(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装置およびこのようなセンサ装置を備えたセンサ付き転がり軸受装置ならびにこれらの装置において好適に使用される超音波センサを提供する。【解決手段】  センサ装置は、固定側軌道部材に取り付けられ被検知部からの超音波のエコーを検知する超音波センサを備えている。超音波センサ2は、筒状の筐体51と、筐体51の一端開口を塞ぐ前面板52と、前面板52に接触するように設けられた振動子53とを有している。前面板52が金属製とされるとともに、前面板52と金属製の筐体51とが一体に形成されている。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の筐体と、筐体の一端開口を塞ぐ前面板と、前面板に接触するように設けられた振動子とを備えている超音波センサにおいて、前面板が金属製とされるとともに、前面板と金属製の筐体とが一体に形成されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
互いに接触する可動体および固定体からなる被検知部と、固定体に取り付けられ被検知部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、被検知部に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から被検知部に作用する荷重を求める処理手段とを備え、超音波センサは、筒状の筐体と、筐体の一端開口を塞ぐ前面板と、前面板に接触するように設けられた振動子とを有しており、前面板が金属製とされるとともに、前面板と金属製の筐体とが一体に形成されていることを特徴とするセンサ装置。
【請求項３】
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、固定側軌道部材に取り付けられ固定側軌道部材と転動体との接触部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、転動体に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から転動体に作用する荷重を求める処理手段とを備え、超音波センサは、筒状の筐体と、筐体の一端開口を塞ぐ前面板と、前面板に接触するように設けられた振動子とを有しており、前面板が金属製とされるとともに、前面板と金属製の筐体とが一体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】
この発明は、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装置およびセンサ付き転がり軸受装置ならびにこれらの装置において好適に使用される超音波センサに関する。
【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。
【０００３】
また、超音波センサとして、図４に示すように、円筒状の筐体(61)と、筐体(61)の一端開口を塞ぐ前面板(62)と、前面板(62)に接触するように設けられた振動子(63)と、筐体(61)内に充填されたバッキング材(64)と、筐体(61)の他端開口を塞ぐカバー(65)と、筐体(61)に設けられたコネクタ(66)と、コネクタ(66)と振動子(63)とを接続するリード線(67)とを有しており、筐体(61)と前面板(62)とが別部材であり、筐体(61)が金属製で、前面板(62)がセラミックス製のものが知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−４５３７０号公報
【特許文献２】特開平０５−０１１０４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
そこで、これを解消するために超音波センサを使用することが考えられるが、特許文献２に示されている超音波センサは、特許文献１のセンサ付き転がり軸受装置で使用するには、セラミックス製の前面板が破損しやすくまた高価であるという問題があった。
【０００６】
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装置およびこのようなセンサ装置を備えたセンサ付き転がり軸受装置ならびにこれらの装置において好適に使用される超音波センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による超音波センサは、筒状の筐体と、筐体の一端開口を塞ぐ前面板と、前面板に接触するように設けられた振動子とを備えている超音波センサにおいて、前面板が金属製とされるとともに、前面板と金属製の筐体とが一体に形成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
この発明によるセンサ装置は、互いに接触する可動体および固定体からなる被検知部と、固定体に取り付けられ被検知部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、被検知部に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から被検知部に作用する荷重を求める処理手段とを備え、超音波センサは、筒状の筐体と、筐体の一端開口を塞ぐ前面板と、前面板に接触するように設けられた振動子とを有しており、前面板が金属製とされるとともに、前面板と金属製の筐体とが一体に形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
上記のセンサ装置において、可動体は、転がり軸受の転動体であり、固定体は、転がり軸受の固定輪とされることがある。これにより、軸受に作用する荷重を検出することができるセンサ装置が得られる。
【００１０】
上記における超音波センサは、被検知部が金属製である場合に好適に使用されるものであり、従来の超音波センサが、金属製筐体とセラミックス製前面板との組合せであるのに対し、筐体と前面板とが有底筒状の金属製一体物とされる。金属材料としては、軸受鋼またはその他の各種鋼とされることが好ましい。筐体と前面板とは、好ましくは、同じ金属材料により一体に形成されるが、金属と金属との一体化は、金属とセラミックスとの一体化に比べて極めて容易であることから、例えば、軸受鋼製の転がり軸受が検知対象である場合、前面板を検知対象に合わせて軸受鋼とし、筐体を軸受鋼でない鋼例えばオーステナイト系ステンレス鋼とすることも可能である。
【００１１】
超音波センサは、被検知部の接触面積を検知することができ、可動体と固定体の接触面積は、接触面に直角の方向の荷重が増加したときに増加し、接触面に直角の方向の荷重が減少したときに減少することから、この接触面積を検知することにより被検知部にかかる荷重を検出することができる。転がり軸受の場合、接触面積と転動体荷重との関係は比例関係となる。可動体は、接触面積の変化を反映しやすい形状である球状、円柱状、棒状、針状、円錐状、樽状、またはその他の形状とされていることが好ましい。超音波センサで検知されるエコーは、被検知部に作用する荷重の変化に伴う接触面積の変化によって変化し、これがエコー強度として検出される。超音波センサによると、被検知部の材料選択の制約を少なくし、しかも、被検知部への追加の加工を行わないで、被検知部に作用する荷重を検出することができる。
【００１２】
転がり軸受としては、深みぞ玉軸受、アンギュラ玉軸受、ころ軸受、ニードル軸受、スラスト軸受などのいずれの転がり軸受でも使用可能であり、また、単列のものだけでなく、複列のものにも適用できる。軸受の材料は、軸受鋼が適しており、これに対応して、筐体および前面板が軸受鋼とされることが好ましい。しかしながら、筐体および前面板を被検知部と全く同一の材料とする必要はなく、超音波センサの筐体および前面板の音響インピーダンスは、転がり軸受の転動体および固定輪の音響インピーダンスと同等またはほぼ同等であればよい。軸受鋼の転がり軸受に対して、炭素鋼製や合金鋼製の筐体および前面板は、この条件を満たしている。筐体および前面板と被検知部とが異なる材料の場合には、筐体および前面板の音響インピーダンス＝被検知部の音響インピーダンス×０．９〜１．１（より好ましくは０．９５〜１．０５）であることが好ましい。
【００１３】
転がり軸受で使用されるセンサ装置は、転がり軸受の固定輪に取り付けられて転動体荷重の変化をエコー強度の変化によって検出する超音波センサと、転動体荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から転動体荷重を求める処理手段とを備えており、超音波センサは、筒状の筐体と、筐体の一端開口を塞ぐ前面板と、前面板に接触するように設けられた振動子とを有しており、前面板が金属製とされるとともに、前面板と金属製の筐体とが一体に形成されているものとされる。これにより、軸受に作用する転動体荷重を検出することができるセンサ付き転がり軸受装置が得られる。
【００１４】
転動体荷重は、例えば、以下の式で得られるエコー比から求められる。
【００１５】
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
転がり軸受に作用する荷重が変化すると、この荷重変化によって超音波センサの出力が変化する。超音波センサの出力から得られるエコー比と軸受に作用する荷重との関係は、相関が高いので、これを予め実験的に求めておくことにより、センサ出力から転がり軸受に作用する荷重を求めることができる。こうして、被検知部（固定輪と転動体との接触面）への加工を施すことなく転がり軸受に作用する荷重を求めることができる。
【００１６】
この場合に、処理手段は、転動体荷重と接触面積との関係を示す理論式を蓄える理論式蓄積部と、センサ出力と接触面積との関係を示す実験式を蓄える実験式蓄積部と、センサ出力から実験式を使って接触面積を求める接触面積演算部と、この接触面積から理論式を使って転動体荷重を求める転動体荷重演算部と、各超音波センサから得られた転動体荷重を使用して転がり軸受に作用する３方向分力（上下方向荷重、前後方向荷重および左右方向荷重）を求める３方向分力演算部とを有していることが好ましい。
【００１７】
超音波センサは、転がり軸受の固定輪に取り付けられることがあり、固定輪がハウジング等に支持されている場合には、超音波センサをこのハウジング等に保持させて固定輪とハウジング等との接触面を臨ますようにしてもよい。
【００１８】
超音波センサは、たとえば、転がり軸受の頂部、底部、前部および後部の計４カ所に設けられ、これら４つのデータから転がり軸受に作用する荷重の３方向分力（上下方向荷重、前後方向荷重および左右方向荷重）が求められる。なお、センサは、等分配でかつ上記配置以外の４カ所に設けるようにしてもよい。３方向分力を求める場合、超音波センサは、頂部および底部のいずれか一方を省略して、３つとしてもよいし、円周上の任意の位置に等配分で３つ配置してもよい。また、円周上の任意の位置に等配分で５つ以上配置してもよく、超音波センサの配置は、必ずしも等配でなくてもよい。荷重の絶対値だけを求める場合には、超音波センサは１つであってもよく、超音波センサの数は、必要とする荷重（モーメントを含む）の数に応じて適宜変更される。
【００１９】
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、固定側軌道部材に取り付けられ固定側軌道部材と転動体との接触部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、転動体に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から転動体に作用する荷重を求める処理手段とを備え、超音波センサは、筒状の筐体と、筐体の一端開口を塞ぐ前面板と、前面板に接触するように設けられた振動子とを有しており、前面板が金属製とされるとともに、前面板と金属製の筐体とが一体に形成されていることを特徴とするものである。
【００２０】
このセンサ付き転がり軸受装置は、固定側軌道部材が車体側、回転側軌道部材が車輪側に取り付けられるようになされて、自動車のセンサ付きハブユニットとして使用されることがある。
【００２１】
タイヤに接地荷重が作用すると、ハブユニット各部には接地荷重に応じた荷重が作用し、この荷重変化によって固定側軌道部材と転動体との接触面積が変化する。超音波センサによると、接触面積の大きさに対応して検知されるエコー比が変化するので、予め転動体荷重変化またはタイヤ接地荷重変化とエコー比との関係を求めておくことにより、エコー比から転動体荷重またはタイヤ接地荷重を求めることができる。こうして、被検知部（固定側軌道部材と転動体との接触部）への加工を施すことなく転動体荷重またはタイヤ接地荷重を求めることができる。
【発明の効果】
【００２２】
この発明の超音波センサによると、前面板が金属製とされるとともに、前面板と金属製の筐体とが一体に形成されているので、前面板にセラミックスを使用した従来のものに比べて、破損しにくくかつ安価であるので、自動車用や工作機械用の転がり軸受装置を含む各種装置のセンサとして好適に使用することができる。
【００２３】
この発明のセンサ装置によると、互いに接触する可動体および固定体からなる被検知部と、固定体に取り付けられ被検知部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、被検知部に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から被検知部に作用する荷重を求める処理手段とを備えているので、たとえば転がり軸受に作用する荷重を検出するに際し、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。また、超音波センサは、前面板が金属製とされるとともに、前面板と金属製の筐体とが一体に形成されているので、前面板にセラミックスを使用した従来のものに比べて、破損しにくくかつ安価であり、センサ装置を破損しにくく安価なものとすることができる。
【００２４】
この発明のセンサ付き転がり軸受装置によると、転がり軸受の材料選択に制約が少なくかつ追加の加工が必要でないようにして、転がり軸受に作用する荷重（例えば３方向分力）を演算することができる。したがって、これを自動車のセンサ付きハブユニットに適用した場合に、タイヤ接地荷重の３方向分力またはモーメントを含む６分力を求めることができ、車両制御の精度向上に資することができる。また、超音波センサは、前面板が金属製とされるとともに、前面板と金属製の筐体とが一体に形成されているので、前面板にセラミックスを使用した従来のものに比べて、破損しにくくかつ安価であり、センサ付き転がり軸受装置を破損しにくく安価な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】
【００２５】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は、この発明のセンサ装置を備えた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、左右および上下は、図の左右および上下をいうものとする。
【００２７】
図１に示すように、センサ付き転がり軸受装置は、転がり軸受(1)と、転がり軸受(1)に取り付けられた超音波センサ(2)と、超音波センサ(2)の出力を処理する処理手段（図示略）とを備えている。
【００２８】
転がり軸受(1)は、外輪（固定体）(3)、内輪(4)、これらの間に配置された複数の転動体（可動体）(5)、および保持器(6)を備えている。図示は省略したが、外輪(3)はハウジングなどに固定され、内輪(4)には回転軸などが固定される。外輪(3)とハウジングとは一体構造であってもよい。
【００２９】
超音波センサ(2)は、転動体(5)と外輪(3)の軌道溝との接触面（被検知部）(D)に直角の方向から臨まされて、超音波のエコーを求めるもので、図２に示すように、円筒状の筐体(51)と、筐体(51)の一端（下端）開口を塞ぐ前面板(52)と、前面板(52)に接触するように設けられた振動子(53)と、筐体(51)内に充填されたバッキング材(54)と、筐体(51)の他端（上端）開口を塞ぐカバー(55)と、筐体(51)に設けられたコネクタ(56)と、コネクタ(56)と振動子(53)とを接続するリード線(57)とを有しており、筐体(51)と前面板(52)とが同じ金属材料により一体に形成されている。
【００３０】
前面板(52)の材料を決定するに際しては、被検知部(D)の材料が考慮される。転がり軸受(1)の外輪(3)、内輪(4)および転動体(5)は、軸受鋼製とされることが最も多く、転がり軸受(1)が軸受鋼製の場合には、前面板(52)も軸受鋼製とされる。ただし、前面板(52)の材料としては、被検知部(D)と全く同じ材料とする必要はなく、前面板(52)の音響インピーダンス＝被検知部(D)の音響インピーダンス×０．９〜１．１（より好ましくは０．９５〜１．０５）の範囲となる材料を適宜使用することができる。筐体(51)の材料は、前面板(52)の材料に応じて選択され、前面板(52)が軸受鋼製であれば、筐体(51)も軸受鋼製とされる。ただし、筐体(51)の材料としては、前面板(52)と全く同じ材料とする必要はなく、筐体(51)の音響インピーダンス＝被検知部(D)の音響インピーダンス×０．９〜１．１（より好ましくは０．９５〜１．０５）の範囲となる材料を適宜使用することができる。
【００３１】
前面板(52)は、その厚さが放射する超音波の２分の１になるように調整されている。振動子(53)は、ＰＺＴ等の圧電性セラミックスからなり、エポキシ系樹脂などの接着剤、はんだ付けなどによって前面板(52)の内面（上面）に接合されている。バッキング材(54)は、振動子(53)の背面側に送信される超音波を減衰させるためのもので、エポキシ樹脂などの合成樹脂またはゴムなどによって形成されている。
【００３２】
パルス送信器（図示略）からの電気信号をコネクタ(56)およびリード線(57)を介して振動子(53)に加えると、振動子(53)から超音波が放射され、この超音波が前面板(52)を介して被検知部(D)に送られる。そして、被検知部(D)からの反射波が前面板(52)を介して振動子(53)で受けられて、これが出力される。
【００３３】
超音波センサ(2)の出力は、以下に示すエコー比として求められる。
【００３４】
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反射エコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときの反射エコー強度
転動体に作用する荷重が大きいと、接触面積も大きくなり、反射波は小さくなる。したがって、接触面積が大きい場合には、大きいエコー比が出力される。
【００３５】
超音波センサ(2)は、図１に示されている外輪頂部および外輪底部のほかに、外輪前部および外輪後部にも設けられており、これら４つのセンサ出力から転がり軸受(1)に作用する荷重の３方向分力（上下方向荷重、前後方向荷重および左右方向荷重）が求められている。
【００３６】
なお、上記実施形態においては、センサ装置が玉軸受に設けられてセンサ付き転がり軸受装置として使用される場合を示したが、この発明によるセンサ装置は、転がり軸受以外のものと組み合わせて使用することも可能である。
【００３７】
また、玉軸受以外の転がり軸受や転がり軸受装置の適用例である自動車用ハブユニットにももちろん使用できる。
【００３８】
以下に、自動車のハブユニットに適用する場合の実施形態を説明する。
【００３９】
図３に示すセンサ付き転がり軸受装置は、自動車用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(21)およびセンサ装置(22)からなる。
【００４０】
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である玉(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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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(10)とを備えている。超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sto)(Sbo)は、図３に示されている上下２カ所の他に、図示されていない前後２カ所にも設けられている。
【００４４】
各超音波センサ(Sto)(Sbo)は、図２に示した超音波センサ(2)と同様のものとされている。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、この発明によるセンサ装置の１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図２は、この発明による超音波センサを示す拡大縦断面図である。
【図３】図３は、この発明によるセンサ付き転がり軸受装置の他の実施形態を示す縦断面図である。
【図４】図４は、従来の超音波センサを示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
(1)       転がり軸受
(2)       超音波センサ
(3)       外輪（固定体＝固定側軌道部材）
(4)       内輪（回転側軌道部材）
(5)       転動体（可動体）
(21)      ハブユニット（転がり軸受）
(22)      センサ装置
(23)      固定側軌道部材
(24)      回転側軌道部材
(25)      転動体（玉）
(51)      筐体
(52)      前面板
(53)      振動子
(Sti)(Sbi)(Sto)(Sbo)     超音波センサ
(D)       接触面（被検知部）
【図１】
2007327811.tif 000003
【図２】
2007327811.tif 000004
【図３】
2007327811.tif 000005
【図４】
2007327811.tif 000006