JP2007320466A - 車両用センサ付き転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自動車のブレーキ操作時に、最大制動力を利用した制御を可能とする車両用センサ付き転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】 センサ装置2は、超音波センサと、超音波センサの出力に基づいてタイヤ接地荷重の前後方向成分を求める前後荷重演算手段32と、タイヤ接地荷重の前後方向成分に基づいて車輪に与えるべきブレーキ力を演算するブレーキ力演算手段34とを備えている。ブレーキ力演算手段34は、タイヤ接地荷重の前後方向成分の変化量を求める前後力変化量演算部35と、タイヤ接地荷重の前後方向成分の変化量に所定係数をかけることによりブレーキ力制御のための信号を作成する信号作成部36とを有している。
【選択図】 図７

Description

この発明は、車両用転がり軸受とその各種情報を検出するセンサ装置とが一体化された車両用センサ付き転がり軸受装置に関する。

自動車においては、車両衝突回避等に、ブレーキの効き具合が極めて重要である。制動距離の短縮は車両の事故減少につながるため、アンチスキッド制御装置（ＡＢＳ）が実車搭載され、普及している。たとえば、特許文献１には、車輪速度センサと、車輪のブレーキ油圧を調節するアクチュエータと、電子制御回路とを備え、車輪のスリップ率を適切に制御するアンチスキッド制御装置が開示されている。所定のスリップ率において制動力が最大値となることはよく知られており、アンチスキッド制御装置では、制動力を最大とするスリップ率を得るための制御が行われる。
特開平０５−２０８６７０号公報

上記のアンチスキッド制御装置では、制動距離を短縮するためには、最大制動力が得られるスリップ率とすればよいが、最大制動力に対応するスリップ率は路面とタイヤの条件により変化し、車輪速度センサによる車輪の回転数計測のみでは、路面の状態を反映できないため、理想的な最大制動力を得ることは極めて難しいものとなっている。

この発明の目的は、自動車のブレーキ操作時に、最大制動力を利用した制御を可能とする車両用センサ付き転がり軸受装置を提供することにある。

この発明による車両用センサ付き転がり軸受装置は、固定側軌道部材、回転側軌道部材および転動体を有する転がり軸受と、センサ装置とを備えている 車両用センサ付き転がり軸受装置において、センサ装置は、転がり軸受の固定側軌道部材に取り付けられてタイヤ接地荷重の前後方向成分と相関関係がある物理量を検出する荷重検出用センサと、荷重検出用センサの出力に基づいてタイヤ接地荷重の前後方向成分を求める前後荷重演算手段と、タイヤ接地荷重の前後方向成分に基づいて車輪に与えるべきブレーキ力を演算するブレーキ力演算手段とを備えていることを特徴とするものである。

荷重検出用センサとしては、荷重センサ、歪みセンサ、応力センサ、変位センサなどと称されている種々のものが使用可能である。タイヤ接地荷重の前後方向成分を求めるには、荷重検出用センサを固定側軌道部材の前部および後部（頂部と底部とのちょうど中間）にそれぞれ配置することが好ましい。この場合、前側のセンサの出力をＱｆ、後側のセンサの出力をＱｒとして、（Ｑｒ−Ｑｆ）とタイヤ接地荷重の前後方向成分との相関を予め求めておき、センサの出力をリアルタイムで処理して（Ｑｒ−Ｑｆ）を求め、これをタイヤ接地荷重の前後方向成分に換算すればよい。

タイヤ接地荷重の前後方向成分は、制動力と比例関係にあるので、ブレーキ力演算手段においては、スリップ率は考慮せずに、タイヤ接地荷重の前後方向成分を最大にするという観点からブレーキ力が求められる。すなわち、荷重検出用センサで車輪に作用する前後力をリアルタイムで検出し、その制動力が常に最大となるように、ブレーキの効き具合（制動力）が調整される。

ブレーキ力演算手段は、例えば、タイヤ接地荷重の前後方向成分の変化量を求める前後力変化量演算部と、タイヤ接地荷重の前後方向成分の変化量に所定係数をかけることにより、変化量が正であればブレーキ力を増加し、変化量が負であればブレーキ力を減少する信号を作成する信号作成部とを有しているものとされる。

このようにすると、制動力は、最大制動力を中心とした狭い範囲で変動することになり、常にほぼ最大制動力での制御が可能となる。

ブレーキ力演算手段の別の形態として、ドライバーによるペダルの踏み具合を検知するセンサと、センサの出力からペダル動作による制動力を演算する手段とをさらに有しているようにしてもよい。

このようにすると、タイヤ接地荷重の前後方向変化に基づいて制動力を演算することを可能にしながら、ドライバーのブレーキペダルを用いた操作に起因する制動力を同時にセンシングすることができる。こうして、２つの制動力をリアルタイムに識別できるようにすることにより、最適なブレーキ力を保持することができる。

荷重検出用センサは、各転がり軸受ごとに少なくとも３つ設けられており、センサ装置は、各転動体荷重に基づいてタイヤ接地荷重の上下方向成分および左右方向成分を求める上下方向および左右方向荷重演算手段をさらに備えていることが好ましい。

荷重検出用センサは、前後荷重を得るためだけであれば、各転がり軸受ごとに１つ（固定側軌道部材の前後いずれか一方、好ましくは、前後両方の２つ）ずつ取り付ければよい。しかしながら、荷重検出用センサは、たとえば、転がり軸受の頂部、底部、前部および後部の計４カ所に設けられ、これら４つのデータから転がり軸受に作用する荷重の３方向分力（上下方向荷重、前後方向荷重および左右方向荷重）が求められるようにすることが好ましい。なお、荷重検出用センサは、等分配でかつ上記配置以外の４カ所に設けるようにしてもよい。３方向分力を求める場合、荷重検出用センサは、頂部および底部のいずれか一方を省略して、３つとしてもよいし、円周上の任意の位置に等配分で３つ配置してもよい。また、円周上の任意の位置に等配分で５つ以上配置してもよく、荷重検出用センサの配置は、必ずしも等配でなくてもよい。荷重検出用センサの数は、必要とする荷重（モーメントを含む）の数に応じて適宜変更される。

センサは、例えば、固定側軌道部材と転動体との接触部からの超音波のエコーを検知する超音波センサであり、センサ装置は、転がり軸受ごとに転動体に作用する荷重とエコー強度との相関関係を利用して超音波センサの出力から転動体に作用する荷重を求める転動体荷重演算手段をさらに備えており、前後荷重演算手段は、転動体荷重に基づいてタイヤ接地荷重の前後方向成分を求めるものとされる。

この場合、転動体荷重演算手段は、転動体荷重と以下の式で求められるエコー比との相関関係を利用して転動体荷重を求めるものであることが好ましい。

エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０
Ｈ０：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときのエコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときのエコー強度
タイヤに接地荷重が作用すると、ハブユニット（車両用転がり軸受）各部には接地荷重に応じた荷重が作用し、この荷重変化によって固定側軌道部材と転動体との接触面積が変化する。超音波センサによると、接触面積の大きさに対応して検知されるエコー比が変化するので、予め転動体荷重変化またはタイヤ接地荷重変化とエコー比との関係を求めておくことにより、エコー比から転動体荷重またはタイヤ接地荷重を求めることができる。こうして、被検知部（固定側軌道部材と転動体との接触部）への加工を施すことなく転動体荷重またはタイヤ接地荷重を求めることができる。

超音波センサは、例えば、外周におねじ部が形成された筒状のケースおよびケース内に配置された振動子を有しており、固定側軌道部材に設けられた有底のめねじ部に、ケースのおねじ部がねじ込まれることで、ケース先端に所定の予荷重が設定されていることが好ましい。超音波センサで得られる反射エコーの強度は、センサの取付方、取付面の粗さ、接触媒質の相違、センサの押し付け力によって変化するので、おねじ部のねじ込み量を変化させることによって、所定箇所におけるエコー強度を所定値に設定することができ、これにより、荷重検出の精度を向上させることができる。超音波センサは、エコー強度を所定値に設定することができる種々の方法により取付け可能であり、例えば、超音波センサは、固定側軌道部材に取り付けるためのフランジ部を有する筒状のケースおよびケース内に配置された振動子を有しており、固定側軌道部材に設けられた有底のめねじ部に、フランジ部に設けられたボルト挿通孔から挿通されたボルトがねじ込まれることで、ケース先端に所定の予荷重が設定されているようにしてもよい。

転動体荷重から転がり軸受に作用する荷重を求める式として、センサ装置の処理手段には、例えば下記式（１）が設けられる。

ｆ１＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ２＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ｆ３＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ４＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｘ−ｄＭｚ ……… 式（１）
ｆ５＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ６＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｘ−ｄＭｚ
ｆ７＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ８＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ただし、ａ：転がり軸受の予圧による転動体荷重、ｂ，ｃ，ｄ：外力に依存しない係数、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ：荷重の前後（ｘ軸）方向成分、左右（ｙ軸）方向成分および上下（ｚ軸）方向成分、Ｍｘ，Ｍｚ：ｘ軸、ｚ軸回りのモーメント、ｆ１〜ｆ８：各センサでの転動体荷重。

転動体荷重と転がり軸受に作用する外力との関係は、軸受計算理論に基づいて計算可能であり、転動体荷重と転がり軸受に作用する外力との関係は、ほぼ線形関係を有している。上記式（１）は、この理論計算結果を基に多重解析を行うことにより、得られたものである。

なお、荷重の各軸方向の成分（３方向分力）および各軸回りのモーメント（３方向モーメント）を合わせたものを、以下では「６分力」と称す。

上記の式（１）の関係を利用することにより、荷重の６分力を精度よく求めることができる。センサの数および処理手段の構成については、センサの数の増加に伴うコスト増も考慮して種々の対応が可能である。車両用センサ付き転がり軸受装置では、車輪に関して成り立つ式を加えて、次のような処理手段の構成が可能である。

例えば、センサの数が４つとされ、処理手段は、式（１）のうちの適宜な４つの式、下記式（２）および下記式（３）から転がり軸受に作用する６分力を求めるものとされる。

Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ ……… 式（２）
ただし、ｒ：車輪転がり半径、ｅ：ｙ軸方向におけるＦｚの作用点と転がり軸受中心のずれ。

Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ ……… 式（３）
ただし、Ｍｙ：ｙ軸回りのモーメント。

なお、上記式（１）は、転動体荷重と転がり軸受に作用する外力との関係を示す式であるので、転動体荷重と超音波センサで得られるエコー比との関係とを求めることにより、転がり軸受に作用する外力とエコー比との関係を求めるようになっている。すなわち、２つの相関関係を求める必要があり、誤差が大きくなる可能性がある。そこで、これに代えて、超音波センサで測定されたエコー比を用いて転がり軸受に作用する荷重が求められており、そのための式として、処理手段に下記式（４）〜式（６）が設けられているようにしてもよい。

ｊ１＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ２＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｘ＋ｎＭｚ
ｊ３＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ４＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｘ−ｎＭｚ ……… 式（４）
ｊ５＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ６＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｘ−ｎＭｚ
ｊ７＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ８＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｘ＋ｎＭｚ
Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ ……… 式（５）
Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ ……… 式（６）
ただし、ｋ：転がり軸受の予圧によるエコー比、ｌ，ｍ，ｎ：外力に依存しない係数、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ：荷重の前後（ｘ軸）方向成分、左右（ｙ軸）方向成分および上下（ｚ軸）方向成分、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ：ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りのモーメント、ｊ１〜ｊ８：各センサ位置でのエコー比、ｒ：車輪転がり半径、ｅ：ｙ軸方向におけるＦｚの作用点と転がり軸受中心のずれ。

この発明の車両用センサ付き転がり軸受装置によると、自動車のブレーキ操作時に、最大制動力を利用した制御が可能となり、スリップ率制御に比べて、制動距離の短縮が可能なる。

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から図３までは、この発明の車両用センサ付き転がり軸受装置の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。

この車両用センサ付き転がり軸受装置は、車両用転がり軸受（「ハブユニット」と称されることもある）(1)と、タイヤの接地荷重を検出するセンサ装置(2)とを備えている。

転がり軸受(1)は、車体側に固定される固定側軌道部材(3)、車輪が取り付けられる回転側軌道部材(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。

固定側軌道部材(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（車体側部分）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。

回転側軌道部材(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。固定側軌道部材(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。固定側軌道部材(3)の左端部には、カバー(22)が被せ止められている。内輪と内軸の固定方法としては、図示しないが、内軸の端部を塑性変形させて、かしめ止めしてもよい。

センサ装置(2)は、固定側軌道部材(3)と内列の玉(5)との間に作用する力（以下「転動体荷重」と称す）を検出する超音波センサ(Sti)(Sbi)と、外列の玉(5)の転動体荷重を検出する超音波センサ(Sto)(Sbo)と、これらの超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の出力を処理する処理手段（図７参照）とを備えている。

超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、図１に示されている固定側軌道部材(3)の最上部＝頂部(Sti)(Sto)（図２にＡで示す位置）および固定側軌道部材(3)の最下部＝底部(Sbi)(Sbo)（図２にＤで示す位置）のほかに、固定側軌道部材(3)の上下の中間部の後側＝後部（図２にＢで示す位置）および固定側軌道部材(3)の上下の中間部の前側＝前部（図２にＣで示す位置）にもそれぞれ設けられている。ただし、超音波センサの個数および配置は、これに限定されるものではない。

超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、振動子から出力された超音波の反射波を受信部で受けることにより、図４に示すような反射エコーを求めるもので、その出力は、以下に示すエコー比として求められる。

エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０
Ｈ０：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときのエコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときのエコー強度
このエコー比は、転動体荷重と図６に示す関係を有しており、これを利用してエコー比から転動体荷重を求めることができる。玉(5)に作用する荷重が大きいと、接触面積が大きくなって反射波が小さくなることから、転動体荷重が大きい場合には、大きいエコー比が出力される。

走行する車両の速度変化、姿勢変化、ブレーキ操作などに伴って、タイヤに掛かる接地荷重が変動し、このタイヤ接地荷重変動に応じて、転動体荷重が変化する。複数のセンサを設置した場合、タイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重の成分ごとにそれぞれセンサへの影響度が異なっており、予め、前後荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するエコー比、左右荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するエコー比、ならびに垂直荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するエコー比を求めておくことにより、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)で得られたエコー比よりタイヤ接地荷重の３方向分力を求めることができる。

センサ装置(2)の処理手段には、エコー比の式、各超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)から得られたエコー比からそのセンサ位置の転動体荷重を求める式、これらの転動体荷重からタイヤ接地荷重の上下方向成分、前後方向成分および左右方向成分を求める式などが蓄えられている。

複数の箇所にセンサを設置して接地荷重の各分力をそれぞれ分離して求めようとした場合、他の分力の影響による誤差が生じやすいものとなるが、上記のように、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の設置箇所を固定側軌道部材(3)の頂部、底部、前部および後部のそれぞれ内側および外側の計８カ所とすることにより、３方向分力を精度よく求めることができるとともに、前後軸回りのモーメントおよび上下軸回りのモーメントを求めることもできる。

超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、図３に示すように（頂部内側のものを図示）、外周におねじ部(51a)が形5成された筒状のケース(51)およびケース(51)内に配置された振動子(52)を有しており、玉(5)と固定側軌道部材(3)の軌道溝(3a)との接触面に直角の方向から臨まされている。固定側軌道部材(3)には有底のめねじ部(3b)が設けられており、ケース(51)のおねじ部(51a)のねじ込み量が調整可能とされている。ケース(51)の先端面とめねじ部(3b)の底面と間には、超音波センサ(Sti)先端部を保護するためのゴム製クッションシート(53)が介在させられている。ケース(51)のおねじ部(51a)の基端側部分には、ケース(51)の回り止めのためのナット(54)がねじ合わされている。ナット(54)と固定側軌道部材(3)との間には、めねじ部(3b)への水の浸入を防止するＯリング(55)が介在させられている。

超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)で得られるエコーの強度（エコー振幅）は、センサの取付方、取付面の粗さ、接触媒質の相違により大きく変化する。図５は、取付面粗さとエコー振幅との関係を示しており、このグラフから、取付面が粗くなると、エコー振幅が小さくなることが分かる。また、エコーの強度は、センサの押し付け力によっても変化する。このため、エコー比と転動体荷重との関係が超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)ごとにばらつき、タイヤ接地荷重検出の精度が低下する可能性がある。

図３に示した超音波センサ(Sti)によると、ケース(51)のおねじ部(51a)のねじ込み量を変化させることによって、センサ(Sti)の押し付け力を変化させることが可能であり、したがって、図４に示すエコー波形を見ながら、ねじ込み量を微調整することによって、エコー強度Ｈ０を変化させ所定値に設定することができる。これにより、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)ごとのエコー比と転動体荷重との関係のばらつきが抑えられ、タイヤ接地荷重検出の精度を向上させることができる。

以下に、図７を参照して、荷重検出方法およびこの方法で得られるタイヤ接地荷重の前後方向成分（前後荷重）を利用した制動力制御方法について説明する。

まず、軸受計算理論に基づいて計算した負荷時の転動体荷重と転がり軸受に作用する外力（荷重およびモーメント）の関係は、次式で表せる。

ｆ１＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ２＝ａ＋ｂＦｙ＋ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ｆ３＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ４＝ａ＋ｂＦｙ−ｃＦｘ−ｄＭｚ ……… 式（１）
ｆ５＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｚ−ｄＭｘ
ｆ６＝ａ−ｂＦｙ＋ｃＦｘ−ｄＭｚ
ｆ７＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｚ＋ｄＭｘ
ｆ８＝ａ−ｂＦｙ−ｃＦｘ＋ｄＭｚ
ただし、ａ：転がり軸受の予圧による転動体荷重、ｂ，ｃ，ｄ：外力に依存しない係数、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ：荷重の前後（ｘ軸）方向成分、左右（ｙ軸）方向成分および上下（ｚ軸）方向成分、Ｍｘ，Ｍｚ：ｘ軸、ｚ軸回りのモーメント、ｆ１〜ｆ８：超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の出力から得られる転動体荷重であり、ｆ１は、頂部内側のセンサ(Sti)の出力によるもの、ｆ２は、後部内側のセンサの出力によるもの、ｆ３は、底部内側のセンサ(Sbi)の出力によるもの、ｆ４は、前部内側のセンサの出力によるもの、ｆ５は、頂部外側のセンサ(Sto)の出力によるもの、ｆ６は、後部外側のセンサの出力によるもの、ｆ７は、底部外側のセンサ(Sbo)の出力によるもの、ｆ８は、前部外側のセンサの出力によるもの。

式（１）の関係を用いることは、従来知られておらず、この関係を利用することで、転動体荷重から転がり軸受に作用する外力を簡易に求めることができる。

一方、車輪（タイヤ）の場合は、次式が成立する。

Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ ……… 式（２）
ただし、ｒ：車輪転がり半径、ｅ：ｙ軸方向におけるＦｚの作用点と転がり軸受中心のずれ。

Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ ……… 式（３）
ただし、Ｍｙ：ｙ軸回りのモーメント。

上記式から分かるように、式（１）のｆ１およびｆ３と式（２）を用いれば、左右方向成分Ｆｙおよび上下方向成分Ｆｚを求めることができる。すなわち、ｆ１＋ｆ３とすることにより、Ｆｙが求まり、ｆ１−ｆ３とすることにより、ＦｚとＭｘとが含まれる一次式が得られ、式（２）のうちのＦｙが求まっているので、Ｆｙを代入することで、式（２）もＦｚとＭｘとが含まれる一次式となり、これら２つの一次式を連立させることで、ＦｚとＭｘとが求まる。

こうして、２つのセンサで、車輪に作用する荷重の上下方向成分および左右方向成分（付随的にｘ軸回りのモーメントも）を求めることができる。車輪に作用する荷重の上下方向成分および左右方向成分は、車両のコーナリング状態を知る上で重要な要素であり、これらを少ない数のセンサ（計２つのセンサ）で求めることで、コストパフォーマンスに優れた車両用センサ付き転がり軸受装置を得ることができる。

なお、上記においては、ｆ１とｆ３とを用いたが、この組合せ以外のもの（例えばｆ１とｆ５など）を使用することも可能である。

また、ｆ１＋ｆ７とすることにより、Ｍｘを求め、ｆ１−ｆ７とすることにより、ＦｙおよびＦｚの一次式を求め、これらと式（３）とを組み合わせることにより、Ｍｘ，ＦｙおよびＦｚを求めることができる。そして、ｆ２−ｆ８とすることにより、ＦｙおよびＦｘの一次式が求まるので、この一次式に既に求まっているＦｙを代入することにより、残るＦｘを求めることができる。Ｆｘが求まればＭｘも求まる。また、ｆ２＋ｆ８とすることで、Ｍｚを求めることができる。

こうして、４つのセンサで、車輪に作用する６分力全てを求めることができ、コストパフォーマンスに優れた車両用センサ付き転がり軸受装置を得ることができる。

なお、上記においては、ｆ１，ｆ２，ｆ７およびｆ８を用いたが、この組合せ以外のもの（例えば、ｆ１，ｆ２，ｆ３およびｆ６）を使用することも可能である。

図７に示すように、処理手段には、上述のタイヤ接地荷重の上下方向成分Ｆｚおよび左右方向成分Ｆｙを求める上下方向および左右方向荷重演算手段(31)と、タイヤ接地荷重の前後方向成分Ｆｘを求める前後方向荷重演算手段(32)と、両演算手段(31)(32)をまとめた６分力演算手段(33)の他に、前後方向荷重演算手段(32)で得られたタイヤ接地荷重の前後方向成分Ｆｘに基づいて車輪に与えるべきブレーキ力を演算するブレーキ力演算手段(34)を備えている。

ブレーキ力演算手段(34)は、タイヤ接地荷重の前後方向成分Ｆｘの変化量ΔＦｘを求める前後力変化量演算部(35)と、タイヤ接地荷重の前後方向成分の変化量ΔＦｘに所定係数Ｋをかけることによりブレーキ力算出のための信号を作成する信号作成部(36)とを有している。

タイヤ接地荷重の前後方向成分Ｆｘは、所定時間（１／１０秒、１／１００秒など）間隔でリアルタイムに求められて、最新の値Ｆｘ’がその前の値Ｆｘと比較され、タイヤ接地荷重の前後方向成分の変化量がΔＦｘ＝Ｆｘ’−Ｆｘとして求められる。信号作成部(36)では、ブレーキ力をＦｂ＝Ｋ・ΔＦｘとして算出し、これを例えばＥＣＵのブレーキ力制御部（図示略）に送信する。Ｋは、予め求められる係数で、正の値とされる。この結果、変化量ΔＦｘが正であればブレーキ力を増加し、変化量ΔＦｘが負であればブレーキ力を減少するような制御が行われる。すなわち、最大制動力に達するまでは、ΔＦｘが正であるので、ブレーキ力も増加し、最大制動力を超えると、ΔＦｘが負となるので、ブレーキ力が減少する。最大制動力を超えるということは、スリップ率でいうと、最適な値よりも大きくなったということであり、ブレーキ力が減少することによって、最大制動力に復帰することになる。変化量ΔＦｘを求める間隔は短いので、ブレーキ力は、最大制動力となる条件を中心にして小さな範囲で振れることになり、制動力がほぼ最大制動力に維持される。これにより、制動距離を短くすることができる。

図示省略するが、ブレーキ力演算手段(34)には、ドライバーによるペダルの踏み具合を検知するセンサと、センサの出力からペダル動作による制動力を演算する手段とがさらに設けられていることが好ましい。このようにすると、タイヤ接地荷重の前後方向成分の変化量ΔＦｘに基づいて制動力を演算することを可能にしながら、ドライバーのブレーキペダルを用いた操作に起因する制動力を同時にセンシングすることができる。こうして、２つの制動力をリアルタイムに識別できるようにすることにより、最適なブレーキ力を保持することができる。

なお、上記（１）から（３）までの式は、転がり軸受に作用する外力とエコー比との関係を求めるに際して、転動体荷重と外力との相関関係および転動体荷重とエコー比との相関関係を使用して２段階で求めていることになり、誤差が大きくなるおそれがある。

そこで、エコー比と転がり軸受に作用する外力との関係を直接求めておくことが好ましい。この関係は、ｋを転がり軸受の予圧によるエコー比とし、ｌ、ｍ、ｎを外力に依存しない係数とし、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚは、それぞれ、荷重の前後（ｘ軸）方向成分、左右（ｙ軸）方向成分および上下（ｚ軸）方向成分とし、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚは、それぞれ、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りのモーメントとし、ｊ１〜ｊ８は、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の出力から得られるエコー比（ｊ１は、頂部内側のセンサ(Sti)の出力によるもの、ｊ２は、後部内側のセンサの出力によるもの、ｊ３は、底部内側のセンサ(Sbi)の出力によるもの、ｊ４は、前部内側のセンサの出力によるもの、ｊ５は、頂部外側のセンサ(Sto)の出力によるもの、ｊ６は、後部外側のセンサの出力によるもの、ｊ７は、底部外側のセンサ(Sbo)の出力によるもの、ｊ８は、前部外側のセンサの出力によるもの）として、次のようになる。

ｊ１＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ２＝ｋ＋ｌＦｙ＋ｍＦｘ＋ｎＭｚ
ｊ３＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ４＝ｋ＋ｌＦｙ−ｍＦｘ−ｎＭｚ ……… 式（４）
ｊ５＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｚ−ｎＭｘ
ｊ６＝ｋ−ｌＦｙ＋ｍＦｘ−ｎＭｚ
ｊ７＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｚ＋ｎＭｘ
ｊ８＝ｋ−ｌＦｙ−ｍＦｘ＋ｎＭｚ
上記式を用いた６分力の演算方法を以下に説明する。６分力を求めるに際しては、上記関係に加えて、車輪（タイヤ）の場合に、次式が成立することを利用する。

Ｍｘ＝ｒ×Ｆｙ＋ｅ×Ｆｚ ……… 式（５）
Ｍｙ＝ｒ×Ｆｘ ……… 式（６）
ここで、ｒ：車輪転がり半径、ｅ：ｙ軸方向におけるＦｚの作用点と転がり軸受中心のずれ
これらの２つの式を使用することで、ｊ１〜ｊ８の式のうちの４式を使えば、６分力を求めることができる。

なお、図３に示す超音波センサの取付け構造は、一例であり、これに限定されるものではなく、図８に示すようなものとすることもできる。図８において、固定側軌道部材(23)には、断面が二等辺直角三角形状のセンサ設置用突出部(42)がその直角部分が突出部(42)先端に来るように設けられている。そして、この突出部(42)の直角部分を挟む二面に超音波センサ(Sti)(Sto)がそれぞれ取り付けられている。この取付け構造は、図３に拡大して示したものと同じであるので、図３と同じ構成に同じ符号を付してその説明は省略する。この実施形態によると、突出部(42)により、センサ設置箇所が補強されるため、センサ設置に伴う強度低下が防止される。突出部(42)は、センサ設置位置（固定側軌道部材(23)の最上部、最下部および上下の中間部）にだけ設けられてもよく、周方向に連続するように（断面形状が一定に限られるものではない）設けられてもよい。

図１は、この発明による車両用センサ付き転がり軸受装置の第１実施形態を示す縦断面図である。 図２は、同側面図である。 図３は、超音波センサの取付け構造を示す図１の要部の拡大縦断面図である。 図４は、超音波センサで得られるエコーの波形の一例を示す図である。 図５は、超音波センサで得られるエコー振幅と取付面粗さとの関係を示すグラフである。 図６は、超音波センサで得られるエコー比と転動体荷重との関係を示すグラフである。 図７は、この発明による車両用センサ付き転がり軸受装置の処理手段を示すブロック図である。 図８は、超音波センサの取付け構造の他の実施形態を示す図３に相当する拡大縦断面図である。

符号の説明

(1) 車両用転がり軸受
(2) センサ装置
(3) 固定側軌道部材
(4) 回転側軌道部材
(5) 玉（転動体）
(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo) 超音波センサ（荷重検出用センサ）
(23) 固定側軌道部材
(31) 上下方向および左右方向荷重演算手段
(32) 前後方向荷重演算手段
(34) ブレーキ力演算手段
(35) 前後力変化量演算部
(36) 信号作成部

Claims (3)

1. 固定側軌道部材、回転側軌道部材および転動体を有する転がり軸受と、センサ装置とを備えている 車両用センサ付き転がり軸受装置において、
   センサ装置は、転がり軸受の固定側軌道部材に取り付けられてタイヤ接地荷重の前後方向成分と相関関係がある物理量を検出する荷重検出用センサと、荷重検出用センサの出力に基づいてタイヤ接地荷重の前後方向成分を求める前後荷重演算手段と、タイヤ接地荷重の前後方向成分に基づいて車輪に与えるべきブレーキ力を演算するブレーキ力演算手段とを備えていることを特徴とする車両用センサ付き転がり軸受装置。
2. ブレーキ力演算手段は、タイヤ接地荷重の前後方向成分の変化量を求める前後力変化量演算部と、タイヤ接地荷重の前後方向成分の変化量に所定係数をかけることにより、変化量が正であればブレーキ力を増加し、変化量が負であればブレーキ力を減少する信号を作成する信号作成部とを有している請求項１の車両用センサ付き転がり軸受装置。
3. 荷重検出用センサは、各転がり軸受ごとに少なくとも３つ設けられており、センサ装置は、各荷重検出用センサの出力に基づいてタイヤ接地荷重の上下方向成分および左右方向成分を求める上下方向および左右方向荷重演算手段をさらに備えている請求項１の車両用センサ付き転がり軸受装置。

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