JP5224805B2 - センサ付車輪用軸受 - Google Patents

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。

自動車の各車輪にかかる荷重を検出する技術として、歪み発生部材およびこの歪み発生部材に取付けた歪みセンサからなるセンサユニットを軸受の固定輪に取付け、前記歪み発生部材は、前記固定輪に対して少なくとも２箇所の接触固定部を有し、隣り合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠き部を有し、この切欠き部に前記歪みセンサを配置したセンサ付車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
このセンサ付車輪用軸受によると、車両走行に伴い回転輪に荷重が加わったとき、転動体を介して固定輪が変形するので、その変形が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、歪みセンサの出力から車輪にかかる荷重等を検出することができる。
特開２００７−０５７２９９号公報

上記構成のセンサ付車輪用軸受のように、接触固定部を有する歪み発生部材を軸受の固定輪に固定する場合、歪んだ状態（初期歪みがある状態）で歪み発生部材が固定される場合がある。例えば、ボルトで固定する場合、ボルトの締付け時に歪み発生部材に捩れが生じて歪みが発生し、そのまま歪んだ状態で固定される。このように初期歪みを持った状態で固定した場合、塑性変形領域に達し易くなり、検出範囲が狭くなるといった問題がある。また、途中で接触面間に滑りがあって、ゼロ点（例えば荷重ゼロの時の歪み量）が変化し、荷重を正確に推定できないといった問題もある。

この発明の目的は、センサユニットの固定時に発生する初期歪みに起因する誤差を生じず、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、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、前記転走面と対向する転走面が外周に形成された内方部材と、両部材の対向する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、上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に、この固定側部材に接触して固定される２つ以上の接触固定部を有する歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出するセンサからなる１つ以上の荷重検出用センサユニットを設けてなるセンサ付車輪用軸受であって、このセンサ付車輪用軸受の前記歪み発生部材は、この歪み発生部材を軸受の前記固定側部材に固定する際に発生する歪みである初期歪みがないことを特徴とする。
車輪のタイヤと路面間に荷重が作用すると、車輪用軸受の固定側部材（例えば外方部材）にも荷重が印加されて変形が生じる。センサユニットにおける歪み発生部材の接触固定部が固定側部材に接触固定されているので、固定側部材の歪みが歪み発生部材に拡大して伝達され、その歪みがセンサで検出され、その出力信号から荷重を推定できる。このセンサ付車輪用軸受では、前記歪み発生部材は初期歪みがないため、センサユニットによる荷重の検出範囲が広がるだけでなく、初期歪みによるゼロ点（例えば荷重ゼロの時の歪み量）の変動を無くすことができるため、荷重を正確に推定できる。

前記歪み発生部材は、前記センサ付車輪用軸受の組立後に、前記固定側部材に対して回転側部材を相対回転させて初期歪みが除去されたものである。いわゆる慣らし運転により初期歪みが除去されたものとしても良い。軸受の組立後に、前記固定側部材に対して回転側部材を相対回転させると、初期歪みが除去される。
前記センサの出力から、車輪用軸受に作用する荷重を設定基準に従って推定する荷重推定手段を設ける場合、前記設定基準は、例えば、前記軸受組立後の前記相対回転後のセンサの検出値と荷重推定値との関係を設定したものとされる。センサ出力の較正手段を設ける場合も、この記軸受組立後の前記相対回転後のセンサの検出値に対して正しい検出値となるように較正を行うものとする。
また、前記初期歪みの除去については、前記回転側部材に対して荷重を印加した状態で前記固定側部材に対して回転側部材を相対回転させて初期歪みが除去されたものとしてもよい。
このように、回転側部材に荷重を印加した状態で前記相対回転を行なうと、固定側部材の変形量が大きくなり、それだけセンサユニットにおける歪み発生部材の接触固定部の接触面で滑りが生じやすくなり、短時間で初期歪みを除去できる。

この発明において、前記センサユニットの接触固定部をボルトで前記固定側部材に固定しても良い。
このように、センサユニットにおける歪み発生部材の接触固定部をボルで固定側部材に固定すると、固定時の歪み発生部材の捩れにより初期歪みが生じやすく、この初期歪みを除去するうえで前記慣らし運転が特に効果的である。

この発明において、前記歪み発生部材は、平面概形が均一幅の帯状、または平面概形が帯状で側辺部に切欠き部を有する薄板材からなり、前記固定側部材の外径面に固定しても良い。
歪み発生部材が薄板材であると、固定側部材の歪みが歪み発生部材に拡大して伝達され易く、その歪みがセンサで感度良く検出されるので、荷重を精度良く推定できる。特に、歪み発生部材が側辺部に切欠き部を有する帯状の薄板材である場合は、より検出感度が向上する。

この発明において、前記センサユニットは、その歪み発生部材の２つの接触固定部が、前記固定側部材の外径面の同一軸方向位置でかつ円周方向に互いに離間した位置となるように配置しても良い。この構成の場合、固定側部材の円周方向の歪みをセンサユニットによって検出することができる。すなわち、タイヤと路面間に作用する荷重が、回転側部材から転動体を介して固定側部材に伝達されるので、固定側部材の外径面は円周方向に歪むことになり、上記した接触固定部の配置により検出感度が向上し、荷重をさらに精度良く推定できる。

この発明において、前記固定側部材の外周に、ナックルに取付ける車体取付用のフランジが設けられ、このフランジの円周方向複数箇所にボルト孔が設けられ、前記フランジは各ボルト孔が設けられた円周方向部分が他の部分よりも外径側へ突出した突片とされ、前記歪み発生部材の２つの接触固定部を隣合う前記突片の間の中央に配置しても良い。この構成の場合、ヒステリシスの原因となる突片から離れた位置に歪み発生部材が配置されることになり、それだけセンサの出力信号に生じるヒステリシスが小さくなり、荷重をより精度良く推定できる。

この発明において、前記２つの接触固定部の間隔を、前記隣合う突片間の間隔の１／２以下としても良い。この構成の場合、ヒステリシスの原因となるナックルボルトを中心とした横滑りの影響を小さくでき、それだけセンサの出力信号に生じるヒステリシスが小さくなり、荷重をより精度良く推定できる。

この発明において、前記固定側部材の外周に、ナックルに取付ける車体取付用のフランジが設けられ、さらに前記固定側部材に、この固定側部材に接触して固定される２つの接触固定部を有する歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出するセンサからなり車輪用軸受の軸方向に作用する軸方向荷重の印加方向を判別するためのセンサユニットを設け、前記２つの接触固定部のうちの１つの接触固定部を前記フランジの側面に固定し、他の１つの接触固定部を前記固定側部材の外径面に固定しても良い。
この構成の場合の印加方向判別用センサユニットの設置部位は、車輪用軸受に作用する軸方向の荷重であるコーナリング力に対して変形量が大きいが、垂直方向荷重や駆動力などによる荷重のような径方向荷重に対して変形量の小さい部位である。この部位に設置すると、印加方向判別用センサユニットに作用する力が圧縮力と引っ張り力で切り替わるため、その出力信号の大小判別を所定のしきい値に対して行なえば、コーナリング力の印加方向を判別することができる。そこで、荷重検出用センサユニットの出力信号と前記印加方向判別用センサユニットの出力信号とでコーナリング力（絶対値と印加方向）を推定することができる。

この発明において、前記固定側部材の外径面には、その円周方向における１８０度の位相差をなす位置に配置された前記荷重検出用センサユニットの２つを１組とするセンサユニット対を少なくとも１対以上設けても良い。この構成の場合、ある方向への荷重が大きくなると、転動体と転走面が接触している部分と接触していない部分が１８０度位相差で現れるため、その方向に合わせてセンサユニットを１８０度位相差で設置すれば、どちらかのセンサユニットには必ず転動体を介して固定側部材に印加される荷重が伝達され、その荷重をセンサにより検出可能となる。そのため、どのような荷重条件においても、荷重を精度良く推定することができる。

この発明において、前記センサユニット対を２対設け、１対のセンサユニット対の２つの荷重検出用センサユニットは、タイヤ接地面に対して上下位置となる前記固定側部材の外径面の上面部と下面部とに配置し、他の１対のセンサユニット対の２つの荷重検出用センサユニットは、タイヤ接地面に対して前後位置となる固定側部材の外径面の右面部と左面部とに配置しても良い。
この構成の場合、２つのセンサユニットが固定側部材の外径面の上面部と下面部とに配置される１対のセンサユニット対の検出信号から、車輪用軸受に作用する垂直方向荷重を正確に推定できる。また、２つのセンサユニットが固定側部材の外径面の右面部と左面部とに配置されるもう１対のセンサユニット対の検出信号から、駆動力やブレーキ力となる荷重を正確に推定できる。コーナリング力（絶対値）はいずれか一方のセンサユニット対の検出信号から推定すれば良い。すなわち、どのような荷重条件においても、コーナリング力と垂直方向の荷重と駆動力やブレーキ力となる荷重とを正確に推定できる。

この発明において、前記センサユニットの歪み発生部材は、前記固定側部材に作用する外力、またはタイヤと路面間に作用する作用力として、想定される最大の力が印加された状態においても塑性変形しないものとしても良い。想定される最大の力が印加された状態になるまでに塑性変形が生じると、固定側部材の変形がセンサユニットに正確に伝わらず、歪みの測定に影響を及ぼすので、想定される最大の力が印加された状態においても、塑性変形しないものとするのが望ましい。

この発明において、前記センサの出力信号の絶対値、および前記出力信号の平均値、および前記出力信号の振幅のうち、少なくともいずれか一つにより、設定基準に従って荷重を推定する推定手段を設けても良い。
車輪用軸受の回転中には、転走面におけるセンサユニットの近傍部位を通過する転動体の有無によって、センサユニットのセンサの出力信号の振幅に周期的な変化が生じる場合がある。そこで、出力信号における振幅の周期を推定手段で測定することにより、転動体の通過速度つまり車輪の回転数を検出することができる。このように、出力信号に変動が見られる場合は、出力信号の平均値や振幅により荷重を算出することができる。変動が見られない場合は、絶対値より荷重を算出することができる。この場合も、前記設定基準は、例えば、前記慣らし運転後のセンサの出力信号の絶対値、出力信号の平均値、出力信号の振幅等と荷重推定値との関係を設定したものとされる。

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、前記転走面と対向する転走面が外周に形成された内方部材と、両部材の対向する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、上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に、この固定側部材に接触して固定される２つ以上の接触固定部を有する歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出するセンサからなる１つ以上の荷重検出用センサユニットを設けてなるセンサ付車輪用軸受であって、このセンサ付車輪用軸受の前記歪み発生部材は、この歪み発生部材を軸受の前記固定側部材に固定する際に発生する歪みである初期歪みが、前記センサ付車輪用軸受の組立後に、前記固定側部材に対して回転側部材を相対回転させて除去されてなくなっていることを特徴とするため、センサユニットの固定時に発生する初期歪みに起因する誤差を生じず、車輪にかかる荷重を正確に検出することができる。

この発明の一実施形態を図１ないし図６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。

このセンサ付車輪用軸受における軸受は、図１に断面図で示すように、内周に複列の転走面３を形成した外方部材１と、これら各転走面３に対向する転走面４を外周に形成した内方部材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。上記転走面３，４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。外方部材１と内方部材２との間の軸受空間の両端は、一対のシール７，８によって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１６に取付ける車体取付用フランジ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には円周方向の複数箇所にナックル取付用のボルト孔１４が設けられ、インボード側よりナックル１６のボルト挿通孔１７に挿通したナックルボルト１８を前記ボルト孔１４に螺合することにより、車体取付用フランジ１ａがナックル１６に取付けられる。
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、円周方向の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、車輪および制動部品（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。

図２は、この車輪用軸受の外方部材１をアウトボード側から見た正面図を示す。なお、図１は、図２におけるＩ−Ｉ矢視断面図を示す。前記車体取付用フランジ１ａは、図２のように、各ボルト孔１４が設けられた円周方向部分が他の部分よりも外径側へ突出した突片１ａａとされている。

固定側部材である外方部材１の外径面には、２つの荷重検出用センサユニット２０を１組とするセンサユニット対１９が１対設けられている。これら２つのセンサユニット２０は、外方部材１の外径面の円周方向における１８０度の位相差をなす位置に配置される。このセンサユニット対１９は１対以上設けても良い。ここでは、センサユニット対１９を構成する２つのセンサユニット２０を、タイヤ接地面に対して上下位置となる外方部材１の外径面における上面部および下面部の２箇所に設けることで、車輪用軸受に作用する上下方向の荷重（垂直方向荷重）Ｆz を検出するようにしている。具体的には、図２のように、外方部材１の外径面における上面部の、隣り合う２つの突片１ａａの間の中央部に１つのセンサユニット２０が配置され、外方部材１の外径面における下面部の、隣り合う２つの突片１ａａの間の中央部に他の１つのセンサユニット２０が配置されている。

これらのセンサユニット２０は、図３および図４に拡大平面図および拡大断面図で示すように、歪み発生部材２１と、この歪み発生部材２１に取付けられて歪み発生部材２１の歪みを検出するセンサ２２とでなる。歪み発生部材２１は、鋼材等の弾性変形可能な金属製で３ｍｍ以下の薄板材からなり、平面概形が全長にわたり一定幅の帯状で中央の両側辺部に切欠き部２１ｂを有する。なお、歪み発生部材２１の平面概略は、前記切欠き部２１ｂの無い単調な帯状としても良い。また、歪み発生部材２１は、外方部材１の外径面にスペーサ２３を介して接触固定される２つの接触固定部２１ａを両端部に有する。なお、歪み発生部材２１の形状によっては、接触固定部２１ａを２つ以上有するものとしても良い。センサ２２は、歪み発生部材２１における各方向の荷重に対して歪みが大きくなる箇所に貼り付けられる。ここでは、その箇所として、歪み発生部材２１の外面側で両側辺部の切欠き部２１ｂで挟まれる中央部位が選ばれている。なお、歪み発生部材２１は、固定側部材である外方部材１に作用する外力、またはタイヤと路面間に作用する作用力として、想定される最大の力が印加された状態においても、塑性変形しないものとするのが望ましい。塑性変形が生じると、外方部材１の変形がセンサユニット２０に伝わらず、歪みの測定に影響を及ぼすからである。

前記センサユニット２０は、その歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａが、外方部材１の軸方向に同寸法の位置で、かつ互いに円周方向に離れた位置に来るように配置され、これら接触固定部２１ａがそれぞれスペーサ２３を介してボルト２４により外方部材１の外径面に固定される。これにより、センサユニット２０のセンサ２２は、歪み発生部材２１の切欠き部２１ｂの周辺における外方部材円周方向の歪みを検出することになる。この場合、２つの接触固定部２１ａの間隔は、外方部材１の車体取付用フランジ１ａにおける隣り合う突片１ａａ間の間隔の１／２以下とされる。前記各ボルト２４は、それぞれ接触固定部２１ａに設けられた径方向に貫通するボルト挿通孔２５からスペーサ２３のボルト挿通孔２６に挿通し、外方部材１の外周部に設けられたボルト孔２７に螺合させる。このように、スペーサ２３を介して外方部材１の外径面に接触固定部２１ａを固定することにより、薄板状である歪み発生部材２１における切欠き部２１ｂを有する中央部位が外方部材１の外径面から離れた状態となり、切欠き部２１ｂの周辺の歪み変形が容易となる。接触固定部２１ａが配置される軸方向位置として、ここでは外方部材１のアウトボード側列の転走面３の周辺となる軸方向位置が選ばれる。ここでいうアウトボード側列の転走面３の周辺とは、インボード側列およびアウトボード側列の転走面３の中間位置からアウトボード側列の転走面３の形成部までの範囲である。外方部材１の外径面へセンサユニット２０を安定良く固定する上で、外方部材１の外径面における前記スペーサ２３が接触固定される箇所には平坦部１ｂが形成される。

このほか、図５に断面図で示すように、外方部材１の外径面における前記歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａが固定される２箇所の中間部に溝１ｃを設けることで、前記スペーサ２３を省略し、歪み発生部材２１における切欠き部２１ｂが位置する２つの接触固定部２１ａの中間部位を外方部材１の外径面から離すようにしても良い。

センサ２２としては、種々のものを使用することができる。例えば、センサ２２を金属箔ストレインゲージで構成することができる。その場合、通常、歪み発生部材２１に対しては接着による固定が行なわれる。また、センサ２２を歪み発生部材２１上に厚膜抵抗体にて形成することもできる。

センサユニット２０のセンサ２２は推定手段３０に接続される。推定手段３０は、ここではセンサ２２の出力信号により、設定基準に従い、車輪のタイヤと路面間の作用力を推定する手段であって、信号処理回路や補正回路などが含まれる。推定手段３０は、前記設定基準として、車輪のタイヤと路面間の作用力とセンサ２２の出力信号との関係を演算式またはテーブル等により設定した関係設定手段（図示せず）を有し、入力されたセンサ２２の出力信号から前記関係設定手段を用いて作用力を出力する。前記関係設定手段の設定内容は、予め試験やシミュレーションで求めておいて設定する。この場合に、この関係設定手段の設定内容である前記設定基準は、センサ付車輪用軸受の組立後に、外方部材１に対して内方部材２を相対回転させて初期歪みが除去された後の、センサ２２の出力に対して定めたものとされる。

このように構成されたセンサ付車輪用軸受は、その組立後に、固定側部材である外方部材１に対して回転側部材である内方部材２を相対回転させる慣らし運転が行なわれる。この場合の慣らし運転は、回転側部材である内方部材２に対して荷重を印加した状態で行なわれる。

車輪のタイヤと路面間に荷重が作用すると、車輪用軸受の固定側部材である外方部材１にも荷重が印加されて変形が生じる。センサユニット２０における切欠き部２１ｂを有する歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａが外方部材１に接触固定されているので、外方部材１の歪みが歪み発生部材２１に拡大して伝達され、その歪みがセンサ２２で検出され、その出力信号から荷重を推定できる。このセンサ付車輪用軸受では、組立後に、固定側部材である外方部材１に対して回転側部材である内方部材２を相対回転させる慣らし運転が行なわれているので、センサユニット２０の歪み発生部材２１を外方部材１に固定した時に歪み発生部材２１に発生する初期歪みが除去される。これにより、センサユニット２０による荷重の検出範囲が広がるだけでなく、初期歪みによるゼロ点（例えば荷重ゼロの時の歪み量）の変動を無くすことができるため、荷重を正確に推定できる。

上記説明では車輪のタイヤと路面間の作用力を検出する場合を示したが、車輪のタイヤと路面間の作用力だけでなく、車輪用軸受に作用する力（例えば予圧量）を検出するものとしても良い。
このセンサ付車輪用軸受から得られた検出荷重を自動車の車両制御に使用することにより、自動車の安定走行に寄与できる。また、このセンサ付車輪用軸受を用いると、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。

この実施形態の場合、前記慣らし運転を、回転側部材である内方部材２に荷重を印加した状態で行なっているので、固定側部材である外方部材１の変形量が大きくなり、それだけセンサユニット２０における歪み発生部材２１の接触固定部２１ａの接触面で滑りが生じやすくなり、短時間で初期歪みを除去できる。

また、この実施形態では、センサユニット２０における歪み発生部材２１の接触固定部２１ａを、ボルト２４で固定側部材である外方部材１に固定していることから、固定時の歪み発生部材２１の捩れにより初期歪みが生じやすく、この初期歪みを除去するうえで前記慣らし運転が特に効果的である。

また、この実施形態の場合、センサユニット２０の歪み発生部材２１は、平面概形が全長にわたり一定幅の単調な帯状、あるいはその側辺部に切欠き部２１ｂを有する薄板材からなるので、外方部材１の歪みが歪み発生部材２１に拡大して伝達され易く、その歪みがセンサ２２で感度良く検出され、その出力信号に生じるヒステリシスも小さくなり、荷重を精度良く推定できる。また、歪み発生部材２１の形状も簡単なものとなり、量産性に優れたものとなる。

また、この実施形態では、固定側部材である外方部材１の外径面へのセンサユニット２０の設置において、その歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａが、外方部材１の同一軸方向位置でかつ円周方向に互いに離間した位置となるように配置されているので、外方部材１の円周方向の歪みをセンサユニット２０によって検出することができる。この実施形態の場合、タイヤと路面間に作用する荷重が、回転側部材である内方部材２から転動体５を介して外方部材１に伝達されるので、外方部材１の外径面は円周方向に歪むことになり、上記した接触固定部２１ａの配置により検出感度が向上し、荷重をさらに精度良く推定できる。

また、この実施形態では、固定側部材である外方部材１の車体取付用フランジ１ａの円周方向複数箇所にナックル取付用のボルト孔１４が設けられた円周方向部分が他の部分よりも外径側へ突出した突片１ａａとされるが、前記センサユニット２０における歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａは、隣り合う突片１ａａ間の中央に配置されているので、ヒステリシスの原因となる突片１ａａから離れた位置に歪み発生部材２１が配置されることになり、それだけセンサ２２の出力信号に生じるヒステリシスが小さくなり、荷重をより精度良く推定できる。

また、２つの接触固定部２１ａの間隔を、隣り合う突片１ａａ間の間隔の１／２以下としているので、ヒステリシスの原因となるナックルボルト１８（図１）を中心とした横滑りの影響を小さくでき、それだけセンサ２２の出力信号に生じるヒステリシスが小さくなり、荷重をより精度良く推定できる。

また、この実施形態では、センサユニット２０を、外方部材１における複列の転走面３のうちのアウトボード側の転走面３の周辺となる軸方向位置、つまり比較的設置スペースが広く、タイヤ作用力が転動体５を介して外方部材１に伝達されて比較的変形量の大きい部位に配置しているので、検出感度が向上し、荷重をより精度良く推定できる。

また、この実施形態では、固定側部材である外方部材１の外径面に、その円周方向における１８０度の位相差をなす位置に配置されたセンサユニット２０の２つを１組とするセンサユニット対１９を少なくとも１対以上設けているので、どのような荷重条件においても、荷重を精度良く推定することができる。すなわち、ある方向への荷重が大きくなると、転動体５と転走面３が接触している部分と接触していない部分が１８０度位相差で現れるため、その方向に合わせてセンサユニット２０を１８０度位相差で設置すれば、どちらかのセンサユニット２０には必ず転動体５を介して外方部材１に印加される荷重が伝達され、その荷重をセンサ２２により検出可能となる。

また、垂直方向荷重Ｆz に対しては、固定側部材である外方部材１は上面部と下面部で変形するが、この実施形態では、センサユニット対１９の２つのセンサユニット２０を、タイヤ接地面に対して上下位置となる外方部材１の外径面の上面部と下面部とに配置しているので、それらのセンサ２２の出力信号から、軸方向荷重であるコーナリング力Ｆy と垂直方向荷重Ｆz とを正確に推定することができる。

センサユニット対１９となる２つのセンサユニット２０は、この実施形態の場合のようにタイヤ接地面に対して上下位置となる外方部材１の外径面の上面部と下面部に配置する場合に限らず、タイヤ接地面に対して前後位置となる外方部材１の外径面の右面部と左面部とに配置しても良い。駆動力やブレーキ力による荷重Ｆx に対しては、固定側部材である外方部材１の右面部と左面部が変形するので、この場合には、それらのセンサ２２の出力信号から、コーナリング力Ｆy と駆動力やブレーキ力による荷重Ｆx とを正確に推定することができる。

また、車輪用軸受の回転中には、転走面３におけるセンサユニット２０の近傍部位を通過する転動体５の有無によって、センサユニット２０のセンサ２２の出力信号の振幅に、図６に示す波形図のように周期的な変化が生じる場合がある。その理由は、転動体５の通過時とそうでない場合とで変形量が異なり、転動体５の通過周期ごとにセンサ２２の出力信号の振幅がピーク値を持つためである。そこで、検出信号におけるこのピーク値の周期を、例えば推定手段３０で測定することにより、転動体５の通過速度つまり車輪の回転数を検出することも可能となる。このように、出力信号に変動が見られる場合、推定手段３０は、センサユニット２０のセンサ２２の出力信号の平均値や振幅から荷重を推定することができる。変動が見られない場合は、絶対値より荷重を算出することができる。

なお、この実施形態において、以下の構成については特に限定しない。
・ センサユニット２０の設置個数、設置場所や、接触固定部２１ａ，センサ２２，切 欠き部２１ｂの数
・ センサユニット２０の形状、固定方法（接着、溶接など）、固定する向き（軸方向 の歪みを検出しても構わない）

図７ないし図９は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、図１〜図６に示す実施形態のセンサ付車輪用軸受において、さらに軸方向荷重であるコーナリング力Ｆy の印加方向により出力信号の異なる印加方向判別用センサユニット３５が設けられている。このセンサユニット３５は、２つの接触固定部３６ａａ，３６ｂａを有する歪み発生部材３６と、この歪み発生部材３６に取付けられて歪み発生部材３６の歪みを検出するセンサ３７とからなり、スペーサ３８Ａ，３８Ｂを介して外方部材１に固定される。図７では、図１における推定手段３０を省略しているが、前記印加方向判別用センサユニット３５のセンサ３７も推定手段３０に接続される。

印加方向判別用センサユニット３５の歪み発生部材３６は、図９に拡大して示すように、鋼材等の金属材からなる板材をＬ字状に折り曲げて形成され、外方部材１のフランジ１ａにおけるボルト孔１４の近傍のアウトボード側に向く側面に対向する径方向片３６ａと、外方部材１の外径面に対向する軸方向片３６ｂとを有する。センサ３７は径方向片３６ａの片面に固定される。この歪み発生部材３６は、スペーサ３８Ａ，３８Ｂを介して外方部材１の外周部に、ボルト３９，４０で締結される。すなわち、径方向片３６ａの接触固定部３６ａａに形成されたボルト挿通孔４１からスペーサ３８Ａのボルト挿通孔４２に挿通させたボルト３９を、外方部材１のフランジ１ａにおけるナックルボルト１８用のボルト孔１４の近傍に設けられたボルト孔４３に螺合させる。また、軸方向片３６ｂの接触固定部３６ｂａに形成されたボルト挿通孔４４から別のスペーサ３８Ｂのボルト挿通孔４５に挿通させたボルト４０を、外方部材１の外径面に設けられたボルト孔４６に螺合させる。これにより、歪み発生部材３６の２つの接触固定部３６ａａ，３６ｂａがスペーサ３８Ａ，３８Ｂを介して外方部材１に締結される。

上記した印加方向判別用センサユニット３５の設置部位は、コーナリング力Ｆy に対して変形量が大きいが、垂直方向荷重Ｆz や駆動力やブレーキ力による荷重Ｆx のような径方向荷重に対して変形量の小さい部位である。この部位に設置すると、印加方向判別用センサユニット３５に作用する力が圧縮力と引っ張り力で切り替わるため、その出力信号の大小判別を所定のしきい値に対して行なえば、コーナリング力Ｆy の印加方向を判別することができる。このセンサユニット３５のセンサ３７の出力信号は推定手段３０に入力され、その入力信号から推定手段３０はコーナリング力Ｆy の印加方向を判別する。すなわち、推定手段３０は、荷重検出用センサユニット２０の出力信号から垂直方向荷重Ｆz を推定すると共に、荷重検出用センサユニット２０の出力信号と前記印加方向判別用センサユニット３５の出力信号とでコーナリング力（絶対値と印加方向）Ｆy を推定する。その他の構成は、図１〜図６に示した実施形態の場合と同様である。

前記印加方向判別用センサユニット３５はコーナリング力（絶対値と印加方向）Ｆy の検出用としても利用できるので、図１０に示すように、図７〜図９の実施形態において荷重検出用センサユニット２０を省略して、コーナリング力Ｆy だけを推定するようにしても良い。

図１１ないし図１３は、この発明のさらに他の実施形態を示す。このセンサ付車輪用軸受では、図１〜図６に示す実施形態において、センサユニット対１９の２つのセンサユニット２０を以下のように構成している。この場合も、センサユニット２０は、図１３に拡大断面図で示すように、歪み発生部材２１と、この歪み発生部材２１に取付けられて歪み発生部材２１の歪みを検出するセンサ２２とでなる。歪み発生部材２１は、外方部材１の外径面に対向する内面側に張り出した２つの接触固定部２１ａを両端部に有し、これら接触固定部２１ａで外方部材１の外径面に接触して固定される。２つの接触固定部２１ａのうち、１つの接触固定部２１ａは、外方部材１のアウトボード側列の転走面３の周辺となる軸方向位置に配置され、この位置よりもアウトボード側の位置にもう１つの接触固定部２１ａが配置され、かつこれら両接触固定部２１ａは互いに外方部材１の円周方向における同位相の位置に配置される。ここでいうアウトボード側列の転走面３の周辺とは、インボード側列およびアウトボード側列の転走面３の中間位置からアウトボード側列の転走面３の形成部までの範囲である。この場合も、外方部材１の外径面へセンサユニット２０を安定良く固定する上で、外方部材１の外径面における前記歪み発生部材２１の接触固定部２１ａが接触固定される箇所に平坦部を形成するのが望ましい。
また、歪み発生部材２１の中央部には内面側に開口する１つの切欠き部２１ｂが形成されている。センサ２２は、歪み発生部材２１における各方向の荷重に対して歪みが大きくなる箇所に貼り付けられる。ここでは、その箇所として、前記切欠き部２１ｂの周辺、具体的には歪み発生部材２１の外面側で切欠き部２１ｂの背面側となる位置が選ばれており、センサ２２は切欠き部２１ｂ周辺の歪みを検出する。

歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａは、それぞれボルト４７により外方部材１の外径面へ締結することで固定される。具体的には、これらボルト４７は、それぞれ接触固定部２１ａに設けられた径方向に貫通するボルト挿通孔４８に挿通し、外方部材１の外周部に設けられたボルト孔４９に螺合させる。なお、接触固定部２１ａの固定方法としては、ボルト４７による締結のほか、接着剤などを用いても良い。歪み発生部材２１の接触固定部２１ａ以外の箇所では、外方部材１の外径面との間に隙間が生じている。その他の構成は、図１〜図６に示した実施形態の場合と同様である。なお、図１１は、車輪用軸受の外方部材１をアウトボード側から見た正面図を示す図１２におけるXI−XI矢視断面図である。

図１４は、この発明のさらに他の実施形態を示す。このセンサ付車輪用軸受では、図１〜図６に示す実施形態において、２つのセンサユニット２０を、タイヤ接地面に対して上下位置となる外方部材１の外径面の上面部と下面部とに配置した２つのセンサユニット２０からなる１対のセンサユニット対１９のほか、タイヤ接地面に対して前後位置となる外方部材１の外径面の右面部と左面部とに配置した２つのセンサユニット２０からなる別の１対のセンサユニット対１９を設けたものである。その他の構成は図１〜図６の実施形態の場合と同様である。

この構成の場合、２つのセンサユニット２０が外方部材１の外径面の上面部と下面部とに配置される１対のセンサユニット対１９の検出信号から、車輪用軸受に作用する垂直方向荷重Ｆz を正確に推定できる。また、２つのセンサユニット２０が外方部材１の外径面の右面部と左面部とに配置されるもう１対のセンサユニット対１９の検出信号から、駆動力やブレーキ力となる荷重Ｆx を正確に推定できる。コーナリング力（絶対値）Ｆy はいずれか一方のセンサユニット対１９の検出信号から推定すれば良い。すなわち、どのような荷重条件においても、コーナリング力Ｆy と垂直方向の荷重Ｆz と駆動力やブレーキ力となる荷重Ｆx とを正確に検出できる。

なお、上記した各実施形態では、外方部材１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、荷重検出用センサユニット２０や印加方向判別用センサユニット３５は内方部材の内周となる周面に設ける。
また、これらの実施形態では第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にも適用することができる。また、このセンサ付車輪用軸受は、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。

この発明の一実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図とその検出系の概念構成のブロック図とを組み合わせて示す図である。 同センサ付車輪用軸受の外方部材をアウトボード側から見た正面図である。 同センサ付車輪用軸受におけるセンサユニットの拡大平面図である。 図３におけるIV−IV矢視断面図である。 センサユニットの他の設置例を示す断面図である。 同センサ付車輪用軸受におけるセンサユニットの出力信号の波形図である。 この発明の他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。 同センサ付車輪用軸受の外方部材をアウトボード側から見た正面図である。 同センサ付車輪用軸受における印加方向判別用センサユニットの拡大断面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の外方部材をアウトボード側から見た正面図である。 この発明のさらに他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。 同センサ付車輪用軸受の外方部材をアウトボード側から見た正面図である。 同センサ付車輪用軸受におけるセンサユニットの拡大断面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の外方部材をアウトボード側から見た正面図である。

符号の説明

１…外方部材
１ａ…車体取付用フランジ
１ａａ…突片
２…内方部材
３，４…転走面
５…転動体
１４…ナックル取付用ボルト孔
１６…ナックル
１９…センサユニット対
２０…荷重検出用センサユニット
２１…歪み発生部材
２１ａ…接触固定部
２１ｂ…切欠き部
２２…センサ
２４…ボルト
３５…印加方向判別用センサユニット
３６…歪み発生部材
３６ａａ，３６ｂａ…接触固定部
３７…センサ

Claims (10)

1. 複列の転走面が内周に形成された外方部材と、前記転走面と対向する転走面が外周に形成された内方部材と、両部材の対向する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、
   上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に、この固定側部材に接触して固定される２つ以上の接触固定部を有する歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出するセンサからなる１つ以上の荷重検出用センサユニットを設けてなるセンサ付車輪用軸受であって、このセンサ付車輪用軸受の前記歪み発生部材は、この歪み発生部材を軸受の前記固定側部材に固定する際に発生する歪みである初期歪みが、前記センサ付車輪用軸受の組立後に、前記固定側部材に対して回転側部材を相対回転させて除去されてなくなっている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、前記回転側部材に対して荷重を印加した状態で前記固定側部材に対して回転側部材を相対回転させて初期歪みが除去されたことを特徴とす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の接触固定部をボルトで前記固定側部材に固定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、前記歪み発生部材は、平面概形が均一幅の帯状、または平面概形が帯状で側辺部に切欠き部を有する薄板材からなり、前記固定側部材の外径面に固定したセンサ付車輪用軸受。
5. 請求項４において、前記センサユニットは、その歪み発生部材の２つの接触固定部が、前記固定側部材の外径面の同一軸方向位置でかつ円周方向に互いに離間した位置となるように配置したセンサ付車輪用軸受。
6. 請求項４または請求項５において、前記固定側部材の外周に、ナックルに取付ける車体取付用のフランジが設けられ、このフランジの円周方向複数箇所にボルト孔が設けられ、前記フランジは各ボルト孔が設けられた円周方向部分が他の部分よりも外径側へ突出した突片とされ、前記歪み発生部材の２つの接触固定部を隣合う前記突片の間の中央に配置したセンサ付車輪用軸受。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記固定側部材の外周に、ナックルに取付ける車体取付用のフランジが設けられ、さらに前記固定側部材に、この固定側部材に接触して固定される２つの接触固定部を有する歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出するセンサからなり車輪用軸受の軸方向に作用する軸方向荷重の印加方向を判別するためのセンサユニットを設け、前記２つの接触固定部のうちの１つの接触固定部を前記フランジの側面に固定し、他の１つの接触固定部を前記固定側部材の外径面に固定したセンサ付車輪用軸受。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記固定側部材の外径面には、その円周方向における１８０度の位相差をなす位置に配置された前記荷重検出用センサユニットの２つを１組とするセンサユニット対を少なくとも１対以上設けたセンサ付車輪用軸受。
9. 請求項８において、前記センサユニット対を２対設け、１対のセンサユニット対の２つの荷重検出用センサユニットは、タイヤ接地面に対して上下位置となる前記固定側部材の外径面の上面部と下面部とに配置し、他の１対のセンサユニット対の２つの荷重検出用センサユニットは、タイヤ接地面に対して前後位置となる固定側部材の外径面の右面部と左面部とに配置したセンサ付車輪用軸受。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、前記センサの出力信号の絶対値
    、および前記出力信号の平均値、および前記出力信号の振幅のうち、少なくともいずれか一つにより、設定基準に従って荷重を推定する推定手段を設けたセンサ付車輪用軸受。

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