JP4843958B2 - 転がり軸受ユニットの荷重測定装置 - Google Patents

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Description

この発明に係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（ラジアル方向の変位量とアキシアル方向の変位量との一方又は双方）を検出するものである。そして、検出した荷重を表す信号を、自動車等の車両の走行安定性確保を図る為に利用する。
例えば自動車の車輪は懸架装置に対し、複列アンギュラ型の玉軸受ユニット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、ビークルスタビリティコントロールシステム（ＶＳＣ）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（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、ラジアル荷重を測定自在な、荷重測定装置付転がり軸受ユニットが記載されている。この従来構造の第１例の場合には、非接触式の変位センサで、回転しない外輪と、この外輪の内径側で回転するハブとの径方向に関する変位を測定する事により、これら外輪とハブとの間に加わるラジアル荷重を求める様にしている。求めたラジアル荷重は、ＡＢＳを適正に制御する他、積載状態の不良を運転者に知らせる為に利用する。
又、特許文献２には、転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重を測定する構造が記載されている。この特許文献２に記載された従来構造の第２例の場合、外輪の外周面に設けた固定側フランジの内側面複数個所で、この固定側フランジをナックルに結合する為のボルトを螺合する為のねじ孔を囲む部分に、それぞれ荷重センサを添設している。上記外輪を上記ナックルに支持固定した状態でこれら各荷重センサは、このナックルの外側面と上記固定側フランジの内側面との間で挟持される。この様な従来構造の第２例の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、車輪と上記ナックルとの間に加わるアキシアル荷重は、上記各荷重センサにより測定される。更に、特許文献３には、一部の剛性を低くした外輪相当部材に動的歪みを検出する為のストレンゲージを設け、このストレンゲージが検出する転動体の通過周波数から転動体の公転速度を求め、更に、転がり軸受に加わるアキシアル荷重を測定する方法が記載されている。
前述の特許文献１に記載された従来構造の第１例の場合、変位センサにより、外輪とハブとの径方向に関する変位を測定する事で、転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する。但し、この径方向に関する変位量は僅かである為、この荷重を精度良く求める為には、上記変位センサとして、高精度のものを使用する必要がある。高精度の非接触式センサは高価である為、荷重測定装置付転がり軸受ユニット全体としてコストが嵩む事が避けられない。
又、特許文献２に記載された従来構造の第２例の場合、ナックルに対し外輪を支持固定する為のボルトと同数だけ、荷重センサを設ける必要がある。この為、荷重センサ自体が高価である事と相まって、転がり軸受ユニットの荷重測定装置全体としてのコストが相当に嵩む事が避けられない。又、特許文献３に記載された方法は、外輪相当部材の一部の剛性を低くする必要があり、この外輪相当部材の耐久性確保が難しくなる可能性がある他、十分な測定精度を得る事が難しいと考えられる。
この様な事情に鑑みて本発明者等は先に、複列アンギュラ型の玉軸受ユニットを構成する回転側軌道輪にエンコーダを、この回転側軌道輪と同心に支持固定し、このエンコーダの被検出面の変位を検出する事で、この回転側軌道輪と静止側軌道輪との相対変位量を測定し、更にこの相対変位量に基づいてこれら両軌道輪同士の間に加わる荷重を求める発明（先発明）を行なった（特願２００４−２７９１５５号）。この先発明に係る構造の場合、上記エンコーダの被検出面の特性が円周方向に関して変化するパターン（位相と、ピッチと、次述するセンサの出力信号である検出信号のデューティ比に結び付く、各特性の割合とのうちから選択される１乃至複数）は、検出すべき荷重の作用方向に見合う（一般的には一致する）、上記被検出面の幅方向に関して連続的に変化している。そして、上記静止側軌道輪等の固定部分に支持したセンサの検出部を、上記エンコーダの被検出面に近接対向させて、このセンサの出力信号が、上記相対変位量に応じて変化する様にしている。
図１〜２は、この様な先発明に係る構造の第１例として、特許請求の範囲中の請求項４に対応する構造を示している。この先発明の第１例の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、車輪支持用転がり軸受ユニット１と、回転速度検出装置としての機能を兼ね備えた、荷重測定装置２とを備える。
このうちの車輪支持用転がり軸受ユニット１は、図１に示す様に、外輪３と、ハブ４と、転動体５、５とを備える。このうちの外輪３は、使用状態で懸架装置に支持固定される静止側軌道輪であって、内周面に複列の外輪軌道６、６を、外周面にこの懸架装置に結合する為の外向フランジ状の取付部７を、それぞれ有する。又、上記ハブ４は、使用状態で車輪を支持固定してこの車輪と共に回転する回転側軌道輪であって、ハブ本体８と内輪９とを組み合わせ固定して成る。この様なハブ４は、外周面の軸方向外端部（懸架装置への組み付け状態で車体の幅方向外側となる端部）に車輪を支持固定する為のフランジ１０を、軸方向中間部及び内輪９の外周面に複列の内輪軌道１１、１１を、それぞれ設けている。上記各転動体５、５は、これら各内輪軌道１１、１１と上記各外輪軌道６、６との間にそれぞれ複数個ずつ、互いに逆方向の（背面組み合わせ型の）接触角を付与した状態で、転動自在に設けて、上記外輪３の内径側に上記ハブ４を、この外輪３と同心に回転自在に支持している。
一方、上記荷重測定装置２は、図１に示す様に、エンコーダ１２と、センサ１３と、図示しない演算器とを備える。
このうちのエンコーダ１２は、軟鋼板等の磁性材製で、それぞれがスリット状である複数の透孔１４ａ、１４ｂを、交互に形成している。これら各透孔１４ａ、１４ｂは、上記エンコーダ１２の中心軸の方向に対し傾斜している。又、円周方向に隣り合う透孔１４ａ、１４ｂ同士の間で、傾斜方向は互いに逆になっている。又、円周方向に隣り合う透孔１４ａ、１４ｂ同士のピッチは、交互に大小を繰り返している。この様なエンコーダ１２は、上記ハブ４の中間部に外嵌固定している。一方、上記センサ１３は、永久磁石と、ホール素子或いは磁気抵抗素子等の磁気検出素子とを組み込んだ、アクティブ型の磁気センサで、上記外輪３の中間部に形成した取付孔１５に、径方向外方から内方に挿通する状態で設けている。そして、上記センサ１３の先端部を上記外輪３の内周面から径方向内方に突出させて、この先端部に設けた検出部を、被検出面である、上記エンコーダ１２の外周面に近接対向させている。
上述の様に構成する先発明の荷重測定装置の第１例の場合、アキシアル荷重に基づいて上記ハブ４と上記外輪３とが軸方向に相対変位すると、上記センサ１３の検出信号が変化するパターン（ピッチ及び位相）が変化する。そこで、このパターンの変化に基づいて、上記相対変位の大きさ、更には上記アキシアル荷重の大きさを求められる。尚、同方向に傾斜した透孔１４ａ、１４ａ（１４ｂ、１４ｂ）に基づいて上記検出信号が変化する周期は、上記相対変位に拘らず変化しない。従って、この周期に基づいて、上記ハブ４の回転速度を求める事もできる。
次に、図３〜４は、先発明に係る構造の第２例として、特許請求の範囲中の請求項５に対応する構造を示している。本例の場合には、重量の嵩む自動車の駆動輪を支持する為の車輪支持用転がり軸受ユニットを対象としている為に、転動体５ａ、５ａとして円すいころを使用している。又、回転側軌道輪であるハブ４ａの中心部に、等速ジョイントに付属のスプライン軸を挿通する為のスプライン孔１８を形成している。そして、上記ハブ４ａの中間部に、磁性金属材製で円環状のエンコーダ１２ａを外嵌固定している。このエンコーダ１２ａの外周面には、凹部１９、１９と凸部２０、２０とを、円周方向に関して交互に配置している。これら各凹部１９、１９と凸部２０、２０との円周方向に関する幅寸法は、軸方向に関して漸次変化している。
一方、静止側軌道輪である外輪３の中間部に形成した取付孔１５に、上述した第１例の場合と同様の、磁気検知式のセンサ１３を挿通し、このセンサ１３の先端部に設けた検出部を、上記エンコーダ１２ａの外周面に近接対向させている。このセンサ１３の検出信号は、上記検出部の近傍を上記各凹部１９、１９と上記各凸部２０、２０とが交互に通過する事に伴って変化するが、この変化のパターン（検出信号のデューティ比＝高電位継続時間／１周期）は、上記検出部が対向する、上記エンコーダ１２ａの外周面の軸方向位置によって変化する。そこで、上記変化のパターンに基づいて、上記外輪３と上記ハブ４ａとの間に作用するアキシアル荷重を求められる。
次に、図５〜６は、先発明に係る構造の第３例として、特許請求の範囲中の請求項６に対応する構造を示している。本例の場合には、静止側軌道輪である外輪３の一部に１対のセンサ１３ａ、１３ｂを、回転側軌道輪であるハブ４の回転方向に関する位相を一致させ、且つ、このハブ４の軸方向にずらせた状態で配置している。そして、上記両センサ１３ａ、１３ｂの検出部を、上記ハブ４の中間部に外嵌固定したエンコーダ１２ｂの外周面に近接対向させている。このエンコーダ１２ｂは、磁性金属板により円筒状に形成されたもので、幅方向片半部と他半部とに、それぞれスリット状の透孔１４ｃ、１４ｄを、それぞれ上記エンコーダ１２ｂの中心軸の方向に対し傾斜させた状態で、円周方向に関して等間隔に形成している。幅方向片半部の透孔１４ｃ、１４ｃの傾斜方向と、他半部の透孔１４ｄ、１４ｄの傾斜方向とは互いに逆で、傾斜角度は互いに等しい。又、上記外輪３と上記ハブ４との間にアキシアル荷重が作用していない状態（中立状態）で、上記両列の透孔１４ｃ、１４ｄの間に存在するリム部２１が、上記両センサ１３ａ、１３ｂの検出部の丁度中央位置に存在する。
上述の様なエンコーダ１２ｂを含んで構成する、先発明の荷重測定装置の第３例の場合、上記中立状態では、上記両センサ１３ａ、１３ｂの検出信号の位相が互いに一致する。これに対して、上記外輪３と上記ハブ４との間にアキシアル荷重が作用すると、これら外輪３とハブ４とが軸方向に相対変位する結果、上記１対のセンサ１３ａ、１３ｂの検出信号の位相がずれる。そこで、このずれの方向及び大きさ（実際の場合には、上記両センサ１３ａ、１３ｂの検出信号の１周期に対するずれの大きさの比）に基づいて、上記アキシアル荷重の方向及び大きさを求められる。尚、上記ハブ４の回転速度は、何れかのセンサ１３ａ（１３ｂ）の検出信号の周期或いは周波数に基づいて求められる。又、一方の列の透孔１４ｃ、１４ｃ（或は１４ｄ、１４ｄ）を傾斜させない（軸方向に平行にする）事もできる。この場合には、傾斜させない透孔に基づく出力信号を基準として、傾斜させた透孔に基づく出力信号の位相変化を求める。
次に、図７〜８は、先発明に係る構造の第４例として、上述した第３例の場合と同様に、特許請求の範囲中の請求項６に対応する構造を示している。この先発明の第４例の場合には、ハブ４の内端部に外嵌固定した内輪９の内端部に、図８に示す様なエンコーダ１２ｃの基端部を外嵌して、このエンコーダ１２ｃを上記ハブ４に対し、このハブ４と同心に支持固定している。このエンコーダ１２ｃは、磁性金属板製で、先半部に設けた円筒状部に、それぞれが「く」字形でスリット状の透孔１４ｅ、１４ｅを、円周方向に関して等間隔に形成している。又、外輪３の内端部に嵌合固定したカバー１６に支持したセンサホルダ１７内に１対のセンサを、軸方向に離隔した状態で保持している。そして、これら両センサの検出部を、上記エンコーダ１２ｃの内周面に近接対向させている。
上述の様な先発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の第４例の場合も、アキシアル荷重に基づいてハブ４と外輪３とが軸方向に相対変位すると、上記１対のセンサの検出信号の位相がずれる。そこで、このずれの大きさに基づいて、上記相対変位の大きさ、更には上記アキシアル荷重の大きさを求められる。尚、上記ハブ４の回転速度は、何れかのセンサの検出信号に基づいて求められる。
次に、図９は、先発明に係る構造の第５例として、前述した第２例の場合と同様に、特許請求の範囲中の請求項５に対応する構造に組み込むエンコーダ１２ｄを示している。このエンコーダ１２ｄは、磁性金属板により円輪状に形成されたもので、それぞれが径方向外側程円周方向に関する幅が大きくなる、台形の透孔１４ｆ、１４ｆを、円周方向に関して等間隔に形成している。この様なエンコーダ１２ｄの軸方向片側面にはセンサの検出部を、近接対向させる。
上述の様なエンコーダ１２ｄを含んで構成する、先発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の第５例の場合、ラジアル荷重に基づいてハブと外輪とが径方向に相対変位すると、上記センサの検出信号のデューティ比（高電位継続時間／１周期）が変化する。そこで、このデューティ比に基づいて、上記相対変位の大きさ、更には上記ラジアル荷重の大きさを求められる。尚、上記ハブの回転速度は、上記センサの検出信号の周期に基づいて求められる。
尚、上述の先発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の第１〜５例は何れも、エンコーダ１２〜１２ｄとして単なる磁性材製のものを使用し、センサの側に永久磁石を組み込む事を意図している。これに対して、前記特願２００４−２７９１５５号には、永久磁石製のエンコーダを使用し、センサの側の永久磁石を省略する構造に就いても記載されている。何れの場合でも、エンコーダの被検出面が円周方向に関して変化するパターンは、検出すべき荷重の作用方向に一致する、この被検出面の幅方向に関して連続的に変化している。
何れにしても、上述の様な先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置により求めた荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）は、路面と車輪（タイヤ）との接触面で生じている荷重と等価である。従って、上記求めた荷重に基づいて車両の走行状態を安定化させる為の制御を行なえば、車両の姿勢が不安定になる事を予防する為のフィードフォワード制御が可能になる等、車両の走行安定性確保の為の高度な制御が可能になる。
上述の様な先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置により、前記外輪３等の静止側軌道輪と、前記ハブ４等の回転側軌道輪との間の相対変位量を求め、更にこれら両軌道輪同士の間に加わる荷重を求める為には、前記エンコーダ１２〜１２ｄの被検出面の特性が変化するパターンの変化程度と、上記ラジアル荷重又は上記アキシアル荷重との関係（零点及びゲイン特性）を、正確に把握しておく必要がある。しかしながら、上記パターンが上記ラジアル荷重又は上記アキシアル荷重に基づいて変化する程度は、上記転がり軸受ユニットの転動体５、５に付与した予圧の値等によって微妙に変化する他、上記回転側軌道輪の回転速度によっても変化する。
このうちの予圧の値等、使用時に変化する事のない要素に基づく影響に就いては、例えば特願２００５−５１３３号に開示された様な方法により予め把握して、演算器にインストールしたソフトウェアの計算式中の、上記零点及びゲイン特性に組み込める。これに対して、上記回転側軌道輪の回転速度の影響に就いては、上記先発明に係る方法では、その影響を排除できない。尚、上記零点及びゲイン特性が、上記回転側軌道輪の回転速度によっても変化する理由は、次の通りである。
車速の変化等に伴い、上記ハブ４等の回転側軌道輪の回転速度が変化した場合に、転がり軸受ユニットを構成する各転動体や回転側軌道輪に加わる遠心力が変化して、これら各部材の弾性変形量が微妙に変化する他、これら各転動体の転動面と、静止側、回転側、両軌道との転がり接触部の潤滑状態（例えば油膜の厚さ）が変化する。この様な変化に基づいて、上記回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に加わる荷重が一定のままでも、これら両軌道輪同士が（アキシアル方向或いはラジアル方向に）微妙に変位する可能性がある。
又、前記センサ１３〜１３ｂの出力信号の特性上の問題（電気的な要因）によって、上記荷重が一定であり、上記両軌道輪同士が変位していないにも拘らず、このうちの回転側軌道輪の回転速度変化に対応して、上記センサ１３〜１３ｂの出力信号同士の間の位相差やデューティ比が変化する場合がある。この様な現象が生じる要因の主なものとして、上記センサ１３〜１３ｂの出力信号のパルス波形の崩れ、即ち、立ち上がり特性及び降下（立ち下がり）特性のだれがある。この点に就いて、図１０を参照しつつ説明する。
この図１０は、上記センサ１３〜１３ｂの出力信号のパルス波形として、デューティ比が５０％であるものを示している。この様な図１０に示した破線α1 、α2 は理想的な（理論上の）パルス波形を、実線β1 、β2 は実際のパルス波形を、それぞれ表している。又、図１０のうちの（Ａ）は回転速度が比較的速い場合の、（Ｂ）は同じく遅い場合の、それぞれ上記パルス波形を示している。又、鎖線γは、このパルス波形のデューティ比を決定する為のスレッシュレベルを示している。
上記破線α1 、α2 と上記実線β1 、β2 とを比較すれば明らかな通り、上記センサ１３〜１３ｂの実際の出力信号の立ち上がり（信号電圧が上昇する過程）と降下（信号電圧が低下する過程）とは、理想状態に比べて遅れる。この遅れの時間が、上記スレッシュレベルに於いて、立ち上がりと降下とで互いに等しければ、この遅れ時間が上記荷重を算出するに就いての誤差に結び付く事はない。ところが、実際の場合には、立ち上がりと降下との間で上記遅れ時間に、明らかな差が生じる。この差は、スレッシュレベルの設定値により変化するが、例えば図１０に示した例では、立ち上がりの際の遅れ時間ｔが降下の際の遅れ時間（≒０）に比べて遥かに大きくなる。この様な遅れ、並びに、立ち上がりと降下との間での差は、上記センサ１３〜１３ｂの出力信号を処理する為の電気回路（波形成形回路を構成するＩＣ）の時定数によって決定される。そして、上記遅れ時間ｔは、回転側軌道輪の回転速度に反比例する、上記パルス波形の周期Ｌの長短に関係なく、常に一定である。言い換えれば、上記実線β1 、β2 の立ち上がり部及び降下部の形状は、図１０の（Ａ）に示した高速回転時も、同じく（Ｂ）に示した低速回転時も同じである。
従って、上記回転速度変化に伴って上記パルス波形の周期Ｌが変化すると、このパルス波形のデューティ比が変化する。具体的には、回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重が一定で、これら両軌道輪同士が変位しない（一定の位置関係にある）場合でも、上記図１０の（Ａ）に示した高速回転時のデューティ比が、同じく（Ｂ）に示した低速回転時のデューティ比よりも小さくなる。この結果、上記センサ１３〜１３ｂの出力信号のデューティ比に基づく、上記荷重の測定精度が悪化する。
図１１の（Ａ）は、この様な原因により、アキシアル荷重の測定精度が悪化する状況を示している。この図１１の横軸は上記回転側軌道輪の回転速度を、縦軸は、上記デューティ比から求めた、（上記両軌道輪同士が一定の位置関係にある場合に於ける）これら両軌道輪同士のアキシアル方向の変位量を、それぞれ表している。これら両軌道輪同士の間に加わるアキシアル荷重は、この方向の変位量と大きな関連性を持っている。この様な図１１の（Ａ）から明らかな通り、上記回転速度変化に伴うデューティ比の変化により、上記両軌道輪同士の間に加わる荷重が一定のままで、これら両軌道輪同士が一定の位置関係にあるにも拘らず、これら両軌道輪同士が変位した（加わる荷重が変化した）如き測定値が得られる。図１１の（Ａ）の曲線の変化は、そのまま上記両軌道輪同士の間に加わる荷重の測定値に関する誤差となる。
尚、図１０から明らかな通り、上記鎖線γで示したスレッシュレベルを適正に設定（図１０の例で、この鎖線γよりも低い電圧値に、スレッシュレベルを設定）すれば、立ち上がりの際の遅れ時間と降下の際の遅れ時間とをほぼ等しくできる。そして、これらの遅れ時間が、上記荷重の測定値に対し誤差として入り込む事を抑えられる。但し、上記電気回路の特性との兼ね合いで、上述の様なスレッシュレベルを安定して設定する事は非常に難しく、現状では非現実的である。
又、回転側軌道輪の回転速度変化に伴う、回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に加わる荷重の測定値誤差は、前述の図５に示す様な、１対のセンサ１３ａ、１３ｂの出力信号同士の間の位相差に基づいて、上記荷重を求める場合にも生じる可能性がある。即ち、理論的に言えば、上記両センサ１３ａ、１３ｂの検出信号同士の間で図１０に示した立ち上がりの際の遅れ時間ｔが同じであれば、回転側軌道輪の回転速度に関係なく、上記両センサ１３ａ、１３ｂの検出信号同士の位相差に誤差が入り込む事はない。但し、実際の場合には、前述した様に、転がり軸受ユニットを構成する各転動体や回転側軌道輪に加わる遠心力の変化や前記各転がり接触部の潤滑状態の変化に基づいて、上記回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に加わる荷重が一定のままでも、これら両軌道輪同士が微妙に変位する可能性がある。又、上記両センサ１３ａ、１３ｂ同士で検出性能がばらつく事（不可避的な個体差、電気回路の性能誤差、設計制約等）に伴い、上記遅れ時間ｔが上記各センサ１３ａ、１３ｂ毎にずれる可能性もある。そして、この様な遅れ時間ｔのずれに基づいて、上記回転速度が変化した場合に、上記位相差に誤差として入り込む可能性がある。
図１２の（Ａ）は、この様な原因により、１対のセンサの出力信号の位相差に関する測定精度が悪化する状況の１例を示している。この図１２の横軸は上記回転側軌道輪の回転速度を、縦軸は、（上記両軌道輪同士が一定の位置関係にある場合に於ける）上記両センサの出力信号の位相差を、それぞれ表している。これら両軌道輪同士の間に加わる荷重は、この位相差と大きな関連性を持っている事は、前述した通りである。この様な図１２の（Ａ）から明らかな通り、上記両軌道輪同士の間に加わる荷重が一定のままで、これら両軌道輪同士が一定の位置関係にあるにも拘らず、これら両軌道輪同士が変位した（加わる荷重が変化して位相差が変化した）如く測定値が得られる。尚、この場合には、荷重が一定であるにも拘らず、上記両軌道輪同士が、遠心力の変化に基づく各部材の弾性変化量の変化や、転がり接触部に存在する油膜の厚さ変化等により、実際に変位している場合もある。何れにしても、これら両軌道輪同士の間に加わっている荷重は一定のままであるから、図１２の（Ａ）の実線イの変化は、そのまま上記両軌道輪同士の間に加わる荷重の測定値に関する誤差となる。
特開２００１−２１５７７号公報 特開平３−２０９０１６号公報 特公昭６２−３３６５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、回転側軌道輪の回転速度変化に拘らず、転がり軸受ユニットに加わる荷重を正確に求められる荷重測定装置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、使用状態でも回転しない静止側軌道輪と、使用状態で回転する回転側軌道輪と、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接触角を付与された状態で設けられた複数個の転動体とを備えたものである。
又、上記荷重測定装置は、上記回転側軌道輪の一部にこの回転側軌道輪と同心に支持された、被検出面の特性を円周方向に関して交互に変化させたエンコーダと、その検出部をこの被検出面に対向させた状態で回転しない部分に支持され、この被検出面の特性変化に対応してその出力信号を変化させるセンサと、このセンサの出力信号に基づいて、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間に加わる荷重を算出する演算器とを備えたものである。
そして、上記被検出面の特性が円周方向に関して変化する、位相と、ピッチと、上記出力信号のデューティ比に結び付く上記各特性の割合とのうちから選択される１乃至複数であるパターンは、検出すべき荷重の作用方向に対応して、上記被検出面の幅方向に関して連続的に変化している。
そして、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の場合には、上記荷重と、上記被検出面の特性変化に対応して上記出力信号が変化するパターンとの関係に於ける、零点及びゲイン特性を、上記回転側軌道輪の回転速度に応じて変化させる。
又、請求項３に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合には、上記演算器は、上記出力信号が変化するパターンを求める為に検出する、この出力信号が変化する瞬間に関して、上記回転側軌道輪の回転速度変化に応じて時間的補正を行なう。そして、この時間的補正を施した、この出力信号が変化する瞬間に関するデータを使用して、上記荷重を算出する。
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は、前述した先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置と同様に、エンコーダの被検出面の特性が変化するパターンを検出する事により、転がり軸受ユニットに付加される荷重を測定できる。
更に、本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置によれば、回転側軌道輪の回転速度変化に拘らず、この回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を正確に求められる。
先ず、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の場合には、各回転速度毎に適切な零点及びゲイン特性を使用する事で、上記回転側軌道輪の回転速度変化に拘らず、この回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を正確に求められる。
又、請求項３に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合には、出力信号が変化する瞬間に関して時間的補正を行なうので、この出力信号のパルス波形に、前述の図１０に示した様な時間的遅れが存在しても、上記回転側軌道輪の回転速度変化に拘らず、この回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を正確に求められる。即ち、この場合には、上記時間的遅れの分を補正した後のデータを使用する事で、補正を行なわない場合に回転速度と変化量との関係が図１１の（Ａ）に示す様になる場合でも、同図の（Ｂ）に示す様な関係を得られる。従って、上記回転側軌道輪の回転速度変化に関係なく、同じ零点及びゲイン特性を使用して、上記時間的遅れに関係なく、上記荷重を正確に求められる。又、１対のセンサを使用する場合に、検出性能のばらつき等に伴いそれぞれのセンサで遅れ時間ｔが異なる場合でも、それぞれのセンサの遅れ時間ｔを補正する事で（時間的遅れ分を補正した後のデータを使用する事で）、上記１対のセンサの検出信号同士の間に存在する位相差、延いてはこの位相差に基づいて算出する上記荷重を正確に求められる。
請求項１に記載した発明を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した様に、荷重を一定としたまま回転側軌道輪の回転速度を変化させる事により求めた、この回転速度と零点及びゲイン特性との関係（を表す式又はマップ）を、演算器がパターンに基づいて荷重を算出する為のソフトウェア中に組み込む。
この様な構造は、前述の図１〜２、図３〜４、図９に示した先発明の第１、２、５例の構造に適用する事もできるが、前述の図５〜６、図７〜８に示した先発明の第３、４例の構造の様に、１対のセンサの出力信号の位相差に基づいて、上記回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に加わる荷重を求める構造に好適である。
前述した様な理由により、本願発明の対象となる転がり軸受ユニットの測定装置により、センサの出力信号に基づいて上記両軌道輪同士の間に加わる荷重を求める場合、このうちの回転側軌道輪の回転速度に応じて変化する、誤差が入り込む可能性がある。但し、この様な回転速度に応じて測定値に入り込む誤差の大きさの程度（誤差の回転速度依存性）は、転がり軸受ユニットと荷重測定装置との諸元が決まっていれば、繰り返し再現性がある。
従って、上述の請求項２に記載した発明の様にして、上記回転速度依存性を予め調べておき、その結果により上記出力信号に関して補正を行なえば、上記荷重を正確に求める事が可能になる。例えば、前述の図５〜６、図７〜８に示した先発明の第３、４例の構造の場合、静止側軌道輪である外輪３と回転側軌道輪であるハブ４との間に加わる荷重が一定のまま、このハブ４の回転速度を変化させると、これら外輪３とハブ４とが、前述の図１２の（Ａ）に示す様に変位する。この図１２の（Ａ）に示した変位は、前述した通り、そのまま上記荷重に関する誤差である為、この図１２の（Ａ）に示した実線イで示される、位相差に関する値を、そのまま上記荷重を求める為の補正値として利用できる。具体的には、この図１２の（Ａ）に示した実線イがこの図１２の（Ｂ）に示した実線ロの様に、上記回転速度に拘らず一定の変位を表す様な補正式を、前記ソフトウェア中に組み込む。この様にすれば、転がり軸受ユニットを構成する各転動体や回転側軌道輪に加わる遠心力の変化や転がり接触部の潤滑状態の変化、更には１対のセンサの検出性能のばらつき等に拘らず、上記荷重を正確に求められる。
又、本発明を実施する場合には、例えば請求項４に記載した発明の構成を採用できる。この請求項４に記載した発明の場合、エンコーダの被検出面は、回転側軌道輪と共に回転する部分に、この回転側軌道輪と同心に設けられていて、その特性を円周方向に関して交互に変化させると共に、この変化の位相を、測定すべき荷重の作用方向に対応して漸次変化させている。又、センサは、その検出部を上記被検出面に対向させた状態で回転しない部分に支持されたもので、この被検出面の特性変化に対応してその出力信号を変化させる。そして、演算器は、上記センサの出力信号が変化するパターンに基づいて荷重を算出する。
この様な請求項４に記載した構造は、前述の図１〜２に示した、先発明の第１例に対応するものである。本発明を、この様な構造に適用する事で、上記回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を正確に求められる。この回転側軌道輪の回転速度の影響を除く点に関しては上述の通りであり、荷重を求める点に関しては上記図１〜２により説明した先発明の通りであるから、重複する説明は省略する。
又、本発明を実施する場合には、例えば請求項５に記載した発明の構成を採用できる。この請求項５に記載した発明の場合、エンコーダの被検出面は、回転側軌道輪と共に回転する部分に、この回転側軌道輪と同心に設けられていて、その特性を円周方向に関して交互に変化させると共に、この変化のピッチを、測定すべき荷重の作用方向に対応して漸次変化させている。又、センサは、その検出部を上記被検出面に対向させた状態で回転しない部分に支持されたもので、この被検出面の特性変化に対応してその出力信号を変化させる。そして、演算器は、上記センサの出力信号のデューティ比に基づいて荷重を算出する。
この様な請求項５に記載した構造は、前述の図３〜４、９に示した、先発明の第２、５例に対応するものである。本発明を、この様な構造に適用する事で、上記回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を正確に求められる。この回転側軌道輪の回転速度の影響を除く点に関しては上述の通りであり、荷重を求める点に関しては上記図３〜４、９により説明した先発明の通りであるから、重複する説明は省略する。
又、本発明を実施する場合に、例えば請求項６に記載した発明の構成を採用できる。この請求項６に記載した発明の場合、エンコーダの被検出面は、第一の被検出部と、第二の被検出部とを備える。又、センサは、第一のセンサと、第二のセンサとを備える。
このうちの第一の被検出部は、回転側軌道輪と共に回転する部分にこの回転側軌道輪と同心に設けられたもので、その特性を円周方向に関して交互に変化させると共に、この変化の位相を、測定すべき荷重の作用方向に対応して漸次変化させている。
又、上記第一のセンサは、検出部をこの第一の被検出部に対向させた状態で回転しない部分に支持されたもので、この第一の被検出部の特性変化に対応してその出力信号を変化させる。
又、上記第二の被検出部は、上記回転側軌道輪と共に回転する部分に、この回転側軌道輪と同心に設けられたもので、その特性を円周方向に関して交互に、上記第一の被検出部と同じピッチで変化させると共に、上記測定すべき荷重の作用方向に対応する位相の変化状態を、上記第一の被検出部と異ならせている。
又、上記第二のセンサは、検出部を上記第二の被検出部に対向させた状態で回転しない部分に支持されたもので、この第二の被検出部の特性変化に対応してその出力信号を変化させる。
そして、演算器は、上記第一、第二の両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荷重を算出する。
この様な請求項６に記載した構造は、前述の図５〜６、７〜８に示した、先発明の第３、４例に対応するものである。本発明を、この様な構造に適用する事で、上記回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を正確に求められる。この回転側軌道輪の回転速度の影響を除く点に関しては上述の通りであり、荷重を求める点に関しては上記図５〜６、７〜８により説明した先発明の通りであるから、重複する説明は省略する。
本発明の特徴は、前述の図１〜９に示した様な先発明（特願２００４−２７９１５５号）に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置で、回転側軌道輪であるハブ４、４ａの回転速度の変化に拘らず、このハブ４、４ａと静止側軌道輪である外輪３との間に加わる荷重（アキシアル荷重とラジアル荷重との一方又は双方）を正確に求められる様にする点にある。転がり軸受ユニットの荷重測定装置の基本的な構造及び作用は、前述の先発明の場合と同様であり、上記回転速度の変化に伴う誤差を抑える点に関しては前述した通りであるから、重複する説明は省略する。
尚、図５〜６、図７〜８に示す様な、１対のセンサの出力信号の位相差に基づいて荷重を求める構造で本発明を実施する場合には、これら両センサをできる限り近接配置する事が好ましい、この理由は、温度変化による影響を、これら両センサ同士の間で同じにする為である。例えば、前述の図１０に示す様な、出力信号であるパルス信号の立ち上がり及び降下の遅れは、センサ１３ａ、１３ｂの出力信号を処理する為の電気回路の温度変化によって変化する。従って、これら両センサ１３ａ、１３ｂの温度が互いに異なって、上記遅れの時間ｔ（図１０）に差が生じると、その分、上記荷重の測定誤差が大きくなる。この様な原因での測定誤差を抑える為には、上述の様に、上記両センサをできる限り近接配置して、温度差が生じるのを防止する事が効果的である。又、上記図１０から明らかな様に、上記出力信号であるパルス信号の立ち上がり及び降下の遅れの時間は、スレッシュレベルとの関係で、互いに異なる。そこで、できる限り、この遅れ時間が短い側だけを用いて、上記荷重を求める為の処理を行なう事も、１対のセンサの出力信号同士の間での遅れの差を小さくして、正確な測定値を得る面からは好ましい。
先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第１例の断面図。 この第１例に組み込むエンコーダの斜視図。 先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第２例の断面図。 この第２例に組み込むエンコーダの斜視図。 先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第３例を示す断面図。 この第３例に組み込むエンコーダの斜視図。 先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第４例の断面図。 この第４例に組み込むエンコーダの断面図。 先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第５例に組み込むエンコーダを軸方向から見た側面図。 回転速度の変化に対応してセンサの検出信号が変化する状況を説明する為の線図。 回転速度の変化が、センサの検出信号のデューティ比に基づく測定値に及ぼす影響を示す線図で、（Ａ）は検出信号のデューティ比に基づく測定値に誤差が生じた状態を、（Ｂ）は上記回転速度の変化に基づく影響を補正した状態を、それぞれ示している。 回転速度の変化が、１対のセンサの検出信号同士の間の位相差に及ぼす影響を示す線図で、（Ａ）はこの位相差に誤差が生じた状態を、（Ｂ）は上記回転速度の変化に基づく影響を補正した状態を、それぞれ示している。
符号の説明
１ 車輪支持用転がり軸受ユニット
２ 荷重測定装置
３ 外輪
４、４ａ ハブ
５、５ａ 転動体
６ 外輪軌道
７ 取付部
８ ハブ本体
９ 内輪
１０ フランジ
１１ 内輪軌道
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ エンコーダ
１３、１３ａ、１３ｂ センサ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ 透孔
１５ 取付孔
１６ カバー
１７ センサホルダ
１８ スプライン孔
１９ 凹部
２０ 凸部
２１ リム部

Claims (6)

  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、使用状態でも回転しない静止側軌道輪と、使用状態で回転する回転側軌道輪と、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接触角を付与された状態で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、上記回転側軌道輪の一部にこの回転側軌道輪と同心に支持された、被検出面の特性を円周方向に関して交互に変化させたエンコーダと、その検出部をこの被検出面に対向させた状態で回転しない部分に支持され、この被検出面の特性変化に対応してその出力信号を変化させるセンサと、このセンサの出力信号に基づいて、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間に加わる荷重を算出する演算器とを備えたものであり、
    上記被検出面の特性が円周方向に関して変化する、位相と、ピッチと、上記出力信号のデューティ比に結び付く上記各特性の割合とのうちから選択される１乃至複数であるパターンは、検出すべき荷重の作用方向に対応して、上記被検出面の幅方向に関して連続的に変化している
    転がり軸受ユニットの荷重測定装置であって、
    上記荷重と、上記被検出面の特性変化に対応して上記出力信号が変化するパターンとの関係に於ける、零点及びゲイン特性を、上記回転側軌道輪の回転速度に応じて変化させる
    転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
  2. 荷重を一定としたまま回転側軌道輪の回転速度を変化させる事により求めた、この回転速度と零点及びゲイン特性との関係を、演算器がパターンに基づいて荷重を算出する為のソフトウェア中に組み込んでいる、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. 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、使用状態でも回転しない静止側軌道輪と、使用状態で回転する回転側軌道輪と、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接触角を付与された状態で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、上記回転側軌道輪の一部にこの回転側軌道輪と同心に支持された、被検出面の特性を円周方向に関して交互に変化させたエンコーダと、その検出部をこの被検出面に対向させた状態で回転しない部分に支持され、この被検出面の特性変化に対応してその出力信号を変化させるセンサと、このセンサの出力信号に基づいて、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間に加わる荷重を算出する演算器とを備えたものであり、 上記被検出面の特性が円周方向に関して変化する、位相と、ピッチと、上記出力信号のデューティ比に結び付く上記各特性の割合とのうちから選択される１乃至複数であるパターンは、検出すべき荷重の作用方向に対応して、上記被検出面の幅方向に関して連続的に変化している
    転がり軸受ユニットの荷重測定装置であって、
    上記演算器は、上記出力信号が変化するパターンを求める為に検出する、この出力信号が変化する瞬間に関して回転側軌道輪の回転速度変化に応じて時間的補正を行ない、この時間的補正を施した、この出力信号が変化する瞬間に関するデータを使用して上記荷重を算出する
    転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
  4. エンコーダの被検出面は、回転側軌道輪と共に回転する部分にこの回転側軌道輪と同心に設けられていて、その特性を円周方向に関して交互に変化させると共に、この変化の位相を、測定すべき荷重の作用方向に対応して漸次変化させたものであり、センサは、その検出部を上記被検出面に対向させた状態で回転しない部分に支持され、この被検出面の特性変化に対応してその出力信号を変化させるものであり、演算器は、上記センサの出力信号が変化するパターンに基づいて荷重を算出する、請求項１〜３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。
  5. エンコーダの被検出面は、回転側軌道輪と共に回転する部分にこの回転側軌道輪と同心に設けられていて、その特性を円周方向に関して交互に変化させると共に、この変化のピッチを、測定すべき荷重の作用方向に対応して漸次変化させたものであり、センサは、その検出部を上記被検出面に対向させた状態で回転しない部分に支持され、この被検出面の特性変化に対応してその出力信号を変化させるものであり、演算器は、上記センサの出力信号のデューティ比に基づいて荷重を算出する、請求項１〜３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。
  6. エンコーダの被検出面は、第一の被検出部及び第二の被検出部を備えたものであって、このうちの第一の被検出部は、回転側軌道輪と共に回転する部分にこの回転側軌道輪と同心に設けられていて、その特性を円周方向に関して交互に変化させると共に、この変化の位相を、測定すべき荷重の作用方向に対応して漸次変化させたものであり、センサは、第一のセンサ及び第二のセンサを備えたものであり、このうちの第一のセンサは、その検出部を上記第一の被検出部に対向させた状態で回転しない部分に支持され、この第一の被検出部の特性変化に対応してその出力信号を変化させるものであり、上記第二の被検出部は、上記回転側軌道輪と共に回転する部分にこの回転側軌道輪と同心に設けられていて、その特性を円周方向に関して交互に、上記第一の被検出部と同じピッチで変化させると共に、上記測定すべき荷重の作用方向に対応する位相の変化状態を上記第一の被検出部と異ならせたものであり、上記第二のセンサは、その検出部を上記第二の被検出部に対向させた状態で回転しない部分に支持され、この第二の被検出部の特性変化に対応してその出力信号を変化させるものであり、演算器は、この第二のセンサの出力信号と上記第一のセンサの出力信号との間に存在する位相差に基づいて荷重を算出する、請求項１〜３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。
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