(57)【要約】【課題】  転がり軸受ユニットの耐久性、並びに、外輪１の強度を確保しつつ軽量化を図れ、この外輪１とハブ１１との間に作用する荷重を正確に求められる構造を実現する。【解決手段】  外輪１の外周面に設置した１対の振動センサ１９ａ、１９ｂにより、両列を構成する転動体８ａ、８ｂの公転に伴って発生する振動を検知する。演算器は、この振動の周波数に基づいて、両列の転動体８ａ、８ｂの公転速度を求め、この公転速度に基づき、上記荷重を算出する。上記両振動センサ１９ａ、１９ｂを設置する為に、上記外輪１に取付孔等の貫通孔を形成する必要がないので、この外輪１の軽量化が可能になり、上記課題を解決できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に外輪軌道を有して使用時にも回転しない外輪相当部材と、この外輪相当部材の内径側にこの外輪相当部材と同心に配置されて使用時に回転する、外周面に内輪軌道を有する内輪相当部材と、この内輪軌道と上記外輪軌道との間に接触角を付与した状態で設けられた複数個の転動体と、上記外輪相当部材の外周面に支持されて、上記各転動体の公転運動に伴う振動を検出する為の振動センサと、この振動センサから送り込まれる検出信号に基づいて上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する演算器とを備えた転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項２】
内輪相当部材の回転速度を求める回転速度検出手段を設けた、請求項１に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項３】
外輪相当部材が内周面に複列の外輪軌道を有し、内輪相当部材が外周面に複列の内輪軌道を有し、転動体がこれら両外輪軌道と両内輪軌道との間に複列に分けて各列毎にそれぞれ複数個ずつ、これら両列同士の間で接触角の方向を互いに逆にした状態で設けられており、これら両列の転動体の公転に伴う振動をそれぞれ検出する為の１対の振動センサが設けられており、演算器は、これら両振動センサから送り込まれる検出信号に基づいて上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する、請求項１〜２の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項４】
外輪相当部材が内周面に複列の外輪軌道を有し、内輪相当部材が外周面に複列の内輪軌道を有し、転動体がこれら両外輪軌道と両内輪軌道との間に複列に分けて各列毎にそれぞれ複数個ずつ、これら両列同士の間で接触角の方向を互いに逆にした状態で設けられており、これら両列の転動体の公転に伴う振動を検出する為の単一の振動センサが設けられており、演算器は、この振動センサから送り込まれる検出信号に基づいて上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する、請求項１〜２の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項５】
一方の列に関する外輪軌道と内輪軌道と転動体との仕様と、他方の列に関する外輪軌道と内輪軌道と転動体との仕様とを互いに異ならせて、内輪相当部材の回転速度に対する各転動体の公転速度の比を、上記両列同士の間で互いに異ならせた、請求項３〜４の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項６】
列毎の転動体の数とこれら各転動体の公転速度との積に比例する、これら各転動体の公転に伴う振動の周波数を、両列同士の間で互いに異ならせた、請求項３〜５の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項７】
演算器は、振動センサから出力される検出信号中から、転動体の数とこれら各転動体の公転速度との積に比例する、これら各転動体の公転に伴う振動の周波数成分、及び、この周波数成分の整数倍の周波数成分を取り出して、上記各転動体の公転速度を算出する、請求項１〜６の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項８】
演算器は、振動センサから出力される検出信号中から、各転動体の公転速度に比例する周波数成分、及び、この周波数成分の整数倍の周波数成分を取り出して、上記各転動体の公転速度を算出する、請求項１〜６の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項９】
外輪軌道と内輪軌道とのうちの一方の軌道の円周方向に関する形状を、円形から僅かにずらせた、請求項１〜８の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項１０】
各転動体の公転方向に関するこれら各転動体同士のピッチを不同にした、請求項１〜８の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項１１】
同一の列に属する転動体の直径を不同にした、請求項１〜８の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項１２】
各転動体が玉であり、外輪相当部材の内周面に形成された複列アンギュラ型の外輪軌道と、内輪相当部材の外周面に形成された複列アンギュラ型の内輪軌道との間にそれぞれ複数個ずつ設けられた玉に、背面組み合わせ型の接触角が付与されている、請求項１〜１１の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項１３】
各転動体が円すいころであり、外輪相当部材の内周面に形成された、それぞれが円すい凹面状の複列の外輪軌道と、内輪相当部材の外周面に形成された、それぞれが円すい凸面状の複列の内輪軌道との間にそれぞれ複数個ずつ設けられた円すいころに、背面組み合わせ型の接触角が付与されている、請求項１〜１１の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項１４】
内輪相当部材に車輪を支持固定し、外輪相当部材を懸架装置に支持固定した状態で、上記車輪とこの懸架装置との間に加わる荷重を求める為に利用される、請求項１〜１３の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、自動車、鉄道車両等の車両の車輪を支持する為の転がり軸受ユニットに負荷される荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）を測定し、上記車両の走行安定性確保を図る為に利用する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車の車輪は懸架装置に対し、複列アンギュラ型の転がり軸受ユニットにより回転自在に支持する。又、自動車の走行安定性を確保する為に、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）やトラクションコントロールシステム（ＴＣＳ）、更にはビークルスタビリティコントロールシステム（ＶＳＣ）等の車両用走行安定装置が使用されている。この様な各種車両用走行安定装置を制御する為には、車輪の回転速度、車体に加わる各方向の加速度等の信号が必要になる。そして、より高度の制御を行なう為には、車輪を介して上記転がり軸受ユニットに加わる荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）の大きさを知る事が好ましい場合がある。
【０００３】
この様な事情に鑑みて、特許文献１には、ラジアル荷重を測定自在な、荷重測定装置付転がり軸受ユニットが記載されている。この従来構造の第１例の場合には、非接触式の変位センサにより、回転しない外輪と、この外輪の内径側で回転するハブとの径方向に関する変位を測定する事により、これら外輪とハブとの間に加わるラジアル荷重を求める様にしている。求めたラジアル荷重は、ＡＢＳを適正に制御する他、積載状態の不良を運転者に知らせる為に利用する。
【０００４】
又、特許文献２には、転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重を測定する構造が記載されている。この特許文献２に記載された従来構造の第２例の場合、外輪の外周面に設けた固定側フランジの内側面複数個所で、この固定側フランジをナックルに結合する為のボルトを螺合する為のねじ孔を囲む部分に、それぞれ荷重センサを添設している。上記外輪を上記ナックルに支持固定した状態でこれら各荷重センサは、このナックルの外側面と上記固定側フランジの内側面との間で挟持される。この様な従来構造の第２例の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、車輪と上記ナックルとの間に加わるアキシアル荷重は、上記各荷重センサにより測定される。更に、特許文献３には、一部の剛性を低くした外輪相当部材に動的歪みを検出する為のストレンゲージを設け、このストレンゲージが検出する転動体の通過周波数から転動体の公転速度を求め、更に、転がり軸受に加わるアキシアル荷重を測定する方法が記載されている。
【０００５】
前述の特許文献１に記載された従来構造の第１例の場合、変位センサにより、外輪とハブとの径方向に関する変位を測定する事で、転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する。但し、この径方向に関する変位量は僅かである為、この荷重を精度良く求める為には、上記変位センサとして、高精度のものを使用する必要がある。高精度の非接触式センサは高価である為、荷重測定装置付転がり軸受ユニット全体としてコストが嵩む事が避けられない。
【０００６】
又、特許文献２に記載された従来構造の第２例の場合、ナックルに対し外輪を支持固定する為のボルトと同数だけ、荷重センサを設ける必要がある。この為、荷重センサ自体が高価である事と相まって、転がり軸受ユニットの荷重測定装置全体としてのコストが相当に嵩む事が避けられない。又、特許文献３に記載された方法は、外輪相当部材の一部の剛性を低くする必要があり、この外輪相当部材の耐久性確保が難しくなる可能性がある。
【０００７】
この様な事情に鑑みて本発明者等は先に、複列アンギュラ型玉軸受である転がり軸受ユニットを構成する１対の列の転動体（玉）の公転速度に基づいて、この転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重又はアキシアル荷重を測定する、転がり軸受ユニットの荷重測定装置に関する発明（第一の先発明）を行なった（特願２００３−１７１７１５号、１７２４８３号）。図３は、この先発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置を示している。
【０００８】
この先発明に係る構造の場合、外輪１（外輪相当部材）の軸方向中間部で複列の外輪軌道２、２の間部分に形成した取付孔３にセンサユニット４を挿通し、このセンサユニット４の先端部５を、上記外輪１の内周面から突出させている。この先端部５には、１対の公転速度検出用センサ６ａ、６ｂと、１個の回転速度検出用センサ７とを設けている。
【０００９】
そして、このうちの各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂの検出部を、複列に配置された各転動体８ａ、８ｂを回転自在に保持した各保持器９ａ、９ｂに設けた、公転速度検出用エンコーダ１０ａ、１０ｂに近接対向させて、各転動体８ａ、８ｂの公転速度を検出自在としている。又、上記回転速度検出用センサ７の検出部を、内輪相当部材であるハブ１１の中間部に外嵌固定した回転速度検出用エンコーダ１２に近接対向させて、このハブ１１の回転速度を検出自在としている。この様な構成を有する先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置によれば、上記ハブ１１の回転速度の変動に拘らず、上記外輪１とこのハブ１１との間に加わる荷重（ラジアル荷重及びスラスト荷重）を求められる。
【００１０】
即ち、上述の様な先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、図示しない演算器が、上記各センサ６ａ、６ｂ、７から送り込まれる検出信号に基づいて、前記外輪１と上記ハブ１１との間に加わるラジアル荷重とアキシアル荷重とのうちの一方又は双方の荷重を算出する。例えば、このラジアル荷重を求める場合に上記演算器は、上記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂが検出する上記各列の転動体８ａ、８ｂの公転速度の和を求め、この和と、上記回転速度検出用センサ７が検出する上記ハブ１１の回転速度との比に基づいて、上記ラジアル荷重を算出する。又、上記アキシアル荷重は、上記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂが検出する上記各列の転動体８ａ、８ｂの公転速度の差を求め、この差と、上記回転速度検出用センサ７が検出する上記ハブ１１の回転速度との比に基づいて算出する。この点に就いて、図４を参照しつつ説明する。尚、以下の説明は、アキシアル荷重Ｆｙが加わらない状態での、上記各列の転動体８ａ、８ｂの接触角αa 、αb が互いに同じであるとして行なう。
【００１１】
図４は、上述の図３に示した車輪支持用の転がり軸受ユニットを模式化し、荷重の作用状態を示したものである。複列の内輪軌道１７、１７と複列の外輪軌道２、２との間に複列に配置された転動体８ａ、８ｂには予圧Ｆ0 、Ｆ0 を付与している。又、使用時に上記転がり軸受ユニットには、車体の重量等により、ラジアル荷重Ｆｚが加わる。更に、旋回走行時に加わる遠心力等により、アキシアル荷重Ｆｙが加わる。これら予圧Ｆ0 、Ｆ0 、ラジアル荷重Ｆｚ、アキシアル荷重Ｆｙは、何れも上記各転動体８ａ、８ｂの接触角α（αa 、αb ）に影響を及ぼす。そして、この接触角αa 、αb が変化すると、これら各転動体８ａ、８ｂの公転速度ｎc が変化する。これら各転動体８ａ、８ｂのピッチ円直径をＤとし、これら各転動体８ａ、８ｂの直径をｄとし、上記両内輪軌道８、８を設けたハブ１１の回転速度をｎi とし、上記両外輪軌道７、７を設けた外輪１の回転速度をｎo とすると、上記公転速度ｎc は、次の（１）式で表される。
ｎc ＝｛１−（ｄ・cosα／Ｄ）・（ｎi ／２）｝＋｛１＋（ｄ・cosα／Ｄ）・（ｎo ／２）｝  −−−  （１）
【００１２】
この（１）式から明らかな通り、上記各転動体８ａ、８ｂの公転速度ｎc は、これら各転動体８ａ、８ｂの接触角α（αa 、αb ）の変化に応じて変化するが、上述した様にこの接触角αa 、αb は、上記ラジアル荷重Ｆｚ及び上記アキシアル荷重Ｆｙに応じて変化する。従って上記公転速度ｎc は、これらラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙに応じて変化する。本例の場合、上記ハブ１１が回転し、上記外輪１が回転しない為、具体的には、上記ラジアル荷重Ｆｚに関しては、大きくなる程上記公転速度ｎc が遅くなる。又、上記アキシアル荷重Ｆｙに関しては、このアキシアル荷重Ｆｙを支承する列の公転速度が速くなり、このアキシアル荷重Ｆｙを支承しない列の公転速度が遅くなる。従って、この公転速度ｎc に基づいて、上記ラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙを求められる事になる。
【００１３】
但し、上記公転速度ｎc の変化に結び付く上記接触角αは、上記ラジアル荷重Ｆｚと上記アキシアル荷重Ｆｙとが互いに関連しつつ変化するだけでなく、上記予圧Ｆ0 、Ｆ0 によっても変化する。又、上記公転速度ｎc は、上記ハブ１１の回転速度ｎi に比例して変化する。本例の場合、このハブ１１が回転し、上記外輪１が回転しない為、具体的には、上記ラジアル荷重Ｆｚに関しては、図５に示す様に、大きくなる程上記公転速度ｎc が遅くなる。この図５中、実線イは、ラジアル荷重Ｆｚを支承する割合の大きい側の転動体８ｂ、８ｂに関する、破線ロは同じくラジアル荷重Ｆｚを支承する割合の小さい側の転動体８ａ、８ａに関する、それぞれの公転速度（とハブ１１の回転速度との比）とラジアル荷重Ｆｚとの関係を示している。又、アキシアル荷重Ｆｙに関しては、図６に示す様に、このアキシアル荷重Ｆｙを支承する列の転動体８ａ、８ａの公転速度が速くなり（図６の破線ハ参照）、このアキシアル荷重Ｆｙを支承しない列の転動体８ｂ、８ｂの公転速度が遅くなる（図６の実線ニ参照）。従って、上記各列の転動体８ａ、８ｂの公転速度ｎc に基づいて、上記ラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙを求められる事になる。
【００１４】
但し、上記公転速度ｎc の変化に結び付く上記接触角αは、上述した様に、上記ラジアル荷重Ｆｚと上記アキシアル荷重Ｆｙとが互いに関連しつつ変化するだけでなく、上記予圧Ｆ0 、Ｆ0 によっても変化する。又、上記公転速度ｎc は、上記ハブ１１の回転速度ｎi に比例して変化する。この為、これらラジアル荷重Ｆｚ、アキシアル荷重Ｆｙ、予圧Ｆ0 、Ｆ0 、ハブ１１の回転速度ｎi を総て関連させて考えなければ、上記公転速度ｎc を正確に求める事はできない。このうちの予圧Ｆ0 、Ｆ0 は、運転状態に応じて変化するものではないので、初期設定等によりその影響を排除する事は容易である。これに対して上記ラジアル荷重Ｆｚ、アキシアル荷重Ｆｙ、ハブ１１の回転速度ｎi は、運転状態に応じて絶えず変化するので、初期設定等によりその影響を排除する事はできない。
【００１５】
この様な事情に鑑みて先発明では、前述した様に、ラジアル荷重Ｆｚを求める場合には、前記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂが検出する各列の転動体８ａ、８ｂの公転速度の和を求める事により、上記アキシアル荷重Ｆｙの影響を少なくしている。又、アキシアル荷重Ｆｙを求める場合には、上記各列の転動体８ａ、８ｂの公転速度の差を求める事で、上記ラジアル荷重Ｆｚの影響を少なくしている。更に、何れの場合でも、上記和又は差と、前記回転速度検出用センサ７が検出する上記ハブ１１の回転速度ｎi との比に基づいて上記ラジアル荷重Ｆｚ又は上記アキシアル荷重Ｆｙを算出する事により、上記ハブ１１の回転速度ｎi の影響を排除している。尚、上記アキシアル荷重Ｆｙを、上記各列の転動体８ａ、８ｂの公転速度の比に基づいて算出する場合には、上記ハブ１１の回転速度ｎi は、必ずしも必要ではない。
【００１６】
尚、上記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂの信号に基づいて上記ラジアル荷重Ｆｚとアキシアル荷重Ｆｙとのうちの一方又は双方の荷重を算出する方法は、他にも各種存在するが、この様な方法に就いては、前述の特願２００３−１７１７１５号、１７２４８３号に詳しく説明されているし、本発明の要旨とも関係しないので、詳しい説明は省略する。
【００１７】
上述の様な先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、複列に配置された転動体８ａ、８ｂの公転速度を測定する為に、外輪１の中間部にセンサユニット４を挿通する為の取付孔３を形成している。この為、硬質金属製であるこの外輪１にこの取付孔３を形成する分、コストが嵩むだけでなく、この外輪１の強度確保を図る分だけ、転がり軸受ユニットの軽量化を図りにくくなる。これに対して、近年、燃費や走行安定性等の走行性能を中心とする自動車の性能向上に関する要求が高まっている。又、走行性能を向上させる為には、懸架装置に組み込まれたばねよりも車輪側に存在する部分である、所謂ばね下荷重となる部材の軽量化が重要である事が知られている。この様な事情から、上記転がり軸受ユニットの軽量化が強く望まれているが、上記取付孔３を形成した外輪１の軽量化は、取付孔等の貫通孔を形成していない外輪に比べて難しくなる。前記特許文献３に記載された構造にしても、貫通孔を形成してはいないが、外輪相当部材の一部の剛性を低くする為、この外輪相当部材の耐久性確保と軽量化との両立は難しい。
【００１８】
この様な事情に鑑みて本発明者等は、各転動体を磁性材製とし、外輪相当部材の外周面に設置された公転速度検出用センサによりこれら各転動体の通過に伴う磁気特性の変化を検知する事で、これら各転動体の公転速度を検出し、転がり軸受ユニットに加わる荷重を求める転がり軸受ユニット用荷重測定装置に関する発明を行なった（特願２００３−３３０９５４号）。この様な第二の先発明に係る構造の場合、上述した（第一の）先発明に係る構造の場合に生じる問題を生じない代わりに、転がり軸受ユニットの耐久性確保が難しくなる。即ち、上記各転動体を磁化させる為、これら各転動体の転動面に、転がり接触部で生じた摩耗粉等の、磁性材の微粉末が付着し、この微粉末が転がり接触部に噛み込まれて、この転がり接触部の転がり疲れ寿命を低下させる可能性がある。
【００１９】
前述の（第一の）先発明を実施する場合に生じる問題、並びに上述の第二の先発明を実施する場合に生じる問題を何れも解消する為には、各転動体の公転速度を、これら各転動体の通過に伴う振動の周波数により求める事が好ましい。但し、前記特許文献３に記載された様な、外輪相当部材の剛性を一部で低くする構造を採用した場合には、十分な耐久性を確保できない。又、各転動体の通過に伴う振動の周波数によりこれら各転動体の公転速度を求める事は、特許文献４、非特許文献１、２等にも記載されているが、上記振動を効率良く測定して、その測定データにより転がり軸受ユニットに加わる荷重を求める事に就いては記載されていない。
【００２０】
【特許文献１】特開２００１−２１５７７号公報
【特許文献２】特開平３−２０９０１６号公報
【特許文献３】特公昭６２−３３６５号公報
【特許文献４】特開平５−１０８３５号公報
【非特許文献１】小野浩一郎、岡田養二、「玉軸受の外輪軌道面うねりに起因するラジアル振動解析」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、６２巻５９８号、ｐ．３０３−３０８、１９９６年６月
【非特許文献２】小野浩一郎、岡田養二、「玉軸受の取付誤差を考慮した転動体通過振動の解析」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、６５巻６３１号、ｐ．３０８−３１４、１９９９年３月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、貫通孔を形成する等、転がり軸受ユニットを構成する外輪相当部材の剛性を低下させない構造で、しかも転動体を磁化させずにこの転動体の公転速度を検出自在として、この転がり軸受ユニットに加わる荷重を求められる構造を実現すべく発明したものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、外輪相当部材と、内輪相当部材と、複数個の転動体と、振動センサと、演算器とを備える。
このうちの外輪相当部材は、内周面に外輪軌道を有し、使用時にも回転しない。
又、上記内輪相当部材は、上記外輪相当部材の内径側にこの外輪相当部材と同心に配置されたもので、外周面に内輪軌道を有し、使用時に回転する。
又、上記各転動体は、この内輪軌道と上記外輪軌道との間に、接触角を付与した状態で設けられている。
又、上記振動センサは、上記各転動体の公転運動に伴う振動を検出する為のもので、上記外輪相当部材の外周面に支持されている。
更に、上記演算器は、上記振動センサから送り込まれる検出信号に基づいて、上記各転動体の公転速度を求め、更にこの公転速度に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する。
【発明の効果】
【００２３】
上述の様に構成する本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、転動体の公転速度を検出する事により、転がり軸受ユニットに負荷される荷重を測定できる。即ち、玉軸受の如き転がり軸受ユニットに荷重が負荷されると、転動体（玉）の接触角が変化し、これら各転動体の公転速度が変化する。そこで、この公転速度を検出すれば、外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用する荷重を求められる。
更に、本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、上記公転速度を、上記外輪相当部材の外周面に設置した振動センサの検出信号により求める為、この外輪相当部材に取付孔等の貫通孔を形成したり、この外輪相当部材の一部の剛性を低くする必要がない。この為、この外輪相当部材の強度を確保しつつ、この外輪相当部材、延てはこの外輪相当部材を組み込んだ転がり軸受ユニットの軽量化を図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した様に、内輪相当部材の回転速度を求める、回転速度検出手段を設ける。
前述した第一の先発明の説明から明らかな通り、内輪相当部材の回転速度が一定である場合には、ラジアル荷重、アキシアル荷重の何れも、転動体の公転速度のみからでも求める事は可能である。又、このうちのアキシアル荷重に関しては、上記内輪相当部材の回転速度が変化した場合でも、両列の公転速度の比から求められる。但し、上記ラジアル荷重を両列の公転速度のみから求める事は、両列の転動体に加わるラジアル荷重に差が存在すれば不可能ではないにしても、正確に求める事は難しい。これに対して、上記回転速度検出手段を設ければ、上記内輪相当部材の回転速度が変化した場合でも、上記ラジアル荷重、アキシアル荷重の何れも、正確に求められる。
【００２５】
又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項３〜４に記載した様に、外輪相当部材の内周面に複列の外輪軌道を、内輪相当部材の外周面に複列の内輪軌道を、それぞれ設ける。そして、これら両外輪軌道と両内輪軌道との間に転動体を、複列に分けて、両列毎にそれぞれ複数個ずつ、これら両列同士の間で接触角の方向を互いに逆にした状態で設ける。
そして、例えば請求項３に記載した様に、これら両列の転動体の公転に伴う振動をそれぞれ検出する為の１対の振動センサを設ける。この場合に演算器は、これら両振動センサから送り込まれる検出信号に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する。
或は、請求項４に記載した様に、上記両列の転動体の公転に伴う振動を検出する為の単一の振動センサを設ける。この場合に演算器は、この振動センサから送り込まれる検出信号に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する。
上記請求項３に記載した発明の様な構成を採用すれば、上記両列の転動体の公転速度の測定精度、延ては上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重の測定精度を高くできる。
又、上記請求項４に記載した様な構成を採用すれば、上記両列の転動体の公転に基づく振動を分離して測定できる限り、これら両列の転動体の公転速度の測定精度、延ては上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重の測定精度を確保しつつ、上記振動センサの使用個数を少なくする事によるコスト低減を図れる。
【００２６】
又、上述の様な請求項３〜４に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置を実施する場合に好ましくは、請求項５に記載した様に、一方の列に関する外輪軌道と内輪軌道と転動体との仕様と、他方の列に関する外輪軌道と内輪軌道と転動体との仕様とを互いに異ならせる。そして、内輪相当部材の回転速度に対する各転動体の公転速度の比を、上記両列同士の間で互いに異ならせる。
或は、請求項６に記載した様に、列毎の転動体の数とこれら各転動体の公転速度との積に比例する、これら各転動体の公転に伴う振動の周波数を、両列同士の間で互いに異ならせる。
この様にすれば、上記各転動体の公転に伴う振動の周波数が、上記両列同士の間で大きく（荷重の作用に伴って生じる差を越えて）異なる。この為、上記各転動体の公転に伴う振動の周波数を、各列毎に分離する事が容易になり、振動センサを１対設けるか１個のみ設けるかに拘らず、上記両列の転動体の公転速度を、それぞれ正確に求められる。そして、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を正確に測定できる。
【００２７】
上述の様な、請求項５〜６に記載した発明を実施する場合に、例えば、両列同士の間で転動体の数を異ならせる（請求項６に記載した発明の場合）。
或は、両列同士の間で、各転動体のピッチ円直径を変える（請求項５〜６に記載した発明の場合）。
或は、両列同士の間で、各転動体の直径を変える（請求項５〜６に記載した発明の場合）。
或は、両列同士の間で、各転動体と外輪軌道及び内輪軌道との接触角を変える（請求項５〜６に記載した発明の場合）。
【００２８】
又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項７に記載した様に、演算器は、振動センサから出力される検出信号中から、転動体の数とこれら各転動体の公転速度との積に比例する、これら各転動体の公転に伴う振動の周波数成分、及び、この周波数成分の整数倍の周波数成分を取り出す。そして、この様な周波数成分に基づいて、上記各転動体の公転速度を算出する。
或は、請求項８に記載した様に、演算器は、振動センサから出力される検出信号中から、各転動体の公転速度に比例する周波数成分、及び、この周波数成分の整数倍の周波数成分を取り出す。そして、上記各転動体の公転速度を算出する。
この様にして上記周波数成分を取り出し、この周波数成分から上記各転動体の公転速度を算出すれば、この公転速度、延ては前記外輪相当部材と前記内輪相当部材との間に加わる荷重を正確に測定できる。
【００２９】
又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項９に記載した様に、外輪軌道と内輪軌道とのうちの一方の軌道の円周方向に関する形状を、円形から僅かにずらせる事により、転動体の公転に伴う振動を発生し易くする。
この為には、例えば上記一方の軌道に、円周方向に関する微小なうねりを設けたり、この一方の軌道を僅かな楕円形状とする。
或は、請求項１０に示す様に、各転動体の公転方向に関するこれら各転動体同士のピッチを不同にする事により、転動体の公転に伴う振動を発生し易くする。
或は、請求項１１に示す様に、同一の列に属する転動体の直径を不同にする事により、転動体の公転に伴う振動を発生し易くする。
この様にして転動体の公転に伴う振動を発生し易くすれば、振動センサがこの振動を検知し易くなり、この公転の速度、延ては上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を正確に測定できる。
尚、請求項９〜１１の何れの発明を実施する場合でも、振動を発生し易くする為の形状や寸法等の歪み（非円形、直径やピッチの不同）は極く僅かにして、この歪みにより転がり軸受ユニットの耐久性が損なわれない様にする。
【００３０】
又、本発明を実施する場合に例えば、請求項１２に記載した様に、各転動体を玉とする。そして、外輪相当部材の内周面に形成された複列アンギュラ型の外輪軌道と、内輪相当部材の外周面に形成された複列アンギュラ型の内輪軌道との間にそれぞれ複数個ずつ設けられた玉に、背面組み合わせ型の接触角を付与する。
或は、請求項１３に記載した様に、各転動体を円すいころとする。そして、外輪相当部材の内周面に形成された、それぞれが円すい凹面状の複列の外輪軌道と、内輪相当部材の外周面に形成された、それぞれが円すい凸面状の複列の内輪軌道との間にそれぞれ複数個ずつ設けられた円すいころに、背面組み合わせ型の接触角を付与する。
この様な構造で本発明を実施すれば、大きな支持剛性を有する転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する為の構造を実現できる。
【００３１】
又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項１４に記載した様に、内輪相当部材に車輪を支持固定し、外輪相当部材を懸架装置に支持固定した状態で、上記車輪とこの懸架装置との間に加わる荷重を求める為に利用する。
この様な使用状態を採用すれば、上記車輪と上記懸架装置との間に加わる荷重の値を、ＡＢＳ、ＴＣＳ、ＶＳＣ等の車両用走行状態安定化装置の制御に利用して、車両の走行状態を安定化する為に、より高度の制御を行なえる。
【実施例１】
【００３２】
図１は、本発明の実施例１を示している。本実施例は、自動車の従動輪（ＦＲ車、ＲＲ車、ＭＲ車の前輪、ＦＦ車の後輪）を支持する為の転がり軸受ユニットに加わる荷重（ラジアル荷重及びアキシアル荷重）を測定する為の転がり軸受ユニットの荷重測定装置に本発明を適用した場合に就いて示している。懸架装置に支持される外輪１の内径側に、車輪を結合固定するハブ１１を支持している。このハブ１１は、車輪を固定する為の回転側フランジ１３をその外端部に有するハブ本体１４と、このハブ本体１４の内端部に外嵌されてナット１５により抑え付けられた内輪１６とを備える。
【００３３】
上述の様なハブ１１の外周面に形成した複列アンギュラ型の内輪軌道１７、１７と、上記外輪１の内周面に形成した複列アンギュラ型の外輪軌道２、２との間に、それぞれ転動体（玉）８ａ、８ｂを複列（２列）に分けて、各列毎にそれぞれ複数個ずつ設けている。これら各転動体８ａ、８ｂはそれぞれ、保持器１８ａ、１８ｂにより、円周方向に互いに離隔させた状態で転動自在に設けている。そして、この構成により、上記外輪１の内径側に上記ハブ１１を、回転自在に支持している。この状態で上記各列の転動体８ａ、８ｂには、互いに逆方向で、且つ、同じ大きさの接触角αa 、αb （図４参照）が付与されて、背面組み合わせ型の、複列アンギュラ型玉軸受を構成する。上記各列の転動体８ａ、８ｂには、使用時に加わるアキシアル荷重によって喪失する事がない程度に十分な予圧を付与する。この様な転がり軸受ユニットの使用時には、上記外輪１を懸架装置に支持固定し、上記ハブ１１の回転側フランジ１３に制動用のディスクと車輪のホイールとを支持固定する。
【００３４】
又、上記外輪１の外周面で軸方向（図１の左右方向）に離隔した２個所位置（図１には１個所のみ図示）で上記両外輪軌道２、２の周囲部分に、それぞれ振動センサ１９ａ、１９ｂを設置している。これら両振動センサ１９ａ、１９ｂとして好ましくは、廉価な加速度センサを利用できる。但し、振動を検出できるものであれば、速度センサや変位センサを利用する事も可能である。更に、上記内輪１６の内端部に回転速度検出用エンコーダ１２ａを外嵌固定し、この回転速度検出用エンコーダ１２ａの被検出面に、回転速度検出用センサ７ａの検出部を対向させている。尚、この回転速度検出用センサ７ａは、上記外輪１の内端開口部に固定したカバー２０に支持している。
【００３５】
そして、上記両振動センサ１９ａ、１９ｂ及び上記回転速度検出用センサ７ａの検出信号を受けた、図示しない演算器が、これら各センサ１９ａ、１９ｂ、７ａの検出信号に基づいて上記各転動体８ａ、８ｂの公転速度を算出し、更にこの公転速度に基づいて、上記外輪１と上記ハブ１１との間に加わる荷重を算出する。公転速度から荷重を求める際の作用に関しては、前述した先発明の場合と同様であるから、以下に、上記両振動センサ１９ａ、１９ｂの検出信号に基づいて前記各転動体８ａ、８ｂの公転速度を求める作用に就いて説明する。
【００３６】
転がり軸受の運転中に、各列毎の上記各転動体８ａ、８ｂの数とこれら各転動体８ａ、８ｂの公転速度との積に比例する、これら各転動体８ａ、８ｂの公転に伴う振動の周波数成分、及び、この周波数成分の整数倍の周波数成分の振動が発生する事は、前述の非特許文献１、２に記載されている様に、従来から知られている。一方、上記ハブ１１の回転速度ｎi と上記各転動体８ａ、８ｂの公転速度ｎc との関係は、前述した（１）式の通りである。従って、上記ハブ１１の回転速度ｎi が分かれば、この（１）式から、上記各転動体８ａ、８ｂの公転速度ｎc の概略値を推定できる。上記ハブ１１の回転速度ｎi は、上記回転速度検出用センサ７ａの検出信号に基づいて求められるので、上記各転動体８ａ、８ｂの公転速度ｎc の概略値を推定できる。
【００３７】
この様にして、この公転速度ｎc の概略値を推定したならば、前記両振動センサ１９ａ、１９ｂの検出信号に含まれる、各種周波数を表す信号のうちから、上記各転動体８ａ、８ｂの公転に伴う振動の周波数成分、及び、この周波数成分の整数倍の周波数成分の振動を特定する。即ち、上記両振動センサ１９ａ、１９ｂは、上記各転動体８ａ、８ｂの公転に伴う振動だけでなく、走行に伴って発生するタイヤと路面との接触により生じる振動等、各種の振動を検出する。この為、上記両振動センサ１９ａ、１９ｂから送り出される検出信号中には、上記各転動体８ａ、８ｂの公転に伴う振動の周波数成分、及び、この周波数成分の整数倍の周波数成分以外の振動を表す信号（ノイズ信号）も混入する。但し、このノイズ信号が表す振動の周波数は、上記各転動体８ａ、８ｂの公転に伴う振動の周波数とは大きく異なる為、上述の様に公転速度ｎc の概略値を推定し、この概略値から大きく外れた周波数の振動を除去する、言い換えれば、この概略値に近い周波数のみを取り入れる事で、上記各転動体８ａ、８ｂの公転に伴う振動の周波数を正確に特定できる。この様にして、これら各転動体８ａ、８ｂの公転に伴う振動の周波数を正確に特定できれば、これら各転動体８ａ、８ｂの公転速度を正確に求められる。この周波数からこの公転速度を求める事は、各列の転動体８ａ、８ｂの数が分かっている限り容易である為、詳しい説明は省略する。
【００３８】
尚、上記両振動センサ１９ａ、１９ｂの検出信号から、上記各転動体８ａ、８ｂの公転に伴う振動の周波数を正確に特定する為には、上記両振動センサ１９ａ、１９ｂの検出信号の時間軸に関する波形の周期を読み取っても良いし、フーリエ変換を用いて周波数を算出しても良い。上記時間軸に関する波形の周期を読み取る場合には、周期読み取り精度を高める為に、対象とする周波数（上記概略値）の近傍に、予めバンドパスフィルタを設ける事が望ましい。又、上記フーリエ変換を用いる場合も、周波数計算に関する精度を高める為に、上記対象とする周波数（上記概略値）の近傍を計算ターゲットとした、ズームフーリエ計算を行なう事が望ましい。尚、各転動体８ａ、８ｂの公転に伴う振動を特定した後に、この振動の周波数を算出する為のデータ処理方法に関しては、従来から広く知られている各種方法を採用できる為、詳しい説明は省略する。
【００３９】
但し、本実施例の場合には、上記各転動体８ａ、８ｂの列が近接しているので、両列の転動体８ａ、８ｂの公転に伴って発生した振動が、何れも（両方とも）上記両振動センサ１９ａ、１９ｂで検出される可能性がある。一般的な複列転がり軸受ユニットの場合、両列の仕様（外輪軌道２と内輪軌道１７と転動体８ａ、８ｂとの関係）は同じである為、これら両列の転動体８ａ、８ｂの公転速度は、一致若しくは近い値となる。この様な場合に、これら両列で、転動体８ａ、８ｂの公転に伴って発生した振動が上記両振動センサ１９ａ、１９ｂにより検出されると、これら両振動センサ１９ａ、１９ｂが検出した振動が、どちらの列の公転に基づく振動かを識別できなくなる。
【００４０】
この様な問題に対処する為には、前述の請求項５に記載した様に、一方の列に関する外輪軌道と内輪軌道と転動体との仕様と、他方の列に関する外輪軌道と内輪軌道と転動体との仕様とを互いに異ならせたり、或は、前述の請求項６に記載した様に、列毎の転動体の数とこれら各転動体の公転速度との積に比例する、これら各転動体の公転に伴う振動の周波数を、両列同士の間で互いに異ならせる。上記請求項５、６の具体的構造に就いては、前述した通りである。即ち、前述した（１）式に関して、前記ハブ１１の回転速度ｎi は上記両列の転動体８ａ、８ｂに関して同じであり、この回転速度ｎi とこれら両列の転動体８ａ、８ｂの公転速度ｎc との比は、上記（１）式で定まる。従って、この（１）式中で上記回転速度ｎi 以外の要件である、接触角αa 、αb 、ピッチ円直径Ｄ、各転動体８ａ、８ｂの直径ｄの１乃至複数を上記両列同士の間で互いに異ならせれば、これら両列の転動体８ａ、８ｂの公転速度を明らかに異ならせて、上記両振動センサ１９ａ、１９ｂが検出した振動が、どちらの列の公転に基づく振動かを識別可能にできる。更には、上記各転動体８ａ、８ｂの数を、上記両列同士の間で互いに異ならせる事によっても、これら各転動体８ａ、８ｂの公転に伴って発生する振動の周波数を上記両列で異ならせて、上記両振動センサ１９ａ、１９ｂが検出した振動が、どちらの列の公転に基づく振動かを識別可能にできる。何れの構造を採用するにしても、上記転動体８ａ、８ｂの公転に伴って発生する振動の周波数を上記両列同士の間で互いに（大きなアキシアル荷重作用時にも大小関係が逆転しない程度に）大きく異なる値とする事で、上記両振動センサ１９ａ、１９ｂが検出した振動が、どちらの列の公転に基づく振動かを識別できる。
【００４１】
更に、上記各転動体８ａ、８ｂの公転に伴って発生する振動を、上記両振動センサ１９ａ、１９ｂによって精度良く検出できる様にする為に、前述の請求項９〜１１に示す様な構造を採用する事により、上記公転に伴って発生する振動を顕著にする事もできる。この場合に、公転に伴う振動を顕著にする列は、両方の列でも良いし、一方の列のみでも良い。この場合に、例えば、使用時にも回転しない外輪軌道２、２に、円周方向に関して多角形となるうねりを設けておけば、周波数が、各列毎の上記各転動体８ａ、８ｂの数とこれら各転動体８ａ、８ｂの公転速度ｎc との積である、振動が発生し易くなる。例えば、非特許文献１に記載されている様に、外輪軌道２、２上に、上記各転動体８ａ、８ｂの数と同じ角数の、正多角形のうねりが存在すると、周波数が「転動体の数×転動体の公転速度」で表される振動が発生する。又、外輪軌道２、２上に、上記各転動体８ａ、８ｂの数のｎ倍（ｎは整数）と同じ角数の、正多角形のうねりが存在すると、周波数が「転動体の数×転動体の公転速度×ｎ」で表される振動が発生する。この様に、上記外輪軌道２、２に意図的に正多角形のうねりを設ける事により、上記各転動体８ａ、８ｂの公転に伴って、周波数が「転動体の数×転動体の公転速度×ｎ」（ｎ＝１、２、・・・）で表される振動を発生させる事ができ、上記両振動センサ１９ａ、１９ｂによる、この振動の検出が容易となる。
【００４２】
前記各内輪軌道１７、１７上に、円周方向に関する正多角形のうねりが存在する場合は、上述の様に外輪軌道２、２上にうねりが存在する場合とは、上記各転動体８ａ、８ｂの公転に伴って発生する振動の周波数が異なる。但し、上記外輪軌道２、２上にうねりが存在する場合と同様に、この振動が顕著に発生する。これら各外輪軌道２、２、上記各内輪軌道１７、１７の何れかに正多角形のうねりを形成する作業は、当該軌道の溝を切削、或は研削する際に、研削用の砥石に振れ回り挙動を与える事により、容易に行なえる。尚、上記正多角形のうねりの大きさは、転がり軸受ユニットの寿命を低下させない事、有害な振動・騒音を発生させない事が前提となる事は勿論である。従って、現実的には、うねりの山から谷までの大きさは数μｍ以下、望ましくは１μｍ以下に設定する。
【００４３】
又、非特許文献２に記載されている様に、外輪１或はハブ１１等の軌道輪を楕円形状に加工、或は変形させる事により、周波数が「転動体の数×転動体の公転速度×ｎ」（ｎ＝１、２、・・・）で表される振動を発生させる事ができる。従って、上記各外輪軌道２、２、或は上記各内輪軌道１７、１７の円周方向に関する形状を楕円形にする事によっても、上記両振動センサ１９ａ、１９ｂによる、上記各転動体８ａ、８ｂの公転に伴って発生する振動の検出を容易にできる。この様に、これら各転動体８ａ、８ｂの公転に伴って発生する振動の検出を容易にすべく、この振動を大きくする手段として、その他にも、上記各転動体８ａ、８ｂを公転方向に関して不等ピッチに配置したり、これら各転動体８ａ、８ｂの直径を不揃いにする事が考えられる。この様な手段により、これら各転動体８ａ、８ｂの公転速度に比例する周波数成分の振動を発生させて、この振動を検出し易くできる。勿論、この場合も、不等ピッチや直径不揃いの程度は、転がり軸受ユニットの寿命を低下させたり、有害な振動・騒音を発生させない程度に（僅少に）抑える。
【００４４】
何れにしても、上述の様に構成する本実施例の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、上記各転動体８ａ、８ｂの公転速度を検知する為、上記外輪１に取付孔等の貫通孔を形成したり、この外輪１の一部の剛性を低くする必要がない。この為、この外輪１の強度を確保しつつ、この外輪１、延てはこの外輪１を組み込んだ転がり軸受ユニットの軽量化を図れる。この結果、荷重測定機能を備えた転がり軸受ユニットを組み付けた自動車のばね下荷重を軽減し、この自動車の走行性能の向上に寄与できる。
【実施例２】
【００４５】
図２は、本発明の実施例２を示している。本実施例の場合には、外輪１の中間部外周面に振動センサ１９を、１個のみ設けている。そして、この単一の振動センサ１９により、両列の転動体８ａ、８ｂの公転に基づく振動を検出する様にしている。上述の実施例１で説明した通り、１対の振動センサ１９ａ、１９ｂを設けた場合でも、これら両振動センサ１９ａ、１９ｂが近接していると、両列の転動体８ａ、８ｂの公転速度を把握できなくなる。この様な場合には、前述した通り、これら両列の転動体８ａ、８ｂの公転速度を十分に異ならせる。この事は逆に、これら両列の転動体８ａ、８ｂの公転速度を十分に異ならせた場合には、これら両列の転動体８ａ、８ｂの公転に伴って発生する振動を検出する振動センサ１９が１個のみであっても、一方の列の転動体８ａ、８ａの転動に伴って発生した振動と、他方の列の転動体８ｂ、８ｂの転動に伴って発生した振動とを、互いに分離可能である事になる。
【００４６】
この様な事情に鑑みて本実施例の場合には、上記各転動体８ａ、８ｂの公転に伴って発生する、「転動体の数×転動体の公転速度×ｎ」（ｎ＝１、２、・・・）で表される振動の周波数を、上記両列同士の間で互いに異ならせると共に、これら両列で発生する振動を、上記単一の振動センサ１９により検出する様にしている。この振動センサ１９に入力された、上記両列で発生した振動は、この振動センサ１９の検出信号を入力した演算器が、演算上で分離し、上記両列の振動の周波数を求めてこれら両列の公転速度を求め、更に外輪１とハブ１１との間に加わる荷重を求める。この様な本実施例の場合には、振動センサ１９を１個にする事により、コスト低減が可能になる。尚、この振動センサ１９は、上記両列の転動体８ａ、８ｂの公転に伴って発生する振動が、ほぼ均等に入力される位置に設置する事が好ましい。
【００４７】
尚、図示の実施例は何れも、ハブ１１の回転速度を求める為の回転速度検出手段を、転がり軸受ユニットの内端部に設けているが、前述の図３に示した先発明の場合と同様に、複列に配置された転動体８ａ、８ｂ同士の間部分に設ける事もできる。この場合には、外輪１に取付孔を設ける必要があるが、回転速度検出用センサを挿入するだけの小径の取付孔であれば、加工費用は比較的安く済むし、上記外輪１の強度低下も僅少に抑えられる為、この外輪１を厚肉化する必要もない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例１を示す断面図。
【図２】同実施例２を示す断面図。
【図３】先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置の断面図。
【図４】公転速度の変動に基づいて転がり軸受ユニットに加わる荷重を求められる理由を説明する為の模式図。
【図５】両列の転動体の公転速度とハブの回転速度との比と、ラジアル荷重の大きさとの関係を示す線図。
【図６】両列の転動体の公転速度とハブの回転速度との比と、アキシアル荷重の大きさとの関係を示す線図。
【符号の説明】
【００４９】
１    外輪
２    外輪軌道
３    取付孔
４    センサユニット
５    先端部
６ａ、６ｂ  公転速度検出用センサ
７、７ａ  回転速度検出用センサ
８ａ、８ｂ  転動体
９ａ、９ｂ  保持器
１０ａ、１０ｂ  公転速度検出用エンコーダ
１１    ハブ
１２、１２ａ  回転速度検出用エンコーダ
１３    回転側フランジ
１４    ハブ本体
１５    ナット
１６    内輪
１７    内輪軌道
１８ａ、１８ｂ  保持器
１９、１９ａ、１９ｂ  振動センサ
２０    カバー
【図１】
2005283323.tif 000003
【図２】
2005283323.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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