JP2008126733A - インホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車輪用軸受装置にコンパクトに設置した荷重検出用のセンサにより、車輪と路面の接地点に作用する力を感度良く検出できて、車体の走行安定性確保のための制御を精度良く行えるインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置を提供する。
【解決手段】 内方部材１２と外方部材１１の間に複列の転動体１５を介在させ、前記内方部材１２に懸架装置のナックル７を取付け、かつ前記外方部材１１に車輪１を取付け、前記内方部材１２および外方部材１１に、電気モータ２０のステータ２１およびロータ２２をそれぞれ設けた車輪用軸受装置に適用する。前記内方部材１２の歪みを検出することにより、前記車輪１と路面の接地点に作用する、互いに直交する上下方向、左右方向、および前後方向の３軸方向の力のうちの少なくとも１つの方向の力を測定するセンサ６１，６２を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車輪のリムの内周部に走行用電気モータを配置したインホイール型モータ内蔵車輪用軸受装置に関し、特に車輪と路面の接地点に作用する力を検出するセンサを設けたものに関する。

電気自動車等の車両の車輪用軸受装置として、軸受と電気モータとを組み合わせたインホイール型モータ内蔵車輪用軸受装置が注目されている。このインホイール型モータ内蔵車輪用軸受装置を電気自動車の駆動輪に用いると、各駆動輪を個別に回転駆動させることができるため、プロペラシャフトやデファレンシャル等の大がかりな動力伝達機構が不要となり、車両の軽量化やコンパクト化が図れる。特に、電気モータを車輪の内周部に配置すると、車輪用軸受装置の車輪の軸方向内側への突出を少なくすることができ、さらにコンパクトなものとすることができる（例えば特許文献１）。

エンジン駆動の自動車に用いられる一般的な車輪用軸受では、車体の走行安定性確保のための制御技術として、サスペンション制御、ＡＢＳ（アンチロック・ブレーキ・システム）制御等が利用されている。また、車体に取付けた様々なセンサにより車両の各種状態を測定し、その測定結果に基づきエンジン、ブレーキ、ステアリング等を制御することが行われている。
特開２００６−５７７３２号公報 特表２００３−５３０５６５号公報

モータ駆動はエンジン駆動と比較してトルクの応答性が速いため、前記サスペンション制御やＡＢＳ制御をモータ駆動の車両に導入した場合、エンジン駆動の車両に導入した場合よりも、さらに高い車両の走行安定性が確保できる。サスペンション制御やＡＢＳ制御の精度を向上させるには、車両に作用する力を正確に測定し、その測定結果に基づき制御を行う必要がある。

車両に作用する力は主に車輪と路面間で発生する。車輪と路面の接地点に作用する作用力としては、上下方向（接地点における車輪の法線方向）の力、左右方向（車輪の軸方向）の力、および前後方向（進行方向）の力がある。車輪と路面間で発生する力以外には、走行速度に依存する空気抵抗や、自然風による空気力もあるが、これらは定常的には非常に小さい。従って、車両の走行安定性確保のための制御には、車輪と路面間に作用する上記３軸方向の力を応答性良く検知すればよい。

しかし、従来のように車体に取付けたセンサで車両に作用する力を測定するのは、サスペンションやシャーシを介して車体に伝わった振動を測定することとなり、測定結果にタイムラグが生じる。そのため、その測定結果を制御に利用すると、制御の応答が遅くなるという問題がある。

この発明の目的は、車輪用軸受装置にコンパクトに設置した荷重検出用のセンサにより、車輪と路面の接地点に作用する力を感度良く検出できて、車体の走行安定性確保のための制御を精度良く行えるインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置を提供することである。

この発明のインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置は、内方部材と外方部材の間に複列の転動体を介在させ、前記内方部材に懸架装置のナックルを取付け、かつ前記外方部材に車輪を取付け、前記内方部材および外方部材に、電気モータのステータおよびロータをそれぞれ設けた車輪用軸受装置において、前記内方部材の歪みを検出することにより、前記車輪と路面の接地点に作用する、互いに直交する上下方向、左右方向、および前後方向の３軸方向の力のうちの少なくとも１つの方向の力を測定するセンサを設けたことを特徴とする。

車両走行に伴い車輪と路面の接地点に外力が作用すると、外方部材に荷重がかかる。この荷重は、外方部材から転動体を介して内方部材に伝えられ、内方部材に歪みをもたらす。この内方部材の歪みをセンサが検出する。歪みと前記外力の関係を予め実験やシミュレーションで求めておけば、センサの出力から車輪と路面の接地点に作用する力を検出することができる。車輪と路面の接地点に作用する力は、前記接地点における互いに直交する上下方向、左右方向、および前後方向の３軸方向の力が複合されたものであり、これら３軸方向の力のうちの少なくとも１つの方向の力を検出する。この検出した力を、サスペンション制御やＡＢＳ制御等の制御に使用することができる。

前記３軸方向の力を測定するセンサの一つとして、前記内方部材の径方向歪みを測定する径方向歪み測定用センサを設け、この径方向歪み測定用センサの出力から車輪と路面の接地点に作用する上下方向の力および左右方向の力を推定する推定手段を設けると良い。
車輪と路面の接地点に作用する上下方向の力および左右方向の力の大きさによって内方部材の径方向歪みの大きさが異なるため、予め上下方向の力および左右方向の力と径方向歪みとの関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、上下方向の力および左右方向の力の大きさを算出することができる。推定手段は、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上下方向の力および左右方向の力と径方向歪みとの関係から、径方向歪み測定用センサの出力により、車輪と路面の接地点に作用する上下方向の力および左右方向の力を算出する。この方法で上下方向の力および左右方向の力を求めることにより、上下方向の力および左右方向の力を感度良く検出することができる。

前記径方向歪み測定用センサは、センサ取付部材を介して前記内方部材に取付けられ、センサ取付部材の歪みを測定する歪みセンサであり、前記センサ取付部材は、前記内方部材に対して少なくとも周方向に離れた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箇所の切欠部を有し、この切欠部に前記径方向歪み測定センサを配置したものであるのが好ましい。
センサ取付部材は、内方部材に対して少なくとも周方向に離れた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、この切欠部に径方向歪み測定用センサが配置されているので、センサ取付部材の径方向歪み測定用センサの配置箇所が、その剛性の低下により、内方部材よりも大きな歪みを生じる。このことにより、内方部材の歪みを感度良く検出することができる。
また、径方向歪み測定用センサをセンサ取付部材を介して内方部材に取付ける構成としたため、径方向歪み測定用センサを車輪用軸受装置にコンパクトに設置できる。センサ取付部材は内方部材に取付けられる簡易な部品であるため、これに径方向歪み測定用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。

前記３軸方向の力を測定するセンサの一つとして、前記内方部材の径方向歪みを測定する径方向歪み測定用センサを設け、この径方向歪み測定用センサの出力から車輪と路面の接地点に作用する上下方向の力を推定する推定手段を設けると良い。
車輪と路面の接地点に作用する上下方向の力の大きさによって内方部材の径方向歪みの大きさが異なるため、予め上下方向の力と径方向歪みとの関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、上下方向の力の大きさを算出することができる。推定手段は、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上下方向の力と径方向歪みとの関係から、径方向歪み測定用センサの出力により、車輪と路面の接地点に作用する上下方向の力を算出する。この方法で上下方向の力を求めることにより、上下方向の力を感度良く検出することができる。

前記径方向歪み測定用センサは、センサ取付部材を介して前記ナックルに取付けられ、前記内方部材の表面の変位を測定する変位センサであり、前記センサ取付部材は、前記ナックルに対して少なくとも１箇所の接触固定部を有するものであるのが好ましい。
センサ取付部材は接触固定部によりナックルに取付けられるため、内方部材が変形した場合でも、センサ取付部材はほとんど変形しない。このセンサ取付部材に取付けた変位センサで、内方部材の表面の変位を測定するため、上記変位の測定精度が高く、この測定値から推定される前記上下方向の力の精度も高くなる。
また、径方向歪み測定用センサをセンサ取付部材を介してナックルに取付ける構成としたため、径方向歪み測定用センサを車輪用軸受装置にコンパクトに設置できる。センサ取付部材はナックルに取付けられる簡易な部品であるため、これに径方向歪み測定用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。

前記３軸方向の力を測定するセンサの一つとして、前記内方部材の軸方向歪みを測定する軸方向歪み測定用センサを設け、この軸方向歪み測定用センサの出力から車輪と路面の接地点に作用する左右方向の力を推定する推定手段を設けると良い。
車輪と路面の接地点に作用する左右方向の力の大きさによって内方部材の軸方向歪みの変化が異なるため、予め左右方向の力と軸方向歪みとの関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、左右方向の力の大きさを算出することができる。推定手段は、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左右方向の力と軸方向歪みとの関係から、軸方向歪み測定用センサの出力により、車輪と路面の接地点に作用する左右方向の力を算出する。この方法で左右方向の力を求めることにより、左右方向の力を精度良く検出することができる。

前記軸方向歪み測定用センサは、センサ取付部材を介して前記ナックルに取付けられ、前記内方部材の表面の変位を測定する変位センサであり、前記センサ取付部材は、前記ナックルに対して少なくとも１箇所の接触固定部を有するものであるのが好ましい。
センサ取付部材は接触固定部によりナックルに取付けられるため、内方部材が変形した場合でも、センサ取付部材はほとんど変形しない。このセンサ取付部材に取付けた変位センサで、内方部材の表面の変位を測定するため、上記変位の測定精度が高く、この測定値から推定される前記左右方向の力の精度も高くなる。
また、径方向歪み測定用センサをセンサ取付部材を介してナックルに取付ける構成としたため、軸方向歪み測定用センサを車輪用軸受装置にコンパクトに設置できる。センサ取付部材はナックルに取付けられる簡易な部品であるため、これに径方向歪み測定用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。

前記内方部材および外方部材に、ブレーキのブレーキ輪およびブレーキパッドをそれぞれ設けた構成とすることができる。その場合、前記３軸方向の力を測定するセンサの一つとして、前記電気モータの電流量を測定する電流センサと、前記ブレーキに作用するブレーキ力を測定するブレーキ力センサとを設け、これら電流センサおよびブレーキ力センサの出力から車輪と路面の接地点に作用する前後方向の力を推定する推定手段を設けると良い。
車両走行時に車輪と路面の接地点に作用する前後方向の力の大きさによって、電気モータに流れる電流量が異なる。同様に、前記前後方向の力の大きさによって、ブレーキのブレーキ力も異なる。したがって、前後方向の力と電気モータの電流およびブレーキのブレーキ力との関係を予め実験やシミュレーションで求めておけば、電気モータの電流量およびブレーキのブレーキ力を測定することにより、前後方向の力を推定することができる。電気モータの電流量またはブレーキのブレーキ力の単独の測定結果からでも前後方向の力を推定することは可能であるが、両者を比較対照することで、前後方向の力を精度良く推定することができる。

この発明のインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置は、内方部材と外方部材の間に複列の転動体を介在させ、前記内方部材に懸架装置のナックルを取付け、かつ前記外方部材に車輪を取付け、前記内方部材および外方部材に、電気モータのステータおよびロータをそれぞれ設けた車輪用軸受装置において、前記内方部材の歪みを検出することにより、前記車輪と路面の接地点に作用する、互いに直交する上下方向、左右方向、および前後方向の３軸方向の力のうちの少なくとも１つの方向の力を測定するセンサを設けたため、車輪用軸受装置にコンパクトに設置した荷重検出用のセンサにより、車輪と路面の接地点に作用する力を感度良く検出できて、車体の走行安定性確保のための制御を精度良く行える。

この発明の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。このインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置は、車輪１の内周側に、この車輪１を回転自在に支持する軸受１０と、走行用電気モータ２０と、ブレーキ３０とを設けたものである。なお、この明細書において、車輪用軸受装置を車両に取付けた状態で車両の車幅方向の外側（図１の右側）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（図１の左側）をインボード側と呼ぶ。

図１に示すように、車輪１は、円筒状のリム２と、このリム２の内周面に取付けたリング状のディスク３とからなるホイール４を備え、前記リム２の外周にタイヤ５を設けたものである。ディスク３は、リム２の軸方向幅のほぼ中央に取付けられている。

図２に示すように、軸受１０は、内周に複列の転走面１３を形成した外方部材１１と、これら各転走面１３に対向する転走面１４を形成した内方部材１２と、これら外方部材１１および内方部材１２の転走面１３，１４間に介在する複列の転動体１５とで構成される。この軸受１０は、複列のアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体１５はボールからなり、各列毎に図示しない保持器で保持されている。上記転走面１３，１４は断面円弧状であり、各転走面１３，１４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１１と内方部材１２との間の軸受空間のアウトボード側およびインボード側の端部は、それぞれシール部材１６でシールされている。

外方部材１１は回転側軌道輪となるものであって、アウトボード側の端部に前記ディスク３に取付けるフランジ１１ａ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取付孔１１ｂが設けられており、外方部材１１は、取付孔１１ｂに挿通した取付ボルト・ナット６により前記ディスク３に取付けられる。

内方部材１２は固定側軌道輪となるものであって、アウトボード側端近くの内周に円板部１７ａを有するベース輪１７と、このベース輪１７のインボード側端の外周に形成された小径部に嵌合する内輪１８とでなる。これらベース輪１７および内輪１８に、前記各列の転走面１４が形成されている。ベース輪１７のアウトボード側端を加締めることにより、内輪１８がベース輪１７に固定一体化されている。ベース輪１７の円板部１７ａには、ブレーキ取付穴１７ｂが設けられている。

走行用電気モータ２０は、外方部材１１および内方部材１２間のインボード側転走面１３，１４よりもインボード側に設けられている。この実施形態の走行用電気モータ２０は、内方部材１２に固定したステータ２１と、外方部材１１に取付けたロータ２２との間にラジアルギャップを設けたラジアルギャップ型とされているが、ステータ２１とロータ２２との間にアキシアルギャップを設けたアキシアルギャップ型としてもよい。外方部材１１と内方部材１２間のインボード側の開口にはキャップ２３が装着されている。

ブレーキ３０は、外方部材１１と共にディスク３に取付けられたブレーキ輪３１およびこのブレーキ輪３１に摩擦接触可能なブレーキパッド３２を有する作動部３３と、ブレーキパッド３２を作動させる駆動部３４とを有し、この駆動部３４の駆動源としてブレーキ用電気モータ３５を用いた電動ブレーキとされている。ブレーキ輪３１はブレーキディスクからなる。ブレーキパッド３２は、ブレーキ輪３１を挟み付けるように一対設けられている。片方のブレーキパッド３２は、ブレーキフレーム３６に固定され、もう片方のブレーキパッド３２は、ブレーキフレーム３６に直線的に進退自在に設置された進退部材３７に取付けられている。進退部材３７の進退可能方向はブレーキ輪３１に対面する方向である。進退部材３７は、ブレーキフレーム３６に対して回り止めされている。ブレーキフレーム３６は、内方部材ベース輪１７の円板部１７ａに設けられたブレーキ取付穴１７ｂに嵌合させ、固定部材３８により円板部１７ａに固定されている

駆動部３４は、上記ブレーキ用電気モータ３５と、この電気モータ３５の回転出力を往復直線運動に変換してブレーキパッド３２にブレーキ力として伝えるボールねじ３９とを有し、電気モータ３５の出力は減速伝達機構４０を介してボールねじ３９に伝達される。ボールねじ３９は、ねじ軸４１が軸受４２を介してブレーキフレーム３６に回転のみ自在に支持され、ナット４３が上記進退部材３７に固定されている。進退部材３７とナット４３とは、互いに一体の部材であっても良い。

ボールねじ３９は、ねじ軸４１およびナット４３と、これらねじ軸４１の外周面およびナット４３の内周面に対向して形成されたねじ溝間に介在する複数のボール４４とを有する。ナット４３には、ねじ軸４１とナット４３の間に介在するボール４４を無端の経路で循環させる循環手段（図示せず）を有している。循環手段は、リターンチューブやガイドプレートを用いた外部循環形式のものであっても、エンドチャップや駒を用いた内部循環形式のものであっても良い。また、このボールねじ３９は、短い距離を往復動作させるものであるため、上記循環手段を有しない形式のもの、例えばねじ軸４１とナット４３間の複数のボール４４をリテナ（図示せず）で保持したリテナ式のものであっても良い。

減速伝達機構４０は、ブレーキ用電気モータ３５の回転をボールねじ３９のねじ軸４１に減速して伝える機構であり、ギヤ列で構成されている。減速伝達機構４０は、この例では、電気モータ３５の出力軸に設けられたギヤ４５、およびねじ軸４１に設けられて上記ギヤ４５に噛み合うギヤ４６からなる。減速伝達機構４０は、この他に、例えばウォームおよびウォームホイル（図示せず）からなるものとしても良い。

このブレーキ３０は、ブレーキペダル等の操作部材５１の操作に従い上記電気モータ３５を制御する操作部５２を有する。この操作部５２には、アンチロック制御手段５５が設けられている。操作部５２は、上記操作部材５１と、この操作部材５１の動作量および動作方向を検出可能な操作センサ５４と、この操作センサ５４の検出信号に応答して電気モータ３５を制御する制御装置５３とでなり、この制御装置５３に上記アンチロック制御手段５５が設けられている。制御装置５３は、モータ制御信号を生成する手段およびそのモータ制御信号によりモータ電流を制御可能なモータ駆動回路（いずれも図示せず）を有している。

アンチロック制御手段５５は、操作部材５１の操作による制動時に、車輪１の回転に応じて電気モータ３５によるブレーキ力を調整することで、車輪１の回転ロックを防止する手段である。アンチロック制御手段５５は、上記制動時に、車輪１の回転速度を検出し、検出速度から車輪１の回転ロックまたはその兆候が検出されると、電気モータ３５の駆動電流を低下させ、または一時的に逆回転出力を発生するなどして、ブレーキ力、つまりブレーキパッド３２の締め付け力を調整する処理を行う。車輪１の回転速度の検出には、例えば走行用電気モータ２０のロータ２２の回転数を検出する回転数センサ５６の出力を利用できる。

この車輪用軸受装置は、内方部材１２の内周に取付けたナックル７等からなる懸架装置を介して車体に固定される。懸架装置には、車輪１と路面の接地点に作用する力を減衰して車体に伝えるダンパ、ショックアブソーバ等の減衰手段８が設けられている。

車輪１と路面の接地点に作用する力は、互いに直交する上下方向（接地点における車輪１の法線方向）の力Ｆｚと、左右方向（車輪１の軸方向）の力Ｆｙと、前後方向（進行方向）の力Ｆｘとが複合されたものである。車輪用軸受装置には、これら３軸方向の力をそれぞれ測定するセンサが設けられている。上下方向の力Ｆｚおよび左右方向の力Ｆｙは、軸受１０の固定側軌道輪である内方部材１２の径方向歪みεｚを検出する径方向歪み測定用センサ６０の出力から求められる。前後方向の力Ｆｘは、走行用電気モータ２０の電流量Ｉを検出する電流センサ６３およびブレーキ３０のブレーキ力を検出するブレーキ力センサ６４の出力εｄから求められる。ブレーキ力センサ６４としては、ブレーキパッド３２の締付力を直接測定するセンサとすることも可能であるが、ブレーキ力を直接測定する代わりに前記アンチロック制御手段５５の制御信号を利用できる。この他に、ブレーキパッド３２を締め付けることによって生じるブレーキフレーム３６の変形を歪みセンサで測定して、これをブレーキ力として利用してもよい。

図３に示すように、これら各センサ６０，６３，６４は、各センサの出力を処理する推定手段６５および異常判定手段６６に接続されている。これら推定手段６５および異常判定手段６６は、例えば自動車の電気制御ユニット（ＥＣＵ）６７に設けられている。推定手段６５および異常判定手段６６は、アクスルユニットごとに設けた回路基板等の電子回路装置（図示せず）に組み込んだものであっても良い。電気制御ユニット６７の出力側には、走行用電気モータ２０、ブレーキ用電気モータ３５、および懸架装置の減衰手段８が接続されている。

車輪１と路面の接地点に作用する上下方向の力および左右方向の力の大きさによって固定側軌道輪である内方部材１２の径方向歪みの変化が異なるため、予め上下方向の力および左右方向の力と径方向歪みとの関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、上下方向の力および左右方向の力の大きさを算出することができる。推定手段６５は、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上下方向の力および左右方向の力と径方向歪みとの関係から、径方向歪み測定用センサ６０の出力により、車輪１と路面の接地点に作用する上下方向の力および左右方向の力を算出する。

また、車輪１と路面の接地点に作用する前後方向の力の大きさによって走行用電気モータ２０に流れる電流量およびブレーキ３０に作用するブレーキ力の大きさが異なるため、予め前後方向の力と、電流量およびブレーキ力との関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、前後方向の力の大きさを算出することができる。推定手段６５は、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前後方向の力と、電流量およびブレーキ力との関係から、ブレーキ用電気モータ３５の出力により、車輪１と路面の接地点に作用する前後方向の力を算出する。走行用電気モータ２０の電流量またはブレーキ３０のブレーキ力の単独の測定結果からでも前後方向の力を推定することは可能であるが、両者を比較対照することで、前後方向の力を精度良く推定することができる。

このようにして得られる各種情報に基づき、電気制御ユニット６７から車両の姿勢制御用の出力が出される。例えば、旋回が円滑に行われるように、走行用電気モータ２０に出力して左右の車輪１の回転速度を制御する。制動時に車輪１のロックが生じないように、ブレーキ用電気モータ３５に出力して制動を制御する。旋回時に車体が左右に大きく傾いたり、加速時や制動時に車体が前後に大きく傾いたりするのを防止するために、懸架装置の減衰手段８に出力してサスペンション制御を行う。また、異常判定手段６６は、前記３軸方向の力が許容値を超えたと判断される場合に、異常信号を出力する。この異常信号も、自動車の車両制御に使用することができる。さらに、リアルタイムで車輪と路面間の作用力を出力すると、よりきめ細かな姿勢制御が可能となる。

径方向歪み測定用センサ６０は、例えば図４および図５に示すように設置する。すなわち、センサ取付部材７２に径方向歪み測定用センサ６０を取付けてセンサユニット７１とし、このセンサユニット７１を軸受１０の内方部材１２の内周に固定する。センサ取付部材７２は、内方部材１２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７２ａ，７２ｂが形成されている。また、センサ取付部材７２の中央部には円弧の外周側に開口する切欠部７２ｃが形成され、この切欠部７２ｃの背面に位置する円弧の内周側の面に歪みセンサからなる径方向歪み測定用センサ６０が貼り付けられている。センサ取付部材７２の断面形状は、例えば矩形状とされるが、この他に各種の形状とすることができる。

センサユニット７１は、センサ取付部材７２の長手方向が内方部材１２の周方向を向くように、センサ取付部材７２の接触固定部７２ａ，７２ｂによって内方部材１２の内周に固定される。これら接触固定部７２ａ，７２ｂの内方部材１２への固定は、ボルトによる固定や、接着剤により接着等で行われる。センサ取付部材７２の接触固定部７２ａ，７２ｂ以外の箇所では、内方部材１２の内周面との間に隙間を生じている。接触固定部７２ａ，７２ｂのいずれか一方である第１の接触固定部７２ａは、内方部材１２に作用する荷重により内方部材１２が径方向に最も大きく変形する周方向箇所で外方部材１に固定される。第２の接触固定部７２ｂは、前記固定箇所よりも径方向の変形が少ない箇所で固定される。
この実施形態の場合、第１の接触固定部７２ａの固定箇所は、内方部材１２の全周における真上の位置（反路面側位置）とされ、第２の接触固定部７２ｂの固定箇所は、真上の位置から数十度、例えば３０度ないし４０度程度下方の位置とされる。

センサ取付部材７２は、車輪と路面の接地点に作用する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７２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。

径方向歪み測定用センサ６０に用いる歪みセンサとしては、種々の形式のものを使用できるが、例えば金属箔ストレインゲージとされる。歪みセンサが金属箔ストレインゲージで構成されている場合、センサ取付部材７２は軸受１０に予想される最大の外力が印加された場合でも、金属箔ストレインゲージの耐久性を考慮すると、歪みセンサの歪み量が１５００マイクロストレイン以下であることが好ましい。
また、歪みセンサが半導体ストレインゲージで構成されている場合、センサ取付部材７２は軸受１０に予想される最大の外力が印加された場合でも、半導体ストレインゲージの耐久性を考慮すると、歪みセンサの歪み量が１０００マイクロストレイン以下であることが好ましい。

車輪１と路面の接地点に作用する力により軸受１０の回転側軌道輪である外方部材１１に荷重が印加されると、転動体１５を介して内方部材１２が変形し、その変形は内方部材１２の内周に取付けられたセンサ取付部材７２に伝わり、センサ取付部材７２が変形する。そのセンサ取付部材７２の歪みを歪みセンサである径方向歪み測定用センサ６０で測定する。この際、センサ取付部材７２は内方部材１２におけるセンサ取付部材７２の固定箇所の径方向の変形に従って変形するが、内方部材１２と比べてセンサ取付部材７２は円弧状であり、かつ切欠部７２ｃが設けられてこの切欠部７２ｃの箇所で剛性が低下しているので、内方部材１２の歪みよりも大きな歪みがセンサ取付部材７２に現れる。このため、内方部材１２のわずかな歪みも径方向歪み測定用センサ６０で正確に検出することができる。

センサ取付部材７２の２箇所の接触固定部７２ａ，７２ｂのうち、第１の接触固定部７２ａは、車輪と路面の接地点に作用する力によって、内方部材１２の他の箇所と比べて径方向の変形が著しい箇所に取付けられていることが好ましい。内方部材１２は、円周方向の各部によって、車輪と路面の接地点に作用する上下方向の力および左右方向の力による径方向変形の程度が異なる。ＦＥＭ（有限要素法）解析の結果によると、車輪と路面の接触点に作用する上下方向の力および左右方向の力に対する内方部材１２の径方向の変形は、反路面側および路面側の位置、つまり鉛直方向の真上位置および真下位置が最も大きくなる。この実施形態では、内方部材１２の径方向の変形の最も大きな位置となる鉛直方向の真上位置に第１の接触固定部７２ａを配置したため、感度良く、したがって精度良く、内方部材１２の歪みを検出することができる。
すなわち、第１の接触固定部７２ａが内方部材１２における他の箇所と比べて径方向に大きく変形する箇所に取付けられていると、センサ取付部材７２は、変形の少ない第２の接触固定部７２ｂが支点となって、第１の接触固定部７２ａが内方部材１２の大きな変形に伴い大きく変形する。そのため、センサ取付部材７２の径方向歪み測定用センサ６０の取付位置がより一層大きな歪みを生じることになり、径方向歪み測定用センサ６０により、内方部材１２の歪みをより一層感度良く検出することができる。

なお、前記接触固定部７２ａ，７２ｂのうちの第２の接触固定部７２ｂは、第１の接触固定部７２ａとは、車輪と路面の接地点に作用する力によって生じる径方向の歪みの方向が正逆異なる箇所としてもよい。例えば、内方部材１２の真横位置（路面側位置から９０度上方の位置）よりも上側の位置と、真横位置よりも下側（路面側に近い位置）とでは、車輪と路面の接地点に作用する左右方向の力に対する内方部材１２の径方向の変形の方向が、正逆異なる方向となる。第１の接触固定部７２ａが内方部材１２の真上位置（反路面側位置）の場合、第２の接触固定部７２ｂを内方部材１２の真横位置よりも下側位置とすると、両接触固定部７２ａ，７２ｂにおける内方部材１２の変形の方向は正逆異なる方向となる。このように、第２の接触固定部７２ｂと第１の接触固定部７２ａとが内方部材１２の径方向の歪みの方向が正逆異なる箇所とされていると、両側の歪みが加算されることになって、内方部材１２の変形がセンサ取付部材７２により大きく伝わり、より一層大きな歪みを検出して、内方部材１２の歪みをさらに感度良く検出することができる。

センサ取付部材７２およびこのセンサ取付部材７２に取付けた径方向歪み測定用センサ６０からなるセンサユニット７１を軸受１０の内方部材１２に取付ける構成としたため、左右方向荷重検出用のセンサを車両にコンパクトに設置できる。センサ取付部材７２は内方部材１２に取付けられる簡易な部品であるため、これに径方向歪み測定用センサ６０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。

図６に示すように、センサユニット７１を２箇所に設けても良い。これにより、より精度の高い荷重の検出が可能となる。同様に、センサユニット７１を３箇所以上の複数箇所に設けることにより、より一層精度の高い荷重の検出が可能となる。その際、スペース上の理由等により複数のセンサユニット７１を設置することが困難な場合、図７に示すように、内方部材１２の内周に接触固定される接触固定部を２つのセンサユニット７１で共用するようにしてもよい。

図８は、車輪と路面の接地点に作用する３軸方向の力のうち上下方向の力および左右方向の力をそれぞれ測定するセンサとして、前記実施形態とは異なるセンサを設けた車輪用軸受装置を示している。図９は、この車輪用軸受装置の制御系のブロック図である。この車輪用軸受装置では、上下方向の力Ｆｚを、軸受１０の固定側軌道輪である内方部材１２の径方向歪みεｚを検出する径方向歪み測定用センサ６１の出力から求め、かつ左右方向の力Ｆｙを、軸受１０の固定側軌道輪である内方部材１２の軸方向歪みεｙを検出する軸方向歪み測定用センサ６２の出力から求めるようにしている。前後方向の力Ｆｘは、前記実施形態と同様、走行用電気モータ２０の電流量Ｉを検出する電流センサ６３およびブレーキ３０のブレーキ力を検出するブレーキ力センサ６４の出力εｄから求める。

車輪１と路面の接地点に作用する上下方向の力の大きさによって固定側軌道輪である内方部材１２の径方向歪みの変化が異なるため、予め上下方向の力と径方向歪みとの関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、上下方向の力の大きさを算出することができる。推定手段６５は、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上下方向の力と径方向歪みとの関係から、径方向歪み測定用センサ６１の出力により、車輪１と路面の接地点に作用する上下方向の力を算出する。

また、車輪１と路面の接地点に作用する左右方向の力の大きさによって固定側軌道輪である内方部材１２の軸方向歪みが異なるため、予め左右方向の力と軸方向歪みとの関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、左右方向の大きさを算出することができる。推定手段６５は、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左右方向の力と軸方向歪みとの関係から、軸方向歪み測定用センサ６２の出力により、車輪１と路面の接地点に作用する左右方向の力を算出する。

径方向歪み測定用センサ６１は、例えば図１０および図１１に示すように設置する。すなわち、センサ取付部材７４に径方向歪み測定用センサ６１を取付けてセンサユニット７３とし、このセンサユニット７３をナックル７に固定する。センサ取付部材７４は先端が鉤状に屈曲した細長い部材で、このセンサ取付部材７４の先端に変位センサからなる径方向歪みセンサ６１が取付けられている。センサ取付部材７４の基部は、ナックル７へ取付けるための接触固定部７４ａとなっている。

センサ取付部材７４の接触固定部７４ａを接着剤等でナックル７に固定することにより、センサユニット７３がナックル７に取付けられる。この実施形態の場合、径方向歪み測定用センサ６１は例えば渦電流式等の非接触型の変位センサであり、径方向歪み測定用センサ６１は、内方部材１２の内周面の径方向の変位を測定するように、内方部材１２の内周面に対して所定の間隔を開けてセンサ取付部材７４に取り付けられている。

また、軸方向歪み測定用センサ６２は、例えば図１０および図１２に示すように設置する。すなわち、センサ取付部材７６に軸方向歪み測定用センサ６２を取付けてセンサユニット７５とし、このセンサユニット７５をナックル７に固定する。センサ取付部材７６は直線状の細長い部材で、このセンサ取付部材７６の先端に変位センサからなる軸方向歪みセンサ６２が取付けられている。センサ取付部材７６の基部は、ナックル７へ取付けるための接触固定部７６ａとなっている。

センサ取付部材７６の接触固定部７６ａを接着剤等でナックル７に固定することにより、センサユニット７５がナックル７に取付けられる。この実施形態の場合、軸方向歪み測定用センサ６２は例えば渦電流式等の非接触型の変位センサであり、軸方向歪み測定用センサ６２は、内方部材１２の円板部１７ａの表面の軸方向の変位を測定するように、前記円板部１７ａの表面に対して所定の間隔を開けてセンサ取付部材７６に取り付けられている。

径方向歪み測定用センサ６１および軸方向歪み測定用センサ６２に用いる変位センサとしては、渦電流式の他に、磁気式、光学式、超音波式、接触式等のセンサや、あるいはこれら以外の形式の変位を検出可能なセンサを用いることができる。各種条件に合わせて、適当なセンサを選択すれば良い。また、径方向歪み測定用センサ６１および軸方向歪み測定用センサ６２のセンサ取付部材７４，７６は、センサユニット７３，７５をナックル７に取付けた状態において、外力によって変形しない剛性をもつ材質で構成されている。

車輪１と路面の接地点に作用する上下方向の力により軸受１０の回転側軌道輪である外方部材１１に荷重が印加されると、転動体１５を介して内方部材１２が変形し、その変形による内方部材１２の径方向の変位を、ナックル７に取付けられたセンサ取付部材７４に設けた径方向歪み測定用センサ６１により測定する。また、車輪１と路面の接地点に作用する左右方向の力により軸受１０の回転側軌道輪である外方部材１１に荷重が印加されると、転動体１５を介して内方部材１２が変形し、その変形による内方部材１２の軸方向の変位を、ナックル７に取付けられたセンサ取付部材７６に設けた軸方向歪み測定用センサ６２により測定する。センサ取付部材７４，７６は接触固定部７４ａ，７６ａによりナックル７に取付けられるため、内方部材１２が変形した場合でも、センサ取付部材７４，７６はほとんど変形しない。このセンサ取付部材７４，７６に取付けた変位センサ６１，６２によって、内方部材１２の表面の変位を測定するため、変位の測定精度が高く、この測定値から推定される上下方向の力および左右方向の力の精度も高くなる。

センサ取付部材７４およびこのセンサ取付部材７４に取付けた径方向歪み測定用センサ６１からなるセンサユニット７３を内方部材１２に取付ける構成としたため、上下方向荷重検出用のセンサを車輪用軸受装置にコンパクトに設置できる。同様に、センサ取付部材７６およびこのセンサ取付部材７６に取付けた軸方向歪み測定用センサ６２からなるセンサユニット７５を内方部材１２に取付ける構成としたため、左右方向荷重検出用のセンサを車輪用軸受装置にコンパクトに設置できる。センサ取付部材７４，７６は内方部材１２に取付けられる簡易な部品であるため、これに径方向歪み測定用センサ６１および軸方向歪み測定用センサ６２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、上記実施形態では、ブレーキ３０を電動式としたが、ブレーキは油圧式としてもよい。図１３は油圧式ブレーキの構成を示す図である。この油圧式ブレーキ８０は、ブレーキキャリパ８１内に設けられた一対のブレーキパッド８５，８５でブレーキ輪８６を挟み付けることによりブレーキ力を作用させる。ブレーキキャリパ８１は、懸架装置のナックル７に設置されている。ブレーキキャリパ８１内は、ブレーキ液の液圧でピストン８４を進退自在に収容したシリンダ室が設けられ、ブレーキパッド８５，８５は、ピストン８４に取付けられている。ブレーキキャリパ８１内のシリンダ室には、ブレーキペダル等の操作部材８７の踏力をブレーキ液の液圧に片端するマスタシリンダ８８から、ブレーキパイプ（あるいはブレーキホース）８９を介してブレーキ液の液圧が与えられる。

マスタシリンダ８８からブレーキパイプ８９を介してブレーキキャリパ８１内に至るブレーキ液の経路における任意箇所に、ブレーキ液の液圧を測定する液圧計８２が設けられている。ブレーキ輪８６とブレーキパッド８５，８５間の押付力と、ブレーキ液の液圧との関係を、予め実験やシミュレーションにより求めておくことで、液圧計８２の測定結果から前記押付力を検出することができる。この場合、ブレーキ力センサ６４の出力として、液圧計８２の測定値を用いることにより、車輪１と路面の接地点に作用する前後方向の力を推定することができる。

この発明の実施形態にかかるインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置の断面図である。 同車輪用軸受装置の要部を拡大して示す図と、ブレーキ制御系のブロック図とを組み合わせた説明図である。 同車輪用軸受装置の姿勢制御系のブロック図である。 径方向歪み測定用センサの取付例を示す内方部材および径方向歪み測定用センサの正面図である。 （Ａ）は径方向歪み測定用センサの正面図、（Ｂ）はその底面図である。 径方向歪み測定用センサの異なる取付例を示す内方部材および径方向歪み測定用センサの正面図である。 径方向歪み測定用センサのさらに異なる取付例を示す内方部材および径方向歪み測定用センサの正面図である。 この発明の異なる実施形態にかかるインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置の断面図である。 同車輪用軸受装置の姿勢制御系のブロック図である。 径方向歪み測定用センサおよび軸方向歪み測定用センサの取付例を示す内方部材、径方向歪み測定用センサ、および軸方向歪み測定用センサの正面図である。 （Ａ）は径方向歪み測定用センサの平面図、（Ｂ）はその側面図である。 （Ａ）は軸方向歪み測定用センサの平面図、（Ｂ）はその側面図である。 油圧式ブレーキの構成を示す断面図である。

符号の説明

１…車輪
５…ナックル
１０…軸受
１１…外方部材
１２…内方部材
１５…転動体
２０…走行用電気モータ
２１…ステータ
２２…ロータ
３０…ブレーキ
３１…ブレーキ輪
３２…ブレーキパッド
３５…ブレーキ用電気モータ
６０，６１…径方向歪み測定用センサ
６２…軸方向歪み測定用センサ
６３…電流センサ
６４…ブレーキ力センサ
６５…推定手段
６６…異常判定手段
７１，７３，７５…センサユニット
７２，７４，７６…センサ取付部材
７２ａ…第１の接触固定部
７２ｂ…第２の接触固定部
７２ｃ…切欠部
７４ａ，７６ａ…接触固定部

Claims (9)

1. 内方部材と外方部材の間に複列の転動体を介在させ、前記内方部材に懸架装置のナックルを取付け、かつ前記外方部材に車輪を取付け、前記内方部材および外方部材に、電気モータのステータおよびロータをそれぞれ設けた車輪用軸受装置において、
   前記内方部材の歪みを検出することにより、前記車輪と路面の接地点に作用する、互いに直交する上下方向、左右方向、および前後方向の３軸方向の力のうちの少なくとも１つの方向の力を測定するセンサを設けたことを特徴とするインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置。
2. 請求項１において、前記３軸方向の力を測定するセンサの一つとして、前記内方部材の径方向歪みを測定する径方向歪み測定用センサを設け、この径方向歪み測定用センサの出力から車輪と路面の接地点に作用する上下方向の力および左右方向の力を推定する推定手段を設けたインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置。
3. 請求項２において、前記径方向歪み測定用センサは、センサ取付部材を介して前記内方部材に取付けられ、センサ取付部材の歪みを測定する歪みセンサであり、前記センサ取付部材は、前記内方部材に対して少なくとも周方向に離れた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箇所の切欠部を有し、この切欠部に前記径方向歪み測定用センサを配置したものであるインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置。
4. 請求項１において、前記３軸方向の力を測定するセンサの一つとして、前記内方部材の径方向歪みを測定する径方向歪み測定用センサを設け、この径方向歪み測定用センサの出力から車輪と路面の接地点に作用する上下方向の力を推定する推定手段を設けたインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置。
5. 請求項４において、前記径方向歪み測定用センサは、センサ取付部材を介して前記ナックルに取付けられ、前記内方部材の表面の変位を測定する変位センサであり、前記センサ取付部材は、前記ナックルに対して少なくとも１箇所の接触固定部を有するインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置。
6. 請求項１において、前記３軸方向の力を測定するセンサの一つとして、前記内方部材の軸方向歪みを測定する軸方向歪み測定用センサを設け、この軸方向歪み測定用センサの出力から車輪と路面の接地点に作用する左右方向の力を推定する推定手段を設けたインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置。
7. 請求項６において、前記軸方向歪み測定用センサは、センサ取付部材を介して前記ナックルに取付けられ、前記内方部材の表面の変位を測定する変位センサであり、前記センサ取付部材は、前記ナックルに対して少なくとも１箇所の接触固定部を有するインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置。
8. 請求項１において、前記内方部材および外方部材に、ブレーキのブレーキ輪およびブレーキパッドをそれぞれ設けたインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置。
9. 請求項８において、前記３軸方向の力を測定するセンサの一つとして、前記電気モータの電流量を測定する電流センサと、前記ブレーキに作用するブレーキ力を測定するブレーキ力センサとを設け、これら電流センサおよびブレーキ力センサの出力から車輪と路面の接地点に作用する前後方向の力を推定する推定手段を設けたインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置。

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