JP5268755B2 - 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、次の構成としたセンサ付車輪用軸受を提案した（特願２００８−２０７０３１号）。この提案のセンサ付車輪用軸受は、外輪の外径面に、歪み発生部材および歪みセンサを有するセンサユニットの２つを、１８０度の位相差をなす位置に対として配置する。そのセンサユニット対の２つのセンサ出力信号の和から車輪用軸受に作用する軸方向荷重Ｆy を推定し、２つのセンサ出力信号の差分から車輪用軸受に作用する径方向荷重（例えば垂直方向荷重Ｆz や駆動力・制動力となる荷重Ｆx ）を推定する。また、１対のセンサユニットの２つのセンサユニットを外輪の外径面の上面部と下面部に配置し、このセンサユニット対のセンサ出力信号の振幅の差分値から前記軸方向荷重Ｆy の方向を判別し、判定した方向に応じて軸方向荷重Ｆy の推定に用いる演算式のパラメータを切り替える。図１９は、その軸方向荷重Ｆy の演算処理の流れをブロック図で示している。同図において、演算処理部では、センサ出力信号の平均化、振幅抽出、温度補正などの処理を施す。図２０は、前記センサユニット対のセンサ出力信号の振幅の差分値と軸方向荷重Ｆy の方向の関係を示す。

しかし、前記センサユニットのセンサ出力信号は、入力荷重が比較的小さい範囲では線形応答するが、急激なコーナリング時などの大きな軸方向荷重Ｆy に対しては非線形な応答となる。そのため、センサユニットのセンサ出力信号から入力荷重を推定する演算において線形な関係を仮定すると、高い軸方向荷重Ｆy の領域では推定誤差が大きくなってしまうという問題がある。

この推定誤差は、非線形な関係をモデル化すれば低減できるが、それでは荷重の推定演算に必要なパラメータが増加し、演算量も大幅に増加するという問題がある。また、特にセンサユニットのセンサ出力信号にドリフトが発生した場合、複雑な演算誤差が重畳することになるため、ドリフトに対するロバスト性の確保が難しいという問題もある。

この発明の目的は、軸受の歪み応答に含まれる非線形性を簡易な演算で補正して、荷重推定誤差を低減することが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つ以上のセンサを有し、
前記複数の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、前記複数のセンサユニットのうち、前記固定側部材の円周方向における１８０度の位相差をなして対向配置されたセンサユニットのセンサ出力信号の振幅値の差分値を演算する差分値演算部と、前記差分値をレベル分けした複数領域にそれぞれ対応して荷重演算用のパラメータが複数設定され、前記差分値演算部で演算された差分値に対応する領域のパラメータを選択して、前記複数のセンサユニットのセンサ出力信号から前記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。前記領域分けは、例えば、前記差分値が線形と見なせる線形領域と、この領域よりも差分値が大きく非線形と見なす非線形領域としても良い。

この構成によると、荷重推定手段の差分値演算部は、外方部材の円周方向の１８０度の位相差をなして対向配置された２つのセンサユニットのセンサ出力信号の振幅の差分値を差分値演算部で演算する。センサ出力信号は、軸受の回転に伴って転動体が通過することで変動するが、この変動成分の大きさが、上記差分値として差分値演算部で演算される。荷重演算部は、差分値をレベル分けした領域毎に設けられた荷重演算用のパラメータの中から、差分値演算部の演算する差分値が対応する領域のパラメータを選択し、このパラメータを用いて、車輪に加わる荷重を推定する。
このように領域分けした荷重演算用のパラメータを用いて荷重を演算するため、軸受の歪み応答に含まれる非線形性を補正して荷重推定誤差を低減することができる。上記領域分けは、振幅値の差分値で行っているため、感度が高くて、領域の分割を適切に行うことができる。また、振幅信号は温度の影響を受け難く、上記領域分けが正確に行えて検出精度が向上する。軸受の内部予圧条件が異なっている場合でも、大きな影響を受けることなく、安定した領域分けが可能である。

この発明において、前記荷重推定手段の差分値演算部は、前記固定側部材の上下に対向配置されたセンサユニットのセンサ出力信号の振幅値の差分値を演算するものとしても良い。上下のセンサユニットのセンサ出力信号の差分値を評価値とすると、この値は軸方向荷重Ｆy に対して略線形に変化し、かつ軸方向のモーメント荷重に対する感度が高く、そのため、この評価値によって領域のレベル分けを適正に行うことができる。

この発明において、前記荷重推定手段の差分値演算部は、前記固定側部材の左右に対向配置されたセンサユニットのセンサ出力信号の振幅値の差分値を演算するものとしても良い。このように左右のセンサユニットのセンサ出力信号の差分値を評価値とすることにより、軸方向回りのモーメント荷重Ｍｚに対しても、入力荷重領域をレベル分けすることができる。

この発明において、前記荷重推定手段の差分値演算部は、前記固定側部材の上下に対向配置されたセンサユニットセンサ出力信号の振幅値の差分値と、前記固定側部材の左右に対向配置されたセンサユニットのセンサ出力信号の振幅値の差分値とを演算し、前記荷重推定手段の荷重演算部は、前記両差分値をレベル分けした複数領域の組合わせからなる複数の組合わせ領域に対応してそれぞれ設けられたパラメータのうちから、前記両差分値が対応する組合わせ領域の荷重演算式を選択して前記荷重を推定するものとしても良い。
このように、上下の振幅差分値と左右の振幅差分値を組み合わせて入力荷重をレベル分けすることにより、入力荷重の範囲に応じたより一層適切なパラメータにより荷重を推定できる。そのため、荷重推定誤差をより一層低減できて、車輪にかかる荷重を正確に推定できる。

この発明において、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。
このように４つのセンサユニットを配置することで、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、前記荷重推定手段は、前記センサ出力信号における転動体振幅の複数周期分の平均値、または振幅値、または平均値と振幅値の両方を用いて車輪に加わる荷重を推定するものであっても良い。

この発明において、前記荷重推定手段は、荷重推定に用いる前記センサ出力信号の平均値と振幅値の組み合わせを、車輪の回転数に応じて変更するものとしても良い。
平均値の場合、車輪が停止あるいは低速状態にあるときでも時間平均処理をすることなく求める工夫が可能であり、平均値のみを変数とする荷重演算式を用いることで荷重を短時間に演算出力できる。また、車輪が通常回転状態にあるときには、平均値と振幅値を精度良く演算できるので、振幅値を変数とする荷重演算式、または平均値と振幅値を変数とする荷重演算演算式を用いることで荷重を精度良く演算出力できる。

この発明において、前記各センサユニットに温度センサを設け、前記荷重推定手段は、前記温度センサの出力信号に基づき、前記センサ出力信号を補正するものとしても良い。この構成の場合、歪みセンサの出力信号の温度ドリフトを補正することができる。

この発明において、前記センサユニットは３つ以上の接触固定部と少なくとも２つ以上のセンサを有し、それらのセンサ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）｝倍となるように接触固定部の間隔が設定され、前記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るものとしても良い。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やナックル・フランジ面などの滑りの影響をより確実に排除した正確なものとなる。

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つ以上のセンサを有し、前記複数の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、前記複数のセンサユニットのうち、前記固定側部材の円周方向における１８０度の位相差をなして対向配置されたセンサユニットのセンサ出力信号の振幅値の差分値を演算する差分値演算部と、前記差分値をレベル分けした複数領域にそれぞれ対応して荷重演算用のパラメータが複数設定され、前記差分値演算部で演算された差分値に対応する領域のパラメータを選択して、前記複数のセンサユニットのセンサ出力信号から前記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、軸受の歪み応答に含まれる非線形性を簡易な演算で補正して、荷重推定誤差を低減することができる。

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。 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。 同荷重推定手段の演算処理の流れを示す説明図である。 同センサ付車輪用軸受のセンサユニットのセンサ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と軸方向荷重との関係を示すグラフである。 軸方向荷重とセンサユニットのセンサ出力との関係を示すグラフである。 軸方向荷重の大きさと上下のセンサユニットのセンサ出力の差分値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１４におけるXV−XV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。 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。 提案例における荷重演算処理の流れを示す説明図である。 軸方向荷重の大きさと上下のセンサユニットのセンサ出力の差分値との関係を示すグラフである。

この発明の第１の実施形態を図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１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２つの接触固定部２１ａを両端部に有する。なお、歪み発生部材２１の形状によっては、接触固定部２１ａを２つ以上有するものとしても良い。また、歪み発生部材２１の切欠き部２１ｂは省略しても良い。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設置される。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、歪みセンサ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正常な機能が復元される範囲で最大の力である。

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の軸方向の同寸法の位置で、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。

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２つの接触固定部２１ａが固定される２箇所の中間部に溝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２つの接触固定部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２０の歪みセンサ２２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。荷重推定手段３０は、マイクロコンピュータ等のコンピュータ（これに実行されるプログラムを含む）や、電子回路等からなる。ここでは、車輪の軸方向に作用する軸方向荷重Ｆy と、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 が推定される。この荷重推定手段３０は、図６にブロック図で示すように、差分値演算部３１と荷重演算部３２とを有する。図７では、荷重推定手段３０の演算処理をブロック図で示している。

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２２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２２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２２の出力信号は、図８のように、転動体５の配列ピッチを周期として変化する正弦波に近い波形となる。

荷重推定手段３０の差分値演算部３１は、前記複数のセンサユニット２０のうち、外方部材１の円周方向における１８０度の位相差をなして対向配置された２つのセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅値の差分値を演算する。ここでは、その２つのセンサユニット２０として、上下に対向配置されたセンサユニット２０が選ばれる。図９（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９（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の歪み量つまり歪みセンサ２２の出力信号を表し、最大値および最小値は信号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、外方部材１の外径面下面部で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。このことから、前記差分値演算部３１で演算される差分値は、軸方向荷重Ｆy の方向を示すことにもなる。

また、差分値演算部３１は、入力されてくる各センサユニット２０のセンサ出力信号の温度によるドリフトを補正する温度補正手段３３と、各センサユニット２０のセンサ出力信号の振幅値を演算する振幅値演算手段３４と、センサ出力信号のと平均値（直流成分）を演算する平均値演算手段３５とを有する。平均値演算手段３５は、差分値演算部３１に設けずに、荷重演算部３２に設けても良い。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３３において対応する歪みセンサ２２の出力信号が補正される。また、差分値演算部３１における前記差分値の演算では、前記振幅値演算手段３４で演算された上下のセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅値が用いられる。

ところで、前記差分値演算部３１で演算される差分値から軸方向荷重Ｆy の方向を判別できることから、判別された軸方向荷重Ｆy の方向に応じて、荷重推定の演算式のパラメータを適切な値に切り替えることで、荷重を精度良く推定できる可能性がある。しかし、軸方向荷重Ｆy とセンサユニット２０のセンサ出力との関係をグラフで示す図１０のように、入力荷重の比較的小さな範囲では線形応答するが、急激なコーナリング時（同図において領域Ｃの部分）などの大きな入力荷重に対しては非線形な応答となり、荷重を精度良く推定できない。

そこで、荷重推定手段３０の荷重演算部３２では、図１１のように、前記差分値演算部３１の演算する差分値を所定の複数領域（ここではＡ，Ｂ，Ｃの３領域）にレベル分けすると共に、各領域に対応して互いにパラメータの異なる複数の荷重演算式３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃを設定し、これらの複数の荷重演算式のうちから、前記差分値が対応する領域の荷重演算式を選択して前記荷重Ｆx ，Ｆy ，Ｆz を推定する。荷重演算部３２は、前記差分値から軸方向荷重Ｆy の方向を判別する方向判別手段３６と、前記差分値が前記複数領域うちのどの領域に属するかを判別する領域判別手段３７を有する。なお、例えば領域Ａに対応する荷重演算式３８Ａとしては、軸方向荷重Ｆy 、垂直方向荷重Ｆz 、および駆動力や制動力となる荷重Ｆx をそれぞれ推定する３つの演算式が用意され、これらの演算式の間ではパラメータが互いに異なる。例えば同じ軸方向荷重Ｆy の演算式であっても、異なる領域の演算式の間でパラメータが異なることは上記した通りである。他の領域Ｂ，Ｃに対応する荷重演算式３８Ｂ，３８Ｃについても同様である。

この場合、領域Ａは軸方向荷重Ｆy の方向が−となる領域に、領域Ｂは軸方向荷重Ｆy の方向が＋となる領域であってかつ入力荷重の小さい領域に、領域Ｃは軸方向荷重Ｆy の方向が＋となる領域であってかつ入力荷重の小さい領域にそれぞれレベル分けされる。これにより、入力荷重の大きい領域においても、センサユニット２０のセンサ出力信号に対して線形応答するようなパラメータとした荷重演算式を用意することができ、荷重推定誤差を低減できる。

前記荷重演算部３２に用意される荷重演算式は、例えば各センサユニット２０のセンサ出力信号の振幅値を変数とし、この変数に所定の補正係数を乗算した一次式（例えば、Ｆx ＝ａｆ＋ｂ（ｆはセンサ出力信号の値）の形式の一時式で与えられる場合、この一次式における前記補正係数ａや定数ｂが前記パラメータとなる。また、荷重演算式の他の例として、各センサユニット２０のセンサ出力信号の平均値（直流成分）を変数とし、この変数に所定の補正係数を乗算した一次式を用意しても良い。また、荷重演算式のさらに他の例として、各センサユニット２０のセンサ出力信号の平均値および振幅値を変数とし、これらの変数にそれぞれ所定の補正係数を乗算した一次式を用意しても良い。前記一次式における各補正係数や定数の値は、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２２で感度良く検出される。

特に、荷重推定手段３０では、外方部材１の円周方向の１８０度の位相差を成して対向配置された２つのセンサユニット（ここでは上下のセンサユニット）２０のセンサ出力信号の振幅の差分値を差分値演算部３１で演算し、この差分値をレベル分けした所定の複数領域Ａ，Ｂ，Ｃに対応して設けられた互いにパラメータの異なる複数の荷重演算式３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃのうちから、前記差分値が対応する領域の荷重演算式を選択し、これに各センサユニット２０のセンサ出力信号を代入することで荷重演算部３２により車輪に加わる各荷重Ｆx ，Ｆy ，Ｆz を推定する。そのため、簡単に荷重推定誤差を低減できて、車輪にかかる荷重を正確に推定できる。軸方向荷重Ｆy については、その方向も併せて判別される。

また、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、この実施形態では各センサユニット２０に温度センサ２８を設け、前記荷重推定手段３０の差分値演算部３１では、温度補正手段３３により、前記温度センサ２８の出力信号に基づき、歪みセンサ２２の出力信号の温度ドリフトを補正するようにしているので、歪みセンサ２２の出力信号の温度ドリフトを補正することができる。

なお、上記実施形態では、荷重推定手段３０の差分値演算部３１において、外方部材１の外径面上面部と下面部に対向配置される２つのセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅値の差分値を演算したが、このほか外方部材１の外径面左面部と右面部に対向配置される２つのセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅値の差分値を演算して、荷重演算部３２では、その差分値をレベル分けした所定の複数領域に対応して用意された互いにパラメータの異なる複数の荷重演算式のうちから、差分値が対応する領域の荷重演算式を選択して前記荷重Ｆz 、Ｆx 、Ｆy を推定するようにしても良い。

このように、左右のセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅差を評価値として領域分けを行うことにより、軸方向ｚ回りのモーメント荷重Ｍｚに対しても入力荷重領域をレベル分けすることができる。

さらに、荷重推定手段３０の差分値演算部３１において、外方部材１の上下に対向配置されたセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅値の差分値と、外方部材１の左右に対向配置されたセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅値の差分値とを演算し、荷重演算部３２では、前記両差分値をレベル分けした所定の複数領域の組み合わせからなる複数の組合せ領域に対応して互いにパラメータの異なる複数の荷重演算式を用意し、これらの組合せ領域のうちから、前記両差分値が対応する組合せ領域の荷重演算式を選択して前記荷重Ｆz 、Ｆx 、Ｆy を推定するようにしても良い。

例えば、次のように、上下のセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅値差分値をＸ、左右のセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅値差分値をＺとしたとき、各差分値を＋の領域と−の領域とに区分けし、これら正負の領域の組合せからなる４つの組合せ領域Ｉ，II，III 、IVに対応する各荷重演算式を用意し、両振幅値差分値Ｘ，Ｚの正負の関係から対応する組合せ領域の荷重演算式を選択して前記荷重Ｆz 、Ｆx 、Ｆy を推定する。
Ｚの正負 Ｘの正負 演算領域
＋ ＋ Ｉ
＋ − II
− ＋ III
− − IV

このように、上下の振幅値差分値と左右の振幅値差分値を組み合わせて入力荷重をレベル分けすることにより、入力荷重の範囲に応じた最適な荷重演算式により荷重を推定できる。このため、荷重推定誤差をより一層低減できて、車輪にかかる荷重を正確に推定できる。

図１２ないし図１８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、各センサユニット２０を以下のように構成している。この場合、センサユニット２０は、図１４および図１５に拡大平面図および拡大断面図に示すように、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つの歪みセンサ２２とでなる。歪み発生部材２１は、外方部材１の外径面にスペーサ２３を介して接触固定される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の長手方向に向けて１列に並べて配置される。２つの歪みセンサ２２のうち１つの歪みセンサ２２Ａは、図１５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。図１４のように、歪み発生部材２１の両側辺部における前記各歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの配置部に対応する２箇所の位置にそれぞれ切欠き部２１ｂが形成されている。

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がそれぞれスペース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。

このほか、図１６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。センサユニット２０におけるその他の構成や、センサユニット２０の配置などは、図１〜図１１に示す実施形態の場合と同様である。

この実施形態の場合、図１〜図１１に示す実施形態での荷重推定手段３０の差分値演算部３１における振幅値演算手段３４では、２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の差分値を演算しこれを振幅値として取り出す。また、平均値演算手段３５では、各センサユニット２０の２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の和を演算しこれを平均値として取り出す。上下のセンサユニット２０のセンサ出力信号の差分値は、振幅値演算手段３７で求められる上下のセンサユニット２０のセンサ出力信号の振幅値の差分値として求められる。

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の出力信号ａ，ｂは、図１７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。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１７（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、転動体５の配列ピッチＰを周期として図１７（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。また、歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号ａ，ｂは、温度の影響やナックル１６と車体取付用フランジ１ａ（図９）の面間などの滑りによるヒステリシスの影響を受ける。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とし、差分値から上記した振幅値を抽出する。これにより、平均値は転動体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、２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの各出力信号ａ，ｂに現れる温度の影響やナックル・フランジ面間などの滑りの影響を相殺した値となる。したがって、この平均値と振幅値を荷重演算式の変数として用いることにより、車輪用軸受やタイヤ接地面に作用する荷重をより正確に推定することができる。

図１７では、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、その差分値とし求められる振幅値は温度の影響やナックル・フランジ面間などの滑りの影響を相殺した値となる。

なお、図１７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、差分値として求められる振幅値は温度の影響やナックル・フランジ面間などの滑りの影響を相殺した値となる。

また、この実施形態では、図１８に示すように、荷重推定手段３０における荷重推定部３２に用意する各領域Ａ，Ｂ，Ｃの荷重演算式３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃとして、前記平均値だけを変数として用いた演算式と、前記平均値と振幅値の両方を変数として用いた演算式の２つを用意する。さらに、荷重推定部３２には、車輪の回転数に応じて、前記２種類のいずれかを選択する演算式選択手段３９を設ける。

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。これに対して、平均値は、静止時でも検出可能である。そこで、車輪の回転数が所定値以下の場合に、演算式選択手段３９が、各領域における２種類の荷重演算式のうちから平均値だけを用いた演算式を選択することにより、荷重を遅滞なく推定・出力することができる。

演算式選択手段３９には、例えば外部から車輪回転数の情報が入力され、この情報に基づいて前記演算式の選択が行なわれる。この場合、外部からの車輪回転数の情報として、車体側からのＡＢＳセンサ（アンチロックブレーキシステム用の回転検出センサ）などの回転センサ信号を用い、これにより車輪回転数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、車輪回転数の情報に代わるものとして、演算式選択指令を演算式選択手段３９が受ける構成としても良い。さらに、車輪回転数の情報として、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、車輪回転数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。

以上のように、この発明の上記のいずれかの実施形態により、次の効果を得ることができる。
・軸受の歪み応答に含まれる非線形性を補正することで、荷重推定誤差を低減できる。
・領域分けを振幅値の差分としているため、特に影響の大きいＦｙモーメント荷重に対する感度が高く、領域の分割を正確に行うことができる。
・振幅信号は温度の影響を受け難く、上記領域分けが正確に行えて推定精度が向上する。・また、軸受の内部予圧条件が異なっている場合でも、大きな影響を受けることなく安定した領域分けが可能である。
・さらに、左右に配置されたセンサ信号も領域判定に加えて、より細かく条件分けすることで、より一層精度の良い荷重推定が行える。

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
２２…歪みセンサ
２８…温度センサ
３０…荷重推定手段
３１…差分値演算部
３２…荷重演算部
３３…温度補正手段
３９…演算式選択手段

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つ以上のセンサを有し、
   前記複数の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、前記複数のセンサユニットのうち、前記固定側部材の円周方向における１８０度の位相差をなして対向配置されたセンサユニットのセンサ出力信号の振幅値の差分値を演算する差分値演算部と、
   前記差分値をレベル分けした複数領域にそれぞれ対応して荷重演算用のパラメータが複数設定され、前記差分値演算部で演算された差分値に対応する領域のパラメータを選択して、前記複数のセンサユニットのセンサ出力信号から前記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、前記荷重推定手段の差分値演算部は、前記固定側部材の上下に対向配置されたセンサユニットのセンサ出力信号の振幅値の差分値を演算するものとしたセンサ付車輪用軸受。
3. 請求項１において、前記荷重推定手段の差分値演算部は、前記固定側部材の左右に対向配置されたセンサユニットのセンサ出力信号の振幅値の差分値を演算するものとしたセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項１において、前記荷重推定手段の差分値演算部は、前記固定側部材の上下に対向配置されたセンサユニットセンサ出力信号の振幅値の差分値と、前記固定側部材の左右に対向配置されたセンサユニットのセンサ出力信号の振幅値の差分値とを演算し、前記荷重推定手段の荷重演算部は、前記両差分値をレベル分けした複数領域の組合わせからなる複数の組合わせ領域に対応してそれぞれ設けられたパラメータのうちから、前記両差分値が対応する組合わせ領域の荷重演算式を選択して前記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。
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。
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、前記センサ出力信号における転動体振幅の複数周期分の平均値、または振幅値、または平均値と振幅値の両方を用いて車輪に加わる荷重を推定するものであるセンサ付車輪用軸受。
8. 請求項７において、前記荷重推定手段は、荷重推定に用いる前記センサ出力信号の平均値と振幅値の組み合わせを、車輪の回転数に応じて変更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、前記荷重推定手段は、前記温度センサの出力信号に基づき、前記センサ出力信号を補正するものとしたセンサ付車輪用軸受。
10. 請求項７ないし請求項９のいずれか１項において、前記センサユニットは３つ以上の接触固定部と少なくとも２つ以上のセンサを有し、それらのセンサ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）｝倍となるように接触固定部の間隔が設定され、前記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センサ付車輪用軸受。

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