JP5268756B2 - 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（特願２００８−２０７０３１号）を提案した。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、センサユニット対のセンサ出力信号の振幅の差分から軸方向荷重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２１は、その軸方向荷重Ｆy の演算処理の流れを示すブロック図である。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。

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、大きな軸方向荷重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、
前記センサユニットのセンサ出力信号または前記固定側部材に設けられた別の荷重検出センサのセンサ出力信号から車輪の軸方向に加わる軸方向荷重を推定する第１の荷重推定手段と、前記複数のセンサユニットのセンサ出力信号から、所定の荷重演算用のパラメータを用いて車輪に加わる荷重を推定する第２の荷重推定手段とを設け、第２の荷重推定手段は、第１の荷重推定手段で推定される荷重値をレベル分けした複数の領域にそれぞれ対応して前記パラメータが複数設定され、第１の荷重推定手段で推定された軸方向荷重の大きさによって前記パラメータを切り替えて前記荷重の推定を行うものとしたことを特徴とする。前記複数の領域は、例えば、第１の荷重推定手段で推定される荷重値を線形とみなす線形領域と、この線形領域よりも荷重値が大きく非線形とみなす非線形領域との２つの領域とする。

この構成によると、第１の荷重推定手段は、前記センサユニットまたは別に設けられた荷重検出センサの出力信号から軸方向荷重を推定する。第２の荷重推定手段は、第１の荷重推定手段で推定される荷重値により、荷重演算に用いるパラメータを切り替えて、複数のセンサユニットのセンサ出力信号から荷重を推定する。そのため、例えば、前記複数の領域を、第１の荷重推定手段で推定される荷重値を線形とみなす線形領域と非線形とみなす非線形領域との２つの領域とに分け、それぞれの領域に対応したパラメータを設定することで、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。

この発明において、前記第１の荷重推定手段が、前記複数のセンサユニットのセンサ出力信号から前記軸方向荷重を推定するものである場合、前記第２の荷重推定手段は、第１の荷重推定手段で推定される荷重値が前記複数の領域のうちの所定の領域にある場合は、第１の荷重推定手段の推定した荷重値を第２の荷重推定手段の推定した荷重値として出力するものとしても良い。上記所定の領域は、例えば第１の荷重推定手段で推定される荷重値を線形とみなす領域である。
この構成の場合、第１の荷重推定手段で行った演算を重複して第２の荷重推定手段で行う必要がなく、演算が簡素化される。

この発明において、前記センサユニットを３つ以上設け、前記第２の荷重推定手段は、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。センサユニットを適宜の配置として３つ以上設けることで、径方向荷重および軸方向荷重の両方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により、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 、および軸方向荷重Ｆy を推定することができる。

この発明において、前記第１の荷重推定手段は、前記固定側部材の上下に対向配置された２つのセンサユニットのセンサ出力信号の振幅値の差分を演算し、その差分値から前記軸方向荷重Ｆy の方向を判別する方向判別部を有するものとしても良い。センサユニットが固定側部材の上側に配置されるか下側に配置されるかによって、その出力に差が生じるため、差分値から軸方向荷重Ｆy の方向を判別することが可能となる。

この発明において、前記センサユニットとは別の荷重検出センサは、前記固定側部材のフランジ面と周面に跨がって設けられた歪み発生部材、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するものとしても良い。

この発明において、前記第２の荷重推定手段は、前記各センサユニットの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、前記第２の荷重推定手段は前記２つのセンサの出力信号を平均値として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、前記センサユニットのセンサ出力信号または前記固定側部材に設けられた別の荷重検出センサのセンサ出力信号から車輪の軸方向に加わる軸方向荷重を推定する第１の荷重推定手段と、前記複数のセンサユニットのセンサ出力信号から、所定の荷重演算用のパラメータを用いて車輪に加わる荷重を推定する第２の荷重推定手段とを設け、第２の荷重推定手段は、第１の荷重推定手段で推定される荷重値をレベル分けした複数の領域にそれぞれ対応して前記パラメータが複数設定され、第１の荷重推定手段で推定された軸方向荷重の大きさによって前記パラメータを切り替えて前記荷重の推定を行うものとしたため、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。 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。 （Ａ）は同センサ付車輪用軸受における荷重検出センサの平面図、（Ｂ）は同側面図である。 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。 この発明のさらに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１７におけるXVIII −XVIII 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。 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。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図１０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、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。

図６に示すように、センサユニット２０の歪みセンサ２２は第１の荷重推定手段３１に接続される。この第１の荷重推定手段３１は、センサユニット２０のセンサ出力信号を所定の荷重演算式に代入して車輪の軸方向に加わる軸方向荷重Ｆy を推定する軸方向荷重演算部３６を有する。また、この第１の荷重推定手段３１の次段には、各センサユニット２０のセンサ出力信号から車輪の軸方向および径方向に加わる軸方向荷重Ｆy および径方向荷重（ここでは垂直方向荷重Ｆz 、駆動力や制動力となる荷重Ｆx ）を推定する第２の荷重推定手段３２が設けられる。図７では、第１の荷重推定手段３１および第２の荷重推定手段３２の演算処理をブロック図で示している。

図１のように、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。

図１において、第１の荷重推定手段３１の軸方向荷重演算部３６で軸方向荷重Ｆy の推定に用いられる荷重演算式は、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として表される。この一次式における前記補正係数や定数が演算パラメータとなる。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いても良い。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いても良い。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。この場合の荷重演算式のパラメータとしては、軸方向荷重Ｆy が０〜４ｋＮ程度の範囲で精度良く荷重推定できる値とすることが望ましい。

図６に示すように、第１の荷重演算手段３１は、前記軸方向荷重演算部３６のほか、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部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部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部３５と、軸方向荷重Ｆy の方向を判別する方向判別部３７とを有する。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、前記温度補正部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。

前記方向判別部３７では、前記振幅値演算部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の差分が演算され、この差分値から軸方向荷重Ｆy の方向が判別される。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、前記方向判別部３７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なる。

ところで、前記方向判別部３７で軸方向荷重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Ｂ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、第２の荷重推定手段３２では、図１０のように、前記第１の荷重推定手段３１の演算する軸方向荷重Ｆy の大きさを所定の複数領域にレベル分けする。すなわち、第２の荷重推定手段３２は、第１の荷重推定手段３１の演算する軸方向荷重Ｆy の大きさがいずれの領域に属するかを判別する領域判別部３８（図６）を有する。ここでは、軸方向荷重Ｆy が＋方向である場合、その値がａ以下の範囲を領域Ａとし、ａより大きい範囲を領域Ｂとしている。そして、これら各領域Ａ，Ｂ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３９Ａ，３９Ｂを設け、これらの複数の荷重演算式のうちから、前記軸方向荷重Ｆy の値が対応する領域の荷重演算式を選択して前記各荷重Ｆx ，Ｆy ，Ｆz を推定する。この場合、領域Ａ，Ｂに分ける軸方向荷重Ｆy の分岐値ａとして、例えば４ｋＮに設定するのが望ましい。このとき、領域Ａの荷重演算式３９Ａでは、０〜４ｋＮの軸方向荷重Ｆy を精度良く荷重推定できるパラメータを用い、領域Ｂの荷重演算式３９Ｂでは、４〜７ｋＮの軸方向荷重Ｆy を精度良く荷重推定できるパラメータを用いる。軸方向荷重Ｆy が−方向である場合にも、例えばその値がｂ以下の範囲の領域とｂより大きい範囲の領域とにレベル分けし、これらの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を設定し、軸方向荷重Ｆy の値が対応する領域の荷重演算式を選択して各荷重Ｆx ，Ｆy ，Ｆz を推定する。

第２の荷重推定手段３２に用いられる荷重演算式も、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として表すことができる。この一次式における前記補正係数や定数が前記演算パラメータとなる。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いても良い。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いても良い。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。

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いることができ、荷重推定誤差を低減できる。

なお、例えば領域Ａに対応する荷重演算式３９Ａ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つの演算式が用いられ、これらの演算式の間ではパラメータが互いに異なる。領域Ｂに対応する荷重演算式３９Ｂについても同様である。また、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。

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。

とくに、第１の荷重推定手段３１において、センサユニット２０のセンサ出力信号を所定の荷重演算式に代入して軸方向荷重Ｆy を推定し、第２の荷重推定手段３２では、第１の荷重推定手段３１で推定される荷重値をレベル分けした所定の複数領域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３９Ａ，３９Ｂ…のうちから、前記荷重値が対応する領域の荷重演算式を選択し、この荷重演算式に前記複数のセンサユニット２０のセンサ出力信号を代入して車輪に加わる各荷重Ｆx ，Ｆy ，Ｆz を推定するようにしているので、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、第１の荷重推定手段３１では、温度補正部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。

図１１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１０に示す実施形態において、第１の荷重推定手段３１による軸方向荷重Ｆy の推定に用いていたセンサユニット２０のセンサ出力信号に代えて、外方部材１に設けた別の荷重検出センサ４０の出力信号を用いるようにしている。この場合の荷重検出センサ４０も、センサユニット２０の場合と同様に、歪み発生部材４１に、この歪み発生部材４１の歪みを検出する歪みセンサ４２を取付けて構成される。歪み発生部材４１は、図１１および図１２に示すように、外方部材１の周面と車体取付用フランジ１ａのアウトボード側を向くフランジ面に跨がって設けられる。具体的には、歪み発生部材４１は、前記車体取付用フランジ１ａのねじ孔１４の近傍に接触固定される第１の接触固定部４１ａと、外方部材１の外周面に接触固定される第２の接触固定部４１ｂとを有している。また、歪み発生部材４１は、前記第１の接触固定部４１ａを含む径方向に沿った径方向部位４１ｃと、前記第２の接触固定部４１ａを含む軸方向に沿った軸方向部位４１ｄとでＬ字形状に構成されている。径方向部位４１ｃは、軸方向部位４１ｄに比べ、剛性が低くなるように肉厚を薄くしてある。歪みセンサ４２は、剛性の低い径方向部位４１ｃに取付けられている。

また、前記荷重検出センサ４０は、図１１および図１２に示すように、歪み発生部材４１の第１および第２の接触固定部４１ａ，４１ｂが外方部材１の周方向に対して同位相の位置となるように、外方部材１の外周部に固定される。歪みセンサ４２は歪み発生部材４１に接着して固定されている。歪み発生部材４１は、外方部材１への固定により塑性変形を起こさない形状や材質とされている。また、歪み発生部材４１が、車輪用軸受に予想される最大の荷重が印加された場合でも、塑性変形を起こさない形状とされていることは、前記センサユニット２０における歪み発生部材２１の場合と同様である。その他の構成は図１〜図１０に示す実施形態の場合と同様である。なお、図１１および図１２では、センサユニット２０は省略して示している。

前記荷重検出センサ４０の設置部位は、軸方向荷重Ｆy に対して変形量の大きい部位であり、そのセンサ出力信号は軸方向荷重Ｆy を良く評価したものとなる。そこで、第１の荷重推定手段３１における軸方向荷重演算部３６では、荷重検出センサ４０のセンサ出力信号から軸方向荷重Ｆy を演算できる。また、第１の荷重推定手段３１における方向判別部３７での軸方向荷重Ｆy の方向判別にも利用できる。

図１５ないし図２０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１０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１７および図１８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１８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１７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１９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１０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１０に示す実施形態での第１の荷重推定手段３１における振幅値演算部３４では、２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の差分を演算しこれを振幅値として取り出す。また、平均値演算部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。方向判別部３７では、振幅値演算部３４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から軸方向荷重Ｆy の方向が判別される。

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２０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２０（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２０（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２０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２０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。

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
２２…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
３６…軸方向荷重演算部
３７…方向判別部
３８…領域判別部
３９Ａ，３９Ｂ…荷重演算式
４０…荷重検出センサ
４１…歪み発生部材
４２…歪みセンサ

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、
   前記センサユニットのセンサ出力信号または前記固定側部材に設けられた別の荷重検出センサのセンサ出力信号から車輪の軸方向に加わる軸方向荷重を推定する第１の荷重推定手段と、
   前記複数のセンサユニットのセンサ出力信号から、所定の荷重演算用のパラメータを用いて車輪に加わる荷重を推定する第２の荷重推定手段とを設け、
   第２の荷重推定手段は、第１の荷重推定手段で推定される荷重値をレベル分けした複数の領域にそれぞれ対応して前記パラメータが複数設定され、第１の荷重推定手段で推定された軸方向荷重の大きさによって前記パラメータを切り替えて前記荷重の推定を行うものとした
   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、前記複数の領域は、第１の荷重推定手段で推定される荷重値を線形とみなす線形領域と、この線形領域よりも荷重値が大きく非線形とみなす非線形領域との２つの領域であ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、前記第１の荷重推定手段は、前記複数のセンサユニットのセンサ出力信号から前記軸方向荷重を推定するものであり、前記第２の荷重推定手段は、第１の荷重推定手段で推定される荷重値が前記複数の領域のうちの所定の領域にある場合は、第１の荷重推定手段の推定した荷重値を第２の荷重推定手段の推定した荷重値として出力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、前記センサユニットを３つ以上設け、前記第２の荷重推定手段は、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。
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、前記第１の荷重推定手段は、前記固定側部材の上下に対向配置された２つのセンサユニットのセンサ出力信号の振幅値の差分を演算し、その差分値から前記軸方向荷重の方向を判別する方向判別部を有する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、前記センサユニットとは別の荷重検出センサは、前記固定側部材のフランジ面と周面に跨がって設けられた歪み発生部材、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する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２の荷重推定手段は、前記各センサユニットの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、もしくは振幅値、もしくは平均値と振幅値のいずれか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。
9. 請求項８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、前記第２の荷重推定手段は前記２つのセンサの出力信号を平均値として用いる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、前記固定側部材が前記外方部材であるセンサ付車輪用軸受。

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