(57)【要約】【課題】測定精度が極めて高く、直交する３軸方向の荷重の検知を行うことが可能で、しかも、荷重センサの組み付けが容易となる車輪用軸受装置を提供する。【解決手段】固定側となる外輪部材２０に凹穴８が形成され、この凹穴８内にセンサユニットＵが設けられる。センサユニットＵは、軸心に対して互いに異なる方向に傾斜するよう配設されると共に外輪部材２０に作用する荷重を検知する２つの荷重センサ９，１０を有している。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定側となる外輪部材に凹穴が形成され、軸心に対して互いに異なる方向に傾斜するよう配設されると共に前記外輪部材に作用する荷重を検知する２つの圧電素子からなる荷重センサを有するセンサユニットが、当該凹穴内に設けられたことを特徴とする車輪用軸受装置。
【請求項２】
前記凹穴は、前記外輪部材に、軸心を中心として互いに９０°ずつ離れて４箇所に形成され、各々の凹穴内に前記センサユニットが配設された請求項１に記載の車輪用軸受装置。
【請求項３】
前記センサユニットは、前記凹穴内に配設されると共に前記２つの荷重センサを互いに対向する凸面と凹面とで挟んで保持する凸状ブロックと凹状ブロックとを有し、当該荷重センサが前記外輪部材に作用する荷重を当該凸状ブロックと当該凹状ブロックとを介して検知するよう構成された請求項１または２に記載の車輪用軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、作用する荷重の測定を行うことのできる車輪用軸受装置（以下、単に軸受装置ともいう）に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の走行や制動等の制御を行うために種々の情報が必要とされており、そのような情報を得るために、車輪用の軸受装置にセンサを設けることが提案されている。軸受装置は、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材と、車体側に固定される車体側軌道部材と、これら両軌道部材の間に配設される転動体とを有しており、例えば、特許文献１に示すように、車輪側軌道部材のフランジ部に歪みゲージを貼り付けて軸受装置に作用する荷重の情報を取得するものがある。
【特許文献１】特開２００３−２４６２０１号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に記載されている構成は、回転する車輪側軌道部材に歪みゲージが設けられているので、作用する荷重の方向を正確に検知することができないという問題点を有している。また、歪みゲージが車輪側軌道部材に貼り付けられているのみであるため、車輪側軌道部材における微小な歪みやその変化が現れにくく、感知が困難であり、さらに、周囲の温度変化（温度上昇）の影響を受けやすく、精度の高い測定ができないという問題点を有している。また、従来においては、車体側軌道部材（外輪）の軸心と車輪側軌道部材（内輪）の軸心とが傾く（ねじり）方向の荷重（Ｙ軸方向の荷重：旋廻力）を検知できるものがなかった。
【０００４】
この発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、小さな荷重変化に対しても測定精度が極めて高く、直交する３軸方向の荷重の検知を行うことが可能となり、しかも、センサの組み付けが容易である車輪用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】
【０００５】
前記目的を達成するためのこの発明の車輪用軸受装置は、固定側となる外輪部材に凹穴が形成され、軸心に対して互いに異なる方向に傾斜するよう配設されると共に前記外輪部材に作用する荷重を検知する２つの圧電素子からなる荷重センサを有するセンサユニットが、当該凹穴内に設けられたことを特徴としている。このような構成の軸受装置によれば、荷重センサの外輪部材への組み付けが容易となり、製作工数の低減が可能となる。また、軸心に対して互いに異なる方向に傾斜する２つの荷重センサによるため、相互の出力結果により、軸心方向（Ｙ軸方向）の荷重と、それに直交する方向の荷重とを検知することができる。さらに、圧電素子からなる荷重センサによるため、微小な荷重やその変化を精度良く検知することができ、また、温度特性がよいため、測定精度を高めることができる。
【０００６】
また、前記凹穴は、前記外輪部材に、軸心を中心として互いに９０°ずつ離れて４箇所に形成され、各々の凹穴内に前記センサユニットが配設されるのが好ましい。この構成によれば、軸心方向となるＹ軸方向（左右方向）と、Ｙ軸に直交するＸ軸方向（前後方向）およびＺ軸方向（上下方向）の荷重を検知することができる。したがって、軸受装置に作用する荷重の正確な解析が行える。
【０００７】
また、前記センサユニットは、前記凹穴内に配設されると共に前記２つの荷重センサを互いに対向する凸面と凹面とで挟んで保持する凸状ブロックと凹状ブロックとを有し、当該荷重センサが前記外輪部材に作用する荷重を当該凸状ブロックと当該凹状ブロックとを介して検知するよう構成されるのが好ましい。この構成によれば、外輪部材に凹穴を形成し、この凹穴内に予め作製しておいて凸状ブロックおよび凹状ブロックを配設するだけでよいので、センサユニットの外輪部材への組み付けが容易になると共に、荷重を適切にセンサに作用させることができ、精度の高い解析が行える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の車輪用軸受装置によれば、直交する３軸方向の荷重の検知を行うことが可能となる。２つの荷重センサが１つのユニットとして構成され、車体側軌道部材側に組み込まれるため、荷重センサの組み付けが容易となる。さらに、圧電素子からなる荷重センサを用いるため測定精度を高めることができ、自動車の走行や制動等の制御を行うのに十分な情報を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態について添付図面を参照しながら詳述する。
図１はこの発明の一実施の形態に係る軸受装置を示す縦断面図である。この軸受装置は、車体（図示せず）側と固定される車体側軌道部材１と、車輪（図示せず）が取り付けられる車輪側軌道部材２と、これら軌道部材１，２の間に配設される２列の転動体３とを備えている。なお、軸受装置は、図示する形態に限らずこの発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。
【００１０】
車輪側軌道部材２は、図示しない車輪（ホイール）が取り付けられる軸状のハブ４と、ハブ４の一端部側外周面に嵌合させた内輪部材１６とを有している。ハブ４は、他端部側に径方向外方のフランジ部１１が形成されており、このフランジ部１１には車輪を取り付けるためのボルト７が取り付けられている。ハブ４の外周面には第１の内輪軌道２４ａが形成され、また、ハブ４に嵌合させた前記内輪部材１６に第２の内輪軌道２４ｂが形成され、これらをもって２列の内輪軌道２４が構成されている。
【００１１】
車体側軌道部材１は、軸受の外輪を構成する外輪部材２０を有し、この外輪部材２０は、内周面に外輪軌道２３が形成される筒部２２と、この筒部２２の外周面に形成され固定側部材（図示せず）と固定される径方向外向きのフランジ部２１とを有している。つまり、外輪部材２０が軸受装置において固定側となる。筒部２２の内周面には、第１の内輪軌道２４ａおよび第２の内輪軌道２４ｂの夫々に対応するよう第１の外輪軌道２３ａと第２の外輪軌道２３ｂが２列で形成されている。前記フランジ部２１は、第１の外輪軌道２３ａと第２の外輪軌道２３ｂとの間の軸方向中間位置に対応する筒部２２の外周面側に設けられているため、後述する荷重センサ９，１０により、ねじり方向（Ｙ軸方向）において正負どちら向きの荷重が作用しても、同程度の精度で検出することができ、検出精度を高めることができる。
【００１２】
図２は、図１に示される軸受装置の要部縦断面図であり、図３はその正面図である。図２〜３に示されるように、外輪部材２０には凹穴８が形成され、凹穴８内に、外輪部材２０に作用する荷重を検知するための２つの荷重センサ９，１０を有するセンサユニットＵが設けられている。凹穴８は、外輪部材２０のフランジ部２１に、軸心（Ｙ軸）を中心として互いに９０°ずつ離れて４箇所に、しかも、同心円上に形成され、各々の凹穴８内にセンサユニットＵが配設されている。さらに説明すると、凹穴８（センサユニットＵ）は、Ｚ軸方向の鉛直線上に２ヵ所と、Ｘ軸方向の水平線上に２ヵ所設けられている。
【００１３】
ここで、軸心となるＹ軸と、Ｙ軸に直交するＸ軸およびＺ軸について述べると、車輪用軸受装置の場合、軸受装置の軸心方向であるＹ軸方向は左右（左右水平）方向となり、Ｘ軸方向が前後（前後水平）方向となり、Ｚ軸方向が上下方向（鉛直方向）となる。
【００１４】
凹穴８は、軸心（Ｙ軸）に直交するフランジ部２１の鉛直面から軸心に平行な方向に向かって形成され、鉛直面状の底壁面８ａを有する穴である。つまり、フランジ部２１において、図示しない車体側の部材との当接面に凹穴８の開口部が形成される。さらに、凹穴８の形状（断面形状）は図３に示されるように矩形とされている。
【００１５】
１つのセンサユニットＵにおける２つの荷重センサ９，１０は、図２に示されるように、軸心（Ｙ軸）に対して互いに異なる方向に傾斜するよう配設されたものであり、荷重センサ９，１０としては、圧電素子（ピエゾ抵抗素子）を用いることができる。これにより、微小な荷重やその変化を精度良く検知することができ、また、温度特性がよいため、測定精度を高めることができる。さらに、センサユニットＵは、凹穴８内に配設される凸状ブロック１３と凹状ブロック１４とを有し、これらブロック１３，１４の互いに対向する凸面および凹面により、２つの荷重センサ９，１０を挟んだ状態で保持し、一体のセンサユニットＵを構成している。そして、この一対の荷重センサ９，１０が、外輪部材２０に作用する荷重を、凸状ブロック１３と凹状ブロック１４とを介して検知するよう構成されている。凸状ブロック１３と凹状ブロック１４とは、例えば、金属製とすることができる。
【００１６】
また、図４のセンサユニットＵ部の断面図に示されるように、１つのセンサユニットＵにおいて、２つの荷重センサ９，１０はセンサユニットＵの中心線ｃに対して対称となるよう設けられる。さらに、各センサの測定精度を均質化するために、第１の荷重センサ９の受圧面と第２の荷重センサ１０の受圧面との相対角度差は９０°とされ、かつ、荷重センサ９（１０）の受圧面の、軸受装置軸心（または中心線ｃ）に対する傾斜角度は４５°（１３５°）とされるのが好ましい。また、図３に示されるように、１つのセンサユニットＵにおける２つの荷重センサ９，１０は、軸心を中心とした同一放射線上に配設されている。つまり、１つのセンサユニットＵにおける２つの荷重センサ９，１０は、Ｘ軸方向の同一直線上、Ｚ軸方向の同一直線上に夫々配設されている。
【００１７】
センサユニットＵをさらに説明すると、図４において、凸状ブロック１３は、一面側が凹穴８の底壁面８ａに当接する平面とされ、他面側に、互いに異なる傾斜角度を有する（直交する）一対の傾斜面１３ａ，１３ｂを有している。そして、凹状ブロック１４は、その側周面（４面）が凹穴８の内周面（４面）に密着して嵌合するよう設定され、凸状ブロック１３の他面側との対向面に凹溝１５が形成される。凹溝１５は凸状ブロック１３の前記傾斜面１３ａ，１３ｂに夫々平行でかつ対面状となる一対の傾斜面１４ａ，１４ｂを有している。そして、平行で対向する凸状ブロック１３の傾斜面１３ａと凹状ブロック１４の傾斜面１４ａとの間に一方（第１）の荷重センサ９が挟まれ、平行に対向する凸状ブロック１３の傾斜面１３ｂと凹状ブロック１４の傾斜面１４ｂとの間に他方（第２）の荷重センサ１０が挟まれ、センサユニットＵが構成される。
【００１８】
凹状ブロック１４は、その側周面が凹穴８の内周面へ密着するよう、かつ、一対の荷重センサ９，１０を挟んで凸状ブロック１３を凹穴８の底壁面８ａへ押圧させるよう凹穴８内へ嵌め込まれ、凹状ブロック１４と凸状ブロック１３との間の荷重センサ９，１０は、圧縮されて初期圧が負荷された状態で組み付けられている。これにより、荷重センサ９，１０は、センサの受圧面において正負両方向の荷重（絶対値）を検知することが可能となる。
【００１９】
次に、軸受装置の各軸方向に荷重が作用した場合のセンサユニットＵにおける荷重の検知手段について説明する。図５は、Ｘ軸方向に荷重が作用した場合を示す断面説明図であり、矢印ｅの方向に荷重が作用するとＸ軸方向に設けられたセンサユニットＵ１とセンサユニットＵ２との夫々で、２つの荷重センサ９，１０において、同じＸ軸方向向きで同じ大きさの成分と相互反対向きで同じ大きさのＹ軸方向の成分とが合成された出力が、夫々得られる。そして、この一組の荷重センサ９，１０の出力を各軸成分ごとに加算することで、外輪部材２０に作用するＸＹＺ軸方向の荷重を夫々検知することができる。つまり、図５の場合、一つのセンサユニットＵ１（およびＵ２）において、荷重センサ９，１０の出力を各軸成分ごとに加算演算すると、Ｙ軸方向の成分は相殺されて０となり、Ｘ軸方向の成分のみが２倍となって得られ、Ｘ軸方向の荷重が軸受装置に作用したことがわかる。
【００２０】
図６は、Ｚ軸方向に荷重（矢印：ｆ方向）が作用した場合を示す断面説明図であり、Ｚ軸方向に設けられたセンサユニットＵ３とセンサユニットＵ４との夫々において、同じＺ軸方向向きで同じ大きさの成分と相互反対向きで同じ大きさのＹ軸方向の成分とが合成された出力が、荷重センサ９，１０にて夫々得られる。そして、各センサユニットＵ３（Ｕ４）において、各軸成分ごとに加算することにより、Ｚ軸方向の荷重が軸受装置に作用した結果が得られる。
【００２１】
図７は、Ｙ軸方向に荷重（矢印：ｇ方向）が作用した場合を示す断面説明図であり、軸受装置の車体側軌道部材（外輪部材２０）をＸ軸廻りに回転させる荷重が作用した状態を示す。Ｚ軸方向に設けられたセンサユニットＵ３とセンサユニットＵ４との夫々において、同じＹ軸方向向きで同じ大きさの成分と相互反対向きで同じ大きさのＺ軸方向の成分とが合成された出力が、各荷重センサ９，１０にて夫々得られる。そして、各センサユニットＵ３（Ｕ４）において、各軸成分ごとに加算することにより、Ｙ軸方向向きで正方向の荷重が軸受装置に作用した結果が得られる。
【００２２】
また、図８は、図７の場合と反対向きのＹ軸方向の荷重（矢印：−ｇ）が作用した状態であり、この場合は、図７と反対向きの出力結果が得られ、Ｙ軸方向向きで負方向の荷重が軸受装置に作用した結果が得られる。なお、これらは、１軸方向のみに荷重が作用した場合を説明したが、２軸方向および３軸方向の合成荷重が作用した場合においても、これら１軸方向の荷重が作用した場合の演算の組み合わせにより、３軸方向の荷重を夫々検知することができる。なお、前記加算や組み合わせ演算は、各センサユニットＵと接続させた演算器（図示せず）により行われ、各センサからの電圧変換された信号を処理して各軸方向の荷重を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明の一実施の形態に係る軸受装置を示す縦断面図である。
【図２】図１に示される軸受装置の外輪部材の縦断面図である。
【図３】図２に示される外輪部材の正面図である。
【図４】センサユニット部の断面図である。
【図５】Ｘ軸方向の荷重が作用する場合を示す外輪部材の断面説明図である。
【図６】Ｚ軸方向の荷重が作用する場合を示す外輪部材の断面説明図である。
【図７】Ｙ軸方向の正荷重が作用する場合を示す外輪部材の断面説明図である。
【図８】Ｙ軸方向の負荷重が作用する場合を示す外輪部材の断面説明図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  車体側軌道部材
２  車輪側軌道部材
３  転動体
８  凹穴
９  荷重センサ
１０  荷重センサ
１３  凸状ブロック
１４  凹状ブロック
２０  外輪部材
Ｕ  センサユニット
【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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【図８】
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