JP5489929B2 - 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検出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）。しかし、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。

この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が提案されている（特許文献２）。同文献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、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対設ける。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歪み発生部材の歪みを検出するセンサを有するものとする。

この構成において、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出力信号の差分を基に、径方向荷重推定手段で、車輪用軸受の径方向に作用する径方向荷重を推定する。また、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出力信号の和を基に、軸方向荷重推定手段で、車輪用軸受の軸方向に作用する軸方向荷重を推定する。そして、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に配置する。このセンサユニット対のセンサの出力信号振幅を基に、軸方向荷重方向判別手段で、前記軸方向荷重の方向を判別する。この場合の荷重推定処理の概略を図２２にブロック図で示す。

前記センサユニットにおける歪み発生部材の接触固定部を、車輪用軸受における固定側部材の転走面付近に配置すると、車輪の回転に伴ってセンサ出力信号に図２３のような正弦波に近い変動が見られる。これは、転動体の通過による歪みの変化が検出されたものである。上記構成では、上下に配置した２つのセンサユニットのセンサ出力信号における振幅値（転動体の公転運動に伴う振動成分）の差分により、軸方向荷重を判別し、軸方向荷重の正負に応じて、それぞれに適した荷重推定パラメータを用いて荷重を演算するので、荷重を感度良く推定できる。

特表２００３−５３０５６５号公報 特開２０１０−４３９０１号公報

しかし、特許文献２の構成の場合、最適な荷重推定パラメータを選択するために、センサ出力信号の振幅値を算出する必要があり、振幅値を算出できない場合に対応できない。すなわち、回転が静止している状態、あるいは極低速回転状態においては、転動体荷重による信号変化がないか、または非常にゆっくりとした変化しかない状態となる。この場合には、センサ出力信号の変動から振幅の大きさを求めることはできない。

一方、転動体荷重によるセンサ出力信号の振幅値を静止状態においても検出する手段として、転動体荷重の影響を観測するのに十分な領域（転動体の配置ピッチに相当する周方向長さ）に複数のセンサを配置して、歪みの分布を直接測定する手段もある。しかしながら、この場合、センサ個数が増加し、検出回路が複雑化するため、コストアップと信頼性確保が新たな課題となる。

そこで、本発明者等は、センサ付車輪用軸受におけるさらに新たな荷重推定手段として、図２４にブロック図で示す構成のものを開発した。ここで，Ａは後述するように、転動体信号が１８０°位相差となる位置に近接して配置した２つのセンサ出力の平均値を示すものとする。この構成では、荷重推定演算式として、変数としてセンサ出力信号の平均値Ａのみを用いる式と、変数としてセンサ出力信号の平均値Ａと振幅値Ｂとを用いる式とを用意し、回転速度によって荷重演算処理を切り替えるようにしている。すなわち、通常走行状態では、センサ出力信号の平均値Ａと振幅値Ｂを用いた演算式による荷重推定演算を行い、低速あるいは停止状態においては前記平均値Ａだけを用いた演算式による荷重推定演算を行う。この構成の場合、回転速度の判定に、回転速度情報を用いる。

特許文献２の構成のものや、本発明者等が新たに提案した上記構成のもののように、検出されたセンサ出力信号の状態や推定された荷重の状態に応じて、複数の荷重推定パラメータの中から最適なものを選択し、推定荷重を演算する構成とした場合、センサの非線形特性などが補正された誤差の小さな検出結果を得ることができる。

しかし、この場合、複数の条件によって荷重推定パラメータを選択すると、演算の結果得られる推定荷重値が、パラメータの切り替えによって不連続となる場合がある。このような不連続な変化は、検出した推定荷重値に基づいて各種の操作を実行する自動車などにおける制御システムにとっては好ましくない。

この発明の目的は、センサの非線形特性を補正して荷重推定誤差を低減させつつ、様々な入力荷重状態に応じて連続的な推定荷重を得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１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２と、両部材の対向する転走面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に複数の荷重検出用センサユニット２０を設け、前記センサユニット２０は、前記固定側部材に接触して固定される２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１つ以上のセンサ２２，２２Ａ，２２Ｂを有し、これら複数のセンサユニット２０のセンサ２２，２２Ａ，２２Ｂ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を設けたセンサ付車輪用軸受であって、
前記荷重推定手段３０は、前記各センサユニット２０のセンサ２２の出力信号を定められた推定演算式に当て嵌めて車輪用軸受に作用する荷重を演算する荷重推定演算部３５と、前記複数のセンサユニット２０のセンサ２２の出力信号から前記推定演算式のパラメータの切り替えの指標となる１つ以上の評価値Ｅi を算出する評価値算出部３２と、前記評価値Ｅi を定められたしきい値Ｃi と比較し、その比較結果により前記推定演算式のパラメータを切り替えるパラメータ切替部３４とを備え、前記荷重推定演算部３５は、前記評価値Ｅi が前記しきい値Ｃi を含む定められた領域内にあるとき、しきい値Ｃi を挟む両側の評価値領域でのパラメータを用いて前記推定演算式で演算された２つの荷重推定結果を合成することにより演算結果を補正する演算補正部３５ａ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、各センサユニット２０のセンサ出力信号を定められた推定演算式に当て嵌めて車輪用軸受に作用する荷重を演算する荷重演算部３５を有する荷重推定手段３０では、複数のセンサユニット２０のセンサ出力信号から前記推定演算式のパラメータの切り替えの指標となる１つ以上の評価値Ｅi を評価値算出部３２で算出し、またパラメータ切替部３４でその評価値Ｅi を定められたしきい値Ｃi と比較し、その比較結果により前記パラメータを切り替える。さらに荷重演算部３５では、評価値Ｅi がしきい値Ｃi を挟む定められた領域内にあるとき、補正演算部３５ａが、しきい値Ｃi を挟む両側の評価値領域でのパラメータを用いて前記推定演算式で演算された２つの荷重推定結果を合成することにより演算結果を補正する。このため、センサ２２の非線形特性を補正して荷重推定誤差を低減させつつ、様々な入力荷重状態に応じて連続的な推定荷重を得ることができる。

この発明において、前記評価値算出部３２が算出する評価値Ｅi は車両走行速度を示すものであっても良い。この構成の場合、荷重推定演算部３５で用いられる推定演算式のパラメータを車輪の回転速度領域に応じたものに切り替えて、車輪に加わる荷重を信頼性良く推定することができる。

また、この発明において、前記評価値算出部３２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および下面部に設けられたセンサユニット２０のセンサ２２の出力信号の振幅値の差分を前記評価値Ｅi として算出するものであっても良い。この構成の場合、上下荷重に応じたより精度の良い荷重推定が行える。

また、前記評価値算出部３２は、タイヤ接地面に対して左右位置となる前記固定側部材の外径面の左面部および右面部に設けられたセンサユニット２０のセンサ２２の出力信号の振幅値の差分を前記評価値Ｅi として算出するものであっても良い。この構成の場合、車両推進方向の荷重に応じたより精度の良い荷重推定が行える。

さらには、前記評価値算出部３２は、車両走行速度を示す評価値、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および下面部に設けられたセンサユニット２０のセンサ２２の出力信号の振幅値の差分として求められる評価値、およびタイヤ接地面に対して左右位置となる前記固定側部材の外径面の左面部および右面部に設けられたセンサユニット２０のセンサ２２の出力信号の振幅値の差分として求められる評価値のいずれか２つ以上の評価値を複合したものを評価値Ｅi として算出するものであっても良い。この構成の場合、各方向の荷重に応じたより精度の良い荷重推定が行える。

この発明において、前記荷重推定演算部３５の演算補正部３５ａが演算結果を補正する前記評価値Ｅi の前記しきい値Ｃi を含む定められ領域は、しきい値Ｃi を超える所定幅ｍの領域と、しきい値Ｃi に至る所定幅ｍの領域を合わせた領域であっても良い。この領域とすることで、安定した補正が簡単な演算で行える。

この発明において、前記荷重推定演算部３５の演算補正部３５ａが前記評価値Ｅi の前記しきい値Ｃi を含む定められた領域で前記２つの荷重推定結果を合成して行う演算結果の補正は、前記２つの荷重推定結果の線形和を求めるものであっても良い。この構成の場合、簡単な演算でより精度の良い荷重推定が行える。

この発明において、前記荷重推定演算部３５の演算補正部３５ａが前記評価値Ｅi の前記しきい値Ｃi を含む定められた領域で前記２つの荷重推定結果を合成して行う演算結果の補正は、前記２つの荷重推定結果の合成を２次以上の関数を用いて行うものであっても良い。この構成の場合、より精度の良い荷重推定が行える。

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２０の出力信号から、車輪用軸受の径方向に作用する上下方向および左右方向の２つの径方向荷重と、軸方向に作用する一つの軸方向荷重との３方向の荷重を推定するものとしても良い。この構成とすることで、各方向の荷重の推定が可能となる。

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、より精度良く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３０は、上下位置に対向して配置される２つのセンサユニット２０のセンサ２２の出力信号の振幅値の差分を用いて、軸方向荷重の方向を判別する方向判別部３３を有し、前記パラメータ切り替え部３４は、前記方向判別部３３の判別結果に対応して前記荷重推定演算部３５の推定演算式のパラメータの切り替えを行う方向対応命令部３４ａを有するものとしても良い。この構成により、車輪用軸受に作用する軸方向荷重の方向に応じた精度のより優れた荷重推定を行うことができる。

この発明において、前記荷重推定手段３０は前記各センサユニットにおける各センサの出力信号の一定時間内の平均値と振幅値を算出する前処理部３１を有し、前記荷重推定演算部３５の推定演算式は、前記平均値のみ、または振幅値のみ、または前記平均値と振幅値の両方の、いずれかを用いて荷重を演算処理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は３つ以上の接触固定部２１ａと２つのセンサ２２を有し、隣り合う第１および第２の接触固定部２１ａの間、および隣り合う第２および第３の接触固定部２１ａの間に各センサ２２をそれぞれ取付け、隣り合う接触固定部２１ａもしくは隣り合うセンサ２２の前記固定側部材の円周方向についての間隔を、転動体５の配列ピッチの｛１／２＋ｎ（ｎ：整数）｝倍とし、前記荷重推定手段３０は前記２つのセンサ２２の出力信号の和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２２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・フランジ面間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。

この発明において、前記各センサユニット２２に温度センサ３６を設け、この温度センサ３６の出力信号に基づき、センサユニット２２の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、センサユニット２２のセンサ出力信号の温度ドリフトを補正することができ、より一層精度良く、荷重の推定が行える。

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複数の荷重検出用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、これら複数のセンサユニットのセンサ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を設けたセンサ付車輪用軸受であって、前記荷重推定手段は、前記各センサユニットのセンサの出力信号を定められた推定演算式に当て嵌めて車輪用軸受に作用する荷重を演算する荷重演算部と、前記複数のセンサユニットのセンサの出力信号から前記推定演算式のパラメータの切り替えの指標となる１つ以上の評価値を算出する評価値算出部と、前記評価値を定められたしきい値と比較し、その比較結果により前記推定演算式のパラメータを切り替えるパラメータ切替部とを備え、前記荷重演算部は、前記評価値が前記しきい値を含む定められた領域内にあるとき、しきい値を挟む両側の評価値領域でのパラメータを用いて前記推定演算式で演算された２つの荷重推定結果を合成することにより演算結果を補正する演算補正部を有するものとしたため、センサの非線形特性を補正して荷重推定誤差を低減させつつ、様々な入力荷重状態に応じて連続的な推定荷重を得ることができる。

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。 推定演算式のパラメータを切り替えた場合の推定演算式の不連続性を示すグラフである。 推定演算式のパラメータを切り替えた場合の推定荷重値の不連続性を示すグラフである。 評価値におけるしきい値を含む定められた領域とこれに対応して補正された推定演算式のパラメータとの関係の一例を示すグラフである。 この例での評価値とパラメータを補正する補正係数との関係を示すグラフである。 この例での荷重演算結果の時間変化を示すグラフである。 評価値におけるしきい値を含む定められた領域とこれに対応して補正された推定演算式のパラメータとの関係の他の例を示すグラフである。 この例での評価値とパラメータを補正する補正係数との関係を示すグラフである。 荷重推定手段における前処理部の構成の一例を示すブロックである。 （Ａ）は外方部材外径面上部でのセンサ出力信号の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。 軸方向荷重の大きさと上下のセンサユニットのセンサ出力信号の差分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１９におけるXX−XX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。 提案例における荷重推定処理の流れを示す説明図である。 同提案例におけるセンサ出力信号の波形図である。 他の提案例における荷重推定手段の概略構成を示すブロック図である。

この発明の一実施形態を図１ないし図１６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２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂ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２２Ａ，２２Ｂ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２２Ａ，２２Ｂ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２０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２２Ａ，２２Ｂ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２２Ａ，２２Ｂ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２２Ａ，２２Ｂは、図１に示すように、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、前処理部３１と、評価値算出部３２と、Ｆy 方向判別部３３と、パラメータ切替部３４と、荷重推定演算部３５とを有する。

前処理部３１では、センサユニット２０における２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号から、その平均値Ａと振幅値Ｂとを算出する。具体的には、前処理部３１は図１４のように加算器からなる平均値演算部３１ａと、減算器からなる振幅演算部３１ｂとを備え、平均演算部３１ａでは２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の和を演算して、その和を平均値として取り出す。振幅演算部３１ｂでは、２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の差分を演算して、その差分値を振幅値Ｂとして取り出す。

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。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の振幅は最大値となり、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。また、歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号ａ，ｂの振幅は、温度の影響やナックル１６と車体取付用フランジ１ａ（図１）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、前処理部３１において、各センサユニット２０における２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号ａ，ｂの振幅の和を上記した平均値Ａとし、振幅の差分（絶対値）｜ａ−ｂ｜を時間平均して、上記した振幅値Ｂとして求める。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Ｂ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。

図６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、上記した前処理部３１で２つの歪みセンサ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ものとなる。また、その差分として求められる振幅値Ｂ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。

評価値演算部３２では、前処理部３１で算出された各センサ出力信号の一定時間内における例えば振幅値Ｂを用いて、後述する荷重推定演算部３５で用いる推定演算式のパラメータの切り替えの指標となる１つ以上の評価値Ｅi を算出する。この場合の添え字ｉは、複数のパラメータ切り替え条件を識別するものである。例えば、評価値Ｅi として、車両走行速度を示すものを求める一例として、前記振幅値Ｂの総和を算出するようにしても良い。そのほか、評価値Ｅi として、タイヤ接地面に対して上下位置となる前記外方部材１の外径面の上面部および下面部に設けられたセンサユニット２０のセンサ出力信号から求められる振幅値Ｂの差分を算出するようにしても良い。また、評価値Ｅi として、タイヤ接地面に対して左右位置となる前記外方部材１の外径面の左面部および右面部に設けられたセンサユニット２０のセンサ出力信号から求められる振幅値Ｂの差分を算出するようにしても良い。さらには、上記した複数の評価値Ｅi の中から２つ以上の評価値を選択して複合したものを評価値として算出するようにしても良い。

パラメータ切替部３４では、前記評価値Ｅi を定められたしきい値Ｃi と比較し、その比較結果により前記推定演算式のパラメータを切り替える。

Ｆy 方向判別部３３では、以下のようにして軸方向荷重Ｆy の方向を判別する。上記したように、車輪用軸受の回転中には、センサユニット２０のセンサ出力信号の振幅には、正弦波に近い周期的な変化が生じるが、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１５（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１５（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（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。図１６は、これら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と軸方向荷重Ｆy の方向の関係をグラフで示している。

そこで、Ｆy 方向判別部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出力信号の最大値と最小値の差分が小さく、外方部材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最大値と最小値の差分が大きいとき、Ｆy 方向判別部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最大値と最小値の差分が小さいとき、Ｆy 方向判別部３３では、軸方向荷重Ｆy の方向が−方向であると判別する。これに対応して、前記パラメータ切り替え部３４は、荷重演算部３５において軸方向荷重Ｆy の演算が行われるときに、前記Ｆy 方向判別部３３の判別結果を反映させて演算推定式のパラメータを選択する等の命令を荷重演算部３５に与える方向対応命令部３４ａを有する。

荷重推定演算部３５では、各センサユニット２０のセンサ出力信号を定められた推定演算式に当て嵌めて、車輪用軸受に作用する各荷重Ｆz ，Ｆx ，Ｆy を演算・推定する。この場合の推定演算式の変数としては、前記前処理部３１で求められる平均値Ａのみ、または振幅値Ｂのみを用いても良し、平均値Ａと振幅値Ｂの両方を用いても良い。この荷重演算部３５は、前記評価値Ｅi が前記しきい値Ｃi を含む定められた領域内にあるとき、しきい値Ｃi を含む両側の評価値領域でのパラメータを用いて前記推定演算式で演算された２つの荷重推定結果を合成することにより演算結果を補正する演算補正部３５ａを有する。

ところで、パラメータ切替部３４において、複数の条件に応じて荷重推定演算部３５で用いられる推定演算式のパラメータを切り替えると、演算の結果から得られる推定荷重値は図７のように、切り替えによって不連続となる場合がある。なお、図７では、横軸をパラメータの切り替えに使用する評価値Ｅi とし、縦軸を演算した推定荷重値としている。この状態では、時系列の荷重推定結果は図８のようになり、不連続な部分が生じる。なお、図８では、横軸を時間軸とし、縦軸を演算した推定荷重値としている。

自動車における制御システムのように、推定した荷重値に基づいて各種の操作を実行する制御システムにおいては、上記したように推定荷重値が不連続に変化するのは好ましくない。
そこで、この不連続性を解消する対策として、荷重推定演算部３５に設けられた演算補正部３５ａでは、以下のような処理を行う。
先ず、評価値Ｅi における推定演算式のパラメータを切り替えるしきい値Ｃi 付近に、例えば図９のように幅２×ｍの境界領域［Ｃi-m ，Ｃi+m ］を設ける。この領域内では、評価値Ｅi におけるしきい値Ｃi を挟む両側での推定荷重値の不連続性を考慮した推定荷重を算出する処理を行う。
例えば、しきい値Ｃi の左側の領域での推定演算式のパラメータをＭ１とし、右側の領域での推定演算式のパラメータをＭ２とする。それぞれのパラメータで演算した荷重推定値をＦ（Ｍ１）とＦ（Ｍ２）であるとすると、前記領域内では両方の推定演算結果を次式のように合成して補正推定演算式Ｆを生成する。
Ｆ＝αＦ（Ｍ１）＋βＦ（Ｍ２） ……（１）
α＋β＝１ ……（２）
ここで、αとβは式（２）の関係を満たし、それぞれ推定荷重Ｆ（Ｍ１）の割合と推定荷重Ｆ（Ｍ２）の割合を示す。例えばαとβは、図１０のように、前記境界領域内で直線状に変化するものとしても良い。この場合には、前記境界領域内における推定荷重値は、図９に示すように折れ線状に変化する。ここで、しきい値Ｃi からの増分をｘとすると、αとβの関係は次式のようになる。
α／β＝（ｍ−ｘ）／（ｍ＋ｘ） ……（３）
このほか、推定荷重Ｆ（Ｍ１），Ｆ（Ｍ２）の割合を図１３のように二次曲線で表した合成割合としても良い。この場合には、前記境界領域内における推定荷重値は、図１２に示すように滑らかに変化する。演算補正部３５ａでのこのような処理により、荷重演算部３５で演算される推定荷重値は、図１１に時系列変化として示すように連続性を有するものとなる。これにより、荷重演算部３５で使用する推定演算式のパラメータを車両の走行状態に適するように切り替えを行いながらも、演算される推定荷重値には不連続な部分がなくなるため、荷重推定精度が向上し、推定した荷重に基づいて各種の操作を実行する制御システムにも適合しやすいものとなる。

なお、出力される推定荷重の種類は、上記した３方向の荷重Ｆx ，Ｆy ，Ｆz に限定するものではなく、荷重推定演算部３５における推定演算式Ｆ１，Ｆ２のパラメータを追加して、ステアモーメントＭz や、Ｘ軸回りのモーメントＭX を演算するように構成することもできる。

さらに、図３のようにセンサユニット２０に温度センサ３６を取付け、この温度センサ３６の検出信号により、各センサ出力信号を補正するようにしても良い。図１４では、前処理部３１において、２つのセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の和として算出した平均値Ａを、温度センサ３６の検出信号を用いて温度補正手段３７により補正する構成例を示している。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２０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、上記したように温度センサ３６の検出信号により各センサ出力信号を補正すると、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２０における歪み発生部材２１の３つの接触固定部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、その出力信号に生じるヒステリシスも小さくなる。

特に、各センサユニット２０のセンサ出力信号を定められた推定演算式に当て嵌めて車輪用軸受に作用する荷重を演算する荷重演算部３５を有する荷重推定手段３０では、複数のセンサユニット２０のセンサ出力信号から前記推定演算式のパラメータの切り替えの指標となる１つ以上の評価値Ｅi を評価値算出部３２で算出し、またパラメータ切替部３４でその評価値Ｅi を定められたしきい値Ｃi と比較し、その比較結果により前記パラメータを切り替える。さらに荷重演算部３５では、評価値Ｅi がしきい値Ｃi を挟む定められた領域内にあるとき、補正演算部３５ａが、しきい値Ｃi を挟む両側の評価値領域でのパラメータを用いて前記推定演算式で演算された２つの荷重推定結果を合成することにより演算結果を補正する。このため、歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの非線形特性を補正して荷重推定誤差を低減させつつ、様々な入力荷重状態に応じて連続的な推定荷重を得ることができる。

図１７ないし図２１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１６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２０に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１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２つの接触固定部２１ａを両端部に有する。このほか、図１５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が位置する部位を外方部材１の外径面から離すようにしても良い。

各センサユニット２０には１つの歪みセンサ２２が取付けられているだけなので、荷重推定手段３０の前処理部３１では、各センサユニット２０のおける１つの歪みセンサ２２の出力信号を一定時間観測して、そのセンサ出力信号の平均値Ａと振幅値Ｂとが求められる。その他の構成は、先の実施形態の場合と略同様である。

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
２２，２２Ａ，２２Ｂ…歪みセンサ
３０…荷重推定手段
３１…前処理部
３２…評価値算出部
３３…Ｆy 方向判定部
３４…パラメータ切替部
３４ａ…方向対応命令部
３５…荷重推定演算部
３５ａ…演算補正部
３６…温度センサ

Claims (14)

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複数の荷重検出用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、これら複数のセンサユニットのセンサ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を設けたセンサ付車輪用軸受であって、
   前記荷重推定手段は、前記各センサユニットのセンサの出力信号を定められた推定演算式に当て嵌めて車輪用軸受に作用する荷重を演算する荷重推定演算部と、前記複数のセンサユニットのセンサの出力信号から前記推定演算式のパラメータの切り替えの指標となる１つ以上の評価値を算出する評価値算出部と、前記評価値を定められたしきい値と比較し、その比較結果により前記推定演算式のパラメータを切り替えるパラメータ切替部とを備え、前記荷重推定演算部は、前記評価値が前記しきい値を含む定められた領域内にあるとき、しきい値を挟む両側の評価値領域でのパラメータを用いて前記推定演算式で演算された２つの荷重推定結果を合成することにより演算結果を補正する演算補正部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、前記評価値算出部が算出する評価値は車両走行速度を示すものであるセンサ付車輪用軸受。
3. 請求項１において、前記評価値算出部は、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および下面部に設けられたセンサユニットのセンサの出力信号の振幅値の差分を前記評価値として算出するセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項１において、前記評価値算出部は、タイヤ接地面に対して左右位置となる前記固定側部材の外径面の左面部および右面部に設けられたセンサユニットのセンサの出力信号の振幅値の差分を前記評価値として算出するセンサ付車輪用軸受。
5. 請求項１において、前記評価値算出部は、車両走行速度を示す評価値、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および下面部に設けられたセンサユニットのセンサの出力信号の振幅値の差分として求められる評価値、およびタイヤ接地面に対して左右位置となる前記固定側部材の外径面の左面部および右面部に設けられたセンサユニットのセンサの出力信号の振幅値の差分として求められる評価値のいずれか２つ以上の評価値を複合したものを評価値として算出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、前記荷重推定演算部の演算補正部が演算結果を補正する前記評価値の前記しきい値を含む定められた領域は、しきい値を超える所定幅の領域と、しきい値に至る所定幅の領域を合わせた領域であ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、前記荷重推定演算部の演算補正部が前記評価値の前記しきい値を含む定められた領域で前記２つの荷重推定結果を合成して行う演算結果の補正は、前記２つの荷重推定結果の線形和を求めるものであるセンサ付車輪用軸受。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記荷重推定演算部の演算補正部が前記評価値の前記しきい値を含む定められた領域で前記２つの荷重推定結果を合成して行う演算結果の補正は、前記２つの荷重推定結果の合成を２次以上の関数を用いて行うものであ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の出力信号から、車輪用軸受の径方向に作用する上下方向および左右方向の２つの径方向荷重と、軸方向に作用する一つの軸方向荷重との３方向の荷重を推定す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。
11. 請求項６において、前記荷重推定手段は、上下位置に対向して配置される２つのセンサユニットのセンサの出力信号の振幅値の差分を用いて、軸方向荷重の方向を判別する方向判別部を有し、前記パラメータ切替部は、前記方向判別部の判別結果に対応して前記荷重推定演算部の推定演算式のパラメータの切り替えを行う方向対応命令部を有する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１１のいずれか１項において、前記荷重推定手段は前記各センサユニットにおける各センサの出力信号の一定時間内の平均値と振幅値を算出する前処理部を有し、前記荷重推定演算部の推定演算式は、前記平均値のみ、または振幅値のみ、または前記平均値と振幅値の両方の、いずれかを用いて荷重を演算処理するセンサ付車輪用軸受。
13. 請求項１２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側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。
14. 請求項１ないし請求項１３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、この温度センサの出力信号に基づき、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たセンサ付車輪用軸受。

Images