JP6084893B2 - 車輪分力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動モータによって回転する車輪に作用する荷重の分力を検出する車輪分力検出装置に関し、特に、電動モータがホイールに内蔵された車輪分力検出装置に関する。

電気自動車等の車両の駆動源として、車輪のハウジング内に電動モータを組み込んだインホイールモータが注目されている。このインホイールモータを電気自動車の駆動輪に用いると、各駆動輪を個別に回転駆動させることができるため、プロペラシャフトやデファレンシャル等の大がかりな動力伝達機構が不要となり、車両の軽量化やコンパクト化が図れる。

このインホイールモータを実用化する場合、走行速度制御等のため各車輪の回転速度を測定することが不可欠であるのは勿論であるが、車両の走行安全性確保のために、車両走行時に各車輪に作用する荷重を測定して、その測定結果から車両の姿勢制御を行うことも考えられる。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、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。同様に、高精度にホイールセンサ周りの分力を計測することで、タイヤの接地力を算出し、適正な駆動トルク配分や制動トルク配分を行うことができる。

そこで、特許文献１に記載されているように、インホイールモータ（文献では電動モータ）の出力軸と車両の車輪のハブとを減速機を介して連結し、ハブを支持する軸受の静止側の外輪（文献では軌道輪）に歪みセンサを設けた車輪分力検出装置が提案されている。

特開２００８−７４１３６号公報

この従来の車輪分力検出装置はハブに配設され、インホイールモータはハブの外側に配設されている。このため、インホイールモータが車輪から突出するように設けられているので、車両のコンパクト化が図りにくい。

そこで、車輪の内側にインホイールモータを配置すれば車両のコンパクト化を図ることができる。しかしながら、車輪の内側にインホイールモータを配置した場合、ハブも車輪の内側に配置されて、ハブに設けられる歪みセンサがインホイールモータの磁界の影響を受けて、車輪にかかる荷重を正確に検出することができない虞が生じる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、車両のコンパクト化が図ることができ、車輪にかかる荷重を正確に検出することができる車輪分力検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の車輪分力検出装置は、車軸に接続される円柱状の車軸接続部と、該車軸接続部に固定され車軸接続部の径方向外側の周りに配設されるステータ、及び車軸接続部に回転自在に支持されて前記ステータの径方向外側において回転するアーマチャを有してなる電動モータと、アーマチャを保持して車軸接続部に回転自在に支持され電動モータの動力によって回転するホイールとを有する車輪に作用する分力を検出する分力検出装置であって、車軸接続部の周面外側に装着され一端部が該車軸接続部に固定され他端部がステータに固定される円筒部と、該円筒部に設けられた複数の歪センサを有する分力検出手段とを備える感受体を有し、感受体が、ステータに対して車軸接続部の軸方向に対称的に一対配設されていることを特徴とする。

また、本発明の分力検出手段は、車輪に作用する１分力あたり少なくとも４個の歪センサを含むブリッジ回路を構成していることを特徴とする。

以上説明したように、本発明に係わる車輪分力検出装置によれば、上記特徴を有することで、車両のコンパクト化が図れ、また車輪に作用する力を正確に検出可能な車輪分力検出装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係わる車輪分力検出装置が設けられた車輪の断面図を示す。 車輪分力検出装置の円筒部の断面図を示す。 円筒部に対する複数の歪ゲージの配置を説明するための模式図である。 ステータコイルに設けられた複数の歪ゲージの配置を説明するための説明図である。 ４個の歪ゲージを含むブリッジ回路からなる車輪分力検出装置の回路図を示す。 感受体の数を変えた場合の入力に対する出力電圧の比を表した図を示す。

以下、本発明の車輪分力検出装置の好ましい実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。先ず、車輪分力検出装置を説明する前に、車輪分力検出装置が装着される車輪について説明する。本実施例では、自動車等の車両の車輪を例にして説明する。なお、車輪は自動車に用いられるものに限るものではなく、二輪車に用いられるものでもよい。

車輪１は、図１（断面図）に示すように、自動車の車軸３に接続される円筒状の車軸フランジ１０と、車軸フランジ１０に装着された電動モータ３０と、車軸フランジ１０に回転自在に支持されて電動モータ３０の動力によって回転するホイール５０と、ホイール５０に装着されたタイヤ６０とを有してなる。なお、車軸フランジ１０は円柱状であってもよい。

車軸フランジ１０は、車輪１の軸方向外側に配設された車軸フランジ外１１と、車輪の軸方向内側に配設された車軸フランジ内２１とを有してなる。車軸フランジ外１１及び車軸フランジ内２１は、車輪軸方向に対して左右対称に形成されているので、車軸フランジ外１１について説明し、車軸フランジ内２１については車軸フランジ外１１と対応する符号を附して説明を省略する。

車軸フランジ外１１は、内部が中空な円筒状に形成されたフランジ本体部１２と、フランジ本体部１２の軸方向外側端部に形成されて径方向外側へ延びて環状に形成された外側フランジ部１３と、フランジ本体部１２の軸方向内側端部に形成されて径方向内側へ延びて環状に形成された内側フランジ部１４とを有してなる。内側フランジ部１４には、ボルトの軸部を挿通可能な孔部１５が複数設けられている。車軸フランジ外１１及び車軸フランジ内２１は、これらの内側フランジ部１４，２４同士が対向するように配置され、電動モータ３０のステータ３１を介して連結される。車軸フランジ内２１の外側フランジ部２３には、懸架装置５が取り付けられている。

電動モータ３０は、車軸フランジ外１１及び車軸フランジ内２１に固定されて車軸フランジ１０の径方向外側の周りを囲むように配設されるステータ３１と、車軸フランジ１０に回転自在に支持されてステータ３１の外側を回転するアーマチャ４０とを有してなる。ステータ３１は、磁性材料で形成され、円板状のステータコア３２と、ステータコア３２の径方向外側端部に巻き付けられたステータコイル３５とを有してなる。ステータコア３２は内側が円板状に形成されたコア本体部３２ａと、コア本体部３２ａの外縁部に形成された環状のコア外縁部３２ｂとを有してなる。

コア本体部３２ａの径方向内側には、車軸フランジ外１１及び車軸フランジ内２１をコア本体部３２ａに固定するための複数の孔部３２ｃが設けられている。コア本体部３２ａの外径は車軸フランジ外１１及び車軸フランジ内２１の外径よりも大きい径を有している。

コア外縁部３２ｂには、コア本体部３２ａに対して幅方向対称に形成された一対の突出部３２ｄが設けられている。また、これらの突出部３２ｄはコア本体部３２ａの周方向に所定間隔を有して複数設けられている。突出部３２ｄにはステータコイル３５が巻かれて電磁石を形成している。

アーマチャ４０は、ホイール５０の内側に取り付けられた永久磁石である。アーマチャ４０は突出部３２ｄの先端部に対して所定の隙間を有して対向配置されている。ステータコイル３５には電流が流れ、この電流の流れを制御することで、ステータ３１に対してホイール５０が所定方向に回転する。

ホイール５０は、タイヤ６０が装着される円筒状のリム５１と、リム５１の幅方向両側の開口部を覆うように装着される円環状のディスク５３とを有してなる。リム５１の内側には前述した電動モータ３０のアーマチャ４０が取り付けられている。ディスク５３は、その径方向外側端部がリム５１に接続されて径方向内側へ延びる外輪５４と、外輪５４の内側端部に対向配置された内輪５５と、外輪５４及び内輪５５との間に挟持された複数のローラ５６とを有して、内輪５５に対して外輪５４が回転するベアリングを構成している。

内輪５５の内側端部は、車軸フランジ外１１及び車軸フランジ内２１の外周面に固定されている。この内輪５５の内側に車輪１に作用する分力を検出する車輪分力検出装置７０が設けられている。車輪分力検出装置７０は、車軸フランジ外１１及び車軸フランジ内２１の外周に装着される円筒部７１と、円筒部７１に設けられた複数の歪ゲージ７６〜９９を有してなる感受体７５を備える。つまり、車輪分力検出装置７０は、ステータ３１に対して車輪幅方向に対称に一対設けられている。

感受体７５の円筒部７１は、図１及び図２（断面図）に示すように、その軸方向両端部に径方向外側へ延びる環状のフランジ部７１ａが設けられている。フランジ部７１ａにはボルトを通すための孔部７１ｂが周方向に所定の間隔を有して複数設けられている。円筒部７１の外側のフランジ部７１ａは内輪５５の内側に接触した状態でボルトを介して固定され、円筒部７１の内側のフランジ部７１ａ'はステータ３１のステータコア３２にボルトを介して固定される。このため、円筒部７１は、内輪５５、ステータコア３２を介して車軸フランジ外１１及び車軸フランジ内２１に固定されている。

円筒部７１の外周面上には、図３（模式図）に示すように、複数の歪ゲージ７６〜９９が取り付けられている。歪ゲージ７６〜９９は、円筒部７１に対して径方向（以下、「Ｘ軸方向」と記す。）に作用する力を検出するＦｘ検出系と、円筒部７１に対してＸ軸方向と直交する上下の径方向（以下、「Ｙ軸方向」と記す。）の力を検出するＦｙ検出系と、円筒部７１に対して軸方向（以下、「Ｚ軸方向」と記す。）の力を検出するＦｚ検出系と、円筒部７１に対してＸ軸回りのモーメントＭｘを検出するＭｘ検出系と、円筒部７１に対してＹ軸回りのモーメントＭｘを検出するＭｙ検出系と、円筒部に対してＺ軸回りのモーメントＭｘを検出するＭｚ検出系に分類される。

Ｆｘ検出系は、４つの歪ゲージ７６〜７９を有して構成される。これらの歪ゲージ７６〜７９は、単軸の歪ゲージであり、その検出方向が円筒部７１の軸方向と略平行になるように円筒部７１の外周面の両端部の上部及び下部に貼付されている。

Ｆｙ検出系は、４つの歪ゲージ８０〜８３を有して構成される。これらの歪ゲージ８０〜８３は、これらの単軸の歪ゲージであり、その検出方向が円筒部７１の軸方向と略平行になるように円筒部７１の外周面の両端部の上下方向の中間部に貼付されている。

Ｆｚ検出系は、４つの歪ゲージ８４〜８７を有して構成される。これらの歪ゲージ８４〜８７は、単軸の歪ゲージであり、その検出方向が円筒部７１の軸方向と略平行になるように円筒部７１の軸方向中間部の外周面の上部、下部及び上下方向中間部に貼付されている。

Ｍｘ検出系は、４つの歪ゲージ８８〜９１を有して構成される。これらの歪ゲージ８８〜９１は、単軸の歪ゲージであり、その検出方向が円筒部７１の軸方向と略平行になるように前述したＦｙ検出系の４つの歪ゲージ８０〜８３のそれぞれの内側に隣接して円筒部７１の外周面に貼付されている。

Ｍｙ検出系は、４つの歪ゲージ９２〜９５を有して構成される。これらの歪ゲージ９２〜９５は、単軸の歪ゲージであり、その検出方向が円筒部７１の軸方向と略平行になるように前述したＦｘ検出系の４つの歪ゲージ７６〜７９のそれぞれの内側に隣接して円筒部７１の外周面に貼付されている。

Ｍｚ検出系は、４つの歪ゲージ９６〜９９を有して構成される。これらの歪ゲージ９６〜９９は、単軸の歪ゲージであり、その検出方向が円筒部７１の軸方向と略平行になるように前述したＦｚ検出系の４つの歪ゲージ８４〜８７のそれぞれの円筒部周方向の中間位置の円筒部７１の外周面に貼付されている。

これらＦｘ検出系、Ｆｙ検出系、Ｆｚ検出系、Ｍｘ検出系、Ｍｙ検出系、Ｍｚ検出系は、それぞれ４つの歪ゲージ７６〜７９、８０〜８３、８４〜８７、８８〜９１、９２〜９５、９６〜９９を含むブリッジ回路を構成している。

また、円筒部７１よりも径方向外側のステータコア３２の幅方向両側には、図１及び図４に示すように、複数の歪ゲージ１００〜１０７が設けられている。これらの歪ゲージ１００〜１０７は、ステータコア３２の幅方向の両側面にステータコア３２の周方向に所定間隔を有して４個ずつ設けられている。４つの歪ゲージ１００〜１０３、１０４〜１０７のうち２つの歪ゲージ１００，１０１、１０４，１０５は、ステータコア３２の上下両端部に配置されてＹ軸方向と略平行になるようにステータコア３２の側面に貼付されている。また、残りの２つの歪ゲージ１０２，１０３、１０６，１０７は、ステータコア３２のＸ軸方向端部に配置されてＸ軸方向と略平行になるようにステータコア３２の側面に貼付されている。これら４つの歪ゲージ１００〜１０３、１０４〜１０７は、ブリッジ回路を構成している。

ステータ３１の外側に配設された感受体７５の歪ゲージ７６〜９９を含むブリッジ回路１１０と、ステータ３１の内側に配設された感受体７５の歪ゲージ７６〜９９を含むブリッジ回路１１１と、ステータコア３２に設けられた歪ゲージ１００〜１０７を含むブリッジ回路１１２は、図５に示すように、入力電圧ｅに対して並列に電気的に接続され、各ブリッジ回路１１０，１１１，１１２からの出力電圧が検出される。

ステータ３１の内側に配設された歪ゲージ７６〜９９を含むブリッジ回路１１１の出力電圧は、ステータ３１の外側に配設された歪ゲージ７６〜９９を含むブリッジ回路１１０の出力に対して、ステータコア３２から発生する磁界が変化しているときの出力電圧の増減の方向が反転するように取り出されている。

次に、車輪分力検出装置７０の作用について、図１、図４、図５を参照しながら説明する。図１に示すように、電動モータ３０に電流が流れて車輪１が回転して車両が走行する場合、車輪１には、路面から力を受ける。この力は、タイヤ６０、ホイール５０を介して、車軸フランジ外１１、車軸フランジ内２１、ステータ３１に伝達される。この力によって、車軸フランジ外１１、車軸フランジ内２１、ステータ３１が変形すると、感受体７５も変形する。この感受体７５の変形量は、感受体７５に設けられた複数の歪ゲージ７６〜９９によって電圧値に変換されて検出される。

例えば、車輪１に作用する力が感受体７５の円筒部７１に対して径方向（Ｘ軸方向）の成分を有している場合には、Ｆｘ検出系の歪ゲージ７６〜７９によってＸ軸方向成分の分力の大きさが電圧値に変換されて検出される。また、車輪１に作用する力によって円筒部７１に対してＸ軸回りのモーメントが作用する場合には、Ｍｘ検出系の歪ゲージ８８〜９１によってＸ軸回りのモーメントの大きさが電圧値に変換されて検出される。

また、車輪１の回転数を変える場合、ステータコイル３５に流れる電流の大きさを変える。このとき、ステータコイル３５から発生する磁界が変化して、歪ゲージ７６〜９９の出力電圧を変化させる。このため、車輪１に作用する分力の大きさを正確に検出することができなくなる。

しかしながら、車輪１には、ステータ幅方向に対して車輪分力検出装置７０が一対設けられ、これらの車輪分力検出装置７０は、ステータコイル３５から発生する磁界が変化すると、一方の車輪分力検出装置７０の出力電圧は増大し、他方の車輪分力検出装置７０の出力電圧は減少するので、これらの出力電圧を加算すると、磁界の変化による出力電圧の増減を相殺することができる。このため、一対の車輪分力検出装置７０からの出力電圧の加算値は、磁界の変化に拘わらずに正確な出力電圧値になり、車輪１に作用する力を正確に検出することができる。

また、車輪１には、２つの車輪分力検出装置７０が設けられているので、図６に示すように、実線で示した車輪分力検出装置７０が車輪１に１つ設けられた場合と比較して、一点鎖線で示す車輪分力検出装置７０が２つ設けられた場合の出力電圧の大きさを約２倍にすることができる。このため、車輪１に作用する分力（入力）に対する出力電圧値の割合を増大させることができ、車輪１に作用する分力（入力）をより正確に検出することができる。

さらに、車輪１には、２つの車輪分力検出装置７０の他に、ステータコア３２に歪ゲージ１００〜１０７を含むブリッジ回路１１１（図５参照）が設けられ、このブリッジ回路１１１からの出力電圧値を、２つの車輪分力検出装置７０からの出力電圧値に加算した値を、車輪１に作用する力に対する出力電圧値とすると、二点鎖線で示すように、実線で示す車輪分力検出装置７０が１つの場合と比較して、出力電圧の大きさを約３倍にすることができる。このため、車輪１に作用する分力をさらに正確に検出することができる。

また、２つの車輪分力検出装置７０は、車輪１の内部に配設されている。このため、車両のコンパクト化を容易にすることができる。なお、前述した実施例では、分力を検出する手段として歪ゲージ７６〜９９を示したが、半導体の歪センサでもよい。

１ 車輪
３ 車軸
１０ 車軸フランジ
３０ 電動モータ
３１ ステータ
４０ アーマチャ
５０ ホイール
７０ 車輪分力検出装置
７１ 円筒部
７５ 感受体
７６〜９９ 歪ゲージ（分力検出手段）
１１０〜１１２ ブリッジ回路

Claims (2)

1. 車軸に接続される円柱状の車軸接続部と、該車軸接続部に固定され前記車軸接続部の径方向外側の周りに配設されるステータ、及び前記車軸接続部に回転自在に支持されて前記ステータの径方向外側において回転するアーマチャを有してなる電動モータと、前記アーマチャを保持して前記車軸接続部に回転自在に支持され前記電動モータの動力によって回転するホイールとを有する車輪に作用する分力を検出する分力検出装置であって、
   前記車軸接続部の周面外側に装着され一端部が該車軸接続部に固定され他端部が前記ステータに固定される円筒部と、該円筒部に設けられた複数の歪センサを有する分力検出手段とを備える感受体を有し、
   前記感受体が、前記ステータに対して前記車軸接続部の軸方向に対称的に一対配設されている
   ことを特徴とする車輪分力検出装置。
2. 前記分力検出手段は、前記車輪に作用する１分力あたり少なくとも４個の歪センサを含むブリッジ回路を構成している
   ことを特徴とする請求項１に記載の車輪分力検出装置。

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