JP2007057302A - センサ付車輪用軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両にコンパクトに荷重検出用のセンサを設置でき、しかもそのセンサとセンサ信号処理回路とを結ぶ配線の簡略であり、量産時のコストが安価となる車輪用軸受を提供する。
【解決手段】センサユニット２１は、固定側部材である外方部材１に取付けられるセンサ取付部材２２と、このセンサ取付部材２２の歪みを測定する歪みセンサ２３とでなる。センサ取付部材２２は、外方部材１に対して少なくとも２箇所の接触固定部２２ａ，２２ｂを有し、隣合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠部２２ｃを有し、この切欠部２２ｃに歪みセンサ２３を配置したものとする。また、センサ信号処理回路ユニット２５は、歪みセンサ２３の出力信号を処理するセンサ信号処理回路を有するものであって、センサユニット２１の近傍に配置する。なお、内方部材２が固定側部材である場合は、内方部材２にセンサユニット２１とセンサ信号処理回路ユニット２５を取付ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、車輪の軸受部にかかる荷重を検出する荷重センサを内蔵したセンサ付車輪用軸受に関する。

従来、自動車の安全走行のために、各車輪の回転速度を検出するセンサを車輪用軸受に設けたものがある。従来の一般的な自動車の走行安全性確保対策は、各部の車輪の回転速度を検出することで行われているが、車輪の回転速度だけでは十分でなく、その他のセンサ信号を用いてさらに安全面の制御が可能なことが求められている。

そこで、車両走行時に各車輪に作用する荷重から姿勢制御を図ることも考えられる。例えばコーナリングにおいては外側車輪に大きな荷重がかかり、また左右傾斜面走行では片側車輪に、ブレーキングにおいては前輪にそれぞれ荷重が片寄るなど、各車輪にかかる荷重は均等ではない。また、積載荷重不均等の場合にも各車輪にかかる荷重は不均等になる。このため、車輪にかかる荷重を随時検出できれば、その検出結果に基づき、事前にサスペンション等を制御することで、車両走行時の姿勢制御（コーナリング時のローリング防止、ブレーキング時の前輪沈み込み防止、積載荷重不均等による沈み込み防止等）を行うことが可能となる。しかし、車輪に作用する荷重を検出するセンサの適切な設置場所がなく、荷重検出による姿勢制御の実現が難しい。

また、今後ステアバイワイヤが導入されて、車軸とステアリングが機械的に結合しないシステムになってくると、車軸方向荷重を検出して運転手が握るハンドルに路面情報を伝達することが求められる。

このような要請に応えるものとして、車輪用軸受の外輪に歪みゲージを貼り付け、歪みを検出するようにした車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
特表２００３−５３０５６５号公報

車輪用軸受の外輪は、転走面を有し、強度が求められる部品であって、塑性加工や、旋削加工、熱処理、研削加工などの複雑な工程を経て生産される軸受部品である。そのため特許文献１のように外輪に歪みゲージを貼り付けるのでは、生産性が悪く、量産時のコストが高くなるという問題点がある。
また、歪みゲージ等の荷重検出用のセンサの出力信号は、例えば自動車の電気制御ユニットに設けられたセンサ信号処理回路に送信されて、車輪用軸受に作用する外力およびタイヤと路面の作用力の算出や、各種車両制御に利用されるが、従来、荷重検出用のセンサとセンサ信号処理回路とを結ぶ配線が複雑で、その配索が容易でないという問題点があった。

この発明の目的は、車両にコンパクトに荷重検出用のセンサを設置でき、しかもそのセンサとセンサ信号処理回路とを結ぶ配線が簡略であり、量産時のコストが安価となる車輪用軸受を提供することである。

この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持するセンサ付車輪用軸受において、センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた歪みセンサからなるセンサユニットを、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に取付け、前記センサ取付部材は、固定側部材に対して少なくとも２箇所の接触固定部を有し、隣合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠部を有し、この切欠部に前記歪みセンサを取付けたものであり、前記固定側部材における前記センサユニットの近傍に、前記歪みセンサの出力信号を処理するセンサ信号処理回路を有するセンサ信号処理回路ユニットを設けたことを特徴する。例えば、外方部材が固定側部材、内方部材が回転側部材の場合、外方部材に前記センサユニットを取付ける。

車両走行に伴い回転側部材に荷重が加わると、転動体を介して固定側部材が変形し、その変形はセンサユニットに歪みをもたらす。センサユニットに設けられた歪みセンサは、センサユニットの歪みを検出する。歪みと荷重の関係を予め実験やシミュレーションで求めておけば、歪みセンサの出力信号をセンサ信号処理回路ユニットのセンサ信号処理回路で処理することにより、車輪にかかる荷重等を検出することができる。すなわち、前記歪みセンサの出力によって、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量を推定することができる。また、この検出した荷重等を自動車の車両制御に使用することが出来る。
このセンサ付車輪用軸受は、固定側部材に取付けられるセンサ取付部材に歪みセンサを取付けるので、車両にコンパクトに荷重センサを設置できる。センサ取付部材は固定側部材に取付けられる簡易な部品であるため、これに歪みセンサを取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。
センサユニットのセンサ取付部材は、固定側部材に対して少なくとも２箇所の接触固定部を有し、隣合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠部を有するものとされ、この切欠部に歪みセンサが配置されているので、センサ取付部材の歪みセンサの配置箇所が、その剛性の低下により、固定側部材よりも大きな歪みを生じ、固定側部材の歪みを精度良く検出することができる。
また、センサ信号処理回路ユニットをセンサユニットの近傍に設けたので、歪みセンサとセンサ信号処理回路とを結ぶ配線が簡略化され、その配線の配索が容易になるとともに、車軸用軸受以外の場所にセンサ信号処理回路が設けられている場合に比べて、検出系全体をコンパクトにできる。

前記センサユニットおよび前記センサ信号処理回路ユニットを前記固定側部材の周面に設けるとよい。場合によっては、前記センサユニットおよび前記センサ信号処理回路ユニットを前記固定側部材の端面に設けてもよい。
センサユニットおよびセンサ信号処理回路ユニットを固定側部材の周面、特に固定側部材の回転側部材と対向する側の周面に設ける場合、外方部材と内方部材間の端部は密封手段で密封されているので、センサユニットおよびセンサ信号処理回路ユニットが密封された軸受空間に配置されることとなり、両ユニットが泥水等の影響を受けずに済む。前記センサユニットおよび前記センサ信号処理回路ユニットを前記固定側部材の端面に設けるようにすれば、軸受空間にセンサユニットおよびセンサ信号処理回路ユニットを設けるだけのスペースが無い場合でも、センサユニットおよびセンサ信号処理回路ユニットを車輪用軸受に無理なく設けることができる。

前記センサユニットは、前記固定側部材におけるアウトボード側の転走面よりもアウトボード側の位置に配置するのが好ましい。
一般的に車輪用軸受は、アウトボード側の転走面よりもアウトボード側に外方部材および内方部材の延長部が延ばされており、その端部間に密封手段が設けられている。このため、固定側部材におけるアウトボード側の転走面よりもアウトボード側の位置にセンサユニットを配置すれば、センサユニットおよびその近傍に位置するセンサ信号処理回路ユニットを密封された軸受空間に設けることができる。また、固定側部材の延長部はそれ以外の箇所に比べて固定側部材の歪みが大きく現れるので、歪みセンサによって歪みを精度良く検出することができる。

この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持するセンサ付車輪用軸受において、センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた歪みセンサからなるセンサユニットを、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に取付けたものであるため、車両にコンパクトに荷重センサを設置できる。また、センサ取付部材は、固定側部材に取付けられる簡易な部品であるため、これに歪みセンサを取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。
また、前記センサ取付部材は、固定側部材に対して少なくとも２箇所の接触固定部を有し、隣合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠部を有し、この切欠部に前記歪みセンサを取付けたものであるため、センサ取付部材の歪みセンサの配置箇所が、その剛性の低下により、固定側部材よりも大きな歪みを生じ、固定側部材の歪みを精度良く検出することができる。
さらに、前記固定側部材における前記センサユニットの近傍に、前記歪みセンサの出力信号を処理するセンサ信号処理回路を有するセンサ信号処理回路ユニットを設けたので、歪みセンサとセンサ信号処理回路とを結ぶ配線が簡略で、その配索が容易である。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図５と共に説明する。この実施形態は、第３世代型の内輪回転タイプで、駆動輪支持用の車輪用軸受に適用したものである。なお、この明細書において、車両に取付けた状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。
この車輪用軸受は、内周に複列の転走面３を形成した外方部材１と、これら各転送面３に対向する転走面４を形成した内方部材２と、これら外方部材１および内方部材２の転走面３，４間に介在した複列の転動体５とで構成される。この車輪用軸受は、複列のアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体５はボールからなり、各列毎に保持器６で保持されている。上記転送面３，４は断面円弧状であり、各転走面３，４は接触角が外向きとなるように形成されている。外方部材１と内方部材２との間の軸受空間の両端は、密封手段７，８によりそれぞれ密封されている。

外方部材１は固定側部材となるものであって、車体の懸架装置（図示せず）におけるナックルに取付けるフランジ１ａを外周に有し、全体が一体の部品とされている。フランジ１ａには、周方向の複数箇所に車体取付孔１４が設けられている。
内方部材２は回転側部材となるものであって、車輪取付用のハブフランジ９ａを有するハブ輪９と、このハブ輪９の軸部９ｂのインボード側端の外周に嵌合した内輪１０とでなる。これらハブ輪９および内輪１０に、前記各列の転走面４が形成されている。ハブ輪９のインボード側端の外周には段差を持って小径となる内輪嵌合面１２が設けられ、この内輪嵌合面１２に内輪１０が嵌合している。ハブ輪９の中心には貫通孔１１が設けられている。ハブフランジ９ａには、周方向複数箇所にハブボルト（図示せず）の圧入孔１５が設けられている。ハブ輪９のハブフランジ９ａの根元部付近には、ホイールおよび制動部品（図示せず）を案内する円筒状のパイロット部１３がアウトボード側に突出している。

外方部材１のアウトボード側端の内周に、２個のセンサユニット２１およびこれらセンサユニット２１に電気的に接続されたセンサ信号処理回路ユニット２５が設けられている。各ユニット２１，２１，２５の軸方向位置は、互いに同じ位置とされ、またアウトボード側の転走面３よりもアウトボード側、さらに詳しくはアウトボード側転走面３と密封手段７との間とされる。

図２、図３に示すように、センサ取付部材２２は、外方部材１の内周面に沿う周方向に細長い略円弧状とされ、その両端部に円弧の外周側に張り出した接触固定部２２ａ，２２ｂが形成されている。また、センサ取付部材２２の中央部には円弧の外周側に開口する切欠部２２ｃが形成され、この切欠部２２ｃの背面に位置する円弧の内周側の面に歪みセンサ２３が貼り付けられている。センサ取付部材２２の横断面形状は、例えば矩形状とされるが、この他の各種の形状とすることができる。

このセンサユニット２１は、センサ取付部材２２の接触固定部２２ａ，２２ｂによって外方部材１に固定される。これら接触固定部２２ａ，２２ｂの外方部材１への固定は、ボルトによる固定や、接着剤による接着等で行われる。センサ取付部材２２の接触固定部２２ａ，２２ｂ以外の箇所では、外方部材１との間に隙間を生じている。
センサ取付部材２２は、外方部材１に取付けた状態において、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力の予想される最大値において、塑性変形しないものであることが好ましい。センサ取付部材２２の材質としては、鋼材の他、銅、黄銅、アルミニウム等の金属材料を用いることができる。

この実施形態の場合、センサユニット２１が外方部材１の内周面の周方向２箇所に設けられている。第１のセンサユニット２１（１）は、一方の接触固定部２２ａが外方部材１の全周における真上に位置し、もう一方の接触固定部２２ｂが真上位置から数十度下方に位置するように配置されている。また、第２のセンサユニット２１（２）は、一方の接触固定部２２ａが外方部材１の全周における真下に位置し、もう一方の接触固定部２２ｂが真下位置から数十度上方に位置するように配置されている。外方部材１の全周における真上位置および真下位置は、外方部材１に作用する荷重により外方部材１がラジアル方向に最も大きく変形する箇所であり、また真上位置から数十度下方の位置および真下位置から数十度上方の位置は、真上位置および真下位置よりもラジアル方向の変形が少ない箇所である。

図２、図４に示すように、センサ信号処理回路ユニット２５は、樹脂等で成形され外方部材１の内周面に沿う円弧状のハウジング２６を有し、そのハウジング２６の内部にガラスエポキシ等で製作された回路基板２７と、その回路基板２７上に配置した複数の電気、電子部品２８とが収容されている。複数の電気、電子部品２８は、歪みセンサ２３の出力信号を処理するオペアンプ、抵抗、マイコン等や歪みセンサ２３を駆動する電源用部品からなっている。回路基板２７および各電気、電子部品２８で、歪みセンサ２３の出力信号を処理するセンサ信号処理回路を構成している。そして、ハウジング２６の両端部に設けた接合部２９に、歪みセンサ２３に接続した配線３０の端部が接合される。また、ハウジング２６の中央部には、センサ信号処理回路に外部から電力を供給するとともに、センサ信号処理回路によって処理された信号を外部に出力するためのケーブル３１が接続されている。

図５のブロック図に示すように、前記センサ信号処理回路は、外力計算手段３２、路面作用力計算手段３３、軸受予圧量計算手段３４、および異常判定手段３５からなる。これら各手段の働きについては後述する。

なお、インボード側の密封手段８は、外方部材１の内周面に取付けられた芯金付きのゴム等の弾性体からなるシール８ａと、内輪１０の外周面に取付けられて前記シール８ａが接触するスリンガ８ｂとでなり、スリンガ８ｂに、円周方向に交互に磁極を有する多極磁石からなる回転検出用の磁気エンコーダ１６が設けられている。磁気エンコーダ１６に対向して、外方部材１に磁気センサ（図示せず）が取付けられる。

上記構成のセンサ付車輪用軸受の作用を説明する。ハブ輪９に荷重が印加されると、転動体５を介して外方部材１が変形し、その変形は外方部材１の内周に取付けられたセンサ取付部材２２に伝わり、センサ取付部材２２が変形する。センサユニット２１がアウトボード側の転走面３よりもアウトボード側の位置に配置されているので、外方部材１の歪みがセンサ取付部材２２に大きく現れる。このセンサ取付部材２２の歪みを、歪センサ２３により測定する。この際、センサ取付部材２２は外方部材１におけるセンサ取付部材２２の固定箇所のラジアル方向の変形に従って変形するが、外方部材１と比べてセンサ取付部材２２は円弧状であり、かつ切欠部２２ｃが設けられてこの切欠部２２ｃの箇所の剛性が低下しているので、外方部材１の歪みよりも大きな歪みがセンサ取付部材２２に現れる。このため、外方部材１のわずかな歪みも歪みセンサ２３で正確に検出することができる。

また、センサ取付部材２２の２箇所の接触固定部２２ａ，２２ｂのうち、一方の接触固定部２２ａが、外方部材１に作用する荷重により外方部材１がラジアル方向に最も大きく変形する箇所である全周における真上または真下に位置し、もう一方の接触固定部２２ｂが、真上および真下よりもラジアル方向の変形が少ない真上から数十度下方または真下から数十度上方に位置しているため、接触固定部２２ｂを支点にして接触固定部２２ａが大きく変形するときに、センサ取付部材２２の歪みセンサ２３の取付部分が一層大きな歪みを生じる。このため、歪みセンサ２３によって外方部材１の歪みを感度良く検出することができる。

歪みセンサ２３の出力信号をセンサ信号処理回路ユニット２５のセンサ信号処理回路で処理することにより、車軸用軸受に作用する外力等を検出する。荷重の方向や大きさによって歪みの変化が異なるため、予め歪みと荷重の関係を実験やシミュレーションにて求めておけば、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を算出することができる。外力演算手段３２および路面作用力計算手段３２は、それぞれ、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた歪みと荷重の関係から、歪センサ２３の出力により、車輪用軸受に作用する外力およびタイヤと路面間の作用力をそれぞれ算出する。

異常判定手段３５は、このように算出した車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力が、設定された許容値を超えたと判断される場合に、外部に異常信号を出力する。この異常信号を、自動車の車両制御に使用することが出来る。
また、外力計算手段３２および路面作用力計算手段３３により、リアルタイムで車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を出力すると、よりきめ細やかな車両制御が可能となる。

また、車輪用軸受は内輪１０によって予圧が付加されるが、その予圧によってもセンサ取付部材２２は変形する。このため、予め歪みと予圧の関係を実験やシミュレーションにて求めておけば、車輪用軸受の予圧の状態を知ることが出来る。軸受予圧量計算手段３４は、上記のように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた歪みと予圧の関係から、歪センサ２３の出力により、軸受予圧量を出力する。また、軸受予圧量計算手段３４から出力される予圧量を用いることで、車輪用軸受の組立時における予圧の調整が容易になる。

上記実施形態ではセンサユニット２１およびセンサ信号処理回路ユニット２５を外方部材１の内周に設けたが、図６、図７に示すように、外方部材１の内周面におけるアウトボード側転走面３と密封手段７との間に適度なスペースが無い場合には、センサユニット２１およびセンサ信号処理回路ユニット２５を外方部材１の端面に設けても良い。この場合も、センサユニット２１の近傍にセンサ信号処理回路ユニット２５を設ける。

上記各実施形態は、外方部材が固定側部材である場合につき説明したが、この発明は、内方部材が固定側部材である車輪用軸受にも適用することができ、その場合、前記センサ取付部材は内方部材の外周または内周となる周面に取付ける。
また、上記各実施形態では第３世代型の車輪用軸受に適用した場合につき説明したが、この発明は、軸受部分とハブとが互いに独立した部品となる第１または第２世代型の車輪用軸受や、内方部材の一部が等速ジョイントの外輪で構成される第４世代型の車輪用軸受も適用することができる。また、この車輪用軸受は、従動輪用の車輪用軸受にも適用でき、さらに各世代形式のテーパころタイプの車輪用軸受にも適用することができる。

この発明の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図である。 同車輪用軸受の外方部材、センサユニットおよびセンサ信号処理回路ユニットを示す正面図である。 センサユニットの正面である。 センサ信号処理回路ユニットの正面図である。 センサ信号処理回路ユニットのブロック図である。 この発明の異なる実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図である。 同車輪用軸受の外方部材、センサユニットおよびセンサ信号処理回路ユニットを示す正面図である。

符号の説明

１…外方部材（固定側部材）
２…内方部材（回転側部材）
３，４…転走面
５…転動体
７，８…密封手段
２１…センサユニット
２２…センサ取付部材
２３…歪みセンサ
２５…センサ信号処理回路ユニット

Claims (5)

1. 複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持するセンサ付車輪用軸受において、
   センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた歪みセンサからなるセンサユニットを、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に取付け、前記センサ取付部材は、固定側部材に対して少なくとも２箇所の接触固定部を有し、隣合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠部を有し、この切欠部に前記歪みセンサを取付けたものであり、前記固定側部材における前記センサユニットの近傍に、前記歪みセンサの出力信号を処理するセンサ信号処理回路を有するセンサ信号処理回路ユニットを設けたことを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
2. 請求項１において、前記固定側部材が外方部材であるセンサ付車輪用軸受。
3. 請求項１または請求項２において、前記センサユニットおよび前記センサ信号処理回路ユニットを前記固定側部材の周面に設けたセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項１または請求項２において、前記センサユニットおよび前記センサ信号処理回路ユニットを前記固定側部材の端面に設けたセンサ付車輪用軸受。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか1項において、前記センサユニットは、前記固定側部材におけるアウトボード側の転走面よりもアウトボード側の位置に配置したセンサ付車輪用軸受。

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