはそれぞれ、使用個所に取り付けられる前に所定の検査を受けている。そして、この所定の検査は、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間の状態量に対応する、上記各センサの検出部と上記エンコーダの被検出面との相対変位量と、これら各センサの出力信号に関する情報との関係を、使用時とほぼ同じ条件を設定した状態で、実測により調べる検査である。そして、上記演算器には、この検査により調べた上記関係をインストールしている。そして、この演算器は、このインストールした関係を利用して、上記各センサの出力信号に関する情報に基づき、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間の状態量を算出する。

この様な請求項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、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の状態量を、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の相対変位量とする事ができる。
又、この様な請求項２に記載した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、演算器として、算出した相対変位量に基づいて、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用している外力を算出する機能を有するものを使用する。
又、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４に記載した様に、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の状態量を、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用している外力とする事ができる。
又、上述した請求項３〜４に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項５に記載した様に、演算器が算出する外力を、２以上の方向の荷重若しくはモーメントとする事ができる。
又、上述の請求項２、３に記載した発明を実施する場合に、好ましくは、例えば請求項６に記載した様に、演算器として、算出した相対変位量に基づいて、各転動体に付与されている予圧を算出する機能を有するものを使用する。

又、上述した請求項１〜６に記載した発明を実施する場合には、例えば、請求項７に記載した構成を採用する事ができる。この請求項７に記載した構成を採用する場合には、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外れた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、これら両特性変化部のうちの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。これと共に、センサ装置として、少なくとも、それぞれの検出部を上記両特性変化部に対向させた１対のセンサを備えたものを使用する。これと共に、演算器として、上記センサ装置を構成する各センサの出力信号に関する情報として、少なくとも上記１対のセンサの出力信号同士の間の位相差を利用して、状態量を算出するものを使用する。

又、上述した請求項１〜６に記載した発明を実施する場合には、例えば、請求項８に記載した構成を採用する事ができる。この請求項８に記載した構成を採用する場合には、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、この被検出面の特性が円周方向に関して変化するピッチを、この被検出面の幅方向に関して連続的に変化させたものを使用する。これと共に、演算器として、センサ装置を構成する各センサの出力信号に関する情報として、少なくともその検出部を上記被検出面に対向させた１個のセンサの出力信号のデューティ比を利用して、状態量を算出するものを使用する。尚、上記特性変化のピッチを変化させるには、被検出面に、台形状若しくはＶ形状（三角形）の凹凸、或は透孔と柱部とを交互に形成したエンコーダを使用する事が考えられる。更には、同様のパターンでＳ極とＮ極とを配置した、永久磁石製のエンコーダを使用する事もできる。

又、本発明のうち、請求項９に記載した状態量測定装置付転がり軸受ユニットの組立方法は、上述の請求項１に記載した状態量測定装置付転がり軸受ユニットの組立方法であって、各センサを使用個所に取り付ける前に、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の状態量に対応する、上記各センサの検出部とエンコーダの被検出面との相対変位量と、これら各センサの出力信号に関する情報との関係を、使用時とほぼ同じ条件を設定した状態で実測により調べる検査を行なう。その後、上記各センサを使用個所に取り付けると共に、この検査により調べた上記関係を演算器にインストールする事により、この演算器に、このインストールした関係を利用して、上記各センサの出力信号に関する情報に基づき、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間の状態量を算出する機能を備えさせる。
又、この様な請求項９に記載した状態量測定装置付転がり軸受ユニットの組立方法を実施する場合には、例えば請求項１０に記載した様に、検査により調べた関係を所定の記憶媒体に記録すると共に、この記憶媒体を当該検査を受けた各センサと共に出荷した後、この記憶媒体に記録した上記関係を、これら各センサと共に状態量測定装置を構成する演算器にインストールする事ができる。

上述の様に、本発明の状態量測定装置付転がり軸受ユニットとその組立方法の場合には、演算器にインストールする、各センサの検出部とエンコーダの被検出面との相対変位量と、これら各センサの出力信号に関する情報との関係（センサ感度に相当する関係）として、実測により調べたもの（ｇａｐ依存性、非線形性、指向性等の影響を受けた状態のもの）を使用する。従って、本発明の状態量測定装置付転がり軸家ユニットによれば、上記演算器により、当該関係を利用して、上記各センサの出力信号に関する情報に基づき、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の状態量｛例えば、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の相対変位量（請求項２）や、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する外力（請求項４）｝を精度良く算出できる。

又、請求項３に記載した構成を採用すれば、演算器により算出した状態量である相対変位量に基づいて、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用している外力を精度良く算出できる。
更に、請求項６に記載した構成を採用すれば、演算器により算出した状態量である相対変位量に基づいて、各転動体に付与されている予圧を精度良く算出できる。

［実施の形態の第１例］
請求項１、２、３、５、７、９に対応する、本発明の実施の形態の第１例に就いて説明する。本例は、前述の図４〜７に示した構造（先発明の構造の第２例）に本発明を適用した例である。本例の場合、第一〜第三の各センサ組を構成する１対ずつ（合計６個）のセンサ（６ａ₁ 、６ａ₂ ）、（６ｂ₁ 、６ｂ₂ ）、（６ｃ₁ 、６ｃ₂ ）はそれぞれ、使用個所である、外輪１の内端部に組み付ける前に（例えば、工場からの出荷時に）、所定の検査を受けたものである。この所定の検査は、上記各センサ（６ａ₁ 、６ａ₂ ）、（６ｂ₁ 、６ｂ₂ ）、（６ｃ₁ 、６ｃ₂ ）とエンコーダ４とを、使用時と同じ位置関係で配置すると共に、このエンコーダ４のみを回転させつつ、このエンコーダ４に既知の５方向変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）を与えた状態で、前記（３）〜（８）式｛或は前記（９）〜（１３）式｝の左辺の位相差比を実測する検査である。本例を実施する場合、この検査は、できるだけ多くのパターンの５方向変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）に就いて行なうのが好ましい。何れにしても、本例の場合、上述の様に実測した位相差比と上記既知の５方向変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）との関係（センサ感度に相当する関係）を、図示しない演算器にインストールしている。そして、この演算器は、このインストールした関係を利用して、前記（１５）式に、実状に見合った修正を加える。これにより、車両の運転時に、この修正を加えた（１５）式を使用して、上記エンコーダ４の５方向変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）を精度良く算出できる様にしている。

上述の様に、本例の状態量測定装置付転がり軸受ユニットとその組立方法の場合には、上記（１５）式に修正を加えている為、上記エンコーダ４の５方向変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）を精度良く算出できる。従って、この様に算出した５方向変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）に基づいて、ハブ２に作用している５方向外力（荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｚ）を精度良く算出できる。

［実施の形態の第２例］
次に、請求項１、２、６、７、９に対応する、本発明の実施の形態の第２例に就いて説明する。本例は、前述の図８に示した構造（先発明の構造の第３例）に本発明を適用した例である。本例の場合、第一、第二の各センサ組を構成する１対ずつ（合計４個）のセンサ（６ａ₁ 、６ａ₂ ）、（６ｂ₁ 、６ｂ₂ ）はそれぞれ、使用個所である、外輪１の内端部に組み付ける前に（例えば、工場からの出荷時に）、所定の検査を受けたものである。この所定の検査は、上記各センサ（６ａ₁ 、６ａ₂ ）、（６ｂ₁ 、６ｂ₂ ）とエンコーダ４とを、使用時と同じ位置関係で配置すると共に、このエンコーダ４のみを回転させつつ、このエンコーダ４に既知のアキシアル方向変位ｙ及び傾斜角度φ_x を与えた状態で、同じセンサ組を構成する１対のセンサ６ａ₁ 、６ａ₂ （６ｂ₁ 、６ｂ₂ ）の出力信号同士の位相差比δ_a （δ_b ）を実測する検査である。本例を実施する場合、この検査は、できるだけ多くのパターンのアキシアル方向変位ｙ及び傾斜角度φ_x に就いて行なうのが好ましい。何れにしても、本例の場合、上述の様に実測した位相差比δ_a （δ_b ）と上記既知のアキシアル方向変位ｙ及び傾斜角度φ_x との関係（センサ感度に相当する関係）を、図示しない演算器にインストールしている。これにより、車両の運転時に、このインストールした関係を利用して、前述した先発明の構造の第３例の場合と同様の方法で、上記各位相差比δ_a 、δ_b に基づき、上記エンコーダ４のアキシアル方向変位ｙ及び傾斜角度φ_x を精度良く算出できる様にしている。

上述の様に、本例の状態量測定装置付転がり軸受ユニットとその組立方法の場合には、上記検査により求めた関係を利用して、上記エンコーダ４のアキシアル方向変位ｙ及び傾斜角度φ_x を算出する為、これらアキシアル方向変位ｙ及び傾斜角度φ_x を精度良く算出できる。従って、この様に算出したアキシアル方向変位ｙ及び傾斜角度φ_x に基づいて、各転動体３、３に付与されている予圧を精度良く算出できる。

尚、本発明を実施する場合、使用時に相対変位量を精度良く算出できると言った効果を適切に得られる様にする為に、所定の検査を行なった際のセンサとエンコーダとの位置関係を、転がり軸受ユニットにセンサとエンコーダとを組み付ける際に、できるだけ正確に再現させる事が好ましい。又、演算器は、転がり軸受ユニットの静止側軌道輪に直接又は他の部材を介して（例えば、静止側軌道輪の端部に固定したカバーの内面に）取り付けても良いし、この転がり軸受ユニットとは別の個所（例えば、懸架装置を構成するナックルの一部）に取り付けても良い。又、所定の検査により調べた関係（センサ感度に相当する関係）を、この所定の検査を受けたセンサと共に使用する演算器にインストールする作業手順は、特に問わない。例えば、上記所定の検査により調べた関係を、ＩＣタグやバーコード等の記憶媒体に記録して、上記所定の検査を受けたセンサと共に出荷し、最終的な組み立てや使用個所への取り付けを行なう際に、上記演算器にインストールする様にしても良い（請求項１０）。

又、本発明を実施する場合、エンコーダとしては、磁性金属製で被検出面に凹部と凸部とを円周方向に関して交互に配置したものや、永久磁石製で被検出面にＮ極とＳ極とを円周方向に関して交互に配置したものを使用する事もできる。この永久磁石製のエンコーダを使用する場合、センサ側には永久磁石を組み込む必要はない。更に、エンコーダの被検出面は、周面に限らず、側面であっても良い。

先発明の構造の第１例を示す断面図。 この第１例に組み込むエンコーダの被検出面の一部を径方向外方から見た図。 アキシアル荷重に基づいて１対のセンサの出力信号が変化する状態を説明する為の線図。 先発明の構造の第２例を示す断面図。 この第２例に組み込むエンコーダの被検出面の一部を径方向外方から見た図。 この第２例を示す模式図。 センサの円周方向位置を示す図。 先発明の構造の第３例を示す断面図。 外輪に対するエンコーダの変位と各センサの出力信号同士の間の位相差（位相差比）との関係を示す線図。

符号の説明

１ 外輪
２ ハブ
３ 転動体
４ エンコーダ
５ カバー
６ａ₁ 〜６ａ₆ センサ
７ 透孔
８ 柱部
９ 第一の特性変化部
１０ 第二の特性変化部

Claims (10)

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、上記各静止側軌道と上記各回転側軌道との間に、両列同士の間で互いに逆方向の接触角を付与された状態で、両列毎に複数個ずつ、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、エンコーダと、センサ装置と、演算器とを備え、
   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若しくはピッチを、少なくともこの被検出面の幅方向一部分で、この幅方向に関して連続的に変化させたものであり、
   上記センサ装置は、使用時にも回転しない部分に支持されると共に、少なくとも１個のセンサを備え、これら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ており、且つ、この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に関する情報に基づいて、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間の状態量を算出する機能を有するものである、
   状態量測定装置付転がり軸受ユニットであって、
   上記各センサはそれぞれ、使用個所に取り付けられる前に所定の検査を受けたものであり、この所定の検査は、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間の状態量に対応する、上記各センサの検出部と上記エンコーダの被検出面との相対変位量と、これら各センサの出力信号に関する情報との関係を、使用時とほぼ同じ条件を設定した状態で実測により調べる検査であり、上記演算器には、この検査により調べた上記関係をインストールしており、この演算器は、このインストールした関係を利用して、上記各センサの出力信号に関する情報に基づき、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間の状態量を算出する事を特徴とする状態量測定装置付転がり軸受ユニット。
2. 静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の状態量が、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の相対変位量である、請求項１に記載した状態量測定装置付転がり軸受ユニット。
3. 演算器が、算出した相対変位量に基づいて、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用している外力を算出する機能を有する、請求項２に記載した状態量測定装置付転がり軸受ユニット。
4. 静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の状態量が、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用している外力である、請求項１に記載した状態量測定装置付転がり軸受ユニット。
5. 演算器が算出する外力が、２以上の方向の荷重若しくはモーメントである、請求項３〜４のうちの何れか１項に記載した状態量測定装置付転がり軸受ユニット。
6. 演算器が、算出した相対変位量に基づいて、各転動体に付与されている予圧を算出する機能を有する、請求項２又は請求項３に記載した状態量測定装置付転がり軸受ユニット。
7. 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外れた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、これら両特性変化部のうちの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、
   センサ装置は、少なくとも、それぞれの検出部を上記両特性変化部に対向させた１対のセンサを備えており、
   演算器は、上記センサ装置を構成する各センサの出力信号に関する情報として、少なくとも上記１対のセンサの出力信号同士の間の位相差を利用して、状態量を算出する、請求項１〜６のうちの何れか１項に記載した状態量測定装置付転がり軸受ユニット。
8. 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、この被検出面の特性が円周方向に関して変化するピッチを、この被検出面の幅方向に関して連続的に変化させたものであり、
   演算器は、センサ装置を構成する各センサの出力信号に関する情報として、少なくともその検出部を上記被検出面に対向させた１個のセンサの出力信号のデューティ比を利用して、状態量を算出する、請求項１〜６のうちの何れか１項に記載した状態量測定装置付転がり軸受ユニット。
9. 請求項１に記載した状態量測定装置付転がり軸受ユニットの組立方法であって、各センサを使用個所に取り付ける前に、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の状態量に対応する、上記各センサの検出部とエンコーダの被検出面との相対変位量と、これら各センサの出力信号に関する情報との関係を、使用時とほぼ同じ条件を設定した状態で実測により調べる検査を行なった後、上記各センサを使用個所に取り付けると共に、この検査により調べた上記関係を演算器にインストールする事により、この演算器に、このインストールした関係を利用して、上記各センサの出力信号に関する情報に基づき、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間の状態量を算出する機能を備えさせる、状態量測定装置付転がり軸受ユニットの組立方法。
10. 検査により調べた関係を所定の記憶媒体に記録すると共に、この記憶媒体を当該検査を受けた各センサと共に出荷した後、この記憶媒体に記録した上記関係を、これら各センサと共に状態量測定装置を構成する演算器にインストールする、請求項９に記載した状態量測定装置付転がり軸受ユニットの組立方法。

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