JP3228127B2 - 摩擦状態検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は振動系の共振特性に
基づいて摩擦状態を検出する摩擦状態検出装置に係り、
特に振動系の共振特性に基づいて接触面が所定の摩擦力
が生じた状態となるように振動系への作用力を制御し、
該作用力に基づいて摩擦状態を検出する摩擦状態検出装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】摩擦力若しくは摩擦係数を測定する技
術、及び摩擦状態を検出して制御を行う技術として以下
のようなものがある。

【０００３】図７に示すモデルにおいて、質量Ｍの物体
１と被計測面２との間に発生する最大摩擦力Ｆmax は、
荷重をＷ（＝Ｍｇ；ｇは重力加速度）、静止摩擦係数を
μstatとすると、 Ｆmax ＝ μstat・Ｗ で表される。ここで、外部から印加される外力Ｆext が
最大摩擦力Ｆmax 以下であれば、静止状態に留まる。し
かし、外力Ｆext が一旦最大摩擦力Ｆmax を超えると突
然滑りだす。その時の摩擦力Ｆtranは、動摩擦係数μtr
ans により、 Ｆtrans ＝ μtrans ・Ｗ で表される。

【０００４】しかし、このように、外力Ｆext が最大摩
擦力Ｆmax を超えるまでは全く変化がなく、最大摩擦力
を超えたと同時に状態が大きく変化するため、滑りだす
前に滑りだす直前の状態にあるか否かを知ることは大変
難しい。

【０００５】そこで、従来の摩擦力測定装置では、事前
に外力を加えて滑らせ、その時の最大摩擦力Ｆmax を調
べることにより摩擦力を測定し、さらに最大摩擦力Ｆma
x を装置の自重で除算することにより静止摩擦係数μst
atを測定するようにしていた。

【０００６】また、鋳造技術の分野では、連続鋳造用の
鋳型を振動台に固定支持すると共に加振ビームを介して
加振源に連結し、この加振源の動作により加振ビームを
所定の支点回りに揺動させ、この鋳型を加振しつつ行わ
れる鋳片の引き抜きに際し、鋳片と鋳型との間に作用す
る摩擦力を測定する技術がある。これらの技術は、鋳型
と鋳片との間の摩擦力が加振源の負荷に影響を与えるこ
とを利用するもので、鋳型の振動系の特性を伝達関数に
て表現し、この伝達関数に基づいて鋳型と鋳片との間の
摩擦力を測定するというものである。このような鋳造技
術の分野における摩擦力測定技術で特に演算速度の向上
と正確さを期した技術として、特開平４−８４６５２号
公報に開示された技術などがある。

【０００７】特開平４−８４６５２号公報の技術は、加
振された鋳型から鋳片を引き抜くに際し、両者間に作用
する摩擦力を、加振ビームの支点よりも鋳型寄りの部分
をモード分解法にて定式化した状態空間モデルに従い、
加振する際に鋳型に働く揺動トルクと、加振により鋳型
に生じる変位とに基づいて演算するというものである。
なお、鋳型に働く揺動トルクを正確に求めるため、加振
シリンダなどの加振源が発する加振力及び加振ビームの
支点よりも加振源よりの部分において加振ビームに生じ
る歪みを検出し、検出された加振力を加振ビームに生じ
た歪みで補正して揺動トルクを演算するという方法を用
いている。このように、この技術では、加振ビームの支
点から加振対象となる鋳型までの間を支点に作用する揺
動トルクにより振動台と鋳型とからなる集中質量を加振
する撓み梁として簡略にモデル化することにより高速演
算を達成し、さらに揺動トルクを演算する際に、加振力
を加振ビームの歪みで補正することによって正確な摩擦
力の測定を可能にしている。

【０００８】また、自動車の制御技術の分野で、車輪と
路面との間の摩擦係数を測定し、この摩擦係数に基づい
て制御を行う技術として、特開平４−２３０４７２号公
報に開示された電子制御パワーステアリング装置などが
ある。

【０００９】特開平４−２３０４７２号公報に開示され
た摩擦係数の測定方法は、コントローラからソレノイド
バルブへ加振信号を入力することにより例えば後輪を±
１ｍｍ相当の舵角、周波数２Ｈｚで周期的に転舵し、こ
の周期的な転舵により後輪に発生したコーナリングフォ
ースやセルフアライングトルクに対する反力をロードセ
ル等の反力センサにより検出し、検出された反力の値に
基づいてコーナリングパワーやセルフアライニングパワ
ーを演算し、これらのパワーと路面摩擦係数との関係に
基づいて演算結果により路面摩擦係数を計測するという
ものである。

【００１０】また、路面と車輪との摩擦状態を推測し
て、接触面が滑りだす直前の状態になるようにブレーキ
力を制御することにより、急ブレーキをかけても車輪が
ロックされてスリップすることを防ぐ技術としてアンチ
ロックブレーキ制御装置がある。

【００１１】ここで、車両がある速度で走行している
時、ブレーキをかけていくと車輪と路面との間にスリッ
プが生じるが、車輪と路面との間の摩擦係数μは、下記
の（１）式で表されるスリップ率Ｓに対し、図９のよう
に変化することが知られている。なお、ｖ_v*は実車体速
度、ｖ_w は車輪速度である。

【００１２】 Ｓ＝（ｖ_v*−ｖ_w ）／ｖ_v* ・・・（１） このμ−Ｓ特性では、あるスリップ率（図９のＡ２領
域）で摩擦係数μがピーク値をとるようになる。

【００１３】そこで、従来のアンチロックブレーキ制御
装置では、車体速度と車輪速度とからスリップ率を検出
し、摩擦係数μがピーク値をとるようなスリップ率にな
るようにブレーキ力を制御するようにしていた。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の摩擦力検出装置では、滑ることが許されない場合や
摩擦係数が変化する場合などにおいて、摩擦状態が現在
いかなる状態にあるのかをリアルタイムに検出すること
が極めて困難になる。

【００１５】また、特開平４−８４６５２号公報の摩擦
力測定装置では、揺動トルクにより振動している集中質
量で近似された鋳型の線形モデルを仮定し、単に揺動ト
ルクと鋳型の変位に基づいて、鋳型の振動に影響を与え
ている摩擦力を演算するため、ノイズ等の影響を受けや
すい、という問題がある。また、上記の仮定を満たさな
い条件下では、このモデルでは摩擦力の正確な測定がで
きなくなるため、応用範囲がきわめて狭いという問題が
生じる。仮に条件に合ったモデルを構築できたとしても
モデルによっては複雑な演算が必要となる場合が多く、
かかる場合にはリアルタイムに摩擦力を演算できなくな
るという新たな問題も生じる。

【００１６】また、特開平４−２３０４７２号公報に開
示された摩擦係数の測定方法では、、車輪を周期的に転
舵してコーナリングフォース等を発生させ、これに対す
る車輪の反力を検出する必要があり、測定システムが複
雑になるという問題がある。さらに、コーナリングパワ
ー等と路面摩擦係数との関係を所定のモデルで仮定して
いるため、ノイズに弱いという問題もある。

【００１７】また、従来のアンチロックブレーキ制御装
置では、運転中のタイヤと路面との間の摩擦係数μが時
々刻々変化し、かつノイズも多いので、摩擦係数μがピ
ークとなるスリップ率も変化し、適切なブレーキ制御は
きわめて困難となる。

【００１８】本発明は上記従来の問題点を解消するため
になされたもので、システム構成や条件の依存度の大き
いモデルを仮定して単なる振動特性や変位応答等に基づ
いて摩擦状態を検出するのではなく、車輪と路面との間
の摩擦状態を敏感に反映する共振ゲインに基づいて摩擦
力がピーク又はピーク近傍となるように振動系への作用
力を制御し、この作用力に基づいて摩擦状態を検出する
ことにより、ノイズが多く、また摩擦状態が時々刻々と
変化する状況においても摩擦状態を正確に検出できると
共に、適用範囲の広いシンプルな構成の摩擦状態検出装
置を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、摩擦力の生じる接触面の片面側
要素に該接触面と略平行な方向に変位するばね要素を接
続し、該ばね要素の他端に慣性体を接続してなると共に
前記片面側要素に作用力が印加される振動系と、前記振
動系に印加された作用力及び該作用力の状態量を検知す
る作用力検知手段と、前記作用力が印加された振動系の
状態量を検知する状態量検知手段と、前記作用力の状態
量に対する前記振動系の状態量の比である共振ゲインを
演算する共振特性演算手段と、前記共振特性演算手段に
より演算された共振ゲインが予め定められた基準ゲイン
に一致又は略一致した状態で検知された前記作用力に基
づいて前記接触面における摩擦状態を検出する摩擦状態
検出手段と、を含んで構成したものである。

【００２０】請求項１の発明では、作用力検知手段が振
動系に印加された作用力及び作用力の状態量を検知し、
状態量検知手段が振動系の状態量を検知する。なお、こ
の作用力には、本装置の外部から振動系に印加されるも
のと、本装置の内部に備えられた作用力を発生する手段
により振動系に印加されるものとがある。また、作用力
の状態量を例えば印加された作用力の所定周波数成分の
パワー値、振動系の状態量を例えば振動系の所定周波数
成分のパワー値として求めることができる。

【００２１】次に、共振特性演算手段が検知された作用
力の状態量に対する振動系の状態量の比である共振ゲイ
ンを演算する。ここで、接触面で摩擦力が変化すると、
摩擦力を介して振動系に与える慣性体の慣性の影響が変
化するので振動系の共振特性が変化し共振ゲインが変化
する。すなわち、共振ゲインには接触面の摩擦力の状態
が反映されており、例えば摩擦力がピーク値に近づく
と、共振ゲインは大きく変化する。ここで、基準ゲイン
を所定の値に定めると、共振ゲインが基準ゲインに一致
又は略一致した状態は、該基準ゲインに対応した所定の
摩擦力の状態、例えば摩擦力のピーク値付近の状態を反
映しており、該状態の時に検知された作用力は、接触面
の摩擦状態、例えば摩擦力ピーク値付近の状態では最大
摩擦力を反映している。そこで、摩擦状態検出手段が、
共振ゲインが予め定められた基準ゲインに一致又は略一
致した状態で検知された作用力に基づいて接触面におけ
る摩擦状態を検出することができる。

【００２２】このように本発明では、接触面の摩擦状態
を敏感に反映する共振ゲインと作用力とに基づいて摩擦
状態を検出するので、ノイズ等が多い状況でもシンプル
な構成の装置で摩擦状態を正確に検出することができ
る。

【００２３】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記共振ゲインが前記基準ゲインに一致又は略一致
した状態となるように前記作用力を制御する作用力制御
手段と、をさらに含むことを特徴とする。

【００２４】請求項２の発明では、作用力制御手段が、
共振ゲインが基準ゲインに一致又は略一致した状態とな
るように作用力を制御する。なお、基準ゲインを、摩擦
力がピーク値付近となる状態に対応する所定の値に設定
しておけば、作用力制御手段によって摩擦力ピーク値付
近の状態に対応する作用力にほぼ保持される。そして、
摩擦状態検出手段が、制御された作用力に基づいて接触
面における摩擦状態を検出する。このように本発明で
は、接触面の摩擦状態を敏感に反映する共振ゲインを用
いて一定の摩擦力の状態となるように作用力を制御し、
該作用力に基づいて接触面の摩擦状態を検出するように
したので、ノイズ等が多い状況でもシンプルな構成の装
置で摩擦状態を常に正確に検出することができる。

【００２５】請求項３の発明は、請求項２の前記作用力
制御手段が、前記基準ゲインに対する前記共振ゲインの
比の逆数と１との偏差が０に一致又は略一致するように
前記作用力を制御することを特徴とする。

【００２６】請求項３の発明では、作用力制御手段が、
共振ゲインが基準ゲインに一致又は略一致するように作
用力を制御する際に、まず基準ゲインに対する前記共振
ゲインの比（共振ゲイン／基準ゲイン）の逆数（基準ゲ
イン／共振ゲイン）と１との偏差が０に一致又は略一致
するように作用力を制御する。ここで、単純に、共振ゲ
イン／基準ゲインと１との偏差を用いるようにすること
も可能であるが、この方法では、共振ゲイン／基準ゲイ
ンが１より小さくなる時、作用力は摩擦力ピーク状態の
値に十分に近い値を取り、少しの作用力変動で接触面で
のすべりが急増する可能性が高い。しかし、本発明のよ
うに共振ゲイン／基準ゲインの逆数を用いれば、共振ゲ
イン／基準ゲインが１より小さい状態、すなわち接触面
のすべりが急増する状態に近づくに従い、偏差が急激に
大きくなって感度が大きくなるため、すべりが急増する
状態に陥る可能性を回避しつつ、作用力をピーク値に保
持して摩擦状態を正確に検出できる。

【００２７】

【実施の形態】まず、本発明の原理を図８の振動系１５
をモデルにして説明する。図８に示すように、振動系１
５は、質量Ｍa の慣性体１１、この慣性体１１と接触面
１０を介して接触する質量Ｍb の慣性体１２、慣性体１
１の一端に取り付けられたばね定数Ｋのばね要素１３、
このばね要素の他端に取り付けられた質量Ｍc の慣性体
１４から構成されている。

【００２８】振動系１５は、接触面１０で発生する摩擦
力が最大摩擦力以内で接触面１０が滑っていない状態で
は、慣性体１１の振動に慣性体１２が連動して振動する
ため、質量（Ｍa ＋Ｍb ）とばね定数Ｋのばねと質量Ｍ
c とからなる２慣性系と等価になる。従って、摩擦力が
最大摩擦力以内の場合における振動系１５における共振
周波数ｆ₁ は、 ｆ₁ ＝√｛（Ｍa ＋Ｍb ＋Ｍc ）Ｋ／（Ｍa ＋Ｍb ）Ｍc ｝／２π ・・・（２） となる。また、他方の慣性体１２が固定端であれば、
（２）式の共振周波数ｆ₁は、 ｆ₁ ＝√（Ｋ／Ｍc ）／２π ・・・（３） に近似できる。

【００２９】これに対し、摩擦力が最大摩擦力を超えて
滑り出した状態では、慣性体１１の振動に慣性体１２が
追随できず、その慣性の影響が小さくなるため、振動系
１５は質量Ｍa と質量Ｍc からなる２慣性系と等価とな
り、その共振周波数ｆ₂ は、 ｆ₂ ＝√｛（Ｍa ＋Ｍc ）Ｋ／Ｍa Ｍc ｝／２π ・・・（４） となる。

【００３０】ここで、この振動系１５を接触面１０と平
行な方向に共振周波数ｆ₁ 又はｆ₁近傍の周波数の加振
力１６で微小振動させた場合を想定する。接触面１０が
滑っていない状態のときは、振動系１５の共振周波数は
ｆ₁ なので、振動系１５において、周波数ｆ₁ の振動成
分は増幅される。すなわち、振動系１５は周波数ｆ₁近
傍の振動成分が強く現れる共振状態となる。なお、振動
系１５の共振特性を表すものとして、例えば加振力１６
の最大振幅に対する振動系１５の振動成分の最大値との
比で表される共振ゲインがある。この共振ゲインは、共
振状態の場合には１より遙に大きくなり、共振状態でな
い場合には、共振状態と比較して小さくなる。

【００３１】一方、接触面１０で摩擦力と反対方向の力
が最大摩擦力に近づき、滑りだす直前までくると、加振
力１６による振動と慣性体の振動とに位相差が出始め、
共振ゲインは急激に減少する。

【００３２】そして、接触面１０が完全に滑っている状
態に移行すると、振動系１５の共振周波数はｆ₂ に一致
するので、加振力１６により与えられた周波数ｆ₁ の振
動成分は減衰し、振動系１５は共振しなくなる。

【００３３】また、振動系１５をｆ₂ 近傍の周波数の加
振力１６で加振する場合には、接触面１０が滑っていな
い状態のとき、振動系１５は共振せず、接触面１０が滑
りだすと、振動系１５は周波数ｆ₂ の振動成分が強く現
れる共振状態となる。

【００３４】また、加振力１６がｆ₁ とｆ₂ 近傍の周波
数の振動成分を共に含む場合、振動系１５は、接触面１
０が滑っていない状態と滑っている状態のいずれの場合
でも共振するが、振幅がピークとなる共振周波数が変化
することになる。

【００３５】なお、上述の慣性体が直線に沿って振動す
る振動系のモデルは、回転振動系にも容易に拡張でき
る。この回転振動系のモデルとして例えば図１０に示す
ように、重量Ｗの車体１１２を備えた車両が速度ｖで走
行している時の車輪での振動現象、すなわち車体と車輪
と路面とによって構成される振動系がある。そこで、こ
の振動系の振動現象を、車輪回転軸で等価的にモデル化
した図１１に示すモデルを参照して説明する。

【００３６】ここで、ブレーキ力（制動力）は、路面と
接するタイヤのトレッド１１５の表面を介して路面に作
用するが、このブレーキ力は実際には路面からの反作用
として車体１１２に作用するため、車体重量の回転軸換
算の等価モデル１１７はタイヤのトレッドと路面との間
の摩擦要素１１６を介して車輪１１３と反対側に連結し
たものとなる。これは、シャシーダイナモ装置のよう
に、車輪下の大きな慣性、すなわち車輪と反対側の質量
で車体の重量を模擬することができることと同様であ
る。

【００３７】図１０、図１１でタイヤリムを含んだ車輪
１１３の慣性をＪ_w 、リムとトレッド１５との間のばね
要素１１４のばね定数をＫ、トレッド１１５の慣性をＪ
_t 、トレッド１１５と路面との間の摩擦要素１１６の摩
擦係数をμ、車体１１２の重量の回転軸換算の等価モデ
ル１１７の慣性をＪ_V とすると、系全体の特性は次の
（５）〜（７）のようになる。なお、以下では時間に関
する１階微分ｄ／ｄｔを「' 」で表し、時間に関する２
階微分ｄ² ／ｄｔ² を「" 」で表す。

【００３８】 Ｊ_W θ_w " ＝ −Ｔ＋Ｋ（θ_t −θ_w ） ・・・（５） Ｊ_t θ_t " ＝ −Ｋ（θ_t −θ_w ）＋μＷＲ ・・・（６） Ｊ_v ω_v ' ＝ −μＷＲ ・・・（７） ここで、 ｗ_w ＝ θ_w ' ・・・（８） Ｊ_v ＝ Ｒ² Ｗ ・・・（９） ω_v ＝ ｖ／ｒ ・・・（１０） であり、θ_w は車輪１１３の回転角、θ_w " は車輪１１
３の回転角加速度、ｗ_wは車輪１１３の回転角速度、θ
_t はトレッド１１５の回転角、θ_t " はトレッド１１５
の回転角加速度、ω_v は車体等価モデル１１７の回転軸
換算の回転角速度、Ｔは車輪１１３に加えられる制動ト
ルク、Ｗは車体の重量、Ｒは車輪半径である。制動トル
クＴは実際にはブレーキバルブの圧力Ｐ_b の制御によっ
て行う。

【００３９】タイヤがグリップしている時は、トレッド
１１５と車体等価モデル１１７とが直結されていると考
えると、車体等価モデル１１７の慣性とトレッド１１５
の慣性との和の慣性と車輪１１３の慣性とが共振し、こ
の時の車輪共振系の共振波数ｆ₁ は、 ｆ₁ ＝√｛（Ｊ_w ＋Ｊ_t ＋Ｊ_v ）Ｋ／Ｊ_w （Ｊ_t ＋Ｊ_v ）｝／２π ・・・（１１） となり、式（２）と全く同じ形式となる。この状態は図
９上では領域Ａ1 に対応する。

【００４０】逆に、タイヤの摩擦係数μがピークμに近
付く場合には、タイヤ表面の摩擦係数μがスリップ率Ｓ
に対して変化し難くなり、トレッド１１５の慣性の振動
に伴う成分は車体等価モデル１１７に影響しなくなる。
つまり等価的にトレッド１１５と車体等価モデル１１７
とが分離され、トレッド１１５と車輪１１３とが共振を
起こすことになる。この時の車輪共振系の共振周波数ｆ
₂ は、 ｆ₂ ＝√｛（Ｊ_w ＋Ｊ_t ）Ｋ／Ｊ_w Ｊ_t ｝／２π ・・・（１２） となり、式（４）と全く同じ形式となる。この状態は図
９の領域Ａ２に対応し、一般にピークμの点に達すると
瞬時に領域Ａ３へと遷移してタイヤがロックする。一
方、共振周波数における車輪速度のゲインのピークもピ
ークμ直前で急激に減少する。

【００４１】各慣性の大小関係は、 Ｊ_t ＜Ｊ_w ＜Ｊ_v であり、これより、 ｆ₁ ＜ｆ₂ になる。つまり、タイヤがロックに至る場合、車輪共振
系の共振周波数が高周波側にずれることになる。また、
この共振周波数の変化はピークμ付近で急激に発生す
る。

【００４２】モデルを簡単化し、トレッド１１５の慣性
Ｊ_t を無視した場合でもピークμ状態に近づくと車輪共
振系の共振周波数及び車輪速度のゲインのピークの変化
は起こり、同様の解析が可能である。

【００４３】以上のように、接触面の摩擦状態によっ
て、振動系１５や車輪共振系の共振の有無、共振周波数
の変化、加振力のどの周波数成分がどの程度の共振ゲイ
ンで増幅又は減衰したか等といった共振特性が大きく変
わる。逆に、この共振特性を検出すれば、接触面の摩擦
状態（滑りだす直前の状態など）や摩擦係数などが演算
できることになる。

【００４４】（第１実施の形態）以下、共振特性を利用
した摩擦状態検出装置の実施の形態について、図面に基
づいて詳細に説明する。

【００４５】第１実施の形態は、本発明の摩擦状態検出
装置を例えばクレーンのように荷物を把持し移動させる
荷物把持装置に応用することにより、荷物を落とすこと
なく、また、荷物を破損することなく適切な力で把持す
ることを可能にしたものである。この第１実施の形態に
係る荷物把持装置を図１及び図２を参照しつつ説明す
る。

【００４６】図１（Ａ）の正面図が示すように、本実施
の形態に係る荷物把持装置は、荷物２１を把持する把持
部２２、この把持部２２に把持力を与えるための把持力
発生部２３、全体をつり上げるためにこの把持力発生部
２３に取り付けられたワイヤ２４、及びこのワイヤ２４
を牽引するための牽引装置（図示なし）から構成され
る。また、この荷物把持装置の外観を側面から見ると、
図１（Ｂ）のように示され、荷物２１を把持する把持力
２５が、図の示す方向に与えられていることがわかる。

【００４７】なお、把持部２２と荷物２１との接触面に
発生する最大摩擦力は、把持力２５とこの接触面におけ
る静止摩擦係数μstatの積により決定される。従って、
把持力２５が十分に大きく最大摩擦力が荷物２１の荷重
以上の時には、荷物２１は滑り落ちず、逆に把持力が小
さくなって最大摩擦力が荷物２１の荷重より小さくなる
と、荷物２１は滑り落ちることになる。

【００４８】図２に、把持力２５を制御するための制御
系と把持部２２の詳細な構成を示す。図２に示すよう
に、把持部２２は、その外郭部分を構成する質量Ｍc の
慣性体３５、及びこの慣性体３５に各々ばね定数Ｋ／２
のばね要素３３とばね要素３４とを介して質量Ｍb の荷
物２１と接触する側に取り付けられた質量Ｍa の接触部
３１を含んで構成される。

【００４９】なお、接触部３１は、ばね要素３３とばね
要素３４を介して水平方向に変位するように取り付けら
れる。すなわち、本実施の形態では、ばね要素の変位方
向は、接触面３０と略平行で、荷物２１の荷重に抗する
摩擦力の発生方向とは垂直になる。

【００５０】また、接触部３１と慣性体３５との間に
は、接触部３１を、ばね要素３３とばね要素３４とが変
位する方向に加振周波数ｆ₂ （＝√｛（Ｍa ＋Ｍc ）Ｋ
／ＭaＭc ｝／２π）の加振力３６を加えて微小加振す
る加振力発生手段４０が取り付けられている。図１
（Ａ）に示すように、この加振力３６によって荷物２１
は接触部３１と共に、水平方向２６に微小振動すること
になる。この加振力発生手段４０は、例えば、ばね要素
３３とばね要素３４の取付け部分に圧電素子を取付け、
この圧電素子を電気駆動で変位させることにより容易に
実現できる。また、接触部３１、慣性体３５にそれぞれ
磁性体とコイルを取付け、電磁石の吸引反発力で微小加
振させることによっても容易に実現できる。

【００５１】さらに、接触部３１には、加振力発生手段
４０により微小加振された際の接触部３１の応答特性を
検出する加振応答検出手段４１が取り付けられている。
この応答検出手段４１は、例えば加振力３６による接触
部３１の加速度３８を応答特性として計測する加速度計
３７により実現できる。

【００５２】また、加振力発生手段４０により与えられ
る加振力３６、及び加振応答検出手段４１により検出さ
れる加速度３８などの応答特性に基づいて荷物２１を把
持した把持部２２の共振特性を演算する共振特性演算手
段４２が設けられている。この共振特性は、例えば加振
力３６の最大振幅に対する加速度３８の振動成分の最大
振幅の比（共振ゲイン）、共振周波数の変化などで表さ
れる。

【００５３】さらに、共振特性演算手段４２により演算
された共振特性に基づいて接触部３１と荷物２１との接
触面の摩擦状態を判定する摩擦状態演算手段４３、この
判定された摩擦状態に基づいて、把持力発生部２３を制
御して把持部２２に印加する把持力を最適に調節する把
持力制御手段４４が設けられている。

【００５４】次に、この荷物把持装置の作用について説
明する。加振力発生手段４０により与えられる加振力の
加振周波数ｆ₂ は、接触部３１が荷物２１と離れている
ときの接触部３１、ばね要素３３、ばね要素３４、慣性
体３５から成る振動系の共振周波数である。

【００５５】ところで、荷物２１が把持部２２の把持力
２５によりしっかりと把持されている時は、加振力３６
による接触部３１の微小振動と共に荷物２１が完全に追
随して振動するので、この振動系は、質量Ｍa の接触部
３１に荷物２１の質量Ｍb を加えた振動系と等価とな
り、共振周波数はｆ₁ （＝√｛（Ｍa ＋Ｍb ＋Ｍc ）Ｋ
／（Ｍa ＋Ｍb ）Ｍc ｝／２π）になる。このため、荷
物２１がしっかりと把持されている時には、加振周波数
ｆ₂ の加振力ではこの振動系は共振せず、加振応答検出
手段４１により検出される加速度３８、そして共振特性
演算手段４２により演算される共振ゲインは、共振した
場合と比較して小さい値となる。

【００５６】一方、把持部２２の把持力２５が次第に弱
まり、接触面３０における最大摩擦力が一定の値以下に
小さくなってくると、加振力３６による接触部３１の微
小振動に荷物２１が追随できず、質量Ｍb の影響が小さ
くなるため、振動系の共振周波数はｆ₂ に近づいてい
く。従って、加振応答検出手段４１により検出される加
速度３８の周波数ｆ₂ の振動成分は増幅していき、これ
により共振ゲインも次第に増加する。特に、荷物２１が
滑り出す直前になると、加速度の加振周波数成分は急激
に増加する。

【００５７】共振特性演算手段４２により共振ゲインが
演算されると、摩擦状態演算手段４３は、この共振ゲイ
ンに基づいて接触面３０における摩擦状態を演算する。
例えば、共振ゲインが基準値より小さい場合は滑ってい
ない状態にある摩擦状態を、共振ゲインが基準値以上の
場合、滑り出す直前にある摩擦状態を演算する。この摩
擦状態を示す演算値により、接触面３０の状態が、滑っ
ていない状態、滑りだす直前の状態、滑りだした状態の
いずれにあるかが識別判定できる。なお、本実施の形態
の場合、この摩擦状態演算手段４３は、単に滑りだす直
前になったか否かを判定するだけでも良い。

【００５８】そして、把持力制御手段４４は、演算され
た摩擦状態に基づいて、把持力２５が必要最小限の値に
保たれるように把持力発生部２３を制御する。すなわ
ち、滑っていない摩擦状態の場合には、荷物２１がしっ
かりと把持されているので、把持力２５を減少させるよ
うに制御し、滑りだす直前と判定された摩擦状態の場合
には、把持力２５を増加させるように制御する。なお、
共振特性演算手段４２で演算された共振ゲイン等の共振
特性を把持力制御手段４４に伝達するようにし、直接、
共振特性の値に基づいて把持力２５を制御するようにし
ても良い。この場合には、摩擦状態演算手段４３は不要
となる。

【００５９】以上のように摩擦状態を連続的にかつ正確
に検出できるので、荷物が滑り出す直前の必要最小限の
把持力に制御することが可能となる。これにより、必要
以上に大きい把持力による荷物の破損を避けることも可
能となる。また、摩擦状態により振動系の共振周波数が
大きく変動する性質を利用しているため、検出感度が高
く外乱の影響も受けにくい。さらに、制御系もシンプル
かつ安価に構成でき、信頼性も高いという利点がある。

【００６０】（第２実施の形態）共振特性を利用した摩
擦状態検出の原理を、摩擦係数を計測する摩擦係数計測
装置にも応用することができる。これを第２実施の形態
に係る摩擦係数計測装置として図３及び図４を参照しつ
つ説明する。

【００６１】図３（Ａ）の正面図が示すように、この摩
擦状態計測装置は、被計測面５４（路面）にこの計測装
置の自重でもって接触するタイヤ５１、このタイヤ５１
を支持するための取付けステー５３及び図示しない制御
系を含んで構成されている。この取付けステー５３は、
この計測装置によって計測された摩擦係数を利用する装
置、例えば車体（図示なし）などに取り付けられる。以
下では、取付けステー５３は、車体に取り付けられてい
る場合を想定する。

【００６２】また、図３（Ｂ）の側面図が示すように、
タイヤ５１のホイール側には、タイヤ５１を回転させる
ホイールモータ５２が備えられている。

【００６３】ここで、図３のように構成された摩擦係数
計測装置の制御系全体の構成、及びこの計測装置と被計
測面５４と車体とから構成される振動系の等価モデルを
図４に示す。

【００６４】図４によれば、図３の摩擦係数計測装置の
制御系は、慣性モーメントＭc のホイールモータ５２の
トルク指令に共振周波数ｆ₁ （＝√（Ｋ／Ｍc ）／２
π）の微小振動成分を重畳させる加振力発生手段６７、
微小振動成分が重畳されたホイールモータ５２の回転速
度の振動成分を検出して共振特性を演算する共振特性演
算手段６９、検出された共振特性に基づいてタイヤ５１
と被計測面５４の摩擦状態を判定する摩擦状態演算手段
７０、判定された摩擦状態に基づいてホイールモータ５
２への制動力／駆動力が最大値となるように制御する制
動力／駆動力制御手段７１、及び制動力／駆動力をこの
計測器の自重で除算することにより接触面の静止摩擦係
数を計測する摩擦係数演算手段７２を含んで構成され
る。

【００６５】また、図４に示された振動系の等価モデル
の各要素は、それぞれ図３における次の要素と等価であ
る。慣性体６１は慣性モーメントＭc のホイールモータ
５２の回転子、ばね要素６２はタイヤ５１のタイヤサイ
ドウオールのばね定数Ｋの捻じればね、慣性体６３は慣
性モーメントＭa のタイヤ５１のベルト部に各々相当す
る。また、接触面６４はタイヤ５１と被計測面５４との
接触面に相当し、慣性体６５は、ホイールモータ５２の
固定子部と取付けステー５３及びこの計測器が取り付け
られた車体の慣性を同軸上の等価慣性モーメントＭb と
して表したものである。なお、図４の等価モデルにおけ
る接触面６４の摩擦状態に依存する共振特性は、上述し
た図１１の等価モデルと全く同じ原理に従うので、詳細
な説明を省略する。

【００６６】次に、本実施の形態に係る摩擦係数計測装
置の作用について、図４の等価モデルを参照して説明す
る。

【００６７】最初に被計測面５４をタイヤ５１が滑らず
に転動している場合を想定する。この場合、この計測装
置と被計測面５４と車体から構成される振動系は、慣性
モーメント（Ｍa ＋Ｍb ）と慣性モーメントＭc とから
なる２慣性系に近似され、その共振周波数はｆ₁ （＝√
｛（Ｍa ＋Ｍb ＋Ｍc ）Ｋ／（Ｍa ＋Ｍb ）Ｍc ｝／２
π）となる。

【００６８】ここで、（Ｍa ＋Ｍb ）＞＞Ｍcを考慮す
ると、 ｆ₁ ＝ √（Ｋ／Ｍc ）／２π に近似できる。

【００６９】加振力発生手段６７は、ホイールモータ５
２へのトルク指令に周波数ｆ₁ （√（Ｋ／Ｍc ）／２
π）の微小振動成分を重畳させる。従って、ホイールモ
ータ５２の回転子に相当する慣性体６１には、周波数ｆ
₁ で振動する加振トルク６６がかかる。接触面が滑らな
い状態のとき、この振動系の共振周波数ｆ₁ と加振トル
ク６６の周波数が一致し、振動系は共振する。

【００７０】次に、加振応答検出手段６８は、加振トル
ク６６により生じた慣性体６１の回転速度の振動成分を
検出する。上記のように接触面が滑っていない状態のと
きは、この加振応答検出手段６８により、共振周波数ｆ
₁ の大きな回転速度振動成分が検出される。

【００７１】次に、共振特性演算手段６９は、共振特性
として、共振周波数ｆ₁ の振動成分の振幅値を演算す
る。これは、加振トルク６６の最大振幅が常に一定値を
とる場合に有効である。なお、第１実施の形態のよう
に、加振トルク６６の最大振幅に対する回転速度の振動
成分の最大値との比（共振ゲイン）を求めても良い。

【００７２】そして、摩擦状態演算手段７０は、共振特
性に基づいて、接触面の摩擦状態を演算する。例えば、
振幅値が基準値を超えた場合は滑っていない状態にある
摩擦状態を、振幅値が基準値より小さい場合は、滑りだ
した摩擦状態を演算する。なお、この場合には、大きな
回転速度振動成分が現れているので、演算された摩擦状
態により接触面は滑っていないと判定される。

【００７３】次に、制動力／駆動力制御手段７１は、演
算された摩擦状態に基づいて、接触面が滑る直前の摩擦
状態になるように、タイヤ５１を介して被計測面５４に
作用する制動力／駆動力を制御する。すなわち、この装
置がある速度で走っている車体等に取り付けられている
場合には、タイヤ５１の回転を抑えるようなブレーキ力
を制動力として与え、逆に、駆動力を持たない装置に取
り付けられていたり、単独の場合には、ホイールモータ
５２によりタイヤ５１を回転させるための駆動力を与え
る。なお、駆動力を増加させると、これに抗する摩擦力
が最大摩擦力まで直ちに増加するように、この計測装置
に大きな負荷をかけておいても良い。

【００７４】上記のように接触面が滑っていない状態と
判定された場合には、制動力／駆動力制御手段７１は、
制動力／駆動力を増加させるように制御する。これによ
り、制動力／駆動力に抗する摩擦力は増大する。

【００７５】ここで、スリップ速度（タイヤ５１のトレ
ッドと被計測面５４との相対速度）に対する制動力／駆
動力の関係を図５に示す。図５において、この領域
（Ａ）のスリップ速度の範囲が接触面６４が滑っていな
い状態に対応している。図より領域（Ａ）において制動
力／駆動力はスリップ速度の増加と共に増加しているこ
とがわかる。なお、本来滑っていないはずの領域（Ａ）
でスリップ速度が０より大きくなるのは、タイヤ５１の
トレッドが接地してから離れるまでの間に、トレッド自
体が弾性変形するためで、接触面６４は滑っていない
が、車体速度とタイヤ５１の回転速度との関係で見る
と、あたかも滑っているかのように見えるからである。

【００７６】このように接触面が滑っていないと判定さ
れた場合には、制動力／駆動力は増加していくが、この
力が最大摩擦力を超えるようになると接触面６４は実際
に滑りだすようになる。図５では、制動力／駆動力がピ
ークに達した以降の領域（Ｂ）が、接触面６４が実際に
滑りだす状態に相当する。

【００７７】接触面が滑りだすと、慣性体６５は周波数
ｆ₁ の振動に追随できず、その慣性モーメントＭb の影
響が小さくなるので、この振動系は慣性モーメントＭa
と慣性モーメントＭc とからなる２慣性系に近似され、
共振周波数はｆ₂ （＝√｛（Ｍa ＋Ｍc ）Ｋ／Ｍa Ｍc
｝／２π）となる。これより、加振力発生手段６７が
周波数ｆ₁ の加振トルク６６で微小加振しても振動系は
共振せず、加振応答検出手段６８により検出された回転
速度の振動成分は小さくなる。そして、共振特性演算手
段６９により演算された最大振幅値が減少して基準値以
下となると、摩擦状態演算手段７０は、接触面が滑って
いる状態の摩擦状態を演算する。この摩擦状態に基づい
て制動力／駆動力制御手段７１は、制動力／駆動力が減
少するように制御する。図５の例では、領域（Ｂ）にお
いてスリップ速度の増加と共に、制動力／駆動力が減少
していくことがわかる。

【００７８】以上のように、接触面６４が滑っていない
と判定したときは、制動力／駆動力を増加させるように
制御し、接触面６４が滑っていると判定したときは、制
動力／駆動力を減少させるように制御することにより、
接触面の摩擦状態が滑る直前の状態に保持される。すな
わち、制動力／駆動力によりタイヤのトレッドにかかる
力の値（図７のピークに対応）は、接触面６４における
最大摩擦力付近の値になるように保たれる。

【００７９】そして、摩擦係数演算手段７２は、最大摩
擦力となるよう保持された制動力／駆動力をこの摩擦係
数計測器の自重で除算して、接触面６４における静止摩
擦係数を計測する。これにより、接触面６４の摩擦係数
が連続的に変化する場合においても容易に静止摩擦係数
を計測できる。また、被計則面５４が、例えば路面のよ
うに凹凸の多い場合、この計測器の自重に加えて余計な
垂直方向の力が被計測面５４にかかったり、逆に接触し
なくなったりするため、演算される摩擦係数に大きな誤
差が生じる。そこで、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すよう
に、タイヤ５１の回転中心軸が上下に移動できるような
軸取付けステー５４を設けても良い。これにより、多少
の凹凸のある場合でも、本実施の形態に係る摩擦計測装
置は、被計測面５４に常に自重でもって接触するので、
正確な摩擦係数の測定が可能となる。なお、この場合、
最大摩擦力の割数である自重は、タイヤ５１とホイール
モータ５２の構成部分の荷重和であって、取付けステー
５３等の荷重は除外される。

【００８０】また、本実施の形態に係る摩擦係数計測装
置は単独でも利用できるが、取付けステー５３を介して
自動車等に第５輪として取り付ければ、自動車の制御に
も応用できる。なお、この場合、タイヤ５１と路面間の
摩擦係数が、取り付けられた自動車のタイヤと路面間の
摩擦係数と等しいか、或いは両摩擦係数間の一定の関係
が予めわかっていることが必要である。

【００８１】例えば、パワーステアリング装置に応用し
た場合、この装置により計測された路面摩擦係数と、走
行中の横加速度に基づいて、旋回状態（横加速度）が限
界状態になったときを判断し、このときにパワーステア
リングの操舵力を通常時とは異なった大きさに変更する
制御を行う。これによって、外乱が多く、路面の摩擦係
数が刻々と変わる場合でも、摩擦係数計測装置により正
確に摩擦係数を測定できるので、旋回状態の限界状態を
より正確かつ安定に判断でき、安全性を向上させること
ができる。

【００８２】さらに、アンチロックブレーキ制御にも応
用することができる。この場合、車体側では、摩擦係数
測定装置により測定された摩擦係数に基づいてタイヤと
路面間の最大摩擦力を演算し、タイヤと路面間に働く力
が演算された最大摩擦力となるように、ブレーキ力を制
御する。或いは、この装置で演算した摩擦係数を直接渡
すのでなく、摩擦状態演算手段７０により演算された摩
擦状態を車体の制御部に渡し、検出された摩擦状態が滑
りだす直前になるようにブレーキ力を制御するようにし
ても良い。なお、後者の場合、摩擦係数計測装置のタイ
ヤ５１は、車体側のタイヤと同じ摩擦状態になるように
制動を受けることが必要である。

【００８３】以上が本発明に係る実施の形態であるが、
上記例のみに限定されるものではない。例えば、上記第
１実施の形態、第２実施の形態共に、加振力発生手段を
用いて慣性体を振動系の共振周波数で微小加振するよう
にしていたが、応用分野によっては、加振力発生手段を
用いない実施態様もあり得る。

【００８４】第１の実施態様として、例えばホワイトノ
イズのような周波数特性を持つ外力が外乱として常に入
力されている場合には、検出した振動成分から、共振周
波数成分の実効値と全周波数成分の実効値とを求め、そ
れらの比に基づいて共振特性を検出することができる。

【００８５】また，第２の実施態様として、インパルス
的又はステップ的な外力が頻繁に入力される場合には、
この入力に対する応答波形から、共振周波数成分と、そ
れ以外の周波数成分（若しくは全周波数成分）を分離
し、それらの成分比から共振特性を求めることができ
る。

【００８６】このように、第１の実施態様及び第２の実
施態様は、加振力発生手段を用いないため、シンプルな
構成となり、信頼性のみならず経済的にも有利になる。

【００８７】また、共振特性として、共振ゲインや振動
系の振幅値を演算したが、例えば、各摩擦状態に対応す
る振動系の共振周波数すべてを含む加振力で振動系を共
振させ、最大振幅時の共振周波数の変化を演算するよう
にしても良い。

【００８８】さらに、加振力の周波数は、共振周波数と
丁度一致しなくても、振動系の共振特性を明確に識別で
きる範囲であれば、共振周波数近傍の周波数でも良い。

【００８９】（第３実施の形態）第３の実施の形態に係
る摩擦状態検出装置の原理を説明する。

【００９０】すなわち、車輪がロックに至るまで制動力
を増していくと、路面の制動力のピーク値付近で共振特
性は変化し、グリップ時の共振周波数での共振ゲインは
小さくなる。ここで、ある基準のゲインを十分小さな値
として、検出された共振ゲインがこの基準のゲインと一
致するように平均的な制動力を制御すると、制動力はピ
ーク値に近い値で保持することができ、その制動力の大
小に基づいて路面摩擦状態を検出することができる。

【００９１】次に、第３の実施の形態に係る摩擦状態検
出装置の概略の構成を図１２に示す。

【００９２】図１２に示すように、本摩擦状態検出装置
は、本装置が出力した共振ゲイン／基準ゲインの比と１
との偏差を計算する偏差計算部１２０と、この偏差計算
部により計算された偏差を０に一致させるための制御信
号を演算するＰＩ制御器１２２と、このＰＩ制御器によ
り演算された制御信号に応じて路面と車体と車輪とによ
り構成される車輪共振系１２６（図１０、図１１参照）
へ制動力（車輪へのブレーキ圧）を作用させる制動力制
御系１２４と、この制動力と基準ゲインと検出された車
輪速度とに基づいて共振ゲイン／基準ゲインとの比を出
力する共振成分検出部１２８と、制動力制御系１２４が
車輪に作用する制動力の大小に基づいて路面の摩擦状態
を検出する摩擦状態検出部１２５と、から構成される。

【００９３】共振成分検出部１２８の出力端には、偏差
計算部１２０の入力端が接続されている。また、車輪共
振系１２６には、図示しない車輪速度検出センサーが備
えられており、このセンサーは共振成分検出部１２８に
検出した車輪速度を出力する。

【００９４】次に、共振成分検出部１２８の詳細な構成
を図１３に示す。共振成分検出部１２８は、所定の振動
成分を検出する構成とされており、例えば、いわゆるＡ
Ｄコンバータなどで検出信号を計算機内に読み込んだ場
合に、計算機の動作サンプリング時間を１［ｍｓ］に取
ると、半周期が１２サンプル点となる４１．７［Ｈｚ］
の振動成分を検出する。

【００９５】図１３に示すように、共振成分検出部に
は、車輪速度ω_w 、制動力制御系１２４から車輪共振系
１２６への制動力Ｐ_b 、基準ゲインｇ_s 、が各々入力さ
れる構成とされている。

【００９６】車輪速度ω_w が入力される入力端（図示し
ない）には、直流成分とノイズ成分除去のためのＢＰＦ
（いわゆるバンドパスフィルタ）１３０を介して相関係
数検出部１３４が接続されている。この相関係数検出部
１３４は、車輪速度ω_w の所定周波数成分のパワーω_v
² を算出する。なお、ω_v は車輪共振系１２６の当該周
波数成分の振幅値となる。

【００９７】また、車輪へのブレーキ圧としての制動力
Ｐ_b が入力される入力端（図示しない）には、直流成分
とノイズ成分除去のためのＢＰＦ１３２を介して相関係
数検出部１３６が接続されている。この相関係数検出部
１３６は、制動力Ｐ_b の所定周波数成分のパワーＰ_v ²
を算出する。なお、Ｐ_v は制動力の当該周波数成分の振
幅値となる。

【００９８】また、基準ゲインｇ_s が入力される入力端
（図示しない）には、入力信号の平方を計算するための
平方器１４２が接続されており、この平方器１４２に
は、２つの入力信号同士の乗算を行う乗算器１４０の一
方の入力端が接続されている。すなわち、乗算器１４０
の一方の入力端には、ｇ_s ² が入力される。

【００９９】さらに、乗算器１４０の他方の入力端に
は、相関係数検出部１３６の出力端が接続されており、
Ｐ_v ² が入力される。これより、乗算器１４０は、ｇ_s
² ×Ｐ _v ² を出力する。

【０１００】相関係数検出部１３４と乗算器１４０の出
力端には、２つの入力信号の除算を計算し、その比を求
める除算器１３８が接続されている。この接続では、除
算器１３８はω_v ² ／（Ｐ_v ² ｇ_s ² ）＝ｇ_d ² ／ｇ_s
² を出力する。ここで、共振ゲインｇ_d ＝ω_v ／Ｐ_v と
する。

【０１０１】実際に検出したいのは、基準ゲインに対す
る共振ゲインの比ｇ_dfであるから、除算器１３８の出力
端には、入力値の平方根を演算する平方根演算部１４４
が接続されている。この平方根演算部１４４は、ｇ_df＝
ｇ_d ／ｇ_s を出力し、これが共振成分検出部１２８の出
力となる。

【０１０２】なお、平方根演算部１４４による平方根の
演算手段として、プログラムルーチンを作っても構成で
きるが、実際には制御周期の関係で困難であるため、予
め用意された平方根テーブルより、その値を補間する手
段が好ましい。ここで、制御系全体を考慮すると、制御
によって達成すべき状態は、共振ゲインｇ_d が、基準ゲ
インｇ_s に近い値にある。このことは、ｇ_df＝ｇ_d ／ｇ
_s がほぼ１近辺にあることを示しており、従って、その
２乗値ｇ_df ² もほぼ１近辺にある。図１３の構成では、
平方根を演算する前にパワーの次元のｇ_d ² を基準ゲイ
ンｇ_s ² で除したｇ_df ² を演算し、ほぼ１近辺の値を平
方根演算手段１４４への入力値としている。これによ
り、平方根演算手段１４４の平方根テーブルとして１近
辺の値の平方根を参照できるテーブルを１つ用意してお
けば、少容量かつ高速で平方根値が得られることとな
る。

【０１０３】ここで、時系列データの時間長をＴ₁ とす
れば、得られる周波数スペクトルの最小周波数は１／Ｔ
₁ [Hz]であり、この整数倍の周波数成分を得ることがで
きる。制御系のサンプリング時間を１[ms]として、４８
サンプル点のデータを用いると、最小周波数は約２０．
８[Hz]となり、第２成分が約４１．７[Hz]となる。相関
係数検出部１３４、１３６は、４１．７[Hz]成分のパワ
ーを算出するため、図１４のような構成とされている。

【０１０４】図１４に示すように、本相関係数検出部
は、一定の時間長の入力信号ｘの時系列データ｛ｘ₁ 、
ｘ₂ 、．．．．．、ｘ_n ｝を１サンプル毎に遅延させて
各々出力する遅延回路１５０と、この時系列データのフ
ーリエ係数の実数部Ｒを演算する実数部演算部１５２
と、このフーリエ係数の虚数部Ｉを演算する虚数部演算
部１５８と、演算されたＲとＩの２乗和Ｒ² ＋Ｉ² を演
算する出力部１６４と、から構成されている。

【０１０５】遅延回路１５０は、時系列データを各々１
サンプルずつ遅延させる複数の単位遅延素子ｚ^-1を直列
に接続した構成とされている。この単位遅延素子ｚ^-1の
数は、時系列データのサンプル数４８に一致するように
設定されている。そして、時系列データが各々の単位遅
延素子ｚ^-1に入力する前に実数部演算部１５２及び虚数
部演算部１５８へ各々のサンプルデータを送るための出
力信号線が設けられている。

【０１０６】これらの出力信号線は、実数演算部１５２
の係数乗算器１５４及び虚数演算部１５８の係数乗算器
１６０に各々接続されている。係数乗算器１５４は、サ
ンプルデータｘ₁ 、ｘ₂ 、．．．、ｘ₄₈に各々係数
ｃ₁ 、ｃ₂ 、．．．、ｃ₄₈を乗じ、係数乗算器１６０
は、サンプルデータｘ₁ 、ｘ₂ 、．．．、ｘ₄₈に各々係
数ｓ ₁ 、ｓ₂ 、．．．、ｓ₄₈を乗じる。

【０１０７】係数乗算器１５４の出力端は、加算器１５
６に接続されており、この加算器は乗算結果をすべて加
算してＲとして出力する。また、係数乗算器１６０の出
力端は、加算器１６２に接続されており、この加算器は
乗算結果をすべて加算してＩとして出力する。

【０１０８】すなわち、Ｒ及びＩは、 となる。ここで、係数ｃ_i 、ｓ_i を、 に取ると、Ｒ及びＩは周波数４１．７[Hz]の成分に対す
るフーリエ係数の実数部、虚数部を求めていることに他
ならない。

【０１０９】加算器１５６、１６２は、出力部１６４に
接続されており、出力部は、Ｒ、Ｉの２乗和ｙ＝Ｒ² ＋
Ｉ² を出力する。これにより、周波数４１．７[Hz]の成
分のパワー値が得られる。

【０１１０】次に、第３の実施の形態に係る摩擦状態検
出装置の作用を説明する。共振成分検出部１２８は、検
出された車輪速度ω_W 、制動力Ｐ_b 、及び入力された基
準ゲインｇ_s に基づいて、車輪共振系１２６の基準ゲイ
ンに対する共振ゲインの比ｇ_dfを演算する。偏差計算部
１２０は、ｇ_dfと１との差分を演算し、ＰＩ制御器１２
２に出力する。ＰＩ制御器１２２は、演算された差分を
０に一致させるための制御信号を制動力制御系１２４に
出力する。制動力制御系１２４は、制御信号に基づいて
車輪共振系１２６の制動力を制御する。そして、摩擦状
態検出部１２５が、制動力の大小に基づいて路面摩擦状
態を検出する。

【０１１１】すなわち、ｇ_dfが１より大きい時は、制動
力がタイヤ−路面間の摩擦力ピーク値より十分小さい値
であると判定し、制動力を増加させることによりピーク
値に接近させる。逆に、制動力のピーク値付近では、共
振特性が変化し、グリップ時の共振ゲインは小さくなる
ため、ｇ_dfが１より小さくなった状態をピーク値に接近
していると判断できる。かかる場合には、それ以上の制
動力の増加を防ぐように制動力を減少させる。このよう
にｇ_dfが１になるように制動力を制御すると、摩擦力が
ピーク値に十分近い状態における制動力を実現でき、そ
の制動力の値から、タイヤ−路面間の摩擦状態を正確に
検出することができる。

【０１１２】（第４実施の形態）まず、第４の実施の形
態に係る摩擦状態検出装置の原理を説明する。第４の実
施の形態は、共振成分検出部１２８をより簡単な構成と
するものである。

【０１１３】図１１に示された車体とタイヤと路面とに
より構成される共振系において、既に述べたように、タ
イヤ表面が路面をグリップしている時の系の共振周波数
ｆ_gは、 ｆ_g ＝√｛（Ｊ_w ＋Ｊ_t ＋Ｊ_v ）Ｋ／Ｊ_w （Ｊ_t ＋Ｊ_v ）｝／２π (15) となり、式(2) 、式(11)と同様の形式となる。そして、
この時の制動力（ブレーキ圧）の微小振幅に対する車輪
速度の微小振幅の比は、 Ｇ_d ＝ ｊＡ ＋ αＢ（ｊは虚数単位） (16) となる。但し、 とする。ここで、αはスリップ速度Δω＝ω_v −ω_w に
対するタイヤ−路面間の摩擦係数μの傾きである。つま
り、実車での各パラメータが既知であれば、その位相特
性も予め知ることができる。式(16)の位相θ_d がわかっ
ていると、相関を取る単一正弦波は、 とする単一成分のみで可能となる。従って、 のみの計算で、共振成分の振幅を得ることが可能とな
る。この場合、ブレーキ圧力の励振に相関のある振動成
分のみを抽出することが可能なため、路面の振動ノイズ
などの影響も受けにくく、車体と車輪と路面から構成さ
れる振動系の共振特性のみを検出することができる。一
般に式(16)のＡの値は小さく、位相差は０若しくはπ[r
ad] の近傍の値となる。車輪がロックされた状態に近づ
くと、位相差にずれを生じるがグリップ時の位相成分だ
けを見ることにより、共振ゲインの減少の割合は大きく
なり、検出感度はより改善されることとなる。

【０１１４】図１６に、約４１．７Ｈｚの周期を持った
(20)式の単一正弦波のグラフを示す。図１６に示すよう
に、入力信号ｘのサンプルｉｄｘ（ｘの離散化指標）
は、対象に加える加振力（制動力）に同期して、各サン
プル毎に１ｍｓｅｃ刻みに１から２４まで単調に増加
し、２４の次に１にリセットされる。ｚ^-48 の部分の初
期値は０であり、最初の４８サンプルの時点をｊ時点と
すると、ｙ^j は、式(21)により、 となる。ここで、ｃｓ^j _i 、ｘ^j _i は、ｊ時点での過去
４８点のデータに過去の値から１から４８まで番号を付
けたものである。ここで、次のサンプル時点ｊ＋１での
値ｙ^J+1 は、 となる。明らかに、 ｃｓ^j+1 _i ＝ ｃｓ^j _i+1 、ｘ^j+1 _i ＝ ｘ^j _i+1 (24) であり、ｃｓ^j _i の周期性により結果的に、 ｙ^j+1 ＝ ｙ^j ＋ｃｓ^j+1 ₄₈ （ｘ^j+1 ₄₈ −ｘ^j ₁ ） (25) を得る。

【０１１５】ｃｓ^j+1 ₄₈ はｊ＋１時点でのＣＳ_n そのも
のであり、ｘ^j+1 ₄₈ はｊ＋１時点でのｘの最新値、ｘ^j
₁ はｊ＋１時点では４８サンプル前の値であるから、共
振成分検出部を図１５のように構成することができる。

【０１１６】図１５に示すように、本摩擦状態検装置
は、入力信号ｘに対して４８サンプル前の信号値ｘ^-48
を求める遅延素子１７０と、入力信号ｘとｘ^-48 との差
分を求める差分手段１７２と、ｉｄｘに対するＣＳ_n を
演算する演算手段１７４と、出力ｙの１サンプル前の信
号値ｙ^-1を求める遅延素子１７８と、演算手段１７４と
遅延素子１７８の出力の和を演算する加算手段１７６
と、から構成されており、(25)式の結果を演算すること
ができる。

【０１１７】この構成によると、計算量は、１サンプル
当たり、２つの和算と１つの乗算だけとなり第３の実施
の形態と比較して処理を簡単化、高速化できる。

【０１１８】（第５実施の形態）第５の実施の形態の摩
擦状態検出装置の原理を説明する。なお、構成について
は、第３の実施の形態或いは第４の実施の形態と同様で
あるので、詳細な説明を省略する。

【０１１９】第５の実施の形態では、偏差計算部１２０
による演算結果、すなわちＰＩ制御器１２２への入力Δ
を、次式のようにｇ_dfの逆数から１を差し引いたものと
する。

【０１２０】 第３の実施の形態のように単純に１からｇ_dfを差し引い
た値を偏差Δとして用いることも可能であるが、この場
合、ｇ_dfが１より小さくなる時では、制動力はピーク値
に十分近い値を取り、少しの制動力変動でロックに陥る
可能性が高い。制御性の面から、ｇ_dfが１より小さくな
るに従い感度が大きくなる(26)式を入力として用いるこ
とが好ましい。

【０１２１】(26)式の値ΔをＰＩ制御器１２２への入力
とすることにより、共振ゲイン／基準ゲインが１より小
さい状態、すなわちロック状態に近づくに従い、Δが急
激に大きくなる。すなわち、感度が高くなるため、ロッ
クに陥る可能性を回避しつつ、制動力をピーク値に保持
して摩擦状態をより正確に検出できる。

【０１２２】以上が本発明に係る実施の形態であるが、
上記例にのみ限定されるものではない。例えば、第３〜
第５の実施の形態におけるＰＩ制御器を、いわゆるＨ∞
制御や２自由度制御器といったロバスト制御器など、よ
り高性能なものを用いることも可能である。この場合、
制動力制御器はＰＩ制御器の出力に基づいて、平均的な
制動力の増減を行い、同時に共振周波数での励振も行
う。

【０１２３】また、第３〜第５の実施の形態に係る摩擦
状態検出装置の検出方法を、第１の実施の形態に係る荷
物把持装置や第２の実施の形態に係る摩擦係数計測装置
に適用することができる。勿論、アンチロックブレーキ
制御装置等のように摩擦状態を検出する他の装置すべて
に適用することが可能である。

【０１２４】

【実施例】本発明の第５の実施の形態に係る摩擦状態検
出装置が実際の路面で摩擦状態を検出した際の動作結果
について以下に説明する。なお、共振成分検出部１２８
は、第３の実施の形態と同様のものが用いられている。

【０１２５】既に述べたように、路面摩擦係数μとスリ
ップ率Ｓとの関係は、図９に示したような特性を示す。
このμ−Ｓ特性では、あるスリップ率（図９のＡ２領
域）で摩擦係数μがピーク値をとる。

【０１２６】ここで、図１７（ａ）に示すようにμのピ
ーク値が０．５〜０．８の範囲で正弦波状に変化した場
合における、車輪速度[rad/s] 、スリップ率、本摩擦状
態検出装置により推定された推定路面摩擦係数、共振ゲ
イン[rad/s/Nm]、この時に車輪に作用した制御力（制御
トルク；[Nm]）の時間波形を図１７（ｂ）〜（ｆ）の各
図に示す。

【０１２７】図１７（ｅ）より、検出された共振ゲイン
は、ほぼ0.013 [rad/s/Nm]に保持され、制動力のピーク
値におけるゲイン値に保持されていることがわかる。こ
の時の制動力の変化は、図１７（ｆ）に示したように、
路面摩擦係数の特性を良く反映している。そして、図１
７（ｄ）に示したように、この制動力の値より求めた路
面摩擦係数の推定値は、実路面の摩擦係数のピーク値に
近いものとなっている。

【０１２８】次に、図１８（ａ）に示すようにμのピー
ク値が０．４〜０．８の範囲でステップ状に変化した場
合における、車輪速度[rad/s] 、スリップ率、本摩擦状
態検出装置により推定された推定路面摩擦係数、共振ゲ
イン[rad/s/Nm]、この時に車輪に作用した制御力（制御
トルク；[Nm]）の時間波形を図１８（ｂ）〜（ｆ）の各
図に示す。

【０１２９】図１８（ｅ）より、検出された共振ゲイン
は、ほぼ0.013 [rad/s/Nm]に保持され、制動力のピーク
値におけるゲイン値に保持されていることがわかる。路
面摩擦係数μがステップ状に減少する際には、スリップ
率が急上昇し、一瞬、車輪はロック傾向を示す（図１８
（ｂ）、（ｃ）参照）が、その後、安定に復帰してい
る。この時の制動力の変化は、図１８（ｆ）に示したよ
うに、路面摩擦係数の特性を良く反映している。そし
て、図１８（ｄ）に示したように、この制動力の値より
求めた路面摩擦係数の推定値は、実路面の摩擦係数のピ
ーク値に近いものとなっている。

【０１３０】これらの動作結果より、制動力の値から求
められた路面摩擦係数は、本発明の摩擦状態検出装置に
より正確に求められることがわかる。

【０１３１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１の
発明によれば、接触面の摩擦状態を敏感に反映する共振
ゲインが予め定められた基準ゲインに一致又は略一致し
た状態で検知された作用力に基づいて摩擦状態を検出す
るので、ノイズ等が多い状況でもシンプルな構成の装置
で摩擦状態を高精度に検出することができる、という効
果が得られる。

【０１３２】また、請求項２の発明によれば、接触面の
摩擦状態を敏感に反映する共振ゲインを用いて一定の摩
擦力の状態となるように作用力を制御し、該作用力に基
づいて接触面の摩擦状態を検出するようにしたので、ノ
イズ等が多い状況でもシンプルな構成の装置で常に摩擦
状態を高精度に検出することができる、というさらなる
効果が得られる。

【０１３３】また、請求項３の発明によれば、基準ゲイ
ンに対する共振ゲインの比の逆数と１との偏差が０に一
致又は略一致するように作用力を制御するようにしたの
で、接触面のすべりが急増する状態に近づくに従い、偏
差が急激に大きくなって感度が大きくなるため、すべり
が急増する状態に陥る可能性を回避しつつ、作用力をピ
ーク値に保持して摩擦状態を正確に検出することができ
る、というさらなる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態に係る荷物把持装置の
外観図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図を示
す。

【図２】第１実施の形態に係る荷物把持装置の把持部の
詳細な構成及び構成ブロック図である。

【図３】本発明の第２実施の形態に係る摩擦係数測定装
置の外観図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図を
示す。

【図４】第２実施の形態に係る摩擦係数測定装置の回転
軸換算したモデル及び構成ブロック図である。

【図５】制動力／駆動力のスリップ速度に対する特性を
示す線図である。

【図６】第２実施の形態に係る摩擦係数測定装置の変形
例であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図を示す。

【図７】外力と最大摩擦力との関係を示す図である。

【図８】共振特性を利用した摩擦状態検出の原理を説明
するための振動系の等価モデルを示す図である。

【図９】タイヤと路面との間の摩擦係数μのスリップ率
Ｓに対する特性を示す線図である。

【図１０】車両の力学モデルを示す図である。

【図１１】車両の力学モデルを回転軸換算したモデルを
示す図である。

【図１２】第３の実施の形態に係る摩擦状態検出装置の
構成を示す図である。

【図１３】第３の実施の形態に係る共振成分検出部の構
成を示す図である。

【図１４】第３の実施の形態に係る相関係数検出部の構
成を示す図である。

【図１５】第４の実施の形態に係る共振成分検出部の構
成を示す図である。

【図１６】第４の実施の形態において、入力信号との相
関をとる単一正弦波の波形を示す図である。

【図１７】路面摩擦係数のピーク値が正弦波状に変化す
る場合において測定された本発明の実施例に係る摩擦状
態検出装置の動作結果等を示すグラフであり、（ａ）は
測定の対象とされた実際の路面摩擦係数のピークμ値、
（ｂ）は車輪速度ω_w 、（ｃ）はスリップ率、（ｄ）は
本実施例の摩擦状態検出装置により推定された路面摩擦
係数、（ｅ）は本実施例の摩擦状態検出装置により推定
された共振ゲイン、（ｆ）は車輪に作用された制動トル
ク、の時間的変化を各々示す図である。

【図１８】路面摩擦係数のピーク値がステップ状に変化
する場合において測定された本発明の実施例に係る摩擦
状態検出装置の動作結果等を示すグラフであり、（ａ）
は測定の対象とされた実際の路面摩擦係数のピークμ
値、（ｂ）は車輪速度ω_w 、（ｃ）はスリップ率、
（ｄ）は本実施例の摩擦状態検出装置により推定された
路面摩擦係数、（ｅ）は本実施例の摩擦状態検出装置に
より推定された共振ゲイン、（ｆ）は車輪に作用された
制動トルク、の時間的変化を各々示す図である。

【符号の説明】

１２０ 偏差計算部 １２２ ＰＩ制御器 １２４ 制動力制御系 １２６ 車輪共振系 １２８ 共振成分検出部

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−334454（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−152429（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−84652（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−258196（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−148651（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 5/00 G01N 19/02 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 摩擦力の生じる接触面の片面側要素に該
   接触面と略平行な方向に変位するばね要素を接続し、該
   ばね要素の他端に慣性体を接続してなると共に前記片面
   側要素に作用力が印加される振動系と、 前記振動系に印加された作用力及び該作用力の状態量を
   検知する作用力検知手段と、 前記作用力が印加された振動系の状態量を検知する状態
   量検知手段と、 前記作用力の状態量に対する前記振動系の状態量の比で
   ある共振ゲインを演算する共振特性演算手段と、 前記共振特性演算手段により演算された共振ゲインが予
   め定められた基準ゲインに一致又は略一致した状態で検
   知された前記作用力に基づいて前記接触面における摩擦
   状態を検出する摩擦状態検出手段と、 を含む摩擦状態検出装置。
2. 【請求項２】 前記共振ゲインが前記基準ゲインに一致
   又は略一致した状態となるように前記作用力を制御する
   作用力制御手段と、 をさらに含むことを特徴とする請求項１の摩擦状態検出
   装置。
3. 【請求項３】 前記作用力制御手段は、前記基準ゲイン
   に対する前記共振ゲインの比の逆数と１との偏差が０に
   一致又は略一致するように前記作用力を制御することを
   特徴とする請求項２の摩擦状態検出装置。