JP5731308B2 - 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）。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１つ以上のセンサユニットを設ける。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と、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、車輪用軸受に作用する荷重を、センサ出力信号の平均値のみから演算・推定する第１の荷重推定手段と、センサ出力信号の平均値と振幅値とから演算・推定する第２の荷重推定手段と、これら両荷重推定手段のうちのいずれかの推定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とを設ける。この場合の概略の構成を図１４にブロック図で示す。

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、車輪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。

特表２００３−５３０５６５号公報 特開２０１０−１８１１５４号公報

しかし、特許文献２に開示の構成では、振幅Ｂを演算によって求める場合に、ある一定時間内のセンサ出力信号を用いることが必要になるため、信号処理による時間遅れが発生する。また、平均値Ａのみを用いた荷重推定演算と、平均値Ａと振幅値Ｂを用いた荷重推定演算を、車輪回転速度に応じて切り替えるときに、切り替えにより推定荷重出力の遅れ時間も変化するため、検出誤差となって観測される。また、２つの演算式による演算結果には違いが発生する場合もあり、その状態で出力の切り替えを行うと、推定荷重出力が不連続に変化することになる。検出した推定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とっては、上記のような推定荷重出力の不連続な変化や大きな検出誤差は好ましくない。

これらの不具合を防止するために、回転センサを搭載して車輪の回転速度を検出したり、車両側から別途、車輪の回転速度情報を入手したりすることで、２つの演算式による演算結果を回転速度に応じて連続的に切り替えることも可能だが、回転速度情報が得られない状況では対処できない。

これとは別に、回転センサ等の情報を用いずに、センサ出力信号から回転速度に準ずる評価値を算出し、この評価値に基づいて荷重演算処理を切り替えることも考えられる。この方法では、回転センサ信号を用いることができない状況、あるいは回転速度情報を連続的に安定して取得することができない状況においても、回転速度に準じた評価値を得ることができる。しかし、この評価値で、低速回転状態かどうかを判別することは可能だが、速度に正確に比例する評価値とはならないため、速度に応じて連続的に切り替える処理に適用するのは難しい。

この発明の目的は、回転センサの信号や、車両からの車輪回転速度情報を用いることなく、荷重推定演算処理を行うことができ、正確な推定荷重値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、この固定側部材に接触して固定される３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２つ以上のセンサ２２Ａ，２２Ｂからなる荷重検出用センサユニット２０Ａ（２０Ｂ）を複数設ける。
前記各センサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の平均値Ａのみ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の演算処理部３５、および前記各センサ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を演算・推定する第２の演算処理部３６からなる荷重推定手段３４と、前記各センサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号から車輪の回転速度を表す評価値Ｖを求める回転速度評価手段３７と、前記評価値Ｖに基づき前記荷重推定手段３４における２つの演算処理部３５，３６の演算処理結果を合成して推定荷重値を出力する推定荷重出力手段３８とを設け、この推定荷重出力手段３８は、前記評価値Ｖが予め定めたしきい値Ｖthを横切ってからの経過時間に応じた比率ｒで前記演算処理結果の合成を行う。

この構成によると、車輪のタイヤと路面間に荷重が作用するとき、車輪用軸受の固定側部材（例えば外方部材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３つ以上の接触固定部２１ａが、外方部材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２２Ａ，２２Ｂで感度良く検出される。
特に、センサユニット２０Ａ（２０Ｂ）のセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の平均値Ａのみ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の演算処理部３５、およびセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の振幅値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の演算処理部３６からなる荷重推定手段３４と、前記各センサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号から車輪の回転速度を表す評価値Ｖを求める回転速度評価手段３７と、前記評価値Ｖに基づき前記荷重推定手段３４における２つの演算処理部３５，３６の演算処理結果を合成して推定荷重値を出力する推定荷重出力手段３８とを設け、この推定荷重出力手段３８は、前記評価値Ｖが予め定めたしきい値Ｖthを横切ってからの経過時間に応じた比率ｒで前記演算処理結果の合成を行うようにしているので、以下に列挙するような効果が得られる。
・ 回転センサの信号や、車両からの車輪回転速度情報を用いることなく、荷重推定演算処理を行うことができるため、信号配線本数の増加が必要なく、荷重センサの製造コストを抑えられるとともに、車両に搭載するときの自由度を高めることができる。
・ 通常の回転状態における荷重推定演算処理と、低速時の荷重推定演算処理とを切り替えることにより、荷重推定誤差が抑制されるため、より正確な推定荷重値を得ることができる。
・ 回転速度に応じて荷重推定演算処理を切り替えるときにも、連続的に合成比率が変化する方法により荷重信号の不連続変化がなくなり、各種の車両制御への荷重信号の利用が容易になる。
・ 走行中に急ブレーキを動作させた場合には、急激に回転速度が変化してスリップ状態となることもあるが、車輪の回転が静止状態あるいは極低速状態であっても推定荷重値が出力されるため、走行状態に依存することなく車両制御等に信号を利用することができる。

この発明において、前記荷重推定手段３４における演算処理に用いる前記各センサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の平均値Ａと振幅値Ｂは、一定時間Ｔ内の各センサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号を用いても良い。この場合に、前記一定時間Ｔの値は、前記回転速度評価手段３７が求める評価値Ｖに応じて変化させても良い。
車輪の回転速度が低い状態では前記一定時間Ｔを長めに設定し、回転速度が速くなると前記一定時間Ｔが短くなるように構成すると、荷重推定手段３４での振幅値Ｂを用いた演算処理が低速領域で精度劣化するのを抑えつつ、より高速な応答が求められる速度領域では演算処理結果の応答時間を短くすることができる。

この発明において、前記センサユニット２０Ａ（２０Ｂ）では、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２２Ａ，２２Ｂ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２２Ａ，２２Ｂ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３４における第１および第２の演算処理部３５，３６の一方または両方で、前記２つのセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の和を平均値Ａ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２２Ａ，２２Ｂ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Ａ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十分相殺した値となる。これにより、２つのセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の平均値Ａ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、前記推定荷重出力手段３８で用いる合成比率ｒは、前記評価値Ｖが予め定めたしきい値Ｖthを横切ってからの経過時間を変数とする一次関数で決定されるものとしても良い。

この発明において、前記推定荷重出力手段３８で用いる合成比率ｒは、前記評価値Ｖが予め定めたしきい値Ｖthを横切ってからの経過時間を変数とする二次以上の関数で決定されるものとしても良い。

この発明において、前記推定荷重出力手段３８で用いる合成比率ｒの変化は、前記評価値Ｖが予め定めたしきい値thを横切ってからの経過時間のうち、予め設定された遷移時間ａの経過で完了するものとしても良い。

この場合に、前記評価値Ｖが予め定めたしきい値Ｖthを横切ってから再度しきい値Ｖthを横切るまでの経過時間が、前記遷移時間ａに満たない場合、再度しきい値Ｖthを横切ったときの合成比率ｒを初期値として、以後の合成比率ｒが変化するものとしても良い。

この発明において、前記回転速度評価手段３７は、各センサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の振幅値Ｂを選択して合計した値を前記評価値Ｖとして求めるものとしても良い。

この発明において、前記回転速度評価手段３７は、前記センサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号に含まれる転動体の公転運動による振幅成分の周波数から前記評価値Ｖを求め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２０Ａ（２０Ｂ）を３つ以上設け、前記荷重推定手段３４は、前記３つ以上のセンサユニット２０Ａ（２０Ｂ）のセンサ２２Ａ，２２Ｂ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Ｆx ，Ｆz と、車輪用軸受の軸方向に作用する１つの軸方向荷重Ｆy 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２０Ａ（２０Ｂ）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２０Ａ（２０Ｂ）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３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２つ以上のセンサからなる荷重検出用センサユニットを複数設け、前記各センサの出力信号の平均値のみ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の演算処理部、および前記各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・推定する第２の演算処理部からなる荷重推定手段と、前記各センサの出力信号から車輪の回転速度を表す評価値を求める回転速度評価手段と、前記評価値に基づき前記荷重推定手段における２つの演算処理部の演算処理結果を合成して推定荷重値を出力する推定荷重出力手段とを設け、この推定荷重出力手段は、前記評価値が予め定めたしきい値を横切ってからの経過時間に応じた比率で前記演算処理結果の合成を行うようにしているので、回転センサの信号や、車両からの車輪回転速度情報を用いることなく、荷重推定演算処理を行うことができ、正確な推定荷重値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処理部の回路例のブロック図である。 検出系の全体の構成を示すブロック図である。 評価値Ｖと回転速度領域ＲＡ，ＲＢとの関係を示す図である。 推定荷重出力手段での推定荷重値Ｌout の算出例を示す図である。 （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Ｆy の方向との関係を示すグラフ、（Ｂ）は同外径面下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Ｆy 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外方部材をアウトボード側から見た正面図である。 従来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１２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の車輪用軸受は、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２２Ａ，２２Ｂ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２０Ａ，２０Ｂ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２２Ａ，２２Ｂ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２０Ａ（２０Ｂ）の２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂは、図１に示すように、平均値演算部３２と振幅値演算部３３とを有する信号前処理手段３１に接続される。図７に示すように、平均値演算部３２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３３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、その差分値を振幅値Ｂとして取り出す。なお、平均値Ａとしては、センサ出力信号の和を演算するほか、センサ出力信号の時間平均値を取り出すようにしても良い。

前記信号前処理手段３１は荷重推定手段３４に接続される。荷重推定手段３４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（例えば垂直方向荷重Ｆz ）を演算・推定する手段である。この荷重推定手段３４は、前記歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の平均値Ａのみを用いて車輪用軸受に作用する荷重ＬＡを演算・推定する第１の演算処理部３５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ＬＢを演算・推定する第２の演算処理部３６とを有する。

車輪用軸受に作用する荷重Ｌと歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号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、
Ｌ＝Ｍ１×Ｓ ……（１）
という関係で表すことができ、この関係式（１）から車輪用軸受や車輪と路面間（タイヤ接地面）に作用する荷重Ｌを推定することができる。ここで、Ｍ１は所定の補正係数である。
前記第１の演算処理部３５では、歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号からオフセット分を除いた変数として前記平均値Ａを用い、この変数に所定の補正係数Ｍ１を乗算した一次式、つまり
ＬＡ＝Ｍ１×Ａ ……（２）
から荷重Ｌを演算・推定する。このようにオフセット分を除外した変数を用いることにより、荷重推定精度を向上させることができる。
なお、この例では、２つのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂが用いられているので、式（２）による演算では各センサユニット２０Ａ（２０Ｂ）から求められる平均値Ａが用いられる。すなわち、センサユニット２０Ａから求められる平均値をＡＡ、センサユニット２０Ｂから求められる平均値をＡＢとすると、式（２）は
ＬＡ＝Ｍ１Ａ×ＡＡ＋Ｍ１Ｂ×ＡＢ ……（２’）
として表される。ただし、Ｍ１Ａは平均値ＡＡに乗算する所定の補正係数、Ｍ１Ｂは平均値ＡＢに乗算する所定の補正係数である。

前記第２の演算処理部３６では、前記平均値Ａおよび振幅値Ｂを変数として用い、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
ＬＢ＝Ｍ２×Ａ＋Ｍ３×Ｂ ……（３）
から荷重Ｌ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。
この例では、２つのセンサユニット２０Ａ，２０Ｂが用いられているので、センサユニット２０Ａから求められる平均値をＡＡ、振幅値をＢＡ、センサユニット２０Ｂから求められる平均値をＡＢ、振幅値をＢＢとすると、式（３）は
ＬＢ＝Ｍ２Ａ×ＡＡ＋Ｍ２Ｂ×ＡＢ＋Ｍ３Ａ×ＢＡ＋Ｍ３Ｂ×ＢＢ ……（３’）として表される。ただし、Ｍ２Ａは平均値ＡＡに乗算する所定の補正係数、Ｍ２Ｂは平均値ＡＢに乗算する所定の補正係数、Ｍ３Ａは振幅値ＢＡに乗算する所定の補正係数、Ｍ３Ｂは振幅値ＢＢに乗算する所定の補正係数である。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の演算処理部３５および第２の演算処理部３６による演算は並行して行なわれる。

センサユニット２０Ａ（２０Ｂ）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２０Ａ（２０Ｂ）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２０Ａ（２０Ｂ）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２０Ａ（２０Ｂ）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、出力信号ａ，ｂの差分から絶対値｜ａ−ｂ｜を求めて時間平均したもの、または出力信号ａ，ｂの差分からＲＭＳ値( 二乗平均値) を求めたものを、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。

センサユニット２０Ａ（２０Ｂ）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。

前記信号前処理手段３１は、図１のように回転速度評価手段３７にも接続される。回転速度評価手段３７は、前記信号前処理手段３１において各歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号ａ，ｂから求められた平均値Ａおよび振幅値Ｂを利用することで、車輪の回転速度を判別する指標となる評価値Ｖを求める手段である。

図８のように、前記荷重推定手段３４は次段の推定荷重出力手段３８に接続される。この推定荷重出力手段３８は、前記荷重推定手段３４の２つの演算処理部３５，３６での演算処理結果ＬＡ，ＬＢを合成して最終の推定荷重値Ｌout を出力するものである。この場合の２つの演算処理結果ＬＡ，ＬＢの合成は、前記回転速度評価手段３７で求められる評価値Ｖが予め定めたしきい値Ｖthを横切ってからの経過時間ｔに応じた比率ｒ(t) で行われる。しきい値Ｖthはメモリ３９から読み出される。

次に、このセンサ付車輪用軸受における前記検出系での作用を説明する。
まず、信号前処理手段３１において、各歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号Ｓから平均値Ａおよび振幅値Ｂを求め、それらを利用して回転速度を判別するための評価値Ｖを回転速度評価手段３７で算出する。回転速度評価手段３７では、算出した評価値Ｖをさらに別途定めたしきい値Ｖthと比較することにより、現在の状態が荷重推理手段３４での第１の演算処理結果ＬＡを用いる回転速度領域ＲＡにあるか、または第２の演算処理結果ＬＢを用いる回転速度領域ＲＢにあるか、を判断する。

ここで、回転速度を判別するための評価値Ｖとしては、例えば、一定時間内に入力された各歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の振幅値Ｂを選択して合計した値を用いるものとする。この場合、全ての出力信号の振幅値Ｂを合計しても良いし、一部のセンサ出力信号の振幅値Ｂを選択して合計したものでも良い。また、別の方法としては、各歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号から基本周波数成分を抽出して、回転速度を推定するものとしても良い。この評価値Ｖは、回転速度に正確に比例する関係になくても良く、回転速度の判別に必要な低速の回転速度領域において、ある一定速度を超えているかどうかを判断できれば良い。これにより、評価値Ｖに必要な精度が低くて済むため、正確な回転速度を出力する回転センサを設けたり、外部のセンサ情報を入力するための手段を設けたりする必要がなく、構成を単純化することができる。

荷重推定手段３４では、歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の平均値Ａ（転動体５の配列ピッチＰの１／２だけずれた位置に配置した２つの歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の和Ｓｕｍ）のみを用いた第１の演算処理部３５での演算処理結果ＬＡと、平均値Ａ（平均値はＳｕｍでも良いし、時間平均値Ａｖでも良い）と振幅値Ｂを用いた第２の演算処理部３６での演算処理結果ＬＢとを、並列して算出する。そして、上記の回転速度を判別するための評価値Ｖに応じて、推定荷重値Ｌout としてどちらの演算処理結果を用いるかを選択して出力する。走行中に評価値Ｖが変化し、回転速度領域ＲＡと回転速度領域ＲＢの境界を越えた場合、通過後の時間に応じて重み付けした２つの計算結果を合成して出力する。すなわち、比率ｒ(t) により演算処理結果ＬＡと演算処理結果ＬＢを合成し、最終の推定荷重値Ｌout を出力する。なお、領域ＲＡは低速の回転速度領域、領域ＲＢは通常の速度の回転速度領域であり、図９は評価値Ｖと回転速度領域ＲＡ，ＲＢとの関係を示す。

図１０は、推定荷重出力手段３８での推定荷重値Ｌout の算出例を示す。例えば、回転速度が領域ＲＡから領域ＲＢに入った場合、境界通過後の時間をｔとして、推定荷重出力手段３８では前記合成を以下のように計算する。
Ｌout ＝（１−ｒ(t) ）×ＬＡ＋ｒ(t) ×ＬＢ；（ｒ(t) は０〜１の値）……（４）
ここで、比率ｒ(t) は、例えば、線形関数を用いて
ｒ(t) ＝ t / a ( 0 < t < ａ）……（５）
としても良いし、三角関数を用いて
ｒ(t) ＝sin(πt / 2a) ＾2 ( 0 < t < ａ）……（６）
などとしても良い。2 次以上の関数を用いた場合、切り替え部分を滑らかに接続することができる。いずれも、ｔ＝０からｔ＝ａにかけて０から１に変化する関数とする。この演算の結果、境界通過後の経過時間ｔ＝ａまでは演算処理結果ＬＡと演算処理結果ＬＢを合成した推定荷重値Ｌout が出力され、それ以降は回転速度領域ＲＢの計算結果が出力されることになる。なお、境界通過後の経過時間のうち、予め設定された時間ａ（以下、遷移時間と呼ぶ）は、前記しきい値Ｖthとともに、図８におけるメモリ３９に予め書き込まれている。また、境界通過後の経過時間ｔは、回転速度評価手段３７に設けられるタイマ４０で計測される。

逆に、回転速度が領域ＲＢから領域ＲＡに入った場合、境界通過後の時間をｔとして、推定荷重出力手段３８では前記合成を以下のように計算する。
Ｌout ＝（１−ｒ(a−t)）×ＬＡ＋ｒ(a−t)×ＬＢ……（７）
また、回転速度が領域ＲＡから領域ＲＢに入った後、時間ｔがａに到達しない状態（ｔ＝t1）で再び領域ＲＢに戻った場合には、
ｔ＝ a−t1
での合成比率ｒ(t) を初期値として演算処理を継続する。

なお、荷重推定手段３４の演算処理に用いる平均値Ａおよび振幅値Ｂの信号前処理手段３１での算出において、処理対象時間Ｔの大きさを、評価値Ｖの値に応じて変化させる構成としても良い。車輪の回転速度が低い状態では処理対象時間Ｔを長めに設定し、回転速度が速くなると処理対象時間Ｔが短くなるように構成すると、荷重推定手段３４での振幅値Ｂを用いた演算処理が低速領域で精度劣化するのを抑えつつ、より高速な応答が求められる速度領域では演算処理結果の応答時間を短くすることができる。評価値Ｖと回転速度との相関が低い場合でも、評価値Ｖの値に応じたマップを作成しておくことで、処理対象時間Ｔを回転速度領域に応じて最適に選択することが可能となる。

この実施形態では、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２０Ａ，２０Ｂ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。

図８に示す荷重推定手段３４には、軸方向荷重Ｆy を演算するときに、軸方向荷重Ｆy の方向を判別するＦy 方向判別部４１が設けられる。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２０Ａ，２０Ｂ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２０Ａ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２０Ｂ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振動する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（つまり出力信号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（つまり出力信号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１２は、これら上下のセンサユニット２０Ａ，２０Ｂ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４１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２０Ａ，２０Ｂ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２０Ａのセンサ出力信号の振幅の差分が小さく、外方部材の外径面下面部のセンサユニット２０Ｂのセンサ出力信号の振幅の差分が大きいとき、Ｆy 方向判別部４１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２０Ａのセンサ出力信号の振幅の差分が大きく、外方部材１の外径面下面部のセンサユニット２０Ｂのセンサ出力信号の振幅の差分が小さいとき、Ｆy 方向判別部４１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、荷重推定手段３４では、第１および第２の演算処理部３５，３６で軸方向荷重Ｆy の演算が行われるときに、前記Ｆy 方向判別部４１の判別結果を反映させて演算推定式のパラメータの正負を反転させるなどの処理を施す。

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３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２０Ａ（２０Ｂ）の歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号の平均値Ａのみ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の演算処理部３５、および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の演算処理部３６からなる荷重推定手段３４と、前記各歪みセンサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号から車輪の回転速度を表す評価値Ｖを求める回転速度評価手段３７と、前記評価値Ｖに基づき前記荷重推定手段３４における２つの演算処理部３５，３６の演算処理結果を合成して推定荷重値を出力する推定荷重出力手段３８とを設け、この推定荷重出力手段３８は、前記評価値Ｖが予め定めたしきい値Ｖthを横切ってからの経過時間に応じた比率ｒで前記演算処理結果の合成を行うようにしているので、以下に列挙するような効果が得られる。
・ 回転センサの信号や、車両からの車輪回転速度情報を用いることなく、荷重推定演算処理を行うことができるため、信号配線本数の増加が必要なく、荷重センサの製造コストを抑えられるとともに、車両に搭載するときの自由度を高めることができる。
・ 通常の回転状態における荷重推定演算処理と、低速時の荷重推定演算処理とを切り替えることにより、荷重推定誤差が抑制されるため、より正確な推定荷重を得ることができる。
・ 回転速度に応じて荷重推定演算処理を切り替えるときにも、連続的に合成比率が変化する方法により荷重信号の不連続変化がなくなり、各種の車両制御への荷重信号の利用が容易になる。
・ 走行中に急ブレーキを動作させた場合には、急激に回転速度が変化してスリップ状態となることもあるが、車輪の回転が静止状態あるいは極低速状態であっても推定荷重値が出力されるため、走行状態に依存することなく車両制御等に信号を利用することができる。

図１３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
２０Ａ〜２０Ｄ…センサユニット
２１…歪み発生部材
２１ａ…接触固定部
２２Ａ，２２Ｂ…歪みセンサ
３１…信号前処理手段
３２…平均値演算部
３３…振幅値演算部
３４…荷重推定手段
３５…第１の演算処理部
３６…第２の演算処理部
３７…回転速度評価手段
３８…推定荷重出力手段

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３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２つ以上のセンサからなる荷重検出用センサユニットを複数設け、
   前記各センサの出力信号の平均値のみ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の演算処理部、および前記各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・推定する第２の演算処理部からなる荷重推定手段と、前記各センサの出力信号から車輪の回転速度を表す評価値Ｖを求める回転速度評価手段と、前記評価値Ｖに基づき前記荷重推定手段における２つの演算処理部の演算処理結果を合成して推定荷重値を出力する推定荷重出力手段とを設け、この推定荷重出力手段は、前記評価値Ｖが予め定めたしきい値Ｖthを横切ってからの経過時間に応じた比率ｒで前記演算処理結果の合成を行う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、前記荷重推定手段における演算処理に用いる前記各センサの出力信号の平均値と振幅値は、一定時間Ｔ内の各センサの出力信号を用いて算出するセンサ付車輪用軸受。
3. 請求項２において、前記一定時間Ｔの値は、前記回転速度評価手段が求める評価値Ｖに応じて変化させ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では、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、前記荷重推定手段における第１および第２の演算処理部の一方または両方で、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。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記推定荷重出力手段で用いる合成比率ｒは、前記評価値Ｖが予め定めたしきい値Ｖthを横切ってからの経過時間を変数とする一次関数で決定されるセンサ付車輪用軸受。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記推定荷重出力手段で用いる合成比率ｒは、前記評価値Ｖが予め定めたしきい値Ｖthを横切ってからの経過時間を変数とする二次以上の関数で決定され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、前記推定荷重出力手段で用いる合成比率ｒの変化は、前記評価値Ｖが予め定めたしきい値thを横切ってからの経過時間のうち、予め設定された遷移時間ａの経過で完了するものとしたセンサ付車輪用軸受。
8. 請求項７において、前記評価値Ｖが予め定めたしきい値Ｖthを横切ってから再度しきい値Ｖthを横切るまでの経過時間が、前記遷移時間ａに満たない場合、再度しきい値Ｖthを横切ったときの合成比率ｒを初期値として、以後の合成比率ｒが変化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、前記回転速度評価手段は、各センサの出力信号の振幅値を選択して合計した値を前記評価値Ｖとして求め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８のいずれか１項において、前記回転速度評価手段は、前記センサの出力信号に含まれる転動体の公転運動による振幅成分の周波数から前記評価値Ｖを求める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１０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Ｆx ，Ｆz と、車輪用軸受の軸方向に作用する１つの軸方向荷重Ｆy を演算・推定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。

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