(57)【要約】【課題】  荷重の測定精度及び回転側軌道輪の回転状態を表す状態値に関する測定精度の向上を図れる構造を実現する。【解決手段】  １対のセンサＡ、Ｂの検出部をエンコーダ４の被検出面のうちで互いに異なる２個所位置に対向させ、この被検出面の特性変化に対応して、上記両センサＡ、Ｂの出力信号を変化させる。演算器は、これら両センサＡ、Ｂの出力信号同士の間に存在する位相差に基づいて、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する荷重若しくは力を算出する。回転状態測定装置は、上記両センサＡ、Ｂの出力信号を何れも利用する事により、上記回転側軌道輪の回転角速度に関連する、この回転側軌道輪の回転状態を表す状態値を求める。【選択図】  図１３
2007085742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受ユニットと、荷重測定装置と、回転状態測定装置とを備え、
このうちの転がり軸受ユニットは、静止側周面に静止側軌道を有し、使用状態でも回転しない静止側軌道輪と、回転側周面に回転側軌道を有し、使用時に回転する回転側軌道輪と、これら回転側軌道と静止側軌道との間に設けられた複数個の転動体とを備え、
上記荷重測定装置は、エンコーダと、１対のセンサと、演算器とを備え、
このうちのエンコーダは、上記回転側軌道輪若しくはこの回転側軌道輪に結合固定されてこの回転側軌道輪と共に回転を含んだ変位をする部材の一部に、この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材と同心に支持されたもので、被検出面に、互いに異なる特性を有する第一被検出部と第二被検出部とが円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置されており、これら第一、第二両被検出部の境界が、上記被検出面の幅方向に対し傾斜しており、
上記両センサは、それぞれの検出部を上記エンコーダの被検出面のうちで互いに異なる２個所位置に対向させた状態で回転しない部分に支持され、この被検出面の特性変化に対応してその出力信号を変化させるものであり、
上記演算器は、上記両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若しくは力を算出するものであり、
上記回転状態測定装置は、上記両センサの出力信号を何れも利用する事により、上記回転側軌道輪の回転角速度に関連する、この回転側軌道輪の回転状態を表す状態値を求めるものである
荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項２】
第一、第二両被検出部の境界の、被検出面の幅方向に対する傾斜方向が、この幅方向中間部を境に互いに逆方向であり、１対のセンサの検出部が、上記被検出面の幅方向に離隔した２個所位置で上記傾斜方向が互いに逆である部分に対向している、請求項１に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項３】
荷重測定装置が算出する荷重が、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に加わるアキシアル荷重であり、エンコーダが円筒状であって、このエンコーダの被検出面が内外両周面のうちの何れかの周面であり、１対のセンサの検出部が、この被検出面の一部で軸方向に離隔した２個所位置に対向している、請求項２に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項４】
荷重測定装置が算出する荷重が、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に加わるラジアル荷重であり、エンコーダが円輪状であって、このエンコーダの被検出面が軸方向片側面であり、１対のセンサの検出部が、この被検出面の一部で径方向に離隔した２個所位置に対向している、請求項２に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項５】
荷重測定装置が算出する力が、静止側軌道輪の中心軸と回転側軌道輪の中心軸とを傾斜させる方向に加わるモーメントであり、エンコーダが円筒状であって、このエンコーダの被検出面が内外両周面のうちの何れかの周面であり、第一、第二両被検出部の境界が、被検出面の幅方向の全体に亙り同じ方向に傾斜しており、１対のセンサの検出部が、この被検出面の直径方向反対側２個所位置に対向している、請求項１に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項６】
エンコーダが永久磁石製であって、第一被検出部と第二被検出部とのうちの一方の被検出部がＮ極であり、他方の被検出部がＳ極である、請求項１〜５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７】
第一被検出部と第二被検出部とのうちの一方の被検出部が透孔若しくは凹孔であり、他方の被検出部が円周方向に隣り合う透孔若しくは凹孔同士の間に存在する間部分である、請求項１〜５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８】
第一被検出部と第二被検出部とのうちの一方の被検出部が凸部であり、他方の被検出部が円周方向に隣り合う凸部同士の間に存在する凹部である、請求項１〜５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】
この発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、複数個の転動体を介して相対回転自在に組み合わされた静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に加わる荷重を求める為に利用する。更に、この求めた荷重を、自動車等の車両の走行安定性確保を図ったり、或いは、工作機械の運転状態を適正にする為等に利用する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車の車輪は懸架装置に対し、複列アンギュ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）やトラクショ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い場合がある。
【０００３】
この様な事情に鑑みて、特許文献１には、複列アンギュ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、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。この様な特許文献１に記載された荷重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、特願２００４−２７９１５５号に記載された様な、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によれば、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。図５〜７は、上記出願に開示された先発明のうちの第１例の構造を示している。この先発明に係る構造は、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）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、予圧を付与している。そして、このハブ２の中間部にエンコーダ４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１対のセンサ５、５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の外周面に近接対向させた状態で設けている。尚、上記センサ５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んでいる。
【０００５】
図５〜７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。
【０００６】
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。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。
【０００７】
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、これら外輪１とハブ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７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。
【０００８】
これに対して、上記エンコーダ４を固定したハブ２に、図７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７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７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７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。
【０００９】
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作用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作用方向及び大きさを求められる。
【００１０】
上述した先発明の第１例の場合には、永久磁石製のエンコーダ４を使用しているが、前記特願２００４−２７９１５５号には、図８に示す様な、磁性材製のエンコーダ４ａを使用した構造に就いても記載されている。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。
【００１１】
上述の様なエンコーダ４ａは、図５に示した第１例と同様に、ハブ２に外嵌固定し、外輪１（図５参照）の軸方向中間部に設置した１対のセンサの検出部を、上記エンコーダ４ａの外周面に近接対向させる。尚、先発明の第２例の場合には、このエンコーダ４ａが単なる磁性材製である為、上記１対のセンサの側に永久磁石を組み込む。この様な先発明の第２例の場合も、前述した先発明の第１例の場合と同様の作用により、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作用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。
【００１２】
又、上述の図８に示したエンコーダ４ａは、互いに独立した透孔６ａ、６ｂを「ハ」字形に配置しているが、図９に示した第３例の様に、連続した「ヘ」字形の透孔６ｃ、６ｃを、円周方向に亙り等間隔に配置したエンコーダ４ｂを使用する事もできる。尚、図９に示した構造の場合には、１対の磁気検出素子８、８と１個の永久磁石９とを単一のホルダ１０の先端部に包埋支持して、１対のセンサとして機能する、一体型のセンサユニットを構成している。外輪１とハブ２との間に作用するアキシアル荷重を求める機能に就いては、前述した第１例、或いは、上述した第２例と同様である。
【００１３】
前記特願２００４−２７９１５５号に記載された荷重測定装置付転がり軸受ユニットの構成及び作用は、上述の通りであるが、転がり軸受ユニットに加わる荷重若しくはモーメントを測定する装置としては、他にも、例えば特願２００５−１４７６４２号、同２００５−２５６７５２号に開示されたものがある。図１０〜１１に、上記転がり軸受ユニットに加わる荷重若しくはモーメントを測定する為の他の装置の２例を示している。
先ず、図１０に示した、先発明の第４例の構造の場合には、ハブ２ａの中間部に、永久磁石により円筒状に構成したエンコーダ４ｂを、断面クランク形の支持環１１を介して外嵌固定している。このエンコーダ４ｂの被検出面である外周面には、Ｎ極とＳ極とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置している。又、図１０の（Ａ）に示す様に、上記Ｎ極とＳ極との境界の形状を、上記エンコーダ４ｂの軸方向（上記外周面の幅方向）に対して同方向に同じ角度だけ傾斜させている。そして、上記エンコーダ４ｂの外周面に、外輪１の軸方向中間部に支持したセンサ５ａの検出部を、径方向に近接対向させている。
【００１４】
又、上記外輪１の内端部内周面と上記ハブ２ａの内端部外周面との間を塞ぐ組み合わせシールリング１２を構成する、このハブ２ａの内端部に外嵌固定したスリンガ１３の内側面に、円輪状の第二エンコーダ１４を、このハブ２ａと同心に添着固定している。この第二エンコーダ１４の被検出面である内側面には、Ｎ極とＳ極とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置している。又、図１０の（Ｂ）に示す様に、上記Ｎ極とＳ極との境界を、放射方向の直線形状としている。上記エンコーダ４ｂの外周面に存在するＳ極及びＮ極の数と、上記第二エンコーダ１４の内側面に存在するＳ極及びＮ極の数とは、互いに等しい。そして、この第二エンコーダ１４の内側面に、懸架装置を構成するナックル（図示せず）等の静止部材の一部に支持した第二センサ１５の検出部を、軸方向に近接対向させている。
【００１５】
この様な先発明の第４例の場合には、上記外輪１と上記ハブ２ａとの間にアキシアル荷重が作用せず、これら外輪１とハブ２ａとが軸方向に相対変位していない、中立状態で、上記両センサ５ａ、１５の検出信号が同時に（或いは所定の時間差で）変化する様にしている。この為に、上記中立状態で、上記第二センサ１５の検出部が上記第二エンコーダ１４の内側面に存在するＳ極とＮ極との境界に対向するのと同時（或いは所定の時間差で）に、上記センサ５ａの検出部が上記エンコーダ４ｂの外周面に存在するＳ極とＮ極との境界に対向する様に、各部材１５、１４、５ａ、４ｂの設置位置を規制している。
【００１６】
上述の様に構成する先発明の第４例の場合、上記外輪１と上記ハブ２ａとの間にアキシアル荷重が作用する（これら外輪１とハブ２ａとが軸方向に相対変位する）と、上記両センサ５ａ、１５の出力信号の位相がずれる。即ち、上記第二エンコーダ１４の内側面に対向している上記第二センサ１５の検出信号の位相は、上記相対変位の有無に関係なく、一定である（進んだり遅れたりする事はない）。これに対し、上記エンコーダ４ｂの外周面に対向している上記センサ５ａの検出信号の位相は、上記相対変位に伴って、進んだり遅れたりする。従って、この様に進んだり遅れたりする分だけ、上記両センサ５ａ、１５の出力信号の位相がずれる。
【００１７】
この様に、先発明の第４例の場合には、上記両センサ５ａ、１５の出力信号の位相が、上記外輪１と上記ハブ２ａ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、１５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、上述した先発明の第４例の場合には、上記両センサ５ａ、１５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２ａとの軸方向の相対変位の向き及び大きさ、延いては、これら外輪１とハブ２ａとの間に作用しているアキシアル荷重の向き及び大きさを求められる。
【００１８】
次に、図１１は、先発明の第５例を示している。この先発明の第５例の場合には、回転側軌道輪であるハブ２の内端部に支持環１６を、このハブ２と同心に外嵌固定している。これと共に、この支持環１６の先端部外周面に、上述した先発明の第４例で使用したものと同様の構成を有する円筒状のエンコーダ４ｂを添着固定している。又、このエンコーダ４ｂの被検出面である外周面の上下両端部に、１対のセンサ５ｂ、５ｃの検出部を近接対向させている。即ち、静止側軌道輪である外輪１の内端開口部に被着したカバー１７の内周面の上下両端部に上記両センサ５ｂ、５ｃを支持固定すると共に、これら両センサ５ｂ、５ｃの検出部を、上記エンコーダ４ｂの外周面の上下両端部に近接対向させている。
【００１９】
自動車の車輪支持用転がり軸受ユニットの場合、上記外輪１と上記ハブ２との間に加わるアキシアル荷重は、このハブ２に結合固定した車輪（タイヤ）の外周面と路面との接地面から入力される。この接地面は、上記外輪１及び上記ハブ２の回転中心よりも径方向外方に存在する為、上記アキシアル荷重はこれら外輪１とハブ２との間に、純アキシアル荷重としてではなく、これら外輪１及びハブ２の中心軸と上記接地面の中心とを含む（鉛直方向の）仮想平面内での、モーメントを伴って加わる。そして、このモーメントの大きさは、上記接地面から入力されるアキシアル荷重の大きさに比例する。そこで、このモーメントを求めれば、このアキシアル荷重を求められる事になる。一方、上記ハブ２にモーメントが加わると、上記エンコーダ４ｂの上端部が、軸方向に関して何れかの方向に、同じく下端部がこれと逆方向に、それぞれ変位する。この結果、上記エンコーダ４ｂの外周面の上下両端部にそれぞれの検出部を近接対向させた、上記両センサ５ｂ、５ｃの検出信号の位相が、それぞれ中立位置に対して、逆方向にずれる。そこで、これら両センサ５ｂ、５ｃの検出信号の位相のずれの向き及び大きさに基づいて、上記アキシアル荷重の向き及び大きさを求められる。
【００２０】
何れにしても、荷重測定装置付転がり軸受ユニットにより求めた荷重は、車輪（タイヤ）と路面との接触面（接地面）で生じている荷重と等価である。従って、この求めた荷重に基づいて車両の走行状態を安定化させる為の制御を行なえば、車両の姿勢が不安定になる事を予防する為のフィードフォワード制御が可能になる等、車両の走行安定性確保の為の高度な制御が可能になる。
【００２１】
先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの構造及び作用は上述の通りであるが、この様な先発明を、実際に自動車等の車両の走行安定性確保を図る為に利用する場合には、回転側軌道輪であるハブ２、２ａの回転状態に関する値として、例えば回転速度を表す信号も必要になる。この様な回転速度を表す信号を得る為のエンコーダ及びセンサを、荷重測定用のエンコーダ及びセンサとは別個に設ける事も考えられるが、その場合には、コスト並びに設置スペースが嵩む為、好ましくない。コスト並びに設置スペースを考慮すれば、上記荷重測定用のエンコーダ及びセンサを、上記回転速度を表す信号を得る為に利用する事が実用的である。
【００２２】
但し、上記荷重測定用のエンコーダ及びセンサを、上記回転速度を表す信号を得る為に利用する場合には、エンコーダの被検出面に存在する第一、第二両被検出部の境界がこの被検出面の幅方向に対し傾斜している事が、上記回転速度を表す信号に関しての誤差に結び付かない様に考慮しなければならない。この点に就いて、前述の図５〜７に示した構造（図８、９に示した構造も同様）を模式化した、図１２〜１３を参照しつつ説明する。
【００２３】
図１２に示す様に、被検出面であるエンコーダ４の外周面に、それぞれが「く」字形の範囲内である、第一被検出部としてのＳ極（或いは透孔）と、第二被検出部としてのＮ極（或いは柱部）とを交互に配置している。そして、このエンコーダ４の外周面のうちで軸方向に離隔した２個所位置に、１対のセンサＡ、Ｂの検出部を対向させている。この状態で、上記エンコーダ４とこれら両センサＡ、Ｂの検出部との位置関係が中立位置に存在する場合には、これら両センサＡ、Ｂの検出部と、上記Ｓ極とＮ極との境界位置との関係が、図１３の（ａ）に示す様になる。この様な図１３の（ａ）に示した状態では、上記両センサＡ、Ｂの出力信号が同時に（或いは予め設定した位相差で）変化する。又、この状態では、これら両センサＡ、Ｂの出力信号が変化する周期は、上記エンコーダ４の外周面に存在するＳ極及びＮ極のピッチに見合ったものとなる。従って、上記両センサＡ、Ｂの出力信号のうちの何れかの出力信号に基づいて、上記エンコーダ４（を固定した回転側軌道輪）の回転状態に関する値（例えば回転速度）を正確に求められる。
【００２４】
一方、上記エンコーダ４を支持固定した回転側軌道輪と静止側軌道輪との間にアキシアル荷重が作用した場合には、上記両センサＡ、Ｂの検出部に対して、上記エンコーダ４が軸方向にずれる。そして、図１３の（ｂ）に示す様に、上記センサＡが上記境界位置に対向する瞬間と、上記センサＢがこの境界位置に対向する瞬間とが前後する。この状態でも、上記両センサＡ、Ｂの検出部に対する上記エンコーダ４の被検出面の軸方向位置が安定していれば、これら両センサＡ、Ｂの出力信号のうちの何れかの出力信号に基づいて、上記エンコーダ４の回転状態に関する値を正確に求められる。
【００２５】
但し、上記図１３の（ｂ）に示した状態は必ずしも安定しない。即ち、この図１３の（ｂ）に示した状態は、上記アキシアル荷重が作用した状態での、所謂非定常状態であり、このアキシアル荷重が変動すれば変化する。従って、例えば一方のセンサＡの出力信号を見た場合に、この出力信号が変化する周期と、上記被検出面に存在するＳ極及びＮ極のピッチとが、必ずしも比例しなくなる。即ち、このピッチと関係なく、上記アキシアル荷重の変動に基づいて、上記出力信号の周期が変化する場合がある。この結果、一方のセンサＡ（Ｂでも同様）の出力信号だけからでは、上記エンコーダ４の回転状態に関する値を正確に求められない場合が生じる。この値の測定精度が悪化すると、ＡＢＳ、ＴＣＳ、ＥＳＣの性能向上を図る面から不利になる。この様な問題は、前述の図１１に示した、先発明の第５例の構造の場合も生じる。又、ラジアル荷重を求めるべく、エンコーダの軸方向側面の径方向２個所位置に、１対のセンサの検出部を対向させた構造でも生じる。
【００２６】
前述の図１０に示した先発明の第４例の構造によれば、第二エンコーダ１４の被検出面に検出部を対向させた、第二センサ１５の出力信号を利用する事により、荷重変動に拘らず、回転側軌道輪であるハブ２ａの回転速度を正確に求められる。但し、上記先発明の第４例の構造の場合には、（Ｓ極とＮ極との境界の傾斜角度を同じとした場合）外輪１とハブ２ａとの間に作用するアキシアル荷重の変動に伴う、１対のセンサ５ａ、１５の出力信号の位相がずれる程度が、先発明の他の構造（図５〜９に示した第１〜３例の構造、及び、図１１に示した第５例の構造）よりも小さくなる。言い換えれば、荷重の変動に伴って生じる、出力信号の位相差のゲインが小さくなり、この荷重の測定精度を高める面から不利である。
【００２７】
【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かる本」、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】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
本発明は、上述の様な事情に鑑み、荷重の測定精度及び回転側軌道輪の回転状態を表す状態値に関する測定精度の向上を図れる荷重測定装置付転がり軸受ユニット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】
【００２９】
本発明の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、荷重測定装置と、回転状態測定装置とを備える。
このうちの転がり軸受ユニットは、静止側周面に静止側軌道を有し、使用状態でも回転しない静止側軌道輪と、回転側周面に回転側軌道を有し、使用時に回転する回転側軌道輪と、これら回転側軌道と静止側軌道との間に、（好ましくは予圧を付与された状態で）設けられた複数個の転動体とを備える。
又、上記荷重測定装置は、エンコーダと、１対のセンサと、演算器とを備える。
このうちのエンコーダは、上記回転側軌道輪若しくはこの回転側軌道輪に結合固定されてこの回転側軌道輪と共に回転を含んだ変位をする部材の一部に、この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材と同心に支持されたものである。この様なエンコーダは、被検出面に、互いに異なる特性を有する第一被検出部と第二被検出部とが円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置されている。又、これら第一、第二両被検出部の境界は、上記被検出面の幅方向に対し傾斜している。
又、上記両センサは、それぞれの検出部を上記エンコーダの被検出面のうちで互いに異なる２個所位置に対向させた状態で回転しない部分に支持され、この被検出面の特性変化に対応してその出力信号を変化させるものである。
又、上記演算器は、上記両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若しくは力を算出するものである。
更に、上記回転状態測定装置は、上記両センサの出力信号を何れも利用する事により、上記回転側軌道輪の回転角速度に関連する、この回転側軌道輪の回転状態を表す状態値を求めるものである。
【発明の効果】
【００３０】
上述の様に構成する本発明の荷重測定装置付転がり軸受ユニットによれば、前述の図５〜９に示した先発明の第１〜３例の構造、或いは、図１１に示した第５例の構造と同様にして、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に作用する荷重若しくは力を求める事ができる。
更に、本発明の荷重測定装置付転がり軸受ユニットによれば、回転側軌道輪の回転状態を表す状態値を求める為に、１対のセンサの出力信号を両方使用するので、上記荷重や力の変動に基づく、エンコーダの変位に拘らず、上記回転状態を表す状態値を正確に求められる。即ち、上記荷重や力の変動に基づいて上記エンコーダが変位した場合、上記両センサの出力信号の位相がずれるが、このずれの方向は、これら両センサ同士の間で互いに逆であり、ずれの大きさ（絶対値）は同じになる。従って、これら両センサの出力信号が変化するタイミングを平均する等、上記エンコーダの変位に基づく、上記両センサの出力信号の位相のずれの影響を消去すれば、このエンコーダの被検出面に存在する、第一、第二両被検出部の境界の位置を正確に把握して、上記回転状態を表す状態値を正確に求められる。例えば、一方のセンサの出力信号に基づいて求めた回転側軌道輪の回転状態を表す状態値（回転速度、回転量等）と、同じ瞬間に他方のセンサの出力信号に基づいて求めた同じ状態値とを平均すれば、上記位相のずれの影響を消去して、正確な状態値を求められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明を実施する場合に、例えば請求項２に記載した様に、第一、第二両被検出部の境界の、被検出面の幅方向に対する傾斜方向を、この幅方向中間部を境に互いに逆方向とする。そして、１対のセンサの検出部を、上記被検出面の幅方向に離隔した２個所位置で、上記傾斜方向が互いに逆である部分に対向させる。
この様な請求項２に記載した構造を実施する場合に、例えば請求項３に記載した様に、荷重測定装置が算出する荷重を、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に加わるアキシアル荷重とする。又、エンコーダを円筒状とし、このエンコーダの被検出面を、内外両周面のうちの何れかの周面とする。更に、１対のセンサの検出部を、この被検出面の一部で軸方向に離隔した２個所位置に対向させる。
この様な構造は、前述の図５〜９に示した先発明の第１〜３例の構造と同様であり、上記アキシアル荷重の変動に伴う、上記両センサの出力信号同士の間の位相差の変動を大きくできて、このアキシアル荷重を精度良く求められる。
【００３２】
或いは、上述の様な請求項２に記載した構造を実施する場合に、請求項４に記載した様に、荷重測定装置が算出する荷重を、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に加わるラジアル荷重とする。又、エンコーダを円輪状とし、このエンコーダの被検出面を、軸方向片側面とする。更に、１対のセンサの検出部を、この被検出面の一部で径方向に離隔した２個所位置に対向させる。
この様な構造によれば、上記ラジアル荷重の変動に伴う、上記両センサの出力信号同士の間の位相差の変動を大きくできて、このラジアル荷重を精度良く求められる。
【００３３】
又、本発明を実施する場合に、例えば請求項５に記載した様に、荷重測定装置が算出する力を、静止側軌道輪の中心軸と回転側軌道輪の中心軸とを傾斜させる方向に加わるモーメントとする。又、エンコーダを円筒状とし、このエンコーダの被検出面を、内外両周面のうちの何れかの周面とする。そして、第一、第二両被検出部の境界を、被検出面の幅方向の全体に亙り同じ方向に傾斜させる。更に、１対のセンサの検出部を、この被検出面の直径方向反対側２個所位置に対向させる。
この様な構造は、前述の図１１に示した先発明の第５例の構造と同様であり、上記モーメントの変動に伴う、上記両センサの出力信号同士の間の位相差の変動を大きくできて、このモーメントを精度良く求められる。
【００３４】
又、本発明を実施する場合に於ける、エンコーダとセンサとの構造に就いては、特に限定しないが、磁気検知式のエンコーダ及びセンサを使用する事が、十分な測定精度を有する構造を低コストで得られる事から好ましい。
この場合に、例えば請求項６に記載した様に、エンコーダを永久磁石製とする。この場合には、第一被検出部と第二被検出部とのうちの一方の被検出部がＮ極であり、他方の被検出部がＳ極である。
或いは、請求項７に記載した様に、第一被検出部と第二被検出部とのうちの一方の被検出部を透孔若しくは凹孔とし、他方の被検出部を円周方向に隣り合う透孔若しくは凹孔同士の間に存在する間部分とする。
或いは、請求項８に記載した様に、第一被検出部と第二被検出部とのうちの一方の被検出部を凸部とし、他方の被検出部を円周方向に隣り合う凸部同士の間に存在する凹部とする。
【実施例】
【００３５】
エンコーダの変位に伴ってそれぞれの位相が変化する、１対のセンサの出力信号に基づき、このエンコーダの被検出面に存在する、第一、第二両被検出部の境界を正確に特定する状態の４例に就いて、図１〜４を参照しつつ説明する。尚、この境界を正確に特定した後には、この特定した境界に基づいて変化すると考えられる、特定出力信号（エンコーダが荷重或は力により変位しない、中立状態で回転した場合に変化するであろうと考えられる、何れかのセンサに関する補正出力信号）を求める。そして、上記特定出力信号の周期若しくは周波数に基づいて、上記エンコーダの回転速度（回転角速度）や回転角度（回転量）を算出する。上記特定出力信号を求めたり、これら回転速度や回転角度を算出するのは、上記両センサの出力信号の位相差に基づいて荷重若しくは力を求める為の演算器で行なっても良いし、上記回転速度や回転角度に関する情報の受け取り側である、例えばＡＢＳ用の制御器コントローラで行なっても良い。
【００３６】
先ず、図１に示した第１例は、図１２〜１３に示した１対のセンサＡ、Ｂの検出部が、中立状態でエンコーダ４の被検出面に、図１３の（ａ）に示す様に同じ位相で対向し、且つ、回転状態検出の為に第一被検出部と第二被検出部との境界の検出を、総ての境界毎に行なう場合に就いて示している。即ち、センサＡが、第一被検出部から第二被検出部に移る境界だけでなく、第二被検出部から第一被検出部に移る境界に就いても検出する様にしている。具体的には、図１の丸付数字のうち、上段部分の奇数番号部分で、上記センサＡの出力信号（矩形波信号）が立ち上がる瞬間だけでなく、降下する瞬間も、観察する様にしている。他のセンサＢに関しては、図１の丸付数字のうち、下段部分の偶数番号部分で、上記センサＢの出力信号が立ち上がる瞬間と降下する瞬間とを観察する様にしている。
【００３７】
図１の横方向に関して等間隔に、それぞれ縦方向に記載した破線は、上記エンコーダ４の回転状態を表す状態値を求める面から見た場合に、本来｛図１３の（ａ）に示す様に、上記エンコーダ４が中立位置にある場合に｝上記両センサＡ、Ｂの検出部との関係で、上記第一被検出部と第二被検出部との境界が存在すべき部分である。上記丸付数字で表した、上記両センサＡ、Ｂの出力信号の立ち上がり位置と降下位置とが上記各破線に一致すれば、上記回転状態を表す状態値を正確に求められる事は明らかである。これに対して、上記エンコーダ４が、アキシアル荷重等の影響で図１３の（ｂ）に示す様に変位すると、図１に示す様に、上記両センサＡ、Ｂの出力信号の立ち上がり位置と降下位置とが上記各破線からずれる（立ち上がったり降下するタイミングが前後する）。
【００３８】
前述の図５〜７に示した先発明の第１例に関する説明、更には上記図１から明らかな通り、上記エンコーダ４が変位した場合に、上記両センサＡ、Ｂの出力信号の立ち上がり位置と降下位置とが上記各破線からずれる方向は、これら両センサＡ、Ｂ同士の間で逆であり、ずれの大きさは同じである。従って、これら両センサＡ、Ｂの出力信号が変化するタイミングを平均する（立ち上がりであるか降下であるかの面から同じであり、且つ、隣接する丸付奇数番号のタイミングと丸付偶数番号のタイミングとを平均する）等、上記エンコーダ４の変位に基づく、上記両センサＡ、Ｂの出力信号の位相のずれの影響を消去すれば、このエンコーダ４の被検出面に存在する、第一、第二両被検出部の境界の位置を正確に把握して、上記回転状態を表す状態値を正確に求められる。
【００３９】
例えば、上記両センサＡ、Ｂの出力信号が変化するタイミングを平均すれば、上記第一、第二両被検出部の境界が上記エンコーダ４の被検出面の幅方向に対し傾斜していない（境界の方向が軸方向に一致している）と仮定した状態での、回転状態検出用の特定出力信号を求められる。例えば、図１で最も左側の破線位置を求める場合に就いて説明すると、丸付数字１と丸付数字２との間の時間差を求めてこれを１／２にした補正値を求め、この補正値を丸付数字１のタイミングに加えるか、或いは丸付数字２のタイミングから減ずれば、上記最も左側の破線位置を求められる。他の破線位置に就いても、同様にして求められる。そして、この様にして求めた破線位置から特定される、特定出力信号の周期若しくは周波数に基づいて、上記エンコーダ４の回転速度（回転角速度）や回転角度（回転量）を算出できる。或いは、一方のセンサＡの出力信号に基づいて求めた、上記エンコーダ４（を固定したハブ等の回転側軌道輪）の回転状態を表す状態値（回転速度、回転量等）と、同じ瞬間に他方のセンサＢの出力信号に基づいて求めた同じ状態値とを平均すれば、上記位相のずれの影響を消去して、正確な状態値を求める事もできる。
【００４０】
次に、図２に示した第２例は、図１２〜１３に示した１対のセンサＡ、Ｂの検出部が、中立状態でエンコーダ４の被検出面に、この被検出面の特性変化のピッチの１／４だけずれた状態で対向し、且つ、回転状態検出の為に第一被検出部と第二被検出部との境界の検出を、総ての境界毎に行なう場合に就いて示している。上記図２に示した様に、中立状態で上記両センサＡ、Ｂの出力信号の位相が所定量（１／４ピッチ分）ずれている場合には、これら両センサＡ、Ｂの出力信号の位相が所定量ずれている事を前提として（所定量である１／４ピッチ分のずれを加減して）、上記回転状態検出用の特定出力信号を求める。その他に就いては、上記図１の場合と同様である。
【００４１】
次に、図３に示した第３例は、図１２〜１３に示した１対のセンサＡ、Ｂの検出部が、中立状態でエンコーダ４の被検出面に、図１３の（ａ）に示す様に同じ位相で対向し、且つ、回転状態検出の為に第一、第二両被検出部同士の境界の検出を、上記センサＡの出力信号の立ち上がりの瞬間と、上記センサＢの出力信号の降下の瞬間とで行なう場合に就いて示している。上記図３に示した様に、中立状態で上記両センサＡ、Ｂの出力信号の検出のタイミングが所定量（立ち上がりの瞬間と降下の瞬間との位相差である、１／２ピッチ分）ずれている場合には、上記両センサＡ、Ｂの出力信号の位相が所定量ずれている事を前提として（所定量である１／２ピッチ分のずれを加減して）、上記回転状態検出用の特定出力信号を求める。その他に就いては、前記図１の場合と同様である。
【００４２】
次に、図４に示した第４例は、図１２〜１３に示した１対のセンサＡ、Ｂの検出部が、中立状態でエンコーダ４の被検出面に、１８０度（１／２ピッチ分）異なる位相で対向し、且つ、回転状態検出の為に第一、第二両被検出部の境界の検出を、上記両センサＡ、Ｂの出力信号の降下（立ち上がりでも同じ）の瞬間に基づき行なう場合に就いて示している。上記図４に示した様に、中立状態で上記両センサＡ、Ｂの出力信号の検出のタイミングが所定量（降下の瞬間同士、又は立ち上がりの瞬間同士の位相差である、１／２ピッチ分）ずれている場合には、上記両センサＡ、Ｂの出力信号の位相が所定量ずれている事を前提として（所定量である１／２ピッチ分のずれを加減して）、上記回転状態検出用の特定出力信号を求める。その他に就いては、前記図１の場合と同様である。
【００４３】
図１〜４により説明した処理は、回転速度や回転角度等、回転側軌道輪の回転状態を表す状態値を表す信号を受け取る側の制御器で行なう場合を想定して説明している。但し、この制御器側で上述の様な処理を行なう事が、演算処理速度の確保等の関係で難しい場合は、１対のセンサの出力信号に基づいて上記第一、第二両被検出部の境界を検出してこの境界を表す信号を作成する演算ユニット側、即ち、上記回転速度や回転角度等、回転側軌道輪の回転状態を表す状態値を表す信号を発信する側で、荷重変動等に基づく位相のずれの影響を消去する処理を実施する事もできる。この場合には、上記発信する側の演算ユニットで、図１〜４に破線で示したタイミングで変化する特定出力信号（正規な信号）を新たに生成し、この特定出力信号を、上記回転状態を表す状態値を表す信号を受け取る側の制御器に送信する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例の第１例を説明する為の線図。
【図２】同第２例を説明する為の線図。
【図３】同第３例を説明する為の線図。
【図４】同第４例を説明する為の線図。
【図５】先発明に係る荷重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６】この第１例に組み込むエンコーダの斜視図。
【図７】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。
【図８】先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第２例に組み込むエンコーダの斜視図。
【図９】先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第３例を示す断面図。
【図１０】同第４例を示す断面図。
【図１１】同第５例を示す断面図。
【図１２】先発明の係るエンコーダと１対のセンサとを抜き出して示す模式図。
【図１３】エンコーダと１対のセンサの検出部との位置関係のうち、（ａ）は中立状態を、（ｂ）は軸方向に変位した状態をそれぞれ示す、図１２の部分拡大図。
【符号の説明】
【００４５】
１    外輪
２、２ａ  ハブ
３    転動体
４、４ａ、４ｂ  エンコーダ
５、５ａ、５ｂ、５ｃ  センサ
６ａ、６ｂ、６ｃ  透孔
７ａ、７ｂ  柱部
８    磁気検出素子
９    永久磁石
１０    ホルダ
１１    支持環
１２    組み合わせシールリング
１３    スリンガ
１４    第二エンコーダ
１５    第二センサ
１６    支持環
１７    カバー
【図１】
2007085742.tif 000003
【図２】
2007085742.tif 000004
【図３】
2007085742.tif 000005
【図４】
2007085742.tif 000006
【図５】
2007085742.tif 000007
【図６】
2007085742.tif 000008
【図７】
2007085742.tif 000009
【図８】
2007085742.tif 000010
【図９】
2007085742.tif 000011
【図１０】
2007085742.tif 000012
【図１１】
2007085742.tif 000013
【図１２】
2007085742.tif 000014
【図１３】
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