JP2006258572A - 変位センサ付きハブユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 車軸アキシャル方向の荷重を高精度に検出できる変位センサ付きハブユニットを提供する。
【解決手段】 変位センサ付きハブユニット６においては、ホイール取付フランジ４ａの車体インナ側主表面に被検出部６０が設けられ、該被検出部６０のアキシャル方向の変位成分が変位検出部５１により非接触にて検出される。該変位検出部５１による変位検出情報が、車軸２に加わる横方向荷重の情報として出力される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、変位センサ付きハブユニットに関する。

特開２００４−２７０８４４号公報 特開２００４−３６０７８２号公報 特開２００４−１５５２６１号公報

自動車の走行制御には、近年種々のセンサが使用されており、路面摩擦係数、路面反力あるいはヨーレートなどを、タイヤを懸架するサスペンション機構に取り付けた荷重センサで検出し、その検出出力を、例えばアンチロックブレーキシステムや操舵系の制御に使用することが行われている。しかし、サスペンション機構を介した荷重検出には精度上必ずしも満足できないものがあるため、特許文献１〜特許文献３のごとく、タイヤホイールを取り付ける軸受ハブユニットに荷重センサを組み込み、より高精度に荷重検出する提案がなされている。軸受ハブユニットに荷重センサが予め組み込まれることで、自動車へのセンサの組み付けが一層容易になり、生産性の向上にも寄与している。

特許文献１〜特許文献３では、軸受外輪の外側に、これと当接する荷重センサをラジアル方向に複数設けた構成となっている。この構成では、路面反力（路面に対して垂直方向）やタイヤ摩擦（路面と平行方向）など、車軸に対して半径方向に作用する荷重は高精度に検出できるが、車軸アキシャル方向の荷重は、ラジアル方向の異なる位置に設けられた検出荷重のアンバランスから、車軸方向の投影成分を見出して間接的に測定せざるを得ず、精度に欠ける問題があった。

本発明の課題は、車軸アキシャル方向の荷重を、変位センサを用いて高精度に検出できる変位センサ付きハブユニットを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明の変位センサ付きハブユニットは、
車軸と一体回転するハブ本体と、該ハブ本体の外周面からラジアル方向外向きに突出する形で設けられ、車体アウタ側にタイヤホイールが取り付けられるホイール取付フランジとを有するハブと、
ホイール取付フランジよりも車体インナ側において、ハブ本体に一体回転可能に設けられる内輪と、
該内輪のラジアル方向外側において自動車側の取付ベースに対し非回転かつアキシャル方向の位置が固定に配置される外輪と、
内輪と外輪との間に配置される複数の転動体と、
ホイール取付フランジの車体インナ側主表面に設けられた被検出部と、
被検出部のアキシャル方向の変位成分を非接触にて検出する変位検出部とを備え、
変位検出部による変位検出情報を、車軸に加わるアキシャル荷重の情報として出力することを特徴とする。

上記本発明の変位センサ付きハブユニットは、ホイール取付フランジの車体インナ側主表面に設けられた被検出部と、被検出部のアキシャル方向の変位成分を非接触にて検出する変位検出部とを備え、変位検出部による変位検出情報を、車軸に加わるアキシャル荷重の情報として出力する。これにより、車軸と一体的に設けられるハブの変位に基づいて、車軸に加わるアキシャル荷重を、従来の荷重センサ付きハブユニットと比較してはるかに高精度に検出することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態である変位センサ付きハブユニット６の一例を断面構造にて示すものである。該変位センサ付きハブユニット６は、車軸２の先端部外周面に取り付けられる筒状のハブ本体４ｂと、該ハブ本体４ｂの外周面からラジアル方向外向きに突出するホイール取付部４ａとを有するハブ４と、内輪５ａ、外輪５ｂ及びそれら内輪５ａと外輪５ｂとの間に配置される複数の転動体５ｃとを備える。ホイール取付フランジ４ａの車体アウタ側主表面には、図示しないタイヤホイールが取り付けられ、符号８は、ホイール取付ボルトである。内輪５ａは、ホイール取付フランジ４ａよりも車体インナ側に位置し、ハブ本体４ｂに一体回転可能に設けられる。外輪５ｂは 該内輪５ａのラジアル方向外側において自動車側の取付ベース３に対し非回転かつアキシャル方向の位置が固定に配置される。なお、従動輪側では、ハブ本体４ｂが中実部材とされ、車軸に兼用される構成もありえる。この場合も、ハブ本体４ｂは車軸と一体回転する部材の概念に属するものとする。

ホイール取付フランジ４ａの車体インナ側主表面には被検出部６０が設けられ、該被検出部６０のアキシャル方向の変位成分が変位検出部５１により非接触にて検出される。該変位検出部５１による変位検出情報が、車軸２に加わるアキシャル荷重の情報として出力される。該変位センサ付きハブユニット６によると、車軸２と一体的に設けられるハブ４の変位に基づいて、車軸に加わるアキシャル荷重を高精度に検出することが可能となる。

図１の構成においては、車軸先端部２ｔが、その後端側に隣接する車軸本体部２ｍよりも縮径されてなり、ハブ本体４ｂが該車軸先端部２ｔに外挿される。該車軸先端部２ｔと車軸本体部２ｍとの境界位置には、ハブ本体４ｂの後端面と当接する段部２ｆが形成されている。軸受は複列外向きアンギュラ玉軸受からなり、ハブ本体４ｂの外周に、アキシャル方向に隣接する形で圧入外嵌される２つの単列用の内輪５ａと、二列の軌道溝を有する単一の外輪５ｂと、二列で配設される複数の玉（転動体）５ｃと、二つの冠形保持器５ｄ、５ｄとを備えている。ハブ本体４ｂの内周面と車軸先端部２ｔの外周面との嵌合部にはスプライン４ｓが形成されている。

ハブ本体４ｂの外周面には、ラジアル方向に突出する形で、内輪５ａの自身に対するアキシャル方向の相対移動を規制する内輪規制部４ｄが形成されている。この内輪規制部４ｄは、ハブ本体の外周面に形成された環状の切欠部の内壁部である。

他方、ハブ本体４ｂにはアキシャル方向に貫通する車軸挿通孔４ｈが形成されている。該車軸挿通孔４ｈの先端開口において車軸２の先端には、ハブ４を車軸２に締結するためのハブ締結用ボルト２ｖがねじ込まれている。他方、外輪５ｂのアキシャル方向後端部５ｍは、外輪取付部となる車軸ケース３の外輪収容孔３ｈの内側に挿入されている。外輪５ｂの外周面にはハブ取付フランジ５ｆがラジアル方向に突出形成されており、該ハブ取付フランジ５ｆを車軸ケース３の外輪収容孔３ｈの周縁部に当接させることにより、該外輪５ｂの車軸ケース３に対するアキシャル方向の相対移動が規制されている。ハブ取付フランジ５ｆには外輪締結部５ｅが一体化されており、これにボルト挿通孔５ｈが貫通形成されている。そして、該ボルト挿通孔５ｈを経て車軸ケース３側に締結部材をなす外輪締結ボルト５ｖがねじ込まれ、外輪５ｂが車軸ケース３に取り付けられる。

ハブ取付フランジ５ｆは、ラジアル方向においてホイール取付フランジ４ａとアキシャル方向に対向する位置まで延出形成されている。変位検出部５１は、該ハブ取付フランジ５ｆの車体アウタ側の主表面上に固定されている。ハブ取付フランジ５ｆ上に変位検出部５１を取り付けることで、被検出部６０とともに、変位検出系の全体をハブユニット６に一体化することができ、車体へのアセンブリが非常に楽になる。なお、図５に示すように、ハブ取付フランジ５ｆの外径を縮小し、該ハブ取付フランジ５ｆのラジアル方向外側において、車軸ケース上に変位検出部５１を取り付けることも可能である。図５においては、変位検出部５１はスペーサ５１ｓを介して車軸ケース３に取り付けられている。

車軸２に作用するアキシャル荷重のみを検出すればよい場合は、変位検出部５１を１個所にのみ設ける構成も可能である。しかし、図２Ａに示すように、車軸回転軸線周りの複数箇所に変位検出部５１を配置するこれら複数の変位検出部５１の出力アンバランスから、例えば車軸（あるいはタイヤ）の半径方向に作用する荷重（例えば、路面反力や摩擦力）を算出することも可能となる。

変位検出の方式としては、種々の方式を採用可能であるが、光学式変位検出方式は変位ひいてはアキシャル荷重の検出精度も高い。この場合、図１に示すように、被検出部は反射部材６０として構成でき、変位検出部５１は、ホイール取付フランジ４ａの車体インナ側主表面に設けられた該反射部材６０にアキシャル方向に対向し、かつ外輪５ｂに対するアキシャル方向の位置が固定となるように設けられた、反射部材６０に測定光を照射する光源５２と、測定光の反射部材６０による反射光を検出する反射光検出部５６とを備えたものとして構成できる。該反射光の情報に基づいて変位検出情報が生成される。

反射部材６０は、図２Ａに示すように、ホイール取付フランジ４ａの周方向に沿って設けることにより、反射部材６０の取り付けられている回転角度区間のどこでも変位測定が可能になるので、ハブ４のホイール取付フランジ４ａひいては車軸の回転位相に対する測定の自由度を増すことができる。本実施形態において反射部材６０は、ホイール取付フランジ４ａの主表面上に凸設されたリング状のミラー部材である。なお、図２Ｂに示すように、ミラー部材６０を、ホイール取付フランジ４ａに形成された凹部６０ｒ内に配置することもできる（ここでは、ミラー部材６０の反射面がホイール取付フランジ４ａの主表面とほぼ面一になっている）。

車軸への荷重不可に伴うホイール取付フランジ４ａの変位量はμｍオーダー、場合によってはｎｍオーダーのごく小さなものであり、これを安価にかつ高精度に検出するには、以下のような方式を採用することが有利である。すなわち、図３に示すように、反射部材６０と光源５２との間に配置された、反射光ＬＭを反射光検出部５６に導くための光学系を非点収差光学系５１ｐにて構成し、該非点収差光学系５１ｐを通過した反射光ＬＭの反射光検出部５６による検出像の形状変化に基づいて変位検出情報を生成する。非点収差光学系５１ｐで点像を結合すると、観測面（つまり、ホイール取付フランジ４ａ上の反射面）の位置によって像が縦長、円形、横長と変化する。この検出像の形状変化を、例えば４分割光検出器等を利用して検出すれば、光軸方向の変位を測定することができるほか、像が円形となる位置を基準にすれば、像が縦長であるか横長であるかにより、変位つまりアキシャル荷重の方向も識別できる。さらに、最高で１ｎｍ程度までの非常に高い変位検出感度も確保できる。

図３は、その一例を示すもので、光源５２はレーザー光源であり、非点収差光学系５１ｐは、対物レンズ５４、ビームスプリッタ５３及び円筒レンズ５５を備える。対物レンズ５４は、光源５２からの測定光ＬＰを基準位置（例えば、アキシャル荷重が付与されていない状態での、反射部材６０の反射面位置）に合焦させるように焦点距離が定められている。ビームスプリッタ５３は、対物レンズ系５４への入射経路上に配置され、反射部材６０による反射光ＬＭを、測定光ＬＰの入射光軸から直角方向に分離する。この反射光ＬＭを反射光検出部５６により受光する。

円筒レンズ５５は、反射光ＬＭの反射光検出部５６への入射経路上に設けられ、非点収差を有している。該円筒レンズ５５を通過して、反射部材６０に向けて収束する光束は、ある中立状態位置Ｊに反射光検出部５６が位置する場合は円形断面となり、反射光検出部５６の位置が光束上で円筒レンズ５５に近い位置Ｎ側に相対移動すると縦方向（円筒レンズ５５の円筒軸方向）に長くなり、逆に遠い位置Ｆ側に相対移動すると横方向（円筒レンズ５５の円筒軸直交方向）に長くなる。反射部材６０がレンズ５４の焦点位置（アキシャル荷重無付加状態に対応）に位置した状態で、反射光検出部５６が中立状態位置Ｊとなるように、その配置位置を定めておく。これにより、反射部材６０が基準位置よりも近い場合、つまり図１の正方向にアキシャル荷重が作用している場合には、反射光検出部５６上の像は横長の楕円となり、反射部材６０が基準位置よりも遠い場合、つまり図１の負方向にアキシャル荷重が作用している場合には、反射光検出部５６上の像は縦長の楕円となる。

上記の像形状の識別は、反射光検出部５６を以下のような４分割光検出器として構成することにより可能となる。検出器は、伸縮する像の２本の楕円軸に沿って各々対向するセンサ対Ａ，Ｃ（横方向検出用）とセンサ対Ｄ，Ｂ（縦方向検出用）とからなり、像形状が縦長となった場合（正方向荷重）は縦方向検出用センサ対Ｄ，Ｂの受光量が増加し、横方向検出用センサ対Ａ，Ｃの受光量は減少する。逆に、形状が横長となった場合（逆方向荷重）は縦方向検出用センサ対Ｄ，Ｂの受光量が減少し、横方向検出用センサ対Ａ，Ｃの受光量は増加する。また、中立状態では両センサ対Ａ，Ｃ及びＤ，Ｂの受光量は等しくなる。

図４は、反射光検出部５６からの出力から、アキシャル荷重の検出出力を生成する回路の構成例である。センサ対Ａ，Ｃ（横方向検出用）とセンサ対Ｄ，Ｂ（縦方向検出用）の各出力は、各々加算器５９（オペアンプ５９ｍ及び周辺抵抗５９ａ〜５９ｃよりなる）及び加算器６１（オペアンプ６１ｍ及び周辺抵抗６１ａ〜６１ｃよりなる）に入力され、各々その加算出力が差動アンプ６２（オペアンプ６２ｍ及び周辺抵抗６２ａ〜６２ｄよりなる）に入力されて、センサ対Ａ，Ｃの入力和とセンサ対Ｄ，Ｂの入力和との差分（（Ａ＋Ｃ）−（Ｄ＋Ｂ））の形で出力される。この出力電圧は、アキシャル荷重が正方向に大きくなると正方向に大きくなり、負方向に大きくなると負方向に大きくなるので、該出力電圧の符号と大きさからアキシャル荷重の向きと値とを知ることができる。

なお、アキシャル荷重がゼロの場合にセンサ出力をゼロ点にキャリブレーションする機構として、図１に示す構成では、変位検出部５１を反射部材６０に対して接近・離間させるねじ式の調整部５１ａが設けられている。変位検出部５１のケースには雄ねじ部５７が配置され、これに調整用の雌ねじ５８が螺合している。雌ねじ５８を回転させることにより、変位検出部５１の全体が反射部材６０に対して接近ないし離間する。アキシャル荷重がゼロの状態で雌ねじ５８を適宜回転させ、対物レンズ５４の焦点を反射部材６０の反射面に合せると、反射光検出部５６に対する反射光の結像状態も中立となり、アキシャル荷重の検出出力もゼロとなる。つまり、検出出力をモニタしながら、これがゼロとなる位置に雌ねじ５８の回転位相を合せこむことで、キャリブレーション処理を行なうことができる。一方、対物レンズ５４と反射部材６０との距離を一定にしておき、図４に示す差動アンプ６２のレベルシフトにより、出力ゼロ点の調整を行なってもよい。図４では、非反転端子側の接地されている参照電圧に、レベルシフト用の参照電圧Ｖｒｅｆを重畳させるとともに、この参照電圧Ｖｒｅｆのレベルを可変分圧抵抗６２ｅ，６２ｆにより調整するようにしている。

なお、アキシャル荷重の検出出力は、例えば自動車に働くヨーレートのような比較的長周期の成分を抽出して測定したい場合、路面やエンジンからの振動など短周期の成分は、図４に示すように、出力側の回路最終段に設けたローパスフィルタ６３（図４では、オペアンプ６３ｍと、周辺抵抗６３ｃ，６３ｄ及びキャパシタ６３ｂ，６３ｅとからなる正帰還型二次アクティブフィルタとして構成されている）により除去することができる。

以上説明した実施形態は、被検出部を反射部材として光学式変位検出部を採用した例を示すものであったが、本発明はこれに限定されず、例えば被検出部を強磁性体被検出部とし、変位検出部を、該強磁性体被検出部のアキシャル方向変位に由来した磁界変化を検出する磁気センサとして構成することも可能である。この場合、該磁気センサの検出磁界に基づいて変位検出情報を生成することとなる。この方式によると、強磁性体被検出部と磁器センサとの距離を光学式の場合よりもかなり接近させなければならないが、汚れ等によるセンサ感度の低下が小さい利点がある。

図６はこの場合の実施形態を示すものである（図１との共通部分には共通の符号を付与して詳細な説明は省略する）。ホイール取付フランジ４ａには、ハードフェライト（あるいはその樹脂結合体）等の永久磁石にて構成された強磁性被検出部１６２が取り付けられている。また、ハブ取付フランジ５ｆからは、該強磁性被検出部１６２に向けてスペーサ３６０が突出し、その先端にて強磁性被検出部１６２と対向する位置に磁気センサ１６１が設けられている。磁気センサ１６１は、磁気ヘッド、ホール素子あるいはピックアップコイル等の周知の構成であり、強磁性被検出部１６２の発生磁界に応じて出力電圧（あるいは出力電流）を変化させるものである。従って、磁気センサ１６１の出力により、ホイール取付フランジ４ａの変位、ひいてはアキシャル荷重の発生レベルを知ることができる。なお、強磁性被検出部１６２を、軟磁性材料からなる凹凸部として形成し、これに磁気ギャップを介してバイアス磁界発生用の磁石を対向させ、凹凸による磁気ギャップ長変化に対応した強磁性被検出部１６２の磁化変化を、ギャップ内に設けたピックアップコイルで検出する方式も可能である。

本発明の変位センサ付きハブユニットの第一実施形態を示す断面図。 反射部材及び変位検出部の配置形態の一例を示す平面図。 ホイール取付フランジに対する反射部材の取付形態の変形例を示す断面図。 光学式変位検出部の一例を示す模式図。 図３の光学式変位検出部の、出力回路の一例を示す回路図。 本発明の変位センサ付きハブユニットの第二実施形態を示す断面図。 本発明の変位センサ付きハブユニットの第三実施形態を示す断面図。

符号の説明

２ 車軸
３ 車軸ケース（取付ベース）
３ｈ 外輪収容孔
４ ハブ
４ａ ホイール取付フランジ
４ｂ ハブ本体
５ａ 内輪
５ｂ 外輪
５ｃ 転動体
５ｆ ハブ取付フランジ
６ 変位センサ付きハブユニット
５１ 光学式変位検出部
５２ 光源
５６ 反射光検出部
６０ 反射部材（被検出部）
１６１ 磁気センサ（変位検出部）
１６２ 強磁性被検出部

Claims (6)

1. 車軸と一体回転するハブ本体と、該ハブ本体の外周面からラジアル方向外向きに突出する形で設けられ、車体アウタ側にタイヤホイールが取り付けられるホイール取付フランジとを有するハブと、
   前記ホイール取付フランジよりも車体インナ側において、前記ハブ本体に一体回転可能に設けられる内輪と、
   該内輪のラジアル方向外側において自動車側の取付ベースに対し非回転かつアキシャル方向の位置が固定に配置される外輪と、
   前記内輪と前記外輪との間に配置される複数の転動体と、
   前記ホイール取付フランジの車体インナ側主表面に設けられた被検出部と、
   前記被検出部のアキシャル方向の変位成分を非接触にて検出する変位検出部とを備え、
   前記変位検出部による変位検出情報を、車軸に加わるアキシャル荷重の情報として出力することを特徴とする変位センサ付きハブユニット。
2. 前記外輪の外周面にラジアル方向に突出形成されたハブ取付フランジが車軸ケースの外輪収容孔の周縁部に当接して、該外輪の前記車軸ケースに対するアキシャル方向の相対移動が規制されるようになっており、該ハブ取付フランジは、ラジアル方向において前記ホイール取付フランジとアキシャル方向に対向する位置まで延出形成されてなり、前記変位検出部は、該取付フランジの車体アウタ側の主表面上に固定されている請求項１記載の変位センサ付きハブユニット。
3. 前記変位検出部が車軸回転軸線周りの複数箇所に配置されている請求項１又は請求項２に記載の変位センサ付きハブユニット。
4. 前記被検出部は反射部材であり、前記変位検出部は、前記ホイール取付フランジの車体インナ側主表面に設けられて前記反射部材にアキシャル方向に対向し、かつ前記外輪に対するアキシャル方向の位置が固定となるように設けられた、前記反射部材に測定光を照射する光源と、前記測定光の前記反射部材による反射光を検出する反射光検出部とを備え、該反射光の情報に基づいて前記変位検出情報を生成するものである請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の変位センサ付きハブユニット。
5. 前記反射部材は、前記ホイール取付フランジの周方向に沿って設けられている請求項４記載の変位センサ付きハブユニット。
6. 前記被検出部は強磁性体被検出部であり、前記変位検出部は、該強磁性体被検出部の前記アキシャル方向変位に由来した磁界変化を検出する磁気センサであり、該磁気センサの検出磁界に基づいて前記変位検出情報を生成するものである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の変位センサ付きハブユニット。

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