JP2006226493A - 車輪用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転数及び回転角、回転方向、荷重の大きさ及び方向、加速度の異なる物理量の中で、少なくとも回転数及び回転角を測定し、その他の物理量も用途に応じて複合的に検出することが可能な車輪用軸受装置１を提供する。
【解決手段】 その外周面に軌道面５ａを有する回転側の内輪３と、前記内輪３の外周に配置されており、その内周面に軌道面２ａ、２ｂを有する静止側の外輪２と、前記内輪３と外輪２の間に転動自在に介装された複数個の転動体４とを備えた車輪用軸受装置１において、前記外輪２の外周面であって、当該外輪２の軌道面２ａ、２ｂの反対側の部分又はその近傍に、前記転動体の音及び／又は振動を検出するセンサ１１が取り付けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は車輪用軸受装置（以下、単に軸受装置ともいう）に関する。さらに詳しくは、軸受情報を検出する手段を備える軸受装置に関する。

近年、車輪用軸受装置から得られる様々な情報を検出して、それらの情報を自動車の走行安定化や制御に利用することが行われている。
例えば、自動車の速度や移動距離を測定するために、車輪を装着した軸受装置に磁気センサを取り付け、その車輪の角速度（車速）や回転角（車両の移動距離）を検出することが行われている。また、自動車の荷重を測定するために、軸受装置に変位センサを取り付け、その車軸にかかる荷重を検出することが行われている。
このように速度や荷重等様々な物理量を検出するには、検出対象に応じた各種センサが必要であり、検出対象が多くなればなるほど必要なセンサの種類や数が多くなり、装置が複雑化するとともに、コストアップの要因となっていた。
そこで、静止側の軌道輪に複数の荷重検出用センサを取り付けて、荷重を検出するとともに、前記複数の荷重検出用センサによる検出荷重やその変化から角速度や回転角を検出することが提案されている（特許文献１参照）。
実開平６−４７８３３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている軸受においても、複数の荷重検出用センサが使用されていることに変わりはなく、特に角速度や回転角の検出において、検出精度を高めるためには極めて多くのセンサが必要となっている。
また、前記荷重検出用センサとして歪ゲージ式のセンサを使用する場合、歪ゲージは周囲の温度変化による影響を受けやすいため、温度変化の多い使用環境では精度の高い測定ができず、汎用性がないといった問題がある。さらに、歪ゲージによって荷重を検出しようとすると、予め一定の入力（プリロード）が必要であるため、量産性に乏しい。
本発明はこのような実情に鑑み、回転数及び回転角、回転方向、荷重の大きさ及び方向、加速度といった異なる物理量のうち、少なくとも回転数及び回転角を測定し、その他の物理量も用途に応じて複合的に検出することができる車輪用軸受装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく本発明は次の技術的手段を講じた。
本発明の車輪用軸受装置は、その外周面に軌道面を有する回転側の内輪と、前記内輪の外周に配置されており、その内周面に軌道面を有する静止側の外輪と、前記内輪と外輪の間に転動自在に介装された複数個の転動体とを備えた車輪用軸受装置において、前記外輪の外周面であって、当該外輪の軌道面の反対側の部分又はその近傍に、前記転動体の音及び／又は振動を検出するセンサが取り付けられていることを特徴とする。
転動体が外輪と内輪の両軌道面間を回転するときには、当該転動体が外輪や内輪の軌道面に当たり、音や振動が発生する。したがって、静止側である外輪の軌道面と反対側の外輪外周面又はその近傍にセンサを取り付けておくと、センサ近傍を転動体が通過するときの音や振動がパルス状の信号として検出される。
そして、この検出した信号を解析すれば、軸受装置の様々な情報を得ることができる。例えば、検出信号の周期と軸受装置の周期は一致する。したがって、軸受装置の回転数（車両の速さ）は、検出信号の周期から求めることができる。また、回転角（車両の移動距離）については、パルスの総数を計測することにより、求めることができる。

前記複数個の転動体が、互いに直径が異なる３種類の転動体からなっており、これら３種類の転動体の周方向の配列が、時計回りと反時計回りとで異なっているのが好ましい。
転動体の直径が異なっていると、それらの転動体が軌道面に当たったときの音や振動が異なる。直径が大きい転動体が当たったときは、音や振動も大きい。したがって、直径が異なる転動体の周方向の配列が、時計回りと反時計回りとで異なって配置されていると、時計回りに回転したときと反時計回りに回転したときで、パルス状の信号の検出順（周期性）が異なってくる。そして、この検出順の違いを利用することで回転方向を判別することができる。
例えば、３種類の直径が異なる転動体があり、直径の小さい順に小径１の転動体が１個、小径２の転動体が１個、残りが大径転動体とすると、軌道面に当たったときの音や振動は、小径１の転動体、小径２の転動体、大径転動体の順に大きくなる。そして、これらの３種類の転動体の周方向の配列が時計回りと反時計回りで異なって配置されていると、例えば、小径１の転動体が発するパルス状の信号を検出した後に、小径２の転動体が発する信号を検出するまでの大径転動体が発するパルス数が、時計回りに回転するときと反時計回りに回転するときで相違する。そして、この相違を検知することで回転方向を判別することができる。

前記複数個の転動体が、互いに弾性率が異なる３種類の転動体からなっており、これら３種類の転動体の周方向の配列が、時計回りと反時計回りとで異なっていてもよい。
転動体の弾性率が異なっている場合も、転動体が軌道面に当たったときの音や振動が異なる。弾性率が高い転動体が軌道面に当たったときは、音や振動も大きい。したがって、前述の転動体の直径が異なっている場合と同様に、これら弾性率が異なる転動体の周方向の配列が、時計回りと反時計回りとで異なって配置されていると、回転方向を判別することができる。

本発明の軸受装置によれば、回転数及び回転角、回転方向、荷重の大きさ及び方向、加速度の異なる物理量のうちで、少なくとも回転数及び回転角を測定し、その他の物理量も用途に応じて複合的に検出することができる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の軸受装置の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る軸受装置の縦断面図であり、図２は図１に示す軸受装置の正面図である。この軸受装置１は、車体（図示せず）に固定される静止側の外輪２と、車輪（図示せず）が取り付けられる回転側の内輪３と、これら内輪３と外輪２の間に転動自在に介装された複数個の転動体４とを備えている。

内輪３は、図示しない車輪が取り付けられる軸状のハブ５と、ハブ５の車両インナー側端部外径に嵌合された内輪部材６とで構成されている。ハブ５の車両アウター側端部の外周面には、ハブフランジ部７が外方に突出して形成されており、このハブフランジ部７にはボルト８が取り付けられている。このボルト８を利用して、前記ハブフランジ部７の側面に車輪が取り付けられる。
ハブ５の大径外周面には第１の内輪軌道面５ａが形成され、ハブ５の車両インナー側端部に外嵌された前記内輪部材６の外周面には第２の内輪軌道面６ａが形成されており、これらをもって２列の内輪軌道面５ａ、６ａが構成されている。この内輪軌道面５ａ、６ａに対応して、外輪２にもその内周面に２列の外輪軌道面２ａ、２ｂが形成されている。また、外輪２の外周面には、当該外輪２を車体に固定するためのフランジ部９が外方に突出して形成されている。

ＡＥセンサ１１は、軸受装置１上部（車体取り付け時における上側）であって、車両インナー側の外輪軌道面２ａの反対側の部分Ｐ１に取り付けられている。このＡＥセンサ１１の取り付け位置は、車両アウター側の外輪２の軌道面２ｂの反対側の部分でもよい。また、転動体４が発する信号を検出可能な位置であれば、これら外輪２の軌道面２ａ、２ｂの反対側の部分の近傍であってもよい。ＡＥセンサ１１の取り付けは、図１に示すように当該ＡＥセンサ１１を外輪２内部に一部埋設してもよく、外輪２の外周面上に載置してもよい。
ＡＥセンサ１１は、物体の衝突等によって微小な変形等を起こすときに発する音（弾性波）を検出することが可能なセンサであり、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材料により作製することができる。

図３は第１の実施の形態における転動体の配列を示しており、上側が車体側で、下側が地面側であり、上方向から軸受装置１に荷重Ｗがかかった状態で、内輪３が回転する。本実施形態では直径が異なる３種類の転動体４が配列されており、この転動体４と内輪３及び外輪２の軌道面６ａ、２ａが当たり、音が発せられる。
この音をＡＥセンサ１１で検出することで、軸受装置１の回転状況を検出することができる。なお、ＡＥセンサ１１が設けられていない方の軌道面５ａ、２ｂ間には、通常の軸受装置１のように同一仕様の転動体４が配設されている。

第１の実施の形態において、転動体４は２個の小径の転動体Ｓ１、Ｓ２と、６個の大径の転動体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６で構成されており、単列の転動体４の総数は８個である。また、２個の小径転動体の大きさは異なっており、最も小さい転動体Ｓ１と、この転動体Ｓ１よりは大きいが大径転動体Ｌ１より小さい転動体Ｓ２からなっている。

内輪３の回転時には転動体４が内輪部材６及び外輪２の軌道面６ａ、２ａに当たり、音が発生する。転動体４の直径が大きくなればなるほど、転動体４及び軌道面６ａ、２ａの弾性変形も大きくなるため、発生する音も大きくなる。したがって、最も直径の大きな転動体Ｌ１が内輪部材６及び外輪２の軌道面６ａ、２ａに当たった時に発生する音が最も大きく（出力信号の振幅が大きい）、最小径の転動体Ｓ１が軌道面６ａ、２ａに当たった時に発生する音が最も小さい（出力信号の振幅が小さい）。

図５は、出力信号の波形、すなわち図３に示す軸受装置１の内輪３が正転した場合（矢印Ｆ参照）及び反転（矢印Ｒ参照）した場合のＡＥセンサ１１での検出値を示す図である。
この出力信号を解析することによって、回転数、回転角、回転方向、荷重等様々な物理量を求めることが可能となる。なお、以下の説明において、前記軸受装置１の回転の周期をＴ、角速度をω、転動体４がＡＥセンサ１１直下を通過するときに出現するパルス信号の出現間隔を微小時間Δｔ、微小時間Δｔの間に進む回転角をΔΦとする。

まず、角速度ωの絶対値を求める場合を説明する。ω＝２π／Ｔを用いることで、１周期ごとに角速度の絶対値を求めることができる。本実施の形態では、単列の転動体４の総数が８個であるため、パルス信号が８回出現する時間が１周期となる。
より精密に求めるならば、公式ω＝ΔΦ／Δｔを用いて、微小時間Δｔごとの角速度の絶対値を求めることも可能である。本実施の形態においては、ΔΦは２π／８＝π／４[rad]である。

そして、軸受装置１の角速度ωが求まると、タイヤ半径をｒ、車速（絶対値）をｖとするとｖ＝ｒωが成立するので、車両の速さも求めることができる。
回転角θは、パルス状の出力信号の総数ｎを検出することで求めることができる。本実施の形態においては前述のようにΔΦがπ／４[rad]であるため、θ＝ｎπ／４[rad]である。軸受装置１の回転角θが求まれば、車両の移動距離ＤはＤ＝２πｒ×（θ／２π）＝πｒ×θより求めることができる。

回転方向、すなわち正転しているか、反転しているかを判別するには、小径転動体と大径転動体がセンサ直下を通過するときに発生するパルス信号の振幅の違いを利用する。
例えば、内輪３が正転すると、図５における右方向への信号が検出される。すなわち、最も直径が小さい転動体Ｓ１が発生する小さい振幅Ａ１の出力信号が検出された後に、大径転動体Ｌ１、Ｌ２が発生する振幅Ａ３の出力信号を２回検出され、その後２番目に直径が小さい転動体Ｓ２が発生する振幅Ａ２の出力信号を検出する。さらに、大径転動体Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６が発生する振幅Ａ３の信号を４回検出し、その後再び小径転動体Ｓ１が発生する振幅Ａ１の出力信号が検出され、正方向の１回転となる。

逆に、内輪３が反転すると、図５において左方向への信号が検出される。この場合、最初に、最も直径が小さい転動体Ｓ１が発生する振幅Ａ１の信号が検出されたとすると、次に大径転動体Ｌ６、Ｌ５、Ｌ４、Ｌ３が発生する振幅Ａ３の出力信号が４回検出され、ついで２番目に直径が小さいＳ２が発生する振幅Ａ２の出力信号が検出される。さらに、大径転動体Ｌ２、Ｌ１が発生する振幅Ａ３の信号が２回検出され、再び、小径転動体Ｓ１が発生する振幅Ａ１の出力信号が検出され、反対方向の１回転となる。

このように、転動体４が直径が異なる３種類からなっており、これら転動体４の周方向の配列が時計回りと反時計回りとで異なっていると、時計回りと反時計回りとで振幅の異なる３種類の信号の検出順が異なり、この振幅の異なる信号の検出順を利用することで、回転方向を判別することができる。

なお、直径の異なる転動体４の周方向の配列の違いを利用して、回転方向を判別しているため、周方向の配列が異なってさえいれば、軸受装置１内における小径転動体及び大径転動体の数や配置は適宜選定することができる。

そして、回転方向が判別できれば、前述の角速度ωの絶対値を回転方向を含めたベクトルとして求めることができる。また、移動距離Ｄについても、回転方向が判別できれば、後退分をマイナスの移動距離として減算し、正味の移動距離として求めることもできる。

次に荷重（大きさ及び方向）を求める場合について説明する。図３に示すように荷重は下向きにかかるために、軸受装置１上部（車体取り付け時の上側の位置）の転動体４に、大きな力がかかる（図３の状態では大径転動体Ｌ６に大きな力がかかる）。ＡＥセンサ１１は、この軸受用装置１上部の転動体４（図３の状態では大径転動体Ｌ６）が発生する音を検出する。
車両に重い荷物が積載された場合等、荷重が大きくなると、転動体４や軌道面２ａ、６ａに作用する力も大きくなり、内輪３が回転する時に転動体４から大きな振幅の音が発生する。

この場合、荷重の値（大きさ及び方向）と振幅の値には対応関係があり、ある値の荷重がかかると、それに対応した大きさの振幅が検出される。このため、荷重と振幅の大きさの対応関係を予め求め、テーブルを作成しておくことで、回転時に実際に計測された振幅の大きさから、荷重を求めることができる。検出される振幅の値とテーブル中の振幅の値が一致しない場合は、テーブルを利用して補間演算をすることで、荷重を求めることができる。補間には様々な手法があるが、例えば、直線補間で行うことができる。

振幅全体としては、荷重が大きくなればなるほどパルス信号を含む出力全体が上昇し、逆に荷重が小さくなれば、出力全体が減少する。荷重方向についても、荷重の大きさと同様に出力全体の変化が生じ、荷重が逆方向にかかるような場合、すなわち車輪が浮き上がったような特殊な状態においては、小径転動体Ｓ１、Ｓ２のパルス信号が非常に小さくなる場合もある。

さらに、図２に示すように、軸受装置上下方向中央部であり、且つ車体取り付け時の前後の位置であって、外輪２の軌道面２ａ、２ｂと反対側の部分にＡＥセンサ１１が取り付けられていると、荷重とともに加速又は減速を検出することができる。例えば、車両に取り付けた状態で、車両後側になる部分Ｐ２にＡＥセンサ１１を取り付けた場合は、加速時に出力信号の振幅が大きくなり、減速時には振幅が小さくなる。

このように、本発明においては、角速度及び回転角、荷重の大きさと方向、加速度といった異なる物理量を複合的に検出することができる。なお、本実施の形態では軸受装置１に小径の転動体４の数を２個配置して、回転方向も検出できるようにしたが、回転方向の検出が不要の場合、転動体４の大きさは全て同じでよい。

図４は本発明の軸受装置の第２の実施の形態における弾性率が異なる転動体の配列図を示している。第２の実施の形態においては、転動体４の直径は全て同じであるが、弾性率が異なっており、弾性率の低い２個の転動体Ｎ１、Ｎ２とこの転動体Ｎ１、Ｎ２より弾性率の高い転動体Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６とで構成されている。単列の転動体４の総数は、図３における第１の実施の形態と同様に８個である。また、弾性率が低い転動体は、最も弾性率が低い転動体Ｎ１と、前記転動体Ｎ１よりは弾性率が高いがＥ１よりは弾性率が低い転動体Ｎ２とで構成されている。図４においても、上側が車体側で、下側が地面側となっており、上方向から車輪用軸受装置１に荷重Ｗがかかっている。

このように転動体４の弾性率が異なっている場合も、第１の実施の形態における転動体４の直径が異なっている場合と、略同様の作用効果を奏する。すなわち、最も弾性率が低い転動体Ｎ１に最も直径の小さい転動体Ｓ１が対応し、２番目に弾性率が低い転動体Ｎ２と小径の転動体Ｓ２が対応し、弾性率が高い転動体Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６と大径の転動体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６が夫々対応する。弾性率が低い転動体４は、内輪３が回転するときに発生する音が小さく、弾性率が高い転動体４は発生する音が大きいからである。そして、転動体４の直径が異なっている場合と同様に、これら弾性率の異なる転動体４が発生する音（出力信号）の違いを利用することで、回転方向を判別することができる。

図４に示す第２の実施の形態では、図３に示す第１の実施の形態と、転動体４の総数や対応する転動体４の周方向の配列等が同じであるので、出力信号も同じ図５に示すような波形となる（ただし、振幅Ａの大きさは異なる）。したがって、角速度、回転角、回転方向については、転動体４の直径が異なる第１の実施の形態と同様に求めることができる。 また、荷重についても、種々の弾性率を有する転動体４に対し予め荷重と振幅の関係を求めてテーブルを作成しておけば、測定した振幅の値から求めることができる。したがって、本実施の形態においても様々な物理量を複合的に検出することができる。
なお、回転方向の検出が不要の場合、転動体４の弾性率が全て同じでよいのは、転動体４の直径が異なる場合と同様である。

本発明の軸受装置の第１の実施の形態を示す縦断面図である。 図１に示す軸受装置の正面図である。 第１の実施の形態における直径が異なる転動体の配列図である。 本発明の軸受装置の第２の実施の形態における弾性率が異なる転動体の配列図である。 本発明におけるＡＥセンサの検出波形を示す図である。

符号の説明

１ 車輪用軸受装置
２ 外輪
３ 内輪
４ 転動体
５ ハブ
６ 内輪部材
１１ ＡＥセンサ

Claims (3)

1. その外周面に軌道面を有する回転側の内輪と、前記内輪の外周に配置されており、その内周面に軌道面を有する静止側の外輪と、前記内輪と外輪の間に転動自在に介装された複数個の転動体とを備えた車輪用軸受装置において、
   前記外輪の外周面であって、当該外輪の軌道面の反対側の部分又はその近傍に、前記転動体の音及び／又は振動を検出するセンサが取り付けられていることを特徴とする車輪用軸受装置。
2. 前記複数個の転動体が、互いに直径が異なる３種類の転動体からなっており、これら３種類の転動体の周方向の配列が、時計回りと反時計回りとで異なっている請求項１に記載の車輪用軸受装置。
3. 前記複数個の転動体が、互いに弾性率が異なる３種類の転動体からなっており、これら３種類の転動体の周方向の配列が、時計回りと反時計回りとで異なっている請求項１に記載の車輪用軸受装置。

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