JP2007163400A

JP2007163400A - センサ装置およびセンサ付き転がり軸受装置

Info

Publication number: JP2007163400A
Application number: JP2005362830A
Authority: JP
Inventors: Tamiaki Rou; 黎明楼; Masahiro Kiji; 雅博貴治
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】被検知部の材料に制約がなく、被検知部への追加の加工が必要でないセンサ装置およびセンサ付き転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】センサ装置22は、固定側軌道部材23と転動体（玉）25との接触部からの超音波のエコーを検知する超音波センサSti,Sto,Sbi,Sboを備えている。転動体25に作用する荷重と超音波センサSti,Sto,Sbi,Sboの出力から得られるエコー比との相関関係を利用してから転動体荷重が求められている。処理手段は、センサSti,Sto,Sbi,Sboからのエコー強度信号を次式で補正する補正処理部を有している。
Ｈ＝ａ＋ｂＨ’，ただし、Ｈ：補正後のエコー強度信号、Ｈ’：補正前のエコー強度信号
【選択図】図１

Description

この発明は、転がり軸受と一体化されて転がり軸受の各種情報を検出するのに好適なセンサ装置およびセンサ付き転がり軸受装置に関する。

自動車においては、その制御を行うために種々の情報が必要であることから、車体側に固定される固定側軌道部材、車輪が取り付けられる回転側軌道部材、および両部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニット（転がり軸受）に、センサ装置を設けることが提案されている。たとえば、特許文献１には、固定側軌道部材に磁気インピーダンスセンサを設けるとともに、回転側軌道部材に、同センサに対向する環状の着磁部を設けることにより、接地荷重を精度よく求めることが開示されている。
特開２００４−４５３７０号公報

上記特許文献１のセンサ付き転がり軸受装置によると、磁気インピーダンスセンサによる検知が、被検知部の材料、形状、加工精度などの影響を受けるため、転がり軸受の材料の選択に制約があったり、着磁部の加工や別部材の追加が被検知部に必要となるという問題があった。

この発明の目的は、被検知部の材料に制約がなく、被検知部への追加の加工が必要でないセンサ装置およびセンサ付き転がり軸受装置を提供することにある。

この発明によるセンサ装置は、互いに接触する可動体および固定体からなる被検知部と、固定体に取り付けられ被検知部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、被検知部に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から被検知部に作用する荷重を求める処理手段とを備え、処理手段は、センサからのエコー強度信号を次式で補正する補正処理部を有していることを特徴とするものである。

Ｈ＝ａ＋ｂＨ’，ただし、Ｈ：補正後のエコー強度信号、Ｈ’：補正前のエコー強度信号
超音波センサは、振動子から出力された超音波の反射波を受信部で受けることにより、超音波の反射エコーを求めるもので、可動体に作用する荷重が大きいと、接触面積も大きくなり、反射波は小さくなる。したがって、反射エコーから転動体荷重を求めることができる。

超音波センサを使用した場合、同じ転動体荷重に対して、異なるセンサから得られるエコー強度信号の値が異なっていることがあり、これらのエコー強度信号をそのまま使用すると、転動体荷重の検出精度に悪い影響が出てくる。そこで、処理手段の補正処理部においては、式Ｈ＝ａ＋ｂＨ’を用いて、出力信号の補正処理が行われる。この結果、同じ荷重に対しては、同じ信号（エコー比）が出力されるように補正され、このように補正されたセンサから出力されるエコー強度信号を用いることにより、荷重演算部において精度よく転動体荷重を求めることができる。

可動体は、転がり軸受の転動体であり、固定体は、転がり軸受の固定輪とされることがある。これにより、軸受に作用する荷重を検出することができるセンサ付き転がり軸受装置が得られる。転がり軸受としては、深みぞ玉軸受、アンギュラ玉軸受、ころ軸受、ニードル軸受、スラスト軸受などのいずれの転がり軸受でも使用可能であり、また、単列のものだけでなく、複列のものにも適用できる。軸受の材料は、軸受鋼のような磁性材料であってももちろんよいが、非磁性の金属であっても、セラミックスであってもよい。

被検知部に作用する荷重は、以下の式で得られるエコー比から求められていることが好ましい。

転動体荷重は、例えば、以下の式で得られるエコー比から求められる。

エコー比＝１００×（Ｈ(t)−Ｌ(t)）／Ｈ(t)
Ｈ(t)：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときのエコー強度
Ｌ(t)：転動体が超音波センサ直下に位置するときのエコー強度
転がり軸受に作用する荷重が変化すると、この荷重変化によってエコー比が変化する。エコー比と軸受に作用する荷重との関係は、予め求めておくことができるので、これを予め実験的に求めておくことにより、エコー比から転がり軸受に作用する荷重を求めることができる。こうして、被検知部（固定輪と転動体との接触部）への加工を施すことなく転がり軸受に作用する荷重を求めることができる。

この発明によるセンサ付き転がり軸受装置は、固定側軌道部材、回転側軌道部材および転動体を有する転がり軸受と、センサ装置とを備えているセンサ付き転がり軸受装置において、
センサ装置は、固定側軌道部材に取り付けられ固定側軌道部材と転動体との接触部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、転動体に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から転動体に作用する荷重を求める処理手段とを備え、処理手段は、センサからのエコー強度信号を次式で補正する補正処理部を有していることを特徴とするものである。

Ｈ＝ａ＋ｂＨ’，ただし、Ｈ：補正後のエコー強度信号、Ｈ’：補正前のエコー強度信号
このセンサ付き転がり軸受装置は、固定側軌道部材が車体側、回転側軌道部材が車輪側に取り付けられるようになされて、センサ付きハブユニットとして使用されることがある。

タイヤに接地荷重が作用すると、ハブユニット各部には接地荷重に応じた荷重が作用し、この荷重変化によって固定側軌道部材と転動体との接触面積が変化する。超音波センサによると、接触面積の大きさに対応して検知されるエコー比が変化するので、予め転動体荷重変化またはタイヤ接地荷重変化とエコー比との関係を求めておくことにより、エコー比から転動体荷重またはタイヤ接地荷重を求めることができる。こうして、被検知部（固定側軌道部材と転動体との接触部）への加工を施すことなく転動体荷重またはタイヤ接地荷重を求めることができる。

超音波センサは、たとえば、転がり軸受またはハブユニットの頂部、底部、前部および後部の計４カ所に設けられ、これら４つのデータから転がり軸受に作用する荷重（ハブユニットの場合はタイヤ接地荷重）の３分力（上下方向荷重、前後方向荷重および左右方向荷重）が求められる。なお、センサは、等分配でかつ上記配置以外の４カ所に設けるようにしてもよい。３分力を求める場合、超音波センサは、頂部および底部のいずれか一方を省略して、３つとしてもよいし、円周上の任意の位置に等配分で３つ配置してもよい。また、円周上の任意の位置に等配分で５つ以上配置してもよく、接触面積検知センサの配置は、必ずしも等配でなくてもよい。荷重の絶対値だけを求める場合には、超音波センサは１つであってもよく、センサの数は、必要とする荷重（モーメントを含む）の数に応じて適宜変更される。

この発明のセンサ装置によると、超音波センサにより被検知部からの超音波のエコーを検知するので、被検知部の材料に制約がなく、被検知部への追加の加工が必要でないものとすることができる。しかも、エコー強度に影響を与えるセンサの取付け方法、センサの感度、被検知部の接触状態等が補正処理部において予め補正されるので、荷重演算部において被検知部に作用する荷重を精度良く求めることができる。

この発明のセンサ付き転がり軸受装置によると、超音波センサにより固定側軌道部材と転動体との接触部からの超音波のエコーを検知するので、固定側軌道部材および転動体の材料に制約がなく、これらの接触部への追加の加工が必要でないものとすることができる。しかも、エコー強度に影響を与えるセンサの取付け方法、センサの感度、被検知部の接触状態等が補正処理部において予め補正されるので、荷重演算部において転動体に作用する荷重を精度良く求めることができる。

図１は、この発明のセンサ装置およびセンサ付き転がり軸受装置の第１実施形態を示している。以下の説明において、左右および上下は、図の左右および上下をいうものとする。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。

このセンサ付き転がり軸受装置は、自動車用センサ付きハブユニットとして使用されるもので、ハブユニット(21)と、タイヤの接地荷重を検出するセンサ装置(22)とを備えている。

ハブユニット(21)は、車体側に固定される固定側軌道部材(23)、車輪が取り付けられる回転側軌道部材(24)、両部材(23)(24)の間に２列に配置された複数の転動体である玉(25)、および各列の玉(25)をそれぞれ保持する保持器(26)を備えている。

固定側軌道部材(23)は、軸受の外輪（固定輪）機能を有しているもので、内周面に２列の外輪軌道が形成されている円筒部(31)と、円筒部(31)の左端部近くに設けられて懸架装置（車体側部分）にボルトで取り付けられるフランジ部(32)とを有している。

回転側軌道部材(24)は、第１の軌道溝(34a)を有する大径部(34)および第１の軌道溝(34a)の径よりも小さい外径を有する小径部(35)を有している内軸(33)と、内軸(33)の小径部(35)外径に嵌め止められて右面が内軸(33)の大径部(34)左面に密接させられている内輪(36)とからなる。内軸(33)の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト(38)が固定されたフランジ部(37)が設けられている。内輪(36)の右部には、内軸(33)の軌道溝(34a)と並列するように、軌道溝(36a)が形成されている。固定側軌道部材(23)の右端部と内軸(33)との間には、シール装置(39)が設けられている。内軸(33)の小径部(35)の左端部には、おねじ部が設けられており、このおねじ部にねじ合わされたナット(40)によって、内輪(36)が内軸(33)に固定されている。固定側軌道部材(23)の左端部には、カバー(41)が被せ止められている。内輪と内軸の固定方法としては、図示しないが、内軸の端部を塑性変形させて、かしめ止めしてもよい。

センサ装置(22)は、固定側軌道部材(23)と内列の玉(25)との間に作用する力（転動体荷重）を検出する超音波センサ(Sti)(Sbi)と、外列の玉(25)の転動体荷重を検出する超音波センサ(Sto)(Sbo)と、これらの超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sto)(Sbo)の出力を処理する処理手段（図３参照）とを備えている。超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sto)(Sbo)は、図示されている頂部および底部のほかに、前部および後部にもそれぞれ設けられている。ただし、超音波センサの個数および配置は、上記に限定されない。

図３に示すように、処理手段は、補正処理部(51)と、荷重演算部(52)とを備えている。

超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、振動子から出力された超音波の反射波を受信部で受けることにより、その反射エコーを求めるもので、その出力は、以下に示すエコー比として求められる。

エコー比＝１００×（Ｈ(t)−Ｌ(t)）／Ｈ(t)
Ｈ(t)：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときのエコー強度
Ｌ(t)：転動体が超音波センサ直下に位置するときのエコー強度
このエコー比は、転動体荷重と図２に示す関係を有しており、これを利用してエコー比から転動体荷重を求めることができる。玉(25)に作用する荷重が大きいと、接触面積が大きくなって反射波が小さくなることから、転動体荷重が大きい場合には、大きいエコー比が出力される。したがって、上記式を荷重演算部(52)に蓄えておくことにより、転動体荷重を得ることができる。

ところで、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)を使用した検出において、実測では、同じ転動体荷重に対して、センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の取付け方法や感度、接触媒質等の影響で、異なるセンサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)から得られるエコー強度信号Ｈ_１，Ｈ_２，Ｈ_３，Ｌ_１，Ｌ_２およびＬ_３は、図３のＡに示すように（実際には大きな差はないが、誇張して描いている）、その値がそれぞれ異なっている（Ｈ_１≠Ｈ_２≠Ｈ_３およびＬ_１≠Ｌ_２≠Ｌ_３）。したがって、これらのエコー強度信号をそのまま使用すると、転動体荷重の検出精度に悪い影響が出てくる。そこで、処理手段の補正処理部においては、ある特定の荷重条件（例えば、ハブユニットに予圧のみがかかっている状態）下で、センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)からのエコー強度信号に次式が成立するように、出力信号の補正処理が行われている。この結果、図３のＢに示すように、同じ荷重に対しては、同じ信号（エコー比）が出力される（Ｈ_１＝Ｈ_２＝Ｈ_３＝Ｈ_０およびＬ_１＝Ｌ_２＝Ｌ_３＝Ｌ_０）。こうして、各センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)ごとのばらつきが補正処理部(51)において補正され、このように補正されたセンサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)から出力される図３Ｃに示すエコー強度信号（Ｈ_１(t)，Ｈ_２(t)，Ｈ_３(t)，Ｌ_１(t)，Ｌ_２(t)およびＬ_３(t)）を用いることにより、荷重演算部(52)において精度よく転動体荷重を求めることができる。

走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴って、タイヤに掛かる接地荷重が変動し、このタイヤ接地荷重変動に応じて、転動体荷重が変化する。複数のセンサを設置した場合、タイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重の成分ごとにそれぞれセンサへの影響度が異なっており、予め、前後荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するエコー比、左右荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するエコー比、ならびに垂直荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するエコー比を求めておくことにより、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)で得られたエコー比よりタイヤ接地荷重の３方向分力を求めることができる。

センサ装置(22)の処理手段には、エコー比の式、各超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)から得られたエコー比からそのセンサ位置の転動体荷重を求める式、これらの転動体荷重からタイヤ接地荷重の上下方向成分、前後方向成分および左右方向成分を求める式などが蓄えられている。

複数の箇所にセンサを設置して接地荷重の各分力をそれぞれ分離して求めようとした場合、他の分力の影響による誤差が生じやすいものとなるが、上記のように、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の設置箇所を固定側軌道部材(23)の頂部、底部、前部および後部のそれぞれ内側および外側の計８カ所とすることにより、３方向分力を精度よく求めることができるとともに、前後軸回りのモーメントおよび上下軸回りのモーメントを求めることもできる。センサの数については、４つとしても３方向分力および各モーメントを求めることができ、また、タイヤ接地荷重の上下方向成分および左右方向成分だけが必要な場合には、センサの数を２つにすることもできる。

なお、上記においては、センサ付きハブユニットについて説明したが、上記センサ装置(22)は、ハブユニット以外の各種転がり軸受に一体化して使用することができる。

図４は、自動車用センサ付きハブユニットとして使用されるセンサ付き転がり軸受装置の他の実施形態を示している。以下の説明において、図１と同じ構成には同じ符号を付してその説明を省略する。

図４において、固定側軌道部材(23)には、断面が二等辺直角三角形状のセンサ設置用突出部(42)がその直角部分が突出部(42)先端に来るように設けられている。そして、この突出部(42)の直角部分を挟む二面に超音波センサ(Sti)(Sto)がそれぞれ取り付けられている。この実施形態によると、突出部(42)により、センサ設置箇所が補強されるため、センサ設置に伴う強度低下が防止される。突出部(42)は、センサ設置位置（固定側軌道部材(23)の最上部、最下部および上下の中間部）にだけ設けられてもよく、周方向に連続するように（断面形状が一定に限られるものではない）設けられてもよい。

図１は、この発明によるセンサ装置およびセンサ付き転がり軸受装置の第１実施形態を示す縦断面図である。図２は、超音波センサで得られるエコー比と転動体荷重との関係を示すグラフである。図３は、処理手段を示すブロック図である。図４は、この発明によるセンサ付き転がり軸受装置の第２実施形態を示す縦断面図である。

符号の説明

(21) ハブユニット（転がり軸受）
(22) センサ装置
(23) 固定側軌道部材（被検知部）
(24) 回転側軌道部材
(25) 玉（転動体）
(51) 補正処理部
(52) 荷重演算部
(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo) 超音波センサ

Claims

互いに接触する可動体および固定体からなる被検知部と、固定体に取り付けられ被検知部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、被検知部に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から被検知部に作用する荷重を求める処理手段とを備え、処理手段は、センサからのエコー強度信号を次式で補正する補正処理部を有していることを特徴とするセンサ装置。
Ｈ＝ａ＋ｂＨ’，ただし、Ｈ：補正後のエコー強度信号、Ｈ’：補正前のエコー強度信号
可動体は、転がり軸受の転動体であり、固定体は、転がり軸受の固定輪である請求項１のセンサ装置。
被検知部に作用する荷重は、以下の式で得られるエコー比から求められている請求項２のセンサ装置。
転動体荷重は、例えば、以下の式で得られるエコー比から求められる。
エコー比＝１００×（Ｈ(t)−Ｌ(t)）／Ｈ(t)
Ｈ(t)：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときのエコー強度
Ｌ(t)：転動体が超音波センサ直下に位置するときのエコー強度
固定側軌道部材、回転側軌道部材および転動体を有する転がり軸受と、センサ装置とを備えているセンサ付き転がり軸受装置において、
センサ装置は、固定側軌道部材に取り付けられ固定側軌道部材と転動体との接触部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、転動体に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から転動体に作用する荷重を求める処理手段とを備え、処理手段は、センサからのエコー強度信号を次式で補正する補正処理部を有していることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
Ｈ＝ａ＋ｂＨ’，ただし、Ｈ：補正後のエコー強度信号、Ｈ’：補正前のエコー強度信号
被検知部に作用する荷重は、以下の式で得られるエコー比から求められている請求項４のセンサ付き転がり軸受装置。
転動体荷重は、例えば、以下の式で得られるエコー比から求められる。
エコー比＝１００×（Ｈ(t)−Ｌ(t)）／Ｈ(t)
Ｈ(t)：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときのエコー強度
Ｌ(t)：転動体が超音波センサ直下に位置するときのエコー強度
固定側軌道部材が車体側、回転側軌道部材が車輪側に取り付けられるセンサ付きハブユニットとされている請求項５のセンサ付き転がり軸受装置。