(57)【要約】【課題】  低コストで構成でき、経年変化や組み付け誤差に拘らず、ハブ１１と外輪１との間に作用する荷重を正確に求められる構造を実現する。【解決手段】  １対の公転速度検出用センサ６ａ、６ｂと、各保持器９ａ、９ｂに組み付けた公転速度検出用エンコーダ１０ａ、１０ｂとにより、各列を構成する玉８ａ、８ｂの公転速度を検出する。演算器は、これら各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂの検出信号に基づき、上記荷重を算出する。又、上記演算器は、上記各玉８ａ、８ｂの予圧を推定し、この推定値に基づいて、上記荷重を算出の為のゲイン特性及び零点の補正を行なう。【選択図】  図１
2005321236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に外輪軌道を有する外輪相当部材と、この外輪相当部材の内径側にこの外輪相当部材と同心に配置された、外周面に内輪軌道を有する内輪相当部材と、この内輪軌道と上記外輪軌道との間に接触角を付与した状態で設けられた複数個の転動体と、これら各転動体の公転速度を検出する為の公転速度検出用センサと、この公転速度検出用センサから送り込まれる検出信号に基づいて上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する演算器とを備え、この演算器は、この荷重を算出する第一の機能に加えて、上記各転動体に加わる予圧を推定する第二の機能と、この第二の機能により推定した予圧に基づいて、上記検出信号に基づいて上記荷重を算出する際の零点及びゲイン特性を補正する第三の機能とを有する、転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項２】
外輪相当部材と内輪相当部材とのうちの一方で使用時に回転する部材である回転側軌道輪部材の回転速度を検出する為の回転速度検出用センサを備えており、第二の機能による予圧の推定は、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間にアキシアル荷重が作用していない状態での、各転動体の公転速度と上記回転側軌道輪部材の回転速度との関係に基づいて行なうものである、請求項１に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項３】
外輪相当部材と内輪相当部材とのうちの一方で使用時に回転する部材である回転側軌道輪部材に車輪を結合固定し、これら外輪相当部材と内輪相当部材とのうちの他方で使用時にも回転しない部材である静止側軌道輪部材を懸架装置に結合固定した状態で、上記外輪相当部材と内輪相当部材との間に加わる荷重を求める為に使用される、請求項１〜２のうちの何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項４】
外輪相当部材と内輪相当部材とのうちの一方で使用時に回転する部材である回転側軌道輪部材の回転速度を検出する為の回転速度検出用センサを備えており、この回転側軌道輪部材に車輪を結合固定し、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材とのうちの他方で使用時にも回転しない部材である静止側軌道輪部材を懸架装置に結合固定した状態で、この懸架装置と上記車輪との間に加わる荷重を求める為に使用されるものであり、第二の機能による予圧の推定は、上記車輪を地面から浮上させた状態での、各転動体の公転速度と上記回転側軌道輪部材の回転速度との関係に基づいて行なうものである、請求項１に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項５】
外輪相当部材と内輪相当部材とのうちの一方で使用時に回転する部材である回転側軌道輪部材の回転速度を検出する為の回転速度検出用センサを備えており、演算器が第一の機能により算出する荷重は、上記外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用するアキシアル荷重であり、第二の機能による予圧の推定は、車両が直進走行中に測定した、各転動体の公転速度と上記回転側軌道輪部材の回転速度との関係に基づいて行なう、請求項３に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項６】
車両が直進走行中であるか否かを、車体に設置されている舵角センサと加速度センサとヨーレートセンサとのうちから選択された１乃至２以上のセンサの信号に基づいて推定する、請求項５に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項７】
車両が直進走行中であるか否かを、互いに別の車輪の回転速度を表す複数の信号に基づいて推定する、請求項５に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【請求項８】
外輪相当部材の内周面に複列アンギュラ型の外輪軌道が、内輪相当部材の外周面に複列アンギュラ型の内輪軌道が、それぞれ形成されており、これら各外輪軌道と各内輪軌道との間に、それぞれが転動体である複数個の玉が、各列毎に複数個ずつ配置されている、請求項１〜７の何れかに記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、自動車、鉄道車両等の車両の車輪を支持する為の転がり軸受ユニットに負荷される荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）を測定し、上記車両の走行安定性確保を図る為に利用する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車の車輪は懸架装置に対し、複列アンギュラ型の玉軸受ユニット等の転がり軸受ユニットにより回転自在に支持する。又、自動車の走行安定性を確保する為に、例えば非特許文献１に記載されている様な、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）やトラクションコントロールシステム（ＴＣＳ）、更には、エレクトリックスタビリティコントロールシステム（ＥＳＣ）等の車両用走行安定化装置が使用されている。この様な各種車両用走行安定化装置を制御する為には、車輪の回転速度、車体に加わる各方向の加速度等の信号が必要になる。そして、より高度の制御を行なう為には、車輪を介して上記転がり軸受ユニットに加わる荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）の大きさを知る事が好ましい場合がある。
【０００３】
この様な事情に鑑みて、特許文献１には、ラジアル荷重を測定自在な、荷重測定装置付転がり軸受ユニットが記載されている。この従来構造の第１例の場合には、非接触式の変位センサにより、回転しない外輪と、この外輪の内径側で回転するハブとの径方向に関する変位を測定する事により、これら外輪とハブとの間に加わるラジアル荷重を求める様にしている。求めたラジアル荷重は、ＡＢＳを適正に制御する他、積載状態の不良を運転者に知らせる為に利用する。
【０００４】
又、特許文献２には、転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重を測定する構造が記載されている。この特許文献２に記載された従来構造の第２例の場合、外輪の外周面に設けた固定側フランジの内側面複数個所で、この固定側フランジをナックルに結合する為のボルトを螺合する為のねじ孔を囲む部分に、それぞれ荷重センサを添設している。上記外輪を上記ナックルに支持固定した状態でこれら各荷重センサは、このナックルの外側面と上記固定側フランジの内側面との間で挟持される。この様な従来構造の第２例の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、車輪と上記ナックルとの間に加わるアキシアル荷重は、上記各荷重センサにより測定される。更に、特許文献３には、一部の剛性を低くした外輪相当部材に動的歪みを検出する為のストレンゲージを設け、このストレンゲージが検出する転動体の通過周波数から転動体の公転速度を求め、更に、転がり軸受に加わるアキシアル荷重を測定する方法が記載されている。
【０００５】
前述の特許文献１に記載された従来構造の第１例の場合、変位センサにより、外輪とハブとの径方向に関する変位を測定する事で、転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する。但し、この径方向に関する変位量は僅かである為、この荷重を精度良く求める為には、上記変位センサとして、高精度のものを使用する必要がある。高精度の非接触式センサは高価である為、荷重測定装置付転がり軸受ユニット全体としてコストが嵩む事が避けられない。
【０００６】
又、特許文献２に記載された従来構造の第２例の場合、ナックルに対し外輪を支持固定する為のボルトと同数だけ、荷重センサを設ける必要がある。この為、荷重センサ自体が高価である事と相まって、転がり軸受ユニットの荷重測定装置全体としてのコストが相当に嵩む事が避けられない。又、特許文献３に記載された方法は、外輪相当部材の一部の剛性を低くする必要があり、この外輪相当部材の耐久性確保が難しくなる可能性がある他、十分な測定精度を得る事が難しいと考えられる。
【０００７】
この様な事情に鑑みて本発明者等は先に、複列アンギュラ型の玉軸受ユニットである転がり軸受ユニットを構成する１対の列の玉（転動体）の公転速度に基づいて、この転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重又はアキシアル荷重を測定する、転がり軸受ユニットの荷重測定装置に関する発明（先発明）を行なった（特願２００３−１７１７１５号、１７２４８３号、特願２００４−７６５５号）。図１は、この先発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置を示している。
【０００８】
この先発明に係る構造の場合、外輪１（外輪相当部材、静止側軌道輪部材）の軸方向中間部で複列アンギュラ型の外輪軌道２、２の間部分に形成した取付孔３にセンサユニット４を挿通し、このセンサユニット４の先端部５を、上記外輪１の内周面から突出させている。この先端部５には、１対の公転速度検出用センサ６ａ、６ｂと、１個の回転速度検出用センサ７とを設けている。
【０００９】
そして、このうちの各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂの検出部を、複列に配置された、それぞれが転動体である各玉８ａ、８ｂを回転自在に保持した各保持器９ａ、９ｂに設けた、公転速度検出用エンコーダ１０ａ、１０ｂに近接対向させて、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度を検出自在としている。又、上記回転速度検出用センサ７の検出部を、内輪相当部材であり回転側軌道輪部材であるハブ１１の中間部に外嵌固定した回転速度検出用エンコーダ１２に近接対向させて、このハブ１１の回転速度を検出自在としている。この様な構成を有する先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置によれば、上記ハブ１１の回転速度の変動に拘らず、上記外輪１とこのハブ１１との間に加わる荷重（ラジアル荷重及びスラスト荷重）を求められる。
【００１０】
即ち、上述の様な先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、図示しない演算器が、上記各センサ６ａ、６ｂ、７から送り込まれる検出信号に基づいて、前記外輪１と上記ハブ１１との間に加わるラジアル荷重とアキシアル荷重とのうちの一方又は双方の荷重を算出する。例えば、このラジアル荷重を求める場合に上記演算器は、上記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂが検出する上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度の和を求め、この和と、上記回転速度検出用センサ７が検出する上記ハブ１１の回転速度との比に基づいて、上記ラジアル荷重を算出する。又、上記アキシアル荷重は、上記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂが検出する上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度の差を求め、この差と、上記回転速度検出用センサ７が検出する上記ハブ１１の回転速度との比に基づいて算出する。或は、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度の比によっても、上記アキシアル荷重を求められる。この点に就いて、図２を参照しつつ説明する。尚、以下の説明は、アキシアル荷重Ｆｙが加わらない状態での、上記各列の玉８ａ、８ｂの接触角αa 、αb が互いに同じであるとして行なう。
【００１１】
図２は、上述の図１に示した車輪支持用の転がり軸受ユニットを模式化し、荷重の作用状態を示したものである。複列アンギュラ型の内輪軌道１３、１３と複列アンギュラ型の外輪軌道２、２との間に複列に配置された玉８ａ、８ｂには予圧Ｆ0 、Ｆ0 を付与している。又、使用時に上記転がり軸受ユニットには、車体の質量等により、ラジアル荷重Ｆｚが加わる。更に、旋回走行時に加わる遠心力等により、アキシアル荷重Ｆｙが加わる。これら予圧Ｆ0 、Ｆ0 、ラジアル荷重Ｆｚ、アキシアル荷重Ｆｙは、何れも上記各玉８ａ、８ｂの接触角α（αa 、αb ）に影響を及ぼす。そして、この接触角αa 、αb が変化すると、これら各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎc が変化する。これら各玉８ａ、８ｂのピッチ円直径をＤとし、これら各玉８ａ、８ｂの直径をｄとし、上記両内輪軌道１３、１３を設けたハブ１１の回転速度をｎi とし、上記両外輪軌道２、２を設けた外輪１の回転速度をｎo とすると、上記公転速度ｎc は、次の（１）式で表される。
ｎc ＝｛１−（ｄ・cos α／Ｄ）・（ｎi ／２）｝＋｛１＋（ｄ・cos α／Ｄ）・（ｎ  o ／２）｝  −−−  （１）
【００１２】
この（１）式から明らかな通り、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎc は、これら各玉８ａ、８ｂの接触角α（αa 、αb ）の変化に応じて変化するが、上述した様にこの接触角αa 、αb は、上記ラジアル荷重Ｆｚ及び上記アキシアル荷重Ｆｙに応じて変化する。従って上記公転速度ｎc は、これらラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙに応じて変化する。本例の場合、上記ハブ１１が回転し、上記外輪１が回転しない為、具体的には、上記ラジアル荷重Ｆｚに関しては、図３に示す様に、大きくなる程上記公転速度ｎc が遅くなる。又、上記アキシアル荷重Ｆｙに関しては、図４に示す様に、このアキシアル荷重Ｆｙを支承する列の公転速度が速くなり、このアキシアル荷重Ｆｙを支承しない列の公転速度が遅くなる。従って、この公転速度ｎc に基づいて、上記ラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙを求められる事になる。
【００１３】
但し、上記公転速度ｎc の変化に結び付く上記接触角αは、上記ラジアル荷重Ｆｚと上記アキシアル荷重Ｆｙとが互いに関連しつつ変化するだけでなく、上記予圧Ｆ0 、Ｆ0 によっても変化する。又、上記公転速度ｎc は、上記ハブ１１の回転速度ｎi に比例して変化する。尚、上記図３中、実線イは、ラジアル荷重Ｆｚを支承する割合の大きい側の玉８ｂ、８ｂに関する、破線ロは同じくラジアル荷重Ｆｚを支承する割合の小さい側の玉８ａ、８ａに関する、それぞれの公転速度（とハブ１１の回転速度との比）とラジアル荷重Ｆｚとの関係を示している。又、上記図４中、破線ハは、上記アキシアル荷重Ｆｙとこのアキシアル荷重Ｆｙを支承する列の玉８ａ、８ａの公転速度との関係を、実線ニは、このアキシアル荷重Ｆｙとこのアキシアル荷重Ｆｙを支承しない列の玉８ｂ、８ｂの公転速度との関係を、それぞれ示している。この様な図３、４から、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎc に基づいて、上記ラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙを求められる事が分かる。
【００１４】
但し、上記公転速度ｎc の変化に結び付く上記接触角αは、上述した様に、上記ラジアル荷重Ｆｚと上記アキシアル荷重Ｆｙとが互いに関連しつつ変化するだけでなく、上記予圧Ｆ0 、Ｆ0 によっても変化する。又、上記公転速度ｎc は、上記ハブ１１の回転速度ｎi に比例して変化する。この為、これらラジアル荷重Ｆｚ、アキシアル荷重Ｆｙ、予圧Ｆ0 、Ｆ0 、ハブ１１の回転速度ｎi を総て関連させて考えなければ、上記公転速度ｎc から上記ラジアル荷重Ｆｚや上記アキシアル荷重Ｆｙを求める事はできない。このうちの予圧Ｆ0 、Ｆ0 は、運転状態に応じて変化するものではないので、初期設定等によりその影響を排除する事は容易である。これに対して上記ラジアル荷重Ｆｚ、アキシアル荷重Ｆｙ、ハブ１１の回転速度ｎi は、運転状態に応じて絶えず変化するので、初期設定等によりその影響を排除する事はできない。
【００１５】
この様な事情に鑑みて先発明では、前述した様に、ラジアル荷重Ｆｚを求める場合には、前記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂが検出する各列の玉８ａ、８ｂの公転速度の和を求める事により、上記アキシアル荷重Ｆｙの影響を少なくしている。又、アキシアル荷重Ｆｙを求める場合には、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度の差を求める事で、上記ラジアル荷重Ｆｚの影響を少なくしている。更に、何れの場合でも、上記和又は差と、前記回転速度検出用センサ７が検出する上記ハブ１１の回転速度ｎi との比に基づいて上記ラジアル荷重Ｆｚ又は上記アキシアル荷重Ｆｙを算出する事により、上記ハブ１１の回転速度ｎi の影響を排除している。但し、上記アキシアル荷重Ｆｙを、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度の比に基づいて算出する場合には、上記ハブ１１の回転速度ｎi は、必ずしも必要ではない。
【００１６】
尚、上記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂの信号に基づいて上記ラジアル荷重Ｆｚとアキシアル荷重Ｆｙとのうちの一方又は双方の荷重を算出する方法は、他にも各種存在するが、この様な方法に就いては、前述の特願２００３−１７１７１５号、１７２４８３号、特願２００４−７６５５号に詳しく説明されているし、本発明の要旨とも関係しないので、詳しい説明は省略する。
【００１７】
又、図１に示した構造は、上記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂと上記回転速度検出用センサ７とを、単一のセンサユニット４の先端部５に保持した構造であるが、これら各センサ６ａ、６ｂ、７は、別々に設置しても良い。又、例えば、図５に示す様に、１対の公転速度検出用センサ６ａ、６ｂを、センサユニット４ａの先端部５ａに保持し、回転速度検出用センサ７ａを、外輪１の内端部に嵌合固定したカバー１４に保持しても良い。この場合、回転速度検出用エンコーダ１２ａは、ハブ１１の内端部に嵌合固定する。
【００１８】
何れにしても、上述の様な転がり軸受ユニットの荷重測定装置により測定した荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）は、路面（地面）と車輪（タイヤ）との接触面で生じている荷重と等価である。従って、上記測定した荷重に基づいて車両の走行状態を安定化させる為の制御を行なえば、車両の姿勢が不安定になる事を予防できてフィードフォワード制御が可能になる等、車両の走行安定性確保の為の高度な制御が可能になる。
【００１９】
上述の様な先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置により、上記外輪１と上記ハブ１１との間に加わる荷重を求める為には、ハブ１１の回転速度ｎi 及び上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbと上記ラジアル荷重Ｆｚ又は上記アキシアル荷重Ｆｙとの関係（ゲイン特性並びに零点）を正確に把握しておく必要がある。この点に関し、基本的には、転がり軸受ユニットを工場から出荷するのに先立ち、無負荷状態（荷重零の状態）で回転させて、公転速度の零点、即ち、上記ラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙが零である場合に於ける上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbを把握しておく。
【００２０】
又、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbの変化量と上記ラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙとの関係である荷重ゲインに関しても、工場から出荷するのに先立って求めておく。この場合、例えば、上記転がり軸受ユニットに既知の荷重を負荷させた状態で上記ハブ１１を回転させて上記公転速度ｎca、ｎcbを計測し、これら荷重と公転速度ｎca、ｎcbとの関係（荷重ゲイン）を予め把握しておく。或は、荷重を負荷しない状態での公転速度ｎca、ｎcbから接触角αa 、αb の初期値を算出し、この初期値から、転がり軸受ユニットの分野で広く知られているヘルツの理論等を利用して、上記公転速度ｎca、ｎcbの変化量と転がり軸受ユニットに加わる荷重Ｆｚ、Ｆｙとの関係（荷重ゲイン：荷重に基づく公転速度の変化特性：ゲイン特性）を、予め設計的に規定しておく。更には、上述の様な方法により求めた、荷重ゲイン（ゲイン特性）と零点とが予め設定しておいた範囲に納まっている転がり軸受ユニットだけを選別して出荷する。
【００２１】
何れの方法を採用した場合でも、転がり軸受ユニットが設計通り組み付けられ、且つ、荷重が加わらない状態での接触角αa 、αb が工場で出荷に先立って計測されたままであれば、上記公転速度ｎca、ｎcbに基づいて上記荷重Ｆｚ、Ｆｙを、自動車の安定性確保の為の制御に必要な精度で求められる。但し、自動車の転がり軸受ユニットの場合、上記荷重が加わらない状態での接触角αa 、αb は、長期間に亙る走行に伴う予圧の低下等により変化する可能性がある。又、駆動輪（ＦＲ車、ＲＲ車、ＭＲ車の後輪、ＦＦ車の前輪、４ＷＤ車の全輪）用として使用する転がり軸受ユニットのうちには、内輪相当部材であるハブを構成するハブ本体と内輪との結合固定が、このハブを等速ジョイントに結合固定した状態で初めて完了する構造のものがある。この様な構造の転がり軸受ユニットの場合、各転動体に付与する予圧の値は、上記ハブを等速ジョイントに結合固定した状態で確定する。そして、このハブを等速ジョイントに結合固定する作業は、上記転がり軸受ユニットの製造工場ではなく、自動車の組立工場で行なう。従って、転がり軸受ユニットの製造工場で前記ゲイン特性並びに零点を把握していても、実際に自動車に組み付けられた状態でのゲイン特性並びに零点はこれと異なる事態も考えられる。何れにしても、その時点でのゲイン特性並びに零点が、初期に把握していたゲイン特性並びに零点と異なると、上記転がり軸受ユニットに加わる荷重を正確には求められなくなる。
【００２２】
この様な事情に鑑みて、特願２００３−３３６７０１号には、車両の走行中にゲイン特性並びに零点を補正する転がり軸受ユニットの荷重測定装置に関する発明が開示されている。この先発明の構造では、演算器は、各公転速度検出用センサの検出信号に基づき、上記荷重を算出する事に加えて、車両の安定走行時に、車体に加わる横加速度、走行速度、ヨーレート、或は前輪に付与された舵角等から荷重を推定する。そして、この推定値と上記各公転速度検出用センサの検出信号から算出した荷重とを比較し、算出の為のゲイン特性や零点の自己学習及び補正を行なう。
【００２３】
この様な先発明の構造により、上記ゲイン特性や零点の精度を或る程度確保できるが、荷重の測定精度をより向上させる為には改良が望まれる。即ち、上記先発明の様に、横加速度、走行速度、ヨーレート、操舵角等から推定した荷重は、車両の重量によって変化する為、この重量の変動分が誤差として入り込む事になる。この為、上記ゲイン特性や零点を大まかに補正する事はできるが、車両の重量を一定としない限り、それだけでは、正確な補正を行なう事はできない。例えば、自動車の場合でも、乗員が運転者１人だけの場合と、フル乗車或はフル積載とでは、車両重量が大きく異なる。そして、これら両極端の場合に発生する荷重は、標準質量に基づいて、横加速度、走行速度、ヨーレート、操舵角等の情報から推定した荷重と異なる。この為、この推定した荷重と上記各公転速度検出用センサの検出信号から算出した荷重とを比較しても、これら各公転速度検出用センサの検出信号から荷重を算出する為のゲイン特性や零点の自己学習及び補正を正しく行なう事はできない。
【００２４】
【特許文献１】特開２００１−２１５７７号公報
【特許文献２】特開平３−２０９０１６号公報
【特許文献３】特公昭６２−３３６５号公報
【非特許文献１】青山元男著、「レッドバッジスーパー図解シリーズ／クルマの最新メカがわかる本」、ｐ．１３８−１３９、ｐ．１４６−１４９、株式会社三推社／株式会社講談社、平成１３年１２月２０日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、長期間に亙る使用等に伴って、転がり軸受ユニットの特性（特に予圧）が変化した場合でも、この転がり軸受ユニットに加わる荷重を、前述した先発明の場合よりも更に正確に求められる荷重測定装置を実現すべく発明したものである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、前述した先発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置と同様に、外輪相当部材と、内輪相当部材と、複数個の転動体と、公転速度検出用センサと、演算器とを備える。
このうちの外輪相当部材は、内周面に外輪軌道を有する。
又、上記内輪相当部材は、上記外輪相当部材の内径側にこの外輪相当部材と同心に配置されたもので、外周面に内輪軌道を有する。
又、上記各転動体は、この内輪軌道と上記外輪軌道との間に、接触角を付与した状態で設けられている。
又、上記公転速度検出用センサは、上記各転動体の公転速度を検出する。
又、上記演算器は、この公転速度検出用センサから送り込まれる検出信号に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する。
更に、上記演算器は、この荷重を算出する第一の機能に加えて、上記各転動体に加わる予圧を推定する第二の機能と、この第二の機能により推定した予圧に基づいて、上記検出信号に基づいて上記荷重を算出する際の零点及びゲイン特性を補正する第三の機能とを有する。
【発明の効果】
【００２７】
上述の様に構成する本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、転動体の公転速度を検出する事により、転がり軸受ユニットに負荷される荷重を測定できる。即ち、玉軸受の如き転がり軸受ユニットに荷重が負荷されると、転動体（玉）の接触角が変化し、これら各転動体の公転速度が変化する。そこで、この公転速度を検出すれば、外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用する荷重を求められる。
更に、本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、演算器が、第二の機能により各転動体に加わる予圧を推定し、この予圧の推定値に基づいて第三の機能により荷重を算出する際の零点及びゲイン特性を補正する。この為、長期間に亙る使用等に拘らず、第一の機能により、外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用する荷重を正確に算出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した様に、外輪相当部材と内輪相当部材とのうちの一方で使用時に回転する部材である回転側軌道輪部材の回転速度を検出する為の回転速度検出用センサを備える。そして、第二の機能による予圧の推定を、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間にアキシアル荷重が作用していない状態での、各転動体の公転速度と上記回転側軌道輪部材の回転速度との関係に基づいて行なう。
この様に構成すれば、この回転速度の変動に拘らず、上記予圧の推定を正確に行なえる。
【００２９】
又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項３に記載した様に、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材とのうちの一方で使用時に回転する部材である回転側軌道輪部材に車輪を結合固定し、これら外輪相当部材と内輪相当部材とのうちの他方で使用時にも回転しない部材である静止側軌道輪部材を懸架装置に結合固定した状態で、上記外輪相当部材と内輪相当部材との間に加わる荷重を求める為に使用する。
この様に構成すれば、上記車輪に加わる荷重を正確に求めて、この車輪を有する車両の走行安定性確保の為の制御を有効に図れる。
【００３０】
又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項４に記載した様に、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材とのうちの一方で使用時に回転する部材である回転側軌道輪部材の回転速度を検出する為の回転速度検出用センサを備える。又、この回転側軌道輪部材に車輪を結合固定し、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材とのうちの他方で使用時にも回転しない部材である静止側軌道輪部材を懸架装置に結合固定した状態で、この懸架装置と上記車輪との間に加わる荷重を求める為に使用する。そして、上記第二の機能による予圧の推定を、上記車輪を地面から浮上させた状態での、上記各転動体の公転速度と上記回転側軌道輪部材の回転速度との関係に基づいて行なう。
この様に構成すれば、車体の重量に基づくラジアル荷重の影響をなくして、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間（懸架装置と車輪との間）に加わる荷重を求める為に必要な零点及びゲイン特性を、アキシアル荷重に関する零点及びゲイン特性に限らず、ラジアル荷重に関する零点及びゲイン特性に就いても、正確に求められる。
【００３１】
又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項５に記載した様に、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材とのうちの一方で使用時に回転する部材である回転側軌道輪部材の回転速度を検出する為の回転速度検出用センサを備える。又、演算器が第一の機能により算出する荷重を、外輪相当部材と内輪相当部材との間（懸架装置と車輪との間）に作用するアキシアル荷重とする。そして、第二の機能による予圧の推定を、車両が直進走行中に測定した、各転動体の公転速度と上記回転側軌道輪部材の回転速度との関係に基づいて行なう。
この様な請求項５に記載した転がり軸受ユニットの荷重測定装置を実施する場合には、例えば、請求項６に記載した様に、車両が直進走行中であるか否かを、車体に設置されている、前輪に付与されている舵角を検出する舵角センサと、横方向の加速度を検出する加速度センサと、ヨーレートセンサとのうちから選択された１乃至２以上のセンサの信号に基づいて推定する。
或は、請求項７に記載した様に、車両が直進走行中であるか否かを、互いに別の車輪の回転速度を表す複数の信号に基づいて推定する。
この様にすれば、乗車人数や積載状態の差により、車両重量が大きく変化した場合であっても、上記各転動体に加わる予圧を正確に推定し、アキシアル荷重算出に関する零点とゲイン特性とを正確に求めて、このアキシアル荷重を正確に算出できる。
【００３２】
又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項８に記載した様に、外輪相当部材の内周面に複列アンギュラ型の外輪軌道を、内輪相当部材の外周面に複列アンギュラ型の内輪軌道を、それぞれ形成する。そして、これら各外輪軌道と各内輪軌道との間に、それぞれが転動体である複数個の玉を、各列毎に複数個ずつ配置する。
この様な構造で本発明を実施すれば、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重の測定精度を良好にできる。即ち、本発明は、転動体に接触角を付与した転がり軸受であれば、複列アンギュラ型の玉軸受に限らず、単列玉軸受や複列円すいころ軸受でも実施できるが、複列アンギュラ玉軸受であれば、予圧変動に伴って各転動体の公転速度が明りょうに変化する為、予圧変動を捉え、荷重算出に関する零点とゲイン特性とを正確に求められる。
【実施例】
【００３３】
本発明の実施例に就いて説明する。尚、本実施例の特徴は、前述の図１、５に示した先発明の構造の様に、複列に配置された各玉８ａ、８ｂの公転速度、延いては転がり軸受ユニットに加わる荷重を、長期間に亙る使用後、或は自動車の組立工場での組み付け後にも正確に求められる、転がり軸受ユニットの荷重測定装置を実現すべく、転がり軸受ユニットの経年変化或は組み付け誤差の影響を排除する点にある。その他の部分の構成及び作用は、前述の図１〜５で説明した先発明の場合と同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は省略し、以下、本実施例の特徴である、上記経年変化或は組み付け誤差の影響を排除する点に就いて説明する。
【００３４】
本発明が対象とする転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度、具体的には、これら各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbとハブ１１の回転速度ｎi との比「ｎca／ｎi 、ｎcb／ｎi 」、或は、両列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcb同士の比「ｎca／ｎcb」を求める。そして、これら各比に関する、前述の図３、４に示す様な関係に基づいて、外輪１とハブ１１との間に加わるラジアル荷重又はアキシアル荷重を算出する。何れの場合でも、上記公転速度ｎca、ｎcb（必要に応じて上記ハブ１１の回転速度ｎi ）により上記ラジアル荷重Ｆｚ又はアキシアル荷重Ｆｙを算出する場合には、これら各速度ｎca、ｎcb、ｎi に関する比と、これら各荷重Ｆｚ、Ｆｙとの関係を示す、零点及びゲイン特性が必要になる。そして、これら零点及びゲイン特性は、転がり軸受ユニット各部の寸法と予圧Ｆ0 とによって定まる。このうちの各部の寸法は、車体への取り付け作業時に異なったり、経年的に変化する事はない。仮に各部の寸法が変化するとすれば、転がり軸受ユニットが寿命限界を超えて使用され、外輪、内輪各軌道２、１３や玉８ａ、８ｂが磨耗した状態と考えられる。この様な場合には、荷重測定装置の特性を論じる以前に、転がり軸受ユニットを交換しなければならない。これに対して、上記予圧Ｆ0 は、前述した様に、ハブ１１を等速ジョイントに結合固定する際の作業工程の相違により異なる可能性がある他、経年変化する可能性もある。
【００３５】
従って、上記各速度ｎca、ｎcb、ｎi に基づいて上記各荷重Ｆｚ、Ｆｙを正確に求める為には、上記予圧Ｆ0 の値を正確に把握する必要がある。逆に言えば、上記各荷重を求める為に必要となる、転がり軸受ユニットに関する予圧Ｆ0 以外の寸法諸元は変化しないので、予圧Ｆ0 を正確に把握できれば、上記零点及びゲイン特性を推定できる。そして、把握した予圧Ｆ0 の値に応じて零点及びゲイン特性を補正する事により、上記各速度ｎca、ｎcb、ｎi に基づいて上記各荷重Ｆｚ、Ｆｙを正確に求める事ができる。即ち、予圧Ｆ0 と零点及びゲイン特性との関係は、予め設計的に予測できるし、或は実験的に求めて、各転がり軸受ユニットにＩＣタグ等により、当該転がり軸受ユニット毎の情報（零点及びゲイン特性）を付加しておく事もできる。
【００３６】
図６は、前記各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbとハブ１１の回転速度ｎi との比「ｎca／ｎi 、ｎcb／ｎi 」と、上記アキシアル荷重Ｆｙとの関係の３例に就いて示している。予圧Ｆ0 の値がＡ、Ｂ、Ｃと異なる場合、零点（各曲線と縦軸との交点）及びゲイン特性（各曲線の傾斜角度）が異なる。この図６から、上記各玉８ａ、８ｂの予圧Ｆ0 が正確に分からない限り、転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重を正確に求められない事が分かる。同時に、上記各玉８ａ、８ｂの予圧Ｆ0 が正確に分かれば、転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重を正確に求められる事も分かる。
【００３７】
一方、上記各玉８ａ、８ｂの予圧Ｆ0 は、転がり軸受ユニットに外部荷重が作用していない状態での、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbとハブ１１の回転速度ｎi との比「ｎca／ｎi 、ｎcb／ｎi 」から求める事ができる。図７は、何れかの列の転動体の公転速度ｎc とハブ１１の回転速度ｎi との比「ｎc ／ｎi 」と、予圧Ｆ0 との関係の１例を示している。この様な図７から明らかな通り、公転速度ｎc とハブ１１の回転速度ｎi との比「ｎc ／ｎi 」を計測すば、上記各玉８ａ、８ｂの予圧Ｆ0 を推定できる。この場合に、上記転がり軸受ユニットに外部荷重が作用しない状態とする為には、この転がり軸受ユニットにより懸架装置に回転自在に支持された車輪を地面から浮き上がらせた状態で、この車輪と共に上記ハブ１１を回転させれば良い。この状態でも、厳密にはタイヤ、ホイール、ブレーキロータ等の重量に基づき、上記ハブ１１と外輪１との間にはラジアル荷重が作用している。但し、上記タイヤ等の重量は、車両の走行安定性確保の為の信号を得る為に、本発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置により求めるラジアル荷重に比べれば、遥かに小さい。従って、上記各玉８ａ、８ｂの予圧Ｆ0 を求める為に、上記車輪を地面から浮き上がらせた状態で、この車輪と共に上記ハブ１１を回転させる事は有効である。この場合には、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbに基づいてアキシアル荷重Ｆｙを求める為の零点及びゲイン特性の補正は勿論、ラジアル荷重Ｆｙを求める為の零点及びゲイン特性の補正も行なえる。尚、上記車輪が駆動輪の場合には、車体をジャッキアップした状態でエンジンによりこの駆動輪を回転させるのに対して、車輪が従動輪の場合には、作業者がこの従動輪を回転させる等、外部からこの従動輪を回転させる。
【００３８】
但し、上述の様に、車輪を地面から浮き上がらせる方法の場合、車両をジャッキアップしなければならない。従って、車両整備を行なう際には予圧Ｆ0 を求め、この予圧Ｆ0 に基づいて零点及びゲイン特性を補正できるが、走行中にはこの補正を行なえない。
これに対して、車両が直進走行中であれば、ラジアル荷重Ｆｚを求める為の零点及びゲイン特性の補正は行なえないが、アキシアル荷重Ｆｙを求める為の零点及びゲイン特性の補正であれば、走行中でも行なう事ができる。
【００３９】
この場合の様に、直進走行中にアキシアル荷重Ｆｙを求める為の零点及びゲイン特性の補正を行なうには、直進走行中に測定した、何れか又は双方の列の各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbと、ハブ１１の回転速度ｎi との比「ｎca／ｎi 、ｎcb／ｎi 」に基づいて、上記各玉８ａ、８ｂの予圧Ｆ0 を推定する。即ち、直進走行中には転がり軸受ユニットに、アキシアル荷重Ｆｙが殆ど発生していないと考えられるので、この直進走行中に上記補正を実施する。尚、直進走行中であっても、車重等によるラジアル荷重Ｆｚが転がり軸受ユニットに作用しているが、このラジアル荷重Ｆｚを考慮した上で、図７に示した様な、予圧Ｆ0 と、何れか又は双方の列の各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbとハブ１１の回転速度ｎi との比「ｎca／ｎi 、ｎcb／ｎi 」との関係を示す特性線図を、予め求めておく。そして、この特性線図に示した様な関係を、実験式或はマップとして、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbに基づいて上記アキシアル荷重Ｆｙを求める演算器に記憶させておく。
【００４０】
但し、発明の背景部分で述べた様に、乗員が運転者１人だけの場合と、フル乗車或はフル積載とでは、車両重量が大きく異なる。又、予圧Ｆ0 による公転速度ｎca、ｎcbの変動と、この車両重量を含むラジアル荷重の変動に基づく公転速度ｎca、ｎcbの変動とを分離する事はできない。従って、厳密に言えば、上述の様に直進走行中に求めた上記比「ｎca／ｎi 、ｎcb／ｎi 」に基づいて、上記各玉８ａ、８ｂの予圧Ｆ0 を正確に推定する事はできず、推定した予圧Ｆ0 に基づく補正も不正確になる事は避けられない。但し、この場合には、意図的に、図８に示す様に、アキシアル荷重Ｆｙに対するゲインを大きくする反面、図９に示す様に、ラジアル荷重Ｆｚに対するゲインを小さくする設計を行なう。図８、９に示した例では、アキシアル荷重Ｆｙに対するゲインを、ラジアル荷重Ｆｚに対するゲインの１０倍程度に設定している。
【００４１】
この様な特性は、上記各玉８ａ、８ｂの接触角αa 、αb を小さくする事で可能である。そして、転がり軸受ユニットの荷重測定装置を、アキシアル荷重Ｆｙを測定する為にのみ使用する（ラジアル荷重Ｆｚを測定する為には使用しない）。この様に、測定すべき荷重をアキシアル荷重Ｆｙに限定し、アキシアル荷重Ｆｙに対するゲインをラジアル荷重Ｆｚに対するゲインよりも十分に大きくすれば、直進走行時に於ける上記各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbと、ハブ１１の回転速度ｎi との比「ｎca／ｎi 、ｎcb／ｎi 」に基づいて、上記各玉８ａ、８ｂの予圧Ｆ0 を推定し、上記アキシアル荷重Ｆｙを求める為の零点及びゲイン特性を補正できる。
【００４２】
又、車両の走行状態が直進状態であるか否かは、車両に搭載されている舵角センサ、加速度センサ、ヨーレートセンサ等の情報に基づいて判断できる。直進走行状態であれば、操舵角、横加速度、ヨーレートが、何れもほぼ零となる。従って、上記各センサのうちから選択された１乃至２以上のセンサの信号に基づいて、上記走行状態が直進状態であるか否かを推定する。具体的には、選択されたセンサから得られる情報の何れか、或は総てが、予め規定した閾値以下であれば、直進走行状態であると推定する。尚、操舵角が或る一定の値であっても、走行速度によって、発生するアキシアル荷重は変化する為、舵角センサやヨーレートセンサの検出信号に基づく閾値は、走行速度に応じて可変にする事が望ましい。又、好ましくは、走行速度の変化が小さい、即ち、定速走行時若しくはそれに近い状態の時に、上記零点及びゲイン特性の補正を実施する事が、補正を正確に行なう面から好ましい。定速走行状態にあるか否かは、車輪の回転速度で判断しても良いし、前後方向の加速度を検知する為の加速度センサの検出値から判断しても良い。更に、上記零点及びゲイン特性の補正は、ブレーキが作動していない状態で行なう事が好ましい。この理由は、ブレーキが作動している状態で上記補正を行なうと、キャリパがパッドをディスクに押し付ける荷重が、このディスクを固定したハブ１１にも、アキシアル荷重として作用する可能性がある為である。
【００４３】
又、直進走行状態にあるか否かは、左右の車輪の回転速度を検出するセンサ（各転がり軸受ユニットに組み込んだ回転速度検出センサ７、７ａ）の検出信号に基づいてを判断する事もできる。即ち、左右両車輪（を固定したハブ１１）の回転速度がほぼ等しければ、車両が直進走行状態であると推定できる。この場合には、アキシアル荷重Ｆｙの算出にも使用する場合もある、上記回転速度検出センサ７、７ａの検出信号により直進状態であるか否かを推定するので、この推定作業を、上記アキシアル荷重Ｆｙを算出する演算器の中だけで（外部から信号を取り入れせずに）行なって、上記零点とゲイン特性との補正を行なえる。
【００４４】
尚、本発明の様に、荷重を算出する際に使用する零点及びゲイン特性を補正する技術は、前述した特願２００４−７６５５号に開示されている様に、両列の玉８ａ、８ｂの公転速度から、或は両列の公転速度とハブ１１の回転速度とから荷重を検出する構造の何れにも適用できる。更に、何れか一方の列の公転速度とハブ１１の回転速度とから荷重を算出する構造にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の対象となる転がり軸受ユニットの荷重測定装置の第１例を示す断面図。
【図２】転がり軸受ユニットに加わる荷重を求められる理由を説明する為の模式図。
【図３】転動体の公転速度と回転輪の回転速度との比と、ラジアル荷重との関係を示す線図。
【図４】転動体の公転速度と回転輪の回転速度との比と、アキシアル荷重との関係を示す線図。
【図５】本発明の対象となる転がり軸受ユニットの荷重測定装置の第２例を示す断面図。
【図６】転動体の公転速度と回転輪の回転速度との比と、アキシアル荷重と、予圧との関係の１例を示す線図。
【図７】転動体の公転速度と回転輪の回転速度との比と、予圧との関係の１例を示す線図。
【図８】転動体の公転速度と回転輪の回転速度との比と、アキシアル荷重との関係の１例を示す線図。
【図９】転動体の公転速度と回転輪の回転速度との比と、ラジアル荷重との関係の１例を示す線図。
【符号の説明】
【００４６】
１    外輪
２    外輪軌道
３    取付孔
４、４ａ  センサユニット
５、５ａ  先端部
６ａ、６ｂ  公転速度検出用センサ
７、７ａ  回転速度検出用センサ
８ａ、８ｂ  玉
９ａ、９ｂ  保持器
１０ａ、１０ｂ  公転速度検出用エンコーダ
１１    ハブ
１２、１２ａ  回転速度検出用エンコーダ
１３    内輪軌道
１４    カバー
【図１】
2005321236.tif 000003
【図２】
2005321236.tif 000004
【図３】
2005321236.tif 000005
【図４】
2005321236.tif 000006
【図５】
2005321236.tif 000007
【図６】
2005321236.tif 000008
【図７】
2005321236.tif 000009
【図８】
2005321236.tif 000010
【図９】
2005321236.tif 000011