(57)【要約】【課題】 応答時間の遅れを小さくし、これによりサスペンションの制御精度を向上させることができる車軸支持装置を提供する。【解決手段】  センサ装置22は、前後左右の車両用転がり軸受21にそれぞれ設けられた超音波センサ20A,20B,20C,20Dと、その制御装置30とを備えている。制御装置30は、各転がり軸受21ごとに超音波センサ20A,20B,20C,20Dの出力から転動体に作用する荷重を求める転動体荷重演算手段と、各転動体荷重に基づいて各車輪4のタイヤ接地荷重の上下方向成分を求める上下方向荷重演算手段と、各タイヤ接地荷重の上下方向成分に基づいて対応するサスペンションユニット2A,2B,2C,2Dに付与されるべきサスペンション力を演算するサスペンション力演算手段とを備えている。【選択図】    図１
2007269163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サスペンション力が制御可能とされている前後左右のサスペンションユニットと、左右の車輪がそれぞれ取り付けられる前後車軸部材と、各サスペンションユニットにそれぞれ取り付けられた固定側軌道部材、前後車軸部材の左右に取り付けられた回転側軌道部材、および両軌道部材の間に配置された転動体を有する前後左右の車両用転がり軸受と、転がり軸受に設けられたセンサ装置とを備えている車軸支持装置において、
センサ装置は、前後左右の車両用転がり軸受の固定側軌道部材にそれぞれ少なくとも１つ取り付けられ固定側軌道部材と転動体との接触部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、各転がり軸受ごとに転動体に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から転動体に作用する荷重を求める転動体荷重演算手段と、各転動体荷重に基づいて各車輪のタイヤ接地荷重の上下方向成分を求める上下方向荷重演算手段と、各タイヤ接地荷重の上下方向成分に基づいて対応するサスペンションユニットに付与されるべきサスペンション力を演算するサスペンション力演算手段とを備えていることを特徴とする車軸支持装置。
【請求項２】
転動体荷重演算手段は、転動体荷重と以下の式で求められるエコー比との相関関係を利用して転動体荷重を求めるものである請求項１の車軸支持装置。
エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０
Ｈ０：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときのエコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときのエコー強度
【請求項３】
超音波センサは、各転がり軸受ごとに少なくとも３つ設けられており、センサ装置は、各転動体荷重に基づいて各車輪のタイヤ接地荷重の前後方向成分を求める前後方向荷重演算手段および左右方向成分を求める左右方向荷重演算手段をさらに備えている請求項１または２の車軸支持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車軸支持装置に関し、特に、自動車のサスペンションの制御に寄与することができる車軸支持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のサスペンションに関しては、アクティブサスペンションと呼ばれるものが実用化されており、加速度センサから検出される実横加速度を使用して、サスペンション力を制御し、車体のロールを抑制するものなどが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−０１６６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
自動車に設けられている加速度センサは、例えば、車室内のコンソールボックスに設置されるが、この場合、路面からの伝達がサスペンションを介して行われるため、時間遅れ（数十ミリ秒程度）が生じ、サスペンション力の制御精度が悪くなるという問題があった。
【０００４】
この発明の目的は、応答時間の遅れを小さくし、これによりサスペンションの制御精度を向上させることができる車軸支持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】
この発明による車軸支持装置は、サスペンション力が制御可能とされている前後左右のサスペンションユニットと、左右の車輪がそれぞれ取り付けられる前後車軸部材と、各サスペンションユニットにそれぞれ取り付けられた固定側軌道部材、前後車軸部材の左右に取り付けられた回転側軌道部材、および両軌道部材の間に配置された転動体を有する前後左右の車両用転がり軸受と、転がり軸受に設けられたセンサ装置とを備えている車軸支持装置において、センサ装置は、前後左右の車両用転がり軸受の固定側軌道部材にそれぞれ少なくとも１つ取り付けられ固定側軌道部材と転動体との接触部からの超音波のエコーを検知する超音波センサと、各転がり軸受ごとに転動体に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から転動体に作用する荷重を求める転動体荷重演算手段と、各転動体荷重に基づいて各車輪のタイヤ接地荷重の上下方向成分を求める上下方向荷重演算手段と、各タイヤ接地荷重の上下方向成分に基づいて対応するサスペンションユニットに付与されるべきサスペンション力を演算するサスペンション力演算手段とを備えていることを特徴とするものである。
【０００６】
サスペンションユニットは、いわゆるアクティブサスペンションとされ、そのサスペンション力（ばね力や減衰力など）が制御可能とされる。アクティブサスペンションは、ばねとダンパーの代りに、空気圧や油圧で作動するアクチュエーターを使い、各種のセンサで車と路面の状態を検知して、コンピューターによってこれらの動きをコントロールするもので、公知の種々の形式のものが使用可能である。
【０００７】
転動体荷重は、例えば、以下の式で得られるエコー比から求められる。
【０００８】
エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０
Ｈ０：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときのエコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときのエコー強度
タイヤに接地荷重が作用すると、転がり軸受各部には接地荷重に応じた荷重が作用し、この荷重変化によって固定側軌道部材と転動体との接触面積が変化する。超音波センサによると、接触面積の大きさに対応して検知されるエコー比が変化し、超音波センサの出力から得られるエコー比と軸受に作用する荷重（転動体荷重）との関係は、相関が高いので、エコー比、転動体荷重およびタイヤ接地荷重の間に成り立つ関係を予め求めておくことにより、エコー比からタイヤ接地荷重を求めることができる。こうして、被検知部（固定側軌道部材と転動体との接触部）への加工を施すことなくタイヤ接地荷重を求めることができる。
【０００９】
超音波センサは、筒状の筐体と、筐体の一端開口を塞ぐ前面板と、前面板に接触するように設けられた振動子とを備えており、例えば、筐体の前面板側の端部に、筐体の軸方向から見て略三角形状の取付け用フランジ部が設けられて、この取付け用フランジ部の各頂点部分にボルト挿通孔が設けられているものとされる。このようにすると、超音波センサを３カ所のボルト締めによってしっかり固定することができ、また、取付けに際しては、ばね等が不要であり、ばねの配置のために必要な取付けスペースを省くことができる。
【００１０】
超音波センサは、前面板の外周と筐体の内周との間に、環状の間隙が設けられており、前面板および振動子は、筐体内に充填された弾性を有するバッキング材を介して筐体に支持されており、取付け前においては、前面板の表面が取付け用フランジ部の端面よりも所定量突出させられていることが好ましい。このようにすると、突出量を適正に設定することで、前面板の端面と筐体端面とが面一になるボルト締付け完了状態において、最適な押付け力とすることが可能となる。また、超音波センサは、前面板と筐体との間の環状の間隙の一部分にバッキング材が入り込んでおり、バッキング材の端面位置が筐体端面よりも軸方向内方に位置させられることにより、筐体端部とバッキング材との間に、接触媒質を保持可能な環状溝が形成されていることがより好ましい。このようにすると、環状溝に接触媒質が保持されることにより、長期間にわたって安定したセンサ機能が発揮される。
【００１１】
上記超音波センサは、各転がり軸受ごとに少なくとも３つ設けられており、センサ装置は、各転動体荷重に基づいて各車輪のタイヤ接地荷重の前後方向成分を求める前後方向荷重演算手段および左右方向成分を求める左右方向荷重演算手段をさらに備えていることが好ましい。
【００１２】
超音波センサは、上下方向荷重を得るためだけであれば、各転がり軸受ごとに１つずつ取り付ければよい。しかしながら、たとえば、転がり軸受の頂部、底部、前部および後部の計４カ所に超音波センサを配置し、これら４つのデータから転がり軸受に作用する荷重の３方向分力（上下方向荷重、前後方向荷重および左右方向荷重）が求められるようにすることが好ましい。なお、センサは、等分配でかつ上記配置以外の４カ所に設けるようにしてもよい。３方向分力を求める場合、超音波センサは、頂部および底部のいずれか一方を省略して、３つとしてもよいし、円周上の任意の位置に等配分で３つ配置してもよい。また、円周上の任意の位置に等配分で５つ以上配置してもよく、超音波センサの配置は、必ずしも等配でなくてもよい。超音波センサの数は、必要とする荷重（モーメントを含む）の数に応じて適宜変更される。
【００１３】
サスペンションユニットの制御を行うに際しては、まず、自動車の走行開始直後に、前後左右計４輪において超音波センサによってエコー比をそれぞれ求め、タイヤ接地荷重の上下方向成分を求める。次いで、自動車走行中に、４輪それぞれの上下方向荷重を比較し、車両の重量配分を算出する。そして、重量配分の割合に応じた制御信号を出力し、サスペンション力を制御する。このサスペンション力の制御は、重量配分が大きい車輪に対応するサスペンションユニットのサスペンション力を大きくし、逆に、重量配分が小さい車輪に対応するサスペンションユニットのサスペンション力を小さくするように行われる。これにより、自動車は、駆動時、制動時、旋回時等において、安定した車両姿勢を保つことができ、安全に走行することができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の車軸支持装置によると、超音波センサは、接触面積に基づいて精度よく転動体荷重を検出し、この超音波センサが車両用転がり軸受装置に内蔵されることにより、サスペンション制御に必要な路面から受ける荷重をダイレクトに（サスペンションを介さずに）測定でき、応答遅れが小さくなって、サスペンションの制御精度を向上させることができる。
【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５までは、この発明の車軸支持装置の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および図２の左右をいうものとし、前とは、図１の上、後とは図１の下、上下は、図２の上下をいうものとする。
【００１７】
図１において、車軸支持装置(1)は、車体に取り付けられかつサスペンション力が制御可能とされている前後左右のサスペンションユニット(2A)(2B)(2C)(2D)と、左右の車輪（タイヤ）(4)がそれぞれ取り付けられた車軸部材(3)と、車軸部材(3)の左右端部にそれぞれ設けられた車両用転がり軸受(21)と、各転がり軸受(21)に設けられた超音波センサ(20A)(20B)(20C)(20D)を使用して車両の制御を行うセンサ装置(22)とを備えている。
【００１８】
後述するように、車両用転がり軸受(21)は、各サスペンションユニット(2A)(2B)(2C)(2D)にそれぞれ取り付けられる固定側軌道部材(23)、前後車軸部材(3)の左右にそれぞれ取り付けられる回転側軌道部材(24)、両軌道部材(23)(24)の間に２列に配置された複数の玉（以下では「転動体」と称す）(25)、および各列の転動体(25)をそれぞれ保持する保持器(26)を有している。
【００１９】
センサ装置(22)は、前後左右全ての車両用転がり軸受(21)の固定側軌道部材(23)にそれぞれ取り付けられ固定側軌道部材(23)と転動体(25)との接触部からの超音波のエコーを検知する超音波センサ(20A)(20B)(20C)(20D)と、超音波センサ(20A)(20B)(20C)(20D)からの出力を処理してサスペンションユニット(2A)(2B)(2C)(2D)のサスペンション力を制御する制御装置(30)とを備えている。
【００２０】
図２に示すように、固定側軌道部材(23)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(31)と、円筒部(31)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(32)とを有している。回転側軌道部材(24)は、第１の軌道溝(34a)を有する大径部(34)および第１の軌道溝(34a)の径よりも小さい外径を有する小径部(35)を有している内軸(33)と、内軸(33)の小径部(35)外径に嵌め止められて右面が内軸(33)の大径部(34)左面に密接させられている内輪(36)とからなる。内軸(33)の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト(38)が固定されたフランジ部(37)が設けられている。内輪(36)の右部には、内軸(33)の軌道溝(34a)と並列するように、軌道溝(36a)が形成されている。固定側軌道部材(23)の右端部と内軸(33)との間には、シール装置(39)が設けられている。内軸(33)の小径部(35)の左端部には、おねじ部が設けられており、このおねじ部にねじ合わされたナット(40)によって、内輪(36)が内軸(33)に固定されている。固定側軌道部材(23)の左端部には、カバー(41)が被せ止められている。内輪と内軸の固定方法としては、図示しないが、内軸の端部を塑性変形させて、かしめ止めしてもよい。
【００２１】
図１において符号(20A)(20B)(20C)(20D)で総称した超音波センサは、転動体(25)と固定側軌道部材(23)の軌道溝との接触面に直角の方向から臨まされて、超音波のエコーを求めるもので、図２に示すように、固定側軌道部材(23)と内列の転動体(25)との間に作用する力（転動体荷重）を検出する超音波センサ(Sti)(Sbi)と、外列の転動体(25)の転動体荷重を検出する超音波センサ(Sto)(Sbo)とを有しており、図２に示されている上下２カ所の他に、図示されていない前後２カ所にも設けられて、１つの転がり軸受(21)に付き計８つ使用されている。
【００２２】
各超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sto)(Sbo)は、転動体(25)と固定側軌道部材(23)の軌道溝との接触面（被検知部）に直角の方向から臨まされて、超音波のエコーを求めるもので、図４に示すように（図４においては、１つの超音波センサを符号(20)で示す）、円筒状の筐体(51)と、筐体(51)の一端（下端）開口を塞ぐ前面板(52)と、前面板(52)に接触するように設けられた振動子(53)と、筐体(51)内に充填されたバッキング材(54)と、筐体(51)の他端（上端）開口を塞ぐカバー(55)と、筐体(51)に設けられたコネクタ(56)と、コネクタ(56)と振動子(53)とを接続するリード線(57)と、筐体(51)の前面板(52)側の端部（下端部）に設けられた取付け用フランジ部(58)とを有している。
【００２３】
取付け用フランジ部(58)の端面（下面）(58a)は、筐体(51)の下端と面一であり、取付け用フランジ部(58)は、図５に示すように、筐体(51)の軸方向から見て略三角形状とされている。略三角形状取付け用フランジ部(58)の各頂点部分には、ボルト挿通孔(59)がそれぞれ設けられている。超音波センサ(2)は、各ボルト挿通孔(59)に挿通されたボルト(60)が外輪(3)に設けられためねじ部(3a)にねじ込まれることにより外輪(3)に取り付けられている。
【００２４】
筐体(51)は、金属製とされている。前面板(52)は、セラミック製とされており、その厚さが放射する超音波の波長の２分の１になるように調整されている。前面板(52)の外周と筐体(51)の内周との間に、環状の間隙(G)が設けられている。
【００２５】
振動子(53)は、ＰＺＴ等の圧電性セラミックスからなり、エポキシ系樹脂などの接着剤などによって前面板(52)の背面（上面）に接合されている。バッキング材(54)は、振動子(53)の背面側に送信される超音波を減衰させるためのもので、エポキシ樹脂などの合成樹脂またはゴムなどによって形成されている。前面板(52)および振動子(53)は、筐体(51)内にバッキング材(54)が充填されることによって、バッキング材(54)を介して筐体(51)に支持されている。
【００２６】
図４（ａ）は、超音波センサ(20)の取付け前の状態を示しており、取付け前において、前面板(52)は、その表面（下面）(52a)が取付け用フランジ部(58)の端面（下面）(58a)よりも軸方向外方（下方）に突出させられている。図４（ｂ）は、超音波センサ(2)の取付け状態を示しており、各ボルト挿通孔(59)に挿通されたボルト(60)が外輪(3)に設けられためねじ部(3a)にねじ込まれて締め付けられることにより、バッキング材(54)が弾性変形し、前面板(52)は、その表面(52a)が取付け用フランジ部(58)の下面(58a)と面一状態となっている。
【００２７】
バッキング材(54)の充填は、バッキング材(54)の一部が前面板(52)と筐体(51)との間の環状の間隙(G)の一部分に入り込んで、その端面(54a)位置が取付け用フランジ部(58)の下面(58a)よりも軸方向内方（上方）に位置するように行われている。したがって、図４（ｂ）に示す取付け状態において、筐体(51)端部とバッキング材(54)との間に、接触媒質を保持可能な環状溝(61)が形成されている。接触媒質は、超音波センサ(20)と被検知部との密接状態を高めて、超音波を良好に伝播させるものであり、環状溝(61)に保持された接触媒質が超音波センサ(2)と被検知部との境界面に補充されることで、長期間にわたって安定したセンサ機能が発揮される。
【００２８】
パルス送信器（図示略）からの電気信号をコネクタ(56)およびリード線(57)を介して振動子(53)に加えると、振動子(53)から超音波が放射され、この超音波が前面板(52)を介して被検知部に送られる。そして、被検知部からの反射波が前面板(52)を介して振動子(53)で受けられて、これが出力される。
【００２９】
制御装置(30)は、図３に示すように、各転がり軸受(21)ごとに転動体(25)に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサ(20A)(20B)(20C)(20D)の出力から転動体(25)に作用する荷重を求める転動体荷重演算手段(71)と、各転動体荷重に基づいて各車輪(4)のタイヤ接地荷重の上下方向成分、前後方向成分および左右方向成分を求める接地荷重演算手段(72)と、各タイヤ接地荷重に基づいて対応するサスペンションユニット(2A)(2B)(2C)(2D)に付与されるべきサスペンション力を演算するサスペンション力演算手段(73)とを備えている。
【００３０】
超音波センサ(20A)(20B)(20C)(20D)の出力は、以下に示すエコー比として求められる。
【００３１】
エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０
Ｈ０：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときの反射エコー強度
転動体荷重演算手段(71)には、超音波センサ(20A)(20B)(20C)(20D)の出力（エコー比）と接触面積との関係を示す実験式を蓄える実験式蓄積部(71a)と、転動体荷重と接触面積との関係を示す理論式を蓄える理論式蓄積部(71b)と、超音波センサ(20A)(20B)(20C)(20D)の出力から実験式を使って接触面積を求める接触面積演算部(71c)とが設けられている。
【００３２】
接地荷重演算手段(72)は、各転動体荷重に基づいて各車輪(4)のタイヤ接地荷重の上下方向成分を求める上下方向荷重演算手段(72a)と、各転動体荷重に基づいて各車輪(4)のタイヤ接地荷重の前後方向成分を求める前後方向荷重演算手段(72b)と、各転動体荷重に基づいて各車輪(4)のタイヤ接地荷重の左右方向成分を求める左右方向荷重演算手段(72c)とを備えている。
【００３３】
サスペンション力演算手段(73)は、重量配分算出部(73a)を有しており、車両の重量配分を算出して、重量配分の割合の応じた制御信号を出力し、サスペンション力を制御する。
【００３４】
転がり軸受(21)に作用する荷重が変化すると、転動体(25)と固定側軌道部材(23)の軌道溝との接触面積が変化し、超音波センサ(20A)(20B)(20C)(20D)の出力が変化する。ここで、転動体(25)に作用する荷重が大きいと、接触面積も大きくなり、反射波は小さくなる。したがって、接触面積が大きい場合には、大きいエコー比が出力される。この超音波センサ(20A)(20B)(20C)(20D)の出力は、接触面積演算部(71c)において、実験式蓄積部(71a)に蓄積されている出力と面積との関係を使用して面積に換算される。次いで、この接触面積は、理論式蓄積部(71b)に蓄積されている荷重と面積との関係を使用して荷重に変換される。
【００３５】
理論式蓄積部(71b)に蓄えられる転動体荷重と接触面積との関係は、理論的に求めることができる。また、超音波センサ(20A)(20B)(20C)(20D)を使用した超音波測定法を用いた場合の接触面積とエコー比とは、所定の関係を有しており、予め求められた超音波センサ(20A)(20B)(20C)(20D)の出力（エコー比）と接触面積との関係が実験式蓄積部(71a)に蓄えられる。これにより、この所定の関係を利用してエコー比から接触面積を求めることができる。また、エコー比と転動体荷重との関係についても予め求めておくことができる。
【００３６】
接地荷重演算手段(72)では、各車輪(4)ごとに、各超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sto)(Sbo)から得られた複数の転動体荷重を使用して３方向分力（上下方向荷重、前後方向荷重、左右方向荷重）が求められる。３方向分力の演算式は、予め実験により求められる。
【００３７】
サスペンション力演算手段(73)では、重量配分算出部(73a)の算出結果に基づき、例えば、制動時に、前車輪(4)の上下方向荷重が増加（前輪の超音波センサ(20A)(20B)の出力が増加）し、後車輪(4)の上下方向荷重が減少（後輪の超音波センサ(20C)(20D)の出力が減少）した場合、これに対応して、前輪側のサスペンションユニット(2A)(2B)のサスペンション力が増加させられ、後輪側のサスペンションユニット(2C)(2D)のサスペンション力が減少させられる。また、旋回時に、左車輪(4)の上下方向荷重が増加（左輪の超音波センサ(20A)(20C)の出力が増加）し、右車輪(4)の上下方向荷重が減少（右輪の超音波センサ(20B)(20D)の出力が減少）した場合、これに対応して、左輪側のサスペンションユニット(2A)(2C)のサスペンション力が増加させられ、右輪側のサスペンションユニット(2B)(2D)のサスペンション力が減少させられる。サスペンション力の増加量および減少量は、重量配分が大きく変化した場合には、これに対応して大きくなされる。これにより、自動車は、駆動時、制動時、旋回時等において、安定した車両姿勢を保つことができ、安全に走行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、この発明による車軸支持装置の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図２】図２は、この発明による車軸支持装置における車両用転がり軸受を示す縦断面図である。
【図３】図３は、この発明による車軸支持装置のセンサ装置の処理手段を示すブロック図である。
【図４】図４は、この発明で使用されている超音波センサを示す拡大縦断面図（図５のIV-IV線に沿うもの）である。
【図５】図５は、この発明で使用されている超音波センサの平面図である。
【符号の説明】
【００３９】
(1)                   車軸支持装置
(2A)(2B)(2C)(2D)      サスペンションユニット
(3)                   車軸部材
(4)                   車輪
(20A)(20B)(20C)(20D)  超音波センサ
(21)                  車両用転がり軸受
(22)                  センサ装置
(23)                  固定側軌道部材
(24)                  回転側軌道部材
(25)                  転動体（玉）
(71)                  転動体荷重演算手段
(72)                  接地荷重演算手段
(72a)                 上下方向荷重演算手段
(72b)                 前後方向荷重演算手段
(72c)                 左右方向荷重演算手段
(73)                  サスペンション力演算手段
【図１】
2007269163.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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