JP2009269449A - センサ付車輪用軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 どのような荷重条件においても、車輪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】 車輪用軸受は、外方部材１と内方部材２の対向し合う複列の転走面３，４間に転動体５を介在させたものである。外方部材１と内方部材２のうち固定側部材に１つ以上のセンサユニット２０を設ける。センサユニット２０は、前記固定側部材に接触して固定される２つ以上の接触固定部を有する歪み発生部材と、同部材の歪みを検出するセンサを有する。前記固定側部材の外周には、ナックルに取付ける車体取付用のフランジ１ａが設けられる。このフランジ１ａの円周方向複数箇所にボルト孔１４が設けられ、このボルト孔１４は等間隔に配置される。
【選択図】 図２

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。

自動車の各車輪にかかる荷重を検出する技術として、車輪用軸受の固定輪である外輪のフランジ部外径面の歪みを検出することにより荷重を検出するセンサ付車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１）。また、車輪用軸受の外輪に歪みゲージを貼り付け、歪みを検出するようにした車輪用軸受も提案されている（例えば特許文献２）。
特開２００２−０９８１３８号公報 特表２００３−５３０５６５号公報

特許文献１に開示の技術では、固定輪のフランジ部の変形により発生する歪みを検出している。しかし、固定輪のフランジ部の変形には、フランジ面とナックル面の間に、静止摩擦力を超える力が作用した場合に滑りが伴うため、繰返し荷重を印加すると、出力信号にヒステリシスが発生するといった問題がある。
例えば、車輪用軸受に対してある方向の荷重が大きくなる場合、固定輪フランジ面とナックル面の間は、最初は荷重よりも静止摩擦力の方が大きいため滑らないが、ある大きさを超えると静止摩擦力に打ち勝って滑るようになる。その状態で荷重を小さくしていくと、やはり最初は静止摩擦力により滑らないが、ある大きさになると滑るようになる。その結果、この変形が生じる部分で荷重を推定しようとすると、出力信号にヒステリシスが生じる。ヒステリシスが生じると、検出分解能が低下する。
また、特許文献２のように外輪に歪みゲージを貼り付けるのでは、組立性に問題がある。
また、車輪用軸受もしくはタイヤに作用する上下方向の荷重Ｆz を検出する場合、荷重Ｆz に対する固定輪変形量が小さいため歪み量も小さく、上記した技術では検出感度が低くなり、荷重Ｆz を精度良く検出できない。

そこで、本発明者等は、上記課題を解決するものとして、以下の構成としたセンサ付車輪用軸受を開発した。このセンサ付車輪用軸受における車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、上記転走面と対向する転走面が外周に形成された内方部材と、両部材の対向する転走面間に介在した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。上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の外径面には、その固定側部材の円周方向における１８０度の位相差をなす位置に配置された２つのセンサユニットからなるセンサユニット対を設ける。センサユニットは、固定側部材の外径面に接触して固定される２つ以上の接触固定部を有する歪み発生部材およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出するセンサを有するものとする。そして、前記センサユニット対における２つのセンサユニットのセンサの出力信号の差分から、車輪用軸受もしくはタイヤの径方向に作用する荷重を推定する。また、前記２つのセンサユニットのセンサの出力信号の和から車輪用軸受もしくはタイヤの軸方向に作用する荷重を推定する。

しかし、前記車輪用軸受の固定側部材が、図１１に示すようにナックルに取付ける車体取付用のフランジ５１ａを外周に有する外輪５１である場合、その外輪５１の変形量はフランジ５１に設けられたボルト孔６４の位置に大きく左右される。例えば、同図のように、ボルト孔６４が外輪５１の円周方向に等間隔に配置されていなくて、上半部の２つのボルト孔６４の間隔が狭く、下半部の２つのボルト孔６４の間隔が広い場合、左右方向に荷重が印加されると、外輪５１の上面部と下面部とでは変形量が異なる。このため、上記したセンサユニット対の２つのセンサユニット７０を前記外輪５１の上面部と下面部とに設置すると、上面部に設置したセンサユニット７０の出力信号と下面部に設置したセンサユニット７０の出力信号とでは値が異なったものとなる。

一方、図１１の車輪用軸受において、右半部のボルト孔６４と左半部のボルト孔６４とを比較した場合、右半部の２つのボルト孔６４の間隔と左半部の２つのボルト孔６４の間隔は等しいので、上下方向に荷重が印加されても、外輪５１の右面部と左面部では変形量が同じになる。このため、上記したセンサユニット対の２つのセンサユニット７０を前記外輪５１の右面部と左面部とに設置すると、上下方向の荷重が印加されても、左右のセンサユニット７０の出力信号は同じ値となる。

このように、センサユニット対における２つのセンサユニット７０のセンサの出力信号の差分もしくは和から、車輪用軸受もしくはタイヤの径方向もしくは軸方向に作用する荷重を推定する方式では、上記した変形量の違いが出力信号に現れるため、荷重を正確に推定できないという問題がある。

この発明の目的は、どのような荷重条件においても、車輪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、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、前記転走面と対向する転走面が外周に形成された内方部材と、両部材の対向する転走面間に介在した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において、上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に１つ以上のセンサユニットを設け、前記センサユニットは、前記固定側部材に接触して固定される２つ以上の接触固定部を有する歪み発生部材およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出するセンサを有し、前記固定側部材の外周には、ナックルに取付ける車体取付用のフランジが有り、このフランジの円周方向複数箇所にボルト孔が設けられ、このボルト孔が等間隔に配置されたことを特徴とする。前記センサユニットは、前記固定側部材の円周方向における前記フランジの隣り合うボルト孔間の中央位置に配置すると良い。
車輪のタイヤと路面間に荷重が作用すると、車輪用軸受の固定側部材（例えば外方部材）にも荷重が印加されて変形が生じる。ここでは、センサユニットにおける歪み発生部材の２つ以上の接触固定部が、外方部材の外径面に接触固定されているので、外方部材の歪みが歪み発生部材に拡大して伝達され易く、その歪みがセンサで感度良く検出され、その出力信号に生じるヒステリシスも小さくなり、荷重を精度良く推定できる。
特に、固定側部材である外方部材における車体取付用フランジの円周方向複数箇所に設けられるボルト孔を等間隔に配置していることにより、隣り合うボルト孔間の軸受剛性はほとんど等しくなる。その結果、例えば前記フランジの隣り合うボルト孔間の中央位置、もしくはボルト孔と同位相の位置にセンサユニットを配置すると、センサユニットの出力信号はボルト孔の位相の影響を受けないので、荷重を正確に推定できる。

この発明において、前記フランジをリング状としても良い。ボルト孔を設けた部分が外径側へ突出した突片となったフランジの場合、ボルト孔の間隔を等間隔とすると例えば上半部において、隣り合う突片の間隔が大きくなって剛性の低下が懸念される。これに対して、フランジをリング状として部分的に突出する突片をなくした場合、剛性の低下がなく車輪用軸受の性能を向上させることができる。

この発明において、前記センサユニットを、タイヤ接地面に対して上下および前後の位置となる前記固定側部材の周面の上面部、下面部、右面部および左面部のいずれかに配置しても良い。
タイヤ接地面に対して上下左右位置となるこれらの設置位置は、垂直方向荷重Ｆz ，軸方向荷重Ｆy ，駆動力や制動力による荷重Ｆx が作用した場合に最も大きく変形する位置であるため、これらの位置に設置したセンサユニットの出力信号から各荷重Ｆz ，Ｆy ，Ｆx を推定することができる。この場合にも、各センサユニットの出力信号は車体取付用フランジのボルト孔の位相の影響を受けないので、荷重を感度良く正確に推定することができる。

この発明において、前記センサユニットの歪み発生部材は平面概形が全長にわたり一定幅の帯状、または平面概形が帯状で側片部に切欠き部を有するものとしても良い。
このように歪み発生部材を構成した場合、歪み発生部材の形状が簡単になり、量産性に優れたものとなる。また、薄板材とすることにより歪み発生部材に歪みが発生し易くなり、固定側部材である外方部材の外径面の歪みを拡大して感度良く検出でき、荷重を正確に推定できる。

この発明において、前記センサユニットの歪み発生部材は前記固定側部材の外径面に接触して固定される２つの接触固定部を有し、これら２つの接触固定部は、前記固定側部材の同一軸方向位置でかつ周方向に互いに離間した位置となるように配置し、前記センサユニットのセンサは前記歪み発生部材の周方向の歪みを検出するものとしても良い。
この構成の場合、固定側部材である外方部材の周方向の歪みをセンサユニットによって検出することができる。この場合、タイヤと路面間に作用する荷重が、回転側部材である内方部材から転動体を介して外方部材に伝達されるので、外方部材の外径面は周方向に歪むことになり、上記した接触固定部の配置により検出感度が向上し、荷重をさらに精度良く推定できる。

この発明において、前記固定側部材の円周方向における１８０度の位相差をなす位置に配置された２つのセンサユニットからなるセンサユニット対を少なくとも１対以上設け、前記センサユニット対における２つのセンサユニットの出力信号の差分または和から、車輪用軸受もしくはタイヤに作用する荷重を推定する推定手段を設けても良い。
この構成の場合、出力信号からある方向の荷重成分だけ抽出する演算式が簡単になる。すなわち、ある方向の荷重を検出したい場合、１８０度の位相差で設置された２つのセンサユニットの出力値において、他の方向の荷重成分に対する絶対値の大きさが等しくなれば、差や和をとることでキャンセルすることができる。例えば、駆動力や制動力による荷重Ｆx を左右のセンサユニットの出力信号の差分として検出する場合、垂直方向荷重Ｆz や軸方向荷重Ｆy が同時に印加しても、左右のセンサユニットの出力信号に対して垂直方向荷重Ｆz の成分や軸方向荷重Ｆy の成分が同じ影響を与えるため、差分をとれば垂直方向荷重Ｆz の成分や軸方向荷重Ｆy の成分をキャンセルできる。

この発明において、さらに車輪用軸受もしくはタイヤの軸方向に作用する軸方向荷重の方向を判別する軸方向荷重方向判別手段を設けても良い。
センサユニットの出力信号が軸方向荷重Ｆy に対してＶ字形の出力曲線となる場合、軸方向荷重の方向を判別する必要がある。そこで、別途設けた軸方向荷重方向判別手段で軸方向荷重の方向を判別すれば、その判別結果とセンサユニットの出力信号とにより、軸方向荷重を正確に検出することができる。

この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、前記転走面と対向する転走面が外周に形成された内方部材と、両部材の対向する転走面間に介在した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において、上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に１つ以上のセンサユニットを設け、前記センサユニットは、前記固定側部材に接触して固定される２つ以上の接触固定部を有する歪み発生部材およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出するセンサを有し、前記固定側部材の外周には、ナックルに取付ける車体取付用のフランジが有り、このフランジの円周方向複数箇所にボルト孔が設けられ、このボルト孔が等間隔に配置されているため、どのような荷重条件においても、車輪にかかる荷重を正確に検出できる。

この発明の一実施形態を図１ないし図７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、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における軸受は、図１に断面図で示すように、内周に複列の転走面３を形成した外方部材１と、これら各転走面３に対向する転走面４を外周に形成した内方部材２と、これら外方部材１および内方部材２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、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。外方部材１と内方部材２との間の軸受空間の両端は、一対のシール７，８によってそれぞれ密封されている。

外方部材１は固定側部材となるものであって、車体の懸架装置（図示せず）におけるナックル１６に取付ける車体取付用フランジ１ａを外周に有し、全体が一体の部品とされている。フランジ１ａには円周方向の複数箇所に車体取付用のボルト孔１４が設けられ、インボード側よりナックル１６のボルト挿通孔１７に挿通したナックルボルト１８を前記ボルト孔１４に螺合することにより、車体取付用フランジ１ａがナックル１６に取付けられる。
内方部材２は回転側部材となるものであって、車輪取付用のハブフランジ９ａを有するハブ輪９と、このハブ輪９の軸部９ｂのインボード側端の外周に嵌合した内輪１０とでなる。これらハブ輪９および内輪１０に、前記各列の転走面４が形成されている。ハブ輪９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１０が嵌合している。ハブ輪９の中心には貫通孔１１が設けられている。ハブフランジ９ａには、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。ハブ輪９のハブフランジ９ａの根元部付近には、車輪および制動部品（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。

図２は、この車輪用軸受の外方部材１をアウトボード側から見た正面図を示す。なお、図１は、図２におけるＩ−Ｉ矢視断面図を示す。前記車体取付用フランジ１ａは、図２のように、各ボルト孔１４が設けられた円周方向部分が他の部分よりも外径側へ突出した突片１ａａとされている。ボルト孔１４は、円周方向に等間隔に配置されている。

図３は、図２における車体取付用フランジ１ａの他の例を示す。この例では、車体取付用フランジ１ａをリング状とすることで、外径側へ突出した突片１ａａをなくしている。図２の例では、ボルト孔１４の間隔を等間隔としたことにより、例えば図１１の例の場合に比べて車体取付用フランジ１ａの上半部において、隣り合う突片１ａａの間隔が大きくなって剛性の低下が懸念される。これに対して、図３の例では、部分的に突出する突片１ａａをなくしたリング状としているので、剛性の低下がなく車輪用軸受の性能を向上させることができる。

固定側部材である外方部材１の外径面には、２つのセンサユニット２０を１組とする２対のセンサユニット対１９Ａ，１９Ｂが設けられている。各センサユニット対１９Ａ，１９Ｂの２つのセンサユニット２０は、外方部材１の外径面の円周方向における１８０度の位相差をなす位置に配置される。ここでは、１組のセンサユニット対１９Ａを構成する２つのセンサユニット２０を、タイヤ接地面に対して上下位置となる外方部材１の外径面における上面部および下面部の２箇所に設けることで、車輪用軸受もしくはタイヤに作用する上下方向の荷重（垂直方向荷重）Ｆz もしくは軸方向の荷重Ｆｙを検出するようにしている。具体的には、図２のように、外方部材１の外径面における上面部の隣り合うボルト孔１４間の中央位置に１つのセンサユニット２０が配置され、外方部材１の外径面における下面部の隣り合うボルト孔１４間の中央位置に他の１つのセンサユニット２０が配置されている。

また、他の１組のセンサユニット対１９Ｂを構成する２つのセンサユニット２０を、タイヤ接地面に対して左右位置となる外方部材１の外径面における左面部および右面部の２箇所に設けることで、車輪用軸受もしくはタイヤに作用する左右方向の荷重（駆動力や制動力による荷重）Ｆx を検出するようにしている。この場合も、外方部材１の外径面における左面部の隣り合うボルト孔１４間の中央位置に１つのセンサユニット２０が配置され、外方部材１の外径面における右面部の隣り合うボルト孔１４間の中央位置に他の１つのセンサユニット２０が配置されている。
なお、２つのセンサユニット２０を１組としてセンサユニット対を構成せず、外方部材１の外径面における上記した上面部、下面部、左面部、右面部に１つのセンサユニット２０を配置しても良い。この場合、上面部や下面部に配置したセンサユニット２０で上下方向の荷重（垂直方向荷重）Ｆz もしくは軸方向の荷重Ｆｙを検出し、左面部や右面部に配置したセンサユニット２０で左右方向の荷重（駆動力や制動力による荷重）Ｆxを検出する。

これらのセンサユニット２０は、図４および図５に拡大平面図および拡大断面図で示すように、歪み発生部材２１と、この歪み発生部材２１に取付けられて歪み発生部材２１の歪みを検出するセンサ２２とでなる。歪み発生部材２１は、鋼材等の弾性変形可能な金属製の３ｍｍ以下の薄板材からなり、平面概形が帯状で中央の両側辺部に切欠き部２１ｂを有する。また、歪み発生部材２１は、外方部材１の外径面にスペーサ２３を介して接触固定される２つの接触固定部２１ａを両端部に有する。センサ２２は、歪み発生部材２１における各方向の荷重に対して歪みが大きくなる箇所に貼り付けられる。ここでは、その箇所として、歪み発生部材２１の外面側で両側辺部の切欠き部２１ｂで挟まれる中央部位が選ばれており、センサ２２は切欠き部２１ｂ周辺の周方向の歪みを検出する。なお、歪み発生部材２１は、固定側部材である外方部材１に作用する外力、またはタイヤと路面間に作用する作用力として、想定される最大の力が印加された状態においても、塑性変形しないものとするのが望ましい。塑性変形が生じると、外方部材１の変形がセンサユニット２０に伝わらず、歪みの測定に影響を及ぼすからである。想定される最大の力は、例えば、その力の印加によって車輪用軸受としての機能が損なわれない範囲の最大の力である。

前記センサユニット２０は、その歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａが、外方部材１の軸方向に同寸法の位置で、かつ両接触固定部２１ａが互いに円周方向に離れた位置に来るように配置され、これら接触固定部２１ａがそれぞれスペーサ２３を介してボルト２４により外方部材１の外径面に固定される。前記各ボルト２４は、それぞれ接触固定部２１ａに設けられた径方向に貫通するボルト挿通孔２５からスペーサ２３のボルト挿通孔２６に挿通し、外方部材１の外周部に設けられたボルト孔２７に螺合させる。このように、スペーサ２３を介して外方部材１の外径面に接触固定部２１ａを固定することにより、薄板状である歪み発生部材２１における切欠き部２１ｂを有する中央部位が外方部材１の外径面から離れた状態となり、切欠き部２１ｂの周辺の歪み変形が容易となる。接触固定部２１ａが配置される軸方向位置として、ここでは外方部材１のアウトボード側列の転走面３の周辺となる軸方向位置が選ばれる。ここでいうアウトボード側列の転走面３の周辺とは、インボード側列およびアウトボード側列の転走面３の中間位置からアウトボード側列の転走面３の形成部までの範囲である。外方部材１の外径面へセンサユニット２０を安定良く固定する上で、外方部材１の外径面における前記スペーサ２３が接触固定される箇所には平坦部１ｂが形成される。

このほか、図６に断面図で示すように、外方部材１の外径面における前記歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａが固定される２箇所の中間部に溝１ｃを設けることで、前記スペーサ２３を省略し、歪み発生部材２１における切欠き部２１ｂが位置する２つの接触固定部２１ａの中間部位を外方部材１の外径面から離すようにしても良い。

図７は、センサユニット２０のさらに他の構成例を示す。この場合、歪み発生部材２１は、外方部材１の外径面に対向する内面側に張り出した２つの接触固定部２１ａを両端部に有し、これら接触固定部２１ａで外方部材１の外径面に接触して固定される。２つの接触固定部２１ａのうち、１つの接触固定部２１ａは、外方部材１のアウトボード側列の転走面３の周辺となる軸方向位置に配置され、この位置よりもアウトボード側の位置にもう１つの接触固定部２１ａが配置され、かつこれら両接触固定部２１ａは互いに外方部材１の円周方向の同位相の位置に配置される。ここでいうアウトボード側列の転走面３の周辺とは、インボード側列およびアウトボード側列の転走面３の中間位置からアウトボード側列の転走面３の形成部までの範囲である。この場合も、外方部材１の外径面へセンサユニット２０を安定良く固定する上で、外方部材１の外径面における前記歪み発生部材２１の接触固定部２１ａが接触固定される箇所に平坦部を形成するのが望ましい。
また、歪み発生部材２１の中央部には内面側に開口する１つの切欠き部２１ｂが形成されている。センサ２２は、歪み発生部材２１における各方向の荷重に対して歪みが大きくなる箇所に貼り付けられる。ここでは、その箇所として、前記切欠き部２１ｂの周辺、具体的には歪み発生部材２１の外面側で切欠き部２１ｂの背面側となる位置が選ばれており、センサ２２は切欠き部２１ｂ周辺の歪みを検出する。

歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａは、それぞれボルト４７により外方部材１の外径面へ締結することで固定される。具体的には、これらボルト４７は、それぞれ接触固定部２１ａに設けられた径方向に貫通するボルト挿通孔４８に挿通し、外方部材１の外周部に設けられたボルト孔４９に螺合させる。
なお、上記した各構成例のセンサユニット２０において、歪み発生部材２１の接触固定部２１ａは２つ以上としても良い。

上記した各構成例のセンサユニット２０におけるセンサ２２としては、種々のものを使用することができる。例えば、センサ２２を金属箔ストレインゲージで構成することができる。その場合、通常、歪み発生部材２１に対しては接着による固定が行なわれる。また、センサ２２を歪み発生部材２１上に厚膜抵抗体により形成することもできる。

センサユニット対１９Ａ，１９Ｂの２つのセンサ２２は、図２のように荷重推定手段３１にそれぞれ接続される。荷重推定手段３１は、前記２つのセンサ２２の出力信号の差分から、車輪用軸受もしくはタイヤに作用する径方向荷重を推定し、前記２つのセンサ２２の出力信号の和から、車輪用軸受もしくはタイヤに作用する軸方向荷重（コーナリング力）Ｆy を推定する。２つのセンサユニット２０が外方部材１の外径面の上面部と下面部に配置されるセンサユニット１９Ａに対応する荷重推定手段３１の場合は、径方向荷重として垂直方向荷重Ｆz を推定する。２つのセンサユニット２０が外方部材１の外径面の右面部と左面部に配置されるセンサユニット１９Ｂに対応する荷重推定手段３１の場合は、径方向荷重として駆動力や制動力による荷重Ｆx を推定する。

センサユニット対１９Ｂの２つのセンサユニット２０の出力信号から荷重推定手段３１が駆動力や制動力による荷重Ｆx を推定する方法の一例について、以下に説明する。外方部材１の外径面の右面部に配置されるセンサユニット２０の出力信号をＳr 、外方部材１の外径面の左面部に配置されるセンサユニット２０の出力信号をＳl とする。ここでは、説明を簡略化するため、各出力信号が垂直方向荷重Ｆx の成分、軸方向荷重Ｆy の成分、駆動力や制動力による荷重Ｆx の成分のみの影響を受け、その他の荷重成分は含まないと仮定する。この場合、前記各出力信号Ｓr ，Ｓl は、
Ｓr ＝ａ₁₁Ｆx ＋ａ₂₁Ｆy ＋ａ₃₁Ｆz
Ｓl ＝ａ₁₂Ｆx ＋ａ₂₂Ｆy ＋ａ₃₂Ｆz
と表される。ただし、ａ₁₁〜ａ₃₂は、変数である各荷重成分Ｆx ，Ｆy ，Ｆz の係数を表す。例えば、右方向の荷重Ｆx が印加された場合、外方部材１の外径面の右面部に配置されたセンサユニット２０の歪み発生部材２１は引っ張り方向に歪み、左面部に配置されたセンサユニット２０の歪み発生部材２１は圧縮方向に歪むため、引っ張り方向に歪むと出力信号が大きくなる場合、ａ₁₁＝−ａ₁₂になるとする。左右のセンサユニット２０に対して、荷重Ｆy や荷重Ｆz の影響は非常に小さいが、影響がある場合でも、上記したように外方部材１におけるフランジ１ａのボルト孔１４が等間隔に設けられているので、ａ₂₁＝ａ₂₂，ａ₃₁＝ａ₃₂となる。そのため、２つの出力信号Ｓr ，Ｓl の差分をとれば、
Ｓr −Ｓl ＝（ａ₁₁＋ａ₁₂）Ｆx
＝２ａ₁₁Ｆx
となり、駆動力や制動力による荷重Ｆx のみを取り出すことができる。

次に、センサユニット対１９Ａの２つのセンサユニット２０の出力信号から荷重推定手段３１が垂直方向荷重Ｆz および軸方向荷重Ｆy を推定する方法について、以下に説明する。軸方向荷重Ｆy がゼロの状態で垂直方向荷重Ｆz が印加された場合、外方部材１の外径面の上面部が外径方向へ変形し、下面部が内径方向へ変形する。この実施形態では、センサユニット２０を、その２つの接触固定部２１ａが外方部材１の外径面の同一軸方向位置でかつ周方向に互いに離間した位置となるように配置して、周方向の歪みを検出するようにしている。これにより、前記上面部に固定されたセンサユニット２０の歪み発生部材２１は、歪みが大きくなる引っ張り方向に変形し、前記下面部に固定されたセンサユニット２０の歪み発生部材２１は、歪みが小さくなる圧縮方向に変形する。それゆえ、このときのセンサユニット対１９Ａの２つのセンサ２２の出力信号の差分をとると、傾きの大きい出力曲線となる検出値が得られる。また、２つのセンサ２２の出力信号の和をとると傾きの小さい出力曲線となる検出値が得られる。
一方、垂直方向荷重Ｆz がゼロの状態で軸方向荷重Ｆy が印加された場合、外方部材１の外径面の上面部および下面部とも外径方向へ変形する。これにより、前記上面部に固定されたセンサユニット２０の歪み発生部材２１も、前記下面部に固定されたセンサユニット２０の歪み発生部材２１も共に、歪みが大きくなる引っ張り方向に変形する。それゆえ、このときのセンサユニット対１９の２つのセンサ２２の出力信号の差分をとると、傾きの小さい出力曲線となる検出値が得られる。また、２つのセンサ２２の出力信号の和をとると、傾きの大きい出力曲線となる検出値が得られる。

このように、垂直方向荷重Ｆz の印加時と軸方向荷重Ｆy の印加時とで、外方部材１の外径面の変形モードが異なることを利用して、荷重推定手段３１による垂直方向荷重Ｆz および軸方向荷重Ｆy の推定を、次のように行う。
（１） 軸方向荷重の推定：２つのセンサ２２の出力信号の和を求め、軸方向荷重（コーナリング力）Ｆy を推定する。この場合、垂直方向荷重Ｆz に対する出力信号の和の傾きは小さく、軸方向荷重Ｆy の歪み量は垂直方向荷重Ｆz と比べて非常に大きいため、垂直方向荷重Ｆz による変動分はほとんど影響を受けない。
（２） 垂直方向荷重の推定：２つのセンサ２２の出力信号の差を求め、荷重推定手段３１で求めた軸方向荷重Ｆy の値で補正して、垂直方向荷重Ｆz を推定する。垂直方向荷重Ｆz に限らず車輪用軸受もしくはタイヤの径方向に作用する径方向荷重（駆動力や制動力となる荷重Ｆx を含む）に対する外方部材１の変形量は、軸方向荷重Ｆy に対する変形量と比較して非常に小さいため、軸方向荷重Ｆy の影響を受けやすい。そこで、上記したように、荷重推定手段３１による垂直方向荷重Ｆz の推定値を同じく荷重推定手段３１で求めた軸方向荷重Ｆy の値で補正すれば、径方向荷重を正確に推定できる。

この場合に、前記２つのセンサ２２の出力信号に駆動力や制動力による荷重Ｆx の成分が含まれることがあっても、車体取付用フランジ１ａのボルト孔１４が等間隔に設けられていることから、２つのセンサ２２の出力信号に含まれる荷重Ｆx の成分は等しくなる。これにより、その２つの出力信号の差分をとることにより、各出力信号に含まれる荷重Ｆx の成分を相殺することができ、垂直方向荷重Ｆz を正確に推定できる。

前記荷重推定手段３１は、実験や解析により予め求めた関係（荷重Ｆz と歪み量（差）、荷重Ｆy と歪み量（和）、荷重Ｆy と歪み量（差）など）を、演算式またはテーブル等により設定した関係設定手段（図示せず）を有する。これにより、荷重推定手段３１は、入力された２つのセンサ２２の出力信号から前記関係設定手段を用いて、垂直方向荷重Ｆz および軸方向荷重Ｆy を推定できる。

なお、上記説明では、センサユニット対１９Ａの出力信号から垂直方向荷重Ｆz と軸方向荷重Ｆy を推定し、センサユニット対１９Ｂの出力信号からからは駆動力や制動力による荷重Ｆx だけを推定する場合を例示したが、センサユニット対１９Ｂの出力信号から駆動力や制動力による荷重Ｆx と軸方向荷重Ｆy を推定し、センサユニット対１９Ａの出力信号から垂直方向荷重Ｆz だけを推定するようにしても良い。

また、この実施形態では、センサユニット対１９Ａ，１９Ｂの出力信号から各荷重Ｆz ，Ｆy ，Ｆx を推定する場合を示したが、外方部材１の外径面の上面部、下面部、左面部、右面部に設置した各センサユニット２０の単独の出力信号から各荷重Ｆz ，Ｆy ，Ｆx を推定するようにしても良い。タイヤ接地面に対して上下左右位置となるこれらの設置位置は、各荷重Ｆz ，Ｆy ，Ｆx が作用した場合に最も大きく変形する位置であるため、各センサユニット２０の単独の出力信号によっても各荷重Ｆz ，Ｆy ，Ｆx を推定することができる。この場合にも、各センサユニット２０の出力信号は車体取付用フランジ１ａのボルト孔１４の位相の影響を受けないので、荷重を感度良く正確に推定することができる。

車輪のタイヤと路面間に荷重が作用すると、車輪用軸受の固定側部材である外方部材１にも荷重が印加されて変形が生じる。前記センサユニット対１９Ａ，１９Ｂのセンサユニット２０を例えば車体取付用フランジ１ａの突片１ａａに設置して、車体取付用フランジ１ａの変形から荷重を推定しようとすると、従来例の説明におけるように出力信号にヒステリシスが生じる。ここでは、センサユニット２０における歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａが、外方部材１の外径面に接触固定されているので、外方部材１の歪みが歪み発生部材２１に拡大して伝達され易く、その歪みがセンサ２２で感度良く検出され、その出力信号に生じるヒステリシスも小さくなり、荷重を精度良く推定できる。

特に、固定側部材である外方部材１における車体取付用フランジ１ａの円周方向複数箇所に設けられるボルト孔１４を等間隔に配置していることにより、隣り合うボルト孔１４間の軸受剛性はほとんど等しくなる。その結果、例えば前記ブランジ１ａの隣り合うボルト孔１４間の中央位置、もしくはボルト孔１４と同位相の位置にセンサユニット２０を配置すると、各センサユニット２０の出力信号はボルト孔１４の位相の影響を受けないので、荷重を正確に推定できる。

上記説明では車輪のタイヤと路面間の作用力を検出する場合を示したが、車輪のタイヤと路面間の作用力だけでなく、車輪用軸受に作用する力（例えば予圧量）を検出するものとしても良い。
このセンサ付車輪用軸受から得られた検出荷重を自動車の車両制御に使用することにより、自動車の安定走行に寄与できる。また、このセンサ付車輪用軸受を用いると、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。

また、この実施形態では、センサユニット２０の歪み発生部材２１は、平面概形が鈞一幅の帯状、または平面概形が帯状で側辺部に切欠き部２１ｂを有する薄板材からなるものとしているので、歪み発生部材２１の形状が簡単になり、量産性に優れたものとなる。また、薄板材とすることにより歪み発生部材２１に歪みが発生し易くなり、外方部材１の外径面の歪みを拡大して感度良く検出でき、荷重を正確に推定できる。

また、この実施形態では、固定側部材である外方部材１の外径面へのセンサユニット２０の設置において、その歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａが、外方部材１の同一軸方向位置でかつ周方向に互いに離間した位置となるように配置されているので、外方部材１の周方向の歪みをセンサユニット２０によって検出することができる。この実施形態の場合、タイヤと路面間に作用する荷重が、回転側部材である内方部材２から転動体５を介して外方部材１に伝達されるので、外方部材１の外径面は周方向に歪むことになり、上記した接触固定部２１ａの配置により検出感度が向上し、荷重をさらに精度良く推定できる。

また、この実施形態では、センサユニット対１９の２つのセンサユニット２０の歪み発生部材２１は切欠き部２１ｂを有し、その切欠き部２１ｂの周辺にセンサ２２を設けているので、固定側部材である外方部材１から歪み発生部材２１に拡大されて伝達される歪みが切欠き部２１ｂに集中しやすくなり、センサ２２による検出感度が向上し、さらに荷重を精度良く検出することができる。

また、この実施形態では、固定側部材である外方部材１の円周方向における１８０度の位相差をなす位置に配置された２つのセンサユニット２０からなるセンサユニット対１９Ａ，１９Ｂを少なくとも一対以上（ここでは２対）設け、センサユニット対１９Ａ，１９Ｂにおける２つのセンサユニット２０の出力信号の差分または和から、車輪用軸受もしくはタイヤに作用する荷重Ｆz ，Ｆy ，Ｆx を推定する荷重推定手段３１を設けているので、出力信号からある方向の荷重成分だけ抽出する演算式が簡単になる。すなわち、ある方向の荷重を検出したい場合、１８０度の位相差で設置された２つのセンサユニット２０の出力値において、他の方向の荷重成分に対する絶対値の大きさが等しくなれば、差や和をとることでキャンセルすることができる。例えば、上記したように駆動力や制動力による荷重Ｆx を左右のセンサユニット２０の出力信号の差分として検出する場合、垂直方向荷重Ｆz や軸方向荷重Ｆy が同時に印加しても、左右のセンサユニット２０の出力信号に対して垂直方向荷重Ｆz の成分や軸方向荷重Ｆy の成分が同じ影響を与えるため、差分をとれば垂直方向荷重Ｆz の成分や軸方向荷重Ｆy の成分をキャンセルできる。

上記実施形態では、軸方向荷重Ｆy の正負両方向（アウトボード側の方向とインボード側の方向）において、センサユニット２０の歪み発生部材２１が引っ張り方向に変形する場合（Ｖ字形の出力曲線となる場合）、軸方向荷重Ｆy の方向を判別する必要がある。図８ないし図１０には、図１および図２に示した実施形態において、軸方向荷重Ｆy の方向により出力信号の異なる方向判別センサ３４を設けたセンサ付車輪用軸受の例を示している。なお、図８および図１０では、図１および図２における荷重推定手段３１は図示を省略している。この場合の方向判別センサ３４は、歪み発生部材３６と、この歪み発生部材３６に取付けられて歪み発生部材３６の歪みを検出するセンサ３７を有するセンサユニット３５を、スペーサ３８Ａ，３８Ｂを介して外方部材１に固定したものである。

方向判別センサ３４の歪み発生部材３６は、図９に拡大して示すように、鋼材等の金属材からなる板材をＬ字状に折り曲げて形成され、外方部材１のフランジ１ａにおけるボルト孔１４の近傍のアウトボード側に向く側面に対向する径方向片３６ａと、外方部材１の外径面に対向する軸方向片３６ｂとを有する。センサ３７は径方向片３６ａの片面に固定される。この歪み発生部材３６は、スペーサ３８Ａ，３８Ｂを介して外方部材１の外周部に、ボルト３９，４０で締結される。すなわち、径方向片３６ａに形成されたボルト挿通孔４１からスペーサ３８Ａのボルト挿通孔４２に挿通させたボルト３９を、外方部材１のフランジ１ａにおけるナックルボルト１８用のボルト孔１４の近傍に設けられたボルト孔４３に螺合させる。また、軸方向片３６ｂに形成されたボルト挿通孔４４から別のスペーサ３８Ｂのボルト挿通孔４５に挿通させたボルト４０を、外方部材１の外径面に設けられたボルト孔４６に螺合させる。これにより、歪み発生部材３６が外方部材１に締結される。

上記した方向判別センサ３４の設置部位は、コーナリング力に対して変形量が大きいが、垂直方向荷重Ｆz や駆動力や制動力による荷重Ｆx のような径方向荷重に対して変形量の小さい部位である。この部位に設置すると、方向判別センサ３４に作用する力が圧縮力と引っ張り力で切り替わる。このため、例えばその出力信号の大小判別を所定のしきい値に対して行なえば、軸方向荷重Ｆy の方向を判別することができる。方向判別センサ３４の出力信号は、荷重推定手段３１に入力され、その入力信号から荷重推定手段３１は軸方向荷重Ｆy の方向を判別する。これにより、正確に軸方向荷重Ｆy を推定できる。その他の構成は、図１および図２に示した実施形態の場合と同様である。

この発明の一実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図とその検出系の概念構成のブロック図とを組み合わせて示す図である。 同センサ付車輪用軸受の外方部材の正面図と検出系の概念構成のブロック図とを組み合わせて示す図である。 同センサ付車輪用軸受における外方部材の車体取付用フランジの他の例を示す正面図である。 同センサ付車輪用軸受におけるセンサユニットの拡大平面図である。 図４におけるＶ−Ｖ矢視線断面図である。 センサユニットの他の設置例を示す断面図である。 センサユニットの他の例を示す断面図である。 この発明の他の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図である。 図８の一部拡大断面図である。 同センサ付車輪用軸受の外方部材の正面図である。 提案例における外方部材の正面図である。

符号の説明

１…外方部材
１ａ…車体取付用フランジ
２…内方部材
３，４…転走面
５…転動体
１４…ボルト孔
１９Ａ，１９Ｂ…センサユニット対
２０…センサユニット
２１…歪み発生部材
２１ａ…接触固定部
２１ｂ…切欠き部
２２…センサ
３１…荷重推定手段
３４…方向判別センサ（軸方向荷重方向判別手段）
３５…センサユニット
３６…歪み発生部材
３６ａａ，３６ｂａ…接触固定部
３７…センサ

Claims (9)

1. 複列の転走面が内周に形成された外方部材と、前記転走面と対向する転走面が外周に形成された内方部材と、両部材の対向する転走面間に介在した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において、
   上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に１つ以上のセンサユニットを設け、前記センサユニットは、前記固定側部材に接触して固定される２つ以上の接触固定部を有する歪み発生部材およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出するセンサを有し、
   前記固定側部材の外周には、ナックルに取付ける車体取付用のフランジが有り、このフランジの円周方向複数箇所にボルト孔が設けられ、このボルト孔が等間隔に配置されたことを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
2. 請求項１において、前記センサユニットを、前記固定側部材の円周方向における前記フランジの隣り合うボルト孔間の中央位置に配置し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、前記フランジをリング状としたセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記センサユニットを、タイヤ接地面に対して上下および前後の位置となる前記固定側部材の周面の上面部、下面部、右面部および左面部のいずれかに配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、前記センサユニットの歪み発生部材は、平面概形が全長にわたり一定幅の帯状であるセンサ付車輪用軸受。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記センサユニットの歪み発生部材は平面概形が帯状で側片部に切欠き部を有するセンサ付車輪用軸受。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記センサユニットの歪み発生部材は前記固定側部材の外径面に接触して固定される２つの接触固定部を有し、これら２つの接触固定部は、前記固定側部材の同一軸方向位置でかつ周方向に互いに離間した位置となるように配置し、前記センサユニットのセンサは前記歪み発生部材の周方向の歪みを検出するものとしたセンサ付車輪用軸受。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記固定側部材の円周方向における１８０度の位相差をなす位置に配置された２つのセンサユニットからなるセンサユニット対を少なくとも１対以上設け、前記センサユニット対における２つのセンサユニットの出力信号の差分または和から、車輪用軸受もしくはタイヤ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。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、さらに車輪用軸受もしくはタイヤの軸方向に作用する軸方向荷重の方向を判別する軸方向荷重方向判別手段を設けたセンサ付車輪用軸受。

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