JP5300429B2 - 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。

自動車の各車輪にかかる荷重を検出する技術として、歪み発生部材およびこの歪み発生部材に取付けた歪みセンサからなるセンサユニットを軸受の固定輪に取付け、前記歪み発生部材は、前記固定輪に対して少なくとも２箇所の接触固定部を有し、隣り合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠き部を有し、この切欠き部に前記歪みセンサを配置した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）。

このセンサ付車輪用軸受によると、車両走行に伴い回転輪に荷重が加わったとき、転動体を介して固定輪が変形するので、その変形が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等を検出することができる。
特開２００７−５７２９９号公報

しかし、上記センサ付車輪用軸受では、転動体がセンサユニットの設置部の近傍を通過する毎に、固定輪が転動体荷重で変形してセンサユニットの出力信号の振幅が大きくなる。すなわち、センサユニットの出力信号が転動体の影響を受けた周期的な波形となり、荷重を精度良く検出できない。

この発明の目的は、転動体の影響を受けることなく、車輪用軸受やタイヤ接地面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固定側部材である外方部材と、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からなる１つ以上のセンサユニットを、その歪み発生部材が前記転動体の中心を通り転動体接触角をなす方向に延びる線分から外れて位置するように設け、記センサユニットは、前記歪み発生部材の前記２つの接触固定部が、互いに前記外方部材の軸方向に同寸法の位置で、かつ両接触固定部が互いに円周方向に離れた位置に来るように配置され、これら接触固定部がそれぞれボルトにより前記外方部材の外径面に固定されることを特徴とする。前記センサユニットは、その全体が前記転動体接触角をなす方向に延びる線分から外れて位置するように設ける。センサユニットは複数としても良い。
固定側部材である外方部材は通過する転動体の荷重で変形する。とくに、転動体の中心を通り転動体接触角をなす方向に延びる線分上では、転動体荷重による変形が大きい。すなわち、転動体荷重の影響を受け易い。このセンサ付車輪用軸受では、センサユニットを、その歪み発生部材が転動体の中心を通り転動体接触角をなす方向に延びる線分から外れて位置するように外方部材に設けているので、センサユニットの歪み発生部材はそれだけ転動体荷重の影響を受け難くなる。したがって、本来の荷重による外方部材の変形をセンサユニットで精度良く検出でき、その出力信号から車輪のタイヤと路面間に作用する荷重を正確に検出できる。

この発明において、前記センサユニットを、その歪み発生部材が前記複列の転動体の軸方向中間位置に位置するように設けても良い。
このように、複列の転動体の軸方向中間位置に歪み発生部材が位置するようにセンサユニットを設けると、いずれの列の転動体からも最も離れた位置に歪み発生部材が配置されることになるので、さらに転動体荷重の影響を無くすことができ、それだけ荷重を正確に検出できる。

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位置および左右位置となる前記固定側部材の外径面の上面部、下面部、右面部、および左面部に配置しても良い。この構成の場合、複数方向の荷重を推定することができる。すなわち、固定側部材の外径面における上面部と下面部に配置される２個のセンサユニットの出力信号から垂直方向荷重Ｆz と軸方向荷重Ｆy を推定でき、固定側部材の外径面における右面部と左面部に配置される２個のセンサユニットの出力信号から駆動力や制動力による荷重Ｆx を推定できる。

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、平面概形が帯状で側辺部に切欠き部を有する薄板材からなるものであっても良い。この構成の場合、外方部材の歪みが歪み発生部材に拡大して伝達されやすく、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。また、歪み発生部材の形状も簡単なものとなり、コンパクトで低コストなものとできる。
この発明において、前記外方部材の外径面における前記歪み発生部材の前記２つの接触固定部が固定される２箇所の中間部に溝が形成されていても良い。また、この溝が形成され、かつ前記センサユニットの歪み発生部材が、平面概形が帯状で側辺部に切欠き部を有する薄板材からなる場合に、前記切欠き部が前記溝の位置にあっても良い。

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しても良い。想定される最大の力は、軸受に過大な荷重が作用しても、その荷重が除かれると、センサ系を除く軸受としての正常な機能が復元される範囲の最大の力である。想定される最大の力が印加された状態になるまでに塑性変形が生じると、固定側部材の変形がセンサユニットに正確に伝わらず、歪みの測定に影響を及ぼすので、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。

この発明において、前記センサユニットのセンサの出力信号を補正する補正手段と、この補正手段で補正された出力信号からタイヤ接地面に作用する荷重もしくは車輪用軸受に作用する荷重を推定する推定手段を設けても良い。例えば、前記固定側部材に、転動体の位置を検出する転動体検出手段を設け、前記補正手段の一つとして、前記転動体検出手段の検出出力によって前記センサユニットのセンサの出力信号を補正する手段を設けても良い。
上記したように、センサユニットの設置位置を工夫することにより、センサユニットの出力信号は通過する転動体の影響を低減できるが、それでもその影響は残る。この場合のセンサユニットの出力信号は、その振幅が転動体の配列ピッチを周期として変化する波形となる。そこで、例えば、転動体の回転位置を検出する転動体検出手段を別に設け、前記補正手段として、前記転動体検出手段が検出する転動体位置に応じてセンサユニットの出力信号の振幅を増減補正するものとすれば、転動体の位置による影響を解消できる。

この発明において、固定側軌道輪とこの固定側軌道輪のフランジとに両辺が取付けられたＬ字状の歪み発生部材と、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とを含み、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から軸方向荷重を推定する場合、その方向を判別できない場合がある。そこで、センサユニットとは別に、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ると、軸方向荷重を正確に推定することができる。軸方向荷重方向判別手段として、上記Ｌ字状の歪み発生部材を用いると、効果的に荷重の方向を判別することができる。

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固定側部材である外方部材と、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からなる１つ以上のセンサユニットを、その歪み発生部材が前記転動体の中心を通り転動体接触角をなす方向に延びる線分から外れて位置するように設け、前記センサユニットは、前記歪み発生部材の前記２つの接触固定部が、互いに前記外方部材の軸方向に同寸法の位置で、かつ両接触固定部が互いに円周方向に離れた位置に来るように配置され、これら接触固定部がそれぞれボルトにより前記外方部材の外径面に固定されるため、転動体の影響を受けることなく、車輪用軸受やタイヤ接地面に作用する荷重を正確に検出できる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図４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、車体の懸架装置におけるナックル（図示せず）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ねじ孔１４が設けられ、インボード側よりナックルのボルト挿通孔に挿通したナックルボルト（図示せず）を前記ねじ孔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、図１のII−II矢視断面図を示す。外方部材１の車体取付用フランジ１ａは、各ねじ孔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。同図に示すように、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組とするセンサユニット対１９が２組設けられている。センサユニット対１９を構成する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、タイヤ接地面に対して上下位置となる外方部材１の外径面の上面部と下面部とに配置した２つのセンサユニット２０からなる１組のセンサユニット対１９のほか、タイヤ接地面に対して前後位置となる外方部材１の外径面の右面部と左面部とに配置した２つのセンサユニット２０からなる別の１組のセンサユニット対１９を設けている。

センサユニット対１９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、車輪用軸受に作用する垂直方向の荷重Ｆz が検出される。また、センサユニット対１９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前後位置となる外方部材１の外径面の右面部および左面部の２箇所に設けることで、駆動力や制動力となる荷重Ｆx が検出される。垂直方向の荷重Ｆz を検出するセンサユニット対１９については、外方部材１の外径面における上面部の、隣り合う２つの突片１ａａの間の中央部に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２つの突片１ａａの間の中央部に他の１つのセンサユニット２０が配置される。

これらのセンサユニット２０は、図３（Ａ）および図４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の歪みを検出する歪みセンサ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で２ｍｍ以下の薄板材からなり、平面概形が全長にわたり一定幅の帯状で中央の両側辺部に切欠き部２１ｂを有する。切欠き部２１ｂの隅部は断面円弧状とされている。また、歪み発生部材２１は、外方部材１の外径面に接触固定される２つの接触固定部２１ａを両端部に有する。なお、歪み発生部材２１の形状によっては、接触固定部２１ａを２つ以上有するものとしても良い。歪みセンサ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、歪みセンサ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、軸受に過大な荷重が作用しても、その荷重が除かれると、センサ系を除く軸受としての正常な機能が復元される範囲の最大の力である。軸受に作用する荷重が、センサ系を除く軸受としての正常な機能が損なわれない範囲の最大の力である。

図１のように、前記センサユニット２０は、その歪み発生部材２１が前記転動体５の中心を通り転動体接触角をなす方向に延びる１点鎖線で示す線分Ｌから外れて位置するように外方部材１の外径面に設けられる。この場合に、センサユニット２０の全体が、前記線分Ｌから外れて位置するように設ける。ここでは、複列の転動体５の軸方向中間位置よりややアウトボード側に歪み発生部材２１が位置するように、センサユニット２０が外方部材１の外径面に設けられる。

また、図４のように、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がそれぞれボルト２３により外方部材１の外径面に固定される。前記各ボルト２３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２４に挿通し、外方部材１の外周部に設けられたねじ孔２５に螺合させる。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歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａが接触固定される箇所には平坦部１ｂが形成されている。また、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が形成されている。

このように、外方部材１の外径面における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を形成することで、外方部材１の外径面に歪み発生部材２１をボルト２３で固定すると、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。

歪みセンサ２２としては、種々のものを使用することができる。例えば、歪みセンサ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、歪みセンサ２２を歪み発生部材２１上に厚膜抵抗体にて形成することもできる。

センサユニット２０の歪みセンサ２２は推定手段３０に接続される。推定手段３０は、ここでは歪みセンサ２２の出力信号により、車輪のタイヤと路面間の作用力を推定する手段であり、信号処理回路や補正回路などが含まれる。推定手段３０は、車輪のタイヤと路面間の作用力と歪みセンサ２２の出力信号との関係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）を有し、入力された歪みセンサ２２の出力信号から前記関係設定手段を用いて作用力を出力する。前記関係設定手段の設定内容は、予め試験やシミュレーションで求めておいて設定する。

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。センサユニット２０の構成部材である歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａが外方部材１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、その歪みが歪みセンサ２２で検出され、その出力信号から荷重を推定できる。

また、センサユニット２０の構成部材である歪み発生部材２１の接触固定部２１ａを固定側部材である外方部材１にボルト２３で固定しているので、外方部材１とセンサユニット２０の間での滑りを抑えることができ、滑りに伴い歪みセンサ２２の出力信号に歪みが生じるのを回避できる。

従来例の説明でも述べたように、外方部材１は通過する転動体５の荷重で変形する。とくに、転動体５の中心を通り転動体接触角をなす方向に延びる線分Ｌ（図１）上では、転動体荷重による変形が大きい。すなわち、転動体荷重の影響を受け易い。このセンサ付車輪用軸受では、センサユニット２０を、その歪み発生部材２１が転動体５の中心を通り転動体接触角をなす方向に延びる線分Ｌから外れて位置するように外方部材１の外径面に設けている。このため、センサユニット２０の歪み発生部材２１はそれだけ転動体荷重の影響を受け難くなる。したがって、本来の荷重による外方部材１の変形をセンサユニット２０で精度良く検出でき、その出力信号から車輪のタイヤと路面間に作用する荷重を推定手段３０により精度よく推定できる。

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、この実施形態の場合、センサユニット２０の歪み発生部材２１は、平面概形が全長にわたり一定幅の帯状で側辺部に切欠き部２１ｂを有する薄板材からなるので、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、その歪みが歪みセンサ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。また、歪み発生部材２１の形状も簡単なものとなり、コンパクトで低コストなものとでき量産性に優れたものとなる。

また、この実施形態では、固定側部材である外方部材１の外径面に、その周方向における１８０度の位相差をなす位置に配置されたセンサユニット２０の２つを１組とするセンサユニット対１９を２組設けているので、どのような荷重条件においても、荷重を精度良く推定することができる。すなわち、ある方向への荷重が大きくなると、転動体５と転走面３が接触している部分と接触していない部分が１８０度位相差で現れるため、その方向に合わせてセンサユニット２０を１８０度位相差で設置すれば、どちらかのセンサユニット２０には必ず転動体５を介して外方部材１に印加される荷重が伝達され、その荷重をセンサ２２により検出可能となる。

図５は、この発明の他の実施形態を示す。このセンサ付車輪用軸受では、センサユニット２０を、その歪み発生部材２１が複列の転動体５の軸方向中間位置に位置するように設けている。その他の構成は図１〜図４に示す実施形態の場合と同じである。このように、複列の転動体５の軸方向中間位置に歪み発生部材２１が位置するようにセンサユニット２０を設けると、いずれの列の転動体５からも最も離れた位置に歪み発生部材２１が配置されることになるので、さらに転動体荷重の影響を無くすことができ、それだけ荷重の推定精度が向上する。

図６ないし図８は、この発明のさらに他の実施形態を示す。このセンサ付車輪用軸受では、図１〜図４の実施形態において、前記推定手段３０の前段に、センサユニット２０の歪みセンサ２２の出力信号を補正する補正手段３１を設けている。また、外方部材１の内周には、アウトボード側列の転動体５の位置を検出する転動体位置検出手段４０が設けられている。転動体位置検出手段４０は複数の転動体センサ４２を有し、前記補正手段３１にはセンサユニット２０の歪みセンサ２２と前記転動体センサ４２が接続される。その他の構成は図１〜図４に示す実施形態の場合と同様である。

前記転動体位置検出手段４０は外方部材１の内周に設けられ、図７（Ａ），（Ｂ）に断面図および正面図で示すように、正面形状が軸受と同心の円弧状とされたセンサ支持部材４１と、このセンサ支持部材４１に取付けられた複数の転動体センサ４２とでなる。センサ支持部材４１は、外方部材１の内径面に嵌合する円筒部４１ａと、この円筒部４１ａの一端から内径側に延びる立板部４１ｂとを有する断面Ｌ字状で、その立板部４１ｂの周方向長さは、転動体５の配列ピッチＰに相当する長さとされている。このセンサ支持部材４１は、図１のように、その立板部４１ｂがアウトボード側列の転走面４よりもアウトボード側の軸方向位置となり、アウトボード側列の転動体５と軸方向に対向するように外方部材１の内径面に取付けられる。複数の転動体センサ４２は、図７（Ｂ）のように前記センサ支持部材４１の立板部４１ｂのインボード側を向く片面において、円周方向に等配して取付けられている。転動体センサ４２としては、例えばホールセンサ、ＭＲセンサ、ＭＩセンサなどの磁気センサが使用され、その前面を転動体５が通過するのに伴う磁気変化を検出する。

補正手段３１は、転動体位置検出手段４０が検出する転動体位置、つまり前記転動体センサ４２の出力信号に基づき、センサユニット２０の歪みセンサ２２の出力信号を補正する手段である。
先述したように、センサユニット２０の設置位置を工夫することにより、センサユニット２０の歪みセンサ２２の出力信号は通過する転動体５の影響を低減できるが、それでもその影響は残る。また、軸受の停止時においても、歪みセンサ２２の出力信号は、転動体５の位置の影響を受ける。すなわち、図８（Ａ），（Ｂ）のように転動体５がセンサユニット２０における歪みセンサ２２に最も近い位置を通過するとき（または、その位置に転動体５があるとき）、歪みセンサ２２の出力信号の振幅は最大値となり、転動体５がその位置から遠ざかるにつれて（または、その位置から離れた位置に転動体５があるとき）低下する。軸受回転時には、転動体５は所定の配列ピッチＰで前記センサユニット２０の設置部の近傍を順次通過するので、歪みセンサ２２の出力信号は、その振幅が転動体５の配列ピッチＰを周期として図８（Ｃ）に実線で示すように周期的に変化する波形となる。そこで、前記補正手段３１は、前記転動体位置検出手段４０が検出する転動体位置に応じて、前記歪みセンサ２２の出力信号を以下のように補正する。すなわち、例えば転動体５が歪みセンサ２２に最も近い位置にあるときには、歪みセンサ２２の出力信号の振幅（このとき最大値）を所定の最大値だけ減少補正する。歪みセンサ２２に最も近い位置から±Ｐ／２離れた位置に転動体５があるときには、歪みセンサ２２の出力信号の振幅（このとき最小値）を所定の最大量だけ増加補正する。転動体５が上記両位置の途中にあるときには、その位置に応じて直線補間等で、歪みセンサ２２の出力信号の振幅を増減補正する。これにより、歪みセンサ２２の出力信号の振幅は、図８（Ｃ）に鎖線で示すように補正され、転動体５の影響が解消される。

センサユニット２０の設置位置について工夫しても、センサユニット２０の歪みセンサ２２の出力信号には転動体５の位置の影響が残るが、この場合、転動体位置検出手段４０の検出する転動体位置に基づき補正手段３１が歪みセンサ２２の出力信号を補正するので、軸受の回転時と停止時を問わず転動体５の位置による影響が解消される。これにより、推定手段３０では、車輪用軸受や、車輪のタイヤと路面間に作用する荷重（垂直方向荷重Ｆz ，駆動力や制動力となる荷重Ｆx ，軸方向荷重Ｆy ）を精度良く推定できる。

図９および図１０は、この発明のさらに他の実施形態を示す。このセンサ付車輪用軸受では、図６〜図８の実施形態において、前記推定手段３０の前段に、補正手段として歪みセンサ２２の出力信号を平均化する平均化処理手段３３を設けている。また、軸受内における軸方向中間位置には、内方部材２の回転を検出する回転検出器４３が設けられている。回転検出器４３はラジアル型のものであって、パルサリング４４と磁性体センサ４５とで構成される。平均化処理手段３３には、センサユニット２０の歪みセンサ２２と回転検出器４３の磁性体センサ４５が接続される。その他の構成は、図１〜図４に示した実施形態の場合と同様である。

回転検出器４３は、内方部材２の外周に嵌合させたセンサターゲットであるパルサリング４４と、外方部材１の内周に設けられ前記パルサリング４４に対して径方向に対面する磁性体センサ４５とで構成される。パルサリング４４は、円周方向に磁極Ｎ，Ｓを並べた多極磁石であっても、ギヤ状の凹凸を円周方向に並べて形成した磁性体リング等、周方向に周期的な磁気変化を有するものであっても良い。磁性体センサ４５は，内方部材２と一体に回転する前記パルサリング４４の磁気変化を検出するものであり、ホールセンサ、ＭＲセンサ、ＭＩセンサなどが使用される。

平均化処理手段３３は、転動体５が配列ピッチＰ分を公転する期間での歪みセンサ２２の出力信号の振幅を図１０（Ｃ）に鎖線で示すように平均化して、転動体５の影響を解消する。平均化処理手段３３による平均化処理は、例えば以下のように行なわれる。先ず、回転検出器４３の磁性体センサ４５の出力信号から内方部材２の回転速度を演算し、演算した回転速度から、転動体５が配列ピッチＰの区間を公転する所要時間Ｔを算出する。この所要時間Ｔ内に、所定の周期ｔでサンプリングした歪みセンサ２２の出力信号の振幅値の相加平均を求める。なお、この場合のサンプリング周期ｔは前記所要時間Ｔに比べて十分短い値とする。

先述したように、歪みセンサ２２の出力信号には、そのままでは転動体５の通過の影響が残るが、この場合、平均化処理手段３３がその出力信号を平均化処理するので、転動体通過の影響が解消される。これにより、推定手段３０では、車輪用軸受や、車輪のタイヤと路面間に作用する荷重（垂直方向荷重Ｆz ，駆動力や制動力となる荷重Ｆx ，軸方向荷重Ｆy ）を精度良く推定できる。

図１１は、この発明のさらに他の実施形態を示す。このセンサ付車輪用軸受では、図６〜図８の実施形態において、前記推定手段３０の前段に、補正手段として車輪用軸受の温度またはその周辺温度に応じて、センサユニット２０の歪みセンサ２２の出力信号を補正する温度補正手段３４を設けている。また、外方部材１の外径面における各センサユニット２０の設置部の近傍、あるいはセンサユニット２０における歪み発生部材２１の外面側に、温度センサ４６が設けられている。温度センサ４６としては、例えばサーミスタや白金抵抗素子を用いることができる。温度補正手段３４には、センサユニット２０の歪みセンサ２２と温度センサ４６が接続される。その他の構成は、図１〜図４に示した実施形態の場合と同様である。

温度補正手段３４は、前記温度センサ４６の出力信号に基づいて、対応するセンサユニット２０の歪みセンサ２２の出力信号を補正する。したがって、推定手段３０には、温度補正手段３４によって補正された歪みセンサ２２の出力信号が入力される。

このように、この実施形態では、温度補正手段３４が、外方部材１の外径面あるいはセンユニット２０の歪み発生部材２１に設けた温度センサ４６の出力信号に応じて、歪みセンサ２２の出力信号を補正するようにしているので、車輪用軸受やその周辺温度の測定値に応じて、歪みセンサ２２の出力信号を補正することになり、荷重を精度良く推定できる。

図１２および図１３は、提案例を示す。このセンサ付車輪用軸受では、図１〜図４の実施形態において、推定手段３０で推定される軸方向荷重Ｆy の方向を判別する手段である方向判別センサ４７が設けられている。この方向判別センサ４７は、歪み発生部材５６と、この歪み発生部材５６に取付けられて歪み発生部材５６の歪みを検出するセンサ５７を有するセンサユニット５５を、外方部材１に固定したものである。

方向判別センサ４７の歪み発生部材５６は、図１３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におけるねじ孔１４の近傍のアウトボード側を向く側面に対向する径方向片５６ａと、外方部材１の外径面に対向する軸方向片５６ｂとを有する。センサ５７は径方向片５６ａの片面に固定される。この歪み発生部材５６は、外方部材１の外周部に、ボルト５９，６０で締結される。

方向判別センサ４７の設置位置は、軸方向荷重Ｆy に対して変形量が大きいが、垂直方向荷重Ｆz や駆動力・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４７に作用する力が圧縮力と引っ張り力で切り替わるため、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４７の出力信号は、推定手段３０に入力され、その入力信号から推定手段３０は軸方向荷重Ｆy の方向を判別する。

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。 図１におけるII−II矢視断面図である。 （Ａ）は同センサ付車輪用軸受におけるセンサユニットの取付状態を示す拡大断面図、（Ｂ）は同センサユニットの拡大平面図である。 図３（Ａ）におけるIV−IV矢視断面図である。 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。 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。 （Ａ）は同センサ付車輪用軸受における転動体検出手段の断面図、（Ｂ）は同正面図である。 センサユニットの出力信号に対する転動体位置の影響の説明図である。 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。 センサユニットの出力信号に対する転動体公転の影響の説明図である。 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。 提案例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。 図１２の一部拡大断面図である。

符号の説明

１…外方部材
２…内方部材
３，４…転走面
５…転動体
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…歪みセンサ
３０…推定手段
３１…補正手段
３３…平均化処理手段
３４…温度補正手段
４７…方向判別センサ（軸方向荷重方向判別手段）

Claims (10)

1. 複列の転走面が内周に形成され固定側部材である外方部材と、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からなる１つ以上のセンサユニットを、その歪み発生部材が前記転動体の中心を通り転動体接触角をなす方向に延びる線分から外れて位置するように設け、
   前記センサユニットは、前記歪み発生部材の前記２つの接触固定部が、互いに前記外方部材の軸方向に同寸法の位置で、かつ両接触固定部が互いに円周方向に離れた位置に来るように配置され、これら接触固定部がそれぞれボルトにより前記外方部材の外径面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、前記センサユニットを、その歪み発生部材が前記複列の転動体の軸方向中間位置に位置するように設け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、前記センサユニットを複数としたセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項３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位置および左右位置となる前記固定側部材の外径面の上面部、下面部、右面部、および左面部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、平面概形が帯状で側辺部に切欠き部を有する薄板材からなるセンサ付車輪用軸受。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記外方部材の外径面における前記歪み発生部材の前記２つの接触固定部が固定される２箇所の中間部に溝が形成されているセンサ付車輪用軸受。
7. 請求項５において、前記外方部材の外径面における前記歪み発生部材の前記２つの接触固定部が固定される２箇所の中間部に溝が形成され、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辺部に切欠き部を有する薄板材からなり、前記切欠き部が前記溝の位置にある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、前記センサユニットの歪み発生部材は、前記固定側部材に作用する外力、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し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、前記センサユニットのセンサの出力信号を補正する補正手段と、この補正手段で補正された出力信号からタイヤ接地面に作用する荷重もしくは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。
10. 請求項９において、前記固定側部材に、転動体の位置を検出する転動体検出手段を設け、前記補正手段の一つとして、前記転動体検出手段の検出出力によって前記センサユニットのセンサの出力信号を補正する手段を設けたセンサ付車輪用軸受。

Images