JP2008180346A - 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もしくは回転輪２の軸受空間側の周面部に、少なくとも１列の転動体列に対して、磁束を発生し磁性流体を保持する磁束発生部、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、１つの転動体４，５と、回転輪２の一部と、エアギャップから構成される磁気回路に対して、前記エアギャップを前記磁性流体で連結した磁気閉回路を少なくても１つ設ける。さらに、前記磁気閉回路の前記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、変位センサを用いて回転輪側と固定輪側の間のギャップ（相対変位）を測定し、荷重を算出する車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１，２）。また、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より荷重を検出する車輪用軸受も提案されている（例えば特許文献３）。
特開２００４−００３９１８号公報 特開２００４−２３２７９５号公報 特開２００６−１７７９３２号公報

特許文献１，２に開示された技術の場合、印加荷重が大きくなると回転輪と固定輪の間のギャップは大きくなるが、その変化量は小さい。特許文献３に開示された技術の場合も、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、特許文献３に開示の技術では、超音波が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。また、特許文献１，２に開示された技術では、エアギャップ部の磁気抵抗が大きいため、他の部分で磁気抵抗が変化してもその変化量を検知しにくいという問題がある。

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、少なくとも１列の転動体列に対して、磁束を発生し磁性流体を保持する磁束発生部、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、前記固定輪もしくは前記回転輪の軸受空間側の周面部に設置し、前記固定輪の一部と、１つの転動体と、前記回転輪の一部と、エアギャップから構成される磁気回路に対して、前記エアギャップを前記磁性流体で連結した磁気閉回路を少なくても１つ設け、前記磁気閉回路の前記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閉回路は、車輪用軸受に荷重が印加して、磁気閉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り、磁気抵抗が小さくなる。逆に、磁気閉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り、磁気抵抗が大きくなる。そこで、推定手段は、前記磁気閉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。すなわち、前記推定手段は、前記磁気抵抗と、前記タイヤと路面間の作用力、もしくは車輪用軸受の予圧量との関係したテーブルや演算式等の関係データを適宜設定しておき、検出された磁気抵抗を前記関係データと照合することで、タイヤと路面間の作用力または前記予圧量の推定が行える。また、固定輪と回転輪の間のエアギャップが磁性流体で連結されることで、磁気抵抗の大きいエアギャップをなくして磁気回路を閉回路としていることから、磁気回路の磁気抵抗が前記接触面積の影響を受けやすく感度が良くなり、荷重を正確に検出できる。この検出結果は自動車の車両制御に利用することがきる。さらに、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、前記回転輪に、全周にわたり同一の磁極の面を持つように着磁されたリング状磁石を前記磁束発生部と隙間を介して対向するように設け、前記リング状磁石と前記磁束発生部とで磁性流体を保持するようにしても良い。この構成の場合、転動体が存在しない位置でも磁性流体を容易に保持することができる。

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箇所に設けても良い。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、それぞれ前記転動体列と、前記回転輪と固定輪との間を密閉するシールとの間に設けても良い。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受けにくくなり、正確に荷重を推定することができる。

この発明において、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気発生部は、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。

この発明において、前記回転輪と固定輪との間を密閉するシールを設け、このシールを非磁性体としても良い。
上記シールが非磁性体であると、前記磁気閉回路からの磁束の流れを小さくすることができ、転動体と転走面の接触面積の変化をさらに容易に検出できる。

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、少なくとも１列の転動体列に対して、磁束を発生し磁性流体を保持する磁束発生部、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、前記固定輪もしくは前記回転輪の軸受空間側の周面部に設置し、前記固定輪の一部と、１つの転動体と、前記回転輪の一部と、エアギャップから構成される磁気回路に対して、前記エアギャップを前記磁性流体で連結した磁気閉回路を少なくても１つ設け、前記磁気閉回路の前記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。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図３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、磁性流体１６と、磁束を発生し前記磁性流体１６を保持する磁束発生部１７と、磁束を検出する磁束検出部１８とでなり、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。この実施形態では、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。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、回転輪である内方部材２の一部と、エアギャップ（外方部材１の内周面と内方部材２の外周面との間の隙間）から構成される磁気回路に対して、前記エアギャップを磁性流体１６で連結して磁気閉回路１９をそれぞれ形成する。なお、前記磁気閉回路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１８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、前記磁気閉回路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。前記磁気閉回路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４，５の接触面積によっても変化する。転動体３と転走面４，５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できれば、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１８が検出する磁束から前記磁気閉回路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、推定手段２０には、磁束検出部１８が検出する磁束から磁気閉回路１９の磁気抵抗を求める演算式またはテーブル等の関係データと、前記磁気抵抗と前記荷重Ｆｚとの関係を示す関係データとが設定され、検出された磁束から前記各関係データを用いて荷重Ｆｚを演算する。

なお、図３に示す磁気閉回路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４，５の接触面積の変化だけが、磁束検出部１８で検出される磁束の変化に影響を与えると考えて良い。この磁気閉回路１９では、バイパス部材１５の磁性流体１６により磁気回路中に磁気抵抗の大きいエアギャップ部をなくすことができるので、転動体３と転走面４，５の接触面積を容易に検出できる。

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、この場合には垂直方向の荷重Ｆｚだけでなく、車両の車幅方向（ｘ軸方向）の荷重Ｆｘや、前後方向（ｙ軸方向）の荷重Ｆｙ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の磁気閉回路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４，５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１８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、つまり磁気回路が図３の磁気閉回路１９となるタイミングで磁束検出部１８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４，５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、磁束発生部１７として磁石を、磁束検出部１８としてコイルをそれぞれ用いている。この場合、転動体３がバイパス部材１５の設置位置の横を通過するごとに、磁気閉回路１９の磁束が変化して磁束検出部１８であるコイル内部の鎖交磁束が変化するので、推定手段２０では前記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。

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、磁束を発生し磁性流体１６を保持する磁束発生部１７、および磁束を検出する磁束検出部１８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）部もしくは回転輪（ここでは内方部材）２に設置し、前記固定輪１の一部と、エアギャップから構成される磁気回路に対して、前記エアギャップを前記磁性流体１６で連結して磁気閉回路を少なくとも１つ設け、前記磁気閉回路の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５は、この発明の他の実施形態におけるバイパス部材１５の設置部の拡大断面図を示す。この実施形態では、図１〜図３に示す実施形態において、バイパス部材１５の磁束発生部１７として磁石（ここでは内径面側がＮ極で外径面側がＳ極）を用いるとともに、全周にわたり同一の磁極（ここでは外径面側がＳ極で内径面側がＮ極）を持つように着磁されたリング状磁石２２を、内方部材２（ハブ輪２Ａ）の外周面に前記磁束発生部１７と隙間を介して対向するように設け、このリング状磁石２２と磁束発生部１７とで磁性流体１６を保持するようにしている。その他の構成は図１〜図３の実施形態の場合と同様である。この構成の場合、転動体３が存在しない位置でも磁性流体１６を容易に保持することができる。

図６は、この発明のさらに他の実施形態におけるバイパス部材１５の設置部の拡大断面図を示す。この実施形態では、図４の実施形態において、バイパス部材１５の磁束発生部１７として磁石を、その磁極が軸方向に並ぶ（ここではインボード側がＮ磁極でアウトボード側がＳ磁極）ように設けるとともに、一側部と他側部とに互いに異極となり全周にわたり同一となる磁極（ここではアウトボード側がＳ極でインボード側がＮ極）を持つように着磁されたリング状磁石２２Ａを、内方部材２（ハブ輪２Ａ）の外周面に前記磁束発生部１７と隙間を介して対向するように設け、このリング状磁石２２Ａと磁束発生部１７とで磁性流体１６を保持するようにしている。その他の構成は図５の実施形態の場合と同様である。この場合も、転動体３が存在しない位置でも磁性流体１６を保持することが容易となる。

図７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３に示す実施形態において、アウトボード側に設けたバイパス部材１５とは別に、インボード側にもバイパス部材１５を設けている。インボード側のバイパス部材１５については、外方部材１の内周面におけるインボード側の転走面４とシール８との間に設けられる。その他の構成は図１〜図３の実施形態の場合と同様である。

このようにアウトボード側およびインボード側の各転動体列に対して、バイパス部材１５などからなる磁気回路を個別に設け、これら磁気回路を、それぞれの転動体列とシール７，８との間に設けることにより、互い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。

なお、前記各実施形態は、外方部材１が固定輪となる場合につき説明したが、この発明は内方部材が回転輪となる車輪用軸受にも適用することができる。

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。 同車輪用軸受におけるバイパス部材の設置部の拡大断面図である。 同バイパス部材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におけるバイパス部材の設置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…磁性流体
１７…磁束発生部
１８…磁束検出部
１９…磁気閉回路
２０…推定手段

Claims (6)

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、
   少なくとも１列の転動体列に対して、磁束を発生し磁性流体を保持する磁束発生部、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、前記固定輪もしくは前記回転輪の軸受空間側の周面部に設置し、前記固定輪の一部と、１つの転動体と、前記回転輪の一部と、エアギャップから構成される磁気回路に対して、前記エアギャップを前記磁性流体で連結した磁気閉回路を少なくても１つ設け、前記磁気閉回路の前記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、前記回転輪に、全周にわたり同一の磁極の面を持つように着磁されたリング状磁石を、前記磁束発生部と隙間を介して対向するように設け、前記リング状磁石と前記磁束発生部とで磁性流体を保持するようにし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箇所に設け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、それぞれ前記転動体列と、前記回転輪と固定輪との間を密閉するシールとの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気発生部は、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。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記回転輪と固定輪との間を密閉するシールを設け、このシールを非磁性体としたセンサ付車輪用軸受。

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