JP2005164337A

JP2005164337A - タイヤ状態推定装置

Info

Publication number: JP2005164337A
Application number: JP2003402107A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Ogawa; 敦司小川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】車両に関する状態量を精度良く推定する技術を提供する。
【解決手段】車両１のタイヤ状態推定装置１０は、タイヤ２０に設けられ、タイヤ２０の径方向の加速度を検知する加速度センサ３２と、検知された加速度を車体１２側に送信するトランスポンダ３４と、車体１２に設けられ、トランスポンダ３４から加速度を取得する質問機４０と、タイヤ２０の回転速度を検知する車輪速センサ５０と、タイヤ２０の加速度及び回転速度を取得してタイヤ２０の動荷重半径を推定するＥＣＵ８０とを備える。ＥＣＵ８０は、タイヤ２０の動荷重半径に基づいて、タイヤ２０の接地状態、接地長、撓み量、空気圧、接地荷重などを推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タイヤの状態を推定する技術に関し、特に、タイヤに設けられた加速度センサにより検知された加速度に基づいて、タイヤの状態を推定するタイヤ状態推定装置に関する。

車両を安全に走行させるために、車両に各種センサを設け、センサによる検知結果に基づいて、車両の状態や路面の状態などを推定する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された路面判定装置は、タイヤ内部に加速度センサ及び音圧センサを設け、センサにより検知された加速度及び音圧の情報に基づいて、路面状態を判定する。
特開２００２−３４０８６３号公報

特許文献１に記載された路面判定装置は、加速度及び音圧の変化を監視して、路面の状態を推定するのみであるが、搭載したセンサの情報を最大限有効に活用して、さらに精度良く、各種の状態量を推定する技術が求められる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両に関する状態量を精度良く推定する技術を提供することにある。

本発明のある態様は、タイヤ状態推定装置に関する。このタイヤ状態推定装置は、タイヤに設けられ、径方向の加速度を検知する加速度センサと、前記加速度センサの出力及び前記タイヤの回転速度に基づいて、前記タイヤの動荷重半径を推定する推定手段と、を備えることを特徴とする。

加速度センサは、タイヤのトレッドゴム内に設けられてもよい。加速度センサの出力は、タイヤに設けられた送信機により送信され、車体側に設けられた受信機により受信されて、推定手段に伝送されてもよい。送信機は、所定のタイミングでセンサの出力を送信してもよいし、車体側の質問機からの質問信号に応答してセンサの出力を送信してもよい。タイヤの回転速度は、車輪速センサにより検知されてもよい。タイヤの径方向の遠心加速度Ｇとタイヤの回転速度ωが分かれば、その時点におけるタイヤの動荷重半径ｒは、ｒ＝Ｇ／ω^２で算出することができる。動荷重半径ｒを用いて、後述するように、路面の状態や、タイヤの空気圧の状態などを精度良く推定することができる。

前記推定手段は、前記動荷重半径に基づいて、前記タイヤの接地状態を推定してもよい。前記推定手段は、前記動荷重半径に基づいて、前記タイヤの接地長や撓み量などを推定してもよい。タイヤの撓み量ｒ_ｆは、タイヤの接地時の動荷重半径をｒ_１とし、タイヤの非接地時の動荷重半径をｒ_２とすると、ｒ_ｆ＝ｒ_２−ｒ_１で与えられる。推定手段は、動荷重半径ｒの変化を解析し、例えば、動荷重半径ｒの最大値と最小値との差をたわみ量ｒ_ｆとしてもよい。また、推定手段は、動荷重半径ｒが接地時の値ｒ_１から減少し始める時点から、再び接地時の値ｒ_１に戻る時点までに移動した距離を、タイヤの接地長としてもよい。

前記推定手段は、前記動荷重半径に基づいて、前記タイヤの空気圧を推定してもよい。タイヤの撓み量ｒ_ｆは、タイヤの空気圧にも依存し、空気圧が低くなるほど撓み量ｒ_ｆが大きくなるので、推定手段は、例えば、タイヤの撓み量ｒ_ｆが所定のしきい値を上回ったときに、タイヤの空気圧が異常に低下したと判定してもよい。

タイヤ状態推定装置は、前記タイヤに設けられ、前記タイヤの空気圧を検知する空気圧センサを更に備えてもよく、前記推定手段は、前記空気圧センサの出力及び前記動荷重半径から前記タイヤの接地荷重を推定してもよい。タイヤの空気圧が既知であれば、タイヤの空気圧により定まるタイヤのたてばね定数ｋを用いて、接地荷重Ｗは、Ｗ＝ｋ×（ｒ_２−ｒ_１）で算出することができる。これにより、接地荷重Ｗを精度良く推定し、ブレーキシステムやサスペンションの制御などに利用することができる。

本発明によれば、車両に関する状態量を精度良く推定することができる。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係るタイヤ状態推定装置１０を備えた車両１の全体構成を示す。車両１は、車体１２と、右前輪であるタイヤ２０ａ、左前輪であるタイヤ２０ｂ、右後輪であるタイヤ２０ｃ及び左後輪であるタイヤ２０ｄの４輪のタイヤ（以下、これらを総称するときには「タイヤ２０」という）と、タイヤ２０の状態を推定するタイヤ状態推定装置１０とを備える。タイヤ状態推定装置１０は、タイヤ２０に設けられ、タイヤ２０の径方向の加速度Ｇを検出する加速度センサと、タイヤ２０の回転速度を検出する車輪速センサと、加速度センサから出力されるタイヤ２０の加速度と車輪速センサから出力されるタイヤ２０の回転速度に基づいて、タイヤ２０の動荷重半径ｒを推定する推定手段の一例である電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」と表記する）８０とを備える。

タイヤ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ及び２０ｄのそれぞれには、加速度センサ３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄ（以下、これらを総称するときには「加速度センサ３２」という）と、車体１２側に設けられた質問機からの質問信号に応答して、加速度センサ３２により検出されたタイヤ２０の径方向の加速度Ｇに関する情報を車体１２側に送信するトランスポンダ３４ａ、３４ｂ、３４ｃ及び３４ｄ（以下、これらを総称するときには「トランスポンダ３４」という）と、送受信用のアンテナ３６ａ、３６ｂ、３６ｃ及び３６ｄ（以下、これらを総称するときには「アンテナ３６」という）とをそれぞれ含む加速度センサユニット３０ａ、３０ｂ、３０ｃ及び３０ｄ（以下、これらを総称するときには「加速度センサユニット３０」という）が設けられる。

車体１２には、それぞれのタイヤ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ及び２０ｄに設けられたトランスポンダ３４に質問信号を送信して加速度に関する情報を受け取る質問機４０ａ、４０ｂ、４０ｃ及び４０ｄ（以下、これらを総称するときには「質問機４０」という）と、送受信用のアンテナ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄ（以下、これらを総称するときには「アンテナ４２」という）と、タイヤ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ及び２０ｄの回転速度を検出する車輪速センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄ（以下、これらを総称するときには「車輪速センサ５０」という）と、ＥＣＵ８０が設けられる。アンテナ４２により受信されたタイヤ２０の加速度Ｇと、車輪速センサ５０により検出されたタイヤ２０の回転速度は、ＥＣＵ８０に伝達される。質問機４０は、車輪速センサ５０のパルスに合わせて質問信号を送信してもよいし、所定のサンプリングレートで質問信号を送信してもよく、ＥＣＵ８０が各種状態量を推定するのに十分なサンプリングレートにてセンサ値を取得できればよい。図１に示した例では、質問機４０をタイヤ２０ごとに４つ設けているが、質問機４０は、１つであってもよいし、複数設けられてもよい。図１に示した例では、双方向通信により加速度を取得する例を示しているが、トランスポンダ３４に代えて送信機を、質問機４０に代えて受信機を設け、一方向の通信により加速度を取得してもよい。

ＥＣＵ８０は、タイヤ２０の径方向の加速度Ｇと回転速度ωを取得し、タイヤ２０の動荷重半径ｒを推定する。動荷重半径ｒは、次式により算出される。

ｒ＝Ｇ／ω^２
また、ＥＣＵ８０は、タイヤ２０の動荷重半径ｒに基づいて、タイヤ２０の接地長、撓み量、空気圧、接地荷重などを推定する。具体的な推定方法については後述する。ＥＣＵ８０は、ハードウェア的には、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、その他のＬＳＩで実現でき、ソフトウェア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現される。後述するＥＣＵ８０の機能が、ハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。

図２は、本実施の形態に係るタイヤ２０の断面を概略的に示す。タイヤ２０のトレッドゴム２２内には、加速度センサユニット３０が埋め込まれている。タイヤ２０の接地している部分は、タイヤ２０にかかる荷重により撓むため、接地時の動荷重半径ｒ_１は、非接地時の動荷重半径ｒ_２よりも短い。

図３は、タイヤ２０の動荷重半径ｒの時間変化の例を示す。ＥＣＵ８０は、タイヤ２０が回転しているときに、所定のサンプリング周波数で取得される加速度及び回転速度に基づいて動荷重半径ｒを算出してメモリなどに格納し、動荷重半径ｒの変化を解析する。加速度センサ３２が搭載された部分が接地していないときは、動荷重半径ｒは非接地時の動荷重半径ｒ_１を示す。加速度センサ３２が搭載された部分が接地しているときは、動荷重半径ｒはｒ_１よりも小さい値を示す。ＥＣＵ８０は、動荷重半径ｒの最大値ｒ_ｍａｘを非接地時の動荷重半径ｒ_２とみなし、動荷重半径の最小値ｒ_ｍｉｎを接地時の動荷重半径ｒ_１とみなして、撓み量ｒ_ｆ＝ｒ_２−ｒ_１を算出してもよい。

タイヤ２０が、例えば路面上のキャッツアイなどの上を通過したときや、縁石に乗り上げたときなどに、ｒが急激に変化して、瞬間的に異常値を示す場合がある。このとき、ＥＣＵ８０は、このようなｒの異常値を解析の対象外としてもよい。

ＥＣＵ８０は、動荷重半径ｒに基づいて、接地長を推定してもよい。ＥＣＵ８０は、動荷重半径ｒが接地時の値ｒ_１から減少し始める時点ｔ_１から、再び接地時の値ｒ_１に戻る時点ｔ_２までに移動した距離ｌを、タイヤの接地長としてもよい。

ＥＣＵ８０は、動荷重半径ｒに基づいて、タイヤ２０の空気圧を推定してもよい。タイヤ２０の撓み量ｒ_ｆは、タイヤ２０の空気圧にも依存し、空気圧が低くなるほど、撓み量ｒ_ｆが大きくなる。したがって、ＥＣＵ８０は、例えば、タイヤ２０の撓み量ｒ_ｆが所定のしきい値を上回ったときに、タイヤ２０の空気圧が異常に低下したと判定してもよい。従来の間接式タイヤ空気圧警報システム（ＴＰＭＳ）では、左右又は対角輪の車輪速の相対差から動荷重半径ｒの変動を推定し、空気圧を推定していたため、例えば左右の両輪の空気圧がともに低下している場合などに、空気圧の低下を適切に検知できない場合があったが、本実施の形態の技術によれば、タイヤ２０ごとに動荷重半径ｒを推定することができるので、タイヤ２０ごとに精度良く空気圧を推定することが可能となる。

ＥＣＵ８０は、動荷重半径ｒに基づいて、路面状態を推定してもよい。悪路走行中は、路面からの入力により、タイヤ２０の動荷重半径ｒが変動する。したがって、ＥＣＵ８０は、タイヤ２０の動荷重半径ｒの時間変化を解析することにより、路面の状態を推定することができる。

ＥＣＵ８０は、動荷重半径ｒに基づいて、タイヤ２０の均一性（ユニフォミティ）を推定してもよい。良路走行中であっても、タイヤ２０の形状が真円から外れ、不均一である場合は、動荷重半径ｒに変動が認められる。したがって、ＥＣＵ８０は、タイヤ２０の動荷重半径ｒの時間変化を解析することにより、タイヤ２０の均一性をタイヤ２０ごとに推定することができる。

図４は、本実施の形態に係るタイヤ状態の推定方法の手順を示すフローチャートである。まず、ＥＣＵ８０は、車輪速センサ５０が車輪速パルスを検出したか否かを判断し（Ｓ１０）、タイヤ２０が回転していなければ（Ｓ１０のＮ）、タイヤ２０が回転するまで待機する。これにより、処理負荷や消費電力を低減することができる。タイヤ２０が回転すると（Ｓ１０のＹ）、ＥＣＵ８０は、車輪速センサ５０から車輪速パルスを取得して、タイヤ２０の回転速度ωを算出する（Ｓ１２）。ＥＣＵ８０は、所定のサンプリングレートで質問機４０に質問信号を送出させ、加速度センサ３２から遠心加速度Ｇを取得する（Ｓ１４）。ＥＣＵ８０は、タイヤ２０の遠心加速度Ｇと回転速度ωから、動荷重半径ｒを算出する（Ｓ１６）。つづいて、ＥＣＵ８０は、タイヤ２０が１回転する間に検出される車輪速パルス数内における動荷重半径ｒの最大値と最小値を検出し（Ｓ１８）、それらの差をとって撓み量ｒ_ｆを算出する（Ｓ２０）。さらに、ＥＣＵ８０は、撓み量ｒ_ｆに基づいて、タイヤ２０の空気圧を推定し（Ｓ２２）、必要であれば表示器やブザーなどにより警報を発する。ＥＣＵ８０は、その他、タイヤ２０の接地状態、接地長、均一性や、路面の状態などを推定してもよい。

以上の構成及び動作により、加速度センサ３２及び車輪速センサ５０により検知されたセンサ値を有効に活用して、車両１や路面などの状態を高い精度で推定することができる。
（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態に係るタイヤ状態推定装置１０を備える車両１の全体構成を示す。本実施の形態のタイヤ状態推定装置１０は、図１に示した第１の実施の形態のタイヤ状態推定装置１０の構成に加えて、それぞれのタイヤ２０に設けられた空気圧センサと、空気圧センサが検知したタイヤ２０の空気圧をＥＣＵ８０に伝達するための構成を更に備える。その他の構成及び動作は、第１の実施の形態と同様であり、同様の構成には同じ符号を付している。

タイヤ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ及び２０ｄのそれぞれには、空気圧センサ６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄ（以下、これらを総称するときには「空気圧センサ６２」という）と、空気圧センサ６２により検出されたタイヤ２０の空気圧に関する情報を車体１２側に送信する送信機６４ａ、６４ｂ、６４ｃ及び６４ｄ（以下、これらを総称するときには「送信機６４」という）と、送信用のアンテナ６６ａ、６６ｂ、６６ｃ及び６６ｄ（以下、これらを総称するときには「アンテナ６６」という）とをそれぞれ含む空気圧センサユニット６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ（以下、これらを総称するときには「空気圧センサユニット６０」という）が設けられる。

車体１２には、それぞれのタイヤ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ及び２０ｄに設けられた送信機６４からタイヤ２０の空気圧に関する情報を受信する受信機７０と、受信用のアンテナ７２が設けられる。受信機７０が受信したタイヤ２０の空気圧に関する情報は、ＥＣＵ８０に伝達される。図５では、１つの受信機７０で４輪のタイヤ２０に設けられた送信機６４から信号を受信する例が示されているが、受信機７０は複数設けられてもよく、それぞれのタイヤ２０の近傍に４つ設けられてもよい。また、図５では、送信機６４から受信機７０へ一方向の通信が行われる例が示されているが、送信機６４に代えてトランスポンダを、受信機７０に代えて質問機を設け、双方向通信によりタイヤ２０の空気圧に関する情報を伝送してもよい。

図６は、本実施の形態に係るタイヤ２０の断面を概略的に示す。タイヤ２０のトレッドゴム２２の内部には加速度センサユニット３０が、タイヤ２０のタイヤバルブ２４の内部には空気圧センサユニット６０が、それぞれ設けられる。タイヤ２０には、これらの構成に電力を供給するための電源、例えば電池が設けられてもよい。空気圧センサユニット６０は、直接式ＴＰＭＳのために設けられたものを利用してもよい。

ＥＣＵ８０は、空気圧センサ６２の出力と、第１の実施の形態で説明した方法により推定された動荷重半径ｒから、タイヤ２０の接地荷重を推定する。タイヤ２０の空気圧が既知であるから、タイヤ２０の空気圧により定まるタイヤ２０のたてばね定数ｋを用いて、接地荷重Ｗは、Ｗ＝ｋ×（ｒ_２−ｒ_１）で算出することができる。これにより、接地荷重Ｗを精度良く推定し、ブレーキシステムやサスペンションの制御などに利用することができる。

図７は、本実施の形態に係るタイヤ状態の推定方法の手順を示すフローチャートである。まず、ＥＣＵ８０は、車輪速センサ５０が車輪速パルスを検出したか否かを判断し（Ｓ３０）、タイヤ２０が回転していなければ（Ｓ３０のＮ）、タイヤ２０が回転するまで待機する。これにより、処理負荷や消費電力を低減することができる。タイヤ２０が回転すると（Ｓ３０のＹ）、ＥＣＵ８０は、車輪速センサ５０から車輪速パルスを取得して、タイヤ２０の回転速度ωを算出する（Ｓ３２）。ＥＣＵ８０は、所定のサンプリングレートで質問機４０に質問信号を送出させ、加速度センサ３２から遠心加速度Ｇを取得する（Ｓ３４）。ＥＣＵ８０は、タイヤ２０の遠心加速度Ｇと回転速度ωから、動荷重半径ｒを算出する（Ｓ３６）。つづいて、ＥＣＵ８０は、タイヤ２０が１回転する間に検出される車輪速パルス数内における動荷重半径ｒの最大値と最小値を検出し（Ｓ３８）、それらの差をとって撓み量ｒ_ｆを算出する（Ｓ４０）。さらに、ＥＣＵ８０は、タイヤ２０の空気圧及び撓み量ｒ_ｆに基づいて、タイヤ２０の接地荷重Ｗを推定し（Ｓ４２）、ブレーキシステムやサスペンション制御などを実現する構成に伝達する。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

第１の実施の形態に係るタイヤ状態推定装置を備えた車両の全体構成を示す図である。第１の実施の形態に係るタイヤの断面を概略的に示す図である。タイヤの動荷重半径の時間変化の例を示す図である。第１の実施の形態に係るタイヤ状態の推定方法の手順を示すフローチャートである。第２の実施の形態に係るタイヤ状態推定装置を備える車両の全体構成を示す図である。第２の実施の形態に係るタイヤの断面を概略的に示す図である。第２の実施の形態に係るタイヤ状態の推定方法の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１車両、１０タイヤ状態推定装置、１２車体、２０タイヤ、２２トレッドゴム、２４タイヤバルブ、３０加速度センサユニット、３２加速度センサ、３４トランスポンダ、４０質問機、５０車輪速センサ、６０空気圧センサユニット、６２空気圧センサ、６４送信機、７０受信機。

Claims

タイヤに設けられ、径方向の加速度を検知する加速度センサと、
前記加速度センサの出力及び前記タイヤの回転速度に基づいて、前記タイヤの動荷重半径を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とするタイヤ状態推定装置。
前記推定手段は、前記動荷重半径に基づいて、前記タイヤの接地状態を推定することを特徴とする請求項１に記載のタイヤ状態推定装置。
前記推定手段は、前記動荷重半径に基づいて、前記タイヤの接地長を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載のタイヤ状態推定装置。
前記推定手段は、前記動荷重半径に基づいて、前記タイヤの撓み量を推定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のタイヤ状態推定装置。
前記推定手段は、前記動荷重半径に基づいて、前記タイヤの空気圧を推定することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のタイヤ状態推定装置。
前記タイヤに設けられ、前記タイヤの空気圧を検知する空気圧センサを更に備え、
前記推定手段は、前記空気圧センサの出力及び前記動荷重半径から前記タイヤの接地荷重を推定することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のタイヤ状態推定装置。