(57)【要約】【課題】６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 の配置構造を工夫する事により、用意された空間内に、これら６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 を容易に配置できる構造を実現する。【解決手段】上記６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 の検出部を、エンコーダ４の第一、第二両特性変化部９、１０に３個ずつ対向させる以外の構造を採用する。例えば、上記用意された空間に合わせて、２個のセンサ６ｓ1 、６ｓ2 の検出部を上記第一特性変化部９に、残りの４個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ4 の検出部を上記第二特性変化部１０に、それぞれ対向させる構造を採用する。これにより、上記課題を解決する。【選択図】図１
2009001201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械と、状態量測定装置とを備え、
このうちの回転機械は、使用時にも回転しない静止部材と、この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ものであり、
上記状態量測定装置は、上記回転部材の一部に直接又は他の部材を介して支持固定されたエンコーダと、使用時にも回転しない部分に支持固定されたセンサ装置と、演算器とを備えたものであり、
このうちのエンコーダは、上記回転部材と同心の周面に被検出面を備えると共に、この被検出面のうち互いに軸方向に外れた２個所位置に第一、第二特性変化部を備えたもので、これら両特性変化部の特性が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、上記第一、第二両特性変化部のうちの少なくとも一方の特性変化部の特性変化の位相が軸方向に関し、他方の特性変化部と異なる状態で漸次変化しており、
上記センサ装置は、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、４個以上備えており、且つ、これら各センサの総数が６個であると仮定した場合にこれら各センサの検出部を上記第一、第二両特性変化部に３個ずつ対向させる構成を採用しない条件で、上記４個以上の各センサの検出部のうち、１個のセンサの検出部を上記第一特性変化部に、別の１個のセンサの検出部を上記第二特性変化部に、残りの各センサの検出部を、それぞれ上記第一特性変化部又は上記第二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に対して円周方向に離隔した部分に、それぞれ対向させており、
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軸を上記静止部材の中心軸に一致させた場合に、上記演算器は、それぞれが上記４個以上のセンサのうちから選択された２個のセンサの出力信号同士の間に存在する位相差であって、且つ、互いに異なる２個ずつのセンサの組み合わせに関する５つの位相差に基づいて、上記静止部材に対する上記エンコーダの、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φx と、ｚ軸周りの傾きφz 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。
【請求項２】
センサ装置を構成するセンサの総数が６個である、請求項１に記載した回転機械の状態量測定装置。
【請求項３】
第一、第二両特性変化部のうち、複数個のセンサの検出部を対向させる少なくとも一方の特性変化部に関して、当該特性変化部に対する上記複数個のセンサの検出部の対向位置を、円周方向等間隔位置としている、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した回転機械の状態量測定装置。
【請求項４】
各変位ｘ、ｙ、ｚ及び各傾きφx 、φz を算出する為に利用する５つの位相差が、これら各変位ｘ、ｙ、ｚ及び各傾きφx 、φz が０になっている中立状態で、それぞれ一定値以上の大きさになっている、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した回転機械の状態量測定装置。
【請求項５】
第一、第二両特性変化部のうち、一方の特性変化部の特性変化の位相のみが軸方向に関して変化しており、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１〜４のうちの何れか１項に記載した回転機械の状態量測定装置。
【請求項６】
演算器が、自身が算出した静止部材に対するエンコーダの変位及び傾きに基づき、この静止部材と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１〜５のうちの何れか１項に記載した回転機械の状態量測定装置。
【請求項７】
演算器が、自身が算出した静止部材に対するエンコーダの変位及び傾きに基づき、この静止部材の軸方向に関する所定の位置での回転部材のラジアル変位を算出し、且つ、このラジアル変位に基づいて、上記静止部材と上記回転部材との間に作用する、この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６に記載した回転機械の状態量測定装置。
【請求項８】
算出目的となるラジアル変位と同方向に関する回転機械の剛性中心の軸方向位置を、静止部材の軸方向に関する所定の位置とする、請求項７に記載した回転機械の状態量測定装置。
【請求項９】
静止部材と回転部材との間にモーメントのみが作用した場合にこの回転部材のラジアル変位が０となる軸方向位置を、静止部材の軸方向に関する所定の位置とする、請求項７に記載した回転機械の状態量測定装置。
【請求項１０】
算出目的となるラジアル変位と同方向に関する回転機械の剛性中心の軸方向位置と、静止部材と回転部材との間にモーメントのみが作用した場合にこの回転部材のラジアル変位が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、静止部材の軸方向に関する所定の位置とする、請求項７に記載した回転機械の状態量測定装置。
【請求項１１】
演算器が、自身が算出した静止部材に対するエンコーダの変位若しくは傾き、又は、この変位若しくは傾きに基づいて算出した上記静止部材と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、上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６〜１０のうちの何れか１項に記載した回転機械の状態量測定装置。
【請求項１２】
回転機械が転がり軸受ユニットであり、この転がり軸受ユニットは、静止部材である静止側軌道輪と、回転部材である回転側軌道輪と、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る、請求項１〜１１のうちの何れか１項に記載した回転機械の状態量測定装置。
【請求項１３】
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１２に記載した回転機械の状態量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【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】
自動車の車輪は懸架装置に対し、複列アンギュラ型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、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、特殊なエンコーダを使用して、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記載されている。図３〜５は、この特許文献１に記載された発明の構造と同じ荷重の測定原理を採用している、転がり軸受ユニットの状態量測定装置の１例を示している。この従来構造は、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、予圧を付与している。尚、図示の例では、上記転動体３として玉を使用しているが、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。
【０００４】
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、６、８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、６、８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カバー５の内側に、１対のセンサ６ａ1 、６ａ2 を保持すると共に、これら両センサ６ａ1 、６ａ2 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。
【０００５】
このうちのエンコーダ４は、磁性金属板製である。このエンコーダ４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、上記被検出面の軸方向（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、上記被検出面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、被検出面である上記エンコーダ４の外周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特性変化部９とし、軸方向内半部を第二特性変化部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、互いに独立した状態と（各透孔を「ハ」字形に配置）しても良い。又、検出精度は劣るが、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。
【０００６】
又、上記１対のセンサ６ａ1 、６ａ2 はそれぞれ、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から成る。そして、これら両センサ６ａ1 、６ａ2 のうち、一方のセンサ６ａ1 の検出部を上記第一特性変化部９に、他方のセンサ６ａ2 の検出部を上記第二特性変化部１０に、それぞれ近接対向させている。これら両センサ６ａ1 、６ａ2 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（図示の例では、下端部）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、中立状態で、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６ａ1 、６ａ2 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。
【０００７】
上述の様に構成する従来構造の場合、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６ａ1 、６ａ2 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６ａ1 、６ａ2 の検出部は、図５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６ａ1 、６ａ2 の出力信号の位相は、同図の（Ｃ）に示す様に一致する。これに対して、上記エンコーダ４を固定したハブ２に、図５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６ａ1 、６ａ2 の検出部は、図５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６ａ1 、６ａ2 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５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６ａ1 、６ａ2 の検出部は、図５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６ａ1 、６ａ2 の出力信号の位相は、同図の（Ｄ）に示す様に、上記（Ｂ）の場合とは逆方向にずれる。
【０００８】
上述の様に、上記従来構造の場合には、上記両センサ６ａ1 、６ａ2 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６ａ1 、６ａ2 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６ａ1 、６ａ2 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。
【０００９】
尚、実際には、上記両センサ６ａ1 、６ａ2 の出力信号同士の間に存在する位相差比（位相差／１周期）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が、この算出処理は、図示しない演算器により行なう。この為、この演算器のメモリ中には、予め理論計算や実験により調べておいた、上記位相差比と、上記アキシアル方向の相対変位又は荷重との関係を表す式やマップを記憶させておく。
【００１０】
又、上述した従来構造の場合には、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、このエ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、１対のセンサ側には永久磁石を組み込む必要はない。
【００１１】
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実現する事が望まれる。
【００１２】
図６〜１３は、この様な要望に応える為に先に発明して特許出願（特願２００６−３４５８４９）した、転がり軸受ユニットの状態量測定装置に関する先発明の構造の１例を示している。この先発明の構造は、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、上述の図３に示した従来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、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、上記転がり軸受ユニット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。
【００１３】
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６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 と、図示しない演算器とを備える。このうちのエンコーダ４の構造は、やはり上述の図３〜５に示した従来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６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 はそれぞれ、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から成る。この様な６個のセンサ６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 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９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６ａ1 、６ａ2 を、θ＝１２０度の位置に、第二のセンサ組を構成する２個のセンサ６ｂ1 、６ｂ2 を、θ＝２４０度の位置に、第三のセンサ組を構成する２個のセンサ６ｃ1 、６ｃ2 を、それぞれ配置している。
【００１４】
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６ａ1 、６ｂ1 、６ｃ1 の検出部を、上記被検出面の軸方向外半部である第一特性変化部９に、他方のセンサ６ａ2 、６ｂ2 、６ｃ2 の検出部を、上記被検出面の軸方向内半部である第二特性変化部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６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 の検出部は、それぞれ上記第一特性変化部９或は上記第二特性変化部１０の幅方向中央部に対向する。又、中立状態で、同じセンサ組を構成する１対のセンサ６ａ1 （６ｂ1 、６ｃ1 ）、６ａ2 （６ｂ2 、６ｃ2 ）の検出部が上記両特性変化部９、１０に対向する円周方向位置（角度）θは、互いに一致する。従って、先発明の構造の場合、同じセンサ組を構成する１対のセンサ６ａ1 （６ｂ1 、６ｃ1 ）、６ａ2 （６ｂ2 、６ｃ2 ）の出力信号同士の間に存在する初期位相差（中立状態での位相差）は、それぞれ０となる。更に、先発明の構造の場合には、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。
【００１５】
上述の様に構成する先発明の構造の場合、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６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 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６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 の出力信号の位相が変化する。ここで、この場合の各センサ６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 の出力信号の位相の変化量（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６ａ1 （６ｂ1 、６ｃ1 ）、６ａ2 （６ｂ2 、６ｃ2 ）のうち、軸方向外側（ｏｕｔ側）に存在する一方のセンサ６ａ1 （６ｂ1 、６ｃ1 ）に関する自己位相差比を、それぞれεout （θ）（θ＝０度、１２０度、２４０度）で表し、軸方向内側（ｉｎ側）に存在する他方のセンサ６ａ2 （６ｂ2 、６ｃ2 ）に関する自己位相差比を、それぞれεin（θ）（θ＝０度、１２０度、２４０度）で表す。又、上記外輪１に対する上記エンコーダ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φx とし、ｚ軸周りの傾きをφz とする。
【００１６】
この場合に、上記各自己位相差比εout （θ）、εin（θ）と、上記各変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx 、φz 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】
2009001201.tif 000003
【数２】
2009001201.tif 000004
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（先発明の構造の場合には、４５度）
Ｒ：上記第一、第二各特性変化部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６ａ1 （６ｂ1 、６ｃ1 ）、６ａ2 （６ｂ2 、６ｃ2 ）の検出部の中心同士の、軸方向に関する間隔（ピッチ、２δ）の１／２
【００１７】
従って、第一のセンサ組を構成する各センサ６ａ1 、６ａ2 に関する自己位相差比εout （０）、εin（０）はそれぞれ、上記（１）式及び（２）式に、θ＝０度、α＝４５度を代入して、
【数３】
2009001201.tif 000005
【数４】
2009001201.tif 000006
となる。
又、第二のセンサ組を構成する各センサ６ｂ1 、６ｂ2 に関する自己位相差比εout （１２０）、εin（１２０）はそれぞれ、上記（１）式及び（２）式に、θ＝１２０度、α＝４５度を代入して、
【数５】
2009001201.tif 000007
【数６】
2009001201.tif 000008
となる。
又、第三のセンサ組を構成する各センサ６ｃ1 、６ｃ2 に関する自己位相差比εout （２４０）、εin（２４０）はそれぞれ、上記（１）式及び（２）式に、θ＝２４０度、α＝４５度を代入して、
【数７】
2009001201.tif 000009
【数８】
2009001201.tif 000010
となる。
【００１８】
従って、第一のセンサ組を構成する１対のセンサ６ａ1 、６ａ2 の出力信号同士の間に存在する位相差（相互位相差）は、相互位相差比（相互位相差／１周期）で表すと、
【数９】
2009001201.tif 000011
となる。
又、第二のセンサ組を構成する１対のセンサ６ｂ1 、６ｂ2 の出力信号同士の間に存在する位相差（相互位相差）は、相互位相差比で表すと、
【数１０】
2009001201.tif 000012
となる。
又、第三のセンサ組を構成する１対のセンサ６ｃ1 、６ｃ2 の出力信号同士の間に存在する位相差（相互位相差）は、相互位相差比で表すと、
【数１１】
2009001201.tif 000013
となる。
【００１９】
更に、ここで、互いに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個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個のセンサの組み合わせは、２通りとも、ｏｕｔ側とｉｎ側とのうちの、互いに異なる側の２個のセンサの組み合わせでも良いし、互いの同じ側の２個のセンサの組み合わせでも良い。ここでは、２通りとも、互いに同じ側（ｏｕｔ側）の２個のセンサの組み合わせ（センサ６ａ1 とセンサ６ｂ1 との組み合わせ、及び、センサ６ａ1 とセンサ６ｃ1 との組み合わせ）を採用する。これら２通りの２個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】
2009001201.tif 000014
【数１３】
2009001201.tif 000015
【００２０】
以上の様に、先発明の構造の場合には、５つの未知数（変位ｘ、ｙ、ｚ及び傾きφx 、φz ）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（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）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】
2009001201.tif 000016
となり、これを上記５つの未知数（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）に就いての式に書き換えると、
【数１５】
2009001201.tif 000017
となる。この（１５）式の右辺中、Ｐ、Ｒ、δは、前記α（＝４５度）と同様、何れも先発明の構造により決まる定数である。又、５つの相互位相差比「εin（０）−εout （０）」、「εin（１２０）−εout （１２０）」、「εin（２４０）−εout （２４０）」、「εout （１２０）−εout （０）」、「εout （２４０）−εout （０）」は、上記６個のセンサ６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 の出力信号に基づいて求められる。従って、前述した図示しない演算器に、上記（１５）式の右辺を計算させれば、この（１５）式の左辺の５つの未知数（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）を算出できる。
【００２１】
尚、上述の様な計算を行なう場合、各センサ組を構成する１対のセンサ６ａ1 （６ｂ1 、６ｃ1 ）、６ａ2 （６ｂ2 、６ｃ2 ）の検出部の中心同士の間隔２δは、通常は小さい為、誤差を許容できれば、δ＝０として、５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）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。
【００２２】
又、上記５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）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外力成分（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）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弾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。従って、上記演算器のメモリ中に、上記所定の関係を表した式やマップを記憶させておけば、上記５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）に基づいて上記５外力成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｚ）を求められる。
【００２３】
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って、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。
【００２４】
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、図１０〜１３を参照しつつ、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１０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）Ｏのｙ軸方向位置とが、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１１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Ｏのｙ軸方向位置とが、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ｋa と、ｚ軸方向に関する軸受列Ｂの剛性ｋb とが互いに異なる｛ｋa ≠ｋb （図示の例ではｋa ＜ｋb ）｝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、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１０、１１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。
【００２５】
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ｋeq（＝ｋa ＋ｋb ）を用いる事によって解決できる。即ち、上記図１０、１１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、上記ラジアル荷重Ｆｚを上記等価剛性ｋeqで除した値（Ｆｚ／ｋeq）になる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）が存在する。そして、この様な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軸方向位置で上記ハブ２のｚ軸方向のラジアル変位を読み取れば、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。
【００２６】
この最適なｙ軸方向位置に就いて、図１２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ｚh は、次の（１６）式で表される。
【数１６】
2009001201.tif 000018
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ｚeqの値は、上記ラジアル荷重Ｆｚを上記等価剛性ｋeq（＝ｋa ＋ｋb ）で除した値（Ｆｚ／ｋeq）となる。これを式で表すと、次の（１７）式の様になる。
【数１７】
2009001201.tif 000019
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】
2009001201.tif 000020
【００２７】
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ｚeqは、前述した５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）の一部（ｚ、φx ）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８）とした場合に、上記ラジアル変位ｚeqは、次の（１９）式で表せる。
【数１９】
2009001201.tif 000021
又、傾きφx が微小な場合は、次の（２０）式で近似する事もできる。
【数２０】
2009001201.tif 000022
【００２８】
以上の説明では、上記両軸受列Ａ、Ｂの剛性ｋa 、ｋb が一定であると仮定して話を進めたが、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、先発明の構造の対象となる転がり軸受ユニット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１２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ｋa が増大すると共に、上記軸受列Ｂの接触荷重が減少して、この軸受列Ｂの剛性ｋb が低下する。この結果、これら両軸受列Ａ、Ｂの剛性比率が変化し、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、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い。或は、上記アキシアル荷重Ｆｙが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φx を生じさせる。この為、上記演算器で算出したこの傾きφx に基づいて、変化後の上記距離Ｈを求め、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。
【００２９】
尚、上記両軸受列Ａ、Ｂの剛性ｋa 、ｋb は、上記転がり軸受ユニット１１にアキシアル荷重Ｆｙが作用した場合だけでなく、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、生じたとしても極く小さくなる。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。
【００３０】
次に、別の状況に就いて説明する。図１３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Ｏ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１３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。
【００３１】
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φx 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φx ）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、前記演算器により算出したモーメントＭｘ（傾きφx ）基づいて、変化後の上記節位置を求め、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。
【００３２】
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φx は大きくなる。ここで、仮に、前記各センサ６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 が、前述し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φy 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６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 の座標軸がｙ軸周りに（ｘ−ｚ平面内で）角度φy 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φx が、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ｘ−ｙ平面内の成分は、取り付けミスアライメントである上記角度φy のsin φy 分だけであるが、上述した様に元々のモーメントＭｘによる傾きφx 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φx 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。
【００３３】
以上の話をまとめると、前述の図１０、１１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く、又、上述の図１３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φx 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が線形バネであれば、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１０、１１に示した状況と、上述の図１３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。
【００３４】
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い。この為、前述の図１０、１１に示した状況と、上述の図１３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っ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。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。
【００３５】
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が、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
上述した様に、先発明の構造によれば、５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）及び５外力成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、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（変位、外力）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、この転がり軸受ユニット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、上述した先発明の構造の場合には、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（φx 、φz ）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。
【００３９】
ところで、上述した先発明の構造の場合には、６個のセンサ６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 の検出部を、軸方向に並べて配置した第一、第二両特性変化部９、１０に、３個ずつ対向させる構成を採用している。ところが、対象となる転がり軸受ユニット１１の構造や、車両への組み付け個所の構造等との関係で、上記各センサ６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 の設置空間は、狭小な空間となる場合が多い。この為、場合によっては、この設置空間の広さ（特に軸方向寸法）の制約から、上述の様に６個のセンサ６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 の検出部を、上記第一、第二両特性変化部９、１０に３個ずつ対向させる事が難しくなる可能性がある。
【００４０】
【特許文献１】特開２００６−１１３０１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４１】
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、６個のセンサの検出部を、第一、第二両特性変化部に３個ずつ対向させる以外の構造で、５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）を測定可能な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】
【００４２】
本発明の回転機械の状態量測定装置は、回転機械と、状態量測定装置とを備える。
このうちの回転機械は、使用時にも回転しない静止部材と、この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る。
又、上記状態量測定装置は、上記回転部材の一部に直接又は他の部材を介して支持固定されたエンコーダと、使用時にも回転しない部分に支持固定されたセンサ装置と、演算器とを備える。
このうちのエンコーダは、上記回転部材と同心の周面に被検出面を備えると共に、この被検出面のうち互いに軸方向に外れた２個所位置に、第一、第二特性変化部を備える。そして、これら両特性変化部の特性が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、上記第一、第二両特性変化部のうちの少なくとも一方の特性変化部の特性変化の位相が軸方向に関し、他方の特性変化部と異なる状態で漸次変化している。
又、上記センサ装置は、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、４個以上備える。且つ、これら各センサの総数が６個であると仮定した場合に、これら各センサの検出部を上記第一、第二両特性変化部に３個ずつ対向させる構成を採用しない条件で（前述した先発明の様に、６個のセンサを両特性変化部に３個ずつ対向させた構造を除き）、上記４個以上の各センサの検出部のうち、１個のセンサの検出部を上記第一特性変化部に、別の１個のセンサの検出部を上記第二特性変化部に、残りの各センサの検出部を、それぞれ上記第一特性変化部又は上記第二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に対して円周方向に離隔した部分に、それぞれ対向させている。
又、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軸を上記静止部材の中心軸に一致させた場合に、上記演算器は、それぞれが上記４個以上のセンサのうちから選択された２個の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）｝であって、且つ、互いに異なる２個ずつのセンサの組み合わせに関する５つの位相差（或は位相差比）に基づいて、上記静止部材に対する上記エンコーダの、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φx と、ｚ軸周りの傾きφz とを、それぞれ算出する機能を有する。
【００４３】
上述の請求項１に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項２に記載した様に、センサ装置を構成するセンサの総数を６個とする。
又、上述の請求項１〜２に記載した発明を実施する場合に、好ましくは、請求項３に記載した様に、第一、第二両特性変化部のうち、複数個のセンサの検出部を対向させる少なくとも一方の特性変化部に関して、当該特性変化部に対する上記複数個のセンサの検出部の対向位置を、円周方向等間隔位置とする。
【００４４】
又、上述の請求項１〜３に記載した発明を実施する場合に、好ましくは、請求項４に記載した様に、各変位ｘ、ｙ、ｚ及び各傾きφx 、φz を算出する為に利用する５つの位相差（或は位相差比）を、これら各変位ｘ、ｙ、ｚ及び各傾きφx 、φz が０になっている中立状態で、それぞれ一定値以上の大きさ｛好ましくは、互いに逆相となる１８０度の位相差（或は０．５の位相差比）｝にする。この為に具体的には、第一、第二両特性変化部の１周当たりの特性変化の回数を勘案して、上記５つの位相差（或は位相差比）が中立状態で一定値以上の大きさになる様に、上記第一、第二両特性変化部に対する各センサの検出部の対向位置を規制する。又は、諸事情により、上記５つの位相差（或は位相差比）が中立状態で０になる様にしか、上記第一、第二両特性変化部に対する各センサの検出部の対向位置を規制できない場合には、位相差を求める２個のセンサの極性（＋／−）を逆にするか、或はこれら２個のセンサ信号を受信する回路で互いの極性（＋／−）を逆にする措置を採用する事もできる。
【００４５】
又、上述の請求項１〜４に記載した発明を実施する場合に、請求項５に記載した様に、第一、第二両特性変化部のうち、一方の特性変化部の特性変化の位相のみを軸方向に関して変化させ、他方の特性変化部の特性変化の位相を軸方向に関して変化させない構成を採用する事もできる。
【００４６】
又、上述の請求項１〜５に記載した発明を実施する場合に、好ましくは、請求項６に記載した様に、演算器に、自身が算出した静止部材に対するエンコーダの変位及び傾き（各変位ｘ、ｙ、ｚ及び各傾きφx 、φz のうちの少なくとも一部）に基づき、この静止部材と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）を算出する機能を持たせる。
又、この様な請求項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、演算器に、自身が算出した静止部材に対するエンコーダの変位及び傾きに基づき、この静止部材の軸方向（ｙ軸方向）に関する所定の位置での、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、このラジアル変位に基づいて、上記静止部材と上記回転部材との間に作用する、この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持たせる。
【００４７】
又、上述の請求項７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、算出目的となるラジアル変位と同方向に関する回転機械の剛性中心の軸方向位置を、静止部材の軸方向に関する所定の位置とする。
或は、請求項９に記載した様に、静止部材と回転部材との間にモーメントのみが作用した場合にこの回転部材のラジアル変位が０となる軸方向位置を、静止部材の軸方向に関する所定の位置とする。
或は、請求項１０に記載した様に、算出目的となるラジアル変位と同方向に関する回転機械の剛性中心の軸方向位置と、静止部材と回転部材との間にモーメントのみが作用した場合にこの回転部材のラジアル変位が０となる軸方向位置との間に存在する任意の（好ましくは中央の）軸方向位置を、静止部材の軸方向に関する所定の位置とする。
【００４８】
又、上述の請求項６〜１０に記載した発明を実施する場合に、好ましくは、請求項１１に記載した様に、演算器に、自身が算出した静止部材に対するエンコーダの変位若しくは傾き、又は、この変位若しくは傾きに基づいて算出した上記静止部材と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、上記静止部材の軸方向に関する所定の位置を補正させる。
【００４９】
又、上述の請求項１〜１１に記載した発明を実施する場合には、例えば請求項１２に記載した様に、回転機械を転がり軸受ユニットとする。この転がり軸受ユニットは、静止部材である静止側軌道輪と、回転部材である回転側軌道輪と、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る。
又、この様な請求項１２に記載した発明を実施する場合に、好ましくは、請求項１３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。
【発明の効果】
【００５０】
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、前述した先発明の構造の場合と同様、５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）を、１つのエンコーダを使用して求められる。この理由は、次の通りである。即ち、前述の図６〜１３に示した先発明の構造の場合と同様、それぞれが２個のセンサの出力信号同士の間の位相差（或は位相差比）であって、且つ、互いに異なる２個ずつのセンサの組み合わせに関する５つの位相差（或は位相差比）に基づいて、上記５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）を算出する場合には、第一、第二両特性変化部にセンサの検出部を同数ずつ対向させる必要はない。条件となるのは、第一、第二両特性変化部にセンサの検出部がそれぞれ１個以上対向しており、且つ、これら各センサから、２個ずつのセンサの組み合わせを少なくとも５通り選択できる｛５つの位相差（或は位相差比）を得られる｝事である。そして、本発明の場合には、この条件を満たしている為、前述した先発明の構造の場合と同様、５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）を、１つのエンコーダを使用して求められる。
【００５１】
又、上述の様に、本発明の場合には、第一、第二両特性変化部にセンサの検出部を同数ずつ対向させる必要がない。この為、センサの設置空間が狭小で、第一、第二両特性変化部にセンサの検出部を同数ずつ対向させる事が困難な場合には、これら第一、第二両特性変化部同士で、対向させるセンサの検出部の個数を互いに異ならせる事により、上記設置空間に対する上記各センサの設置を容易にできる。
【００５２】
又、請求項５に記載した構造を採用すれば、５つの位相差（或は位相差比）から上記５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）を算出する際の計算量を少なくできる｛具体的には、本発明に関する、前記（１４）式と同様の式中の、５行５列の行列要素の中に、０を多く含ませる事ができる｝。この為、測定精度は多少悪化するが、上記５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）を、よりリアルタイムに近い状態で算出できる。又、位相を軸方向に関して変化させない特性変化部に検出部を対向させたセンサの検出信号に基づき、回転部材の回転速度を精度良く求められる。
又、請求項６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、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、１つのエンコーダを使用して求められる。
又、請求項７〜１１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ラジアル荷重を、精度良く求められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
図１〜２は、請求項１〜４及び６〜１３に対応する、本発明の実施の形態の１例を示している。尚、本例の特徴は、センサ装置を構成する合計６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 のうち、第一特性変化部９に対向させるセンサの個数と、第二特性変化部１０に対向させるセンサの個数とを、互いに異ならせた点にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図６〜１３に示した先発明の構造の場合と同様である為、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、並びに、上記先発明の構造と異なる部分を中心に説明する。
【００５４】
本例は、上記６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 の設置空間の寸法制約により、これら６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 の検出部を、上記第一、第二両特性変化部９、１０に３個ずつ対向させる事が困難な構造を対象としている。この為、本例の場合には、上記６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 を上記設置空間内に、状態量測定の面から効果的に設置できる様にすべく、これら６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 のうち、２個のセンサ６ｓ1 、６ｓ2 の検出部を上記第一特性変化部９に、残り４個のセンサ６ｓ3 〜６ｓ6 の検出部を上記第二特性変化部１０に、それぞれ対向させる構造を採用している。具体的には、上記２個のセンサ６ｓ1 、６ｓ2 の検出部を、それぞれ上記第一特性変化部９のθ＝６０度の位置と、θ＝３００度の位置とに対向させている。又、上記４個のセンサ６ｓ3 〜６ｓ6 の検出部を、それぞれ上記第二特性変化部１０のθ＝０度の位置と、θ＝９０度の位置と、θ＝１８０度の位置と、θ＝２７０度の位置とに対向させている。尚、この様な本例のセンサ配置構造を採用すれば、どの様な設置空間に対しても、上記６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 を効果的に配置できると言う訳ではない。即ち、本発明を実施する場合、上記第一、第二両特性変化部９、１０のそれぞれに対向させるセンサの検出部の個数、並びに、これら各検出部の円周方向位置θは、用意された設置空間に上記６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 を効果的に配置できる様、適宜決定する。何れにしても、本例の場合には、中立状態で、これら６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 のうちから選択される、何れか２個１組のセンサの出力信号同士の間に、何れの組に就いても０．５の位相差比（１８０度の位相差）が生じる様に、上記第一、第二両特性変化部９、１０の特性変化のピッチＰ（前記図７参照）を規制し、且つ、必要に応じて、上記各センサ６ｓ1 〜６ｓ6 同士の間で互いの極性（＋／−）を異ならせている。
【００５５】
又、本例の場合も、前述した先発明の構造の場合と同様、外輪１に対するエンコーダ４の５自由度変位（ｘ軸方向の変位ｘ、ｙ軸方向の変位ｙ、ｚ軸方向の変位ｚ、ｘ軸周りの傾きφx 、ｚ軸周りの傾きφz ）を算出する為に、それぞれが上記６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 の中から選択された２個のセンサの出力信号同士の間に存在する位相差比であって、且つ、互いに異なる２個ずつのセンサの組み合わせ（本例の場合には、全部で6 Ｃ2 ＝１５通りの組み合わせがあるが、その中の任意の５通りの組み合わせ。例えば、上記センサｓ1 とｓ2 との組み合わせと、上記センサｓ3 とｓ5 との組み合わせと、上記センサｓ4 とｓ6 との組み合わせと、上記センサｓ1 とｓ3 との組み合わせとの、合計５通りの組み合わせ）に関する５つの位相差比ε1 〜ε5 を利用する。
【００５６】
この為に具体的には、上記５通りの２個ずつのセンサの組み合わせに関して、前記（１）式及び（２）式を基に、前記（３）〜（１３）式に対応する式を得て、更に前記（１４）式に対応する、次の（２１）式を得る。
【数２１】
2009001201.tif 000023
尚、この（２１）式の右辺の５行５列の行列要素には、上記５通りの２個ずつのセンサの組み合わせの選択の仕方によって、それぞれ異なった数値が入る。
更に、上記（２１）式を、上記５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）に就いての式に書き換えた、次の（２２）式を得る。
【数２２】
2009001201.tif 000024
そして、この（２２）式の関係を、演算器のメモリ中に記憶させておく。そして、運転中に実測した、上記５つの位相差比ε1 〜ε5 に基づいて、上記演算器に上記（２２）式の右辺を計算させる事により、上記５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）を算出する。
【００５７】
尚、本例の場合には、中立状態で、上記６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 のうちの、何れの２個のセンサの出力信号同士の間にも、０．５の位相差比（１８０度の位相差）が生じる様にしている。この為、上記外輪１に対して上記エンコーダ４が変位する事に伴い、上記各組み合わせに関する２個のセンサ間の位相差比が変化する場合に、これら２個のセンサ間で、出力信号のパルスエッジタイミングが逆転（所謂追い越し）する事を防止できる。この為、この逆転の有無を見張る事なく、上記各組み合わせに関する２個のセンサ間の位相差比を正常に検出できる。
【００５８】
又、本例の場合も、前述した先発明の構造の場合と同様、上述の様に算出した５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）に基づいて、上記外輪１とハブ２との間に作用する５外力成分（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）を求められる。特に、本例の場合も、前述した先発明の構造に関して前記図１０〜１３を参照しつつ説明した様にして、上記外輪１とハブ２との間に作用するラジアル荷重を、精度良く求められる（請求項７〜１１）。
【００５９】
上述の様に、本例の回転機械の状態量測定装置の場合には、６個のセンサ６ｓ1 〜６ｓ6 の検出部を、第一、第二両特性変化部９、１０に３個ずつ対向させる以外の構造を採用しつつ、外輪１に対するエンコーダ４の５自由度変位（ｘ、ｙ、ｚ、φx 、φz ）と、この外輪１とハブ２との間に作用する５外力成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｚ）とを、１つのエンコーダ４を使用して求められる。
【００６０】
尚、本発明は、上述した実施の形態の構造に限らず、特許請求の範囲に記載した要件を満たす、各種の構造を採用できる。例えば、センサ装置を構成するセンサの総数は、４個以上であれば、６個以外でも良い。この理由は、センサの総数が４個以上あれば、この中から２個のセンサの組み合わせを５通り以上（４個の場合、６通り）得られる為である。又、第一、第二両特性変化部とも、各センサの検出部の対向位置は、円周方向に関して等間隔であっても、不等間隔であっても、どちらでも良い。又、前記（３）〜（８）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）式に対応する本発明に関する式を修正して使用するか、或は、工場からの出荷時に、前記（３）〜（８）式に対応する本発明に関する式を実測し、この実測値を演算器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。
【００６１】
又、前述した先発明の構造でも説明した様に、静止側軌道輪に対する回転側軌道輪の所定の自由度の変位（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外力（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いる他の方向の外力（例えば、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｚ）によって、若干異なってくる。但し、この様な他の方向の外力による影響は、予め、上記所定方向の変位と、上記同方向の外力と、上記他の方向の外力との、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く事ができる。そして、上記演算器にイ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、上記他の方向の外力の影響をなくして上記同方向の外力を精度良く求められる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態の１例を示す模式図。
【図２】センサの円周方向位置を示す図。
【図３】転がり軸受ユニットの状態量測定装置の従来構造の１例を示す断面図。
【図４】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５】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６】転がり軸受ユニットの状態量測定装置に関する、先発明の構造の１例を示す断面図。
【図７】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８】先発明の構造の１例を示す模式図。
【図９】センサの円周方向位置を示す図。
【図１０】ラジアル荷重Ｆｚが軸受中心Ｏ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１１】ラジアル荷重Ｆｚが軸受中心Ｏのｙ軸方向位置に作用しているが、１対の軸受列Ａ、Ｂの剛性が互いに異なっている状況を示す模式図。
【図１２】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１３】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。
【符号の説明】
【００６３】
１    外輪
２    ハブ
３    転動体
４    エンコーダ
５    カバー
６ａ1 、６ａ2 、６ｂ1 、６ｂ2 、６ｃ1 、６ｃ2 、６ｓ1 〜６ｓ6   センサ
７    透孔
８    柱部
９    第一特性変化部
１０    第二特性変化部
１１    転がり軸受ユニット
１２    状態量測定装置
【図１】
2009001201.tif 000025
【図２】
2009001201.tif 000026
【図３】
2009001201.tif 000027
【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】
2009001201.tif 000037