(57)【要約】【課題】  高い精度で転動体に作用する力を検知す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】  転動体５に作用する力を検知する超音波センサ１５の送受信面１５ａと当該送受信面１５ａが当接しているセンサ取付面１１，１２とを、外輪軌道面ｇ１，ｇ２と同心円状にして、接触形状が大きくなった際にも全ての反射波を捕えて高い検知精度を得る。【選択図】      図１
2008069801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外輪軌道面を有する固定側の外輪と、内輪軌道面を有する回転側の内輪と、前記外輪と前記内輪の間に転動自在に配置された複数の転動体と、前記外輪に取り付けられ、前記転動体と前記外輪軌道面との接触部に向けて超音波を発信し、かつ当該接触部で反射した反射波を受信することで前記転動体に作用する力を検知する超音波センサと、を備えたセンサ付き転がり軸受装置において、
前記超音波センサの送受信面と、前記外輪における当該送受信面が当接しているセンサ取付面とが、前記外輪軌道面と同心円状に形成されていることを特徴とする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、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付き転がり軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の制御手段として、ＡＢＳ制御に加えて発進時や加速時に駆動輪をスピンさせない駆動力制御やコーナリング時の横滑りを抑制するブレーキ力制御などが実施されているが、より精度のよい制御を行うために、これらの制御に有効に使用できるデータの検出が重要となっている。
そのため、駆動軸に取り付けられた車輪を回転可能に支持するセンサ付き転がり軸受装置として、例えば、外輪軌道面を有する固定側の外輪と、内輪軌道面を有する回転側の内輪と、外輪と内輪の間に転動自在に配置された複数の転動体と、外輪に取り付けられ、転動体と外輪軌道面との接触部に向けて超音波を発信し、かつ当該接触部で反射した超音波を受信することで転動体に作用する力を検知する超音波センサとを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−１７７９３２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では、超音波センサの送受信面が平坦となっており、殆どの超音波は転動体と外輪軌道面との湾曲した接触部へ垂直には入らずその反射波は伝搬してきた経路を戻らない。特に、接触部において実際に転動体が接触している接触形状が大きくなった場合、その接触形状の端で反射した反射波を超音波センサで捕えることができないため、高い精度で転動体に作用する力を検知することができない場合がある。
本発明は上記従来技術に鑑み、高い精度で転動体に作用する力を検知す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】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明は次の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明は、外輪軌道面を有する固定側の外輪と、内輪軌道面を有する回転側の内輪と、前記外輪と前記内輪の間に転動自在に配置された複数の転動体と、前記外輪に取り付けられ、前記転動体と前記外輪軌道面との接触部に向けて超音波を発信し、かつ当該接触部で反射した反射波を受信することで前記転動体に作用する力を検知する超音波センサと、を備えたセンサ付き転がり軸受装置において、前記超音波センサの送受信面と、前記外輪における当該送受信面が当接しているセンサ取付面とが、前記外輪軌道面と同心円状に形成されていることを特徴とする。
【０００５】
上記本発明によれば、超音波センサの送受信面と、外輪における送受信面が当接しているセンサ取付面とが、外輪軌道面と同心円状に形成されているため、送受信面から送信された超音波は転動体と外輪軌道面との接触部へ垂直に入り、その反射波はそのまま伝搬してきた経路を戻る。そのため、接触部における接触形状が大きくなった際にも全ての反射波を捕えることができる。
【発明の効果】
【０００６】
上記の通り本発明によれば、送信された超音波が転動体と外輪軌道面との接触部へ垂直に入り、その反射波がそのまま伝搬してきた経路を戻るため、接触部における接触形状が大きくなった際にも全ての反射波を捕えることができ、高い精度で転動体に作用する力を検知することができる
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係るセンサ付き転がり軸受装置の一実施形態を示している。このセンサ付き転がり軸受装置１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、ハブユニット２と、車両制御を行なうべくタイヤの接地荷重を検出するセンサ装置Ｓとを備えている。ハブユニット２は、車体側に固定される外輪３と、車輪が取り付けられる内輪４と、内外輪３，４の間に２列に配置された複数の転動体である転動体５と、各列の転動体５をそれぞれ保持する保持器６とを備えている。
【０００８】
外輪３は、軸受の固定輪の機能を有しているもので、内周面に２列の外輪軌道面ｇ１，ｇ２が形成された筒部３１を有している。内輪４は、第１の内輪軌道ｎ１を有する大径部４１およびこの大径部４１よりも小さい外径を有する小径部４２を有する内軸部４３と、第２の内輪軌道ｎ２を有すると共に、内軸部４３の小径部４２に外嵌された軌道輪７とからなる。軌道輪７は、内軸部４３インナ側の端部に螺合している固定ナット８により固定されている。また、内軸部４３のアウタ側の端部には、車輪を取り付けるためのボルト９が螺合するボルト孔１０ａを有する取付フランジ１０が設けられている。
【０００９】
外輪３の筒部３１の外周には、インナ側の転動体５に対応するセンサ取付面１１及びアウタ側の転動体に対応するセンサ取付面１２が全周にわたってリング状に形成されている。もっとも、これらの取付面１１，１２はリング状に限定されず、外周の任意の位置にもうけられていてもよい。
図例では、これらセンサ取付面１１，１２は、図１の断面図において転動体５の中心を中点とする円の一部を構成する湾曲状に形成されている。従って、同センサ取付面１１，１２は、外輪軌道面ｇ１，ｇ２と同心円状に形成され、これにより外輪軌道面ｇ１，ｇ２と各センサ取付面１１，１２間の厚みは一定となっている。
【００１０】
また、センサ装置Ｓは、複数の超音波センサ１５と、各超音波センサ１５の出力から転動体５に作用する力を求める図示しない処理手段とを備えている。インナ側及びアウタ側の各センサ取付面１１，１２には、それぞれ周方向に等間隔をおいて四つの超音波センサ１５が接着剤によって取り付けられている。つまり、超音波センサ１５は、各センサ取付面１１，１２の図１上下及び紙面貫通方向前後（図示せず）に配置されて合計八つ取り付けられている。なお、超音波センサ１５の取り付けは、センサ取付面１１，１２に超音波センサ１５を当接した状態でその周りを接着剤で固めてもよく、超音波センサ１５の先端に接着剤を薄く塗布してセンサ取付面１１，１２に接着してもよい。
なお、超音波センサ１５は、接着剤に限られず、ボルト止め等の他の締結手段によって取り付けることもできる。
【００１１】
超音波センサ１５は、筒状の筐体１５１とこの筐体１５１の片側に設けられた振動子１５２とを備えている（図２参照）。この振動子１５２は、圧電材に電極が形成されたものであり、送受信面１５ａとなる円形状の振動面を有している。この振動子１５２は、電圧を印加すると圧電効果により振動して送受信面１５ａから超音波を送信するとともに、この送信した超音波の反射波を送受信面１５ａで受信して圧電効果により電圧を発生する。また、振動子１５２の電極には、図示しないリード線の一端がはんだ付けされており当該振動子１５２が図示しない信号処理部と繋がっている。なお、振動子１５２には、可撓性の高いものが採用されており自在に湾曲性させることができるようになっている。振動子１５２は、センサ取付面１１，１２に沿って湾曲され、その送受信面１５ａは外輪軌道面ｇ１，ｇ２と同心円状となっている。つまり、送受信面１５ａとセンサ取付面１１，１２とは、外輪軌道面ｇ１，ｇ２と同心円状となり互いに密着している。
【００１２】
上記超音波センサ１５は、転動体５と外輪軌道ｇ１，ｇ２との接触部２０に向けて送受信面１５ａから超音波を発信し、かつ当該接触部２０で反射した反射波を送受信面１５ａで受信することで、転動体５に作用する力を以下に示すエコー比として検知する。
エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０
Ｈ０：転動体５が超音波センサ１５から半ピッチ離れて位置するときのエコー強度
Ｈ１：転動体５が超音波センサ１５の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５に作用する力と比例関係を有しており、この関係を利用して当該エコー比から転動体５に作用する力を求めることができる。転動体５に作用する力が大きくなると、転動体５と外輪軌道ｇ１，ｇ２との接触面積が大きくなってエコー強度が小さくなる。従って、転動体５に作用する力が大きい場合には大きいエコー比が出力される。
【００１３】
走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴ってタイヤに作用する荷重が変動すると、この荷重の変動に応じてハブユニット２に対する外力が変わり、転動体５に作用する力の大きさが変化する。また、タイヤに作用する荷重のうち前後方向、左右方向、及び垂直方向の成分ごとにハブユニット２に対する力の加わり方が異なる。そのため、各方向の成分ごとに、各超音波センサ１５が検知する転動体５に作用する力への影響度が異なっている。
【００１４】
従って、タイヤに前後方向の荷重が作用した際の転動体５に作用する力及びこれに対応する各超音波センサ１５で出力されるエコー比、左右方向の荷重が作用した際の転動体５に作用する力及びこれに対応する各超音波センサ１５で出力されるエコー比、及び垂直方向の荷重が作用した際の転動体５に作用する力及びこれに対応する超音波センサ１５で出力されるエコー比を求めておくことにより、各超音波センサ１５で得られたエコー比によりタイヤに作用している荷重の三方向の成分を求めることができる。なお、センサ装置Ｓの処理手段には、上記のエコー比を求める式や同エコー比から各超音波センサ１５の位置に対応する転動体５に作用する力を求める式、転動体５に作用する力からタイヤに作用する前後荷重、左右荷重、及び垂直荷重を求める式等が記憶された記憶部、これらの式を演算する演算部等が設けられている。
【００１５】
上記本実施形態のセンサ付き転がり軸受装置１によれば、超音波センサ１５の送受信面１５ａと外輪３における当該送受信面１５ａが当接しているセンサ取付面１１，１２とが、外輪軌道面ｇ１，ｇ２と同心円状に形成されているため、送受信面１５ａから送信された超音波は転動体５と外輪軌道面ｇ１，ｇ２との接触部２０へ垂直に入り、その反射波はそのまま伝搬してきた経路を戻る。そのため、転動体５に作用する力が大きくなって、接触部２０における接触形状が大きくなった際にも、全ての反射波を捕えることができる。これにより、高い精度で転動体５に作用する力を検知することができる。
【００１６】
図３は、本発明に係る第二実施形態を示す要部断面図である。本実施形態が上記第一実施形態と異なる点は、超音波センサ１５に二つの振動子が設けられている点である。具体的には、超音波センサ１５には、小さい振動面を有する第一の振動子５０とこれより大きい振動面を有する第二の振動子５１が設けられている。これにより、超音波センサ１５の先端面には、第一の振動子５０による第一送受信面５０ａと第二の振動子５１による第二送受信面５１ａとが構成されている。また、第二の振動子５１は軸方向両側の超音波センサ１５間の中央側に配置され、第一の振動子５０はその外側に配置されている。
もっとも、第一の振動子５０と第二の振動子５１の配置が逆であってもよい。
【００１７】
図４（ａ）は、超音波センサ１５に第一の振動子５０のみを設けた場合における、第一送受信面５０ａと接触部２０における転動体５と外輪軌道面ｇ１，ｇ２の接触形状とを重ね合わせた状態の模式図であり、図４（ｂ）は、超音波センサ１５に第二の振動子５１のみを設けた場合における、第二送受信面５１ａと接触部２０における同接触形状とを重ね合わせた状態の模式図である。太線の円は、それぞれ第一送受信面５０ａ、第二送受信面５１ａを表し、細線の楕円は、転動体５に作用する力が大きいときの接触形状２５Ａであり、波線の楕円は、転動体５に作用する力が小さいときの接触形状２５Ｂである。
【００１８】
図４（ａ）に示す小さい第一送受信面５０ａでは、大きい接触形状２５Ａは当該第一送受信面５０ａに対して過大となるため、力の変化を捕えにくく検知が困難となるが、小さい接触形状２５Ｂは力の変化を捕えやすく良好な分解能で検知できる。図４（ｂ）に示す大きい第二送受信面５１ａでは、大きい接触形状２５Ａでもカバーすることができ検知可能であるが、小さい接触形状２５Ｂに対しては力の変化を捕え難く分解能が低下する。
【００１９】
そこで、本実施形態のように、超音波センサ１５に第一の振動子３０とこれより大きい振動面を有する第二の振動子３１の両方を設けることで、転動体５へ作用する力が小さく接触形状が小さい場合には、第一の振動子３０を適用して良好な分解能で検知し、転動体５へ作用する力が大きく接触形状が大きい場合には、第二の振動子３１を適用して検知することができる。つまり、転動体５に作用する力が小さいときから大きいときまで検知可能であり、かつ力が小さいときでも分解能が低下しない。
【００２０】
図５は、本発明の第三実施形態を示すセンサ付き転がり軸受装置１の断面図である。本実施形態が上記第二実施形態と異なる点は、超音波センサには筐体がなく、振動子１５が直接的に外輪３に樹脂モールドされている点である。外輪３の各センサ取付面１１，１２には、四つの振動子１５が配置され、樹脂モールドにより固着された樹脂４０は、各センサ取付面１１，１２の周りをリング状に取り巻いている。これにより、各振動子１５はリング状の樹脂４０とセンサ取付面１１，１２の間に挟まれた状態となって動かないようになっている。
【００２１】
本実施形態のように振動子１５を樹脂モールドで直接的に取り付ければ、超音波センサを構成する筐体が簡便であると共に、部品点数が多くならず、かつ外輪３の加工も不要となる。また、接着剤を使用していないので、温度が変化した際における膨張率の違いによる超音波センサの外輪３からの剥がれという問題も起らない。
また、樹脂モールドの音速をｖ１、ハブユニット材の音速をｖ２、送受信面１５ａから接触部２０までの距離（外輪厚さ）をｔ１、樹脂厚さをｔとすると、ｔ＞ｔ１×（ｖ１／ｖ２）の関係を満たす場合には、樹脂モールド内の多重反射が測定すべきエコーに干渉しなくなる。例えば、外輪厚さが１０ｍｍ、ハブ音速を６０００ｍ／ｓ、樹脂音速を２７００ｍ／ｓとすると、ｔ＞１０×２７００／６０００＝４．５ｍｍとなる。
このため、センサ取付面１１，１２の外側を４．５ｍｍ超の厚みｔの樹脂で覆うことにより、振動子１５の送信終了後に受信される或いはその可能性のある樹脂モールド内の多重反射が、測定すべきエコーに干渉せず、検知精度に影響を与えなくなるので、より高い検知精度を得ることができる。
【００２２】
なお、上記実施形態はすべて例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって規定され、そこに記載された構成と均等の範囲内のすべての変更も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、一つの超音波センサに振動子を三つ以上設けて更に検知精度を向上させてもよく、超音波センサをセンサ取付面に二つずつ取り付ける等、超音波センサの数を減らすか或いは増やしてもよい。また、樹脂モールドによる樹脂を上記実施形態のようにリング状とせずに、超音波センサが配置されている部分だけに形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態のセンサ付き転がり軸受装置の断面図である。
【図２】図１におけるインナ側の外輪軌道面の近傍を示す要部拡大図である。
【図３】第二実施形態におけるインナ側の外輪軌道面の近傍を示す要部拡大図である。
【図４】（ａ）は、超音波センサに第一の振動子のみを設けた場合における、第一送受信面と接触部における外輪と外輪軌道面の接触領域とを重ね合わせた状態の模式図であり、（ｂ）は、超音波センサに第二の振動子のみを設けた場合における、第二送受信面と接触部における同接触領域とを重ね合わせた状態の模式図である。
【図５】第三実施形態のセンサ付き転がり軸受装置の断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    センサ付き転がり軸受装置
２    ハブユニット
３    外輪
４    内輪
５    転動体
１１，１２    センサ取付面
１５    超音波センサ
２０    接触部
【図１】
2008069801.tif 000003
【図２】
2008069801.tif 000004
【図３】
2008069801.tif 000005
【図４】
2008069801.tif 000006
【図５】
2008069801.tif 000007