(57)【要約】【課題】 被検知部の材料に制約がなく、被検知部への追加の加工が必要でないセンサ装置および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2は、固定側軌道部材3と転動体5との接触部からの超音波のエコーを検知する超音波センサを備えている。転動体に作用する荷重と超音波センサの出力から得られるエコー比との相関関係を利用してから転動体荷重が求められている。エコー比は、次の式で求められている。  エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０ｉ  Ｈ０：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度  Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときの反射エコー強度  Ｈ０ｉ：所定温度における転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度。【選択図】    図１
2006145457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに接触する可動体および固定体からなる被検知部と、固定体に取り付けられ被検知部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、被検知部に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から被検知部に作用する荷重を求める処理手段とを備え、処理手段は、エコー強度を雰囲気温度によって補正する温度補正部を有していることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
可動体は、転がり軸受の転動体であり、固定体は、転がり軸受の固定輪である請求項１のセンサ装置。
【請求項３】
被検知部に作用する荷重は、以下の式で得られるエコー比から求められている請求項２のセンサ装置。
エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０ｉ
Ｈ０：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときの反射エコー強度
Ｈ０ｉ：所定温度における転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
【請求項４】
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、固定側軌道部材に取り付けられ固定側軌道部材と転動体との接触部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、転動体に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から転動体に作用する荷重を求める処理手段とを備え、処理手段は、エコー強度を雰囲気温度によって補正する温度補正部を有し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５】
被検知部に作用する荷重は、以下の式で得られるエコー比から求められている請求項４のセンサ付き転がり軸受ユニット。
エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０ｉ
Ｈ０：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときの反射エコー強度
Ｈ０ｉ：所定温度における転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
【請求項６】
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センサ付きハブユニットとされている請求項５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、転がり軸受と一体化されて転がり軸受の各種情報を検出するのに好適なセンサ装置および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、被検知部の材料に制約がなく、被検知部への追加の加工が必要でないセンサ装置および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装置は、互いに接触する可動体および固定体からなる被検知部と、固定体に取り付けられ被検知部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、被検知部に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から被検知部に作用する荷重を求める処理手段とを備え、処理手段は、エコー強度を雰囲気温度によって補正する温度補正部を有していることを特徴とするものである。
【０００６】
超音波センサは、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、超音波の反射エコーを求めるもので、可動体に作用する荷重が大きいと、接触面積も大きくなり、反射波は小さくなる。したがって、反射エコーから転動体荷重を求めることができる。反射エコーは雰囲気温度によって変化するため、自動車用ハブユニットなどのように被検知部の温度変化が大きいものが対象となる場合には、精度の良いデータが得られない可能性があるが、処理手段において温度補正することにより、被検知部に作用する荷重が精度良く求められる。
【０００７】
可動体は、転がり軸受の転動体であり、固定体は、転がり軸受の固定輪とされることがある。これにより、軸受に作用する荷重を検出することができるセンサ付き転がり軸受ユニットが得られる。転がり軸受としては、深みぞ玉軸受、アンギュラ玉軸受、ころ軸受、ニードル軸受、スラスト軸受などのいずれの転がり軸受でも使用可能であり、また、単列のものだけでなく、複列のものにも適用できる。軸受の材料は、軸受鋼のような磁性材料であってももちろんよいが、非磁性の金属であっても、セラミックスであってもよい。
【０００８】
被検知部に作用する荷重は、以下の式で得られるエコー比から求められていることが好ましい。
【０００９】
エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０ｉ
Ｈ０：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときの反射エコー強度
Ｈ０ｉ：所定温度における転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
従来のエコー比は、上記式の分母がＨ０とされたものであるが、この発明における「エコー比」では、新たに導入された「所定温度（たとえば常温）における転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度」を分母として使用している。超音波センサにおける反射エコー強度Ｈ０およびＨ１は、いずれも温度に依存するものの、（Ｈ０−Ｈ１）は温度にほぼよらないものとなる。従来のエコー比では、この温度に依存しない（Ｈ０−Ｈ１）を温度に依存するＨ０で割ることにより、温度依存性の高いものとなっていた。これに対し、この発明における「エコー比」は、分母を温度に依存しない項とすることにより、エコー比と荷重との相関性を生かし、しかも、温度依存性をなくすことができる。なお、温度補正は、センサ出力として、エコー差（Ｈ０−Ｈ１）を使用し、これと荷重との相関関係を求めておくことによっても行うことができる。しかしながら、エコー差の場合には、センサ自体の特性、センサの取付方、センサの取付面、接触媒質の相違などにより、エコー強度の違いが顕著に出るため、上記「エコー比」を用いることがより好ましい。
【００１０】
転がり軸受に作用する荷重が変化すると、この荷重変化によってエコー比が変化する。エコー比と軸受に作用する荷重との関係は、予め求めておくことができるので、これを予め実験的に求めておくことにより、エコー比から転がり軸受に作用する荷重を求めることができる。こうして、被検知部（固定輪と転動体との接触部）への加工を施すことなく転がり軸受に作用する荷重を求めることができる。
【００１１】
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、固定側軌道部材に取り付けられ固定側軌道部材と転動体との接触部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、転動体に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から転動体に作用する荷重を求める処理手段とを備え、処理手段は、エコー強度を雰囲気温度によって補正する温度補正部を有していることを特徴とするものである。
【００１２】
温度補正は、上記エコー比を使用することによって行われていることが好ましい。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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】
【００１６】
この発明のセンサ装置によると、超音波センサにより被検知部からの超音波のエコーを検知するので、被検知部の材料に制約がなく、被検知部への追加の加工が必要でないものとすることができる。しかも、雰囲気温度の影響を受けやすいエコー強度が温度補正されるので、被検知部に作用する荷重を精度良く求めることができる。
【００１７】
この発明のセンサ付き転がり軸受ユニットによると、超音波センサにより固定側軌道部材と転動体との接触部からの超音波のエコーを検知するので、固定側軌道部材および転動体の材料に制約がなく、これらの接触部への追加の加工が必要でないものとすることができる。しかも、雰囲気温度の影響を受けやすいエコー強度が温度補正されるので、転動体に作用する荷重を精度良く求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、この発明のセンサ装置およびセンサ付き転がり軸受ユニットの第１実施形態を示している。以下の説明において、左右および上下は、図の左右および上下をいうものとする。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、その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。
【００２５】
エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０ｉ
Ｈ０：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときの反射エコー強度
Ｈ０ｉ：所定温度（たとえば常温）における転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
このエコー比は、転動体荷重と図２に示す関係を有しており、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。
【００２６】
超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)における反射エコー強度Ｈ０およびＨ１は、図３に示すように、いずれも温度に依存しており、これに対し、エコー差（Ｈ０−Ｈ１）は、温度にほぼよらないものとなっている。従来のエコー比では、この温度に依存しない（Ｈ０−Ｈ１）を温度に依存するＨ０で割ることにより、温度依存性の高いものとなっていたが、上記のエコー比は、分母として温度に依存しないＨ０ｉを使用することにより、図２に示したエコー比と荷重との相関性を生かし、しかも、図４に示すように、温度依存性をなくすことができる。処理手段は、エコー強度を雰囲気温度によって補正する温度補正部を有しているものとされ、温度補正部は、従来のエコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０における分母Ｈ０をＨ０ｉで置き換えるものとされる。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【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(2)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装置およびセンサ付き転がり軸受ユニットの第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図２は、超音波センサで得られるエコー比と転動体荷重との関係を示すグラフである。
【図３】図３は、超音波センサで得られるエコー振幅と温度との関係を示すグラフである。
【図４】図４は、この発明におけるエコー比と温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
(1)      転がり軸受
(2)      センサ装置
(3)      固定側軌道部材（被検知部）
(4)      回転側軌道部材
(5)      玉（転動体）
(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)     超音波センサ
【図１】
2006145457.tif 000003
【図２】
2006145457.tif 000004
【図３】
2006145457.tif 000005
【図４】
2006145457.tif 000006