JP2008203120A - センサ付車輪用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受性能に悪影響を与えることなく荷重センサを容易に搭載できて、軸受に作用する荷重を正確に検出できるセンサ付車輪用軸受装置を提供する。
【解決手段】 車輪用軸受装置Ａは、内輪１と外輪２との間に複列の転動体５が介在し、前記内輪１の内周にハブ９を嵌合させる転がり軸受からなる車輪用軸受１０と、前記外輪２が嵌合したハウジング１４とを備える。前記ハウジング１４に、送信部２３と受信部２４からなる超音波センサ２１，２１Ｂを設置する。送信部２３は、前記外輪２の外径面２ａとハウジング１４の内径面１４ａとの接触面に対して超音波を送信する。受信部２４は、送信部２３から送信されて前記接触面で反射した超音波のエコーを検出する。前記超音波センサ２１Ａ，２１Ｂで検出したエコーの大きさから、推定手段２２で前記車輪用軸受１０に作用する荷重を推定する。
【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装置に関する。

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、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装置が提案されている（例えば特許文献１，２）。また、例えば固定輪である外輪の内部の転走面の近傍や、外輪の外周に歪みゲージなどの荷重センサを設けて、転動体が通過するときの外輪の歪みを検出するようにした車輪用軸受装置も提案されている（例えば特許文献３，４）。
特開２００６−１７７９３２号公報 特開２００６−２９２０２７号公報 特開２００６−２５８５７１号公報 国際公開第２００５／１２１７３１Ａ１号パンフレット

しかし、特許文献１，２に開示された車輪用軸受装置では、転動体と転走面の接触面に向けて超音波が発せられるように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。

また、特許文献３のように荷重センサを外輪の内部の転走面の近傍に埋設するのでは、荷重センサがある程度の大きさを有する部品であるため、外輪強度など軸受性能に悪影響を与えるという問題がある。

また、特許文献３，４に開示されるいずれの車輪用軸受装置も、外輪に荷重センサを設置する場合に外輪に追加工する必要があるので、この点でも外輪強度が低下するという問題がある。

この発明の目的は、軸受性能に悪影響を与えることなく荷重センサを容易に搭載できて、軸受に作用する荷重を正確に検出できるセンサ付車輪用軸受装置を提供することである。

この発明の第１の発明にかかるセンサ付車輪用軸受装置は、内輪と外輪との間に複列の転動体が介在し、前記内輪の内周にハブを嵌合させる転がり軸受からなる車輪用軸受と、前記外輪の外径面が嵌合した内径面を有するハウジングとを備え、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、前記外輪の外径面とハウジングの内径面との接触面に対して超音波を送信する送信部およびこの送信部から送信されて前記接触面で反射した超音波のエコーを検出する受信部からなる超音波センサを前記ハウジングに設置し、前記超音波センサで検出したエコーの大きさから前記車輪用軸受に作用する荷重を推定する推定手段を設けたものである。
車輪用軸受に荷重が作用すると、外輪の外径面とハウジングの内径面との接触面の接触状態が変化する。このため、超音波センサの受信部が検出する前記接触面での反射エコーの大きさは、荷重の大きさに応じて変化することになる。推定手段はこの反射エコーの大きさから車輪用軸受に作用する荷重を推定することができる。荷重センサとなる超音波センサはハウジングに設置されるので、外輪にセンサ配置用の溝等を加工する必要がなくて外輪の強度低下が生じず、軸受性能に悪影響を与えることがない。その結果、軸受性能に悪影響を与えることなく荷重センサを容易に搭載できて、軸受に作用する荷重を正確に検出できる。なお、ハウジングは一般的に強度上や寸法上の余裕があり、超音波センサの取付用の孔や溝を加工しても、強度不足の問題はない。

この発明の第２の発明にかかるセンサ付車輪用軸受装置は、内輪と外輪との間に複列の転動体が介在し、前記内輪の内周にハブを嵌合させる転がり軸受からなる車輪用軸受と、前記外輪の外径面が嵌合した内径面を有するハウジングとを備え、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、前記外輪の外径面とハウジングの内径面との接触面に対して超音波を送信する送信部およびこの送信部から送信されて前記接触面で反射した超音波のエコーを検出する受信部からなる超音波センサを前記ハウジングに設置し、前記超音波センサで検出したエコーの反射時間から前記車輪用軸受に作用する荷重を推定する推定手段を設けたものである。
外輪の外径面とハウジングの内径面との接触面で反射する超音波のエコーの反射時間は、前記接触面の状態変化つまり荷重の大きさに応じて変化するので、推定手段はこのエコーの反射時間から車輪用軸受に作用する荷重を推定することができる。荷重センサとなる超音波センサはハウジングに設置されるので、軸受性能に悪影響を与えることはない。その結果、軸受性能に悪影響を与えることなく荷重センサを容易に搭載できて、軸受に作用する荷重を正確に検出できる。

上記第１および第２の発明において、前記超音波センサを、前記外輪の外径面における上下左右の４箇所に対応して設けても良い。この構成の場合、様々な方向の荷重を検出することができる。

この発明の第１の発明にかかるセンサ付車輪用軸受装置は、内輪と外輪との間に複列の転動体が介在し、前記内輪の内周にハブを嵌合させる転がり軸受からなる車輪用軸受と、前記外輪の外径面が嵌合した内径面を有するハウジングとを備え、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、前記外輪の外径面とハウジングの内径面との接触面に対して超音波を送信する送信部およびこの送信部から送信されて前記接触面で反射した超音波のエコーを検出する受信部からなる超音波センサを前記ハウジングに設置し、前記超音波センサで検出したエコーの大きさから前記車輪用軸受に作用する荷重を推定する推定手段を設けたため、軸受性能に悪影響を与えることなく荷重センサを容易に搭載できて、軸受に作用する荷重を正確に検出することができる。
この発明の第２の発明にかかるセンサ付車輪用軸受装置は、第１の発明と同様に超音波センサをハウジングに設置し、前記超音波センサで検出したエコーの反射時間から前記車輪用軸受に作用する荷重を推定する推定手段を設けたため、軸受性能に悪影響を与えることなく荷重センサを容易に搭載できて、軸受に作用す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と共に説明する。この実施形態は、第１世代型の内輪回転タイプで、駆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、車両に取り付けた状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。

このセンサ付車輪用軸受装置における車輪用軸受１０は、図１（Ａ）に断面図で示すように、外周に複列の転走面３を形成した内輪１と、これら各転走面３に対向する複列の転走面４を内周に形成した一体部品の外輪２と、これら複列の転走面３，４間に介在した複列の転動体５とで構成される。この車輪用軸受１０は、複列のアンギュラ玉軸受型とされた転がり軸受であって、転動体５はボールからなり、各列毎に保持器６で保持されている。上記転走面３，４は断面円弧状であり、両列の転走面３，４が互いに背面合わせとなるように形成されている。内外輪１，２間に形成される軸受空間の両端は、一対のシール７，８でそれぞれ密封されている。

内輪１は回転輪となるものであって、２つの個別内輪１Ａを軸方向に並べて構成され、その内周にハブ９が嵌合させられる。ハブ９は外周に車輪取付用のハブフランジ９ａを有し、その周方向複数箇所にハブボルト（図示せず）の圧入孔１５が設けられている。このハブ９の軸部９ｂのインボード側端の外周には段差を持って小径となる内輪嵌合面１２が設けられ、この内輪嵌合面１２に内輪１が嵌合している。ハブ９の中心には貫通孔１１が設けられている。ハブ９のハブフランジ９ａの根元部付近には、ホイールおよび制動部品（図示せず）を案内する円筒状のパイロット部１３がアウトボード側に突出している。このパイロット部１３に挿入されるホイールおよび制動部品が、ハブフランジ９ａの圧入孔１５に圧入するハブボルトによりハブフランジ９ａに取付けられる。

外輪２は固定輪となるものであって、その外径面２ａがハウジング１４の内径面１４ａに嵌合させられる。ハウジング１４のアウトボード側端の内径面１４ａは段差を持って大径となる外輪嵌合面とされ、この外輪嵌合面１４ａに前記外輪２が嵌合する。外輪２は、そのインボード側端が前記外輪嵌合面１４ａにおける段差面１４ａａに係合し、アウトボード側端が前記外輪嵌合面１４ａに設けられた溝１４ａｂに嵌合する止め輪１６に係合することで、軸方向に位置決めされる。このハウジング１４と、前記車輪用軸受１０と、前記ハブ９とで車輪用軸受装置Ａが構成される。このハウジング１４を、車体の懸架装置におけるナックル（図示せず）に組み付けることにより、車体に対して車輪が回転自在に支持される。

前記ハウジング１４には、両列の転動体５，５間の軸方向中間に相当する位置に荷重センサとなる一対の超音波センサ２１Ａ，２１Ｂが設けられている。これらの超音波センサ２１Ａ，２１Ｂは、図１（Ａ）の一部を拡大して示す図１（Ｂ）のように、送信部２３と受信部２４とからなる。送信部２３は、外輪２の外径面２ａとハウジング１４の内径面１４ａとの接触面に対して超音波を送信する。受信部２４は、送信部２３から送信されて前記接触面で反射した超音波のエコーを検出する。ここでは、これら一対の超音波センサ２１Ａ，２１Ｂがハウジング１４の上下に分けて設けられている。ハウジング１４への超音波センサ２１Ａ，２１Ｂの設置は、ハウジング１４の外周から内径面２ａの近傍部まで穿設した孔１７の内部に超音波センサ２１Ａ，２１Ｂを挿入して、例えば接着剤で接着固定することにより行われる。このほか、前記孔１７の開口側の半部に雌ねじを設け、この雌ねじに螺合させた雄ねじ部材で孔１７内に挿入された超音波センサ２１Ａ，２１Ｂに予圧を与えることで、超音波センサ２１Ａ，２１Ｂを固定するようにしても良い。

前記両超音波センサ２１Ａ，２１Ｂは推定手段２２に接続される。推定手段２２は、超音波センサ２１Ａ，２１Ｂで検出したエコーの大きさから車輪用軸受１０に作用する荷重を推定する手段である。車輪用軸受１０に荷重が作用すると、外輪２の外径面２ａとハウジング１４の内径面１４ａの接触面の状態が変わり、それに伴い前記接触面で反射される超音波のエコーの大きさも変わる。そこで、推定手段２２は、前記反射エコーを検出する超音波センサ２１Ａ，２１Ｂの受信部２４の出力信号つまり反射エコーの大きさから、車輪用軸受１０に作用する荷重を推定することができる。ここでは、一対の超音波センサ２１Ａ，２１Ｂがハウジング１４の上下に分けて設けられているので、これら一対の超音波センサ２１Ａ，２１Ｂの検出信号は、上下方向に作用する荷重を反映したものとなる。
推定手段２２は、エコーの大きさと作用荷重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、超音波センサ２１Ａ，２１Ｂで検出されたエコーの大きさを前記関係設定部の設定内容と比較することで、前記荷重の推定値を出力する。

この構成の車輪用軸受Ａにおいて、荷重が作用すると、外輪２の外径面２ａとハウジング１４の内径面１４ａとの接触面の接触状態が変化する。このため、超音波センサ２１Ａ，２１Ｂの受信部が検出する前記接触面での反射エコーの大きさは、荷重の大きさに応じて変化することになる。推定手段２２は、この反射エコーの大きさから車輪用軸受Ａに作用する荷重を推定することができる。
荷重センサとなる超音波センサ２１Ａ，２１Ｂはハウジング１４に設置されるので、外輪２にセンサ配置用の溝等を加工する必要がなくて外輪２の強度低下が生じず、軸受性能に悪影響を与えることがない。その結果、軸受性能に悪影響を与えることなく荷重センサを容易に搭載できて、軸受Ａに作用する荷重を正確に検出することができる。なお、ハウジング１４は一般的に強度上や寸法上の余裕があり、超音波センサ２１Ａ，２１Ｂの取付用の孔１７や溝を加工しても、強度不足の問題はない。

なお、この実施形態では、超音波センサ２１Ａ，２１Ｂの受信部２４が検出する超音波の反射エコーの大きさから、推定手段２２が車輪用軸受１０に作用する荷重を推定する場合を示したが、推定手段２２は反射エコーの反射時間から車輪用軸受１０に作用する荷重を推定するようにしても良い。すなわち、超音波センサ２１Ａ，２１Ｂの送信部２３から送信されて、外輪２の外径面２ａとハウジング１４の内径面１４ａとの接触面で反射する超音波のエコーの反射時間は、前記接触面の状態変化つまり荷重の大きさに応じて変化するので、そのエコーの反射時間から推定手段２２が荷重を推定するものとしても、正確な荷重検出が可能である。超音波センサ２１Ａ，２１Ｂのエコーの反射時間は、送信部２３からパルス状の超音波を送信し、受信部２４で受信した超音波との位相差から求めることができる。また、推定手段２２は、上記実施形態における関係設定部において、エコーの大きさの代わりにエコーの反射時間が設定される。

図２は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、図１のセンサ付車輪用軸受装置における上下一対の荷重センサ２１Ａ，２１Ｂを、両列の転動体５，５にそれぞれ対応する軸方向位置に分けて２組設けている。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様である。

外輪２における両列の転動体５，５にそれぞれ対応する軸方向位置は、各列の転動体５が通過するときの前記接触面となる外径面の歪みの変化が他の部位よりも大きい。そのため、各列の転動体５，５にそれぞれ対応する軸方向位置に超音波センサ２１Ａ，２１Ｂを配置することで、より高精度の荷重検出が可能となる。

図３は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態では、図１のセンサ付車輪用軸受装置において、上下に配置される超音波センサ２１Ａ，２１Ｂのほかに、左右に配置される一対の超音波センサ２１Ｃ，２１Ｄを付加している。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様である。

この実施形態の場合、上下一対の超音波センサ２１Ａ，２１Ｂの検出信号が上下方向に作用する荷重を反映し、左右一対の超音波センサ２１Ｃ，２１Ｄの検出信号が左右方向（車両前後方向）に作用する荷重を反映したものとなるので、それらの検出信号から様々な方向の荷重を推定することができる。例えば、上下方向および左右方向の他に、車両の車幅方向の荷重の検出も可能となる。車幅方向の荷重が作用した場合も、各超音波センサ２１Ａ，２１Ｂで検出される部位の外輪外径面２ａの歪みが生じるため、車幅方向の荷重の検出が可能となる。

（Ａ）はこの発明の一実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置の断面図、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大図である。 この発明の他の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置の超音波センサ設置部の断面図である。

符号の説明

１…内輪
２…外輪
２ａ…外径面
５…転動体
９…ハブ
１０…車輪用軸受
１４…ハウジング
１４ａ…外輪嵌合面（内径面）
２１Ａ〜２１Ｄ…荷重センサ
２２…推定手段
２３…送信部
２４…受信部
Ａ…車輪用軸受装置

Claims (3)

1. 内輪と外輪との間に複列の転動体が介在し、前記内輪の内周にハブを嵌合させる転がり軸受からなる車輪用軸受と、前記外輪の外径面が嵌合した内径面を有するハウジングとを備え、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、
   前記外輪の外径面とハウジングの内径面との接触面に対して超音波を送信する送信部およびこの送信部から送信されて前記接触面で反射した超音波のエコーを検出する受信部からなる超音波センサを前記ハウジングに設置し、前記超音波センサで検出したエコーの大きさから前記車輪用軸受に作用する荷重を推定する推定手段を設けたセンサ付車輪用軸受装置。
2. 内輪と外輪との間に複列の転動体が介在し、前記内輪の内周にハブを嵌合させる転がり軸受からなる車輪用軸受と、前記外輪の外径面が嵌合した内径面を有するハウジングとを備え、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、
   前記外輪の外径面とハウジングの内径面との接触面に対して超音波を送信する送信部およびこの送信部から送信されて前記接触面で反射した超音波のエコーを検出する受信部からなる超音波センサを前記ハウジングに設置し、前記超音波センサで検出したエコーの反射時間から前記車輪用軸受に作用する荷重を推定する推定手段を設けたセンサ付車輪用軸受装置。
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、前記外輪の外径面における上下左右の４箇所に対応して設けたセンサ付車輪用軸受装置。
   

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