JP2009156677A - センサ付き転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信号処理部が出力する５つの信号の全ての線形性を良くできて、その後の物理量の算出を行う際の演算で生じる演算誤差を小さくでき、算出を目的とする物理量を正確に検出できるセンサ付き転がり軸受装置を提供すること。
【解決手段】ラジアル変位信号を求めるための変位検出部の出力を取り出す出力端子Ｔ、Ｒ、ＢおよびＦとは別の出力端子ＹＴ、ＹＲ、ＹＢおよびＹＦから、アキシアル変位信号をもとめるための出力を取り出すようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、センサ付き転がり軸受装置に関する。

従来、センサ付き転がり軸受装置としては、特開２００７−１２７２５３号公報（特許文献１）に記載されている車輪用転がり軸受装置がある。

この車輪用転がり軸受装置は、インダクタンス型の変位検出部を、軸方向に２列に配置し、上記２列に配置された変位検出部からの信号を信号処理回路に入力して、信号処理回路で、４つの径方向の変位に関する信号と、１つの軸方向の変位に関する信号を算出し、これらの信号に基づいて、車輪用転がり軸受装置の３つの並進荷重と、２つのモーメント荷重とを算出するようになっている。
特開２００７−１２７２５３号公報

上記従来の装置では、上記信号処理回路が有する各受動素子を、上記４つの径方向の変位に関する信号の線形性が良くなるように設定すると、１つの軸方向の変位に関する信号の線形性が悪くなり、逆に、上記信号処理回路が有する各受動素子を、上記１つの軸方向の変位に関する信号の線形性が良くなるように設定すると、４つの径方向の変位に関する信号の線形性が悪くなる。

すなわち、５つの信号の全ての信号の線形性を良くすることが困難である。このことから、その後の演算において生じる演算誤差を小さくすることが難しい。

そこで、本発明の課題は、信号処理部が出力する５つの信号の全ての線形性を良くできて、その後の物理量の算出を行う際の演算で生じる演算誤差を小さくでき、算出を目的とする物理量を正確に検出できるセンサ付き転がり軸受装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のセンサ付き転がり軸受装置は、
軌道面を内周面に有する第１軌道部材と、
軌道面と、環状の被変位検出部とを外周面に有する第２軌道部材と、
上記第１軌道部材の上記軌道面と、上記第２軌道部材の上記軌道面との間に配置された転動体と、
上記被変位検出部の径方向の変位と、上記被変位検出部の軸方向の変位とを検出するセンサ装置と
を備え、
上記センサ装置は、
上記被変位検出部に上記径方向に対向する検出面を有する第１変位検出部と、
上記被変位検出部に上記径方向に対向する検出面を有する第２変位検出部と、
上記第１変位検出部に上記軸方向に間隔をおいて位置すると共に、上記被変位検出部に上記径方向に対向する検出面を有する第３変位検出部と、
上記第２変位検出部に上記軸方向に間隔をおいて位置すると共に、上記被変位検出部に上記径方向に対向する検出面を有する第４変位検出部と
を有し、
上記第１変位検出部からの信号に基づいて、上記被変位検出部において互いに直交する２つの径方向の変位に基づく第１ラジアル変位信号および第２ラジアル変位信号を出力する第１信号処理部と、
上記第３変位検出部からの信号に基づいて、上記被変位検出部において互いに直交する２つの径方向の変位に基づく第３ラジアル変位信号および第４ラジアル変位信号を出力する第２信号処理部と、
上記第２変位検出部および上記第４変位検出部からの信号に基づいて、上記被変位検出部の軸方向の変位に基づくアキシアル変位信号を出力する第３信号処理部と
を備えることを特徴としている。

本発明によれば、４つのラジアル変位信号の出力のための変位検出部および信号処理部と、アキシアル変位信号の出力のための変位検出部および信号処理部とが、異なっているから、４つのラジアル変位信号および１つのアキシアル変位信号の全ての信号の線形性を優れたものにすることができる。したがって、４つのラジアル変位信号および１つのアキシアル変位信号を用いる後段の演算における演算誤差を格段に小さくすることができる。したがって、検出すべき物理量、例えば、以下の実施形態で述べる５つの荷重の検出をより正確に行うことができる。

また、一実施形態では、
上記第１変位検出部は、上記第２変位検出部、上記第３変位検出部および上記第４変位検出部の夫々は、周方向に略等間隔に配置された４つの部分からなり、
Ｎ１を、自然数とし、Ｎ２を、Ｎ１より小さい自然数とするとき、
上記第１変位検出部の上記各部分は、直接に接続されたＮ１個の第１コイル素子からなり、
上記第２変位検出部の上記各部分は、上記第１変位検出部の上記各部を構成する上記直接に接続されたＮ１個の第１コイル素子のうちで、直接に接続されたＮ２個の第１コイル素子からなり、
上記第３変位検出部の上記各部分は、直接に接続されたＮ１個の第２コイル素子からなり、
上記第４変位検出部の上記各部分は、上記第３変位検出部の上記各部を構成する上記直接に接続されたＮ１個の第２コイル素子のうちで、直接に接続されたＮ２個の第２コイル素子からなる。

上記実施形態によれば、第１変位検出部を構成する複数の第１コイル素子の幾つかを、第２変位検出部を構成する第１コイル素子として兼用し、かつ、第３変位検出部を構成する複数の第２コイル素子の幾つかを、第４変位検出部を構成する第２コイル素子として兼用しているから、センサ装置の製造コストを大幅に削減できる。また、上記第１変位検出部および第２変位検出部を、同一の軸方向の位置に配置できると共に、第３変位検出部および第４変位検出部を、同一の軸方向の位置に配置できて、センサ装置の配置スペースを小さくできて、センサ付き転がり軸受装置をコンパクトにすることができる。

また、一実施形態では、
上記第１信号処理部、上記第２信号処理部および上記第３信号処理部の夫々は、
第１ノードと、
第２ノードと、
上記第１ノードと上記第２ノードとの間に並列に接続された上記各部分およびコンデンサと、
上記第１ノードに一端が接続された抵抗と
を有し、
上記第１信号処理部の上記抵抗の抵抗値と、上記第２信号処理部の上記抵抗の抵抗値とは同一である一方、上記第１信号処理部の上記抵抗の抵抗値は、上記第３信号処理部の上記抵抗の上記抵抗値と異なる。

上記実施形態によれば、上記第１信号処理部の上記抵抗の抵抗値と、上記第３信号処理部の上記抵抗の上記抵抗値とを互いに独立に適切に設定することにより、容易に、４つのラジアル変位信号および１つのアキシアル変位信号の線形性を優れたものにすることができる。

本発明のセンサ付き転がり軸受装置によれば、４つのラジアル変位信号の出力のための変位検出部および信号処理部と、アキシアル変位信号の出力のための変位検出部および信号処理部とが、異なっているから、４つのラジアル変位信号および１つのアキシアル変位信号の全ての信号の線形性を優れたものにすることができる。したがって、４つのラジアル変位信号および１つのアキシアル変位信号を用いる後段の演算における演算誤差を格段に小さくすることができて、荷重信号等の検出すべき物理量の検出を正確に行うことができる。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明のセンサ付き転がり軸受装置の一実施形態である従動輪用の車両用転がり軸受装置の軸方向の断面図である。

この車両用転がり軸受装置は、内軸１、内輪２、第１軌道部材としての外輪３、転動体としての複数の第１の玉４、転動体としての複数の第２の玉５、ケース部材６、および、センサ装置１０を備える。

上記内軸１は、小径軸部１９と、中径軸部２０と、大径軸部２１とを有している。上記小径軸部１９の外周面には、ネジが形成されている。上記中径軸部２０は、小径軸部１９に段部１８を介して連なると共に、小径軸部１９の外径よりも大きい外径を有している。上記大径軸部２１は、中径軸部２０の小径軸部１９側とは反対側に位置している。上記大径軸部２１は、中径軸部２０に段部２２を介して連なると共に、中径軸部２０の外径よりも大きい外径を有している。上記大径軸部２１の外周面は、軌道面としてのアンギュラ型の軌道溝２３を有し、この軌道溝２３の外径は、中径軸部２０から離れるにしたがって、大きくなっている。

上記内軸１は、センター穴３１を有している。上記センター穴３１は、内軸１の軸方向の大径軸部２１側の端面の径方向の中央部に、形成されている。上記第センター穴３１は、円筒状の部分を有し、軸方向に所定距離延在している。また、上記内軸１は、軸方向の大径軸部２１側の端部に、ロータ（あるいは車輪）（図示せず）を取り付けるための、ロータ取付用のフランジ（あるいは車輪取付用のフランジ）５０を有している。

上記内輪２は、内軸１の中径軸部２０の外周面に外嵌されて固定されている。上記内輪２の軸方向の大径軸部２１側の端面は、上記段部２２に当接している。上記内輪２は、その外周面の大径軸部２１側に軌道面としてのアンギュラ型の軌道溝２８を有している。この軌道溝２８の外径は、大径軸部２１から離れるにしたがって、大きくなっている。上記内輪２の外周面は、軸方向の大径軸部２１側とは反対側に、円筒外周面２６を有し、この円筒外周面２６は、軌道溝２８の大径軸部２１側とは反対側に位置する軌道肩部２９に段部３０を介して連なっている。軌道肩部２９は、円筒外周面３５を有している。内輪２の外周面の軸方向の端部に位置する円筒外周面２６の外径は、軌道肩部２９の円筒外周面３５の外径よりも小さくなっている。

内輪２の軸方向の大径軸部２１側の端面は、段部２２に当接している。図１に示すように、ナット６３が、小径軸部１９のネジに螺合している。内輪２の軸方向の大径軸部２１側とは反対側の端面は、ナット６３の軸方向の大径軸部２１側の端面に当接している。ナット６３を、軸方向の大径軸部２１側に所定距離ネジ込むことにより、内輪２を、内軸１に確実に固定するようになっている。

上記外輪３は、大径軸部２１の径方向の外方に位置している。上記外輪３の内周面は、軌道面としてのアンギュラ型の第１軌道溝４４と、軌道面としてのアンギュラ型の第２軌道溝４５とを有している。上記外輪３は、車体への固定のための車体取付用のフランジ７５を有している。上記複数の第１の玉４は、内輪２の軌道溝２８と、外輪３の第１軌道溝４４との間に、第１保持器４０によって保持された状態で、周方向に互いに間隔をおいて配置されており、上記複数の第２の玉５は、内軸１の軌道溝２３と、外輪３の第２軌道溝４５との間に、第２保持器４１によって保持された状態で、周方向に互いに間隔をおいて配置されている。

上記ケース部材６は、筒部材５２と、円板状の蓋部材５３とで構成されている。筒部材５２の内周面の外輪３側の端部は、外輪３の外周面の小径軸部１９側の端部に止めネジ５５により固定されている。一方、蓋部材５３は、筒部材５２の外輪側とは反対側の開口を閉塞している。このようにして、センサ付き転がり軸受装置の内部へ異物が侵入するのを防止している。

上記センサ装置１０は、第１変位検出部７０、第２変位検出部７０、第３変位検出部７１、第４変位検出部７１およびターゲット部材７３を有する。上記第２変位検出部７０は、第１変位検出部７０の一部からなり、第１変位検出部７０の一部は、第１変位検出部７０および第２変位検出部７０で兼用されている。図１に７０で示されているのは、第１変位検出部および第２変位検出部の兼用部分である。

また、上記第４変位検出部７１は、第３変位検出部７１の一部からなり、上記第３変位検出部７１の一部は、第３変位検出部７１および第４変位検出部７１で兼用されている。図１に７１示されているのは、第３変位検出部および第４変位検出部の兼用部分である。

このことから、上記第１変位検出部７０と、第２変位検出部７０とは、配置された箇所の軸方向の位置が同一であり、第３変位検出部７１と、第４変位検出部７１とは、配置された箇所の軸方向の位置が同一である。

上記第１乃至第４変位検出部７０,７１は、筒部材５２の内周面に固定されている。一方、ターゲット部材７３は、筒形状を有している。ターゲット部材７３の軸方向の一端部は、内輪２の円筒外周面２６に圧入によって押しこまれている。上記ターゲット部材７３の一端部は、内輪２の外周面の一端部としての円筒外周面２６に外嵌されて固定されている。上記内軸１、内輪２およびターゲット部材７３は、第２軌道部材を構成している。また、ターゲット部材７３の外周面は、被変位検出部になっている。

図２は、図１における第１変位検出部７０の周辺の拡大断面図である。

上記第３変位検出部７１は、第１変位検出部７０よりも車輪側（ロータ取付用のフランジ５０側）に位置している。第１および第３変位検出部７０,７１の夫々は、筒部材５２の内周面に固定されている。上記第１変位検出部７０は、第３変位検出部７１と同一であり、第１変位検出部７０は、第３変位検出部７１に対して軸方向に間隔において配置されている。第１変位検出部７０は、第３変位検出部７１に略軸方向に重なっている。

図３は、この車両用転がり軸受装置が、車両の所定位置に設置されている状態における、第１変位検出部７０の周方向の構成を示す周方向の配置図である。

上記第１変位検出部７０は、４つの部分からなる。具体的には、上記第１変位検出部７０は、第１部分１０３、第２部分１０４、第３部分１０５、第４部分１０６からなり、第１部分１０３は、図３において点線１０１で囲まれた領域に存在する４つの第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄからなる。

また、第２部分１０４は、図３において、第１コイル素子１０３ｄから時計回りに次の４つの第１コイル素子からなり、第３部分１０５は、時計回りに、その次の４つの第１コイル素子からなり、第４部分１０６は、時計回りに、その次の４つの第１コイル素子からなる。

尚、図３において、紙面の上方は、車両用転がり軸受装置が、車両の所定位置に設置されている状態における、鉛直方向上方に相当し、紙面の下方は、鉛直方向下方に相当し、紙面の右側は、車両用転がり軸受装置が設置されている車両のリア側に相当し、紙面の左側は、上記車両のフロント側に相当する。

図３に示すように、各第１コイル素子は、その検出面（図３においては、２２２で示す）を、筒部材５２の径方向の内方に向けるように配置されている。各第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄは、筒部材５２の径方向に延在している。

図４は、上記第１部分１０３の４つの第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄの接続関係を示す模式図である。

図４に示すように、４つの第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄは、直列に接続されている。図４に図示はしないが、第１コイル素子１０３ａと、第１コイル素子１０３ｂとは、筒部材５２（図３参照）の径方向の内方側において接続され、第１コイル素子１０３ｂと、第１コイル素子１０３ｃとは、上記径方向の外方において接続され、第１コイル素子１０３ｃと、第１コイル素子１０３ｄとは、上記径方向の内方側において接続されている。

直列に配置された４つ第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄに電流が流れた際、各第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄの巻方向は、ある瞬間において、第１コイル素子１０３ａは、径方向の内方側がＮ極、第１コイル素子１０３ｂは、径方向の内方側がＳ極、第１コイル素子１０３ｃは、径方向の内方側がＳ極、第１コイル素子１０３ｄは、径方向の内方側がＮ極になるように、配線が巻かれている。

各第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄにおけるインダクタンスをＬ、コイルが巻かれている材質の径方向の内方の端面（検出面）の面積をＡ、その材質の透磁率をμ、コイルの巻き数をＮ、上記端面（検出面）からターゲット部材７３（図２参照）までの間隔（ギャップ）をｄとすると、次式（ａ）が成立する。
Ｌ＝Ａ×μ×Ｎ^２／ｄ ・・・（ａ）

したがって、ターゲット部材７３（図２参照）までのギャップｄが変化すると、各第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄのインダクタンスＬが変化して、各１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄにおいて、出力電圧が変化する。この車輪用転がり軸受装置は、各１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄの出力電圧に基づく第１部分１０３の出力電圧の変動を検出することにより、上記端面（検出面）からターゲット部４までの径方向のギャップを検出するようになっている。上述のように、４つの第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄを直列に接続しているから、第１変位検出部７０の出力電圧を大きくすることができる。

図５は、第１変位検出部７０を構成する複数の第１コイル素子のうちの１つの第１コイル素子１０３ａの検出面Ａ１と、その第１コイル素子１０３ａに略軸方向に重なる第３変位検出部７１を構成する複数の第２コイル素子のうちの１つの第２コイル素子１５３ａの検出面Ａ２との位置関係を示す図である。

図５に示すように、ターゲット部材７３の外周面である被変位検出部は、第１環状溝１３４および第２環状溝１３５を有している。第１環状溝１３４および第２環状溝１３５は、周方向に延在している。上記第１環状溝１３４および第２環状溝１３５の夫々は、断面矩形の形状を有している。上記第２環状溝１３５は、第１環状溝１３４に対して軸方向に間隔をおいて第１環状溝１３４の車輪側に位置している。

尚、図示しないが、車輪用転がり軸受装置に荷重が一切作用していない状態において、第１変位検出部７０を構成する１６個の各第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、…と、この１６個の各第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、…に軸方向に重なる第３変位検出部７１を構成する１６個の各第２コイル素子と、第１環状溝１３４と、第２環状溝１３５との関係は、全て同一の位置関係になっている。また、第１変位検出部７０および第３変位検出部７１を構成する都合３２個のコイル素子は、コイルの巻き方を除いて同一のコイル素子となっている。

図５に示すように、軸方向において、検出面Ａ１の中央部は、第１環状溝１３４の第２環状溝１３５側の縁に略一致している一方、検出面Ａ２の中央部は、第２環状溝１３５の第１環状溝１３４側の縁に略一致している。

この状態から仮にターゲット部材７３が軸方向の蓋部材５３側に距離δだけ変位したとすると、検出面Ａ１と第１環状溝１３４との軸方向のラップ長（軸方向の重なっている長さ）が減少する一方、検出面Ａ２と第２環状溝１３５との軸方向のラップ長（軸方向の重なっている長さ）が増大する。このことから、第１コイル素子１０３ａのギャップの変位検出値が減少する一方、第２コイル素子１５３ａのギャップの変位検出値が増大する。このように、ターゲット部材７３が軸方向に変位すると、第１コイル素子１０３ａが検出する変位検出値と、第２コイル素子１５３ａとが検出する変位検出値とに差が生じる。

第１環状溝１３４および第２環状部１３５は、ターゲット部材７３が軸方向に移動した場合に、各第１コイル素子と、その第１コイル素子に軸方向に略重なる各第２コイル素子とが検出する変位検出値を正負逆向きに変化させるように、第１および第２コイル素子に対する軸方向位置が設定されている。第１コイル素子の変位検出値と、第２コイル素子の変位検出値の差を取ることにより、被変位検出部（内輪２、内軸１）の軸方向の並進量（軸方向の変位であり、並進荷重と相関関係がある）を検出するようになっている。

車両の中心側（以下、インナ側という）の第１変位検出部の各部分１０３,１０４,１０５,１０６の変位検出値と、この各部分１０３,１０４,１０５,１０６に軸方向に重なる車輪側（以下、アウタ側という）の第３変位検出部７１の各部分の変位検出値との差を取ることにより、第２軌道部材の軸方向への単位並進量に対する変位検出値が増幅され、これによってセンサ装置１０の軸方向の変位の検出感度を高めることができるのである。

尚、図５に図示した配置とは逆に、インナ側の第１環状溝を、第１変位検出部の検出面に対してアウタ側にずらし、アウタ側の第２環状溝を第３変位検出部の検出面に対してインナ側にずらして配置しても良く、この場合でも上記配置と同様の作用効果が得られる。

図６は、第１変位検出部７０の出力を処理する第１信号処理部の一部の一例としてのギャップ検出回路９０を示す図である。尚、図６においては、第１変位検出部７０において、車両の前後方向に位置する第１部分１０３および第３部分１０５、および、鉛直方向に位置する第２部分１０４および第４部分１０６を単純化して、簡略化して描いている。また、図６において、矢印ＡおよびＢは、対応を示している。

図６に示すように、第１変位検出部７０において、鉛直方向に位置する第２部分１０４および第４部分１０６の夫々は、発振器１３０に接続されている。発振器１３０から一定周期の交流電流が、第２部分１０４および第４部分１０６に供給されるようになっている。第２部分１０４および第４部分１０６の夫々には、同期用のコンデンサ１３１,１３９が並列に接続されている。

図６に示すように、上記第１信号処理部は、第１ノード３８１と第２ノード３８２と、第１ノード３８１と第２ノード３８２との間に並列に接続された第１変位検出部の第４部分１０６およびコンデンサ１３１と、第１ノード３８１に一端が接続された抵抗１２０とを有する。

また、上記第１信号処理部は、第１ノード３８３と第２ノード３８４と、第１ノード３８３と第２ノード３８４との間に並列に接続された第１変位検出部の第２部分１０４およびコンデンサ１３９と、第１ノード３８３に一端が接続された抵抗１２１とを有する。

上記第２部分１０４と、第４部分１０６の出力電圧（検出値）を、差動アンプ１３２に入力して、上記同一直線の方向（鉛直方向）に対応する出力電圧（第１ラジアル変位信号）とすることにより、温度ドリフトを取り除くようにしている。なお、図示していないが、前後方向に位置する第１部分１０３および第３部分１０５についても、上記と同様に差動アンプで差を取ることによって温度ドリフトを取り除き、第２ラジアル変位信号を出力するようになっている。

上記第１信号処理部９０は、図６に示す鉛直方向用の信号処理回路と、これと同様の構成を有する前後方向用の信号処理回路（図示せず）とからなっている。

また、説明は省略するが、第３信号処理部は、第１信号処理部と同様の構成を有し、図６に示すような鉛直方向用の信号処理回路と、前後方向用の信号処理回路とからなっている。

再び、図３を参照して、上記第２変位検出部は、４つの部分からなる。具体的には、上記第２変位検出部は、第１部分２０３、第２部分２０４、第３部分２０５、第４部分２０６からなり、第１部分２０３は、図３において点線１０１で囲まれた領域に存在する４つの第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄのうちの２つの第１コイル素子、具体的には、第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂからなる。

また、第２部分２０４は、図３において、第１コイル素子１０３ｄから時計回りに次の２つの第１コイル素子からなり、第３部分２０５は、時計回りに、第２部分２０４から二つの第１コイル素子をとばして、その次の２つの第１コイル素子からなり、第４部分２０６は、時計回りに、第３部分２０５から二つの第１コイル素子をとばして、その次の２つの第１コイル素子からなる。この関係は、第２変位検出部と第４変位検出部との関係においても同様に成立する。

すなわち、第４変位検出部も４つの部分からなり、第４変位検出部の各部分は、第３変位検出部の各部分の４つの第２コイル素子のうちの２つの第２コイル素子からなっている。第２変位検出部と第４変位検出部とは、軸方向に略重なっている。

図４を参照すると、第２変位検出部の第１部分２０３は、直接に接続された２つの第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂからなる。

第２変位検出部の各部分の出力と、その各部分に軸方向に重なる第４変位検出部の各部分の出力とは、第３信号処理部としての、図６に示す回路と同様の構成の回路によって、差動増幅されるようになっている。

ここで、図６に１２０で示す抵抗の抵抗値と、１２１で示す抵抗の抵抗値とは、第１および第３変位検出部からの信号を処理する信号処理回路と、第２および第４変位検出部からの信号を処理する信号処理回路とで、異なる値に設定されている。各信号処理回路での上記抵抗の抵抗値は、各信号処理回路での出力信号である差動増幅された信号の線形性が良い値に設定されている。

図７は、車輪に作用している５つの荷重を算出（以下に詳述する）する途中の過程において、従来使用されていた演算法を示す図であり、図８は、本発明の装置で、車輪に作用している５つの荷重を算出する途中の過程において、使用されている演算法を示す図である。

図７に示すように、従来の方法では、変位検出部が、軸方向に２列に配置された第１および第２変位検出部しかなく、ラジアル方向の変位を算出するときと、アキシアル方向の変位を算出するときで、同じ変位検出部の出力を用いて、演算がおこなわれている。

これに対し、図３を参照して、本願発明では、ラジアル方向の変位においては、４つの直列に接続されたコイル素子からなる第１および第３変位検出部からの出力（図３においては、Ｒ（リア）、Ｆ（フロント）、Ｔ（トップ）およびＢ（ボトム）での出力）から算出する一方、アキシアル方向においては、２つの直列に接続されたコイル素子からなる第２および第４変位検出部からの出力（図３においては、ＹＲ、ＹＦ、ＹＴおよびＹＢでの出力）から算出している（尚、図３、図４において、ＧＮＤ、Ｒ、ＹＲは対応している）。

したがって、本実施形態では、図８に示すように、ラジアル方向の信号処理と、アキシアル方向の信号処理を、互いに独立に行うことができる。すなわち、本実施形態では、差動信号の出力の線形性を高めるのに、ラジアル変位の算出を行う信号処理部と、アキシアル変位の算出を行う信号処理部で、図６で抵抗１２０、抵抗１２１に相当する抵抗を、互いに独立に設定できて、全ての信号の線形性を優れたものにすることができるのである。

図９は、図６に示す従来演算を用いる装置において、各信号処理回路が出力した信号の一例を示す図であり、図１０は、本実施形態の装置において、各信号処理回路が出力した信号の一例を示す図である。

図９と、図１０とを比較して、本実施形態の装置において、従来装置と比較して、各信号の線形性が格段に向上されている。このことから、本実施形態の装置では、従来装置と比較して、演算誤差を格段に小さくすることができて、検出すべき物理量（本実施形態では、以下に示す５つの荷重）を、正確に検出することができる。

図１１は、各信号処理回路における、図６に１２０および１２１に示す抵抗の抵抗値の設定方法について説明する模式図である。

図１１に示すように、図６に１２０および１２１に示す抵抗の抵抗値が適正値よりも大きいと、出力信号が下に凸の曲線になり、逆に抵抗の抵抗値が適切値よりも小さいと、出力信号が上に凸の曲線になる。この現象を利用して、抵抗の抵抗値を適正値（出力が直線になる値）に設定することができる。

本実施形態の装置は、各信号処理回路に接続された演算部を有し、この演算部で、車輪に作用する各方向のモーメント荷重及び並進荷重を、算出している。

図１２は、方向について説明する図である。

図１２に示すように、本実施形態では、車輪の前後水平方向をｘ軸方向、車輪の左右水平方向（軸方向）をｙ軸方向、車輪の上下方向をｚ軸方向と定義する。

また、インナ側（車両の中心側）の第１変位検出部の各部分の出力信号に、添え字「１」を使用し、アウタ側（車輪側）の変位検出部の各部分の出力信号に、添え字「２」を使用する。また、上述のように、車両の前側、後側、上側および下側に各変位検出部の各部分を配置し、前側の部分の変位検出値を「ｆ（front）」と定義し、後側の部分の変位検出値を「ｒ（rear）」と定義し、上側の部分の変位検出値を「ｔ（top）」と定義し、下側の部分の変位検出値を「ｂ（bottom）」と定義する。

したがって、第１乃至第４変位検出部の各１６つの部分の出力信号は、次のように定義できる。
ｆ１：第１変位検出部のｆ配置部分の変位検出値
ｒ１：第１変位検出部のｒ配置部分の変位検出値
ｔ１：第１変位検出部のｔ配置部分の変位検出値
ｂ１：第１変位検出部のｂ配置部分の変位検出値
ｆ２：第３変位検出部のｆ配置部分の変位検出値
ｒ２：第３変位検出部のｒ配置部分の変位検出値
ｔ２：第３変位検出部のｔ配置部分の変位検出値
ｂ２：第３変位検出部のｂ配置部分の変位検出値
Ｙｆ１：第２変位検出部のｆ配置部分の変位検出値
Ｙｒ１：第２変位検出部のｒ配置部分の変位検出値
Ｙｔ１：第２変位検出部のｔ配置部分の変位検出値
Ｙｂ１：第２変位検出部のｂ配置部分の変位検出値
Ｙｆ２：第４変位検出部のｆ配置部分の変位検出値
Ｙｒ２：第４変位検出部のｒ配置部分の変位検出値
Ｙｔ２：第４変位検出部のｔ配置部分の変位検出値
Ｙｂ２：第４変位検出部のｂ配置部分の変位検出値

更に、５つの差動信号、ｘ１、ｘ２、ｚ１、ｚ２およびｙ１を、次のように定義する。
ｘ１＝ｆ１−ｒ１
ｘ２＝ｆ２−ｒ２
ｚ１＝ｂ１−ｔ１
ｚ２＝ｂ２−ｔ２
ｙ１＝Ｙｆ２＋Ｙｒ２＋Ｙｔ２＋Ｙｂ２−（Ｙｆ１＋Ｙｒ１＋Ｙｔ１＋Ｙｂ１）

上述のように、各変数を定義した場合、
上記５つの値、ｘ１、ｘ２、ｚ１、ｚ２およびｙ１と、
車輪用転がり軸受装置に作用しているｘ方向の力の大きさ（Ｆｘ）、車輪用転がり軸受装置に作用しているｙ方向の力の大きさ（Ｆｙ）、車輪用転がり軸受装置に作用しているｚ方向の力の大きさ（Ｆｚ）、車輪に作用しているｘ軸の回りのモーメント荷重の大きさ（Ｍｘ）、および、車輪に作用しているｚ軸の回りのモーメント荷重の大きさ（Ｍｚ）と
は、線形関係があり、下の関係（１）が成立する。

ここで、ｍ１１〜ｍ５５は、定数である。

したがって、上記（１）から下の（２）式が導かれる。

本実施形態の車輪用転がり軸受装置の上記演算部は、記憶部を有し、この記憶部には、上記（２）式のｎｉｊ（ｉとｊの夫々は、１〜５の値をとる）で示された５行５列の定数行列の２５個の要素が、ルックアップテーブルとして、予めインプットされている。

本実施形態の車輪用転がり軸受装置では、各センサが、信号処理部に信号を出力すると、信号処理部が、それらの信号に基づいて、差動信号ｘ１、ｘ２、ｚ１、ｚ２およびｙ１を算出する。そして、その後に、その算出されたｘ１、ｘ２、ｚ１、ｚ２およびｙ１と、上記記憶部に記憶されている５行５列の定数行列の２５個の要素ｎｉｊとから（２）式の演算を行って、車輪用転がり軸受装置に作用している実際の力（荷重）であるＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、ＭｘおよびＭｚを算出するようになっている。換言すると、本実施形態においては、上記ｎｉｊを参照するだけで、簡単安価かつ正確に、車両の上下方向の並進荷重、車両の進行方向の並進荷重、車輪の軸方向の並進荷重、車両の上下方向の回りのモーメント荷重、車両の進行方向の回りのモーメント荷重を算出することができる。

上記実施形態の車輪用転がり軸受装置によれば、４つのラジアル変位信号を出力する信号処理部と、アキシアル変位信号を出力する信号処理部とが、異なっているから、４つのラジアル変位信号および１つのアキシアル変位信号の全ての信号の線形性を優れたものにすることができる。したがって、４つのラジアル変位信号および１つのアキシアル変位信号を用いる後段の演算における演算誤差を格段に小さくすることができて、５つの荷重（３つの並進荷重と２つのモーメント荷重）の検出をより正確に行うことができる。

また、上記実施形態の車輪用転がり軸受装置によれば、第１変位検出部７０を構成する複数の第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、…のうちの幾つかの第１コイル素子１０３ａ、１０３ｂ、…を、第２変位検出部を構成する第１コイル素子として兼用し、かつ、第３変位検出部７１を構成する複数の第２コイル素子の幾つかを、第４変位検出部を構成する第２コイル素子として兼用しているから、センサ装置１０の製造コストを大幅に削減できる。また、上記第１変位検出部７０および第２変位検出部７１を、容易に同じ軸方向の位置に配置できると共に、第３変位検出部および第４変位検出部を、容易に同じ軸方向の位置に配置できて、車輪用転がり軸受装置をコンパクトにできる。

また、上記実施形態の車輪用転がり軸受装置によれば、上記第１信号処理部の抵抗１２０,１２１の抵抗値と、第３信号処理部の抵抗の抵抗値とを互いに独立に適切に設定しているから、容易に、４つのラジアル変位信号および１つのアキシアル変位信号の全ての信号の線形性を優れたものにすることができる。

尚、上記実施形態の車両用転がり軸受装置では、被変位検出部が、内軸１と別体のターゲット部材７３の外周面であったが、この発明では、ターゲット部材がなくて、被変位検出部が、内軸（または内輪）の外周面の一部であっても良い。また、上記実施形態の車両用転がり軸受装置では、内軸１に、内軸１と別体の内輪２が嵌合される構成であったが、この発明では、内輪がなくて、第２軌道部材が、内軸単体で構成されるか、または、内軸とターゲット部材で構成されても良く、内軸が、内軸の外周面に二つの軌道面を有する構成であっても良い。

また、この発明で使用できるセンサ装置は、上記実施形態で用いたセンサ装置１０に限らず、以下の図１３、図１４および図１５に一部が示されるセンサ装置であっても良い。

詳しくは、図１３に示すセンサ装置４００のように、ターゲット部材４７３に、環状溝１３４,１３５を形成せず、環状溝１３４,１３５が存在していた位置に、周囲の構成材料よりも大きい（或いは小さい）透磁率を有する環状帯部４３４,４３５を形成しても良い。上記環状帯部４３４,４３５は、例えば鋼材の場合には、含有カーボン量を変えることによって、形成することができる。

また、図１４に示すセンサ装置５００のように、ターゲット部材５７３において、上記実施形態において環状溝１３４,１３５が形成されていた位置に、外周面が円筒面の凸部５４１,５４２を形成し、上記実施形態において環状部１５０が形成されていた位置に、凸部５４１,５４２よりも丘部の外径が小さい環状部５５０を形成しても良い。

また、図１５に示すセンサ装置６００のように、ターゲット部材６７３の外周面に、軸方向の断面において、傾斜方向が互いに逆向きの傾斜部６４３,６４４を形成しても良く、傾斜部６４３,６４４の一部に、溝を有する環状部を形成しても良い。なお、図１５では、両傾斜部６４３,６４４は、接合部分が谷形となっているが、その接合部分を、山形となる両傾斜部としても良い。

また、この発明のセンサ付き転がり軸受装置で使用できる環状溝は、図５に示す上記実施形態の環状溝１３４,１３５のように、断面矩形状の環状溝に限らない。

例えば、図１６に示すターゲット部材７００の軸方向の模式断面図に示すように、環状のターゲット部材７００の外周面に軸方向に間隔をおいて配置されると共に、断面二等辺三角形状または断面正三角形状の２つの環状溝７３４,７３５を使用することもできる。尚、図１６において、７３８および７３９は、従来の溝の位置を示す仮想線である。

図１７は、図１６に示す断面二等辺三角形状の環状溝７３４,７３５を有するターゲット部材７００を使用した場合の、Ｙ１信号の波形を示す図である。

一実験例によると、本発明者は、ターゲット部材に形成する環状溝として、図５に示す断面矩形状の環状溝１３４,１３５を使用した場合よりも、図１６に示す断面二等辺三角形状の環状溝７３４,７３５を使用した方が、各出力信号の線形性を良くすることができることを確認した。

このことから、ターゲット部材に形成する環状溝として、図１６に示す断面二等辺三角形状の環状溝７３４,７３５を使用すると、更に、検出すべき物理量の検出を正確に行うことができる。

尚、上記実施形態のセンサ付き転がり軸受装置では、変位検出部７０,７１を、筒部材５２に固定したが、この発明では、変位検出部を、外輪に直接取り付けても良い。

また、上記実施形態では、センサ付き転がり軸受装置が、車輪用転がり軸受装置であったが、この発明のセンサ付き転がり軸受装置は、従動輪用または駆動輪用の車輪用転がり軸受装置に限らず、例えば磁気軸受装置等の車輪用転がり軸受装置以外の如何なる軸受装置であっても良い。上記実施形態で説明した本発明の構成を、複数のモーメント荷重や並進荷重を測定するニーズのある各種軸受装置に適用することができるのは、言うまでもないからである。

また、上記実施形態のセンサ付き転がり軸受では、センサ付き転がり軸受の転動体が玉であったが、この発明では、センサ付き転がり軸受の転動体が、ころであっても良く、また、ころおよび玉を含んでいても良い。

また、上記実施形態の車輪用転がり軸受装置では、第２変位検出部が、第１変位検出部の一部からなっていると共に、第４変位検出部が、第３変位検出部の一部からなっていたが、この発明では、第１変位検出部が、第２変位検出部の一部からなっていると共に、第３変位検出部が、第４変位検出部の一部からなっていても良い。また、異なる変位検出部で兼用されるコイル素子が一切なく、第１乃至第４変位検出部の全てが、互いに独立であっても良い。本発明では、第１変位検出部と第３変位検出部とが、軸方向に離間されて配置され、また、第２変位検出部と第４変位検出部とが、軸方向に離間されて配置されていさえすれば良いからである。

また、上記実施形態の車輪用転がり軸受装置では、各変位検出部が、リア方向、フロント方向、トップ方向、ボトム方向に配置された４つの部分からなっていたが、この発明では、各変位検出部は、４つ以外の部分からなっていても良く、１乃至３の部分からなっていても良く、５つ以上の部分からなっていても良い。

本発明のセンサ付き転がり軸受装置の一実施形態である従動輪用の車両用転がり軸受装置の軸方向の断面図である。 図１における第１変位検出部の周辺の拡大断面図である。 この車両用転がり軸受装置が、車両の所定位置に設置されている状態における、第１変位検出部の周方向の構成を示す周方向の配置図である。 第１変位検出部の第１部分の４つの第１コイル素子の接続関係を示す模式図である。 第１変位検出部を構成する複数の第１コイル素子のうちの１つの第１コイル素子の検出面と、その第１コイル素子に略軸方向に重なる第３変位検出部を構成する複数の第２コイル素子のうちの１つの第２コイル素子の検出面との位置関係を示す図である。 第１変位検出部の出力を処理する第１信号処理部の一部の一例としてのギャップ検出回路を示す図である。 車輪に作用している５つの荷重を算出（以下に詳述する）する途中の過程において、従来使用されていた演算法を示す図である。 本発明の装置で、車輪に作用している５つの荷重を算出する途中の過程において、使用されている演算法を示す図である。 図６に示す従来演算を用いる装置において、各信号処理回路が出力した信号の一例を示す図である。 本実施形態の装置において、各信号処理回路が出力した信号の一例を示す図である。 各信号処理回路における、図６に示す抵抗の抵抗値の設定方法について説明する模式図である。 方向について説明する図である。 本発明で使用できるセンサ装置の一部を示す図である。 本発明で使用できるセンサ装置の一部を示す図である。 本発明で使用できるセンサ装置の一部を示す図である。 本発明で使用できるセンサ装置の一部を示す図である。 図１６に示す断面二等辺三角形状の環状溝を有するターゲット部材を使用した場合の、Ｙ１信号の波形の一例を示す図である。

符号の説明

１ 内軸
２ 内輪
３ 外輪
４ 第１の玉
５ 第２の玉
７０ 第１変位検出部
７１ 第３変位検出部
７３ ターゲット部材
第１変位検出部の第１部分 １０３
第１変位検出部の第２部分 １０４
第１変位検出部の第３部分 １０５
第１変位検出部の第４部分 １０６
第１コイル素子 １０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ
第２コイル素子 １５３ａ
第２変位検出部の第１部分 ２０３
第２変位検出部の第２部分 ２０４
第２変位検出部の第３部分 ２０５
第２変位検出部の第４部分 ２０６

Claims (3)

1. 軌道面を内周面に有する第１軌道部材と、
   軌道面と、環状の被変位検出部とを外周面に有する第２軌道部材と、
   上記第１軌道部材の上記軌道面と、上記第２軌道部材の上記軌道面との間に配置された転動体と、
   上記被変位検出部の径方向の変位と、上記被変位検出部の軸方向の変位とを検出するセンサ装置と
   を備え、
   上記センサ装置は、
   上記被変位検出部に上記径方向に対向する検出面を有する第１変位検出部と、
   上記被変位検出部に上記径方向に対向する検出面を有する第２変位検出部と、
   上記第１変位検出部に上記軸方向に間隔をおいて位置すると共に、上記被変位検出部に上記径方向に対向する検出面を有する第３変位検出部と、
   上記第２変位検出部に上記軸方向に間隔をおいて位置すると共に、上記被変位検出部に上記径方向に対向する検出面を有する第４変位検出部と
   を有し、
   上記第１変位検出部からの信号に基づいて、上記被変位検出部において互いに直交する２つの径方向の変位に基づく第１ラジアル変位信号および第２ラジアル変位信号を出力する第１信号処理部と、
   上記第３変位検出部からの信号に基づいて、上記被変位検出部において互いに直交する２つの径方向の変位に基づく第３ラジアル変位信号および第４ラジアル変位信号を出力する第２信号処理部と、
   上記第２変位検出部および上記第４変位検出部からの信号に基づいて、上記被変位検出部の軸方向の変位に基づくアキシアル変位信号を出力する第３信号処理部と
   を備えることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
2. 請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置において、
   上記第１変位検出部は、上記第２変位検出部、上記第３変位検出部および上記第４変位検出部の夫々は、周方向に略等間隔に配置された４つの部分からなり、
   Ｎ１を、自然数とし、Ｎ２を、Ｎ１より小さい自然数とするとき、
   上記第１変位検出部の上記各部分は、直接に接続されたＮ１個の第１コイル素子からなり、
   上記第２変位検出部の上記各部分は、上記第１変位検出部の上記各部を構成する上記直接に接続されたＮ１個の第１コイル素子のうちで、直接に接続されたＮ２個の第１コイル素子からなり、
   上記第３変位検出部の上記各部分は、直接に接続されたＮ１個の第２コイル素子からなり、
   上記第４変位検出部の上記各部分は、上記第３変位検出部の上記各部を構成する上記直接に接続されたＮ１個の第２コイル素子のうちで、直接に接続されたＮ２個の第２コイル素子からなることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
3. 請求項２に記載のセンサ付き転がり軸受装置において、
   上記第１信号処理部、上記第２信号処理部および上記第３信号処理部の夫々は、
   第１ノードと、
   第２ノードと、
   上記第１ノードと上記第２ノードとの間に並列に接続された上記各部分およびコンデンサと、
   上記第１ノードに一端が接続された抵抗と
   を有し、
   上記第１信号処理部の上記抵抗の抵抗値と、上記第２信号処理部の上記抵抗の抵抗値とは同一である一方、上記第１信号処理部の上記抵抗の抵抗値は、上記第３信号処理部の上記抵抗の上記抵抗値と異なることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。

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