JP6195768B2 - センサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法 - Google Patents

Description

この発明は、軸受またはタイヤの路面接地点にかかる直交３軸方向の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対して、キャリブレーションのために個々のセンサ付車輪用軸受に固有の荷重推定係数を求めて設定するセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法に関する。

特許文献１や特許文献２のように、歪みセンサを用いて計測を行う場合、環境温度によるセンサドリフトやセンサユニットの取付けに伴う歪みによる初期ドリフトが問題となる。 このような課題を解消するものとして、特許文献３などで、車輪用軸受に取付けたセンサを用いてタイヤ接地荷重を推定する方法が提案されている。これらの荷重推定は、センサ出力と荷重との関係を求めるために、キャリブレーションを実施する。

従来のキャリブレーション方法は、出荷する全ての車輪用軸受について、３軸荷重（前記直交３軸方向の荷重）が負荷可能な試験機で任意の３軸荷重を負荷し、荷重推定係数を算出する方法が採られる。例えば、まずＡの軸受を用いて３軸荷重を負荷する。このとき、荷重条件を異ならせて複数の測定を行う。次に、Ａの軸受をＡ′の軸受に交換して、３軸荷重を負荷する。この場合も荷重条件を異ならせて複数の測定を行う。

特表２００３−５３０５６５号公報 特表２００８−５４２７３５号公報 特許第５０９４４５７号公報 特開２００９−１２８３３５号公報 特開２０１０−０９６５６５号公報

上記従来のキャリブレーション方法は、いずれも、全てのセンサにおいて、３軸方向荷重を複合的に印加し、キャリブレーションを実施する。そのため、大掛かりな装置に軸受を設置することになり、サイクルタイム、作業コストの面からも現実的ではない。さらに、出荷前の軸受に大荷重を印加することは、好ましいとは言えない。

この発明の目的は、初期予圧量によってセンサユニットの感度が異なることに着眼し、初期予圧量から荷重に対する感度を補正することで、出荷する全ての車輪用軸受に対して精度良く荷重検出することを可能としながら、大掛かりなキャリブレーション作業を不要とし、キャリブレーション作業のサイクルタイムの低減が図れるようにしたセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法を提案するものである。

この発明のセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法は、概要を説明すると、センサ付車輪用軸受の初期予圧量をセンサユニットの出力から推定し、この初期予圧量から荷重推定係数Ｋ１を算出することによりキャリブレーションを容易に行えるようにした方法である。
この方法では、無負荷の状態で軸受を回転させ、複数箇所に設けられたセンサユニット個々の振幅値を計算し、その平均値から初期予圧量を推定する。
予め、初期予圧量と振幅値との関係を算出しておく。
初期予圧量から、各荷重に対するセンサユニットの感度を推定し、荷重推定係数Ｋ１を導出する。
以下、各請求項の記載に対応して説明する。

この発明のセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法は、
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た車輪用軸受に、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に接触して固定される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歪み検出素子を有するセンサユニットを、互いに円周方向に離れて３つ以上設け、これら３つ以上のセンサユニットの出力から前記車輪用軸受に作用する直交３軸方向の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、前記各センサユニットの出力と前記３軸方向の荷重の推定値との関係を示す、個々のセンサ付車輪用軸受に固有の荷重推定係数Ｋ１を用いて前記荷重の推定を行うセンサ付車輪用軸受に対し、前記固有の荷重推定係数Ｋ１を求めて設定するセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法である。
このキャリブレーション方法において、
前記センサユニットの出力する振幅値と前記３軸方向の荷重との関係に対して前記車輪用軸受の初期予圧の影響を補正する補正係数Ｋ３と、前記センサユニットの出力と初期予圧量の関係である出力・予圧関係（例えば後述の換算係数Ｋ２）を導出する補正係数等導出過程Ｓ１と、
キャリブレーション対象のセンサ付車輪用軸受について、無負荷の状態で回転させ前記センサユニットの出力する振幅値を測定する無負荷振幅値測定過程Ｓ２と、
この無負荷振幅値測定過程Ｓ２で測定した前記振幅値と前記出力・予圧関係とから前記出荷用のセンサ付車輪用軸受の初期予圧量を推定する初期予圧量推定過程Ｓ３と、
この初期予圧量推定過程Ｓ３で推定した初期予圧量と前記補正係数Ｋ３とから前記出荷用のセンサ付車輪用軸受の前記荷重推定係数Ｋ１を決定して前記荷重推定手段に設定する荷重推定係数決定過程Ｓ４とを含む。

前記補正係数等導出過程Ｓ１は、出荷対象となるセンサ付車輪用軸受についての測定を行うよりも前に予め前記出力・予圧関係（換算係数Ｋ２）および補正係数Ｋ３を求めておく過程であるが、後述のようにマスター軸受につき測定することで換算係数Ｋ２および補正係数Ｋ３を求めても、また他の適宜の方法で換算係数Ｋ２および補正係数Ｋ３を求めておいても良い。

この発明方法は、個々の軸受に固有の荷重推定係数Ｋ１を用いるセンサ付車輪用軸受において、前記固有の荷重推定係数Ｋ１を求めて設定する場合に適用される。この固有の荷重推定係数Ｋ１を求めるにつき、初期予圧量により、センサユニットの感度が異なることに着眼し、キャリブレーションとして、初期予圧量から荷重に対する感度を補正し、軸受固有の荷重推定係数Ｋ１を求めるようにした。そのため、出荷する個々の軸受につき、必要な測定は、無負荷で回転させてセンサユニットの出力を測定するだけで済む。そのセンサユニットの測定値から初期予圧量が求まり、荷重推定係数Ｋ１を求めることができる。

このように、出荷する全ての車輪用軸受に対して精度良く荷重検出することを可能としながら、大掛かりなキャリブレーション作業を不要とし、キャリブレーション作業のサイクルタイムの低減が図れる。また、出荷する車輪用軸受は、キャリブレーションのための測定として、無負荷でセンサユニットの出力を検出するだけで済むため、出荷前に大荷重を印加する必要がなく、大荷重の印加で耐久性等の軸受性能へ悪影響を与えることが回避できる。

なお、前記初期予圧量推定過程Ｓ３と荷重推定係数決定過程Ｓ４とは、概念的に分けた過程であり、実際の計算としては、前記補正係数Ｋ３と前記出力・予圧関係（換算係数Ｋ２）とを一つの係数等として設定しておき、無負荷状態で測定した振幅値から一つの計算過程で前記荷重推定係数Ｋ１を計算しても良い。

この発明方法において、前記補正係数等導出過程Ｓ１が、
前記センサ付車輪用軸受であって初期予圧量が互いに異なりかつ既知である複数のマスター軸受につき前記３軸方向の荷重を負荷するマスター軸受荷重負荷過程Ｓ１ａと、
この３軸方向の荷重を負荷した複数のマスター軸受のセンサユニットの出力と既知の初期予圧量を用い、前記センサユニットの出力を前記初期予圧量へ換算する換算係数Ｋ２を求める換算係数算出過程Ｓ１ｂと、
前記３軸方向の荷重を負荷したマスター軸受のセンサユニットの出力と前記３軸方向の荷重とを用い、前記初期予圧量の影響を補正する前記補正係数Ｋ３を導出する補正係数Ｋ３算出過程Ｓ１ｃとでなる過程であっても良い。
このように、初期予圧量が互いに異なりかつ既知である複数のマスター軸受につき前記３軸方向の荷重を負荷して測定すれば、前記補正係数Ｋ３および前記換算係数Ｋ２を精度良く求めることができる。

この発明方法において、前記無負荷振幅値測定過程Ｓ２において、無負荷の状態で回転させ前記センサユニットの出力する振幅値を測定するときの前記振幅値は、全ての前記センサユニットの振幅値の平均値または全てのセンサユニットの全ての歪み検出素子の振幅値の平均値としても良い。
無負荷状態での転動体荷重の大きさは、全ての転動体で同じとなる。したがって全てのセンサユニットで同じ出力となる。このため、全てのセンサユニットの全ての出力値の平均値、または全てのセンサユニットの全ての歪み検出素子の振幅値の平均値で補正することで、各センサユニットの感度ばらつきが補正でき、センサユニットの振幅を用いた初期予圧量の算出が精度良く行える。
振幅値の演算処理方法には、各歪み検出素子ごとに振幅値（実効値もしくはPeak to Peak）を求めるものと、センサユニット（ユニット内の歪み検出素子の差分など）を振幅値で求めるものとあり、両者のいずれを用いても良い。

この発明方法において、前記各センサユニットは、前記歪み発生部材が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し、前記歪み発生部材の歪みを検出する前記歪み検出素子を２つ有し、前記センサユニットは前記車輪用軸受の上下左右に位置する４か所に設けられていても良い。
このように前記センサユニットが前記歪み発生部材に２つ以上の接触固定部を有し、前記歪み検出素子を２つ有する場合、精度の良い検出が行える。

この場合に、前記センサユニットは、それぞれの前記歪み検出素子の出力する実効値またはピークツウピーク値を前記振幅値の測定値として出力する構成であっても良い。
また、前記センサユニットは、２つの前記歪み検出素子の出力の差分の実効値またはピークツウピーク値を前記振幅値の測定値として出力する構成であっても良い。

この発明のセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法は、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た車輪用軸受に、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に接触して固定される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歪み検出素子を有するセンサユニットを、互いに円周方向に離れて３つ以上設け、これら３つ以上のセンサユニットの出力から前記車輪用軸受に作用する直交３軸方向の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、前記各センサユニットの出力と前記３軸方向の荷重の推定値との関係を示す、個々のセンサ付車輪用軸受に固有の荷重推定係数を用いて前記荷重の推定を行うセンサ付車輪用軸受に対し、前記固有の荷重推定係数を求めて設定するセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法において、前記センサユニットの出力する振幅値と前記３軸方向の荷重との関係に対して前記車輪用軸受の初期予圧の影響を補正する補正係数と、前記センサユニットの出力と初期予圧量の関係である出力・予圧関係を導出する補正係数等導出過程と、キャリブレーション対象のセンサ付車輪用軸受について、無負荷の状態で回転させ前記センサユニットの出力する振幅値を測定する無負荷振幅値測定過程と、この無負荷振幅値測定過程で測定した前記振幅値と前記出力・予圧関係とから前記出荷用のセンサ付車輪用軸受の初期予圧量を推定する初期予圧量推定過程と、この初期予圧量推定過程で推定した初期予圧量と前記補正係数とから前記出荷用のセンサ付車輪用軸受の前記荷重推定係数を決定して前記荷重推定手段に設定する荷重推定係数決定過程とを含むため、出荷する全ての車輪用軸受に対して精度良く荷重検出することを可能としながら、大掛かりなキャリブレーション作業が不要で、キャリブレーション作業のサイクルタイムの低減を図ることができる。

この発明の一実施形態にかかるキャリブレーション方法を適用するセンサ付車輪用軸受の断面図とその荷重検出手段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。 センサユニットの他の設置例における出力信号に対する転動体位置の影響の説明図である。 同実施形態に係るセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法の各過程の流れ図である。 同センサ付車輪用軸受の予圧と転動体に作用する荷重との関係を示す説明図である。 同センサ付車輪用軸受の予圧量とセンサユニットの出力との関係を示すグラフである。 マスター軸受の予圧量とセンサユニットの出力との関係を示すグラフである。 同センサ付車輪用軸受におけるセンサユニットの初期予圧量の最小の場合と最大の場合における軸方向荷重とセンサユニットの出力との関係の実測例を示すグラフである。 同センサ付車輪用軸受における他のセンサユニットの初期予圧量の最小の場合と最大の場合における軸方向荷重とセンサユニットの出力との関係の実測例を示すグラフである。

この発明の一実施形態を図面と共に説明する。このキャリブレーション方法の対象となるセンサ付車輪用軸受は、車輪用軸受１００に複数のセンサユニット２０と荷重推定手段３０とを設けたものである。

荷重推定手段３０は、センサユニット２０の出力から、車輪用軸受１００、またはこの車輪用軸受１００に取付けられた車輪（図示せず）のタイヤ接地点に作用する直交３軸方向の荷重（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 ）を推定する手段である。荷重推定手段３０は、前記３軸方向の荷重Ｆx ，Ｆy ，Ｆz と、各センサユニット２０の出力信号との関係を演算式またはテーブル等により設定した関係設定手段３１と、この関係設定手段３１に設定された前記関係を用いて前記３軸方向の荷重Ｆx ，Ｆy ，Ｆz を演算する基本演算手段３２とを有する。前記関係設定手段３１の設定内容は、予め試験やシミュレーションで求めておいて設定する。

前記荷重推定手段３０は、この他に、出荷される個々のセンサ付車輪用軸受毎に荷重推定係数Ｋ１を設定する荷重推定係数設定手段３３と、前記基本演算手段３２で演算された各軸の荷重Ｆx ，Ｆy ，Ｆz に前記荷重推定係数設定手段３３に設定された荷重推定係数Ｋ１を乗算して補正するキャリブレーション手段３４を有する。前記関係設定手段３１に設定される設定内容は、出荷される個々のセンサ付車輪用軸受について、互いに共通の内容とされており、個々のセンサ付車輪用軸受におけるセンサユニット２０の出力のばらつきに応じたキャリブレーションが、前記キャリブレーション手段３４によって行われる。

従来は、前記荷重推定係数設定手段３３に設定する荷重推定係数Ｋ１を、個々のセンサ付車輪用軸受毎に３軸方向の荷重を与えて求めていたが、この実施形態のキャリブレーション方法では、初期予圧量から荷重推定係数Ｋ１を求める。この荷重推定係数Ｋ１の求め方については後に説明し、まず、このキャリブレーション方法の対象となるセンサ付車輪用軸受の具体例を説明する。

図１において、車輪用軸受１００は、第３世代型の内輪回転タイプで、駆動輪支持用である。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。この車輪用軸受１００は、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ボルト孔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１８を前記ボルト孔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、各ボルト孔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個のセンサユニット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つ以上（ここでは２つ）の歪み検出素子２２とでなる。歪み検出素子２２には歪みセンサが用いられる。歪み発生部材２１は、鋼材等の弾性変形可能な金属製で３ｍｍ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２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つの歪み検出素子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。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つの歪み検出素子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つの歪み検出素子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検出素子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、歪み検出素子２２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。

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ボルト孔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、歪み検出素子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、歪み検出素子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。

各センサユニット２０の２つの歪み検出素子２２は荷重推定手段３０に接続される。荷重推定手段３０は、前述のようにセンサユニット２０の出力から、車輪用軸受１００またはタイヤ接地面に作用する直交３軸方向の荷重（Ｆx ，Ｆy ，Ｆz ）を推定する手段であるが、具体的には、例えば前記センサユニット２０の２つの歪み検出素子２２の出力信号の和から、前記直交３軸方向の荷重（Ｆx ，Ｆy ，Ｆz ）を推定する。前記関係設定手段３１には、前記直交３軸方向の荷重（Ｆx ，Ｆy ，Ｆz ）と、前記各センサユニット２０の２つの歪み検出素子２２の出力信号の和との関係が、演算式またはテーブル等により設定される。

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、歪み検出素子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、歪み検出素子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）、歪み検出素子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、歪み検出素子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。

この例では、前記２つの歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂの出力信号Ａ，Ｂの和から、荷重推定手段３０が車輪用軸受や車輪と路面間（タイヤ接地面）に作用する力（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 ）を推定するものとしているので、２つの歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂの各出力信号Ａ，Ｂに現れる転動体５の位置の影響を相殺することができ、これ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２０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つの歪み検出素子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、その平均値（Ａ＋Ｂ）／２は、図６（Ｃ）に鎖線で示すように転動体５の位置の影響を十分相殺した値となる。これにより、２つの歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂの出力信号Ａ，Ｂの和から、荷重推定手段３０によって推定される車輪用軸受や車輪と路面間（タイヤ接地面）に作用する力（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 ）は、転動体５の位置の影響をより確実に排除した正確なものとなる。

図７には、センサユニット２０として、図５の構成例のものにおいて、中間位置の接触固定部２１ａを省略して、接触固定部２１ａを２つとした構成例（図８（Ａ））の場合を示している。この場合、図６の例の場合と同様に、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。これにより、２つの接触固定部２１ａの間に配置される２つの歪み検出素子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つの歪み検出素子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、その平均値（Ａ＋Ｂ）／２は、図８（Ｃ）に鎖線で示すように転動体５の位置の影響を十分相殺した値となる。これにより、２つの歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂの出力信号Ａ，Ｂの和から、荷重推定手段３０によって推定される車輪用軸受や車輪と路面間（タイヤ接地面）に作用する力（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 ）は、転動体５の位置の影響をより確実に排除した正確なものとなる。

車輪用軸受１００や、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。センサユニット２０における切欠き部２１ｂを有する歪み発生部材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、その歪みが歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂで感度良く検出され、その出力信号から荷重を推定できる。ここでは、外方部材１の外径面における上面部と下面部に配置される２つのセンサユニット２０の出力信号から垂直方向荷重Ｆz と軸方向荷重Ｆy を推定でき、外方部材１の外径面における右面部と左面部に配置される２つのセンサユニット２０の出力信号から駆動力や制動力による荷重Ｆx を推定できる。

この場合、各センサユニット２０における歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂの出力信号Ａ，Ｂは、上記したようにそのままでは転動体５の位置の影響を受けるが、荷重推定手段３０ではその２つの出力信号の和から、車輪用軸受や、車輪のタイヤと路面間に作用する荷重（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 ）を推定するので、軸受の回転時と停止時を問わず転動体３の位置による影響が解消され、荷重を精度良く推定できる。また、ローパスフィルタが不要なため、応答速度が向上する。
なお、この荷重推定方法は一例であり、歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂの出力信号の振幅値も荷重推定に利用してもよいし、全てのセンサユニット２０の全ての歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂの出力信号のマトリクス（テーブル）からFx,Fy、Fzに分離推定する方式でも良い。

次に、キャリブレーション方法につき説明する。理解の容易のために、先に従来のキャリブレーション方法を説明する。従来は、キャリブレーション対象となる全ての軸受、つまり出荷する全てのセンサ付車輪用軸受につき、３軸荷重（Ｆx ，Ｆy ，Ｆz ）が負荷可能な試験機で任意の３軸荷重を負荷し、荷重推定係数Ｋ１を算出していた。例えば、まず一つ目のキャリブレーション対象軸受（センサ付車輪用軸受）を用いて３軸荷重を負荷する。荷重条件は種々の値に振る。次に、キャリブレーション対象軸受を次の軸受に交換して前記と同様に３軸荷重を負荷する（荷重条件は複数の値に振る）。これを繰り返して出荷する全てのセンサ付車輪用軸受の荷重推定係数Ｋ１を算出する。

この実施形態のキャリブレーション方法では、従来と同様なキャリブレーション方法をマスター軸受のみにつき行って必要な補正係数（換算係数Ｋ２，補正係数Ｋ３）を求めておき、出荷する各キャリブレーション対象の軸受については、測定作業としては、無負荷で回転させてセンサユニット２０の出力を測定するだけで、後は、前記換算係数Ｋ２および補正係数Ｋ３を用いて計算のみで荷重推定係数Ｋ１を算出する。

すなわち、このキャリブレーション方法では、概要を説明すると、キャリブレーション対象の軸受につき、無負荷の状態で各センサユニット２０またはその各歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂの振幅値を計算し、全てのセンサユニット２０またはその各歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂの平均値から軸受の初期予圧量を推定する。その推定した初期予圧量から、３軸荷重に対する各センサユニット２０またはその各歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂの感度を推定し、荷重推定係数Ｋ１を導出する。

図８の流れ図と共に、この実施形態のキャリブレーション方法を具体的に説明する。この方法は、大きくは、基準とするセンサ付車輪用軸受であるマスター軸受について、各出荷用のセンサ付車輪用軸受に共通に使用される補正係数Ｋ３および換算係数Ｋ２を求める補正係数等導出過程Ｓ１と、個々の出荷用のセンサ付車輪用軸受について行う過程（無負荷振幅値測定過程Ｓ２，初期予圧推定過程Ｓ３、荷重推定係数決定過程Ｓ４）とでなる。マスターとなるセンサ付車輪用軸受つき行う補正係数等導出過程Ｓ１は、マスター軸受荷重負荷過程Ｓ１ａ、換算係数算出過程Ｓ１ｂ、および補正係数算出過程Ｓ１ｃを含む。

マスター軸受荷重負荷過程Ｓ１ａでは、軸受の初期予圧量が既知で互いに異ならせた複数のマスター軸受を準備する。例えば、初期予圧量が最大値となるマスター軸受Ａと、初期予圧量が最小値となるマスター軸受Ｂとを準備する。なお、符号Ａ，Ｂは、文言での説明上の区別のために付した符号であり、図には表示していない。前記マスター軸受Ａ，Ｂは、初期予圧量が異なる他は、出荷用のセンサ付車輪用軸受と同じ構成であり、例えば図１〜図４と共に前述したセンサ付車輪用軸受を用いる。初期予圧量は、図９にＦpre で示す純アキシアル荷重の量である。このように準備した各マスター軸受Ａ，Ｂにつき、前記直交３軸荷重が負荷可能な試験機（図示せず）を用いて前記３軸荷重Ｆx ，Ｆy ，Ｆz を負荷する。なお、これについては、従来の各出荷用のセンサ付車輪用軸受に行っていた試験と同様である。

換算係数算出過程Ｓ１ｂでは、上記の３軸荷重を負荷した各マスター軸受Ａ，Ｂにおけるセンサユニット２０の出力を用い、センサユニット２０の出力を初期予圧量へ換算する換算係数Ｋ１を求める。各マスター軸受Ａ，Ｂは、初期予圧量がそれぞれ最大値および最小値であり、初期予圧量が既知である。この既知の初期予圧量と、３軸荷重を負荷した状態での各マスター軸受Ａ，Ｂのセンサユニット２０の出力との比、（初期予圧量）／（センサユニット出力）を前記換算係数Ｋ２とする。

補正係数算出過程Ｓ１ｃでは、センサユニット２０の出力と前記３軸荷重との関係につき、初期予圧量の影響を考慮する補正値Ｋ３を算出する。この算出は、前記３軸荷重を負荷したマスター軸受Ａ，Ｂのセンサユニット２０の各出力から、初期予圧量の相違によってどのようにセンサユニット２０の出力に影響するかを算出して求める。
同じ３軸荷重を負荷しても、マスター軸受Ａ，Ｂは初期予圧量の違いによってセンサユニット２０の出力に相違が生じる。例えば、図１１に示すように、初期予圧量が最大のマスター軸受Ａ（初期予圧量ＦpreＡ）では、センサユニット２０の出力がＶａであった場合、初期予圧量が最小のマスター軸受Ｂ（初期予圧量ＦpreＢ）では、センサユニット２０の出力がＶｂとなる。この関係から、センサユニット２０の感度が図１０のように予圧量に比例すると仮定して、次式により、図１１の曲線の傾きで示される補正係数Ｋ３を求める。
Ｋ３＝（Ｖａ−Ｖｂ）／（ＦpreＡ−ＦpreＢ）

上記のように、マスター軸受Ａ，Ｂを用いて、予め換算係数Ｋ２と、補正係数Ｋ３とを導出しておき、出荷する個々のセンサ付車輪用軸受については、次の各過程Ｓ２〜Ｓ４により、無負荷でセンサユニット２０の出力を測定するだけで、計算により荷重推定係数Ｋ１を求める。

無負荷振幅値測定過程Ｓ２では、出荷用のセンサ付車輪用軸受について、無負荷状態で数回転させ、センサユニット２０の出力の振幅値を測定する。すなわち、実際にキャリブレーションしたいセンサ付車輪用軸受について、無負荷条件で回転させている状態でのセンサユニット２０の出力の振幅値を測定する。このセンサユニット２０の出力の振幅値には、キャリブレーション対象のセンサ付車輪用軸受に設置された全てのセンサユニット２０の出力の振幅の平均値、またはこれら全てのセンサユニット２０が持つ全ての歪み検出素子２２の振幅の平均値とする。このように、無負荷条件という１点のみの荷重条件で測定する。

なお、各センサユニット２０は、それぞれ２つの歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂを有しており、センサユニット２０は車輪用軸受１００の上下左右の４箇所に設けられているが、例えば、それぞれの歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂの実効値またはピークツウピーク値を各センサユニット２０の出力する振幅値とする。この代わりに、センサユニット２０内の隣合う２つの歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂの差分の実効値またはピークツウピーク値を、各センサユニット２０の出力する振幅値としても良い。

初期予圧量推定過程Ｓ３では、前記換算係数算出過程Ｓ１ｂで求めた前記換算係数Ｋ２を、無負荷振幅値測定過程Ｓ２で測定したセンサユニット２０の出力に乗じることにより、出荷用のセンサ付車輪用軸受の初期予圧量を推定する。すなわち、次式、
（初期予圧量）＝（換算係数Ｋ２）×（センサユニット出力）
により、初期予圧量を算出する。

荷重推定係数決定過程Ｓ４では、前記補正係数算出過程Ｓ１ｃで求めた補正係数Ｋ３を適用し、基本の荷重推定係数Ｋ１₀ に補正係数Ｋ２を乗算して、出荷する個々のセンサ付車輪用軸受の荷重推定係数Ｋ１を決定する。すなわち、次式、
（荷重推定係数Ｋ１）＝（補正係数Ｋ３）×（基本の荷重推定係数Ｋ１₀ ）
により、荷重推定係数Ｋ１を決定する。
このように決定した荷重推定係数Ｋ１を、センサ付車輪用軸受における荷重推定手段３３の荷重推定係数設定手段３３に設定する。

このように、予めマスター軸受Ａ，Ｂの２つのサンプルにつき、３軸方向の荷重を測定しておけば、実際に測定してキャリブレーションしたいセンサ付車輪用軸受については、無負荷状態での１点のみのセンサユニット２０の出力を測定すれば、計算によりそのセンサ付車輪用軸受に固有の荷重推定係数Ｋ１を決定することができる。

このキャリブレーション方法を適用することにより、全てのセンサ付車輪用軸受に対して３軸方向の荷重を負荷する大掛かりなキャリブレーション作業を行うことが不要であり、キャリブレーション作業のサイクルタイム低減に繋がる。出荷前のセンサ付車輪用軸受は、上記のように無負荷状態で測定すれば良いため、従来のように出荷前のセンサ付車輪用軸受に大荷重を印加するという問題も解消される。また、センサユニット２０の出力から直接に初期予圧量を推定できるため、より正確に予圧を管理することが可能となる。

また、出荷するセンサ付車輪用軸受については、無負荷状態で測定すれば良いため、前記各過程Ｓ２〜Ｓ４において、次のように簡易に処理が行える。
すなわち、無負荷状態での転動体荷重の大きさは、全ての転動体５で同じとなる。したがって、全てのセンサユニット２０で同じ出力となる。このため、無負荷回転状態での全てのセンサユニット２０の出力の振幅値の平均を算出し、各センサユニット２０の感度ばらつきは、上記振幅値の平均で補正すれば良い。より具体的には、全てのセンサユニット２０の歪み検出素子２２Ａ，２２Ｂの振幅値の平均を算出し、その平均で補正する。上記振幅値の平均から、予め求めたセンサユニット２０の出力の振幅値と初期予圧量（純アキシアル荷重）の関係から、初期予圧量を算出する。このように求めた初期予圧量に応じて荷重換算式（具体的には荷重換算式における荷重推定係数）を補正する。

実測例を参考として図１２，図１３に示す。各図は、初期予圧量を最大とした場合と、最小した場合につき、センサ付車輪用軸受に軸方向の荷重を印加した時の各センサユニット２０の出力（振幅値）をそれぞれ示す。同図に示すように、同じ荷重を負荷しても、初期予圧量によってセンサユニット２０の感度が異なることが分かる。この関係を把握しておくことで、初期予圧量から荷重に対するセンサユニット２０の感度を補正できることが分かる。

１…外方部材
２…内方部材
３，４…転走面
５…転動体
６…保持器
２０…センサユニット
２１…歪み発生部材
２１ａ…接触固定部
２１ｂ…切欠き部
２２Ａ，２２Ｂ…歪み検出素子
３０…荷重推定手段
３１…関係設定手段
３２…基本演算手段
３３…荷重推定係数設定手段
３４…キャリブレーション手段
Ｋ１…荷重推定係数
Ｋ２…換算係数（出力・予圧関係）
Ｋ３…補正係数

Claims (5)

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た車輪用軸受に、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に接触して固定される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歪み検出素子を有するセンサユニットを、互いに円周方向に離れて３つ以上設け、これら３つ以上のセンサユニットの出力から前記車輪用軸受に作用する直交３軸方向の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、前記各センサユニットの出力と前記３軸方向の荷重の推定値との関係を示す、個々のセンサ付車輪用軸受に固有の荷重推定係数を用いて前記荷重の推定を行うセンサ付車輪用軸受に対し、前記固有の荷重推定係数を求めて設定するセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法において、
   前記センサユニットの出力する振幅値と前記３軸方向の荷重との関係に対して前記車輪用軸受の初期予圧の影響を補正する補正係数と、前記センサユニットの出力と初期予圧量の関係である出力・予圧関係を導出する補正係数等導出過程と、
   キャリブレーション対象のセンサ付車輪用軸受について、無負荷の状態で回転させ前記センサユニットの出力する振幅値を測定する無負荷振幅値測定過程と、
   この無負荷振幅値測定過程で測定した前記振幅値と前記出力・予圧関係とから前記出荷用のセンサ付車輪用軸受の初期予圧量を推定する初期予圧量推定過程と、
   この初期予圧量推定過程で推定した初期予圧量と前記補正係数とから前記出荷用のセンサ付車輪用軸受の前記荷重推定係数を決定して前記荷重推定手段に設定する荷重推定係数決定過程と、
   を含むセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法。
2. 請求項１に記載のセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法において、前記補正係数等導出過程は、
   前記センサ付車輪用軸受であって初期予圧量が互いに異なりかつ既知である複数のマスター軸受につき前記３軸方向の荷重を負荷するマスター軸受荷重負荷過程と、
   この３軸方向の荷重を負荷した複数のマスター軸受のセンサユニットの出力と既知の初期予圧量とを用い、前記センサユニットの出力を前記初期予圧量へ換算する換算係数を求める換算係数算出過程と、
   前記３軸方向の荷重を負荷したマスター軸受のセンサユニットの出力と前記３軸方向の荷重とを用い、前記初期予圧量の影響を補正する前記補正係数を導出する補正係数算出過程とでなる、
   センサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のキャリブレーション方法において、前記無負荷振幅値測定過程で、無負荷の状態で回転させ前記センサユニットの出力する振幅値を測定するときの前記振幅値は、全ての前記センサユニットの振幅値の平均値または全てのセンサユニットの全ての歪み検出素子の振幅値の平均値とするセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法において、前記各センサユニットは、前記歪み発生部材が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し、前記歪み発生部材の歪みを検出する前記歪み検出素子を２つ有し、前記センサユニットは前記車輪用軸受の上下左右に位置する４か所に設けられ、前記センサユニットは、それぞれの前記歪み検出素子の出力する実効値またはピークツウピーク値を前記振幅値の測定値として出力するセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法において、前記各センサユニットは、前記歪み発生部材が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し、前記歪み発生部材の歪みを検出する前記歪み検出素子を２つ有し、前記センサユニットは前記車輪用軸受の上下左右に位置する４か所に設けられ、前記センサユニットは、２つの前記歪み検出素子の出力の差分の実効値またはピークツウピーク値を前記振幅値の測定値として出力するセンサ付車輪用軸受のキャリブレーション方法。

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