JP2010243190A - センサ付車輪用軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 車輪用軸受が静止あるいは低速状態でも、レスポンス良く車輪にかかる荷重を正確に推定できるセンサ付車輪用軸受を提供する。
【解決手段】 車輪用軸受の外方部材と内方部材のうちの固定側部材にセンサユニット２０を設ける。センサユニット２０は、固定側部材に接触して固定される４つ以上の接触固定部を有する歪み発生部材２１と、これに取付けられてその歪みを検出する３つ以上のセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃを有する。これらのセンサ出力信号から荷重を推定する荷重推定手段３０を設ける。荷重推定手段３０は、２つのセンサ２２Ａ，２２Ｃの出力信号Ａ，Ｃから平均値を求める平均値演算部３１と、２つのセンサ２２Ｂ，２２Ｃの出力信号Ｂ，Ｃから振幅値を求める振幅値演算部３２と、これら平均値および振幅値を用いた演算処理により車輪に加わる荷重を推定する荷重演算部３３を有する。
【選択図】 図８

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、車輪用軸受の外輪フランジ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

しかし、特許文献１のように外輪フランジに歪みゲージを貼り付けるのでは、組立性に問題がある。また、検出感度も低く、荷重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提案している。このセンサ付車輪用軸受における車輪用軸受は、図１１のように、複列の転走面４３が内周に形成された外方部材４１と、上記転走面４３と対向する転走面４４が外周に形成された内方部材４２と、両部材４１，４２の対向する転走面４３，４４間に介在した複列の転動体４５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４１および内方部材４２のうち、固定側部材となる外方部材４１の外径面に、図１２のように４つのセンサユニット５０を設ける。センサユニット５０は、図１３および図１４に拡大平面図および拡大断面図で示すように、外方部材４１の外径面に接触して固定される３つの接触固定部５１ａを有する歪み発生部材５１およびこの歪み発生部材５１に取付けられてこの歪み発生部材５１の歪みを検出する２つの歪みセンサ５２Ａ，５２Ｂを有するものとする。３つの接触固定部５１ａは、外方部材４１の外径面の同一軸方向一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、これら２つの歪みセンサ５２Ａ，５２Ｂの出力信号の和（平均値）から車輪用軸受に作用する荷重を推定する。この場合、２つの歪みセンサ５２Ａ，５２Ｂの間隔は、図１５のように、転動体４５の配列ピッチＰの１／２＋ｎ（ｎ：整数）とする。

この構成の場合、車輪用軸受や、車輪のタイヤと路面間に荷重が作用すると、外方部材４１にも荷重が印加されて変形が生じ、その変形からセンサユニット５０が荷重を検出する。センサユニット５０の２つの歪みセンサ５２Ａ，５２Ｂの出力信号は、そのままでは転動体４５の通過の影響を受けるが、ここではこれら２つの歪みセンサ５２Ａ，５２Ｂの出力信号の和（平均値）から、車輪用軸受に作用する荷重を推定するものとしているので、各歪みセンサ５２Ａ，５２Ｂの出力信号に現れる転動体４５の位置の影響を相殺することができ、軸受が公転していない状態でも荷重を精度良く検出できる。

また、本発明者等は、上記構成のセンサ付車輪用軸受において、前記２つの歪みセンサ５２Ａ，５２Ｂの出力信号の差（振幅値）から車輪用軸受に作用する荷重を推定するものも提案している。この場合、各歪みセンサ５２Ａ，５２Ｂの出力信号に現れる温度の影響やナックル・フランジ面間の滑りによる影響を相殺でき、荷重を精度良く検出できる。図１６は、前記２つの歪みセンサ５２Ａ，５２Ｂの出力信号の和と差を求める演算処理回路の一例を示す。しかし、この場合、振幅値を求める演算には、少なくとも１周期の出力信号が必要であり、レスポンスの悪化が避けられない。

さらに、本発明者等は、前記歪みセンサの出力信号から平均値（直流成分）と振幅値（交流成分）を算出し、両方の値を用いて荷重を推定するものとして、検出精度を上げるものも提案している。しかし、この場合、平均値と振幅値を求めるには、軸受が回転して転動体４５が公転している必要があり、静止状態や極低速状態では誤差が大きくなってしまうという問題がある。

この発明の目的は、車輪用軸受が静止あるいは低速状態でも、レスポンス良く車輪にかかる荷重を正確に推定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３が内周に形成された外方部材１と、前記転走面３と対向する転走面４が外周に形成された内方部材２と、両部材１，２の対向する転走面３，４間に介在した複列の転動体５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１および内方部材２のうちの固定側部材の外径面に複数のセンサユニット２０を設け、前記センサユニット２０は、前記固定側部材の外径面に接触して固定される４つ以上の接触固定部２１ａを有する歪み発生部材２１およびこの歪み発生部材２１に取付けられてこの歪み発生部材２１の歪みを検出する３つ以上のセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃを有し、前記センサユニット２０のセンサ出力信号から車輪に加わる荷重を推定する荷重推定手段３０を設け、この荷重推定手段３０は、前記センサユニット２０における少なくとも２つのセンサの出力信号からセンサユニット２０の出力信号の平均値を求める平均値演算部３１と、前記センサユニット２０における少なくとも２つのセンサの出力信号と前記平均値とからセンサユニット２０の出力信号の振幅値を求める振幅値演算部３２と、前記平均値および前記振幅値を用いた演算処理により車輪に加わる荷重を推定する荷重演算部３３とを有するものとしたことを特徴とする。
この構成によると、荷重推定手段３０では、平均値演算部３１により、センサユニット２０における２つのセンサ出力信号からセンサユニット２０の出力信号の平均値を求め、振幅値演算部３２により、センサユニット２０における２つのセンサの出力信号と前記平均値とからセンサユニット２０の出力信号の振幅値を求め、さらに荷重演算部３３において、前記平均値および振幅値を用いた演算処理により車輪に加わる荷重を推定する。このため、車輪用軸受が静止あるいは低速状態でも、レスポンス良く車輪にかかる荷重を正確に推定できる。また、車輪にかかる荷重を遅延なく推定できるので、この推定荷重を利用した車両の制御の応答性や制御性が向上し、より安全性や走行安定性を高めることができる。

この発明において、前記センサユニット２０を３つ以上設け、前記荷重推定手段３０は、前記３つ以上のセンサユニット２０のセンサ出力信号から車輪用軸受の径方向および軸方向に作用する径方向荷重および軸方向荷重を推定するものとしても良い。

この発明において、前記センサユニット２０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円周方向９０度の位相差で４つ等配しても良い。
このように４つのセンサユニット２０を配置することで、車輪用軸受に作用する垂直方向荷重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２０の3つ以上のセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの少なくとも2つは、それらの出力信号の位相差が180°となるように転動体の配列ピッチの｛ｎ＋１／２（ｎ：整数）｝倍となる間隔で配置され、前記荷重推定手段３０の平均値演算部３１は前記２つのセンサの出力信号の和をとることにより、変動成分をキャンセルして平均値を求めるものとしても良い。

この発明において、前記センサユニット２０の3つ以上のセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの少なくとも2つは、それらの出力信号の位相差が90°となるように転動体の配列ピッチの｛ｎ／２＋１／４（ｎ：整数）｝倍となる間隔で配置され、前記荷重推定手段３０の振幅値演算部３２は前記２つのセンサの出力信号からそれぞれ平均値を除いたものの二乗和の平方根として振幅値を求めるものとしても良い。

この発明において、前記各センサユニット２０に温度センサ２８を設け、前記荷重推定手段３０の平均値演算部３１は、前記温度センサ２８の出力信号に基づき、平均値の温度ドリフトを補正するものとしても良い。この構成の場合、平均値の温度ドリフトを補正することができるので、温度による推定荷重誤差を低減することができる。

この発明において、前記荷重推定手段３０は、前記平均値演算部３１および振幅値演算部３２とは別に、前記センサユニット２０のいずれか１つのセンサの転動体振幅の複数周期分のセンサ出力信号から平均値および振幅値を求める第２の平均値演算部３１Ａおよび振幅値演算部３２Ａを有し、前記荷重演算部３３は、車輪回転速度が所定の値よりも高いとき、第２の平均値演算部３１Ａおよび振幅値演算部３２Ａで求めた平均値および振幅値を用いた演算処理により車輪に加わる荷重を推定するものとしても良い。前記所定の値は、例えば、第２の平均値演算部３１Ａおよび振幅値演算部３２Ａの方が第１の平均値演算部３１および振幅値演算部３２よりも精度良く検出できる速度であり、具体的には、人の歩行速度程度かそれ以下の速度とされる。

この発明において、前記荷重推定手段３０の荷重演算部３３は、第１の平均値演算部３１および振幅値演算部３２により求めた平均値および振幅値を用いた演算処理と、第２の平均値演算部３１Ａおよび振幅値演算部３２Ａを用いた演算処理を並行して行い、これら両演算処理により得られる２つの推定荷重値から、車輪回転速度に応じていずれか１つの推定荷重値を切り替え選択して出力する選択出力手段３５を設けても良い。

この発明において、前記選択出力手段３５は、外部から車輪回転速度の情報を受けるものとしても良い。ここで言う外部は、このセンサ付車輪用軸受に対する外部である。

この発明において、前記選択出力手段３５は、前記センサの出力信号から転動体の通過周波数を検出して車輪回転速度を推定するものとしても良い。この構成の場合、余分なセンサや配線が不要で、構成が簡単になる。

この発明において、前記選択出力手段３５は、車体側から供給される回転センサ信号から車輪回転速度を推定するものとしても良い。

この発明において、前記選択出力手段３５は、車体側の制御装置から車輪回転速度に応じた切り替え選択指令を受けるものとしても良い。

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複数のセンサユニットを設け、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４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３つ以上のセンサを有し、前記センサユニットのセンサ出力信号から車輪に加わる荷重を推定する荷重推定手段を設け、この荷重推定手段は、前記センサユニットにおける少なくとも２つのセンサの出力信号からセンサユニットの出力信号の平均値を求める平均値演算部と、前記センサユニットにおける少なくとも２つのセンサの出力信号と前記平均値とからセンサユニットの出力信号の振幅値を求める振幅値演算部と、前記平均値および前記振幅値を用いた演算処理により車輪に加わる荷重を推定する荷重演算部とを有するものとしたため、車輪用軸受が静止あるいは低速状態でも、レスポンス良く車輪にかかる荷重を正確に推定することができる。

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をアウトボード側から見た正面図である。 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設置例を示す断面図である。 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。 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他の説明図である。 同センサ付車輪用軸受における荷重推定手段の構成例を示すブロック図である。 同センサ付車輪用軸受における荷重推定手段の他の構成例を示すブロック図である。 同センサ付車輪用軸受における荷重推定手段の他の構成例を示すブロック図である。 提案例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。 同提案例の外方部材をアウトボード側から見た正面図である。 同提案例におけるセンサユニットの拡大平面図である。 図１３におけるXIV −XIV 矢視断面図である。 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。 センサ出力信号の平均値と振幅値を演算する演算回路の一例のブロック図である。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図８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（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には周方向複数箇所にナックル取付用のねじ孔１４が設けられ、インボード側よりナックル１６のボルト挿通孔１７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、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、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。前記車体取付用フランジ１ａは、図２のように、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。

固定側部材である外方部材１の外径面には、４つのセンサユニット２０が設けられている。ここでは、これらのセンサユニット２０が、タイヤ接地面に対して上下位置および前後位置となる外方部材１の外径面における上面部、下面部、右面部、および左面部に設けられている。

これらのセンサユニット２０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３つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ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均一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の外径面にスペーサ２３を介して接触固定される４つ以上（ここでは４つ）の接触固定部２１ａを有する。４つの接触固定部２１ａは、歪み発生部材２１の長手方向に向け１列に並べて配置される。３つの歪み発生部材２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ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設置される。具体的には、歪み発生部材２１の外面側で隣り合う接触固定部２１ａの間に配置される。切欠き部２１ｂは、図３のように、歪み発生部材２１の両側辺部における前記歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの配置部に対応する３箇所の位置にそれぞれ形成されている。これにより、歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃは歪み発生部材２１の切欠き部２１ｂの周辺における長手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、例えば、その力が作用しても車輪用軸受は損傷をせず、その力が除去されると車輪用軸受の性状な機能が復元される範囲の最大の力である。

前記センサユニット２０は、その歪み発生部材２１の各接触固定部２１ａが、外方部材１の軸方向の同寸法の位置で、かつ各接触固定部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。これにより、歪み発生部材２１上の各歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃは外方部材１の円周方向に並んで配置されることになる。前記各ボルト２４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ねじ孔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を固定することにより、薄板状である歪み発生部材２１における切欠き部２１ｂを有する各部位が外方部材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。

接触固定部２１ａ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。

このほか、図５に断面図で示すように、外方部材１の外径面における前記歪み発生部材２１の各接触固定部２１ａが固定される箇所の隣り合う中間部に溝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における切欠き部２１ｂが位置する各接触固定部２１ｂの中間部位を外方部材１の外径面から離すようにしても良い。

歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ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２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃを金属箔ステ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２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ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。

各センサユニット２０の歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃは、その出力信号から車輪に加わる荷重を推定する荷重推定手段３０に接続される。ここでは、車輪の垂直方向に作用する垂直方向荷重Ｆz と、駆動力や制動力となる前後方向に作用する荷重Ｆx と、軸方向に作用する軸方向荷重Ｆy が推定される。この荷重推定手段３０は、図８にブロック図で示すように、平均値演算部３１と振幅値演算部３２と荷重演算部３３とを有する。平均値演算部３１および振幅値演算部３２は、図では一つのみを示したが、各センサユニット２０にそれぞれ対応して複数設けられる。

センサユニット２０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に設けられるので、歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの出力信号は、センサユニット２０の設置部の近傍を通過する転動体５の影響を受ける。すなわち、転動体５がセンサユニット２０における歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃに最も近い位置を通過するとき出力信号は最大値となり、その位置から転動体５が遠ざかるにつれて低下する。これにより、軸受回転時には歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの出力信号は、図６や図７のように、その振幅が転動体５の配列ピッチＰを周期として変化する正弦波に近い波形となる。

ここでは、各歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの前記円周方向の間隔は、図８のように、転動体５の配列ピッチＰの１／４（９０度位相差）とされている。これにより、左端の歪みセンサ２２Ａと右端の歪みセンサ２２Ｃの間隔は、転動体５の配列ピッチＰの１／２（１８０度位相差）となる。図６は、間隔が転動体５の配列ピッチＰの１／４となる２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号Ａ，Ｂの波形と転動体位置との関係を示している。他の２つの歪みセンサ２２Ｂ，２２Ｃの出力信号Ｂ，Ｃの波形と転動体位置との関係も同様である。図７は、間隔が転動体５の配列ピッチＰの１／２となる２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｃの出力信号Ａ，Ｃの波形と転動体位置との関係を示している。

平均値演算部３１は、２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｃの出力信号Ａ，Ｃからセンサユニット２０の出力信号の平均値を求める演算部である。振幅値演算部３２は、２つの歪みセンサ２２Ｂ，２２Ｃの出力信号Ｂ，Ｃと前記平均値演算部３１で求められる平均値とから、センサユニット２０の出力信号の振幅値を求める演算部である。転動体５の位置の位相をθとするとき、前記各出力信号Ａ，Ｂ，Ｃは以下の各式で与えられる。
Ａ＝αsin θ＋β ……（１）
Ｂ＝αcos θ＋β ……（２）
Ｃ＝−αsin θ＋β ……（３）
ただし、αは振幅値、βは平均値である。

そこで、平均値演算部３１では、出力信号Ａと出力信号Ｃの和をとることにより、つまり、
β＝（Ａ＋Ｃ）／２ ……（４）
を演算することにより、平均値を求める。
また、振幅値演算部３２では、２つの出力信号Ｂ，Ｃからそれぞれ平均値βを除き、これらの値の二乗和の平方根を求めることにより、つまり
α＝｛（Ｂ−β）² ＋（Ｃ−β）² ｝^1/2
＝｛（αcos θ）² ＋（αsin θ）² ｝^1/2 ……（５）
を演算することにより、振幅値αを求める。なお、この演算では、出力信号Ａ，Ｂを用いても同様の結果を得ることができる。
これらの演算は、転動体５の位置に関係なく短時間に求めることができる。つまり、軸受が静止状態や極低速状態であってもレスポンスよく求めることができる。

平均値演算部３１は、求められた演算値の温度によるドリフトを補正する温度補正手段３４を有する。各センサユニット２０の歪み発生部材２１には図３のように温度センサ２８が設けられ、この温度センサ２８の出力信号に基づき、前記温度補正手段３４において平均値の補正が行なわれる。

荷重演算部３３では、平均値演算部３１および振幅値演算部３２で求められた各センサユニット２０に対応する平均値および振幅値を変数とし、これらの変数に補正係数を乗算した所定の荷重演算式から車輪に加わる荷重を演算・推定する。この場合の荷重演算式としては、垂直方向荷重Ｆz を演算するものと、駆動力や制動力となる前後方向の荷重Ｆx を演算するものと、軸方向荷重Ｆy を演算するものとが設けられる。上記各演算式における各補正係数の値は、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。ここではセンサユニット２０における歪み発生部材２１の４つ以上の接触固定部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易く、その歪みが歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃで感度良く検出される。

特に、荷重推定手段３０では、平均値演算部３１により、センサユニット２０における２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｃの出力信号Ａ，Ｃからセンサユニット２０の出力信号の平均値を求め、振幅値演算部３２により、センサユニット２０における２つの歪みセンサ２２Ｂ，２２Ｃの出力信号Ｂ，Ｃと前記平均値とからセンサユニット２０の出力信号の振幅値を求め、さらに荷重演算部３３において、前記平均値および振幅値を用いた演算処理により車輪に加わる各荷重Ｆz ，Ｆx ，Ｆy を推定するようにしているので、車輪用軸受が静止あるいは低速状態でも、レスポンス良く車輪にかかる荷重を正確に推定することができる。したがって、この推定された荷重値を利用した車両制御の応答性や制御性が向上し、安全性や走行安定性をより高めることができる。

この実施形態では前記センサユニット２０を４つ設け、各センサユニット２０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外方部材１の外径面の上面部、下面部、右面部、および左面部に円周方向９０度の位相差で等配しているので、車輪用軸受に作用する垂直方向荷重Ｆz 、駆動力や制動力となる荷重Ｆx 、軸方向荷重Ｆy を推定することができる。

また、各センサユニット２０に温度センサ２８を設け、前記荷重推定手段３０の平均値演算部３１では、温度補正手段３4 により、前記温度センサ２８の出力信号に基づき、平均値の温度ドリフトを補正するようにしているので、平均値の温度ドリフトを補正することができる。

図９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の歪み発生部材２１における歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの配置において、左端の歪みセンサ２２Ａと中間位置の歪みセンサ２２Ｂとの間隔を転動体配列ピッチＰの１／２とし、中間位置の歪みセンサ２２Ｂと右端の歪みセンサ２２Ｃとの間隔を転動体配列ピッチＰの１／４としている。また、荷重推定手段３０における平均値演算部３１では、左端の歪みセンサ２２Ａの出力信号Ａと中間位置の歪みセンサ２２Ｂの出力信号Ｂとによりセンサユニット２０の出力信号の平均値を求め、振幅値演算部３２では、中間位置の歪みセンサ２２Ｂの出力信号Ｂおよび右端の歪みセンサ２２Ｃの出力信号Ｃと、前記平均値とによりセンサユニット２０の出力信号の振幅値を求めるようにしている。その他の構成は先の実施形態の場合と同様である。

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１〜図８に示した実施形態における荷重推定手段３０において、前記平均値演算部３１および振幅値演算部３２とは別に、第２の平均値演算部３１Ａおよび振幅値演算部３２Ａと、選択出力手段３５とを設けている。第２の平均値演算部３１Ａおよび振幅値演算部３２Ａは、センサユニット２０における１つの歪みセンサ（ここでは歪みセンサ２２Ｃ）の転動体振幅の複数周期分の出力信号から、そのセンサユニット２０の出力信号の平均値および振幅値を求める演算部である。その平均値演算部３１Ａが温度補正手段３６を有し、この温度補正手段３６により平均値の温度ドリフトが補正されることは第１の平均値演算部３１の場合と同様である。この場合の第２の平均値演算部３１Ａおよび振幅値演算部３２Ａも、各センサユニット２０にそれぞれ対応して複数設けられる。

このように、１つの歪みセンサの出力信号から平均値および振幅値を求めるためには、その出力信号として複数周期分のデータが必要である。このため、第１の平均値演算部３１および振幅値演算部３２で平均値および振幅値を求める場合よりもレスポンスが低下する。そこで、第２の平均値演算部３１Ａおよび振幅値演算部３２Ａでの演算は、車輪の回転速度が所定の値より高いときに行うようにされる。前記所定の値は、例えば、第２の平均値演算部３１Ａおよび振幅値演算部３２Ａの方が第１の平均値演算部３１および振幅値演算部３２よりも精度良く検出できる速度であり、具体的には、人の歩行速度程度かそれ以下の速度とされる。

荷重演算部３３では、第２の平均値演算部３１Ａおよび振幅値演算部３２Ａで求められた各センサユニット２０に対応する平均値および振幅値を変数とし、これらの変数に補正係数を乗算した所定の荷重演算式から車輪に加わる荷重を演算・推定する処理も行なわれる。つまり、荷重演算部３３では、第１の平均値演算部３１および振幅値演算部３２で求められた平均値および振幅値を用いた荷重推定と、第２の平均値演算部３１Ａおよび振幅値演算部３２Ａで求められた平均値および振幅値を用いた荷重推定とが並行して行なわれる。

選択出力手段３５は、荷重演算部３３において前記両演算処理により得られる２つの推定荷重値から、車輪回転速度に応じていずれか１つの推定荷重値を切り替え選択して出力する手段である。選択出力択手段３５には、例えば外部から車輪回転速度の情報が入力され、この情報に基づいて前記推定荷重値の選択出力が行なわれる。ここで言う外部は、このセンサ付車輪用軸受に対する外部である。この場合、外部からの車輪回転速度の情報として、車体側からのＡＢＳセンサ（アンチロックブレーキシステムに用いられる車輪の回転検出センサ）などの回転センサ信号を用い、これにより車輪回転速度を推定するようにしても良い。また、車体側の車内通信バスに接続された上位制御装置から、車輪回転速度の情報に代わるものとして、切り替え選択指令を選択出力手段３５が受ける構成としても良い。さらに、車輪回転速度の情報として、前記歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ、２２Ｃの出力信号Ａ，Ｂ，Ｃから転動体５の通過周波数を検出して、車輪回転速度を推定するものとしても良い。

なお、上記した各実施形態では、外方部材１が固定側部材である場合につき説明したが、この発明は、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２０は内方部材の内周となる周面に設ける。
また、これらの実施形態では第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。

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
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ…歪みセンサ
２８…温度センサ
３０…荷重推定手段
３１，３１Ａ…平均値演算部
３２，３２Ａ…振幅値演算部
３４，３６…温度補正手段
３５…選択出力手段

Claims (12)

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複数のセンサユニットを設け、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４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３つ以上のセンサを有し、
   前記センサユニットのセンサ出力信号から車輪に加わる荷重を推定する荷重推定手段を設け、この荷重推定手段は、前記センサユニットにおける少なくとも２つのセンサの出力信号からセンサユニットの出力信号の平均値を求める平均値演算部と、前記センサユニットにおける少なくとも２つのセンサの出力信号と前記平均値とからセンサユニットの出力信号の振幅値を求める振幅値演算部と、前記平均値および前記振幅値を用いた演算処理により車輪に加わる荷重を推定する荷重演算部とを有するものとし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を３つ以上設け、前記荷重推定手段は、前記３つ以上のセンサユニットのセンサ出力信号から車輪用軸受の径方向および軸方向に作用する径方向荷重および軸方向荷重を推定するもの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円周方向９０度の位相差で４つ等配したセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記センサユニットの少なくとも２つのセンサは、それらの出力信号の位相差が転動体の配列ピッチの｛ｎ＋１／２（ｎ：整数）｝倍となる間隔で配置され、前記荷重推定手段の平均値演算部は前記２つのセンサの出力信号の和をとることにより、変動成分をキャンセルして平均値を求めるものと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少なくとも２つのセンサは、それらの出力信号の位相差が転動体の配列ピッチの｛ｎ／２＋１／４（ｎ：整数）｝倍となる間隔で配置され、前記荷重推定手段の振幅値演算部は前記２つのセンサの出力信号からそれぞれ平均値を除いたものの二乗和の平方根として振幅値を求め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、前記各センサユニットに温度センサを設け、前記荷重推定手段の平均値演算部は、前記温度センサの出力信号に基づき、平均値の温度ドリフトを補正するものとし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、前記荷重推定手段は、前記平均値演算部および振幅値演算部とは別に、前記センサユニットのいずれか１つのセンサの転動体振幅の複数周期分のセンサ出力信号から平均値および振幅値を求める第２の平均値演算部および振幅値演算部を有し、前記荷重演算部は、車輪回転速度が所定の値よりも高いとき、第２の平均値演算部および振幅値演算部で求めた平均値および振幅値を用いた演算処理により車輪に加わる荷重を推定するものとしたセンサ付車輪用軸受。
8. 請求項７において、前記荷重推定手段の荷重演算部は、第１の平均値演算部および振幅値演算部により求めた平均値および振幅値を用いた演算処理と、第２の平均値演算部および振幅値演算部を用いた演算処理を並行して行い、これら両演算処理により得られる２つの推定荷重値から、車輪回転速度に応じていずれか１つの推定荷重値を切り替え選択して出力する選択出力手段を設けたセンサ付車輪用軸受。
9. 請求項８において、前記選択出力手段は、外部から車輪回転速度の情報を受けるものとしたセンサ付車輪用軸受。
10. 請求項８において、前記選択出力手段は、前記センサの出力信号から転動体の通過周波数を検出して車輪回転速度を推定するものとしたセンサ付車輪用軸受。
11. 請求項８において、前記選択出力手段は、車体側から供給される回転センサ信号から車輪回転速度を推定するものとしたセンサ付車輪用軸受。
12. 請求項８において、前記選択出力手段は、車体側の制御装置から車輪回転速度に応じた切り替え選択指令を受けるものとしたセンサ付車輪用軸受。

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