(57)【要約】【課題】  軸受の剛性を下げることなく、車両にコンパクトに荷重検出用のセンサを設置できて、車輪にかかる荷重を感度良く検出でき、量産性に優れ、コスト低下が図れるセンサ付車輪用軸受を提供する。【解決手段】  固定輪１と回転輪２の間に複列の転動体５を介在させた車輪用軸受において、少なくとも１つの送信部２２および受信部２３を有する超音波センサ２１を前記固定輪１に設ける。超音波センサ２１は、送信部２２から送信された超音波を直接、または固定輪１に設けた反射面１ａａで反射したエコーを受信部２３が受信する構成とする。受信部２３で検知した超音波の大きさ、もしくは送信部２２が超音波を送信してから受信部２３が超音波を受信するまでの到達時間より、タイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量を推定する推定手段３１を設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複列の転走面が周面に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、
少なくとも１つの送信部および受信部を有する超音波センサを前記固定輪に設け、この超音波センサは、送信部から送信された超音波を直接、または固定輪に設けた反射面で反射したエコーを受信部が受信する構成とし、前記超音波センサの受信部で検知した超音波の大きさより、タイヤと路面間の作用力、また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センサ付車輪用軸受。
【請求項２】
複列の転走面が周面に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、
少なくとも１つの送信部および受信部を有する超音波センサを前記固定輪に設け、この超音波センサは、送信部から送信された超音波を直接、または固定輪に設けた反射面で反射したエコーを受信部が受信する構成とし、前記超音波センサの送信部が超音波を送信してから前記受信部が超音波を受信するまでの到達時間より、タイヤと路面間の作用力、また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、前記超音波センサは、送信部から送信された超音波が空気中を伝播して受信部に到達するものとしたセンサ付車輪用軸受。
【請求項４】
請求項３において、前記超音波センサは、送信部から送信された超音波が前記固定輪に設けた反射板で反射されて受信部に向かうものとしたセンサ付車輪用軸受。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記超音波センサを、前記固定輪の周方向４箇所に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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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が提案されている（例えば特許文献１，２）。また、車輪用軸受の外輪に歪みゲージを貼り付け、歪みを検出するようにした車輪用軸受も提案されている（例えば特許文献３，４）。
【特許文献１】特開２００６−１７７９３２号公報
【特許文献２】特開２００６−２９２０２７号公報
【特許文献３】特表２００３−５３０５６５号公報
【特許文献４】特開２００３−３３６６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１，２に開示された技術には、次のような問題があった。
・  超音波が反射を繰り返して複雑に伝播するため、他の位置に設置された別の超音波センサに影響を及ぼし、荷重を正確に検出することが難しい。
・  転動体と転走面の接触面に向けて超音波が発せられるように超音波センサを設置する必要があるため、超音波センサの位置決めが難しい。
・  超音波センサの設置個数が少ないと転動体通過時しか荷重を測定できず、静荷重を測定するためには、複数個の超音波センサを設置するか、または送信部および受信部が幅広い超音波センサとする必要がある。
【０００７】
また、特許文献３，４に開示された技術には、次のような問題があった。
・  タイヤと路面の接地点に作用する互いに直交する３軸方向の荷重のうち垂直方向の荷重については、固定輪の変形量が小さいため、検出が難しい。
その他、光学式の変位センサを用いて固定輪の変形を測定することも考えられるが、光学式の変位センサは振動や汚れに弱いという問題がある。
【０００８】
この発明の目的は、軸受の剛性を下げることなく、車両にコンパクトに荷重検出用のセンサを設置できて、車輪にかかる荷重を感度良く検出でき、量産性に優れ、コスト低下が図れるセンサ付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】
【０００９】
この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が周面に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、少なくとも１つの送信部および受信部を有する超音波センサを前記固定輪に設け、この超音波センサは、送信部から送信された超音波を直接、または固定輪に設けた反射面で反射したエコーを受信部が受信する構成とし、前記超音波センサの受信部で検知した超音波の大きさより、タイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量を推定する推定手段を設けたものである。
この発明の他のセンサ付車輪用軸受は、この発明の前記構成のセンサ付車輪用軸受において、前記推定手段として、前記受信部で検知した超音波の大きさより、タイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量を推定するものに代えて、前記送信部が超音波を送信してから前記受信部が超音波を受信するまでの到達時間より、タイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量を推定するものである。前記到達時間は、前記送信部から送信して前記受信部が受信するまでの時間であるが、到達時間によって生じる前記送信部と前記受信部の信号の位相差もこれに含む。
【００１０】
車両走行に伴い回転輪に荷重が加わると、転動体を介して固定輪が変形する。固定輪に設けた超音波センサは、送信部から超音波を送信し、それを受信部で受信する。荷重による固定輪の変形により、送信部と受信部との相対位置関係が変化するか、あるいは送信部および受信部と反射面との相対位置関係が変化することで、受信部で検知する超音波の大きさや、送信部が超音波を送信してから受信部が超音波を受信するまでの到達時間が変化するため、その大きさもしくは到達時間より荷重を推定することができる。推定手段は、受信部で検知した超音波の大きさもしくは到達時間より、タイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量を推定する。このようにして得られたタイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量を自動車の車両制御に使用することにより、きめ細かな車両制御が可能となる。
超音波センサの場合、送信部と受信部の間に、ある程度距離を離してもよいので設計の自由度が高い。超音波センサは、車輪用軸受に簡易な加工を施すだけで設置できるため、軸受の剛性を下げることなく、車両にコンパクトに設置でき、量産性に優れたものとなり、コスト低下が図れる。また、超音波センサは振動にも強い。さらに、超音波は指向性が良いため、少しの相対変位でも受信部で検知した超音波の大きさや到達時間が変化しやすく、感度の良い測定結果が得られる。
【００１１】
前記超音波センサは、送信部から送信された超音波が空気中を伝播して受信部に到達させるようにすると良い。
超音波は空気中では減衰しやすいため、複数個のセンサを設置しても互いに影響を及ぼし合うことが少なく、そのため複数個のセンサを設置して検出精度を向上させることが可能である。
【００１２】
また、前記超音波センサは、送信部から送信された超音波が前記固定輪に設けた反射板で反射されて受信部に向かうようにしても良い。
上記構成とすると、超音波センサの送信部および受信部を別体とすることができ、設計の自由度が増す。また、送信部および受信部を相対変位量の大きい箇所にそれぞれ配置することができるため、固定輪の変形を感度良く測定できる。
【００１３】
前記超音波センサを、前記固定輪の周方向４箇所に設けても良い。
超音波センサを固定輪の周方向４箇所に設けると、それぞれの信号を演算して、タイヤと路面の接地点に作用する互いに直交する３軸方向の荷重等の様々な方向の荷重の大きさを推定することがより一層容易となる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が周面に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、少なくとも１つの送信部および受信部を有する超音波センサを前記固定輪に設け、この超音波センサは、送信部から送信された超音波を直接、または固定輪に設けた反射面で反射したエコーを受信部が受信する構成とし、前記超音波センサの受信部で検知した超音波の大きさ、もしくは前記送信部が超音波を送信してから前記受信部が超音波を受信するまでの到達時間より、タイヤと路面間の作用力、また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、超音波センサにより固定輪の変形を測定し、その変形量より車輪にかかる荷重を感度良く検出することが可能になり、この検出した荷重を自動車の車両制御に使用することができる。超音波センサは、車輪用軸受に簡易な加工を施すだけで設置できるため、軸受の剛性を下げることなく、車両にコンパクトに設置でき、量産性に優れたものとなり、コスト低下が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１はセンサ付車輪用軸受の断面図とその検出系の概念構成のブロック図とを組み合わせて示す図、図２は同センサ付車輪用軸受の外方部材等の正面図である。図１の断面図は、図２におけるＩ−Ｏ−Ｉ´断面を示す。この実施形態は、第３世代型の内輪回転タイプで、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。
【００１６】
このセンサ付車輪用軸受は、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間に介在する複列の転動体５とで構成される。この車輪用軸受は、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、ボール接触角が背面合わせに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両端は、密封装置７，８によりそれぞれ密封されている。
【００１７】
外方部材１は固定輪となるものであって、車体の懸架装置（図示せず）におけるナックルに取付ける車体取付フランジ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内周に雌ねじ部が形成された車体取付孔１４が設けられている。
内方部材２は回転輪となるものであって、車輪取付用のハブフランジ９ａを有するハブ輪９と、このハブ輪９の軸部９ｂのインボード側端の外周に嵌合した内輪１０とでなる。これらハブ輪９および内輪１０に、前記各列の転走面４が形成されている。ハブ輪９のインボード側端の外周には段差を持って小径となる内輪嵌合面１２が設けられ、この内輪嵌合面１２に内輪１０が嵌合している。ハブ輪９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（図示せず）の圧入孔１５が設けられている。ハブ輪９のハブフランジ９ａの根元部付近には、ホイールおよび制動部品（図示せず）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。
【００１８】
外方部材１の外周面における前記車体取付フランジ１ａよりもアウトボード側の箇所にセンサ取付台２０がねじ等で固定され、このセンサ取付台２０のインボード側の面に荷重検出用の超音波センサ２１が取付けられている。超音波センサ２１は、送信部２２および受信部２３を有し、送信部２２から発せられる超音波が反射面である車体取付フランジ１ａのアウトボード側面１ａａで反射し、その反射した超音波のエコーを受信部２３が受信するようになっている。超音波センサ２１を１箇所に設ける場合、その周方向の設置場所は特に限定しない。
【００１９】
図１に示すように、超音波センサ２１の出力を処理する手段として、超音波センサ２１の出力からタイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量を推定する推定手段３１、およびこの推定手段３１の推定結果から外部に異常信号を出力する異常判定手段３２が設けられている。これら手段３１，３２は、この車輪用軸受の外方部材１等に取付けられた回路基板等に電子回路装置（図示せず）に設けられたものであっても、また自動車の電気制御ユニット（ＥＣＵ）に設けられたものであっても良い。
【００２０】
上記構成のセンサ付車輪用軸受の作用を説明する。ハブ輪９に荷重が印加されると、転動体５を介して外方部材１が変形する。外方部材１に設けられた超音波センサ２１は、送信部２２から超音波を送信し、車体取付フランジ１ａのアウトボード側面１ａａで反射した超音波のエコーを受信部２３で検知する。荷重による外方部材１の変形により、超音波センサ２１の送信部２２および受信部２３と車体取付フランジ１ａの反射面１ａａとの相対位置関係が変化することで、受信部２３で検知する超音波のエコーの大きさや、送信部２２が超音波を送信してから受信部２３がエコーを受信するまでの到達時間が変化するため、その大きさもしくは到達時間より荷重を推定することができる。前記到達時間は、送信部２２からパルス状の超音波を送信し、受信部２３で受信した超音波との位相差から求めることができる。
【００２１】
荷重の方向や大きさによって前記相対位置関係の変化が異なるため、予め相対位置関係と荷重の関係を実験やシミュレーションにて求めておけば、タイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量を推定することができる。前記推定手段３１は、受信部２３で検知した超音波の大きさもしくは到達時間より、タイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量を推定する。すなわち、前記推定手段３１は、前記受信部２３で検知した超音波の大きさもしくは到達時間と、タイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量との関係が設定された計算式またはテーブル等の関係設定手段（図示せず）を有していて、検出信号を前記関係設定手段と照合することで、前記推定を行う。また、前記異常判定手段３２は、推定手段３１により推定されたタイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量が任意に設定された許容値を超えたと判断される場合に、外部に異常信号を出力する。この異常信号を、自動車の車両制御に使用することができる。リアルタイムでタイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量を出力すると、よりきめ細かな車両制御が可能となる。
【００２２】
超音波センサ２１の場合、送信部２２と検出面、および検出面と受信部２３の間に、ある程度距離を離してもよいため、設計の自由度が高い。超音波センサ２１は、センサ取付台２０を用いることで、車輪用軸受に簡易な加工を施すだけで設置できるため、軸受の剛性を下げることなく、車両にコンパクトに設置でき、量産性に優れたものとなり、コスト低下が図れる。また、超音波センサ２１は振動にも強い。さらに、超音波は指向性が良いため、外方部材１の少しの変形でも受信部２３で検知する超音波の大きさや到達時間が変化しやすく、感度の良い測定結果が得られる。さらに、この実施形態のように、超音波が空気中を伝播する構成とすると、超音波は空気中では減衰しやすく伝播する範囲が広いため、複数個のセンサを設置しても互いに影響を及ぼし合うことが少なく、そのため複数個のセンサを設置して検出精度を向上させることが可能である。
【００２３】
図３はこの発明の第２の実施形態を示す。前記第１の実施形態の超音波センサ２１が、送信部２２および受信部２３を同一箇所に配置してあるのに対し、この第２の実施形態の超音波センサ２１は、送信部２２および受信部２３を外方部材１の別々の箇所に配置してある。具体的には、送信部２２は外方部材１の外周面に固定した取付台２０に取付け、受信部２３は外方部材１の車体取付フランジ１ａに取付けてあり、送信部２２から送信される超音波を受信部２３が直接受信する構成とされている。送信部２２と受信部２３を逆に取付けても良い。他は第１の実施形態と同じ構成であり、同一構成箇所については同一符号を付してある。
この実施形態の場合は、荷重による外方部材１の変形により、超音波センサ２１の送信部２２と受信部２３との相対位置関係が変化することで、受信部２３で検知する超音波のエコーの大きさや、送信部２２が超音波を送信してから受信部２３がエコーを受信するまでの到達時間が変化するため、その大きさもしくは到達時間より荷重を推定することができる。
送信部２２および受信部２３を別々の箇所に配置することにより、外方部材１に対する送信部２２および受信部２３の取付箇所、すなわち外方部材１の外周面および車体取付フランジ１ａを、荷重により変形の程度が互いに異なる箇所とすることができ、外方部材１の変形を感度良く測定できる。また、送信部２２および受信部２３を別々の箇所に配置すると、設計の自由度がさらに高くなる。
【００２４】
図４はこの発明の第３の実施形態を示す。この実施形態も、超音波センサ２１の送信部２２および受信部２３を外方部材１の別々の箇所に配置したものであるが、第２の実施形態と異なり、送信部２２から送信された超音波が、外方部材１に設けた反射板２４で反射されて受信部２３に向かうように超音波センサ２１を構成してある。具体的には、送信部２２は外方部材１の外周面に接着剤等で直接取付けてあり、送信部２２から外径方向に送信される超音波を、車体取付フランジ１ａの外端面にねじ等で取付けた反射板２４により軸方向に直角に反射させて、外方部材１の車体取付フランジ１ａに配置した受信部２３に受信させるようになっている。なお、この図例では、反射板２４の一部に形成された受信部取付部２４ａに受信部２３が取付けられているが、受信部２３は車体取付フランジ１ａに直接取付けてもよい。また、送信部２２と受信部２３を逆に取付けても良い。他は第１および第２の実施形態と同じ構成であり、同一構成箇所については同一符号を付してある。
このように送信部２２から送信された超音波を反射板２４で反射させて受信部２３で受信させる構成とした場合も、前記第２の実施形態と同様の作用効果が得られる。送信部２２から送信された超音波を直接受信部２３で受信させるか、あるいは反射板２４で反射させて受信部２３で受信させるかは、車輪用軸受やその周辺機器の形状や配置に合わせて選択すればよい。
【００２５】
上記各実施形態は、超音波センサ２１を外方部材１の周方向１箇所にだけ設けた構成としているが、図５および図６に示すように、超音波センサ２１を周方向の４箇所に設けるとより好ましい。図５は、外方部材１の外周面に取付台２０Ａを介して取り付けた送信部２２（または受信部２３）と、外方部材１の車体取付フランジ１ａに取付台２０Ｂを介して取り付けた受信部２３（または送信部２２）との間で超音波を送受信させるようにしたものである。また、図６は、外方部材１の外周面に取付台２０Ａを介して取り付けた送信部２２（または受信部２３）と、外方部材１の外周面の異なる箇所に取付台２０Ｂを介して取り付けた受信部２３（または送信部２２）との間で超音波を送受信させるようにしたものである。
図５および図６では送信部２２および受信部２３共に軸方向と垂直な面上に配置してあるが、第２および第３の実施形態のように、送信部２２と受信部２３を軸方向の異なる位置に配置してもよい。また、第１の実施形態のように、送信部２２と受信部２３を同一箇所に配置し、送信部２２から送信される超音波を、外方部材１に設けた反射面で反射させて受信部２３に受信させるようにしてもよい。
超音波センサ２１を周方向の４箇所に設けると、各超音波センサ２１の出力を比較することで、荷重の方向が推定しやすくなる。例えば、タイヤと路面の接地点に作用する互いに直交する３軸方向の荷重Ｆｚ，Ｆｘ，Ｆｙ等の様々な方向の荷重の大きさを推定することができる。３軸方向とは、垂直方向であるＺ軸方向、車両の前後方向であるＸ軸方向、車幅方向であるＹ軸方向のことである（図１参照）。様々な方向の荷重の大きさを推定することができるため、従来の歪みセンサを用いた荷重検出では難しかった垂直方向の荷重Ｆｚを精度良く検出することができる。
【００２６】
なお、前記各実施形態では、外方部材１が固定輪である場合につき説明したが、この発明は、内方部材が固定輪である車輪用軸受にも適用することができる。その場合、超音波センサは内方部材に設置し、内方部材の変形を測定する。
また、前記各実施形態では第３世代型の車輪用軸受に適用した場合につき説明したが、この発明は、軸受部分とハブとが互いに独立した部品となる第１または第２世代型の車輪用軸受や、内方部材の一部が等速ジョイントの外輪で構成される第４世代型の車輪用軸受にも適用することができる。また、このセンサ付車輪用軸受は、従動輪用の車輪用軸受にも適用でき、さらに各世代形式のテーパころタイプの車輪用軸受にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図とその検出系の概念構成のブロック図とを組み合わせて示す図である。
【図２】同センサ付車輪用軸受の外方部材等の正面図である。
【図３】この発明の第２の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図とその検出系の概念構成のブロック図とを組み合わせて示す図である。
【図４】この発明の第３の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図とその検出系の概念構成のブロック図とを組み合わせて示す図である。
【図５】異なる超音波センサの配置を示す外方部材等の正面図である。
【図６】さらに異なる超音波センサの配置を示す外方部材等の正面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…外方部材（固定輪）
１ａ…車体取付フランジ
１ａａ…反射面
２…内方部材（回転輪）
３，４…転走面
５…転動体
２０…取付台
２１…超音波センサ
２２…送信部
２３…受信部
２４…反射板
【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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