JP5911761B2

JP5911761B2 - センサ付車輪用軸受装置

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Publication number: JP5911761B2
Application number: JP2012144458A
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Inventors: 高橋　亨; 亨高橋
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Filing date: 2012-06-27
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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備えたセンサ付車輪用軸受装置に関する。

自動車の各車輪にかかる荷重を検出する技術として、車輪用軸受の外輪外径面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センサ付車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１）。また、車輪に設けた複数の歪みセンサの出力信号から、車輪にかかる荷重を推定する演算方法も提案されている（例えば特許文献２）。

特表２００３−５３０５６５号公報特表２００８−５４２７３５号公報特開２０１０−２４２９０２号公報

特許文献１，２に開示の技術のように、歪みセンサを用いて車輪にかかる荷重を推定する場合、環境温度によるセンサのドリフトや、センサの取付けに伴う歪みによる初期ドリフトが問題となる。

上記課題を解決するものとして、軸受固定輪に複数のセンサユニットを設け、対向配置されたセンサユニットの出力信号について振幅の差分を求め、その値によって演算を場合分けすることで入力荷重を推定するようにしたセンサ付車輪用軸受装置も提案されている（特許文献３）。また、このようなセンサ付車輪用軸受装置での荷重演算に用いる荷重推定係数を、その演算処理結果に影響を与えるブレーキのＯＮ・ＯＦＦ情報などにより切り替えて演算処理を実行することも可能である。

しかし、特許文献３に開示のセンサ付車輪用軸受装置では、荷重演算に用いる荷重推定係数として、以下に述べるように、予め荷重試験機で求めた荷重推定係数から、異なる使用条件における荷重推定係数を求める処理が必要である。

試験機による荷重試験の結果から、車輪用軸受に加わる各方向の荷重Ｆx 、Ｆy 、Ｆz 、あるいはモーメント荷重Ｍx 、Ｍz 等と、センサ出力信号との対応関係を求めることができる。しかし、試験機で求めた荷重推定係数ＭＢを荷重演算にそのまま用いても、車の走行状態では荷重が正確に求められなかった。その原因は、試験機と実車の場合とで、車輪用軸受の取付け姿勢の違いや、取付け部材周辺の剛性の違いが有ることによる。

試験機で様々な取付け姿勢における荷重印加試験を実施することは可能であるが、実車のナックル部材やサスペンション部材の剛性の影響についても再現する必要があり、試験の手間がかかってしまい現実的でないという問題がある。また、同じ軸受を車両の任意の位置に取付けて使用する場合もあり、車の前後左右のどの位置に取付けても荷重を求められることが望まれる。そのため、試験機で取得した標準的な荷重推定係数ＭＢを用いて、実際の使用条件に応じた荷重推定係数ＭＣを算出する処理が必要である。

この発明の目的は、車輪用軸受の使用条件に応じた荷重推定係数を用いて、正確な荷重を演算出力することができるセンサ付車輪用軸受装置を提供することである。

この発明のセンサ付車輪用軸受装置の基本構成は、複列の転走面が内周に形成された外方部材、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、および両部材の対向する転走面間に介在した複列の転動体を有し、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受と、この車輪用軸受に取付けられてこの軸受に加わる荷重を検出する複数のセンサ（２０）と、前記各センサ（２０）の出力信号を処理して信号ベクトルを生成する信号処理手段３１と、前記信号ベクトルから前記車輪に加わる荷重を演算する荷重演算処理手段３２とを備える。
前記荷重演算処理手段３２は、定められた軸受の標準的な荷重推定係数である標準荷重推定係数ＭＢから、実際の車両に取付けた状態における荷重推定係数である実状荷重推定係数ＭＣを算出する係数変換処理部３３と、この係数変換処理部３３で算出された実状荷重推定係数ＭＣと前記信号ベクトルとから前記車輪に加わる荷重を演算する荷重演算部３４とを有する。ここで、上記した定められた標準荷重推定係数ＭＢとは、例えば、車両に取付ける前の軸受に対して行った荷重試験により求められた荷重推定係数である。前記センサ（２０）は前記車輪用軸受に取付けられるが、前記信号処理手段３１および荷重演算処理手段３２は、前記車輪用軸受に取付けられていても、また車輪用軸受から離れて、車両のＥＣＵやインバータ装置等に設けられていても良い。

この構成によると、車輪用軸受の個体差を含めた特性を試験機で求めて個別の標準荷重推定係数ＭＢを用意しておけば、荷重演算処理手段３２の係数変換処理部３３において、軸受が固定されるナックル部材の材質や形状、および左右輪の差や軸受取付け姿勢の違いなど、使用条件による特性の違いを変換係数によって補正し、使用条件に応じた実状荷重推定係数ＭＣを算出することができる。そのため、車輪用軸受の使用条件に応じた荷重推定係数を用いて、正確な荷重を演算出力することができる。

この発明において、前記荷重演算処理手段３２の係数変換処理部３３は、前記標準荷重推定係数ＭＢから前記実状荷重推定係数ＭＣに変換するための変換係数Ｔ（ｋ）が書き込まれた変換係数記憶部３５と、車両に前記軸受を取付けた状態を指定するパラメータｋが書き込まれたパラメータ記憶部３６とを有するものとしても良い。

この発明の上記基本構成において、前記係数変換処理部３３が前記変換係数記憶部３５と前記パラメータ記憶部３６とを有する場合に、前記パラメータ記憶部３６に書き込まれたパラメータｋは、車両の種類、前記軸受の搭載位置、およびブレーキのＯＮ・ＯＦＦ状態を指定するもののうち、少なくともいずれか１つを含むものとしても良い。

この発明の上記基本構成において、前記荷重演算処理手段３２の係数変換処理部３３は、車輪の左右搭載位置に応じて、前記信号処理手段３１から荷重演算処理手段３２の前記荷重演算部に入力される信号ベクトルの配列変換、および係数変換処理部３３から荷重演算部に与えられる前記実状荷重推定係数ＭＣの配列変換を指令する車輪位置対応変換指令部を有するものとしても良い。
この構成の場合、軸受が左右対称形状の場合に、車輪位置対応変換指令部からの指令によって、信号ベクトルの配列の入れ替え処理と、実状荷重推定係数ＭＣの配列変換処理とを実施することにより対応できるため、片方の搭載位置の変換係数だけを用意すれば良く、すべての変換係数を用意する必要がないため、メモリ領域を節約することができる。

この場合に、前記信号処理手段３１は、前記車輪位置対応変換指令部からの指令に応じて、信号ベクトルの配列変換を行うスワップ回路４３を有するものとしても良い。

この発明の上記基本構成において、前記荷重演算処理手段３２の係数変換処理部３３における前記実状荷重推定係数ＭＣを算出するための一連のシーケンス処理は、初期化処理において実行されるものとしても良い。

この発明において、前記軸受上にその軸受を特定するＩＤ情報が書き込まれたＩＤメモリ３８が設けられ、前記荷重演算処理手段３２の係数変換処理部３３は、初期化処理のときに前記ＩＤメモリ３８からＩＤ情報を読み出して記憶するＩＤ不揮発メモリ４０を有するものとしても良い。

この場合に、前記荷重演算処理手段３２の係数変換処理部３３は、電源ＯＮのときに、前記ＩＤメモリ３８からＩＤ情報を読み出し、前記ＩＤ不揮発メモリ４０が記憶しているＩＤ情報との比較を実施して、初期設定で関連付けられた正規の軸受と接続されているかどうかを確認する機能を有するものとしても良い。前記の「電源ＯＮのとき」は、前記荷重演算処理手段３２の電源がＯＮになったときであり、例えば、車両の始動スイッチにおけるアクセサリモードがＯＮとなったときである。

この発明において、前記軸受上に前記標準荷重推定係数ＭＢが書き込まれたＭＢメモリ３９が設けられ、前記荷重演算処理手段３２の係数変換処理部３３は、前記ＭＢメモリ３９から前記標準荷重推定係数ＭＢを読み出し可能としても良い。

この発明において、前記荷重演算処理手段３２の係数変換処理部３３には、前記軸受を特定するＩＤ情報によって指定される標準荷重推定係数ＭＢのデータファイルが外部から別途供給されるものとしても良い。

この発明において、軸受に加わる荷重を検出するセンサ（２０）を３つ以上設け、前記荷重演算処理手段３２は、前記３つ以上のセンサ（２０）の出力信号から、車輪用軸受に作用する垂直方向荷重Ｆz 、前後方向の荷重Ｆx 、および軸方向荷重Ｆy を演算するものとしても良い。

この発明において、軸受に加わる荷重を検出する前記センサ（２０）は、前記外方部材と内方部材の間の相対変位を検出するものであっても良い。

この発明において、軸受に加わる荷重を検出する前記センサ（２０）は、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の歪みを検出するものであっても良い。

この場合に、前記センサ（２０）は、前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設けたセンサユニット２０であり、このセンサユニット２０は、前記固定側部材の外径面に接触して固定される歪み発生部材と、この歪み発生部材の歪みを検出する１つ以上の歪検出素子とを有するものとしても良い。

この場合に、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 、前後方向の荷重Ｆx 、軸方向荷重Ｆy を推定することができる。また、軸受の荷重状態が変化した場合においても、負荷圏側に配置されたセンサユニット２０の出力信号から安定して転動体周期を検出でき、荷重推定出力の精度を向上させることができる。

また、この場合に、前記センサユニット２０は、前記固定側部材の外径面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と、この歪み発生部材に取り付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出する２つ以上の歪検出素子を有するものとしても良い。

この場合に、前記歪検出素子を、前記歪み発生部材の隣り合う第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それぞれ設け、隣り合う前記接触固定部の間隔、もしくは隣り合う前記歪検出素子の間隔を、転動体の配列ピッチの｛ｎ＋１／２（ｎ：整数）｝倍に設定しても良い。

この発明のセンサ付車輪用軸受装置は、複列の転走面が内周に形成された外方部材、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、および両部材の対向する転走面間に介在した複列の転動体を有し、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受と、この車輪用軸受に取付けられてこの軸受に加わる荷重を検出する複数のセンサと、前記各センサの出力信号を処理して信号ベクトルを生成する信号処理手段と、前記信号ベクトルから前記車輪に加わる荷重を演算する荷重演算処理手段とを備え、前記荷重演算処理手段は、定められた軸受の標準的な荷重推定係数である標準荷重推定係数ＭＢから、実際の車両に取付けた状態における荷重推定係数である実状荷重推定係数ＭＣを算出する係数変換処理部と、この係数変換処理部で算出された実状荷重推定係数ＭＣと前記信号ベクトルとから前記車輪に加わる荷重を演算する荷重演算部とを有するものとし、
前記荷重演算処理手段の前記係数変換処理部が、前記標準荷重推定係数ＭＢから前記実状荷重推定係数ＭＣに変換するための変換係数Ｔ（ｋ）が書き込まれた変換係数記憶部と、車両に前記軸受を取付けた状態を指定するパラメータｋが書き込まれたパラメータ記憶部とを有し、
または前記荷重演算処理手段の係数変換処理部が、車輪の左右搭載位置に応じて、前記信号処理手段から荷重演算処理手段の前記荷重演算部に入力される信号ベクトルの配列変換、および係数変換処理部から荷重演算部に与えられる前記実状荷重推定係数ＭＣの配列変換を指令する車輪位置対応変換指令部を有し、
または前記荷重演算処理手段の係数変換処理部における前記実状荷重推定係数ＭＣを算出するための一連のシーケンス処理が、初期化処理において実行されるため、
車輪用軸受の使用条件に応じた荷重推定係数を用いて、正確な荷重を演算出力することができる。

この発明の一実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置の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装置におけるセンサユニットの一例の拡大断面図である。図３におけるIV−IV矢視断面図である。検出系の他の構成例を示すブロック図である。同じ車輪用軸受を左側車輪へ取付けた場合と右側車輪へ取付けた場合のセンサ出力信号の配列の違いを示す説明図である。

この発明の一実施形態を図１ないし図６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１００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装置における車輪用軸受１００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１００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１００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、荷重検出用センサである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。

各センサユニット２０の歪検出素子２２は、図１にブロック図で示す検出系ユニット３０に接続される。この検出系ユニット３０は、前記各センサユニット２０の出力信号を処理して信号ベクトルを生成する信号処理手段３１と、前記信号ベクトルから車輪に加わる荷重を演算する荷重演算処理手段３２とでなる。信号処理手段３１および荷重演算処理手段３２は、必ずしも検出系ユニット３０として一体化しなくても良く、互いに分離して設けて良い。また、これら信号処理手段３１や荷重演算処理手段３２は車輪用軸受１００に搭載しても良く、また車輪用軸受１００とは離れて車両に、メインのＥＣＵ（電気制御ユニット）の近傍等に位置して、あるいはＥＣＵの統括制御部の下位制御部等として設置しても良い。

この実施形態では、車輪に加わる各方向の荷重を検出するセンサとして、図２〜図４に一構成例を示した前記センサユニット２０が用いられる。各センサユニット２０は、後に詳述するように、接触固定部２１ａで外方部材１に固定された歪み発生部材２１と、この歪み発生部材２に取付けられて歪み発生部材２の歪みを検出する歪検出素子２２（２２Ａ，２２Ｂ）とでなる（図３，図４）。図３，図４の構成例では１つのセンサユニット２０に２つの歪検出素子２２（２２Ａ，２２Ｂ）が用いられているが、１つのセンサユニット２０に１つの歪検出素子２２を用いた構成であっても良い。

荷重検出用のセンサは、上記図２〜図４の形態のものに限定されるものではなく、例えば、変位センサ（渦電流センサ、磁気センサ、リラクタンスセンサ、など）を、外方部材１および内方部材２のうちの固定側部材に設置し、検出ターゲットを回転輪に配置して外方部材１と内方部材２間の相対変位量を求め、あらかじめ求めておいた荷重と変位との関係から、印加されている荷重を求めるものとしても良い。すなわち、この実施形態の構成は、軸受の内方部材２と外方部材１間に作用している力を、固定側部材に設けたセンサによって直接的・間接的に検出し、演算によって入力荷重を演算で推定する方式の荷重センサに適用されるものである。

なお、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の３方向の各荷重Ｆx 、Ｆy 、Ｆz 、あるいはそれぞれの方向のモーメント荷重を算出するためには、少なくとも３つ以上のセンサ情報（センサの出力信号）を用いた演算処理構成が必要となる。すなわち、複数のセンサ信号を必要に応じて加工・信号処理して抽出した信号ベクトルを生成し、これを用いて荷重推定演算処理を実行して入力荷重Ｆ（＝｛Fx, Fy, Fz, …｝ )を求める荷重検出系ユニット３０を備えた構成となる。

このような構成の荷重検出系ユニット３０においては、線形近似が成立する範囲において、各センサ信号の信号ベクトルをＳで表すと、この信号ベクトルＳを入力とし、次式
Ｆ＝Ｍ・Ｓ＋Ｍｏ……（１）
の関係式を満たすように、数値解析や実験によって演算係数行列ＭとオフセットＭｏを決定することにより、荷重推定演算処理が可能になる。荷重入力範囲に対応させて適切に線形近似範囲を設定すれば、荷重推定係数によって幅広い入力荷重を推定することができる。

ここで、入力荷重とセンサ信号の信号ベクトルＳとの関係は、例えば、荷重を印加する試験機で各方向の荷重Ｆx 、Ｆy 、Ｆz や、各方向のモーメント荷重Ｍx 、Ｍz 等の荷重を加え、その荷重に対するセンサ信号を測定することにより求めることができる。ここでは、式（１）における係数ＭとオフセットＭｏを合わせて、試験機で求めた標準的な荷重推定係数（以下、標準荷重推定係数と呼ぶ）をＭＢと表現する。すると、式（１）は、次式、
Ｆ＝ＭＢ・Ｓ……（２）
という関係式で表現されることになる。

しかしながら、ここで求められた標準荷重推定係数ＭＢを、実際の車両で走行したときに得られるセンサデータに対してそのまま適用した場合には、実際の入力荷重値とは異なった荷重推定値が算出されてしまい、荷重を正確に求めることができない。その原因は、〔発明が解決しようとする課題〕でも説明したように、試験機と実車とでの、車輪用軸受１００の取付け姿勢の違いや、軸受１００を取付ける周辺部材の剛性の違いによって、軸受１００に発生する歪みや変形状態に差が発生してしまうことにある。試験機に実車への取付け状態を再現し、様々な取付け姿勢における荷重印加試験を実施することは可能であるが、実車のナックル部材やサスペンション部材の影響について詳細に再現するためには、複雑なセッティングと大規模な装置が必要で、試験に手間がかかって現実的なキャリブレーションができないという問題がある。

そこで、このセンサ付車輪用軸受装置では、図１の荷重演算処理手段３２において、試験機で取得した標準荷重推定係数ＭＢに対して、実際の使用条件に応じた変換操作を行い、実際の車両における荷重推定係数（以下、実状荷重推定係数と呼ぶ）ＭＣを算出する係数変換処理部３３と、この係数変換処理部３３で算出された実状荷重指定係数ＭＣと前記信号処理手段３１で生成される信号ベクトルとから車輪に加わる荷重を演算する荷重演算部３４とを設けている。

前記係数変換処理部３３は、前記標準荷重推定係数ＭＢから前記実状荷重推定係数ＭＣに変換するための変換係数Ｔ（ｋ）が書き込まれた変換係数記憶部３５と、軸受１００の搭載される車両の種類等の情報や、搭載車輪位置、車両に軸受１００を取付けた状態などを指定するパラメータｋが書き込まれたパラメータ記憶部３６と、変換して得られた実状荷重推定係数ＭＣを記憶するＭＣ記憶部３７とを有する。変換係数記憶部３５、パラメータ記憶部３６、およびＭＣ記憶部は不揮発性メモリからなる。前記パラメータｋとしては、このほかブレーキのＯＮ・ＯＦＦ状態を指定するものも含まれる。

一方、車輪用軸受１００上には、その軸受１００を特定するＩＤ情報が書き込まれたＩＤメモリ３８と、前記標準荷重推定係数ＭＢが書き込まれたＭＢメモリ３９が設けられる。また、荷重演算処理手段３２の係数変換処理部３３には、これらのＩＤ情報および標準荷重推定係数ＭＢを、通信手段により前記ＩＤメモリ３８およびＭＢメモリ３９から読み出して記憶するＩＤ不揮発メモリ４０およびＭＢ不揮発メモリ４１が設けられている。

荷重演算処理手段３２の係数変換処理部３３では、軸受１００が車両に搭載されて検出系ユニット３０と接続された状態になると、まず、次のような初期化処理を実行する。初期化処理では、軸受１００上のＩＤメモリ３８およびＭＢメモリ３９からＩＤ情報および標準荷重推定係数ＭＢを読み出して、ＩＤ不揮発メモリ４０およびＭＢ不揮発メモリ４１にコピーする。その後、パラメータ記憶部３６に書き込まれている車両情報、搭載車輪位置などを指定するパラメータｋを用いて、標準荷重推定係数ＭＢを実状荷重推定係数ＭＣに変換する処理を行う。この変換では、変換係数記憶部３５に予め書き込まれている変換係数Ｔ（ｋ）から、設定された使用条件つまりパラメータｋに適合する変換係数Ｔ（ｋ）を選択し、標準荷重推定係数ＭＢに変更を加える処理を行う。

例えば、次式、
ＭＣ＝ＭＢ＋Ｔ（ｋ）……（３）
のように変換係数を加算する構成として処理することができる。変換係数Ｔ（ｋ）の値は、実車条件で求めたセンサ出力信号の実状荷重推定係数ＭＣと、標準状態の試験条件で求めた標準荷重推定係数ＭＢとを用いて、次式、
Ｔ（ｋ）＝ＭＣ−ＭＢ……（４）
などとして求めることができる。

なお、図１に示す係数変換処理部３３では、実状荷重推定係数ＭＣが１種類しかないような表現となっているが、実際には入力荷重の状態、例えば、旋回内側／外側、車輪の回転速度、ブレーキのＯＮ・ＯＦＦ状態などによって数種類の係数を切り替えて演算処理するため、複数の実状荷重推定係数ＭＣが用意されている。標準荷重推定係数ＭＢについても同様に、入力荷重の状態に応じた複数の標準荷重推定係数ＭＢが設定されている。

初期化処理において、係数変換処理部３３では、軸受１００のＭＢメモリ３９から読み出した標準荷重推定係数ＭＢから、使用条件に合わせ変換された複数の実状荷重推定係数ＭＣを求めてＭＣ記憶部３７に記憶する。このようにして、初期化処理を終えた後は、入力されるセンサ出力信号の信号ベクトルに応じて荷重演算部３４で推定荷重が求められ、出力される状態となる。

上記構成のほか、軸受１００上にはＩＤ情報を記憶するＩＤメモリ３８だけを搭載しておき、標準荷重推定係数ＭＢのデータ自体は別途データファイルで係数変換処理部３３に供給するように構成することも可能である。この場合に、ＩＤ情報と対応するデータファイルがネットワーク上などに供給されていれば、ＩＤメモリ３８から読み出したＩＤ情報に一致する標準荷重推定係数ＭＢのデータを読み込むことができ、軸受１００上に標準荷重推定係数ＭＢのための大きなメモリを搭載しておく必要がなくなる。

ここで、軸受１００上のＩＤメモリ３９から読み出してＩＤ不揮発メモリ４０に記憶したＩＤ情報は、軸受１００と検出系ユニット３０との接続を確認するために用いることができる。すなわち、電源がＯＮとなった時に、一度ＩＤ情報を軸受１００上のＩＤメモリ３９から読み出し、この値が初期化処理のときに係数変換処理部３３のＩＤ不揮発メモリ４０に記憶されたＩＤ情報と一致するか確認し、異なっている場合には、接続間違いがあったか、あるいは軸受１００が変更されている、などと判断できる。そして、この判断結果から、エラー情報を出力して確認を促す、あるいは必要に応じて初期化処理を再度実行するなどの処置を実施することができる。なお、前記の「電源ＯＮのとき」は、前記検出系ユニット３０または前記荷重演算処理手段３２の電源がＯＮになったときであり、例えば、車両の始動スイッチにおけるアクセサリモードがＯＮとなったときである。

図６は、同じ車輪用軸受１００を左側車輪へ取付けた場合と右側車輪へ取付けた場合のセンサ出力信号の配列の違いを示したものであり、図６（Ａ）は左側車輪に取付けた場合を、図６（Ｂ）は右側車輪に取付けた場合を示す。この例のように、軸受１００の取付け姿勢が異なるたけで他の特性が対称である場合には、座標系を変換するだけで荷重推定係数を求めることができる。左側車輪に取付けた場合を示す図６（Ａ）の場合には、車両前方に位置するセンサに対応するセンサ出力信号がＳ４であり、全センサの出力信号からなる信号ベクトルＳでは（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）と並べられているので、（上、後、下、前）の順にセンサ出力信号が並べられた構成になっている。
これに対して、左側車輪に取付けた場合を示す図６（Ｂ）の場合には、車両前方に位置するセンサに対応するセンサ出力信号がＳ２となるため、全センサの出力信号からなる信号ベクトルＳでは（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）の配列となり、（上、前、下、後）の順に並べられたものとなる。これを並べ替える操作を行って（Ｓ１，Ｓ４，Ｓ３，Ｓ２）の配列の信号ベクトルＳ’とすると、左側車輪に取付け場合の信号ベクトルＳと同じ信号構成となり、演算処理にそのまま入力することが可能になる。

また、左右反転によって荷重の方向が反転する場合もあるため、軸受１００の標準荷重推定係数ＭＢのアフィン変換（符号反転処理など）に相当する演算処理を、前記係数変換処理部３３において必要に応じて実施すれば良い。したがって、走行データと試験機でのデータとの比較によって左側車輪の変換係数Ｔ（ｋ）を算出しておけば、右側車輪に対してはすべての変換係数Ｔ（ｋ）を用意する必要がなく、変換係数のためのメモリ容量を削減することができる。

図５では、このような対策を施した検出系ユニット３０の構成例を示している。この構成例では、荷重演算処理手段３２における係数変換処理部３３に、車輪の左右搭載位置に応じて、前記信号処理手段３１から荷重演算処理手段３２の荷重演算部３４に入力される信号ベクトルの配列変換、および係数変換処理部３３から前記荷重演算部３４に与えられる実状荷重推定係数ＭＣの配列変換を指令する車輪位置対応変換指令部４２が設けられている。また、これに対応して、信号処理手段３１には、前記車輪位置対応変換指令部４２からの指令に応じて、信号ベクトルの配列変換を行うスワップ回路４３が設けられている。その他の構成は、図１の構成例の場合と同様である。

この構成例の場合にも、先に述べた初期化処理と同様にして、軸受１００の標準荷重推定係数ＭＢから、実車の左側車輪用の変換係数Ｔ（ｋ）を用いて実車の左側車輪用の実状荷重推定係数ＭＣを算出する。それに引き続いて、前記車輪位置対応変換指令部４２でのパラメータ（LtoRtrans ）がＯＮに設定されていることにより、右側車輪への変換設定が実施される。これにより、信号処理手段３１のスワップ回路４３がＯＮとなり、信号ベクトルの配列が右側車輪用の並びに変換されると共に、実状荷重推定係数ＭＣのアフィン変換処理が実施されて、実状荷重推定係数ＭＣの再設定処理が行われる。

次に、図１のセンサユニット２０の一構成例について、その具体的構造を説明する。図２の４箇所に設けられた各センサユニット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つの歪検出素子２２（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ある。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の長手方向に向けて１列に並べて配置される。２つの歪検出素子２２のうち１つの歪検出素子２２Ａは、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つの歪検出素子２２Ｂが配置される。図３のように、歪み発生部材２１の両側辺部における前記各歪検出素子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。切欠き部２１ｂの隅部は断面円弧状とされている。歪検出素子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１００は損傷せず、その力が除去されると車輪用軸受１００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３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２１ａ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、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（図示せず）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。

歪検出素子２２としては、種々のものを使用することができる。例えば、歪検出素子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、歪検出素子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。

また、図３および図４に示す構成では、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つの歪検出素子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つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの出力信号Ｓ0 ，Ｓ1 は略１８０度の位相差を有することになる。

なお、図３および図４に示す構成では、その配列の両端に位置する接触固定部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つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂをそれぞれ配置することで、２つの歪検出素子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つの歪検出素子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つの歪検出素子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。

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、歪検出素子２２Ａ，２２Ｂ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。また、軸受の停止時においても、歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの出力信号は、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における歪検出素子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）、歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの出力信号は最大値となり、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、歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの出力信号は、転動体５の配列ピッチを周期として周期的に変化する正弦波に近い波形となる。また、歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの出力信号は、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。

このように構成されたセンサユニット２０を荷重検出センサとして用いる場合、例えば信号処理手段３１において、前記２つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの出力信号の差分を演算して振幅値となる信号ベクトルを出力するようにしても良い。この場合、上記したように２つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの出力信号は略１８０度の位相差を有するので、振幅値となる信号ベクトルは２つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの各出力信号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、この信号ベクトルを次段の荷重演算処理手段３２の演算での変数として用いることにより、車輪用軸受１００やタイヤ接地面に作用する荷重をより正確に演算・推定することができる。

この発明の実施形態により得られる効果を整理して次に示す。
・車輪用軸受１００の個体差を含めた特性を試験機で求めて個別の標準荷重推定係数ＭＢを用意しておけば、軸受１００が固定されるナックル部材の材質や形状、および左右輪の差や軸受取付け姿勢の違いなど、使用条件による特性の違いを変換係数Ｔ（ｋ）によって補正し、使用条件に応じた実状荷重推定係数ＭＣを算出することができる。
・試験機で取得した標準荷重推定係数ＭＢを用いて、実際の使用条件に応じた実状荷重推定係数ＭＣを算出できるため、実車に車輪用軸受１００を搭載する各条件に対し、すべての軸受１００で荷重印加試験を実施する必要がない。
・最低限の試験により効率的なキャリブレーションが可能になり、製造コストを下げることができる。
・車輪用軸受１００の出荷時に管理するパラメータは標準荷重推定係数ＭＢだけであり、管理および取扱いが容易になる。その結果、管理コストを下げることができる。
・同種の車輪用軸受１００を異なる車輪位置や、異なる車種に取付ける場合であっても、軸受個別のパラメータと車両の使用条件に関するパラメータが別で管理されているため、軸受１００に記録された個体情報に基づいて関連付けられた変化処理が自動的に実施され、適切な設定を確実に実現することができる。
・図５の構成例では、軸受１００が左右対称形状の場合に、入力センサ信号の入れ替え処理と、実状荷重推定係数ＭＣのアフィン変換処理（係数の符号入れ替え処理など）を実施する機能により、片方の搭載位置の変換係数だけを用意すれば良く、すべての変換係数を用意する必要がないため、メモリ領域を節約することができる。

このように、このセンサ付車輪用軸受装置によると、軸受１００に加わる荷重を検出するセンサとして１つ以上のセンサユニット２０設け、各センサユニット２０の出力信号Ｓを信号処理手段３１で処理して信号ベクトルを生成し、その信号ベクトルから車輪に加わる荷重を荷重演算処理手段３２で演算するものとし、前記荷重演算処理手段３２は、定められた軸受１００の標準的な荷重推定係数である標準荷重推定係数ＭＢから、実際の車両に取付けた状態における荷重推定係数である実状荷重推定係数ＭＣを算出する係数変化処理部３３と、この係数変換処理部３３で算出された実状荷重推定係数ＭＣと前記信号ベクトルとから前記車輪に加わる荷重を演算する荷重演算部３４とを有するものとしたため、軸受１００の使用条件に応じた荷重推定係数を用いて、正確な荷重を演算出力することができる。

車輪のタイヤと路面間に荷重が作用すると、車輪用軸受１００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。図３および図４の構成例では、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、その歪みが歪検出素子２２Ａ，２２Ｂで感度良く検出される。

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１００に作用する垂直方向荷重Ｆz 、前後方向の荷重Ｆx 、軸方向荷重Ｆy を推定することができる。

なお、この実施形態では、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、この実施形態では第３世代型の車輪用軸受１００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装置は、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…歪検出素子
３１…信号処理手段
３２…荷重演算処理手段
３３…係数変換処理部
３４…荷重演算部
３５…変換係数記憶部
３６…パラメータ記憶部
３７…ＭＣ記憶部
３８…ＩＤメモリ
３９…ＭＢメモリ
４０…ＩＤ不揮発メモリ
４１…ＭＢ不揮発メモリ
４２…車輪位置対応変換指令部
４３…スワップ回路
１００…車輪用軸受

Claims

複列の転走面が内周に形成された外方部材、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、および両部材の対向する転走面間に介在した複列の転動体を有し、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受と、
この車輪用軸受に取付けられてこの軸受に加わる荷重を検出する複数のセンサと、前記各センサの出力信号を処理して信号ベクトルを生成する信号処理手段と、前記信号ベクトルから前記車輪に加わる荷重を演算する荷重演算処理手段とを備え、
前記荷重演算処理手段は、定められた軸受の標準的な荷重推定係数である標準荷重推定係数ＭＢから、実際の車両に取付けた状態における荷重推定係数である実状荷重推定係数ＭＣを算出する係数変換処理部と、この係数変換処理部で算出された実状荷重推定係数ＭＣと前記信号ベクトルとから前記車輪に加わる荷重を演算する荷重演算部とを有し、
前記荷重演算処理手段の前記係数変換処理部は、前記標準荷重推定係数ＭＢから前記実状荷重推定係数ＭＣに変換するための変換係数Ｔ（ｋ）が書き込まれた変換係数記憶部と、車両に前記軸受を取付けた状態を指定するパラメータｋが書き込まれたパラメータ記憶部とを有するセンサ付車輪用軸受装置。
複列の転走面が内周に形成された外方部材、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、および両部材の対向する転走面間に介在した複列の転動体を有し、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受と、
この車輪用軸受に取付けられてこの軸受に加わる荷重を検出する複数のセンサと、前記各センサの出力信号を処理して信号ベクトルを生成する信号処理手段と、前記信号ベクトルから前記車輪に加わる荷重を演算する荷重演算処理手段とを備え、
前記荷重演算処理手段は、定められた軸受の標準的な荷重推定係数である標準荷重推定係数ＭＢから、実際の車両に取付けた状態における荷重推定係数である実状荷重推定係数ＭＣを算出する係数変換処理部と、この係数変換処理部で算出された実状荷重推定係数ＭＣと前記信号ベクトルとから前記車輪に加わる荷重を演算する荷重演算部とを有し、
前記荷重演算処理手段の係数変換処理部は、車輪の左右搭載位置に応じて、前記信号処理手段から荷重演算処理手段の前記荷重演算部に入力される信号ベクトルの配列変換、および係数変換処理部から荷重演算部に与えられる前記実状荷重推定係数ＭＣの配列変換を指令する車輪位置対応変換指令部を有するセンサ付車輪用軸受装置。
請求項１において、前記パラメータ記憶部に書き込まれたパラメータｋは、車両の種類、前記軸受の搭載位置、およびブレーキのＯＮ・ＯＦＦ状態を指定するもののうち、少なくともいずれか１つを含むセンサ付車輪用軸受装置。
請求項２において、前記信号処理手段は、前記車輪位置対応変換指令部からの指令に応じて、信号ベクトルの配列変換を行うスワップ回路を有するセンサ付車輪用軸受装置。
複列の転走面が内周に形成された外方部材、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、および両部材の対向する転走面間に介在した複列の転動体を有し、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受と、
この車輪用軸受に取付けられてこの軸受に加わる荷重を検出する複数のセンサと、前記各センサの出力信号を処理して信号ベクトルを生成する信号処理手段と、前記信号ベクトルから前記車輪に加わる荷重を演算する荷重演算処理手段とを備え、
前記荷重演算処理手段は、定められた軸受の標準的な荷重推定係数である標準荷重推定係数ＭＢから、実際の車両に取付けた状態における荷重推定係数である実状荷重推定係数ＭＣを算出する係数変換処理部と、この係数変換処理部で算出された実状荷重推定係数ＭＣと前記信号ベクトルとから前記車輪に加わる荷重を演算する荷重演算部とを有し、
前記荷重演算処理手段の係数変換処理部における前記実状荷重推定係数ＭＣを算出するための一連のシーケンス処理は、初期化処理において実行されるセンサ付車輪用軸受装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記荷重演算処理手段の係数変換処理部における前記実状荷重推定係数ＭＣを算出するための一連のシーケンス処理は、初期化処理において実行されるセンサ付車輪用軸受装置。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記軸受上にその軸受を特定するＩＤ情報が書き込まれたＩＤメモリが設けられ、前記荷重演算処理手段の係数変換処理部は、初期化処理のときに前記ＩＤメモリからＩＤ情報を読み出して記憶するＩＤ不揮発メモリを有するセンサ付車輪用軸受装置。
請求項７において、前記荷重演算処理手段の係数変換処理部は、前記荷重演算処理手段の電源ＯＮのときに、前記ＩＤメモリからＩＤ情報を読み出し、前記ＩＤ不揮発メモリが記憶しているＩＤ情報との比較を実施して、初期設定で関連付けられた正規の軸受と接続されているかどうかを確認する機能を有するセンサ付車輪用軸受装置。
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記軸受上に前記標準荷重推定係数ＭＢが書き込まれたＭＢメモリが設けられ、前記荷重演算処理手段の係数変換処理部は、前記ＭＢメモリから前記標準荷重推定係数ＭＢを読み出し可能であるセンサ付車輪用軸受装置。
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記荷重演算処理手段の係数変換処理部には、前記軸受を特定するＩＤ情報によって指定される標準荷重推定係数ＭＢのデータファイルが外部から別途供給されるセンサ付車輪用軸受装置。
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、軸受に加わる荷重を検出するセンサを３つ以上設け、前記荷重演算処理手段は、前記３つ以上のセンサの出力信号から、車輪用軸受に作用する垂直方向荷重Ｆz 、前後方向の荷重Ｆx 、および軸方向荷重Ｆy を演算するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項において、軸受に加わる荷重を検出する前記センサは、前記外方部材と内方部材の間の相対変位を検出するものであるセンサ付車輪用軸受装置。
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項において、軸受に加わる荷重を検出する前記センサは、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の歪みを検出するものであるセンサ付車輪用軸受装置。
請求項１３において、前記センサは、前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設けたセンサユニットであり、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歪み発生部材と、この歪み発生部材の歪みを検出する１つ以上の歪検出素子とを有するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
請求項１４において、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装置。
請求項１４において、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３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り付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出する２つ以上の歪検出素子を有するセンサ付車輪用軸受装置。
請求項１６において、前記歪検出素子を、前記歪み発生部材の隣り合う第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それぞれ設け、隣り合う前記接触固定部の間隔、もしくは隣り合う前記歪検出素子の間隔を、転動体の配列ピッチの｛ｎ＋１／２（ｎ：整数）｝倍に設定したセンサ付車輪用軸受装置。