(57)【要約】【課題】  安価に製作できる簡易な構成のセンサを用いて軸受にかかるモーメント荷重を検出することができ、また他の荷重の影響をあまり受けることなく、モーメント荷重のみを検出することができるセンサ付軸受を提供する。【解決手段】  軸受Ａの互いに回転自在な内方部材１および外方部材２のうちの一方の部材に磁石１４，１５を取付ける。他方の部材に、前記磁石１４，１５が作る磁界ｍの軸方向成分と径方向成分とを測定するセンサ１６ａを取付ける。このセンサ１６ａの出力から軸受Ａにかかるモーメント荷重を検出するモーメント荷重検出手段１７を設ける。【選択図】        図１
2007092842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の転動体を介して互いに回転自在な内方部材および外方部材を有する軸受と、前記内方部材および外方部材のうちの一方の部材に取付けられた磁石と、他方の部材に取付けられて前記磁石が作る磁界の軸方向成分および径方向成分を測定するセンサと、このセンサの出力から前記軸受にかかるモーメント荷重を検出するモーメント荷重検出手段とを備えるセンサ付軸受。
【請求項２】
請求項１において、前記モーメント荷重検出手段は、前記磁石が作る磁界の軸方向成分と径方向成分の比から軸受にかかるモーメント荷重を検出するものであるセンサ付軸受。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記軸受が、内方部材と外方部材の間に複列の転動体が介在し車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受であって、前記センサの出力から車輪と路面間に作用する力を検出する路面作用力検出手段を設けたセンサ付軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車の車輪用軸受や一般産業機械用軸受等に適用され、軸受にかかるモーメント荷重を検出することのできるセンサ付軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の姿勢制御の高度化のために、車輪にかかる荷重の検出が求められている。車輪の姿勢制御には、操舵角センサ、車輪回転センサ、ヨーレートセンサ、横加速度センサ等が使用されている。これらのセンサの出力からブレーキやエンジンの出力を制御してコーナリング時のスリップ防止やサスペンション制御によるローリングやピッチングの低減を図ったりしている。
【０００３】
しかし、ヨーレートセンサや横加速度センサは、車体上でばね上に装着されており、車輪から入力される力を検出するには時間遅れが生じる。車輪用軸受で軸受にかかる荷重を測定することで、車輪から入力される力を検出することができると、時間遅れなく力を検出することができるので、姿勢制御の高度化を図ることができる。
【特許文献１】特開２００１−２１５７７号公報
【特許文献２】特開２００４−３９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
軸受にかかるモーメント荷重を検出するのに、軸受内輪と外輪の相対変位による傾きを検出する方法がある。軸受内外輪の相対変位を検出するのに変位センサを利用している。変位センサには渦電流方式、リラクタンス方式などがあるが、これらの変位センサには高周波発信回路などが必要で、高価である。
また、上記軸受内外輪の相対変位による傾きを検出する方法では、径方向や軸方向荷重による径方向および軸方向の変位の影響を受けるため、モーメント荷重を検出するには補正が必要である。
【０００５】
この発明は、安価に製作できる簡易な構成のセンサを用いて軸受にかかるモーメント荷重を検出することができ、また他の荷重の影響をあまり受けることなく、モーメント荷重のみを検出することができるセンサ付軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明のセンサ付軸受は、複数の転動体を介して互いに回転自在な内方部材および外方部材を有する軸受と、前記内方部材および外方部材のうちの一方の部材に取付けられた磁石と、他方の部材に取付けられて前記磁石が作る磁界の軸方向成分および径方向成分を測定するセンサと、このセンサの出力から前記軸受にかかるモーメント荷重を検出するモーメント荷重検出手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
この構成によると、内方部材および外方部材のうちの一方の部材に取付けられた磁石により、磁界を形成する。例えば、内方部材および外方部材のうちの荷重を受ける側の部材に磁石を設ける。この磁石は、軸方向に一様な磁界を形成するものが好ましい。この磁界の軸方向成分と径方向成分を、他方の部材に取付けられたセンサにより検出する。軸受にモーメント荷重がかかると、磁石が傾くため、磁界も傾く。その磁界の傾きを、磁界の軸方向と径方向の成分の比から測定し、その傾きからモーメント荷重を検出する。ほぼ一様な磁界の中では、軸方向または径方向の変位による磁界の変化がないため、軸方向荷重，径方向荷重の影響をあまり受けずにモーメント荷重を検出することができる。
このセンサ付軸受は、このように、内方部材または外方部材にかかっている荷重を磁石と磁界センサを使用して検出できるので、簡易な構成で安価なセンサ付軸受とすることができる。しかも、他の荷重の影響をあまり受けることなく、モーメント荷重のみを検出することができる。
【０００８】
この発明において、前記モーメント荷重検出手段を、前記磁石が作る磁界の軸方向成分と径方向成分の比から軸受にかかるモーメント荷重を検出するものとしても良い。
この構成の場合、磁界の軸方向成分と径方向成分の比から磁界の傾きを求めるため、熱による磁石の減磁やセンサ感度変化の影響を受け難く、モーメント荷重の検出が安定して行える。
【０００９】
この発明において、前記軸受を、内方部材と外方部材の間に複列の転動体が介在し車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受とし、前記センサの出力から車輪と路面間に作用する力を検出する路面作用力検出手段を設けても良い。
車輪用軸受では、この軸受に作用するモーメント荷重が検出できると、車輪径等の寸法値を用いて、車輪と路面間に作用する力を検出することができる。軸受中心に対する前記センサの上下位置や、車両前後方向位置などに応じて、車輪と路面間に作用する各方向の力が検出できる。
自動車の姿勢制御では、このように求められる車輪と路面間に作用力を検出することにより、高度な制御が行える。
【発明の効果】
【００１０】
この発明のセンサ付軸受は、複数の転動体を介して互いに回転自在な内方部材および外方部材を有する軸受と、前記内方部材および外方部材のうちの一方の部材に取付けられた磁石と、他方の部材に取付けられて前記磁石が作る磁界の軸方向成分および径方向成分を測定するセンサと、このセンサの出力から前記軸受にかかるモーメント荷重を検出するモーメント荷重検出手段とを備えるものであるため、安価に製作できる簡易な構成のセンサを用い、軸受にかかるモーメント荷重を検出することができる。また、他の荷重の影響をあまり受けることなく、モーメント荷重のみを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】
【００１１】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。この実施形態の軸受は、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。
【００１２】
このセンサ付車輪用軸受Ａは、内周に２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２列の転動体５とで構成される。この車輪用軸受Ａは、複列のアンギュラ型玉軸受とされていて、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７の両端は密封手段８，９によりそれぞれ密封されている。
【００１３】
外方部材１は固定側部材となるものであって、車体の懸架装置におけるナックル（図示せず）に固定するための車体取付フランジ１ａを外周に有し、全体が一体の部品とされている。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に周方向複数箇所においてボルト（図示せず）によって締結される。車体取付フランジ１ａのボルト挿入孔１ｂはねじ加工されており、上記ボルトは、ナックルに設けられた貫通孔を貫通し、ボルト挿入孔１ｂに先端の雄ネジ部分が螺合する。ボルト挿入孔１ｂをねじ孔とする代わりに、単にボルトが挿通される孔とし、ナット（図示せず）でボルトに締め付けるようにしても良い。
【００１４】
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１０ａを有するハブ輪１０と、このハブ輪１０の軸部１０ｂのインボード側端の外周に嵌合した別体の内輪１１とでなる。これらハブ輪１０および内輪１１に、前記各列の転走面４が形成されている。ハブ輪１０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１１が嵌合している。ハブ輪１０の中心には貫通孔１０ｃが設けられている。ハブフランジ１０ａには、周方向複数箇所にハブボルト（図示せず）の圧入孔１０ｄが設けられている。ハブ輪１０のハブフランジ１０ａ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１０ｅがアウトボード側に突出している。上記貫通孔１０ｃには図示しない等速ジョイントのステムあるいは駆動軸が挿通され、アウトボード側端面でナット（図示せず）によりハブ１０に締結一体とされる。貫通孔１０ｃはスプライン孔とされ、上記ステムあるいは駆動軸とはスプライン嵌合するようになされている。
【００１５】
軸受空間７内における内方部材２の転走面４，４間の外周面に、モーメント荷重検出のための磁性体ヨーク１３が嵌合状態に固定されている。磁性体ヨーク１３は、円筒状部１３ａと、その軸方向両端に外径側へ突出して一体形成された一対の鍔状部１３ｂ，１３ｂとよりなる断面溝形とされている。磁性体ヨーク１３の嵌合固定は、円筒状部１３ａでなされている。
磁性体ヨーク１３の一対の鍔状部１３ｂ，１３ｂの対向する内面には、円盤状の磁石１４，１５が固着一体とされ、これら磁石１４，１５は軸方向に磁界が生じるように着磁されている。磁石１４，１５としては、ゴム磁石、プラスチック磁石、焼結磁石のいずれかを採用しても良い。
これら磁性体ヨーク１３と磁石１４，１５とで、磁界生成手段４０が構成される。
【００１６】
なお、磁界生成手段４０は、図３に示すように、図２の例と同様な断面溝形のリング状磁性体ヨーク１３の一方の鍔状部１３ｂのみに磁石１４を設け、この磁石１４と他方の鍔状部１３ｂとの間で軸方向の磁界ｍを形成するものであっても良い。
【００１７】
外方部材１には、磁界センサユニット１６が装着されている。磁界センサユニット１６は、外方部材１の周壁を径方向に貫通した取付用の孔に嵌合し、その先端が上記ヨーク１３の対向する鍔状部１３ｂ，１３ｂ間に位置している。この磁界センサユニット１６の外方部材１に対する装着部位には、密封処置が施され、外部からの軸受空間７への汚水等の浸入が防止される。
磁界センサユニット１６の先端には、磁界センサ１６ａが取付けられている。この磁界センサ１６ａは、上記両側の磁石１４，１５間の中間であって、磁石１４，１５の内径部と外径部との中央に位置するように配置され、ハーネス１６ｂを介してそのセンサ検出情報が出力される。
【００１８】
磁界センサ１６ａは、磁界の２次元成分を測定することができるベクトル磁界センサである。磁界センサ１６ａは、ホールセンサ、ＭＲセンサ、ＭＩセンサ、フラックスゲート型センサなどの一方向を測定する磁界センサを、直交配置して構成される。これら一方向検出磁界センサを２個直交させることにより２次元のベクトルセンサを構成することができる。一方向検出磁界センサの３個を互いに直交させて配置すれば、３次元のベクトルセンサを構成することができる。この実施形態の磁界センサ１６ａは、軸方向磁界と径方向磁界を測定することができる２次元のベクトル磁界センサである。なお、ベクトル磁界センサ１６ａは、一方向磁界センサの２個を別々に設置して軸方向磁界と径方向磁界を個別に測定するようにしても良い。
ベクトル磁界センサからなる磁界センサ１６ａの個数は、必要に応じ、外方部材１の軸心回りの周方向に４個としても良い。例えば、外方部材１の上下２か所と、左右２か所とに磁界センサ１６ａを配置する。
【００１９】
磁界センサユニット１６から導出されたハーネス１６ｂには、モーメント荷重検出手段１７および路面作用力検出手段１８が接続されている。これらモーメント荷重検出手段１７および路面作用力検出手段１８は、この車輪用軸受Ａの外方部材１等に取付けられた回路基板等の電子回路装置（図示せず）に設けられたものであっても、また自動車の電気制御ユニット（ＥＣＵ）に設けられたものであっても良い。あるいは、磁界センサユニット１６に、上記モーメント荷重検出手段１７，路面作用力検出手段１８を設け、これらの検出手段１７，１８の出力をハーネス１６ｂから取り出すようにしても良い。
【００２０】
上記構成の作用について説明する。図２（Ａ）に示すように、対向する磁石１４，１５の内径部と外径部との中間付近には、軸方向にほぼ一様な磁界ｍができる。図２（Ａ）の状態では、内方部材２のハブ輪１０にモーメント荷重がかからず、その軸心Ｌが傾くことなく水平状態を維持しているが、図２（Ｂ）のように、ハブ輪１０にモーメント荷重がかかり、ハブ輪１０が軸心Ｌｇのように傾くと、それに伴い磁界ｍも傾く。磁界センサ１６ａは、磁界ｍの軸方向成分と径方向成分を測定しているため、測定された磁界ｍの軸方向成分および径方向成分の比により磁界ｍの傾きを求めることができる。
磁界センサ１６ａの測定した磁界ｍの軸方向成分および径方向成分は、ハーネス１６ｂを通じて出力され、モーメント荷重検出手段１７に入力される。モーメント荷重検出手段１７において、このセンサ出力情報に基づき、前記傾きを算出し、その傾きから、車輪用軸受Ａにかかっているモーメント荷重を算出する。
【００２１】
路面作用力検出手段１８は、モーメント荷重検出手段１７の算出したモーメント荷重から、または磁界センサユニット１６より出力された磁界センサ１６ａの測定値から、車輪と路面間に作用する力を算出する。
【００２２】
モーメント荷重検出手段１７および路面作用力検出手段１８は、磁界センサ１６ａが外方部材１の上下左右４か所など、複数箇所に設けられている場合、これらの磁界センサ１６ａの出力から、各方向に作用するモーメント荷重、または各方向に作用する車輪と路面間の作用力を検出するものとしても良い。例えば、路面作用力検出手段１８は、車幅方向に作用する力、および車両前後方向に作用する力を検出するものとできる。
【００２３】
上記の各検出によって、リアルタイムで車輪用軸受Ａに作用するモーメント荷重や車輪と路面間の作用力を出力することができ、車両のサスペンションの剛性制御等による姿勢制御が可能となる。
モーメント荷重の検出において、軸方向または径方向荷重で、ハブ輪１０が径方向あるいは軸方向に移動しても、ほぼ一様な磁界ｍのなかでは、磁界ｍの変化がないので、その影響をうけることがない。そのため、モーメント荷重のみを、他の影響を受けることなく検出することができる。また、軸方向磁界成分と径方向磁界成分との比から、磁界の傾きを求めるため、熱による磁石１４，１５の減磁やセンサ感度の影響を受け難い。
【００２４】
なお、図１において、イントボード側の密封手段９は、組合せシールとして構成され、そのインボード側面に、円周方向に交互に磁極を有する多極磁石からなる回転検出用の磁気エンコーダ１９が設けられている。磁気エンコーダ１９に対向して、外方部材１に磁気センサ（図示せず）が取付けられ、ハブ輪１０、すなわち車輪（図示せず）の回転検出がなされる。この磁気エンコーダ１９および磁気センサによる回転検出情報と、上記車輪用軸受Ａにかかるモーメント荷重の検出情報や路面作用力検出情報とを、適宜組み合わせて処理することにより、車両走行時のより高度な姿勢制御を実現することができる。
【００２５】
図４は第２の実施形態を示し、深溝玉軸受Ｂに適用した例を示す。このセンサ付軸受Ｂは、産業機械や工作機械など、軸受にかかるモーメント荷重の検出が求められる一般的な軸受を対象とするものである。このセンサ付軸受Ｂは、外方部材である外輪２０と内方部材である内輪２１との間に、それぞれの転走面２０ａ，２１ａを介して保持器２２ａによって保持された１列の転動体（ボール）２２が介在され、外輪２０および内輪２１が互いに回転自在とされている。この例では、内輪２１が回転側部材とされ、駆動軸２３に嵌合固定されている。外輪２０と内輪２１との間の軸受空間２４の一端には、接触シールのような密封手段２５が装着され密封されている。
【００２６】
上記軸受空間２４の他端側において、内輪２１の外周に２重円筒状の断面逆コ字形のリング状磁性体ヨーク２６が、その小径円筒部分２６ａで嵌合固定されている。このヨーク２６の小径円筒部分２６ａの外周には、径方向に着磁された円環状磁石２７が固着一体とされている。また外輪２０の内周には、２重円筒状の断面コ字形の磁性体リング２８が、その大径円筒部分２８ｂで嵌合固定されている。このリング２８とヨーク２６とは、図のように互いに向き合うように非接触で噛合い、かつ軸２３の傾きを許容し得る適性な隙間が確保された状態で、外輪２０および内輪２１に嵌合固定されている。上記隙間はラビリンスシールを兼ねる。
【００２７】
リング２８の小径円筒部分２８ａの内周面には、複数（好ましくは周方向等間隔で４個）の磁界センサ２９が、上記円環状磁石２７に対向するよう取付けられている。上記磁石２７による磁界（図示せず）は、対向するヨーク２６の大円筒部分２６ｂ間で一様に形成され、磁界センサ２９はこの磁界のほぼ中央に位置するよう設定されている。磁界センサ２９は上記と同様の２次元ベクトル磁界センサからなり、その出力部にはコード２９ａを介して、モーメント荷重検出手段３０が連結されている。
【００２８】
この実施形態の場合、磁石２７により形成される磁界の向きは、第１の実施形態の場合と異なり、径方向であるが、軸２３にモーメント荷重がかかり、その軸心Ｌが傾くと、内輪２１も傾くから磁界も傾く。磁界センサ２９は、磁界の軸方向成分と径方向成分を測定しているから、両測定成分の比から磁界の傾きが検出される。このセンサ検出情報はモーメント荷重検出手段３０に入力され、ここで軸受Ｂにかかっているモーメント荷重が検出される。
【００２９】
なお、前記各実施形態では、外方部材１，２０が固定側部材である場合につき説明したが、この発明は、内方部材２，２１が固定側部材であるセンサ付軸受にも適用することができ、その場合、磁石１４，１５，２７およびヨーク１３，２８は、外方部材１，２０に取付けられ、磁界センサ１６ａ，２９は内方部材２，２１に設置される。
また、上記第１の実施形態では第３世代型の車輪用軸受Ａに適用した場合につき説明したが、内方部材の一部が等速ジョイントの外輪で構成される第４世代型の車輪用軸受や、第１，第２世代形の車輪用軸受にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図とその検出系の概念構成のブロック図とを組み合わせて示す説明図である。
【図２】同要部の拡大断面図であり、（Ａ）はモーメント荷重がかかっていない状態を、（Ｂ）はモーメント荷重がかかっている状態を示す。
【図３】同実施形態の変形例を示す図２（Ａ）と同様図である。
【図４】第２の実施形態にかかる図１と同様図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…外方部材
２…内方部材
５，２２…転動体
１４，１５，２７…磁石
１６ａ，２９…磁界センサ（センサ）
１７，３０…モーメント荷重検出手段
１８…路面作用力検出手段
２１…外輪（外方部材）
２２…内輪（内方部材）
ｍ…磁界
Ａ…車輪用軸受（軸受）
Ｂ…軸受
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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