JP4852870B2 - センサ付き転がり軸受装置 - Google Patents

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Description

この発明は、転がり軸受とその各種情報を検出するセンサ装置とが一体化された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パルサリングを設けることにより、回転速度を求めることが開示されている。パルサリングは、重量比で８０〜９８％ぐらいのフェライトをゴムに練り込み、Ｎ極とＳ極を交互に着磁したものとされている。
特開２００４−２９４１４５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、パルサリングの製作時に、着磁という工程が必要であるほか、フェライトを大量にゴムに練り込む必要があるため、ゴム混練設備が痛みやすいという問題があり、また、着磁のＳ極とＮ極のピッチ累積誤差も大きいという問題があった。
この発明の目的は、回転側軌道部材にパルサリングを設けることなく、回転情報を得ることができる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、固定側軌道部材の周方向に所定間隔を置いた少なくとも２カ所に設けられかつ転動体荷重をエコー比として検知する複数の超音波センサと、各超音波センサの出力から回転速度を求める回転速度演算部を有している処理手段とを備えており、超音波センサは、超音波センサ同士の間隔がそれぞれ異なる値でかつその差が転動体ピッチと異なるように配置されていることを特徴とするものである。
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、転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。
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×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０
Ｈ０：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
Ｈ１：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
超音波センサは、例えば、外周におねじ部が形成された筒状のケースおよびケース内に配置された振動子を有しているものとされ、固定側軌道部材に設けられた有底のめねじ部に、ケースのおねじ部がねじ込まれることで、ケース先端に所定の予荷重が設定される。なお、固定側軌道部材がハウジング等に支持されている場合には、超音波センサをこのハウジング等に保持させて固定側軌道部材とハウジング等との接触面を臨ますようにしてもよい。
回転側軌道部材が回転し、転動体がこれに伴って公転すると、超音波センサの出力は、転動体が通過するごとに大きくなる。したがって、処理手段の回転速度演算部において、この出力増加（パルス）の数を数えるとともに、適宜な演算を行うことにより、転動体の公転速度したがって回転側軌道部材の回転速度を求めることができる。
玉軸受の玉の公転速度Ｎｃと軌道輪の回転速度（内輪の回転速度：Ｎｉ，外輪の回転速度：Ｎｅ）との間には、玉の直径をｄ、玉セットのピッチ径（Ｐ．Ｃ．Ｄ．）をＤ、接触角をβとして、Ｎｃ＝｛（Ｎｅ＋Ｎｉ）＋（Ｎｅ−Ｎｉ）ｄcosβ／Ｄ｝／２という関係があり、これを利用することで玉の公転速度を回転側軌道部材（車輪）の回転速度に容易に変換することができる。
また、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の大きさが変化する。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。したがって、処理手段に、各超音波センサの出力から転がり軸受に作用する荷重を求める荷重演算部をさらに設けておくことにより、１種類のセンサ（超音波センサ）によって、回転速度だけでなく、転がり軸受に作用する荷重を求めることができる。
超音波センサの数およびその設置位置は、特に限定されるものではないが、超音波センサは、超音波センサ同士の間隔がそれぞれ異なる値でかつその差が転動体ピッチと異なるように配置されていることが好ましい。すなわち、第ｉ番目のセンサと第（ｉ＋１）番目のセンサとの間隔＝第（ｉ＋１）番目のセンサと第（ｉ＋２）番目のセンサとの間隔＋Ｃ、ただし、Ｃ≠０かつＣ≠α（αは転動体ピッチ）とされていることが好ましい。このようにすると、各転動体は、それぞれ異なる時間に超音波センサを通過することになり、超音波センサの数だけ分解性能が向上する。
例えば、転動体の数が１６個で、センサを４つ配置する場合、第１番目のセンサを基準位置（０°）に配置し、転動体ピッチ角度をα（３６０°／１６）として、第２番目のセンサ：９０°＋α／４、第３番目のセンサ：９０°＋２α／４、第４番目のセンサ：９０°＋３α／４に配置すればよい。これに代えて、第２番目のセンサ：α×Ｌ＋α／４、第３番目のセンサ：α×Ｍ＋２α／４、第４番目のセンサ：α×Ｎ＋３α／４（Ｌ，Ｍ，Ｎは１から１５までの異なる自然数）としてもよい。
超音波センサが第１から第ＮまでのＮ個ある場合、転動体ピッチ角度をαとして、第１番目のセンサ位置を基準とした第ｉ（ｉ＝２〜Ｎ）番目のセンサの位置＝基準位置＋Ｍｉ×α（Ｍｉは２からＮ−１までの異なる自然数）＋βｉ（ずれ量）でかつβｉ＝（ｉ−１）×α／Ｎとされていることがより好ましい。
回転速度だけでなく、転がり軸受に作用する荷重も求める場合には、複数の超音波センサを上記条件を保ってかつほぼ等間隔（例えば、頂部近傍、底部近傍、前部近傍および後部近傍の４カ所）に配置することが好ましい。このようにすると、転がり軸受に作用する荷重の３方向分力を精度良く求めることができる。
この発明のセンサ転がり軸受装置によると、転動体の公転に伴うパルス数を数えて適宜な演算を行うことにより、回転側軌道部材の回転速度を求めることができるので、回転側軌道部材にパルサリングを設けることなく、回転情報を得ることができる。
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
図１および図２は、この発明のセンサ付き転がり軸受装置の１実施形態を示している。以下の説明において、左右は図１の左右をいうものとする。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、センサ付きハブユニットとして使用されるもので、転がり軸受装置としてのハブユニット(1)とセンサ装置(2)とからなる。
ハブユニット(1)は、車体側に固定される固定側軌道部材(3)、車輪が取り付けられる回転側軌道部材(4)、両部材(3)(4)の間に２列に配置された複数の転動体である玉(5)、および各列の玉(5)をそれぞれ保持する保持器(6)を備えている。
固定側軌道部材(3)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(12)と、円筒部(12)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(13)とを有している。
回転側軌道部材(4)は、第１の軌道溝(15a)を有する大径部(15)および第１の軌道溝(15a)の径よりも小さい外径を有する小径部(16)を有している内軸(14)と、内軸(14)の小径部(16)外径に嵌め止められて右面が内軸(14)の大径部(15)左面に密接させられている内輪(17)とからなる。内軸(14)の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト(19)が固定されたフランジ部(18)が設けられている。内輪(17)の右部には、内軸(14)の軌道溝(15a)と並列するように、軌道溝(17a)が形成されており、内輪(17)の左部に肩部(17b)が形成されている。固定側軌道部材(3)の右端部と内軸(14)との間には、シール装置(20)が設けられている。内軸(14)の小径部(16)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(21)によって、内輪(17)が内軸(14)に固定されている。固定側軌道部材(3)の左端部には、カバー(22)が被せ止められている。
センサ装置(2)は、固定側軌道部材(3)と内列の玉(5)との間に作用する力（以下「転動体荷重」と称す）を検出する超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)と、外列の玉(5)の転動体荷重を検出する超音波センサ(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)と、これらの超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)の出力を処理する処理手段(11)とを備えている。
超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)は、図１に示すように、軸方向に並ぶ２つを１対とし、図２に示すように、周方向に異なる間隔で計４対設けられている。
図２において、超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)は、周方向に沿って第１から第４までの４個あり、転動体ピッチ角度をα（転動体（玉）(5)の数が１６であれば、α＝３６０°／１６）として、第１番目のセンサ（例えば(Sbi)）の位置を基準とした第２，第３および第４番目のセンサ（例えば(Sfi)，(Sti)，(Sri)）の位置は、それぞれ、基準位置＋９０°＋α／４，基準位置＋１８０°＋２α／４および基準位置＋２７０°＋３α／４とされている。
超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)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×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０
Ｈ０：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
Ｈ１：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３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(5)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。
また、エコー比は、回転速度と図４に示す関係を有しており、ある時間内のエコー比のパルス数を計測することにより、回転速度を求めることができる。図２に示すように、超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)の設置位置をずらした場合、図５に示すように、玉(5)が１ピッチ分（α＝３６０°／Ｚ、Ｚ：玉の数）公転する間に、４つの超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)がそれぞれ１つずつパルスを検出することになり、４つの超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)を等間隔で配置した場合に比べて、４倍のパルス数が得られる。なお、回転速度が変化しても、エコー比の絶対値はこれに影響されることはない。
また、走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴って、ハブユニット(1)に作用する荷重が変動し、このハブユニット荷重変動に応じて、転動体荷重が変化する。複数のセンサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)を設置した場合、ハブユニット(1)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(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)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)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)で得られたエコー比よりハブユニット荷重の３方向分力を求めることができる。
センサ装置(2)の処理手段(11)には、図６（ａ）に示すように、各センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)のパルス数を数えるパルス数カウント部(31)と、各センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)から得られるエコー比の絶対値を求めるエコー比計算部(32)と、各センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)から得られたパルス数を使用して回転速度を求める回転速度演算部(33)と、各センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)から得られるエコー比を使用して荷重の３方向分力を求める荷重演算部(34)とが設けられている。
各センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)から出力されるエコー比は、図６（ｂ）に示すように、ハブユニット(1)に作用する荷重が時間とともに変化することに応じてその絶対値が時間とともに変化し、また、車輪の回転速度が時間とともに変化することに応じてパルス数が時間とともに変化する。パルス数カウント部(31)では、エコー比が所定の閾値を越えるごとに、その回数が数えられ、エコー比計算部(32)では、エコー比の絶対値が求められる。こうして、まず、頂部センサ(Sti)(Sto)からの出力に基づくパルス数Ｎｔとエコー比Ｅｔ、底部センサ(Sbi)(Sbo)からの出力に基づくパルス数Ｎｂとエコー比Ｅｂ、前部センサ(Sfi)(Sfo)からの出力に基づくパルス数Ｎｆとエコー比Ｅｆ、および後部センサ(Sri)(Sro)からの出力に基づくパルス数Ｎｒとエコー比Ｅｒがそれぞれ求められる。
回転速度演算部(33)は、公転速度演算部(33a)および回転速度変換部(33b)からなる。回転速度を求めるのに必要な転動体公転速度は、転動体ピッチの周方向長さまたはＰ．Ｃ．Ｄ．、パルス数および時間の関数となっている。上記のようにセンサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)の配置が玉(5)のピッチαに応じてそれぞれα／４，２α／４および３α／４ずらされているので、公転速度演算部(33a)では、周方向に並んだ４つのセンサ（例えば(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)）からのすべてのパルス数が使用されて、玉(5)の公転速度が求められる。回転速度変換部(33b)では、よく知られた式に基づいて、公転速度が回転速度に変換される。こうして、すべてのセンサから得られるパルス数を使用して時間とともに変化する回転速度が求められる（図６（ｃ）参照）。
荷重演算部(34)には、転動体荷重の大きさしたがってエコー比の大きさと転がり軸受に作用する荷重との相関性を利用して、各超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)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、およびこれらの転動体荷重からハブユニット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おり、各超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)の出力からハブユニット(1)に作用するハブユニット荷重の３方向分力（上下方向荷重、前後方向荷重、左右方向荷重）が求められる（図６（ｄ）参照）。こうして、回転速度を求めるセンサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)を使用して、転がり軸受に作用する荷重（この実施形態では、ハブユニット荷重）が求められる。
なお、軸方向に並ぶ１対のセンサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)については、ハブユニット荷重を求める場合には、両者の平均のエコー比が使用され、回転速度を求める場合には、内側のセンサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)および外側のセンサ(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)のうちのいずれか一方だけから求めてもよく、内側のセンサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)から求めた速度と外側のセンサ(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)から求めた速度とを平均してもよい。
複数の箇所にセンサを設置して転がり軸受装置に作用する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)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)の設置箇所を固定側軌道部材(3)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。
また、玉(5)の数によって決まるエコー比のパルス数から回転速度を求める場合、特に低速での検知精度が低下することになるが、超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro)同士の間隔がそれぞれ異なる値でかつその差が転動体ピッチと異なるように配置されていることにより、パルサリングの着磁数が増加させられているのと同じ効果が得られ、低速での速度検知レベルが向上させられている。超音波センサの数や配置位置は、限定されるものではないが、超音波センサが第１から第ＮまでのＮ個あり、転動体ピッチ角度がαの場合には、第１番目のセンサ位置を基準とした第ｉ（ｉ＝２〜Ｎ）番目のセンサの位置＝基準位置＋Ｍｉ×α（Ｍｉは２からＮ−１までの異なる自然数）＋βｉ（ずれ量）でかつβｉ＝（ｉ−１）×α／Ｎとされていることが好ましい。
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により、転がり軸受に作用する荷重を求めることができる。
図１は、この発明による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、模式的に描いたこの発明によるセンサ付き転がり軸受装置の横断面図である。 図３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４は、回転速度とエコー比との関係を示すグラフである。 図５は、各超音波センサで得られるパルスとすべての超音波センサから得られるパルスとの関係を示す図である。 図６は、この発明によるセンサ付き転がり軸受装置の処理手段を示すブロック図である。
符号の説明
(1) ハブユニット（転がり軸受）
(2) センサ装置
(3) 固定側軌道部材
(4) 回転側軌道部材
(5) 玉（転動体）
(11) 処理手段
(33) 回転速度演算部
(34) 荷重演算部
(Sti)(Sbi)(Sfi)(Sri)(Sto)(Sbo)(Sfo)(Sro) 超音波センサ

Claims (3)

  1. 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、固定側軌道部材の周方向に所定間隔を置いた少なくとも２カ所に設けられかつ転動体荷重をエコー比として検知する複数の超音波センサと、各超音波センサの出力から回転速度を求める回転速度演算部を有している処理手段とを備えており、超音波センサは、超音波センサ同士の間隔がそれぞれ異なる値でかつその差が転動体ピッチと異なるように配置されていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
  2. 処理手段は、各超音波センサの出力から転がり軸受に作用する荷重を求める荷重演算部をさらに有している請求項１のセンサ付き転がり軸受装置。
  3. 超音波センサは、第１から第ＮまでのＮ個あり、転動体ピッチ角度をαとして、第１番目のセンサ位置を基準とした第ｉ（ｉ＝２〜Ｎ）番目のセンサの位置＝基準位置＋Ｍｉ×α（Ｍｉは２からＮ−１までの異なる自然数）＋βｉ（ずれ量）でかつβｉ＝（ｉ−１）×α／Ｎとされている請求項１または２のセンサ付き転がり軸受装置。
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