JP2006058162A - 荷重センサ一体型ハブユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、車軸荷重に加え、車輪の速度が測定可能であり、且つコンパクトに配置可能な荷重センサ一体型ハブユニットを提供することを課題とする。
【解決手段】 車体に回転自在に車軸を取付けるために、車体と車軸との間に介在させるころがり軸受１３と、ころがり軸受１３に内蔵する転動体２２からころがり軸受１３の外輪２３に伝わる荷重を電圧信号の形態で測定するために外輪２３に内蔵する又は外輪２３に付設する荷重センサ２４と、荷重センサ２４で出力する電圧信号を受け、この電圧信号から車速を導く車速変換部３１と、回転方向検出部３３とからなることを特徴とする荷重センサ一体型ハブユニット。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車輪に作用する荷重（以下、車軸荷重と記す。）を測定する荷重センサにより、車輪の速度（又は車速とも呼ぶ。）を測定する荷重センサ一体型ハブユニットに関する。

従来、ハブ軸を支える転動体の周囲に備え、これらの転動体を保持する外輪に付設して車軸荷重を測定する荷重センサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−３３６６５３公報（図１）

特許文献１を図１５に基づいて説明する。
図１５は従来の荷重センサ付きハブユニットの断面図であり、荷重センサ付きハブユニット１００は、内輪１０２と、外輪１０３と、二列の転動体１０４、１０４とからなるハブベアリング１０１を主要部品とするユニットであり、外輪１０３の外周に歪みセンサ１０５を付設したものである。
この歪みセンサ１０５で検出した歪みを荷重に換算することにより車軸荷重を測定することができる。

このように、近年、車両の走行状態等を制御するために、荷重センサにより車輪にかかる車軸荷重や前後荷重を測定するニーズがある。
しかし、ハブベアリング付近には既に車輪速センサが配置されており、荷重センサと、車輪速センサとの両方を同時に配置するには、スペースが狭く配置が困難である。

そこで、本発明は、車軸荷重に加え、車輪の速度が測定可能であり、且つコンパクトに配置可能な荷重センサ一体型ハブユニットを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、車体に回転自在に車軸を取付けるために、車体と車軸との間に介在したころがり軸受と、ころがり軸受に内蔵する転動体からころがり軸受の外輪もしくは内輪に伝わる荷重を測定するために外輪もしくは内輪に内蔵又は付設する荷重センサとを備えたハブユニットにおいて、荷重センサが出力する信号の脈動に基づき車速を導く車速変換部を設けたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、車速変換部により、ころがり軸受に内蔵した転動体が荷重センサを通過する間隔を測定し、この間隔より車速を求めることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、ころがり軸受の外輪もしくは内輪に伝わる荷重を測定するために備えた荷重センサと、この荷重センサが出力する信号の脈動に基づき車速を導く車速変換部を設けた。

荷重センサが出力する信号の脈動により、車速を導く車速変換部を設けたため、車軸荷重に加え、車速が測定可能な荷重センサ一体型ハブユニットをハブ軸の周りにコンパクトに配置することができるという利点がある。

請求項２に係る発明では、車速変換部により、ころがり軸受に内蔵した転動体が荷重センサを通過する間隔を測定し、この間隔より車速を求めるようにした。
車速変換部で、荷重センサが出力する信号の時間的間隔を測定することにより、荷重センサによる車軸荷重の測定に加えて、車輪の速度を求めることができるという利点がある。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る荷重センサ一体型ハブユニットの断面図であり、車体側に取付けたナックル１１の一端にハブ軸１２を嵌め、このハブ軸１２に荷重センサ一体型のころがり軸受１３を嵌め、ハブ軸１２とホイールとを連結するホイール支持部材１４を取付けてなる例を示す。
なお、１５はタイヤのホイールを固定するボルトである。

荷重センサ一体型のころがり軸受１３は複列型の軸受であり、径中心から径外方へ順に、内輪２１と、転動体２２Ｌ・・・、２２Ｒ・・・（・・・は複数を示す。以下同じ。）と、外輪２３と、転動体２２Ｌ・・・、２２Ｒ・・・から受ける荷重を検出する荷重センサ２４と、外輪カバー２５とからなる。
外輪２３と荷重センサ２４と外輪カバー２５は別部品であるが、これらを相互に固着し、一体化することで、実質的に一個の構造物とした。

そして、ナックル１１に対し外輪カバー２５が相対回転運動しないように、外輪カバー２５の外周面２５ａには、スプライン加工、キーみぞ、又はローレット加工などを行うことにより、ナックル１１と外輪カバー２５を一体化する。
同様に、内輪２１の内周面２１ｃにも、ハブ軸１２に対し相対回転運動しないようにスプライン加工などにより、内周面２１ｃとハブ軸１２とを一体化する。

なお、本実施例は、複列のアンギュラ玉軸受としたが、この他のころがり軸受、例えば、深溝玉軸受、テーパころ軸受、円筒ころ軸受、複列円筒ころ軸受としても良い。

図２は図１の２−２線断面図であり、左転動体２２Ｌ・・・は、図破線で示す右転動体２２Ｒ・・・に対し１／４波長（１／４ピッチ）だけ位相差をもたせて配置すると共に、外輪２３の外周面２３ａの上部頂点２３ｃに荷重センサ２４Ｌ、２４Ｒを設けることを示す。
外輪２３の外周面２３ａに取付けた荷重センサ２４Ｌ、２４Ｒは、伸縮性に富み、耐衝撃性が高い誘電エラストマー薄膜が好適である。この他、圧電セラミックスなどの圧電素子でも差し支えない。

荷重の検出は、次の手順で行う。
転動体２２Ｌ・・・、２２Ｒ・・・が荷重を受け、転動体２２Ｌ・・・、２２Ｒ・・・から外輪みぞ２３ｂ、２３ｂに力が作用し、外輪２３が歪む。そして、外輪２３が歪むと外輪２３の外周面２３ａに取付けた荷重センサ２４Ｌ、２４Ｒが歪んで、荷重に応じて電圧を発生する。
このようにして、ハブ軸１２（図１参照）に作用する荷重を検出することができる。

なお、荷重センサ２４は、図点線部Ｐ・・・に示すように、外輪２３の外周面２３ａ上の対向する位置に２つ、又は４つ設けてもよい。
このように複数個設けた場合、車体に対して上下、左右方向の車軸荷重を判別することが可能となる。また、仮に１つのセンサーが故障した場合、他のセンサにより対応することも可能である。
すなわち、複数個設けると、１個にダメージを受けたとき、残りのセンサから情報を得ることができる。あるいは、複数個のセンサから得た情報を平均値化して情報の信頼性を高めることができる。

図３は本発明に係る荷重・車速測定装置であり、車速測定装置３０は、車体に回転自在に車軸としてのハブ軸１２（図１参照）を取付けるために、車体と車軸との間に介在させるころがり軸受１３と、ころがり軸受１３に内蔵する転動体２２Ｌ・・・、２２Ｒ・・・からころがり軸受１３の外輪２３に伝わる荷重を測定するために外輪２３に内蔵する又は外輪２３に付設する荷重センサ２４と、荷重センサ２４に接続して車速を導く車速変換部３１（詳細は後述）とからなることを特徴とする。

３２は荷重変換部３２であり、荷重センサ２４からの電圧信号を荷重に変更する変換部である。
３３は回転方向検出部であり、その詳細は後で詳しく説明する。

また、２６は、左右の列に備えた転動体２２Ｌ・・・、２２Ｒ・・・が、常に１／４波長（１／４ピッチ）だけ位相差をもたせ配置すると共に、左右各列において、隣り合う転動体２２Ｌ・・・同士又は２２Ｒ・・・同士がぶつかり合うことのないように間隔を一定に保持するため、転動体の間に嵌めた保持器である。
本発明においては、保持器２６と内輪２１を一体構造（若しくは保持器２６を内輪２１に固定）とすることで、車輪と転動体が一体に回転し、車速が正確に測定できるという効果がある。

図４は本発明に係る車速変換部のブロック図であり、車速変換部３１は、ＡＤ変換部３５と、車速演算部３６とからなり、荷重センサ２４で出力する電圧信号を受け、この電圧信号から車速を導くという機能をもつ。

具体的には、荷重センサ２４で検出したアナログ電圧信号を、ＡＤ変換部３５でデジタル信号に変換し、このデジタル信号を車速演算部３６で車速に変換する。

図５は荷重センサの出力特性及びそれを整形したときの特性を示す図である。
（ａ）は、左側又は右側の列に取付けた荷重センサ２４の出力波形の一例を示す。
本実施例において、ハブ軸の回転に伴い、荷重センサの転動体は順に荷重を受ける。

転動体の数は１２個であるため、波長はπ／６になる。また、電圧の振幅は、ハブ軸が受ける荷重の変化に伴い刻々変化する。例えば、図において、第１〜４波まで、振幅は順に、Ｖ１１〜Ｖ１４であり、大小関係は、Ｖ１２＜Ｖ１４＜Ｖ１３＜Ｖ１１である。このように、電圧は、車軸荷重の変化を受け刻々変化する。
なお、本実施例において、転動体の数は、１２個であるが、転動体の数は限定しない。

（ｂ）は、（ａ）の出力波形をＡＤ変換部３５（図４参照）に入力し、ＡＤ変換部３５でデジタル信号に変換した後の波形であり、このＡＤ変換部３５の出力波形である。
（ｂ）の波形と（ａ）の波形とを比べると、波形の上端及び下端が整形され、全体として矩形波に整形されることがわかる。このような波形整形処理を行い、０又は１のデジタル信号に変換することにより、信号の演算処理速度を向上することが可能となる。

図６は本発明に係る車速変換部の制御フロー図であり、ＡＤ変換部の出力信号を車速演算部で演算して、車速を求めるステップを説明する。ＳＴ××はステップ番号を示す。

ＳＴ０１：荷重センサが、転動体の荷重を受け、ハブ軸の回転に伴い、隣り合った次の転動体の荷重を受けるまでの時間、すなわち、パルスピッチ時間ｔを計測する。
なお、本実施例において、パルスピッチ時間ｔとは、ハブ軸が１波長、π／６回転するために要する時間でもある。
ＳＴ０２：角度π／６を、ＳＴ０１のパルスピッチ時間ｔで割って角速度を得る。
ＳＴ０３：角速度を車速に換算する。

図３に戻って、ころがり軸受の外輪２３に伝わる荷重を荷重センサ２４で検出し電圧信号で出力する。この電圧信号は、車速変換部３１によりデジタル信号に変換される。
このデジタル信号は、転動体２２が荷重センサ２４の上を通過する毎に発生するため、車速演算部３６（図４参照）により、デジタル信号の時間的間隔を検出することにより、車輪の速度を求めることができる。
ころがり軸受の外輪２３に１つの荷重センサ２４Ｌを付設することにより、車軸荷重及び車輪の速度を求めることができる。

この結果、１つの荷重センサ２４Ｌのみで、車軸荷重及び車輪の速度を求めることができるため、荷重センサの付加価値が高まる。そして、荷重センサと速度センサとを各々設ける場合に比較して、請求項１により速度センサを省くことができれば、部品点数を削減することができる。

次に、複列軸受と荷重センサを用いて回転方向を特定する技術を説明する。
図７は本発明に係る回転方向検出部のブロック図であり、左側荷重センサ２４Ｌで左側転動体の荷重を検出し、検出した左側の荷重信号を左側ＡＤ変換部でデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を回転方向演算部３７で受ける。

右側についても、右側ＡＤ変換部３５Ｒにより左側と同様な変換処理を行い、変換したデジタル信号を回転方向演算部３７で受ける。
回転方向演算部３７で受けた信号は、演算処理され、車輪の回転方向が正回転か逆回転かを出力する。次図以降で詳しく説明する。

図８は左側及び右側に備える荷重センサの作用を説明する図であり、２２Ｌ・・・は左側転動体、２２Ｒ・・・は右側転動体、２４Ｌ、２４Ｒは荷重センサである。左側転動体２２Ｌ・・・と、右側転動体２２Ｒ・・・との位置関係は、左側転動体２２Ｌ・・・に対し右側転動体２２Ｒ・・・を１／４波長だけ位相がずれるように、保持器２６（図３参照）により保持したものである。
以下、（ａ）〜（ｃ）の各々は、回転開始直前の左側転動体及び右側転動体と荷重センサとの位置関係を示す。

（ａ）は、荷重センサが左側に備える２つの転動体の中間点にある場合を示す。
（ｂ）は、荷重センサが左側に備える転動体の頂点にある場合を示す。
（ｃ）は、荷重センサが右側に備える転動体の頂点にある場合を示す。

（ａ）〜（ｃ）は、位置関係の典型例であり、図１１に示す演算処理により、これらの位置のうちどの位置での停止状態から回転をはじめても、回転方向の判別が可能である。
以下、（ａ）〜（ｃ）を当てはめ、順に検討をすすめる。

図９は左側と右側の荷重センサの出力を整形したときの左側と右側との電圧特性を示す図である。
電圧特性は、左側荷重センサ２４Ｌの出力波形と、右側荷重センサ２４Ｒの出力波形であり、ＡＤ変換部により矩形波に変換した波形である。左側転動体２２Ｌと、右側転動体２２Ｒとは、１／４波長だけ位相をずらして配置したので、出力された矩形波は、１／４波長だけ位相がずれる。
ＡＤ変換部により波形整形を行い、デジタル信号に変換したので、信号の演算処理速度を向上することができる。

図１０は出力特性を変換して矩形波とした後、この矩形波をＡＤ変換部でさらに加工した後の左側と右側の電圧特性を示す図であり、各矩形波の立上がり部のみを抽出したことを示す。ＡＤ変換部は、荷重センサのデータを矩形波に変換する機能と、変換した矩形波をさらに加工して、立上がり部のみを抽出するという２つの機能を有するものである。従って、図１０に示す波形を、ＡＤ変換部から出力する。

図１１は本発明に係る回転方向検出部の制御フロー図である。
ＳＴ１１：ＡＤ変換部の出力信号として、左側センサの出力を読込む。図１０の左側の波形である。
ＳＴ１２：左側の出力が１であるかを判断する。左側の出力が１であれば、ＳＴ１３に進む。０であれば、ＳＴ１１に戻る。

ＳＴ１３：計時を開始する。
ＳＴ１４：ＡＤ変換部の出力信号として、右側センサの出力を読込む。図１０の右側の波形である。

ＳＴ１５：右側の出力が１であるかを判断する。右側の出力が１であれば、ＳＴ１６に進む。０であれば、ＳＴ１４に戻る。
ＳＴ１６：時間Ｔを記録する。すなわち、ＳＴ１２で左側の出力を受けた後、右側の出力を受けるまでの時間Ｔを記録する。

ＳＴ１７：Ｔ＞１／２ピッチ時間であるかを判断する。Ｔ＞１／２であれば、ＳＴ１８に進む。Ｔ≦１／２であれば、ＳＴ１９に進む。
ＳＴ１８：正回転方向と出力する。
ＳＴ１９：逆回転方向と出力する。

以下、図８の（ａ）〜（ｃ）の場合の各々を、図１０の波形及び図１１のフローにあてはめることにより、車輪が正回転方向か、逆回転方向かを正しく判別できるかどうかを説明する。

先ず、転動体が図の下向きに移動する場合を検討する。
図１０に戻って、（ａ）の場合において、左側信号を検出した後、右側信号を検出するまでの所要時間はＴ１である。このＴ１は１／２ピッチ時間超であるので、正回転と判断する。

（ｂ）及び（ｃ）の場合において、所要時間は、（ａ）と同じＴ１であるので、正回転と判断することができる。
従って、（ａ）〜（ｃ）のいずれの位置から回転をはじめても、演算の結果は同じＴ１となり、正回転と判断できることが証明された。

次に、図８において、転動体が図の上向きに移動する場合を検討する。
図１０に戻って、（ａ）の場合において、左側信号を検出した後、右側信号を検出するまでの所要時間はＴ２である。このＴ２は１／２ピッチ時間以下であるので、逆回転と判断する。

（ｂ）及び（ｃ）の場合において、所要時間は、（ａ）と同じＴ２であるので、逆回転と判断することができる。
従って、転動体が図の下向きに移動する場合、（ａ）〜（ｃ）のいずれの位置から回転をはじめても、演算の結果は同じＴ２となり、逆回転と判断できることが証明された。

すなわち、一方と他方の列とからなり、一方と他方の列との間に所定の位相差を有する複列のころがり軸受の外輪に荷重センサを設け、ころがり軸受の外輪に伝わる荷重を、荷重センサで検出し電圧信号で出力する。この電圧信号は、ＡＤ変換部によりデジタル信号に変換される。

このデジタル信号は、転動体が荷重センサの上を通過する毎に発生するため、軸受から出力される出力を検出することができ、一方又は他方のころがり軸受から出力される電圧信号を判断することにより、車輪の回転方向を検出することができる。

従って、１つの荷重センサのみで、車軸荷重及び車輪の速度を求めることができることに加えて、外輪の一方及び他方の列に備えた荷重センサから出力される電圧信号の先後を判断することにより、車輪の回転方向を検出することができる。

なお、左右両側のセンサ出力が０（オフ）の状態から左右どちらか一方のセンサが１（オン）を出力したとき、先に１（オン）を出力したのが左か右かを判別することによっても、回転方向の判別は可能である。次項により詳細に説明する。

図１２は図９の左側と右側の波形を組合せた図である。
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、いずれにおいても、正回転ならば、両側の出力が０の状態から波形立上がるのは、必ず右側（点線で表した波形）となり、逆回転ならば、左側（実線で表した波形）となる。
なお、本実施例では、説明のため左右の波形を組合せているが、左右の波形を組合せなくても実施可能である。

このように、左右両側のセンサ出力が０（オフ）の状態から１（オン）を出力したのが左か右かを判別することにより、回転方向の判別が可能となる。
従って、図１０のように各矩形波の立ち上がりのみを抽出する必要がなく、左側の出力を受けた後、右側の出力を受けるまでの時間Ｔを記録することもなく、容易に回転方向の判別をすることができるという利点がある。

図１３は図３の別実施例図であり、ハブ軸方向の力を受けるスラスト玉軸受５１のスラスト荷重を測定する荷重センサ５２Ｈ、５２Ｌをスラストころ軸受５１に一体化したことを示す。
このスラスト玉軸受５１は、ハウジング軌道盤５３の上に載せた下部転動輪５４・・・と、これらの転動輪５４・・・の上に載せた内輪５５と、この内輪５５の上に載せた上部転動輪５６・・・と、これらの転動輪５６・・・の上に載せた軸軌道盤５７と、この軸軌道盤５７の上に配置した荷重センサ５２と、荷重センサ５２の上に載せたカバー部材５８とを備える。

そして、下部転動輪５４・・・同士がぶつからないで等間隔に保持するための保持器５９を設ける。上部転動輪５６・・・にも下部転動輪５４・・・同様に保持器５９を設け、上下転動輪の間には位相差を設ける。加えて、荷重センサ５２Ｈ、５２Ｌの出力は、車速変換部３１Ｂと、荷重変換部３２Ｂと、回転方向検出部３３Ｂとにつなげたことを示す。なお、カバー部材５８と荷重センサ５２Ｈ、５２Ｌと軸軌道盤５７との間は固着し一体化させた構造とする。

車速変換部３１Ｂは、転動体５６・・・が荷重センサ５２Ｈに荷重をかける時間的間隔を検出するようにしたので、車輪の速度を測定することができる。
荷重センサ５２Ｈ、５２Ｌからの信号を受け回転方向検出部３３Ｂで回転方向を検出すると共に、荷重変換部３２Ｂでスラスト方向にかかる荷重を検出することができる。

図１４は図２の別実施例図であり、上面からみて、荷重センサ５２を転動体５６・・・と重なる位置に配置したことを示す。

尚、本発明の荷重センサ一体型ころがり軸受は、実施の形態では四輪車に適用したが、一般の車両に適用することは差し支えない。

本発明の荷重センサ一体型ハブユニットは、四輪車に好適である。

本発明に係る荷重センサ一体型ハブユニットの断面図である。 図１の２−２線断面図である。 本発明に係る荷重・車速測定装置である。 本発明に係る車速変換部のブロック図である。 荷重センサの出力特性及びそれを整形したときの特性を示す図である。 本発明に係る車速変換部の制御フロー図である。 本発明に係る回転方向検出部のブロック図である。 左側及び右側に備える荷重センサの作用を説明する図である。 左側と右側の荷重センサの出力を整形したときの左側と右側との電圧特性を示す図である。 出力特性を変換して矩形波とした後、この矩形波をＡＤ変換部でさらに加工した後の左側と右側の特性を示す図である。 本発明に係る回転方向検出部の制御フロー図である。 図９の左側と右側の波形を組合せた図である。 図３の別実施例図である。 図２の別実施例図である。 従来の荷重センサ付きハブユニットの断面図である。

符号の説明

１３…荷重センサ一体型のころがり軸受、２２…転動体、２２Ｌ…左側転動体、２２Ｒ…右側転動体、２３…外輪、２４…荷重センサ、２４Ｌ…左側荷重センサ、２４Ｒ…右側荷重センサ、３１、３１Ｂ…車速変換部、３３、３３Ｂ…回転方向検出部、５２…荷重センサ。

Claims (2)

1. 車体に回転自在に車軸を取付けるために、車体と車軸との間に介在したころがり軸受と、前記ころがり軸受に内蔵する転動体から前記ころがり軸受の外輪もしくは内輪に伝わる荷重を測定するために前記外輪もしくは内輪に内蔵又は付設する荷重センサとを備えた荷重センサ一体型ハブユニットにおいて、
   前記荷重センサが出力する信号の脈動に基づき車速を導く車速変換部を設けたことを特徴とする荷重センサ一体型ハブユニット。
2. 前記車速変換部により、前記ころがり軸受に内蔵した転動体が前記荷重センサを通過する間隔を測定し、この間隔より車速を求めることを特徴とする請求項１記載の荷重センサ一体型ハブユニット。
   

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