(57)【要約】【課題】反射波を精度良く受信できない場合であっても、転動体に作用する荷重を算出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】センサ付き転がり軸受装置は、外輪１１及び内輪１２の各々の軌道１１ｕ，１４ｕと接触して転動する玉１５とを備える転がり軸受１と、外輪１１の軌道１１ｕと玉１５と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を受信する超音波センサ２と、玉１５に作用する荷重を算出する転動体荷重算出部３とを備える。そして、超音波センサ２は、外輪１１の軌道１１ｕと玉１５との接触角αを検出するために、複数の角度から接触部分へ超音波を発信して反射波を受信し、転動体荷重算出部３は、反射波に基づいて接触角αを検出するとともに、接触角αを用いて玉１５に作用する荷重を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周に軌道が形成された外輪と、外周に軌道が形成された内輪と、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と、
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するとともに、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と、
前記転動体に作用する荷重を算出する転動体荷重算出部と
を備えるセンサ付き転がり軸受装置であって、
前記超音波センサは、前記外輪の軌道と前記転動体との接触角を検出するために、複数の角度から前記接触部分へ前記超音波を発信して前記反射波を受信し、
前記転動体荷重算出部は、前記反射波に基づいて前記接触角を検出するとともに、前記接触角を用いて前記転動体に作用する荷重を算出する
ことを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項２】
前記超音波センサは、前記複数の角度から前記接触部分へ前記超音波を発信するために、複数の振動子を備え、前記複数の振動子が振動することにより、前記超音波センサは複数の前記超音波を発信することを特徴とする請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項３】
前記複数の振動子は、前記転がり軸受の中心軸に垂直な面に対して所定の角度を有していることを特徴とする請求項２に記載の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、超音波センサを用いて転動体に作用する荷重を検出するセンサ付き転がり軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車において、発進時や加速時に駆動輪をスピンさせないための駆動力制御や、コーナリング時の横滑りを抑制するための制動力制御等が行われている。このような制御に有効に使用できる情報を得ること等を目的として、転がり軸受の転動体に作用する荷重を検出するために、荷重を検出するセンサ付き転がり軸受装置が知られている。
【０００３】
上述のセンサ付き転がり軸受装置として、例えば、転がり軸受と、超音波センサとを備え、超音波センサが、超音波の反射波（エコー）の振幅を示す値に対して演算を行って、転動体に作用する荷重（即ち、転動体荷重）を算出することが知られている。より具体的には、転がり軸受は、軌道（または軌道面）が形成された軌道輪である外輪及び内輪と、軌道と接触して転動する転動体とを備え、超音波センサは、外輪の軌道と転動体と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を受信する。この反射波の振幅を示す値（エコー強度）は、外輪の軌道と転動体とが接触している面積を表すため、反射波の振幅を示す値を用いて、所定の計算式を演算することにより、転動体に作用する荷重を算出することが知られている（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】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術においては、何らかの障害によって反射波を精度良く受信することができない場合があり、このような場合、反射波の振幅を示す値を用いて転動体に作用する荷重を算出することができない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、反射波を精度良く受信できない場合であっても、転動体に作用する荷重を算出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、内周に軌道が形成された外輪と、外周に軌道が形成された内輪と、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る転がり軸受と、外輪の軌道と転動体と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を受信する超音波センサと、転動体に作用する荷重を算出する転動体荷重算出部とを備えるセンサ付き転がり軸受装置であって、超音波センサは、外輪の軌道と転動体との接触角を検出するために、複数の角度から接触部分へ超音波を発信して反射波を受信し、転動体荷重算出部は、反射波に基づいて接触角を検出するとともに、接触角を用いて転動体に作用する荷重を算出することを特徴とする。
【０００７】
同構成によれば、超音波センサは、外輪の軌道と転動体との接触角を検出するために、複数の角度から接触部分へ超音波を発信して反射波を受信し、転動体荷重算出部は、反射波に基づいて接触角を検出するとともに、接触角を用いて転動体に作用する荷重を算出する。このため、反射波の振幅を示す値を用いて転動体に作用する荷重を算出せずに、接触角を用いて転動体に作用する荷重を算出することができる。従って、反射波を精度良く受信できない場合であっても、転動体に作用する荷重を算出することができる。なお、軌道と転動体との接触角とは、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に作用する荷重の作用線とのなす角である。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置であって、超音波センサは、複数の角度から接触部分へ超音波を発信するために、複数の振動子を備え、複数の振動子が振動することにより、超音波センサは複数の超音波を発信することを特徴とする。
【０００９】
同構成によれば、超音波センサは、複数の角度から接触部分へ超音波を発信するために、複数の振動子を備え、複数の振動子が振動することにより、超音波センサは複数の超音波を発信するため、複数の角度から外輪の軌道と転動体との接触部分へ超音波を容易に発信することができる。即ち、複数の角度から接触部分へ超音波を発信するために、超音波センサの配置場所を変更する等の必要がない。従って、転動体に作用する荷重を容易に算出することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のセンサ付き転がり軸受装置であって、複数の振動子は、転がり軸受の中心軸に垂直な面に対して所定の角度を有していることを特徴とする。
【００１１】
同構成によれば、複数の振動子は、転がり軸受の中心軸に垂直な面に対して所定の角度を有しているため、転動体荷重算出部は、複数の超音波の反射波に基づいて、接触角を容易に検出することができる。即ち、接触角と、転がり軸受の中心軸に垂直な面に対して所定の角度を有する振動子が対応している。従って、転動体に作用する荷重をさらに容易に算出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、反射波を精度良く受信できない場合であっても、転動体に作用する荷重を算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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に取り付けられた超音波センサ２と、超音波センサ２に接続された転動体荷重算出部３とを備えている。
【００１５】
（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。
【００１６】
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。外輪１１の円筒部１１ａには、超音波センサ２を取り付けることを目的として、めねじが切られている。なお、外輪１１に形成された軌道１１ｕの半径（曲率半径）は玉１５の半径よりも大きく、外輪１１に形成された軌道１１ｓの半径（曲率半径）は玉１６の半径よりも大きい。
【００１７】
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。なお、ハブ軸１３に形成された軌道１３ｓの半径（曲率半径）は、玉１６の半径よりも大きい。
【００１８】
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。なお、内輪部材１４に形成された軌道１４ｕの半径（曲率半径）は、玉１５の半径よりも大きい。
【００１９】
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。
【００２０】
また、上述したように、軌道１１ｕ，１４ｕの半径は、玉１５の半径よりも大きい。このため、弾性変形を考慮しない場合、玉１５は、図２乃至図４に示すように、１つの接触点Ａで軌道１１ｕと接触することになる。同様に、弾性変形を考慮しない場合、玉１６も、１つの接触点Ａで軌道１１ｓと接触することになる。しかしながら、実際には、玉１５，１６は弾性変形をするため、接触点Ａ付近において所定の面積を有して軌道１１ｕ，１１ｓと接触している。
【００２１】
（超音波センサの構成）
超音波センサ２は、図２に示すように、ケース２１内に複数の振動子（超音波探触子）２２〜２６が設けられたものであって、ねじ２７を用いて外輪１１の外周に取り付けられている。
【００２２】
超音波センサ２が備える複数の振動子２２〜２６は、図２に示すように、それぞれ、転がり軸受１の中心軸（即ち、図１の一点鎖線Ｘ）に垂直な面Ｐに対して所定の角度α１〜α５を有している。また、超音波センサ２が外輪１１の軌道１１ｕに対して垂直な超音波を発信するように、振動子２２〜２６が配置されている。
【００２３】
また、超音波センサ２は、玉１５，１６に作用する荷重を検出して、転がり軸受１に作用する荷重を算出するために、複数設けられている。例えば、図１に示すように、２つの超音波センサ２のうち、一方の超音波センサ２が、玉１５に作用する荷重を検出するために、車体側に設けられるとともに、他方の超音波センサ２が、玉１６に作用する荷重を検出するために、車輪側に設けられる。
【００２４】
以上のようにして転がり軸受１に固定されている超音波センサ２は、各振動子２２〜２６を振動させて、複数の角度から、軌道１１ｕと玉１５の接触部分または軌道１１ｓと玉１６の接触部分へ、それぞれ波長の異なる超音波を発信するとともに、接触部分における複数の角度からの超音波の反射波（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複数のエコーの振幅を示す値（エコー強度）が、転動体荷重算出部３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）または軌道１１ｓと玉１６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ともに、検出されたエコー強度を転動体荷重算出部３へ出力している。
【００２５】
（転動体荷重算出部の構成）
転動体荷重算出部３は、演算処理が可能なＥＣＵ（Electronic Control Unit）によって構成され、超音波センサ２が受信したエコーに基づいて接触角αを検出するとともに、接触角αを用いて玉１５，１６に作用する荷重を算出する。なお、ここでいう接触角αとは、転がり軸受１の中心軸Ｘに垂直な面Ｐと、転動体である玉１５，１６に作用する荷重（合力）の作用線Ｌとのなす角であり、玉１５，１６に作用する荷重の作用線Ｌは、接触点Ａを含む。例えば、図２に示す状態においては、接触角αは角度α３である。
【００２６】
より具体的には、転動体荷重算出部３は、超音波センサ２が受信した複数のエコーの振幅を示す値のうち最も小さい振幅を示す値を検出して、その最も小さい振幅を有するエコーが、複数の振動子２２〜２６の何れの振動子を振動することによって発信された超音波のエコーであるかを判断して、接触角αを検出する。
【００２７】
即ち、エコーの振幅は、接触部分において軌道と転動体とが接触している面積の大きさを表し、エコーの振幅が小さいほど、接触部分における軌道と転動体とが接触している面積が大きい。ここで、複数の超音波のエコーのうち、最も小さい振幅を有するエコーは、接触点Ａへ向けて発信された超音波のエコーである。このため、接触点Ａへ向けて発信された超音波が、複数の振動子２２〜２６の何れの振動子を振動することによって発信されたものであるかを判断することにより、接触点Ａを通る作用線Ｌを検出して、転がり軸受１の中心軸Ｘに垂直な面Ｐと作用線Ｌとのなす角（即ち、接触角α）を検出することができる。
【００２８】
例えば、図３に示すように、転がり軸受１の中心軸Ｘに垂直な面Ｐと玉１５に作用する荷重の作用線Ｌとのなす角である接触角αが、角度α２である場合は、超音波センサ２は、振動子２３を振動することによって発信された超音波のエコーが、最も小さい振幅を有する。この場合、振動子２３は、転がり軸受１の中心軸Ｘに垂直な面Ｐに対して、角度α２を有するように設けられているため、振動子２３が有する角度α２が接触角αであると検出することができる。また、例えば、図４に示すように、転がり軸受１の中心軸Ｘに垂直な面Ｐと玉１５に作用する荷重の作用線Ｌとのなす角である接触角αが、角度α５である場合は、振動子２６を振動することによって発信された超音波のエコーが、最も小さい振幅を有する。この場合、振動子２６が有する角度α５が接触角αであると検出することができる。
【００２９】
そして、転動体荷重算出部３は、上記のようにして検出された接触角αを用いて転動体に作用する荷重が算出される。転動体に作用する荷重は、例えば、以下の計算式を演算することにより算出することができる。
【数１】
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ここで、上記数式において、α０は、転がり軸受１に対して外部からの荷重が加わっていない状態の接触角αの角度であって、ｃは、接触部分の形によって決まる値である。また、ｒは、外輪および内輪の軌道の半径の平均値であって、Ｄは、転動体である玉の直径である。また、εは、転動体に加わる荷重の分布状態を表す値であって、Ｑは、転動体に作用する最大の荷重（転動体荷重）である。
【００３０】
上記実施形態のセンサ付き転がり軸受装置によれば、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の軌道１１ｕと玉１５との接触角αを検出するために、複数の角度α１〜α５から接触部分へ超音波を発信してエコーを受信し、転動体荷重算出部３は、エコーに基づいて接触角αを検出するとともに、接触角αを用いて玉１５に作用する荷重を算出する。このような構成によれば、エコーの振幅を示す値（エコー強度）を用いて玉１５に作用する荷重を算出せずに、接触角αを用いて玉１５に作用する荷重を算出することができる。従って、エコーを精度良く受信できない場合であっても、玉１５に作用する荷重を算出することができる。なお、軌道１１ｕと玉１５との接触角とは、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Ｐと、軌道１１ｕによって玉１５に作用する荷重の作用線Ｌとのなす角である。
【００３１】
（２）超音波センサ２は、複数の角度α１〜α５から接触部分へ超音波を発信するために、複数の振動子２２〜２６を備え、複数の振動子２２〜２６が振動することにより、超音波センサ２は複数の超音波を発信する。このような構成によれば、複数の角度α１〜α５から外輪１１の軌道１１ｕと玉１５との接触部分へ超音波を容易に発信することができる。即ち、複数の角度α１〜α５から接触部分へ超音波を発信するために、超音波センサ２の配置場所を変更する等の必要がない。従って、玉１５に作用する荷重を容易に算出することができる。
【００３２】
（３）複数の振動子２２〜２６は、転がり軸受１の中心軸Ｘに垂直な面Ｐに対して所定の角度α１〜α５を有している。このような構成によれば、転動体荷重算出部３は、複数の超音波のエコーに基づいて、接触角αを容易に検出することができる。即ち、接触角αと、転がり軸受１の中心軸Ｘに垂直な面Ｐに対して所定の角度を有する振動子２２〜２６が対応している。従って、玉１５に作用する荷重をさらに容易に算出することができる。
【００３３】
（４）超音波センサ２が外輪１１の軌道１１ｕに対して垂直な超音波を発信するように、複数の振動子２２〜２６が配置されている。このような構成によれば、外輪１１の軌道１１ｕと玉１５との接触部分へ垂直な超音波を発信することができ、接触部分における超音波のエコーに基づいて接触角αを精度良く検出することができる。従って、玉１５に作用する荷重を容易に、かつ精度良く算出することができる。
【００３４】
（５）超音波センサ２が発信する複数の超音波は、それぞれ波長が異なる。同構成によれば、超音波センサ２が発信する複数の超音波は、それぞれ波長が異なるため、超音波センサ２が複数の超音波を同時に発信する場合であっても、超音波センサ２は、複数の超音波のエコーを精度良く受信することができる。従って、複数の超音波を同時に発信させて、玉１５に作用する荷重を短時間で容易に算出することができる。
【００３５】
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。
【００３６】
・上記実施形態においては、振動子２２〜２６は５つであったが、振動子の数を適宜変更してもよい。なお、振動子の数を多くすることによって、接触角αを精度良く検出することができることは言うまでもない。
【００３７】
・上記実施形態においては、おねじ部１３ｃに螺合されるナット７を用いて、内輪部材１４をハブ軸１３に固定したが、おねじ部１３ｃを形成せずに（即ち、ナット７を用いずに）、ハブ軸１３の軸部１３ａの車体側端部を塑性変形させて、内輪部材１４をハブ軸１３に固定してもよい。
【００３８】
・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アンギュラ軸受であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【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概略構成図。
【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。
【図３】接触角の検出について説明するための拡大断面図。
【図４】接触角の検出について説明するための拡大断面図。
【符号の説明】
【００４０】
α…接触角、α０〜α５…角度（所定の角度）、Ｘ…中心軸、１…転がり軸受、２…超音波センサ、３…転動体荷重算出部、１１…外輪、１１ｕ，１１ｓ…軌道、１２…内輪、１３ｓ…軌道、１４ｕ…軌道、１５，１６…玉（転動体）、２２〜２６…振動子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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