JP5014107B2 - 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、車輪用軸受の固定輪である外輪のフランジ部外径面に歪みを検出することにより荷重を検出する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）。また、固定輪のフランジ部と外径部にわたってＬ字型部材からなる歪み拡大機構を取付け、その歪み拡大機構の一部に歪みゲージを貼り付けた車輪用軸受が提案さている（例えば特許文献２）。
特開２００２−０９８１３８号公報 特開２００６−０７７８０７号公報

特許文献１に開示の技術では、固定輪のフランジ部の変形により発生する歪みを検出している。しかし、固定輪のフランジ部の変形には、フランジ面とナックル面の間に、静止摩擦力を超えた場合に滑りが伴うため、繰返し荷重を印加すると、出力信号にヒステリシスが発生するといった問題がある（ヒステリシスが生じると検出分解能が低下する）。
また、特許文献２に開示の技術においても、Ｌ字型部材からなる歪み拡大機構のフランジ面に固定されている部位が、フランジ面とナックル面の摩擦（滑り）の影響を受けるため、同様の問題が生じる。
また、車輪用軸受に作用する垂直方向の荷重Ｆz を検出する場合、荷重Ｆz に対する固定輪変形量が小さいため歪み量も小さく、上記した技術では検出感度が低く、荷重Ｆz を精度良く検出できない。

そこで、本発明者等は、上記課題を解決するものとして、以下の構成としたセンサ付車輪用軸受を開発した。このセンサ付車輪用軸受における車輪用軸受は、複列の転走面が内方部材に形成された外方部材と、上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。上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の外径面には、歪み発生部材およびこの歪み発生部材に取付けたれた歪み測定用のセンサからなるセンサユニットを設ける。歪み発生部材は、前記固定側部材の外径面に接触固定される２つの接触固定部を有し、その２つの接触固定部が固定側部材の円周方向の同一位置でかつ軸方向に互いに離間した位置となるように固定側部材に固定する。

しかし、この構成の場合、荷重の変化に対してセンサの出力信号の変化が小さく、温度やノイズ等に起因して出力信号に生じるドリフトにより検出誤差が大きくなる。その結果、車輪用軸受に複合荷重（例えばコーナリング力Ｆy と垂直方向の荷重Ｆz ）が印加した状態では、各方向の荷重をそれぞれ算出することが困難である。

この発明の目的は、ヒステリシスの影響を受けることなく、車輪にかかる垂直方向の荷重および駆動力やブレーキ力による前後方向荷重のいずれか一方と、コーナリング力と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、上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の外径面に配置された２つのセンサユニットからなるセンサユニット対を少なくとも１対設け、前記センサユニットは、前記固定側部材の外径面に接触して固定される少なくとも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の２つの接触固定部間に取付けられて歪み発生部材の歪みを検出するセンサを有し、前記接触固定部のうち少なくとも２つの接触固定部は、前記固定側部材の同一軸方向位置でかつ円周方向に互いに離間した位置となるように配置し、前記センサユニット対における１つのセンサユニットは、車輪用軸受に作用するコーナリング力の印加方向を判定するためのセンサを有し、前記センサユニット対のセンサの出力信号から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ことを特徴とする。
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（例えば外方部材）にも荷重が印加されて変形が生じる。ここでは、センサユニット対の２つのセンサユニットにおける歪み発生部材の２つの接触固定部が、外方部材の外径面の同一軸方向位置でかつ円周方向に互いに離間した位置に固定され，この２つの接触固定部間に歪み発生部材の歪みを検出するセンサが取付けられているので、外方部材の歪みが歪み発生部材に集中して伝達されることになり、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る。これにより、推定手段は、センサの出力信号から、車輪用軸受に作用するコーナリング力の絶対値と、少なくとも垂直方向荷重および駆動力やブレーキ力となる前後方向荷重のいずれか一方の荷重とを正確に推定することができる。また、１つのセンサユニットは、車輪用軸受に作用するコーナリング力の印加方向を判定するためのセンサを有するので、推定手段は、このセンサの出力信号からコーナリング力の印加方向についても判定することができる。その結果、車輪用軸受に作用するコーナリング力と、少なくとも垂直方向荷重および駆動力やブレーキ力となる前後方向荷重のいずれか一方の荷重とを正確に推定することができる。

この発明において、前記センサユニット対におけるコーナリング力の印加方向を判定するためのセンサを有するセンサユニットでは、その歪み発生部材が少なくとも３つ以上の接触固定部を有し、そのうち少なくとも２つ以上の接触固定部を、前記固定側部材の同一軸方向位置でかつ円周方向に互いに離間した位置となるように配置し、少なくとも１つ以上の接触固定部を、前記固定側部材の前記接触固定部と円周方向に同位相となる位置でかつ軸方向に互いに離間した位置となるように配置し、軸方向に離間した２つの接触固定部間に取付けたセンサをコーナリング力の印加方向判定用としても良い。

この発明において、前記センサユニット対の２つのセンサユニットを、タイヤ接地面に対して上下位置となる前記固定側部材の外径面の上面部と下面部とに配置し、前記推定手段は、コーナリング力と垂直方向の荷重を推定するものとしても良い。
垂直方向荷重に対しては、固定側部材の上面部と下面部が変形するため、この構成の場合、ヒステリシスの影響を受けることなく、どのような荷重条件においても、コーナリング力と垂直方向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対の２つのセンサユニットを、タイヤ接地面に対して前後位置となる前記固定側部材の外径面の右面部と左面部とに配置し、前記推定手段は、コーナリング力と駆動力やブレーキ力となる前後方向荷重を推定するものとしても良い。
駆動力となる荷重に対しては、固定側部材の右面部と左面部が変形するため、この構成の場合、ヒステリシスの影響を受けることなく、どのような荷重条件においても、コーナリング力と駆動力やブレーキ力となる前後方向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対を２対設け、１対のセンサユニット対の２つのセンサユニットを、タイヤ接地面に対して上下位置となる前記固定側部材の外径面の上面部と下面部とに配置すると共に、他の一対のセンサユニット対の２つのセンサユニットを、タイヤ接地面に対して前後位置となる前記固定側部材の外径面の右面部と左面部とに配置し、前記推定手段は、コーナリング力と垂直方向の荷重と駆動力やブレーキ力となる前後方向荷重を推定するものとしても良い。この構成の場合、ヒステリシスの影響を受けることなく、どのような荷重条件においても、コーナリング力と垂直方向の荷重と駆動力やブレーキ力となる前後方向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対の２つのセンサユニットの前記歪み発生部材は切欠き部を有し、この切欠き部の周辺に前記センサを設けても良い。この構成の場合、固定側部材から歪み発生部材に拡大されて伝達される歪みが切欠き部に集中しやすくなり、センサによる検出感度が向上し、荷重を精度良く検出することができる。

この発明において、前記推定手段は、前記センサの出力信号の絶対値、および平均値、および振幅のうち、少なくともいずれか１つにより荷重を算出するものとしても良い。
車輪用軸受の回転中には、転走面におけるセンサユニットの近傍部位を通過する転動体の有無によって、センユニットのセンサの出力信号の振幅に周期的な変化が生じる場合がある。そこで、出力信号における振幅の周期を推定手段で測定することにより、転動体の通過速度つまり車輪の回転数を検出することができる。このように、出力信号に変動がみられる場合は、出力信号の平均値や振幅により荷重を算出することができる。変動がみられない場合は、絶対値より荷重を算出することができる。

この発明において、前記センサは、前記歪み発生部材におけるセンサ設置面に絶縁層を印刷および焼成により形成し、前記絶縁層の上に電極および歪み測定用抵抗体を印刷および焼成により形成したものであっても良い。この構成の場合、歪み発生部材にセンサを容易に形成できる。このようにしてセンサを形成すると、歪み発生部材のセンサ設置面に接着剤で固定する場合のような径年変化による接着強度の低下がなく、センサユニットの信頼性を向上させることができる。また、加工も容易であるため、コスト低下が図れる。

この発明において、前記歪み発生部材に温度検出手段を設けても良い。

この発明において、前記歪み発生部材に前記センサの出力信号を処理する信号処理回路部を設けても良い。
歪み発生部材に歪み検出用のセンサ以外のセンサが設けられる場合には、前記信号処理回路部を介して歪み検出用のセンサと他のセンサとを接続できるので、センサ間の配線が不要となる。

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、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、上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の外径面に、その固定側部材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た２つのセンサユニットからなるセンサユニット対を少なくとも１対設け、前記センサユニットは、前記固定側部材の外径面に接触して固定される少なくとも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の２つの接触固定部間に取付けられて歪み発生部材の歪みを検出するセンサを有し、前記接触固定部のうち少なくとも２つの接触固定部は、前記固定側部材の円周方向の同位相の位置でかつ軸方向に互いに離間した位置となるように配置し、前記センサユニット対における１つのセンサユニットは、車輪用軸受に作用するコーナリング力の印加方向を判定するためのセンサを有し、前記センサユニット対のセンサの出力信号から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ため、ヒステリシスの影響を受けることなく、車輪にかかる垂直方向の荷重および駆動力やブレーキ力による前後方向荷重のいずれか一方と、コーナリング力とを正確に検出できる。

この発明の一実施形態を図１ないし図９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（図示せず）におけるナックル１６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ボルト孔１４が設けられ、インボード側よりナックル１６のボルト挿通孔１７に挿通したナックルボルト１８を前記ボルト孔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１６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、円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、この車輪用軸受の外方部材１をアウトボード側から見た正面図を示す。なお、図１は、図２におけるＩ−Ｉ矢視断面図を示す。前記車体取付フランジ１ａは、図２のように、各ボルト孔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。

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２０Ａ，２０Ｂを１組とするセンサユニット対１９が１対設けられている。これら２つのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂ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。このセンサユニット対１９は一対以上設けても良い。ここでは、センサユニット対１９を構成する２つのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂ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上下方向の荷重である垂直方向荷重Ｆz と軸方向の荷重であるコーナリング力Ｆy を検出するようにしている。具体的には、図２のように、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間の中央部に１つのセンサユニット２０Ａ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間の中央部に他の１つのセンサユニット２０Ｂが配置されている。

例えば、外方部材１の外径面の上面部に配置されるセンサユニット２０Ａは、図３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２つ以上（ここでは２つ）のセンサ２２Ａ，２２Ｂ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の薄板材からなり、平面概形がＬ字状とされている。また、歪み発生部材２１は、外方部材１の外径面にスペーサ２３を介して接触固定される３つ以上（ここでは３つ）の接触固定部２１ａ，２１ｂ，２１ｃを有する。これら３つの接触固定部２１ａ〜２１ｃは、Ｌ字状の歪み発生部材２１の一端部、角部、および他端部に配置される。

前記センサユニット２０Ａは、その歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａ，２１ｂ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，２１ｂが互いに円周方向に離れた位置に来るように配置される。この配置で、前記両接触固定部２１ａ，２１ｂのうちの１つの接触固定部２１ｂと、残る他の１つの接触固定部２１ｃは、外方部材１の円周方向の同位相の位置で、かつ両接触固定部２１ｂ，２１ｃが互いに軸方向に離れた位置に来るようにされる。また、歪み発生部材２１における接触固定部２１ａ，２１ｂの中間位置の両側辺部、および接触固定部２１ｂ，２１ｃの中間位置の両側辺部には、切欠き部２１ｄが形成されている。このセンサユニット２０Ａにおける１つのセンサ２２Ａは、歪み発生部材２１の外面側で２つの接触固定部２１ａ，２１ｂの配置部の中間位置の２つの切欠き部２１ｄで挟まれる箇所に貼り付けられる。他の１つのセンサ２２Ｂは、同じく歪み発生部材２１の外面側で２つの接触固定部２１ｂ，２１ｃの配置部の中間位置の２つの切欠き部２１ｄで挟まれる箇所に貼り付けられる。これにより、１つのセンサ２２Ａは歪み発生部材２１の周方向の歪みを検出し、他の１つのセンサ２２Ｂは歪み発生部材２１の軸方向の歪みを検出する。具体的には、センサ２２Ａの検出信号は、車輪用軸受に作用するコーナリング力Ｆy の絶対値と、垂直方向荷重Ｆz の検出に用いられる。また、他のセンサ２２Ｂの検出信号は、前記コーナリング力Ｆy の印加方向を判定するのに用いられる。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２０Ａに伝わらず、歪みの測定に影響を及ぼすからである。

歪み発生部材２１の各接触固定部２１ａ〜２１ｃは、それぞれスペーサ２３を介してボルト２４により外方部材１の外径面に固定される。各ボルト２４は、それぞれ接触固定部２１ａ〜２１ｃに設けられた径方向に貫通するボルト挿通孔２５からスペーサ２３のボルト挿通孔２６に挿通し、外方部材１の外周部に設けられたボルト孔２７に螺合させる。このように、スペーサ２３を介して外方部材１の外径面に接触固定部２１ａ〜２１ｃを固定することにより、歪み発生部材２１のセンサ設置部が外方部材１の外径面から離れた状態となり、センサ設置部の周辺の歪み変形が容易となる。接触固定部２１ａ，２１ｂが配置される軸方向位置として、ここでは外方部材１のアウトボード側列の転走面３の周辺となる軸方向位置が選ばれる。この位置よりもアウトボード側の位置に他の１つの接触固定部２１ｃが配置される。ここでいうアウトボード側列の転走面３の周辺とは、インボード側列およびアウトボード側列の転走面３の中間位置からアウトボード側列の転走面３の形成部までの範囲である。外方部材１の外径面へセンサユニット２０Ａ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スペーサ２３が接触固定される箇所には平坦部１ｂが形成される。

外方部材１の外径面の下面部に配置されるセンサユニット２０Ｂについては詳述しないが、例えば前記センサユニット２０Ａにおけるセンサ２２Ｂを有しない構造のものとされる。この場合、歪み発生部材１１も、接触固定部２１ｃの配置された一片部を有しないものであっても良い。その他の構成は、センサユニット２０Ａの場合と同様である。

センサ２２Ａ，２２Ｂとしては、種々のものを使用することができる。例えば、センサ２２Ａ，２２Ｂ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、センサ２２Ａ，２２Ｂ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。その場合のセンサユニット２０Ａ，２０Ｂの構造を図５に示す。このセンサユニット２０Ａ，２０Ｂは、歪み発生部材２１のセンサ取付面２１Ａ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なす電極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２０Ａ，２０Ｂ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歪み発生部材２１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、焼成して歪み発生測定用抵抗体５２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。

このようにしてセンサ２２Ａ，２２Ｂを形成すると、歪み発生部材２１のセンサ設置面に接着剤で固定する場合のような経年変化による接着強度の低下がなく、センサユニット２０Ａ，２０Ｂの信頼性を向上させることができる。また、加工も容易であるため、コスト低下を図れる。

また、上記センサ２２Ａ，２２Ｂの形成において、歪み発生測定用抵抗体５２とブリッジ回路を構成する抵抗体および回路を、パターン印刷および焼成により形成しても良い。この場合には、ブリッジ回路の抵抗のばらつきを少なくすることができる。

センサユニット２０Ａ，２０Ｂのセンサ２２Ａ，２２Ｂは推定手段３０に接続される。推定手段３０は、センサユニット対１９の各センサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号により、車輪用軸受に作用する荷重を推定する手段である。ここでは、推定手段３０は、車輪用軸受に作用する垂直方向荷重Ｆz とコーナリング力Ｆy を推定する。

ここでは、センサユニット２０Ａ，２０Ｂにおける歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａ，２１ｂの中間位置に設けたセンサ２２Ａで、つまり外方部材１の外径面の同一軸方向位置でかつ円周方向に互いに離間した位置となる２つの接触固定部２１ａ，２１ｂの中間位置に設けたセンサ２２Ａで、円周方向の歪みを検出するようにしている。そこで、前記推定手段３０では、センサユニット対１９の２つのセンサ２２Ａの出力信号の差分から垂直方向荷重Ｆz およびコーナリング力（絶対値）Ｆy を推定する。これにより、各センサ２２Ａの出力信号に温度やノイズによるドリフトがある場合でも、ドリフトの影響をキャンセルもしくは低減できる。

前記推定手段３０は、実験や解析により予め求めた関係（垂直方向荷重Ｆz と歪み量（差分）、コーナリング力Ｆy と歪み量（差分））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）を有する。これにより、推定手段３０は、入力された２つのセンサ２２Ａの出力信号の差分から前記関係設定手段を用いて、垂直方向荷重Ｆz およびコーナリング力（絶対値）Ｆy を推定できる。

また、推定手段３０では、コーナリング力Ｆy の方向の判別を以下のように行う。
例えば、図３に示すセンサユニット２０Ａにおける歪み発生部材２１の接触固定部２２ｂの軸方向位置において、位置ｙ１から位置ｙ２までの歪み発生部材２１の径方向の変位量ｌｙは図６のようになる。同図に示すように、コーナリング力Ｆy の方向によって、径方向に最も変位する位置が異なる。また、図７に示すように、前記位置ｙ２における径方向の変位量は、印加されるコーナリング力Ｆy の増減によって単調に増減する。その結果、センサユニット２０Ａにおける歪み発生部材２１の軸方向に並ぶ２つの接触固定部２１ｂ，２１ｃの中間位置の歪み量も、図８に示すようにコーナリング力Ｆy の方向性に従って増減する。そこで、推定手段３０は、センサユニット２０Ａにおける歪み発生部材２１の前記２つの接触固定部２１ｂ，２１ｃの中間位置に設置されるセンサ２２Ｂの出力信号の大きさから、コーナリング力Ｆy の印加方向を判別することができる。センサ２２Ｂの出力信号の大きさは、図８のように垂直方向荷重Ｆｚの増減によっても増減する。そこで、推定手段３０は、センサ２２Ｂの出力信号を、先に推定した垂直方向荷重Ｆｚで補正してコーナリング力Ｆy の印加方向を判別する。

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。ここでは、センサユニット１９対の２つのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂにおける歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａ，２１ｂが、外方部材１の外径面の同一軸方向位置でかつ円周方向に互いに離間した位置に固定され、この２つの接触固定部２１ａ，２１ｂ間に歪み発生部材２１の歪みを検出するセンサ２２Ａが取付けられているので、外方部材１の歪みが歪み発生部材２１に集中して伝達されることになり、その歪みがセンサ２２Ａ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る。これにより、推定手段３０はセンサ２２Ａの出力信号から、車輪用軸受に作用するコーナリング力Ｆy （絶対値）と、少なくとも垂直方向荷重Ｆz および駆動力やブレーキ力となる前後方向荷重Ｆx のいずれか一方（ここでは垂直方向荷重Ｆz ）の荷重を正確に推定することができる。また、１つのセンサユニット２０Ａは、車輪用軸受に作用するコーナリング力Ｆy の印加方向を判定するためのセンサ２２Ｂを有するので、推定手段３０は、このセンサ２２Ｂの出力信号からコーナリング力Ｆy の印加方向についても判定することができる。その結果、車輪用軸受に作用するコーナリング力と垂直方向荷重Ｆz を正確に推定することができる。

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、この実施形態では、センサユニット対１９を構成する２つのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂのうち、コーナリング力Ｆy の印加方向を判定するためのセンサ２２Ｂを有するセンサユニット２０Ａでは、その歪み発生部材２１が少なくとも３つ以上（ここでは３つ）の接触固定部２１ａ〜２１ｃを有し、そのうちの２つの接触固定部２１ａ，２１ｂを外方部材１の外径面の同一軸方向位置でかつ円周方向に互いに離間した位置となるように配置して、その２つの接触固定部２１ａ，２１ｂの間に取付けたセンサ２２Ａをコーナリング力（絶対値）Ｆy と垂直方向荷重Ｆz の推定用としている。また、他の１つの接触固定部２１ｃを前記接触固定部２１ｂと円周方向に同位相の位置でかつ軸方向に互いに離間した位置となるように配置しており、円周方向に同位相の位置とした２つの接触固定部２１ｂ，２１ｃの間に取付けたセンサ２２Ｂをコーナリング力Ｆy の印加方向を判定用としている。そのため、コーナリング力Ｆy の印加方向を判定するために、前記センサユニット２０Ａ，２０Ｂと別に設ける必要がなく、構成が簡単になる。

また、垂直方向荷重Ｆz に対しては、固定側部材である外方部材１は上面部と下面部で変形するが、この実施形態では、センサユニット対１９の２つのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂを、タイヤ接地面に対して上下位置となる外方部材１の外径面の上面部と下面部とに配置しているので、どのような荷重条件においても、それらのセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号から、推定手段３０がコーナリング力（絶対値と印加方向）Ｆy と垂直方向荷重Ｆz とを正確に推定することができる。

センサユニット対１９となる２つのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂは、この実施形態の場合のように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に配置する場合に限らず、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ても良い。駆動力やブレーキ力による前後方向荷重Ｆx に対しては、固定側部材である外方部材１の右面部と左面部が変形するので、この場合には、それらのセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号から、推定手段３０はコーナリング力（絶対値と印加方向）Ｆy と駆動力やブレーキ力による前後方荷重Ｆx とを正確に推定することができる。

なお、前記センサユニット２０Ａ，２０の歪み発生部材２１にはサーミスタ、白金抵抗素子などの温度検出手段や、振動、加速度などのセンサの少なくとも１つを設置しても良い。このように，他のセンサを歪みセンサと一体とすることにより、部品点数の低減が可能となる。

また、この実施形態では、センサユニット対１９の２つのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂの歪み発生部材２１が切欠き部２１ｄを有し、その切欠き部２１ｄの周辺にセンサ２２Ａ，２２Ｂを設けているので、固定側部材である外方部材１から歪み発生部材２１に拡大されて伝達される歪みが切欠き部２１ｄに集中しやすくなり、センサ２２Ａ，２２Ｂによる検出感度が向上し、さらに荷重を精度良く検出することができる。

また、この実施形態では、図２のように、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間の中央部に１つのセンサユニット２０Ａ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間の中央部に他の１つのセンサユニット２０Ｂが配置されているので、突片１ａａの変形によってナックル１６（図１）との間に生じるヒステリシスの影響をそれだけ少なくできる。

また、この実施形態では、例えばセンサユニット２０Ａにおける接触固定部２１ａ，２１ｂが配置される軸方向位置として、外方部材１のアウトボード側列の転走面３の周辺となる軸方向位置が選ばれ、この位置よりもアウトボード側の位置に他の１つの接触固定部２１ｃが配置されているので、外方部材１が転動体５から受ける荷重を精度良く測定することができる。また、転走面３，３間の周辺は、外方部材１の径方向変形が大きいので、感度良く荷重を推定することができる。

また、車輪用軸受の回転中には、転走面３におけるセンサユニット２０Ａ，２０Ｂの近傍部位を通過する転動体５の有無によって、センサユニット２０Ａ，２０Ｂの出力信号の振幅に、図９に示す波形図のように周期的な変化が生じる場合がある。その理由は、転動体５の通過時とそうでない場合とで変形量が異なり、転動体５の通過周期ごとにセンサ２２Ａ，２２２Ｂの出力信号の振幅がピーク値を持つためである。そこで、出力信号におけるこのピーク値の周期を、推定手段３０で測定することにより、転動体５の通過速度つまり車輪の回転数を検出することも可能となる。このように出力信号に変動がみられる場合、推定手段３０は、センサユニット対１９の２つのセンサ２２Ａの差分を、各出力信号の平均値や振幅から算出することができる。変動が見られない場合は、絶対値より算出することができる。

この発明の他の実施形態を図１０ないし図１３に示す。この実施形態のセンサ付車輪用軸受では、図１〜図９に示した実施形態において、センサユニット２０Ａの拡大平面図および断面図を示す図１２のように、外方部材１の外径面における歪み発生部材２１の円周方向に並ぶ２つの接触固定部２１ａ，２１ｂが固定される２箇所の中間部、および軸方向に並ぶ２つの接触固定部２１ｂ，２１ｃが固定される２箇所の中間部に、それぞれ溝１ｃを設けることで、前記スペーサ２３を省略し、歪み発生部材２１における各センサ２２Ａ，２２Ｂの設置部を外方部材１の外径面から離すようにしている。センサユニット２０Ｂについても同様である。その他の構成は、図１〜図９に示した実施形態の場合と同様である。なお、図１０および図１１では、推定手段３０を省略している。

図１４は、この発明のさらに他の実施形態におけるセンサ付車輪用軸受の外方部材１をアウトボード側から見た正面図を示す。この実施形態では、図１〜図９の実施形態において、さらに別のセンサユニット対１９Ａを設けている。このセンサユニット対１９Ａも、固定側部材である外方部材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た２つのセンサユニット２０Ｃ，２０Ｄからなる。この場合、２つのセンサユニット２０Ｃ，２０Ｄは、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される。センサユニット２０Ｃ，２０Ｂの構成は、図１〜図９の実施形態におけるセンサユニット２０Ａ，２０Ｂの場合と同様である。これら２つのセンサユニット２０Ｃ，２０Ｄのセンサ２２Ａ，２２Ｂも推定手段３０に接続される。その他の構成は図１〜図９の実施形態の場合と同様である。

センサユニット対１９Ａの２つのセンサユニット２０Ｃ，２０Ｄを上記した配置とすることにより、駆動力やブレーキ力となる前後方荷重Ｆx の検出が可能である。推定手段３０は、これらのセンサユニット２０Ｃ，２０Ｄのセンサ２２Ａの出力信号の差分から駆動力やブレーキ力となる前後方荷重Ｆx を推定する。荷重Ｆx に対しては、外方部材１における左面部と右面部が変形するので、どのような荷重条件においても荷重Ｆx を正確に推定することができる。

図１５は、図１〜図９の実施形態におけるセンサユニット２０Ａの他の構成例の拡大平面図を示す。このセンサユニット２０Ａでは、歪み発生部材２１の接触固定部２１ａと接触固定部２１ｃとの間をＬ字状の延長部２１ｅで接続して、歪み発生部材２１の平面形状を概形ロ字状とし、前記Ｌ字状の延長部２１ｅの上にセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号を処理する信号処理回路部３１を設けている。このように、歪み発生部材２１の上に信号書回路部３１を設けることで、例えば歪み発生部材２１に他のセンサを設置する場合などにおいて他のセンサの回路部間などとの配線が不要となる。

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。 同センサ付車輪用軸受の外方部材の正面図と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におけるセンサユニットの拡大平面図である。 図３におけるIV−IV矢視断面図である。 センサユニットの他の例の拡大断面図である。 外方部材の外径面での変形量とコーナリング力との関係を示すグラフである。 垂直方向荷重Ｆz の変化量をパラメータとして、外方部材の外径面での変形量とコーナリング力との関係を示すグラフである。 垂直方向荷重Ｆz の変化量をパラメータとして、歪み発生部材における方向判定用センサの設置部での変形量とコーナリング力との関係を示すグラフである。 センサ付車輪用軸受におけるセンサユニットの出力信号の波形図である。 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の正面図である。 同センサ付車輪用軸受におけるセンサユニットの拡大平面図である。 図１２におけるXI−XI矢視断面図である。 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外方部材の正面図である。 センサユニットの他の例の拡大平面図である。

符号の説明

１…外方部材
２…内方部材
３，４…転走面
５…転動体
１９，１９Ａ…センサユニット対
２０Ａ，２０Ｂ…センサユニット
２１…歪み発生部材
２１ａ〜２１ｃ…接触固定部
２１ｄ…切欠き部
２２Ａ，２２Ｂ…センサ
３０…推定手段
３１…信号処理回路部

Claims (10)

1. 複列の転走面が内周に形成された外方部材と、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、
   上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の外径面に配置された２つのセンサユニットからなるセンサユニット対を少なくとも１対設け、前記センサユニットは、前記固定側部材の外径面に接触して固定される少なくとも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の２つの接触固定部間に取付けられて歪み発生部材の歪みを検出するセンサを有し、前記接触固定部のうち少なくとも２つの接触固定部は、前記固定側部材の同一軸方向位置でかつ円周方向に互いに離間した位置となるように配置し、前記センサユニット対における１つのセンサユニットは、車輪用軸受に作用するコーナリング力の印加方向を判定するためのセンサを有し、前記センサユニット対のセンサの出力信号から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対におけるコーナリング力の印加方向を判定するためのセンサを有するセンサユニットは、その歪み発生部材が少なくとも３つ以上の接触固定部を有し、そのうち少なくとも２つ以上の接触固定部を、前記固定側部材の同一軸方向位置でかつ円周方向に互いに離間した位置となるように配置し、少なくとも１つ以上の接触固定部を、前記固定側部材の前記接触固定部と円周方向に同位相となる位置でかつ軸方向に互いに離間した位置となるように配置し、軸方向に離間した２つの接触固定部間に取付けたセンサをコーナリング力の印加方向判定用とし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対の２つのセンサユニットを、タイヤ接地面に対して上下位置となる前記固定側部材の外径面の上面部と下面部とに配置し、前記推定手段は、コーナリング力と垂直方向の荷重を推定するものとしたセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項１または請求項２において、前記センサユニット対の２つのセンサユニットを、タイヤ接地面に対して前後位置となる前記固定側部材の外径面の右面部と左面部とに配置し、前記推定手段は、コーナリング力と駆動力やブレーキ力による前後方向荷重を推定するものとしたセンサ付車輪用軸受。
5. 請求項１または請求項２において、前記センサユニット対を２対設け、１対のセンサユニット対の２つのセンサユニットを、タイヤ接地面に対して上下位置となる前記固定側部材の外径面の上面部と下面部とに配置すると共に、他の一対のセンサユニット対の２つのセンサユニットを、タイヤ接地面に対して前後位置となる前記固定側部材の外径面の右面部と左面部とに配置し、前記推定手段は、コーナリング力と垂直方向の荷重と駆動力やブレーキ力となる前後方向荷重を推定するものとした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、前記センサユニット対の２つのセンサユニットの前記歪み発生部材は切欠き部を有し、この切欠き部の周辺に前記センサを設けたセンサ付車輪用軸受。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記推定手段は、前記センサの出力信号の絶対値、および平均値、および振幅のうち、少なくともいずれか１つにより荷重を算出するものとした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、前記センサは、前記歪み発生部材におけるセンサ設置面に絶縁層を印刷および焼成により形成し、前記絶縁層の上に電極および歪み測定用抵抗体を印刷および焼成により形成したものである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、前記歪み発生部材に温度検出手段を設けたセンサ付車輪用軸受。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、前記歪み発生部材に前記センサの出力信号を処理する信号処理回路部を設けたセンサ付車輪用軸受。

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