JP5100567B2 - 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の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、車輪用軸受の外輪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も提案されている（例えば特許文献２）。
特開２００２−０９８１３８号公報 特表２００３−５３０５６５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、静止摩擦力を超える力が作用し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。
例えば、車輪用軸受に対してある方向の荷重が大きくなる場合、固定輪フランジ面とナックル面の間は、最初は荷重よりも静止摩擦力の方が大きいため滑らないが、ある大きさを超えると静止摩擦力に打ち勝って滑るようになる。その状態で荷重を小さくしていくと、やはり最初は静止摩擦力により滑らないが、ある大きさになると滑るようになる。その結果、この変形が生じる部分で荷重を推定しようとすると、出力信号に図１５のようなヒステリシスが生じる。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のように外輪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、車輪用軸受に作用する上下方向の荷重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なり、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、複列の転走面が内周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、この外径面に接触して固定される２つの接触固定部とこれら２つの接触固定部の間に位置する切欠き部と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を有する１つ以上のセンサユニットを設ける。

しかし、このような構成の場合、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。

この課題を解決するために、前記センサユニットの２つを、前記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してなるセンサユニット対を少なくとも１対設け、そのセンサユニット対における２つのセンサユニットのセンサの出力信号の差分から車輪用軸受もしくはタイヤの径方向に作用する径方向荷重を推定する径方向荷重推定手段と、前記センサユニット対における２つのセンサユニットのセンサの出力信号の和から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を推定する軸方向荷重推定手段を設けることも考えられる。

しかし、この構成の場合、軸方向荷重の方向判別のためのセンサを別途設けなければならず、構成が複雑なものとなる。

この発明の目的は、少ないセンサ数で、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、車輪にかか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、前記各センサユニットは、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を有し、前記センサユニット対における２つのセンサユニットのセンサの出力信号の差分から車輪用軸受もしくはタイヤの径方向に作用する径方向荷重を推定する径方向荷重推定手段と、前記センサユニット対における２つのセンサユニットのセンサの出力信号の和から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を推定する軸方向荷重推定手段とを設け、少なくとも１対のセンサユニット対の２つのセンサユニットは、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、このセンサユニット対のセンサの出力信号の振幅から前記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、センサユニット対を構成する２つのセンサユニットにおける歪み発生部材の２つ以上の接触固定部が、外方部材の外径面に接触固定されているので、外方部材の歪みが歪み発生部材に拡大して伝達され易く、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る。
また、固定側部材の外径面に、そ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、そのセンサユニット対の２つのセンサの出力信号の差により径方向荷重である例えば垂直方向荷重Ｆz を推定する径方向荷重推定手段と、前記２つのセンサ２２の出力信号の和により軸方向荷重Ｆy を推定する軸方向荷重推定手段とを設けているので、径方向荷重（例えば垂直方向荷重Ｆz ）と軸方向荷重Ｆy とを感度良く推定することができる。
とくに、少なくとも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し、このセンサユニット対のセンサ出力信号の振幅から前記軸方向荷重Ｆy の方向を判別する軸方向荷重方向判別手段を設けているので、方向判別のためのセンサを別途設けることなく、軸方向荷重Ｆy の方向を判別することができる。したがって、複数のセンサを設置することなく、径方向荷重（例えば垂直方向荷重Ｆz ）と軸方向荷重Ｆy とを感度良く正確に推定することができる。このようにして検出した荷重は自動車の車両制御に使用することができる。この構成の場合には、車両にコンパクトに設置できるため、量産性に優れたものとなり、コスト低減が図れる。

この発明において、前記軸方向荷重方向判別手段は、前記センサの出力信号の振幅の最大値と最小値の差分から前記軸方向荷重の方向を判別するものとしても良い。

この発明において、前記径方向荷重推定手段は、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２つのセンサユニットが配置されたセンサユニット対における前記２つのセンサユニットの出力信号の差分から車輪用軸受に作用する垂直方向の荷重を推定するものとしても良い。この構成の場合、ヒステリシス影響を受けることなく、どのような荷重条件においても、垂直方向にかかる荷重を正確に検出することができる。

この発明において、少なくとも１対のセンサユニット対の２つのセンサユニットは、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、前記径方向荷重推定手段は、前記２つのセンサユニットのセンサの出力信号の差分から駆動力となる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、駆動力となる荷重を正確に検出することができる。

この発明において、前記径方向荷重推定手段は、その推定値を前記軸方向荷重推定手段による推定値により補正する補正手段を有するものとしても良い。
車輪用軸受もしくはタイヤの径方向に作用する径方向荷重（垂直方向荷重Ｆz や駆動力となる荷重Ｆx ）に対する前記固定側部材の変形量は、軸方向荷重Ｆy に対する変形量と比較して非常に小さいため、軸方向荷重Ｆy の影響を受けやすい。そこで、径方向荷重推定手段による推定値を軸方向荷重推定手段による推定値により補正すれば、径方向荷重をより正確に推定することができる。

この発明において、車輪用軸受の温度またはその周辺温度に応じて前記センサユニットのセンサの出力信号を補正する温度補正手段を設けても良い。
軸受回転による発熱や周辺環境などにより車輪用軸受の温度が変化すると、荷重が変化しなくても、前記センサユニットのセンサ出力信号は熱膨張などにより変動するので、検出された荷重に温度の影響が残る。そこで、車輪用軸受の温度またはその周辺温度に応じて前記センサユニットのセンサ出力信号を補正する温度補正手段を設けると、温度による検出誤差を低減できる。その結果、多数のセンサを設けることなく、どのような荷重条件においても、径方向荷重（例えば垂直方向荷重Ｆz ）と軸方向荷重Ｆy とを感度良く正確に検出することができる。

この発明において、前記温度補正手段は、前記固定側部材の外径面に設けた１つ以上の温度センサの出力信号に応じて前記センサユニットのセンサの出力信号を補正するものとしても良い。この構成の場合、センユニットが設けられる固定側部材の外径面の温度を直接測定する温度センサの出力信号に応じて、センサユニットのセンサ出力信号を補正することになるので、荷重をより正確に検出できる。

この発明において、前記温度補正手段は、前記センサユニットの歪み発生部材に設けた１つ以上の温度センサの出力信号に応じて前記センサユニットの出力信号を補正するものとしても良い。この構成の場合、センサユニットが設けられる固定側部材の外径面と同じ温度を測定する温度センサの出力信号に応じて、センユニットのセンサ出力信号を補正することになるので、荷重をより正確に検出できる。また、温度センサを歪み発生部材に設けることで、歪み検出用のセンサと同じ部材に設けることになるので、信号ケーブルの引き出しなどが容易になり、組立性・量産性に優れたものとなる。

この発明において、前記荷重推定手段は、前記センサユニット対の２つのセンサユニットの各出力信号の差分もしくは和を、前記各出力信号の絶対値、および前記各出力信号の平均値、および前記各出力信号の振幅のうちの、少なくともいずれか１つにより算出するものとしても良い。
上記したように、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、センサユニット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荷重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、出力信号に変動が見られる場合は、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。変動が見られない場合は、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であって、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、前記各センサユニットは、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を有し、前記センサユニット対における２つのセンサユニットのセンサの出力信号の差分から車輪用軸受もしくはタイヤの径方向に作用する径方向荷重を推定する径方向荷重推定手段と、前記センサユニット対における２つのセンサユニットのセンサの出力信号の和から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を推定する軸方向荷重推定手段とを設けたセンサ付車輪用軸受において、少なくとも１対のセンサユニット対の２つのセンサユニットは、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、このセンサユニット対のセンサの出力信号の振幅から前記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たため、少ないセンサ数で、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、車輪にかかる荷重を正確に検出することができる。

この発明の一実施形態を図１ないし図１１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、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２０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。このセンサユニット対１９は１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２０を、タイヤ接地面に対して上下方向の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（垂直方向荷重）Ｆz もしくは軸方向の荷重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の２ｍｍ以下の薄板材からなり、平面概形が帯状で中央の両側辺部に切欠き部２１ｂを有する。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２つの接触固定部２１ａを両端部に有する。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、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、例えば、その力の印加によって車輪用軸受としての機能が損なわれない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。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雌ねじのボルト孔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。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。

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、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、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。

センサユニット対１９の２つのセンサ２２は、図２のように径方向荷重推定手段３１と軸方向荷重推定手段３２とにそれぞれ接続される。径方向荷重推定手段３１は、前記２つのセンサ２２の出力信号の差分から、車輪用軸受もしくはタイヤに作用する径方向荷重（ここでは垂直方向荷重Ｆz ）を推定する手段である。軸方向荷重推定手段３２は、前記２つのセンサ２２の出力信号の和から、車輪用軸受もしくはタイヤに作用する軸方向荷重（コーナリング力）Ｆy を推定する手段である。

上記した径方向荷重推定手段３１による垂直方向荷重Ｆz の推定方法、および軸方向荷重推定手段３２による軸方向荷重Ｆy の推定方法について、以下に説明する。軸方向荷重Ｆy がゼロの状態で垂直方向荷重Ｆz が印加された場合、外方部材１の外径面の変形モードは、図５に矢印Ｐ，Ｑで示すようになり、外方部材１の外径面の上面部が外径方向へ変形し、下面部が内径方向へ変形する。この実施形態では、センサユニット２０を、その２つの接触固定部２１ａが外方部材１の外径面の同一軸方向位置でかつ周方向に互いに離間した位置となるように配置して、周方向の歪みを検出するようにしている。これにより、前記上面部に固定されたセンサユニット２０の歪み発生部材２１は、歪みが大きくなる引っ張り方向に変形し、前記下面部に固定されたセンサユニット２０の歪み発生部材２１は、歪みが小さくなる圧縮方向に変形する。それゆえ、このときのセンサユニット対１９の２つのセンサ２２の出力信号Ａ，Ｂ（図７に破線のグラフとして示す）の差分をとると、同図に実線のグラフＣとして示すように傾きの大きい出力曲線が得られる。また、２つのセンサ２２の出力信号Ａ，Ｂの和をとると、同図に別の実線のグラフＤとして示すように傾きの小さい出力曲線が得られる。
一方、垂直方向荷重Ｆz がゼロの状態で軸方向荷重Ｆy が印加された場合、外方部材１の外径面の変形モードは、図６に矢印Ｐ，Ｑで示すようになり、外方部材１の外径面の上面部および下面部とも外径方向へ変形する。これにより、前記上面部に固定されたセンサユニット２０の歪み発生部材２１も、前記下面部に固定されたセンサユニット２０の歪み発生部材２１も共に、歪みが大きくなる引っ張り方向に変形する。それゆえ、このときのセンサユニット対１９の２つのセンサ２２の出力信号Ａ，Ｂ（図８，図９に破線のグラフとして示す）の差分をとると、同図に実線のグラフＣとして示すように傾きの小さい出力曲線が得られる。また、２つのセンサ２２の出力信号Ａ，Ｂの和をとると、別の実線のグラフＤとして示すように傾きの大きい出力曲線が得られる。

このように、垂直方向荷重Ｆz の印加時と軸方向荷重Ｆy の印加時とで、外方部材１の外径面の変形モードが異なることを利用して、径方向荷重推定手段３１による垂直方向荷重Ｆz の推定、および軸方向荷重推定手段３２による軸方向荷重Ｆy の推定を、次のように行っている。
（１） 軸方向荷重推定手段３２：２つのセンサ２２の出力信号Ａ，Ｂの和を求め、軸方向荷重（コーナリング力）Ｆy を推定する。この場合、垂直方向荷重Ｆz に対する出力信号Ａ，Ｂの和の傾きは小さく、軸方向荷重Ｆy の歪み量は垂直方向荷重Ｆz と比べて非常に大きいため、垂直方向荷重Ｆz による変動分はほとんど影響を受けない。
（２） 径方向荷重推定手段３１：２つのセンサ２２の出力信号Ａ，Ｂの差を求め、軸方向荷重推定手段３２で求めた軸方向荷重Ｆy の値で補正して、垂直方向荷重Ｆz を推定する。垂直方向荷重Ｆz に限らず車輪用軸受もしくはタイヤの径方向に作用する径方向荷重（駆動力となる荷重Ｆx を含む）に対する外方部材１の変形量は、軸方向荷重Ｆy に対する変形量と比較して非常に小さいため、軸方向荷重Ｆy の影響を受けやすい。そこで、上記したように、径方向荷重推定手段３１による推定値を軸方向荷重推定手段３２で求めた軸方向荷重Ｆy の値で補正すれば、径方向荷重（ここでは垂直方向荷重Ｆz ）を正確に推定できる。径方向荷重推定手段３１は、前記補正処理を行う補正手段３１ａを有する。例えば、垂直方向荷重Ｆz と歪み量が比例関係にある場合、補正手段３１ａは軸方向荷重Ｆy の値によりオフセット量や傾きを補正する。

前記径方向荷重推定手段３１および軸方向荷重推定手段３２は、実験や解析により予め求めた図７ないし図９にグラフで示す関係（荷重Ｆz と歪み量（差）、荷重Ｆy と歪み量（和）、荷重Ｆy と歪み量（差）など）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、径方向荷重推定手段３１および軸方向荷重推定手段３２は、入力された２つのセンサ２２の出力信号Ａ，Ｂから前記関係設定手段を用いて、垂直方向荷重Ｆz および軸方向荷重Ｆy を推定できる。

ただし、図８にＶ字形のグラフで示すように、軸方向荷重Ｆy の正負両方向（アウトボード側の方向とインボード側の方向）において、センサユニット２０の歪み発生部材２１が引っ張り方向に変形する場合、軸方向荷重Ｆy の方向を判別する必要がある。ここでは、前記センサユニット対１９のセンサ２２の出力信号の振幅から以下のように軸方向荷重Ｆy の方向を判別する軸方向荷重方向判別手段３３を設けている。

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２０を、車輪用軸受の固定側部材である外方部材１の外径面のタイヤ接地面に対する上下方向の位置である上面部と下面部とに配置している。しかも、センサユニット２０を、外方部材１における複列の転走面３のうちのアウトボード側の転走面３の周辺となる軸方向位置に配置しているので、車輪用軸受の回転中には、センサユニット２０のセンサ２２の出力信号の振幅に、図１０に示す波形図のように周期的な変化が生じる。その理由は、転走面３におけるセンサユニット２０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２０における歪み発生部材２１の変形量が異なり、転動体５の通過周期ごとにセンサ２２の出力信号の振幅がピーク値を持つためである。この振幅は、センサユニット２０の近傍部位を通過する個々の転動体５の荷重によって生じる外方部材１の変形を検出していることになるので、その振幅値は軸方向荷重（モーメント力）Ｆy の大きさによって変化する。

図１１（Ａ）は外方部材１の外径面の上面部に配置されたセンサユニット２０のセンサ出力を示し、図１１（Ｂ）は外方部材１の外径面の下面部に配置されたセンサユニット２０のセンサ出力を示している。これらの図において、横軸は軸方向荷重Ｆy を表し、縦軸は外方部材１の歪み量つまりセンサ２２の出力信号の振幅を表し、最大値および最小値は振幅の最大値および最小値を表す。これらの図から、軸方向荷重Ｆy が＋方向の場合、個々の転動体５の荷重は外方部材１の外径面上面部で小さくなり（つまり振幅の最大値と最小値の差が小さくなる）、外方部材１の外径面下面部で大きくなる（つまり振幅の最大値と最小値の差が大きくなる）ことが分かる。これに対して、軸方向荷重Ｆy が−方向の場合には逆に、個々の転動体５の荷重は外方部材１の外径面上面部で大きくなり、外方部材１の外径面下面部で小さくなることが分かる。

そこで、軸方向荷重方向判別手段３３では、外方部材１の外径面上面部および外径面下面部に配置されたセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅の上記差分を求め、これらの値を比較することで、軸方向荷重Ｆy の方向を判別する。すなわち、外方部材１の外径面上面部のセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅の最大値と最小値の差分が小さく、外方部材１の外径面下面部のセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅の最大値と最小値の差分が大きいとき、軸方向荷重方向判別手段３３では、軸方向荷重Ｆy の方向が＋方向であると判別する。逆に、外方部材１の外径面上面部のセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅の最大値と最小値の差分が大きく、外方部材１の外径面下面部のセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅の最大値と最小値の差分が小さいとき、軸方向荷重方向判別手段３３では、軸方向荷重Ｆy の方向が＋方向であると判別する。

なお、図８のようなＶ字形のグラフではなく、図９のように負方向の軸方向荷重Ｆy の最大値から正方向の軸方向荷重Ｆy の最大値にかけて単調増加（または単調減少）するような場所にセンサユニット２０を設置できれば、上記した軸方向荷重方向判別手段３３を設けなくても、センサユニット２０のセンサ２２の出力信号Ａ，Ｂだけから軸方向荷重Ｆy の方向も判別できる。

図２のように、外方部材１の外径面における各センサユニット２０の設置部の近傍には、外方部材１の外径面温度を検出する温度センサ２９がそれぞれ設けられている。温度センサ２９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３０は、車輪用軸受の温度またはその周辺温度に応じて、前記センサユニット２０のセンサ出力信号を補正する手段である。ここでは、温度補正手段３０は、前記温度センサ２９の出力信号に基づいて、対応するセンサユニット２０のセンサ出力信号を補正する。したがって、径方向荷重推定手段３１や軸方向荷重推定手段３２には、温度補正手段３０によって補正されたセンサ出力信号が入力される。

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。前記センサユニット対１９のセンサユニット２０を例えば車体取付用フランジ１ａの突片１ａａに設置して、車体取付用フランジ１ａの変形から荷重を推定しようとすると、従来例の説明におけるように出力信号にヒステリシスが生じる。ここでは、センサユニット２０における歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａが、外方部材１の外径面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、固定側部材である外方部材１の外径面に、そ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２０からなるセンサユニット対１９を少なくとも１対設け、そのセンサユニット対１９の２つのセンサ２２の出力信号の差により径方向荷重である例えば垂直方向荷重Ｆz を推定する径方向荷重推定手段３１と、前記２つのセンサ２２の出力信号の和によりコーナリング力となる軸方向荷重Ｆy を推定する軸方向荷重推定手段３２を設けているので、多数のセンサを設けることなく、どのような荷重条件においても、径方向荷重（ここでは垂直方向荷重Ｆz ）と軸方向荷重Ｆy とを感度良く推定することができる。

とくに、少なくとも１対のセンサユニット対１９の２つのセンサユニット２０を、タイヤ接地面に対して上下方向の位置となる固定側部材である外方部材１の外径面の上面部と下面部とに配置し、このセンサユニット対１９のセンサ出力信号の振幅から前記軸方向荷重Ｆy の方向を判別する軸方向荷重方向判別手段３３を設けているので、方向判別のためのセンサを別途設けることなく、軸方向荷重Ｆy の方向を判別することができる。したがって、複数のセンサを設置することなく、径方向荷重（ここでは垂直方向荷重Ｆz ）と軸方向荷重Ｆy とを感度良く正確に推定することができる。

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。

ところで、軸受回転による発熱や周辺環境などにより車輪用軸受の温度が変化すると、荷重が変化しなくても、前記センサユニット２０のセンサ出力信号は熱膨張などにより変動するので、推定される荷重に温度の影響が残る。この実施形態では、車輪用軸受の温度またはその周囲温度に応じて前記センサユニット２０のセンサ出力信号を補正する温度補正手段３０を設けているので、温度による検出誤差を低減できる。

また、この実施形態では、前記温度補正手段３０が、固定側部材である外方部材１の外径面に設けた温度センサ２９の出力信号に応じてセンサユニット２０のセンサ出力信号を補正するようにしているので、センサユニット２０が設けられる外方部材１の外径面の温度の測定値に応じて、センサユニット２０のセンサ出力信号を補正することになり、荷重をより正確に検出できる。

軸方向荷重Ｆy の方向判別に用いられるセンサユニット対１９のセンサ出力信号の振幅には、上記したように車輪用軸受の回転中に転走面３におけるセンサユニット２０の近傍部位を通過する転動体５の有無によって、周期的な変化が生じる。そこで、検出信号におけるこのピーク値の周期を、例えば径方向荷重推定手段３１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、出力信号に変動が見られる場合、径方向荷重推定手段３１や軸方向荷重推定手段３２は、センサユニット対１９の２つのセンサ２２の出力信号の差分や和を、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には、絶対値より算出することができる。

なお、この実施形態において、以下の構成については特に限定しない。
・ センサユニット２０の設置個数、接触固定部２１ａ，センサ２２，切欠き部２１ｂ の数、設置場所
・ センサユニット２０の形状、固定方法（接着、溶接でも良い。スペーサ２３を介さ ずに、２つの接触固定部２１ａを外方部材１の外径面に直接固定し、その外径面に おける両接触固定部２１ａの被固定部位間に溝を設けても良い。）、固定する向き （軸方向に向けて固定し、軸方向の歪みを検出しても構わない）

また、この実施形態では、センサユニット対１９となる２つのセンサユニット２０を、タイヤ接地面に対して上下方向の位置となる固定側部材である外方部材１の外径面の上面部と下面部とに配置しているが、これ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の外径面の左右両面部に配置しても良い。この場合には、径方向荷重推定手段３１により、径方向荷重として車両の前後方向に作用する駆動力による荷重Ｆx を推定することができる。

図１２ないし図１４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、図１〜図１１に示す実施形態において、センサユニット対１９の２つのセンサユニット２０を以下のように構成している。この場合も、センサユニット２０は、図１４に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の歪みを検出するセンサ２２とでなる。歪み発生部材２１は、外方部材１の外径面に対向する内面側に張り出した２つの接触固定部２１ａを両端部に有し、これら接触固定部２１ａで外方部材１の外径面に接触して固定される。２つの接触固定部２１ａのうち、１つの接触固定部２１ａ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配置され、この位置よりもアウトボード側の位置にもう１つの接触固定部２１ａが配置され、かつこれら両接触固定部２１ａは互いに外方部材１の円周方向における同位相の位置に配置される。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。この場合も、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の接触固定部２１ａが接触固定される箇所に平坦部を形成するのが望ましい。
また、歪み発生部材２１の中央部には内面側に開口する１つの切欠き部２１ｂが形成されている。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、前記切欠き部２１ｂの周辺、具体的には歪み発生部材２１の外面側で切欠き部２１ｂの背面側となる位置が選ばれており、センサ２２は切欠き部２１ｂの周辺の歪みを検出する。

歪み発生部材２１の２つの接触固定部２１ａは、それぞれボルト４７により外方部材１の外径面へ締結することで固定される。具体的には、これらボルト４７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４８に挿通し、外方部材１の外周部に設けられたボルト孔４９に螺合させる。なお、接触固定部２１ａの固定方法としては、ボルト４７による締結のほか、接着剤などを用いても良い。歪み発生部材２１の接触固定部２１ａ以外の箇所では、外方部材１の外径面との間に隙間が生じている。

なお、この実施形態では、図１４のように、温度センサ２９を、センサユニット２０の歪み発生部材２１に設けた例を示している。その他の構成は、図１〜図１１に示した実施形態の場合と略同様である。

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矢視線断面図である。 同センサ付車輪用軸受の外方部材外径面の変形モードの一例を示す説明図である。 同センサ付車輪用軸受の外方部材外径面の変形モードの他の例を示す説明図である。 同センサ付車輪用軸受におけるセンサ出力と垂直方向荷重との関係の一例を示すグラフである。 同センサ付車輪用軸受におけるセンサ出力と軸方向荷重との関係の一例を示すグラフである。 同センサ付車輪用軸受におけるセンサ出力と軸方向荷重との関係の他の例を示すグラフである。 同センサ付車輪用軸受におけるセンサユニットの出力信号の波形図である。 （Ａ）は外方部材外径面上面部でのセンサ出力信号振幅の最大最小値差と軸方向荷重の方向との関係を示すグラフ、（Ｂ）は同外径面下面部でのセンサ出力信号の振幅の最大最小値差と軸方向荷重の方向との関係を示すグラフである。 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。 図１２の一部拡大断面図である。 従来例での出力信号におけるヒステリシスの説明図である。

符号の説明

１…外方部材
１ａ…車体取付用フランジ
１ａａ…突片
２…内方部材
３，４…転走面
５…転動体
１９…センサユニット対
２０…センサユニット
２１…歪み発生部材
２１ａ…接触固定部
２２…センサ
３１…径方向荷重推定手段
３１ａ…補正手段
３２…軸方向荷重指定手段
３３…軸方向荷重方向判別手段

Claims (9)

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、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、前記各センサユニットは、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を有し、前記センサユニット対における２つのセンサユニットのセンサの出力信号の差分から車輪用軸受もしくはタイヤの径方向に作用する径方向荷重を推定する径方向荷重推定手段と、前記センサユニット対における２つのセンサユニットのセンサの出力信号の和から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を推定する軸方向荷重推定手段とを設け、
   少なくとも１対のセンサユニット対の２つのセンサユニットは、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、このセンサユニット対のセンサの出力信号の振幅から前記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、前記軸方向荷重方向判別手段は、前記センサの出力信号の振幅の最大値と最小値の差分から前記軸方向荷重の方向を判別する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、前記径方向荷重推定手段は、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２つのセンサユニットが配置されたセンサユニット対における前記２つのセンサユニットの出力信号の差分から車輪用軸受に作用する垂直方向の荷重を推定する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、少なくとも１対のセンサユニット対の２つのセンサユニットは、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、前記径方向荷重推定手段は、前記２つのセンサユニットのセンサの出力信号の差分から駆動力となる荷重を推定する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、前記径方向荷重推定手段は、その推定値を前記軸方向荷重推定手段による推定値により補正する補正手段を有す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、車輪用軸受の温度またはその周辺温度に応じて前記センサユニットのセンサの出力信号を補正する温度補正手段を設けたセンサ付車輪用軸受。
7. 請求項６において、前記温度補正手段は、前記固定側部材の外径面に設けた１つ以上の温度センサの出力信号に応じて前記センサユニットのセンサの出力信号を補正するセンサ付車輪用軸受。
8. 請求項６において、前記温度補正手段は、前記センサユニットの歪み発生部材に設けた１つ以上の温度センサの出力信号に応じて前記センサユニットの出力信号を補正す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、前記荷重推定手段は、前記センサユニット対の２つのセンサユニットの各出力信号の差分もしくは和を、前記各出力信号の絶対値、および前記各出力信号の平均値、および前記各出力信号の振幅のうちの、少なくともいずれか１つにより算出するセンサ付車輪用軸受。

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