JP2008164046A - 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正確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１０は、複列の転走面４が形成された固定輪１と、この固定輪１の転走面４と対向する転走面５を形成した回転輪２と、対向する両転走面４，５間に介在した複列の転動体３とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する。固定輪１に備えられた検出部１７および回転輪２に配置された被検出部１６より構成される変位センサ１５を設け、この変位センサ１５で、タイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量により変化する固定輪１と回転輪２の間のギャップを検出する。前記検出部１７に対する前記転動体３の配列ピッチ内の位相が互いに異なる２種の状態における前記変位センサ１５の出力信号を比較することにより、タイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量を推定する推定手段１９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、変位センサを用いて回転側と固定側の間のギャップ（相対変位）を測定し、荷重を算出する車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１，２）。
特開２００４−００３９８号公報 特開２００４−２３２７９５号公報

しかし、特許文献１，２に開示された技術では、転動体の配置状態により荷重方向の剛性が変わり、同じ荷重が負荷されていても検出部の出力信号がばらつくので、正確に荷重を検出できないといった問題がある。具体例として、図７のように、軸受に対して垂直方向荷重Ｆｚを印加し、車輪用軸受の固定輪となる外輪内径面に変位センサの検出部３７を、回転輪となる内輪外径面に変位センサの被検出部３６をそれぞれ設け、回転輪と固定輪間のギャップ（相対変位）を検出する場合の問題について、以下に説明する。
図７（Ａ）は変位センサの検出部３７が転動体２３と同じ位相となる場合の転動体配列を、図７（Ｂ）は変位センサの検出部３７が転動体２３からＰ／２（Ｐは転動体ピッチ）ずれた位相となる場合の転動体配列をそれぞれ示す。転動体２３の個数にもよるが、図７（Ａ）の場合と図７（Ｂ）の場合とでは軸受剛性が異なり、同じ荷重が印加されても固定輪と回転輪間のギャップが異なるので、正確な荷重を算出することができない。

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、複列の転走面が形成された固定輪と、この固定輪の転走面と対向する転走面を形成した回転輪と、対向する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、固定輪に備えられた検出部および回転輪に配置された被検出部より構成されて、タイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量により変化する固定輪と回転輪の間のギャップを検出する変位センサを少なくても１つ設け、前記検出部に対する前記転動体の配列ピッチ内の位相が互いに異なる２種の状態における前記変位センサの出力信号を比較することにより、タイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量を推定する推定手段を設けたことを特徴とする。
この構成によると、変位センサの検出部に対する転動体の配列ピッチ内の位相が互いに異なる２種類の状態における前記変位センサの出力信号を推定手段で比較し、この比較結果からタイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量を推定するようにしているので、車輪にかかる荷重を正確に検出することができ、この検出結果を自動車の車両制御に利用することができる。また、荷重検出のセンサの構成も簡単であるため、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。

この発明において、前記推定手段は、前記２種の状態における変更センサの出力信号の差または比を求めるものであってもよい。この構成の場合、変位センサの検出部に対する転動体の配列ピッチ内の位相が互いに異なる２種類の状態での前記変位センサの出力信号の差または比を推定手段で算出し、この算出値からタイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量を推定する。

この発明において、前記推定手段は、前記変位センサの出力信号の差または比の他に、変位センサの出力信号の大きさを加味して、車輪用軸受に作用する荷重を推定するものであっても良い。
この構成の場合、変位センサの出力信号の差や比の値が荷重の変化に対して小さい場合でも、感度の良い荷重検出が可能となる。

この発明において、前記検出部に対する前記転動体の配列ピッチ内の位相が互いに異なる２種の状態とは、転動体が前記変位センサの検出部と同位相にある状態と、転動体が前記変位センサの検出部からＰ／２（Ｐ：転動体のピッチ）の位相にある状態とであっても良い。この構成の場合、推定手段は、軸受剛性が高くなる転動体の配列状態での変位センサの出力信号と、軸受剛性が低くなる転動体の配列状態での変位センサの出力信号とについて、差または比を求めて荷重を推定するので、より正確な荷重検出が可能となる。

この発明において、複列の転動体列の少なくても一方に転動体検出手段を２つ配置し、１つの転動体検出手段は前記変位センサの検出部に対してｎＰ（ｎ＝０，１，…）の位相になるように配置し、もう１つの転動体検出手段は前記変位センサの検出部に対してｎＰ＋Ｐ／２（ｎ＝０，１，…）の位相になるように配置しても良い。この構成の場合も、推定手段は、軸受剛性が高くなる転動体の配列状態での変位センサの出力信号と、軸受剛性が低くなる転動体の配列状態での変位センサの出力信号とについて、差または比を求めて荷重を推定するので、より正確な荷重検出が可能となる。

この発明において、前記変位センサおよび前記転動体検出手段は、インボード側の転動体列とアウトボード側の転動体列に対してそれぞれ１組ずつ配置しても良い。この構成の場合、インボード側とアウトボード側の両方の転動体列における軸受剛性を考慮できるので、より正確な荷重検出が可能となる。

この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が形成された固定輪と、この固定輪の転走面と対向する転走面を形成した回転輪と、対向する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、固定輪に備えられた検出部および回転輪に配置された被検出部より構成されて、タイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量により変化する固定輪と回転輪の間のギャップを検出する変位センサを少なくても１つ設け、前記検出部に対する前記転動体の配列ピッチ内の位相が互いに異なる２種の状態における前記変位センサの出力信号を比較することにより、タイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量を推定する推定手段を設けたため、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正確に検出できる。

この発明の一実施形態を図１ないし図５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。
図１のように、この車輪用軸受１０は、内周に複列の転走面４が形成された外方部材１と、これら転走面４にそれぞれ対向する転走面５が形成された内方部材２と、これら複列の転走面４，５間に介在した複列の転動体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、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。上記各転走面４，５は断面円弧状であり、各転走面４，５は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。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は固定輪となるものであって、その外周に形成されたフランジ１ａが車体側のナックル（図示せず）にボルトで締結される。
内方部材２は回転輪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のインボード側の外周に嵌合した別体の内輪２Ｂとからなり、ハブ輪２Ａには等速ジョイント１１の片方の継手部材となる外輪１１ａが連結される。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。

この車輪用軸受１０には、一例としてタイヤと路面間の作用力により変化する外方部材１と内方部材２の間のギャップを検出する変位センサ１５が、荷重センサとして設けられている。この変位センサ１５は、内方部材２の外周に内方部材２と同心に設けられるリング状の被検出部１６と、この被検出部１６と径方向に対向するように外方部材１の内周に設けられる検出部１７とで構成され、その出力信号は前記被検出部１６と検出部１７のギャップにより変動する。この場合、変位センサ１５は、アウトボード側の転動体３の列とインボード側の転動体３の列の間に配置される。また、ここでは、タイヤと路面間の作用力のうち、垂直方向荷重Ｆｚを前記変位センサ１５で検出する場合を例示している。したがって、変位センサ１５の検出部１７は、図１、および図１のインボード側から見た正面図を示す図２のように、垂直方向荷重Ｆｚの検出に好適な位置として、外方部材１の内周面における鉛直方向（Ｚ軸方向）の上側面（車両に対して上側）と、鉛直方向の下側面（車両に対して下側）とに、それぞれ１つずつ設けられる。図４（Ａ）は前記検出部１７の出力信号の一例の波形図を、図４（Ｂ）は同出力信号の他の例の波形図をそれぞれ示す。なお、図１における車輪用軸受１０の断面図は、図２におけるＩ−Ｏ−Ｉ矢視断面を示す。

また、外方部材１の内周面におけるアウトボード側の転動体列の位置からアウトボード側に隣接した位置には、図１および図３に示すように、アウトボード側の転動体３を検出する２つの転動体検出手段１８Ａ，１８Ｂが設けられる。そのうち、１つ目の転動体検出手段１８Ａは、変位センサ１５の１つの検出部１７に対応する鉛直方向の上側面に設けられ、この転動体検出手段１８Ａの位置に対してＰ／２（Ｐは転動体ピッチ）だけずらした位置に２つ目の転動体検出手段１８Ｂが設けられる。図５（Ａ）は１つ目の転動体検出手段１８Ａによる転動体３の検出信号の波形図を示し、図５（Ｂ）は２つ目の転動体検出手段１８Ｂによる転動体３の検出信号の波形図を示す。これらの波形図において、各検出信号のピークは、各転動体検出手段１８Ａ，１８Ｂの設置位置を転動体３が通過する時点を示しており、両検出信号のピークの間にはＰ／２の位相差が生じる。すなわち、１つ目の転動体検出手段１８Ａが転動体３を検出するタイミングでの転動体列における転動体３の配列状態と、２つ目の転動体検出手段１８Ｂが転動体３を検出するタイミングでの転動体列における転動体３の配列状態との間には、Ｐ／２の位相差が生じる。軸受剛性はこれら２つの転動体３の配列状態で異なるので、２つの転動体検出手段１８Ａ，１８Ｂは、互いに軸受剛性の異なる上記した２つの転動体配列状態になるタイミングを検出する役割を担う。

前記変位センサ１５の検出部１７および前記転動体検出手段１８Ａ，１８Ｂは、図１に示すように推定手段１９に接続される。推定手段１９は、変位センサ１５の検出部１７の出力信号からタイヤと路面間の作用力（ここでは垂直方向荷重Ｆｚ）を推定する手段である。推定手段１９は、変位センサ１５の出力信号とタイヤと路面間の作用力の関係を設定したテーブルまたは演算式等の関係設定手段（図示せず）を有し、上記出力信号を上記関係設定手段の設定内容と比較して作用力の推定を行う。上記関係設定手段の内容は、センサ付車輪用軸受を搭載した車両のユーザによる使用よりも前に、予め実測した値やシミュレーションを行った結果等に基づいて設定する。
具体的には、推定手段１９は、１つ目の転動体検出手段１８Ａが転動体３を検出するタイミング（図５（Ａ）の信号波形のピーク時：軸受剛性が高くなる転動体３の配列状態）における変位センサ検出部１７の出力値（例えば図４（Ａ）の波形における山部の値Ｖ１、あるいは図４（Ｂ）の波形における山部の値Ｖ３）と、２つ目の転動体検出手段１８Ｂが転動体３を検出するタイミング（図５（Ｂ）の信号波形のピーク時：軸受剛性が低くなる転動体３の配列状態）における変位センサ検出部１７の出力値（例えば図４（Ａ）の波形における谷部の値Ｖ２、あるいは図４（Ｂ）の波形における谷部の値Ｖ４）とを取り込み、これら出力値Ｖ１，Ｖ２（Ｖ３，Ｖ４）の差（Ｖ１−Ｖ２），（Ｖ３−Ｖ４）または比（Ｖ１／Ｖ２），（Ｖ３／Ｖ４）から前記垂直方向荷重Ｆｚを推定する。つまり、推定手段１９は、変位センサ検出部１７に対するアウトボード側の転動体列における転動体３の配列ピッチ内の位相が互いに異なる２種類の状態での変位センサ検出部１７の検出値を取り込み、これら出力値の差または比から前記垂直方向荷重Ｆｚを推定する。

前記変位センサ１５としては、例えば光や渦電流などを利用した方式のものを使用することができる。また、この実施形態では、変位センサ１５の被検出部１６として、内方部材２の外周にリング状の部材を設けているが、リング状の部材を設けずに、内方部材２の外径面を被検出部１６としても良い。前記転動体検出手段１８Ａ，１８Ｂは、転動体３の有無を判断できるものであれば良く、例えば光などを利用した近接スイッチを使用することができる。
なお、変位センサ１５の検出部１７や転動体検出手段１８Ａ，１８Ｂの設置位置および個数については、特に限定しない。例えば、この実施形態では、転動体３が変位センサ１５の検出部１７を通過するタイミングと、隣り合う転動体３，３の中間位置が変位センサ１５の検出部１７を通過するタイミングで、軸受剛性が変わると仮定しているため、上記した位置に転動体検出手段１８Ａ，１８Ｂを設置しているが、それ以外の場所で軸受剛性が大きく変化する場合は、その場所を転動体３が通過するタイミングを検出できるように転動体検出手段１８Ａ，１８Ｂを配置すれば良い。

このように、このセンサ付車輪用軸受１０では、固定輪となる外方部材１に変位センサ１５の検出部１７を、回転輪となる内方部材２に変位センサ１５の被検出部１６をそれぞれ配置し、タイヤと路面間の作用力（例えば垂直方向荷重Ｆｚ）により変化する内外の部材２，１間のギャップを前記変位センサ１５で検出し、前記検出部１７に対する転動体３の配列ピッチ内の位相が互いに異なる２種類の状態での前記変位センサ１５の出力信号の差または比を推定手段１９で算出し、この算出値から例えば垂直方向荷重Ｆｚを推定するようにしているので、車輪にかかる荷重を正確に検出することができ、この検出結果を自動車の車両制御に利用することができる。また、荷重検出のセンサの構成も簡単であるため、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。

また、この実施形態では、上記センサ構成により、タイヤと路面間の作用力を検出する場合について説明したが、車輪用軸受の予圧量を検出する場合にも同様に適用できる。

また、この実施形態では、１つ目の転動体検出手段１８Ａを変位センサ１５の検出部１７の位置に対応する上位置に配置し、２つ目の転動体検出手段１Ｂを前記検出部１７の位置からＰ／２ずらした位置に配置しているが、その設置位置はこれに限らない。すなわち、１つ目の転動体検出手段１８Ａを変位センサ１５の検出部１７の位置に対してｎＰ（ｎ＝０，１，…）ずれた位置とし、２つ目の転動体検出手段１８Ｂを変位センサ１５の検出部１７の位置に対してｎＰ＋Ｐ／２（ｎ＝０，１，…）としても良く、この条件の位置に配置すると、転動体検出手段１８Ａ，１８Ｂから図５（Ａ），（Ｂ）と同様の出力信号が得られる。

また、この実施形態では、推定手段１９による荷重の推定において、上記したように変位センサ検出部１７の検出値の最大値（図４（Ａ）の場合Ｖ１，図４（Ｂ）の場合Ｖ３）と最小値（図４（Ａ）の場合Ｖ３，図４（Ｂ）の場合Ｖ４）の差（Ｖ１−２），（Ｖ３−Ｖ４）または比（Ｖ１／Ｖ２），（Ｖ３／Ｖ４）を算出して行っているが、このような差や比の値が荷重の変化に対して小さい場合は、これらの値にさらに以下のように出力信号の大きさも加味して荷重を推定しても良い。すなわち、例えば、図４（Ａ）の出力信号の場合、最大値と最小値の差に最大値を乗算した値（Ｖ１−Ｖ２）×Ｖ１、あるいは最大値と最小値の比に最大値を乗算した値（Ｖ１／Ｖ２）×Ｖ１とする。図４（Ｂ）の出力信号の場合であれば、（Ｖ３−Ｖ４）×Ｖ３、あるいは（Ｖ３／Ｖ４）×Ｖ３とする。
例えば垂直方向荷重Ｆｚの場合、荷重が大きくなるにつれて内外の部材２，１間のギャップが狭くなり、変位センサ１５の出力信号が大きくなるので、上記した差や比の値に出力信号の大きさを加味して荷重を算出すれば、検出感度を大きくすることができる。

なお、上記実施形態において、例えば、転動体検出手段１８Ａ，１８Ｂを設けないで、変位センサ１５の出力信号の最大値と最小値を求め、その差あるいは比を計算して荷重を算出することもできる。また、軸受性能に影響を及ぼさない程度であれば、転動体３の配列状態によって軸受剛性が変化するように、転動体３の個数、あるいは内外の部材２，１の形状を工夫しても良い。

図６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１０では、先の実施形態において、インボード側の転動体列とアウトボード側の転動体列に対して、それぞれ１組ずつ変位センサ１５および転動体検出手段１８Ａ，１８Ｂを設けている。すなわち、インボード側の転動体列からインボード側に片寄った位置に１組の変位センサ１５と転動体検出手段１８Ａ，１８Ｂが配置され、アウトボード側の転動体列からアウトボード側に片寄った位置に他の１組の変位センサ１５と転動体検出手段１８Ａ，１８Ｂが配置される。推定手段１９は、各組の変位センサ１５の出力信号から荷重を推定する。その他の構成は先の実施形態の場合と同様である。

この実施形態では、インボード側とアウトボード側の両方の転動体列における軸受剛性を考慮できるので、より正確に荷重を算出することができる。

この発明の一実施形態に係るセンサ付車輪用軸受の構成図である。 同車輪用軸受をインボード側から見た正面図である。 同車輪用軸受におけるアウトボード側の転動体列の断面図である。 （Ａ）は同車輪用軸受における変位センサの出力信号の一例の波形図、（Ｂ）は同出力信号の他の例の波形図である。 （Ａ）は同車輪用軸受における１つ目の転動体検出手段の出力波形図、（Ｂ）は２つ目の転動体検出手段の出力波形図である。 この発明の他の実施形態に係るセンサ付車輪用軸受の構成図である。 従来例における課題の説明図である。

符号の説明

１…外方部材（固定輪）
２…内方部材（回転輪）
３…転動体
４，５…転走面
１５…変位センサ
１６…被検出部
１７…検出部
１８Ａ，１８Ｂ…転動体検出手段
１９…推定手段

Claims (6)

1. 複列の転走面が形成された固定輪と、この固定輪の転走面と対向する転走面を形成した回転輪と、対向する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、
   固定輪に備えられた検出部および回転輪に配置された被検出部より構成されて、タイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量により変化する固定輪と回転輪の間のギャップを検出する変位センサを少なくても１つ設け、前記検出部に対する前記転動体の配列ピッチ内の位相が互いに異なる２種の状態における前記変位センサの出力信号を比較することにより、タイヤと路面間の作用力もしくは車輪用軸受の予圧量を推定する推定手段を設けたことを特徴としたセンサ付車輪用軸受。
2. 請求項１において、前記推定手段は、前記２種の状態における変位センサの出力信号の差または比を求めるものであることを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
3. 請求項２において、前記推定手段は、前記変位センサの出力信号の差または比の他に、変位センサの出力信号の大きさを加味して、車輪用軸受に作用する荷重を推定するものであるセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項１および請求項３において、前記検出部に対する前記転動体の配列ピッチ内の位相が互いに異なる２種の状態とは、転動体が前記変位センサの検出部と同位相にある状態と、転動体が前記変位センサの検出部からＰ／２（Ｐ：転動体のピッチ）の位相にある状態とであるセンサ付車輪用軸受。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、複列の転動体列の少なくても一方に転動体検出手段を２つ配置し、１つの転動体検出手段は前記変位センサの検出部に対してｎＰ（ｎ＝０，１，…）の位相になるように配置し、もう１つの転動体検出手段は前記変位センサの検出部に対してｎＰ＋Ｐ／２（ｎ＝０，１，…）の位相になるように配置したセンサ付車輪用軸受。
6. 請求項５において、前記変位センサおよび前記転動体検出手段は、インボード側の転動体列とアウトボード側の転動体列に対して、それぞれ１組ずつ配置したセンサ付車輪用軸受。
   
   
   

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