(57)【要約】【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４Ａ，４Ｂが形成された固定輪１と、この固定輪１の転走面４Ａ，４Ｂと対向する転走面５Ａ，５Ｂを形成した回転輪２と、対向する各転走面４Ａ（４Ｂ），５Ａ（５Ｂ）間に介在した複数の転動体列９Ａ，９Ｂとを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する。複数の転動体列９Ａ，９Ｂのそれぞれに対して、タイヤと路面間の作用力または車輪用軸受の予圧量による荷重の変化を検出する荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂと、複数の転動体列９Ａ，９Ｂの位相差を算出する転動体位相差検出手段１６とを設ける。さらに、この転動体位相差検出手段１６から求めた転動体位相差より前記荷重検出手段１５Ａの出力信号を補正する補正手段１７を設ける。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、対向する各転走面間に介在した複数の転動体列とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置において、
複数の転動体列のそれぞれに対して、タイヤと路面間の作用力または車輪用軸受の予圧量による荷重の変化を検出する荷重検出手段と、複数の転動体列の位相差を算出する転動体位相差検出手段と、この転動体位相差検出手段から求めた転動体位相差より前記荷重検出手段の出力信号を補正する補正手段とを設けたことを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
【請求項２】
請求項１において、前記補正手段は、位相差に基づく荷重検出データまたは近似式を記憶した記憶手段と、前記転動体位相差検出手段から求めた転動体位相差を前記記憶手段に記憶された前記位相差に基づく荷重検出データまたは近似式と照合して荷重検出手段の出力信号を補正する補正部とを有するセンサ付車輪用軸受。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記転動体位相差検出手段は、前記荷重検出手段における転動体通過時の出力変動を用いて転動体列の位相差を算出するものとしたセンサ付車輪用軸受。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、複数の転動体列のそれぞれに対し、転動体の位置を検出する転動体検出手段を更に設けたセンサ付車輪用軸受。
【請求項５】
請求項４において、それぞれの前記転動体検出手段は、転動体ピッチ幅の間に複数個設けたセンサ付車輪用軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
このような要請に応えるものとして、車輪用軸受の外輪に歪ゲージを貼り付け、歪を検出するようにした車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１）。また、車輪用軸受の外輪に超音波センサを設け、転動体と転走面の接触面積により変化するエコー比より荷重を検出する車輪用軸受も提案されている（例えば特許文献２）。
【特許文献１】特表２００３−５３０５６５号公報
【特許文献２】特開２００６−１４５４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１，２に開示された技術では、複列の転動体の公転速度が異なる場合があり、複列の転動体同士の位相変化により検出部の信号値がばらつき、正確に荷重を検出できないといった問題がある。例えば、タイヤに対して垂直方向荷重を付与し、車輪用軸受の外輪の垂直方向上面に貼った歪ゲージでその荷重を検出する場合について、図９と図１０を参照して、以下に上記問題を説明する。
【０００５】
図９（Ａ）は複列の転動体の位相が同じ場合のアウトボード側の転動体列、図９（Ｂ）は複列の転動体の位相が同じ場合のインボード側の転動体列、図１０（Ａ）は複列の転動体の位相がＰ／２（Ｐは転動体ピッチ。以下同じ。）ずれた場合のアウトボード側の転動体列、図１０（Ｂ）は複列の転動体の位相がＰ／２ずれた場合のインボード側の転動体列を示す。
インボード側の歪ゲージの検出値を図９と図１０で比較した場合、アウトボード側の軸受剛性が異なるため、垂直方向荷重がインボード側上部の転動体に与える影響が変わる。その結果、同じ垂直方向荷重が負荷していても歪ゲージの検出値が異なってしまう。ここでは、歪を検出する場合について説明したが、転動体と転走面の接触面積や、回転部と固定部の相対変位を測定する場合についても同等のことが言える。また、荷重の方向や検出位置が変わった場合でも同等のことが言える。
【０００６】
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車輪用軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、対向する各転走面間に介在した複数の転動体列とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置において、複数の転動体列のそれぞれに対して、タイヤと路面間の作用力または車輪用軸受の予圧量による荷重の変化を検出する荷重検出手段と、複数の転動体列の位相差を算出する転動体位相差検出手段と、この転動体位相差検出手段から求めた転動体位相差より前記荷重検出手段の出力信号を補正する補正手段とを設けたことを特徴とする。
この構成によると、例えばアウトボード側およびインボード側の転動体列のそれぞれに対して、例えばタイヤと路面間の作用力による荷重の変化を荷重検出手段で検出し、前記両転動体列間の転動体位相差を転動体位相差検出手段で算出する。この転動体位相差検出手段から求めた転動体位相差より前記荷重検出手段の出力信号を補正手段で補正するので、アウトボード側とインボード側の転動体の位置関係にかかわらず、車輪にかかる荷重を正確に検出することができる。
また、荷重検出手段のほかに、転動体位相差検出手段および補正手段を設けるだけで上記の効果が得られるので、車両にコンパクトに荷重検出手段を設置できる。
【０００８】
この発明において、前記補正手段は、予め測定しておいた位相差に基づく荷重検出データ、または近似式を記憶した記憶手段と、前記転動体位相差検出手段から求めた転動体位相差を前記記憶手段に記憶された前記位相差に基づく荷重検出データまたは近似式と照合して荷重検出手段の出力信号を補正する補正部とを有するものであっても良い。
このように、予め測定しておいた転動体位相差に基づく荷重検出データや近似式を記憶手段に記憶させておくと、転動体位相差に基づいた荷重検出手段の出力信号の補正を容易に行うことができ、複列の転動体の位相関係がどのような場合でも正確に荷重を検出することができる。
【０００９】
この発明において、前記転動体位相差検出手段は、前記荷重検出手段における転動体通過時の出力変動を用いて転動体列の位相差を算出するものとしても良い。
例えば、荷重検出手段として、超音波センサや歪ゲージのような転動体通過時の出力変動が大きいセンサを用いた場合、荷重検出手段から荷重だけでなく転動体の位置も検出できるため、転動体位相差の検出を行うことができる。
【００１０】
この発明において、複数の転動体列のそれぞれに対し、転動体の位置を検出する転動体検出手段を更に設けても良い。
この構成の場合、転動体の位置を荷重検出手段の出力信号から検出するのではなく、別途設ける転動体検出手段で検出するので、転動体位置の検出が容易となる。また、転動体検出手段には、光や渦電流などを利用した構造の簡単なセンサを使用でき、精度も要求されないため、設置が容易である。
【００１１】
この発明において、それぞれの前記転動体検出手段は、転動体ピッチ幅の間に複数個設けても良い。この構成の場合、転動体の位置検出の時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００１２】
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固定輪と、対向する各転走面間に介在した複数の転動体列とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置において、複数の転動体列のそれぞれに対して、タイヤと路面間の作用力または車輪用軸受の予圧量による荷重の変化を検出する荷重検出手段と、複数の転動体列の位相差を算出する転動体位相差検出手段と、この転動体位相差検出手段から求めた転動体位相差より前記荷重検出手段の出力信号を補正する補正手段とを設けたため、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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４Ａ，４Ｂが形成された外方部材１と、これら転走面４Ａ，４Ｂにそれぞれ対向する転走面５Ａ，５Ｂが形成された内方部材２と、これら複列の転走面４Ａ（４Ｂ），５Ａ（５Ｂ）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４Ａ〜５Ｂは断面円弧状であり、各転走面４Ａ〜５Ｂ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。
【００１４】
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５Ａ，５Ｂ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。
【００１５】
固定輪である外方部材１の外周面には、一例としてタイヤと路面間に働く作用力の変化を検出する荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂが、前記アウトボード側の転動体３の列９Ａおよびインボード側の転動体３の列９Ｂのそれぞれに対して設けられている。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を前記荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂで検出する場合を例示している。このため、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、固定輪１の外周面におけるアウトボード側の転動体列９Ａの位置の鉛直方向（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）とに一対の荷重検出手段１５Ａ，１５Ａが設けられる。また、固定輪１の外周面におけるインボード側の転動体列９Ｂの位置の鉛直方向の上側面と、鉛直方向の下側面とにもう一対の荷重検出手段１５Ｂ，１５Ｂが設けられる。前記荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂとしては、例えば荷重を歪に換算して検出する歪ゲージや圧電素子が用いられる。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。
【００１６】
前記荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂは転動体位相差検出手段１６に接続され、この転動体位相差検出手段１６は補正手段１７に接続される。図５（Ａ），（Ｂ）は、インボード側の荷重検出手段１５Ｂの出力信号の波形図、およびアウトボード側の荷重検出手段１５Ａの出力信号の波形図をそれぞれ示す。
【００１７】
前記転動体位相差検出手段１６は、アウトボード側の転動体列９Ａとインボード側の転動体列９Ｂの間の転動体３の位相差を算出するものである。具体的には、転動体位相差検出手段１６では、各荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂにおける転動体通過時の出力変動（図５）により各転動体列９Ａ，９Ｂでの転動体３の位置を把握し、インボード側とアウトボード側の出力信号変化の時間差より転動体３の位相差を算出する。この演算では、例えば、各荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂの出力信号をＡ／Ｄ変換して転動体ピッチのずれを計算する。
なお、前記転動体位相差は、転動体３の公転速度の変化や転動体３と転走面４Ａ〜５Ｂ間での滑りの影響を受け、回転中に変化するので、前記転動体位相差検出手段１６で常に転動体位相差を把握する必要がある。
【００１８】
前記補正手段１７は、前記転動体位相差検出手段１６から求めた転動体位相差より、例えば前記荷重検出手段１５Ａの出力信号を補正することで、アウトボード側の転動体列９Ａの位置での垂直方向荷重Ｆｚを算出する。すなわち、例えば、アウトボード側の転動体列９Ａにおいて転動体３が荷重検出手段１５Ａの設置位置を通過するタイミングで、その転動体列９Ａの位置での荷重Ｆｚを測定する場合、インボード側の転動体列９Ｂにおける転動体３の位置によって、荷重検出手段１５Ａの出力値が変わるため、その変動を補正手段１７で補正するものである。
【００１９】
この補正手段１７は、図３にブロック図で示すように、このセンサ付車輪用軸受を搭載した車両のユーザによる車両運転よりも前に予め測定しておいた転動体位相差に基づく荷重検出データを補正テーブルとして記憶した記憶手段１８と、荷重検出手段１５Ａの出力信号を補正する補正部１９とを有する。
図４は、前記記憶手段１８における補正テーブルの一例を示す。この補正テーブルでは、アウトボード側の転動体列９Ａに対する荷重検出手段１５Ａの荷重検出値Ａ１，Ａ２，Ａ３…が並ぶ行と、転動体位相差の各値０°，２°，４°…が並ぶ列とでテーブルが構成され、各荷重検出値Ａ１，Ａ２，Ａ３…に対応する列の領域に、各位相差０°，２°，４°…での予め実測された荷重Ｆｚが補正後の値としてそれぞれ記載されている。
補正部１９は、前記荷重検出手段１５Ａの荷重検出値と、前記転動体位相差検出手段１６で求めた転動体位相差とを前記記憶手段１８の補正テーブルで照合することで、荷重検出手段１５Ａの検出値を補正する。なお、前記補正テーブルに記載されていないデータ（例えば、図４の例では、位相差７．５°などのデータ）については、線形補間などの近似式により算出すれば良い。
【００２０】
例えば、前記荷重検出手段１５Ａの荷重検出値がＡ１で、前記転動体位相差検出手段１６で求めた転動体位相差が６°であるとすると、補正部１９は、記憶手段１８の補正テーブルの荷重検出値Ａ１の列と位相差６°の行が交差する位置に記憶された実測荷重値を、荷重検出値Ａ１を補正した値として読み出す。これにより、アウトボード側とインボード側の転動体３の位置関係にかかわらず、車輪にかかる荷重（ここでは垂直方向荷重Ｆｚ）を正確に検出することができる。
【００２１】
このように、このセンサ付車輪用軸受１０では、アウトボード側およびインボード側の転動体列９Ａ，９Ｂのそれぞれに対して、タイヤと路面間の作用力による荷重の変化を荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂで検出し、前記両転動体列９Ａ，９Ｂ間の転動体位相差を転動体位相差検出手段１６で算出し、この転動体位相差検出手段１６から求めた転動体位相差より前記荷重検出手段１５Ａの出力信号を補正手段１９で補正するようにしたので、アウトボード側とインボード側の転動体３の位置関係にかかわらず、車輪にかかる荷重（例えば垂直方向荷重Ｆｚ）を正確に検出することができる。
また、荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂのほかに、転動体位相差検出手段１６および補正手段１７を設けるだけで上記の効果が得られるので、車両にコンパクトに荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂを設置でき、量産性に優れたものとでき、コスト低減が図れる。
【００２２】
また、この実施形態では、前記補正手段１７が、転動体位相差に基づく荷重検出データまたは近似式を記憶した記憶手段１８と、前記転動体位相差検出手段１６から求めた転動体位相差を前記記憶手段１８に記憶された荷重検出データまたは近似式と照合して荷重検出手段１５Ａの出力信号を補正する補正部１９とを有するものとしているので、転動体位相差に基づいた荷重検出手段１５Ａの出力信号の補正を容易に行うことができ、複列の転動体３の位相関係がどのような場合でも正確に荷重を検出することができる。
【００２３】
この実施形態では、荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂとして歪ゲージを用い、荷重を歪に換算して検出しているが、歪以外の検出方法として、回転部（回転輪２Ａ）と固定部（固定輪２Ｂ）の相対変位や、転動体３と転走面４Ａ〜５Ｂの接触面積などを検出するものであっても良い。超音波センサや歪ゲージなどにより局所的な歪みや接触面積を検出する方法であれば、転動体３が被検出部を通過するときに出力信号が大きく変化するため特に有効である。また、荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂは、各転動体列９Ａ，９Ｂに対して上下に２つ設けたが、その個数をさらに増やしても良い。
【００２４】
また、この実施形態では、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１０の予圧量による荷重を検出する場合にも同様に適用できる。
【００２５】
図６および図７は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、先の実施形態のセンサ付車輪用軸受１０において、アウトボード側およびインボード側の転動体列９Ａ，９Ｂのそれぞれに対して、転動体３の位置を検出する転動体検出手段２０Ａ，２０Ｂをさらに設けたものである。この場合、アウトボード側の転動体列９Ａに対する転動体検出手段２０Ａは、車輪用軸受１０の断面図を示す図６、およびアウトボード側の転動体列９Ａの断面図を示す図７（Ａ）のように、外方部材１の内周面における上位置で転動体列９Ａのアウトボード側の隣接位置に配置される。また、インボード側の転動体列９Ｂに対する転動体検出手段２０Ｂは、図６およびインボード側の転動体列９Ｂの断面図を示す図７（Ｂ）のように、外方部材１の内周面における上位置で転動体列９Ｂのインボード側の隣接位置に配置される。
【００２６】
この実施形態では、転動体位相差検出手段１６での転動体列９Ａ，９Ｂ間の転動体位相差の算出は、前記転動体検出手段２０Ａ，２０Ｂの出力信号に基づき行われるが、前記荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂの出力信号を併用しても良い。その他の構成は先の実施形態の場合と同様である。転動体検出手段２０Ａ，２０Ｂとしては、例えば、光や渦電流を利用した変位センサを用いることが考えられるが、特に検出方法については限定するものではない。また、転動体検出手段２０Ａ，２０Ｂの個数や設置場所についても限定しない。
【００２７】
この実施形態の場合、荷重検出手段１５Ａ，１５Ｂの出力信号からではなく、別途設けられる転動体検出手段２０Ａ，２０Ｂで転動体３の位置を検出できるので、転動体３の位置の検出が容易となる。また、転動体検出手段２０Ａ，２０Ｂには、光や渦電流などを利用した構造の簡単なセンサを使用でき、精度も要求されないため、設置が容易である。
【００２８】
図８は、図６および図７に示した実施形態における転動体検出手段２０Ａ，２０Ｂの他の配置例を示す。この例では、アウトボード側およびインボード側の各転動体列９Ａ，９Ｂに対して、転動体ピッチ間に複数の転動体検出手段２０Ａ，２０Ｂを設けたものである。その他の構成は、図６および図７に示す実施形態の場合と同様である。
このように転動体ピッチ間に複数の転動体検出手段２０Ａ，２０Ｂを設けることにより、各転動体列９Ａ，９Ｂにおける転動体３の位置検出の時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】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。
【図２】同車輪用軸受をインボード側から見た正面図である。
【図３】同車輪用軸受におけるセンサの概略構成を示すブロック図である。
【図４】同センサにおける記憶手段の補正テーブルの一例の構成図である。
【図５】同センサの荷重検出手段の出力信号の波形図である。
【図６】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。
【図７】（Ａ）は同車輪用軸受におけるアウトボード側の転動体列での転動体検出手段の配置例の断面図、（Ｂ）はインボード側の転動体列での転動体検出手段の配置例の断面図である。
【図８】（Ａ）は同車輪用軸受におけるアウトボード側の転動体列での転動体検出手段の他の配置例の断面図、（Ｂ）はインボード側の転動体列での転動体検出手段の他の配置例の断面図である。
【図９】従来例におけるアウトボード側およびインボード側の転動体列間で転動体位相差が無い場合の説明図である。
【図１０】従来例におけるアウトボード側およびインボード側の転動体間で転動体位相差がある場合の説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…外方部材（固定輪）
２…内方部材（回転輪）
３…転動体
４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂ…転走面
９Ａ，９Ｂ…転動体列
１０…センサ付車輪用軸受
１５Ａ，１５Ｂ…荷重検出手段
１６…転動体位相差検出手段
１７…補正手段
１８…記憶手段
１９…補正部
２０Ａ，２０Ｂ…転動体検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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