JP3104746U

JP3104746U - 車輪作用力測定装置

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Publication number: JP3104746U
Application number: JP2004002449U
Authority: JP
Inventors: 長生宮崎
Original assignee: 日本電子工業株式会社
Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2004-04-01
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2010-04-01

Abstract

【課題】サスペンション構造体に装着された応力検出センサが、衝撃や振動等の外乱的要因によってその一部に出力異常が生じたとしても、残る他のセンサエレメントからの計測信号を用いて補完することによって、タイヤ作用力の検出精度への悪影響を可及的に阻止し、車両制御用パラメータとしての信頼性を向上する。
【解決手段】サスペンション構造体１５に埋設固着された応力検出センサ２０を構成する各センサエレメント１０の計測信号に基づいて、剪断応力より導き出されるｘ、ｙ、ｚ軸方向の正規摩擦力情報と、それらに対応した擬似計測信号とを演算するタイヤ作用力演算手段４０と、正規摩擦力情報と擬似計測信号との格差に応じた判断パラメータΔＦを演算するΔＦ演算手段４１と、判断パラメータΔＦを用いて計測信号の異常を監視検証し、その結果に基づいて異常のある計測信号を対応する擬似計測信号に置換する出力補正手段４３とを備える。
【選択図】図５

Description

本考案は、車両のサスペンション構造体に作用する剪断応力に基づいて、車両のタイヤと路面間に作用する路面摩擦力、垂直抗力、横力及びブレーキ力を検出する複数のセンサエレメントを備えた車輪作用力測定装置に関するものである。

従来、特許文献１に記載されているような応力検出センサを有する車輪作用力測定装置が知られている。ここで開示される応力検出センサは、直方体状を呈した少なくとも表面が非導電性材料からなる三次元体形状の基体と、この基体の各面に付設された金属抵抗箔あるいは半導体素子からなる歪感知部とを備えて構成されており、内部応力を測定しようとする構造体、例えば車両のサスペンションなどに埋設される。そして、各歪感知部から引き出された信号線を介して出力される歪信号を所定の演算回路で演算させることにより、構造体の内部に発生した応力を正確に検出することが出来る。かかる応力検出センサを用いることにより、構造体表面に歪ゲージを貼り付ける従来の応力検出方式に比べて飛躍的に検出精度が向上するため、例えば車両のサスペンション構造体に当該応力検出センサを適用した場合、車両のタイヤと路面との間に作用するタイヤ作用力（路面摩擦力や垂直抗力、横力、ブレーキ力）の高精度計測が可能になるとともに、更にこれらを制御パラメータに使用することでＡＢＳ（アンチロックブレーキングシステム）やＶＤＣに代表されるの次世代車両運動制御が実現するとして注目されている。

ところで、このような三次元体形状の基体各面に歪検知部が付設された応力検出センサは、それ単体でも充分に機能を発揮することができるが、この応力検出センサを複数個設けサスペンション構造体の適切な箇所に配設することによって、ｘ、ｙ、ｚ軸方向に対応した各タイヤ作用力をより適切に検出することができるという利点が得られる。かかる応力検出センサについては、特許文献２に開示されている。

特許第２７３６３９５号公報特許第３１３１６４２号公報

ところで、特許文献１及び２に記載される応力検出センサにおいて、タイヤを介してサスペンション構造体に伝達されるタイヤ作用力は、ベクトル的に合算された状態で構造体に作用するため、応力検出センサから出力される計測信号に所定の演算処理を施すことで、ｘ軸方向に対応した路面摩擦力や、ｚ軸方向に対応する垂直抗力、ｙ軸方向に対応する横力へと分離されるのである。

しかしながら、このような応力検出センサが配設されるサスペンション構造体は、急激な車両挙動の変化（例えば急制動や急旋回）に伴なう衝撃や振動、跳ね石や撥水等の走行環境に起因する外乱的要因に晒される状況であり、センサ搭載箇所として選定するには非常に厳しい環境であると言うことが出来る。さらに、ｘ、ｙ、ｚ軸方向に対応したタイヤ作用力を検出するためには、サスペンション構造体に装着された応力検出センサからの出力信号値を演算処理しなければならず、上述した外乱的要因により応力検出センサの一つでも故障が発生してしまうと、最終的に算出されるタイヤ作用力の検出精度が不全となるという問題点が存在する。これらタイヤ作用力は、ＡＢＳ等の車両制御用パラメータとして適用されることから、その検出精度不全は、制御不安定という重大な結果を招く要因となり得る。

本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、サスペンション構造体に装着された応力検出センサが、衝撃や振動等の外乱要因によってその一部に出力異常を生じたとしても、残る他のセンサエレメントからの計測信号を用いて補完することによって、ＡＢＳ等の車両制御を継続維持するための救済が可能となる車輪作用力測定装置を提供することを目的としている。

課題を解決する為の手段

請求項１記載の車輪作用力測定装置は、車両のサスペンション構造体に作用する剪断応力に基づいて、前記車両のタイヤと路面間に作用する路面摩擦力、垂直抗力及び横力並びにブレーキ力を検出するセンサ部を備えるとともに、前記センサ部は、前記車両のサスペンション構造体に設けられた孔に接合され、前記孔は、前記サスペンション構造体内部のニュートラルスポット及びその近傍にある車輪作用力測定装置において、前記センサ部は、その計測環境が近似していて、且つ計測用途を異にする少なくとも２つ以上のセンサエレメントからなり、前記それぞれのセンサエレメントからの計測信号に対する各々の相関関数を定められるものとし、前記センサエレメントの少なくとも１つが出力不全となった場合、他のセンサエレメントからの計測信号と前記相関関数とを用いることによって補完することを特徴とするものである。

請求項２記載の車輪作用力測定装置は、請求項１記載の車輪作用力測定装置において、前記センサエレメントの少なくとも１つの計測信号が、予め定められた前記センサエレメントの正常動作範囲を示す閾値信号に対し、前記閾値信号の範囲外の数値を出力した場合、前記センサエレメントに異常が発生したと判断することを特徴とするものである。

請求項３記載の車輪作用力測定装置は、請求項１記載の車輪作用力測定装置において、前記センサエレメントの少なくとも１つの計測信号が、前記他の計測用途を異にするセンサエレメントからの計測信号と前記予め定められた相関関数を用いることによって求められる擬似計測信号若しくはクロストークとを比較することによって、前記計測信号と前記擬似計測信号との格差が予め定められた閾値を超えるものであった場合、前記センサエレメントに異常が発生したと判断するとともに、前記擬似計測信号若しくはクロストークを対応する前記センサエレメントの計測信号として置換することを特徴とするものである。

請求項４記載の車輪作用力測定装置は、請求項１乃至３の何れかに記載の車輪作用力測定装置において、前記センサエレメントは、三次元体形状の基体の表面に歪感知部が形成されることにより構成されることを特徴とするものである。

請求項５記載の車輪作用力測定装置は、請求項２または３記載の車輪作用力測定装置において、前記センサエレメントに異常が発生したと判断された場合、前記車両のインストルメントパネルから警告ランプを点灯若しくは警報ブザー等音声報知することにより、運転者に故障が生じたことを警告することを特徴とするものである。

考案の効果

請求項１記載の車輪作用力測定装置によれば、センサ部は、その計測環境条件が同一であり、且つ計測用途を異にする複数のセンサエレメントから構成されており、一のセンサエレメントと他のセンサエレメントとの間に成立する相関関数を定めおくことによって、一のセンサエレメントに出力不全が起きたとしても、それに対応する他のセンサエレメントからの計測信号と相関関数を用いることによって得られるクロストーク信号によって補完される。

このようにすることで、複数のセンサエレメントが相関関数によって相互に補完し合う関係を構築することが可能であり、仮に一つのセンサエレメントからの計測信号に異常が発生したとしても、他のセンサエレメントからの計測信号値を対応する相関関数に代入することによって、異常が生じたセンサエレメントの計測信号として代替することができ、その信頼性は向上する。

ここで、センサ部を構成する各センサエレメントは、その計測用途を異にすると定義されている。これが意味するところは、例えばセンサ部が３個のセンサエレメントからなり、サスペンション構造体に路面摩擦力、垂直抗力、横力の３軸方向力がそれぞれ作用する場合、第１のセンサエレメントは路面摩擦力検出用であって、第２のセンサエレメントは垂直抗力検出用、第３のセンサエレメントは横力検出用として、各センサエレメントの計測しようとする対象が重合しないことを意味する。

また、各センサエレメントは、車両のサスペンション構造体内部に存在するニュートラルスポットの位置に埋設固着されているため、外乱要素を排除した極めて精度の高い力計測を実現することが出来る。ここでいうニュートラルスポットとは、計測対象となる構造体に複数方向からの外力が作用している場合、計測を目的とする外力のみ検出し、それ以外の外力成分による影響が無い若しくは極小であるような位置と定義される。すなわち、上述の例であれば、第１のセンサエレメントは、路面摩擦力のみ対応する剪断応力を検出することが可能であり、垂直抗力や横力による影響を受けないような位置に装着される。

請求項２に記載の車輪作用力測定装置によれば、センサエレメントの正常動作範囲を示す閾値が予め定められており、各センサエレメントの計測信号と閾値とが随時比較されるため、センサエレメントに生じる異常をリアルタイムで監視検出することが可能となる。

請求項３に記載の車輪作用力測定装置によれば、各センサエレメントは、計測信号とは別に予め定められた相関関数に基づく擬似計測信号（クロストーク）を出力しており、この擬似計測信号と対応するセンサエレメントの計測信号とが随時比較されるため、センサエレメントに生じる異常をリアルタイムで監視検出することが可能となる。また、相関関数により求められる擬似計測信号やクロストークを、該当するセンサエレメントからの計測信号として置換して車両制御用パラメータとして採用することにより、ＡＢＳに代表される車両制御を継続維持するための救済措置が実現できる。

請求項４に記載の車輪作用力測定装置によれば、センサエレメントは、三次元体形状の基体の表面に歪ゲージに代表される歪感知部をマウントすることにより、それをサスペンション構造体に埋設することで応力検出センサとして機能するものとなる。そして、基体の材質として、サスペンション構造体と同等の機械的特性（剛性）を備えた金属材料若しくはシリコン系材料、工業用プラスチック系材料等を採用することによって、サスペンション構造体に作用する物理的応力を安定的且つ残留応力が生じることなく伝達することが可能となり、その検出精度を大幅に向上させることができる。

請求項５に記載の車輪作用力測定装置によれば、車両のインストルメントパネルから警告ランプを点灯若しくは警報ブザー等音声報知して、センサエレメントに生じた異常を運転者に警告することにより、修理・交換への迅速な対応が可能となり、これ以上のセンサエレメントの故障発生を阻止することが可能となる。

本願考案のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本願考案の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、ここに示すのは好ましい実施形態の一例であって、実用新案登録請求の範囲はここに示す実施例に限定されるものではない。

まず、本願考案に係わる車輪作用力測定装置の構成に関して説明する。図１は、本願考案に係る車輪作用力測定装置における応力検出センサの構成要素であるセンサエレメント１０の一実施形態を示す斜視図であり、センサエレメント１０は、直方体状の基体５と、その表面に貼着された金属抵抗薄膜からなる４個の歪感知部１、２、３、４とから構成される。歪感知部とは、基体５にある一方向からの外力が負荷された場合、その外力により発生する内部歪みに対応して、歪感知部の抵抗薄膜が変形することによる電気抵抗変動を出力値として検出するものであり、一般的には市販の金属抵抗体若しくは半導体プロセスによる薄膜技術を利用した歪ゲージが知られているが、それに限るものではない。

基体２としては、たとえば装着対象となる構造体と同等の機械的特性を備える金属材料若しくはシリコン系材料、工業用プラスチック系材料などを含む構造基体となる材料が選定される。このようにすることで、外力が作用する構造体に発生する内部応力が、基体２に対して残留応力を生じることなく良好に伝達されるため、センサエレメント１０は応力検出センサとして好適に機能するものとなる。また歪感知部１と２及び３と４は、それぞれが基体５の貼着面の中心線に対して互いに４６°の傾きを為して直交するように配置されている。さらに歪感知部１と３、及び２と４は、各々が面対称な位置となるように関係付けられている。なお、歪感知部１〜４は、それぞれ電気信号線を介してブリッジ回路（図示せず）に接続されており、各歪感知部の抵抗変動を電圧変化に変換して出力される。

このような歪感知部の構成を有するセンサエレメントを応力検出センサとして採用することによって、車両のタイヤと路面間に作用する摩擦力を剪断応力として効果的に検出することができる。以下に、その理由について理論的に考察する。

図２は、本願考案に係る車輪作用力測定装置における応力検出センサ２０の車両サスペンション１５への装着例であって、（Ａ）はサスペンション１５の側面図を、（Ｂ）は正面図を示している。応力検出センサ２０は、サスペンション構造体１５に作用するタイヤ作用力の計測を目的とした３個のセンサエレメント１０−ａ、１０−ｂ、１０−ｃとにより構成される。ここでタイヤ作用力とは、路面とタイヤとの間の接地面を力点とする摩擦力であって、車両進行方向であるｘ軸方向の力を路面摩擦力Ｆｘ、車幅方向に相当するｙ軸方向の力を横力Ｆｙ、ｚ軸方向の力を垂直抗力Ｆｚと定義される。センサエレメント１０−ａ〜ｃは、それぞれ摩擦力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚの計測を目的として設定されており、各摩擦力の作用方向に沿ってサスペンション１５に形成された孔１１、１２、１３にそれぞれ埋設固着される。

孔１１〜１３は、サスペンション構造体１５内部に存在するニュートラルスポットを内包する位置に設けられている。ここでニュートラルスポットとは、サスペンション構造体に複数の方向から外力が作用したときの剪断方向の内部応力分布を考えた場合、測定を目的とする方向成分の外力による剪断応力が存在し、かつそれ以外の方向成分の外力により作用する内部応力の影響が無いか若しくは極めて小さいような分布帯（領域）であると定義される。すなわち、例えば路面摩擦力Ｆｘを計測しようとする場合、路面摩擦力Ｆｘにより作用する剪断応力のみが存在し、且つ横力Ｆｙや垂直抗力Ｆｚによる剪断応力の影響が無いか若しくは極めて小さいような場所及び方向を含むように孔１１を設けて、前記の場所及び方向にセンサエレメント１０−ａを埋設固着してやればよい。

孔１１〜１３の設定方法としては、たとえば計算力学的手法の一つとされる有限要素法を用いたＦＥＭ（ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ）解析を利用する方法が一般的である。その具体的手法に関しては、同一出願人が開示する特許文献３に詳細記載されているので、ここでの説明は省略することとするが、簡単に述べるとすると、路面摩擦力Ｆｘ及び横力Ｆｙ、垂直抗力Ｆｚがそれぞれ単独で作用した場合の剪断応力分布図をＦＥＭ解析によって求め、ＦＥＭ解析で得られた横力Ｆｙおよび垂直抗力Ｆｚによる剪断応力の分布図を重ね合わせて両者が共に最小である範囲を決定し、その決定範囲と路面摩擦力Ｆｘによる剪断応力分布図とを照合して、路面摩擦力Ｆｘによる剪断応力が最大に検知される最適位置を含むように決定すればよい。

特許第２７８４７１１号公報

このようにすることで、計測を目的としない方向成分の摩擦力による影響を排除した極めて正確な力の分離計測が実現される。さらに、材料力学の応力分布の観点から、剪断応力はそれに作用する構造体に対して一様に分布することが公知であることからこのような剪断応力を計測対象とすることで、力点とは異なるサスペンション１５に応力検出センサ２０を配設しても精度の高い計測が可能となる。なお、孔１１〜１３は、必ずしも貫通孔である必要はなく、例えば深さ１０ｍｍの止め孔であっても良い。またその直径は、たとえば８ｍｍである。

図３は、本願考案に係わる車輪作用力測定装置における応力検出センサ２０の他の好適な実施形態を示したものであって、応力検出センサ２０は、立方体形状の基体１４と、各面のそれぞれ面対称なる位置に形成された歪感知部１６〜１９、２１〜２４、２５〜２８とから構成されている。その他の構成や歪感知部の配置関係については前述と同様であるので、ここでの詳説は省略することとする。すなわち、図３に示す応力検出センサ２０は、ｘ−ｙ平面に形成される歪感知部１６〜１９を備えるセンサエレメント６と、ｘ−ｚ平面に形成される歪感知部２１〜２４を備えるセンサエレメント７、ｙ−ｚ平面に形成される歪感知部２５〜２８を備えるセンサエレメント８とで構成されており、これらセンサエレメント６〜８を一体化形成したものであると換言することが出来る。このような構成を備える応力検出センサ２０を１個サスペンション１５に装着することによって、図２に示すような３つのセンサセグメントを実装する場合と同様の機能を実現できるため、サスペンション１５に形成する孔の数を大幅に短縮することができ、加工工程を簡略化できると共にサスペンション１５自身の耐久性を損なうことなく、精度の良い剪断応力検出を実現することが出来る。

図４は、本願考案に係わる車輪作用力測定装置の回路ブロック図であって、この車輪作用力測定装置は、装置全体を制御するＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｕｎｉｔ）３０、ＣＰＵ３０のワークメモリとして用いられるＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍａｃｃｅｓｓｍｅｍｏｒｙ）３１、各種のプログラムやデータなどが格納されたＲＯＭ（ｒｅａｄｏｎｌｙｍｅｍｏｒｙ）３２、およびＣＰＵ３０とセンサ等の入出力機器との間の信号授受を制御するインターフェイス３３とを備えている。インターフェイス３３は、入力されるアナログ信号をディジタル信号に変換する機能や、出力するディジタル信号をアナログ信号に変換する機能などを有しており、インターフェイス３３には、車両のタイヤと走行路面との間に作用する路面摩擦力Ｆｘに比例した電圧を出力する路面摩擦力センサ３５と、横力Ｆｙに比例した電圧を出力する横力センサ３６と、垂直抗力Ｆｚに比例した電圧を出力する垂直抗力センサ３７と、これら各センサから得られる計測信号の少なくとも一つが何らかの要因によって出力異常を生じたと判断された場合、その判断結果を車両搭乗者に報せるための警告報知ランプ３４と、各センサから得られるタイヤ作用力を制御パラメータとして適用して、車両の運動を制御する公知の制御装置、例えばブレーキ装置の油圧を制御するための電磁弁３８とが接続されている。路面摩擦力センサ３５、横力センサ３６、垂直抗力センサ３７は、それぞれ少なくとも４個の歪感知部を備えたセンサエレメント１０−ａ〜ｃにより実現されており、インターフェイス３３には、計１２個の歪感知部からの計測信号が入力される。

図５は、ＣＰＵ３０がＲＯＭ３２に格納されたプログラムに基づいて動作されることにより実現される仮想的な回路ブロック図であって、ＣＰＵ３０は、タイヤ作用力演算手段４０、ΔＦ演算手段４１、異常検知手段４２および出力補正手段４３を実現している。これらの回路は、車両のイグニッションスイッチがオンされることにより、ＣＰＵ３０がＲＯＭ３２に格納されている制御プログラムを実行することによって実現される。

タイヤ作用力演算手段４０は、路面摩擦力センサ３５及び横力センサ３６、垂直抗力センサ３７からインターフェイス３３を介して入力された各歪感知部からの計測信号に基づいて、タイヤ作用力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを演算する。ここでその具体的な演算手法について、図６を用いて理論的に講じる。

今、センサエレメント１０に対しある一方向からの応力が作用したと仮定すると、そのときの歪感知部１、２、３、４の抵抗変化量は、絶対値的に見て同等である。この関係は、応力方向が剪断、曲げ、捻りの何れの場合においても成立するものであり、各応力の方向に応じてその極性のみが変化する。具体的には、剪断方向に応力が作用した場合、図６（ａ）に示されるように、歪感知部１と３には引張方向の変形が、歪感知部２と４には圧縮方向の変形が生じる。ここで、各歪感知部の変形による抵抗変化量の絶対値をεと仮定すると、歪感知部１と３には引張方向の変形が生じるために＋εが、歪感知部２と４には圧縮方向の変形による−εが出力される。次に曲げ応力が作用した場合の各歪感知部からの出力値を考察すると、歪感知部１と２には引張方向の変形が作用するので＋εを、歪感知部３と４には圧縮方向の変形が作用して−εを出力する（図６（ｂ）参照）。また捻り応力の場合においても同様にして、歪感知部１と４は＋εを、歪感知部２と３は−εをそれぞれ出力する（図６（ｃ）参照）。ここで、下記数式１〜３により設定された相関関数に各歪感知部から得られる出力値を代入する。なお、下記数式におけるａは歪感知部１の出力値、ｂは歪感知部２の出力値、ｃは歪感知部３の出力値、ｄは歪感知部４の出力値にそれぞれ相当する。また、Ｅ_１〜_３は応力に対応した演算値であり、ｋ_１〜３は任意に設定された係数である。

数１

Ｅ_１＝ｋ_１｛（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）｝

数２

Ｅ_２＝ｋ_２｛（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）｝

数３

Ｅ_３＝ｋ_３｛（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ）｝

前述のセンサエレメント１０に作用する応力に応じた各歪感知部の出力傾向に基づいて上記数式１を演算すると、剪断応力による演算値Ｅ_１は４εとなるが、その他の曲げや捻り応力による歪感知部の出力値を代入しても演算値Ｅ_１は零になる。すなわち、数式１は剪断応力のみを分離検出することを目的として設定された演算式であって、センサエレメント１０が計測しようとする摩擦力に起因して作用する剪断応力のみが存在するニュートラルスポットに装着されていることから、この摩擦力により生じる曲げや捻り応力の影響を排除した剪断応力のみを検出する効果がより一層顕著になり、対応するセンサエレメント１０、たとえば路面摩擦力Ｆｘを検出しようとした場合、路面摩擦力センサ３５の出力値を数式４に代入することによって、その計測精度を向上することができる。なお、数式２及び３についても同様にすると、数式２では曲げ応力による演算値Ｅ_１が４εとなってその他の剪断や捩り応力では零となり、数式３では捩り応力による演算値Ｅ_１が４εとなってその他の剪断や曲げ応力では零となる。よって、数式２は曲げ応力のみを、数式３では捩り応力のみを分離検出することが可能となる。以下、数式２及び３によって算出される曲げ応力あるいは捩り応力を、計測対象とする摩擦力に対するクロストークと呼称する。

またタイヤ作用力演算手段４０は、路面摩擦力センサ３５及び横力センサ３６、垂直抗力センサ３７からインターフェイス３３を介して入力された各歪感知部からの計測信号に基づいて、擬似計測信号Ｆｘ′、Ｆｙ′Ｆｚ′を演算する。

以下、路面摩擦力センサ３５の機能を例示して具体的に説明する。サスペンション構造体には、摩擦力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚがベクトル的に合算された状態で作用している。そのため、センサエレメント１０をサスペンション構造体内部に存在するニュートラルスポットなる位置に装着して、路面摩擦力Ｆｘによる剪断応力のみを検出しようとしていることは前述の通りである。しかしながら、路面摩擦力センサ３５が装着される位置は、剪断応力に限って言えば路面摩擦力以外の他方向成分の摩擦力による影響は受けないものの、曲げ応力や捩り応力の観点からみると、路面摩擦力に対するクロストーク成分が他方向成分による影響として混入するということができる。すなわち、路面摩擦力センサ３５には、路面摩擦力Ｆｘによる剪断応力以外に、横力Ｆｙや垂直抗力Ｆｚに起因して生じる曲げ応力、捩り応力が複合的に作用しており、これらを路面摩擦力Ｆｘに対するクロストーク成分として捉えて、上記の数式２及び３を利用して演算処理することにより擬似的な横力Ｆｙ^＊及び垂直抗力Ｆｚ^＊を得ることが出来る。

これらの現象は、図７に示すように、サスペンション１５を理想構造体４５に置換することによって容易に理解できる。ここで、理想構造体４５の固定端をサスペンション１５と車両ボディとの連結固定部であると仮定し、他端（自由端側）にはタイヤの有効半径Ｒ相当分だけ下方にある領域Ａ（タイヤと路面の接地面に相当）を力点として各軸方向の摩擦力が作用している。領域Ａに作用するｘ軸方向の摩擦力（路面摩擦力）は、理想構造体４５にも等価で矢印Ｆｘの方向に作用する。よって、路面摩擦力センサ３５は、ｘ−ｙ平面上に歪感知部が形成されるように理想構造体４５に設けられた孔４６内部に配設されることによって、ｘ軸方向摩擦力を剪断応力として捉えることが出来る。

次に、矢印Ｆｚに定義されるｚ軸方向摩擦力（垂直抗力）による路面摩擦力センサ３５への影響を考察すると、理想構造体４５の自由端側にｚ軸方向からの力が作用し、路面摩擦力センサ３５には曲げ応力が発生する。同様にして、矢印Ｆｙで定義されるｙ軸方向摩擦力（横力）の場合では、理想構造体４５にはｘ軸廻りのモーメントとして作用するため、路面摩擦力センサ３５には捩り応力が生じる。すなわち、路面摩擦力センサ３５の計測信号値を数式２に代入することによってｚ軸方向力である垂直抗力Ｆｚを、数式３を用いることでｙ軸方向力である横力Ｆｙを擬似的な計測信号Ｆｚ^＊、Ｆｙ^＊として出力することができる。勿論、横力センサ３６の場合であって、数式２及び３を用いることによって路面摩擦力の擬似計測信号Ｆｘ^＊と垂直抗力の擬似計測信号Ｆｚ^＊とを出力することができるし、垂直抗力センサ３７であってもそれは同様である。

ΔＦ演算手段４１は、路面摩擦力センサ３５から得られる路面摩擦力Ｆｘと、横力センサ３６及び垂直抗力センサ３７からの路面摩擦力の擬似計測信号Ｆｘ^＊とに基づいて、判断パラメータΔＦｘ＝Ｆｘ−Ｆｘ^＊を演算する。またΔＦ演算手段４１は、横力センサ３６から得られる横力Ｆｙと、路面摩擦力センサ３５及び垂直抗力センサ３７からの横力の擬似計測信号Ｆｙ^＊とに基づいて、判断パラメータΔＦｙ＝Ｆｙ−Ｆｙ^＊を演算する。さらにΔＦ演算手段４１は、垂直抗力センサ３７から得られる垂直抗力Ｆｚと、路面摩擦力センサ３５及び横力センサ３６からの垂直抗力の擬似計測信号Ｆｚ^＊とに基づいて、判断パラメータΔＦｚ＝Ｆｚ−Ｆｚ^＊を演算する。ここで、各摩擦力の擬似計測信号を得る手段として、残る２つのセンサからの出力信号値を使用することができるが、何れか片方のセンサを任意に選択しても良いし、両者のセンサ出力信号値を用いてそれぞれの擬似計測信号を得ることとしても良い。

異常検知手段４２は、路面摩擦力センサ３５、横力センサ３６及び垂直抗力センサ３７の何れか１つから得られる正規の摩擦力と、他の残るセンサからの前記摩擦力に対する擬似計測信号とに基づいて、選択されたセンサの出力異常の有無を判断し、出力異常発生信号を生成する。具体的には、ΔＦ演算手段４１からの判断パラメータΔＦｘ、ΔＦｙ、ΔＦｚの何れかが、予め定められた所定値以上であるならば、すなわち、正規の摩擦力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚの何れかが対応する擬似計測信号Ｆｘ^＊、Ｆｙ^＊、Ｆｚ^＊と比較してその格差が十分大なるものであれば、対応するセンサの歪感知部から得られる計測信号の少なくとも１つに出力異常が発生していると判断して、出力異常発生信号を出力補正手段４３に出力する。なお、ここでいう所定値は、ＲＯＭ３２に予め設定されて保存されている。

出力補正手段４３は、異常検知手段４２からの出力異常発生信号に基づいて、出力異常を起こしているセンサを特定し、対象となるセンサが求めようとしていた摩擦力信号を、それに対応する擬似計測信号に置き換えて、車両運動を制御する公知の制御装置（電磁弁）３８に制御パラメータとして出力する。具体的には、路面摩擦力センサ３５に出力異常が発生したと判断された場合、路面摩擦力センサ３５が求めようとしていた正規の路面摩擦力Ｆｘに対し、横力センサ３６若しくは垂直抗力センサ３７から得られる路面摩擦力の擬似計測信号Ｆｘ^＊に置換し、以降、擬似計測信号Ｆｘ^＊を路面摩擦力Ｆｘとして取り扱う。

また、出力補正手段４３は、異常検知手段４２からの出力異常発生信号に基づいて、警告報知ランプ３４を動作させる。さらに出力補正手段４３は、出力異常を検知して作動した警告報知ランプ３４を、出力異常を引き起こしているセンサの修理若しくは交換によって異常原因が取り除かれるまで、その作動を継続させる。

すなわち、タイヤ作用力演算手段４０は、路面摩擦力センサ３５、横力センサ３６及び垂直抗力センサ３７からのタイヤ作用力情報に応じた各摩擦力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを演算する正規摩擦力演算手段を構成している。またタイヤ作用力演算手段４１は、それぞれの正規の摩擦力に応じた擬似計測信号Ｆｘ^＊、Ｆｙ^＊、Ｆｚ^＊を演算するクロストーク信号演算手段を構成する。ΔＦ演算手段４１は、正規摩擦力演算手段による演算された剪断応力に基づく摩擦力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、曲げ及び捩り応力に基づいて演算される各摩擦力に対応した擬似計測信号Ｆｘ^＊、Ｆｙ^＊、Ｆｚ^＊との差である判断パラメータΔＦを演算する摩擦力比較手段を構成している。異常検知手段４２及び出力補正手段４３は、摩擦力比較手段による判断パラメータに基づいて、各センサ毎に得られる計測信号が正常な範囲のものであるかを検証し、その結果に基づいて異常のあるセンサからの出力信号を対応する擬似計測信号に置換する出力信号補完手段を構成している。また出力補正手段４３は、摩擦力比較手段より得られる判断パラメータΔＦを用いて警告報知ランプ３４を制御する警告報知ランプ制御手段を構成している。さらに出力補正手段４３は、一度作動した警告通知を補修処理等によって異常が取り除かれるまで維持する警告報知保持手段を構成している。

なお、本実施例では、クロストーク成分である曲げ及び捩り応力から導き出される擬似計測信号と、剪断応力に基づく正規摩擦力とをそれぞれ比較し、両者の格差が所定の数値を超えている場合、対応するセンサが出力異常を引き起こしていると判断する手法を採用して説明しているが、本願考案はこれに限定されるものではなく、例えば擬似計測信号の代わりに任意の閾値を設定し、その閾値と正規摩擦力とを随時比較して、正規摩擦力が閾値を超えた場合を異常発生と判断しても良い。本来、センサを構成する歪感知部による抵抗変化を電圧変化に変換して出力する方式としてブリッジ回路を使用する方法が一般的に知られているが、歪感知部に異常が発生するとブリッジ回路内のバランスが崩壊して、通常よりも過大な出力値となる傾向が確認されている。すなわち、各歪感知部の正常動作範囲を示す閾値を予めＲＯＭ３２内で設定保存しておき、各歪感知部からの計測信号と閾値とを随時比較して、計測信号が閾値を超えて大なる場合、その計測信号を出力する歪感知部を備えたセンサに異常が発生したと判断することができる。

以降、上述したような機能は、車両のイグニッションスイッチをオフされるまで繰り返される。

このようにすることによって、比較的外乱要素による影響に晒され易い応力検出センサに対し、自律的に故障発生を随時監視することが出来るので、車両制御用パラメータを提供するセンサとしての信頼性が向上する。また、応力検出センサの一部に出力異常が発生したとしても、残る他のセンサエレメントからの計測信号を用いて補完することができるため、タイヤ作用力の検出精度への悪影響を可及的に阻止し、車載用センサとしての信頼性をより一層高めることが出来ると共に、より安定した車両制御が実現され、車両搭乗者の生命の安全を確実に確保するという著しい効果を発揮することができる。

本願考案に係る応力検出センサの構成要素であるセンサエレメントの一実施形態を示す概観図である。本願考案に係る応力検出センサの車両サスペンション構造体への装着例を示した説明図である。本願考案に係る応力検出センサの他の好適な実施形態を示す外観図である。本願考案に係る車輪作用力測定装置における回路ブロック図である。本願考案に係る車輪作用力測定装置に備えられたＣＰＵにより実現される仮想的な回路ブロック図である。本願考案に係るセンサエレメントの各応力方向に対応した歪感知部の変化傾向を示した説明図である。本願考案に係る車輪作用力測定装置の動作を、理想構造体モデルを用いて例示した説明図である。

符号の説明

１〜４歪感知部
５基体
１０センサエレメント
１５車両サスペンション構造体
２０応力検出センサ
３０ＣＰＵ
３１ＲＡＭ
３２ＲＯＭ
３３インターフェイス
３４警報報知ランプ
３５路面摩擦力センサ
３６横力センサ
３７垂直抗力センサ
３８電磁弁
４０タイヤ作用力演算手段
４１ ΔＦ演算手段
４２異常検知手段
４３出力補正手段

Claims

車両のサスペンション構造体に作用する剪断応力に基づいて、前記車両のタイヤと路面間に作用する路面摩擦力、垂直抗力及び横力並びにブレーキ力を検出するセンサ部を備えるとともに、前記センサ部は、前記車両のサスペンション構造体に設けられた孔に接合され、前記孔は、前記サスペンション構造体内部のニュートラルスポット及びその近傍にある車輪作用力測定装置において、前記センサ部は、その計測環境が近似していて、且つ計測用途を異にする少なくとも２つ以上のセンサエレメントからなり、前記それぞれのセンサエレメントからの計測信号に対する各々の相関関数を定められるものとし、前記センサエレメントの少なくとも１つが出力不全となった場合、他のセンサエレメントからの計測信号と前記相関関数とを用いることによって補完することを特徴とした、車輪作用力測定装置。
前記センサエレメントの少なくとも１つの計測信号が、予め定められた前記センサエレメントの正常動作範囲を示す閾値信号に対し、前記閾値信号の範囲外の数値を出力した場合、前記センサエレメントに異常が発生したと判断することを特徴とした、請求項１に記載の車輪作用力測定装置。
前記センサエレメントの少なくとも１つの計測信号が、前記他の計測用途を異にするセンサエレメントからの計測信号と前記予め定められた相関関数を用いることによって求められる擬似計測信号若しくはクロストークとを比較することによって、前記計測信号と前記擬似計測信号との格差が予め定められた閾値を超えるものであった場合、前記センサエレメントに異常が発生したと判断するとともに、前記擬似計測信号若しくはクロストークを対応する前記センサエレメントの計測信号として置換することを特徴とした、請求項１に記載の車輪作用力測定装置。
前記センサエレメントは、三次元体形状の基体の表面に歪感知部が形成されることにより構成されることを特徴とした、請求項１乃至３の何れかに記載の車輪作用力測定装置。
前記センサエレメントに異常が発生したと判断された場合、前記車両のインストルメントパネルから警告ランプを点灯若しくは警報ブザー等音声報知することにより、運転者に故障が生じたことを警告することを特徴とした、請求項２または３に記載の車輪作用力測定装置。