特許 7561697 回転体の変位測定装置ならびに車輪に加わる横力およびモーメントの測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-26

(45)【発行日】2024-10-04

(54)【発明の名称】回転体の変位測定装置ならびに車輪に加わる横力およびモーメントの測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 21/00 20060101AFI20240927BHJP

   B60C 19/00 20060101ALI20240927BHJP

   G01B 7/00 20060101ALI20240927BHJP

   G01L 5/166 20200101ALI20240927BHJP

   G01L 5/169 20200101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

G01B21/00 F

B60C19/00 H

G01B7/00 101H

G01L5/166

G01L5/169

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021100378

(22)【出願日】2021-06-16

(65)【公開番号】P2022191888

(43)【公開日】2022-12-28

【審査請求日】2023-12-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤吉 基弘

(72)【発明者】

【氏名】山口 裕之

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 徳祥

(72)【発明者】

【氏名】天野 真輝

(72)【発明者】

【氏名】柴 真人

(72)【発明者】

【氏名】本庄 卓也

【審査官】國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－２２５１０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０７３０８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０４９３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１８４０２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ２１／００

Ｇ０１Ｂ ７／００

Ｇ０１Ｌ ５／１６９

Ｇ０１Ｌ ５／１６６

Ｂ６０Ｃ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸線周りに回転する回転体に設けられ、前記回転体の回転に伴って旋回する第１マークと、
前記回転軸線を挟んで配置され、前記第１マークの通過をそれぞれ検出する第１センサおよび第２センサと、
前記第１センサおよび前記第２センサの検出に基づき、前記第１マークが前記第１センサの位置から前記第２センサの位置までの表区間を通過するのに要した第１マーク表区間通過時間と、前記第１マークが前記第２センサの位置から前記第１センサの位置までの裏区間を通過するのに要した第１マーク裏区間通過時間との少なくとも一方を算出する区間通過時間算出器と、
前記回転体の回転周期を算出する回転周期算出器と、
前記第１マーク表区間通過時間と前記第１マーク裏区間通過時間の少なくとも一方と、前記回転周期とに基づき、前記回転軸線に直交し、かつ前記第１センサと前記第２センサの対向方向に直交する方向の変位を算出する変位算出器と、
を含む、回転体の変位測定装置。

【請求項2】

請求項１に記載の回転体の変位測定装置であって、前記変位算出器は、前記第１マーク表区間通過時間と前記回転周期の比に基づき前記変位を算出する、回転体の変位測定装置。

【請求項3】

請求項１に記載の回転体の変位測定装置であって、前記変位算出器は、前記第１マーク表区間通過時間と前記第１マーク裏区間通過時間の差分と前記回転周期に基づき前記変位を算出する、回転体の変位測定装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載の回転体の変位測定装置であって、前記回転周期算出器は、前記第１マーク表区間通過時間と前記第１マーク裏区間通過時間の和を前記回転周期として算出する、回転体の変位測定装置。

【請求項5】

請求項１から３のいずれか１項に記載の回転体の変位測定装置であって、前記回転周期算出器は、前記第１センサによる前記第１マークの前回の検出から今回の検出までの時間に基づき前記回転周期を算出する、回転体の変位測定装置。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１項に記載の回転体の変位測定装置であって、さらに、前記回転体の前記回転周期の変動が所定値以上となった場合、前記変位算出器の算出した前記変位の出力を禁止する安定性判定器を含む、回転体の変位測定装置。

【請求項7】

請求項１から３のいずれか１項に記載の回転体の変位測定装置であって、前記区間通過時間算出器は前記第１マーク表区間通過時間を算出し、前記回転周期算出器は、前記第１マークが表区間を通過している間の回転速度に基づき前記回転周期を算出する、回転体の変位測定装置。

【請求項8】

請求項１に記載の回転体の変位測定装置であって、
前記回転体の、前記回転軸線に関して前記第１マークに対して反対側に設けられ、前記回転体の回転に伴って旋回する第２マーク、
をさらに含み、
前記第１センサおよび前記第２センサは、前記第２マークの通過を検出し、
前記区間通過時間算出器は、前記第２マークが前記裏区間を通過するのに要した第２マーク裏区間通過時間を算出し、
前記回転周期算出器は、前記第１マーク表区間通過時間と前記第２マーク裏区間通過時間の和を前記回転周期として算出する、
回転体の変位測定装置。

【請求項9】

請求項８に記載の回転体の変位測定装置であって、
前記回転体の、前記回転軸線に関して互いに反対側に設けられ、前記回転体の回転に伴って旋回する第３マークおよび第４マーク、
をさらに含み、
前記第１センサおよび前記第２センサは、前記第３マークおよび前記第４マークの通過を検出し、
前記区間通過時間算出器は、前記第３マークが前記表区間を通過するのに要した第３マーク表区間通過時間を算出し、また前記第４マークが前記裏区間を通過するのに要した第４マーク裏区間通過時間を算出し、
前記回転周期算出器は、さらに、前記第３マーク表区間通過時間と前記第４マーク裏区間通過時間の和を前記回転体の第２の回転周期として算出し、
前記変位算出器は、さらに、前記第３マーク表区間通過時間と前記第４マーク裏区間通過時間の少なくとも一方と、前記第２の回転周期とに基づき、前記変位を算出する、
回転体の変位測定装置。

【請求項10】

ハブキャリアに回転可能に支持され、車両の車輪と一体となって回転するアクスルハブと、
前記アクスルハブの傾動の中心から離れた位置における当該アクスルハブの車両上下方向の変位を検出する請求項１から９のいずれか１項に記載の回転体の変位測定装置と、
前記車両上下方向の変位に基づきアクスルハブの車両前後方向に直交する鉛直面内の角度変位を算出する鉛直角度変位算出部と、
前記鉛直面内の角度変位に基づき前記車輪に加わる横力を算出する横力算出部と、
を含む、車輪横力測定装置。

【請求項11】

ハブキャリアに回転可能に支持され、車両の車輪と一体となって回転するアクスルハブと、
前記アクスルハブの傾動の中心から離れた位置における当該アクスルハブの車両前後方向の変位を検出する請求項１から９のいずれか１項に記載の回転体の変位測定装置と、
前記車両前後方向の変位に基づき前記アクスルハブの水平面内の角度変位を算出する水平角度変位算出部と、
前記水平面内の角度変位に基づき前記車輪に加わる鉛直軸周りのモーメントを算出するモーメント算出部と、
を含む、車輪モーメント測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転体の回転軸線に直交する方向の変位を検出する変位測定装置、ならびにこの変位測定装置を利用した車輪に加わる横力およびモーメントの測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、回転機械、特に車両の車輪支持用軸受ユニットのハブ（２）の回転軸線に直交する方向の変位を測定可能な測定装置が開示されている。ハブ（２）には、このハブ（２）と一体にエンコーダ（４）が固定されている。エンコーダ（４）は、円筒形状であり、周方向にスリット状の透孔（５）と柱部（６）が交互に配列されている。第一から第四センサ（７～１０）は、透孔（５）と柱部（６）に応じた信号を出力し、ハブ（２）と共にエンコーダ（４）が回転すると、透孔（５）と柱部（６）の配列周期に対応した周期の波形を有する信号を出力する。下記特許文献１では、この信号の位相の変化に基づき、エンコーダ（４）の設置位置におけるハブ（２）の変位を検出している。なお、（ ）内の符号は、下記特許文献１で用いられた符号であり、本願の実施形態の説明で用いられる符号とは関連しない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－２２５１０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

回転体、例えば車両の車輪に加わる力およびモーメントを車輪のハブの変位に基づき測定する場合、回転体の非対称性により生じる変位および路面の細かな凹凸等によるランダムな変位が外乱となる。上述のエンコーダを用いた測定において、回転体の非対称性により生じる変位を除去するために、得られた波形の電気信号に対して帯域フィルタを用いることが考えられるが、十分には除去しきれない。回転体の回転周期が変動する場合、それに合わせて帯域フィルタの帯域を変化させる必要があり、構成が複雑となる。また、ランダムな変位は、帯域フィルタでは対応できず、時間に対して平均化することで除去することが考えられるが、必要な信号についても平均化により除去されるおそれがある。

【0005】

本発明は、回転体の変位を簡易に、また正確に検出することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の回転体の変位測定装置は、回転軸線周りに回転する回転体に設けられて当該回転体の回転に伴って旋回する第１マークと、回転軸線を挟んで配置され、第１マークの通過をそれぞれ検出する第１センサおよび第２センサと、第１センサおよび第２センサの検出に基づき、第１マークが第１センサの位置から第２センサの位置までの表区間を通過するのに要した第１マーク表区間通過時間と、第１マークが第２センサの位置から第１センサの位置までの裏区間を通過するのに要した第１マーク裏区間通過時間との少なくとも一方を算出する区間通過時間算出器と、回転体の回転周期を算出する回転周期算出器と、第１マーク表区間通過時間と第１マーク裏区間通過時間の少なくとも一方と、回転周期とに基づき、回転体の回転軸線に直交し、かつ第１センサと第２センサの対向方向に直交する方向の変位を算出する変位算出器と、を含む。

【0007】

変位算出器は、第１マーク表区間通過時間と回転周期の比に基づき回転体の変位を算出するものとすることができる。

【0008】

また、変位算出器は、第１マーク表区間通過時間と第１マーク裏区間通過時間の差分と回転周期に基づき回転体の変位を算出するものとすることができる。

【0009】

回転周期算出器は、第１マーク表区間通過時間と第１マーク裏区間通過時間の和を回転体の回転周期として算出するものとすることができる。

【0010】

また、回転周期算出器は、第１センサによる第１マークの前回の検出から今回の第１マークの検出までの時間に基づき回転周期を算出するものとすることができる。

【0011】

さらに、回転体の回転周期の変動が所定値以上となった場合、変位算出器の算出した変位の出力を禁止する安定性判定器を含むものとすることができる。

【0012】

また、区間通過時間算出器は第１マーク表区間通過時間を算出するもの、回転周期算出器は第１マークが表区間を通過している間の回転速度に基づき回転周期を算出するものとすることができる。

【0013】

さらに、回転体の変位測定装置は、回転体の、回転軸線に関して第１マークに対して反対側に設けられ、回転体の回転に伴って旋回する第２マークをさらに含むものとすることができ、第１センサおよび第２センサは、第２マークの通過を検出するもの、区間通過時間算出器は、第２マークが裏区間を通過するのに要した第２マーク裏区間通過時間を算出するもの、回転周期算出器は、第１マーク表区間通過時間と第２マーク裏区間通過時間の和を回転体の回転周期として算出するものとすることができる。

【0014】

さらに、回転体の変位測定装置は、第１マークおよび第２マークに加え、回転体の、回転軸線に関して互いに反対側に設けられ、回転体の回転に伴って旋回する第３マークおよび第４マークをさらに含むものとすることができ、第１センサおよび第２センサは、さらに第３マークおよび第４マークの通過を検出するもの、区間通過時間算出器は、さらに第３マークが表区間を通過するのに要した第３マーク表区間通過時間および第４マークが裏区間を通過するのに要した第４マーク裏区間通過時間を算出するもの、回転周期算出器は、さらに、第３マーク表区間通過時間と第４マーク裏区間通過時間の和を回転体の第２の回転周期として算出するもの、変位算出器は、さらに、第３マーク表区間通過時間と第４マーク裏区間通過時間の少なくとも一方と、第２の回転周期とに基づき変位を算出するものとすることができる。

【0015】

本発明の他の態様に係る車輪横力測定装置は、ハブキャリアに回転可能に支持され、車両の車輪と一体となって回転するアクスルハブと、アクスルハブの傾動の中心から離れた位置における当該アクスルハブの車両上下方向の変位を検出する前述した回転体の変位測定装置いずれか１つと、車両上下方向の変位に基づきアクスルハブの車両前後方向に直交する鉛直面内の角度変位を算出する鉛直角度変位算出部と、鉛直面内の角度変位に基づき車輪に加わる横力を算出する横力算出部と、を含む。

【0016】

本発明のさらに他の態様に係る車輪モーメント測定装置は、ハブキャリアに回転可能に支持され、車両の車輪と一体となって回転するアクスルハブと、アクスルハブの傾動の中心から離れた位置における当該アクスルハブの車両前後方向の変位を検出する前述した回転体の変位測定装置いずれか１つと、車両前後方向の変位に基づきアクスルハブの水平面内の角度変位を算出する水平角度変位算出部と、水平面内の角度変位に基づき車輪に加わる鉛直軸周りのモーメントを算出するモーメント算出部と、を含む。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係る回転体の変位測定装置によれば、回転周期ごとに変位が検出され、回転周期に同期して生じる外乱、およびランダムに生じる外力を簡易に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本実施形態に係る変位の測定原理を説明するための図である。

【図2】第１および第２センサの出力信号の波形を示す図であり、回転軸１０が変位していないときの波形を示す図である。

【図3】第１および第２センサの出力信号の波形を示す図であり、回転軸１０が変位しているときの波形を示す図である。

【図4】変位測定装置１００の構成を示すブロック図である。

【図5】変位測定装置１０２の構成を示すブロック図である。

【図6】変位測定装置１０４の構成を示すブロック図である。

【図7】変位測定装置１０６の構成を示すブロック図である。

【図8】変位測定装置１０８の構成を示す図である。

【図9】変位測定装置１０８の第１および第２センサの出力信号の波形を示す図である。

【図10】変位測定装置１０８の構成を示すブロック図である。

【図11】４つのマークを有する変位測定装置の構成を示す図である。

【図12】車両の車輪、車軸、および車輪に加わる外力の測定装置の概要を示す図である。

【図13】車輪に加わる横力およびモーメントを説明するための図である。

【図14】車輪および車輪周辺の構成を模式的に示す断面図である。

【図15】車輪に作用する横力を測定する装置の構成を示すブロック図である。

【図16】車輪に作用するＺ軸周りのモーメントを測定する装置の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明に係る実施の形態を図面に従って説明する。図１は、回転体としての回転軸１０の変位を測定する測定装置１００の構成およびその検出原理を説明するための図である。図１において、左右方向をＸ軸方向（右方向が正）、紙面を貫く方向をＹ軸方向（手前方向が正）、上下方向をＺ軸方向（下方向が正）とする。回転軸１０の中心が符号Ｏで示され、回転軸１０の直径はｄである。特に、変位前の回転軸１０の位置が符号１０sで示す破線で、そのときの中心が符号Ｏsで示されている。以下、特に変位前の回転軸１０、その中心Ｏについて言及する必要があるときには、回転軸１０s、中心Ｏsと記す。Ｚ方向にΔｚ変位した後の回転軸１０の位置が実線で示されている。変位量Δｚは、説明のために強調されており、現実の変位は直径に対して百分の１以下である。

【0020】

回転軸１０の周囲には、２つのセンサ２０，２２が回転軸１０を挟むように配置されている。右側のセンサを第１センサ２０、左側のセンサを第２センサ２２と記す。第１および第２センサは、変位前の回転軸の中心Ｏsに関し、対称に配置されている。回転軸１０の表面には、マーク１２が設けられており、マーク１２は、回転軸１０の回転に伴って回転軸の中心Ｏの周りを旋回する。第１および第２センサ２０，２２は、回転軸１０の回転に伴うマーク１２の通過を検出する。つまり、第１および第２センサ２０，２２は、その検出対象範囲をマーク１２が通過すると、検出信号を出力する。第１および第２センサ２０，２２とマーク１２は、例えば、磁気センサと、回転軸１０の表面上に設けられた磁性体で形成された突起との組合せとすることができる。突起が磁気センサに接近すると、磁気センサ周囲の磁場が変化し、この変化によって突起の通過を検出することができる。また、第１および第２センサ２０，２２とマーク１２は、光電センサと、回転軸１０の表面と反射率の異なる検出片との組み合わせとすることもできる。光電センサは、回転軸１０表面に向けて光を照射し、その光の検出片から反射光を受光し、これに基づき検出信号を出力する。

【0021】

回転軸１０が、図１において反時計回りに回転するとき、マーク１２は第１センサ２０に検出された後、回転軸１０の上側の孤に沿って移動し、第２センサ２２の検出対象位置に達し、第２センサ２２に検出される。この区間を表区間Ｓaと記す。第２センサ２２から第１センサ２０までの下側の弧に対応する区間を裏区間Ｓbと記す。この「表」「裏」は、２つの区間Ｓa，Ｓbを、説明のために区別する目的で用いる。中心Ｏから表区間Ｓaに対応する弧を見込む角の角度を２*θaとし、中心Ｏから裏区間Ｓbに対応する弧を見込む角の角度を２*θbとする。

【0022】

図２，３は、回転軸１０が回転しているときの第１および第２センサ２０，２２の出力信号を示す図である。第１センサ２０の出力信号が符号Ｄ1で示されており、第２センサ２２の出力信号が符号Ｄ2で示されている。図２は、回転軸１０が変位する前の信号を示し、図３は、回転軸１０が変位した後の信号を示す。第１センサ２０がマーク１２を検出した時刻を符号ｔ1で示し、第２センサ２２がマーク１２を検出した時刻を符号ｔ2で示す。また、回転軸１０のｎ回転目に係る時刻であることを、時刻ｔ1，ｔ2の後に(n)を付すことで表す。例えば、時刻ｔ1(1)とは、回転軸１０の１回転目に第１センサ２０がマーク１２を検出した時刻であることを示す。以下の各変数についても、(n)を各変数の後に付すことで、回転軸１０のｎ回転目に係る変数であることを示す。

【0023】

マーク１２が表区間Ｓaを通過するのに要した時間Ｔaは時刻ｔ2と時刻ｔ1の差として求められる（Ｔa(n)＝ｔ2(n)－ｔ1(n)）。時間Ｔaを表区間通過時間Ｔaと記す。同様に、マーク１２が裏区間Ｓbを通過するのに要した時間Ｔbは、時刻ｔ1と時刻ｔ2の差として求められる（Ｔb(n)＝ｔ1(n+1)－ｔ2(n)）。時間Ｔbを裏区間通過時間Ｔbと記す。時間Ｔは、回転軸１０が１回転した時間、すなわち回転周期である。回転周期を符号Ｔで表す。

【0024】

回転軸１０が変位する前においては、表区間Ｓaと裏区間Ｓbの長さは等しく、図２に示すように表区間通過時間Ｔaと裏区間通過時間Ｔbも等しい。表区間Ｓaおよび裏区間Ｓbにそれぞれ対応する弧を見込む中心角は１８０°であり、θa＝θb＝９０°である。回転軸１０がＺ方向に変位した場合、表区間Ｓaおよび裏区間Ｓbの長さが変化し、これに応じて表区間通過時間Ｔaおよび裏区間通過時間Ｔbも変化する。したがって、表区間通過時間Ｔaおよび裏区間通過時間Ｔbを測定することで、表区間Ｓaおよび裏区間Ｓbの弧長、そしてこれらの弧を見込む中心角の角度２*θa，２*θbを次式（１），（２）に算出することができる。
２*θa(n)＝２*π*Ｔa(n)／Ｔ(n) ・・・（１）
２*θb(n)＝２*π*Ｔb(n)／Ｔ(n) ・・・（２）
回転周期Ｔ(n)は、第１センサ２０の検出時刻ｔ1(n)から次の検出時刻ｔ1(n+1)までの経過時間（Ｔ(n)＝ｔ1(n+1)－ｔ1(n)）により、または表区間通過時間Ｔa(n)と裏区間通過時間Ｔb(n)の和（Ｔ(n)＝Ｔa(n)＋Ｔb(n)）により求めることができる。

【0025】

中心角から回転軸１０の変位量Δz(n)は、次式（３）または（４）により算出することができる。
Δｚ(n)＝(ｄ／２)*cos(θa(n))
＝(ｄ／２)*cos(π*Ｔa(n)／Ｔ(n)) ・・・（３）
Δｚ(n)＝－(ｄ／２)*cos(θb(n))
＝－(ｄ／２)*cos(π*Ｔb(n)／Ｔ(n)) ・・・（４）

【0026】

このように、回転軸１０の変位量Δｚは、表区間通過時間Ｔaまたは裏区間通過時間Ｔbと、回転周期Ｔの比に基づき算出することができる。

【0027】

また、変位量Δｚを裏区間Ｓbと表区間Ｓaの差に基づき算出することもできる。裏区間Ｓbと表区間Ｓaの差（Ｓb－Ｓa）に対応する弧を見込む中心角(２*θb(n)－２*θa(n))は、角度θaの余角φの４倍である。したがって、Δｚ(n)は次式(５）により算出することができる。
Δｚ(n)＝(ｄ／２)*sin｛(θb(n)－θa(n))／２｝
＝(ｄ／２)*sin｛π*(Ｔb(n)－Ｔa(n))／(２*Ｔ(n))｝ ・・・（５）

【0028】

図４は、回転体の変位測定装置１００の構成を示すブロック図である。第１通過時刻記録器２４は、第１センサ２０の検出信号に基づき、マーク１２が第１センサ２０の検出対象領域を通過した時刻ｔ1を記録する。第２通過時刻記録器２６は、第２センサ２２の検出信号に基づき、マーク１２が第２センサ２２の検出対象領域を通過した時刻ｔ2を記録する。区間通過時間算出器２８は、第１および第２センサ２０，２２がマーク１２を検出した時刻ｔ1，ｔ2に基づき、マーク１２が表区間Ｓaを通過するのに要した時間Ｔaを算出し（Ｔa(n)＝ｔ2(n)－ｔ1(n)）、また、マーク１２が裏区間Ｓbを通過するのに要した時間Ｔbを算出する（Ｔb(n)＝ｔ1(n+1)－ｔ2(n)）。回転周期算出器３０は、表区間通過時間Ｔaと裏区間通過時間Ｔbを加算して回転周期Ｔを算出する（Ｔ(n)＝Ｔa(n)＋Ｔb(n)）。変位算出器３２は、表区間通過時間Ｔaと裏区間通過時間Ｔbの一方または双方と、回転周期Ｔに基づき、式（３）～（５）のいずれかにより変位量Δｚを算出する。

【0029】

第１および第２通過時刻記録器２４，２６、区間通過時間算出器２８、回転周期算出器３０ならびに変位算出器３２は、それぞれ独立した機器であってよく、またこれらの内のいくつか、または全てが１つの演算処理装置により構成されてもよい。演算処理装置が所定のプログラムに従って動作することにより、各機器として機能する。

【0030】

図５は、他の態様の回転体の変位測定装置１０２の構成を示すブロック図である。前述の変位測定装置１００と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。変位測定装置１０２の、変位測定装置１００との差異は、回転周期算出器である。この変位測定装置１０２の回転周期算出器３４は、第１センサ２０が、マーク１２の前回の検出から今回の検出までの時間を回転周期Ｔとして算出する（Ｔ(n)＝ｔ1(n)－ｔ1(n-1)）。第１および第２通過時刻記録器２４，２６、区間通過時間算出器２８、回転周期算出器３４ならびに変位算出器３２は、それぞれ独立した機器であってよく、またこれらの内のいくつか、または全てが１つの演算処理装置により構成されてもよい。

【0031】

図６は、さらに他の態様の回転体の変位測定装置１０４の構成を示すブロック図である。前述の変位測定装置１００，１０２と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。変位測定装置１０４は、変位測定装置１０２に安定性判定器３６を追加したものである。安定性判定器３６は、回転周期算出器３４が算出した回転周期Ｔ(n)を、前回の回転周期Ｔ(n-1)と比較し、それらの差の絶対値が所定の値δ以下であれば、回転が安定している判定する。そして、このとき変位算出器３２で算出された変位量Δｚは信頼できるとして、これを出力する。上述の式（３），（４），（５）による変位量Δｚの算出は、回転軸１０の回転速度が１回転中に変動しないことが前提となっている。変位測定装置１０４においては、回転周期Ｔの変動が所定の範囲（±δ）に収まることで回転速度が安定であることを担保している。第１および第２通過時刻記録器２４，２６、区間通過時間算出器２８、回転周期算出器３４、変位算出器３２ならびに安定性判定器３６は、それぞれ独立した機器であってよく、またこれらの内のいくつか、または全てが１つの演算処理装置により構成されてもよい。

【0032】

図７は、さらに他の態様の回転体の変位測定装置１０６の構成を示すブロック図である。前述の変位測定装置１０２と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。区間通過時間算出器３８は、第１および第２センサ２０，２２がマーク１２を検出した時刻ｔ1，ｔ2に基づき、マーク１２が表区間Ｓaを通過するのに要した時間Ｔaを算出する（Ｔa(n)＝ｔ2(n)－ｔ1(n)）。また、変位測定装置１０６は、回転軸１０の回転速度を検出する回転速度センサ４０を含む。回転速度センサ４０は、瞬時の回転速度を検出することができる。回転周期算出器４２は、マーク１２が表区間Ｓaを通過する間の回転速度センサ４０の出力に基づき、回転周期Ｔ1を算出する。回転速度は、マーク１２が表区間Ｓａを通過する間の平均の回転速度でよく、またこの間のいずれかの時点の回転速度としてもよい。変位算出器４４は、上述の式（３）の回転周期Ｔ(n)を回転周期Ｔ1(n)で置き換えた次式（６）に基づき、変位量Δｚ(n)を算出する。
Δｚ(n)＝(ｄ／２)*cos(θa(n))
＝(ｄ／２)*cos(π*Ｔa(n)／Ｔ1(n)) ・・・（６）
この算出方法によれば、マーク１２が裏区間Ｓbを通過しているときに回転速度が変化しても、変位量Δｚの算出に影響を与えない。第１および第２通過時刻記録器２４，２６、区間通過時間算出器３８、回転周期算出器４２、ならびに変位算出器４４は、それぞれ独立した機器であってよく、またこれらの内のいくつか、または全てが１つの演算処理装置により構成されてもよい。

【0033】

図８～１０は、さらに他の態様の回転体の変位測定装置１０８を示す図であり、図８は回転軸１０との関係を示す図、図９は検出信号の波形を示す図である。図１０は、変位測定装置１０８の構成を示すブロック図である。変位測定装置１０８は、前述の変位測定装置１００に、前述のマーク１２と同じ、２つめのマーク１４が加えられている。２つのマークを区別するために一方を第１マーク１２、他方を第２マーク１４と記す。第１マーク１２と第２マーク１４は、回転軸１０の中心Ｏに関して対称に位置している。

【0034】

図９は、第１および第２センサ２０，２２の出力波形を示しており、上段が回転軸１０が変位していないとき、中段が回転軸１０が＋Ｚ方向（図において下方）に変位したとき、下段が－Ｚ方向（図において上方）に変位したときの出力を示す。第１センサ２０の出力信号Ｄ1において、第１マーク１２が通過したときの信号を符号Ｄ1_m1と記し、第２マーク１４が通過したときの信号を符号Ｄ1_m2と記す。同様に、第２センサ２２の出力信号Ｄ2において、第１マーク１２が通過したときの信号を符号Ｄ2_m1と記し、第２マーク１４が通過したときの信号を符号Ｄ2_m2と記す。それぞれのセンサ２０，２２に関し、第１マーク１２と第２マーク１４は、センサの検出対象位置を交互に通過する。マークが２つとなったことにより、第１および第２センサ２０，２２のそれぞれ検出信号は、回転軸１０の１回転に付き２回出力される。そこで、第１センサ２０の第１および第２マーク１２，１４の検出時刻ｔ1について、ｔ1(1)，ｔ1(1.5)，ｔ1(2)，・・・，ｔ1(n)，ｔ1(n+0.5)，・・・と括弧内の数字を０．５刻みとする。第２センサ２２の検出時刻ｔ2についても同様である。検出時刻ｔ1は、図９の場合、括弧内の数値が整数のときが第１マーク１２が通過した時刻、端数（０．５）があるときが第２マーク１４が通過した時刻である。これとは逆に、第２センサ２２の検出時刻ｔ2は、括弧内の数値が整数のときが第２マーク１４が通過した時刻、端数（０．５）があるときが第１マーク１２が通過した時刻である。また、第１マーク１２が表区間Ｓaを通過するのに要した時間Ｔa_m1は、第２センサ２２の検出時刻ｔ2(n+0.5)からその直前の第１センサ２０の検出時刻ｔ1(n)を減算したものである（Ｔa_m1(n)＝ｔ2(n+0.5)－ｔ1(n)）。また、第２マーク１４が裏区間Ｓbを通過するのに要した時間Ｔb_m2は、第１センサ２０の検出時刻ｔ1(n+0.5)からその直前の第２センサ２２の検出時刻ｔ2(n)を減算したものである（Ｔb_m2(n)＝ｔ1(n+0.5)－ｔ2(n)）。また、第１マーク１２が裏区間Ｓbを通過するのに要した時間が符号Ｔb_m1で、第２マーク１４が表区間Ｓaを通過するのに要した時間が符号Ｔa_m2で示されている。

【0035】

図９の上段が示すように、回転軸１０が変位していないとき、第１センサ２０が第１マーク１２を検出するのと、第２センサ２２が第２マーク１４を検出するのは同時である。同様に、第１センサ２０が第２マーク１４を検出するのと、第２センサ２２が第１マーク１２を検出するのは同時である。図９の中段に示すように、回転軸１０が下方に変位した場合、第１マーク１２の表区間通過時間Ｔa_m1は短くなり、第２マーク１４の裏区間通過時間Ｔb_m2は長くなる。また、図９の下段に示すように、回転軸１０が上方に変位した場合、第１マーク１２の表区間通過時間Ｔa_m1は長くなり、第２マーク１４の裏区間通過時間Ｔb_m2は短くなる。

【0036】

図１０に示す変位測定装置１０８において、前述の変位測定装置１０２と同様の構成については同一の符号を付し，その説明を省略する。区間通過時間算出器４６は、第１マーク１２の表区間通過時間Ｔa_m1と、これと同時期の第２マーク１４の裏区間通過時間Ｔb_m2を算出する。

【0037】

回転周期算出器４８は、第１マーク１２の表区間通過時間Ｔa_m1と、これと同時期の第２マーク１４の裏区間通過時間Ｔb_m2に基づき回転周期Ｔ1を算出する。第１マーク１２が表区間Ｓaを通過するのと並行して第２マーク１４が裏区間Ｓbを通過する。この同じ時期の表区間通過時間Ｔa_m1と裏区間通過時間Ｔb_m2は、加算すれば回転軸１０の回転周期Ｔ2である。つまり、この回転周期Ｔ2は、回転軸１０の約半回転の情報に基づき得られた回転速度である。よって、１回転に要した時間に基づいて求めた回転周期に比べて回転変動の影響を受けにくい。

【0038】

変位算出器５０は、第１マーク１２の表区間通過時間Ｔa_m1と、回転周期Ｔ2に基づき次式（７）から変位量Δｚ(n)を算出する。
Δｚ(n)＝(ｄ／２)*cos(π*Ｔa_m1(n)／Ｔ2(n)) ・・・（７）

【0039】

また、変位の向きは、時間的に近接する第１センサ２０の出力信号Ｄ1_m1,Ｄ1_m2と第２センサ２２の出力信号Ｄ2_m1,Ｄ2_m2において、第２センサ２２の出力信号Ｄ2_m1,Ｄ2_m2が第１センサ２０の出力信号Ｄ1_m1,Ｄ1_m2よりも先であるとき（図９の中段）、変位量Δｚは正、つまり下向きの変位である。逆に、第１センサ２０の出力信号Ｄ1_m1,Ｄ1_m2が第２センサ２２の出力信号Ｄ2_m1,Ｄ2_m2よりも先であるとき（図９の下段）、変位量Δｚは負、つまり上向きの変位である。例えば、図９の時刻ｔ1(2)，ｔ2(2)において、出力信号Ｄ2_m2が先であると下向きの変位、Ｄ1_m1が先であると上向きの変位である。

【0040】

この算出方法によれば、第２マーク１４が表区間Ｓaを通過しているときに（このとき第１マーク１２は裏区間Ｓbにある。）は回転速度が変化しても、変位量Δzの算出に影響を与えない。第１および第２通過時刻記録器２４，２６、区間通過時間算出器４６、回転周期算出器４８、ならびに変位算出器５０は、それぞれ独立した機器であってよく、またこれらの内のいくつか、または全てが１つの演算処理装置により構成されてもよい。

【0041】

前述の変位測定装置１０８においては、第１マーク１２と第２マーク１４からなる１対のマークによる検出信号に基づき変位量Δｚを算出した。さらに、図１１に示すように、第１および第２マーク１２，１４と同一の周面上で異なる位置に第３および第４マーク１６，１８を設け、第３および第４マーク１６，１８からなる１対のマークの検出信号に基づき変位量Δｚを算出するよう変位測定装置を構成してよい。第３および第４マーク１６，１８は、周上の位置のみ第１および第２マーク１２，１４と相違し、変位測定装置１０８に関して説明したのと同様に第３および第４マーク１６，１８の検出に基づき変位量Δｚが算出される。変位測定装置１０８の第１通過時刻記録器２４は、第１センサ２０が４つのマークの通過を検出した時刻を順次記録し、同様に第２通過時刻記録器２６も第２センサ２２が４つのマークの通過を検出した時刻を順次記録する。区間通過時間算出器４６は、第１および第２マーク１２，１４の通過時刻に基づき第１マークの表区間通過時間Ｔa_m1、第２マーク裏区間通過時間Ｔb_m2を算出し、同様に第３および第４マーク１６，１８の通過時刻に基づき第３マークの表区間通過時間Ｔa_m3、第４マークの裏区間通過時間Ｔb_m4を算出する。回転周期算出器４８と変位算出器５０はそれぞれ、２つのマーク対ごとに回転周期Ｔ2、変位量Δｚを算出する。２対のマークを設けたことにより、変位量Δｚの測定の頻度が高められる。マークの対を更に増やせば、変位量Δｚの検出頻度をより高めることができる。

【0042】

図１２は、車両の車輪６０に作用する力およびモーメントを示す図である。車輪６０の回転軸線Ａ上かつ車輪の幅の中央に位置する点を原点Ｏwとし、原点Ｏwを通り車両の後方に向かう軸をＸ軸、原点Ｏwを通り車両の左右方向において外側に向かう軸をＹ軸、原点Ｏwを通り鉛直下方に向かう軸をＺ軸とする。各軸に沿う方向の力をＦx，Ｆy，Ｆzとし、各軸周りのモーメントをＭx，Ｍy，Ｍzとする。また、以下の説明において、回転軸線Ａに沿う方向を軸線方向、回転軸線Ａに直交する方向を径方向と記す。

【0043】

車輪６０は、車輪６０と一体となって回転する車軸６２を介して、車両の車体に対して回転可能に支持されている。車軸６２は、前述の回転軸１０に対応する。車軸６２上には前述のマーク１２が設けられ、マーク１２は、車軸６２の回転に伴って回転軸線Ａ周りを旋回する。Ｘ軸方向において回転軸線Ａを挟むように１対のセンサ２０Ｖ，２２Ｖが配置され、Ｚ軸方向において回転軸線Ａを挟むように１対のセンサ２０Ｈ，２２Ｈが配置されている。センサ２０Ｖ，２２Ｖは、前述の第１センサ２０および第２センサ２２に相当し、センサの設置位置における車軸６２のＺ軸に沿う方向、つまり鉛直方向の変位の測定に用いられる。以降、センサ２０Ｖ，２２Ｖを第１鉛直変位センサ２０Ｖ、第２鉛直変位センサ２２Ｖと記す。センサ２０Ｈ，２２Ｈは、前述の第１センサ２０および第２センサ２２に相当し、センサの設置位置における車軸６２のＸ軸に沿う方向、つまり水平方向の変位の測定に用いられる。以降、センサ２０Ｈ，２２Ｈを第１水平変位センサ２０Ｈ、第２水平変位センサ２２Ｈと記す。

【0044】

定常円旋回時に車輪６０に作用する外力は、車両の進行方向の摩擦を無視すれば、Ｙ軸に沿う方向の路面からの摩擦力Ｆcのみである（Ｆy＝Ｆc）。また、摩擦力Ｆcは、図１３に示すように、車輪６０の接地範囲の後方寄りの位置に作用する。これは、車輪６０にスリップアングルが生じた場合、車輪６０のタイヤのトレッド面のゴムが後方にいくほど大きく変形するためである。摩擦力Ｆcが後方にずれて作用することにより、Ｚ軸周りのモーメントＭzを生じさせる。

【0045】

図１４は、車輪６０および車輪６０を支持する構成を模式的に示す断面図である。車輪６０は、ホイール６４とホイール６４の外周に装着されたタイヤ６６から構成される。ホイール６４は、円板形状のホイールディスク６８と、ホイールディスク６８の外周に結合されて一体となった略円環形状のホイールリム７０を含む。ホイールリム７０の外周にタイヤ６６が装着される。ホイールディスク６８の中心には、アクスルハブ７２が結合されており、アクスルハブ７２は車輪６０と一体に回転する。アクスルハブ７２は、車軸６２として機能するハブ軸７４と、ハブ軸７４の一端に固定され、ホイールディスクが結合されるハブフランジ７６を含む。ハブ軸７４は、ベアリング７８を介して、ハブキャリア８０により回転可能に支持されている。ハブキャリア８０は、サスペンションアーム（不図示）等のサスペンション部品を介して車体に支持されている。ハブキャリア８０は操舵車輪にあっては、ナックルと称される。ベアリング７８は、２列に配置されたボール、ローラ等の転動体８２を有する。ハブ軸７４は、車輪６０が外力を受けると傾動中心Ｏtを中心として傾動する。傾動中心Ｏtの位置は，ベアリング７８の構造により定まり、この実施形態では、回転軸線Ａ上の、２列の転動体８２の中央にある。

【0046】

第１鉛直変位センサ２０Ｖと第２鉛直変位センサ２２Ｖは、車両の前後方向においてハブ軸７４を挟むように配置され、ハブキャリア８０に固定されている。また、第１水平変位センサ２０Ｈと第２水平変位センサ２２Ｈは、車両の上下方向においてハブ軸７４を車挟むように配置されハブキャリアに固定されている。これら４つのセンサ２０Ｖ，２２Ｖ，２０Ｈ，２２Ｈは、傾動中心Ｏtから軸線方向に距離Ｌだけ離れた位置に配置されている。また、マーク１２も傾動中心Ｏtから軸線方向に距離Ｌだけ離れた位置に配置されている。第１鉛直変位センサ２０Ｖと第２鉛直変位センサ２２Ｖのマーク１２の検出に基づき、モーメント演算部８６が車輪６０に加わるＺ軸周りのモーメントＭzを算出する。また、第１水平変位センサ２０Ｈと第２水平変位センサ２２Ｈのマーク１２の検出に基づき、横力演算部８４が車輪６０に加わるＹ軸方向の力Ｆyを算出する。

【0047】

図１５は、車輪６０に加わるＦ軸方向の横力を測定する車輪横力測定装置１２０の構成を示すブロック図である。車輪横力測定装置１２０は、前述の変位測定装置１００を含み、この変位測定装置１００において第１および第２センサ２０，２２をハブ軸７４の前後に配置して、前述の第１鉛直変位センサ２０Ｖ，第２鉛直変位センサ２２Ｖとする。変位測定装置１００は、マーク１２が設けられた位置のハブ軸７４のＺ軸方向の変位量Δｚ(n)を出力する。横力演算部８４の傾動角算出器８８は、変位量Δｚ(n)と、距離Ｌに基づきハブ軸７４のＹＺ平面内での傾動角λyz(n)を次式（８）により算出する。
λyz(n)＝arctan（Δｚ(n)／Ｌ） ・・・（８）

【0048】

さらに、横力算出器９０が傾動角λyz(n)と、ＹＺ平面内での傾動に関するハブ剛性Ｋyzに基づき、横力Ｆy(n)を次式（９）により算出する。
Ｆy(n)＝Ｋyz*λyz(n) ・・・（９）
ハブ剛性Ｋyzは、あらかじめ横力Ｆyに対する傾動角λyzを測定して求めておく。

【0049】

傾動角算出器８８と横力算出器９０は独立した機器であってよく、また１つの演算処理装置により構成されてもよい。また、傾動角算出器８８と横力算出器９０は、変位測定装置１００と共通の演算処理装置の機能として実現されてもよい。車輪横力測定装置１２０において、変位測定装置１００は、前述の変位測定装置１０２，１０４，１０６，１０８のいずれかと入れ替えてもよい。

【0050】

図１６は、車輪６０に加わるＺ軸周りのモーメントを測定する車輪モーメント測定装置１２２の構成を示すブロック図である。車輪モーメント測定装置１２２は、前述の変位測定装置１００を含み、この変位測定装置１００において第１および第２センサ２０，２２をハブ軸７４の上下に配置して、前述の第１水平変位センサ２０Ｈ，第２水平変位センサ２２Ｈとする。変位測定装置１００は、マーク１２が設けられた位置のハブ軸７４のＸ軸方向の変位量Δｘ(n)を出力する。モーメント演算部８６の傾動角算出器９２は、変位量Δｘ(n)と、距離Ｌに基づきハブ軸７４のＸＹ平面内での傾動角λxy(n)を次式（１０）により算出する。
λxy(n)＝arctan（Δｘ(n)／Ｌ） ・・・（１０）

【0051】

さらに、モーメント算出器９４が傾動角λxy(n)と、ＸＹ平面内での傾動に関するハブ剛性Ｋxyに基づき、Ｚ軸周りのモーメントＭz(n)を次式（１１）により算出する。
Ｍz(n)＝Ｋxy*λxy(n) ・・・（１１）
ハブ剛性Ｋxyは、あらかじめモーメントＭzに対する傾動角λxyを測定して求めておく。

【0052】

傾動角算出器９２とモーメント算出器９４は独立した機器であってよく、また１つの演算処理装置により構成されてもよい。また、傾動角算出器９２とモーメント算出器９４
は、変位測定装置１００と共通の演算処理装置の機能として実現されてもよい。車輪モーメント測定装置１２２において、変位測定装置１００は、前述の変位測定装置１０２，１０４，１０６，１０８のいずれかと入れ替えてもよい。

【符号の説明】

【0053】

１０ 回転軸、１２ マーク（第１マーク）、１４ 第２マーク、１６ 第３マーク、１８ 第４マーク、２０ 第１センサ、２０Ｖ 第１鉛直変位センサ、２０Ｈ 第１水平変位センサ、２２ 第２センサ、２２Ｖ 第２鉛直変位センサ、２２Ｈ 第２水平変位センサ、２４ 第１通過時刻記録器、２６ 第２通過時刻記録器、２８，３８，４６ 区間通過時間算出器、３０，３４，４２，４８ 回転周期算出器、３２，４４，５０ 変位算出器、３６ 安定性判定器、４０ 回転速度センサ、６０ 車輪、６２ 車軸、７２ アクスルハブ、７４ ハブ軸、７８ ベアリング、８０ ハブキャリア、８２ 転動体、８４ 横力演算部、８６ モーメント演算部、８８，９２ 傾動角算出器、９０ 横力算出器、９４ モーメント算出器、１００，１０２，１０４，１０６，１０８ 変位測定装置、１２０ 車輪横力測定装置、１２２ 車輪モーメント測定装置、Ｏ 回転軸の中心、Ｄ1 第１センサの出力信号、Ｄ2 第２センサの出力信号、Ｓa 表区間、Ｓb 裏区間、ｔ1 第１センサの検出時刻、ｔ2 第２センサの検出時刻、Ｔa 表区間通過時間、Ｔb 裏区間通過時間、Ｔ 回転周期、Ｔ1 回転周期、Ｆy 横力、Ｍz Ｚ軸周りのモーメント、Ｏt 傾動中心、Ｌ 傾動中心Ｏtとセンサ位置の距離、λyz，λxy 傾動角、Ｋyz，Ｋxy ハブ剛性。

【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14】

【図15】

【図16】