JP2006105182A

JP2006105182A - 車輪用軸受装置

Info

Publication number: JP2006105182A
Application number: JP2004289552A
Authority: JP
Inventors: Minoru Chitoku; 稔千徳; Hideki Touzu; 秀起東頭
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】測定精度が極めて高く、直交する３軸方向の荷重の検知を行うことが可能となる軸受装置を提供することを目的とする。
【解決手段】固定側の外輪部材２０にスリット孔５が形成され、圧電素子からなる荷重センサ６がスリット孔５内にスリット孔壁面５ａ，５ｂ間に挟まれた状態にて配設されたものである。スリット孔５は、外輪部材２０のフランジ部２１に形成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、作用する荷重の測定を行うことのできる車輪用軸受装置（以下、単に軸受装置ともいう）に関する。

近年、自動車の走行や制動等の制御を行うために種々の情報が必要とされており、そのような情報を得るために、車輪用の軸受装置にセンサを設けることが提案されている。軸受装置は、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材と、車体側に固定される車体側軌道部材と、これら両軌道部材の間に配設される転動体とを有しており、例えば、特許文献１に示すように、車輪側軌道部材のフランジ部に歪みゲージを貼り付けて軸受装置に作用する荷重の情報を取得するものがある。
特開２００３−２４６２０１号公報（図１）

しかし、特許文献１に記載されている構成は、回転する車輪側軌道部材に歪みゲージが設けられているので、作用する荷重の方向を正確に検知することができないという問題点を有している。荷重によって車輪側軌道部材の外表面に現れる変化は微小であり、この変化を外表面に貼り付けた歪みゲージにより検出しようとしても精度の高い測定は困難である。また、歪みゲージが車輪側軌道部材に接着剤を介して貼り付けられているため、車輪側軌道部材における微小な歪みやその変化の感知が困難であり、さらに、歪みゲージは周囲に配置されているブレーキパッド等からの熱による温度変化（温度上昇）の影響を受けやすく、精度の高い測定ができないという問題点を有している。また、従来においては、車体側軌道部材（外輪）の軸心と車輪側軌道部材（内輪）の軸心とが傾く（ねじり）方向の荷重（Ｙ軸方向の荷重：旋廻力）を検知できるものがなかった。また、歪みゲージを車輪側軌道部材に設けると歪みゲージからの信号を車体側へ無線等の手段にて送信しなければならず困難をともなうという問題点も有する。

この発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、小さな変化に対しても測定精度が極めて高く、直交する３軸方向の荷重の検知を行うことが可能となる車輪用軸受装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するためのこの発明の軸受装置は、固定側の外輪部材にスリット孔が形成され、圧電素子からなる荷重センサが当該スリット孔内にスリット孔壁面間に挟まれた状態にて配設されたことを特徴としている。このような構成の軸受装置によれば、圧電素子からなる荷重センサを用いているため、荷重の変化が精度よく検知でき、また、圧電素子は歪ゲージに比べて温度特性がよいため、測定精度を高めることができる。さらに、荷重センサは、変形が生じやすい外輪部材のスリット内に設けられるため、荷重センサによる出力が得られやすい。つまり、微小な荷重やその変化を精度良く検知することができる。

また、前記スリット孔は、軸受軸心となるＹ軸に平行に形成されてＸ軸方向の荷重を検知する第１センサが配設される第１スリット孔と、前記Ｙ軸に平行でかつ前記第１スリット孔と９０°の位相差をもって形成されてＺ軸方向の荷重を検知する第２センサが配設される第２スリット孔と、前記Ｙ軸の直交方向に形成されてＹ軸方向の荷重を検知する第３センサが配設される第３スリット孔とを有するのも好ましい。この構成によれば、直交する３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の荷重（成分）を検知することができる。したがって、作用する荷重の正確な解析が行える。

または、前記スリット孔は、軸受軸心となるＹ軸に平行に形成されてＸ軸方向の荷重を検知する第１センサが配設される第１スリット孔と、前記Ｙ軸に平行でかつ前記第１スリット孔と９０°の位相差をもって形成されてＺ軸方向の荷重を検知する第２センサが配設される第２スリット孔と、前記Ｙ軸に対して傾斜方向に形成されて第３センサが配設される第３スリット孔とを有するのも好ましい。この構成によれば、直交する３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の荷重（成分）を検知することができる。したがって、作用する荷重の正確な解析が行える。さらに、第１〜第３のスリット孔を、外輪部材の同じ方向を向く面側から孔開けして形成することができ、製作が容易となり、これらスリット孔に設けられるセンサの配線を同方向へ引き出すことができ、構造を簡素化することができる。

さらに、前記第３スリット孔に配設される第３センサは、前記Ｙ軸方向から見て前記第１センサおよび第２センサと同一の放射線上に夫々配設され、前記軸受装置は、さらに、当該第３センサの測定値と当該第１センサおよび第２センサの測定値との差に基づいてＹ軸方向の荷重を検知する演算器を備えているのも好ましく、この構成によれば、直交する３軸方向の荷重を精度よく検知することができる。

本発明の車輪用軸受装置によれば、微小な荷重およびその変化が検知しやすくなり、高温環境下においても歪みゲージに比べ測定精度を高めることができ、また、センサが外輪部材内部に配置されているので、ブレーキパッド等の熱影響を受けにくくすることができるため、自動車の走行や制動等の制御を行うのに十分な情報を得ることができる。さらに、直交する３軸方向の荷重の検知を行うことが可能となる。

以下、この発明の実施の形態について添付図面を参照しながら詳述する。
図１はこの発明の一実施の形態に係る軸受装置を示す縦断面図である。この軸受装置は、車体（図示せず）側と固定される車体側軌道部材１と、車輪（図示せず）が取り付けられる車輪側軌道部材２と、これら軌道部材１，２の間に配設される２列の転動体３とを備えている。

車輪側軌道部材２は、図示しない車輪（ホイール）が取り付けられる軸状のハブ４と、ハブ４の一端部側外周面に嵌合させた内輪部材１６とを有している。ハブ４は、他端部側に径方向外方のフランジ部１１が形成されており、このフランジ部１１には車輪を取り付けるためのボルト７が取り付けられている。ハブ４の外周面には第１の内輪軌道２４ａが形成され、また、ハブ４に嵌合させた前記内輪部材１６に第２の内輪軌道２４ｂが形成され、これらをもって２列の内輪軌道２４が構成されている。

車体側軌道部材１は、軸受の外輪を構成する外輪部材２０を有し、この外輪部材２０は、内周面に外輪軌道２３が形成される筒部２２と、この筒部２２の外周面に形成され固定側部材（図示せず）と固定される径方向外向きのフランジ部２１とを有している。筒部２２の内周面には、第１の内輪軌道２４ａおよび第２の内輪軌道２４ｂの夫々に対応するよう第１の外輪軌道２３ａと第２の外輪軌道２３ｂが２列で形成されている。前記フランジ部２１は、第１の外輪軌道２３ａと第２の外輪軌道２３ｂとの間の軸方向中間位置に対応する筒部２２の外周面側に設けられているため、後述する荷重センサ６により、ねじり方向（Ｙ軸方向）において正負どちら向きの荷重が作用しても、同程度の精度で検出することができ、検出精度を高めることができる。

図２は図１に示される軸受装置の要部縦断面図であり、図３はその正面図である。図２〜３に示されるように、外輪部材２０に複数のスリット孔５が形成され、圧電素子（ピエゾ抵抗素子）からなる荷重センサ６が各スリット孔５内に、スリット孔壁面５ａ，５ｂ間に挟まれた状態にて配設されている。

さらに、外輪部材２０において、スリット孔５はフランジ部２１に形成されるのが好ましく、この構成により、車体と車輪との間に作用する荷重を直接的にしかも正確に検知することができる。なお、この「フランジ部２１に形成されている」とは、スリット孔５の開口部がフランジ部２１に形成されることを言い、スリット孔奥部が筒部２２にまで達するものも含む。さらに、スリット孔５は図に示されるような非貫通孔および図示しない貫通孔のどちらでもよい。

スリット孔５は、外輪部材２０に直線的に孔開き加工されたものであり、孔の断面形状は細長一文字形状（略細長矩形状）とされ、間隔の狭い（小さい）側の対向するスリット孔壁面５ａと壁面５ｂ（以下、対向壁面という）の間において、荷重センサ６を挟んだ状態で保持している。つまり、荷重センサ６は、スリット孔５内に圧入されてスリット孔壁面５ａ，５ｂ間に配設され（初期圧が付与され）、スリット孔壁面５ａ，５ｂを介して外輪部材２０に作用する（正負両方向の）荷重を検知することができる。

さらに説明すると、外輪部材２０に複数設けられるスリット孔５は、軸受軸心となるＹ軸に平行に形成される第１スリット孔４１と、Ｙ軸に平行でかつ第１スリット孔４１とＹ軸を中心として９０°の位相差をもって形成される第２スリット孔４２と、Ｙ軸の直交方向に形成される第３スリット孔４３とを有している。さらに第１スリット孔４１は、Ｘ軸に直角な方向に形成され、第１スリット孔４１の対向壁面間に、受圧面がＸ軸方向を向くように第１センサ３１が配設される。これにより、第１センサ３１の荷重検知方向はＸ軸方向となる。

そして、第２スリット孔４２は、Ｚ軸に直角な方向に形成され、第２スリット孔４２の対向壁面間に、受圧面がＺ軸方向を向くように第２センサ３２が配設される。これにより、第２センサ３２の荷重検知方向はＺ軸方向となる。さらに、第３スリット孔４３は、Ｙ軸に直角な方向に形成され、第３スリット孔４３の対向壁面間に、受圧面がＹ軸方向を向くように第３センサ３３が配設されている。これにより、第３センサ３３の荷重検知方向はＹ軸方向となる。

そして、図３に示されるように、外輪部材２０において、第１センサ３１（第１スリット孔４１）はＹ軸を中心として互いに１８０°離れて２ヵ所、水平方向に設けられ、第２センサ３２（第２スリット孔４２）はＹ軸を中心として互いに１８０°離れて２ヵ所、鉛直方向に設けられ、しかも、第１スリット孔４１と第２スリット孔４２とは、同心円上でかつ、フランジ部２１の同一の一面側から同じ方向へ向かって（Ｙ軸に平行に）形成されている。そして、第３センサ３３（第３スリット孔４３）は互いに９０°ずつ離れて４ヶ所に、同心円上に設けられ、しかも、Ｙ軸方向から見て（図３の正面視において）第１センサ３１および第２センサ３２と同一の放射線上（同一の放射線の方向）に配置されている。つまり、前後方向（図３において左右方向）に２つの第３センサ３３，３３が、２つの第１センサ３１，３１と同じＸ軸方向の線上に配置され、さらに、上下方向（図３において上下方向）に２つの第３センサ３３，３３が、２つの第２センサ３２，３２と同じＺ軸方向の線上に配置されている。
また、第３スリット孔４３は、フランジ部２１の外周面において開口部を有するよう形成されている。以上のようにスリット孔を形成し、このスリット孔内にセンサを配設することにより、直交する３軸方向の荷重（絶対値）を夫々検知することができる。

ここでＸＹＺ軸について述べると、自動車用の軸受装置の場合、軸受装置の軸心方向であるＹ軸方向が左右方向となり、さらに、Ｘ軸方向が前後方向となり、Ｚ軸方向が高さ方向となる。

図４と図５は、本発明の軸受装置の他の実施の形態を示す縦断面図であり、外輪部材２０に複数設けられるスリット孔５は、軸受軸心となるＹ軸に平行に形成される第１スリット孔４１と、Ｙ軸に平行でかつ第１スリット孔４１とＹ軸を中心として９０°の位相差をもって形成される第２スリット孔４２と、Ｙ軸に対して所定の傾斜角度Θでもって傾斜するよう形成される第３スリット孔４３とを有している。さらに、第１スリット孔４１は、Ｘ軸に直角な方向に形成され、第１スリット孔４１の対向壁面間に、受圧面がＸ軸方向を向くように第１センサ３１が配設されている。これにより、第１センサ３１の荷重検知方向はＸ軸方向となる。

そして、第２スリット孔４２は、Ｚ軸に直角な方向に形成され、第２スリット孔４２の対向壁面間に、受圧面がＺ軸方向を向くように第２センサ３２が配設されている。これにより、第２センサ３２の荷重検知方向はＺ軸方向となる。また、第３スリット孔４３は、Ｙ軸に対して傾斜角度Θで傾斜して複数形成され、夫々の第３スリット孔４３の対向壁面間に第３センサ３３が配設され、第３センサ３３はＹ軸及びＺ軸の２軸方向の荷重（合成荷重）、及び、Ｘ軸及びＹ軸の２軸方向の荷重（合成荷重）を検知する。つまり、図５の上下（Ｚ軸方向）２つの第３センサ３３がＹ軸及びＺ軸の２軸方向の荷重を検知し、同じく前後（Ｘ軸方向）２つの第３センサ３３がＸ軸及びＹ軸の２軸方向の荷重を検知する。なお、傾斜角度Θは、任意の角度とすることができるが、２軸方向の荷重を同程度の精度で検出することができるので、４５°とするのが好ましい。

そして、図５に示されるように、外輪部材２０において、第１センサ３１（第１スリット孔４１）はＹ軸を中心として互いに１８０°離れて２ヵ所、水平方向に設けられ、第２センサ３２（第２スリット孔４２）はＹ軸を中心として互いに１８０°離れて２ヵ所、鉛直方向に設けられ、しかも、第１スリット孔４１と第２スリット孔４２とは、Ｙ軸を中心とする同心円上で、フランジ部２１の同一の一面側から同じ方向へ向かって（Ｙ軸に平行に）形成されている。そして、第３センサ３３（第３スリット孔４３）は互いに９０°ずつ離れて４ヶ所に、同心円上に設けられ、しかも、Ｙ軸方向から見て（図５の正面視において）第１センサ３１および第２センサ３２と同一の放射線上（同一の放射線方向）に夫々配設されている。つまり、Ｙ軸方向から見て、前後方向に２つの第３センサ３３，３３が、２つの第１センサ３１，３１と同じＸ軸方向の線上に配置され、さらに、上下方向に２つの第３センサ３３，３３が、２つの第２センサ３２，３２と同じＺ軸方向の線上に配置されている。
さらに、第３スリット孔４３は、フランジ部２１の径方向中間位置に開口部が形成されるが、この第３スリット孔４３においても、前記第１と第２のスリット孔４１，４２と同じフランジ部２１の一面側から形成することができるので、孔開け作業が容易となる。

以上の構成により、第３センサ３３を用いてＹ軸方向の荷重を検知することができる。第１センサ３１、第２センサ３２及び第３センサ３３は、図示しない演算器に接続され、この演算器において各センサからの電圧変換された信号を処理して各軸方向の荷重を検出する。すなわち、第３センサ３３の測定値と、第１センサ３１および第２センサ３２の測定値との差に基づいてＹ軸方向の荷重を検知する。

例えば、Ｚ軸方向の荷重のみが外輪部材２０に作用した場合、Ｚ軸方向の荷重を検知する第２センサ３２の出力を１とすると、Ｘ軸方向の荷重を検知する第１センサ３１の出力は０となり、第３センサ３３の出力は１／√２となる。しかし、これにＹ軸方向の荷重が作用すると、第３センサ３３の出力は１／√２と異なる（例えば１／√２よりも大きい）出力が得られる。従って、この第３センサ３３の出力から、Ｚ軸方向の荷重による出力、つまり第２センサ３２により得られるＺ軸方向の荷重の成分を除く（除算する）ことにより、Ｙ軸方向の荷重を検知することができる。

また、第３センサ３３はある値を出力するものの、第１センサ３１と第２センサ３２の出力が共に０である場合は、Ｙ軸方向の荷重のみが作用したことがわかる。つまり、第１センサ３１および第２センサ３２の出力を元にして第３センサ３３の出力により、Ｙ軸方向の荷重を検知することができる。以上より、図４〜５に示される軸受装置においても、直交する３軸方向の荷重（絶対値）を夫々検知することができる。

なお、図４において、２点鎖線で示すように、荷重センサ６の組み付け性を考慮して第３スリット孔４３をその開口部がフランジ部２１の基端部に位置するよう設けてもよい。さらに、軸受装置は、図示した形態に限らずこの発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。

この発明の一実施形態に係る軸受装置を示す縦断面図である。図１に示される軸受装置の要部縦断面図である。図１に示される軸受装置の正面図である。本発明の他の実施の形態に係る軸受装置の縦断面図である。図４に示される軸受装置の正面図である。

符号の説明

１車体側軌道部材
２車輪側軌道部材
３転動体
５スリット孔
５ａスリット孔壁面
５ｂスリット孔壁面
６荷重センサ
２０外輪部材
２１フランジ部
２２筒部
２３外輪軌道
３１第１センサ
３２第２センサ
３３第３センサ
４１第１スリット孔
４２第２スリット孔
４３第３スリット孔

Claims

固定側の外輪部材にスリット孔が形成され、圧電素子からなる荷重センサが当該スリット孔内にスリット孔壁面間に挟まれた状態にて配設されたことを特徴とする車輪用軸受装置。
前記スリット孔は、軸受軸心となるＹ軸に平行に形成されてＸ軸方向の荷重を検知する第１センサが配設される第１スリット孔と、前記Ｙ軸に平行でかつ前記第１スリット孔と９０°の位相差をもって形成されてＺ軸方向の荷重を検知する第２センサが配設される第２スリット孔と、前記Ｙ軸の直交方向に形成されてＹ軸方向の荷重を検知する第３センサが配設される第３スリット孔と、を有する請求項１に記載の車輪用軸受装置。
前記スリット孔は、軸受軸心となるＹ軸に平行に形成されてＸ軸方向の荷重を検知する第１センサが配設される第１スリット孔と、前記Ｙ軸に平行でかつ前記第１スリット孔と９０°の位相差をもって形成されてＺ軸方向の荷重を検知する第２センサが配設される第２スリット孔と、前記Ｙ軸に対して傾斜方向に形成されて第３センサが配設される第３スリット孔と、を有する請求項１に記載の車輪用軸受装置。
前記第３スリット孔に配設される第３センサは、前記Ｙ軸方向から見て前記第１センサおよび第２センサと同一の放射線上に夫々配設され、前記軸受装置は、さらに、当該第３センサの測定値と当該第１センサおよび第２センサの測定値との差に基づいてＹ軸方向の荷重を検知する演算器を備えている請求項３に記載の車輪用軸受装置。