JP2005048823A - センサ付きハブユニット - Google Patents

Abstract

【課題】接地荷重を精度よく求めることができるセンサ付きハブユニットを提供する。
【解決手段】センサ付きハブユニットは、車体側軌道部材３、車輪側軌道部材４および二列の玉５を有するハブユニット１と、センサ装置２とを備えている。センサ装置２は、逆磁歪効果を検知する磁歪センサ８を有し、磁歪センサ８は、車体側軌道部材３の最下部における圧縮歪みを測定可能なように、車体側軌道部材３に取り付けられている。磁歪センサ８の出力からタイヤ接地荷重および回転速度が検出される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車を構成するハブユニットと自動車の各種情報を検出するセンサ装置とが一体化されたセンサ付きハブユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車においては、その制御を行うために種々の情報が必要であることから、車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、および両部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットに、センサ装置を設けることが提案されている。例えば、特許文献１には、車体側軌道部材の内端面に環状の支持部材を取り付け、この環状支持部材に歪みセンサを貼り付けたセンサ付きハブユニットが開示されている。
【０００３】
近年、自動車の制御手段として、ＡＢＳ制御（アンチロックブレーキシステム）に加えて、発進時や加速時に駆動輪をスピンさせない駆動力制御やコーナリング時の横滑りを抑制するブレーキ力制御などが実施されているが、より精度のよい制御を行うために、これらの制御に有効に使用できるデータの検出が重要となっている。このような実情に鑑み、本発明者らは、タイヤ（車輪）にかかる接地荷重を精度よく測定して、車両制御の向上を図るという課題を創出した。
【０００４】
これに対し、特許文献１のセンサ付きハブユニットでは、環状支持部材の歪みを測定するものであるので、この歪みから接地荷重を求める場合に、誤差が大きくなり、歪みセンサの測定値から精度よく接地荷重を得ることができないという問題があった。そこで、本発明者は、磁歪センサを利用して接地荷重を精度よく求めることを提案した（特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平３−２０９０１６号公報
【０００６】
【特許文献２】
特願２００２−１４２４１７
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献２のセンサ付きハブユニットによると、磁歪センサを取り付ける箇所が適切である場合には、期待通りの効果が得られるが、磁歪センサを取り付ける箇所が不適切であると、検知される逆磁歪効果が小さくなり、その結果、得られる接地荷重の誤差が大きくなることがあった。
【０００８】
この発明の目的は、ハブユニットにおける逆磁歪効果が大きくなる箇所を特定することにより、磁歪センサの取付け位置を適正化し、これにより、磁歪センサを使用して接地荷重を精度よく求めることができるセンサ付きハブユニットを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によるセンサ付きハブユニットは、車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、および両軌道部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットと、センサ装置とを備えているセンサ付きハブユニットにおいて、センサ装置は、逆磁歪効果を検知する磁歪センサを有し、磁歪センサは、車体側軌道部材の最下部における圧縮歪みを測定可能なように、車体側軌道部材に取り付けられ、磁歪センサの出力からタイヤ接地荷重および回転速度が検出されることを特徴とするものである。
【００１０】
磁歪センサは、逆磁歪効果（物質が歪むあるいは変形すると磁力が現れる現象）を計測するセンサであり、磁歪センサとしては、例えば、透磁率の高い磁性線に高周波電流を印加したときの磁性線両端間のインピーダンスが外部磁場によって変化する電磁気現象を利用して外部磁場を計測する磁気インピーダンスセンサ（ＭＩセンサ）、インピーダンスが応力により変化することを利用した応力インピーダンスセンサ（ＳＩセンサ）などが挙げられる。
【００１１】
走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴って、各タイヤに掛かる接地荷重が変動するが、この際、転動体が車輪側軌道部材および車体側軌道部材に及ぼす力が接地荷重に応じて変化する。この力の変化は、転動体近傍の車輪側軌道部材および車体側軌道部材の歪み変動量として現れ、磁歪センサは、この歪みの変動量から逆算して、接地荷重の変動量を求めることができる。また、転動体が公転することによって、歪みは、転動体の数および回転速度に応じた周波数で繰り返されることになり、この繰り返し数を使用することにより、ハブユニットの回転情報（回転速度や回転総数等）を求めることができる。
【００１２】
タイヤに接地荷重が作用すると、ハブユニット各部には圧縮または引張りの歪みが生じる。通常、ハブユニットの二列の転動体間の中央を通る鉛直線は、タイヤの中心を通る鉛直線よりも軸方向外側にあり、ハブユニットの車体側軌道部材では、転動体間の中央を通る鉛直線の近傍で相対的に大きな歪みが生じる。この車体側軌道部材の歪みは、接地中心に近い側である最下部において最大となる圧縮方向の歪みとなる。したがって、この車体側軌道部材の圧縮歪みを検知するように磁歪センサを配置することにより、より大きな逆磁歪効果を検知することができる。
【００１３】
この発明のセンサ付きハブユニットによると、磁歪センサが転動体近傍の車体側軌道部材の圧縮歪みに伴う逆磁歪効果を検出するので、逆磁歪効果が大きい箇所での測定となり、したがって、接地荷重を精度よく検出することができる。こうして得られたタイヤ接地荷重は、ＡＢＳ制御におけるスリップ率の代替えデータとして使用されるほか、駆動力制御やブレーキ力制御などにおいて使用され、車両制御の精度向上に資することができる。さらに、歪み変化の繰り返し数から車輪の回転数、回転速度などを検出することにより、１つのセンサを使用して、２種類の重要な車両制御データを得ることができる。
【００１４】
磁歪センサは、車体側軌道部材に径方向外方から臨まされていることが好ましい。圧縮歪みの方向（軸方向）に対して径方向すなわち圧縮歪みと直交する方向から逆磁歪効果を測定することにより、磁歪センサの最大感度での測定が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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は、この発明のセンサ付きハブユニットの第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の左右をいうものとする。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。
【００１７】
ハブユニット（１）は、車体側に固定される車体側軌道部材（３）、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材（４）、両部材（３）（４）の間に２列に配置された複数の転動体である玉（５）、および各列の玉（５）をそれぞれ保持する保持器（６）を備えている。
【００１８】
車体側軌道部材（３）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（１２）と、円筒部（１２）の左端部近くに設けられて懸架装置（車体）にボルトで取り付けられるフランジ部（１３）とを有している。
【００１９】
車輪側軌道部材（４）は、第１の軌道溝（１５ａ）を有する大径部（１５）および第１の軌道溝（１５ａ）の径よりも小さい外径を有する小径部（１６）を有している内軸（１４）と、内軸（１４）の小径部（１６）外径に嵌め止められて右面が内軸（１４）の大径部（１５）左面に密接させられている内輪（１７）とからなる。内軸（１４）の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト（１９）が固定されたフランジ部（１８）が設けられている。内輪（１７）の右部には、内軸（１４）の軌道溝（１５ａ）と並列するように、軌道溝（１７ａ）が形成されており、内輪（１７）の左部に肩部（１７ｂ）が形成されている。車体側軌道部材（３）の右端部と内軸（１４）との間には、シール装置（２０）が設けられている。内軸（１４）の小径部（１６）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（２１）によって、内輪（１７）が内軸（１４）に固定されている。車体側軌道部材（３）の左端部には、カバー（２２）が被せ止められている。
【００２０】
センサ装置（２）は、車体側軌道部材（３）に取り付けられた支持部材（７）と、支持部材（７）に取り付けられた磁歪センサ（８）と、磁歪センサ（８）の出力を処理する処理手段（図１には現れず、図４参照）（１０）とを備えている。そして、磁歪センサ（８）は、磁気インピーダンスセンサとされており、そのセンシング面は、車体側軌道部材（３）の最下部の外周面に径方向外方から臨まされている。
【００２１】
タイヤに接地荷重（ラジアル荷重およびアキシアル荷重）が作用すると、ハブユニット（１）各部には圧縮または引張りの歪みが生じる。通常、ハブユニット（１）の二列の玉（５）間の中央を通る鉛直線（Ｃ）は、タイヤの中心（Ｏ）を通る鉛直線よりも軸方向外側にあり、ハブユニット（１）の車体側軌道部材（３）では、２列の玉（５）間の中央を通る鉛直線の近傍で相対的に大きな歪みが生じる。この車体側軌道部材（３）の歪みは、接地中心側である最下部において最大となる圧縮方向の歪みとなり、また、接地中心の反対側である最上部においは、引張り方向で最大の歪みとなる。磁歪センサ（８）は、圧縮歪みに対しては、これに直交する方向から、また、引張り歪みに対しては、これと同じ方向から臨まされたときに最大の感度を示す。したがって、図１に示すように、この車体側軌道部材（３）の軸方向圧縮歪みを検知するように、磁歪センサ（８）を車体側軌道部材（３）の玉近傍部の外周面のすぐ外方に配置することにより、大きな逆磁歪効果が検知される。
【００２２】
タイヤの接地荷重が変動すると、玉（５）に掛かる力が変動し、車体側軌道部材（３）の玉近傍部は、玉（５）から受ける力によって生じる歪みの変化に伴って、逆磁歪効果を生む。この逆磁歪効果に伴う磁歪センサ（８）の出力電圧は、図２に示すように周期Ｔｉで周期的に変化する。また、平均化された磁歪センサ（８）の電圧と接地荷重との関係は、図３に示すように、直線関係にある。
【００２３】
ここで、玉（５）の公転数Ｎｂと車輪側軌道部材（４）の回転数Ｎｉとの間には、接触角が小さいとして、Ｎｂ≒Ｎｉ／２の関係があるので、歪みの周期（Ｔｉ）に玉（５）の数を掛けさらに２倍したものが車輪側軌道部材（４）の１回転に要する時間となる。したがって、歪み変化の繰り返し数から車輪側軌道部材（４）の回転数を求めることができる。なお、接触角がαであるときの玉の公転数Ｎｂと内輪の回転数Ｎｉとの関係は、Ｄを玉のピッチ径、ｄを玉の直径として、Ｎｂ＝（１−ｄｃｏｓα／Ｄ）Ｎｉ／２となる。
【００２４】
したがって、図４に示すように、処理手段（１０）の回転検出部（１０ａ）において、ギャップの変化の繰り返し数から車輪側軌道部材（４）の回転数を求めることができる。一方、車体側軌道部材（３）の圧縮歪みに伴う逆磁歪効果の振幅は、処理手段（１０）のアベレージング部（１０ｂ）において平均化される。平均化された磁歪センサ（８）の電圧と接地荷重との関係が直線関係にあることから、この直線式を予めメモリに記憶させておくことにより、処理手段（１０）の接地荷重演算部（１０ｃ）において、磁歪センサ（８）の電圧平均値から接地荷重を求めることができる。得られた接地荷重の変動量は、車両制御手段に出力され、車両に適正な制御が施される。
【００２５】
なお、上記実施形態において、磁歪センサ（８）は、左列の玉（５）の近傍に臨まされているが、この位置と二列の玉（５）間の中央を通る鉛直線（Ｃ）を介して対称位置となる右列の玉（５）の近傍位置に磁歪センサ（８）を設けても上記と同様の効果を得ることができる。
【００２６】
上記実施形態において、車体側軌道部材（３）および車輪側軌道部材（４）は、機械構造用炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）または高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）製、転動部材（５）は、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）、保持器（６）は、樹脂製（ポリアミド６６）とされている。転動部材（５）については、セラミックス製とすることができる。転動部材（５）をセラミックス製とすると、車体側軌道部材（３）および車輪側軌道部材（４）が鉄系磁性体であるため磁性を有しているのに対し、転動部材（５）および保持器（６）が非磁性材料によって形成されていることになるので、内輪（１７）および内軸（１４）の回転に伴ってこれらが磁歪センサ（８）に対し近づいたり遠ざかったりしても、車体側軌道部材（３）の玉近傍部の磁場には影響を及ぼさないため、玉（５）および保持器（６）の回転に起因する誤差（ノイズ）が生じず、高感度の磁歪センサ（８）が検知するデータに含まれる誤差を非常に小さくすることができる。転動部材（５）が高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）であっても、磁歪センサ（８）が検知するデータは十分な精度を有しており、こうして、このセンサ付きハブユニットによると、磁歪センサ（８）によって、ハブユニット（１）の回転（回転数、回転速度、回転角度など）が求められるとともに、ハブユニット（１）にかかる力が精度よく検出される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるセンサ付きハブユニットの第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】磁歪センサの出力の一例を示す図である。
【図３】磁歪センサの出力と荷重との関係を示すグラフである。
【図４】この発明によるセンサ付きハブユニットのセンサ装置のブロック図である。
【符号の説明】
（１） ハブユニット
（２） センサ装置
（３） 車体側軌道部材
（４） 車輪側軌道部材
（５） 玉（玉）
（８） 磁歪センサ

Claims (2)

1. 車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、および両軌道部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットと、センサ装置とを備えているセンサ付きハブユニットにおいて、
   センサ装置は、逆磁歪効果を検知する磁歪センサを有し、磁歪センサは、車体側軌道部材の最下部における圧縮歪みを測定可能なように、車体側軌道部材に取り付けられ、磁歪センサの出力からタイヤ接地荷重および回転速度が検出されることを特徴とするセンサ付きハブユニット。
2. 磁歪センサは、車体側軌道部材に径方向外方から臨まされている請求項１のセンサ付きハブユニット。

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