(57)【要約】【課題】コスト及び設置スペースを抑えつつ、転がり軸受ユニットを構成する静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の変位又は荷重を精度良く求められる構造を実現する。【解決手段】それぞれがエンコーダであり互いに独立した１対の永久磁石１１、１１ａの被検出面にＳ極とＮ極とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置する。これらＳ極とＮ極との境界は、軸方向に対して傾斜しており、傾斜方向は、上記両永久磁石１１、１１ａ同士の間で互いに逆である。これら両永久磁石１１、１１ａの外周面に、磁気検知素子１９を備えない永久磁石を備えたセンサ１７、１７の検出部を対向させる。そして、これら両センサ１７、１７の出力信号の位相差により、上記両軌道輪同士の間のアキシアル方向の変位又は荷重を求める。エンコーダとして、互いに独立した、１対の永久磁石１１、１１ａを使用する事で、上記課題を解決する。【選択図】図３
2006337356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受ユニットと変位測定装置とを備え、
このうちの転がり軸受ユニットは、使用状態でも回転しない静止側軌道輪と、使用状態で回転する回転側軌道輪と、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り、
上記変位測定装置は、互いに独立した少なくとも１対のエンコーダと、少なくとも１対のセンサと、演算器とを備えたものであり、
このうちの各エンコーダは、上記回転側軌道輪若しくはこの回転側軌道輪と共に回転する部分の一部に支持されたもので、この回転側軌道輪と同心の被検出面の磁気特性を円周方向に関して交互に変化させると共に、少なくとも１個のエンコーダの被検出面の特性が円周方向に関して変化する位相を、検出すべき変位の方向に応じて連続的に、且つ、他のエンコーダの被検出面と異ならせた状態で変化させたものであって、上記各エンコーダのうちの少なくとも１個のエンコーダは、被検出面にＳ極とＮ極とを交互に且つ等間隔に配置した永久磁石であり、
上記各センサは、それぞれの検出部を上記各エンコーダのうちの互いに異なるエンコーダの被検出面に対向させた状態で回転しない部分に支持され、これら各エンコーダの被検出面の磁気特性の変化に対応してそれぞれの出力信号を変化させるものであり、
上記演算器は、上記各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、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との相対変位の方向及び量を算出するものである
変位測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項２】
各エンコーダのうちの１個のエンコーダのみが永久磁石製で、この１個のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた１個のセンサは、磁気検知素子を備えて永久磁石を備えないものであり、他のエンコーダは磁性材製で、この他のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた他のセンサは、磁気検知素子及び永久磁石を備えたものである、請求項１に記載した変位測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項３】
各エンコーダが何れも永久磁石製で、これら各エンコーダの被検出面に検出部を対向させた各センサは、何れも、磁気検知素子を備えて永久磁石を備えないものである、請求項１に記載した変位測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項４】
１対のエンコーダが、互いの間に磁気干渉防止用の突条を介して、軸方向に隣接した状態で設けられている、請求項３に記載した変位測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項５】
回転側軌道輪の一部にこの回転側軌道輪と同心に支持固定された支持円筒部の内周面に、その内周面を被検出面とした１個のエンコーダを、この支持円筒部の外周面に、その外周面を被検出面とした他のエンコーダを、それぞれ支持固定している、請求項１、３のうちの何れか１項に記載した変位測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項６】
何れかのエンコーダが回転側軌道輪の一部にこの回転側軌道輪と同心に、別のエンコーダがこの回転側軌道輪に結合固定された等速ジョイントの一部にこの等速ジョイントと同心に、それぞれ支持固定されている、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した変位測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項７】
演算器が、算出した相対変位量に基づき、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する荷重を算出する機能を有する、請求項１〜６のうちの何れか１項に記載した変位測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項８】
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７に記載した変位測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項９】
転がり軸受ユニットと荷重測定装置とを備え、
このうちの転がり軸受ユニットは、使用状態でも回転しない静止側軌道輪と、使用状態で回転する回転側軌道輪と、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り、
上記荷重測定装置は、互いに独立した少なくとも１対のエンコーダと、少なくとも１対のセンサと、演算器とを備えたものであり、
このうちの各エンコーダは、上記回転側軌道輪若しくはこの回転側軌道輪と共に回転する部分の一部に支持されたもので、この回転側軌道輪と同心の被検出面の磁気特性を円周方向に関して交互に変化させると共に、少なくとも１個のエンコーダの被検出面の特性が円周方向に関して変化する位相を、検出すべき荷重の方向に応じて連続的に、且つ、他のエンコーダの被検出面と異ならせた状態で変化させたものであって、上記各エンコーダのうちの少なくとも１個のエンコーダは、被検出面にＳ極とＮ極とを交互に且つ等間隔に配置した永久磁石であり、
上記各センサは、それぞれの検出部を上記各エンコーダのうちの互いに異なるエンコーダの被検出面に対向させた状態で回転しない部分に支持され、これら各エンコーダの被検出面の磁気特性の変化に対応してそれぞれの出力信号を変化させるものであり、
上記演算器は、上記各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、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間に作用する荷重の方向及び大きさを算出するものである
荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項１０】
各エンコーダのうちの１個のエンコーダのみが永久磁石製で、この１個のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた１個のセンサは、磁気検知素子を備えて永久磁石を備えないものであり、他のエンコーダは磁性材製で、この他のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた他のセンサは、磁気検知素子及び永久磁石を備えたものである、請求項９に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項１１】
各エンコーダが何れも永久磁石製で、これら各エンコーダの被検出面に検出部を対向させた各センサは、何れも、磁気検知素子を備えて永久磁石を備えないものである、請求項９に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項１２】
１対のエンコーダが、互いの間に磁気干渉防止用の突条を介して、軸方向に隣接した状態で設けられている、請求項１１に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項１３】
回転側軌道輪の一部にこの回転側軌道輪と同心に支持固定された支持円筒部の内周面に、その内周面を被検出面とした１個のエンコーダを、この支持円筒部の外周面に、その外周面を被検出面とした他のエンコーダを、それぞれ支持固定している、請求項９、１１のうちの何れか１項に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項１４】
何れかのエンコーダが回転側軌道輪の一部にこの回転側軌道輪と同心に、別のエンコーダがこの回転側軌道輪に結合固定された等速ジョイントの一部にこの等速ジョイントと同心に、それぞれ支持固定されている、請求項９〜１１のうちの何れか１項に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項１５】
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９〜１４のうちの何れか１項に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明に係る変位測定装置付転がり軸受ユニット及び荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、例えば車両（自動車）の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持すると共に、この車輪に加わる荷重の大きさを測定して、車両の安定運行の確保に利用する。或は、各種工作機械の主軸を支持する為の転がり軸受ユニットに組み込んで、この主軸に加わる荷重を測定し、工具の送り速度等を適切に調節する為に利用する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、車両の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する為に、転がり軸受ユニットを使用する。又、車両の走行安定性を確保する為に、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）、電子制御車両用走行安定化装置（ＥＳＣ）等の車両の走行状態安定化装置が広く使用されている。これらＡＢＳやＴＣＳ等の走行状態安定化装置によれば、制動時や加速時に於ける車両の走行状態を安定させる事はできるが、より厳しい条件でもこの安定性の確保を図る為には、車両の走行安定性に影響するより多くの情報を取り入れて、ブレーキやエンジンの制御を行なう事が必要になる。
【０００３】
即ち、上記ＡＢＳやＴＣＳ等の従来の走行状態安定化装置の場合には、タイヤと路面との滑りを検知してブレーキやエンジンを制御する、所謂フィードバック制御を行なっている為、これらブレーキやエンジンの制御が一瞬とは言え遅れる。言い換えれば、厳しい条件下での性能向上を図るべく、所謂フィードフォワード制御により、タイヤと路面との間に滑りが発生しない様にしたり、左右の車輪の制動力が極端に異なる所謂ブレーキの片効きを防止する事はできない。更には、トラック等で、積載状態が不良である事に基づいて走行安定性が不良になるのを防止する事もできない。
【０００４】
この様な問題に対応すべく、上記フィードフォワード制御等を行なう為には、懸架装置に対して車輪を支持する為の転がり軸受ユニットに、この車輪に加わるラジアル荷重とアキシアル荷重とのうちの一方又は双方を測定する為の荷重測定装置を組み込む事が考えられる。この様な場合に使用可能な荷重測定装置付車輪支持用転がり軸受ユニットとして従来から、特許文献１〜４に記載されたものが知られている。
【０００５】
このうちの特許文献１には、ラジアル荷重を測定自在な、荷重測定装置付転がり軸受ユニットが記載されている。この従来構造の第１例の場合には、非接触式の変位センサにより、回転しない外輪と、この外輪の内径側で回転するハブとの径方向に関する変位を測定する事により、これら外輪とハブとの間に加わるラジアル荷重を求める様にしている。求めたラジアル荷重は、ＡＢＳを適正に制御する他、積載状態の不良を運転者に知らせる為に利用する。
【０００６】
又、特許文献２には、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構造が記載されている。この特許文献２に記載された従来構造の第２例の場合、外輪の外周面に設けた固定側フランジの内側面複数個所で、この固定側フランジをナックルに結合する為のボルトを螺合する為のねじ孔を囲む部分に、それぞれ荷重センサを添設している。上記外輪を上記ナックルに支持固定した状態でこれら各荷重センサは、このナックルの外側面と上記固定側フランジの内側面との間で挟持される。この様な従来構造の第２例の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、車輪と上記ナックルとの間に加わるアキシアル荷重は、上記各荷重センサにより測定される。
【０００７】
又、特許文献３には、外輪の円周方向４個所位置に支持した変位センサユニットとハブに外嵌固定した断面Ｌ字形の被検出リングとにより、上記４個所位置での、上記外輪に対する上記ハブの、ラジアル方向及びアキシアル方向の変位を検出し、各部の検出値に基づいて、このハブに加わる荷重の方向及びその大きさを求める構造が記載されている。
【０００８】
更に、特許文献４には、一部の剛性を低くした外輪相当部材に動的歪みを検出する為のストレンゲージを設け、このストレンゲージが検出する転動体の通過周波数から転動体の公転速度を求め、この公転速度から、転がり軸受に加わるアキシアル荷重を測定する方法が記載されている。
【０００９】
前述の特許文献１に記載された従来構造の第１例の場合、変位センサにより外輪とハブとの径方向に関する変位を測定する事で、転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する。但し、この径方向に関する変位量は僅かである為、この荷重を精度良く求める為には、上記変位センサとして、高精度のものを使用する必要がある。高精度の非接触式センサは高価である為、荷重測定装置付転がり軸受ユニット全体としてコストが嵩む事が避けられない。
【００１０】
又、特許文献２に記載された従来構造の第２例の場合、ナックルに対し外輪を支持固定する為のボルトと同数だけ、荷重センサを設ける必要がある。この為、荷重センサ自体が高価である事と相まって、転がり軸受ユニットの荷重測定装置全体としてのコストが相当に嵩む事が避けられない。又、特許文献３に記載された構造は、外輪の周方向４個所位置にセンサを設置する為、上記特許文献１に記載された構造よりも更にコストが嵩む。更に、特許文献４に記載された方法は、外輪相当部材の一部の剛性を低くする必要があり、この外輪相当部材の耐久性確保が難しくなる可能性がある。
【００１１】
この様な事情に鑑みて特願２００５−１４７６４２号には、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開示されている。図６〜１３は、上記出願に開示された先発明のうちの２例の構造を示している。これら各先発明に係る構造は、何れも、図６、１０に示す様に、懸架装置に支持された状態で回転しない静止側軌道輪である外輪１の内径側に、車輪を支持固定（結合固定）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。そして、このハブ２の中間部にエンコーダ４、４ａ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転動体３、３の間部分にセンサ５、５ａ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、４ａの外周面に近接対向させた状態で、それぞれ１対ずつ設けている。尚、上記センサ５、５ａ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む事が適当である。
【００１２】
図６〜９に示した、先発明の第１例の構造の場合、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。これらＮ極に着磁された部分とＳ極に着磁された部分との境界は、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、このエンコーダ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Ｎ極に着磁された部分とＳ極に着磁された部分とは、軸方向中間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。
【００１３】
又、上記両センサ５、５の検出部が上記エンコーダ４の外周面に対向する位置は、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。言い換えれば、上記両センサ５、５の検出部は、上記外輪１の中心軸を含む同一仮想平面上に配置されている。又、この外輪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極に着磁された部分とＳ極に着磁された部分と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５、５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、５、５の設置位置を規制している。この様に、上記境界の傾斜方向が変化する部分を上記中央位置に存在させる事で、内外輪の温度差や熱膨張等の変形による誤差（変位が生じていなくても内外輪の温度差によって位相差が生じる、所謂オフセット）を小さく抑えられる様にしている。尚、先発明の第１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５、５側に永久磁石を組み込む必要はない。
【００１４】
上述の様に構成する先発明の第１例の場合、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５、５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、上記外輪１と上記ハブ２とが相対変位していない、中立状態では、上記両センサ５、５の検出部は、図９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５、５の出力信号の位相は、同図の（Ｃ）に示す様に一致する。
【００１５】
これに対して、上記エンコーダ４を固定したハブ２に、図９の（Ａ）で下向きのアキシアル荷重が作用し（外輪１とハブ２とがアキシアル方向に相対変位し）た場合には、上記両センサ５、５の検出部は、図９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５、５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９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５、５の検出部は、図９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５、５の出力信号の位相は、同図の（Ｄ）に示す様にずれる。
【００１６】
上述の様に先発明の第１例の場合には、上記両センサ５、５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方向に応じた方向にずれる。又、このアキシアル荷重により上記両センサ５、５の出力信号の位相がずれる程度（変位量）は、このアキシアル荷重が大きくなる程大きくなる。従って第１例の場合には、上記両センサ５、５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方向及び大きさに基づいて、上記外輪１とハブ２との間に作用しているアキシアル荷重の方向及び大きさを求められる。
【００１７】
次に、図１０〜１３に示した、先発明の第２例の構造の場合には、ハブ２の中間部に、磁性金属板製のエンコーダ４ａを外嵌固定している。被検出面である、このエンコーダ４ａの外周面には、スリット状の透孔６ａ、６ｂと柱部７ａ、７ｂ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６ａ、６ｂと各柱部７ａ、７ｂとは、上記エンコーダ４ａ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、このエンコーダ４ａの軸方向中間部を境に互いに逆方向としている。即ち、このエンコーダ４ａは、軸方向片半部に、上記軸方向に対し所定方向に同じだけ傾斜した透孔６ａ、６ａを形成すると共に、軸方向他半部に、この所定方向と逆方向に同じ角度だけ傾斜した透孔６ｂ、６ｂを形成している。
【００１８】
一方、外輪１の軸方向中間部で複列に配置された転動体３、３同士の間部分に、前記１対のセンサ５ａ、５ａを設置し、これら両センサ５ａ、５ａの検出部を、上記エンコーダ４ａの外周面に近接対向させている。これら両センサ５ａ、５ａの検出部がこのエンコーダ４ａの外周面に対向する位置は、このエンコーダ４ａ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６ａ、６ｂ同士の間に位置し、全周に連続するリム部８が、上記両センサ５ａ、５ａ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４ａ、５ａ、５ａの設置位置を規制している。尚、先発明の第２例の場合には、上記エンコーダ４ａが単なる磁性材製である為、上記両センサ５ａ、５ａの側に永久磁石を組み込む必要がある。
【００１９】
上述の様に構成する先発明の第２例の場合、上記外輪１とハブ２との間にアキシアル荷重が作用（し外輪１とハブ２とがアキシアル方向に相対変位）すると、前述した先発明の第１例の場合と同様に、上記両センサ５ａ、５ａ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状態では、上記両センサ５ａ、５ａの検出部は、図１３の（Ａ）の実線イ、イ上、即ち、上記リム部８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、５ａの出力信号の位相は、同図の（Ｃ）に示す様に一致する。
【００２０】
これに対して、上記エンコーダ４ａを固定したハブ２に、図１３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５ａ、５ａの検出部は、図１３の（Ａ）の破線ロ、ロ上、即ち、上記リム部８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、５ａ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４ａを固定したハブ２に、図１３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、５ａの検出部は、図１３の（Ａ）の鎖線ハ、ハ上、即ち、上記リム部８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、５ａの出力信号の位相は、同図の（Ｄ）に示す様にずれる。
【００２１】
上述の様に先発明の第２例の場合も、前述の先発明の第１例の場合と同様に、上記両センサ５ａ、５ａ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方向に応じた方向にずれる。又、このアキシアル荷重により上記両センサ５ａ、５ａの出力信号の位相がずれる程度（変位量）は、このアキシアル荷重が大きくなる程大きくなる。従って第２例の場合も、上記両センサ５ａ、５ａ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方向及び大きさに基づいて、上記外輪１とハブ２との間に作用しているアキシアル荷重の方向及び大きさを求められる。
尚、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。
【００２２】
以上に述べた、図６〜１３に示した様な、先発明に係る変位測定装置付転がり軸受ユニット或いは荷重測定装置付転がり軸受ユニットのうち、図６〜９に示した第１例の構造の場合には、永久磁石製のエンコーダ４の被検出面（外周面）のＶ字状の範囲にＳ極とＮ極とを、交互に、しかも高精度で着磁する必要がある。この為、上記エンコーダ４を着磁する為の着磁ヨークの構造が複雑になり、コストが上昇する。又、十分な磁束密度及び着磁精度を確保する事が難しく、変位測定に関する精度の確保も難しくなる。
【００２３】
これに対して、図１０〜１３に示した第２例の構造の場合には、エンコーダ４ａの加工コスト並びに精度確保の面からは問題ないが、センサ５ａ、５ａ側の構造に起因して、変位測定に関する精度を確保する事が難しくなる。この理由は、これら両センサ５ａ、５ａの検出部の検出範囲の直径（スポット径）を小さくしにくく、これら両センサ５ａ、５ａが上記エンコーダ４ａに対し、このエンコーダ４ａの軸方向に変位した場合にも、これら両センサ５ａ、５ａの出力信号同士の間の位相差を十分に確保しにくい為である。即ち、（永久磁石ではない）磁性材製のエンコーダと組み合わされるセンサとしては、磁気検知素子と永久磁石とを、この永久磁石の着磁方向に互いに直列に組み合わせたものを使用する必要がある。但し、磁気検知素子と永久磁石とを組み合わせたセンサの場合には、この永久磁石の着磁方向両端面から出入りする磁束のうちの相当割合（できるだけ多くの割合）を上記磁気検知素子に通過させる為に、上記スポット径が大きくなる。この為、上記変位に対する分解能が悪くなり、この変位を精度良く求める事が難しくなる。
【００２４】
この様な原因での、変位の測定精度悪化を防止する為には、上記磁性材製のエンコーダの軸方向寸法を大きくする事が考えられる。この軸方向寸法が大きければ、上記スポット径が大きく、上記エンコーダの被検出面とセンサの検出部との対向面積が広い場合でも、隣り合う境界（図１１〜１３で、透孔６ａ、６ｂと柱部７ａ、７ｂとの境目）の移動の影響が上記センサの検出信号に表れ易くなり、上記測定精度の悪化を防止できる。但し、この場合には、上記エンコーダの設置スペースが嵩む為、例えば小型自動車用の車輪支持用転がり軸受ユニットの様に、設置スペースが限られている場合には、実施が難しい。
【００２５】
【特許文献１】特開２００１−２１５７７号公報
【特許文献２】特開平３−２０９０１６号公報
【特許文献３】特開２００４−３９１８号公報
【特許文献４】特公昭６２−３３６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、コスト及び設置スペースを抑えつつ、転がり軸受ユニットを構成する静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の変位、或いは、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に加わる荷重を精度良く求められ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】
【００２７】
本発明の変位測定装置付転がり軸受ユニット及び荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、転がり軸受ユニットと変位測定装置又は荷重測定装置とを備える。
このうちの転がり軸受ユニットは、使用状態でも回転しない静止側軌道輪と、使用状態で回転する回転側軌道輪と、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る。
又、上記変位測定装置又は荷重測定装置は、互いに独立した少なくとも１対のエンコーダと、少なくとも１対のセンサと、演算器とを備える。
このうちの各エンコーダは、上記回転側軌道輪若しくはこの回転側軌道輪と共に回転する部分の一部に支持されたもので、この回転側軌道輪と同心の被検出面の磁気特性を円周方向に関して交互に変化させている。又、少なくとも１個のエンコーダの被検出面の特性が円周方向に関して変化する位相を、検出すべき変位の方向又は荷重の方向に応じて連続的に、且つ、他のエンコーダの被検出面と異ならせた状態で変化させている。そして、上記各エンコーダのうちの少なくとも１個のエンコーダは、被検出面にＳ極とＮ極とを交互に且つ等間隔に配置した永久磁石である。
一方、上記各センサは、それぞれの検出部を上記各エンコーダのうちの互いに異なるエンコーダの被検出面に対向させた状態で回転しない部分に支持され、これら各エンコーダの被検出面の磁気特性の変化に対応してそれぞれの出力信号を変化させる。
更に、上記演算器は、上記各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、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との相対変位の方向及び量、或いは、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に加わる荷重の方向及び大きさを算出する。
【発明の効果】
【００２８】
上述の様に構成する本発明の変位測定装置付転がり軸受ユニット及び荷重測定装置付転がり軸受ユニットによれば、コスト及び設置スペースを抑えつつ、転がり軸受ユニットを構成する静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の変位、或いは、これら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に加わる荷重を精度良く求められる。
先ず、前述の図６〜９に示した先発明の第１例の構造の様に、エンコーダの被検出面に複雑な形状で着磁する必要がない為、コストを抑えられる。
又、少なくとも永久磁石製のエンコーダに対向する１個のセンサを永久磁石を持たないものとして、このエンコーダの軸方向寸法、延ては設置スペースの増大を抑えつつ、位相変化の検出精度、延ては変位或いは荷重の検出精度を確保できる。
尚、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求める為には、必ずしもこれら静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の変位を求める必要はない。即ち、請求項９に記載した様に、演算器に、各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（上記変位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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明を実施する場合に、例えば請求項２、１０に記載した様に、各エンコーダのうちの１個のエンコーダのみを永久磁石製とし、この１個のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた１個のセンサを、磁気検知素子を備えて永久磁石を備えないものとする。これに対して、他のエンコーダは、磁性材製とし、この他のエンコーダの被検出面に検出部を対向させた他のセンサを、磁気検知素子及び永久磁石を備えたものとする。
この場合、上記他のエンコーダの軸方向寸法を或る程度確保して、この他のエンコーダと上記他のセンサとによる、位相変化の検出精度を確保する。この場合でも、上記１個のエンコーダを永久磁石とした分、前述の図１０〜１３に示した先発明の第２例の構造に比べて、上記位相変化の検出精度を同じとした場合に、全体の軸方向寸法を短くできる。逆に言えば、全体の軸方向寸法を同じとした場合には、上記位相変化の検出精度を向上させられる。
【００３０】
本発明を実施する場合に、例えば請求項３、１１に記載した様に、各エンコーダを、何れも永久磁石とし、これら各エンコーダの被検出面に検出部を対向させた各センサを、何れも、磁気検知素子を備えて永久磁石を備えないものとする。
この様に構成すれば、位相検出の精度確保と軸方向寸法の短縮とを、より高次元で両立させる事ができる。
【００３１】
上述の様な請求項３、１１に記載した発明を実施する場合に好ましくは、請求項４、１２に記載した様に、それぞれが永久磁石である１対のエンコーダを、互いの間に磁気干渉防止用の突条を介して、軸方向に隣接した状態で設ける。
この様な構成を採用すれば、軸方向に隣接する、永久磁石である１対のエンコーダ同士の間に磁気干渉が生じる事を防止して、これら両エンコーダに対向する１対のセンサの出力信号同士の間の位相差を精度良く求められる。
【００３２】
又、本発明を実施する場合に、例えば請求項５、１３に記載した様に、回転側軌道輪の一部にこの回転側軌道輪と同心に支持固定された支持円筒部の内周面に、その内周面を被検出面とした１個のエンコーダを、この支持円筒部の外周面に、その外周面を被検出面とした他のエンコーダを、それぞれ支持固定する事もできる。
この様な構造を採用すれば、２組のエンコーダ及びセンサの組み付け個所の軸方向寸法を小さく抑えられる。
【００３３】
又、本発明を実施する場合に、請求項６、１４に記載した様に、何れかのエンコーダを、回転側軌道輪の一部にこの回転側軌道輪と同心に、別のエンコーダを、この回転側軌道輪に結合固定された等速ジョイントの一部にこの等速ジョイントと同心に、それぞれ支持固定する事もできる。
この様な構造を採用すれば、小型の転がり軸受ユニットで、エンコーダ及びセンサの設置スペースが限られている場合でも、複数組のエンコーダ及びセンサを、効率良く組み込める。
【００３４】
又、本発明のうちの請求項１に記載した発明を実施する場合に好ましくは、請求項７に記載した様に、演算器に、算出した相対変位量に基づき、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する荷重を算出する機能を持たせる。
又、この様な請求項７に記載した発明、或いは請求項９〜１４のうちの何れか１項に記載した発明を実施する場合に好ましくは、請求項８、１５に記載した様に、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。
この様な構造によれば、厳しい条件でも車両の安定性の確保を図る為に必要な情報を取り入れて、ブレーキやエンジンの制御を適切に行なう事ができる。
【実施例１】
【００３５】
図１は、請求項１、２、９、１０に対応する、本発明の実施例１を示している。尚、本実施例の特徴は、コスト及び設置スペースを抑えつつ、転がり軸受ユニットを構成する静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の変位、或いはこれら両軌道輪同士の間に加わる荷重を精度良く求められる構造を実現すべく、エンコーダユニット９の構造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６〜１３に示した先発明の第１〜２例の構造と同様であるから、重複する図示並びに説明に就いては、省略若しくは簡略にし、以下、本実施例の特徴部分を中心に説明する。
【００３６】
本実施例のエンコーダユニット９は、軟鋼板等の磁性金属板を断面クランク型で全体を円環状に形成して成る芯金１０と、ゴム磁石、プラスチック磁石等の円筒状の永久磁石１１とから成る。このうちの芯金１０は、互いに同心の小径円筒部１２と大径円筒部１３とを円輪状の連続部１４により連続させて成る。請求項１、２、９、１０に記載した１個のエンコーダである、上記永久磁石１１は、このうちの大径円筒部１３の基半部外周面に全周に亙り、貼着、焼き付け等により支持固定している。上記永久磁石１１は径方向に着磁されており、着磁方向は、円周方向に関して、交互に且つ等間隔で変化させている。従って、上記永久磁石１１の外周面には、Ｓ極とＮ極とが、交互に、且つ、等間隔で配置されている。又、円周方向に隣り合うＳ極とＮ極との境界は、上記永久磁石１１の軸方向に対し傾斜している。傾斜角度は総ての境界で同じとし、この永久磁石１１の全幅に亙り変化しない。
【００３７】
一方、上記芯金１０の大径円筒部１３の先半部で上記永久磁石１１から露出した部分に、複数の透孔１５、１５を、円周方向に関し、間欠的に且つ等間隔に形成して、当該部分を、請求項２、１０に記載した他のエンコーダとしている。上記各透孔１５、１５の数は、上記永久磁石１１の外周面に存在するＳ極の数（又はＮ極の数）と同じとしている。又、上記各透孔１５、１５の形状は平行四辺形とし、円周方向に関して、これら各透孔１５、１５と、円周方向に隣り合う透孔１５、１５同士の間に存在する柱部１６、１６との境界を、上記大径円筒部１３の軸方向に対し傾斜させている。これら各柱部１６、１６と上記各透孔１５、１５との境界の傾斜方向は、上記Ｓ極とＮ極との境界の傾斜方向とは逆にしている。又、前記エンコーダユニット９の円周方向に関して、上記各透孔１５、１５の位相と、上記永久磁石１１のＳ極（Ｎ極でも同じ）の位相とを一致させている。
【００３８】
上述の様なエンコーダユニット９は、例えば自動車の車輪支持用転がり軸受ユニットを構成する、回転側軌道輪であるハブ２（図６、１０参照）の一部に、このハブ２と同心に外嵌固定して、このハブ２と共に回転自在とする。そして、上記永久磁石１１の外周面と、上記大径円筒部１３の先半部外周面とに、それぞれセンサ１７、１８の検出部を、検出隙間を介して近接対向させる。これら両センサ１７、１８のうち、請求項２、１０に記載した１個のセンサである、上記永久磁石１１の外周面に検出部を対向させるセンサ１７は、磁気検知素子１９を備えて永久磁石を備えないものとしている。これに対して、請求項２、１０に記載した他のセンサである、上記大径円筒部１３の外周面に対向させるセンサ１８は、磁気検知素子１９ａ及び永久磁石２０を備えたものとしている。このセンサ１８を構成する永久磁石２０は、この永久磁石２０と上記磁気検知素子１９ａとの配列方向に着磁して、この永久磁石２０と上記大径円筒部１３との間を流れる磁束が、上記磁気検知素子１９ａを流れる様にしている。尚、上記永久磁石２０と共に上記センサ１８を構成する磁気検知素子１９ａは、必要に応じ、上記永久磁石を含まないセンサ１７を構成する磁気検知素子１９よりも大きくする。そして、上記永久磁石２０と上記大径円筒部１３との間を、上記磁気検知素子１９ａを通過せずに流れる磁束の割合を少なくする。これに合わせて、上記各透孔１５、１５を形成した、上記大径円筒部１３の先半部の軸方向寸法を確保する。
【００３９】
上述の様に構成する本実施例の場合、エンコーダユニット９を外嵌固定した回転側軌道輪と、上記両センサ１７、１８を支持した静止側軌道輪との間にアキシアル荷重が作用せず、これら両軌道輪同士の間にアキシアル方向の変位が発生していない状態では、上記両センサ１７、１８の出力信号の位相が一致する。これに対して、上記両軌道輪同士の間にアキシアル方向の変位が発生すると、上記両センサ１７、１８の出力信号の位相がずれる。そこで、このずれの方向及び大きさに基づいて、上記両軌道輪同士の間のアキシアル方向の変位の方向及び大きさを求められる。更に、このアキシアル方向の変位の方向及び大きさに基づいて（或いは上記両センサ１７、１８の出力信号から直接）、上記アキシアル荷重の方向及び大きさを求められる。
【００４０】
特に、本実施例の場合には、コスト及び設置スペースを抑えつつ、転がり軸受ユニットを構成する静止側軌道輪と回転側軌道輪との間の変位、延ては、これら両軌道輪同士の間に作用する荷重を精度良く求められる。先ず、上記大径円筒部１３の基半部外周面に設けた永久磁石１１にしても、着磁範囲の形状（平行四辺形）が単純であり、着磁ヨークの構造も単純なもので済む為、コストを抑えられる。又、上記永久磁石１１の外周面に対向するセンサ１７を永久磁石を持たないものとして、これら永久磁石１１とセンサ１７との組み合わせ部分の軸方向寸法、延ては設置スペースの増大を抑えつつ、位相変化の検出精度、延ては変位、更には荷重の検出精度を確保できる。
【実施例２】
【００４１】
図２は、請求項１、３、９、１１に対応する、本発明の実施例２を示している。本実施例の場合には、エンコーダユニット９ａを、軟鋼板等の磁性金属板を断面クランク型で全体を円環状に形成して成る芯金１０ａと、それぞれがゴム磁石、プラスチック磁石等の円筒状の１対の永久磁石１１、１１ａとから構成している。これら両永久磁石１１、１１ａは、同構造のものを１８０度反転させると共に、円周方向に関する位相を、着磁ピッチの１／４（隣り合うＳ極とＮ極とのピッチの１／２）だけずらせた状態で、上記芯金１０ａの大径円筒部１３ａの外周面に全周に亙り、軸方向に関して互いに離隔した状態で支持固定している。そして、それぞれが請求項３、１１に記載したエンコーダである、上記両永久磁石１１、１１ａの外周面に、それぞれが磁気検知素子１９を備えて永久磁石を備えない、１対のセンサ１７、１７の検出部を、検出隙間を介して対向させている。
【００４２】
本実施例の場合、何れのエンコーダも永久磁石１１、１１ａにより構成して、何れのセンサ１７、１７にも永久磁石を設けない様にしている為、位相検出の精度確保と軸方向寸法の短縮とを、より高次元で両立させる事ができる。又、本実施例の場合には、上記両永久磁石１１、１１ａ同士の円周方向に関する位相を、着磁ピッチの１／４だけずらせている為、加速度センサ等の他のセンサからの信号を利用しなくても、上記両センサ１７、１７の出力信号の位相のずれのみで、アキシアル方向の変位の方向を知る事ができる。即ち、これら両センサ１７、１７の出力信号同士の間の位相のずれは限られており、上記着磁ピッチの１／４を越えて変位する事はない。従って、この位相が、ずれがない状態（０＝位相一致）を挟んで両方向に変化する事がない。この為、上記１／４ピッチ分のずれを基準として各瞬間のずれの大きさの変位を観察する事により、上記両センサ１７、１７の出力信号の位相のずれのみで、アキシアル方向の変位の大きさだけでなく、その方向を知る事ができる。この様な、１／４ピッチ分等、生じ得る変位の最大値を越えたずれを設定する構造は、前述の実施例１を含め、他の実施例の構造で実施する事もできる。
【実施例３】
【００４３】
図３は、請求項１、３、４、９、１１、１２に対応する、本発明の実施例３を示している。本実施例の場合には、磁性金属板製の芯金１０ｂの大径円筒部１３ｂの中間部外周面に、請求項４、１２に記載した突条である、外向フランジ状の鍔部２２を、この芯金１０ｂを構成する磁性金属板を径方向外方に座屈変形させる事により形成している。そして、それぞれが請求項１、３、４、９、１１、１２に記載したエンコーダである、１対の永久磁石１１、１１ａの互いに対向する側縁を、上記鍔部２２の軸方向両側面に突き当てている。
【００４４】
本実施例の場合には、上述の様な構成を採用する事により、軸方向に隣接する永久磁石１１、１１ａ同士の間に磁気干渉が生じる事を防止している。この為、これら両永久磁石１１、１１ａの外周面に対向する１対のセンサ１７、１７の出力信号同士の間の位相差を精度良く求められる。又、上記芯金１０ｂに対する上記両永久磁石１１、１１ａの軸方向に関する位置決め精度を向上させて、この面からも、アキシアル方向の変位又は荷重に関する検出精度の向上を図れる。その他の部分の構成及び作用は、上述した実施例１と同様である。
【実施例４】
【００４５】
図４は、請求項１、３、５、９、１１、１３に対応する、本発明の実施例４を示している。本実施例の場合には、磁性金属材製の芯金１０ｃに設けた、請求項５、１３に記載した支持円筒部である大径円筒部１３ｃの内周面に、その内周面を被検出面とした、１個のエンコーダである永久磁石１１ｂを支持固定している。又、上記大径円筒部１３ｃの外周面に、その外周面を被検出面とした、他のエンコーダである永久磁石１１ｃを支持固定している。この永久磁石１１ｃの外周面に存在するＳ極とＮ極との境界の傾斜方向と、上記永久磁石１１ｂの内周面に存在するＳ極とＮ極との境界の傾斜方向とは、互いに逆方向としている。そして、上記両永久磁石１１ｂ、１１ｃの被検出面に、それぞれ磁気検知素子１９を備えて永久磁石を備えない、センサ１７、１７の検出部を、検出隙間を介して対向させている。
本実施例の場合には、この様な構造を採用する事により、２組のエンコーダ及びセンサの組み付け個所の軸方向寸法を小さく抑えている。
【実施例５】
【００４６】
図５は、請求項１〜３、６、９〜１１、１４に対応する、本発明の実施例５を示している。本実施例の場合には、１個のエンコーダ２２を、回転側軌道輪であるハブ２ａの中間部外周面にこのハブ２ａと同心に、他のエンコーダ２３を、このハブ２ａに結合固定されてこのハブ２ａと同期して回転する等速ジョイント２４の等速ジョイント用外輪２５の外周面に、この等速ジョイント用外輪２５と同心に、それぞれ外嵌固定している。
本実施例の場合には、この様な構造を採用する事により、小型の転がり軸受ユニット２６で、エンコーダ及びセンサの設置スペースが限られている場合でも、複数組のエンコーダ２２、２３及びセンサ２７、２８を、効率良く組み込める様にしている。
【００４７】
尚、図示の各実施例は、アキシアル方向の変位及びアキシアル荷重を求める構造を示しているが、本発明は、ラジアル方向の変位及びラジアル荷重を求める構造に適用する事もできる。ラジアル方向の変位及びラジアル荷重を求める場合には、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る。この様に構成すれば、外輪とハブとのラジアル方向に関する変位、延てはこれら外輪とハブとの間に加わるラジアル荷重を求められる。又、本発明を自動車の車輪支持用転がり軸受ユニットに関して実施する場合には、センサの設置位置を路面側（下側）にする事が好ましい、この理由は、路面から車輪（タイヤ）に加わるアキシアル荷重は、上記転がり軸受ユニットにモーメント荷重として入力され、上記センサを下側に配置した場合には、このモーメント荷重が、このセンサの検出部とエンコーダの被検出面との間の隙間を縮める方向に作用する為、このセンサの位置を下側にする事で、検出感度が向上する為である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例１を構成するエンコーダ及びセンサを取り出して示す断面図。
【図２】同実施例２を示す、図１と同様の図。
【図３】同実施例３を示す、図１と同様の図。
【図４】同実施例４を示す、図１と同様の図。
【図５】同実施例５を示す断面図。
【図６】先発明に係る変位測定装置付転がり軸受ユニットの第１例を示す断面図。
【図７】この第１例に組み込むエンコーダの斜視図。
【図８】同じく展開図。
【図９】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。
【図１０】先発明の第２例を示す断面図。
【図１１】この第２例に組み込むエンコーダの斜視図。
【図１２】同じく展開図。
【図１３】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。
【符号の説明】
【００４９】
１    外輪
２、２ａ  ハブ
３    転動体
４、４ａ、４ｂ  エンコーダ
５、５ａ  センサ
６、６ａ、６ｂ  透孔
７ａ、７ｂ  柱部
８    リム部
９、９ａ  エンコーダユニット
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  芯金
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ  永久磁石
１２    小径円筒部
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ  大径円筒部
１４    連続部
１５    透孔
１６    柱部
１７    センサ
１８    センサ
１９、１９ａ  磁気検知素子
２０    永久磁石
２１    鍔部
２２    エンコーダ
２３    エンコーダ
２４    等速ジョイント
２５    等速ジョイント用外輪
２６    転がり軸受ユニット
２７    センサ
２８    センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006337356.tif 000009
【図８】
2006337356.tif 000010
【図９】
2006337356.tif 000011
【図１０】
2006337356.tif 000012
【図１１】
2006337356.tif 000013
【図１２】
2006337356.tif 000014
【図１３】
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