(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検出できる荷重センサ内蔵車輪用軸受を提供する。【解決手段】  複列の転走面４が内周面に形成された外方部材１と、ハブ輪２Ａおよびこのハブ輪２Ａのインボード側端の外周に設けられた内輪２Ｂからなる内方部材２とを設ける。内方部材２は、外方部材１の転走面４と対向する複列の転走面５を、上記ハブ輪２Ａおよび内輪２Ｂにそれぞれ有する。対向する転走面４，５間に複列の転動体３を介在させて、車体に対して車輪を回転自在に支持する。ハブ輪２Ａの転走面５よりもインボード側の外径部に磁歪部からなる被検出部２ｂを形成する。非回転側部材である外輪側に、上記内方部材２に嵌合した軸に加わる力を検出するための、上記被検出部２ｂの磁歪変化を検出する力検出部２２を少なくとも１箇所以上に設ける。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複列の転走面が内周面に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体と、外方部材と内方部材の両端を密封する密封装置とを備え、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、上記外方部材と内方部材間の両側の密封装置により密封された空間に、磁歪変化を検出することで軸受に作用する荷重を検出する荷重センサを設けたことを特徴とする荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項２】
請求項１において、前記荷重センサが、内方部材に設けられた磁歪部からなる被検出部と、外方部材に設けられて前記被検出部の磁歪変化を検出する検出部とでなる荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項３】
請求項２において、前記被検出部が複列の転走面の中間に位置している荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項４】
請求項２または請求項３において、前記検出部が、コイルを巻いたものである荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項５】
請求項４において、前記検出部のコイルは軸方向に磁路を形成するようにヨークに巻かれたものである荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項６】
請求項５において、前記ヨークの被検出部に対向する面が、断面円弧状である荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項７】
請求項２ないし請求項６のいずれか１項において、被検出部に円周方向に並ぶ複数の溝を有する荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項８】
請求項７において、前記溝が軸心方向に延びるものである荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項９】
請求項７において、前記溝が軸心方向に対して傾斜して延びるものである荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項１０】
請求項７ないし請求項９のいずれか１項において、前記溝の深さが０．１mm以上である荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項１１】
請求項７ないし請求項１０のいずれか１項において、前記溝を用いて回転信号を検出する回転検出部を設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項１２】
請求項２ないし請求項１１のいずれか１項において、前記磁歪部からなる被検出部が、内方部材の表層に形成されたＦｅ−Ａｌ合金の層である荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項１３】
請求項２ないし請求項１１のいずれか１項において、前記被検出部が、表面がＦｅ−Ａｌ合金であるクラッド鋼をリング状にした磁歪部材からなり、このリング状の磁歪部材を内方部材の外周に固着したものである荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項１４】
請求項２ないし請求項１２のいずれか１項において、内方部材における被検出部の設けられた軸方向部分の剛性を、内方部材の他の軸方向部分よりも低下させた荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項１５】
請求項１４において、被検出部の設けられた軸方向部分の剛性を低下させる手段が、被検出部の裏側に位置する内方部材の内径面の一部を除肉した除肉部であり、または被検出部の設けられた軸方向部分の外径を、この軸方向部分の近傍部分よりも小径としたものである荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項１６】
請求項２ないし請求項１５のいずれか１項において、被検出部の表面と、検出部のヨークにおける前記被検出部に対向する面のうち、少なくとも片方の面を、研削または切削による互いの同軸度または真円度を向上のための機械加工面とした荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項１７】
請求項２ないし請求項１６のいずれか１項において、検出部が２箇所以上にあって、各検出部の検出信号から力の大きさと方向を検出する手段を設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項１８】
請求項１７において、検出部が鉛直方向に離間して２箇所以上あり、これら検出部の検出信号から曲げモーメントによる力と軸方向力を分離して検出する手段を設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項１９】
請求項２ないし請求項１８のいずれか１項において、被検出部の磁歪変化を検出してトルクを検出するトルク検出手段を設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項２０】
請求項１９において、前記トルク検出手段は、被検出部を励磁するコの字型の励磁用ヘッドと、この被検出部を磁歪変化を検出するコ字型の検出ヘッドとを直交して配置したものである荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項２１】
請求項１９において、前記トルク検出手段は、磁歪部からなる被検出部に円周方向に並んで形成されて軸心方向に対して傾斜して延びる溝を検出することでトルクを検出するものである荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項２２】
請求項２ないし請求項１９のいずれか１項、または請求項２１において、前記検出部が、磁性体のヨークにコイルを巻いたものであり、被検出部に対向する外方部材側に被検出部とは一定の隙間を持った状態で検出部のコイルを被検出部と同軸状に配置し、被検出部の軸方向荷重によって生じる磁歪変化を、被検出部全周に渡って前記コイルで検出するものとした荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項２３】
請求項２ないし請求項１８のいずれか１項において、検出部の検出信号から水平方向の曲げモーメントを検出する手段を設け、水平方向の曲げモーメントと車軸軸受の支点中心位置から、車輪用軸受に加わる進行方向荷重を検出する手段を設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項２４】
請求項１ないし請求項２３のいずれか１項において、前記荷重センサから得られる荷重信号の内、ピーク値のみを荷重信号として信号処理する手段を設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項２５】
請求項１ないし請求項２４のいずれか１項において、停車中、または直進走行中の荷重センサの出力を０として荷重センサ出力のオフセットをキャンセルする手段を設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項２６】
請求項２ないし請求項２５のいずれか１項において、検出部内に信号取り出し用の電極を設け、外方部材に検出部を固着した状態で、外方部材の外側から検出部の電極に接触または嵌合させる端子を設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項２７】
請求項２６において、外方部材外側から挿入する端子がコネクタの筐体と一体になっており、コネクタ筐体と外方部材との間に防水用のゴムブッシュを挿入した荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項２８】
請求項２ないし請求項２７のいずれか１項において、検出部が複数に分割されたものであって、それぞれの検出部分割体を外方部材の外側から挿入固定した荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項２９】
請求項１ないし請求項２８のいずれかにおいて、上記荷重センサから得られる荷重信号を車体の姿勢制御に利用する手段を設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項３０】
請求項１ないし請求項２９のいずれか１項において、荷重センサの出力する荷重信号の周波数により路面状態を検出する手段を設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項３１】
請求項１ないし請求項２９のいずれか１項において、回転センサおよび温度センサのうちの両方またはいずれか片方のセンサを設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項３２】
請求項１ないし請求項３１のいずれか１項において、前記荷重センサに給電する手段と、荷重センサの検出信号を送信する手段のうち、少なくとも片方をワイヤレスで行うものとした荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項３３】
請求項２ないし請求項３２のいずれか１項において、上記内方部材が、ハブ輪およびこのハブ輪のインボード側端の外周に設けられた内輪からなり、上記荷重センサが、上記ハブ輪の転走面よりもインボード側の外径部に設けられた磁歪部からなる被検出部と、上記外方部材に設けられて上記被検出部の磁歪変化を検出する少なくとも１箇所以上の検出部とでなる荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項３４】
請求項２ないし請求項１１のいずれか１項、または請求項１３において、上記内方部材が、ハブ輪およびこのハブ輪のインボード側端の外周に設けられた内輪からなり、上記荷重センサが、上記ハブ輪の転走面よりもインボード側の外径部に設けられた磁歪部からなる被検出部と、上記外方部材に設けられて上記被検出部の磁歪変化を検出する少なくとも１箇所以上の検出部とでなり、上記ハブ輪に、上記内輪が嵌合する円筒面状の嵌合面を、転走面よりも小径に形成し、この嵌合面を上記内輪が嵌合する軸方向範囲よりもアウトボード側に延ばし、ハブ輪のこのアウトボード側に延ばした嵌合面の部分に、被検出部となるリング状の磁歪材を固着した荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【請求項３５】
請求項２ないし請求項１３のいずれか１項において、上記内方部材が、ハブ輪およびこのハブ輪のインボード側端の外周に設けられた内輪からなるものとし、上記内輪の外径部における転走面よりもアウトボード側に配置された磁歪部からなる被検出部と、上記外方部材に配置されて上記被検出部の磁歪変化を検出する少なくとも１箇所以上の検出部とでなる荷重センサを設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車輪の軸受部分にかかる荷重を検出する荷重センサを内蔵した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。このような車輪用軸受において、温度センサ、振動センサ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も提案されている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−３４０９２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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サイド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。
【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、車軸軸方向の荷重を検出して運転者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】
この発明は、このような課題を解消し、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検出できる荷重センサ内蔵車輪用軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の荷重センサ内蔵車輪用軸受は、複列の転走面が内周面に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体と、外方部材と内方部材の両端を密封する密封装置とを備え、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、上記外方部材と内方部材間の両側の密封装置により密封された空間に、磁歪変化を検出することで軸受に作用する荷重を検出する荷重センサを設けたことを特徴とする荷重センサ内蔵車輪用軸受。
この構成によると、外方部材と内方部材間の空間に、磁歪変化を検出することで軸受に作用する荷重を検出する荷重センサを設けたため、軸受外にセンサ設置空間を必要とせず、車両にコンパクトに荷重センサを設置することができ、車輪にかかる荷重を検出することができる。
【０００７】
この発明において、前記荷重センサは、内方部材に設けられた磁歪部からなる被検出部と、外方部材に設けられて前記被検出部の磁歪変化を検出する検出部とでなるものであっても良い。前記被検出部は、例えば、内方部材の複列の転走面の中間に位置させる。
この構成の場合、両列の転走面間の空間や部材内部を、被検出部や検出部の配置に有効に利用することができる。そのため荷重センサを軸受内によりコンパクトに設置できる。
【０００８】
この発明において、前記検出部は、コイルを巻いたものであっても良い。コイルは、例えば磁性体のヨークに巻く。この検出部のコイルは、軸方向に磁路を形成するようにヨークに巻かれたものであっても良い。
コイルを用いると、磁歪部からなる被検出部の磁歪変化を簡単な構成で検出することができる。また、内方部材に形成され被検出部と同軸状になるように巻いたコイルからなる検出部を設けることで、車軸の軸方向荷重を検出することも可能となる。
【０００９】
前記ヨークの被検出部に対向する面は、断面円弧状であっても良い。断面円弧状とすることで、被検出部とヨーク先端との隙間を、ヨーク先端面の全体で一定とでき、検出部の検出信号に、隙間のばらつきによる回転同期成分が乗ることが軽減される。
【００１０】
この発明において、前記被検出部は、円周方向に並ぶ複数の溝を有するものであっても良い。この溝は、例えば軸心方向に延びるものとする。
被検出部に溝の並びを設けると、軸方向荷重により発生する磁歪の方向を軸方向に集中させ、感度を高めることができる。特に、前記溝が軸心方向に延びるものであると、磁歪の方向を軸方向に集中させる効果が高く得られる。                                        
【００１１】
前記溝は、軸心方向に対して傾斜して延びるものであっても良い。上記溝が傾斜していると、トルクの検出が可能になる。
【００１２】
上記各構成の溝を設ける場合、その溝の深さは０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。上記溝の形成による感度良好化の作用の実効を得るには、溝の深さは０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１３】
上記溝を設けた場合、この溝を用いて回転信号を検出する回転検出部を設けても良い。  このように、荷重検出のための被検出部の溝を利用することで、エンコーダを別に設けることなく回転検出が行える。このため、荷重検出と回転検出との２種類の検出が行える高機能のものとしながら、車輪用軸受を小型化でき、また部品点数の削減、配線系の簡素化による組み立て性の向上、コスト低下が図れる。
【００１４】
この発明において、前記被検出部は、内方部材の表層に形成されたＦｅ−Ａｌ合金の層であっても良い。Ｆｅ−Ａｌ合金部材によると、被検出部の磁歪特性を大きくでき、荷重センサの検出精度を高めることができる。また被検出部が内方部材の表層に形成された層であると、別部材の被検出部を取付ける必要がなくて、組み立て工程が簡略化される。
【００１５】
前記被検出部は、表面がＦｅ−Ａｌ合金であるクラッド鋼をリング状にした部材とし、内方部材の外周に固着しても良い。固着によると、内方部材に被検出部となる合金層の拡散処理等による形成が不要で、内方部材の製造が簡単となる。
【００１６】
前記のように被検出部を内方部材の表層に形成された合金の層とする場合に、内方部材における被検出部の設けられた軸方向部分の剛性を、内方部材の他の軸方向部分よりも低下させても良い。この場合に、車輪用軸受として要求される剛性を保つ範囲で、剛性を低下させる。これにより被検出部の歪みが大きくなり、感度が向上する。
【００１７】
前記被検出部の設けられた軸方向部分の剛性を低下させる手段は、被検出部の裏側に位置する内方部材の内径面の一部を除肉した除肉部を設けたものであっても良く、また被検出部の設けられた軸方向部分の外径を、この軸方向部分の近傍部分よりも小径としたものであっても良い。いずれの場合も剛性低下のための加工が簡単に行える。
【００１８】
この発明において、被検出部の表面と、検出部のヨークにおける前記被検出部に対向する面のうち、少なくとも片方の面を、研削または切削による互いの同軸度または真円度を向上のための機械加工面としても良い。
検出部には、内方部材の回転による回転同期成分が出力に乗ることがあるが、上記のように同軸度または真円度の精度を向上させると、回転同期による出力への影響を最小限にすることが可能となる。
【００１９】
この発明において、上記検出部が２箇所以上にあり、各検出部の検出信号から力の大きさと方向を検出する手段を設けても良い。この場合も検出部がコイルであって良い。複数箇所に検出部を設置した場合は、それらの検出値の違いから、荷重の大きさだけでなく、荷重方向、例えば曲げ方向などを検出できる。
【００２０】
検出部を２箇所以上設ける場合に、検出部が鉛直方向に離間して２箇所以上あり、これら各検出部の検出信号から曲げモーメントによる力と軸方向力を分離して検出する手段を設けても良い。
鉛直方向に離間して２箇所以上に検出部を設けた場合、次のような検出が行える。車輪に曲げモーメントが加わると、内方部材の上部に設けられた被検出部には引張力または圧縮力が働き、他方、内方部材の下部に形成された被検出部は、上部とは逆の圧縮力または引張力が働く。内方部材の上下にある検出コイル等からなる検出部の磁気抵抗は、引張、圧縮の大きさにより変化し、その変化は車輪にかかる荷重の変化を反映することになる。ここで、上下２つの検出部の磁気抵抗差を取れば、車輪に加わる曲げ荷重およびその方向を検出することができる。
また、内方部材の水平方向に検出コイル等の検出部を追加すれば、車輪に加わる水平方向の曲げ荷重およびその方向を検出することが可能となる。上記各検出コイル等からなる検出部の磁気抵抗を加算すれば、車軸方向にかかる荷重も検出することが可能になる。このように、車輪にかかる曲げモーメントによる力と軸方向力を精度良く検出することができる。
【００２１】
この発明において、被検出部の磁歪変化を検出してトルクを検出するトルク検出手段を設けても良い。トルクを検出できれば、車軸に加わる進行方向荷重に換算も可能である。
【００２２】
前記トルク検出手段は、被検出部を励磁するコ字型の励磁用ヘッドと、この被検出部を磁歪変化を検出するコ字型の検出ヘッドとを直交して配置したものであっても良い。
励磁用ヘッドは交流磁界を発生する。検出ヘッドは、トルクが軸表面に加わった時に交流磁化成分の変化を検出する。交流磁化成分は４５度方向のせん断応力の大きさ、向きによって大きさが変わるため、トルクの検出が可能となる。
【００２３】
前記トルク検出手段は、この他に、被検出部に円周方向に並んで形成されて軸心方向に対して傾斜して延びる溝を検出することでトルクを検出するものであっても良い。
【００２４】
この発明において、前記検出部が、磁性体のヨークにコイルを巻いたものであり、被検出部に対向する外方部材側に被検出部とは一定の隙間を持った状態で検出部のコイルを被検出部と同軸状に配置し、被検出部の軸方向荷重によって生じる磁歪変化を、被検出部全周に渡って前記コイルで検出するものとしても良い。
【００２５】
この発明において、検出部の検出信号から水平方向の曲げモーメントを検出する手段を設け、水平方向の曲げモーメントと車軸軸受の支点中心位置から、車輪用軸受に加わる進行方向荷重を検出する手段を設けても良い。
【００２６】
この発明において、前記荷重センサから得られる荷重信号の内、ピーク値のみを荷重信号として信号処理する手段を設けても良い。
荷重センサの出力における回転同期成分は、内方部材が１回転するごとに、１周期、あるいはそれ以上のセンサ出力変動をもたらす。内方部材は車輪と同じ速度で回っており、同期成分の周波数は低速時の数Ｈｚから高速時の数十Ｈｚ程度まで車速に応じて変化する。この周波数は低いため、センサ信号をローパスフィルタに通しても変動を除去することは難しい。そこで、センサ出力信号のピーク値を検出してその値を荷重信号とすれば、同期成分を完全に除去できる。
【００２７】
この発明において、停車中、または直進走行中の荷重センサの出力を０として荷重センサ出力のオフセットをキャンセルする手段を設けても良い。
コイルを検出部として使用した場合、使用温度環境などにより出力が直流的にオフセットする場合がある。この場合の一つの対応として、停車中、あるいは車軸への荷重負荷が少ない直進走行時などのセンサ出力をゼロとして随時オフセットをキャンセルすれば、精度の良い荷重検出が簡単に行える。
【００２８】
この発明において、検出部内に信号取り出し用の電極を設け、外方部材に検出部を固着した状態で、外方部材の外側から検出部の電極に接触または嵌合させる端子を設けても良い。これより組み立て性が優れたものとなる。
【００２９】
この場合に、外方部材外側から挿入する端子をコネクタの筐体と一体にし、コネクタ筐体と外方部材との間に防水用のゴムブッシュを挿入しても良い。これにより簡単に防水処理が行え、信頼性が向上する。
【００３０】
この発明において、検出部が複数に分割されたものであって、それぞれの検出部分割体を外方部材の外側から挿入固定しても良い。この場合も組み立てが簡単となる。
【００３１】
この発明において、検出部から得られる荷重信号を車体の姿勢制御に利用する手段を設けても良い。検出部から得られる荷重信号は、車体の姿勢変化を的確に反映する信号であるため、この荷重信号を用いることで、車体の姿勢制御が制度良く行える。
【００３２】
この発明において、荷重センサの出力する荷重信号の周波数により路面状態を検出する手段を設けても良い。荷重センサ信号の処理として、荷重信号の周波数、あるいは信号振幅等により路面状態を検出することが可能である。この信号を元にしてステアバイワイヤシステムにおけるリアクションコントロールにも利用することができる。
【００３３】
この発明において、上記検出部の他に、回転センサおよび温度センサのうちの両方またはいずれか片方のセンサを設けても良い。
この場合、軸に作用する荷重だけでなく、回転速度や温度を車輪用軸受から検出することができ、より高度な車両姿勢制御、あるいは異常警報の発信等が行える。これらの複数の検出機能が一つの軸受内に備えられるため、複数種類のセンサを設置するにつき、場所をとらず、また設置作業も容易になる。
【００３４】
この発明において、前記荷重センサに給電する手段と、荷重センサの検出信号を送信する手段のうち、少なくとも片方をワイヤレスで行うものとしても良い。例えば、上記検出部で検出した力信号をワイヤレスで伝送する送信手段を設け、またはワイヤレス給電のための受信部を内蔵車輪用軸受に設ける。ワイヤレス給電には例えば電磁波を用いる。
ワイヤレスで給電や検出信号の送信を行うようにすると、車輪用軸受と車体側のバッテリや制御装置との間の配線を省略でき、配線系が簡素になる。
【００３５】
この発明において、上記内方部材が、ハブ輪およびこのハブ輪のインボード側端の外周に設けられた内輪からなり、上記荷重センサが、上記ハブ輪の転走面よりもインボード側の外径部に設けられた磁歪部からなる被検出部と、上記外方部材に設けられて上記被検出部の磁歪変化を検出する少なくとも１箇所以上の検出部とでなるものとしても良い。
この構成の場合、内方部材に嵌合した軸に加わる荷重の変化に応じて、被検出部となる被検出部の磁歪性が変化し、その磁歪変化を検出部が検出することによって、車輪にかかる荷重が検出される。被検出部は、ハブ輪の転走面よりもインボード側の外径部に形成し、この被検出部と対向して軸受内に検出部を設ければ良いため、軸受外にセンサ設置空間を必要とせず、車両にコンパクトに荷重センサを設置することができる。
【００３６】
この構成の場合に、上記ハブ輪に、上記内輪が嵌合する円筒面状の嵌合面を、転走面よりも小径に形成し、この嵌合面を上記内輪が嵌合する軸方向範囲よりもアウトボード側に延ばし、ハブ輪のこのアウトボード側に延ばした嵌合面の部分に、被検出部となるリング状の磁歪材を固着しても良い。
このように独立した部材の磁歪材を設ける場合、ハブ輪や内輪に被検出部を直接形成しなくて良いので、ハブ輪や内輪の加工が容易になる。また、上記磁歪材は、ハブ輪に設ける内輪の嵌合面を軸方向に延ばし、その延ばした部分に嵌合させるので、磁歪材の組み込みが容易であり、またハブ輪に磁歪材の取付けのための特殊な加工を施す必要がなく、ハブ輪の加工が簡単である。
【００３７】
この発明において、上記内方部材が、ハブ輪およびこのハブ輪のインボード側端の外周に設けられた内輪からなるものとし、上記内輪の外径部における転走面よりもアウトボード側に配置された被検出部からなる被検出部と、上記外方部材に配置されて上記被検出部の磁歪変化を検出する少なくとも１箇所以上の検出部とでなる荷重センサを設けたものとしても良い。
この構成によると、内輪に被検出部を設ける場合に、被検出部を形成する処理において、内輪はハブ輪と比べて小さいので、処理工程を簡単にすることができる。なお、外方部材と内方部材の両端を密封する密封装置を備える場合に、上記被検出部は、上記密封装置で両側の密封装置で密封された空間に配置しても、またこの密封空間の外部に配置しても良い。
【発明の効果】
【００３８】
この発明の荷重センサ内蔵車輪用軸受は、複列の転走面が内周面に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体と、外方部材と内方部材の両端を密封する密封装置とを備え、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、上記外方部材と内方部材間の両側の密封装置により密封された空間に、磁歪変化を検出することで軸受に作用する荷重を検出する荷重センサを設けたため、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検出することができる。上記荷重センサを構成する検出部を複数設ける場合は、車輪にかかる曲げ方向や、軸方向荷重を検出することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図８と共に説明する。この実施形態は第３世代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例である。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２において、この車輪用軸受は、内周に複列の転走面４を有する外方部材１と、これら転走面４にそれぞれ対向する転走面５を有する内方部材２と、これら複列の転走面４，５間に介在させた複列の転動体３とを備える。この車輪用軸受は、複列のアンギュラ玉軸受とされていて、上記各転走面４，５は断面円弧状であり、各転走面４，５は接触角が背面合わせとなるように形成されている。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。
【００４０】
外方部材１は、固定側の部材となるものであって、図１のようにナックル１４に固定するための車体取付フランジ１ａを外周に有し、全体が一体の部材とされている。車体取付フランジ１ａは、車体（図示せず）に設置されたナックル１４に周方向複数箇所のボルト１９で締結される。車輪取付フランジ１ａのボルト挿入孔２１はねじ加工されており、上記ボルト１９は、ナックル１４に設けられた貫通孔を貫通し、ボルト挿入孔２１に先端の雄ねじ部分が螺合する。ボルト挿入孔２１をねじ孔とする代わりに、単にボルト１９が挿通される孔とし、ナット（図示せず）でボルト１９を締め付けるようにしても良い。
【００４１】
内方部材２は、回転側の部材となるものであって、車輪取付フランジ２ａを有するハブ輪２Ａと、このハブ輪２Ａのインボード側の端部外径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１５の外輪１５ａが連結されている。ハブ輪２Ａおよび内輪２Ｂに、各列の転走面５がそれぞれ形成される。ハブ輪２Ａの内径面には、等速ジョイント１５の外輪１５ａに一体に形成された軸部１６が挿通され、軸部１６にナットをねじ込むことで、外輪１５ａがハブ輪２Ａに連結される。ハブ輪２Ａの内径面はスプライン溝が形成されており、軸部１６とはスプライン嵌合する。車輪取付フランジ２ａは内方部材２のアウトボード側端部に位置しており、図１のように、車輪取付フランジ２ａにブレーキロータ１７を介して車輪１８がボルト２０で取付けられている。内輪２Ｂは、ハブ輪２Ａのインボード側端部に設けられた加締部でハブ輪２Ａに軸方向に締め付け固定される。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（図２）で密封されている。
【００４２】
図２に示すように、車輪用軸受の複列の転走面４，５間の軸受空間には、荷重センサ９が配置されている。この荷重センサ９は、被検出部２ｂと、被検出部２ｂの磁歪変化を検出する検出部２２とからなる。被検出部２ｂは、内方部材２に形成される２列の転走面５，５に挟まれた表層部、つまりハブ輪２Ａの転走面５よりもインボード側の外径部に、磁歪特性を付与するための処理により形成される磁歪部からなる。ハブ輪２Ａの材料としては炭素鋼などの構造用鋼が一般的に用いられるが、ここでは磁歪特性を大きくするために、ハブ輪２Ａの表層にＡｌを拡散してＦｅ−Ａｌ合金が形成してある。このようにハブ輪２Ａの一部表層のみをＦｅ−Ａｌ合金層化することで被検出部２ｂを形成することも可能であるが、ハブ輪２Ａの全表面をＦｅ−Ａｌ合金層とした後で、不用な部分を削る方法で形成しても良い。
【００４３】
Ａｌを金属表層に拡散させる方法として、ハブ輪２ＡとＡｌ粉末を入れた密閉容器を９００℃前後に加熱することが行われる。Ａｌ拡散深さは処理方法、時間によって変えることもできるが、数十μｍから１００μｍ程度の範囲で処理される。
Ａｌ拡散処理は、ハブ輪２Ａの母材である構造用鋼に、次第に濃度が濃くなるように傾斜的にＡｌを拡散分布させて行う。これによりハブ輪２Ａの機械的強度を低下させることなく、磁歪特性の高い磁歪拡散層のＦｅ−Ａｌ合金を得ることができる。Ａｌを傾斜的な濃度となるように表面から分布させるために、Ａｌを高温雰囲気下で表面から拡散させることにより、ハブ輪２Ａの母材である鋼材に、表面から中心方向へ緩やかなカーブの濃度曲線を描きながら、次第にＡｌの濃度が薄くなる層を形成することが可能である。この傾斜的濃度の拡散層は、肉盛溶射の場合のようなポアのない均一な合金層に形成され、疲労による早期亀裂の発生が大幅に抑制される。また、熱処理時の割れも発生しない。
【００４４】
また、Ｆｅ−Ａｌ合金のバルク材から作成された磁歪材であれば、脆いために加工性が低下するが、上記の拡散処理によると、ハブ輪２Ａの機械加工終了後にＡｌの拡散処理を行うことにより、通常の鋼材と同じ加工性を有し、生産性が著しく向上する。そのため低コストにできる。
Ｆｅ−Ａｌ合金とされたハブ輪２Ａの表層（被検出部）２ｂを含めて転走面５を含む範囲は、焼入れ処理を施し、さらにその後、Ｆｅ−Ａｌ合金部（被検出部）２ｂの表面をショットピーニングすることにより、残留応力を高めるようにしても良い。
【００４５】
また、Ａｌ拡散層である上記被検出部２ｂは、図３に示すように、Ａｌ拡散層と、非拡散層との境界に周方向溝２ｃを設けても良い。図４（Ａ），（Ｂ）は、上記被検出部２ｂの各例を、図３のIV−IV矢視断面図として示したものである。すなわち、上記被検出部２ｂは、図４（Ａ）のようにハブ輪２Ａの円筒面上にＡｌを拡散したものでも良いが、図４（Ｂ）のようにハブ輪２Ａの表層に予め軸心方向に延びる軸方向溝２ｄを円周方向の複数箇所に設けた後で、Ａｌ拡散処理することにより被検出部２ｂを形成しても良い。図４（Ｂ）のように軸方向溝２ｄを設けた場合には、軸方向荷重により発生する磁歪の方向を軸方向に集中させ、感度を高めることができる。軸方向溝２ｄは切削による方法で行っても良いし、軸方向のローレット加工でも良い。その溝深さは０．１ｍｍから０．５ｍｍ程度にすることが好ましい。
【００４６】
次に上記検出部２２の構造を、図５を参照して以下に説明する。検出部２２は、図５（Ａ）のように、鉛直方向（軸心に対して垂直方向）に離れて上下に２つ設けられ、それぞれコイル巻線２４ａ，２４ｂにより構成される。これらのコイル巻線２４ａ，２４ｂは、それぞれハブ輪２Ａの表面に設けた磁歪部からなる被検出部２ｂの上部と下部に対向配置され、被検出部２ｂの磁歪変化を検出する。ここで、車輪１８を倒すような垂直方向の曲げモーメント荷重が内方部材２に加わると、ハブ輪２Ａの上部に形成された被検出部２ｂには引張力（または圧縮力）が働き、他方、ハブ輪２Ａの下部に形成された被検出部２Ｂには圧縮力（または引張力）が働く。ハブ輪２Ａの上下にあるコイル巻線２４ａ，２４ｂの磁気抵抗は、引張、圧縮の力の大きさにより変化し、その変化は車輪１８にかかる曲げモーメント荷重の変化を反映することになる。ここで、上下２つのコイル巻線２４ａ，２４ｂの磁気抵抗差を算出すれば、ハブ輪２Ａにかかる垂直方向の曲げ荷重を検出できる。また、その２つのコイル巻線２４ａ，２４ｂの磁気抵抗の和を算出すれば、ハブ輪２Ａの軸方向荷重を検出できる。
【００４７】
図５（Ｂ）は、検出部２２の他の構成例を示す。この構成例では、図５（Ａ）の構成例において、さらに被検出部２ｂの左右に２つの検出部２２を対向配置状態に追加したものである。左右の検出部２２は、それぞれコイル巻線２４ｃ，２４ｄからなる。この構成例の検出部２２によると、上下２つのコイル巻線２４ａ，２４ｂで垂直方向の曲げ荷重を検出できるだけでなく、左右２つのコイル巻線２４ｃ，２４ｄで水平方向の曲げ荷重を検出できる。このように、上下左右の４つのコイル巻線２４ａ〜２４ｄを配置した検出部２２では、ハブ輪２Ａにかかる軸方向荷重を、これら４つのコイル巻線２４ａ〜２４ｄから検出される磁気抵抗の変化の和として算出することになる。
【００４８】
図６（Ａ）は図５（Ｂ）に示した構成例の検出部２２の具体的な構造を示す。この検出部２２は、ハブ輪２Ａの外周側に、ハブ輪２Ａと同心状に配置される樹脂製のボビン２５を有し、このボビン２５の外径面の上下左右の各位置から外径方向に突出する各突起部２５ａに、上記した各コイル巻線２４ａ〜２４ｄがそれぞれ巻回されている。コイル巻線２４ａ〜２４ｄを巻回したボビン２５は、その外周から両側部にわたって、図６（Ｂ）に断面図で示すように磁性材からなるリング状のヨーク２６で覆われ、そのヨーク２６の内部にはモールド樹脂が充填される。ヨーク２６は、断面Ｌ字状とされた左右一対のヨーク片２６Ａ，２６Ｂからなり、これら両ヨーク片２６Ａ，２６Ｂで左右から上記ボビン２５を挟み込むことにより、ボビン２５がヨーク２６で覆われる。この検出部２２は、外方部材１の２つの転走面４の間で、かつ、ハブ輪２Ａの表面に形成した被検出部２ｂに対向する位置に圧入固定される。このとき、ヨーク２６の内径部とハブ輪２Ａの被検出部２ｂとの間には、一定の隙間が確保される。外方部材１の内径側に配置される検出部２２の出力は、ケーブル３５により外方部材１の外径側に導出される。
【００４９】
図７は検出部２２の検出信号を処理する処理回路の一例を示す。この処理回路１２は、上下２つのコイル巻線２４ａ，２４ｂを持つ図５（Ａ）の構成例の検出部２２に対応させたものであって、垂直方向の曲げ荷重および軸方向荷重を検出する。
【００５０】
この処理回路１２は、コイル巻線２４ａと抵抗Ｒ１とからなる第１の直列回路部３２と、コイル巻線２４ｂと抵抗Ｒ２とからなる第２の直列回路部３３とを並列に接続したものからなり、第１の直列回路部３２とこれに並列に接続される第２の直列回路部３３とに、発信器２７から数十ｋＨｚの交流電圧が印加される。第１のコイル巻線２４ａにかかる分割電圧は、整流器２８およびローパスフィルタ２９で直流電圧に変換されて差動増幅器３０の第１入力端子に入力される。また、第２のコイル巻線２４ｂにかかる分割電圧も、整流器２８およびローパスフィルタ２９で直流電圧に変換されて、差動増幅器３０の第２入力端子に入力される。差動増幅器３０はこれら２入力の差分を出力する。この出力は、荷重の傾き成分つまり、ハブ輪２Ａにかかる垂直方向の曲げ荷重（曲げ方向）を検出したものとなる。さらに上記２つの入力は、抵抗Ｒ５，Ｒ６を介して加算器３１に入力されて加算される。加算器３１による和出力は荷重の大きさ、つまりハブ輪２Ａの軸方向にかかる荷重を検出したことになる。加算情報を追加することで、曲げ方向を含む曲げ荷重の大きさと、軸方向に働く荷重を精度良く検出することができる。
【００５１】
これらの出力は、車輪用軸受から離れた車体の一部に設けた回路基板上で処理しても良いし、ナックル１４に固定される車体取付フランジ１ａに回路基板を固定し、この回路基板で処理しても良い。また、車体取付フランジ１ａに回路基板を固定した場合、そこで処理された荷重情報は、送信手段３４（図１）によって車体側の受信手段にワイヤレスで送信することも可能である。この場合、回路基板への電力供給もワイヤレスで行われる。
【００５２】
図８は検出部２２の検出信号を処理する処理回路の他の例を示す。この処理回路１２Ａは、上下左右４つのコイル巻線２４ａ〜２４ｄを持つ図５（Ｂ）の構成例の検出部２２に対応させたものであって、垂直方向と水平方向の曲げ荷重、及び軸方向荷重を検出する。      
【００５３】
この処理回路１２Ａによる水平方向の曲げ荷重の検出方法は図７の場合と同様である。また、軸方向荷重を得るために、これら４つのコイル巻線２４ａ〜２４ｄから得られるローパスフィルタ２９の後の信号を、抵抗Ｒ５〜Ｒ８を介して加算器３１の入力端子に入力すれば、ハブ輪２Ａの軸方向にかかる荷重を検出したことになる。この場合にも、加算情報を追加することで、曲げ方向を含む曲げ荷重の大きさと、軸方向に働く荷重を検出することができる。
【００５４】
このように、この実施形態の車輪用軸受では、複列の転走面４，５に挟まれる空間に荷重センサ９を配置したので、車両にコンパクトに荷重センサ９を設置でき、ハブ輪２Ａに曲げ荷重、または圧縮力や引張力として荷重が作用したとき、荷重センサ９の出力が変化することから、車輪１８にかかる荷重の変化を検出できる。したがって、この荷重センサ９の出力変化を情報として取込み、事前にサスペンション等を制御することにより、車両走行時の姿勢制御、例えば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現象防止、左右傾斜走行時の片寄り防止、積載荷重不均等による沈み込み防止等の制御を行うことができる。
【００５５】
また、上記荷重センサ９は、荷重により電気的特性の変化する荷重感知体として、磁歪効果の大きなＦｅ−Ａｌ合金処理を施して用いているので、ハブ輪２Ａに作用する荷重検出が容易に、かつ、感度良く行えると共に、荷重検出信号の処理回路１２，１２Ａも、図７、図８のように簡単に構成できる。
【００５６】
さらに、磁歪効果の大きなＦｅ−Ａｌ合金は硬くて脆いが、構造用鋼の表面の一部にＡｌを拡散処理して、Ｆｅ−Ａｌを成形したので、機械的強度は構造用鋼と同等であり、強度的劣化はない。
【００５７】
また、この実施形態では、荷重センサ９の荷重検出信号をワイヤ３５（図２）を介して送信するようにしているが、送信手段３４（図１，図２に鎖線で示す）によりワイヤレスで送信するようにしても良い。この場合には、荷重検出信号を取込む車体側の制御装置と荷重センサ９との間の配線を省略でき、荷重センサ９の設置をよりコンパクトに行うことができる。
【００５８】
図９は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態の車輪用軸受では、図１〜図８に示した第１の実施形態において、磁歪部からなる被検出部２ｂをハブ輪２Ａの表面に設けた構成に代えて、磁歪部からなる被検出部２ｂを内輪２Ｂの外径部における転走面５よりもアウトボード側に設けたものである。その他の構成は第１の実施形態の場合と同様である。
【００５９】
この実施形態の場合、内輪２Ｂに被検出部２ｂを形成するＡｌ拡散処理において、内輪２Ｂはハブ輪２Ａと比べて小さいので、処理工程が簡単になる。
【００６０】
図１０は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の車輪用軸受では、図１〜図８に示した第１の実施形態において、ハブ輪２Ａに、内輪２Ｂが嵌合する円筒面状の嵌合面２ｅを、転走面５よりも小径に形成し、この嵌合面２ｅを内輪２Ｂが嵌合する軸方向範囲よりもアウトボード側に延ばし、ハブ輪２Ｂのこのアウトボード側に延ばした嵌合面２ｅの部分に、リング状の磁歪材２３を圧入したものである。リング状の磁歪材２３は、その表層にＡｌ拡散層を形成してなる被検出部２ｂを有する。この磁歪材２３は、ハブ輪２Ａとの接触面をレーザ溶接することによりハブ輪２Ｂに固定しても良い。
【００６１】
この実施形態の場合、ハブ輪２Ａや内輪２Ｂに被検出部２ｂを直接形成しなくて良いので、ハブ輪２Ａや内輪２Ｂの加工が容易になる。
【００６２】
なお、図９，１０の実施形態において、Ａｌ拡散層からなる被検出部２ｂには、図３に示したような円周方向溝２ｃや、図４（Ｂ）に示したような軸方向溝２ｄを形成しても良い。
【００６３】
図１１は、図５に示した検出部２２の変形例である。この検出部４３は、磁路を軸方向に沿って形成するようにコの字型のヨーク４０を配置する。ヨーク先端４０ａは、ハブ輪２Ａの表面に形成された磁歪部からなる被検出部２ｂの外周面に周方向に沿って対向するように円弧状を成しており、被検出部２ｂとヨーク先端４０ａとは一定の隙間を保っている。図１１（Ａ）のＹＹ断面に相当する２種類のコイル巻線仕様例を、図１１（Ｂ），（Ｃ）にそれぞれ示す。図１１（Ｂ）の例では、ヨーク４０の被検出部２ｂに接しない面４０ｂにコイル巻線４１が巻回される。また、図１１（Ｃ）に示す例では、被検出部２ｂに接するヨーク先端４０ａを含む面にコイル巻線４１を設けている。
【００６４】
これら図１１（Ｂ），（Ｃ）の各例では、コイル巻線４１を施したヨーク４０を、同図（Ａ）のように上下左右の４箇所に同様に配置する。これら各コイル巻線４１を施したヨーク４０は、図１２に示す検出部４３として成形する。この検出部４３において、ヨーク４０は、円環状部材であって断面Ｌ字状とされた左右一対の金属ケース４２ａ、４２ｂで挟持され、その後で樹脂等によって固着位置決めされている。この検出部４３は、外方部材１の内径面に圧入などによって固着される。金属ケース４２ａ、４２ｂの材質としては非磁性が好ましい。
【００６５】
このようなヨーク形状にしてコイル巻線４１に交流電流を流すと、被検出部２ｂには軸方向に沿った磁路が形成されるため、ハブ輪２Ａに曲げモーメントが加わって被検出部２ｂの軸方向に生じる歪を感度良く検出できる。この例においても信号の処理回路は図７，図８と共に前述した各例のものが使用できる。なお、磁歪部からなる被検出部２ｂの表面に軸方向に延びる軸方向溝が無い例で説明したが、図１１，図１２の例においても、被検出部２ｂの表面の軸方向溝があっても良く、ある方が感度は高くなる。
【００６６】
図１３は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態において、特に説明する事項の他は、図１ないし図８と共に説明した第１の実施形態と同様である。
磁歪特性に優れた材料としてＦｅ−Ａｌ合金のバルクが知られているが、脆いことが難点である。この課題を解決する手段として、図１３（Ａ）の例では、磁歪部からなる被検出部２ｂを構成する手段として、Ｆｅ−Ａｌのクラッド鋼からなるリング状の磁歪部材４４をハブ輪２Ａの嵌合面２ｆの部分に圧入している。Ｆｅ−Ａｌクラッド鋼は、アルミニウムを５質量％以上で１７質量％以下含み、かつ残部に鉄および不可避不純物を有する合金層を、鋼製部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成した磁歪材である。リング状の磁歪部材４４は、図１３（Ｂ）に示すように、その内径部を炭素鋼からなる母材４４ｂ、たとえばＳ４５Ｃとし、その外径部に１３質量％のアルミニウムを含む合金層からなる磁歪材部分４４ａを形成したものを、リング状に加工し、全体を焼入れ後、必要な個所に研削加工を行ってからハブ輪２Ａの嵌合面２ｆに圧入される。圧入後、被検出部２ｂとなるリング状磁歪部材４４とハブ輪２Ａとの境界部をレーザ溶接して一体化しても良いが、溶接に際しては、ハブ輪２Ａとリング状磁歪部材４４の母材４４ｂとを溶接するようにしても良い。溶接以外の方法としては、拡散接合等が利用できる。
【００６７】
図１３（Ｃ）のように、被検出部２ｂとなるリング状磁歪部材４４は、磁歪材部分４４ａの表面に、軸方向溝４４ｄがあっても、また、合金層表面をショットピーニングして残留応力を高めるようにしても良い。
【００６８】
Ｆｅ−Ａｌクラッド鋼はＦｅ−Ａｌバルクに比べて強度的にも強く、炭素鋼からなる母材４４ｂとの接合強度も強いため、荷重検出のための被検出部２ｂとして使用することができ、また、磁歪特性に優れているため感度の向上が期待できる。なお、上記のようなクラッド鋼の内、母材部分がないＦｅ−Ａｌ合金層だけからなるリング状の磁歪材４４をハブ輪２Ａに固着し、被検出部２ｂとしても構わない。
【００６９】
図１３（Ａ）に示すように、被検出部２ｂとなる磁歪材部分４４ａに対向する形で、コイルからなる検出部４３が配置される。検出部４３は、例えば図１１，図１２に示した例のものであっても、図５，図６のものであってもよい。この場合に、コイル巻線４１がそれぞれ１８０度対向して配置したもの同士の磁気抵抗差を検出すれば、それぞれの曲げモーメントを検出することができるが、ハブ輪２Ａの回転に伴う回転同期成分が出力に乗ることがある。図１４に回転同期成分が同乗した場合の出力例を示す。これは、図１３のハブ輪２Ａの磁歪部からなる被検出部２ｂの真円度、被検出部２ｂに対向するヨーク先端４０ａの真円度、被検出部２ｂとヨーク先端４０ａとの同軸度の精度が影響を与え、被検出部２ｂとヨーク先端４０ａの隙間が安定しないことが原因となる。これらを解決するため、被検出部２ｂの表面を研削し、あるいはヨーク４０を外方部材１の内径側に圧入した後、ヨーク先端４０ａの内径部を研削するなどして精度を高めれば、回転同期による出力への影響を最小限にすることが可能となる。ここでは図１３（Ａ）の図を元にして説明しているが、図１３以前に示した各実施形態についても適用可能である。
【００７０】
回転同期成分の除去をするため、検出部４３のヨーク４０やそれに対向する被検出部２ｂの研削を行う例を上で述べたが、回路上の処理で補正することも可能である。図１４を用いてその補正手段を説明する。回転同期成分はハブ輪２Ａが１回転するごとに１周期、あるいはそれ以上のセンサ出力変動をもたらす。ハブ輪２Ａは車輪と同じ速度で回っており、同期成分の周波数は低速時の数Ｈｚから高速時の数十Ｈｚ程度まで車速に応じて変化する。この周波数は低いため、センサ信号をローパスフィルタに通しても変動を除去することは難しい。そこで、センサ出力信号のピーク値を検出してその値を荷重信号とすれば、同期成分を完全に除去できる。ピーク値を検出する手段としては、検出部４３の後段に設けたピーク検出部４５を用いて荷重信号の補正処理を行うものが採用できる。ピーク検出部４５の内部では、センサ信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵに取り込み、データ処理によってピーク値を検出する回路が内蔵されている。あるいは、アナログ回路でピーク値を１同期成分ごとに検出する構成であっても実現は可能である。
【００７１】
また、コイルを検出部４３として使用した場合、使用温度環境などにより出力が直流的にオフセットする場合がある。２つのコイル出力の差を取る、あるいは温度センサからの情報を元に補正する手段を前にも述べたが、それ以外の方法として、オフセットキャンセル手段７１（図１４）を設け、この手段７１により、停車中、または車軸への荷重負荷が少ない直進走行時などのセンサ出力をゼロとして随時オフセットをキャンセルするようにしても良い。
【００７２】
図１５は、図１３の実施形態において、被検出部２ｂを利用して回転検出を行う機能を追加した例を示す。車輪用軸受には回転検出を行う機能を付加するのが一般的になってきており、回転信号はＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）等の走行安全性を向上させる制御に用いられている。同図の例は、この回転検出機能を、磁気エンコーダ等の部品を追加することなく実現するものである。ここでは、荷重を検出するために設けた被検出部２ｂの磁歪部表面に形成した軸方向溝４４ｄの凹凸をエンコーダとして用いている。被検出部２ｂの円周上に複数配置された荷重センサ用のヨーク４０と同じ周方向の隙間に、被検出部２ｂとは一定の隙間を持って、検出部４３内に回転検出部４６を埋設する。回転検出部４６は、図１６に示すようにフェライトからなるヨーク４７とその内側にリング状に巻いたコイル４８とからなる。この回転検出部４６はギャップセンサとして機能し、ハブ輪２Ａが回転することで、被検出部２ｂの表面上にある軸方向溝４４ｄの有無を検出することが可能となる。
【００７３】
図１７は回転検出をするための回路例である。この回路は、数十ＫＨｚでコイル４８を励磁して、コイル４８とコンデンサ４９との共振回路を構成している。ハブ輪２Ａの回転に伴って、軸方向溝４４ｄの有無により回路上のＡ点では信号振幅が変化し、その後、整流、平滑処理すれば、矩形の回転信号を得る（回路上のＢ点）。同図中に各点Ａ，Ｂの信号波形を併記する。
なお、回転検出するためのセンサとしてはこれに限定されるものではなく、これ以外にホールセンサと磁石を用いたギヤートゥースセンサなどが利用可能である。このように１つの被検出部２ｂから２種類の信号を検出できれば車軸用軸受の小型化に貢献できる。また、配線で信号を引き出す場合に、１ヶ所に集約できるため組立時のコネクタ接続を減らすことも可能となる。
【００７４】
また、回転検出部４６の埋設個数は１個に限定されるものではなく、回転出力位相差を９０度として２個埋設しても構わない。このように９０度位相差の回転信号が検出できれば、自動車の進行方向が分かるため、坂道などでの後退を検出することが可能となり、ヒルホールドなどにも制御範囲が広がる。この例では図１５に示すＦｅ−Ａｌからなるリング状磁歪部材４４をハブ輪２Ａに固着した実施形態で説明してきたが、磁歪層からなる被検出部２ｂをハブ輪２Ａに直接に形成し、その表面に軸方向溝を加工したものであっても良い。
【００７５】
図１８，図１９は、この発明のさらに他の実施形態を示す。上記の各説明では、荷重検出として曲げモーメントを主に検出する方法を取り上げ、軸方向荷重の検出が必要な場合には複数の検出部からの出力値を元に算出する例を述べたが、図１８，図１９の各例は、軸に作用する荷重を直接に検出する構成のものである。なお、これら図１８，図１９では外方部材１および内方部材２を模式化して示している。
【００７６】
図１８の例では、磁歪部からなる被検出部２ｂには周方向に渡って複数の軸方向に延びた軸方向溝２ｄが等間隔で形成され、その深さは０．５ｍｍ程度ある。
検出部５３は、被検出部２ｂに対向する外方部材１の内径側に被検出部２ｂとは一定の隙間を保った状態で固着される。コイル５０は樹脂からなるボビン５１に被検出部２ｂとは同軸状になるように巻回される。そのボビン５１は、磁性材からなるヨーク５２で保持され、外方部材１の内径側に圧入固着される。なお、最終的にコイル５０は樹脂モールド等によって固着しても良い。
同図の例では、軸方向荷重によって軸方向溝２ｄに生じる軸方向の磁歪変化を磁歪層全周に渡ってコイル５０で検出する。
【００７７】
図１９は、前述の軸方向溝２ｄを軸に対して４５度傾斜した溝２ｅとしたものであり、検出部５３の構造は図１８の例と同じである。この構造はトルクセンサとして働き、被検出部２ｂにトルクが加われば、４５度方向のせん断応力により透磁率が微小に変化し、検出部５３のコイル５０を用いてインピーダンス変化として捉えられる。この出力がトルク値となる。ハブ輪２Ａには図示しないタイヤが固定されており、ブレーキ時やスリップ時などの走行状況に応じたトルクを検出することが可能となる。
【００７８】
図２０は、図１８，図１９に示す軸方向荷重やトルクを検出する場合の処理回路１２の構成例である。コイル５０が１個のため、コイル５０に相当する部分を抵抗Ｒ３に置き換えて差動を取る方式である。
【００７９】
なお、図１９に示す実施例の場合、図示はしないが、軸に対して±４５度方向の溝をハの字になるように形成し、それぞれの溝ごとにコイルを対向して配置しても構わない。
【００８０】
図２７はトルク検出手段のその他の変形例である。ハブ輪２Ａ上に形成された磁歪層からなる被検出部２ｂの表面には、コの字型の励磁用ヘッド６０とコの字型の検出ヘッド６４とを各々直交配置し、それらのヘッド６０，６４と被検出部２ｂとは非接触で一定の隙間を保った構成をなす。なお、この例の場合には被検出部２ｂの表面には溝は成形されていない。励磁用ヘッド６０は、コの字型をしたヨーク６１とそれに多回巻きされた励磁用のコイル６２からなり、コイル６２は外付けの励磁用電源６３によって交流磁界を発生する。検出ヘッド６４は、コの字型のヨーク６５に検出用のコイル６６が多回巻きされており、トルクが軸表面に加わった時に交流磁化成分の変化を検出する。交流磁化成分は４５度方向のせん断応力σの大きさ、向き、によって大きさが変わるため、同図の構成によりトルクの検出が可能となる。
【００８１】
図１９、あるいは図２７に示した方式でトルクを検出すると、ここで得られたトルクＴとタイヤ半径Ｒから、進行方向の荷重Ｆを検出できる。すなわち、Ｆ＝Ｔ／Ｒである。
【００８２】
図２１は、車体上部からタイヤ１０２と車軸用軸受１０１の構成を見た図である。水平方向の曲げモーメントＭから進行方向のタイヤ支点Ｏに加わる荷重Ｆを算出する場合、車軸用軸受１０１の支点Ｐと荷重Ｆの支点Ｏまでの距離Ｙから計算（Ｆ＝Ｍ／Ｙ）できる。同図の進行方向荷重検出手段７３は、このような進行方向の荷重Ｆの演算を行う手段である。なお、水平方向の曲げモーメントＭが小さい場合には、トルクを検出して進行方向荷重Ｆを算出する方式の方が感度的に大きい出力が得られる。進行方向荷重検出手段７３は上記のトルク検出により進行方向荷重Ｆを算出するものとしても良い。進行方向荷重検出手段７３は、例えば自動車のコンピュータ等からなる電気制御ユニット（ＥＣＵ）に設けられる。
【００８３】
なお、図１８，図１９に示した荷重センサおよびトルクセンサとしての２つの検出機能を、図２２に示すように１つの車輪用軸受に組み込んでも構わない。また、図２２に示すトルクセンサの部分を図２７に示す構成にしても構わない。さらに、磁歪部である被検出部２ｂは、ハブ輪２Ａと一体に成形しても良いし、これとは別体の磁歪材料、たとえばクラッド鋼やＡｌ拡散鋼材をリング状に加工したものをハブ輪２Ａに固着結合しても良い。このようにすることで、車輪用軸受に加わる軸方向荷重とトルクまたは進行方向荷重が検出可能となり、自動車の走行安定性制御や、ステアバイワイヤ時のリアクションコントロールにこれらの信号を用いることができる。
【００８４】
図２３（Ａ），（Ｂ）は、被検出部２ｂとしてＡｌ拡散法を用いた場合の、荷重検出感度を高めた各実施形態をそれぞれ示す。これらの実施形態は、いずれも、車軸用軸受として要求される剛性を保つ範囲で、被検出部２ｂのある軸方向部分の剛性を他の部分よりも低下させることで感度を向上させたものである。
図２３（Ａ）の例では、ハブ輪２Ａにおける検出部２ｂの内径側に相当する部分を除肉して除肉部２ｇとしている。また、図２３（Ｂ）の例では、被検出部２ｂの外径寸法を、段差２ｈをもって小径化している。このように剛性を低下させることで、磁歪部である被検出部２ｂに加わる応力が増すため、磁歪効果が高まり、結果として出力ゲインが向上する。
図２３（Ａ），（Ｂ）の実施形態におけるその他の構成，効果は、図１ないし図８に示した第１の実施形態と同様である。
【００８５】
図２４（Ａ），（Ｂ）は、検出部５３から配線を取り出す構成の各具体例をそれぞれ示す。図２３の例では、検出部５３を外方部材１の内径部に圧入等で固着する際、外方部材１に設けた貫通穴１ｂに配線を予め通しておくか、あるいは、圧入後に配線を外に導き出す処理をしなければならない。そのため、検出部５３の圧入作業では組立性が今一つ良くない。そこで、図２４に示す構成を案出した。
【００８６】
図２４（Ａ）に示す例では、検出部５３内のコイル５０の終端部を圧入時に邪魔にならない位置に電極５４として露出させ、この状態で検出部５３を外方部材１の内径部に圧入固着する。その後、外方部材１の外側から検出部５３に設けた電極５４に向けて貫通孔１ｂ内に端子５５を差し込み、電極５４に接触または嵌合させることで、検出部５３内の信号を外部に取り出す構造にした。その端子５５はコネクタ筐体５６と一体とし、コネクタ筐体５６と外方部材１との間に防水用のゴムシートまたはＯリング等からなるパッキン５７を挿入して防水性を高めても良い。なお、電極５４と端子５５との導通性を高めるため、端子５５内にスプリング等からなる押し付け機構（図示なし）を内蔵しても良いし、図２４（Ｂ）に示すように電極をＵ字型接点５４ａとして、そのＵ字型接点５４ａの内部に端子５５を嵌合させても良い。電極５４や端子５５の導通性を高めるため、金メッキ等の処理をすれば信頼性が向上する。
【００８７】
図２５は、図１１の実施形態に示すように検出部４３が複数に分割されている場合の固着構造の例である。図２５では、それぞれの検出部４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３Ｄを独立した形で成形した後、外方部材１に設けた貫通穴１ｃの外側から挿入固定している。この例の場合にも、検出部４３Ａ〜４３Ｄと外方部材１との間にゴムシートまたはＯリング等からなるパッキン５７を介在させても良い。
【００８８】
図２４，図２５にそれぞれ示した構造では、外方部材１の外側から検出部４３を固着でき、または外方部材１の外側から端子５５の接続が行えるため、組立性が向上し、配線部の防水処理が簡単になる効果がある。
【００８９】
図２６は、さらに配線を無くして組立性を向上させる例を示す。同図は、信号の送信、電力の給電をワイヤレスで行う例である。ここでは軸方向荷重を検出する図を例として説明する。従来は給電と信号送信は配線を介して有線で行っているが、検出部５３に対する給電と送信の内、両方、またはいずれか片方をワイヤレスで行うようにしても良い。同図の例では、検出部５３のコイルからの出力信号を端子５５によって、外部に設けたコネクタ筐体５６まで導き出す。コネクタ筐体５６内には検出処理回路、送信手段、給電手段からなるワイヤレスセンサユニット５８を埋設してあり、これとは離れた位置であって車体側に設置した電力送信部を含むセンサ信号受信機５９との間でセンサ信号の伝達、および電力の供給をワイヤレスで行う。これらのセンサ信号の伝達および電力の供給は、例えば電磁波で行う。
【００９０】
有線、ワイヤレスを問わず、荷重検出した信号は車体側に設けた図示しない電気制御ユニット（ＥＣＵ）７２に送られ、そこで自動車の安全走行を確保するための制御が行われる。電気制御ユニット７２における荷重センサ信号の処理手段の例として、荷重信号の周波数、あるいは信号振幅等により路面状態を検出する手段７４を設けても良く、この荷重信号あるいは路面状態検出信号を元にしてステアバイワイヤシステムにおけるリアクションコントロールにも利用できる。また、電気制御ユニット７２における荷重センサ信号の処理手段の他の例として、後輪操舵等により車体の姿勢を制御する手段７５を設けても良い。
【００９１】
以上の各実施形態における構成と作用，効果の関係につき、まとめ直して列挙する。
・この荷重センサ内蔵車輪用軸受は、複列の転走面４が内周面に形成され外周に車体取付フランジ１ａを有する外方部材１と、この外方部材１の転走面４と対向する転走面５を形成した内方部材２と、両転走面４，５間に介在した複列の転動体３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、内方部在２にある２つの転走面５の間に磁歪特性に優れた磁歪部からなる被検出部２ｂを形成し、それと対向する位置に検出部２２，４３，５３を備え、車輪に作用する荷重を検出する荷重センサ９を設置したため、車両にコンバクトに荷重センサ９を設置できる。車体取付フランジ１ａに圧縮力や引張りカとして荷重が作用したときに、荷重センサ９の出カが変化することから、車輪にかかる荷重の変化を検出できる。
・上記荷重センサ９から得られる荷重を電気的に処理することにより、車輪にかかる曲げ方向を含めた荷重や軸方向荷重、あるいはトルク検出結果を元にして進行方向の荷重を検出することができる。
・また、車軸とステアリングが機械的に結合しないステアバイワイヤシステムでの、運転手が握るハンドルに路面情報を伝達するための制御にも利用することが可能である。
【００９２】
・内方部材２に形成され磁歪部からなる被検出部２ｂと同軸上になるように巻いたコイルからなる検出部５３（図１８）を設けた場合は、車軸の軸方向加重も検出可能となる。この場合、磁歪部表面に軸方向溝２ｄ（図１８）を設けても良い。
・ここで、得られた軸方向荷重は、上記ステアバイワイヤのように車軸とステアリングが機械的に結合しないシステムで、運転手が握るハンドルに路面情報を伝達するためのセンサ情報として使用することができる。
・また、磁歪部からなる被検出部２ｂの表面に軸方向溝と、軸に対して45度の傾斜をなす溝とをそれぞれ並列配置して、それぞれの溝部に対向する位置に軸と同心円状のコイル巻き線からなる磁気検出部を設けて、軸方向荷重とトルクを同時に検出することも可能である。なお、トルクを検出できれば、車軸に加わる進行方向荷重に換算も可能である。
【００９３】
なお、図示はしないが、上記各実施形態において、上記した荷重センサ９のほか、回転センサおよび温度センサのうちの両方、またはいずれか片方のセンサを設けても良い。
さらに、上記各実施形態は、いずれも内方部材２がハブ輪２Ａと一つの内輪２Ｂとからなるものとしたが、この発明は、内方部材２がハブ輪と複列の内輪からなるものや、ハブ輪と等速ジョンイント外輪からなる第４世代の車輪用軸受等にも適用することができる。      
【００９４】
また、上記各実施形態では、磁歪効果を用いた荷重センサを車軸用軸受に内蔵した構成について述べ、また磁歪部からなる被検出部２ｂを軸受の転走面５と転走面５の間に配置した例を用いて説明してきたが、磁歪部からなる被検出部２ｂおよびこれに対向する検出部からなるセンサの配置は、これにこだわるものではなく、応力を検出できる場所であればその他の場所であっても構わない。
【００９５】
例えば、被検出部２ｂは必ずしも内方部材２に設けなくても良く、磁歪部からなる被検出部２ｂと、この被検出部２ｂの磁歪変化を検出する検出部２２，４３，５３とは、外方部材１と内方部材２のうちのいずれか片方の部材に被検出部２ｂを設け、他方の部材に検出部２２，４３，５３を設ければ良く、さらに被検出部２ｂおよび検出部２２の両方を、外方部材１と内方部材２のうちのいずれか片方の部材に共に設けても良い。例えば、被検出部を断断面形状が溝形のリング状のものとし、その内にコイルからなる検出部を設けても良い。上記いずれの場合も、外方部材１と内方部材２のいずれが静止側でいずれか固定側であっても良いが、検出部２２，４３，５３は、配線の都合上、外方部材１と内方部材２のうちの静止側の部材に設けることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる荷重センサ内蔵車輪用軸受による駆動輪支持構造を示す断面図である。
【図２】同荷重センサ内蔵車輪用軸受の断面図である。
【図３】同荷重センサ内蔵車輪用軸受における被検出部の拡大断面図である。
【図４】（Ａ）は図３における被検出部のIV−IV矢視断面図、（Ｂ）は被検出部の他の例を示すIV−IV矢視断面図である。
【図５】被検出部に対向配置するコイル巻線を４個とした例を示す断面図である。
【図６】（Ａ）は検出部の構造を示す断面図、（Ｂ）は同検出部の一部を示す断面図である。
【図７】処理回路の構成例を示す回路図である。
【図８】処理回路の他の構成例を示す回路図である。
【図９】この発明の他の実施形態にかかる荷重センサ内蔵車輪用軸受を示す断面図である。
【図１０】この発明のさらに他の実施形態にかかる荷重センサ内蔵車輪用軸受を示す断面図である。
【図１１】（Ａ）は被検出部に対向配置する検出部のコイル巻線の変形例の断面図、（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ同図（Ａ）のＹ−Ｙ線における各仕様例の断面図である。
【図１２】同検出部の断面図である。
【図１３】（Ａ）はこの発明のさらに他の実施形態にかかる車輪用軸受の断面図、（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ車輪用軸受における被検出部の各種の例を示す断面図である。
【図１４】センサ出力例とその検出を行う回路等の説明図である。
【図１５】荷重の検出部に回転検出部を設けた例の断面図である。
【図１６】その回転検出部の拡大断面図である。
【図１７】同回転検出部の検出信号の処理回路の例を示す回路図、同回路図の各部の波形図である。
【図１８】被検出部と検出部のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図１９】被検出部と検出部のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図２０】処理回路の回路図である。
【図２１】進行方法荷重の計算のためのタイヤと車輪用軸受の関係を示す説明図である。
【図２２】被検出部と検出部のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図２３】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれこの発明のさらに他の実施形態となる各車輪用軸受の部分断面図である。
【図２４】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ検出部の配線接続形態の各例を示す断面図でなる。
【図２５】外方部材への分割された検出部の組み立て構造を示す断面図である。
【図２６】検出部に対するワイヤレス給電および検出信号のワイヤレス送信、並びに検出信号の処理手段の概念構成を示す説明図である。
【図２７】トルク検出を行う検出部の例の斜視図である。
【符号の説明】
【００９７】
１…外方部材
２…内方部材
２ｂ…被検出部
２ｄ…軸方向溝
２ｅ…嵌合面
２Ａ…ハブ輪
２Ｂ…内輪
４…外方部材の転走面
５…内方部材の転走面
７，８…シール（密封装置）
９…荷重センサ
１２，１２Ａ…処理回路
１８…車輪
２２…検出部
２３…磁歪材
３４…送信手段
４０…ヨーク
４０ａ…ヨーク先端
４１…コイル
４３…検出部
４３Ａ〜４３Ｄ…分割された検出部
４４…磁歪部材
４４ａ…磁歪材部分
４４ｂ…母材
４５…ピーク検出部
４６…回転検出部
５３…検出部
５４…電極
５５…端子
６０…励磁用ヘッド
６４…コの字型の検出ヘッド
７１…オフセットキャンセル手段
７２…電気制御ユニット
７３…進行方向荷重検出手段
７４…路面状態検出手段
７５…姿勢制御手段
【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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【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】
2005043336.tif 000019
【図１８】
2005043336.tif 000020
【図１９】
2005043336.tif 000021
【図２０】
2005043336.tif 000022
【図２１】
2005043336.tif 000023
【図２２】
2005043336.tif 000024
【図２３】
2005043336.tif 000025
【図２４】
2005043336.tif 000026
【図２５】
2005043336.tif 000027
【図２６】
2005043336.tif 000028
【図２７】
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