JP2007010318A - 荷重測定装置付転がり軸受ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 設置スペースが限られている場合でも、演算器と転がり軸受ユニットとを１対１で対応させられる構造を実現する。
【解決手段】 転がり軸受ユニットと荷重測定装置とを備える。この荷重測定装置は、センサユニット２９と演算器ユニット３０とを備える。このうちの演算器ユニット３０は、このセンサユニット２９に組み込んだセンサの検出信号に基づいて、上記転がり軸受ユニットに加わる荷重を算出する演算器を組み込んでいる。上記センサユニット２９と上記演算器ユニット３０とは、互いに別体に設けられた状態で、可撓性を有するケーブル３１により、非分離に結合されている。
【選択図】 図１

Description

この発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、複数個の転動体を介して相対回転自在に組み合わされた静止側軌道輪と回転側軌道輪との間に加わる荷重を求める為に利用する。更に、この求めた荷重を、自動車等の車両の走行安定性確保を図る為等に利用する。

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転がり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、電子制御式ビークルスタビリティコントロールシステム（ＥＳＣ）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（例えば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、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、荷重測定装置付転がり軸受ユニットに関する発明が記載されている。
図４は、上記特許文献１に記載された荷重測定装置付転がり軸受ユニットを示している。この従来構造の場合、静止側軌道輪である外輪１の軸方向中間部で、複列アンギュラ型の外輪軌道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転動体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の被検出面である軸方向側面に近接対向させて、上記各転動体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、回転側軌道輪であるハブ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の被検出面である外周面に近接対向させて、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荷重測定装置付転がり軸受ユニットによれば、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（ラジアル荷重及びアキシアル荷重）を求められる。

即ち、上述の様な荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合、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、上記外輪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転動体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転動体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、上記各列の転動体８ａ、８ｂの公転速度同士の比によっても、上記アキシアル荷重を求められる。この点に就いて、図５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、上記各列の転動体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５は、上述の図４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。複列アンギュラ型の内輪軌道１３、１３と複列アンギュラ型の外輪軌道２、２との間に複列に配置された転動体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、車体の質量等により、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、何れも上記各転動体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、これら各転動体８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c が変化する。これら各転動体８ａ、８ｂのピッチ円直径をＤとし、これら各転動体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・cos α／Ｄ）・（ｎ_i ／２）｝＋｛１＋（ｄ・cos α／Ｄ）・（ｎ_o ／２）｝ −−− （１）

この（１）式から明らかな通り、上記各転動体８ａ、８ｂの公転速度ｎ_c は、これら各転動体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。図４〜５に示した構造の場合、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６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７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。

尚、上記図６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転動体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転動体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７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を支承する列の転動体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を支承しない列の転動体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６〜７から明らかな通り、上記各列の転動体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。

尚、前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、前述の特許文献１に詳しく説明されているので、詳しい説明は省略する。
又、図４に示した構造は、上記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂと前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８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。

又、未公開であるが、特願２００４−２７９１５５号には、荷重の作用方向に配置された１対のセンサの出力信号の位相差に基づき、転がり軸受ユニットに加わる荷重の大きさを測定する発明が開示されている。図９〜１９は、上記出願に開示された先発明のうちの４例の構造を示している。これら各先発明に係る構造のうち、図９〜１６に示した第１〜２例の構造は、何れも、図９、１３に示す様に、懸架装置に支持された状態で回転しない静止側軌道輪である外輪１の内径側に、車輪を支持固定（結合固定）する回転側軌道輪であるハブ１１を、複数個の転動体８、８を介して回転自在に支持している。そして、このハブ１１の中間部にエンコーダ１５、１５ａを外嵌固定すると共に、上記外輪１の軸方向中間部で複列に配置された上記各転動体８、８の間部分にセンサ１６、１６ａを、それぞれの検出部を、被検出面である上記エンコーダ１５、１５ａの外周面に近接対向させた状態で、それぞれ１対ずつ設けている。尚、上記センサ１６、１６ａの検出部には、ホールＩＣ、ホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子等の磁気検知素子を組み込んでいる。

図９〜１２に示した、先発明の第１例の構造の場合、上記エンコーダ１５として、永久磁石製のものを使用している。被検出面である、このエンコーダ１５の外周面には、Ｎ極に着磁した部分とＳ極に着磁した部分とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置している。これらＮ極に着磁された部分とＳ極に着磁された部分との境界は、上記エンコーダ１５の軸方向に対し同じ角度だけ傾斜させると共に、この軸方向に対する傾斜方向を、このエンコーダ１５の軸方向中間部を境に互いに逆方向としている。従って、上記Ｎ極に着磁された部分とＳ極に着磁された部分とは、軸方向中間部が円周方向に関して最も突出した（又は凹んだ）、「く」字形となっている。

又、上記両センサ１６、１６の検出部が上記エンコーダ１５の外周面に対向する位置は、このエンコーダ１５の円周方向に関して同じ位置としている。言い換えれば、上記両センサ１６、１６の検出部は、上記外輪１の中心軸を含む同一仮想平面上に配置されている。又、この外輪１と上記ハブ１１との間にアキシアル荷重が作用しない状態で、上記Ｎ極に着磁された部分とＳ極に着磁された部分との軸方向中間部で円周方向に関して最も突出した部分（境界の傾斜方向が変化する部分）が、上記両センサ１６、１６の検出部同士の間の丁度中央位置に存在する様に、各部材１５、１６、１６の設置位置を規制している。尚、先発明の第１例の場合には、上記エンコーダ１５として永久磁石製のものを使用しているので、上記両センサ１６、１６側に永久磁石を組み込む必要はない。

上述の様に構成する先発明の第１例の場合、上記外輪１とハブ１１との間にアキシアル荷重が作用すると、上記両センサ１６、１６の出力信号が変化する位相がずれる。即ち、上記外輪１とハブ１１との間にアキシアル荷重が作用しておらず、上記外輪１と上記ハブ１１とが相対変位していない、中立状態では、上記両センサ１６、１６の検出部は、図１２の（Ａ）の実線イ、イ上、即ち、上記最も突出した部分から軸方向に同じだけずれた部分に対向する。従って、上記両センサ１６、１６の出力信号の位相は、同図の（Ｃ）に示す様に一致する。

これに対して、上記エンコーダ１５を固定したハブ１１に、図１２の（Ａ）で下向きのアキシアル荷重が作用し（外輪１とハブ１１とがアキシアル方向に相対変位し）た場合には、上記両センサ１６、１６の検出部は、図１２の（Ａ）の破線ロ、ロ上、即ち、上記最も突出した部分からの軸方向に関するずれが互いに異なる部分に対向する。この状態では上記両センサ１６、１６の出力信号の位相は、同図の（Ｂ）に示す様にずれる。更に、上記エンコーダ１５を固定したハブ１１に、図１２の（Ａ）で上向きのアキシアル荷重が作用した場合には、上記両センサ１６、１６の検出部は、図１２の（Ａ）の鎖線ハ、ハ上、即ち、上記最も突出した部分からの軸方向に関するずれが、逆方向に互いに異なる部分に対向する。この状態では上記両センサ１６、１６の出力信号の位相は、同図の（Ｄ）に示す様にずれる。

上述の様に先発明の第１例の場合には、上記両センサ１６、１６の出力信号の位相が、上記外輪１とハブ１１との間に加わるアキシアル荷重の作用方向に応じた方向にずれる。又、このアキシアル荷重により上記両センサ１６、１６の出力信号の位相がずれる程度（変位量）は、このアキシアル荷重が大きくなる程大きくなる。従って第１例の場合には、上記両センサ１６、１６の出力信号の位相ずれの有無、ずれが存在する場合にはその方向及び大きさに基づいて、上記外輪１とハブ１１との間に作用しているアキシアル荷重の作用方向及び大きさを求められる。

次に、図１３〜１６に示した、先発明の第２例の構造の場合には、ハブ１１の中間部に、磁性金属板製のエンコーダ１５ａを外嵌固定している。被検出面である、このエンコーダ１５ａの外周面には、スリット状の透孔１７ａ、１７ｂと柱部１８ａ、１８ｂとを、円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置している。これら各透孔１７ａ、１７ｂと各柱部１８ａ、１８ｂとは、上記エンコーダ１５ａの軸方向に対し同じ角度だけ傾斜させると共に、この軸方向に対する傾斜方向を、このエンコーダ１５ａの軸方向中間部を境に互いに逆方向としている。即ち、このエンコーダ１５ａは、軸方向片半部に、上記軸方向に対し所定方向に同じだけ傾斜した透孔１７ａ、１７ａを形成すると共に、軸方向他半部に、この所定方向と逆方向に同じ角度だけ傾斜した透孔１７ｂ、１７ｂを形成している。

一方、外輪１の軸方向中間部で複列に配置された転動体８、８同士の間部分に、前記１対のセンサ１６ａ、１６ａを設置し、これら両センサ１６ａ、１６ａの検出部を、上記エンコーダ１５ａの外周面に近接対向させている。これら両センサ１６ａ、１６ａの検出部がこのエンコーダ１５ａの外周面に対向する位置は、このエンコーダ１５ａの円周方向に関して同じ位置としている。又、上記外輪１とハブ１１との間にアキシアル荷重が作用しない状態で、上記各透孔１７ａ、１７ｂ同士の間に位置し、全周に連続するリム部１９が、上記両センサ１６ａ、１６ａの検出部同士の間の丁度中央位置に存在する様に、各部材１５ａ、１６ａ、１６ａの設置位置を規制している。尚、先発明の第２例の場合には、上記エンコーダ１５ａが単なる磁性材製である為、上記両センサ１６ａ、１６ａの側に永久磁石を組み込む必要がある。

上述の様に構成する先発明の第２例の場合、上記外輪１とハブ１１との間にアキシアル荷重が作用（し外輪１とハブ１１とがアキシアル方向に相対変位）すると、前述した先発明の第１例の場合と同様に、上記両センサ１６ａ、１６ａの出力信号が変化する位相がずれる。即ち、上記外輪１とハブ１１との間にアキシアル荷重が作用していない状態では、上記両センサ１６ａ、１６ａの検出部は、図１６の（Ａ）の実線イ、イ上、即ち、上記リム部１９から軸方向に同じだけずれた部分に対向する。従って、上記両センサ１６ａ、１６ａの出力信号の位相は、同図の（Ｃ）に示す様に一致する。

これに対して、上記エンコーダ１５ａを固定したハブ１１に、図１６の（Ａ）で下向きのアキシアル荷重が作用した場合には、上記両センサ１６ａ、１６ａの検出部は、図１６の（Ａ）の破線ロ、ロ上、即ち、上記リム部１９からの軸方向に関するずれが互いに異なる部分に対向する。この状態では上記両センサ１６ａ、１６ａの出力信号の位相は、同図の（Ｂ）に示す様にずれる。更に、上記エンコーダ１５ａを固定したハブ１１に、図１６の（Ａ）で上向きのアキシアル荷重が作用した場合には、上記両センサ１６ａ、１６ａの検出部は、図１６の（Ａ）の鎖線ハ、ハ上、即ち、上記リム部１９からの軸方向に関するずれが、逆方向に互いに異なる部分に対向する。この状態では上記両センサ１６ａ、１６ａの出力信号の位相は、同図の（Ｄ）に示す様にずれる。

上述の様に先発明の第２例の場合も、前述の先発明の第１例の場合と同様に、上記両センサ１６ａ、１６ａの出力信号の位相が、上記外輪１とハブ１１との間に加わるアキシアル荷重の作用方向に応じた方向にずれる。又、このアキシアル荷重により上記両センサ１６ａ、１６ａの出力信号の位相がずれる程度（変位量）は、このアキシアル荷重が大きくなる程大きくなる。従って第２例の場合も、上記両センサ１６ａ、１６ａの出力信号の位相ずれの有無、ずれが存在する場合にはその方向及び大きさに基づいて、上記外輪１とハブ１１との間に作用しているアキシアル荷重の作用方向及び大きさを求められる。
尚、エンコーダを円輪状に構成すると共に、このエンコーダの軸方向側面を被検出面とし、この被検出面に１対のセンサの検出部を、径方向にずらせた状態で対向させれば、上記外輪１と上記ハブ１１とのラジアル方向に関する変位、延てはこれら外輪１とハブ１１との間に加わるラジアル荷重を求める事も可能である。

図１７〜１８は、先発明の第３例として、単一のセンサにより外輪１ａとハブ１１ａとの間に加わるアキシアル方向の変位を求める構造を示している。本例の場合には、重量の嵩む自動車の駆動輪を支持する為の車輪支持用転がり軸受ユニットを対象としている為に、転動体８ｃ、８ｃとして円すいころを使用している。又、回転側軌道輪であるハブ１１ａの中心部に、等速ジョイントに付属のスプライン軸を挿通する為のスプライン孔２０を形成している。そして、上記ハブ１１ａの中間部に、磁性金属材製で円環状のエンコーダ１５ｂを外嵌固定している。このエンコーダ１５ｂの外周面には、凹部２１、２１と凸部２２、２２とを、円周方向に関して交互に配置している。これら各凹部２１、２１と凸部２２、２２との円周方向に関する幅寸法は、軸方向に関して漸次変化している。

一方、静止側軌道輪である上記外輪１ａの中間部に形成した取付孔３ａに、磁気検知式のセンサ１６ｂを挿通し、このセンサ１６ｂの先端部に設けた検出部を、被検出面である、上記エンコーダ１５ｂの外周面に近接対向させている。上記センサ１６ｂの検出信号は、上記検出部の近傍を上記各凹部２１、２１と上記各凸部２２、２２とが交互に通過する事に伴って変化する。そして、付属の波形整形回路により矩形波とされてから、図示しない演算器に送り出される。この様に、波形整形回路から演算器に送り出される、上記センサ１６ｂの検出信号の変化のパターン（検出信号のデューティ比＝高電位継続時間／１周期）は、上記検出部が対向する、上記エンコーダ１５ｂの外周面の軸方向位置によって変化する。そこで、上記変化のパターンに基づいて、上記外輪１ａと上記ハブ１１ａとの間に作用するアキシアル荷重を求められる。

次に、図１９は、先発明に係る構造の第４例として、単一のセンサにより外輪１、１ａとハブ１１、１１ａと（図４、５、８、９、１３、１７参照）の間のラジアル方向の変位を求める為の構造を示している。この構造に組み込むエンコーダ１５ｃは、磁性金属板により円輪状に形成されたもので、それぞれが径方向外側程円周方向に関する幅が大きくなる、台形の透孔１７ｃ、１７ｃを、円周方向に関して等間隔に形成している。この様なエンコーダ１５ｃの軸方向片側面にはセンサの検出部を、近接対向させる。この様なエンコーダ１５ｃを含んで構成する、先発明の第４例の場合、ラジアル荷重に基づいて外輪１、１ａとハブ１１、１１ａとがラジアル方向に相対変位すると、上記センサの検出信号のデューティ比（高電位継続時間／１周期）が変化する。そこで、このデューティ比に基づいて、上記相対変位の方向及び大きさ、更には上記外輪１、１ａとハブ１１、１１ａとの間に加わるラジアル荷重の大きさを求められる。

何れにしても、荷重測定装置付転がり軸受ユニットにより求めた荷重は、車輪（タイヤ）と路面との接触面（接地面）で生じている荷重と等価である。従って、この求め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する為の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。

以上に述べた様な荷重測定装置付転がり軸受ユニットを実施する場合に、前記各センサ６ａ、６ｂ、７、７ａ、１６、１６ａ、１６ｂの出力信号に基づいて各方向の荷重を算出する為の演算器の特性を、転がり軸受ユニットの特性との関係で適切に規制する必要がある。即ち、方向及び大きさが同じである荷重が別の転がり軸受ユニットに加わった場合には、これら各転がり軸受ユニットの剛性の相違等により、上記各センサ６ａ、６ｂ、７、７ａ、１６、１６ａ、１６ｂの出力信号の変化が互いに異なる事がある。又、同じ転がり軸受ユニットでも、前記各転動体８、８ａ、８ｂ、８ｃに付与されている予圧が経時的に変化する等により、当該転がり軸受ユニットの剛性が変化（一般的には低下）した場合には、方向及び大きさが同じである荷重が同じ転がり軸受ユニットに加わった場合でも、上記各センサ６ａ、６ｂ、７、７ａ、１６、１６ａ、１６ｂの出力信号の変化が異なる場合がある。

これらの事を考慮した場合、上記各センサ６ａ、６ｂ、７、７ａ、１６、１６ａ、１６ｂの出力信号に基づいて荷重を求める為に上記演算器中（メモリ）にインストールするソフトウェア中に組み込まれる式の零点及びゲインを、各転がり軸受ユニットの特性に応じて互いに異ならせる事が好ましい。言い換えれば、各転がり軸受ユニットに組み付ける荷重測定装置の演算器に関する、上記零点及びゲインを、各転がり軸受ユニット毎に、それぞれの剛性等に応じた値に調整する事が好ましい。又、転がり軸受ユニットの経年変化に応じて上記零点及びゲインを修正する事も好ましい。これらの事を考慮した場合、上記演算器と転がり軸受ユニットとは、互いに１対１で対応させる事、即ち、これら演算器と転がり軸受ユニットとが互いに別々に扱われない様にする事が好ましい。この理由は、これらを互いに別々に取り扱える様にした場合、当該転がり軸受ユニットの特性に対応しない零点やゲインにより荷重を算出し、荷重の測定値に大きな誤差を生じる可能性が生じ易くなる為である。

上記演算器と転がり軸受ユニットとを１対１で対応させる為には、例えば上記荷重測定装置を構成するセンサと演算器とを単一のケーシングに内蔵して一体化した荷重測定ユニットとし、この荷重測定ユニットを、各転がり軸受ユニットに組み付ける事が考えられる。そして、各転がり軸受ユニットに組み付けた一体型の荷重測定ユニット内の演算器のメモリ中に、当該転がり軸受ユニットに関する、上記零点及びゲインを記憶させる事が考えられる。但し、この様な構造を採用した場合には、転がり軸受ユニットが小型である等の理由により、上記荷重測定ユニットを組み付ける為のスペースを確保できない可能性がある。又、転がり軸受ユニットの温度が運転時に上昇する程度が大きい場合、ＬＳＩ等の電子回路を組み込んだ、上記演算器の耐久性を確保する事が難しくなる可能性もある。

特開２００５−３１０６３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、設置スペースが限られている場合でも、演算器と転がり軸受ユニットとを１対１で対応させられる構造を実現すべく発明したものである。

本発明の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、転がり軸受ユニットと荷重測定装置とを備える。
このうちの転がり軸受ユニットは、静止側周面に静止側軌道を有し、使用状態でも回転しない静止側軌道輪と、回転側周面に回転側軌道を有し、使用時に回転する回転側軌道輪と、これら回転側軌道と静止側軌道との間に設けられた複数個の転動体とを備えたものである。
又、上記荷重測定装置は、上記回転側軌道輪と上記静止側軌道輪との間に作用する荷重を測定する為のセンサを組み込んだセンサユニットと、このセンサの検出信号に基づいて上記荷重を算出する演算器を組み込んだ演算器ユニットとを備えたものである。
そして、上記センサユニットと演算器ユニットとは、互いに別体に設けられた状態で可撓性を有するケーブルにより、非分離に結合されている。

上述の様に構成する本発明によれば、設置スペースが限られている場合でも、演算器と転がり軸受ユニットとを１対１で対応させられる構造を実現できる。即ち、互いに別体であるセンサユニットと演算器ユニットとを、可撓性を有するケーブルにより結合しているので、これら各ユニットの容積を、センサと演算器とを単一のケーシングに内蔵して一体化した荷重測定ユニットに比べて小さくできる。従って、限られた設置スペースへの組付けが可能になる。

そして、上記ケーブルにより上記センサユニットと上記演算器ユニットとが非分離に組み合わされているので、演算器と転がり軸受ユニットとが互いに別々に扱われる事がなく、当該転がり軸受ユニットの特性に対応しない零点やゲインにより荷重を算出し、荷重の測定値に大きな誤差を生じる可能性をなくせる。即ち、上記センサユニットを上記転がり軸受ユニットに支持固定した状態で、上記演算器ユニットもこの転がり軸受ユニットに対し、上記ケーブルにより非分離に結合される。この為、上記センサユニットを上記転がり軸受ユニットに支持固定した状態で、この転がり軸受ユニットの特性に見合う零点及びゲインを上記演算器ユニットのメモリ中に記憶させれば、この転がり軸受ユニットに関して、回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に加わる荷重を精度良く求められる。
又、転がり軸受ユニットの温度が運転時に上昇する程度が大きい場合でも、上記演算器ユニットをこの転がり軸受ユニットから離して配置できるので、この演算器ユニット中に組み込まれた電子回路の温度上昇を抑えて、この演算器ユニットの耐久性を確保する事が容易になる。

本発明を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した様に、演算器ユニットにコネクタを、直接又はセンサユニットと繋がるケーブルとは別のケーブルを介して設ける。このコネクタには、車両への組み付け状態で、荷重を表す信号を送る為の信号取り出し用ケーブルの端部に設けたプラグを接続する。
この様に構成する事により、車体側に設けた制御器まで届く信号取り出し用ケーブルを上記演算器ユニットに接続しておく必要がなくなり、この演算器ユニットの組み付け性を良好にできる。

又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項３に記載した様に、荷重測定装置として、回転側軌道輪若しくはこの回転側軌道輪の回転に伴って回転する部分の回転状態を検出する事により、この回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を測定するものを採用する。
この様な請求項３に記載した発明を実施する場合に、例えば請求項４に記載した様に、荷重測定装置を、少なくとも一方の列の転動体の公転速度に基づいて回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を測定するものとする。この様な構造は、前述の図４〜８に示した、特許文献１に記載された構造に対応する。
或いは、請求項５に記載した様に、荷重測定装置を、回転側軌道輪の一部にこの回転側軌道輪と同心に固定されたエンコーダの変位に基づいて回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を測定するものとする。この様な構造は、前述の図９〜１９に示した、先発明の構造に対応する。
この様な構造によれば、荷重測定装置を低コストで得られる。

図１〜２は、本発明の実施例１を示している。本実施例の場合には、転がり軸受ユニットとして、駆動輪用の複列円すいころ軸受ユニットを使用している。又、複列の内輪軌道１３ａ、１３ａを、それぞれがハブ本体２４と別体である、１対の内輪２５、２５の外周面に設けている。ハブ１１ｂは、これら両内輪２５、２５を上記ハブ本体２４に締り嵌めで外嵌固定して成る。又、このハブ本体２４に等速ジョイント２６を結合固定して、このハブ本体２４を回転駆動自在としている。更に、上記ハブ１１ｂの周囲に設けた外輪１ａは、懸架装置を構成するナックル２７に対し、複数本のボルト２８により支持固定している。

上述の様な転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する為の荷重測定装置を構成するエンコーダ１５ｄは、上記等速ジョイント２６の中間部に外嵌固定している。又、センサユニット２９は、上記外輪１ａの内端部（図１の右端部）に外嵌固定したカバー１４ａに保持固定している。そして、上記センサユニット２９に組み込んだセンサの検出部を、上記エンコーダ１５ｄの被検出面である外周面に近接対向させている。尚、本実施例に関して、これらセンサとエンコーダ１５ｄとの組み合わせで転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する、上記荷重測定装置の具体的構造に就いては、前述の図９〜１８に示した、先発明に係る構造の何れかを採用できる為、詳しい図示並びに説明は省略する。

又、上記センサユニット２９に組み込んだセンサの検出信号に基づいて、上記転がり軸受ユニットに加わる荷重を算出する為の演算器ユニット３０は、上記ナックル２７の内側面（図１の右側面）に、ねじ止め固定している。これら演算器ユニット３０とナックル２７との突き合わせ部には、必要に応じて、ゴム、ウレタン等の緩衝材を挟持する事もできる。そして、上記演算器ユニット３０と上記センサユニット２９とを、ケーブル３１により、不離に結合している。このケーブル３１には、上記センサの検出信号を上記演算器ユニット３０に送る為の信号伝達用ハーネスの他、このセンサに電力を供給する為の電力供給用ハーネスが組み込まれている。この様なケーブル３１の両端部は、上記センサユニット２９と上記演算器ユニット３０とに、それぞれハンダ付等により、非分離に接続している。従って、これら両ユニット２９、３０は、上記ケーブル３１を介して、非分離に結合されている。又、このうちの演算器ユニット３０にはコネクタ３２を、図２に詳示する様に、この演算器ユニット３０のケースと一体に設けている。このコネクタ３２には、車両への組み付け状態で、車体側に設けた、車両用走行安定化装置の制御器に、上記荷重を表す信号を送る為の、図示しない信号取り出し用ケーブルの端部に設けたプラグを接続する。

上述の様に構成する本実施例の構造によれば、設置スペースが限られている場合でも、演算器と転がり軸受ユニットとを１対１で対応させられる構造を実現できる。即ち、互いに別体であるセンサユニット２９と演算器ユニット３０とを、可撓性を有するケーブル３１により結合しているので、これら各ユニット２９、３０の容積を、センサと演算器とを単一のケーシングに内蔵して一体化した荷重測定ユニットに比べて小さくできる。従って、限られた設置スペースへの組付けが可能になる。図示の例では、上記演算器ユニット３０を上記ナックル２７の側に設けているので、転がり軸受ユニット側の設置スペースに関係なく、上記演算器ユニット３０の設置スペースを確保できる。この為、この演算器ユニット３０の小型化に対する要求を低く抑えられて、この演算器ユニット３０の性能向上と低コスト化とを高次元で両立させられる。

そして、上記ケーブル３１により上記センサユニット２９と上記演算器ユニット３０とを非分離に組み合わせているので、演算器と転がり軸受ユニットとが互いに別々に扱われる事がなく、当該転がり軸受ユニットの特性に対応しない零点やゲインにより荷重を算出し、荷重の測定値に大きな誤差を生じる可能性をなくせる。即ち、上記センサユニット２９を上記転がり軸受ユニットに、前記カバー１４ａを介して支持固定した状態で、上記演算器ユニット３０もこの転がり軸受ユニットに対し、上記ケーブル３１により非分離に結合される。この為、上記センサユニット２９を上記転がり軸受ユニットに支持固定した状態で、この転がり軸受ユニットの特性に見合う零点及びゲインを上記演算器ユニット３０のメモリ中に記憶させれば、この転がり軸受ユニットに関して、前記外輪１ａと前記ハブ１１ｂとの間に加わる荷重を精度良く求められる。

又、上記ナックル２７に支持固定した上記演算器ユニット３０は、上記転がり軸受ユニットの温度上昇の影響を受けにくい。この為、この転がり軸受ユニットの温度が運転時に上昇する程度が大きい場合でも、上記演算器ユニット３０の温度上昇を抑えられて、この演算器ユニット３０中に組み込まれた電子回路の温度上昇を抑え、特に耐熱性の優れた部品を使用しなくても、この演算器ユニット３０の耐久性を確保できる。この為、耐久性の確保と低コスト化とを高次元で両立させられる。

又、図示の例では、上記演算器ユニット３０に前記コネクタ３２を設けている為、車体側に設けた制御器まで届く信号取り出し用ケーブルを上記演算器ユニット３０に接続しておく必要がない。この為、この演算器ユニット３０を上記ナックル２７に支持固定する作業を、比較的長い、上記信号取り出し用ケーブルに煩わされる事なく行なえる為、上記ナックル２７に対する上記演算器ユニット３０の組み付け性を良好にできる。

図３は、本発明の実施例２を示している。本実施例の場合には、演算器ユニット３０ａとコネクタ３２ａとを別体とし、これら演算器ユニット３０ａとコネクタ３２ａとを、この演算器ユニット３０ａとセンサユニット２９とを繋ぐケーブル３１とは別のケーブル３３により接続している。この様な本実施例の構造の場合、上記演算器ユニット３０ａと上記コネクタ３２ａとを別体とする分、この演算器ユニット３０ａを小型化できて、この演算器ユニット３０ａの取付性をより一層向上させられる（より狭いスペースに設置可能にできる）。その他の部分の構造及び作用は、上述した実施例１と同様である。

本発明を実施する場合に於ける荷重測定装置の構造は、図１、３に記載した構造に限らず、前述の図４〜１９に示した様なものを含め、各種構造のものを適宜採用できる。要するに、回転側軌道輪若しくはこの回転側軌道輪の回転に伴って回転する部分の回転状態を検出する等により、この回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を測定する構造であれば、本発明を適用できる。従って、エンコーダ及びセンサの構造は特に限定しない。尚、上記回転側軌道輪の回転に伴って回転する部分としては、図４に示した転動体を保持する保持器、図１、３に示した等速ジョイントの他、ハブに支持固定したディスクロータ等が挙げられる。

測定すべき荷重の方向に関しても、１方向に限らず、モーメントを含めて、最大５方向迄測定可能である。又、演算器ユニットのメモリに零点及びゲインを記憶させる作業は、これらを記憶させたＩＣタグからメモリに送信する方法、センサユニット及び演算器ユニットを組み付けた転がり軸受ユニットを無負荷及び既知の荷重を付加した状態で運転して、その結果得られた零点及びゲインを上記メモリに記憶させる方法等が採用可能である。後者の方法を採用する場合、各ケーブルを構成するハーネスで、ＣＡＮ、Ｆｌｅｘｒａｙ等の双方向通信を行なえば、必要とするハーネスの本数を少なく抑えて、コスト並びに重量の低減を図れる他、ハーネスの取り回し性を良好にできる。何れにしても、上記メモリには、上記零点及びゲインの他、出荷時の検査データ等を記録しておく事もできる。

本発明の実施例１を示す断面図。 実施例１に組み込む演算器ユニットの斜視図及び正面図。 本発明の実施例２を示す断面図。 従来若しくは先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第１例を示す断面図。 この第１例の構造により荷重を求められる理由を説明する為の模式図。 各列の転動体の公転速度とラジアル荷重との関係を示す線図。 同じくアキシアル荷重と公転速度との関係を示す線図。 従来若しくは先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第２例を示す断面図。 同第３例を示す断面図。 この第３例に組み込むエンコーダの斜視図。 同じく展開図。 アキシアル荷重に基づいて１対のセンサの出力信号が変化する状態を説明する為の線図。 従来若しくは先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第４例を示す断面図。 この第４例に組み込むエンコーダの斜視図。 同じく展開図。 アキシアル荷重に基づいて１対のセンサの出力信号が変化する状態を説明する為の線図。 従来若しくは先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第５例を示す断面図。 この第５例に組み込むエンコーダの部分斜視図。 従来若しくは先発明に係る荷重測定装置付転がり軸受ユニットの第６例に組み込むエンコーダを軸方向から見た側面図。

符号の説明

１、１ａ 外輪
２ 外輪軌道
３、３ａ 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
８、８ａ、８ｂ、８ｃ 転動体
９ａ、９ｂ 保持器
１０ａ、１０ｂ 公転速度検出用エンコーダ
１１、１１ａ、１１ｂ ハブ
１２、１２ａ 回転速度検出用エンコーダ
１３、１３ａ 内輪軌道
１４、１４ａ カバー
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ エンコーダ
１６、１６ａ、１６ｂ センサ
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ 透孔
１８ａ、１８ｂ 柱部
１９ リム部
２０ スプライン孔
２１ 凹部
２２ 凸部
２４ ハブ本体
２５ 内輪
２６ 等速ジョイント
２７ ナックル
２８ ボルト
２９ センサユニット
３０、３０ａ 演算器ユニット
３１ ケーブル
３２、３２ａ コネクタ
３３ ケーブル

Claims (5)

1. 転がり軸受ユニットと荷重測定装置とを備え、
   このうちの転がり軸受ユニットは、静止側周面に静止側軌道を有し、使用状態でも回転しない静止側軌道輪と、回転側周面に回転側軌道を有し、使用時に回転する回転側軌道輪と、これら回転側軌道と静止側軌道との間に設けられた複数個の転動体とを備えたものであり、
   上記荷重測定装置は、上記回転側軌道輪と上記静止側軌道輪との間に作用する荷重を測定する為のセンサを組み込んだセンサユニットと、このセンサの検出信号に基づいてこの荷重を算出する演算器を組み込んだ演算器ユニットとを備えたものであり、
   上記センサユニットと演算器ユニットとは、互いに別体に設けられた状態で可撓性を有するケーブルにより非分離に結合されている
   荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
2. 演算器ユニットに、荷重を表す信号を送る為の信号取り出し用ケーブルの端部に設けたプラグを接続する為のコネクタが、直接又はセンサユニットと繋がるケーブルとは別のケーブルを介して設けられている、請求項１に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
3. 荷重測定装置は、回転側軌道輪若しくはこの回転側軌道輪の回転に伴って回転する部分の回転状態を検出する事により、この回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を測定するものである、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
4. 荷重測定装置が、少なくとも一方の列の転動体の公転速度に基づいて回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を測定するものである、請求項３に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。
5. 荷重測定装置が、回転側軌道輪の一部にこの回転側軌道輪と同心に固定されたエンコーダの変位に基づいて回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に作用する荷重を測定するものである、請求項３に記載した荷重測定装置付転がり軸受ユニット。

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