(57)【要約】【課題】外輪を加工することなく、転がり軸受の転動体と軌道との接触部分である接触面に対して垂直に超音波を入射させることができる超音波センサを提供する。【解決手段】超音波センサ２は、転がり軸受１に使用され、外輪１１の外周面１１ｃに設けられ、振動子２３を振動させることにより、外輪１１の軌道１１ｕと玉１５との接触部分へ超音波を発信して接触部分における超音波の反射波を受信する。超音波センサ２は、外輪１１の外周面１１ｃ上に設けられるとともに、外輪１１の軌道１１ｕと玉１５の接線Ｔに対して垂直に超音波が入射するように、振動子２３を支持する支持台２２を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道が形成された外輪及び内輪と、前記外輪及び内輪の各々の軌道と接触して転動する転動体とを備える転がり軸受に使用され、前記外輪の外周面に設けられ、振動子を振動させることにより、前記外輪の軌道と前記転動体との接触部分へ超音波を発信して前記接触部分における前記超音波の反射波を受信する超音波センサであって、
前記外輪の外周面上に設けられるとともに、前記外輪の軌道と前記転動体の接線に対して垂直に前記超音波が入射するように、前記振動子を支持する支持台を備える
ことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記外輪の外周面と直交する面と、前記転がり軸受の中心軸に垂直な面とは平行であって、
前記外輪の外周面と直交する面と、前記支持台の支持面において支持されている前記振動子の幅の中心を通る中心線とのなす角度をθ１とし、前記転がり軸受の接触角をθ２とし、前記支持台における前記超音波の伝播速度をｖ１とし、前記外輪における前記超音波の伝播速度をｖ２とした場合に、ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２＝ｖ１／ｖ２の関係を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記外輪の音響インピーダンスと、前記支持台の音響インピーダンスとが、略等しいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波センサが、前記転がり軸受の外周面に設けら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、転がり軸受装置に使用される超音波センサ、これが設けられたセンサ付き転がり軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、自動車の車軸を回転可能に支持する転がり軸受装置や、工作機械の主軸（スピンドル）を回転可能に支持する転がり軸受装置には、転がり軸受装置の剛性、ひいては主軸等の剛性を確保するために、転がり軸受に所定の予圧が付与されている。より具体的には、例えば、転がり軸受装置は、主軸と、主軸を回転可能に支持する転がり軸受を備え、転がり軸受は、内周に軌道が形成された外輪と、外周に軌道が形成されるとともに主軸の外周に設けられた内輪と、外輪及び内輪の各々の軌道と接触して転動する転動体とを備えている。そして、内輪に当接するナットの締結等によって、外輪及び内輪の軌道と転動体との接触圧力を大きくして、転がり軸受に予圧を付与する。
【０００３】
このような転がり軸受装置に付与されている予圧を測定するために、超音波センサを用いることが提案されている。より具体的には、超音波センサは、振動子を備え、この振動子を振動させることによって、外輪の軌道と転動体との接触部分へ超音波センサを発信して接触部分における超音波の反射波を受信する。また、接触部分における超音波の反射波を精度良く受信することを目的として、転動体と軌道との接触部分である接触面に対して垂直に超音波を入射させるように超音波センサを配置することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−１４５４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術においては、超音波を、転動体と軌道との接触部分（接触面）に対して垂直に超音波を入射させることができるものの、超音波センサを傾けて取り付ける必要があるため、外輪を加工する必要がある。このため、例えば、外輪を切削して加工する場合、外輪の外周と内周との厚みが薄くなり、転がり軸受の強度が低下する可能性があるという問題があった。
【０００５】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、外輪を加工することなく、転がり軸受の転動体と軌道との接触部分である接触面に対して垂直に超音波を入射させることができ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】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、軌道が形成された外輪及び内輪と、外輪及び内輪の各々の軌道と接触して転動する転動体とを備える転がり軸受に使用され、外輪の外周面に設けられ、振動子を振動させることにより、外輪の軌道と転動体との接触部分へ超音波を発信して接触部分における超音波の反射波を受信する超音波センサであって、外輪の外周面上に設けられるとともに、外輪の軌道と転動体の接線に対して垂直に超音波が入射するように、振動子を支持する支持台を備えることを特徴とする。
【０００７】
同構成によれば、外輪の外周面上に設けられるとともに、外輪の軌道と転動体の接線に対して垂直に超音波が入射するように、振動子を支持する支持台を備える。従って、外輪を加工することなく、転がり軸受の転動体と軌道との接触部分である接触面に対して垂直に超音波を入射させることができる。その結果、接触部分における超音波の反射波を精度良く受信することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波センサであって、外輪の外周面と直交する面と、転がり軸受の中心軸に垂直な面とは平行であって、外輪の外周面と直交する面と、支持台の支持面において支持されている振動子の幅の中心を通る中心線とのなす角度をθ１とし、転がり軸受の接触角をθ２とし、支持台における超音波の伝播速度をｖ１とし、外輪における超音波の伝播速度をｖ２とした場合に、ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２＝ｖ１／ｖ２の関係を有することを特徴とする。
【０００９】
同構成によれば、外輪の外周面と直交する面と、支持台の支持面において支持されている振動子の幅の中心を通る中心線とのなす角度をθ１とし、転がり軸受の接触角をθ２とし、支持台における超音波の伝播速度をｖ１とし、外輪における超音波の伝播速度をｖ２とした場合に、ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２＝ｖ１／ｖ２の関係を有する。このため、外輪の外周面と直交する面と、転がり軸受の中心軸に垂直な面とが平行であれば簡単な構成で、外輪を加工することなく、転がり軸受の転動体と軌道との接触部分である接触面に対して垂直に超音波を入射させることができる。なお、転がり軸受の接触角とは、軌道と転動体とが接触している場合において、転がり軸受の中心軸に垂直な面と、軌道によって転動体へ伝えられる力の合力の作用線とがなす角度である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の超音波センサであって、外輪の音響インピーダンスと、支持台の音響インピーダンスとが、略等しいことを特徴とする。
【００１１】
同構成によれば、外輪の音響インピーダンスと、支持台の音響インピーダンスとが、略等しいため、支持台から外輪へ超音波が透過しやすく、外輪から支持台へ超音波の反射波が透過しやすい。従って、超音波の反射波をさらに精度良く受信することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波センサが、前記転がり軸受の外周面に設けられていることを特徴とする。
同構成によれば、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波センサが、転がり軸受の外周面に設けられているため、上記請求項１乃至請求項３に記載の発明と同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、外輪を加工することなく、転がり軸受の転動体と軌道との接触部分である接触面に対して垂直に超音波を入射させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中の矢印Ｕ及びＳは、左右方向を示すとともに、矢印Ｕ，Ｓの各々は、車体側方向、車輪側方向を示している。
【００１５】
本実施形態に係るセンサ付き転がり軸受装置（以下、単に「軸受装置」と言う場合がある。）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ある。この軸受装置は、図１に示すように、転がり軸受１と、転がり軸受１上に設けられた超音波センサ２とを備えている。
【００１６】
（転がり軸受の構成）
転がり軸受１は、車体（不図示）に固定される固定側軌道輪である外輪１１と、外輪１１の内側において車輪（不図示）とともに回転する回転側軌道輪である内輪１２と、外輪１１と内輪１２の間に設けられた２列の転動体である玉１５，１６とを備えている。なお、本実施形態においては、内輪１２は、ハブ軸１３と内輪部材１４とから構成されている。
【００１７】
外輪１１は、その内周に２列（即ち、内列と外列）の軌道１１ｕ，１１ｓが環状に形成されている円筒部１１ａと、車体側に形成されるとともに、ボルト（不図示）を用いて車体に取り付けられるフランジ部１１ｂとを有している。さらに、外輪１１は、超音波センサ２が設けられる、中心軸Ｘに平行な外周面１１ｃを有している。
【００１８】
内輪１２を構成するハブ軸１３は、外輪１１内に所定間隔を空けて設けられるとともに、外周に１列の軌道１３ｓが環状に形成されている略円柱状の軸部１３ａと、軸部１３ａの車輪側外周に形成されるとともに、ボルト６を用いて車輪が取り付けられる円盤状のフランジ部１３ｂとを有している。さらに、本実施形態においては、ハブ軸１３は、軸部１３ａの車体側に形成されるとともに、おねじが切られたおねじ部１３ｃを有している。
【００１９】
内輪１２を構成する内輪部材１４は、環状に形成されるとともに、ハブ軸１３と同様に、外輪１１内に所定間隔を空けて設けられるとともに、外周に１列の軌道１４ｕが環状に形成されている。この内輪部材１４は、ハブ軸１３の軸部１３ａの外周に嵌められるとともに、おねじ部１３ｃに螺合されたナット７によって、ハブ軸１３に固定されている。従って、内輪１２（ハブ軸１３と内輪部材１４）は、車輪とともに回転する。
【００２０】
以上のようにハブ軸１３および内輪部材１４（内輪１２）の外周には、軌道１３ｓ，１４ｕが環状に形成されている。そして、おねじ部１３ｃに螺合されたナット７の締結によって、外輪１１及び内輪部材１４（内輪１２）の軌道１１ｕ，１４ｕと玉１５との接触圧力を大きくするとともに、外輪１１及びハブ軸１３（内輪１２）の軌道１１ｓ，１３ｓと玉１６との接触圧力を大きくして、転がり軸受１に予圧を付与する構成となっている。
【００２１】
玉１５は、外輪１１と内輪部材１４（内輪１２）の間において、外輪１１に形成された軌道１１ｕと内輪部材１４に形成された軌道１４ｕに接触している。また、玉１６は、外輪１１とハブ軸１３（内輪１２）の間において、外輪１１に形成された軌道１１ｓとハブ軸１３に形成された軌道１３ｓに接触している。従って、内輪１２が回転することにより、玉１５は、外輪１１の軌道１１ｕと内輪部材１４の軌道１４ｕにおいて転動するとともに、玉１６は、外輪１１の軌道１１ｓとハブ軸１３の軌道１３ｓにおいて転動する。
【００２２】
以上のように構成された転がり軸受１は、いわゆる複列アンギュラ軸受であって、転がり軸受１は所定の接触角θ２を有している。接触角θ２とは、図２に示すように、軌道１１ｕと玉１５とが接触している場合において、転がり軸受１の中心軸Ｘに垂直な面Ｙと、軌道１１ｕによって玉１５へ伝えられる力の合力の作用線Ｌとがなす角度である。
【００２３】
（超音波センサの構成）
超音波センサ２は、図１及び図２に示すように、筐体２１と、筐体２１に収納される支持台２２及び振動子２３とを備え、外輪１１の外周面１１ｃに設けられ、振動子２３を振動させることにより、超音波を発信する。筐体２１は、支持台２２及び振動子２３を保護することを目的として、支持台２２と振動子２３とを覆っている。
【００２４】
また、支持台２２は、振動子２３を支持する支持面２２ａを有し、外輪１１の外周面１１ｃ上に設けられるとともに、外輪１１の軌道１１ｕと玉１５の接線Ｔに対して垂直に超音波が入射するように振動子２３を支持している。
【００２５】
より具体的には、外輪１１の外周面１１ｃと直交する面Ｐと、転がり軸受１の中心軸Ｘに垂直な面Ｙとは平行であって、ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２＝ｖ１／ｖ２の関係を有する。ここで、上記数式において、θ１とは、外輪１１の外周面１１ｃと直交する面Ｐと、支持台２２の支持面２２ａにおいて支持されている振動子２３の幅ｗの中心を通る中心線Ｃとのなす角度である。また、上記数式において、ｖ１は、支持台２２における超音波の伝播速度であって、ｖ２は、外輪１１における超音波の伝播速度である。また、作用線Ｌと中心線Ｃは、外輪１１と支持台２２とが接触する面Ｚにおいて交わっている。
【００２６】
以上のよう構成された超音波センサ２は、振動子２３を振動させて、軌道１１ｕと玉１５の接触部分へ超音波を発信するとともに、接触部分における超音波の反射波（以下、「エコー」という。）を受信する。そして、超音波センサ２によって受信されたエコーの振幅を示す値（以下、「エコー強度」という。）が、超音波センサ２と接続されるとともに、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）等により構成された予圧測定部（不図示）へ出力される。即ち、超音波センサ２は、軌道１１ｕと玉１５の接触部分（接触面）を被検査面としてエコー強度を検出するとともに、検出されたエコー強度を予圧測定部へ出力している。
【００２７】
ここで、本実施形態においては、上述のごとく、超音波センサ２が、外輪１１の外周面１１ｃ上に設けられるとともに、外輪１１の軌道１１ｕと玉１５の接線Ｔに対して垂直に超音波が入射するように、振動子２３を支持する支持台２２を備えることに特徴がある。
【００２８】
また、本実施形態においては、外輪１１の外周面１１ｃと直交する面Ｐと、転がり軸受１の中心軸Ｘに垂直な面Ｙとは平行であって、ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２＝ｖ１／ｖ２の関係を有する。このような構成によれば、外輪１１と支持台２２とが接触する面Ｚにおいて、超音波の入射角は角度θ１であって、超音波の屈折角は角度θ２である。従って、屈折角と接触角が等しいため、外輪１１の軌道１１ｕと玉１５の接線Ｔに対して垂直に超音波が入射する。
【００２９】
また、外輪１１の音響インピーダンスと、支持台２２の音響インピーダンスとは、略等しい。このため、支持台２２から外輪１１へ超音波が透過しやすく、外輪１１から支持台２２へ超音波のエコーが透過しやすい。
【００３０】
また、外輪１１と支持台２２は、同じ材料である鋼（例えば、軸受鋼、炭素鋼）やセラミックにより形成されている。このような構成により、外輪１１の音響インピーダンスと、支持台２２の音響インピーダンスとが等しくなることは言うまでもない。
【００３１】
上記実施形態の超音波センサによれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）超音波センサ２は、外輪１１の外周面１１ｃ上に設けられるとともに、外輪１１の軌道１１ｕと玉１５の接線Ｔに対して垂直に超音波が入射するように、振動子２３を支持する支持台２２を備える。このため、外輪１１を加工することなく、転がり軸受１の玉１５と軌道１１ｕとの接触部分である接触面に対して垂直に超音波を入射させることができる。その結果、接触部分における超音波のエコーを精度良く受信することができる。
【００３２】
（２）ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２＝ｖ１／ｖ２の関係を有する。このため、外輪１１の外周面１１ｃと直交する面Ｐと、転がり軸受１の中心軸Ｘに垂直な面Ｙとが平行であれば簡単な構成で、外輪１１を加工することなく、転がり軸受１の玉１５と軌道１１ｕとの接触部分である接触面に対して垂直に超音波を入射させることができる。
【００３３】
（３）外輪１１の音響インピーダンスと、支持台２２の音響インピーダンスとが、略等しいため、支持台２２から外輪１１へ超音波が透過しやすく、外輪１１から支持台２２へ超音波のエコーが透過しやすい。従って、超音波のエコーをさらに精度良く受信することができる。
【００３４】
（４）支持台２２は、外輪１１と同じ材料（鋼）により形成されている。このため、外輪１１の音響インピーダンスと、支持台２２の音響インピーダンスとを等しくすることができ、汎用性のある材料を用いて、上記（３）と同様の作用効果を得ることができる。
【００３５】
また、本実施形態に係る軸受装置は、転がり軸受１の外周面１１ｃに超音波センサ２が設けられているため、上記（１）乃至（４）と同様の作用効果を得ることができる。
【００３６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の設計変更をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。例えば、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
【００３７】
・上記実施形態においては、支持台２２は、外輪１１と同じ材料により形成されていたが、支持台２２を形成する材料は適宜変更してもよい。例えば、支持台２２を、アクリル樹脂や、ポリスチレン樹脂や、ポリエチレン樹脂により形成してもよい。
【００３８】
・外輪１１と支持台２２との間に接触媒質（例えば、油、グリース、水、グリセリン）を有し、接触媒質の音響インピーダンスと、支持台２２の音響インピーダンスとが、略等しくなるようにしてもよい。例えば、接触媒質が、１．２Ｐａ・ｓ／ｍの音響インピーダンスを有する油であれば、支持台２２を、１．７Ｐａ・ｓ／ｍの音響インピーダンスを有するポリエチレン樹脂により形成する。このようにすれば、外輪１１と支持台２２との接触面積を確保することができ、支持台２２から接触媒質へ超音波が透過しやすく、接触媒質から支持台２２へ超音波のエコーが透過しやすいため、超音波のエコーをさらに精度良く受信することができる。
【００３９】
・上記実施形態においては、転がり軸受１の転動体は玉１５，１６であったが、転動体として円錐ころを用いた円錐ころ軸受であってもよい。また、上記実施形態においては、軸受装置は、自動車用のセンサ付きハブユニットであったが、工作機械用の軸受装置であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態に係るセンサ付き転がり軸受装置の断面図。
【図２】本発明の実施形態に係るセンサ付き転がり軸受装置の拡大断面図。
【符号の説明】
【００４１】
θ１…角度、θ２…接触角、Ｌ…作用線、Ｐ…外輪の外周面と直交する面、Ｔ…外輪の軌道と転動体の接線、Ｘ…転がり軸受の中心軸、Ｙ…中心軸に垂直な面、１…転がり軸受、２…超音波センサ、１１…外輪、１１ｃ…外周面、１１ｕ…軌道、１２…内輪、１４…内輪部材、１４ｕ…軌道、１５，１６…玉（転動体）、２１…筐体、２２…支持台、２２ａ…支持面、２３…振動子。
【図１】
2009053040.tif 000003
【図２】
2009053040.tif 000004