WO2007102349A1

WO2007102349A1 - 回転機械の状態量測定装置

Info

Publication number: WO2007102349A1
Application number: PCT/JP2007/053688
Authority: WO
Inventors: Koichiro Ono; Nagao Dohi
Original assignee: Nsk Ltd.
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2007-09-13
Also published as: CN101395456A; CN101395456B; US7557569B2; JP4940937B2; JP2008064731A; US20090033322A1; EP1990622A1; EP1990622A4

Abstract

　上記エンコーダ４の外周面の内半部と外半部とを、特性境界の傾斜方向が互いに異なる、第一、第二の特性変化部９、１０とする。これら両特性変化部９、１０の円周方向３個所にそれぞれ、１対のセンサ６ａ1 （６ｂ1 、６ｃ1 ）、６ａ2 （６ｂ2 、６ｃ2 ）の検出部を対向させる。そして、図示しない演算器に、これら各センサ６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 の出力信号同士の間に存在する位相差に基づいて、上記変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx 、φz を算出する機能を持たせる。

Description

明細書

回転機械の状態量測定装置

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 例えば自動車の車輪は懸架装置に対し、複列アンギユ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)やトラクシヨ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レ、場合がある。

[0003] この様な事情に鑑みて、特許文献 1には、複列アンギユ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。

[0004] これに対して、未公開ではある力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力 ^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ュニットは、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、予圧を付与してレ、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力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。

[0005] 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力バー 5の内側に、 1対のセンサ 6a 、 6a を支持すると共に、これら両センサ 6a 、 6a

1 2 1 2 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。

[0006] 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、検出精度は劣る力上記両特性変化部 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。

[0007] 又、上記 1対のセンサ 6a 、 6a はそれぞれ、永久磁石と、検出部を構成するホール

1 2

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 6a 、 6a 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 6a の検

1 2 1 出部を上記第一の特性変化部 9に、他方のセンサ 6a の検出部を上記第二の特性

2

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 6a 、 6a の検出部が上

1 2

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 6a 、 6a の検出部同士

1 2

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。

[0008] 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 6a 、 6a の出力信号が変化する位相がずれる。即ち、

1 2

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 6a 、 6a の検出部は、図 12の (A)の実線ィ、ィ上、即ち、上記最も突出し

1 2

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 6a 、 6

1 a の出力信号の位相は、同図の（C)に示す様に一致する。

2

[0009] 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 6a 、 6a の検出部は、図 12の（A)の

1 2

破線口、口上、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 6a 、 6a の出力信号の位相は、同

1 2

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 6a 、 6a の検出部

1 2 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 6a

1

、 6a の出力信号の位相は、同図の（D)に示す様にずれる。

2

[0010] 上述の様に、先発明の構造の場合には、上記両センサ 6a 、 6a の出力信号の位

1 2

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 6a 、 6a の出力信号の位相がずれる程

1 2

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 6a 、 6a 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

1 2

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 6a 、 6a の出力信号の位相差に基づ

1 2

レ、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、演算器 13により行なう。この為、この演算器 13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。

[0011] 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、このェ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。

[0012] 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。

[0013] 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力 S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ぐ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。

[0014] 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— 14764 2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つのェ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。 [0015] 特許文献 1 :特開 2005— 31063号公報

非特許文献 1：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力る本」、 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

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0016] 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。

課題を解決するための手段

[0017] 上記課題は以下の手段によって解決される。すなわち、第 1番目の発明は、使用状態でも回転しなレ、静止部材と、前記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回転機械と、前記回転部材又は前記回転部材と共に回転する部材に同心に設けられたエンコーダと、前記静止部材に支持固定されたセンサ装置と、演算器とを備えた状態量測定装置と、を有する回転機械の状態量測定装置であって、前記エンコーダは、前記エンコーダの周面に配置された被検出面と、前記被検出面の円周方向に交互に等間隔に配置された第一の特性変化部、第二の特性変化部とを備え、前記第一、第二の特性変化部の特性が前記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、前記第一、第二の両特性変化部の特性変化の位相のうち少なくとも一方が軸方向に関し、他方の特性変化部と異なる状態で漸次変化しており、前記センサ装置は、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、 3個以上備えたもので、このうちの 1個のセンサの検出部を前記第一の特性変化部に、別の 1個のセンサの検出部を前記第二の特性変化部に、残りのセンサの検出部を、前記第一、第二の両特性変化部のうち他のセンサの検出部を対向させる部分と重ならない部分に、それぞれ対向させており、前記演算器は、前記各センサの出力信号同士の間に存在する位相差 {或は位相差比 (=位相差 /1周期） }のうち少なくとも 2つの位相差 (或は位相差比）に基づいて、前記静止部材に対する前記エンコーダの、 2以上の方向の変位又は傾きを、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である。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。

[0018] 第 2番目の発明は、第 1番目の発明の回転機械の状態量測定装置において、前記センサ装置は、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、前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、それぞれ前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、それぞれ前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軸を前記静止部材の中心軸に一致させた場合に、前記演算器は、それぞれが前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）に基づいて、前記静止部材に対する前記ェンコーダの、 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 と、 z軸周りの傾き φ 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である。

[0019] 第 3番目の発明は、第 2番目の発明の回転機械の状態量測定装置において、 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回転機械の状態量測定装置である。

[0020] 第 4番目の発明は、第 2番目の発明の回転機械の状態量測定装置において、前記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、前記第一の特性変化部と前記第二の特性変化部とに対向している、回転機械の状態量測定装置である。

[0021] 第 5番目の発明は、第 2番目の発明の回転機械の状態量測定装置において、前記各センサ組を構成する一方のセンサの検出部が、前記第一の特性変化部の円周方向の等間隔位置に、他方のセンサの検出部が、第二の特性変化部の円周方向の等間隔位置に、それぞれ対向している回転機械の状態量測定装置である。

[0022] 第 6番目の発明は、第 1番目の発明の回転機械の状態量測定装置において、前記第一、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レ、ない回転機械の状態量測定装置である。

[0023] 第 7番目の発明は、第 1番目の発明の回転機械の状態量測定装置において、前記演算器が、前記演算器が算出した前記静止部材に対する前記エンコーダの変位 (例えば x、y、 z)及び傾き (例えば φ 、 φ )に基づき、前記静止部材と前記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)を算出する機能を有する回転機械の状態量測定装置である。

[0024] 第 8番目の発明は、第 7番目の発明の回転機械の状態量測定装置において、前記演算器が、前記演算器が算出した前記静止部材に対する前記エンコーダの変位及び傾きに基づき、前記静止部材の軸方向（y軸方向）に関する所定の位置での前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、前記ラジアル変位に基づいて、前記静止部材と前記回転部材との間に作用する、前記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回転機械の状態量測定装置である

[0025] 第 9番目の発明は、第 8番目の発明の回転機械の状態量測定装置において、算出目的となる前記ラジアル変位と同方向に関する前記回転機械の剛性中心の軸方向位置を、前記静止部材の軸方向に関する所定の位置とする回転機械の状態量測定装置である。

[0026] 第 10番目の発明は、第 8番目の発明の回転機械の状態量測定装置において、前記静止部材と前記回転部材との間にモーメントのみが作用した場合に前記回転部材の前記ラジアル変位が 0となる軸方向位置を、前記静止部材の軸方向に関する所定の位置とする回転機械の状態量測定装置である。

[0027] 第 11番目の発明は、第 8番目の発明の回転機械の状態量測定装置において、算出目的となる前記ラジアル変位と同方向に関する前記回転機械の剛性中心の軸方向位置と、前記静止部材と前記回転部材との間にモーメントのみが作用した場合に前記回転部材の前記ラジアル変位が 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、前記静止部材の軸方向に関する所定の位置とする回転機械の状態量測定装置である。

[0028] 第 12番目の発明は、第 7番目の発明の回転機械の状態量測定装置において、前記演算器が、前記演算器が算出した前記静止部材に対する前記エンコーダの変位若しくは傾き、又は、前記変位若しくは傾きに基づいて算出した前記静止部材と前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、前記静止部材の軸方向に関する所定の位置を補正する回転機械の状態量測定装置である。

[0029] 第 13番目の発明は、第 1番目の発明の回転機械の状態量測定装置において、前記回転機械が転がり軸受ユニットであり、前記転がり軸受ユニットは、前記静止部材である静止側軌道輪と、前記回転部材である回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪と前記回転側軌道輪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回転機械の状態量測定装置である。

[0030] 第 14番目の発明は、第 13番目の発明の回転機械の状態量測定装置において、前記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、使用状態で前記静止側軌道輪が自動車の懸架装置に支持され、前記回転側軌道輪であるハブに車輪が結合固定される回転機械の状態量測定装置。

発明の効果

[0031] 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、 2以上の方向の変位又は傾き {例えば、請求項 2に記載した発明の場合には、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 、 φ )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 2以上の方向の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 6に記載した構造を採用すれば、各位相差 (或は位相差比)から上記 2 以上の方向の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 2 以上の方向の変位又は傾きを、よりリアルタイムに近い状態で算出できる。

[0032] 又、請求項 7に記載した構造を採用すれば、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、モ一メント（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つのェンコーダを使用して求められる。

特に、請求項 2、 7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 、 φ )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。

図面の簡単な説明

[0033] [図 1]本発明の実施の形態の第 1例を示す断面図。

[図 2]エンコーダの被検出面の一部を径方向外方から見た図。

[図 3]本発明の実施の形態の第 1例を示す模式図。

[図 4]センサの円周方向位置を示す図。

[図 5]ラジアル荷重 Fzが軸受中心〇からずれた y軸方向位置に作用している状況を示す模式図。

[図 6]ラジアル荷重 Fzが軸受中心〇の y軸方向位置に作用している力 S、 1対の軸受列 A、 Bの剛性が互レ、に異なってレ、る状況を示す模式図。

[図 7]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

[図 8]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。

[図 9]本発明の実施の形態の第 2例を示す、図 2と同様の図。

[図 10]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。

[図 11]エンコーダの被検出面の一部を径方向外方から見た図。

[図 12]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

[0034] 1 外輪

2 ノヽブ

3 転動体

4、 4a エンコーダ

5 カバー

oa 、 oa 、 ob 、 ob 、 Oc 、 DC センサ

1 2 1 2 1 2

Ί、 7a、 7b 透孑し

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

13 演算器

発明を実施するための最良の形態

[0035] [実施の形態の第 1例]

図：!〜 8は、請求項:!〜 5及び請求項 7〜： 14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、上記転力 S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。

[0036] 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 6a 、 6a 、 6b 、 6b 、 6c 、 6c と、演算器 13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

2

〜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 6a 、 6a 、 6b 、 6b 、 6c 、 6c は

1 2 1 2 1 2 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力も成る。この様な 6個のセンサ 6a 、 6a 、 6b 、 6b 、 6c

1 2 1 2 1

、 6c 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

2

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 6a 、 6a を、 Θ = 120度の位置に、第二のセンサ組

1 2

を構成する 2個のセンサ 6b 、 6b を、 Θ = 240度の位置に、第三のセンサ組を構成

1 2

する 2個のセンサ 6c 、 6c を、それぞれ配置している。

1 2

[0037] 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 6a 、 6

1 b 、 6c 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、

1 1

他方のセンサ 6a 、 6b 、 6c の検出部を、上記被検出面の軸方向内半部である第二

2 2 2

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 6a 、 6a 、 6b 、 6b 、 6c 、 6c の検出

1 2 1 2 1 2 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 6a (6b 、 6c )、6a (6b 、 6c )の検出部が上記両特性変化部 9、 10に対向

1 1 1 2 2 2

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 6a (6b 、 6c )、6a (6b 、 6c )の出力信号同士の間に

1 1 1 2 2 2

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。

[0038] 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 6a 、 6a 、 6b 、 6b 、 6c 、 6c 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 6a 、 6a 、 6b 、 6b 、 6c 、 6c の出力信号の位相が変化

1 2 1 2 1 2

する。ここで、この場合の各センサ 6a 、 6a 、 6b 、 6b 、 6c 、 6c の出力信号の位

1 2 1 2 1 2

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 6a (6b 、 6c )、6a (6b 、

1 1 1 2 2

6c )のうち、軸方向外側（out側）に存在する一方のセンサ 6a (6b 、 6c )に関する

2 1 1 1

自己位相差比を、それぞれ ε ( θ ) ( Θ =0度、 120度、 240度）で表し、軸方向内

out

側（in側）に存在する他方のセンサ 6a (6b 、 6c )に関する自己位相差比を、それ

2 2 2

ぞれ ε ( θ ) ( Θ =0度、 120度、 240度）で表す。又、上記外輪 1に対する上記ェンコーダ 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 とし、 z軸周りの傾きを φ とする。

この場合に、上記各自己位相差比 ε ( θ )、 ε ( Θ )と、上記各変位 x、 y、 z及び

out in

傾き φ 、 φ 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。

[数 1] = -pCOse-x―" - y- -sine-z )-φ_ζ

(1)

1 _Λ tan 1 . _Λ

cos9-x + P -y + ~ Psin9-z

+ ( Rcos9- +— sinG )-φ_χ +( RsinG- — cosG

(2) 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 6a (6b 、 6c )、 6a (6b 、 6c )の検

1 1 1 2 2 2 出部の中心同士の、軸方向に関するの間隔（2 δ)の 1/2。

従って、第一のセンサ組を構成する各センサ 6a 、 6a に関する自己位相差比 ε

1 2 out

(0)、 ε (0)はそれぞれ、上記（1)式及び（2)式に、 θ =0度、ひ =45度を代入して

[数 3]

[数 4] ε_ώ( )=-^-χ + ^-γ + --φ_χ- -φ_ζ (4) となる。

又、第二のセンサ組を構成する各センサ 6b 、 6b に関する自己位相差比 ε (1

1 2 out

20)、 ε (120)はそれぞれ、上記（1)式及び（2)式に、 Θ =120度、 α =45度を代 in

入して、

[数 5] 、 0.5 1 0.866

(120) = +—— p -x p v ^J+ p z

0.866^5、 i ( 0.866-R

(5)

[数 6]

/ 0.5 -R 0.866 -δ 、 i 0.866 -R 0.5 -δ ゝ丄

一（ ρ ~ )·ΦΧ ⁺ ( ^ ρ ~" ⁺ ) "Φζ

(6) となる。

又、第三のセンサ組を構成する各センサ 6c 、 6c に関する自己位相差比 ε (2

1 2 out

40)、 ε (240)はそれぞれ、上記（1)式及び（2)式に、 Θ =240度、 α =45度を代 in

入して、

[数 7]

/…ゝ 0.5 1 0.866

ε_∞Λ(240) = +— -x---y— ~— -Z

5 -R 0.866 -δ 、 , 0.866 -R _ 0.5 -δ 、 ,

(7)

/ 0.5 -R 0.866 -δ 、 1 ι 0.866

一（十 ρ )-ΦΧ-( ~ ρ

(8) となる。

従って、第一のセンサ組を構成する 1対のセンサ 6a 、 6a の出力信号同士の間に

1 2

存在する位相差 (相互位相差）は、相互位相差比（相互位相差 Zi周期）で表すと、

[数 9] ε,(0)-_εοϋ1(0) = ₊^_{Υ +} ^.φ_χ-^.φ₂ (9) となる。

又、第二のセンサ組を構成する 1対のセンサ 6b 、 6b の出力信号同士の間に存

1 2

在する位相差 (相互位相差）は、相互位相差比で表すと、 [数 10] e_in(l20)-6_mit(l20)=+ -y

t 1.0-R 1.732 -5 、 i ( 1.732-R 1.0-6 、 .

-( )·Φ_Χ+( )·^ΦΖ

(10) となる。

又、第三のセンサ組を構成する 1対のセンサ 6c 、 6c の出力信号同士の間に存

1 2

在する位相差 (相互位相差）は、相互位相差比で表すと、

[数 11] ε,„(240)-ε_ο1»(240) = ₊ ^

/ 1.0-R 1.732·δ / 1.732-R l.O-δ >.

Ρ ρ ' ρ ρ

( 1 1 ) 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 6a 、 6b 間、及び、センサ 6a 、 6c 間）を採用する。これら 2

1 1 1 1

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。

[数 12] Λ、 /_η\ 1-5 0.866 / 1.5 -R 0.866-δ、 . / 0.866-R 1.5 ·δ、 .

ε^(ΐ20)-ε_οω(0)=₊--χ+— -z +(――― )·φ_χ-(— +— )'Φ_Ζ

(12)

[数 13] ε_ΟΛ(2 θ)-ε_οιΛ(θ)=+^·χ——· z

( 1 3) 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 、 φ )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 、 φ )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、

[数 14]

( t

Γ (§。33- S

X >■» -e- -θ- 556R 08661R6615080866 + + +-- --- -.....

+ + + Ο

4-

となり、これを上記 5つの未知数（変位 x y z及び傾き φ 、 φ )に就いての式換えると、

[数 15] o

o : o

o 1 I 1 1

1 1 1

1 o · ' o '

1

•

マ

o oo

<=>"

+ 1

+ + + o

+ +

II

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 (0) - ε (0)」

m out

、「ε (120)— ε (120)」、「ε (240)— ε (240)」、「ε (120)— ε (0)」 in out in out out out

、「 ε (240) - 8 (0)」は、上記 6個のセンサ 6a 、 6a 、 6b 、 6b 、 6c 、 6c の out out 1 2 1 2 1 2 出力信号に基づいて求められる。従って、前述した演算器 13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、 ζ及び傾き φ 、 φ )を算出できる。

[0044] 又、上記 5方向変位（変位 x、 y、 z及び傾き φ 、 φ )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 M z)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弹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。従つて、上記演算器 13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 、 φ )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。

[0045] 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つて、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。

[0046] 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）〇の y軸方向位置と力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、上記軸受中心〇の y軸方向位置と力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 と

a

、 z軸方向に関する軸受列 Bの剛性 k とが互いに異なる {k≠k (図示の例では k

b a b a

< k ) }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、 b

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。

[0047] 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 +k )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 a b

、上記ラジアル荷重 Fzを上記等価剛性 k で除した値 (Fz/k )に等しい z軸方向の

eq eq

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 9)、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。

[0048] 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 は、次の（

h

16)式で表される。

[数 16]

N - M H M

zh = + N - M

F ( 1 6 )

N-k. N N-k, 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 の値は、上記ラジアル荷重 Fzを上記等価剛性 k ( = k +k )で除した値（Fz/k

)となる。これを式で表すと、次の（17)式の様になる。

[数 17]

N-_M ^r M N— Mヽ F

F = (1 7) N，k N-k_b N b

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。

[数 18]

H= ^kb N (18)

k_a+k_b

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 は、前述した 5方向変位 (x、y、 ζ、 φ 、 φ )の一部（ζ、 φ )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 は、次の（19)式で表せる。

[数 19]

^Zeq

(19) 又、傾き Φ が微小な場合は、次の（20)式で近似する事もできる。

[数 20]

^Zeq = ^Zーレ Φ_Χ ( 2 0 )

尚、上記ラジアル変位 ζ は、上記最適な y軸方向位置に設置した、静電容量型等

eq

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 、 k が一定であると仮定して話を

a b

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力^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が増大すると共に、上記軸受列 Bの接触荷重が減

a

少して、この軸受列 Bの剛性 k が低下する。この結果、これら両軸受列 A、 Bの剛性

b

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 13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 12)、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レ、。或は、上記アキシアル荷重 Fy力 S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 を生じさせる。この為、上記演算器 13で算出したこの傾き φ に基づいて、変化後の上記距離 Hを求め（請求項 12 )、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 [0051] 尚、上記両軸受列 A、 Bの剛性 k 、 k は、上記転がり軸受ユニット 11にアキシアル

a b

荷重 Fyが作用した場合だけでなぐ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。

[0052] 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 の軸受中心〇の 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力 S_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 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 10)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 )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 13により算出したモーメント Mx (傾き φ )基づいて、変化後の上記節位置を求め（請求項 12)、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。

[0053] 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 は大きくなる。ここで、仮に、前記各センサ 6a 、 6a 、 6b 、 6b 、 6c 、 6c 力 \前述し

1 2 1 2 1 2 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 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 6a 、 6a 、 6b 、 6b 、 6c 、 6c の座標軸が y軸周りに（x_ z平面内で）角度

1 2 1 2 1 2

φ 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 、 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 χ—y平面内の成分は、取り付けミスァライメントである上記角度 φ の sin φ 分だけである力上述した様に元々のモーメント Mxによる傾き φ 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 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。

[0054] 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ぐ又、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 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が線形パネであれば、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。

[0055] 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レ、。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つ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 11)。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。

[0056] 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力 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。

[0057] 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。

[0058] 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。

[0059] 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 、 φ )及び 5方向の荷重及びモーメント（荷重 Fx、 Fy、 Fz及びモ一メント 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、この転がり軸受ュニット 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 、 φ )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一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 6a

1

(6b、6c )、 6a (6b、 6c )の検出部の中心同士の間隔 2 δは、通常は小さい為、

1 1 2 2 2

誤差を許容できれば、 δ = 0として、 5方向の変位 (変位 x、y、 ζ及び傾き φ 、 φ )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。

[数 21]

[数 22]

[数 23] L

' Φ_ζ ( 2 3)

0.5 1 0.866 0.5 - R _Α 0.866 - R _χ

^(l20) = +yx + _? -y +— ·Φ_Χ +—― Φ_ζ ( 2 4) _Λ、 0.866 0.5 -R , 0.866

(240) = + 0·5 X+- 1-V- ,_Ζ+ Φ_χ+— (25) ; Ρ Ρ ³ Ρ Ρ Ρ

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

[数 27]

ε,(0)-ε_Οϋ1(0)=₊ -_{Υ +} ^.φ_χ (27)

[数 28]

(120) - (1₂₀) = ₊ · 1^·φ_χ+1^^·φ_ζ (28)

[数 30] λ_λ ヽ 1.5 0.866 1.5-R 丄 0.866 -R , . - e_oul(l20)-8_out(0) = +yx +— ·ζ + -^— φ_χ—— - ~· φ_ζ (30)

[数 31]

Λ \ _t \ 1.5 0.866 1.5-R , 0.866 · R . ,。ハ e_out(240)-_Eout(0) = +— -x―" - ~. z +— ~· φ_χ+ ~ - ~· φ_ζ (31)

又、前記（14)式は、次の（32)式に置き換える事ができる。

O CO CO en CO

a a Β' 5' Β·

' " »— » t

t

o

<= Ο 1

1 1 ί \ CO

cn cn en a

a & g &

i

4^ t

<Z> o

II

•

1

十十

o O

· 90998098+_·

> + + +

t

+ 1 +

o

O

Os t

•

r

tsi ^< X

1

f£0/.00ZdT/X3d οε 61-CZ0T/.00Z OAV 更に、前記（15)式は、次の（33)式に置き換える事ができる。

X 0 +2 0 +2'R 0

y 0 +2 0 -1.0'R +1.732 -R (。ト (120)

z = P · 0 +2 0 -1.0'R - 1.732 -R

ト (240) (33)

+1.5 0 +0.866 +1.5 'R -0.866 'R Β.(ΐ20)-ε_ο,(0)

+1.5 0 -0.866 +1.5 -R +0.866 -R ^(240)-ε_οώ(0)

[0061] 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 13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。

[0062] [実施の形態の第 2例]

次に、図 9は、請求項 6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。

[0063] 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、 8 a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。

[0064] 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。

[数 34]

S。 0)

- ( 3 4 )

[数 36]

Λ, 0.5 0.866

[数 37]

_Λ ν 0.5 1 0.866 0.5 -R _L 0.866 -R

E:„(120)=+― ·χ +— "v+ ·ζ *0_T +

[数 38]

[数 39]

1 0.866 0.5-R . 0.866 -R

+--V ·ζ φ_χ

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。

[数 40]

Si„(0) - ε。 0)=+ ·· ·φ_χ (4。）

[数 41]

[数 42]

( ヽ 1 0.5-R , 0.866 -R . . _{Λ n}, ε_ίη(240)-ε_οιΛ(240) = +-·γ -"— -φ_χ—— - ~~· φ_ζ (42)

[数 43]

) (0) Χ + .z (43)

[数 44] / ヽ /ヽ 1.5 0.866 , 、

s_out(240)-8_out(0) = -fyx-— -z (44)

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。

[数 45]

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。

[数 46]

(46)

[0068] 従って、本例の場合も、前記演算器 13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 、 φ )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の数が多くなつている。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個であった力（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 、 φ )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 、 Φ )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。

[0069] 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ぐ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ぐずらせても良い。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 、 φ )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 2 δ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、 ζ及び傾き φ 、 φ )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ト (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力、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 13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。

[0070] 又、本発明を実施する場合、 5方向変位 (x、y、 ζ、 φ 、 φ )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 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。

[0071] 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レ、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、若干異なつてくる。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、上記演算器にィ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 、 φ )とに基づき、幾何学的に求められる。

[0072] 本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願 ίま、 2006年 2月 28曰出願の曰本特許出願（特願 2006— 051605 )、 2006年 8月 7曰出願の曰本特許出願（特願 2006— 214194)、 2006年 12月 22 日出願の日本特許出願（2006— 345849)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

産業上の利用可能性

[0073] 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。

Claims

請求の範囲

[1] 使用状態でも回転しない静止部材と、前記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回転機械と、

前記回転部材又は前記回転部材と共に回転する部材に同心に設けられたェンコーダと、前記静止部材に支持固定されたセンサ装置と、演算器とを備えた状態量測定装置と、

を有する回転機械の状態量測定装置であって、

前記エンコーダは、前記エンコーダの周面に配置された被検出面と、前記被検出面の円周方向に交互に等間隔に配置された第一の特性変化部、第二の特性変化部とを備え、前記第一、第二の特性変化部の特性が前記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、前記第一、第二の両特性変化部の特性変化の位相のうち少なくとも一方が軸方向に関し、他方の特性変化部と異なる状態で漸次変化しており、

前記センサ装置は、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、 3個以上備えたもので、このうちの 1個のセンサの検出部を前記第一の特性変化部に、別の 1個のセンサの検出部を前記第二の特性変化部に、残りのセンサの検出部を、前記第一、第二の両特性変化部のうち他のセンサの検出部を対向させる部分と重ならない部分に、それぞれ対向させており、

前記演算器は、前記各センサの出力信号同士の間に存在する位相差のうち少なくとも 2つの位相差に基づいて、前記静止部材に対する前記エンコーダの、 2以上の方向の変位又は傾きを、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] 前記センサ装置は、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、前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、それぞれ前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、それぞれ前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軸を前記静止部材の中心軸に一致させた場合に、前記演算器は、それぞれが前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、前記静止部材に対する前記エンコーダの、 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 と、 z軸周りの傾き φ とを、それぞれ算出する機能を有するものである、請求項 1に記載の回転機械の状態量測定装置。

[3] 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 2に記載の回転機械の状態量測定装置。

[4] 前記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、前記第一の特性変化部と前記第二の特性変化部とに対向している、請求項 2に記載の回転機械の状態量測定装置。

[5] 前記各センサ組を構成する一方のセンサの検出部が、前記第一の特性変化部の円周方向の等間隔位置に、他方のセンサの検出部が、第二の特性変化部の円周方向の等間隔位置に、それぞれ対向している、請求項 2に記載の回転機械の状態量測定装置。

[6] 前記第一、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に記載の回転機械の状態量測定装置。

[7] 前記演算器が、前記演算器が算出した前記静止部材に対する前記エンコーダの変位及び傾きに基づき、前記静止部材と前記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に記載の回転機械の状態量測定装置。

[8] 前記演算器が、前記演算器が算出した前記静止部材に対する前記エンコーダの変位及び傾きに基づき、前記静止部材の軸方向に関する所定の位置での前記回転部材のラジアル変位を算出し、且つ、前記ラジアル変位に基づいて、前記静止部材と前記回転部材との間に作用する、前記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 7に記載の回転機械の状態量測定装置。

[9] 算出目的となる前記ラジアル変位と同方向に関する前記回転機械の剛性中心の軸方向位置を、前記静止部材の軸方向に関する所定の位置とする、請求項 8に記載の回転機械の状態量測定装置。

[10] 前記静止部材と前記回転部材との間にモーメントのみが作用した場合に前記回転部材の前記ラジアル変位が 0となる軸方向位置を、前記静止部材の軸方向に関する所定の位置とする、請求項 8に記載した回転機械の状態量測定装置。

[11] 算出目的となる前記ラジアル変位と同方向に関する前記回転機械の剛性中心の軸方向位置と、前記静止部材と前記回転部材との間にモーメントのみが作用した場合に前記回転部材の前記ラジアル変位が 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、前記静止部材の軸方向に関する所定の位置とする、請求項 8に記載した回転機械の状態量測定装置。

[12] 前記演算器が、前記演算器が算出した前記静止部材に対する前記エンコーダの変位若しくは傾き、又は、前記変位若しくは傾きに基づいて算出した前記静止部材と前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、前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に記載の回転機械の状態量測定装置。

[13] 前記回転機械が転がり軸受ユニットであり、前記転がり軸受ユニットは、前記静止部材である静止側軌道輪と、前記回転部材である回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪と前記回転側軌道輪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に記載の回転機械の状態量測定装置。

[14] 前記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、使用状態で前記静止側軌道輪が自動車の懸架装置に支持され、前記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 13に記載の回転機械の状態量測定装置。