JP2021060402A - タイヤ加速度信号の不規則性を用いたタイヤの摩耗測定装置及びそれを用いたタイヤの摩耗測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タイヤの摩耗の増加に伴うタイヤの加速度信号の不規則性を用いてタイヤトレッドの摩耗量を測定する。【解決手段】タイヤの加速度信号に表れる不規則性の変化を数値化し、タイヤトレッドの摩耗量を測定する技術を提供する。タイヤ摩耗測定装置は、タイヤの半径方向である軸方向のタイヤ内部の加速度を各点に対して測定する信号受信部と、加速度信号に対する前処理としてフィルタリングを遂行する広域通過フィルタ部と、広域通過フィルタ部を通してフィルタリングされた信号である処理信号を用いて加速度信号の不規則性を数値化することでタイヤのトレッド摩耗率を推定する信号解析部と、信号解析部からタイヤのトレッド磨耗率に対する情報である分析情報を伝達されて送信する送信部と、送信部から分析情報を伝達されてタイヤが設置された車両に対する制御信号を生成する制御モジュールと、を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、タイヤの加速度信号の不規則性を用いたタイヤの摩耗測定装置及びそれを用いたタイヤの摩耗測定方法に関し、より詳しくは、タイヤの加速度信号に表れる不規則性の変化を数値化し、それを用いてタイヤトレッドの摩耗量を測定する技術に関する。

車両のコンポーネントの中で唯一に路面と接触しているタイヤは、車両の旋回及び制動の性能と直接関連付けられ、タイヤの摩耗が発生した場合、制動及び旋回の性能を適切に発揮できない場合が発生するため、 摩耗したタイヤは、車両の安全性に直結する。具体的には、タイヤの摩耗に伴って濡れた路面で制動距離が増加することにより、車両の事故に直結する。

これにより、タイヤのトレッド等に対する摩耗率をリアルタイムで測定し、タイヤの磨耗率に応じて自動的にタイヤの交換時期などを知らせるシステムに対する研究開発が活発に進められている。

米国特許出願公開第２０１７−０１１３４９５号明細書（発明の名称：Indirect tire wear state estimation system）では、車両の荷重を推し量った後、これをベースに走行距離に応じた摩耗率を推定しているが、摩耗率推定のために多すぎる因子に関する情報が必要であることにより、非効率的という問題を有している。また、米国特許第８４８３９７６号明細書（発明の名称：Method for estimating tire wear and apparatus for estimating tire wear）と米国特許第８０６１１９１号明細書（発明の名称：Method and apparatus for detecting wear of tire）は、タイヤに対するセンシングを用いた方法で、タイヤの摩耗率を測定しているが、一貫性のある結果を期待し難く、実際の車両の運行状況を反映していない問題を有していて、実際の条件で正確なタイヤの摩耗性判定に問題を有している。

米国特許出願公開第２０１７−０１１３４９５号明細書 米国特許第８４８３９７６号明細書 米国特許第８０６１１９１号明細書

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、タイヤの摩耗の増加に伴うタイヤの加速度信号の不規則性を用いて、タイヤトレッドの摩耗量を測定することにある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、以上で言及した技術的課題に限定されず、言及されていないもう１つの技術的課題は、以下の記載から、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されであろう。

上記のような目的を達成するための本発明の構成は、タイヤの半径（ラジアル）方向である軸方向に対する前記タイヤ内部の加速度を前記タイヤ内部の各位置点について測定する信号受信部と、前記信号受信部から測定された加速度信号を伝達されて前記加速度信号に対する前処理としてフィルタリングを遂行する広域通過フィルタ部と、前記広域通過フィルタ部によりフィルタリングされた信号である処理信号を用いて前記加速度信号の不規則性を数値化することで、前記タイヤのトレッド摩耗率を推定する信号解析部と、前記信号解析部から前記タイヤのトレッド磨耗率に対する情報である分析情報を伝達されて送信する送信部と、前記送信部から前記分析情報を伝達されて前記タイヤが設置された車両に対する制御信号を生成する制御モジュールと、を備える。

本発明の実施形態において、前記信号解析部は、ユークリッド距離の分析による、以下の式を用いて前記処理信号の不規則性について数値化することで、前記加速度信号の不規則性を数値化することができる。

本発明の実施形態において、前記信号解析部は、前記ユークリッド距離の数が増加する場合は、前記タイヤのトレッド摩耗率が増加すると判定することができる。

本発明の実施形態において、前記制御モジュールは、前記車両に対する制御を遂行する車両制御部、及び前記送信部から前記分析情報を伝達されて前記車両制御部に伝達する情報伝達部を含み、前記車両制御部は、前記分析情報を用いて前記タイヤの交換時期を判定することができる。

本発明の実施形態において、前記制御モジュールは、前記タイヤの交換時点又は前記タイヤの交換サービス情報を表示するディスプレイ部をさらに含み得る。

上記のような目的を達成するための本発明の構成は、軸方向に対する前記タイヤ内部の加速度が前記タイヤ内部の各点に対して測定される第１のステップと、前記加速度信号に対する前処理としてフィルタリングが遂行されて前記処理信号が生成される第２のステップと、前記処理信号を用いて前記加速度信号の不規則性を数値化することにより、前記タイヤのトレッド摩耗率が推定される第３のステップと、前記タイヤのトレッド摩耗率情報を用いて前記タイヤの交換時期が判定される第４のステップと、前記タイヤの交換時期に関する情報が、前記車両のユーザー及び前記車両と連結された外部の統合制御システムに伝達される第５のステップと、を備える。

上記のような構成による本発明の効果は、加速度センサを用いてタイヤの加速度信号を測定し、そこからタイヤの高周波振動を抽出し、これについての分析でタイヤのトレッド摩耗率を推定するため、リアルタイムでタイヤの摩耗量を測定することができるというものである。

そして、本発明の効果は、タイヤの摩耗量に対する情報を車両のユーザーだけでなく、統合制御システムとも共有してタイヤの交換に対する自動サービスが実施されるようにするというものである。

本発明の効果は、上記した効果に限定されるものではなく、本発明の詳細な説明又は特許請求の範囲に記載された発明の構成から推論可能なすべての効果を含むものとして理解されるべきである。

本発明の一実施形態によるタイヤの摩耗測定装置の構成に対する概略図である。 ３種類のタイヤで測定された加速度信号を示したグラフである。 本発明の一実施形態によるタイヤが１５回り回転するうち、１回転ごとに獲得される加速度信号を重ねて示したグラフである。 本発明の一実施形態によるタイヤの加速度信号に対するフィルタリングを示したグラフである。 本発明の一実施形態によるタイヤが回転する場合に、１つの処理信号と他の処理信号とを比較したグラフである。 本発明の一実施形態によるタイヤのトレッドの摩耗によるユークリッド距離数の傾向性を示したグラフである。 本発明の一実施形態に基づいて演算された摩耗量、及びタイヤの実際の摩耗量に対するグラフである。

以下では、添付した図面を参照して本発明を説明することにする。しかし、本発明は、複数の異なる形態で実施され、したがって、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。そして図面で本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略しており、明細書全体を通して類似した部分については類似した参照符号を付した。

明細書全体において、ある部分が他の部分と「連結（接続、接触、結合）」されているとするとき、これは「直接的に連結」されている場合だけではなく、その中間に他の部材を間に置いて、「間接的に連結」されている場合も含む。なお、ある部分があるコンポーネントを「含む」とするとき、これは特に反対される記載がない限り、他のコンポーネントを除外するのではなく、他のコンポーネントをさらに備えることができるというのを意味する。

本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたもので、本発明を限定する意図ではない。単数の表現は、文脈上明らかに別の意味を示していると定義されない限り、複数の表現を含む。本明細書では、「含む」又は「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、コンポーネント、部品又はこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、１つ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、コンポーネント、部品又はこれらを組み合わせたものの存在若しくは付加可能性を予め排除しないものとして理解されるべきである。

以下、添付された図面を参照して、本発明について詳細に説明することにする。

図１は、本発明の一実施形態によるタイヤの摩耗測定装置の構成に対する概略図である。図１に示すように、タイヤの半径方向である軸方向に対するタイヤ内部の加速度をタイヤ内部の各点に対して測定する信号受信部１１０と、信号受信部１１０から測定された加速度信号を伝達されて、加速度信号に対する前処理としてフィルタリングを遂行する広域通過フィルタ部と、広域通過フィルタ部を通してフィルタリングされた信号である処理信号を用いて加速度信号の不規則性を数値化することで、タイヤのトレッド摩耗率を推定する信号解析部１２０と、信号解析部１２０からタイヤのトレッド磨耗率に対する情報である分析情報を伝達されて送信する送信部１３０と、送信部１３０から分析情報を伝達されてタイヤが設置された車両に対する制御信号を生成する制御モジュール２００と、を備える。

ここで、信号受信部１１０、信号解析部１２０と送信部１３０の組み合わせで１つのモジュールである計測モジュール１００が形成される場合があり、このような計測モジュール１００は、車両に設置された各タイヤに連結されて形成されるか、又は車両に設置されたすべてのタイヤに連結されて形成される場合もある

そして、制御モジュール２００は、車両に対する制御を遂行する車両制御部２１０、及び送信部１３０からの分析情報を伝達されて車両制御部２１０に伝達する情報伝達部２２０を含み、 車両制御部２１０は、分析情報を用いてタイヤの交換時期を判定することができる。また、制御モジュール２００は、タイヤの交換時点やタイヤの交換サービス情報を表示するディスプレイ部２３０をさらに含み得る。

信号受信部１１０は、複数の加速度センサを含み、複数の加速度センサのそれぞれは、タイヤトレッドの内部の複数の各点に対する軸方向の加速度を測定することができる。そして、それぞれの加速度センサには、番号が順次に付与される場合があり、これにより、それぞれの加速度センサで測定された加速度信号は、順次に収集されてデータ化され得る。そして、分析情報を伝達された送信部１３０は、分析情報を制御モジュール２００の情報伝達部２２０に無線又は有線で伝達することができ、このためには情報伝達部２２０は、送信部１３０と無線又は有線で連結される。

車両制御部２１０は、車両に対する制御を遂行すると同時に、車両の外部の統合制御システムと無線連結され得る。車両制御部２１０には、タイヤの磨耗率に基づいて予定されたタイヤの交換時期に関する情報である交換時期の情報が事前に記憶されており、車両制御部２１０は、交換時期の情報とリアルタイムのタイヤ摩耗率を比較・判定してタイヤの交換のための残余時間、タイヤ交換時点などに対する情報を生成することができる。そして、車両制御部２１０は、タイヤの交換のための残余時間やタイヤの交換時点などに対する情報を、統合制御システムは、車両制御部２１０から伝達された情報を用いて、該当する車両に設置されたタイヤの交換時点に在庫として残っているタイヤの数量、タイヤの交換可能な修理センターなどに対するタイヤの交換サービスについての情報を車両制御部２１０に伝達することができ、車両制御部２１０は、タイヤの交換サービスについての情報をディスプレイ部２３０に伝達してこのような情報がディスプレイ部２３０に表示され得る。そして、車両制御部２１０から生成されたタイヤの交換のための残余時間、タイヤ交換時点などに対する情報もディスプレイ部２３０に表示され、ユーザーに伝達される。

信号解析部１２０は、ユークリッド距離（Euclidean distance）の分析による「数学式１」を用いて処理信号の不規則性について数値化することで、加速度信号の不規則性を数値化することができる。

ここで、Ｕはユークリッド距離数であり、ｎは１以上の自然数として、タイヤが回転するうち、タイヤ内部で加速度が測定される各点の総計数であり、ｉはタイヤ内部で加速度が測定される各点に対する番号であり、ｊはタイヤの回転数である。信号解析部１２０は、ユークリッド距離数が増加する場合、タイヤのトレッド摩耗率が増加すると判定することができる。Ｕは具体的には、タイヤのｊ番目の回転に対するユークリッド距離分析（Euclidean distance of j_th rotation）に基づいて導出された数であり得る。

数学式１は、ユークリッド距離（Euclidean distance）概念を用いて導出される場合があり、以下、信号解析部１２０が、タイヤのトレッド摩耗率を推定しながら利用する数学式１の導出過程について説明することにする。

図２は、３種類のタイヤで測定された加速度信号を示したグラフである。具体的には、図２の（ａ）〜（ｃ）のグラフで、横軸は、タイヤが１回転するうちに路面を基準にしたタイヤ内部の加速度測定点の角度変化を示したものであり、縦軸はタイヤが１回転するうちに軸方向の加速度信号を示したものである。そして、図２の（ａ）は、トレッドに６０〜１８０個のパターンが形成されたタイヤに対するグラフであり、図２の（ｂ）は、タイヤの円周方向に垂直な横方向に３０個のグルーブが形成されたタイヤに対するグラフであり、図２の（ｃ）は、グルーブのないスムースタイヤ（Smooth tire）のグラフである。図３に示すように、タイヤに生成されたパターンが減少するほど、タイヤの加速度信号特性が変化することを確認することができる。

本発明では、上記のような摩耗によって発生するタイヤのトレッドパターン領域の変化に伴うタイヤの加速度信号特性の変化を用いて、タイヤのトレッド摩耗率を推定しようとするものである。

図３は、本発明の一実施形態によるタイヤが１５回り回転するうち、１回転ごとに獲得される加速度信号を重ねて示したグラフである。図３の（ａ）と（ｂ）で、横軸は、タイヤが１回転するうちに路面を基準にしたタイヤ内部の加速度測定点の角度変化を示したものであり、縦軸はタイヤが１回転するうちに軸方向の加速度信号を示したものである。そして、図３の（ａ）は、摩耗が進行されていないタイヤ（New tire）に対するグラフであり、図３の（ｂ）は、摩耗が進行されたイヤ（old）のグラフである。

図３の（ａ）に示すように、摩耗が進行されていないタイヤに対する加速度信号のグラフでは、複数回のタイヤの回転に対する加速度信号データのグラフを重ねて示したことにも、残留振動（６０〜１８０vibrations/rotation）が非常に規則的に表れることを確認することができる。

一方、図３の（ｂ）に示すように、相対的に摩耗が多く進行された古いタイヤに対する加速度信号のグラフでは、複数回のタイヤの回転に対する加速度信号データのグラフを重ねて示す場合に、高周波振動の規則性がつぶれながら不規則性が増加することを確認することができる。

このようなタイヤのトレッド摩耗による加速度信号の傾向性は、次のような物理的な意味を有し得る。タイヤのトレッド摩耗が進行されるにつれて、タイヤのトレッドの厚さは減少してトレッドに形成されたパターンはますます淡くなれる。このようなトレッドの摩耗が進行されることによるトレッドの厚さの減少は、多様な物理現象を発生させることができるが、第１番目に、路面の状態、タイヤの騒音などのような外部要因に対する反応性が増加され、第２番目に、トレッドの厚さが減少するにつれて、相対的に硬度が大きいコンポーネントであるタイヤスチールベルト、タイヤライナーなどの振動特性が加速度センサの信号に反映され得る。これにより、タイヤの加速度センサの信号に高周波振動特性が反映され得る。結論としては、上記のような物理的な現象に起因してタイヤのトレッド摩耗が進行されるにつれて、タイヤの残留振動の不規則性は増加することができる。

図４は、本発明の一実施形態によるタイヤの加速度信号に対するフィルタリングを示したグラフである。図４の（ａ）は、フィルタリング前のタイヤの加速度信号を示したグラフであり、図４の（ｂ）は、フィルタリング後のタイヤの加速度信号の処理信号を示したグラフである。そして、図５は、本発明の一実施形態によるタイヤが回転する場合に、１つの処理信号と他の処理信号を比較したグラフである。具体的には、タイヤが回転する場合に、（ｊ−１）番目のホイールのデータとｊ番目の軸方向の加速度信号があるときは、それぞれのデータから高周波振動（残留振動）を抽出して比較したグラフである。図４の（ａ）、（ｂ）及び図５において、横軸は、タイヤが１回転するうちに路面を基準にしたタイヤ内部の加速度測定点の角度変化を示したものであり、縦軸は、タイヤが１回転するうちに軸方向の加速度信号を示したものである。

図４に示すように、タイヤの加速度信号に対してフィルタリングを遂行して前処理を行った場合には、残留振動が反映された加速度信号から残留振動だけを抽出して分析に利用することができる。

そして、残留振動の不規則性を数値化を用いて、ユークリッド距離（Euclidean distance）の概念を使用することができ、これにより、上記された数学式１が導出される。なお、図５に示すように、タイヤが回転する場合には、（ｊ−１）番目のホイールのデータとｊ番目の軸方向の加速度信号があるとき、抽出されたそれぞれの高周波振動信号は距離が発生されるようになり、このような２つのデータの間の不規則性は、数学式１を用いて、各データの間隔の平方和の平方根で数値化され得る。そして、上記されたように、タイヤの摩耗が進行されるにつれてタイヤの加速度信号による高周波振動の不規則性が増加するようになり、このような高周波振動の不規則性が増加するほど、ユークリッドの距離数が増加するようになり、結果的には、信号解析部１２０は、ユークリッド距離数が増加する場合には、タイヤのトレッド摩耗率が増加すると判定することができる。そして、信号解析部１２０は、下記の図６及び図７を用いて、ユークリッド距離数に応じたタイヤのトレッド摩耗率を導出することができ、これを用いてタイヤのトレッド摩耗量（摩耗の厚さ、mm）を演算することができる。

図６は、本発明の一実施形態によるタイヤトレッドの摩耗によるユークリッド距離数の傾向性を示したグラフである。図６において、横軸はタイヤのトレッド摩耗量（摩耗の厚さ）を示し、縦軸はユークリッド距離数を用いた不規則性（irregularity）を示す。そして、図７は、本発明の一実施形態に基づいて演算された摩耗量、及びタイヤの実際の摩耗量に対するグラフである。具体的には、図７において、横軸はタイヤのトレッドの実際の摩耗量を示し、縦軸は信号解析部１２０により演算されたタイヤのトレッド摩耗量を示せる。

図６及び図７に示すように、タイヤに対する様々な条件について数値化された不規則性を比較・分析することができ、具体的には、タイヤの空気圧（Pressure）、荷重（Load）、スピード（Velocity）などを変更しながら、タイヤの摩耗段階別に総計１２個の条件（荷重条件の３つ×空気圧条件の４つ）について比較・分析を行った。ここで、各点は、多様な条件の結果を示し、実線は、それぞれの摩耗量に対する各点の平均値をつながって形成されたグラフであり得る。

図６と図７の結果から分かるように、タイヤのトレッド摩耗が増加するほど、加速度センサ信号の不規則性（irregularity）、すなわち、ユークリッド距離数が増加することを確認することができる。そして、タイヤの加速度信号の不規則性のみを基盤にした摩耗推定の場合には、結果として、すべての摩耗レベルに対し推定性能が出てくることを確認することができる。

上記のような構成によって、加速度センサを用いてタイヤの加速度信号を測定し、そこからタイヤの高周波振動を抽出し、これに対する分析でタイヤのトレッド摩耗率を推定するため、リアルタイムでタイヤの摩耗量を測定することができる。タイヤの摩耗量に関する情報を車両のユーザーだけでなく、統合制御システムとも共有してタイヤの交換に対する自動サービスが実施されるようにできる。

以下、本発明のタイヤの摩耗測定装置を用いたタイヤの摩耗測定方法について説明することにする。

第１のステップにおいて、軸方向に対するタイヤ内部の加速度が、タイヤ内部の各点について測定され得る。そして、第２のステップにおいては、加速度信号に対する前処理としてフィルタリングが行われ、処理信号が生成される。次に、第３のステップにおいては、処理信号を用いて加速度信号の不規則性を数値化することで、タイヤのトレッド摩耗率が推定される。その後、第４のステップにおいては、タイヤのトレッド摩耗率情報を用いてタイヤの交換時期が判定される。そして、第５のステップにおいては、タイヤの交換時期に対する情報が、車両のユーザーと車両に連結された外部の統合制御システムに伝達される。

本発明のタイヤの摩耗測定装置を用いたタイヤの摩耗測定方法に対する残りの事項は、上記された本発明のタイヤの摩耗測定装置に対する事項と同一であり得る。

上述した本発明の説明は、例示のためのものであり、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更せず、他の具体的な形態に容易に変形が可能なことを理解することができるはずである。したがって、以上で記述した実施形態は、すべての面で例としてのものであり、限定的ではないものとして理解しなければならない。例えば、単一形で説明されている各コンポーネントは、分散されて実施される場合もあり、同様に分散されたものとして説明されているコンポーネントも、結合された形態で実施され得る。

本発明の範囲は、後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び範囲、そしてその均等概念から導き出されるすべての変更又は変形された形態が、本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

１００：計測モジュール
１１０：信号受信部
１２０：信号解析部
１３０：送信部
２００：制御モジュール
２１０：車両制御部
２２０：情報伝達部
２３０：ディスプレイ部

Claims (6)

1. タイヤの半径方向である軸方向に対する前記タイヤ内部の加速度を前記タイヤ内部の各点に対して測定する信号受信部と、
   前記信号受信部から測定された加速度信号を伝達されて前記加速度信号に対する前処理としてフィルタリングを遂行する広域通過フィルタ部と、
   前記広域通過フィルタ部を通してフィルタリングされた信号である処理信号を用いて前記速度信号の不規則性を数値化することで、前記タイヤのトレッド摩耗率を推定する信号解析部と、
   前記信号解析部から前記タイヤのトレッド磨耗率に対する情報である分析情報を伝達されて送信する送信部と、
   前記送信部から前記分析情報を伝達されて前記タイヤが設置された車両に対する制御信号を生成する制御モジュールと、を備えることを特徴とするタイヤの加速度信号の不規則性を用いた、
   タイヤの摩耗測定装置。
2. 前記信号解析部は、ユークリッド距離の分析による以下の式を用いて前記処理信号の不規則性に対して数値化することで、前記加速度信号の不規則性を数値化することを特徴とする請求項１に記載のタイヤの加速度信号の不規則性を用いた、
   タイヤの摩耗測定装置。
   

   

   ここで、Ｕはユークリッド距離数であり、ｎは１以上の自然数として、前記タイヤが回転するうちに、前記タイヤ内部で加速度が測定される各点の総計数であり、ｉは前記タイヤ内部で加速度が測定される各点に対する番号であり、ｊは前記タイヤの回転数である。
3. 前記信号解析部は、前記ユークリッド距離数が増加する場合には、前記タイヤのトレッド摩耗率が増加すると判定することを特徴とする請求項２に記載のタイヤの加速度信号の不規則性を用いた、
   タイヤの摩耗測定装置。
4. 前記制御モジュールは、
   前記車両に対する制御を遂行する車両制御部と、
   前記送信部から前記分析情報を伝達されて前記車両制御部に伝達する情報伝達部と、を含み、
   前記車両制御部は、前記分析情報を用いて前記タイヤの交換時期を判定することを特徴とする請求項１に記載のタイヤの加速度信号の不規則性を用いた、
   タイヤ摩耗測定装置。
5. 前記制御モジュールは、前記タイヤの交換時点又は前記タイヤの交換サービス情報を表示するディスプレイ部をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のタイヤの加速度信号の不規則性を用いた、
   タイヤの摩耗測定装置。
6. 請求項１のタイヤの加速度信号の不規則性によるタイヤの摩耗測定装置を用いたタイヤの摩耗の測定方法であって、
   軸方向に対する前記タイヤ内部の加速度が前記タイヤ内部の各点に対して測定される第１のステップと、
   前記加速度信号に対する前処理としてフィルタリングが遂行されて前記処理信号が生成される第２のステップと、
   前記処理信号を用いて前記加速度信号の不規則性を数値化することで、前記タイヤのトレッド摩耗率が推定される第３のステップと、
   前記タイヤのトレッド摩耗率情報を用いて前記タイヤの交換時期が判定される第４のステップと、
   前記タイヤの交換時期に関する情報が、前記車両のユーザー、及び前記車両と連結された外部の統合制御システムに伝達される第５のステップと、を備えることを特徴とする、
   タイヤの摩耗測定方法。
   
   
   
   
   
   
   

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