(57)【要約】【課題】  制動時の熱エネルギをセンサ類等の電源として利用できて、自動車等の燃費向上が得られ、またワイヤハーネスの長さの短縮による自動車の軽量化や、ブレーキパッドの摩耗の低減などの効果が得られる発電機付軸受を提供する。【解決手段】  固定輪である外方部材１と回転輪である内方部材２との間に複列の転動体５，５を介在させる。外方部材１と内方部材２の間に発電機２１を設ける。発電機２１は、外方部材１に設けられたステータ２３、および内方部材２に設けられたロータ２５を有し、前記ステータ２３およびロータ２５のいずれか一方が磁石を含み、他方がコイルを含む。制動指令に応答して発電機２１を能動化させ、制動指令の解除により発電機２１を非能動化させる発電機能オンオフ手段３１を設ける。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定輪と回転輪の対向する転走面間に転動体を介在させた転がり軸受において、
前記固定輪に設けられたステータ、および回転輪に設けられたロータを有し、前記ステータおよびロータのいずれか一方が磁石を含み、他方がコイルを含む発電機を備え、制動指令に応答して前記発電機を能動化させ前記制動指令の解除により前記発電機を非能動化させる発電機能オンオフ手段を設けたことを特徴とする発電機付軸受。
【請求項２】
請求項１において、前記発電機の発電した電力を蓄電するキャパシタを設けた発電機付軸受。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記転がり軸受が、複列の転走面が形成された固定輪と、この固定輪の各転走面に対向する転走面を形成した回転輪と、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である発電機付軸受。
【請求項４】
請求項３において、前記発電機は、車両の接触式のブレーキと併用されるものであり、前記制動指令は、車両の電気制御ユニットから前記ブレーキに与えられるブレーキ指令である発電機付軸受。
【請求項５】
請求項４において、前記ステータがコイルを有し、前記固定輪に、前記発電機能オンオフ手段を有し前記発電機を制御する制御基盤を設けた発電機付軸受。
【請求項６】
請求項４において、前記ロータが前記コイルを有し、前記ステータが前記磁石を有し、前記回転輪またはこの回転輪に取付けられて回転輪と共に回転する部材に、前記発電機の発電した電力を蓄電するキャパシタ、およびこのキャパシタの蓄電した電力を用いる機器を設け、前記回転輪に前記発電機能オンオフ手段を設け、前記固定輪と回転輪との間に前記制動指令および前記機器の出力をワイヤレスで伝達するワイヤレス伝達手段を設けた発電機能付軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、いわば回生ブレーキとして利用する発電機を装備した車輪用軸受等の発電機付軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車においては、走行安定性の向上やＣＯ2 の削減、燃費の向上のために、電子制御が必須である。その一方で、自動車に電子制御を用いると、ワイヤハーネスが増大し、自動車の軽量化に影響を与えるので、軽量化に影響しないような電子制御の採用が望まれる。
このような要望に応えるものとして、軸受にセンサ駆動用の発電機を組み込んだ車輪用軸受装置や発電機能付軸受が提案されている（例えば特許文献１〜３）。発電機を利用すると、給電用の配線が不要でワイヤハーネスが削減できる。
【特許文献１】特開２００２−０５５１１３号公報
【特許文献２】特開２００３−２６９４７４号公報
【特許文献３】特開２００５−１２１１７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１〜３に開示の技術では、発電機を作動させるとブレーキ力が働くので、発電機により回転エネルギを１００％電気エネルギに変換できなければ、損失が発生することになる。また、このような構成の車輪用軸受で発電機を作動させた場合、前記損失により自動車の燃費が低下するといった問題がある。
【０００４】
この発明の目的は、制動時のエキルギーを有効利用して発電が行えて、エネルギ損失の低減が可能な発電機付軸受を提供することである。
この発明の他の目的は、車輪用軸受に適用された場合に、自動車の燃費向上、ワイヤハーネスの長さの短縮による自動車の軽量化、ブレーキパッドの摩耗低減を図れるものとすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の発電機付軸受は、固定輪と回転輪の対向する転走面間に転動体を介在させた転がり軸受において、前記固定輪に設けられたステータ、および回転輪に設けられたロータを有し、前記ステータおよびロータのいずれか一方が磁石を含み、他方がコイルを含む発電機を備え、制動指令に応答して前記発電機を能動化させ前記制動指令の解除により前記発電機を非能動化させる発電機能オンオフ手段を設けたことを特徴とする。ここで言う「能動化」とは、発電機として機能可能な状態とすることを言う。上記制動指令は、この発電機付軸受で支持する回転体を回転駆動する駆動系において、上記発電機とは別に設けられる制動装置へ与える制動指令であっても良く、上記発電機に与えられる専用の制動指令であっても良い。
【０００６】
軸受で支持される回転体にブレーキを働かせる場合に、発電機能オンオフ手段に制動指令を与えると、制動指令に応答して発電機能オンオフ手段が発電機を能動化させるので、発電機がブレーキとして働く。いわば、発電機が回生ブレーキとして作用する。これにより、制動のために放出される熱エネルギが発電機で発電電力に変換され、エネルギ損失の低減が可能となる。
【０００７】
この発明において、前記発電機の発電した電力を蓄電するキャパシタを設けても良い。キャパシタを設けた場合、蓄電した電力を、例えば軸受に設置されるセンサ類等の機器の電源として利用することができる。上記センサ類としては、例えば、荷重センサや回転センサがある。これにより、ブレーキ時に放出される熱エネルギを機器の電源として利用できる。
【０００８】
この発明において、前記転がり軸受が、複列の転走面が形成された固定輪と、この固定輪の各転走面に対向する転走面を形成した回転輪と、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であっても良い。
車輪用軸受では、荷重センサや回転センサ等のセンサ類が設置されることが多く、また車両の加速や制動が繰り返されて発電機を機能させる時が多い。そのため、この発明の発電機付軸受の利点がより一層効果的となる。例えば、ブレーキ時に放出される熱エネルギがセンサ類等の電源として利用できて、自動車の燃費向上が得られ、また発電機の利用によりセンサ類への給電用配線が省略できて、ワイヤハーネスの長さの短縮、この短縮による自動車の軽量化にも繋がる。
【０００９】
車輪用軸受に適用した場合に、前記発電機は、車両の接触式のブレーキと併用されるものであり、前記制動指令は、車両の電気制御ユニットから前記ブレーキに与えられるブレーキ指令であっても良い。
この構成の場合、発電機は前記接触式のブレーキに対する補助ブレーキとして使用される。車両の電気制御ユニットから車両の接触式のブレーキにブレーキ指令が与えられるとき、発電機能オンオフ手段にも前記ブレーキ指令が制動指令として与えられ、その制動指令に応答して発電機能オンオフ手段が発電機を能動化させる。これにより、接触式のブレーキと並行して発電機が作動して、発電機のブレーキ機能が補助ブレーキとして働くことになる。発電機によりブレーキ力が非接触で得られるため、ブレーキパッドの摩耗が低減されるという利点も得られる。
【００１０】
車輪用軸受に適用した場合に、前記発電機のステータがコイルを有し、前記固定輪に、前記発電機能オンオフ手段を有し前記発電機を制御する制御基盤を設けても良い。
発電機を制御する制御基盤を固定輪に設置すると、自動車の電気制御ユニットが複雑化することが回避される。また、上記制御基盤に発電機能オンオフ手段を配置することで、制御のための回路を集約することができる。
【００１１】
この発明において、前記ロータが前記コイルを有し、前記ステータが前記磁石を有し、前記回転輪またはこの回転輪に取付けられて回転輪と共に回転する部材に、前記発電機の発電した電力を蓄電するキャパシタ、およびこのキャパシタの蓄電した電力を用いる機器を設け、前記回転輪に前記発電機能オンオフ手段を設け、前記固定輪と回転輪との間に前記制動指令および前記機器の出力をワイヤレスで伝達するワイヤレス伝達手段を設けても良い。
この構成の場合、回転輪に設けられた発電機能オンオフ手段に対して、ワイヤレス伝達手段から制動指令を与えることにより、発電機を能動化させてブレーキ機能を働かせることができる。また、発電機の発電した電力は、回転輪と共に回転する部材に設けられたキャパシタで蓄電され、その蓄電された電力が同じ部材に設けられた機器の電源として用いられる。また、前記機器の出力はワイヤレス伝達手段によりワイヤレスで外部に伝達される。その結果、回転輪側での配線が簡略になる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の発電機付軸受は、固定輪と回転輪の対向する転走面間に転動体を介在させた転がり軸受において、前記固定輪に設けられたステータ、および回転輪に設けられたロータを有し、前記ステータおよびロータのいずれか一方が磁石を含み、他方がコイルを含む発電機を備え、制動指令に応答して前記発電機を能動化させ前記制動指令の解除により前記発電機を非能動化させる発電機能オンオフ手段を設けたため、制動時のエキルギーを有効利用して発電が行えて、エネルギ損失の低減が可能となる。
車輪用軸受に適用した場合は、制動時の熱エネルギをセンサ類等の電源として利用できて、自動車の燃費向上が得られ、またワイヤハーネスの長さの短縮による自動車の軽量化や、ブレーキパッドの摩耗の低減などの効果が得られる。
【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および図２と共に説明する。図１は図２のＩ−Ｏ−Ｉ′線に沿う断面図である。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。
この発電機付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、各転走面３，４は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、密封装置となるシール７，８によってそれぞれ密封されている。
【００１４】
外方部材１は固定輪であり、車体の懸架装置（図示せず）におけるナックルに取付ける車体取付用のフランジ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、周方向の複数箇所に車体取付用のボルト孔１４が設けられている。
内方部材２は回転輪であって、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の圧入孔１６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。
【００１５】
この車輪用軸受において、固定輪である外方部材１と回転輪である内方部材２の間に、発電機２１が設けられている。発電機２１は、両列の転動体５，５間に配置されている。発電機２１は、両列の転動体５，５間に限らず、内方部材２と外方部材１間の端部に配置しても良い。
【００１６】
発電機２１はコイルを含むリング状のステータ２３と、磁石を含むリング状のロータ２５から構成される。ステータ２３のコイルは、例えば保護用の隔壁で被覆される。ロータ２５は、この実施形態では、取付用のリングおよびその外径面に設けられた磁石からなる。ステータ２３は固定輪である外方部材１の内径面に、ロータ２５は回転輪である内方部材２の外径面に、それぞれ圧入もしくは接着などの方法で固定されている。これらステータ２３およびロータ２５は、ラジアル方向に対向するように位置決めされる。なお、固定輪である外方部材１や、回転輪である内方部材２に、ステータ２３やロータ２５を軸方向に対して位置決めする段差や突部（図示せず）などを設けても良い。
【００１７】
固定輪である外方部材１には、ステータ２３のコイルに接続された配線２７を通す配線孔２９が外径面から内径面に貫通して設けられている。コイルを有するステータ２３を組付ける場合、配線２７を予め配線孔２９に通した状態で、軸方向から外方部材１の内径面に嵌合すれば良い。
【００１８】
外方部材１の外径面外に引き出される配線２７は、発電機２１を制御する制御基盤３０に接続され、この制御基盤３０は例えば外方部材１の外径面に設置される。制御基盤３０は、制動指令に応答して発電機２１を能動化させ前記制動指令の解除により発電機２１を非能動化させる発電機能オンオフ手段３１を有する。発電機能オンオフ手段３１は、例えば発電機２１のコイルの回路を開閉するスイッチング手段等からなり、コイルの回路を開くことで、電流が流れず、発電機として機能しない非能動化状態とし、コイルの回路を閉じることで、電流が流れて発電機として機能する能動状態とするものである。上記制動指令は、車両の電気制御ユニット（ＥＣＵ）から車両の接触式のブレーキに与えられるブレーキ指令であり、このブレーキ指令が発電機２１の制御基盤３０にも与えられる。すなわち、発電機２１はブレーキ機能を有するので、車両の接触式のブレーキと併用されて、車両のブレーキ機能の一部を担う。具体的には、ＥＣＵからブレーキ指令があったときだけ発電機２１を作動させることで、発電機２１を補助ブレーキとして使用する。
【００１９】
発電機２１は前記制御基盤３０を介してキャパシタ３２に電気的に接続されており、発電機２１で発電した電力はキャパシタ３２に蓄電される。制御基盤３０には、発電機２１で発電した電流の整流，平滑化などを行うレギュレータなどが含まれる。キャパシタ３２に蓄電された電力は、外方部材１に設けられた機器の電源として利用される。ここでは前記機器の一例として、外方部材１の外径面に、車輪に負荷される荷重を検出する荷重センサ３３が設けられ、その近傍に設置された前記キャパシタ３２から荷重センサ３３に電源供給が行なわれる。
【００２０】
なお、上記構成において、発電機２１の制御基盤３０はＥＣＵに設けても良い。この場合、発電機２１のステータ２５と、ＥＣＵの制御基盤３０との間を、コネクタで連結しても良い。
【００２１】
上記構成によると、ＥＣＵから車両の接触式のブレーキにブレーキ指令が与えられるとき、発電機２１の制御基盤３０にも前記ブレーキ指令が制動指令として与えられ、その制動指令に応答して制御基盤３０の発電機能オンオフ手段３１が発電機２１を能動化させる。これにより、接触式のブレーキと並行して発電機２１が作動して、発電機２１のブレーキ機能が補助ブレーキとして働くことになり、発電機２１のブレーキ作用が有効利用されることでエネルギ損失の低減が可能となる。このように、発電機２１によりブレーキ力が非接触で得られるため、この実施形態のように車輪用軸受に発電機２１を設けた場合、ブレーキパッドの摩耗を低減できる。
【００２２】
また、この実施形態では、発電機２１で発電した電力をキャパシタ３２で蓄電するようにしているので、キャパシタ３２に蓄電した電力を、車輪用軸受の例えば外方部材１に設置される荷重センサ３３などの機器の電源として利用することができる。これにより、ブレーキ時に放出される熱エネルギを荷重センサ３３などの機器の電源として利用できることになり、自動車の燃費が向上する。また、荷重センサ３３などの機器への給電経路が簡略になるため、ワイヤハーネスの長さも短縮化され、自動車の軽量化に繋がる。
【００２３】
図３は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、図１に示す実施形態の発電機付軸受において、発電機２１が、磁石を含むリング状のステータ２３と、コイルを含むリング状のロータ２５とで構成される。ステータ２３は、取付用のリングおよびその内径面に設けられた磁石からなる。ロータ２５のコイルは、例えば保護用の隔壁で被覆される。この実施形態でも、ステータ２３は固定輪である外方部材１の内径面に、ロータ２５は回転輪である内方部材２の外径面に、それぞれ圧入もしくは接着などの方法で固定されている。
【００２４】
回転輪である内方部材２のハブ輪９には、ロータ２５のコイルに接続された配線３７を通す配線孔３９が外径面から内径面に貫通して設けられ、内径面の円周方向の一部に、上記配線３７を軸方向に沿って内部に這わす配線溝４０が設けられている。コイルを有するロータ２５を組付ける場合、配線３７を予め配線孔３９に通した状態で、ハブ輪９の外径面に嵌合すれば良い。
【００２５】
配線３７の先端にはコネクタ４２が接続され、このコネクタ４２を介してロータ２５のコイルがキャパシタ３２に接続される。これにより、発電機２１で発電した電力がキャパシタ３２に蓄電される。コネクタ４２は、ハブ輪９のパイロット部１３よりも内径部でアウトボード側端面に固定されている。キャパシタ３２は、内方部材２に取付けても良く、また内方部材２に取付けられる車輪やそのタイヤ、あるいはブレーキディスク等の部材に取付けても良い。ここでは、キャパシタ３２に蓄電された電力は、回転輪である内方部材２側に設けられたセンサ類等の機器の電源として利用される。例えば、ハブ輪９の車輪取付用ハブフランジ９ａの根元部に制動部品と共に嵌合する車輪（図示せず）には、その車輪に負荷される荷重を歪みとして検出する荷重センサ３３が前記機器として設けられる。その車輪における前記荷重センサ３３の近傍に前記キャパシタ３２が配置されて、キャパシタ３２に蓄電された電力が荷重センサ３４の電源として供給される。なお、上記車輪のタイヤに空気圧センサ（図示せず）を設け、その空気圧センサの電源としてキャパシタ３２の電力を用いるようにしても良い。
【００２６】
車体側には前記発電機２１を制御する制御基盤３０が設けられ、この制御基盤３０はＥＣＵから与えられるブレーキ指令を受ける。一方、内方部材２の外径面における発電機ロータ２５の近傍には前記制御基盤３０に与えられるブレーキ指令を制動指令として受け、発電機２１を能動化させる発電機能オンオフ手段３１が設けられる。制御基盤３０からは、前記ブレーキ指令とその他の制御信号が出力され、これらの信号はワイヤレス伝達手段４３を介してワイヤレスで前記発電機能オンオフ手段３１に送信される。発電機能オンオフ手段３１は、前記制動指令（ブレーキ指令）に応答して発電機２１を能動化させ、制動指令の解除により発電機２１を非能動化させる機能部のほか、制御基盤３０からの他の制御信号により、能動中の発電機２１に各種制御を行う機能部も持つ。
【００２７】
ワイヤレス伝達手段４３は、車体側に設けられる第１の送受信部４４と、内方部材２側に設けられる第２の送受信部４５とでなり、第１の送受信部４４と第２の送受信部４５との間で双方向のワイヤレス送受信が可能とされる。制御基盤３０からの出力信号は、第１の送受信部４４からワイヤレスで発信されて、第２の送受信部４５で受信される。第１の送受信部４４は制御基盤３０の近傍に配置されて、制御基盤３０に電気的に接続されている。第２の送受信部４５は、内方部材２の外径面における前記発電機能オンオフ手段３１に隣接した位置に設けられ、発電機能オンオフ手段３１に電気的に接続されている。
なお、図示しないが、内方部材２には、ロータ２５のコイルから、配線３７、コネクタ４２、およびキャパシタ３２を経て荷重センサ３３に至る給電経路に沿って、荷重センサ３３の出力信号を第２の送受信部４５に送信する信号経路が設けられ、荷重センサ３３の検出信号をワイヤレス伝達手段４３で車体側の制御基盤３０に送信し、さらに制御基盤３０からＥＣＵに送信するようにされている。その他の構成は、図１の実施形態の場合と同様である。
【００２８】
この実施形態の場合も、ＥＣＵから車両の接触式のブレーキにブレーキ指令が与えられるとき、発電機２１の制御基盤３０に前記ブレーキ指令が制動指令として与えられ、その制動指令がワイヤレス伝達手段４３を介して回転輪である内方部材２に設けられた発電機能オンオフ手段３１に伝達される。そこで、発電機能オンオフ手段３１は、前記制動指令に応答して発電機２１を能動化させる。これにより、接触式のブレーキと並行して発電機２１が作動して、発電機２１のブレーキ機能が補助ブレーキとして働く。
【００２９】
発電機２１で発電した電力は、配線３７およびコネクタ４２を経てキャパシタ３２で蓄電され、キャパシタ３２に蓄電された電力が、車輪用軸受の回転輪側に設置される荷重センサ３３などの機器の電源として利用される。この場合も、ブレーキ時に放出される熱エネルギを荷重センサ３３などの機器の電源として利用できるので、自動車の燃費が向上する。また、荷重センサ３３などの機器への給電経路が簡略になるため、ワイヤハーネスの長さも短縮化され、自動車の軽量化に繋がる。
【００３０】
図４は、図３の実施形態に用いられる発電機２１の一例を示す。この発電機２１は、ラジアルギャップ型のクローポール発電機である。ステータ２３は、取付用のリング２３ａおよびその内径面に設けられた磁石２２からなる。磁石２２は、円周方向に磁極Ｎ，Ｓが交互に並んで設けられた多極磁石とされている。ロータ２５は、ステータ２３と同心のリング中心Ｏを持つリング状のヨーク２５ａと、このヨーク２５ａ内に収められたコイル２４とでなる。ヨーク２５ａは、軸方向に対面するリング状の２つのヨーク構成部材２５ａａ，２５ａｂを内径部で組み合わせたものであり、両ヨーク構成部材２５ａａ，２５ａｂに、互いに隙間を介して噛み合う複数の爪部ａ，ｂが設けられたクローポール型とされている。クローポール発電機は、小型で発電効率が良いという利点がある。
【００３１】
図５は、図３の実施形態の発電機２１に用いられるラジアルギャップ型発電機の他の例を示す。ステータ２３は、円周方向に磁極Ｎ，Ｓが交互に並んで設けられたリング状の多極磁石である。ロータ２５は、ヨーク２５ｂの外周部に円周方向に並んで外径側へ突出して設けられた各突部２５ｂａに、コイル２４を構成する個別のコイル２４ａが巻回されている。ロータ２５の側面および外径面にはコイル２４を保護するための合成樹脂等の非磁性体で作られた薄い隔壁を７２を設けている。個別コイル２４ａ間の隙間には、モールド樹脂７１による樹脂モールドなどで埋めてある。なお、アキシアルギャップ型発電機のロータについても、上記と同様の構成にすることが可能である。
【００３２】
なお、上記各実施形態は、外方部材１を固定輪としたが、この発明は内方部材が固定輪で外方部材が回転輪となる車輪用軸受にも適用することができる。
【００３３】
また、上記各実施形態では、発電機２１を両列の転動体５，５間に配置しているが、軸受の軸方向端部に設けても良い。また、上記各実施形態では、車輪用軸受に適用した場合について示したが、他の用途の軸受に適用しても上記と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明の一実施形態にかかる発電機付軸受の断面図である。
【図２】同発電機付軸受をインボード側から見た側面図である。
【図３】この発明の他の実施形態を示す断面図である。
【図４】（Ａ）は同実施形態に用いられるクローポール型発電機の部分断面図、（Ｂ）はそのステータを外径側から見た部分展開図である。
【図５】（Ａ）は同実施形態に用いられるラジアルギャップ型発電機の部分正面図、（Ｂ）はその部分側面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…外方部材（固定輪）
２…内方部材（回転輪）
３，４…転走面
５…転動体
２１…発電機
２３…ステータ
２５…ロータ
３１…発電機能オンオフ手段
３２…キャパシタ
３３…荷重センサ（機器）
４３…ワイヤレス伝達手段
【図１】
2009005430.tif 000003
【図２】
2009005430.tif 000004
【図３】
2009005430.tif 000005
【図４】
2009005430.tif 000006
【図５】
2009005430.tif 000007