(57)【要約】  【課題】  少ない部品点数にて荷重を高精度に検出することができるとともに、構造の簡略化を容易に図ることができるセンサ付き転がり軸受装置を提供する。  【解決手段】  センサ付き転がり軸受装置１において、外輪（固定軌道輪）３と、ナックル部（固定部品）２０との間にフィルム状の圧電素子１３ａ、１３ｃ、１４ａ、１４ｃを挟み込み、各圧電素子１３ａ、１３ｃ、１４ａ、１４ｃによって、外輪３とナックル部２０との間に働く荷重を検出する。【選択図】      図１
2006145435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定軌道輪及び回転軌道輪と、これらの軌道輪間に転動自在に設けられた転動体とを備えた軸受を有する転がり軸受装置であって、
前記固定軌道輪とこの固定軌道輪が固定される固定部品との間に挟み込まれ、これらの固定軌道輪と固定部品との間に働く荷重を検出するフィルム状の圧電素子を設けたことを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項２】
前記圧電素子は、前記固定部品と前記固定軌道輪の外周面又は内周面に形成されたフランジ部との間に挟み込まれて、前記軸受のアキシャル方向に働くアキシャル荷重を検出する請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項３】
前記圧電素子は、前記固定部品と前記固定軌道輪の外周面又は内周面との間に挟み込まれて、前記軸受のラジアル方向に働くラジアル荷重を検出する請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項４】
前記固定軌道輪が、車両のサスペンションに含まれた円環状のナックル部に固定されるフランジ部を備えた外輪により構成されるとともに、
４個の前記圧電素子が、前記軸受の軸方向周りで軸中心に対し９０°間隔にて前記外輪フランジ部の軸方向端面と前記ナックル部の軸方向端面との間に挟み込まれて、前記軸受のアキシャル方向に働くアキシャル荷重を検出し、かつ
４個の前記圧電素子が、前記軸受の軸方向周りで軸中心に対し９０°間隔にて前記外輪の外周面と前記ナックル部の内周面との間に挟み込まれて、前記軸受のラジアル方向に働くラジアル荷重を検出する請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサが組み込まれたセンサ付き転がり軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受装置には、本来的な軸受機能に加えて、その軸受回転時における荷重等の動作データを検知するためのセンサが組み込まれたセンサ付き転がり軸受装置がある（例えば、特許文献１参照。）。具体的にいえば、この従来の軸受装置は自動車用の軸受ハブユニットに適用されたものであり、軌道輪を囲繞するハウジングの表面等に貼り付けられた歪みゲージを有するセンサモジュールを複数設置し、各モジュールでのセンシング結果を基に荷重を検出するようになっている。
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５３０５６５号公報（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来装置では、歪みゲージの圧抵抗効果を利用して荷重を検出していたので、各歪みゲージに専用のブリッジ回路を接続する必要があり、さらには歪みゲージの抵抗が周囲温度等の温度変化の影響を受け易いために、荷重を精度よく検出するためには、各ゲージの近傍に温度補償板を設けて、そのゲージ抵抗の温度ドリフトを補償することが要求される。このため、この従来装置では、部品点数を削減することが難しく、また構造を簡略化することも困難であるという問題点がある。
【０００５】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、少ない部品点数にて荷重を高精度に検出することができるとともに、構造の簡略化を容易に図ることができるセンサ付き転がり軸受装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のセンサ付き転がり軸受装置は、固定軌道輪及び回転軌道輪と、これらの軌道輪間に転動自在に設けられた転動体とを備えた軸受を有する転がり軸受装置であって、
前記固定軌道輪とこの固定軌道輪が固定される固定部品との間に挟み込まれ、これらの固定軌道輪と固定部品との間に働く荷重を検出するフィルム状の圧電素子を設けたことを特徴とするものである。
【０００７】
上記のように構成されたセンサ付き転がり軸受装置では、その固定軌道輪とこれに固定される固定部品との間に挟み込んだ圧電素子により、当該固定軌道輪と固定部品との間に働く荷重を検出する。これにより、上記従来例と異なり、ブリッジ回路等を設けることなく、荷重を高精度に検出することができる。しかも、フィルム状の圧電素子を使用しているので、その圧電素子の組込箇所が曲面を有する場合でも、その曲面に容易に装着することが可能となって、当該圧電素子の組込作業を簡略化することができる。
【０００８】
また、上記センサ付き転がり軸受装置において、前記圧電素子は、前記固定部品と前記固定軌道輪の外周面又は内周面に形成されたフランジ部との間に挟み込まれて、前記軸受のアキシャル方向に働くアキシャル荷重を検出してもよい。
この場合、部品点数を削減しつつ、上記アキシャル荷重を高精度に検出することが可能となる。
【０００９】
また、上記センサ付き転がり軸受装置において、前記圧電素子は、前記固定部品と前記固定軌道輪の外周面又は内周面との間に挟み込まれて、前記軸受のラジアル方向に働くラジアル荷重を検出してもよい。
この場合、部品点数を削減しつつ、上記ラジアル荷重を高精度に検出することが可能となる。
【００１０】
また、上記センサ付き転がり軸受装置において、前記固定軌道輪が、車両のサスペンションに含まれた円環状のナックル部に固定されるフランジ部を備えた外輪により構成されるとともに、
４個の前記圧電素子が、前記軸受の軸方向周りで軸中心に対し９０°間隔にて前記外輪フランジ部の軸方向端面と前記ナックル部の軸方向端面との間に挟み込まれて、前記軸受のアキシャル方向に働くアキシャル荷重を検出し、かつ
４個の前記圧電素子が、前記軸受の軸方向周りで軸中心に対し９０°間隔にて前記外輪の外周面と前記ナックル部の内周面との間に挟み込まれて、前記軸受のラジアル方向に働くラジアル荷重を検出することが好ましい。
この場合、上記軸受のアキシャル方向及びラジアル方向において、各々４個の圧電素子が、軸受の軸方向周りで軸中心に対し９０°間隔で設けられているので、軸受装置が上記サスペンションに取り付けられたときに、車両の前後及び上下方向でのアキシャル荷重及びラジアル荷重を検出することができ、その車両の挙動を当該軸受装置が設けられた車輪毎に検知することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のセンサ付き転がり軸受装置によれば、ブリッジ回路等を設けることなく、荷重を高精度に検出することができるので、少ない部品点数により荷重検出を高精度に行なうとともに、その構造の簡略化を容易に図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明のセンサ付き転がり軸受装置（以下、単に軸受装置ともいう。）の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明では、本発明を車両の従動輪用ハブユニットに適用した場合を例示して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る軸受装置の断面図である。図１において、右側は車両アウター側（車輪側）、左側は車両インナー側であり、本実施の形態の軸受装置１は、転がり軸受装置２と、センサ装置Ｓとによって構成されている。前記転がり軸受装置２は、複列アンギュラ玉軸受タイプのものであり、外輪３と、内軸（ハブ）４と、内輪５と、複数の玉からなる転動体６、７とを備えている。また、転がり軸受装置２には、転動体６、７をそれぞれ周方向に沿って所定間隔で保持する保持器８、９と、外輪３と内軸４との隙間に配置されたシール１０と、内軸４に螺着されたナット１１とが設けられている。
【００１３】
上記外輪３は、車体側に固定される固定軌道輪であり、その内周側には、複列の軌道３ａ，３ｂが形成されている。一方、回転軌道輪は、内軸４と内輪５とで構成されており、軌道３ａに対向する内軸４の箇所には、軌道４ａが形成されて、上記転動体６が軌道３ａとの間で転動するようになっている。また、軌道３ｂに対向する内輪５の箇所には、軌道５ａが形成されて、上記転動体７が軌道３ｂとの間で転動するようになっている。
【００１４】
また、外輪３は、車両インナー側で径方向外側に形成されたフランジ部３ｃと、車両インナー側に軸方向に延ばされた円筒状部３ｄとを有しており、これらのフランジ部３ｃ及び円筒状部３ｄには、ボルト２１により上記車両のサスペンション（図示せず）に含まれた固定部品としての円環状のナックル部２０が固定されている。また、円筒状部３ｄの内周面には、カバー１２が圧入されており、転がり軸受装置２の内外輪間の環状開口部を車両インナー側から密封して、当該環状開口部を車両アウター側から密封する上記シール１０とともに、軸受内部への雨水や異物等の侵入を防いでいる。
また、上記ナックル部２０とフランジ部３ｃ及び円筒状部３ｄとの間には、後述するように、上記センサ装置Ｓに含まれる圧電素子１３ａ、１３ｃ、１４ａ、１４ｃが装着されている。
【００１５】
また、上記内軸４は、車両アウター側端部において径方向外側に形成されたフランジ部４ｂを有しており、このフランジ部４ｂに圧入固定されたボルト２４によって上記車両のブレーキ装置に含まれるディスクロータ２２及び車輪ホイール２３がこの順に当該フランジ部４ｂに固定されている。
また、上記内輪５は、内軸４の車両インナー側端部に螺着された上記ナット１１を締め付けることにより、当該内軸４に固定されている。
【００１６】
上記センサ装置Ｓは、転がり軸受装置２に作用する荷重を検出するものであり、その軸受のアキシャル荷重及びラジアル荷重を個別に測定できるようになっている。
具体的にいえば、センサ装置Ｓにおいては、図２も参照すると、４個の圧電素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが外輪３のフランジ部３ｃの軸方向端面３ｃ１（図１参照）とナックル部２０の軸方向端面２０ａ（図１参照）との間に挟み込まれた状態で、軸受の軸方向周りで軸中心に対し９０°間隔にて設けられている。また、４個の圧電素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが外輪３の円筒状部３ｄの外周面３ｄ１（図１参照）とナックル部２０の内周面２０ｂ（図１参照）との間に挟み込まれた状態で、軸受の軸方向周りで軸中心に対し９０°間隔にて設けられている。これにより、軸受装置１が、上記車両に組付けられたときに、圧電素子１３ａ、１３ｃ、１４ａ、１４ｃは、当該車両の上下方向に配置され、圧電素子１３ｂ、１３ｄ、１４ｂ、１４ｄは、当該車両の前後方向に配置されることになる。
【００１７】
また、上記の各圧電素子１３ａ〜１３ｄ、１４ａ〜１４ｄは、例えば厚さ２０〜２００μｍ程度のフィルム状のものが使用されており、圧電（ピエゾ）効果によって検出した圧力に応じた電圧信号を出力するようになっている。詳細には、各圧電素子１３ａ〜１３ｄ、１４ａ〜１４ｄは、例えば可撓性に優れたポリフッ化ビニリデン等の高分子圧電体により構成されており、図２に示されるように、圧電素子１３ｄ、１４ｄは、それぞれケーブル１６、１７を介して制御装置１５に接続されている。また、この制御装置１５は、例えば車両に搭載されたＥＣＵであり、各圧電素子１３ａ〜１３ｄ、１４ａ〜１４ｄからの電圧信号に基づき対応する荷重成分を検出するように構成されている。
すなわち、各圧電素子１３ａ〜１３ｄでは、フランジ部３ｃの軸方向端面３ｃ１とナックル部２０の軸方向端面２０ａとの間での圧力が変化したときに、その圧力変化に従って静電容量が変化して、制御装置１５への電圧信号値も変化する。そして、制御装置１５が、定常状態（軸受装置１を車両に取り付けたときの初期状態）での電圧信号値と比較することにより、車両左右方向の荷重成分が検知される。より具体的にいえば、車両が横Ｇを受けている場合には、圧電素子１３ｂの電圧信号値から圧電素子１３ｄの電圧信号値を引き算した差の値はほぼ零となり、かつ圧電素子１３ａの電圧信号値から圧電素子１３ｃの電圧信号値を引き算した差の値は零以外の横Ｇに応じた値となる。また、車両速度が比較的低速度の際にステアリング操作（例えば、切り返し操作）が行われた場合には、圧電素子１３ｂの電圧信号値から圧電素子１３ｄの電圧信号値を引き算した差の値はほぼ零となり、かつ圧電素子１３ａの電圧信号値から圧電素子１３ｃの電圧信号値を引き算した差の値は零以外の値となる。また、車両速度が比較的高速度の際にステアリング操作が行われた場合には、圧電素子１３ｂの電圧信号値から圧電素子１３ｄの電圧信号値を引き算した差の値及び圧電素子１３ａの電圧信号値から圧電素子１３ｃの電圧信号値を引き算した差の値はともに零以外の値となる。
【００１８】
同様に、各圧電素子１４ａ〜１４ｄでは、フランジ部３ｃの外周面３ｄ１とナックル部２０の内周面２０ｂとの間での圧力が変化したときに、その圧力変化に従って静電容量が変化して、制御装置１５への電圧信号値が変化する。そして、制御装置１５が、上記定常状態での電圧信号値と比較することにより、車両上下方向の荷重成分及び前後方向の荷重成分が検知される。より具体的にいえば、車両が加速された場合には、圧電素子１４ｂの電圧信号値から圧電素子１４ｄの電圧信号値を引き算した差の値は、その加速の大きさに応じて零より大きい値となる。また、車両が減速された場合には、圧電素子１４ｂの電圧信号値から圧電素子１４ｄの電圧信号値を引き算した差の値は、その減速の大きさに応じて零より小さい値となる。また、車両が一定速度で走行している場合には、これら圧電素子１４ｂ、１４ｄの電圧信号値はほぼ同じ値となって差の値もほぼ零となる。また、車両が坂道を上っている場合には、圧電素子１４ａの電圧信号値から圧電素子１４ｃの電圧信号値を引き算した差の値は増大し、かつ圧電素子１４ｂの電圧信号値から圧電素子１４ｄの電圧信号値を引き算した差の値は、その坂道の傾斜角に応じて零より大きい値となる。一方、車両が坂道を下っている場合には、圧電素子１４ａの電圧信号値から圧電素子１４ｃの電圧信号値を引き算した差の値は増大し、かつ圧電素子１４ｂの電圧信号値から圧電素子１４ｄの電圧信号値を引き算した差の値は、その坂道の傾斜角に応じて零より小さい値となる。
また、制御装置１５は、検知した荷重成分を用いて、電動パワーステアリングシステム、ブレーキシステムやトラクションコントロールシステム等の車両の他のシステムへの指示信号を作成することで、上記検知した荷重成分を車両の姿勢制御に反映する。
【００１９】
以上のように構成された本実施の形態では、外輪（固定軌道輪）３とナックル部（固定部品）２０との間に挟み込んだ圧電素子１３ａ〜１３ｄ、１４ａ〜１４ｄにより、転がり軸受装置２に作用する荷重を検出しているので、歪みゲージを用いた上記従来例と異なり、ブリッジ回路等を設けることなく当該荷重を高精度に検出することができる。さらに、外輪３とナックル部２０との間に挟み込むだけ、つまり車両の組立作業において、互いに組み付けられるこれらの外輪３とナックル部２０との間に圧電素子を置くだけで、荷重検出を行う圧電素子（センサ）が装着されるので、フィルム状のものを使用していることとも相まって、接着剤等の固着手段を用いるか、又は凹部等を形成する必要がある上記歪みゲージに比べて、当該センサの組込作業を極めて簡略化することができる。その結果、部品点数を削減しつつ、荷重検出を高精度に行える構造簡略化した軸受装置を構成することができる。しかも、固定軌道輪である外輪３側に圧電素子を装着しているので、回転軌道輪側に上記センサを設ける場合に比べて、無線装置等を設けて検出結果を制御装置に送信する必要がなく、また制御装置への配線も容易に行うことができる。
【００２０】
また、本実施の形態では、外輪３がナックル部２０に固定されて、軸受装置１が車両用ハブユニットとして使用されるときに、圧電素子１３ａ〜１３ｄ及び１４ａ〜１４ｄがそれぞれ車両の左右方向の荷重成分、車両の上下方向の荷重成分、及び車両の前後方向の荷重成分を制御装置１５に出力している。これにより、制御装置１５は、上記ハブユニットが設けられた車両の車輪の路面との接触圧等を精度よく検知して、車両挙動を当該軸受装置１が設けられた車輪単位に検知することが可能となり、車両の姿勢制御をより高精度に行うことができる。
【００２１】
尚、上記の説明では、複列アンギュラ玉軸受タイプの軸受を具備する車両の従動輪用ハブユニットに適用した場合について説明したが、本発明は固定軌道輪及び回転軌道輪と、これらの軌道輪間に転動自在に設けられた転動体とを備えた軸受を有する転がり軸受装置において、フィルム状の圧電素子を固定軌道輪とこれに固定される固定部品との間に挟み込んだ状態で装着して、この圧電素子にて固定軌道輪と固定部品との間に働く荷重を検出するものであればよく、転動体の種類や設置数等の軸受形式等は上記のものに何等限定されるものではない。具体的には、車両駆動輪用ハブユニットを構成する転がり軸受装置に適用することができる。また、ハブユニット以外の回転機器などの機械や装置等に組み込まれ、上記実施の形態とは逆に、内輪及び外輪をそれぞれ固定軌道輪及び回転軌道輪として使用する軸受装置に適用することもできる。
【００２２】
また、上記の説明では、軸受のアキシャル荷重及びラジアル荷重を検出する合計８個の圧電素子を含んだセンサ装置について説明したが、本発明におけるセンサ装置はこれに限定されるものではなく、素子の設置数や設置箇所等は上記のものに何等限定されるものではなく、例えば圧延機のローラを支持する軸受装置において、その軸受のラジアル方向上側だけに圧電素子を設け、この素子のセンシング結果からラジアル荷重検出値を取得しその取得した検出値を基にミス圧延や軸受損傷の発生の有無などを判定することもできる。また、スクロール圧縮機に使用されるスラスト軸受において、そのアキシャル（スラスト）荷重だけを測定し当該圧縮機での動作異常の有無などを判定してもよい。
【００２３】
また、上記の説明では、高分子圧電体により構成された圧電素子を用いた場合について説明したが、本発明の圧電素子は固定軌道輪と固定部品との間に挟み込むことができるフィルム状のものであれば、何等限定されるものではなく、ピエゾ効果をもつ圧電セラミックスやこの圧電セラミックスと圧電ポリマー樹脂との複合体等からなる圧電素子を使用することもできる。但し、上記のような高分子圧電体からなる圧電素子を用いる場合の方が、当該高分子圧電体が上記の他の材質に比べて優れた可撓（柔軟）性を備えていることから、平坦面以外の箇所、例えば上記外輪外周面上に装着する場合でも、その外周面形状に沿ってフレキシブルに変形して容易に装着できる点で好ましい。また、高分子圧電体は、他の材質よりも形状加工性が優れていることから、圧電素子の装着箇所に応じた形状に加工し易い点でも好ましい。さらに、高分子圧電体は、圧電セラミックスに比べ２０倍程度の高耐電圧性を有している点でも好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施の形態に係るセンサ付き転がり軸受装置の断面図である。
【図２】図１に示したカバーを取り外した状態における、同図の矢印Ａ方向から見た場合での上記転がり軸受装置の要部例を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    センサ付き転がり軸受装置
２    転がり軸受装置
３    外輪（固定軌道輪）
４    内軸（回転軌道輪）
５    内輪（回転軌道輪）
６、７    転動体
１３ａ〜１３ｄ    圧電素子（アキシャル荷重検出用）
１４ａ〜１４ｄ    圧電素子（ラジアル荷重検出用）
Ｓ    センサ装置
【図１】
2006145435.tif 000003
【図２】
2006145435.tif 000004