JP2013075597A

JP2013075597A - 車両状態量推定装置及びサスペンション荷重推定装置

Info

Publication number: JP2013075597A
Application number: JP2011216074A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nezu; 隆根津; Masaaki Uchiyama; 正明内山
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-25

Abstract

【課題】車両状態量及びサスペンション荷重の推定精度が確保される車両状態量推定装置及びサスペンション荷重推定装置を提供する。
【解決手段】サスペンション荷重に伴うボディパネル１の歪量を、直接、ボディパネル１に取り付けられた半導体歪センサ３によって検出するので、車両走行時の荷重移動を高い精度で推定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両状態量推定装置及びサスペンション荷重推定装置に関する。

例えば、セミアクティブサスペンション装置においては、車両挙動を制御するための多くの情報（車両状態量）を必要とする。このため、各情報を得るために専用のセンサを使用した場合、センサの数量が増えてコストが増大する。そこで、特許文献１には、上下加速度、車輪速度変動及びピッチ推定手段を用いてピッチレートを推定することで、センサの数量を削減することが開示されている。

特開２０１０−８３３２９号公報

しかしながら、特許文献１記載の発明では、車輪速度変動の演算に時間の遅れを伴う。また、路面不整が外乱となった場合、ピッチレートの推定精度が低下する。
そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、車両状態量及びサスペンション荷重の推定精度が確保される車両状態量推定装置及びサスペンション荷重推定装置を提供することを課題としてなされたものである。

上記課題を解決するために、本発明の車両状態量推定装置は、車両の慣性力を伴う運動により発生する車体の歪量を検出する半導体歪センサと、前記半導体歪センサの検出信号に基づきサスペンションの荷重移動量を算出する荷重移動量算出手段と、を含むことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明のサスペンション荷重移動推定装置は、車両の慣性力を伴う運動により発生する車体の歪量を検出する半導体歪センサと、前記半導体歪センサの検出信号とサスペンション荷重との伝達関数が格納される記憶手段と、前記半導体歪センサの検出信号と前記伝達関数とに基づきサスペンション伝達荷重を算出する伝達荷重算出手段と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、車両状態量及びサスペンション荷重の推定精度を確保することができる。

第１実施形態における半導体歪センサの配置を示すための図である。第２実施形態における半導体歪センサの配置を示すための図である。第３実施形態における半導体歪センサの配置を示すための図である。第４実施形態における半導体歪センサの配置を示すための図である。第５実施形態における半導体歪センサの配置を示すための図である。第６実施形態における半導体歪センサの配置を示すための図である。第７実施形態における半導体歪センサの配置を示すための図である。図７におけるＸ−Ｘ矢視図である。第７実施形態における、ダンパが発生する荷重と半導体歪センサの出力との関係を表す周波数伝達関数の説明図である。

本発明は、例えば、セミアクティブサスペンション装置、VDC ( Vehicle Dynamics Controller ) 等に組み込まれる車両状態量推定装置及びサスペンション荷重推定装置に関し、車両の慣性力を伴う運動により発生するボディパネル（車体）の歪量を検出する半導体歪センサを含む。これにより、ボディパネルの歪量が、直接、ボディパネルに取り付けられた半導体歪センサによって検出されるので、車両走行時の荷重移動を高い精度で推定することができるとともに、演算処理の時間的遅れを抑制することができる。また、ドリフトが小さい半導体歪センサを採用したことで、長期的な緩慢な車両状態量の変化をも検出することができる。

ここで、半導体歪センサについて説明する。
一般に、歪ゲージは、Ｃｕ−Ｎｉ系合金やＮｉ−Ｃｒ系合金の金属薄膜の配線パターンを可撓性のあるポリイミドやエポキシ樹脂フィルムで覆った構造であり、測定対象物に接着剤等で接着して使用するもので、金属薄膜が歪を受けて変形した時の電気抵抗の変化から歪量を算出するものである。また、金属薄膜の配線パターンを持つ歪ゲージでは、電気抵抗の変化が小さいことから得られる電気信号を増幅する必要があり、外部のアンプが必要である。

それに対して、半導体歪センサは、検知部が金属薄膜ではなく、シリコン等の半導体に不純物をドープして形成した半導体ピエゾ抵抗を採用したものである。この半導体歪センサは、歪量に対する抵抗変化率が一般的な歪ゲージの数１０倍と大きく、微小な歪、例えば、１με程度の歪を測定することが可能である。また、半導体歪センサは抵抗変化が大きいため、得られた電気信号を外部のアンプで増幅せずに使用することが可能である。また、半導体ゲージの数ミリ角のチップにアンプ回路や温度センサ及び温度補償回路等を作り込むことができ、さらには、無線回路等を設けて、非接触でデータを取り出すことが可能である。半導体歪センサは、測定対象物に接着材や金属接合により固定することができ、また、半導体歪センサを金属板に接着し、この金属板をスポット溶接により測定対象物に固定することも可能である。

［第１実施形態］
図１を参照して本発明の第１実施形態を説明する。
第１実施形態の車両状態量推定装置は、モノコック形式の車両左右方向（図１における上下方向）に対して平行な向きでボディパネル１（車体）に取り付けられた１個の半導体歪センサ３を含む。この半導体歪センサ３は、ボディパネル１の中央、すなわち、前車輪２ＦＬ，２ＦＲと後車輪２ＲＬ，２ＲＲとの間の中央に配置される。換言すると、半導体歪センサ３は、左前車輪２ＦＬ、右前車輪２ＦＲ、右後車輪２ＲＲ及び左後車輪２ＲＬの各々を頂点とする長方形の対角線の交点位置近傍に配置される。また、半導体歪センサ３は、車両後部に取り付けられた制御ユニット４の荷重移動量算出部（荷重移動量算出手段）にセンサケーブル５で接続される。なお、制御ユニット４の取付位置は、車両後部に限定されない。また、フレームまたはサブフレーム形式を有する車両にあっては、半導体歪センサ３をボディパネルに設けてもよいが、フレームまたはサブフレームに設けたほうがよい。

第１実施形態では、車両左右方向に対して平行な向きでボディパネル１に固定された半導体歪センサ３によって、車両のロール運動に伴う荷重移動により発生するボディパネル１の車両前後軸（図１において左右方向に延びる軸線）回りの曲げによる歪量が検出される。なお、前車輪２ＦＬ，２ＦＲ側と後車輪２ＲＬ，２ＲＲ側とで位相（曲げ位相）が異なるようなボディパネル１の車両前後軸回りの捩れによる歪については、半導体歪センサ３をボディパネル１の中央近傍に配置することで、検出感度が低く抑えられている。また、半導体歪センサ３は一般的な歪ゲージと比較して感度が高いことから、例えば、半導体歪センサ３を、ボディパネル１の比較的剛性が高い中央トンネルに固定することで、エンジンやサスペンションからの振動による共振が、低周波の制御領域に発生することが防止される。

第１実施形態によれば、サスペンション荷重に伴うボディパネル１の歪量を、直接、ボディパネル１に取り付けられた半導体歪センサ３によって検出するので、車両走行時の荷重移動を高い精度で推定することができる。また、荷重移動量算出部における演算処理の時間的遅れが抑制され、即時の車両状態量推定を行うことが可能となる。また、ドリフトが小さい半導体歪センサ３を採用したことで、長期的な緩慢な車両状態量の変化を検出することができ、例えば、タイヤ空気圧の低下、ブッシュのへたり等の情報を運転者に提供することができる。この荷重移動の推定結果をサスペンション制御にフィードバックすることで、姿勢制御の精度を高めることが可能となる。

［第２実施形態］
次に、図２を参照して本発明の第２実施形態を説明する。
なお、以下の説明において、第１実施形態と同一又は相当する構成には、同一の名称及び符号を付与する。
第２実施形態の車両状態量推定装置は、車両左右方向（図２における上下方向）に対して平行な向きでボディパネル１（車体）に取り付けられた２個の半導体歪センサ６，７を含む。車両前側（図２における左側）に配置される半導体歪センサ６は、左前車輪２ＦＬと右前車輪２ＦＲとの間の中央に固定される。また、車両後側（図２における右側）に配置される半導体歪センサ７は、左後車輪２ＲＬと右後車輪２ＲＲとの間の中央に固定される。各半導体歪センサ６，７は、車両後部に取り付けられた制御ユニット４の荷重移動量算出部（荷重移動量算出手段）にセンサケーブル５で接続される。

第２実施形態では、車両のロール挙動（ロール運動に伴う荷重移動）に加え、前車輪２ＦＬ，２ＦＲ側と後車輪２ＲＬ，２ＲＲ側とでボディパネル１の歪量が異なる場合、各車輪２ＦＬ，２ＦＲ，２ＲＬ，２ＲＲの荷重配分状態を推定することが可能である。例えば、ボディパネル１の前車輪２ＦＬ，２ＦＲ側の歪量が後車輪２ＲＬ，２ＲＲ側の歪量よりも大きい場合、前車輪２ＦＬ，２ＦＲ側のサスペンションでより大きいロールモーメントを支持していることになる。この場合、左右のサスペンション間の荷重移動は、前車輪２ＦＬ，２ＦＲ側が後車輪２ＲＬ，２ＲＲ側よりも大きくなり、アンダーステア寄りの車両特性であることが推定できる。

第２実施形態によれば、２個の半導体歪センサ６，７を、ボディパネル１に、車両左右方向に対して平行な向きで、前車輪２ＦＬ，２ＦＲ側と後車輪２ＲＬ，２ＲＲ側とに固定したので、荷重移動量算出部によって、左右のサスペンション間の荷重移動量と捩れによるサスペンションの荷重移動量とを算出することができる。これにより、不整路面での外乱に対しても、車両のロール運動に伴う荷重変動を高い精度で安定して推定することが可能である。

［第３実施形態］
次に、図３を参照して本発明の第３実施形態を説明する。
なお、以下の説明において、第１及び第２実施形態と同一又は相当する構成には、同一の名称及び符号を付与する。
第３実施形態の車両状態量推定装置は、相違する向きで配置される２個の半導体歪センサ８，９を含む。半導体歪センサ８は、車両左右方向（図３における上下方向）に対して平行な向きでボディパネル１（車体）の略中央に固定される。他方、半導体歪センサ９は、車両前後方向（図３における左右方向）に対して平行な向きでボディパネル１の略中央に固定される。各半導体歪センサ８，９は、車両後部に取り付けられた制御ユニット４の荷重移動量算出部（荷重移動量算出手段）にセンサケーブル５で接続される。

第３実施形態では、車両のロール運動に伴うボディパネル１の歪量が半導体歪センサ８によって検出されるとともに、車両のピッチ運動に伴うボディパネル１の歪量が半導体歪センサ９によって検出される。これにより、荷重移動量算出部によって、前後のサスペンション間の荷重移動量と左右のサスペンション間の荷重移動量との両方を算出することが可能であり、旋回（ロール挙動）と制駆動（ピッチ挙動）との複合操作においても、サスペンション間の荷重移動量を推定することができる。

第３実施形態によれば、２個の半導体歪センサ８，９を相違する向きでボディパネル１に固定し、各半導体歪センサ８，９の検出信号に基づき、荷重移動量算出部によって左右のサスペンション間の荷重移動量と前後のサスペンション間の荷重移動量とを算出するように構成したので、旋回と制駆動との複合操作においても、サスペンション間の荷重移動量を高い精度で推定することができる。加えて、使用するセンサの数量を減らすことが可能であり、製造コストを削減することができる。なお、第３実施形態では、荷重移動量算出部において、操舵角とペダル操作とを含めた処理（判定）を行うことで、サスペンション間の荷重移動量をより高い精度で推定することができる。

［第４実施形態］
次に、図４を参照して本発明の第４実施形態を説明する。
なお、以下の説明において、第１乃至第３実施形態と同一又は相当する構成には、同一の名称及び符号を付与する。
第４実施形態の車両状態量推定装置は、車両前後軸に対して対称なハ字形に配置される２個の半導体歪センサ１０，１１を含む。半導体歪センサ１０は、対角の右前車輪２ＦＲと左後車輪２ＲＬとを結ぶ直線上又は該直線に対して平行な向きでボディパネル１に固定される。他方、半導体歪センサ１１は、対角の左前車輪２ＦＬと右後車輪２ＲＲとを結ぶ直線上又は該直線に対して平行な向きでボディパネル１に固定される。各半導体歪センサ１０，１１は、車両後部に取り付けられた制御ユニット４の荷重移動量算出部（荷重移動量算出手段）にセンサケーブル５で接続される。

第４実施形態では、第３実施形態で検出することができない車両前後の捩れモード（車両状態）を知ることができる。また、第４実施形態では、ロール及びピッチ運動に伴う曲げを検出することができるが、ロール運動による曲げとピッチ運動による曲げとを完全に区別することはできない。しかしながら、操舵及びペダル情報、或いは、加速度センサ、ヨーレート等のセンサ信号を併用することにより、ロール運動による曲げとピッチ運動による曲げとを容易に区別することができる。同様に、Ｇセンサのセンサ信号等を併用することで、路面不整による各車輪２ＦＬ，２ＦＲ，２ＲＬ，２ＲＲ毎の荷重の増減を判定することができる。

第４実施形態によれば、相違する向きでボディパネル１に固定された２個の半導体歪センサ１０，１１の検出信号に基づき、車両前後の捩れモードを高い精度で推定することができる。また、使用するセンサの数量を減らすことが可能であり、製造コストを削減することができる。さらに、各種操作情報、センサ信号を必要に応じて併用することで、ロール運動による曲げとピッチ運動による曲げとを区別することができ、また、路面不整による各車輪２ＦＬ，２ＦＲ，２ＲＬ，２ＲＲ毎の荷重の増減を判定することができる。

［第５実施形態］
次に、図５を参照して本発明の第５実施形態を説明する。
なお、以下の説明において、第１乃至第４実施形態と同一又は相当する構成には、同一の名称及び符号を付与する。
第５実施形態の車両状態量推定装置は、第４実施形態における２個の半導体歪センサ１０，１１に加え、車両左右方向（図５における上下方向）に対して平行な向きでボディパネル１（車体）に取り付けられた１個の半導体歪センサ１２を含む。半導体歪センサ１２は、左後車輪２ＲＬと右後車輪２ＲＲとの間の中央に固定される。各半導体歪センサ１０，１１，１２は、車両後部に取り付けられた制御ユニット４の荷重移動量算出部（荷重移動量算出手段）にセンサケーブル５で接続される。

第５実施形態によれば、半導体歪センサ１２から得られる歪情報（歪量）に基づき、車両前後のサスペンション間の荷重移動と左右のサスペンション間の荷重移動とを判別することができる。また、第５実施形態では、路面不整によって各々の車輪２ＦＬ，２ＦＲ，２ＲＬ，２ＲＲに発生するサスペンション荷重の変化を、半導体歪センサ１０，１１よって検出される歪量（捩れの大きさ）と半導体歪センサ１２によって検出される歪量（後車輪２ＲＬ，２ＲＲ側の左右方向の曲げの大きさ）とを比較することで求めることができる。

つまり、半導体歪センサ１２によって検出された歪量が半導体歪センサ１０，１１によって検出された歪量に対して小さい場合、半導体歪センサ１０，１１によって検出された歪は、前車輪２ＦＬ，２ＦＲ側の路面入力によって生じたものと推定することができる。逆に、半導体歪センサ１２によって検出された歪量が半導体歪センサ１０，１１によって検出された歪量に対して大きい場合、半導体歪センサ１０，１１によって検出された歪は、後車輪２ＲＬ，２ＲＲ側の路面入力によって生じたものと推定することができる。なお、半導体歪センサ１２は、車両の前側、例えば、左前車輪２ＦＬと右前車輪２ＦＲとの間に配置してもよく、車両の前側或いは後側に配置するにせよ、車両の前後中心（重心）から離れた位置に配置することが望ましい。

［第６実施形態］
次に、図６を参照して本発明の第６実施形態を説明する。
なお、以下の説明において、第１乃至第５実施形態と同一又は相当する構成には、同一の名称及び符号を付与する。
第６実施形態の車両状態量推定装置は、第２実施形態における半導体歪センサ６，７に加えて、半導体歪センサ６と半導体歪センサ７との間に配置される半導体歪センサ１３を含む。半導体歪センサ１３は、車両前後方向（図６における左右方向）に対して平行な向きでボディパネル１に固定される。各半導体歪センサ６，７，１３は、車両後部に取り付けられた制御ユニット４の荷重移動量算出部（荷重移動量算出手段）にセンサケーブル５で接続される。

第６実施形態では、ロール運動に伴う荷重移動（第２実施形態）に加え、ピッチ運動に伴う荷重移動を検出することが可能であり、車両前後のサスペンション間の荷重移動と左右のサスペンション間の荷重移動とを判別することができる。

［第７実施形態］
次に、図７乃至図９を参照して本発明の第７実施形態を説明する。
なお、以下の説明において、第１乃至第６実施形態と同一又は相当する構成には、同一の名称及び符号を付与する。
第７実施形態のサスペンション荷重移動推定装置は、車両の慣性力に伴うボディパネル１（車体）の歪量を検出する４個の半導体歪センサ１４ＦＬ，１４ＦＲ，１４ＲＬ，１４ＲＲと、各半導体歪センサ１４ＦＬ，１４ＦＲ，１４ＲＬ，１４ＲＲの検出信号とサスペンション荷重との伝達関数が格納される記憶部（記憶手段）と、各半導体歪センサ１４ＦＬ，１４ＦＲ，１４ＲＬ，１４ＲＲの検出信号と伝達関数とに基づきサスペンションの伝達荷重を算出する伝達荷重算出部（伝達荷重算出手段）と、を含む。

なお、各半導体歪センサ１４ＦＬ，１４ＦＲ，１４ＲＬ，１４ＲＲは、各車輪２ＦＬ，２ＦＲ，２ＲＬ，２ＲＲ（各サスペンション１５ＦＬ，１５ＦＲ，１５ＲＬ，１５ＲＲ）に対応して設けられるものであり、ボディパネル１（車体）への取付構造、機能は基本的に同一である。したがって、ここでは、右後車輪２ＲＲ（サスペンション１５ＲＲ）に対応する部分のみを説明し、その他の車輪２ＦＬ，２ＦＲ，２ＲＬ（サスペンション１５ＦＬ，１５ＦＲ，１５ＲＬ）に対応する部分に関する説明を省略して、明細書の記載を簡潔にする。

図８に示されるように、半導体歪センサ１４ＲＲは、ボディパネル１のストラットタワー１６ＲＲの側部（パネル面）に、ストラット式サスペンション１５ＲＲの作動方向に対して略平行な向き（図７における上下方向）で固定される。また、制御ユニット４の記憶部（メモリ）には、サスペンション１５ＲＲのダンパが発生する荷重と半導体歪センサ１４ＲＲの出力との関係を表す周波数伝達関数（図９参照）が格納されている。そして、制御ユニット４の伝達荷重算出部によって、車両走行時の各半導体歪センサ１４ＦＬ，１４ＦＲ，１４ＲＬ，１４ＲＲの検出信号（出力）が、前述した伝達関数を介して各サスペンション１５ＦＬ，１５ＦＲ，１５ＲＬ，１５ＲＲの各ダンパが発生する荷重に変換される。なお、周波数伝達関数は、実験又は解析により得ることができる。

第７実施形態によれば、各サスペンション１５ＦＬ，１５ＦＲ，１５ＲＬ，１５ＲＲに対応して、各半導体歪センサ１４ＦＬ，１４ＦＲ，１４ＲＬ，１４ＲＲを、各ストラットタワー１６ＦＬ，１６ＦＲ，１６ＲＬ，１６ＲＲの側部（パネル面）に固定して、各半導体歪センサ１４ＦＬ，１４ＦＲ，１４ＲＬ，１４ＲＲによって、車両の慣性力を伴う運動により発生するボディパネル１（車体）の伸縮、曲げ又は捩れによる歪量を検出し、さらに、制御ユニット４の伝達荷重算出部（伝達荷重算出手段）によって、車両走行時の各半導体歪センサ１４ＦＬ，１４ＦＲ，１４ＲＬ，１４ＲＲの検出信号（出力）が、記憶部（メモリ）に格納された伝達関数を介して各サスペンション１５ＦＬ，１５ＦＲ，１５ＲＬ，１５ＲＲの各ダンパが発生する荷重に変換される。これにより、制御ユニット４の演算負荷の許容範囲内の高周波領域まで、推定値を算出することが可能であり、サスペンション荷重をより高い精度で推定することができる。

１ボディパネル、２車輪（２ＦＬ左前車輪、２ＦＲ右前車輪、２ＲＬ左後車輪、２ＲＲ右後車輪）、３半導体歪センサ、４制御ユニット（荷重移動量算出手段）、５センサケーブル

Claims

車両の慣性力を伴う運動により発生する車体の歪量を検出する半導体歪センサと、前記半導体歪センサの検出信号に基づきサスペンションの荷重移動量を算出する荷重移動量算出手段と、を含むことを特徴とする車両状態量推定装置。
車両左右方向に対して平行に配置される少なくとも２個の前記半導体歪センサを含み、前記荷重移動量算出手段は、各半導体歪センサの検出信号に基づき、前記車体の捩れに伴う前記サスペンションの荷重移動量を算出することを特徴とする請求項１に記載された車両状態量推定装置。
相違する向きで配置される２個の前記半導体歪センサを含み、前記荷重移動量算出手段は、各半導体歪センサの検出信号に基づき、前後の前記サスペンション間の荷重移動量と左右の前記サスペンション間の荷重移動量とを算出することを特徴とする請求項１に記載された車両状態量推定装置。
相違する向きで配置される２個の前記半導体歪センサと各半導体歪センサに関連して配置される１個の前記半導体歪センサとを含み、前記荷重移動量算出手段は、各半導体歪センサの検出信号に基づき、前後の前記サスペンション間の荷重移動量と前記サスペンションを介して特定の車輪に作用する荷重変化量を算出することを特徴とする請求項１に記載された車両状態量推定装置。
車両の慣性力を伴う運動により発生する車体の歪量を検出する半導体歪センサと、前記半導体歪センサの検出信号とサスペンション荷重との伝達関数が格納される記憶手段と、前記半導体歪センサの検出信号と前記伝達関数とに基づきサスペンション伝達荷重を算出する伝達荷重算出手段と、を含むことを特徴とするサスペンション荷重移動推定装置。