WO2013047346A1

WO2013047346A1 - センサ付車輪用軸受装置

Info

Publication number: WO2013047346A1
Application number: PCT/JP2012/074163
Authority: WO
Inventors: 高橋亨; 西川健太郎; 畠山航
Original assignee: Ntn株式会社
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2013-04-04
Also published as: US20140212081A1; EP2762848A1; EP2762848B1; CN103842787A; CN103842787B; EP2762848A4; US9404540B2

Abstract

　車輪用軸受(100)に、この軸受に加わる荷重を検出する１つ以上のセンサ(20)を設け、これらセンサ(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、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)を設ける。荷重演算処理手段(32)は、荷重の演算結果に影響する車両の所定状況の有無を判別して、その有無に対応した２種類の演算処理を行う機能を有する。荷重演算処理手段(32)で判別される車両の所定状況の有無とは、例えばブレーキのON・OFFである。

Description

センサ付車輪用軸受装置

関連出願

　本出願は、２０１１年９月２９日出願の特願２０１１－２１５０８１、２０１１年１２月２日出願の特願２０１１－２６４２７７、および２０１２年１月６日出願の特願２０１２－００１１８３の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

　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、およびそのセンサ付車輪用軸受装置のセンサ出力を用いて、車両の坂道発進時に、車両が進行方向と逆方向に動いてしまうのを防止する制御を行なう車両制御装置に関する。

　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、路面から入力される荷重を検出するセンサ付車輪用軸受において、荷重センサとしてエンコーダを用いた変位検出方式のものを搭載したものが提案されている（特許文献２）。この他に、ブレーキ力の影響を、ブレーキシリンダの圧力を用いて補償するセンサ付車輪用軸受も提案されている（特許文献３）。さらに、ブレーキ力の影響を補償するために、荷重センサとは別に、キャリパに作用する制動力を検知するセンサを設けたセンサ付車輪用軸受も提案されている（特許文献４，５）。ブレーキ力の影響を補償するものではないが、歪み検出用センサ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も提案されている（特許文献６）。

　また、３つの接触固定部で固定される歪み発生部材と、その歪み発生部材の上に設けた２つの歪みセンサとでなり、一つの歪み信号を出力するようにしたセンサユニットを軸受の外輪に設置して、前記２つの歪みセンサの出力信号の加算値、振幅値等をセンサユニットの出力として用い、入力荷重の推定演算処理を行うようにしたものも提案されている（例えば特許文献７）。この他に、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等）を軸受の固定輪に設置すると共に、軸受の回転輪に検出ターゲットを配置して内外輪の相対変位量を求め、予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ようにしたセンサ付車輪用軸受も提案されている。

　さらに、車輪用軸受の技術ではないが、車両が坂道発進するときの車両のずり落ちを低減する各種の車両制御方法が提案されている（例えば特許文献８～１０）。すなわち、特許文献８では電気自動車において車両停止時のクリープトルクを適切に制御する技術が、また特許文献９ではハイブリット車両において発進に必要な駆動トルクを推定して必要に応じてエンジンの始動を制御する技術が、また特許文献１０では坂道の勾配を測定して必要なクラッチトルクを推定し、必要なトルク出力でブレーキを解除する技術が開示されている。さらに、車両発進時における運転者からの入力に対して、遅れなく車両を動作させるための具体的な制御手順の例を提案したものもある（例えば特許文献１１）。

特表２００３－５３０５６５号公報特開２００７－２１２３８９号公報特開２００６－３０８４６５号公報特開２００８－２６８２０１号公報特開２００２－０９８１３８号公報特開２０１０－２４２９０２号公報特開２００９－２７０７１１号公報特開平１０－２３６１５号公報特開２００７－２３０２８８号公報特表２０１０－５４０３３８号公報特開２０１０－１８４６１４号公報

　特許文献４の段落〔００１３〕～〔００１４〕などに示されているように、軸受にセンサを設けて路面からの入力荷重（路面反力）を検出する構成では、機械的なブレーキ操作時にブレーキロータを通じてブレーキ力が入力荷重に重畳するため、ブレーキ中の路面反力だけを検出することができない。

　この課題を解決する対策として、特許文献３～５では、ブレーキ力を検出するセンサを別途設置することが提案されているが、この場合には、センサ個数の増加によるシステム構成の複雑化、配線増加、コスト増加、重量増加などの新たな問題が発生してしまう。

　また、特許文献３で提案されているように、ブレーキ油圧を検出してブレーキ力を推定することも可能であるが、この方法では油圧とブレーキ力の対応が一定ではないので、軸受で検出した荷重からこれに含まれるブレーキ力を正確に分離するのが難しく、荷重検出精度を向上させるのは容易でない。

　ブレーキによる軸受への影響を考慮した荷重センサでは、ブレーキの経年変化等による状態変化があると、検出される荷重の精度が悪化してしまう。そのため、状態変化について定期的にチェックする必要がある。上記したような従来のセンサ付車輪用軸受では、状態変化の確認のために車輪に正確な荷重を印加して、センサ出力を校正するための大掛かりな設備が必要となり、コスト増加や、前記設備の使用に伴う工数増加等の問題が発生する。このことから、車両の点検時などに、簡易にセンサ出力の校正を行える技術の開発が望まれている。

　特許文献８～１０に開示された技術では、車両の上り時の坂道発進において、ブレーキがＯＦＦ状態では車両が進行方向とは逆方向に動いてしまう。この逆進状態で駆動トルクがない、あるいは不足した状態であると車両が逆方向に進み、後続車などの物体に衝突する可能性がある。このため、上記逆進状態では、発進時に安定したスムーズな加速ができない。そこで、車両の坂道発進時には、ブレーキをＯＦＦにしても車両が動かないように制御する必要がある。

　ところが、特許文献８に開示された技術では、車両を停止させておくために必要なクリープトルクの推定を、車両の動き出しを検出することで行なっているため、動作遅れが生じ、坂道での多少のずり落ちが発生してしまうことになる。

　特許文献９に開示されている技術でも、必要最低限の駆動トルクの推定は、車両の動き出しを検出することで実施されており、坂道でのずり落ちが発生する前に必要なトルク値は推定できていない。したがって、特許文献８に開示の技術と同様に坂道でのずり落ちが発生してしまうことになる。

　特許文献１０に開示された技術のように、傾斜計と加速度計の測定値から必要な駆動トルク値を推定し、出力トルク値が必要な値を上回るまでブレーキ解除を遅らせれば、坂道でのずり落ちを回避できる。しかし、推定した駆動トルクは車両全体の傾斜から算出されたもので、誤差が大きくなる可能性がある。また、クラッチの制御部材の位置を検出して出力トルクを推定する構成としているため、出力トルク値の誤差も大きくなる可能性があり、推定精度によっては坂道でのずり落ちが発生することになる。このように、車両状態を傾斜計により取得する構成とする場合、各車輪の路面との接地状態が異なるとき、正しく車両状態を推定することができず、坂道でのずり落ちや過剰な駆動トルクの印加が発生してしまう。したがって、各車輪の状況に応じた駆動力を最適に制御するため、各車輪の接地状態を反映する荷重状態を検出した信号が必要である。

　この発明の目的は、軸受部での検出荷重がブレーキ動作時のような車両の所定状況に影響を受けるのを補正して、車両の状況がブレーキ中など所定の状況にあっても正確な荷重を検出できるセンサ付車輪用軸受装置を提供することである。

　また、この発明の他の目的は、車両の点検時などに簡易に荷重センサの出力校正を行う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。

　この発明のさらに他の目的は、ずり落ちなく安定した車両の坂道発進を行なうためのセンサ出力を得ることができるセンサ付車輪用軸受装置、およびそのセンサ出力を用いて車両の坂道発進を安定して行なわせる車両制御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、軸受に加わる荷重を検出する１つ以上のセンサと、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、前記荷重の演算結果に影響する車両の所定状況の有無を判別して、その有無に対応した２種類の演算処理を行う機能を有するものである。前記荷重演算処理手段で判別される車両の所定状況の有無とは、例えばブレーキのＯＮ・ＯＦＦである。

　この構成によると、車輪に加わる荷重を演算する荷重演算処理手段が、荷重の演算結果に影響する車両の所定状況の有無を判別して、その有無に対応した２種類の演算処理を行う機能を有するものとしている。そのため、軸受部での検出荷重がブレーキ動作時のような車両の所定状況に影響を受けるのを補正して、車両の状況がブレーキ中など所定の状況にあっても正確な荷重を検出できる。

　この発明において、前記荷重演算処理手段で判別されるブレーキＯＮ・ＯＦＦの情報は荷重演算処理手段の外部から入力されるものとしても良い。すなわち、車両からの情報、例えば車両の統括制御を行うＥＣＵ（電気制御ユニット）からの情報として荷重演算処理手段に入力されるようにしても良い。

　この発明において、前記荷重演算処理手段は、ブレーキＯＮ・ＯＦＦに対応した２種類の演算処理結果の両方を出力するものとしても良い。出力された２種類の演算処理結果のうちいずれを採用するかは、車両側のＥＣＵなどで判断すれば良い。

　この発明において、前記荷重演算処理手段は、少なくとも車輪用軸受の前後方向に作用する荷重Ｆx を演算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は、その演算処理結果である前後方向に作用する荷重Ｆx を用いてブレーキのＯＮ・ＯＦＦを判別するものとしても良い。例えば、ブレーキのＯＦＦ状態での前後方向の荷重Ｆx の演算結果に対して、適切な閾値を設定して判断する構成とすれば良い。この構成の場合、ブレーキＯＮ・ＯＦＦの情報を荷重演算処理手段の外部から入力する必要がない。

　この発明において、前記荷重演算処理手段によって演算される車輪の荷重が駆動輪に加わる荷重であって、荷重演算処理手段がブレーキＯＮと判別したとき、車両が印加している駆動力の情報が車両側から荷重演算処理手段に与えられ、その情報に基づいて荷重演算処理手段が演算処理結果を補正するものとしても良い。駆動輪に適用する場合には、ブレーキ動作中に駆動軸から駆動トルクが入力されると、その大きさに比例した誤差が発生するため、車両が印加している駆動力の情報として、車両側の駆動トルクの情報を用いて補正するのが望ましい。

　この発明において、車輪用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っても良い。

　この発明において、車輪用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っても良い。

　この発明において、前記信号処理手段は、前記センサの出力信号から平均値および振幅値を算出し、これらの値から信号ベクトルを生成するものとしても良い。

　この発明において、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つ以上の歪検出素子とを有するものであり、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。

　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。

　このセンサユニットにおいて、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）｝倍に設定しても良い。この構成の場合、２つの歪検出素子の信号は略１８０度の位相差を有することになり、それら信号の和である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、前記２つの歪検出素子の信号の差分である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。

　この場合に、前記信号処理手段が、前記センサユニットにおける隣り合う歪検出素子の出力信号の和を平均値として用いて信号ベクトルを生成するものとしても良い。

　この発明において、さらに、前記荷重演算処理手段による演算結果をチェックする校正モード実行手段を設けても良い。この場合の荷重演算処理手段は、例えばブレーキが軸受に与える影響をブレーキ変換係数として算出し、ブレーキＯＦＦ状態の演算係数行列からブレーキＯＮ状態の演算係数行列を求めて、ブレーキＯＮ時の荷重を演算する機能を有するものである。なお、この明細書で「チェック」とは、検査および調査を言う。

　この構成によると、荷重演算処理手段による演算結果をチェックする校正モード実行手段を設けているので、車両の点検時などに簡易に荷重センサの出力校正を行うことができる。例えば荷重演算処理手段が、ブレーキが軸受に与える影響をブレーキ変換係数として算出し、ブレーキＯＦＦ状態の演算係数行列からブレーキＯＮ状態の演算係数行列を求めて、ブレーキＯＮ時の荷重を演算する機能を有する場合、校正モード実行手段は、以下の動作を行ってブレーキ変換係数を算出することで、荷重センサの出力校正を行うことができる。すなわち、校正モード実行手段は、入力されてくるブレーキのＯＮ／ＯＦＦ情報と既知の駆動トルク情報からブレーキの状態をチェックし、このチェックによりブレーキ変換係数を算出する。既知の駆動トルクは、ブレーキがＯＮの状態で各車輪に対して入力し、その時検出された軸受荷重から、ブレーキ変換係数を算出する。

　この発明において、前記校正モード実行手段は、既に保存されているブレーキ変換係数を、前記演算結果のチェックにより求めたブレーキ変換係数に書き換える機能を有するものとしても良い。この場合のブレーキ変換係数のパラメータは、例えばタイヤ半径／ブレーキキャリパ取付位置の半径比（α）と、車輪のｘ軸からのブレーキキャリパ取付位置の角度（θ）である。

　この発明において、前記校正モード実行手段は、車両が静止状態でブレーキをＯＮにして駆動トルクを印加したとき、検出した荷重値を用いて校正を実行するものとしても良い。この場合に、車両が従動輪を持つとき、前記校正モード実行手段は、測定対象の従動輪のブレーキをＯＮにして駆動輪から駆動トルクを印加することで、従動輪のブレーキの影響を求めるものとしても良い。

　また、前記校正モード実行手段は、校正に用いるブレーキ情報および駆動トルク情報を、車両側に搭載されている上位ＥＣＵから入力するものとしても良い。この場合に、前記車両が電動車両であり、前記駆動トルク情報が、電動車両の駆動源である電動機の駆動回路に出力する指令値から推定されるもの、または前記電動機の入力電流値から推定されるものであっても良い。あるいは、前記駆動トルク情報が、トルクセンサで検出されるものであっても良い。

　この発明において、前記校正モード実行手段は、校正モードの実行により、センサ動作の異常を検出する機能を有するものとしても良い。

　また、この発明において、前記校正モード実行手段は、校正モードの実行により、出力トルクの異常を検出する機能を有するものとしても良い。この場合に、校正モード実行手段は、車両が静止状態でブレーキをＯＮにして印加した駆動トルクと、前記荷重演算処理手段による演算結果から推定される入力トルクとの差分を評価値とし、この評価値を予め設定されたしきい値と比較して異常検出を行うものとしても良い。

　この発明において、前記信号処理手段は、各センサの一定時間内の出力信号を用いてそれらの平均値を算出し、それらの値から前記信号ベクトルを生成し、荷重演算処理手段はその信号ベクトルから車輪に加わる荷重を演算するものとしても良い。

　この発明において、前記信号処理手段は、各センサの一定時間内の出力信号を用いてそれらの平均値と振幅値を算出し、それらの値から前記信号ベクトルを生成し、荷重演算処理手段はその信号ベクトルから車輪に加わる荷重を演算するものとしても良い。

　また、荷重演算処理手段３２は、前記信号ベクトルと所定の荷重推定パラメータとを用いた演算式で荷重を演算するものとしても良い。

　この発明において、前記荷重演算処理手段が、さらに、路面に作用する荷重を演算して出力する路面作用力演算モードと、前記車輪用軸受に作用する荷重を演算して出力する軸受作用力演算モードとを有するものであっても良い。

　この構成のセンサ付車輪用軸受装置によると、前記荷重演算処理手段が、路面に作用する荷重を演算して出力する路面作用力演算モードと、前記車輪用軸受に作用する荷重を演算して出力する軸受作用力演算モードとを有する。そのため、次のように、ずり落ちなく安定した車両の坂道発進を行なうためのセンサ出力を得ることができる。これにつき説明する。坂道でブレーキをＯＮとした状態で停車している車両において、車両側から駆動トルクを入力すると、ブレーキディスクを介して荷重が車輪用軸受に印加され、車輪用軸受のｘ方向作用力Ｆxbに変化が生じる。このとき、前記荷重演算処理手段の軸受作用力演算モードで演算された車輪用軸受での荷重値Ｆxbが、駆動トルク印加前に路面作用力演算モードで演算された路面作用力Ｗxgと等しくなるように、駆動トルクを入力すると、ブレーキパッドからブレーキディスクに印加されているトルクがゼロの状態になる。すなわち、ブレーキを解除しても車両が動き出さない状態となる。この場合に、前記荷重演算処理手段は、路面作用力演算モードでブレーキＯＮの状態での路面反力Ｗxgと車輪用軸受の荷重Ｆxbを演算出力できる。

　そこで、例えば、車両の統括制御を行なう上位ＥＣＵにおいて、ブレーキをＯＮにした状態のまま、先ず前記荷重演算処理手段からその演算結果である路面作用力Ｗxgを取得し、その後、前記荷重演算処理手段からその演算結果である車輪用軸受での荷重値Ｆxbをモニタしながら駆動トルクを印加して行き、軸受荷重値Ｆxbが路面作用力Ｗxgと等しくなったところでブレーキを解除して走行を開始するという発進操作の制御を行なうことができる。このような操作手順は、例えば特許文献１１に提示されているように、運転者がブレーキからアクセルに踏み替える操作時に、実際にブレーキを解除するまでの時間に実施することができる。

　なお、上記したような上位ＥＣＵによる自動制御により坂道発進時のブレーキ解除を行なう場合に限らず、運転者自らが、前記荷重演算処理手段の演算結果である路面作用力Ｗxgと車輪用軸受での荷重値Ｆxbとを用いて同様のブレーキ解除を手動で行なうことも可能である。

　このように、この構成によると、荷重演算処理手段が、路面に作用する荷重を演算して出力する路面作用力演算モードと、前記車輪用軸受に作用する荷重を演算して出力する軸受作用力演算モードとを有するので、ずり落ちなく安定した車両の坂道発進を行なうためのセンサ出力を得ることができる。そして、このセンサ出力を用いることによって、運転者の手動により、あるいは車両制御装置による自動制御で、ずり落ちなく安定した車両の坂道発進を行なうことができる。

　この発明において、前記荷重演算処理手段が、前記路面作用力演算モードおよび前記軸受作用力演算モードの両方の演算結果を出力するものとしても良い。また、前記荷重演算処理手段に対して、前記路面作用力演算モードおよび前記軸受作用力演算モードの演算結果のうち、いずれの演算結果を出力するかを選択させる機能を有する演算結果選択指令手段を設けても良い。

　また、前記荷重演算処理手段に対して、前記路面作用力演算モードおよび前記軸受作用力演算モードの演算結果のうち、いずれの演算結果を出力するかを選択させる機能を、センサ付車輪用軸受装置の外部である車両側の上位ＥＣＵに持たせても良い。

　この発明において、前記路面作用力演算モードでの演算は、前記軸受作用力演算モードの演算結果のブレーキ力の影響による変化分を補正する処理に基づいて行なわれるものとしても良い。

　この場合に、前記補正する処理に用いられる補正された荷重変換係数が、ブレーキＯＦＦ状態について演算された荷重変換係数から、既に保存されているタイヤ半径／ブレーキキャリパ取付位置の半径比（α）と、ブレーキキャリパｘ軸からのブレーキキャリパ取付位置の角度（θ）を用いて演算したものであっても良い。

　この発明の車両制御装置は、この発明の上記したいずれかの構成のセンサ付車輪用軸受装置からのセンサ出力を用いて車両制御を行なう車両制御装置であって、車両がブレーキＯＮ状態で停止しているときに、駆動力を印加しない状態においてセンサ付車輪用軸受装置の前記荷重演算処理手段が前記路面作用力演算モードで演算出力する路面荷重Ｗgxを取得し、その後、ブレーキＯＮ状態において前記荷重演算処理手段が前記軸受作用力演算モードで演算出力する軸受荷重Ｆxbをモニタしながら駆動力を制御して、適切な条件でブレーキを解除するブレーキ解除制御手段を備える。

　この構成によると、車両制御装置がセンサ付車輪用軸受装置のセンサ出力を用いることによって、車両の坂道発進を自動制御で安定して行なわせることができる。

　この場合に、前記ブレーキ解除制御手段は、ブレーキＯＮ状態のまま車両が静止している状態において、前記センサ付車輪用軸受装置から取得した路面荷重Ｗgx と前記軸受荷重Ｆxbの値を評価し、両荷重の差が予め設定されたしきい値を超えている場合に、車輪が斜面に静止している状態にあると判断する機能を有するものとしても良い。

　また、前記ブレーキ解除制御手段は、ブレーキＯＮ状態のまま車両が静止している状態において、前記センサ付車輪用軸受装置から取得した前記軸受荷重Ｆxbの値が、駆動力を印加しない状態においてセンサ付車輪用軸受装置から取得した路面荷重Ｗgxと概ね等しくなったときを、前記ブレーキを解除する適切な条件と判断するものとして良い。

　この発明において、前記ブレーキ解除制御手段は、その制御を、運転者がブレーキを解除して走行状態に移ろうとしたときときから、実際にブレーキを解除するまでの時間に実行するものとしても良い。

　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の第１実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置の軸受の縦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縦断面図である。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。検出荷重へのブレーキ力の影響を説明する模式図である。荷重演算処理ユニットの他の構成例を示すブロック図である。荷重演算処理ユニットのさらに他の構成例を示すブロック図である。荷重演算処理ユニットのさらに他の構成例を示すブロック図である。荷重演算処理ユニットのさらに他の構成例を示すブロック図である。（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振幅と軸方向荷重との関係を示すグラフである。この発明の第２実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置の軸受の縦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。前記検出系を含む車両制御系の概念構成のブロック図である。同センサ付車輪用軸受装置におけるセンサユニットの拡大平面図である。この発明の第３実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置の軸受の縦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。前記検出系を含む車両制御系の概念構成のブロック図である。車両の車輪の坂道における路面作用力の説明図である。車両の各車輪の路面荷重が異なった状態を示す説明図である。

　この発明の第１実施形態を図１ないし図１２（Ａ），（Ｂ）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に縦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線断面図を示す。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（２２Ａ，２２Ｂ）は、図１の荷重演算処理ユニット３０に接続される。荷重演算処理ユニット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、必ずしも荷重演算処理ユニット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を備えた荷重演算処理ユニット３０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。

　荷重演算処理手段３２は、荷重の演算結果に影響する車両の所定状況の有無を判別して、その有無に対応した２種類の演算処理を行う機能を有する。ここでは、荷重演算処理手段３２は、荷重の演算結果に影響する車両の所定状況の有無として、ブレーキのＯＮ・ＯＦＦを判定して、ブレーキＯＮ・ＯＦＦに対応した２種類の演算処理を行う。図１の例では、ブレーキＯＮ・ＯＦＦの情報は、外部である車両からの情報として、例えばＥＣＵ（電気制御ユニット）やブレーキからの直接の情報として、荷重演算処理手段３２に入力される。なお、荷重演算処理手段３２がＥＣＵの一部として設けられる場合は、上記のＥＣＵからの情報は、ＥＣＵにおける荷重演算処理手段３２に対する上位の制御を行う部分から荷重演算処理手段３２に入力されることになる。

　特許文献４などにも示されているように、機械的なブレーキを備えた車輪において、軸受にセンサを設けて路面からの入力荷重（路面反力）を検出する場合、ブレーキ操作時にブレーキロータを通じたブレーキ力が入力荷重に重畳する状態となるため、ブレーキＯＮの状態では路面反力だけを検出することができない。少なくとも、検出する荷重成分が、前後方向に作用する荷重成分Ｆx や垂直方向に作用する荷重成分Ｆz に関しては、ブレーキ力の影響が発生してしまう。

　この原理を、図７を参照して以下に説明する。ブレーキディスク等のブレーキロータにおける、ブレーキパッドの位置を進行方向から角度θ上方、半径ＲB の位置とし、ブレーキロータにブレーキ力ＦB が作用している状態とする。また、車輪半径をＲW とし、駆動力からは入力トルクＴdrive が作用している状態とする。このとき、路面から受けている路面反力の荷重成分をＦx ，Ｆz とすると、軸受の検出する荷重Ｆxb，Ｆzbは次式（１－１），（１－２）のように表現される。
　　Ｆxb＝Ｆx －ＦB ・sin θ　　　……（１－１）
　　Ｆzb＝Ｆz ＋ＦB ・cos θ　　　……（１－２）
　ただし、
　Ｆx ，Ｆz ：路面反力（路面からタイヤに作用する荷重）
　Ｆxb，Ｆzb：軸受作用力（軸受回転輪に作用する荷重でブレーキの干渉分を含む）
　ここで、駆動軸から入力される駆動トルクをＴdrive 、ブレーキ動作によるブレーキトルクをＦB ・ＲB とすると、車輪に作用するトルク関係式は次式（２）のように表現される。
　　Ｆx ・Ｒw ＝Ｔdrive －ＦB ・ＲB 　　……（２）
　この関係式から、ブレーキ力ＦB は、次式（３）のように表現される。
　　ＦB ＝（Ｔdrive －Ｆx ・Ｒw ）／ＲB 　　……（３）

　すなわち、軸受にセンサを設けて路面からの入力荷重（路面反力）を検出する場合、式（１－１），（１－２）のように、ブレーキ力ＦB に比例する荷重成分が、求めたい路面荷重に加算されて検出されることになる。したがって、路面に作用する荷重成分Ｆx ，Ｆz を正しく求めるには、ブレーキ力を求めて補正する必要があり、前述した特許文献に示されるような構成が提案されている。

　しかし、ブレーキ力を検出するセンサを別に設ける場合、配線や処理回路が増加するだけでなく、検出部位を設けるための構造を追加するための重量増加など、足回り部品にとって好ましくない状態となる。

　以下に説明するこの発明の各実施形態では、できる限り簡単な構成でブレーキの影響を最小限にして、ブレーキ動作中であっても路面荷重を正確に検出することが可能になる。

　この実施形態では、車輪に各方向の荷重を検出するセンサとして、図２～図６に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、３つの接触固定部２１ａ（図５）で外方部材１に固定された歪み発生部材２１（図５）と、この歪み発生部材２１に取付けられたこの歪み発生部材２１の歪みを検出する２つの歪検出素子２２（２２Ａ，２２Ｂ）とでなる。図１の信号処理手段３１は、これら２つの歪検出素子２２の信号の加算値、振幅値等を用いて、入力荷重の推定演算処理を行う。

　荷重検出用のセンサは、上記図２～図６の実施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よい。また、変位を直接測定するセンサでなくてもよく、前述した特許文献２に提示されているような間接的な変位測定方式であってもよい。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を備えた荷重検出手段が必要となる。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センサ信号ベクトルＳ（＝｛S0, S1, …, Sn｝）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, …｝ )を求める荷重演算処理ユニット３０を備えた構成の荷重検出手段が必要となる。

　このような構成の荷重検出手段においては、線形近似が成立する範囲において、Ｆ＝Ｍ・Ｓ＋Ｍｏの関係式を満たすように、数値解析や実験によって係数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。

　ここで、前記のように車輪に設けられたブレーキが動作している場合には、軸受で検出したセンサ信号にはブレーキの影響が重畳し、前述したように、本来検出したい路面荷重とは異なる値が演算結果として出力されてしまうという問題が発生する。そのため、上記のように求めた荷重演算式では、ブレーキが動作している場合には正確な推定荷重を算出できない。

　そこで、この実施形態では、ブレーキＯＦＦ状態で決定した通常の演算処理方法に加えて、ブレーキＯＮ状態用の荷重演算処理機能を搭載し、ブレーキの状態によって通常の荷重演算処理方法から切り替える構成を採用している。

　図１に示す第１実施形態では、荷重演算処理ユニット３０において、ブレーキ状態は、前述のように車両からブレーキＯＮ／ＯＦＦの信号として荷重演算処理手段３２に入力され、それによって荷重演算処理が切り替えられる。すなわち、ブレーキＯＮ状態においても、センサ信号に重畳するブレーキの影響分を考慮した演算処理方法が適用されるため、所望の路面荷重値が正確に算出されるようになる。

　荷重演算処理手段３２は、車輪用軸受の前後方向の荷重Ｆx 、軸方向の荷重Ｆy 、および垂直方向の荷重Ｆz 、あるいはそれぞれの方向のモーメント荷重を演算するが、これらの演算のためには、少なくとも３つ以上のセンサ情報を用いた演算処理が必要になる。すなわち、前記信号処理手段３１において、入力されるセンサ出力信号を必要に応じて加工・信号処理して抽出したセンサ信号ベクトルＳ（＝｛Ｓ0 ，Ｓ1 ，…，Ｓn ｝）を生成する。これを用いて、荷重演算処理手段３２では荷重演算処理を実行して作用荷重Ｆ（＝｛Ｆx ，Ｆy ，Ｆz ，…｝）を求める。ここで言うセンサ信号ベクトルＳは、前記した各センサユニット２０に対応して信号処理手段３１で生成される平均値や振幅値などである。

　このような演算構成において、荷重演算処理手段３２での演算処理を可能にするために、荷重演算処理手段３２では演算式としてＦ＝Ｍ・Ｓ＋Ｍo の関係式が用いられ、線形近似が成立する範囲において、この関係式を満たすように数値解析や実験によって係数ＭとオフセットＭo が決定される。

　先述したように、車輪に設けられたブレーキが動作している場合には、軸受で検出したセンサ信号にはブレーキの影響が重畳し、本来検出したい路面荷重とは異なる値が荷重演算処理手段３２から出力されてしまう。そのため、上記した演算式をそのまま採用すると、ブレーキが動作しているとき正確な推定荷重を算出できない。

　そこで、この実施形態では、上記荷重演算処理手段３２において、ブレーキＯＦＦ状態で決定した通常の演算式に加えて、ブレーキＯＮ状態用の演算式を用意し、これら２種類の演算式をブレーキＯＮ・ＯＦＦに応じて切り替え使用する。上記したように、ブレーキ状態の情報は外部である車両側からブレーキＯＮ・ＯＦＦ信号として入力され、それによって演算処理する演算式が切り替えられる。すなわち、ブレーキＯＮ状態においても、センサ出力信号に重畳するブレーキの影響分を考慮した演算処理が適用されるため、所望の路面荷重値が正確に算出されるようになる。なお、荷重演算処理手段３２において、ブレーキＯＮ・ＯＦＦの両方の場合について演算処理を同時に行っておき、どちらの演算結果を出力するか、入力されるブレーキ状態信号に応じて選択するようにしても良い。

　図８は、前記荷重演算処理ユニット３０の他の構成例を示す。この構成例では、ブレーキ情報を車両側から入力しない。この場合、荷重演算処理手段３２での演算結果である車輪用軸受の前後方向の荷重Ｆx を、予め設定しておいたしきい値とコンパレータ３３を用いて比較し、その比較結果からブレーキ状態を判別するようにしている。この場合、荷重演算処理手段３２では、ブレーキＯＮ・ＯＦＦの両方の場合についての荷重演算処理を同時に行っておき、得られた車輪用軸受の前後方向の荷重Ｆx の値（ブレーキＯＮまたはブレーキＯＦＦのどちらか、あるいは両方の値）を用いてブレーキ状態にあるかどうかを判断し、適切な演算結果を選択して出力すれば良い。なお、両方の値を用いて判断する場合には、両方の値の組合せとなるため、判断の精度が向上するという効果が得られる。このような構成により、車両側からブレーキ情報が提供されない状況においても、ブレーキ状態を判別して正確な荷重推定値を算出することができる。

　図９は、前記荷重演算処理ユニット３０のさらに他の構成例を示す。この構成例では、荷重演算処理手段３２において、ブレーキＯＮとブレーキＯＦＦの２種類の荷重演算を行っておき、信号を利用する車両側（例えばＥＣＵ）で、どちらの演算結果を使用するかを判断するようにしている。

　ブレーキＯＮ状態での演算式は、ブレーキＯＦＦの状態で求めた演算式を基にして用意することができる。その演算式の導出方法を、図７を参照して以下に説明する。
　前述の式（３）と式（１－１），（１－２）から、検出したい路面荷重は次のようになる。
　　Ｆx ＝Ｆxb／（１＋α・sin θ）＋（Ｔdrive ／ＲB ）・sin θ／（１＋α・sin θ）　　……（４－１）
　　Ｆz ＝Ｆzb＋Ｆxb・α・cos θ／（１＋α・sin θ）－（Ｔdrive ／ＲB ）・α・cos θ／（１＋α・sin θ）　　……（４－２）
　ただし、α＝Ｒw ／ＲB ：半径比
　ここで、Ｆdrive ＝Ｔdrive ／ＲB　　……（４－３）
　　　　　Ａ＝１／（１＋α・sin θ）　　……（４－４）
　　　　　Ｂ＝Ａ・sin θ　　……（４－５）
　　　　　Ｃ＝Ａ・α・cos θ　　……（４－６）
と置くと、式（４－１），（４－２）は次のようになる。
　　Ｆx ＝Ａ・Ｆxb＋Ｂ・Ｆdrive 　　……（５－１）
　　Ｆz ＝Ｆzb＋Ｃ・Ｆxb－Ｃ・Ｆdrive 　　……（５－２）
　ブレーキＯＦＦの状態で、センサ信号ベクトルＳを入力とし、演算係数行列ＭとオフセットＭo を用いて、軸受荷重Ｆxb，Ｆzbが次のように算出できるとする。
　　Ｆxb＝Ｍx ・Ｓ＋Ｍox　　……（６－１）
　　Ｆzb＝Ｍz ・Ｓ＋Ｍoz　　……（６－２）
　すると、ブレーキＯＮの演算式（５－１），（５－２）は、
　　Ｆx ＝Ａ・Ｍx ・Ｓ＋Ａ・Ｍox＋Ｂ・Ｆdrive ＝Ｍx ’・Ｓ＋Ｍox’＋Ｂ・Ｆdrive　　……（７－１）
　　Ｆz ＝（Ｍz ＋Ｃ・Ｍx ）・Ｓ＋（Ｍoz＋Ｃ・Ｍox）－Ｃ・Ｆdrive
　　　　＝Ｍz ’・Ｓ＋Ｍoz’－Ｃ・Ｆdrive 　　……（７－２）
となる。

　Ｆdrive ＝０と近似できる場合、式（７－１），（７－２）は、
　　Ｆx ＝Ａ・Ｍx ・Ｓ＋Ａ・Ｍox＝Ｍx ’・Ｓ＋Ｍox’　……（８－１）
　　Ｆz ＝（Ｍz ＋Ｃ・Ｍx ）・Ｓ＋（Ｍoz＋Ｃ・Ｍox）＝Ｍz ’・Ｓ＋Ｍoz’　　……（８－２）
となり、式（６－１），（６－２）の演算係数行列ＭをＭ’で置き換えた形で表現される。
　ブレーキＯＮ状態の演算係数行列Ｍ’は、ブレーキＯＦＦ状態での演算係数行列Ｍを用いて下記の変換式で算出できる。
　　Ｍx ’＝Ａ・Ｍx 　　……（９－１）
　　Ｍox’＝Ａ・Ｍox　　……（９－２）
　　Ｍz ’＝Ｍz ＋Ｃ・Ｍx 　　……（９－３）
　　Ｍoz’＝Ｍoz＋Ｃ・Ｍox　　……（９－４）

　ここでは、ブレーキＯＦＦ状態での荷重演算処理が式（６－１），（６－２）で実施できるように、演算係数行列Ｍが決定されている。すなわち、予め数値解析や測定によってセンサ信号と検出荷重との関係が求められており、少なくとも線形関係の成立する範囲においては、式（６－１），（６－２）を用いて推定荷重を算出できる状態になっている。なお、非線形な特性については、計算領域をいくつかの線形範囲に分割して近似する方法を採用すれば良い。

　荷重を測定する対象輪が従動輪の場合には、駆動軸が無いため駆動トルクによる駆動力Ｆdrive は無い（Ｆdrive ＝０）。よって、式（９－１）～（９－４）のように演算係数行列を変換し、それを用いた演算式（８－１），（８－２）によってブレーキ状態の荷重演算処理を実行すれば良い。

　一方、対象輪が駆動輪の場合には、ブレーキ動作中にも駆動軸からの入力トルクＴdrive が存在する場合があり、このときには式（７－１），（７－２）のＢ・Ｆdrive および－Ｃ・Ｆdrive の項に相当する誤差が発生してしまう。このような条件は、駆動源から駆動トルクを入力している状態でブレーキを動作させた場合や、強力なエンジンブレーキ、電気自動車などにおける回生ブレーキが動作している場合に相当する。この場合、車両のＥＣＵ側で、エンジンブレーキトルクや回生トルクの状態からＦdrive ＝Ｔdrive ／ＲB の値を算出し、この値を用いて荷重センサの出力値を補正すれば良い。図１０は、このような場合に対応できる荷重演算処理ユニット３０の他の構成例を示す。すなわち、この荷重演算処理ユニット３０では、車両側で算出したＦdrive の値を荷重演算処理手段３２に入力し、補正計算を荷重演算処理手段３２で行う構成としている。

　図１１は、荷重演算処理ユニット３０のさらに他の構成例を示す。この構成例では、図１０の場合に荷重演算処理手段３２で行った補正計算を車両のＥＣＵ３４側の荷重値補正手段３５で行うようにしている。ここでは、補正計算に必要な上記したＢ，Ｃというパラメータを荷重演算処理手段３２から取得して、車両のＥＣＵ３４側に記憶しておき、ブレーキＯＮ状態の荷重データに対する荷重値補正を荷重値補正手段３５で行う。

　なお、図７を参照して行った計算式におけるパラメータα，θについては、ブレーキキャリパの位置から概略の値を求めることができるが、実際には誤差が生じるため、ブレーキＯＮ状態とＯＦＦ状態での演算出力を実験によって検証して、誤差が小さくなるように調整するのが望ましい。

　以上説明したこの発明の第１実施形態により得られる効果を整理して次に示す。
・　ブレーキＯＮ状態の荷重が正確に検出できるため、検出した荷重を用いてブレーキ制御・車両の姿勢制御が可能となり、より安全性、快適性を向上させることができる。
・　センサを別に設けることなく制動中の荷重状態を検出することができるため、重量・コスト・配線数が増加することなく、限られた足回りのスペースに荷重センシング機能を搭載できる。
・　キャリパを取付けるための構造変更を必要としないため、車両の左右など取付け位置に応じて特殊な形状の軸受を別々に製造する必要がない。
・　追加のセンサや構造変更を必要としないため、キャリパの取付け位置や構造が異なる場合に対しても、荷重演算係数の変更だけで対応することができる。また、部品を共通化・単純化できるため、製造コストの低減、メンテナンスの容易化を実現できる。

　次に、図１のセンサユニット２０および信号処理手段３１の具体例を説明する。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（２２Ａ，２２Ｂ）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の外径面にセンサユニット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に縦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。

　歪検出素子２２（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。

　このセンサ付車輪用軸受装置では、荷重演算処理ユニット３０の信号処理手段３１において、各センサユニット２０の出力信号として、これらセンサユニット２０における２つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの信号の平均値や振幅値等を抽出する。この場合の平均値とは、２つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの信号を加算したものである。また、この場合の振幅値とは、２つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの信号の差分値を用いて算出した振幅値である。

　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、歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの信号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、歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの信号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の信号ａ，ｂは最大値となり、同図の上段部分、中段部分に示すように転動体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の信号ａ，ｂは、転送体５の配列ピッチＰを周期として同図の下段部分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、歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの信号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。

　ここでは、信号処理手段３１（図１）において、上記したように２つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの信号ａ，ｂを加算したものを平均値とし、２つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの信号ａ，ｂの差分を用いて振幅値を抽出し、これをセンサユニット２０の出力信号とする。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つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの各信号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、この平均値や振幅値をセンサユニット２０の出力信号とし、これを前記信号処理手段３１に続く荷重演算処理手段３２（図１）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。

　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の信号ａ，ｂは略１８０度の位相差を有することになり、その加算値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、その差分値を用い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、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。この場合にも、両歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの信号ａ，ｂの加算値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、差分値を用い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。

　軸方向荷重Ｆy の演算においては、前記複数のセンサユニット２０のうち、外方部材１の円周方向における１８０度の位相差をなして対向配置された２つのセンサユニット２０の出力信号の振幅値の差分値を演算することにより、この差分値から軸方向荷重Ｆy の方向を判別することができる。例えば、その２つのセンサユニット２０として、図２に示す上下に対向配置されたセンサユニット２０を選ぶことができる。図１２（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（図２）の出力信号を示し、図１２（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（図２）の出力信号を示している。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ユニット２０（図２）の出力信号を表し、最大値および最小値は前記出力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、前記差分値は、軸方向荷重Ｆy の方向を示していることになる。

　このように、このセンサ付車輪用軸受によると、車輪用軸受１００に加わる荷重を検出するセンサとして１つ以上（ここでは４つ）のセンサユニット２０を設け、各センサユニット２０の出力信号を信号処理手段３１で処理して信号ベクトルＳを生成し、その信号ベクトルＳを用いて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が、荷重の演算結果に影響する車両の所定状況の有無（ここではブレーキのＯＮ・ＯＦＦ）を判別して、その有無に対応した２種類の演算処理を行う機能を有するものとしているので、軸受部での検出荷重がブレーキ動作時のような車両の所定状況に影響を受けるのを補正して、車両の状況がブレーキ中など所定の状況にあっても正確な荷重を検出できる。

　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。この実施形態では、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。

　また、図２に示すように、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４つ等配しているので、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。

　また、この実施形態で用いたセンサユニット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２１と、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つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂとで構成されたが、歪み発生部材２１に１つの歪検出素子を設けた構成であっても良く、この場合には、その１つの歪検出素子の信号の平均値や振幅値を変数として荷重演算に用いるようにしても良い。

　他の実施形態について説明する。以下の説明においては、各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している実施形態と同様とする。

　この発明の第２実施形態を図１３ないし図１５と共に説明する。この第２実施形態では、図１に示す第１実施形態における荷重演算処理ユニット３０に代えて、図１３に示すように、校正モード実行手段３６を有するセンサＥＣＵ３０Ａ（電気制御ユニット）を用いている点で第１実施形態と異なる。なお、第１実施形態の説明において用いた図２、図４～図７、および図１２（Ａ），（Ｂ）はこの実施形態においてもそのまま援用できるものであり、これらの説明については省略する。

　図１３に示すように、各センサユニット２０は、センサＥＣＵ３０Ａに接続される。センサＥＣＵ３０Ａ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、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、この荷重演算処理手段３２による演算結果をチェックする校正モード実行手段３６などで構成されている。信号処理手段３１、荷重演算処理手段３２および校正モード実行手段３６は、必ずしもセンサＥＣＵ３０Ａ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、荷重演算処理手段３２、校正モード実行手段３６、およびセンサＥＣＵ３０Ａ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、車両の統括制御を行う上位ＥＣＵ９８（図１４）の近傍等に位置して、あるいは上位ＥＣＵ９８の一部とし、上位ＥＣＵ９８の統括制御部の下位制御部等として設置しても良い。

　図１３の例では、ブレーキＯＮ・ＯＦＦの情報は、外部である車両からの情報として、例えば上位ＥＣＵ９８（図１４）やブレーキからの直接の情報として、荷重演算処理手段３２に入力される。なお、荷重演算処理手段３２が上位ＥＣＵ９８（図１４）の一部として設けられる場合は、上位ＥＣＵ９８からの情報は、上位ＥＣＵ９８における荷重演算処理手段３２に対する上位の制御を行う部分から荷重演算処理手段３２に入力されることになる。

　前記第１実施形態で説明したブレーキＯＮ状態での演算式、ブレーキＯＦＦ状態での演算式はこの第２実施形態においてもそのまま適用でき、これらの演算式を用いた演算により、ブレーキＯＮ状態では、ブレーキ力ＦB に比例する荷重成分が求めたい路面荷重に加算されて荷重演算処理手段３２から出力されることになる。したがって、ブレーキ時の荷重成分Ｆx ，Ｆy ，Ｆzを正確に検出するためには、駆動軸から見たブレーキパッド位置（半径ＲB およびｘ軸からの角度θ）を知る必要がある。

　図１３は、前記センサＥＣＵ３０Ａを含む車両制御系の概念構成をブロック図で示している。センサＥＣＵ３０Ａには、上記した前記信号処理手段３１、荷重演算処理手段３２、および校正モード実行手段３６のほか、ブレーキのＯＮ／ＯＦＦ情報を入力するＯＮ／ＯＦＦ情報入力手段３７、および既知の駆動トルク情報を入力する駆動トルク情報入力手段３８が設けられる。校正モード実行手段３６は、ＯＮ／ＯＦＦ情報入力手段３７と駆動トルク情報入力手段３８を経て入力された情報から、荷重演算処理手段３２による演算結果をチェックする手段であり、具体的にはブレーキの状態をチェックする。この校正モード実行手段３６では、ブレーキが軸受に与える影響を表すブレーキ変換係数を演算する動作を行う。より具体的には、ブレーキがＯＮの状態で各車輪に対して既知である駆動トルクＴdrive を入力して、そのとき検出された軸受荷重ＦB から、前記ブレーキ変換係数を算出する。

　校正モード実行手段３６の動作は、荷重演算処理手段３２の動作から切り替えて行われる。校正モード実行手段３６への動作の切替えは、車両静止状態において、車両側の上位ＥＣＵ９８から直接センサＥＣＵ３０Ａへ指令を出して行っても良いし、ブレーキＯＮ状態で駆動トルクを印加した場合に自動的に切り替えるようにしても良い。また、校正モード実行手段３６は、センサＥＣＵ３０Ａに接続されている上位ＥＣＵ９８などの機器に対して、校正モードの検出結果を提示し、センサ動作・出力トルクに異常が見られる場合に検出した異常を知らせる異常報知部３６ａを有する。さらに、校正モード実行手段３６は、校正モードの検出結果によって、必要があればセンサＥＣＵ３０Ａに保存されているブレーキ変換係数のパラメータを更新する機能も有する。

　以下に、検出モードでの動作の詳細を説明する。上記したように、センサＥＣＵ３０Ａには、ＯＮ／ＯＦＦ情報入力手段３７および駆動トルク情報入力手段３８を経て上位ＥＣＵ９８からのブレーキＯＮ／ＯＦＦ情報、および車軸に印加される駆動トルク情報Ｔdrive が入力され、また軸受に設けられたセンサユニット２０からのセンサ情報も入力される。駆動トルクＴdrive は、前述の図７に示す駆動軸から入力される駆動トルクであるが、これは駆動軸より図１４に示すトルクセンサ９６で検出されたトルク値であっても良いし、駆動エンジン９９が電動機の場合は、その電動機の駆動回路に出力する指令値から推定されるものや、前記電動機の入力電流値から推定されるものでも良い。

　校正モード実行手段３６では、荷重演算処理手段３２における上記した演算によって算出される荷重Ｆxb，Ｆzbと既知の駆動トルクＴdrive とにより、ブレーキキャリパ９７（図１４）からの入力荷重が軸受荷重に与える影響を検出する。すなわち、先に述べた式（８－１）～（８－４）に示す演算係数行列ＭからＭ’へのブレーキ変換係数を算出する。このブレーキ変換係数を構成するパラメータは、ブレーキキャリパ位置を表す半径ＲB および角度θであり、以下の演算で求めることができる。

　先に述べた式（４－３）～（４－６）より、車両が停止しているときの軸受荷重Ｆxb，Ｆzbは以下の式で表せる。
　Ｆxb＝－Ｆdrive ・sin θ　　……（１０－１）
　Ｆzb＝Ｆdrive ・cos θ　　……（１０－２）
　ここで、先に述べたように、Ｆdrive ＝Ｔdrive ／ＲB 　……（４－３）
であるから、駆動トルクを負荷したときの軸受荷重の変位量をΔＦxb，ΔＦzbとすると、これらの値は下式で表すことができる。
　ΔＦxb＝－Ｆdrive ・sin θ　　……（１１－１）
　ΔＦzb＝Ｆdrive ・cos θ　　……（１１－２）
　よって、ブレーキ変換係数を構成するパラメータθ，αは下式を用いて求めることができる。
　tan θ＝－ΔＦxb／ΔＦzb　　……（１２－１）
　ＲB ＝Ｔdrive ／Ｆdrive 　　……（１２－２）

　荷重を測定する対象輪が従動輪の場合、駆動軸がないため、駆動トルクによる駆動力Ｆdrive ＝０である。よって、従動輪の片側または両側のみブレーキ状態として駆動輪側から駆動トルクを印加して、入力された前後方向荷重Ｆx に基づいて同様の処理を行えば良い。

　校正モード実行手段３６では、以下の動作も行う。
　（１）　センサ動作の異常をチェックする。
　駆動トルクＴdrive を印加したときの荷重センサの出力値が、印加トルクに見合った値となっているかチェックして、センサの異常の有無を判断する。この場合のチェック手段は、センサ出力の値を予め設定されている基準値と比較するものでも良いし、センサＥＣＵ３０Ａの荷重演算手段３２で算出した軸受荷重ＦB と予め設定されている基準値とを比較するものでも良い。

　（２）　駆動トルクを検出するトルクセンサ９６（図１４）がない構成の場合、期待される出力トルクに対して、検出された荷重値が低すぎると、出力トルク異常と判断する。校正モード実行手段３６の異常報知部３６ａでは、トルクセンサ９６がない場合、上位ＥＣＵ９８からの駆動トルク期待値と、検出された軸受荷重を比較することにより、正常なトルクが出力されているかチェックを行い、必要があれば結果を提示する。上位ＥＣＵ９８からの出力トルク期待値としては、駆動エンジン９９に電動機を用いている場合には、駆動トルク指令値、もしくは駆動電流の値から推定した値を用いることができる。駆動エンジン９９が内燃機関の場合には、アクセル開度と回転数から推定された値を用いることができる。この期待値の信頼度によって、以降のチェックにおける許容範囲を適切に設定すれば良い。この場合のチェック手段は、ブレーキ変換係数と、そのとき算出した軸受荷重変位量ΔＦb を利用して駆動トルクＴdrive を推定し、上位ＥＣＵ９８から入力された駆動トルク情報Ｔdrive と比較するものであれば良い。チェックの結果、想定される軸受荷重として設定された範囲の荷重が検出されない場合、異常報知部３６ａは、何らかの異常があるものと判断して警告情報を出力する。

　（３）　ブレーキ変換係数ＲB ，θを更新して校正する。
　ブレーキの磨耗や経年劣化等の状態によって、ブレーキ変換係数ＲB ，θが変化していないかチェックを行い、必要があれば係数を更新する。ブレーキ変換係数の更新では、校正モード実施時に算出した係数ＲB ，θと、既にセンサＥＣＵ３０Ａに保存されている既知の係数値とを比較し、変化が基準範囲を超えたときに、算出結果を提示した上でブレーキ変換係数の更新を選択できるようにすると、校正の信頼性が向上する。

　この発明の第２実施形態により得られる効果を整理して次に示す。
・　校正モード実行手段３６により、ブレーキＯＮ時の荷重算出パラメータの値を、簡単な操作で検出できる。
・　従来は測定装置がないと難しかった荷重センサの動作・出力トルクのチェックを、車両を移動させずに簡単な方法で実施できる。
・　校正モード実行手段３６で検出した結果を荷重演算処理手段３２へフィードバックして、現在のブレーキの状態に合わせた荷重推定を行うことができ、荷重推定精度を向上させることができる。
・　従動輪についても、従動輪にブレーキをかけた状態で駆動輪から前後方向荷重Ｆx を加えることで、ブレーキによる影響を検出できる。

　この第２実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置では、センサＥＣＵ３０Ａの信号処理手段３１において、各センサユニット２０の出力信号として、これらセンサユニット２０における２つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂの信号の平均値や振幅値等を抽出する。この場合の平均値とは、２つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂ（図２）の信号を加算したものである。また、この場合の振幅値とは、２つの歪検出素子２２Ａ，２２Ｂ（図２）の信号の差分値を用いて算出した振幅値である。この場合、信号処理手段３１は、各センサユニット２０の出力信号として、一定時間内の出力信号を用いてそれらの平均値と振幅値を算出しても良いし、平均値のみを算出しても良い。

　センサユニット２０の歪み発生部材２１には、例えば図１５に仮想線で示すように温度センサ４０を設け、信号処理手段３１は、温度センサ４０の検出した温度に応じて各センサユニット２０の出力信号を補正するようにしても良い。このように構成した場合、センサユニット２０の出力信号の温度ドリフトを補正することができる。

　このように、この第２実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受によると、車輪用軸受１００に加わる荷重を検出するセンサとして１つ以上（ここでは４つ）のセンサユニット２０を設け、各センサユニット２０の出力信号を信号処理手段３１で処理して信号ベクトルＳを生成し、その信号ベクトルＳを用いて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による演算結果を校正モード実行手段３６でチェックするようにしているので、車両の点検時などに簡易に荷重センサの出力校正を行うことができる。

　この発明の第３実施形態を図１６ないし図１９と共に説明する。この第２実施形態は、図１に示す第１実施形態における荷重演算処理ユニット３０に代えて、図１６に示すように、路面作用力演算モードと軸受作用力演算モードとを有する荷重演算処理手段３２Ａを含むセンサＥＣＵ３０Ｂを用いている点で第１実施形態と異なる。なお、第１実施形態および第２実施形態の説明において用いた図２、図４～図７はこの実施形態においてもそのまま援用できるものであり、これらの説明については省略する。

　各センサユニット２０の歪検出素子２２は、図１６のセンサＥＣＵ（電気制御ユニット）３０Ｂに接続される。センサＥＣＵ３０Ｂ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、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３２Ａ、および演算結果選択指令手段３９で構成されている。前記第１実施形態で説明したブレーキＯＮ状態での演算式、ブレーキＯＦＦ状態での演算式はこの第３実施形態においてもそのまま適用される。

　荷重演算処理手段３２Ａは、ブレーキＯＮの時にブレーキディスクからの作用力の影響を補正して路面に作用する荷重Ｗgxを演算して出力する路面作用力演算モードと、補正を適用しないで車輪用軸受１００に作用する荷重Ｆxbをそのまま演算して出力する軸受作用力演算モードとを有する。上位ＥＣＵ９８は、車両の統括制御を行う車両制御装置であって、その制御の一部として、車両の坂道発進でのブレーキ解除制御を行なうブレーキ解除制御手段９５を有する。すなわち、ブレーキ解除制御手段９５は、車両がブレーキＯＮ状態で停止しているときに、駆動力を印加しない状態において前記荷重演算処理手段３２Ａが前記路面作用力演算モードで演算出力する路面荷重Ｗgxを取得し、その後、ブレーキＯＮ状態において前記荷重演算処理手段３２Ａが前記軸受作用力演算モードで演算出力する軸受荷重Ｆxbをモニタしながら駆動力を制御して、定められた適切な条件でブレーキを解除する機能を備える。このブレーキ解除制御は、運転者がブレーキからアクセルに踏み替え発進しようとしたときに行なわれる。

　車両が坂道で停車したとき、前記センサＥＣＵ３０Ｂの荷重演算処理手段３２Ａは、上位ＥＣＵ９８に対して、上記２つのモードの少なくとも一方の荷重情報を出力する。モードの切り替えは、センサＥＣＵ３０Ｂに設けた演算結果選択指令手段３９でいずれのモードの演算結果を出力するかを選択させても良いし、上位ＥＣＵ９８から荷重演算処理手段３２Ａへ選択指令を出すようにしても良い。また、荷重演算処理手段３２Ａが両方のモードの演算結果を出力するようにしても良い。

　ここで、ブレーキＯＮ状態で車両が静止しているときの路面荷重演算について考える。ブレーキＯＮ状態における荷重演算方法は、ブレーキＯＦＦ状態で求めた演算処理方法を基にして演算することができる。先に述べた図７に示すように、ブレーキパッド９７の位置を進行方向から角度θ上方、半径ＲB の位置とし、ブレーキパッド９７からブレーキ力ＦB が作用している状態とする。また、車輪半径をＲW とし、駆動力からは入力トルクＴdrive が作用している状態とする。このとき、Ｔdrive ＝０で車両が静止しているときのブレーキ状態の荷重は、以下の演算で求めることができる。

　先に述べた式（１－１），（１－２）と式（３）から、ブレーキＯＮのとき軸受に作用する荷重Ｆxb，Ｆzbは次式（１３－１），（１３－２）のように表現される。
　　Ｆxb＝（１＋α・sin θ）・Ｆx －（Ｔdrive ／ＲB ）・sin θ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（１３－１）
　　Ｆzb＝Ｆz ＋（Ｔdrive ／ＲB －α・Ｆx ）・cos θ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（１３－２）
　ただし、α＝ＲW ／ＲB ：半径比
　ここで、Ｔdrive ＝０のとき、
　　Ｆxb＝（１＋α・sin θ）・Ｆx 　　……（１４－１）
　　Ｆzb＝Ｆz －α・Ｆx ・cos θ　　……（１４－２）
となるので、路面荷重は次式（１５－１），（１５－２）で求めることができる。
　　Ｆx ＝Ａ・Ｆxb　　……（１５－１）
　　Ｆz ＝Ｆzb＋Ａ・Ｆxb・α・cos θ　　……（１５－２）
　ただし、Ａ＝１／（１＋α・sin θ）

　上記した演算により、ブレーキＯＮ状態では、求めたい路面荷重にブレーキ力ＦB に比例する荷重成分が加算されて検出されることになる。したがって、駆動軸からみたブレーキキャリパ位置（半径ＲB およびｘ軸からの角度θ）が既知であれば、ブレーキ時の路面荷重を正確に検出することができる。

　ここで、車両がブレーキＯＮ状態で坂道に停止しているときの、前記荷重演算処理手段３２での路面荷重演算処理について考える。図１８に示すように、車輪に対して鉛直下向きに荷重Ｗが働いている状態を考える。いま、路面に作用する荷重Ｗgxの影響により、ブレーキを解除すると車両は進行方向と逆方向に進んでしまう。そこで、車両が坂道でも停止できるような駆動トルクＴdrive を求めるための演算方法を以下に示す。

　図１８のような斜面に車両が静止している状態で、ｘ方向に路面荷重Ｗgxが作用しているとき、ブレーキがＯＦＦであっても車両が動きださないためには、次式（１６）
　　Ｔdrive ／ＲW ＝Ｗgx　　……（１６）
となるトルクを用意する必要がある。式（１６）より、
　　Ｔdrive ／ＲB ＝ＲW ／ＲB ・Ｗgx　＝α・Ｗgx　　　……（１７）
とすることで、ブレーキ解除時にも車両が動かない。
　式（１７）を満たすトルクを印加すると、先に述べた式（１－１），（１－２）より軸受荷重は、
　　Ｆxb＝Ｗgx＋（α・Ｗgx－Ｔdrive ／ＲB ）・sin θ＝Ｗgx
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（１８－１）
　　Ｆzb＝Ｗgz＋（Ｔdrive ／ＲB －α・Ｗgx）・cos θ＝Ｗgz
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（１８－２）
となり、ブレーキキャリパ上の力が釣り合う状態ならば、ブレーキがＯＦＦ状態でも斜面で車両は動かないことがわかる。

　次に、車両がブレーキＯＮ状態で坂道に停止しているとき、前記上位ＥＣＵ９８のブレーキ解除制御手段９５でのブレーキ解除制御の具体的手順を説明する。
　（１）各車輪が停止している路面の状態（平地または坂道）を判別する。
　車輪が平地でブレーキＯＮの状態で停止しているとき、路面荷重Ｆx と軸受荷重Ｆxbは等しくゼロとなる。一方、車輪が坂道でブレーキＯＮの状態で停止しているときには２つの出力は異なった値をとる。したがって、ブレーキＯＮの状態で検出された路面荷重Ｆx の値が、予め設定したゼロ付近の領域にないときには、車輪が傾斜路面にあると判別することができる。このとき、車両を制御する上位ＥＣＵ９８では、荷重検出用センサである前記センサユニット２０の検出信号から求められた路面荷重値Ｗgxを取得する。この値は、軸受荷重から換算された路面荷重の値である。

　ここで、前記センサ付車輪用軸受装置とそのセンサ出力を用いる車両制御装置（上位ＥＣＵ９８）とでなる車両制御系では、各車輪の路面との接地荷重が異なる場合でも、正しく車輪に作用している荷重の状態を判別することができるため、傾斜計を必要としない。また、特許文献１１に開示された技術のように、車両の停止している路面の状態を傾斜計により取得する場合、車両と路面の関係が図１９に示すようなとき、正しく車両状態を推理することがきず、ずり落ちなどが発生してしまう恐れがあるが、この車両制御系ではこれを防止することができる。

　（２）車輪が傾斜路面上でブレーキＯＮ状態で停止していると判断したときには、軸受荷重Ｆxbをモニタしながら駆動力を制御して、その後、適切な条件でブレーキを解除する。上位ＥＣＵ９８のブレーキ解除制御手段９５では、センサＥＣＵ３０Ｂから取得した軸受荷重Ｆxbをモニタしながら、軸受荷重Ｆxbの値が路面荷重Ｗgxと等しくなるまで駆動トルクＴdrive を印加する。このとき、ブレーキパッドからディスクに作用するトルクはゼロとなるので、ブレーキを解除しても車輪が動き出さない状態となる。この状態でブレーキを解除し、さらに適切なトルクＴdrive を印加して行けば、ずり落ちが発生せずにスムーズに移動を開始することができる。これを、式を交えて説明すると、以下のようになる。
　ブレーキがＯＮのとき、Ｔdrive ＝０の状態で軸受荷重Ｆxbを検出し、路面荷重Ｆxbを
　　Ｆx ＝Ｗgx＝Ａ・Ｆxb　　……（１９）
として求める。
　軸受荷重Ｆxbをモニタしながら、駆動トルクＴdrive を印加し、次式（２０）
　　Ｆxb＝Ｗgx　　……（２０）
となったとき、ブレーキディスク上の力が釣り合うため、ブレーキをＯＦＦにしても車両が動かない状態となる。

　なお、上記したような上位ＥＣＵ９８による自動制御により坂道発進時のブレーキ解除を行なう場合に限らず、運転者自らが、前記荷重演算処理手段３２Ａの演算結果である路面作用力Ｗxgと車輪用軸受での荷重値Ｆxbとを用いて同様のブレーキ解除を手動で行なうことも可能である。

　この発明の第３実施形態により得られる効果を整理して次に示す。
・　車両が坂道で停止したとき、ブレーキをＯＦＦ状態にしても、車両が進行方向と逆方向に動くことがない。
・　坂道でも車両が逆方向に進まないので、安定してスムーズな走り出しが可能となる。
・　実際に車両に作用している荷重を検出し、検出した値に基づいて駆動トルクを制御するため、必要なトルクを推定で求める場合と比較して、正確なトルク入力が可能になる。したがって、ずり落ちを効果的に防止することができる。また、ブレーキ動作中には駆動力をＯＦＦしておき、ブレーキ解除直前に最適なトルクを与えることができるため、余分な駆動トルクを与えてエネルギーを無駄に使うことがなく、駆動部品の発熱や消耗も最低限度に抑えることができる。
・　センサＥＣＵ３０Ｂの荷重演算処理手段３２Ａから入力される軸受荷重Ｆxbのみによって車両制御を行なうことができる。したがって、エンジンの出力トルクを検出するトルクセンサを必要としない。
・　センサＥＣＵ３０Ｂの荷重演算処理手段３２Ａが演算する路面荷重Ｗgxと軸受荷重Ｆxbの値を利用して、車両制御装置である上位ＥＣＵ９８のブレーキ解除制御手段９５が車輪ごとに平地／坂道を判断するため、車両の傾斜計は必要ない。
・　また、一部の車輪が傾斜路面上で静止しているような場合でも、車輪ごとにブレーキを最適に解除することが可能となるため、車両が動き出すのを防止することができる。

　また、第３実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置に、第２実施形態における校正モード実行手段３６を組み込んでも良い。

　なお、上述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、上述した各実施形態では第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。

　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態および応用形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。

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
３０…荷重演算処理ユニット
３０Ａ，３０Ｂ…センサＥＣＵ
３１…信号処理手段
３２，３２Ａ…荷重演算処理手段
３３…コンパレータ
３４…ＥＣＵ
３５…荷重値補正手段
３６…校正モード実行手段
３６ａ…異常報知部
３７…ＯＮ／ＯＦＦ情報入力手段
３８…駆動トルク情報入力手段
３９…演算結果選択指令手段
９６…トルクセンサ
９８…上位ＥＣＵ（車両制御装置）
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、
　軸受に加わる荷重を検出する１つ以上のセンサと、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、前記荷重の演算結果に影響する車両の所定状況の有無を判別して、その有無に対応した２種類の演算処理を行う機能を有するセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１において、前記荷重演算処理手段で判別される車両の所定状況の有無が、ブレーキのＯＮ・ＯＦＦであるセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項２において、前記荷重演算処理手段で判別されるブレーキＯＮ・ＯＦＦの情報が、荷重演算処理手段の外部から入力されるセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項２において、前記荷重演算処理手段は、ブレーキＯＮ・ＯＦＦに対応した２種類の演算処理結果の両方を出力するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項２において、前記荷重演算処理手段は、少なくとも車輪用軸受の前後方向に作用する荷重Ｆx を演算するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項５において、前記荷重演算処理手段は、その演算処理結果である前後方向に作用する荷重Ｆx を用いてブレーキのＯＮ・ＯＦＦを判別するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項２において、前記荷重演算処理手段によって演算される車輪の荷重が駆動輪に加わる荷重であって、荷重演算処理手段がブレーキＯＮと判別したとき、車両が印加している駆動力の情報が車両側から荷重演算処理手段に与えられ、その情報に基づいて荷重演算処理手段が演算処理結果を補正するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１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９において、前記信号処理手段は、前記センサの出力信号から平均値および振幅値を算出し、これらの値から信号ベクトルを生成するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１０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つ以上の歪検出素子とを有するものであり、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装置。
　請求項１１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１２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。
　請求項１３において、前記信号処理手段が、前記センサユニットにおける隣り合う歪検出素子の出力信号の和を平均値として用いて信号ベクトルを生成するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１において、さらに、前記荷重演算処理手段による演算結果をチェックする校正モード実行手段を設けたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１５において、前記荷重演算処理手段は、ブレーキが軸受に与える影響をブレーキ変換係数として算出し、ブレーキＯＦＦ状態の演算係数行列からブレーキＯＮ状態の演算係数行列を求めて、ブレーキＯＮ時の荷重を演算する機能を有するセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１６において、前記校正モード実行手段は、既に保存されているブレーキ変換係数を、前記演算結果のチェックにより求めたブレーキ変換係数に書き換える機能を有するセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１６において、前記ブレーキ変換係数のパラメータが、タイヤ半径／ブレーキキャリパ取付位置の半径比（α）と、ブレーキキャリパｘ軸からのブレーキキャリパ取付位置の角度（θ）であるセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１５において、前記校正モード実行手段は、車両が静止状態でブレーキをＯＮにして駆動トルクを印加したとき、検出した荷重値を用いて校正を実行するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１９において、車両が従動輪を持つとき、前記校正モード実行手段は、測定対象の従動輪のブレーキをＯＮにして駆動輪から駆動トルクを印加することで、従動輪のブレーキの影響を求めるものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１９において、前記校正モード実行手段は、校正に用いるブレーキ情報および駆動トルク情報を、車両側に搭載されている上位ＥＣＵから入力するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項２１において、前記車両が電動車両であり、前記駆動トルク情報が、電動車両の駆動源である電動機の駆動回路に出力する指令値から推定されるもの、または前記電動機の入力電流値から推定されるものであるセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１５において、前記校正モード実行手段は、校正モードの実行により、センサ動作の異常を検出する機能を有するセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１５において、前記校正モード実行手段は、校正モードの実行により、出力トルクの異常を検出する機能を有するセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項２４において、前記校正モード実行手段は、車両が静止状態でブレーキをＯＮにして印加した駆動トルクと、前記荷重演算処理手段による演算結果から推定される入力トルクとの差分を評価値とし、この評価値を予め設定されたしきい値と比較して異常検出を行うものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１５において、前記信号処理手段は、各センサの一定時間内の出力信号を用いてそれらの平均値を算出し、この平均値から前記信号ベクトルを生成し、荷重演算処理手段はその信号ベクトルから車輪に加わる荷重を演算するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項１５において、前記信号処理手段は、各センサの一定時間内の出力信号を用いてそれらの平均値と振幅値を算出し、それらの値から前記信号ベクトルを生成し、荷重演算処理手段はその信号ベクトルから車輪に加わる荷重を演算するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項２６において、前記荷重演算処理手段は、前記信号ベクトルと所定の荷重推定パラメータとを用いた演算式で荷重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において、前記荷重演算処理手段が、路面に作用する荷重を演算して出力する路面作用力演算モードと、前記車輪用軸受に作用する荷重を演算して出力する軸受作用力演算モードとを有するセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項２９において、前記荷重演算処理手段が、前記路面作用力演算モードおよび前記軸受作用力演算モードの両方の演算結果を出力するセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項２９において、前記荷重演算処理手段に対して、前記路面作用力演算モードおよび前記軸受作用力演算モードの演算結果のうち、いずれの演算結果を出力するかを選択させる機能を有する演算結果選択指令手段を設けたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項２９において、前記荷重演算処理手段に対して、前記路面作用力演算モードおよび前記軸受作用力演算モードの演算結果のうち、いずれの演算結果を出力するかを選択させる機能を、センサ付車輪用軸受装置の外部である車両側の上位ＥＣＵに持たせたセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項２９において、前記路面作用力演算モードでの演算は、前記軸受作用力演算モードの演算結果のブレーキ力の影響による変化分を補正する処理に基づいて行なわれるセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項３３において、前記補正する処理に用いられる補正された荷重変換係数が、ブレーキＯＦＦ状態について演算された荷重変換係数から、既に保存されているタイヤ半径／ブレーキキャリパ取付位置の半径比（α）と、ブレーキキャリパ軸（ｘ）からのブレーキキャリパ取付位置の角度（θ）を用いて演算したものであるセンサ付車輪用軸受装置。
　請求項２９に記載のセンサ付車輪用軸受装置からのセンサ出力を用いて車両制御を行なう車両制御装置であって、車両がブレーキＯＮ状態で停止しているときに、駆動力を印加しない状態においてセンサ付車輪用軸受装置の前記荷重演算処理手段が前記路面作用力演算モードで演算出力する路面荷重（Ｗgx）を取得し、その後、ブレーキＯＮ状態において前記荷重演算処理手段が前記軸受作用力演算モード前記路面作用力演算モードで演算出力する軸受荷重（Ｆxb）をモニタしながら駆動力を制御して、適切な条件でブレーキを解除するブレーキ解除制御手段を備える車両制御装置。
　請求項３５において、前記ブレーキ解除制御手段は、ブレーキＯＮ状態のまま車両が静止している状態において、前記センサ付車輪用軸受装置から取得した路面荷重（Ｆx ）と前記軸受荷重（Ｆxb）の値を評価し、両荷重の差が予め設定されたしきい値を超えている場合に、車輪が斜面に静止している状態にあると判断する機能を有する車両制御装置。
　請求項３５において、前記ブレーキ解除制御手段は、ブレーキＯＮ状態のまま車両が静止している状態において、前記センサ付車輪用軸受装置から取得した前記軸受荷重（Ｆxb）の値が、駆動力を印加しない状態においてセンサ付車輪用軸受装置から取得した路面荷重（Ｗgx）と概ね等しくなったときを、前記ブレーキを解除する適切な条件とする車両制御装置。
　請求項３５において、前記ブレーキ解除制御手段は、その制御を、運転者がブレーキを解除して走行状態に移ろうとしたときから、実際にブレーキを解除するまでの時間に実行する車両制御装置。