(57)【要約】【課題】  車輪と路面の接地点に作用する力を少ない個数のセンサで精度良く検出でき、しかもセンサをコンパクトに設置できるインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置を提供する。【解決手段】  電動モータＢの出力軸２４と車両の車輪のハブ２とを減速機Ｃを介してまたは直接に同軸上に連結し、前記ハブ２を支持する軸受Ａを設け、この軸受Ａは内方部材２と外方部材１間に転動体５を介在させた転がり形式の軸受である車輪用軸受装置において、前記軸受Ａの構成部品１の変位を検出する変位センサ５３を設ける。この変位センサ５３の出力から、前記ハブ２に取付けられた車輪と路面の接地点における、互いに直交する上下方向、左右方向、および前後方向の３軸方向の力のうちの少なくとも１つの方向の力を演算する演算手段６０を設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モータの出力軸と車両の車輪のハブとを減速機を介してまたは直接に同軸上に連結し、前記ハブを支持する軸受を設け、この軸受は内方部材と外方部材間に転動体を介在させた転がり形式の軸受である車輪用軸受装置において、
前記軸受の構成部品の変位を検出する変位センサを設け、この変位センサの出力から、前記ハブに取付けられた車輪と路面の接地点における、互いに直交する上下方向、左右方向、および前後方向の３軸方向の力のうちの少なくとも１つの方向の力を演算する演算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車輪用軸受装置。
【請求項２】
請求項１において、外径面がテーパ状を成すリングを前記軸受の内方部材に取付け、前記変位センサは、前記リングのテーパ状の外面に対面して前記リングまでの距離を計測するものとしたインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置。
【請求項３】
請求項２において、内方部材の外周に前記リングを隣合わせて２個設け、両リングは互いにテーパ状の外径面の傾斜方向が反対向きとなるものとし、これら各リングに対面して前記変位センサを設けたインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置。
【請求項４】
請求項３において、前記変位センサを、上下２箇所に各リングにそれぞれ対面させて２個ずつ設け、かつ軸受軸心と直交する水平方向の左右２箇所に各リングにそれぞれ対面させて２個ずつ設けて、合計８個設けたインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハブ軸受と減速機と電動モータとを組み合わせたインホイール型モータ内蔵車輪用軸受装置に関し、特にハブ軸受にかかる荷重を検出するセンサを設けたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車等の車両の車輪用軸受装置として、ハブ軸受と減速機と電動モータとを組み合わせたインホイール型モータ内蔵車輪用軸受装置が注目されている（例えば、特許文献１，２）。このインホイール型モータ内蔵車輪用軸受装置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。
【特許文献１】特開２００５−７９１４号公報
【特許文献２】特開平５−３３２４０１号公報（第１〜３図）
【特許文献３】特開２００４−４５２１９号公報
【特許文献４】特開２００４−１９８２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
インホイール型モータ内蔵車輪用軸受装置を実用化する場合、走行速度制御等のため各車輪の回転速度を測定することが不可欠であるのは勿論であるが、車両の走行安全性確保のために、車両走行時に各車輪に作用する荷重を測定して、その測定結果から車両の姿勢制御を行うことも考えられる。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】
なお、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においては、温度センサ、振動センサ、センサユニット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が提案されている（例えば特許文献３，４）。
特許文献３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、水平軸回りのモーメント荷重Ｍｘ，回転軸回りのモーメント荷重Ｍｙ、鉛直軸回りのモーメント荷重Ｍｚの各荷重を８個の変位センサより得られる信号によって、荷重の種類、方向、大きさを求めている。また、特許文献４に開示された技術では、温度変化に基づく熱膨張、熱収縮の影響を排除するために、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。
【０００６】
しかし、特許文献３，４に開示された技術では、精度良く、かつ温度変化に基づく影響を除去して、車輪用軸受に加わる各荷重を求めるには、少なくとも１２個のセンサが必要となる。このように、荷重を測定するために付加する部品（センサ）が多く、コスト高ならびに重量増加が避けられない。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ることによっても、コスト高ならびに重量増加が避けられない。そのため、近年、車輪用軸受に求められる低コスト化、軽量化に対応することが難しい。
【０００７】
この発明の目的は、車輪と路面の接地点に作用する力を少ない個数のセンサで精度良く検出でき、しかもセンサをコンパクトに設置できるインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明のインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置は、電動モータの出力軸と車両の車輪のハブとを減速機を介してまたは直接に同軸上に連結し、前記ハブを支持する軸受を設け、この軸受は内方部材と外方部材間に転動体を介在させた転がり形式の軸受である車輪用軸受装置において、前記軸受の構成部品の変位を検出する変位センサを設け、この変位センサの出力から、前記ハブに取付けられた車輪と路面の接地点における、互いに直交する上下方向、左右方向、および前後方向の３軸方向の力のうちの少なくとも１つの方向の力を演算する演算手段を設けたことを特徴とする。
【０００９】
車両走行に伴い車輪と路面の接地点に外力が作用し、その力が軸受に加わると、変位センサによる変位の検出対象である軸受の構成部品が変形する。この構成部品の変形による変位を変位センサが検出する。車輪と路面の接地点に作用する外力の大きさによって構成部品の変位量が異なるため、予め外力と変位の関係を実験やシミュレーションにて求めておけば、車輪と路面の接地点に作用する外力を算出することができる。演算手段は、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外力と変位の関係から、変位センサの出力により、車輪と路面の接地点に作用する外力を演算する。車輪と路面の接地点に作用する外力は、前記接地点における互いに直交する上下方向、左右方向、および前後方向の３軸方向の力が複合されたものであるが、これら３軸方向の力のうちの少なくとも１つの方向の力を検出する。この検出した外力を車両の姿勢制御に使用することができる。
【００１０】
この発明において、外径面がテーパ状を成すリングを前記軸受の内方部材に取付け、前記変位センサは、前記リングのテーパ状の外面に対面して前記リングまでの距離を計測するものとすることができる。
この構成とすると、車輪と路面の接地点に作用する外力による荷重が軸受に作用して内方部材と外方部材間の距離が変化したときに、変位センサとリング間の距離が変化し、それが変位センサで検出される。このときの変位センサで検出される距離の変化は、前記リングのテーパ状の外径面に変位センサが対向しているため、ラジアル方向の変位成分とスラスト方向の変位成分とを含んだものとなる。そのため、温度変化に基づく熱膨張、熱収縮の影響を除去することが容易であり、温度センサを別に設ける必要がない。したがって、軸受にかかる荷重を少ない個数のセンサで精度良く検出することができる。このように軸受に変位センサを設置すると、変位センサの設置個数が少なくて済むため、車輪用軸受装置にコンパクトに外力検出用のセンサを設置でき、車輪と路面の接地点に作用する外力を安定して検出できる。
【００１１】
内方部材の外周に前記リングを隣合わせて２個設け、両リングは互いにテーパ状の外径面の傾斜方向が反対向きとなるものとし、これら各リングに対面して前記変位センサを設けてもよい。また、前記変位センサを、上下２箇所に各リングにそれぞれ対面させて２個ずつ設け、かつ軸受軸心と直交する水平方向の左右２箇所に各リングにそれぞれ対面させて２個ずつ設けて、合計８個設けてもよい。
【００１２】
車輪の水平方向荷重（Ｆｘ）、回転軸方向荷重（Ｆｙ）、鉛直方向荷重（Ｆｚ）、水平軸回りのモーメント荷重（Ｍｘ）、回転軸回りのモーメント荷重（Ｍｙ）、鉛直軸回りのモーメント荷重（Ｍｚ）の各荷重かかかると、軸受の外方部材と内方部材間の距離が変化する。そのため、リングと変位センサ間の距離も変化し、その変化量が各変位センサより出力される。各変位センサの出力信号を演算することで、軸受に加わる荷重が求められる。
この場合に、１つの荷重を求めるために４つないし８つの変位センサから得られる信号を使用するため、より高精度な荷重検出が可能となる。この場合も、各変位センサは、テーパ状のリングに対してラジアル方向およびスラスト方向に対向して設置してあるため、温度変化に基づく熱膨張、熱収縮の影響を除去することも容易である。
【発明の効果】
【００１３】
この発明のインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置は、電動モータの出力軸と車両の車輪のハブとを減速機を介してまたは直接に同軸上に連結し、前記ハブを支持する軸受を設け、この軸受は内方部材と外方部材間に転動体を介在させた転がり形式の軸受である車輪用軸受装置において、前記軸受の構成部品の変位を検出する変位センサを設け、この変位センサの出力から、前記ハブに取付けられた車輪と路面の接地点における、互いに直交する上下方向、左右方向、および前後方向の３軸方向の力のうちの少なくとも１つの方向の力を演算する演算手段を設けたため、車輪と路面の接地点に作用する力を少ない個数のセンサで精度良く検出でき、しかもセンサをコンパクトに設置できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図２０と共に説明する。このインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置は、車輪のハブを回転自在に支持するハブ軸受Ａと、回転駆動源としての電動モータＢと、この電動モータＢの回転を減速してハブに伝達する減速機Ｃとを組み合わせたものである。この実施形態では、ハブ軸受Ａは、軸受の内方部材がハブの一部を構成する第３世代型の内輪回転タイプとされている。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。
【００１５】
図１に示すように、ハブ軸受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。このハブ軸受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。
【００１６】
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。
【００１７】
内方部材２は回転側軌道輪となるものであって、車輪取付用のハブフランジ９ａを有するアウトボード側材９と、このアウトボード側材９の外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の挿入孔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、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。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。
【００１８】
ハブ軸受Ａの内部空間における複列の転走面３，４に挟まれる位置には、車輪と路面の接地点に作用する力を検出するためのセンサユニット５１が配置される。このセンサユニット５１については後で詳しく説明する。
【００１９】
電動モータ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。
【００２０】
図１および図２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２Ｂ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に嵌挿係合したものである。入力軸３２は、電動モータ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２Ｂの内径面とに２つの軸受４０で両持ち支持されている。
【００２１】
電動モータ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。
【００２２】
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。
【００２３】
図３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。
【００２４】
この車輪用軸受装置は、減速機Ｃのケーシング３３ｂもしくは電動モータＢのケーシング２２の外周部に取付けたナックル、サスペンション（図示せず）等を介して車体に固定される。
【００２５】
前記センサユニット５１は、外径面がテーパ状を成し内方部材２に固着された２つのリング５２Ａ，５２Ｂと、これらリング５２Ａ，５２Ｂのテーパ状外径面にそれぞれ対面するように外方部材１に設置される複数の変位センサ５３（５３Ｓ１，５３Ｓ２，…）とでなる。前記両リング５２Ａ，５２Ｂは、内方部材２のアウトボード側材９の転走面４よりもインボード側に設けられた小径外径面９ｂに軸方向に並べて圧入嵌合される。これらリング５２Ａ，５２Ｂは、前記小径外径面９ｂのアウトボード側端における段面９ｃとインボード側材１０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。
ここでは、アウトボード側に位置するリング５２Ａの外径面は、アウトボード側に向けて拡径変化するテーパ状とされ、インボード側に位置するリング５２Ｂの外径面は、インボード側に向けて拡径変化するテーパ状とされている。すなわち、両リング５２Ａ，５２Ｂの外径面の傾斜方向は互いに反対となるようにされている。なお、これらの両リング５２Ａ，５２Ｂは別体とせず、一体の部品としてアウトボード側材９に圧入固着してもよい。
【００２６】
変位センサ５３は、これと対面するリング５２Ａ，５２Ｂとの間の距離を測定するものであって、図４のようにアウトボード側材９のハブフランジ９ａ側から見た状態で、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、両リング５２Ａ，５２Ｂの外径面にそれぞれ対面するように合計８個配置される。
すなわち、ハブ軸受Ａの縦断面図を示す図５のように、一方のリング５２Ａの外径面の上側には変位センサ５３Ｓ１が、下側には変位センサ５３Ｓ３が配置され、他方のリング５２Ｂの外径面の上側には変位センサ５３Ｓ２が、下側には変位センサ５３Ｓ４が配置される。また、ハブ軸受Ａの水平断面図を示す図６のように、一方のリング５２Ａの外径面の前進側には変位センサ５３Ｓａが、後進側には変位センサ５３Ｓｃが配置され、他方のリング５２Ｂの外径面の前進側には変位センサ５３Ｓｂが、後進側には変位センサ５３Ｓｄが配置される。
【００２７】
ここでは、これら８個の変位センサ５３はセンサ支持部材５４に収容され、このセンサ支持部材５４を外方部材１の内周における両列の転走面３，３の間に圧入固着することにより、外方部材１に設置されている。なお、センサ支持部材５４を介在させずに外方部材１の内周に直接設置してもよい。
これら各変位センサ５３の合計８種類の検出信号は、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５５に挿通させて配置されたハーネス５６により、図示しない制御器に入力される。前記ハーネス５６は、シール部材５７によって外方部材１に固定されており、このシール部材５７により、外部からの泥水等が前記貫通孔５５を経てハブ軸受Ａの内部に入らないようにしている。
【００２８】
前記変位センサ５３としては様々な種類のものを採用できるが、その一例として渦電流式のものを図７に示す。この変位センサ５３は、樹脂製のセンサハウジング５８上にコイル巻線５９を渦巻状に配置したものである。コイル巻線５９の渦巻は、１段あるいは２段以上の多段としてもよい。この場合の変位センサ５３は、センサターゲットである前記リング５２Ａ，５２Ｂ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５９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。
【００２９】
変位センサ５３としては、この他に、磁石とアナログ出力の磁気検出素子（例えばホール素子）とを組み合わせた方式のものを用いてもよい。この場合、リング５２Ａ，５２Ｂ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。
【００３０】
上記構成のインホイール型モータ内蔵センサ付き車輪用軸受装置の作用を説明する。電動モータＢを回転駆動すると、電動モータＢの出力軸２４の回転が、減速機Ｃを介して車輪のハブである内方部材２に減速して伝達され、車輪が回転して車両が走行する。車両走行時には、車輪と路面の接地点より、車輪に力が加わる。その力は、互いに直交する上下方向、左右方向、および前後方向の３軸方向の力が複合されたものである。この車輪と路面の接地点に作用する外力によりハブ軸受Ａにかかる荷重をセンサユニット５１が検出する。その検出の動作を以下に示す。
【００３１】
車両走中の内方部材２には、走行状況に応じて水平方向荷重（Ｆｘ）、回転軸方向荷重（Ｆｙ）、鉛直方向荷重（Ｆｚ）、水平軸回りのモーメント荷重（Ｍｘ）、回転軸回りのモーメント荷重（Ｍｙ）、鉛直軸回りのモーメント荷重（Ｍｚ）の６つの荷重が、タイヤおよびホイールを通じて負荷される。荷重が負荷されると、ハブ軸受Ａの構成部品である内方部材２および外方部材１は互いに相対的に移動する。つまり、リング５２Ａ，５２Ｂと変位センサ５３の距離が変化する。センサユニット５１は、その変化量を変位センサ５３で測定し、その測定値を演算することにより、内方部材２に負荷された荷重の方向、大きさ等を求める。
【００３２】
変位センサ５３はリング５２Ａ，５２Ｂのテーパ状外径面に対面しているため、その距離の変化量は、水平方向（Ｘ軸方向）または鉛直方向（Ｚ軸方向）の変位成分と回転軸方向（Ｙ軸方向）の変位成分を含んでいる。変位センサ５３とリング５２Ａ，５２Ｂの距離がＬ、リング５２Ａ，５２Ｂの外径面のテーパ角がαだとすると、水平方向（Ｘ軸方向）または鉛直方向（Ｚ軸方向）の変位成分はＬ／cos α、回転軸方向（Ｙ軸方向）の変位成分はＬ／sin αで表される（図８参照）。
【００３３】
図９は、例えば内方部材２に水平方向（Ｘ軸方向）荷重（Ｆｘ）が車両後側方向（Ｘ軸の負方向）に加わったときの検出説明図を示す。同図では、内方部材２に荷重が負荷された状態のリング５２Ａ，５２Ｂを破線で示している。このとき、リング５２Ａ，５２Ｂの外径面に対して水平方向に車両前進側に設置した変位センサ５３Ｓａ，５３Ｓｂでは、これらに対面するリング５２Ａ，５２Ｂとの距離がそれぞれ広がる。一方、リング５２Ａ，５２Ｂの外径面に対して水平方向の車両後進側に設置した変位センサ５３Ｓｃ，５３Ｓｄでは、これらに対面するリング５２Ａ，５２ｂとの距離がそれぞれ狭まる。
【００３４】
図１０は、この状況での変位センサ５３Ｓａ付近を拡大して示す。このとき、水平方向荷重Ｆｘにより各変位センサ５３と対面するリング５２Ａ，５２Ｂの距離がΔＬ変化したとし、また無負荷状態（図中に実線で示す）での距離より広がった場合を正、狭まった場合を負とする符号を付加すると、各変位センサ５３Ｓａ，５３Ｓｂ，５３Ｓｃ，５３Ｓｄの水平方向（Ｘ軸方向）の変位成分は以下のようになる。αはリング５２Ａ，５２Ｂのテーパ角である。
変位センサ５３Ｓａの水平方向（Ｘ軸方向）の変位ΔＳａｘ＝ΔＬ／cos α、
変位センサ５３Ｓｂの水平方向（Ｘ軸方向）の変位ΔＳｂｘ＝ΔＬ／cos α、
変位センサ５３Ｓｃの水平方向（Ｘ軸方向）の変位ΔＳｃｘ＝−ΔＬ／cos α、
変位センサ５３Ｓｄの水平方向（Ｘ軸方向）の変位ΔＳｄｘ＝−ΔＬ／cos αとなる。
【００３５】
これらの変位量により、内方部材２の外方部材１に対する移動距離は、内方部材２のＸ軸方向の変位をΔＸとすると、以下の式で算出される。
ΔＸ＝１／４×（ΔＳｓｘ＋ΔＳｂｘ−ΔＳｃｘ−ΔＳｄｘ）
＝１／４×｛（ΔＬ／cos α）＋（ΔＬ／cos α）−（−ΔＬ／cos α）−（−ΔＬ／cos α）｝
＝ΔＬ／cos α
【００３６】
つまり、４つの変位センサ５３Ｓａ，５３Ｓｂ，５３Ｓｃ，５３Ｓｄの出力より、水平方向荷重Ｆｘによる内方部材２の外方部材１に対するＸ軸方向の変位のみを検出することが可能である。この検出した変位量を、予め実験やシミュレーション等により求めた変位から荷重を求める演算式に代入することにより、水平方向荷重Ｆｘを算出する。このような演算は、ハーネス５６に接続された演算手段６０（図１）で行われる。４つの変位センサ５３Ｓａ，５３Ｓｂ，５３Ｓｃ，５３Ｓｄから検出しているため、その検出精度は良い。また、Ｘ軸およびＹ軸に対して対称に変位５３Ｓａ，５３Ｓｂ，５３Ｓｃ，５３Ｓｄを配置しているので、温度変化によるリング５２Ａ，５２Ｂの熱収縮、熱膨張に対する変位の変化を容易に取り除くことができる。
【００３７】
図１１は、内方部材２のアウトボード側材９に鉛直方向（Ｚ軸方向）荷重（Ｆｚ）が車両に対して路面方向（Ｚ軸の負方向）に加わったときの検出説明図を示す。同図では、内方部材２に荷重が負荷された状態のリング５２Ａ，５２Ｂを破線で示している。このとき、リング５２Ａ，５２Ｂの外径面に対して上側に設置した変位センサ５３Ｓ１，５３Ｓ２では、これらに対面するリング５２Ａ，５２Ｂとの距離がそれぞれ広がる。一方、リング５２Ａ，５２Ｂの外径面に対して下側に設置した変位センサ５３Ｓ３，５３Ｓ４では、これらに対面するリング５２Ａ，５２Ｂとの距離がそれぞれ狭まる。
【００３８】
図１２は、この状況での変位センサ５３Ｓ１付近を拡大して示す。このとき、鉛直方向荷重Ｆｚにより各変位センサ５３と対面するリング５２Ａ，５２Ｂの距離がΔＬ変化したとし、また無負荷状態（図中に実線で示す）での距離より広がった場合を正、狭まった場合を負とする符号を付加すると、各変位センサ５３Ｓ１，５３Ｓ２，５３Ｓ３，５３Ｓ４の鉛直方向（Ｚ軸方向）の変位成分は以下のようになる。αはリング５２Ａ，５２Ｂのテーパ角である。
変位センサ５３Ｓ１の鉛直方向（Ｚ軸方向）の変位ΔＳ１ｚ＝ΔＬ／cos α、
変位センサ５３Ｓ２の鉛直方向（Ｚ軸方向）の変位ΔＳ２ｚ＝ΔＬ／cos α、
変位センサ５３Ｓ３の鉛直方向（Ｚ軸方向）の変位ΔＳ３ｚ＝−ΔＬ／cos α、
変位センサ５３Ｓ４の鉛直方向（Ｚ軸方向）の変位ΔＳ４ｚ＝−ΔＬ／cos αとなる。
【００３９】
これらの変位量により、内方部材２の外方部材１に対する移動距離は、アウトボード側材９のＺ軸方向の変位をΔＺとすると、以下の式で算出される。
ΔＺ＝１／４×（ΔＳ１ｚ＋ΔＳ２ｚ−ΔＳ３ｚ−ΔＳ４ｚ）
＝１／４×｛（ΔＬ／cos α）＋（ΔＬ／cos α）−（−ΔＬ／cos α）−（−ΔＬ／cos α）｝
＝ΔＬ／cos α
【００４０】
つまり、４つの変位センサ５３Ｓ１，５３Ｓ２，５３Ｓ３，５３Ｓ４の出力より、鉛直方向荷重Ｆｚによる内方部材２の外方部材１に対するＺ軸方向の変位のみを検出することが可能である。この検出した変位量を、予め実験やシミュレーション等により求めた変位から荷重を求める演算式に代入することにより、鉛直方向荷重Ｆｚを算出する。このような演算は、ハーネス５６に接続された演算手段６０（図１）で行われる。４つの変位センサ５３Ｓ１，５３Ｓ２，５３Ｓ３，５３Ｓ４から検出しているため、その検出精度は良い。また、Ｚ軸およびＹ軸に対して対称に変位５３Ｓ１，５３Ｓ２，５３Ｓ３，５３Ｓ４を配置しているので、温度変化によるリング５２Ａ，５２Ｂの熱収縮、熱膨張に対する変位の変化を容易に取り除くことができる。
【００４１】
図１３および図１５は、内方部材２に回転軸方向（Ｙ軸方向）荷重（Ｆｙ）が車両の外側方向（Ｙ軸の負方向）に加わったときの検出説明図を示す。これらの図では、内方部材２に荷重が負荷された状態のリング５２Ａ，５２Ｂを破線で示している。このとき、リング５２Ａ，５２Ｂの外径面に対して車両の外側に設置した変位センサ５３Ｓａ，５３Ｓｃ，５３Ｓ１，５３Ｓ３では、これらに対面するリング５２Ａ，５２Ｂとの距離がそれぞれ広がる。一方、リング５２Ａ，５２Ｂの外径面に対して車両の内側に設置した変位センサ５３Ｓｂ，５３Ｓｄ，５３Ｓ２，５３Ｓ４では、これらに対面するリング５２Ａ，５２ｂとの距離がそれぞれ狭まる。
【００４２】
図１４および図１６は、この状況での変位センサ５３Ｓａおよび変位センサ５３Ｓ１付近を拡大して示す。このとき、回転軸方向荷重Ｆｙにより各変位センサ５３と対面するリング５２Ａ，５２Ｂの距離がΔＬ変化したとし、また無負荷状態（図中に実線で示す）での距離より広がった場合を正、狭まった場合を負とする符号を付加すると、各変位センサ５３Ｓａ，５３Ｓｂ，５３Ｓｃ，５３Ｓｄ，５３Ｓ１，５３Ｓ２，５３Ｓ３，５３Ｓ４の回転軸方向（Ｙ軸方向）の変位成分は以下のようになる。αはリング５２Ａ，５２Ｂのテーパ角である。
変位センサ５３Ｓａの回転軸方向（Ｙ軸方向）の変位ΔＳａｙ＝ΔＬ／sin α、
変位センサ５３Ｓｂの回転軸方向（Ｙ軸方向）の変位ΔＳｂｙ＝−ΔＬ／sin α、
変位センサ５３Ｓｃの回転軸方向（Ｙ軸方向）の変位ΔＳｃｙ＝ΔＬ／sin α、
変位センサ５３Ｓｄの回転軸方向（Ｙ軸方向）の変位ΔＳｄｙ＝−ΔＬ／sin α、
変位センサ５３Ｓ１の回転軸方向（Ｙ軸方向）の変位ΔＳ１ｙ＝ΔＬ／sin α、
変位センサ５３Ｓ２の回転軸方向（Ｙ軸方向）の変位ΔＳ２ｙ＝−ΔＬ／sin α、
変位センサ５３Ｓ３の回転軸方向（Ｙ軸方向）の変位ΔＳ３ｙ＝ΔＬ／sin α、
変位センサ５３Ｓ４の回転軸方向（Ｙ軸方向）の変位ΔＳ４ｙ＝−ΔＬ／sin αとなる。
【００４３】
これらの変位量により、内方部材２の外方部材１に対する移動距離は、内方部材２のＹ軸方向の変位をΔＹとすると、以下の式で算出される。
ΔＹ＝１／８×（ΔＳａｙ−ΔＳｂｙ＋ΔＳｃｙ−ΔＳｄｙ＋ΔＳ１ｙ−ΔＳ２ｙ＋ΔＳ３ｙ−ΔＳ４ｙ）
＝１／８×｛（ΔＬ／sin α）−（−ΔＬ／sin α）＋（ΔＬ／sin α）−（−ΔＬ／sin α）＋（ΔＬ／sin α）−（−ΔＬ／sin α）＋（ΔＬ／sin α）−（−ΔＬ／sin α）｝
＝ΔＬ／sin α
【００４４】
つまり、８つの変位センサ５３Ｓａ，５３Ｓｂ，５３Ｓｃ，５３Ｓｄ，５３Ｓ１，５３Ｓ２，５３Ｓ３，５３Ｓ４の出力より、回転軸方向荷重Ｆｙによる内方部材２の外方部材１に対するＹ軸方向の変位のみを検出することが可能である。この検出した変位量を、予め実験やシミュレーション等により求めた変位から荷重を求める演算式に代入することにより、回転軸方向荷重Ｆｙを算出する。このような演算は、ハーネス５６に接続された演算手段６０（図１）で行われる。８つの変位センサ５３Ｓａ，５３Ｓｂ，５３Ｓｃ，５３Ｓｄ，５３Ｓ１，５３Ｓ２，５３Ｓ３，５３Ｓ４から検出しているため、その検出精度は良い。また、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に対して対称に変位センサ５３Ｓａ，５３Ｓｂ，５３Ｓｃ，５３Ｓｄ，５３Ｓ１，５３Ｓ２，５３Ｓ３，５３Ｓ４を配置しているので、温度変化によるリング５２Ａ，５２Ｂの熱収縮、熱膨張に対する変位の変化を容易に取り除くことができる。
【００４５】
図１７は、内方部材２に水平軸（Ｘ軸）回りのモーメント荷重（Ｍｘ）が加わったときの検出説明図を示す。同図では、内方部材２に荷重が負荷された状態のリング５２Ａ，５２Ｂを破線で示している。このとき、垂直面内に配置される４つ変位センサ５３Ｓ１，５３Ｓ２，５３Ｓ３，５３Ｓ４のうち、Ｘ軸を中心として斜めに配置される２つの変位センサ５３Ｓ１，５３Ｓ３と、これらに対面するリング５２Ａ，５２Ｂとの距離はそれぞれ広がる。一方、同じくＸ軸を中心として斜めに対向して配置される残る２つの変位センサ５３Ｓ２，５３Ｓ４と、これらに対面するリング５２Ａ，５２ｂとの距離はそれぞれ狭まる。
【００４６】
図１８は、この状況での変位センサ５３Ｓ１付近を拡大して示す。このとき、水平軸（Ｘ軸）回りのモーメント荷重Ｍｘにより各変位センサ５３と対面するリング５２Ａ，５２Ｂの距離がΔＬ変化したとし、また無負荷状態（図中に実線で示す）での距離より広がった場合を正、狭まった場合を負とする符号を付加すると、各変位センサ５３Ｓ１，５３Ｓ２，５３Ｓ３，５３Ｓ４の変位成分は以下のようになる。
変位センサ５３Ｓ１の変位ΔＳ１＝ΔＬ、
変位センサ５３Ｓ２の変位ΔＳ２＝−ΔＬ、
変位センサ５３Ｓ３の変位ΔＳ３＝−ΔＬ、
変位センサ５３Ｓ４の変位ΔＳ４＝ΔＬとなる。
【００４７】
これらの変位量により、内方部材２の外方部材１に対するＺ軸回りの回転角度θに対応する変位ΔＺθは、以下の式で算出される。
ΔＺθ＝１／４×（ΔＳａ−ΔＳｂ−ΔＳｃ＋ΔＳ４ｄ）
＝１／４×｛（ΔＬ）−（−ΔＬ）−（−ΔＬ）＋（ΔＬ）｝
＝ΔＬ
【００４８】
つまり、４つの変位センサ５３Ｓａ，５３Ｓｂ，５３Ｓｃ，５３Ｓｄの出力より、モーメント荷重Ｍｚによる内方部材２の外方部材１に対するＺ軸回りの回転角度θに対応する変位を検出することが可能である。この検出した変位量を、予め実験やシミュレーション等により求めた変位から荷重を求める演算式に代入することにより、モーメント荷重Ｍｚを算出する。このような演算は、ハーネス５６に接続された演算手段６０（図１）で行われる。４つの変位センサ５３Ｓａ，５３Ｓｂ，５３Ｓｃ，５３Ｓｄから検出しているため、その検出精度は良い。また、Ｘ軸およびＹ軸に対して対称に変位５３Ｓａ，５３Ｓｂ，５３Ｓｃ，５３Ｓｄを配置しているので、温度変化によるリング５２Ａ，５２Ｂの熱収縮、熱膨張に対する変位の変化を容易に取り除くことができる。
【００４９】
さらに、内方部材２に回転軸（Ｙ軸）回りのモーメント荷重（Ｍｙ）が加わったときには、以下のようにしてモーメント荷重Ｍｙが検出される。
すなわち、前記モーメント荷重Ｍｙは、上述した検出方向で求められる鉛直方向（Ｚ軸方向）荷重Ｆｚと内方部材２に固定されたタイヤ（図示せず）の半径Ｒとの積、つまり
モーメント荷重Ｍｙ＝Ｆｚ×Ｒ
として求められる。このような演算は、ハーネス５６に接続された演算手段（図１）で行われる。
【００５０】
このように、センサユニット５１により、ハブ軸受Ａの構成部品である内方部材２および外方部材１の変位（正確には両部材１，２の相互間距離の変化）を変位センサ５３で測定することで、車両走中の内方部材２に負荷される水平方向荷重（Ｆｘ）、回転軸方向荷重（Ｆｙ）、鉛直方向荷重（Ｆｚ）、水平軸回りのモーメント荷重（Ｍｘ）、回転軸回りのモーメント荷重（Ｍｙ）、および鉛直軸回りのモーメント荷重（Ｍｚ）を検出することができる。この検出結果から、車輪と路面の接地点における、互いに直交する上下方向、左右方向、および前後方向の３軸方向の力を求めることができる。センサユニット５１から得られた角度検出値や荷重検出値は自動車のＥＣＵ（電気制御ユニット）に取り込まれ、自動車の走行安定制御に利用される。また、ステアバイワイヤシステムでの路面情報伝達にも応用が可能である。
【００５１】
図２１はこの発明の第２の実施形態を示す。この実施形態は、電動モータＢを、ケーシング１０２に固定したステータ１０３と出力軸１０４に取付けたロータ１０５との間にラジアルギャップを設けたラジアルギャップ型としたものである。出力軸１０４は、減速機Ｃの入力軸３２にスプライン結合されている。電動モータＢ以外は、第１の実施形態と同じ構成である。この第２の実施形態も、ハブ軸受Ａの内部空間における複列の転走面３，４に挟まれる位置にセンサユニット５１が設けられている。これにより、車輪と路面の接地点で車輪に作用する力を測定して、車両の姿勢制御を行うことができる。
【００５２】
図２２はこの発明の第３の実施形態を示す。この実施形態は、減速機Ｃを遊星減速機としたものである。電動モータＢは、第２の実施形態と同様に、ラジアルギャップ型とされている。遊星減速機Ｃは、入力軸１１２の外周に太陽歯車１１３を一体に設け、この太陽歯車１１３と減速機のアウトボード側ケーシング３３ｂの内周に設けた内歯１１４とに噛み合う複数の遊星歯車１１５を、内方部材２のインボード側材１０に取付けた内ピン１１８で回転自在に支持させてある。この遊星減速機によっても、電動モータＢの出力軸１０４の回転をハブである内方部材２に減速して伝達することができる。しかし、サイクロイド減速機ほど大きな減速比は得られない。この第３の実施形態も、ハブ軸受Ａの内部空間における複列の転走面３，４に挟まれる位置にセンサユニット５１が設けられている。これにより、車輪と路面の接地点で車輪に作用する力を測定して、車両の姿勢制御を行うことができる。
【００５３】
なお、前記各実施形態では、ハブ軸受Ａと電動モータＢとの間に減速機Ｃを設けた構成としたが、場合によっては、減速機を設けずに、電動モータの出力軸と車輪のハブとを直接に連結する構成としてもよい。
さらに、前記各実施形態ではハブ軸受Ａが第３世代型である車輪用軸受装置に適用した場合につき説明したが、この発明は、ハブ軸受Ａの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世代型の車輪用軸受装置にも適用することができる。さらに、ハブ軸受Ａが各世代形式のテーパころタイプである車輪用軸受装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】この発明の第１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車輪用軸受装置の断面図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】図２の要部を拡大して示す断面図である。
【図４】ハブ軸受をアウトボード側から見た側面図である。
【図５】同ハブ軸受の縦断面図である。
【図６】同ハブ軸受の横断面図である。
【図７】同ハブ軸受に搭載されるセンサユニットの構成部品である変位センサの一例を示す平面図である。
【図８】センサユニットにおける変位センサとリングの位置関係を示す説明図である。
【図９】水平方向荷重が加わったときのセンサユニットの検出説明図である。
【図１０】図９の部分拡大図である。
【図１１】鉛直方向荷重が加わったときのセンサユニットの検出説明図である。
【図１２】図１１の部分拡大図である。
【図１３】回転軸方向荷重が加わったときのセンサユニットの水平断面による検出説明図である。
【図１４】図１３の部分拡大図である。
【図１５】回転軸方向荷重が加わったときのセンサユニットの垂直断面による検出説明図である。
【図１６】図１５の部分拡大図である。
【図１７】水平軸回りのモーメント荷重が加わったときのセンサユニットの検出説明図である。
【図１８】図１７の部分拡大図である。
【図１９】鉛直軸回りのモーメント荷重が加わったときのセンサユニットの検出説明図である。
【図２０】図１９の部分拡大図である。
【図２１】この発明の第２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車輪用軸受装置の断面図である。
【図２２】この発明の第３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車輪用軸受装置の断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…外方部材
２…内方部材（ハブ）
５…転動体
５１…センサユニット
５２Ａ，５２Ｂ…リング
５３…変位センサ
６０…演算手段
Ａ…ハブ軸受
Ｂ…電動モータ
Ｃ…減速機
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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