JP5007534B2 - 回転機械の荷重測定装置 - Google Patents

Description

本発明の回転機械の荷重測定装置は、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に作用する荷重を求める為に利用する。

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、荷重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に記載された荷重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、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、特許文献２には、荷重の作用方向に配置された１対のセンサの出力信号の位相差に基づき、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５〜７は、この特許文献２に記載された荷重測定装置付転がり軸受ユニットの従来構造の第１例を示している。この従来構造の第１例の場合、静止側軌道輪である外輪１の内径側に、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。そして、このハブ２の中間部にエンコーダ４を外嵌固定すると共に、上記外輪１の軸方向中間部で複列に配置された上記各玉３、３の間部分に１対のセンサ５ａ_１ 、５ａ_２ を、それぞれの検出部を、被検出面である、上記エンコーダ４の外周面に近接対向させた状態で設けている。尚、上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ の検出部には、ホールＩＣ、ホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子等の磁気検知素子を組み込んでいる。

本例の場合、上記エンコーダ４として、永久磁石製のものを使用している。被検出面である、このエンコーダ４の外周面には、Ｎ極に着磁した部分とＳ極に着磁した部分とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置している。そして、この様なエンコーダ４の外周面の軸方向片半部（図６の左半部、図７の上半部）を、上記Ｎ極と上記Ｓ極との境界の位相（特性変化の位相）が上記外周面の軸方向に対して所定方向に所定角度で漸次変化する、第一特性変化部６としている。これに対し、上記外周面の軸方向他半部（図６の右半部、図７の下半部）を、上記Ｓ極と上記Ｎ極との境界の位相が上記外周面の軸方向に対して上記所定方向と逆方向に上記所定角度と同じ角度で漸次変化する、第二特性変化部７としている。この為に、上記Ｎ極と上記Ｓ極との境界を、上記外周面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、上記外周面の軸方向中央部を境に互いに逆方向としている。従って、上記Ｎ極と上記Ｓ極とは、軸方向中央部が円周方向に関して最も突出した（又は凹んだ）、「く」字形となっている。

又、上記１対のセンサ５ａ_１ 、５ａ_２ のうち、一方のセンサ５ａ_１ の検出部を上記第一特性変化部６に、他方のセンサ５ａ_２ の検出部を上記第二特性変化部７に、それぞれ近接対向させている。これら両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ の検出部が上記両特性変化部６、７に対向する位置は、このエンコーダ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と上記ハブ２との間にアキシアル荷重が作用しない状態で、上記Ｎ極と上記Ｓ極との軸方向中央部で円周方向に関して最も突出した部分（これらＮ極とＳ極との境界の傾斜方向が変化する部分）が、上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ 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４、５ａ_１ 、５ａ_２ の設置位置を規制している。尚、本例の場合には、上記エンコーダ４として永久磁石製のものを使用しているので、上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ 側に永久磁石を組み込む必要はない。

上述の様に構成する荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合、上記外輪１とハブ２との間にアキシアル荷重が作用すると、上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ 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おらず、これら外輪１とハブ２とが相対変位していない、中立状態では、上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ の検出部は、図７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５ａ_１ 、５ａ_２ 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、上記エンコーダ４を固定したハブ２に、図７の（Ａ）で下向きのアキシアル荷重が作用｛外輪１とハブ２とがアキシアル方向（軸方向）に相対変位｝した場合には、上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ の検出部は、図７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５ａ_１ 、５ａ_２ 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７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５ａ_１ 、５ａ_２ の検出部は、図７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５ａ_１ 、５ａ_２ の出力信号の位相は、同図の（Ｄ）に示す様にずれる。

この様に、上述した従来構造の第１例の場合には、上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ の出力信号の位相が、上記外輪１と上記ハブ２との間に加わるアキシアル荷重（これら外輪１とハブ２とのアキシアル方向の相対変位）の向き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５ａ_１ 、５ａ_２ 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５ａ_１ 、５ａ_２ 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向き及び大きさを求める事ができる。尚、上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ 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、計算式や変換マップ等の形式で組み込んでおく。

又、前記特許文献２には、上述した永久磁石製のエンコーダ４に代えて、図８に示す様な磁性金属板製のエンコーダ４ａを使用する構造も記載されている。この従来構造の第２例で使用する磁性金属板製のエンコーダ４ａの場合には、被検出面である外周面に、Ｓ極、Ｎ極の代わりに、スリット状の透孔８ａ、８ｂと柱部９ａ、９ｂとを設けている。この様な磁性金属板製のエンコーダ４ａを使用する場合には、被検出面の軸方向両半部（第一、第二両特性変化部６ａ、７ａ）に対向させる１対のセンサ（図示せず）側に、永久磁石を組み込む。尚、この図８に示した磁性金属板製のエンコーダ４ａの場合には、被検出面の軸方向中間部に全周に亙るリム部１０を設けて、上記各透孔８ａ、８ｂを「ハ」字形としている。但し、上記第一、第二両特性変化部６ａ、７ａを構成する各透孔は、互いに連続させて「へ」字形とする事もできる。

尚、上述した様な荷重測定装置付転がり軸受ユニットを実施する場合、ハブ２に対するエンコーダ４、４ａ、４ｂの支持固定位置は、このハブ２の軸方向中間部に限らず、例えばこのハブ２の軸方向端部とする事もできる。

ところで、上述した様な荷重測定装置付転がり軸受ユニットを構成する演算器に組み込まれる変換マップは、ハブ２が正回転（自動車が前進）する状態で使用される事を前提として作成されたものである。この為、上記ハブ２が逆回転（自動車が後退）する状態で当該変換マップが使用されると、１対のセンサ５ａ_１ 、５ａ_２ の出力信号同士の間に存在する位相差に基づいて、外輪１とハブ２との間に作用する荷重（或はこれら外輪１とハブ２との相対変位量）を正しく求められなくなる。この理由は、上記荷重（或は相対変位量）が同じであっても、上記ハブ２の回転方向が反転すると、これに伴い上記位相差も反転する為である。

この様な不都合を解消する為、先ず第一に、上記ハブ２の回転方向を判別できる構造を実現する事が望まれる。この様な要望に応えられる発明として、前述した特許文献２には、図９〜１０に示す様な構造が記載されている。このうちの図９に示した従来構造の第３例は、エンコーダ４として、前述の図６〜７に示したものを使用している。これと共に、上記エンコーダ４の被検出面に設けた第一、第二両特性変化部６、７に対する、上記１対のセンサ５ａ_１ 、５ａ_２ の検出部の対向位置を、円周方向に関して互いに所定量だけずらせている。これにより、これら両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ の出力信号同士の間に、所定の大きさの初期位相差（前記中立状態での位相差）が生じる様にしている。一方、図１０に示した従来構造の第４例は、エンコーダ４ｃの被検出面に設けた第一、第二両特性変化部６ｃ、７ｃに対する、１対のセンサ５ａ_１ 、５ａ_２ の検出部の対向位置を、円周方向に関して互いに一致させたままの状態で、上記第一、第二両特性変化部６ｃ、７ｃの特性変化の位相を、互いに所定量だけずらせている。これにより、上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ の出力信号同士の間に、所定の大きさの初期位相差が生じる様にしている。これら図９〜１０に示した構造の場合には、上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ から互いに位相をずらせた状態で送り出される出力信号を、上記各エンコーダ４、４ｃのＡ相とＢ相（後述）とに対応する出力信号として活用する事により、これら各エンコーダ４、４ｃを支持固定したハブ２（図５参照）の回転方向を判別できる。

ところが、図９に示した従来構造の第３例の場合には、上記第一、第二両特性変化部６、７に対する上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ の検出部の対向位置が円周方向に関して互いにずれている為、外輪１とハブ２（図５参照）との間にアキシアル方向の荷重が作用する（相対変位が生じる）場合だけでなく、鉛直軸周りのモーメントが作用する（相対傾きが生じる）場合にも、上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ の出力信号同士の間の位相差が変化する。従って、その分だけ、上記アキシアル荷重の測定精度が悪化する。又、図１０に示した従来構造の第４例の場合には、上記エンコーダ４ｃの被検出面に設けるＮ極及びＳ極の形状が複雑になる為、着磁を適切に行なう事が困難になると予想される。

特開２００５−３１０６３号公報 特開２００６−１３３０４５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荷重測定装置は、上述の様な事情に鑑み、第一、第二両特性変化部に対する１対のセンサの検出部の対向位置を円周方向に関して互いにずらせたり、或はこれら第一、第二両特性変化部の特性変化の位相を互いにずらせると言った手段を採用する事なく、エンコーダを支持固定した回転部材の回転方向を判別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荷重測定装置は、回転機械と、荷重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、上記荷重測定装置は、エンコーダと、センサ装置と、演算器とを備える。
このうちのエンコーダは、上記回転部材に直接又は他の部材を介して支持固定されたもので、この回転部材の回転中心と同心の被検出面を備える。そして、この被検出面の特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔に変化させると共に、この被検出面の幅方向片半部に、特性変化の位相がこの被検出面の幅方向に対して所定方向に所定角度で漸次変化する第一特性変化部を、この被検出面の幅方向他半部に、特性変化の位相がこの被検出面の幅方向に対して上記所定方向と逆方向に上記所定角度と同じ角度で漸次変化する第二特性変化部を、それぞれ設けている。
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、少なくとも１対設けて成る。そして、これら１対のセンサのうちの一方のセンサの検出部を上記第一特性変化部に、同じく他方のセンサの検出部を上記第二特性変化部に、それぞれ対向させると共に、これら両特性変化部に対する上記１対のセンサの検出部の対向位置を、上記被検出面の円周方向に関して互いに一致させた状態で、使用状態でも回転しない部分に支持されている。
又、上記演算器は、上記１対の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、上記静止部材と上記回転部材との間に作用する荷重を算出する機能を有する。

特に、本発明の回転機械の荷重測定装置に於いては、上記両特性変化部に対する上記両センサの検出部の対向位置を、円周方向に関して互いに一致させている。又、上記静止部材と上記回転部材とが相対変位していない中立状態で、上記被検出面の幅方向である上記エンコーダの軸方向に関する、上記両特性変化部に対する上記１対のセンサの検出部の対向位置を規制する事により、これら両センサの出力信号同士の間に所定の大きさの初期位相差（上記中立状態での位相差）を設定している。且つ、上記演算器に、上記両センサの出力信号を観察する（例えば、一方の出力信号をＡ相とし、他方の出力信号をＢ相として、Ａ相の出力信号の立ち上がりからＢ相の出力信号の立ち上がりまでの時間Ｔ_ＡＢと、Ｂ相の出力信号の立ち上がりからＡ相の出力信号の立ち上がりまでの時間Ｔ_ＢＡとの、互いの長短関係を観察する）事に基づいて、上記回転部材の回転方向を判別する機能を付加している。

又、本発明の回転機械の荷重測定装置の場合には、上記所定の大きさの初期位相差を、上記両センサの出力信号の１／４周期の大きさに設定している。この為に、上記エンコーダの被検出面（第一、第二の特性変化部）の特性変化のピッチをＰとし、ｎを正の整数とした場合に、この被検出面のうち特性変化の位相が互いに「（１／４）Ｐ＋ｎＰ」だけずれた２個所位置に、上記両センサの検出部を対向させる。
又、上記エンコーダの被検出面をこのエンコーダの周面とし、この被検出面の幅方向をこのエンコーダの軸方向としている。

又、上述した本発明を実施する場合には、例えば請求項２〜４に記載した発明の様に、演算器として、１対の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静止部材と回転部材との間に作用する荷重を算出する処理を、これら位相差と荷重との関係を表す変換マップを利用して行なうものを採用できる。
この場合に、好ましくは、請求項２に記載した発明の様に、上記演算器として、上記回転部材の正回転用の変換マップと、逆回転用の変換マップとの、双方の変換マップを組み込んでおり、上記回転部材が正回転していると判別した場合には、上記正回転用の変換マップを利用して上記処理を行ない、且つ、その結果を出力し、上記回転部材が逆回転していると判別した場合には、上記逆回転用の変換マップを利用して上記処理を行ない、且つ、その結果を出力するものを使用する。
又は、請求項３に記載した発明の様に、上記演算器として、上記回転部材の正回転と逆回転とのうちの一方の回転用の変換マップのみを組み込んでおり、上記回転部材がこの一方の回転をしていると判別した場合には、上記一方の回転用の変換マップを利用して上記処理を行ない、且つ、その結果を出力し、上記回転部材が正回転と逆回転とのうちの他方の回転をしていると判別した場合には、上記位相差を、上記回転部材が上記一方の回転をしている場合に生じる位相差に変換した後、この変換した位相差に基づいて、上記一方の回転用の変換マップを利用して上記処理を行ない、且つ、その結果を出力するものを使用する。
又は、請求項４に記載した様に、上記演算器として、上記回転部材の正回転と逆回転とのうちの一方の回転用の変換マップのみを組み込んでおり、上記回転部材がこの一方の回転をしていると判別した場合には、上記一方の回転用の変換マップを利用して上記処理を行ない、且つ、その結果を出力し、上記回転部材が正回転と逆回転とのうちの他方の回転をしていると判別した場合には、上記処理を行なわないか、又は、上記処理を行なったとしてもその結果を出力しないものを使用する。

又、上述の請求項１〜４に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項５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、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、本発明の回転機械の荷重測定装置の場合には、１対のセンサの出力信号同士の間に所定の大きさの初期位相差を設定している。この為、演算器により、これら両センサの出力信号を観察する事に基づいて、回転部材の回転方向を判別できる。特に、本発明の場合には、上記初期位相差を設定する為に、第一、第二両特性変化部に対する上記１対のセンサの検出部の対向位置を円周方向に関して互いにずらせたり、或はこれら第一、第二両特性変化部の特性変化の位相を互いにずらせると言った手段を採用していない。この為、これらの手段を採用する事に伴って生じる、前述した様な不都合が、本発明で生じる事はない。

又、上記両センサの出力信号の初期位相差の大きさを、これら両センサの出力信号の１／４周期に設定しているので、静止部材と回転部材との間に荷重やモーメントが作用する事に伴い、上記両センサの出力信号の位相差が変化した場合でも、回転部材の回転方向が一定に保たれている状態で、上記両出力信号の立ち上がりの順序が反転する事を有効に防止できる。そして、この様な反転が生じる事を防止できれば、演算器による、上記回転部材の回転方向の判別を容易に（当該反転の影響をなくす為の演算処理を実施せずに）行なえる。
又、請求項２〜４に記載した構成を採用すれば、回転部材の逆回転時に不正確な荷重を算出及び出力し、この不正確な荷重を利用して車両の走行制御等が行なわれる、と言った不都合が生じる事を防止できる。

図１〜３は、請求項１、２、５、６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、エンコーダ４の被検出面に設けた第一、第二両特性変化部６、７に対する１対のセンサ５ａ_１ 、５ａ_２ の検出部の対向位置を工夫した点、並びに、図示しない演算器による処理内容を工夫した点にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図５〜７に示した従来構造の第１例の場合と同様である。この為、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。

本例の場合も、上記従来構造の第１例の場合と同様、図１の（Ａ）に示す様に、上記両特性変化部６、７に対する上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ の検出部の対向位置を、円周方向｛図１の（Ａ）の左右方向｝に関して互いに一致させている。但し、本例の場合には、上記従来構造の第１例の場合とは異なり、やはり図１の（Ａ）に示す様に、外輪１とハブ２（図５参照）との間にアキシアル荷重が作用しておらず、これら外輪１とハブ２とが相対変位していない、中立状態で、上記両特性変化部６、７同士の境界から上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ の検出部の対向位置（破線α、αの位置）までの軸方向｛図１の（Ａ）の上下方向｝距離を、互いに異ならせている。そして、この異ならせる量を規制する事により、図１の（Ｂ）に示す様に、上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ の出力信号同士の間に、１／４周期の大きさの初期位相差が生じる様にしている。尚、この図１の（Ｂ）は、上記エンコーダ４を支持固定したハブ２が正回転（自動車が前進）している状態での出力信号を示している。

この様に構成する本例の場合も、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、これら外輪１とハブ２とが軸方向に相対変位すると、上記両センサ５ａ_１ 、５ａ_２ の出力信号同士の間に存在する位相差が変化する。この点に就いて、図２〜３を参照しつつ具体的に説明する。尚、このうちの図２は、上記エンコーダ４を支持固定したハブ２が正回転している状態での出力信号を示しており、図３は、同じく逆回転（自動車が後退）している状態での出力信号を示している。又、これら図２〜３のうち、（Ａ）は、上記中立状態での出力信号を示しており、（Ｂ）は、上記ハブ２に対し、図１の（Ａ）で下向きに、運転時の最大のアキシアル荷重が作用した状態での出力信号を示しており、（Ｃ）は、上記ハブ２に対し、図１の（Ａ）で上向きに、運転時の最大のアキシアル荷重が作用した状態での出力信号を示している。

先ず、図２の（Ａ）に示した状態では、Ａ相の（一方のセンサ５ａ_１ の）出力信号の位相がＢ相の（他方のセンサ５ａ_２ の）出力信号の位相よりも、１／４周期だけ進んでいる。言い換えれば、Ｂ相の出力信号の位相に対するＡ相の出力信号の位相の進み量（Ｔ_ＡＢ）が、０周期よりも大きく且つ１／２周期よりも小さい範囲に収まっている。即ち、Ａ相の出力信号の立ち上がりからＢ相の出力信号の立ち上がりまでの時間Ｔ_ＡＢが、Ｂ相の出力信号の立ち上がりからＡ相の出力信号の立ち上がりまでの時間Ｔ_ＢＡよりも短く（Ｔ_ＡＢ＜Ｔ_ＢＡ）なっている。又、図２の（Ｂ）に示した状態では、Ａ相及びＢ相の出力信号の位相がそれぞれ変化する事により、Ｂ相の出力信号の位相に対するＡ相の出力信号の位相の進み量（Ｔ_ＡＢ）が、（Ａ）の場合に比べて小さくなっている。但し、依然として、この進み量（Ｔ_ＡＢ）が０周期よりも大きく且つ１／２周期よりも小さい範囲に収まっている為、上記Ｔ_ＡＢ＜Ｔ_ＢＡの関係が保たれている。又、図２の（Ｃ）に示した状態では、Ａ相及びＢ相の出力信号の位相がそれぞれ変化する事により、Ｂ相の出力信号の位相に対するＡ相の出力信号の位相の進み量（Ｔ_ＡＢ）が、（Ａ）の場合に比べて大きくなっている。但し、依然として、この進み量（Ｔ_ＡＢ）が０周期よりも大きく且つ１／２周期よりも小さい範囲に収まっている為、上記Ｔ_ＡＢ＜Ｔ_ＢＡの関係が保たれている。

この様に、本例の場合には、上記ハブ２が正回転している際に、アキシアル荷重が作用する事に伴ってＡ相とＢ相の出力信号の位相差が変化した場合でも、常に、Ｂ相の出力信号の位相に対するＡ相の出力信号の位相の進み量（Ｔ_ＡＢ）が０周期よりも大きく且つ１／２周期よりも小さい範囲に収まる（上記Ｔ_ＡＢ＜Ｔ_ＢＡの関係が保たれる）様に、上記初期位相差を１／４周期（当該範囲の中央）の大きさに設定している。即ち、本例の場合、上記ハブ２が正回転している状態では、常に上記Ｔ_ＡＢ＜Ｔ_ＢＡの関係が成立する。

次に、図３の（Ａ）〜（Ｃ）に示した出力信号は、それぞれ上記図２の（Ａ）〜（Ｃ）に示した出力信号の位相が反転したものである。即ち、図３の（Ａ）に示した状態では、Ａ相の出力信号の位相がＢ相の出力信号の位相よりも１／４周期だけ遅れている。言い換えれば、Ｂ相の出力信号の位相に対するＡ相の出力信号の位相の遅れ量（Ｔ_ＢＡ）が、０周期よりも大きく且つ１／２周期よりも小さい範囲に収まっている。即ち、Ａ相の出力信号の立ち上がりからＢ相の出力信号の立ち上がりまでの時間Ｔ_ＡＢが、Ｂ相の出力信号の立ち上がりからＡ相の出力信号の立ち上がりまでの時間Ｔ_ＢＡよりも長く（Ｔ_ＡＢ＞Ｔ_ＢＡ）なっている。又、図３の（Ｂ）に示した状態では、Ａ相及びＢ相の出力信号の位相がそれぞれ変化する事により、Ｂ相の出力信号の位相に対するＡ相の出力信号の位相の遅れ量（Ｔ_ＢＡ）が、（Ａ）の場合に比べて小さくなっている。但し、依然として、この遅れ量（Ｔ_ＢＡ）が０周期よりも大きく且つ１／２周期よりも小さい範囲に収まっている為、上記Ｔ_ＡＢ＞Ｔ_ＢＡの関係が保たれている。又、図３の（Ｃ）に示した状態では、Ａ相及びＢ相の出力信号の位相がそれぞれ変化する事により、Ｂ相の出力信号の位相に対するＡ相の出力信号の位相の遅れ量（Ｔ_ＢＡ）が、（Ａ）の場合に比べて大きくなっている。但し、依然として、この遅れ量（Ｔ_ＢＡ）が０周期よりも大きく且つ１／２周期よりも小さい範囲に収まっている為、上記Ｔ_ＡＢ＞Ｔ_ＢＡの関係が保たれている。

この様に、本例の場合には、上記ハブ２が逆回転している際に、アキシアル荷重が作用する事に伴ってＡ相とＢ相の出力信号の位相差が変化した場合でも、常に、Ｂ相の出力信号の位相に対するＡ相の出力信号の位相の遅れ量（Ｔ_ＢＡ）が０周期よりも大きく且つ１／２周期よりも小さい範囲に収まる（上記Ｔ_ＡＢ＞Ｔ_ＢＡの関係が保たれる）様に、上記初期位相差を１／４周期（当該範囲の中央）の大きさに設定している。即ち、本例の場合、上記ハブ２が逆回転している状態では、常に上記Ｔ_ＡＢ＞Ｔ_ＢＡの関係が成立する。

又、本例の場合、前述した図示しない演算器は、上述したＡ相及びＢ相の出力信号を観察し、上記Ｔ_ＡＢ＜Ｔ_ＢＡの関係が成立している場合には、上記ハブ２が正回転していると判別し、上記Ｔ_ＡＢ＞Ｔ_ＢＡの関係が成立している場合には、上記ハブ２が逆回転していると判別する機能を有する。又、本例の場合も、上記演算器は、Ａ相及びＢ相の出力信号同士の間に存在する位相差に基づいて、上記外輪１と上記ハブ２との間に作用するアキシアル荷重（或はこれら外輪１とハブ２との軸方向の相対変位量）を算出する処理を、これら位相差とアキシアル荷重（或は軸方向の相対変位量）との関係を表す変換マップを利用して行なう。但し、この変換マップの内容は、上記ハブ２が正回転する場合と逆回転する場合とで、それぞれ異なる。そこで、本例の場合には、これら正回転用の変換マップと逆回転用の変換マップとを用意して、上記演算器に組み込んでいる。そして、この演算器は、上記ハブ２が正回転していると判別した場合には、上記正回転用の変換マップを利用して上記処理を行ない、且つ、その結果を出力する。これと共に、上記ハブ２が逆回転していると判別した場合には、上記逆回転用の変換マップを利用して上記処理を行ない、且つ、その結果を出力する。

上述の様に、本例の回転機械の荷重測定装置の場合には、１対のセンサ５ａ_１ 、５ａ_２ の（Ａ相、Ｂ相の）出力信号同士の間に１／４周期の大きさの初期位相差を設定する事に基づいて、演算器により、ハブ２の回転方向を判別できる様にしている。特に、本例の場合には、上記初期位相差を設定する為に、第一、第二両特性変化部６、７に対する上記１対のセンサ５ａ_１ 、５ａ_２ の検出部の対向位置を円周方向に関して互いにずらせたり、或はこれら第一、第二両特性変化部６、７の特性変化の位相を互いにずらせると言った手段を採用していない。この為、これらの手段を採用する事に伴って生じる、前述した様な不都合が、本例の構造で生じる事はない。又、本例の場合には、上記ハブ２の回転方向に拘わらず、上記アキシアル荷重（或は軸方向の相対変位量）を正確に算出できる為、これらの算出結果を利用して、自動車の走行制御を適切に行なえる。

尚、本発明を実施する場合、演算器からの出力形式は、アナログ出力でもディジタル出力でも、どちらでも良い。又、上記演算器から車両走行安定化装置（制御器）への出力信号の送信は、各種の媒体（例えば、ＣＡＮ等のネットワーク等）を利用して行なえる。又、演算器には、荷重や相対変位量の算出結果を出力させるだけでなく、回転部材の回転方向の判別結果を出力させる事もできる。この場合には、回転方向の判別結果を、荷重や相対変位量の算出結果とは別個に出力する（例えば電圧出力の場合に、正回転を１〜５Ｖの電圧で、逆回転を−１〜−５Ｖの電圧で、それぞれ出力する等）事もできるし、或は荷重や相対変位量の算出結果と共に出力する（例えば電圧出力の場合に、正回転時の荷重や相対変位量を２〜５Ｖで、逆回転時の荷重や相対変位量を１Ｖで、それぞれ出力する等）事もできる。そして、この様に出力した回転方向の判別結果を、自動車の走行制御（例えば、坂道発進時に車両の後退を防止する制御等）や各種産業機械の駆動制御に利用できる。

又、上述した実施の形態の１例では、演算器に、正回転用の変換マップと逆回転用の変換マップとの、双方の変換マップを組み込んでいる。但し、上記演算器に、正回転用の変換マップと逆回転用の変換マップとのうちの、何れか一方の変換マップのみを組み込んでおく場合でも、当該変換マップのみを利用して、両方向の回転時に作用する荷重をそれぞれ正確に算出する事もできる（請求項３）。この理由に就いて、図４を参照しつつ説明する。この図４は、正回転用の変換マップＸと逆回転用の変換マップＹとを、１つのグラフで表したものである。この図４から分かる様に、上記両変換マップＸ、Ｙは、位相差比（位相差／１周期）＝０．５の直線を中心として、互いに線対称になっている。従って、この様な特性を利用すれば、正回転の場合も、逆回転の場合も、何れか一方の変換マップのみを利用して、正確な荷重を算出できる。例えば、上記演算器に正回転用の変換マップＸを組み込んだ場合、正回転時には、測定した位相差比を、そのままこの正回転用の変換マップＸに当てはめる事により、正確な荷重を算出できる。これに対し、逆回転時には、測定した位相差比を、上記位相差比＝０．５の直線を境に反転させた値に変換してから、上記正回転用の変換マップＸに当てはめる事により、正確な荷重を算出できる。上記演算器に逆回転用の変換マップＹを組み込んでおく場合に就いても、同様である。

又、上述した各実施の形態では、前述の図５〜６に示した従来構造の第１例に、本発明を適用した。但し、本発明は、これに限らず、前述の図８に示した従来構造の第２例の構造等、特許請求の範囲に記載した要件を満たす総ての回転機械の荷重測定装置に適用可能である。

又、本発明では、演算器が使用する、回転部材の回転方向に関する情報を、この演算器自身が演算を行なう事により入手する構造を採用している。これに対し、上記回転部材の回転方向に関する情報を、外部信号として（例えば、自動車であれば、ミッションギヤがリバースにある状態を表す信号等として。工作機械であれば、主軸の回転方向を表す信号等として）、上記演算器に入力する構造を採用する事も考えられる。この様な構造を採用すれば、上記演算器が上記回転方向を演算により求める必要がなくなる為、この演算器の処理負担を減らす事ができ、その分だけ安価な演算器（ＣＰＵ）を使用する事ができる。

本発明の実施の形態の１例を示しており、（Ａ）は、中立状態でのエンコーダの被検出面と１対のセンサの検出部との位置関係を示す模式図、（Ｂ）は、中立状態での１対のセンサの出力信号を示す線図。 ハブが正回転している状態での１対のセンサの出力信号の３例を示す線図。 ハブが逆回転している状態での１対のセンサの出力信号の３例を示す線図。 正回転用の変換マップと逆回転用の変換マップとの関係を示すグラフ。 荷重測定装置付転がり軸受ユニットの従来構造の第１例を示す断面図。 この第１例に組み込むエンコーダの斜視図。 アキシアル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図。 従来構造の第２例に組み込むエンコーダの斜視図。 従来構造の第３例を示す、中立状態でのエンコーダの被検出面と１対のセンサの検出部との位置関係を示す模式図。 従来構造の第４例を示す、図９と同様の図。

１ 外輪
２ ハブ
３ 転動体
４、４ａ、４ｂ エンコーダ
５ａ_１ 、５ａ_２ 、５ａ_３ 、５ａ_４ センサ
６、６ａ、６ｂ 第一特性変化部
７、７ａ、７ｂ 第二特性変化部
８ａ、８ｂ 透孔
９ａ、９ｂ 柱部
１０ リム部

Claims (6)

1. 回転機械と、荷重測定装置とを備え、
   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、
   上記荷重測定装置は、エンコーダと、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、上記回転部材に直接又は他の部材を介して支持固定されたもので、この回転部材の回転中心と同心の被検出面を周面に備え、この被検出面の特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔に変化させると共に、この被検出面の幅方向片半部に、特性変化の位相がこの被検出面の幅方向である上記エンコーダの軸方向に対して所定方向に所定角度で漸次変化する第一特性変化部を、この被検出面の幅方向他半部に、特性変化の位相がこの被検出面の幅方向に対して上記所定方向と逆方向に上記所定角度と同じ角度で漸次変化する第二特性変化部を、それぞれ設けており、
   上記センサ装置は、その検出部を上記エンコーダの径方向に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、少なくとも１対設けて成り、これら１対のセンサのうちの一方のセンサの検出部を上記第一特性変化部に、同じく他方のセンサの検出部を上記第二特性変化部に、それぞれ対向させると共に、これら両特性変化部に対する上記１対のセンサの検出部の対向位置を、上記被検出面の円周方向に関して互いに一致させた状態で、使用状態でも回転しない部分に支持されており、
   上記演算器は、上記１対の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、上記静止部材と上記回転部材との間に作用する荷重を算出する機能を有するものである、
   回転機械の荷重測定装置に於いて、
   上記両特性変化部に対する上記両センサの検出部の対向位置を、円周方向に関して互いに一致させており、上記静止部材と上記回転部材とが相対変位していない中立状態で、上記被検出面の幅方向である上記エンコーダの軸方向に関する、上記両特性変化部に対する上記１対のセンサの検出部の対向位置を規制する事により、これら両センサの出力信号同士の間の初期位相差をこれら両センサの出力信号の１／４周期の大きさに設定しており、且つ、上記演算器に、これら両センサの出力信号を観察する事に基づいて上記回転部材の回転方向を判別する機能を付加した事を特徴とする回転機械の荷重測定装置。
2. 演算器は、１対の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静止部材と回転部材との間に作用する荷重を算出する処理を、これら位相差と荷重との関係を表す変換マップを利用して行なうものであり、且つ、この変換マップとして、上記回転部材の正回転用の変換マップと逆回転用の変換マップとの双方の変換マップを組み込んでおり、上記回転部材が正回転していると判別した場合には、上記正回転用の変換マップを利用して上記処理を行ない且つその結果を出力し、上記回転部材が逆回転していると判別した場合には、上記逆回転用の変換マップを利用して上記処理を行ない且つその結果を出力する、請求項１に記載した回転機械の荷重測定装置。
3. 演算器は、１対の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静止部材と回転部材との間に作用する荷重を算出する処理を、これら位相差と荷重との関係を表す変換マップを利用して行なうものであり、且つ、この変換マップとして、上記回転部材の正回転と逆回転とのうちの一方の回転用の変換マップのみを組み込んでおり、上記回転部材がこの一方の回転をしていると判別した場合には、上記一方の回転用の変換マップを利用して上記処理を行ない且つその結果を出力し、上記回転部材が正回転と逆回転とのうちの他方の回転をしていると判別した場合には、上記位相差を、上記回転部材が上記一方の回転をしている場合に生じる位相差に変換した後、この変換した位相差に基づいて、上記一方の回転用の変換マップを利用して上記処理を行ない且つその結果を出力する、請求項１に記載した回転機械の荷重測定装置。
4. 演算器は、１対の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静止部材と回転部材との間に作用する荷重を算出する処理を、これら位相差と荷重との関係を表す変換マップを利用して行なうものであり、且つ、この変換マップとして、上記回転部材の正回転と逆回転とのうちの一方の回転用の変換マップのみを組み込んでおり、上記回転部材がこの一方の回転をしていると判別した場合には、上記一方の回転用の変換マップを利用して上記処理を行ない且つその結果を出力し、上記回転部材が正回転と逆回転とのうちの他方の回転をしていると判別した場合には、上記処理を行なわないか又は上記処理を行なったとしてもその結果を出力しない、請求項１に記載した回転機械の荷重測定装置。
5. 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１〜４のうちの何れか１項に記載した回転機械の荷重測定装置。
6. 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５に記載した回転機械の荷重測定装置。

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