JP4940937B2 - 回転機械の状態量測定装置 - Google Patents

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量や、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。

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転がり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、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。

この様な事情に鑑みて、特許文献１には、複列アンギュラ型の玉軸受ユニットである転がり軸受ユニットを構成する１対の列の玉の公転速度に基づいて、この転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重又はアキシアル荷重を測定する、状態量測定装置付転がり軸受ユニットに関する発明が記載されている。この様な特許文献１に記載された状態量測定装置付転がり軸受ユニットは、上記両列の玉の公転速度を、これら各玉を保持した１対の保持器の回転速度として求め、これら両列の玉の公転速度に基づいて、上記ラジアル荷重又はアキシアル荷重を算出する。この様な従来構造の場合、上記各玉の転動面と上記両保持器のポケットの内面との間に不可避的に存在する隙間に起因して、上記両列の玉の公転速度と上記両保持器の回転速度との間に、微妙なずれが生じる場合がある。この為、上記ラジアル荷重又はアキシアル荷重を精度良く求める為には、改良の余地がある。

これに対して、未公開ではあるが、上述の様な不可避的なずれに基づく測定精度の悪化を防止できる構造として、特殊なエンコーダを使用した状態量測定装置付転がり軸受ユニットが発明（例えば、特願２００５−１４７６４２）され、その開発が進められている。図１０〜１２は、この様な特殊なエンコーダを使用した状態量測定装置付転がり軸受ユニットの１例を示している。この先発明の状態量測定装置付転がり軸受ユニットは、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、３、５、６、７、８、１０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、５、６、７、８、１０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、或は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状態量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１２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１２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１２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１２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１２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。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方向の相対変位及び荷重を算出する処理は、図示しない演算器により行なう。この為、この演算器には、予め理論計算や実験により調べておいた、上記位相差と上記アキシアル方向の相対変位及び荷重との関係を、計算式やマップ等の型式で組み込んでおく。

尚、上述した先発明の構造の場合には、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、上記エンコーダを永久磁石製としている為、１対のセンサ側には永久磁石を組み込む必要はない。又、エンコーダを円輪状に構成すると共に、このエンコーダの軸方向側面を被検出面とし、この被検出面に１対のセンサの検出部を、径方向にずらせた状態で対向させれば、上記外輪１と上記ハブ２とのラジアル方向に関する変位、延てはこれら外輪１とハブ２との間に加わるラジアル荷重を求める事も可能である。

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使用する事が好ましい。

この様な構造を実現する方法としては、例えば、対象となる転がり軸受ユニットに対し、上記アキシアル荷重（変位）を測定する為のエンコーダを備えた状態量測定装置と、上記ラジアル荷重（変位）を測定する為のエンコーダを備えた状態量測定装置と、上記モーメント（傾き）を測定する為のエンコーダを備えた状態量測定装置との、３つの状態量測定装置を組み付ける方法が考えられる。但し、この様に対象となる転がり軸受ユニットに対し、それぞれがエンコーダを１つずつ備えた状態量測定装置を、測定すべき状態量の種類と同数（３つ）組み付ける方法を採用すると、使用する状態量測定装置のコストが嵩むだけでなく、対象となる転がり軸受ユニットによっては（例えば、小型自動車用の転がり軸受ユニットの場合には）、総ての状態量測定装置を組み付けるだけのスペースを確保できない場合もある。

一方、この様な不都合を或る程度解消できる発明として、前記特願２００５−１４７６４２には、上記アキシアル荷重（変位）と上記モーメント（傾き）との２種類の状態量を、１つのエンコーダを使用して測定できる状態量測定装置が記載されている。又、やはり未公開ではあるが、特願２００６−１１５３０２には、上記アキシアル荷重（変位）と上記ラジアル荷重（変位）との２種類の状態量を、１つのエンコーダを使用して測定できる状態量測定装置が記載されている。これらの状態量測定装置を使用（先発明装置を使用して３種類のうちの２種類を測定）すれば、上記３種類の状態量を測定する為に使用するエンコーダ（を含んで構成する状態量測定装置）の数を、３つから２つに減らす事ができる。この為、その分だけ、上述した様な不都合を解消できる。但し、当該不都合をより十分に解消できる様にする為には、上記３種類の状態量を、１つのエンコーダを使用して測定できる状態量測定装置を実現する事が望まれる。

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

本発明の回転機械の状態量測定装置は、上述の様な事情に鑑み、上述した３種類の状態量を、１つのエンコーダを使用して測定できる構造を実現すべく発明したものである。

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、使用状態で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、上記回転部材又はこの回転部材と共に回転及び変位する別部材の一部に、この回転部材又はこの別部材と同心に設けられたエンコーダと、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。尚、上記別部材としては、車輪支持用転がり軸受ユニットを構成するハブに結合固定されるロータ或は等速ジョイント等が考えられる。
このうちのエンコーダは、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、第二の特性変化部を備える。そして、これら両特性変化部の特性は、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、第二の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。
上記センサ装置は、それぞれが１対のセンサから成るセンサ組を、３つ備える。これら各センサはそれぞれ、その検出部を対向させた部分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る。そして、上記各センサ組を構成する１対のセンサのうちの一方のセンサの検出部が、それぞれ上記第一の特性変化部のうち円周方向位置が互いに異なる部分に対向しており、同じく他方のセンサの検出部が、それぞれ上記第二の特性変化部のうち円周方向位置が互いに異なる部分に対向している。
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、それぞれが上記各センサから選択された、５通りの２個ずつのセンサの組み合わせに関する、これら各組み合わせ毎の２個ずつのセンサの出力信号同士の間に存在する５つの位相差｛或は位相差比（＝位相差／１周期）｝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φ _ｘ と、ｚ軸周りの傾きφ _ｚ とを、それぞれ算出する機能を有する。

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に記載した発明の様に、上記５通りの２個ずつのセンサの組み合わせとして、それぞれが互いに同じセンサ組を構成する、３通りの２個ずつのセンサの組み合わせと、それぞれが互いに異なるセンサ組を構成する、２通りの２個ずつのセンサの組み合わせとを採用する。

上述の請求項１〜２に記載した発明を実施する場合に、具体的には、例えば請求項３に記載した発明の様に、各センサ組に関してそれぞれ、一方のセンサの検出部と他方のセンサの検出部とを、円周方向に関して互いに同位置で、第一の特性変化部と第二の特性変化部とに対向させる。
又、上述の請求項１〜３に記載した発明を実施する場合に、具体的には、例えば請求項４に記載した発明の様に、各センサ組を構成する一方のセンサの検出部を、第一の特性変化部の円周方向等間隔位置に、同じく他方のセンサの検出部を、第二の特性変化部の円周方向等間隔位置に、それぞれ対向させる。
又、上述の請求項１〜４に記載した発明を実施する場合に、好ましくは、請求項５に記載した発明の様に、第一、第二の両特性変化部のうちの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。

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に記載した発明の様に、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（例えばｘ、ｙ、ｚ）及び傾き（例えばφ_ｘ、φ_ｚ）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に記載した発明の様に、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、上記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。

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に記載した発明の様に、算出目的となるラジアル変位と同方向に関する上記回転機械の剛性中心の軸方向位置を、上記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に記載した発明の様に、上記静止部材と上記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、上記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に記載した発明の様に、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、上記静止部材の軸方向に関する所定の位置とする。

又、上述の請求項７〜１０に記載した発明を実施する場合に、好ましくは、請求項１１に記載した発明の様に、上記演算器に、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上記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。

又、上述した請求項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に記載した発明の様に、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に記載した発明の様に、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。

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、静止部材に対するエンコーダの、アキシアル方向の変位（ｙ）と、ラジアル方向の変位（ｘ、ｚ）と、傾き（φ_ｘ、φ_ｚ）との、３種類、合計５通りの状態量を、１つのエンコーダのみを使用して求められる。この為、これら変位又は傾きを求める際に使用する状態量測定装置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の十分な小型化を図れる。従って、対象となる回転機械に広い取り付けスペースが存在しない場合でも、この回転機械に対し、上記状態量測定装置を容易に組み付けられる。
又、請求項５に記載した発明の構造を採用すれば、各位相差（或は位相差比）から上記変位又は傾きを算出する際の計算量を少なくできる。この為、これら変位又は傾きを、よりリアルタイムに近い状態で算出できる。

又、請求項６に記載した発明の構造を採用すれば、静止部材と回転部材との間に作用する外力｛例えば、アキシアル方向の荷重（Ｆｙ）と、ラジアル方向の荷重（Ｆｘ、Ｆｚ）と、モーメント（Ｍｘ、Ｍｚ）との、２種類、３通りの荷重及び２通りのモーメント｝を、１つのエンコーダを使用して求められる。
特に、請求項１、６に記載した発明の場合には、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、本発明の場合には、互いに直交する２軸（ｘ軸、ｚ軸）周りの傾き（φ_ｘ、φ_ｚ）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。

［実施の形態の第１例］
図１〜８は、請求項１〜４及び請求項６〜１３に対応する、本発明の実施の形態の第１例を示している。本例の転がり軸受ユニットの状態量測定装置は、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、前述の図１０に示した先発明に係る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。尚、本例では、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。

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、やはり前述の図１０〜１２に示した先発明に係る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４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。

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の特性変化部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の特性変化部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、それぞれ上記第一の特性変化部９或は上記第二の特性変化部１０の幅方向中央部に対向する。又、外力が作用しない状態で、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、本例の場合、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（外力が作用しない状態での位相差）は、それぞれ０となる。更に、本例の場合には、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。

上述の様に構成する本例の場合、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、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 （６ｂ₁ 、６ｃ₁ ）、６ａ₂ （６ｂ₂ 、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、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、前述した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方向の荷重或はモーメント（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或はマップを記憶させておけば、上記５方向の変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）に基づいて上記５方向の荷重及びモーメント（荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｚ）を求められる。

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。

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、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５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６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ｋ_a と、ｚ軸方向に関する軸受列Ｂの剛性ｋ_b とが互いに異なる｛ｋ_a ≠ｋ_b （図示の例ではｋ_a ＜ｋ_b ）｝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５、６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。

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ｋ_ｅｑ（＝ｋ_ａ＋ｋ_ｂ）を用いる事によって解決できる。即ち、上記図５、６に示した状況の場合、上記ラジアル荷重Ｆｚを上記等価剛性ｋ_ｅｑで除した値（Ｆｚ／ｋ_ｅｑ）に等しいｚ軸方向のラジアル変位を生じる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、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ｚ軸方向のラジアル変位を読み取れば（請求項８）、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。

この最適なｙ軸方向位置に就いて、図７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ｚ_h は、次の（１６）式で表される。

一方、上述した様に、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ｚ_eqの値は、上記ラジアル荷重Ｆｚを上記等価剛性ｋ_eq（＝ｋ_a ＋ｋ_b ）で除した値（Ｆｚ／ｋ_eq）となる。これを式で表すと、次の（１７）式の様になる。

従って、この（１７）式を満たす距離Ｈ、即ち、次の（１８）式で表される距離Ｈの位置が、上記最適なｙ軸方向位置となる。

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ｚ_eqは、前述した５方向変位（ｘ、ｙ、ｚ、φ_x 、φ_z ）の一部（ｚ、φ_x ）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３）とした場合に、上記ラジアル変位ｚ_eqは、次の（１９）式で表せる。

又、傾きφ_x が微小な場合は、次の（２０）式で近似する事もできる。

尚、上記ラジアル変位ｚ_eqは、上記最適なｙ軸方向位置に設置した、静電容量型等の非接触式の変位センサにより測定する事もできる。但し、この変位センサを別個に設ける分だけコストが嵩む。又、設計レイアウトの制約上、当該位置に変位センサを設置できない場合もある。何れにしても、上記位置に上記変位センサを設ける構造は、本発明とは関係ない。

以上の説明では、上記両軸受列Ａ、Ｂの剛性ｋ_ａ、ｋ_ｂ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、本例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７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ｋ_ａ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ｋ_ｂ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（請求項１１）、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φ_ｘを生じさせる。この為、上記演算器で算出したこの傾きφ_ｘに基づいて、変化後の上記距離Ｈを求め（請求項１１）、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。

尚、上記両軸受列Ａ、Ｂの剛性ｋ_a 、ｋ_b 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。

次に、別の状況に就いて説明する。図８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８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。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φ_ｘ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（請求項９）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φ_ｘ）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φ_ｘ）基づいて、変化後の上記節位置を求め（請求項１１）、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。

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φ_x 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φ_y 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φ_y 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φ_x 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φ_y のsin φ_y 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φ_x 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φ_x 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。

以上の話をまとめると、前述の図５、６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８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φ_x 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５、６に示した状況と、上述の図８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。

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５、６に示した状況と、上述の図８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の算出精度を或る程度良好に（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（請求項１０）。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。

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。

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。

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。

上述した様に、本例の回転機械の状態量測定装置によれば、５方向の変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）及び５方向の荷重及びモーメント（荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメント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、本例の場合には、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（φ_x 、φ_z ）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。

尚、上述した実施の形態の第１例の場合、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方向の変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）を計算する事もできる。即ち、上記δ＝０とすると、前記（３）〜（８）式は、次の（２１）〜（２６）式に置き換える事ができる。

又、前記（９）〜（１３）式は、次の（２７）〜（３１）式に置き換える事ができる。

又、前記（１４）式は、次の（３２）式に置き換える事ができる。

更に、前記（１５）式は、次の（３３）式に置き換える事ができる。

ここで、この（３３）式と前記（１５）式とを比較すれば明らかな様に、この（３３）式では、右辺の逆行列の行列要素に、δに関する項が含まれていない。従って、その分だけ、演算器の計算量を少なくできる。この結果、安全走行に関する運転制御の応答性を向上させる事ができる。

［実施の形態の第２例］
次に、図９は、請求項５に対応する、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例の特徴は、エンコーダ４ａの被検出面の構造にある。その他の部分の構造及び作用は、上述した実施の形態の第１例の場合と同様である為、重複する図示並びに説明は省略若しくは簡略にし、以下、本例の特徴部分を中心に説明する。

本例の場合、上記エンコーダ４ａの被検出面のうち、第一の特性変化部９ａを構成する複数の透孔７ａ、７ａと、第二の特性変化部１０ａを構成する複数の透孔７ｂ、７ｂとを、互いに独立に形成している。又、本例の場合、上記第二の特性変化部１０ａを構成する各透孔７ｂ、７ｂと各柱部８ｂ、８ｂとの境界は、上述した実施の形態の第１例の場合と同様、軸方向（図９の左右方向）に対して角度α（＝４５度）だけ傾斜させている。これに対し、上記第一の特性変化部９ａを構成する各透孔７ａ、７ａと各柱部８ａ、８ａとの境界は、軸方向と平行にしている。即ち、本例の場合、上記第二の特性変化部１０ａの特性変化の位相は、軸方向に関して漸次変化しているが、上記第一の特性変化部９ａの特性変化の位相は、軸方向に関して変化していない。尚、本例の場合も、上記両特性変化部９ａ、１０ａの特性変化のピッチを、それぞれＰとしている。

上述した様なエンコーダ４ａを使用する、本例の場合、上述した実施の形態の第１例の（２１）〜（２６）式は、次の（３４）〜（３９）式に置き換える事ができる。

又、本例の場合、上述した実施の形態の第１例の（２７）〜（３１）式は、次の（４０）〜（４４）式に置き換える事ができる。

又、本例の場合、上述した実施の形態の第１例の（３２）式は、次の（４５）式に置き換える事ができる。

更に、本例の場合、上述した実施の形態の第１例の（３３）式は、次の（４６）式に置き換える事ができる。

従って、本例の場合も、図示しない演算器に、この（４６）式の右辺を計算させれば、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。ここで、この本例の（４６）式と、上記実施の形態の第１例の（３３）式とを比較すれば明らかな様に、この本例の（４６）式では、上記実施の形態の第１例の（３３）式よりも、右辺の逆行列に含まれる、０の数が多くなっている。別な言い方をすれば、上記本例の（４６）式の場合には、上記実施の形態の第１例の（３３）式の場合に比べて、上記逆行列に含まれる、０以外の行列要素の数が、３／４に減少している｛（３３）式では１６個であったが、（４６）式では１２個になっている｝。一方、行列及び逆行列の計算量は、これら行列及び逆行列に含まれる、０以外の行列要素の数に比例する。この為、本例の場合には、上述した実施の形態の第１例の場合に比べて、上記５つの未知数（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）を算出する際の計算量を少なくできる。従って、これら５つの未知数（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）を、よりリアルタイムに近い状態で算出できる。この結果、走行安定性確保に関する運転制御の応答性を向上させる事ができる。

尚、本発明は、上述した各実施の形態の構成に限らず、特許請求の範囲に記載した要件を満たす限り、各種の構成を採用できる。例えば、３つのセンサ組の円周方向に関する配置の位相は、必ずしも等間隔である必要はなく、不等間隔にする事もできる。又、同じセンサ組を構成する１対のセンサの円周方向に関する配置の位相は、必ずしも一致させる必要はなく、ずらせても良い。これらの場合には、上記各センサの配置の仕方に応じて、前記（１）式及び（２）式を基に、前記（３）〜（８）式｛前記（２１）〜（２６）式、前記（３４）〜（３９）式｝を求め直せば、上述した各実施の形態の場合と同様の手順で、５方向の変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）を算出できる。又、前述した実施の形態の第１例の後段部分で述べた様に、本発明を実施する場合、各センサ組を構成する１対のセンサ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方向の変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）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為、その分だけ走行安定性確保に関する運転制御の応答性を向上させる事ができる。又、前記（３）〜（８）式｛前記（２１）〜（２６）式、前記（３４）〜（３９）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｛前記（２１）〜（２６）式、前記（３４）〜（３９）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｛前記（２１）〜（２６）式、前記（３４）〜（３９）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。

又、本発明を実施する場合、５方向変位（ｘ、ｙ、ｚ、φ_x 、φ_z ）の演算に用いる５つの位相差比は、上述した各実施の形態で採用した５通りの２個ずつのセンサの組み合わせに限らず、他の５通りの２個ずつのセンサの組み合わせ（例えば「それぞれの検出部を第一特性変化部に対向させた２個ずつのセンサの組み合わせで２通り」＋「それぞれの検出部を第二特性変化部に対向させた２個ずつのセンサの組み合わせで２通り」＋「何れかのセンサ組を構成する１対のセンサの組み合わせで１通り」＝計５通り）から取得する事もできる。この様な他の５通りの２個ずつのセンサの組み合わせでも、前記（９）〜（１３）式｛前記（２７）〜（３１）式、前記（４０）〜（４４）式｝を算出、或は実測できる為、これらを前記（１５）式｛前記（３３）式、前記（４６）式｝で用いれば、上記５方向変位を算出できる。尚、上記他の５通りの２個ずつのセンサ間の位相差比を、上述した各実施の形態で採用した５通りの２個ずつのセンサ間の位相差比に換算する事もできる。又、第一、第二各特性変化部のそれぞれに対向させた、互いに異なるセンサ組を構成する２個ずつのセンサ間の位相差比を把握している為、これらと何れか１つのセンサ組を構成する１対のセンサ間の位相差比とから、残りの２つのセンサ組を構成する１対のセンサ間の位相差比を算出する事もできる。

又、前述の実施の形態の第１例でも説明した様に、静止側軌道輪に対する回転側軌道輪の所定方向の変位（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荷重（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荷重或はモーメント（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荷重による影響は、予め、上記所定方向の変位と、上記同方向の荷重或はモーメントと、上記他の方向の荷重或はモーメントとの、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ける。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、上記他の方向の荷重或はモーメントの影響をなくして上記所定方向の荷重を精度良く求められる。又、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、ラジアル荷重（Ｆｘ、Ｆｚ）の作用点位置が軸方向に変化すると、このラジアル荷重の向き及び大きさが変化しなくても、軸方向の各部分に於けるラジアル変位が変化する。但し、この場合にも、このラジアル変位が常に一定となる軸方向位置｛センサ設置部から軸方向距離Ｌの位置（図３参照）｝が存在する。従って、この軸方向距離Ｌの位置でのラジアル変位に基づいて、上記ラジアル荷重（Ｆｘ、Ｆｚ）を計算すれば、上記作用点位置の変化の影響をなくしてこのラジアル荷重（Ｆｘ、Ｆｚ）を精度良く求められる。尚、上記軸方向距離Ｌは、センサ設置部で測定したアキシアル変位ｙ等から算出したアキシアル荷重Ｆｙに基づいて求められる。又、上記軸方向距離Ｌの位置でのラジアル変位は、この軸方向距離Ｌとセンサ設置部で測定した５方向の変位（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφ_x 、φ_z ）とに基づき、幾何学的に求められる。

本発明を実施する場合、回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を求める為には、必ずしもこれら回転側軌道輪と静止側軌道輪との相対変位量を求める必要はない。即ち、演算器に、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作用する荷重を直接（上記相対変位量を求める過程を経る事なく）算出する機能を持たせる事もできる。

本発明の実施の形態の第１例を示す断面図。 エンコーダの被検出面の一部を径方向外方から見た図。 本発明の実施の形態の第１例を示す模式図。 センサの円周方向位置を示す図。 ラジアル荷重Ｆｚが軸受中心Ｏからずれたｙ軸方向位置に作用している状況を示す模式図。 ラジアル荷重Ｆｚが軸受中心Ｏのｙ軸方向位置に作用しているが、１対の軸受列Ａ、Ｂの剛性が互いに異なっている状況を示す模式図。 ｚ軸方向のラジアル変位を読み取る最適なｙ軸方向位置を説明する為の模式図。 ラジアル荷重Ｆｚと共にモーメントＭｘが作用している状況を示す模式図。 本発明の実施の形態の第２例を示す、図２と同様の図。 先発明に係る状態量測定装置付転がり軸受ユニットの１例を示す断面図。 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。

符号の説明

１ 外輪
２ ハブ
３ 転動体
４、４ａ エンコーダ
５ カバー
６ａ₁ 、６ａ₂ 、６ｂ₁ 、６ｂ₂ 、６ｃ₁ 、６ｃ₂ センサ
７、７ａ、７ｂ 透孔
８、８ａ、８ｂ 柱部
９、９ａ 第一の特性変化部
１０、１０ａ 第二の特性変化部
１１ 転がり軸受ユニット
１２ 状態量測定装置

Claims (13)

1. 回転機械と、状態量測定装置とを備え、
   このうちの回転機械は、使用状態で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、上記回転部材又はこの回転部材と共に回転及び変位する別部材の一部に、この回転部材又はこの別部材と同心に設けられたエンコーダと、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、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、第二の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、第二の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、それぞれが１対のセンサから成るセンサ組を、３つ備えたもので、これら各センサはそれぞれ、その検出部を対向させた部分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、上記各センサ組を構成する１対のセンサのうちの一方のセンサの検出部が、それぞれ上記第一の特性変化部のうち円周方向位置が互いに異なる部分に対向しており、同じく他方のセンサの検出部が、それぞれ上記第二の特性変化部のうち円周方向位置が互いに異なる部分に対向しており、
   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、それぞれが上記各センサから選択された、５通りの２個ずつのセンサの組み合わせに関する、これら各組み合わせ毎の２個ずつのセンサの出力信号同士の間に存在する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φ _ｘ と、ｚ軸周りの傾きφ _ｚ 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。
2. ５通りの２個ずつのセンサの組み合わせとして、それぞれが互いに同じセンサ組を構成する、３通りの２個ずつのセンサの組み合わせと、それぞれが互いに異なるセンサ組を構成する、２通りの２個ずつのセンサの組み合わせとを採用する、請求項１に記載した回転機械の状態量測定装置。
3. 各センサ組に関してそれぞれ、一方のセンサの検出部と他方のセンサの検出部とが、円周方向に関して互いに同位置で、第一の特性変化部と第二の特性変化部とに対向している、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した回転機械の状態量測定装置。
4. 各センサ組を構成する一方のセンサの検出部が、第一の特性変化部の円周方向等間隔位置に、同じく他方のセンサの検出部が、第二の特性変化部の円周方向等間隔位置に、それぞれ対向している、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した回転機械の状態量測定装置。
5. 第一、第二の両特性変化部のうちの他方の特性変化部の特性変化の位相が、軸方向に関して変化していない、請求項１〜４のうちの何れか１項に記載した回転機械の状態量測定装置。
6. 演算器が、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、この静止部材と回転部材との間に作用する外力を算出する機能を有する、請求項１〜５のうちの何れか１項に記載した回転機械の状態量測定装置。
7. 演算器が、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に関する所定の位置での回転部材のラジアル変位を算出し、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有する、請求項６に記載した回転機械の状態量測定装置。
8. 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、請求項７に記載した回転機械の状態量測定装置。
9. 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、請求項７に記載した回転機械の状態量測定装置。
10. 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、請求項７に記載した回転機械の状態量測定装置。
11. 演算器が、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する、請求項７〜１０のうちの何れか１項に記載した回転機械の状態量測定装置。
12. 回転機械が転がり軸受ユニットであり、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、請求項１〜１１のうちの何れか１項に記載した回転機械の状態量測定装置。
13. 転がり軸受ユニットが自動車の車輪支持用のハブユニットであり、使用状態で静止側軌道輪が自動車の懸架装置に支持され、回転側軌道輪であるハブに車輪が結合固定される、請求項１２に記載した回転機械の状態量測定装置。

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