JP5320851B2 - 信号処理回路及び転がり軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、転がり軸受装置に設けられた変位センサから出力される信号を処理する回路に関する。

近年、自動車の分野において、走行の際の運転制御を行うために、車輪に作用する荷重の情報が必要とされている。かかる情報を得るため、車輪用の転がり軸受装置（ハブユニット）に変位センサが設けられている（例えば、特許文献１参照）。

このような転がり軸受装置においては、車体側の固定軌道輪に転動体を介して、可動軌道輪である内軸が回転自在に支持され、この内軸に車輪が取り付けられる。複数個（一対二組で軸方向へ二列に設けられる。）の変位センサは、内軸の端部の外周に対向して設けられており、車輪に荷重が作用した際に発生する内軸の径方向・軸方向の変位を、インダクタンスの変化として出力する。そして、これらの変位センサに接続された信号処理回路は、インダクタンスの変化に基づいて、変位を示す直流信号を生成し、当該信号をＥＣＵ（電子制御ユニット）に提供する。これによってＥＣＵは、車輪に作用する荷重を求めることができる。

特開２００７−１２７２５３号公報

上記のような信号処理回路において、一対の変位センサから出力される信号は、互いに振幅や位相の異なるｓｉｎ波形の２信号である。かかる２信号から直流成分を取り出す整流の処理には、半周期ごとに他方の信号と組み合わせたＸ，Ｙ信号を生成し、これらを差動増幅するという手法が用いられている。より具体的には、２信号のうち一方の信号の山の部分（半周期）の後に他方の信号の谷の部分（半周期）を繋いでＸ信号とし、逆に、他方の信号の山の部分の後に一方の信号の谷の部分を繋いでＹ信号とする波形のすげ替えを行い、Ｘ，Ｙ信号を差動増幅回路に入力する、という処理が行われる。

しかしながら、振幅や位相の相異なる２信号に対して上記のような波形のすげ替えを行うと、繋ぎ目の部分が滑らかでなくなる。そして、このような繋ぎ目を有する波形から信号処理により得られた直流出力は、周波数の低いリプルノイズを含んでおり、直線的な出力とはならないという問題点があった。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、リプルノイズを抑制する信号処理回路及びこれを備えた転がり軸受装置を提供することを目的とする。

本発明は、回転体の軸の変位を検出するために一対一組で配置された変位センサから出力される信号を処理する信号処理回路であって、一対の前記変位センサから出力される信号に基づく２信号を差動増幅して、ｓｉｎ波形を基調とする滑らかな信号を出力する増幅部と、前記増幅部からの出力を整流して直流成分を抽出する整流部と、前記整流部の出力を線形化する調整部とを備え、前記整流部は、基準となるクロック信号からの前記ｓｉｎ波形の位相シフトに追従した信号を生成し、当該信号に基づいて整流を行うものである。

上記のように構成された信号処理回路は、変位量に応じて振幅・位相が互いに異なる２信号を整流の対象とはせずに、２信号を差動増幅して得たｓｉｎ波形を基調とする滑らかな信号を基に、整流を行う。従って、整流前の波形に、周波数の低いリプルノイズの基になる波形部分が含まれることを、防止することができる。
なお、ここで言うｓｉｎ波形とは形状を指しているのであって、ｃｏｓ波形を排除する意味ではない。ｃｏｓ波形もｓｉｎ波形と同じである。

また、位相シフトに追従したタイミングで整流が行われるので、整流の切替点に波形の段差が生じない。そのため、その後段の増幅において損失が無く、段差のある場合と比較して増幅効率が向上する。

また、本発明の転がり軸受装置は、変位センサ及び、上述のような信号処理回路を備えたものである。
この場合、転がり軸受装置によって回転自在に支持される回転体の軸の変位を、リプルノイズの抑制された信号処理回路によって、正確に検出することができる。

本発明の信号処理回路及びこれを備えた転がり軸受装置によれば、整流前の波形に、周波数の低いリプルノイズの基になる波形部分が含まれることを、防止することができるので、信号処理回路におけるリプルノイズを抑制することができる。

以下、本発明の実施形態に係る信号処理回路及び転がり軸受装置について、図面を参照して説明する。まず、転がり軸受装置の全体構造から説明する。

《転がり軸受装置の全体構造》
図１は、転がり軸受装置の一種であるハブユニットの断面図である。このハブユニット１００は車両に取り付けられるものであり、取り付けた状態では、図１における右側が車両のアウター側（車両の外側）であり、左側が車両のインナー側（車両の内側）である。
図１において、ハブユニット１００の中心軸Ｃに沿った方向をＹ軸方向とし、これに直交する紙面に垂直な方向をＸ軸方向とし、Ｙ軸方向及びＸ軸方向の双方に直交する鉛直方向をＺ軸方向とする。従って、このハブユニット１００が自動車に取り付けられた状態においてＸ軸方向は車輪の前後水平方向となり、Ｙ軸方向は車輪の左右水平方向（軸方向）となり、Ｚ軸方向は上下方向となる。

このハブユニット１００は、主たる構造部分として、外輪１、内軸２、内輪部材３、ナット４、及び、転動体５を備えている。外輪１は、筒状部１ａと、この筒状部１ａの一部の外周面から径方向外方へ伸びたフランジ部１ｂとを有している。このフランジ部１ｂは、車体側の固定部材（図示せず。）に固定され、これによってハブユニット１００が車体に固定される。内軸２は、外輪１内に挿通される主軸部２ａと、車両アウター側にあって径方向外方へ延びるフランジ部２ｂとを有している。このフランジ部２ｂが、車輪のホイールやブレーキディスクの取付部となる。

内軸２の車両インナー側には、筒状の内輪部材３が外嵌され、さらに、内軸２の端部に形成された雄ねじ部２ｄにナット４が螺着されることにより、内輪部材３が内軸２に固定されている。転動体５は、周方向に複数個配置された玉からなる複列の構成となっている。各列の玉は保持器（図示せず。）によって周方向に所定間隔で保持されている。転動体５に対して、外側軌道面１ｃ及び内側軌道面２ｃ，３ｃは斜めに角度を成し、アンギュラ玉軸受が構成されている。

このハブユニット１００において、外輪１は、車体側の固定部材に固定される固定軌道輪である。また、内軸２と内輪部材３とは、外輪１に転動体５を介して回転自在に支持された回転軌道輪である。外輪１、内軸２及び内輪部材３は、互いに同軸（中心軸Ｃ）に配置されている。

一方、ハブユニット１００は、センサ機能に関する構成要素として、内輪部材３のインナ側端部に外嵌された筒状のターゲット部材（被検出部）６と、当該ターゲット部材６との間に径方向のギャップを有しつつ対向して、径方向外方に配置された変位センサ７とを備えている。変位センサ７は、円筒状のケース８に取り付けられ、このケース８が外輪１に取り付けられている。また、ケース８の左端側の開口を塞ぐキャップ９が取り付けられている。ターゲット部材６は、内軸２及び内輪部材３と同軸に配置され、これらと一体に回転する。変位センサ７は、車輪から回転軌道輪（内軸２，内輪部材３）に作用する荷重を求めるために設けられており、ターゲット部材６の変位に伴って変化するインダクタンスを構成するコイルを備えている。

なお、図１において、ターゲット部材６は、全体的には円筒状の部材であるが、その外周面に周溝６ａが形成されている。この周溝６ａの存在により、軸方向にターゲット部材６が変位を生じると、２列の変位センサ７とターゲット部材６との間のギャップの大きさが変化し、変位をインダクタンスの変化として検出することができる。

図２は、図１の左端側から見た変位センサ７の配置図である。図２に示すように、変位センサ７はＸ軸、Ｚ軸に沿って一対二組配置されている。さらに、これら一対二組の変位センサ７が、図１の軸方向（Ｙ方向）に２列に設けられている。
ここで、変位センサ７を、場所を示す符号（Ｘ軸の前方：ｆ、Ｘ軸の後方ｒ、Ｚ軸の上方：ｔ、Ｚ軸の下方ｂ、車両インナー側：ｉ、車両アウター側ｏ）を用いて表すと、図２に示す８個の変位センサｆｉ，ｆｏ、ｒｉ、ｒｏ、ｔｉ、ｔｏ、ｂｉ、ｂｏが存在する。各変位センサの出力を、例えば変位センサｆｉの出力であれば［ｆｉ］というように表すとすれば、変位は以下のように求めることができる。

すなわち、車両インナー側でのラジアル変位Ｘｉは、［ｆｉ］、［ｒｉ］の差動出力、例えば［ｆｉ］−［ｒｉ］に基づいて、求めることができる。
車両インナー側でのラジアル変位Ｚｉは、［ｂｉ］、［ｔｉ］の差動出力、例えば［ｂｉ］−［ｔｉ］に基づいて、求めることができる。
同様に、車両アウター側でのラジアル変位Ｘｏは、［ｆｏ］−［ｒｏ］に基づいて、車両アウター側でのラジアル変位Ｚｏは、［ｂｏ］−［ｔｏ］に基づいて、それぞれ求めることができる。

一方、アキシャル変位Ｙは、［ｆｉ］、［ｆｏ］の差動出力、［ｒｉ］、［ｒｏ］の差動出力、［ｔｉ］、［ｔｏ］の差動出力、又は、［ｂｉ］、［ｂｏ］の差動出力に基づいて、求めることができる。また、［ｆｉ］、［ｒｉ］、［ｔｉ］、［ｂｉ］の総和と、［ｆｏ］、［ｒｏ］、［ｔｏ］、［ｂｏ］の総和との差動出力に基づいて、求めることもできる。

《第１実施形態に係る信号処理回路》
次に、上記のような変位を求めるために２つ変位センサ７の出力する信号を処理する信号処理回路（第１実施形態）について、図３の回路図に基づいて説明する。信号処理回路は、ハブユニット１００の一部としてハブユニット１００に搭載してもよいし、ハブユニット１００からケーブル等を介して接続される別の個体であるとしてもよい。

図３において、この信号処理回路１０は、一対の変位センサ７から出力される信号に基づく２信号を差動増幅してｓｉｎ波形を基調とする滑らかな信号を出力する増幅部１１と、増幅部１１からの出力を整流して直流成分を抽出する整流部１２と、整流部１２の出力を線形化する調整部１３とを備えている。増幅部１１には一対の変位センサ７から２信号（ＩＮ−，ＩＮ＋）が入力される。また、調整部１３の出力は、図示しないＥＣＵに提供される。

図３の回路図に示す信号処理回路１０は、オペアンプ（符号省略）、抵抗又は可変抵抗Ｒ、コンデンサＣの他、アナログスイッチ１２ｂにより、構成されている。まず、増幅部１１は、一対の変位センサ７におけるインダクタンスの変化を電圧信号に変える共振回路１１ａと、インピーダンス変換を行うバッファ回路１１ｂと、２信号の差動増幅を行う差動増幅回路１１ｃとによって構成されている。共振回路１１ａには、クロック信号と同期した発振信号が付与されている。

整流部１２は、信号電圧の反転を行う反転回路１２ａと、アナログスイッチ１２ｂと、差動増幅回路１２ｃとによって構成されている。アナログスイッチ１２ｂには、増幅部１１から出力される信号そのものと、これを反転回路１２ａで反転させた信号とが入力される。また、アナログスイッチ１２ｂにはクロック信号（ＣＬＫ）が供給されており、クロック信号に同期してスイッチの切替が行われる。
調整部１３は、オフセット・ゲイン調整回路である。

図４は、図３の回路上の各部における信号波形を示す波形図の一例であり、変位量が基準値からみて＋の状態から減少し、さらに、−の状態に転じて増大していく状態を示している。クロック信号は、図示のような一定周波数のパルス信号である。また、変位センサ７からの入力信号「ＩＮ＋」、「ＩＮ−」は、位相及び振幅が相反するものとなっている。すなわち、変位量が＋のとき、「ＩＮ＋」は変位量が大きいほど電圧位相がクロック信号より進み、振幅が増加するが、「ＩＮ−」は変位量が大きいほど電圧位相がクロック信号より遅れ、振幅は減少する。逆に、変位量が−のとき、「ＩＮ＋」は変位量が大きいほど電圧位相がクロック信号より遅れ、振幅が減少するが、「ＩＮ−」は変位量が大きいほど電圧位相がクロック信号より進み、振幅は増大する。
なお、このような位相と振幅との関係は、共振回路１１ａの共振周波数とクロック信号の周波数との大・小の関係により逆になる場合もある。

２つの入力信号「ＩＮ＋」、「ＩＮ−」は、差動増幅回路１１ｃによって差動増幅され、そのままアナログスイッチ１２ｂへの入力信号となる。また、これを反転した信号もアナログスイッチ１２ｂへの入力信号となる。これら２つの入力信号のうち一方を「アナログスイッチＩＮ＋」、他方を「アナログスイッチＩＮ−」とすると、これらは、図示のような、ｓｉｎ波形を基調とする滑らかな信号波形となり、２信号の位相・振幅の合致点は、変位量０の中立点（基準値）となる。

アナログスイッチ１２ｂはクロック信号に同期して半周期ごとにスイッチ切替を行う。その結果、入力信号は全波整流されて出力され、図示の「アナログスイッチＯＵＴ＋」及び「アナログスイッチＯＵＴ−」となる。さらに、これらの２信号が差動増幅回路１２ｃによって差動増幅され、図示の「差動増幅ＯＵＴ」となる。この信号は、アナログスイッチ１２ｂの入力から直流成分を抽出したものとなり、クロック信号の半周期ごとに、変位量の符号（正負）及び絶対値にそれぞれ対応した符号及びピーク値を持っている。また、この信号には、アナログスイッチ１２ｂの入力に含まれていたクロック信号との位相のずれが、クロック信号半周期ごとの段差として現れることになる。この段差は急峻であり、高周波成分によって構成される。

調整部１３（オフセットゲイン調整回路）は、ローパスフィルタの機能、及び、ＥＣＵ（図示せず。）に所定の電圧範囲の信号を与える機能を有しており、「差動増幅ＯＵＴ」信号から高周波成分を除去し、線形化する。従って、その出力信号である「オフセットゲインＯＵＴ」は、図示のように、前述の中立点（ゼロ点）を通過する直線となる。こうして、リプルノイズの無い直線的な出力が得られる。

上記のように構成された信号処理回路１０によれば、振幅・位相が互いに異なっている２信号（ＩＮ＋，ＩＮ−）をいきなり整流の対象とはせずに、２信号を差動増幅して得たｓｉｎ波形を基調とする滑らかな信号（「アナログスイッチＩＮ＋」、「アナログスイッチＩＮ−」）を基に、整流を行う。従って、整流前の波形に、周波数の低いリプルノイズの基になる波形部分が含まれることを、防止することができる。すなわち、リプルノイズを抑制する信号処理回路を提供することができる。

なお、他の視点から述べると、アナログスイッチ１２ｂの持つクロストーク及びキャパシタ成分は、スイッチング時のリプルノイズを増大させるものであるが、本実施形態においてアナログスイッチ１２ｂは共振回路１１ａと分離して配置されているので、インピーダンス分離がなされており、これによって、リプルノイズを抑制することができる。

また、このような信号処理回路１０を用いることによって、ハブユニット１００により回転自在に支持される内軸２の変位、すなわち車輪に作用している力（タイヤ力）を、リプルノイズを抑制しつつ、正確に検出することができる。

《第２実施形態に係る信号処理回路》
次に、他の回路構成による信号処理回路（第２実施形態）について、図５の回路図に基づいて説明する。図において、この信号処理回路１０の増幅部１１及び調整部１３は、第１実施形態（図３）と同一である。また、整流部１２の反転回路１２ａ、アナログスイッチ１２ｂ及び差動増幅回路１２ｃも、第１実施形態と同様である。第１実施形態との相違は、位相クロック追従回路１２ｄが設けられている点である。この回路１２ｄは、増幅部１１から出力される位相の位相シフト（基準となるクロック信号からのずれ）に追従した信号を生成するものであり、整流部１２は、当該信号に基づいて整流を行うことになる。

具体的には、位相クロック追従回路１２ｄは、抵抗Ｒ、コンデンサＣ、コンパレータＣＯＭＰ、フリップフロップ回路ＦＦ、エクスクルーシブオア回路ＥＸＯＲを図示のように接続して構成されている。位相クロック追従回路１２ｄには増幅部１１における差動増幅回路１１ｃの出力信号が入力される、また、アナログスイッチ１２ｂは、位相クロック追従回路１２ｄの出力信号に同期してスイッチ切替を行う。

図６は、図５の回路上の各部における信号波形を示す波形図の一例であり、変位量が基準値からみて＋の状態から減少し、さらに、−の状態に転じて増大していく状態を示している。図において、クロック信号、変位センサ７からの入力信号「ＩＮ＋」、「ＩＮ−」、及び、アナログスイッチ１２ｂへの入力信号「アナログスイッチＩＮ＋」、「アナログスイッチＩＮ−」は、第１実施形態（図４）と同様である。

位相クロック追従回路１２ｄのコンパレータＣＯＭＰは、「アナログスイッチＩＮ＋」の信号を、所定値と比較して、図示の２値信号「ＣＯＭＰ ＯＵＴ」を得る。この「ＣＯＭＰ ＯＵＴ」信号は、「アナログスイッチＩＮ＋」と同様に、クロック信号とは位相が微妙にずれる。フリップフロップ回路ＦＦには、この「ＣＯＭＰ ＯＵＴ」信号とクロック信号とが入力される。フリップフロップ回路ＦＦの出力「ＦＦ ＯＵＴ」は、クロック信号に比して「ＣＯＭＰ ＯＵＴ」信号の立ち上がりが早い場合には０となり、この状態から、クロック信号に比して「ＣＯＭＰ ＯＵＴ」信号の立ち上がりが遅くなる状態に転じると、１となる。

エクスクルーシブオア回路ＥＸＯＲは、「ＦＦ ＯＵＴ」と「ＣＯＭＰ ＯＵＴ」との排他的論理和をとり、図示のような「ＥＸＯＲ ＯＵＴ」信号を出力する。
このようにして、位相クロック追従回路１２ｄは、入力信号「アナログスイッチＩＮ＋」の位相シフトに追従する「ＥＸＯＲ ＯＵＴ」信号を出力し、アナログスイッチ１２ｂは当該信号に同期してスイッチ切替を行う。フリップフロップ回路ＦＦは極性信号を生成する役目を担っており、位相シフト追従によって失われるクロック信号との位相関係の「離縁」を修復すべく、極性原点を再生している。

そして、アナログスイッチ１２ｂは「ＥＸＯＲ ＯＵＴ」信号に同期してスイッチ切替を行う。その結果、入力信号の位相に同期した全波整流が行われ、図示の「アナログスイッチＯＵＴ＋」及び「アナログスイッチＯＵＴ−」となる。さらに、これらの２信号が差動増幅回路１２ｃによって差動増幅され、図示の「差動増幅ＯＵＴ」となる。この信号は、アナログスイッチ１２ｂの入力から直流成分を抽出したものとなり、変位量の符号（正負）及び絶対値にそれぞれ対応した符号及びピーク値を持っている。また、この信号には、整流の切替点に段差が生じない。そのため、増幅損失が無く、段差のある場合と比較して後段（調整部１３）における増幅効率が向上する。

調整部１３は、「差動増幅ＯＵＴ」信号から高周波成分を除去し、線形化する。従って、その出力信号である「オフセットゲインＯＵＴ」は、図示のように、中立点（ゼロ点）を通過する直線となる。こうして、リプルノイズの無い直線的な出力が得られる。

上記のような第２実施形態では、第１実施形態と同様に、リプルノイズを抑制する信号処理回路１０を提供することができる。
また、位相シフトに追従したタイミングで整流が行われるので、整流の切替点に波形の段差が生じない。そのため、その後段の増幅において損失が無く、段差のある場合と比較して増幅効率が向上する。

なお、上記各実施形態の信号処理回路は、ハブユニット１００に取り付けられた変位センサ７の出力信号を処理するものとして説明したが、ハブユニット１００に限らず、回転体の軸の変位を検出するために一対一組で配置された変位センサから出力される信号を処理する信号処理回路として、適用可能である。

転がり軸受装置の一種であるハブユニットの断面図である。 図１の左端側から見た変位センサの配置図である。 第１実施形態に係る信号処理回路の回路図である。 図３の回路上の各部における信号波形を示す波形図の一例である。 第２実施形態に係る信号処理回路の回路図である。 図５の回路上の各部における信号波形を示す波形図の一例である。

符号の説明

２ 内軸
７ 変位センサ
１０ 信号処理回路
１１ 増幅部
１２ 整流部
１３ 調整部
１００ 転がり軸受装置

Claims (2)

1. 回転体の軸の変位を検出するために一対一組で配置された変位センサから出力される信号を処理する信号処理回路であって、
   一対の前記変位センサから出力される信号に基づく２信号を差動増幅して、ｓｉｎ波形を基調とする滑らかな信号を出力する増幅部と、
   前記増幅部からの出力を整流して直流成分を抽出する整流部と、
   前記整流部の出力を線形化する調整部とを備え、
   前記整流部は、基準となるクロック信号からの前記ｓｉｎ波形の位相シフトに追従した信号を生成し、当該信号に基づいて整流を行うことを特徴とする信号処理回路。
2. 前記変位センサ及び、請求項１に記載の信号処理回路を備えた転がり軸受装置。

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