センサ付き転がり軸受装置
【課題】外輪の軌道面と転動体との接触面の大きさに応じて、転動体に作用する荷重を適切に検出することができるセンサ付き転がり軸受装置を提供する
【解決手段】センサ付き転がり軸受装置は、転がり軸受１と超音波センサ２とを備える。転がり軸受１は、内周に軌道面１１ｕが形成された外輪１１と、外周に軌道面１４ｕが形成された内輪１２と、外輪１１及び内輪１２の軌道面１１ｕ，１４ｕと接触して転動する玉１５とを備える。また、超音波センサ２は、振動子２２〜２４を振動させることにより、外輪１１の軌道面１１ｕへ超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波の反射波を受信するための振動面Ｑを有する。そして、超音波センサ２が、複数の振動子２２〜２４を備えるとともに、反射波の振幅に基づいて、複数の振動子２２〜２４のうち振動させる振動子を選択することにより、振動面Ｑの大きさを変化させることを特徴とする。
【解決手段】センサ付き転がり軸受装置は、転がり軸受１と超音波センサ２とを備える。転がり軸受１は、内周に軌道面１１ｕが形成された外輪１１と、外周に軌道面１４ｕが形成された内輪１２と、外輪１１及び内輪１２の軌道面１１ｕ，１４ｕと接触して転動する玉１５とを備える。また、超音波センサ２は、振動子２２〜２４を振動させることにより、外輪１１の軌道面１１ｕへ超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波の反射波を受信するための振動面Ｑを有する。そして、超音波センサ２が、複数の振動子２２〜２４を備えるとともに、反射波の振幅に基づいて、複数の振動子２２〜２４のうち振動させる振動子を選択することにより、振動面Ｑの大きさを変化させることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサを備えたセンサ付き転がり軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車において、発進時や加速時に駆動輪をスピンさせないための駆動力制御や、コーナリング時の横滑りを抑制するための制動力制御等が行われている。このような制御に有効に使用できる情報を得ること等を目的として、転がり軸受の転動体に作用する荷重を検出するために、荷重を検出するセンサ付き転がり軸受装置が知られている。
【０００３】
上述のセンサ付き転がり軸受装置として、例えば、転がり軸受と、超音波センサとを備え、超音波の反射波（エコー）に基づいて、転がり軸受に作用する荷重を検出することが知られている。より具体的には、転がり軸受は、軌道面（軌道）が形成された軌道輪である外輪及び内輪と、軌道面と接触して転動する転動体とを備え、超音波センサは、振動子を振動させることにより、外輪の軌道面へ超音波を発信するとともに、外輪の軌道面における超音波の反射波を受信する。即ち、外輪の軌道面のうち、軌道面と転動体が接触している接触部へ入射した超音波は、外輪から転動体へ透過し、一方、外輪の軌道面のうち、軌道面と転動体が接触していない非接触部へ入射した超音波は、反射波として超音波センサへ反射する。従って、反射波の振幅（エコー強度）によって、外輪の軌道面と転動体との接触面の大きさ（面積）が表されるため、反射波に基づいて、転動体に作用する荷重（転動体荷重）を検出することができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−１７７９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術においては、転動体に作用する荷重が小さい場合は、転動体に作用する荷重を精度良く検出することが困難であり、転動体に作用する荷重が大きい場合は、転動体に作用する荷重を確実に検出することが困難であった。即ち、外輪の軌道面と転動体との接触面の大きさによって、転動体に作用する荷重を適切に検出することができない可能性があるという問題があった。
【０００５】
より具体的には、図１０（ａ）に示すように、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面Ｎが大きい場合は、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面Ｔが大きい場合（即ち、転動体に作用する荷重が大きい場合）においては、転動体に作用する荷重を確実に検出することができる。しかし、図１０（ｂ）に示すように、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面Ｔが小さい場合（即ち、転動体に作用する荷重が小さい場合）においては、分解能が低いため、転動体に作用する荷重を精度良く検出することが困難である。
【０００６】
一方、図１０（ｃ）に示すように、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面Ｎが小さい場合は、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面Ｔが小さい場合においては、分解能が高いため、転動体に作用する荷重を精度良く検出することができる。しかし、図１０（ｄ）に示すように、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面Ｔが大きい場合（即ち、転動体に作用する荷重が大きい場合）においては、転動体に作用する荷重を確実に検出することが困難である。
【０００７】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、外輪の軌道面と転動体との接触面の大きさに応じて、転動体に作用する荷重を適切に検出することができるセンサ付き転がり軸受装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、内周に軌道面が形成された外輪と、外周に軌道面が形成された内輪と、外輪及び内輪の各々の軌道面の一部と接触して転動する転動体とを備える転がり軸受と、振動子を振動させることにより、外輪の軌道面へ超音波を発信するとともに、外輪の軌道面における超音波の反射波を受信するための振動面を有する超音波センサとを備えるセンサ付き転がり軸受装置であって、超音波センサは、複数の振動子を備えるとともに、反射波の振幅に基づいて、複数の振動子のうち振動させる振動子を選択することにより、振動面の大きさを変化させることを特徴とする。
【０００９】
同構成によれば、超音波センサは、複数の振動子を備えるとともに、反射波に基づいて、複数の振動子のうち振動させる振動子を選択することにより、振動面の大きさを変化させる。このため、反射波の振幅が、外輪の軌道面と転動体との接触面が大きいことを表している場合は、（即ち、反射波の振幅が小さい場合は、）例えば、振動面を大きくして、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面を大きくすることができる。また、反射波の振幅が、外輪の軌道面と転動体との接触面が小さいことを表している場合は、（即ち、反射波の振幅が大きい場合は、）例えば、振動面を小さくして、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面を小さくすることができる。従って、例えば、外輪の軌道面と転動体との接触面が大きい場合においては、入射面を大きくして、反射波の振幅に基づいて転動体に作用する荷重を確実に検出することができ、外輪の軌道面と転動体との接触面が小さい場合においては、入射面を小さくして、反射波の振幅に基づいて転動体に作用する荷重を精度良く検出することができる。その結果、外輪の軌道面と転動体との接触面の大きさに応じて、転動体に作用する荷重を適切に検出することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置であって、超音波センサは、反射波の振幅に基づいて、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面の全てが、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面に含まれているか否かを検出することを特徴とする。
【００１１】
同構成によれば、反射波の振幅に基づいて、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面の全てが、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面に含まれているか否かを検出する。このため、接触面の全てが、入射面に含まれていない場合、例えば、転動体に作用する荷重を確実に検出するために振動面を大きくすることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のセンサ付き転がり軸受装置であって、超音波センサは、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面の全てが、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面に含まれていない場合、振動面を大きくすることを特徴とする。
【００１３】
同構成によれば、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面の全てが、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面に含まれていない場合、振動面を大きくする。このため、振動面を大きくすることによって入射面を大きくして、接触面の全てが入射面に含まれるようにすることができる。従って、外輪の軌道面と転動体との接触面が大きい場合において、例えば、反射波の振幅に基づいて転動体に作用する荷重を確実に検出することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、外輪の軌道面と転動体との接触面の大きさに応じて、転動体に作用する荷重を適切に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
以下に本発明に係る第１の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中の矢印Ｕ及びＳは、左右方向を示すとともに、矢印Ｕ，Ｓの各々は、車体側方向、車輪側方向を示している。
【００１６】
本実施形態に係るセンサ付き転がり軸受装置（以下、単に「軸受装置」と言う場合がある。）は、自動車用のセンサ付きハブユニットとして使用されるものである。この軸受装置は、図１の全体構成に示すように、転がり軸受１と、転がり軸受１に取り付けられた超音波センサ２とを備えている。
【００１７】
（転がり軸受の構成）
転がり軸受１は、車体（不図示）に固定される固定側軌道輪である外輪１１と、外輪１１の内側において車輪（不図示）とともに回転する回転側軌道輪である内輪１２と、外輪１１と内輪１２の間に設けられた２列の転動体である玉１５，１６とを備えている。なお、本実施形態においては、内輪１２は、ハブ軸１３と内輪部材１４とから構成されている。
【００１８】
外輪１１は、その内周に２列（即ち、内列と外列）の軌道面１１ｕ，１１ｓが環状に形成されている円筒部１１ａと、車体側に形成されるとともに、ボルト（不図示）を用いて車体に取り付けられるフランジ部１１ｂとを有している。
【００１９】
内輪１２を構成するハブ軸１３は、外輪１１内に所定間隔を空けて設けられるとともに、外周に１列の軌道面１３ｓが環状に形成されている略円柱状の軸部１３ａと、軸部１３ａの車輪側外周に形成されるとともに、ボルト６を用いて車輪が取り付けられる円盤状のフランジ部１３ｂとを有している。さらに、本実施形態においては、ハブ軸１３は、軸部１３ａの車体側に形成されるとともに、おねじが切られたおねじ部１３ｃを有している。
【００２０】
内輪１２を構成する内輪部材１４は、環状に形成されるとともに、ハブ軸１３と同様に、外輪１１内に所定間隔を空けて設けられるとともに、外周に１列の軌道面１４ｕが環状に形成されている。この内輪部材１４は、ハブ軸１３の軸部１３ａの外周に嵌められるとともに、おねじ部１３ｃに螺合されたナット７によって、ハブ軸１３に固定されている。従って、内輪１２（ハブ軸１３と内輪部材１４）は、車輪とともに回転する。
【００２１】
玉１５は、外輪１１と内輪部材１４（内輪１２）の間において、外輪１１及び内輪部材１４の各々に形成された軌道面１１ｕ，１４ｕの一部と接触している。また、玉１６は、外輪１１とハブ軸１３（内輪１２）の間において、外輪１１及びハブ軸１３の各々に形成された軌道面１１ｓ，１３ｓと接触している。そして、内輪１２が回転することにより、玉１５は、外輪１１の軌道面１１ｕと内輪部材１４の軌道面１４ｕにおいて転動するとともに、玉１６は、外輪１１の軌道面１１ｓとハブ軸１３の軌道面１３ｓにおいて転動する。
【００２２】
以上のように構成された転がり軸受１において、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５とは、図３に示すように、楕円形状の接触面Ｔで接触し、この接触面Ｔの大きさ（面積）は、玉１５に作用する（玉１５にかかる）荷重（以下、「転動体荷重」という。）に応じて異なる。なお、転動体荷重を検出する際は、接触面Ｔの大きさは変化せずに一定であるものとする。
【００２３】
（超音波センサの構成）
超音波センサ２は、図１及び図２に示すように、ケース２１内に大きさの異なる複数の振動子（超音波探触子）２２〜２４が設けられたものであって、超音波を発信するとともに反射波（以下、「エコー」という。）を受信するための振動面Ｑを有している。
【００２４】
振動子２２〜２４の各々は、圧電体に電極が形成されたものであって、振動面Ｑとなる円形状の底面２２ａ〜２４ａを有している。これらの振動子２２〜２４のいずれかに電圧を印加すると圧電効果により振動して、振動面Ｑ（底面２２ａ〜２４ａのいずれか）から超音波が発信される。また、底面２２ａ〜２４ａは、超音波のエコーを受信すると圧電効果により、エコーの振幅に対応した電圧を発生させる。
【００２５】
底面２２ａ〜２４ａは、大きさ（面積）がそれぞれ異なり、それらの底面２２ａ〜２４ａのうち、底面２２ａが最も小さく、底面２４ａが最も大きい。また、底面２３ａは、底面２２ａよりも大きく、底面２４ａよりも小さい。よって、振動子２２〜２４のうち、振動させる振動子を選択することによって、振動面Ｑの大きさを変化させることができる。
【００２６】
以上のように構成された超音波センサ２は、振動子２２〜２４の何れかを振動させることにより軌道面１１ｕへ超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを受信する。そして、超音波センサ２は、エコーの振幅、およびエコー比を検出して、検出されたエコー比を転動体荷重検出部（不図示）へ出力する。
【００２７】
より具体的には、底面２２ａ〜２４ａのいずれかである振動面Ｑから発信された超音波は、外輪１１の軌道面１１ｕへ入射する。軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎの大きさ（面積）は、振動面Ｑの大きさに対応しており、図３に示すように、超音波を発信するための振動面Ｑが大きいほど、入射面Ｎも大きい。なお、入射面Ｎは、少なくとも軌道面１１ｕの一部であって、入射面Ｎには、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの少なくとも一部が含まれている。ここで、軌道面１１ｕへ発信された超音波は、軌道面１１ｕにおいて、透過または反射する。即ち、軌道面１１ｕのうち、軌道面１１ｕと玉１５が接触している接触部へ入射した超音波は、外輪１１から玉１５へ透過するとともに、軌道面１１ｕと玉１５が接触していない非接触部へ入射した超音波は、エコーとして超音波センサ２へ反射する。従って、入射面Ｎに含まれる接触面Ｔにおいては、超音波が外輪１１から玉１５へ透過し、一方、接触面Ｔを除いた入射面Ｎにおいては、超音波のエコーが超音波センサ２へ反射するため、超音波センサ２は、入射面Ｎにおける接触面Ｔの大きさに応じた（即ち、転動体荷重に応じた）エコーを受信する。
【００２８】
また、エコー比〔％〕は、エコーの振幅を用いて表すことができるものであって、１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０を計算することにより算出することができる。ここで、Ｈ０は、超音波センサ２が受信するエコーの最も大きい振幅であって、Ｈ１は、超音波センサ２が受信するエコーの最も小さい振幅である。より具体的には、Ｈ０は、入射面Ｎに接触面Ｔが含まれていない場合の（例えば、図２に示す軌道面１１ｕにおいて転動する２つの玉１５の間に超音波を発信した場合の）、超音波のエコーの振幅であって、接触面Ｔの大きさによらず略一定である。一方、Ｈ１は、入射面Ｎの中央に接触面Ｔが含まれる場合の、超音波のエコーの振幅であって、入射面Ｎにおける接触面Ｔの大きさに応じたエコーの振幅である。従って、軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが小さければ、入射面Ｎにおける接触面Ｔの大きさに応じたエコーの振幅は大きく、エコー比は小さくなり、一方、軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが大きければ、入射面Ｎにおける接触面Ｔの大きさに応じたエコーの振幅は小さく、エコー比は大きくなる。
【００２９】
また、エコー比と転動体荷重との関係は、超音波が発信される振動面Ｑの大きさにより異なっており、振動面Ｑである底面２２ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ１と、転動体荷重との関係を、図４（ａ）に示す。また、振動面Ｑである底面２３ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ２と、転動体荷重との関係を、図４（ｂ）に示すとともに、振動面Ｑである底面２４ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ３と、転動体荷重との関係を、図４（ｃ）に示す。なお、図４のグラフの破線部分は、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないことによって、エコー比の変化量〔％〕に対する転動体荷重の変化量〔ｋＮ〕の割合が大きく、エコー比から転動体荷重を確実に検出することができない部分である。
【００３０】
（センサ付き転がり軸受装置の動作）
次に、超音波センサ２が超音波を発信するとともに、エコーを受信する際の、本実施形態に係る軸受装置の動作について、図５を参照しながら説明する。
【００３１】
まず、超音波センサ２が、振動子２２を振動させることにより振動面Ｑである底面２２ａから超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを底面２２ａで受信することにより、エコー比Ｐ１を検出する（ステップＳ１）。ステップＳ１において、底面２２ａから超音波を発信した場合、軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎは、図３に示すように小さい。
【００３２】
次いで、超音波センサ２は、エコーの振幅に基づいて、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれているか否かを検出する（ステップＳ２）。
【００３３】
より具体的には、ステップＳ２においては、エコー比Ｐ１が、例えば、３３％以上であれば、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断するとともに、３３％未満であれば、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていると判断する。このような判断を行うことによって、超音波センサ２は、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、超音波が入射する入射面Ｎに含まれているか否かを検出する。
【００３４】
例えば、図３に示すように、転動体荷重が大きい場合の接触面Ｔの全ては、振動面Ｑである底面２２ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎ（即ち、ステップＳ１における入射面Ｎ）に含まれていない。この場合、底面２２ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ１は、図４（ａ）に示す３３％以上となり、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断することができる。即ち、超音波センサ２は、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないことを検出する。
【００３５】
一方、図３に示すように、転動体荷重が小さい場合の接触面Ｔの全ては、振動面Ｑである底面２２ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎに含まれている。この場合、底面２２ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ１は、図４（ａ）に示す３３％未満となり、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていると判断することができる。よって、超音波センサ２は、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていることを検出する。
【００３６】
次いで、ステップＳ２において、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断された場合、超音波を発信するとともにエコーを受信するための振動面Ｑを大きくする。より具体的には、超音波センサ２は、振動子２３を振動させることにより底面２２ａよりも大きい振動面Ｑである底面２３ａから超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを底面２３ａで受信することにより、エコー比Ｐ２を検出する（ステップＳ３）。ステップＳ３において、底面２３ａから超音波を発信した場合、軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎは、図３に示すように、ステップＳ１における入射面Ｎよりも大きい。
【００３７】
次いで、再度、超音波センサ２は、エコーの振幅に基づいて、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれているか否かを検出する（ステップＳ４）。
【００３８】
より具体的には、ステップＳ４においては、ステップＳ２と同様に、エコー比Ｐ２が、例えば、２８％以上であれば、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断するとともに、２８％未満であれば、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていると判断する。
【００３９】
例えば、図３に示すように、転動体荷重が大きい場合の接触面Ｔの全ては、振動面Ｑである底面２３ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎ（即ち、ステップＳ３における入射面Ｎ）に含まれていない。この場合、底面２３ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ２は、図４（ｂ）に示す２８％以上となり、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断することができる。
【００４０】
一方、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが、振動面Ｑである底面２３ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎに含まれている場合、底面２３ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ２は、図４（ｂ）に示す２８％未満となり、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていると判断することができる。
【００４１】
次いで、ステップＳ４において、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断された場合、超音波を発信するとともにエコーを受信するための振動面Ｑをさらに大きくする。より具体的には、超音波センサ２は、振動子２４を振動させることにより底面２２ａ〜２４ａのうち最も大きい振動面Ｑである底面２４ａから超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを底面２４ａで受信することにより、エコー比Ｐ３を検出する（ステップＳ５）。ステップＳ５において、底面２４ａから超音波を発信した場合、軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎは、図３に示すように大きく、転動体荷重が大きい場合の接触面Ｔの全てを含んでいる。
【００４２】
そして、超音波センサ２によって検出されたエコー比が、転動体荷重検出部へ出力され、転動体荷重検出部が、エコーに基づいて、転動体荷重を検出する（ステップＳ６）。より具体的には、ステップＳ２において接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていると判断された場合は、超音波センサ２によって検出されたエコー比Ｐ１が、転動体荷重検出部へ出力され、図４（ａ）に示すエコー比Ｐ１と転動体荷重の関係を用いて、転動体荷重が検出される。また、ステップＳ４において接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていると判断された場合は、超音波センサ２によって検出されたエコー比Ｐ２が、転動体荷重検出部へ出力され、図４（ｂ）に示すエコー比Ｐ２と転動体荷重の関係を用いて、転動体荷重が検出される。さらに、ステップＳ４において接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断された場合は、ステップＳ５において超音波センサ２によって検出されたエコー比Ｐ３が、転動体荷重検出部へ出力され、図４（ｃ）に示すエコー比Ｐ３と転動体荷重の関係を用いて、転動体荷重が検出される。
【００４３】
本実施形態においては、上述のごとく、超音波センサ２が、エコーの振幅に基づいて、複数の振動子２２〜２４のうち振動させる振動子を選択する（切り替える）ことにより、超音波を発信するとともにエコーを受信するための振動面Ｑの大きさを変化させる点に特徴がある。なお、本実施形態においては、振動面Ｑを大きくして、振動面Ｑの大きさを変化させている。
【００４４】
本実施形態の軸受装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）超音波センサ２は、複数の振動子２２〜２４を備えるとともに、エコーの振幅に基づいて、複数の振動子２２〜２４のうち振動させる振動子を選択することにより、振動面Ｑの大きさを変化させる（即ち、振動面Ｑを大きくする）。このため、ステップＳ１，Ｓ３において受信したエコーの振幅が、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが大きいことを表している場合は、（即ち、エコーの振幅が小さく、エコー比が大きい場合は、）ステップＳ３，Ｓ５において振動面Ｑを大きくして、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎを大きくすることができる。従って、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが大きい場合においては、入射面Ｎを大きくして、エコーの振幅に基づいて転動体荷重を確実に検出することができる。また、エコーの振幅が、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが小さいことを表している場合は、（即ち、エコーの振幅が大きく、エコー比が小さい場合は、）振動面Ｑを大きくせずに、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎの大きさを維持して転動体荷重を検出することができる。従って、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが小さい場合においては、入射面Ｎを小さいままにして、エコーの振幅に基づいて転動体荷重を精度良く検出することができる。その結果、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔの大きさに応じて、転動体荷重を適切に検出することができる。
【００４５】
（２）また、超音波センサ２は、ステップＳ１，Ｓ３において受信したエコーの振幅に基づいて、ステップＳ２，Ｓ４において、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれているか否かを検出する。このため、接触面Ｔの全てが、入射面Ｎに含まれていない場合、転動体荷重を確実に検出するために振動面Ｑを大きくすることができる。
【００４６】
（３）また、超音波センサ２は、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれていない場合、振動面Ｑを大きくする。このため、振動面Ｑを大きくすることによって入射面Ｎを大きくして、接触面Ｔの全てが入射面に含まれるようにすることができる。従って、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが大きい場合において、エコーに基づいて転動体荷重を確実に検出することができる。
【００４７】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、軸受装置の全体構成、転がり軸受１の構成、および超音波センサ２の構成については、上述の第１の実施形態と同様であるため、ここでは詳しい説明を省略する。
【００４８】
第１の実施形態においては、超音波センサは、振動面Ｑを大きくして、振動面Ｑの大きさを変化させていたが、本実施形態においては、超音波センサ２が、振動面Ｑを小さくして、振動面Ｑの大きさを変化させている点に特徴がある。即ち、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれることを条件に、入射面Ｎを小さくすることで、エコーの振幅に基づいて転動体荷重を精度良く検出することができる。なお、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれることを示すエコー比は、予め実測して得ることができる。
【００４９】
図６（ａ）のグラフは、振動面Ｑである底面２４ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ３と転動体荷重との関係を表し、エコー比Ｐ３と転動体荷重との関係を用いて転動体荷重を検出することができる。しかし、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていれば、振動面Ｑである底面２３ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ２と転動体荷重との関係を用いて転動体荷重を検出する方が、転動体荷重を精度良く検出できる。図６（ａ）のグラフの破線部分は、図６（ｂ）のグラフに示すエコー比Ｐ２と転動体荷重との関係を用いた方が転動体荷重を精度良く検出することができることを示している。同じく、図６（ｂ）のグラフは、エコー比Ｐ２と転動体荷重との関係を表し、エコー比Ｐ２と転動体荷重との関係を用いて転動体荷重を検出することができる。しかし、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていれば、振動面Ｑである底面２２ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ１と転動体荷重との関係を用いて転動体荷重を検出する方が転動体荷重を精度良く検出できる。図６（ｂ）のグラフの破線部分は、図６（ｃ）のグラフに示すエコー比Ｐ１と転動体荷重との関係を用いた方が転動体荷重を精度良く検出することができる部分を示している。よって、図６のグラフの破線部分に対応するエコー比は、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれるエコー比を示している。
【００５０】
超音波センサ２が超音波を発信するとともに、エコーを受信する際の、本実施形態に係る軸受装置の動作について、図７を参照しながらより具体的に説明する。
まず、超音波センサ２が、振動子２４を振動させることにより振動面Ｑである底面２４ａから超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを受信することにより、エコー比Ｐ３を検出する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１において、底面２４ａから超音波を発信した場合、軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎは、図３に示すように大きい。
【００５１】
次いで、エコーの振幅に基づいて、振動子２３を振動させることにより振動面Ｑが小さくなる場合に、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれるか否かを検出する（ステップＳ１２）。
【００５２】
より具体的には、ステップＳ１２においては、エコー比Ｐ３が、例えば、１８％未満であれば、振動子２３を振動させることにより振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれると判断する。一方、１８％以上であれば、振動子２３を振動させることにより振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれないと判断する。このような判断を行うことによって、超音波センサ２は、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、超音波を入射する入射面Ｎに含まれるか否かを検出する。
【００５３】
例えば、図３に示すように、振動子２３を振動させることにより振動面Ｑが底面２４ａの大きさから底面２３ａの大きさへ小さくなる場合に、転動体荷重が小さい場合の接触面Ｔの全ては、振動面Ｑである底面２３ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎに含まれる。この場合、底面２４ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ３は、図６（ａ）に示す１８％未満となり、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、超音波が入射する入射面Ｎに含まれると判断することができる。即ち、超音波センサ２は、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれることを検出する。
【００５４】
一方、図３に示すように、振動子２３を振動させることにより振動面Ｑが底面２４ａの大きさから底面２３ａの大きさへ小さくなる場合に、転動体荷重が大きい場合の接触面Ｔの全ては、振動面Ｑである底面２３ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎに含まれない。この場合、底面２４ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ３は、図６（ａ）に示す１８％以上となり、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、超音波が入射する入射面Ｎに含まれないと判断することができる。即ち、超音波センサ２は、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれないことを検出する。
【００５５】
次いで、ステップＳ１２において、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれると判断された場合、超音波を発信するとともにエコーを受信するための振動面Ｑを小さくする。より具体的には、超音波センサ２は、振動子２３を振動させることにより底面２４ａよりも小さい振動面Ｑである底面２３ａから超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを底面２３ａで受信することにより、エコー比Ｐ２を検出する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３において、底面２３ａから超音波を発信した場合、軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎは、図３に示すように、ステップＳ１１における入射面Ｎよりも大きい。
【００５６】
次いで、再度、超音波センサ２は、エコーの振幅に基づいて、振動子２２を振動させることにより振動面Ｑが小さくなる場合に、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれるか否かを検出する（ステップＳ１４）。
【００５７】
より具体的には、ステップＳ１４においては、ステップＳ１２と同様に、エコー比Ｐ２が、例えば、１８％未満であれば、振動子２２を振動させることにより振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれると判断する。一方、１８％以上であれば、振動子２２を振動させることにより振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれないと判断する。
【００５８】
例えば、図３に示すように、振動子２２を振動させることにより振動面Ｑが底面２３ａの大きさから底面２２ａの大きさへ小さくなる場合に、転動体荷重が小さい場合の接触面Ｔの全ては、振動面Ｑである底面２２ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎに含まれる。この場合、底面２３ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ２は、図６（ｂ）に示す１８％未満となり、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、超音波が入射する入射面Ｎに含まれると判断することができる。
【００５９】
一方、振動子２２を振動させることにより振動面Ｑが底面２３ａの大きさから底面２２ａの大きさへ小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれない場合、振動面Ｑである底面２３ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ３は、図６（ｂ）に示す１８％以上となる。従って、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、超音波が入射する入射面Ｎに含まれないと判断することができる。
【００６０】
次いで、ステップＳ１４において、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれると判断された場合、超音波を発信するとともにエコーを受信するための振動面Ｑを小さくする。より具体的には、超音波センサ２は、振動子２２を振動させることにより底面２３ａよりも小さい振動面Ｑである底面２２ａから超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを底面２２ａで受信することにより、エコー比Ｐ１を検出する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５において、底面２２ａから超音波を発信した場合、軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎは、図３に示すように、転動体荷重が小さい場合の接触面Ｔの全てを含んでいる。
【００６１】
そして、超音波センサ２によって検出されたエコー比が、転動体荷重検出部へ出力され、転動体荷重検出部が、エコーの振幅に基づいて、転動体荷重を検出する（ステップＳ１６）。より具体的には、ステップＳ１２において、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれないと判断された場合は、超音波センサ２によって検出されたエコー比Ｐ３が、転動体荷重検出部へ出力され、図６（ａ）に示すエコー比Ｐ３と転動体荷重の関係を用いて、転動体荷重が検出される。また、ステップＳ１４において、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれないと判断された場合は、超音波センサ２によって検出されたエコー比Ｐ２が、転動体荷重検出部へ出力され、図６（ｂ）に示すエコー比Ｐ２と転動体荷重の関係を用いて、転動体荷重が検出される。さらに、ステップＳ１４において、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれると判断された場合は、ステップＳ１５において超音波センサ２によって検出されたエコー比Ｐ１が、転動体荷重検出部へ出力され、図６（ｃ）に示すエコー比Ｐ１と転動体荷重の関係を用いて、転動体荷重が検出される。
【００６２】
本実施形態の軸受装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
（４）超音波センサ２は、複数の振動子２２〜２４を備えるとともに、エコーの振幅に基づいて、複数の振動子２２〜２４のうち振動させる振動子を選択することにより、振動面Ｑの大きさを変化させる（即ち、振動面Ｑを小さくする）。このため、ステップＳ１１，Ｓ１３において受信したエコーの振幅が、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが小さいことを表している場合は、ステップＳ１３，Ｓ１５において振動面Ｑを小さくしている。即ち、ステップＳ１１，Ｓ１３において受信したエコーの振幅が大きく、エコー比が小さい場合は、ステップＳ１３，Ｓ１５において振動面Ｑを小さくして、入射面Ｎを小さくすることができる。従って、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが小さい場合においては、入射面Ｎを小さくして、エコーに基づいて転動体荷重を精度良く検出することができる。また、エコーの振幅が、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが大きいことを表している場合は、（即ち、エコーの振幅が小さく、エコー比が大きい場合は、）振動面Ｑを小さくせずに、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎの大きさを維持して転動体荷重を検出することができる。従って、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが大きい場合においては、入射面Ｎを大きいままにして、エコーの振幅に基づいて転動体荷重を確実に検出することができる。その結果、上記（１）と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
（５）また、ステップＳ１２，Ｓ１４において超音波センサ２は、ステップＳ１１，Ｓ１３において受信したエコーの振幅に基づいて、複数の振動子２２〜２４のうち振動させる振動子を選択することにより振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれるか否かを検出する。このため、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが、入射面Ｎに含まれる場合、転動体荷重を精度良く検出するために振動面Ｑを小さくすることができる。
【００６４】
（６）また、超音波センサ２は、複数の振動子２２〜２４のうち振動させる振動子を選択することにより振動面Ｑが小さくなる場合に、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれる場合、振動面Ｑを小さくする。このため、振動面Ｑを小さくすることによって、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれたまま入射面Ｎを小さくすることができる。従って、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが小さい場合において、エコーの振幅に基づいて転動体荷重を精度良く検出することができる。
【００６５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の設計変更をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。例えば、上記実施形態を以下のように変更してもよい。
【００６６】
・軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれているか否かを判断するためのエコー比や、振動させる振動子を選択することにより振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれるか否かを判断するためのエコー比は、上記実施形態の数値に限られない。
【００６７】
・振動子の個数や配置や、底面の形状等は適宜変更してもよい。より具体的には、図８に示すように、超音波センサ２を構成しても良い。即ち、超音波センサ２は、ケース２１内に、複数（５つ）の振動子（超音波探触子）２５〜２９が設けられたものであって、楕円形状である接触面Ｔの長手方向において、振動子２５を挟むように振動子２６，２７を配置し、さらに振動子２５〜２７を挟むように、振動子２８，２９を配置してもよい。そして、これら振動子２５〜２９の各々が、振動面Ｑとなる四角形状の底面２５ａ〜２９ａを有していてもよい。
【００６８】
・また、振動させる振動子は１つでなくてもよい。より具体的には、上記実施形態においては振動子２２〜２４のいずれかを振動させることにより振動面Ｑ（底面２２ａ〜２４ａのいずれか）であったが、振動子２５、振動子２５〜２７、または振動子２５〜２９を振動させることにより、振動面Ｑ（底面２５ａ、底面２５ａ〜２７ａ、または底面２５ａ〜２９ａ）から超音波を発信してもよい。即ち、複数の振動子のうち振動させる振動子を選択することにより、振動面Ｑの大きさを変化させることができればよい。
【００６９】
・また、接触面Ｔの楕円形状に合わせて、振動面Ｑ（底面２５ａ、底面２５ａ〜２７ａ、または底面２５ａ〜２９ａ）が長方形状であってもよい。即ち、上記実施形態においては振動面Ｑ（底面２２ａ〜２４ａのいずれか）の形状は円形状であったが、振動面Ｑの形状を長方形状にすることで、振動子２５、振動子２５〜２７、または振動子２５〜２９を振動させることにより、図９に示すように、入射面Ｎに対する接触面Ｔの割合を大きくして、転動体荷重をさらに精度良く検出することができる。
【００７０】
・上記実施形態においては、振動させる振動子を選択するためや、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれているか否かを検出するためや、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれるか否かを検出するために、エコー比を用いたが、上記Ｈ１のエコーの振幅を用いてもよい。即ち、振動させる振動子を選択するためや、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれているか否かを検出するためや、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれるか否かを検出するためには、入射面Ｎにおける接触面Ｔの大きさに応じたエコーの振幅を用いればよい。
【００７１】
・上記実施形態においては、超音波センサ２は１つであったが、複数の超音波センサ２を備えてもよい。例えば、転動体荷重の三分力荷重を検出するために、３つの超音波センサ２を備えてもよい。
【００７２】
・上記実施形態においては、転がり軸受１の転動体は玉１５，１６であったが、転動体として円錐ころを用いた転がり軸受であってもよい。また、上記実施形態においては、軸受装置は、自動車用のセンサ付きハブユニットであったが、その他の軸受装置であってもよい。
【００７３】
次に、上記実施形態から把握できる技術的思想について、その効果とともに以下に追記する。
（付記１）前記超音波センサは、前記反射波の振幅に基づいて、複数の前記振動子のうち振動させる振動子を選択することにより前記振動面が小さくなる場合に、前記外輪の軌道面と前記転動体が接触する接触面の全てが、前記外輪の軌道面において前記超音波が入射する入射面に含まれるか否かを検出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【００７４】
同構成によれば、反射波の振幅に基づいて、複数の振動子のうち振動させる振動子を選択することにより振動面が小さくなる場合に、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面の全てが、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面に含まれるか否かを検出する。このため、振動面が小さくなる場合に、接触面の全てが、入射面に含まれる場合、例えば、転動体に作用する荷重を精度良く検出するために振動面を小さくすることができる。
【００７５】
（付記２）前記超音波センサは、複数の前記振動子のうち振動させる振動子を選択することにより前記振動面が小さくなる場合に、前記外輪の軌道面と前記転動体が接触する接触面の全てが、前記外輪の軌道面において前記超音波が入射する入射面に含まれる場合、前記振動面を小さくすることを特徴とする請求項１乃至請求項３、付記１のいずれかに記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【００７６】
同構成によれば、複数の振動子のうち振動させる振動子を選択することにより振動面が小さくなる場合に、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面の全てが、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面に含まれる場合、振動面を小さくする。このため、振動面を小さくすることによって、接触面の全てが入射面に含まれたまま入射面を小さくすることができる。従って、外輪の軌道面と転動体との接触面が小さい場合において、例えば、反射波に基づいて転動体に作用する荷重を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るセンサ付き転がり軸受装置の概略構成図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る軌道面における接触面と入射面を説明するための模式図。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）第１の実施形態に係る、振動面から発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比と、転動体荷重との関係を説明するためのグラフ。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るセンサ付き転がり軸受装置の動作を説明するためのフローチャート。
【図６】（ａ）（ｂ）（ｃ）第２の実施形態に係る、振動面から発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比と、転動体荷重との関係を説明するためのグラフ。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るセンサ付き転がり軸受装置の動作を説明するためのフローチャート。
【図８】本発明の別例に係るセンサ付き転がり軸受装置の、超音波センサを説明するための概略構成図。
【図９】本発明の別例に係る軌道面における接触面と入射面を説明するための模式図。
【図１０】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）外輪の軌道面において超音波が入射する入射面と、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面とを説明するための模式図。
【符号の説明】
【００７８】
Ｎ…入射面、Ｑ…振動面、Ｔ…接触面、１…転がり軸受、２…超音波センサ、１１…外輪、１１ｕ…軌道面、１２…内輪、１４ｕ…軌道面、１５…玉（転動体）、２２〜２９…振動子、２２ａ〜２９ａ…底面。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサを備えたセンサ付き転がり軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車において、発進時や加速時に駆動輪をスピンさせないための駆動力制御や、コーナリング時の横滑りを抑制するための制動力制御等が行われている。このような制御に有効に使用できる情報を得ること等を目的として、転がり軸受の転動体に作用する荷重を検出するために、荷重を検出するセンサ付き転がり軸受装置が知られている。
【０００３】
上述のセンサ付き転がり軸受装置として、例えば、転がり軸受と、超音波センサとを備え、超音波の反射波（エコー）に基づいて、転がり軸受に作用する荷重を検出することが知られている。より具体的には、転がり軸受は、軌道面（軌道）が形成された軌道輪である外輪及び内輪と、軌道面と接触して転動する転動体とを備え、超音波センサは、振動子を振動させることにより、外輪の軌道面へ超音波を発信するとともに、外輪の軌道面における超音波の反射波を受信する。即ち、外輪の軌道面のうち、軌道面と転動体が接触している接触部へ入射した超音波は、外輪から転動体へ透過し、一方、外輪の軌道面のうち、軌道面と転動体が接触していない非接触部へ入射した超音波は、反射波として超音波センサへ反射する。従って、反射波の振幅（エコー強度）によって、外輪の軌道面と転動体との接触面の大きさ（面積）が表されるため、反射波に基づいて、転動体に作用する荷重（転動体荷重）を検出することができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−１７７９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術においては、転動体に作用する荷重が小さい場合は、転動体に作用する荷重を精度良く検出することが困難であり、転動体に作用する荷重が大きい場合は、転動体に作用する荷重を確実に検出することが困難であった。即ち、外輪の軌道面と転動体との接触面の大きさによって、転動体に作用する荷重を適切に検出することができない可能性があるという問題があった。
【０００５】
より具体的には、図１０（ａ）に示すように、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面Ｎが大きい場合は、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面Ｔが大きい場合（即ち、転動体に作用する荷重が大きい場合）においては、転動体に作用する荷重を確実に検出することができる。しかし、図１０（ｂ）に示すように、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面Ｔが小さい場合（即ち、転動体に作用する荷重が小さい場合）においては、分解能が低いため、転動体に作用する荷重を精度良く検出することが困難である。
【０００６】
一方、図１０（ｃ）に示すように、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面Ｎが小さい場合は、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面Ｔが小さい場合においては、分解能が高いため、転動体に作用する荷重を精度良く検出することができる。しかし、図１０（ｄ）に示すように、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面Ｔが大きい場合（即ち、転動体に作用する荷重が大きい場合）においては、転動体に作用する荷重を確実に検出することが困難である。
【０００７】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、外輪の軌道面と転動体との接触面の大きさに応じて、転動体に作用する荷重を適切に検出することができるセンサ付き転がり軸受装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、内周に軌道面が形成された外輪と、外周に軌道面が形成された内輪と、外輪及び内輪の各々の軌道面の一部と接触して転動する転動体とを備える転がり軸受と、振動子を振動させることにより、外輪の軌道面へ超音波を発信するとともに、外輪の軌道面における超音波の反射波を受信するための振動面を有する超音波センサとを備えるセンサ付き転がり軸受装置であって、超音波センサは、複数の振動子を備えるとともに、反射波の振幅に基づいて、複数の振動子のうち振動させる振動子を選択することにより、振動面の大きさを変化させることを特徴とする。
【０００９】
同構成によれば、超音波センサは、複数の振動子を備えるとともに、反射波に基づいて、複数の振動子のうち振動させる振動子を選択することにより、振動面の大きさを変化させる。このため、反射波の振幅が、外輪の軌道面と転動体との接触面が大きいことを表している場合は、（即ち、反射波の振幅が小さい場合は、）例えば、振動面を大きくして、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面を大きくすることができる。また、反射波の振幅が、外輪の軌道面と転動体との接触面が小さいことを表している場合は、（即ち、反射波の振幅が大きい場合は、）例えば、振動面を小さくして、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面を小さくすることができる。従って、例えば、外輪の軌道面と転動体との接触面が大きい場合においては、入射面を大きくして、反射波の振幅に基づいて転動体に作用する荷重を確実に検出することができ、外輪の軌道面と転動体との接触面が小さい場合においては、入射面を小さくして、反射波の振幅に基づいて転動体に作用する荷重を精度良く検出することができる。その結果、外輪の軌道面と転動体との接触面の大きさに応じて、転動体に作用する荷重を適切に検出することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置であって、超音波センサは、反射波の振幅に基づいて、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面の全てが、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面に含まれているか否かを検出することを特徴とする。
【００１１】
同構成によれば、反射波の振幅に基づいて、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面の全てが、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面に含まれているか否かを検出する。このため、接触面の全てが、入射面に含まれていない場合、例えば、転動体に作用する荷重を確実に検出するために振動面を大きくすることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のセンサ付き転がり軸受装置であって、超音波センサは、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面の全てが、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面に含まれていない場合、振動面を大きくすることを特徴とする。
【００１３】
同構成によれば、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面の全てが、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面に含まれていない場合、振動面を大きくする。このため、振動面を大きくすることによって入射面を大きくして、接触面の全てが入射面に含まれるようにすることができる。従って、外輪の軌道面と転動体との接触面が大きい場合において、例えば、反射波の振幅に基づいて転動体に作用する荷重を確実に検出することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、外輪の軌道面と転動体との接触面の大きさに応じて、転動体に作用する荷重を適切に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
以下に本発明に係る第１の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中の矢印Ｕ及びＳは、左右方向を示すとともに、矢印Ｕ，Ｓの各々は、車体側方向、車輪側方向を示している。
【００１６】
本実施形態に係るセンサ付き転がり軸受装置（以下、単に「軸受装置」と言う場合がある。）は、自動車用のセンサ付きハブユニットとして使用されるものである。この軸受装置は、図１の全体構成に示すように、転がり軸受１と、転がり軸受１に取り付けられた超音波センサ２とを備えている。
【００１７】
（転がり軸受の構成）
転がり軸受１は、車体（不図示）に固定される固定側軌道輪である外輪１１と、外輪１１の内側において車輪（不図示）とともに回転する回転側軌道輪である内輪１２と、外輪１１と内輪１２の間に設けられた２列の転動体である玉１５，１６とを備えている。なお、本実施形態においては、内輪１２は、ハブ軸１３と内輪部材１４とから構成されている。
【００１８】
外輪１１は、その内周に２列（即ち、内列と外列）の軌道面１１ｕ，１１ｓが環状に形成されている円筒部１１ａと、車体側に形成されるとともに、ボルト（不図示）を用いて車体に取り付けられるフランジ部１１ｂとを有している。
【００１９】
内輪１２を構成するハブ軸１３は、外輪１１内に所定間隔を空けて設けられるとともに、外周に１列の軌道面１３ｓが環状に形成されている略円柱状の軸部１３ａと、軸部１３ａの車輪側外周に形成されるとともに、ボルト６を用いて車輪が取り付けられる円盤状のフランジ部１３ｂとを有している。さらに、本実施形態においては、ハブ軸１３は、軸部１３ａの車体側に形成されるとともに、おねじが切られたおねじ部１３ｃを有している。
【００２０】
内輪１２を構成する内輪部材１４は、環状に形成されるとともに、ハブ軸１３と同様に、外輪１１内に所定間隔を空けて設けられるとともに、外周に１列の軌道面１４ｕが環状に形成されている。この内輪部材１４は、ハブ軸１３の軸部１３ａの外周に嵌められるとともに、おねじ部１３ｃに螺合されたナット７によって、ハブ軸１３に固定されている。従って、内輪１２（ハブ軸１３と内輪部材１４）は、車輪とともに回転する。
【００２１】
玉１５は、外輪１１と内輪部材１４（内輪１２）の間において、外輪１１及び内輪部材１４の各々に形成された軌道面１１ｕ，１４ｕの一部と接触している。また、玉１６は、外輪１１とハブ軸１３（内輪１２）の間において、外輪１１及びハブ軸１３の各々に形成された軌道面１１ｓ，１３ｓと接触している。そして、内輪１２が回転することにより、玉１５は、外輪１１の軌道面１１ｕと内輪部材１４の軌道面１４ｕにおいて転動するとともに、玉１６は、外輪１１の軌道面１１ｓとハブ軸１３の軌道面１３ｓにおいて転動する。
【００２２】
以上のように構成された転がり軸受１において、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５とは、図３に示すように、楕円形状の接触面Ｔで接触し、この接触面Ｔの大きさ（面積）は、玉１５に作用する（玉１５にかかる）荷重（以下、「転動体荷重」という。）に応じて異なる。なお、転動体荷重を検出する際は、接触面Ｔの大きさは変化せずに一定であるものとする。
【００２３】
（超音波センサの構成）
超音波センサ２は、図１及び図２に示すように、ケース２１内に大きさの異なる複数の振動子（超音波探触子）２２〜２４が設けられたものであって、超音波を発信するとともに反射波（以下、「エコー」という。）を受信するための振動面Ｑを有している。
【００２４】
振動子２２〜２４の各々は、圧電体に電極が形成されたものであって、振動面Ｑとなる円形状の底面２２ａ〜２４ａを有している。これらの振動子２２〜２４のいずれかに電圧を印加すると圧電効果により振動して、振動面Ｑ（底面２２ａ〜２４ａのいずれか）から超音波が発信される。また、底面２２ａ〜２４ａは、超音波のエコーを受信すると圧電効果により、エコーの振幅に対応した電圧を発生させる。
【００２５】
底面２２ａ〜２４ａは、大きさ（面積）がそれぞれ異なり、それらの底面２２ａ〜２４ａのうち、底面２２ａが最も小さく、底面２４ａが最も大きい。また、底面２３ａは、底面２２ａよりも大きく、底面２４ａよりも小さい。よって、振動子２２〜２４のうち、振動させる振動子を選択することによって、振動面Ｑの大きさを変化させることができる。
【００２６】
以上のように構成された超音波センサ２は、振動子２２〜２４の何れかを振動させることにより軌道面１１ｕへ超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを受信する。そして、超音波センサ２は、エコーの振幅、およびエコー比を検出して、検出されたエコー比を転動体荷重検出部（不図示）へ出力する。
【００２７】
より具体的には、底面２２ａ〜２４ａのいずれかである振動面Ｑから発信された超音波は、外輪１１の軌道面１１ｕへ入射する。軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎの大きさ（面積）は、振動面Ｑの大きさに対応しており、図３に示すように、超音波を発信するための振動面Ｑが大きいほど、入射面Ｎも大きい。なお、入射面Ｎは、少なくとも軌道面１１ｕの一部であって、入射面Ｎには、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの少なくとも一部が含まれている。ここで、軌道面１１ｕへ発信された超音波は、軌道面１１ｕにおいて、透過または反射する。即ち、軌道面１１ｕのうち、軌道面１１ｕと玉１５が接触している接触部へ入射した超音波は、外輪１１から玉１５へ透過するとともに、軌道面１１ｕと玉１５が接触していない非接触部へ入射した超音波は、エコーとして超音波センサ２へ反射する。従って、入射面Ｎに含まれる接触面Ｔにおいては、超音波が外輪１１から玉１５へ透過し、一方、接触面Ｔを除いた入射面Ｎにおいては、超音波のエコーが超音波センサ２へ反射するため、超音波センサ２は、入射面Ｎにおける接触面Ｔの大きさに応じた（即ち、転動体荷重に応じた）エコーを受信する。
【００２８】
また、エコー比〔％〕は、エコーの振幅を用いて表すことができるものであって、１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０を計算することにより算出することができる。ここで、Ｈ０は、超音波センサ２が受信するエコーの最も大きい振幅であって、Ｈ１は、超音波センサ２が受信するエコーの最も小さい振幅である。より具体的には、Ｈ０は、入射面Ｎに接触面Ｔが含まれていない場合の（例えば、図２に示す軌道面１１ｕにおいて転動する２つの玉１５の間に超音波を発信した場合の）、超音波のエコーの振幅であって、接触面Ｔの大きさによらず略一定である。一方、Ｈ１は、入射面Ｎの中央に接触面Ｔが含まれる場合の、超音波のエコーの振幅であって、入射面Ｎにおける接触面Ｔの大きさに応じたエコーの振幅である。従って、軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが小さければ、入射面Ｎにおける接触面Ｔの大きさに応じたエコーの振幅は大きく、エコー比は小さくなり、一方、軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが大きければ、入射面Ｎにおける接触面Ｔの大きさに応じたエコーの振幅は小さく、エコー比は大きくなる。
【００２９】
また、エコー比と転動体荷重との関係は、超音波が発信される振動面Ｑの大きさにより異なっており、振動面Ｑである底面２２ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ１と、転動体荷重との関係を、図４（ａ）に示す。また、振動面Ｑである底面２３ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ２と、転動体荷重との関係を、図４（ｂ）に示すとともに、振動面Ｑである底面２４ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ３と、転動体荷重との関係を、図４（ｃ）に示す。なお、図４のグラフの破線部分は、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないことによって、エコー比の変化量〔％〕に対する転動体荷重の変化量〔ｋＮ〕の割合が大きく、エコー比から転動体荷重を確実に検出することができない部分である。
【００３０】
（センサ付き転がり軸受装置の動作）
次に、超音波センサ２が超音波を発信するとともに、エコーを受信する際の、本実施形態に係る軸受装置の動作について、図５を参照しながら説明する。
【００３１】
まず、超音波センサ２が、振動子２２を振動させることにより振動面Ｑである底面２２ａから超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを底面２２ａで受信することにより、エコー比Ｐ１を検出する（ステップＳ１）。ステップＳ１において、底面２２ａから超音波を発信した場合、軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎは、図３に示すように小さい。
【００３２】
次いで、超音波センサ２は、エコーの振幅に基づいて、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれているか否かを検出する（ステップＳ２）。
【００３３】
より具体的には、ステップＳ２においては、エコー比Ｐ１が、例えば、３３％以上であれば、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断するとともに、３３％未満であれば、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていると判断する。このような判断を行うことによって、超音波センサ２は、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、超音波が入射する入射面Ｎに含まれているか否かを検出する。
【００３４】
例えば、図３に示すように、転動体荷重が大きい場合の接触面Ｔの全ては、振動面Ｑである底面２２ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎ（即ち、ステップＳ１における入射面Ｎ）に含まれていない。この場合、底面２２ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ１は、図４（ａ）に示す３３％以上となり、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断することができる。即ち、超音波センサ２は、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないことを検出する。
【００３５】
一方、図３に示すように、転動体荷重が小さい場合の接触面Ｔの全ては、振動面Ｑである底面２２ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎに含まれている。この場合、底面２２ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ１は、図４（ａ）に示す３３％未満となり、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていると判断することができる。よって、超音波センサ２は、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていることを検出する。
【００３６】
次いで、ステップＳ２において、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断された場合、超音波を発信するとともにエコーを受信するための振動面Ｑを大きくする。より具体的には、超音波センサ２は、振動子２３を振動させることにより底面２２ａよりも大きい振動面Ｑである底面２３ａから超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを底面２３ａで受信することにより、エコー比Ｐ２を検出する（ステップＳ３）。ステップＳ３において、底面２３ａから超音波を発信した場合、軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎは、図３に示すように、ステップＳ１における入射面Ｎよりも大きい。
【００３７】
次いで、再度、超音波センサ２は、エコーの振幅に基づいて、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれているか否かを検出する（ステップＳ４）。
【００３８】
より具体的には、ステップＳ４においては、ステップＳ２と同様に、エコー比Ｐ２が、例えば、２８％以上であれば、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断するとともに、２８％未満であれば、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていると判断する。
【００３９】
例えば、図３に示すように、転動体荷重が大きい場合の接触面Ｔの全ては、振動面Ｑである底面２３ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎ（即ち、ステップＳ３における入射面Ｎ）に含まれていない。この場合、底面２３ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ２は、図４（ｂ）に示す２８％以上となり、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断することができる。
【００４０】
一方、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが、振動面Ｑである底面２３ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎに含まれている場合、底面２３ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ２は、図４（ｂ）に示す２８％未満となり、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていると判断することができる。
【００４１】
次いで、ステップＳ４において、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断された場合、超音波を発信するとともにエコーを受信するための振動面Ｑをさらに大きくする。より具体的には、超音波センサ２は、振動子２４を振動させることにより底面２２ａ〜２４ａのうち最も大きい振動面Ｑである底面２４ａから超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを底面２４ａで受信することにより、エコー比Ｐ３を検出する（ステップＳ５）。ステップＳ５において、底面２４ａから超音波を発信した場合、軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎは、図３に示すように大きく、転動体荷重が大きい場合の接触面Ｔの全てを含んでいる。
【００４２】
そして、超音波センサ２によって検出されたエコー比が、転動体荷重検出部へ出力され、転動体荷重検出部が、エコーに基づいて、転動体荷重を検出する（ステップＳ６）。より具体的には、ステップＳ２において接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていると判断された場合は、超音波センサ２によって検出されたエコー比Ｐ１が、転動体荷重検出部へ出力され、図４（ａ）に示すエコー比Ｐ１と転動体荷重の関係を用いて、転動体荷重が検出される。また、ステップＳ４において接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていると判断された場合は、超音波センサ２によって検出されたエコー比Ｐ２が、転動体荷重検出部へ出力され、図４（ｂ）に示すエコー比Ｐ２と転動体荷重の関係を用いて、転動体荷重が検出される。さらに、ステップＳ４において接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていないと判断された場合は、ステップＳ５において超音波センサ２によって検出されたエコー比Ｐ３が、転動体荷重検出部へ出力され、図４（ｃ）に示すエコー比Ｐ３と転動体荷重の関係を用いて、転動体荷重が検出される。
【００４３】
本実施形態においては、上述のごとく、超音波センサ２が、エコーの振幅に基づいて、複数の振動子２２〜２４のうち振動させる振動子を選択する（切り替える）ことにより、超音波を発信するとともにエコーを受信するための振動面Ｑの大きさを変化させる点に特徴がある。なお、本実施形態においては、振動面Ｑを大きくして、振動面Ｑの大きさを変化させている。
【００４４】
本実施形態の軸受装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）超音波センサ２は、複数の振動子２２〜２４を備えるとともに、エコーの振幅に基づいて、複数の振動子２２〜２４のうち振動させる振動子を選択することにより、振動面Ｑの大きさを変化させる（即ち、振動面Ｑを大きくする）。このため、ステップＳ１，Ｓ３において受信したエコーの振幅が、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが大きいことを表している場合は、（即ち、エコーの振幅が小さく、エコー比が大きい場合は、）ステップＳ３，Ｓ５において振動面Ｑを大きくして、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎを大きくすることができる。従って、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが大きい場合においては、入射面Ｎを大きくして、エコーの振幅に基づいて転動体荷重を確実に検出することができる。また、エコーの振幅が、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが小さいことを表している場合は、（即ち、エコーの振幅が大きく、エコー比が小さい場合は、）振動面Ｑを大きくせずに、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎの大きさを維持して転動体荷重を検出することができる。従って、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが小さい場合においては、入射面Ｎを小さいままにして、エコーの振幅に基づいて転動体荷重を精度良く検出することができる。その結果、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔの大きさに応じて、転動体荷重を適切に検出することができる。
【００４５】
（２）また、超音波センサ２は、ステップＳ１，Ｓ３において受信したエコーの振幅に基づいて、ステップＳ２，Ｓ４において、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれているか否かを検出する。このため、接触面Ｔの全てが、入射面Ｎに含まれていない場合、転動体荷重を確実に検出するために振動面Ｑを大きくすることができる。
【００４６】
（３）また、超音波センサ２は、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれていない場合、振動面Ｑを大きくする。このため、振動面Ｑを大きくすることによって入射面Ｎを大きくして、接触面Ｔの全てが入射面に含まれるようにすることができる。従って、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが大きい場合において、エコーに基づいて転動体荷重を確実に検出することができる。
【００４７】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、軸受装置の全体構成、転がり軸受１の構成、および超音波センサ２の構成については、上述の第１の実施形態と同様であるため、ここでは詳しい説明を省略する。
【００４８】
第１の実施形態においては、超音波センサは、振動面Ｑを大きくして、振動面Ｑの大きさを変化させていたが、本実施形態においては、超音波センサ２が、振動面Ｑを小さくして、振動面Ｑの大きさを変化させている点に特徴がある。即ち、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれることを条件に、入射面Ｎを小さくすることで、エコーの振幅に基づいて転動体荷重を精度良く検出することができる。なお、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれることを示すエコー比は、予め実測して得ることができる。
【００４９】
図６（ａ）のグラフは、振動面Ｑである底面２４ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ３と転動体荷重との関係を表し、エコー比Ｐ３と転動体荷重との関係を用いて転動体荷重を検出することができる。しかし、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていれば、振動面Ｑである底面２３ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ２と転動体荷重との関係を用いて転動体荷重を検出する方が、転動体荷重を精度良く検出できる。図６（ａ）のグラフの破線部分は、図６（ｂ）のグラフに示すエコー比Ｐ２と転動体荷重との関係を用いた方が転動体荷重を精度良く検出することができることを示している。同じく、図６（ｂ）のグラフは、エコー比Ｐ２と転動体荷重との関係を表し、エコー比Ｐ２と転動体荷重との関係を用いて転動体荷重を検出することができる。しかし、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれていれば、振動面Ｑである底面２２ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ１と転動体荷重との関係を用いて転動体荷重を検出する方が転動体荷重を精度良く検出できる。図６（ｂ）のグラフの破線部分は、図６（ｃ）のグラフに示すエコー比Ｐ１と転動体荷重との関係を用いた方が転動体荷重を精度良く検出することができる部分を示している。よって、図６のグラフの破線部分に対応するエコー比は、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれるエコー比を示している。
【００５０】
超音波センサ２が超音波を発信するとともに、エコーを受信する際の、本実施形態に係る軸受装置の動作について、図７を参照しながらより具体的に説明する。
まず、超音波センサ２が、振動子２４を振動させることにより振動面Ｑである底面２４ａから超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを受信することにより、エコー比Ｐ３を検出する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１において、底面２４ａから超音波を発信した場合、軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎは、図３に示すように大きい。
【００５１】
次いで、エコーの振幅に基づいて、振動子２３を振動させることにより振動面Ｑが小さくなる場合に、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれるか否かを検出する（ステップＳ１２）。
【００５２】
より具体的には、ステップＳ１２においては、エコー比Ｐ３が、例えば、１８％未満であれば、振動子２３を振動させることにより振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれると判断する。一方、１８％以上であれば、振動子２３を振動させることにより振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれないと判断する。このような判断を行うことによって、超音波センサ２は、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、超音波を入射する入射面Ｎに含まれるか否かを検出する。
【００５３】
例えば、図３に示すように、振動子２３を振動させることにより振動面Ｑが底面２４ａの大きさから底面２３ａの大きさへ小さくなる場合に、転動体荷重が小さい場合の接触面Ｔの全ては、振動面Ｑである底面２３ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎに含まれる。この場合、底面２４ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ３は、図６（ａ）に示す１８％未満となり、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、超音波が入射する入射面Ｎに含まれると判断することができる。即ち、超音波センサ２は、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれることを検出する。
【００５４】
一方、図３に示すように、振動子２３を振動させることにより振動面Ｑが底面２４ａの大きさから底面２３ａの大きさへ小さくなる場合に、転動体荷重が大きい場合の接触面Ｔの全ては、振動面Ｑである底面２３ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎに含まれない。この場合、底面２４ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ３は、図６（ａ）に示す１８％以上となり、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、超音波が入射する入射面Ｎに含まれないと判断することができる。即ち、超音波センサ２は、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕにおいて、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれないことを検出する。
【００５５】
次いで、ステップＳ１２において、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれると判断された場合、超音波を発信するとともにエコーを受信するための振動面Ｑを小さくする。より具体的には、超音波センサ２は、振動子２３を振動させることにより底面２４ａよりも小さい振動面Ｑである底面２３ａから超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを底面２３ａで受信することにより、エコー比Ｐ２を検出する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３において、底面２３ａから超音波を発信した場合、軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎは、図３に示すように、ステップＳ１１における入射面Ｎよりも大きい。
【００５６】
次いで、再度、超音波センサ２は、エコーの振幅に基づいて、振動子２２を振動させることにより振動面Ｑが小さくなる場合に、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれるか否かを検出する（ステップＳ１４）。
【００５７】
より具体的には、ステップＳ１４においては、ステップＳ１２と同様に、エコー比Ｐ２が、例えば、１８％未満であれば、振動子２２を振動させることにより振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれると判断する。一方、１８％以上であれば、振動子２２を振動させることにより振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれないと判断する。
【００５８】
例えば、図３に示すように、振動子２２を振動させることにより振動面Ｑが底面２３ａの大きさから底面２２ａの大きさへ小さくなる場合に、転動体荷重が小さい場合の接触面Ｔの全ては、振動面Ｑである底面２２ａから超音波を発信した場合の入射面Ｎに含まれる。この場合、底面２３ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ２は、図６（ｂ）に示す１８％未満となり、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、超音波が入射する入射面Ｎに含まれると判断することができる。
【００５９】
一方、振動子２２を振動させることにより振動面Ｑが底面２３ａの大きさから底面２２ａの大きさへ小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれない場合、振動面Ｑである底面２３ａから発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比Ｐ３は、図６（ｂ）に示す１８％以上となる。従って、振動面Ｑが小さくなる場合に、軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、超音波が入射する入射面Ｎに含まれないと判断することができる。
【００６０】
次いで、ステップＳ１４において、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれると判断された場合、超音波を発信するとともにエコーを受信するための振動面Ｑを小さくする。より具体的には、超音波センサ２は、振動子２２を振動させることにより底面２３ａよりも小さい振動面Ｑである底面２２ａから超音波を発信するとともに、軌道面１１ｕにおける超音波のエコーを底面２２ａで受信することにより、エコー比Ｐ１を検出する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５において、底面２２ａから超音波を発信した場合、軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎは、図３に示すように、転動体荷重が小さい場合の接触面Ｔの全てを含んでいる。
【００６１】
そして、超音波センサ２によって検出されたエコー比が、転動体荷重検出部へ出力され、転動体荷重検出部が、エコーの振幅に基づいて、転動体荷重を検出する（ステップＳ１６）。より具体的には、ステップＳ１２において、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれないと判断された場合は、超音波センサ２によって検出されたエコー比Ｐ３が、転動体荷重検出部へ出力され、図６（ａ）に示すエコー比Ｐ３と転動体荷重の関係を用いて、転動体荷重が検出される。また、ステップＳ１４において、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれないと判断された場合は、超音波センサ２によって検出されたエコー比Ｐ２が、転動体荷重検出部へ出力され、図６（ｂ）に示すエコー比Ｐ２と転動体荷重の関係を用いて、転動体荷重が検出される。さらに、ステップＳ１４において、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれると判断された場合は、ステップＳ１５において超音波センサ２によって検出されたエコー比Ｐ１が、転動体荷重検出部へ出力され、図６（ｃ）に示すエコー比Ｐ１と転動体荷重の関係を用いて、転動体荷重が検出される。
【００６２】
本実施形態の軸受装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
（４）超音波センサ２は、複数の振動子２２〜２４を備えるとともに、エコーの振幅に基づいて、複数の振動子２２〜２４のうち振動させる振動子を選択することにより、振動面Ｑの大きさを変化させる（即ち、振動面Ｑを小さくする）。このため、ステップＳ１１，Ｓ１３において受信したエコーの振幅が、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが小さいことを表している場合は、ステップＳ１３，Ｓ１５において振動面Ｑを小さくしている。即ち、ステップＳ１１，Ｓ１３において受信したエコーの振幅が大きく、エコー比が小さい場合は、ステップＳ１３，Ｓ１５において振動面Ｑを小さくして、入射面Ｎを小さくすることができる。従って、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが小さい場合においては、入射面Ｎを小さくして、エコーに基づいて転動体荷重を精度良く検出することができる。また、エコーの振幅が、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが大きいことを表している場合は、（即ち、エコーの振幅が小さく、エコー比が大きい場合は、）振動面Ｑを小さくせずに、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎの大きさを維持して転動体荷重を検出することができる。従って、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが大きい場合においては、入射面Ｎを大きいままにして、エコーの振幅に基づいて転動体荷重を確実に検出することができる。その結果、上記（１）と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
（５）また、ステップＳ１２，Ｓ１４において超音波センサ２は、ステップＳ１１，Ｓ１３において受信したエコーの振幅に基づいて、複数の振動子２２〜２４のうち振動させる振動子を選択することにより振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれるか否かを検出する。このため、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが、入射面Ｎに含まれる場合、転動体荷重を精度良く検出するために振動面Ｑを小さくすることができる。
【００６４】
（６）また、超音波センサ２は、複数の振動子２２〜２４のうち振動させる振動子を選択することにより振動面Ｑが小さくなる場合に、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５が接触する接触面Ｔの全てが、外輪１１の軌道面１１ｕにおいて超音波が入射する入射面Ｎに含まれる場合、振動面Ｑを小さくする。このため、振動面Ｑを小さくすることによって、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれたまま入射面Ｎを小さくすることができる。従って、外輪１１の軌道面１１ｕと玉１５との接触面Ｔが小さい場合において、エコーの振幅に基づいて転動体荷重を精度良く検出することができる。
【００６５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の設計変更をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。例えば、上記実施形態を以下のように変更してもよい。
【００６６】
・軌道面１１ｕにおいて接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれているか否かを判断するためのエコー比や、振動させる振動子を選択することにより振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれるか否かを判断するためのエコー比は、上記実施形態の数値に限られない。
【００６７】
・振動子の個数や配置や、底面の形状等は適宜変更してもよい。より具体的には、図８に示すように、超音波センサ２を構成しても良い。即ち、超音波センサ２は、ケース２１内に、複数（５つ）の振動子（超音波探触子）２５〜２９が設けられたものであって、楕円形状である接触面Ｔの長手方向において、振動子２５を挟むように振動子２６，２７を配置し、さらに振動子２５〜２７を挟むように、振動子２８，２９を配置してもよい。そして、これら振動子２５〜２９の各々が、振動面Ｑとなる四角形状の底面２５ａ〜２９ａを有していてもよい。
【００６８】
・また、振動させる振動子は１つでなくてもよい。より具体的には、上記実施形態においては振動子２２〜２４のいずれかを振動させることにより振動面Ｑ（底面２２ａ〜２４ａのいずれか）であったが、振動子２５、振動子２５〜２７、または振動子２５〜２９を振動させることにより、振動面Ｑ（底面２５ａ、底面２５ａ〜２７ａ、または底面２５ａ〜２９ａ）から超音波を発信してもよい。即ち、複数の振動子のうち振動させる振動子を選択することにより、振動面Ｑの大きさを変化させることができればよい。
【００６９】
・また、接触面Ｔの楕円形状に合わせて、振動面Ｑ（底面２５ａ、底面２５ａ〜２７ａ、または底面２５ａ〜２９ａ）が長方形状であってもよい。即ち、上記実施形態においては振動面Ｑ（底面２２ａ〜２４ａのいずれか）の形状は円形状であったが、振動面Ｑの形状を長方形状にすることで、振動子２５、振動子２５〜２７、または振動子２５〜２９を振動させることにより、図９に示すように、入射面Ｎに対する接触面Ｔの割合を大きくして、転動体荷重をさらに精度良く検出することができる。
【００７０】
・上記実施形態においては、振動させる振動子を選択するためや、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれているか否かを検出するためや、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれるか否かを検出するために、エコー比を用いたが、上記Ｈ１のエコーの振幅を用いてもよい。即ち、振動させる振動子を選択するためや、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれているか否かを検出するためや、振動面Ｑが小さくなる場合に、接触面Ｔの全てが入射面Ｎに含まれるか否かを検出するためには、入射面Ｎにおける接触面Ｔの大きさに応じたエコーの振幅を用いればよい。
【００７１】
・上記実施形態においては、超音波センサ２は１つであったが、複数の超音波センサ２を備えてもよい。例えば、転動体荷重の三分力荷重を検出するために、３つの超音波センサ２を備えてもよい。
【００７２】
・上記実施形態においては、転がり軸受１の転動体は玉１５，１６であったが、転動体として円錐ころを用いた転がり軸受であってもよい。また、上記実施形態においては、軸受装置は、自動車用のセンサ付きハブユニットであったが、その他の軸受装置であってもよい。
【００７３】
次に、上記実施形態から把握できる技術的思想について、その効果とともに以下に追記する。
（付記１）前記超音波センサは、前記反射波の振幅に基づいて、複数の前記振動子のうち振動させる振動子を選択することにより前記振動面が小さくなる場合に、前記外輪の軌道面と前記転動体が接触する接触面の全てが、前記外輪の軌道面において前記超音波が入射する入射面に含まれるか否かを検出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【００７４】
同構成によれば、反射波の振幅に基づいて、複数の振動子のうち振動させる振動子を選択することにより振動面が小さくなる場合に、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面の全てが、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面に含まれるか否かを検出する。このため、振動面が小さくなる場合に、接触面の全てが、入射面に含まれる場合、例えば、転動体に作用する荷重を精度良く検出するために振動面を小さくすることができる。
【００７５】
（付記２）前記超音波センサは、複数の前記振動子のうち振動させる振動子を選択することにより前記振動面が小さくなる場合に、前記外輪の軌道面と前記転動体が接触する接触面の全てが、前記外輪の軌道面において前記超音波が入射する入射面に含まれる場合、前記振動面を小さくすることを特徴とする請求項１乃至請求項３、付記１のいずれかに記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【００７６】
同構成によれば、複数の振動子のうち振動させる振動子を選択することにより振動面が小さくなる場合に、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面の全てが、外輪の軌道面において超音波が入射する入射面に含まれる場合、振動面を小さくする。このため、振動面を小さくすることによって、接触面の全てが入射面に含まれたまま入射面を小さくすることができる。従って、外輪の軌道面と転動体との接触面が小さい場合において、例えば、反射波に基づいて転動体に作用する荷重を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るセンサ付き転がり軸受装置の概略構成図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る軌道面における接触面と入射面を説明するための模式図。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）第１の実施形態に係る、振動面から発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比と、転動体荷重との関係を説明するためのグラフ。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るセンサ付き転がり軸受装置の動作を説明するためのフローチャート。
【図６】（ａ）（ｂ）（ｃ）第２の実施形態に係る、振動面から発信された超音波のエコーを用いて算出されるエコー比と、転動体荷重との関係を説明するためのグラフ。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るセンサ付き転がり軸受装置の動作を説明するためのフローチャート。
【図８】本発明の別例に係るセンサ付き転がり軸受装置の、超音波センサを説明するための概略構成図。
【図９】本発明の別例に係る軌道面における接触面と入射面を説明するための模式図。
【図１０】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）外輪の軌道面において超音波が入射する入射面と、外輪の軌道面と転動体が接触する接触面とを説明するための模式図。
【符号の説明】
【００７８】
Ｎ…入射面、Ｑ…振動面、Ｔ…接触面、１…転がり軸受、２…超音波センサ、１１…外輪、１１ｕ…軌道面、１２…内輪、１４ｕ…軌道面、１５…玉（転動体）、２２〜２９…振動子、２２ａ〜２９ａ…底面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周に軌道面が形成された外輪と、外周に軌道面が形成された内輪と、前記外輪及び内輪の各々の軌道面の一部と接触して転動する転動体とを備える転がり軸受と、
振動子を振動させることにより、前記外輪の軌道面へ超音波を発信するとともに、前記外輪の軌道面における前記超音波の反射波を受信するための振動面を有する超音波センサと
を備えるセンサ付き転がり軸受装置であって、
前記超音波センサは、複数の前記振動子を備えるとともに、前記反射波の振幅に基づいて、複数の前記振動子のうち振動させる振動子を選択することにより、前記振動面の大きさを変化させ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】
前記超音波センサは、前記反射波の振幅に基づいて、前記外輪の軌道面と前記転動体が接触する接触面の全てが、前記外輪の軌道面において前記超音波が入射する入射面に含まれているか否かを検出することを特徴とする請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項３】
前記超音波センサは、前記外輪の軌道面と前記転動体が接触する接触面の全てが、前記外輪の軌道面において前記超音波が入射する入射面に含まれていない場合、前記振動面を大きくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項１】
内周に軌道面が形成された外輪と、外周に軌道面が形成された内輪と、前記外輪及び内輪の各々の軌道面の一部と接触して転動する転動体とを備える転がり軸受と、
振動子を振動させることにより、前記外輪の軌道面へ超音波を発信するとともに、前記外輪の軌道面における前記超音波の反射波を受信するための振動面を有する超音波センサと
を備えるセンサ付き転がり軸受装置であって、
前記超音波センサは、複数の前記振動子を備えるとともに、前記反射波の振幅に基づいて、複数の前記振動子のうち振動させる振動子を選択することにより、前記振動面の大きさを変化させ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】
前記超音波センサは、前記反射波の振幅に基づいて、前記外輪の軌道面と前記転動体が接触する接触面の全てが、前記外輪の軌道面において前記超音波が入射する入射面に含まれているか否かを検出することを特徴とする請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項３】
前記超音波センサは、前記外輪の軌道面と前記転動体が接触する接触面の全てが、前記外輪の軌道面において前記超音波が入射する入射面に含まれていない場合、前記振動面を大きくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−９２４３６（Ｐ２００９−９２４３６Ａ）
【公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６１３３２（Ｐ２００７−２６１３３２）
【出願日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【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２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【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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