JP2008216017A - 回転角度算出装置及び変位量算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
少ないセンサで内側回転体の外側回転体に対する相対回転角を算出する回転角算出装置を提供する。
【解決手段】
無負荷で内側回転軸と外側回転軸が同心に配置され、少なくとも内側回転軸に直交する面内で相対変位可能に負荷に応じて変形する弾性部材によって連結された内側回転体及び外側回転体を有する回転体と、内側回転体及び外側回転体のいずれか一方と一体的に回転し、該回転する内側回転体又は外側回転体の周方向の複数の異なる箇所に設けられた被測定部材と、他方の内側回転体又は外側回転体と一体的に回転し、該他方の回転体の回転軸の中心から等しい距離にある周方向の異なる複数の箇所に配置され、周方向に対向して配置された被測定部材の被測定部位までの距離を検出する複数の変位センサと、複数の変位センサにより検出された複数の距離に基づいて、内側回転体と外側回転体との間の相対回転角を算出する演算手段とを具備して構成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、外側回転体の内側回転体に対する相対回転角又は相対変位量を算出する回転角度算出装置又は変位量算出装置に関する。

車輪に用いられるホイールなどの回転体では、その回転体に働く力、例えば、路面の摩擦力による路面に平行なｘ軸方向の力，車両の荷重による路面からの垂直反力による鉛直方向（ｚ軸方向）の力、ｘ及びｚ軸に垂直なｙ軸回りのトルクＭｙ等に基づいて、車両の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）などの車両の旋回挙動を安定化させるビークルスタビリティアシストシステム（ＶＳＡ）などにおいて、車両の制動制御が行われている。

回転体のｘ，ｙ，ｚ軸方向に加わる力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びこれらの軸回りに働くトルクＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの推定に係る先行技術としては、以下の特許文献があった。

特許文献１には、リムとホイールディスクの境界部分に接線方向変位センサと垂直方向変位センサをそれぞれ周上に点対称に４箇所設け、４個の接線方向変位センサの出力に基づいて、リムのホイールディスクに対する接線方向の相対変位量αを算出し、４個の垂直方向変位センサの出力に基づいて、リムの軸心のホイールディスクの軸心に対する垂直方向の偏心量Ｄを算出することが記載されている。

特許文献２には、ホイールのリム取り付け枠とハブ取り付け枠との間で十文状に配置された４本のＴ字型アームのそれぞれを構成する第１及び第２受感ビームのそれぞれに設けられた８個の歪みゲージの出力に基づいて、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びこれらの軸回りに働くトルクＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを推定することが記載されている。
ＷＯ２００３／００８２４６号公報 特開２００５−２４９７７２号公報

しかしながら、特許文献１では、８個のセンサを用いて、リムのディスクに対する接線方向の相対変位量α及び垂直方向Ｄの偏心量を算出し、これらから、力の接線方向成分及び垂直方向成分を推定していることから、多くのセンサにコストがかかるという問題点があった。また、特許文献１では、リムの軸心がディスクの中心に対してｚ軸方向に変位するがｘ軸方向には変位しないことを前提として、リムのディスクに対する接線方向の相対変位量α及び垂直方向Ｄの偏心量を算出しているが、リムとディスクとの境界に設けられた弾性体がｘ軸方向に変位すると、誤差が生じるという問題点がある。更に、リムとディスクの狭い境界部分に接線方向変位センサと垂直方向変位センサを設けていることから、変位量の検出精度に問題がある。

特許文献２では、少なくとも３本のＴ字型アームのそれぞれを構成する第１及び第２受感ビームのそれぞれに設けられた８個の歪みゲージ、合計、少なくとも４８（３×８×２）個の出力に基づいて、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びこれらの軸回りに働くトルクＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを推定することから、多くのセンサにコストがかかるという問題点があった。更に、Ｆｚ，Ｍｚ以外のＦｘ，Ｆｙ及びＭｘ，Ｍｚについては、角度検出部が検出したホイールの回転角に基づいて補正する必要があり、処理が複雑になるという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、回転補正が不要、且つより少ないセンサで内側回転体の外側回転体に対する相対回転角および相対変位量を算出し、相対回転角及び相対変位量に基づき、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｙを推定する回転角度及び変位量算出装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明によれば、無負荷で内側回転軸と外側回転軸が同心に配置され、少なくとも前記内側回転軸に直交する面内で相対変位可能に負荷に応じて変形する弾性部材によって連結された内側回転体及び外側回転体を有する回転体と、前記内側回転体及び前記外側回転体のいずれか一方と一体的に回転し、該回転する前記内側回転体又は前記外側回転体の周方向の複数の異なる箇所に設けられた被測定部と、他方の前記内側回転体又は前記外側回転体と一体的に回転し、該他方の回転体の異なる複数の箇所に配置され、前記他方の回転体の周方向に対向して配置された前記被測定部の被測定部位までの距離を検出する複数の変位センサと、前記複数の変位センサにより検出された前記複数の距離に基づいて、前記内側回転体と前記外側回転体との間の相対回転角を算出する演算手段とを具備したことを特徴とする変位量算出装置が提供される。

請求項１記載の発明によると、回転体がトルクを受けたときに、該トルクが外側回転体を介して弾性部材に伝達され、弾性部材がトルクに応じて変形し、外側回転体が内側回転体に対して相対回転する。内側回転体及び外側回転体のいずれか一方の回転体の複数の異なる箇所に、内側回転体又は外側回転体と一体的に回転し、該他方の回転体の異なる複数の箇所に被測定部を設け、他方の回転体に、周方向に対向して配置された被測定部の被測定部位までの距離を検出する複数の変位センサを設けたので、内側回転体と外側回転体との間の相対回転角を算出することができ、その結果、少ない変位センサにより相対回転角を算出することができる。

図１は、本発明の実施形態による荷重算出装置１を含むブロック図である。図１に示すように、荷重算出装置１は、変位検出装置２＃ＦＬ，２＃ＦＲ，２＃ＲＬ，２＃ＲＲ及び変位−荷重変換演算手段４を含む。変位検出装置２＃ＦＬは、左前輪について変位を検出する。変位検出装置２＃ＦＲは、右前輪について変位を検出する。変位検出装置２＃ＲＬは、左後輪について変位を検出する。変位検出装置２＃ＲＲは、右後輪について変位を検出する。尚、変位検出手段２は、左前輪、右前輪、左後輪、右後輪の少なくとも１つの車輪について設けられていれば良い。

図２は、図１中の変位検出装置２＃ＦＬ，２＃ＦＲ，２＃ＲＬ，２＃ＲＲのブロック図である。変位検出装置２＃ＦＬ，２＃ＦＲ，２＃ＲＬ，２＃ＲＲは、実質的に同一であることから、変位検出装置を符号２で表わしている。図２に示すように、変位検出装置２は、変位検出手段１０＃１，１０＃２，１１＃１、１１＃２、フィルタ１２＃１，１２＃２，１２＃３，１２＃４及びデータ送信部１４を有する。

図３は車輪側面図である。図４はホイール３２を車軸ハブ３４に取り付けた状態における図３のＡ−Ａ線断面図である。図３乃至図４に示すように、ホイール３２は、ホイールディスク２０、弾性部材２２、リム２４、並びに変位検出装置１０＃１，１０＃２，１０＃３，１０＃４を構成する変位センサ２６＃１，２６＃２，２６＃３，２６＃４及び被測定部（被測定部材）２８＃１，２８＃２，２８＃３，２８＃４を有する。

ホイールディスク（内側回転体）２０は、ホイール３２の中心に配置され、車軸ハブ３４、ブレーキディスク４０及びホイールディスク２０のそれぞれに設けられた貫通穴にスタッドボルト３８を貫通し、ホイールナット３６で締結することより、ホイールディスク２０及びブレーキディスク４０が車軸４２と一体回転する車軸ハブ３４に取り付けられる。

ホイールディスク２０は、車軸ハブ３４の中心軸を回転軸（内側回転軸）として回転可能であるが、車軸ハブ３４に固定されていることから、路面に平行なｘ軸、車軸４２の回転軸（ｙ軸）、ｘ軸及びｙ軸に垂直なｚ軸方向への移動が規制されている。ホイールディスク２０は、例えば、アルミニウム合金を素材とする鋳造成形品である。

リム（外側回転体）２４は、ホイールディスク２０の外周側に配置され、タイヤ３０が装着されて、該タイヤ３０を支承するものであり、無負荷状態では、その回転軸（外側回転軸）がホイールディスク２０の回転軸と同心にある。その形状はリング状である。リム２４は、例えば、アルミニウム合金を素材とする鋳造成形品である。

弾性部材２２は、ホイールディスク２０とリム２４との間に配置され、ホイールディスク２０とリム２４とを連結し、タイヤ３０よりリム２４を通して伝達される、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びｙ軸回りのトルクＭｙの大きさ及び力の方向に応じて変形するものである。

力Ｆｘは、ブレーキ力などに起因する路面からのタイヤ３０への路面に水平な方向の摩擦力によるものであり、タイヤ３０からリム２４を通して弾性部材２２に伝達される。力（荷重）Ｆｚは、車体からの荷重の路面からの反作用によるものであり、路面からタイヤ３０及びリム２４を通して弾性部材２２に伝達される。トルクＭｙは、力Ｆｘによるリム２４の中心Ｐ２回りのモーメントがタイヤ３０及びリム２４を通して弾性部材２２に伝達される。

即ち、弾性部材２２は、力Ｆｘ，Ｆｚに応じてｘ軸方向，ｚ軸方向に伸長／収縮（変形）し、また、ｙ軸に平行な軸回りのトルクＭｙにより、リム２４の回転とともに、弾性部材２２の各点とリム２４の回転中心Ｐ２とを結ぶ直線に直角方向（周方向）に伸長するものであり、例えば、リングゴムやリング状にホイールディスク２０の半径方向に重ねて形成された板ばねなどからなる。力Ｆｘ，Ｆｚの伝達経路は、タイヤ３０→リム２４→弾性部材２２→ホイールディスク２０→スタッドボルト４４→車軸ハブ３４→車軸４２となる。

弾性部材２２は、ホイールディスク２０及びリム２４に、弾性ゴムの場合は加硫接着等により、板ばねの場合は溶接等により固定されている。力Ｆｘ，Ｆｚ及びトルクＭｙに応じてホイールディスク２０に対して相対変位することにより、その相対変位量により、力Ｆｘ，Ｆｚ及びトルクＭｙを推定するためのものである。形状は、リング形状である。尚、弾性部材２２は、ホイールディスク２０及びリム２４を両者が接触しない程度の弾性を有しつつ両者を連結していればよく、その具体的形状は任意に定めてよい。

リム２４は、弾性部材２２が力Ｆｘ，Ｆｚに応じてｘ軸、ｚ軸方向に変位及びトルクＭｙに応じてリム２４の中心Ｐ２を中心とする円の円周方向に変位することにより、ホイールディスク２０に対してｘ軸，ｚ軸方向に相対移動するとともに、ホイールディスク２０に対して相対回転する。

変位センサ２６＃１，２６＃２，２６＃３，２６＃４は、被測定部材２８＃１，２８＃２，２８＃３，２８＃４までの距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を測定し、その距離に応じた電気信号を出力するものであり、例えば、渦電流式、静電容量式、レーザ式などの非接触式の変位センサや、リニアポテンショメータなどの接触式の変位センサである。

図５は、車輪に負荷がかかっていない（無負荷）状態における車軸４２に垂直なｘ軸及びｚ軸を含む平面上に位置する変位センサ２６＃１，２６＃２，２６＃３，２６＃４並びに被測定部材２８＃１，２８＃２，２８＃３，２８＃４の配置を示す図である。本実施形態では、変位センサ２６＃１，２６＃２，２６＃３，２６＃４は、同一平面上にある例を示しているが、必ずしも、同一平面上にある必要はない。図６は変位センサ２６＃１及び被測定部材２８＃１の配置を示す図である。

変位センサ２６＃ｉ（ｉ＝１〜４）は、距離測定の中心点がホイールディスク２０の回転軸中心から一定距離ｒ離間し、例えば、中心Ｐ１から距離ｒ離間した周上（例えば、ホイールディスク２０の外周上）の９０°ずれた位置に、距離測定方向がホイールディスク２０の中心Ｐ１からリム２４側に向かう方向（ホイールディスク２０の半径方向）Ｌｉ（ｉ＝１〜４）と直角方向（周方向）となるように配置されている。尚、本実施形態では、変位センサ２６＃ｉ（ｉ＝１〜４）はホイールディスク２０の回転軸中心Ｐ１から等距離ｒ離間した位置に配置した例を示したがこれに限定されない。

ｘ軸，ｚ軸は静止座標系である。尚、変位センサ２６＃１，２６＃２，２６＃３，２６＃４は、リム２４の回転軸から一定距離ｒ離間、例えば、中心Ｐ２から距離ｒの周上（例えば、リム２４の内周上）に、距離測定方向が無負荷状態で周方向に配置しても良い。

被測定部材２８＃ｉ（ｉ＝１〜４）は、リム２４に取り付けられ、変位センサ２６＃ｉ（ｉ＝１〜４）の測定方向の対向面が被測定面２８ａ＃ｉ（ｉ＝１〜４）であり、リム２４と一体的に変位する。被測定部材２８＃ｉ（ｉ＝１〜４）の材質は、変位センサ２６＃ｉ（ｉ＝１〜４）が距離Ｄｉ（ｉ＝１〜４）を検出できるものであれば良い。

被測定部材２８＃ｉ（ｉ＝１〜４）には、リム２４やホイールディスク２０の一部を加工して形成したものも含まれる。形状は、被測定面２８ａ＃ｉ（ｉ＝１〜４）が以下のものであれば、それ以外については、問わない。

被測定部材２８＃ｉ（ｉ＝１〜４）は、無負荷状態において被測定面２８ａ＃ｉ（ｉ＝１〜４）の変位センサ２６＃ｉ（ｉ＝１〜４）の距離測定の中心による被測定部位Ｓｉ（ｉ＝１〜４）とホイールディスク２０の中心Ｐ１とを結ぶ直線Ｍｉ（ｉ＝１〜４）と直線Ｌｉ（ｉ＝１〜４）のなす角度α（α＞０）が一定、且つ直線Ｍｉ（ｉ＝１〜４）が直線Ｌｉ（ｉ＝１〜４）に対して一定方向、例えば、反時計回りとなるように被測定部材２８＃ｉ（ｉ＝１〜４）がリム２４に配置されている。

例えば、被測定部材２８＃ｉ（ｉ＝１〜４）は、無負荷状態において、被測定面２８ａ＃ｉ（ｉ＝１〜４）のｘ軸及びｚ軸を含む平面による断面がホイールディスク２０の中心Ｐ１を通る直線Ｍｉ（ｉ＝１〜４）となるように加工され、リム２４に配置されている。

被測定面２８ａ＃ｉ（ｉ＝１〜４）は、例えば、単一平面である。図７は被測定部材２８＃ｉ（ｉ＝１〜４）の一例を示す図である。被測定部材２８＃ｉ（ｉ＝１〜４）は、例えば、取り付けや製作が容易であることの観点から、直方体からなり、面２８ａ＃ｉ（ｉ＝１〜４）が周方向に直角となり、面２８ａ＃ｉ（ｉ＝１〜４）に直角な面２８ｂ＃ｉ（ｉ＝１〜４）半径方向に直角となるように、面２８ｂ＃ｉ（ｉ＝１〜４）をリム２４に取り付ける。

尚、変位センサ２６＃ｉ（ｉ＝１〜４）をリム２４に設ける場合は、被測定部材２８＃ｉ（ｉ＝１〜４）をホイールディスク２０の回転軸中心から半径方向に距離ｒ離間し、距離測定方向がリム２４の半径方向に直角な周方向になるよう配置する。また、被測定面２８ａ＃ｉ（ｉ＝１〜４）は、無負荷状態において被測定面２８ａ＃ｉ（ｉ＝１〜４）の変位センサ２６＃ｉ（ｉ＝１〜４）の距離測定の中心による被測定部位Ｓｉ（ｉ＝１〜４）とホイールディスク２０の中心Ｐ１とを結ぶ直線Ｍｉ（ｉ＝１〜４）と直線Ｌｉ(ｉ＝１〜４)のなす角度α（α＞０）が一定、且つ直線Ｍｉ（ｉ＝１〜４）が直線Ｌｉ（ｉ＝１〜４）に対して一定方向となるよう被測定部材２８＃ｉ（ｉ＝１〜４）をホイールディスク２０に配置する。

図２中のフィルタ１２＃ｉ（ｉ＝１〜４）は、変位検出手段１０＃ｉ（ｉ＝１〜４）の各変位センサ２６＃ｉ（ｉ＝１〜４）から出力される距離Ｄｉ（ｉ＝１〜４）を示す電気信号から高周波成分を削除し、ノイズをカットする。データ送信部１４は、フィルタ１２＃ｉ（ｉ＝１〜４）から出力される電気信号を無線などにより変位−荷重変換演算手段４に送信する。

図１中の変位−荷重変換演算手段４は、各変位検出装置２＃ＦＬ，２＃ＦＲ，２＃ＲＬ，２＃ＲＲより送信された距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４から後で詳述するように、リム２４のホイールディスク２０に対する相対回転角θを算出（演算手段）し、相対回転角θから力Ｆｘ，Ｆｚ，トルクＭｙを算出して、ＶＳＡシステム６に出力する。変位−荷重変換演算手段４は、例えば、ＣＰＵやメモリなどを有するＥＣＵ（エレクトリック コントロール ユニット）上を動作するプログラムにより構成する。

ＶＳＡシステム６は、変位−荷重変換演算手段４より出力された車輪ＷＦＬ，ＷＦＲ，ＷＲＬ，ＷＲＲについての、力Ｆｘ，Ｆｚ及びトルクＭｙ、並びに図示しない横加速度センサ、前後加速度センサ、ヨーレートセンサ及びピッチレートセンサなどの出力に基づいて、ＡＢＳ制御及びＴＣＳ制御などのＶＳＡ制御を行う。

図８乃至図１１は変位−荷重変換演算手段４の動作説明図であり、ホイール３２が車軸ハブ３４に取り付けられて、矢印Ａの方向に回転しながら路面を運動している状態を示している。図８及び図９中のｘ軸，ｚ軸は図５と同様である。ここでは、例えば、運転者がブレーキペダルを踏み込むことにより、路面からタイヤ３０を通してリム２４に力Ｆｘが加えられたものとする。

ブレーキペダルが踏み込まれると、ブレーキペダルからの液圧に基づき車軸ハブ３４と一体回転するブレーキディスク４０にブレーキ力が作用し、タイヤ３０と路面との間の摩擦力により、タイヤ３０を通してリム２４に力Ｆｘが加えられる。力Ｆｘがリム２４から弾性部材２２に伝達されて、弾性部材２２がｘ軸方向に伸縮する。その結果、リム２４の中心Ｐ２はｘ軸方向に変位量ａだけホイールディスク２０の中心Ｐ１に対して変位するともに、力Ｆｘにより回転体としてのリム２４に作用するトルクＭｙにより、リム２４が回転角θだけホイールディスク２０に対して相対回転する。

一方、車両からの荷重よる路面からのタイヤ３０への垂直反力Ｆｚにより、リム２４がｚ軸方向に力Ｆｚを受け、弾性部材２２がｚ軸方向に伸縮し、リム２４がｚ軸方向に変位量ｂだけ変位する。これにより、リム２４の中心Ｐ２の座標は（ａ，ｂ）となる。

変位センサ２６＃ｉ（ｉ＝１〜４）は、点Ｐ１を中心として、ホイールディスク２０と一体回転することから、観測時点において、変位センサ２６＃１は、ｘ軸からφ反時計回りに回転しているものとする。ｘ軸，ｚ軸を（ａ，ｂ）平行移動した軸をｘ’軸，ｚ’軸とする。変位センサ２６＃１の観測中心点をＱ１とする。リム２４の変位後の変位センサ２６＃１による被測定面２８ａ＃１の観測点をＳ１とする。

点Ｐ１と点Ｑ１を結ぶ直線（以下、直線Ｐ１Ｑ１）を（ａ，ｂ）平行移動した直線を直線Ｐ２Ｑ２とする。リム３４はホイールディスク２０に対してθだけ反時計回りに回転していることから、直線Ｐ２Ｑ２をＰ２を中心にθ反時計回りに回転した直線をＰ２Ｑ３とすると、変位センサ２６＃１と被測定部材２８＃１の配置より、直線Ｐ２Ｑ３と直線Ｐ２Ｓ１とのなす角度はαである。

点Ｐ２から直線Ｐ１Ｑ１への垂線の足をＶ１とする。点Ｐ２と点Ｖ１の距離は、（ｂｃｏｓφ−ａｓｉｎφ）となる。座標（ａ，０）からの直線Ｐ１Ｖ１への垂線の足と点Ｐ１の距離が（ａｃｏｓφ）であり、座標（ａ，０）から直線Ｐ２Ｖ１の距離が（ｂｓｉｎφ）であることから、点Ｐ１と点Ｖ１の距離は（ａｃｏｓφ＋ｂｓｉｎφ）となる。

点Ｐ１と点Ｑ１の距離がｒ，点Ｐ１と点Ｖ１の距離が（ａｃｏｓφ＋ｂｓｉｎφ）であることから、点Ｖ１と点Ｑ１の距離はｒ−（ａｃｏｓφ＋ｂｓｉｎφ）となる。点Ｐ１と点Ｑ１の距離がｒであり、直線Ｖ１Ｑ１は直線Ｐ２Ｔ１に平行、直線Ｖ２Ｐ２は直線Ｑ１Ｔ１に平行であることから、点Ｐ２と点Ｔ１の距離はｒ−（ａｃｏｓφ＋ｂｓｉｎφ）となる。

点Ｐ２と点Ｔ１の距離はｒ−（ａｃｏｓφ＋ｂｓｉｎφ）、角Ｓ１Ｐ２Ｔ１は（θ＋φ）、角Ｓ１Ｑ１Ｐ１が９０°、直線Ｖ１Ｑ１は直線Ｐ２Ｔ１に平行であることから、点Ｓ１と点Ｔ１の距離は、{ｒ−（ａｃｏｓφ＋ｂｓｉｎφ）}ｔａｎ（θ＋α）となる。直線Ｐ２Ｖ１と直線Ｔ１Ｑ１が平行、直線Ｖ１Ｑ１と直線Ｐ２Ｔ１が平行であることから、点Ｔ１と点Ｑ１の距離は（ｂｃｏｓφ−ａｓｉｎφ）となる。距離Ｄ１は点Ｓ１と点Ｔ１の距離と点Ｔ１と点Ｑ１の距離の和であることから、次式（１）が成り立つ。

Ｄ１＝（ｂｃｏｓφ−ａｓｉｎφ）＋{ｒ−（ａｃｏｓφ＋ｂｓｉｎφ）}ｔａｎ（θ＋α）
・・・ （１）
Ｄ２については、式（１）において、φに（φ＋π／２）を代入すればよいことから、式（２）が成り立つ。

Ｄ２＝（ｂｃｏｓ（φ＋π／２）−ａｓｉｎ（φ＋π／２））＋{ｒ−（ａｃｏｓ（φ＋π／２）＋ｂｓｉｎ（φ＋π／２）}ｔａｎ（θ＋α）
＝−（ｂｓｉｎφ＋ａｃｏｓφ）＋{ｒ−（−ａｓｉｎφ＋ｂｃｏｓφ）}ｔａｎ（θ＋α）
・・・ （２）
Ｄ３については、式（１）において、φに（φ＋π）を代入すればよいことから、式（３）が成り立つ。

Ｄ３＝（ｂｃｏｓ（φ＋π）−ａｓｉｎ（φ＋π））＋{ｒ−（ａｃｏｓ（φ＋π）＋ｂｓｉｎ（φ＋π）}ｔａｎ（θ＋α）
＝−（ｂｃｏｓφ−ａｃｏｓφ）＋{ｒ＋（ａｃｏｓφ＋ｂｓｉｎφ）}ｔａｎ（θ＋α）
・・・ （３）
Ｄ４については、式（１）において、φに（φ＋３π／２）を代入すればよいことから、式（４）が成り立つ。

Ｄ４＝（ｂｃｏｓ（φ＋３π／２）−ａｓｉｎ（φ＋３／２π））＋{ｒ−（ａｃｏｓ（φ＋３π／２）＋ｂｓｉｎ（φ＋３π／２）}ｔａｎ（θ＋α）
＝（ｂｓｉｎφ＋ａｃｏｓφ）＋{ｒ＋（−ａｓｉｎφ＋ｂｃｏｓφ）}ｔａｎ（θ＋α）
・・・ （４）
式（１）〜（４）より、式（５）が成り立つ。

ｔａｎ（θ＋α）＝（Ｄ１＋Ｄ３）／２ｒ＝（Ｄ２＋Ｄ４）／２ｒ＝（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４）／４ｒ
・・・ （５）
ここで、α，ｒは既知であることから、式（５）より、α，ｒ及び測定値Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４より、ホイール３２の回転角φに依存することなく回転角θを算出できる。

Ｘｉ＝Ｄｉ−ｒｔａｎ（θ＋α）（ｉ＝１〜４）とおくと、次式（６），（７），（８），（９）が成り立つ。

Ｘ₁＝（ａ²＋ｂ²）^1/2ｃｏｓ（Ａ＋φ＋θ＋α）／ｃｏｓ（θ＋α） ・・・（６）
Ｘ₂＝−（ａ²＋ｂ²）^1/2ｓｉｎ（Ａ＋φ＋θ＋α）／ｃｏｓ（θ＋α）・・・（７）
Ｘ₃＝−（ａ²＋ｂ²）^1/2ｃｏｓ（Ａ＋φ＋θ＋α）／ｃｏｓ（θ＋α）・・・（８）
Ｘ₄＝（ａ²＋ｂ²）^1/2ｓｉｎ（Ａ＋φ＋θ＋α）／ｃｏｓ（θ＋α） ・・・（９）
但し、ｔａｎＡ＝ａ／ｂである。

式（６）〜（９）より、式（１０）が成り立つ。

ａ²＋ｂ²＝−（Ｘ₁Ｘ₃＋Ｘ₂Ｘ₄）ｃｏｓ²（θ＋α）
＝（Ｘ₁ ²＋Ｘ₂ ²）ｃｏｓ²（θ＋α） ・・・（10）
式（１）〜（４）のように、ａとｂはディスクホイール３２の回転角度φに依存していることから、このままだと、ホイール回転角φを検出する角度検知センサが必要となる。しかし、Ｆｘ＝Ｋ_a×ａ（Ｋ_aは弾性部材２２のｘ軸方向の伸びと力Ｆｘにより決まる定数）、Ｍｙ＝Ｋ_θ×θ（Ｋ_θは弾性部材２２のリム２４の中心Ｐ２を中心とする円周方向の伸びとトルクＭｙにより決まる定数）という関係と、Ｍｙ＝Ｆｘ×Ｒ₀（Ｒ₀：回転体の動半径）という関係があるため、回転体の動半径が既知Ｒ₀であれば、
ａ＝Ｆｘ／Ｋ_a＝Ｍｙ／（Ｋ_a×Ｒ₀）＝Ｋ_θ×θ／（Ｋ_a×Ｒ₀） ・・・（11）
より、ａを求めることができる。

式（５）より、ｔａｎ（θ＋α）が得られており、式（１１）よりａが得られていることから、式（１０）より、式（１２）に示すｂが求められる。

ｂ＝{−（Ｘ₁Ｘ₃＋Ｘ₂Ｘ₄）ｃｏｓ²（θ＋α）−ａ²}^1/2
＝{（Ｘ₁ ²＋Ｘ₂ ²）ｃｏｓ²（θ＋α）−ａ²}^1/2 ・・・(12）
ａ，θ，α，Ｘ₁，Ｘ₂，Ｘ₃，Ｘ₄を式（１２）に代入して、ｂを算出する。

演算に使用する動半径Ｒ₀は一定値を用いても良いし、ホイールディスク２０の回転速度や荷重Ｆｚによって補正された値を用いても良い。

変位−荷重変換演算手段４は、車輪ＷＦＬ，ＷＦＲ，ＷＲＬ，ＷＲＲについての変位量ａ，ｂ、相対回転角度θ、及び次式（１３），（１４），（１５）より、車輪ＷＦＬ，ＷＦＲ，ＷＲＬ，ＷＲＲについてのＦｘ，Ｆｚ，Ｍｙを算出する。

Ｆｘ＝Ｋa×ａ ・・・(13)
Ｆｚ＝Ｋb×ｂ ・・・(14)
Ｍｙ＝Ｋ_θ×θ ・・・(15)
但し、Ｋaは弾性部材２２のｘ軸方向の弾性力に基づく値であり、Ｋ_bは弾性部材２２のｚ軸方向の弾性力に基づく値である。

式（５）より、式（１６）が成り立つ。

Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４＝４ｒｔａｎ（θ＋α） ・・・(16)
図１０は式（１６）に基づき、ｒ＝２００ｍｍであるときの、（θ＋α）と（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４）の関係を示す図であり、横軸に（θ＋α）（単位°）、縦軸に（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４）（単位ｍｍ）を示している。図１１は図１０中のＢ部拡大図である。例えば、α＝５°であるとき、θが−３°〜＋３°の範囲で変化すると、θが＋３°のときの（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４）と−３°のときの（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４）の差が８４．５ｍｍとなり、検出される変位量が大きい。これは、ｔａｎ（θ＋α）がθの変化量に対して変化量が大きいので、距離Ｄｉ（ｉ＝１〜４）の変化量が大きくなるからである。

以上説明したように、本実施形態によれば、ホイールディス２０の中心Ｐ１を対称として、９０°ずれた４箇所に配置された変位センサ２６＃ｉ（ｉ＝１〜４）により被測定面２８ａ＃ｉ（ｉ＝１〜４）までの周方向の距離Ｄｉ（ｉ＝１〜４）を測定することにより、リム２４のホイールディスク２０に対する相対回転角θ及びａ，ｂを算出することができる。θ及びａ，ｂより、Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙを求めることができる。

尚、本実施形態では、（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）、（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ４），（Ｄ２，Ｄ４，Ｄ１），（Ｄ２，Ｄ４，Ｄ３）の３個の変位センサの出力により、θ（トルクＭｙ）、ａ（力Ｆｘ）及びｂ（力Ｆｚ）を算出することができることは明らかである。

変形例
式（１）〜（４）に示すように、距離Ｄｉ（ｉ＝１〜４）を一部又は全てを加算し、角度φに依存するｓｉｎ，ｃｏｓの項をキャンセルすることにより、ｔａｎ（θ＋α）を算出し、相対回転角θを算出することができる。相対回転角θを算出するには、ホイールディスク２０の中心Ｐ１を対称に、１８０°ずれた位置に二つの被測定部及び変位センサを配置し、被測定部までの周方向の距離をこの二つの変位センサにより計測し、これら変位センサが計測した二つの距離を加算すれば良い。従って、θ（トルクＭｙ）及びａ（力Ｆｘ）のみを求める場合は最低２つ必要となる。

また、ホイールディス２０の中心Ｐ１を中心して、１２０°ずつずれた位置に配置した周方向の距離を測定する３つの変位センサが計測した３つの距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は式（１７）〜（１９）となり、式（１７）〜（１９）を加算すると、式（２０）のように、位相が１２０°ずれた３つのｓｉｎ，ｃｏｓの項の和が０となるので、ｓｉｎ，ｃｏｓの項をキャンセルすることができ、式（２１）に示すように、相対回転角度θを算出することができる。

Ｄ１＝（ｂｃｏｓφ−ａｓｉｎφ）＋{ｒ−（ａｃｏｓφ＋ｂｓｉｎφ）}ｔａｎ（θ＋α）
・・・(17)
Ｄ２＝（ｂｃｏｓ（φ＋２π／３）−ａｓｉｎ（φ＋２π／３））＋{ｒ−（ａｃｏｓ（φ＋２π／３）＋ｂｓｉｎ（φ＋２π／３）}ｔａｎ（θ＋α）
・・・(18)
Ｄ３＝（ｂｃｏｓ（φ＋４π／３）−ａｓｉｎ（φ＋４π／３））＋{ｒ−（ａｃｏｓ（φ＋４π／３）＋ｂｓｉｎ（φ＋４π／３）}ｔａｎ（θ＋α）
・・・ (19)
Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３＝３ｒｔａｎ（θ＋α） ・・・ (20)
ｔａｎ（θ＋α）＝（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３／３ｒ） ・・・ (21)
更に、（ａ²＋ｂ²）より、ｂ（力Ｆｚ）を算出するには、θ（トルクＭｙ）及びａ（力Ｆｘ）のみを算出するための変位センサ以外に最低一つの変位センサが必要となる。このとき、実施形態では、９０°ずれた位置に配置された２つの（Ｘ１，Ｘ２）又は（Ｘ３，Ｘ４）をそれぞれ２乗して加算し、φに依存する三角関数ｓｉｎ又はｃｏｓをキャンセルしているが、他の配置の場合でも（ａ²＋ｂ²）を算出することができる。

例えば、２つの変位センサを９０°以外の角度ξ（ξ≠９０°）で配置する場合にも、式（１７）より、Ｘ１＝（ａ²＋ｂ²）^1/2ｃｏｓ（Ａ＋φ＋θ＋α）／ｃｏｓ（θ＋α）、（Ｘ１＝Ｄ１−ｒｔａｎ（θ＋α））及びＤ２＝{ｂｃｏｓ（φ＋ξ）−ａｓｉｎ（φ＋ξ）}＋{ｒ−（ａｃｏｓ（φ＋ξ）＋ｂｓｉｎ（φ＋ξ）}ｔａｎ（θ＋α）、またＸ２＝（ａ²＋ｂ²）^1/2（ｃｏｓ（Ａ＋φ＋θ＋α＋ξ）／ｃｏｓ（θ＋α）、（Ｘ２＝Ｄ２−ｒｔａｎ（θ＋α））であり、ａ²＋ｂ²＝（Ｘ１²−２Ｘ１Ｘ２ｃｏｓξ＋Ｘ２²）ｃｏｓ²（θ＋α）／ｓｉｎ²ξより、（ａ²＋ｂ²）を算出することができる。

本発明の実施形態による荷重算出装置のブロック図である。 図１中の変位検出装置のブロック図である。 車輪の側面図である。 図３中のＡ−Ａ線断面図である。 無負荷状態におけるホイールを示す図である。 変位センサ及び被測定部材の配置を示す図である。 被測定部材の一例を示す図である。 変位−荷重変換演算手段の動作説明図である。 変位−荷重変換演算手段の動作説明図である。 変位−荷重変換演算手段の動作説明図である。 変位−荷重変換演算手段の動作説明図である。

符号の説明

２＃ＦＬ，２＃ＦＲ，２＃ＲＬ，２＃ＲＲ 変位検出装置
４ 変位−荷重変換演算手段
２０ ホイールディスク
２２ 弾性部材
２４ リム
２６＃１，２６＃２，２６＃３，２６＃４ 変位センサ
２８＃１，２８＃２，２８＃３，２８＃４ 被測定部材
２８ａ＃１，２８ａ＃２，２８ａ＃３，２８ａ＃４ 被測定面
３０ タイヤ
３４ 車軸ハブ

Claims (1)

1. 無負荷で内側回転軸と外側回転軸が同心に配置され、少なくとも前記内側回転軸に直交する面内で相対変位可能に負荷に応じて変形する弾性部材によって連結された内側回転体及び外側回転体を有する回転体と、
   前記内側回転体及び前記外側回転体のいずれか一方と一体的に回転し、該回転する前記内側回転体又は前記外側回転体の周方向の複数の異なる箇所に設けられた被測定部と、
   他方の前記内側回転体又は前記外側回転体と一体的に回転し、該他方の回転体の異なる複数の箇所に配置され、前記他方の回転体の周方向に対向して配置された前記被測定部の被測定部位までの距離を検出する複数の変位センサと、
   前記複数の変位センサにより検出された前記複数の距離に基づいて、前記内側回転体と前記外側回転体との間の相対回転角を算出する演算手段と、
   を具備したことを特徴とする変位量算出装置。

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