JP5052084B2

JP5052084B2 - インホイール型モータ内蔵センサ付きアクスルユニット

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Publication number: JP5052084B2
Application number: JP2006252531A
Authority: JP
Inventors: 良信赤松
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2026-09-19
Also published as: US20090236157A1; CN101516663B; CN101516663A; JP2008074135A; WO2008035455A1; DE112007002204T5; US8307931B2

Description

この発明は、ハブベアリングと減速機と電気モータとを組み合わせたインホイール型モータ内蔵アクスルユニットに関し、特に電気自動車における走行安定性の制御技術に関する。

今後、自動車は、環境負荷の低減への対応として、エンジンを用いた駆動形態のものからモータによる駆動形態のものへと移行することが予想される。このような状況の中、電気自動車用の駆動輪用軸受装置として、ハブベアリングと電気モータと減速機とを組み合わせたインホイール型モータ内蔵アクスルユニットが注目されている（例えば、特許文献１，２）。このインホイール型モータ内蔵アクスルユニットを電気自動車の駆動輪に用いると、各駆動輪を個別に回転駆動させることができるため、プロペラシャフトやデファレンシャル等の大がかりな動力伝達機構が不要となり、車両の軽量化やコンパクト化が図れる。

エンジン駆動の自動車に用いられる一般的な車輪用軸受では、車体姿勢の安定性に関する制御技術として、サスペンション制御、ＡＢＳ（アンチロック・ブレーキ・システム）制御等が利用されている。また、車体に取付けた様々なセンサにより車両の各種状態を測定し、その測定結果に基づきエンジン、ブレーキ、ステアリング等を制御することが行われている。
特開２００５−７９１４号公報特開平５−３３２４０１号公報（第１〜３図）

モータ駆動はエンジン駆動と比較してトルクの応答性が速いため、前記サスペンション制御やＡＢＳ制御をモータ駆動の車両に導入した場合、エンジン駆動の車両に導入した場合よりも、さらに高い車体姿勢の安定性が確保できる。サスペンション制御やＡＢＳ制御の精度を向上させるには、自動車に作用する力を正確に測定し、その測定結果に基づき制御を行う必要がある。

自動車に作用する力は主にタイヤと路面間で発生する。この作用力としては、進行方向の作用力、進行方向と直交する方向に作用するコーナリング力（駆動輪の軸方向の力）、および接地面と直交する方向に作用する法線力（鉛直方向の力）がある。その他に、走行速度に依存する空気抵抗や、自然風による空気力もあるが、これらは定常的には非常に小さい。従って、自動車の車体姿勢安定制御には、タイヤと路面間に作用する上記３軸方向の力を応答性良く検知すればよい。

しかし、従来のように車体に取付けたセンサで自動車に作用する力を測定するのは、サスペンションやシャーシを介して車体に伝わった振動を測定することとなり、測定結果にタイムラグが生じる。そのため、その測定結果を制御に利用すると、制御の応答が遅くなるという問題がある。

この発明の目的は、自動車の駆動停止に関わる構成要素の状態から、駆動輪と路面の接地点から直交する３軸方向の力を感度良く測定して、モータ駆動形態の自動車の車体姿勢安定制御を精度良く行えるインホイール型モータ内蔵センサ付きアクスルユニットを提供することである。なお、モータ駆動形態の自動車の場合、前記構成要素はタイヤ、ホイール、ハブ、駆動源、およびブレーキである。

この発明のインホイール型モータ内蔵センサ付きアクスルユニットは、駆動輪の中心軸に対して、同軸上にハブベアリング、電気モータ、減速機、ブレーキを配置し、これらハブベアリング、電気モータ、減速機、ブレーキのうちの少なくとも一つの構成要素の状態から、駆動輪と路面の接地点から直交する３軸方向の力を測定するセンサを設けたことを特徴とする。ここで、３軸方向の力とは、進行方向の作用力、進行方向と直交する方向に作用するコーナリング力（駆動輪の軸方向の力）、および接地面と直交する方向に作用する法線力（鉛直方向の力）のことである。

この発明の構成によれば、自動車の駆動停止に関わる構成要素の状態から、駆動輪と路面の接地点から直交する３軸方向の力を測定することができる。その測定結果は、サスペンション制御やＡＢＳ制御に利用することができる。これにより、自動車の制動時やコーナリング時の姿勢が安定させられて、安全性を確保できる。

前記ブレーキを、ブレーキ用電気モータの回転出力を往復直線運動に変換してブレーキパッドに制動力として伝える電動ブレーキとする。
ブレーキが電動ブレーキであると、ブレーキ制御が容易である。

また、前記インホイール型モータ内蔵センサ付きアクスルユニットは、駆動輪と路面の接地点に作用する力を減衰して車体に伝える減衰手段を有するサスペンションを介して車体に取付けられ、前記減衰手段は、電動で作動して減衰の程度を変化させるものであり、この減衰手段の減衰の程度を制御する手段に、前記センサの出力が入力されるものとするのが良い。
サスペンションの減衰手段が電動で作動して減衰の程度を変化させるものであると、サスペンションの制御が容易である。このサスペンションの制御が、前記センサの出力により適切に行われる。

前記３軸方向の力を測定するセンサとして、前記電気モータの電流値を測定する電流センサ、および前記ブレーキに作用するブレーキ力を測定するブレーキ力センサをそれぞれ設け、前記電流センサの出力、および前記ブレーキ力センサの出力を両方を比較対照して、駆動輪と路面の接地点に作用する進行方向の力を推定する推定手段を設ける。
駆動輪と路面の接地点に作用する進行方向の力の大きさによって電気モータに流れる電流量が異なるため、予め上記作用力と電流量の関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、上記作用力の大きさを算出することができる。推定手段は、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた作用力と電流量の関係から、電流センサの出力により、駆動輪と路面の接地点に作用する進行方向の力を算出する。この方法で進行方向の作用力を求めることにより、同作用力を精度良く検出することができる。

駆動輪と路面の接地点に作用する進行方向の力の大きさによってブレーキに作用するブレーキ力の大きさが異なるため、予め上記作用力とブレーキ力の関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、上記作用力の大きさを算出することができる。推定手段は、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた作用力とブレーキ力の関係から、ブレーキ力センサの出力により、駆動輪と路面の接地点に作用する進行方向の力を算出する。この方法で進行方向の作用力を求めることにより、同作用力を精度良く検出することができる。

前記３軸方向の力を測定するセンサの一つとして、前記ハブベアリングの静止側軌道輪に取付けられて、この静止側軌道輪の軸方向歪みを測定する軸方向歪みセンサを設け、この軸方向歪みセンサは、軸方向に沿った軸方向部位と、この軸方向部位に比べ剛性が低くなるように肉厚を薄くしてある径方向部位とでＬ字形状に構成されるセンサ取付部材を介して、前記静止側軌道輪に取付けられ、前記軸方向歪みセンサの出力から駆動輪と路面の接地点に作用する駆動輪の軸方向の力を推定する推定手段を設けると良い。
駆動輪と路面の接地点に作用する駆動輪の軸方向の力の大きさによって静止側軌道輪の軸方向歪みの変化が異なるため、予め上記作用力と軸方向歪みの関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、上記作用力の大きさを算出することができる。推定手段は、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた作用力と軸方向歪みの関係から、軸方向歪みセンサの出力により、駆動輪と路面の接地点に作用する駆動輪の軸方向の力を算出する。この方法で軸方向の作用力を求めることにより、同作用力を精度良く検出することができる。

前記３軸方向の力を測定するセンサの一つとして、前記ハブベアリングの静止側軌道輪に対向して取付けられて、この静止側軌道輪の径方向歪みを測定する径方向歪みセンサを設け、前記ハブベアリングは複列の転がり軸受であり、前記径方向歪みセンサを対向させる前記複列の転がり軸受の軸方向位置は、アウトボード側列の転走面よりもアウトボード側の位置とされ、径方向歪みセンサの出力から駆動輪と路面の接地点に作用する鉛直方向の力を推定する推定手段を設けると良い。
駆動輪と路面の接地点に作用する駆動輪の鉛直方向の力の大きさによって静止側軌道輪の径方向歪みの変化が異なるため、予め上記作用力と径方向歪みの関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、上記作用力の大きさを算出することができる。推定手段は、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた作用力と径方向歪みの関係から、径方向歪みセンサの出力により、駆動輪と路面の接地点に作用する鉛直方向の力を算出する。この方法で鉛直方向の作用力を求めることにより、同作用力を精度良く検出することができる。

この発明のインホイール型モータ内蔵センサ付きアクスルユニットは、駆動輪の中心軸に対して、同軸上にハブベアリング、電気モータ、減速機、ブレーキを配置し、これらハブベアリング、電気モータ、減速機、ブレーキのうちの少なくとも一つの構成要素の状態から、駆動輪と路面の接地点から直交する３軸方向の力を測定するセンサを設け、前記ブレーキが、ブレーキ用電気モータの回転出力を往復直線運動に変換してブレーキパッドに制動力として伝える電動ブレーキであり、前記３軸方向の力を測定するセンサとして、前記電気モータの電流値を測定する電流センサ、および前記ブレーキに作用するブレーキ力を測定するブレーキ力センサをそれぞれ設け、前記電流センサの出力、および前記ブレーキ力センサの出力を両方を比較対照して、駆動輪と路面の接地点に作用する進行方向の力を推定する推定手段を設け、前記ハブベアリングの状態から駆動輪と路面の接地点に作用する駆動輪の軸方向の力を推定する推定手段を設け、前記ハブベアリングの状態から駆動輪と路面の接地点に作用する鉛直方向の力を推定する推定手段を設けたことにより、自動車の駆動停止に関わる構成要素の状態から、駆動輪と路面の接地点から直交する３軸方向の力を感度良く測定して、モータ駆動形態の自動車の車体姿勢安定制御を精度良く行える。

図１ないし図９はこの発明の一実施形態を示す。まず、図１と共にこの実施形態の概要について説明する。このインホイール型モータ内蔵センサ付きアクスルユニットは、駆動輪７０のハブを回転自在に支持するハブベアリングＡと、回転駆動源としての電気モータＢと、この電気モータＢの回転を減速してハブに伝達する減速機Ｃと、ハブに制動力を与えるブレーキＤとを、駆動輪７０の中心軸Ｏ上に配置したものである。ここで言っていることは、必ずしも各構成要素が中心軸Ｏ上に位置するということではなく、各構成要素が中心軸Ｏに対して機能的に作用しているということである。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。

図２に示すように、ハブベアリングＡは、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。このハブベアリングＡ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、各転走面３，４は接触角が外向き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アウトボード側端は、シール部材７でシールされている。

外方部材１は静止側軌道輪となるものであって、減速機Ｃのアウトボード側のケーシング３３ｂ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取付孔１４が設けられている。外方部材１は、取付孔１４に挿通した取付ボルト１５により前記ケーシング３３ｂに取付けられる。

内方部材２は回転側軌道輪となるものであって、駆動輪７０およびブレーキ輪４６取付用のハブフランジ９ａを有するアウトボード側材９と、このアウトボード側材９の内周にアウトボード側が嵌合して加締めによってアウトボード側材９に一体化されたインボード側材１０とでなる。これらアウトボード側材９およびインボード側材１０に、前記各列の転走面４が形成されている。インボード側材１０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１６の圧入孔１７が設けられている。アウトボード側材９のハブフランジ９ａの根元部付近には、駆動輪７０およびブレーキ輪４６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。このパイロット部１３の内周には、前記貫通孔１１のアウトボード側端を塞ぐキャップ１８が取付けられている。

電気モータＢは、筒状のケーシング２２に固定したステータ２３と出力軸２４に取付けたロータ２５との間にアキシアルギャップを設けたアキシアルギャップ型のものである。出力軸２４は、減速機Ｃのインボード側のケーシング３３ａの筒部に２つの軸受２６で片持ち支持されている。出力軸２４とケーシング３３ａ間の隙間のインボード側端は、シール部材２７でシールされている。また、ケーシング２２のインボード側の開口にはキャップ２８が装着されている。

図２および図３に示すように、減速機Ｃはサイクロイド減速機として構成されている。すなわち、この減速機Ｃは、外形がなだらかな波状のトロコイド曲線で形成された２枚の曲線板３４ａ，３４ｂを、それぞれ軸受３５を介して入力軸３２の各偏心部３２ａ，３２ｂに装着し、インボード側とアウトボード側のケーシング３３ａ，３３ｂ間に差し渡した複数の外ピン３６で、各曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動を外周側で案内するとともに、内方部材２のインボード側材１０に取付けた複数の内ピン３８を、各曲線板３４ａ，３４ｂの内部に設けた複数の貫通孔３９に嵌挿挿入したものである。入力軸３２は、電気モータＢの出力軸２４とスプライン結合されて一体に回転するようになっている。なお、入力軸３２はインボード側のケーシング３３ａと内方部材２のインボード側材１０の内径面とに２つの軸受４０で両持ち支持されている。

電気モータＢの出力軸２４が回転すると、これと一体回転する入力軸３２に取付けられた各曲線板３４ａ，３４ｂが偏心運動を行う。この各曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動が、内ピン３８と貫通孔３９との係合によって、車輪のハブである内方部材２に回転運動として伝達される。出力軸２４の回転に対して内方部材２の回転は減速されたものとなる。例えば、１段のサイクロイド減速機で１／１０以上の減速比を得ることができる。

前記２枚の曲線板３４ａ，３４ｂは、互いに偏心運動が打ち消されるように１８０°位相をずらして入力軸３２の各偏心部３２ａ，３２ｂに装着され、各偏心部３２ａ，３２ｂの両側には、各曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動による振動を打ち消すように、各偏心部３２ａ，３２ｂの偏心方向と逆方向へ偏心させたカウンターウエイト４１が装着されている。

図４に示すように、前記各外ピン３６と内ピン３８には軸受４２，４３が装着され、これらの軸受４２，４３の外輪４２ａ，４３ａが、それぞれ各曲線板３４ａ，３４ｂの外周と各貫通孔３９の内周とに転接するようになっている。したがって、外ピン３６と各曲線板３４ａ，３４ｂの外周との接触抵抗、および内ピン３８と各貫通孔３９の内周との接触抵抗を低減し、各曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動をスムーズに内方部材２に回転運動として伝達することができる。

図５に示すように、ブレーキＤは、駆動輪７０と共にハブフランジ９ａに取付けられたブレーキ輪４６およびこのブレーキ輪４６に摩擦接触可能なブレーキパッド４７を有する作動部４８と、ブレーキパッド４７を作動させる駆動部４９とを有し、この駆動部４９の駆動源としてブレーキ用電気モータ５０を用いた電動ブレーキとされている。ブレーキ輪４６はブレーキディスクからなる。ブレーキパッド４７は、ブレーキ輪４６を挟み付けるように一対設けられている。片方のブレーキパッド４７は、ブレーキフレーム５１に固定され、もう片方のブレーキパッド４７は、ブレーキフレーム５１に直線的に進退自在に設置された進退部材５２に取付けられている。進退部材５２の進退可能方向はブレーキ輪４６に対面する方向である。進退部材５２は、ブレーキフレーム５１に対して回り止めされている。

駆動部４９は、上記ブレーキ用電気モータ５０と、この電気モータ５０の回転出力を往復直線運動に変換してブレーキパッド４７に制動力として伝えるボールねじ５３とを有し、電気モータ５０の出力は減速伝達機構５８を介してボールねじ５３に伝達される。ボールねじ５３は、ねじ軸５４が軸受５７を介してブレーキフレーム５１に回転のみ自在に支持され、ナット５５が上記進退部材５２に固定されている。進退部材５２とナット５５とは、互いに一体の部材であっても良い。

ボールねじ５３は、ねじ軸５４およびナット５５と、これらねじ軸５４の外周面およびナット５５の内周面に対向して形成されたねじ溝間に介在する複数のボール５６とを有する。ナット５５には、ねじ軸５４とナット５５の間に介在するボール５６を無端の経路で循環させる循環手段（図示せず）を有している。循環手段は、リターンチューブやガイドプレートを用いた外部循環形式のものであっても、エンドチャップや駒を用いた内部循環形式のものであっても良い。また、このボールねじ５３は、短い距離を往復動作させるものであるため、上記循環手段を有しない形式のもの、例えばねじ軸５４とナット５５間の複数のボール５６をリテナ（図示せず）で保持したリテナ式のものであっても良い。

減速伝達機構５８は、ブレーキ用電気モータ５０の回転をボールねじ５３のねじ軸５４に減速して伝える機構であり、ギヤ列で構成されている。減速伝達機構５８は、この例では、電気モータ５０の出力軸に設けられたギヤ５９、およびねじ軸５４に設けられて上記ギヤ５９に噛み合うギヤ６０からなる。減速伝達機構５８は、この他に、例えばウォームおよびウォームホイル（図示せず）からなるものとしても良い。

このブレーキＤは、ブレーキペダル等の操作部材６１の操作に従い上記電気モータ５０を制御する操作部６２を有する。この操作部６２には、アンチロック制御手段６５が設けられている。操作部６２は、上記操作部材６１と、この操作部材６１の動作量および動作方向を検出可能なセンサ６４と、このセンサ６４の検出信号に応答して電気モータ５０を制御する制御装置６３とでなり、この制御装置６３に上記アンチロック制御手段６５が設けられている。制御装置６３は、モータ制御信号を生成する手段およびそのモータ制御信号によりモータ電流を制御可能なモータ駆動回路（いずれも図示せず）を有している。

アンチロック制御手段６５は、操作部材６１の操作による制動時に、駆動輪７０の回転に応じて電気モータ５０による制動力を調整することで、駆動輪７０の回転ロックを防止する手段である。アンチロック制御手段６５は、上記制動時に、駆動輪７０の回転速度を検出し、検出速度から駆動輪７０の回転ロックまたはその兆候が検出されると、電気モータ５０の駆動電流を低下させ、または一時的に逆回転出力を発生するなどして、制動力、つまりブレーキパッド４７の締め付け力を調整する処理を行う。駆動輪７０の回転速度の検出には、後述する電気モータＢの回転数センサ８７の出力を利用できる。

図１に示すように、ハブベアリングＡのハブフランジ９ａには、前記ブレーキ輪４６と共に駆動輪７０が取付けられる。駆動輪７０は、ホイール７１の周囲にタイヤ７２を設けたものである。ハブフランジ９ａとホイール７１との間にブレーキ輪４６を挟み込んだ状態で、ハブフランジ９ａの圧入孔１７に圧入したハブボルト１６をホイール７４に螺着させることで、駆動輪７０およびブレーキ輪４６がハブフランジ９ａに固定される。

このアクスルユニットは、電気モータＢのケーシング２２の外周部に取付けたサスペンション７３を介して車体(図示せず)に固定される。サスペンション７３には、駆動輪７０と路面の接地点に作用する力を減衰して車体に伝える減衰手段７４が設けられている。この減衰手段７４は、ダンパ、ショックアブソーバ等からなる。減衰手段７４は、電動で作動させて減衰の程度を変化させられるようになっている。

駆動輪７０と路面の接地点に作用する力は、互いに直交する進行方向の力Ｆｘと、駆動輪の軸方向の力Ｆｙと、鉛直方向の力Ｆｚとが複合されたものである。アクスルユニットには、これら３軸方向の力をそれぞれ個別に測定するセンサが設けられている。進行方向の力Ｆｘは、電気モータＢの電流値Ｉを検出する電流センサ８０の出力から求められる。駆動輪の軸方向の力Ｆｙは、ハブベアリングＡの静止側軌道輪である外方部材１の軸方向歪みεｙを検出する軸方向歪みセンサ８１の出力から求められる。鉛直方向の力Ｆｚは、ハブベアリングＡの静止側軌道輪である外方部材１の径方向歪みεｚを検出する径方向歪みセンサ８２の出力から求められる。

図６に示すように、これら各センサ８０，８１，８２は、各センサの出力を処理する推定手段８３および異常判定手段８４に接続されている。これら推定手段８３および異常判定手段８４は、例えば自動車の電気制御ユニット（ＥＣＵ）８５に設けられている。推定手段８３および異常判定手段８４は、アクスルユニットごとに設けた回路基板等の電子回路装置（図示せず）に組み込んだものであっても良い。電気制御ユニット８５の出力側には、電気モータＢ、ブレーキＣの電気モータ５０、およびサスペンションＤの減衰手段７４が接続されている。

駆動輪７０と路面の接地点に作用する進行方向の力の大きさによって電気モータＢに流れる電流量が異なるため、予め上記作用力と電流量の関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、上記作用力の大きさを算出することができる。推定手段８３は、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた作用力と電流量の関係から、電気モータ５０の出力により、駆動輪と路面の接地点に作用する進行方向の力を算出する。

また、駆動輪７０と路面の接地点に作用する駆動輪７０の軸方向の力の大きさによって静止側軌道輪である外方部材１の軸方向歪みが異なるため、予め上記作用力と軸方向歪みの関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、上記作用力の大きさを算出することができる。推定手段８３は、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた作用力と軸方向歪みの関係から、軸方向歪みセンサ８１の出力により、駆動輪と路面の接地点に作用する駆動輪７０の軸方向の力を算出する。

また、駆動輪７０と路面の接地点に作用する鉛直方向の力の大きさによって静止側軌道輪である外方部材１の径方向歪みの変化が異なるため、予め上記作用力と径方向歪みの関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、上記作用力の大きさを算出することができる。推定手段８３は、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた作用力と径方向歪みの関係から、径方向歪みセンサ８２の出力により、駆動輪と路面の接地点に作用する鉛直方向の力を算出する。

このようにして得られる各種情報に基づき、電気制御ユニット８５から車両の姿勢制御用の出力が出される。例えば、旋回が円滑に行われるように、電気モータＢに出力して左右の駆動輪７０の回転速度を制御する。制動時に駆動輪７０のロックが生じないように、ブレーキＤの電気モータ５０に出力して制動を制御する。旋回時に車体が左右に大きく傾いたり、加速時や制動時に車体が前後に大きく傾いたりするのを防止するために、サスペンション７３の減衰手段７４に出力してサスペンション制御を行う。また、異常判定手段８４は、前記３軸方向の力が許容値を超えたと判断される場合に、異常信号を出力する。この異常信号も、自動車の車両制御に使用することができる。さらに、リアルタイムで駆動輪と路面間の作用力を出力すると、よりきめ細かな姿勢制御が可能となる。

軸方向歪みセンサ８１は、例えば図７ないし図９に示すように設置する。すなわち、センサ取付部材９２に軸方向歪みセンサ８１を取付けてセンサユニット９１とし、このセンサユニット９１をハブベアリングＡの外方部材１の外周部に固定する。センサ取付部材９２は、外方部材１の取付孔１４の近傍に接触固定される第１の接触固定部９２ａと、外方部材１の外周面に接触固定される第２の接触固定部９２ｂとを有している。また、センサ取付部材９２は、前記第１の接触固定部９２ａを含む径方向に沿った径方向部位９２ｃと、前記第２の接触固定部９２ｂを含む軸方向に沿った軸方向部位９２ｄとでＬ字の形状に構成されている。径方向部位９２ｃは、軸方向部位９２ｄに比べ、剛性が低くなるよう肉厚を薄くしてある。軸方向歪みセンサ８１は、この剛性の低い径方向部位９２ｃに取付けられている。

上記センサユニット９１は、センサ取付部材９２の第１および第２の接触固定部９２ａ，９２ｂにより、両接触固定部９２ａ，９２ｂが外方部材１の周方向に対して同位相の位置となるように、外方部材１の外周部に固定される。第１および第２の接触固定部９２ａ，９２ｂを周方向において同位相とすると、センサ取付部材９２の長さを短くすることができるため、センサユニット９１の設置が容易である。軸方向歪みセンサ８１は、センサ取付部材９２に例えば接着剤を用いて固定される。

センサ取付部材９２は、外方部材１への固定により塑性変形を起こさない形状や材質とされている。また、センサ取付部材９２は、車輪用軸受に予想される最大の荷重が印加された場合でも、塑性変形を起こさない形状とする必要がある。上記の想定される最大の力は、車両故障につながらない走行において想定される最大の力である。センサ取付部材９２に塑性変形が生じると、外方部材１の変形がセンサ取付部材９２に正確に伝わらず、歪みの測定に影響を及ぼすためである。

センサ取付部材９２は、例えばプレス加工により製作することができる。センサ取付部材９２をプレス加工品とすると、コストダウンが可能になる。
また、センサ取付部材９２は、金属粉末射出成形による焼結金属品としてもよい。金属粉末射出成形は、金属、金属間化合物等の成形技術の一つであり、金属粉末をバインダーと混練する工程、この混練物を用いて射出成型する工程、成形体の脱脂処理を行なう工程、成形体の焼結を行なう工程を含む。この金属粉末射出成形によれば、一般の粉末冶金に比べて焼結密度の高い焼結体が得られ、焼結金属品を高い寸法精度で製作することができ、また機械的強度も高いという利点がある。

軸方向歪みセンサ８１としては、種々のものを使用することができる。例えば、軸方向歪みセンサ８１が金属箔ストレインゲージで構成されている場合、この金属箔ストレインゲージの耐久性を考慮すると、車輪用軸受に予想される最大の荷重が印加された場合でも、センサ取付部材９２における軸方向歪みセンサ８１の取付部分の歪み量が１５００マイクロストレイン以下であることが好ましい。同様の理由から、軸方向歪みセンサ８１が半導体ストレインゲージで構成されている場合は、同歪み量が１０００マイクロストレイン以下であることが好ましい。また、軸方向歪みセンサ８１が厚膜式センサで構成されている場合は、同歪み量が１５００マイクロストレイン以下であることが好ましい。

センサ取付部材９２およびこのセンサ取付部材９２に取付けた軸方向歪みセンサ８１からなるセンサユニット９１を外方部材１に取付ける構成としたため、軸方向荷重検出用のセンサをコンパクトに設置できる。センサ取付部材９２は外方部材１に取付けられる簡易な部品であるため、これに軸方向歪みセンサ８１を取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。

駆動輪７０と路面の接地点に作用する軸方向の力により駆動輪７０のハブである内方部材２に荷重が印加されると、転動体５を介して外方部材１が変形し、その変形は外方部材１に取付けられたセンサ取付部材９２に伝わり、センサ取付部材９２が変形する。そのセンサ取付部材９２の歪みを軸方向歪みセンサ８１により測定する。この際、センサ取付部材９２の径方向部位９２ｃは外方部材１のフランジ１ａの変形に従って変形する。この実施形態の場合、外方部材１と比べ前記径方向部位９２ｃは剛性が低く、かつセンサ取付部材９２は剛性の低い径方向部位９２ｃと剛性の高い軸方向部位９２ｄとで構成されたＬ字形をしているため、径方向部位９２ｃと軸方向部位９２ｄとの間である径方向部位９２ｃ側の角部９２ｅ付近に歪みが集中し、外方部材１よりも大きな歪みとなって現れる。すなわち、径方向部位９２ｃと軸方向部位９２ｄとの間で発生する歪みは、フランジ１ａの基端のＲ部１ｂの歪みを転写かつ拡大したものとなる。この歪みを軸方向歪みセンサ８１で測定するため、外方部材１の歪みを感度良く検出でき、歪み測定精度が高くなる。また、この高精度で測定された軸方向歪みにより、駆動輪７０と路面の接地点に作用する軸方向の力を算出するため、算出される軸方向の力も精度の高いものとなる。

径方向歪みセンサ８２は、例えば図１０ないし図１２に示すように設置する。すなわち、センサ取付部材９４に径方向歪みセンサ８２を取付けてセンサユニット９３とし、このセンサユニット９３を減速機Ｃのアウトボード側ケーシング３３ｂに固定する。センサ取付部材９４は先端が鉤状に屈曲した細長い部材で、このセンサ取付部材９４の先端に変位センサからなる径方向歪みセンサ８２が取付けられている。センサ取付部材９４の基部は、ケーシング３３ｂへ取付けるための接触固定部９４ａとなっている。

センサ取付部材９４の接触固定部９４ａを接着剤等でケーシング３３ｂのアウトボード側面に固定することにより、センサユニット９３がケーシング３３ｂに取付けられる。この実施形態の場合、径方向歪みセンサ８２は例えば渦電流式等の非接触型の変位センサであり、径方向歪みセンサ８２は、外方部材１の外周面の径方向の変位を測定するように、外方部材１の外周面に対して所定の間隔を開けてセンサユニット９３に取り付けられている。径方向歪みセンサ８２を対向させる外方部材１の軸方向位置は、例えばアウトボード側列の転走面３の付近、または転走面３よりもアウトボード側の位置とされる。外方部材１における転走面３よりもアウトボード側の部分は、他の部分に比べて荷重に対する径方向の変形が比較的大きくなる。センサ取付部材９４は、センサユニット９３をケーシング３３ｂに取付けた状態において、外力によって変形しない剛性をもつ材質で構成されている。

径方向歪みセンサ８２用の変位センサとしては、渦電流式の他に、磁気式、光学式、超音波式、接触式等のセンサや、あるいはこれら以外の形式の変位を検出可能なセンサを用いることができる。各種条件に合わせて、適当なセンサを選択すれば良い。

センサ取付部材９４およびこのセンサ取付部材９４に取付けた径方向歪みセンサ８２からなるセンサユニット９３を外方部材１に取付ける構成としたため、鉛直方向荷重検出用のセンサをコンパクトに設置できる。センサ取付部材９４は外方部材１に取付けられる簡易な部品であるため、これに径方向歪みセンサ８２を取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。

駆動輪７０と路面の接地点に作用する鉛直方向の力により駆動輪７０のハブである内方部材２に荷重が印加されると、転動体５を介して外方部材１が変形し、その変形による外方部材１の径方向の変位を、減速機Ｃのアウトボード側ケーシング３３ｂに取付けられたセンサ取付部材９４に設けた径方向歪みセンサ８２により測定する。この際、測定対象となる外方部材１の外周面は周囲と比較して径方向に大きく変位する部位であるため、外方部材１の径方向変位を感度良く測定できる。また、この高精度で測定された径方向歪みにより、駆動輪７０と路面の接地点に作用する鉛直方向の力を算出するため、算出される鉛直方向の力も精度の高いものとなる。

この実施形態では、軸方向歪みセンサ８１および径方向歪みセンサ８２で外方部材１の軸方向歪みおよび径方向歪みを測定する場合につき説明したが、軸方向歪みセンサ８１および径方向歪みセンサ８２でハブベアリングＡの他の構成部品、例えば内方部材２の軸方向歪みおよび径方向歪みを測定するようにしても良い。
また、この実施形態では、内方部材がハブの一部を構成する第３世代型のハブベアリングとしたが、内方部材と車輪のハブとが互いに独立した第１または第２世代型のハブベアリングとしても良い。さらに、各世代形式のテーパころタイプであるハブベアリングＡとしても良い。

例えば、このアクスルユニットを自動車の４輪に設け、４輪を独立して電気モータＢで駆動する場合、それぞれの駆動輪７０の回転数を検出して車両姿勢を安定させるアルゴリズムを構築する。駆動輪７０の回転数を検出するには、例えば、電気モータＢのロータ２５の外径面に複数のスリットを設けるか、または帯状のマークを描き、ロータ２５の外径面に当てた光の反射光を光ファイバー８６でケーシング２２の外に導き、その反射光の強度を明度計からなる回転数センサ８７で計測する方法を用いることができる。電気モータＢのケーシング２２の内部は密封されていて、汚れが発生し難いため、光を用いた計測が良好に適用できる。駆動輪７０の回転数の検出には、電磁式のエンコーダ方式の検出方法を用いても良い。

このアクスルユニットは、ブレーキＤが電気モータ５０でブレーキパッド４７を移動させる電動ブレーキであるため、油圧式のブレーキで発生する油漏れによる環境汚染を回避することができる。また、電動ブレーキであるため、ブレーキパッド４７の移動量を素早く調整することができ、旋回時における左右の駆動輪７０の回転速度制御の応答性を向上させられる。

また、このアクスルユニットは、サスペンション７３の減衰手段７４を電動で作動させるため、サスペンション制御の応答性を向上させることができ、車両姿勢を安定させられる。

上記実施形態の制御系は、駆動輪７０と路面の接地点に作用する進行方向の力Ｆｘを、電気モータＢの電流値Ｉを検出する電流センサ８０の出力から求めるようにしたが、図１３に示すように、進行方向の力Ｆｘを、ブレーキＤのブレーキパッド４７に作用するブレーキ力εｄを検出するブレーキ力センサ８８の出力から求めるようにしてもよい。

駆動輪７０と路面の接地点に作用する進行方向の力の大きさによってブレーキＤのブレーキパッド４７に作用するブレーキ力の大きさが異なるため、予め上記作用力とブレーキ力の関係を実験やシミュレーションにて求めておくことにより、上記作用力の大きさを算出することができる。推定手段８３は、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた作用力とブレーキ力の関係から、電気モータ５０の出力により、駆動輪と路面の接地点に作用する進行方向の力を算出する。

また、図１４に示すように、駆動輪７０と路面の接地点に作用する進行方向の力Ｆｘを、電気モータＢの電流値Ｉを検出する電流センサ８０の出力、およびブレーキＤのブレーキパッド４７に作用するブレーキ力εｄを検出するブレーキ力センサ８８の出力の両方を比較対照して求めるようにすると、進行方向の力Ｆｘの検出精度を向上させられる。

ブレーキＤが油圧式である場合には、例えばブレーキパッドに押付力を付与したときに荷重を受ける部材、例えばブレーキキャリパに歪みセンサを取付け、この歪みセンサの出力から駆動輪と路面の接地点に作用する進行方向の力を求めることができる。

以上の説明では、駆動輪７０と路面に作用する３軸方向の力を測定するセンサ８０，８１，８２の出力から、電気モータＢの駆動、ブレーキＤの作動、サスペンション７３の作動を制御するものとしたが、ステアリング装置からの信号も含めて上記各制御を行うと、実際の走行に即した制御を行う上でさらに望ましいものとなる。
また、この発明のアクスルユニットは、自動車の車輪の全てに設けても良く、あるいは一部の車輪だけに設けても良い。

この発明の実施形態にかかるインホイール型モータ内蔵センサ付きアクスルユニットの概要図である。同アクスルユニットのハブベアリング、減速機、および電気モータの断面図である。図２のIII−III断面図である。図３の要部を拡大して示す断面図である。同アクスルユニットのブレーキの断面図である。制御系のブロック図である。同アクスルユニットの軸方向歪みセンサの取付部を拡大した断面図である。ハブベアリングの外方部材と軸方向歪みセンサ用センサユニットとを示す正面図である。（Ａ）は同センサユニットの平面図、（Ｂ）はその側面図である。同アクスルユニットの径方向歪みセンサの取付部を拡大した断面図である。ハブベアリングの外方部材と径方向歪みセンサ用センサユニットとを示す正面図である。（Ａ）は同センサユニットの側面図、（Ｂ）はその底面図である。異なる制御系のブロック図である。さらに異なる制御系のブロック図である。

符号の説明

１…外方部材（固定側軌道輪）
２…内方部材（ハブ）
３，４…転走面
５…転動体
５０…電気モータ
７０…駆動輪
７３…サスペンション
７４…減衰手段
８０…電流センサ
８１…軸方向歪みセンサ
８２…径方向歪みセンサ
８３…推定手段
８４…異常判定手段
８５…電気制御ユニット
８７…回転数センサ
Ａ…ハブベアリング
Ｂ…電気モータ
Ｃ…減速機
Ｄ…ブレーキ
Ｏ…中心軸

Claims

駆動輪の中心軸に対して、同軸上にハブベアリング、電気モータ、減速機、ブレーキを配置し、これらハブベアリング、電気モータ、減速機、ブレーキのうちの少なくとも一つの構成要素の状態から、駆動輪と路面の接地点から直交する３軸方向の力を測定するセンサを設け、前記ブレーキが、ブレーキ用電気モータの回転出力を往復直線運動に変換してブレーキパッドに制動力として伝える電動ブレーキであり、前記３軸方向の力を測定するセンサとして、前記電気モータの電流値を測定する電流センサ、および前記ブレーキに作用するブレーキ力を測定するブレーキ力センサをそれぞれ設け、前記電流センサの出力、および前記ブレーキ力センサの出力を両方を比較対照して、駆動輪と路面の接地点に作用する進行方向の力を推定する推定手段を設け、
前記ハブベアリングの状態から駆動輪と路面の接地点に作用する駆動輪の軸方向の力を推定する推定手段を設け、
前記ハブベアリングの状態から駆動輪と路面の接地点に作用する鉛直方向の力を推定する推定手段を設けたことを特徴とするインホイール型モータ内蔵センサ付きアクスルユニット。
請求項１において、前記インホイール型モータ内蔵センサ付きアクスルユニットは、駆動輪と路面の接地点に作用する力を減衰して車体に伝える減衰手段を有するサスペンションを介して車体に取付けられ、前記減衰手段は、電動で作動して減衰の程度を変化させるものであり、この減衰手段の減衰の程度を制御する手段に、前記センサの出力が入力されるインホイール型モータ内蔵センサ付きアクスルユニット。
請求項１または請求項２において、前記３軸方向の力を測定するセンサの一つとして、前記ハブベアリングの静止側軌道輪に取付けられて、この静止側軌道輪の軸方向歪みを測定する軸方向歪みセンサを設け、この軸方向歪みセンサは、軸方向に沿った軸方向部位と、この軸方向部位に比べ剛性が低くなるように肉厚を薄くしてある径方向部位とでＬ字形状に構成されるセンサ取付部材を介して、前記静止側軌道輪に取付けられ、前記駆動輪の軸方向の力を推定する推定手段は、前記軸方向歪みセンサの出力から駆動輪と路面の接地点に作用する駆動輪の軸方向の力を推定するものとしたインホイール型モータ内蔵センサ付きアクスルユニット。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記３軸方向の力を測定するセンサの一つとして、前記ハブベアリングの静止側軌道輪に対向して取付けられて、この静止側軌道輪の径方向歪みを測定する径方向歪みセンサを設け、前記ハブベアリングは複列の転がり軸受であり、前記径方向歪みセンサを対向させる前記複列の転がり軸受の軸方向位置は、アウトボード側列の転走面よりもアウトボード側の位置とされ、前記鉛直方向の力を推定する推定手段は、径方向歪みセンサの出力から駆動輪と路面の接地点に作用する鉛直方向の力を推定するものとしたインホイール型モータ内蔵センサ付きアクスルユニット。