(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転しないハウジングと、それぞれが予圧を付与された複数の転がり軸受により、このハウジングの内側に回転自在に支持された回転軸と、磁性材により造られてこの回転軸の一部に支持固定された、この回転軸と同心の被検出面を有するエンコーダと、この被検出面にそれぞれの検出部を対向させた状態で前記ハウジングに、直接又は他の部材を介して支持された少なくとも１個のセンサとを備え、このセンサの出力信号の位相に関する情報に基づいて、前記回転軸に作用する荷重を求める回転軸用荷重測定装置であって、
前記エンコーダの被検出面は、円周方向の一部に、前記センサの検出部との距離が残部に比べて大きくなる除肉部を、この被検出面の幅方向に形成したものであって、この除肉部は、少なくとも一部が、測定すべき荷重の作用方向に対して傾斜した形状を有するものであり、
前記センサは、前記被検出面と前記検出部とが対向する方向に着磁された１個の永久磁石と、この永久磁石の着磁方向両端面のうちでこの被検出面と対向する端面に、前記回転軸の回転方向に離隔して配置された１対のホール素子と、これら両ホール素子が検出する磁束密度の差を求め、更にこの差を表す信号と互いに異なる２種類の閾値とを比較する事で生成したディジタル信号を出力するＩＣとを備えたものであり、
前記センサの出力信号の位相に関する情報を、前記ディジタル信号のうち、前記回転軸の回転方向後側に存在する前記除肉部の端縁に基づいて変化する部分で求める事を特徴とする回転軸用荷重測定装置。
【請求項２】
１対のセンサを備えており、荷重を求める為に使用する位相に関する情報がこれら両センサの出力信号同士の間に存在する位相差である、請求項１に記載した回転軸用荷重測定装置。
【請求項３】
エンコーダが磁性材により円筒状に造られたものであって回転軸に外嵌固定されており、被検出面がこのエンコーダの外周面であり、除肉部が、この外周面に形成された凹溝であって、この凹溝は、このエンコーダの軸方向中間部を境に、軸方向両側部分がこのエンコーダの軸方向に対して互いに逆に傾斜した「く」字形であり、１対のセンサのうちの一方のセンサの検出部が前記凹溝に、前記エンコーダの軸方向片側寄り部分で対向し、同じく他方のセンサの検出部がこの凹溝に、このエンコーダの軸方向他側寄り部分で対向する、請求項２に記載した回転軸用荷重測定装置。
【請求項４】
単一のセンサを備えており、このセンサは、エンコーダの被検出面の性状に基づき、出力信号が１周期の途中で変化するものであって、このセンサとエンコーダとの相対変位に伴って、この１周期の間で変化するタイミングがずれるものであり、荷重を求める為に使用する位相に関する情報が、このセンサの出力信号の１周期に対する上記タイミングの比である、請求項１に記載した回転軸用荷重測定装置。
【請求項５】
エンコーダが磁性材により円筒状に造られたものであって回転軸に外嵌固定されており、被検出面がこのエンコーダの外周面であり、除肉部が、この外周面に形成された複数の凹溝であって、これら各凹溝は、このエンコーダの軸方向に対する傾斜方向が互いに異なる１対の凹溝をこのエンコーダの回転方向に隣り合わせて対としたものであり、単一のセンサの検出部がこれら各凹溝に対向する、請求項４に記載した回転軸用荷重測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フライス盤、マシニングセンタ等の各種工作機械の主軸の如く、荷重を受けつつ高速で回転する回転軸に加わる荷重を精度良く測定できる装置を、低コストで実現すべく発明したものである。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の主軸は、先端部に刃物等の工具を固定した状態で高速回転し、加工台上に固定した被加工物に、切削等の加工を施す。前記主軸を回転自在に支持したヘッドは、この被加工物の加工の進行に伴って、所定方向に所定量だけ移動し、この被加工物を、所定の寸法及び形状に加工する。この様な加工作業時、前記ヘッドの移動速度を適正にする事が、加工能率を確保しつつ、前記工具の耐久性及び前記被加工物の品質を確保する為に必要である。前記移動速度が速過ぎると、前記工具に無理な力が加わり、この工具の耐久性が著しく損なわれるだけでなく、前記被加工物の表面性状が悪化したり、著しい場合にはこの被加工物に亀裂等の損傷が発生する。逆に、前記移動速度が遅過ぎると、前記被加工物の加工能率が徒に悪化する。
【０００３】
前記ヘッダの移動速度の適正値は一定ではなく、工具の種類（大きさ）、被加工物の材質や形状により大きく変わる為、前記移動速度を一定としたまま、この移動速度を適正値に維持する事は難しい。この為、前記工具を固定した回転軸に加わる荷重を測定する事により、前記移動速度を適正値に調節する事が、従来から知られている。即ち、工具により被加工物に切削等の加工を施す際には、加工抵抗により、この工具及びこの工具を固定した回転軸に荷重が加わる。この加工抵抗、延いてはこの回転軸に加わる荷重は、前記移動速度が速くなる程大きくなり、逆に、この移動速度が遅くなる程小さくなる。そこで、前記荷重が所定範囲に収まる様に、前記移動速度を調節すれば、この移動速度を適正範囲に収める事ができる。
【０００４】
又、この移動速度等、他の条件を同じとした場合に前記荷重は、前記工具の切削性（切れ味）が劣化する程大きくなる。そこで、前記移動速度との関係で前記荷重の大小を観察すれば、前記工具が寿命に達した事を知る事ができて、寿命に達した不良工具で加工を継続する事による、歩留まりの悪化を防止できる。又、前記荷重を、前記移動速度等、他の加工条件と関連付けて継続的に観察する事により、最適な加工条件を見出して、省エネルギ化や工具の長寿命化に繋げる事もできる。更に、継続的観察により、工具破損等の事故発生時に、その原因を特定する事もできる。
【０００５】
この様な目的で、工作機械の主軸等の回転軸に加わる荷重を測定する為の装置として、特許文献１に記載された発明装置が記載されている。この特許文献１に記載された発明装置は、水晶圧電式の荷重センサを複数個、荷重の作用方向に対し直列に配置し、この荷重センサの測定信号に基づいて、切削工具を支持固定した回転軸（スピンドル）に加わる荷重（切削抵抗）を測定する様に構成している。この様な特許文献１に記載された発明装置の場合、高価な水晶圧電式の荷重センサを使用する為、荷重測定装置全体としてのコストが嵩む事が避けられない。
【０００６】
一方、特許文献２〜４には、水晶圧電式の荷重センサに比べて低コストで調達できる、磁気式のエンコーダとセンサとにより構成する、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。図１７〜１９は、前記特許文献２〜４に記載される等により、従来から知られている荷重測定装置付転がり軸受ユニットの１例を示している。この従来から知られている荷重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。
【０００７】
又、上記ハブ２の内端部には、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６ａ、６ｂを支持すると共に、これら両センサ６ａ、６ｂ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「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。
【０００８】
又、上記１対のセンサ６ａ、６ｂはそれぞれ、永久磁石と、検出部を構成する磁気検知素子とから成る。これら両センサ６ａ、６ｂ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の検出部を上記第一の特性変化部９に、他方のセンサ６ｂ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６ａ、６ｂ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６ａ、６ｂ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。
【０００９】
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し、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、６ｂ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６ａ、６ｂの検出部は、図１９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６ａ、６ｂの出力信号の位相は、同図の（Ｃ）に示す様に一致する。
【００１０】
これに対して、上記エンコーダ４を固定したハブ２に、図１９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、６ｂの検出部は、図１９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６ａ、６ｂ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１９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、６ｂの検出部は、図１９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、前述の場合と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、６ｂの出力信号の位相は、同図の（Ｄ）に示す様にずれる。
【００１１】
上述の様に、特許文献２〜４に記載される等により従来から知られている構造の場合には、上記両センサ６ａ、６ｂ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６ａ、６ｂ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６ａ、６ｂ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６ａ、６ｂ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。
【００１２】
上述した従来構造の場合、自動車の車輪を支持する為の車輪支持用転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重を測定し、走行安定性の為の制御を行う事を考慮している。この様な場合に、この車輪支持用転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重の絶対値は相当に大きくなる。又、走行安定性確保の為に必要な測定精度も、特に厳しくはなく、１０乃至数１０Ｎ程度の誤差は許容される。一方、本発明が意図している様な、各種工作機械の主軸等の回転軸に加わる荷重の絶対値は、前記車輪支持用転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重に比べて小さい場合が多い。又、精密部品等、高精度の切削加工を行う事を考慮した場合、前記走行安定性確保の為の制御の場合に比べて、高度の（例えば数Ｎ乃至はそれよりも厳しい）測定精度を要求される。
【００１３】
この様に、小さな荷重を高精度で測定する事を考慮した場合には、前記特許文献２〜４に記載された従来技術が意図している様な、一般的な測定技術では対応が難しい。この点に就いて、以下に説明する。磁気式のエンコーダとの組み合わせにより、回転量（回転速度）等の変位量（変位速度、永久磁石が環状エンコーダの場合には、回転量や回転速度）を測定する為の一般的なホールＩＣは、非特許文献１、２に記載される等により従来から周知である。図２０は、このうちの非特許文献２に記載された、ホールＩＣによる変位（変位量）測定の原理を示している。この図２０の上段に示す様に、ホールＩＣ１１と、Ｓ極とＮ極とを交互に配置した永久磁石１２とを対向させた状態で、これらホールＩＣ１１と永久磁石１２とを、これら両極の配列方向に相対変位させると、このホールＩＣ１１部分の磁界強度（このホールＩＣ１１部分を流れる磁束の密度）が、中段に示す様に、正弦波状に変化する。この変化に基づいて前記ホールＩＣ１１の接点を、動作磁束密度Ｂopと復帰磁束密度ＢrpとでＯＮ・ＯＦＦさせる事により、下段に示す様なディジタル信号を、前記ホールＩＣ１１の出力信号として得られる。そして、この出力信号から、前記永久磁石１２（を支持固定した部材）の変位（変位速度）を求められる。又、非特許文献２には、１対のホールＩＣを、永久磁石の変位方向（移動方向、永久磁石が環状エンコーダの場合には回転方向）にずらせて配置する事により、図２１に示す様な機構により、この永久磁石（を支持固定した部材）の変位方向も、合わせて求められる技術が記載されている。但し、この従来技術は、１対のホールＩＣを、測定精度向上の為に利用するものではない。
【００１４】
前述の図１７〜１９に示す様な、車輪支持用転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する場合であれば、上述の図２０〜２１に示す様な機構により回転方向の位相を検出しても、実用上十分な測定精度を確保できると考えられる。但し、前記主軸等の回転軸に加わる荷重の測定を考慮した場合で、被加工物の加工精度を高くする必要がある場合等は、必ずしも十分な測定精度を確保できない可能性がある。先ず、エンコーダとして、図２０に示す様に、被測定面にＮ極とＳ極とを交互に配置したエンコーダを使用した場合には、これら各極の境界を高精度で規制する事が難しく、このエンコーダの変位と１対のセンサの測定信号の位相差とを厳密に対応させる事が難しい為、前記測定精度の確保が難しい。これに対して、エンコーダを、鋼材等の磁性金属製とし、被検出面に、凹部、切り欠き、透孔等の除肉部を形成する事により、このエンコーダの被検出面の磁気特性を、円周方向に変化させれば、この磁気特性が変化する境界の位置（位相）を高精度で規制できる。
【００１５】
又、前記１対のセンサとして、例えば特許文献５に記載される等により従来から知られている差動式ホールＩＣを使用する事が、精度向上を図る面から有利になる。この差動式ホールＩＣは、１個の永久磁石と１対のホール素子とを組み合わせて成り、これら両ホール素子の測定値の差に応じた信号を出力する。この様な差動式ホールＩＣは、１対のホール素子を近接配置している為、何らかの原因でこれら両ホール素子の出力に外乱に基づくノイズが入り込むと、これら両ホール素子の出力が同時に同方向に同量ずつ変化する。この様な場合、これら両ホール素子の出力の差を採ると、前記ノイズは相殺（キャンセル）されて、センサである差動式ホールＩＣの出力には現れない。この為、ノイズの影響を受けにくく、信頼性の高い測定を行える。又、１対のホール素子の測定値の差を求める事で、これら両ホール素子の測定値を表す信号中に含まれる直流成分（ＤＣ成分）が相殺された状態でセンサの出力信号となる為、この出力信号のゲイン（単位時間当たりの変化量）が大きくなり、測定精度を確保する上で有利になる。
【００１６】
以上の理由から、本発明が目的とする様な、高精度の回転軸用荷重測定装置を実現する為には、エンコーダとして、磁性材で被検出面に除肉部を形成したものを使用すると共に、センサとして差動式ホールＩＣを使用する事が考えられる。但し、この様な組み合わせで回転軸用荷重測定装置を構成すると、必ずしも測定精度を十分には向上させられない事が、本発明者の研究により分かった。この測定精度を向上させられない理由の第一は、差動式ホールＩＣの構造に起因する磁束密度の不均一であり、同じく第二は、エンコーダの被検出面に形成する除肉部の形状誤差である。
【００１７】
このうちの第一の理由は、１対のホール素子に磁束を流す為の永久磁石を１個だけとした事に起因する。差動式ホールＩＣは、小型化の必要上、単一の永久磁石により１対のホール素子に磁束を流す構造を採用している。従って、少なくとも一方（一般的には両方）のホール素子は、前記永久磁石の着磁方向端面の中央部に設ける事はできない。この結果、当該ホール素子に磁束密度が流れる状態が不均一になり、当該ホール素子の出力信号、更には差動式ホールＩＣの出力信号に、オーバシュートやアンダシュートが発生する。
【００１８】
又、前記第二の理由は、前記除肉部を形成する場合に、この除肉部の境界（端縁）に、バリ等の微小な凸部が形成されたり、ダレ等の微小な凹部が形成され易い事に起因する。この様な微小な凸部又は凹部の存在により、前記除肉部の境界の検出が不正確になり、前記両ホール素子の出力信号、更には差動式ホールＩＣの出力信号に、オーバシュートやアンダシュートが発生する。
【００１９】
何れの原因であれ、差動式ホールＩＣの出力信号にオーバシュートやアンダシュートが発生すると、当該差動式ホールＩＣにより、エンコーダの被検出面の回転方向の位相を精度良く求められなくなる。この結果、差動式ホールＩＣをセンサとして使用する事で、回転軸に加わる荷重を測定する場合に、この荷重の測定精度の確保が難しくなる。前記第一の理由に関して、差動式ホールＩＣを構成する１対のホール素子毎に永久磁石を設ければ精度向上を図れるが、永久磁石から出る磁束の量を確保しつつ小型の差動式ホールＩＣを実現する事が非常に難しくなる為、現実的ではない。又、前記第二の理由に関して、前記除肉部を精度良く加工する事で、この測定精度を向上させる事は、或る程度は可能であるが、コストが著しく嵩む事が避けられない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、マシニングセンタ等の各種工作機械の主軸の如く、荷重を受けつつ高速で回転する回転軸に加わる荷重を精度良く測定できる装置を、小型に、且つ、低コストで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】
【００２１】
本発明の回転軸用荷重測定装置は、ハウジングと、回転軸と、エンコーダと、少なくとも１個のセンサとを備える。
このうちのハウジングは、例えば工作機械のケーシング等が対応するもので、使用時にも回転しない。
又、前記回転軸は、それぞれが予圧を付与された複数の転がり軸受により、このハウジングの内側に回転自在に支持されている。
又、前記エンコーダは、鋼材等の磁性材により造られて、前記回転軸の一部に支持固定されたもので、この回転軸と同心の被検出面を有する。
又、前記センサは、この被検出面にそれぞれの検出部を対向させた状態で前記ハウジングに、直接又は他の部材を介して支持されている。
そして、前記センサの出力信号の位相に関する情報に基づいて、前記回転軸に作用する荷重を求める。
【００２２】
特に、本発明の回転軸用荷重測定装置の場合には、前記エンコーダの被検出面は、円周方向の一部に、前記センサの検出部との距離が残部に比べて大きくなる除肉部を、この被検出面の幅方向に形成したものである。そして、この除肉部は、少なくとも一部が、測定すべき荷重の作用方向に対して傾斜した形状を有する。
又、前記センサは、１個の永久磁石と、１対のホール素子と、ＩＣとを備える。
このうちの永久磁石は、前記被検出面と前記検出部とが対向する方向（被検出面に直交する方向）に着磁されている。
又、前記両ホール素子は、前記永久磁石の着磁方向両端面のうちでこの被検出面と対向する端面に、前記回転軸の回転方向に離隔して配置されている。言い換えれば、前記永久磁石は、前記両ホール素子に掛け渡した状態で設けられている。
又、前記ＩＣは、前記両ホール素子が検出する磁束密度の差を求め、更にこの差を表す信号と互いに異なる２種類の閾値とを比較する事で生成したディジタル信号を出力する。
更に、本発明の回転軸用荷重測定装置の場合には、前記センサの出力信号の位相に関する情報を、前記ディジタル信号のうち、前記回転軸の回転方向後側（センサの走査方向に関して出口側）に存在する前記除肉部の端縁に基づいて変化する部分で求める。
【００２３】
上述の様な本発明の回転軸用荷重測定装置を実施する場合に、例えば請求項２に記載した発明の様に、１対のセンサを備える。そして、荷重を求める為に使用する、前記位相に関する情報を、これら両センサの出力信号同士の間に存在する位相差とする。
この様な請求項２に記載した回転軸用荷重測定装置を実施する場合に、例えば請求項３に記載した発明の様に、前記エンコーダを、鋼材等の磁性材により円筒状に造って前記回転軸に外嵌固定する。そして、前記被検出面を、このエンコーダの外周面とする。
又、前記除肉部を、この外周面に形成された凹溝とする。この凹溝は、前記エンコーダの軸方向中間部を境に、軸方向両側部分がこのエンコーダの軸方向に対して互いに逆に傾斜した「く」字形とする。
そして、前記両センサのうちの一方のセンサの検出部を前記凹溝に、前記エンコーダの軸方向片側寄り部分で対向させ、同じく他方のセンサの検出部をこの凹溝に、このエンコーダの軸方向他側寄り部分で対向させる。
【００２４】
或は、上述の様な本発明の回転軸用荷重測定装置を実施する場合に、例えば請求項４に記載した発明の様に、単一のセンサを備える。又、このセンサは、エンコーダの被検出面の性状に基づき、出力信号が１周期の途中で変化するものとする。更に、このセンサとエンコーダとの相対変位に伴って、この１周期の間で変化するタイミング（１周期の初めから途中で変化する瞬間迄の時間）がずれるものとする。そして、荷重を求める為に使用する位相に関する情報を、上記センサの出力信号の１周期に対する上記タイミングの比である、タイミング比とする。
この様な請求項４に記載した回転軸用荷重測定装置を実施する場合に、例えば請求項５に記載した発明の様に、前記エンコーダを、磁性材により円筒状に造って前記回転軸に外嵌固定する。そして、前記被検出面を、このエンコーダの外周面とする。
又、前記除肉部を、この外周面に形成された複数の凹溝とする。これら各凹溝は、前記エンコーダの軸方向に対する傾斜方向が互いに異なる１対の凹溝を、このエンコーダの回転方向に隣り合わせて対としたものとし、単一のセンサの検出部をこれら各凹溝に対向させる。
【発明の効果】
【００２５】
上述の様に構成する本発明によれば、マシニングセンタ等の各種工作機械の主軸の如く、荷重を受けつつ高速で回転する回転軸に加わる荷重を精度良く測定できる回転軸用荷重測定装置を、低コストで実現できる。
即ち、本発明によれば、単一の永久磁石を組み込んで小型に構成できる差動式ホールＩＣを使用し、且つ、エンコーダとして磁気特性が変化する部分の境界を、低コストで精度良く規制できる、磁性材に除肉部を形成したものを使用した構造で、出力信号中に存在するオーバシュートやアンダシュートに起因する測定精度の悪化を防止できる。
この為、小型に構成できるだけでなく、特に調達コストが嵩む部品を使用しなくても、大きな荷重は勿論、小さな荷重でも、精度良く測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態の第１例を示す断面図。
【図２】図１のＸ部拡大図。
【図３】エンコーダを取り出して示す斜視図。
【図４】センサユニットを取り出して、先端のセンサ装着部を被覆していない状態（Ａ）と被覆した状態（Ｂ）とで示す斜視図。
【図５】１対のセンサの配列状態を示す模式図。
【図６】運転時に於けるセンサとエンコーダとの関係を示す模式図。
【図７】運転時に於けるセンサの出力信号生成過程を示す線図。
【図８】回転軸に加わる荷重に基づいて、１対のセンサの出力信号同士の間に位相差が生じる原理を説明する為の模式図。
【図９】１対のホール素子に対する永久磁石のオフセットや、凹溝の端縁に存在する微小な凸部や凹部に基づいて、これら両ホール素子が検出する磁束密度の測定値が乱れる状態を説明する為の線図。
【図１０】凹溝の回転方向後端縁により変位を求める事の効果を確認する為に行った実験の結果を示す線図。
【図１１】本発明の実施の形態の第２例を示す、図５と同様の図。
【図１２】同じく図８と同様の図。
【図１３】本発明の実施の形態の第３例を示す、エンコーダの斜視図。
【図１４】同じくセンサの模式図。
【図１５】回転軸に加わる荷重に基づいて、センサの出力信号のタイミング比が変化する原理を説明する為の模式図。
【図１６】凹溝の回転方向後端縁により変位を求める事の効果を確認する為に行った実験の結果を示す線図。
【図１７】車輪支持用転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重を測定する為に考えられた、従来構造の１例を示す断面図。
【図１８】エンコーダの被検出面の一部を径方向から見た図。
【図１９】アキシアル荷重に基づくエンコーダの変位により１対のセンサの出力信号同士の間に位相差が生じる状況を説明する為の模式図。
【図２０】ホールＩＣの出力信号を生成する状況を説明する為の模式図。
【図２１】１対のホールＩＣを使用して回転方向を求める状況を説明する為の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
［実施の形態の第１例］
請求項１〜３に対応する実施の形態の第１例の構造、及び、当該構造により回転軸の変位量を精度良く求められる理由に就いて、図１〜１０により説明する。
本例は、本発明の回転軸用荷重測定装置を、工作機械の主軸１３に加わるアキシアル荷重を測定する為に構成した場合に就いて示している。工作機械のハウジング（主軸頭）１４の内径側に前記主軸１３を、多列転がり軸受ユニット１５により回転自在に支持すると共に、電動モータ１７により、前記主軸１３を回転駆動自在としている。尚、前記多列転がり軸受ユニット１５を構成する複数個の転がり軸受１６ａ〜１６ｄのうち、先端寄りに配置した２個の転がり軸受１６ａ、１６ｂと、基端寄りに配置した２個の転がり軸受１６ｃ、１６ｄとには、互いに逆向きの接触角を付与すると共に、これら各軸受１６ａ〜１６ｄに、予圧を付与している。従って、前記主軸１３は前記ハウジング１４に対して、ラジアル荷重及び両方向のスラスト荷重を支承される状態で、がたつきなく、回転自在に支持されている。前記工作機械の運転時には、前記主軸１３の先端部（図１の左端部）に固定した工具（図示省略）を、高速で回転しつつ被加工物に押し付け、この被加工物に、切削等の加工を施す。この様にして加工を施す際に、前記主軸１３には、この被加工物に前記工具を押し付ける事の反作用として、各方向の荷重が加わる。本例の場合には、このうち、前記主軸１３の軸方向に一致する、アキシアル方向の荷重を求められる様にしている。
【００２８】
この為に本例の場合には、前記主軸１３の中間部先端寄り部分で、前記多列転がり軸受ユニット１５を構成する転がり軸受１６ｂ、１６ｃ同士の間に、図３に示す様なエンコーダ４ａを外嵌固定すると共に、前記ハウジング１４に、センサユニット１８を支持固定している。このうちのエンコーダ４ａは、鋼等の磁性金属により全体を円筒状としたもので、被検出面であるこのエンコーダ４ａの外周面に、前記センサユニット１８の検出部を、径方向に近接対向させている。そして、このセンサユニット１８の出力信号中に含まれる、位相に関する情報に基づいて、前記主軸１３に作用するアキシアル荷重を求める様に構成している。
【００２９】
この為に本例の場合には、前記エンコーダ４ａの外周面の一部（例えば、円周方向等間隔の４〜５箇所位置）に、径方向に見た形状が「く」字形であって、それぞれが特許請求の範囲に記載した除肉部である、凹溝１９、１９を形成している。これら各凹溝１９、１９は、全体として前記エンコーダ４ａの外周面の幅方向（このエンコーダ４ａの軸方向）に設けられているが、各部分は、この幅方向に対し傾斜している。又、傾斜方向は、幅方向片半部と同他半部とで、互いに逆に（但し、傾斜角度の絶対値は両半部同士の間で互いに等しく）している。この様な前記各凹溝１９、１９を形成した部分では、前記センサユニット１８の検出部との距離が残部に比べて大きくなり、このセンサユニット１８の検出部と前記エンコーダ４ａとの間の磁気抵抗が大きくなる。本例の場合には、前記各凹溝１９、１９の幅寸法を、エンドミル等の加工工具の外径程度に小さく抑えて、これら各凹溝１９、１９を、この加工工具により容易に（１回移動させるだけで）形成できる様にしている。
【００３０】
尚、前記エンコーダ４ａの外周面に形成する、前記各凹溝１９、１９の数が、前述した図１７〜１９に示した構造での透孔７、７の数よりも大幅に少ない理由は、前記アキシアル荷重を算出する為の時間を確保する為である。即ち、前記主軸１３の回転速度は、車輪の回転速度よりも大幅に速い。そこで本例の場合には、前記各凹溝１９、１９の数を少なく抑える事により、前記アキシアル荷重を算出する為の演算器として、特に処理速度が速い、高価なものを使用しなくても、このアキシアル荷重を求められる様にしている。尚、工作機械の主軸１３に加わるアキシアル荷重を、実用上問題ない時間間隔で算出する事のみを考慮すれば、前記各凹溝１９を円周方向１箇所にのみ設ければ足りる。但し、前記エンコーダ４ａの振れ回り運動や形状誤差等をフィルタリング処理により除去する場合で、回転１次成分だけでなく回転ｎ次成分も除去する事を考慮した場合に、演算器の処理が間に合う範囲で、前記各凹溝１９、１９の数を多くする（ｎ個とする）事が好ましい。更に、本例の場合には、前記エンコーダ４ａに、内輪間座としての機能を持たせている。言い換えれば、内輪間座の外周面に前記各凹溝１９、１９を形成する事により、前記エンコーダ４ａとしての機能を持たせている。
【００３１】
一方、前記センサユニット１８は、合成樹脂製のホルダ２０の先端部に、１対のセンサ６ａ、６ｂを支持固定して成る。
これら両センサ６ａ、６ｂはそれぞれ、図５、６、８に示す様に、１個の永久磁石２１と、１対のホール素子２２ａ、２２ｂと、ＩＣ２３とを備える。
このうちの永久磁石２１は、前記エンコーダ４ａの外周面と前記センサユニット１８の検出部とが対向する方向である、このエンコーダ４ａの径方向に着磁されている。本例の場合には、図５に示す様に、前記両センサ６ａ、６ｂに組み込む永久磁石２１、２１の着磁方向を互いに同じ（前記エンコーダ４ａの径方向に関して内側をＮ極、外側をＳ極）としている。
【００３２】
又、前記両ホール素子２２ａ、２２ｂは、前記永久磁石２１の着磁方向両端面のうちで、前記エンコーダ４ａの外周面と対向する、Ｎ極側の端面に、前記主軸１３の回転方向（図５、６、８の左右方向）に離隔して配置している。前記永久磁石２１の直径は、前記両ホール素子２２ａ、２２ｂをこの永久磁石２１の端面に配置できる程度に十分に大きくしている。そして、この永久磁石２１を、前記両ホール素子２２ａ、２２ｂに掛け渡した状態で設けている。従って、これら両ホール素子２２ａ、２２ｂは何れも、前記永久磁石２１の着磁方向端面の中央から外れた部分に配置されている。尚、前記両ホール素子２２ａ、２２ｂは、互いに同じ特性を有する（同種のものを使用する）。
【００３３】
又、前記ＩＣ２３は、前記両ホール素子２２ａ、２２ｂが検出する磁束密度（実際には、この磁束密度の差に応じて変化する電圧信号）の差を求め、更にこの差を表す信号と互いに異なる２種類の閾値（動作磁束密度Ｂop及び復帰磁束密度Ｂrp、スレッシュホールドレベル）とを比較する事で生成したディジタル信号を、前記センサ６ａ（６ｂ）の出力信号として出力する。この点に就いて、図６〜７により説明する。
【００３４】
図６に示す様に、前記エンコーダ４ａの回転方向に離隔して配置した１対のホール素子２２ａ、２２ｂの近傍を、このエンコーダ４ａの外周面に形成した凹溝１９が通過すると、これら両ホール素子２２ａ、２２ｂを通過する磁束の密度が一時的に低下し、これに伴ってこれら両ホール素子２２ａ、２２ｂの特性が変化する。又、これら両ホール素子２２ａ、２２ｂは、前記エンコーダ４ａの回転方向に所定距離だけ離隔した状態で配置されているので、これら両ホール素子２２ａ、２２ｂの特性が変化する位相は、前記所定距離に見合う分だけずれる。即ち、前記エンコーダ４ａの回転方向に関して前側に配置したホール素子２２ａ部分の磁束密度が、図７の上段の実線ａに示す様に変化するのに対して、後側に配置したホール素子２２ｂ部分の磁束密度は、同じく破線ｂで示す様に、上記前側のホール素子２２ａ部分の磁束密度に先行して変化する。
【００３５】
この様な、図７の上段に実線ａ及び破線ｂで示した、それぞれが前記両ホール素子２２ａ、２２ｂ部分を通過する磁束の密度に応じて変化する１対の信号を入力した、前記ＩＣ２３は、先ず、これら両信号の差を求めて、図７の中段に一点鎖線ｃで示した電圧信号を得る。更に前記ＩＣ２３は、この電圧信号と、図７の中段に二点鎖線ｄ、ｅで示した１対の閾値とを比較して、図７の下段に示したディジタル信号を得る。即ち、前記一点鎖線ｃの様に変化する電圧信号に基づいて前記ＩＣ２３の接点を、動作磁束密度Ｂopと復帰磁束密度ＢrpとでＯＮ・ＯＦＦさせる事により、下段に示す様なディジタル信号を生成し、前記ＩＣ２３の出力信号として出力する。
【００３６】
以上に述べた様な、１対のホール素子２２ａ、２２ｂの特性変化に基づくディジタル信号の生成は、前記１対のセンサ６ａ、６ｂ毎に、それぞれ行われ、前記センサユニット１８からは、それぞれが図７の下段に示した様に変化する１対のディジタル信号が、前記主軸１３に加わるアキシアル荷重を求める為の演算器（図示省略）に向けて出力される。この演算器は、前記両ディジタル信号を、前述の図１７〜１９で説明した従来構造の場合と同様に利用する事により｛これら両ディジタル信号を、図１９の（Ｂ）〜（Ｄ）に示した１対のディジタル信号の代わりに利用する事により｝、前記アキシアル荷重を求める。
【００３７】
特に本例の場合には、このアキシアル荷重を求めるべく、前記両センサ６ａ、６ｂの出力信号同士の間に存在する位相差を、前記各凹溝１９、１９の通過に伴ってこれら両出力信号が変化する部分（立上り及び立下り）のうち、前記両センサ６ａ、６ｂの走査方向に関して出口側に対応して変化する部分で求める。この点に就いて、図８を参照しつつ説明する。
【００３８】
前記主軸１３の先端部に固定した工具を介してこの主軸１３にアキシアル荷重が加わると、図８の（Ａ）に示す様に、前記エンコーダ４ａの外周面に形成した凹溝１９、１９のうちで、一方のセンサ６ａが走査する部分の円周方向の位相と、他方のセンサ６ｂが走査する部分の位相とがずれる。そして、前述の図７に示す様にして求めた、これら両センサ６ａ、６ｂの出力信号の位相が、図８の（Ｂ）に示す様にずれる。尚、本例の場合には、後述する様な、前記ホルダ２０の先端部への、前記両センサ６ａ、６ｂの設置上の理由により、これら両センサ６ａ、６ｂの出力信号の特性を、互いに逆にしている。即ち、前記一方のセンサ６aの出力信号は、その検出部が前記凹溝１９に進入する部分で立下り、同じくこの凹溝１９から抜け出る部分で立上がる。これに対して、他方のセンサ６ｂの出力信号は、その検出部が前記凹溝１９に進入する部分で立上り、同じくこの凹溝１９から抜け出る部分で立下がる。
【００３９】
本例の場合には、前記アキシアル荷重を求めるべく、前記両センサ６ａ、６ｂの出力信号同士の間に存在する位相差δを、前記一方のセンサ６aの出力信号の立上り部分と、前記他方のセンサ６ｂの出力信号の立下り部分との間の時間差として求める。そして、この様にして求めた位相差δに基づいて、前記アキシアル荷重を算出する。具体的には、この位相差δと前記両センサ６ａ、６ｂの出力信号の周期Ｌとの比である位相差比（＝位相差δ／周期Ｌ）に基づいて、予め求めておいた実験式等から、前記アキシアル荷重を算出する。
【００４０】
尚、本例の場合には、前記センサユニット１８の小型化（先端部の小径化）を図るべく、前記両センサ６ａ、６ｂの設置位置を、図４に示す様に、前記エンコーダ４ａの回転方向にずらせている。そして、これら両センサ６ａ、６ｂを構成する前記両ＩＣ２３、２３の端子２４、２４を、互いに対向する側に配置している。より具体的には、一方のＩＣ２３の端子２４、２４と、他方のＩＣ２３の本体部分とを、前記エンコーダ４ａの回転方向に関して重畳させている。前記両センサ６ａ、６ｂを前記回転方向にずらす量は、設計的に定める（これら両センサ６ａ、６ｂの出力信号の処理が面倒にならない限り、任意である）。従って、後述する、前記両センサ６ａ、６ｂの出力信号同士の間に存在する差を求める場合には、実際にこれら両出力信号同士の間に存在する差から、前記回転方向へのずらし量に対応する分を減じる。尚、図４のうちの（Ａ）は、前記両センサ６ａ、６ｂを前記ホルダ２０の先端面に組み付けたままの状態を、（Ｂ）はこのホルダ２０を構成する合成樹脂により被覆した状態を、それぞれ示している。前記センサユニット１８の完成状態では、前記（Ｂ）の様にして、前記両センサ６ａ、６ｂが、潤滑油等で汚損される事を防止する。
【００４１】
本例の場合には、前記両センサ６ａ、６ｂに組み込む永久磁石２１、２１の着磁方向が互いに同じであり、同じくＩＣ２３、２３の設置方向が、上述の様な理由により、１８０度異なっている。この為、前記両センサ６ａ、６ｂの検出部が前記エンコーダ４ａの外周面の同種の部分（前記各凹溝１９、１９の何れかの端縁部分）に対向した状態で、これら両センサ６ａ、６ｂの出力信号の変化の方向は互いに逆になる（一方が立上がる場合に他方が立下がる）。そこで、本例の場合には、前述した様に、前記両センサ６ａ、６ｂの出力信号同士の間に存在する位相差を、前記一方のセンサ６aの出力信号の立上り部分と、前記他方のセンサ６ｂの出力信号の立下り部分との間の時間差として求める。
【００４２】
上述の様に構成する本発明によれば、荷重を受けつつ高速で回転する、前記主軸１３に加わる荷重を精度良く測定できる回転軸用荷重測定装置を、低コストで実現できる。この理由に就いて、図７、９、１０を参照しつつ説明する。
本例の場合、前記位相差を求める為のポイントを、前記各凹溝１９、１９の通過に伴って前記両センサ６ａ、６ｂの出力信号が変化する部分のうち、これら両センサ６ａ、６ｂの走査方向に関して出口側に対応して変化する部分、即ち、図７の中段に示した、一点鎖線ｃで示した電圧信号と二点鎖線ｄで示した閾値との交点αとしている。前記位相差を求める為の起点としては、この交点αの他、前記実線ｃで示した電圧信号と鎖線ｅで示した閾値との交点βがある。図７の上段の実線ａ及び破線ｂで示す様に、前記各ホール素子２２ａ、２２ｂが検出する磁束の密度が、前記凹溝１９の通過に伴って、この凹溝１９部分の凹凸に対応して滑らかに変化し、これら各ホール素子２２ａ、２２ｂの検出値同士の間の差として求められる、図７の中段に一点鎖線ｃで示した電圧信号も滑らかに変化するのであれば、荷重測定の為の位相差を求める為に使用する点として、前記両交点α、βの何れを利用しても良い。
【００４３】
但し、前記両交点α、βのうち、前記凹溝１９の入口側に対応する交点βの位置は、この凹溝１９の開口縁部に存在するバリ或はダレや、前記永久磁石２１の中心と前記各ホール素子２２ａ、２２ｂの中心とのずれに基づく、これら各ホール素子２２ａ、２２ｂ部分の磁束分布の不均一により、不安定になる可能性がある。この点に就いて、図８の（Ａ）（Ｂ）のそれぞれ上段に示した、センサ６ａの場合を例にして説明する。センサ６ｂの場合も、前記凹溝１９の通過に伴う、ディジタル信号の変化方向が逆になるだけで、基本的には同じである。上述した原因により前記各ホール素子２２ａ、２２ｂが検出する磁束の密度は、図９の上段の実線ａ′及び破線ｂ′に示す様に、前記凹溝１９の通過に伴って、この凹溝１９部分の凹凸に対応して変化する他、この凹溝１９の入口部分及び出口部分で過剰に変化する、所謂オーバシュートやアンダシュートを生じる場合がある。これらオーバシュートやアンダシュートの原因は、前記バリ、ダレ、磁束分布の不均一等である。そして、前記各ホール素子２２ａ、２２ｂ同士の間の差として求められる電圧信号にも、図９の下段の一点鎖線ｃ′で示す様に、オーバシュートやアンダシュートが生じる場合がある。しかも、この様なオーバシュートやアンダシュートは不規則に現れる場合が多い。
【００４４】
前記図９の下段の一点鎖線ｃ′に示したオーバシュート或はアンダシュートの発生部位と、前述の図７の中段に一点鎖線ｃで示した磁束密度の差を表す電圧信号と二点鎖線ｄ、ｅで示した閾値との交点α、βの位置とを比較すれば明らかな様に、前記凹溝１９の入口部分に対応する交点βは、前記オーバシュート或はアンダシュートの発生部位に近い。この為、この交点βの位置は、これらオーバシュート或はアンダシュートの影響を受けて、僅かとは言え、不規則にずれる可能性がある。これに対して、前記凹溝１９の出口部分に対応する交点αは、前記オーバシュート或はアンダシュートの発生部位から遠く、これらオーバシュート或はアンダシュートの影響を受けにくい。言い換えれば、前記凹溝１９の出口部分に対応する交点αは、前記図９の上段の実線ａ′及び破線ｂ′に示した、前記各ホール素子２２ａ、２２ｂが検出する磁束の密度が、前記オーバシュート或はアンダシュートの影響を受けずに安定して変化する部分に対応して求められる。
【００４５】
要するに、図７の下段及び図８の（Ｂ）の上段に示したディジタル信号のうち、前記凹溝１９の入口部分に対応して求められる立下り部の位置は、前記オーバシュートやアンダーシュートの影響を受け易いが、前記凹溝１９の出口部分に対応して求められる立上り部の位置は、前記オーバシュートやアンダシュートの影響を受けにくい。この為、前記エンコーダ４ａの回転方向の位相を、これらオーバシュート或はアンダシュートの有無、それぞれの大小の影響を受けずに、精度良く求める事ができて、前記主軸１３に加わるアキシアル荷重を精度良く求められる。本例の場合には、図８の（Ｂ）に示す様に、前記センサ６ａの出力信号（ディジタル信号）の立上り部と、前記センサ６ｂの出力信号の立下り部との間で、これら両センサ６ａ、６ｂの出力信号同士の間の位相差δを求める。そして、この位相差δと、これら両センサ６ａ、６ｂの出力信号の周期Ｌとの比（δ／Ｌ）に基づいて、前記主軸１３の軸方向変位量、延いては、この主軸１３に加わるアキシアル荷重を求める。この為、このアキシアル荷重の測定精度の向上を図れる。
【００４６】
次に、本例の効果を確認する為に本発明者が行った実験に就いて説明する。この実験では、前記主軸１３に加えるアキシアル荷重を段階的に増加させ、この主軸１３を少し（０．０１mm程度）ずつ軸方向に押し動かした（軸方向に変位させた）。そして、この主軸１３の軸方向変位量を測定した。この変位量を測定する為に利用する、図７の下段に示したディジタル信号のうち、前記凹溝１９の入口部分に対応する立下り部を利用した場合と、同じく出口部分に対応する立上り部を利用した場合（センサ６ａの場合、センサ６ｂの場合には、立上り、立下りが逆）とが、測定値に及ぼす影響を観察した。その結果を、図１０に示す。この図１０中の実線は、前記出口部分に対応する立上り部又は立下り部を利用して前記軸方向変位量を求めた場合を、同じく破線は、前記入口部分に対応する立下り部又は立上り部を利用して前記軸方向変位量を求めた場合を、それぞれ示している。この様な図１０の記載から明らかな通り、前記凹溝１９の出口部分に対応して信号電圧が変化する部分を利用する事で、前記軸方向変位量を精度良く求める事ができる。前記主軸１３に加わるアキシアル荷重は、前記多列転がり軸受ユニット１５のアキシアル剛性を勘案し、前記軸方向変位量に基づいて求めるので、この軸方向変位量を精度良く求める事により、前記アキシアル荷重の測定精度向上も図れる。
【００４７】
［実施の形態の第２例］
図１１〜１２は、請求項１〜３に対応する、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例の場合には、一方のセンサ６ａとして、上述した実施の形態の第１例と同じ構成のものを使用している。これに対して、他方のセンサ６ｃとして、永久磁石２１ａの着磁方向が、前記一方のセンサ６ａとは逆のものを使用している。そして、これら両センサ６ａ、６ｃを、前記実施の形態の第１例の場合と同様に、それぞれの端子２４、２４を互いに対向させると共に、円周方向に所定距離だけずらせた状態で組み合わせている。本例の場合には、この様に、前記両センサ６ａ、６ｃに組み込む永久磁石２１、２１ａの着磁方向を互いに逆にする事で、これら両センサ６ａ、６ｃの組み付け方向の相違に拘らず、これら両センサ６ａ、６ｃの検出部がエンコーダ４ａの外周面の同種の部分に対向した状態で、これら両センサ６ａ、６ｃの出力信号の変化の方向が互いに同じになる様にしている。
【００４８】
本例の場合には、この様に、１対のセンサ６ａ、６ｃの出力信号の変化の方向を互いに同じにする事により、これら両センサ６ａ、６ｃの出力信号同士の間の位相差を精度良く求められる様にしている。即ち、各センサ６ａ、６ｂ、６ｃの出力信号であるディジタル信号は、矩形波とは言え、完全に直角に変化する訳ではない。具体的には、立下り部分が時間経過軸に対し直角に近いのに比べて、立上り部分が時間経過軸に対しなす角度の直角からのずれは大きくなる。この為、前述した実施の形態の第１例の様に、一方の出力信号の立上り部と、他方の出力信号の立下り部との間で両出力信号の位相差を求めると、必ずしも精度の良い値を求められない可能性がある。これに対して本例の場合には、比較すべき１対の出力信号同士の位相差を、これら両信号が同じ方向に変化する部分同士の間で求める為、この位相差を精度良く求められる。その他の部分の構成及び作用は、前述した実施の形態の第１例と同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は省略する。
【００４９】
［実施の形態の第３例］
図１３〜１６は、請求項１、４、５に対応する、本発明の実施の形態の第３例を示している。本例は、前述した特許文献２の図１５に記載された構造に本発明を適用した場合に就いて示している。前述した実施の形態の第１例及び上述した実施の形態の第２例が、何れも１対のセンサを設け、これら両センサの出力信号同士の間の位相差に基づいて主軸１３の軸方向変位量を求める様に構成していた。これに対して本例の場合には、単一のセンサ６ｄの出力信号のタイミング比により、荷重を求める為に使用する、位相に関する情報を求める様にしている。この為に前記センサ６ｄは、エンコーダ４ｂの被検出面の性状に基づき、出力信号が１周期の途中で変化するものとする。又、このセンサ６ｄとエンコーダ４ｂとの相対変位に伴って、この１周期の間で変化するタイミング（１周期の初めから途中で変化する瞬間迄の時間）がずれるものとする。
【００５０】
本例に使用するエンコーダ４ｂも、内輪間座を兼ねるものであって、磁性材により円筒状に造られて、主軸１３（図１〜２参照）の中間部に外嵌固定している。被検出面である、前記エンコーダ４ｂの外周面には、それぞれが除肉部である、複数の直線状の凹溝１９ａ、１９ｂを形成している。これら各凹溝１９ａ、１９ｂは、前記エンコーダ４ｂの軸方向に対する傾斜方向が互いに異なる１対の凹溝１９ａ、１９ｂを、このエンコーダ４ｂの回転方向に隣り合わせて対としたものを、円周方向に関して等間隔に複数組（例えば４〜５組）設けている。そして、前記単一のセンサ６ｄの検出部を、前記エンコーダ４ｂの外周面で前記各凹溝１９ａ、１９ｂを設けた部分に対向させている。
【００５１】
この様な本例の場合には、前記主軸１３と共に前記エンコーダ４ｂが軸方向に変位すると、前記センサ６ｄの検出部が対となる凹溝１９ａ、１９ｂを通過する事で出力信号が変化する位相のずれの大きさ（タイミング）が変化する。そこで、このずれの大きさδの、円周方向に隣り合う組により前記出力信号が変化する周期Ｌに対する割合（δ／Ｌ、タイミング比）から、前記主軸１３の軸方向変位量、更には、この主軸１３に加わるアキシアル荷重を求められる。
【００５２】
この様な本例の場合も、前記センサ６ｄの出力信号のうち、前記各凹溝１９ａ、１９ｂの出口部分に対応して変化する部分で、前記ずれの大きさδ及び前記周期Ｌを求めれば、これらずれの大きさδ及び周期Ｌを精度良く求められる。そして、前記主軸１３の軸方向変位量、更には、この主軸１３に加わるアキシアル荷重を、精度良く求められる。図１６は、本例の構造の場合に、前記各凹溝１９ａ、１９ｂの出口部分に対応して前記センサ６ｄの出力信号が変化する部分を利用して、前記主軸１３の軸方向変位を求める事の効果を確認する為に行った実験の結果を示している。この図１６中の実線及び破線の意味は、前述した図１０の場合と同様である。この様な図１６から、タイミング比によりアキシアル荷重を求める構造の場合も、前記凹溝１９ａ、１９ｂの出口部分に対応して信号電圧が変化する部分を利用する事で、前記軸方向変位量を精度良く求められる事が分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上の説明は、本発明をアキシアル荷重を測定する構造に適用した場合に就いて行ったが、本発明は、アキシアル荷重に限らず、ラジアル荷重を測定する構造に適用する事もできる。ラジアル荷重を測定する場合には、例えば前述した特許文献２の図６〜９に示した様に、円輪状のエンコーダの軸方向側面を被検出面とし、この被検出面に除肉部を形成すると共に、センサの検出部をこの被検出面に、軸方向に対向させる。更には、前記特許文献２の図６、１７に示した、台形の除肉部を設けたエンコーダと１個のセンサとを組み合わせた構造で、本発明を実施する事もできる。
【符号の説明】
【００５４】
１    外輪
２    ハブ
３    転動体
４、４ａ、４ｂ  エンコーダ
５    カバー
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ  センサ
７    透孔
８    柱部
９    第一の特性変化部
１０    第二の特性変化部
１１    ホールＩＣ
１２    永久磁石
１３    主軸
１４    ハウジング
１５    多列転がり軸受ユニット
１６ａ〜１６ｄ  転がり軸受
１７    電動モータ
１８    センサユニット
１９、１９ａ、１９ｂ  凹溝
２０    ホルダ
２１、２１ａ  永久磁石
２２ａ、２２ｂ  ホール素子
２３    ＩＣ
２４    端子
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５５】
【特許文献１】特開２００２−１８７０４８号公報
【特許文献２】特開２００６−３１７４２０号公報
【特許文献３】特開２００８−３９１５５号公報
【特許文献４】特開２００８−６４７３１号公報
【特許文献５】特開平８−２２０２００号公報
【非特許文献】
【００５６】
【非特許文献１】旭化成株式会社のホームページ、“ホールＩＣの動作原理：ホールＩＣ：製品紹介：旭化成の磁気センサ”、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成２１年８月１３日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.asahi-kasei.co.jp/ake/jp/product/ic/outline.html＞
【非特許文献２】ローム株式会社のホームページ、“交番磁界検出ホールＩＣ”、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成２１年８月１３日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.rohm.co.jp/products/databook/sensor/pdf/bu52040hfv-j.pdf＞
【図１】
0005391969.tif 000002
【図２】
0005391969.tif 000003
【図３】
0005391969.tif 000004
【図４】
0005391969.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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