JP4499494B2 - 荷重検出システム及び荷重検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、タイヤにかかる荷重を検出する荷重検出システム及び荷重検出方法に関する。特に、本発明は、走行中にタイヤにかかる荷重の検出に好適な荷重検出システム及び荷重検出方法に関する。

従来、タイヤにかかる荷重は、車両停止時の場合、タイヤを荷重計に一輪ずつ載せて計測することにより、車両走行中の場合、タイヤの回転軸と路面との距離からタイヤの変形量を求め、その変形量を荷重に換算することにより検出されている（例えば、特許文献１参照）。タイヤの回転軸と路面との距離を計測する計測器は、タイヤ内部等のタイヤ自体に取り付けられている。
特開２００２−６２１０３号公報

しかしながら、従来の変形量から荷重を検出する方法では、走行中にタイヤにかかる荷重を適切に検出することができなかった。しかも、従来の検出方法は、条件が厳しく、取り付けが困難なタイヤ内部等のタイヤ自体に計測器を取り付ける必要があり、導入が困難であった。例えば、コーナリング時に各タイヤにかかる荷重を知りたい場合等、全てのタイヤに計測器を取り付ける場合には、導入はより困難であった。

そこで、本発明は、走行中にタイヤにかかる荷重を適切かつ容易に検出可能な荷重検出システム及び荷重検出方法を提供することを目的とする。

本発明に係る荷重検出システムは、タイヤが路面を転動することにより発生する音の音量を測定する音量測定部と、その音量測定部によって測定された音の第１周波数における第１音量と第２周波数における第２音量との音量比を計算する計算部と、計算部によって計算された音量比の計算値に基づいてタイヤにかかる荷重を検出する検出部とを備え、第１音量は、タイヤから走行速度に依らず、音量がピーク値となる基本周波数における音量であり、第２音量は基本周波数の２倍の周波数における音量であり、検出部は、音量比の計算値と空気圧の測定値に基づいて荷重を検出することを特徴とする。

荷重検出システムでは、音量測定部の測定対象が走行中に発生する音であるため、音量測定部をタイヤ周辺に設ければよく、タイヤ内部等のタイヤ自体に測定器を取り付ける必要がない。しかも、荷重検出システムは、基本周波数における第１音量と基本周波数の２倍の周波数における第２音量との音量比の計算値から荷重を検出するため、適切に荷重を検出できる。よって、荷重検出システムによれば、走行中にタイヤにかかる荷重を適切かつ容易に検出できる。
更に、荷重検出システムは、タイヤの空気圧を測定する空気圧測定部を備え、検出部は、音量比の計算値と空気圧の測定値に基づいて荷重を検出する。
タイヤが路面を転動することにより発生する音は、タイヤの空気圧の影響を受ける。そのため、荷重検出システムは、音量比の計算値と空気圧の測定値を用いて荷重を検出することにより、荷重検出の精度を向上できる。

更に、荷重検出システムは、荷重と音量比との対応関係データを記憶する記憶部を備えることが好ましい。そして、検出部は、音量比の計算値と対応関係データとを比較することにより荷重を検出することが好ましい。これによれば、荷重検出システムは、より容易により適切に荷重を検出できる。

本発明に係る荷重検出方法は、タイヤが路面を転動することにより発生する音の音量を測定するステップと、測定された音の第１周波数における第１音量と第２周波数における第２音量との音量比を計算するステップと、計算された音量比の計算値に基づいてタイヤにかかる荷重を検出するステップと、前記タイヤの空気圧を測定するステップとを備え、前記第１音量は、前記タイヤから走行速度に依らず、音量がピーク値となる基本周波数における音量であり、前記第２音量は前記基本周波数の２倍の周波数における音量であり、前記音量比の計算値と前記空気圧の測定値に基づいて前記荷重を検出することを特徴とする。

更に、荷重検出方法は、タイヤの空気圧を測定するステップを備え、音量比の計算値と空気圧の測定値に基づいて荷重を検出することが好ましい。

本発明によれば、走行中にタイヤにかかる荷重を適切かつ容易に検出可能な荷重検出システム及び荷重検出方法を提供することができる。

〔第１の実施形態〕
（荷重検出システム）
図１に示す荷重検出システム１００は、タイヤにかかる荷重を検出する。荷重検出システム１００は、マイクロフォン１０と、解析器２０と、表示器３０と、エンジン制御部（Engine Control Unit、以下「ＥＣＵ」と表す）４０とを備える。これらのマイクロフォン１０、解析器２０、表示器３０、ＥＣＵ４０は、車体６０に設けられる。

マイクロフォン１０は、空気入りタイヤ等のタイヤ５０が路面Ａを転動することにより発生する音の音量を測定する音量測定部である。タイヤ５０が発生する音は、主に、タイヤ５０の周方向に延びる主溝内で発生する共鳴音（以下「主溝共鳴音」という）である。特に、タイヤ５０が高速に回転すると、主溝共鳴音がタイヤ５０が発生する音において支配的になる。マイクロフォン１０は、音量の測定値を電気信号に変換し、解析器２０に入力する。マイクロフォン１０と解析器２０は、有線により接続されてもよく、無線により接続されてもよい。

マイクロフォン１０は、タイヤ５０の周辺に設けられる。例えば、マイクロフォン１０は、タイヤ５０が路面Ａと接する位置の近くに設けることができる。マイクロフォン１０は、車体６０が備えるタイヤ５０毎に設けることができ、各マイクロフォン１０が各タイヤ５０について音量を測定する。例えば、マイクロフォン１０は、右前輪（ＦＲ）、左前輪（ＦＬ）、右後輪（ＲＲ）、左後輪（ＲＬ）毎に設けることができる。尚、荷重検出システム１００は、１つのタイヤ５０が発生する音を測定するマイクロフォン１０を複数備えてもよい。

解析器２０は、図２に示すように、計算部２１と、記憶部２２と、検出部２３とを備える。図２は、解析器２０に、右前輪（ＦＲ）、左前輪（ＦＬ）、右後輪（ＲＲ）、左後輪（ＲＬ）毎に設けられたマイクロフォン１０から音量の測定値が入力される場合を示す。

計算部２１は、マイクロフォン１０によって測定された音の第１周波数における第１音量と、第２周波数における第２音量との音量比を計算する。異なる周波数の一方を「第１周波数」、他方を「第２周波数」という。第１周波数における音量を「第１音量」、第２周波数における音量を「第２音量」という。

第１周波数は、タイヤ５０が発生する音の基本周波数であり、第１音量は基本周波数における音量であることが好ましい。この場合、第２周波数は、基本周波数の２倍の周波数（以下「２倍周波数」という）であり、第２音量は２倍周波数における音量であることが好ましい。これによれば、荷重検出システム１００は、より適切に荷重を検出できる。基本周波数は、タイヤ５０が発生する主溝共鳴音の基本周波数を用いることができる。主溝共鳴音の基本周波数は、走行速度がある程度以上になったときに、音量がピーク値となる周波数である。主溝共鳴音の基本周波数は、走行速度に依らず０．６〜１．０ｋＨｚ程度である。タイヤ５０が発生する音の基本周波数は約１ｋＨｚ、２倍周波数は約２ｋＨｚとなることが多い。

計算部２１は、マイクロフォン１０から音量の測定値を取得する。計算部２１は、音量の測定値を高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform、以下「ＦＦＴ」と表す）し、周波数に対して示される音量に変換する。例えば、計算部２１は。図３に示すような周波数に対して変化する音量の測定値１，２に変換する。図３では、横軸が周波数を示し、縦軸が音量を示している。又、実線で示される音量の測定値１はタイヤ５０にかかる荷重が小さい場合であり、点線で示される音量の測定値２はタイヤ５０にかかる荷重が大きい場合である。

計算部２１は、ＦＦＴ後の音量の測定値から、第１音量と第２音量を抽出する。計算部２１は、例えば、音量の測定値のピークが現れる周波数を基本周波数と判定できる。計算部２１は、音量の測定値のピーク値を基本周波数における第１音量（Ｐａ，Ｐｂ）として抽出する。計算部２１は、判定した基本周波数を２倍し、２倍周波数を求める。計算部２１は、求めた２倍周波数における音量の測定値を第２音量（Ｑａ，Ｑｂ）として抽出する。

計算部２１は、抽出した第１音量と第２音量との音量比を計算する。計算部２１は、音量比として「第２音量／第１音量（Ｑａ／Ｐａ、Ｑｂ／Ｐｂ）を計算してもよく、「第１音量／第２音量（Ｐａ／Ｑａ、Ｐｂ／Ｑｂ）」を計算してもよい。計算部２１は、音量比の計算値を検出部２３に入力する。

記憶部２２は、荷重と音量比との対応関係データを記憶する。荷重検出システム１００は、荷重検出の準備（以下「キャリブレーション」という）として対応関係データを求め、記憶部２２に格納する。タイヤ５０が発生する音は、タイヤサイズによって大きく異なるため、実際に荷重を検出したいタイヤ５０を用いてキャリブレーションを行う。

具体的には、まず、タイヤ５０に荷重をかけ、その荷重をかけたときにタイヤ５０が発生する音の音量をマイクロフォン１０が測定する。そして、計算部２１が音量の測定値から、第１音量と第２音量との音量比を計算する。タイヤ５０にかける荷重を順次変化させていき、マイクロフォン１０が複数の荷重に対する音量を測定し、計算部２１が音量比を計算する。そして、計算部２１は、荷重と音量比とを対応付けた対応関係データを記憶部２２に格納する。キャリブレーションでは、同じ荷重について複数回測定を行い、音量比の平均値を求めることが好ましい。

尚、タイヤ５０を車体６０に装着させる前に予めキャリブレーションを行って対応関係データを求め、その対応関係データを記憶部２２に格納しておくこともできる。この場合には、ユーザはキャリブレーションを省略できる。装着前のキャリブレーションは、例えば、無響室内において、ドラム試験機のドラム表面にタイヤ５０を荷重をかけて圧着し、転動させて行うことができる。

検出部２３は、計算部２１によって計算された音量比の計算値に基づいてタイヤ５０にかかる荷重を検出する。タイヤ５０に荷重がかかるとタイヤ５０と路面Ａとの接地長が変化し、タイヤ５０が発生する音が変化する。そのため、荷重と音量比との間には相関があり、一定関係が成立する。例えば、図３の場合、音量比の計算値（Ｑａ／Ｐａ、Ｑｂ／Ｐｂ）と荷重は比例関係になる。又、音量比の計算値（Ｐａ／Ｑａ、Ｐｂ／Ｑｂ）と荷重は反比例関係になる。よって、検出部２３は、音量比の計算値に基づいて、荷重と音量比との関係から荷重を推定することにより、荷重を検出できる。

検出部２３は、計算部２１から音量比の計算値を取得する。検出部２３は、記憶部２２を参照し、音量比の計算値と対応関係データとを比較することにより荷重を検出することが好ましい。例えば、検出部２３は、音量比の計算値と対応関係データの音量比とを比較し、最も近い音量比に対応付けられている対応関係データの荷重を、タイヤ５０にかかっている荷重と推定することにより、荷重を検出できる。この場合、検出部２３は、最も近い音量比と音量比の計算値との差を求め、対応関係データの荷重と実際の荷重との差分を推定してもよい。そして、検出部２３は、推定した差分を対応関係データの荷重に加算又は減算し、タイヤ５０にかかっている荷重を検出してもよい。

検出部２３は、荷重の検出値を表示器３０に出力する。表示器３０は、検出部２３から取得した検出値を表示する。表示器３０に表示された検出値は、例えば、車体６０のセッティングや車体６０の制御に活用することができる。又、検出部２３は、荷重の検出値をＥＣＵ２３に入力する。ＥＣＵ２３は、検出部２３から取得した荷重の検出値に基づいて、エンジン制御を行う。

解析器２０、表示器３０、ＥＣＵ４０は、例えば、車体６０のインスツルメントパネルの内側やエンジンルーム内等に設けることができる。又、解析器２０としては、例えば、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）や、オペレーティングシステム（ＯＳ）によって動作するコンピュータ等を用いることができる。又、検出部２３は、オンラインで接続された他の装置に荷重の検出値を送信するようにしてもよい。

（荷重検出方法）
次に、荷重検出システム１００を用いた荷重検出方法の手順を説明する。図４に示すように、荷重検出システム１００は、まず、タイヤ５０にかける荷重を順次変化させていき、タイヤ５０が発生する音の音量を測定し（Ｓ１０１）、その音量比を計算する（Ｓ１０２）。そして、荷重検出システム１００は、各荷重と音量比とを対応付けた対応関係データを記憶部２２に格納する（Ｓ１０３）。このようにして、荷重検出システム１００はキャリブレーションを行う。

次に、実際の荷重検出を行う。まず、荷重検出システム１００は、タイヤ５０が路面Ａを転動することにより発生する音の音量を測定する（Ｓ１０４）。荷重検出システム１００は、音量の測定値をＦＦＴし、第１音量（基本周波数における音量）と、第２音量（２倍周波数における音量）を抽出する。荷重検出システム１００は、抽出した第１音量と第２音量との音量比を計算する（Ｓ１０５）。荷重検出システム１００は、計算された音量比の計算値に基づいてタイヤ５０にかかる荷重を検出する（Ｓ１０６）。そして、荷重検出システム１００は、表示器３０に荷重の検出値を表示したり、ＥＣＵ４０に荷重の検出値を入力したりする。

（実施例）
次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。荷重検出システム１００を用い、無響室内において、主溝のみを備えるタイヤに荷重２ｋＮ、３ｋＮ、４．５ｋＮをかけ、タイヤの蹴り出し付近で、タイヤが発生する音の音量を測定した。そして、音量の測定値をＦＦＴし、周波数に対して示される音量に変換した。荷重が２ｋＮの結果を図５に、荷重が３ｋＮの結果を図６に、荷重が４．５ｋＮの結果を図７に示す。図５〜７において横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音量（ｄＢ）を示す。

いずれの荷重の場合も、音量の測定値がピークとなっている基本周波数は、約１ｋＨｚ、２倍周波数は約２ｋＨｚとなった。荷重が２ｋＮの場合の基本周波数における第１音量を「Ｐ_２」、２倍周波数における第２音量を「Ｑ_２」、荷重が３ｋＮの場合の基本周波数における第１音量を「Ｐ_３」、２倍周波数における第２音量を「Ｑ_３」、荷重が４．５ｋＮの場合の基本周波数における第１音量を「Ｐ_４．５」、２倍周波数における第２音量を「Ｑ_４．５」と表す。

第１音量と第２音量の音量比として、第２音量／第１音量を計算した場合、音量比（Ｑ_２／Ｐ_２，Ｑ_３／Ｐ_３，Ｑ_４．５／Ｐ_４．５）が大きいほど、荷重が大きくなり、比例関係が得られた。又、第１音量と第２音量の音量比として、第１音量／第２音量を計算した場合、音量比（Ｐ_２／Ｑ_２，Ｐ_３／Ｑ_３，Ｐ_４．５／Ｑ_４．５）が小さいほど、荷重が大きくなり、反比例関係が得られた。

（効果）
このような荷重検出システム１００及び荷重検出方法によれば、マイクロフォン１０の測定対象が走行中に発生する音であるため、マイクロフォン１０をタイヤ５０周辺に設ければよく、条件が厳しく、取り付けが困難なタイヤ５０内部等のタイヤ５０自体に測定器を取り付ける必要がない。しかも、荷重検出システム１００は、第１周波数における第１音量と第２周波数における第２音量との音量比の計算値から荷重を検出するため、適切に荷重を検出できる。

よって、荷重検出システム１００及び荷重検出方法によれば、走行中にタイヤ５０にかかる荷重を適切かつ容易に検出できる。又、荷重検出システム１００は、車体６０に設けることができるため、導入が容易となる。例えば、コーナリング時に各タイヤにかかる荷重を知りたい場合等にも、容易に対応できる。

更に、荷重検出システム１００では、荷重と音量比との対応関係データを記憶する記憶部２２を備え、検出部２３は、音量比の計算値と対応関係データとを比較することにより荷重を検出できる。よって、荷重検出システム１００は、より容易により適切に荷重を検出できる。

〔第２の実施形態〕
図８に示すように、荷重検出システム２００は、マイクロフォン１０と、解析器２２０と、表示器３０と、ＥＣＵ４０と、空気圧センサ７０を備える。図８において図１と実質的に同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

空気圧センサ７０は、タイヤ５０の空気圧を測定する空気圧測定部である。空気圧センサ７０は、空気圧の測定値を電気信号に変換し、解析器２２０に入力する。空気圧センサ７０と解析器２２０は、有線により接続されてもよく、無線により接続されてもよい。空気圧センサ７０は、空気圧そのものを直接測定し、解析器２２０に入力する直接型ＴＰＭＳ（Tire Pressure Monitoring System：タイヤ空気圧監視システム）や、各タイヤ５０の回転速度を測定し、タイヤ５０間の回転速度の差から空気圧を測定する間接型ＴＰＭＳ等がある。

空気圧センサ７０は、例えば、タイヤ５０に取り付けられるホイール等に設けることができる。空気圧センサ７０は、車体６０が備えるタイヤ５０毎に設けることができ、各空気圧センサ７０が各タイヤ５０について空気圧を測定する。例えば、空気圧センサ７０は、右前輪（ＦＲ）、左輪（ＦＬ）、右後輪（ＲＲ）、左後輪（ＲＬ）毎に設けることができる。

図９に示すように、解析器２２０は、計算部２２１と、記憶部２２２と、検出部２２３とを備える。図９は、解析器２２０に、右前輪（ＦＲ）、左前輪（ＦＬ）、右後輪（ＲＲ）、左後輪（ＲＬ）毎に設けられた空気圧センサ７０から空気圧の測定値が入力される場合を示す。

記憶部２２２は、荷重と音量比との対応関係データとして、タイヤ５０の空気圧を変化させた対応関係データを記憶する。キャリブレーションは以下のように行われる。タイヤ５０の空気圧を調整し、ある空気圧において、荷重を順次変化させていき、タイヤ５０が発生する音の音量をマイクロフォン１０が測定する。計算部２２１は音量の測定値から、ある空気圧において荷重を順次変化させたときの第１音量と第２音量との音量比を計算する。

タイヤ５０の空気圧を順次変化させていき、マイクロフォン１０が複数の空気圧において、複数の荷重に対する音量を測定し、計算部２２１が音量比を計算する。即ち、荷重検出システム２００では、様々な空気圧において、荷重と音量比との対応を求める。そして、計算部２２１は、空気圧と荷重と音量比とを対応付けた対応関係データを記憶部２２２に格納する。

検出部２２３は、音量比の計算値と空気圧の測定値に基づいて荷重を検出する。タイヤ５０が発生する音は、タイヤ５０の空気圧によっても変化する。特に主溝共鳴音の周波数は、タイヤ５０の主溝の路面Ａとの接地長によって変化し、空気圧の影響を直接受ける。そのため、空気圧の変化が荷重と音量比との関係に影響を及ぼす。

よって、検出部２２３は、音量比の計算値と空気圧の測定値に基づいて、荷重と音量比との関係からおおよその荷重を推定し、更に空気圧の影響を考慮して荷重を推定することにより、荷重を検出できる。検出部２３は、空気圧センサ７０から空気圧の測定値を取得する。検出部２２３は、記憶部２２２を参照し、音量比の計算値、空気圧の測定値と、対応関係データとを比較することにより荷重を検出することが好ましい。

例えば、検出部２２３は、音量比の計算値、空気圧の測定値と対応関係データの音量比とを比較し、最も近い音量比に対応付けられている対応関係データの荷重を、タイヤ５０にかかっている荷重と推定することにより、荷重を検出できる。この場合も、検出部２２３は、最も近い音量比と音量比の計算値との差を求め、対応関係データの荷重と実際の荷重との差分を推定し、荷重に反映させてもよい。

尚、以上説明した点以外は、計算部２２１、記憶部２２２、検出部２２３は、図２に示した計算部２１、記憶部２２、検出部２３と実質的に同様である。

このような荷重検出システム２００によれば、荷重検出システム１００により得られる効果に加え、音量比の計算値と空気圧の測定値を用いて荷重を検出することができ、荷重検出の精度を向上できる。

本発明の第１の実施形態に係る荷重検出システムが車体に設けられた状態を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重検出システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係るタイヤが発生する音の周波数と音量との関係を示すグラフ図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重検出方法の手順を示すフロー図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重２ｋＮのときの周波数と音量との関係を示すグラフ図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重３ｋＮのときの周波数と音量との関係を示すグラフ図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重４．５ｋＮのときの周波数と音量との関係を示すグラフ図である。 本発明の第２の実施形態に係る荷重検出システムが車体に設けられた状態を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る荷重検出システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ マイクロフォン
２０，２２０ 解析器
２１，２２１ 計算部
２２，２２２ 記憶部
２３，２２３ 検出部
３０ 表示器
４０ ＥＣＵ
５０ タイヤ
６０ 車体
７０ 空気圧センサ
１００，２００ 荷重検出システム

Claims (2)

1. タイヤが路面を転動することにより発生する音の音量を測定する音量測定部と、
   該音量測定部によって測定された音の第１周波数における第１音量と第２周波数における第２音量との音量比を計算する計算部と、
   該計算部によって計算された音量比の計算値に基づいて前記タイヤにかかる荷重を検出する検出部と、
   前記タイヤの空気圧を測定する空気圧測定部とを備え、
   前記第１音量は、前記タイヤから走行速度に依らず、音量がピーク値となる基本周波数における音量であり、
   前記第２音量は前記基本周波数の２倍の周波数における音量であり、
   前記検出部は、前記音量比の計算値と前記空気圧の測定値に基づいて前記荷重を検出することを特徴とする荷重検出システム。
2. タイヤが路面を転動することにより発生する音の音量を測定するステップと、
   該測定された音の第１周波数における第１音量と第２周波数における第２音量との音量
   比を計算するステップと、
   該計算された音量比の計算値に基づいて前記タイヤにかかる荷重を検出するステップと、
   前記タイヤの空気圧を測定するステップとを備え、
   前記第１音量は、前記タイヤから走行速度に依らず、音量がピーク値となる基本周波数における音量であり、
   前記第２音量は前記基本周波数の２倍の周波数における音量であり、
   前記音量比の計算値と前記空気圧の測定値に基づいて前記荷重を検出することを特徴とする荷重検出方法。

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