(57)【要約】【課題】軸受にかかる荷重を簡単な構成でかつ精度よく求めることができ、しかも、軸受の回転側軌道部材の回転速度も検出できるセンサ付き転がり軸受ユニットを提供する。【解決手段】センサ装置２は、固定側軌道部材３に設けられて回転側軌道部材４との間にあるギャップを検出する磁歪センサ８と、磁歪センサ８の出力を処理する処理手段とを有している。処理手段は、磁歪センサ８の出力の変化の繰り返し数から回転側軌道部材４の回転速度を求める回転検出部と、磁歪センサ８の出力を平均化するアベレージング部と、アベレージング部において平均化された出力から転がり軸受にかかる荷重を求める荷重演算部とを備えている。【選択図】    図２
2004264050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定側軌道部材、回転側軌道部材および両部材間に配置された転動体を有する転がり軸受と、転がり軸受に設けられたセンサ装置とを備えているセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、
センサ装置は、固定側軌道部材に設けられて回転側軌道部材との間にあるギャップを検出する磁歪センサと、磁歪センサの出力を処理する処理手段とを有しており、処理手段は、磁歪センサの出力の変化の繰り返し数から回転側軌道部材の回転速度を求める回転検出部と、磁歪センサの出力を平均化するアベレージング部と、アベレージング部において平均化された出力から転がり軸受にかかる荷重を求める荷重演算部とを備えていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受ユニット。
【請求項２】
固定側軌道部材は、車体に固定される取付け部を有する外輪とされ、回転側軌道部材は、車輪が取り付けられる内軸および内軸に外嵌された内輪からなり、磁歪センサは、内輪の外周面に対向するように固定側軌道部材の端部に固定されている請求項１のセンサ付き転がり軸受ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、転がり軸受と転がり軸受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ユニットに関する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
【０００３】
【従来の技術】
自動車においては、その制御を行うために種々の情報が必要であることから、車輪が取り付けられる回転側軌道部材、車体側に固定される固定側軌道部材、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ハブユニットに、センサ装置を設けることが提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、固定側軌道部材の内端面に環状の支持部材を取り付け、この環状支持部材に歪みセンサを貼り付けたセンサ付きハブユニットが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平３−２０９０１６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００７】
このような実情に鑑み、本願発明者は、タイヤの接地荷重を精度よく測定して、車両制御の向上を図るという課題を創出した。
【０００８】
しかしながら、上記従来のセンサ付きハブユニットでは、環状支持部材の歪みを測定するものであるので、この歪みから接地荷重を求める場合に、誤差が大きくなり、歪みセンサの測定値から精度よく接地荷重を得ることができないという問題があった。
【０００９】
この発明の目的は、軸受にかかる荷重を簡単な構成でかつ精度よく求めることができ、しかも、軸受の回転側軌道部材の回転速度も検出でき、したがって、自動車のハブユニットに使用された場合に、接地荷重および車輪の回転速度を簡単な構成でかつ精度よく求めることができるセンサ付き転がり軸受ユニットを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットは、固定側軌道部材、回転側軌道部材および両部材間に配置された転動体を有する転がり軸受と、転がり軸受に設けられたセンサ装置とを備えているセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、センサ装置は、固定側軌道部材に設けられて回転側軌道部材との間にあるギャップを検出する磁歪センサと、磁歪センサの出力を処理する処理手段とを有しており、処理手段は、磁歪センサの出力の変化の繰り返し数から回転側軌道部材の回転速度を求める回転検出部と、磁歪センサの出力を平均化するアベレージング部と、平均化された出力から荷重を求める荷重演算部とを備えていることを特徴とするものである。
【００１１】
この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットは、自動車のハブユニットに好適に使用されるが、モータなどにおいて、その回転体を支持する軸受部分に使用することもできる。
【００１２】
自動車のハブユニットに使用された場合には、走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴って、各タイヤに掛かる接地荷重が変動するが、この際、回転側軌道部材と固定側軌道部材とのギャップが接地荷重に応じて変化することとなり、このギャップの変化によって磁歪センサ近傍の磁場が変化し、磁歪センサは、この磁場の変化を磁歪変動量として計測することができる。そして、この磁歪変動量と軸受の荷重またはタイヤの接地荷重の変動量との関係を予め求めておくことにより、磁歪変動量から逆算して、軸受にかかる荷重またはタイヤの接地荷重の変動量を求めることができる。また、ギャップは、１回転ごとの周期的な変化となり、このギャップの変化の繰り返し数を使用することにより、転がり軸受の回転側軌道部材の回転速度を求めることができる。
【００１３】
磁歪センサは、逆磁歪効果（物質が歪むあるいは変形すると磁力が現れる現象）を計測するセンサであり、磁歪センサとしては、例えば、透磁率の高い磁性線に高周波電流を印加したときの磁性線両端間のインピーダンスが外部磁場によって変化する電磁気現象を利用して外部磁場を計測する磁気インピーダンスセンサ（ＭＩセンサ）、インピーダンスが応力により変化することを利用した応力インピーダンスセンサ（ＳＩセンサ）などが挙げられる。
【００１４】
回転側軌道部材は、高炭素クロム軸受鋼等の磁性体によって形成される。固定側軌道部材および転動体は、回転側軌道部材と同材質であってもよいが、転動体については、転動体が磁歪センサに近づいたり遠ざかったりしても磁場に影響を及ぼさないように、窒化ケイ素や炭化ケイ素などのセラミックまたは非磁性の鋼材等の非磁性材料としてもよい。
【００１５】
磁歪センサが磁気インピーダンスセンサである場合には、回転側軌道部材に、同センサに対向する環状の着磁部が設けられていることがある。このような着磁部は、例えば、Ｎ極とＳ極とが交互にかつ等間隔で配列するようにゴム磁性体に着磁したものとされてもよく、また、フィルムに磁気インク列を印刷したものとされてもよい。
【００１６】
この発明のセンサ付き転がり軸受ユニットによると、回転側軌道部材と固定側軌道部材との間のギャップを磁歪センサで検出するとともに、磁歪センサの出力である電圧を平均化することにより、電圧平均と軸受にかかる荷重との比例関係が確保され、これにより、磁歪センサの出力から軸受の荷重を精度よく求めることができる。したがって、このセンサ付き転がり軸受ユニットを自動車のハブユニットに使用した場合に、回転側軌道部材と固定側軌道部材との間のギャップから回転側軌道部材が接地面から受けている力すなわち接地荷重を精度よく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。さらに、この発明のセンサ付き転がり軸受ユニットによると、ギャップの変化の繰り返し数から車輪の回転数、回転速度などを検出することができ、１つのセンサを使用して、２種類の重要な車両制御データを得ることができる。
【００１７】
固定側軌道部材は、車体に固定される取付け部を有する外輪とされ、回転側軌道部材は、車輪が取り付けられる内軸および内軸に外嵌された内輪からなり、磁歪センサは、内輪の外周面に対向するように固定側軌道部材の端部に固定されていることがある。
【００１８】
磁歪センサは、内輪の抜けを防止するかしめ部の外周面に対向するように設けてもよく、また、内軸の外周面に対向するように設けてもよいが、これを内輪の外周面に対向するように固定側軌道部材の端部に固定することにより、磁歪センサの信号線の取り出しを固定側軌道部材の端部から行うことができ、センサ付き軸受ユニットの組立てを容易に行うことができる。磁歪センサは、例えば、これを樹脂に埋設し、その樹脂を固定側軌道部材またはこれに固定されたカバー等に一体化させることにより、容易に固定側部材に取り付けることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、この発明のセンサ付き転がり軸受ユニットの第１実施形態を示している。以下の説明において、左右および上下は、図の左右および上下をいうものとする。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。
【００２１】
図１に示すように、センサ付き転がり軸受ユニットは、転がり軸受としてのハブユニット（１）と、その回転および接地荷重を検出するセンサ装置（２）とを備えている。
【００２２】
ハブユニット（１）は、車体側に固定される固定側軌道部材（３）、車輪が取り付けられる回転側軌道部材（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）、および各列の玉（５）をそれぞれ保持する保持器（６）を備えている。
【００２３】
固定側軌道部材（３）は、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）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。
【００２４】
回転側軌道部材（４）は、第１の軌道溝（１５ａ）を有する大径部（１５）および第１の軌道溝（１５ａ）の径よりも小さい外径を有する小径部（１６）を有している内軸（１４）と、内軸（１４）の小径部（１６）外径に嵌め止められて右面が内軸（１４）の大径部（１５）左面に密接させられている内輪（１７）とからなる。内軸（１４）の右端近くには、車輪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。内輪（１７）の右部には、内軸（１４）の軌道溝（１５ａ）と並列するように、軌道溝（１７ａ）が形成されており、内輪（１７）の左部に肩部（１７ｂ）が形成されている。固定側軌道部材（３）の右端部と内軸（１４）との間には、シール装置（２０）が設けられている。固定側軌道部材（３）の左端部には、カバー（２１）が被せ止められている。
【００２５】
センサ装置（２）は、固定側軌道部材（３）に取り付けられた磁歪センサ（７）と、磁歪センサ（７）の出力を処理する処理手段（１０）（図１には現れず、図６参照）とを備えている。処理手段（１０）は、図６に示すように、磁歪センサ（７）の出力の変化の繰り返し数から回転側軌道部材（４）の回転速度を求める回転検出部（１０ａ）と、磁歪センサ（７）の出力を平均化するアベレージング部（１０ｂ）と、アベレージング部（１０ｂ）において平均化された出力からハブユニット（１）にかかる荷重を求める荷重演算部（１０ｃ）とを備えている。磁歪センサ（７）が磁気インピーダンスセンサである場合には、処理手段（１０）は、磁気インピーダンス（ＭＩ）素子と、ＭＩ素子に高周波電流を供給する発振回路とを含み、さらに、検出信号増幅用の増幅回路を含むことがある。
【００２６】
この実施形態では、磁歪センサ（７）は、磁気インピーダンスセンサとされており、金属製のカバー（２１）の内部に樹脂（２２）により埋設されている。磁歪センサ（７）の先端のセンサ面は、内軸（１４）の小径部（１６）端部に設けられて内輪（１７）の抜けを防止しているかしめ部（１６ａ）に臨まされている。樹脂（２２）には、車体側に設けられた処理手段（１１）とセンサ装置（２）とを結ぶハーネスを取り付けるためのコネクタ部（２７）が一体に成形されている。コネクタ部（２７）には信号用のコネクタピン（２３）が設けられており、磁歪センサ（７）とコネクタピン（２３）とが、コネクタ（２４）およびリード線（またはリード線のみ）を介して接続されている。磁歪センサ（７）の検出面とかしめ部（１６ａ）の外周面は径方向のギャップ（Ｓ）を介して対向している。このギャップ（Ｓ）の幅は、タイヤ接地荷重により変化し、磁歪センサ（７）は、図４に示すように、回転側軌道部材（４）のかしめ部（１６ａ）外周面との間のギャップ（Ｓ）を電圧値として出力する。同図のＴｉは、回転側軌道部材（４）の回転周期であり、ギャップ（Ｓ）は、１回転ごとの周期的な変化となっている。
【００２７】
磁歪センサを取り付ける位置は、適宜変更可能であり、図２に示すように、磁歪センサ（８）は、カバー（２１）の内部に固定されるとともに、そのセンサ面が内輪（１７）の肩部（１７ｂ）の外周面に臨まされているようにしてもよい。図２のその他の点は図１と同じであり、同じ構成に同じ符号を付して、その説明は省略する。
【００２８】
また、図３に示すように、磁歪センサ（９）は、固定側軌道部材（３）の軸方向略中央部に固定されるとともに、その先端のセンサ面が内軸（１４）の大径部（１５）外周面に臨まされているようにしてもよい。同図において、磁歪センサ（９）は、発振回路とともに、樹脂製のケース（２５）内に埋設成形されている。また、ケース（２５）には、車体側に設けられた処理手段（１１）とセンサ装置（２）とを接続するハーネスを取り付けるためのコネクタ部（２７）およびケース（２５）を固定側軌道部材（３）の外周面に固定するためのフランジ部（２５ａ）が一体に形成されている。コネクタ部（２７）内部には信号用のコネクタピン（２３）が設けられており、磁歪センサ（９）とコネクタピン（２３）とが、リード線（２４）を介して接続されている。ケース（２５）は、固定側軌道部材（３）に形成された取付け孔（３ａ）に挿入され、フランジ部（２５ａ）がボルト（２６）により固定側軌道部材（３）に固定されている。
【００２９】
なお、磁歪センサは、図１、図２または図３に示したようにカバー（２１）やケース（２５）に樹脂によって支持させるのではなく、固定側軌道部材（３）に直接取り付けるようにしてもよい。
【００３０】
図２および図３に示すように、磁歪センサ（８）（９）を取り付けた場合であっても、磁歪センサ（８）（９）の出力は、図４のようになる。
【００３１】
上記図１から図３までに示したセンサ付き転がり軸受ユニットによると、タイヤの接地荷重が変動すると、図６に示すように、固定側軌道部材（３）に取り付けられた磁歪センサ（７）（８）（９）と回転側軌道部材（４）との間のエアギャップが変動する。エアギャップは、図４に示したように周期的に変化することから、処理手段（１０）の回転検出部（１０ａ）において、ギャップの変化の繰り返し数から回転側軌道部材（４）の回転数を求めることができる。一方、ギャップの振幅は、処理手段（１０）のアベレージング部（１０ｂ）において平均化される。平均化された磁歪センサ（７）（８）（９）の電圧と接地荷重との関係は、図５に示すように、直線関係にあり、この直線式を予めメモリ（１１）に記憶させておくことにより、処理手段（１０）の接地荷重演算部（１０ｃ）において、磁歪センサ（７）（８）（９）の電圧平均値から接地荷重を求めることができる。得られた接地荷重の変動量は、車両制御手段に出力され、車両に適正な制御が施される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットの第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットの第２実施形態を示す縦断面図である。
【図３】この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットの第３実施形態を示す縦断面図である。
【図４】磁歪センサの出力の一例を示す図である。
【図５】磁歪センサの出力と荷重との関係を示すグラフである。
【図６】第１から第３実施形態までのこの発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットのセンサ装置のブロック図である。
【符号の説明】
（１）          ハブユニット
（２）          センサ装置
（３）          固定側軌道部材
（４）          回転側軌道部材
（７）（８）（９）    磁歪センサ（磁気インピーダンスセンサ）
【図１】
2004264050.tif 000003
【図２】
2004264050.tif 000004
【図３】
2004264050.tif 000005
【図４】
2004264050.tif 000006
【図５】
2004264050.tif 000007
【図６】
2004264050.tif 000008