(57)【要約】【課題】 クロストークを排除して、タイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重のそれぞれを正確に求めることが可能なセンサ付き転がり軸受装置を提供する。【解決手段】  センサ装置2は、二列の転動体5の中間に配置された頂部センサSt、底部センサSb、前部センサSfおよび後部センサSrと、これらのセンサの出力を処理する処理手段とを備えている。処理手段は、頂部センサStの出力Ｓｔ、底部センサSbの出力Ｓｂ、前部センサSfの出力Ｓｆおよび後部センサSrの出力Ｓｒを使用して、前後荷重Ｆｘ、左右荷重Ｆｙおよび垂直荷重Ｆｚを求める演算部を有している。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材および両軌道部材の間に配置された二列の転動体を有する転がり軸受装置と、タイヤに作用する荷重を求めるためのセンサ装置とを備えているセンサ付き転がり軸受装置において、
センサ装置は、車体側軌道部材の頂部、底部、前部および後部にそれぞれ配置された頂部センサ、底部センサ、前部センサおよび後部センサと、これらのセンサの出力を処理する処理手段とを備えており、処理手段は、頂部センサの出力Ｓｔ、底部センサの出力Ｓｂ、前部センサの出力Ｓｆおよび後部センサの出力Ｓｒを使用して、前後荷重Ｆｘ、左右荷重Ｆｙおよび垂直荷重Ｆｚを求める演算部を有していることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項２】
各センサは二列の転動体の中間に配置されており、処理手段の演算部においては、Ｆｘ、ＦｙおよびＦｚが次の式で求められている請求項１のセンサ付き転がり軸受装置。
Ｆｘ＝Ｓｒ−Ｓｆ
Ｆｙ＝Ｓｔ＋Ｓｂ
Ｆｚ＝Ｓｔ−Ｓｂ
【請求項３】
センサ装置は、二列の転動体の中間に位置するように設けられた車輪取付け用のフランジ部と、車輪取付け用のフランジ部の頂部、底部、前部および後部に設けられた軸方向貫通孔とをさらに備え、各センサは、車輪取付け用のフランジ部の各軸方向貫通孔内径面の径方向の変位量を検出する変位センサとされていることを特徴とする請求項１または２のセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項４】
車輪取付け用のフランジ部に、径方向外方から軸方向貫通孔に通じる支持部材挿通孔が設けられており、支持部材挿通孔に挿通されたセンサ支持部材の内径面に各センサが取り付けられている請求項３のセンサ付き転がり軸受装置。
【請求項５】
径方向にのびる垂直部および軸方向にのびる水平部からなるＬ字形状センサ支持部材を有しており、センサ支持部材の垂直部が車輪取付け用のフランジ部の側面に固定され、フランジ部の軸方向貫通孔に挿通された水平部の内径面に各センサが取り付けられている請求項３のセンサ付き転がり軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、自動車を構成するハブユニット（車輪用転がり軸受装置）と自動車の各種情報を検出するセンサ装置とが一体化されたセンサ付き転がり軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の制御手段として、ＡＢＳ制御（アンチロックブレーキシステム）に加えて、発進時や加速時に駆動輪をスピンさせない駆動力制御やコーナリング時の横滑りを抑制するブレーキ力制御などが実施されているが、より精度のよい制御を行うために、これらの制御に有効に使用できるデータの検出が重要となっている。そこで、特許文献１には、車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、および両部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニット（車輪用転がり軸受装置）に、変位センサを設け、タイヤ（車輪）にかかる接地荷重を求め、車両制御の向上を図ることが提案されている。
【特許文献１】特開２００３−３３６６５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１のセンサ付き転がり軸受装置では、複数の箇所にセンサを設置して接地荷重の各分力をそれぞれ分離して求めようとした場合、他の分力の影響による誤差（以下「クロストーク」と称す）が生じ、このクロストークのために、タイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重のそれぞれを正確に求めることが困難という問題があった。
【０００４】
この発明の目的は、クロストークを排除して、タイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重のそれぞれを正確に求めることが可能なセンサ付き転がり軸受装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明によるセンサ付き転がり軸受装置は、車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材および両軌道部材の間に配置された二列の転動体を有する転がり軸受装置と、タイヤに作用する荷重を求めるためのセンサ装置とを備えているセンサ付き転がり軸受装置において、センサ装置は、車体側軌道部材の頂部、底部、前部および後部にそれぞれ配置された頂部センサ、底部センサ、前部センサおよび後部センサと、これらのセンサの出力を処理する処理手段とを備えており、処理手段は、頂部センサの出力Ｓｔ、底部センサの出力Ｓｂ、前部センサの出力Ｓｆおよび後部センサの出力Ｓｒを使用して、前後荷重Ｆｘ、左右荷重Ｆｙおよび垂直荷重Ｆｚを求める演算部を有していることを特徴とするものである。
【０００６】
各センサは二列の転動体の中間に配置されていることが好ましい。この場合、「二列の転動体の中間」は、二列の転動体のちょうど中央であることが最も好ましいが、中央から若干ずれていても許容できることを意味する。
【０００７】
走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴って、タイヤに掛かる接地荷重が変動し、このタイヤ接地荷重変動に応じて、車体側軌道部材に作用する力が変化する。複数のセンサを設置した場合、タイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重の成分ごとにそれぞれセンサへの影響度が異なっており、予め、前後荷重がかかった場合のセンサ出力値、左右荷重がかかった場合のセンサ出力値、および垂直荷重がかかった場合のセンサ出力値を求めておくことにより、タイヤ接地荷重の各分力を求めることができる。
【０００８】
センサの設置箇所を任意に設定した場合、そのクロストークの排除が困難になるが、センサの設置箇所を車体側軌道部材の頂部、底部、前部および後部の４カ所とし、各センサの出力をＳｔ、Ｓｂ、ＳｆおよびＳｒとすると、Ｆｘ入力に対して、Ｓｔ≒０およびＳｂ≒０が成り立ち、Ｆｙ入力に対しては、Ｓｔ−Ｓｂ≒０およびＳｒ−Ｓｆ≒０が成り立ち、Ｆｚ入力に対しては、Ｓｆ≒０，Ｓｒ≒０およびＳｔ＋Ｓｂ≒０が成り立つので、これらを考慮して前後荷重Ｆｘ、左右荷重Ｆｙおよび垂直荷重Ｆｚを求めることにより、クロストークを小さくすることができる。
【０００９】
各センサの出力Ｓｔ、Ｓｂ、ＳｆおよびＳｒからＦｘ、ＦｙおよびＦｚを求める場合の好ましい式は、次のようになる。
【００１０】
Ｆｘ＝Ｓｒ−Ｓｆ
Ｆｙ＝Ｓｔ＋Ｓｂ
Ｆｚ＝Ｓｔ−Ｓｂ
すなわち、上述のように、Ｆｙ入力時、Ｓｒ−Ｓｆ≒０が成り立ち、Ｆｚ入力時、Ｓｆ≒０およびＳｒ≒０が成り立っているので、Ｆｘ＝Ｓｒ−Ｓｆとすることで、ＦｙおよびＦｚのクロストークを排除して、Ｆｘを求めることができる。また、Ｆｘ入力時、Ｓｔ≒０およびＳｂ≒０が成り立ち、Ｆｚ入力時、Ｓｔ＋Ｓｂ≒０が成り立っているので、Ｆｙ＝Ｓｔ＋Ｓｂとすることで、ＦｘおよびＦｚのクロストークを排除して、Ｆｙを求めることができる。そして、Ｆｘ入力時、Ｓｔ≒０およびＳｂ≒０が成り立ち、Ｆｙ入力に対しては、Ｓｔ−Ｓｂ≒０が成り立っているので、Ｆｚ＝Ｓｔ−Ｓｂとすることで、ＦｘおよびＦｙのクロストークを排除して、Ｆｚを求めることができる。
【００１１】
センサとしては、歪みによって車体側軌道部材に作用する力の変化を検知するものでもよく、また、変位その他の物理量によって車体側軌道部材に作用する力の変化を検知するものであってもよく、「圧力センサ」、「変位センサ」、「荷重センサ」などと称されている種々のセンサが使用できる。このようなセンサとしては、半導体歪みセンサ、圧電素子（ピエゾ素子）、ＳＩセンサ（応力インピーダンスセンサ）、薄膜圧力センサなどのセンサが適している。
【００１２】
また、センサ装置は、二列の転動体の中間に位置するように設けられた車輪取付け用のフランジ部と、車輪取付け用のフランジ部の頂部、底部、前部および後部に設けられた軸方向貫通孔とをさらに備え、各センサは、車輪取付け用のフランジ部の各軸方向貫通孔内径面の径方向の変位量を検出する変位センサとされていることがある。
【００１３】
この場合、車輪取付け用のフランジ部に、径方向外方から軸方向貫通孔に通じる支持部材挿通孔が設けられており、支持部材挿通孔に挿通されたセンサ支持部材の内径面に各センサが取り付けられていることがあり、また、径方向にのびる垂直部および軸方向にのびる水平部からなるＬ字形状センサ支持部材を有しており、センサ支持部材の垂直部が車輪取付け用のフランジ部の側面に固定され、フランジ部の軸方向貫通孔に挿通された水平部の内径面に各センサが取り付けられていることがある。前者は、車輪取付け用のフランジ部の軸方向の厚みが十分に確保可能な場合に有効であり、後者は、車輪取付け用のフランジ部がその径方向外方から貫通孔をあけるのに十分な軸方向の厚みを有していない場合に有効である。いずれの場合でも、変位センサは、軸方向貫通孔の内径面に臨まされるように、センサ支持部材に取り付けられる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明のセンサ付き転がり軸受装置によると、接地荷重の各分力をクロストークを防止して検出することができる。こうして得られたタイヤ接地荷重の各成分は、ＡＢＳ制御におけるスリップ率の代替えデータとして使用されるほか、駆動力制御やブレーキ力制御などにおいて使用され、車両制御の精度向上に資することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００１６】
図１から図３までは、この発明のセンサ付き転がり軸受装置の１実施形態を示している。以下の説明において、左右は図１の左右をいうものとする。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。
【００１７】
このセンサ付き転がり軸受装置は、ハブユニット（車輪用転がり軸受装置）(1)と、その回転およびタイヤ接地荷重などを検出するセンサ装置(2)とを備えている。
【００１８】
ハブユニット(1)は、車体側に固定される車体側軌道部材(3)、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材(4)、両部材(3)(4)の間に２列に配置された複数の転動体である玉(5)を備えている。
【００１９】
車体側軌道部材(3)は、軸受の外輪（固定輪）機能を有しているもので、内周面に２列の外輪軌道が形成されている円筒部(12)と、円筒部(12)の左端部近くに設けられて懸架装置（車体側部分）にボルトで取り付けられるフランジ部(13)とを有している。
【００２０】
車輪側軌道部材(4)は、内軸(14)と、内軸(14)の左端部近くの外径に嵌め止められ内輪(15)とからなり、内軸(14)左端部のおねじ部にナット(16)がねじ合わされることによって、内輪(15)が内軸(14)に固定されている。内軸(14)の右端近くには、車輪（タイヤ）を取り付けるための複数のボルト(19)が固定されたフランジ部(18)が設けられている。
【００２１】
センサ装置(2)は、車体側軌道部材(3)の頂部において二列の玉(15)の中間に配置されて車体側軌道部材(3)に作用する力を検出する頂部センサ(St)と、車体側軌道部材(3)の底部において二列の玉(15)の中間に配置されて車体側軌道部材(3)に作用する力を検出する底部センサ(Sb)と、車体側軌道部材(3)の前部において二列の玉(15)の中間に配置されて車体側軌道部材(3)に作用する力を検出する前部センサ(Sf)と、車体側軌道部材(3)の後部において二列の玉(15)の中間に配置されて車体側軌道部材(3)に作用する力を検出する後部センサ(Sf)と、これらのセンサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)の出力を処理する処理手段（図３参照）とを備えている。
【００２２】
各センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)は、車体側軌道部材(3)のフランジ部(13)に設けられた軸方向貫通孔(13a)内に配置されている。フランジ部(13)は、二列の玉(15)の中央に位置するように設けられており、各センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)は、二列の玉(15)のちょうど中央に位置するように取り付けられている。フランジ部(13)には、９０°置きに等間隔で設けられたセンサ配置用の軸方向貫通孔(13a)と干渉しないように、車体側部分への取付け用孔(13b)が計４つ設けられている。
【００２３】
処理手段は、図３に示すように、頂部センサ(St)の出力Ｓｔ、底部センサ(Sb)の出力Ｓｂ、前部センサ(Sf)の出力Ｓｆおよび後部センサ(Sr)の出力Ｓｒを使用して、図４に示されている前後荷重Ｆｘ、左右荷重Ｆｙおよび垂直荷重Ｆｚを求める演算部を有している。
【００２４】
処理手段の演算部においては、以下の式によりＦｘ、ＦｙおよびＦｚが求められている。
【００２５】
Ｆｘ＝Ｓｒ−Ｓｆ……式１
Ｆｙ＝Ｓｔ＋Ｓｂ……式２
Ｆｚ＝Ｓｔ−Ｓｂ……式３
上記式は、タイヤに作用する前後荷重Ｆｘ、左右荷重Ｆｙおよび垂直荷重Ｆｚが各センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)の出力Ｓｔ、Ｓｂ、ＳｆおよびＳｒにどのような影響を及ぼすかを考慮して、クロストークを排除したもので、以下のようにして得られる。
【００２６】
図５は、図１および図２に示すハブユニット(1)に、前後荷重Ｆｘ、左右荷重Ｆｙおよび垂直荷重Ｆｚをそれぞれ別個に付与したときの各センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)の出力Ｓｔ、Ｓｂ、ＳｆおよびＳｒを示すもので、次のような特徴を示している。
【００２７】
１）ＳｆとＳｒとは、Ｆｘ入力時およびＦｙ入力時に大きな出力があるが、Ｆｙ入力時にはＳｆ≒Ｓｒ≠０であり、Ｆｚ入力時には、Ｓｆ≒Ｓｒ≒０である。このため、Ｆｘ＝Ｓｒ−Ｓｆとして求めることにより、クロストークをほとんどなくすことができる。
【００２８】
２）ＳｔとＳｂとは、いずれも、Ｆｙ入力時およびＦｚ入力時に大きな出力があり、互いにクロストークとなっている。ただし、Ｆｚ入力時、Ｓｔ＋Ｓｂ≒０の関係がある。したがって、Ｆｙ＝Ｓｔ＋Ｓｂとして求めることで、Ｆｙ検出時のＦｚによるクロストークを排除することができる。
【００２９】
３）Ｆｙ＝Ｓｔ＋Ｓｂとしたため、Ｆｚ＝Ｓｔ−Ｓｂと仮定することで上記式１から式３までが得られる。
【００３０】
図６は、式１〜式３で計算した結果を示している。この図６において、Ｆｙ入力ｖｓＦｙ出力における低荷重域では、Ｆｙ入力時のＦｙ出力が非直線的になっているが、これに対しては、近似式を作成することでＦｙの適正な算出が可能である。また、Ｆｙ入力ｖｓＦｚ出力における高荷重域では、若干のクロストークが発生しているが、これは検知可能な範囲である。これら以外のところでは、クロストークの発生がなく、直線性にも優れている。
【００３１】
図５および図６に示した結果から、図１および図２に示したセンサ付き転がり軸受装置において、各センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)の出力からタイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重のそれぞれが精度よく求められることが分かる。こうして得られた接地荷重の各分力は、車両制御手段に出力され、車両に適正な制御が施される。
【００３２】
上記センサ装置で使用されるセンサは、特に限定されるものではないが、以下に、変位センサを使用する場合の好ましい実施形態を示す。以下の説明において、上記実施形態と同じ構成には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３３】
図７および図８において、各センサ(St)(Sb)(Sf)(Sf)は、変位センサとされており、車輪取付け用のフランジ部(13)には、頂部、底部、前部および後部においてこれを軸方向に貫通する軸方向貫通孔(13a)と、各軸方向貫通孔(13a)に径方向外方から通じる支持部材挿通孔(13c)とがそれぞれ設けられている。各支持部材挿通孔(13c)には、軸方向貫通孔(13a)の内径面との間に所定の間隙が存在するように、センサ支持部材(21)がそれぞれ挿通されており、軸方向貫通孔(13a)の内径面に臨まされるように、各センサ支持部材(21)の内径面に各変位センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)がそれぞれ取り付けられている。
【００３４】
処理手段は、図３に示されており、上記のようにして、各変位センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)の出力からタイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重のそれぞれが精度よく求められる。
【００３５】
なお、センサ支持部材(21)は、上記のものに限られるものではなく、車輪取付け用のフランジ部(13)の形状に合わせて適宜変更可能である。図７および図８に示した実施形態は、車輪取付け用のフランジ部(13)がその径方向外方から支持部材挿通孔(13c)をあけるのに十分な軸方向の厚みを有している場合に有効であるが、これが難しい場合には、図９に示すように、センサ支持部材(22)は、径方向にのびる垂直部(22a)および軸方向にのびる水平部(22b)からなるＬ字形状とされており、センサ支持部材(22)の水平部(22b)が軸方向貫通孔(13a)の内径面との間に所定の間隙を有して軸方向貫通孔(13a)内に位置するように、センサ支持部材(22)の垂直部(22a)が車輪取付け用のフランジ部(13)の側面に固定され、センサ支持部材(22)の水平部(22b)に軸方向貫通孔(13a)の内径面を臨む各変位センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)が取り付けられている構成としてもよい。この実施形態でも、変位センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)自体は、上記各実施形態と同じ位置に設置されて、軸方向貫通孔(13a)の内径面を臨むようになされており、処理手段は図３に示したものと同じとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明によるセンサ付き転がり軸受装置の１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１のII-II線に沿う断面図である。
【図３】センサ装置の処理手段を示すブロック図である。
【図４】車両に作用する前後荷重Ｆｘ、左右荷重Ｆｙおよび垂直荷重Ｆｚなどを示す模式図である。
【図５】前後荷重Ｆｘ、左右荷重Ｆｙおよび垂直荷重Ｆｚをそれぞれ別個に付与したときの各センサの出力Ｓｔ、Ｓｂ、ＳｆおよびＳｒを示すグラフである。
【図６】前後荷重Ｆｘ、左右荷重Ｆｙおよび垂直荷重Ｆｚをそれぞれ別個に付与したときの入力と出力との関係を示すグラフである。
【図７】この発明によるセンサ付き転がり軸受装置の他の実施形態を示す縦断面図である。
【図８】同側面図である。
【図９】この発明によるセンサ付き転がり軸受装置のさらに他の実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
(1)             ハブユニット（車輪用転がり軸受装置）
(2)             センサ装置
(3)             車体側軌道部材
(4)             車輪側軌道部材
(5)             玉（転動体）
(13)            車体取付け用フランジ部
(13a)           軸方向貫通孔
(13c)           支持部材挿通孔
(21)            センサ支持部材
(22)            センサ支持部材
(22a)           垂直部
(22b)           水平部
(St)(Sb)(Sf)(Sr)変位センサ（センサ）
【図１】
2008039589.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2008039589.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008039589.tif 000008
【図７】
2008039589.tif 000009
【図８】
2008039589.tif 000010
【図９】
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