JP3843577B2 - 荷重検出装置付転がり軸受ユニット - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明に係る荷重検出装置付転がり軸受ユニットは、例えば工作機械の主軸をハウジングに支持する等、一般産業機械を構成する回転部分を固定部分に対して回転自在に支持すると共に、この回転部分の中心軸の変位を検出し、この回転部分に負荷される荷重を求める為に利用する。或は、トラック等の自動車の車輪を懸架装置に対し回転自在に支持するのに利用して、荷台の荷重等を検出する為にも利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、工作機械の主軸は、この工作機械を構成するハウジングの内側に、玉軸受やころ軸受等の転がり軸受により、回転自在に支持している。又、被加工物の加工を適切に行なうべく、上記主軸の回転速度を検出する為に、上述の様な転がり軸受に、上記主軸の回転速度を検出する為の回転速度検出装置を組み込む事も、従来から行なわれている。この様な回転速度検出装置は、上記転がり軸受を構成する回転輪に支持したエンコーダと、同じくこの転がり軸受を構成する固定輪、或は上記ハウジング等の固定部分に支持され、上記エンコーダの一部に対向させたセンサとから成る。上記主軸の回転速度は、この主軸の回転に伴って回転する上記回転輪に支持したエンコーダの回転速度を、上記センサにより検出する事で測定する。
【０００３】
従来から知られている回転速度検出装置付転がり軸受ユニットは、主軸或は車輪等の回転部分の回転速度を検出しても、この回転部分に加わるラジアル荷重を検出する事までも意図してはいなかった。一方、工作機械の主軸には、加工時にラジアル荷重（更にはスラスト荷重）が加わる。この様なラジアル荷重或はスラスト荷重が過大になると、所望の加工を精度良く行なう事ができない。従って、上記主軸に加わる荷重或はこの荷重に基づく変位を検出する事は重要であるが、従来はこの荷重或は変位の検出を、回転速度検出装置とは別個に設けた、ロードセル等の荷重センサ、或は変位センサにより行っていた。この為、この荷重センサ或は変位センサの設置スペースを別途設ける必要があり、工作機械の小型化・低廉化の妨げとなる。この為、回転速度検出装置により、上記主軸の回転速度だけでなく、この主軸に加わる荷重或は変位の検出を行なえる構造の実現が望まれる。
又、トラック等の自動車の積載量、搭乗人員が過剰な場合にはこの自動車の走行安定性や制動能力が損なわれて危険である。この為、車両総重量が許容値を越えているか否かを知る事は重要であるが、従来は、自動車自体にこの様な車両総重量を知る為の機構を組み込んではいなかった。これに対して、近年に於ける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）の普及により、車輪を支持する為の転がり軸受ユニットに、この車輪の回転速度を検出する為の回転速度検出装置を組み込む事が一般的に行われている。車輪を支持する為の転がり軸受ユニットには、上記車両総重量に見合うラジアル荷重が加わる。そこで、この転がり軸受ユニットに、車輪の回転速度の他、このラジアル荷重を検出する機能を付加すれば、上述の様な危険防止を図る装置の実現に寄与できるものと考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の荷重検出装置付転がり軸受ユニットは、上述の回転部分等に負荷される荷重を求める荷重検出装置付転がり軸受ユニットの改良に関する。
【０００５】
【課題を解決する為の手段】
本発明の荷重検出装置付転がり軸受ユニットは、静止側周面に静止側軌道を有し、使用時にも回転しない静止輪と、上記静止側周面と対向する回転側周面に回転側軌道を有し、使用時に回転する回転輪と、上記静止側軌道と上記回転側軌道との間に転動自在に設けられた複数個の転動体とを有する転がり軸受と、上記静止輪に支持され、この静止輪と上記回転輪との相対変位を検出する複数個の変位センサと、特性を円周方向に亙り交互に且つ等間隔に変化させた円環状の被検出部を有し、上記回転輪の一部にこの回転輪と同心に固定されたエンコーダとを備える。又、これら複数個の変位センサにより検出した上記相対変位と、上記転がり軸受の剛性とに基づき、この転がり軸受に負荷される荷重を求める。
【０００６】
又、請求項２に記載した荷重検出装置付転がり軸受ユニットに於いては、上記静止輪と回転輪との相対変位前の上記各変位センサの出力を初期値とし、この相対変位前後に於けるこれら各変位センサの出力の差から、上記転がり軸受に負荷される荷重を求める。
又、請求項３に記載した荷重検出装置付転がり軸受ユニットに於いては、求めた転がり軸受に負荷される荷重の値を、自動車の制御の為に使用する。
又、請求項４に記載した荷重検出装置付転がり軸受ユニットに於いては、上記各変位センサの出力により、上記転がり軸受に負荷される荷重と共に、上記回転輪の回転速度も求める。
【０００７】
【作用】
上述の様に構成する本発明の荷重検出装置付転がり軸受ユニットにより、工作機械の主軸や自動車の車輪等の回転部分を、工作機械のハウジングや自動車の懸架装置等の固定部分に対して回転自在に支持する際の作用は、従来から一般に知られている転がり軸受ユニットの場合と同様である。
【０００８】
特に、請求項４に記載した荷重検出装置付転がり軸受ユニットの場合、静止輪に支持した複数個の変位センサが、上記回転部分の回転速度の他、静止輪と回転輪との相対変位（変位方向及び変位量）も検出する。この様な相対変位と、転がり軸受の剛性と、転がり軸受ユニットに加わる負荷（ラジアル荷重及びスラスト荷重）との間には一定の関係がある。又、転がり軸受の剛性は、周知の様に、計算式により求める事ができる。従って、請求項４に記載した荷重検出装置付転がり軸受ユニットにより、上記相対変位を求めれば、この相対変位と転がり軸受との剛性とに基づき、この転がり軸受に負荷される荷重を求める事ができ、その結果、上記回転部分に加わる負荷を求める事ができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１〜３は、本発明の実施の形態の第１例を示している。主軸或は車軸等の回転軸１は、固定されて回転しないハウジング２の内側に、ラジアル転がり軸受３により、このハウジング２に対する回転自在に支持している。即ち、上記ラジアル転がり軸受３を構成する、静止輪である外輪４は、上記ハウジング２の内周面に内嵌固定しており、静止側周面である内周面に、静止側軌道である外輪軌道５を有する。又、回転輪である内輪６は、上記回転軸１の中間部に外嵌固定しており、回転側周面である外周面に、回転側軌道である内輪軌道７を有する。そして、この内輪軌道７と上記外輪軌道５との間に複数個の転動体８、８を転動自在に設ける事により、上記回転軸１を上記ハウジング２の内側に回転自在に支持している。
【００１０】
尚、上記内輪６は、上記回転軸１の中間部外周面に形成した段部９と、同じくこの回転軸１の中間部で上記内輪６に関して上記段部９と反対側部分に外嵌した固定リング１０との間で挟持する事により、軸方向（図１〜２の左右方向）に亙る位置決めを図っている。又、図示の例では、上記外輪４は、上記ハウジング２に圧入により内嵌固定しているが、上記外輪４の外周面にフランジを形成すると共に、このフランジと上記ハウジング２の一部とをボルト等により結合する事で、上記外輪４を上記ハウジング２に支持固定する構造も採用できる。又、図示の例では、上記各転動体８、８として玉を使用しているが、ラジアル方向に亙る大きな荷重を支承する転がり軸受の場合には、各転動体としてころを使用する場合もある。更には、ラジアル、スラスト両方向に亙る大きな荷重を支承する転がり軸受の場合には、各転動体として円すいころを使用する場合もある。
【００１１】
又、上記各転動体８、８を設置する部分である、外輪４の内周面と内輪６の外周面との間に存在する空間１１の軸方向（図１〜２の左右方向）両端開口部には、それぞれ組み合わせシールリング１２、１２を設けて、上記空間１１内に塵芥等の異物が進入するのを防止すると共に、この空間１１内に封入したグリース等の潤滑剤がこの空間１１外に漏洩するのを防止している。上記各組み合わせシールリング１２、１２を構成する、外径側と内径側との１対のシールリングは、それぞれ第一、第二の芯金１３、１４とシールリップ１５ａ、１５ｂとから成る。このうちの第一の芯金１３は、鋼板等の金属板を曲げ形成する事により、断面Ｌ字形で全体を円環状に形成したもので、固定円筒部１６と内向きフランジ状の固定円輪部１８とを有し、このうちの固定円筒部１６を上記外輪４の端部に内嵌固定している。又、上記第二の芯金１４は、やはり鋼板等の金属板を曲げ形成する事により、断面Ｌ字形で全体を円環状に形成したもので、回転円筒部１７と外向きフランジ状の回転円輪部１９とを有し、このうちの回転円筒部１７を上記内輪６の端部に外嵌固定している。又、上記各シールリップ１５ａ、１５ｂは、ゴムその他のエラストマー等の弾性材により、全体を円環状に形成している。この様な各シールリップ１５ａ、１５ｂは、それぞれの基部を上記固定円輪部１８及び上記回転円輪部１９に添着固定すると共に、それぞれの先端縁を上記第二の芯金１４の表面及び上記第一の芯金１３の表面に、全周に亙り摺接させている。
【００１２】
又、上記１対の組み合わせシールリング１２、１２のうち、上記空間１１の一端側（図１〜２の右端側）の組み合わせシールリング１２の内径側シールリングを構成する第二の芯金１４の外側面（前記空間１１と反対側側面で、図１〜２の右側面）には、エンコーダ２０を支持固定している。このエンコーダ２０は、鋼板等の磁性金属板により、全体を円輪状に形成している。そして、直径方向中間部に複数の透孔２１、２１を、円周方向に亙り等間隔に形成する事により、被検出部であるこのエンコーダ２０の直径方向中間部の磁気特性を、円周方向に亙り交互に且つ等間隔に変化させている。尚、この様にエンコーダ２０の磁気特性を変化させるべく、このエンコーダ２０には、上記透孔２１に代えて直径方向の一端側に開口する切り欠きを形成する場合もある。この様なエンコーダ２０は、上記第二の芯金１４を構成する回転円輪部１９の外側面（図１〜２の右側面）に、接着、スポット溶接等により添着固定している。
【００１３】
又、上記外輪４の一端部（図１〜２の右端部）外周面には、この外周面の他の部分よりも直径方向内方に凹入する段部２２を設けている。そして、この段部２２に、後述する変位センサ２６、２６を支持する為の支持環２３を外嵌固定し、この支持環２３を上記エンコーダ２０に対向させている。この支持環２３は、鋼板等の金属板を曲げ形成する事により、断面Ｌ字形で全体を円環状に形成したもので、円筒部２４と内向きフランジ状の円輪部２５とを有する。そして、このうちの円筒部２４の先端部を上記段部２２に外嵌する事により、上記支持環２３を上記外輪４の一端部に支持固定している。尚、上記円輪部２５の内径は、上記回転軸１の一部で、この円輪部２５の内周縁が対向する部分の外径よりも少しだけ大きく形成している。従って、上記支持環２３を上記段部２２に外嵌固定した状態で、上記円輪部２５の内周縁と上記回転軸１の外周面との間には、ラビリンスシールとして機能する、微小隙間が形成される。即ち、上記支持環２３は、次述する変位センサ２６、２６を保持する機能の他、ダストカバーとしての機能を持ち、これら各変位センサ２６、２６部分への塵芥等の異物の進入を防止する。
【００１４】
上記支持環２３には、４個の変位センサ２６、２６（図１〜２には図示省略、図３〜４参照。）を支持している。これら各変位センサ２６、２６は、合成樹脂３３中に包埋した状態で上記支持環２３を構成する円筒部２４の内径側に、円周方向に亙り等間隔に保持固定している。即ち、上記各変位センサ２６、２６は、上記支持環２３の中心軸（上記外輪４の中心軸）をその中心とする円周上に、円周方向に亙る位相をそれぞれ９０度ずつずらせて配置している。そして、この状態で上記各変位センサ２６、２６の検出部を、被検出部である上記エンコーダ２０の外側面（図１〜２の右側面）の直径方向中間部に、軸方向（図１〜２の左右方向）に亙る微小隙間（例えば０．５〜１mm以下）を介して対向させている。尚、上記各変位センサ２６、２６の検出部と上記エンコーダ２０の被検出部の一部との軸方向に亙る間隔は、上記回転軸１に負荷が加わっていない状態で互いに等しくなる様に、上記各変位センサ２６、２６の設置位置を規制している。
【００１５】
尚、上記各変位センサ２６、２６としては、永久磁石とホールＩＣ或は磁気抵抗素子等の検出素子とにより構成するアクティブセンサ、或は、図３（Ａ）（Ｂ）に示す様に、永久磁石３４と磁性材製のステータ３５とこのステータ３５に巻回するコイル３６とにより構成するパッシブセンサを選択使用できる。但し、１個の回転速度検出装置付転がり軸受ユニットに組み込む複数の変位センサは、それぞれ同構造のものを使用して、同じ変位に対して同じ出力変化を得られる様にする。尚、上記各変位センサ２６、２６として上記パッシブセンサを使用する場合には、図３（Ｂ）に示す様な、外輪４の軸方向にステータ３５を配置する構造ではなく、同図（Ａ）に示す様に、ステータ３５を外輪４の円周方向に配置するものが好ましい。この理由は、上記外輪４の軸方向に亙る各変位センサ２６、２６の寸法を小さくし、これら各変位センサ２６、２６を支持する支持環２３の軸方向（図１〜２の左右方向）の突出量を小さく抑える為である。従って、設置空間に余裕があれば、図３（Ｂ）の構造でも差支えない。尚、上記支持環２３の外側面（図１〜２の右側面）からは、上記各変位センサ２６、２６の信号を取り出す為のハーネス２７を導出している。
【００１６】
上述の様に構成する本例の荷重検出装置付転がり軸受ユニットの作用は、次の通りである。先ず、回転軸１の回転速度を検出する場合の作用に就いて説明する。上記回転軸１の回転に伴って内輪６に支持したエンコーダ２０が回転すると、上記各変位センサ２６、２６の検出部の近傍を、上記エンコーダ２０に設けた透孔２１、２１と、これら各透孔２１、２１同士の間部分に存在する各柱部とが交互に通過する。この結果、上記各変位センサ２６、２６の出力（電圧値、或は抵抗値）が変化する。この出力が変化する周波数は、上記回転軸１の回転速度に比例する。従って、上記各変位センサ２６、２６のうち少なくとも１個の変位センサ２６の出力を上記回転軸１を有する工作機械或は自動車に設けた制御器に送れば、この回転軸１の回転速度を算出できる。尚、上記変位センサ２６、２６を複数個設けている事を除き、上述の様に回転軸１の回転速度を検出する際の作用は、従来から知られている回転速度検出装置付転がり軸受ユニットの場合と同様である。
【００１７】
次に、本例の特徴である作用、即ち、ラジアル転がり軸受３を構成する内輪６の中心軸と外輪４の中心軸とが相対変位した場合に、この相対変位を検出する際の作用に就いて、図４を参照しつつ説明する。尚、本例の特徴である、この作用は、上記内輪６の中心軸と外輪４の中心軸との相対変位に伴う変位量を、上記各変位センサ２６、２６を配置する円周の中心軸と、上記エンコーダ２０の中心軸との相対変位量として検出するものである。上記図４中、二点鎖線ａは、上記回転軸１に負荷が加わっていない中立状態（相対変位以前）に於けるエンコーダ２０の状態を、実線ｂは、上記回転軸１に負荷が加わって相対変位した後のエンコーダ２０の状態を、一点鎖線ｃは、上記各変位センサ２６、２６の検出部の配置面を、一点鎖線ｄは、上記各変位センサ２６、２６を配置した円周の中心軸を、それぞれ示している。
【００１８】
例えば、上記回転軸１に加わるラジアル荷重に基づいて、上記内輪６の中心軸と外輪４の中心軸（図１〜２参照）とが相対変位する事に伴い、上記エンコーダ２０が二点鎖線ａで示す状態から、実線ｂで示す状態に変位したとする。そして、この時の上記エンコーダ２の軸方向（図４の左右方向）に亙る変位量をδa 、直径方向（図４の上下方向）に亙る変位量をδr 、上記中心軸（一点鎖線）ｄに直交する仮想平面に対する傾斜角度をθとする。この場合、内輪６の中心軸と外輪４の中心軸との相対変位前と相対変位後とに於ける、上記各変位センサ２６、２６の検出部Ｓ1 〜Ｓ4 と、上記エンコーダ２０の被検出部との軸方向に亙る距離の変化量δS1〜δS4は、幾何学的関係により下記の(1) 〜(4) 式で表される。
δS1＝｛（ｒ・cosφ−δr ）・tanθ｝−δa −−−(1)
δS2＝［｛ｒ・cos（φ＋９０°）−δr ｝・tanθ］−δa −−−(2)
δS3＝［｛ｒ・cos（φ＋１８０°）−δr ｝・tanθ］−δa −−−(3)
δS4＝［｛ｒ・cos（φ＋２４０°）−δr ｝・tanθ］−δa −−−(4)
尚、上記(1) 〜(4) 式中、ｒは、上記各変位センサ２６、２６の検出部Ｓ1 〜Ｓ4 を配置する円周の半径を、φは、上記二点鎖線ａ及び実線ｂを含む面と上記中心軸ｄ及び上記各変位センサ２６、２６のうち１番目の変位センサ２６の検出部Ｓ1 を含む面との間の角度を、それぞれ示している。
【００１９】
一方、上記(1) 〜(4) 式の左辺の値、即ち、相対変位前と相対変位後とに於ける、上記各検出部Ｓ1 〜Ｓ4 と上記エンコーダ２０の被検出部との軸方向に亙る距離の変化量δS1〜δS4は、上記各変位センサ２６、２６により検出自在である。即ち、前述の様にエンコーダ２０が回転した場合に、このエンコーダ２０の回転に伴って変化する上記各変位センサ２６、２６の出力信号の振幅（信号の大きさ）は、上記各検出部Ｓ1 〜Ｓ4 と上記被検出部との軸方向に亙る距離（パッシブ型センサの場合は、距離及びエンコーダ２０の回転速度）により定まる。従って、上記各変位センサ２６、２６の出力信号の振幅（更にはエンコーダ２０の回転速度）の関係から、上記各検出部Ｓ1 〜Ｓ4 と上記エンコーダ２０の被検出部との軸方向に亙る距離が求まる。そこで、前記制御器に相対変位前の出力信号の振幅（更に必要とすれば回転速度）の関係を初期値として記録しておけば、この相対変位の前後に於ける出力信号の振幅の関係の差から、上記各変化量δS1〜δS4を検出できる。
【００２０】
従って、上述の様に検出した各変化量δS1〜δS4を上述の(1) 〜(4) 式の左辺に代入し、これら(1) 〜(4) 式を連立方程式として上記制御器に解かせれば、上記各変位センサ２６、２６を配置する円周の中心軸と上記エンコーダ２０の中心軸との相対変位量を決定する４つの値δr 、δa 、θ、φが求まる。ところで、上記各変位センサ２６、２６を配置する円周の中心軸と上記エンコーダ２０の中心軸とは、それぞれ前記外輪４の中心軸と前記内輪６の中心軸とに一致する。従って、上記４つの値δr 、δa 、θ、φは、上記内輪６と上記外輪４との中心軸同士の相対変位量を決定する値となる。
【００２１】
上述の様に内輪６の中心軸と外輪４の中心軸との相対変位量が求まったならば、続いて、上記制御器に、この相対変位量に基づいて前記ラジアル転がり軸受３の負荷荷重を計算させる。そして、この負荷荷重に基づいて、前記回転軸１を有する工作機械や自動車の制御を行う。例えば、この回転軸１が工作機械の主軸であり、この主軸の回転速度を一定に保つ必要がある場合には、上記回転軸１を回転駆動する電動モータへの通電量を調節して、この回転軸１に加わる負荷の変動に拘らず、この回転軸の回転速度を一定に保つ。又、上記回転軸１が自動車の車軸であった場合、上記負荷が過大であると判定された場合には、運転席の警告灯を点灯させる等の処置を講ずる。尚、上記ラジアル転がり軸受３の負荷荷重は、上記相対変位量とこのラジアル転がり軸受３の剛性とに基づいて、上記制御器に計算させる。
【００２２】
尚、本例の場合、４つの変位センサ２６、２６は、支持環２３の中心軸（上記外輪４の中心軸）をその中心軸とする円周上に、必ずしも等間隔に配置する必要はない。又、工作機械等の運転時に、外輪４の中心軸に対して内輪６の中心軸が傾斜する方向（回転軸１に加わる荷重の方向）が予め分かっている場合、即ち、前記相対変位量を決定する４つの値δr 、δa 、θ、φのうちの角度φが予め分かっている場合には、変位センサ２６、２６は全部で３個設ければ足りる。但し、この場合には、一番目の変位センサ２６の検出部Ｓ1 を、φ＝０の位置に配置する。又、本発明を構成する変位センサ２６、２６は、前述の様にパッシブセンサでも良いが、エンコーダ２０の回転速度により出力信号の振幅が変化しないアクティブセンサを使用する方が、変位センサ２６、２６の小型化を図れるだけでなく、信号の処理が容易な為、有利である。
【００２３】
次に、図５〜６は、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例の場合、組み合わせシールリング１２ａを構成する内径側シールリングの第二の芯金１４ａに、第一のエンコーダ２８と第二のエンコーダ２９との２つのエンコーダを支持固定している。即ち、上記第二の芯金１４ａは、鋼板等の金属板を曲げ形成する事により、断面クランク形で全体を円環状に形成したもので、大径円筒部３０と、小径円筒部３１と、これら両円筒部３０、３１の端縁同士を連結する円輪部３２とを有する。そして、このうちの小径円筒部３１を内輪６の一端部（図５の右端部）に、上記大径円筒部３０をこの内輪６の一端面（図５の右端面）から突出させる状態で外嵌固定している。
【００２４】
又、上記第一のエンコーダ２８は、ゴム中にフェライトの粉末を混入したゴム磁石等の永久磁石により全体を円輪状に形成したもので、軸方向（図５の左右方向）に亙って着磁している。着磁方向は、円周方向に亙り交互に、且つ等間隔で変化させている。従って、第一の被検出部である上記第一のエンコーダ２８の片側面（図５の右側面）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、上記第二のエンコーダ２９は、やはりゴム中にフェライトの粉末を混入したゴム磁石等の永久磁石により全体を円筒状に形成したもので、直径方向に亙って着磁している。着磁方向は、円周方向に亙り交互に、且つ等間隔で変化させている。従って、第二の被検出部である上記第二のエンコーダ２９の内周面には、Ｓ極とＮ極とが交互に、且つ等間隔で配置されている。そして、上記第一のエンコーダ２８は上記第二の芯金１４ａを構成する円輪部３２の片面（図５の右面）に、上記第二のエンコーダ２９は同じく上記大径円筒部３０の内周面に、それぞれ焼き付け、接着、自身の磁気吸着力等により添着固定している。
【００２５】
一方、複数個の変位センサ２６、２６ａ（図５には省略、図６参照。）を包埋支持する為の合成樹脂３３ａの一部は、上記大径円筒部３０の内径側に進入させており、上記各変位センサ２６、２６ａは、この様に大径円筒部３０の内径側に進入させた合成樹脂３３ａの一部に包埋支持している。又、本例の場合、上記変位センサ２６、２６ａを合計６個設けており、それぞれこれら各変位センサ２６、２６ａを支持する支持環２３の中心軸（外輪４の中心軸）をその中心軸とする円周上に、等間隔に配置している。即ち、上記各変位センサ２６、２６ａは、円周方向に亙る位相をそれぞれ６０度ずつずらせて配置している。又、この状態で、上記６個の変位センサ２６、２６ａのうちの３個の変位センサ２６、２６は、これら各変位センサ２６、２６の検出部ＳA1〜ＳA3を、上記第一のエンコーダ２８の片側面（図５の右側面）の円周方向の一部と、軸方向（図５の左右方向）に亙り微小隙間を介して対向させている。又、上記６個の変位センサ２６、２６ａのうちの残り３個の変位センサ２６ａ、２６ａは、これら各変位センサ２６ａ、２６ａの各検出部ＳR1〜ＳR3を、上記第二のエンコーダ２９の内周面の円周方向の一部と、直径方向に亙り微小隙間を介して対向させている。尚、上記第一のエンコーダ２８に対向させる各変位センサ２６、２６と上記第二のエンコーダ２９に対向させる各変位センサ２６ａ、２６ａとは、これら各変位センサ２６、２６ａを配置する円周方向に亙り交互に配置している。
【００２６】
上述の様に構成する本例の荷重検出装置付転がり軸受ユニットの場合には、内輪６の中心軸と外輪４の中心軸との相対変位量を検出を、上述した第１例の場合に比べて、より正確に行なえる。この理由及び本例の荷重検出装置付転がり軸受ユニットにより上記相対変位量を検出する際の作用に就いて、図６を参照しつつ説明する。尚、工作機械等の運転時に於ける通常の荷重条件では、回転軸１に負荷されるラジアル荷重とモーメント荷重との円周方向に関する位相は、互いに一致する。この為、前述した第１例では、エンコーダ２０の直径方向の変位量δr と傾斜角度θを含む面との中心軸ｄを中心とする円周方向に亙る位相は、互いに一致するとして、相対変位量の検出を行なう様にしている。ところが、上記工作機械等の運転時に特殊な荷重条件が与えられた場合、或は自動車の急旋回時等には、上記回転軸１に負荷されるラジアル荷重とモーメント荷重との円周方向に亙る位相が一致しない場合が生じる。そこで、本例の場合には、上記直径方向の変位量δr の位相と傾斜角度θを含む面の位相とを別個に検出自在としている。
【００２７】
例えば、上記内輪６の中心軸と外輪４の中心軸とが相対変位する事に伴い、上記第一、第二の両エンコーダ２８、２９が、図６の二点鎖線ａで示す状態から、実線ｂで示す状態に変位したとする。そして、この時の上記第一、第二の両エンコーダ２８、２９の軸方向（図５〜６の左右方向）に亙る変位量をδa 、直径方向（図３の上下方向）に亙る変位量をδr 、中心軸（一点鎖線）ｄに直交する仮想平面に対する傾斜角度をθとする。尚、上述した様に、上記直径方向に亙る変位量δr の方向と傾斜角度θを含む面との円周方向に亙る位相は、一致するとは限らない（但し、図示の例では、便宜上一致させている。）。この場合、内輪６の中心軸と外輪４の中心軸との相対変位前と相対変位後とに於ける、上記各変位センサ２６、２６の検出部ＳA1〜ＳA3と、上記第一のエンコーダ２８の第一の被検出部との軸方向に亙る距離の変化量δSA1 〜δSA3 は、幾何学的関係により下記の(5) 〜(7) 式で表される。
δSA1 ＝｛（ｒ・cosφ−δr ）・tanθ｝−δa −−−(5)
δSA2 ＝［｛ｒ・cos（φ＋１２０°）−δr ｝・tanθ］−δa −−−(6)
δSA3 ＝［｛ｒ・cos（φ＋２４０°）−δr ｝・tanθ］−δa −−−(7)
【００２８】
尚、上記(5) 〜(7) 式中、ｒは、上記各変位センサ２６、２６の検出部ＳA1〜ＳA3及び後述する各変位センサ２６ａ、２６ａの検出部ＳR1〜ＳR3を配置する円周の半径を、φは、上記傾斜角度θを含む面と、前記中心軸ｄ及び上記各変位センサ２６、２６のうち１番目の変位センサ２６の検出部ＳA1を含む面との間の角度を、それぞれ示している。又、上記(5) 〜(7) 式中、それぞれが微小量であるδr と tanθとを掛け合わせた値、即ち、δr ・tanθは高次の微小量となる為、無視する事ができる。従って、上記(5) 〜(7) 式は、下記の(8) 〜(10)式の様に書き換える事ができる。
δSA1 ≒（ｒ・cosφ・tanθ）−δa −−− (8)
δSA2 ≒｛ｒ・cos（φ＋１２０°）・tanθ｝−δa −−− (9)
δSA3 ≒｛ｒ・cos（φ＋２４０°）・tanθ｝−δa −−−(10)
【００２９】
又、前記各変位センサ２６ａ、２６ａの検出部ＳR1〜ＳR3と、上記第二のエンコーダ２９の被検出部との直径方向に亙る距離の変化量δSR1 〜δSR3 は、幾何学的関係により下記の(11)〜(13)式で表される。
δSR1 ＝δr ・cosα −−−(11)
δSR2 ＝δr ・cos（α＋１２０°） −−−(12)
δSR3 ＝δr ・cos（α＋２４０°） −−−(13)
尚、上記(11)〜(13)式中、αは、上記直径方向の変位量δr の上記中心軸ｄを中心とする円周方向に亙る方向と、上記中心軸ｄ及び上記各変位センサ２６ａ、２６ａのうち１番目の変位センサ２６ａの検出部ＳR1を含む面との間の角度を示している。
【００３０】
上記(8) 〜(10)式並びに(11)〜(13)式の左辺の値、即ち、相対変位前と相対変位後とに於ける、上記各検出部ＳA1〜ＳA3と上記第一のエンコーダ２８の被検出部との軸方向に亙る距離の変化量δSA1 〜δSA3 、並びに上記各検出部ＳR1〜ＳR3と上記第二のエンコーダ２９の被検出部との直径方向に亙る距離の変化量δSR1 〜δSR3 は、前述した第１例の場合と同様に、上記各変位センサ２６、２６ａにより検出自在である。そこで、本例の場合も、上記(8) 〜(10)式並びに(11)〜(13)式を連立方程式として制御器に解かせる事により、上記各変位センサ２６、２６を配置する円周の中心軸と上記第一、第二の両エンコーダ２８、２９の中心軸との相対変位量、即ち、上記内輪６と上記外輪４との中心軸同士の相対変位量を決定する５つの値δr 、δa 、θ、φ、αを検出できる。尚、δr とαとの各値を上記(11)〜(13)式から成る連立方程式から求める場合には、１つだけ式が余分となる。即ち、本例の場合、上記第二のエンコーダ２９に対向させる変位センサ２６ａ、２６ａは、２個設ければ足りる。但し、上記δr とαとの各値の検出精度を高める為には、図示の例の様に、上記各変位センサ２６ａ、２６ａは３個設ける事が好ましい。その他の構成及び作用は上述した第１例の場合と同様である。
【００３１】
尚、本発明の荷重検出装置付転がり軸受ユニットを、上述した１〜２例の場合とは逆に、内輪が静止輪で外輪が回転輪である転がり軸受にも適用できる事は言う迄もない。この場合には、上述した１〜２例に於いて、直径方向に亙る内外を逆に構成する。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の荷重検出装置付転がり軸受ユニットは、以上に述べた通り構成され作用する為、ラジアル転がり軸受を構成する内輪と外輪との中心軸同士が相対変位した場合に、このラジアル転がり軸受に加わる負荷を算出して、このラジアル転がり軸受を組み込んだ各種機械装置を適正に運転できる。
【図面の簡単な説明】
【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】 パッシブ型センサの構造の２例を示す略斜視図。
【図４】 相対変位の前後に於ける、各変位センサとエンコーダとの位置関係を示す模式図。
【図５】 本発明の実施の形態の第２例を示す、図２と同様の図。
【図６】 同じく、図４と同様の図。
【符号の説明】
１ 回転軸
２ ハウジング
３ ラジアル転がり軸受
４ 外輪
５ 外輪軌道
６ 内輪
７ 内輪軌道
８ 転動体
９ 段部
１０ 固定リング
１１ 空間
１２、１２ａ 組み合わせシールリング
１３ 第一の芯金
１４、１４ａ 第二の芯金
１５、１５ａ シールリップ
１６ 固定円筒部
１７ 回転円筒部
１８ 固定円輪部
１９ 回転円輪部
２０ エンコーダ
２１ 透孔
２２ 段部
２３ 支持環
２４ 円筒部
２５ 円輪部
２６、２６ａ 変位センサ
２７ ハーネス
２８ 第一のエンコーダ
２９ 第二のエンコーダ
３０ 大径円筒部
３１ 小径円筒部
３２ 円輪部
３３、３３ａ 合成樹脂
３４ 永久磁石
３５ ステータ
３６ コイル
【発明の属する技術分野】
この発明に係る荷重検出装置付転がり軸受ユニットは、例えば工作機械の主軸をハウジングに支持する等、一般産業機械を構成する回転部分を固定部分に対して回転自在に支持すると共に、この回転部分の中心軸の変位を検出し、この回転部分に負荷される荷重を求める為に利用する。或は、トラック等の自動車の車輪を懸架装置に対し回転自在に支持するのに利用して、荷台の荷重等を検出する為にも利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、工作機械の主軸は、この工作機械を構成するハウジングの内側に、玉軸受やころ軸受等の転がり軸受により、回転自在に支持している。又、被加工物の加工を適切に行なうべく、上記主軸の回転速度を検出する為に、上述の様な転がり軸受に、上記主軸の回転速度を検出する為の回転速度検出装置を組み込む事も、従来から行なわれている。この様な回転速度検出装置は、上記転がり軸受を構成する回転輪に支持したエンコーダと、同じくこの転がり軸受を構成する固定輪、或は上記ハウジング等の固定部分に支持され、上記エンコーダの一部に対向させたセンサとから成る。上記主軸の回転速度は、この主軸の回転に伴って回転する上記回転輪に支持したエンコーダの回転速度を、上記センサにより検出する事で測定する。
【０００３】
従来から知られている回転速度検出装置付転がり軸受ユニットは、主軸或は車輪等の回転部分の回転速度を検出しても、この回転部分に加わるラジアル荷重を検出する事までも意図してはいなかった。一方、工作機械の主軸には、加工時にラジアル荷重（更にはスラスト荷重）が加わる。この様なラジアル荷重或はスラスト荷重が過大になると、所望の加工を精度良く行なう事ができない。従って、上記主軸に加わる荷重或はこの荷重に基づく変位を検出する事は重要であるが、従来はこの荷重或は変位の検出を、回転速度検出装置とは別個に設けた、ロードセル等の荷重センサ、或は変位センサにより行っていた。この為、この荷重センサ或は変位センサの設置スペースを別途設ける必要があり、工作機械の小型化・低廉化の妨げとなる。この為、回転速度検出装置により、上記主軸の回転速度だけでなく、この主軸に加わる荷重或は変位の検出を行なえる構造の実現が望まれる。
又、トラック等の自動車の積載量、搭乗人員が過剰な場合にはこの自動車の走行安定性や制動能力が損なわれて危険である。この為、車両総重量が許容値を越えているか否かを知る事は重要であるが、従来は、自動車自体にこの様な車両総重量を知る為の機構を組み込んではいなかった。これに対して、近年に於ける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）の普及により、車輪を支持する為の転がり軸受ユニットに、この車輪の回転速度を検出する為の回転速度検出装置を組み込む事が一般的に行われている。車輪を支持する為の転がり軸受ユニットには、上記車両総重量に見合うラジアル荷重が加わる。そこで、この転がり軸受ユニットに、車輪の回転速度の他、このラジアル荷重を検出する機能を付加すれば、上述の様な危険防止を図る装置の実現に寄与できるものと考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の荷重検出装置付転がり軸受ユニットは、上述の回転部分等に負荷される荷重を求める荷重検出装置付転がり軸受ユニットの改良に関する。
【０００５】
【課題を解決する為の手段】
本発明の荷重検出装置付転がり軸受ユニットは、静止側周面に静止側軌道を有し、使用時にも回転しない静止輪と、上記静止側周面と対向する回転側周面に回転側軌道を有し、使用時に回転する回転輪と、上記静止側軌道と上記回転側軌道との間に転動自在に設けられた複数個の転動体とを有する転がり軸受と、上記静止輪に支持され、この静止輪と上記回転輪との相対変位を検出する複数個の変位センサと、特性を円周方向に亙り交互に且つ等間隔に変化させた円環状の被検出部を有し、上記回転輪の一部にこの回転輪と同心に固定されたエンコーダとを備える。又、これら複数個の変位センサにより検出した上記相対変位と、上記転がり軸受の剛性とに基づき、この転がり軸受に負荷される荷重を求める。
【０００６】
又、請求項２に記載した荷重検出装置付転がり軸受ユニットに於いては、上記静止輪と回転輪との相対変位前の上記各変位センサの出力を初期値とし、この相対変位前後に於けるこれら各変位センサの出力の差から、上記転がり軸受に負荷される荷重を求める。
又、請求項３に記載した荷重検出装置付転がり軸受ユニットに於いては、求めた転がり軸受に負荷される荷重の値を、自動車の制御の為に使用する。
又、請求項４に記載した荷重検出装置付転がり軸受ユニットに於いては、上記各変位センサの出力により、上記転がり軸受に負荷される荷重と共に、上記回転輪の回転速度も求める。
【０００７】
【作用】
上述の様に構成する本発明の荷重検出装置付転がり軸受ユニットにより、工作機械の主軸や自動車の車輪等の回転部分を、工作機械のハウジングや自動車の懸架装置等の固定部分に対して回転自在に支持する際の作用は、従来から一般に知られている転がり軸受ユニットの場合と同様である。
【０００８】
特に、請求項４に記載した荷重検出装置付転がり軸受ユニットの場合、静止輪に支持した複数個の変位センサが、上記回転部分の回転速度の他、静止輪と回転輪との相対変位（変位方向及び変位量）も検出する。この様な相対変位と、転がり軸受の剛性と、転がり軸受ユニットに加わる負荷（ラジアル荷重及びスラスト荷重）との間には一定の関係がある。又、転がり軸受の剛性は、周知の様に、計算式により求める事ができる。従って、請求項４に記載した荷重検出装置付転がり軸受ユニットにより、上記相対変位を求めれば、この相対変位と転がり軸受との剛性とに基づき、この転がり軸受に負荷される荷重を求める事ができ、その結果、上記回転部分に加わる負荷を求める事ができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１〜３は、本発明の実施の形態の第１例を示している。主軸或は車軸等の回転軸１は、固定されて回転しないハウジング２の内側に、ラジアル転がり軸受３により、このハウジング２に対する回転自在に支持している。即ち、上記ラジアル転がり軸受３を構成する、静止輪である外輪４は、上記ハウジング２の内周面に内嵌固定しており、静止側周面である内周面に、静止側軌道である外輪軌道５を有する。又、回転輪である内輪６は、上記回転軸１の中間部に外嵌固定しており、回転側周面である外周面に、回転側軌道である内輪軌道７を有する。そして、この内輪軌道７と上記外輪軌道５との間に複数個の転動体８、８を転動自在に設ける事により、上記回転軸１を上記ハウジング２の内側に回転自在に支持している。
【００１０】
尚、上記内輪６は、上記回転軸１の中間部外周面に形成した段部９と、同じくこの回転軸１の中間部で上記内輪６に関して上記段部９と反対側部分に外嵌した固定リング１０との間で挟持する事により、軸方向（図１〜２の左右方向）に亙る位置決めを図っている。又、図示の例では、上記外輪４は、上記ハウジング２に圧入により内嵌固定しているが、上記外輪４の外周面にフランジを形成すると共に、このフランジと上記ハウジング２の一部とをボルト等により結合する事で、上記外輪４を上記ハウジング２に支持固定する構造も採用できる。又、図示の例では、上記各転動体８、８として玉を使用しているが、ラジアル方向に亙る大きな荷重を支承する転がり軸受の場合には、各転動体としてころを使用する場合もある。更には、ラジアル、スラスト両方向に亙る大きな荷重を支承する転がり軸受の場合には、各転動体として円すいころを使用する場合もある。
【００１１】
又、上記各転動体８、８を設置する部分である、外輪４の内周面と内輪６の外周面との間に存在する空間１１の軸方向（図１〜２の左右方向）両端開口部には、それぞれ組み合わせシールリング１２、１２を設けて、上記空間１１内に塵芥等の異物が進入するのを防止すると共に、この空間１１内に封入したグリース等の潤滑剤がこの空間１１外に漏洩するのを防止している。上記各組み合わせシールリング１２、１２を構成する、外径側と内径側との１対のシールリングは、それぞれ第一、第二の芯金１３、１４とシールリップ１５ａ、１５ｂとから成る。このうちの第一の芯金１３は、鋼板等の金属板を曲げ形成する事により、断面Ｌ字形で全体を円環状に形成したもので、固定円筒部１６と内向きフランジ状の固定円輪部１８とを有し、このうちの固定円筒部１６を上記外輪４の端部に内嵌固定している。又、上記第二の芯金１４は、やはり鋼板等の金属板を曲げ形成する事により、断面Ｌ字形で全体を円環状に形成したもので、回転円筒部１７と外向きフランジ状の回転円輪部１９とを有し、このうちの回転円筒部１７を上記内輪６の端部に外嵌固定している。又、上記各シールリップ１５ａ、１５ｂは、ゴムその他のエラストマー等の弾性材により、全体を円環状に形成している。この様な各シールリップ１５ａ、１５ｂは、それぞれの基部を上記固定円輪部１８及び上記回転円輪部１９に添着固定すると共に、それぞれの先端縁を上記第二の芯金１４の表面及び上記第一の芯金１３の表面に、全周に亙り摺接させている。
【００１２】
又、上記１対の組み合わせシールリング１２、１２のうち、上記空間１１の一端側（図１〜２の右端側）の組み合わせシールリング１２の内径側シールリングを構成する第二の芯金１４の外側面（前記空間１１と反対側側面で、図１〜２の右側面）には、エンコーダ２０を支持固定している。このエンコーダ２０は、鋼板等の磁性金属板により、全体を円輪状に形成している。そして、直径方向中間部に複数の透孔２１、２１を、円周方向に亙り等間隔に形成する事により、被検出部であるこのエンコーダ２０の直径方向中間部の磁気特性を、円周方向に亙り交互に且つ等間隔に変化させている。尚、この様にエンコーダ２０の磁気特性を変化させるべく、このエンコーダ２０には、上記透孔２１に代えて直径方向の一端側に開口する切り欠きを形成する場合もある。この様なエンコーダ２０は、上記第二の芯金１４を構成する回転円輪部１９の外側面（図１〜２の右側面）に、接着、スポット溶接等により添着固定している。
【００１３】
又、上記外輪４の一端部（図１〜２の右端部）外周面には、この外周面の他の部分よりも直径方向内方に凹入する段部２２を設けている。そして、この段部２２に、後述する変位センサ２６、２６を支持する為の支持環２３を外嵌固定し、この支持環２３を上記エンコーダ２０に対向させている。この支持環２３は、鋼板等の金属板を曲げ形成する事により、断面Ｌ字形で全体を円環状に形成したもので、円筒部２４と内向きフランジ状の円輪部２５とを有する。そして、このうちの円筒部２４の先端部を上記段部２２に外嵌する事により、上記支持環２３を上記外輪４の一端部に支持固定している。尚、上記円輪部２５の内径は、上記回転軸１の一部で、この円輪部２５の内周縁が対向する部分の外径よりも少しだけ大きく形成している。従って、上記支持環２３を上記段部２２に外嵌固定した状態で、上記円輪部２５の内周縁と上記回転軸１の外周面との間には、ラビリンスシールとして機能する、微小隙間が形成される。即ち、上記支持環２３は、次述する変位センサ２６、２６を保持する機能の他、ダストカバーとしての機能を持ち、これら各変位センサ２６、２６部分への塵芥等の異物の進入を防止する。
【００１４】
上記支持環２３には、４個の変位センサ２６、２６（図１〜２には図示省略、図３〜４参照。）を支持している。これら各変位センサ２６、２６は、合成樹脂３３中に包埋した状態で上記支持環２３を構成する円筒部２４の内径側に、円周方向に亙り等間隔に保持固定している。即ち、上記各変位センサ２６、２６は、上記支持環２３の中心軸（上記外輪４の中心軸）をその中心とする円周上に、円周方向に亙る位相をそれぞれ９０度ずつずらせて配置している。そして、この状態で上記各変位センサ２６、２６の検出部を、被検出部である上記エンコーダ２０の外側面（図１〜２の右側面）の直径方向中間部に、軸方向（図１〜２の左右方向）に亙る微小隙間（例えば０．５〜１mm以下）を介して対向させている。尚、上記各変位センサ２６、２６の検出部と上記エンコーダ２０の被検出部の一部との軸方向に亙る間隔は、上記回転軸１に負荷が加わっていない状態で互いに等しくなる様に、上記各変位センサ２６、２６の設置位置を規制している。
【００１５】
尚、上記各変位センサ２６、２６としては、永久磁石とホールＩＣ或は磁気抵抗素子等の検出素子とにより構成するアクティブセンサ、或は、図３（Ａ）（Ｂ）に示す様に、永久磁石３４と磁性材製のステータ３５とこのステータ３５に巻回するコイル３６とにより構成するパッシブセンサを選択使用できる。但し、１個の回転速度検出装置付転がり軸受ユニットに組み込む複数の変位センサは、それぞれ同構造のものを使用して、同じ変位に対して同じ出力変化を得られる様にする。尚、上記各変位センサ２６、２６として上記パッシブセンサを使用する場合には、図３（Ｂ）に示す様な、外輪４の軸方向にステータ３５を配置する構造ではなく、同図（Ａ）に示す様に、ステータ３５を外輪４の円周方向に配置するものが好ましい。この理由は、上記外輪４の軸方向に亙る各変位センサ２６、２６の寸法を小さくし、これら各変位センサ２６、２６を支持する支持環２３の軸方向（図１〜２の左右方向）の突出量を小さく抑える為である。従って、設置空間に余裕があれば、図３（Ｂ）の構造でも差支えない。尚、上記支持環２３の外側面（図１〜２の右側面）からは、上記各変位センサ２６、２６の信号を取り出す為のハーネス２７を導出している。
【００１６】
上述の様に構成する本例の荷重検出装置付転がり軸受ユニットの作用は、次の通りである。先ず、回転軸１の回転速度を検出する場合の作用に就いて説明する。上記回転軸１の回転に伴って内輪６に支持したエンコーダ２０が回転すると、上記各変位センサ２６、２６の検出部の近傍を、上記エンコーダ２０に設けた透孔２１、２１と、これら各透孔２１、２１同士の間部分に存在する各柱部とが交互に通過する。この結果、上記各変位センサ２６、２６の出力（電圧値、或は抵抗値）が変化する。この出力が変化する周波数は、上記回転軸１の回転速度に比例する。従って、上記各変位センサ２６、２６のうち少なくとも１個の変位センサ２６の出力を上記回転軸１を有する工作機械或は自動車に設けた制御器に送れば、この回転軸１の回転速度を算出できる。尚、上記変位センサ２６、２６を複数個設けている事を除き、上述の様に回転軸１の回転速度を検出する際の作用は、従来から知られている回転速度検出装置付転がり軸受ユニットの場合と同様である。
【００１７】
次に、本例の特徴である作用、即ち、ラジアル転がり軸受３を構成する内輪６の中心軸と外輪４の中心軸とが相対変位した場合に、この相対変位を検出する際の作用に就いて、図４を参照しつつ説明する。尚、本例の特徴である、この作用は、上記内輪６の中心軸と外輪４の中心軸との相対変位に伴う変位量を、上記各変位センサ２６、２６を配置する円周の中心軸と、上記エンコーダ２０の中心軸との相対変位量として検出するものである。上記図４中、二点鎖線ａは、上記回転軸１に負荷が加わっていない中立状態（相対変位以前）に於けるエンコーダ２０の状態を、実線ｂは、上記回転軸１に負荷が加わって相対変位した後のエンコーダ２０の状態を、一点鎖線ｃは、上記各変位センサ２６、２６の検出部の配置面を、一点鎖線ｄは、上記各変位センサ２６、２６を配置した円周の中心軸を、それぞれ示している。
【００１８】
例えば、上記回転軸１に加わるラジアル荷重に基づいて、上記内輪６の中心軸と外輪４の中心軸（図１〜２参照）とが相対変位する事に伴い、上記エンコーダ２０が二点鎖線ａで示す状態から、実線ｂで示す状態に変位したとする。そして、この時の上記エンコーダ２の軸方向（図４の左右方向）に亙る変位量をδa 、直径方向（図４の上下方向）に亙る変位量をδr 、上記中心軸（一点鎖線）ｄに直交する仮想平面に対する傾斜角度をθとする。この場合、内輪６の中心軸と外輪４の中心軸との相対変位前と相対変位後とに於ける、上記各変位センサ２６、２６の検出部Ｓ1 〜Ｓ4 と、上記エンコーダ２０の被検出部との軸方向に亙る距離の変化量δS1〜δS4は、幾何学的関係により下記の(1) 〜(4) 式で表される。
δS1＝｛（ｒ・cosφ−δr ）・tanθ｝−δa −−−(1)
δS2＝［｛ｒ・cos（φ＋９０°）−δr ｝・tanθ］−δa −−−(2)
δS3＝［｛ｒ・cos（φ＋１８０°）−δr ｝・tanθ］−δa −−−(3)
δS4＝［｛ｒ・cos（φ＋２４０°）−δr ｝・tanθ］−δa −−−(4)
尚、上記(1) 〜(4) 式中、ｒは、上記各変位センサ２６、２６の検出部Ｓ1 〜Ｓ4 を配置する円周の半径を、φは、上記二点鎖線ａ及び実線ｂを含む面と上記中心軸ｄ及び上記各変位センサ２６、２６のうち１番目の変位センサ２６の検出部Ｓ1 を含む面との間の角度を、それぞれ示している。
【００１９】
一方、上記(1) 〜(4) 式の左辺の値、即ち、相対変位前と相対変位後とに於ける、上記各検出部Ｓ1 〜Ｓ4 と上記エンコーダ２０の被検出部との軸方向に亙る距離の変化量δS1〜δS4は、上記各変位センサ２６、２６により検出自在である。即ち、前述の様にエンコーダ２０が回転した場合に、このエンコーダ２０の回転に伴って変化する上記各変位センサ２６、２６の出力信号の振幅（信号の大きさ）は、上記各検出部Ｓ1 〜Ｓ4 と上記被検出部との軸方向に亙る距離（パッシブ型センサの場合は、距離及びエンコーダ２０の回転速度）により定まる。従って、上記各変位センサ２６、２６の出力信号の振幅（更にはエンコーダ２０の回転速度）の関係から、上記各検出部Ｓ1 〜Ｓ4 と上記エンコーダ２０の被検出部との軸方向に亙る距離が求まる。そこで、前記制御器に相対変位前の出力信号の振幅（更に必要とすれば回転速度）の関係を初期値として記録しておけば、この相対変位の前後に於ける出力信号の振幅の関係の差から、上記各変化量δS1〜δS4を検出できる。
【００２０】
従って、上述の様に検出した各変化量δS1〜δS4を上述の(1) 〜(4) 式の左辺に代入し、これら(1) 〜(4) 式を連立方程式として上記制御器に解かせれば、上記各変位センサ２６、２６を配置する円周の中心軸と上記エンコーダ２０の中心軸との相対変位量を決定する４つの値δr 、δa 、θ、φが求まる。ところで、上記各変位センサ２６、２６を配置する円周の中心軸と上記エンコーダ２０の中心軸とは、それぞれ前記外輪４の中心軸と前記内輪６の中心軸とに一致する。従って、上記４つの値δr 、δa 、θ、φは、上記内輪６と上記外輪４との中心軸同士の相対変位量を決定する値となる。
【００２１】
上述の様に内輪６の中心軸と外輪４の中心軸との相対変位量が求まったならば、続いて、上記制御器に、この相対変位量に基づいて前記ラジアル転がり軸受３の負荷荷重を計算させる。そして、この負荷荷重に基づいて、前記回転軸１を有する工作機械や自動車の制御を行う。例えば、この回転軸１が工作機械の主軸であり、この主軸の回転速度を一定に保つ必要がある場合には、上記回転軸１を回転駆動する電動モータへの通電量を調節して、この回転軸１に加わる負荷の変動に拘らず、この回転軸の回転速度を一定に保つ。又、上記回転軸１が自動車の車軸であった場合、上記負荷が過大であると判定された場合には、運転席の警告灯を点灯させる等の処置を講ずる。尚、上記ラジアル転がり軸受３の負荷荷重は、上記相対変位量とこのラジアル転がり軸受３の剛性とに基づいて、上記制御器に計算させる。
【００２２】
尚、本例の場合、４つの変位センサ２６、２６は、支持環２３の中心軸（上記外輪４の中心軸）をその中心軸とする円周上に、必ずしも等間隔に配置する必要はない。又、工作機械等の運転時に、外輪４の中心軸に対して内輪６の中心軸が傾斜する方向（回転軸１に加わる荷重の方向）が予め分かっている場合、即ち、前記相対変位量を決定する４つの値δr 、δa 、θ、φのうちの角度φが予め分かっている場合には、変位センサ２６、２６は全部で３個設ければ足りる。但し、この場合には、一番目の変位センサ２６の検出部Ｓ1 を、φ＝０の位置に配置する。又、本発明を構成する変位センサ２６、２６は、前述の様にパッシブセンサでも良いが、エンコーダ２０の回転速度により出力信号の振幅が変化しないアクティブセンサを使用する方が、変位センサ２６、２６の小型化を図れるだけでなく、信号の処理が容易な為、有利である。
【００２３】
次に、図５〜６は、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例の場合、組み合わせシールリング１２ａを構成する内径側シールリングの第二の芯金１４ａに、第一のエンコーダ２８と第二のエンコーダ２９との２つのエンコーダを支持固定している。即ち、上記第二の芯金１４ａは、鋼板等の金属板を曲げ形成する事により、断面クランク形で全体を円環状に形成したもので、大径円筒部３０と、小径円筒部３１と、これら両円筒部３０、３１の端縁同士を連結する円輪部３２とを有する。そして、このうちの小径円筒部３１を内輪６の一端部（図５の右端部）に、上記大径円筒部３０をこの内輪６の一端面（図５の右端面）から突出させる状態で外嵌固定している。
【００２４】
又、上記第一のエンコーダ２８は、ゴム中にフェライトの粉末を混入したゴム磁石等の永久磁石により全体を円輪状に形成したもので、軸方向（図５の左右方向）に亙って着磁している。着磁方向は、円周方向に亙り交互に、且つ等間隔で変化させている。従って、第一の被検出部である上記第一のエンコーダ２８の片側面（図５の右側面）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、上記第二のエンコーダ２９は、やはりゴム中にフェライトの粉末を混入したゴム磁石等の永久磁石により全体を円筒状に形成したもので、直径方向に亙って着磁している。着磁方向は、円周方向に亙り交互に、且つ等間隔で変化させている。従って、第二の被検出部である上記第二のエンコーダ２９の内周面には、Ｓ極とＮ極とが交互に、且つ等間隔で配置されている。そして、上記第一のエンコーダ２８は上記第二の芯金１４ａを構成する円輪部３２の片面（図５の右面）に、上記第二のエンコーダ２９は同じく上記大径円筒部３０の内周面に、それぞれ焼き付け、接着、自身の磁気吸着力等により添着固定している。
【００２５】
一方、複数個の変位センサ２６、２６ａ（図５には省略、図６参照。）を包埋支持する為の合成樹脂３３ａの一部は、上記大径円筒部３０の内径側に進入させており、上記各変位センサ２６、２６ａは、この様に大径円筒部３０の内径側に進入させた合成樹脂３３ａの一部に包埋支持している。又、本例の場合、上記変位センサ２６、２６ａを合計６個設けており、それぞれこれら各変位センサ２６、２６ａを支持する支持環２３の中心軸（外輪４の中心軸）をその中心軸とする円周上に、等間隔に配置している。即ち、上記各変位センサ２６、２６ａは、円周方向に亙る位相をそれぞれ６０度ずつずらせて配置している。又、この状態で、上記６個の変位センサ２６、２６ａのうちの３個の変位センサ２６、２６は、これら各変位センサ２６、２６の検出部ＳA1〜ＳA3を、上記第一のエンコーダ２８の片側面（図５の右側面）の円周方向の一部と、軸方向（図５の左右方向）に亙り微小隙間を介して対向させている。又、上記６個の変位センサ２６、２６ａのうちの残り３個の変位センサ２６ａ、２６ａは、これら各変位センサ２６ａ、２６ａの各検出部ＳR1〜ＳR3を、上記第二のエンコーダ２９の内周面の円周方向の一部と、直径方向に亙り微小隙間を介して対向させている。尚、上記第一のエンコーダ２８に対向させる各変位センサ２６、２６と上記第二のエンコーダ２９に対向させる各変位センサ２６ａ、２６ａとは、これら各変位センサ２６、２６ａを配置する円周方向に亙り交互に配置している。
【００２６】
上述の様に構成する本例の荷重検出装置付転がり軸受ユニットの場合には、内輪６の中心軸と外輪４の中心軸との相対変位量を検出を、上述した第１例の場合に比べて、より正確に行なえる。この理由及び本例の荷重検出装置付転がり軸受ユニットにより上記相対変位量を検出する際の作用に就いて、図６を参照しつつ説明する。尚、工作機械等の運転時に於ける通常の荷重条件では、回転軸１に負荷されるラジアル荷重とモーメント荷重との円周方向に関する位相は、互いに一致する。この為、前述した第１例では、エンコーダ２０の直径方向の変位量δr と傾斜角度θを含む面との中心軸ｄを中心とする円周方向に亙る位相は、互いに一致するとして、相対変位量の検出を行なう様にしている。ところが、上記工作機械等の運転時に特殊な荷重条件が与えられた場合、或は自動車の急旋回時等には、上記回転軸１に負荷されるラジアル荷重とモーメント荷重との円周方向に亙る位相が一致しない場合が生じる。そこで、本例の場合には、上記直径方向の変位量δr の位相と傾斜角度θを含む面の位相とを別個に検出自在としている。
【００２７】
例えば、上記内輪６の中心軸と外輪４の中心軸とが相対変位する事に伴い、上記第一、第二の両エンコーダ２８、２９が、図６の二点鎖線ａで示す状態から、実線ｂで示す状態に変位したとする。そして、この時の上記第一、第二の両エンコーダ２８、２９の軸方向（図５〜６の左右方向）に亙る変位量をδa 、直径方向（図３の上下方向）に亙る変位量をδr 、中心軸（一点鎖線）ｄに直交する仮想平面に対する傾斜角度をθとする。尚、上述した様に、上記直径方向に亙る変位量δr の方向と傾斜角度θを含む面との円周方向に亙る位相は、一致するとは限らない（但し、図示の例では、便宜上一致させている。）。この場合、内輪６の中心軸と外輪４の中心軸との相対変位前と相対変位後とに於ける、上記各変位センサ２６、２６の検出部ＳA1〜ＳA3と、上記第一のエンコーダ２８の第一の被検出部との軸方向に亙る距離の変化量δSA1 〜δSA3 は、幾何学的関係により下記の(5) 〜(7) 式で表される。
δSA1 ＝｛（ｒ・cosφ−δr ）・tanθ｝−δa −−−(5)
δSA2 ＝［｛ｒ・cos（φ＋１２０°）−δr ｝・tanθ］−δa −−−(6)
δSA3 ＝［｛ｒ・cos（φ＋２４０°）−δr ｝・tanθ］−δa −−−(7)
【００２８】
尚、上記(5) 〜(7) 式中、ｒは、上記各変位センサ２６、２６の検出部ＳA1〜ＳA3及び後述する各変位センサ２６ａ、２６ａの検出部ＳR1〜ＳR3を配置する円周の半径を、φは、上記傾斜角度θを含む面と、前記中心軸ｄ及び上記各変位センサ２６、２６のうち１番目の変位センサ２６の検出部ＳA1を含む面との間の角度を、それぞれ示している。又、上記(5) 〜(7) 式中、それぞれが微小量であるδr と tanθとを掛け合わせた値、即ち、δr ・tanθは高次の微小量となる為、無視する事ができる。従って、上記(5) 〜(7) 式は、下記の(8) 〜(10)式の様に書き換える事ができる。
δSA1 ≒（ｒ・cosφ・tanθ）−δa −−− (8)
δSA2 ≒｛ｒ・cos（φ＋１２０°）・tanθ｝−δa −−− (9)
δSA3 ≒｛ｒ・cos（φ＋２４０°）・tanθ｝−δa −−−(10)
【００２９】
又、前記各変位センサ２６ａ、２６ａの検出部ＳR1〜ＳR3と、上記第二のエンコーダ２９の被検出部との直径方向に亙る距離の変化量δSR1 〜δSR3 は、幾何学的関係により下記の(11)〜(13)式で表される。
δSR1 ＝δr ・cosα −−−(11)
δSR2 ＝δr ・cos（α＋１２０°） −−−(12)
δSR3 ＝δr ・cos（α＋２４０°） −−−(13)
尚、上記(11)〜(13)式中、αは、上記直径方向の変位量δr の上記中心軸ｄを中心とする円周方向に亙る方向と、上記中心軸ｄ及び上記各変位センサ２６ａ、２６ａのうち１番目の変位センサ２６ａの検出部ＳR1を含む面との間の角度を示している。
【００３０】
上記(8) 〜(10)式並びに(11)〜(13)式の左辺の値、即ち、相対変位前と相対変位後とに於ける、上記各検出部ＳA1〜ＳA3と上記第一のエンコーダ２８の被検出部との軸方向に亙る距離の変化量δSA1 〜δSA3 、並びに上記各検出部ＳR1〜ＳR3と上記第二のエンコーダ２９の被検出部との直径方向に亙る距離の変化量δSR1 〜δSR3 は、前述した第１例の場合と同様に、上記各変位センサ２６、２６ａにより検出自在である。そこで、本例の場合も、上記(8) 〜(10)式並びに(11)〜(13)式を連立方程式として制御器に解かせる事により、上記各変位センサ２６、２６を配置する円周の中心軸と上記第一、第二の両エンコーダ２８、２９の中心軸との相対変位量、即ち、上記内輪６と上記外輪４との中心軸同士の相対変位量を決定する５つの値δr 、δa 、θ、φ、αを検出できる。尚、δr とαとの各値を上記(11)〜(13)式から成る連立方程式から求める場合には、１つだけ式が余分となる。即ち、本例の場合、上記第二のエンコーダ２９に対向させる変位センサ２６ａ、２６ａは、２個設ければ足りる。但し、上記δr とαとの各値の検出精度を高める為には、図示の例の様に、上記各変位センサ２６ａ、２６ａは３個設ける事が好ましい。その他の構成及び作用は上述した第１例の場合と同様である。
【００３１】
尚、本発明の荷重検出装置付転がり軸受ユニットを、上述した１〜２例の場合とは逆に、内輪が静止輪で外輪が回転輪である転がり軸受にも適用できる事は言う迄もない。この場合には、上述した１〜２例に於いて、直径方向に亙る内外を逆に構成する。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の荷重検出装置付転がり軸受ユニットは、以上に述べた通り構成され作用する為、ラジアル転がり軸受を構成する内輪と外輪との中心軸同士が相対変位した場合に、このラジアル転がり軸受に加わる負荷を算出して、このラジアル転がり軸受を組み込んだ各種機械装置を適正に運転できる。
【図面の簡単な説明】
【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】 パッシブ型センサの構造の２例を示す略斜視図。
【図４】 相対変位の前後に於ける、各変位センサとエンコーダとの位置関係を示す模式図。
【図５】 本発明の実施の形態の第２例を示す、図２と同様の図。
【図６】 同じく、図４と同様の図。
【符号の説明】
１ 回転軸
２ ハウジング
３ ラジアル転がり軸受
４ 外輪
５ 外輪軌道
６ 内輪
７ 内輪軌道
８ 転動体
９ 段部
１０ 固定リング
１１ 空間
１２、１２ａ 組み合わせシールリング
１３ 第一の芯金
１４、１４ａ 第二の芯金
１５、１５ａ シールリップ
１６ 固定円筒部
１７ 回転円筒部
１８ 固定円輪部
１９ 回転円輪部
２０ エンコーダ
２１ 透孔
２２ 段部
２３ 支持環
２４ 円筒部
２５ 円輪部
２６、２６ａ 変位センサ
２７ ハーネス
２８ 第一のエンコーダ
２９ 第二のエンコーダ
３０ 大径円筒部
３１ 小径円筒部
３２ 円輪部
３３、３３ａ 合成樹脂
３４ 永久磁石
３５ ステータ
３６ コイル
Claims (4)
- 静止側周面に静止側軌道を有し、使用時にも回転しない静止輪と、上記静止側周面と対向する回転側周面に回転側軌道を有し、使用時に回転する回転輪と、上記静止側軌道と上記回転側軌道との間に転動自在に設けられた複数個の転動体とを有する転がり軸受と、上記静止輪に支持され、この静止輪と上記回転輪との相対変位を検出する複数個の変位センサと、特性を円周方向に亙り交互に且つ等間隔に変化させた円環状の被検出部を有し、上記回転輪の一部にこの回転輪と同心に固定されたエンコーダとを備えた荷重検出装置付転がり軸受ユニットであって、このエンコーダの被検出部に上記複数個の変位センサの検出部を対向させ、これら複数個の変位センサにより検出した上記相対変位と、上記転がり軸受の剛性とに基づき、この転がり軸受に負荷される荷重を求める荷重検出装置付転がり軸受ユニット。
- 静止輪と回転輪との相対変位前の各変位センサの出力を初期値とし、この相対変位前後に於けるこれら各変位センサの出力の差から、転がり軸受に負荷される荷重を求める、請求項１に記載した荷重検出装置付転がり軸受ユニット。
- 求めた転がり軸受に負荷される荷重の値を、自動車の制御の為に使用する、請求項１又は請求項２に記載した荷重検出装置付転がり軸受ユニット。
- 各変位センサの出力により、転がり軸受に負荷される荷重と共に、回転輪の回転速度も求める、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した荷重検出装置付転がり軸受ユニット。
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