JP2008051683A - 回転センサ付き車輪用軸受装置 - Google Patents

回転センサ付き車輪用軸受装置 Download PDF

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Abstract

【課題】回転速度や回転方向の検出が可能で様々な車両制御用途に使用可能な高分解能の回転信号を得ることができ、回転検出のためのサイズも小さく抑えることができる回転センサ付き車輪用軸受装置を提供する。
【解決手段】外方部材１と内方部材２の転走面６，７間に複列の転動体５が介在し、車体に対して車輪を回転自在に支持する。外方部材１または内方部材２のいずれか一方の部材の軸受軸心Ｏには、この軸受軸心回りの方向性を有する磁界発生手段２１を設け、他方の部材には、磁界発生手段２１の磁界を感知するセンサ２２を軸方向に対向して設ける。前記センサ２２は、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイ、または２次元ベクトルセンサと、その信号読出回路および角度計算手段を半導体チップに集積したセンサＩＣからなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車等に用いられる回転センサ付き車輪用軸受装置、特に従動輪支持用の車輪用軸受装置に適した回転センサ付き車輪用軸受装置に関する。
従来、車輪軸受部の回転センサとして、アンチロックブレーキ装置（ＡＢＳ）用の磁気エンコーダタイプが広く普及している。これは、リング状の磁気エンコーダを用いるものであり、回転側軌道輪、例えば内輪の外周に磁気エンコーダを取付け、固定側軌道輪や軸受端部カバーに磁気センサを取付けたものとされる（例えば、特許文献１）。
磁気エンコーダタイプの他に、レゾルバを回転センサとして車輪用軸受装置に組込み、車輪の回転を検出するようにしたものも提案されている（例えば特許文献２）。
一方、小型の機器に組み込み可能で、かつ高精度の回転角度検出が可能な回転センサとして、磁気センサアレイを用いたものが提案されている（例えば特許文献３）。これは、図６のように、磁気センサ素子（ＭＡＧＦＥＴ）を多数並べて構成した磁気センサアレイ４５を、信号増幅回路、ＡＤ変換回路、デジタル信号処理回路などの回路４６とともにセンサチップ４２に集積し、このセンサチップ４２を、回転側部材４１に配置される磁石４４に対向配置したものである。この場合、磁石４４は回転中心Ｏ回りの方向性を有するものとされ、前記センサチップ４２上では、仮想の矩形の４辺における各辺に沿って磁気センサアレイ４５が配置される。
このように構成された回転センサ４３では、各辺の磁気センサアレイ４５の出力を信号増幅器、ＡＤ変換回路で読み出して前記磁石４４の磁界分布を検出し、その検出結果に基づき磁石４４の回転角度をデジタル信号処理回路により算出する。
ホール素子やＭＲ素子のような磁気センサ素子と処理回路と共に集積した磁石の回転角度を検出するセンサＩＣは、特許文献３とは検出方法は異なるものの、いつくかの会社で製品化され、発表されている（例えば、ＡＭＳ社のプログラマブル磁気回転エンコーダ（ＡＳ５０４０）、Ｍelexis社の回転位置センサＩＣ（ＭＬＸ９０３１６））。
特開２００６−１０５１８５号公報 特開２００５−０７６７２９号公報 特開２００４−０３７１３３号公報
磁気エンコーダタイプの回転センサにおける現行の量産タイプのものは、回転速度を検出するのみで、回転方向の検出は行えない。この回転センサにより回転方向を検出するには、位相の異なる２つの回転信号を検出する必要があり、そのためには磁気エンコーダを２つ使用するか、２つのセンサ素子が同一パッケージ内に実装されている磁気センサＩＣを使用することになる。この場合、実装スペースの増加、コストアップという課題が発生する。また、磁気エンコーダが、回転側軌道輪の外周または内周に取付けられるリング状のものであるため、これによっても大きな実装スペースが必要となる。
また、ＡＢＳセンサの信号は、姿勢制御など、車両の様々な制御にも利用することができ、そのような場合には、より分解能の高い信号が望まれている。上記した磁気エンコーダタイプのＡＢＳセンサでは、分解能が磁気エンコーダの極数に依存するため、磁極の形成ピッチを細かくする必要があるが、それに伴って磁界強度が弱くなるため、大きなセンサギャップを確保できなくなり、製造上の限界が存在する。
特許文献２に開示されたレゾルバタイプの回転センサを用いる場合には、センサ装着のためにサイズが大きくなってしまうばかりか、コストアップ幅も大きいという問題点がある。
この発明の目的は、回転速度や回転方向の検出が可能で様々な車両制御用途に使用可能な高分解能の回転信号を得ることができ、回転検出のためのサイズも小さく抑えることができる回転センサ付き車輪用軸受装置を提供することである。
この発明の回転センサ付き車輪用軸受装置は、内周に複列の転走面を有する外方部材と、前記各転走面に対面する転走面を有する内方部材と、両転走面間に介在する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、
前記外方部材または内方部材のいずれか一方の部材の軸受軸心に、この軸受軸心回りの方向性を有する磁界発生手段を設け、他方の部材に、前記磁界発生手段の磁界を感知するセンサを、軸受軸心に位置して前記磁界発生手段と軸方向に対向して設け、前記センサは、磁界発生手段の回転角度を検出する機能を有するものてあることを特徴とする。上記の「軸受軸心回りの方向性を有する」とは、磁界発生手段の回転により、磁界が軸受軸心回りに変化を生じるものであることをいう。上記センサは、後に示す磁気センサアレイであっても良く、また２次元ベクトルセンサで磁界の向きを検出して磁界発生手段の回転を検出するものであっても良い。
この構成によると、前記センサは、磁界発生手段の回転による磁界変化を、磁界発生手段の回転角度を検出する機能を有するセンサで検出するものであるため、高分解能、高精度な回転角度検出が行われ、回転速度や回転方向の検出も可能となる。そのため、検出された回転信号を様々な車両制御用途に使用することができる。また、前記磁界発生手段およびセンサは軸受軸心に設けるようにしており、かつ前記センサは小さなもので済むため、車輪用軸受装置に装着しても、大きなサイズアップが生じず、車輪用軸受装置の全体のサイズを小さく抑えることができる。
この発明において、前記センサは、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイと、この磁気センサアレイの信号を読み出す信号読出回路と、この信号読出回路の出力から前記磁界発生手段の回転角度を計算する角度計算手段とを有するものとしても良い。 この構成によると、前記センサは、磁界発生手段の回転による磁界変化を磁気センサアレイで検出し、その磁気センサアレイを構成する多数の磁気センサ素子の出力から回転角度を計算するものであるため、より一層、高分解能、高精度な回転角度検出が行われ、回転速度や回転方向の検出も可能となる。そのため、検出された回転信号を様々な車両制御用途に使用することができる。また、前記磁界発生手段およびセンサは軸受軸心に設けるようにしており、かつ前記センサは磁気センサアレイおよび回路部品からなる小さなもので済むため、車輪用軸受装置に装着しても、大きなサイズアップが生じず、車輪用軸受装置の全体のサイズをより小さく抑えることができる。
磁気センサアレイを用いる場合に、前記センサは、前記磁気センサアレイ、信号読出回路、および角度計算手段を半導体チップに集積したものとしても良い。このように前記センサを、半導体チップに集積したセンサＩＣとすることで、より小型化され、車輪用軸受装置の軸受軸心に磁界発生手段およびセンサを配置する構成と相まって、車輪用軸受装置の全体サイズをより一層小さくすることができる。
なお、前記センサを２次元ベクトルセンサで磁界の向きを検出して磁界発生手段の回転を検出するものとした場合も、磁気センサ素子を処理回路と共に半導体チップに集積したセンサＩＣを用いても良い。
この発明において、車輪用軸受装置の端部全体を覆うカバーを外方部材に取付け、このカバーに、前記磁界発生手段およびこの磁界発生手段の磁界を感知するセンサのうちのいずれか一方のものを取付け、他方のものを内方部材に取付けても良い。
この構成の場合、車輪用軸受装置の端部全体がカバーで覆われるので、外方部材と内方部材の間の軸受空間におけるカバー装着側の軸端において、密封手段を省略することができ、構成を簡略化できる。また、カバーによりセンサが保護されるので、センサの構成部品が異物や泥塩水などにさらされることがなく、センサの信頼性を向上させることができる。
この発明の回転センサ付き車輪用軸受装置は、内周に複列の転走面を有する外方部材と、前記各転走面に対面する転走面を有する内方部材と、両転走面間に介在する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、前記外方部材または内方部材のいずれか一方の部材の軸受軸心に、この軸受軸心回りの方向性を有する磁界発生手段を設け、他方の部材に、前記磁界発生手段の磁界を感知するセンサを、軸受軸心に位置して前記磁界発生手段と軸方向に対向して設け、前記センサは、磁界発生手段の回転角度を検出する機能を有するものとしたため、高分解能の角度センシングが可能で、様々な車両制御用途に使用できる回転信号を得ることができ、また回転検出のためのサイズも小さく抑えることができる。
前記センサが、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイと、この磁気センサアレイの信号を読み出す信号読出回路と、この信号読出回路の出力から前記磁界発生手段の回転角度を計算する角度計算手段とを有するものである場合は、より高分解能の角度センシングが可能で、様々な車両制御用途に使用できる回転信号を得ることができ、また回転検出のためのサイズもより小さく抑えることができる。
この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。この実施形態は、第２世代型の外輪回転タイプで、かつ従動輪支持用の車輪用軸受装置に適用したものである。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。
この車輪用軸受装置は、内周に複列の転走面６，６を有するハブ輪兼用の外方部材１と、これら各転走面６，６に対面する転走面７，７を外周に有する内方部材２と、これら外方部材１および内方部材２の対面する転走面６，７間に介在する複列の転動体５とで構成される。この車輪用軸受装置は、複列のアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体５はボールからなり、各列毎に保持器８で保持されている。上記各転走面６，７は断面円弧状であり、これら転走面６，７は接触角が背面合わせとなるように形成されている。外方部材１と内方部材２との間の軸受空間のアウトボード側端およびインボード側端は、それぞれ密封手段９，１０で密封されている。
ハブ輪兼用の外方部材１は、回転側の部材となる一体のものであって、アウトボード側端の外周に車輪取付用のハブフランジ１ａを有する。車両への組付けにおいて、前記ハブフランジ１ａには、そのボルト挿通１１を貫通するハブボルト１２、およびこのハブボルト１２に螺合するハブナット（図示せず）により、ディスクブレーキ装置のブレーキロータと車輪（いずれも図示せず）とが重ねて取付けられる。
内方部材２は、固定側の部材となるものであって、各転動体５の転走面７がそれぞれ形成された一対の分割型の内輪３，３と、これら内輪３の車軸挿通孔３ａに挿通されて嵌合する車軸４とでなり、車軸４のアウトボード側端に螺合するナット１３の締め付けにより、車軸４に内輪３が結合される。このとき車軸４に設けられたアウトボード側に向く段面４ａが、インボード側列の内輪３のインボード側に向く端面３ｂに押し付けられ、車軸４とナット１３とで内輪３が幅締めされる。
この車輪用軸受装置に組み込まれる回転センサ２０は、外方部材１の軸受軸心Ｏに設けられ、この軸受軸心Ｏ回りの方向性を有する磁界発生手段２１と、この磁界発生手段２１と軸方向に対向するように内方部材２の軸受軸心Ｏに設けられ、磁界発生手段２１の磁界を感知するセンサ２２とでなる。具体的には、外方部材１のアウトボード側端に、車輪用軸受装置の端部全体を覆うカバー１４が取付けられ、このカバー１４に、一対の磁極Ｎ，Ｓを有する永久磁石が前記磁界発生手段２１として配置されている。前記センサ２２は、内方部材２の一部構成部品である車軸４のアウトボード側端に配置されている。カバー１４は、外周部の先端円筒部１４ａを外方部材１の内径面に嵌合させ、この先端円筒部１４ａの近傍に形成した鍔部１４ｂを外方部材１の幅面に係合させて軸方向に位置決めがなされている。カバー１４の防水性を高めるために、カバー１４と外方部材１との嵌合部には、別にＯリングなどのシール部材を付加しても良い。車軸４の内部には、センサ２２の出力を取り出すための出力ケーブル２３が配線され、適当な位置で車軸４の外部に引き出されている。磁界発生手段２１となる永久磁石が外方部材１と一体に回転することによって、上記軸受軸心Ｏ回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。前記センサ２２は、磁界発生手段２１の磁界を感知して回転角度の情報を出力する。
この場合、車輪用軸受装置のアウトボード側端の全体がカバー１４で覆われるので、アウトボード側の密封手段９は省略することもできる。また、カバー１４により回転センサ２０が保護されるので、回転センサ２０の構成部材が異物や泥塩水などにさらされることがなく、回転センサ２０の信頼性を上げることができる。
センサ２２は、図２に平面図で示すように、１つの半導体チップ２４上に大規模集積回路を集積して構成される。その大規模集積回路は、複数の磁気センサ素子２５ａをアレイ状に並べた磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄと、この磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄの信号を読み出す信号読出回路２６と、この信号読出回路２６の出力から前記磁界発生手段（永久磁石）２１の回転角度の絶対角度を計算する角度計算手段２７とを有する。磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄは、半導体チップ２４上において、磁気センサ素子２５ａを、仮想の矩形上の４辺における各辺に沿って配置することで、４辺のものが構成される。この場合、前記矩形の中心Ｏ’は、軸受軸心Ｏに一致する。４辺の磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄは、同図の例では磁気センサ素子２５ａが一列に並んだものとしているが、磁気センサ素子２５ａが複列に平行に並んだものであっても良い。信号読出回路２６および角度計算手段２７は、磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｂの矩形配置の内部に配置される。半導体チップ２４は、その素子形成面が前記永久磁石２１と対面するように車軸４の端面に固定される。
なお、上記磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄは、これに替えて、ホール素子やＭＲ素子を同一平面内の直交する軸上に複数個配置して面内の磁界角度を検出する構成のものを用いても良い。
このように、半導体チップ２４上に、磁気センサ素子２５ａと演算回路部（信号読出回路２６，角度計算手段２７）とを集積して一体化すると、磁気センサ素子２５ａと演算回路部間の配線が不要となり、センサ２２のコンパクト化が可能で、断線等に対する信頼性も向上し、回転センサ２０の組み立て作業も容易となる。特に、上記したように矩形に配置された磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄの内部に演算回路部を配置すると、チップサイズをより小さくすることができる。
図３および図４は、前記角度計算手段２７による回転角度算出処理の説明図である。図４（Ａ）〜（Ｄ）は、ハブ輪兼用の外方部材１が回転している時の磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄによる出力波形図を示し、それらの横軸は各磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄにおける磁気センサ素子２５ａを、縦軸は検出磁界の強度をそれぞれ示す。
いま、図３に示す位置Ｘ１，Ｘ２に磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄの検出磁界のＮ磁極とＳ磁極の境界であるゼロクロス位置があるとする。この状態で、各磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄの出力は、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示す信号波形となる。したがって、ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２は、磁気センサアレイ２５Ａ，２５Ｃの出力から直線近似することで算出できる。
角度計算は、次式（１）で行うことができる。
θ＝ｔａｎ-1（２Ｌ／ｂ） ……（１）
ここでθは、永久磁石２１の回転角度を絶対角度（アブソリュート値）で示した値である。２Ｌは、矩形に並べられる各磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄより構成される四角形の１辺の長さである。ｂはゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２間の横方向長さである。
ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２が磁気センサアレイ２５Ｂ，２５Ｄにある場合には、それらの出力から得られるゼロクロス位置データにより、上記と同様にして回転角度θが算出される。
この回転センサ付き車輪用軸受装置では、前記センサ２２は、磁界発生手段２１の回転による磁界変化を磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄで検出し、その磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄを構成する多数の磁気センサ素子２５ａの出力から回転角度を計算するものであるため、高分解能、高精度な回転角度検出が行われ、回転速度や回転方向の検出も可能となる。そのため、検出された回転信号を様々な車両制御用途に使用することができる。また、磁界発生手段２１およびセンサ２２は軸受軸心に設けるようにしており、かつ前記センサ２２は磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄおよび回路部品からなる小さなもので済むため、車輪用軸受装置に装着しても、大きなサイズアップが生じず、車輪用軸受装置の全体のサイズを小さく抑えることができる。前記センサ２２は、磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄ、および回路部品となる信号読出回路２６および角度計算手段２７を半導体チップに集積したセンサＩＣからなるため、より一層小型化される。
図５は、この発明の他の実施形態を示す。この車輪用軸受装置は、第３世代型の内輪回転タイプで、かつ従動輪支持用の車輪用軸受装置に適用したものである。この車輪用軸受装置は、内周に複列の転走面６を有する外方部材１と、これら各転走面６に対面する転走面７を外周に有する内方部材２と、これら外方部材１および内方部材２の対面する転走面６，７間に介在する複列の転動体５とで構成される。この車輪用軸受装置の場合も、複列のアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体５はボールからなり、各列毎に保持器８で保持されている。上記各転走面６，７は断面円弧状であり、これら転走面６，７は接触角が背面合わせとなるように形成されている。外方部材１と内方部材２との間の軸受空間のアウトボード側端は密封手段９で密封されているが、インボード側端は密封手段で密封されていない。
外方部材１は、固定側の部材となるものであって、車体取付フランジ１ｂを有する一体の部材であり、前記車体取付フランジ１ｂを介して車体側のナックルにボルト（いずれも図示せず）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、ハブ輪１５と内輪１６とでなり、ハブ輪１５にアウトボード側の転走面７が、内輪１６にインボード側の転走面７がそれぞれ形成されている。ハブ輪１５は、その軸部１５ａのアウトボード側端の外周に車輪取付用のハブフランジ１５ｂを有し、軸部１５ａのインボード側端の外周に段差部状に小径となる内輪嵌合面１５ｃを有している。前記ハブフランジ１５ｂには、そのボルト挿通１１を貫通するハブボルト１２、およびこのハブボルト１２に螺合するハブナット（図示せず）により、ディスクブレーキ装置のブレーキロータと車輪（いずれも図示せず）とが重ねて取付けられる。
内輪１６は、ハブ輪１５の内輪嵌合面１５ｃに嵌合し、ハブ輪１５の加締部１５ｄによってハブ輪１５に固定されている。加締部１５ｄは、ハブ輪１５のインボード側端に延出させた円筒状部分を外径側へローリング加締等で加締めることで形成される。
この車輪用軸受装置に組み込まれる回転センサ２０は、内方部材２の軸受軸心Ｏに設けられ、この軸受軸心Ｏ回りの方向性を有する磁界発生手段２１と、この磁界発生手段２１と軸方向に対向するように外方部材１の軸受軸心Ｏに設けられ、磁界発生手段２１の磁界を感知するセンサ２２とでなる。具体的には、内方部材２の一部構成品であるハブ輪１５のインボード側端に、一対の磁極Ｎ，Ｓを有する永久磁石が前記磁界発生手段２１として配置されている。車輪用軸受装置のインボード側端には、車輪用軸受装置の端部全体を覆うカバー１４が取付けられ、このカバー１４に、前記センサ２２が接着あるいはインサート成形などにより取付けられている。カバー１４におけるセンサ２２の取付部には、Ｏリングなどのシール手段を付加してシール強化を図っても良い。また、カバー１４の防水性を高めるために、カバー１４とハブ輪１５との嵌合部には、別にＯリングなどのシール部材を付加しても良い。上述したように、外方部材１と内方部材２との間の軸受空間のインボード側端の密封手段が省略されているが、前記カバー１４で車輪用軸受装置のインボード側端の全体が覆われているので、インボード側端での密封が図られる。センサ２２からは、その出力を取り出すための出力ケーブル２３が車体側に延ばされている。カバー１４は、外周部の先端円筒部１４ａを外方部材１の内径面に嵌合させ、この先端円筒部１４ａの近傍に形成した鍔部１４ｂを外方部材１の幅面に係合させて軸方向に位置決めがなされている。その他の構成は先の実施形態の場合と同様である。
この場合も、カバー１４により回転センサ２０が保護されるので、回転センサ２０の構成部材が異物や泥塩水などにさらされることがなく、回転センサ２０の信頼性を上げることができる。
なお、前記実施形態では、センサ２２として、磁気センサアレイ２５Ａ〜２５Ｄを有するものを用いたが、センサ２２として、２次元ベクトルセンサで磁界の向きを検出して磁界発生手段の回転を検出するものを用いても良い。この２次元ベクトルセンサの場合も、この２次元ベクトルセンサの信号を読みだす信号読出回路と、この信号読出回路の出力から前記磁界発生手段の回転角度を計算する角度計算手段とを半導体チップに集積したセンサＩＣを用いても良い。
この発明の一実施形態にかかる回転センサ付き車輪用軸受装置の断面図である。 同軸受装置における回転センサの一例を構成する半導体チップの平面図である。 同回転センサの角度算出手段による角度算出処理の説明図である。 同回転センサにおける磁気センサアレイの出力を示す波形図である。 この発明の他の実施形態にかかる回転センサ付き車輪用軸受装置の断面図である。 従来の回転センサの斜視図である。
符号の説明
１…外方部材
２…内方部材
５…転動体
６，７…転走面
１４…カバー
２０…回転センサ
２１…磁界発生手段（永久磁石）
２２…センサ
２５ａ…磁気センサ素子
２５Ａ〜２５Ｄ…磁気センサアレイ
２６…信号読出回路
２７…角度計算手段

Claims (4)

  1. 内周に複列の転走面を有する外方部材と、前記各転走面に対面する転走面を有する内方部材と、両転走面間に介在する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、
    前記外方部材または内方部材のいずれか一方の部材の軸受軸心に、この軸受軸心回りの方向性を有する磁界発生手段を設け、他方の部材に、前記磁界発生手段の磁界を感知するセンサを、軸受軸心に位置して前記磁界発生手段と軸方向に対向して設け、前記センサは、磁界発生手段の回転角度を検出する機能を有するものであることを特徴とする回転センサ付き車輪用軸受装置。
  2. 請求項１おいて、前記センサは、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイと、この磁気センサアレイの信号を読み出す信号読出回路と、この信号読出回路の出力から前記磁界発生手段の回転角度を計算する角度計算手段とを有するものとした回転センサ付き車輪用軸受装置。
  3. 請求項２において、前記センサは、前記磁気センサアレイ、信号読出回路、および角度計算手段を半導体チップに集積したものである回転センサ付き車輪用軸受装置。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、車輪用軸受装置の端部全体を覆うカバーを外方部材に取付け、このカバーに、前記磁界発生手段および前記センサのうちのいずれか一方のものを取付け、他方のものを内方部材に取付けた回転センサ付き車輪用軸受装置。
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