JP4925770B2 - センサ付車輪用軸受 - Google Patents

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が提案されている（例えば特許文献１）。
特表２００３−５３０５６５号公報

車輪用軸受の外輪は、転走面を有し、強度が求められる部品であって、塑性加工や、旋削加工、熱処理、研削加工などの複雑な工程を経て生産される軸受部品であるため、特許文献１のように外輪に歪みゲージを貼り付けるのでは、生産性が悪く、量産時のコストが高くなるという問題点がある。また、外輪の歪みを感度良く検出することが難しく、その検出結果を車両走行時の姿勢制御に利用した場合、制御の精度が問題となる。

そこで、センサ取付部材に歪みセンサを取付けてセンサユニットとし、このセンサユニットを外輪の周面に取付けることを試みた。試行錯誤の結果、外輪歪みの検出感度を向上させるためには、センサ取付部材は外輪に対して２箇所の接触固定部を有するものであって、これら接触固定部のうち片方の接触固定部を外輪のフランジ面に固定し、もう片方の接触固定部を外輪の外周面に固定するのが良いことが分かった。しかし、このようにセンサユニットを設けるには、複雑な形状をしたセンサ取付部材を要する。センサ取付部材の形状が複雑であると、生産性が悪くなり、量産時のコスト低減を実現できない。
また、センサユニットの信頼性を向上させたためには、歪みセンサをセンサ取付部材の表面に貼り付けるのではなく、歪みセンサはセンサ取付部材の表面に一体に形成された圧膜抵抗体とするのが好ましい。しかし、センサ取付部材が複雑な形状であると、歪みセンサを圧膜抵抗体にて形成するのが困難である。

この発明の目的は、車両にコンパクトに荷重検出用のセンサを設置できて、車輪にかかる荷重を感度良く検出でき、量産時のコストが安価とな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、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体と、前記外方部材と前記内方部材との間の端部を密封する密封装置とを備え、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、センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた少なくとも１つ以上の歪みセンサからなるセンサユニットを、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に取付けたものであり、前記センサ取付部材の両端と前記固定側部材との間に、それぞれ第１および第２の取付用部材を介在させ、前記センサ取付部材は、第１の取付用部材に接触固定される第１の接触固定部と、第２の取付用部材に接触固定される第２の接触固定部とを有し、前記センサ取付部材は、径方向に沿った径方向部位と、軸方向に沿った軸方向部位とでＬ字の形状に構成され、径方向部位の先端側の部分が前記第１の接触固定部とされ、軸方向部位の先端側の部分が前記第２の接触固定部とされ、前記径方向部位は、軸方向部位に比べ、剛性が低くなるよう肉厚を薄くし、歪みセンサは前記径方向部位に取付けられ、前記センサユニットは、第１および第２の取付用部材により、第１および第２の接触固定部が外方部材の周方向に対して同位相の位置となるように、外方部材の外周部に固定されることを特徴とする。

車両走行に伴い回転側部材に荷重が加わると、転動体を介して固定側部材が変形し、その変形は、取付用部材を介してセンサユニットに歪みをもたらす。センサユニットに設けられた歪みセンサは、センサユニットの歪みを検出する。歪みと荷重の関係を予め実験やシミュレーションで求めておけば、歪みセンサの出力から車輪にかかる荷重を検出することができる。また、この検出した荷重を自動車の車両制御に使用することが出来る。
この車輪用軸受は、センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた歪みセンサからなるセンサユニットを、取付用部材を介して固定側部材に取付ける構成としたため、荷重検出用のセンサを車両にコンパクトに設置できる。センサ取付部材と固定側部材との間に取付用部材を介在させることにより、センサ取付部材を簡略な形状とすることができる。形状の簡略なセンサ取付部材に歪みセンサを取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。また、センサ取付部材が簡略な形状であるため、センサ取付部材の表面に歪みセンサを圧膜抵抗体にて形成するのが容易である。歪みセンサを圧膜抵抗体とすることで、センサユニットの信頼性を向上させることができる。

前記歪みセンサの出力によって、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を推定する作用力推定手段を設けると良い。
作用力推定手段によって得られる車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を自動車の車両制御に使用することにより、きめ細かな車両制御が可能となる。

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、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体と、前記外方部材と前記内方部材との間の端部を密封する密封装置とを備え、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、センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた少なくとも１つ以上の歪みセンサからなるセンサユニットを、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に取付けたものであり、前記センサ取付部材の両端と前記固定側部材との間に、それぞれ第１および第２の取付用部材を介在させ、
前記センサ取付部材は、第１の取付用部材に接触固定される第１の接触固定部と、第２の取付用部材に接触固定される第２の接触固定部とを有し、前記センサ取付部材は、径方向に沿った径方向部位と、軸方向に沿った軸方向部位とでＬ字の形状に構成され、径方向部位の先端側の部分が前記第１の接触固定部とされ、軸方向部位の先端側の部分が前記第２の接触固定部とされ、前記径方向部位は、軸方向部位に比べ、剛性が低くなるよう肉厚を薄くし、歪みセンサは前記径方向部位に取付けられ、
前記センサユニットは、第１および第２の取付用部材により、第１および第２の接触固定部が外方部材の周方向に対して同位相の位置となるように、外方部材の外周部に固定される。このため、車両にコンパクトに荷重検出用のセンサを設置でき、かつ車輪にかかる荷重を感度良く検出できる。また、センサ取付部材を簡略な形状とすることが可能となり、それによって量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。さらに、センサ取付部材が簡略な形状となることで、センサ取付部材の表面に歪みセンサを圧膜抵抗体にて形成して、センサユニットの信頼性を向上させることができる。

この発明の実施形態を図１ないし図３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は、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、各転走面３，４は接触角が外向き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、密封装置７，８により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）におけるナックルに取付けるフランジ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、周方向の複数箇所に車体取付孔１４が設けられている。
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、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。

外方部材１の外周部には、図３に示すセンサユニット２１が設けられている。センサユニット２１は、センサ取付部材２２に、このセンサ取付部材２２の歪みを測定する歪みセンサ２３を取付けたものである。センサユニット２１は、第１および第２の取付用部材４０，４１を介して外方部材１に取付けられる。
センサ取付部材２２は、第１の取付用部材４０に接触固定される第１の接触固定部２２ａと、第２の取付用部材４１に接触固定される第２の接触固定部２２ｂとを有している。センサ取付部材２２は、径方向に沿った径方向部位２２ｃと、軸方向に沿った軸方向部位２２ｄとでＬ字の形状に構成されており、径方向部位２２ｃの先端側が前記第１の接触固定部２２ａとされ、軸方向部位２２ｄの先端側が前記第２の接触固定部２２ｂとされている。径方向部位２２ｃは、軸方向部位２２ｄに比べ、剛性が低くなるよう肉厚を薄くしてある。歪みセンサ２３は、この剛性の低い径方向部位２２ｃに取付けられている。
第１の取付用部材４０は、センサ取付部材２２の第１の接触固定部２２ａと接触固定されるセンサユニット側接触固定部４０ａと、外方部材１の車体取付孔１４の近傍に接触固定される外方部材側接触固定部４０ｂとを有している。また、第２の取付用部材４１は、センサ取付部材２２の第２の接触固定部２２ｂに接触固定されるセンサユニット側接触固定部４１ａと、外方部材１の外周面に接触固定される外方部材側接触固定部４１ｂとを有している。

上記センサユニット２１は、図１および図２に示すように、第１および第２の取付用部材４０，４１により、センサ取付部材２２の第１および第２の接触固定部２２ａ，２２ｂが外方部材１の周方向に対して同位相の位置となるように、外方部材１の外周部に固定される。第１および第２の接触固定部２２ａ，２２ｂを周方向において同位相とすると、センサ取付部材２２の長さを短くすることができるため、センサユニット２１の設置が容易である。

歪みセンサ２３としては、種々のものを使用することができる。例えば、歪みセンサ２３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、センサ取付部材２２に対して接着による固定が行われる。

また、歪みセンサ２３をセンサ取付部材２２上に厚膜抵抗体にて形成することができる。その場合のセンサユニット２１の構造を図４に示す。このセンサユニット２１は、センサ取付部材２２のセンサ取付面２２Ａ上に絶縁層５０が形成され、この絶縁層５０の表面の両側に対を成す電極５１，５１が形成され、これら電極５１，５１の間で前記絶縁層５０の上に歪みセンサとなる歪み測定用抵抗体５２が形成され、さらに電極５１，５１と歪み測定用抵抗体５２の上に保護膜５３が形成された構造となっている。

このセンサユニット２１の製造方法を次に示す。まず、ステンレス鋼等の金属材料で形成されたセンサ取付部材２２の表面にガラス等の絶縁材料を印刷、焼成して絶縁層５０を形成する。次に、絶縁層５０の表面に、導電性材料を印刷、焼成して電極５１，５１を形成する。さらに、電極５１，５１間に、抵抗体となる材料を印刷、焼成して歪み測定用抵抗体５３を形成する。さらに、これら電極５１，５１および歪み測定用抵抗体５２を保護するために、保護膜５３を形成する。

図１に示すように、歪みセンサ２３の出力を処理する手段として、作用力推定手段３１および異常判定手段３２が設けられている。これらの手段３１，３２は、この車輪用軸受の外方部材１等に取付けられた回路基板等に電子回路装置（図示せず）に設けられたものであっても、また自動車の電気制御ユニット（ＥＣＵ）に設けられたものであっても良い。

上記構成のセンサ付車輪用軸受の作用を説明する。ハブ輪９に荷重が印加されると、転動体５を介して外方部材１が変形する。その外方部材１の変形は、第１および第２の取付用部材４０，４１を介してセンサ取付部材２２に伝わり、センサ取付部材２２が変形する。そのセンサ取付部材２２の歪みを歪みセンサ２３により測定する。この際、センサ取付部材２２の径方向部位２２ｃは外方部材１のフランジ１ａの変形に従って変形する。この実施形態の場合、外方部材１と比べ前記径方向部位２２ｃは剛性が低く、かつセンサ取付部材２２は剛性の低い径方向部位２２ｃと剛性の高い軸方向部位２２ｄとで構成されたＬ字形をしているため、径方向部位２２ｃと軸方向部位２２ｄとの間である径方向部位２２ｃ側の角部２２ｅ付近に歪みが集中し、外方部材１よりも大きな歪みとなって現れる。すなわち、径方向部位２２ｃと軸方向部位２２ｄとの間で発生する歪みは、フランジ１ａの基端のＲ部１ｂの歪みを転写かつ拡大したものとなる。この歪みを歪みセンサ２３で測定するため、外方部材１の歪みを感度良く検出でき、歪み測定精度が高くなる。

荷重の方向や大きさによって歪みの変化が異なるため、予め歪みと荷重の関係を実験やシミュレーションにて求めておけば、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を算出することができる。前記作用力推定手段３１は、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた歪みと荷重の関係から、歪センサ２３の出力により、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を算出する。前記異常判定手段３２は、作用力推定手段３１により算出された車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力が、許容値を超えたと判断される場合に、外部に異常信号を出力する。この異常信号を、自動車の車両制御に使用することができる。また、リアルタイムで車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を出力すると、よりきめ細かな車両制御が可能となる。

この車輪用軸受は、センサ取付部材２２およびこのセンサ取付部材２２に取付けた歪みセンサ２３からなるセンサユニット２１を、外方部材１に取付ける構成としたため、荷重検出用のセンサを車両にコンパクトに設置できる。また、センサユニット２１を外方部材１に直接取付けるのではなく、第１および第２の取付用部材４０，４１を介して外方部材１に取付ける構成としたことにより、センサ取付部材２２をＬ字状の簡略な形状とすることができる。センサ取付部材２２が簡略な形状であると、センサ取付部材２２の加工が容易となり、コスト低下が図れる。また、センサ取付部材２２が簡略な形状であると、歪みセンサ２３の固定位置の位置決めを精度良く行うことができる。この実施形態の場合、センサ取付部材２２における歪みセンサ２３を設ける面が平面であるため、センサ取付部材２２への歪みセンサ２３の取付けが容易である。例えば、歪みセンサ２３を圧膜抵抗体にて形成することも比較的容易である。

歪みセンサ２３が金属箔ストレインゲージ等で構成されている場合、通常、センサ取付部材２２に対して接着による固定が行なわれる。しかし、接着による固定は、経年変化による接着強度の低下が歪みセンサ２３の検出に影響を及ぼす可能性がある。また、接着作業に時間を要するため、コストアップの原因ともなる。これに対し、図４に示したように、歪みセンサ２３をセンサ取付部材２２のセンサ取付面２２Ａ上に厚膜抵抗体にて形成したセンサユニット２１とすると、経年変化による接着強度の低下がほとんどないので、信頼性の向上を図ることができる。また、歪みセンサ２３の接着作業が不要であるので、組立作業性を向上してコストダウンを図ることができる。

この実施形態は、センサユニット２１を外方部材１の１箇所にだけ設けた構成としているが、例えば図５に示すように、センサユニット２１を２箇所以上に設けた構成としても良い。センサユニット２１を２箇所以上に設けると、より一層精度の高い荷重の検出が可能となる。

図６および図７は異なる実施形態を示す。この車輪用軸受は、センサ取付部材２２と、第１および第２の取付用部材４０，４１と、外方部材１との固定をボルトを用いて行うものである。図７に示すように、このセンサ取付部材２２は、全体形状は図３に示すセンサ取付部材２２と同じであり、第１の接触固定部２２ａに軸方向のボルト挿通孔７０が形成され、かつ第２の接触固定部２２ｂに径方向のボルト挿通孔７１が形成されている。また、第１の取付用部材４０には、前記ボルト挿通孔７０に対応するボルト挿通孔７２が形成され、第２の取付用部材４１には、前記ボルト挿通孔７１に対応するボルト挿通孔７３が形成されている。さらに、外方部材１には、内周面に雌ねじが形成されたボルト螺着孔７４，７５が、前記ボルト挿通孔７０，７２に対応する位置、および前記ボルト挿通孔７１，７３に対応する位置にそれぞれ形成されている。
図６に示すように、センサユニット２１は、センサ取付部材２２のボルト挿通孔７０および第１の取付用部材４０のボルト挿通孔７２にアウトボード側からボルト７６を挿通し、そのボルト７６の雄ねじ部７６ａを外方部材１のボルト螺着孔７４に螺着させ、またセンサ取付部材２２のボルト挿通孔７１および第２の取付用部材４１のボルト挿通孔７３に外周側からボルト７６を挿通し、そのボルト７６の雄ねじ部７６ａを外方部材１のボルト螺着孔７５に螺着させることにより、外方部材１に固定される。

センサ取付部材２２と、第１および第２の取付用部材４０，４１と、外方部材１との固定については、接着剤およびボルトのいずれを用いても良い。また、両者を併用してもよい。さらには、接着剤やボルトを用いず、溶接でセンサ取付部材２２と外方部材１とを固定しても良い。これらの固定構造のいずれを採用した場合でも、センサ取付部材２２と、第１および第２の取付用部材４０，４１と、外方部材１とを強固に固定することができる。そのため、センサ取付部材２２が外方部材１に対して位置ずれすることがなく、外方部材１の変形をセンサ取付部材２２に正確に伝えることが可能になる。

なお、前記各実施形態では、外方部材１が固定側部材である場合につき説明したが、参考提案例として、内方部材が固定側部材である車輪用軸受にも適用することができ、その場合、センサユニット２１は内方部材の内周となる周面に設ける。
また、前記各実施形態では第３世代型の車輪用軸受に適用した場合につき説明したが、この発明は、軸受部分とハブとが互いに独立した部品となる第１または第２世代型の車輪用軸受や、内方部材の一部が等速ジョイントの外輪で構成される第４世代型の車輪用軸受にも適用することができる。また、このセンサ付車輪用軸受は、従動輪用の車輪用軸受にも適用でき、さらに各世代形式のテーパころタイプの車輪用軸受にも適用することができる。

この発明の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とセンサユニットとを示す正面図である。 （Ａ）は同センサユニットおよび第１、第２の取付用部材の平面図、（Ｂ）はその側面図である。 異なるセンサユニットの断面構造を示す図である。 異なるセンサ付車輪用軸受の外方部材とセンサユニットとを示す正面図である。 この発明の異なる実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図である。 （Ａ）は同センサ付車輪用軸受のセンサユニットおよび第１、第２の取付用部材の平面図、（Ｂ）はそのVIIＢ−VIIＢ断面図である。

符号の説明

１…外方部材（固定側部材）
１ａ…フランジ
２…内方部材（回転側部材）
３，４…転走面
５…転動体
７，８…密封装置
１４…車体取付孔
２１…センサユニット
２２…センサ取付部材
２２ａ…第１の接触固定部
２２ｂ…第２の接触固定部
２３…歪みセンサ
３１…作用力推定手段
３２…異常判定手段
４０…第１の取付用部材
４１…第２の取付用部材
５０…絶縁層
５１…電極
５２…歪み測定用抵抗体
５３…保護膜

Claims (2)

1. 複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体と、前記外方部材と前記内方部材との間の端部を密封する密封装置とを備え、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、
   センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた少なくとも１つ以上の歪みセンサからなるセンサユニットを、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に取付けたものであり、前記センサ取付部材の両端と前記固定側部材との間に、それぞれ第１および第２の取付用部材を介在させ、
   前記センサ取付部材は、第１の取付用部材に接触固定される第１の接触固定部と、第２の取付用部材に接触固定される第２の接触固定部とを有し、前記センサ取付部材は、径方向に沿った径方向部位と、軸方向に沿った軸方向部位とでＬ字の形状に構成され、径方向部位の先端側の部分が前記第１の接触固定部とされ、軸方向部位の先端側の部分が前記第２の接触固定部とされ、前記径方向部位は、軸方向部位に比べ、剛性が低くなるよう肉厚を薄くし、歪みセンサは前記径方向部位に取付けられ、
   前記センサユニットは、第１および第２の取付用部材により、第１および第２の接触固定部が外方部材の周方向に対して同位相の位置となるように、外方部材の外周部に固定される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、前記歪みセンサの出力によって、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を推定する作用力推定手段を設けたセンサ付車輪用軸受。

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