JP2014503419A - タイヤ荷重を判定するための圧電ベースのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

測定されるタイヤパラメーターからタイヤ荷重を判定するシステムおよび方法は、１つ以上の接地面パラメーター（例えば、接地面進入時間、接地面退出時間、総接地面時間、および接地面角度）を取得するための圧電ベースのセンサーと、タイヤ空気圧を取得するための１つ以上の追加的センサーとを使用する工程を含む。選択された接地面パラメーターの測定値、および圧力の値は、次いで、参照テーブル内に格納された、接地面パラメーターの値と圧力の値との既知の組み合わせと比較される。対応する判定されたタイヤ荷重値が、次いで、電子出力として提供される。

Description

本主題は、全般的には、タイヤセンサーおよび関連するタイヤ電子機器に関し、より詳細には、タイヤ荷重を判定するための、圧電ベースのシステムおよび方法に関する。

空気式タイヤ構造に電子デバイスを組み込むことによって、多くの実用上の利点がもたらされる。タイヤ電子機器は、温度、圧力、タイヤの回転数、車両の速度などのような、様々な物理的パラメーターに関する情報を取得するための、センサーおよび他の構成要素を含み得る。そのような性能情報は、タイヤの監視システムおよび警告システムで有用となる場合があり、特定のタイヤ関連システムおよび／または車両関連システムを、管理もしくは制御するための、フィードバックシステムの一部分としての、潜在的用途を有し得る。タイヤ構造に統合された電子システムによって提供される、更に別の潜在的能力は、商用車両用途に関する、資産追跡および性能特性評価に対応する。

圧電ベースの技術を使用するセンサーは、様々な目的のために、様々なタイヤの実施形態で使用されている。例えば、圧電素子は、タイヤ内部で電力を発生させるために使用されている。圧電センサーは、タイヤ内部で積算回転計として機能するように使用されている。圧電センサーは更に、撓み、加速度、および他のパラメーターを判定するためにも使用されている。

タイヤ性能に関連する１つの重要な対象パラメーターは、タイヤ荷重、すなわち、タイヤが、動作中に車両および道路からの力を受ける際に晒される、有効重量である。タイヤ荷重は、タイヤの耐用年数に影響を及ぼし得るために、重要である。それゆえ、タイヤ荷重のレベルを監視して、タイヤが、その定格荷重または最大荷重容量を超過しないことを確認することが望ましい場合がある。更には、タイヤ荷重のレベルを監視することにより、タイヤの損耗などに関連する、他の特徴を判定することができる。

多くの圧電ベースのタイヤセンサーが採用されているが、タイヤ荷重を判定するための、堅牢かつ信頼性が高い圧電ベースのシステムおよび方法に対する必要性が、依然として残されている。本主題の技術に従って以降で提示されるような、所望の特性の全てを、概ね包含する設計は、未だ現れてはいない。

従来技術で直面し、本主題によって対処される、認識された特徴を考慮して、測定されたタイヤ空気圧、および１つ以上の測定もしくは算出された接地面パラメーターから、タイヤ荷重を判定するための、改善された技術が開発されている。一部の実施形態では、接地面パラメーターは、圧電ベースのセンサー内部に提供される１つ以上の圧電素子の、信号出力から判定される。一部の実施形態では、タイヤ荷重の判定は、判定されたタイヤ空気圧および接地面パラメーターを、タイヤに関する既知の値の参照テーブルと、電子的に比較することによって行われる。

本主題の例示的一実施形態は、タイヤ荷重を電子的に判定する方法に関する。そのような方法は、タイヤ内部のタイヤ空気圧を判定する、第１の工程を含む。１つ以上の接地面パラメーターが、タイヤに提供される圧電センサーの出力を解析することによって、地面に隣接する接地面区域の範囲内での、タイヤの動作に関連する、信号の測定または算出から判定される。接地面パラメーターは、圧電センサー内部に提供される１つ以上の個別の圧電素子に関して、取得することができる。接地面パラメーターの非限定的な例としては、接地面進入時間、接地面退出時間、総接地面時間、接地面角度などが挙げられる。判定されたタイヤ空気圧および１つ以上の接地面パラメーターを、既知の値のデータベースと電子的に比較して、そのタイヤに関する、対応するタイヤ荷重値を判定する。そのタイヤに関して判定された対応するタイヤ荷重値は、次いで、電子出力（例えば、聴覚的指示子および／または視覚的指示子）として、車両オペレーターに提供される。

本主題の別の例示的実施形態は、圧力センサー、１つ以上の圧電素子、第１マイクロプロセッサ、参照テーブル格納用のメモリ、および出力デバイスなどの、例示的構成要素を含み得る、タイヤ荷重を判定するための圧電システムに関する。１つ以上の圧電素子は、タイヤが地面に沿って回転し、かつ荷重によって支持されている際の、タイヤ内部に存在する、接地面区域内への進入および接地面区域からの退出での、タイヤの変形を指示する、１つ以上の対応する電気信号を生成するように、構成することができる。第１マイクロプロセッサは、１つ以上の圧電素子から、その電気信号を受け取り、その信号から、１つ以上の接地面パラメーターを判定する。参照テーブル格納用のメモリは、タイヤ空気圧と接地面パラメーターとの既知の組み合わせを、タイヤ荷重値と相関させることにより、メモリ内に格納された参照テーブルに対する、タイヤ空気圧および１つ以上の接地面パラメーターの電子的比較が行なわれ、対応するタイヤ荷重値を判定することができる。出力デバイスは、判定された対応するタイヤ荷重値を、電子出力（例えば、聴覚的出力および／または視覚的出力、あるいは制御信号出力）として中継する。

上述のシステムの、より具体的な例示的実施形態では、第１マイクロプロセッサによって判定される１つ以上の接地面パラメーターは、接地面進入時間、接地面退出時間、総接地面時間、および／または接地面角度のうちの１つ以上に対応し得る。一実施例では、そのようなパラメーターの判定は、生の圧電信号を直接解析することによって行なうことができる。別の実施例では、そのようなパラメーターの判定は、圧電信号の一次導関数を取得して、そのような一次導関数を解析し、極大値および極小値を判定することによって行なうことができる。別の実施例では、そのようなパラメーターの判定は、圧電信号の二次導関数を取得して、そのような二次導関数を解析し、その二次導関数の範囲内でのゼロ交差を判定することによって行なうことができる。

上述のシステムの、より具体的な他の例示的実施形態では、様々な電子構成要素は、タイヤ内モジュール（ＩＴＭ）または車両搭載システム（ＶＯＳ）のいずれかの一部である。ＩＴＭは、例えば、圧力センサーおよび任意選択の温度センサー、１つ以上の圧電素子、第１マイクロプロセッサ、ならびに無線送受信機を含み得る。関連する車両搭載システムは、車両内部の一部もしくは全てのタイヤ内に、それぞれ配置されるＩＴＭからの、センサー出力および／または接地面パラメーター情報を受信するための、無線受信機を含み得る。車両搭載システムは、第２マイクロプロセッサを更に含み得、この第２マイクロプロセッサは、対象のパラメーターのうちの一部を判定するために使用することが可能であり、または参照テーブルを格納し、判定されたパラメーターの、既知の値に対する比較を実施して、対応するタイヤ荷重値を特定するために、使用することも可能である。

本主題の更なる実施形態は、この概要セクションでは必ずしも表現されるものではないが、上記の概要の実施形態で参照される機構、構成要素、もしくは工程、および／または本出願で他の方法で論じられるような、他の機構、構成要素、もしくは工程の、様々な組み合わせの態様を含み、かつ組み込むことができる。当業者は、本明細書の残部を概観することで、そのような実施形態および他の実施形態の、機構ならびに態様を、より良好に理解するであろう。

当業者を対象とする、本発明の完全かつ実施可能な開示は、その最良の形態を含み、以下の添付の図を参照する本明細書に記載される。

１つ以上の測定および／または算出されたタイヤパラメーターから、タイヤ荷重を判定する方法での、例示的工程の流れ図を提供する。 本明細書で開示される技術による、そのハードウェア構成要素およびソフトウェア構成要素の双方を含む、例示的なタイヤ荷重判定システムを示す。 本技術のタイヤ荷重判定システム内で使用するための、例示的なタイヤ内モジュール（ＩＴＭ）の斜視図を示す。 本明細書で開示される技術による、タイヤ内モジュール（ＩＴＭ）内で使用するための、例示的な複数素子圧電センサーを示す。 開示されるシステムおよび方法による、様々な接地面パラメーターを指示するために使用することができる、接地面の諸態様を含む、例示的なタイヤ部分の側面像を示す。 開示される技術の諸態様による、接地面パラメーターを取得するための、タイヤ内モジュール（ＩＴＭ）内で使用される圧電センサーからの、例示的な出力信号および対応する導関数信号の、例示的なグラフ表示を提供する。 開示される技術の諸態様による、接地面パラメーターを取得するための、タイヤ内モジュール内で使用される複数素子圧電センサーからの、例示的な出力信号の、例示的なグラフ表示を提供する。

本明細書および添付図面の全体にわたる、参照符号の反復使用は、本発明の、同じまたは類似の機構、要素、もしくは工程を表すことを意図するものである。

「発明の概要」のセクションで論じられるように、本主題は、全般的には、測定および／または算出されたタイヤパラメーターから、タイヤ荷重を判定するための、機構ならびに工程に関する。より具体的な実施形態では、タイヤ荷重は、１つ以上の圧電素子から測定される少なくとも１つの接地面パラメーターと、タイヤ空気圧とを含む、タイヤパラメーターから判定される。このタイヤパラメーターは、タイヤ内に組み込まれる、圧電ベースのセンサーおよび／または他のセンサーから、測定ならびに/あるいは算出することができ、次いで、遠隔の場所に中継することができる。

開示される技術の態様の、選択された組み合わせが、本発明の複数個の異なる実施形態に対応する。本明細書で提示され、かつ論じられる、例示的実施形態のそれぞれは、本主題の限定を暗示するべきものではないことに、留意するべきである。一実施形態の一部として図示もしくは説明される、機構または工程を、別の実施形態の諸態様と組み合わせて使用することにより、また更なる実施形態をもたらすことができる。更には、特定の機構は、同じ機能もしくは同様の機能を実行する、明示的に言及されない同様のデバイスまたは機構と、交換することができる。

ここで図面を参照すると、図１は、測定および／または算出されたタイヤパラメーターに基づいて、タイヤ荷重を判定する方法１００の、例示的工程の流れ図を提供する。方法１００の、第１の例示的工程１０２は、１つ以上の接地面パラメーター、ならびにタイヤ空気圧を含む、タイヤパラメーターを判定する工程を伴う。全般的には、本明細書で参照されるような接地面パラメーターは、タイヤの接地面、すなわち、動作中に路面と接触しているタイヤの区域に関連する、定量可能なパラメーター（例えば、タイミング、サイズ、持続時間、振動数、角度など）に関する、任意の測定可能な特性を含むものとする。例えば、本明細書で論じられる例示的なタイヤパラメーターとしては、接地面進入時間、接地面退出時間、総接地面時間、接地面角度などが挙げられるが、これらに限定されない。一部の実施形態では、複数の圧電素子を使用して、接地面パラメーターを測定する。以降でより詳細に論じられるように、複数の圧電素子を使用する場合、複数個のそのような接地面パラメーターの測定値を結果的に得ることができ、様々な組み合わせで使用して、タイヤ荷重を判定することができる。タイヤの動作、および周期的な場所での地面との反復接触に関連する、他の特定のパラメーターもまた、工程１０２で測定し、タイヤ性能の諸態様を特定するための開示される方法で使用することができる点を、理解するべきである。工程１０２でのタイヤ空気圧の判定は、当業者によって理解されるような、多種多様な方法で実施することができる。一部の実施例では、タイヤ環境の内部に提供される絶対圧力計を使用して、絶対圧力が直接測定される。他の実施例では、異なる非絶対圧力測定装置が使用される場合には、圧力の読み取り値を適切に調節して、より正確な圧力判定を提供することができるように、圧力に加えて、温度もまた測定することができる。

工程１０２で測定または判定される様々なパラメーターは、様々な１つ以上のデバイスから取得することができ、それらのデバイスは、別個に、またはタイヤ内部に提供される統合モジュールとして、含めることができる。工程１０２で特定されるタイヤパラメーターを測定するために使用される、ハードウェアデバイスの一実施例を、タイヤ内モジュール（ＩＴＭ）２０２として、図２に表す。ＩＴＭ２０２は、全般的には、圧力を測定するための圧力センサー２１２と、圧力センサー２１２が絶対圧力計ではない場合に、必要に応じて温度も測定するための任意選択の温度センサーとを含めた、１つ以上のセンサーを含む。圧電センサー２１４もまた、１つ以上の接地面パラメーターを測定するために使用され、１つ以上の個別の圧電素子を収容し得る。種々のセンサーの組み合わせを使用することができる点を理解するべきである。例えば、単一のセンサーを使用して、温度および圧力の双方の読み取り値を、双方が必要とされる場合に取得することが可能である。様々なタイヤパラメーターを測定するために使用される、例示的な装置の更なる態様は、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、以降で論じられる。

再び図１を参照すると、方法１００の第２工程１０４は、１つ以上の測定された接地面パラメーターから、１つ以上の追加的な接地面パラメーターを、任意選択的に算出する工程を伴う。この工程が任意選択として説明される理由は、測定された接地面パラメーターを直接使用して、タイヤ荷重値を判定するために役立てることが可能であるためである。しかしながら、開示される技術の他の実施形態は、測定された接地面パラメーターを使用して、他の関連する接地面パラメーターを算出する。工程１０４で判定される算出は、ＩＴＭ２０２内部で（例えば、マイクロプロセッサ２２０内部で）実施することができ、または車両搭載システム２０４もしくは別の遠隔の場所の、処理構成要素内部で、ＩＴＭ２０２から中継された後に判定することができる。

特定の一実施形態では、接地面進入時間および接地面退出時間（ｔ_cpEntryおよびｔ_cpExit）が、工程１０２で測定され、そのように測定された接地面パラメーターから、接地面角度（θ＝ｃｐＡｎｇｌｅ）が、工程１０４で判定される。これらのパラメーターの一実施例は、図４から理解することができる。図４では、タイヤ４００が、矢印４０２によって指示されるような時計回り方向で、地面４０３に沿って回転していると見なされたい。タイヤ４００内部に配置される圧電センサーは、場所４０４の接地面進入位置（ｃｐＥｎｔｒｙ）に対応する、センサーが接地面に進入するときを、有効に判定することができる。同様に、圧電センサーはまた、場所４０６の接地面退出位置（ｃｐＥｘｉｔ）に対応する、センサーが接地面から退出するときも、有効に判定することができる。範囲４０８によって表されるような、センサーが接地面の範囲内で動作する間の時間（ｃｐＴｉｍｅ）は、それゆえ、接地面進入時間と接地面退出時間との差異、すなわち、ｔ_cpTime＝ｔ_cpEntry−ｔ_cpExitとして判定することができる。接地面時間の別の有意味な表現は、図４の量４１０として表される、接地面角度（ｃｐＡｎｇｌｅ＝θ）に対応する。

工程１０４の電子的算出を更に参照すると、ｃｐＡｎｇｌｅは、以下の等式から判定することができる：

式中、ｔ_rev＝ｔ_cpExit(n)−ｔ_cpExit(n-1)またはｔ_rev＝ｔ_cpEntry(n)−ｔ_cpEntry(n-1)であり、それぞれｎ回目の回転に関する。タイヤの回転は、選択された反復事象（例えば、接地面進入または接地面退出のいずれか）が発生するときを認識して、その選択事象の反復が発生する際に、ＩＴＭ２０２内の計数器を適切に指数付けすることによって、計数することができる。パラメーターｔ_revは、基本的には、タイヤの速度測定値、すなわち、所定の接地面進入から次の接地面進入までの、または所定の接地面退出から次の接地面退出までの、タイヤの１回転の測定値である。接地面角度（ｃｐＡｎｇｌｅ＝θ）はまた、タイヤの単一の３６０度の回転の間の、センサーが接地面の範囲内にある時間の百分率に対応する、時間ベースの測定値でもある。この接地面角度は、等式（１）で説明されるｃｐＡｎｇｌｅの値を３６０度で積算する場合には、時間ベースの測定値ではなく、角度ベースの測定値として表すことが可能である。

再び図１を参照すると、タイヤ荷重値を判定する方法の、次の工程１０６は、選択されたタイヤパラメーターを、既知の値のデータベースと電子的に比較して、対応するタイヤ荷重値を判定する工程に対応する。工程１０６は、タイヤ内部で、あるいは判定されたタイヤ空気圧および／または接地面パラメーターを、タイヤに対して遠隔の場所に送信した後に、実施することができる。この比較工程１０６で使用される、選択されたタイヤパラメーターは、測定または算出された少なくとも１つの接地面パラメーター（例えば、限定するものではないが、ｔ_cpEntryおよびｔ_cpExitなどの、測定パラメーター、ならびに／あるいは限定するものではないが、ｔ_cpTime、ｃｐＡｎｇｌｅなどのような、算出値）、ならびにタイヤ空気圧（必要に応じて、温度レベルに基づいて任意選択的に調整される）を含む。特定の一実施形態では、接地面角度（ｃｐＡｎｇｌｅ）および空気圧が、比較のために選択されたタイヤパラメーターとして含まれる。

工程１０６を更に参照すると、選択されたタイヤパラメーターを比較して、対応するタイヤ荷重を判定するために使用される、既知の値のデータベースは、当業者によって理解されるような様々な形式で構築することができる点を、理解するべきである。非限定的な一実施例では、既知の値のデータベースは、車両搭載システム２０４内に格納される（例えば、メモリ２２２内に格納される）参照テーブルに対応する。この参照テーブルは、種々のタイヤ荷重値に対応する、タイヤのｃｐＡｎｇｌｅの値（または他の接地面パラメーター）とタイヤ空気圧の値との、種々の組み合わせを収容し得る。接地面パラメーターが、センサー内部の複数の圧電素子に関して、それぞれに取得される場合、この参照テーブルは、複数の圧電素子のそれぞれに関するｃｐＡｎｇｌｅの値（または他の接地面パラメーター）、または各圧電素子からの接地面パラメーターのある程度の既定の組み合わせを収容し得ることを、理解するべきである。この参照テーブルは、比較用の特定のデータ点、または特定のデータ点間の補間によって生成される曲線を含み得ることにより、ＩＴＭ２０２から受信される入力パラメーターを、その既知の値と有効に比較して、最も近似的または最も代表的なタイヤ荷重の推定値を判定することができる。参照テーブル内のデータ点間の補間が実施される場合、限定するものではないが、線形補間、二次、三次、もしくは他の形態の多項式補間、スプライン補間、または他の好適な補間法などの、任意数の好適な補間技術を使用することができる点を、理解するべきである。

一部の実施形態では、タイヤ荷重参照テーブルは、ホイール上に試験タイヤを装着して、そのタイヤを様々な速度で回転させ、タイヤ空気圧の値と接地面パラメーターの値との種々の組み合わせで、実際の対応する荷重値を測定することによって生成される。一部の実施形態では、タイヤ荷重参照テーブルは、様々な可能な荷重、または接地面パラメーターと空気圧のパラメーターとの様々な可能な組み合わせに関して生成される。例えば、タイヤ荷重値は、ある程度の最小荷重値から開始してある程度の最大荷重値に至る範囲（例えば、約１０００ｋｇ〜２５００ｋｇの荷重範囲）に限定することができる。比較目的に関する最小値を確立することが有益であり得るのは、タイヤ荷重の精度判定が、ある程度の最小撓み量未満で影響を受ける場合があるためである。測定または算出される入力パラメーターが最小レベルを超えることを必要とすることによって、タイヤ荷重の出力判定の精度を維持することができる。

荷重判定の精度を更に確実なものにするために、タイヤ荷重参照テーブルは、タイヤを実質的に直線方向で確実に回転させている間に、決定することができる。換言すれば、参照テーブルに関する値を決定するために、試験タイヤは、通常の幹線道路での動作と一致する方式で走行され、激しい車両の方向転換または他の複雑な車両の操作と一致する方式では走行されない。一部の実施形態ではまた、使用時の実際のタイヤが、同様の実質的な対称条件下で動作している場合にのみ、タイヤ荷重判定工程１０６を実行することが好ましい場合もある。

図１を更に参照すると、工程１０６で、そのような推定タイヤ荷重値が判定された後、後続の工程１０８は、車両内の１つ以上のタイヤに関する、その推定された対応するタイヤ荷重値を、電子出力としてユーザーに提供する工程を伴う。工程１０８で提供される出力は、様々な形態のうちの１つ以上の形態を呈し得る。例えば、タイヤ荷重の出力は、車両搭載システム内部に、またはタイヤから遠隔の別の中央データ所在地に（例えば商用車量に関する車隊追跡センターまたは他の大型装置に）提供される、モニターあるいは他のディスプレー上に、一部または全てのタイヤに関して提供することができる。別の実施例では、タイヤ荷重の出力は、車両内部または遠隔の場所での、警報の形態で提供することができ、それらの警報としては、可聴警報、および／またはアクティブ化ＬＥＤなどのような視覚警報が挙げられるが、これらに限定されない。また更なる実施例では、出力データは、警告メッセージの起動、緊急車両停止、および他の動作などの動作をトリガーするために使用される、制御信号の形態とすることができる。タイヤ荷重値が、開示される技術に従って正確に算出された後には、多数の任意選択肢が可能である。

ここで図２を参照すると、タイヤの接地面パラメーターおよびタイヤ空気圧のパラメーターに基づく、タイヤ荷重の判定に関連する、上述の機構ならびに工程を実施するための、例示的システムに関する更なる詳細が、ここで提示される。全般的には、そのようなシステム２００は、３つのタイプの構成要素、すなわち、タイヤ内モジュール（ＩＴＭ）２０２、車両搭載システム（ＶＯＳ）２０４、および出力デバイス２０６を含み得る。１つのＩＴＭ２０２のみが図２に示されるが、複数個のＩＴＭ（例えば、車両内の１つのタイヤにつき１つのＩＴＭ２０２）を使用することにより、複数のタイヤについての情報を、車両搭載システム２０４または何らかの他の中央場所に転送することができる点を、理解するべきである。同様に、１つの出力デバイス２０６のみが示されるが、複数の出力デバイス（例えば、車両内の各タイヤに対して１つのタイヤ荷重表示灯、またはディスプレー、警報、制御信号などのような、複数のタイプの出力デバイス）を採用することができる。

ここで図２のタイヤ内モジュール（ＩＴＭ）構成要素２０２を参照すると、そのようなデバイスは、全般的には、複数個の異なるセンサー（例えば、温度センサー２１０、圧力センサー２１２、および／または圧電センサー２１４）と、そのようなセンサーから受け取ったデータを調整するためのマイクロプロセッサ２２０と、ＩＴＭ２０２から遠隔の場所へと情報を無線送信するための、送受信機２１６および関連するアンテナ２１７と、ＩＴＭ２０２内部の様々な電子構成要素に動作エネルギーを提供するための電源２１８とを含み得る。温度センサー２１０および圧力センサー２１２は、周期的に、例えば、無線送受信機２１６がＩＴＭ２０２からＶＯＳ２０４に情報を送信する直前に、使用されるかまたは読み取られる、トランスデューサーなどのような、単一センサーもしくは集積化センサーとすることができる。圧電センサー２１４は、好ましくは、１つ以上の圧線素子を含み、この圧電素子は、そのような圧電素子が統合されるタイヤの一部分が機械的変形を受ける場合に、電荷を発生するように構成される。圧電センサー２１４の電気出力は、圧電素子の電荷出力の連続信号に対応することにより、増大した荷重レベルをタイヤが受ける場合を、指示することができる。例えば、本明細書で論じられるように、ｔ_cpEntryおよびｔ_cpExitなどのような、接地面パラメーターを測定するために、圧電センサー２１４の連続的な生の出力信号を捕捉して解析することが可能である。

一実施例では、センサー２１０、２１２、およびセンサー２１４によって取得される信号は、マイクロプロセッサ２１０によって処理されることにより、選択された情報のセットが、無線送受信機２１６を介して、ＶＯＳ２０４などの遠隔の場所に送られる。例えば、この中継される情報は、ｃｐＡｎｇｌｅ（または別の接地面パラメーター）、温度、および圧力などの値を含み得る。ｃｐＡｎｇｌｅの変数は、複数回の継続的なタイヤの回転（例えば、２０回、５０回、または１００回のタイヤの回転）にわたって取得される、平均値に対応し得る。送信される空気圧の値ならびに任意選択の温度の値もまた、一定時間にわたって平均化することができ、またはデータ送信の直前の特定のインスタンスで取得して、より効率的なセンサー動作に適合させることができる。一部の実施形態では、圧電センサー２１４からの生の圧電信号の諸部分、またはｃｐＡｎｇｌｅもしくは他の接地面パラメーターを算出するために必要な、そのような信号からのタイミング情報のみが、送受信機２１６を介して送られる。次いで、ＩＴＭ２０２から離れた場所で、例えばＶＯＳ２０４内部のプロセッサで、算出が行われる。圧電センサー２１４の出力から判定されるような、追加的情報もまた、送受信機２１６によって中継することができ、それらの追加的情報としては、タイヤに関する累積回転計数、および／またはタイヤに関する平均速度測定値が挙げられるが、これらに限定されない。送受信機２１６によって中継される追加的情報は、各タイヤに関する固有の識別子（例えば、タイヤＲＦＩＤ）を含み得る。前述のように、ＶＯＳ２０４内部とは対照的に、ＩＴＭ２０２内部で、判定された値と参照テーブルとの比較を実施することもまた可能である。

ここで車両搭載システム２０４を参照すると、そのようなシステムは、好ましくは、車両内の１つ以上のＩＴＭと無線通信する、無線受信機もしくは送受信機２２６、および関連するアンテナ２２７を含む。一部の実施形態では、１つのＩＴＭ２０２が、各車両用タイヤ内に提供されることにより、ＶＯＳ２０４は、各タイヤから情報を受信する。異なる識別タグで異なるタイヤを符号化し、かつ／または種々のＩＴＭ間の通信を調整するための既知の通信アルゴリズムを使用することによって、タイヤ固有のデータを識別することができ、複数のＩＴＭ間の潜在的な信号干渉に対処することができる。ＶＯＳ２０４とＩＴＭ２０２以外の場所との間の、更なる無線通信は、無線通信インターフェース２２８によって達成することができる。無線通信インターフェース２２８は、ＶＯＳ２０４を、車両追跡に関する中央コンピュータと、またはセルラーデバイス、エアカードなどを使用する緊急プロバイダーもしくは他の実体に、リンクさせることが可能であり得る。アンテナ２１７とアンテナ２２７との無線リンク、および／または無線通信インターフェース２２８と別の遠隔の場所との無線リンクは、様々な異なる通信プロトコルを使用することができ、それらの通信プロトコルとしては、セルラー方式またはＲＦベースの送信、ならびに／あるいはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）、およびＷｉＦｉプロトコルなどの特定の標準規格などが挙げられるが、これらに限定されない。

ＶＯＳ２０４はまた、本明細書で説明される、ソフトウェアベースの電子的算出および判定のうちの多くを実施するための、マイクロプロセッサ２２４ならびに関連メモリ２２２も含み得る。マイクロプロセッサ２２０およびマイクロプロセッサ２２４の双方とも、ある程度の量の関連メモリを含むが、マイクロプロセッサ２２４に関連するメモリ２２２は、図２では、ＶＯＳ２０４に関連するメモリ２２２が、具体的には、ＩＴＭ２０２から受信されるタイヤ入力パラメーター；受信されたタイヤパラメーターからタイヤ荷重を判定するために使用される、既知のデータ値の参照テーブル；通信調整、パラメーター解析、およびタイヤ荷重判定などのタスクを処理するための、ソフトウェア命令；ならびにそのようなタスクから生成される出力データなどの項目を含み得ることを、明確化するように示される点を、理解するべきである。コンピューティング／プロセッサデバイス２２４は、メモリ／メディア要素２２２内に格納される、コンピュータ読み取り可能形態にされたソフトウェア命令を実行することによって、特殊目的機械として動作するように、適合させることができる。ソフトウェアが使用される場合、任意の好適なプログラミング、スクリプティング、または他のタイプの言語、もしくは言語の組み合わせを使用して、本明細書に含まれる教示を実装することができる。他の実施形態では、本明細書で開示される方法は、あるいは、限定するものではないが、特定用途向け回路を含めた、配線論理回路または他の回路によって、実装することができる。

１つのメモリ要素２２２のみが図２に示されるが、ソフトウェア命令、データ変数などを格納するために、任意数のメモリ要素またはメディア要素を含めることができる点を、理解するべきである。様々なメモリ／メディア要素は、限定するものではないが、揮発性メモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどの、ＲＡＭ））と不揮発性メモリ（例えば、ＲＯＭ、フラッシュ、ハードドライブ、磁気テープ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなど）との任意の組み合わせ、またはフロッピー（登録商標）ディスク、ドライブ、他の磁気ベースの記憶メディア、光学記憶メディアなどを含めた、任意の他のメモリデバイスなどの、１つ以上の種類の有形コンピュータ読み取り可能メディアの、単一部分もしくは複数部分として、提供することができる。

ここで出力デバイス２０６を参照すると、判定された出力パラメーター、具体的には、本技術に従って判定されたタイヤ荷重値は、車両乗員、中央制御局、または他の実体との有意味な電子通信のために、出力デバイス２０６に中継することができる点を、理解するべきである。一部の実施例では、出力デバイス２０６は、車両内部のモニターもしくは他の視覚ディスプレー、センサーもしくは警報、あるいは特定のタイヤ荷重値、もしくはある程度の閾値レベルに対するタイヤ荷重の比較の、可聴表現および／または可視表現を生成することが可能な、他のデバイスに対応する。他の実施例では、プリンターまたはコントローラなどの出力デバイスもまた、採用することができる。

ここで図３Ａを参照すると、例示的なＩＴＭの、より具体的な構造的詳細が、ここで提示される。例示的一実施形態では、ＩＴＭ２０２は、支持パッチ３０２、圧電パッチ３０４、第１スペーサーバー３０６および第２スペーサーバー３０８、電子基板３１０、ならびに複数個の電気機械接続部材３１２などの、構造要素を含む。

支持パッチ３０２は、ゴムまたは他の弾性材料の、実質的に平面的な部分に対応し得る。支持パッチ３０２は、ＩＴＭ２０２に関するモジュラー構造を提供し、また、タイヤの内部表面との好適な一体化のための基部も提供する。例えば、支持パッチ３０２は、接着剤、硬化技術、または他の好適な手段を使用して、タイヤの内側表面もしくは内側ライナーに、取り付けるか、一体化させるか、あるいは埋め込むことができる。ＩＴＭ２０２は、圧電素子が様々なタイヤ応力のレベルを受けることとなる、タイヤ内部の様々な場所に配置することができるが、一部の実施例は、タイヤのクラウンの中心の、すなわち、タイヤ幅の横方向中心線に沿った、ＩＴＭ２０２の装着場所を使用する。圧電パック３０４と共に、支持パッチ３０２は、最小限に抑えられた曲率を有する表面で形成されることにより、ＩＴＭ２０２内部での局所疲労の回避に役立てることができる。

支持パッチ３０２は、ＩＴＭ２０２の他のハードウェア機構を受容するための、支持パッチの上側表面に沿った、図３に示すような埋め込み部分３０３を含む場合もあり、または含まない場合もある。一実施例では、支持パッチ３０２内部に形成される陥凹部分３０３は、第１スペーサーバー３０６ならびに圧電パック３０４を受容するように構成される。次いで、第２スペーサーバー３０８を、圧電パック３０４の上方の、圧電パック３０４と電子基板３１０との間に提供することができる。支持パッチ３０２、圧電パック３０４、および第１スペーサーバー３０６の間などの、選択された構成要素間の更なる接続は、限定するものではないが、Ｃｈｅｍｌｏｃｋ（登録商標）などのポリマーベースのコーティング材料などの、追加的な接着材料で形成することができる。

スペーサーバー３０６およびスペーサーバー３０８は、ＩＴＭ２０２内部の様々な電子モジュール間の絶縁を提供するが、それぞれはまた、複数個の開口部も内部に含み、この開口部は、そのような構成要素間に、直交する接続ラインを形成する。そのような接続ラインは、選択された開口部内部に、導電性のライニングまたは挿入部材を提供することによって増強することができる。次いで、電気機械接続部材３１２を、スペーサーバー３０６およびスペーサーバー３０８内部、ならびに電子基板３１０および圧電パック３０４内部に形成された開口部に通して供給することにより、電子構成要素との選択的な電気接続、および組み立てられたモジュールに関する全体的な構造的接続を形成することができる。例えば、内側のねじ付き支柱３１２ａは、接地面パラメーター、または圧電センサー２１４によって生成される他の情報を測定するために使用される、第１圧電素子３１４に接続するように、構成することができる。外側のねじ付き支柱３１２ｂは、ＩＴＭ２０２内部の様々な電子構成要素の動作に役立てるための発電用に使用される、第２圧電素子３１８に接続するように、構成することができる。

圧電パック３０４は、１つ以上の圧電素子が上に形成される、基材表面に対応し得る。一実施例では、圧電パック３０４の基材表面上に形成される第１圧電素子３１４は、圧電センサー２１４として機能するように提供されるが、その一方で、第２圧電素子３１８は、電源２１８として機能するように、圧電パック３０４の基材表面上に形成される。そのような第２圧電素子３１８によって発生する電流を調節して、充電式電池、コンデンサー、または他のエネルギー供給源内部に蓄えることができ、次いで、それらを、温度センサー２１０、圧力センサー２１２、マイクロプロセッサ２２０、および／または送受信機２１６などの電子構成要素に結合して、それらに動作電力を供給することができる。

第１圧電素子および第２圧電素子は、様々な圧電構造に対応し得るものであり、それらの圧電構造としては、圧電性結晶、複合繊維構造、圧電セラミックモジュール、または圧電材料から作製される他のデバイスが挙げられるが、これらに限定されない。そのような素子内で使用される圧電材料としては、ベルリナイト、石英、トパーズ、トルマリン族の鉱物、象牙質、オルトリン酸ガリウム、ランガサイト、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、ニオブ酸ナトリウムカリウム、ビスマスフェライト、ニオブ酸ナトリウム、およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のうちの１つ以上を挙げることができる。一部の特定の実施形態では、各圧電素子は、対向する電極材料（例えば、銅、ニッケル、金、銀、アルミニウムなどのような、導電材料）の層の間に挟み込まれる、単一層の圧電セラミック材料から形成される。複数の圧電素子は、その圧電素子の頂部および底部上の薄いガラス繊維のケーシングなどの、追加的な保護材料内に、全て包み込むことができる。

一部の実施形態では、発電用に使用される第２圧電素子３１８は、センサーとして使用される第１圧電素子３１４よりも大きい。一部の実施形態では、第１圧電材料のサイズおよび使用される材料は、タイヤの動作中に、少なくとも１００μＪ／サイクルの電気エネルギーを提供することが可能な、独立した電力素子をもたらすように選択される。全般的には、２つの別個の圧電素子を含むことにより、接地面パラメーター測定値および他のセンサーベースの情報のために使用される圧電素子を独立させて、同じ圧電素子上での同時のエネルギー採取によって引き起こされる干渉を回避することができる点が、特に有利である。そのような干渉は、この圧電エネルギー採取構成要素に関連する、エネルギー蓄積デバイスの、予測不可能な荷電状態に基づいて、特に予測不可能である恐れがある。それゆえ、圧電素子の分離は、信号品質の向上およびセンサー結果の改善を、結果的にもたらしている。

ここで図３Ｂを参照すると、圧電センサー２１４の一部の実施形態は、複数個の圧電素子３３２を含み得ることを、理解するべきである。説明を容易にするために、図３Ｂは、ＩＴＭ２０２の圧電センサー部分２１４のみを、タイヤ４００の内部表面に対する、その最終的な場所で、また隔離された拡大図の双方で示す。そのような実施例では、複数個の圧電素子３３２は、基材３３４上に、実質的な直線状の配列で配置構成される。タイヤ４００内部での圧電センサー２１４の装着場所は、この圧電素子の直線状配置構成が、タイヤのクラウンの内部表面に沿って、タイヤ４００の第１側壁部３４２に向かう場所から、第２側壁部３４４に向かう場所へと、横方向に、すなわち横断方向に広がるようにすることができる。一部の実施形態では、圧電センサーは、タイヤのクラウンに沿って中央に配置される。６つの圧電素子３３２が図３Ｂに示されるが、任意数の圧電素子、例えば、２〜１０の範囲内の、幾つかの圧電素子を提供することができる点を、理解するべきである。

一部の実施形態では、１つ以上の圧電素子３３２は、選択されたトレッドリブ３４０または他のトレッド機構と合致するように提供されることにより、接地面区域全体に沿った、各トレッドリブまたはトレッド機構によって経験される荷重を、判定することができる。一部の実施形態では、圧電センサー２１４は、１つの圧電素子３３２が、タイヤ外面の一部分に沿って提供される、それぞれの対応するトレッドリブまたは機構（例えば、タイヤの側壁部分ではなく、タイヤのクラウン部分の範囲内の、トレッドリブまたは機構のみ）の真下の、タイヤの内部表面上に配置されるように、構成される。他の実施形態では、圧電素子３３２は、１つおきのトレッドリブ／機構に、または他の選択された組み合わせのトレッドリブ／機構に提供される。また更なる実施形態では、圧電素子３３２は、隣り合う圧電素子から、ある程度の既定の距離を有する、離間した間隔で提供される。他の実施形態では、圧電素子は、非直線状の配列、または行列構成（例えば、２×２、２×３、２×６、３×９など）で構成することができる。

複数の圧電素子を提供することによって、タイヤの横方向の範囲全体にわたる複数の場所での、接地面の長さを判定することができるため、より多くの接地面区域についての情報、および究極的な荷重判定を特定することができる。この複数の接地面の長さの組み合わせにより、タイヤの横方向全体にわたって変化し得る接地面区域を表すための、十分な情報が提供される。それゆえ、その複数の接地面の長さの組み合わせは、タイヤに関する荷重レベルをより有効に判定するための、より詳細かつ正確な接地面区域の表現を、提供することができる場合がある。

開示される技術で使用される各圧電素子、具体的には、関心対象の接地面パラメーターを判定するためのセンサーとして使用される圧電素子の、出力に関連する更なる詳細が、ここで図５および図６に関して提示される。開示される技術でセンサーとして使用される圧電素子は、その圧電素子が取り付けられたタイヤの時変形状に比例する、電圧を発生させる。タイヤが回転しているとき、圧電応力の変化率は、タイヤの曲率変化が最大となる場合に、すなわち、接地面の前縁および後縁で、最大となる。この時変応力に対応する電圧信号は、その圧電材料の具体的な分極に応じて、正または負である。極性とは関わりなく、生の圧電出力信号は、その圧電素子に及ぼされる時変付加応力の反転に相関する、電圧変化量の反転を呈することとなる。例えば、圧電素子内部の引張応力が、正の電圧を発生させる場合には、その引張応力の解放、または同じ軸に沿った圧縮応力の適用は、負の電圧を発生させる。

関心対象の接地面パラメーター（例えば、接地面進入時間、接地面退出時間、総接地面時間、および／または接地面角度のうちの１つ以上であり、それらの全ては、接地面退出および／または進入時間に対応するか、もしくは従属する）を判定するために、様々な方式で圧電センサーの出力を解析することが可能である。例えば、そのような値は、図５の実線５０２として示される生の圧電信号から、直接判定することが可能である。例えば、そのような信号は、出力電圧レベルが、ある程度の既定の閾値を超えるか、または下回る場合に、接地面の範囲内にあると判定することが可能である。この総接地面時間（ｃｐＴｉｍｅ）は、図５の信号部分５１２、すなわち、地点５０８での接地面進入時間（ｔ_cpEntry）と地点５１０での接地面退出時間（ｔ_cpExit）との間の持続時間として表される。圧電センサー内部に複数の圧電素子が提供される場合に、それぞれの圧電素子から同時に取得される生の圧電信号は、図６に提供される例示的グラフと同様なものとなり得る。

他の実施例では、接地面パラメーター、具体的には、接地面進入時間５０８および接地面退出時間５１０に対応するアジマスを、生の圧電信号の一次導関数または二次導関数から判定することができる。図５の点線５０４は、生の圧電信号５０２の一次導関数を表す。このグラフ表示から明白であるように、一次導関数信号５０４の極大値および極小値は、それぞれ接地面進入時間および接地面退出時間に対応する。そのような時間はまた、破線５０６として図５に示される、生の圧電信号の二次導関数から判定することもできる。このグラフ表示から明白であるように、二次導関数信号５０６のゼロ交差の時間が、それぞれ接地面進入時間および接地面退出時間に対応する。

開示される技術の一部の実施形態は、所望の接地面パラメーターを判定するために、上記の信号解析技術のうちの１つのみを使用し得るが、複数の形態の解析（例えば、一次導関数および二次導関数の双方の解析、あるいは生の信号に、一次導関数または二次導関数を加えた解析など）を使用して、圧電信号の解析および接地面パラメーターの判定でのエラーを、最小限に抑えるために役立てることができる。

本主題は、その特定の実施形態に関して、詳細に説明されているが、当業者は、前述の説明を理解した上で、そのような実施形態に対する代替案、変形形態、および等価物を容易に作り出すことができる点が、理解されるであろう。したがって、本開示の範囲は、限定によるものではなく、例示によるものであり、本主題の開示は、当業者には容易に理解されるように、本主題に対する、そのような修正、変形形態、および／または追加が包含されることを排除するものではない。

Claims (21)

1. タイヤ荷重を電子的に判定する方法であって、
   タイヤ内部のタイヤ空気圧を判定する工程と、
   前記タイヤに提供される圧電センサーの出力を解析することによって、地面に隣接する接地面区域の範囲内での、前記タイヤの動作に関連する、１つ以上の接地面パラメーターを判定する工程と、
   前記判定されたタイヤ空気圧および前記１つ以上の接地面パラメーターを、既知の値のデータベースと電子的に比較して、前記タイヤに関する、対応するタイヤ荷重値を判定する工程と、
   前記タイヤに関する、前記判定された対応するタイヤ荷重値を、電子出力として提供する工程と、
   を含む、方法。
2. 前記１つ以上の接地面パラメーターが、前記圧電センサー内部に提供される複数個の圧電素子にそれぞれ関連する、複数個の接地面パラメーターを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記１つ以上の接地面パラメーターが、接地面進入時間、接地面退出時間、総接地面時間、および接地面角度のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記１つ以上の接地面パラメーターが、前記圧電センサーから取得された生の信号の一次導関数の、最大値および最小値を特定することによって判定される、請求項３に記載の方法。
5. 前記１つ以上の接地面パラメーターが、前記圧電センサーから取得された前記生の信号の二次導関数の、ゼロ交差を特定することによって判定される、請求項３に記載の方法。
6. 前記１つ以上の接地面パラメーターが、動作中に地面と接触している、タイヤの角度方向部分を指示する、接地面角度を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記タイヤの接地面を通過して移動する、前記圧電センサーの所定の反復に関する、前記接地面角度が、前記接地面進入時間から前記接地面退出時間を減算して、第１の差異を取得する工程と、タイヤの１回転に関する時間量を測定することによって、第２の差異を取得する工程と、前記第２の差異によって前記第１の差異を除算する工程とによって、判定される、請求項６に記載の方法。
8. 前記タイヤ空気圧が、絶対圧力計を使用して判定される、請求項１に記載の方法。
9. タイヤ空気圧を判定する工程が、タイヤ内部の圧力および温度の双方を測定することによって、絶対タイヤ空気圧を判定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記タイヤ空気圧および前記１つ以上の接地面パラメーターを、前記タイヤから遠隔の場所に送信する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記圧電センサーとは別個の圧電素子から、前記タイヤ内部の様々な電子構成要素に、動作電力を提供する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
12. タイヤ内部のタイヤ荷重を判定するための圧電システムであって、
    タイヤ空気圧を測定するように構成される、センサーと、
    前記タイヤが地面に沿って回転し、かつ荷重を支持している際の、前記タイヤ内部に存在する、接地面区域内への進入および接地面区域からの退出での、タイヤの変形を指示する、１つ以上の対応する電気信号を生成するように構成される、１つ以上の圧電素子と、
    前記１つ以上の圧電素子から、前記電気信号出力を受け取り、１つ以上の接地面パラメーターを判定するための、第１マイクロプロセッサと、
    参照テーブル格納用のメモリであって、前記参照テーブルが、タイヤ空気圧と接地面パラメーターとの既知の組み合わせを、タイヤ荷重値と相関させることにより、メモリ内に格納された前記参照テーブルに対する、前記タイヤ空気圧および前記１つ以上の接地面パラメーターの電子的比較が行なわれ、対応するタイヤ荷重値を判定することができる、メモリと、
    前記判定された対応するタイヤ荷重値を、電子出力として中継するための、出力デバイスと、
    を含む、圧電システム。
13. 前記１つ以上の圧電素子が、共通の、実質的に平面的な表面上に提供され、かつタイヤのクラウンの真下の、タイヤの内部表面の横方向全体にわたって装着される、複数個の圧電素子を含む、請求項１２に記載の圧電システム。
14. 前記圧電システム内部の選択された電子構成要素のための電力を発生させるために使用される、追加的な圧電素子を更に含むことにより、タイヤの変形を指示する、１つ以上の対応する電子信号を生成するように構成される、前記１つ以上の圧電素子のうちのいずれもが、前記タイヤ内部での発電のために使用されない、請求項１２に記載の圧電システム。
15. 前記複数個の圧電素子が、選択されたタイヤのトレッド機構に対して位置合わせされる、選択された圧電素子を有する、直線状の配列に構成される、請求項１４に記載の圧電システム。
16. 前記システムが、タイヤ空気圧を測定するように構成される前記センサーと、前記１つ以上の圧電素子とを収容する、タイヤ内モジュールを含む、請求項１２に記載の圧電システム。
17. 前記タイヤ内モジュールがまた、前記第１マイクロプロセッサおよび無線送受信機も収容する、請求項１６に記載の圧電システム。
18. 前記システムが、車両内部の複数個のタイヤに関する、前記タイヤ空気圧および前記１つ以上の接地面パラメーターを、無線受信するように構成される、車両搭載システムを含む、請求項１６に記載の圧電システム。
19. 前記車両搭載システムが、前記参照テーブル格納用のメモリと、前記メモリに通信可能に結合され、メモリ内に格納された前記参照テーブルに対する、タイヤ空気圧および前記１つ以上の接地面パラメーターの前記電子的比較を実施して、対応するタイヤ荷重値を判定するように構成される、第２マイクロプロセッサとを含む、請求項１８に記載の圧電システム。
20. 前記１つ以上の接地面パラメーターが、複数個の圧電素子の全体にわたって取得されたデータ点の補間を含む、請求項１２に記載の圧電システム。
21. 前記１つ以上の接地面パラメーターが、前記１つ以上の圧電素子のそれぞれに関する、接地面進入時間、接地面退出時間、総接地面時間、および接地面角度のうちの１つ以上を含む、請求項１２に記載の圧電システム。

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