JP4813284B2 - 路面摩擦状態推定方法、及び、路面摩擦状態推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の走行する路面とタイヤとの間の摩擦状態を推定する方法とその装置に関するもので、特に、タイヤトレッドゴムに作用する剪断応力と荷重とから路面摩擦状態を推定する方法に関する。

自動車の走行安定性を高めるため、車両の走行している路面の状態、あるいは、タイヤと路面との間の摩擦係数（路面摩擦係数）を精度良く推定し、車両制御へフィードバックすることが求められている。特に、制駆動や操舵といった危険回避の操作を起こす前に、予め路面状態や路面摩擦係数の値を推定することができれば、ＡＢＳやＶＳＣ等の車両制御技術の精度を高めることが可能となり、安全性が一段と高まることが予想される。
従来、路面摩擦係数を推定する方法としては、アクセル、あるいはブレーキ操作を行ったときのスリップ率の変化と車両の車体加速度との関係から、路面状態、特に路面の最大摩擦係数を推定する手法が提案されている。これは、路面摩擦係数μの大きさが車体加速度Ａｂと対応していることを利用したもので、車体加速度−車輪滑り特性曲線の安定領域内において、車体加速度Ａｂと車輪滑りＳとを検出してその比（Ａｂ／Ｓ）を算出するとともに、上記比（Ａｂ／Ｓ）と、予め求めておいた低μ路、中μ路、あるいは高μ路を走行した時の比（Ａｂ／Ｓ）の値とを比較して、走行中の路面の状態を推定する（例えば、特許文献１参照）。

一方、安全性の高いブロックパターンを開発する目的で、空気入りタイヤのトレッドブロックに感圧導電ゴム体を埋設し、タイヤ踏面が接地したときに上記トレッドブロックの変形に伴って変形する上記感圧導電ゴム体の抵抗変化を検知して、上記トレッドブロックに作用する力の関係を調べる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。具体的には、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、タイヤのトレッドブロック５０内に、感圧導電ゴム体５０Ｓとこの感圧導電ゴム体５０Ｓのタイヤ径方向（Ｚ方向）の外側面と内側面とにそれぞれ設けられた電極５１ａ，５２ａとを備え、上記感圧導電ゴム体５０Ｓのタイヤ径方向の圧縮変形を検出する第１のセンサ５０Ａと、感圧導電ゴム体５０Ｓとそのタイヤ幅方向（Ｙ方向）の両外側面にそれぞれ設けられた電極５１ｂ，５２ｂとを備え、上記感圧導電ゴム体５０Ｓのタイヤ径方向の圧縮変形を検出する第２のセンサ５０Ｂと、感圧導電ゴム体５０Ｓとそのタイヤ周方向（Ｘ方向）の両外側面にそれぞれ設けられた電極５１ｃ，５２ｃとを備え、上記感圧導電ゴム体５０Ｓのタイヤ径方向の圧縮変形を検出する第３のセンサ５０Ｃとを埋設し、上記トレッドブロック５０が接地したときの上記感圧導電ゴム体５０Ｓの抵抗変化による電流値の変化をそれぞれ検出して車体側の車両装着ユニット６０に送信する。車両装着ユニット６０では、演算部６１にて、上記各センサ５０Ａ〜５０Ｃの出力からタイヤの接地時に上記トレッドブロックに作用するタイヤ径方向の力Ｆｖ、幅方向の力Ｆｗ、及び、周方向の力Ｆｃをそれぞれ算出して、これを表示部６２に表示する。
また、上記Ｆｖは接地時に上記トレッドブロックに作用する垂直抗力に相当するので、上記演算部６１に摩擦係数推定手段６１ｋを設けて、上記算出された径方向の力Ｆｖと幅方向の力Ｆｗとの比（Ｆｗ／Ｆｖ）からタイヤ幅方向の摩擦係数を、上記径方向の力Ｆｖと周方向の力Ｆｃとの比（Ｆｃ／Ｆｖ）からタイヤ周方向の摩擦係数を推定する。これにより、トレッドブロック５０に作用する力Ｆｖ，Ｆｗ，Ｆｃに加えて、タイヤのグリップ力についても評価することができるので、安全性を高めたブロックパターンを設計することができる。
特開平７−１１２６５９号公報 特開２００５−８２０１０号公報

しかしながら、上記車両の車体加速度Ａｂと車輪滑りＳとから路面摩擦係数を推定する方法では、運転者が加速や減速などの一定の操作を行ったときには路面摩擦係数の推定が可能であるが、定常走行時においては路面摩擦係数を推定することができないことから、リアルタイムで路面状態を推定するには適していない。
また、トレッドブロック５０にそれぞれ検出方向の異なる感圧導電ゴム体５０Ｓを備えたセンサ５０Ａ〜５０Ｃを埋設する方法では、上記感圧導電ゴム体５０Ｓにより検出される上記幅方向の力Ｆｗ及び上記周方向の力Ｆｃは、主に、タイヤのマクロな変形状態に伴うものではあるが、いずれも圧縮力であり、図８に示すような、タイヤ接地面に作用する前後力Ｆｘや横力Ｆｙ、あるいはその合力であるＦｘｙのような剪断力の大きさを反映したものではないので、上記比（Ｆｃ／Ｆｖ）や比（Ｆｗ／Ｆｖ）からタイヤと路面との間の最大摩擦係数を精度よく推定することは困難であった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、タイヤと路面との間の摩擦状態を精度よく推定することのできる方法とその装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、走行時において、タイヤ踏面は粘着域と滑り域とに分けられ、その境界位置で路面摩擦係数μが最大値を取ること、及び、その最大値の大きさと発現する位置がタイヤと路面との間の摩擦状態により変化することから、タイヤトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧と剪断力とを検出するとともに、上記検出された剪断力と上記接地荷重または接地圧との比である応力比の最大値、もしくは時間軸上で上記応力比が最大値となる位置を検出すれば、タイヤと路面との間の摩擦状態を精度良く推定できることを見出し、本発明に至ったものである。
すなわち、本願の請求項１に記載の発明は、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する方法であって、タイヤのタイヤトレッドゴムに作用するタイヤ進行方向剪断力、タイヤ幅方向剪断力、及び、上記両剪断力の合力のいずれかを検出するステップと、上記タイヤトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を検出するステップと、上記接地荷重または接地圧に対する上記タイヤ進行方向剪断力の比、または上記接地荷重または接地圧に対するタイヤ幅方向剪断力の比、または上記接地荷重または接地圧に対する上記両剪断力の合力の比のいずれかである応力比ｒを算出するステップと、上記応力比ｒの、当該タイヤの路面踏込み点から路面蹴出し点までの間における最大値ｒ_Mまたは極大値を抽出するステップと、上記抽出された最大値ｒ _M または極大値を用いて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するステップとを有することを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の路面摩擦状態推定方法において、上記応力比ｒの、路面踏込み点から接地中心点までの間における最大値ｒ_aに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するようにしたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の路面摩擦状態推定方法において、上記応力比ｒの、接地中心点から路面蹴出し点までの間における最大値ｒ_bに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するようにしたものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の路面摩擦状態推定方法において、上記応力比ｒの、路面踏込み点から接地中心点における最大値ｒ_aと接地中心点から路面蹴出し点までの間における最大値ｒ_bとの比Ｒを算出するとともに、上記算出された比Ｒに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するようにしたものである。なお、上記比Ｒとしては、（ｒ_a／ｒ_b）であってもよいし、（ｒ_b／ｒ_a）であってもよい。

請求項５に記載の発明は、請求項２〜請求項４のいずれかに記載の路面摩擦状態推定方法において、上記最大値ｒ_a、または上記最大値ｒ_b、または上記比Ｒと路面状態との関係を予め求めておき、上記関係に基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定することを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項２〜請求項４のいずれかに記載の路面摩擦状態推定方法において、上記最大値ｒ_a、または上記最大値ｒ_bが所定の値を下回ったときに、路面が滑りやすい状態であると判断することを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する方法であって、タイヤのタイヤトレッドゴムに作用するタイヤ進行方向剪断力、タイヤ幅方向剪断力、及び、上記両剪断力の合力のいずれかを検出するステップと、上記タイヤトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を検出するステップと、上記接地荷重または接地圧に対する上記タイヤ進行方向剪断力の比、または上記接地荷重または接地圧に対するタイヤ幅方向剪断力の比、または上記接地荷重または接地圧に対する上記両剪断力の合力の比いずれかである応力比ｒを算出するステップと、当該タイヤが路面に踏込んだ時点から上記応力比ｒが最大となるまでに要する時間Ｔ_a及び上記応力比ｒが最大となった時点から当該タイヤが路面を蹴出すまでに要する時間Ｔ_bのいずれか一方または両方を算出するステップと、上記算出された時間Ｔ _a 及び時間Ｔ _b のいずれか一方または両方を用いて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するステップとを有することを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の路面摩擦状態推定方法において、上記時間Ｔ_aまたは上記時間Ｔ_bと予め設定した所要時間Ｔ _kとを比較し、この比較結果に基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定することを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の路面摩擦状態推定方法において、上記時間Ｔ_aと上記時間Ｔ_bの比Ｑを算出し、上記算出された比Ｑに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定することを特徴とする。なお、上記比Ｑは、（Ｔ_a／Ｔ_b）でもよいし、（Ｔ_b／Ｔ_a）でもよい。
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の路面摩擦状態推定方法において、上記比Ｑと、タイヤと路面との間の摩擦状態との関係を予め求めておき、上記関係に基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定することを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、タイヤと路面間の摩擦状態を推定する装置であって、タイヤのタイヤトレッドゴムに作用するタイヤ進行方向剪断力、タイヤ幅方向剪断力、及び、上記両剪断力の合力のいずれかを検出する手段と、上記タイヤトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を検出する手段と、上記検出された接地荷重または接地圧に対する上記タイヤ進行方向剪断力の比、または上記検出された接地荷重または接地圧に対するタイヤ幅方向剪断力の比、または上記検出された接地荷重または接地圧に対する上記両剪断力の合力の比のいずれかである応力比ｒを算出する手段と、上記応力比ｒの最大値または極大値を検出する手段と、上記検出された上記応力比ｒの最大値または極大値に基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する路面摩擦状態推定手段とを備えたことを特徴とするものである。
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の路面摩擦状態推定装置において、当該タイヤの路面踏込み点と路面蹴出し点とを検出する手段と、上記検出された路面踏込み点と路面蹴出し点の中間点を接地中心点とし、路面踏込み点から上記接地中心点までの間における上記比ｒの最大値ｒ_aと上記接地中心点から路面蹴出し点までの間における上記比ｒの最大値ｒ_bのいずれか一方または両方を検出する手段とを備えたものである。
請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の路面摩擦状態推定装置において、上記検出された最大値ｒ_ａと最大値ｒ_bとの比Ｒを算出する手段を備えたものである。
請求項１４に記載の発明は、請求項１２または請求項１３に記載の路面摩擦状態推定装置において、予め求めた、上記最大値ｒ_a、または上記最大値ｒ_b、または上記比Ｒとタイヤと路面との間の摩擦状態との関係を示すマップを備えるとともに、上記路面摩擦状態推定手段は、上記検出された最大値ｒ_ａ、または上記最大値ｒ_b、または上記算出された上記比Ｒと上記マップとに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するように構成したものである。
また、請求項１５に記載の発明は、請求項１２に記載の路面摩擦状態推定装置において、上記最大値ｒ_a、または上記最大値ｒ_bが所定の値を下回ったときに、路面が滑りやすい状態であると判定する判定手段を設けたものである。

請求項１６に記載の発明は、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する装置であって、タイヤのタイヤトレッドゴムに作用するタイヤ進行方向剪断力、タイヤ幅方向剪断力、及び、上記両剪断力の合力のいずれかを検出する手段と、上記タイヤトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を検出する手段と、上記検出された接地荷重または接地圧に対する上記タイヤ進行方向剪断力の比、または上記検出された接地荷重または接地圧に対するタイヤ幅方向剪断力の比、または上記検出された接地荷重または接地圧に対する上記両剪断力の合力の比のいずれかである応力比ｒを算出する手段と、当該タイヤが路面に踏込んだ時点から上記応力比ｒが最大となるまでに要する時間Ｔ_a及び上記応力比ｒが最大となった時点から当該タイヤが路面を蹴出すまでに要する時間Ｔ_bのいずれか一方または両方を算出する手段と、上記算出された時間Ｔ_aまたは時間Ｔ_bまたは時間Ｔ_a及び時間Ｔ_bに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する路面摩擦状態推定手段とを備えたことを特徴とするものである。
請求項１７に記載の発明は、請求項１６に記載の路面摩擦状態推定装置において、上記時間Ｔ_aまたは上記時間Ｔ_bと予め設定した所要時間Ｔ_kとを比較する比較手段を設けるとともに、上記路面摩擦状態推定手段において、上記比較手段の比較結果に基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するようにしたものである。
また、請求項１８に記載の発明は、請求項１６に記載の路面摩擦状態推定装置において、上記時間Ｔ_aに対する上記時間Ｔ_bの比Ｑを算出する所要時間比算出手段を設けるとともに、上記路面摩擦状態推定手段において、上記所要時間比算出手段で算出された比Ｑに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するようにしたものである。
請求項１９に記載の発明は、請求項１８に記載の路面摩擦状態推定装置において、予め求めた、上記比Ｑとタイヤと路面との間の摩擦状態との関係を示すマップを備えるとともに、上記路面摩擦状態推定手段を、上記算出された比Ｑと上記マップとに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するように構成したものである。

本発明によれば、タイヤと路面との間に働く前後力Ｆｘや横力Ｆｙの大きさと良好な対応関係を示すタイヤトレッドゴムに作用するタイヤ進行方向剪断力、タイヤ幅方向剪断力、及び、上記両剪断力の合力のいずれかと、タイヤの接地荷重Ｆｚと良好な対応関係を示すタイヤトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を検出して、上記検出された接地荷重または接地圧に対する上記タイヤ進行方向剪断力またはタイヤ幅方向剪断力または上記両剪断力の合力の比である応力比ｒを算出するとともに、当該タイヤの路面踏込み点から路面蹴出し点までの間における上記応力比ｒの最大値または極大値、具体的には、当該タイヤの路面踏込み点から接地中心点までの間における上記応力比ｒの最大値ｒ_aと当該タイヤの接地中心点から路面蹴出し点までの間における上記応力比ｒの最大値ｒ_bのうちの大きい方の値に基づいてタイヤと路面間の摩擦状態を推定するようにしたので、タイヤと路面間の摩擦状態を精度良く推定することができる。このとき、上記最大値ｒ_a、または上記最大値ｒ_bが所定の値を下回ったときに、路面が滑りやすい状態である判断し、これをドライバーへ知らせて注意を喚起するようにすれば、車両の走行安全性を向上させることができる。
また、上記タイヤと路面との間の摩擦状態のデータを車両制御へフィードバックするようにすれば、ＡＢＳやＶＳＣ等の車両制御技術の精度を高めることが可能となり、車両の安全性を一層向上させることができる。

また、上記最大値ｒ_aと上記最大値ｒ_bとの比Ｒを算出し、この算出された比Ｒに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するようにしてもよい。
また、上記最大値ｒ_a、または上記最大値ｒ_b、または上記比Ｒと路面状態との関係を予め求めておき、上記関係に基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するようにすれば、タイヤと路面との間の摩擦状態の推定精度を更に向上させることができる。
また、当該タイヤが路面に踏込んだ時点から上記応力比ｒが最大となるまでに要する時間Ｔ_a及び上記応力比ｒが最大となった時点から当該タイヤが路面を蹴出すまでに要する時間Ｔ_bのいずれか一方または両方を用いて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するようにしても、同様の効果を得ることができる。このとき、上記所要時間Ｔ_aまたは上記所要時間Ｔ_bと予め設定した所要時間の閾値Ｔ_kとを比較し、その比較結果から路面との間の摩擦状態を推定するようにすれば、路面摩擦状態を更に精度よく推定できる。
あるいは、上記所要時間Ｔ_aまたは上記所要時間Ｔ_bと予め設定した所要時間の閾値Ｔ_kとを比較し、その比較結果から路面との間の摩擦状態を推定したり、上記所要時間Ｔ_aと上記所要時間Ｔ_bの比Ｑを算出し、上記算出された比Ｑに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するようにしてもよい。なお、この場合にも、上記比Ｑと、路面状態との関係を予め求めておき、上記関係に基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するようにすれば、推定精度を更に向上させることができる。

以下、本発明の最良の形態について、図面に基づき説明する。
最良の形態１.
図１は、本最良の形態１に係わる路面摩擦状態推定システムの構成を示す機能ブロック図で、同図において、１０は当該タイヤのトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧に相当する路面に垂直な応力(垂直応力)σ_zを検出する垂直応力検出手段１１ａとタイヤ進行方向の剪断力τ_xを検出する剪断応力検出手段１１ｂとを備えた応力検出ユニット１１と、この応力検出ユニット１１の出力である上記垂直応力σ_zの大きさと上記剪断力τ_xの大きさとから、応力比ｒ＝（τ_x／σ_z）を算出する応力比算出手段１２と、アンテナ１３ａを備え、上記算出された応力比ｒのデータと上記垂直応力検出手段１１ａから出力される垂直応力σ_zの時系列データとを車体側に送信する送信手段１３とが取付けられたセンサ付タイヤ、１４は上記タイヤ１０の回転速度を検出するための車輪速センサ、２０は車体側に設けられた、上記センサ付タイヤ１０から送信される応力比ｒのデータと垂直応力σ_zのデータとを受信するとともに、上記各データに基づいて、走行中のタイヤと路面との間の摩擦係数（路面摩擦係数μ）を推定する路面摩擦状態推定装置である。

上記応力検出ユニット１１の垂直応力検出手段１１ａとしては、加速度センサや圧力センサ、もしくは歪センサなどの周知のセンサを用いることができる。また、上記剪断応力検出手段１１ｂとしては、複数個の歪ゲージを配列した剪断歪ゲージを用いることができる。また、上記応力検出ユニット１１として、例えば、特開２００３−２６２５０２号公報に開示された、主軸の方向の異なる２つの異方性圧電体から成り、垂直応力と剪断応力とを検出する２軸歪センサを用いてもよい。
本例では、図２に示すように、上記応力検出ユニット１１と応力比算出手段１２とを、本発明によるセンサ付きタイヤ１０のタイヤトレッド１５の幅方向中心に位置する陸部１５ｃ内に埋設するとともに、上記送信手段１３をリム部１６のタイヤ気室１７側に設置するようにしている。
なお、上記応力比算出手段１２と上記送信手段１３とは図示しない信号線により接続されるが、無線により接続する構成としてもよい。また、上記応力検出ユニット１１、応力比算出手段１２及び送信手段１３を駆動するための電力は、電源をタイヤ内面または外面側に配置して供給する形態としてもよいし、上記送信手段１３に受信機能を付加して上記路面摩擦状態推定装置２０より無線にて電力を供給する形態としてもよい。

一方、上記路面摩擦状態推定装置２０は、アンテナ２１ａを備え、上記センサ付タイヤ１０から送信される応力比ｒ_xのデータと垂直応力σ_zのデータとを受信する受信手段２１と、上記垂直応力σ_zのデータと上記車輪速センサ１４の出力とから、上記応力検出手段１１が埋設されている陸部１５ｃが接地する路面踏込み点の位置と上記陸部１５ｃが離陸する路面蹴出し点の位置とを検出するとともに、上記踏込み位置と蹴出し位置とから上記踏込み位置と蹴出し位置との中間点である接地中心位置を検出する接地点検出手段２２と、この接地点検出手段２２で検出された接地中心位置と蹴出し位置との間の領域における上記応力比ｒ_xの最大値ｒ_bを抽出する最大応力比抽出手段２３と、予め求めておいた路面摩擦係数μと上記応力比ｒ_xの最大値ｒ_bとの関係を示すｒ-μマップ２４Ｍを記憶する記憶手段２４と、上記最大応力比抽出手段２３で抽出された上記最大値ｒ_bと上記ｒ-μマップ２４Ｍとに基づいて車両の走行している路面の路面摩擦係数μを推定する路面摩擦状態推定手段２５とを備え、上記センサ付タイヤ１０で検出したトレッドゴムに作用する垂直応力σ_zと剪断応力τ_xとに基づいてタイヤと路面間の路面摩擦係数μを推定する。

タイヤ踏面は、上記のように、粘着域と滑り域とに分けられるが、路面踏込み点から接地中心位置との間の領域は、比較的μの高い路面では粘着域であり、この領域においては、μの最大値はある一定以上の値をとる。一方、低μ路では、この領域に粘着域と滑り域の境界があり、その路面条件における最大の摩擦係数が発現するが、その値は上記高μ路の場合よりも低い。
これに対して、接地中心位置から路面蹴出し点の間の領域においては、比較的μの高い路面の場合には粘着域と滑り域の境界があり、最大の摩擦係数が発現する。一方、低μ路では、この領域は滑り域となり、μは小さくなる。
図３及び図４は、上記センサ付きタイヤ１０を搭載した車両をＤＲＹアスファルト（高μ路）とＩＣＥ（低μ路）にてそれぞれ走行させたときに、上記応力検出ユニット１１で検出した上記陸部１５ｃのタイヤトレッドゴムに作用する垂直応力σ_zとタイヤ進行方向の剪断応力τ_xとの比ｒ_x＝（τ_x／σ_z）の時間変化波形である。
上記陸部１５ｃが接地していない場合には、垂直応力検出手段１１ａで検出した垂直応力σ_zは０であるので、上記垂直応力σ_zの時系列データを用いれば、図３，４において「接地」と示した上記陸部１５ｃが接地する路面踏込み点の位置、「離陸」と示した上記陸部１５ｃが離陸する路面蹴出し点、及び、「接地中心」と示した路面踏込み点と路面蹴出し点の中間点の位置を容易に求めることができる。
なお、車輪速センサ１４の出力を用いれば、上記時間変化波形をタイヤトレッド位置と垂直応力σ_zまたはタイヤ進行方向の剪断応力τ_xとの関係に変換することが可能である。

図３，４に示すように、上記応力比ｒ_x＝（τ_x／σ_z）は、路面踏込み位置と接地中心位置間（踏み側）、及び、接地中心位置と蹴出し位置間（蹴り側）にそれぞれ極値を１個ずつ有しており、蹴り側の極値である応力比ｒ_xの蹴り側における最大値ｒ_bは、高μ路であるＤＲＹアスファルト路面走行時には大きく、低μ路であるＩＣＥ路面走行時には小さくなる。一方、踏み側の極値である応力比ｒ_xの最大値ｒ_aは、高μ路であるＤＲＹアスファルト路面走行時には小さく、低μ路であるＩＣＥ路面走行時には大きくなる。
このように、上記応力比ｒ_x＝（τ_x／σ_z）は、高μ路においては、路面踏込み点から接地中心位置との間の領域においては一定以上の値をとり、接地中心位置と路面蹴出し位置との間の領域では最大値ｒ_Mをとるが、低μ路になると、その最大値は路面踏込み位置と接地中心位置との間の領域に移動し、しかもその値は小さくなる。このように、上記応力比ｒ_xの最大値ｒ_Mの変化、もしくは、最大値ｒ_a, 最大値ｒ_bの変化は、上述したタイヤと路面間の最大摩擦係数μの変化に対応していることがわかる。
上記応力比ｒ_xは、上記のように２つの極値をもつが、本例では、タイヤと路面間の路面摩擦係数μを推定するメジャーとして、抽出の容易な接地中心位置と路面蹴出し位置との間の領域の最大値ｒ_bを用いるとともに、様々な路面での路面摩擦係数μと上記最大値ｒ_bとの関係を予め求めておき、この関係と、抽出された最大値ｒ_bとを比較して、タイヤと路面間の摩擦状態を表わす路面摩擦係数μの値を推定する。

次に、本最良の形態１に係る路面摩擦状態の推定方法について説明する。
まず、応力検出ユニット１１の垂直応力検出手段１１ａ及び剪断応力検出手段１１ｂとにより、当該陸部１５ｃのトレッドゴムに作用する接地圧σ_zとτ_xとをそれぞれ検出し、その出力を応力比算出手段１２に送り、応力比ｒ_x＝（τ_x／σ_z）を算出するとともに、この算出した応力比ｒ_xのデータと、上記接地圧σ_zのデータ（接地圧波形のデータ）とを、送信手段１３を介して、路面摩擦状態推定装置２０に送信する。
路面摩擦状態推定装置２０では、上記応力比ｒ_xのデータと接地圧波形のデータとを受信手段２１で受信し、接地点検出手段２２にて、車輪速センサ１４から送られてきた車輪速データと上記接地圧波形のデータとから、踏込み位置、蹴出し位置、及び接地中心位置を決定する。そして、最大応力比抽出手段２３に入力された上記応力比ｒ_xのデータから、接地中心位置と路面蹴出し位置との間の領域における上記応力比ｒ_xの最大値ｒ_bを抽出した後、路面摩擦状態推定手段２５にて、上記抽出された最大値ｒ_bと上記記憶手段２４に記憶されたｒ−μマップ２４Ｍとに基づいて、路面摩擦係数μを推定する。これにより、タイヤと路面間の摩擦状態を精度よく推定することができる。

このように、本最良の形態１によれば、タイヤトレッド１５の幅方向中心に位置する陸部１５ｃ内に埋設した垂直応力検出手段１１ａ及び剪断応力検出手段１１ｂとにより、上記陸部１５ｃのトレッドゴムに作用する垂直応力σ_zとタイヤ進行方向の剪断応力τ_xとを検出し、応力比算出手段１２にて応力比ｒ_x＝（τ_x／σ_z）を算出し、この応力比ｒ_xのデータと上記垂直応力σ_zとを車体側の路面摩擦状態推定装置２０に送信し、路面摩擦状態推定装置２０にて、接地中心位置と路面蹴出し位置との間の領域における応力比ｒ_xの最大値ｒ_bを抽出し、この抽出された最大値ｒ_bと上記記憶手段２４に記憶されたｒ−μマップ２４Ｍとに基づいて、車両の走行している路面とタイヤとの間の路面摩擦係数μを推定するようにしたので、タイヤと路面との間の摩擦状態を精度よく推定することができる。
また、本例では、タイヤのトレッドゴムに作用する垂直応力σ_zとタイヤ進行方向の剪断応力τ_xとから路面摩擦係数μの値を推定するようにしているので、スリップ率が実質０の場合でも、路面摩擦係数μを推定することが可能であり、このため、制動開始前に適切な初期制動力を決定することができる。

なお、上記最良の形態１では、接地中心位置から路面蹴出し位置との間の領域における応力比ｒ_xの最大値ｒ_bを用いて路面摩擦係数μを推定したが、上記応力比ｒ_xの接地領域内の最大値ｒ_M、もしくは、路面踏込み点と接地中心点の間の領域の最大値ｒ_aを用いて、路面摩擦係数μを推定するようにしても、同様の効果を得ることができる。
また、上記最大値ｒ_aと上記最大値ｒ_bとの比Ｒも路面摩擦係数μの大きさに対応して変化するので、上記比Ｒ＝（ｒ_a/ｒ_b）もしくはＲ’＝（ｒ_b/ｒ_a）を算出し、この比ＲまたはＲ’に基づいて、路面摩擦係数μを推定するようにしてもよい。
また、上記例では、タイヤ進行方向の応力比ｒ_xを用いてタイヤ進行方向の路面摩擦係数を推定したが、タイヤ幅方向剪断力τ_yを計測して、タイヤ幅方向の応力比ｒ_yを求め、この応力比ｒ_yの最大値を用いてタイヤ幅方向の路面摩擦係数を推定することができる。あるいは、タイヤ進行方向剪断力τ_xとタイヤ幅方向剪断力τ_yとの合力τを算出し、この合力τと垂直応力σ_zとの比である応力比ｒ_totの最大値に基づいて路面摩擦係数を推定するようにしてもよい。
なお、上記応力比ｒ_yまたは応力比ｒ_totを用いる場合にも、上記応力比ｒ_yまたは応力比ｒ_totと路面摩擦係数との関係を示すマップを準備し、このマップに基づいて路面摩擦係数を推定することが好ましい。

また、上記例では、応力検出ユニット１１をタイヤトレッド１５の幅方向中心に位置する陸部１５ｃ内に埋設したが、応力検出ユニット１１の設置個所はこれに限るものではなく、タイヤトレッドゴム表面と最外ベルト層との間に設置すれば、接地荷重または接地圧だけでなく、タイヤトレッドゴムに作用する剪断応力を確実に検出できるので、路面摩擦係数μを精度よく推定することができる。なお、応力比算出手段１２については、送信手段１３と同様に、リム部１６のタイヤ気室１７側に設置してもよいし、車体側に設けられる路面摩擦状態推定装置２０に組込んでもよい。

また、上記例では路面摩擦係数μを推定したが、走行中の路面が低μ路であるか、あるいは高μ路であるかなど、路面状態を推定することも可能である。具体的には、路面状態を、例えば、低μ路、中μ路、高μ路の３つの路面状態に分けるとともに、上記ｒ-μマップに代えて、上記応力比ｒ_xの最大値ｒ_bと上記路面状態との関係を示すマップを予め求めておけば、計測された応力比ｒ_xから路面状態を精度よく推定することができる。
また、上記路面状態推定システムを、路面摩擦係数μあるいは路面状態を推定する構成ではなく、単に、路面が滑りやすい状態であるかどうかを判定する構成としてもよい。具体的には、上記路面状態判定手段２５に代えて、上記最大値ｒ_a、または上記最大値ｒ_bが所定の閾値Ｋを下回ったときに、路面が滑りやすい状態であると判定する。あるいは、複数の閾値Ｋ１，Ｋ２を設けて、Ｋ１≦ｒ_bならば高μ路面、Ｋ２＜ｒ_b＜Ｋ１ならば中μ路面、ｒ_b≦Ｋ２ならば低μ路面と判定する路面状態判定手段を設けて走行中の路面状態を判定する。このような構成では、マップが不要となるとともに、データとマップとを対応させる操作も不要なので、装置を簡素化できる。

最良の形態２.
上記最良の形態１では、応力比ｒ_x＝（τ_x／σ_z）を算出し、この応力比ｒ_xの接地中心位置から路面蹴出し点の間の領域の最大値ｒ_bを抽出し、上記抽出された最大値ｒ_bと、ｒ−μマップ２４Ｍとに基づいて、車両の走行している路面とタイヤとの間の路面摩擦係数μを推定するようにしたが、図５に示すように、路面μが高い場合には接地中心位置と路面蹴出し位置との間の領域にあった上記応力比ｒ_xが最大となる位置は、路面μが低い場合には路面踏込み位置と接地中心位置との間に移動するので、当該タイヤ１０が路面に踏込んだ時点から上記応力比ｒ_xが最大となるまでに要する時間Ｔ_a及び上記応力比ｒ_xが最大となった時点から当該タイヤが路面を蹴出すまでに要する時間Ｔ_bのいずれか一方または両方を用いて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定することも可能である。
具体的には、当該タイヤ１０が路面に踏込んだ時点から上記応力比ｒ_xが最大となるまでに要する時間Ｔ_aと上記応力比ｒ_xが最大となった時点から当該タイヤが路面を蹴出すまでに要する時間Ｔ_bとの比Ｑを算出し、上記算出された比Ｑに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する。これにより、路面摩擦係数μあるいは路面状態を精度よく推定することができる。このとき、上記最良の形態１と同様に、上記比Ｑと路面摩擦係数μまたは上記比Ｑと路面状態との関係を予め求めておき、これをマップとして記憶し、上記算出された比Ｑと上記マップとから、タイヤと路面との間の路面摩擦係数μまたは路面状態を推定するようにすれば、路面摩擦係数μあるいは路面状態を精度よく推定することができる。
あるいは、踏込みから蹴出しまでの所用時間よりも短い所要時間Ｔ_kを所用時間の閾値として設定し、上記所要時間Ｔ_aが上記閾値Ｔ_kよりも長い場合には走行中の路面が高μ路であると判定し、短い場合には低μ路であると判定するようにしてもよい。また、複数の閾値Ｔ₁，Ｔ₂を設けて、Ｔ₁≦Ｔ_aならば高μ路、Ｔ₂＜Ｔ_a＜Ｔ₁ならば中μ路、Ｔ_a≦Ｔ₂ならば低μ路であると判定するようにしてもよい。
また、上記閾値Ｔ_kと上記所要時間Ｔ_aとの差ΔＴと路面状態との関係を予め求めておき、これをマップとして記憶し、上記差ΔＴと上記マップとから、タイヤと路面との間の路面摩擦係数μを推定するようにすれば、路面摩擦係数μについても精度よく推定することができる。

図６は、車両を様々な路面で走行させてブレーキング試験を行い、ブレーキをかけてから車両が停止するまでの距離を測定して求めた路面間の摩擦係数(実測値)と、本発明による応力比ｒ_x＝（τ_x／σ_z）の接地中心位置と路面蹴出し位置との間の領域の最大値ｒ_bから推定した路面摩擦係数μ(推定値)との関係を示すグラフである。このグラフから明らかなように、実測値と推定値とは極めて高い相関を示す。これにより、タイヤトレッドゴムに作用する剪断力の接地荷重を計測して求められる応力比から、車両の走行している路面とタイヤとの間の路面摩擦係数μを精度よく推定できることが確認された。

以上説明したように、本発明によれば、タイヤと路面間の路面摩擦係数μあるいは路面摩擦状態を精度良く推定することができるので、上記推定された情報を用いれば、ドライバーへ注意を喚起したりできるとともに、ＡＢＳやＶＳＣ等の車両制御の精度を格段に向上させることができるので、車両の走行安全性を大幅に向上させることができる。

本発明の最良の形態に係わる路面摩擦状態推定システムの構成を示す機能ブロック図である。 本発明によるセンサ付きタイヤの概略構成を示す図である。 ＤＲＹアスファルト路走行時のトレッドゴムに作用するタイヤ進行方向の剪断応力と接地荷重との比（応力比）の時間波形の一例を示す図である。 ＩＣＥ路走行時のトレッドゴムに作用するタイヤ進行方向の剪断応力と接地荷重との比（応力比）の時間波形の一例を示す図である。 応力比の最大値の発現位置を示す図である。 ブレーキング試験にて計測した路面摩擦係数μと応力比の最大値から推定した路面摩擦係数μとの関係を示す図である。 従来の路面摩擦状態の推定方法を示す図である。 タイヤ接地面に作用する前後力Ｆｘ、横力Ｆｙ、及びその合力を示す図である。

符号の説明

１０ センサ付タイヤ、１１ 応力検出ユニット、１１ａ 垂直応力検出手段、
１１ｂ 剪断応力検出手段、１２ 応力比算出手段、１３ 送信手段、
１３ａ アンテ、１４ 車輪速センサ、１５ タイヤトレッド、１５ｃ 陸部、
１６ リム部、１７ タイヤ気室、２０ 路面摩擦状態推定装置、２１ 受信手段、
２１ａ アンテナ、２２ 接地点検出手段、２３ 最大応力比抽出手段、
２４ 記憶手段、２４Ｍ ｒ-μマップ、２５ 路面摩擦状態推定手段。

Claims (19)

1. タイヤのタイヤトレッドゴムに作用するタイヤ進行方向剪断力、タイヤ幅方向剪断力、及び、上記両剪断力の合力のいずれかを検出するステップと、
   上記タイヤトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を検出するステップと、
   上記接地荷重または接地圧に対する上記タイヤ進行方向剪断力の比、または上記接地荷重または接地圧に対するタイヤ幅方向剪断力の比、または上記接地荷重または接地圧に対する上記両剪断力の合力の比のいずれかである応力比ｒを算出するステップと、
   上記応力比ｒの、当該タイヤの路面踏込み点から路面蹴出し点までの間における最大値ｒ_Mまたは極大値を抽出するステップと、
   上記抽出された最大値ｒ _M または極大値を用いて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するステップとを有する路面摩擦状態推定方法。
2. 上記応力比ｒの、路面踏込み点から接地中心点までの間における最大値ｒ_aに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する請求項１に記載の路面摩擦状態推定方法。
3. 上記応力比ｒの、接地中心点から路面蹴出し点までの間における最大値ｒ_bに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する請求項１に記載の路面摩擦状態推定方法。
4. 上記応力比ｒの、路面踏込み点から接地中心点における最大値ｒ_aと接地中心点から路面蹴出し点までの間における最大値ｒ_bとの比Ｒを算出するとともに、上記算出された比Ｒに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する請求項１に記載の路面摩擦状態推定方法。
5. 上記最大値ｒ_a、または上記最大値ｒ_b、または上記比Ｒとタイヤと路面との間の摩擦状態との関係を予め求めておき、上記関係に基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する請求項２〜請求項４のいずれかに記載の路面摩擦状態推定方法。
6. 上記最大値ｒ_a、または上記最大値ｒ_bが所定の値を下回ったときに、路面が滑りやすい状態であると判断する請求項２または請求項３に記載の路面摩擦状態推定方法。
7. タイヤのタイヤトレッドゴムに作用するタイヤ進行方向剪断力、タイヤ幅方向剪断力、及び、上記両剪断力の合力のいずれかを検出するステップと、
   上記タイヤトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を検出するステップと、
   上記接地荷重または接地圧に対する上記タイヤ進行方向剪断力の比、または上記接地荷重または接地圧に対するタイヤ幅方向剪断力の比、または上記接地荷重または接地圧に対する上記両剪断力の合力の比のいずれかである応力比ｒを算出するステップと、
   当該タイヤが路面に踏込んだ時点から上記応力比ｒが最大となるまでに要する時間Ｔ_a及び上記応力比ｒが最大となった時点から当該タイヤが路面を蹴出すまでに要する時間Ｔ_bのいずれか一方または両方を算出するステップと、
   上記算出された時間Ｔ _a 及び時間Ｔ _b のいずれか一方または両方を用いて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定するステップとを有する路面摩擦状態推定方法。
8. 上記時間Ｔ_aまたは上記時間Ｔ_bと予め設定した所要時間Ｔ _kとを比較し、この比較結果に基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する請求項７に記載の路面摩擦状態推定方法。
9. 上記時間Ｔ_aと上記時間Ｔ_bの比Ｑを算出し、上記算出された比Ｑに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する請求項７に記載の路面摩擦状態推定方法。
10. 上記比Ｑと、タイヤと路面との間の摩擦状態との関係を予め求めておき、上記関係に基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する請求項９に記載の路面摩擦状態推定方法。
11. タイヤのタイヤトレッドゴムに作用するタイヤ進行方向剪断力、タイヤ幅方向剪断力、及び、上記両剪断力の合力のいずれかを検出する手段と、
    上記タイヤトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を検出する手段と、
    上記検出された接地荷重または接地圧に対する上記タイヤ進行方向剪断力の比、または上記検出された接地荷重または接地圧に対するタイヤ幅方向剪断力の比、または上記検出された接地荷重または接地圧に対する上記両剪断力の合力の比のいずれかである応力比ｒを算出する手段と、
    上記応力比ｒの最大値または極大値を検出する手段と、
    上記検出された上記応力比ｒの最大値または極大値に基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する路面摩擦状態推定手段とを備えた路面摩擦状態推定装置。
12. 当該タイヤの路面踏込み点と路面蹴出し点とを検出する手段と、上記検出された路面踏込み点と路面蹴出し点との中間点を接地中心点とし、路面踏込み点から上記接地中心点までの間における上記応力比ｒの最大値ｒ_aと上記接地中心点から路面蹴出し点までの間における上記応力比ｒの最大値ｒ_bのいずれか一方または両方を検出する手段とを備えた請求項１１に記載の路面摩擦状態推定装置。
13. 上記検出された最大値ｒ_ａと最大値ｒ_bとの比Ｒを算出する手段を備えた請求項１２に記載の路面摩擦状態推定装置。
14. 予め求めた、上記最大値ｒ_a、または上記最大値ｒ_b、または上記比Ｒとタイヤと路面との間の摩擦状態との関係を示すマップを備えるとともに、上記路面摩擦状態推定手段は、上記検出された最大値ｒ_ａ、または上記最大値ｒ_b、または上記算出された上記比Ｒと上記マップとに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する請求項１２または請求項１３に記載の路面摩擦状態推定装置。
15. 上記最大値ｒ_a、または上記最大値ｒ_bが所定の値を下回ったときに、路面が滑りやすい状態であると判定する判定手段を設けた請求項１２に記載の路面摩擦状態推定装置。
16. タイヤのタイヤトレッドゴムに作用するタイヤ進行方向剪断力、タイヤ幅方向剪断力、及び、上記両剪断力の合力のいずれかを検出する手段と、
    上記タイヤトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を検出する手段と、
    上記検出された接地荷重または接地圧に対する上記タイヤ進行方向剪断力の比、または上記検出された接地荷重または接地圧に対するタイヤ幅方向剪断力の比、または上記検出された接地荷重または接地圧に対する上記両剪断力の合力の比のいずれかである応力比ｒを算出する手段と、
    当該タイヤが路面に踏込んだ時点から上記応力比ｒが最大となるまでに要する時間Ｔ_a及び上記応力比ｒが最大となった時点から当該タイヤが路面を蹴出すまでに要する時間Ｔ_bのいずれか一方または両方を算出する手段と、
    上記算出された時間Ｔ_aまたは時間Ｔ_bまたは時間Ｔ_a及び時間Ｔ_bに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する路面摩擦状態推定手段とを備えた路面摩擦状態推定装置。
17. 上記時間Ｔ_aまたは上記時間Ｔ_bと予め設定した所要時間Ｔ_kとを比較する比較手段を設けるとともに、上記路面摩擦状態推定手段は、上記比較手段の比較結果に基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する請求項１６に記載の路面摩擦状態推定装置。
18. 上記時間Ｔ_aに対する上記時間Ｔ_bの比Ｑを算出する所要時間比算出手段を設けるとともに、上記路面摩擦状態推定手段は、上記所要時間比算出手段で算出された比Ｑに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する請求項１６に記載の路面摩擦状態推定装置。
19. 予め求めた、上記比Ｑとタイヤと路面との間の摩擦状態との関係を示すマップを備えるとともに、上記路面摩擦状態推定手段は、上記算出された比Ｑと上記マップとに基づいて、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する請求項１８に記載の路面摩擦状態推定装置。

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