JP2005291457A

JP2005291457A - 玉軸受ユニット

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Publication number: JP2005291457A
Application number: JP2004110889A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takizawa; 岳史滝澤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-04-05
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】荷重の変動に基づく各玉８ａ、８ｂの公転速度の変化を大きくできて、この荷重の測定精度を十分に確保できる玉軸受ユニットを実現する。
【解決手段】各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂにより、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度を検出する。そして、この公転速度により、外輪１とハブ１１ａとの間に加わる荷重を求める。上記各玉８ａ、８ｂの直径ｄとピッチ円直径Ｄとの比ｄ／Ｄを０．１２〜０．４の範囲に規制し、荷重変動に伴う公転速度変動を大きくする事で、上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

この発明に係る玉軸受ユニットは、外輪相当部材の内周面に設けた外輪軌道と、内輪相当部材の外周面に設けた内輪軌道との間に設けた複数個の玉の公転速度を検出するものである。そして、検出した公転速度を、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（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）を求める為に利用し、更にこの求めた荷重を表す信号を、自動車等の車両の走行安定性確保を図る為に利用する。

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玉軸受ユニット等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、例えば非特許文献１に記載されている様な、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化装置が使用されている。この様な各種車両用走行安定化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。

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。

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。

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。

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他、十分な測定精度を得る事が難しいと考えられる。

この様な事情に鑑みて本発明者等は先に、複列アンギュラ型の玉軸受ユニットである転がり軸受ユニットを構成する１対の列の玉（転動体）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（先発明）を行なった（特願２００３−１７１７１５号、１７２４８３号、特願２００４−７６５５号）。図５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。

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。

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玉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、上記各玉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。

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玉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玉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。或は、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度の比によっても、上記アキシアル荷重を求められる。この点に就いて、図６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、上記各列の玉８ａ、８ｂの接触角α_a 、α_b が互いに同じであるとして行なう。

図６は、上述の図５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１３、１３と複列の外輪軌道２、２との間に複列に配置された玉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、何れも上記各玉８ａ、８ｂの接触角α（α_a 、α_b ）に影響を及ぼす。そして、この接触角α_a 、α_b が変化すると、これら各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c が変化する。これら各玉８ａ、８ｂのピッチ円直径をＤとし、これら各玉８ａ、８ｂの直径をｄとし、上記両内輪軌道１３、１３を設けたハブ１１の回転速度をｎ_i とし、上記両外輪軌道２、２を設けた外輪１の回転速度をｎ_o とすると、上記公転速度ｎ_c は、次の（１）式で表される。
ｎ_c ＝｛１−（ｄ・cosα／Ｄ）・（ｎ_i ／２）｝＋｛１＋（ｄ・cosα／Ｄ）・（ｎ_o ／２）｝ −−− （１）

この（１）式から明らかな通り、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c は、これら各玉８ａ、８ｂの接触角α（α_a 、α_b ）の変化に応じて変化するが、上述した様にこの接触角α_a 、α_b 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ｎ_c 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、図７に示す様に、大きくなる程上記公転速度ｎ_c が遅くなる。又、上記アキシアル荷重Ｆｙに関しては、図８に示す様に、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ｎ_c 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。

但し、上記公転速度ｎ_c 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ｎ_c は、上記ハブ１１の回転速度ｎ_i に比例して変化する。尚、上記図７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玉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玉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、上記図８中、破線ハは、上記アキシアル荷重Ｆｙとこのアキシアル荷重Ｆｙを支承する列の玉８ａ、８ａの公転速度との関係を、実線ニは、このアキシアル荷重Ｆｙとこのアキシアル荷重Ｆｙを支承しない列の玉８ｂ、８ｂの公転速度との関係を、それぞれ示している。この様な図７、８から、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c に基づいて、上記ラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙを求められる事が分かる。

但し、上記公転速度ｎ_c 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ｎ_c は、上記ハブ１１の回転速度ｎ_i 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ｎ_i を総て関連させて考えなければ、上記公転速度ｎ_c から上記ラジアル荷重Ｆｚや上記アキシアル荷重Ｆｙを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ｎ_i 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。

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が検出する各列の玉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、上記各列の玉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ｎ_i 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ｎ_i の影響を排除している。尚、上記アキシアル荷重Ｆｙを、上記各列の玉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ｎ_i は、必ずしも必要ではない。

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、特願２００４−７６５５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。

又、図５に示した構造は、上記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂと上記回転速度検出用センサ７とを、単一のセンサユニット４の先端部５に保持した構造であるが、これら各センサ６ａ、６ｂ、７は、別々に設置しても良い。又、例えば、図９に示す様に、１対の公転速度検出用センサ６ａ、６ｂを、センサユニット４ａの先端部５ａに保持し、回転速度検出用センサ７ａを、外輪１の内端部に嵌合固定したカバー１４に保持しても良い。この場合、回転速度検出用エンコーダ１２ａは、ハブ１１の内端部に嵌合固定する。

何れにしても、上述の様な転がり軸受ユニットの荷重測定装置により測定した荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）は、路面と車輪（タイヤ）との接触面で生じている荷重と等価である。従って、上記測定した荷重に基づいて車両の走行状態を安定化させる為の制御を行なえば、車両の姿勢が不安定になる事を予防できてフィードフォワード制御が可能になる等、車両の走行安定性確保の為の高度な制御が可能になる。

ところで、上述の様な先発明に係る転がり軸受ユニットである玉軸受ユニットの荷重測定装置を実施する場合、次の様な点に留意する必要がある。即ち、前記ラジアル荷重Ｆｚ又は上記アキシアル荷重Ｆｙを、前記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c の変化に基づいて求める為、これら各荷重Ｆｚ、Ｆｙの測定精度を向上させる為には、これら各荷重Ｆｚ、Ｆｙの変動に基づく、上記公転速度ｎ_c の変化が大きい方が望ましい。これに対して、荷重測定装置を組み込む玉軸受ユニットの仕様によっては、上記各荷重Ｆｚ、Ｆｙの変動に拘らず、上記公転速度ｎ_c が僅かしか変化をしない場合がある。この様な場合には、上記各荷重Ｆｚ、Ｆｙの測定精度を十分に確保する事が難しくなる。

特開２００１−２１５７７号公報特開平３−２０９０１６号公報特公昭６２−３３６５号公報青山元男著、「レッドバッジスーパー図解シリーズ／クルマの最新メカがわかる本」、ｐ．１３８−１３９、ｐ．１４６−１４９、株式会社三推社／株式会社講談社、平成１３年１２月２０日

本発明は、上述の様な事情に鑑み、荷重の変動に基づく各玉の公転速度の変化を大きくできて、この荷重の測定精度を十分に確保できる玉軸受ユニットを実現すべく発明したものである。

本発明の玉軸受ユニットは、外輪相当部材と、内輪相当部材と、複数個の玉と、公転速度検出用センサとを備える。
このうちの外輪相当部材は、内周面に外輪軌道を有する。
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する。
又、上記各玉は、この内輪軌道と上記外輪軌道との間に、接触角を付与された状態で設けられている。
又、上記公転速度検出用センサは、上記各玉の公転速度を検出するものである。
更に、本発明の玉軸受ユニットは、これら各玉の直径とこれら各玉のピッチ円直径との比を、０．１２〜０．４の範囲に規制している。

上述の様に構成する本発明の玉軸受ユニットの使用時には、公転速度検出用センサの検出信号を演算器に送る。すると、この演算器は、各玉の公転速度の変動に基づいて、外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用する荷重を算出する。即ち、玉軸受の如き玉軸受ユニットに荷重が負荷されると、玉の接触角が変化し、これら各玉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。
特に、本発明の玉軸受ユニットの場合には、各玉の直径と各玉のピッチ円直径との比を０．１２〜０．４の範囲に規制した事に伴い、荷重の変動に基づく各玉の公転速度の変化を大きくできる。この為、この荷重の測定精度を十分に確保できる。

本発明を実施する場合に好ましくは、請求項２、３に記載した様に、外輪相当部材の内周面に設けられた複列の外輪軌道と、内輪相当部材の外周面に設けられた複列の内輪軌道との間に、両列毎に複数個ずつの玉を、両列同士の間で接触角の方向を互いに逆にして設ける。
そして、請求項２に記載した発明の場合には、上記両列の玉の公転速度を検出する為に、１対の公転速度検出用センサを設ける。
この様な構造を採用すれば、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わるラジアル荷重及びアキシアル荷重を正確に求められる。

これに対して、請求項３に記載した発明の場合には、上記両列の玉の公転速度の差を検出する為に、単一の公転速度検出用センサを、これら両列の玉同士の間に設ける。この場合に使用する公転速度検出用センサとしては、ホール素子、ホールＩＣ、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子等、磁束の密度や方向に応じて特性を変化させる磁気検出素子を検出部に組み込んだものを使用する。又、上記各列の玉を保持した保持器の互いに対向する側面に、永久磁石製或は磁性材製の公転速度検出用エンコーダを設置する。この様に構成すれば、上記両列の玉の公転速度に差が存在する場合に、上記単一の公転速度検出用センサの検出信号の振幅が変化する（うねりが生じる）。このうねりの周期は、上記公転速度の差が大きくなる程短くなるので、上記単一の公転速度検出用センサにより上記両列の玉の公転速度の差を検出できる。この様な構造は、上記アキシアル荷重を求める事には適当であるが、上記ラジアル荷重を求める為には適当ではない。従って、上記請求項３に記載した発明は、アキシアル荷重を求める為の構造を、小型且つ低コストで実現する場合に適切である。

又、本発明の玉軸受ユニットを使用する場合には、請求項４に記載した様に、公転速度検出用センサの検出信号を、外輪相当部材と内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する為の演算器に向けて送り出す。
そして、好ましくは、請求項５に記載した様に、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材とのうちで使用時に回転する部材である回転輪に車輪を支持固定し、同じく使用時にも回転しない部材である静止輪を懸架装置に支持固定する。
この様に構成すれば、車輪と懸架装置との間に加わる荷重を求めて、ＡＢＳ、ＴＣＳ、ＶＳＣ等の車両用走行安定化装置の制御を適切に行なえる。

本発明の効果を確認する為に行なった、シミュレーション並びに考察に就いて説明する。このシミュレーション及び考察は、図１に示す様な複列アンギュラ型の玉軸受ユニットを構成する、複列に配置された各玉８ａ、８ｂの直径ｄとこれら各玉のピッチ円直径Ｄとの比ｄ／Ｄが、アキシアル荷重Ｆｙの変動に伴う上記各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c の変動に及ぼす影響を知り、上記比ｄ／Ｄの適正範囲を知る為に行なった。図１中の（Ａ）は上記比ｄ／Ｄが比較的小さい（０．１５）玉軸受ユニットを、同じく（Ｂ）はこの比ｄ／Ｄが比較的大きい（０．２５）玉軸受ユニットを、それぞれ示している。尚、図１に示した玉軸受ユニットは、駆動輪（ＦＦ車の前輪、ＦＲ車、ＲＲ車、ＭＲ車の後輪、４ＷＤ車の全車輪）用の玉軸受ユニットである為、従動輪（ＦＦ車の後輪、ＦＲ車、ＲＲ車、ＭＲ車の前輪）用の玉軸受ユニットである、前述の図５、９に示した構造と異なり、ハブ１１ａの中心部にスプライン孔１５を設けている。但し、この様な玉軸受の構造の相違は、本発明の要旨には何ら関係するものではない。

図１に示した構造にしろ、図５、９に示した構造にしろ、上記各玉８ａ、８ｂの直径ｄとこれら各玉のピッチ円直径Ｄとの比ｄ／Ｄが異なると、アキシアル荷重Ｆｙの変動に伴って、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c が変動する程度が異なる。図２は、アキシアル荷重Ｆｙと、これら各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c 同士の比との関係を示している。この様な図２中、実線イは上記比ｄ／Ｄが０．１である場合の、破線ロは同じく０．２５である場合の、鎖線ハは同じく０．４である場合の、それぞれ上記アキシアル荷重Ｆｙと上記各列の公転速度ｎ_c 同士の比との関係を示している。尚、図２は、外輪１及び上記ハブ１１ａを中炭素鋼製とし、上記各玉８ａ、８ｂを軸受鋼製とした場合に就いて示している。

この様な図２から明らかな通り、上記各玉８ａ、８ｂの直径ｄとこれら各玉のピッチ円直径Ｄとの比ｄ／Ｄを大きくすれば、上記アキシアル荷重Ｆｙの変動に伴う、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c （同士の比）の変動を大きくできる。図３は、これら各玉８ａ、８ｂの直径ｄとピッチ円直径Ｄとの比ｄ／Ｄが、上記アキシアル荷重Ｆｙの変動に伴うこれら各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c （同士の比）の変動に及ぼす影響を示している。この図３中の横軸は上記比ｄ／Ｄを表している。又、縦軸は上記アキシアル荷重Ｆｙの変動に伴って上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c 同士の比が変動する程度で、上記図２の各線イ〜ハの勾配の程度である。具体的には、上記アキシアル荷重Ｆｙが７０００Ｎ変化した場合に、上記公転速度ｎ_c 同士の比が変動する割合（ポイント［％］）である。例えば、上記比ｄ／Ｄが０．１の場合、上記アキシアル荷重Ｆｙが７０００Ｎ変化すると、上記公転速度ｎ_c 同士の比が凡そ１ポイント［％］変動する事を表している。

上述の様な図２、３から明らかな通り、上記アキシアル荷重Ｆｙの変動に基づく上記各玉８ａ、８ｂの公転速度の変化を大きくし、このアキシアル荷重Ｆｙの測定精度を向上させる為には、上記比ｄ／Ｄを大きくすれば良い。逆に言えば、この比ｄ／Ｄが小さ過ぎた場合には、上記アキシアル荷重Ｆｙの測定精度を十分に確保できない。但し、上記比ｄ／Ｄを大きくすべく、上記各玉８ａ、８ｂの直径ｄを大きくし過ぎると、玉軸受ユニット全体が大きくなったり（外輪１の外径を大きくする場合）、この外輪１やハブ１１ａの肉厚が小さくなり過ぎて、これら外輪１やハブ１１ａの耐久性が損なわれる可能性を生じる。又、上記比ｄ／Ｄを大きくすべく、上記ピッチ円直径Ｄを小さくすると、モーメント荷重に対する剛性や転がり疲れ寿命が低下する可能性を生じる。従って、上記比ｄ／Ｄは、むやみに大きくする事はできない。

そこで本発明者は、上記玉軸受ユニット本来の機能を確保しつつ、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c の変化を大きくし、このアキシアル荷重Ｆｙの測定精度を確保できる範囲を知る為の考察を行なった。
先ず、本発明をＡＢＳ、ＴＣＳ、ＶＳＣ等の車両用走行安定化装置の制御に利用する事を考慮した場合、車両の走行状態を安定させる為には、上記アキシアル荷重Ｆｙを検出する分解能は、１０００Ｎ程度、好ましくは５００Ｎ程度に抑える必要がある。分解能がこれよりも悪い（１０００Ｎよりも大きな分解能でしか測定できない）と、走行安定性確保の為の制御に上記アキシアル荷重Ｆｙを利用する意味がなくなる。又、この制御にこのアキシアル荷重Ｆｙを利用する場合、このアキシアル荷重Ｆｙの測定範囲に関しては、−１０００Ｎ〜６０００Ｎ程度（フルスケールを７０００Ｎ程度）は必要である。

一方、上記アキシアル荷重Ｆｙを検出する際には、公転速度検出用センサ６ａ、６ｂの検出誤差が存在する。例えば、これら両公転速度検出用センサ６ａ、６ｂを、前述の様な磁気検出素子を組み込んだアクティブ型の磁気センサとした場合、これら両公転速度検出用センサ６ａ、６ｂの検出誤差は０．２％程度考慮する必要がある。上記アキシアル荷重Ｆｙの分解能がこの検出誤差よりも大きい（悪い）場合には、上記アキシアル荷重Ｆｙによる制御の信頼性を十分に確保できなくなる可能性がある。例えば、このアキシアル荷重Ｆｙの大きさを上記フルスケールの間で複数の階層（例えば７又は１４の階層）に分けて判定し、その時に生じているアキシアル荷重Ｆｙが属する階層に応じてＡＢＳ、ＴＣＳ、ＶＳＣ等の車両用走行安定化装置の制御を行なう場合に、実際に作用しているアキシアル荷重Ｆｙが属する階層と、演算器が算出したアキシアル荷重Ｆｙの属する階層とが、２段階以上ずれる可能性を生じる。このアキシアル荷重Ｆｙを検出する分解能を、上述した様な１０００Ｎ程度、好ましくは５００Ｎ程度にすれば、上述の様な２段階以上のずれを生じさせずに済む。そして、この様な２段階以上のずれを生じさせない為には、上記アキシアル荷重Ｆｙが１０００Ｎ（好ましくは５００Ｎ）変動した場合に、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c 同士の比が０．２ポイント［％］以上変動する構造とする必要がある。この場合に、上述した測定の全範囲（−１０００Ｎ〜６０００Ｎ、フルスケール：７０００Ｎ）では、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c 同士の比が１．４ポイント［％］以上変動する事が必要となる｛∵０．２ポイント×（７０００Ｎ／１０００Ｎ）＝１．４ポイント｝。尚、１段階のずれは、実際に作用しているアキシアル荷重Ｆｙが、階層分けの境界近傍に存在する可能性を考慮すれば、上記検出誤差が僅かでも存在する限り、なくす事はできない。

この様な前提で図３を見れば、上記各玉８ａ、８ｂの直径ｄとこれら各玉のピッチ円直径Ｄとの比ｄ／Ｄを０．１２以上にする必要がある事が分かる。即ち、上記図３の縦軸が１．４ポイントとなる上記比ｄ／Ｄの値をこの図３の横軸から読み取れば、上記０．１２なる値が導き出せる。又、アキシアル荷重Ｆｙの分解能を、より好ましい値である５００Ｎにする為には、上記比ｄ／Ｄを０．２以上にすれば良い事も、上記図３から分かる。即ち、この比ｄ／Ｄが０．２である場合、上記７０００Ｎなるフルスケールの範囲で、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c 同士の比が、２．８ポイント［％］変動する。この為、上記アキシアル荷重を５００Ｎ程度の分解能で測定できる。

更に、上記比ｄ／Ｄが０．４である場合、上記７０００Ｎなるフルスケールの範囲で、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c が凡そ６ポイント［％］変動する。この為、上記アキシアル荷重Ｆｙを２３０Ｎ程度の分解能で測定できる。上記比ｄ／Ｄを０．４よりも大きくすれば、このアキシアル荷重Ｆｙの分解能をより良好にできる。但し、この分解能を上記２３０Ｎよりも良好にする必要性が乏しいだけでなく、上記比ｄ／Ｄを０．４よりも大きくすべく、上記各玉８ａ、８ｂの直径ｄを大きくしたり、これら各玉のピッチ円直径Ｄを小さくしたりすると、玉軸受ユニット本来の性能が損なわれる。これに対して本願発明の場合には、上記比ｄ／Ｄを０．１２〜０．４としたので、上記玉軸受ユニット本来の性能を確保しつつ、上記アキシアル荷重Ｆｙの測定精度を十分に確保できる。

尚、より好ましくは、上記比ｄ／Ｄを０．２〜０．３の範囲に規制する。この比ｄ／Ｄをこの様に規制すれば、玉軸受ユニットの大型化や外輪１及びハブ１１ａの肉厚の過度の低下を防止しつつ、上記アキシアル荷重Ｆｙの測定精度向上を図れる。
尚、前記図１に示した２例の玉軸受ユニットのうち、（Ａ）に示した構造は、上記比ｄ／Ｄが０．１５であり、７０００Ｎなるフルスケールの範囲での、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c 同士の比の変化は２ポイント、分解能７００Ｎである。
又、（Ｂ）に示した構造は、上記比ｄ／Ｄが０．２５であり、７０００Ｎなるフルスケールの範囲での、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c 同士の比の変化は３．５ポイント、分解能４００Ｎである。

上記アキシアル荷重Ｆｙの変動に伴って上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c 同士の比が変化する程度は、上述した様に、上記各玉８ａ、８ｂの直径ｄとこれら各玉のピッチ円直径Ｄとの比ｄ／Ｄを大きくする事で大きくできる。但し、上記公転速度ｎ_c が変化する程度は、上記各玉８ａ、８ｂの直径ｄと、外輪１の内周面に形成した外輪軌道２、２並びにハブ１１ａの外周面に形成した内輪軌道１３、１３の断面の曲率半径ｒとの比（ｒ／ｄ）によっても調節できる。即ち、上記変化する程度は、図４に示す様に、この比ｒ／ｄを変える事により、この変化する程度のリニアリティ（直線性）やゲインを変化させる事ができる。実際の場合、上記比ｒ／ｄは０．５０５〜０．６の範囲で調節できる。上記図４中、実線イはこの比ｒ／ｄが標準（中程度の値）の場合を、破線ロは同じく大きい場合を、鎖線ハは同じく小さい場合を、それぞれ示している。上記比ｒ／ｄを上記範囲内でどの様な値とするかは、必要とするリニアリティ（直線性）、ゲイン（勾配）、アキシアル荷重Ｆｙを測定可能とする範囲等に応じて設計的に定める。

又、上記各玉８ａ、８ｂの接触角を、インナー側（車体側）とアウター側（タイヤ側）とで互いに異ならせると、高荷重側の公転速度の変化が大きくなり、荷重を測定可能な範囲を、より高荷重まで広げられる。この場合、上記接触角は、２０°〜５０°で変更可能である。
又、上記各玉８ａ、８ｂに付与している予圧を変える事によっても、リニアリティ（直線性）やゲイン特性を変える事ができる。この場合に上記予圧は、９８０Ｎ〜９８００Ｎ（１００kgf 〜１０００kgf ）の範囲で変更可能である。
尚、上述の様な、上記アキシアル荷重Ｆｙの変動に伴って上記各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c が変化する程度を変える方法は、それぞれ単独で採用しても、組み合わせて採用しても良い。
又、本発明を実施する場合、図示の様に、両列の玉８ａ、８ｂに関して直径ｄとピッチ円直径Ｄとの比ｄ／Ｄを大きくするだけでなく、片側の列の比ｄ／Ｄのみを大きくする事もできる。又、複列玉軸受ユニットに限らず、単列の玉軸受ユニットにも適用できる。

本発明の効果を確認する為のシミュレーションに使用した玉軸受ユニットの２例を示す断面図。アキシアル荷重と各列の各玉の公転速度同士の比との関係を、各玉の直径とこれら各玉のピッチ円直径との比が互いに異なる３種類の試料毎に示す線図。各玉の直径とこれら各玉のピッチ円直径との比の相違が、アキシアル荷重の変動に伴うこれら各列の玉の公転速度の比の変動に及ぼす影響を示す線図。外輪軌道及び内輪軌道の断面の曲率半径の相違が、アキシアル荷重の変動に伴うこれら各列の玉の公転速度の比の変動に及ぼす影響を示す線図。先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置の第１例の断面図。先発明により荷重を求められる理由を説明する為の模式図。同じく、各列の公転速度とハブの回転速度との比と、ラジアル荷重との関係を示す線図。同じく、各列の公転速度とハブの回転速度との比と、アキシアル荷重との関係を示す線図。先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置の第２例の断面図。

符号の説明

１外輪
２外輪軌道
３取付孔
４、４ａセンサユニット
５、５ａ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玉
９ａ、９ｂ保持器
１０ａ、１０ｂ公転速度検出用エンコーダ
１１、１１ａハブ
１２、１２ａ回転速度検出用エンコーダ
１３内輪軌道
１４カバー
１５スプライン孔

Claims

内周面に外輪軌道を有する外輪相当部材と、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た、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された状態で設けられた複数個の玉と、これら各玉の公転速度を検出する公転速度検出用センサとを備え、これら各玉の直径とこれら各玉のピッチ円直径との比を０．１２〜０．４の範囲に規制した玉軸受ユニット。
外輪相当部材の内周面に設けられた複列の外輪軌道と、内輪相当部材の外周面に設けられた複列の内輪軌道との間に、両列毎に複数個ずつの玉が、両列同士の間で接触角の方向を互いに逆にして設けられており、これら両列の玉の公転速度を検出する為に、１対の公転速度検出用センサが設けられている、請求項１に記載した玉軸受ユニット。
外輪相当部材の内周面に設けられた複列の外輪軌道と、内輪相当部材の外周面に設けられた複列の内輪軌道との間に、両列毎に複数個ずつの玉が、両列同士の間で接触角の方向を互いに逆にして設けられており、これら両列の玉の公転速度の差を検出する為に、単一の公転速度検出用センサが、これら両列の玉同士の間に設けられている、請求項１に記載した玉軸受ユニット。
公転速度検出用センサの検出信号を、外輪相当部材と内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する為の演算器に向けて送り出す、請求項１〜３の何れかに記載した玉軸受ユニット。
外輪相当部材と内輪相当部材とのうちで使用時に回転する部材である回転輪に車輪を支持固定し、同じく使用時にも回転しない部材である静止輪を懸架装置に支持固定する、請求項１〜４の何れかに記載した玉軸受ユニット。