(57)【要約】【課題】 被検知部の材料選択に制約が少なく、被検知部への追加の加工が必要でないセンサ付き転がり軸受ユニットを提供する。【解決手段】  センサ装置は、固定側軌道部材3の少なくとも１カ所に設けられかつ玉5と固定側軌道部材3との間に作用する力をエコー比として検知する超音波センサと、各超音波センサの出力から転がり軸受に作用する荷重を求める処理手段とを備えている。超音波センサの振動子32は、固定側軌道部材3と同心の円弧状断面とされており、振動子32の周方向長さＬは、玉の１ピッチＰｂ以上とされている。【選択図】    図２
2006145016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定側軌道部材、回転側軌道部材および転動体を有する転がり軸受と、センサ装置とを備えているセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、
センサ装置は、固定側軌道部材の少なくとも１カ所に設けられかつ転動体と固定側軌道部材との間に作用する力をエコー比として検知する超音波センサと、各超音波センサの出力から転がり軸受に作用する荷重を求める処理手段とを備えており、超音波センサの振動子が転がり軸受と同心の円弧状断面とされていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受ユニット。
【請求項２】
超音波センサの振動子の周方向長さは、転動体の１／２ピッチ以上とされている請求項１のセンサ付き転がり軸受ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり軸受とその各種情報を検出するセンサ装置とが一体化されたセンサ付き転がり軸受ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車においては、その制御を行うために種々の情報が必要であることから、車体側に固定される固定側軌道部材、車輪が取り付けられる回転側軌道部材、および両部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニット（転がり軸受）に、センサ装置を設けることが提案されている。たとえば、特許文献１には、固定側軌道部材に磁気インピーダンスセンサを設けるとともに、回転側軌道部材に、同センサに対向する環状の着磁部を設けることにより、接地荷重を精度よく求めることが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−４５３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１のセンサ付き転がり軸受ユニットによると、磁気インピーダンスセンサによる検知が、被検知部の材料、形状、加工精度などの影響を受けるため、転がり軸受の材料の選択に制約があったり、着磁部の加工や別部材の追加が被検知部に必要となるという問題があった。
【０００４】
この発明の目的は、被検知部の材料選択に制約が少なく、被検知部への追加の加工が必要でないセンサ付き転がり軸受ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットは、固定側軌道部材、回転側軌道部材および転動体を有する転がり軸受と、センサ装置とを備えているセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、センサ装置は、固定側軌道部材の少なくとも１カ所に設けられかつ転動体と固定側軌道部材との間に作用する力をエコー比として検知する超音波センサと、各超音波センサの出力から転がり軸受に作用する荷重を求める処理手段とを備えており、超音波センサの振動子が転がり軸受と同心の円弧状断面とされていることを特徴とするものである。
【０００６】
超音波センサは、転がり軸受の転動体と軌道溝との接触面に超音波を出射し、接触面で反射される超音波のエコー強度を求めるもので、そのエコー比は、エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０（Ｈ０：転動体が超音波センサから１／２ピッチ離れたときのエコー強度、Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときのエコー強度）によって求められる。
【０００７】
超音波センサの振動子は、従来、平坦なものとされているが、この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットにおいては、転がり軸受と同心の円弧状断面とされる。平坦な振動子の場合、上記のＨ０が小さい値でかつばらつきが大きくなりやすいが、円弧状の振動子とすることで、Ｈ０を大きくかつばらつきが小さいものとすることができ、センサ出力の精度を向上させることができる。
【０００８】
超音波センサの振動子の周方向長さは、転動体の１／２ピッチ以上（より好ましくは１ピッチ以上）とされていることが好ましい。転動体の１ピッチは、隣り合う転動体の中心間の周方向長さ（＝転動体のピッチ径÷転動体の数）である。超音波センサの振動子の周方向長さが小さいもの（転動体の１／２ピッチ未満のもの）では、転動体が超音波センサ直下位置から外れた場合のある短い時間は、転動体荷重の検出ができなくなるが、超音波センサの振動子の周方向長さを長くすることにより、転動体荷重の検出ができなくなる時間を短いものまたはゼロとすることができる。超音波センサの振動子の周方向長さが転動体の１ピッチ以上のものでは、超音波センサの検知範囲に少なくとも１つ（１つまたは２つ）の転動体が位置させられることになり、常に転動体荷重を検知することができるのでより好ましい。超音波センサの振動子の周方向長さの上限は、特に限定されないが、転動体の２ピッチ以上としても効果は変わらないので、２ピッチ以下または２ピッチ未満であってもよい。
【０００９】
処理手段は、各超音波センサの出力から転がり軸受に作用する荷重の上下方向成分、前後方向成分および左右方向成分を求める３方向分力演算部を有していることが好ましい。このようにすると、エコー比から転動体荷重だけでなく転がり軸受に作用する３方向分力も演算することができる。
【００１０】
このセンサ付き転がり軸受ユニットは、固定側軌道部材が車体側、回転側軌道部材が車輪側に取り付けられるようになされて、センサ付きハブユニットとして使用されることがある。タイヤに接地荷重が作用すると、ハブユニット各部には接地荷重に応じた荷重が作用し、この荷重変化によって固定側軌道部材と転動体との接触面積が変化する。超音波センサによると、接触面積の大きさに対応して検知されるエコー比が変化するので、予め転動体荷重変化またはタイヤ接地荷重３方向分力の変化とエコー比との関係を求めておくことにより、エコー比から転動体荷重またはタイヤ接地荷重の３方向分力を求めることができる。こうして、被検知部（固定側軌道部材と転動体との接触部）への加工を施すことなく転動体荷重またはタイヤ接地荷重を求めることができる。
【００１１】
超音波センサは、たとえば、転がり軸受またはハブユニットの頂部、底部、前部および後部の計４カ所に設けられ、これら４つのデータから転がり軸受に作用する荷重（ハブユニットの場合はタイヤ接地荷重）の３分力（上下方向荷重、前後方向荷重および左右方向荷重）が求められる。なお、センサは、等分配でかつ上記配置以外の４カ所に設けるようにしてもよい。３分力を求める場合、超音波センサは、頂部および底部のいずれか一方を省略して、３つとしてもよいし、円周上の任意の位置に等配分で３つ配置してもよい。また、円周上の任意の位置に等配分で５つ以上配置してもよく、接触面積検知センサの配置は、必ずしも等配でなくてもよい。荷重の絶対値だけを求める場合には、超音波センサは１つであってもよく、センサの数は、必要とする荷重（モーメントを含む）の数に応じて適宜変更される。
【発明の効果】
【００１２】
この発明のセンサ転がり軸受ユニットによると、被検知部の材料選択に制約が少なく、また、被検知部への追加の加工も必要でないものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００１４】
図１および図２は、この発明のセンサ付き転がり軸受ユニットの１実施形態を示している。以下の説明において、左右は図１の左右をいうものとする。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。
【００１５】
このセンサ付き転がり軸受ユニットは、センサ付きハブユニットとして使用されるもので、ハブユニット(1)と、タイヤの接地荷重を検出するセンサ装置(2)とを備えている。
【００１６】
ハブユニット(1)は、車体側に固定される固定側軌道部材(3)、車輪が取り付けられる回転側軌道部材(4)、両部材(3)(4)の間に２列に配置された複数の転動体である玉(5)、および各列の玉(5)をそれぞれ保持する保持器(6)を備えている。
【００１７】
固定側軌道部材(3)は、軸受の外輪（固定輪）機能を有しているもので、内周面に２列の外輪軌道が形成されている円筒部(12)と、円筒部(12)の左端部近くに設けられて懸架装置（車体側部分）にボルトで取り付けられるフランジ部(13)とを有している。
【００１８】
回転側軌道部材(4)は、第１の軌道溝(15a)を有する大径部(15)および第１の軌道溝(15a)の径よりも小さい外径を有する小径部(16)を有している内軸(14)と、内軸(14)の小径部(16)外径に嵌め止められて右面が内軸(14)の大径部(15)左面に密接させられている内輪(17)とからなる。内軸(14)の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト(19)が固定されたフランジ部(18)が設けられている。内輪(17)の右部には、内軸(14)の軌道溝(15a)と並列するように、軌道溝(17a)が形成されており、内輪(17)の左部に肩部(17b)が形成されている。固定側軌道部材(3)の右端部と内軸(14)との間には、シール装置(20)が設けられている。内軸(14)の小径部(16)の左端部には、おねじ部が設けられており、このおねじ部にねじ合わされたナット(21)によって、内輪(17)が内軸(14)に固定されている。固定側軌道部材(3)の左端部には、カバー(22)が被せ止められている。
【００１９】
センサ装置(2)は、固定側軌道部材(3)と内列の玉(5)との間に作用する力（以下「転動体荷重」と称す）を検出する超音波センサ(Sti)(Sbi)と、外列の玉(5)の転動体荷重を検出する超音波センサ(Sto)(Sbo)と、これらの超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の出力を処理する処理手段（図示略）とを備えている。超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、図示されている頂部および底部のほかに、前部および後部にもそれぞれ設けられている。ただし、超音波センサの個数および配置は、上記に限定されない。
【００２０】
超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、振動子から出力された超音波の反射波を受信部で受けることにより、反射エコーを求めるもので、その出力は、以下に示すエコー比として求められる。
【００２１】
エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０
Ｈ０：転動体が超音波センサから１／２ピッチ離れたときのエコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときのエコー強度
このエコー比は、転動体荷重と相関関係を有しており、これを利用してエコー比から転動体荷重を求めることができる。玉(5)に作用する荷重が大きいと、接触面積が大きくなって反射波が小さくなることから、転動体荷重が大きい場合には、大きいエコー比が出力される。
【００２２】
走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴って、タイヤに掛かる接地荷重が変動し、このタイヤ接地荷重変動に応じて、転動体荷重が変化する。複数のセンサを設置した場合、タイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重の成分ごとにそれぞれセンサへの影響度が異なっており、予め、前後荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するエコー比、左右荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するエコー比、ならびに垂直荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するエコー比を求めておくことにより、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)で得られたエコー比よりタイヤ接地荷重の３方向分力を求めることができる。
【００２３】
センサ装置(2)の処理手段には、エコー比の式、各超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)から得られたエコー比からそのセンサ位置の転動体荷重を求める式、これらの転動体荷重からタイヤ接地荷重の上下方向成分、前後方向成分および左右方向成分を求める式などが蓄えられている。
【００２４】
複数の箇所にセンサを設置して接地荷重の各分力をそれぞれ分離して求めようとした場合、他の分力の影響による誤差が生じやすいものとなるが、上記のように、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の設置箇所を固定側軌道部材(3)の頂部、底部、前部および後部のそれぞれ内側および外側の計８カ所とすることにより、３方向分力を精度よく求めることができるとともに、前後軸回りのモーメントおよび上下軸回りのモーメントを求めることもできる。
【００２５】
図２は、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の振動子(32)の形状を模式的に示すもので、同図に示すように、振動子(32)は、玉(5)と固定側軌道部材(3)の軌道溝との接触面(D)に直角の方向から臨まされており、その形状は、固定側軌道部材(3)と同心の円弧状断面、すなわち、円弧の中心が軸受中心線上に位置しかつ円弧面の半径が軸受中心から振動子(32)までの距離とされている。
【００２６】
さらに、振動子の周方向長さＬは、図２（ａ）に示すように、玉(5)の１ピッチＰｂよりも若干大きいものとされている。
【００２７】
図３は、ハブユニット(1)の回転に伴って変化する反射エコーを求めたもので、振動子(32)の周方向長さが玉(5)の１ピッチ以上とされていることにより、反射エコーが常に検出される。図３において、反射エコーのピーク値は、玉(5)が図２の（ｂ）の位置（センサから１／２ピッチ離れた位置）にある時に得られ、ボトム値は、玉(5)が図２の（ａ）の位置（センサの直下位置）にあるときに得られる。
【００２８】
振動子の周方向長さが玉(5)の１／２ピッチ未満の場合、反射エコーのピーク値は、玉がセンサの直下位置にある時に得られ、ボトム値は、玉がセンサから１／２ピッチ離れた位置にある時に得られる。そして、玉がセンサから１／２ピッチ離れている場合には、反射エコーの強度はゼロとなり、ある短い時間の間、転動体荷重の検出ができなくなる。
【００２９】
これに対して、図２に示した振動子(32)のものでは、玉(5)が超音波センサの振動子(32)から１／２ピッチ離れた場合（図２（ｂ））には、振動子(32)の端に位置する２つの玉(5)の荷重が検出されることにより、転動体荷重を常時検知することができる。なお、振動子(32)の周方向長さＬについては、玉(5)の１ピッチをＰｂとして、Ｐｂ／２≦Ｌであれば、反射エコーの強度がゼロとなる時間を短くすることができるという利点を有しており、また、Ｌを玉(5)の２ピッチ以上としても効果が変わらないので、Ｐｂ／２≦Ｌ（超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の振動子(32)の周方向長さが玉（転動体）(5)の１／２ピッチ以上）とされていることが好ましく、Ｐｂ≦Ｌ＜２Ｐｂとされていることがより好ましい。
【００３０】
なお、上記においては、センサ付きハブユニットについて説明したが、上記センサ装置は、ハブユニット以外の各種転がり軸受に一体化して使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットの１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図２は、同横断面図であり、（ａ）は、転動体が超音波センサ直下に位置するとき、（ｂ）は、転動体が超音波センサから１／２ピッチ離れたときの状態をそれぞれ模式的に示している。
【図３】図３は、この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットの超音波センサで得られるエコーの波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
(1)      ハブユニット（転がり軸受）
(2)      センサ装置
(3)      固定側軌道部材
(4)      回転側軌道部材
(5)      玉（転動体）
(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)     超音波センサ
(32)     振動子
【図１】
2006145016.tif 000003
【図２】
2006145016.tif 000004
【図３】
2006145016.tif 000005