(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複列の転走面が内周に形成された外方部材と、上記転走面と対向する転走面を外周に形成した内方部材と、両部材の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、
上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の外径面に、この外径面に接触して固定される２つの接触固定部を有する歪み発生部材およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出するセンサを有するセンサユニットを設け、このセンサユニットの前記２つの接触固定部は互いに前記固定側部材の円周方向における同位相の位置に互いに軸方向に並べて配置したことを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
【請求項２】
請求項１において、前記２つの接触固定部のうちの一つの接触固定部は、前記複列の転走面のうちのアウトボード側の転走面の周辺となる軸方向位置に、他の一つの接触固定部は前記一つの接触固定部よりもさらにアウトボード側に配置した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、前記固定側部材が外方部材であるセンサ付車輪用軸受。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記センサユニットの前記歪み発生部材は切欠き部を有し、前記切欠き部の周辺に前記センサを設けたことを特徴とする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、前記固定側部材の外周に、ナックルに取付ける車体取付用のフランジが設けられ、このフランジの円周方向複数箇所にボルト孔が設けられ、前記フランジは各ボルト孔が設けられた円周方向部分が他の部分よりも外径側へ突出した突片とされ、前記センサユニットは、隣合う前記突片の間の中央に配置したことを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記センサユニットの１つは、タイヤ接地面に対して外方部材の外径面の上面部に設けたことを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記センサの出力信号の絶対値、および前記出力信号の平均値、および前記出力信号の振幅のうちの、少なくともいずれか一つにより、車輪用軸受に作用する荷重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８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記センサユニットは、車輪用軸受に作用する上下方向の荷重を検出するものであることを特徴とする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】
自動車の各車輪にかかる荷重を検出する技術として、車輪用軸受の外輪フランジの外径面の歪みを検出することにより荷重を検出するセンサ付車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１）。また、固定輪のフランジ部と外径部にわたってＬ字型部材からなる歪み拡大機構を取付け、その歪み拡大機構の一部に歪みゲージを貼り付けた車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献２）。
【特許文献１】特開２００２−０９８１３８号公報
【特許文献２】特開２００６−０７７８０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に開示の技術では、固定輪のフランジ部の変形により発生する歪みを検出している。しかし、固定輪のフランジ部の変形には、フランジ面とナックル面の間に、静止摩擦力を超える力が作用した場合に滑りが伴うため、繰返し荷重を印加すると、出力信号にヒステリシスが発生するといった問題がある。
例えば、車輪用軸受に対してある方向の荷重が大きくなる場合、固定輪フランジ面とナックル面の間は、最初は荷重よりも静止摩擦力の方が大きいため滑らないが、ある大きさを超えると静止摩擦力に打ち勝って滑るようになる。その状態で荷重を小さくしていくと、やはり最初は静止摩擦力により滑らないが、ある大きさになると滑るようになる。その結果、この変形が生じる部分で荷重を推定しようとすると、出力信号に図５のようなヒステリシスが生じる。
また、特許文献２に開示の技術においても、Ｌ字型部材からなる歪み拡大機構のフランジ面に固定されている部位が、フランジ面とナックル面の滑りの影響を受けるため、上記と同様の問題が生じる。
また、車輪用軸受に作用する上下方向の荷重Ｆz を検出する場合、荷重Ｆz に対する固定輪変形量が小さいため歪み量も小さく、上記した技術では検出感度が低く、荷重Ｆz を精度良く検出できない。
【０００４】
この発明の目的は、ヒステリシスの影響を受けることなく車輪にかかる荷重を精度良く検出でき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】
【０００５】
この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、上記転走面と対向する転走面を外周に形成した内方部材と、両部材の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、上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の外径面に、この外径面に接触して固定される２つの接触固定部を有する歪み発生部材およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出するセンサを有するセンサユニットを設け、このセンサユニットの前記２つの接触固定部は互いに前記固定側部材の円周方向における同位相の位置に互いに軸方向に並べて配置したことを特徴とする。
車輪のタイヤと路面間に荷重が作用すると、車輪用軸受の固定側部材（例えば外方部材）にも荷重が印加されて変形が生じる。荷重の印加に伴い外方部材に生じる変形量は軸方向の各位置で異なるが、ここでは、センサユニットにおける歪み発生部材の２つの接触固定部を、外方部材の外径面に対して円周方向に同位相として固定しているので、歪み発生部材に歪みが集中しやすくなり、それだけ検出感度が向上する。また、センサユニットは、ヒステリシスの主な原因となる車体取付用フランジの突片に固定していないので、センサの出力信号に生じるヒステリシスが小さくなり、荷重を正確に検出することができる。これにより、ヒステリシスの影響を受けることなく車輪にかかる荷重を精度良く検出できる。
【０００６】
この発明において、前記２つの接触固定部のうちの一つの接触固定部は、前記複列の転走面のうちのアウトボード側の転走面の周辺となる軸方向位置に、他の一つの接触固定部は、前記一つの接触固定部よりもさらにアウトボード側に配置することが好ましい。
このように、センサユニットにおける歪み発生部材の１つの接触固定部を、外方部材の外径面におけるアウトボード側列の転走面の周辺となる軸方向位置に固定した場合、この軸方向位置はタイヤの接地面に加わった荷重が内方部材から転動体を介して伝達される部位であるため、比較的に変形量の大きい部位となる。一方、歪み発生部材の他の１つの接触固定部は、前記１つの接触固定部よりもさらにアウトボード側の軸方向位置に固定されており、この軸方向位置は先の軸方向位置に比べて変形量の小さい部位となる。その結果、外方部材の外径面の歪みが歪み発生部材に拡大して伝達され、その拡大された歪みがセンサで検出される。
【０００７】
この発明において、前記センサユニットの前記歪み発生部材は切欠き部を有し、前記切欠き部の周辺に前記センサを設けても良い。この構成の場合、固定側部材から歪み発生部材に拡大されて伝達される歪みが切欠き部に集中しやすくなり、センサによる検出感度が向上し、さらに荷重を精度良く検出することができる。
【０００８】
この発明において、前記固定側部材の外周に、ナックルに取付ける車体取付用のフランジが設けられ、このフランジの円周方向複数箇所にボルト孔が設けられ、前記フランジは各ボルト孔が設けられた円周方向部分が他の部分よりも外径側へ突出した突片とされ、前記センサユニットは、隣合う前記突片の間の中央に配置しても良い。この構成の場合、ヒステリシスの原因となる突片から離れた位置にセンサユニットを設けることとなり、センサの出力信号のヒステリシスがさらに小さくなり、荷重をさらに精度良く検出することができる。
【０００９】
この発明において、前記センサユニットの１つは、タイヤ接地面に対して外方部材の外径面の上面部に設けても良い。
外方部材の外径面において、上下方向の荷重Ｆz や前後方向の荷重Ｆy が印加された場合でも常に転動体の荷重が印加される位置、つまりタイヤ接地面に対して上面部となる位置に１つのセンサユニットを設けると、どのような場合でも荷重を精度良く検出することができる。
【００１０】
この発明において、前記センサの出力信号の絶対値、および前記出力信号の平均値、および前記出力信号の振幅のうちの、少なくともいずれか一つにより、車輪用軸受に作用する荷重を推定する推定手段を設けても良い。
車輪用軸受の回転中には、転走面におけるセンサユニットの近傍部位を通過する転動体の有無によって、センサユニットのセンサの出力信号の振幅に周期的な変化が生じる場合がある。そこで、検出信号における振幅の周期を推定手段で測定することにより、転動体の通過速度つまり車輪の回転数を検出することができる。このように、出力信号に変動が見られる場合は、出力信号の平均値や振幅により荷重を算出することができる。変動が見られない場合は、絶対値より荷重を算出することができる。
【００１１】
この発明において、前記センサユニットは、車輪用軸受に作用する上下方向の荷重Ｆz を検出するものであっても良い。
センサユニットは、微小な歪みでも拡大して検出するものであるため、固定側部材の変形量が小さい上下方向の荷重Ｆz でも感度良く検出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、上記転走面と対向する転走面を外周に形成した内方部材と、両部材の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、上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の外周面に、この外周面に接触して固定される２つの接触固定部を有する歪み発生部材およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出するセンサを有するセンサユニットを設け、このセンサユニットの前記２つの接触固定部は互いに前記固定側部材の円周方向における同位相の位置に互いに軸方向に並べて配置したため、ヒステリシスの影響を受けることなく車輪にかかる荷重を精度良く検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明の一実施形態を図１ないし図３と共に説明する。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、車両に取り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。
【００１４】
このセンサ付車輪用軸受における軸受は、図１に断面図で示すように、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両端は、一対のシール７，８によってそれぞれ密封されている。
【００１５】
外方部材１は固定側部材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１６に取付ける車体取付用フランジ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には円周方向の複数箇所に車体取付用のボルト孔１４が設けられ、インボード側よりナックル１６のボルト挿通孔１７に挿通したナックルボルト１８を前記ボルト孔１４に螺合することにより、車体取付用フランジ１ａがナックル１６に取付けられる。
内方部材２は回転側部材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、車輪および制動部品（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。
【００１６】
図２は、この車輪用軸受の外方部材１をアウトボード側から見た正面図を示す。なお、図１は、図２におけるＩ−Ｏ−Ｉ矢視断面図を示す。前記車体取付用フランジ１ａは、図２のように、各ボルト孔１４が設けられた円周方向部分が他の部分よりも外径側へ突出した突片１ａａとされている。
【００１７】
固定側部材である外方部材１の外径面にはセンサユニット１９が設けられている。ここでは、２つのセンサユニット１９を、タイヤ接地面に対して上下位置となる外方部材１の外径面における上面部および下面部の２箇所に設けることで、車輪用軸受に作用する上下方向の荷重Ｆz を検出するようにしている。具体的には、図２のように、外方部材１の外径面における上面部の、隣り合う２つの突片１ａａの間の中央部に１つのセンサユニット１９が配置され、外方部材１の外径面における下面部の、隣り合う２つの突片１ａａの間の中央部に他の１つのセンサユニット１９が配置されている。
【００１８】
これらのセンサユニット１９は、図３に拡大断面図で示すように、歪み発生部材２０と、この歪み発生部材２０に取付けられて歪み発生部材２０の歪みを検出するセンサ２１とでなる。歪み発生部材２０は、例えば鋼材等の金属材からなる。歪み発生部材２０は、外方部材１の外径面に対向する内面側に張り出した２つの接触固定部２０ａを両端部に有し、これら接触固定部２０ａで外方部材１の外径面に直接に固定される。２つの接触固定部２０ａのうち、１つの接触固定部２０ａは、外方部材１のアウトボード側列の転走面３の周辺となる軸方向位置に配置され、この位置よりもアウトボード側の位置にもう１つの接触固定部２０ａが配置され、かつこれら両接触固定部２０ａは互いに外方部材１の円周方向における同位相の位置に配置される。ここでいうアウトボード側列の転走面３の周辺とは、インボード側列およびアウトボード側列の転走面の中間位置からアウトボード側列の転走面３の形成部までの範囲である。なお、外方部材１の外径面へセンサユニット１９を安定良く固定する上で、外方部材１の外径面における前記歪み発生部材２０の接触固定部２０ａが接触固定される箇所に平坦部を形成するのが望ましい。
また、歪み発生部材２０の中央部には内面側に開口する１つの切欠き部２０ｂが形成されている。センサ２１は、歪み発生部材２０における各方向の荷重に対して歪みが大きくなる箇所に貼り付けられる。ここでは、その箇所として、前記切欠き部２０ｂの周辺、具体的には歪み発生部材２０の外面側で切欠き部２０ｂの背面側となる位置が選ばれており、センサ２１は切欠き部２０ｂ周辺の歪みを検出する。
【００１９】
歪み発生部材２０の接触固定部２０ａの外方部材１の外径面への固定は、接触固定部２０ａに設けられた径方向に貫通するボルト挿通孔２２に挿通したボルト２３を、外方部材１の外周部に設けられたボルト孔２４に螺合させて締結することで行なわれるが、接着剤などにより固定しても良い。歪み発生部材２０の接触固定部２０ａ以外の箇所では、外方部材１の外径面との間に隙間が生じている。
【００２０】
センサユニット１９のセンサ２１は推定手段２５に接続される。推定手段２５は、センサ２１の出力信号により、車輪のタイヤと路面間の作用力を推定する手段であり、信号処理回路や補正回路などが含まれる。推定手段２５は、車輪のタイヤと路面間の作用力とセンサ２１の出力信号との関係を演算式またはテーブル等により設定した関係設定手段（図示せず）を有し、入力された出力信号から前記関係設定手段を用いて作用力を出力する。前記関係設定手段の設定内容は、予め試験やシミュレーションで求めておいて設定する。      
【００２１】
車輪のタイヤと路面間に荷重が作用すると、車輪用軸受の固定側部材である外方部材１にも荷重が印加されて変形が生じる。前記センサユニット１９を例えば車体取付用フランジ１ａの突片１ａａに設置して、車体取付用フランジ１ａの変形から荷重を推定しようとすると、従来例の説明におけるように出力信号にヒステリシスが生じる。
ここでは、センサユニット１９における歪み発生部材２０の１つの接触固定部２０ａが、外方部材１の外径面におけるアウトボード側列の転走面３の周辺となる軸方向位置に固定されており、この軸方向位置はタイヤの接地面に加わった荷重が内方部材２から転動体５を介して伝達される部位であるため、比較的に変形量の大きい部位となる。一方、歪み発生部材２０の他の１つの接触固定部２０ａは、前記１つの接触固定部２０ａよりもさらにアウトボード側の軸方向位置に固定されており、この軸方向位置は先の軸方向位置に比べて変形量の小さい部位となる。その結果、外方部材１の外径面の歪みが歪み発生部材２０に拡大して伝達され、その拡大された歪みがセンサ２１で検出される。また、荷重の印加に伴い外方部材１に生じる変形量は軸方向の各位置で異なるが、ここでは、センサユニット１９における歪み発生部材２０の２つの接触固定部２０ａを、外方部材１の外径面に対して円周方向に同位相として固定しているので、歪み発生部材２０に歪みが集中しやすくなり、それだけ検出感度が向上する。
推定手段２５は、前記センサ２１の出力信号から車輪用軸受に作用する荷重を推定する。これにより、静止時や低速時を問わず車輪のタイヤと路面間の作用力を感度良く検出することができる。上記したように、センサユニット１９は、ヒステリシスの主な原因となる車体取付用フランジ１ａの突片１ａａに固定していないので、センサ２１の出力信号に生じるヒステリシスが小さくなり、荷重を正確に推定することができる。
【００２２】
また、上記推定手段２５は、車輪のタイヤと路面間の作用力だけでなく、車輪用軸受に作用する力（例えば予圧量）を検出するものとしても良い。
このセンサ付車輪用軸受から得られた検出荷重を自動車の車両制御に使用することにより、自動車の安定走行に寄与できる。また、このセンサ付車輪用軸受を用いると、車両にコンパクトに荷重センサを設置でき、量産性に優れたものとでき、コスト低減を図ることができる。
【００２３】
また、車輪用軸受の回転中には、転走面３におけるセンサユニット１９の近傍部位を通過する転動体５の有無によって、センサユニット１９のセンサ２１の出力信号の振幅に、図４に示す波形図のように周期的な変化が生じる場合がある。その理由は、転動体５の通過時とそうでない場合とで変形量が異なり、転動体５の通過周期ごとにセンサ２１の出力信号の振幅がピーク値を持つためである。そこで、検出信号におけるこのピーク値の周期を、例えば推定手段２５で測定することにより、転動体５の通過速度つまり車輪の回転数を検出することも可能となる。このように、出力信号に変動が見られる場合は、出力信号の平均値や振幅により荷重を算出することができる。変動が見られない場合は、絶対値より荷重を算出することができる。
【００２４】
また、この実施形態では、センサユニット１９の歪み発生部材２０に切欠き部２０ｂが設けられ、その切欠き部２０ｂの周辺にセンサ２１が設けられているので、外方部材１の外径面から歪み発生部材２０に拡大されて伝達される歪みが切欠き部２０ｂに集中しやすくなり、センサ２１による検出感度が向上し、さらに正確に荷重を推定することことができる。
【００２５】
また、この実施形態では、センサユニット１９を、外方部材１の外径面において、外方部材１における車輪取付用フランジ１ａの隣り合う２つの突片１ａａの間の中央部相当位置に配置しているので、ヒステリシスの原因となる突片１ａａから離れた位置にセンサユニット１９を設けることとなり、センサ２１の出力信号のヒステリシスがさらに小さくなり、荷重をさらに正確に推定できる。
【００２６】
また、この実施形態では、外方部材１の外径面において、上下方向の荷重Ｆz や前後方向の荷重Ｆy が印加された場合でも常に転動体５の荷重が印加される位置、つまりタイヤ接地面に対して上面部となる位置に１つのセンサユニット１９が設けられているので、どのような場合でも荷重を正確に推定することができる。また、センサユニット１９は、微小な歪みでも拡大して検出するものであるため、外方部材１の変形量が小さい上下方向の荷重Ｆz でも感度良く検出することができる。
【００２７】
なお、この実施形態において、以下の構成については特に限定されず、適宜変更しても良い。
・  センサユニット１９の設置個数や、センサ２１，切欠き部２０ｂの数。
・  センサユニット１９の形状、固定方法（接着、溶接など）。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の一実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図である。
【図２】同センサ付車輪用軸受における外方部材の正面図である。
【図３】図１におけるセンサユニット設置部の拡大断面図である。
【図４】同センサ付車輪用軸受におけるセンサの出力信号の波形図である。
【図５】従来例での出力信号におけるヒステリシスの説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…外方部材
１ａ…車体取付用フランジ
１ａａ…突片
２…内方部材
３，４…転走面
５…転動体
１４…車体取付用のボルト孔
１６…ナックル
１９…センサユニット
２０…歪み発生部材
２０ａ…接触固定部
２０ｂ…切欠き部
２１…センサ
２５…推定手段
【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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