JP2006003268A - 荷重センサ内蔵車輪用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両にコンパクトに荷重センサを設置できて、車輪にかかる荷重を検出できる荷重センサ内蔵車輪用軸受装置を提供する。
【解決手段】 固定側の部材である外方部材１と回転側の部材である内方部材２の転走面４，５間に複列の転動体３を介在させる。内方部材２に設けられた車輪取付フランジ２ａと、この車輪取付フランジ２ａに取付けられたブレーキロータ９間に、荷重検出手段１１を配置し、車輪に加わる荷重を検出する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、車輪にかかる荷重を検出できる荷重センサを内蔵した車輪用軸受装置に関する。

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両用軸受に設けたものがある。このような車輪用軸受において、温度センサ、振動センサ等のセンサを設置し、回転速度の他に、自動車の運行に役立つ他の状態を検出できるようにしたものも提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００２−３４０９２２号公報

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での制御を可能とすることが求められている。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偏るなど、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。

この発明の目的は、このような課題を解消し、車両にコンパクトに荷重センサを設置できて、車輪にかかる荷重を検出できる荷重センサ内蔵車輪用軸受装置を提供することである。
この発明の他の目的は、従動輪に発生する制動力も検知可能な荷重センサ内蔵車輪用軸受装置を提供することである。

この発明の荷重センサ内蔵車輪用軸受装置は、複列の転走面が内周面に形成され外周に車体取付フランジを有する外方部材と、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装置において、車輪取付フランジとこの車輪取付フランジに取付けられたブレーキロータ間に位置して、前記車輪に加わる荷重を検出するための荷重検出手段を配置したことを特徴とする。
この構成の荷重センサ内蔵車輪用軸受装置によると、ブレーキロータに制動力が加わると、車輪取付フランジとブレーキロータの間に制動トルクが発生する。この制動トルクによって生じるブレーキロータと車輪取付フランジ間の状態の変化を荷重検出手段で検出することにより、車輪に加わる荷重を検出できる。荷重検出手段は、車輪取付フランジと、この車輪取付フランジに取付けられたブレーキロータとの間に配置しているので、車両にコンパクトに荷重センサを設置できる。

この発明において、前記トルクを検出する荷重検出手段が、磁歪部とこの磁歪部の磁歪変化を検出する力検出部とでなる磁歪方式のものであって、前記磁歪部がＦｅ−Ａｌ合金部材であり、力検出部がコイルで形成されたものであっても良い。
Ｆｅ−Ａｌ合金は、優れた磁歪特性を示す。Ｆｅ−Ａｌ合金部材からなる磁歪部とコイルで形成された力検出部とを備えた磁歪式の荷重検出手段であると、感度良くトルクを検出することができる。

これらの発明において、前記荷重センサ内蔵車輪用軸受装置は従動輪を支持するものであっても良い。この場合、従動輪に発生する制動力も検出可能である。

この発明において、前記荷重検出手段により検出する荷重が、軸方向、前後方向、または上下方向のいずれの荷重であっても良い。
車両走行の姿勢制御等の形態に応じて、軸方向、前後方向、上下方向のうちの必要な方向の荷重を検出するものとすれば良い。

この発明において、前記荷重検出手段が、前記外方部材に設けられた車体取付フランジに取り付けられていても良い。
車体取付フランジに荷重検出手段を取付けるようにすると、荷重検出手段を車輪取付フランジとブレーキロータ間に位置させて支持することが容易である。

この発明において、車輪取付フランジとブレーキロータ間に中間部材を配置し、この中間部材に前記荷重検出手段の被検出部を設けても良い。
中間部材を設けると、中間部材のみを磁歪材とするか、または中間部材の一部にのみ磁歪部となる磁歪材を例えばコーティングすれば良く、被検出部を設けることが簡易で安価に行える。

これらの発明において、前記荷重検出手段で検出した荷重信号をワイヤレスで伝送する手段を設けても良い。ワイヤレス伝送手段を設けると、車体に設けられる外部回路に荷重信号を送信するのに、車輪用軸受装置と車体間のケーブルが不要になる。

この発明において、前記荷重検出手段にシール部材を一体化しても良い。シール部材を設けることで、荷重検出手段のセンサターゲット部に異物が混入することを防止できる。シールは荷重検出手段に一体化するため、部品点数や組立工数の増加を回避しながらシールを設けることができる。

この発明において、前記荷重検出手段を構成する検出部が円周方向に離間して２箇所以上あり、両検出部の検出信号から曲げモーメントによる力と軸方向力を分離して検出する手段を設けても良い。
円周方向の２箇所以上に検出部を設けると、制動力以外の要因で加わる曲げモーメントによる力や軸方向力の影響を相殺できるだけ、また、曲げモーメントによる力と軸方向力も検出でき、さらには出力を増大させることができる。

この発明において、回転センサを少なくとも１個以上を含めて組み込んでも良い。回転センサを設けることで、車輪に加わる荷重だけでなく、車輪の回転も検出することができる。荷重センサと回転センサとは纏めて設けることが容易であり、纏めて設けることで、一部の部品の共通化や、コンパクトな配置が可能になる。

これらの発明において、前記荷重検出手段から得られる荷重信号が車体制御に利用されるものとしても良い。車体制御は、荷重検出手段の検出信号に基づき、事前にサスペンション等を制御することで行える。この車体制御としては、車両走行時の姿勢制御、例えば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の制御が挙げられる。

この発明の荷重センサ内蔵車輪用軸受装置は、複列の転走面が内周面に形成され外周に車体取付フランジを有する外方部材と、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装置において、車輪取付フランジとこの車輪取付フランジに取付けられたブレーキロータ間に位置して、前記車輪に加わる荷重を検出するための荷重検出手段を配置したため、車両にコンパクトに荷重センサを設置できて、車輪にかかる荷重を検出することができる。

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。この実施形態の荷重センサ内蔵車輪用軸受装置は、第３世代の内輪回転タイプで、かつ従動輪支持用の車輪用軸受に適用した例である。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外側寄りとなる側をアウトボード側と言い、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。図１では左側がアウトボード側、右側がインボード側となる。

図１において、この車輪用軸受１８は、内周に複列の転走面４を有する外方部材１と、これら転走面４にそれぞれ対向する転走面５を外周に有する内方部材２と、これら複列の転走面４，５間に介在させた複列の転動体３とを備える。この車輪用軸受１８は、複列のアンギュラ玉軸受とされていて、上記各転走面４，５は断面円弧状であり、各転走面４，５は接触角が背面合わせとなるように形成されている。転動体３はボールからなり、各列毎に保持器６で保持されている。

外方部材１は固定側の部材となるものであって、図１のようにナックル（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、全体が一体の部材とされている。前記車体取付フランジ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のボルト（図示せず）で締結される。
内方部材２は回転側の部材となるものであって、車輪取付フランジ２ａを有するハブ輪２Ａと、このハブ輪２Ａのインボード側の端部外径に嵌合した別体の内輪２Ｂとからなり、ハブ輪２Ａおよび内輪２Ｂに各列の転走面５がそれぞれ形成される。内輪２Ｂは、ハブ輪２Ａのインボード側端部に設けられた加締部２Ａａにより、ハブ輪２Ａに対して軸方向に締め付け固定される。内外の部材２，１間に形成される環状空間のアウトボード側およびインボード側の各開口端部は、それぞれ接触式のシール７，８で密封されている。

車輪取付フランジ２ａは内方部材２のアウトボード側端部に位置しており、この車輪取付フランジ２ａにブレーキロータ９および車輪（図示せず）がボルト１９で取付けられている。具体的には、ブレーキロータ９は、中間部材１０を介して車輪取付フランジ２ａに取付けられている。中間部材１０は断面をクランク形としたリング状の部材であり、その外周端の外径側に延びるフランジ部１０ｃにブレーキロータ９が複数のビス２０で固定される。この中間部材１０の内周円板部１０ａに形成されたボルト挿通孔２１に前記ボルト１９が挿通され、この中間部材１０を車輪取付フランジ２ａと車輪とで挟んだ状態で、中間部材１０および車輪がボルト１９により車輪取付フランジ２ａに取付けられている。中間部材１０における内周円板部１０ａのインボード側の側面の外周縁には磁歪部１２が設けられている。
この磁歪部１２はリング状の磁歪部材であって、固定あるいは拡散，コーティングにより中間部材１０に設けられている。磁歪部材には、Ｆｅ−Ａｌ合金等が用いられる。Ｆｅ−Ａｌ合金は、優れた磁歪特性を示す。

外方部材１における車体取付フランジ１ａには、前記磁歪部１２の磁歪変化を検出する力検出部１３が設けられ、被検出部である前記磁歪部１２と力検出部１３とで磁歪方式の荷重検出手段１１が構成される。具体的には、力検出部１３はリング状の取付部材１４を介して車体取付フランジ１ａにおけるアウトボード側の側面に取付けられ、前記磁歪部１２に対向して軸方向に突出するように配置される。すなわち、力検出部１３は、前記中間部材１０における内周円板部１０ａの外周端から軸方向に延びてフランジ部１０ｃの内周端に連結される周壁部１０ｂと、車輪取付フランジ２ａの外周端との間に配置されて磁歪部１２と対向する。このように構成することで、荷重検出手段１１は車輪取付フランジ２ａとブレーキロータ９の間に配置される。

図２は、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図を示す。同図のように、前記力検出部１３は複数個（ここでは１３Ａ〜１３Ｄの４個）とされ、周方向に所定間隔を隔てて分配配置されている。このように、複数個の力検出部１３Ａ〜１３Ｄを周方向に分配配置した場合、これら力検出部１３Ａ〜１３Ｄの検出信号を電気的処理することで、荷重や曲げモーメントを分離して検出することができる。

図３に拡大断面図で示すように、前記力検出部１３は、軸方向に向けた鉄心１５の周りに検出コイル１６を巻いて構成され、その外周部が非磁性材からなるカバー１７で覆われている。前記中間部材１０における周壁部１０ｂの内周、および車輪取付フランジ２ａの外周と、前記力検出部１３との間にはシール１６，１７を介在させることで、荷重検出手段１１のセンサターゲット部である力検出部１３の先端側に異物が混入しないようにされている。

この実施形態では、図２に示すように、前記力検出部１３とは別に温度補償用の力検出部２３が設けられている。この力検出部２３は、図３の力検出部１３の構成において、鉄心１５を非磁性材料で製作した空芯コイルである。温度補償用の力検出部２３も複数個（ここでは２３Ａ〜２３Ｄの４個）とされ、図２のように各力検出部１３Ａ〜１３Ｄにそれぞれ隣接して周方向に分配配置されている。このように構成することにより、各力検出部１３Ａ〜１３Ｄの検出信号と、これらに対応付けられる各温度補償用の力検出部２３Ａ〜２３Ｄの検出信号の差動出力から、温度変化の影響をキャンセルした精度の高い荷重検出信号を得ることができる。

なお、各力検出部１３，２３の出力ケーブルは、力検出部１３，２３を支持する取付部材１４に設けた回路基板（図示せず）に集約して、この回路基板と外部の回路とを１つのコネクタで接続して各出力を外部回路に送信するようにしても良い。この構成とすることで、外部回路へ接続する出力ケーブルの本数を削減することができる。また、力検出部１３，２３をコネクタで外部回路と接続する構成に代えて、ワイヤレス送受信部を搭載した回路基板を前記取付部材１４に設けるようにしても良く、この場合にはワイヤスで検出信号を外部回路に送信できる。

この構成の荷重センサ内蔵車輪用軸受装置によると、ブレーキロータ９に制動力が加わると、車輪取付フランジ２ａとブレーキロータ９の間に制動トルクが発生する。この制動トルクにより、荷重検出手段１１の被検出部である磁歪部１２に圧縮力または引張力が働くことになる。この応力により磁歪部１２の透磁率が変化するため、力検出部１３でこの応力変化を検出できる。すなわち、制動トルクにより車輪に加わる荷重を荷重検出手段１１で検出できる。

このように、この実施形態の荷重センサ内蔵車輪用軸受装置では、車輪取付フランジ２ａと、この車輪取付フランジ２ａに取付けられたブレーキロータ９との間に、車輪に加わる荷重を検出するための荷重検出手段１１を配置しているので、車両にコンパクトに荷重センサを設置できて、車輪にかかる荷重を検出できる。また、荷重検出手段１１が車輪用軸受１８の外周部に位置しているため、車輪に働く荷重による変位が拡大して現れることになり、荷重検出が容易となる。

また、車輪取付フランジ２ａとブレーキロータ９の間に中間部材１０を配置し、この中間部材１０に荷重検出手段１１の被検出部である磁歪部１２を設けているので、中間部材１０のみを磁歪材とするか、中間部材１０の一部にのみ磁歪部１２となる磁歪材を例えばコーティングすれば良く、安価に磁歪部１２を設けることができる。

さらに、この実施形態では、前記荷重検出手段１１を構成する力検出部１３が円周方向に離間して複数個（ここでは４個）配置されているので、これらの力検出部１３Ａ〜１３Ｄの検出信号の差動出力を得た場合、制動力以外に加わる曲げモーメントによる力や軸方向力の影響を相殺できて、高精度の荷重検出が可能となる。また曲げモーメントによる力と軸方向力を分離して検出することもできる。さらには、荷重検出出力を増大させることもできる。

図４はこの発明の他の実施形態を示す。この実施形態の荷重センサ内蔵車輪用軸受装置は、図１に示す第１の実施形態において、車輪用軸受１８を駆動輪支持用としたものであり、内方部材２を構成するハブ輪２Ａには、等速ジョイント外輪（図示せず）のステム部がスプライン嵌合する中央孔２Ａｂが形成されている。この実施形態では、車体取付フランジ１ａの外周端に取付部材１４Ａを介して荷重検出手段１１Ａの力検出部３３が取付けられている。この力検出部３３は変位センサからなり、ブレーキロータ９を支持する中間部材１０における周壁部１０ｂのインボード側端に向けて配置されている。

この力検出部３３の先端部と、ブレーキロータ９の内周面および前記周壁部１０ｂの端面の間にはシール１６Ａ，１７Ａが介装され、力検出部３３の先端部に異物が混入するのを防止している。この力検出部３３も、第１の実施形態の場合と同様に、複数個を周方向に分配配置することで、車軸方向の荷重や曲げモーメントなどを分離して検出できるようにされている。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。なお、ブレーキロータ９を支持する中間部材１０は省略して、ブレーキロータ９に一体に形成した支持部で、車輪取付フランジ２ａにブレーキロータ９を取付けるようにしても良い。

図５はこの発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の荷重センサ内蔵車輪用軸受装置は、図１に示す第１の実施形態において、車輪用軸受１８を駆動輪支持用としたものであり、内方部材２を構成するハブ輪２Ａには、等速ジョイント外輪（図示せず）のステム部がスプライン嵌合する中央孔２Ａｂが形成されている。また、この実施形態では、ブレーキロータ９を支持する中間部材１０（図１，図４）を省略して、ブレーキロータ９に一体に形成した支持部３０で、車輪取付フランジ２ａにブレーキロータ９が取付けられている。

この実施形態では、荷重検出手段１１のほかに、車輪の回転を検出する回転センサ３４が設けられている。回転センサ３４は、回転側部材であるブレーキロータ９の支持部３０に設けられた被検出部３５と、固定側部材である前記力検出部３３の取付部材１４に支持されて前記被検出部３５に対して径方向に対向する検出部３６とからなる。具体的には、前記被検出部３５は、前記ブレーキロータ支持部３０の内周面に設けられ円周方向に磁気特性の変化する凹凸部または磁気エンコーダ等からなり、前記検出部３６は、前記被検出部３５の磁気変化を検出する例えば磁界センサからなる。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

この実施形態では、荷重検出手段１１のほかに、回転センサ３４が設けられているので、車輪に加わる荷重と車輪の回転とを検出でき、これらの検出信号を走行情報として取込むことにより、自動車の車体制御や走行案内制御等に利用できる。

この発明の第１の実施形態にかかる荷重センサ内蔵車輪用軸受装置の断面図である。 図１におけるＡ−Ａ矢視断面で示す荷重検出手段の力検出部の配置説明図である。 図１における荷重検出手段の拡大断面図である。 この発明の他の実施形態にかかる荷重センサ内蔵車輪用軸受装置の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる荷重センサ内蔵車輪用軸受装置の断面図である。

符号の説明

１…外方部材
１ａ…車体取付フランジ
２…内方部材
２ａ…車輪取付フランジ
３…転動体
４，５…転走面
７，８…シール
９…ブレーキロータ
１０…中間部材
１１…荷重検出手段
１２…磁歪部
１３…力検出部
１６，１７…シール
３４…回転センサ

Claims (12)

1. 複列の転走面が内周面に形成され外周に車体取付フランジを有する外方部材と、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装置において、車輪取付フランジとこの車輪取付フランジに取付けられたブレーキロータ間に位置して、前記車輪に加わる荷重を検出するための荷重検出手段を配置したことを特徴とする荷重センサ内蔵車輪用軸受装置。
2. 請求項１において、前記荷重検出手段により検出する荷重が、車輪取付フランジとブレーキロータ間に加わるトルクである荷重センサ内蔵車輪用軸受装置。
3. 請求項２において、前記トルクを検出する荷重検出手段が、磁歪部とこの磁歪部の磁歪変化を検出する力検出部とである磁歪方式のものであって、前記磁歪部がＦｅ−Ａｌ合金部材であり、力検出部がコイルで形成されたものである荷重センサ内蔵車輪用軸受装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、従動輪を支持するものである荷重センサ内蔵車輪用軸受装置。
5. 請求項１において、前記荷重検出手段により検出する荷重が、軸方向、前後方向、または上下方向の荷重である荷重センサ内蔵車輪用軸受装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記荷重検出手段が、前記外方部材に設けられた車体取付フランジに取り付けられている荷重センサ内蔵車輪用軸受装置。
7. 請求項１において、車輪取付フランジとブレーキロータ間に中間部材を配置し、この中間部材に前記荷重検出手段の被検出部を設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記荷重検出手段で検出した荷重信号をワイヤレスで伝送する手段を設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記荷重検出手段にシール部材を一体化した荷重センサ内蔵車輪用軸受装置。
10. 請求項１において、前記荷重検出手段を構成する検出部が円周方向に離間して２箇所以上あり、両検出部の検出信号から曲げモーメントによる力と軸方向力を分離して検出する手段を設けた荷重センサ内蔵車輪用軸受装置。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、回転センサを少なくとも１個以上を含めて組み込んだ荷重センサ内蔵車輪用軸受装置。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか１項において、前記荷重検出手段から得られる荷重信号が車体制御に利用されるものとした荷重センサ内蔵車輪用軸受装置。
    

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