(57)【要約】  センサ装置一体型軸受アセンブリ（１）は、軸（４１）と結合するための孔（４０）を規定するハブ（４）と、ハウジング（２）と、ハブ（４）とハウジング（２）との間に配置されこれらの間で回転運動を可能としハウジング（２）内においてハブ（４）を軸及び径方向に制約する少なくとも１列の転動体（８）とを備える。また、軸受アセンブリは、ハブ（４）に取り付けられ軸（４１）に加わる力を測定するための少なくとも一つの歪センサ素子（９０）を備える。歪センサ素子（９０）から信号を受信するために、歪センサ素子（９０）は電力源（８９）及びプロセッサ（９１）に電気接続される。
2008540962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸と結合するための孔を規定するハブと、
前記ハブと結合された第１内輪と、
前記第１内輪と逆向きに傾いて前記ハブと結合された第２内輪と、
ハウジングと、
前記ハウジングと前記ハブとの間の回転運動を可能とし、かつ前記ハウジング内において前記ハブ及び内輪を軸及び径方向に制約するように前記内輪と前記ハウジングの間に配置された少なくとも２列の転動体と、
前記ハブに取り付けられ前記軸に加わる力を測定するための少なくとも一つの歪センサ素子とを備え、
前記歪センサ素子が前記歪センサ素子に電力を配電する電力源と、前記歪センサ素子から信号を受信するプロセッサとに機能的に接続される、
センサ装置一体型軸受アセンブリ。
【請求項２】
前記第１内輪を前記第２内輪から隔てるスペーサをさらに備え、
前記スペーサが前記ハブと前記少なくとも一つの歪センサとの間に配置され、これらの間で力を結合することを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置一体型軸受アセンブリ。
【請求項３】
前記第１内輪は、前記第２内輪と並べられた延長リブを有し、
前記延長リブが前記ハブと前記少なくとも一つの歪センサ素子との間に配置され、これらの間で力を結合することを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置一体型軸受アセンブリ。
【請求項４】
前記ハブに取り付けられ前記ハブの外周上にほぼ等間隔に設けられた４個の歪センサ素子をさらに備える請求項１に記載のセンサ装置一体型軸受アセンブリ。
【請求項５】
前記ハブに取り付けられほぼ真向かう位置にある２個の歪センサ素子をさらに備える請求項１に記載のセンサ装置一体型軸受アセンブリ。
【請求項６】
前記ハブに取り付けられ少なくとも一つの軸状態を測定するための少なくとも一つの状態センサ素子をさらに備え、
前記状態センサ素子が、前記状態センサ素子に電力を配電する電力源と前記状態センサ素子から信号を受信するプロセッサとに機能的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置一体型軸受アセンブリ。
【請求項７】
状態センサ素子により検出される前記軸状態が温度、回転速度、振動、及びこれらの任意の組合せからなる群から選択されることを特徴とする請求項６に記載のセンサ装置一体型軸受アセンブリ。
【請求項８】
前記状態センサ素子が前記歪センサ素子と一体化されていることを特徴とする請求項６に記載のセンサ装置一体型軸受アセンブリ。
【請求項９】
前記状態センサ素子が、前記歪センサの熱補償のために前記プロセッサに温度データを与えることが可能な温度センサを備えることを特徴とする請求項５に記載のセンサ装置一体型軸受アセンブリ。
【請求項１０】
前記ハウジングに取り付けられ前記電力源及び前記プロセッサに機能的に接続された第１アンテナ装置と、
前記ハブに取り付けられ前記歪センサ素子に機能的に接続された第２アンテナ装置９３とをさらに備え、
前記第１アンテナ装置が第１導線コイルを有し、
前記第２アンテナ装置９３が、前記第１導線コイルに誘導結合された第２導線コイルを有し、前記第１アンテナ装置と前記第２アンテナ装置との間で電力及び信号を伝送することを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置一体型軸受アセンブリ。
【請求項１１】
前記ハブ及び前記ハウジングに結合されたスリップリングをさらに備え、
前記スリップリングが、前記電力源、前記プロセッサ、及び前記歪センサ素子との間で機能的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置一体型軸受アセンブリ。
【請求項１２】
センサ装置一体型軸受アセンブリを用いて軸に加わる力を測定する方法において、
前記センサ装置一体型軸受アセンブリは、軸と結合するための孔を規定するハブと、前記ハブと結合された第１内輪と、前記第１内輪と逆向きに傾いて前記ハブと結合された第２内輪と、ハウジングと、前記ハウジングと前記ハブとの間で回転運動が可能に、かつ前記ハブ及び内輪を前記ハウジング内において軸及び径方向に制約するように前記内輪と前記ハウジングの間に配置された少なくとも２列の転動体と、前記ハブに取り付けられ前記軸に加わる力を測定するための少なくとも一つの歪センサ素子とを備え、
電力を歪センサ素子に配電する電力源と、前記歪センサ素子から信号を受信するプロセッサとに機能的に接続された少なくとも一つの歪センサ素子を前記ハブに取り付けて設けるステップと、
少なくとも一つの歪センサを用いて前記軸に加わる力を測定するステップと、
前記少なくとも一つの歪センサから前記プロセッサに信号を送信するステップと、
前記少なくとも一つの歪センサからの前記信号を前記プロセッサを用いて処理して前記軸に加わる軸方向トルクを決定するステップとを備える、
センサ装置一体型軸受アセンブリを用いて軸に加わる力を測定する方法。
【請求項１３】
センサ装置一体型軸受アセンブリを用いて軸に加わる力を測定する請求項１２に記載の方法。
少なくとも一つの状態センサ素子を前記ハブに取り付け設けるステップと、
前記状態センサ素子を用いて軸状態を検出するステップと、
前記状態センサ素子から前記プロセッサに信号を送信するステップとをさらに備える、
センサ装置一体型軸受アセンブリを用いて軸に加わる力を測定する請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
状態センサ素子により検出される前記軸状態が温度、回転速度、振動、及びこれらの任意の組合せからなる群から選択されることを特徴とする、センサ装置一体型軸受アセンブリを用いて軸に加わる力を測定する請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記状態センサ素子が温度センサを備え、
前記状態センサ素子を用いて前記軸の温度状態を測定するステップと、
温度データを、前記状態センサ素子から前記プロセッサに送信するステップと、
前記プロセッサを用いて前記温度データを処理して、前記歪センサ素子を熱補償するステップとをさらに備えることを特徴とする、センサ装置一体型軸受アセンブリを用いて軸に加わる力を測定する請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１内輪を前記第２内輪から隔てるスペーサを前記ハブと前記少なくとも一つの歪センサ素子との間に配置してこれらの間で力を結合するように設けるステップをさらに備える、センサ装置一体型軸受アセンブリを用いて軸に加わる力を測定する請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２内輪と並べられた延長リブを前記ハブと前記少なくとも一つの歪センサ素子との間に配置してこれらの間で力を結合するように設けるステップをさらに備える、センサ装置一体型軸受アセンブリを用いて軸に加わる力を測定する請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
４個の歪センサ素子を前記ハブの外周に沿ってほぼ等間隔に前記ハブに取り付けて設けるステップと、
前記軸に加わる力を前記４個の歪センサ素子を用いて測定するステップと、
前記４個の歪センサ素子から前記プロセッサに信号を送信するステップと、
前記４個の歪センサ素子からの前記信号を前記プロセッサを用いて処理して、前記軸の軸方向トルクを決定するステップとをさらに備える、センサ装置一体型軸受アセンブリを用いて軸に加わる力を測定する請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
２個の歪センサ素子をほぼ真向かう位置で前記ハブに取り付けて設けるステップと、
前記軸に加わる力を前記２個の歪センサ素子を用いて測定するステップと、
前記２個の歪センサから前記プロセッサに信号を送信するステップと、
前記２個の歪センサ素子からの前記信号を前記プロセッサを用いて処理して、前記軸に加わる軸方向トルクを決定するステップとをさらに備える、センサ装置一体型軸受アセンブリを用いて軸に加わる力を測定する請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
第１アンテナ装置を前記ハウジングに取り付けて設けるステップと、
第２アンテナ装置を前記ハブに取り付けて設けるステップと、
前記第１アンテナ装置と前記第２アンテナ装置９３との間で信号を送信するステップとをさらに備え、
前記第１アンテナ装置が、前記電力源と前記プロセッサとに機能的に接続され、
前記第１アンテナ装置が第１導線コイルを有し、
前記第２アンテナ装置が前記歪センサ素子に機能的に接続され、
前記第２アンテナ装置が、前記第１導線コイルと誘導結合する第２導線コイルを有することを特徴とする、センサ装置一体型軸受アセンブリを用いて軸に加わる力を測定する請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記ハブ及び前記ハウジングに結合させてスリップリングを設けるステップをさらに備え、
前記スリップリングが、前記電力源、前記プロセッサ、及び前記歪センサ素子との間で機能的に接続されていることを特徴とするセンサ装置一体型軸受アセンブリを用いて軸に加わる力を測定する請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２００５年５月１０日に出願された、センサ装置一体型軸受アセンブリという名称の米国仮特許出願６０／６７９、５１５号の優先権を主張する。その内容は参照としてここに援用される。
【背景技術】
【０００２】
本発明は全体としてセンサ装置に関し、より具体的には、軸受アセンブリに一体化された、軸力及び状態、例えばトルク、曲げモーメント、歪、回転、振動、及び温度等、を測定するセンサ装置に関する。
【０００３】
回転している軸の軸トルク、曲げモーメント、及び歪の測定は常に困難かつ費用のかかることであった。多くの産業において、軸トルクの知見を得ることは装置システムの性能にとって極めて重要である。例えば、自動車産業において軸トルクの知見を得ることは、動力制御及び動的車両制御システムにとって極めて重要である。
【０００４】
一般的に、軸トルクは、捩り力により生じる実際の軸たわみを検出するか、あるいは、たわみの結果を検出することにより測定される。トルクを受けると軸の面は剪断歪を受ける。通常、軸に加えられたトルクに応じた剪断歪による軸たわみを測定するために、軸に歪ゲージが取り付けられる。
【０００５】
トルク測定には、多数の異なる型の歪ゲージ、例えば金属箔、ピエゾ抵抗性、容量性、及び磁気弾性歪センサ等の歪ゲージが使用される。初期のトルクセンサは、歪ゲージが貼付された機械構造から構成されていた。しかし、そのコスト高が産業的に採用される数の増加を阻んでいた。より最近開発された技術は、初期のトルクセンサに対して改善されたトルク測定用装置を提供してきたが、安価で信頼性の高い正確なトルク測定に対する需要が依然として存在する。
【０００６】
以下の詳細な説明は、本発明を例示として説明するが、制限として説明するものではない。詳細な説明は、当業者が本発明をはっきりと利用及び使用できるようにするとともに、本発明の実施形態、適用例、変形例、代替例、及び使用を記載し、本発明を実施する最良の形態であると現在信じられているものを含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図面を参照する。図１は本発明の第１実施形態１を示す。第１実施形態１は製品軸受アセンブリＡを含んでいる。軸受アセンブリＡは、Ｘ軸周りの回転を収容する。軸受アセンブリＡは、米国特許６、４６０、４２３号公報に記載された軸受アセンブリと同様であり、その内容は参照としてここに援用される。軸受アセンブリＡは、自動車のロードホイールを車の懸架装置に結合するように設計されているが、他用途、例えば動力伝達用途等にも使用されることもある。当業者は、適合する他の軸受アセンブリ、例えば玉軸受、球面軸受、円筒軸受等を使用できることに気付くであろう。
【０００８】
軸受アセンブリＡは、ハウジング２と、ハブ４と、コーンの形態をとる内輪６と、円錐ころ８の形態をとる転動体とを備える。円錐ころ８はハウジング２の内側、ハブ４と内輪６の周りに配置され、Ｘ軸の周りのハブ４及び内輪６の回転が摩擦を最小とするように促進する。本実施形態の転動体は円錐ころ８として図示されているが、適合する他の転動体、例えば玉軸受等を使用できる。
【０００９】
ハウジング２が外側の軸受部品を構成し、ハブ４及び内輪６の双方が内側の軸受部品を形成する。ころ８は、ハウジング２とハブ４及び内輪６との間に配列の異なる２列で配置される。この結果、ころ８は、ハウジング２内でハブ４及び内輪６を径及び軸方向に制約するが、回転に重大な妨げを与えることはない。また、軸受アセンブリＡは、２列のころ８を隔てる保持器１０を備える。最後に、アセンブリＡは、ハウジング２の内側に潤滑材を保持するとともにハウジング２及びその内部のころ８内側から汚染物を排除するために、シール１２をハウジング２の外端に備え、別のシール１４を内端に備える。自動車にアセンブリＡが取り付けられるとき、ハウジング２はステアリングナックル等の懸架装置部品（図示なし）にボルト締めされ、ブレーキディスク及びロードホイールはハブ４に取り付けられる。したがって、軸受アセンブリＡは、ロードホイールを懸架装置部品に結合する。
【００１０】
ハウジング２は、誘導加熱による表面硬化を受けるに十分な炭素を含有する軸受品位の鋼から構成されることが好ましい。ハウジング２は、Ｘ軸に向かって内側に設けられた円錐軌道１６及び１８と、Ｘ軸から遠ざかるように外側に設けられた略三角又は矩形のフランジ２０とを備える。２軌道１６及び１８は、２軌道を隔てる中間面２２に向かって徐々に径を細くする。軌道１６はハウジング２の外端に通じ、そこにハウジング２がシール取り付け面２４を有する。他方の軌道１８は端孔２６内に通じ、次いで、ハウジング２の内端に通じる。フランジ２０は、Ｘ軸に対して垂直となるように機械加工された端面２８と、端面２８が部品と接触するようにハウジング２を懸架装置部品に固定するためのボルトを受けるねじ穴３０とを有する。
【００１１】
ハウジング２は、鍛造又は鋳造により形成されることが好ましい。その後、ハウジング２は、軌道１６及び１８に沿って、並びにシール取り付け面２４と端孔２６と端面２８とに沿って機械加工される。また、穴３０が開けられ、タップが立てられる。次いで、ハウジング２は、その軌道１６及び１８に沿って誘導加熱されたうえで、この領域の鋼を表面硬化させるために焼き入れられる。最後に、ハウジング２は、軌道１６及び１８に沿って研磨される。
【００１２】
同様に、ハブ４も、誘導加熱により表面硬化可能な軸受品位の鋼から形成されることが好ましい。ハブ４は、ハブ胴３４とハブ取付フランジ３６とを備える。ハブ胴３４はハウジング２を通って軸方向に延び、その中心はＸ軸である。ハブ取付フランジ３６は、ハウジング２の外端を越えて位置する。また、ハブ４は、円形リブの形態をとるホイールパイロット３８を有する。ホイールパイロット３８は、ハブ取付フランジ３６から軸方向にハブ胴３４から離れるように延びている。ホイールパイロット３８は、その端面がＸ軸に垂直な面内にあるように、その外面及び端面が機械加工される。ハブ４は、ハブ胴３４を貫通して延びその外端でホイールパイロット３８に通じる孔４０を有する。組み立てられると、孔４０は軸４１又はアクスルと結合する。また、孔４０は、スタブアクスル上のスプラインとかみ合うスプラインを備え、等速（ＣＶ）ジョイントの一部を形成してもよい。第１実施形態は、円形断面を有する軸４１と結合するための孔４０を開示しているが、別の実施形態の孔４０は、正方形又は矩形等の他形状の断面を有する軸を収容してもよい。
【００１３】
ハブ胴３４は、ハウジング２の外軌道１６に向かって外側に設けられ軌道１６と同一方向に傾斜した外軌道４２を有する。軌道４２は、取付フランジ３６から僅かにオフセットしたスラストリブ４４と、延長長さの保持リブ４６との間に位置し、軌道４２の大端がスラストリブ４４のところにあり、小端が保持リブ４６のところにあるように位置する。ハウジング２の中間面２２は、リブ４６を越えて保持リブの外周４７を取り囲む。ハブ胴３４は、より小さな径の内輪座４８を有する。リブ４６と内輪座４８とは肩部５０で会合する。ハブ胴３４は、座４８の他端で外向きに曲がり、形成端５２を設ける。
【００１４】
パイロット３８の周りの取付フランジ３６は機械加工面５８と、この面を越えて延びるラグボルト６０とを有する。ラグボルト６０はブレーキディスク及びホイールリムを貫通し、ブレーキディスクとホイールリムの両方はボルト６０上にねじ切られたラグナットでフランジ３６に固定される。面５８と逆の面に、取付フランジ３６は、ハウジング２の内端に向かって設けられた機械加工されたシール面６２を有する。
【００１５】
ハブ４は、ハブ胴３４の内端が内輪座４８とほぼ同一の径となるように形成される。この状態で、ハブ４は軌道４２、スラストリブ４４、内輪座４８、肩部５０、及び面５８と６２に沿って機械加工される。次いで、ハブ４は、その軌道４２及びスラストリブ４４に沿って誘導加熱されたうえで、硬い表面を備えた軌道４２及びリブを得るために焼き入れられる。その後、ハブ４は、その軌道４２とリブ４４とに沿って研磨される。
【００１６】
内輪６は軸受品位の鋼により構成され、必要な硬度にまで熱処理されることが好ましい。内輪６は、ハブ４のハブ胴３４の内輪座４８の上から締まりばめを用いてはまり、肩部５０と形成端５２の間に捕捉されて位置する。内輪６はハウジング２の内軌道１８に向かって外側に設けられ軌道１８と同一方向に傾斜した円錐軌道６６と、軌道６６の大端にスラストリブ６８と、小端に保持リブ７０とを有する（図１）。スラストリブ６８は背面７２まで延び、保持リブ７０は前面７４で終端する。スラストリブ６８と保持リブ７０の両方は、Ｘ軸に対して直角に切断されている。前面７４はハブ胴３４の肩部５０を圧迫し、形成端５２は背面７２を圧迫する。
【００１７】
同様に、円錐ころ８は、軸受品位の鋼から形成されることが好ましい。円錐ころ８は、ハウジング２の制約内に２列で位置している。外側列は、ハウジング２の外軌道１６とハブ４のハブ胴３４の外軌道４２との間にあり、内側列はハウジング２の内軌道１８と内輪６の軌道６６との間にある。外側の列のころ８の円錐側面は、軌道１６及び１８と接触している。ころ８の大端面はスラストリブ４４の面を圧迫し、スラストリブ４４は外側列のころ８がハウジング２の内部から外に出さないようにしている。同様に、内側列のころ８の円錐側面は軌道１８及び６６と接触している。内側列のころ８の大端面は内輪６のスラストリブ６８を圧迫し、スラストリブ６８は、ころ８を外に出さないようにしている。各列のころ８は頂点が一致している。すなわち、各列の複数のころ８についての円錐状のエンベロープがそれぞれの頂点をＸ軸上の共通の一点に有することを意味している。
ハブ胴３４の軌道４２と内輪６の軌道６６との間の間隔が軸受アセンブリＡの設定を決定する。通常、この設定は千分の数インチ以下の予圧の一つである。この結果、ハウジング２とハブ４との間に自由な径方向又は軸方向の動きは存在しない。
【００１８】
外側シール１２はハウジング２の外側の取付面２４の上からはまり、ハブ４の取付フランジ３６のシール面６２に沿って動的障壁を成立させる。内側シール１４はハウジング２の端孔２６の内側にはまり込むとともに、内輪６のスラストリブ６８の上からはまり、別の動的障壁を成立させる。
【００１９】
軸受アセンブリＡを組み立てるために、まず、外側列のころ８及びその保持器１０がハブ４のハブ胴３４の外軌道４２の周りに取り付けられる。ハウジング２は、その取付面２４上に外側シール１２が取り付けられ、その外軌道１６が外側列のころ８の円錐側面に着座するまでハブ胴３４の上を進められる。最初、ハブ胴３４の内輪座４８はハブ胴３４の先端まで延び切っていて、その長さは、形成端５２の作成に十分な金属を与えるために最終長さよりも幾分長くなっている。内輪６は、２列のころ８が各々の軌道１６及び４２並びに１８及び６６にしっかりと着座するまで、内輪座４８の上を押し進められる。次いで、形成端５２を設けるために、内輪６の背面７２を越えて軸方向に延びるハブ胴３４の部分が回転成形手順により変形される。この回転成形手順は、内輪６の前面７４をハブ胴３４の肩部５０にしっかりと接触させて保持する。この結果、内輪６は肩部５０と形成端５２の間に捕捉される。これは、アセンブリＡをその最終設定とするのみではなく、軸受アセンブリＡを取り外せないようにする。国際出願ＰＣＴ／ＧＢ９８／０１８２３号（国際公開番号ＷＯ９８／５８７６２）は適合する回転成形手順を開示している。
【００２０】
軸受アセンブリＡは、他の手段により取り外せないようにしてもよい。例えば、ハブ胴３４の端の上からねじ込まれ内輪６の背面７２と接触するナットは、アセンブリを取り外せないようにすることに役立つであろう。また、軌道４２はハブ４のハブ胴３４の上に直接形成される必要はなく、その代りに別体の内輪の上に設けられてもよい。また、軌道１６及び１８はハウジング２上に直接形成される必要はなく、ハウジング２に圧入される、カップと呼ばれる別体の外輪の上に設けられてもよい。
【００２１】
歪センサ素子９０は、軸４１に加わる力、例えば、軸方向トルク、曲げモーメント、及び軸方向の力を測定するために、保持リブ外周４７に沿ってハブ４に取り付けられる。軸４１とハブ４の間の歪を効率的に結合するために、ハブ４は軸４１としっかりと結合していることが重要である。通常、これには、ハブ４の孔４０と軸４１の間の圧入を必要とするが、他の代替手法が利用できる。歪センサ９０を軸受アセンブリ内部に配置することは、環境要素から歪センサ９０を保護する。また、保持リブ４６の外周４７上の歪センサ９０の下の面を、機械加工等の適切な手法により平坦化することができる。この結果、接合をより容易かつより強固とするとともに熱影響を減らすという利点を得られる。歪センサ９０を、接着、溶接、及び共晶接合等の任意の適切な手法によりハブ４に取り付けることができる。
【００２２】
センサ９０は電池等の電力源に、誘導結合、ＲＦ電力伝送、容量結合、光パワー、外輪及び内輪の相対運動又は振動に基づく発電機、あるいはスリップリングを含む任意の適切な手段により電気接続されている。同様に、信号はセンサ９０からプロセッサ９１に、容量結合、ＲＦ電力伝送、フォトニクス、超音波、容量結合、又はスリップリングを含む任意の適合する手段により送信される。プロセッサ９１はセンサ９０からの信号を処理し、信号を有用なデータに変換する。
【００２３】
例えば、センサ９０に電力を供給し、その信号を送信する手段は、ハウジングに取り付けられるとともに電力源８９及びプロセッサ９１と電気接続された第１アンテナ装置９２と、ハブ４に取り付けられるとともに第１アンテナ装置９２に機能的に接続された第２アンテナ装置９３とを備える。第１アンテナ装置９２が、ハウジングの内面に対して周方向に、ハブの軸の周りに触れることなく巻かれた（任意の巻数の）導線コイルであってもよく、通電されると、ほぼ軸方向の磁束がコイルの中央領域から出てくる。第２アンテナ装置９３が、周方向にハブの軸の周りに取り付けて巻かれた（任意の巻数の）導線コイルであってもよく、通電されると、ほぼ軸方向の磁束がコイルの中央領域から出てくる。あるいは、両アンテナ装置９２及び９３用の電線コイルは巻き面に垂直な方向がＸ軸に対して径方向となるように巻かれることもあり、通電されると、ほぼ径方向の磁束がコイルの中央領域から出てくる。次いで、第１アンテナ装置９２を流れる交流電流が誘導結合して第２アンテナ装置９３内に電力を生じさせる。この電力は、センサ９０に電力を供給し動作させるために使用される。同様に、センサ９０からの信号は交流に成形されることもあり、これが第２アンテナ装置９３から第１アンテナ装置９２に誘導結合される（あるいは、ＲＦテレメトリにより送信される）ことがある。信号は第１アンテナ装置９２からプロセッサ９１に電気的接続、例えば電気配線、ＲＦ送信、フォトニクス、又は超音波を介して伝送される。
【００２４】
別の実施形態において、センサ９０に電力を供給し、その信号を送信する手段は、ハウジング２に取り付けられた第１アンテナ装置９２とハブ４に取り付けられた第２アンテナ装置９３とで代表されるスリップリングを備える。スリップリングは当技術分野で周知である。一般に、スリップリングは、第１アンテナ装置９２と第２アンテナ装置９３とで
代表される一組の導電性リングを備える。第１アンテナ装置９２と第２アンテナ装置９３は、ハブ４及びハウジング２の各々に取り付けられている。ブラシ等の電気的接続は、ハブ４の回転の間、リング９２と９３の間の接触を維持する。この結果、リング９２と９３との間で電力又は信号が転送される。しかし、当業者は任意の適切な型のスリップリングが使用できることに気付くであろう。
【００２５】
当業者は、歪センサ素子９０として任意の歪検出技術、例えば、金属箔、ピエゾ抵抗性、ＭＥＭＳ、振動弦（vibrating wire）、容量性、誘導性、光学、及び超音波等を使用できることに気付くであろう。また、クオータブリッジ、ハーフブリッジ、又はフルブリッジ等のブリッジセンサの任意のバリエーションを使用できる。しかし、ハーフブリッジ及びフルブリッジセンサは、温度に対する感度が低い。この結果、センサ９０は、軸４１が回転又は静止している間に、軸４１に加わる力を決定することができる。
【００２６】
図４Ａ〜４Ｄは、本発明における歪センサ素子の配列を示す。歪センサ９０の配列及び動作の理解をより容易とするために、図４Ａ〜４Ｄは軸受アセンブリを示していない。その代りに、歪センサ９０は軸４１上に直接配置されている。しかし、以下の歪センサ９０の配列及び動作についての説明は、歪センサ９０がハブ４又は他の軸受アセンブリパーツ上に配置されるときと同じである。
【００２７】
図４Ａに示すように、第１実施形態において、センサ９０は、９０°間隔で軸４１の外周上に設けられている。４個のセンサ９０の位置は以下のように示される：センサ１＝０°、センサ２＝９０°、センサ３＝１８０°、センサ４＝２７０°。この配列は、種々の条件下で軸４１に加わる力の測定を可能とする。特に、軸方向のトルクは、軸４１上の曲げモーメントの存在に応じて異なって測定される。もし軸４１上の曲げモーメントが無視できる程度に小さければ、いずれか一つのセンサ９０が剪断歪のθｚ（円筒座標系）成分（Ｓθｚ）を測定して、軸トルクの軸方向成分（Ｍｚ）の測定値を与える。もし曲げモーメントが無視できなければ、軸トルクの軸方向成分（Ｍｚ）及び曲げモーメントを少なくとも３つの方法で測定することができる。
【００２８】
最初に、真向かいにある（同相）センサ、例えばセンサ１及び３からの測定値の合計は、ｘ方向（Ｍｘ）の軸曲げモーメントの影響を減らしながら、軸トルクの軸方向成分（Ｍｚ）の測定値を与える。また、センサ１及び３からの測定値の差は、その軸の軸トルクの軸方向成分（Ｍｚ）の影響を減らしながら、ｘ方向（Ｍｘ）に加えられた曲げモーメントの測定値を与える。
【００２９】
２番目に、真向かいにある（同相）センサ、例えばセンサ２及び４からの測定値の和は、ｙ方向（Ｍｙ）の軸曲げモーメントの影響を減らしながら、軸トルクの軸方向成分（Ｍｚ）の測定値を与える。また、センサ２及び４からの測定値の差は、その軸の軸トルクの軸方向成分（Ｍｚ）の影響を減らしながら、ｙ方向（Ｍｙ）に加えられた曲げモーメントの測定値を与える。
【００３０】
３番目に、全４個の（同相）センサからの測定値の合計は、ｘ方向（Ｍｘ）及びｙ方向（Ｍｙ）の軸曲げモーメントの影響を減らしながら、軸トルクの軸方向成分（Ｍｚ）の測定値を与える。また、センサ１及び３からの測定値の差は、軸トルクの軸方向成分（Ｍｚ）の影響を減らしながら、ｘ方向（Ｍｘ）に加えられた曲げモーメントの測定値を与え、センサ２及び４からの測定値の差は、軸トルクの軸方向成分（Ｍｚ）の影響を減らしながら、ｙ方向（Ｍｙ）に加えられた曲げモーメントの測定値を与える。
【００３１】
この配列において、センサ９０は、軸４１に加えられた軸曲げモーメント及び軸力の軸方向成分（Ｆｚ）の測定値を与えるように構成されることがある。こうするために、各センサは、軸方向の歪（Ｓｚ）又は軸方向の歪マイナス周方向の歪（Ｓｚ−Ｓθ）を測定する。歪センサ１及び３からの測定値の差は、ｙ方向の曲げモーメント（Ｍｙ）の測定値を与える。歪センサ２及び４からの測定値の差は、ｘ方向の曲げモーメント（Ｍｘ）の測定値を与える。全４個のセンサからの測定値の合計、センサ１及び３からの信号の合計、又はセンサ２及び４からの測定値の合計は、軸力の軸方向成分（Ｆｚ）の測定値を与える。重要であるので、差動ペアとして構成された歪センサは温度の影響を減らすことを注記しておく。また、センサの個数、位置及び配列の違いを含むセンサ９０の他の構成を使用することができる。
【００３２】
必要に応じて、状態センサ素子９５は他の軸状態、例えば温度、回転速度、及び振動を測定することができる。軸状態と軸力との間の相関を可能とするように、状態センサ９５は歪センサ素子９０の近傍に配置されるべきである。状態センサ９５は、任意の適切な手法、例えば接着、溶接、及び共晶接合でハブ４に取り付け可能である。また、保持リブ４６の外周４７上の状態センサ９５の下の面を、機械加工等の適切な手法により平坦化することができる。この結果、接合をより容易かつより強固とするとともに熱影響を減らすという利点を得られる。歪センサ９０と同様に、状態センサ９５は、軸４１が回転又は静止している間に、軸状態を決定することができる。必要に応じて、状態センサ９５は、歪センサ素子９０について適合する上述の手段のいずれか、例えば、第１アンテナ装置９２及び第２アンテナ装置９３、スリップリング、誘導結合、ＲＦ電力伝送、フォトニクス、超音波、又は容量結合により、電力源８９から電力供給され、プロセッサ９１に信号を送信することができる。しかし、当業者は、状態センサ９５も、歪センサ素子９０とは独立に、電力供給され、信号を送信できることに気付くであろう。
【００３３】
第１実施形態１では、状態センサ素子９５は温度センサである。その結果、温度センサ素子９５により与えられる温度情報を、アプリケーションに与えるとともに、歪センサ素子９０を熱補償するために使用することができる。当業者は、状態センサ９５も、回転速度センサ、振動センサ、あるいはこれらの組合せであってもよいことに気付くであろう。
【００３４】
図１は状態センサ素子９５を歪センサ素子９０とは別体として示しているが、歪センサ素子９０の特性を状態センサ素子９５に組み合わせた単一のセンサモジュールをその代わりに使用することもできる。
【００３５】
図２は、本発明の第２実施形態２０１を示す。第２実施形態２０１は、Ｘ軸の周りの回転を収容する製品軸受アセンブリＢを含んでいる。第２実施形態２０１は、第２内輪２０５及びスペーサ２９４の追加を除いて、第１実施形態１と同様である。同一構成要素は、２００が付加された番号が再度付けられている。例えば、第２実施形態２０１では、番号が再度付けられて、第１実施形態１のハブ４がハブ２０４となっている。
【００３６】
第２内輪２０５は、第１内輪２０６とは逆向きに傾斜して、内輪座２４８内に着座する。スペーサ２９４は、第１内輪２０６の保持リブ２７０及び第２内輪２０５の保持リブ２７１と並べられるようにして、ハブ２０４の内輪座２４８と結合する。こうして、スペーサ２９４は、第１内輪２０６を第２内輪２０５から隔てる。この結果、スペーサ２９４は第１内輪２０６と第２内輪２０５の間の間隔を決定する。したがって、スペーサ２９４の幅を変更して、寸法の異なる内輪を収容することができる。スペーサ２９４は、ハブ２０４と同一の軸受鋼から形成されるか、あるいは、スペーサ２９４は、ハブ２０４の鋼が内輪座２４８のところ示す弾性率と同一の弾性率を少なくとも有する。スペーサ２９４とハブ２０４との間で歪を効率的に結合するために、スペーサ２９０がハブ２０４にしっかりと結合していることが重要である。
【００３７】
これらの違いから、外端におけるシール２１２の取り付けは位置が僅かに異なっている。外側シール２１２は、ハウジング２の内側の取付面２２４の上からはまり、内輪２０５のシール面２６２に沿って動的障壁を成立させる。
【００３８】
歪センサ素子２９０は、軸２４１に加わる力、例えば軸方向トルク、曲げモーメント、及び軸方向の力を測定するために、スペーサ２９４に沿って取り付けられる。ハブ２０４の代わりにスペーサ２９４への取り付け以外は、センサ２９０は、配列及び動作を含む上述の他のすべてについて第１実施形態１のセンサ９０と同一である。したがって、これらの詳細についてここでは説明しない。
【００３９】
必要に応じて、状態センサ素子２９５は他の軸状態、例えば温度、回転速度、及び振動等を測定することができる。軸状態と軸力との間の相関を可能とするように、状態センサ２９５は歪センサ素子２９０の近傍に配置されるべきである。ハブ２０４の代わりにスペーサ２９４への取り付け以外は、センサ２９５は、配列及び動作を含む上述の他のすべてについて第１実施形態１のセンサ９０と同一である。したがって、これらの詳細についてここでは説明しない。
【００４０】
図３は本発明の第３実施形態３０１を示す。第３実施形態３０１は、Ｘ軸の周りの回転を収容する製品軸受アセンブリＣを含んでいる。第３実施形態３０１は、第２内輪３０５及び第１内輪３０６の延長リブ３０７の追加を除いて、第１実施形態１と同様である。同一構成要素については、３００が付加された番号が再度付けられている。例えば、第３実施形態３０１では、番号が再度付けられて、第１実施形態１のハブ４がハブ３０４となっている。
【００４１】
第２内輪３０５は、第１内輪３０６とは逆向きに傾斜して、内輪座３４８内に着座する。第１内輪の延長リブ３０７は、第２内輪３０５の保持リブ３７１と並べられるようにして、ハブ３０４の内輪座３４８と結合する。第１内輪３０６の延長リブ３０７とハブ３０４の間で歪を効率的に結合するために、第１内輪３０６の延長リブ３０７がハブ３０４としっかりと結合していることが重要である。
【００４２】
これらの違いから、外端におけるシール３１２の取り付けは位置が僅かに異なっている。外側シール３１２は、ハウジング３０２の内側の取付面３２４の上からはまり、第２内輪３０５のシール面３６２に沿って動的障壁を成立させる。
【００４３】
歪センサ素子３９０は、軸３４１に加わる力、例えば軸方向トルク、曲げモーメント、及び軸方向の力を測定するために延長リブ３０７に沿って取り付けられる。ハブ２０４の代わりに延長リブ３０７への取り付け以外は、センサ３９０は、配列及び動作を含む上述の他のすべてについて第１実施形態１のセンサ９０と同一である。したがって、これらの詳細についてここで説明しない
【００４４】
必要に応じて、状態センサ素子３９５は他の軸状態、例えば温度、回転速度、及び振動を測定することができる。軸状態と軸力との間の相関を可能とするように、状態センサ３９５は歪センサ素子３９０の近傍に配置されるべきである。ハブ３０４の代わりにスペーサ３９４への取り付け以外は、センサ３９５は、配列及び動作を含む上述の他のすべてについて第１実施形態１のセンサ９０と同一である。したがって、これらの詳細についてここでは説明しない。
【００４５】
上記構成において、本発明の範囲を逸脱することなく変更が可能である。上記説明に含まれ、あるいは添付の図面に示されている全ての事項は、例示として解釈されるべきであり、制限的な意味で解釈されるべきではないことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】軸を破線で示した、本発明の第１実施形態の断面図である。
【図２】軸を破線で示した、本発明の第２実施形態の断面図である。
【図３】軸を破線で示した、本発明の第３実施形態の断面図である。
【図４Ａ】軸上の歪センサ素子配置を示す端面図である。
【図４Ｂ】軸上の歪センサ素子配置を示す図４ＡのＸ−Ｚ面の平面図である。
【図４Ｃ】軸上の歪センサ素子配置を示す図４ＡのＹ−Ｚ面の平面図である。
【図４Ｄ】軸上の歪センサ配置を示す、軸外面の展開図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【国際調査報告】
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