JP4811778B2

JP4811778B2 - 荷重センサ内蔵型軸受及びそれを用いたハブユニット

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Publication number: JP4811778B2
Application number: JP2005075740A
Authority: JP
Inventors: 嘉臣松尾
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: JP2006258571A

Description

この発明は、荷重センサ内蔵型軸受及びそれを用いたハブユニットに関する。

特開２００４−２７０８４４号公報特開２００４−３６０７８２号公報特開２００４−１５５２６１号公報

自動車の走行制御には種々のセンサが使用されており、例えば、路面摩擦係数、路面反力あるいはヨーレートなどを、タイヤを懸架するサスペンション機構に取り付けた荷重センサで検出し、その検出出力を、例えばアンチロックブレーキシステムや操舵系の制御に使用することが行われている。しかし、サスペンション機構を介した荷重検出には精度上必ずしも満足できないものがあるため、特許文献１〜特許文献４のごとく、タイヤホイールを取り付ける軸受ハブユニットに荷重センサを組み込み、より高精度に荷重検出する提案がなされている。

しかし、上記特許文献１〜特許文献３では、軸受外輪の外周面や、取付フランジとナックルの間に荷重センサを設けているため、センシング位置が荷重を直接支持する転動体や軌道面から遠く、精度が低い欠点があった。

本発明の課題は、軸受に付加される荷重を高精度に検出することができる荷重センサ付き軸受と、それを用いたハブユニットとを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明の荷重センサ内蔵型軸受は、相対回転する２つの軌道輪の間に転動体を配した軸受の、軌道輪の少なくともいずれかに対し、その軌道面をなす領域に、転動体から軌道面に加わる荷重を検出する荷重センサを埋設したことを前提とする。この前提構成によると、転動体と接する軌道面に荷重センサを埋設しているので、転動体を介して軌道面に付加される荷重を極めて高精度に検出できる。

荷重センサを軌道輪に埋め込むための具体的な態様として、軌道輪の軌道面を含む表層部を、当該表層部を除いた残余部分をなす本体部よりも硬質の材料からなる軌道面形成部とし、該軌道面形成部との接合側表面に開口する形で本体部にセンサ収容凹部を形成し、荷重センサを収容した該センサ収容凹部の開口を塞ぐように、本体部に軌道面形成部を接合する構造を例示できる。このようにすると、荷重センサの軌道輪に対する埋め込み形態での組み付けを容易に行なうことができる。

荷重センサは、軌道面に沿って配置される圧電セラミック層を有した圧電センサとして構成することができる。この構成によると、圧電センサが軌道面に沿って配置されるので、軌道面上の荷重を偏りなく検出することが可能となる。

軸受は、軌道輪にアール状断面をなす軌道面が形成されたアンギュラコンタクト軸受として構成できる。この場合、荷重センサを該軌道面のアール形成方向に沿って配置することができる。すなわち、本発明の第一は、上記前提構成に加えて、軸受が、軌道輪にアール状断面をなす軌道面が形成されたアンギュラコンタクトラジアル軸受であり、荷重センサが軌道面の幅方向中心線に関して外輪回転軸線に近い側に偏って配置され、該荷重センサの出力に基づいて、軌道面に付与される転動体からの荷重のアキシャル方向分力を検出することを特徴とする。また、本発明の第二は、上記前提構成に加えて、軸受が、軌道輪にアール状断面をなす軌道面が形成されたアンギュラコンタクトラジアル軸受であり、荷重センサが軌道面の幅方向中心線に関して外輪回転軸線に遠い側に偏って配置され、該荷重センサの出力に基づいて、軌道面に付与される転動体からの荷重のラジアル方向分力を検出することを特徴とする。さらに、本発明の第三は、上記前提構成に加えて、軸受が、軌道輪にアール状断面をなす軌道面が形成されたアンギュラコンタクトラジアル軸受であり、荷重センサが該軌道面のアール形成方向に沿って複数箇所に配置され、該複数の荷重センサの出力に基づいて、軌道面に付加される転動体からの荷重のアキシャル方向分力とラジアル方向分力との双方を検出することを特徴とする。このようなアンギュラコンタクト軸受の構成を採用することにより、軸受に作用するラジアル方向の荷重とアキシャル方向の荷重とをバランスよく支持することができ、かつ、その軌道面のアール付与方向に沿って荷重センサを配置することで、軌道面に作用する荷重をより高感度に検出することができる。

上記構成では、軸受をアンギュラコンタクトラジアル軸受として構成することができる。また、本発明のハブユニットは、アンギュラコンタクトラジアル軸受として構成された上記荷重センサ内蔵型軸受と、該荷重センサ内蔵型軸受の内輪と一体回転可能に設けられ、車軸と一体回転するハブ本体と、該ハブ本体の外周面からラジアル方向外向きに突出するホイール取付部とを有するハブとを備えたことを特徴とする。この場合、荷重センサを軌道面の幅方向中心線に関して外輪回転軸線に近い側に偏って配置しておけば、該荷重センサの出力に基づいて、アール状軌道面に付与される転動体からの荷重のアキシャル方向分力を検出することができる。すなわち、従来の荷重センサつきハブユニット等において直接検出が難しかった荷重のアキシャル方向分力を、荷重センサの検出出力の軌道回転軸線方向の投影成分から極めて容易に測定できる。他方、荷重センサを軌道面の幅方向中心線に関して外輪回転軸線から遠い側に偏って配置しておけば、荷重センサの出力に基づいて、アール状軌道面に付加される転動体からの荷重のラジアル方向分力を検出することもできる。具体的には、荷重センサの検出出力の軌道半径軸線方向への投影からラジアル方向分力を算出することができる。

また、荷重センサを該軌道面のアール形成方向に沿って複数箇所に配置することも可能である。この場合、軌道回転軸線に近い側に位置する荷重センサはアキシャル方向分力が大きく表れ、軌道回転軸線から遠い側に位置する荷重センサはラジアル方向分力が大きく表れる。従って、上記複数の荷重センサの出力に基づいて、アール状軌道面に付加される転動体からの荷重のアキシャル方向分力とラジアル方向分力との双方を、高精度に検出することが可能となる。

上記本発明のハブユニットにおいては、荷重センサ内蔵型軸受の軌道輪の外輪側を非回転とし、該外輪の軌道面に荷重センサを埋設した構造とすることができる。非回転となる外輪側に荷重センサが取り付けられるので、荷重センサからの出力取出が容易となる利点がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である荷重センサ内蔵型軸受（以下、単に「軸受」ともいう）５を用いたハブユニット６の一例を断面構造にて示すものである。該ハブユニット６は、車軸２の先端部外周面に取り付けられる筒状のハブ本体４ｂと、該ハブ本体４ｂの外周面からラジアル方向外向きに突出するホイール取付部４ａとを有するハブ４を有する。また、軸受５は、ホイール取付フランジ４ａよりも車体インナ側において、ハブ本体４ｂに一体回転可能に設けられる内輪５ａと、該内輪５ａのラジアル方向外側において自動車側の取付ベース３に対し非回転かつアキシャル方向の位置が固定に配置される外輪５ｂと、それら内輪５ａと外輪５ｂとの間に配置される複数の転動体５ｃとを備える。ホイール取付フランジ４ａの車体アウタ側主表面には、タイヤホイール３０２とブレーキディスク３０１が取り付けられる。符号８は、ホイール取付ボルトである。本図のハブユニット６は、自動車の従動輪側に使用されるものであり、ハブ本体４ｂが中実部材とされ、車軸に兼用されている。

図１の構成において、軸受５はアンギュラコンタクトラジアル軸受として構成され、具体的には複列外向きアンギュラ玉軸受からなる。ハブ本体４ｂの外周には、単列用の内輪５ａ（他方の内輪はハブ本体４ｂの外周面を軌道面とする形で、これと一体化されている）と、二列の軌道溝を有する外輪５ｂと、二列で配設される複数の玉（転動体）５ｃと、二つの冠形保持器５ｄ、５ｄとを備えている。ハブ本体４ｂの外周面には、ラジアル方向に突出する形で、内輪５ａの自身に対するアキシャル方向の相対移動を規制する内輪規制部４ｄが形成されている。この内輪規制部４ｄは、ハブ本体の外周面に形成された環状の切欠部の内壁部である。

ハブ４には、アキシャル方向にて車体インナ側の端面（以下、後端面ともいう）に被検出部４ｅが形成され、非回転の外輪５ｂの車体インナ側後端部には、変位検出部との間にアキシャル方向に空間を生じた形でこれを覆うカバー７０が設けられている。センサカバー７０は、外輪５ｂの車体インナ側の開口部に嵌合する形態で設けられている。外輪５ｂのアキシャル方向後端部（あるいはインロウ部）５ｍは、外輪取付部となる車軸ケース３の外輪収容孔３ｈの内側に挿入されている。外輪５ｂの外周面にはハブ取付フランジ５ｆがラジアル方向に突出形成されており、該ハブ取付フランジ５ｆを車軸ケース３の外輪収容孔３ｈの周縁部に当接させることにより、該外輪５ｂの車軸ケース３に対するアキシャル方向の相対移動が規制されている。ハブ取付フランジ５ｆには外輪締結部５ｅが一体化されており、これにボルト挿通孔５ｈが貫通形成されている。そして、該ボルト挿通孔５ｈを経て車軸ケース３側に締結部材をなす外輪締結ボルト５ｔがねじ込まれ、外輪５ｂが車軸ケース３に取り付けられる。

次に、ハブユニット６は、上記のごとく軸受５の軌道輪の外輪５ｂ側を非回転とされ、該外輪５ｂの軌道面５ｎをなす領域に、玉（転動体）５ｃから軌道面５ｎに加わる荷重を検出する荷重センサ１５１，１５２が埋設されている。図２に示すように、外輪５ｂの軌道面５ｎを含む表層部が、当該表層部を除いた残余部分をなす本体部１７２ｍよりも硬質の材料からなる軌道面形成部１７２とされている。本体部１７２ｍは、例えば機械構造用炭素鋼や低合金鋼からなり、軌道面形成部１７２は軸受鋼、肌焼き鋼あるいはセラミック材料からなる。

軌道面形成部１７２との接合側表面に開口する形で本体部１７２ｍにはセンサ収容凹部１７０が形成され、荷重センサ１５１，１５２を収容した該センサ収容凹部１７０の開口を塞ぐように、本体部１７２ｍに軌道面形成部１７２が接合されている。本実施形態では、センサ収容凹部１７０の開口周縁部に軌道面形成部１７２が溶接層１７１を介して接続されている。溶接層１７１はろう材層とすることもできるし抵抗溶接層とすることもできる。また、接着剤層や拡散接合層など、溶接層以外の接合層を使用することもできる。軌道面形成部１７２の焼入れ処理は、溶接層１７１の形成前に行っても形成後に行ってもいずれでもよいが、前者の場合は、プロジェクション溶接など溶接層１７１の形成領域近傍に抵抗発熱が集中し、軌道面の焼入れ組織にその熱影響がなるべく及ばないように配慮する必要がある。他方、後者の場合は、溶接後に焼入れ処理を行なうことになり、埋設された荷重センサ１５１，１５２の耐熱構造に配慮する必要がある。

図２に示すように、荷重センサ１５１，１５２は、軌道面５ｎに沿って配置される圧電セラミック層を有した圧電センサとして構成されている。図３は、荷重センサ１５１，１５２の詳細構造の一例を示す断面模式図である。荷重センサ１５１，１５２は、共通の基板１５５の第一主表面に一体的に形成されたセンサモジュール１５０として構成されている。基板１５５は例えば可撓性を有する樹脂基板であるが、銅等の金属からなる金属基板本体の第一主表面を絶縁用のセラミックコーティング層（例えばアルミナないしシリカからなる）で覆ったものとして構成してもよい。

荷重センサ１５１，１５２の組は、図７に示すように、外輪の周方向に沿って所定の間隔で複数個所に配置される。例えばラジアル荷重を測定する場合は、上記のどの荷重センサ１５１，１５２の組がより大きな荷重を検出しているかに応じて、例えば上下方向の力（路面反力）と前後方向の力（路面摩擦）とを区別して検出することも可能である。なお、図８に示すように、内側の荷重センサ１５１と外側の荷重センサ１５２とを、位相を互いにずらせて配置するようにしてもよい。

また、本実施形態では、図１に示すように、２列の転動体５ｃに対するそれぞれの軌道面５ｎに荷重センサ１５１，１５２を配置している。これにより、例えば、アキシャル方向荷重検出の場合は、どちらの軌道面５ｎの荷重センサ１５１，１５２がより大きな出力を示しているかによって、アキシャル方向荷重の向きを判別することも可能である。

各荷重センサ１５１，１５２は同一の積層構造を有し、第一電極１６１、圧電セラミック層１６２（チタン酸鉛などのペロブスカイト型強誘電性酸化物にて構成できる）及び第二電極１６３が基板１５５側からこの順序で積層されたものであり、圧電セラミック層１６２の周縁部は、第一電極１６１と第二電極１６３とを絶縁する補助絶縁層１６４（絶縁セラミックからなる）で覆われている。圧電セラミック層１６２は、高周波スパッタリング等の気相成膜法やゾル−ゲル法などの化学溶液成膜法にて形成できる。電極１６１，１６２は化学めっきあるいは蒸着等の気相成膜法により形成できる。各荷重センサ１５１，１５２の第一電極１６１及び第二電極１６３からは、基板１５５の第一主表面上を引き回される形で信号取出用のリードパターン１６５，１６５が延出しており、その末端部は導体ビア１６７により基板１５５の第二主表面側の出力取出端子１６８に導通している。基板１５５の第一主表面側は、荷重センサ１５１，１５２とともに、高周波スパッタリング等で形成された保護用セラミック層１６９により覆われている。

図４に示すように、上記のセンサモジュール１５０は基板１５５を凹部１７０内に、その底面に追従変形させる形で配置し、さらに軌道面形成部１７２を重ねて溶接部１７１を形成する。図２に示すように、センサモジュール１５０の出力取出端子１６８からは、凹部１７０に一端が連通する形で外輪５ｂのラジアル方向に貫通形成された出力取出孔１７４から出力ケーブル１７４を介して荷重センサ１５１，１５２の出力が取り出される。

図５は、外輪５ｂの軌道面５ｎを、外輪５ｂの中心軸線を含む平面で切断した断面の拡大模式図である。荷重センサ１５１，１５２は、該軌道面５ｎのアール形成方向に沿って複数箇所に、本実施形態では２箇所に配置されている。いずれの荷重センサ１５１，１５２も、アールに沿う向きの合計荷重がその出力に反映されることになる。図１に示すように、荷重センサ１５１は、アール形成された軌道面５ｎの幅方向中心線Ｘに関し、外輪５ｂの回転軸線Ｕに近い側に配置されている。また、荷重センサ１５２は、アール形成された軌道面５ｎの幅方向中心線Ｘに関し、外輪５ｂの回転軸線Ｕから遠い側に配置されている。

荷重センサ１５１は外輪５ｂの回転軸線に近くなるように偏って配置することで、ハブ本体４ｂ（車軸）に作用するアキシャル荷重を優先的に検出することができる。一方、荷重センサ１５２は外輪５ｂの回転軸線から遠くなるように偏って配置されることで、ハブ本体４ｂ（車軸）に作用するラジアル荷重を優先的に検出することができる。図５に示すように、上記断面における軌道面５ｃの曲率半径中心Ｏを原点として定め、該原点Ｏから各荷重センサ１５１，１５２を見込む角度区間の中央に代表荷重作用点Ａ１，Ａ２を定め、便宜的に、荷重センサ１５１の検出する総荷重Ｐ１がＡ１に、荷重センサ１５２の検出する総荷重Ｐ２がＡ２に集中していると考える。原点Ｏを通って外輪回転軸線と平行な基準線を定めたとき、Ａ１の角度位置をθ１、Ａ２の角度位置をθ２として、荷重センサ１５１が検出するアキシャル荷重Ｐ_Ａ１はＰ１ｃｏｓθ１であり、荷重センサ１５２が検出するラジアル荷重Ｐ_Ｒ２はＰ２ｓｉｎθ２である。これらを各々、アキシャル荷重及びラジアル荷重の測定値として使用してもよいが、本実施形態では、荷重Ｐ１のラジアル方向分力Ｐ_Ｒ１と、荷重Ｐ２のアキシャル方向分力Ｐ_Ａ２を、各々上記のアキシャル荷重及びラジアル荷重に加算して出力するようにしている。すなわち：
アキシャル方向荷重Ｐ_Ａ＝Ｐ１ｃｏｓθ１＋Ｐ２ｃｏｓθ２ ‥(1)
ラジアル方向荷重Ｐ_Ｒ＝Ｐ１ｓｉｎθ１＋Ｐ２ｓｉｎθ２ ‥(2)

上記の演算に基づいて、アキシャル方向荷重及びラジアル方向荷重の出力を発生させるアナログ演算回路の一例を、図６の回路図に示す。圧電センサからなる荷重センサ１５１及び荷重センサ１５２の電荷出力は、各々チャージアンプ２０１Ａ，２０１Ｂで電圧変換され、増幅器２０２Ａ及び２０２Ｂを経て、入力抵抗Ｒ１〜Ｒ４及び帰還抵抗ＲＦ１，Ｒｆ２により設定される重みゲインが、上記ｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２、ｓｉｎθ１及びｓｉｎθ２に相当する値に調整されたアナログ加算器２０３Ａ，２０３Ｂに入力され、上記(1)(2)式に対応した出力を得るようにしている。

なお、上記の演算原理では代表荷重作用点Ａ１，Ａ２を固定に定めているが、アキシャル荷重が優勢になる場合は、軌道面上の荷重中心は外輪回転軸線に近づく方向に移動し、ラジアル荷重が優勢になる場合は逆に遠ざかる方向に移動する。これを反映した形で、より高精度にアキシャル荷重ないしラジアル荷重を検出するには、軌道面のアール形成方向に配置する荷重センサの数をさらに増やすことが有効である。他方、荷重センサの数を２個のままとする場合は、アキシャル荷重が優勢になる場合は荷重センサ１５１の出力が大となり、ラジアル荷重が優勢になる場合は荷重センサ１５２の出力が大となるから、荷重センサ１５１の出力と荷重センサ１５２の出力とのバランスに応じて、代表荷重作用点Ａ１，Ａ２の位置、つまり、上記ｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２、ｓｉｎθ１及びｓｉｎθ２の値を適宜補正して演算することも有効である。この場合、図６のアナログ加算器２０３Ａ，２０３Ｂはゲイン可変に構成しなければならないが、マイコンを用いたソフトウェア演算部で置き換えれば構成をより単純化できる。

なお、アキシャル方向荷重を主体に測定したい場合は、図９に示すように、外輪回転軸線に近い側の荷重センサ１５１だけを設けるようにしてもよいし、逆にラジアル方向荷重を主体に測定したい場合は、外輪回転軸線から遠い側の荷重センサ１５２だけを設けるようにしてもよい。また、図１０に示すように、荷重センサ１５３をアール状断面の軌道面５ｎの幅方向中央位置に設けることも可能である。

本発明の変位センサ付きハブユニットの一実施形態を示す断面図。荷重センサの埋設構造の一例をより詳細に示す断面図。荷重センサを基板に組み付けたセンサモジュールの一例を示す断面図及び部分平面図。図３のセンサモジュールを外輪に組み込む工程の説明図。荷重センサによるアキシャル荷重とラジアル荷重の検出原理を説明する図。図５に対応する出力を得るための回路の一例を示す図。外輪の周方向における荷重センサの第一配置例を示す平面模式図。外輪の周方向における荷重センサの第二配置例を示す平面模式図。外輪の軌道面のアール形成方向に単一の荷重センサを配置する例を示す断面模式図。外輪の軌道面のアール形成方向に単一の荷重センサを配置する別例を示す断面模式図。

符号の説明

４ハブ
４ａホイール取付部
４ｂハブ本体
４ｅ被検出部（車体インナ側端面）
５軸受
５ａ内輪
５ｂ外輪
５ｃ転動体
５ｎ軌道面
１５１，１５２荷重センサ
１６２圧電セラミック層
１７０センサ収容凹部
１７２軌道面形成部

Claims

相対回転する２つの軌道輪の間に転動体を配した軸受の、前記軌道輪の少なくともいずれかに対し、その軌道面をなす領域に、前記転動体から前記軌道面に加わる荷重を検出する荷重センサを埋設し、
前記軸受は、前記軌道輪にアール状断面をなす軌道面が形成されたアンギュラコンタクトラジアル軸受であり、前記荷重センサが前記軌道面の幅方向中心線に関して外輪回転軸線に近い側に偏って配置され、該荷重センサの出力に基づいて、前記軌道面に付与される前記転動体からの荷重のアキシャル方向分力を検出することを特徴とする荷重センサ内蔵型軸受。
相対回転する２つの軌道輪の間に転動体を配した軸受の、前記軌道輪の少なくともいずれかに対し、その軌道面をなす領域に、前記転動体から前記軌道面に加わる荷重を検出する荷重センサを埋設し、
前記軸受は、前記軌道輪にアール状断面をなす軌道面が形成されたアンギュラコンタクトラジアル軸受であり、前記荷重センサが前記軌道面の幅方向中心線に関して外輪回転軸線に遠い側に偏って配置され、該荷重センサの出力に基づいて、前記軌道面に付与される前記転動体からの荷重のラジアル方向分力を検出することを特徴とする荷重センサ内蔵型軸受。
相対回転する２つの軌道輪の間に転動体を配した軸受の、前記軌道輪の少なくともいずれかに対し、その軌道面をなす領域に、前記転動体から前記軌道面に加わる荷重を検出する荷重センサを埋設し、
前記軸受は、前記軌道輪にアール状断面をなす軌道面が形成されたアンギュラコンタクトラジアル軸受であり、前記荷重センサが該軌道面のアール形成方向に沿って複数箇所に配置され、該複数の荷重センサの出力に基づいて、前記軌道面に付加される前記転動体からの荷重のアキシャル方向分力とラジアル方向分力との双方を検出することを特徴とする荷重センサ内蔵型軸受。
前記軌道輪の軌道面を含む表層部が、当該表層部を除いた残余部分をなす本体部よりも硬質の材料からなる軌道面形成部とされ、該軌道面形成部との接合側表面に開口する形で前記本体部にセンサ収容凹部が形成され、前記荷重センサを収容した該センサ収容凹部の開口を塞ぐように、前記本体部に前記軌道面形成部が接合されてなる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の荷重センサ内蔵型軸受。
前記荷重センサが、前記軌道面に沿って配置される圧電セラミック層を有した圧電センサからなる請求項１ないし４のいずれか１項に記載の荷重センサ内蔵型軸受。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の荷重センサ内蔵型軸受と、該荷重センサ内蔵型軸受の内輪と一体回転可能に設けられ、車軸と一体回転するハブ本体と、該ハブ本体の外周面からラジアル方向外向きに突出するホイール取付部とを有するハブとを備えたことを特徴とするハブユニット。
前記荷重センサ内蔵型軸受の軌道輪は外輪側が非回転とされ、該外輪の軌道面に前記荷重センサが埋設されてなる請求項６記載のハブユニット。