JP2020085832A - 回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサの検出信号から不要成分を低減することを可能とさせる機構を備えた回転装置を提供する。【解決手段】回転装置１０は、固定体（外輪１２）と、前記固定体に対して第一中心線Ｃ１回りに回転する第一回転体３１と、前記第一回転体３１の回転力によって当該第一回転体３１よりも高い回転速度で第二中心線Ｃ２回りに回転する第二回転体２０と、前記第二回転体２０の回転角度を検出するセンサ７と、前記第二回転体２０を前記第一回転体３１に接触状態として支持すると共に、当該第一回転体３１が前記第一中心線Ｃ１に直交する方向に変位すると当該変位に応じて前記第二回転体２０が当該第一回転体３１と同じ方向に変位可能として支持する支持部１９とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、センサ付きの回転装置に関する。

回転体に作用する荷重を、センサを用いて検出する技術が知られている。例えば、特許文献１には、自動車用のいわゆるハブユニット（車輪用軸受装置）に作用する荷重をセンサによって検出する技術が開示されている。ハブユニットは、車体側に固定される外輪と、車輪が取り付けられるハブ軸と、これら外輪とハブ軸との間に設けられた転動体とを備える。特許文献１では、回転体となるハブ軸にリング状のセンサロータが取り付けられ、外輪にセンサが取り付けられている。センサは、磁気センサであり、ハブ軸と一体回転するセンサロータの回転位相を検出する。

近年、自動車において、走行の際の運転制御を行うために、車輪に作用する荷重や車輪の回転速度等の様々な情報が必要とされている。特許文献１に開示の技術によれば、車輪から作用するハブ軸の荷重及びハブ軸の回転速度の両方が検出可能となる。なお、車輪からハブユニットに作用する荷重は、ドライバの操舵、及び、加減速の操作に依存し、これらによって変化する。

特開２００８−１２８８１２号公報

ハブ軸の製造において、偏心等の形状に関する製造誤差が生じることがある。また、リング状のセンサロータがハブ軸に取り付けられるが、その際に、両者の中心線が精度良く一致しないこともある。この場合、ハブ軸の回転中心線に対してセンサロータが偏心回転する。このような偏心回転は周期的な変動となってセンサの検出信号に現れる。周期的な変動はセンサの検出信号において不要成分となる。ハブ軸が高速で回転している場合、不要成分の周波数は高いことから、その不要成分については、センサの検出信号から例えばローパスフィルタ又はノッチフィルタによって除去できる。しかし、ハブ軸が低速で回転している場合、図１３に示されるように、検出の目的となるハブ軸に作用する荷重Ｆ１の周波数と、不要成分Ｆ２の周波数とが、同じ低周波帯にある。この場合、不要成分Ｆ２を除去するためにノッチフィルタ等を用いると、検出目的となる荷重Ｆ１による信号までもが削除されてしまうという問題点がある。

そこで、本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、センサの検出信号から不要成分を低減することを可能とさせる機構を備えた回転装置を提供することを目的とする。

本発明の回転装置は、固定体と、前記固定体に対して第一中心線回りに回転する第一回転体と、前記第一回転体の回転力によって当該第一回転体よりも高い回転速度で第二中心線回りに回転する第二回転体と、前記第二回転体の回転角度を検出するセンサと、前記第二回転体を前記第一回転体に接触状態として支持すると共に、当該第一回転体が前記第一中心線に直交する方向に変位すると当該変位に応じて前記第二回転体が当該第一回転体と同じ方向に変位可能として支持する支持部と、を備える。

この回転装置によれば、第一回転体に対して第一中心線に直交する方向の荷重が作用すると、第一回転体は同方向に変位する。すると、第二回転体も同じ方向に変位する。この変位は、第二回転体の回転角度の変化となって現れる。センサによってこの回転角度の変化が検出され、検出結果を演算することで前記荷重が求められる。これに対して、例えば第一回転体の偏心等による周期的な変動成分（不要成分）は、第二回転体によって増速される。つまり、不要成分は高周波化される。このため、第一回転体が低速で回転している場合であっても、不要成分は高周波化されることから、この高周波化された不要成分を例えばノッチフィルタ等によって削除すればよい。以上より、センサによる検出対象を、第一回転体ではなく、第一回転体よりも高い回転速度で回転する第二回転体とする前記構成によれば、センサの検出信号から不要成分を低減することが可能となる。

また、前記支持部は、前記第二中心線を中心とし前記第二回転体を支持する軸と、当該軸を前記第二中心線に直交する方向に変位可能として支持する軸受部と、を有し、
前記軸受部は、前記軸を回転可能として支持する転がり軸受と、当該転がり軸受を支える弾性部材と、を有するのが好ましい。この構成により、第一回転体が第一中心線に直交する方向に変位すると、第二回転体を第一回転体と同じ方向に変位可能とする構成が得られる。

また、前記第二回転体及び前記センサは、前記第一中心線を中心とする周方向に沿って等間隔で少なくとも三つ設けられていればよい。この構成により、第一中心線に直交するどの方向に第一回転体が変位しても、少なくとも三つのセンサの検出結果を用いて演算することで、前記荷重が求められる。
また、前記第二回転体及び前記センサは、前記第一中心線を中心として９０°間隔で周方向に沿って四つ設けられているのが好ましい。この構成により、第一中心線に直交するどの方向に第一回転体が変位しても、四つのセンサの検出結果を用いて演算することで、前記荷重が容易に求められる。

また、前記第二回転体は、一対を一組として前記第一回転体の周囲に配置され、前記センサとして、一組の前記第二回転体それぞれを検出対象とする第一のセンサ及び第二のセンサが設けられ、前記第一のセンサ及び前記第二のセンサそれぞれは、前記第二回転体それぞれが一回転する間に周期的な波形信号を複数周期について出力し、前記第二回転体が変位すると、当該第一のセンサは位相が遅れた波形信号を出力し、当該第二のセンサは位相が進んだ波形信号を出力し、前記波形信号に基づいて、前記第一のセンサの検出対象位置における前記第二回転体の回転角度及び前記第二のセンサの検出対象位置における前記第二回転体の回転角度を求めると共に、一対の前記第二回転体の前記回転角度の差に基づいて当該第二回転体の変位量を求めるのが好ましい。この構成により、一対のセンサから出力される波形信号に基づいて、第二回転体の変位量が求められる。この変位量は第一回転体の変位量に相当することから、第一回転体の変位量が求められる。

本発明の回転装置によれば、センサの検出信号から不要成分を低減することが可能となる。

回転装置の一例を示す模式図である。 回転装置を軸方向他方側から見た図である。 （Ａ）は、前側及び後側の支持部を軸方向他方側から見た図であり、（Ｂ）は、上側及び下側の支持部を軸方向他方側から見た図である。 回転状態にある回転装置に負荷が作用していない状態における、センサの出力を示す図である。 回転状態にある回転装置にＺ軸方向に沿って下向きの荷重が作用した場合のセンサの出力を示す図である。 処理装置が実行する処理を含むフロー図である。 センサの出力信号の説明図である。 求められる位相差のデータの説明図である。 フィルタ処理されたデータの説明図である。 センサの配置が変更された軸受装置を軸方向他方側から見た図である。 センサから出力される波形信号の説明図である。 波形信号が変換された角度信号の説明図である。 従来技術の課題を説明する図である。

〔回転装置１０の構成について〕
図１は、回転装置１０の一例を示す模式図であり、回転装置１０の上側半分を、その中心線Ｃ１を含む断面で示している。本実施形態の回転装置１０は自動車用のハブユニット（車輪用軸受装置）である。回転装置１０は、ハブ軸（内軸部材）１１と、ハブ軸１１の径方向外方に設けられた筒状の外輪（外輪部材）１２と、転動体である玉１３とを備える。この回転装置１０において、中心線Ｃ１に沿った方向を「軸方向」と称する。ここでは、「軸方向」に、中心線Ｃ１に平行な方向も含まれるものとする。中心線Ｃ１に直交する方向が、回転装置１０の径方向であり、単に「径方向」と称する。本実施形態では、ハブ軸１１が中心線Ｃ１回りに回転する。中心線Ｃ１回りの回転方向を「周方向」と称する。また、中心線Ｃ１に沿った方向をＹ軸方向とする。中心線Ｃ１に直交する水平方向をＸ軸方向とする。中心線Ｃ１に直交する鉛直方向をＺ軸方向とする。各図において、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸による直交座標系が定義される。ハブユニットである回転装置１０が自動車の車体側に固定された状態で、ステアリング操舵角がゼロの状態において、自動車の前後方向はＸ軸に沿った方向と一致し、左右方向はＹ軸に沿った方向と一致し、上下方向はＺ軸に沿った方向と一致する。

外輪１２は、円筒形状である外輪本体部２１と、この外輪本体部２１から径方向外方に延びて設けられている固定用のフランジ部２２とを有する。外輪本体部２１の内周側に外軌道面１２ａ，１２ｂが形成されている。外輪１２はフランジ部２２によって車体側部材であるナックル（図示せず）に取り付けられ、これにより外輪１２を含む回転装置１０が車体に固定される。本実施形態では、外輪１２が固定体となり、ハブ軸１１が回転体（回転体の一部）となる。ハブ軸１１が外輪１２に対して中心線Ｃ１回りに回転する。中心線Ｃ１を「第一中心線Ｃ１」と称する。

ハブ軸１１は、内軸２３と、この内軸２３の軸方向他方側に取り付けられた内輪２４とを有する。内軸２３は、外輪１２の径方向内方に設けられている内軸本体部２６と、内軸本体部２６の軸方向一方側に設けられているフランジ部２７とを有する。フランジ部２７は、内軸本体部２６の軸方向一方側から径方向外方に延びて設けられている。フランジ部２７の軸方向一方側の面に、図示しないが、車輪及びブレーキロータが取り付けられる。

内輪２４は、環状の部材であり、内軸本体部２６の軸方向他方側に外嵌し固定される。内軸本体部２６の外周面の一部に第一の内軌道面１１ａが形成され、内輪２４の外周面に第二の内軌道面１１ｂが形成されている。軸方向一方側における外軌道面１２ａと内軌道面１１ａとの間に玉１３が複数配置される。軸方向他方側における外軌道面１２ｂと内軌道面１１ｂとの間に玉１３が複数配置される。玉１３は、外輪１２とハブ軸１１との間に二列となって設けられている。各列に含まれる複数の玉１３が保持器（図示せず）によって保持される。

回転装置１０は、更に、ハブ軸１１と一体回転する環状部材を備える。本実施形態の前記環状部材は歯車１４（以下、「大歯車１４」と称する。）であり、第一中心線Ｃ１を中心として設けられている。大歯車１４及び内輪２４が、内軸本体部２６の端部に外嵌していて、端部に形成されたねじ部にボルト１５を締め付けることにより、大歯車１４及び内輪２４は、軸方向に抜け止めされ内軸２３に固定される。

ハブ軸１１及びこのハブ軸１１と一体となる大歯車１４が「第一回転体３１」であるとすると、回転装置１０は、更に、「第二回転体２０」を備える。本実施形態の第二回転体２０は、大歯車１４と噛み合う小歯車１６と、小歯車１６と一体回転する円板状のセンサロータ１７とを有する。本実施形態のセンサロータ１７は歯車（平歯車）により構成されている。センサロータ１７は強磁性体により構成されるのが好ましい。小歯車１６及びセンサロータ１７は、軸１８に回転不能に取り付けられている。軸１８は、外輪１２に設けられた支持部１９に含まれる。軸１８は、外輪１２に取り付けられた軸受部３５によって支持されている。軸１８の中心線を「第二中心線Ｃ２」と称する。小歯車１６及びセンサロータ１７は、第二中心線Ｃ２を中心として回転可能である。

回転装置１０は、更にセンサ７を備える。図２は、回転装置１０を軸方向他方側から見た図である。なお、図２では、大歯車１４、小歯車１６、及び歯車から成るセンサロータ１７は、簡略化のために円板として示されている。第二回転体２０及びセンサ７は、大歯車１４の周囲に複数設けられている。本実施形態では、一つの第二回転体２０及びその近傍の一つのセンサ７により一つの組が構成され、この組が周方向に沿って等間隔で四箇所に設けられている。

ここで、センサ７、第二回転体２０、小歯車１６、センサロータ１７、及び軸１８に付されている符号の添字（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）に関して説明する。添字Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、第一中心線Ｃ１を基準とした配置を意味しており、図２において、第一中心線Ｃ１を基準とした場合の、前、後、上、下を示す。例えば、前に位置するセンサの符号は「７Ａ」であり、前に位置する第二回転体の符号は「２０Ａ」である。センサ７、第二回転体２０、小歯車１６、センサロータ１７、及び軸１８それぞれの構成は、前、後、上、下に関わらず、同じであることから、センサ７、第二回転体２０、小歯車１６、センサロータ１７、及び軸１８それぞれに関して共通する説明では、添字（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を省略する。

小歯車１６は、大歯車１４よりも直径（ＰＣＤ）が小さい。このため、小歯車１６の回転速度（回転数）は、大歯車１４の回転速度（回転数）よりも高くなる。センサロータ１７の回転速度（回転数）は、小歯車１６の回転速度（回転数）と同じである。センサロータ１７は、大歯車１４と小歯車１６との歯車比に応じて増速される。センサロータ１７の回転速度（回転数）は、ハブ軸１１の回転速度（回転数）に前記歯車比（歯車比＞１）を乗算した値となる。歯車比は例えば５〜１０である。以上より、センサロータ１７を含む第二回転体２０は、ハブ軸１１及び大歯車１４（第一回転体３１）の回転力によって、ハブ軸１１及び大歯車１４よりも高い回転速度で第二中心線Ｃ２回りに回転する。そして、第二回転体２０は、前後上下の四箇所に設けられている。各第二回転体２０は、外輪１２に設けられた支持部１９により第二中心線Ｃ２回りに回転可能として支持されている。

図３（Ａ）は、前側及び後側の支持部１９を軸方向他方側から見た図である。図３（Ｂ）は、上側及び下側の支持部１９を軸方向他方側から見た図である。各支持部１９は、軸１８と、軸１８を支持する軸受部３５とを有する、軸受部３５は、転がり軸受２８と、複数の弾性部材（板ばね）２９とを有する。図１及び図３（Ａ）（Ｂ）に示されるように、外輪本体部２１には、凹部３０が形成されている。転がり軸受２８は弾性部材２９を介して凹部３０に取り付けられている。弾性部材２９は、第二中心線Ｃ２を中心とした径方向に弾性変形可能であり、軸１８と一体となる転がり軸受２８の、第二中心線Ｃ２を中心とした径方向の変位を許容する。なお、各弾性部材２９は、第二中心線Ｃ２を中心とした径方向に弾性変形した状態で設けられている。弾性部材２９の第二中心線Ｃ２を中心とした径方向の剛性は、ハブ軸１１の第一中心線Ｃ１を中心とした径方向の剛性よりも小さい。

図３（Ａ）に示す前側及び後側の各支持部１９において、転がり軸受２８をＺ軸方向に挟む一対の弾性部材２９，２９が設けられている。このため、ハブ軸１１及び大歯車１４が第一中心線Ｃ１を中心とした径方向（Ｚ軸方向）の成分を有して変位すると、大歯車１４が小歯車１６Ａ（１６Ｂ）を同じ径方向（Ｚ軸方向）に押して変位させる。この変位により小歯車１６Ａ（１６Ｂ）を含む第二回転体２０Ａ（２０Ｂ）、及び第二回転体２０Ａ（２０Ｂ）を支持する転がり軸受２８は、弾性部材２９，２９に抗して、第二中心線Ｃ２を中心とした径方向（Ｚ軸方向）に変位する。つまり、第二中心線Ｃ２が、第一中心線Ｃ１を中心とした径方向（Ｚ軸方向）に変位する。
図３（Ｂ）に示す上側及び下側の各支持部１９において、転がり軸受２８をＸ軸方向に挟む一対の弾性部材２９，２９が設けられている。このため、ハブ軸１１及び大歯車１４が第一中心線Ｃ１を中心とした径方向（Ｘ軸方向）の成分を有して変位すると、大歯車１４が小歯車１６Ｃ（１６Ｄ）を同じ径方向（Ｘ軸方向）に押して変位させる。この変位により小歯車１６Ｃ（１６Ｄ）を含む第二回転体２０Ｃ（２０Ｄ）、及び第二回転体２０Ｃ（２０Ｄ）を支持する転がり軸受２８は、弾性部材２９，２９に抗して、第二中心線Ｃ２を中心とした径方向（Ｘ軸方向）に変位する。つまり、第二中心線Ｃ２が、第一中心線Ｃ１を中心とした径方向（Ｘ軸方向）に変位する。

図２において、例えば、ハブ軸１１に下向きの荷重が作用すると、ハブ軸１１が下向き（Ｚ軸方向）に変位する。この場合、大歯車１４が、前側に位置する小歯車１６Ａと後側に位置する小歯車１６Ｂを下向き（Ｚ方向）に押して変位させる。これにより、前後のセンサロータ１７Ａ，１７Ｂが下方（Ｚ方向）に変位する。センサロータ１７Ａ，１７Ｂの変位は、前記支持部１９の構成により、妨げられず、また、センサロータ１７Ａ，１７Ｂの回転自在の状態は維持される。また、この場合、大歯車１４が、前側に位置する小歯車１６Ａを下向き（Ｚ方向）に押して変位させようとする。この変位させようとした分だけ、前側の小歯車１６Ａを大歯車１４と接する側の接線方向の下向き（Ｚ方向）に回転させる。また、大歯車１４が、後側に位置する小歯車１６Ｂを下向き（Ｚ方向）に押して変位させようとする。この変位させようとした分だけ、後側の小歯車１６Ｂを大歯車１４と接する側の接線方向の下向き（Ｚ方向）に回転させる。

以上より、支持部１９は、第二回転体２０の小歯車１６を、第一回転体３１に含まれる大歯車１４に接触した状態（噛み合った状態）を保って支持する。更に、支持部１９は、ハブ軸１１及び大歯車１４（第一回転体３１）が第一中心線Ｃ１に直交する方向に変位すると、この変位に応じて第二回転体２０が第一回転体３１と同じ方向に変位可能として支持する。つまり、支持部１９は、軸１８を第一中心線Ｃ１に直交する方向に変位可能として支持する軸受部３５を有する。また、軸受部３５は、軸１８を第二中心線Ｃ２に直交する方向に変位可能として支持する、とも言える。このように軸１８を支持するために、軸受部３５は、軸１８を回転可能として支持する転がり軸受２８と、転がり軸受２８を支える弾性部材２９とを備える。

センサ７は、磁気センサであり、磁気抵抗素子を用いた回転センサである。磁気抵抗素子は、磁束密度変化に応じて抵抗値が変わる素子であり、センサ７は、前記抵抗値の変化をブリッジ回路の分圧値の変化とし、この変化が電圧信号として出力される。本実施形態のセンサ７は、Ａ相の磁気抵抗素子と、Ｂ相の磁気抵抗素子とを有する。Ａ相及びＢ相それぞれの磁気抵抗素子によって、センサ７が対向する第二回転体２０の移動に伴う磁界変化が検出される。本実施形態では、センサロータ１７は歯車からなり、センサ７は、その歯車の歯部が設けられている外周部を検出対象とする。センサロータ１７が第二中心線Ｃ２回りに回転することで、センサ７における磁界が変化し、この磁界変化に基づくセンサ７の検出信号により、第二回転体２０の第二中心線Ｃ２回りの回転角度（回転位相）が検出される。より具体的に説明すると、センサ７が対向する第二回転体２０の移動に伴って、前記Ａ相の磁気抵抗素子からＳＩＮ信号が出力され、前記Ｂ相の磁気抵抗素子からＣＯＳ信号が出力される。これらＳＩＮ信号とＣＯＳ信号とに基づいて、センサ７に対するセンサロータ１７の位置（回転角度）が検出される。なお、前記のような位置（回転角度）の検出は、センサ７の信号を取得する処理装置４０（図１参照）によって行われる。なお、処理装置４０は、回転装置１０外に設けられていればよく、自動車のＥＣＵの機能の一部とすることができる。以上のようなセンサ信号（波形信号）及びその処理の概略及び具体例について、説明する。

〔センサ信号の処理について〕
センサ７が出力するセンサ信号（波形信号）及びその処理の概略についてまず説明する。図４は、回転状態にある回転装置１０（ハブ軸１１）に負荷が作用していない状態（非負荷状態）における、センサ７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄの出力を示す図である。センサ７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄそれぞれは、前記のとおりＳＩＮ信号及びＣＯＳ信号を出力する。図５は、回転状態にある回転装置１０（ハブ軸１１）に、Ｚ軸方向に沿って下向きの荷重（以下、「Ｆｚ荷重」と称する）が作用した場合のセンサ７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄの出力を示す図である。図５において、非負荷状態の信号が破線で示されている。Ｆｚ荷重が作用すると、センサ７Ａ，７Ｂそれぞれにおいて、センサロータ１７との間隔は変化しないが、センサロータ１７との間に相対的なＺ軸方向の平行移動が生じる。この平行移動は、センサロータ１７の外周面の回転移動と等価であるとみなすことができる。そこで、後の具体例でも説明するが、センサ７Ａとセンサ７Ｂとのうち一方の出力から他方の出力を引き算することで、Ｆｚ荷重が作用していない状態の基準位置からの二倍の平行移動量、つまり、回転角度差が求められる。なお、回転角度差の算出では、センサ７Ａ及びセンサ７Ｂの出力（ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号）それぞれのアークタンジェントによる値を用いるのが好ましい。

Ｆｚ荷重は、センサロータ１７のＺ軸方向の変位量に比例し、この変位量は、第一中心線Ｃ１を中心として１８０°離れたセンサ７Ａ，７Ｂの信号により求められた前記回転角度差に比例する。よって、センサ７Ａとセンサ７Ｂの出力に基づいて求められた回転角度差より、Ｚ軸方向の変位量が演算によって求められ、更に、Ｆｚ荷重が演算によって求められる。

センサ７が出力する信号は、処理装置４０（図１参照）に入力され、この信号を処理装置４０が処理し、回転装置１０に作用する荷重（Ｆｚ荷重）等を算出する。図６は、処理装置４０が実行する処理を含むフロー図である。以下の説明は、回転状態にある回転装置１０（ハブ軸１１）に、Ｚ軸方向に沿って下向きの荷重（Ｆｚ荷重）が作用した場合（図６のステップＳ１）の説明である。図６には、センサ７Ａ，７Ｂの出力（信号）を用いる処理が説明されている。また、製造誤差によって大歯車１４が第一中心線Ｃ１に対して偏心回転しているとする。このため、センサ７Ａ，７Ｂの検出信号に、周期的な変動が含まれる。この周期的な変動は、センサ７Ａ，７Ｂの検出信号において「不要成分」となる。以下において、この不要成分を「回転変動成分」とも称する。センサ７Ａ，７Ｂから取得される前記波形信号には、回転変動成分の信号が含まれている。

ハブ軸１１の回転は、第二回転体２０Ａ，２０Ｂ（２０Ｃ，２０Ｄ）によって増速され、センサロータ１７Ａ，１７Ｂ（１７Ｃ，１７Ｄ）は、ハブ軸１１と比較して高い周波数で回転する（図６のステップＳ２）。センサ７Ａ，７Ｂは、センサロータ１７Ａ，１７Ｂの回転を検出する（図６のステップＳ１１、Ｓ２１）。センサ７Ａ，７Ｂそれぞれが出力する信号は、ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号である。図７（Ａ）に、センサ７Ａの出力信号（符号Ｄ１）が示され、図７（Ｂ）に、センサ７Ｂの出力信号（符号Ｄ２）が示されている。

処理装置４０は、センサ７Ａの信号を取得し、この信号を角度変換（電気角変換）し（図６のステップＳ１２）、センサ７Ｂの信号を取得し、この信号を角度変換（電気角変換）する（図６のステップＳ２２）。この処理が、角度変換処理である。角度変換処理により、センサ７Ａの信号に基づく角度信号（図７（Ａ）において符号Ｄ１１）が得られ、センサ７Ｂの信号に基づく角度信号（図７（Ｂ）において符号Ｄ２１）が得られる。

処理装置４０は、センサ７Ａの信号に基づく角度信号Ｄ１１、及びセンサ７Ｂの信号に基づく角度信号Ｄ２１から、センサロータ１７Ａ，１７Ｂの回転角度差を求める（図６のステップＳ３：位相差・変位信号処理）。ここでは、センサ７Ａとセンサ７Ｂとは第一中心線Ｃ１を中心として１８０°離れた配置にあることから、センサ７Ａの信号に基づく角度信号Ｄ１１とセンサ７Ｂの信号に基づく角度信号Ｄ２１との差により、回転角度差が求められる。図８に、求められた回転角度差（位相差）Ｄ３のデータが示される。前記のとおり、センサ７Ａ，７Ｂの検出信号に周期的な変動（前記不要成分）が含まれることから、図８に示されるように、回転角度差Ｄ３は、周期的に変動したデータとなる。なお、前記不要成分が含まれない場合、求められる前記位相差のデータは、図８において仮想線（二点鎖線）で示すように、一定の値となる。

処理装置４０は、前記回転角度差Ｄ３を求めたデータをフィルタ処理する（図６のステップＳ４）。フィルタ処理は、所定の周波数帯を削除する処理であり、例えばローパスフィルタによる処理又はノッチフィルタによる処理が採用される。前記所定の周波数帯は、増速された前記不要成分の周波数（つまり、回転装置１０の回転周波数に前記歯車比を乗算した値）を含む。このフィルタ処理により、前記不要成分が除去される。図９は、フィルタ処理されたデータＤ４の説明図である。そして、不要成分が除去された回転角度差のデータＤ４により、前記のとおり、Ｆｚ荷重に起因するセンサロータ１７及びハブ軸１１の変位量、そのＦｚ荷重の値が処理装置４０によって求められる（図６のステップＳ５）。求められた荷重（Ｆｚ荷重の値）が信号として出力される（図６のステップＳ６）。

次に、前記のセンサ信号の処理の具体例を説明する。前記のとおりセンサ７の検出対象となる第二回転体２０に含まれるセンサロータ１７は歯車形状を有する。このため、センサ７は、センサロータ１７の一つの歯から（凹部を経て）その周方向隣の他の歯までを「一周期」とする波形信号を繰り返し出力する。第センサロータ１７における歯の数を「Ｎ」とする。また、大歯車１４と小歯車１６との歯車比を「Ｍ（例えば５〜１０）」とする。大歯車１４と一体であるハブ軸１１が一回転（３６０度回転）すると、その間に、少歯車１６はＭ回転し、各センサ７は、一周期の波形信号をＮ×Ｍ回繰り返して出力する。つまり、各センサ７は、ハブ軸１１の回転に起因して第二回転体２０が一回転する間に、周期的な波形信号を複数周期について出力する。

各センサ７は、前記のとおり、位相差を有する２相（Ａ相及びＢ相）の周期的な波形信号を出力する。つまり、センサ７が対向するセンサロータ１７の移動に伴って、Ａ相の磁気抵抗素子からＳＩＮ信号が出力され、Ｂ相の磁気抵抗素子からＣＯＳ信号が出力される。ハブ軸１１が一回転（３６０度回転）すると、その間に、各センサ７は、一周期のＳＩＮ信号をＮ×Ｍ回繰り返して出力すると共に、一周期のＣＯＳ信号をＮ×Ｍ回繰り返して出力する。これらＳＩＮ信号とＣＯＳ信号とに基づいて、後に説明するが、センサロータ１７を含む第二回転体２０の変位量が求められる。第二回転体２０の変位量は、第一回転体３１、つまり、ハブ軸１１の変位量に相当する。この変位量を求める処理は、処理装置４０（図１参照）によって行われる。処理装置４０は、回転装置１０外に設けられていればよく、本実施形態では、自動車のＥＣＵの機能の一部により構成されている。処理装置４０は、複数（四つ）のセンサ７それぞれから２相の波形信号を取得し、各種処理を実行する。

ハブ軸１１（図１及び図２参照）が一定の速度（角速度）で回転している状態で、ハブ軸１１にＺ軸に沿って下向きの荷重が作用する場合について説明する。この場合、外輪１２に対してハブ軸１１が大歯車１４と共にＺ軸に沿って下向きに僅かであるが変位し、同方向に同じ変位量で第二回転体２０も変位する。図２において、ハブ軸１１及び大歯車１４の回転方向は、矢印Ｒ０方向であるとする。この場合、前側の第二回転体２０Ａの回転方向は矢印Ｒ１となり、後ろ側の第二回転体２０Ｂの回転方向は矢印Ｒ２となる。センサ７Ａ側では、前記荷重により第二回転体２０Ａが変位する方向は、この第二回転体２０Ａの回転に対して（回転軌跡の接線方向に対して）反対方向となる。このため、センサ７Ａからは、荷重が作用しない場合と比較して、図１１の上側の説明図に示すように、Ａ相及びＢ相ともに、位相が遅れた波形信号が出力される。つまり、センサ７Ａは、センサロータ１７の変位を遅れ角度として検出する。なお、図１１において、荷重の負荷前のセンサ７からの信号が実線で示され、荷重の負荷後のセンサ７からの信号が破線で示されている。図２において、センサ７Ｂ側では、前記荷重により第二回転体２０Ｂが変位する方向は、この第二回転体２０Ｂの回転に対して（回転軌跡の接線方向に対して）順方向（同方向）となる。このため、センサ７Ｂからは、荷重が作用しない場合と比較して、図１１の下側の説明図に示すように、Ａ相及びＢ相ともに、位相が進んだ波形信号が出力される。つまり、センサ７Ｂは、センサロータ１７の変位を進み角度として検出する。以上のように、ハブ軸１１が大歯車１４と共に径方向の一方（本実施形態では、Ｚ軸に沿って下向き）に変位すると、センサ７Ａは位相が遅れた波形信号を出力し、センサ７Ｂは位相が進んだ波形信号を出力する。

なお、反対に、荷重の方向がＺ軸に沿って上向きとなる場合、センサ７Ａは変位を進み角度として検出し、センサ７Ｂは変位を遅れ角度として検出する。また、前記のとおり、センサ７から出力される前記波形信号には、荷重による成分の他に、不要である回転変動成分の信号が含まれている。

ハブ軸１１に荷重が作用すると、中心線Ｃ１を中心として１８０度離れて設けられている一組のセンサ７Ａ及びセンサ７Ｂそれぞれから出力される信号には位相差Ｑ（図１１参照）が発生する。この位相差Ｑは、波形の時間差として得られる。そこで、特定のタイミングでの（瞬時の）位相差Ｑを検出するために、センサ７Ａ及びセンサ７Ｂそれぞれから得られた波形信号について、角度変換処理が行われる。

角度変換処理について説明する。センサ７Ａ及びセンサ７Ｂそれぞれからの波形信号は、所定の演算処理がされることで（アークタンジェント演算されることで）図１２に示すように、波形信号の前記一周期毎に単調性を有する角度信号（電気角の信号）に変換される。なお、ここでの角度信号は、電気角（単位［ｒａｄ］）の信号である。また、前記の単調性とは、信号の途中に極大及び極小を有さず増加又は減少することを意味する。本実施形態では、単調性を有する三角波の角度信号が得られる。図１２の上側がセンサ７Ａによる角度信号のグラフであり、図１２の下側がセンサ７Ｂによる角度信号のグラフである。図１２の各グラフの縦軸に示す角度（角度信号）は、センサ７Ａの検出対象位置及びセンサ７Ｂの検出対象位置それぞれにおけるセンサロータ１７の回転角度（電気角［ｒａｄ］）である。

センサ７Ａ，７Ｂそれぞれからの波形信号が角度変換処理されて得られた角度信号（回転角度）に基づいて、図１２に示すように、特定のタイミング（特定の時刻）ｔにおける、センサ７Ａの検出対象位置における第二回転体２０Ａ（センサロータ１７Ａ）の回転角度（電気角）θＡが求められ、センサ７Ｂの検出対象位置における第二回転体２０Ｂ（センサロータ１７Ｂ）の回転角度（電気角）θＢが求められる。

更に、センサ７Ａの検出対象位置とセンサ７Ｂの検出対象位置とにおいて、同じタイミング（同時刻）ｔにおけるセンサ７Ａ側とセンサ７Ｂ側との回転角度の差（θＡＢ＝θＡ−θＢ）が求められる。本実施形態では、電気角θＡ，θＢの単位は［ｒａｄ］であり、回転角度の差θＡＢとして、電気角の差（θＡＢ［ｒａｄ］）が求められる。

ここで、前記荷重に基づく第二回転体２０Ａと第二回転体２０Ｂとの変位量は同じであり、この変位量は、ハブ軸１１（センサロータ１７）の変位量ΔＺと比べて、センサ検出部（センサ７Ａ，７Ｂ）では、小歯車１６とセンサロータ１７との半径比（Ｍ２）により増幅されている。そして、変位量ΔＺは、センサ７Ａ側の電気角θＡとセンサ７Ｂ側の電気角θＢとの差θＡＢに比例する。そこで、電気角の差（θＡＢ）が算出されると、次の式（１）により、前記荷重により生じたハブ軸１１の変位量ΔＺが算出される。つまり、変位量ΔＺと前記電気角の差（θＡＢ）とは、次の式（１）を満たす関係にある。ただし、第二回転体２０Ａ（第二回転体２０Ｂ）の回転中心（中心線Ｃ２）からセンサロータ１７Ａ（センサロータ１７Ｂ）の外周部（歯）までの距離（設計値）、つまり、センサロータ１７Ａ（１７Ｂ）の外周部を通過する仮想円の半径を「ｒ」とする。また、センサロータ１７Ａ（１７Ｂ）における歯（検出対象）の等配数は「Ｎ」である。

ΔＺ＝２×ｒ×θＡＢ／Ｎ／Ｍ２ ［ｍｍ］ ・・・（１）

変位量ΔＺが算出されると、変位量ΔＺは、次に式（２）によって前記荷重Ｆｚに換算される。つまり、変位量ΔＺに回転装置１０の軸受剛性Ｋｚを乗算することで、負荷された荷重Ｆｚが算出される。

Ｆｚ＝Ｋｚ×ΔＺ ・・・（２）

〔本実施形態の回転装置１０について〕
以上のように、本実施形態の回転装置１０は（図１及び図２参照）、固定体となる外輪１２と、ハブ軸１１及び大歯車１４により構成されている第一回転体３１と、センサロータ１７を含む第二回転体２０と、センサ７と、支持部１９とを備えている。ハブ軸１１及び大歯車１４（第一回転体３１）は、外輪１２に対して第一中心線Ｃ１回りに回転する。小歯車１６及びセンサロータ１７を含む第二回転体２０は、ハブ軸１１及び大歯車１４の回転力によってこれらハブ軸１１及び大歯車１４よりも高い回転速度で第二中心線Ｃ２回りに回転する。センサ７は、第二回転体２０それぞれの回転角度を検出する。支持部１９は、第二回転体２０（小歯車１６）を、第一回転体３１（大歯車１４）に接触状態として支持している。更に、支持部１９は、第一回転体３１に含まれるハブ軸１１及び大歯車１４が、第一中心線Ｃ１に直交する方向（直交する方向の成分を有する方向）に変位すると、この変位に応じて第二回転体２０が、第一回転体３１と同じ方向に変位することを許容する。

この回転装置１０によれば、ハブ軸１１に対して第一中心線Ｃ１に直交する方向の荷重（Ｆｚ荷重）が作用すると、ハブ軸１１は同方向に変位する。すると、荷重（Ｆｚ荷重）に直交する方向の位置である前後の小歯車１６を含む第二回転体２０は、第一回転体３１と接する側の接線方向の下向き（Ｚ方向）に回転する。前記変位は、荷重（Ｆｚ荷重）に直交する方向の位置である前後の第二回転体２０に含まれるセンサロータ１７の回転の位相のずれとなって現れる。センサ７Ａ，７Ｂでは位相のずれの符号が逆である。これにより、センサ７Ａ，７Ｂによってこの位相のずれ（位相差：回転角度の差）が検出され、検出結果を演算することで前記荷重（Ｆｚ荷重）が求められる。

特に本実施形態では、第二回転体２０は、一対を一組として第一回転体３１の周囲に配置されている。一組の第二回転体２０，２０それぞれを検出対象とする第一のセンサ７Ａ及び第二のセンサ７Ｂが設けられている。第一のセンサ７Ａ及び第二のセンサ７Ｂそれぞれは、第二回転体２０，２０それぞれが一回転する間に周期的な波形信号を複数周期について出力する。荷重を受けた第一回転体３１の変位により、第二回転体２０Ａが変位すると、第一のセンサ７Ａは位相が遅れた波形信号を出力する。前記荷重を受けた第一回転体３１の変位により、第二回転体２０Ｂが変位すると、第二のセンサ７Ｂは位相が進んだ波形信号を出力する。処理装置４０は、センサ７Ａ，７Ｂからの波形信号に基づいて、第一のセンサ７Ａの検出対象位置における第二回転体２０Ａの回転角度、及び、第二のセンサ７Ｂの検出対象位置における第二回転体２０Ｂの回転角度を求める。更に、処理装置４０は、一対の第二回転体２０Ａ，２０Ｂの前記回転角度の差に基づいて、第二回転体２０Ａ（２０Ｂ）の変位量（第二回転体２０Ａの回転仮想円の接線方向の変位量）を求める。この変位量は、第一回転体２０Ｂ、つまり、ハブ軸１１の変位量に、小歯車１６とセンサロータ１７の半径比（Ｍ２）を乗算した値に相当する。

そして、本実施形態の回転装置１０によれば、例えばハブ軸１１の偏心又は大歯車１４の取り付けによる偏心等による周期的な変動成分（不要成分）は、第二回転体２０によって増速される。つまり、不要成分は高周波化される。このため、ハブ軸１１が低速で回転している場合であっても、不要成分は高周波化されることから、この高周波化された不要成分を例えばノッチフィルタ等によって削除すればよい。つまり、各センサ７からの入力信号となる波形信号が高周波となっても、その高周波化は、前記のような直線的な軸の変位（荷重）の周波数成分に与える影響が小さい。これに対して、回転変動成分は、歯車比により高周波化される。つまり、大歯車１４と小歯車１６との歯車比をＭとすると、回転変動成分（不要成分）はＭ倍される。よって、フィルタによって回転変動成分が効果的に除去され、ハブ軸１１の変位量（荷重）は算出される。以上のように、センサ７（７Ａ，７Ｂ）による検出対象を、第一回転体３１（大歯車１４）ではなく、第一回転体３１よりも高い回転速度で回転する第二回転体２０（センサロータ１７）とする前記構成によれば、センサ７（７Ａ，７Ｂ）の検出信号から回転変動成分（不要成分）を低減することが可能となる。

このように、本実施形態では、第二回転体２０の変位に伴う第二回転体２０の回転角度のずれに基づいて荷重が求められる。前記回転角度及びそのずれは、センサ７の信号によって求められ、回転角度のずれは、第一中心線Ｃ１を中心として１８０°離れた二つのセンサ７Ａ，７Ｂの出力結果を演算することによって得られる。

本実施形態では、第二回転体２０及びセンサ７が、第一中心線Ｃ１を中心として９０°間隔で周方向に沿って四つ設けられている。この構成により、第一中心線Ｃ１に直交するどの方向にハブ軸１１が変位しても、四つのセンサ７の検出結果を用いて演算することで、ハブ軸１１に作用する荷重等が容易に求められる。

なお、周方向に沿って均等配置された三つのセンサ７からの信号によって、処理装置４０は、ハブ軸１１に作用する荷重等を求めることが可能である。ただし、この場合、荷重が作用する方向を求めるためには、センサ７の配置に基づく換算が更に必要となる。以上より、第二回転体２０及びセンサ７は、第一中心線Ｃ１を中心とする周方向に沿って等間隔で少なくとも三つ設けられていればよい。

前記実施形態では（図２参照）、センサ７はセンサロータ１７の径方向外方に配置されている。図１０は、センサ７の配置が変更された回転装置１０を軸方向他方側から見た図である。センサ７はセンサロータ１７の外周部を検出対象としていればよく、図１０に示されるように、センサ７は、センサロータ１７の周方向に沿って隣りの領域に設けられていてもよい。

回転装置１０が自動車用のハブユニットである場合について説明したが、回転装置１０は他の機器であってもよい。

センサロータ１７は、歯車形状以外であってもよく、例えば、磁石からなり、Ｎ極とＳ極とが周方向に沿って交互に設けられていてもよい。Ｎ極（Ｓ極）は均等配にある。この場合、各センサ７は、センサロータ１７の一つのＮ極からＳ極を経て次のＮ極までを「一周期」とする波形信号を繰り返し出力する。センサ７は、センサロータ１７の回転により、位相差を有する２相の周期的な波形信号を出力するものであればよく、形態については変更可能である。つまり、センサ７は、ＭＲセンサ以外に、ホールセンサであってもよい。または、センサは、透過形光電式や反射形光電式の光学式であってもよい。これに応じて、センサロータ１７の形態も変更される。

今回開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の権利範囲は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された構成と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。

７：センサ １０：回転装置 １１：ハブ軸
１２：外輪（固定体） １８：軸 １９：支持部
２０：第二回転体 ２８：転がり軸受 ２９：弾性部材
３１：第一回転体 ３５：軸受部 Ｃ１：第一中心線
Ｃ２：第二中心線

Claims (5)

1. 固定体と、
   前記固定体に対して第一中心線回りに回転する第一回転体と、
   前記第一回転体の回転力によって当該第一回転体よりも高い回転速度で第二中心線回りに回転する第二回転体と、
   前記第二回転体の回転角度を検出するセンサと、
   前記第二回転体を前記第一回転体に接触状態として支持すると共に、当該第一回転体が前記第一中心線に直交する方向に変位すると当該変位に応じて前記第二回転体が当該第一回転体と同じ方向に変位可能として支持する支持部と、
   を備える、回転装置。
2. 前記支持部は、前記第二中心線を中心とし前記第二回転体を支持する軸と、当該軸を前記第二中心線に直交する方向に変位可能として支持する軸受部と、を有し、
   前記軸受部は、前記軸を回転可能として支持する転がり軸受と、当該転がり軸受を支える弾性部材と、を有する、請求項１に記載の回転装置。
3. 前記第二回転体及び前記センサは、前記第一中心線を中心とする周方向に沿って等間隔で少なくとも三つ設けられている、請求項１又は２に記載の回転装置。
4. 前記第二回転体及び前記センサは、前記第一中心線を中心として９０°間隔で周方向に沿って四つ設けられている、請求項１又は２に記載の回転装置。
5. 前記第二回転体は、一対を一組として前記第一回転体の周囲に配置され、
   前記センサとして、一組の前記第二回転体それぞれを検出対象とする第一のセンサ及び第二のセンサが設けられ、
   前記第一のセンサ及び前記第二のセンサそれぞれは、前記第二回転体それぞれが一回転する間に周期的な波形信号を複数周期について出力し、前記第二回転体が変位すると、当該第一のセンサは位相が遅れた波形信号を出力し、当該第二のセンサは位相が進んだ波形信号を出力し、
   前記波形信号に基づいて、前記第一のセンサの検出対象位置における前記第二回転体の回転角度及び前記第二のセンサの検出対象位置における前記第二回転体の回転角度を求めると共に、一対の前記第二回転体の前記回転角度の差に基づいて当該第二回転体の変位量を求める、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転装置。

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