センサ付き転がり軸受装置及び転がり軸受用の荷重測定システム
【課題】コストの低減が可能となるセンサ付き転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】外輪の軌道と転動体との接触面に超音波を入射し当該接触面からの反射波を受信する超音波センサを備え、この超音波センサは、前記反射波のアナログ信号のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する制御装置６に接続されている。制御装置６は、前記ピーク値を所定時間だけ維持するピークホールド回路２５と、このピークホールド回路２５で得られたピークホールド信号Ｐ２をデジタル信号Ｐ３に変換するＡ／Ｄ変換回路２６と、このＡ／Ｄ変換回路２６で得られたデジタル信号Ｐ３に基づいて転動体荷重を演算する演算部２８とを備えている
【解決手段】外輪の軌道と転動体との接触面に超音波を入射し当該接触面からの反射波を受信する超音波センサを備え、この超音波センサは、前記反射波のアナログ信号のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する制御装置６に接続されている。制御装置６は、前記ピーク値を所定時間だけ維持するピークホールド回路２５と、このピークホールド回路２５で得られたピークホールド信号Ｐ２をデジタル信号Ｐ３に変換するＡ／Ｄ変換回路２６と、このＡ／Ｄ変換回路２６で得られたデジタル信号Ｐ３に基づいて転動体荷重を演算する演算部２８とを備えている
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、センサ付き転がり軸受装置、及び転がり軸受用の荷重測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車輪を支持する転がり軸受装置として従来知られているものに、車体側に固定される筒状の固定部材と、この固定部材と同心状にあり車輪が取り付けられる回転部材と、これら固定部材と回転部材との間で転動自在の二列の転動体とを備えているものがある。そして、自動車の走行制御を行うために種々の情報が必要とされており、その情報の一つとして転がり軸受装置に作用する荷重がある。この転がり軸受装置に作用する荷重を求めるために、転がり軸受装置にセンサを設け、このセンサの出力信号から転動体荷重を検出することが提案されている。
このようなセンサとして超音波センサを用いることができ、例えば特許文献１に示しているように、超音波センサを用いて転動体と軌道との間の接触力（転動体荷重）を検出できるものがある。この特許文献１では、転動体と軌道との接触面に超音波を入射するとともにその接触面からの反射波を受信し、この反射波のアナログ信号のピーク値を検出し、予め測定した基準値との比較を行うことにより接触力を検出している。
【０００３】
【特許文献１】特許第２５８１７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記超音波センサで用いられる周波数は例えば５ＭＨｚ〜２０ＭＨｚと高周波であるため、反射波のアナログ信号のピーク値をデジタル信号に変換するためには、この高周波に応じた変換速度を有する高速対応のＡ／Ｄコンバータが必要となる。このような高速対応のＡ／Ｄコンバータは高価であるため、自動車の走行制御のために搭載するセンサ付き転がり軸受装置に高速対応のＡ／Ｄコンバータを用いると、コストが高くなる場合がある。
そこで、この発明はコストの低減が可能となるセンサ付き転がり軸受装置、及び転がり軸受用の荷重測定システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、外周に軌道を有する内輪と、内周に軌道を有する外輪と、これら内外輪の軌道間で転動自在に設けられた転動体と、前記内輪又は外輪の軌道と前記転動体との接触面に超音波を入射し当該接触面からの反射波を受信する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、前記センサ装置は、前記反射波のアナログ信号のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する制御装置に接続され、前記制御装置は、前記アナログ信号のピーク値を所定時間だけ維持するピークホールド回路と、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、このＡ／Ｄ変換回路で得られた前記デジタル信号に基づいて前記転動体荷重を演算する演算部とを備えているものである。
この構成によれば、センサ装置が得た反射波のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する処理において、反射波が高周波であっても、ピークホールド回路により当該反射波のアナログ信号のピーク値を所定時間だけ維持できるため、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路を低速対応のものとできる。これにより、高価な高速対応のＡ／Ｄ変換回路ではなく、安価な低速対応のもので処理できる。
【０００６】
また、前記センサ付き転がり軸受装置において、前記制御装置は、前記センサ装置の振動子を所定の時間間隔で振動させるパルス発生回路と、このパルス発生回路の作動時点から前記ピークホールド回路の作動時点までの遅延時間を可変に設定することができるディレイ回路とを備えているのが好ましい。
これにより、センサ装置から、軌道と転動体との接触面までの間における超音波の伝播距離に応じて遅延時間を設定できる。これにより、ピークホールド回路はピーク値を正確に維持することができる。
【０００７】
また、この発明は、転がり軸受装置を構成する内輪又は外輪の軌道とこれらの軌道間に介在する転動体との接触面に超音波を入射し当該接触面からの反射波を受信するセンサ装置と、前記反射波のアナログ信号のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する制御装置とを備えている転がり軸受用の荷重測定システムにおいて、前記制御装置は、前記アナログ信号のピーク値を所定時間だけ維持するピークホールド回路と、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、このＡ／Ｄ変換回路で得られた前記デジタル信号に基づいて前記転動体荷重を演算する演算部とを備えているものである。
この構成によれば、センサ装置が得た反射波のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する処理において、反射波が高周波であっても、ピークホールド回路により当該反射波のアナログ信号のピーク値を所定時間だけ維持できるため、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路を低速対応のものとできる。これにより、高価な高速対応のＡ／Ｄ変換回路ではなく、安価な低速対応のもので処理できる。
【０００８】
また、前記転がり軸受用の荷重測定システムにおいて、前記制御装置は、前記センサ装置の振動子を所定の時間間隔で振動させるパルス発生回路と、このパルス発生回路の作動時点から前記ピークホールド回路の作動時点までの遅延時間を可変に設定することができるディレイ回路とを備えているのが好ましい。
これにより、軌道と転動体との接触面と、センサ装置との間における超音波の伝播距離に応じて遅延時間を設定できる。これにより、ピークホールド回路はピーク値を正確に維持することができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、センサ装置が得た反射波のアナログ信号のピーク値をピークホールド回路によって所定時間だけ維持できるため、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路を、安価な低速対応のものとでき、コストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明のセンサ付き転がり軸受装置の実施の一形態を示す断面図である。図２はこのセンサ付き転がり軸受装置を軸線Ｃ方向から見た図である。このセンサ付き転がり軸受装置（以下、転がり軸受装置とも言う）は、自動車などの車両の車輪を懸架装置に対して回転可能に支持することができるものである。なお、この転がり軸受装置を車体に取り付けた状態で、軸線Ｃ方向が車幅方向となる水平左右方向（ｙ軸方向）となり、この軸線Ｃに直交する水平方向が水平前後方向（ｘ方向）となり、左右方向と前後方向とに直交する方向が上下方向（ｚ方向）となる。すなわち、この転がり軸受装置において、図１に示しているように、左側が車両の内側となり、右側が車両の外側となる。
【００１１】
この転がり軸受装置は、車輪（図示せず）が取り付けられるハブ軸２と、このハブ軸２の左右方向内側の一部に外嵌した内輪部材３と、このハブ軸２及び内輪部材３と同軸状に配置され車体側に固定される外輪１と、ハブ軸２及び内輪部材３と外輪１との間に転動自在に介在した二列の転動体としての玉５ａ，５ｂとを備えている。
【００１２】
ハブ軸２は、軸部２ｂと、この軸部２ｂの左右方向外側にあり車輪（図示せず）を取り付けるフランジ部２ａとを有している。内輪部材３はハブ軸２の軸部２ｂの左右方向内側に外嵌固定しており、ハブ軸２と一体回転する。また、内輪部材３は軸部２ｂの内側端部に螺合させたナット４により抜け止めされている。外輪１は、ハブ軸２の軸部２ｂ及び内輪部材３の径方向外側にあり、車体側に固定される筒状の固定部材である。外輪１の内周面には前記玉５ａ，５ｂがそれぞれ転動する内側の第１外輪軌道１２ａ及び外側の第２外輪軌道１２ｂが形成されている。外輪１の外周面には車両の懸架装置（図示せず）に取り付けるための取付フランジ１ａが形成されている。そして、外輪１に複数の超音波センサからなるセンサ装置１０が取り付けられている。
【００１３】
内輪部材３の外周面に、前記第１外輪軌道１２ａに対向する第１内輪軌道１５ａが形成されており、ハブ軸２の軸部２ｂの外側部分の外周面に、前記第２外輪軌道１２ｂに対向する第２内輪軌道１５ｂが形成されている。これにより、第１外輪軌道１２ａと第１内輪軌道１５ａとの間に玉５ａが介在し、第２外輪軌道１２ｂと第２内輪軌道１５ｂとの間に玉５ｂが介在し、固定部材である外輪２に対して、ハブ軸２及び内輪部材３は回転自在となる。つまり、内輪部材３及びハブ軸２が外周に軌道を有する回転部材（内輪）となる。
【００１４】
センサ装置１０の各超音波センサは、外輪１の左右方向内側の第１外輪軌道１２ａと左右方向内側の玉５ａとの間の接触面における状態、及び外輪１の左右方向外側の第２外輪軌道１２ｂと左右方向外側の玉５ｂとの間の接触面における接触状態を検出するためのものであり、具体的には、各接触面に作用する転動体荷重を検出するためのものである。外輪１の左右方向内外のそれぞれにおいて、超音波センサは周方向で等間隔の四箇所に設けられている。具体的には、左右方向内側の列の玉５ａと第一外輪軌道１２ａとの間における転動体荷重を検出するために、四つの超音波センサ７ｔｉ，７ｂｉ，７ｆｉ，７ｒｉが設けられており、左右方向外側の列の玉５ｂと第二外輪軌道１２ｂとの間における転動体荷重を検出するために四つの超音波センサ７ｔｏ，７ｂｏ，７ｆｏ，７ｒｏが設けられている。
【００１５】
超音波センサ７ｔｉ，７ｔｏは外輪１の上部にそれぞれ設けられており、検出対象位置を、第１、第２外輪軌道１２ａ，１２ｂのうちの最上位置における玉５ａ，５ｂとの接触面としている。超音波センサ７ｂｉ，７ｂｏは外輪１の下部にそれぞれ設けられており、検出対象位置を、第１、第２外輪軌道１２ａ，１２ｂのうちの最下位置における玉５ａ，５ｂとの接触面としている。超音波センサ７ｆｉ，７ｆｏは外輪１の水平前部にそれぞれ設けられており、検出対象位置を、第１、第２外輪軌道１２ａ，１２ｂのうちの水平前位置における玉５ａ，５ｂとの接触面としている。超音波センサ７ｒｉ，７ｒｏは外輪１の水平後部にそれぞれ設けられており、検出対象位置を、第１、第２外輪軌道１２ａ，１２ｂのうちの水平後位置における玉５ａ，５ｂとの接触面としている。
【００１６】
これら超音波センサの取付構造はすべてについて同様であり、その代表として、外輪１の上部における超音波センサ７ｔｉの取付部を、図３の断面図により説明する。超音波センサ７ｔｉは、外周に雄ねじ部が形成された筒状のケース８と、このケース８内に設けた振動子（超音波深触子）９とを有している。外輪１にはネジ孔３７が形成されており、このネジ孔３７にケース８がそのねじ込み量を調整可能として取り付けられている。また、ネジ孔３７の底面と超音波センサ７ｔｉ（振動子９）との間には緩衝材３８が介在している。そして、超音波センサ７ｔｉは、玉５ａと第一外輪軌道１２ａとの接触面に直交する方向を超音波の入射方向としている。
【００１７】
そして図１において、センサ装置１０の各超音波センサは、信号線を介して例えば車体側のＥＣＵ等よりなる制御装置６に接続されている。図４は、このセンサ装置１０と、当該センサ装置１０が接続されている制御装置６とを示すブロック図である。制御装置６は、各超音波センサが受信した反射波を処理し、反射波のピーク値に基づいて転動体荷重を演算することができる。制御手段６は、センサ装置１０が受信した信号を処理する信号処理部１１と、この信号処理部１１で得られた信号に基づいて転動体荷重を演算する演算部２８とを備えている。
【００１８】
信号処理部１１は、車両に搭載したバッテリ（図示せず）の電圧を昇圧（例えば１２Ｖから１００Ｖへ昇圧）する昇圧回路２１と、昇圧した電圧によりパルス波を発生するパルス発生回路２２とを有している。パルス発生回路２２から受けたパルス波によりセンサ装置１０の各超音波センサの振動子が励起され、各超音波センサは玉５ａ，５ｂと軌道１２ａ，１２ｂとの接触面に超音波を入射し、超音波センサはその接触面からのエコー（反射波）を受信する。さらに、信号処理部１１は、超音波センサがエコーを受信して出力したアナログ信号を増幅する増幅回路２３と、この増幅回路２３で増幅したアナログ信号を正負反転させ得る正負反転回路２４と、正負反転させたアナログ信号Ｐ１のピーク値（最大エコー振幅）を所定時間だけ維持するピークホールド回路２５と、このピークホールド回路２５で得られたアナログ信号であるピークホールド信号Ｐ２をデジタル信号Ｐ３に変換するＡ／Ｄ変換回路２６とを備えている。そして、このＡ／Ｄ変換回路２６で得られたデジタル信号Ｐ３に基づいて、前記演算部２８が転動体荷重を演算する。さらに、信号処理部１１は、ピークホールド回路２５に動作信号を与えるディレイ回路２７を備えている。
【００１９】
この信号処理部１１及び演算部２８における信号処理方法及び演算方法について説明する。信号処理部１１の機能によりトリガ信号を発し、パルス発生回路２２はこのトリガ信号に基づいてパルス波を発生する。パルス発生回路２２のパルス波によりセンサ装置１０の各超音波センサの振動子を所定の時間間隔で振動させる。そして、各超音波センサは、玉５ａ，５ｂと軌道１２ａ，１２ｂとの接触面に超音波を入射し、その接触面からのエコーを受信しアナログ信号を出力する。
【００２０】
そして、増幅回路２３は超音波センサからのアナログ信号（電圧）を増幅する。正負反転回路２４は、増幅回路２３で増幅したアナログ信号のうちのピーク値が負の値で得られる場合に、これを正の値に反転する。これは、後の演算部２８において得るピーク値の強度である最大エコー強度を正の値とする（絶対値を得る）ためである。なお、ピーク値が正の値で得られる場合は正負反転回路２４において正負反転を行わないようにしてもよい。そして、ピークホールド回路２５が作動し、ピークホールド回路２５は正負反転回路２４で得られたアナログ信号Ｐ１のピーク値を所定時間だけ維持する。
【００２１】
なお、信号処理部１１の機能による前記トリガ信号に基づいて、ディレイ回路２７は、パルス発生回路２２の作動時点、つまりパルス波の発生時点から所定の時間（０．５μｓｅｃ〜１．０μｓｅｃ）だけ遅らせて、ピークホールド回路２５を作動させる。つまり、ディレイ回路２７は、ピークホールド回路２５によってピーク値の維持を開始するタイミング（ピークホールドのタイミング）を、超音波センサによる超音波発生から所定の時間だけ遅らせて実行する。なお、前記所定の時間（遅延時間）はパルス発生回路２２の作動時点からピークホールド回路２５の作動時点までの時間であり、この遅延時間の設定はディレイ回路２７において、各超音波センサから軌道１２ａ，１２ｂと玉５ａ，５ｂとの接触面までの伝播距離に応じて可変である。これにより、ピークホールド回路２５はピーク値を正確に維持する動作が可能となる。
【００２２】
このピークホールド回路２５は、超音波センサが受信した反射波のデジタル信号のピーク値の電圧を維持する複合コンデンサー（図示せず）と、維持した電圧（ホールド電圧）の減衰を防ぐ抵抗（図示せず）とを有している。図５はピークホールド回路２５の機能を説明する説明図であり、（ａ）はピークホールド回路２５を機能させていない比較例であり、（ｂ）はピークホールド回路２５を機能させた実施例である。図５において横軸が時間であり、縦軸がエコー強度（電圧）である。図５（ａ）に示しているように、超音波センサが受信したエコーにより出力したアナログ信号は高周波であり、この高周波のアナログ信号をデジタル信号に変換するためには、高速対応のＡ／Ｄ変換回路が必要となる。しかし、ピークホールド回路２５（図４参照）によれば、ピーク値を所定時間について維持してピークホールド信号Ｐ２を得ることができることから、図５（ｂ）に示している波形となり、このピークホールド信号Ｐ２を低速対応のＡ／Ｄ変換回路２６によって処理できる。すなわち、超音波センサのエコーによる受信信号が高周波であっても、その受信信号のピーク値（ピークホールド信号Ｐ２）を低速対応のＡ／Ｄ変換回路２６によりデジタル信号に変換できる。これにより、高価な高速対応のＡ／Ｄ変換回路を用いる必要が無くなり、安価な低速対応のＡ／Ｄ変換回路２６で済み、コストが低減できる。
【００２３】
そして、Ａ／Ｄ変換回路２６により、アナログ信号である前記ピークホールド信号Ｐ２をデジタル信号Ｐ３である最大エコー強度として得ることができ、これを用いて演算部２８において転動体荷重、さらにこれを用いて転がり軸受装置に作用する荷重を求める演算を行う。なお、昇圧回路２１、パルス発生回路２２、増幅回路２３、正負反転回路２４、ピークホールド回路２５、Ａ／Ｄ変換回路２６、及びディレイ回路２６、並びに、超音波センサは従来知られているものを採用することができる。また、演算部２８はＣＰＵ、メモリなどを有して演算処理を行うマイコンにより構成できる。
なお、この実施の形態では、制御手段６の信号処理部１１及び演算部２８をＥＣＵとして説明したが、変形例として、図示しないが、転がり軸受装置の固定部材である外輪１側に基板を設け、この基板に制御手段６のうちの信号処理部１１を設けてもよく、さらには、この基板に演算部２８も設けてもよい。
【００２４】
以上のように、各超音波センサがエコーを受信することにより演算部２８は最大エコー強度を得ることができ、演算部２８において式（１）に示すエコー比を求めることができる。
エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０ ・・・（１）
ただし、Ｈ０：玉５ａ，５ｂが超音波センサから半ピッチ離れたときの最大エコー強度（なお、１ピッチは周方向で隣り合う二つの玉間の周方向距離である）
Ｈ１：玉５ａ，５ｂが超音波センサの直下に位置するときの最大エコー強度
【００２５】
なお、玉５ａ，５ｂと軌道１２ａ，１２ｂとの間において作用する荷重が大きい場合、両者の接触面積が大きくなり、エコー（最大エコー強度Ｈ１）が小さくなることから大きいエコー比が得られる。そして、このエコー比は転動体荷重と例えば図６に示している関係を有しており、この関係を用いてエコー比から転動体荷重を求めることができる。なお、エコー比と転動体荷重との関係は予め測定することで得られる。走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴って、車輪に作用する接地荷重が変動し、この接地荷重に応じて転動体荷重が変化する。さらに、複数の超音波センサを設けた場合、車輪に作用する前後荷重、左右荷重、及び上下荷重の成分ごとにそれぞれ超音波センサへの影響度が異なっている。そこで、予め、転がり軸受装置に前後荷重が作用した場合の転動体荷重及びこれに対応するエコー比、左右荷重が作用した場合の転動体荷重及びこれに対応するエコー比、並びに、上下荷重が作用した場合の転動体荷重及びこれに対応するエコー比を求めておくことにより、各超音波センサで得られたエコー比により転がり軸受装置に作用する荷重の３方向分力を求めることができる。
【００２６】
制御手段６の演算部２８には、前記エコー比の式、各超音波センサで得られたエコー比からそのセンサ位置の転動体荷重を求める式、これら転動体荷重から転がり軸受装置に作用する荷重（タイヤ接地荷重）の上下方向成分、左右方向成分、前後方向成分を求める式が記憶されており、さらに演算部２８は各式に基づいて演算を実行する。
【００２７】
演算部２８において行われる処理について具体的に説明する。負荷時の転動体荷重と転がり軸受装置に作用する外力（荷重ＦおよびモーメントＭ）の関係は、次の式（２）で表せる。
【００２８】
ｆ１＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ２＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ｆ３＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ４＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｘ−ｄＭｚ ・・・（２）
ｆ５＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ６＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｘ−ｄＭｚ
ｆ７＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ８＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ただし、
ａ：転がり軸受装置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：荷重の前後方向成分、左右方向成分、上下方向成分
Ｍｘ，Ｍｚ：ｘ軸回りのモーメント、ｚ軸回りのモーメント
ｆ１〜ｆ８：超音波センサの出力から得られる転動体荷重であり、
ｆ１：上部内側の超音波センサ７ｔｉによるもの
ｆ２：水平後部内側の超音波センサ７ｒｉによるもの
ｆ３：下部内側の超音波センサ７ｂｉによるもの
ｆ４：水平前部内側の超音波センサ７ｆｉによるもの
ｆ５：上部外側の超音波センサ７ｔｏによるもの
ｆ６：水平後部外側の超音波センサ７ｒｏによるもの
ｆ７：下部外側の超音波センサ７ｂｏによるもの
ｆ８：水平前部外側の超音波センサ７ｆｏによるもの
そして、この式（２）の関係を用いることによって、転動体荷重から転がり軸受装置に作用する外力を求めることができる。
【００２９】
一方、車輪において、次の式（３）及び式（４）が成立する
Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ ・・・（３）
ただし、ｒ：車輪の転がり半径
ｅ：左右（ｙ軸）方向におけるＦｚの作用点と転がり軸受装置中心とのずれ
Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ ・・・（４）
ただし、Ｍｙ：ｙ軸回りのモーメント
【００３０】
そして、前記式（２）のｆ１とｆ３及び式（３）を用いることにより、左右方向成分Ｆｙ及び上下方向成分Ｆｚを求めることができる。すなわち、ｆ１＋ｆ３とすることによりＦｙが求まり、ｆ１−ｆ３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（３）のうちのＦｙが求まっていることから、このＦｙを用いて式（３）においてＦｚとＭｘとが含まれる一次式となり、これら二つの一次式を連立させることで、ＦｚとＭｘとが求まる。
【００３１】
このように、２つの超音波センサ７ｔｉ，７ｂｉにより、車輪に作用する荷重の上下方向成分Ｆｚ及び左右方向成分Ｆｙ、並びに、付随的にｘ軸回りのモーメントＭｘ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Ｆｚ及び左右方向成分Ｆｙ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超音波センサ（２つの超音波センサ７ｔｉ，７ｂｉ）により求めることで、コストパフォーマンスの優れたセンサ付き転がり軸受装置を得ることができる。なお、上記において、ｆ１とｆ３とを用いたが、この組み合わせ以外のものを使用することもできる（例えばｆ１とｆ５）。
【００３２】
また、ｆ１＋ｆ７とすることによりＭｘを求め、ｆ１−ｆ７とすることによりＦｙ及びＦｚの一次式を求め、これらと式（４）とを組み合わせることにより、Ｍｘ、Ｆｙ及び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及びＦｘの一次式が求まるため、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とすることにより、Ｍｚを求めることができる。
【００３３】
このように、４つの超音波センサ７ｔｉ，７ｒｉ，７ｂｏ，７ｆｏにより、車輪に作用する６分力をすべて求めることができ、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。なお、上記においては、ｆ１，ｆ２，ｆ７及びｆ８を用いたが、この組み合わせ以外のものを使用することもできる（例えば、ｆ１，ｆ２，ｆ３及びｆ６）。
【００３４】
前記式（２）〜式（４）による場合、転がり軸受装置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及び転動体荷重とエコー比との相関関係を用いて２段階の演算により求めている。そこで、エコー比と転がり軸受装置に作用する外力との関係を直接求める方法としての式（５）について説明する。これによれば、誤差を小さくすることができる。
【００３５】
ｊ１＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ２＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｘ＋ｎＭｚ
ｊ３＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ４＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｘ−ｎＭｚ ・・・（５）
ｊ５＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ６＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｘ−ｎＭｚ
ｊ７＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ８＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｘ＋ｎＭｚ
ただし、
ｋ：転がり軸受装置の予圧によるエコー比
ｌ，ｍ，ｎ：外力に依存しない係数
Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ：荷重の前後方向成分、左右方向成分、上下方向成分
Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ：ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りのモーメント
ｊ１〜ｊ８：超音波センサの出力から得られるエコー比であり
ｊ１：上部内側のセンサ７ｔｉの出力によるもの
ｊ２：後部内側のセンサ７ｒｉの出力によるもの
ｊ３：下部内側のセンサ７ｂｉの出力によるもの
ｊ４：前部内側のセンサ７ｆｉの出力によるもの
ｊ５：上部外側のセンサ７ｔｏの出力によるもの
ｊ６：後部外側のセンサ７ｒｏの出力によるもの
ｊ７：下部外側のセンサ７ｂｏの出力によるもの
ｊ８：前部外側のセンサ７ｆｏの出力によるもの
【００３６】
この式（５）を用いた６分力の演算方法を説明する。６分力を求めるに際して、上記関係に加えて、車輪において、次の式（６）及び式（７）を用いる。
Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ ・・・（６）
Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ ・・・（７）
ただし、ｒ：車輪の転がり半径
ｅ：左右（ｙ軸）方向におけるＦｚの作用点と転がり軸受装置中心とのずれ
【００３７】
これら式（６）と式（７）を用い、ｊ１〜ｊ８の式（５）のうちの４式を用いることで、６分力を求めることができる。その一例として、ｊ１，ｊ２，ｊ３及びｊ６を用いた場合で説明する。
（ステップ１）左右方向成分Ｆｙを求める。式（５）から２つの式ｊ１とｊ３を選択し、これらの式の加算又は減算（ここでは加算）により、Ｆｚ及びＭｘを消去する。これにより、Ｆｙ＝（ｊ１＋ｊ３−２ｋ）／２が得られる。
（ステップ２）上下方向成分Ｆｚを求める。式（５）のうちの２つの式からＦｙを消去して得られるＦｚとＭｘとの一次式と、式（６）にＦｙを代入して得られるＦｚとＭｘとの一次式とから、Ｆｚを求める。これにより、Ｆｚ＝（１−ｎｒ）ｊ１−（１＋ｎｒ）ｊ３＋２ｋｎｒ／２・ｌ・（ｍ＋ｎｅ）が得られる。
【００３８】
（ステップ３）ｘ軸回りのモーメントＭｘを求める。ステップ１で得たＦｙ及びステップ２で得たＦｚを用いてＭｘを求める。これにより、Ｍｘ＝ｒＦｙ＋ｅＦｚが得られる。
（ステップ４）前後方向成分Ｆｘを求める。式（５）から２つの式ｊ２とｊ６を選択し、これらの加算又は減算（ここでは加算）により、Ｆｘ及びＭｚを消去する。これにより、Ｆｘ＝ｊ２＋ｊ６−２ｋ／２ｍが得られる。
【００３９】
（ステップ５）ｙ軸回りのモーメントＭｙを求める。ステップ４で得たＦｘを用いて、Ｍｙを求める。これにより、Ｍｙ＝ｒＦｘが得られる。
（ステップ６）ｚ軸回りのモーメントＭｚを求める。式（５）から２つの式ｊ１とｊ３を選択し、これらの加算又は減算（ここでは減算）により、Ｆｙを消去し、ＦｘとＭｚの一次式を求めると共に、式（５）から２つの式ｊ２とｊ６を選択し、これらの加算又は減算（ここでは減算）により、Ｆｙを消去し、ＦｘとＭｚの一次式を求める。二つの一次式からＦｘを消去することでＭｚが求まる。これにより、Ｍｚ＝−ｊ１＋ｊ２−ｊ３−ｊ６＋２ｋ／２ｎが得られる。
以上より、４つの超音波センサ７ｔｉ，７ｒｉ，７ｂｉ，７ｒｏにより、車輪に作用する６分力をすべて求めることができる。
【００４０】
また、この発明の転がり軸受装置の各実施の形態において、図１と図２に示しているように、固定部材である外輪２の周方向で四箇所に超音波センサが配設されており、これら超音波センサによる検出対象位置のそれぞれが、軌道１２ａ，１２ｂのそれぞれのうちの上位置、下位置、水平前位置、及び水平後位置における玉５ａ，５ｂとの接触面としている。これにより、超音波センサのそれぞれの受信信号に基づいて、転がり軸受装置に作用する荷重の３分力（前後方向荷重、左右方向荷重、上下方向荷重）を求めることができる。さらに、転がり軸受装置に作用する荷重のうちの求めたい分力（方向成分）には、他の方向の分力の影響により誤差が生じやすいが、この配置とすることで３方向の分力を精度良く求めることができ、さらに、各軸回りのモーメントについても求めることができる。なお、本発明のセンサ付転がり軸受装置は、前記実施形態に限定されるものではなく、転がり軸受装置について他の形態のものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明のセンサ付き転がり軸受装置の実施の一形態を示す断面図である。
【図２】図１のセンサ付き転がり軸受装置を軸線方向から見た図である。
【図３】外輪の上部における超音波センサの取付部を説明する断面図である。
【図４】センサ装置及び制御手段のブロック図である。
【図５】ピークホールド回路の機能を説明する説明図であり、（ａ）はピークホールド回路を機能させていない比較例であり、（ｂ）はピークホールド回路を機能させた実施例である。
【図６】エコー比と転動体荷重と関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１ 外輪
２ ハブ軸（内輪）
３ 内輪部材（内輪）
５ａ 玉（転動体）
５ｂ 玉（転動体）
６ 制御手段
７ 超音波センサ
１０ センサ装置
１１ 信号処理部
１２ａ 第１外輪軌道
１２ｂ 第２外輪軌道
１５ａ 第１内輪軌道
１５ｂ 第２内輪軌道
２５ ピークホールド回路
２８ 演算部
Ｃ 軸線
【技術分野】
【０００１】
この発明は、センサ付き転がり軸受装置、及び転がり軸受用の荷重測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車輪を支持する転がり軸受装置として従来知られているものに、車体側に固定される筒状の固定部材と、この固定部材と同心状にあり車輪が取り付けられる回転部材と、これら固定部材と回転部材との間で転動自在の二列の転動体とを備えているものがある。そして、自動車の走行制御を行うために種々の情報が必要とされており、その情報の一つとして転がり軸受装置に作用する荷重がある。この転がり軸受装置に作用する荷重を求めるために、転がり軸受装置にセンサを設け、このセンサの出力信号から転動体荷重を検出することが提案されている。
このようなセンサとして超音波センサを用いることができ、例えば特許文献１に示しているように、超音波センサを用いて転動体と軌道との間の接触力（転動体荷重）を検出できるものがある。この特許文献１では、転動体と軌道との接触面に超音波を入射するとともにその接触面からの反射波を受信し、この反射波のアナログ信号のピーク値を検出し、予め測定した基準値との比較を行うことにより接触力を検出している。
【０００３】
【特許文献１】特許第２５８１７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記超音波センサで用いられる周波数は例えば５ＭＨｚ〜２０ＭＨｚと高周波であるため、反射波のアナログ信号のピーク値をデジタル信号に変換するためには、この高周波に応じた変換速度を有する高速対応のＡ／Ｄコンバータが必要となる。このような高速対応のＡ／Ｄコンバータは高価であるため、自動車の走行制御のために搭載するセンサ付き転がり軸受装置に高速対応のＡ／Ｄコンバータを用いると、コストが高くなる場合がある。
そこで、この発明はコストの低減が可能となるセンサ付き転がり軸受装置、及び転がり軸受用の荷重測定システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、外周に軌道を有する内輪と、内周に軌道を有する外輪と、これら内外輪の軌道間で転動自在に設けられた転動体と、前記内輪又は外輪の軌道と前記転動体との接触面に超音波を入射し当該接触面からの反射波を受信する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、前記センサ装置は、前記反射波のアナログ信号のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する制御装置に接続され、前記制御装置は、前記アナログ信号のピーク値を所定時間だけ維持するピークホールド回路と、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、このＡ／Ｄ変換回路で得られた前記デジタル信号に基づいて前記転動体荷重を演算する演算部とを備えているものである。
この構成によれば、センサ装置が得た反射波のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する処理において、反射波が高周波であっても、ピークホールド回路により当該反射波のアナログ信号のピーク値を所定時間だけ維持できるため、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路を低速対応のものとできる。これにより、高価な高速対応のＡ／Ｄ変換回路ではなく、安価な低速対応のもので処理できる。
【０００６】
また、前記センサ付き転がり軸受装置において、前記制御装置は、前記センサ装置の振動子を所定の時間間隔で振動させるパルス発生回路と、このパルス発生回路の作動時点から前記ピークホールド回路の作動時点までの遅延時間を可変に設定することができるディレイ回路とを備えているのが好ましい。
これにより、センサ装置から、軌道と転動体との接触面までの間における超音波の伝播距離に応じて遅延時間を設定できる。これにより、ピークホールド回路はピーク値を正確に維持することができる。
【０００７】
また、この発明は、転がり軸受装置を構成する内輪又は外輪の軌道とこれらの軌道間に介在する転動体との接触面に超音波を入射し当該接触面からの反射波を受信するセンサ装置と、前記反射波のアナログ信号のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する制御装置とを備えている転がり軸受用の荷重測定システムにおいて、前記制御装置は、前記アナログ信号のピーク値を所定時間だけ維持するピークホールド回路と、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、このＡ／Ｄ変換回路で得られた前記デジタル信号に基づいて前記転動体荷重を演算する演算部とを備えているものである。
この構成によれば、センサ装置が得た反射波のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する処理において、反射波が高周波であっても、ピークホールド回路により当該反射波のアナログ信号のピーク値を所定時間だけ維持できるため、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路を低速対応のものとできる。これにより、高価な高速対応のＡ／Ｄ変換回路ではなく、安価な低速対応のもので処理できる。
【０００８】
また、前記転がり軸受用の荷重測定システムにおいて、前記制御装置は、前記センサ装置の振動子を所定の時間間隔で振動させるパルス発生回路と、このパルス発生回路の作動時点から前記ピークホールド回路の作動時点までの遅延時間を可変に設定することができるディレイ回路とを備えているのが好ましい。
これにより、軌道と転動体との接触面と、センサ装置との間における超音波の伝播距離に応じて遅延時間を設定できる。これにより、ピークホールド回路はピーク値を正確に維持することができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、センサ装置が得た反射波のアナログ信号のピーク値をピークホールド回路によって所定時間だけ維持できるため、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路を、安価な低速対応のものとでき、コストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明のセンサ付き転がり軸受装置の実施の一形態を示す断面図である。図２はこのセンサ付き転がり軸受装置を軸線Ｃ方向から見た図である。このセンサ付き転がり軸受装置（以下、転がり軸受装置とも言う）は、自動車などの車両の車輪を懸架装置に対して回転可能に支持することができるものである。なお、この転がり軸受装置を車体に取り付けた状態で、軸線Ｃ方向が車幅方向となる水平左右方向（ｙ軸方向）となり、この軸線Ｃに直交する水平方向が水平前後方向（ｘ方向）となり、左右方向と前後方向とに直交する方向が上下方向（ｚ方向）となる。すなわち、この転がり軸受装置において、図１に示しているように、左側が車両の内側となり、右側が車両の外側となる。
【００１１】
この転がり軸受装置は、車輪（図示せず）が取り付けられるハブ軸２と、このハブ軸２の左右方向内側の一部に外嵌した内輪部材３と、このハブ軸２及び内輪部材３と同軸状に配置され車体側に固定される外輪１と、ハブ軸２及び内輪部材３と外輪１との間に転動自在に介在した二列の転動体としての玉５ａ，５ｂとを備えている。
【００１２】
ハブ軸２は、軸部２ｂと、この軸部２ｂの左右方向外側にあり車輪（図示せず）を取り付けるフランジ部２ａとを有している。内輪部材３はハブ軸２の軸部２ｂの左右方向内側に外嵌固定しており、ハブ軸２と一体回転する。また、内輪部材３は軸部２ｂの内側端部に螺合させたナット４により抜け止めされている。外輪１は、ハブ軸２の軸部２ｂ及び内輪部材３の径方向外側にあり、車体側に固定される筒状の固定部材である。外輪１の内周面には前記玉５ａ，５ｂがそれぞれ転動する内側の第１外輪軌道１２ａ及び外側の第２外輪軌道１２ｂが形成されている。外輪１の外周面には車両の懸架装置（図示せず）に取り付けるための取付フランジ１ａが形成されている。そして、外輪１に複数の超音波センサからなるセンサ装置１０が取り付けられている。
【００１３】
内輪部材３の外周面に、前記第１外輪軌道１２ａに対向する第１内輪軌道１５ａが形成されており、ハブ軸２の軸部２ｂの外側部分の外周面に、前記第２外輪軌道１２ｂに対向する第２内輪軌道１５ｂが形成されている。これにより、第１外輪軌道１２ａと第１内輪軌道１５ａとの間に玉５ａが介在し、第２外輪軌道１２ｂと第２内輪軌道１５ｂとの間に玉５ｂが介在し、固定部材である外輪２に対して、ハブ軸２及び内輪部材３は回転自在となる。つまり、内輪部材３及びハブ軸２が外周に軌道を有する回転部材（内輪）となる。
【００１４】
センサ装置１０の各超音波センサは、外輪１の左右方向内側の第１外輪軌道１２ａと左右方向内側の玉５ａとの間の接触面における状態、及び外輪１の左右方向外側の第２外輪軌道１２ｂと左右方向外側の玉５ｂとの間の接触面における接触状態を検出するためのものであり、具体的には、各接触面に作用する転動体荷重を検出するためのものである。外輪１の左右方向内外のそれぞれにおいて、超音波センサは周方向で等間隔の四箇所に設けられている。具体的には、左右方向内側の列の玉５ａと第一外輪軌道１２ａとの間における転動体荷重を検出するために、四つの超音波センサ７ｔｉ，７ｂｉ，７ｆｉ，７ｒｉが設けられており、左右方向外側の列の玉５ｂと第二外輪軌道１２ｂとの間における転動体荷重を検出するために四つの超音波センサ７ｔｏ，７ｂｏ，７ｆｏ，７ｒｏが設けられている。
【００１５】
超音波センサ７ｔｉ，７ｔｏは外輪１の上部にそれぞれ設けられており、検出対象位置を、第１、第２外輪軌道１２ａ，１２ｂのうちの最上位置における玉５ａ，５ｂとの接触面としている。超音波センサ７ｂｉ，７ｂｏは外輪１の下部にそれぞれ設けられており、検出対象位置を、第１、第２外輪軌道１２ａ，１２ｂのうちの最下位置における玉５ａ，５ｂとの接触面としている。超音波センサ７ｆｉ，７ｆｏは外輪１の水平前部にそれぞれ設けられており、検出対象位置を、第１、第２外輪軌道１２ａ，１２ｂのうちの水平前位置における玉５ａ，５ｂとの接触面としている。超音波センサ７ｒｉ，７ｒｏは外輪１の水平後部にそれぞれ設けられており、検出対象位置を、第１、第２外輪軌道１２ａ，１２ｂのうちの水平後位置における玉５ａ，５ｂとの接触面としている。
【００１６】
これら超音波センサの取付構造はすべてについて同様であり、その代表として、外輪１の上部における超音波センサ７ｔｉの取付部を、図３の断面図により説明する。超音波センサ７ｔｉは、外周に雄ねじ部が形成された筒状のケース８と、このケース８内に設けた振動子（超音波深触子）９とを有している。外輪１にはネジ孔３７が形成されており、このネジ孔３７にケース８がそのねじ込み量を調整可能として取り付けられている。また、ネジ孔３７の底面と超音波センサ７ｔｉ（振動子９）との間には緩衝材３８が介在している。そして、超音波センサ７ｔｉは、玉５ａと第一外輪軌道１２ａとの接触面に直交する方向を超音波の入射方向としている。
【００１７】
そして図１において、センサ装置１０の各超音波センサは、信号線を介して例えば車体側のＥＣＵ等よりなる制御装置６に接続されている。図４は、このセンサ装置１０と、当該センサ装置１０が接続されている制御装置６とを示すブロック図である。制御装置６は、各超音波センサが受信した反射波を処理し、反射波のピーク値に基づいて転動体荷重を演算することができる。制御手段６は、センサ装置１０が受信した信号を処理する信号処理部１１と、この信号処理部１１で得られた信号に基づいて転動体荷重を演算する演算部２８とを備えている。
【００１８】
信号処理部１１は、車両に搭載したバッテリ（図示せず）の電圧を昇圧（例えば１２Ｖから１００Ｖへ昇圧）する昇圧回路２１と、昇圧した電圧によりパルス波を発生するパルス発生回路２２とを有している。パルス発生回路２２から受けたパルス波によりセンサ装置１０の各超音波センサの振動子が励起され、各超音波センサは玉５ａ，５ｂと軌道１２ａ，１２ｂとの接触面に超音波を入射し、超音波センサはその接触面からのエコー（反射波）を受信する。さらに、信号処理部１１は、超音波センサがエコーを受信して出力したアナログ信号を増幅する増幅回路２３と、この増幅回路２３で増幅したアナログ信号を正負反転させ得る正負反転回路２４と、正負反転させたアナログ信号Ｐ１のピーク値（最大エコー振幅）を所定時間だけ維持するピークホールド回路２５と、このピークホールド回路２５で得られたアナログ信号であるピークホールド信号Ｐ２をデジタル信号Ｐ３に変換するＡ／Ｄ変換回路２６とを備えている。そして、このＡ／Ｄ変換回路２６で得られたデジタル信号Ｐ３に基づいて、前記演算部２８が転動体荷重を演算する。さらに、信号処理部１１は、ピークホールド回路２５に動作信号を与えるディレイ回路２７を備えている。
【００１９】
この信号処理部１１及び演算部２８における信号処理方法及び演算方法について説明する。信号処理部１１の機能によりトリガ信号を発し、パルス発生回路２２はこのトリガ信号に基づいてパルス波を発生する。パルス発生回路２２のパルス波によりセンサ装置１０の各超音波センサの振動子を所定の時間間隔で振動させる。そして、各超音波センサは、玉５ａ，５ｂと軌道１２ａ，１２ｂとの接触面に超音波を入射し、その接触面からのエコーを受信しアナログ信号を出力する。
【００２０】
そして、増幅回路２３は超音波センサからのアナログ信号（電圧）を増幅する。正負反転回路２４は、増幅回路２３で増幅したアナログ信号のうちのピーク値が負の値で得られる場合に、これを正の値に反転する。これは、後の演算部２８において得るピーク値の強度である最大エコー強度を正の値とする（絶対値を得る）ためである。なお、ピーク値が正の値で得られる場合は正負反転回路２４において正負反転を行わないようにしてもよい。そして、ピークホールド回路２５が作動し、ピークホールド回路２５は正負反転回路２４で得られたアナログ信号Ｐ１のピーク値を所定時間だけ維持する。
【００２１】
なお、信号処理部１１の機能による前記トリガ信号に基づいて、ディレイ回路２７は、パルス発生回路２２の作動時点、つまりパルス波の発生時点から所定の時間（０．５μｓｅｃ〜１．０μｓｅｃ）だけ遅らせて、ピークホールド回路２５を作動させる。つまり、ディレイ回路２７は、ピークホールド回路２５によってピーク値の維持を開始するタイミング（ピークホールドのタイミング）を、超音波センサによる超音波発生から所定の時間だけ遅らせて実行する。なお、前記所定の時間（遅延時間）はパルス発生回路２２の作動時点からピークホールド回路２５の作動時点までの時間であり、この遅延時間の設定はディレイ回路２７において、各超音波センサから軌道１２ａ，１２ｂと玉５ａ，５ｂとの接触面までの伝播距離に応じて可変である。これにより、ピークホールド回路２５はピーク値を正確に維持する動作が可能となる。
【００２２】
このピークホールド回路２５は、超音波センサが受信した反射波のデジタル信号のピーク値の電圧を維持する複合コンデンサー（図示せず）と、維持した電圧（ホールド電圧）の減衰を防ぐ抵抗（図示せず）とを有している。図５はピークホールド回路２５の機能を説明する説明図であり、（ａ）はピークホールド回路２５を機能させていない比較例であり、（ｂ）はピークホールド回路２５を機能させた実施例である。図５において横軸が時間であり、縦軸がエコー強度（電圧）である。図５（ａ）に示しているように、超音波センサが受信したエコーにより出力したアナログ信号は高周波であり、この高周波のアナログ信号をデジタル信号に変換するためには、高速対応のＡ／Ｄ変換回路が必要となる。しかし、ピークホールド回路２５（図４参照）によれば、ピーク値を所定時間について維持してピークホールド信号Ｐ２を得ることができることから、図５（ｂ）に示している波形となり、このピークホールド信号Ｐ２を低速対応のＡ／Ｄ変換回路２６によって処理できる。すなわち、超音波センサのエコーによる受信信号が高周波であっても、その受信信号のピーク値（ピークホールド信号Ｐ２）を低速対応のＡ／Ｄ変換回路２６によりデジタル信号に変換できる。これにより、高価な高速対応のＡ／Ｄ変換回路を用いる必要が無くなり、安価な低速対応のＡ／Ｄ変換回路２６で済み、コストが低減できる。
【００２３】
そして、Ａ／Ｄ変換回路２６により、アナログ信号である前記ピークホールド信号Ｐ２をデジタル信号Ｐ３である最大エコー強度として得ることができ、これを用いて演算部２８において転動体荷重、さらにこれを用いて転がり軸受装置に作用する荷重を求める演算を行う。なお、昇圧回路２１、パルス発生回路２２、増幅回路２３、正負反転回路２４、ピークホールド回路２５、Ａ／Ｄ変換回路２６、及びディレイ回路２６、並びに、超音波センサは従来知られているものを採用することができる。また、演算部２８はＣＰＵ、メモリなどを有して演算処理を行うマイコンにより構成できる。
なお、この実施の形態では、制御手段６の信号処理部１１及び演算部２８をＥＣＵとして説明したが、変形例として、図示しないが、転がり軸受装置の固定部材である外輪１側に基板を設け、この基板に制御手段６のうちの信号処理部１１を設けてもよく、さらには、この基板に演算部２８も設けてもよい。
【００２４】
以上のように、各超音波センサがエコーを受信することにより演算部２８は最大エコー強度を得ることができ、演算部２８において式（１）に示すエコー比を求めることができる。
エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０ ・・・（１）
ただし、Ｈ０：玉５ａ，５ｂが超音波センサから半ピッチ離れたときの最大エコー強度（なお、１ピッチは周方向で隣り合う二つの玉間の周方向距離である）
Ｈ１：玉５ａ，５ｂが超音波センサの直下に位置するときの最大エコー強度
【００２５】
なお、玉５ａ，５ｂと軌道１２ａ，１２ｂとの間において作用する荷重が大きい場合、両者の接触面積が大きくなり、エコー（最大エコー強度Ｈ１）が小さくなることから大きいエコー比が得られる。そして、このエコー比は転動体荷重と例えば図６に示している関係を有しており、この関係を用いてエコー比から転動体荷重を求めることができる。なお、エコー比と転動体荷重との関係は予め測定することで得られる。走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴って、車輪に作用する接地荷重が変動し、この接地荷重に応じて転動体荷重が変化する。さらに、複数の超音波センサを設けた場合、車輪に作用する前後荷重、左右荷重、及び上下荷重の成分ごとにそれぞれ超音波センサへの影響度が異なっている。そこで、予め、転がり軸受装置に前後荷重が作用した場合の転動体荷重及びこれに対応するエコー比、左右荷重が作用した場合の転動体荷重及びこれに対応するエコー比、並びに、上下荷重が作用した場合の転動体荷重及びこれに対応するエコー比を求めておくことにより、各超音波センサで得られたエコー比により転がり軸受装置に作用する荷重の３方向分力を求めることができる。
【００２６】
制御手段６の演算部２８には、前記エコー比の式、各超音波センサで得られたエコー比からそのセンサ位置の転動体荷重を求める式、これら転動体荷重から転がり軸受装置に作用する荷重（タイヤ接地荷重）の上下方向成分、左右方向成分、前後方向成分を求める式が記憶されており、さらに演算部２８は各式に基づいて演算を実行する。
【００２７】
演算部２８において行われる処理について具体的に説明する。負荷時の転動体荷重と転がり軸受装置に作用する外力（荷重ＦおよびモーメントＭ）の関係は、次の式（２）で表せる。
【００２８】
ｆ１＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ２＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ｆ３＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ４＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｘ−ｄＭｚ ・・・（２）
ｆ５＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ６＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｘ−ｄＭｚ
ｆ７＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ８＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ただし、
ａ：転がり軸受装置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：荷重の前後方向成分、左右方向成分、上下方向成分
Ｍｘ，Ｍｚ：ｘ軸回りのモーメント、ｚ軸回りのモーメント
ｆ１〜ｆ８：超音波センサの出力から得られる転動体荷重であり、
ｆ１：上部内側の超音波センサ７ｔｉによるもの
ｆ２：水平後部内側の超音波センサ７ｒｉによるもの
ｆ３：下部内側の超音波センサ７ｂｉによるもの
ｆ４：水平前部内側の超音波センサ７ｆｉによるもの
ｆ５：上部外側の超音波センサ７ｔｏによるもの
ｆ６：水平後部外側の超音波センサ７ｒｏによるもの
ｆ７：下部外側の超音波センサ７ｂｏによるもの
ｆ８：水平前部外側の超音波センサ７ｆｏによるもの
そして、この式（２）の関係を用いることによって、転動体荷重から転がり軸受装置に作用する外力を求めることができる。
【００２９】
一方、車輪において、次の式（３）及び式（４）が成立する
Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ ・・・（３）
ただし、ｒ：車輪の転がり半径
ｅ：左右（ｙ軸）方向におけるＦｚの作用点と転がり軸受装置中心とのずれ
Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ ・・・（４）
ただし、Ｍｙ：ｙ軸回りのモーメント
【００３０】
そして、前記式（２）のｆ１とｆ３及び式（３）を用いることにより、左右方向成分Ｆｙ及び上下方向成分Ｆｚを求めることができる。すなわち、ｆ１＋ｆ３とすることによりＦｙが求まり、ｆ１−ｆ３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（３）のうちのＦｙが求まっていることから、このＦｙを用いて式（３）においてＦｚとＭｘとが含まれる一次式となり、これら二つの一次式を連立させることで、ＦｚとＭｘとが求まる。
【００３１】
このように、２つの超音波センサ７ｔｉ，７ｂｉにより、車輪に作用する荷重の上下方向成分Ｆｚ及び左右方向成分Ｆｙ、並びに、付随的にｘ軸回りのモーメントＭｘ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Ｆｚ及び左右方向成分Ｆｙ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超音波センサ（２つの超音波センサ７ｔｉ，７ｂｉ）により求めることで、コストパフォーマンスの優れたセンサ付き転がり軸受装置を得ることができる。なお、上記において、ｆ１とｆ３とを用いたが、この組み合わせ以外のものを使用することもできる（例えばｆ１とｆ５）。
【００３２】
また、ｆ１＋ｆ７とすることによりＭｘを求め、ｆ１−ｆ７とすることによりＦｙ及びＦｚの一次式を求め、これらと式（４）とを組み合わせることにより、Ｍｘ、Ｆｙ及び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及びＦｘの一次式が求まるため、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とすることにより、Ｍｚを求めることができる。
【００３３】
このように、４つの超音波センサ７ｔｉ，７ｒｉ，７ｂｏ，７ｆｏにより、車輪に作用する６分力をすべて求めることができ、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。なお、上記においては、ｆ１，ｆ２，ｆ７及びｆ８を用いたが、この組み合わせ以外のものを使用することもできる（例えば、ｆ１，ｆ２，ｆ３及びｆ６）。
【００３４】
前記式（２）〜式（４）による場合、転がり軸受装置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及び転動体荷重とエコー比との相関関係を用いて２段階の演算により求めている。そこで、エコー比と転がり軸受装置に作用する外力との関係を直接求める方法としての式（５）について説明する。これによれば、誤差を小さくすることができる。
【００３５】
ｊ１＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ２＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｘ＋ｎＭｚ
ｊ３＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ４＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｘ−ｎＭｚ ・・・（５）
ｊ５＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ６＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｘ−ｎＭｚ
ｊ７＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ８＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｘ＋ｎＭｚ
ただし、
ｋ：転がり軸受装置の予圧によるエコー比
ｌ，ｍ，ｎ：外力に依存しない係数
Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ：荷重の前後方向成分、左右方向成分、上下方向成分
Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ：ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りのモーメント
ｊ１〜ｊ８：超音波センサの出力から得られるエコー比であり
ｊ１：上部内側のセンサ７ｔｉの出力によるもの
ｊ２：後部内側のセンサ７ｒｉの出力によるもの
ｊ３：下部内側のセンサ７ｂｉの出力によるもの
ｊ４：前部内側のセンサ７ｆｉの出力によるもの
ｊ５：上部外側のセンサ７ｔｏの出力によるもの
ｊ６：後部外側のセンサ７ｒｏの出力によるもの
ｊ７：下部外側のセンサ７ｂｏの出力によるもの
ｊ８：前部外側のセンサ７ｆｏの出力によるもの
【００３６】
この式（５）を用いた６分力の演算方法を説明する。６分力を求めるに際して、上記関係に加えて、車輪において、次の式（６）及び式（７）を用いる。
Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ ・・・（６）
Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ ・・・（７）
ただし、ｒ：車輪の転がり半径
ｅ：左右（ｙ軸）方向におけるＦｚの作用点と転がり軸受装置中心とのずれ
【００３７】
これら式（６）と式（７）を用い、ｊ１〜ｊ８の式（５）のうちの４式を用いることで、６分力を求めることができる。その一例として、ｊ１，ｊ２，ｊ３及びｊ６を用いた場合で説明する。
（ステップ１）左右方向成分Ｆｙを求める。式（５）から２つの式ｊ１とｊ３を選択し、これらの式の加算又は減算（ここでは加算）により、Ｆｚ及びＭｘを消去する。これにより、Ｆｙ＝（ｊ１＋ｊ３−２ｋ）／２が得られる。
（ステップ２）上下方向成分Ｆｚを求める。式（５）のうちの２つの式からＦｙを消去して得られるＦｚとＭｘとの一次式と、式（６）にＦｙを代入して得られるＦｚとＭｘとの一次式とから、Ｆｚを求める。これにより、Ｆｚ＝（１−ｎｒ）ｊ１−（１＋ｎｒ）ｊ３＋２ｋｎｒ／２・ｌ・（ｍ＋ｎｅ）が得られる。
【００３８】
（ステップ３）ｘ軸回りのモーメントＭｘを求める。ステップ１で得たＦｙ及びステップ２で得たＦｚを用いてＭｘを求める。これにより、Ｍｘ＝ｒＦｙ＋ｅＦｚが得られる。
（ステップ４）前後方向成分Ｆｘを求める。式（５）から２つの式ｊ２とｊ６を選択し、これらの加算又は減算（ここでは加算）により、Ｆｘ及びＭｚを消去する。これにより、Ｆｘ＝ｊ２＋ｊ６−２ｋ／２ｍが得られる。
【００３９】
（ステップ５）ｙ軸回りのモーメントＭｙを求める。ステップ４で得たＦｘを用いて、Ｍｙを求める。これにより、Ｍｙ＝ｒＦｘが得られる。
（ステップ６）ｚ軸回りのモーメントＭｚを求める。式（５）から２つの式ｊ１とｊ３を選択し、これらの加算又は減算（ここでは減算）により、Ｆｙを消去し、ＦｘとＭｚの一次式を求めると共に、式（５）から２つの式ｊ２とｊ６を選択し、これらの加算又は減算（ここでは減算）により、Ｆｙを消去し、ＦｘとＭｚの一次式を求める。二つの一次式からＦｘを消去することでＭｚが求まる。これにより、Ｍｚ＝−ｊ１＋ｊ２−ｊ３−ｊ６＋２ｋ／２ｎが得られる。
以上より、４つの超音波センサ７ｔｉ，７ｒｉ，７ｂｉ，７ｒｏにより、車輪に作用する６分力をすべて求めることができる。
【００４０】
また、この発明の転がり軸受装置の各実施の形態において、図１と図２に示しているように、固定部材である外輪２の周方向で四箇所に超音波センサが配設されており、これら超音波センサによる検出対象位置のそれぞれが、軌道１２ａ，１２ｂのそれぞれのうちの上位置、下位置、水平前位置、及び水平後位置における玉５ａ，５ｂとの接触面としている。これにより、超音波センサのそれぞれの受信信号に基づいて、転がり軸受装置に作用する荷重の３分力（前後方向荷重、左右方向荷重、上下方向荷重）を求めることができる。さらに、転がり軸受装置に作用する荷重のうちの求めたい分力（方向成分）には、他の方向の分力の影響により誤差が生じやすいが、この配置とすることで３方向の分力を精度良く求めることができ、さらに、各軸回りのモーメントについても求めることができる。なお、本発明のセンサ付転がり軸受装置は、前記実施形態に限定されるものではなく、転がり軸受装置について他の形態のものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明のセンサ付き転がり軸受装置の実施の一形態を示す断面図である。
【図２】図１のセンサ付き転がり軸受装置を軸線方向から見た図である。
【図３】外輪の上部における超音波センサの取付部を説明する断面図である。
【図４】センサ装置及び制御手段のブロック図である。
【図５】ピークホールド回路の機能を説明する説明図であり、（ａ）はピークホールド回路を機能させていない比較例であり、（ｂ）はピークホールド回路を機能させた実施例である。
【図６】エコー比と転動体荷重と関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１ 外輪
２ ハブ軸（内輪）
３ 内輪部材（内輪）
５ａ 玉（転動体）
５ｂ 玉（転動体）
６ 制御手段
７ 超音波センサ
１０ センサ装置
１１ 信号処理部
１２ａ 第１外輪軌道
１２ｂ 第２外輪軌道
１５ａ 第１内輪軌道
１５ｂ 第２内輪軌道
２５ ピークホールド回路
２８ 演算部
Ｃ 軸線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に軌道を有する内輪と、内周に軌道を有する外輪と、これら内外輪の軌道間で転動自在に設けられた転動体と、前記内輪又は外輪の軌道と前記転動体との接触面に超音波を入射し当該接触面からの反射波を受信する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、
前記センサ装置は、前記反射波のアナログ信号のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する制御装置に接続され、
前記制御装置は、前記アナログ信号のピーク値を所定時間だけ維持するピークホールド回路と、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、このＡ／Ｄ変換回路で得られた前記デジタル信号に基づいて前記転動体荷重を演算する演算部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。
【請求項２】
前記制御装置は、前記センサ装置の振動子を所定の時間間隔で振動させるパルス発生回路と、このパルス発生回路の作動時点から前記ピークホールド回路の作動時点までの遅延時間を可変に設定することができるディレイ回路とを備えている請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項３】
転がり軸受装置を構成する内輪又は外輪の軌道とこれらの軌道間に介在する転動体との接触面に超音波を入射し当該接触面からの反射波を受信するセンサ装置と、前記反射波のアナログ信号のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する制御装置とを備えている転がり軸受用の荷重測定システムにおいて、
前記制御装置は、前記アナログ信号のピーク値を所定時間だけ維持するピークホールド回路と、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、このＡ／Ｄ変換回路で得られた前記デジタル信号に基づいて前記転動体荷重を演算する演算部と、前記センサ装置の振動子を所定の時間間隔で振動させるパルス発生回路と、このパルス発生回路の作動時点から前記ピークホールド回路の作動時点までの遅延時間を可変に設定することができるディレイ回路とを備えていることを特徴とする転がり軸受用の荷重測定システム。
【請求項１】
外周に軌道を有する内輪と、内周に軌道を有する外輪と、これら内外輪の軌道間で転動自在に設けられた転動体と、前記内輪又は外輪の軌道と前記転動体との接触面に超音波を入射し当該接触面からの反射波を受信する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、
前記センサ装置は、前記反射波のアナログ信号のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する制御装置に接続され、
前記制御装置は、前記アナログ信号のピーク値を所定時間だけ維持するピークホールド回路と、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、このＡ／Ｄ変換回路で得られた前記デジタル信号に基づいて前記転動体荷重を演算する演算部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。
【請求項２】
前記制御装置は、前記センサ装置の振動子を所定の時間間隔で振動させるパルス発生回路と、このパルス発生回路の作動時点から前記ピークホールド回路の作動時点までの遅延時間を可変に設定することができるディレイ回路とを備えている請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項３】
転がり軸受装置を構成する内輪又は外輪の軌道とこれらの軌道間に介在する転動体との接触面に超音波を入射し当該接触面からの反射波を受信するセンサ装置と、前記反射波のアナログ信号のピーク値に基づいて転動体荷重を演算する制御装置とを備えている転がり軸受用の荷重測定システムにおいて、
前記制御装置は、前記アナログ信号のピーク値を所定時間だけ維持するピークホールド回路と、このピークホールド回路で得られたピークホールド信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、このＡ／Ｄ変換回路で得られた前記デジタル信号に基づいて前記転動体荷重を演算する演算部と、前記センサ装置の振動子を所定の時間間隔で振動させるパルス発生回路と、このパルス発生回路の作動時点から前記ピークホールド回路の作動時点までの遅延時間を可変に設定することができるディレイ回路とを備えていることを特徴とする転がり軸受用の荷重測定システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−５１７４１（Ｐ２００８−５１７４１Ａ）
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３０３４７（Ｐ２００６−２３０３４７）
【出願日】平成１８年８月２８日（２００６．８．２８）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２８日（２００６．８．２８）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
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