JP5742392B2 - 回転機械用物理量測定装置、工作機械、及び自動車 - Google Patents
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Description
尚、本発明に関連する他の先行技術文献として、以下の特許文献4が存在する。
このうちの回転機械は、回転しない静止部材、及び、それぞれが予圧を付与された複数の転がり軸受により、この静止部材に対して回転自在に支持された回転部材を備える。
又、前記エンコーダは、前記回転部材の一部に支持固定されており、この回転部材と同心の被検出面を有する。この被検出面は、複数の特性変化組み合わせ部を、円周方向に等ピッチで配置したもので、これら各特性変化組み合わせ部はそれぞれ、円周方向に関して所定ピッチで離隔配置された、前記被検出面の幅方向に対する正負の符号をも考慮した傾斜角度が互いに異なる第一特性変化部と第二特性変化部とから成る。
又、前記センサは、その検出部を前記被検出面に対向させた状態で、前記静止部材に支持されている。そして、前記各特性変化部が、前記被検出面のうちで前記検出部が対向する部分を通過する瞬間に、出力信号を変化させる。
更に、前記演算器は、前記センサの出力信号を処理する。
特に、本発明の回転機械用物理量測定装置に於いては、前記センサを3個のみ備えると共に、これら各センサの検出部を、前記被検出面のうちで円周方向の位相が互いに異なる部分に対向させている。又、前記演算器は、前記各センサの出力信号から得られる情報に基づいて、前記静止部材に対する前記エンコーダの、互いに直交する3方向の変位、及び、互いに直交する2方向の傾きのうちの、一部又は全部を算出する機能を有する。
尚、前記被検出面に対する前記各センサの検出部の対向位置は、この被検出面の円周方向等間隔位置とするのが好ましい。
又、前記互いに直交する3方向の変位としては、例えば、互いに直交するx軸、y軸、z軸のうちのy軸を、前記静止部材の中心軸に一致させた三次元直交座標系を設定した場合の、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とを採用する事ができる。又、前記互いに直交する2方向の傾きとしては、前記三次元直交座標系を設定した場合の、x軸周りの傾きφxと、z軸周りの傾きφzとを採用する事ができる。
又、本発明のうちの工作機械及び自動車は、何れも前述した様な本発明の回転機械用物理量測定装置を備えている。
又、請求項2に記載した発明の構成を採用すれば、被検出面の幅方向に対する第一、第二両特性変化部の傾斜角度をそれぞれ零としない構成を採用する場合に比べて、前記エンコーダの変位を算出する際の演算量を少なくできる。この為、この変位の演算速度の向上や、前記演算器のスペックダウンによる低コスト化を図れる。
図1〜7により、本発明の実施の形態の第1例に就いて説明する。本例は、工作機械を構成する、回転部材である主軸4の変位及び傾きと、この主軸4に作用する外力である荷重及びモーメントとを測定する為の構造に、本発明を適用した例である。前記工作機械は、静止部材であるハウジング5の内径側に前記主軸4を、多列転がり軸受ユニット6により回転自在に支持すると共に、電動モータ7により、前記主軸4を回転駆動自在としている。前記多列転がり軸受ユニット6を構成する複数個の転がり軸受8a〜8dのうち、先端寄りに配置した2個の転がり軸受8a、8bと、基端寄りに配置した2個の転がり軸受8c、8dとには、互いに逆向きの接触角を付与すると共に、これら各転がり軸受8a〜8dに、予圧を付与している。
R:被検出面である前記エンコーダ1aの外周面の半径。
δ:前記各センサ10、10の検出部のz軸からのy軸方向のずれ量。
本例の場合、このうちのずれ量δは零(δ=0)である(実際には不可避な寸法誤差や組付誤差がある為、δ≠0となる事も予想されるが、その場合でもδは十分に小さな値となる為、δ=0と仮定しても、その影響を無視できる)。そうすると、前記(1)式は、次の(2)式で表す事ができる。
P:前記エンコーダ1aの円周方向に関する前記各特性変化組み合わせ部3a、3aのピッチ。
α:第一凹溝11a及び第二凹溝11bの、前記エンコーダ1aの軸方向に対する傾斜角度(図示の例では、45度)。
尚、前記(5)式の右辺中のδは、前述した通り、零(δ=0)である。前記各センサ10、10の出力信号に関する自己位相差比ε(0)、ε(120)、ε(240)は、前記(5)式中のθiに、それぞれの配置角度θ1=0度、θ2=120度、θ3=240度を代入すると共に、同式中のα、δに、α=45度、δ=0を代入する事により、次の(6)〜(8)式で表される。
この際に、前記演算器は、先ず、前記エンコーダ1aの外周面の円周方向位置θi(i=1、2、3)に於ける変位yi(i=1、2、3)を、同じ円周方向位置θi(i=1、2、3)に存在するセンサ10の出力信号のパルス周期比s/L(図11参照)に基づいて算出する。尚、この際の各変位yi(i=1、2、3)の算出原理は、前述の図10〜11に示した従来構造に於ける軸方向変位の算出原理と同様である。そして、この様に算出した各変位yi(i=1、2、3)を、前記(4)式の右辺に代入する事により、前記変位y及び傾きφx、φzを算出する。
更に、前記演算器は、θ1=0度の位置とθ2=120度の位置とに配置した2個のセンサ10、10の出力信号同士の間の相互位相差比「ε(120)−ε(0)」と、θ1=0度の位置とθ3=240度の位置とに配置した2個のセンサ10、10の出力信号同士の間の相互位相差比「ε(240)−ε(0)」とを、それぞれ対象となる2個のセンサ10、10に関する図7の比m/Lを計算する事により、算出する。そして、この様に算出した各相互位相差比「ε(120)−ε(0)」、「ε(240)−ε(0)」と、前記(4)式により算出した傾きφx、φzとを、それぞれ前記(12)式の右辺に代入する事により、前記変位x、zを算出する。
図8〜9は、本発明の実施の形態の第2例を示している。本例の場合には、被検出面である、エンコーダ1bの外周面に設けた複数の特性変化組み合わせ部3b、3bの構成が、上述した第1例の場合と若干異なる。即ち、本例の場合には、これら各特性変化組み合わせ部3b、3bを構成する第一、第二両凹溝11c、11dのうち、第二凹溝11d、11dのみを、前記エンコーダ1bの軸方向に対して傾斜した方向に形成しており、第一凹溝11c、11cは、前記エンコーダ1bの軸方向に形成している。即ち、このエンコーダ1bの軸方向に対する前記各第一凹溝11c、11cの傾斜角度を、零としている。
又、本発明は、工作機械の主軸に関する物理量を測定する構造に限らず、例えば、自動車の車輪支持用転がり軸受ユニットを構成する回転側軌道輪部材に関する物理量を測定する構造に適用する事もできる。
2a、2b 透孔
3、3a、3b 特性変化組み合わせ部
4 主軸
5 ハウジング
6 多列転がり軸受ユニット
7 電動モータ
8a〜8d 転がり軸受
9 センサユニット
10 センサ
11a、11b、11c、11d 凹溝
12 ホルダ
Claims (5)
- 回転しない静止部材、及び、それぞれが予圧を付与された複数の転がり軸受により、この静止部材に対して回転自在に支持された回転部材を備えた回転機械と、この回転部材の一部に支持固定された、この回転部材と同心の被検出面を有するエンコーダと、検出部をこの被検出面に対向させた状態で前記静止部材に支持されたセンサと、このセンサの出力信号を処理する演算器とを備え、
前記エンコーダの被検出面は、複数の特性変化組み合わせ部を、円周方向に等ピッチで配置したもので、これら各特性変化組み合わせ部はそれぞれ、円周方向に関して所定ピッチで離隔配置された、前記被検出面の幅方向に対する正負の符号をも考慮した傾斜角度が互いに異なる第一特性変化部と第二特性変化部とから成るものであり、
前記センサは、前記各特性変化部が前記被検出面のうちで前記検出部が対向する部分を通過する瞬間に出力信号を変化させるものである
回転機械用物理量測定装置であって、
前記センサを3個のみ備えると共に、これら各センサの検出部を、前記被検出面のうちで円周方向の位相が互いに異なる部分に対向させており、
前記演算器は、前記各センサの出力信号から得られる情報に基づいて、前記静止部材に対する前記エンコーダの、互いに直交する3方向の変位及び互いに直交する2方向の傾きのうちの一部又は全部を算出する機能を有しており、
前記情報として、前記各センサの出力信号のパルス周期比と、これら各センサの出力信号同士の間に存在する、これら各センサの出力信号中に含まれる前記第一特性変化部に基づいて発生したパルス同士の間の位相差比を採用している回転機械用物理量測定装置。 - 前記被検出面の幅方向に対する前記第一特性変化部の傾斜角度を零とした、請求項1に記載した回転機械用物理量測定装置。
- 前記演算器は、前記互いに直交する3方向の変位及び互いに直交する2方向の傾きのうちの一部又は全部に基づいて、前記静止部材と前記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1〜2のうちの何れか1項に記載した回転機械用物理量測定装置。
- 請求項1〜3のうちの何れか1項に記載した回転機械用物理量測定装置を備えた工作機械。
- 請求項1〜3のうちの何れか1項に記載した回転機械用物理量測定装置を備えた自動車。
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