(57)【要約】【課題】少なくともアキシャル荷重が作用している軸受装置の回転トルクを正確に測定することができる回転トルク検出装置を提供する。【解決手段】外輪１１と、この外輪１１の内方に当該外輪１１と同軸に配設された内輪１２とを有する転がり軸受装置１０の回転トルクを検出する装置１。前記転がり軸受装置１０に、少なくともアキシャル荷重を含む外部荷重を作用させる荷重負荷手段２と、前記外輪１１及び内輪１２のうちの固定軌道輪側に設けられた複数の歪ゲージＡ〜Ｈと、前記荷重負荷手段２により転がり軸受装置１０に荷重を負荷した状態で回転軌道輪を回転させたときの、前記複数の歪ゲージＡ〜Ｈからの出力を用いて合成マトリックス演算することで当該転がり軸受装置１０の回転トルクの大きさを算出する回転トルク算出手段とを備えている。  【選択図】      図１
2010002313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外輪と、この外輪の内方に当該外輪と同軸に配設された内輪とを有する転がり軸受装置の回転トルクを検出する装置であって、
前記転がり軸受装置に、少なくともアキシャル荷重を含む外部荷重を作用させる荷重負荷手段と、
前記外輪及び内輪のうちの固定軌道輪側に設けられた複数の歪ゲージと、
前記荷重負荷手段により転がり軸受装置に荷重を負荷した状態で回転軌道輪を回転させたときの、前記複数の歪ゲージからの出力を用いて合成マトリックス演算することで当該転がり軸受装置の回転トルクの大きさを算出する回転トルク算出手段と
を備えたことを特徴とする回転トルク検出装置。
【請求項２】
前記複数の歪ゲージが、前記転がり軸受装置に作用する６分力を算出可能なように固定軌道輪側に設けられている請求項１に記載の回転トルク検出装置。
【請求項３】
複数の歪ゲージからの出力の温度変化による変動を、予め求めておいた検量線により補正する温度補正部を有している請求項１〜２のいずれかに記載の回転トルク検出装置。
【請求項４】
複数の歪ゲージからの出力の荷重変化による変動を、予め求めておいた検量線により補正する荷重補正部を有している請求項１〜３のいずれかに記載の回転トルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転トルク検出装置に関する。さらに詳しくは、荷重を負荷した状態での回転トルクを検出することができる回転トルク検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の低燃費化及びＣＯ2排出量低減化の観点から、当該自動車の車輪を回転自在に支持する軸受装置に対しても低トルク化の要求が高まっている。
低トルク化の指標としては、運転中の回転トルクが一般に使用されるが、かかる回転トルクの測定方法として、従来、様々な方法が提案されている。
【０００３】
最も一般的な方法は、内輪（内軸）を回転させたときの外輪の連れ回り力を各種センサ（ロードセル、歪ゲージ、トルク計など）で測定する方法である。ところで、実際の車両走行時には軸受装置に荷重が作用することから、かかる方法において荷重を負荷した状態で回転トルクを測定しようとしても、荷重によるロスや、サポート軸受などを用いたときには当該サポート軸受のトルクによるロスが発生し、ロスをなくすことは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、比較的ロスが少ない方法として、主軸をサポートするのに静圧軸受（油や空気で軸を浮かせて支持する軸受）を使用することが考えられるが、この場合でも、負荷可能な荷重はラジアル荷重に限定されており、合成荷重やモーメント荷重（ラジアル荷重とアキシャル荷重の同時負荷）では、回転トルクを正確に検出することは非常に困難であった。
【０００５】
自動車の実際の走行時には、例えば旋回時のように、ラジアル荷重とともにアキシャル荷重が軸受装置に作用する場合があり、実効性を高めるためには、両荷重が作用しているモーメント荷重下での回転トルクは不可欠なデータであるが、かかるデータを正確に取得する方法は未だ提案されていない。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、少なくともアキシャル荷重が作用している軸受装置の回転トルクを正確に測定することができる回転トルク検出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の回転トルク検出装置（以下、単に「検出装置」ともいう）は、外輪と、この外輪の内方に当該外輪と同軸に配設された内輪とを有する転がり軸受装置の回転トルクを検出する装置であって、
前記転がり軸受装置に、少なくともアキシャル荷重を含む外部荷重を作用させる荷重負荷手段と、
前記外輪及び内輪のうちの固定軌道輪側に設けられた複数の歪ゲージと、
前記荷重負荷手段により転がり軸受装置に荷重を負荷した状態で回転軌道輪を回転させたときの、前記複数の歪ゲージからの出力を用いて合成マトリックス演算することで当該転がり軸受装置の回転トルクの大きさを算出する回転トルク算出手段と
を備えたことを特徴としている。
【０００８】
本発明の検出装置では、少なくともアキシャル荷重を含む外部荷重を作用させた状態において、固定軌道輪側に設けられた複数の歪ゲージからの出力を用いて合成マトリックス演算することで当該転がり軸受装置の回転トルクの大きさを算出することができ、例えば、自動車用軸受装置のモーメント荷重条件下での回転トルクを正確に測定することができる。こうして、実際の車両走行時と同じ条件下におけるデータを取得することで、軸受装置の低トルク化を効果的に達成することが可能となる。
【０００９】
前記複数の歪ゲージを、前記転がり軸受装置に作用する６分力を算出可能なように固定軌道輪側に設けることができる。この場合、得られた６分力のうち、回転トルクの計測に必要な成分だけを抜き出して測定値として使用することができる。
【００１０】
複数の歪ゲージからの出力の温度変化による変動を、予め求めておいた検量線により補正する温度補正部を有しているのが好ましい。この構成によれば、測定時の温度条件が変化した場合であっても、検量線により補正することで、より正確な回転トルク値を得ることができる。
【００１１】
複数の歪ゲージからの出力の荷重変化による変動を、予め求めておいた検量線により補正する荷重補正部を有しているのが好ましい。この構成によれば、装置の取り付け誤差や、回転軌道輪の振れ、回転変動に伴い荷重が変動したとしても、検量線により補正することで、より正確な回転トルク値を得ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の検出装置によれば、少なくともアキシャル荷重が作用している軸受装置の回転トルクを正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の検出装置の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る検出装置の使用状態を説明する図であり、この検出装置１は、外輪１１と、この外輪１１の内方に当該外輪１１と同軸に配設された内輪１２と、両輪１１、１２の間の環状空間に転動自在に配設された複数個の玉からなる転動体１３とを備えた転がり軸受装置１０の回転トルクを検出するものである。
【００１４】
検出装置１は、前記転がり軸受装置１０に外部荷重を作用させる荷重負荷手段２と、前記転がり軸受装置１０における外輪１１に固定された分力検出部３と、この分力検出部３に設けられた複数の歪ゲージ（詳細は後述する）からの出力信号に基づいて転がり軸受装置１０の回転トルクを算出する制御ユニット４とで主に構成されている。
【００１５】
荷重負荷手段２は、短円筒形状の分力検出部３の軸方向一端面（図１において右側の端面）に固定された第１垂直アーム２１と、この第１垂直アーム２１の上端に接続された水平アーム２２と、この水平アーム２２の端部であって、前記第１垂直アーム２１が接続された側と反対側の端部に接続されたベース部２３と、このベース部２３上に立設された第２垂直アーム２４と、この第２垂直アーム２４の上端付近に設けられた伝達軸２５とを備えている。この伝達軸２５には、当該伝達軸２５に対して、図１において上下方向、左右方向及び前後方向（紙面貫通方向）の荷重を作用させることができる移動機構の出力軸（図示せず）が連結されている。この移動機構を移動させることにより、前記第２垂直アーム２４、水平アーム２２、第１垂直アーム２１及び分力検出部３を介して、当該分力検出部３に固定された外輪１１に対して、ラジアル荷重、アキシャル荷重、及び両荷重を同時に負荷したときのモーメント荷重などの合成荷重を適宜与えることができる。
【００１６】
前記伝達軸２５の軸心に垂直な水平直線Ｌと、転がり軸受装置１０の軸心Ｏとの垂直方向の距離ｒは、当該転がり軸受装置１０に装着される一般的なタイヤの半径に等しくなるように、前記第１垂直アーム２１や第２垂直アーム２４のサイズが設定されている。これにより、実際の車両走行に近い状態で転がり軸受装置１０に外部荷重を作用させることができる。
【００１７】
内輪１２の軸方向一端の外周面に形成されたフランジ部１４には、当該内輪１２に対し回転力を伝達するための回転軸体５が固定されている。この回転軸体５は、前記フランジ部１４に形成されたボルト孔に挿通されるボルト１５により、内輪１２に固定されている。回転軸体５には、図示しないモータなどの回転手段の出力軸が、必要に応じて減速機構を介して連結される。そして、回転手段を回転させることにより、回転軸体を介して内輪１２を回転させることができる。
【００１８】
分力検出部３は、図２に示されるように、短円筒体からなるセンサ取付部３０と、このセンサ取付部３０の軸方向両端に形成されたフランジ部３１、３２とで主に構成されており、外輪１１に作用する６分力を計測するために、ジュラルミンなどの高剛性材料で作製されている。なお、「６分力」とは、図７に示されるように、車輪の前後水平方向をｘ軸方向、車輪の左右水平方向（軸方向）をｙ軸方向、車輪の上下方向をｚ軸方向とする直交座標系を想定した場合に、各軸方向に作用する力をＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚとし、また各軸廻りのトルクをＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚとしたときに、これらの６つの力またはトルクのことである。
【００１９】
前記両フランジ部３１、３２のうち転がり軸受装置１０側のフランジ部３１は、外輪１１の軸方向一端付近の外周面に形成されたフランジ部１６に形成されたボルト孔に挿通されるボルト（図示せず）により、当該外輪１１に固定されている。フランジ部３１には、転がり軸受装置１０を当該フランジ部３１に固定さたときにフランジ部３１側に突出する前記外輪１１や内輪１２などの一部を収容することができる凹所３３が形成されている。
【００２０】
センサ取付部３０の外周面には周方向に沿って等間隔で複数個（本実施の形態では８個）の凹部３４が形成されている。この凹部３４は略角形形状を呈しており、その底面部３４ａは、図３に示されるように、薄肉になっている。各底面部３４ａの内面側には、直交せん断歪ゲージＡ〜Ｈがそれぞれ貼付されている。
【００２１】
直交せん断歪ゲージＡ〜Ｈは、底面部３４ａに軸力や回転力が加えられた際に、当該底面部３４ａの歪を検出するものであり、図４に示されるように、それぞれが４個の抵抗素子Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４（歪ゲージＡの場合。歪ゲージＢの場合は、抵抗素子Ｂ１〜Ｂ４）を備えている。これらの抵抗素子Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４は、フレキシブル基板上に形成され、図６に示されるように、８個のブリッジ回路Ｂ1〜Ｂ8が形成される。
【００２２】
直交せん断歪ゲージＡ〜Ｈは、周方向に隣接する底面部３４ａの内面側に、２つの異なった形態で貼付されている。すなわち、歪ゲージの中心軸Ｃ（図４参照）が、分力検出部３の軸と一致する形態のもの（Ａ、Ｃ、Ｅ、Ｇ）と、中心軸ＣOが分力検出部３の軸に対して４５度傾斜させた状態のもの（Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｈ）とを交互に配置している。図５は、その配置形態を展開図として示している。
【００２３】
前述したブリッジ回路Ｂ1〜Ｂ8では、歪ゲージＡ、Ｃ、Ｅ、Ｇは、分力検出部３の軸を中心とする前述した直交座標系の軸方向に作用する力Ｆｘ、Ｆｙ、及び軸廻りに作用するトルクＭｚを検出し、歪ゲージＢ、Ｄ、Ｆ、Ｈは、軸方向に作用する力Ｆｚ、及び軸廻りに作用するトルクＭｘ、Ｍｙを検出する。
【００２４】
８個のブリッジ回路Ｂ1〜Ｂ8からの出力信号はＡＤ変換され、このＡＤ変換された出力信号はデータ変調されて、制御ユニット４の受信部４０に送信される。変調されて送られてきた出力信号は、制御ユニット４の処理部４１に含まれるデータ復調回路（図示せず）により復調され、この復調された出力信号が、同じく処理部４１に含まれる、回転トルク算出手段である座標変換回路（図示せず）により直交座標系の６分力に変換される。この変換は、以下に示される行列演算により行うことができる。
【００２５】
【数１】
2010002313.tif 000003
【００２６】
ここで、Ｆｘ〜Ｍｚは直交座標系のｘｙｚ軸方向に作用する力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、及びこれらの軸廻りに作用するトルクＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの６分力であり、Ａ〜Ｈは、８個のブリッジ回路Ｂ1〜Ｂ8の出力信号である。また、Ｋ11Ｋ68は変換のためのマトリックス（変換行列）である。
【００２７】
この変換行列は、前記分力検出部３に対し既知の６分力を加えて、そのときのブリッジ回路Ｂ1〜Ｂ8からの出力信号Ａ〜Ｈを測定し、これらの相関関係を求めることにより得ることができ、求められた変換行列は、制御ユニット４の記憶部４２に記憶させておく。
【００２８】
転がり軸受装置１０の回転トルクの計測に必要なのはＭｙであるので、得られた６分力からＭｙ成分だけを抜き出して測定値として使用する。歪ゲージＡ〜Ｈからの出力信号は、当該歪ゲージＡ〜Ｈの温度により変動するが、この温度と出力信号との関係に表す検量線を予め求めておき、この検量線により出力信号を補正するのが好ましい。検量線は、前記記憶部４２に記憶させておくことができ、処理部４１に含まれる温度補正回路（温度補正部）により、かかる温度補正を行うことができる。温度補正を行うことにより、測定時の温度条件が変化した場合でも、より正確な回転トルクを得ることができる。
【００２９】
また、装置の取り付け誤差や、回転軌道輪の振れ、回転変動に伴い荷重が変動することが考えられるが、温度補正の場合と同様に、荷重と出力信号との関係に表す検量線を予め求めておき、この検量線により出力信号を補正するのが好ましい。検量線は、前記記憶部４２に記憶させておくことができ、処理部４１に含まれる荷重補正回路（荷重補正部）により、かかる荷重補正を行うことができる。荷重補正を行うことにより、測定時の荷重条件が変化した場合でも、より正確な回転トルクを得ることができる。
【００３０】
なお、前述した実施の形態は内輪が回転するタイプの転がり軸受であるが、外輪が回転するタイプの転がり軸受にも、本発明の検出装置を適用することができる。また、図１に示される、いわゆる３世代ハブユニットに限らず、その他のホイール用軸受装置全般に適用することができる。
【００３１】
さらに、車両の車輪を支持する軸受装置だけでなく、モーメント荷重が負荷される装置において使用される軸受装置であれば、前述した荷重負荷手段や分力検出部の形状やサイズなどの仕様をかかる軸受装置に合わせて適宜設計することにより、本発明の検出装置を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の検出装置の一実施の形態の使用状態説明図である。
【図２】図１に示される検出装置の側面説明図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】分力検出部に用いられる歪ゲージの平面説明図である。
【図５】図１に示される検出装置における歪ゲージの貼付位置の展開図である。
【図６】歪ゲージで形成するブリッジ回路の説明図である。
【図７】ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向と各荷重の定義を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３３】
１      検出装置
２      荷重負荷手段
３      分力検出部
４      制御ユニット
１０      転がり軸受装置
１１      外輪
１２      内輪
２１      第１垂直アーム
２２      水平アーム
２３      ベース部
２４      第２垂直アーム
２５      伝達軸
３０      センサ取付部
３１      フランジ部
３２      フランジ部
３４      凹部
３４ａ    底面部
４０      受信部
４１      処理部
４２      記憶部
Ａ〜Ｈ    歪ゲージ
【図１】
2010002313.tif 000004
【図２】
2010002313.tif 000005
【図３】
2010002313.tif 000006
【図４】
2010002313.tif 000007
【図５】
2010002313.tif 000008
【図６】
2010002313.tif 000009
【図７】
2010002313.tif 000010