JP5143039B2 - 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、車輪用軸受の外輪に歪みゲージを貼り付け、外輪外径面の歪みから荷重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

特許文献１に開示の技術では、車輪用軸受に作用する荷重を検出する場合、荷重に対する固定輪変形量が小さいため歪み量も小さく、検出感度が低くなり、荷重を精度良く検出できない。

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、少なくとも３つ以上のセンサユニットを設ける。このセンサユニットは、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歪み発生部材の歪みを検出する１つ以上のセンサを有するものとする。この構成において、前記各センサユニットの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、これら両方の値を用いて車輪用軸受に作用する荷重を推定する。

上記構成では、歪みを拡大する歪み発生部材を有するセンサユニットを用い、さらに、センサの出力信号の平均値と振幅値とに基づき荷重を推定するので、荷重の検出精度を上げることができる。

しかし、平均値および振幅値を求めるには軸受が回転して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課題が残る。
特に、振幅値を用いる演算では少なくとも１周期の信号が必要となるうえ、低速回転時には振幅の推定精度がさらに低下することは避けられず、荷重推定誤差が大きくなってしまう。

そこで、静止あるいは低速状態での荷重検出誤差を低減し、走行速度に左右されず正確な荷重推定が可能な手段が必要となる。さらに、平均値を求めるためには、回転速度に応じた時間の信号変化を調べる必要があり、特に低速回転になると必要な時間が長くなる。そのため、演算結果として出力される推定荷重出力の時間遅れが大きくなり、この信号を用いた車両の制御レスポンスが低速回転状態では低下してしまう。

この発明の目的は、車輪にかかる荷重を正確に推定でき、かつ検出した荷重信号を遅延なく出力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に、この固定側部材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１つ以上のセンサからなる荷重検出用センサユニットを設けてなるセンサ付車輪用軸受であって、前記センサの出力信号の平均値を用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定する第１の荷重推定手段と、前記センサの出力信号の振幅値、またはその振幅値と前記平均値とを用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定する第２の荷重推定手段と、車輪回転速度に応じて、前記第１および第２の荷重推定手段のうちいずれか一方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と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る。
特に、センサユニットのセンサの出力信号の平均値を用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定する第１の荷重推定手段と、センサ出力信号の振幅値、またはその振幅値と前記平均値とを用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定する第２の荷重推定手段とを設け、これら両荷重推定手段のうちいずれかの推定する荷重値を、車輪回転速度に応じて切り替え選択して出力する選択出力手段を設けているので、車輪が静止あるいは低速状態にあるときには時間平均処理をすることなく求められる平均値から得られる第１の荷重推定手段の推定荷重値を出力することで、検出処理時間を短くできる。また、車輪が通常回転状態にあるときには、センサ出力信号の平均値と振幅値を精度良く演算できるので、振幅値、または平均値と振幅値とから得られる第２の荷重推定手段の推定荷重値を出力することで、推定荷重値の誤差が小さくなり、検出遅延時間も十分小さくなる。
その結果、車輪にかかる荷重を正確に推定でき、かつ検出した荷重信号を遅延なく出力できる。このため、その荷重信号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、前記第１の荷重推定手段は前記２つのセンサの出力信号の平均値を用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定するものとし、前記第２の荷重推定手段は前記２つのセンサの出力信号の平均値と振幅値とを用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定するものとしても良い。
この場合に、例えば、前記第１の荷重推定手段および第２の荷重推定手段における前記２つのセンサの出力信号の平均値は、前記２つのセンサの出力信号を加算することで得て、前記第２の荷重推定手段における前記振幅値は、前記２つのセンサの出力信号の差分値より算出しても良い。

この発明において、前記第１および第２の荷重推定手段は、いずれも、前記３つ以上のセンサユニットのセンサの出力信号から車輪用軸受の径方向の上下および前後に作用する各径方向荷重と、車輪用軸受の軸方向に作用する軸方向荷重との３方向の荷重を演算・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。この構成の場合、複数方向の荷重を推定することができる。すなわち、固定側部材の外径面における上面部と下面部に配置される２つのセンサユニットの出力信号から垂直方向荷重Ｆz と軸方向荷重Ｆy を推定でき、固定側部材の外径面における右面部と左面部に配置される２つのセンサユニットの出力信号から駆動力や制動力による荷重Ｆx を推定することができる。

前記センサユニットは３つ以上の接触固定部と２つのセンサを有し、隣り合う第１および第２の接触固定部の間、および隣り合う第２および第３の接触固定部の間に各センサをそれぞれ取付け、隣り合う接触固定部もしくは隣り合うセンサの前記固定部材の円周方向についての間隔を、転動体の配列ピッチの｛１／２＋ｎ（ｎ：整数）｝倍とし、前記第１および第２の荷重推定手段は前記２つのセンサの出力信号の和を平均値として用い、差分より振幅値を算出して用いる。この構成の場合、２つのセンサの出力信号は略１８０度の位相差を有することになり、その平均値は転動体通過による変動成分をキャンセルした値となる。また、振幅値は温度の影響を受けにくいため安定しており、さらに２つの信号を使用するため検出精度が高められる。これにより、２つのセンサの出力信号の平均値は転動体通過による変動成分をキャンセルした値となり、振幅値は、より安定した正確なものとなる。

この発明において、前記センサユニットに温度センサを取付け、この温度センサの検出信号により前記センサ出力信号の平均値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、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センサ出力信号の平均値を補正する温度補正手段を設けると、温度による検出荷重誤差を低減することができる。

この発明において、車輪回転速度が、設定された下限速度よりも低い場合に、前記選択出力手段は第１の荷重推定手段の推定荷重値を選択して出力するものとしても良い。前記下限速度は、任意に設定した速度で良いが、例えば人が歩く程度の速度までの低速とされる。
車輪が静止あるいは低速状態では、振幅値を演算するのにセンサ出力信号の１周期分の時間を要し、推定荷重値の出力の時間遅れが大きくなるが、平均値のみから荷重値を演算する第１の荷重推定手段からは検出した荷重信号を遅延なく出力できる。

この発明において、前記第１および第２の荷重推定手段は並行して荷重を演算・推定し、前記選択出力手段は、車輪回転速度に応じて前記両荷重推定手段のうちいずれか一方の推定荷重値を選択して出力するものとしても良い。

この発明において、前記選択出力手段は、このセンサ付車輪用軸受に対する外部から車輪回転速度の情報を受けて前記車輪回転速度に応じた前記選択を行うものとしても良い。

この発明において、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し、その推定した車輪回転速度から前記車輪回転速度に応じた前記選択を行うものとしても良い。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し、その推定した車輪回転速度から前記車輪回転速度に応じた前記選択を行うものとしても良い。

この発明において、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て、前記選択を行うものとしても良い。

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に、この固定側部材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１つ以上のセンサからなる荷重検出用センサユニットを設けてなるセンサ付車輪用軸受であって、前記センサの出力信号の平均値を用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定する第１の荷重推定手段と、前記センサの出力信号の振幅値、またはその振幅値と前記平均値とを用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定する第２の荷重推定手段と、車輪回転速度に応じて、前記第１および第２の荷重推定手段のうちいずれか一方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とを設け、前記センサユニットは３つ以上の接触固定部と２つのセンサを有し、隣り合う第１および第２の接触固定部の間、および隣り合う第２および第３の接触固定部の間に各センサをそれぞれ取付け、隣り合う接触固定部もしくは隣り合うセンサの前記固定部材の円周方向についての間隔を、転動体の配列ピッチの｛１／２＋ｎ（ｎ：整数）｝倍とし、前記第１および第２の荷重推定手段は前記２つのセンサの出力信号の和を平均値として用いるものとしたため、車輪にかかる荷重を正確に推定でき、かつ検出した荷重信号を遅延なく出力できる。

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。 センサ出力信号の平均値と振幅値を演算する演算部の回路例のブロック図である。 平均値および振幅値から荷重を推定・出力する回路部のブロック図である。 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外方部材をアウトボード側から見た正面図である。

この発明の一実施形態を図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、２つのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂが設けられている。ここでは、これらのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂが、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にそれぞれ設けられている。

これらのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂ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）の歪みセンサ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２つ以上（ここでは３つ）の接触固定部２１ａを有する。３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。２つの歪みセンサ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。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。つまり、図４において、左端の接触固定部２１ａと中央の接触固定部２１ａとの間に１つの歪みセンサ２２Ａが配置され、中央の接触固定部２１ａと右端の接触固定部２１ａとの間に他の１つの歪みセンサ２２Ｂが配置される。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２２の配置部に対応する２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２２は歪み発生部材２１の切欠き部２１ｂ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２０Ａ，２０Ｂに伝わらず、歪みの測定に影響を及ぼすからである。

前記センサユニット２０は、その歪み発生部材２１の３つの接触固定部２１ａが、外方部材１の軸方向について同じ位置で、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。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２０Ａ，２０Ｂ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３つの接触固定部２１ａが固定される３箇所の各中間部に溝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２２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、歪みセンサ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２０Ａ（２０Ｂ）の２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂは平均値演算部２８と振幅値演算部２９とに接続される。図７に示すように、平均値演算部２８は加算器からなり、２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の和を演算して、その和を平均値Ａとして取り出す。振幅値演算部２９は減算器からなり、２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の差分を演算して変動成分を取り出し、処理回路や計算処理により振幅値Ｂを求める。

前記平均値演算部２８および振幅値演算部２９は推定手段３０に接続される。推定手段３０は、各センサユニット２０Ａ，２０Ｂのセンサ出力信号から演算される前記平均値Ａおよび振幅値Ｂから、車輪用軸受や車輪と路面間（タイヤ接地面）に作用する力Ｆ（例えば垂直方向荷重Ｆz ）を演算・推定する手段である。この推定手段３０は、前記歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の平均値Ａを用いて車輪用軸受に作用する荷重Ｆを演算・推定する第１の荷重推定手段３１と、前記歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の平均値Ａと振幅値Ｂとを用いて車輪用軸受に作用する荷重Ｆを演算・推定する第２の荷重推定手段３２とでなる。

一般に、車輪用軸受に作用する荷重ベクトルＦと複数の歪みセンサの出力信号ベクトルＳとの関係は、線形な範囲内でオフセット分を除外すれば、
Ｆ＝Ｍ１×Ｓ ……（１）
という関係で表すことができ、この関係式（１）から荷重Ｆを推定することができる。ここで、Ｍ１は所定の補正係数行列である。
前記第１の荷重推定手段３１では、複数のセンサユニットからの平均値信号からオフセット分を除外した平均値ベクトルＡを用いて、この変数に所定の補正係数Ｍ１を乗算した一次式、つまり
Ｆ＝Ｍ１×Ａ ……（２）
から荷重Ｆを演算・推定する。

前記第２の荷重推定手段３２では、前記平均値ベクトルＡおよび振幅値ベクトルＢを入力変数として用い、これらの変数に所定の補正係数Ｍ２，Ｍ３を乗算した一次式、つまり
Ｆ＝Ｍ２×Ａ＋Ｍ３×Ｂ ……（３）
から荷重Ｆを演算・推定する。このように２種類の変数を用いることで、荷重推定精度をさらに向上させることができる。
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。前記第１の荷重推定手段３１および第２の荷重推定手段３２による演算は並行して行なわれる。なお、式（３）において、変数である平均値Ａを省略しても良い。つまり、第２の荷重推定手段３２では、振幅値Ｂのみを変数として用いて荷重Ｆを演算・推定することもできる。

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の出力信号ａ，ｂは、図６のようにセンサユニット２０の設置部の近傍を通過する転動体５の影響を受ける。つまり、この転動体５の影響が上記したオフセット分として作用する。また、軸受の停止時においても、歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号ａ，ｂは、転動体５の位置の影響を受ける。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に最も近い位置を通過するとき（または、その位置に転動体５があるとき）、歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号ａ，ｂは最大値となり、図６（Ａ），（Ｂ）のように転動体５がその位置から遠ざかるにつれて（または、その位置から離れた位置に転動体５があるとき）低下する。軸受回転時には、転動体５は所定の配列ピッチＰで前記センサユニット２０の設置部の近傍を順次通過するので、歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号ａ，ｂは、その振幅が転動体５の配列ピッチＰを周期として図６（Ｃ）に実線で示すように周期的に変化する正弦波に近い波形となる。この実施形態では、前記２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号ａ，ｂの和を上記した平均値Ａとし、振幅の差分（絶対値）から振幅を求めて上記した振幅値Ｂとする。これにより、平均値Ａは転動体５の通過による変動成分をキャンセルした値となる。また、振幅値は温度の影響を受けにくいため安定しており、さらに２つの信号を使用するため検出精度が高められる。したがって、この平均値Ａと振幅値Ｂを用いることにより、車輪用軸受やタイヤ接地面に作用する荷重を正確に検出することができる。

センサユニット２０として、図５の構成例のものを示す図６においては、固定側部材である外方部材１の外径面の円周方向に並ぶ３つの接触固定部２１ａのうち、その配列の両端に位置する２つの接触固定部２１ａの間隔を、転動体５の配列ピッチＰと同一に設定している。この場合、隣り合う接触固定部２１ａの中間位置にそれぞれ配置される２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの間での前記円周方向の間隔は、転動体５の配列ピッチＰの略１／２となる。その結果、２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号ａ，ｂは略１８０度の位相差を有することになり、その和として求められる平均値Ａは転動体５の通過による変動成分をキャンセルしたものとなる。また、その差分は温度の影響を受けにくいため安定しており、さらに２つの信号を使用するため検出精度が高められる。

なお、図６では、接触固定部２１ａの間隔を、転動体５の配列ピッチＰと同一に設定し、隣り合う接触固定部２１ａの中間位置に各１つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂをそれぞれ配置することで、２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの間での前記円周方向の間隔を、転動体５の配列ピッチＰの略１／２となるようにした。これとは別に、直接、２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの間での前記円周方向の間隔を、転動体５の配列ピッチＰの１／２に設定しても良い。
この場合に、２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの前記円周方向の間隔を、転動体５の配列ピッチＰの｛１／２＋ｎ（ｎ：整数）｝倍、またはこれらの値に近似した値としても良い。この場合にも、両歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号ａ，ｂの和として求められる平均値Ａは転動体５の通過による変動成分をキャンセルした値となり、差分から求められる振幅値Ｂは温度の影響を受けにくいため安定しており、さらに２つの信号を使用するため検出精度が高められる。

図８のように、前記推定手段３０は次段の選択出力手段３３に接続される。この選択出力手段３３は、車輪回転速度に応じて、前記第１および第２の荷重推定手段３１，３２のうちいずれかの推定荷重値を切り替え選択して出力するものである。具体的には、車輪回転速度が所定の下限速度よりも低い場合に、選択出力手段３３は、第１の荷重推定手段３１の推定荷重値を選択して出力するものとしている。前記所定の下限速度は、任意に設定した値で良いが、例えば、人が歩く程度の速度（時速４Ｋｍ）か、それよりも遅い速度とされる。
車輪の低速回転時には、センサ出力信号の振幅を検出するための処理時間が長くなり、さらに静止時には振幅の検出そのものが不可能になる。そこで、このように、車輪回転速度が所定の下限速度よりも低い場合に、平均値Ａだけを用いた第１の荷重推定手段３１からの荷重推定値を選択して出力することにより、検出した荷重信号を遅延なく出力することができる。

前記選択出力手段３３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切り替え選択が行なわれる。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３３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の出力信号ａ，ｂ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。

図１および図２の実施形態では、固定側部材である外方部材１の外径面の上下位置に２つのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂを配置しているので、車輪用軸受に作用する垂直方向荷重Ｆz を精度良く推定できる。配置するセンサユニット２０の個数を増やせば、さらに駆動力や制動力となる荷重Ｆx 、軸方向荷重Ｆy も推定することができる。

また、図７のように、センサユニット２０Ａ，２０Ｂに温度センサ３４を取付け、この温度センサ３４の検出信号により前記センサ出力信号の平均値Ａを補正する温度補正手段３５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、センサユニット２０Ａ，２０Ｂ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センサ出力信号の平均値Ａを補正する温度補正手段３５を設けると、温度による検出荷重誤差を低減することができる。

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２０Ａ（２０Ｂ）における歪み発生部材２１の２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で感度良く検出される。

特に、センサユニット２０の歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の和によって求められた平均値Ａを用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定する第１の荷重推定手段３１と、センサ出力信号の振幅値Ｂと前記平均値Ａとを用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定する第２の荷重推定手段３２とを設け、これら両荷重推定手段３１，３２のうちいずれかの推定する荷重値を、車輪回転速度に応じて切り替え選択して出力する選択出力手段３３を設けているので、車輪が静止あるいは低速状態にあるときには時間平均処理をすることなく求められる平均値Ａから得られる第１の荷重推定手段３１の推定荷重値を出力することで、検出処理時間を短くできる。また、車輪が通常回転状態にあるときには、センサ出力信号の平均値Ａと振幅値Ｂを精度良く演算できるので、平均値Ａと振幅値Ｂとから得られる第２の荷重推定手段３２の推定荷重値を出力することで、推定荷重値の誤差が小さくなり、検出遅延時間も十分小さくなる。
その結果、車輪にかかる荷重を正確に推定でき、かつ検出した荷重信号を遅延なく出力できる。このため、その荷重信号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。

図９は、タイヤ接地面に対して上下位置および左右位置となる、前記固定側部材である外方部材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４つのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを等配した他の実施形態のアウトボード側から見た正面図を示す。センサユニット２０Ａ〜２０Ｄの配置構成を除くその他の構成は、先の実施形態の場合と同様である。
このように４つのセンサユニット２０Ａ〜２０Ｄ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。

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
２０，２０Ａ〜２０Ｄ…センサユニット
２１…歪み発生部材
２１ａ…接触固定部
２２，２２Ａ，２２Ｂ…歪みセンサ
３１…第１の荷重推定手段
３２…第２の荷重推定手段
３３…選択出力手段
３４…温度センサ

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に、この固定側部材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１つ以上のセンサからなる荷重検出用センサユニットを設けてなるセンサ付車輪用軸受であって、
   前記センサの出力信号の平均値を用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定する第１の荷重推定手段と、前記センサの出力信号の振幅値、またはその振幅値と前記平均値とを用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定する第２の荷重推定手段と、車輪回転速度に応じて、前記第１および第２の荷重推定手段のうちいずれか一方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とを設け、前記センサユニットは３つ以上の接触固定部と２つのセンサを有し、隣り合う第１および第２の接触固定部の間、および隣り合う第２および第３の接触固定部の間に各センサをそれぞれ取付け、隣り合う接触固定部もしくは隣り合うセンサの前記固定部材の円周方向についての間隔を、転動体の配列ピッチの｛１／２＋ｎ（ｎ：整数）｝倍とし、前記第１および第２の荷重推定手段は前記２つのセンサの出力信号の和を平均値として用い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、前記第１の荷重推定手段は前記２つのセンサの出力信号の平均値を用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定するものとし、前記第２の荷重推定手段は前記２つのセンサの出力信号の平均値と振幅値とを用いて車輪用軸受に作用する荷重を演算・推定するものとしたセンサ付車輪用軸受。
3. 請求項２において、前記第１の荷重推定手段および第２の荷重推定手段における前記２つのセンサの出力信号の平均値は、前記２つのセンサの出力信号を加算することで得るものとしたセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項１ないし請求項３いずれか１項において、前記第１および第２の荷重推定手段は、いずれも、前記３つ以上のセンサユニットのセンサの出力信号から車輪用軸受の径方向の上下および前後に作用する各径方向荷重と、車輪用軸受の軸方向に作用する軸方向荷重との３方向の荷重を演算・推定す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。
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に温度センサを取付け、この温度センサの検出信号により前記センサ出力信号の平均値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１ないし請求項６のいずれか１項において、車輪回転速度が、設定された下限速度よりも低い場合に、前記選択出力手段は第１の荷重推定手段の推定荷重値を選択して出力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、前記第１および第２の荷重推定手段は並行して荷重を演算・推定し、前記選択出力手段は、車輪回転速度に応じて前記両荷重推定手段のうちいずれか一方の推定荷重値を選択して出力するものとした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、前記選択出力手段は、外部から車輪回転速度の情報を受けて前記車輪回転速度に応じた前記選択を行うものとし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し、その推定した車輪回転速度により前記車輪回転速度に応じた前記選択を行うものとしたセンサ付車輪用軸受。
11. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、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し、その推定した車輪回転速度により、前記車輪回転速度に応じた前記選択を行うものとしたセンサ付車輪用軸受。
12. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、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て、前記選択を行うものとしたセンサ付車輪用軸受。

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