JP5729068B2 - 信号処理回路及び転がり軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば転がり軸受装置に設けられる変位センサのセンサヘッドであるコイル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）にコイル型の変位センサが設けられている（例えば、特許文献１，２参照）。この変位センサは、車輪にかかる荷重を測定するため、例えば、変位の測定対象である回転体を挟んで水平方向に対向配置された一対のコイルと、垂直方向に対向配置された一対のコイルとを、センサヘッドとして備えている。

特開２００７−１２７２５３号公報 特開２０１０−００８０８７号公報

上記のコイルは電気的特性に温度ドリフトを生じるが、互いに対向する一対のコイルで均一な温度ドリフトを生じるのであれば、２つのコイルから出力された信号の差動出力をとることにより、温度ドリフトの影響を排除することができる、と考えられていた。

しかしながら現実には、回転体を挟んで対向する一対のコイルは、互いに空間的に離れている。特に、大型車用のハブユニットの場合には、回転体を挟んで対向する一対のコイルが、互いに大きく離れてしまう。この場合、一対のコイルの初期温度は同一であったとしても、例えばいずれか一方のコイルに近い位置に何らかの熱源があると、一対のコイル間で、温度ドリフトの違い（温度差）が生じる。このような場合、信号処理回路で単に差動出力をとっても、温度差の影響が排除できない。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、変位センサのセンサヘッドとしてのコイルに接続される信号処理回路において、互いに対向して離れた位置にある一対のコイルの温度差が、変位検出に与える影響を排除することを目的とする。

（１）本発明の信号処理回路は、変位の被検出体を挟んで互いに対向配置された複数対の変位センサの各対におけるセンサヘッドとしての一対のコイルに対して、交流に直流バイアスを付加した駆動信号を与える駆動信号回路と、前記一対のコイルからの出力の交流成分に基づいて前記被検出体の変位に基づく信号を検出する信号検出回路と、前記一対のコイルからの出力の直流成分に基づいて当該コイル間の温度勾配を求め、当該温度勾配に基づいて前記信号検出回路の出力を補正する温度補正回路とを備えたものである。この信号処理回路は、一対のコイルごとに設けられる。

上記のように構成された信号処理回路では、駆動信号の直流バイアスによって、一対のコイルにおける温度への反応が、直流成分としてその出力に現れる。そこで、温度補正回路は、一対のコイル間の温度勾配を求め、これに基づいて、信号検出回路の出力を補正する。このようにして、互いに対向して離れた一対のコイルの温度差が変位検出に与える影響を排除することができる。

また、上記信号処理回路において、信号検出回路は、一対のコイルからの出力におけるそれぞれの、温度ドリフトを含む交流磁気成分を抽出する交流磁気成分抽出回路と、それぞれの交流磁気成分について差動出力である前記一対のコイルの温度ドリフトの差をとる交流磁気成分差動回路と、交流磁気成分差動回路の出力を直流化する同期整流直流化回路とを備え、また、温度補正回路は、一対のコイルからの出力におけるそれぞれの直流温度成分を抽出する直流温度成分抽出回路と、それぞれの直流温度成分についての差動出力をとる直流温度成分差動回路と、同期整流直流化回路の出力を、直流温度成分差動回路の出力で補正して前記温度ドリフトの差を解消する温度補正差動回路とを備えている。

これにより、変位に基づく信号は交流磁気成分についての差動出力として現れ、同期整流直流化回路により直流化される。一対のコイルの温度差すなわち温度勾配は、直流温度成分についての差動出力として現れる。従って、同期整流直流化回路の出力を、直流温度成分差動回路の出力で補正することにより、互いに対向して離れた一対のコイルの温度差が変位検出に与える影響を排除することができる。

（２）一方、上記（１）の信号処理回路を備える転がり軸受装置は、被検出体としての回転体を回転自在に支持するものである。
この場合、互いに対向して離れた一対のコイルの温度差が変位検出に与える影響を排除することができるので、２方向（例えば垂直・前後）への回転体の変位を、常に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る転がり軸受装置によれば、互いに対向して離れた位置にある一対のコイルの温度差が、変位検出に与える影響を排除することができる。

変位の検出対象となる金属製の被検出体と、この被検出体を径方向に挟んで互いに対向するように配置された一対のコイルとを示す図である。 ＬＣ回路の周波数特性の一例を示すグラフである。 基本構成として図１に示した一対のコイルに接続される信号処理回路を示すブロック図である。 交流磁気成分差動回路の入出力を示すグラフである。 同期整流直流化回路の入出力を示すグラフである。 直流温度成分差動回路の入出力を示すグラフである。 温度補正差動回路の入出力を示すグラフである。 実際に被検出体が変位を生じ得る状態で温度補正を行った結果の一例を示すグラフである。 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９の左端側から見たコイルの配置図である。

以下、本発明の一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。

《被検出体とコイル》
まず、変位センサのセンサヘッドとしてのコイルと、被検出体との基本的な関係について説明する。
図１は、変位の検出対象となる金属製の被検出体１と、この被検出体１を径方向に挟んで互いに対向するように配置された一対のコイル２（２１，２２）とを示す図である。被検出体１は、例えば円柱状の回転体であり、本来は回転中心軸周りに軸ぶれせずに回転し、一対のコイル２とは等ギャップの関係にあるが、例えば径方向への荷重が作用すると、微小な変位を生じる。その結果、例えば、被検出体１がいずれか一方のコイルに近づき、他方のコイルから遠ざかる、という関係になる。

各コイル２１，２２の等価回路は、インダクタンスＬ及びキャパシタンスＣの並列体に、直列抵抗Ｒを直列接続したものとなる。インダクタンスＬ及びキャパシタンスＣは、被検出体１との距離によって変化するので、これらの変化によりＬＣ回路の自己共振周波数ｆ（＝１／（２π（Ｌ・Ｃ）^１／２）が変化する。コイル２内の直列抵抗Ｒは、コイル材料である銅の温度係数４．３９×１０^−３／℃に支配されるため、温度ドリフトの要因となる。

図２は、ＬＣ回路の周波数特性の一例を示すグラフである。周波数特性は、例えば自己共振周波数ｆ１でピークとなる実線の曲線であるが、自己共振周波数が低下してｆ２になると、周波数特性は破線の曲線となる。この結果、ＬＣ回路に一定の発振周波数ｆ０を供給している場合において、ＬＣ回路の出力（振幅）は、Ｖ１からＶ２に変化する。このようにして、ギャップの変化を出力の変化として検出することができる。

《転がり軸受装置への搭載例》
次に、上記のようなコイル２を変位センサのセンサヘッドとして備えた転がり軸受装置について説明する。

図９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５０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９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９において、ハブユニット５０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５０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５０は、主たる構造部分として、外輪５１、内軸５２、内輪部材５３、ナット５４、及び、転動体５５を備えている。外輪５１は、筒状部５１ａと、この筒状部５１ａの一部の外周面から径方向外方へ伸びたフランジ部５１ｂとを有している。このフランジ部５１ｂ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５０が車体に固定される。内軸５２は、外輪５１内に挿通される主軸部５２ａ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５２ｂとを有している。このフランジ部５２ｂ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５２の車両インナー側には、筒状の内輪部材５３が外嵌され、さらに、内軸５２の端部に形成された雄ねじ部５２ｄにナット５４が螺着されることにより、内輪部材５３が内軸５２に固定されている。転動体５５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５５に対して、外側軌道面５１ｃ及び内側軌道面５２ｃ，５３ｃ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５０において、外輪５１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５２と内輪部材５３とは、外輪５１に転動体５５を介して回転自在に支持された回転軌道輪である。外輪５１、内軸５２及び内輪部材５３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５０は、センサ機能に関する構成要素として、内輪部材５３のインナー側端部に外嵌された筒状の被検出体５６と、当該被検出体５６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上下（Ｚ軸方向）一対２組のコイル２１ｚ，２２ｚとを備えている。コイル２１ｚ，２２ｚは、円筒状のケース５８に取り付けられ、このケース５８が外輪５１に取り付けられている。また、ケース５８の左端側の開口を塞ぐキャップ５９が取り付けられている。被検出体５６は、内軸５２及び内輪部材５３と同軸に配置され、これらと一体に回転する。１組のコイル２１ｚ，２２ｚは、図１におけるコイル２１，２２に相当する。車輪から回転軌道輪（内軸５２，内輪部材５３）に作用する荷重によって被検出体５６が変位を生じ、これを、コイル２１ｚ，２２ｚによって検出する。

なお、図９において、被検出体５６は、全体的には円筒状の部材であるが、その外周面に周溝５６ａが形成されている。この周溝５６ａの存在により、軸方向に被検出体５６が変位を生じると、Ｙ軸方向へ２列のコイル２１ｚ，２２ｚと被検出体５６との間のギャップの大きさが変化し、コイル２１ｚ，２２ｚの出力が変化する。これに基づき、軸方向の変位も検出することができる。

図１０は、図９の左端側から見たコイルの配置図である。図１０に示すように、コイル２１ｚ，２２ｚは、Ｚ軸に沿って、被検出体５６を挟んで対向配置されている。また、図９では図示を省略したが、コイル２１ｘ，２２ｘが、Ｘ軸に沿って、被検出体５６を挟んで対向配置されている。さらに、これら一対２組のコイル（２１ｘ／２２ｘ，２１ｚ／２２ｚ）が、図９の軸方向（Ｙ方向）に２列に設けられている。

ここで、各コイルを、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１０に示す８個（４個がＹ軸方向へ２列）のコイルｆｉ，ｆｏ、ｒｉ、ｒｏ、ｔｉ、ｔｏ、ｂｉ、ｂｏが存在する。各コイルの出力を、例えばコイルｆｉの出力であれば［ｆｉ］というように表すとすれば、基本的に、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。

上記のような変位の求め方に関して、アキシャル変位は、Ｙ軸方向に隣接するコイル間の差動出力に基づいているので、温度ドリフトの違いに起因する誤差は出にくい。しかし、被検出体５６を挟んで径方向に互いに対向するコイル間の差動出力に基づくラジアル変位に関しては、一対のコイルが設けられている場所に隔たりがあるので、周囲の熱源等、設置環境の違いに基づく温度差が生じる場合がある。このような温度差があると、正確にラジアル変位を検出することができない。そこで、径方向に対向している一対のコイルの信号処理については、以下に述べる信号処理回路を用いる。

《信号処理回路》
図３は、基本構成として図１に示した一対のコイル２（２１，２２）に接続される信号処理回路３を示すブロック図である。図において、信号処理回路３は、大別すると、駆動信号回路３１と、信号検出回路３２と、温度補正回路３３とを備えている。駆動信号回路３１は、変位の被検出体１（図１）を挟んで互いに対向配置された一対のコイル２１，２２に対して、交流に直流バイアスを付加した駆動信号を与える。信号検出回路３２は、一対のコイル２１，２２からの出力の交流成分に基づいて被検出体１の変位に基づく信号を検出する。また、温度補正回路３３は、一対のコイル２１，２２からの出力の直流成分に基づいて当該コイル間の温度勾配を求め、当該温度勾配に基づいて信号検出回路３２の出力を補正する。

駆動信号回路３１は、直流バイアス回路３１１、交流正弦波生成回路３１２、加算回路３１３、及び、分圧抵抗３１４，３１５によって構成されている。直流バイアス回路３１１は、一定の直流バイアス電圧を出力する。交流正弦波生成回路３１２は、一定周波数（図２のｆ０に相当する。）の交流正弦波を生成して出力する。直流バイアス電圧と、交流正弦波とは、加算回路３１３で互いに加算され、分圧抵抗３１４，３１５を介して一対のコイル２１，２２に供給される。

各コイル２１，２２は、被検出体１との距離に応じて自己共振周波数が変化し、従って、各コイル２１，２２からは、被検出体１の変位情報を含む信号が出力される。また、コイル２（２１，２２）は、温度によって前述の直列抵抗Ｒの値が変化するので、直流バイアス電圧に対するコイル２からの出力電圧が変化する。すなわち、各コイル２１，２２からは、温度情報（直流温度成分）も含む信号が出力される。

信号検出回路３２は、微分回路である交流磁気成分抽出回路３２１，３２２、交流磁気成分差動回路３２３、及び、同期整流直流化回路３２４によって構成されている。交流磁気成分抽出回路３２１，３２２は、微分により直流成分を取り除き、それぞれ対応するコイル２の出力における交流磁気成分を抽出する。交流磁気成分差動回路３２３は、交流磁気成分抽出回路３２１，３２２から出力されたそれぞれの交流磁気成分についての差動出力をとる。差動出力をとることにより、被検出体１の変位信号が得られる。同期整流直流化回路３２４は、この変位信号を直流化して出力する。

温度補正回路３３は、積分回路である直流温度成分抽出回路３３１，３３２、直流温度成分差動回路３３３、及び、温度補正差動回路３３４によって構成されている。直流温度成分抽出回路３３１，３３２は、積分により交流成分の影響を排除し、実質的に、それぞれ対応するコイル２１，２２の出力における直流温度成分を抽出する。直流温度成分差動回路３３３は、直流温度成分抽出回路３３１，３３２から出力されたそれぞれの直流温度成分についての差動出力をとる。差動出力をとることにより、２つのコイル２１，２２間の温度差すなわち温度勾配が求められる。この温度勾配を用いて、温度補正差動回路３３４は、同期整流直流化回路３２４から出力される変位信号を補正する。こうして、一対のコイル２１，２２の温度差が変位検出に与える影響を排除することができる。

ここで、例えば被検出体１を静止させ、変位が生じない状態（変位信号が一定）で、コイル２１に熱源を接近させ、その後遠ざけることにより試験的に一対のコイル２１，２２間の温度ドリフトの差を生じさせた場合に、どのように温度補正が行われるかの一例を示す。

図４は、交流磁気成分差動回路３２３の入出力を示すグラフである。コイル２１からの交流磁気成分ａ（記号は図３の対応箇所にも記載している。以下同様。）は、温度ドリフトの違いによって、コイル２２からの交流磁気成分ｂよりも、少し上方に位置する。この場合、差動出力はｃの波形となる。

図５は、同期整流直流化回路３２４の入出力を示すグラフである。差動出力ｃは、図４におけるｃの波形と同じもの（縦軸のスケールを少し大きくしたもの）である。この場合、直流化された出力ｇは、本来、変位が生じなければ一定値となるべきところであるが、温度ドリフトの違いが原因となって、時間とともに変化している。

図６は、直流温度成分差動回路３３３の入出力を示すグラフである。コイル２１からの直流温度成分ｄは、熱源の一時的接近により、経過時間に対して例えば図示のように変化する。一方、コイル２２からの直流温度成分ｅは、時間が経過しても一定である。この場合、直流温度成分の差動出力ｆは、図示のように直流温度成分ｄをシフトした類似の形状となる。

図７は、温度補正差動回路３３４の入出力を示すグラフである。同期整流直流化回路３２４からの直流化された出力ｇは、直流温度成分差動回路３３３から出力される差動出力ｆによって補正され、結果的に、差動出力である温度補正後の出力ｈは、図示のような一定値となる。すなわち、温度ドリフトの違いに基づく温度差が解消されている。

図８は、実際に被検出体１が変位を生じ得る状態で温度補正を行った結果の一例を示すグラフである。横軸は経過時間、縦軸は信号の電圧又は温度を示す。
波形は上から順に、補正前の出力（ｇ）、温度補正の出力（ｆ）、温度の変化、補正後の出力（ｈ）を示している。
このように、温度補正により、補正前の波形から温度変化の影響が排除され、良好な出力が得られる。

以上のように、当該信号処理回路３では、駆動信号の直流バイアスによって、一対のコイル２（２１，２２）における温度への反応が、直流成分としてその出力に現れる。そこで、温度補正回路３３は、一対のコイル間の温度勾配を求め、これに基づいて、信号検出回路３２の出力を補正する。このようにして、互いに対向して離れた一対のコイルの温度差が変位検出に与える影響を排除することができる。また、このような信号処理回路３を用いることによって、近傍の熱源有無等の設置環境に影響されず、精度良く変位検出を行うことができる。

また、このような信号処理回路３を、前述のハブユニット５０において径方向に対向する一対のコイルごとに設けることにより、互いに対向して離れた一対のコイルの温度差が変位検出に与える影響を排除することができる。従って、２方向（例えば垂直・前後）への回転体の変位を、常に正確に検出することができる。

《その他》
なお、ハブユニット５０に適用する場合の信号処理回路３は、ハブユニット５０の一部としてハブユニット５０に搭載してもよいし、ハブユニット５０からケーブル等を介して接続される別体としてもよい。
また、信号処理回路３は、ハブユニットに限らず、被検出体を挟んで対向する一対のコイルの出力を処理する各種用途に適用することができる。

１：被検出体、２：コイル、３：信号処理回路、２１／２２，２１ｘ／２２ｘ，２１ｚ／２２ｚ：コイル、３１：駆動信号回路、３２：信号検出回路、３３：温度補正回路、５０：ハブユニット、５６：被検出体、３２１，３２２：交流磁気成分抽出回路、３２３：交流磁気成分差動回路、３２４：同期整流直流化回路、３３１，３３２：直流温度成分抽出回路、３３３：直流温度成分差動回路、３３４：温度補正差動回路

Claims (2)

1. 変位の被検出体を挟んで互いに対向配置された複数対の変位センサの各対におけるセンサヘッドとしての一対のコイルに対して、交流に直流バイアスを付加した駆動信号を与える駆動信号回路と、
   前記一対のコイルからの出力の交流成分に基づいて前記被検出体の変位に基づく信号を検出する信号検出回路と、
   前記一対のコイルからの出力の直流成分に基づいて当該コイル間の温度勾配を求め、当該温度勾配に基づいて前記信号検出回路の出力を補正する温度補正回路と、を備える信号処理回路であって、
   前記信号処理回路は、前記一対のコイルごとに設けられており、
   前記信号検出回路は、
   前記一対のコイルからの出力におけるそれぞれの、温度ドリフトを含む交流磁気成分を抽出する交流磁気成分抽出回路と、
   前記それぞれの交流磁気成分について差動出力をとる交流磁気成分差動回路と、
   前記交流磁気成分差動回路の出力を直流化する同期整流直流化回路と、を備え、
   前記温度補正回路は、
   前記一対のコイルからの出力におけるそれぞれの直流温度成分を抽出する直流温度成分抽出回路と、
   前記それぞれの直流温度成分についての差動出力である前記一対のコイルの温度ドリフトの差をとる直流温度成分差動回路と、
   前記同期整流直流化回路の出力を、前記直流温度成分差動回路の出力で補正して前記温度ドリフトの差を解消する温度補正差動回路と、を備えていることを特徴とする信号処理回路。
2. 前記被検出体としての回転体を回転自在に支持する転がり軸受であって、請求項１に記載の信号処理回路を備える転がり軸受装置。

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