JP2008175665A - センサ付車輪用軸受 - 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、車輪の軸受部にかかる荷重を正確に検出できるセンサ付車輪用軸受を提供する。
【解決手段】 このセンサ付車輪用軸受１０は、転走面４が形成された固定輪１と、この固定輪１の転走面４と対向する転走面５を形成した回転輪２と、対向する転走面４，５間に介在した複列の転動体３とを備える。前記固定輪１は、車体のナックル１２に取付けられる車体取付フランジ１ａを有する。前記固定輪１には、少なくとも一つの送信部１８とこの送信部１８から送信された超音波を受信する受信部１９を有する超音波センサ１７を、前記車体取付フランジ１ａとナックル１２との接触面１ａａに向けて設置する。前記超音波センサ１７の前記受信部１９が検出するエコーの大きさもしくは反射時間より、タイヤと路面間に作用する作用力を推定する推定手段２０を設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、車輪の軸受部にかかる荷重を検出する荷重センサを内蔵したセンサ付車輪用軸受に関する。

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輪用軸受に設けたものがある。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の制御が可能な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片寄るなど、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。
また、今後ステアバイワイヤが導入されて、車軸とステアリングが機械的に結合しないシステムになってくると、車軸方向荷重を検出して運転手が握るハンドルに路面情報を伝達することが求められる。

このような要請に応えるものとして、車輪用軸受の外輪に超音波センサを設け、転動体と転走面の接触面積により変化するエコー比より荷重を検出する車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１，２）。
特開２００６−１７７９３２号公報 特開２００６−２９２０２７号公報

しかし、特許文献１，２に開示された技術では、以下のような問題があった。
・ 超音波が反射を繰り返して複雑に伝達するため、他の位置に設置した超音波センサに影響を及ぼし、荷重を正確に検出することが難しい
・ 転動体と転走面の接触面に向けて超音波センサを設置する必要があるため、超音波センサの位置決めが難しい。
・ 超音波センサの設置個数が少ないと転動体通過時しか荷重を測定できず、静荷重を測定するためには複数個もしくは幅広い超音波センサを設置する必要がある。

この発明の目的は、車両にコンパクトに荷重センサを設置できて、車輪の軸受部にかかる荷重を正確に検出できるセンサ付車輪用軸受を提供することである。

この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が形成された固定輪と、この固定輪の転走面と対向する転走面を形成した回転輪と、対向する転走面間に介在した複列の転動体とを備え、前記固定輪が車体のナックルに取付けられる車体取付フランジを有し、前記車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、少なくとも一つの送信部とこの送信部から送信された超音波を受信する受信部を有する超音波センサを、前記車体取付フランジとナックルとの接触面に向けて前記固定輪に設置し、前記超音波センサの前記受信部が検出するエコーの大きさより、タイヤと路面間に作用する作用力を推定する推定手段を設けたものである。
この発明の他のセンサ付車輪用軸受は、この発明の前記構成のセンサ付車輪用軸受において、前記推定手段として、エコーの大きさにより推定するものに代えて、エコーの反射時間より、タイヤと路面間に作用する作用力を推定する推定手段を設けたものである。反射時間は、送信部から送信されて超音波で受信されるまでの時間である。
このセンサ付車輪用軸受を搭載した車両において、タイヤと路面間に作用する作用力で車輪用軸受に荷重が印加されると、固定輪の変形により超音波センサの送信部からの超音波の送信方向の変化が生じ、あるいは固定輪の車体取付フランジとナックルとの接触面の接触状態が変化する。この変化により、超音波センサの受信部の検出するエコーの大きさや反射時間が変化するため、推定手段は受信部が検出するエコーの大きさもしくは反射時間から車輪の軸受部にかかる荷重を推定することができる。この場合に、超音波を車体取付フランジとナックルとの接触面に向けて設置するため、超音波が複雑な経路を通ることなくエコーを測定でき、そのため車輪用軸受にかかる荷重を正確に推定することができる。この推定結果は自動車の車両制御に利用することができる。また、荷重センサとして超音波センサを用いるため、車両にコンパクトに荷重センサを設置でき、量産性に優れたものとでき、コスト低減を図ることができる。

この発明において、前記超音波センサを、前記車体取付フランジに設けられたボルト挿通孔の周方向位置で、前記車体取付フランジと前記ナックルとの接触面に対する反対側の側面に設置しても良い。
このように超音波センサを車輪取付フランジの側面に設置した場合に、車体取付フランジとナックルとの接触面に向けて超音波センサを設置することが容易となる。また、車輪用軸受に対する追い加工も殆ど必要とせず、剛性やコスト面での利点が大きい。

この発明において、前記超音波センサを、互いに軸受軸心回りの円周方向に離れた４箇所に設置しても良い。
このように超音波センサを４箇所に設置した場合、それぞれの超音波センサの検出信号を演算して、垂直方向荷重Ｆｚ、前後方向荷重Ｆｘ、左右方向荷重Ｆｙなど様々な方向の荷重の大きさを推定することができる。

この発明において、前記超音波センサは、一つの送信部と、この送信部に対して互いに対称に設置された２つの受信部からなる受信部組とを有し、前記受信部は前記送信部に対して１組または複数組設けても良い。
一つの送信部に対して、その送信部と対称に２つの受信部を少なくとも１組設けると、その２つの受信部の受信したエコーの大きさもしくは反射時間を比較すれば、固定輪の変形による超音波の方向の変化や固定輪のフランジ面とナックルとの接触状態の変化により、接触面でどの方向に超音波が反射したかを推測できる。そのため、荷重の方向を推定し易くなる。

この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が形成された固定輪と、この固定輪の転走面と対向する転走面を形成した回転輪と、対向する転走面間に介在した複列の転動体とを備え、前記固定輪が車体のナックルに取付けられる車体取付フランジを有し、前記車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、少なくとも一つの送信部とこの送信部から送信された超音波を受信する受信部を有する超音波センサを、前記車体取付フランジとナックルとの接触面に向けて前記固定輪に設置し、前記超音波センサの前記受信部が検出するエコーの大きさもしくは反射時間より、タイヤと路面間に作用する作用力を推定する推定手段を設けたため、車両にコンパクトに荷重センサを設置できて、車輪の軸受部にかかる荷重を正確に検出することができる。

この発明の一実施形態を図１および図２と共に説明する。この実施形態は、第３世代型の内輪回転タイプで、かつ駆動輪支持用の車輪用軸受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。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のように、この車輪用軸受１０は、内周に複列の転走面４が形成された外方部材１と、これら転走面４にそれぞれ対向する転走面５が形成された内方部材２と、これら複列の転走面４，５間に介在した複列の転動体３とを備える。この車輪用軸受１０は、複列のアンギュラ玉軸受型とされていて、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。上記各転走面４，５は断面円弧状であり、ボール接触角が背面合わせとなるように形成されている。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、それぞれ密封装置である接触式のシール７，８で密封されている。

外方部材１は固定輪となるものであって、その外周に形成された車体取付フランジ１ａが、車体取付フランジ１ａにおける軸受軸心回りの円周方向に互いに離れて複数箇所（ここでは４箇所）に設けられたボルト孔９に螺合するボルト１１により、車体側のナックル１２に締結される。ボルト孔９は雌ねじとされている。
内方部材２は回転輪となるものであって、外周に車輪取付フランジ２ａを有するハブ輪２Ａと、このハブ輪２Ａのインボード側の外周に嵌合した別体の内輪２Ｂとからなり、ハブ輪２Ａには等速ジョイント１３の片方の継手部材となる外輪１３ａが連結される。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。ハブ輪２Ａは中央孔１４を有し、この中央孔１４に、等速ジョイント外輪１３ａに一体に形成されたステム１５が挿通され、ステム１５の先端に螺合するナット１６の締め付けにより、等速ジョイント外輪１３ａが内方部材２に連結される。このとき、等速ジョイント外輪１３ａに設けられたアウトボード側に向く段面１３ａａが、ハブ輪２Ａに圧入した内輪２Ｂのインボード側に向く端面に押し付けられ、等速ジョイント外輪１３ａとナット１６とで内方部材２が幅締めされる。ハブ輪２Ａの中央孔１４にはスプライン溝１４ａが形成されており、ステム１５のスプライン溝１５ａとスプライン嵌合する。

この車輪用軸受１０には、超音波センサ１７が荷重センサとして設けられている。図１のインボード側から見た構成図を図２に示すように、超音波センサ１７は複数設けられている。なお、図１における車輪用軸受１０の断面図は、図２におけるＩ−Ｏ−Ｉ矢視断面図を示す。
この超音波センサ１７は、タイヤと路面間の作用力を、超音波のエコーの大きさもしくは反射時間に換算して検出するものであり、少なくとも一つの送信部１８と、この送信部１８から送信された超音波を受信する受信部１９とを有する。具体的には、固定輪である外方部材１の前記車体取付フランジ１ａのアウトボード側に向く側面、つまり車体取付フランジ１ａの前記ナックル１２との接触面１ａａに対する反対側の側面に、前記接触面１ａａに向けて複数設置される。ここでは、複数（ここでは４個）のボルト孔９の各周方向位置に、つまり車体取付フランジ１ａの側面における軸受軸心回りの円周方向に互いに離れた４箇所に、それぞれ１つの超音波センサ１７が設置される。上記４箇所は、図示の例では、斜め左上、左下、右上、右下とされている。各超音波センサ１７の受信部１９は、送信部１８から送信された超音波が前記車体取付フランジ１ａの接触面１ａａ、もしくはナックル１２の端面から反射して戻ってくるエコーを受信する。

これら各超音波センサ１７の受信部１９は、推定手段２０に接続される。推定手段２０は、前記各超音波センサ１７の受信部１９が検出するエコーの大きさもしくは反射時間より、タイヤと路面間に作用する作用力を推定する手段である。前記各超音波センサ１７のエコーの大きさは、受信部１９で受信した超音波の振幅より求めることができる。また、前記各超音波センサ１７のエコーの反射時間は、送信部１８からパルス状の超音波を送信し、受信部１９で受信した超音波との位相差から求めることができる。車輪用軸受１０に荷重が印加した場合、外方部材１の変形による送信部１８からの超音波の送信方向の変化、もしくは車体取付フランジ１ａとナックル１２との接触状態の変化により、受信部１９の検出するエコーの大きさもしくは反射時間が変化するため、推定手段２０は受信部１９が検出するエコーの大きさもしくは反射時間から荷重を推定することができる。推定手段２０は、エコーの大きさもしくは反射時間と前記荷重との関係を設定したテーブルまたは演算式等の関係設定部（図示せず）を有していて、入力されたエコーの大きさもしくは反射時間を前記関係設定部の設定内容と比較することで、前記荷重を推定する。

上記構成のセンサ付車輪用軸受１０を搭載した車両において、タイヤと路面間に作用する作用力で車輪用軸受１０に荷重が印加されると、上記したように外方部材１の変形により超音波センサ１７の送信部１８からの超音波の送信方向や、外方部材１の車体取付フランジ１ａのナックル１２との接触面１ａａの接触状態が大きく変化し、これにより超音波センサ１７の受信部１９が受信するエコーの大きさもしくは反射時間が変化する。そこで、推定手段２０は超音波センサ１５の受信部１９が検出するエコーの大きさもしくは反射時間から荷重の大きさを推定することができる。この場合に、超音波を車体取付フランジ１ａとナックル１２との接触面１ａａに向けて超音波センサ１７を設置するため、超音波が複雑な経路を通ることなくエコーを測定でき、そのため車輪用軸受にかかる荷重を正確に推定することができる。

超音波センサ１７の個数については特に限定しないが、この実施形態では超音波センサ１７を、互いに軸受軸心回りの円周方向に離れて設けられた４箇所の各ボルト孔９の周方向位置にそれぞれ各１個（合計４個）設置しているので、それぞれの超音波センサ１７の検出信号を演算して、垂直方向荷重（ｚ軸方向：車両の上下方向）Ｆｚ、前後方向荷重（ｘ軸方向：車両の前後方向）Ｆｘ、左右方向荷重（ｙ軸方向：車幅方向）Ｆｙなど様々な方向の荷重の大きさを推定できる。

また、超音波センサ１７の設置場所についても特に指定しないが、車体取付フランジ１ａのアウトボード側に向く側面（車体取付フランジ１ａのナックル１２との接触面１ａａに対する反対側の側面）に、前記接触面１ａａに向けて設置したこの実施形態の場合には、ナックル１２と車体取付フランジ１ａの接触面積が大きい部分でエコーの変化を検出でき、荷重の大きさをより正確に推定できる。
さらに、車体取付フランジ１ａの側面に超音波センサ１７を設置しているので、車輪用軸受１０に対する追加工もほとんど必要なく、剛性確保やコスト低減の観点からメリットが大きい。
なお、この実施形態のように超音波センサ１７を直接外方部材１の車体取付フランジ１ａに設置する場合のほか、超音波センサ１７を含んだユニットを、ねじ等により車体取付フランジ１ａに設置するようにしても良い。

このように、このセンサ付車輪用軸受１０では、少なくとも一つの送信部１８とこの送信部１８から送信された超音波を受信する受信部１９を有する超音波センサ１７を、外方部材１に、その車体取付フランジ１ａのナックル１２との接触面１ａａに向けて設置し、超音波センサ１７の受信部１９が検出するエコーの大きさもしくは反射時間より、タイヤと路面間に作用する作用力の大きさを推定手段２０で推定するようにしているので、車輪の軸受部にかかる荷重を正確に検出することができ、この検出結果を自動車の車両制御に利用することができる。また、荷重検出のセンサの構成も簡単であるため、車両にコンパクトに荷重センサを設置でき、量産性に優れたものとでき、コスト低減を図ることができる。

上記実施形態では、超音波センサ１７として、１つの送信部１８と１つの受信部１９とでなるものを用いた場合について説明したが、図３（Ａ），（Ｂ）に側面図および正面図で示すように、１つの送信部１８と、この送信部１に対して互いに対称に設置された２つの受信部１９，１９からなる受信部組２９の１組または複数組（ここでは２組）とでなる超音波センサ１７を用いても良い。この場合、１つの送信部１８を挟んで１組の受信部組２９の２つの受信部１９，１９が互いに対称に設置されると共に、この受信部組２９の向きに対して直交する向きにおいて、他の１組の受信部組２９の２つの受信部１９，１９が送信部１８を挟んで互いに対称に設置されている。

このような構成の超音波センサ１７を、先の実施形態の場合と同じ設置条件で用いた場合、その検出動作は以下のようになる。車輪用軸受１０に荷重が印加されない場合、送信部１７から送信された超音波はある拡がりをもって車体取付フランジ１ａとナックル１２との接触面１ａａに向けて垂直方向に進み、接触面１ａａでほぼ垂直方向に反射するため、４つの受信部１９が検出するエコーはほとんど同一となる。一方、車輪用軸受１０に荷重が印加された場合、外方部材１の変形による超音波の反射方向の変化、もしくは車体取付フランジ１ａのナックル１２との接触面１ａａの接触状態の変化により、超音波は垂直方向に反射しなくなるため、４つの受信部１９が検出するエコーの大きさもしくは反射時間は互いに異なる。そこで、これら４つの受信部１９の検出エコーの差分などを演算することにより、荷重の方向を容易に推定することができる。

この発明の一実施形態に係るセンサ付車輪用軸受の構成図である。 同車輪用軸受をインボード側から見た構成図である。 （Ａ）は同車輪用軸受における超音波センサの他の構成例の側面図、（Ｂ）は同正面図である。

符号の説明

１…外方部材（固定輪）
１ａ…車体取付フランジ
２…内方部材（回転輪）
３…転動体
４，５…転走面
９…ボルト孔
１０…センサ付車輪用軸受
１２…ナックル
１７…超音波センサ
１８…送信部
１９…受信部
２０…推定手段

Claims (5)

1. 複列の転走面が形成された固定輪と、この固定輪の転走面と対向する転走面を形成した回転輪と、対向する転走面間に介在した複列の転動体とを備え、前記固定輪が車体のナックルに取付けられる車体取付フランジを有し、前記車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、
   少なくとも一つの送信部とこの送信部から送信された超音波を受信する受信部を有する超音波センサを、前記車体取付フランジとナックルとの接触面に向けて前記固定輪に設置し、前記超音波センサの前記受信部が検出するエコーの大きさより、タイヤと路面間に作用する作用力を推定する推定手段を設けたセンサ付車輪用軸受。
2. 複列の転走面が形成された固定輪と、この固定輪の転走面と対向する転走面を形成した回転輪と、対向する転走面間に介在した複列の転動体とを備え、前記固定輪が車体のナックルに取付けられる車体取付フランジを有し、前記車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、
   少なくとも一つの送信部とこの送信部から送信された超音波を受信する受信部を有する超音波センサを、前記車体取付フランジとナックルとの接触面に向けて前記固定輪に設置し、前記超音波センサの前記受信部が検出するエコーの反射時間より、タイヤと路面間に作用する作用力を推定する推定手段を設けたセンサ付車輪用軸受。
3. 請求項１または請求項２において、前記超音波センサを、前記車体取付フランジに設けられたボルト挿通孔の周方向位置で、前記車体取付フランジの前記ナックルとの接触面に対する反対側の側面に設置したセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項３において、前記超音波センサを、互いに軸受軸心回りの円周方向に離れた４箇所に設置したセンサ付車輪用軸受。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記超音波センサは、一つの送信部と、この送信部に対して互いに対称に設置された２つの受信部からなる受信部組とを有し、前記受信部は前記送信部に対して１組または複数組設けたセンサ付車輪用軸受。

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