JP2008051283A - センサ付車輪用軸受 - Google Patents

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Takami Ozaki
孝美 尾崎
Tomoumi Ishikawa
智海 石河
Kentaro Nishikawa
健太郎 西川
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Abstract

【課題】 荷重検出用のセンサを車両にコンパクトに、かつ外部環境の変化に強い状態で設置できて、常に車輪にかかる荷重を感度良く検出でき、量産時のコストが安価となるセンサ付車輪用軸受を提供する。
【解決手段】 外方部材1と内方部材2の間に複列の転動体3を介在させた車輪用軸受において、前記外方部材1および内方部材2のうちの固定側部材にセンサユニット21を取付ける。例えば、固定側部材が外方部材1とする。センサユニット21は、センサ取付部材22およびこのセンサ取付部材22に取付けた少なくとも1つ以上の歪みセンサ23からなる。センサユニット21を保護するカバー90を外方部材1に設ける。
【選択図】 図1

Description

この発明は、車輪の軸受部にかかる荷重を検出する荷重センサを内蔵したセンサ付車輪用軸受に関する。
従来、自動車の安全走行のために、各車輪の回転速度を検出するセンサを車輪用軸受に設けたものがある。従来の一般的な自動車の走行安全性確保対策は、各部の車輪の回転速度を検出することで行われているが、車輪の回転速度だけでは十分でなく、その他のセンサ信号を用いてさらに安全面の制御が可能なことが求められている。
そこで、車両走行時に各車輪に作用する荷重から姿勢制御を図ることも考えられる。例えばコーナリングにおいては外側車輪に大きな荷重がかかり、また左右傾斜面走行では片側車輪に、ブレーキングにおいては前輪にそれぞれ荷重が片寄るなど、各車輪にかかる荷重は均等ではない。また、積載荷重不均等の場合にも各車輪にかかる荷重は不均等になる。このため、車輪にかかる荷重を随時検出できれば、その検出結果に基づき、事前にサスペンション等を制御することで、車両走行時の姿勢制御(コーナリング時のローリング防止、ブレーキング時の前輪沈み込み防止、積載荷重不均等による沈み込み防止等)を行うことが可能となる。しかし、車輪に作用する荷重を検出するセンサの適切な設置場所がなく、荷重検出による姿勢制御の実現が難しい。
また、今後ステアバイワイヤが導入されて、車軸とステアリングが機械的に結合しないシステムになってくると、車軸方向荷重を検出して運転手が握るハンドルに路面情報を伝達することが求められる。
このような要請に応えるものとして、車輪用軸受の外輪に歪みゲージを貼り付け、歪みを検出するようにした車輪用軸受が提案されている(例えば特許文献1)。
特表2003−530565号公報
車輪用軸受の外輪は、転走面を有し、強度が求められる部品であって、塑性加工や、旋削加工、熱処理、研削加工などの複雑な工程を経て生産される軸受部品であるため、特許文献1のように外輪に歪みゲージを貼り付けるのでは、生産性が悪く、量産時のコストが高くなるという問題点がある。また、外輪の歪みを感度良く検出することが難しく、その検出結果を車両走行時の姿勢制御に利用した場合、制御の精度が問題となる。
そこで、センサ取付部材に歪みセンサを取付けてセンサユニットとし、このセンサユニットを外輪の外周面に取付けることを試みた。しかし、外輪の外周面は車両走行時に泥水等を被りやすい箇所であるため、センサユニットを外輪の外周面に取付けた場合、センサユニットに適切な防護処置がとられていないと、センサ取付部材および歪みセンサに腐食や変形等が生じ、歪みセンサが正常に作動しなくなる可能性がある。
この発明の目的は、荷重検出用のセンサを車両にコンパクトに、かつ外部環境の変化の影響を受けにくい状態で設置できて、常に車輪にかかる荷重を感度良く検出でき、量産時のコストが安価となるセンサ付車輪用軸受を提供することである。
この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体と、前記外方部材と前記内方部材との間の端部を密封する密封装置とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた少なくとも1つ以上の歪みセンサからなるセンサユニットを、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に取付け、前記センサユニットを保護するカバーを固定側部材に設けたことを特徴とする。カバーの材質は、例えば金属、樹脂、ゴム材とする。また、固定側部材へのカバーの取付けには、ねじ、圧入、接着の各取付方法のうち少なくとも1つの取付方法を用いると良い。
車両走行に伴い回転側部材に荷重が加わると、転動体を介して固定側部材が変形し、その変形は、取付用部材を介してセンサユニットに歪みをもたらす。センサユニットに設けられた歪みセンサは、センサユニットの歪みを検出する。歪みと荷重の関係を予め実験やシミュレーションで求めておけば、歪みセンサの出力から車輪にかかる荷重を検出することができる。また、この検出した荷重を自動車の車両制御に使用することが出来る。
この車輪用軸受は、センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた歪みセンサからなるセンサユニットを、取付用部材を介して固定側部材に取付ける構成としたため、荷重検出用のセンサを車両にコンパクトに設置できる。センサユニットを保護するカバーを固定側部材に設けたため、センサユニットは泥水を被った場合等のような外部環境の変化に対して影響を受けにくく、常に歪みセンサが固定側部材の変形を感度良く検出できる。センサ取付部材は固定側部材に取付けられる簡易な部品であるため、これに歪みセンサを取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。
前記歪みセンサは厚膜抵抗体で構成するのが良い。
歪みセンサを厚膜抵抗体で構成すると、センサ取付部材への歪みセンサの取付強度が経年変化によって低下しないので、センサユニットの信頼性を向上させることができる。
前記固定側部材を外方部材とすることができる。その場合、センサユニットを外方部材の外周面に取付ける。
前記歪みセンサの出力によって、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を推定する作用力推定手段を設けると良い。
作用力推定手段によって得られる車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を自動車の車両制御に使用することにより、きめ細かな車両制御が可能となる。
この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体と、前記外方部材と前記内方部材との間の端部を密封する密封装置とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた少なくとも1つ以上の歪みセンサからなるセンサユニットを、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に取付け、前記センサユニットを保護するカバーを固定側部材に設けたため、荷重検出用のセンサを車両にコンパクトに、かつ外部環境の変化の影響を受けにくい状態で設置できて、常に車輪にかかる荷重を感度良く検出できる。センサ取付部材は固定側部材に取付けられる簡易な部品であるため、これに歪みセンサを取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。
この発明の実施形態を図1ないし図4と共に説明する。この実施形態は、第3世代型の内輪回転タイプで、駆動輪支持用の車輪用軸受に適用したものである。なお、この明細書において、車両に取付けた状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。
このセンサ付車輪用軸受は、内周に複列の転走面3を形成した外方部材1と、これら各転走面3に対向する転走面4を形成した内方部材2と、これら外方部材1および内方部材2の転走面3,4間に介在した複列の転動体5とで構成される。この車輪用軸受は、複列のアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体5はボールからなり、各列毎に保持器6で保持されている。上記転走面3,4は断面円弧状であり、各転走面3,4は接触角が外向きとなるように形成されている。外方部材1と内方部材2との間の軸受空間の両端は、密封装置7,8によりそれぞれ密封されている。
外方部材1は固定側部材となるものであって、車体の懸架装置(図示せず)におけるナックルに取付けるフランジ1aを外周に有し、全体が一体の部品とされている。フランジ1aには、周方向の複数箇所に車体取付孔14が設けられている。
内方部材2は回転側部材となるものであって、車輪取付用のハブフランジ9aを有するハブ輪9と、このハブ輪9の軸部9bのインボード側端の外周に嵌合した内輪10とでなる。これらハブ輪9および内輪10に、前記各列の転走面4が形成されている。ハブ輪9のインボード側端の外周には段差を持って小径となる内輪嵌合面12が設けられ、この内輪嵌合面12に内輪10が嵌合している。ハブ輪9の中心には貫通孔11が設けられている。ハブフランジ9aには、周方向複数箇所にハブボルト(図示せず)の圧入孔15が設けられている。ハブ輪9のハブフランジ9aの根元部付近には、ホイールおよび制動部品(図示せず)を案内する円筒状のパイロット部13がアウトボード側に突出している。
外方部材1の外周部には、図3に示すセンサユニット21が設けられている。センサユニット21は、センサ取付部材22に、このセンサ取付部材22の歪みを測定する歪みセンサ23を取付けたものである。センサユニット21は、第1および第2の取付用部材40,41を介して外方部材1に取付けられる。
センサ取付部材22は、第1の取付用部材40に接触固定される第1の接触固定部22aと、第2の取付用部材41に接触固定される第2の接触固定部22bとを有している。センサ取付部材22は、径方向に沿った径方向部位22cと、軸方向に沿った軸方向部位22dとでL字の形状に構成されており、径方向部位22cの先端側が前記第1の接触固定部22aとされ、軸方向部位22dの先端側が前記第2の接触固定部22bとされている。径方向部位22cは、軸方向部位22dに比べ、剛性が低くなるよう肉厚を薄くしてある。歪みセンサ23は、この剛性の低い径方向部位22cに取付けられている。
第1の取付用部材40は、センサ取付部材22の第1の接触固定部22aと接触固定されるセンサユニット側接触固定部40aと、外方部材1の車体取付孔14の近傍に接触固定される外方部材側接触固定部40bとを有している。また、第2の取付用部材41は、センサ取付部材22の第2の接触固定部22bに接触固定されるセンサユニット側接触固定部41aと、外方部材1の外周面に接触固定される外方部材側接触固定部41bとを有している。
歪みセンサ23は、例えば図4に示すように、センサ取付部材22のセンサ取付面22A上に厚膜抵抗体にて形成したものとされる。すなわち、センサ取付面22A上に絶縁層50が形成され、この絶縁層50の表面の両側に対を成す電極51,51が形成され、これら電極51,51の間で前記絶縁層50の上に歪みセンサとなる厚膜抵抗体からなる歪み測定用抵抗体52が形成され、さらに電極51,51と歪み測定用抵抗体52の上に保護膜53が形成された構造となっている。
このセンサユニット21の製造方法を次に示す。まず、ステンレス鋼等の金属材料で形成されたセンサ取付部材22の表面にガラス等の絶縁材料を印刷、焼成して絶縁層50を形成する。次に、絶縁層50の表面に、導電性材料を印刷、焼成して電極51,51を形成する。さらに、電極51,51間に、抵抗体となる材料を印刷、焼成して歪み測定用抵抗体53を形成する。さらに、これら電極51,51および歪み測定用抵抗体52を保護するために、保護膜53を形成する。
歪みセンサ23としては、上記厚膜抵抗体にて形成したもの以外に、種々のものを使用することができる。例えば、歪みセンサ23を金属箔ストレインゲージで構成することができる。その場合、通常、センサ取付部材22に対して接着による固定が行われる。
上記センサユニット21は、図1および図2に示すように、第1および第2の取付用部材40,41により、センサ取付部材22の第1および第2の接触固定部22a,22bが外方部材1の周方向に対して同位相の位置となるように、外方部材1の外周部に固定される。センサ取付部材22と、第1および第2の取付用部材40,41と、外方部材1との固定は、例えば接着材による接着で行われる。第1および第2の接触固定部22a,22bを周方向において同位相とすると、センサ取付部材22の長さを短くすることができるため、センサユニット21の設置が容易である。
さらに、センサユニット21を外方部材1に固定後、このセンサユニット21を保護するカバー90を外方部材1に取付ける。この実施形態では、カバー90の両端がそれぞれ外方部材1のアウトボード側端およびフランジ1aの外周端にかかるように、カバー90が外方部材1に取付けられている。カバー90の材質は、例えば金属、樹脂、ゴム材とする。また、外方部材1へのカバー90の取付けには、ねじ、圧入、接着の各取付方法のうち少なくとも1つの取付方法を用いるのが良い。
図1に示すように、歪みセンサ23の出力を処理する手段として、作用力推定手段31および異常判定手段32が設けられている。これらの手段31,32は、この車輪用軸受の外方部材1等に取付けられた回路基板等に電子回路装置(図示せず)に設けられたものであっても、また自動車の電気制御ユニット(ECU)に設けられたものであっても良い。
上記構成のセンサ付車輪用軸受の作用を説明する。ハブ輪9に荷重が印加されると、転動体5を介して外方部材1が変形する。その外方部材1の変形は、第1および第2の取付用部材40,41を介してセンサ取付部材22に伝わり、センサ取付部材22が変形する。そのセンサ取付部材22の歪みを歪みセンサ23により測定する。この際、センサ取付部材22の径方向部位22cは外方部材1のフランジ1aの変形に従って変形する。この実施形態の場合、外方部材1と比べ前記径方向部位22cは剛性が低く、かつセンサ取付部材22は剛性の低い径方向部位22cと剛性の高い軸方向部位22dとで構成されたL字形をしているため、径方向部位22cと軸方向部位22dとの間である径方向部位22c側の角部22e付近に歪みが集中し、外方部材1よりも大きな歪みとなって現れる。すなわち、径方向部位22cと軸方向部位22dとの間で発生する歪みは、フランジ1aの基端のR部1bの歪みを転写かつ拡大したものとなる。この歪みを歪みセンサ23で測定するため、外方部材1の歪みを感度良く検出でき、歪み測定精度が高くなる。
センサユニット21はカバー90で保護されているため、外部環境の変化の影響を受けることが少ない。例えば、外方部材1が泥水を被ってもセンサユニット21には影響が及ばない。詳しくは、センサ取付部材22および歪みセンサ23に腐食や変形等が生じない。このため、常に歪みセンサ23が外方部材1の変形を感度良く検出できる。
荷重の方向や大きさによって歪みの変化が異なるため、予め歪みと荷重の関係を実験やシミュレーションにて求めておけば、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を算出することができる。前記作用力推定手段31は、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた歪みと荷重の関係から、歪センサ23の出力により、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を算出する。前記異常判定手段32は、作用力推定手段31により算出された車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力が、許容値を超えたと判断される場合に、外部に異常信号を出力する。この異常信号を、自動車の車両制御に使用することができる。また、リアルタイムで車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を出力すると、よりきめ細かな車両制御が可能となる。
この車輪用軸受は、センサ取付部材22およびこのセンサ取付部材22に取付けた歪みセンサ23からなるセンサユニット21を、外方部材1に取付ける構成としたため、荷重検出用のセンサを車両にコンパクトに設置できる。また、センサユニット21を外方部材1に直接取付けるのではなく、第1および第2の取付用部材40,41を介して外方部材1に取付ける構成としたことにより、センサ取付部材22をL字状の簡略な形状とすることができる。センサ取付部材22が簡略な形状であると、センサ取付部材22の加工が容易となり、コスト低下が図れる。また、センサ取付部材22が簡略な形状であると、歪みセンサ23の固定位置の位置決めを精度良く行うことができる。この実施形態の場合、センサ取付部材22における歪みセンサ23を設ける面が平面であるため、センサ取付部材22に歪みセンサ23を圧膜抵抗体にて形成することが容易である。
歪みセンサ23が金属箔ストレインゲージ等で構成されている場合、通常、センサ取付部材22に対して接着による固定が行なわれる。しかし、接着による固定は、経年変化による接着強度の低下が歪みセンサ23の検出に影響を及ぼす可能性がある。また、接着作業に時間を要するため、コストアップの原因ともなる。これに対し、図4に示したように、歪みセンサ23をセンサ取付部材22のセンサ取付面22A上に厚膜抵抗体にて形成したセンサユニット21とすると、経年変化による接着強度の低下がほとんどないので、信頼性の向上を図ることができる。また、歪みセンサ23の接着作業が不要であるので、組立作業性を向上してコストダウンを図ることができる。
前記実施形態は、センサユニット21を外方部材1の1箇所にだけ設けた構成としているが、例えば図5に示すように、センサユニット21を2箇所以上に設けた構成としても良い。センサユニット21を2箇所以上に設ける場合も、各センサユニット21を保護するカバー90を外方部材1に設ける。センサユニット21を2箇所以上に設けると、より一層精度の高い荷重の検出が可能となる。
図6および図7は異なる実施形態を示す。この車輪用軸受は、センサ取付部材22と、第1および第2の取付用部材40,41と、外方部材1との固定をボルトを用いて行うものである。このセンサ取付部材22は、全体形状は図3に示すセンサ取付部材22と同じであり、第1の接触固定部22aに軸方向のボルト挿通孔70が形成され、かつ第2の接触固定部22bに径方向のボルト挿通孔71が形成されている。また、第1の取付用部材40には、前記ボルト挿通孔70に対応するボルト挿通孔72が形成され、第2の取付用部材41には、前記ボルト挿通孔71に対応するボルト挿通孔73が形成されている。さらに、外方部材1には、内周面に雌ねじが形成されたボルト螺着孔74,75が、前記ボルト挿通孔70,72に対応する位置、および前記ボルト挿通孔71,73に対応する位置にそれぞれ形成されている。
図6に示すように、センサユニット21は、センサ取付部材22のボルト挿通孔70および第1の取付用部材40のボルト挿通孔72にアウトボード側からボルト76を挿通し、そのボルト76の雄ねじ部76aを外方部材1のボルト螺着孔74に螺着させ、またセンサ取付部材22のボルト挿通孔71および第2の取付用部材41のボルト挿通孔73に外周側からボルト76を挿通し、そのボルト76の雄ねじ部76aを外方部材1のボルト螺着孔75に螺着させることにより、外方部材1に固定される。さらに、前記同様、センサユニット21を外方部材1に固定後、センサユニット21を保護するカバー90を外方部材1に取付ける。
センサ取付部材22と、第1および第2の取付用部材40,41と、外方部材1との固定については、接着剤およびボルトのいずれを用いても良い。また、両者を併用してもよい。さらには、接着剤やボルトを用いず、溶接でセンサ取付部材22と外方部材1とを固定しても良い。これらの固定構造のいずれを採用した場合でも、センサ取付部材22と、第1および第2の取付用部材40,41と、外方部材1とを強固に固定することができる。そのため、センサ取付部材22が外方部材1に対して位置ずれすることがなく、外方部材1の変形をセンサ取付部材22に正確に伝えることが可能になる。
なお、前記各実施形態では、外方部材1が固定側部材である場合につき説明したが、この発明は、内方部材が固定側部材である車輪用軸受にも適用することができ、その場合、センサユニット21は内方部材の内周となる周面に設ける。
また、前記各実施形態では第3世代型の車輪用軸受に適用した場合につき説明したが、この発明は、軸受部分とハブとが互いに独立した部品となる第1または第2世代型の車輪用軸受や、内方部材の一部が等速ジョイントの外輪で構成される第4世代型の車輪用軸受にも適用することができる。また、このセンサ付車輪用軸受は、従動輪用の車輪用軸受にも適用でき、さらに各世代形式のテーパころタイプの車輪用軸受にも適用することができる。
この発明の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図とその検出系の概念構成のブロック図とを組み合わせて示す図である。 同センサ付車輪用軸受の外方部材とセンサユニットとを示す正面図である。 (A)は同センサユニットおよび第1、第2の取付用部材を互いに分離して表示した平面図、(B)はその側面図である。 センサユニットの断面構造を示す図である。 異なるセンサ付車輪用軸受の外方部材とセンサユニットとを示す正面図である。 この発明の異なる実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図である。 (A)は同センサ付車輪用軸受のセンサユニットおよび第1、第2の取付用部材を互いに分離して表示した平面図、(B)はそのVIIB−VIIB断面図である。
符号の説明
1…外方部材(固定側部材)
2…内方部材(回転側部材)
3,4…転走面
5…転動体
7,8…密封装置
21…センサユニット
22…センサ取付部材
23…歪みセンサ
31…作用力推定手段
32…異常判定手段
40…第1の取付用部材
41…第2の取付用部材
90…カバー

Claims (8)

  1. 複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体と、前記外方部材と前記内方部材との間の端部を密封する密封装置とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、
    センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた少なくとも1つ以上の歪みセンサからなるセンサユニットを、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に取付け、前記センサユニットを保護するカバーを固定側部材に設けたことを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
  2. 請求項1において、前記歪みセンサが厚膜抵抗体で構成されているセンサ付車輪用軸受。
  3. 請求項1または請求項2において、前記カバーの材質は金属であるセンサ付車輪用軸受。
  4. 請求項1または請求項2において、前記カバーの材質は樹脂であるセンサ付車輪用軸受。
  5. 請求項1または請求項2において、前記カバーの材質はゴム材であるセンサ付車輪用軸受。
  6. 請求項1ないし請求項5のいずれか1項において、前記固定側部材への前記カバーの取付けに、ねじ、圧入、接着の各取付方法のうち少なくとも1つの取付方法を用いたセンサ付車輪用軸受。
  7. 請求項1ないし請求項6のいずれか1項において、前記固定側部材が外方部材であるセンサ付車輪用軸受。
  8. 請求項1ないし請求項7のいずれか1項において、前記歪みセンサの出力によって、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を推定する作用力推定手段を設けたセンサ付車輪用軸受。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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