(57)【要約】【課題】  荷重検出用のセンサを安定した姿勢でコンパクトに車両に設置できて、車輪にかかる荷重を感度良く検出でき、量産時のコストが安価となるセンサ付車輪用軸受を提供する。【解決手段】  外方部材１と内方部材の間に複列の転動体を介在させた車輪用軸受において、外方部材１に固定された歪み発生用部材２２と、この歪み発生用部材２２に取付けられた少なくとも１つ以上の歪み測定用のセンサ素子２３とからなる歪みセンサ２１を設ける。この歪みセンサ２１の歪み発生用部材２２は、外方部材１の互いに離れた少なくとも２箇所にそれぞれ固定される２つ以上の固定面２２ａ，２２ｂを有する。各固定面２２ａ，２２ｂと外方部材１の前記歪みセンサ２１を固定する固定対象面Ｆａ，Ｆｂとの間に、固定面２２ａ，２２ｂ側を向く端面が固定面２２ａ，２２ｂと同形状、かつ固定対象面Ｆａ，Ｆｂ側を向く端面が固定対象面Ｆａ，Ｆｂと同形状であるスペーサ部材４０，４１を介在させる。【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、
前記外方部材に固定された歪み発生用部材と、この歪み発生用部材に取付けられた少なくとも１つ以上の歪み測定用のセンサ素子とからなる歪みセンサを設け、この歪みセンサの前記歪み発生用部材は、前記外方部材の互いに離れた少なくとも２箇所にそれぞれ固定される２つ以上の固定面を有し、各固定面と外方部材の前記歪みセンサを固定する固定対象面との間に、固定面側を向く端面が固定面と同形状、かつ固定対象面側を向く端面が固定対象面と同形状であるスペーサ部材を介在させ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つ以上のスペーサ部材のうち少なくとも１つのスペーサ部材は、前記固定面側を向く端面が平面、かつ前記固定対象面側を向く端面が円筒面である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、前記スペーサ部材がステンレス鋼で形成されてい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、前記歪み発生用部材の少なくとも２箇所の固定面のうち、第１の固定面の固定対象面は前記外方部材に設けられたフランジの側面であり、第２の固定面の固定対象面は前記外方部材の外周面であるセンサ付車輪用軸受。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記歪み発生用部材の少なくとも箇所の固定面の固定対象面は、いずれも前記外方部材の外周面であ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、前記センサ素子の出力によって、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を推定する作用力推定手段を設けた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】
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。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面の制御が可能なことが求められている。
【０００３】
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は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、車軸方向荷重を検出して運転手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】
このような要請に応えるものとして、車輪用軸受の外輪に歪みゲージを貼り付け、この歪みゲージの検出する歪みから車輪にかかる荷重を推定するようにした車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
また、外輪に歪みゲージを直接貼り付けるのではなく、センサ支持部材に歪み検出用の荷重センサを取付けてセンサ装置とし、このセンサ装置を外輪に取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２の場合、センサ支持部材は、外輪の外周面に当接する水平部および外輪の車体取付け用フランジ部に当接する垂直部からなり、前記水平部に荷重センサが貼り付けられている。
【特許文献１】特表２００３−５３０５６５号公報
【特許文献２】特開２００６−７７８０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
車輪用軸受の外輪は、転走面を有し、強度が求められる部品であって、塑性加工や、旋削加工、熱処理、研削加工などの複雑な工程を経て生産される軸受部品であるため、特許文献１のように外輪に歪みゲージを貼り付けるのでは、生産性が悪く、量産時のコストが高くなるという問題点がある。また、外輪の歪みを感度良く検出することが難しく、その検出結果を車両走行時の姿勢制御に利用した場合、制御の精度が問題となる。また、車輪用軸受の一部を加工するため軸受剛性が低くなるという問題がある。
【０００７】
特許文献２のように、センサ支持部材に歪み検出用の荷重センサを取付けたセンサ装置を外輪に取付けるようにすれば、荷重センサの設置が容易となり、生産性の向上が図れるとともに、外輪に対するセンサ支持部材の固定位置を適正に設定することで、外輪の歪みを感度良く検出することが可能になる。しかし、外輪の歪みを感度良く検出するには、センサ支持部材を外輪に対して互いに離れた２箇所以上で固定する必要がある。そのため、センサ支持部材の形状が複雑になり、センサ支持部材を外輪に安定した姿勢で固定するのが難しかった。特に、円筒面形状である外輪の外周面にセンサ支持部材を固定する場合、センサ支持部材と外輪との接触面でガタツキ等が生じ、センサ支持部材の固定姿勢が不安定になりやすい。センサ支持部材の固定姿勢が不安定であると、外輪の歪みがセンサ支持部材にうまく伝わらず、外輪の歪みを精度良く検出することができない。
【０００８】
この発明の目的は、荷重検出用のセンサを安定した姿勢でコンパクトに車両に設置できて、車輪にかかる荷重を感度良く検出でき、量産時のコストが安価とな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】
【０００９】
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、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、前記外方部材に固定された歪み発生用部材と、この歪み発生用部材に取付けられた少なくとも１つ以上の歪み測定用のセンサ素子とからなる歪みセンサを設け、この歪みセンサの前記歪み発生用部材は、前記外方部材の互いに離れた少なくとも２箇所にそれぞれ固定される２つ以上の固定面を有し、各固定面と外方部材の前記歪みセンサを固定する固定対象面との間に、固定面側を向く端面が固定面と同形状、かつ固定対象面側を向く端面が固定対象面と同形状であるスペーサ部材を介在させたことを特徴とする。
【００１０】
車両走行に伴い、外方部材および内方部材のうちの回転側部材に荷重が加わり、回転側部材が変形する。また、この回転側部材の変形が転動体を介して固定側部材に伝わり、固定側部材も変形する。したがって、外方部材が回転側部材および固定側部材のいずれであっても、外方部材が変形する。外方部材の変形は、スペーサ部材を介して歪み発生用部材に歪みをもたらす。歪み発生用部材は、外方部材に対して互いに離れた少なくとも２箇所の固定面でそれぞれ固定されており、外方部材から程度の異なる２つ以上の変形が伝えられるため、その変形の差により歪み発生用部材が大きく歪む。この歪み発生用部材の歪みを、歪み発生用部材に取付けたセンサ素子が検出する。歪みと荷重の関係を予め実験やシミュレーションで求めておけば、センサ素子の出力から車輪にかかる荷重を検出することができる。この検出した荷重は、自動車の車両制御に使用することができる。
歪み発生用部材の各固定面と外方部材の固定対象面との間に、固定面側を向く端面が固定面と同形状、かつ固定対象面側を向く端面が固定対象面と同形状であるスペーサ部材を介在させてあるため、歪み発生用部材を外方部材に対して安定した姿勢で固定させることができる。そのため、外方部材の歪みが歪み発生用部材に正確に伝わり、外方部材の歪みを精度良く検出することができる。
この車輪用軸受は、歪み発生用部材およびこの歪み発生用部材に取付けたセンサ素子からなる歪みセンサを、スペーサ部材を介して外方部材に固定する構成としたため、荷重検出用のセンサを車両にコンパクトに設置できる。歪み発生用部材と外方部材との間にスペーサ部材を介在させることにより、歪み発生用部材を簡略な形状とすることができる。この簡略な形状の歪み発生用部材にセンサ素子を取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。また、車輪用軸受の加工を最小限に止めることができるため、軸受剛性を低下させない。
【００１１】
前記２つ以上のスペーサ部材のうち少なくとも１つのスペーサ部材は、前記固定面側を向く端面が平面、かつ前記固定対象面側を向く端面が円筒面とすることができる。
スペーサ部材の固定面側を向く端面が平面であると、歪み発生用部材の固定面を平面とすることができ、歪み発生用部材を簡略な形状とすることができる。また、スペーサ部材の固定対象面側を向く端面が円筒面であると、外方部材の外周面にスペーサ部材を密着させることができ、歪み発生用部材の固定姿勢が安定する。
【００１２】
前記歪み発生用部材の少なくとも２箇所の固定面のうち、第１の固定面の固定対象面は前記外方部材に設けられたフランジの側面であり、第２の固定面の固定対象面は前記外方部材の外周面であるのが好ましい。
歪み発生用部材の第１の固定面の接触対象面が外方部材に設けられたフランジの側面であり、第２の固定面の接触対象面が外方部材の外周面であると、第１および第２の固定面の径方向位置が異なり、外方部材の歪みが歪み発生用部材に転写かつ拡大して現れやすくなる。この転写かつ拡大された歪みをセンサ素子で測定するため、外方部材の歪みを感度良く検出でき、荷重の測定精度が高くなる。
【００１３】
前記スペーサ部材はステンレス鋼で形成されているのが望ましい。
スペーサ部材は、外気や水の晒される環境下で使用されるため、耐食性が要求される。そのため、耐食性に優れたステンレス鋼が適している。
【００１４】
また、前記歪み発生用部材の少なくとも２箇所の固定面の固定対象面は、いずれも前記外方部材の外周面であっても良い。
外方部材は、円周方向の各部によって、車輪にかかる荷重によるラジアル方向の変形の程度が異なる。解析結果によると、タイヤ路面との接触点に作用する軸方向力による外方部材のラジアル方向の変形は、反路面側である真上位置および路面側である真下位置で最も大きくなる。このため、外方部材の円周方向に離れた少なくとも２箇所にセンサ取付部材の固定面が位置していると、これらの固定面には異なる程度のラジアル方向の変形がもたらされる。歪み発生用部材は、ラジアル方向の変形が小さい固定面を有する部位が支点となって、ラジアル方向の変形が大きい固定面を有する部位がより大きく変形する。したがって、ラジアル方向の変形が大きい固定面を有する部位にセンサ素子を取付けておけば、この歪みセンサにより、外方部材の歪みを感度良く検出することができる。
【００１５】
前記センサ素子の出力によって、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を推定する作用力推定手段を設けると良い。
作用力推定手段によって得られる車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を自動車の車両制御に使用することにより、きめ細かな車両制御が可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
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、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、前記外方部材に固定された歪み発生用部材と、この歪み発生用部材に取付けられた少なくとも１つ以上の歪み測定用のセンサ素子とからなる歪みセンサを設け、この歪みセンサの前記歪み発生用部材は、前記外方部材の互いに離れた少なくとも２箇所にそれぞれ固定される２つ以上の固定面を有し、各固定面と外方部材の前記歪みセンサを固定する固定対象面との間に、固定面側を向く端面が固定面と同形状、かつ固定対象面側を向く端面が固定対象面と同形状であるスペーサ部材を介在させたため、荷重検出用のセンサを安定した姿勢でコンパクトに車両に設置できて、車輪にかかる荷重を感度良く検出し、そのセンサの出力を自動車の車両制御に有効に利用することができる。また、歪み発生用部材の固定面と外方部材の固定対象面との間にスペーサ部材を介在させることで、歪み発生用部材を簡略な形状とすることが可能となり、それにより量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
この発明の実施形態を図１ないし図４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。
【００１８】
このセンサ付車輪用軸受は、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、密封装置７，８によりそれぞれ密封されている。
【００１９】
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）におけるナックルに取付けるフランジ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孔１４が設けられている。
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、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１３がアウトボード側に突出している。
【００２０】
外方部材１の外周部には、歪みセンサ２１が設けられている。この歪みセンサ２１は、歪み発生用部材２２に、この歪み発生用部材２２の歪みを測定するセンサ素子２３を設けたものであり、第１および第２のスペーサ部材４０，４１を介して外方部材１に取付けられる。
【００２１】
図４に示すように、歪み発生用部材２２は、外方部材１のフランジ１ａの側面を固定対象面Ｆａとする第１の固定面２２ａと、外方部材１の外周面を固定対象面Ｆｂとする第２の固定面２２ｂとを有している。歪み発生用部材２２は、径方向に沿った径方向部位２２ｃと、軸方向に沿った軸方向部位２２ｄとでＬ字の形状に構成されており、径方向部位２２ｃのインボード側面先端部が前記第１の固定面２２ａとされ、軸方向部位２２ｄの内径側面先端部が前記第２の固定面２２ｂとされている。径方向部位２２ｃは、軸方向部位２２ｄに比べ、剛性が低くなるよう肉厚を薄くしてある。センサ素子２３は、この剛性の低い径方向部位２２ｃに取付けられている。
【００２２】
センサ素子２３としては、種々のものを使用することができる。例えば、センサ素子２３を金属箔ストレインゲージで構成することができる。その場合、通常、歪み発生用部材２２に対して接着による固定が行われる。
【００２３】
また、センサ素子２３を歪み発生用部材２２の表面上に厚膜抵抗体にて形成することができる。その場合のセンサ素子２３の構造を図５に示す。このセンサ素子２３は、歪み発生用部材２２の表面２２Ａ上に絶縁層５０が形成され、この絶縁層５０の表面の両側に対を成す電極５１，５１が形成され、これら電極５１，５１の間で前記絶縁層５０の上に厚膜抵抗体からなる歪み測定用抵抗体５２が形成され、さらに電極５１，５１と歪み測定用抵抗体５２の上に保護膜５３が形成された構造となっている。
【００２４】
このセンサ素子２３の製造方法を次に示す。まず、ステンレス鋼等の金属材料で形成された歪み発生用部材２２の表面２２Ａにガラス等の絶縁材料を印刷、焼成して絶縁層５０を形成する。次に、絶縁層５０の表面に、導電性材料を印刷、焼成して電極５１，５１を形成する。さらに、一対の電極５１，５１間に、抵抗体となる材料を印刷、焼成して歪み測定用抵抗体５２を形成する。さらに、これら電極５１，５１および歪み測定用抵抗体５２を保護するために、保護膜５３を形成する。
【００２５】
第１のスペーサ部材４０は、歪み発生用部材２２の第１の固定面２２ａと固定対象面Ｆａとしての外方部材１のフランジ１ａ側面との間に介在させられるものであり、第１の固定面２２ａ側を向く端面４０ａが第１の固定面２２ａと同じ平面形状、かつ固定対象面Ｆａを向く端面４０ｂが固定対象面Ｆａと同じ平面形状とされている（図４）。また、第２のスペーサ部材４１は、歪み発生用部材２２の第２の固定面２２ｂと固定対象面Ｆｂとしての外方部材１の外周面との間に介在させられるものであり、第２の固定面２２ｂ側を向く端面４１ａが第２の固定面２２ｂと同じ平面形状、かつ固定対象面Ｆｂを向く端面４１ｂが固定対象面Ｆｂと同じ円筒面形状とされている（図４）。
これら第１および第２のスペーサ部材４０，４１は、耐食性を有する鋼、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４系等）、あるいは、フェライト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格のＳＵＳ４３０系等）、あるいは防錆処理された鋼材を機械加工して形成されている。特に、防錆性能が高いオーステナイト系ステンレス鋼が望ましい。
【００２６】
歪みセンサ２１の外方部材１への取付部の構造について説明する（図２、図４）。歪み発生用部材２２には、第１の固定面２２ａを通る軸方向のボルト挿通孔７０、および第２の固定面２２ｂと通る径方向のボルト挿通孔７１が形成されている。また、第１のスペーサ部材４０には、前記ボルト挿通孔７０に対応するボルト挿通孔７２が形成され、第２のスペーサ部材４１には、前記ボルト挿通孔７１に対応するボルト挿通孔７３が形成されている。さらに、外方部材１には、内周面に雌ねじが形成されたボルト螺着孔７４，７５が、前記ボルト挿通孔７０，７２に対応する位置、および前記ボルト挿通孔７１，７３に対応する位置にそれぞれ形成されている。ボルト螺着孔７４の位置は車体取付孔１４の近傍とされ、ボルト螺着孔７５の位置は外方部材１の外周面とされている。また、両ボルト螺着孔７４，７５は、外方部材１の周方向に対して同位相の位置とされている。
【００２７】
図２に示すように、歪みセンサ２１は、歪み発生用部材２２のボルト挿通孔７０および第１のスペーサ部材４０のボルト挿通孔７２にアウトボード側からボルト７６を挿通し、そのボルト７６の雄ねじ部７６ａを外方部材１のボルト螺着孔７４に螺着させ、また歪み発生用部材２２のボルト挿通孔７１および第２のスペーサ部材４１のボルト挿通孔７３に外周側からボルト７６を挿通し、そのボルト７６の雄ねじ部７６ａを外方部材１のボルト螺着孔７５に螺着させることにより、外方部材１に固定される。
【００２８】
歪みセンサ２１を固定した状態では、図１ないし図３に示すように、歪み発生用部材２２の第１の固定面２２ａが第１のスペーサ部材４０を介して外方部材１の車体取付孔１４の近傍のフランジ１ａ側面に固定され、第２の固定面２２ｂが第２のスペーサ部材４１を介して外方部材１の外周面に固定される。第１および第２のスペーサ部材４０，４１は、歪み発生用部材２２の固定面２２ａ，２２ｂ側を向く端面４０ａ，４１ａが固定面２２ａ，２２ｂと同形状、かつ外方部材１の固定対象面Ｆａ，Ｆｂ側を向く端面４０ｂ，４１ｂが固定対象面Ｆａ，Ｆｂと同形状であるため、スペーサ部材４０，４１が歪み発生用部材２２および外方部材１に密着し、歪み発生用部材２２を外方部材１に対して安定した姿勢で固定させることができる。また、第１および第２の固定面２２ａ，２２ｂが、外方部材１の周方向に対して同位相の位置となるよう固定されるため、歪み発生用部材２２の長さを短くすることができ、歪みセンサ２１の設置が容易である。
【００２９】
図１に示すように、センサ素子２３の出力を処理する手段として、作用力推定手段３１および異常判定手段３２が設けられている。作用力推定手段３１は、センサ素子２３の出力により、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を推定する。作用力推定手段３１は、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力と、センサ素子２３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外力または作用力を出力する。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。異常判定手段３２は、推定手段３１により推定された前記外力または作用力が、許容値を超えたと判断される場合に、外部に異常信号を出力する。これらの手段３１，３２は、この車輪用軸受が装備する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。
【００３０】
上記構成のセンサ付車輪用軸受の作用を説明する。ハブ輪９に荷重が印加されると、転動体５を介して外方部材１が変形する。その外方部材１の変形は、第１および第２のスペーサ部材４０，４１を介して歪み発生用部材２２に伝わり、歪み発生用部材２２が変形する。前述したように、第１および第２のスペーサ部材４０，４１を用いることにより、歪み発生用部材２２を外方部材１に対して安定した姿勢で固定させることができるため、外方部材１の歪みが歪み発生用部材２２に正確に伝わる。この際、歪み発生用部材２２の径方向部位２２ｃは外方部材１のフランジ１ａの変形に従って変形する。この実施形態の場合、外方部材１と比べ前記径方向部位２２ｃは剛性が低く、かつ歪み発生用部材２２は剛性の低い径方向部位２２ｃと剛性の高い軸方向部位２２ｄとで構成されたＬ字形をしているため、径方向部位２２ｃと軸方向部位２２ｄとの間である径方向部位２２ｃ側の角部付近に歪みが集中し、外方部材１よりも大きな歪みとなって現れる。すなわち、径方向部位２２ｃと軸方向部位２２ｄとの間で発生する歪みは、フランジ１ａの基端のＲ部１ｂの歪みを転写かつ拡大したものとなる。この歪みをセンサ素子２３で測定するため、外方部材１の歪みを感度良く検出でき、歪み測定精度が高くなる。
【００３１】
荷重の方向や大きさによって歪みの変化が異なるため、予め歪みと荷重の関係を実験やシミュレーションにて求めておけば、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を算出することができる。前記作用力推定手段３１は、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた歪みと荷重の関係から、センサ素子２３の出力により、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を算出する。前記異常判定手段３２は、作用力推定手段３１により算出された車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力が、許容値を超えたと判断される場合に、外部に異常信号を出力する。この異常信号を、自動車の車両制御に使用することができる。また、リアルタイムで車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を出力すると、よりきめ細かな車両制御が可能となる。
【００３２】
この車輪用軸受は、歪み発生用部材２２およびこの歪み発生用部材２２に取付けたセンサ素子２３からなる歪みセンサ２１を、外方部材１に取付ける構成としたため、荷重検出用のセンサを車両にコンパクトに設置できる。車輪用軸受の加工を最小限に止めることができ、軸受剛性を低下させない。また、歪みセンサ２１を外方部材１に直接取付けるのではなく、第１および第２のスペーサ部材４０，４１を介して外方部材１に取付ける構成としたことにより、歪み発生用部材２２をＬ字状の簡略な形状とすることができる。歪み発生用部材２２が簡略な形状であると、歪み発生用部材２２の加工が容易となり、コスト低下が図れる。また、歪み発生用部材２２が簡略な形状であると、センサ素子２３の固定位置の位置決めを精度良く行うことができる。この実施形態の場合、歪み発生用部材２２におけるセンサ素子２３を設ける面が平面であるため、歪み発生用部材２２へのセンサ素子２３の取付け容易である。例えば、センサ素子２３を圧膜抵抗体にて形成することも比較的容易である。
【００３３】
センサ素子２３が金属箔ストレインゲージ等で構成されている場合、通常、歪み発生用部材２２に対して接着による固定が行なわれる。しかし、接着による固定は、経年変化による接着強度の低下がセンサ素子２３の検出に影響を及ぼす可能性がある。また、接着作業に時間を要するため、コストアップの原因ともなる。これに対し、図５に示したように、センサ素子２３を歪み発生用部材２２の表面２２Ａに厚膜抵抗体にて形成すると、経年変化による接着強度の低下がほとんどないので、センサ素子２３の信頼性を向上させることができる。また、センサ素子２３の接着作業が不要であるので、組立作業性を向上してコストダウンを図ることができる。
【００３４】
この実施形態は、歪みセンサ２１を外方部材１の１箇所にだけ設けた構成としているが、例えば図６に示すように、歪みセンサ２１を２箇所以上に設けた構成としても良い。歪みセンサ２１を２箇所以上に設けると、より一層精度の高い荷重の検出が可能となる。
【００３５】
前記各実施形態は、歪み発生用部材２２と、第１および第２のスペーサ部材４０，４１と、外方部材１とをボルト７６を用いて固定しているが、接着剤を用いて固定しても良い。また、両者を併用してもよい。さらには、接着剤やボルトを用いず、溶接で歪み発生用部材２２とスペーサ部材４０，４１と外方部材１とを固定しても良い。これらの固定構造のいずれを採用した場合でも、歪み発生用部材２２とスペーサ部材４０，４１と外方部材１とを強固に固定することができる。また、第１および第２のスペーサ部材４０，４１は耐食性に優れたステンレス鋼で形成されているため、外気や水の晒される環境下で使用されてもほとんど腐食することがない。そのため、歪み発生用部材２２が外方部材１に対して位置ずれすることがなく、外方部材１の変形を歪み発生用部材２２に正確に伝えることが可能である。
【００３６】
図７ないし図９は異なる実施形態を示す。この実施形態は、前記実施形態と比べ、歪みセンサ２１の歪み発生用部材２２に設けられた２箇所の固定面２２ｅ，２２ｆがいずれも外方部材１の外周面に固定させてある点で異なる。歪みセンサ２１の軸方向位置は、アウトボード側の転走面３よりもアウトボード側であり、詳しくはアウトボード側の転走面３と外方部材１のアウトボード側端との軸方向ほぼ中間位置である。歪みセンサ２１以外は、前記実施形態と同様である。
【００３７】
図８および図９に示すように、歪みセンサ２１の歪み発生用部材２２は、外方部材１の外周面に沿う周方向に細長い円弧状で、その両端部および中央部の内周面が固定面２２ｅ，２２ｆとされている。歪み発生用部材２２の断面形状は、例えば矩形とされるが、この他に各種の形状とすることができる。センサ素子２３は、この歪み発生用部材２２の中央部の正面面に取付けられている。この実施形態の場合、歪みセンサ２３は接着剤を用いて貼り付けられている。
【００３８】
上記歪み発生用部材２２の固定面２２ｅ，２２ｆとその固定対象面Ｆｂである外方部材１の外周面との間に、スペーサ部材４２，４３が介在させてある。スペーサ部材４２，４３の固定面２２ｅ，２２ｆ側を向く端面４２ａ，４３ａは固定面２２ｅ，２２ｆと同じ円筒面とされ、外方部材１の外周面側を向く端面４２ｂ，４３ｂは外方部材１の外周面と同じ円筒面とされている。両端のスペーサ部材４２は断面形状矩形で断面積が大きく、中央のスペーサ部材４３は断面形状円形で断面積が小さい。
【００３９】
この歪みセンサ２１は、歪み発生用部材２２の長手方向が外方部材１の周方向を向くように、スペーサ部材４２，４３を介して、歪み発生用部材２２の固定面２２ｅ，２２ｆで外方部材１の外周面に固定される。歪み発生用部材２２とスペーサ部材４２，４３の固定、およびスペーサ部材４２，４３と外方部材１の固定は、例えば接着剤による接着等によって行われる。ボルトを用いた固定としてもよい。スペーサ部材４２，４３は、歪み発生用部材２２の固定面２２ｅ，２２ｆ側を向く端面４２ａ，４３ａが固定面２２ｅ，２２ｆと同形状、かつ外方部材１の固定対象面Ｆｂ側を向く端面４２ｂ，４３ｂが固定対象面Ｆｂである外方部材１の外周面と同形状であるため、スペーサ部材４２，４３が歪み発生用部材２２および外方部材１に密着し、歪み発生用部材２２を外方部材１に対して安定した姿勢で固定させることができる。
【００４０】
歪みセンサ２１の外方部材１への固定に際しては、中央の固定面２２ｆが外方部材１の全周における真上の位置（反路面側位置）となり、両端の固定面２２ｅが真上の位置から数十度下方の位置となるように固定する。真上の位置は、外方部材１に作用する荷重により外方部材１がラジアル方向に最も大きく変形する周方向箇所であり、真上の位置から数十度下方に位置は、上記荷重により外方部材１がほとんど変形しない周方向箇所である。このことは、ＦＥＭ（有限要素法）解析の結果から判明した。なお、歪みセンサ２１を外方部材１に取付けた状態において、歪み発生用部材２２の固定面２２ｅ，２２ｆ以外の箇所では、外方部材１の内周面との間に隙間を生じている。
【００４１】
この実施形態の場合も、前記実施形態と同様に、ハブ輪９に荷重が印加されると、転動体５を介して外方部材１が変形し、その変形は外方部材１に固定された歪み発生用部材２２に伝わり、歪み発生用部材２２が変形する。前述したように、スペーサ部材４２，４３を用いることにより、歪み発生用部材２２を外方部材１に対して安定した姿勢で固定させることができるため、外方部材１の歪みが歪み発生用部材２２に正確に伝わる。
【００４２】
歪み発生用部材２２は、外方部材１における歪み発生用部材２２の固定箇所のラジアル方向の変形に従って変形する。歪み発生用部材２２の中央の固定面２２ｆが固定されている外方部材１の真上位置は、荷重により外方部材１がラジアル方向に最も大きく変形する周方向箇所であり、両端の固定面２２ｅが固定されている位置は、荷重により外方部材１がほとんど変形しない周方向箇所である。このため、歪み発生用部材２２は、ラジアル方向の変形が小さい固定面２２ｅを有する両端部が支点となって、ラジアル方向の変形が大きい固定面２２ｆを有する中央部がより一層大きく変形する。また、中央のスペーサ部材４３は両端のスペーサ部材４２よりも剛性が弱いため、歪み発生部材２２の中央部に他よりも歪みが大きく現れる。この歪み発生用部材２２の中央部に現れる大きな歪みをセンサ素子２３で測定することにより、外方部材１の歪みを感度良く検出することができる。
【００４３】
歪みセンサ２１を外方部材１に取付ける軸方向位置は、実施形態におけるように外方部材１のアウトボード側の転走面３よりもアウトボード側位置とするのが好ましい。これは、アウトボード側の転走面３よりもアウトボード側位置であると、荷重の方向に応じて歪みに正負の方向性が生じ、荷重の正逆の方向を検出することができるからである。
ＦＥＭ解析および試験結果によると、外方部材１のラジアル方向歪みおよび周方向歪みとも、前記外力あるいは作用力等の荷重の正負によって歪みに正負の方向性を持つのは、外方部材１におけるアウトボード側の部分のみであった。したがって、荷重の正負の方向を検出するには、歪みセンサ２１を外方部材１におけるアウトボード側の位置に配置することが必要である。
【００４４】
上記各実施形態では第３世代型の車輪用軸受に適用した場合につき説明したが、この発明は、軸受部分とハブとが互いに独立した部品となる第１または第２世代型の車輪用軸受や、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にも適用することができる。また、このセンサ付車輪用軸受は、従動輪用の車輪用軸受にも適用でき、さらに各世代形式のテーパころタイプ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】
【００４５】
【図１】この発明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図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】同センサ付車輪用軸受の外方部材と歪みセンサとを示す正面図である。
【図４】（Ａ）は同歪みセンサおよび第１、第２のスペーサ部材を互いに分離して表示した破断正面図、（Ｂ）はその破断側面図である。
【図５】センサ素子の断面構造を示す図である。
【図６】異なるセンサ付車輪用軸受の外方部材と歪みセンサとを示す正面図である。
【図７】この発明の異なる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図である。
【図８】同センサ付車輪用軸受の外方部材と歪みセンサとを示す正面図である。
【図９】（Ａ）は同歪みセンサおよび第１、第２のスペーサ部材を互いに分離して表示した正面図、（Ｂ）は同歪みセンサおよび第１、第２のスペーサ部材を互いに固定した状態を表示した底面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…外方部材
２…内方部材
３，４…転走面
５…転動体
７，８…密封装置
２１…歪みセンサ
２２…歪み発生用部材
２２ａ…第１の固定面
２２ｂ…第２の固定面
２２ｅ，２２ｆ…固定面
２３…センサ素子
３１…作用力推定手段
３２…異常判定手段
４０…第１のスペーサ部材
４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ…端面
４１…第２のスペーサ部材
４２，４３…スペーサ部材
Ｆａ，Ｆｂ…固定対象面
【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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