JP2008240945A - センサ付車輪用軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受に作用する荷重を容易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は、複列の転走面３が内周に形成された外方部材１と、この外方部材１の転走面３と対向する転走面４を形成した内方部材２と、両転走面３，４間に介在した複列の転動体５とを備え、 車体に対して車輪を回転自在に支持する。前記外方部材および内方部材のうちの固定側の部材である例えば外方部材１に、前記転動体５の自転速度および自転の方向を検出する自転検出手段１６と、この自転検出手段１６の検出する自転速度および自転方向から、前記車輪と路面間に作用する荷重を検出する荷重検出手段１７とを設ける。
【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、複列の転動体を有する車輪用軸受において、各列の転動体を保持するそれぞれの保持器にエンコーダを組み付け、これらエンコーダに対向させた検出部により、各列の転動体の公転速度を検出し、これら両列の転動体の公転速度に基づいて軸受に加わる荷重を検出するようにしたものが提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００５−５５３７９号公報

しかし、特許文献１に開示の車輪用軸受の場合、各列の転動体の公転速度は、荷重による変化が小さく、荷重検出が困難である。とくに、垂直方向荷重Ｆｚが作用した場合、接触角の変化が小さいため、荷重検出はさらに困難となる。

この発明の目的は、軸受に作用する荷重を容易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、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車輪用軸受において、前記外方部材および内方部材のうちの固定側の部材に、前記転動体の自動速度および自転の方向を検出する自転検出手段と、この自転検出手段の検出する自転速度および自転方向から、前記車輪と路面間に作用する荷重を検出する荷重検出手段とを設けたことを特徴とする。
この構成によると、車輪用軸受に作用する荷重によって転動体の接触角が変わるため、転動体の自転方向が変わる。このように変化する転動体の自転速度および自転の方向が自転検出手段によって検出される。この自転検出手段の検出する自転速度および自転方向から、車輪と路面間に作用する荷重が、荷重検出手段により検出される。上記のように、車輪用軸受に作用する荷重によって自転の方向が変わるため、予め自転の方向，速度と荷重の関係をシミュレーション等によって求めて荷重検出手段に設定しておけば、検出された転動体の自転速度および自転の方向から荷重を検出することができる。接触角の変化による自転の変化は公転に比べて大きいため、転動体の公転から荷重を検出する従来例等に比べて、軸受に作用する荷重を感度良く、高精度に検出することができる。

この発明において、前記自転検出手段は、それぞれ転動体に対向する複数個の検出部を並べた検出部配列体、および上記複数個の検出部の検出信号を処理する検出信号処理部を有し、各検出部は、コイルで交流磁界を発生させて前記転動体に流れる渦電流を検出するものであり、前記信号処理部は、前記各検出部の検出信号の渦電流による位相遅れから転動体の自転を検出するものとしても良い。

この発明において、前記自転検出手段の前記検出部配列体を、前記固定側の部材における上下左右の４箇所に設けても良い。この構成の場合、様々な方向の荷重を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車輪用軸受において、前記外方部材および内方部材のうちの固定側の部材に、前記転動体の自動速度および自転の方向を検出する自転検出手段と、この自転検出手段の検出する自転速度および自転方向から、前記車輪と路面間に作用する荷重を検出する荷重検出手段とを設けたため、軸受に作用する荷重を容易に感度良く検出できる。

この発明の一実施形態を図１ないし図９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、車両に取り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θ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用のボルト孔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、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をイン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−Ｏ−Ｉ矢視断面図を示す。固定側部材である外方部材１には、自転検出手段１６と荷重検出手段１７とが設けられている。自転検出手段１６は転動体５の自転速度および自転の方向を検出する手段であり、ここでは４個の自転検出手段１６が設けられる。荷重検出手段１７は、自転検出手段１６の検出する自転速度および自転方向から、車輪と路面間に作用する荷重を検出する手段である。

自転検出手段１６は、図１の一部を拡大して示す図４のように外方部材１の内周面に設けられる検出部配列体１８と、この検出部配列体１８の検出部２１Ａ，２１Ｂの検出信号を処理する検出信号処理部１９（図３）とでなる。この実施形態では、４個の自転検出手段１６の各検出部配列体１８が、図２のように上下左右の４箇所にそれぞれ設けられている。
各検出部配列体１８は、図４のように検出部取付部材２０を介して外方部材１の内周面におけるアウトボード側の転走面３とシール７との間の軸方向位置にそれぞれ設けられる。ここでは、各検出部配列体１８は、それぞれアウトボード側の転動体列の転動体５に対向する２個の検出部２１Ａ，２１Ｂを軸受の径方向に並べて構成される。

前記検出部取付部材２０は、図５に正面図で示すように、軸受と同心のリング状部材からなり、その周方向の上下左右の４箇所に、各検出部配列体１８の２個の検出部２１Ａ，２１Ｂを挿入する検出部挿入孔２２Ａ，２２Ｂがそれぞれ設けられている。検出部２１Ａ，２１Ｂは、図６に拡大した断面図で示すようにボビン２３にコイル２４Ａ，２４Ｂを巻き付けて構成され、コイル２４Ａ，２４Ｂで交流磁界を発生させて対向する転動体５に流れる渦電流を検出する。なお、図３の検出信号処理部１９は、前記各検出部２１Ａ，２１Ｂの検出する渦電流の位相遅れから転動体５の自転を検出するものである。
このように構成された検出部２１Ａ，２１Ｂを、前記検出部取付部材２０の対応する検出部挿入孔２２Ａ，２２Ｂに挿入して、その隙間をモールドすることにより、前記ボビン２３が検出部取付部材２０に固定され、コイル２４Ａ，２４Ｂは検出部挿入孔２２Ａ，２２Ｂ内に収容されて保護される。各コイル２４Ａ，２４Ｂの配線は、ボビン２３に設けられた配線孔２５から、検出部取付部材２０に設けられた配線孔および外方部材１に設けられた配線孔（いずれも図示せず）を経て軸受外に引き出される。

ここでは、各自転検出手段１６の検出信号処理部１９は、図３（Ａ）のように荷重検出手段１７と共に１つの信号処理ユニット２６に設置されるが、図３（Ｂ）のように荷重検出手段１７を搭載した信号処理ユニット２６から分離して、各自転検出手段１６の検出信号処理部１９を設置しても良い。荷重検出手段１７は、車輪と路面間の作用力と前記自転検出出力手段１６の検出信号処理部１９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。

上記構成の作用を説明する。車輪と路面間に荷重が作用すると、図７〜図９のように、車輪用軸受の接触角θに変化が生じ、転動体５の自転の方向つまり自転軸ａｘの方向も変化する。なお、図７〜図９では、角度α（＝３６０°−θ）の値の変化をそれぞれ示している。したがって、接触角θが大きくなるほど、前記角度αは小さくなる。
前記角度αが３３６°のとき、自転検出手段１６の検出部配列体１８の設置位置のそばを通過する転動体５に対して、検出部配列体１８における２個の検出部２１Ａ，２１Ｂのコイル２４Ａ，２４Ｂは、図７（Ａ）のように、転動体５の表面における自転軸ａｘの貫通する極位置Ｎから、内外径側の略等配位置に離間した状態にある。すなわち、コイル２４Ａが対向する位置での転動体５の周速と、コイル２４Ｂが対向する位置での転動体５の周速は略等しくなる。このため、前記両コイル２４Ａ，２４Ｂに司令信号として図７（Ｂ）における波形（ａ）のように同じ交流電流を印加して交流磁界を発生させると、転動体５の表面におけるコイル２４Ａの対向位置で発生する渦電流とコイル２４Ｂの対向位置で発生する渦電流とが略等しいものとなり、両コイル２４Ａ，２４Ｂの出力信号は、図７（Ｂ）における波形（ｂ），（ｃ）のように、位相および振幅の等しい信号となる。

前記角度αが３２５°になると、図８（Ａ）のように、検出部配列体１８の設置位置のそばを通過する転動体５の自転軸ａｘの方向が垂直方向に近くなり、検出部配列体１８における２個の検出部２１Ａ，２１Ｂのコイル２４Ａ，２４Ｂのうち、外径側のコイル２４Ａは転動体５の表面における自転軸ａｘの貫通する極位置Ｎに対向するが、内径側のコイル２４Ｂは前記極位置Ｎから内径側に離れた位置に対向した状態となる。すなわち、コイル２４Ａが対向する位置での転動体５の周速はほとんどゼロ（渦電流ゼロ）となるのに対して、コイル２４Ｂが対向する位置での周速は図７の場合よりも早くなる（渦電流が大きくなる）。その結果、図８（Ｂ）のように、コイル２４Ａの出力信号の波形（ｂ）では位相遅れがなく振幅の減衰もないが、コイル２４Ｂの出力信号の波形（ｃ）では図７（Ｂ）の場合よりも位相遅れが大きく振幅も小さくなる。

さらに、前記角度αが３０６°になると、図９（Ａ）のように、検出部配列体１８の設置位置のそばを通過する転動体５の自転軸ａｘの方向がさらに垂直方向に近くなり、検出部配列体１８における２個の検出部２１Ａ，２１Ｂのコイル２４Ａ，２４Ｂのうち、外径側のコイル２４Ａは転動体５の極位置Ｎから内径側に離れた位置に対向し、内径側のコイル２４Ｂはさらに内径側に離れた位置に対向した状態となる。すなわち、コイル２４Ａ，２４Ｂが対向する位置での転動体５の周速は図８の場合よりも早くなり（渦電流が大きくなる）、図９（Ｂ）のように、コイル２４Ａ，２４Ｂの出力信号波形（ｂ），（ｃ）では図８（Ｂ）の場合よりもさらに位相遅れが大きく振幅も小さくなる。

各自転検出手段１６の検出信号処理部１９では、対応する検出部２１Ａ，２１Ｂのコイイル２４Ａ，２４Ｂの出力信号の位相遅れの度合いから、転動体５の自転速度と自転軸ａｘの方向を検出する。図７〜図９に示すように、自転速度と自転軸ａｘの方向は接触角θの変化に応じて変化し、接触角θは車輪用軸受に作用する荷重によって変化するので、荷重検出手段１７は、車輪と路面間の作用力と自転検出手段１６の出力信号（自転速度，自転軸ａｘの方向）との関係が予め設定された図示しない関係設定手段に、自転検出手段１６の出力信号を照合して、車輪と路面間に作用する荷重を検出する。
なお、ここでは、自転検出手段１６における検出信号処理部１９で、検出部２１Ａ，２１Ｂの出力信号の位相遅れから自転速度と自転軸ａｘの方向を検出したが、上記したように検出部２１Ａ，２１Ｂの出力信号の振幅の大きさも自転速度や自転軸ａｘの方向と関連するので、自転速度や自転軸ａｘの方向を検出するためのデータとして振幅の大きさを加味しても良い。

このように、このセンサ付車輪用軸受では、外方部材１および内方部材２のうちの固定側部材（ここでは外方部材１）に、転動体５の自転速度および自転の方向（自転軸ａｘの方向）を検出する自転検出手段１６と、この自転検出手段１６の検出する自転速度および自転方向から、車輪と路面間に作用する荷重を検出する荷重検出手段１７を設けたので、軸受に作用する荷重による自転方向の変化から、軸受に作用する荷重を容易に検出することができる。接触角の変化による自転の変化は公転に比べて大きいため、転動体の公転から荷重を検出する従来例等に比べて、軸受に作用する荷重を感度良く、高精度に検出することができる。

また、この実施形態では、自転検出手段１６の検出部配列体１８を、固定側部材である外方部材１における上下左右の４箇所に設けているので、様々な方向の荷重を検出することができる。

上記実施形態では、自転検出手段１６における検出部２１Ａ，２１Ｂのコイル２４Ａ，２４Ｂに、司令信号として交流電流を印加して交流磁界を発生させる方式について説明したが、図１０および図１１に示すようにコイル２４Ａ，２４Ｂで直流磁界を発生させる方式としても良い。
この方式では、例えば先述した角度α（＝３６０°−θ）が図８（Ａ）と同じ３２５°のとき、すなわち検出部配列体１８の設置位置のそばを通過する転動体５の表面の極位置Ｎに、検出部配列体１８における外径側の検出部２１Ａのコイル２４Ａが対向するとき、このコイル２４Ａの出力信号は、図１０（Ｂ）に示すように、転動体５の公転により検出部配列体１８の設置位置のそばを各転動体５が通過するサイクルを周期とする波形となる。この場合、コイル２４Ａが対向する転動体５の表面の極位置Ｎの周速はゼロであり、渦電流はほとんどゼロとなる（公転に伴う渦電流は発生するが、自転に伴うものに比べて小さいので、ここでは考慮しない）。その結果、コイル２４Ａの出力信号の周期は転動体５の通過サイクルと一致し、位相の遅れがない。

しかし、この場合、図１１（Ａ）のように、検出部配列体１８における内径側の検出部２１Ｂのコイル２４Ｂが対向する転動体５の表面位置は、前記極位置Ｎから内径側に離れた位置となるので、この位置の周速は極位置Ｎよりも速く、自転による渦電流が発生する。その結果、コイル２４Ｂの出力信号は、図１１（Ｂ）のように、コイル２４Ａの出力信号に比べて位相遅れが生じ、振幅も小さくなる。
したがって、この方式の場合にも、自転検出手段１６の検出信号処理部１９（図３）は、コイル２４Ａ，２４Ｂの出力信号の位相遅れや振幅の大きさから、転動体５の自転速度および自転軸ａｘの方向を検出することができる。

図１２は、この発明の他の実施形態を示す。このセンサ付車輪用軸受では、図１の実施形態において、アウトボード側の転動体列に対して自転検出手段１６を設けたのに加えて、インボード側の転動体列に対しても自転検出手段１６を設けている。この場合、インボード側の自転検出手段１６も４個とされ、これら各自転検出手段１６の検出部配列体１８は、検出部取付部材２０（図５）を介して外方部材１の内周面におけるインボード側の転走面３とシール８との間の軸方向位置において、上下左右の４箇所にそれぞれ設けられる。この構成の場合、荷重検出手段１７は、インボード側のアウトボード側の自転検出手段１６の出力を比較して、車輪用軸受の軸方向、つまり車両の車幅方向の荷重の関係を検出するものとできる。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様である。

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１２の実施形態において、アウトボード側の転動体列に対する自転検出手段１６の検出部配列体１８、およびインボード側の転動体列に対する自転検出手段１６の検出部配列体１８が、外方部材１の内周面における両転動体列の間の軸方向位置にそれぞれ設けられる。この場合、検出部配列体１８の設置空間を確保するために、保持器６を図１や図１２の実施形態の場合と左右逆向きに設置されている。なお、この実施形態では、各検出部配列体１８の径方向に並ぶ検出部の個数は３個とされている。
両列の検出部配列体１８は互いに近接した配置となるので、これら両列の検出部配列体１８を保持する検出部取付部材２０（図５）は一体の部材としても良い。その他の構成は図１２の実施形態の場合と同様である。

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である。 同センサ付車輪用軸受の外方部材をインボード側から見た正面図である。 （Ａ）は同センサ付車輪用軸受における信号処理系の一構成例を示すブロック図、（Ｂ）は同信号処理系の他の構成例を示すブロック図である。 図１の部分拡大断面図である。 検出部取付部材の正面図である。 検出部の拡大断面図である。 ある接触角の状態での自転検出手段の動作説明図である。 他の接触角の状態での自転検出手段の動作説明図である。 さらに他の接触角の状態での自転検出手段の動作説明図である。 自動検出手段の他の方式による基本動作の説明図である。 同方式による自転検出手段の動作説明図である。 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。 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。

符号の説明

１…外方部材
２…内方部材
３，４…転走面
５…転動体
１６…自転検出手段
１７…荷重検出手段
１８…検出部配列体
１９…検出信号処理部
２１Ａ，２１Ｂ…検出部
２４Ａ，２４Ｂ…コイル

Claims (3)

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車輪用軸受において、
   前記外方部材および内方部材のうちの固定側の部材に、前記転動体の自動速度および自転の方向を検出する自転検出手段と、この自転検出手段の検出する自転速度および自転方向から、前記車輪と路面間に作用する荷重を検出する荷重検出手段と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、前記自転検出手段は、それぞれ転動体に対向する複数個の検出部を並べた検出部配列体、および上記複数個の検出部の検出信号を処理する検出信号処理部を有し、各検出部は、コイルで交流磁界を発生させて前記転動体に流れる渦電流を検出するものであり、前記信号処理部は、前記各検出部の検出信号の渦電流による位相遅れから転動体の自転を検出するものであるセンサ付車輪用軸受。
3. 請求項２において、前記自転検出手段の前記検出部配列体を、前記固定側の部材における上下左右の４箇所に設けたセンサ付車輪用軸受。

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