(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸に対して垂直な、２以上の対向する転動体の軌道を有する軸受において、該軸受の外輪に取り付けられた超音波探触子からの超音波が、該軸受に向けて発信され、該軸受の外輪と転動体との境界からの反射波を受信・測定することにより、該軸受にかかる荷重を検出する装置であって、
２つの転動体が中心軸に対して対向する位置にある場合において、１の超音波探触子Ａからの超音波が、前記軸受に配された１の転動体に向けて発信され、該１の転動体とこれが接する軸受の外輪との境界から１次反射された後、１次反射波として前記軸受の中心軸に平行して走波し、対向する軌道にある他の転動体とこれが接する軸受の外輪との境界から２次反射され、他の超音波探触子Ｂによって該２次反射波を受信・測定することによって、前記中心軸方向にかかる軸荷重の影響を受けずに、前記中心軸の垂直方向にかかる垂直荷重の検出を行うことを特徴とする軸受にかかる荷重の検出装置。
【請求項２】
前記超音波探触子Ａ，Ｂが、前記中心軸に対して垂直に配置され、前記超音波探触子Ａからの超音波が前記１の転動体に向けて前記中心軸に対して垂直方向に発信され、前記超音波探触子Ｂによって前記中心軸に対して垂直方向に反射された前記２次反射波を受信・測定することを特徴とする請求項１記載の軸受にかかる荷重の検出装置。
【請求項３】
少なくとも１つの他の超音波探触子Ｃからの超音波が、前記転動体の１つに向けて発信され、反射された反射波を、同一発信元とする該超音波探触子Ｃにより受信・測定することによって、前記垂直荷重とともに、前記軸受に対して前記中心軸方向にかかる軸荷重の検出を行うことを特徴とする請求項１または２記載の軸受にかかる荷重の検出装置。
【請求項４】
中心軸に対して垂直な、２以上の対向する転動体の軌道を有する軸受において、該軸受の外輪に取り付けられた超音波探触子からの超音波が、該軸受に向けて発信され、該軸受の外輪と転動体との境界からの反射波を受信・測定することにより、該軸受にかかる荷重を検出する方法であって、
２つの転動体が中心軸に対して対向する位置にある場合において、１の超音波探触子Ａからの超音波が、前記軸受に配された１の転動体に向けて発信され、該１の転動体とこれが接する軸受の外輪との境界から１次反射された後、１次反射波として前記軸受の中心軸に平行して走波し、対向する軌道にある他の転動体とこれが接する軸受の外輪との境界から２次反射され、他の超音波探触子Ｂによって該２次反射波を受信・測定することによって、前記中心軸方向にかかる軸荷重の影響を受けずに、前記中心軸の垂直方向にかかる垂直荷重の検出を行うことを特徴とする軸受にかかる荷重の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受にかかる垂直荷重および／または軸荷重の検出装置および検出方法、例えば、自動車の車軸や加工機械の回転軸等に用いられる軸受にかかる垂直荷重および／または軸荷重の検出装置および検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や加工機械等においては、起動時や加速時の負荷を調整するために駆動力の制御が行われ、停止時や減速時は同様に制動力の制御が行われ、また自動車においては、そのコーナリング時の横滑りを抑制するための制動力制御等が行われている。軸受（特に転がり軸受）は、こうした回転を伴う機械において、回転する軸を支持する機械要素としてよく知られている。このような制御に有効に使用できる情報を得ること等を目的として、転がり軸受の転動体に作用する荷重を検出するために、荷重を検出するセンサ付き転がり軸受装置が知られている。
【０００３】
具体的には、実動中のころがり軸受の転動体と軌道との間の動的な接触応力を、超音波を利用して容易かつリアルタイムに実用可能な精度に測定し、実機に装着されたころがり軸受の動的な負荷荷重および負荷分布を測定することを目的とし、図６に示すような構成を有する接触応力測定方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。被検体のころがり軸受１０７の軌道輪１０７ａ，１０７ｂに送受信兼用の探触子１１４を軌道に対して超音波を垂直に入射可能に当接し、該探触子１１４より負荷状態で、かつ転動体１０７ｃがころがり運動中の前記軌道輪１０７ａ，１０７ｂの軌道に向けて超音波を入射し、入射した超音波の前記探触子当接面と超音波入射側の軌道との間における多重反射波を前記探触子１１４に受信し、受信した多重反射波のうち前記軌道１０７ａ，１０７ｂと転動体１０７ｃとの接触面から少なくとも３回以上多重反射した多重反射波のエコー高さを測定し、測定したエコー高さの絶対値と予め前記被検体と同一または被検体と同一構成の試験片により静的に測定された基準値とを比較する。ここで、１０３ｂはハウジング，１０５は回動する軸，１０９はカバー，１１１はナット，１１３は探触子ホルダ，１１５はバネを示す。
【０００４】
また、反射波を精度良く受信できない場合であっても、転動体に作用する荷重を算出することを目的とし、図７に示すような構成を有するセンサ付き転がり軸受装置が提案されている（例えば特許文献２参照）。外輪２１１及び内輪２１２の各々の軌道２１１ｕ，２１４ｕと接触して転動する玉２１５とを備える転がり軸受２０１と、外輪２１１の軌道２１１ｕと玉２１５との接触部分へ超音波を発信するとともに、接触部分における超音波の反射波を受信する超音波センサ２０２と、玉２１５に作用する荷重を算出する転動体荷重算出部２０３とを備える。そして、超音波センサ２０２は、外輪２１１の軌道２１１ｕと玉２１５との接触角αを検出するために、複数の角度から接触部分へ超音波を発信して反射波を受信し、転動体荷重算出部２０３は、反射波に基づいて接触角αを検出するとともに、接触角αを用いて玉２１５に作用する荷重を算出する。ここで、２０１は転がり軸受，２１３ハブ軸は，２１３ａは軸部，２１３ｃはおねじ部，２１３ｓは軌道，２１４は内輪部材，２１４ｕは軌道，２１６は玉を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許２５８１７５５号公報
【特許文献２】特開２００９−５２６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、回転する機械要素の駆動時において、常に変動する機械要素を、軸受が対してバランスよく支えることができるように制御するための指標として、従前の接触応力測定方法やセンサ付き転がり軸受装置によって得られた測定値を用いた場合には、以下に挙げるような問題点や課題が生じることがあった。
（ｉ）従前の軸受にかかる負荷検出装置において中心軸方向の軸荷重あるいは中心軸に対して垂直方向の垂直荷重を測定するためには、上記のように、負荷検出装置を特定の位置に限定して配設する必要があった。また、こうした位置においても、他方向の荷重成分の影響を受けることがあり、こうした影響値を補正する必要があった。
（ii）負荷検出装置の検出特性の変化は、検出装置自体だけではなく、実動状態における軸受の劣化あるいは損傷によることが多いことから、校正が不可欠である。従前の負荷検出装置は、検出器出力と荷重との関係を校正する場合、静止状態において行う必要があった。また、こうした校正された検出器においても、長時間の実動状態においては、その間の検出機能の変動の有無は、次なる校正まで把握することができなかった。
【０００７】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転する機械要素の駆動制御において、正確かつ迅速に制御信号に変換可能な指標として、軸受にかかる軸荷重と垂直荷重を検出する装置および検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す軸受にかかる垂直荷重および／または軸荷重の検出装置および検出方法によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００９】
本発明は、中心軸に対して垂直な、２以上の対向する転動体の軌道を有する軸受において、該軸受の外輪に取り付けられた超音波探触子からの超音波が、該軸受に向けて発信され、該軸受の外輪と転動体との境界からの反射波を受信・測定することにより、該軸受にかかる荷重を検出する装置または方法であって、２つの転動体が中心軸に対して対向する位置にある場合において、１の超音波探触子Ａからの超音波が、前記軸受に配された１の転動体に向けて発信され、該１の転動体とこれが接する軸受の外輪との境界から１次反射された後、１次反射波として前記軸受の中心軸に平行して走波し、対向する軌道にある他の転動体とこれが接する軸受の外輪との境界から２次反射され、他の超音波探触子Ｂによって該２次反射波を受信・測定することによって、前記中心軸方向にかかる軸荷重の影響を受けずに、前記中心軸の垂直方向にかかる垂直荷重の検出を行うことを特徴とする。
軸受にかかる垂直荷重を検出する方法には、既述のような課題があった。本発明は、中心軸に対して垂直な、２以上の対向する転動体の軌道を有する軸受において、対向する２つの転動体による反射を利用し、その間を中心軸に平行して走波する超音波の有する構成によって、後述するメカニズムのように、垂直荷重の検出に対する軸方向等他方向の荷重の影響を測定系自身の補正機能を確保することができ、正確かつ連続的に軸受にかかる垂直荷重を検出することができる。つまり、１次反射波には、１の転動体とこれが接する軸受の外輪との境界における垂直荷重以外の荷重の影響成分を含み、２次反射波には、対向する他の転動体とこれが接する軸受の外輪との境界または該対向する軌道にある軸受の外輪の境界における垂直荷重以外の荷重の影響成分を含む。２つの転動体が中心軸に対して対向する位置にある場合には、これらの影響成分は、同じ大きさの方向を反対とする成分であることから、２次反射波には、他方向の荷重の影響が実質的に相殺された垂直荷重のみの成分が含まれる。また、２つの転動体が中心軸に対して対向する位置にない場合には、１の軌道にある転動体に送信された反射波を測定するとともに、対抗する軌道にある転動体に送信された反射波を測定し、これらを相殺することによって、実質的に他方向の荷重の影響がない垂直荷重のみを検出することができる。従って、こうして正確かつ迅速に検出された軸受にかかる垂直荷重を、該軸受を用いた回転機構を制動する制御信号に変換可能な指標として利用することが可能となった。また、軸受ハウジングに配けられた１の転動体とこれが接する軸受の外輪との境界からの反射波と、隣接する他の転動体とこれが接する軸受の外輪との境界または軸受の外輪の境界からの反射波を検出することができることから、その間を走波する超音波が中心軸に平行であることが確保できれば、２つの超音波探触子は中心軸の上下を問わず、また中心軸に対して周回する何れの位置にも配設することができる。
【００１０】
本発明は、上記軸受にかかる荷重の検出装置であって、前記超音波探触子Ａ，Ｂが、前記中心軸に対して垂直に配置され、前記超音波探触子Ａからの超音波が前記中心軸に対して前記１の転動体に向けて前記中心軸に対して垂直方向に発信され、前記超音波探触子Ｂによって前記中心軸に対して垂直方向に反射された前記２次反射波を受信・測定することを特徴とする。
超音波探触子から発信された超音波は、所定の幅で放射状に分散するとともに、異なる素材の境界における屈折による角度のズレが生じることから、反射波を精度よく検出するためには、超音波が照射される部位まで短距離が好ましく、同一素材内を通過させることが好ましい。本発明は、上記の１次，２次反射波が９０°に近い反射角度を有して高密度に反射し、超音波探触子まで最短距離となるように、超音波探触子を中心軸に対して垂直に配置した。また、こうした配置によって、特別な加工をせずに、発信された超音波の走路の殆どが、同一素材からなる軸受ハウジング内とすることができ、反射波を精度よく検出する。こうした構成によって、より高い検出感度を得ることができる。
【００１１】
本発明は、上記軸受にかかる荷重の検出装置であって、少なくとも１つの他の超音波探触子Ｃからの超音波が、前記転動体の１つに向けて発信され、反射された反射波を、同一発信元とする該超音波探触子Ｃにより受信・測定することによって、前記垂直荷重とともに、前記軸受に対して前記中心軸方向にかかる軸荷重の検出を行うことを特徴とする。
上記のように、超音波探触子ＡとＢの配設によって、軸荷重の影響を受けない垂直荷重の測定が可能となった。一方、軸荷重の測定においては、既述のように、いずれにしても垂直荷重の補正が必要である。本発明においては、軸荷重の測定用の少なくとも１つの他の超音波探触子Ｃを設け、その出力を、軸荷重の影響を受けない超音波探触子Ｂの出力を用いて補正することによって、垂直荷重とともに、簡便に正確な軸荷重の測定が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る検出装置の第１構成例を例示する全体構成図。
【図２】本発明に係る垂直荷重の測定方法を例示する説明図。
【図３】本発明に係る垂直荷重の測定方法を例示する説明図。
【図４】本発明に係る軸荷重の測定方法を例示する説明図。
【図５】本発明に係る検出装置の第２構成例を例示する全体構成図。
【図６】従来技術に係る接触応力測定方法を例示する構成図。
【図７】従来技術に係るセンサ付き転がり軸受装置を例示する全体構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係る軸受にかかる垂直荷重および／または軸荷重の検出装置（以下「本検出装置」という）および検出方法（以下「本検出方法」という）の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
＜本検出装置の構成＞
本検出装置の基本的な構成を、図１（Ａ）および（Ｂ）に例示する（第１構成例）。超音波探触子ＡおよびＢを用いて軸受にかかる垂直荷重の検出装置において、中心軸に対して垂直な、２以上の対向する転動体の外輪側の軌道３１，４１および内輪側の軌道３２，４２を有する軸受において、１の超音波探触子Ａからの超音波Ｕａが、軸受の中心軸方向に配された２つの転動体３，４の内の１の転動体３に向けて発信され、１の転動体３とこれが接する軸受の外輪１との境界から１次反射された後、１次反射波Ｒ１として中心軸に平行して走波し、対向する軌道３１にある他の転動体４とこれが接する軸受の外輪１との境界または該対向する軌道４１にある軸受の外輪１の境界面からから２次反射され、他の超音波探触子Ｂによって２次反射波Ｒ２を受信・測定することによって、主として軸受に対して中心軸の垂直方向にかかる垂直荷重Ｗｖの検出を行う。これら超音波探触子ＡおよびＢの発信および受信信号は、制御部５において制御されるとともに、荷重の演算処理が行われる。こうした構成によって、軸受にかかる垂直荷重Ｗｖおよび／または軸荷重Ｗａを正確かつ迅速に検出することができるとともに、該検出出力を制御信号に変換し、該軸受を用いた回転機構を制動する制御指標として利用することができる。ただし、超音波探触子ＡおよびＢは、後述するように、必ずしも中心軸に対して垂直方向に超音波を発信するように配設される構造に限定されるものではなく、１次反射波Ｒ１が中心軸に平行して走波して超音波探触子Ｂによって２次反射波Ｒ２を受信・測定することができる構造を要件とするものである。
【００１５】
本検出装置は、中心軸に対して垂直な、対向する外輪側の軌道３１，４１と内輪側の軌道３２，４２を有し、外輪１と内輪２の中央部に、転動体３，４を含む多数の転動体を備えた転がり軸受が支持されている。外輪１の周辺部を一部カットし、超音波探触子Ａ〜Ｄが取り付けられている。内輪２の内周部分には回転軸（図示せず）が圧入等の適宜の方法により固定される。
【００１６】
超音波探触子Ａ〜Ｄを構成する素子としては、ローレンツ力を用いた電磁式の振動子と圧電セラミックのピエゾ効果を用いた振動子を用いることができる。具体的には、直径数ｍｍ〜１０数ｍｍ程度の振動子を用い、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚの超音波を１秒間に数回〜数万回のパルスとして入射する。超音波探触子Ａ，Ｂのように、発信部と受信部を別体として組み合わせて用いる構成、あるいは超音波探触子Ｃ，Ｄのようにセンサの取り付けの便利などの観点から発信部と受信部を一体化した部材として用いる構成が可能である。また、転動体３，４と外輪１の間の接触面からの反射波を対象とする場合には、測定部位が２面の接触している部分となるため、そこに焦点を結ぶように発信部から超音波を照射する方法（焦点式）を採ることが好ましい。
【００１７】
〔荷重と超音波探触子の出力（透過率）の関係〕
本検出装置においては、荷重と超音波探触子の出力（透過率）の関係を校正する必要がある。また、超音波探触子の出力に対応する反射波の大きさを定量的に表すために、透過率Ｈと呼ばれる物理量を用いる。透過率（Ｈ）は、下式１により定義される。
Ｈ＝（１−ｈ／ｈｏ）  ・・式１
ここで、ｈは軸受に外的な荷重が作用している時の超音波探触子の最大出力すなわち反射波のピーク値であり、ｈｏは荷重が作用していない時（無負荷時）の最大出力である。具体的には、所定の校正用装置に軸受を設置された状態で、軸受に対して設定された軸荷重Ｗａおよび垂直荷重Ｗｖをかけ、そのときの超音波探触子の出力を求めて、予めその特性を求める。超音波探触子や軸受の経時変化あるいは取付け状態の変更等、必要に応じて校正されることがある。
【００１８】
本検出装置において、１次反射波Ｒ１には、転動体３とこれが接する軸受の外輪１との境界における垂直荷重以外の荷重の影響成分が含まれ、２次反射波Ｒ２には、対向する他の転動体４とこれが接する軸受の外輪１との境界における垂直荷重以外の荷重の影響成分が含まれる。また、２次反射波Ｒ２は、図１（Ｂ）の破線のように、転動体４が中心軸に対して転動体３と対向する位置にない場合には、対向する軌道４１にある軸受の外輪１の境界からの反射波となり、図１（Ｂ）の実線のように、転動体４が中心軸に対して転動体３と対向する位置にある場合には、転動体４と対向する軌道４１にある軸受の外輪１との境界からの反射となる。以下、各場合における本検出装置の機能について説明する。
【００１９】
（１）２つの転動体３，４が中心軸に対して対向する位置にない場合
２つの転動体３，４が中心軸に対して対向する位置にない場合について、図２（Ａ）〜（Ｇ）に例示する構成に基づき説明する。ここでは、説明の都合上、超音波探触子Ｃ，Ｄは省略する。
（１−１）超音波発信子と超音波受信子としての機能を切換え可能な超音波探触子Ａ，Ｂを用いた構成
図２（Ａ），（Ｂ）に例示するように、超音波振動子Ａから転動体３に向けて超音波Ｕａが発信された状態において、転動体３とこれが接する外輪１との境界から１次反射された後、１次反射波Ｒ１として中心軸に平行して走波し、対向する軌道４１にある外輪１の境界面１ａ近傍から２次反射され、超音波探触子Ｂによって２次反射波Ｒ２を受信・測定することができる。
一方、図２（Ｃ），（Ｄ）に例示するように、超音波探触子Ｂを超音波発信子，超音波探触子Ａを超音波受信子として機能させ、超音波振動子Ｂから転動体４に向けて超音波Ｕａ’が発信された状態において、転動体４とこれが接する外輪１との境界から１次反射された後、１次反射波Ｒ１’として中心軸に平行して走波し、対向する軌道３１にある外輪１の境界面１ｂ近傍から２次反射され、超音波探触子Ａによって２次反射波Ｒ２を受信・測定することができる。こうした構成によって、近接した時間内において、中心軸に平行した双方向の１次反射波Ｒ１およびＲ１’を走波させることができる。
【００２０】
（１−２）転動体３，４それぞれに超音波を発信する超音波探触子Ａ，Ａ’と、それぞれの２次反射波Ｒ２，Ｒ２’を受信する超音波探触子Ｂ，Ｂ’が設けられた構成
図２（Ｅ）〜（Ｇ）に例示するように、超音波発信子として超音波探触子Ａ，Ａ’を設け、超音波受信子として超音波探触子Ｂ，Ｂ’を設けることによって、超音波振動子Ａから転動体３に向けて超音波Ｕａが発信された状態において、転動体３とこれが接する外輪１との境界から１次反射された後、１次反射波Ｒ１として中心軸に平行して走波し、対向する軌道４１にある外輪１の境界面１ａ近傍から２次反射され、超音波探触子Ｂによって２次反射波Ｒ２を受信・測定することができる。また、超音波振動子Ａ’から転動体４に向けて超音波Ｕａ’が発信された状態において、転動体４とこれが接する外輪１との境界から１次反射された後、１次反射波Ｒ１’として中心軸に平行して走波し、対向する軌道３１にある外輪１の境界面１ｂ近傍から２次反射され、超音波探触子Ｂ’によって２次反射波Ｒ２を受信・測定することができる。こうした構成によって、同時にあるいはさらに近接した時間内において、中心軸に平行した双方向の１次反射波Ｒ１およびＲ１’を走波させることができる。
【００２１】
このときの荷重の状態と２次反射波との関係を詳述する。
外輪１と内輪２の中央部に、転動体３，４を含む多数の転動体が配置された状態で軸受が固定されることにより、所定の荷重が生じる。このときの透過率をＨｏとし、垂直荷重Ｗｖのみがかかった場合に変化する透過率はＨｖとする。ここで、さらに軸荷重Ｗａがかかった場合には、転動体３と外輪１との境界において透過率が減少し（−Ｈａ）、転動体４と外輪１との境界において透過率が増加する（＋Ｈａ）。このとき、図２（Ｂ），（Ｆ）のように、超音波探触子Ａから発信された超音波Ｕａが転動体３とこれが接する外輪１との境界で１次反射された１次反射波Ｒ１の透過率の減少から、２次反射波Ｒ２の透過率は［Ｈｖ−Ｈａ］となる。一方、図２（Ｄ），（Ｇ）のように、超音波探触子Ｂ，Ａ’から発信された超音波Ｕａ’が転動体４とこれが接する外輪１との境界で１次反射された１次反射波Ｒ１’の透過率の増加から、２次反射波Ｒ２’の透過率は［Ｈｖ＋Ｈａ］となる。従って、上記図２（Ａ）〜（Ｇ）のいずれの構成においても、２次反射波Ｒ２の透過率［Ｈｖ−Ｈａ］と２次反射波Ｒ２’の透過率［Ｈｖ＋Ｈａ］を相殺すれば、軸荷重Ｗａ等他の荷重の影響を受けずに，垂直荷重Ｗｖのみに依存して透過率Ｈが変化し、垂直荷重Ｗｖの変化のみを測定することができる。
【００２２】
（２）２つの転動体３，４が中心軸に対して対向する位置にある場合
図１（Ａ）において、超音波探触子Ａから発信された超音波Ｕａは、外輪１と転動体３との間で１次反射し、１次反射波Ｒ１として中心軸に平行して走波し、隣接する転動体４に照射されて外輪１と転動体４との間で２次反射され、超音波探触子Ｂによって、その２次反射波Ｒ２を受信することができるように構成されている。超音波探触子ＡおよびＢが一体として、１つの反射式の超音波探触子としての機能を有するとともに補完機能を有する点に特徴がある。超音波探触子Ａは、取り付け面に対して垂直な方向に超音波Ｕａを発信し、超音波探触子Ｂは、取り付け面に対して垂直な方向に照射される２次反射波Ｒ２を受信する。１次反射波Ｒ１および２次反射波Ｒ２が９０°に近い反射角度を有して高密度に反射し、それぞれ超音波探触子Ａ，Ｂまでの最短距離となることから、高い検出感度を確保することができる。また、超音波の走路中に素材の違いや境界面が殆どできないことから、反射波を精度よく検出することができる。
【００２３】
具体的には、図３（Ａ）に例示する方向に軸荷重Ｗａおよび垂直荷重Ｗｖがかかった場合、図３（Ｂ）に例示するように、軸荷重Ｗａがかかった転動体３側での外輪１との境界の接触面積の減少に伴う１次反射波Ｒ１の増大（＋）と，転動体４側での外輪１との境界の接触面積の増大に伴う２次反射波の減少（−）がほぼ等しくなるため，２次反射波Ｒ２を超音波振動子Ｂで受信することによって、軸荷重Ｗａが作用していない状態で垂直荷重Ｗｖを測定することができる。つまり、予め軸受ハウジング１０の外輪１と内輪２の中央部に、転動体３，４を含む多数の転動体が配置された状態で固定されることにより、所定の荷重が生じ、透過率はＨｏとなる。垂直荷重Ｗｖのみがかかった場合には、透過率はＨｏからＨｖに変化する。さらに軸荷重Ｗａがかかった場合には、転動体３において透過率が減少し（−Ｈａ）、転動体４において透過率が増加する（＋Ｈａ）。この状態で、超音波探触子Ａから発信された超音波Ｕａが転動体３とこれが接する外輪１との境界で１次反射された１次反射波Ｒ１の透過率は［Ｈｖ−Ｈａ］となり、１次反射波Ｒ１が転動体４とこれが接する外輪１との境界で２次反射された２次反射波Ｒ２の透過率は［（Ｈｖ−Ｈａ）＋Ｈａ＝Ｈｖ］となる。従って、軸荷重Ｗａの影響を受けずに，垂直荷重Ｗｖのみに依存して透過率Ｈが変化し、垂直荷重Ｗｖの変化のみを測定することができる。
【００２４】
（３）超音波探触子の出力（透過率）について
上記（１）および（２）の場合における超音波探触子の出力（透過率）を検証する。ここでは、転動体３，４と外輪１との境界での音圧反射率をｒ３，ｒ４とし、転動体との接触のない位置での音圧反射率をｒｏとし、まず、「２つの転動体３，４が中心軸に対して対向する位置にある場合」に基づき検証し、次に「２つの転動体３，４が中心軸に対して対向する位置にない場合」を検証した。
【００２５】
（３−１）２つの転動体３，４が中心軸に対して対向する位置にある場合
図３（Ａ）のように、２つの転動体３，４が中心軸に対して対向する位置にある場合、超音波探触子Ａから送信された超音波が，転動体３とこれが接する軸受の外輪１との境界および転動体４とこれが接する軸受の外輪１との境界を介して超音波探触子Ｂに受信される場合の２次反射波Ｒ２の透過率Ｈ１は、下式２のようになる。
Ｈ１＝１−ｈ１／ｈｏ＝１−（ｒ３／ｒｏ）×（ｒ４／ｒｏ）  ・・式２
一方、逆に、超音波探触子Ｂから送信された超音波が、転動体４とこれが接する軸受の外輪１との境界および転動体３とこれが接する軸受の外輪１との境界を介して超音波探触子Ａに受信されることを想定した場合の２次反射波Ｒ２の透過率Ｈ２は、下式３のようになる。
Ｈ２＝１−ｈ２／ｈｏ＝１−（ｒ４／ｒｏ）×（ｒ３／ｒｏ）  ・・式３
つまり、両者は全く同一となるため、一方向からの超音波の発信・受信によって、その透過率を検出することができるとともに、軸荷重の影響がキャンセルされた垂直荷重だけの影響を把握することができる。
【００２６】
（３−２）２つの転動体３，４が中心軸に対して対向する位置にない場合
２つの転動体３，４が中心軸に対して対向する位置にない場合、図２（Ｂ），（Ｆ）のように、超音波探触子Ａから送信された超音波が，超音波探触子Ｂで受信された場合のエコー高さ比Ｈ３は、下式４のようになる。
Ｈ３＝ｈ３／ｈｏ＝（ｒ３／ｒｏ）×（ｒｏ／ｒｏ）＝ｒ３／ｒｏ  ・・式４
一方、図２（Ｄ），（Ｇ）のように、超音波探触子Ｂ，Ａ’から送信された超音波が、超音波探触子Ａ，Ｂ’で受信された場合のエコー高さ比Ｈ４は、下式５のようになる。
Ｈ４＝ｈ４／ｈｏ＝（ｒ４／ｒｏ）×（ｒｏ／ｒｏ）＝ｒ４／ｒｏ  ・・式５
したがって，超音波探触子ＡとＢが，伝播する超音波の音軸上にあると仮定した場合の透過率Ｈは，下式６として求めることができる。
Ｈ＝１−（Ｈ３×Ｈ４）＝１−（ｒ３／ｒｏ×ｒ４／ｒｏ）  ・・式６
となり，上式３によって求められた透過率と同じになり，上記（３−１）同様、軸荷重の影響がキャンセルされた垂直荷重だけの影響を把握することができる。
【００２７】
〔軸荷重の測定〕
軸荷重Ｗａは、図１（Ａ）において、超音波探触子Ｃ，Ｄからの超音波Ｕｃ，Ｕｄが、転動体３，４に向けて発信され、反射された反射波Ｒｃ，Ｒｄを、超音波探触子Ｃ，Ｄにより受信・測定することによって測定することができる。このとき、超音波探触子Ｃ，Ｄは、軸荷重Ｗａと垂直荷重Ｗｖに対して図４（Ａ）に例示するように透過率Ｈｃ，Ｈｄを示すが、超音波探触子Ｃ，Ｄを、超音波Ｕｃ，Ｕｄが自重方向かつ中心軸に対してほぼ４５°の傾斜角をもって転動体３，４に向けて発信されるように設置することによって、図４（Ｂ）に例示するように、等価な軸荷重Ｗａと垂直荷重Ｗｖに対して、ほぼ等価な透過率Ｈｃａ（＝Ｈｃｖ），Ｈｄａ（＝Ｈｄｖ）を得ることができ、超音波探触子Ｃ，Ｄの出力校正によって、両者をほぼ同じ出力特性とすることができる。
【００２８】
また、本検出装置では、超音波探触子Ｃ，Ｄを上記超音波探触子Ａ，Ｂと組合せて、これと該転動体の同一部位に向けて発信された超音波探触子Ｃ，Ｄの透過率Ｈｃａ，Ｈｄａ（軸荷重Ｗａと垂直荷重Ｗｖを含む）から、超音波探触子Ａ，Ｂの透過率Ｈｖ（垂直荷重Ｗｖのみ）を減算することによって、軸荷重Ｗａに対する透過率Ｈａ’を得ることができる。具体的には、予め超音波探触子Ｃ，Ｄを用いて、軸荷重による透過率の変化と垂直荷重による透過率の変化の比を求めておき、実測の透過率から垂直荷重による透過率の変化分を減算することによって、軸荷重による透過率の変化分を求めることができる。
【００２９】
〔本検出装置の他の構成例〕
本検出装置の他の構成例を、図５に示す（第２構成例）。超音波探触子ＡおよびＢを、中心軸に対して垂直な方向に限定して配置されるのではなく、中心軸と所定の交差角αを有する方向に配置される。基本的に、２つの転動体３，４の間を走波する超音波（１次反射波Ｒ１）が中心軸に平行であることが確保できれば、超音波探触子ＡおよびＢは、中心軸の上下を問わず、また中心軸に対して周回する何れの位置にも配設することによって、軸負荷の影響を相殺することができる。検出すべき最適な転動体の表面の部位が特定された場合や、超音波探触子Ａ，Ｂと超音波探触子Ｃ，Ｄとの相互干渉を回避するための配置を重要とする場合等にフレキシブルな配置を設定することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１          外輪
２          内輪
３，４      転動体
３１，４１  外輪側の軌道
３２，４２  内輪側の軌道
５          制御部
Ａ〜Ｄ      超音波探触子
Ｕａ，Ｕｃ，Ｕｄ  超音波
Ｒ１        １次反射波
Ｒ２        ２次反射波
Ｒｃ，Ｒｄ  反射波
Ｗａ        軸荷重
Ｗｖ        垂直荷重
【要約】
【課題】  回転する機械要素の駆動制御において、正確かつ迅速に制御信号に変換可能な指標として、軸受にかかる軸荷重と垂直荷重を検出すること。
【解決手段】  中心軸に対して垂直な、２以上の対向する転動体３，４の軌道３１，４１を有する軸受において、１の超音波探触子Ａからの超音波Ｕａが、軸受の中心軸方向に配された少なくとも２つの転動体３，４の内の１の転動体３に向けて発信され、１の転動体３とこれが接する軸受の外輪１との境界から１次反射された後、１次反射波Ｒ１として中心軸に平行して走波し、対向する軌道４１にある他の転動体４とこれが接する軸受の外輪１との境界または該対向する軌道４１にある軸受の外輪１の境界面からによって２次反射され、他の超音波探触子Ｂによって２次反射波Ｒ２を受信・測定することによって、主として軸受に対して中心軸の垂直方向にかかる垂直荷重Ｗｖの検出を行うとともに、少なくとも超音波探触子Ｃを用いて軸荷重Ｗａの検出を行う。
【選択図】  図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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