JP2006119000A

JP2006119000A - 荷重検出装置

Info

Publication number: JP2006119000A
Application number: JP2004307560A
Authority: JP
Inventors: Yasukazu Fujimoto; 靖一藤本
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】クロストークを排除して、タイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重のそれぞれを正確に求めることが可能な荷重検出装置を提供する。
【解決手段】センサ装置2は、二列の転動体5の中間に配置された頂部センサSt、底部センサSb、前部センサSfおよび後部センサSrと、これらのセンサの出力を処理する処理手段とを備えている。各センサの出力ベクトルをＦｍとして、推定荷重ベクトルＦｓが以下の式で求められている。
Ｆｓ＝Ｎ＊Ｆｍ、ただし、Ｎ（推定行列）は、実荷重ベクトルＦの各方向成分をそれぞれ単独で与えたときのセンサ出力ベクトルＦｍをＦｍ＝Ｍ＊Ｆと表したときのＭ（力−歪行列）の逆行列。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば、自動車を構成するハブユニットと自動車の各種情報を検出するセンサ装置とが一体化されたセンサ付きハブユニットにおいて好適に使用される荷重検出装置に関する。

近年、自動車の制御手段として、ＡＢＳ制御（アンチロックブレーキシステム）に加えて、発進時や加速時に駆動輪をスピンさせない駆動力制御やコーナリング時の横滑りを抑制するブレーキ力制御などが実施されているが、より精度のよい制御を行うために、これらの制御に有効に使用できるデータの検出が重要となっている。そこで、特許文献１には、車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、および両部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットに、変位センサを設け、タイヤ（車輪）にかかる接地荷重を求め、車両制御の向上を図ることが提案されている。
特開２００３−３３６６５２号公報

上記特許文献１のセンサ付きハブユニットでは、複数の箇所にセンサを設置して接地荷重の各分力をそれぞれ分離して求めようとした場合、他の分力の影響による誤差（以下「クロストーク」と称す）が生じ、このクロストークのために、タイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重のそれぞれを正確に求めることが困難という問題があった。

この発明の目的は、クロストークを排除して、タイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重のそれぞれを正確に求めることが可能な荷重検出装置を提供することにある。

この発明による荷重検出装置は、対象物に作用する荷重を検出する荷重検出装置であって、対象物の所定箇所に設けられて異なる方向の荷重の大きさを検出する複数の歪−荷重センサを備えており、各センサの出力ベクトルをＦｍとして、推定荷重ベクトルＦｓが以下の式で求められていることを特徴とするものである。

Ｆｓ＝Ｎ＊Ｆｍ
ただし、Ｎ（推定行列）は、実荷重ベクトルＦの各方向成分をそれぞれ単独で与えたときのセンサ出力ベクトルＦｍをＦｍ＝Ｍ＊Ｆと表したときのＭ（「力−歪行列」と称す。）の逆行列。

対象物（検出量）は、例えば、車両用の車輪（タイヤに作用する接地荷重）とされるが、このほか、回転体を軸受で支持する各種回転装置（軸受に作用する荷重）、工作機械（ツールに作用する荷重）やロボット（ロボットが受ける反作用力）などにも適用できる。

「歪−荷重センサ」は、歪により荷重を検出するセンサを意味するが、歪によって転動体荷重の変化を検知するものの他に、その他の物理量によって転動体荷重の変化を検知するものであってもよく、「圧力センサ」、「変位センサ」、「荷重センサ」、「歪センサ」などと称されている種々のセンサが使用できる。このようなセンサとしては、歪ゲージ、半導体歪センサ、圧電素子（ピエゾ素子）、ＳＩセンサ（応力インピーダンスセンサ）、薄膜圧力センサなどの比較的安価な接触式高感度センサが適している。

荷重の各方向成分は、車両への応用の場合、通常、前後方向、左右方向および上下方向の直交３成分とされるが、これらのうちの２成分とされることもある。また、各方向は、互いに直交している必要はなく、一次独立性を保つ任意の方向を選択することができる。歪−荷重センサが設けられる所定箇所とは、荷重の各方向成分が分離可能なように一次独立性を有している箇所を意味しており、センサの数は、各独立成分へ分離するのに必要な数以上とされる。

実荷重ベクトルをＦ（３方向の成分がそれぞれＦｘ，ＦｙおよびＦｚ）とし、各成分の力を独立に掛けた場合の各センサ（例えばセンサの数が４つ）の出力ベクトル（各センサの出力を成分とするベクトル）をＦｍ（例えばその成分がＦｆ，Ｆｒ，ＦｔおよびＦｂ）とすると、Ｆｍ＝Ｍ＊Ｆ…式（１）が成り立つ。Ｍは、この場合には、４×３の行列となり、台上試験における静検定操作（第１の操作）により求めることができる。

計測時に、対象物に未知の荷重Ｆｓが作用すると、各センサにはそれに伴って出力ベクトルＦｍが生じる。したがって、Ｆｓ＝Ｎ＊Ｆｍ…式（２）のＮ（推定行列）が分かっていれば、この計測操作（第２の操作）により、Ｆｓを推定により求めることができる。

式（２）に式（１）を代入すると、Ｆｓ＝Ｎ＊Ｍ＊Ｆ…式（３）が得られる。クロストークのない正しい推定を行うには、式（３）において、左辺のＦｓ（推定荷重ベクトル）と右辺のＦ（実荷重ベクトル）とが一致しなければならず、Ｎ＊Ｍ＝Ｉ（単位行列）すなわち「ＮはＭの逆行列」がそのための必要十分条件となる。こうして、このＮを式（２）に代入して得られたＦｓにより、実際に作用している荷重の各方向成分を精度よく推定することができる。

荷重の３方向成分を求める場合、歪−荷重センサの数が３のときは、ＭおよびＮが正方行列となり、Ｍの逆行列は、Ｎ＝Ｍ^−１として容易に求めることができる。歪−荷重センサの数は、４以上（求めようとする荷重の成分数より大）とすることも可能であり、この場合には、行列Ｍの内積行列をＫ、その逆行列をＫ^−１および行列Ｍの転置行列をＭ^Ｔとして、Ｎは、次の式で求められる。

Ｎ＝Ｋ^−１＊Ｍ^Ｔ
上記荷重検出装置は、固定側軌道部材、回転側軌道部材および転動部材を有する転がり軸受と組み合わされて、転がり軸受およびこれに一体に設けられた荷重検出装置を備えている転がり軸受ユニットを構成することができる。

さらに、転がり軸受は、固定側軌道部材が車体側、回転側軌道部材が車輪側に取り付けられるハブユニットとされており、ハブユニットの頂部、底部、前部および後部にそれぞれ歪−荷重センサが配置されているようにすることもできる。

転がり軸受がハブユニットとされた場合の荷重検出の対象物は、車両用の車輪となり、歪−荷重センサは、車体側軌道部材と車輪側軌道部材との間に２列に配置された転動体の中間、好ましくは、二列の転動体のちょうど中央に配置される。

走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴って、タイヤに掛かる接地荷重が変動し、このタイヤ接地荷重変動に応じて、転動体が車体側軌道部材に及ぼす力が変化する。複数のセンサを設置した場合、タイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重の成分ごとにそれぞれセンサへの影響度が異なっており、予め、前後荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するセンサ出力値、左右荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するセンサ出力値、ならびに垂直荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するセンサ出力値を求めておき、転動体近傍の車体側軌道部材に配置された複数のセンサで転動体荷重を検出することにより、タイヤ接地荷重の各分力を求めることができる。センサの設置箇所を、各分力への分離を可能とするように一次独立性を保ちながら、Ｋの行列式を０とすることなく、任意に設定した場合、通常の成分分離のデータ処理を行えば、そのクロストークの排除が困難になるが、上記式（２）を用いて推定荷重Ｆｓを求めることにより、クロストークを完全に０にすることができる。

この発明の荷重検出装置によると、クロストークを完全に０にすることができ、実際に作用している荷重を正確に推定することができる。また、力−歪行列に対応する逆行列を得るには、ソフトウエアで対応可能であり、力−歪行列が変化した場合でも容易に対応することができる。

また、これをタイヤの接地荷重検出用に適用すると、接地荷重の各分力をクロストークを防止して検出することができ、得られたタイヤ接地荷重の各成分は、ＡＢＳ制御におけるスリップ率の代替えデータとして使用されるほか、駆動力制御やブレーキ力制御などにおいて使用され、車両制御の精度向上に資することができる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１および図２は、この発明による荷重検出装置の適用例であるセンサ付きハブユニットの１実施形態を示している。以下の説明において、左右は図１の左右をいうものとする。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。

このセンサ付きハブユニットは、ハブユニット(1)と、その回転およびタイヤ接地荷重などを検出するセンサ装置(2)とを備えている。

ハブユニット(1)は、車体側に固定される車体側軌道部材(3)、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材(4)、両部材(3)(4)の間に２列に配置された複数の転動体である玉(5)を備えている。

車体側軌道部材(3)は、軸受の外輪（固定輪）機能を有しているもので、内周面に２列の外輪軌道が形成されている円筒部(12)と、円筒部(12)の左端部近くに設けられて懸架装置（車体側部分）にボルトで取り付けられるフランジ部(13)とを有している。

車輪側軌道部材(4)は、内軸(14)と、内軸(14)の左端部近くの外径に嵌め止められ内輪(15)とからなり、内軸(14)左端部のおねじ部にナット(16)がねじ合わされることによって、内輪(15)が内軸(14)に固定されている。内軸(14)の右端近くには、車輪（タイヤ）を取り付けるための複数のボルト(19)が固定されたフランジ部(18)が設けられている。

センサ装置(2)は、車体側軌道部材(3)の頂部において二列の玉(15)の中間に配置されて転動体荷重を検出する頂部センサ(St)と、車体側軌道部材(3)の底部において二列の玉(15)の中間に配置されて転動体荷重を検出する底部センサ(Sb)と、車体側軌道部材(3)の前部において二列の玉(15)の中間に配置されて転動体荷重を検出する前部センサ(Sf)と、車体側軌道部材(3)の後部において二列の玉(15)の中間に配置されて転動体荷重を検出する後部センサ(Sf)と、これらのセンサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)の出力を処理する処理手段（図示略）とを備えている。

各センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)は、車体側軌道部材(3)のフランジ部(13)に設けられた軸方向貫通孔(13a)内に配置されている。フランジ部(13)は、二列の玉(15)の中央に位置するように設けられており、各センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)は、二列の玉(15)のちょうど中央に位置するように取り付けられている。フランジ部(13)には、９０°置きに等間隔で設けられたセンサ配置用の軸方向貫通孔(13a)と干渉しないように、車体側部分への取付け用孔(13b)が計４つ設けられている。

処理手段においては、頂部センサ(St)の出力Ｆｔ、底部センサ(Sb)の出力Ｆｂ、前部センサ(Sf)の出力Ｆｆ、および後部センサ(Sr)の出力Ｆｒを使用して、以下の式により、推定荷重ベクトルＦｓ（前後荷重Ｆｓｘ、左右荷重Ｆｓｙおよび垂直荷重Ｆｓｚ）が求められている。

Ｆｓ＝Ｎ＊Ｆｍ、ただし、Ｎ（推定行列）は、実荷重ベクトルＦの各方向成分をそれぞれ単独で与えたときのセンサ出力ベクトルＦｍをＦｍ＝Ｍ＊Ｆと表したときのＭ（力−歪行列）の逆行列。Ｎは、Ｎ＝Ｍ^−１またはＮ＝Ｋ^−１＊Ｍ^Ｔ（ＫはＭの内積行列）で求められる。

図３を参照して、この発明の荷重検出装置の検出原理を説明する。

この発明の荷重検出装置を得るに際しては、対象物に作用する荷重を測定する前に、荷重とセンサ出力との関係を調べる静検定が行われる。静検定では、検定器に３方向の力Ｆｘ、ＦｙおよびＦｚを独立に加え、それによって生じたハブユニットの歪を４個のセンサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)で計測する。このときの荷重（「実荷重ベクトル」と称す）をＦ（３方向の成分がそれぞれＦｘ、ＦｙおよびＦｚ）、センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)の出力（ベクトルで表示し、これを「出力ベクトル」と称す）をＦｍ（各成分がそれぞれＦｔ、Ｆｂ、ＦｆおよびＦｒ）とすると、次の関係が成り立つ。

Ｆｍ＝Ｍ＊Ｆ…（１）
Ｍは、４×３の行列表示となり（「力−歪行列」と称す）、Ｆｘ、ＦｙおよびＦｚを独立に変化させ、そのときのセンサ出力を順次求めることで、各成分ｍ_ｉｊを求めることができる。応答の直線性がよく、ヒステリシスが小さければ、ｍ_ｉｊは、ほぼ定数とみなせる。

こうしてＭを予め求めておいて、センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)の出力ベクトルＦｍから対象物に作用する３方向の力Ｆｓｘ、ＦｓｙおよびＦｓｚ（「推定荷重ベクトルＦｓ」と称す）を求めるが、その関係式は、次のようになる。

Ｆｓ＝Ｎ＊Ｆｍ…（２）
上記のＮは、３×４の行列表示となり（「推定行列」と称す）、これが分かれば、式（２）により、時々刻々変化するセンサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)の出力ベクトルＦｍから対象物に作用している動的荷重の３方向の成分Ｆｓｘ、ＦｓｙおよびＦｓｚを時間遅れなく検出することができる。

式（１）に式（２）を代入すると、次の式が得られる。

Ｆｓ＝Ｎ＊Ｍ＊Ｆ…（３）
この式（３）において、右辺の実荷重ベクトルＦは、実際の荷重であるから、左辺の推定荷重ベクトルＦｓがこのＦに一致すれば、クロストークのない推定が可能となる。すなわち、Ｆｓ＝Ｆとなればよく、これから、次の式が導かれる。

Ｎ＊Ｍ＝Ｉ…（４）
式（４）の両辺に右からＭの逆行列Ｍ^−１を掛け、Ｍ＊Ｍ^−１＝ＩおよびＩ＊Ｍ^−１＝Ｍ^−１なる関係を用いると、
Ｎ＝Ｍ^−１…（５）
となり、式（２）において、ＮをＭの逆行列とすればよいことが分かる。このとき、式（３）は、
Ｆｓ＝Ｎ＊Ｍ＊Ｆ＝Ｉ＊Ｆ，Ｉは３×３の単位行列
となり、行列の非対角成分（クロストークとなる成分）を含んでおらず、推定荷重ベクトルＦｓが実際に作用する荷重と一致し、クロストークのない推定荷重ベクトルＦｓを得ることができる。

式（５）は、Ｍが正方行列であれば、公式に基づき容易に得られるが、この実施形態では、Ｍは３×４の行列であり、逆行列を求めるには工夫を要する。そこで、Ｎを求めるには、まず、Ｍの１行目の成分をベクトルｋｘ、Ｍの２行目の成分をベクトルｋｙ、Ｍの３行目の成分をベクトルｋｚとしベクトルの内積を（ｋｘ．ｋｘ），（ｋｘ．ｋｙ），……，（ｋｚ．ｋｚ）等で表し、（ｋｘ．ｋｘ）を（１，１）成分、（ｋｘ．ｋｙ）を（１，２）成分、……、（ｋｚ．ｋｚ）を（３，３）成分とする内積行列Ｋを求める。Ｋは、既知のＭの成分だけで表されているので、簡単に求めることができる。このＫを使用することで、Ｍの逆行列Ｎは、
Ｎ＝Ｋ^−１＊Ｍ^Ｔ…（６）
で与えられる。ここで、Ｋ^−１は３×３正方行列の逆行列であり、求める３方向成分に対し、一次独立性を保つように複数のセンサを配置すれば、Ｋの行列式は０と異なり、公式より容易に求まる。また、Ｍ^Ｔは、Ｍの転置行列を意味し、Ｍの（ｉ，ｊ）成分を（ｊ，ｉ）成分とすることで得ることができる。

このことから、図１および図２に示したセンサ付きハブユニットにおいて、各センサ(St)(Sb)(Sf)(Sr)の出力からタイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重のそれぞれが精度よく求められることが分かる。こうして得られた接地荷重の各分力は、車両制御手段に出力され、車両に適正な制御が施される。

なお、上記実施形態では、ハブユニットに適用する場合についてのみ説明したが、この荷重検出装置は、ハブユニット以外の転がり軸受装置や種々の装置に対しても適用することができる。

図１は、この発明による荷重検出装置の適用例であるセンサ付きハブユニットの１実施形態を示す縦断面図である。図２は、図１のII-II線に沿う断面図である。図３は、荷重検出装置の原理を説明する図である。

符号の説明

(1) ハブユニット
(2) センサ装置
(3) 車体側軌道部材
(4) 車輪側軌道部材
(5) 玉（転動体）
(13) 車体取付け用フランジ部
(St)(Sb)(Sf)(Sr)歪−荷重センサ

Claims

対象物に作用する荷重を検出する荷重検出装置であって、対象物の所定箇所に設けられて異なる方向の荷重の大きさを検出する複数の歪−荷重センサを備えており、
各センサの出力ベクトルをＦｍとして、推定荷重ベクトルＦｓが以下の式で求められていることを特徴とする荷重検出装置。
Ｆｓ＝Ｎ＊Ｆｍ
ただし、Ｎ（推定行列）は、実荷重ベクトルＦの各方向成分をそれぞれ単独で与えたときのセンサ出力ベクトルＦｍをＦｍ＝Ｍ＊Ｆと表したときのＭ（力−歪行列）の逆行列。
歪−荷重センサは、検出される荷重の成分の数よりも多くなされており、力−歪行列Ｍの内積行列をＫ、その逆行列をＫ^−１および力−歪行列Ｍの転置行列をＭ^Ｔとして、Ｎが次の式で求められている請求項１の荷重検出装置。
Ｎ＝Ｋ^−１＊Ｍ^Ｔ
固定側軌道部材、回転側軌道部材および転動部材を有する転がり軸受と、荷重検出装置とを備えており、荷重検出装置が請求項１または２のものである転がり軸受ユニット。
転がり軸受は、固定側軌道部材が車体側、回転側軌道部材が車輪側に取り付けられるハブユニットとされており、ハブユニットの頂部、底部、前部および後部にそれぞれ歪−荷重センサが配置されている請求項３の転がり軸受ユニット。