JP2020049982A - 信号伝達機能付きハブベアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タイヤやホイールに取り付けられたセンサの信号を、アンテナなしで、走行中でも安定して、少ない消費電力で車体側に通信できる信号伝達機能付きハブベアリング装置を提供する。【解決手段】ハブベアリング１と、ホイール２およびこのホイール２に装着されるタイヤ３のいずれか一方または両方に配置されたセンサ４の信号を、ハブベアリング１の固定輪５と回転輪６の間で伝達する信号伝達手段７とを備える。信号伝達手段７は、固定輪６と回転輪５とにそれぞれ取付けられた互いに非接触の対面する電極２１，２２の間で電界通信により信号伝達を行う。【選択図】図１

Description

この発明は、タイヤやホイールに各種センサを取り付けた自動車等の車両に利用可能な信号伝達機能付きハブベアリング装置に関する。

近年、自動車等の車両には走行性能、安全性の向上や、自動運転、遠隔操作のため、タイヤやホイールへの空気圧センサや加速度センサ、温度センサ等の各種センサを取付けるニーズが高くなってきている。これらのセンサから車体本体への信号送信は、電波を用いた無線により行われており、タイヤ空気圧監視システム（TPMS（Tire Pressure Monitoring System ））として知られている。

特許第４１２４３７３号公報 特許第５２４６０７７号公報 特許第５８７８６１２号公報 特許第６１４５２４５号公報 特開２０１８−００９９７４号公報

タイヤやホイールは、走行時は回転しているため、これらに取り付けられたセンサからの信号を車体本体に、走行中に安定して通信することは難しい。例えばスリップリングを介して信号伝達させる場合は、スリップリングのブラシ部で発生するノイズの影響を受け、またブラシ摩耗による寿命の問題もある。
このようなことから、前記タイヤ空気圧監視システムでは、電波を用いた無線による信号送信が行われている。しかし、無線のようにアンテナを用いた信号通信の場合、タイヤ・ホイールの回転時に、アンテナも一緒に高速移動するため、フェージングやドップラ効果により安定した送受信が困難となる問題がある。また無線通信の場合、電力消費が大きいことからその低減ニーズがある。また無線通信の場合、使用する複数の周波数に対応するためにアンテナ構造が複雑になったり、波長の問題から信号伝達手段が大きくなったりし、これらの結果、信号伝達手段の重量が重くなると言う問題もある。

この発明は、上記の問題を解決するものであり、その目的は、タイヤやホイールに取り付けられたセンサの信号を、アンテナなしで、走行中でも安定して、少ない消費電力で車体側に通信できる信号伝達機能付きハブベアリング装置を提供することである。

この発明の信号伝達機能付きハブベアリング装置は、固定輪および回転輪を有し、前記回転輪にホイールが取付けられるハブベアリングと、前記ホイールおよびこのホイールに装着されるタイヤのいずれか一方または両方に配置されたセンサの信号を前記固定輪と回転輪の間で伝達する信号伝達手段とを備え、
前記信号伝達手段は、前記固定輪と回転輪とにそれぞれ取付けられて互いに非接触で対面する電極の間で電界通信により信号伝達を行う。

この構成によると、タイヤやホイールに取付けられたセンサからの信号、つまり出力情報を、ハブベアリングの固定輪と回転輪の間でワイヤレスの信号伝達手段で伝送するため、従来は困難であった走行中のリアルタイムモニタリングが可能になる。
前記信号伝達手段として、相対して非接触で配置した電極間での静電結合による電界通信を利用した形式を用いるため、ホイールの回転中でも、電極は常に相対しており、このことから、従来のアンテナを用いて電波で通信する無線通信とは異なり、安定した通信を、アンテナを使うことなく、非接触で行うことが可能となる。
無線通信ではなく、静電結合を利用した電界通信であるため、低消費電力での信号伝達が可能になる。
また、ハブベアリングに前記信号伝達手段を備えるため、信号伝達手段の設置が容易に行える。

前記信号伝達手段の前記電界通信は、平衡伝送方式であってもよい。
平衡伝送方式にすることで、外部ノイズの影響を受け難くなり、かつ回転側でグランド（GND ）電位が簡単に再生でき、そのためシンプルな構成の装置にできる。

前記信号伝達手段の前記電界通信における信号の変調方式が周波数変調方式であってもよい。
周波数変調方式であると、非同期通信のため回路構造がシンプルであり、かつノイズにも強い。

前記信号伝達手段の前記電界通信における通信方式として、スペクトラム拡散方式を用いてもよい。
スペクトラム拡散方式によると、広帯域通信であるため、ノイズに対して強い。

この発明の信号伝達機能付きハブベアリング装置において、前記固定輪の電極と回転輪の電極とは、それぞれリング状に形成されて互いに前記ハブベアリングの径方向に対面していてもよい。
径方向に対面させる場合は、例えば、ハブベアリングの回転輪が、ハブフランジを有し内輪となるハブ輪である場合に、外輪の外周におけるハブフランジに隣接する空間を信号伝達手段の電極の配置空間として利用することで、空間の有効利用が図れ、信号伝達機能付きハブベアリング装置の全体をコンパクトに構成することができる。

また、この発明の信号伝達機能付きハブベアリング装置において、前記固定輪の電極と回転輪の電極とは、それぞれリング状に形成されて互いに前記ハブベアリングの軸方向に対面していてもよい。
ハブベアリングの形式によって、固定輪と回転輪の端面間に軸方向に余裕のある空間が生じている形式があり、このような形式のハブベアリングの場合、前記電極を軸方向に対面して配置することで、ハブベアリング内の空間を有効利用し、コンパクトな構成の信号伝達機能付きハブベアリング装置とすることができる。

この発明の信号伝達機能付きハブベアリング装置は、固定輪および回転輪を有し、前記回転輪にホイールが取付けられるハブベアリングと、前記ホイールおよびこのホイールに装着されるタイヤのいずれか一方または両方に配置されたセンサの信号を前記固定輪と回転輪の間で伝達する信号伝達手段とを備え、前記信号伝達手段は、前記固定輪と回転輪とにそれぞれ取付けられて互いに非接触で対面する電極の間で電界通信により信号伝達を行うため、タイヤやホイールに取り付けられたセンサの信号を、アンテナなしで、走行中でも安定して、少ない消費電力で車体側に通信することができる。

この発明の第１の実施形態に係る信号伝達機能付きハブベアリング装置の部分断面図である。 同信号伝達機能付きハブベアリング装置における信号伝達手段のブロック図である。 この発明の他の実施形態に係る信号伝達機能付きハブベアリング装置の部分断面図である。

この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。この信号伝達機能付きハブベアリング装置は、ハブベアリング１と、ホイール２およびこのホイール２に装着されるタイヤ３のいずれか一方または両方に配置されたセンサ４の信号を、前記ハブベアリング１の回転輪５と固定輪６ の間で伝達する信号伝達手段７とを備える。

ハブベアリング１は、回転輪５と固定輪６の間にボール等の転動体８が複列に介在し、これら転動体８は保持器９に保持されている。転動体８は、保持器９により保持され、軸受空間の両端はシール１２，１３で密封されている。
ハブベアリング１は、この実施形態では内輪回転で第３世代型であり、外輪である固定輪６は、外周面に設けられた車体取付フランジ１４が、ナックル等のハブベアリング支持部品１５に取付ボルト１６により取付けられている。回転輪５は、ハブフランジ１７を有するハブ輪５ａと、このハブ輪５ａのインボード側端の外周に嵌合した内輪５ｂとでなり、ハブ輪５ａおよび内輪５ｂに前記転動体８の転走溝が形成されている。
ハブベアリング１の前記ハブフランジ１７に、ブレーキロータ１８と重ねて前記ホイール２が取り付けられ、これらホイール２とブレーキロータ１８とは、周方向の複数箇所でハブボルト１９によりハブフランジ１７に取付けられている。

前記センサ４は、ホイール２またはタイヤ３に作用している物理量を検出する手段であり、例えば、タイヤ３の空気圧を検出する空気圧センサや、ホイール２の振動を検出する路面状況検出用の加速度センサ、温度センサ等である。

前記信号伝達手段７は、前記固定輪６と回転輪５とにそれぞれ取付けられた互いに空間を隔てて対面するリング状の電極２１，２２を静電結合させる電界通信により信号伝達を行う。
具体的には、センサ４が出力するセンサ信号の大きさに応じて送信側電極２１に供給する電圧を変化させ、静電結合された受信側電極２２で送信側電極２１の電圧の変化を検知することで信号伝達させる。
電界通信方式を採用することで、電極２１，２２間の電極間距離を０〜５０cmほど離しても信号通信が可能であり、非接触通信を実現できる。
なお、信号伝達手段７とセンサ４との間は、ホイール２の表面に沿って設けられた配線（図示せず）によって接続されている。
また、送信側電極２２では電極の電圧を変動させ、空間の電界を変化させるだけであり、送信側では電流は実質流れないことから、通常の無線通信と比べて極めて低い電力で信号通信が可能である。

前記電極２１，２２の取付箇所は、回転輪６が回転しても常に電極２１，２２が対面する箇所であれば、何処でもよいが、この例では、回転側の電極２１は、ハブフランジ１７の側面に取付けたリング状の電極保持部品２９における円筒部２９ａの内周面に取付けている。固定側の電極２２は、回転側の電極２１と径方向に対面させて、外輪となる固定輪６の外周面に取付けている。

この実施形態では、対面させる電極２１，２２に関し、送信側は供給する電圧が差動に対応する２種類の電極２１ａ，２１ｂを設け、受信側はこれら２ラインに対応する２種類の電極２２ａ，２２ｂを設けた平衡伝送方式としている。
電極２１，２２として、通常のシングル・エンド方式としても通信はできるが、平衡伝送方式とすることで、外部ノイズに強くなり、かつ、受信側のみでグランド（GND （基準））電圧を再生することができることから、ハブベアリング装置には平衡伝送方式が好適である。
電極２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂの固定輪６および回転輪５への設置は、それぞれの電極２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂが短絡しないように絶縁シート２３等の絶縁手段を介して行う。絶縁シート２３は、誘電率が高いほど、送−受信電極２１，２２間での電送効率が高くなるため好ましく、例えば比誘電率８０以上の高誘電率シートを用いている。

図２に、一例として平衡伝送方式とした信号伝達手段７の回路例を示す。この例は、センサ４により検出された信号を、信号処理・送信手段２４で平衡伝送するための信号に変調する場合の回路構成である。信号処理・送信手段２４は、センサ信号で搬送波を変調する変調手段、および増幅を行うドライバ回路を有する。ハブベアリング１の固定輪６には電極２２で受信したセンサ信号を復調する受信機２５が設けられ、復調した信号は、車両の車内ネットワーク（図示せず）を介して、車両の統括制御を行うＥＣＵ（図示せず）等に送られる。
信号伝達手段７の搬送周波数は、電極２１，２２間での通信に問題が無い限り技術的には特に制限はないが、ＵＨＦ帯が、一般に広く用いられていて好ましい。

この信号伝達手段７は、信号伝達に、必要に応じて、例えばノイズ対策としてスペクトラム拡散方式などの広帯域通信を用いても良い。スペクトラム拡散は、周波数の占有帯域が変調前の搬送波に比べて数十倍に広がる変調方式であり、受信する側で送信する側と同じ拡散符号を使って復調する。
また、信号伝達手段７は、変調方式として、周波数変調方式を採用してもよい。周波数変調方式は、非同期通信のため回路構造がシンプルであり、ノイズにも強いことから好ましい。
これらの変調方式を用いることで、例えばイグニッションコイル等から発生する特定周波数のノイズの影響を受け難くすることが出来る。

信号伝達手段７の信号処理・送信手段２４等を駆動する電源装置２６は、電池であってもよく、またワイヤレス給電手段であってもよい。ワイヤレス給電には、電界共鳴（電界結合）方式を用いてもよく、この他に、電磁結合を用いた電磁誘導方式、マイクロ波を用いた電波受信方式、磁場共鳴方式等であってもよい。
電源手段２６では、センサ信号の送信の場合のようなノイズの影響が低いため、種々のワイヤレス給電を採用することができる。

この構成の信号伝達機能付きハブベアリング装置によると、信号伝達手段７として、相対して非接触で配置した電極２１，２２間での静電結合による電界通信を利用しており、ホイール２の回転中でも、電極２１，２２は常に相対していることから、従来のアンテナによる無線通信とは異なり安定した通信を、アンテナを使うことなく、非接触で行うことが可能となる。
また、信号伝達手段７による通信は、無線通信ではなく、静電結合を利用した電界通信であるため、消費電力も著しく小さくできる。さらに平衡伝送方式にすることで、外部ノイズの影響を受けにくくなり、かつ回転側でグランド（GND ）電位が簡単に再生できるため、シンプルな構成の装置にできる。

図３ は、この発明における他の実施形態を示す。この実施形態は、外輪回転のハブベアリング１Ａに適用した例であり、外輪からなる回転輪５Ａの外周面に、ホイール２を取付けるハブフランジ１７Ａを有している。信号伝達手段７の電極としては、回転側となる送信側の電極２１と固定側となる受信側の電極２２とは、軸方向に対面させている。
具体的には、送信側の電極２１は、外輪からなる回転輪５Ａの端面に取付けられた端板５Ａａの側面に、リング状の電極保持部品４１を介して取付けられ、受信側の電極２２は、内輪となる固定輪６Ａの端面に、リング状の電極保持部品４２を介し、送信側の電極２１と軸方向に対面して取付けられている。

この実施形態においても、前記電極２１，２２として、送信側の差動電圧を供給するプラス側およびマイナス側の電極２１ａ，２１ｂと、受信側のプラス側およびマイナス側の電極２２ａ，２２ｂが設けられている。
また、図示を省略するが、前記実施形態と同様に、それぞれの電極２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂが短絡しないように、絶縁シート等で絶縁を行っている。
この実施形態におけるその他の構成効果は、第１の実施形態と同様である。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…ハブベアリング
１Ａ…ハブベアリング
２…ホイール
３…タイヤ
４…センサ
５…固定輪
６…回転輪
７…信号伝達手段
１７…ハブフランジ
１７Ａ…ハブフランジ
１８…ブレートロータ
２１，２１ａ，２１ｂ…送信側の電極
２２，２２ａ，２２ｂ…受信側の電極
２３…絶縁シート
２４…信号処理・送信手段
２５…受信機

Claims (6)

1. 固定輪および回転輪を有し、前記回転輪にホイールが取付けられるハブベアリングと、前記ホイールおよびこのホイールに装着されるタイヤのいずれか一方または両方に配置されたセンサの信号を前記固定輪と回転輪の間で伝達する信号伝達手段とを備え、
   前記信号伝達手段は、前記固定輪と回転輪とにそれぞれ取付けられた互いに非接触で対面する電極の間で電界通信により信号伝達を行う信号伝達機能付きハブベアリング装置。
2. 請求項１に記載の信号伝達機能付きハブベアリング装置において、前記信号伝達手段の前記電界通信が、平衡伝送方式である信号伝達機能付きハブベアリング装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の信号伝達機能付きハブベアリング装置において、前記信号伝達手段の前記電界通信における信号の変調方式が周波数変調方式である信号伝達機能付きハブベアリング装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の信号伝達機能付きハブベアリング装置において、前記信号伝達手段の前記電界通信における通信方式に、スペクトラム拡散方式を用いる信号伝達機能付きハブベアリング装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の信号伝達機能付きハブベアリング装置において、前記固定輪の電極と回転輪の電極とは、それぞれリング状に形成されて互いに前記ハブベアリングの径方向に対面する信号伝達機能付きハブベアリング装置。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の信号伝達機能付きハブベアリング装置において、前記固定輪の電極と回転輪の電極とは、それぞれリング状に形成されて互いに前記ハブベアリングの軸方向に対面する信号伝達機能付きハブベアリング装置。

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