(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装置を提供する。【解決手段】  センサ装置2は、固定側軌道部材3の周方向に所定間隔を置いた少なくとも２カ所に設けられかつ転動体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Sti,Sto,Sbi,Sboと、各超音波センサSti,Sto,Sbi,Sboの出力から転がり軸受1に作用する荷重の３方向成分のうち少なくとも上下方向成分および左右方向成分を求める処理手段とを備えている。【選択図】    図１
2006177932.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装置において、
センサ装置は、固定側軌道部材の周方向に所定間隔を置いた少なくとも２カ所に設けられかつ転動体荷重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の３方向成分のうち少なくとも上下方向成分および左右方向成分を求める処理手段とを備えていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項２】
超音波センサは、外周におねじ部が形成された筒状のケースおよびケース内に配置された振動子を有しており、固定側軌道部材に設けられた有底のめねじ部に、ケースのおねじ部がねじ込まれることで、ケース先端に所定の予荷重が設定されている請求項１のセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項３】
超音波センサは、固定側軌道部材に取り付けるためのフランジ部を有する筒状のケースおよびケース内に配置された振動子を有しており、固定側軌道部材に設けられた有底のめねじ部に、フランジ部に設けられたボルト挿通孔から挿通されたボルトがねじ込まれることで、ケース先端に所定の予荷重が設定されている請求項１のセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項４】
転がり軸受は、自動車用ハブユニットであり、転動体荷重からハブユニットに作用する荷重を求める式として、処理手段に下記式（１）が設けられていることを特徴とする請求項１のセンサ付き転がり軸受装置。
ｆ１＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ２＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ｆ３＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ４＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｘ−ｄＭｚ  ………  式（１）
ｆ５＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ６＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｘ−ｄＭｚ
ｆ７＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ８＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ただし、ａ：ハブユニットの予圧による転動体荷重、ｂ，ｃ，ｄ：外力に依存しない係数、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ：荷重の前後（ｘ軸）方向成分、左右（ｙ軸）方向成分および上下（ｚ軸）方向成分、Ｍｘ，Ｍｚ：ｘ軸、ｚ軸回りのモーメント、ｆ１〜ｆ８：各センサ位置での転動体荷重。
【請求項５】
センサの数が２つとされ、処理手段は、式（１）のうちの適宜な２つの式と下記式（２）とから転がり軸受に作用する荷重の上下方向成分および左右方向成分を求めるものである請求項４のセンサ付き転がり軸受装置。
Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ  ………  式（２）
ただし、ｒ：車輪転がり半径、ｅ：ｙ軸方向におけるＦｚの作用点とハブユニット中心のずれ。
【請求項６】
センサの数が４つとされ、処理手段は、式（１）のうちの適宜な４つの式、式（２）および下記式（３）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ものである請求項４のセンサ付き転がり軸受装置。
Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ  ………  式（３）
ただし、Ｍｙ：ｙ軸回りのモーメント。
【請求項７】
超音波センサで測定されたエコー比を用いて転がり軸受に作用する荷重が求められており、そのための式として、処理手段に下記式（４）〜式（６）が設けられていることを特徴とする請求項１のセンサ付き転がり軸受装置。
ｊ１＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ２＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｘ＋ｎＭｚ
ｊ３＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ４＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｘ−ｎＭｚ  ………  式（４）
ｊ５＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ６＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｘ−ｎＭｚ
ｊ７＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ８＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｘ＋ｎＭｚ
Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ  ………  式（５）
Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ  ………  式（６）
ただし、ｋ：ハブユニットの予圧によるエコー比、ｌ，ｍ，ｎ：外力に依存しない係数、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ：荷重の前後（ｘ軸）方向成分、左右（ｙ軸）方向成分および上下（ｚ軸）方向成分、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ：ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りのモーメント、ｊ１〜ｊ８：各センサ位置でのエコー比、ｒ：車輪転がり半径、ｅ：ｙ軸方向におけるＦｚの作用点とハブユニット中心のずれ。
【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装置に関する。
【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装置によると、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装置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装置は、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装置において、センサ装置は、固定側軌道部材の周方向に所定間隔を置いた少なくとも２カ所に設けられかつ転動体荷重（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の３方向成分のうち少なくとも上下方向成分および左右方向成分を求める処理手段とを備えていることを特徴とするものである。
【０００６】
超音波センサは、例えば、外周におねじ部が形成された筒状のケースおよびケース内に配置された振動子を有しており、固定側軌道部材に設けられた有底のめねじ部に、ケースのおねじ部がねじ込まれることで、ケース先端に所定の予荷重が設定されていることが好ましい。超音波センサで得られる反射エコーの強度は、センサの取付方、取付面の粗さ、接触媒質の相違、センサの押し付け力によって変化するので、おねじ部のねじ込み量を変化させることによって、所定箇所におけるエコー強度を所定値に設定することができ、これにより、荷重検出の精度を向上させることができる。超音波センサは、エコー強度を所定値に設定することができる種々の方法により取付け可能であり、例えば、超音波センサは、固定側軌道部材に取り付けるためのフランジ部を有する筒状のケースおよびケース内に配置された振動子を有しており、固定側軌道部材に設けられた有底のめねじ部に、フランジ部に設けられたボルト挿通孔から挿通されたボルトがねじ込まれることで、ケース先端に所定の予荷重が設定されているようにしてもよい。
【０００７】
超音波センサのケースのおねじ部の基端側部分に、ケースの回り止めのためのナット)がねじ合わされ、ナットと固定側軌道部材との間に、めねじ部への水の浸入を防止するＯリングが介在させられていることがより好ましい。このようにすると、自動車用ハブユニットのように、振動が大きくかつ外部からの水が浸入しやすい箇所に設置してもその性能を維持することができる。
【０００８】
転がり軸受が自動車用ハブユニットである場合に、転動体荷重から転がり軸受に作用する荷重を求める式として、処理手段に下記式（１）が設けられていることが好ましい。
【０００９】
ｆ１＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ２＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ｆ３＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ４＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｘ−ｄＭｚ  ………  式（１）
ｆ５＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ６＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｘ−ｄＭｚ
ｆ７＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ８＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ただし、ａ：ハブユニットの予圧による転動体荷重、ｂ，ｃ，ｄ：外力に依存しない係数、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ：荷重の前後（ｘ軸）方向成分、左右（ｙ軸）方向成分および上下（ｚ軸）方向成分、Ｍｘ，Ｍｚ：ｘ軸、ｚ軸回りのモーメント、ｆ１〜ｆ８：各センサでの転動体荷重。
【００１０】
転動体荷重とハブユニットに作用する外力との関係は、軸受計算理論に基づいて計算可能であり、転動体荷重とハブユニットに作用する外力との関係は、ほぼ線形関係を有している。上記式（１）は、この理論計算結果を基に多重解析を行うことにより、得られたものである。
【００１１】
なお、荷重の各軸方向の成分（３方向分力）および各軸回りのモーメント（３方向モーメント）を合わせたものを、以下では「６分力」と称す。
【００１２】
上記の式（１）の関係を利用することにより、荷重の６分力を精度よく求めることができる。センサの数および処理手段の構成については、センサの数の増加に伴うコスト増も考慮して種々の対応が可能である。特に、この発明のセンサ付き転がり軸受装置を自動車用ハブユニットに適用する場合は、車輪に関して成り立つ式を加えて、次のような処理手段の構成が可能である。
【００１３】
例えば、センサの数が２つとされ、処理手段は、式（１）のうちの適宜な２つの式と下記式（２）とから転がり軸受に作用する荷重の上下方向成分および左右方向成分を求めるものとされる。
【００１４】
Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ  ………  式（２）
ただし、ｒ：車輪転がり半径、ｅ：ｙ軸方向におけるＦｚの作用点とハブユニット中心のずれ。
【００１５】
また、センサの数が４つとされ、処理手段は、式（１）のうちの適宜な４つの式、式（２）および下記式（３）から転がり軸受に作用する６分力を求めるものとされる。
【００１６】
Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ  ………  式（３）
ただし、Ｍｙ：ｙ軸回りのモーメント。
【００１７】
なお、上記式（１）は、転動体荷重とハブユニットに作用する外力との関係を示す式であるので、転動体荷重と超音波センサで得られるエコー比との関係とを求めることにより、ハブユニットに作用する外力とエコー比との関係を求めるようになっている。すなわち、２つの相関関係を求める必要があり、誤差が大きくなる可能性がある。そこで、これに代えて、超音波センサで測定されたエコー比を用いて転がり軸受に作用する荷重が求められており、そのための式として、処理手段に下記式（４）〜式（６）が設けられているようにしてもよい。
【００１８】
ｊ１＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ２＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｘ＋ｎＭｚ
ｊ３＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ４＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｘ−ｎＭｚ  ………  式（４）
ｊ５＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ６＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｘ−ｎＭｚ
ｊ７＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ８＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｘ＋ｎＭｚ
Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ  ………  式（５）
Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ  ………  式（６）
ただし、ｋ：ハブユニットの予圧によるエコー比、ｌ，ｍ，ｎ：外力に依存しない係数、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ：荷重の前後（ｘ軸）方向成分、左右（ｙ軸）方向成分および上下（ｚ軸）方向成分、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ：ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りのモーメント、ｊ１〜ｊ８：各センサ位置でのエコー比、ｒ：車輪転がり半径、ｅ：ｙ軸方向におけるＦｚの作用点とハブユニット中心のずれ。
【発明の効果】
【００１９】
この発明のセンサ転がり軸受装置によると、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】
【００２０】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００２１】
図１から図３までは、この発明のセンサ付き転がり軸受装置の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。
【００２２】
このセンサ付き転がり軸受装置は、自動車用のセンサ付きハブユニットとして使用されるもので、自動車用ハブユニット(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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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７参照）とを備えている。
【００２７】
超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、図１に示されている固定側軌道部材(3)の最上部＝頂部(Sti)(Sto)（図２にＡで示す位置）および固定側軌道部材(3)の最下部＝底部(Sbi)(Sbo)（図２にＤで示す位置）のほかに、固定側軌道部材(3)の上下の中間部の後側＝後部（図２にＢで示す位置）および固定側軌道部材(3)の上下の中間部の前側＝前部（図２にＣで示す位置）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、これに限定されるものではない。
【００２８】
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、図４に示すような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。
【００２９】
エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０
Ｈ０：転動体が超音波センサから半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、転動体荷重と図６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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、図３に示すように（頂部内側のものを図示）、外周におねじ部(51a)が形成された筒状のケース(51)およびケース(51)内に配置された振動子(52)を有しており、玉(5)と固定側軌道部材(3)の軌道溝(3a)との接触面に直角の方向から臨まされている。固定側軌道部材(3)には有底のめねじ部(3b)が設けられており、ケース(51)のおねじ部(51a)のねじ込み量が調整可能とされている。ケース(51)の先端面とめねじ部(3b)の底面と間には、超音波センサ(Sti)先端部を保護するためのゴム製クッションシート(53)が介在させられている。ケース(51)のおねじ部(51a)の基端側部分には、ケース(51)の回り止めのためのナット(54)がねじ合わされている。ナット(54)と固定側軌道部材(3)との間には、めねじ部(3b)への水の浸入を防止するＯリング(55)が介在させられている。
【００３４】
超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)で得られるエコーの強度（エコー振幅）は、センサの取付方、取付面の粗さ、接触媒質の相違により大きく変化する。図５は、取付面粗さとエコー振幅との関係を示しており、このグラフから、取付面が粗くなると、エコー振幅が小さくなることが分かる。また、エコーの強度は、センサの押し付け力によっても変化する。このため、エコー比と転動体荷重との関係が超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)ごとにばらつき、タイヤ接地荷重検出の精度が低下する可能性がある。
【００３５】
図３に示した超音波センサ(Sti)によると、ケース(31)のおねじ部(31a)のねじ込み量を変化させることによって、センサ(Sti)の押し付け力を変化させることが可能であり、したがって、図４に示すエコー波形を見ながら、ねじ込み量を微調整することによって、エコー強度Ｈ０を変化させ所定値に設定することができる。これにより、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)ごとのエコー比と転動体荷重との関係のばらつきが抑えられ、タイヤ接地荷重検出の精度を向上させることができる。
【００３６】
なお、上記において、センサの数が計８つとされているが、センサの数はこれに限定されるものではない。センサの数が多いと、これに伴ってコストが増加するので、センサの数を少なくして、できるだけ有用なデータを得ることの考慮も必要である。以下に、少ない数のセンサを使用した荷重検出方法（２つのセンサで２方向の荷重成分を得る場合と４つのセンサで３方向の荷重成分を得る場合）を示す（図７参照）。
【００３７】
まず、軸受計算理論に基づいて計算した負荷時の転動体荷重とハブユニットに作用する外力（荷重およびモーメント）の関係は、次式で表せる。
【００３８】
ｆ１＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ２＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ｆ３＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ４＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｘ−ｄＭｚ  ………  式（１）
ｆ５＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ６＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｘ−ｄＭｚ
ｆ７＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ８＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ただし、ａ：ハブユニットの予圧による転動体荷重、ｂ，ｃ，ｄ：外力に依存しない係数、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ：荷重の前後（ｘ軸）方向成分、左右（ｙ軸）方向成分および上下（ｚ軸）方向成分、Ｍｘ，Ｍｚ：ｘ軸、ｚ軸回りのモーメント、ｆ１〜ｆ８：超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の出力から得られる転動体荷重であり、ｆ１は、頂部内側のセンサ(Sti)の出力によるもの、ｆ２は、後部内側のセンサの出力によるもの、ｆ３は、底部内側のセンサ(Sbi)の出力によるもの、ｆ４は、前部内側のセンサの出力によるもの、ｆ５は、頂部外側のセンサ(Sto)の出力によるもの、ｆ６は、後部外側のセンサの出力によるもの、ｆ７は、底部外側のセンサ(Sbo)の出力によるもの、ｆ８は、前部外側のセンサの出力によるもの。
【００３９】
式（１）の関係を用いることは、従来全く知られておらず、この関係を利用することで、転動体荷重から転がり軸受に作用する外力を簡易に求めることができる。
【００４０】
一方、車輪（タイヤ）の場合は、次式が成立する。
【００４１】
Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ  ………  式（２）
ただし、ｒ：車輪転がり半径、ｅ：ｙ軸方向におけるＦｚの作用点とハブユニット中心のずれ。
【００４２】
Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ  ………  式（３）
ただし、Ｍｙ：ｙ軸回りのモーメント。
【００４３】
上記式から分かるように、式（１）のｆ１およびｆ３と式（２）を用いれば、左右方向成分Ｆｙおよび上下方向成分Ｆｚを求めることができる。すなわち、ｆ１＋ｆ３とすることにより、Ｆｙが求まり、ｆ１−ｆ３とすることにより、ＦｚとＭｘとが含まれる一次式が得られ、式（２）のうちのＦｙが求まっているので、Ｆｙを代入することで、式（２）もＦｚとＭｘとが含まれる一次式となり、これら２つの一次式を連立させることで、ＦｚとＭｘとが求まる。
【００４４】
こうして、２つのセンサで、車輪に作用する荷重の上下方向成分および左右方向成分（付随的にｘ軸回りのモーメントも）を求めることができる。車輪に作用する荷重の上下方向成分および左右方向成分は、車両のコーナリング状態を知る上で重要な要素であり、これらを少ない数のセンサ（計２つのセンサ）で求めることで、コストパフォーマンスに優れたセンサ付き転がり軸受装置を得ることができる。
【００４５】
なお、上記においては、ｆ１とｆ３とを用いたが、この組合せ以外のもの（例えばｆ１とｆ５など）を使用することも可能である。
【００４６】
また、ｆ１＋ｆ７とすることにより、Ｍｘを求め、ｆ１−ｆ７とすることにより、ＦｙおよびＦｚの一次式を求め、これらと式（３）とを組み合わせることにより、Ｍｘ，ＦｙおよびＦｚを求めることができる。そして、ｆ２−ｆ８とすることにより、ＦｙおよびＦｘの一次式が求まるので、この一次式に既に求まっているＦｙを代入することにより、残るＦｘを求めることができる。Ｆｘが求まればＭｘも求まる。また、ｆ２＋ｆ８とすることで、Ｍｚを求めることができる。
【００４７】
こうして、４つのセンサで、車輪に作用する６分力全てを求めることができ、コストパフォーマンスに優れたセンサ付き転がり軸受装置を得ることができる。
【００４８】
なお、上記においては、ｆ１，ｆ２，ｆ７およびｆ８を用いたが、この組合せ以外のもの（例えば、ｆ１，ｆ２，ｆ３およびｆ６）を使用することも可能である。
【００４９】
上記（１）から（３）までの式は、ハブユニットに作用する外力とエコー比との関係を求めるに際して、転動体荷重と外力との相関関係および転動体荷重とエコー比との相関関係を使用して２段階で求めていることになり、誤差が大きくなるおそれがある。
【００５０】
そこで、エコー比とハブユニットに作用する外力との関係を直接求めておくことが好ましい。この関係は、ｋをハブユニットの予圧によるエコー比とし、ｌ、ｍ、ｎを外力に依存しない係数とし、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚは、それぞれ、荷重の前後（ｘ軸）方向成分、左右（ｙ軸）方向成分および上下（ｚ軸）方向成分とし、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚは、それぞれ、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りのモーメントとし、ｊ１〜ｊ８は、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の出力から得られるエコー比（ｊ１は、頂部内側のセンサ(Sti)の出力によるもの、ｊ２は、後部内側のセンサの出力によるもの、ｊ３は、底部内側のセンサ(Sbi)の出力によるもの、ｊ４は、前部内側のセンサの出力によるもの、ｊ５は、頂部外側のセンサ(Sto)の出力によるもの、ｊ６は、後部外側のセンサの出力によるもの、ｊ７は、底部外側のセンサ(Sbo)の出力によるもの、ｊ８は、前部外側のセンサの出力によるもの）として、次のようになる。
【００５１】
ｊ１＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ２＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｘ＋ｎＭｚ
ｊ３＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ４＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｘ−ｎＭｚ  ………  式（４）
ｊ５＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ６＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｘ−ｎＭｚ
ｊ７＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ８＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｘ＋ｎＭｚ
上記式を用いた６分力の演算方法を以下に説明する。６分力を求めるに際しては、上記関係に加えて、車輪（タイヤ）の場合に、次式が成立することを利用する。
【００５２】
Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ  ………  式（５）
Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ  ………  式（６）
ここで、ｒ：車輪転がり半径、ｅ：ｙ軸方向におけるＦｚの作用点とハブユニット中心のずれ
これらの２つの式を使用することで、ｊ１〜ｊ８の式のうちの４式を使えば、６分力を求めることができる。１例として、ｊ１，ｊ２，ｊ３およびｊ６を使用した場合、次のようにして６分力が求められる。
【００５３】
ステップ１：左右方向成分Ｆｙを求める。式（４）から適宜な２つの式（ここでは、ｊ１とｊ３）を選択し、２つの式の加算または減算（ここでは、加算）により、ＦｚおよびＭｘを消去することにより求める。Ｆｙは次式で求められる。
【００５４】
Ｆｙ＝（ｊ１＋ｊ３−２ｋ）／２ｌ
ステップ２：上下方向成分Ｆｚを求める。式（４）のうちの２つの式からＦｙを消去して得られるＦｚとＭｘとの１次式と、式（５）にＦｙを代入して得られるＦｚとＭｘとの１次式とから、Ｆｚを求める。Ｆｚは次式で求められる。
【００５５】
Ｆｚ＝｛（ｌ−ｎｒ）ｊ１−（ｌ＋ｎｒ）ｊ３＋２ｋｎｒ｝／２ｌ（ｍ＋ｎｅ）
ステップ３：ｘ軸回りのモーメント（進行方向回りのモーメント）Ｍｘを求める。ステップ１で得られたＦｙおよびステップ２で得られたＦｚを使用して、Ｍｘを求める。Ｍｘは次式で求められる。
【００５６】
Ｍｘ＝ｒＦｙ＋ｅＦｚ
ステップ４：前後方向成分Ｆｘを求める。式（４）から適宜な２つの式（ここでは、ｊ２とｊ６）を選択し、２つの式の加算または減算（ここでは、加算）により、ＦｘおよびＭｚを消去することにより求める。Ｆｘは次式で求められる。
【００５７】
Ｆｘ＝｛ｊ２＋ｊ６−２ｋ｝／２ｍ
ステップ５：ｙ軸回りのモーメント（車輪回転トルク）Ｍｙを求める。ステップ４で得られたＦｘを使用して、Ｍｙを求める。Ｍｙは次式で求められる。
【００５８】
Ｍｙ＝ｒＦｘ
ステップ６：ｚ軸（垂直方向）回りのモーメントＭｚを求める。式（４）から適宜な２つの式（ここでは、ｊ１とｊ３）を選択し、２つの式の加算または減算（ここでは、減算）により、Ｆｙを消去し、ＦｘとＭｚの１次式を求めるとともに、式（４）から適宜な２つの式（ここでは、ｊ２とｊ６）を選択し、２つの式の加算または減算（ここでは、減算）により、Ｆｙを消去し、ＦｘとＭｚの１次式を求める。２つの１次式からＦｘを消去することでＭｚが求まる。Ｍｚは次式で求められる。
【００５９】
Ｍｚ＝｛−ｊ１＋ｊ２−ｊ３−ｊ６＋２ｋ｝／２ｎ
なお、図３に示す超音波センサの取付け構造は、一例であり、これに限定されるものではなく、図８に示すようなものとすることもできる。図８において、超音波センサ(Sti)は、固定側軌道部材(3)に取り付けるためのフランジ部(61a)が設けられた筒状のケース(61)およびケース(61)内に配置された振動子(62)を有しており、固定側軌道部材(3)のフランジ部(61a)が当てられる部分に、複数個のめねじ部(3c)が設けられており、フランジ部(61a)に設けられたボルト挿通孔から挿通されたボルト(63)がこのめねじ部(3c)にねじ合わされることにより、ケース先端に所定の予荷重が設定されて、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)が固定側軌道部材(3)に取り付けられている。
【００６０】
また、図９および図１０に示すように、ハブユニットの構成を変更して、センサ設置に伴う強度低下をなくすようにすることができる。
【００６１】
図９および図１０において、センサ付き転がり軸受装置は、自動車用ハブユニット(21)およびセンサ装置(22)からなる。
【００６２】
ハブユニット(21)は、車体側に固定される固定側軌道部材(23)、車輪が取り付けられる回転側軌道部材(24)、両部材(23)(24)の間に２列に配置された複数の転動体（玉）(25)、および各列の転動体(25)をそれぞれ保持する保持器(26)を備えている。
【００６３】
固定側軌道部材(23)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(31)と、円筒部(31)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(32)とを有している。
【００６４】
回転側軌道部材(24)は、第１の軌道溝(34a)を有する大径部(34)および第１の軌道溝(34a)の径よりも小さい外径を有する小径部(35)を有している内軸(33)と、内軸(33)の小径部(35)外径に嵌め止められて右面が内軸(33)の大径部(34)左面に密接させられている内輪(36)とからなる。内軸(33)の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト(38)が固定されたフランジ部(37)が設けられている。内輪(36)の右部には、内軸(33)の軌道溝(34a)と並列するように、軌道溝(36a)が形成されている。固定側軌道部材(23)の右端部と内軸(33)との間には、シール装置(39)が設けられている。内軸(33)の小径部(35)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(40)によって、内輪(36)が内軸(33)に固定されている。固定側軌道部材(23)の左端部には、カバー(41)が被せ止められている。内輪と内軸の固定方法としては、図示しないが、内軸の端部を塑性変形させて、かしめ止めしてもよい。
【００６５】
センサ装置(22)は、固定側軌道部材(23)と内列の転動体(25)との間に作用する力（転動体荷重）を検出する多振動子超音波センサ(Sti)(Sbi)と、外列の転動体(25)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)(Sbi)(Sto)(Sbo)の出力を処理する処理手段（図７参照）とを備えている。
【００６６】
超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、図９に示されている固定側軌道部材(23)の最上部＝頂部(Sti)(Sto)（図２にＡで示す位置）および固定側軌道部材(23)の最下部＝底部(Sbi)(Sbo)（図２にＤで示す位置）のほかに、固定側軌道部材(23)の上下の中間部の後側＝後部（図２にＢで示す位置）および固定側軌道部材(23)の上下の中間部の前側＝前部（図２にＣで示す位置）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、これに限定されるものではない。
【００６７】
固定側軌道部材(23)には、断面が二等辺直角三角形状のセンサ設置用突出部(42)がその直角部分が突出部(42)先端に来るように設けられている。そして、この突出部(42)の直角部分を挟む二面に超音波センサ(Sti)(Sto)がそれぞれ取り付けられている。この取付け構造は、図３に拡大して示したものと同じであるので、図３と同じ構成に同じ符号を付してその説明は省略する。図３と同じ構成に代えて、図８の構成としたり、その他の構成としてもよいことはもちろんである。この実施形態によると、突出部(42)により、センサ設置箇所が補強されるため、センサ設置に伴う強度低下が防止される。突出部(42)は、センサ設置位置（固定側軌道部材(23)の最上部、最下部および上下の中間部）にだけ設けられてもよく、周方向に連続するように（断面形状が一定に限られるものではない）設けられてもよい。
【００６８】
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】
【００６９】
【図１】図１は、この発明によるセンサ付き転がり軸受装置の第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図２は、同側面図である。
【図３】図３は、超音波センサの取付け構造を示す図１の要部の拡大縦断面図である。
【図４】図４は、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。
【図５】図５は、超音波センサで得られるエコー振幅と取付面粗さとの関係を示すグラフである。
【図６】図６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７】図７は、この発明によるセンサ付き転がり軸受装置の処理手段を示すブロック図である。
【図８】図８は、超音波センサの取付け構造の他の実施形態を示す図３に相当する拡大縦断面図である。
【図９】図９は、この発明によるセンサ付き転がり軸受装置の第２実施形態を示す縦断面図である。
【図１０】図１０は、超音波センサの取付け構造を示す図９の要部の拡大縦断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
(1)      転がり軸受
(2)      センサ装置
(3)      固定側軌道部材
(3b)     めねじ部
(3c)     めねじ部
(4)      回転側軌道部材
(5)      玉（転動体）
(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)     超音波センサ
(22)     センサ装置
(23)     固定側軌道部材
(31)     ケース
(31a)    おねじ部
(32)     振動子
(61)     ケース
(61a)    フランジ部
(62)     振動子
(63)     ボルト
【図１】
2006177932.tif 000003
【図２】
2006177932.tif 000004
【図３】
2006177932.tif 000005
【図４】
2006177932.tif 000006
【図５】
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【図６】
2006177932.tif 000008
【図７】
2006177932.tif 000009
【図８】
2006177932.tif 000010
【図９】
2006177932.tif 000011
【図１０】
2006177932.tif 000012