(57)【要約】【課題】列間（複列に設けられた転動体３ａ、３ａ同士の間部分）のスペースが狭い車輪支持用転がり軸受ユニットを対象とする場合でも、荷重測定装置を構成するエンコーダ６ｂ及びセンサ７ａ、７ａの寸法を十分に確保できる構造を実現する。【解決手段】上記エンコーダ６ｂ及びセンサ７ａ、７ａを、スペースの狭い列間ではなく、スペースの広い軸端（外輪１及びハブ２ａの内端部）に配置する。具体的には、上記エンコーダ６ｂをこのハブ２ａの内端部に支持固定すると共に、上記各センサ７ａ、７ａを上記外輪１の内端部に支持固定する。この様な構成を採用する事により、上記課題を解決できる。【選択図】図１
2007178201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受ユニットと、荷重測定装置とを備え、
このうちの転がり軸受ユニットは、静止側周面に複列の静止側軌道を有し、使用時にも回転しない静止側軌道輪と、回転側周面に複列の回転側軌道を有し、使用時に回転する回転側軌道輪と、上記各静止側軌道と上記各回転側軌道との間にそれぞれ複数個ずつ転動自在に設けられた転動体とを備えたものであり、
上記荷重測定装置は、エンコーダと、センサと、演算器とを備え、
このうちのエンコーダは、上記回転側軌道輪又はこの回転側軌道輪と共に回転する部材の一部で軸方向に関して複列の回転側軌道及びこれら両回転側軌道同士の間部分から外れた部分に支持固定又は固設され、上記回転側軌道輪と同心に設けた被検出面の特性を円周方向に関して交互に変化させると共に、この被検出面の特性が円周方向に関して変化する位相若しくはピッチを、この被検出面の幅方向の少なくとも一部でこの幅方向に応じて連続的に変化させたものであり、
上記センサは、検出部を上記被検出面に対向させた状態で、使用時にも回転しない部分に支持され、上記被検出面の特性変化に対応して出力信号を変化させるものであり、
上記演算器は、上記センサの出力信号が変化するパターン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加わる荷重を算出する機能を有するものである、
荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項２】
エンコーダが、回転側軌道輪である内輪相当部材に支持固定又は固設され、センサが、固定側軌道輪である外輪相当部材に支持固定されている、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】
回転側軌道輪である内輪相当部材の一端部が、静止側軌道輪である外輪相当部材の径方向内側から軸方向に突出しており、エンコーダが、上記内輪相当部材の一端部のうち上記外輪相当部材の径方向内側から軸方向に突出した部分に支持固定又は固設されている、請求項１〜２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４】
エンコーダが、回転側軌道輪である内輪相当部材に圧入により嵌合固定されている、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
【請求項５】
エンコーダが、回転側軌道輪である内輪相当部材の外周面と静止側軌道輪である外輪相当部材の内周面との間に存在する空間の端部開口を塞ぐ状態で設けられたシール装置の構成部材と一体に設けられている、請求項１〜４のうちの何れか１項に記載され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、回転側軌道輪である内輪相当部材の表面に一体形成されている、請求項１〜３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】
エンコーダが、被検出面に、互いに異なる特性を有する第一特性部と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すると共に、これら第一、第二両特性部の境界を、少なくとも上記被検出面の幅方向の一部でこの被検出面の幅方向に対し傾斜させ、且つ、この境界のこの幅方向に対する傾斜方向又は傾斜角度を、上記被検出面の幅方向中間部を境に互いに異ならせたものであり、センサが、それぞれの検出部を上記被検出面のうちこの被検出面の幅方向中間部を挟んでこの幅方向に離隔した２個所位置に対向させた１対のセンサであり、演算器が、これら１対のセンサの出力信号の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加わる荷重を算出する機能を有するものである、請求項１〜６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】
エンコーダが、被検出面に、互いに異なる特性を有する第一特性部と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すると共に、このうちの第一特性部の円周方向に関する幅を上記被検出面の幅方向片側程広くし、且つ、上記第二特性部の円周方向に関する幅をこの被検出面の幅方向他側程広くしたものであり、センサが、その検出部をこの被検出面の一部に対向させた１つのセンサであり、演算器が、この１つのセンサの出力信号のデューティ比に基づいて静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に加わる荷重を算出する機能を有するものである、請求項１〜６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９】
エンコーダが永久磁石製であり、第一特性部がＮ極とＳ極とのうちの一方の極に着磁された部分であり、第二特性部が同じく他方の極に着磁された部分である、請求項１〜８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１０】
エンコーダが磁性材製であり、第一特性部が中実部と除肉部とのうちの一方であり、第二特性部が中実部と除肉部とのうちの他方である、請求項１〜８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１１】
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１〜１０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、自動車等の車両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、近年、未公開ではあるが、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荷重測定装置付転がり軸受ユニットが発明（例えば、特願２００５−１４７６４２号）され、その開発が進められている。図１１〜１４は、この様な特殊なエンコーダを使用した荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第１例を示している。この先発明の第１例の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、懸架装置に支持された状態で回転しない、静止側軌道輪であって且つ外輪相当部材である外輪１の内径側に、車輪を支持固定した状態でこの車輪と共に回転する、回転側軌道輪であって且つ内輪相当部材であるハブ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。具体的には、上記外輪１の内周面に複列に設けた外輪軌道４、４と、上記ハブ２の外周面に複列に設けた内輪軌道５、５との間に、それぞれ上記転動体３、３を複数個ずつ、転動自在に設けている。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。
【０００５】
そして、上記ハブ２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、円筒状のエンコーダ６を外嵌固定している。又、上記外輪１の中間部で複列に配置された上記各転動体３、３同士の間部分に１対のセンサ７、７を支持固定すると共に、これら両センサ７、７の検出部を、上記エンコーダ６の被検出面である外周面に近接対向させている。尚、上記１対のセンサ７、７の検出部にはそれぞれ、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。
【０００６】
上記エンコーダ６は、図１２〜１３に示す様に、永久磁石により全体を円筒状に構成すると共に、軟鋼板等の磁性金属板により全体を円筒状に構成した芯金８の外周面に、全周に亙り添着固定している。そして、この芯金８を上記ハブ２の軸方向中間部に締り嵌めで外嵌固定している。又、上記エンコーダ６の被検出面である外周面には、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６の軸方向（上記被検出面の幅方向）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６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。
【０００７】
又、上記両センサ７、７の検出部が上記エンコーダ６の外周面に対向する位置は、このエンコーダ６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７、７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７、７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６、７、７の設置位置を規制している。尚、この様な先発明の第１例の場合には、上記エンコーダ６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７、７側に永久磁石を組み込む必要はない。
【０００８】
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７、７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７、７の検出部は、図１４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７、７の出力信号の位相は、同図の（Ｃ）に示す様に一致する。
【０００９】
これに対して、上記エンコーダ６を固定したハブ２に、図１４の（Ａ）で下向きのアキシアル荷重が作用（上記外輪１に対し上記ハブ２が軸方向に変位）した場合には、上記両センサ７、７の検出部は、図１４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７、７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６を固定したハブ２に、図１４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７、７の検出部は、図１４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７、７の出力信号の位相は、同図の（Ｄ）に示す様にずれる。
【００１０】
上述の様に、先発明の第１例の場合には、上記両センサ７、７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７、７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、先発明の第１例の場合には、上記両センサ７、７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。尚、上記両センサ７、７の出力信号の位相差に基づいて上記アキシアル荷重を算出する処理は、図示しない演算器により行なう。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荷重との関係を、計算式やマップ等の形式で組み込んでおく。
【００１１】
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６を使用しているが、これに代えて、図１５に示す様な、磁性材製のエンコーダ６ａを使用する事もできる。被検出面である、このエンコーダ６ａの外周面には、スリット状の透孔９ａ、９ｂ（除肉部）と柱部１０ａ、１０ｂ（中実部）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９ａ、９ｂと各柱部１０ａ、１０ｂとは、上記エンコーダ６ａ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６ａ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６ａ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９ａ、９ａ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９ｂ、９ｂを形成している。
【００１２】
上述の様なエンコーダ６ａは、図１１に示した第１例と同様に、ハブ２の軸方向中間部に外嵌固定し、外輪１（図１１参照）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６ａの外周面に、軸方向に間隔をあけて近接対向させる。尚、この様な先発明の第２例の場合には、上記エンコーダ６ａ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、上述した先発明の第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。
【００１３】
又、上述の図１５に示したエンコーダ６ａは、互いに独立した透孔９ａ、９ｂを「ハ」字形に配置しているが、図１６に示した先発明の第３例の様に、連続した「ヘ」字形の透孔９ｃ、９ｃを、円周方向に亙り等間隔に配置したエンコーダ６ｂを使用する事もできる。尚、図１６に示した構造の場合には、１対の磁気検出素子１１、１１と１個の永久磁石１２とを単一のホルダ１３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。又、上述した先発明の第２〜３例で、透孔を凹部とし、柱部を凸部とする構造を採用する場合も、同様の作用を得られる。
【００１４】
尚、上述した各先発明では、エンコーダの被検出面の幅方向両半部でそれぞれ、第一特性部（Ｎ極、透孔、凹部）と第二特性部（Ｓ極、柱部、凸部）との境界を、上記被検出面の幅方向に対し傾斜させる構成を採用した。これに対し、検出精度は劣るが、エンコーダの被検出面の幅方向片半部の境界のみを幅方向に対し傾斜させ、幅方向他半部の境界を幅方向に対し傾斜させない（幅方向に対し平行にする）構成を採用する場合も、同様の作用を得られる。
【００１５】
次に、図１７〜１９は、先発明の第４例を示している。この先発明の第４例の場合も、ハブ２の軸方向中間部で複列に配置された複数個の転動体３、３の間部分に円筒状のエンコーダ６ｃを、このハブ２と同心に外嵌固定している。又、外輪１の軸方向中間部で複列に配置された複数個の転動体３、３の間部分に１つのセンサ７を支持固定すると共に、このセンサ７の検出部を、上記エンコーダ６ｃの被検出面である外周面に近接対向させている。尚、上記センサ７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。
【００１６】
上記エンコーダ６ｃは、図１８（Ｂ）に示す様に、軟鋼板等の磁性金属板により全体を円筒状に構成した芯金８の外周面に、図１８（Ａ）に示した様な永久磁石製の素材を円筒状に丸めたものを、全周に亙り添着固定している。そして、この芯金８を上記ハブ２の軸方向中間部に、締り嵌めで外嵌固定している。又、上記エンコーダ６ｃの被検出面である外周面には、Ｎ極に着磁した部分（第一特性部）とＳ極に着磁した部分（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。そして、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の形状を、上記エンコーダ６ｃの軸方向（上記被検出面の幅方向）に対し同じ角度だけ傾斜した直線形状とすると共に、円周方向に隣り合う各境界同士で、軸方向に対する傾斜方向を互いに逆にしている。これにより、上記Ｎ極に着磁された部分の円周方向に関する幅を軸方向片側｛図１８（Ｂ）の下側｝程広くし、且つ、上記Ｓ極に着磁された部分の円周方向に関する幅を軸方向他側｛図１８（Ｂ）の上側｝程広くしている。尚、この様な先発明の第４例の場合も、上記エンコーダ６ｃとして永久磁石製のものを使用しているので、上記センサ７側に永久磁石を組み込む必要はない。
【００１７】
上述の様に構成する先発明の第４例の場合、上記外輪１とハブ２との間に加わるアキシアル荷重が作用すると、上記センサの出力信号のパターンが変化する。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、上記センサ７の検出部は、図１９の（Ａ）の鎖線α上、即ち、上記エンコーダ６ｃの外周面の幅方向中央部分に対向する。この結果、上記センサ７の出力信号（矩形波信号）のデューティ比（＝高電位継続時間／１周期）は、図１９の（Ｂ）に示す様に５０％となる。これに対して、上記エンコーダ６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（上記外輪１に対し上記ハブ２が軸方向に変位）した場合には、上記センサ７の検出部は、図１９の（Ａ）の鎖線β上、即ち、上記エンコーダ６ｃの外周面のうち、幅方向中央部よりも下側にずれた部分に対向する。この結果、上記センサ７の出力信号のデューティ比は、図１９の（Ｃ）に示す様に、５０％からずれた値（図示の例では３０％）となる。更に、上記エンコーダ６ｃ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、上記センサ７の検出部は、図１９の（Ａ）の鎖線γ上、即ち、上記エンコーダ６ｃの外周面のうち、幅方向中央部よりも上側にずれた部分に対向する。この結果、上記センサ７の出力信号のデューティ比は、図１９（Ｄ）に示す様に、５０％から逆方向にずれた値（図示の例では７０％）となる。
【００１８】
上述の様に、先発明の第４例の場合には、上記センサ７の出力信号のデューティ比が、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センサ７の出力信号のデューティ比がずれる程度（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、先発明の第４例の場合には、上記センサ７の出力信号のデューティ比のずれの有無、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。尚、上記センサ７の出力信号のデューティ比に基づいて上記アキシアル荷重を算出する処理は、図示しない演算器により行なう。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デューティ比と上記アキシアル荷重との関係を、計算式やマップ等の形式で組み込んでおく。
【００１９】
上述した先発明の第４例の場合には、永久磁石製のエンコーダ６ｃを使用しているが、これに代えて、図２０に示す様な、磁性材製のエンコーダ６ｄを使用する事もできる。被検出面である、このエンコーダ４ｂの外周面には、第一特性部である凹部１４、１４（除肉部）と、第二特性部である凸部１５、１５（中実部）とを、円周方向に関して交互に配置している。これら各凹部１４、１４と凸部１５、１５とは、径方向から見た形状を台形として、それぞれの円周方向に関する幅寸法を、軸方向に関して漸次変化させている。この様なエンコーダ６ｄは、図１７に示した第４例と同様に、ハブ２の軸方向中間部に外嵌固定し、外輪１（図１７参照）の軸方向中間部に設置した１つのセンサの検出部を、上記エンコーダ６ｄの外周面に近接対向させる。尚、この様な先発明の第５例の場合には、上記エンコーダ６ｄが単なる磁性材製である為、上記センサの側に永久磁石を組み込む。この様な先発明の第５例の場合も、上述した先発明の第４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。又、上述した先発明の第５例で、凹部を透孔とし、凸部を柱部とする構造を採用する場合も、同様の作用を得られる。
【００２０】
上述した各先発明の場合には、エンコーダを円筒状に構成すると共に、このエンコーダの外周面を被検出面とし、且つ、この被検出面に１対の又は１つのセンサの検出部を径方向に対向させる構成を採用する事により、外輪とハブ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測定可能としている。これに対し、エンコーダを円輪状に構成すると共に、このエンコーダの側面を被検出面とし、且つ、この被検出面に１対の又は１つのセンサの検出部を軸方向に対向させる構成を採用すれば、外輪とハブとの間に作用しているラジアル荷重の作用方向及び大きさを測定できる。
【００２１】
ところで、上述した各先発明の対象となる車輪支持用軸受ユニット（図１１、１６、１７）は、重量が嵩まない自動車の従動輪（ＦＦ車の後輪、ＦＲ車の前輪）をする為のものであって、複数個の転動体３、３として玉を使用している。この様な各先発明の対象となる車輪支持用軸受ユニットの場合には、列間（複列に配置された複数個の転動体３、３の間部分）に、荷重測定装置を構成するエンコーダ及びセンサを配置する為の、十分なスペースが存在する。この為、上述した各先発明の場合には、上記エンコーダ及びセンサの寸法を十分に大きくできて、荷重の測定精度を十分に確保できる。
【００２２】
一方、図２１に示す車輪支持用軸受ユニットは、重量が嵩む自動車の駆動輪（ＦＦ車の前輪、ＦＲ車の後輪、４ＷＤ車の全車輪）を支持する為のものであって、複数個の転動体３ａ、３ａとして円すいころを使用している。又、ハブ２ａの中心部に、スプライン孔１６を設けている。そして、図示の様に自動車に組み付けた状態で、懸架装置を構成するナックル１７に外輪１を結合固定すると共に、等速ジョイント１８のスプライン軸１９（駆動軸）を、上記スプライン孔１６にスプライン係合させている。この様な車輪支持用軸受ユニットの場合には、上述した各先発明の対象となる車輪支持用軸受ユニットに比べて、列間のスペースが狭い。この様なスペースの狭い列間に上記エンコーダ及びセンサを配置する事は難しく、仮に配置した場合でも、これらエンコーダ及びセンサの寸法が過小になって、荷重の測定範囲を十分に確保する事が難しくなる。
【００２３】
尚、複列転がり軸受ユニットの列間のスペースの広狭は、従動輪用、駆動輪用の種別や、転動体の種類により、一義的に決定されるものではない。最終的には、当該複列転がり軸受ユニットに要求される具体的な性能等との関係で、列間のスペースの広狭が決定される。何れにしても、列間のスペースが狭い複列転がり軸受ユニットを対象とする場合には、上述した様な不都合を生じる事となる。
【００２４】
【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】
【００２５】
本発明の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、上述の様な事情に鑑み、列間のスペースが狭い複列転がり軸受ユニットを対象とする場合でも、荷重の測定範囲を十分に確保しつつ、エンコーダ及びセンサを容易に配置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】
【００２６】
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、静止側周面に複列の静止側軌道を有し、使用時にも回転しない静止側軌道輪と、回転側周面に複列の回転側軌道を有し、使用時に回転する回転側軌道輪と、上記各静止側軌道と上記各回転側軌道との間にそれぞれ複数個ずつ転動自在に設けられた転動体とを備える。
又、上記荷重測定装置は、エンコーダと、センサと、演算器とを備える。
このうちのエンコーダは、上記回転側軌道輪又はこの回転側軌道輪と共に回転する部材の一部で、軸方向に関して複列の回転側軌道及びこれら両回転側軌道同士の間部分から外れた部分に支持固定又は固設されている。そして、上記回転側軌道輪と同心に設けた被検出面の特性を、円周方向に関して交互に変化させると共に、この被検出面の特性が円周方向に関して変化する位相若しくはピッチを、この被検出面の幅方向の少なくとも一部で、この幅方向に応じて連続的に変化させている。
又、上記センサは、検出部を上記被検出面に対向させた状態で、使用時にも回転しない部分に支持されている。そして、上記被検出面の特性変化に対応して出力信号を変化させる。
又、上記演算器は、上記センサの出力信号が変化するパターンに基づいて、上記静止側軌道輪と上記回転側軌道輪との間に加わる荷重を算出する機能を有する。
【００２７】
又、上述の請求項１に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニットを実施する場合には、例えば請求項２に記載した様に、エンコーダを、回転側軌道輪である内輪相当部材に支持固定又は固設すると共に、センサを、固定側軌道輪である外輪相当部材に支持固定する構成を採用する事ができる。
又、上述の請求項１〜２に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項３に記載した様に、回転側軌道輪である内輪相当部材の一端部を、静止側軌道輪である外輪相当部材の径方向内側から軸方向に突出させると共に、エンコーダを、上記内輪相当部材の一端部のうち上記外輪相当部材の径方向内側から軸方向に突出した部分に支持固定又は固設する構成を採用する事ができる。
【００２８】
又、上述の請求項１〜３に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項４に記載した様に、エンコーダを、回転側軌道輪である内輪相当部材に、直接又は芯金等の別部材を介して、圧入により嵌合固定する構成を採用する事ができる。
又、上述の請求項１〜４に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項５に記載した様に、エンコーダを、回転側軌道輪である内輪相当部材の外周面と静止側軌道輪である外輪相当部材の内周面との間に存在する空間の端部開口を塞ぐ状態で設けられたシール装置の構成部材と一体に設ける構成を採用する事ができる。
又、上述の請求項１〜３に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項６に記載した様に、エンコーダを、回転側軌道輪である内輪相当部材の表面に一体形成する構成を採用する事ができる。
【００２９】
又、上述の請求項１〜６に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項７に記載した様に、エンコーダの被検出面に、互いに異なる特性を有する第一特性部と第二特性部とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置する。これと共に、これら第一、第二両特性部の境界を、少なくとも上記被検出面の幅方向の一部（片半部）で、この被検出面の幅方向に対し傾斜させる。且つ、この境界のこの幅方向に対する傾斜方向又は傾斜角度を、上記被検出面の幅方向中間部を境に（幅方向片半部と他半部とで）互いに異ならせる。又、センサを、それぞれの検出部を上記被検出面のうちこの被検出面の幅方向中間部を挟んでこの幅方向に離隔した２個所位置に対向させた、１対のセンサとする。又、演算器を、これら１対のセンサの出力信号の位相差に基づいて、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に加わる荷重を算出する機能を有するものとする。
【００３０】
又、上述の請求項１〜６に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項８に記載した様に、エンコーダの被検出面に、互いに異なる特性を有する第一特性部と第二特性部とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置する。これと共に、このうちの第一特性部の円周方向に関する幅を上記被検出面の幅方向片側程広くし、且つ、上記第二特性部の円周方向に関する幅をこの被検出面の幅方向他側程広くする。又、センサを、その検出部をこの被検出面の一部に対向させた、１つのセンサとする。又、演算器を、この１つのセンサの出力信号のデューティ比に基づいて、静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に加わる荷重を算出する機能を有するものとする。
【００３１】
又、上述の請求項１〜８に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項９に記載した様に、エンコーダを永久磁石製とし、且つ、第一特性部をＮ極とＳ極とのうちの一方の極に着磁された部分とし、且つ、第二特性部を同じく他方の極に着磁された部分とする構成を採用する事ができる。この様な構成を採用する場合、センサの検出部には、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切である。尚、上記エンコーダが永久磁石製である為、センサ側に永久磁石を組み込む必要はない。
【００３２】
又、上述の請求項１〜８に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項１０に記載した様に、エンコーダを磁性材製とし、且つ、第一特性部を中実部（透孔、凹部等）と除肉部（柱部、凸部等）とのうちの一方とし、且つ、第二特性部を中実部と除肉部とのうちの他方とする構成を採用する事ができる。この様な構成を採用する場合、センサの検出部には、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切である。更に、この場合、上記エンコーダが単なる磁性材製である為、センサ側に永久磁石を組み込む必要がある。
【００３３】
又、上述の請求項１〜１０に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項１１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し、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構成を採用する事ができる。
【発明の効果】
【００３４】
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の場合には、列間（複列に設けられた複数個の転動体の間部分）以外の部分に、エンコーダ及びセンサを設置する。この為、列間のスペースが狭い転がり軸受ユニットを対象とする場合でも、例えば軸端（静止側軌道輪及び回転側軌道輪の端部）等の、十分に広いスペースを確保できる個所に上記エンコーダ及びセンサを設置すれば、これらエンコーダ及びセンサの寸法を十分に大きくできる。従って、列間のスペースが狭い転がり軸受ユニットを対象とする場合でも、荷重の測定範囲を十分に確保できる。
【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１〜２は、請求項１、２、４、５、７、１０、１１に対応する、本発明の実施の形態の第１例を示している。尚、本例の特徴は、車輪支持用軸受ユニットに対するエンコーダ６ｂ及び１対のセンサ７ａ、７ａの取付個所を工夫した点にある。この車輪支持用軸受ユニットの構造に就いては、前述の図２１に示した車輪支持用軸受ユニットと同様であり、又、上記エンコーダ６ｂと１対のセンサ７ａ、７ａとの組み合わせによりアキシアル荷重を測定する作用に就いては、前述の図１６に示した先発明の第３例の場合と同様である。この為、重複する図示並びに説明を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。
【００３６】
本例の場合、ハブ２ａ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１〜５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１〜５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、磁性金属板により円筒状に形成したエンコーダ６ｂを、上記ハブ２ａと同心に支持固定している。又、外輪１の内端開口部に被着したセンサカバー２０の内側に、１対のセンサ７ａ、７ａを支持固定すると共に、これら両センサ７ａ、７ａの検出部を、上記エンコーダ６ｂの被検出面である外周面に近接対向させている。
【００３７】
本例の場合、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部分には、この間部分を密閉する為の組み合わせシールリング２１が設けられている。本例の場合には、この様な構成で、この組み合わせシールリング２１の軸方向位置や大きさを変える事なく、上記エンコーダ６ｂを上記ハブ２ａの内端部に支持固定できる様にすべく、このエンコーダ６ｂを、上記組み合わせシールリング２１を構成する、上記ハブ２ａの内端部に圧入により外嵌固定した、スリンガ２２と一体的に形成している。又、前述の図１６に示した先発明の第３例の場合と同様、被検出面である、上記エンコーダ６ｂの外周面には、それぞれが「へ」字形のスリットである複数の透孔９ｃを、円周方向に関して等間隔で配置している。尚、これら「へ」字形の透孔９ｃに代えて、頂部を切り離した「ハ」字形の透孔を採用する事もできる。又、検出精度は劣るが、被検出面の幅方向片半部の透孔のみを幅方向に対し傾斜させ、幅方向他半部の透孔は幅方向に（平行に）形成する事もできる。
【００３８】
又、上記センサカバー２０は、軟鋼板等の金属板により断面Ｌ字形で全体を円環状に構成している。この様なセンサカバー２０の内側には、円環状の合成樹脂２３を保持固定している。又、上記１対のセンサ７ａ、７ａはそれぞれ、永久磁石１２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１１とから成る。これら両センサ７ａ、７ａは、上記合成樹脂２３中に包埋支持した状態で、それぞれの検出部を、上記エンコーダ６ｂの外周面に、軸方向に間隔をあけて近接対向させている。又、上記センサカバー２０の内端面から、上記両センサ７ａ、７ａの出力信号を図示しない演算器に送る為のセンサケーブル２４を、上記センサカバー２０の外部に導出している。
【００３９】
上述の様に構成する本例の荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合も、前述の図１６に示した先発明の第３例の場合と同様の作用により、上記１対のセンサ７ａ、７ａの出力信号の位相差に基づいて、上記外輪１とハブ２ａとの間に作用しているアキシアル荷重の作用方向及び大きさを求められる。特に、本例の荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合には、上記エンコーダ６ｂ及び１対のセンサ７ａ、７ａを、十分に広いスペースが存在する個所である、軸端（上記外輪１及びハブ２ａの内端部）に設置する構成を採用している。この為、本例の場合には、列間（複列に設けられた複数個の転動体３ａ、３ａの間部分）のスペースが狭い車輪支持用軸受ユニットを対象としているのにも拘わらず、上記エンコーダ６ｂ及び１対のセンサ７ａ、７ａの軸方向寸法を十分に大きくできる。従って、上記外輪１と上記ハブ２との変位に伴って上記エンコーダ６ｂの被検出面から上記両センサ７ａ、７ａの検出部が外れない様にして、上述したアキシアル荷重の測定可能範囲を十分に確保できる。
【００４０】
［実施の形態の第２例］
次に、図３は、請求項１、２、３、４、７、１０、１１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、ハブ２ｂの内端部を、外輪１の径方向内側から軸方向内方に突出させている。そして、このハブ２ｂの内端部に磁性金属板製のエンコーダ６ｅを、圧入により外嵌固定している。この様に本例の場合には、外輪１の径方向内側から軸方向内方に突出させたハブ２ｂの内端部にエンコーダ６ｅを外嵌固定する構成を採用する事により、転動体設置空間の内端開口を密閉する組み合わせシールリング２２として、従来構造と同様のものを使用できる様にしている。又、本例の場合、上記エンコーダ６ｅは、断面クランク形で全体を円環状に構成しており、互いに同心の小径円筒部２５と大径円筒部２６とを備える。そして、このうちの小径円筒部２５を、上記ハブ２ｂの内端部に圧入により外嵌固定すると共に、上記大径円筒部２６の外周面を、被検出面としている。そして、この被検出面に、上記外輪１の内端部に被着したセンサカバー（図示せず）に支持固定した１対のセンサ（図示せず）の検出部を、軸方向に間隔をあけて近接対向させている。この様に構成する本例の荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合も、上記エンコーダ６ｅ及び１対のセンサを、十分に広いスペースが存在する個所である、軸端（上記外輪１及びハブ２ｂの内端部）に設置する構成を採用している。この為、列間のスペースが狭い構造である事に拘わらず、上記エンコーダ６ｅ及び１対のセンサの寸法を十分に大きくでき、アキシアル荷重の測定可能範囲を十分に確保できる。その他の構成及び作用は、上述した実施の形態の第１例の場合と同様である。
【００４１】
［実施の形態の第３例］
次に、図４は、請求項１、２、３、６、７、１０、１１に対応する、本発明の実施の形態の第３例を示している。本例の場合も、磁性金属である鋼材製のハブ２ｂの内端部を、外輪１の径方向内側から軸方向内方に突出させている。そして、このハブ２ｂの内端部外周面にエンコーダ６ｆを、一体形成している。即ち、このハブ２ｂの内端部外周面に、それぞれが「く」字形である、凹部２７（第一特性部である除肉部）と凸部２８（第二特性部である中実部）とを、円周方向に関して交互に配置（形成）する事により、当該部分を、歯車状のエンコーダ６ｆとしている。即ち、このエンコーダ６ｆは、前述の図１２に示した先発明の第１例で使用した永久磁石製のエンコーダ６と比較すると、Ｎ極に着磁された部分が上記凹部２７に対応し、Ｓ極に着磁された部分が上記凸部２８に対応する構成を有する。そして、被検出面である、上記エンコーダ６ｆの外周面に、上記外輪１の内端部に被着したセンサカバー（図示せず）に支持固定した１対のセンサ（図示せず）の検出部を、軸方向に間隔をあけて近接対向させている。この様に構成する本例の荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合も、上記エンコーダ６ｆ及び１対のセンサを、十分に広いスペースが存在する個所である、軸端（上記外輪１及びハブ２ｂの内端部）に設置する構成を採用している。この為、列間のスペースが狭い構造である事に拘わらず、上記エンコーダ６ｆ及び１対のセンサの寸法を十分に大きくでき、アキシアル荷重の測定可能範囲を十分に確保できる。その他の構成及び作用は、上述した実施の形態の第１〜２例の場合と同様である。
【００４２】
［実施の形態の第４例］
次に、図５は、請求項１、２、４、５、７、９、１１に対応する、本発明の実施の形態の第４例を示している。前述の図１〜２に示した実施の形態の第１例の場合には、磁性材製のエンコーダ６ｂを使用しているが、本例の場合には、前述の図１１に示した先発明の第１例の場合と同様の、永久磁石製のエンコーダ６を使用している。即ち、本例の場合には、円筒状の芯金８を、組み合わせシールリング２１を構成するスリンガ２２と一体に形成すると共に、この芯金８の外周面に、上記永久磁石製で円筒状のエンコーダ６を添着固定している。又、本例の場合には、この様にエンコーダ６を永久磁石製とした事に伴い、このエンコーダ６の被検出面である外周面に対向させる１対のセンサ７、７には、永久磁石を組み込んでいない。その他の構成及び作用は、前述の図１〜２に示した実施の形態の第１例の場合と同様である。
【００４３】
［実施の形態の第５〜６例］
尚、上述した各実施の形態では、車輪支持用軸受ユニットの軸端で、軸方向に関してこの車輪支持用軸受ユニットと等速ジョイント１８とに挟まれた空間に、センサ及びエンコーダを設置する構成を採用した。この様な構成を採用する場合、上記空間の軸方向寸法が小さい場合には、例えば図６に示す本発明の実施の形態の第５例の様に、ハブ２ｃの外端部に設けるナット２９の座面３０の位置を軸方向内方にずらせると共に、上記ハブ２ｃを構成する内側の内輪３１の内端部を軸方向内方に伸ばす構成を採用したり、或は図７に示す本発明の実施の形態の第６例の様に、列間の軸方向寸法を小さくすると共に、ハブ２ｄを構成する内側の内輪３１の内端部を軸方向内方に伸ばす構成を採用すれば、上記空間の軸方向寸法を拡大する事ができる。しかも、これら第５〜６例の構造を採用すれば、上記等速ジョイント１８及びスプライン軸１９の設計を変更する事なく、車輪支持用軸受ユニットの設計のみを変更する事により、上記空間の軸方向寸法を拡大できる。この為、設計変更に伴うコストの上昇を十分に抑える事ができる。尚、この様な効果は、図６〜７に示した様な複列円すいころ軸受ユニットに限らず、複列玉軸受ユニットでも得られる。
【００４４】
尚、上述した各実施の形態では、荷重測定装置を構成するエンコーダ及びセンサとして、位相差検出方式のものを採用した。但し、本発明を実施する場合、これらエンコーダ及びセンサとして、例えば前述の図１７〜２０に示した先発明の第４〜５例で使用した様な、デューティ比検出方式（請求項８に対応する方式）のものを採用する事もできる。そして、この場合も、上述した各実施の形態の場合と同様の効果を得られる。
【００４５】
又、本発明を実施する場合、磁性材製のエンコーダＥ1 の形状は、特に限定されず、例えば図８の（Ａ）〜（Ｄ）に示す様な、各種の形状を採用できる。又、永久磁石製のエンコーダＥ2 を添着する芯金Ｇの形状も、特に限定されず、例えば図９の（Ａ）〜（Ｄ）に示す様な、各種の形状を採用できる。尚、本発明を実施する場合、永久磁石製のエンコーダＥ2 を、回転側軌道輪等に直接圧入嵌合させる構成を採用する事もできる。但し、永久磁石製のエンコーダＥ2 は靭性が低い為、直接圧入嵌合する構成を採用すると、このエンコーダＥ2 に割れが発生する可能性がある。この為、この様な割れが発生するのを防止すべく、永久磁石製のエンコーダＥ2 は、芯金Ｇの一部に添着固定（例えば、射出成形に伴って固定若しくは接着固定等）した状態で、回転側軌道輪等に圧入嵌合する構成を採用するのが好ましい。又、本発明を実施する場合、例えば図１０の（Ａ）、（Ｂ）に示す様に、エンコーダＥ1 、Ｅ2 の被検出面Ｐを円輪状とし、この被検出面Ｐに（１対の又は１つの）センサの検出部を軸方向に近接対向させる構成を採用すれば、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を測定する事ができる。
【００４６】
又、本発明で、エンコーダを外気に接する個所に設置する場合に、好ましくは、このエンコーダの被検出面に防錆処理を施したり、或はこのエンコーダの材料として錆にくい材料を使用する等により、このエンコーダの被検出面に錆が発生するのを防止する。これにより、この被検出面の特性境界が錆により変化し、荷重の測定精度が低下する事を防止する。又、芯金が錆びて、この芯金から永久磁石製のエンコーダが脱落するのを防止する為に、この芯金にも防錆処理を施す等するのが好ましい。又、その他の防錆対策として、エンコーダや芯金の設置個所を、外部環境からシールする構造を採用する事もできる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、車両の車輪支持用転がり軸受ユニットに限らず、各種機械装置の回転支持部分に組み込まれる複列転がり軸受ユニットに適用する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【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Ａ部拡大図。
【図３】本発明の実施の形態の第２例を示す、要部拡大図。
【図４】同第３例を示す、図３と同様の図。
【図５】同第４例を示す、図２と同様の図。
【図６】同第５例を示す断面図。
【図７】同第６例を示す断面図。
【図８】本発明を実施する場合に採用できる、磁性材製のエンコーダの４例を示す断面図。
【図９】同じく、芯金及び永久磁石製のエンコーダの４例を示す断面図。
【図１０】同じく、ラジアル荷重を測定する為に使用可能なエンコーダの２例を示す断面図。
【図１１】先発明の第１例を示す断面図。
【図１２】この第１例に組み込むエンコーダの斜視図。
【図１３】同じく展開図。
【図１４】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１５】先発明の第２例に組み込むエンコーダの斜視図。
【図１６】同第３例を示す断面図。
【図１７】同第４例を示す断面図。
【図１８】この第４例に組み込むエンコーダを示しており、（Ａ）は素材の、（Ｂ）は完成品の、それぞれ斜視図。
【図１９】アキシアル荷重に基づいて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２０】先発明の第５例に組み込むエンコーダの部分斜視図。
【図２１】列間のスペースが狭い車輪支持用転がり軸受ユニットの１例を、自動車に組み付けた状態で示す断面図。
【符号の説明】
【００４９】
１    外輪
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ  ハブ
３、３ａ  転動体
４、４ａ  外輪軌道
５、５ａ  内輪軌道
６、６ａ〜６ｆ  エンコーダ
７、７ａ  センサ
８    芯金
９ａ、９ｂ、９ｃ  透孔
１０ａ、１０ｂ  柱部
１１    磁気検出素子
１２    永久磁石
１３    ホルダ
１４    凹部
１５    凸部
１６    スプライン孔
１７    ナックル
１８    等速ジョイント
１９    スプライン軸
２０    センサカバー
２１    組み合わせシールリング
２２    スリンガ
２３    合成樹脂
２４    センサケーブル
２５    小径円筒部
２６    大径円筒部
２７    凹部
２８    凸部
２９    ナット
３０    座面
３１    内輪
【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】
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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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