JP2006266278A - 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安定して検出できる車輪用軸受を提供する。
【解決手段】 複列の転走面４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４と対向する転走面５が形成された内方部材２と、両転走面４，５間に介在した複列の転動体３とを備える。内方部材２の外周には磁歪材で形成されたリング部材２１固定し、このリング部材に対向して外方部材１または外方部材１に固定する部材２４に磁歪センサ２３および変位センサ２２を設ける。磁歪センサ２３は、前記リング部材２１の磁歪変化を測定するものであり、前記変位センサ２２はリング部材２１と変位センサ２２間の距離を測定するものである。
【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、車輪用軸受において、温度センサ、振動センサ、荷重センサ等のセンサを設置し、回転速度の他に、自動車の運行に役立つ他の状態を検出できるようにしたものも提案されている（例えば特許文献１〜２）。
特許文献１に開示された技術では、車輪用軸受に加わる水平方向荷重Ｆx 、回転軸方向荷重Ｆy 、鉛直方向荷重Ｆz 、水平方向のモーメント荷重Ｍx 、軸方向のモーメント荷重Ｍy 、鉛直方向のモーメント荷重Ｍz の各荷重を８個の変位センサより得られた信号によって、荷重の種類、方向、大きさを求めている。また、特許文献２に開示された技術では、温度変化に基づく熱膨張、熱収縮の影響を除去するために、各変位センサに対して、ラジアル方向またはスラスト方向に対向する別のセンサを設けている。
特開２００４−４５２１９号公報 特開２００４−１９８２１０号公報

しかし、特許文献１，２に開示された技術では、荷重を測定するために付加する部品（センサ）が多く、コスト並びに重量が増加することが避けられない。またセンサが多くなることで後段に設置する検出回路および制御器の規模も大きくなりコスト並びに重量が増加することが避けられないので、近年、車輪用軸受に求められる低コスト化、軽量化に対応できない。

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安定して検出できる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、
磁歪材で形成されたリング部材を内方部材の外周に固定し、このリング部材に対向して外方部材または外方部材を固定する部材に磁歪センサおよび変位センサを設け、前記磁歪センサは、前記リング部材の磁歪変化を測定するものとし、前記変位センサは前記リング部材と変位センサ間の距離を測定するものとしたことを特徴とする。

この構成によると、車両走行中の内方部材に鉛直方向荷重、水平方向荷重が負荷されると、内方部材と外方部材の間の距離が変化し、内方部材の外周のリング部材と変位センサとの距離が変化する。この変位を変位センサが測定する。また、内方部材に回転軸方向荷重が負荷されると、磁歪材からなるリング部材の透磁率が変化し、その変化量を磁歪センサが測定する。したがって鉛直，水平方向等の荷重と回転軸方向の荷重との両方を検出することができる。この場合に、変位センサおよび磁歪センサの被検出手段を、一つのリング部材で兼用させたため、コンパクトな構成となる。このように、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安定して検出できる。

この発明において、前記磁歪センサおよび変位センサの出力を演算することで、内方部材に加わる荷重を検出する荷重演算手段を設けても良い。
この構成の場合、変位センサの検出する変位量、および磁歪センサの検出する変化量の出力と各方向の荷重との関係を、予め実験やシミュレーション等により求め、荷重演算手段に関係式やテーブル等として設定しておく。これにより、変位センサおよび磁歪センサの出力から、鉛直方向荷重Ｆz 、水平方向荷重Ｆz 、および回転軸方向荷重Ｆy 等を算出することができる。これらの算出値を自動車のＥＣＵ（電気制御ユニット）等に取り込むことで、自動車の走行安定制御やステアバイワイヤシステムでの路面情報伝達に応用可能である。

この発明において、前記磁歪センサおよび変位センサの出力を演算することで、車輪と路面間に作用する力を検出する車輪作用荷重演算手段を設けても良い。この構成の場合、車輪作用荷重演算手段が、変位センサの検出した変位量、および磁歪センサの検出した変化量を、予め実験やシミュレーション等により求めた変位量および変化量と荷重との関係式に代入することにより、車輪と路面間に作用する力を算出するので、その算出値を自動車のＥＣＵに取り込むことで、自動車の走行安定制御やステアバイワイヤシステムでの路面情報伝達に応用可能となる。

この発明において、前記リング部材の材質が、８０ｗｔ％以上のＮｉを含んだＦｅ−Ｎｉ合金であっても良い。８０ｗｔ％以上のＮｉを含んだＦｅ−Ｎｉ合金であると、優れた磁気歪み特性が得られ、検出精度が向上する。

また、前記リング部材の材質を、Ｎｉ等の負の磁歪定数を持つ磁歪材としても良い。磁歪センサの特性上、磁歪効果による透磁率の変化以外にセンサと磁歪材の変位（ギャップの変化）も検出してしまう。正の磁歪特性を持つ磁歪材における磁歪効果のセンサ出力成分は、変位のセンサ出力成分と逆特性となるため、センサ出力が打ち消される可能性がある。一方、負の磁歪特性を持つ磁歪材における磁歪効果のセンサ出力成分は、変位のセンサ出力成分と同じ特性になるため、センサ出力が打ち消されることがない。

さらに、前記リング部材の表面に銅メッキを施しても良い。特に前記変位センサが渦電流式である場合に、上記銅メッキを施すことが好ましい。渦電流式の変位センサの場合、磁界変化の周波数が高いため、ターゲット表面にしか磁束の侵入がない。換言すれば、渦電流式変位センサは、ターゲット表面のみの情報からセンシングする方法を採る。一方、そのセンサ感度は、ターゲット表面の電気抵抗率が低いほど良くなる。したがって、ターゲット表面に電気抵抗率の低い銅メッキ等の薄膜を形成することで、高感度のセンシングが可能になる。

この発明において、前記変位センサは渦電流方式またはリラクタンス方式であっても良い。また、前記変位センサは磁石とアナログ出力の磁気検出素子の組み合わせからなるものであっても良い。渦電流方式またはリラクタンス方式であると、優れた検出精度が得られ、また磁石と磁気検出素子の組み合わせであると、構成が簡単で安価なものとなる。

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、磁歪材で形成されたリング部材を内方部材の外周に固定し、このリング部材に対向して外方部材または外方部材を固定する部材に磁歪センサおよび変位センサを設け、前記磁歪センサは、前記リング部材の磁歪変化を測定するものとし、前記変位センサは前記リング部材と変位センサ間の距離を測定するものとしたため、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安定して検出できる。

この発明の一実施形態を図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。

この車輪用軸受１０は、内周に複列の転走面４を形成した外方部材１と、これら転走面４にそれぞれ対向する転走面５を形成した内方部材２と、これら複列の転走面４，５間に介在させた複列の転動体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、上記各転走面４，５は断面円弧状であり、各転走面４，５は接触角が背面合わせとなるように形成されている。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。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、固定側の部材となるものであって、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、回転側の部材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のインボード側端の外周に嵌合した別体の内輪２Ｂとからなり、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には、次のように等速ジョイント１１の片方の継手部材となる外輪１１ａが連結されている。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。

車輪用軸受１０の内部空間における複列の転走面４，５に挟まれる位置には荷重センサ２０が配置される。この荷重センサ２０は、内方部材２の外周に固着された磁歪材からなるリング部材２１と、このリング部材２１に対向するように外方部材１側に設置される変位センサ２２および磁歪センサ２３とでなる。

リング部材２１は、ハブ輪２Ａにおけるアウトボード側列の転走面５よりもインボード側の小径外径面２ｂに圧入嵌合され、前記小径外径面２ｂのアウトボード側端における段面２ｃと内輪２Ｂのアウトボード側に向く端面とで挟まれることで、軸方向に位置決めされて固定される。

リング部材２１の材質としては、例えば８０ｗｔ％以上のＮｉを含んだＦｅ−Ｎｉ合金とする。Ｆｅ−Ｎｉ合金とすると、リング部材２１の磁歪特性を大きくでき、磁歪センサ２３の検出精度を高めることができる。
リング部材２１の材質として、この他にＮｉ等の負の磁歪定数を持つ磁歪材を用いても良い。磁歪センサ２３の特性上、磁歪効果による透磁率の変化以外にセンサ２３と磁歪材の変位（ギャップの変化）も検出してしまう。正の磁歪特性を持つ磁歪材における磁歪効果のセンサ出力成分は、変位のセンサ出力成分と逆特性となるため、センサ出力が打ち消される可能性がある。一方、負の磁歪特性を持つ磁歪材における磁歪効果のセンサ出力成分は、変位のセンサ出力成分と同じ特性になるため、センサ出力が打ち消されることがない。
また、リング部材２１の表面には銅メッキを施しても良い。特に前記変位センサ２２が渦電流式である場合に、上記銅メッキを施すことが好ましい。渦電流式の変位センサの場合、磁界変化の周波数が高いため、ターゲット表面にしか磁束の侵入がない。換言すれば、渦電流式変位センサは、ターゲット表面のみの情報からセンシングする方法を採る。一方、そのセンサ感度は、ターゲット表面の電気抵抗率が低いほど良くなる。したがって、ターゲット表面に電気抵抗率の低い銅メッキ等の薄膜を形成することで、高感度のセンシングが可能になる。

変位センサ２２は、これと対面するリング部材２１との間の距離を測定するものであって、図２のように鉛直方向（Ｚ軸方向）の上側（車両に対して上側）と鉛直方向の下側（車両に対して下側）、および水平方向の車両に対して前後方向（Ｘ軸方向）の前進側と前後方向の後進側で、リング部材２１の外径面にそれぞれ対面するように、周方向に９０°の等配間隔を隔てて合計４個配置される。

変位センサ２２としては様々な種類のものを採用できるが、その一例としてコイル使用の渦電流式のものを図３に示す。この変位センサ２２は、樹脂製のセンサ支持部材３０上にコイル巻線３１を渦巻き状に配置したものである。コイル巻線３１の渦巻きは１段あるいは２段以上の多段としても良い。この構成の変位センサ２２は、センサターゲットである前記リング部材２１の外径面との間の距離の変化（エアギャップ変化）に応じてコイル巻線３１のインダクタンスが変わることを利用して変位を検出するリラクタンス方式のものである。
変位センサ２２としては、このほか磁石とアナログ出力の磁気検出素子（例えばホールセンサ）とを組み合わせた方式のものを用いても良い。この場合、前記リング部材２１は強磁性体とする。前記した渦電流方式の場合には、後段に設置する信号処理のための電気回路のコストが高くなるが、ホールセンサのような磁気検出素子を利用した方式の場合にはコスト低減が可能となる。

磁歪センサ２３は、前記リング部材２１の磁歪変化を測定するものであって、前記各変位センサ２２に対して周方向に４５°ずらした位置でリング部材２１の外径面にそれぞれ対面するように、周方向に９０°の等配間隔を隔てて合計４個配置される。
ここでは、これら各４個の変位センサ２２および磁歪センサ２３はリング状のセンサハウジング２４に固定され、このセンサハウジング２４を外方部材１の内周における両列の転走面４，４の間に圧入固着することにより外方部材１に設置されるが、センサハウジング２４を介在させずに外方部材１の内周に直接設置しても良い。

磁歪センサ２３は、例えば図４に示すように、コイルボビン２３ａにコイル巻線２３を巻き、ヨーク２３ｃが被せたものとされる。この構成の磁歪センサ２３は、磁歪材からなるリング部材２１が応力を受けて磁気抵抗が変化する磁歪特性（すなわち磁気歪み特性）を利用し、リング部材２１の歪みをコイル巻線２３の磁気抵抗の変化として検出するものである。

これら各変位センサ２２および磁歪センサ２３の検出信号は、外方部材１にその外周から内周に貫通して設けられた貫通孔２５に挿通させて配置されたハーネス２６により、車体側の荷重演算手段２７に接続される。前記ハーネス２６は、シール部材２９によって外方部材１に固定されており、このシール部材２９により、外部からの泥水等が前記貫通孔２５を経て車輪用軸受１０の内部に入らないようにしている。荷重演算手段２７は、前記荷重センサ２０の検出信号から軸受にかかる荷重を検出するものである。さらに、前記荷重演算手段２７は車輪作用荷重演算手段２８に接続される。この車輪作用荷重演算手段２８は、前記荷重演算手段２７により求められた軸受にかかる荷重から、車輪と路面間に作用する力を検出するものである。なお、前記荷重演算手段２７および車輪用荷重演算手段２８は、軸受から離れた箇所（例えばＥＣＵ（電気制御ユニット）等）に設けられたものであっても良い。また、荷重演算手段２７および車輪作用荷重演算手段２８は、ＩＣチップや回路基板による電子回路として構成し、センサハウジング２４内に埋め込み設置しても良い。

次に、上記車輪用軸受１０に加わる荷重を荷重センサ１１が検出する動作について説明する。
車両走行中のハブ輪２Ａに鉛直方向荷重Ｆz 、水平方向荷重Ｆz が負荷されると、ハブ輪２Ａと外方部材１の間の距離が変化し、この変位を変位センサ２２が測定する。また、ハブ輪２Ａに回転軸方向荷重Ｆy が負荷されると、磁歪材からなるリング部材２１の透磁率が変化し、その変化量を磁歪センサ２３が測定する。変位センサ２２および磁歪センサ２３から出力される検出信号は荷重演算手段２７に入力される。荷重演算手段２７は、変位センサ２２の検出した変位量、および磁歪センサ２３の検出した変化量を、予め実験やシミュレーション等により求めた変位量および変化量と荷重との関係式に代入することにより、鉛直方向荷重Ｆz 、水平方向荷重Ｆz 、および回転軸方向荷重Ｆy を算出する。上記変位量および変化量は周方向に等配した各４個の変位センサ２２および磁歪センサ２３で検出しているので、高い精度の荷重検出が可能で、温度変化によるリング部材２１の熱収縮、熱膨張に対する変位量や変化量の変動を容易に取り除くことができる。
さらに、荷重演算手段２７で検出された荷重は車輪作用荷重演算手段２８に入力され、車輪と路面間に作用する力が車輪作用荷重演算手段２８で検出される。

このように、このセンサ付車輪用軸受１０によると、車両にコンパクトに荷重センサ２０を設置できて、車輪にかかる荷重を安定して検出できる。荷重演算手段２７で検出される荷重検出値や車輪作用荷重演算手段２８で検出される車輪・路面間の作用力は、自動車のＥＣＵに取り込まれることで、自動車の走行安定制御やステアバイワイヤシステムでの路面情報伝達にも応用可能となる。

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。 同車輪用軸受に設けられる変位センサおよび磁歪センサの配置構成を示す側面図である。 変位センサの一例を示す平面図である。 （Ａ）は磁歪センサの一例を示す一部省略正面図、（Ｂ）は同図（Ａ）のVI−VI線断面図である。

符号の説明

１…外方部材
２…内方部材
３…転動体
４，５…転走面
１０…車輪用軸受
２１…リング部材
２２…変位センサ
２３…磁歪センサ
２４…センサハウジング
２７…荷重演算手段
２８…車輪作用荷重演算手段

Claims (8)

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、
   磁歪材で形成されたリング部材を内方部材の外周に固定し、このリング部材に対向して外方部材または外方部材を固定する部材に磁歪センサおよび変位センサを設け、前記磁歪センサは、前記リング部材の磁歪変化を測定するものとし、前記変位センサは前記リング部材と変位センサ間の距離を測定するものとし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、前記磁歪センサおよび変位センサの出力を演算することで、内方部材に加わる荷重を検出する荷重演算手段を設けたセンサ付車輪用軸受。
3. 請求項１において、前記磁歪センサおよび変位センサの出力を演算することで、車輪と路面間に作用する力を検出する車輪作用荷重演算手段を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、前記リング部材の材質が、８０ｗｔ％以上のＮｉを含んだＦｅ−Ｎｉ合金であるセンサ付車輪用軸受。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記リング部材の材質が、Ｎｉ等の負の磁歪定数を持つ磁歪材である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、前記リング部材の表面に銅メッキを施したセンサ付車輪用軸受。
7. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記変位センサは渦電流方式またはリラクタンス方式であるセンサ付車輪用軸受。
8. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記変位センサは磁石とアナログ出力の磁気検出素子の組み合わせからなるセンサ付車輪用軸受。

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