WO2006057269A1 - センサ装置およびセンサ付き転がり軸受装置 - Google Patents

センサ装置およびセンサ付き転がり軸受装置 Download PDF

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WO2006057269A1
WO2006057269A1 PCT/JP2005/021521 JP2005021521W WO2006057269A1 WO 2006057269 A1 WO2006057269 A1 WO 2006057269A1 JP 2005021521 W JP2005021521 W JP 2005021521W WO 2006057269 A1 WO2006057269 A1 WO 2006057269A1
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rolling
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Liming Lou
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Jtekt Corporation
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Definitions

  • the present invention relates to a sensor device integrated with a rolling bearing and suitable for detecting various types of information on the rolling bearing and a rolling bearing device with a sensor.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-45370
  • An object of the present invention is to provide a sensor device that has few restrictions on the material selection of the detected portion and that does not require additional addition to the detected portion, and a rolling bearing device with a sensor equipped with such a sensor device. It is to provide.
  • the sensor device includes a movable body that contacts each other and a detected portion in which a contact area between the movable body and the detected body changes according to an external load, and a contact area of the detected portion attached to the fixed body. Correlation between contact area detection sensor to detect and external load and contact area It is characterized by having a processing means for obtaining an external load from the sensor output using the relationship.
  • the contact area the "true contact area”, that is, the contact area between the convex parts when microscopically contacted surfaces with concavo-convex force S are used. It is preferable to do.
  • the contact area between the movable body and the fixed body increases when the load in the direction perpendicular to the contact surface increases, and decreases when the load in the direction perpendicular to the contact surface decreases.
  • the load applied to the detected part can be detected. Therefore, the relationship between the true contact area and the rolling element load is proportional.
  • the movable body has a spherical shape, a cylindrical shape, a rod shape, a needle shape, a conical shape, a barrel shape, or other shapes that are easy to reflect changes in the contact area.
  • the material of the movable body and the fixed body is usually a metal, but may be a solid.
  • the electrical resistance of the detected part and thus the current flowing through the circuit including the detected part changes as the contact area increases and decreases. It can be used as a contact area detection sensor.
  • the ultrasonic sensor since the echo detected by the ultrasonic sensor changes according to the change in the contact area, the ultrasonic sensor can also be used as the contact area detection sensor. According to the ultrasonic sensor, the change in the contact area can be obtained even when the non-detection part is not metal. In any case, it is possible to detect the load acting on the detected portion without reducing the restriction on the material selection of the detected portion and without performing additional processing on the detected portion.
  • the movable body may be a rolling element of a rolling bearing
  • the fixed body may be a fixed ring of the rolling bearing.
  • the rolling bearing device with a sensor which can detect the load which acts on a bearing is obtained.
  • a sensor-equipped rolling bearing device may be used as a sensor-equipped hub unit with a fixed wheel attached to the vehicle body and a rotating wheel attached to the wheel.
  • any rolling bearing such as a deep groove ball bearing, an anguilla ball bearing, a roller bearing, a needle bearing, or a thrust bearing can be used, and a double row bearing is not limited to a single row bearing. It can also be applied to.
  • the bearing material can be a magnetic material such as bearing steel. Of course, it may be a magnetic metal or a ceramic.
  • the contact area between the fixed ring and the rolling element changes due to this load change. Since the relationship between the contact area and the load acting on the bearing can be found theoretically, the sensor output force can also be applied to the rolling bearing by obtaining the relationship between the contact area and the sensor output experimentally in advance. The acting load can be determined. Thus, the load acting on the rolling bearing can be obtained without processing the detected portion (the contact surface between the fixed ring and the rolling element).
  • the processing means stores a theoretical expression that stores the theoretical expression indicating the relationship between the rolling element load and the contact area, and an experimental expression storage that stores an experimental expression that indicates the relationship between the sensor output and the contact area.
  • a contact area calculation unit that obtains a contact area from the sensor output using an empirical formula and a rolling element load calculation unit that obtains a rolling element load using the contact area force theoretical formula.
  • the contact area detection sensor is preferably an ultrasonic sensor that measures a change in the contact area with an ultrasonic echo.
  • the ultrasonic sensor may of course be a normal one (single-vibrator ultrasonic sensor), but the ultrasonic sensor has a plurality of transducers arranged at a predetermined pitch (multi-ultrasound ultrasonic sensor). )Sometimes.
  • An ultrasonic sensor may be attached to a fixed ring of a rolling bearing.
  • the ultrasonic sensor is held by the housing or the like and Try to face the contact surface with the housing.
  • the relationship between the rolling element load and the contact area can be obtained easily and accurately.
  • the change in the contact area is obtained with an ultrasonic sensor, the relationship between the sensor output and the contact area is obtained. It can be obtained easily and accurately.
  • the detection of the contact area by the ultrasonic sensor is excellent in that it is not limited to the case where the movable body and the fixed body are metal.
  • the contact area detection sensor is provided at, for example, a total of four force points on the top, bottom, front, and rear of the rolling bearing. These four data forces are three-way component of the load acting on the rolling bearing (vertical direction) Load, longitudinal load, and lateral load).
  • the sensors may be provided at four power points other than the above-described arrangement with equal distribution.
  • the contact area detection sensor may be omitted by omitting either the top or the bottom, or three sensors may be arranged at an arbitrary distribution on the circumference. Also good. Also on the circumference It is not always necessary that the contact area detection sensors are arranged at equal positions in an arrangement of five or more contact area detection sensors. If only the absolute value of the load is to be obtained, the number of contact area detection sensors that require only one contact area detection sensor will be changed appropriately according to the number of required loads (including moments). The
  • a rolling bearing device with a sensor includes a rolling bearing, a contact area detection sensor attached to the rolling bearing, an experimental formula storage unit, a theoretical formula storage unit, a contact area calculation unit, a rolling element load calculation unit, and And a processing means having a three-direction component force calculation unit.
  • the contact area detection sensor is an ultrasonic sensor that measures changes in the contact area with ultrasonic echoes
  • the theoretical formula storage unit stores a theoretical formula indicating the relationship between the rolling element load and the contact area.
  • the empirical equation storage unit accumulates empirical equations indicating the relationship between the sensor output and the contact area. Then, in the contact area calculation unit, the sensor output is converted into the contact area, in the rolling element load calculation unit, the contact area is converted into the rolling element load, and in the three-way component force calculation unit, the rolling element load is 3 Converted to directional component (vertical load, longitudinal load, and lateral load).
  • the contact area is obtained by using the relationship between the output and the contact area accumulated in the empirical formula calculation unit, and the contact area and the load of the theoretical formula are calculated.
  • the load can be obtained from the sensor output.
  • this “contact area” is different from the above “true contact area” and is an “apparent contact area”
  • the area of the contact surface (ellipse) between the rolling element and the raceway groove of the outer ring Ti ab is determined by: a: the major radius of the contact ellipse and b: the minor radius of the contact ellipse is the principal curvature of the contact object p, p, p, p
  • the sensor output and the contact area in this specification, "contact area” other than “(apparent) contact area” in the first method is "
  • a third method is to directly calculate the rolling element load from the sensor output without involving the contact area. This method is more preferable in that it reduces the calculation man-hours by combining the relationship of the second method and obtaining the rolling element load directly from the sensor output (echo ratio).
  • This rolling bearing device with a sensor may be used as a sensor-equipped hub unit for an automobile, with the fixed-side raceway member attached to the vehicle body side and the rotation-side raceway member attached to the wheel side.
  • the three-way component force calculation method in this sensor-equipped rolling bearing device includes a step of emitting ultrasonic waves to the contact surface between the rolling element and the raceway groove of the contact area detection sensor force rolling bearing, and a contact area calculation unit.
  • the calculation unit uses the relationship between the load accumulated in the theoretical equation storage unit and the contact area to convert the contact area obtained in the contact area calculation unit into rolling element load, and three-way component force
  • the calculation unit includes a step of calculating a three-way component force using the rolling element load obtained by the rolling element load calculation unit.
  • the rolling element load is obtained, for example, from an echo ratio obtained by the following equation.
  • Echo ratio 100 X (HO—Hl) ZHO
  • HO Echo intensity when rolling element is half pitch away from ultrasonic sensor
  • HI Echo intensity when the rolling element is located directly below the ultrasonic sensor
  • the formula for calculating the rolling element load may be the following temperature correction formula to reduce the temperature dependence.
  • Echo ratio 100 X (HO— Hl) ZHOi
  • the conventional definition of the echo ratio is HO as the denominator.
  • this temperature correction formula introduces a newly introduced “reflected echo intensity when the rolling element at a given temperature (for example, room temperature) is separated from the ultrasonic sensor force by half a pitch. Is used as the denominator.
  • the reflected echo intensity HO and HI in the ultrasonic sensor both depend on temperature, but (HO-HI) is almost independent of temperature. Therefore, according to this temperature compensation formula, by dividing (H 0- H 1), which does not depend on temperature, by HO, which depends on temperature, temperature dependence is high! The temperature dependence can be eliminated by taking advantage of the correlation between load and load.
  • the configuration of the processing means of the sensor-equipped rolling bearing device can be simplified (reduction in the number of man-hours), and the sensor-equipped rolling bearing device is a rolling bearing.
  • An ultrasonic sensor an empirical accumulation unit that accumulates the relationship between the echo ratio measured beforehand using the ultrasonic sensor and the rolling element load, an echo specific force rolling element load calculation unit that calculates the rolling element load, And a processing means having a three-direction component force calculation unit based on the rolling element load.
  • a rolling bearing device with a sensor is a rolling bearing device with a sensor provided with a rolling bearing having a fixed side race member, a rotary side race member and a rolling element, and a sensor device.
  • the device is installed at at least two force points at a predetermined interval in the circumferential direction of the fixed-side track member and detects the rolling element load (the force acting between the rolling element and the fixed-side track member) as an echo ratio.
  • the rolling element load the force acting between the rolling element and the fixed-side track member
  • the ultrasonic sensor has, for example, a cylindrical case having a threaded portion formed on the outer periphery and a vibrator disposed in the case, and has a bottomed bottom provided on the fixed-side track member. It is preferable that a predetermined preload is set at the tip of the case by screwing the male screw portion of the case into the female screw portion.
  • the intensity of the reflected echo obtained with an ultrasonic sensor varies depending on the sensor mounting method, mounting surface roughness, contact medium difference, and sensor pressing force.By changing the screwing amount of the male thread, The echo intensity at a predetermined location can be set to a predetermined value, thereby improving the load detection accuracy.
  • the ultrasonic sensor can be attached by various methods capable of setting the echo intensity to a predetermined value.
  • the ultrasonic sensor has a cylindrical case having a flange portion for attaching to the fixed-side track member. And a vibrator arranged in the case, and the bolt through hole provided in the flange is inserted into the bottomed female screw provided in the fixed race member.
  • a predetermined preload may be set at the case tip.
  • a nut (for preventing rotation of the case) is screwed onto the proximal end portion of the male thread portion of the case of the ultrasonic sensor, and between the nut and the fixed-side track member, More preferably, an O-ring that prevents water from entering is interposed. In this way, like a hub unit for automobiles, the vibration is large and water from the outside easily enters, and the performance can be maintained even if installed in a place.
  • the echo ratio (or echo intensity) is not only dependent on the bearing load, but at a position relative to the rolling element sensor. Therefore, even if the bearing load is the same, the echo ratio changes depending on the position of the rolling elements.
  • the rotational speed at which the bearing load changes drastically is fast, there is no problem with the detection accuracy of the rolling element load even with a single vibrator ultrasonic sensor, but when the rotational speed at which the bearing load changes rapidly is slow, simple vibration In the child ultrasonic sensor, there may be a problem in detecting the rolling element load. Since the limit load fluctuation frequency that can be detected increases in proportion to the number of vibrators, the use of a multi-vibrator is effective when the bearing load fluctuates rapidly and the rotation speed is slow. Accurate detection even for severe dynamic loads Can do.
  • the multi-vibrator ultrasonic sensor has, for example, a cylindrical case having a threaded portion formed on the outer periphery thereof and a plurality of transducers arranged in the case, A predetermined preload is set at the tip of the case by screwing the male thread of the case into the bottomed female screw provided on the part.
  • a plurality of transducers may be arranged at an equal pitch along the circumferential direction of a circle concentric with the rolling bearing.
  • a signal pulse number signal
  • the interval between adjacent transducers may be shifted by a fixed increment.
  • the rolling bearing is an automobile hub unit
  • the following formula (1) is provided in the processing means as a formula for obtaining a load to be applied to the rolling bearing from the rolling element load.
  • the 6 component force of the load can be obtained with high accuracy.
  • various measures can be taken in consideration of the cost increase accompanying the increase in the number of sensors.
  • the following processing means can be configured by taking into account the equations that hold for the wheels.
  • the number of sensors is two, and the processing means uses the appropriate two formulas of formula (1) and formula (2) below, and the vertical component and the right and left components of the load acting on the rolling bearing. The direction component is determined.
  • the number of sensors is four, and the processing means obtains six component forces acting on the rolling bearing from the appropriate four expressions of expression (1), expression (2), and expression (3) below. It is supposed to be requested.
  • k echo ratio due to hub unit preload
  • 1, m, n coefficient independent of external force
  • FX, Fy, Fz longitudinal (X-axis) direction component, left-right (y-axis) direction component and vertical ( z-axis) direction component
  • Mx, My Mz: x-axis, y-axis, moment around z-axis
  • jl to j8 echo ratio at each sensor position
  • r wheel rolling radius
  • e Fz in y- axis direction Deviation of the center of operation and hub unit center.
  • the movable body that contacts each other and the detected area in which the contact area between the movable body and the stationary body changes depending on the external load, and the contact area of the detected section that is attached to the fixed body For example, when detecting a load acting on a rolling bearing, a contact area detection sensor for detecting the load and a processing means for obtaining the external load from the sensor output using the correlation between the external load and the contact area are provided. Further, there are few restrictions on the material selection of the detected part, and it is also possible to eliminate the need for additional processing on the detected part.
  • the three-way component force acting on the rolling bearing can be calculated such that there are few restrictions on the material selection of the rolling bearing and no additional processing is required. it can. Therefore, when this is applied to a sensor-equipped hub unit of an automobile, the three-way component force of the tire ground contact load can be obtained, which can contribute to improvement in vehicle control accuracy.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing one embodiment of a sensor device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of processing means of the sensor device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship (theoretical formula) between rolling element load and contact area.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship (empirical formula) between the contact area and the echo ratio of the ultrasonic sensor.
  • FIG. 5 is a flowchart for explaining a method of calculating a three-way component force in a rolling bearing device with a sensor according to the present invention.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a rolling bearing device with a sensor according to the present invention.
  • FIG. 7 is a side view of the same.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view of the main part of FIG. 6 showing the structure for attaching an ultrasonic sensor.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of an echo waveform obtained by an ultrasonic sensor.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between echo amplitude and mounting surface roughness obtained by an ultrasonic sensor.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the echo ratio obtained by the ultrasonic sensor and the rolling element load.
  • FIG. 12 is a block diagram showing processing means of the sensor-equipped rolling bearing device according to the present invention.
  • FIG. 13 is a flowchart for explaining another embodiment of the three-way component force calculation method in the sensor-equipped rolling bearing device according to the present invention.
  • FIG. 14 is an enlarged longitudinal sectional view corresponding to FIG. 8, showing another embodiment of an ultrasonic sensor mounting structure.
  • FIG. 15 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of the rolling bearing device with sensor according to the present invention.
  • FIG. 16 is an enlarged longitudinal sectional view of the main part of FIG. 15, showing the structure for attaching the ultrasonic sensor.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view schematically illustrating a third embodiment of the rolling bearing device with sensor according to the present invention.
  • FIG. 18 is a graph showing the relationship between the rotation speed and the echo ratio.
  • FIG. 19 is a diagram showing a relationship between pulses obtained by each ultrasonic sensor and pulses obtained by all ultrasonic sensor forces.
  • FIG. 20 is a graph showing the detection limit frequency for a single transducer ultrasonic sensor and a multi-vibrator ultrasonic sensor.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a rolling bearing device with a sensor provided with the sensor device of the present invention.
  • left and right and top and bottom refer to left and right and top and bottom of the figure.
  • the sensor-equipped rolling bearing device includes a rolling bearing (1), a contact area detection sensor (2) attached to the rolling bearing (1), and a contact area detection. It is equipped with processing means for processing the output of sensor (2) (not shown in Fig. 1; see Fig. 2).
  • the rolling bearing (1) includes an outer ring (fixed body) (3), an inner ring (4), a plurality of rolling elements (movable bodies) (5) disposed therebetween, and a cage (6). It has. Although not shown, the outer ring (3) is fixed to a housing or the like, and the rotating shaft or the like is fixed to the inner ring (4). The outer ring (3) and the housing may be integrated.
  • the contact area detection sensor (2) is an ultrasonic sensor that obtains an echo of an ultrasonic wave by receiving a reflected wave of the ultrasonic wave output from the vibrator at a receiving unit.
  • the ultrasonic sensor (2) has a cylindrical case (7) having a threaded portion formed on the outer periphery and a vibrator (not shown) disposed in the case, and includes a rolling element (5) and an outer ring.
  • the contact surface with the raceway groove in (3) (Detected part) (D) faces from the direction perpendicular to it.
  • the outer ring (3) is provided with a bottomed female thread, and the amount of screwing of the male thread of the case (7) can be adjusted.
  • a nut (8) for locking the case (7) is screwed onto the male thread of the case (7), and an O-ring (9) is provided between the nut (8) and the outer ring (3). ) Is interposed.
  • the output of the ultrasonic sensor is obtained as an echo ratio shown below.
  • Echo ratio 100 X (HO—Hl) ZHO HO: Reflected echo intensity when the rolling element is half a pitch away from the ultrasonic sensor H 1: Reflected echo intensity when the rolling element is located directly under the ultrasonic sensor
  • the ultrasonic sensor (contact area detection sensor) (2) is provided not only on the top of the outer ring and the bottom of the outer ring, but also on the front of the outer ring and the rear of the outer ring. Therefore, the three-way component of the load acting on the rolling bearing (1) (vertical load, longitudinal load and lateral load) is required.
  • the processing means (10) includes an empirical equation storage unit (11) for storing an empirical equation indicating the relationship between the output (echo ratio) of the ultrasonic sensor (2) and the contact area, Theoretical equation storage unit (12) that stores the theoretical formula indicating the relationship between the rolling element load and the contact area, and the contact area calculation unit (13) that calculates the contact area using the output force experimental formula of the ultrasonic sensor (2)
  • the rolling element load calculation unit (14) for calculating the rolling element load (the rolling element load at each sensor position) using the theoretical formula from this contact area, and the rolling element load obtained from each ultrasonic sensor (2) It has a three-way component calculation unit (15) that calculates the three-way component force (vertical load, front-rear load, left-right load) that acts on the rolling bearing (1).
  • the contact area between the rolling element (5) and the raceway groove of the outer ring (3) changes, and the output of the ultrasonic sensor (2) changes.
  • the output Pi of the ultrasonic sensor (2) is converted into the area Si by using the relationship between the output and the area stored in the empirical equation storage section (11) in the contact area calculation section (13).
  • the contact area Si is converted into a load Li using the relationship between the load and the area accumulated in the theoretical equation accumulating section (12).
  • the three-way component force calculation unit (15) obtains the three-way component force using the plurality of rolling element loads Li obtained from the respective ultrasonic sensors (2).
  • the calculation formula for the three-way component force is obtained in advance by experiments.
  • Figure 4 shows the relationship between the contact area and the echo ratio when using the ultrasonic measurement method using the ultrasonic sensor (2).
  • Y ax
  • y echo ratio
  • X contact area
  • a regression coefficient.
  • the relationship between the output (echo ratio) of the ultrasonic sensor (2) and the contact area obtained in this way is stored in the empirical equation accumulator (11).
  • the force that can make the relation between the echo ratio and the contact area a straight line is not limited to a straight line.
  • Fig. 5 shows the three-way distribution of the rolling bearing load (for example, the tire ground load applied to the knob unit) as an example of the processing in the processing means (10) shown in Fig. 2 of the rolling bearing device with sensor. It is a flowchart which shows a force calculation method. Next, an example of processing is shown with reference to this flowchart.
  • the rolling bearing load for example, the tire ground load applied to the knob unit
  • step S 1 when obtaining the three-way component force of the rolling bearing load, first the contact surface between the rolling element (5) of the rolling bearing (1) and the raceway groove (D ) Is emitted (step S 1), and then, in the contact area calculation unit (13) of the processing means (10), the output accumulated in the empirical equation storage unit (11) is compared with the contact area. Using the relationship, the ultrasonic output from the contact surface (D) between the rolling element (5) and the raceway groove is converted to the contact area (step S2), and then in the rolling element load calculation unit (14) Using the relationship between the load accumulated in the theoretical equation storage unit (12) and the contact area, the contact area obtained in the contact area calculation unit (13) is converted into rolling element load.
  • the three-way component force of the rolling bearing (1) is calculated using the rolling element load obtained in the rolling element load calculation unit (14). Calculated (step S4).
  • the rolling radius of the wheel it is possible to obtain moments in three directions (moments about the upper and lower axes, moments about the front and rear axes, and moments about the left and right axes) from the three-way component force.
  • the calculation of the three-way component force can be performed in steps shown in Fig. 13 by obtaining the rolling element load from the sensor output (echo ratio) in advance. That is, the ultrasonic sensor (Sti) (Sbi) (St oXSbo) force is also emitted to the contact surface (D) between the rolling element (5) of the rolling bearing (1) and the raceway groove (Step S1).
  • the rolling element load calculation unit (14) of the processing means (10) performs an echo that has been measured in advance.
  • the rolling element load is calculated using the relationship between the ratio and the rolling element load (step 3), and the three-way component calculation unit (15) of the processing means (10) calculates the six-way component force (3 Directional load and 3-way moment) are calculated (step 4).
  • the three-way or six-way component force can be calculated directly from the sensor output (echo ratio), reducing the number of calculation steps. it can.
  • the sensor device is provided on the ball bearing and used as a rolling S-slide bearing device with a sensor.
  • the sensor device according to the present invention is other than a rolling bearing. It can also be used in combination with rolling bearings, and of course, it can also be used in rolling hubs other than ball bearings, which are application examples of rolling bearing devices.
  • the ultrasonic sensor may be a single vibrator or a multi-vibrator.
  • the rolling bearing device with a sensor shown in FIGS. 6 to 8 is used as a hub unit with a sensor for a vehicle, and also has a force for a hub unit (21) for a vehicle and a sensor device (22).
  • the left and right refer to the left and right in FIG. The left is inside the vehicle and the right is outside the vehicle.
  • the hub unit (21) is arranged in two rows between a stationary race member (23) fixed to the vehicle body side, a rotary race member (24) to which wheels are attached, and both members (23X24). Multiple rolling elements ) (25), and a cage (26) for holding each row of rolling elements (25).
  • the fixed-side raceway member (23) has a bearing outer ring (fixed ring) function, and includes a cylindrical portion (31) in which two rows of outer ring raceways are formed on the inner peripheral surface, and a cylinder And a flange portion (32) provided near the left end of the portion (31) and attached to the suspension device (vehicle body side portion) with a bolt.
  • the rotation-side raceway member (24) includes a large-diameter portion (34) having a first raceway groove (34a) and a small-diameter portion having an outer diameter smaller than the diameter of the first raceway groove (34a) ( 35), and the inner shaft (33) and the small diameter portion (35) of the inner shaft (33) are fastened to the outer diameter, and the right surface is in close contact with the large diameter portion (34) of the inner shaft (33). It consists of the inner ring (36). Near the right end of the inner shaft (33) is provided a flange portion (37) to which a plurality of bolts (38) for mounting a wheel are fixed.
  • a raceway groove (36a) is formed on the right side of the inner ring (36) so as to be parallel to the raceway groove (34a) of the inner shaft (33).
  • a seal device (39) is provided between the right end portion of the fixed-side track member (23) and the inner shaft (33).
  • a male thread portion is provided at the left end of the small diameter portion (35) of the inner shaft (33), and the inner ring (36) is connected to the inner shaft (33 by a nut (40) screwed to the male thread portion. ).
  • a cover (41) is covered with the left end of the fixed race member (23).
  • the sensor device (22) is a multi-vibrator ultrasonic sensor (StiXSbi) that detects a force (rolling element load) acting between the fixed-side raceway member (23) and the rolling elements (25) in the inner row. And ultrasonic sensors (StoXSbo) for detecting the rolling element load of the rolling elements (25) in the outer row, and processing means (see FIG. 12) for processing the outputs of these ultrasonic sensors (StiXSbiXStoX Sbo). Yes.
  • StiXSbi multi-vibrator ultrasonic sensor
  • the number and arrangement of ultrasonic sensors are not limited to this.
  • the ultrasonic sensor (Sti) (Sto) (Sbi) (Sbo) has a cylindrical shape with a threaded part (51a) formed on the outer periphery as shown in Fig. 8 (shown inside the top).
  • Case (51) and a vibrator (52) disposed in the case (51), and perpendicular to the contact surface between the ball (5) and the raceway groove (3a) of the stationary raceway member (3). From the direction of The fixed-side raceway member (3) is provided with a bottomed female thread portion (3b) so that the screwing amount of the male thread portion (51a) of the case (51) can be adjusted.
  • a rubber cushion sheet (53) for protecting the tip of the ultrasonic sensor (Sti) is interposed between the tip of the case (51) and the bottom of the female screw (3b).
  • a nut (54) for preventing rotation of the case (51) is screwed onto the proximal end portion of the male thread portion (51a) of the case (51).
  • an O-ring (55) that prevents water from entering the female threaded portion (3b) is interposed.
  • the ultrasonic sensor (StiXStoXSbiXSbo) obtains the reflected echo as shown in Fig. 9 by receiving the reflected wave of the ultrasonic wave output from the transducer at the receiving unit.
  • the output is as follows. It is obtained as the echo ratio shown.
  • Echo ratio 100 X (H0—H1) ZH0
  • This echo ratio has the relationship shown in FIG. 11 with the rolling element load, and by using this, the rolling element load can be obtained from the echo ratio. If the load acting on the rolling element (25) is large, the contact area becomes large and the reflected wave becomes small. Therefore, when the rolling element load is large, a large echo ratio is output.
  • the echo ratio may be obtained as follows in order to eliminate the temperature dependence.
  • Echo ratio 100 X (H0— Hl) ZH0i
  • the ground load applied to the tire varies with changes in the speed and posture of the traveling vehicle, and the rolling element load varies according to the tire ground load variation.
  • the degree of influence on the sensor varies depending on the components of longitudinal load, lateral load, and vertical load acting on the tire.
  • the corresponding echo ratio, rolling element load when left and right load is strong, and this
  • the ultrasonic ratio (Sti) (Sto) (Sbi) (Sbo) can be obtained by obtaining the echo ratio corresponding to, the rolling element load when the vertical load is strong, and the corresponding echo ratio.
  • the three-way component force of the tire contact load can be obtained from the echo ratio.
  • the processing means of the sensor device (2) includes an echo ratio equation, each ultrasonic sensor (Sti) (Sto) (Sbi) (Sbo) force, and the obtained echo ratio force also determines the rolling element load at the sensor position.
  • the equations to be obtained and the equations for obtaining the vertical component, longitudinal component and lateral component of the tire ground contact load from these rolling element loads are stored.
  • the ultrasonic sensor (StiXStoXSbiXSbo) is installed at a total of 8 force points inside and outside the top, bottom, front and rear of the fixed-side track member (3), so that the three-way component force can be obtained accurately.
  • the moment about the longitudinal axis and the moment about the vertical axis can be obtained.
  • the echo intensity (echo amplitude) obtained by the ultrasonic sensors (Sti), (Sto), (Sbi), and (Sbo) varies greatly depending on the sensor mounting method, the mounting surface roughness, and the contact medium.
  • Fig. 10 shows the relationship between the mounting surface roughness and the echo amplitude. From this graph, it can be seen that the echo amplitude decreases as the mounting surface becomes rough. The intensity of the echo also changes depending on the pressing force of the sensor. For this reason, the relationship between the echo ratio and the rolling element load varies for each ultrasonic sensor (StiXStoXSbi) (Sbo), and there is a possibility that the accuracy of tire ground contact load detection is lowered.
  • the pressing force of the sensor (Sti) can be changed by changing the screwing amount of the male thread (31a) of the case (31). Therefore, by finely adjusting the screwing amount while observing the echo waveform shown in FIG. 9, the echo intensity H0 can be changed and set to a predetermined value.
  • variations in the relationship between the echo ratio and the rolling element load for each of the ultrasonic sensors (St i) (Sto) (Sbi) (Sbo) can be suppressed, and the accuracy of tire contact load detection can be improved.
  • the number of force sensors in which the total number of sensors is eight is not limited to this. As the number of sensors increases, the cost increases accordingly. Therefore, it is necessary to consider obtaining as useful data as possible by reducing the number of sensors. Less than Figure 2 shows the load detection method using a small number of sensors (when two sensors obtain load components in two directions and four sensors obtain three load components) (see Figure 12).
  • the left-right direction component Fy and the up-down direction component Fz can be obtained by using fl and f3 of equation (1) and equation (2). That is, by setting fl + f3, Fy is obtained, and by setting fl f3, a linear expression including Fz and Mx is obtained, and Fy in expression (2) is obtained. By substituting, Eq. (2) also becomes a linear expression including Fz and Mx, and Fz and Mx can be obtained by combining these two linear expressions.
  • Mx is obtained by setting fl + f7, and linear expressions of Fy and Fz are obtained by setting fl f7.
  • Mx, Fy and Fz can be obtained.
  • f2 ⁇ f8 the linear expressions of Fy and Fx can be obtained, and the remaining Fx can be obtained by substituting the already obtained Fy into this linear expression. If Fx is obtained, Mx is also obtained.
  • Mz can be obtained by setting f2 + f8.
  • force using fl, f2, f7, and f8 can be used other than this combination (for example, fl, f2, f3, and f6).
  • k is the echo ratio due to the preload of the knob unit
  • 1, m and n are coefficients that do not depend on external force
  • Fx, Fy, and Fz are the front and rear (X-axis) direction components and left and right ( y-axis) direction component and vertical (z-axis) direction component
  • Mx, My, Mz are x-axis and y-axis, respectively
  • Jl ⁇ j8 is the echo ratio that can also obtain the output force of the ultrasonic sensor (Sti) (Sto) (Sbi) (Sbo) (jl is the output of the sensor (Sti) inside the top
  • J2 is due to the output of the sensor inside the rear
  • j3 is due to the output of the sensor inside the bottom (Sbi)
  • j4 is due to the output of the sensor inside the front
  • j5 is the sensor outside the
  • 6 component forces can be obtained by using 4 formulas from jl to j8.
  • 6 components are calculated as follows.
  • Step 1 Find the left-right component Fy.
  • Two appropriate equations (here, jl and j3) are selected from equation (4), and are calculated by eliminating Fz and Mx by adding or subtracting (here, adding) the two equations.
  • Fy is obtained by the following equation.
  • Step 2 Calculate the vertical component Fz. Obtained by eliminating Fy from two of the equations (4)
  • Fz is obtained from the linear equation of Fz and Mx obtained and the linear equation of Fz and Mx obtained by substituting Fy into equation (5).
  • Fz is obtained by the following equation.
  • Fz ⁇ (1-nr) j 1-(1 + nr) j 3 + 2knr ⁇ / 21 (m + ne)
  • Step 3 Find the moment about the x-axis (moment about the direction of travel) Mx. Using Fy obtained in step 1 and Fz obtained in step 2, find Mx. Mx is obtained by the following equation.
  • Step 4 Find the front-rear direction component Fx.
  • Two appropriate equations (here, j23 ⁇ 46) are selected from Equation (4), and are calculated by eliminating Fx and Mz by adding or subtracting (here, adding) the two equations.
  • Fx is obtained by the following equation.
  • Step 5 Find the moment about the y-axis (wheel rotation torque) My. Find My using Fx from step 4. My is obtained by the following equation.
  • Step 6 Find the moment Mz around the z axis (vertical direction). Select two appropriate expressions (here, jl and j3) from equation (4), add or subtract (here, subtract) the two expressions, eliminate Fy, and change the linear expression of Fx and Mz to Then, select two appropriate expressions (here j 2 and j6) from Expression (4), and add or subtract (subtract here) the two expressions to eliminate Fy, Find a linear expression. Mz is obtained by erasing Fx from two linear equations. Mz is calculated by the following equation.
  • Mz ⁇ -jl + j2-j3-j6 + 2k ⁇ / 2n
  • the ultrasonic sensor (Sti) includes a cylindrical case (61) provided with a flange portion (61a) to be attached to the fixed-side track member (3), and a vibration disposed in the case (61).
  • a plurality of internal thread portions (3c) are provided on the portion to which the flange portion (61a) of the fixed side raceway member (3) is applied, and the flange portion (61a)
  • the bolt (63) through which the bolt through hole provided on the screw is threaded is screwed onto the female thread (3c).
  • a sensor (StiXStoXSbiXSbo) is attached to the fixed-side track member (3).
  • the configuration of the hub unit can be changed to eliminate the strength reduction accompanying the sensor installation.
  • the same components as those in FIGS. 6 to 8 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the number and arrangement of the ultrasonic sensors are not limited to this.
  • the fixed-side track member (23) is provided with a sensor installation protrusion (42) having an isosceles right triangle shape in cross section so that the right angle portion comes to the tip of the protrusion (42).
  • An ultrasonic sensor (StiXSto) is attached to each of two surfaces sandwiching the right angle portion of the projecting portion (42). Since this mounting structure is the same as that shown in FIG. 8 in an enlarged manner, the same components as those in FIG. Of course, the configuration shown in FIG. 14 may be used instead of the same configuration as that shown in FIG. 8, or other configurations may be used.
  • the sensor installation location is reinforced by the projecting portion (42), so that strength reduction due to sensor installation is prevented.
  • the projecting part (42) is continuous in the circumferential direction even if it is provided only at the sensor installation position (the uppermost part, the lowermost part and the upper and lower intermediate parts of the fixed-side track member (23)) (the cross-sectional shape is constant). It is not limited to).
  • the ultrasonic sensor (2) (Sti) (Sbi) (Sto) (Sbo) in the above an ordinary single vibrator is used. Instead of this single-vibrator ultrasonic sensor, as shown in FIG. 17, there are a total of 10 multi-vibrator ultrasonic sensors (50) (each ultrasonic sensor (StiXSbiXStoXSbo) is generically referred to by reference numeral (50)). Are arranged in the case (50a) so that they are arranged at an equal pitch in the circumferential direction of a circle concentric with the PCD of the rolling element (25). ) Can output an ultrasonic wave and receive the reflected wave at the receiving unit, and the reflected echo can be obtained.
  • Each transducer (50b) from 1 to 10 is arranged at intervals of pZlO, where p is the pitch of the rolling element (25). [0111]
  • the output of each transducer (50b) from 1 to 10 is obtained as the above echo ratio.
  • the relationship between the echo ratio and the rolling element load has the relationship shown in FIG. 11 as in the case of the single vibrator. By using this, the echo specific force can also determine the rolling element load.
  • the echo ratio has the relationship shown in FIG. 18 with the rotational speed, and the rotational speed can be obtained by measuring the number of pulses of the echo ratio within a certain time.
  • each of the vibrators (50b) from 1 to 10 detects one pulse at a time, and as a whole, the transducer is 10 times larger than a single ultrasonic sensor.
  • the number of pulses (composite pulse signal) is obtained. Note that the absolute value of the echo ratio is not affected by changes in the rotational speed.
  • the sensor (2) (2) (2) (5) (25) is not only the echo ratio depends on the bearing load. It also depends on the position for 50). Therefore, even if the bearing load is the same, the echo ratio changes depending on the position of the rolling elements (5) and (25).
  • the rotational speed at which the bearing load changes rapidly is high, there is no problem with the detection accuracy of the rolling element load even with the single-vibrator ultrasonic sensor (2), but when the rotational speed is low at which the bearing load changes rapidly. In the case of a single-vibrator ultrasonic sensor (2), there may be a problem in detecting the rolling element load.
  • the limit load fluctuation frequency that can be detected is simply expressed as inner ring rotation speed (1Z sec) X number of vibrators X number of rolling elements Z2, and increases in proportion to the number of vibrators, so the number of rolling elements is nine.
  • the load fluctuation frequency that can be detected is as shown in Fig. 20. Therefore, when the rotational speed is slow and the bearing load fluctuates rapidly, it is effective to use the multi-vibrator (50b) ultrasonic sensor (50) as shown in Fig. 17. It is possible to accurately detect even a mechanical load.
  • the processing means of the sensor device (2) is composed of a pulse number counting unit that counts the number of pulses of each vibrator (50b) from 1 to 10, a revolution speed calculation unit, and a rotation speed conversion unit.
  • the rotation speed calculation unit By providing a rotation speed calculation unit that obtains the rotation speed using the obtained pulse number, in the pulse number counting unit, Each time the echo ratio exceeds a predetermined threshold, the number of times (number of pulses) is counted, and the rotation speed calculation unit can use this number of pulses to obtain the rotation speed.
  • the rolling element revolution speed required to obtain the rotational speed is a function of the circumferential length of the rolling element pitch or P.C.D., the number of pulses and time.
  • the arrangement of the vibrator (50b) is shifted by pZlO corresponding to the pitch p of the rolling element (25). Therefore, in the revolution speed calculation unit, each of 1 to 10 arranged in the circumferential direction is arranged.
  • the number of pulses from the oscillator (50b) is used to determine the revolution speed of the rolling element (25).
  • the rotation speed conversion unit converts the revolution speed into the rotation speed based on a well-known formula.
  • all oscillators (1) to 10 (50b) force can be used to obtain the rotational speed that changes with time using the number of pulses obtained.
  • the rotational speed of the rotation side raceway member (24) can be obtained by the ultrasonic sensor (50) for obtaining the three-way component force, and the pulsar ring is provided on the rotation side raceway member (24). Rotation information can be obtained.
  • the sensor device of the present invention when detecting the load acting on the rolling bearing, there are fewer restrictions on the material selection of the detected part, and no additional processing is required on the detected part. In addition, when this is applied to a hub unit with a sensor of an automobile, the three-way component force of the tire contact load can be obtained, which contributes to improvement of vehicle control accuracy.

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Abstract

　センサ装置は、互いに接触する可動体5および固定体3からなり外部荷重に応じて両者間の接触面積が変化する被検知部Dと、固定体3に取り付けられ被検知部Dの接触面積を検知する接触面積検知センサ2と、外部荷重と接触面積との相関関係を利用してセンサ出力から外部荷重を求める処理手段とを備えている。

Description

明 細 書
センサ装置およびセンサ付き転がり軸受装置
技術分野
[0001] この発明は、転がり軸受と一体ィ匕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。
背景技術
[0002] 自動車にぉ 、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
[0003] 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。
特許文献 1：特開 2004— 45370号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] この発明の目的は、被検知部の材料選択に制約が少なく、被検知部への追加の加 ェが必要でないセンサ装置およびこのようなセンサ装置を備えたセンサ付き転がり軸 受装置を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0005] 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力 なり外部 荷重に応じて両者間の接触面積が変化する被検知部と、固定体に取り付けられ被検 知部の接触面積を検知する接触面積検知センサと、外部荷重と接触面積との相関 関係を利用してセンサ出力から外部荷重を求める処理手段とを備えていることを特 徴とするちのである。
[0006] ここで、接触面積としては、「真実接触面積」、すなわち、微視的に見て表面に凹凸 力 Sあるもの同士が接触した場合に、その凸部同士の「接触面積」を使用することが好 ましい。
[0007] 可動体と固定体の接触面積は、接触面に直角の方向の荷重が増カロしたときに増加 し、接触面に直角の方向の荷重が減少したときに減少することから、この接触面積を 検知することにより被検知部に力かる荷重を検出することができる。したがって、真実 接触面積と転動体荷重との関係は比例関係となる。可動体は、接触面積の変化を反 映しやすい形状である球状、円柱状、棒状、針状、円錐状、樽状、またはその他の形 状とされていることが好ましい。可動体および固定体の材料は、通常、金属とされるが 、固体であればよい。
[0008] 可動体および固定体が金属の場合、接触面積の増減によって被検知部の電気抵 抗したがって被検知部を含む回路に流れる電流が変化するので、各種の電気抵抗 測定器または電流センサが接触面積検知センサとして使用できる。また、超音波セン サで検知されるエコーは、接触面積の変化によって変化するので、超音波センサを 接触面積検知センサとして使用することもできる。超音波センサによると、非検出部が 金属でない場合でも接触面積の変化を求めることかできる。いずれにしろ、被検知部 の材料選択の制約を少なくし、しかも、被検知部への追カ卩の加工を行わないで、被 検知部に作用する荷重を検出することができる。
[0009] 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。このようなセンサ付き転がり軸受装置は、固定輪が車体側、回転 輪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。
[0010] 転がり軸受としては、深みぞ玉軸受、アンギユラ玉軸受、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 なぐ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、 磁'性の金属であっても、セラミックスであってもよい。
[0011] 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固定輪と転動体と の接触面積が変化する。接触面積と軸受に作用する荷重との関係は、理論的に求 めることができるので、接触面積とセンサ出力との関係を予め実験的に求めておくこ とにより、センサ出力力も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面)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。
[0012] この場合に、処理手段は、転動体荷重と接触面積との関係を示す理論式を蓄える 理論式蓄積部と、センサ出力と接触面積との関係を示す実験式を蓄える実験式蓄積 部と、センサ出力から実験式を使って接触面積を求める接触面積演算部と、この接 触面積力 理論式を使って転動体荷重を求める転動体荷重演算部とを有しているこ とが好ましい。また、接触面積検知センサは、接触面積の変化を超音波のエコーで 測定する超音波センサであることが好ましい。超音波センサは、通常のもの（単振動 子の超音波センサ)でももちろんよいが、超音波センサは、所定ピッチで並ぶ複数の 振動子を内部に有している（多振動子の超音波センサ）ことがある。
[0013] 超音波センサは、転がり軸受の固定輪に取り付けられることがあり、固定輪がハウジ ング等に支持されて 、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 固定輪とハウジング等との接触面を臨ますようにしてもょ 、。
[0014] 転がり軸受では、転動体荷重と接触面積との関係を容易にかつ精度よく得ることが でき、接触面積の変化を超音波センサで求めた場合、センサの出力と接触面積との 関係を容易にかつ精度よく得ることができる。また、超音波センサによる接触面積の 検知は、可動体および固定体が金属である場合に限られな 、点で優れて 、る。
[0015] 接触面積検知センサは、たとえば、転がり軸受の頂部、底部、前部および後部の計 4力所に設けられ、これら 4つのデータ力 転がり軸受に作用する荷重の 3方向分力（ 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力所に設けるようにしてもよい。 3方向分力を求め る場合、接触面積検知センサは、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ぐ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、接触面積検知セン サは 1つであってもよぐ接触面積検知センサの数は、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。
[0016] この発明によるセンサ付き転がり軸受装置は、転がり軸受と、転がり軸受に取り付け られた接触面積検知センサと、実験式蓄積部、理論式蓄積部、接触面積演算部、転 動体荷重演算部および 3方向分力演算部を有する処理手段とを備えているものであ る。
[0017] 接触面積検知センサは、接触面積の変化を超音波のエコーで測定する超音波セ ンサとされ、理論式蓄積部には、転動体荷重と接触面積との関係を示す理論式が蓄 積され、実験式蓄積部には、センサ出力と接触面積との関係を示す実験式が蓄積さ れる。そして、接触面積演算部において、センサ出力が接触面積に換算され、転動 体荷重演算部において、接触面積が転動体荷重に換算され、 3方向分力演算部に おいて、転動体荷重が 3方向分力（上下方向荷重、前後方向荷重および左右方向 荷重）に換算される。
[0018] すなわち、センサ力 荷重を求める第 1の方法として、実験式演算部に蓄積されて いる出力と接触面積の関係を使用して、接触面積を求め、この接触面積と、理論式 の荷重と接触面積の関係とから転動体荷重を再度演算することにより、センサ出力か ら荷重を求めることができる。ここで、理論式の荷重と接触面積 (この「接触面積」は、 上記「真実接触面積」とは相違しており、「見掛け接触面積」である。）の関係は、公知 であり、次のような関係がある。
[0019] 転動体と外輪の軌道溝との接触面 (楕円）の面積 Ti abを求めるための a :接触楕円 の長半径および b :接触楕円の短半径は、接触物体の主曲率を p , p , p , p
II III 21 211
(添字の 1, 2は物体を、添字の I, IIはその主曲率を含む平面を表す）、荷重を Q、接 触の状態によって決まる係数を および Vとして、次のように表される。
[0020] a = e (Q/∑ p ) 1/3
a
b = e (Q/∑ p ) 1/3
b
e =0. 02363 ^ e b =0. 02363 v
∑ p = p + p + p + p
II III 21 211
ただし、玉と内輪との接触の場合、玉： p = p =2ZDwであり、内輪： p = - 1
II III 21
Zrl、 =2ZFである。
211
[0021] センサ力も荷重を求めるには、第 2の方法として、センサ出力と接触面積 (この明細 書において、上記第 1の方法における「（見掛け)接触面積」以外の「接触面積」は、「 真実接触面積」を意味している。）との実験的関係、および接触面積と転動体荷重と の実験的関係から転動体荷重を演算する方法がある。この方法は、上記第 1の方法 に比べて、接触面積と転動体との関係、およびセンサ出力（エコー比）と転動体荷重 との関係がリニアとなり、精度が向上する点で好ましい。
[0022] センサ力も荷重を求めるには、第 3の方法として、接触面積を介さず直接センサ出 力から転動体荷重を演算する方法がある。この方法は、上記第 2の方法の関係を結 合して、直接、センサ出力（エコー比)から転動体荷重を求めるもので、演算工数が 削減される点でさらに好まし 、。
[0023] 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、自動車のセンサ付きハブユニットとして使用 されることがある。
[0024] このセンサ付き転がり軸受装置における 3方向分力演算方法は、接触面積検知セ ンサ力 転がり軸受の転動体と軌道溝との接触面に超音波を出射するステップと、接 触面積演算部において、実験式蓄積部に蓄積されている出力と接触面積との関係 を使用して、転動体と軌道溝との接触面からの超音波の出力を接触面積に換算する ステップと、転動体荷重演算部において、理論式蓄積部に蓄積されている荷重と接 触面積との関係を使用して、接触面積演算部で得られた接触面積を転動体荷重に 換算するステップと、 3方向分力演算部において、転動体荷重演算部で得られた転 動体荷重を使用して 3方向分力を演算するステップとを包含するものとされる。
[0025] 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。
[0026] エコー比 = 100 X (HO—Hl) ZHO
HO：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 HI：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
転動体荷重を求める式は、温度依存性を小さくするために、以下の温度補正式とさ れることがある。
[0027] エコー比 = 100 X (HO— Hl) ZHOi
HO：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
H 1：転動体が超音波センサ直下に位置するときの反射エコー強度
HOi:所定温度における転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射ェコ 一強度
従来のエコー比の定義は、分母が HOであるが、この温度補正式では、新たに導入 された「所定温度 (たとえば常温）における転動体が超音波センサ力 半ピッチ離れ たときの反射エコー強度」が分母として使用されている。超音波センサにおける反射 エコー強度 HOおよび HIは、いずれも温度に依存するものの、（HO— HI)は温度に ほぼよらないものとなる。したがって、この温度補正式によると、温度に依存しない (H 0— H 1 )を温度に依存する HOで割ることにより、温度依存性が高!、ものとなることを 避けることができ、エコー比と荷重との相関性を生かし、しかも、温度依存性をなくす ことができる。
[0028] 接触面積検知センサを超音波センサとする場合には、センサ付き転がり軸受装置 の処理手段の構成を簡素化 (演算工数の削減)が可能であり、センサ付き転がり軸受 装置は、転がり軸受と、超音波センサと、超音波センサを使用して予め測定されたェ コー比と転動体荷重との関係を蓄積する実験式蓄積部、エコー比力 転動体荷重を 求める転動体荷重演算部、および転動体荷重から 3方向分力演算部を有する処理 手段とを備えて 、るものとされる。
[0029] また、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力所に設けられかつ転動体荷重 (転動体と固定側軌道部材との間に作 用する力）をエコー比として検知する超音波センサと、各超音波センサの出力から転 がり軸受に作用する荷重の 3方向成分のうち少なくとも上下方向成分および左右方 向成分を求める処理手段とを備えていることを特徴とするものである。
[0030] 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おり、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 れていることが好ましい。超音波センサで得られる反射エコーの強度は、センサの取 付方、取付面の粗さ、接触媒質の相違、センサの押し付け力によって変化するので、 おねじ部のねじ込み量を変化させることによって、所定箇所におけるエコー強度を所 定値に設定することができ、これにより、荷重検出の精度を向上させることができる。 超音波センサは、エコー強度を所定値に設定することができる種々の方法により取付 け可能であり、例えば、超音波センサは、固定側軌道部材に取り付けるためのフラン ジ部を有する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おり、固定 側軌道部材に設けられた有底のめねじ部に、フランジ部に設けられたボルト揷通孔 力 挿通されたボルト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 ているようにしてもよい。
[0031] 超音波センサのケースのおねじ部の基端側部分に、ケースの回り止めのためのナ ット)がねじ合わされ、ナットと固定側軌道部材との間に、めねじ部への水の浸入を防 止する Oリングが介在させられていることがより好ましい。このようにすると、自動車用 ハブユニットのように、振動が大きくかつ外部からの水が浸入しやす 、箇所に設置し てもその性能を維持することができる。
[0032] 通常の単振動子の超音波センサで、転動体荷重を検出しょうとするときに、エコー 比（またはエコー強度）が軸受荷重に依存するのみではなぐ転動体のセンサに対す る位置にも依存するため、軸受荷重が同じであっても、転動体の位置により、エコー 比が変化する。軸受荷重の変化が激しくなぐ回転速度が速いときには、単振動子の 超音波センサでも、転動体荷重の検出精度に問題はないが、軸受荷重の変化が激 しぐ回転速度が遅いときには、単振動子の超音波センサでは、転動体荷重の検出 に問題が出てくる可能性がある。検出できる限界荷重変動周波数は、振動子の数に 比例して増加するので、軸受荷重の変動が激しぐ回転速度が遅い場合は、多振動 子の使用が有効であり、これにより、変化の激しい動的荷重でも精度よく検出すること ができる。
[0033] 多振動子の超音波センサは、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複数の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。
[0034] 多振動子の超音波センサでは、複数の振動子が転がり軸受と同心の円の周方向 に沿って等ピッチで配置されていることがあり、この場合に、振動子のピッチ X振動 子の数 =転動体の 1ピッチとされていることが好ましい。転動体の 1ピッチは、角度を 基準としてもよく（転動体の 1ピッチ = 360° Z転動体の数)、周方向長さを基準とし てもよい (転動体の 1ピッチ =転動体の P. C. D. Z転動体の数)。等ピッチで並ぶ複 数の振動子によると、 1つの転動体が超音波センサを通過するときに、振動子の数に 等しいだけの信号 (パルス数信号)が出力され、これにより、分解性能が向上する。ま た、等ピッチに代えて、隣り合う振動子の間隔を一定の増分でずらすようにしてもよい
[0035] 転がり軸受が自動車用ハブユニットである場合に、転動体荷重から転がり軸受に作 用する荷重を求める式として、処理手段に下記式（1)が設けられていることが好まし い。
[0036] fl = a + bFy+cFz + dMx
f2 = a + bFy+cFx+dMz
f 3 = a + bFy cFz dMx
f4 = a + bFy-cFx-dMz 式（1)
f5 = a— bFy+cFz— dMx
f 6 = a— bFy + cFx dMz
f7 = a— bFy— cFz + dMx
f 8 = a— bFy cFx + dMz
ただし、 a :ハブユニットの予圧による転動体荷重、 b, c, d:外力に依存しない係数 、 Fx, Fy, Fz :荷重の前後（x軸)方向成分、左右 (y軸)方向成分および上下 (z軸） 方向成分、 Mx, Mz :x軸、 z軸回りのモーメント、 fl〜f 8 :各センサでの転動体荷重。 [0037] 転動体荷重とハブユニットに作用する外力との関係は、軸受計算理論に基づいて 計算可能であり、転動体荷重とハブユニットに作用する外力との関係は、ほぼ線形関 係を有している。上記式（1)は、この理論計算結果を基に多重解析を行うことにより、 得られたものである。
[0038] なお、荷重の各軸方向の成分（3方向分力）および各軸回りのモーメント（3方向モ ーメント）を合わせたものを、以下では「6分力」と称す。
[0039] 上記の式（1)の関係を利用することにより、荷重の 6分力を精度よく求めることがで きる。センサの数および処理手段の構成については、センサの数の増加に伴うコスト 増も考慮して種々の対応が可能である。特に、この発明のセンサ付き転がり軸受装 置を自動車用ハブユニットに適用する場合は、車輪に関して成り立つ式をカ卩えて、次 のような処理手段の構成が可能である。
[0040] 例えば、センサの数が 2つとされ、処理手段は、式（1)のうちの適宜な 2つの式と下 記式 (2)とから転がり軸受に作用する荷重の上下方向成分および左右方向成分を求 めるものとされる。
[0041] Mx=r X Fy + e X Fz 式（2)
ただし、 r:車輪転がり半径、 e :y軸方向における Fzの作用点とハブユニット中心の ずれ。
[0042] また、センサの数が 4つとされ、処理手段は、式（1)のうちの適宜な 4つの式、式（2) および下記式（3)から転がり軸受に作用する 6分力を求めるものとされる。
[0043] My=rX Fx 式（3)
ただし、 My :y軸回りのモーメント。
[0044] なお、上記式（1)は、転動体荷重とハブユニットに作用する外力との関係を示す式 であるので、転動体荷重と超音波センサで得られるエコー比との関係とを求めること により、ハブユニットに作用する外力とエコー比との関係を求めるようになつている。 すなわち、 2つの相関関係を求める必要があり、誤差が大きくなる可能性がある。そこ で、これに代えて、超音波センサで測定されたエコー比を用いて転がり軸受に作用 する荷重が求められており、そのための式として、処理手段に下記式 (4)〜式 (6)が 設けられて 、るようにしてもよ!、。 jl =k- lFyl mFz- f nMx
]2 =k- lFyl mFx- ■ nMz
]3 =k- lFy- mFz- -nMx
]4 =k- lFy- mFx- -nMz ·
]5 =k- -lFy4 mFz- -nMx
]6 =k- -lFy4 mFx- -nMz
]7 =k- -lFy- mFz- f nMx
]8 =k- -lFy- mFx- ■ nMz
Mx=r X Fy + e X Fz 式（5)
My=rX Fx 式（6)
ただし、 k:ハブユニットの予圧によるエコー比、 1, m, n:外力に依存しない係数、 F X, Fy, Fz :荷重の前後（X軸)方向成分、左右 (y軸)方向成分および上下 (z軸)方向 成分、 Mx, My, Mz :x軸、 y軸、 z軸回りのモーメント、 j l〜j8 :各センサ位置でのェ コー比、 r :車輪転がり半径、 e : y軸方向における Fzの作用点とハブユニット中心のず れ。
発明の効果
[0046] この発明のセンサ装置によると、互いに接触する可動体および固定体力 なり外部 荷重に応じて両者間の接触面積が変化する被検知部と、固定体に取り付けられ被検 知部の接触面積を検知する接触面積検知センサと、外部荷重と接触面積との相関 関係を利用してセンサ出力から外部荷重を求める処理手段とを備えているので、たと えば転がり軸受に作用する荷重を検出するに際し、被検知部の材料選択に制約が 少なぐまた、被検知部への追カ卩の加工も必要でないものとすることができる。
[0047] この発明のセンサ付き転がり軸受装置によると、転がり軸受の材料選択に制約が少 なくかつ追加の加工が必要でないようにして、転がり軸受に作用する 3方向分力を演 算することができる。したがって、これを自動車のセンサ付きハブユニットに適用した 場合に、タイヤ接地荷重の 3方向分力を求めることができ、車両制御の精度向上に 資することができる。
図面の簡単な説明 [図 1]図 1は、この発明によるセンサ装置の 1実施形態を示す縦断面図である。
[図 2]図 2は、この発明によるセンサ装置の処理手段の構成を示すブロック図である。
[図 3]図 3は、転動体荷重と接触面積との関係 (理論式)を示すグラフである。
[図 4]図 4は、接触面積と超音波センサのエコー比との関係（実験式)を示すグラフで ある。
[図 5]図 5は、この発明によるセンサ付き転がり軸受装置における 3方向分力演算方 法を説明するためのフローチャートである。
[図 6]図 6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 7]図 7は、同側面図である。
[図 8]図 8は、超音波センサの取付け構造を示す図 6の要部の縦断面図である。
[図 9]図 9は、超音波センサで得られるエコーの波形の一例を示す図である。
[図 10]図 10は、超音波センサで得られるエコー振幅と取付面粗さとの関係を示すグ ラフである。
[図 11]図 11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ダラ フである。
[図 12]図 12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。
[図 13]図 13は、この発明によるセンサ付き転がり軸受装置における 3方向分力演算 方法の他の形態を説明するためのフローチャートである。
[図 14]図 14は、超音波センサの取付け構造の他の実施形態を示す図 8に相当する 拡大縦断面図である。
[図 15]図 15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。
[図 16]図 16は、超音波センサの取付け構造を示す図 15の要部の拡大縦断面図で ある。
[図 17]図 17は、この発明によるセンサ付き転がり軸受装置の第 3実施形態を示す模 式的に描いた横断面図である。
寸
[図 18]図 18は、回転速度とエコー比との関係を示すグラフである。
[図 19]図 19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力 得ら れるパルスとの関係を示す図である。
[図 20]図 20は、単振動子の超音波センサと多振動子の超音波センサについて、検 出限界周波数を求めたグラフである。
符号の説明
転がり軸受
(2) 超音波センサ (接触面積検知センサ)
(3) 固定側軌道部材（固定体）
(3b) めねじ部
(3c) めねじ部
(4) 回転側軌道部材
(5) 転動体 (可動体）
(10) 処理手段
(11) 実験式蓄積部
(12) 理論式蓄積部
(13) 接触面積演算部
(14) 転動体荷重演算部
(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
(24) 回転側軌道部材
(25) 転動体 (玉）
(31) ケース
(31a) おねじ部
(32) 振動子
(50) 超音波センサ
(50b) 振動子 (61) ケース
(61a) フランジ部
(62) 振動子
(63) ボルト
(Sti)(Sbi)(Sto)(Sbo) 超音波センサ
(D) 接触面 (被検知部）
発明を実施するための最良の形態
[0050] この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
[0051] 図 1は、この発明のセンサ装置を備えた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、左右および上下は、図の左右および上下をいうも のとする。
[0052] 図 1および図 2に示すように、センサ付き転がり軸受装置は、転がり軸受 (1)と、転が り軸受 (1)に取り付けられた接触面積検知センサ (2)と、接触面積検知センサ (2)の出力 を処理する処理手段（図 1には現れず、図 2参照）とを備えて!/ヽる。
[0053] 転がり軸受 (1)は、外輪（固定体) (3)、内輪 (4)、これらの間に配置された複数の転動 体 (可動体) (5)、および保持器 (6)を備えている。図示は省略したが、外輪 (3)はハウジ ングなどに固定され、内輪 (4)には回転軸などが固定される。外輪 (3)とハウジングとは 一体構造であってもよい。
[0054] 接触面積検知センサ (2)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、超音波のエコーを求める超音波センサとされている。超音波センサ (2) は、外周におねじ部が形成された筒状のケース (7)およびケース内に配置された振動 子 (図示略)を有しており、転動体 (5)と外輪 (3)の軌道溝との接触面 (被検知部) (D)に 直角の方向から臨まされている。外輪 (3)には有底のめねじ部が設けられており、ケー ス (7)のおねじ部のねじ込み量が調整可能とされている。ケース (7)のおねじ部には、 ケース (7)の回り止めのためのナット (8)がねじ合わされており、ナット (8)と外輪 (3)との 間には、 Oリング (9)が介在させられている。
[0055] 超音波センサの出力は、以下に示すエコー比として求められる。
[0056] エコー比 = 100 X (HO—Hl) ZHO HO：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度 H 1：転動体が超音波センサ直下に位置するときの反射エコー強度
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。し たがって、接触面積が大きい場合には、大きいエコー比が出力される。
[0057] 超音波センサ (接触面積検知センサ) (2)は、図示されて ヽる外輪頂部および外輪 底部のほかに、外輪前部および外輪後部にも設けられており、これら 4つのセンサ出 力から転がり軸受 (1)に作用する荷重の 3方向分力（上下方向荷重、前後方向荷重お よび左右方向荷重）が求められている。
[0058] 処理手段 (10)は、図 2に示すように、超音波センサ (2)の出力（エコー比）と接触面積 との関係を示す実験式を蓄える実験式蓄積部 (11)と、転動体荷重と接触面積との関 係を示す理論式を蓄える理論式蓄積部 (12)と、超音波センサ (2)の出力力 実験式を 使って接触面積を求める接触面積演算部 (13)と、この接触面積から理論式を使って 転動体荷重 (各センサ位置における転動体荷重）を求める転動体荷重演算部 (14)と 、各超音波センサ (2)から得られた転動体荷重を使用して転がり軸受 (1)に作用する 3 方向分力（上下方向荷重、前後方向荷重、左右方向荷重)を求める 3方向分力演算 部 (15)とを有している。
[0059] 転がり軸受 (1)に作用する荷重が変化すると、転動体 (5)と外輪 (3)の軌道溝との接触 面積が変化し、超音波センサ (2)の出力が変化する。この超音波センサ (2)の出力 Pi は、接触面積演算部 (13)において、実験式蓄積部 (11)に蓄積されている出力と面積 との関係を使用して面積 Siに換算される。次いで、この接触面積 Siは、理論式蓄積 部 (12)に蓄積されている荷重と面積との関係を使用して荷重 Liに変換される。次いで 、 3方向分力演算部 (15)において、各超音波センサ (2)から得られた複数の転動体荷 重 Liを使用して 3方向分力が求められる。 3方向分力の演算式は、予め実験により求 められる。
[0060] 理論式蓄積部 (12)に蓄えられる転動体荷重と接触面積との関係は、次のようにして 理論的に求めることができる。転動体 (5)と外輪 (3)の軌道溝との接触面 (楕円）の面積 Ti abを求めるための a :接触楕円の長半径および b :接触楕円の短半径は、接触物体 の主曲率を P , p , p , p (添字の 1, 2は物体を、添字の I, IIはその主曲率を 含む平面を表す）、荷重を Q、接触の状態によって決まる係数を および Vとして、 次のように表される。
[0061] a = e (Q/∑ p ) 1/3
a
b = e (Q/∑ p ) 1/3
b
e =0. 02363 ^
a
e =0. 02363 v
b
∑ p = p + p + p + p
II III 21 211
ただし、玉と内輪との接触の場合、玉： p = p
II III =2ZDwであり、内輪： p
21 = - 1
Zrl、 =2ZFである。
211
[0062] したがって、これらの式より、接触面積 π abと荷重 Qとの関係を求めることができる。
この関係が図 3に示されている。
[0063] 図 4は、超音波センサ (2)を使用した超音波測定法を用いた場合の接触面積とェコ 一比との関係を求めたもので、 y=ax, y :エコー比、 X：接触面積、 a :回帰係数が成り 立っている。こうして得られた超音波センサ (2)の出力（エコー比）と接触面積との関係 が実験式蓄積部 (11)に蓄えられる。これにより、この y=axを使用してエコー比力も接 触面積を求めることができる。図 4に示したものでは、エコー比と接触面積との関係式 を直線とすることが可能である力 この実験式は直線に限定されるものではない。
[0064] 図 5は、上記センサ付き転がり軸受装置の図 2に示した処理手段 (10)における処理 の 1例である転がり軸受荷重 (例えばノヽブユニットに掛カるタイヤ接地荷重）の 3方向 分力演算方法を示すフローチャートである。次に、このフローチャートを参照して、処 理の 1例を示す。
[0065] 図 5において、転がり軸受荷重の 3方向分力を求めるに際しては、まず、接触面積 検知センサ (2)から転がり軸受 (1)の転動体 (5)と軌道溝との接触面 (D)に超音波が出射 され (ステップ S 1)、次に、処理手段 (10)の接触面積演算部 (13)において、実験式蓄 積部 (11)に蓄積されている出力と接触面積との関係を使用して、転動体 (5)と軌道溝 との接触面 (D)からの超音波の出力が接触面積に換算され (ステップ S2)、次に、転 動体荷重演算部 (14)において、理論式蓄積部 (12)に蓄積されている荷重と接触面積 との関係を使用して、接触面積演算部 (13)で得られた接触面積が転動体荷重に換算 され (ステップ S3)、次に、 3方向分力演算部 (15)において、転動体荷重演算部 (14) で得られた転動体荷重を使用して転がり軸受 (1)の 3方向分力が演算される (ステップ S4)。車輪の転がり半径を使用することにより、 3方向分力から 3方向のモーメント（上 下軸回りのモーメント、前後軸回りのモーメントおよび左右軸回りのモーメント）も求め ることがでさる。
[0066] 3方向分力の演算は、予めセンサ出力（エコー比）から転動体荷重を求めておくこと により、図 13に示すステップで行うことができる。すなわち、超音波センサ (Sti)(Sbi)(St oXSbo)力も転がり軸受 (1)の転動体 (5)と軌道溝との接触面 (D)に超音波が出射され（ ステップ S1)、超音波センサ (Sti)(Sbi)(Sto)(Sbo)力もの出力が演算されると (ステップ S 2)、処理手段 (10)の転動体荷重演算部 (14)において、予め測定しておいたエコー比 と転動体荷重との関係を利用して転動体荷重を演算し (ステップ 3)、処理手段 (10)の 3方向分力演算部 (15)において、転動体荷重から 6方向分力（3方向荷重と 3方向モ ーメント）が演算される (ステップ 4)。このようにすると、理論式蓄積部 (12)における換 算を不要として、直接、センサ出力（エコー比)から 3方向または 6方向分力を演算す ることができ、演算工数を削減することができる。
[0067] なお、上記実施形態においては、センサ装置が玉軸受に設けられてセンサ付き転 力 Sり軸受装置として使用される場合を示したが、この発明によるセンサ装置は、転がり 軸受以外のものと組み合わせて使用することも可能であり、また、玉軸受以外の転が り軸受ゃ転がり軸受装置の適用例である自動車用ハブユニットにももちろん使用でき る。また、超音波センサについては、単振動子のものであってもよぐまた、多振動子 のものであってもよい。
[0068] 以下に、自動車のハブユニットに適用する場合の 1例を説明する。
[0069] 図 6から図 8に示す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、自動車用ハブユニット (21)およびセンサ装置 (22)力もなる。 以下の説明において、左右は図 6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。
[0070] 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 (23X24)の間に 2列に配置された複数の転動体 (玉 ) (25)、および各列の転動体 (25)をそれぞれ保持する保持器 (26)を備えて ヽる。
[0071] 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 、る。
[0072] 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 ヽ外径を有する小径部 (35)を有して 、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、力しめ止めしてもよい。
[0073] センサ装置 (22)は、固定側軌道部材 (23)と内列の転動体 (25)との間に作用する力（ 転動体荷重）を検出する多振動子超音波センサ (StiXSbi)と、外列の転動体 (25)の転 動体荷重を検出する超音波センサ (StoXSbo)と、これらの超音波センサ (StiXSbiXStoX Sbo)の出力を処理する処理手段（図 12参照）とを備えている。
[0074] 超音波センサ (Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、図 6のものを図に示されて 、る車体側軌道部 材 (3)の最上部 =頂部 (StiXSto) (図 7に Aで示す位置）および車体側軌道部材 (3)の最 下部 =底部 (SbiXSbo) (図 7に Dで示す位置）のほかに、車体側軌道部材 (3)の上下の 中間部の後側 =後部（図 7に Bで示す位置)および車体側軌道部材 (3)の上下の中 間部の前側 =前部（図 7に Cで示す位置）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、これに限定されるものではな 、。
[0075] 超音波センサ (Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、図 8に示すように（頂部内側のものを図示）、外 周におねじ部 (51a)が形成された筒状のケース (51)およびケース (51)内に配置された 振動子 (52)を有しており、玉 (5)と固定側軌道部材 (3)の軌道溝 (3a)との接触面に直角 の方向から臨まされている。固定側軌道部材 (3)には有底のめねじ部 (3b)が設けられ ており、ケース (51)のおねじ部 (51a)のねじ込み量が調整可能とされている。ケース (51 )の先端面とめねじ部 (3b)の底面と間には、超音波センサ (Sti)先端部を保護するため のゴム製クッションシート (53)が介在させられている。ケース (51)のおねじ部 (51a)の基 端側部分には、ケース (51)の回り止めのためのナット (54)がねじ合わされている。ナツ ト (54)と固定側軌道部材 (3)との間には、めねじ部 (3b)への水の浸入を防止する Oリン グ (55)が介在させられて 、る。
[0076] 超音波センサ (StiXStoXSbiXSbo)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、図 9に示すような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。
[0077] エコー比 = 100 X (H0—H1) ZH0
HO：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
HI：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 11に示す関係を有しており、これを利用してェコ 一比から転動体荷重を求めることができる。転動体 (25)に作用する荷重が大きいと、 接触面積が大きくなつ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。
[0078] なお、エコー比は、温度依存性をなくすために、次のようにして求めてもよい。
[0079] エコー比 = 100 X (H0— Hl) ZH0i
HO：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
H 1：転動体が超音波センサ直下に位置するときの反射エコー強度
HOi:所定温度における転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射ェコ 一強度
走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴って、タイヤに掛カ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、左右荷重が力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力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。
[0080] センサ装置 (2)の処理手段には、エコー比の式、各超音波センサ (Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo) 力 得られたエコー比力も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 、る。
[0081] 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 (StiXStoXSbiXSbo)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力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。
[0082] 超音波センサ (Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)で得られるエコーの強度 (エコー振幅）は、センサ の取付方、取付面の粗さ、接触媒質の相違により大きく変化する。図 10は、取付面 粗さとエコー振幅との関係を示しており、このグラフから、取付面が粗くなると、エコー 振幅が小さくなることが分かる。また、エコーの強度は、センサの押し付け力によって も変化する。このため、エコー比と転動体荷重との関係が超音波センサ (StiXStoXSbi) (Sbo)ごとにばらつき、タイヤ接地荷重検出の精度が低下する可能性がある。
[0083] 図 8に示した超音波センサ (Sti)によると、ケース (31)のおねじ部 (31a)のねじ込み量を 変化させることによって、センサ (Sti)の押し付け力を変化させることが可能であり、した がって、図 9に示すエコー波形を見ながら、ねじ込み量を微調整することによって、ェ コー強度 H0を変化させ所定値に設定することができる。これにより、超音波センサ (St i)(Sto)(Sbi)(Sbo)ごとのエコー比と転動体荷重との関係のばらつきが抑えられ、タイヤ 接地荷重検出の精度を向上させることができる。
[0084] なお、上記において、センサの数が計 8つとされている力 センサの数はこれに限 定されるものではない。センサの数が多いと、これに伴ってコストが増加するので、セ ンサの数を少なくして、できるだけ有用なデータを得ることの考慮も必要である。以下 に、少ない数のセンサを使用した荷重検出方法（2つのセンサで 2方向の荷重成分を 得る場合と 4つのセンサで 3方向の荷重成分を得る場合)を示す（図 12参照)。
[0085] まず、軸受計算理論に基づいて計算した負荷時の転動体荷重とハブユニットに作 用する外力（荷重およびモーメント）の関係は、次式で表せる。
fl = a + bFy斗 cFz-|- dMx
f2 = a + bFy斗 cFx- dMz
f3 = a + bFy— cFz— dMx
f4 = a + bFy— cFx- dMz ·
f5 = a — bFy斗 cFz— dMx
f6 = a — bFy斗 cFx- dMz
f7 = a -bFy- cFz-|- dMx
f8 = a -bFy- cFx- dMz
ただし、 a :ハブユニットの予圧による転動体荷重、 b, c, d:外力に依存しない係数 、 Fx, Fy, Fz :荷重の前後（x軸)方向成分、左右 (y軸)方向成分および上下 (z軸） 方向成分、 Mx, Mz : x軸、 z軸回りのモーメント、 fl〜f8 :超音波センサ (Sti)(Sto)(Sbi) (Sbo)の出力から得られる転動体荷重であり、 flは、頂部内側のセンサ (Sti)の出力に よるもの、 f2は、後部内側のセンサの出力によるもの、 f3は、底部内側のセンサ (Sbi) の出力によるもの、 f4は、前部内側のセンサの出力によるもの、 f5は、頂部外側のセ ンサ (Sto)の出力によるもの、 f6は、後部外側のセンサの出力によるもの、 f7は、底部 外側のセンサ (Sbo)の出力によるもの、 f8は、前部外側のセンサの出力によるもの。
[0087] 式（1)の関係を用いることは、従来全く知られておらず、この関係を利用することで 、転動体荷重力 転がり軸受に作用する外力を簡易に求めることができる。
[0088] 一方、車輪 (タイヤ）の場合は、次式が成立する。
[0089] Mx=r X Fy + e X Fz 式（2)
ただし、 r :車輪転がり半径、 e :y軸方向における Fzの作用点とハブユニット中心の ずれ。
[0090] My=r X Fx 式（3)
ただし、 My :y軸回りのモーメント。 [0091] 上記式力 分力るように、式（1)の flおよび f3と式（2)を用いれば、左右方向成分 Fyおよび上下方向成分 Fzを求めることができる。すなわち、 fl +f3とすることにより、 Fyが求まり、 fl f 3とすることにより、 Fzと Mxとが含まれる一次式が得られ、式（2) のうちの Fyが求まっているので、 Fyを代入することで、式（2)も Fzと Mxとが含まれる 一次式となり、これら 2つの一次式を連立させることで、 Fzと Mxとが求まる。
[0092] こうして、 2つのセンサで、車輪に作用する荷重の上下方向成分および左右方向成 分 (付随的に X軸回りのモーメントも）を求めることができる。車輪に作用する荷重の上 下方向成分および左右方向成分は、車両のコーナリング状態を知る上で重要な要 素であり、これらを少ない数のセンサ（計 2つのセンサ）で求めることで、コストパフォー マンスに優れたセンサ付き転がり軸受装置を得ることができる。
[0093] なお、上記においては、 flと f3とを用いた力 この組合せ以外のもの（例えば f 1と f5 など)を使用することも可能である。
[0094] また、 fl +f7とすることにより、 Mxを求め、 fl f 7とすることにより、 Fyおよび Fzの 一次式を求め、これらと式（3)とを組み合わせることにより、 Mx, Fyおよび Fzを求め ることができる。そして、 f2— f8とすることにより、 Fyおよび Fxの一次式が求まるので 、この一次式に既に求まっている Fyを代入することにより、残る Fxを求めることができ る。 Fxが求まれば Mxも求まる。また、 f2 + f8とすることで、 Mzを求めることができる。
[0095] こうして、 4つのセンサで、車輪に作用する 6分力全てを求めることができ、コストパフ オーマンスに優れたセンサ付き転がり軸受装置を得ることができる。
[0096] なお、上記においては、 fl, f2, f7および f8を用いた力 この組合せ以外のもの（ 例えば、 fl, f2, f3および f6)を使用することも可能である。
[0097] 上記（1)から（3)までの式は、ハブユニットに作用する外力とエコー比との関係を求 めるに際して、転動体荷重と外力との相関関係および転動体荷重とエコー比との相 関関係を使用して 2段階で求めていることになり、誤差が大きくなるおそれがある。
[0098] そこで、エコー比とハブユニットに作用する外力との関係を直接求めておくことが好 ましい。この関係は、 kをノヽブユニットの予圧によるエコー比とし、 1、 m、 nを外力に依 存しない係数とし、 Fx, Fy, Fzは、それぞれ、荷重の前後（X軸)方向成分、左右 (y 軸)方向成分および上下 (z軸)方向成分とし、 Mx, My, Mzは、それぞれ、 x軸、 y軸 、 z軸回りのモーメントとし、 jl〜j8は、超音波センサ (Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の出力力も得 られるエコー比 (jlは、頂部内側のセンサ (Sti)の出力によるもの、 j2は、後部内側の センサの出力によるもの、 j3は、底部内側のセンサ (Sbi)の出力によるもの、 j4は、前 部内側のセンサの出力によるもの、 j5は、頂部外側のセンサ (Sto)の出力によるもの、 j 6は、後部外側のセンサの出力によるもの、 j7は、底部外側のセンサ (Sbo)の出力によ るもの、 j8は、前部外側のセンサの出力によるもの）として、次のようになる。
jl =k- lFyl mFz- f nMx
]2 =k- lFyl mFx- ■ nMz
]3 =k- lFy- mFz- -nMx
]4 =k- lFy- mFx- -nMz ·
]5 =k- -lFy4 mFz- -nMx
]6 =k- -lFy4 mFx- -nMz
]7 =k- -lFy- mFz- f nMx
]8 =k- -lFy- mFx- ■ nMz
上記式を用いた 6分力の演算方法を以下に説明する。 6分力を求めるに際しては、 上記関係に加えて、車輪 (タイヤ）の場合に、次式が成立することを利用する。
[0100] Mx=rXFy + eXFz 式（5)
My=rXFx 式（6)
ここで、 r:車輪転がり半径、 e:y軸方向における Fzの作用点とハブユニット中心のず れ
これらの 2つの式を使用することで、 jl〜j8の式のうちの 4式を使えば、 6分力を求 めることができる。 1例として、 jl, j2, j3および j6を使用した場合、次のようにして 6分 力が求められる。
[0101] ステップ 1:左右方向成分 Fyを求める。式 (4)から適宜な 2つの式 (ここでは、 jlと j3 )を選択し、 2つの式の加算または減算（ここでは、加算）により、 Fzおよび Mxを消去 することにより求める。 Fyは次式で求められる。
[0102] Fy=(jl+j3-2k)/21
ステップ 2:上下方向成分 Fzを求める。式（4)のうちの 2つの式から Fyを消去して得 られる Fzと Mxとの 1次式と、式（5)に Fyを代入して得られる Fzと Mxとの 1次式とから 、 Fzを求める。 Fzは次式で求められる。
[0103] Fz = { (1 - nr) j 1 - (1 + nr) j 3 + 2knr } /21 (m + ne)
ステップ 3 : x軸回りのモーメント（進行方向回りのモーメント） Mxを求める。ステップ 1 で得られた Fyおよびステップ 2で得られた Fzを使用して、 Mxを求める。 Mxは次式で 求められる。
[0104] Mx=rFy + eFz
ステップ 4 :前後方向成分 Fxを求める。式 (4)から適宜な 2つの式 (ここでは、 j2¾6 )を選択し、 2つの式の加算または減算（ここでは、加算）により、 Fxおよび Mzを消去 することにより求める。 Fxは次式で求められる。
[0105] Fx= {j2+j6- 2k}/2m
ステップ 5 :y軸回りのモーメント（車輪回転トルク） Myを求める。ステップ 4で得られ た Fxを使用して、 Myを求める。 Myは次式で求められる。
[0106] My=rFx
ステップ 6： z軸（垂直方向）回りのモーメント Mzを求める。式（4)から適宜な 2つの式 (ここでは、 jlと j3)を選択し、 2つの式の加算または減算（ここでは、減算）により、 Fy を消去し、 Fxと Mzの 1次式を求めるとともに、式（4)から適宜な 2つの式（ここでは、 j 2と j6)を選択し、 2つの式の加算または減算（ここでは、減算）により、 Fyを消去し、 F Xと Mzの 1次式を求める。 2つの 1次式から Fxを消去することで Mzが求まる。 Mzは 次式で求められる。
[0107] Mz= { -jl +j2-j3-j6 + 2k}/2n
なお、図 8に示す超音波センサの取付け構造は、一例であり、これに限定されるも のではなぐ図 14に示すようなものとすることもできる。図 14において、超音波センサ ( Sti)は、固定側軌道部材 (3)に取り付けるためのフランジ部 (61a)が設けられた筒状の ケース (61)およびケース (61)内に配置された振動子 (62)を有しており、固定側軌道部 材 (3)のフランジ部 (61a)が当てられる部分に、複数個のめねじ部 (3c)が設けられており 、フランジ部 (61a)に設けられたボルト揷通孔カも揷通されたボルト (63)がこのめねじ部 (3c)にねじ合わされることにより、ケース先端に所定の予荷重が設定されて、超音波 センサ (StiXStoXSbiXSbo)が固定側軌道部材 (3)に取り付けられている。
[0108] また、図 15および図 16に示すように、ハブユニットの構成を変更して、センサ設置 に伴う強度低下をなくすようにすることができる。以下の説明において、図 6から図 8ま でと同じ構成には同じ符号を付してその説明を省略する。
[0109] 図 15および図 16において、超音波センサ (Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、図 15に示されて V、る車体側軌道部材 (23)の最上部 =頂部 (StiXSto) (図 7に Aで示す位置）および車 体側軌道部材 (23)の最下部 =底部 (SbiXSbo) (図 7に Dで示す位置）のほかに、車体 側軌道部材 (23)の上下の中間部の後側 =後部（図 7に Bで示す位置)および車体側 軌道部材 (23)の上下の中間部の前側 =前部（図 7に Cで示す位置）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、これに限定されるもので はない。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 (StiXSto)がそれぞれ取り付けら れている。この取付け構造は、図 8に拡大して示したものと同じであるので、図 8と同じ 構成に同じ符号を付してその説明は省略する。図 8と同じ構成に代えて、図 14の構 成としたり、その他の構成としてもよいことはもちろんである。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ぐ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 、）設けられてもよ 、。
[0110] 上記における超音波センサ (2)(Sti)(Sbi)(Sto)(Sbo)としては、通常の単振動子のもの が使用されている。この単振動子の超音波センサに代えて、図 17に示すように、多 振動子超音波センサ (50) (各超音波センサ (StiXSbiXStoXSbo)を符号 (50)により総称 する）は、計 10個の振動子 (50b)が転動体 (25)の P. C. D.と同心の円の周方向に等 ピッチで並ぶようにケース (50a)内に設けられたもので、 1から 10までの各振動子 (50b) は、それぞれが超音波を出力してその反射波を受信部で受けることができ、その反 射エコーを求めることができる。 1から 10までの各振動子 (50b)は、転動体 (25)のピッ チを pとして、 pZlOの間隔で配置されている。 [0111] 1から 10までの各振動子 (50b)力もの出力は、それぞれ上記のエコー比として求めら れる。エコー比と転動体荷重との関係は、単振動子のものと同様に、図 11に示す関 係を有しており、これを利用してエコー比力も転動体荷重を求めることができる。
[0112] また、エコー比は、回転速度と図 18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。超音波センサ (5 0)が複数の振動子 (50b)を有していることから、図 19に示すように、転動体 (25)が 1ピッ チの lZlO (=pZlO)公転するごとに、超音波センサ (50)は、 1から 10までの各振動 子 (50b)が順次パルスを 1つずつ検出することになり、全体では、振動子が 1つの超音 波センサに比べて、 10倍のパルス数 (複合パルス信号）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。
[0113] 超音波センサ (2)(50)では、転動体荷重を検出しょうとするときに、エコー比が軸受 荷重に依存するのみではなぐ転動体 (5)(25)のセンサ (2)(50)に対する位置にも依存 する。したがって、軸受荷重が同じであっても、転動体 (5)(25)の位置により、エコー比 が変化する。軸受荷重の変化が激しくなぐ回転速度が速いときには、単振動子の超 音波センサ (2)でも、転動体荷重の検出精度に問題はないが、軸受荷重の変化が激 しぐ回転速度が遅いときには、単振動子の超音波センサ (2)では、転動体荷重の検 出に問題が出てくる可能性がある。検出できる限界荷重変動周波数は、簡易的には 、内輪回転速度（1Z秒） X振動子数 X転動体数 Z2で表され、振動子の数に比例し て増加するので、転動体数 9個の場合、検出できる荷重変動周波数は、図 20に示す ようなものとなる。したがって、軸受荷重の変動が激しぐ回転速度が遅い場合は、図 17に示したような多振動子 (50b)の超音波センサ (50)の使用が有効となり、これにより 、変化の激しい動的荷重でも精度よく検出することができる。
[0114] なお、多振動子 (50b)の超音波センサ (50)では、 1から 10までの各振動子 (50b)から 出力されるエコー比は、車輪の回転速度が時間とともに変化することに応じてその増 減回数が時間とともに変化する。そこで、センサ装置 (2)の処理手段に、 1から 10まで の各振動子 (50b)のパルス数を数えるパルス数カウント部と、公転速度演算部および 回転速度変換部からなりパルス数カウント部で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とを設けておくことにより、パルス数カウント部において、 エコー比が所定の閾値を越えるごとに、その回数 (パルス数)を数え、回転速度演算 部において、このパルス数を使用して回転速度を求めることができる。
[0115] 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。上記のように振動子 (50b)の 配置が転動体 (25)のピッチ pに対応してそれぞれ pZlOずらされているので、公転速 度演算部では、周方向に並んだ 1から 10までの各振動子 (50b)からのすベてのパル ス数が使用されて、転動体 (25)の公転速度が求められる。回転速度変換部では、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、 1から 10まで のすベての振動子 (50b)力 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。
[0116] こうして、 3方向分力を求めるための超音波センサ (50)によって、回転側軌道部材 (2 4)の回転速度を求めることができ、回転側軌道部材 (24)にパルサリングを設けることな ぐ回転情報を得ることができる。
[0117] 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力 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ィ匕して使用することができる。 産業上の利用可能性
[0118] この発明のセンサ装置によると、転がり軸受に作用する荷重を検出するに際し、被 検知部の材料選択に制約が少なぐまた、被検知部への追加の加工も必要でないも のとすることができ、また、これを自動車のセンサ付きハブユニットに適用した場合に 、タイヤ接地荷重の 3方向分力を求めることができ、車両制御の精度向上に資するこ とがでさる。

Claims

請求の範囲
[1] 互いに接触する可動体および固定体力 なり外部荷重に応じて両者間の接触面 積が変化する被検知部と、固定体に取り付けられ被検知部の接触面積を検知する接 触面積検知センサと、外部荷重と接触面積との相関関係を利用してセンサ出力から 外部荷重を求める処理手段とを備えていることを特徴とするセンサ装置。
[2] 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。
[3] 処理手段は、転動体荷重と接触面積との関係を示す理論式を蓄える理論式蓄積 部と、センサ出力と接触面積との関係を示す実験式を蓄える実験式蓄積部と、セン サ出力から実験式を使って接触面積を求める接触面積演算部と、この接触面積から 理論式を使って転動体荷重を求める転動体荷重演算部とを有している請求項 2のセ ンサ装置。
[4] 接触面積検知センサは、接触面積の変化を超音波のエコーで測定する超音波セ ンサである請求項 3のセンサ装置。
[5] 超音波センサは、所定ピッチで並ぶ複数の振動子を内部に有していることを特徴と する請求項 4のセンサ装置。
[6] 複数の振動子は等ピッチで配置されており、振動子のピッチ X振動子の数 =転動 体の 1ピッチとされている請求項 5のセンサ装置。
[7] 転がり軸受と、転がり軸受に取り付けられた接触面積検知センサと、実験式蓄積部
、理論式蓄積部、接触面積演算部、転動体荷重演算部および 3方向分力演算部を 有する処理手段とを備えているセンサ付き転がり軸受装置。
[8] 転がり軸受と、超音波センサと、超音波センサを使用して予め測定されたエコー比 と転動体荷重との関係を蓄積する実験式蓄積部、エコー比力 転動体荷重を求める 転動体荷重演算部、および転動体荷重から 3方向分力演算部を有する処理手段と を備えて!/、るセンサ付き転がり軸受装置。
[9] 請求項 7のセンサ付き転がり軸受装置において 3方向分力を演算する方法であつ て、
接触面積検知センサ力 転がり軸受の転動体と軌道溝との接触面に超音波を出射 するステップと、
接触面積演算部において、実験式蓄積部に蓄積されて 、る出力と接触面積との関 係を使用して、転動体と軌道溝との接触面からの超音波の出力を接触面積に換算 するステップと、
転動体荷重演算部において、理論式蓄積部に蓄積されている荷重と接触面積との 関係を使用して、接触面積演算部で得られた接触面積を転動体荷重に換算するス テツプと、
3方向分力演算部において、転動体荷重演算部で得られた転動体荷重を使用して 3方向分力を演算するステップとを包含するセンサ付き転がり軸受装置における 3方 向分力演算方法。
[10] 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 、るセンサ付き転がり軸受装置にぉ 、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力所に 設けられかつ転動体荷重をエコー比として検知する超音波センサと、各超音波セン サの出力から転がり軸受に作用する荷重の 3方向成分のうち少なくとも上下方向成 分および左右方向成分を求める処理手段とを備えていることを特徴とするセンサ付き 転がり軸受装置。
[11] 超音波センサは、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おり、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て!、る 請求項 10のセンサ付き転がり軸受装置。
[12] 超音波センサは、固定側軌道部材に取り付けるためのフランジ部を有する筒状の ケースおよびケース内に配置された振動子を有しており、固定側軌道部材に設けら れた有底のめねじ部に、フランジ部に設けられたボルト揷通孔力ゝら揷通されたボルト 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て 、る請求項 10のセ ンサ付き転がり軸受装置。
[13] 転がり軸受は、自動車用ハブユニットであり、転動体荷重力 ハブユニットに作用す る荷重を求める式として、処理手段に下記式（1)が設けられていることを特徴とする 請求項 10のセンサ付き転がり軸受装置。
fl = a + bFy斗 cFz-|- dMx
f2 = a + bFy斗 cFx- dMz
f3 = a + bFy— cFz— dMx
f4 = a + bFy— cFx- dMz ·
f5 = a — bFy斗 cFz— dMx
f6 = a — bFy斗 cFx- dMz
f7 = a -bFy- cFz-|- dMx
f8 = a -bFy- cFx- dMz
ただし、 a :ハブユニットの予圧による転動体荷重、 b, c, d:外力に依存しない係数 、 Fx, Fy, Fz :荷重の前後（x軸)方向成分、左右 (y軸)方向成分および上下 (z軸） 方向成分、 Mx, Mz : x軸、 z軸回りのモーメント、 fl〜f8 :各センサ位置での転動体 荷重。
[14] センサの数が 2つとされ、処理手段は、式（1)のうちの適宜な 2つの式と下記式（2) とから転がり軸受に作用する荷重の上下方向成分および左右方向成分を求めるもの である請求項 13のセンサ付き転がり軸受装置。
Mx=r X Fy + e X Fz 式（2)
ただし、 r :車輪転がり半径、 e :y軸方向における Fzの作用点とハブユニット中心の ずれ。
[15] センサの数が 4つとされ、処理手段は、式（1)のうちの適宜な 4つの式、式（2)およ び下記式 (3)から転がり軸受に作用する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ものである請求項 13のセンサ付き転がり軸受装置。
My=r X Fx 式（3)
ただし、 My :y軸回りのモーメント。
[16] 超音波センサで測定されたエコー比を用いて転がり軸受に作用する荷重が求めら れており、そのための式として、処理手段に下記式 (4)〜式 (6)が設けられていること を特徴とする請求項 10のセンサ付き転がり軸受装置。
j l =k+lFv+mFz+nMx ]2 =k- lFyl mFx-F -nMz
]3 =k- lFy- -mFz— nMx
]4 =k- lFy- -mFx— -nMz '
]5 =k- -lFy4 mFz— nMx
]6 =k- -lFy4 -mFx— -nMz
]7 =k- -lFy- -mFz斗 nMx
]8 =k- -lFy- mFx -nMz
Mx=rXFy + eXFz 式（5)
My=rXFx 式（6)
ただし、 k:ハブユニットの予圧によるエコー比、 1, m, n:外力に依存しない係数、 F X, Fy, Fz:荷重の前後（X軸)方向成分、左右 (y軸)方向成分および上下 (z軸)方向 成分、 Mx, My, Mz:x軸、 y軸、 z軸回りのモーメント、 jl〜j8:各センサ位置でのェ コー比、 r:車輪転がり半径、 e:y軸方向における Fzの作用点とハブユニット中心のず れ。
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