JP2008174067A - 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センサを設置できて、車輪にかかる荷重を正確に検出できるセンサ付車輪用軸受を提供する。
【解決手段】 このセンサ付車輪用軸受１０は、複列の転走面４が形成された固定輪１と、この固定輪１の転走面４と対向する転走面５を形成した回転輪２と、対向する両転走面４，５間に介在した複列の転動体３とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する。固定輪１の軸受空間側の周面部に、少なくても１列の転動体列に対して、磁束を発生する磁束発生部、および磁束を検出する磁束検出部を有するバイパス部材１５を設置する。これにより、固定輪１の一部と、少なくても１つの転動体３と、前記バイパス部材１５と、エアギャップから構成される磁気回路を少なくても１つ設ける。さらに、前記磁束検出部の検出出力から得られる前記磁気回路における磁気抵抗の変化より、タイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量を推定する推定手段２０を設ける。
【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、外輪に超音波センサを設け、転動体と転走面の接触面積により変化するエコー比から荷重を検出する車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００６−１７７９３２号公報

特許文献１に開示された技術の場合、印加荷重が大きくなると転動体と転走面の接触面積は大きくなるが、その変化量は小さい。また、超音波の場合、外輪から転動体を介して内輪側へ透過しても反射を繰り返して戻ってくる場合もあり、他の位置から発射される超音波の影響も受けやすい。そのため、荷重を正確に検出することが難しいといった問題がある。

この発明の目的は、車両にコンパクトに荷重センサを設置できて、車輪にかかる荷重を正確に検出できるセンサ付車輪用軸受を提供することである。

この発明の車輪用軸受は、複列の転走面が形成された固定輪と、この固定輪の転走面と対向する転走面を形成した回転輪と、対向する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車輪用軸受において、少なくても１列の転動体列に対して、磁束を発生する磁束発生部、および磁束を検出する磁束検出部を有するバイパス部材を、前記固定輪の軸受空間側の周面部に設置し、前記固定輪の一部と、少なくても１つの転動体と、前記バイパス部材と、エアギャップから構成される磁気回路を少なくても１つ設け、前記磁束検出部の検出出力から得られる前記磁気回路における磁気抵抗の変化より、タイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量を推定する推定手段を設けたことを特徴とする。
この構成における前記磁気回路は、車輪用軸受に荷重が印加して、磁気回路の一部となる転動体に加わる力が大きくなると、転動体と転走面の接触面積が大きくなるため、磁気抵抗が小さくなる。逆に、磁気回路の一部となる転動体へ加わる力が小さくなると、転動体と転走面の接触面積が小さくなるため、磁気抵抗が大きくなる。そこで、推定手段は、前記磁気回路の磁気抵抗の変化から、タイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量を推定することができる。この場合、磁気回路の長さが短いため、他の磁気回路の影響を受けにくくなり、正確に荷重を推定することがきる。この検出結果は自動車の車両制御に利用することができる。また、荷重検出のセンサの構成も簡単であるため、車両にコンパクトに荷重センサを設置でき、量産性に優れたものとでき、コスト低減を図ることができる。

この発明において、前記バイパス部材を、円周方向に隣合う２個の転動体にわたって延びる形状とし、前記固定輪または前記回転輪、隣合う２個の転動体のうち一方の転動体、前記バイパス部材、もう一方の転動体、およびエアギャップから構成される磁気回路を設けても良い。この構成の場合、荷重により変化する接触面積の総面積も大きくなるため、感度が良くなり、より正確に荷重を推定することができる。

この発明において、前記磁気回路は少なくても１列の転動体列に対し、上下左右方向の４箇所に設置しても良い。この構成の場合、様々な方向の荷重の大きさを推定できる。

この発明において、前記磁気回路を複列の転動体列のそれぞれに対して設け、これら磁気回路を、前記複列の転動体列間に設けても良い。この構成の場合、荷重検出のセンサ構造をコンパクトなものにできる。このように、磁気回路が隣り合う配置であっても、この発明では、各磁気回路が互いに他方の磁気回路の磁束の影響を受けにくいので、このような磁気回路の配置が可能である。

この発明において、インボード側とアウトボード側にそれぞれ設置した前記バイパス部材の磁束発生部は、互いに同一方向に磁束を発生させるものとしても良い。ここで言う同一方向の磁束とは、インボード側およびアウトボード側の磁気回路において、転動体から固定輪への磁気回路の磁束の方向、もしくは転動体から回転輪への磁気回路の磁束の方向を同一にしたことを意味する。この構成の場合、各磁気回路が互いに他方の磁気回路の磁束の影響をさらに受けにくくなるため、より正確に荷重を推定することができる。

この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が形成された固定輪と、この固定輪の転走面と対向する転走面を形成した回転輪と、対向する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車輪用軸受において、少なくても１列の転動体列に対して、磁束を発生する磁束発生部、および磁束を検出する磁束検出部を有するバイパス部材を、前記固定輪の軸受空間側の周面部に設置し、前記固定輪の一部と、少なくても１つの転動体と、前記バイパス部材と、エアギャップから構成される磁気回路を少なくても１つ設け、前記磁束検出部の検出出力から得られる前記磁気回路における磁気抵抗の変化より、タイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量を推定する推定手段を設けたため、車両にコンパクトに荷重センサを設置できて、車輪にかかる荷重を正確に検出できる。

この発明の一実施形態を図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、かつ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外側寄りとなる側をアウトボード側と言い、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。図１では、左側がアウトボード側、右側がインボード側となる。
図１のように、この車輪用軸受１０は、内周に複列の転走面４が形成された外方部材１と、これら転走面４にそれぞれ対向する転走面５が形成された内方部材２と、これら複列の転走面４，５間に介在した複列の転動体３とを備える。この車輪用軸受１０は、複列のアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体３はボールからなり、各列毎に保持器６で保持されている。上記各転走面４，５は断面円弧状であり、ボール接触角が背面合わせとなるように形成されている。内外の部材２，１間に形成される環状空間のアウトボード側およびインボード側の各開口端部は、それぞれ密封装置である接触式のシール７，８で密封されている。

外方部材１は固定輪となるものであって、その外周に形成されたフランジ１ａが車体側のナックル（図示せず）にボルトで締結される。
内方部材２は回転輪となるものであって、外周に車輪取付フランジ２ａを有するハブ輪２Ａと、このハブ輪２Ａのインボード側の外周に嵌合した別体の内輪２Ｂとからなり、ハブ輪２Ａには等速ジョイント１１の片方の継手部材となる外輪１１ａが連結される。ハブ輪２Ａおよび内輪２Ｂに、各列の転走面５がそれぞれ形成される。ハブ輪２Ａは中央孔１２を有し、この中央孔１２に、等速ジョイント外輪１１ａに一体に形成されたステム１３が挿通され、ステム１３の先端に螺合するナット１４の締め付けにより、等速ジョイント外輪１１ａが内方部材２に連結される。このとき、等速ジョイント外輪１１ａに設けられたアウトボード側に向く段面１１ａａが、ハブ輪２Ａに圧入した内輪２Ｂのインボード側に向く端面に押し付けられ、等速ジョイント外輪１１ａとナット１４とで内方部材２が幅締めされる。ハブ輪２Ａの中央孔１２にはスプライン溝１２ａが形成されており、ステム１３のスプライン溝１３ａとスプライン嵌合する。

この車輪用軸受１０における固定輪である外方部材１の軸受空間側の周面部、つまり内周面部には、荷重センサとなるバイパス部材１５が設けられている。このバイパス部材１５は、図１のＡ部を拡大して示す図３のように、磁束を発生する磁束発生部１６と、磁束を検出する磁束検出部１７とを有し、ここではアウトボード側の転動体列に対して設置される。具体的には、前記バイパス部材１５は、アウトボード側の転動体列に付加される垂直方向（ｚ軸方向）の荷重Ｆｚを、タイヤと路面間の作用力の一部として検出する荷重センサとなるものであり、図１、および図１のインボード側から見た正面図を示す図２のように、外方部材１の内周面におけるアウトボード側の転走面４とシール７との間の上位置と下位置とにそれぞれ設けられる。上位置のバイパス部材１５は上向きの垂直方向荷重Ｆｚの検出に用いられ、下位置のバイパス部材１５は下向きの垂直方向荷重Ｆｚの検出に用いられる。本実施では、垂直方向荷重Ｆｚの検出方法としているが、前記バイパス部材１５を上位置と下位置にそれぞれ配置した場合、垂直方向荷重Ｆｚだけではなく、車両の車幅方向（ｙ軸方向）の荷重Ｆｙも検出できるが、ここでは垂直方向荷重Ｆｚの検出方法として説明する。

前記上位置および下位置の各バイパス部材１５は、図３のように、固定輪である外方部材１の一部と、アウトボード側の転動体列の１つの転動体３と、エアギャップ（バイパス部材１５と転動体３との間の隙間）１８とで磁気回路１９を構成する。なお、前記磁気回路１９を構成する上で必要であれば、バイパス部材１５の構成要素として、磁性体部材を別に付加しても良い。これら各バイパス部材１５の磁束検出部１７は、図１に示すように推定手段２０に接続される。

前記推定手段２０は、前記磁気回路１９の磁気抵抗の変化よりタイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受１０の予圧量を推定する手段であり、この実施形態では前記した垂直方向荷重Ｆｚを推定する。前記磁気回路１９の磁気抵抗は、転動体３の有無により大きく変化し、転動体３と転走面４の接触面積によっても変化する。転動体３と転走面４の接触面積は転動体３に加わる荷重により変化するため、転動体３が前記バイパス部材１５の設置位置を通過する時の磁気抵抗を測定することで、転動体列に加わる荷重Ｆｚを推定することができる。そこで、前記推定手段２０は、前記バイパス部材１５の磁束検出部１７が検出する磁束から前記磁気回路１９の磁気抵抗を求め、その磁気抵抗から荷重Ｆｚを推定する。この場合に、推定手段２０は、例えば磁束検出部１７が検出する磁束と磁気回路１９の磁気抵抗の関係、およびこの磁気抵抗と前記垂直方向荷重Ｆｚとの関係を設定したテーブル，演算式等の関係データを有していて、磁束検出部１７が検出する磁束を前記関係データと照合することで、前記垂直方向荷重Ｆｚを検出する。

なお、図３に示す磁気回路１９では、別の磁束の通り道として、破線で示すようにインボード側の転動体列の転動体３を通って戻ってくる回路２１もあるが、この回路２１の磁気抵抗は大きい。そのため、アウトボード側の転動体列の転動体３と転走面４の接触面積の変化だけが、磁束検出部１７で検出される磁束の変化に影響を与えると考えて良い。また、エアギャップ１８での磁気抵抗は他部に比べて大きいことから、エアギャップ１８をできるだけ狭くできれば、転動体３と転走面４の接触面積の変化を検出することが容易となる。

図３では、前記バイパス部材１５を外方部材１の内周面に接着等により直接取付けた例を示している。バイパス部材１５の取付構造としては、例えば、非磁性体からなるリング状の取付部材（図示せず）にバイパス部材１５を取付け、外方部材１の内周面とバイパス部材１５が接触するように、取付部材を圧入等により外方部材１の内周面に設置しても良い。

また、この実施形態では上下の２箇所にバイパス部材１５を設けた例を示しているが、上下左右の４箇所に設けても良く、この場合には、車両の車幅方向（ｙ軸方向）の荷重Ｆｙや、前後方向（ｘ軸方向）の荷重Ｆｘなど様々な方向の荷重を推定することができる。また、図１において、アウトボード側のシール７を非磁性体とし、ハブ輪２Ａの車輪取付フランジ２ａの基部と外方部材１のアウトボード側端との間隔を十分大きくすれば、図３の磁気回路１９からアウトボード側への磁束の流れを小さくすることができ、転動体３と転走面４の接触面積の変化をさらに容易に検出できる。また、例えばバイパス部材１５の設置位置の近傍に、転動体３の位置を検出する転動体検出手段（図示せず）を別途設け、この転動体検出手段が転動体３を検出するタイミングで磁束検出部１７の検出信号を取り込むようにしても良い。この場合には、バイパス部材１５の設置位置を転動体３が通過するタイミング、つまり磁気回路１９が図３の状態となるタイミングで磁束検出部１７の検出信号を取り込むことになるので、転動体３と転走面４の接触面積の変化をさらに容易に検出できる。

図４は、前記バイパス部材１５の具体的な構成例を示す。この構成例では、外方部材１の内周面に磁性体部材２２を設けると共に、バイパス部材１５の設置部を通過するアウトボード側の転動体列の転動体３に対向するように前記磁性体部材２２に磁束発生部１６
となる磁石を連結し、さらに前記磁性体部材２２に磁束検出部１７となるコイルを巻回している。磁束発生部１６となる磁石の端面と転動体３の表面との隙間が前記磁気回路１９のエアギャップ１８となる。この場合、バイパス部材１５の設置部を転動体３が通過するごとに磁気回路１９の磁束が変化するので、磁束検出部１７となるコイルにコイル内部の鎖交磁束の変化により発生する誘起電圧を測定し、この誘起電圧を磁気抵抗に換算することにより荷重を推定することができる。この誘起電圧は、通過速度によっても変化するため、通過速度を誘起電圧の波形もしくは別途設置したセンサから算出し、通過速度により誘起電圧を補正するとよい。

図５は、前記バイパス部材１５の他の具体的構成例を示す。この構成例では、バイパス部材１５の設置部を通過するアウトボード側の転動体列の転動体３に先端が対向するように、外方部材１の内周面にＬ字状の磁性体部材２２を設け、磁束発生部１６および磁束検出部１７となる１次コイルおよび２次コイルを前記磁性体部材２２に巻回している。磁性体部材２２の端面と転動体３の表面との隙間が前記磁気回路１９のエアギャップ１８となる。この場合、磁束発生部となる１次コイル１６で交流磁界を発生させ、磁束検出部１７となる２次コイルでコイル内部の鎖交磁束の変化により発生する誘起電圧を測定し、この誘起電圧を磁気抵抗に換算することにより荷重を推定することができる。また、２次コイルを巻回しなくても、磁気抵抗の変化をインダクタンスの変化として、１次コイルで検出することも可能である。

このように、このセンサ付車輪用軸受10では、少なくとも 1列の転動体列（ここではアウトボード側の転動体列）に対して、磁束を発生する磁束発生部１６、および磁束を検出する磁束検出部１７を有するバイパス部材１５を、固定輪（ここでは外方部材）１の軸受空間側の周面（ここでは内周面）部に設置し、固定輪１の一部と、１つの転動体３と、バイパス部材１５と、エアギャップ１８から構成される磁気回路１９を少なくとも１つ設け、前記磁束検出部１７の検出出力から得られる前記磁気回路１９における磁気抵抗の変化より、タイヤと路面間の作用力を推定するようにしているので、車輪にかかる荷重を正確に検出することができ、この検出結果を自動車の車両制御に利用することができる。また、荷重検出のセンサの構成も簡単であるため、車両にコンパクトに荷重センサを設置でき、量産性に優れたものとでき、コスト低減を図ることができる。

また、この実施形態では、上記センサ構造により、タイヤと路面間の作用力を検出する場合について説明したが、車輪用軸受の予圧量を検出する場合にも同様に適用できる。

図６は、この発明の他の実施形態のセンサ付車輪用軸受１０におけるバイパス部材１５の設置部の断面図を示す。この実施形態では、先の実施形態において、バイパス部材１５を、アウトボード側の転動体列の円周方向に隣合う２個の転動体３，３にわたって延びる形状としている。この場合、バイパス部材１５は、例えば固定輪である外方部材１に固定される非磁性体からなる取付部材に設置される。これにより、図６のＢ部を拡大して示す図７のように、一つのバイパス部材１５から２つの磁気回路１９，１９が構成される。すなわち、１つの磁気回路１９は、固定輪である外方部材１の一部と、隣り合う２個の転動体３，３のうちの一方の転動体３と、バイパス部材１５と、もう一方の転動体３と、エアギャップ（転動体３とバイパス部材１５との隙間）１８とで構成される。もう１つの磁気回路１９は、回転輪である内方部材２の一部と、隣り合う２個の転動体３，３のうちの一方の転動体３と、バイパス部材１５と、もう一方の転動体３と、エアギャップ１８とで構成される。
なお、この実施形態では、バイパス部材１５の構成として、先の実施形態における図５の構成例のものを示しているが、他の構成例のものを採用しても良い。また、この実施形態では、転動体列の上下位置のほか、左右位置にもバイパス部材１５を設置している。その他の構成は先の実施形態の場合と同様である。

この実施形態の場合にも、各バイパス部材１５に対応する２つの磁気回路１９において、転動体３と転走面４，５の接触面積の変化により磁気抵抗が変化するので、その磁気抵抗を測定することにより荷重を推定することができる。

図８は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態では、図１〜図５に示す実施形態において、アウトボード側の転動体列に対するバイパス部材１５とは別に、インボード側の転動体列に対してもバイパス部材１５が設けられる。これら両バイパス部材１５は、前記２列の転動体列の間に設けられる。すなわち、アウトボード側の転動体列に対するバイパス部材１５などにより構成される１つの磁気回路と、インボード側の転動体列に対するバイパス部材１５などにより構成される他の１つの磁気回路とが、前記２列の転動体列の間に並設される。その他の構成は図１〜図５の実施形態の場合と同様である。

先の実施形態でも説明したように、前記バイパス部材１５などで構成される磁気回路は、他の磁気回路の磁束の影響を受けにくいという特徴があるため、上記したように２つのバイパス部材１５を、アウトボード側の転動体列とインボード側の転動体列の間に隣り合わせとなるように設けても、正確に荷重を推定する上で妨げにはならない。これにより、荷重検出のセンサをコンパクトに構成することができる。

この場合、アウトボード側のバイパス部材１５などで構成される磁気回路の磁束と、インボード側のバイパス部材１５などで構成される磁気回路の磁束とが互いに影響を受けないように、アウトボード側とインボード側の磁気回路における磁束発生方向を同一とするのが望ましい。ここで言う同一方向の磁束とは、インボード側およびアウトボード側の磁気回路１９において、転動体３から固定輪１への磁気回路１９の磁束の方向、もしくは転動体３から回転輪２への磁気回路１９の磁束の方向を同一にしたことを意味する。これにより、より正確に荷重を推定することができる。

この発明の一実施形態に係るセンサ付車輪用軸受の構成図である。 同車輪用軸受をインボード側から見た正面図である。 図１におけるＡ部の拡大断面図である。 バイパス部材の具体的構成例を示す拡大断面図である。 バイパス部材の他の具体的構成例を示す拡大断面図である。 この発明の他の実施形態に係るセンサ付車輪用軸受におけるバイパス部材の設置部の断面図である。 図６におけるＢ部の拡大断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係るセンサ付車輪用軸受の構成図である。

符号の説明

１…外方部材（固定輪）
２…内方部材（回転輪）
３…転動体
４，５…転走面
１５…バイパス部材
１６…磁束発生部
１７…磁束検出部
１８…エアギャップ
１９…磁気回路
２０…推定手段

Claims (5)

1. 複列の転走面が形成された固定輪と、この固定輪の転走面と対向する転走面を形成した回転輪と、対向する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車輪用軸受において、
   少なくても１列の転動体列に対して、磁束を発生する磁束発生部、および磁束を検出する磁束検出部を有するバイパス部材を、前記固定輪の軸受空間側の周面部に設置し、前記固定輪の一部と、少なくても１つの転動体と、前記バイパス部材と、エアギャップから構成される磁気回路を少なくても１つ設け、前記磁束検出部の検出出力から得られる前記磁気回路における磁気抵抗の変化より、タイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量を推定する推定手段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、前記バイパス部材を、円周方向に隣合う２個の転動体にわたって延びる形状とし、前記固定輪または前記回転輪、隣合う２個の転動体のうち一方の転動体、前記バイパス部材、もう一方の転動体、およびエアギャップから構成される磁気回路を設けた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、前記磁気回路は少なくても１列の転動体列に対し、上下左右方向の４箇所に設置したセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記磁気回路を複列の転動体列のそれぞれに対して設け、これら磁気回路を、前記複列の転動体列間に設けたセンサ付車輪用軸受。
5. 請求項４において、インボード側とアウトボード側にそれぞれ設置した前記バイパス部材の磁束発生部は、互いに同一方向に磁束を発生させるものとしたセンサ付車輪用軸受。
   

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