センサ付き車輪用軸受装置
【課題】 軸受の荷重状態を簡単で正確に検出できるセンサ付き車輪用軸受装置を提供する。
【解決手段】外方部材と内方部材の間に複列の転動体を介在させた車輪用軸受において、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に歪みセンサ２１と処理回路４０を取付ける。歪みセンサ２１は、前記固定側部材に固定された歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられた歪み測定用のセンサ素子を含む。前記処理回路４０は、増幅回路４１、オフセット調整回路４２、記憶手段４３、補正手段４４、および外部インタフェース４５を有する。前記記憶手段４３には、前記歪みセンサ２１および軸受の個体差となる特性が記憶され、前記補正手段４４は前記記憶手段４３の記憶内容に従ってセンサ素子の出力を補正する。前記外部インタフェース４５は、前記記憶手段４３に対して入力が可能なものである。
【解決手段】外方部材と内方部材の間に複列の転動体を介在させた車輪用軸受において、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に歪みセンサ２１と処理回路４０を取付ける。歪みセンサ２１は、前記固定側部材に固定された歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられた歪み測定用のセンサ素子を含む。前記処理回路４０は、増幅回路４１、オフセット調整回路４２、記憶手段４３、補正手段４４、および外部インタフェース４５を有する。前記記憶手段４３には、前記歪みセンサ２１および軸受の個体差となる特性が記憶され、前記補正手段４４は前記記憶手段４３の記憶内容に従ってセンサ素子の出力を補正する。前記外部インタフェース４５は、前記記憶手段４３に対して入力が可能なものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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内蔵したセンサ付き車輪用軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の安全走行のために、各車輪の回転速度を検出するセンサを車輪用軸受に設けたものがある。従来の一般的な自動車の走行安全性確保対策は、各部の車輪の回転速度を検出することで行われているが、車輪の回転速度だけでは十分でなく、その他のセンサ信号を用いてさらに安全面の制御が可能なことが求められている。
【０００３】
そこで、車両走行時に各車輪に作用する荷重から姿勢制御を図ることも考えられる。例えばコーナリングにおいては外側車輪に大きな荷重がかかり、また左右傾斜面走行では片側車輪に、ブレーキングにおいては前輪にそれぞれ荷重が片寄るなど、各車輪にかかる荷重は均等ではない。また、積載荷重不均等の場合にも各車輪にかかる荷重は不均等になる。このため、車輪にかかる荷重を随時検出できれば、その検出結果に基づき、事前にサスペンション等を制御することで、車両走行時の姿勢制御（コーナリング時のローリング防止、ブレーキング時の前輪沈み込み防止、積載荷重不均等による沈み込み防止等）を行うことが可能となる。しかし、車輪に作用する荷重を検出するセンサの適切な設置場所がなく、荷重検出による姿勢制御の実現が難しい。
【０００４】
また、今後ステアバイワイヤが導入されて、車軸とステアリングが機械的に結合しないシステムになってくると、車軸方向荷重を検出して運転手が握るハンドルに路面情報を伝達することが求められる。
【０００５】
このような要請に応えるものとして、車輪用軸受の外輪に歪みゲージを貼り付け、歪みを検出するようにした車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特表２００３−５３０５６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
車輪用軸受の外輪は、転走面を有し、強度が求められる部品であって、塑性加工や、旋削加工、熱処理、研削加工などの複雑な工程を経て生産される軸受部品であるため、特許文献１のように外輪に歪みゲージを貼り付けるのでは、生産性が悪く、量産時のコストが高くなるという問題点がある。また、外輪の歪みを感度良く検出することが難しく、その検出結果を車両走行時の姿勢制御に利用した場合、制御の精度が問題となる。
【０００７】
そこで、歪み発生部材に歪み測定用のセンサ素子を取付けて歪みセンサとし、この歪みセンサを外輪の周面に取付けることを試みた。試行錯誤の結果、外輪歪みの検出感度を向上させるためには、歪み発生部材は外輪に対して２箇所の接触固定部を有するものであって、これら接触固定部のうち片方の接触固定部を外輪のフランジ面に固定し、もう片方の接触固定部を外輪の外周面に固定するのが良いことが分かった。
【０００８】
しかし、このような構成とした場合にも、以下に挙げるような問題がある。
・ 歪み発生部材を用いた歪み計測に基づく荷重推定を行うが、温度特性、センサ素子の個体差、特性の非線形、さらには取付け状態による特性変化などがあり、これらを補償する機能を備えていないと正確な荷重測定ができない。
・ センサ素子の出力信号を受け取る車体側の電気制御ユニット（ＥＣＵ）で補正することも可能だが、それぞれの部品に特有な補正処理を個別にプログラムして行うのは煩雑で非効率的である。
・ センサ付き軸受装置の単体で性能を確保したいが、このためには、センサ素子の出力信号を利用する車体側で軸受のセンサ特性個体差を無くすか、あるいは軸受に補償機能を付与する必要がある。
・ 使用中の環境変化や経年変化による感度特性やオフセットの変化を検知・判断し、定期的に較正する機能も望まれる。
・ 自動車などの情報通信網に接続するインタフェースを備えていることも望まれる。
【０００９】
この発明の目的は、軸受の荷重状態を簡単で正確に検出できるセンサ付き車輪用軸受装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明のセンサ付き車輪用軸受装置は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、前記各転走面に対向する転走面を外周に有する内方部材と、各列の転走面間に介在した複列の転走面を有する転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置において、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に固定された歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられた歪み測定用のセンサ素子を含む歪みセンサと、この歪みセンサの前記センサ素子の出力する歪み信号を処理する処理回路とを備え、前記処理回路が、増幅回路、オフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および外部インタフェースを有し、前記記憶手段は、前記歪みセンサおよび軸受の個体差となる特性が記憶され、前記補正手段は前記記憶手段の記憶内容に従ってセンサ素子の出力を補正するものとし、前記外部インタフェースは、前記記憶手段に対して入力が可能なものとしたことを特徴とする。
この構成によると、センサ素子の出力する歪み信号を処理する処理回路を備え、この処理回路が、増幅回路、オフセット調整回路、記憶手段、補正手段を有するため、軸受で検出した荷重信号を処理回路により適正に較正された状態で出力するができる。そのため、信号を利用する車体側では軸受の荷重状態を簡単で正確に得ることができる。
また、前記記憶手段は、前記歪みセンサおよび軸受の個体差となる特性が記憶され、前記補正手段は前記記憶手段の記憶内容に従ってセンサ素子の出力を補正するものとしたため、歪みセンサおよび軸受の個体差が処理回路で補償される。そのため、車体側ではこのセンサ付き軸受装置が組み込まれると、ただちに歪みセンサの出力信号を利用することができ、較正などが不要である。
処理回路は外部インタフェースを有するので、記憶手段への補正データの入力や、記憶されている補正データの修正、ＩＤ情報の読み出しなどを外部から行うことができる。また、経年変化あるいは衝撃荷重によるオフセット変化分を検出し、外部から修正して、正確な荷重検出能力を保つことも可能となる。
【００１１】
この発明において、前記歪みセンサの前記歪み発生部材は、固定側部材に対して２箇所の接触固定部を有し、前記接触固定部のうち第１の接触固定部は前記固定側部材に設けられたフランジ面であり、第２の接触固定部材は前記固定側部材の周面であっても良い。この構成の場合、第１および第２の接触固定部の径方向位置が異なり、固定側部材の歪みが歪み発生部材に転写かつ拡大して現れやすくなる。この転写かつ拡大された歪みをセンサ素子で測定するため、固定側部材の歪みを感度良く検出でき、荷重の測定精度が高くなる。
【００１２】
この発明において、前記補正回路として線形補正回路を有し、前記オフセット調整回路がオフセット補償機能を有するものであり、前記処理回路は、前記増幅回路、オフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および外部インタフェースに加えて、信号出力回路、並びにこれらオフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および信号出力回路のうちのいずれかを制御するコントロール回路を有するものとしても良い。このようにコントロール回路が設けられていると、処理回路の出力の精度を向上させることが容易である。
【００１３】
この発明において、前記記憶手段は、前記歪みセンサの感度補正値，温度補正値、および軸受の識別コードを記憶したものであり、前記処理回路は前記記憶手段の記憶内容に従って回路動作を制御するものであっても良い。この構成の場合、歪みセンサの感度補正や温度補正が行え、またはこの補正のための入力，更新，管理等が、識別コードを用いて軸受の個体毎に管理できる。
【００１４】
この発明において、前記記憶手段の記憶内容を前記処理回路に対する外部から読み書きする読み書き手段を有するものであっても良い。このように外部から読み書きする読み書き手段が設けられていると、記憶手段に対する読み書きが容易に行える。
【００１５】
この発明において、前記読み書き手段がワイヤレス通信手段であっても良い。この構成の場合、省配線化、小型化が可能になる。前記記憶手段に対する読み書きは、常時は不要であるため、前記読み書き手段がワイヤレス通信手段であると、必要時に簡単に読み書きできて、かつハーネス等の配線系の煩雑化が回避できる。
【００１６】
この発明において、前記外部インタフェースが、自動車の車体制御系通信バスに接続可能な形式のものであっても良い。この構成の場合、汎用性が高くなり、容易な接続が可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明のセンサ付き車輪用軸受装置は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、前記各転走面に対向する転走面を外周に有する内方部材と、各列の転走面間に介在した複列の転走面を有する転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置において、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に固定された歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられた歪み測定用のセンサ素子を含む歪みセンサと、この歪みセンサの前記センサ素子の出力する歪み信号を処理する処理回路とを備え、前記処理回路が、増幅回路、オフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および外部インタフェースを有し、前記記憶手段は、前記歪みセンサおよび軸受の個体差となる特性が記憶され、前記補正手段は前記記憶手段の記憶内容に従ってセンサ素子の出力を補正するものとし、前記外部インタフェースは、前記記憶手段に対して入力が可能なものとしたため、軸受で検出した荷重信号が処理回路により適正に較正された状態で出力される。そのため、信号を利用する車体側では軸受の荷重状態を簡単で正確に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
この発明の実施形態を図１ないし図１３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。
【００１９】
このセンサ付き車輪用軸受装置における軸受は、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、各転走面３，４は接触角が外向き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、密封装置７，８によりそれぞれ密封されている。
【００２０】
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）におけるナックルに取付けるフランジ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、周方向の複数箇所に車体取付孔１４が設けられている。
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、ホイールおよび制動部品（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。
【００２１】
外方部材１の外周部には、歪みセンサ２１と、センサ信号処理回路を有するセンサ信号処理回路ユニット２５とが設けられている。歪みセンサ２１は、歪み発生部材２２に、この歪み発生部材２２の歪みを測定するセンサ素子２３等を取付けたものである。
【００２２】
前記歪みセンサ２１の一構成例を図４に示す。この歪みセンサ２１において、歪み発生部材２２は、外方部材１のフランジ１ａにおける車体取付孔１４の近傍のフランジ面に接触固定される第１の接触固定部２２ａと、外方部材１の外周面に接触固定される第２の接触固定部２２ｂとを有している。また、歪み発生部材２２は、前記第１の接触固定部２２ａを含む径方向に沿った径方向部位２２ｃと、前記第２の接触固定部２２ｂを含む軸方向に沿った軸方向部位２２ｄとでＬ字の形状に構成されている。径方向部位２２ｃは、軸方向部位２２ｄに比べ、剛性が低くなるよう肉厚を薄くしてある。歪み測定用センサ素子２３は、この剛性の低い径方向部位２２ｃに取付けられている。この歪みセンサ２１の場合、歪み測定用センサ素子２３に隣接して温度センサ素子２４が設けられている。
【００２３】
上記歪みセンサ２１は、図１および図２に示すように、歪み発生部材２２の第１および第２の接触固定部２２ａ，２２ｂにより、両接触固定部２２ａ，２２ｂが外方部材１の周方向に対して同位相の位置となるように、外方部材１の外周部に固定される。第１および第２の接触固定部２２ａ，２２ｂを周方向において同位相とすると、歪み発生部材２２の長さを短くすることができるため、歪みセンサ２１の設置が容易である。歪み測定用センサ素子２３や温度センサ素子２４は、歪み発生部材２２に例えば接着剤を用いて固定される。
【００２４】
歪み発生部材２２は、外方部材１への固定により塑性変形を起こさない形状や材質とされている。また、歪み発生部材２２は、車輪用軸受に予想される最大の荷重が印加された場合でも、塑性変形を起こさない形状とする必要がある。上記の想定される最大の力は、車両故障につながらない走行において想定される最大の力である。歪み発生部材２２に塑性変形が生じると、外方部材１の変形が歪み発生部材２２に正確に伝わらず、歪みの測定に影響を及ぼすためである。
【００２５】
この歪みセンサ２１の歪み発生部材２２は、例えば鋼材等の金属材からプレス加工により製作することができる。歪み発生部材２２をプレス加工品とすると、コストダウンが可能になる。
また、歪み発生部材２２は、金属粉末射出成形による焼結金属品としてもよい。金属粉末射出成形は、金属、金属間化合物等の成形技術の一つであり、金属粉末をバインダーと混練する工程、この混練物を用いて射出成型する工程、成形体の脱脂処理を行なう工程、成形体の焼結を行なう工程を含む。この金属粉末射出成形によれば、一般の粉末冶金に比べて焼結密度の高い焼結体が得られ、焼結金属品を高い寸法精度で製作することができ、また機械的強度も高いという利点がある。
【００２６】
歪み測定用センサ素子２３としては、種々のものを使用することができる。例えば、歪み測定用センサ素子２３が金属箔ストレインゲージで構成されている場合、この金属箔ストレインゲージの耐久性を考慮すると、車輪用軸受に予想される最大の荷重が印加された場合でも、歪み発生部材２２における歪み測定用センサ素子２３取付部分の歪み量が１５００マイクロストレイン以下であることが好ましい。同様の理由から、歪み測定用センサ素子２３が半導体ストレインゲージで構成されている場合は、同歪み量が１０００マイクロストレイン以下であることが好ましい。また、歪み測定用センサ素子２３が厚膜式センサで構成されている場合は、同歪み量が１５００マイクロストレイン以下であることが好ましい。
【００２７】
図４における歪み発生部材２２に取付けられる温度センサ素子２４としては、例えば白金測温抵抗または熱電対またはサーミスタを使用することができる。さらに、これら以外の温度を検出することが可能なセンサを使用することもできる。
【００２８】
この歪みセンサ２１を設けた車軸用軸受では、歪み測定用センサ素子２３が歪み発生部材２２の歪みを検出し、その歪みにより車輪に加わる荷重を測定する。ところで、車輪用軸受は使用中に温度が変化し、その温度変化が歪み発生部材２２の歪み、または歪み測定用センサ素子２３の動作に影響を及ぼす。そこで、歪み発生部材２２に配置した温度センサ素子２４にて歪み発生部材２２の温度を検出し、その検出した温度により歪み測定用センサ素子２３の出力を補正することにより、歪み測定用センサ素子２３の温度による影響を除去することができる。これにより、精度の高い荷重検出を行なうことができる。
【００２９】
図５は、歪みセンサ２１の他の構成例を示す。この歪みセンサ２１では、板材をＬ字状に折り曲げて歪み発生部材２２が形成され、その径方向片２２Ａおよび軸方向片２２Ｂのそれぞれにボルト挿通孔３１，３２が形成されている。歪み測定用センサ素子２３は径方向片２２Ａの片面に固定される。この歪み発生部材２２は、図６に示すように、２つの接触固定部材３３，３４を介して外方部材１の外周部に、ボルト３９で締結される。すなわち、径方向片２２Ａのボルト挿通孔３１から第１の接触固定部材３３のボルト挿通孔３５に挿通させたボルト３９を、外方部材１のフランジ１ａにおける車体取付孔１４の近傍のフランジ面に設けられたボルト孔３７に螺合させ、軸方向片２２Ｂのボルト挿通孔３２から第２の接触固定部材３４のボルト挿通孔３６に挿通させたボルト３９を、外方部材１の外周面に設けられたボルト孔３８に螺合させることで、歪み発生部材２２が外方部材１に締結される。
【００３０】
図５の歪みセンサ２１において、歪み発生部材２２の径方向片２２Ａには４つの歪み測定用センサ素子２３が配置される。この場合の歪み発生部材２２の歪みは、固定部分から折れ曲がり角部２２Ｃに向けて大きくなる傾向にあり、できるだけ折れ曲がり角部２２Ｃに近い位置に歪み測定用センサ素子２３を配置するのが望ましい。計算による結果を図７にグラフで示すように、歪み発生部材２２の板厚をｔとして、折れ曲がり角部２２Ｃからのセンサ素子配置位置までの距離ｘを、ｘ＜３ｔの範囲とすると、効率良く歪みを検出できることが分かっている。
【００３１】
そこで、この歪みセンサ２１では、歪み発生部材２２の径方向片２２Ａにおける歪みを受ける部分（折れ曲がり角部２２Ｃに近い部分）に２つの歪み測定用センサ素子２３を配置し、さらに歪みの影響を受けない部分（折れ曲がり角部２２Ｃから遠い部分）に他の２つの歪み測定用センサ素子２３を配置している。
【００３２】
図８は、歪みセンサ２１のさらに他の構成例を示す。この歪みセンサ２１では、図５の歪みセンサ２１において、歪み発生部材２２の径方向片２２Ａにおける歪みを受ける部分（折れ曲がり角部２２Ｃに近い部分）に、互いに特性が同じか、または特性の異なる２つの歪み測定用センサ素子２３を配置し、歪みの影響を受けない部分（折れ曲がり角部２２Ｃから遠い部分）には歪み測定用センサ素子２３を配置していない。その他の構成は図５の歪みセンサ２１の場合と同様である。
【００３３】
センサ信号処理回路ユニット２５は、図３に示すように、樹脂等で製作されたハウジング２６内に、ガラスエポキシ等で製作された回路基板２７を有し、その回路基板２７上には、前記歪み測定用センサ素子２３の出力信号を処理するオペアンプ、抵抗、マイコン等や歪み測定用センサ素子２３等を駆動する電源用の電気・電子部品２８が配置されている。また、歪み測定用センサ素子２３等の配線と回路基板２７とを接合する接合部２９を有している。また、外部からの電源供給や外部へセンサ信号処理回路によって処理された出力信号を出力するケーブル３０を有している。歪みセンサ２１に歪み測定用センサ素子２３のほかに、前述した温度センサ素子２４等の各種センサ素子が設けられている場合、センサ信号処理回路ユニット２５にはそれぞれのセンサ素子に対応した回路基板２７、電気・電子部品２８、接合部２９、ケーブル３０等が設けられる（図示せず）。
【００３４】
図９は、前記センサ信号処理回路ユニット２５における処理回路４０の構成を示すブロック図である。この処理回路４０は、増幅回路４１、オフセット調整回路４２、記憶手段４３、各種の補正回路４４、外部インタフェース４５、信号出力回路４６、およびコントロール回路４７を有する。コントロール回路４７は、前記オフセット調整回路４２、記憶手段４３、補正回路４４、および信号出力回路４６のうちのいずれかを制御する制御回路である。
【００３５】
図１０には、歪みセンサ２１の回路と、その出力信号を増幅する増幅回路４１との接続構成の一例を示す。この場合の歪みセンサ２１の回路は、図５および図６に示す構成例のものであって、歪みを受ける位置の２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ１）と、歪みの影響を受けない位置の２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ２）とを、ブリッジ接続して構成される。増幅回路４１はオペアンプからなる。
このように、歪みを受ける位置の２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ１）と、歪みの影響を受けない位置の２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ２）とをブリッジ接続して検出回路を構成すると、歪み信号出力が２倍の振幅となり検出感度を高めることができる。なお、前記ブリッジ接続の検出回路において、歪みの影響を受けない位置の２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ２）を設ける代わりに、固定抵抗を設けても良い。基本的には、この歪み信号出力を増幅回路４１で増幅した信号により、つまり、図９の回路におけるＡ部の構成だけで車輪用軸受にかかる荷重を検出することができる。
【００３６】
しかし、歪みセンサ２１には製造上のばらつきがあり、オフセット、感度、温度特性などに個体差がある。さらに、車輪用軸受を車体へ取付ける場合の取付け状態によっても、歪みセンサ２１の感度特性が変化する。前記処理回路４０におけるオフセット調整回路４２や各種の補正回路４４は、上記した個体差を補正する回路である。
【００３７】
すなわち、オフセット調整回路４２は、歪みセンサ２１の初期オフセットと、車輪用軸受への固定によるオフセットを、正規の値に調整するものである。前記歪みセンサ２１に、図４に示したような温度センサ素子２４を設けても良く、この場合には温度センサ素子２４の出力に基づいて、センサオフセットの自動補償をコントロール回路４７で行うことができる。
【００３８】
図１１は、歪みセンサ２１、増幅回路４１、およびオフセット調整回路４２の具体的構成例を示す。この構成例では、オフセット調整回路４２は、オペアンプＯＰ、抵抗Ｒ３，Ｒ４、可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２などからなる加減算器として構成される。このオフセット調整回路４２の場合、オフセット補償機能を有するものとされる。すなわち、コントロール回路４７から、端子Ｔ１に温度センサ素子２４の検出出力に応じた入力電圧ｅ１を入力することによりオフセット値の温度補償が行われ、また個体差の条件に応じて、前記可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２の値をコントロール回路４７で変更することにより、オフセット値の個体差による補償が行われる。
【００３９】
なお、図１１の回路構成例では、歪みセンサ２１として、図８に示した構成の歪みセンサ２１が用いられている。この場合、歪み発生部材２２の径方向片２２Ａにおける歪みを受ける位置に配置された特性の異なる２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ１），２３（Ｓ２）を、２つの固定抵抗Ｒ１，Ｒ２とブリッジ接続して構成される。この場合には、２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ１），２３（Ｓ２）の各出力を加算した振幅の歪み信号出力を得ることができる。
【００４０】
記憶手段４３は例えば不揮発メモリからなり、オフセットの温度特性や、感度、非線形を補正するためのパラメータを記憶する。コントロール回路４７は、これらのパラメータに基づいて、各種の補正回路４４の補正処理を制御する。
例えば、図１２に示すように、歪みセンサ２１の出力特性は車輪に加わる荷重と非線形な関係にあるので、この特性データをテーブル化して記憶手段４３に記憶するか、あるいは近似曲線のパラメータの形態で記憶手段４３に記憶する。コントロール回路４７は、記憶手段４３に記憶された非線形補正のデータを読み出し、補正回路４４の一つとして用意された線形補正回路の動作を制御することにより、非線形補正の処理を実行する。オフセットの温度補正や、感度補正についても同様にして実行される。
【００４１】
図１３は、歪みセンサ２１の出力電圧と、センサ付き車輪用軸受装置を車体へ取付けるときの取付けボルトの締め付け力との関係をグラフで示したものである。このように、歪みセンサ２１の出力特性は、車体への取付け状態によっても異なる。すなわち、歪みセンサ２１の出力特性は、各車体に取付けられる軸受装置の間でも個体差が生じる。そこで、前記記憶手段４３に記憶する上記補正データは、車体への取付け状態を反映したものとされる。記憶手段４３には、軸受の識別コード（ＩＤ）を記憶させても良い。
【００４２】
外部インタフェース４５は、外部からコントルール回路４７との間で通信を行う手段であり、信号端子や無線通信手段などで構成される。この外部インタフェース４５を介して、記憶手段４３に記憶された補正データの修正や、ＩＤ情報の読み出しを外部から行うことができる。また、例えば、外部の自動車のＥＣＵ等では、車両の使用状態と歪みセンサ２１から得られる一定期間の信号出力とで、径年変化あるいは衝撃荷重によるオフセットの急激な変化を推定・検出できる。さらに、その推定・検出結果に基づき、外部のＥＣＵ等から前記外部インタフェース４５を介して記憶手段４３に記憶されているオフセットデータを修正することができるので、正確な荷重検出能力を保つことができる。
【００４３】
外部インタフェース４５は、ＣＡＮバス等の自動車の車体制御系通信バスに接続可能な形式のものとしても良い。この場合には、汎用性が高くなり、外部との容易な接続が可能になる。
【００４４】
信号出力回路４６は、オフセット調整回路４２や各種の補正回路４４で補正された歪みセンサ２１の出力信号を、パルス変調、周波数変調、Ａ／Ｄ変換、シリアルデータへの変換など、各種の変換を行って外部に出力する。
【００４５】
このように、このセンサ付き車輪用軸受装置では、外方部材１および内方部材２のうちの固定側部材（ここでは外方部材）に固定された歪み発生部材２２、およびこの歪み発生部材２２に取付けられた歪み測定用のセンサ素子２３を含む歪みセンサ２１と、この歪みセンサ２１の前記センサ素子２３の出力する歪み信号を処理する処理回路４０とを備え、前記処理回路４０が、増幅回路４１、オフセット調整回路４２、記憶手段４３、各種補正回路４４、および外部インタフェース４５を有し、前記記憶手段４３は、前記歪みセンサ２１および軸受の個体差となる特性が記憶され、前記記憶手段４３は、前記歪みセンサ２１の記憶内容に従ってセンサ素子２３の出力を補正するものとし、前記外部インタフェース４５は、前記記憶手段４３に対して入力が可能なものとしたので、軸受で検出した荷重信号が適正に較正された状態で出力され、信号を利用する車体側では軸受の荷重状態を簡単で正確に得ることができる。
【００４６】
同様に、歪みセンサ２１および軸受の個体差が補償されるため、車体側ではこのセンサ付き軸受装置が組み込まれると、ただちに歪みセンサ２１の出力信号を利用することができ、較正などが不要である。
【００４７】
外部インタフェース４５を有するので、記憶手段４３に記憶されている補正データの修正や、ＩＤ情報の読み出しを外部から行うことができる。また、経年変化あるいは衝撃荷重によるオフセット変化分を検出し、外部から修正して、正確な荷重検出能力を保つことができる。
【００４８】
なお、上記実施形態における図９の処理回路４０でのセンサ信号の補償計算は、外部のＥＣＵ等で実行しても良い。この場合、記憶手段４３の補正データを外部から読み出すことにより、歪みセンサ２１や軸受の個体差の特性に合わせた上記した場合と同等の補正処理を外部のＥＣＵ等で実行することになるので、ＥＣＵ側に個体差に応じた個々のパラメータを記憶する必要がない。
【００４９】
このように外部のＥＣＵ等を利用する場合には、記憶手段４３に軸受のＩＤ情報だけを記憶させておいて、別途用意した数種類の特性テーブルを参照するといった方法を採用すれば、少ない容量の記憶手段４３で必要な機能を実現することもできる。
【００５０】
また、上記実施形態において、ＥＣＵ等を利用するのに代えて、前記記憶手段４３の記憶内容を、前記処理回路４０に対する外部から読み書きするワイヤレス通信手段（ＲＦＩＤ利用）などの読み書き手段４９を別に付加しても良い。この場合には、省配線化、小型化が可能になる。読み書き手段４９は、外部インタフェース４５の一部の機能部分として設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】この発明の一実施形態にかかるセンサ付き車輪用軸受装置の断面図である。
【図２】同センサ付き車輪用軸受装置の外方部材の正面図である。
【図３】センサ信号処理回路ユニットの側面図である。
【図４】（Ａ）は歪みセンサの一構成例の側面図、（Ｂ）はそのIV矢視図である。
【図５】（Ａ）は歪みセンサの他の構成例の断面図、（Ｂ）は同正面図、（Ｃ）は同斜視図である。
【図６】図５の歪みセンサを車輪用軸受へ取付けた状態を示す断面図である。
【図７】図５の歪みセンサにおける歪み発生部材の折れ曲がり角部からの距離と歪みの大きさとの関係を示すグラフである。
【図８】（Ａ）は歪みセンサのさらに他の構成例の断面図、（Ｂ）は同正面図、（Ｃ）は同斜視図である。
【図９】センサ信号処理回路ユニットにおける処理回路のブロック図である。
【図１０】歪みセンサに増幅回路を接続した回路構成図である。
【図１１】歪みセンサに増幅回路およびオフセット調整回路を接続した回路構成図である。
【図１２】歪みセンサの出力と車輪に加わる荷重との関係を示すグラフである。
【図１３】歪みセンサの出力電圧と取付けボルト締め付け力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１…外方部材
１ａ…フランジ
２…内方部材
３，４…転走面
５…転動体
２１…歪みセンサ
２２…歪み発生部材
２２ａ…第１の接触固定部
２２ｂ…第２の接触固定部
２３…歪み測定用センサ素子
３３，３４…接触固定部材
４０…処理回路
４１…増幅回路
４２…オフセット調整回路
４３…記憶手段
４４…補正回路
４５…外部インタフェース
４６…信号出力回路
４７…コントロール回路
【技術分野】
【０００１】
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内蔵したセンサ付き車輪用軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の安全走行のために、各車輪の回転速度を検出するセンサを車輪用軸受に設けたものがある。従来の一般的な自動車の走行安全性確保対策は、各部の車輪の回転速度を検出することで行われているが、車輪の回転速度だけでは十分でなく、その他のセンサ信号を用いてさらに安全面の制御が可能なことが求められている。
【０００３】
そこで、車両走行時に各車輪に作用する荷重から姿勢制御を図ることも考えられる。例えばコーナリングにおいては外側車輪に大きな荷重がかかり、また左右傾斜面走行では片側車輪に、ブレーキングにおいては前輪にそれぞれ荷重が片寄るなど、各車輪にかかる荷重は均等ではない。また、積載荷重不均等の場合にも各車輪にかかる荷重は不均等になる。このため、車輪にかかる荷重を随時検出できれば、その検出結果に基づき、事前にサスペンション等を制御することで、車両走行時の姿勢制御（コーナリング時のローリング防止、ブレーキング時の前輪沈み込み防止、積載荷重不均等による沈み込み防止等）を行うことが可能となる。しかし、車輪に作用する荷重を検出するセンサの適切な設置場所がなく、荷重検出による姿勢制御の実現が難しい。
【０００４】
また、今後ステアバイワイヤが導入されて、車軸とステアリングが機械的に結合しないシステムになってくると、車軸方向荷重を検出して運転手が握るハンドルに路面情報を伝達することが求められる。
【０００５】
このような要請に応えるものとして、車輪用軸受の外輪に歪みゲージを貼り付け、歪みを検出するようにした車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特表２００３−５３０５６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
車輪用軸受の外輪は、転走面を有し、強度が求められる部品であって、塑性加工や、旋削加工、熱処理、研削加工などの複雑な工程を経て生産される軸受部品であるため、特許文献１のように外輪に歪みゲージを貼り付けるのでは、生産性が悪く、量産時のコストが高くなるという問題点がある。また、外輪の歪みを感度良く検出することが難しく、その検出結果を車両走行時の姿勢制御に利用した場合、制御の精度が問題となる。
【０００７】
そこで、歪み発生部材に歪み測定用のセンサ素子を取付けて歪みセンサとし、この歪みセンサを外輪の周面に取付けることを試みた。試行錯誤の結果、外輪歪みの検出感度を向上させるためには、歪み発生部材は外輪に対して２箇所の接触固定部を有するものであって、これら接触固定部のうち片方の接触固定部を外輪のフランジ面に固定し、もう片方の接触固定部を外輪の外周面に固定するのが良いことが分かった。
【０００８】
しかし、このような構成とした場合にも、以下に挙げるような問題がある。
・ 歪み発生部材を用いた歪み計測に基づく荷重推定を行うが、温度特性、センサ素子の個体差、特性の非線形、さらには取付け状態による特性変化などがあり、これらを補償する機能を備えていないと正確な荷重測定ができない。
・ センサ素子の出力信号を受け取る車体側の電気制御ユニット（ＥＣＵ）で補正することも可能だが、それぞれの部品に特有な補正処理を個別にプログラムして行うのは煩雑で非効率的である。
・ センサ付き軸受装置の単体で性能を確保したいが、このためには、センサ素子の出力信号を利用する車体側で軸受のセンサ特性個体差を無くすか、あるいは軸受に補償機能を付与する必要がある。
・ 使用中の環境変化や経年変化による感度特性やオフセットの変化を検知・判断し、定期的に較正する機能も望まれる。
・ 自動車などの情報通信網に接続するインタフェースを備えていることも望まれる。
【０００９】
この発明の目的は、軸受の荷重状態を簡単で正確に検出できるセンサ付き車輪用軸受装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明のセンサ付き車輪用軸受装置は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、前記各転走面に対向する転走面を外周に有する内方部材と、各列の転走面間に介在した複列の転走面を有する転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置において、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に固定された歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられた歪み測定用のセンサ素子を含む歪みセンサと、この歪みセンサの前記センサ素子の出力する歪み信号を処理する処理回路とを備え、前記処理回路が、増幅回路、オフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および外部インタフェースを有し、前記記憶手段は、前記歪みセンサおよび軸受の個体差となる特性が記憶され、前記補正手段は前記記憶手段の記憶内容に従ってセンサ素子の出力を補正するものとし、前記外部インタフェースは、前記記憶手段に対して入力が可能なものとしたことを特徴とする。
この構成によると、センサ素子の出力する歪み信号を処理する処理回路を備え、この処理回路が、増幅回路、オフセット調整回路、記憶手段、補正手段を有するため、軸受で検出した荷重信号を処理回路により適正に較正された状態で出力するができる。そのため、信号を利用する車体側では軸受の荷重状態を簡単で正確に得ることができる。
また、前記記憶手段は、前記歪みセンサおよび軸受の個体差となる特性が記憶され、前記補正手段は前記記憶手段の記憶内容に従ってセンサ素子の出力を補正するものとしたため、歪みセンサおよび軸受の個体差が処理回路で補償される。そのため、車体側ではこのセンサ付き軸受装置が組み込まれると、ただちに歪みセンサの出力信号を利用することができ、較正などが不要である。
処理回路は外部インタフェースを有するので、記憶手段への補正データの入力や、記憶されている補正データの修正、ＩＤ情報の読み出しなどを外部から行うことができる。また、経年変化あるいは衝撃荷重によるオフセット変化分を検出し、外部から修正して、正確な荷重検出能力を保つことも可能となる。
【００１１】
この発明において、前記歪みセンサの前記歪み発生部材は、固定側部材に対して２箇所の接触固定部を有し、前記接触固定部のうち第１の接触固定部は前記固定側部材に設けられたフランジ面であり、第２の接触固定部材は前記固定側部材の周面であっても良い。この構成の場合、第１および第２の接触固定部の径方向位置が異なり、固定側部材の歪みが歪み発生部材に転写かつ拡大して現れやすくなる。この転写かつ拡大された歪みをセンサ素子で測定するため、固定側部材の歪みを感度良く検出でき、荷重の測定精度が高くなる。
【００１２】
この発明において、前記補正回路として線形補正回路を有し、前記オフセット調整回路がオフセット補償機能を有するものであり、前記処理回路は、前記増幅回路、オフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および外部インタフェースに加えて、信号出力回路、並びにこれらオフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および信号出力回路のうちのいずれかを制御するコントロール回路を有するものとしても良い。このようにコントロール回路が設けられていると、処理回路の出力の精度を向上させることが容易である。
【００１３】
この発明において、前記記憶手段は、前記歪みセンサの感度補正値，温度補正値、および軸受の識別コードを記憶したものであり、前記処理回路は前記記憶手段の記憶内容に従って回路動作を制御するものであっても良い。この構成の場合、歪みセンサの感度補正や温度補正が行え、またはこの補正のための入力，更新，管理等が、識別コードを用いて軸受の個体毎に管理できる。
【００１４】
この発明において、前記記憶手段の記憶内容を前記処理回路に対する外部から読み書きする読み書き手段を有するものであっても良い。このように外部から読み書きする読み書き手段が設けられていると、記憶手段に対する読み書きが容易に行える。
【００１５】
この発明において、前記読み書き手段がワイヤレス通信手段であっても良い。この構成の場合、省配線化、小型化が可能になる。前記記憶手段に対する読み書きは、常時は不要であるため、前記読み書き手段がワイヤレス通信手段であると、必要時に簡単に読み書きできて、かつハーネス等の配線系の煩雑化が回避できる。
【００１６】
この発明において、前記外部インタフェースが、自動車の車体制御系通信バスに接続可能な形式のものであっても良い。この構成の場合、汎用性が高くなり、容易な接続が可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明のセンサ付き車輪用軸受装置は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、前記各転走面に対向する転走面を外周に有する内方部材と、各列の転走面間に介在した複列の転走面を有する転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置において、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に固定された歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられた歪み測定用のセンサ素子を含む歪みセンサと、この歪みセンサの前記センサ素子の出力する歪み信号を処理する処理回路とを備え、前記処理回路が、増幅回路、オフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および外部インタフェースを有し、前記記憶手段は、前記歪みセンサおよび軸受の個体差となる特性が記憶され、前記補正手段は前記記憶手段の記憶内容に従ってセンサ素子の出力を補正するものとし、前記外部インタフェースは、前記記憶手段に対して入力が可能なものとしたため、軸受で検出した荷重信号が処理回路により適正に較正された状態で出力される。そのため、信号を利用する車体側では軸受の荷重状態を簡単で正確に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
この発明の実施形態を図１ないし図１３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。
【００１９】
このセンサ付き車輪用軸受装置における軸受は、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、各転走面３，４は接触角が外向き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、密封装置７，８によりそれぞれ密封されている。
【００２０】
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）におけるナックルに取付けるフランジ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、周方向の複数箇所に車体取付孔１４が設けられている。
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、ホイールおよび制動部品（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。
【００２１】
外方部材１の外周部には、歪みセンサ２１と、センサ信号処理回路を有するセンサ信号処理回路ユニット２５とが設けられている。歪みセンサ２１は、歪み発生部材２２に、この歪み発生部材２２の歪みを測定するセンサ素子２３等を取付けたものである。
【００２２】
前記歪みセンサ２１の一構成例を図４に示す。この歪みセンサ２１において、歪み発生部材２２は、外方部材１のフランジ１ａにおける車体取付孔１４の近傍のフランジ面に接触固定される第１の接触固定部２２ａと、外方部材１の外周面に接触固定される第２の接触固定部２２ｂとを有している。また、歪み発生部材２２は、前記第１の接触固定部２２ａを含む径方向に沿った径方向部位２２ｃと、前記第２の接触固定部２２ｂを含む軸方向に沿った軸方向部位２２ｄとでＬ字の形状に構成されている。径方向部位２２ｃは、軸方向部位２２ｄに比べ、剛性が低くなるよう肉厚を薄くしてある。歪み測定用センサ素子２３は、この剛性の低い径方向部位２２ｃに取付けられている。この歪みセンサ２１の場合、歪み測定用センサ素子２３に隣接して温度センサ素子２４が設けられている。
【００２３】
上記歪みセンサ２１は、図１および図２に示すように、歪み発生部材２２の第１および第２の接触固定部２２ａ，２２ｂにより、両接触固定部２２ａ，２２ｂが外方部材１の周方向に対して同位相の位置となるように、外方部材１の外周部に固定される。第１および第２の接触固定部２２ａ，２２ｂを周方向において同位相とすると、歪み発生部材２２の長さを短くすることができるため、歪みセンサ２１の設置が容易である。歪み測定用センサ素子２３や温度センサ素子２４は、歪み発生部材２２に例えば接着剤を用いて固定される。
【００２４】
歪み発生部材２２は、外方部材１への固定により塑性変形を起こさない形状や材質とされている。また、歪み発生部材２２は、車輪用軸受に予想される最大の荷重が印加された場合でも、塑性変形を起こさない形状とする必要がある。上記の想定される最大の力は、車両故障につながらない走行において想定される最大の力である。歪み発生部材２２に塑性変形が生じると、外方部材１の変形が歪み発生部材２２に正確に伝わらず、歪みの測定に影響を及ぼすためである。
【００２５】
この歪みセンサ２１の歪み発生部材２２は、例えば鋼材等の金属材からプレス加工により製作することができる。歪み発生部材２２をプレス加工品とすると、コストダウンが可能になる。
また、歪み発生部材２２は、金属粉末射出成形による焼結金属品としてもよい。金属粉末射出成形は、金属、金属間化合物等の成形技術の一つであり、金属粉末をバインダーと混練する工程、この混練物を用いて射出成型する工程、成形体の脱脂処理を行なう工程、成形体の焼結を行なう工程を含む。この金属粉末射出成形によれば、一般の粉末冶金に比べて焼結密度の高い焼結体が得られ、焼結金属品を高い寸法精度で製作することができ、また機械的強度も高いという利点がある。
【００２６】
歪み測定用センサ素子２３としては、種々のものを使用することができる。例えば、歪み測定用センサ素子２３が金属箔ストレインゲージで構成されている場合、この金属箔ストレインゲージの耐久性を考慮すると、車輪用軸受に予想される最大の荷重が印加された場合でも、歪み発生部材２２における歪み測定用センサ素子２３取付部分の歪み量が１５００マイクロストレイン以下であることが好ましい。同様の理由から、歪み測定用センサ素子２３が半導体ストレインゲージで構成されている場合は、同歪み量が１０００マイクロストレイン以下であることが好ましい。また、歪み測定用センサ素子２３が厚膜式センサで構成されている場合は、同歪み量が１５００マイクロストレイン以下であることが好ましい。
【００２７】
図４における歪み発生部材２２に取付けられる温度センサ素子２４としては、例えば白金測温抵抗または熱電対またはサーミスタを使用することができる。さらに、これら以外の温度を検出することが可能なセンサを使用することもできる。
【００２８】
この歪みセンサ２１を設けた車軸用軸受では、歪み測定用センサ素子２３が歪み発生部材２２の歪みを検出し、その歪みにより車輪に加わる荷重を測定する。ところで、車輪用軸受は使用中に温度が変化し、その温度変化が歪み発生部材２２の歪み、または歪み測定用センサ素子２３の動作に影響を及ぼす。そこで、歪み発生部材２２に配置した温度センサ素子２４にて歪み発生部材２２の温度を検出し、その検出した温度により歪み測定用センサ素子２３の出力を補正することにより、歪み測定用センサ素子２３の温度による影響を除去することができる。これにより、精度の高い荷重検出を行なうことができる。
【００２９】
図５は、歪みセンサ２１の他の構成例を示す。この歪みセンサ２１では、板材をＬ字状に折り曲げて歪み発生部材２２が形成され、その径方向片２２Ａおよび軸方向片２２Ｂのそれぞれにボルト挿通孔３１，３２が形成されている。歪み測定用センサ素子２３は径方向片２２Ａの片面に固定される。この歪み発生部材２２は、図６に示すように、２つの接触固定部材３３，３４を介して外方部材１の外周部に、ボルト３９で締結される。すなわち、径方向片２２Ａのボルト挿通孔３１から第１の接触固定部材３３のボルト挿通孔３５に挿通させたボルト３９を、外方部材１のフランジ１ａにおける車体取付孔１４の近傍のフランジ面に設けられたボルト孔３７に螺合させ、軸方向片２２Ｂのボルト挿通孔３２から第２の接触固定部材３４のボルト挿通孔３６に挿通させたボルト３９を、外方部材１の外周面に設けられたボルト孔３８に螺合させることで、歪み発生部材２２が外方部材１に締結される。
【００３０】
図５の歪みセンサ２１において、歪み発生部材２２の径方向片２２Ａには４つの歪み測定用センサ素子２３が配置される。この場合の歪み発生部材２２の歪みは、固定部分から折れ曲がり角部２２Ｃに向けて大きくなる傾向にあり、できるだけ折れ曲がり角部２２Ｃに近い位置に歪み測定用センサ素子２３を配置するのが望ましい。計算による結果を図７にグラフで示すように、歪み発生部材２２の板厚をｔとして、折れ曲がり角部２２Ｃからのセンサ素子配置位置までの距離ｘを、ｘ＜３ｔの範囲とすると、効率良く歪みを検出できることが分かっている。
【００３１】
そこで、この歪みセンサ２１では、歪み発生部材２２の径方向片２２Ａにおける歪みを受ける部分（折れ曲がり角部２２Ｃに近い部分）に２つの歪み測定用センサ素子２３を配置し、さらに歪みの影響を受けない部分（折れ曲がり角部２２Ｃから遠い部分）に他の２つの歪み測定用センサ素子２３を配置している。
【００３２】
図８は、歪みセンサ２１のさらに他の構成例を示す。この歪みセンサ２１では、図５の歪みセンサ２１において、歪み発生部材２２の径方向片２２Ａにおける歪みを受ける部分（折れ曲がり角部２２Ｃに近い部分）に、互いに特性が同じか、または特性の異なる２つの歪み測定用センサ素子２３を配置し、歪みの影響を受けない部分（折れ曲がり角部２２Ｃから遠い部分）には歪み測定用センサ素子２３を配置していない。その他の構成は図５の歪みセンサ２１の場合と同様である。
【００３３】
センサ信号処理回路ユニット２５は、図３に示すように、樹脂等で製作されたハウジング２６内に、ガラスエポキシ等で製作された回路基板２７を有し、その回路基板２７上には、前記歪み測定用センサ素子２３の出力信号を処理するオペアンプ、抵抗、マイコン等や歪み測定用センサ素子２３等を駆動する電源用の電気・電子部品２８が配置されている。また、歪み測定用センサ素子２３等の配線と回路基板２７とを接合する接合部２９を有している。また、外部からの電源供給や外部へセンサ信号処理回路によって処理された出力信号を出力するケーブル３０を有している。歪みセンサ２１に歪み測定用センサ素子２３のほかに、前述した温度センサ素子２４等の各種センサ素子が設けられている場合、センサ信号処理回路ユニット２５にはそれぞれのセンサ素子に対応した回路基板２７、電気・電子部品２８、接合部２９、ケーブル３０等が設けられる（図示せず）。
【００３４】
図９は、前記センサ信号処理回路ユニット２５における処理回路４０の構成を示すブロック図である。この処理回路４０は、増幅回路４１、オフセット調整回路４２、記憶手段４３、各種の補正回路４４、外部インタフェース４５、信号出力回路４６、およびコントロール回路４７を有する。コントロール回路４７は、前記オフセット調整回路４２、記憶手段４３、補正回路４４、および信号出力回路４６のうちのいずれかを制御する制御回路である。
【００３５】
図１０には、歪みセンサ２１の回路と、その出力信号を増幅する増幅回路４１との接続構成の一例を示す。この場合の歪みセンサ２１の回路は、図５および図６に示す構成例のものであって、歪みを受ける位置の２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ１）と、歪みの影響を受けない位置の２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ２）とを、ブリッジ接続して構成される。増幅回路４１はオペアンプからなる。
このように、歪みを受ける位置の２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ１）と、歪みの影響を受けない位置の２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ２）とをブリッジ接続して検出回路を構成すると、歪み信号出力が２倍の振幅となり検出感度を高めることができる。なお、前記ブリッジ接続の検出回路において、歪みの影響を受けない位置の２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ２）を設ける代わりに、固定抵抗を設けても良い。基本的には、この歪み信号出力を増幅回路４１で増幅した信号により、つまり、図９の回路におけるＡ部の構成だけで車輪用軸受にかかる荷重を検出することができる。
【００３６】
しかし、歪みセンサ２１には製造上のばらつきがあり、オフセット、感度、温度特性などに個体差がある。さらに、車輪用軸受を車体へ取付ける場合の取付け状態によっても、歪みセンサ２１の感度特性が変化する。前記処理回路４０におけるオフセット調整回路４２や各種の補正回路４４は、上記した個体差を補正する回路である。
【００３７】
すなわち、オフセット調整回路４２は、歪みセンサ２１の初期オフセットと、車輪用軸受への固定によるオフセットを、正規の値に調整するものである。前記歪みセンサ２１に、図４に示したような温度センサ素子２４を設けても良く、この場合には温度センサ素子２４の出力に基づいて、センサオフセットの自動補償をコントロール回路４７で行うことができる。
【００３８】
図１１は、歪みセンサ２１、増幅回路４１、およびオフセット調整回路４２の具体的構成例を示す。この構成例では、オフセット調整回路４２は、オペアンプＯＰ、抵抗Ｒ３，Ｒ４、可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２などからなる加減算器として構成される。このオフセット調整回路４２の場合、オフセット補償機能を有するものとされる。すなわち、コントロール回路４７から、端子Ｔ１に温度センサ素子２４の検出出力に応じた入力電圧ｅ１を入力することによりオフセット値の温度補償が行われ、また個体差の条件に応じて、前記可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２の値をコントロール回路４７で変更することにより、オフセット値の個体差による補償が行われる。
【００３９】
なお、図１１の回路構成例では、歪みセンサ２１として、図８に示した構成の歪みセンサ２１が用いられている。この場合、歪み発生部材２２の径方向片２２Ａにおける歪みを受ける位置に配置された特性の異なる２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ１），２３（Ｓ２）を、２つの固定抵抗Ｒ１，Ｒ２とブリッジ接続して構成される。この場合には、２つの歪み測定用センサ素子２３（Ｓ１），２３（Ｓ２）の各出力を加算した振幅の歪み信号出力を得ることができる。
【００４０】
記憶手段４３は例えば不揮発メモリからなり、オフセットの温度特性や、感度、非線形を補正するためのパラメータを記憶する。コントロール回路４７は、これらのパラメータに基づいて、各種の補正回路４４の補正処理を制御する。
例えば、図１２に示すように、歪みセンサ２１の出力特性は車輪に加わる荷重と非線形な関係にあるので、この特性データをテーブル化して記憶手段４３に記憶するか、あるいは近似曲線のパラメータの形態で記憶手段４３に記憶する。コントロール回路４７は、記憶手段４３に記憶された非線形補正のデータを読み出し、補正回路４４の一つとして用意された線形補正回路の動作を制御することにより、非線形補正の処理を実行する。オフセットの温度補正や、感度補正についても同様にして実行される。
【００４１】
図１３は、歪みセンサ２１の出力電圧と、センサ付き車輪用軸受装置を車体へ取付けるときの取付けボルトの締め付け力との関係をグラフで示したものである。このように、歪みセンサ２１の出力特性は、車体への取付け状態によっても異なる。すなわち、歪みセンサ２１の出力特性は、各車体に取付けられる軸受装置の間でも個体差が生じる。そこで、前記記憶手段４３に記憶する上記補正データは、車体への取付け状態を反映したものとされる。記憶手段４３には、軸受の識別コード（ＩＤ）を記憶させても良い。
【００４２】
外部インタフェース４５は、外部からコントルール回路４７との間で通信を行う手段であり、信号端子や無線通信手段などで構成される。この外部インタフェース４５を介して、記憶手段４３に記憶された補正データの修正や、ＩＤ情報の読み出しを外部から行うことができる。また、例えば、外部の自動車のＥＣＵ等では、車両の使用状態と歪みセンサ２１から得られる一定期間の信号出力とで、径年変化あるいは衝撃荷重によるオフセットの急激な変化を推定・検出できる。さらに、その推定・検出結果に基づき、外部のＥＣＵ等から前記外部インタフェース４５を介して記憶手段４３に記憶されているオフセットデータを修正することができるので、正確な荷重検出能力を保つことができる。
【００４３】
外部インタフェース４５は、ＣＡＮバス等の自動車の車体制御系通信バスに接続可能な形式のものとしても良い。この場合には、汎用性が高くなり、外部との容易な接続が可能になる。
【００４４】
信号出力回路４６は、オフセット調整回路４２や各種の補正回路４４で補正された歪みセンサ２１の出力信号を、パルス変調、周波数変調、Ａ／Ｄ変換、シリアルデータへの変換など、各種の変換を行って外部に出力する。
【００４５】
このように、このセンサ付き車輪用軸受装置では、外方部材１および内方部材２のうちの固定側部材（ここでは外方部材）に固定された歪み発生部材２２、およびこの歪み発生部材２２に取付けられた歪み測定用のセンサ素子２３を含む歪みセンサ２１と、この歪みセンサ２１の前記センサ素子２３の出力する歪み信号を処理する処理回路４０とを備え、前記処理回路４０が、増幅回路４１、オフセット調整回路４２、記憶手段４３、各種補正回路４４、および外部インタフェース４５を有し、前記記憶手段４３は、前記歪みセンサ２１および軸受の個体差となる特性が記憶され、前記記憶手段４３は、前記歪みセンサ２１の記憶内容に従ってセンサ素子２３の出力を補正するものとし、前記外部インタフェース４５は、前記記憶手段４３に対して入力が可能なものとしたので、軸受で検出した荷重信号が適正に較正された状態で出力され、信号を利用する車体側では軸受の荷重状態を簡単で正確に得ることができる。
【００４６】
同様に、歪みセンサ２１および軸受の個体差が補償されるため、車体側ではこのセンサ付き軸受装置が組み込まれると、ただちに歪みセンサ２１の出力信号を利用することができ、較正などが不要である。
【００４７】
外部インタフェース４５を有するので、記憶手段４３に記憶されている補正データの修正や、ＩＤ情報の読み出しを外部から行うことができる。また、経年変化あるいは衝撃荷重によるオフセット変化分を検出し、外部から修正して、正確な荷重検出能力を保つことができる。
【００４８】
なお、上記実施形態における図９の処理回路４０でのセンサ信号の補償計算は、外部のＥＣＵ等で実行しても良い。この場合、記憶手段４３の補正データを外部から読み出すことにより、歪みセンサ２１や軸受の個体差の特性に合わせた上記した場合と同等の補正処理を外部のＥＣＵ等で実行することになるので、ＥＣＵ側に個体差に応じた個々のパラメータを記憶する必要がない。
【００４９】
このように外部のＥＣＵ等を利用する場合には、記憶手段４３に軸受のＩＤ情報だけを記憶させておいて、別途用意した数種類の特性テーブルを参照するといった方法を採用すれば、少ない容量の記憶手段４３で必要な機能を実現することもできる。
【００５０】
また、上記実施形態において、ＥＣＵ等を利用するのに代えて、前記記憶手段４３の記憶内容を、前記処理回路４０に対する外部から読み書きするワイヤレス通信手段（ＲＦＩＤ利用）などの読み書き手段４９を別に付加しても良い。この場合には、省配線化、小型化が可能になる。読み書き手段４９は、外部インタフェース４５の一部の機能部分として設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】この発明の一実施形態にかかるセンサ付き車輪用軸受装置の断面図である。
【図２】同センサ付き車輪用軸受装置の外方部材の正面図である。
【図３】センサ信号処理回路ユニットの側面図である。
【図４】（Ａ）は歪みセンサの一構成例の側面図、（Ｂ）はそのIV矢視図である。
【図５】（Ａ）は歪みセンサの他の構成例の断面図、（Ｂ）は同正面図、（Ｃ）は同斜視図である。
【図６】図５の歪みセンサを車輪用軸受へ取付けた状態を示す断面図である。
【図７】図５の歪みセンサにおける歪み発生部材の折れ曲がり角部からの距離と歪みの大きさとの関係を示すグラフである。
【図８】（Ａ）は歪みセンサのさらに他の構成例の断面図、（Ｂ）は同正面図、（Ｃ）は同斜視図である。
【図９】センサ信号処理回路ユニットにおける処理回路のブロック図である。
【図１０】歪みセンサに増幅回路を接続した回路構成図である。
【図１１】歪みセンサに増幅回路およびオフセット調整回路を接続した回路構成図である。
【図１２】歪みセンサの出力と車輪に加わる荷重との関係を示すグラフである。
【図１３】歪みセンサの出力電圧と取付けボルト締め付け力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１…外方部材
１ａ…フランジ
２…内方部材
３，４…転走面
５…転動体
２１…歪みセンサ
２２…歪み発生部材
２２ａ…第１の接触固定部
２２ｂ…第２の接触固定部
２３…歪み測定用センサ素子
３３，３４…接触固定部材
４０…処理回路
４１…増幅回路
４２…オフセット調整回路
４３…記憶手段
４４…補正回路
４５…外部インタフェース
４６…信号出力回路
４７…コントロール回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複列の転走面が内周に形成された外方部材と、前記各転走面に対向する転走面を外周に有する内方部材と、各列の転走面間に介在した複列の転走面を有する転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置において、
前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に固定された歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられた歪み測定用のセンサ素子を含む歪みセンサと、この歪みセンサの前記センサ素子の出力する歪み信号を処理する処理回路とを備え、
前記処理回路が、増幅回路、オフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および外部インタフェースを有し、前記記憶手段は、前記歪みセンサおよび軸受の個体差となる特性が記憶され、前記補正手段は前記記憶手段の記憶内容に従ってセンサ素子の出力を補正するものとし、前記外部インタフェースは、前記記憶手段に対して入力が可能なものとしたことを特徴とするセンサ付き車輪用軸受装置。
【請求項２】
請求項１において、前記歪みセンサの前記歪み発生部材は、固定側部材に対して２箇所の接触固定部を有し、前記接触固定部のうち第１の接触固定部は前記固定側部材に設けられたフランジ面であり、第２の接触固定部材は前記固定側部材の周面であるセンサ付き車輪用軸受装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記補正回路として線形補正回路を有し、前記オフセット調整回路がオフセット補償機能を有するものであり、前記処理回路は、前記増幅回路、オフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および外部インタフェースに加えて、信号出力回路、並びにこれらオフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および信号出力回路のうちのいずれかを制御するコントロール回路を有するセンサ付き車輪用軸受装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記記憶手段は、前記歪みセンサの感度補正値，温度補正値、および軸受の識別コードを記憶したものであり、前記処理回路は前記記憶手段の記憶内容に従って回路動作を制御するものであるセンサ付き車輪用軸受装置。
【請求項５】
請求項４において、前記記憶手段の記憶内容を前記処理回路に対する外部から読み書きする読み書き手段を有するセンサ付き車輪用軸受装置。
【請求項６】
請求項５において、前記読み書き手段がワイヤレス通信手段であるセンサ付き車輪用軸受装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記外部インタフェースが、自動車の車体制御系通信バスに接続可能な形式のものであるセンサ付き車輪用軸受装置。
【請求項１】
複列の転走面が内周に形成された外方部材と、前記各転走面に対向する転走面を外周に有する内方部材と、各列の転走面間に介在した複列の転走面を有する転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置において、
前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に固定された歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられた歪み測定用のセンサ素子を含む歪みセンサと、この歪みセンサの前記センサ素子の出力する歪み信号を処理する処理回路とを備え、
前記処理回路が、増幅回路、オフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および外部インタフェースを有し、前記記憶手段は、前記歪みセンサおよび軸受の個体差となる特性が記憶され、前記補正手段は前記記憶手段の記憶内容に従ってセンサ素子の出力を補正するものとし、前記外部インタフェースは、前記記憶手段に対して入力が可能なものとしたことを特徴とするセンサ付き車輪用軸受装置。
【請求項２】
請求項１において、前記歪みセンサの前記歪み発生部材は、固定側部材に対して２箇所の接触固定部を有し、前記接触固定部のうち第１の接触固定部は前記固定側部材に設けられたフランジ面であり、第２の接触固定部材は前記固定側部材の周面であるセンサ付き車輪用軸受装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記補正回路として線形補正回路を有し、前記オフセット調整回路がオフセット補償機能を有するものであり、前記処理回路は、前記増幅回路、オフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および外部インタフェースに加えて、信号出力回路、並びにこれらオフセット調整回路、記憶手段、補正手段、および信号出力回路のうちのいずれかを制御するコントロール回路を有するセンサ付き車輪用軸受装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記記憶手段は、前記歪みセンサの感度補正値，温度補正値、および軸受の識別コードを記憶したものであり、前記処理回路は前記記憶手段の記憶内容に従って回路動作を制御するものであるセンサ付き車輪用軸受装置。
【請求項５】
請求項４において、前記記憶手段の記憶内容を前記処理回路に対する外部から読み書きする読み書き手段を有するセンサ付き車輪用軸受装置。
【請求項６】
請求項５において、前記読み書き手段がワイヤレス通信手段であるセンサ付き車輪用軸受装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記外部インタフェースが、自動車の車体制御系通信バスに接続可能な形式のものであるセンサ付き車輪用軸受装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−１８５４９７（Ｐ２００８−１８５４９７Ａ）
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０３７７（Ｐ２００７−２０３７７）
【出願日】平成１９年１月３１日（２００７．１．３１）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月３１日（２００７．１．３１）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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