JP4457701B2 - Rolling bearing unit with rolling element revolution speed detector - Google Patents
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Description
この発明に係る転動体の公転速度検出装置付転がり軸受ユニットは、例えば自動車、鉄道車両、各種搬送車等の移動体の車輪を支持する為の転がり軸受ユニットの改良に関し、この転がり軸受ユニットを構成する転動体の公転速度、更にはこの転がり軸受ユニットに負荷される荷重(ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方)を測定し、上記移動体の運行の安定性確保を図る為に利用する。 A rolling bearing unit with a revolution speed detecting device for a rolling element according to the present invention relates to an improvement of a rolling bearing unit for supporting wheels of a moving body such as an automobile, a railway vehicle, and various transport vehicles, and constitutes the rolling bearing unit. The revolution speed of the rolling element and the load applied to the rolling bearing unit (one or both of the radial load and the axial load) are measured and used to ensure the stability of the operation of the moving body.
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)、更にはビークルスタビリティコントロールシステム(VSC)等の車両用走行安定装置が使用されている。この様な各種車両用走行安定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わ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(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。 For example, an automobile wheel is rotatably supported by a double row angular rolling bearing unit with respect to a suspension device. In order to ensure the running stability of automobiles, vehicle running stabilizers such as an antilock brake system (ABS), a traction control system (TCS), and a vehicle stability control system (VSC) are used. . In order to control such various vehicle travel stabilizers, signals representing the rotational speed of the wheels, acceleration in each direction applied to the vehicle body, and the like are required. In order to perform higher-level control, it may be preferable to know the magnitude of a load (one or both of a radial load and an axial load) applied to the rolling bearing unit via the wheel.
この様な事情に鑑みて、特許文献1には、ラジアル荷重を測定自在な、荷重測定装置付転がり軸受ユニットが記載されている。この従来の第1例の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、ラジアル荷重を測定するもので、図17に示す様に構成している。懸架装置に支持される、静止輪である外輪1の内径側に、車輪を結合固定する、回転輪であるハブ2を支持している。このハブ2は、車輪を固定する為の回転側フランジ3をその外端部(車両への組み付け状態で幅方向外側となる端部)に有するハブ本体4と、このハブ本体4の内端部(車両への組み付け状態で幅方向中央側となる端部)に外嵌されてナット5により抑え付けられた内輪6とを備える。そして、上記外輪1の内周面に形成した、それぞれが静止側軌道である複列の外輪軌道7、7と、上記ハブ2の外周面に形成した、それぞれが回転側軌道である複列の内輪軌道8、8との間に、それぞれ複数個ずつの転動体9a、9bを配置して、上記外輪1の内径側での上記ハブ2の回転を自在としている。
In view of such circumstances,
上記外輪1の軸方向中間部で複列の外輪軌道7、7の間部分に、この外輪1を直径方向に貫通する取付孔10を、この外輪1の上端部にほぼ鉛直方向に形成している。そして、この取付孔10内に、荷重測定用のセンサである、円杆状(棒状)の変位センサ11を装着している。この変位センサ11は非接触式で、先端面(下端面)に設けた検出面は、ハブ2の軸方向中間部に外嵌固定したセンサリング12の外周面に近接対向させている。上記変位センサ11は、上記検出面と上記センサリング12の外周面との距離が変化した場合に、その変化量に対応した信号を出力する。
A
上述の様に構成する従来の荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合には、上記変位センサ11の検出信号に基づいて、転がり軸受ユニットに加わる荷重を求める事ができる。即ち、車両の懸架装置に支持した上記外輪1は、この車両の重量により下方に押されるのに対して、車輪を支持固定したハブ2は、そのままの位置に止まろうとする。この為、上記重量が嵩む程、上記外輪1やハブ2、並びに転動体9a、9bの弾性変形に基づいて、これら外輪1の中心とハブ2の中心とのずれが大きくなる。そして、この外輪1の上端部に設けた、上記変位センサ11の検出面と上記センサリング12の外周面との距離は、上記重量が嵩む程短くなる。そこで、上記変位センサ11の検出信号を制御器に送れば、予め実験等により求めた関係式或はマップ等から、当該変位センサ11を組み込んだ転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重を求める事ができる。この様にして求めた、各転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重に基づいて、ABSを適正に制御する他、積載状態の不良を運転者に知らせる。
In the case of the conventional rolling bearing unit with a load measuring device configured as described above, the load applied to the rolling bearing unit can be obtained based on the detection signal of the
尚、図17に示した従来構造は、上記転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重に加えて、上記ハブ2の回転速度も検出自在としている。この為に、前記内輪6の内端部に回転速度検出用エンコーダ13を外嵌固定すると共に、上記外輪1の内端開口部に被着したカバー14に回転速度検出用センサ15を支持している。そして、この回転速度検出用センサ15の検知部を、上記回転速度検出用エンコーダ13の被検出部に、検出隙間を介して対向させている。
In the conventional structure shown in FIG. 17, in addition to the radial load applied to the rolling bearing unit, the rotational speed of the
上述の様な回転速度検出装置を組み込んだ転がり軸受ユニットの使用時、車輪を固定したハブ2と共に上記回転速度検出用エンコーダ13が回転し、この回転速度検出用エンコーダ13の被検知部が上記回転速度検出用センサ15の検知部の近傍を走行すると、この回転速度検出用センサ15の出力が変化する。この様にして回転速度検出用センサ15の出力が変化する周波数は、上記車輪の回転数に比例する。従って、この回転速度検出用センサ15の出力信号を図示しない制御器に送れば、ABSやTCSを適切に制御できる。
When the rolling bearing unit incorporating the rotational speed detecting device as described above is used, the rotational
上述の様な従来構造の第1例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に加わるラジアル荷重を測定する為のものであるが、転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重を測定する構造も、特許文献2等に記載されて、従来から知られている。図18は、この特許文献2に記載された、アキシアル荷重を測定する為の荷重測定装置付転がり軸受ユニットを示している。この従来構造の第2例の場合、回転輪であるハブ2aの外端部外周面に、車輪を支持する為の回転側フランジ3aを固設している。又、静止輪である外輪1aの外周面に、この外輪1aを懸架装置を構成するナックル16に支持固定する為の、固定側フランジ17を固設している。そして、上記外輪1aの内周面に形成した複列の外輪軌道7、7と、上記ハブ2aの外周面に形成した複列の内輪軌道8、8との間に、それぞれ複数個ずつの転動体9a、9bを転動自在に設ける事により、上記外輪1aの内径側に上記ハブ2aを回転自在に支持している。
The rolling bearing unit with a load measuring device of the first example of the conventional structure as described above is for measuring the radial load applied to the rolling bearing unit, but the structure for measuring the axial load applied to the rolling bearing unit is also, It is described in
更に、上記固定側フランジ17の内側面複数個所で、この固定側フランジ17を上記ナックル16に結合する為のボルト18を螺合する為のねじ孔19を囲む部分に、それぞれ荷重センサ20を添設している。上記外輪1aを上記ナックル16に支持固定した状態でこれら各荷重センサ20は、このナックル16の外側面と上記固定側フランジ17の内側面との間で挟持される。
Further, a
この様な従来構造の第2例の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、図示しない車輪と上記ナックル16との間にアキシアル荷重が加わると、上記ナックル16の外側面と上記固定側フランジ17の内側面とが、上記各荷重センサ20を、軸方向両面から強く押し付け合う。従って、これら各荷重センサ20の測定値を合計する事で、上記車輪と上記ナックル16との間に加わるアキシアル荷重を求める事ができる。又、図示はしないが、特許文献3には、一部の剛性を低くした外輪相当部材の振動周波数から転動体の公転速度を求め、更に、転がり軸受に加わるアキシアル荷重を測定する方法が記載されている。
In the case of the load measuring device of the rolling bearing unit of the second example having such a conventional structure, when an axial load is applied between a wheel (not shown) and the
前述の図17に示した従来構造の第1例の場合、変位センサ11により、外輪1とハブ2との径方向に関する変位を測定する事で、転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重を測定する。但し、この径方向に関する変位量は僅かである為、この荷重を精度良く求める為には、上記変位センサ11として、高精度のものを使用する必要がある。高精度の非接触式センサは高価である為、荷重測定装置付転がり軸受ユニット全体としてコストが嵩む事が避けられない。
In the case of the first example of the conventional structure shown in FIG. 17 described above, the radial load applied to the rolling bearing unit is measured by measuring the displacement in the radial direction between the
又、上述の図18に示した従来構造の第2例の場合、ナックル16に対し外輪1aを支持固定する為のボルト18と同数だけ、荷重センサ20を設ける必要がある。この為、荷重センサ20自体が高価である事と相まって、転がり軸受ユニットの荷重測定装置全体としてのコストが相当に嵩む事が避けられない。又、特許文献3に記載された方法は、外輪相当部材の一部の剛性を低くする必要があり、この外輪相当部材の耐久性確保が難しくなる可能性がある。
In the case of the second example of the conventional structure shown in FIG. 18 described above, it is necessary to provide as
この様な事情に鑑みて本発明者等は先に、複列アンギュラ型玉軸受である転がり軸受ユニットを構成する1対の列の転動体(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、転がり軸受ユニットの荷重測定装置に関する発明を行なった(特願2003−171715号、172483号)。この先発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、上記各列の転動体の公転速度を求めるのに、これら各列の転動体を保持した保持器の回転速度を検出する事が、この公転速度を高分解能で求める面から有効である。但し、上記各列の転動体の転動面と、各列の保持器のポケットの内面との間には、これら各転動体の転動を許容すると共に、これら各転動体の転動面へのグリースの付着を許容する為の隙間(ポケット隙間)が存在する為、上記各保持器は、回転に伴って径方向に変位しつつ回転する、振れ回りを生じる可能性がある。そして、この様な振れ回りが発生すると、上記各列の転動体の公転中心と上記各列の保持器の回転中心とがずれ、これら各列の保持器の回転速度、延いては上記各列の転動体の公転速度を正確に測定できなくなる。 In view of such circumstances, the present inventors have previously described this rolling bearing unit based on the revolution speed of a pair of rolling elements (balls) constituting a rolling bearing unit which is a double row angular ball bearing. An invention relating to a load measuring device for a rolling bearing unit that measures a radial load or an axial load applied to the bearing is performed (Japanese Patent Application Nos. 2003-171715 and 172483). In the case of the load measuring device of the rolling bearing unit according to the present invention, in order to obtain the revolution speed of the rolling elements in each row, it is possible to detect the rotation speed of the cage holding the rolling elements in each row. Is effective in terms of obtaining high resolution. However, between the rolling surfaces of the rolling elements in each row and the inner surfaces of the pockets of the cages in each row, the rolling elements are allowed to roll and to the rolling surfaces of these rolling elements. Since there is a gap (pocket gap) for allowing the grease to adhere, the cages may rotate while being displaced in the radial direction as they rotate. When such a whirling occurs, the revolution center of the rolling elements in each row and the rotation center of the cage in each row shift, and the rotational speed of the cage in each row, and thus each row It becomes impossible to accurately measure the revolution speed of the rolling element.
又、上記各保持器は、上記ポケット隙間に基づいて公転1次成分の周波数で変位するだけでなく、前記各転動体9a、9bの径差や前記各外輪軌道7、7及び前記各内輪軌道8、8のうねり等に基づいて、より高次の周波数でも変位する。この様な径差等に基づく変位は、1/2分数次振動と呼ばれる振動現象で、nを正の整数とし、Zを互いに対向する内輪軌道8と外輪軌道7との間に存在する転動体9a、9a(又は9b、9b)の数とし、fc をこれら各転動体9a、9a(又は9b、9b)の公転周波数とした場合に、(n/2)・Z・fc で表される周波数成分となる。例えば、上記各転動体9a、9a(又は9b、9b)の数Zを9個とした場合に上記保持器は、上記振動現象に基づき、公転4.5次、公転9次の周波数で径方向に変位する。この様な振動現象に基づく径方向の変位は、上記ポケット隙間に基づく公転1次成分の変位よりも小さく、且つ高周波であるが、例えば移動体の運行の安定性確保を高次元で図る場合には問題となる。即ち、上記径方向の変位に基づく公転速度の誤差を補正しないと、上記運行の安定性確保を高次元で図れない。又、例えば上記公転4.5次の周波数での径方向変位は、公転1次成分よりも高周波とは言え、未だ低い周波数である為、ローパスフィルタで除去する場合には、無視できない程の応答遅れが生じる。
The cages are not only displaced at the frequency of the revolving primary component based on the pocket gaps, but also the diameter differences of the
上述の様な原因のうち、上記公転1次成分の振れに基づく回転速度検出の精度悪化を防止する為には、エンコーダの径方向反対側2個所位置に配置した1対の回転検出センサの検出信号を足し合わせる事で、上記両中心のずれによる影響をなくす事も考えられる。但し、この場合には回転検出センサが2個必要になって、その分、コスト並びに設置スペースが嵩む原因となる為、採用が難しくなる場合も考えられる。又、この様な方法では、上記振動現象による、(n/2)・Z・fc で表される周波数成分に基づく誤差を補正する事はできない。 Among the above-mentioned causes, in order to prevent deterioration in accuracy of rotational speed detection based on the swing of the revolution primary component, detection by a pair of rotation detection sensors disposed at two positions on the opposite side in the radial direction of the encoder By adding the signals together, it is possible to eliminate the influence of the deviation between the two centers. However, in this case, two rotation detection sensors are required, which may increase the cost and installation space, and may be difficult to adopt. Further, in such a method, according to the vibration phenomenon, (n / 2) · Z · f it is impossible to correct the error based on the frequency component represented c. In
比較的低周波の雑音成分を除去する為の技術として、非特許文献1に記載された、LMSアルゴリズムにより作動する適応フィルタが知られている。又、適応フィルタの概要に関しては、非特許文献2〜4等で、従来から知られている。又、適応フィルタの一種である同期式適応フィルタに関しても、例えば非特許文献5に記載される等により、従来から知られている。更に、同期式LMSアルゴリズムによりエンジンの振動を抑える技術が、非特許文献6に記載される等により、従来から知られている。但し、従来は、上述の様な適応フィルタは、低周波騒音と逆位相の音波を発する事でこの低周波騒音を低減する、所謂アクティブノイズコントロールを中心に使用していた。即ち、従来は上記適応フィルタを、空調機のダクトから室内に出る低周波騒音を低減したり、或は乗用車の室内に入り込む低周波の排気音或は走行音、更にはヘッドホンの外から入り込む低周波の外部騒音を低減する等、低周波騒音の低減にしか使用されていなかった。非特許文献6に記載された技術にしても、エンジンの振動抑制を目的としたものである。言い換えれば、上記非特許文献1に記載される等により従来から知られている適応フィルタの技術を、エンコーダの振れ回り運動に拘らず、このエンコーダを利用した回転速度検出の精度を向上させる事は、全く考えられていなかった。
As a technique for removing a relatively low-frequency noise component, an adaptive filter that is described in
又、比較的低周波の雑音成分を、大きな応答遅れを生じる事なく除去する為の技術としてノッチフィルタも知られている。但し、この様なノッチフィルタを転動体の公転と共に回転する保持器の回転速度検出の為のセンサの信号中に含まれる雑音成分の除去に利用する事は、従来考えられていなかったし、従来から知られているノッチフィルタを、そのまま転動体の公転速度を求める為に利用しても、データ処理を行なえなくなる。 A notch filter is also known as a technique for removing a relatively low-frequency noise component without causing a large response delay. However, the use of such a notch filter for removing the noise component contained in the sensor signal for detecting the rotational speed of the cage rotating with the revolution of the rolling element has not been considered conventionally. Even if the notch filter known from No. 1 is used for obtaining the revolution speed of the rolling element as it is, data processing cannot be performed.
上述の様な事情に鑑みて本発明は、適応フィルタ、ノッチフィルタ等の、検出信号の変動の影響を除去する為の変動除去フィルタの技術を、複数個の転動体の公転速度に一致する、保持器の回転速度を検出する為の回転検出センサ(公転速度検出用センサ)の検出信号中に含まれる雑音成分を除去する為に利用する事を意図する。同時に、エンコーダの特性変化の回数と転動体の数との関係を適正にする事により、複雑な構成を採用する事なく、データ処理を確実に行なえる様にする事を意図している。これらにより、低コストで構成できて、耐久性や設置スペースに問題を生じる事がなく、しかも回転部材の回転速度を、制御の為に必要とされる精度を確保しつつ測定できる、転動体の公転速度検出装置付転がり軸受ユニットを実現するものである。 In view of the circumstances as described above, the present invention conforms to the revolution speed of a plurality of rolling elements by using a fluctuation removal filter technology for removing the influence of fluctuations in detection signals, such as an adaptive filter and a notch filter. It is intended to be used for removing noise components contained in the detection signal of the rotation detection sensor (revolution speed detection sensor) for detecting the rotation speed of the cage. At the same time, it is intended to ensure that data processing can be performed without adopting a complicated configuration by making the relationship between the number of characteristic changes of the encoder and the number of rolling elements appropriate. These make it possible to configure the rolling element at low cost, without causing problems in durability and installation space, and measuring the rotational speed of the rotating member while ensuring the accuracy required for control. A rolling bearing unit with a revolution speed detecting device is realized.
本発明の転動体の公転速度検出装置付転がり軸受ユニットは、内輪相当部材と、外輪相当部材と、複数個の転動体と、エンコーダと、回転検出センサと、演算器とを備える。
このうちの内輪相当部材は、外周面に内輪軌道を有する。
又、上記外輪相当部材は、内周面に外輪軌道を有する。
又、上記各転動体は、この外輪軌道と上記内輪軌道との間に転動自在に設けられている。
又、上記エンコーダは、上記各転動体を保持した保持器の一部にこの保持器と同心に支持固定されてこの保持器と共に回転するもので、特性を円周方向に関して交互に変化させている。
又、上記回転検出センサは、その検出部を上記エンコーダの被検出面に対向させた状態で設けられている。
又、上記演算器は、上記回転検出センサから送り出される信号に基づいて上記回転輪の回転速度を算出するものである。
そして、上記演算器は、上記回転検出センサの検出信号の変動の影響を除去する為の変動除去フィルタを備えている。
更に、上記エンコーダの1回転当りの特性が変化する回数を、上記互いに対向する内輪軌道と外輪軌道との間に存在する転動体の数の整数倍としている。
A rolling bearing unit with a revolution speed detection device for a rolling element according to the present invention includes an inner ring equivalent member, an outer ring equivalent member, a plurality of rolling elements, an encoder, a rotation detection sensor, and a calculator.
Of these, the inner ring equivalent member has an inner ring raceway on the outer peripheral surface.
The outer ring equivalent member has an outer ring raceway on the inner peripheral surface.
Each rolling element is provided between the outer ring raceway and the inner ring raceway so as to roll freely.
The encoder is supported and fixed concentrically with the retainer on a part of the retainer that retains the rolling elements, and rotates together with the retainer. The characteristics are alternately changed in the circumferential direction. .
Further, the rotation detection sensor is provided in a state where the detection portion faces the detection surface of the encoder.
The computing unit calculates a rotational speed of the rotating wheel based on a signal sent from the rotation detection sensor.
The computing unit includes a fluctuation removal filter for removing the influence of fluctuations in the detection signal of the rotation detection sensor.
Further, the number of times that the characteristic per rotation of the encoder changes is an integral multiple of the number of rolling elements existing between the inner ring raceway and the outer ring raceway facing each other.
上述の様に構成する本発明の転動体の公転速度検出装置付転がり軸受ユニットは、ポケット隙間に基づき、或は各転動体の径差、更には内輪軌道及び外輪軌道のうねり等に基づき、保持器に回転(公転)1次成分の振動や、(n/2)・Z・fc で表される周波数成分の振動が発生し、これらの振動に基づいて回転検出センサの検出信号中に変動が生じても、この変動をキャンセルできる。この為、上記保持器の回転速度、延てはこの回転速度に基づき各種状態を正確に把握して、迅速且つ適正な処置を行なえる。 The rolling bearing unit with the revolution speed detection device of the rolling element of the present invention configured as described above is held based on the pocket clearance or the diameter difference of each rolling element, and further, the undulation of the inner ring raceway and the outer ring raceway. vibration or rotation to a vessel (revolution) primary component, (n / 2) · vibration frequency component represented by Z · f c is generated, varies during the detection signal of the rotation sensor on the basis of these vibrations Even if this occurs, this variation can be canceled. For this reason, it is possible to accurately grasp various states based on the rotational speed of the cage, and thus based on the rotational speed, and perform a prompt and appropriate treatment.
本発明を実施する場合に好ましくは、請求項2に記載した様に、エンコーダの1回転当りの特性が変化する回数を、互いに対向する内輪軌道と外輪軌道との間に存在する転動体の数の偶数倍とする。
この様にすれば、ノッチフィルタを使用して、転動体の数(Z)の1/2に比例する次数(n・Z/2次)の周波数の振動を除去する事ができる。
When the present invention is implemented, preferably, as described in
If it does in this way, the vibration of the frequency of the order (n * Z / 2 order) proportional to 1/2 of the number (Z) of rolling elements can be removed using a notch filter.
又、本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、エンコーダを、被検出面にS極とN極とを円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置した永久磁石とする。そして、上記被検出面1周当りのS極とN極との合計を、互いに対向する内輪軌道と外輪軌道との間に存在する転動体の数の整数倍とする。
永久磁石製のエンコーダを使用すれば、回転検出センサとして簡単な構造のものを使用し、しかも、低回転時から保持器の回転速度を正確に求める事ができる。
Preferably, when carrying out the present invention, preferably, as described in claim 3, the encoder includes a permanent magnet having S poles and N poles alternately arranged at equal intervals in the circumferential direction on the surface to be detected. To do. Then, the sum of the S pole and the N pole per circumference of the detected surface is set to an integer multiple of the number of rolling elements existing between the inner ring raceway and the outer ring raceway facing each other.
If an encoder made of a permanent magnet is used, a rotation detection sensor having a simple structure can be used, and the rotation speed of the cage can be obtained accurately from the time of low rotation.
又、本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、変動除去フィルタを適応フィルタとする。そして、nを正の整数とし、Zを互いに対向する内輪軌道と外輪軌道との間に存在する転動体の数とし、fc をこれら各転動体の公転周波数とした場合に、上記適応フィルタは、これら各転動体の公転速度を表す信号のうちから、公転1次の周波数成分の変動、及び、(n/2)・Z・fc で表される周波数成分の変動を除去する機能を有するものとする。
この様な機能を有する適応フィルタを使用すれば、保持器に発生する、転動体の径差等に基づく、(n/2)・Z・fc で表される周波数成分の振動に基づく回転検出センサの出力変動を除去できる。勿論、上記適応フィルタにより、ポケット隙間の存在に基づく、回転(公転)1次成分の振動に基づく回転検出センサの出力変動も抑えられる。
Further, when implementing the present invention, preferably, as described in
Using an adaptive filter having such function, for generating the cage, the rolling elements based on the diameter difference, etc., (n / 2) · Z · f c by the rotation detection based on the oscillation frequency component represented Sensor output fluctuations can be eliminated. Of course, the adaptive filter can also suppress fluctuations in the output of the rotation detection sensor based on the vibration of the rotation (revolution) primary component based on the presence of the pocket gap.
この場合に好ましくは、請求項5に記載した様に、上記適応フィルタを、LMSアルゴリズムにより作動するものとする。
In this case, preferably, as described in
又、本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、変動除去フィルタを、次数固定型のノッチフィルタとする。
この様なノッチフィルタを使用した場合、上記適応フィルタを使用した場合の様に、低周波の振動に基づく回転検出センサの出力変動を除去する為の処理に基づき、全く時間的遅れを生じない様にはできないが、この時間的遅れを、各種制御の為に問題が生じない程度の僅少に抑える事ができる。
この為、比較的低コストで、実用的な、各種制御装置を構成できる。
Further, when the present invention is implemented, preferably, the fluctuation removal filter is a fixed-order notch filter as described in
When such a notch filter is used, there is no time delay at all based on the process for removing the output fluctuation of the rotation detection sensor based on the low frequency vibration as in the case of using the above adaptive filter. Although this is not possible, this time delay can be minimized to such an extent that no problems arise due to various controls.
For this reason, various practical control devices can be configured at a relatively low cost.
上述の様な請求項6に係る発明を実施する場合に好ましくは、請求項7に記載した様に、nを正の整数とし、Zを互いに対向する内輪軌道と外輪軌道との間に存在する転動体の数とし、fc をこれら各転動体の公転周波数とした場合に、ノッチフィルタは、これら各転動体の公転速度を表す信号のうちから、公転1次の周波数成分の変動、及び、(n/2)・Z・fc で表される周波数成分の変動を除去する機能を有するものとする。
この様な機能を有するノッチフィルタを使用すれば、保持器に発生する、転動体の径差や内輪、外輪各軌道のうねり等に基づく、(n/2)・Z・fc で表される周波数成分の振動に基づく回転検出センサの出力変動を除去できる。勿論、上記ノッチフィルタにより、ポケット隙間の存在に基づく、回転一次成分の振動に基づく回転検出センサの出力変動も抑えられる。
In carrying out the invention according to
Using notch filter having such function, for generating the cage, the rolling diameter difference and the inner ring of the moving object, based on the undulation of the outer ring each orbit, represented by (n / 2) · Z · f c The output fluctuation of the rotation detection sensor based on the vibration of the frequency component can be removed. Of course, the notch filter suppresses fluctuations in the output of the rotation detection sensor based on the vibration of the primary rotation component based on the presence of the pocket gap.
又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項8に記載した様に、転がり軸受ユニットを、車輪を懸架装置に回転自在に支持する為に使用する。即ち、外輪相当部材と内輪相当部材とのうちの一方の軌道輪(回転輪)に上記車輪を支持固定し、他方の軌道輪(静止輪)を上記懸架装置に固定する。
そして、好ましくは請求項9に記載した様に、回転検出センサを複数個設ける。又、これら複数個の回転検出センサは、少なくとも1個の保持器の回転速度を含む、単一の転がり軸受ユニットの運転時に発生する複数の回転部分の回転速度を測定するものとする。そして、上記複数個の回転検出センサが検出する複数個所の回転速度を表す信号を、内輪相当部材と外輪相当部材との間に加わる荷重を求める為に利用する。
この様な構造で本発明を実施すれば、上記車輪に加わる荷重を求めて、車両の走行安定性確保の為の制御に利用できる。
Further, preferably when practicing the present invention, as set forth in
Preferably, as described in claim 9 , a plurality of rotation detection sensors are provided. The plurality of rotation detection sensors measure the rotation speeds of a plurality of rotating portions generated during operation of a single rolling bearing unit, including the rotation speed of at least one cage. And the signal showing the rotational speed of the several places which the said several rotation detection sensor detects is utilized in order to obtain | require the load added between an inner ring equivalent member and an outer ring equivalent member.
If the present invention is implemented with such a structure, the load applied to the wheel can be obtained and used for control for ensuring the running stability of the vehicle.
図1〜5は、本発明の実施例1を示している。本実施例は、自動車の従動輪(FR車、RR車、MD車の前輪、FF車の後輪)を支持する為の転がり軸受ユニットに加わる荷重(ラジアル荷重及びアキシアル荷重)を測定する転がり軸受ユニットの荷重測定装置に、本発明を適用した場合に就いて示している。この転がり軸受ユニット自体の構成及び作用は、前述の図17に示した従来構造と同様であるから、同等部分には同一符号を付して重複する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。 1 to 5 show Example 1 of the present invention. This embodiment is a rolling bearing that measures the load (radial load and axial load) applied to a rolling bearing unit for supporting the driven wheels of an automobile (FR wheel, RR wheel, front wheel of MD vehicle, rear wheel of FF vehicle). A case where the present invention is applied to a unit load measuring apparatus is shown. Since the configuration and operation of the rolling bearing unit itself are the same as those of the conventional structure shown in FIG. 17 described above, the same parts are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted or simplified. The description will focus on the characteristic part.
回転輪であるハブ2の外周面に形成した、それぞれが回転側軌道である複列アンギュラ型の内輪軌道8、8と、静止輪である外輪1の内周面に形成した、それぞれが静止側軌道である複列アンギュラ型の外輪軌道7、7との間に、それぞれ転動体(玉)9a、9bを複列(2列)に分けて、各列毎にそれぞれ複数個ずつ、保持器21a、21bにより保持した状態で転動自在に設ける事により、上記外輪1の内径側に上記ハブ2を、回転自在に支持している。この状態で上記各列の転動体9a、9bには、互いに逆方向で、且つ、同じ大きさの接触角αa 、αb (図2参照)が付与されて、背面組み合わせ型の、複列アンギュラ型玉軸受を構成する。上記各列の転動体9a、9bには、使用時に加わるアキシアル荷重によって喪失する事がない程度に十分な予圧を付与している。この様な転がり軸受ユニットの使用時には、上記外輪1を懸架装置に支持固定し、上記ハブ2の回転側フランジ3に制動用のディスクと車輪のホイールとを支持固定する。
Formed on the outer peripheral surface of the
上述の様な転がり軸受ユニットを構成する上記外輪1の軸方向中間部で上記複列の外輪軌道7、7の間部分に取付孔10aを、この外輪1を径方向に貫通する状態で形成している。そして、この取付孔10aにセンサユニット22を、上記外輪1の径方向外方から内方に挿通し、このセンサユニット22の先端部23を、上記外輪1の内周面から突出させている。この先端部23には、それぞれが回転検出センサである1対の公転速度検出用センサ24a、24bと、1個の回転速度検出用センサ15aとを設けている。
A mounting
このうちの各公転速度検出用センサ24a、24bは、上記複列に配置された転動体9a、9bの公転速度を測定する為のもので、上記先端部23のうち、上記ハブ2の軸方向(図1〜2の左右方向)に関する両側面に、それぞれの検出面を配置している。本実施例の場合、上記各公転速度検出用センサ24a、24bは、上記複列に配置された各転動体9a、9bの公転速度を、前記各保持器21a、21bの回転速度として検出する。この為に本実施例の場合には、これら各保持器21a、21bを構成するリム部25、25を、互いに対向する側に配置している。そして、これら各リム部25、25の互いに対向する面に、それぞれが円輪状である公転速度検出用エンコーダ26a、26bを、全周に亙り添着支持している。これら各エンコーダ26a、26bの被検出面の特性は、円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させて、上記各保持器21a、21bの回転速度を上記各公転速度検出用センサ24a、24bにより検出自在としている。
Among these, the revolution
この為に、これら各公転速度検出用センサ24a、24bの検出面を、上記各公転速度検出用エンコーダ26a、26bの被検出面である、互いに対向する面に近接対向させている。尚、これら各公転速度検出用エンコーダ26a、26bの被検出面と上記各公転速度検出用センサ24a、24bの検出面との距離(検出隙間)は、上記各保持器21a、21bのポケットの内面と上記各転動体9a、9bの転動面との間の隙間であるポケット隙間よりも大きく、2mm以下とする事が好ましい。上記検出隙間がポケット隙間以下になると、上記各保持器21a、21bがこのポケット隙間分変位した場合に、上記被検出面と上記検出面とが擦れ合う可能性を生じる為、好ましくない。反対に、上記検出隙間が2mmを越えると、上記各公転速度検出用センサ24a、24bにより上記各公転速度検出用エンコーダ26a、26bの回転を正確に測定する事が難しくなる。
For this purpose, the detection surfaces of the revolution
一方、前記回転速度検出用センサ15aは、回転輪である前記ハブ2の回転速度を測定する為のもので、上記先端部23の先端面、即ち、上記外輪1の径方向内端面に、その検出面を配置している。又、上記ハブ2の中間部で前記複列の内輪軌道8、8同士の間に、円筒状の回転速度検出用エンコーダ13aを外嵌固定している。上記回転速度検出用センサ15aの検出面は、この回転速度検出用エンコーダ13aの被検出面である、外周面に対向させている。この回転速度検出用エンコーダ13aの被検出面の特性は、円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させて、上記ハブ2の回転速度を上記回転速度検出用センサ15aにより検出自在としている。上記回転速度検出用エンコーダ13aの外周面と上記回転速度検出用センサ15aの検出面との間の測定隙間に関しても、2mm以下に抑える。
On the other hand, the rotational
尚、上記各エンコーダ26a、26b、13aとしては、従来からABSやTCSの制御用の信号を得るべく、車輪の回転速度を検出する為に利用していた各種構造のものを使用できる。例えば、上記各エンコーダ26a、26b、13aとして、被検出面(側面又は外周面)にN極とS極とを交互に且つ等間隔に配置した、多極磁石製のものが、好ましく使用できる。但し、単なる磁性材製のエンコーダや、光学的特性を円周方向に亙って交互に且つ等間隔に変化させたものも、(光学式の回転速度検出用センサと組み合わせる事で)使用可能である。
As the
本実施例の場合には、上記各公転速度検出用エンコーダ26a、26bとして、被検出面である軸方向側面にS極とN極とを交互に且つ等間隔で配置した、円輪状の永久磁石を使用している。この様な各公転速度検出用エンコーダ26a、26bは、別途造られた上記各保持器21a、21bのリム部25、25の側面に接着により結合固定したり、或はこれら各保持器21a、21bを射出成形する際にキャビティ内に上記各公転速度検出用エンコーダ26a、26bをセットしておく事で、インサート成形する。何れの方法を採用するかは、コスト及び要求される結合強度等に応じて選択する。
In the case of the present embodiment, as each of the revolution
又、何れも回転速度を検出するセンサである、上記各公転速度検出用センサ24a、24b及び上記回転速度検出用センサ15aとしては、磁気式の回転速度検出用センサが、好ましく使用できる。又、この磁気式の回転速度検出用センサとしては、ホール素子、ホールIC、磁気抵抗素子(MR素子、GMR素子)、MI素子等の磁気検出素子を組み込んだアクティブ型のものが、好ましく使用できる。この様な磁気検出素子を組み込んだアクティブ型の回転速度検出用センサを構成するには、例えば、この磁気検出素子の一側面を、直接又は磁性材製のステータを介して永久磁石の着磁方向一端面に突き当て(磁性材製のエンコーダを使用する場合)、上記磁気検出素子の他側面を、直接又は磁性材製のステータを介して、上記各エンコーダ26a、26b、13aの被検出面に対向させる。尚、本実施例の場合、永久磁石製のエンコーダを使用するので、センサ側の永久磁石は不要である。
In addition, as each of the revolution
本実施例の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、上記各センサ24a、24b、15aの検出信号は、図示しない演算器に入力する。そして、この演算器が、これら各センサ24a、24b、15aから送り込まれる検出信号に基づいて、前記外輪1と前記ハブ2との間に加わるラジアル荷重とアキシアル荷重とのうちの一方又は双方の荷重を算出する。例えば、このラジアル荷重を求める場合に上記演算器は、上記各公転速度検出用センサ24a、24bが検出する各列の転動体9a、9bの公転速度の和を求め、この和と、上記回転速度検出用センサ15aが検出する上記ハブ2の回転速度との比に基づいて、上記ラジアル荷重を算出する。又、上記アキシアル荷重は、上記各公転速度検出用センサ24a、24bが検出する各列の転動体9a、9bの公転速度の差を求め、この差と、上記回転速度検出用センサ15aが検出する上記ハブ2の回転速度との比に基づいて算出する。この点に就いて、図4を参照しつつ説明する。尚、以下の説明は、アキシアル荷重Fa が加わらない状態での、上記各列の転動体9a、9bの接触角αa 、αb が互いに同じであるとして行なう。
In the case of the load measuring device of the rolling bearing unit of the present embodiment, the detection signals of the
図4は、前述の図1に示した車輪支持用の転がり軸受ユニットを模式化し、荷重の作用状態を示したものである。複列の内輪軌道8、8と複列の外輪軌道7、7との間に複列に配置された転動体9a、9bには予圧F0 、F0 を付与している。又、使用時に上記転がり軸受ユニットには、車体の重量等により、ラジアル荷重Fr が加わる。更に、旋回走行時に加わる遠心力等により、アキシアル荷重Fa が加わる。これら予圧F0 、F0 、ラジアル荷重Fr 、アキシアル荷重Fa は、何れも上記各転動体9a、9bの接触角α(αa 、αb )に影響を及ぼす。そして、この接触角αa 、αb が変化すると、これら各転動体9a、9bの公転速度nc が変化する。これら各転動体9a、9bのピッチ円直径をDとし、これら各転動体9a、9bの直径をdとし、上記各内輪軌道8、8を設けたハブ2の回転速度をni とし、上記各外輪軌道7、7を設けた外輪1の回転速度をno とすると、上記公転速度nc は、次の(1)式で表される。
nc ={1−(d・cosα/D)・(ni /2)}+{1+(d・cosα/D)・(no /2)} −−− (1)
FIG. 4 schematically shows the rolling bearing unit for supporting the wheel shown in FIG. 1 and shows the action state of the load. Preloads F 0 and F 0 are applied to the rolling
n c = {1− (d · cos α / D) · (n i / 2)} + {1+ (d · cos α / D) · (n o / 2)} --- (1)
この(1)式から明らかな通り、上記各転動体9a、9bの公転速度nc は、これら各転動体9a、9bの接触角α(αa 、αb )の変化に応じて変化するが、この接触角αa 、αb は、上記ラジアル荷重Fr 及び上記アキシアル荷重Fa に応じて変化する。従って上記公転速度nc は、これらラジアル荷重Fr 及びアキシアル荷重Fa に応じて変化する。本実施例の場合、上記ハブ2が回転し、上記外輪1が回転しない為、具体的には、上記ラジアル荷重Fr に関しては、大きくなる程上記公転速度nc が遅くなる。又、アキシアル荷重Fa に関しては、このアキシアル荷重Fa を支承する列の公転速度nc が早くなり、このアキシアル荷重Fa を支承しない列の公転速度nc が遅くなる。従って、この公転速度nc に基づいて、上記ラジアル荷重Fr 及びアキシアル荷重Fa を求められる事になる。
As is clear from this equation (1), the rolling
但し、上記公転速度nc の変化に結び付く上記接触角αは、上記ラジアル荷重Fr と上記アキシアル荷重Fa とが互いに関連しつつ変化するだけでなく、上記予圧F0 、F0 によっても変化する。又、上記公転速度nc は、上記ハブ2の回転速度ni に比例して変化する。この為、これらラジアル荷重Fr 、アキシアル荷重Fa 、予圧F0 、F0 、ハブ2の回転速度ni を総て関連させて考えなければ、上記公転速度nc から所望の荷重を正確に求める事はできない。このうちの予圧F0 、F0 は、運転状態に応じて変化するものではないので、初期設定等によりその影響を排除する事は容易である。これに対して上記ラジアル荷重Fr 、アキシアル荷重Fa 、ハブ2の回転速度ni は、運転状態に応じて絶えず変化するので、初期設定等によりその影響を排除する事はできない。
However, the contact angle α which leads to a change in the revolution speed n c, as well as the radial load F r and the axial load F a is changed while associated with each other, also varies the preload F 0, F 0 To do. Also, the revolution speed n c is changed in proportion to the rotational speed n i of the
この様な事情に鑑みて本実施例では、前述した様に、ラジアル荷重Fr を求める場合には、前記各公転速度検出用センサ24a、24bが検出する各列の転動体9a、9bの公転速度の和を求める事で、上記アキシアル荷重Fa の影響を少なくしている。又、アキシアル荷重Fa を求める場合には、上記各列の転動体9a、9bの公転速度の差を求める事で、上記ラジアル荷重Fr の影響を少なくしている。更に、何れの場合でも、上記和又は
差と、前記回転速度検出用センサ15aが検出する上記ハブ2の回転速度ni との比に基づいて上記ラジアル荷重Fr 又は上記アキシアル荷重Fa を算出する事により、上記ハブ2の回転速度ni の影響を排除している。
In view of such circumstances, in this embodiment, as described above, when the radial load F r is obtained, the revolutions of the rolling
尚、上記各公転速度検出用センサ24a、24bの信号に基づいて上記ラジアル荷重Fr とアキシアル荷重Fa とのうちの一方又は双方の荷重を算出する方法は、他にも各種存在するが、この様な方法に就いては、前述の特願2003−171715号、172483号に詳しく説明されているし、本発明の要旨とも関係しないので、詳しい説明は省略する。
但し、何れの方法により何れの荷重を求めるにしても、上記各公転速度検出用センサ24a、24bの検出信号に基づいて上記各列の転動体9a、9bの公転速度nc を正確に求められる事が、荷重の測定精度を高める為に重要である。
There are various other methods for calculating one or both of the radial load F r and the axial load F a based on the signals of the revolution
However, even if the seek any load by any method, is accurately determined the revolution speed n c of the rolling
これに対して上記各公転速度検出用センサ24a、24bの検出信号中には、被検出面の着磁ピッチ(円周方向に隣り合うS極とN極との間のピッチ)の誤差に基づく比較的高周波の変動と、保持器21a、21bの振れ回り運動に伴う、前述した様な比較的低周波の変動と、前記各転動体9a、9bの径差、或はこれら各転動体9a、9bの転動面が転がり接触する外輪軌道7、7及び内輪軌道8、8のうねりに基づく、中程度の周波数の変動とが入り込んでいる。この様な変動を処理(低減)しないと、各列の転動体9a、9bの公転速度nc を正確に求められず、上記ラジアル荷重Fr や上記アキシアル荷重Fa の測定精度が悪化する。そこで本実施例の場合には、図5に示す様な適応フィルタ27により、上記振れ回り運動に基づく比較的低周波の変動及び上記径差や軌道面のうねりに基づく中程度の周波数の変動を低減する他、図示しない平均化フィルタ等のローパスフィルタにより、上記着磁ピッチの誤差に基づく比較的高周波の変動を低減する様にしている。
On the other hand, the detection signals of the revolution
先ず、上記3種類の変動が生じる理由に就いて、図6〜7により説明する。前記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)を保持した(或は自身がエンコーダとしての機能を有する)保持器21a(21b)のポケットの内面と前記各転動体9a(9b)の転動面との間には、これら各転動体9a(9b)を転動自在に保持する必要上、隙間が存在する。従って、各構成部材の組み付け精度をいくら高めても、転がり軸受ユニットの運転時に、上記各転動体9a(9b)のピッチ円の中心(前記ハブ2の回転中心)O2 と上記保持器21a(21b)の回転中心O21とが、図6に誇張して示す様に、δ分だけずれる可能性がある。そして、このずれに基づいて上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)は、上記回転中心O21の周囲で振れ回り運動を行なう。この振れ回り運動の結果、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の被検出面は、回転方向以外にも移動速度を持つ事になる。そして、この回転方向以外の移動速度、例えば図6の左右方向の移動速度が、回転方向の移動速度に加減される。一方、公転速度検出用センサ24a(24b)は、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の被検出面の移動速度に基づいて上記各転動体9a(9b)の公転速度を検出するので、上記δ分の偏心は、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の側面にその検出面を対向させた、公転速度検出用センサ24a(24b)の検出信号に影響を及ぼす。
First, the reason why the above three types of fluctuations occur will be described with reference to FIGS. The inner surface of the pocket of the
この様な公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の側面に上記公転速度検出用センサ24a(24b)の検出面を対向させると、この公転速度検出用センサ24a(24b)の検出信号は、図7の鎖線αに示す様に、正弦波的に変化する。即ち、各転動体9a(9b)の公転速度が一定である場合でも、この公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号が表す公転速度は、上記鎖線αで示す様に、正弦波的に変化する。具体的には、図6の左右方向の移動速度が回転方向の移動速度に足される場合には、上記出力信号は、実際の公転速度よりも速い速度に対応する信号となる。反対に、図6の左右方向の移動速度が回転方向の移動速度から差し引かれる場合には、上記出力信号は、実際の公転速度よりも遅い速度に対応する信号となる。図6は偏心量δを実際の場合よりも誇張して描いているが、例えば車両安定の為の制御をより厳密に行なうべく、転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重Fr 及びアキシアル荷重Fa をより正確に求める場合には、上記偏心に伴う誤差を解消する必要がある。
When the detection surface of the revolution
又、前記各転動体9a、9bや外輪軌道7、7及び内輪軌道8、8のうねりに基づく、(n/2)Z次の周波数の、所謂軸受振動も、上記公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号が表す公転速度の変動として表れる。従って、上記車両安定の為の制御をより厳密に行なうべく、上記各荷重Fr 、Fa をより正確に求める場合には、上記軸受振動に伴う誤差を解消する必要がある。尚、この軸受振動による変動のうち、nが大きい(例えばnが3以上の)周波数の軸受振動に基づく、上記出力信号が表す公転速度の変動は、一般的に振幅が小さく、この公転速度の変動に及ぼす影響が小さいだけでなく、ローパスフィルタにより除去しても、実用上問題となる程の時間的遅れを生じる事はない。これに対して、nが1、2に対応する変動をローパスフィルタで除去しようとした場合(特にn=1の場合)には、実用上問題となる程度の時間的遅れを生じる可能性がある。
The so-called bearing vibration of the (n / 2) Z order frequency based on the undulations of the rolling
更に、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の側面に配列されたS極とN極とのピッチは、本来同じはずであるが、製造時に発生する着磁誤差等により、少しずつではあるが互いに異なる場合がある。そして、この誤差に基づいても、上記公転速度検出用センサ24a(24b)の検出信号が変動する。この様な着磁ピッチの誤差に基づく変動の周期は、上記振れ回り運動に基づく変動の周期に比べると遥かに短くなる。例えば、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の側面(被検出面)の特性(S極とN極との繰り返し)が、この被検出面の全周で60回変化する場合、上記着磁ピッチの誤差に基づく変動の周期は、上記振れ回り運動に基づく変動の周期の1/60程度になる。
Furthermore, the pitches of the S poles and N poles arranged on the side surface of the revolution
上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)から出力される検出信号は、上記3種類の変動が足し合わされた(重畳された)、図7に実線βで示す様なものになる。因に、上記軸受振動に基づく振動の周波数は、nの値に応じて各種存在するが、nの値が小さい場合の周波数は、前記破線αで示した偏心量δに対応する公転1次の周波数よりも高く、上記着磁ピッチ誤差に基づく変動の周波数よりも低くなる。前記ラジアル荷重Fr 及びアキシアル荷重Fa を正確に求める為には、上記3種類の変動を低減する必要がある。そこで、本実施例の場合には、上記振れ回り運動及び上記軸受振動に伴う、比較的低周波の変動を図5に示した適応フィルタ27により低減し、上記着磁ピッチの誤差に伴う比較的高周波の変動を、図示しない平均化フィルタ等のローパスフィルタにより低減する様にしている。尚、適応アルゴリズムとしては、適応フィルタとして後述するFIRフィルタを使用する、LMS(最小二乗平均)アルゴリズム(二乗平均誤差を最急降下法に基づいて最小にする演算規則)が好ましい。
The detection signal output from the revolution
先ず、図5に示した適応フィルタ27による、上記低周波の変動低減に就いて説明する。上記公転速度検出用センサ24a(24b)の検出部が対向する部分での、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の変位速度は、実際の回転速度dd と、前記δ分の偏心に基づく振れ回りによる回転一次成分及び上記軸受振動に基づく見掛け速度の変動分dn とが重畳されたものとなる。従って、上記公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号dは、上記実際の回転速度dd と上記変動分dn とを足し合わせた(dd +dn )速度を表す信号になる。上記適応フィルタ27によりこの変動分dn を上記出力信号dから差し引けば(減ずれば)、上記実際の回転速度dd を求められる事になる。
First, the low frequency fluctuation reduction by the
一方、上記適応フィルタ27を作動させる為には、上記振れ回り及び上記軸受振動に基づく変動分dn と相関性のある参照信号xが必要になる。この参照信号xを入手できれば、上記適応フィルタ27は自己学習によって、実際の信号の流れ「dn →d」の伝達特性と同じ特性を持った、FIR(finite impulse response )フィルタ(インパルス応答時間が有限なフィルタ=インパルス応答が有限時間内に0になるフィルタ)を形成する。そして、上記公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号dから、上記適応フィルタ27による計算の結果得られる、キャンセル信号y{=後述するy(k)}を差し引けば、上記公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号dから上記振れ回り及び上記軸受振動に基づく変動分dn を取り除いた(d−dn )事と等価になる。この様にしてこの変動分dn を取り除く場合に、上記適応フィルタ27は、信号の主ルート(図5の上半部分)を送られる出力信号dに対してフィルタリングするのではなく、副ルート(図5の下半部分)を送られる参照信号xに基づいて上記変動分dn を取り除く為のキャンセル信号yを計算する。そして、上記主ルートである出力信号dから上記キャンセル信号yを引き算するだけであるので、上記出力信号dの応答遅れを招かない。
On the other hand, in order to operate the
本実施例の場合、上記参照信号xを、前記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の1回転中での特性変化の回数に基づき、この公転速度検出用エンコーダ26a(26b)に対向した上記公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号の処理回路、又は、この出力信号に基づいて前記各転動体9a(9b)の公転速度を演算する為の処理回路により、自己生成する。従って、上記参照信号xの生成に要するコストを低減できる。即ち、従来から適応フィルタの用途として一般的に知られていたアクティブノイズコントロールの構造をそのまま上記各転動体9a(9b)の公転速度を正確に求める為の構造に適用すると、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の振れ回りを、変位センサや回転速度センサ等、別途設けたセンサにより検出し、このセンサの検出信号を上記振れ回り及び軸受振動による変動と相関性を持たせて、上記適応フィルタ27の参照信号xとして使用する事になる。勿論、この様な構造で実施する事も可能ではあるが、別途センサを設ける分だけ、コスト並びに設置スペースが必要になる。
In the case of the present embodiment, the reference signal x is determined based on the number of characteristic changes during one revolution of the revolution
これに対して本実施例の場合には、この様な別途設けたセンサの検出信号を使用する事なく上記参照信号xを入手して、上記適応フィルタ27により、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の振れ回り及び上記軸受振動に基づく、上記公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号dの変動分dn を低減させる。即ち、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の1回転中での特性変化の回数(S極とN極との数)は予め分かっている。従って、この公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の1回転分のパルス数を観察する事で、特に変位センサや回転速度センサ等のセンサを別途設けなくても、上記変動dn と相関のある上記参照信号xを生成できる。具体的には、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の振れ回りの影響は、回転1次が主成分の波形であり、例えばこの公転速度検出用エンコーダ26a(26b)が、1回転当り60パルスのものであれば、60データで1周期となる様なサイン波、三角波、鋸波、矩形波、パルス波等として自己生成できる。上記変動分dn のうち、公転(n/2)・Z次の周波数成分を低減させる為の参照信号xに就いても、1周期となるデータの数を適切に設定する事により、同様に自己生成できる。
On the other hand, in this embodiment, the reference signal x is obtained without using the detection signal of such a separately provided sensor, and the revolving
この様な参照信号xの波形は、上記各転動体9a(9b)の公転速度を算出する為の処理回路(CPU)で生成する事も、上記公転速度検出用センサ24a(24b)に付属の電子回路部(IC)で生成する事もできる。何れにしても、得られた上記参照信号xに基づいて算出したキャンセル信号yは、上記公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号dから差し引いて、前記実際の回転速度dd を表す修正信号e{=後述するe(k)}を求める。この様にして求めた修正信号eは、上記各転動体9a(9b)の公転速度を演算する為の処理回路に送ってこの公転速度を求める為に利用する他、上記適応フィルタ27が自己学習する為の情報としても利用する。
Such a waveform of the reference signal x can be generated by a processing circuit (CPU) for calculating the revolution speed of each rolling
尚、上記適応フィルタ27部分で、上記キャンセル信号yを求め、更にこのキャンセル信号yを上記公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号dから差し引いて、上記修正信号eを得る為の処理は、次の(2)〜(4)式に基づいて行なう。
上記(2)(3)(4)式中、kは時系列でのデータ番号、Nは適応フィルタ27として用いるFIRフィルタのタップ数である。又、wはFIRフィルタのフィルタ係数を表し、wk はk番目のデータ処理をする場合に使用するフィルタ係数を、wk+1 は次のデータ系列(k+1番目)を処理する場合に使用するフィルタ係数を、iは0〜N−1の数を、それぞれ表している。本実施例の場合、上記FIRフィルタは、上記(4)式により逐次適正にフィルタ係数が更新されていく適応フィルタとなる。演算を開始する際に最初に用いるフィルタ係数wk は、零を代入しておいても、動き始めれば自己適応していくので差し支えはないが、予め望ましいフィルタ特性を求めてその値を代入しておいても良い。更には、前回の処理で最後に使用したフィルタ係数を、EEPROM等の記憶手段に記憶しておき、再始動時に使用しても良い。
In the above equations (2), (3), and (4), k is a data number in time series, and N is the number of taps of the FIR filter used as the
又、上記(4)式中のμは、ステップパラメータと呼ばれる、フィルタ係数を自己適正化させていく場合の更新量を決定する値であり、通常0.01〜0.001程度の値となるが、実際には、適応動作の妥当性を事前に調べて設定するか、次の(5)式を用いて逐次更新する事もできる。
上述の様に、前記公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号dから、前記適応フィルタ27が算出したキャンセル信号yを差し引く事で、前記実際の回転速度dd を表す修正信号eを求められる。そして、この様にして求めた修正信号eに基づいて、前記各転動体9a(9b)の公転速度を正確に求められる。尚、実際の場合には、上記公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号d中には、前記着磁ピッチ誤差に基づく、上記公転速度検出用センサ24a(24b)の振れ回りに基づく変動よりも周期が短い変動が存在する。そこで、この変動を平均化する為の平均化フィルタ等のローパスフィルタを、上記適応フィルタ27の前又は後に設けて、上記変動に拘らず、上記各転動体9a、9bの公転速度を正確に求められる様にする。平均化フィルタ等のローパスフィルタの構造及び作用に関しては、従来から周知である為、詳しい説明は省略する。
As described above, the output signal from d of the revolution
適応フィルタ27を使用して、エンコーダの振れ回りに基づく変動を抑える作用に就いてのシミュレーションの1例を、図8に示した。この図8は、100min-1 で定速回転している回転部材の回転速度を、60パルス/1回転のエンコーダで計測する場合に就いて示している。実線イが、回転速度検出用センサの検出結果に、タップ数=15の移動平均処理のみを施した(平均化フィルタのみを設けた)結果(出力信号dに相当)である。この場合には、エンコーダの振れ回りにより、上記回転速度の算出値が、約70〜130min-1 の間を変動している。尚、上記エンコーダの振れ回り量は、実際に生じる値に比べて、相当に大きく設定した。
FIG. 8 shows an example of a simulation on the action of suppressing the fluctuation based on the swing of the encoder using the
これに対して、破線ロは、上記実線イで示した、移動平均後のデータを適応フィルタを用いて補正した結果(修正信号eに相当)を示している。上記破線ロから明らかな通り、適応フィルタの始動直後は算出値が変動しているものの、短時間経過後にフィルタ係数が自己適応し、算出結果が、ほぼ100min-1 の一定値に収束した。この事から、平均化フィルタと適応フィルタとを併用する事で、着磁ピッチ誤差や、回転中心と幾何中心とのずれが大きい(振れ回り運動をする)エンコーダを使用しても、回転部材の回転速度を正確に求められる事が分かる。
尚、上記図8に示した2本の線イ、ロを求めるに就いては、参照信号xは、速度演算装置の中でパルス数をカウントしながら、60パルスで1周期となる正弦波を自己生成するとした。又、適応フィルタのステップパラメータは、μ=0.002、タップ数N=30とした。
On the other hand, the broken line B shows the result (corresponding to the correction signal e) obtained by correcting the data after moving average, which is indicated by the solid line A, using an adaptive filter. As apparent from the broken line (b), although the calculated value fluctuates immediately after the start of the adaptive filter, the filter coefficient self-adapts after a short time, and the calculation result converges to a constant value of approximately 100 min- 1 . For this reason, by using an averaging filter and an adaptive filter together, even if an encoder with a large magnetization pitch error or a large deviation between the rotation center and the geometric center (running motion) is used, It can be seen that the rotation speed can be obtained accurately.
In order to obtain the two lines A and B shown in FIG. 8, the reference signal x is a sine wave having one cycle of 60 pulses while counting the number of pulses in the speed calculation device. Suppose you are self-generating. The step parameters of the adaptive filter are μ = 0.002 and the number of taps N = 30.
上述の説明は、前記ポケット隙間に基づく公転1次の振れ回りに基づく誤差成分を除去する場合に就いて説明した。前記軸受振動に基づく誤差成分も、基本的には同じ様にして除去するが、データ処理を低コストで且つ円滑に行なわせる為には、前記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の1回転分当りのパルス数を、前記各列の転動体9a、9a(9b、9b)の数との関係で規制する必要がある。例えば、これら各列の転動体9a、9a(9b、9b)の数が9個である場合、公転9次の振動に基づく誤差成分を補正する為には、60データ/9=6.67データで1周期となる正弦波を、図5に示した参照信号xとして使用する必要がある。この様に参照信号xが整数でない場合(小数点以下の端数が出る場合)には、この参照信号xとして、予め演算器中のメモリに記憶させたものを使用する事ができない。そして、この様な場合には、データをサンプリングする毎、即ち、前記公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号dを受け入れる毎に、上記軸受振動の1周期毎に1周期となる正弦波の値を計算しなければならない。この様な計算は、上記公転速度検出用センサ24a(24b)により上記各列の転動体9a、9a(9b、9b)の公転速度検出を行なっている間中、継続して行なわなければならないので、莫大な計算量となる。そして、この様な莫大な計算量を処理する為には、処理速度が速い、比較的高価なCPUを使用する必要がある。
The above description has been given for the case of removing the error component based on the first rotation of the revolution based on the pocket gap. The error component based on the bearing vibration is also basically removed in the same manner. However, in order to perform data processing at low cost and smoothly, the revolution
この様な事情に鑑みて本実施例の場合には、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の1回転分当りのパルス数を、上記各列の転動体9a、9a(9b、9b)の数Zの整数倍としている。例えば、上述の様に、これら各列の転動体9a、9a(9b、9b)の数Zが9である場合には、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の1回転分当りのパルス数を、例えば63パルス(9の7倍)とする。この様な公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の回転速度を検出する、上記公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号d中に含まれる、上記軸受振動に基づく公転9次の誤差成分を補正する為には、7データ(=63データ/9)で1周期となる正弦波をメモリに記憶させておくだけで良いので、計算量が激減する。公転4.5次の誤差成分を補正する場合も同様であり、図5に示した参照信号xとして、14データ(=63データ/4.5)で1周期となる正弦波をメモリに記憶させておけば良い。
In view of such circumstances, in the case of the present embodiment, the number of pulses per revolution of the revolution
図9〜12は、本発明の実施例2を示している。本実施例の場合の特徴は、エンコーダの1パルス毎に回転検出センサの検出信号に関して必要とする演算処理の回数を大幅に低減して、計算速度が特に速くない、低コストの演算器(CPU)での処理を可能にする点にある。この為に本実施例の場合には、同期式LMSアルゴリズムを使用し、計算量を大幅に削減可能にしている。但し、同期式LMSアルゴリズムを使用する場合も、エンコーダの1回転当りのパルス数を、転動体数の整数倍とする必要がある。又、単に同期式LMSアルゴリズムを使用しただけの場合には、エンコーダ振れ回りである回転1次成分及び軸受振動に基づく公転(n/2)・Z次成分を補正(キャンセル)すると同時に、検出対象である回転速度を表すDCレベルまでも補正(キャンセル)してしまう。これでは、公転速度検出装置本来の機能を喪失してしまうので、フィルタ係数の零点をモニターし、上記DCレベルをキャンセルする事を防止する為に、零点補正を実施する。この様な観点で考えた本実施例の特徴に就いて、以下に説明する。尚、実用上あまり問題とならないレベルではあるが、前述の図8に示した例でも、微妙にDCレベルがずれる場合がある。従って、より高精度の制御を行なう為には、この場合にも、零点補正を行なう事が好ましい。尚、以下の説明で、転がり軸受ユニット部分の符号に就いては、図1に示したものを使用する。 9 to 12 show Example 2 of the present invention. The feature of the present embodiment is that the number of calculation processes required for the detection signal of the rotation detection sensor for each pulse of the encoder is greatly reduced, and the calculation speed is not particularly fast. ) Is possible. For this reason, in the case of the present embodiment, the amount of calculation can be greatly reduced by using a synchronous LMS algorithm. However, even when the synchronous LMS algorithm is used, the number of pulses per rotation of the encoder needs to be an integral multiple of the number of rolling elements. If the synchronous LMS algorithm is simply used, the primary rotation component that is the encoder swing and the revolution (n / 2) / Z-order component based on the bearing vibration are corrected (cancelled) and simultaneously detected. Even the DC level representing the rotational speed is corrected (cancelled). In this case, since the original function of the revolution speed detecting device is lost, the zero point of the filter coefficient is monitored, and zero point correction is performed to prevent the cancellation of the DC level. The characteristics of the present embodiment considered from such a viewpoint will be described below. Although the level is not a problem in practical use, the DC level may be slightly deviated even in the example shown in FIG. Therefore, in order to perform more accurate control, it is preferable to perform zero point correction also in this case. In the following description, the reference numerals of the rolling bearing unit are shown in FIG.
上述した実施例1で適応フィルタを適正化する為に利用する、前述の各式(2)(3)(4)は何れも単純な式ではあるが、実際の適用に際しては計算量が問題となる場合が考えられる。例えば、適応フィルタのタップ数N=60とすると、上記式(2)で掛け算を60回、上記式(3)で引き算を1回、上記式(4)で掛け算を120回と足し算を60回との180回、合計で241回の四則演算を、エンコーダの1パルス毎に実施しなければならない。従って、1個の転がり軸受ユニットに設けた複列の転動体の公転速度を求める為に必要な計算量は、482回/1パルスとなる。この計算量(演算回数)は物理的に処理不可能ではないが、処理速度が速い、比較的高価なCPUを使用する必要がある。例えば、ABS、TCS、VSC等の車両用走行安定化装置の制御の為に自動車用車輪(4個の車輪)の回転速度を検出する場合、上記高価なCPUを4個(若しくは1パルス毎に241回×2×4=1928回の四則演算が可能な程に高速のCPUを)使用する必要があり、上記車両用走行安定化装置のコスト増大の原因となる為、好ましくない。 Each of the above formulas (2), (3), and (4) used for optimizing the adaptive filter in the first embodiment described above is a simple formula, but the amount of calculation is problematic in actual application. It may be possible. For example, if the number of taps of the adaptive filter is N = 60, the multiplication is performed 60 times by the above formula (2), the subtraction is performed by the above formula (3), the multiplication is 120 times by the above formula (4), and the addition is performed 60 times. 180 times, a total of 241 arithmetic operations must be performed for each pulse of the encoder. Therefore, the amount of calculation required to obtain the revolution speed of the double row rolling elements provided in one rolling bearing unit is 482 times / 1 pulse. This calculation amount (number of operations) is not physically unprocessable, but it is necessary to use a relatively expensive CPU with a high processing speed. For example, when detecting the rotational speed of automobile wheels (four wheels) for the control of a vehicle running stabilization device such as ABS, TCS, VSC, etc., four expensive CPUs (or every pulse) are used. It is necessary to use a CPU that is high enough to perform 241 times × 2 × 4 = 1920 times of four arithmetic operations, which is not preferable because it causes an increase in the cost of the vehicle travel stabilization device.
この様な事情に鑑みて本実施例の場合には、同期式LMSアルゴリズムを使用して計算量を大幅に削減し、低コストのCPUの使用を可能にする事を意図している。但し、上記同期式LMSアルゴリズムにより適応フィルタを動作させた場合、そのままではこの適応フィルタが、上記エンコーダの振れ回りによる公転1次成分及び軸受振動に基づく公転(n/2)・Z次成分だけでなく、回転速度を表すDC成分もキャンセルしてしまう。この様にDC成分をキャンセルする現象は、同期式LMSアルゴリズムを用いた場合に顕著である。そこで本実施例の場合には、適応フィルタの出力値を零にする機能を持たせる事により、上記回転速度を表すDCレベルを正確に検出できる様にしている。 In view of such circumstances, in the case of the present embodiment, it is intended to use a synchronous LMS algorithm to greatly reduce the amount of calculation and enable the use of a low-cost CPU. However, when the adaptive filter is operated by the synchronous LMS algorithm, the adaptive filter can be used only with the primary revolution component due to the swing of the encoder and the revolution (n / 2) / Z-order component based on bearing vibration. In addition, the DC component representing the rotation speed is also canceled. This phenomenon of canceling the DC component is remarkable when the synchronous LMS algorithm is used. Therefore, in the case of the present embodiment, the DC level representing the rotational speed can be accurately detected by providing a function for setting the output value of the adaptive filter to zero.
先ず、同期式LMSアルゴリズムの作動原理を説明する。前述の図5に示したブロック図で、適応フィルタ27に入力させる参照信号xは、エンコーダの振れ回りによるエンコーダの公転1次成分、並びに、軸受振動に基づく公転(n/2)・Z次成分と相関のある信号であれば良い。このうちの公転1次成分に関しては、上記エンコーダ1回転当り1インパルス信号でも構わないし、公転(n/2)・Z次成分に関しては、振動1周期当り1インパルス信号でも構わない。但し、同期式LMSを用いる場合は、適応フィルタ27のタップ数Nが振動1周期当りのパルス数と等しい事が前提となる。上記参照信号xが振動1周期当り1インパルス信号であると同時に、上記適応フィルタ27のタップ数Nが、上記エンコーダの1回転当りのパルス数と等しい場合を想定する。この場合、時系列kの瞬間に計算に使用する参照信号xは、次の(6)式で表される。
この(6)式で、参照信号xが値1のインパルスとなる位置jは、時系列kが進んでいくのに従って右側に1個ずつずれて行き、一番右側の「N−1」番目までずれると、次の時系列では、新たなインパルス値が一番左の0番目に表れる事になる。即ち、上記参照信号xは、値1のインパルスの位置を0番目からN−1番目まで巡回させただけのデータ列となる。この式(6)を、前述の式(2)(4)に当て嵌めると、次の(7)(8)式を得られる。
同期式でない、通常のLMSアルゴリズムで適応フィルタ27を作動させる場合には、前述した様に、各式(2)(3)(4)に示す計算を繰り返し行なう必要があるのに対して、同期式LMSアルゴリズムで適応フィルタ27を作動させる場合には、上記(7)(8)式及び式(3)に示す計算を行なうだけで済む。例えば、適応フィルタ27のタップ数Nを60とした場合、通常のLMSアルゴリズムで適応フィルタ27を作動させると、エンコーダ1ピッチ毎の演算の回数の合計は、前述した様に241回になる。これに対して、同期式LMSアルゴリズムで適応フィルタ27を作動させる場合には、上記式(7)はデータ入れ替えのみで演算なし、上記式(3)で引き算1回、上記式(8)で掛け算1回と足し算1回との2回、合計で3回の四則演算を、上記エンコーダの1パルス毎に行なえば良い。即ち、LMSアルゴリズムとして同期式を採用する事で、採用しない場合に比べて、演算の回数を凡そ1/80に削減できる。
When the
この様に、同期式LMSアルゴリズムを採用する事により、計算量を少なく抑えられるが、前述した様に、適応フィルタのタップ数Nが、振動1周期当りのパルス数と等しくなければ計算を行なえない。このタップ数Nは、当然に整数でなくてはならないので、振動1周期当りのパルス数も整数でなければ、同期式LMSアルゴリズムによる計算を行なえない。前記ポケット隙間に基づく公転1次の振れ回りの周期は公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の1回転の周期に一致するので、この公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の1回転分当りのパルス数に就いて特に工夫する必要はない。これに対して、前記軸受振動に基づく公転(n/2)・Z次成分に就いては、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の1回転分当りのパルス数を各列の転動体9a、9a(9b、9b)の数Zとの関係で工夫しないと、振動1周期当りのパルス数が整数にならず、同期式LMSアルゴリズムによる計算を行なえなくなる。この為、本実施例の場合も、前述した実施例1と同様に、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の1回転分当りのパルス数を、上記各列の転動体9a、9a(9b、9b)の数Zの整数倍としている。従って、上記軸受振動に基づく公転(n/2)・Z次成分に就いても、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の1回転分当りのパルス数が整数となる。
In this way, the amount of calculation can be reduced by adopting the synchronous LMS algorithm. However, as described above, calculation cannot be performed unless the number of taps N of the adaptive filter is equal to the number of pulses per vibration period. . Naturally, the number of taps N must be an integer. Therefore, if the number of pulses per vibration cycle is not an integer, the calculation by the synchronous LMS algorithm cannot be performed. Since the period of the primary revolution of the revolution based on the pocket gap coincides with the period of one revolution of the revolution
又、上記適応フィルタ27を作動させるのに同期式LMSアルゴリズムを採用した場合に、回転速度を表す信号であるDC成分までもがキャンセルされる事を防止する為に、上記適応フィルタ27の零点を補正する必要がある。以下、この零点補正に就いて説明する。この零点補正が必要な現象の具体例として、エンコーダの振れ回りによる回転速度検出誤差の1例を、図9に示す。この図9に示した線図は、前述の図8の場合と同様に、100min-1 で定速回転している回転部材の回転速度を、60パルス/1回転のエンコーダで計測する場合に就いて示している。実線イが、回転速度検出用センサの検出結果に、タップ数=15の移動平均処理のみを施した(平均化フィルタのみを設けた)結果(図10の出力信号dに相当)である。この場合には、エンコーダの振れ回りにより、上記回転速度の算出値が、約70〜130min-1 の間を変動している。尚、上記エンコーダの振れ回り量は、実際に生じる値に比べて、相当に大きく設定している。
Further, when the synchronous LMS algorithm is employed to operate the
この図9に実線イで示す様な回転速度に関する計測データを、前述の図5に示す様な適応フィルタ27を用いて処理し、上記エンコーダの振れ回りに基づく誤差をキャンセルした場合、この適応フィルタ27の設定値によっては、この振れ回りに基づく誤差成分に加えて、検出対象である回転速度のDCレベル(図9に破線ロで示した100min-1 を表す信号)もキャンセルしてしまう可能性がある。この様に、必要とするDCレベルまでキャンセルする現象は、上記適応フィルタ27を動作させるLMSアルゴリズムとして同期式を採用した場合に顕著である。図9に示した鎖線ハが、その具体例である。
When the measurement data relating to the rotational speed as indicated by the solid line A in FIG. 9 is processed using the
上記適応フィルタ27を動作させるLMSアルゴリズムとして同期式を採用し、特に対策を施さない場合には、上記鎖線ハで示す様に、上記エンコーダの振れ回りに基づく変動成分だけでなく、回転速度を表すDC成分までもがキャンセルされて、出力値が零となる。これは、適応動作によって上記適応フィルタ27のフィルタ係数wがDCレベルを持ってしまい、結果としてこの適応フィルタ27の出力信号yがDCレベルを持ってしまう為に生じる現象である。この問題を解決する為に本実施例の場合には、図10に示す様に、上記フィルタ係数wの平均値から上記DCレベルを算出し、このDCレベルに参照信号xのインパルス値を掛け算したDC信号を計算しておく(インパルス値が1である場合には掛け算不要)。そして、上記適応フィルタ27によって誤差をキャンセルされた信号eに、上述の様にして計算したDC信号(次述するwの平均値)を加える事で、正確な回転速度を表すDCレベルを得られる様にしている。
When a synchronous system is adopted as the LMS algorithm for operating the
次に、上記フィルタ係数wの平均値から、上記DCレベルを算出する方法に就いて説明する。同期式LMSアルゴリズムにより適応フィルタ27を動作させる事で、公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号から得られる回転速度を表す信号中に含まれる誤差成分をキャンセルし、上記図9の鎖線ハで示す様に出力値が零になる様な場合に於ける、上記適応フィルタ27のフィルタ係数は、図11に示す様に変動する。上記図9に示した例では、この適応フィルタ27のタップ数Nを60としたので、上記図11に示したフィルタ係数wは、60個の値から構成されている。このフィルタ係数wの平均値、即ち、求めようとする回転速度を表すDCレベルは、上記60個の値を総て合計してから60で除すれば求められる。但し、この様な計算を行なうと、演算回数が増大して、本実施例の目的である、CPUの低廉化を十分に図れなくなる。
Next, a method for calculating the DC level from the average value of the filter coefficient w will be described. By operating the
ところで、誤差キャンセルの対象、即ち、前記エンコーダの振れに基づくうねりは、回転1次を主体とする回転n次成分である。又、本実施例の場合には、適応フィルタ27のタップ数Nを、エンコーダ1回転当りのパルス数と等しくしているので、上記フィルタ係数wは、周期がN(=60)の周期関数となる。上記図11に示した例では、回転1次の周期関数となっている。従って、N/2(=30)なる間隔を設定した任意の2点の平均値は、全体N(=60)点の平均値と等価になる。そこで、この様な2点の平均値を求め、上記回転速度を表すDCレベルとすれば、演算回数も大幅に低減できて、上記CPUの低廉化の面から有利である。もし、2点だけの平均で信頼性に不安が残る場合は、上記2点とは別に、N/2(=30)なる間隔を設定した任意の2点を選択し、合計4点の平均値を演算する。尚、図示はしないが、フィルタ係数wが回転n次の周期関数の場合も、平均点を求める為の点の数を適宜増やし、その間隔を適切に設定する事で、上記平均値を同様に求められる。
By the way, the object of error cancellation, that is, the undulation based on the shake of the encoder is a rotation n-order component mainly composed of the rotation first order. In this embodiment, since the tap number N of the
本実施例の構造により、エンコーダの振れ回りに基づく変動を抑える作用に就いてのシミュレーションの1例を、図12に示した。この図12は、100min-1 で定速回転している回転部材の回転速度を、60パルス/1回転のエンコーダで計測する場合に就いて示している。実線イが、回転速度検出用センサの検出結果に、タップ数=15の移動平均処理のみを施した(平均化フィルタのみを設けた)結果(出力信号dに相当)である。この場合には、エンコーダの振れ回りにより、上記回転速度の算出値が、約70〜130min-1 の間を変動している。破線ロは、前述の図10に示した同期式LMSアルゴリズムにより動作する適応フィルタ27を用い、且つ、上述したフィルタ係数wによるDC成分の補正を実施して、公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号dから得られる回転速度を表す信号中に含まれる誤差成分をキャンセルした結果である。上記破線ロから明らかな通り、上記適応フィルタ27の始動直後はデータが変動しているものの、短時間経過後にフィルタ係数wが自己適応して、算出結果が、ほぼ100min-1 の一定値に収束した。尚、前記軸受振動に基づく速度検出誤差に就いても同様に処理して、上記DC成分がキャンセルされる事を防止できる。
FIG. 12 shows an example of a simulation for the effect of suppressing the fluctuation based on the swing of the encoder by the structure of the present embodiment. FIG. 12 shows the case where the rotational speed of a rotating member rotating at a constant speed of 100 min −1 is measured by a 60 pulse / 1 rotation encoder. The solid line A is the result (corresponding to the output signal d) obtained by performing only the moving average process with the number of taps = 15 (providing only the averaging filter) on the detection result of the rotation speed detection sensor. In this case, the calculated value of the rotational speed fluctuates between about 70 to 130 min −1 due to the swing of the encoder. The broken line b shows the revolution
図13〜15は、本発明の実施例3として、変動除去フィルタとして、ノッチフィルタを使用した場合に就いて示している。前述した実施例1の様に、LMSアルゴリズムで動作する適応フィルタを使用すると、計算量が多くなって演算ユニットのコスト増加を招く。上述した実施例2の様に、同期式LMSアルゴリズムを使用すれば、計算量は大幅に削減できるが、同期式LMSアルゴリズムを使用する場合には、除去対象である、軸受振動に基づく公転(n/2)・Z次成分の近傍に異なる変動成分が存在すると、この公転(n/2)・Z次成分を十分に除去できない可能性がある。 FIGS. 13 to 15 show a case where a notch filter is used as a fluctuation removal filter as a third embodiment of the present invention. If an adaptive filter that operates with the LMS algorithm is used as in the first embodiment, the amount of calculation increases and the cost of the arithmetic unit increases. If the synchronous LMS algorithm is used as in the second embodiment described above, the amount of calculation can be greatly reduced. However, when the synchronous LMS algorithm is used, the revolution (n / 2) If different fluctuation components exist in the vicinity of the Z-order component, this revolution (n / 2) .Z-order component may not be sufficiently removed.
本実施例は、この様な事情に鑑みて、変動除去フィルタとしてノッチフィルタを使用する事により、上記軸受振動に基づく公転(n/2)・Z次成分の除去を確実に行なえる様にするものである。そして、この軸受振動に基づく公転(n/2)・Z次成分が大きい場合でも、公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の回転速度、即ち、各列の転動体9a、9a(9b、9b)の公転速度を高精度で求め、更に転がり軸受ユニットに加わる荷重を高精度で検出できる様にするものである。同時に、応答遅れを実用上問題のないレベルに抑制するものである。尚、以下の説明で、転がり軸受ユニット部分の符号に就いては、図1に示したものを使用する。
In this embodiment, in view of such circumstances, by using a notch filter as a fluctuation removal filter, it is possible to reliably remove the revolution (n / 2) / Z order component based on the bearing vibration. Is. Even when the revolution (n / 2) and the Z-order component based on the bearing vibration are large, the rotational speed of the revolution
本実施例に使用するノッチフィルタは、図13に示す様なコムノッチフィルタで、Z変換により上記軸受振動に基づく公転(n/2)・Z次成分の除去を行なう。上記図13中、Nは上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の被検出面に存在する、1回転当りのパルス数を、Aはノッチ周波数を規定する定数を、αはノッチの急峻度合いを決定する(収束性にも影響する)定数である。又、x{x(k)}はノッチフィルタへの入力データであり、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)にその検出部を対向させた公転速度検出用センサ24a(24b)の出力信号から求められるパルスの周期、或はその逆数(パルス速度)である。上記図13に示したフローチャートで実施する処理に用いる計算式は、次の(9)式及び(10)式の通りである。
上記(9)式中、y´(k−N/A)は、現在の時刻(処理番号k)よりN/A個だけ過去に算出したy´を意味する。上記(9)式の現時点のy´(k)を算出するには、入力データx(k)からy´(k−N/A)にαを掛けた値を引く。過去のy´(k−N/A)はメモリ等に記憶しておく。計算の初期状態では過去のy´(k−N/A)が存在しないが、零を代入して計算をスタートしても良いし、予め初期値として適当な値をメモリに記憶しておいても良い。 In the above equation (9), y ′ (k−N / A) means y ′ calculated in the past by N / A from the current time (processing number k). In order to calculate the current y ′ (k) in the above equation (9), a value obtained by multiplying y ′ (k−N / A) by α is subtracted from the input data x (k). The past y ′ (k−N / A) is stored in a memory or the like. In the initial state of calculation, there is no past y ′ (k−N / A). However, calculation may be started by substituting zero, or an appropriate value is stored in the memory in advance as an initial value. Also good.
上述の様なコムノッチフィルタの出力y{y(k)}は、上記入力データx(k)に基づいて、上記(10)式に示す様に、最新のy´(k)と過去のy´(k−N/A)とから計算する。Aは、前述した通り、ノッチ周波数を規定する定数であるが、この定数Aを、1回転当りのパルス数Nと組み合せて、上記入力データx(k)に基づいて上記出力y(k)を求める為の計算に用いる事により、回転速度の増減によって変化する周波数に追従する、所謂、次数固定型のノッチフィルタを構成できる。このノッチフィルタは、フィルタ定数Aの値によってノッチの対象となる次数が決定され、公転速度の変化によって対象次数に相当する周波数が変化しても、ノッチ次数成分は固定されている。例えば、A=2とすれば公転1次の誤差成分を除去するノッチフィルタとなり、A=9とすれば公転4.5次の誤差成分を除去するノッチフィルタとなり、A=18とすれば公転9次の誤差成分を除去するノッチフィルタとなる。図14に、A=18としたノッチフィルタの減衰特性を、図15に同じく位相遅れ特性を、それぞれ示している。これら図14、15から、前記各列の転動体9a、9a(9b、9b)の数Zを勘案しつつ、上記定数Aを適切に設定する事により、前記軸受振動に基づく公転(n/2)・Z次成分の除去を、応答遅れを実用上問題のないレベルに抑制して行なえる事が分かる。即ち、図14から、転動体の数Z(=9)の公転Z次成分(公転9次成分)が除去されている事が分かり、図15から、位相が問題となる低い周波数帯域、例えば公転1次以下帯域の位相遅れも殆ど存在しない事が分かる。
The output y {y (k)} of the comb notch filter as described above is based on the input data x (k), as shown in the above equation (10), the latest y ′ (k) and the past y It calculates from '(k-N / A). As described above, A is a constant that defines the notch frequency. The constant A is combined with the number of pulses N per revolution, and the output y (k) is calculated based on the input data x (k). By using it for the calculation for obtaining, it is possible to construct a so-called fixed-order notch filter that follows a frequency that changes as the rotational speed increases or decreases. In this notch filter, the order of the notch is determined by the value of the filter constant A, and the notch order component is fixed even if the frequency corresponding to the target order changes due to the change in revolution speed. For example, if A = 2, it becomes a notch filter that removes the primary error component of revolution, if A = 9, it becomes a notch filter that removes the error component of 4.5th revolution, and if A = 18, it becomes revolution 9 The notch filter removes the next error component. FIG. 14 shows the attenuation characteristics of the notch filter with A = 18, and FIG. 15 also shows the phase lag characteristics. 14 and 15, by considering the number Z of the rolling
但し、上記(9)(10)の両式を用いて上記入力データx(k)に基づいて上記出力y(k)を求める為には、これら両式中のN/Aが整数でなければならない。即ち、上記ノッチフィルタは、現在の時刻(処理番号k)よりN/A個だけ過去に算出したy´、即ち、y´(k−N/A)を用いて計算を行なう為、N/Aが小数を有する値であると処理を実行できない。従って、図14、15を求めた場合の前提である、ノッチ周波数を規定する定数Aが18の場合、上記パルス数Nは18の整数倍でなければならない。即ち、前記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の1回転当りのパルス数Nは、除去対象となる変動の次数の偶数倍(2×整数倍)でなければならない。
However, in order to obtain the output y (k) based on the input data x (k) using both equations (9) and (10), N / A in these equations is not an integer. Don't be. That is, the notch filter performs calculation using y ′ calculated in the past by N / A from the current time (processing number k), that is, y ′ (k−N / A). If is a value having a decimal, the process cannot be executed. Therefore, when the constant A that defines the notch frequency is 18, which is a premise for obtaining FIGS. 14 and 15, the number of pulses N must be an integral multiple of 18. That is, the number N of pulses per revolution of the revolution
従って、上記パルス数Nは、除去対象の誤差成分が0. 5Z次の場合は前記各列の転動体9a、9a(9b、9b)の数Zの整数倍、除去対象が1. 0Z次の場合はこの数Zの偶数倍でなければならない。同様に除去対象が1. 5Z次成分の場合には、上記パルス数Nは3×Zの整数倍、除去対象が2Z次成分の場合には上記パルス数Nは4×Zの整数倍である事が望ましい。但し、1. 5Z次成分以上の様な高周波数の誤差成分の変動量(振幅)は、前述した様に小さい為、無視できる場合が多いし、仮に無視できない程の大きさであっても、ローパスフィルタで誤差成分を除去しても位相遅れは実用上問題とならない程度に抑えられる。従って、上記パルス数Nを、1.5Z次成分以上の高周波数の誤差成分の除去を考慮して決定する必要はない。従って、上記パルス数Nを徒に大きくする必要はない。
Therefore, the number of pulses N is an integral multiple of the number Z of rolling
尚、本実施例は、軸受振動に基づく公転(n/2)・Z次成分の近傍に異なる変動成分が存在する場合にもこの公転(n/2)・Z次成分を除去する面から効果がある。従って、公転1次成分に関しては(近傍に異なる変動成分が存在しなければ)、前述の実施例1、2に示す様な適応フィルタにより除去しても良い。但し、公転1次成分と公転(n/2)・Z次成分とを別々のフィルタにより処理するのでは、計算量が増えて処理が面倒になるので、本実施例を適用する場合には、公転1次成分に就いても、ノッチフィルタにより除去する事が好ましい。 The present embodiment is effective from the aspect of removing the revolution (n / 2) / Z order component even when different fluctuation components exist in the vicinity of the revolution (n / 2) / Z order component based on bearing vibration. There is. Therefore, the revolution primary component (if there is no different fluctuation component in the vicinity) may be removed by an adaptive filter as shown in the first and second embodiments. However, if the revolution primary component and the revolution (n / 2) / Z order component are processed by separate filters, the amount of calculation increases and the processing becomes troublesome. Therefore, when applying this embodiment, It is preferable to remove the primary revolution component by a notch filter.
又、パルス数Nを上述の様な関係に設定しなくても、パルス間隔毎にサンプリングされるデータを、CPU(演算ユニット)の中でリサンプリングしても、ノッチフィルタにより上記誤差成分を除去できる。但し、リサンプリングによってデータの時間遅れが発生するだけでなく、計算量も莫大になる。従って、自動車の走行安定性確保の為に転がり軸受ユニットに加わる荷重を求める場合には、上述の様な方法でノッチフィルタを構成する事は非現実的である。 Even if the number of pulses N is not set as described above, even if the data sampled at each pulse interval is resampled in the CPU (arithmetic unit), the above error component is removed by the notch filter. it can. However, not only the data time delay occurs due to the resampling, but also the calculation amount becomes enormous. Therefore, when obtaining the load applied to the rolling bearing unit for ensuring the running stability of the automobile, it is impractical to configure the notch filter by the method as described above.
図16は、本発明の実施例4を示している。前述の図1に示した実施例1の場合、単一
のセンサユニット22の先端部に、1対の公転速度検出用センサ24a、24bと1個の回転速度検出用センサ15aとを組み込んでいた。これに対して本実施例の場合には、センサユニット22aの先端部には、1対の公転速度検出用センサ24a、24bだけを組み込んでいる。回転速度検出用センサ15bは、外輪1の内端開口部を塞いだカバー14に支持している。これに合わせて、回転速度検出用エンコーダ13bは、ハブ2を構成する内輪6の内端部に外嵌固定している。転動体9a、9a(9b、9b)の数は、例えば各列毎に12個(合計24個)とする。この場合に、それぞれが永久磁石製の公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の被検出面には、1回転当たりのパルス数が12の6倍である72パルスとなる様に、S極とN極とをそれぞれ36極ずつ、合計で72極設ける。この様な公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の被検出面の回転を、ホールIC等の磁気検出素子を組み込んだ上記公転速度検出用センサ24a(24b)で測定すると、1公転当り36回の周期信号が得られるが、これを2逓倍処理して、1公転当り72パルスの信号を検出する。或は、同じ様に1公転当り72パルスの信号を検出する場合でも、上記公転速度検出用エンコーダ26a(26b)の被検出面に、S極とN極とをそれぞれ72極ずつ、合計144極の多極磁石エンコーダを用いて、測定される1公転72回の周期信号の立上りエッジ、或は立下りエッジのみを検出しても良い。この様な点は、前述の実施例1の場合も同様である。
FIG. 16 shows a fourth embodiment of the present invention. In the case of the first embodiment shown in FIG. 1 described above, a pair of revolution
上記3個のセンサ24a、24b、15bの検出信号を処理して変動成分を除去する為の変動除去フィルタの構成及び作用に就いては、前述した実施例1、2と、或は上述した実施例3と同様であるから、重複する説明は省略する。各エンコーダ及びセンサは、多極磁石及びホールICに限らない。エンコーダとして単なる磁性材製のものを使用できるし、ホールICに代えて、MR素子等の他の磁気検出素子を使用する事もできる。或は、センサとして、永久磁石とポールピースとコイルとを組み合わせた、所謂パッシブ型のものを使用する事もできる。要するに、本発明の特徴である変動除去フィルタを使用する事による作用・効果は、センサやエンコーダの種類、或はパルス検出方法等に関係なく、検出するパルス数を、転動体の数の整数倍とする事により得られる。
Regarding the configuration and operation of the fluctuation removing filter for removing the fluctuation component by processing the detection signals of the three
本発明の転動体の公転速度検出装置付転がり軸受ユニットは、実施例に示した様な、自動車の車輪を支持する転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する為の転がり軸受ユニットの荷重測定装置に限らず、各種回転機械装置の回転支持部を構成する転動体の公転速度を検出する為に利用できる。この場合に、公転速度検出用エンコーダの取付精度や、転がり軸受ユニットの構成各部材の形状及び寸法精度を特に高くしなくても上記各転動体の公転速度を正確に求められる様にできて、コストの低減を図れる。 The rolling bearing unit with rolling speed detection device of the rolling element of the present invention is not limited to the load measuring device of the rolling bearing unit for measuring the load applied to the rolling bearing unit that supports the wheel of the automobile as shown in the embodiment. First, it can be used to detect the revolution speed of the rolling elements constituting the rotation support part of various rotary machine devices. In this case, it is possible to accurately obtain the revolution speed of each rolling element without particularly increasing the mounting accuracy of the revolution speed detecting encoder and the shape and dimensional accuracy of each component of the rolling bearing unit. Cost can be reduced.
1、1a 外輪
2、2a ハブ
3、3a 回転側フランジ
4 ハブ本体
5 ナット
6 内輪
7 外輪軌道
8 内輪軌道
9a、9b 転動体
10、10a 取付孔
11 変位センサ
12 センサリング
13、13a、13b 回転速度検出用エンコーダ
14 カバー
15、15a、15b 回転速度検出用センサ
16 ナックル
17 固定側フランジ
18 ボルト
19 ねじ孔
20 荷重センサ
21a、21b 保持器
22 センサユニット
23 先端部
24a、24b 公転速度検出用センサ
25 リム部
26a、26b 公転速度検出用エンコーダ
27 適応フィルタ
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