JP3988702B2

JP3988702B2 - センサ付きハブユニット

Info

Publication number: JP3988702B2
Application number: JP2003307597A
Authority: JP
Inventors: 健一上月; 桂小八木; 昌弘井上
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2005077236A

Description

この発明は、自動車を構成するハブユニットと自動車の各種情報を検出するセンサ装置とが一体化されたセンサ付きハブユニットに関する。

自動車においては、その制御を行うために種々の情報が必要であることから、車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、および両部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットに、センサ装置を設けることが提案されている。例えば、特許文献１には、車体側軌道部材の内端面に環状の支持部材を取り付け、この環状支持部材に歪みセンサを貼り付けたセンサ付きハブユニットが開示されている。

近年、自動車の制御手段として、ＡＢＳ制御（アンチロックブレーキシステム）に加えて、発進時や加速時に駆動輪をスピンさせない駆動力制御やコーナリング時の横滑りを抑制するブレーキ力制御などが実施されているが、より精度のよい制御を行うために、これらの制御に有効に使用できるデータの検出が重要となっている。このような実情に鑑み、本発明者らは、タイヤ（車輪）にかかる接地荷重を精度よく測定して、車両制御の向上を図るという課題を創出した。

これに対し、特許文献１のセンサ付きハブユニットでは、環状支持部材の歪みを測定するものであるので、この歪みから接地荷重を求める場合に、誤差が大きくなり、歪みセンサの測定値から精度よく接地荷重を得ることができないという問題があった。そこで、本発明者は、磁歪センサを利用して接地荷重を精度よく求めることを提案した（特許文献２）。
特開平３−２０９０１６号公報特願２００２−１４２４１７

上記特許文献２のセンサ付きハブユニットによると、磁歪センサを取り付ける箇所が適切である場合には、期待通りの効果が得られるが、磁歪センサを取り付ける箇所が不適切であると、検知される逆磁歪効果が小さくなり、その結果、得られる接地荷重の誤差が大きくなることがあった。

この発明の目的は、ハブユニットにおける逆磁歪効果が大きくなる箇所を特定することにより、磁歪センサの取付け位置を適正化し、これにより、磁歪センサを使用して接地荷重を精度よく求めることができるセンサ付きハブユニットを提供することにある。

この発明によるセンサ付きハブユニットは、車体側に固定される車体側軌道部材、車輪取付け用のフランジを有する内軸および内軸に嵌められた内輪を有し車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、ならびに両軌道部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットと、センサ装置とを備えているセンサ付きハブユニットにおいて、センサ装置は、逆磁歪効果を検知する磁歪センサを有し、磁歪センサは、内輪の最上部における引張り歪みを測定可能なように、車体側軌道部材に取り付けられ、磁歪センサの出力からタイヤ接地荷重および回転速度が検出されていることを特徴とするものである。

磁歪センサは、逆磁歪効果（物質が歪むあるいは変形すると磁力が現れる現象）を計測するセンサであり、磁歪センサとしては、例えば、透磁率の高い磁性線に高周波電流を印加したときの磁性線両端間のインピーダンスが外部磁場によって変化する電磁気現象を利用して外部磁場を計測する磁気インピーダンスセンサ（ＭＩセンサ）、インピーダンスが応力により変化することを利用した応力インピーダンスセンサ（ＳＩセンサ）などが挙げられる。

走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴って、各タイヤに掛かる接地荷重が変動するが、この際、転動体が車輪側軌道部材および車体側軌道部材に及ぼす力が接地荷重に応じて変化する。この力の変化は、転動体近傍の車輪側軌道部材および車体側軌道部材の歪み変動量として現れ、磁歪センサは、この歪みの変動量から逆算して、接地荷重の変動量を求めることができる。また、転動体が公転することによって、歪みは、転動体の数および回転速度に応じた周波数で繰り返されることになり、この繰り返し数を使用することにより、ハブユニットの回転情報（回転速度や回転総数等）を求めることができる。

タイヤに接地荷重が作用すると、ハブユニット各部には圧縮または引張りの歪みが生じる。通常、ハブユニットの二列の転動体間の中央を通る鉛直線は、タイヤの中心を通る鉛直線よりも軸方向外側にあり、内軸および内輪からなる車輪側軌道部材を有しているハブユニットでは、車体側に近い内輪に相対的に大きな歪みが生じる。この内輪の歪みは、接地中心の反対側である最上部において最大となる引張り方向の歪みとなる。したがって、この内輪の引張り歪みを検知するように磁歪センサを配置することにより、より大きな逆磁歪効果を検知することができる。

磁歪センサは、内輪の軸方向の引張り歪みを測定可能なように、内輪の肩部端面に臨まされていることがあり、また、磁歪センサは、内輪の径方向の引張り歪みを測定可能なように、内輪の肩部外周面に臨まされていることがある。いずれの場合でも、引張り歪みの方向に対してこれと同じ方向から逆磁歪効果を測定することができ、磁歪センサの最大感度での測定が可能となる。

この発明のセンサ付きハブユニットによると、磁歪センサが転動体近傍の内輪の圧縮歪みに伴う逆磁歪効果を検出するので、逆磁歪効果が大きい箇所での測定となり、したがって、接地荷重を精度よく検出することができる。こうして得られたタイヤ接地荷重は、ＡＢＳ制御におけるスリップ率の代替えデータとして使用されるほか、駆動力制御やブレーキ力制御などにおいて使用され、車両制御の精度向上に資することができる。さらに、歪み変化の繰り返し数から車輪の回転数、回転速度などを検出することにより、１つのセンサを使用して、２種類の重要な車両制御データを得ることができる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は、この発明のセンサ付きハブユニットの第１実施形態を示している。以下の説明において、左右は図１の左右をいうものとする。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。

このセンサ付きハブユニットは、ハブユニット(1)と、その回転および接地荷重を検出するセンサ装置(2)とを備えている。

ハブユニット(1)は、車体側に固定される車体側軌道部材(3)、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材(4)、両部材(3)(4)の間に２列に配置された複数の転動体である玉(5)、および各列の玉(5)をそれぞれ保持する保持器(6)を備えている。

車体側軌道部材(3)は、軸受の外輪（固定輪）機能を有しているもので、内周面に２列の外輪軌道が形成されている円筒部(12)と、円筒部(12)の左端部近くに設けられて懸架装置（車体）にボルトで取り付けられるフランジ部(13)とを有している。

車輪側軌道部材(4)は、第１の軌道溝(15a)を有する大径部(15)および第１の軌道溝(15a)の径よりも小さい外径を有する小径部(16)を有している内軸(14)と、内軸(14)の小径部(16)外径に嵌め止められて右面が内軸(14)の大径部(15)左面に密接させられている内輪(17)とからなる。内軸(14)の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト(19)が固定されたフランジ部(18)が設けられている。内輪(17)の右部には、内軸(14)の軌道溝(15a)と並列するように、軌道溝(17a)が形成されており、内輪(17)の左部に肩部(17b)が形成されている。車体側軌道部材(3)の右端部と内軸(14)との間には、シール装置(20)が設けられている。内軸(14)の小径部(16)の左端部には、おねじ部が設けられており、このおねじ部にねじ合わされたナット(21)によって、内輪(17)が内軸(14)に固定されている。車体側軌道部材(3)の左端部には、カバー(22)が被せ止められている。

センサ装置(2)は、車体側軌道部材(3)に取り付けられた支持部材(7)と、支持部材(7)に取り付けられた磁歪センサ(8)と、磁歪センサ(8)の出力を処理する処理手段（図１には現れず、図７参照）とを備えている。そして、磁歪センサ(8)は、磁気インピーダンスセンサとされており、そのセンシング面は、車輪側軌道部材(4)の内輪(17)の最上部の左端面における引張り歪みを測定するように、内輪(17)の最上部左端面に径方向外方から臨まされている。

タイヤに接地荷重が作用すると、ハブユニット(1)各部には圧縮または引張りの歪みが生じる。通常、ハブユニット(1)の二列の玉(5)間の中央を通る鉛直線(C)は、タイヤの中心(O)を通る鉛直線よりも軸方向外側にあり、内軸(14)および内輪(17)からなる車輪側軌道部材(4)を有している上記のハブユニット(1)では、車体側に近い内輪(17)に相対的に大きな歪みが生じる。この内輪(17)の歪みは、接地中心の反対側である最上部において最大となる引張り方向の歪みとなる。磁歪センサ(8)は、圧縮歪みに対しては、これに直交する方向から、また、引張り歪みに対しては、これと同じ方向から臨まされたときに最大の感度を示す。したがって、図１に示すように、この内輪(17)の左端面の径方向引張り歪みを検知するように、磁歪センサ(8)を内輪肩部(17b)の最上部の軸方向内側端部のすぐ外方に配置することにより、大きな逆磁歪効果が検知される。

タイヤの接地荷重が変動すると、玉(5)に掛かる力が変動し、内輪(17)の肩部(17b)の玉近傍部は、玉(5)から受ける力によって生じる歪みの変化に伴って、逆磁歪効果を生む。この逆磁歪効果に伴う磁歪センサ(8)の出力電圧は、図５に示すように周期的に変化する。また、平均化された磁歪センサ(8)の電圧と接地荷重との関係は、図６に示すように、直線関係にある。

ここで、玉(5)の公転数Ｎｂと車輪側軌道部材(4)の回転数Ｎｉとの間には、接触角が小さいとして、Ｎｂ≒Ｎｉ／２の関係があるので、歪みの周期（Ｔｉ）に玉(5)の数を掛けさらに２倍したものが車輪側軌道部材(4)の１回転に要する時間となる。したがって、歪み変化の繰り返し数から車輪側軌道部材(4)の回転数を求めることができる。なお、接触角がαであるときの転動体の公転数Ｎｂと内輪の回転数Ｎｉとの関係は、Ｄを転動体のピッチ径、ｄを転動体の直径として、Ｎｂ＝（１−ｄcosα／Ｄ）Ｎｉ／２となる。

したがって、図７に示すように、処理手段(10)の回転検出部(10a)において、ギャップの変化の繰り返し数から車輪側軌道部材(14)の回転数を求めることができる。一方、内輪(17)の肩部(17b)の逆磁歪効果の振幅は、処理手段(10)のアベレージング部(10b)において平均化される。平均化された磁歪センサ(8)の電圧と接地荷重との関係が直線関係にあることから、この直線式を予めメモリに記憶させておくことにより、処理手段(10)の接地荷重演算部(10c)において、磁歪センサ(8)の電圧平均値から接地荷重を求めることができる。得られた接地荷重の変動量は、車両制御手段に出力され、車両に適正な制御が施される。

図２は、この発明のセンサ付きハブユニットの第２実施形態を示している。この第２実施形態のセンサ付きハブユニットは、センサ装置の構成が第１実施形態のものと異なっており、以下の説明においては、同じ構成には同じ符号を付しその説明を省略する。

第２実施形態のセンサ付きハブユニットのセンサ装置(2)は、車体側軌道部材(3)に取り付けられた支持部材(7)と、支持部材(7)に取り付けられた磁歪センサ(9)と、磁歪センサ(9)の出力を処理する処理手段（図２には現れず、図７参照）(10)とを備えている。そして、磁歪センサ(9)は、磁気インピーダンスセンサとされており、そのセンシング面は、車輪側軌道部材(4)の内輪(17)の最上部の外周面における引張り歪みを測定するように、車輪側軌道部材(4)の内輪肩部(17b)の最上部の左端面に軸方向左方から臨まされている。こうして、内輪(17)の軸方向引張り歪みを検知するように、磁歪センサ(9)を内輪肩部(17b)の最上部のすぐ左方に配置することにより、大きな逆磁歪効果が検知される。

したがって、図７に示すように、処理手段(10)の回転検出部(10a)において、ギャップの変化の繰り返し数から車輪側軌道部材(14)の回転数を求めることができる。一方、内輪(17)の肩部(17b)の逆磁歪効果の振幅は、処理手段(10)のアベレージング部(10b)において平均化される。平均化された磁歪センサ(9)の電圧と接地荷重との関係が直線関係にあることから、この直線式を予めメモリに記憶させておくことにより、処理手段(10)の接地荷重演算部(10c)において、磁歪センサ(9)の電圧平均値から接地荷重を求めることができる。得られた接地荷重の変動量は、車両制御手段に出力され、車両に適正な制御が施される。

図３は、この発明のセンサ付きハブユニットの第３実施形態を示している。

このセンサ付きハブユニットは、ハブユニット(31)と、その回転および接地荷重を検出するセンサ装置(32)とを備えている。

ハブユニット(31)は、車体側に固定される車体側軌道部材(33)、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材(34)、両部材(33)(34)の間に２列に配置された複数の転動体である玉(35)、および各列の玉(35)をそれぞれ保持する保持器(36)を備えている。

車体側軌道部材(33)は、軸受の外輪（固定輪）機能を有しているもので、内周面に２列の外輪軌道が形成されている円筒部(42)と、円筒部(42)の左端部近くに設けられて懸架装置（車体）にボルトで取り付けられるフランジ部(43)とを有している。

車輪側軌道部材(34)は、第１の軌道溝(45a)を有する大径部(45)および第１の軌道溝(45a)の径よりも小さい外径を有する小径部(46)を有している内軸(44)と、内軸(44)の小径部(46)外径に嵌め止められて右面が内軸(44)の大径部(45)左面に密接させられている内輪(47)とからなる。内軸(44)の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト(49)が固定されたフランジ部(48)が設けられている。内輪(47)の右部には、内軸(44)の軌道溝(45a)と並列するように、軌道溝(47a)が形成されており、内輪(47)の左部に肩部(47b)が形成されている。車体側軌道部材(33)の右端部と内軸(44)との間には、シール装置(50)が設けられている。内軸(44)の小径部(46)の左端部は、かしめられており、このかしめ部(51)によって、内輪(47)が内軸(44)に固定されている。

センサ装置(32)は、車体側軌道部材(33)に取り付けられた支持部材(37)と、支持部材(37)に取り付けられた磁歪センサ(38)と、磁歪センサ(38)の出力を処理する処理手段（図３には現れず、図７参照）とを備えている。そして、磁歪センサ(38)は、磁気インピーダンスセンサとされており、そのセンシング面は、車輪側軌道部材(4)の内輪(17)の最上部の左端面における引張り歪みを測定するように、内輪(17)の最上部左端面に径方向外方から臨まされている。

タイヤに接地荷重が作用すると、ハブユニット(31)各部には圧縮または引張りの歪みが生じる。通常、ハブユニット(31)の二列の玉(35)間の中央を通る鉛直線(C)は、タイヤの中心(O)を通る鉛直線よりも軸方向外側にあり、内軸(44)および内輪(47)からなる車輪側軌道部材(44)を有している上記のハブユニット(31)では、車体側に近い内輪(47)に相対的に大きな歪みが生じる。この内輪(47)の歪みは、接地中心の反対側である最上部において最大となる引張り方向の歪みとなる。磁歪センサ(38)は、圧縮歪みに対しては、これに直交する方向から、また、引張り歪みに対しては、これと同じ方向から臨まされたときに最大の感度を示す。したがって、図３に示すように、この内輪(47)の左端面の径方向引張り歪みを検知するように、磁歪センサ(38)を内輪肩部(47b)の最上部の軸方向内側端部のすぐ外方に配置することにより、大きな逆磁歪効果が検知される。

図４は、この発明のセンサ付きハブユニットの第４実施形態を示している。この第４実施形態のセンサ付きハブユニットは、センサ装置の構成が第３実施形態のものと異なっており、以下の説明においては、同じ構成には同じ符号を付しその説明を省略する。

第４実施形態のセンサ付きハブユニットのセンサ装置(32)は、車体側軌道部材(33)に取り付けられた支持部材(37)と、支持部材(37)に取り付けられた磁歪センサ(39)と、磁歪センサ(39)の出力を処理する処理手段（図４には現れず、図７参照）とを備えている。そして、磁歪センサ(39)は、磁気インピーダンスセンサとされており、そのセンシング面は、車輪側軌道部材(4)の内輪(17)の最上部の外周面における引張り歪みを測定するように、車輪側軌道部材(34)の内輪肩部(47b)の最上部の左端面に軸方向左方から臨まされている。こうして、内輪(47)の軸方向引張り歪みを検知するように、磁歪センサ(39)を内輪肩部(47b)の最上部のすぐ左方に配置することにより、大きな逆磁歪効果が検知される。

第３および第４の実施形態の処理手段は、図７に示した第１および第２実施形態のものと同じであるので、その説明は省略する。

上記第１から第４までの各実施形態において、車体側軌道部材(3)(33)および車輪側軌道部材(4)(34)は、鉄系磁性体である機械構造用炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）製、転動部材(5)は、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）またはセラミックス製、保持器(6)は、樹脂製（ポリアミド６６）とされている。ここで、転動部材(5)をセラミックス製とする場合、車体側軌道部材(3)(33)および車輪側軌道部材(4)(34)が磁性を有しているのに対し、転動部材(5)(35)および保持器(6)(36)は、非磁性材料によって形成されていることから、内輪(17)(47)および内軸(14)(44)の回転に伴ってこれらが磁歪センサ(8)(9)(38)(39)に対し近づいたり遠ざかったりしても、内輪(17)(47)の肩部(17b)(47b)近傍および内軸(14)(44)の玉近傍部の磁場には影響を及ぼさないため、玉(5)(35)および保持器(6)(36)の回転に起因する誤差（ノイズ）が生じず、高感度の磁歪センサ(8)(9)(38)(39)が検知するデータに含まれる誤差を非常に小さくすることができる。こうして、このセンサ付きハブユニットによると、磁歪センサ(8)(9)(38)(39)によって、ハブユニット(1)(31)の回転（回転数、回転速度、回転角度など）が求められるとともに、ハブユニット(1)(31)にかかる力が精度よく検出される。

この発明によるセンサ付きハブユニットの第１実施形態を示す縦断面図である。この発明によるセンサ付きハブユニットの第２実施形態を示す縦断面図である。この発明によるセンサ付きハブユニットの第３実施形態を示す縦断面図である。この発明によるセンサ付きハブユニットの第４実施形態を示す縦断面図である。磁歪センサの出力の一例を示す図である。磁歪センサの出力と荷重との関係を示すグラフである。この発明によるセンサ付きハブユニットのセンサ装置のブロック図である。

符号の説明

(1)(31) ハブユニット
(2)(32) センサ装置
(3)(33) 車体側軌道部材
(4)(34) 車輪側軌道部材
(5)(35) 玉（転動体）
(8)(38) 径方向引張り歪み測定用磁歪センサ
(9)(39) 軸方向引張り歪み測定用磁歪センサ
(17)(37) 内輪
(17b)(37b) 内輪肩部

Claims

車体側に固定される車体側軌道部材、車輪取付け用のフランジを有する内軸および内軸に嵌められた内輪を有し車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、ならびに両軌道部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットと、センサ装置とを備えているセンサ付きハブユニットにおいて、
センサ装置は、逆磁歪効果を検知する磁歪センサを有し、磁歪センサは、内輪の最上部における引張り歪みを測定可能なように、車体側軌道部材に取り付けられ、磁歪センサの出力からタイヤ接地荷重および回転速度が検出されることを特徴とするセンサ付きハブユニット。
磁歪センサは、内輪の軸方向の引張り歪みを測定可能なように、内輪の肩部端面に臨まされている請求項１のセンサ付きハブユニット。
磁歪センサは、内輪の径方向の引張り歪みを測定可能なように、内輪の肩部外周面に臨まされている請求項１のセンサ付きハブユニット。