JP4487525B2 - 転がり軸受ユニットの荷重測定装置 - Google Patents

Description

この発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、例えば自動車、鉄道車両、各種搬送車等の移動体の車輪を支持する為の転がり軸受ユニットの改良に関し、この転がり軸受ユニットに負荷される荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）を測定し、上記移動体の運行の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、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装置が使用されている。この様な各種車両用走行安定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。この従来の第１例の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、ラジアル荷重を測定するもので、図３に示す様に構成している。懸架装置に支持される外輪１の内径側に、車輪を結合固定するハブ２を支持している。このハブ２は、車輪を固定する為の回転側フランジ３をその外端部（車両への組み付け状態で幅方向外側となる端部）に有するハブ本体４と、このハブ本体４の内端部（車両への組み付け状態で幅方向中央側となる端部）に外嵌されてナット５により抑え付けられた内輪６とを備える。そして、上記外輪１の内周面に形成した複列の外輪軌道７、７と、上記ハブ２の外周面に形成した複列の内輪軌道８、８との間に、それぞれ複数個ずつの転動体９ａ、９ｂを配置して、上記外輪１の内径側での上記ハブ２の回転を自在としている。

上記外輪１の軸方向中間部で複列の外輪軌道７、７の間部分に、この外輪１を直径方向に貫通する取付孔１０を、この外輪１の上端部にほぼ鉛直方向に形成している。そして、この取付孔１０内に、荷重測定用のセンサである、円杆状（棒状）の変位センサ１１を装着している。この変位センサ１１は非接触式で、先端面（下端面）に設けた検出面は、ハブ２の軸方向中間部に外嵌固定したセンサリング１２の外周面に近接対向させている。上記変位センサ１１は、上記検出面と上記センサリング１２の外周面との距離が変化した場合に、その変化量に対応した信号を出力する。

上述の様に構成する従来の荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合には、上記変位センサ１１の検出信号に基づいて、転がり軸受ユニットに加わる荷重を求める事ができる。即ち、車両の懸架装置に支持した上記外輪１は、この車両の重量により下方に押されるのに対して、車輪を支持固定したハブ２は、そのままの位置に止まろうとする。この為、上記重量が嵩む程、上記外輪１やハブ２、並びに転動体９ａ、９ｂの弾性変形に基づいて、これら外輪１の中心とハブ２の中心とのずれが大きくなる。そして、この外輪１の上端部に設けた、上記変位センサ１１の検出面と上記センサリング１２の外周面との距離は、上記重量が嵩む程短くなる。そこで、上記変位センサ１１の検出信号を制御器に送れば、予め実験等により求めた関係式或はマップ等から、当該変位センサ１１を組み込んだ転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重を求める事ができる。この様にして求めた、各転がり軸受ユニットに加わる荷重に基づいて、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。

尚、図３に示した従来構造は、上記転がり軸受ユニットに加わる荷重に加えて、上記ハブ２の回転速度も検出自在としている。この為に、前記内輪６の内端部にセンサロータ１３を外嵌固定すると共に、上記外輪１の内端開口部に被着したカバー１４に回転速度検出用センサ１５を支持している。そして、この回転速度検出用センサ１５の検知部を、上記センサロータ１３の被検出部に、測定隙間を介して対向させている。

上述の様な回転速度検出装置を組み込んだ転がり軸受ユニットの使用時、車輪を固定したハブ２と共に上記センサロータ１３が回転し、このセンサロータ１３の被検知部が上記回転速度検出用センサ１５の検知部の近傍を走行すると、この回転速度検出用センサ１５の出力が変化する。この様にして回転速度検出用センサ１５の出力が変化する周波数は、上記車輪の回転数に比例する。従って、この回転速度検出用センサ１５の出力信号を図示しない制御器に送れば、ＡＢＳやＴＣＳを適切に制御できる。

上述の様な従来構造の第１例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に加わるラジアル荷重を測定する為のものであるが、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も、特許文献２等に記載されて、従来から知られている。図４は、この特許文献２に記載された、アキシアル荷重を測定する為の荷重測定装置付転がり軸受ユニットを示している。この従来構造の第２例の場合、ハブ２ａの外端部外周面に、車輪を支持する為の回転側フランジ３ａを固設している。又、外輪１ａの外周面に、この外輪１ａを懸架装置を構成するナックル１６に支持固定する為の、固定側フランジ１７を固設している。そして、上記外輪１ａの内周面に形成した複列の外輪軌道７、７と、上記ハブ２ａの外周面に形成した複列の内輪軌道８、８との間に、それぞれ複数個ずつの転動体９ａ、９ｂを転動自在に設ける事により、上記外輪１ａの内径側に上記ハブ２ａを回転自在に支持している。

更に、上記固定側フランジ１７の内側面複数個所で、この固定側フランジ１７を上記ナックル１６に結合する為のボルト１８を螺合する為のねじ孔１９を囲む部分に、それぞれ荷重センサ２０を添設している。上記外輪１ａを上記ナックル１６に支持固定した状態でこれら各荷重センサ２０は、このナックル１６の外側面と上記固定側フランジ１７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、図示しない車輪と上記ナックル１６との間にアキシアル荷重が加わると、上記ナックル１６の外側面と上記固定側フランジ１７の内側面とが、上記各荷重センサ２０を、軸方向両面から強く押し付け合う。従って、これら各荷重センサ２０の測定値を合計する事で、上記車輪と上記ナックル１６との間に加わるアキシアル荷重を求める事ができる。又、図示はしないが、特許文献３には、一部の剛性を低くした外輪相当部材の振動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。

前述の図３に示した従来構造の第１例の場合、変位センサ１１により、外輪１とハブ２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１１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、上述の図４に示した従来構造の第２例の場合、ナックル１６に対し外輪１ａを支持固定する為のボルト１８と同数だけ、荷重センサ２０を設ける必要がある。この為、荷重センサ２０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。

この様な事情に鑑みて本発明者等は先に、複列アンギュラ型玉軸受である転がり軸受ユニットを構成する１対の列の転動体（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、転がり軸受ユニットの荷重測定装置に関する発明を行なった（特願２００３−１７１７１５号、１７２４８３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７、７の間部分に形成した取付孔１０ａにセンサユニット２１を挿通し、このセンサユニット２１の先端部に設けた検出部２２を、上記外輪１の内周面から突出させている。この検出部２２には、１対の公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂと、１個の回転速度検出用センサ１５ａ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２３ａ、２３ｂの検出部を、複列に配置された各転動体９ａ、９ｂを回転自在に保持した各保持器２４ａ、２４ｂに設けた、公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂに近接対向させて、各転動体９ａ、９ｂ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１５ａの検出部を、内輪相当部材であるハブ２の中間部に外嵌固定した回転速度検出用エンコーダ２６に近接対向させて、このハブ２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２の回転速度の変動に拘らず、上記外輪１と上記ハブ２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２３ａ、２３ｂ、１５ａ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２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２３ａ、２３ｂが検出する各列の転動体９ａ、９ｂ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１５ａが検出する上記ハブ２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２３ａ、２３ｂが検出する各列の転動体９ａ、９ｂ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１５ａが検出する上記ハブ２の回転速度との比に基づいて算出する。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Ｆ_a が加わらない状態での、上記各列の転動体９ａ、９ｂ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８、８と複列の外輪軌道７、７との間に複列に配置された転動体９ａ、９ｂ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Ｆ_r 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Ｆ_a が加わる。これら予圧Ｆ₀ 、Ｆ₀ 、ラジアル荷重Ｆ_r 、アキシアル荷重Ｆ_a は、何れも上記各転動体９ａ、９ｂ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９ａ、９ｂの公転速度ｎ_c が変化する。これら各転動体９ａ、９ｂのピッチ円直径をＤとし、これら各転動体９ａ、９ｂの直径をｄとし、上記各内輪軌道８、８を設けたハブ２の回転速度をｎ_i とし、上記各外輪軌道７、７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、上記各転動体９ａ、９ｂの公転速度ｎ_c は、これら各転動体９ａ、９ｂ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Ｆ_r 及び上記アキシアル荷重Ｆ_a 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Ｆ_r 及びアキシアル荷重Ｆ_a に応じて変化する。本例の場合、上記ハブ２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Ｆ_r に関しては、大きくなる程上記公転速度ｎ_c が遅くなる。又、アキシアル荷重Ｆ_a に関しては、このアキシアル荷重Ｆ_a 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Ｆ_a 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Ｆ_r 及びアキシアル荷重Ｆ_a 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Ｆ_r と上記アキシアル荷重Ｆ_a 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２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Ｆ_r 、上記アキシアル荷重Ｆ_a 、予圧Ｆ₀ 、Ｆ₀ 、ハブ２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 を正確に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Ｆ_r 、アキシアル荷重Ｆ_a 、ハブ２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の場合には、前述した様に、ラジアル荷重Ｆ_r を求める場合には、前記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂが検出する各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度の和を求める事で、上記アキシアル荷重Ｆ_a の影響を少なくしている。又、アキシアル荷重Ｆ_a を求める場合には、上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度の差を求める事で、上記ラジアル荷重Ｆ_r 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１５ａが検出する上記ハブ２の回転速度ｎ_i との比に基づいて上記ラジアル荷重Ｆ_r （本発明のうちの請求項１に記載した発明に対応）又は上記アキシアル荷重Ｆ_a （本発明のうちの請求項２に記載した発明に対応）を算出する事により、上記ハブ２の回転速度ｎ_i の影響を排除している。但し、上記アキシアル荷重Ｆ_a を、上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度の比に基づいて算出する場合（本発明のうちの請求項３に記載した発明に対応）には、上記ハブ２の回転速度ｎ_i は、必ずしも必要ではない。

何れにしても、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により、上記外輪１と上記ハブ２との間に加わる荷重を求める為には、上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度を正確に測定する必要がある。そして、この公転速度を正確に測定する為には、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの検出部と前記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの被検出面との位置関係を常に適正に維持する必要がある。一方、これら各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂを支持固定した前記各保持器２４ａ、２４ｂのポケットの内面と前記各転動体９ａ、９ｂの表面（転動面）との間にはそれぞれ、ポケット隙間と呼ばれる隙間が存在する。この様な各ポケット隙間は、上記各転動体９ａ、９ｂの転動を可能にすると共に、これら各転動体９ａ、９ｂの転動面に、転がり接触部等を潤滑する為のグリースを付着させる為に必要である。自動車の車輪支持用として一般的な転がり軸受ユニットの場合、上記各ポケット隙間の寸法は数百μｍ程度である。

そして、このポケット隙間の存在により上記各保持器２４ａ、２４ｂ及びこれら各保持器２４ａ、２４ｂに支持固定された上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂは、上記各保持器２４ａ、２４ｂの径方向及び軸方向に変位する。このうちの軸方向の変位は、上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの被検出面と上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの検出部との間に存在する検出隙間の大きさの変動に繋がる。この検出隙間の大きさは、標準状態で０．５〜２mm程度であり、上記各ポケット隙間分の変動も相当に大きな割合となる。そして、上記検出隙間の変動は、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの出力変動に繋がって、上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度測定に関する信頼性の確保に悪影響を及ぼす。

上記公転速度測定に関する信頼性の確保を図るべく、上記検出隙間の変動を抑える為には、上記各ポケット隙間を小さく（例えば１００μｍ以下に）抑える事が考えられる。但し、単に総てのポケット隙間を小さくすると、上記各転動体９ａ、９ｂの転動面に付着するグリースが、転がり接触部を潤滑する為に十分でなくなる他、公転速度測定の面からも悪影響を及ぼす可能性がある。即ち、前記外輪１と前記ハブ２との間にモーメント荷重が加わり、これら外輪１とハブ２とが互いの中心軸同士を傾斜させた状態で相対回転する場合、各列の転動体９ａ、９ｂの接触角が、公転方向に関する円周位置毎に異なる状態となる。この状態では、各列毎に総ての転動体９ａ、９ａ（９ｂ、９ｂ）の中心が同一平面上に存在せず、上記ポケット隙間が小さいと、何れかの転動体９ａ、９ａ（９ｂ、９ｂ）の転動面が当該転動体９ａ、９ａ（９ｂ、９ｂ）を保持したポケットの内面に強く押し付けられる。そして、当該転動体９ａ、９ａ（９ｂ、９ｂ）が転動する事に対する抵抗が大きくなり、上記ハブ２の回転抵抗が大きくなる他、上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度測定に関する誤差が発生し易くなる。

特開２００１−２１５７７号公報 特開平３−２０９０１６号公報 特公昭６２−３３６５号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、保持器の変位を抑えつつ、大きなモーメント荷重を受けた場合にも各転動体の表面がポケットの内面に強く押し付けられない様にして、これら各転動体の公転速度、延いては転がり軸受ユニットに加わる荷重を正確に求められる、転がり軸受ユニットの荷重測定装置を実現すべく発明したものである。

本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、何れも、外輪相当部材と、内輪相当部材と、複数個の転動体と、１対の保持器と、１対の公転速度検出用エンコーダと、１対の公転速度検出用センサと、演算器とを備える。
このうちの外輪相当部材は、内周面に複列の外輪軌道を有する。
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、外周面に複列の内輪軌道を有する。
又、上記各転動体は、これら各内輪軌道と上記各外輪軌道との間に複列に分けて各列毎にそれぞれ複数個ずつ、これら各列同士の間で接触角の方向を互いに逆にして転動自在に設けられている。
又、上記各保持器は、上記各列の転動体を転動自在に保持している。
又、上記各公転速度検出用エンコーダは、被検出面である軸方向片側面の特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させたもので、上記各保持器の軸方向端面に設けられている。
又、上記各公転速度検出用センサは、上記各列の転動体の公転速度を上記各保持器の回転速度としてそれぞれ検出する為、それぞれの検出部を上記各公転速度検出用エンコーダの被検出面に対向させている。
又、上記演算器は、上記各公転速度検出用センサから送り込まれる検出信号に基づいて、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を算出する。
又、上記各保持器にそれぞれ複数個ずつ設けられたポケットの内面とこれら各ポケット内に保持された上記各転動体の表面との間の隙間であるポケット隙間に関して、上記各保持器毎に３個所のみのポケットのポケット隙間のうち、これら各保持器の軸方向に関する隙間を、残りのポケットのポケット隙間のうちのこれら各保持器の軸方向に関する隙間よりも、寸法公差を越えて小さくしている。そして、上記３個所のみのポケット内に、各ポケット毎に１個ずつ、合計３個の転動体を、上記各保持器の軸方向に関する変位を実質的に阻止した状態で保持すると共に、上記残りのポケット内に残りの転動体を、上記各保持器の軸方向に関する変位を可能に保持している。従って、上記各ポケットのポケット隙間のうち、径方向に関する隙間に就いては、特に限定しない。
更に、本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置では、上記各転動体が玉であり、使用時に回転しない上記外輪相当部材の内周面に形成された複列アンギュラ型の外輪軌道と、使用時に回転する上記内輪相当部材の外周面に形成された複列アンギュラ型の内輪軌道との間にそれぞれ複数個ずつ設けられた玉に、背面組み合わせ型の接触角が付与されている。

又、請求項１に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合には、上記内輪相当部材の一部にこの内輪相当部材と同心に設けられた回転速度検出用エンコーダの被検出面に、上記外輪相当部材の一部に支持された回転速度検出用センサの検出部を対向させる事で、上記内輪相当部材の回転速度を検出自在としている。そして、前記演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との和と、上記内輪相当部材の回転速度との比に基づいて、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を算出する。

又、請求項２に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合には、上記内輪相当部材の一部にこの内輪相当部材と同心に設けられた回転速度検出用エンコーダの被検出面に、上記外輪相当部材の一部に支持された回転速度検出用センサの検出部を対向させる事で、上記内輪相当部材の回転速度を検出自在としている。そして、前記演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との差と、上記内輪相当部材の回転速度との比に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わるアキシアル荷重を算出する。

更に、請求項３に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合には、前記演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との比に基づいて、外輪相当部材と内輪相当部材との間に加わるアキシアル荷重を算出する。

上述の様に構成する本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、接触角の方向が互いに異なる１対の列の転動体の公転速度をそれぞれ検出する事により、上記転がり軸受ユニットに負荷される荷重を測定できる。即ち、複列アンギュラ型の玉軸受の如き転がり軸受ユニットに荷重が負荷されると、各列の玉の接触角が変化し、これら各列の玉の公転速度が変化する。そこで、この公転速度を、保持器の回転速度として検出すれば、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。

更に、本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、各保持器毎に３個所のポケットのポケット隙間のうちのこれら各保持器の軸方向に関する隙間を小さくしているので、上記各保持器の軸方向の変位を抑え、これら各保持器の軸方向端面に設けた各公転速度検出用エンコーダと各公転速度検出用センサとの位置関係が大きく変わる事を防止（検出隙間の変動を抑制）して、これら各公転速度検出用センサの出力変動を抑え、上記各列の玉の公転速度測定に関する信頼性を確保できる。

この様にして上記各保持器の変位を抑えても、外輪相当部材と内輪相当部材との間にモーメント荷重が加わった場合に、何れかの玉の転動面が、当該玉を保持したポケットの内面に強く押し付けられる事はない。即ち、ポケット隙間が小さい３個所のポケット内に保持された３個の玉の中心は、必ず同一平面上に存在する（三次元空間に存在する３点を含む平面は必ず存在する）。従って、上記３個の玉の表面が当該玉を保持したポケットの内面に強く押し付けられる事はない。この３個の玉以外の玉の中心は、上記同一平面から外れた位置に存在する可能性があるが、この玉に関してはポケット隙間が大きいので、やはり、その表面がポケットの内面に強く押し付けられる事はない。従って、総ての玉に関して、その表面がポケットの内面に強く押し付けられる事はなくなって、これら総ての玉の転動を円滑に行なわせ、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材とが相対回転する事に対する抵抗を抑える事に加えて、上記各列の玉の公転速度測定に関する誤差を生じにくくできる。又、転がり接触部へのグリースの供給も、残りのポケットに保持された玉により、十分に行なわれる。

又、本発明の場合には、上記各転動体として玉を使用し、複列アンギュラ型の外輪軌道と複列アンギュラ型の内輪軌道との間にそれぞれ複数個ずつ設けられた玉に、背面組み合わせ型の接触角を付与している為、剛性の高い転がり軸受ユニットで、上記荷重を十分な精度で測定できる。
即ち、本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置によれば、請求項１〜３に記載した何れの発明の構造によっても、上記内輪相当部材の回転速度の変動に拘らず、転がり軸受ユニットに加わる荷重（ラジアル荷重又はスラスト荷重）を、正確に求められる。

本発明を実施する場合に好ましくは、請求項４に記載した様に、玉の表面との間のポケット隙間を小さくする３個所のポケットを、各保持器の半円周よりも広い範囲に分布させる。
この様に構成すれば、上記３個所のポケットと当該ポケット内に保持された３個の玉との係合により、上記各保持器を円周方向３個所位置で安定して支持し、転がり軸受ユニットの運転時に、これら各保持器に、振動等の有害な動きが生じる事を防止できる。この為に最も好ましくは、上記３個所のポケットを、円周方向等間隔位置（中心角ピッチ１２０度毎）に設ける。

又、好ましくは、請求項５に記載した様に、上記３個所のポケット以外のポケットである残りのポケットを、それぞれの内側に保持した玉が各保持器の円周方向に変位する事を抑えるが、これら各保持器の軸方向に変位する事を実質的に阻止しない形状とする。この為には、上記残りのポケットの、上記各保持器の軸方向に関する長さ寸法を大きくする。
この様に構成すれば、上記残りのポケットに保持された玉の中心の、上記３個所のポケットに保持された玉の中心が存在する平面からのずれが大きくなっても、上記残りのポケットに保持された玉の表面がこのポケットの内面に強く押し付けられる事を確実に防止できる。
尚、上記各保持器毎に３個所のポケットのポケット隙間のうち、これら各保持器の軸方向に関する隙間は、請求項６に記載した様に、１００μｍ以下（例えば５０μｍ程度）に抑える事が好ましい。上記軸方向に関する隙間をこの程度に抑えれば、上記各公転速度検出用センサの検出部と上記各公転速度検出用エンコーダの被検出面との間の測定隙間の変化を実用上問題ない程度に抑えて、各列の玉の公転速度検出の信頼性を十分に確保できる。

図１〜２は、本発明の実施例を示している。尚、本発明の特徴は、前述の図５に示した先発明の構造の様に、複列に配置された各転動体９ａ、９ｂの公転速度、延いては転がり軸受ユニットに加わる荷重を正確に求められる、転がり軸受ユニットの荷重測定装置を実現すべく、保持器２４ａ、２４ｂの軸方向変位を抑えつつ、転がり軸受ユニットが大きなモーメント荷重を受けた場合にも、上記各転動体９ａ、９ｂの表面がポケットの内面に強く押し付けられない様にする点にある。その他の部分の構成及び作用は、前述の図５〜６で説明した先発明の場合と同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は省略し、以下、本発明の特徴である、保持器２７（２４ａ、２４ｂ）の点に就いて説明する。

合成樹脂を射出成形する等により一体に造られた上記保持器２７の複数個所（図示の例では８個所）にはポケット２８ａ、２８ｂを、円周方向に関して等間隔（中心角ピッチで４５度毎）に設けている。このうち、図１のａ部に存在する３個のポケット２８ａは、各転動体（玉）９ａ（９ｂ）に合わせて円形に形成している。且つ、これら３個のポケット２８ａの内径Ｒ₂₈は、上記各転動体９ａ（９ｂ）の外径Ｄ₉ よりも僅かに大きくしている。これら内径Ｒ₂₈と外径Ｄ₉ との差は、１００μｍ以下、例えば５０μｍ程度（Ｒ₂₈−Ｄ₉ ≦１００μｍ、Ｒ₂₈−Ｄ₉ ≒５０μｍ）としている。従って、上記３個のポケット２８ａ内に保持された転動体９ａ（９ｂ）は、これら各ポケット２８ａ内で殆ど（１００μｍ以下しか）変位しない。この様な円形のポケット２８ａは、上記保持器２７の円周方向に関して、できるだけ等間隔に配置している。

これに対して、残り５個のポケット２８ｂ、２８ｂは、上記保持器２７の軸方向（図２の左右方向）に長い矩形（又は長円形）としている。これら各ポケット２８ｂ、２８ｂの内寸のうち、上記保持器２７の円周方向に関する幅Ｗ₂₈は、上記各転動体９ａ（９ｂ）の外径Ｄ₉ よりも僅かに大きくしている。これら幅Ｗ₂₈と外径Ｄ₉ との差は、１００μｍ以下、例えば５０μｍ程度（Ｗ₂₈−Ｄ₉ ≦１００μｍ、Ｗ₂₈−Ｄ₉ ≒５０μｍ）としている。これに対して、上記各ポケット２８ｂ、２８ｂの内寸のうち、上記保持器２７の軸方向に関する長さＬ₂₈は、上記各転動体９ａ（９ｂ）の外径Ｄ₉ よりも十分に（例えば１mm以上）大きく（Ｌ₂₈≫Ｄ₉ ）している。従って、上記残りのポケット２８ｂ、２８ｂ内に保持された転動体９ａ（９ｂ）は、上記保持器２７の円周方向に関しては、これら各ポケット２８ｂ、２８ｂ内で殆ど（１００μｍ以下しか）変位しないが、軸方向に関しては、転がり軸受ユニットを構成した状態で、上記各ポケット２８ｂ、２８ｂの内面（軸方向両端部内面）で抑えられる事なく、実質的に自由に変位できる。

上述の様な構成を有する上記保持器２７を、各列の転動体９ａ、９ｂを保持する為の１対の保持器２４ａ、２４ｂ（図５参照）として組み込んだ、本実施例の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの検出部と各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂとの間の測定隙間（図５参照）の変動を抑えられる。即ち、上記保持器２７に設けた８個所のポケット２８ａ、２８ｂのうちの３個所のポケット２８ａのポケット隙間を小さくして（１００μｍ以下に抑えて）いるので、上記保持器２７（２４ａ、２４ｂ）の変位を抑え、この保持器２７（２４ａ、２４ｂ）に設けた上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂと上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂとの位置関係が大きく変わる事を防止できる。そして、これら各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの出力変動を抑え、上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度測定に関する信頼性を確保できる。

この様にして上記保持器２７（２４ａ、２４ｂ）の変位を抑えても、外輪相当部材である外輪１と内輪相当部材であるハブ２（図５参照）との間にモーメント荷重が加わった場合に、何れかの転動体９ａ、９ｂの転動面が、当該転動体９ａ、９ｂを保持したポケット２８ａ、２８ｂの内面に強く押し付けられる事はない。即ち、ポケット隙間が小さい３個所のポケット２８ａ内に保持された３個の転動体９ａ（９ｂ）の中心は、必ず同一平面上に存在する（三次元空間に存在する３点を含む平面は必ず存在する）。従って、上記３個の転動体９ａ（９ｂ）の表面が当該転動体を保持したポケット２８ａの内面に強く押し付けられる事はない。この３個の転動体９ａ（９ｂ）以外の転動体９ａ（９ｂ）の中心は、上記同一平面から外れた位置に存在する可能性があるが、この転動体９ａ（９ｂ）に関しては、ポケット２８ｂ、２８ｂの内寸のうちの上記保持器２７の軸方向に関する長さＬ₂₈が大きく、この軸方向に関するポケット隙間が大きいので、やはり、その表面がポケット２８ｂ、２８ｂの内面に強く押し付けられる事はない。従って、総ての転動体９ａ（９ｂ）に関して、その表面がポケット２８ａ、２８ｂの内面に強く押し付けられる事はなくなって、これら総ての転動体９ａ（９ｂ）の転動を円滑に行なわせる事ができる。そして、上記外輪１と上記ハブ２とが相対回転する事に対する抵抗を抑える事に加えて、上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度測定に関する誤差を生じにくくできる。
尚、図２に示した保持器はもみ抜き型であるが、本発明を実施する場合に使用する保持器は、この様なもみ抜き型に限らず、図５に示した様な冠型であっても良い。

本発明は、実施例に示した様な、自動車の車輪を支持する転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する為の転がり軸受ユニットの荷重測定装置に限らず、工作機械、産業機械等、各種回転機械装置に作用する荷重を求める為に利用できる。

本発明の実施例を示す、エンコーダを設置し転動体を保持した保持器の側面図。 保持器のみを取り出して図１の径方向から見た模式図。 従来から知られている、ラジアル荷重測定用のセンサを組み込んだ転がり軸受ユニットの断面図。 従来から知られている、アキシアル荷重測定用のセンサを組み込んだ転がり軸受ユニットの断面図。 先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置の断面図。 転がり軸受ユニットに加わる荷重を求められる理由を説明する為の模式図。

１、１ａ 外輪
２、２ａ ハブ
３、３ａ 回転側フランジ
４ ハブ本体
５ ナット
６ 内輪
７ 外輪軌道
８ 内輪軌道
９ａ、９ｂ 転動体
１０、１０ａ 取付孔
１１ 変位センサ
１２ センサリング
１３ センサロータ
１４ カバー
１５、１５ａ 回転速度検出用センサ
１６ ナックル
１７ 固定側フランジ
１８ ボルト
１９ ねじ孔
２０ 荷重センサ
２１ センサユニット
２２ 検出部
２３ａ、２３ｂ 公転速度検出用センサ
２４ａ、２４ｂ 保持器
２５ａ、２５ｂ 公転速度検出用エンコーダ
２６ 回転速度検出用エンコーダ
２７ 保持器
２８ａ、２８ｂ ポケット

Claims (6)

1. 内周面に複列の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、外周面に複列の内輪軌道を有する内輪相当部材と、これら各内輪軌道と上記各外輪軌道との間に複列に分けて各列毎にそれぞれ複数個ずつ、これら各列同士の間で接触角の方向を互いに逆にして転動自在に設けられた転動体と、これら各列の転動体を転動自在に保持した１対の保持器と、これら各保持器の軸方向端面に設けられた、被検出面である軸方向片側面の特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させた１対の公転速度検出用エンコーダと、上記各列の転動体の公転速度を上記各保持器の回転速度としてそれぞれ検出する為、それぞれの検出部を上記各公転速度検出用エンコーダの被検出面に対向させた１対の公転速度検出用センサと、これら各公転速度検出用センサから送り込まれる検出信号に基づいて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を算出する演算器とを備え、上記各保持器にそれぞれ複数個ずつ設けられたポケットの内面とこれら各ポケット内に保持された上記各転動体の表面との間の隙間であるポケット隙間に関して、上記各保持器毎に３個所のみのポケットのポケット隙間のうち、これら各保持器の軸方向に関する隙間を、残りのポケットのポケット隙間のうちのこれら各保持器の軸方向に関する隙間よりも、寸法公差を越えて小さくする事により、上記３個所のみのポケット内に、各ポケット毎に１個ずつ、合計３個の転動体を、上記各保持器の軸方向に関する変位を実質的に阻止した状態で保持すると共に、上記残りのポケット内に残りの転動体を、上記各保持器の軸方向に関する変位を可能に保持した転がり軸受ユニットの荷重測定装置であって、上記各転動体が玉であり、使用時に回転しない上記外輪相当部材の内周面に形成された複列アンギュラ型の外輪軌道と、使用時に回転する上記内輪相当部材の外周面に形成された複列アンギュラ型の内輪軌道との間にそれぞれ複数個ずつ設けられた玉に、背面組み合わせ型の接触角が付与されており、上記内輪相当部材の一部にこの内輪相当部材と同心に設けられた回転速度検出用エンコーダの被検出面に、上記外輪相当部材の一部に支持された回転速度検出用センサの検出部を対向させる事で、上記内輪相当部材の回転速度を検出自在とし、上記演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との和と、上記内輪相当部材の回転速度との比に基づいて、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を算出する転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
2. 内周面に複列の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、外周面に複列の内輪軌道を有する内輪相当部材と、これら各内輪軌道と上記各外輪軌道との間に複列に分けて各列毎にそれぞれ複数個ずつ、これら各列同士の間で接触角の方向を互いに逆にして転動自在に設けられた転動体と、これら各列の転動体を転動自在に保持した１対の保持器と、これら各保持器の軸方向端面に設けられた、被検出面である軸方向片側面の特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させた１対の公転速度検出用エンコーダと、上記各列の転動体の公転速度を上記各保持器の回転速度としてそれぞれ検出する為、それぞれの検出部を上記各公転速度検出用エンコーダの被検出面に対向させた１対の公転速度検出用センサと、これら各公転速度検出用センサから送り込まれる検出信号に基づいて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を算出する演算器とを備え、上記各保持器にそれぞれ複数個ずつ設けられたポケットの内面とこれら各ポケット内に保持された上記各転動体の表面との間の隙間であるポケット隙間に関して、上記各保持器毎に３個所のみのポケットのポケット隙間のうち、これら各保持器の軸方向に関する隙間を、残りのポケットのポケット隙間のうちのこれら各保持器の軸方向に関する隙間よりも、寸法公差を越えて小さくする事により、上記３個所のみのポケット内に、各ポケット毎に１個ずつ、合計３個の転動体を、上記各保持器の軸方向に関する変位を実質的に阻止した状態で保持すると共に、上記残りのポケット内に残りの転動体を、上記各保持器の軸方向に関する変位を可能に保持した転がり軸受ユニットの荷重測定装置であって、上記各転動体が玉であり、使用時に回転しない上記外輪相当部材の内周面に形成された複列アンギュラ型の外輪軌道と、使用時に回転する上記内輪相当部材の外周面に形成された複列アンギュラ型の内輪軌道との間にそれぞれ複数個ずつ設けられた玉に、背面組み合わせ型の接触角が付与されており、上記内輪相当部材の一部にこの内輪相当部材と同心に設けられた回転速度検出用エンコーダの被検出面に、上記外輪相当部材の一部に支持された回転速度検出用センサの検出部を対向させる事で、上記内輪相当部材の回転速度を検出自在とし、上記演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との差と、上記内輪相当部材の回転速度との比に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わるアキシアル荷重を算出する転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
3. 内周面に複列の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、外周面に複列の内輪軌道を有する内輪相当部材と、これら各内輪軌道と上記各外輪軌道との間に複列に分けて各列毎にそれぞれ複数個ずつ、これら各列同士の間で接触角の方向を互いに逆にして転動自在に設けられた転動体と、これら各列の転動体を転動自在に保持した１対の保持器と、これら各保持器の軸方向端面に設けられた、被検出面である軸方向片側面の特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させた１対の公転速度検出用エンコーダと、上記各列の転動体の公転速度を上記各保持器の回転速度としてそれぞれ検出する為、それぞれの検出部を上記各公転速度検出用エンコーダの被検出面に対向させた１対の公転速度検出用センサと、これら各公転速度検出用センサから送り込まれる検出信号に基づいて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を算出する演算器とを備え、上記各保持器にそれぞれ複数個ずつ設けられたポケットの内面とこれら各ポケット内に保持された上記各転動体の表面との間の隙間であるポケット隙間に関して、上記各保持器毎に３個所のみのポケットのポケット隙間のうち、これら各保持器の軸方向に関する隙間を、残りのポケットのポケット隙間のうちのこれら各保持器の軸方向に関する隙間よりも、寸法公差を越えて小さくする事により、上記３個所のみのポケット内に、各ポケット毎に１個ずつ、合計３個の転動体を、上記各保持器の軸方向に関する変位を実質的に阻止した状態で保持すると共に、上記残りのポケット内に残りの転動体を、上記各保持器の軸方向に関する変位を可能に保持した転がり軸受ユニットの荷重測定装置であって、上記各転動体が玉であり、使用時に回転しない上記外輪相当部材の内周面に形成された複列アンギュラ型の外輪軌道と、使用時に回転する上記内輪相当部材の外周面に形成された複列アンギュラ型の内輪軌道との間にそれぞれ複数個ずつ設けられた玉に、背面組み合わせ型の接触角が付与されており、上記演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との比に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わるアキシアル荷重を算出する転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
4. ３個所のポケットが、各保持器の半円周よりも広い範囲に分布する、請求項１〜３の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
5. 残りのポケットが、それぞれの内側に保持した玉が各保持器の円周方向に変位する事を抑えるが、これら各保持器の軸方向に変位する事を実質的に阻止しない、請求項１〜４の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
6. 各保持器毎に３個所のポケットのポケット隙間のうち、これら各保持器の軸方向に関する隙間が１００μｍ以下である、請求項１〜５の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。

Images