JP2009001201A - Quantity-of-state measuring device for rotary machine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明に係る回転機械の状態量測定装置は、それぞれが転がり軸受ユニット等の回転機械を構成する静止部材と回転部材との間の状態量である、これら両部材同士の間の相対変位や、これら両部材同士の間に加わる外力(荷重、モーメント)を測定する為に利用する。更に、この求めた状態量を、自動車等の車両の走行安定性確保を図る為に利用する。 The state quantity measuring device for a rotary machine according to the present invention is a state quantity between a stationary member and a rotary member, each of which constitutes a rotary machine such as a rolling bearing unit, a relative displacement between these two members, It is used to measure the external force (load, moment) applied between these two members. Further, the obtained state quantity is used for ensuring the running stability of a vehicle such as an automobile.
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、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。 The wheel of the automobile is rotatably supported by the suspension device by a rolling bearing unit such as a double row angular type. In addition, in order to ensure the running stability of automobiles, anti-brake brake system (ABS), traction control system (TCS), and electronically controlled vehicle stability control system (ESC) etc. Is used. In order to control such various vehicle running stabilization devices, signals representing the rotational speed of the wheels, acceleration in each direction applied to the vehicle body, and the like are required. In order to perform higher-level control, it may be preferable to know the magnitude of a load (for example, one or both of a radial load and an axial load) applied to the rolling bearing unit via a wheel.
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3〜5は、この特許文献1に記載された発明の構造と同じ荷重の測定原理を採用している、転がり軸受ユニットの状態量測定装置の1例を示している。この従来構造は、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。
In view of such circumstances,
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、3、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、3、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 を保持すると共に、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。
Also, the inner end of the hub 2 ("inner" in the axial direction means the center side in the width direction of the vehicle when assembled to the automobile, and is the right side of FIGS. 1, 3, 6 and 8. Conversely, to the automobile. In the assembled state of FIG. 1, the left side of FIGS. 1, 3, 6, and 8 is referred to as “outside” in the axial direction. The same applies to the entire specification.) The
このうちのエンコーダ4は、磁性金属板製である。このエンコーダ4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、上記被検出面の軸方向(幅方向)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、上記被検出面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「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、被検出面である上記エンコーダ4の外周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特性変化部9とし、軸方向内半部を第二特性変化部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、互いに独立した状態と(各透孔を「ハ」字形に配置)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。
Of these, the
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。そして、これら両センサ6a1 、6a2 のうち、一方のセンサ6a1 の検出部を上記第一特性変化部9に、他方のセンサ6a2 の検出部を上記第二特性変化部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(図示の例では、下端部)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、中立状態で、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。
Each of the pair of sensors 6a 1 and 6a 2 includes a permanent magnet and a magnetic detection element such as a Hall IC, a Hall element, an MR element, and a GMR element that constitute a detection unit. Of these sensors 6a 1 and 6a 2 , the detection part of one sensor 6a 1 is the first
上述の様に構成する従来構造の場合、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5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5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5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5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5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、上記(B)の場合とは逆方向にずれる。
In the case of the conventional structure configured as described above, when an axial load acts between the
上述の様に、上記従来構造の場合には、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(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方向)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(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作用方向及び大きさを求められる。
As described above, in the case of the conventional structure, the phases of the output signals of the sensors 6a 1 and 6a 2 are applied in the direction of the action of the axial load applied between the
尚、実際には、上記両センサ6a1 、6a2 の出力信号同士の間に存在する位相差比(位相差/1周期)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が、この算出処理は、図示しない演算器により行なう。この為、この演算器のメモリ中には、予め理論計算や実験により調べておいた、上記位相差比と、上記アキシアル方向の相対変位又は荷重との関係を表す式やマップを記憶させておく。 Actually, the relative displacement and load in the axial direction are calculated based on the phase difference ratio (phase difference / 1 period) existing between the output signals of the sensors 6a 1 and 6a 2. The calculation process is performed by an arithmetic unit (not shown). For this reason, in the memory of this computing unit, an expression or map representing the relationship between the phase difference ratio and the relative displacement or load in the axial direction, which has been examined in advance by theoretical calculation or experiment, is stored. .
又、上述した従来構造の場合には、エンコーダを磁性金属板製とすると共に、このエンコーダの被検出面に設ける第一特性部を透孔とし、第二特性部を柱部とする構成を採用している。これに対し、エンコーダを永久磁石製とすると共に、このエンコーダの被検出面に設ける第一特性部をN極に着磁した部分とし、第二特性部をS極に着磁した部分とする構成を採用する事もできる。この様な構成を採用する場合には、1対のセンサ側には永久磁石を組み込む必要はない。 In the case of the conventional structure described above, the encoder is made of a magnetic metal plate, the first characteristic portion provided on the detection surface of the encoder is a through hole, and the second characteristic portion is a column portion. is doing. On the other hand, the encoder is made of a permanent magnet, the first characteristic portion provided on the detection surface of the encoder is a portion magnetized to the N pole, and the second characteristic portion is a portion magnetized to the S pole. Can also be adopted. When such a configuration is adopted, it is not necessary to incorporate a permanent magnet on the pair of sensor sides.
ところで、前述したABSやTCSやESC等の車両用走行状態安定化装置の制御を行なう場合には、上述したアキシアル荷重(変位)とラジアル荷重(変位)とのうちの、何れか一方の荷重(変位)のみを制御情報として使用するよりも、双方の荷重(変位)を制御情報として使用する方が、高度な制御を行なえる。更に、これら双方の荷重(変位)に加えて、上記外輪1とハブ2との間に作用するモーメント(これら外輪1とハブ2との中心軸同士の傾き)を制御情報として使用すれば、より高度な制御を行なえる。この為、上記アキシアル荷重(変位)と上記ラジアル荷重(変位)と上記モーメント(傾き)との、3種類の状態量を、総て測定できる構造を実現する事が望まれる。
By the way, in the case of controlling the vehicle running state stabilizing device such as ABS, TCS, or ESC described above, either one of the above-described axial load (displacement) and radial load (displacement) ( Higher control can be achieved by using both loads (displacements) as control information than using only displacement) as control information. Furthermore, in addition to both of these loads (displacements), if the moment acting between the
図6〜13は、この様な要望に応える為に先に発明して特許出願(特願2006−345849)した、転がり軸受ユニットの状態量測定装置に関する先発明の構造の1例を示している。この先発明の構造は、回転機械である車輪支持用の転がり軸受ユニット11に、状態量測定装置12を組み込んで成る。このうちの転がり軸受ユニット11の構造は、上述の図3に示した従来構造と同様である為、同等部分には同一符号を付して重複する説明は省略する。又、互いに直交するx軸、y軸、z軸から成る三次元座標系を考えた場合に、上記転がり軸受ユニット11を構成する、静止側軌道輪である外輪1の中心軸(横方向軸)をy軸とし、上下方向軸をz軸とし、前後方向軸をx軸として、以下の説明を行なう。
FIGS. 6 to 13 show an example of the structure of the prior invention relating to a state quantity measuring device for a rolling bearing unit, which was previously invented and applied for a patent in order to meet such a demand (Japanese Patent Application No. 2006-345849). . The structure of this prior invention is configured by incorporating a state
上記状態量測定装置12は、上記転がり軸受ユニット11を構成する、回転側軌道輪であるハブ2の内端部に外嵌固定された1個のエンコーダ4と、上記外輪1の内端開口部に被着されたカバー5に支持固定された6個のセンサ6a1 、6a2 、6b1 、6b2 、6c1 、6c2 と、図示しない演算器とを備える。このうちのエンコーダ4の構造は、やはり上述の図3〜5に示した従来構造と同様である為、同等部分には同一符号を付して重複する説明は省略する。又、上記6個のセンサ6a1 、6a2 、6b1 、6b2 、6c1 、6c2 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。この様な6個のセンサ6a1 、6a2 、6b1 、6b2 、6c1 、6c2 は、被検出面である、上記エンコーダ4の外周面内端寄り部分の円周方向等間隔の3個所と対向する位置に、それぞれ2個ずつ配置している。具体的には、図9に示す様に円周方向位置(角度)θを設定した場合に、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。
The state
そして、上記各センサ組を構成する2個ずつのセンサのうちの一方のセンサ6a1 、6b1 、6c1 の検出部を、上記被検出面の軸方向外半部である第一特性変化部9に、他方のセンサ6a2 、6b2 、6c2 の検出部を、上記被検出面の軸方向内半部である第二特性変化部10に、それぞれ対向させている。外力が作用しない状態、即ち、上記外輪1とハブ2とが中立状態(互いの中心軸が一致し、アキシアル方向の変位も生じていない状態)にある場合に、上記各センサ6a1 、6a2 、6b1 、6b2 、6c1 、6c2 の検出部は、それぞれ上記第一特性変化部9或は上記第二特性変化部10の幅方向中央部に対向する。又、中立状態で、同じセンサ組を構成する1対のセンサ6a1 (6b1 、6c1 )、6a2 (6b2 、6c2 )の検出部が上記両特性変化部9、10に対向する円周方向位置(角度)θは、互いに一致する。従って、先発明の構造の場合、同じセンサ組を構成する1対のセンサ6a1 (6b1 、6c1 )、6a2 (6b2 、6c2 )の出力信号同士の間に存在する初期位相差(中立状態での位相差)は、それぞれ0となる。更に、先発明の構造の場合には、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)センサ間の初期位相差も、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。
Then, the first characteristic changing unit which is the outer half of the detected surface in the axial direction is used as the detection unit of one of the two sensors constituting each sensor set, 6a 1 , 6b 1 ,
上述の様に構成する先発明の構造の場合、車輪を介して転がり軸受ユニット11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、この場合の各センサ6a1 、6a2 、6b1 、6b2 、6c1 、6c2 の出力信号の位相の変化量(自己位相差)を、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、上記各センサ組を構成する1対のセンサ6a1 (6b1 、6c1 )、6a2 (6b2 、6c2 )のうち、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εout (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εin(θ)(θ=0度、120度、240度)で表す。又、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φx とし、z軸周りの傾きをφz とする。
In the case of the structure of the prior invention configured as described above, the outer ring 1 (the sensors 6a 1 , 6a 2 , 6b 1 , 6b 2 , 6c) is accompanied by the external force acting on the
この場合に、上記各自己位相差比εout (θ)、εin(θ)と、上記各変位x、y、z及び傾きφx 、φz 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。
P:上記第一、第二各特性変化部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(先発明の構造の場合には、45度)
R:上記第一、第二各特性変化部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 (6b1 、6c1 )、6a2 (6b2 、6c2 )の検出部の中心同士の、軸方向に関する間隔(ピッチ、2δ)の1/2
In this case, between the self-phase difference ratios ε out (θ), ε in (θ) and the displacements x, y, z and the inclinations φ x , φ z , the following (1) The relationship of Formula and Formula (2) is materialized.
P: Characteristic change pitch of each of the first and second
α: Inclination angle with respect to the axial direction of the characteristic boundary existing in each of the first and second characteristic changing
R: radius of each of the first and second characteristic changing
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εout (0)、εin(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、
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εout (120)、εin(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、
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εout (240)、εin(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、
Further, the self-phase difference ratios ε out (120) and ε in (120) relating to the respective sensors 6b 1 and 6b 2 constituting the second sensor set are respectively expressed by the following equations (1) and (2): θ = Substituting 120 degrees and α = 45 degrees,
Further, the self-phase difference ratios ε out (240) and ε in (240) relating to the sensors 6c 1 and 6c 2 constituting the third sensor set are respectively expressed by the following equations (1) and (2): θ = Substituting 240 degrees and α = 45 degrees,
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、相互位相差比(相互位相差/1周期)で表すと、
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、
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、
Further, the phase difference (mutual phase difference) existing between the output signals of the pair of sensors 6b 1 and 6b 2 constituting the second sensor set is expressed by a mutual phase difference ratio.
Further, the phase difference (mutual phase difference) existing between the output signals of the pair of sensors 6c 1 and 6c 2 constituting the third sensor set is expressed by a mutual phase difference ratio.
更に、ここで、互いに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個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個のセンサの組み合わせは、2通りとも、out側とin側とのうちの、互いに異なる側の2個のセンサの組み合わせでも良いし、互いの同じ側の2個のセンサの組み合わせでも良い。ここでは、2通りとも、互いに同じ側(out側)の2個のセンサの組み合わせ(センサ6a1 とセンサ6b1 との組み合わせ、及び、センサ6a1 とセンサ6c1 との組み合わせ)を採用する。これら2通りの2個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、先発明の構造の場合には、5つの未知数(変位x、y、z及び傾きφx 、φz )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(x、y、z、φx 、φz )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、
尚、上述の様な計算を行なう場合、各センサ組を構成する1対のセンサ6a1 (6b1 、6c1 )、6a2 (6b2 、6c2 )の検出部の中心同士の間隔2δは、通常は小さい為、誤差を許容できれば、δ=0として、5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )を計算する事もできる。この様にして計算をすれば、演算処理の速度を高められる。 When the above-described calculation is performed, the distance 2δ between the centers of the detection units of the pair of sensors 6a 1 (6b 1 , 6c 1 ) and 6a 2 (6b 2 , 6c 2 ) constituting each sensor set is Since it is usually small, if the error can be tolerated, it is possible to calculate the 5-degree-of-freedom displacement (x, y, z, φ x , φ z ) with δ = 0. If the calculation is performed in this way, the speed of the arithmetic processing can be increased.
又、上記5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )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外力成分(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11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中に、上記所定の関係を表した式やマップを記憶させておけば、上記5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )に基づいて上記5外力成分(Fx、Fy、Fz、Mx、Mz)を求められる。
Further, the five-degree-of-freedom displacement (x, y, z, φ x , φ z ) and the corresponding five external force components (the load Fx in the x-axis direction, acting between the
但し、上記外輪1とハブ2との間に作用するラジアル荷重(Fx、Fz)を求める場合には、次の様な点に留意する必要がある。即ち、上記ラジアル荷重(Fx、Fz)は、上記ハブ2に生じる、このラジアル荷重(Fx、Fz)と同方向のラジアル変位から算出するのが一般的である。但し、上記ハブ2は、傾きを伴ってラジアル変位する場合がある。この場合には、このハブ2のラジアル変位の大きさがy軸方向位置によって異なる為、このラジアル変位をどのy軸方向位置で読み取るかによって、上記ラジアル荷重(Fx、Fz)の算出結果が異なると言った問題を生じる。従って、実際に作用しているラジアル荷重(Fx、Fz)を精度良く算出できるy軸方向位置で、上記ラジアル変位を読み取る事が重要となる。
However, when determining the radial load (Fx, Fz) acting between the
この点を踏まえて、以下では、z軸方向のラジアル荷重Fzの算出方法に就いて、図10〜13を参照しつつ、具体的に説明する。実際の自動車では、タイヤの偏摩耗や空気圧不足、或はキャンバ角の変化等によって、図10に模式的に示す様に、上記ラジアル荷重Fzの作用点のy軸方向位置と、対象となる転がり軸受ユニット11の軸受中心(軸方向外側の軸受列Aと軸方向内側の軸受列Bとの間の中心)Oのy軸方向位置とが、互いに不一致になる場合がある。この場合に、上記ハブ2は、同図にその中心線を二点鎖線で示す様に、y−z平面内での傾きを伴った状態で、z軸方向にラジアル変位する。又、図11に模式的に示す様に、上記ラジアル荷重Fzの作用点のy軸方向位置と、上記軸受中心Oのy軸方向位置とが、互いに一致していても、z軸方向に関する軸受列Aの剛性ka と、z軸方向に関する軸受列Bの剛性kb とが互いに異なる{ka ≠kb (図示の例ではka <kb )}場合には、上記ハブ2は、やはり同図にその中心軸を二点鎖線で示す様に、y−z平面内での傾きを伴った状態で、z軸方向にラジアル変位する。従って、これら図10、11に示した状況では、上記ハブ2のz軸方向のラジアル変位の大きさがy軸方向位置によって異なる為、このz軸方向のラジアル変位をどのy軸方向位置で読み取るかによって、上記ラジアル荷重Fzの算出結果が異なると言った問題を生じる。
Based on this point, a method for calculating the radial load Fz in the z-axis direction will be specifically described below with reference to FIGS. In an actual automobile, due to uneven wear of tires, insufficient air pressure, change in camber angle, etc., as shown schematically in FIG. 10, the position of the application point of the radial load Fz in the y-axis direction and the target rolling The y-axis direction position of the bearing center (the center between the axially outer bearing row A and the axially inner bearing row B) O of the bearing
但し、この様な問題は、z軸方向に関する上記転がり軸受ユニット11の等価剛性keq(=ka +kb )を用いる事によって解決できる。即ち、上記図10、11に示した状況では、上記ハブ2のz軸方向のラジアル変位の大きさが、上記ラジアル荷重Fzを上記等価剛性keqで除した値(Fz/keq)になるy軸方向位置(上記転がり軸受ユニット11の剛性中心のy軸方向位置)が存在する。そして、この様なy軸方向位置が、上記z軸方向のラジアル変位を読み取るべき、最適なy軸方向位置となる。言い換えれば、この最適なy軸方向位置で上記ハブ2のz軸方向のラジアル変位を読み取れば、実際に作用しているラジアル荷重Fzを精度良く算出できる。
However, such a problem can be solved by using an equivalent stiffness k eq of the
この最適なy軸方向位置に就いて、図12を参照しつつ、更に詳しく説明する。先ず、上記両軸受列A、B間のy軸方向距離をNとし、且つ、この軸受列Aから上記ラジアル荷重Fzの作用点までのy軸方向距離をMとする。この場合に、この軸受列Aからのy軸方向距離がHの位置に於ける、上記ハブ2のz軸方向のラジアル変位zh は、次の(16)式で表される。
又、上記最適なy軸方向位置で読み取られるz軸方向のラジアル変位zeqは、前述した5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )の一部(z、φx )を利用して求められる。即ち、前記エンコーダ4の中心のy軸方向位置から上記最適なy軸方向位置までの距離をL(図8)とした場合に、上記ラジアル変位zeqは、次の(19)式で表せる。
以上の説明では、上記両軸受列A、Bの剛性ka 、kb が一定であると仮定して話を進めたが、上記転がり軸受ユニット11は非線形の剛性特性を有する為、他の方向(z軸以外の方向)から荷重が負荷される事によって剛性が変化する可能性がある。例えば、先発明の構造の対象となる転がり軸受ユニット11の場合、上記両軸受列A、B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。この為、前記ハブ2に+y方向(図12で右方向)のアキシアル荷重Fyが作用すると、上記軸受列Aの接触荷重が増大して、この軸受列Aの剛性ka が増大すると共に、上記軸受列Bの接触荷重が減少して、この軸受列Bの剛性kb が低下する。この結果、これら両軸受列A、Bの剛性比率が変化し、上記(18)式で求めた、最適なy軸方向位置を示す距離Hが変化する。この様な問題に対処する為には、前記演算器で算出した上記アキシアル荷重Fyに基づいて、変化後の上記距離Hを求め、この変化後の距離Hの位置でz軸方向のラジアル変位を読み取る様にすれば良い。或は、上記アキシアル荷重Fyがタイヤの接地面から入力される事に伴って発生するモーメントMx(キャンバモーメント)は、上記ハブ2に作用してx軸周りの傾きφx を生じさせる。この為、上記演算器で算出したこの傾きφx に基づいて、変化後の上記距離Hを求め、この変化後の距離Hの位置でz軸方向のラジアル変位を読み取る様にしても良い。
In the above description, the both bearing rows A, the stiffness k a of B, and k b is proceeded talking assumed to be constant, since the rolling
尚、上記両軸受列A、Bの剛性ka 、kb は、上記転がり軸受ユニット11にアキシアル荷重Fyが作用した場合だけでなく、この転がり軸受ユニット11にラジアル荷重が作用した場合にも変化する。この為、厳密には、算出目的となるラジアル荷重Fz自身によっても上記両軸受列A、Bの剛性比率が変化する。但し、この場合には、これら両軸受列A、Bとも、ほぼ同様の剛性変化を生じ、上記最適なy軸方向位置を示す距離Hの変化は、生じたとしても極く小さくなる。この為、特に対処しなくても、上記ラジアル荷重Fzの算出結果に大きな誤差は生じない。
Note that the both bearing rows A, stiffness k a, k b of B, not only when the axial load Fy in the
次に、別の状況に就いて説明する。図13に模式的に示す様に、転がり軸受ユニット11に対するラジアル荷重Fzの作用点のy軸方向位置と、この転がり軸受ユニット11の軸受中心Oのy軸方向位置とが、互いに一致していても、上記ラジアル荷重Fzと共にx軸周りのモーメントMxが作用すると、ハブ2は、やはり同図にその中心軸を二点鎖線で示す様に、y−z平面内での傾きを伴った状態で、z軸方向にラジアル変位する。この図13に示した状況でも、上記ハブ2のz軸方向のラジアル変位の大きさがy軸方向位置によって異なる為、このz軸方向のラジアル変位をどのy軸方向位置で読み取るかによって、上記ラジアル荷重Fzの算出結果が異なると言った問題を生じる。
Next, another situation will be described. As schematically shown in FIG. 13, the y-axis direction position of the point of application of the radial load Fz to the
但し、この様な問題は、上記ハブ2に上記モーメントMxのみが作用した場合に、このハブ2のz軸方向のラジアル変位が0となるy軸方向位置、即ち、上記モーメントMxにより生じる上記ハブ2の傾きφx の節位置を、上記z軸方向のラジアル変位の読み取り位置とする事により解消できる。尚、上記転がり軸受ユニット11は非線形の剛性特性を有する為、上記節位置は、上記モーメントMx(傾きφx )の大きさによって多少変化する場合がある。この様な場合には、前記演算器により算出したモーメントMx(傾きφx )基づいて、変化後の上記節位置を求め、この変化後の節位置でz軸方向のラジアル変位を読み取る様にすれば良い。
However, such a problem is that when only the moment Mx acts on the
尚、上記x軸周りのモーメントMxは、x軸方向のラジアル荷重Fxを算出する(x軸方向のラジアル変位を読み取る)際の誤差要因となる場合もある。即ち、このモーメントMxは大きなモーメントである為、このモーメントMxにより生じる上記ハブ2の傾きφx は大きくなる。ここで、仮に、前記各センサ6a1 、6a2 、6b1 、6b2 、6c1 、6c2 が、前述した所定の円周方向位置(θ=0度、120度、240度の位置)から若干ずれた(角度としてφy だけずれた)円周方向位置に設置された場合を想定する。この場合、上記各センサ6a1 、6a2 、6b1 、6b2 、6c1 、6c2 の座標軸がy軸周りに(x−z平面内で)角度φy だけ傾いているので、その分、上記モーメントMxにより生じるx軸周りの(y−z平面内の)傾きφx が、z軸周りの(x−y平面内の)成分を持った傾きとして検出されてしまう。このx−y平面内の成分は、取り付けミスアライメントである上記角度φy のsin φy 分だけであるが、上述した様に元々のモーメントMxによる傾きφx が大きい為、上記x軸方向のラジアル変位の読み取り値に誤差を生じる可能性がある。この様な誤差が生じるのを防ぐ為には、x軸周りの(y−z平面内の)傾きφx の節位置で、上記x軸方向のラジアル変位を読み取る様にすれば良い。 Note that the moment Mx about the x-axis may be an error factor when calculating the radial load Fx in the x-axis direction (reading the radial displacement in the x-axis direction). That is, since the moment Mx is a large moment, the inclination φ x of the hub 2 caused by the moment Mx becomes large. Here, suppose that each of the sensors 6a 1 , 6a 2 , 6b 1 , 6b 2 , 6c 1 , 6c 2 is from the predetermined circumferential position (positions θ = 0 degrees, 120 degrees, 240 degrees). It is assumed that it is installed at a circumferential position that is slightly shifted (shifted by φ y as an angle). In this case, the coordinate axes of the sensors 6a 1 , 6a 2 , 6b 1 , 6b 2 , 6c 1 , 6c 2 are inclined by the angle φ y around the y axis (in the xz plane). the moment Mx by results about the x-axis (in the y-z plane) inclination phi x is detected as the gradient with a (x-y plane) component about the z axis. The component in the xy plane is only the amount of sin φ y of the angle φ y that is an attachment misalignment, but since the inclination φ x due to the original moment Mx is large as described above, An error may occur in the reading of the radial displacement. In order to prevent such an error from occurring, the radial displacement in the x-axis direction may be read at the node position of the inclination φ x around the x-axis (in the yz plane).
以上の話をまとめると、前述の図10、11に示した状況でラジアル荷重Fzを精度良く算出する為には、上記転がり軸受ユニット11の剛性中心でz軸方向のラジアル変位を読み取れば良く、又、上述の図13に示した状況でラジアル荷重Fzを精度良く算出する為には、モーメントMxにより生じる上記ハブ2の傾きφx の節位置でz軸方向のラジアル変位を読み取れば良いと言う事になる。ここで、上記転がり軸受ユニット11が線形バネであれば、上記剛性中心と上記節位置とのy軸方向位置は互いに一致する。ところが、上記転がり軸受ユニット11は非線形の剛性特性を有する為、上記剛性中心と上記節位置とのy軸方向位置は互いに一致しない場合がある。この様な現象が生じる理由は、前述の図10、11に示した状況と、上述の図13に示した状況とで、軸受列A、Bに作用する接触荷重分布が互いに異なる為である。
To summarize the above story, in order to accurately calculate the radial load Fz in the situation shown in FIGS. 10 and 11, the radial displacement in the z-axis direction may be read at the rigidity center of the
但し、上述の様に剛性中心と節位置とのy軸方向位置が互いに一致しない場合でも、両者のy軸方向位置同士の間に大きな隔たりは生じない。この為、前述の図10、11に示した状況と、上述の図13に示した状況とのうち、何れか一方の状況に対応したy軸方向位置を、z軸方向のラジアル変位の読み取り位置とした場合でも、他方の状況が生じた際に、ラジアル荷重Fzの算出誤差が、実用上問題になる程大きくなると言った不都合が生じる事はない。即ち、この他方の状況が生じた際にも、ラジアル荷重Fzの算出精度を実用上問題ない程度にできる。又、上記剛性中心と上記節位置とのy軸方向位置同士の間に存在する、任意のy軸方向位置(中央位置、或は問題の度合いに応じて何れか一方のy軸方向位置に近い位置)を、z軸方向のラジアル変位を読み取る位置とする事もできる。この様にすれば、上述したそれぞれの状況で、ラジアル荷重Fzの算出誤差をバランス良く抑えられる。 However, even when the y-axis direction positions of the rigid center and the node position do not coincide with each other as described above, there is no great gap between the y-axis direction positions. For this reason, the y-axis direction position corresponding to one of the situation shown in FIGS. 10 and 11 and the situation shown in FIG. 13 is used as the radial displacement reading position in the z-axis direction. Even when the other situation occurs, there is no inconvenience that the calculation error of the radial load Fz becomes so large that it becomes a practical problem. That is, even when the other situation occurs, the calculation accuracy of the radial load Fz can be reduced to a practically satisfactory level. Also, an arbitrary y-axis position (between the central position or one of the y-axis positions depending on the degree of problem) existing between the y-axis positions of the rigid center and the node position. (Position) can be a position at which radial displacement in the z-axis direction is read. In this way, the calculation error of the radial load Fz can be suppressed in a well-balanced manner in each of the situations described above.
以上の説明では、主に、z軸方向のラジアル荷重Fzの算出方法を取り上げたが、x軸方向のラジアル荷重Fxの算出方法に就いても全く同様である。例えば、x軸方向とz軸方向とで、上記両軸受列A、Bの剛性比率が互いに同じになる場合には、ラジアル変位を読み取る最適なy軸方向位置は両軸方向に関して互いに同じ位置となるが、そうでない場合には、互いに異なる位置となる。 In the above description, the calculation method of the radial load Fz in the z-axis direction is mainly taken up, but the same applies to the calculation method of the radial load Fx in the x-axis direction. For example, when the rigidity ratios of the two bearing arrays A and B are the same in the x-axis direction and the z-axis direction, the optimum y-axis direction position for reading the radial displacement is the same position in both axial directions. If not, they will be in different positions.
尚、本例の対象となる転がり軸受ユニット11は非線形の剛性特性を有する為、上述の様に読み取ったラジアル変位から同方向のラジアル荷重を算出する場合の荷重変換係数も、非線形になるのは当然である。この為、上記ラジアル変位から上記ラジアル荷重への変換は、マップを利用して行なうのが有効である。
In addition, since the rolling
又、ラジアル変位を読み取る最適なy軸方向位置や上記荷重変換係数は、予め設計的に算出したものを使用しても良いし、或は工場で出荷時に実測したものを使用しても良い。但し、何れの場合も、上記転がり軸受ユニット11の軸受列A、Bに付与した予圧が変化すると、これに伴って上記最適なy軸方向位置や上記荷重変換係数が変化する。従って、この様な問題に対処する為に、例えば特願2006−065675に開示された方法や従来から知られている各種の方法により、車両の運転時に上記予圧を測定しながら、上記最適なy軸方向位置や上記荷重変換係数を補正するのが好ましい。
Further, as the optimum y-axis direction position for reading the radial displacement and the load conversion coefficient, those calculated in advance by design may be used, or those actually measured at the time of shipment at the factory may be used. However, in any case, when the preload applied to the bearing rows A and B of the
上述した様に、先発明の構造によれば、5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )及び5外力成分(Fx、Fy、Fz、Mx、Mz)を、1つのエンコーダ4を使用して求められる。この為、これら各状態量(変位、外力)を求める際に使用する状態量測定装置12のコストを十分に抑えられる。これと共に、この状態量測定装置12の十分な小型化を図れる。従って、対象となる転がり軸受ユニット11に広い取り付けスペースが存在しない場合でも、この転がり軸受ユニット11に対し、上記状態量測定装置12を容易に組み付けられる。尚、上述した先発明の構造の場合には、互いに直交する2方向(x方向、z軸方向)のラジアル変位(x、z)及びラジアル荷重(Fx、Fz)を求められる為、これらの成分を利用して、x−z平面内の他の方向のラジアル変位及びラジアル荷重を容易に算出できる。同様に、本例の場合には、互いに直交する2軸(x軸、z軸)周りの傾き(φx 、φz )及びモーメント(Mx、Mz)を求められる為、これらの成分を利用して、x−z平面内に存在する、他の軸周りの傾き及びモーメントを容易に算出できる。
As described above, according to the structure of the previous invention, a 5-degree-of-freedom displacement (x, y, z, φ x , φ z ) and five external force components (Fx, Fy, Fz, Mx, Mz) are converted into one encoder. 4 is used. For this reason, the cost of the state
ところで、上述した先発明の構造の場合には、6個のセンサ6a1 、6a2 、6b1 、6b2 、6c1 、6c2 の検出部を、軸方向に並べて配置した第一、第二両特性変化部9、10に、3個ずつ対向させる構成を採用している。ところが、対象となる転がり軸受ユニット11の構造や、車両への組み付け個所の構造等との関係で、上記各センサ6a1 、6a2 、6b1 、6b2 、6c1 、6c2 の設置空間は、狭小な空間となる場合が多い。この為、場合によっては、この設置空間の広さ(特に軸方向寸法)の制約から、上述の様に6個のセンサ6a1 、6a2 、6b1 、6b2 、6c1 、6c2 の検出部を、上記第一、第二両特性変化部9、10に3個ずつ対向させる事が難しくなる可能性がある。
By the way, in the case of the structure of the prior invention described above, the first and second detection units of the six sensors 6a 1 , 6a 2 , 6b 1 , 6b 2 , 6c 1 , 6c 2 are arranged side by side in the axial direction. A configuration is adopted in which each of the
本発明の回転機械の状態量測定装置は、上述の様な事情に鑑み、6個のセンサの検出部を、第一、第二両特性変化部に3個ずつ対向させる以外の構造で、5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )を測定可能な構造を実現すべく発明したものである。 In view of the circumstances as described above, the state quantity measuring device for a rotating machine according to the present invention has a structure other than three detection units of six sensors opposed to the first and second characteristic change units. The present invention was invented to realize a structure capable of measuring the degree of freedom displacement (x, y, z, φ x , φ z ).
本発明の回転機械の状態量測定装置は、回転機械と、状態量測定装置とを備える。
このうちの回転機械は、使用時にも回転しない静止部材と、この静止部材に対して回転自在に支持された回転部材とを備える。
又、上記状態量測定装置は、上記回転部材の一部に直接又は他の部材を介して支持固定されたエンコーダと、使用時にも回転しない部分に支持固定されたセンサ装置と、演算器とを備える。
このうちのエンコーダは、上記回転部材と同心の周面に被検出面を備えると共に、この被検出面のうち互いに軸方向に外れた2個所位置に、第一、第二特性変化部を備える。そして、これら両特性変化部の特性が円周方向に関して交互に且つ互いに同じピッチで変化すると共に、上記第一、第二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が軸方向に関し、他方の特性変化部と異なる状態で漸次変化している。
又、上記センサ装置は、その検出部を対向させた部分の特性変化に対応して出力信号を変化させるセンサを、4個以上備える。且つ、これら各センサの総数が6個であると仮定した場合に、これら各センサの検出部を上記第一、第二両特性変化部に3個ずつ対向させる構成を採用しない条件で(前述した先発明の様に、6個のセンサを両特性変化部に3個ずつ対向させた構造を除き)、上記4個以上の各センサの検出部のうち、1個のセンサの検出部を上記第一特性変化部に、別の1個のセンサの検出部を上記第二特性変化部に、残りの各センサの検出部を、それぞれ上記第一特性変化部又は上記第二特性変化部のうち他のセンサの検出部を対向させる部分に対して円周方向に離隔した部分に、それぞれ対向させている。
又、互いに直交するx軸、y軸、z軸から成る三次元直交座標系のうちのy軸を上記静止部材の中心軸に一致させた場合に、上記演算器は、それぞれが上記4個以上のセンサのうちから選択された2個のセンサの出力信号同士の間に存在する位相差{或は位相差比(=位相差/1周期)}であって、且つ、互いに異なる2個ずつのセンサの組み合わせに関する5つの位相差(或は位相差比)に基づいて、上記静止部材に対する上記エンコーダの、x軸方向の変位xと、y軸方向の変位yと、z軸方向の変位zと、x軸周りの傾きφx と、z軸周りの傾きφz とを、それぞれ算出する機能を有する。
The rotating machine state quantity measuring apparatus of the present invention includes a rotating machine and a state quantity measuring apparatus.
Among these, the rotating machine includes a stationary member that does not rotate even when in use, and a rotating member that is rotatably supported by the stationary member.
In addition, the state quantity measuring device includes an encoder supported and fixed to a part of the rotating member directly or via another member, a sensor device supported and fixed to a part that does not rotate during use, and an arithmetic unit. Prepare.
Among these, the encoder includes a detected surface on a circumferential surface concentric with the rotating member, and includes first and second characteristic changing portions at two positions which are out of the detected surface in the axial direction. The characteristics of these two characteristic changing parts change alternately and at the same pitch in the circumferential direction, and the phase of the characteristic change of at least one of the first and second characteristic changing parts is With respect to the axial direction, it gradually changes in a state different from the other characteristic changing portion.
In addition, the sensor device includes four or more sensors that change the output signal in response to a change in characteristics of a portion facing the detection unit. And assuming that the total number of each of these sensors is 6, under the condition not adopting a configuration in which three detection units of each of these sensors are opposed to both the first and second characteristic change units (described above). (Except for the structure in which six sensors are opposed to the three characteristic change parts three at a time as in the previous invention), among the detection parts of the four or more sensors, the detection part of one sensor is In one characteristic change part, the detection part of another one sensor is the second characteristic change part, and the detection part of each remaining sensor is the other one of the first characteristic change part or the second characteristic change part. Each of the sensors is opposed to a portion spaced in the circumferential direction with respect to a portion facing the detection unit.
Further, when the y-axis of the three-dimensional orthogonal coordinate system composed of the x-axis, y-axis, and z-axis orthogonal to each other is made coincident with the central axis of the stationary member, each of the computing units is more than four Phase difference {or phase difference ratio (= phase difference / 1 period)} existing between the output signals of two sensors selected from among the two sensors, and two different from each other Based on the five phase differences (or phase difference ratios) relating to the sensor combination, the x-axis direction displacement x, the y-axis direction displacement y, and the z-axis direction displacement z of the encoder relative to the stationary member , Have a function of calculating an inclination φ x around the x axis and an inclination φ z around the z axis, respectively.
上述の請求項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、センサ装置を構成するセンサの総数を6個とする。
又、上述の請求項1〜2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、第一、第二両特性変化部のうち、複数個のセンサの検出部を対向させる少なくとも一方の特性変化部に関して、当該特性変化部に対する上記複数個のセンサの検出部の対向位置を、円周方向等間隔位置とする。
When carrying out the invention described in
In carrying out the invention described in
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、各変位x、y、z及び各傾きφx 、φz を算出する為に利用する5つの位相差(或は位相差比)を、これら各変位x、y、z及び各傾きφx 、φz が0になっている中立状態で、それぞれ一定値以上の大きさ{好ましくは、互いに逆相となる180度の位相差(或は0.5の位相差比)}にする。この為に具体的には、第一、第二両特性変化部の1周当たりの特性変化の回数を勘案して、上記5つの位相差(或は位相差比)が中立状態で一定値以上の大きさになる様に、上記第一、第二両特性変化部に対する各センサの検出部の対向位置を規制する。又は、諸事情により、上記5つの位相差(或は位相差比)が中立状態で0になる様にしか、上記第一、第二両特性変化部に対する各センサの検出部の対向位置を規制できない場合には、位相差を求める2個のセンサの極性(+/−)を逆にするか、或はこれら2個のセンサ信号を受信する回路で互いの極性(+/−)を逆にする措置を採用する事もできる。
In carrying out the invention described in
又、上述の請求項1〜4に記載した発明を実施する場合に、請求項5に記載した様に、第一、第二両特性変化部のうち、一方の特性変化部の特性変化の位相のみを軸方向に関して変化させ、他方の特性変化部の特性変化の位相を軸方向に関して変化させない構成を採用する事もできる。
When the inventions described in
又、上述の請求項1〜5に記載した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、演算器に、自身が算出した静止部材に対するエンコーダの変位及び傾き(各変位x、y、z及び各傾きφx 、φz のうちの少なくとも一部)に基づき、この静止部材と回転部材との間に作用する外力(例えば、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)を算出する機能を持たせる。
又、この様な請求項6に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項7に記載した様に、演算器に、自身が算出した静止部材に対するエンコーダの変位及び傾きに基づき、この静止部材の軸方向(y軸方向)に関する所定の位置での、回転部材のラジアル変位(x−z平面内での変位)を算出し、且つ、このラジアル変位に基づいて、上記静止部材と上記回転部材との間に作用する、このラジアル変位と同方向のラジアル荷重を算出する機能を持たせる。
Further, when carrying out the inventions described in the first to fifth aspects, preferably, as described in the sixth aspect, the calculator calculates the displacement and inclination of the encoder relative to the stationary member calculated by itself (each displacement). Based on x, y, z and at least a part of each inclination φ x , φ z , external force acting between the stationary member and the rotating member (for example, load Fx in the x-axis direction, A function of calculating a load Fy, a load Fz in the z-axis direction, a moment Mx around the x-axis, and a moment Mz around the z-axis) is provided.
Further, when the invention described in
又、上述の請求項7に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項8に記載した様に、算出目的となるラジアル変位と同方向に関する回転機械の剛性中心の軸方向位置を、静止部材の軸方向に関する所定の位置とする。
或は、請求項9に記載した様に、静止部材と回転部材との間にモーメントのみが作用した場合にこの回転部材のラジアル変位が0となる軸方向位置を、静止部材の軸方向に関する所定の位置とする。
或は、請求項10に記載した様に、算出目的となるラジアル変位と同方向に関する回転機械の剛性中心の軸方向位置と、静止部材と回転部材との間にモーメントのみが作用した場合にこの回転部材のラジアル変位が0となる軸方向位置との間に存在する任意の(好ましくは中央の)軸方向位置を、静止部材の軸方向に関する所定の位置とする。
Further, when the invention described in
Alternatively, as described in
Alternatively, as described in
又、上述の請求項6〜10に記載した発明を実施する場合に、好ましくは、請求項11に記載した様に、演算器に、自身が算出した静止部材に対するエンコーダの変位若しくは傾き、又は、この変位若しくは傾きに基づいて算出した上記静止部材と回転部材との間に作用する外力のうち、算出目的となるラジアル変位と異なる方向の成分に基づいて、上記静止部材の軸方向に関する所定の位置を補正させる。
Further, when carrying out the invention described in
又、上述の請求項1〜11に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項12に記載した様に、回転機械を転がり軸受ユニットとする。この転がり軸受ユニットは、静止部材である静止側軌道輪と、回転部材である回転側軌道輪と、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との互いに対向する周面に存在する静止側軌道と回転側軌道との間に設けられた複数個の転動体とを備えたものである。
又、この様な請求項12に記載した発明を実施する場合に、好ましくは、請求項13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の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。
When carrying out the invention described in the above first to eleventh aspects, for example, as described in the twelfth aspect, the rotary machine is a rolling bearing unit. This rolling bearing unit includes a stationary bearing ring that is a stationary member, a rotating bearing ring that is a rotating member, and stationary bearings that exist on circumferential surfaces facing each other of the stationary bearing ring and the rotating bearing ring. A plurality of rolling elements provided between the rotating side track and the rotating side track.
In carrying out the invention described in
上述の様に構成する本発明の回転機械の状態量測定装置によれば、前述した先発明の構造の場合と同様、5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )を、1つのエンコーダを使用して求められる。この理由は、次の通りである。即ち、前述の図6〜13に示した先発明の構造の場合と同様、それぞれが2個のセンサの出力信号同士の間の位相差(或は位相差比)であって、且つ、互いに異なる2個ずつのセンサの組み合わせに関する5つの位相差(或は位相差比)に基づいて、上記5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )を算出する場合には、第一、第二両特性変化部にセンサの検出部を同数ずつ対向させる必要はない。条件となるのは、第一、第二両特性変化部にセンサの検出部がそれぞれ1個以上対向しており、且つ、これら各センサから、2個ずつのセンサの組み合わせを少なくとも5通り選択できる{5つの位相差(或は位相差比)を得られる}事である。そして、本発明の場合には、この条件を満たしている為、前述した先発明の構造の場合と同様、5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )を、1つのエンコーダを使用して求められる。 According to the state quantity measuring apparatus of the rotating machine of the present invention configured as described above, the five-degree-of-freedom displacement (x, y, z, φ x , φ z ) It is determined using one encoder. The reason for this is as follows. That is, as in the case of the structure of the prior invention shown in FIGS. 6 to 13 described above, each is a phase difference (or phase difference ratio) between the output signals of the two sensors and is different from each other. When calculating the five-degree-of-freedom displacement (x, y, z, φ x , φ z ) based on the five phase differences (or phase difference ratios) for two sensor combinations, the first It is not necessary to make the same number of detection parts of the sensor face the second both characteristic change parts. The condition is that one or more sensor detection units are opposed to both the first and second characteristic change units, and at least five combinations of two sensors can be selected from each sensor. {5 phase differences (or phase difference ratios) can be obtained}. In the case of the present invention, since this condition is satisfied, the five-degree-of-freedom displacement (x, y, z, φ x , φ z ) is converted into one encoder as in the case of the structure of the previous invention. Sought using.
又、上述の様に、本発明の場合には、第一、第二両特性変化部にセンサの検出部を同数ずつ対向させる必要がない。この為、センサの設置空間が狭小で、第一、第二両特性変化部にセンサの検出部を同数ずつ対向させる事が困難な場合には、これら第一、第二両特性変化部同士で、対向させるセンサの検出部の個数を互いに異ならせる事により、上記設置空間に対する上記各センサの設置を容易にできる。 Further, as described above, in the case of the present invention, it is not necessary to make the same number of sensor detection portions face the first and second characteristic change portions. For this reason, when the installation space of the sensor is small and it is difficult to make the same number of sensor detection parts face the first and second characteristic change parts, the first and second characteristic change parts The installation of the sensors in the installation space can be facilitated by making the number of detection parts of the sensors opposed to each other different.
又、請求項5に記載した構造を採用すれば、5つの位相差(或は位相差比)から上記5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )を算出する際の計算量を少なくできる{具体的には、本発明に関する、前記(14)式と同様の式中の、5行5列の行列要素の中に、0を多く含ませる事ができる}。この為、測定精度は多少悪化するが、上記5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )を、よりリアルタイムに近い状態で算出できる。又、位相を軸方向に関して変化させない特性変化部に検出部を対向させたセンサの検出信号に基づき、回転部材の回転速度を精度良く求められる。
又、請求項6に記載した構造を採用すれば、静止部材と回転部材との間に作用する外力(例えば、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)を、1つのエンコーダを使用して求められる。
又、請求項7〜11に記載した構造を採用すれば、静止部材と回転部材との間に作用するラジアル荷重を、精度良く求められる。
Further, if the structure described in
Further, if the structure described in
Moreover, if the structure as described in Claims 7-11 is employ | adopted, the radial load which acts between a stationary member and a rotation member will be calculated | required with sufficient precision.
図1〜2は、請求項1〜4及び6〜13に対応する、本発明の実施の形態の1例を示している。尚、本例の特徴は、センサ装置を構成する合計6個のセンサ6s1 〜6s6 のうち、第一特性変化部9に対向させるセンサの個数と、第二特性変化部10に対向させるセンサの個数とを、互いに異ならせた点にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図6〜13に示した先発明の構造の場合と同様である為、同等部分には同一符号を付して、重複する図示並びに説明は省略若しくは簡略にし、以下、本例の特徴部分、並びに、上記先発明の構造と異なる部分を中心に説明する。
1-2 show an example of an embodiment of the present invention corresponding to
本例は、上記6個のセンサ6s1 〜6s6 の設置空間の寸法制約により、これら6個のセンサ6s1 〜6s6 の検出部を、上記第一、第二両特性変化部9、10に3個ずつ対向させる事が困難な構造を対象としている。この為、本例の場合には、上記6個のセンサ6s1 〜6s6 を上記設置空間内に、状態量測定の面から効果的に設置できる様にすべく、これら6個のセンサ6s1 〜6s6 のうち、2個のセンサ6s1 、6s2 の検出部を上記第一特性変化部9に、残り4個のセンサ6s3 〜6s6 の検出部を上記第二特性変化部10に、それぞれ対向させる構造を採用している。具体的には、上記2個のセンサ6s1 、6s2 の検出部を、それぞれ上記第一特性変化部9のθ=60度の位置と、θ=300度の位置とに対向させている。又、上記4個のセンサ6s3 〜6s6 の検出部を、それぞれ上記第二特性変化部10のθ=0度の位置と、θ=90度の位置と、θ=180度の位置と、θ=270度の位置とに対向させている。尚、この様な本例のセンサ配置構造を採用すれば、どの様な設置空間に対しても、上記6個のセンサ6s1 〜6s6 を効果的に配置できると言う訳ではない。即ち、本発明を実施する場合、上記第一、第二両特性変化部9、10のそれぞれに対向させるセンサの検出部の個数、並びに、これら各検出部の円周方向位置θは、用意された設置空間に上記6個のセンサ6s1 〜6s6 を効果的に配置できる様、適宜決定する。何れにしても、本例の場合には、中立状態で、これら6個のセンサ6s1 〜6s6 のうちから選択される、何れか2個1組のセンサの出力信号同士の間に、何れの組に就いても0.5の位相差比(180度の位相差)が生じる様に、上記第一、第二両特性変化部9、10の特性変化のピッチP(前記図7参照)を規制し、且つ、必要に応じて、上記各センサ6s1 〜6s6 同士の間で互いの極性(+/−)を異ならせている。
This example, by the size constraints of the installation space of the six sensor 6s 1 ~6s 6, the detection portion of the six sensor 6s 1 ~6s 6, the first, second double
又、本例の場合も、前述した先発明の構造の場合と同様、外輪1に対するエンコーダ4の5自由度変位(x軸方向の変位x、y軸方向の変位y、z軸方向の変位z、x軸周りの傾きφx 、z軸周りの傾きφz )を算出する為に、それぞれが上記6個のセンサ6s1 〜6s6 の中から選択された2個のセンサの出力信号同士の間に存在する位相差比であって、且つ、互いに異なる2個ずつのセンサの組み合わせ(本例の場合には、全部で6 C2 =15通りの組み合わせがあるが、その中の任意の5通りの組み合わせ。例えば、上記センサs1 とs2 との組み合わせと、上記センサs3 とs5 との組み合わせと、上記センサs4 とs6 との組み合わせと、上記センサs1 とs3 との組み合わせとの、合計5通りの組み合わせ)に関する5つの位相差比ε1 〜ε5 を利用する。
Also in this example, as in the case of the structure of the previous invention described above, the 5-degree-of-freedom displacement of the
この為に具体的には、上記5通りの2個ずつのセンサの組み合わせに関して、前記(1)式及び(2)式を基に、前記(3)〜(13)式に対応する式を得て、更に前記(14)式に対応する、次の(21)式を得る。
更に、上記(21)式を、上記5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )に就いての式に書き換えた、次の(22)式を得る。
Further, the following expression (22) is obtained by rewriting the above expression (21) into the expression for the five-degree-of-freedom displacement (x, y, z, φ x , φ z ).
尚、本例の場合には、中立状態で、上記6個のセンサ6s1 〜6s6 のうちの、何れの2個のセンサの出力信号同士の間にも、0.5の位相差比(180度の位相差)が生じる様にしている。この為、上記外輪1に対して上記エンコーダ4が変位する事に伴い、上記各組み合わせに関する2個のセンサ間の位相差比が変化する場合に、これら2個のセンサ間で、出力信号のパルスエッジタイミングが逆転(所謂追い越し)する事を防止できる。この為、この逆転の有無を見張る事なく、上記各組み合わせに関する2個のセンサ間の位相差比を正常に検出できる。
In this example, in the neutral state, a phase difference ratio of 0.5 (between the output signals of any two of the six sensors 6s 1 to 6s 6) A phase difference of 180 degrees). For this reason, when the phase difference ratio between the two sensors related to each of the combinations changes with the displacement of the
又、本例の場合も、前述した先発明の構造の場合と同様、上述の様に算出した5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )に基づいて、上記外輪1とハブ2との間に作用する5外力成分(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)を求められる。特に、本例の場合も、前述した先発明の構造に関して前記図10〜13を参照しつつ説明した様にして、上記外輪1とハブ2との間に作用するラジアル荷重を、精度良く求められる(請求項7〜11)。
Also in this example, as in the case of the structure of the above-described prior invention, the
上述の様に、本例の回転機械の状態量測定装置の場合には、6個のセンサ6s1 〜6s6 の検出部を、第一、第二両特性変化部9、10に3個ずつ対向させる以外の構造を採用しつつ、外輪1に対するエンコーダ4の5自由度変位(x、y、z、φx 、φz )と、この外輪1とハブ2との間に作用する5外力成分(Fx、Fy、Fz、Mx、Mz)とを、1つのエンコーダ4を使用して求められる。
As described above, in the case of the state quantity measuring device of the rotating machine of this example, three detection units of the six sensors 6s 1 to 6s 6 are provided in each of the first and second
尚、本発明は、上述した実施の形態の構造に限らず、特許請求の範囲に記載した要件を満たす、各種の構造を採用できる。例えば、センサ装置を構成するセンサの総数は、4個以上であれば、6個以外でも良い。この理由は、センサの総数が4個以上あれば、この中から2個のセンサの組み合わせを5通り以上(4個の場合、6通り)得られる為である。又、第一、第二両特性変化部とも、各センサの検出部の対向位置は、円周方向に関して等間隔であっても、不等間隔であっても、どちらでも良い。又、前記(3)〜(8)式は、幾何学的な位置関係のみに基づいて導出したが、実際にはGap依存、非線形性、指向性等の影響で理論通りの位相差比が発生しない場合もある。この様な場合には、対応策として、例えば、実測値を基に、前記(3)〜(8)式に対応する本発明に関する式を修正して使用するか、或は、工場からの出荷時に、前記(3)〜(8)式に対応する本発明に関する式を実測し、この実測値を演算器中にインストールするソフトウェア中に反映させて使用する。 In addition, this invention can employ | adopt not only the structure of embodiment mentioned above but the various structures which satisfy | fill the requirements described in the claim. For example, the total number of sensors constituting the sensor device may be other than six as long as it is four or more. This is because if the total number of sensors is four or more, five or more combinations of two sensors can be obtained (six in the case of four). In both the first and second characteristic changing portions, the opposing positions of the detection portions of the sensors may be equal intervals or unequal intervals in the circumferential direction. In addition, the above formulas (3) to (8) were derived based only on the geometric positional relationship, but in reality, a phase difference ratio as theoretically occurred due to the influence of Gap dependence, nonlinearity, directivity, etc. Sometimes not. In such a case, as a countermeasure, for example, based on an actual measurement value, the formula related to the present invention corresponding to the above formulas (3) to (8) is corrected or used, or shipped from a factory. Occasionally, an expression related to the present invention corresponding to the expressions (3) to (8) is actually measured, and this actually measured value is reflected and used in software installed in a computing unit.
又、前述した先発明の構造でも説明した様に、静止側軌道輪に対する回転側軌道輪の所定の自由度の変位(例えば、x)と、これら両軌道輪同士の間に作用する同方向の外力(例えば、Fx)との関係は、その時点でこれら両軌道輪同士の間に作用している他の方向の外力(例えば、Fy、Fz、Mx、Mz)によって、若干異なってくる。但し、この様な他の方向の外力による影響は、予め、上記所定方向の変位と、上記同方向の外力と、上記他の方向の外力との、互いの関係を実験或はシミュレーションにより調べておく事ができる。そして、上記演算器にインストールしたソフトウェアによる、マップ収束や連立方程式等で計算すれば、上記他の方向の外力の影響をなくして上記同方向の外力を精度良く求められる。 In addition, as described in the structure of the previous invention, the displacement of the rotating side raceway with respect to the stationary side raceway with a predetermined degree of freedom (for example, x) and the same direction acting between these raceways. The relationship with the external force (for example, Fx) is slightly different depending on the external force (for example, Fy, Fz, Mx, Mz) in other directions acting between the two race rings at that time. However, the influence of such external forces in other directions is examined in advance by experiments or simulations of the mutual relationship between the displacement in the predetermined direction, the external force in the same direction, and the external force in the other direction. I can leave. Then, by calculating with map convergence, simultaneous equations, or the like by software installed in the computing unit, the external force in the other direction can be accurately obtained without the influence of the external force in the other direction.
1 外輪
2 ハブ
3 転動体
4 エンコーダ
5 カバー
6a1 、6a2 、6b1 、6b2 、6c1 、6c2 、6s1 〜6s6 センサ
7 透孔
8 柱部
9 第一特性変化部
10 第二特性変化部
11 転がり軸受ユニット
12 状態量測定装置
1 the
Claims (13)
このうちの回転機械は、使用時にも回転しない静止部材と、この静止部材に対して回転自在に支持された回転部材とを備えたものであり、
上記状態量測定装置は、上記回転部材の一部に直接又は他の部材を介して支持固定されたエンコーダと、使用時にも回転しない部分に支持固定されたセンサ装置と、演算器とを備えたものであり、
このうちのエンコーダは、上記回転部材と同心の周面に被検出面を備えると共に、この被検出面のうち互いに軸方向に外れた2個所位置に第一、第二特性変化部を備えたもので、これら両特性変化部の特性が円周方向に関して交互に且つ互いに同じピッチで変化すると共に、上記第一、第二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が軸方向に関し、他方の特性変化部と異なる状態で漸次変化しており、
上記センサ装置は、その検出部を対向させた部分の特性変化に対応して出力信号を変化させるセンサを、4個以上備えており、且つ、これら各センサの総数が6個であると仮定した場合にこれら各センサの検出部を上記第一、第二両特性変化部に3個ずつ対向させる構成を採用しない条件で、上記4個以上の各センサの検出部のうち、1個のセンサの検出部を上記第一特性変化部に、別の1個のセンサの検出部を上記第二特性変化部に、残りの各センサの検出部を、それぞれ上記第一特性変化部又は上記第二特性変化部のうち他のセンサの検出部を対向させる部分に対して円周方向に離隔した部分に、それぞれ対向させており、
互いに直交するx軸、y軸、z軸から成る三次元直交座標系のうちのy軸を上記静止部材の中心軸に一致させた場合に、上記演算器は、それぞれが上記4個以上のセンサのうちから選択された2個のセンサの出力信号同士の間に存在する位相差であって、且つ、互いに異なる2個ずつのセンサの組み合わせに関する5つの位相差に基づいて、上記静止部材に対する上記エンコーダの、x軸方向の変位xと、y軸方向の変位yと、z軸方向の変位zと、x軸周りの傾きφx と、z軸周りの傾きφz とを、それぞれ算出する機能を有するものである、
回転機械の状態量測定装置。 A rotating machine and a state quantity measuring device;
Among these, the rotating machine includes a stationary member that does not rotate even when in use, and a rotating member that is rotatably supported with respect to the stationary member.
The state quantity measuring apparatus includes an encoder supported and fixed to a part of the rotating member directly or via another member, a sensor device supported and fixed to a part that does not rotate even when used, and a computing unit. Is,
The encoder includes a detected surface on a peripheral surface concentric with the rotating member, and includes first and second characteristic changing portions at two positions on the detected surface that are separated from each other in the axial direction. Thus, the characteristics of these two characteristic changing portions change alternately and at the same pitch in the circumferential direction, and the phase of the characteristic change of at least one of the first and second characteristic changing portions is Regarding the axial direction, it is gradually changing in a state different from the other characteristic change part,
It is assumed that the sensor device includes four or more sensors that change the output signal in response to the characteristic change of the part facing the detection unit, and the total number of these sensors is six. In such a case, one sensor among the four or more detection units is not used under the condition that three detection units of each sensor are opposed to the first and second characteristic change units. The detection unit is the first characteristic change unit, the detection unit of another sensor is the second characteristic change unit, and the detection units of the remaining sensors are the first characteristic change unit or the second characteristic, respectively. Each of the changing portions is opposed to a portion spaced in the circumferential direction with respect to a portion facing the detection portion of another sensor,
When the y-axis of the three-dimensional orthogonal coordinate system composed of the x-axis, y-axis, and z-axis orthogonal to each other coincides with the central axis of the stationary member, each of the computing units includes the four or more sensors. The phase difference existing between the output signals of two sensors selected from among the five sensors and the five phase differences relating to two different combinations of sensors, A function of calculating the displacement x in the x-axis direction, the displacement y in the y-axis direction, the displacement z in the z-axis direction, the inclination φ x around the x axis, and the inclination φ z around the z axis of the encoder. Having
A state machine for rotating machines.
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-
2007
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