JP6119330B6 - タイヤ装置 - Google Patents

Description

本発明は、タイヤに取り付けたセンサの検出値からタイヤの状態を推定する装置に関する。

従来、タイヤの状態を推定するタイヤ装置がある（たとえば特許文献１）。この特許文献１に開示の技術では、タイヤのトレッド（タイヤにおいて地面と接触する部分）の、タイヤ内部側に加速度センサを備えており、加速度センサの出力値からトレッド部分に生じる振動を検出する。そして、検出した振動レベルの時間変化から、タイヤと路面との摩擦係数を推定する。

また、一般的にタイヤ装置において、タイヤ内部には加速度センサなどのタイヤの状態を推定するためのセンサの他に、マイクロコンピュータや送信機を備え、センサで検出したデータを処理したり、タイヤ外部にデータを送信したりするようになっている。そこで、これらのマイクロコンピュータや送信機を駆動させるための電力が必要となる。タイヤ外部の電源（例えばカーバッテリー）からタイヤ内部の送信機などに電力を供給することは困難であるため、タイヤ内部には電池が備わっている。

特開２００５−３０６１６０号公報

しかしながら、従来の技術では、電池がタイヤ内部に必要であるため、その電池のサイズの分だけタイヤ内部の装置が大型化してしまうといった問題がある。

本発明は、以上の事情を鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、タイヤ内部に取り付ける装置をより小型化するタイヤ装置を提供することにある。

その目的を達成するための第１の発明は、タイヤのトレッドに生じる振動の時間変化に応じた電圧を出力する振動発電素子（１１）と、前記振動発電素子の出力電圧に対して信号処理を行う信号処理部（１４）と、前記信号処理部で信号処理されたデータを前記タイヤ外部に設けられた装置へ送信する送信機（１５）と、を前記タイヤ内部に備え、前記信号処理部および前記送信機は前記振動発電素子の発電した電力によって駆動するものであって、前記振動発電素子の出力電圧の時間変化から、前記トレッドにおいて前記振動発電素子が取り付けられている取付部分（６１）が路面と接触した時点を検出する接地時点検出部（１４１Ａ）と、前記振動発電素子の出力電圧の時間変化から、前記取付部分が路面から離れた時点である離地時点を検出する離地時点検出部（１４１Ｂ）と、前記接地時点検出部が検出した前記接地時点から前記離地時点検出部が検出した前記離地時点までの接地時間を計測する接地時間計測部（１４４）と、前記タイヤの回転速度を検出する車輪速検出部（２２）と、前記接地時間計測部が算出した前記接地時間と前記車輪速検出部が検出した前記タイヤの前記回転速度から、前記取付部分が路面に接触していた区間の長さである接地長を算出する接地長算出部（２３２Ａ）と、前記接地長算出部が算出した前記接地長から前記タイヤの空気圧を推定する空気圧推定部（２３２）と、前記車両の積載重量を検出する積載重量検出部（２４）と、を備え、前記空気圧推定部は、前記タイヤの空気圧に応じて予め設定された接地長である基準接地長を少なくとも１つ記憶しており、前記基準接地長と、前記接地長算出部で算出された接地長とを比較することで前記タイヤの空気圧を推定するとともに、前記積載重量検出部が検出した前記車両の積載重量が、予め設定された積載重量である基準積載重量よりも大きい場合は、前記基準接地長をより長くし、また、前記車両の積載重量が前記基準積載重量よりも小さい場合は、前記基準接地長をより短くするように補正することを特徴とする。
また、上記目的を達成するための第２の発明は、タイヤのトレッドに生じる振動の時間変化に応じた電圧を出力する振動発電素子（１１）と、前記振動発電素子の出力電圧に対して信号処理を行う信号処理部（１４）と、前記信号処理部で信号処理されたデータを前記タイヤ外部に設けられた装置へ送信する送信機（１５）と、を前記タイヤ内部に備え、前記信号処理部および前記送信機は前記振動発電素子の発電した電力によって駆動するものであって、前記振動発電素子の出力電圧の高周波成分を抽出する高周波成分抽出部（１４２）を備え、前記高周波成分抽出部が抽出した高周波成分の振幅の大きさから、前記路面と前記タイヤ間の摩擦係数を推定する摩擦係数推定部（２３１）を備えることを特徴とする。
さらに、上記目的を達成するための第３の発明は、タイヤのトレッドに生じる振動の時間変化に応じた電圧を出力する振動発電素子（１１）と、前記振動発電素子の出力電圧に対して信号処理を行う信号処理部（１４）と、前記信号処理部で信号処理されたデータを前記タイヤ外部に設けられた装置へ送信する送信機（１５）と、を前記タイヤ内部に備え、前記信号処理部および前記送信機は前記振動発電素子の発電した電力によって駆動するものであって、前記振動発電素子は、前記トレッドに対して固定されている固定基板（１１Ｅ）と、前記固定基板に対して対向して設置され、かつ、前記固定基板に対してタイヤ接線方向に可動する可動基板（１１Ｐ）と、を備えており、前記可動基板が前記固定基板に対する位置が変化することで発電する振動発電素子であって、前記可動基板の固有振動数が、前記トレッドにおいて前記振動発電素子が取り付けられている取付部分が変形する際に生じる振動の周波数帯に含まれる構造を備えることを特徴とする。
また、上記目的を達成するための第４の発明は、タイヤのトレッドに生じる振動の時間変化に応じた電圧を出力する振動発電素子（１１）と、前記振動発電素子の出力電圧に対して信号処理を行う信号処理部（１４）と、前記信号処理部で信号処理されたデータを前記タイヤ外部に設けられた装置へ送信する送信機（１５）と、を前記タイヤ内部に備え、前記信号処理部および前記送信機は前記振動発電素子の発電した電力によって駆動するものであって、前記振動発電素子は、前記トレッドに対して固定されている固定基板（１１Ｅ）と、前記固定基板に対して対向して設置され、かつ、前記固定基板に対してタイヤ接線方向に可動する可動基板（１１Ｐ）と、を備えており、前記可動基板が前記固定基板に対する位置が変化することで発電する振動発電素子であって、前記可動基板の固有振動数が、１〜２０Ｈｚで回転する前記タイヤの回転運動および路面の凹凸に起因して前記トレッドに生じる振動の周波数帯に含まれる構造を備えることを特徴とする。

以上の構成によれば、振動発電素子はトレッドに生じる振動によって発電し、この振動発電素子による電力によってタイヤ内部の信号処理部および送信機が駆動する。したがって、振動発電素子が、振動の時間変化に応じた信号を出力する役割と、タイヤ内部の信号処理部を駆動するための電力を供給する役割を兼ねる。このため、信号処理部および送信機を駆動させるための電池を別途タイヤ内部に設ける必要がなくなる。従って、タイヤ装置のうちタイヤ内部に取り付けられる部材を小型化することができる。

本実施形態に係るタイヤ装置１００の構成を説明するためのブロック図である。 本実施形態に係るタイヤ側装置１を備えるタイヤ６を横方向から見たときの径方向の断面図である。 振動発電素子１１の構成を説明するための模式図である。 振動発電素子１１が出力する電圧の時間変化を表す図である。 振動発電素子１１の他の構成の例を示す図である。 振動発電素子１１の他の構成の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図１〜６に基づいて説明する。図１は、本発明に係るタイヤ装置１００の構成を説明するためのブロック図である。図１に示すようにタイヤ装置１００は、タイヤ側装置１と、車両側装置２とを備えている。タイヤ側装置１は、振動発電素子１１、電力供給回路１２、信号処理部１４、および送信機１５を備えている。車両側装置２は、受信部２１、車輪速検出部２２、信号処理部２３、および積載重量検出部２４を備えている。

本実施形態におけるタイヤ装置１００の動作の概要は次の通りである。タイヤ６の内部に備えられているタイヤ側装置１は、タイヤ６のトレッド６０に生じる振動を検出し、その振動の振幅の時間変化から得られる種々のデータを車両側装置２に送信する。車両側装置２は、タイヤ側装置１より取得したデータと、車輪速などのデータとから、路面７−タイヤ６間の摩擦係数やタイヤ６の空気圧を算出する。算出された路面７−タイヤ６間の摩擦係数やタイヤ６の空気圧などのデータは、ＡＢＳ（Ａｎｔｉｌｏｃｋｅｄ Ｂｒａｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）など、種々の制御システムでの制御処理に利用される。以下で、これらの装置および機能について、より詳細に説明する。なお、このタイヤ装置１００を搭載している車両を、以降では自車とする。

まず、タイヤ側装置１は、自車が備えるタイヤ６のトレッド裏面（路面７と接触する面を表面とする）の、タイヤの幅方向（以下、タイヤ幅方向という）の中心近傍に配設される。タイヤ側装置１が備える振動発電素子１１は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、タイヤ６が回転する際にタイヤ側装置１が描く円軌道に接する方向（タイヤ接線方向：図２中の矢印Ｘの方向）の振動に対して発電するように配設される。この振動発電素子１１の構成を説明するためのタイヤ６の横方向から見た径方向の断面図を図３に示す。なお、本実施形態において振動発電素子１１は、静電誘導型の発電素子とするが、圧電素子や摩擦式、磁歪式、電磁誘導型の素子であっても良い。

振動発電素子１１は、エレクトレット電極Ｅ、エレクトレット電極基板１１Ｅ、対向電極Ｐ、対向電極基板１１Ｐ、を備えている。エレクトレット電極Ｅは、一定の電荷を半永久的に保持するものであり、ここでは負電荷を保持している。

エレクトレット電極基板１１Ｅの表面には、短冊状の複数のエレクトレット電極Ｅがタイヤ幅方向に延設されるとともに、各エレクトレット電極Ｅは、タイヤ接線方向に平行に配置されている。また、対向電極基板１１Ｐの表面には、短冊状の複数の対向電極Ｐがタイヤ幅方向に延設されるとともに、タイヤ接線方向に平行に配置されている。なお、対向電極Ｐおよびエレクトレット電極Ｅのタイヤ接線方向の幅は同一とする。もちろん、これらの電極の幅は、適宜設計されればよい。

エレクトレット電極基板１１Ｅおよび対向電極基板１１Ｐは、それぞれが備えるエレクトレット電極Ｅと対向電極Ｐとが対向するように配置される。また、エレクトレット電極基板１１Ｅは、タイヤ側装置１の筐体に対して動かないように固定されている。これに対し、対向電極基板１１Ｐは、図３に示すように、タイヤ接線方向の両端において所定のばね定数を有するばねＫ１によってタイヤ側装置１の筐体に取り付けられている。したがって、対向電極基板１１Ｐは、主としてタイヤ接線方向に対して平行に移動する。ばねＫ１のばね定数は、トレッド６０に生じる１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの周波数の振動に対して、感度良く対向電極基板１１Ｐが振動するように設定される。

エレクトレット電極Ｅには負電荷が蓄積されているため、エレクトレット電極Ｅと対向電極Ｐが対向している時には、静電誘導により対向電極Ｐに正電荷が誘導される。ここで、対向電極基板１１Ｐがエレクトレット電極基板１１Ｅに対して相対的にタイヤ接線方向に移動することにより、静電誘導により各対向電極Ｐに誘導される電荷量が変動する。その結果、電荷量の変化分だけ端子Ａ、Ｂ間に電位差が生じる。

自車Ａが走行する際には、タイヤの回転運動や路面の凹凸などの種々の要因によって、タイヤ６のトレッド６０に振動が生じる。トレッド６０に生じる振動が振動発電素子１１に伝わることで、対向電極基板１１Ｐはタイヤ接線方向に振動する。そして、この対向電極基板１１Ｐの振動に伴って、各対向電極Ｐに誘導される電荷量が変化し、端子Ａ、Ｂに交流電力が発生する。もちろん、この対向電極基板１１Ｐの振動の幅が大きいほど端子Ａ、Ｂに生じる交流電力の大きさは大きく、また、振動の周波数が高いほど交流電力の周波数も高くなる。すなわち、振動発電素子１１が出力する電圧は、トレッド６０に生じる振動と対応するものであって、振動発電素子１１の出力電圧の時間変化から、トレッド６０に生じている振動の時間変化を推定する事ができる。端子Ａ、Ｂは、それぞれ後述する電力供給回路１２や信号処理部１４に接続されている。

電力供給回路１２は、振動発電素子１１で発電された電力を、信号処理部１４および送信機１５に供給するための回路であり、整流部１２１および蓄電部１２２を備えている。整流部１２１は、振動発電素子１１より出力される交流電力を直流電力に変換するための公知の整流回路である。振動発電素子１１で発電された交流電力は、この整流部１２１で直流電力に変換され、蓄電部１２２に出力される。整流部１２１は、全波整流回路であっても半波整流回路であってもよい。

蓄電部１２２は、整流部１２１より入力される直流電力を蓄電するための回路であって、主としてコンデンサからなる。振動発電素子１１で発電された電力は、整流部１２１および蓄電部１２２を介して、タイヤ側装置１が備える信号処理部１４や送信機１５などに供給される。また、電力供給回路１２が蓄電部１２２を備えることによって、振動発電素子１１が余剰に発電している時にはその余剰分を蓄電しておき、発電量が不足している場合に、その不足分を補う事ができる。

信号処理部１４は、マイクロコンピュータを主として備え、いずれも周知のＣＰＵ、ＲＯＭ・ＲＡＭ・ＥＥＰＲＯＭ等のメモリ、Ｉ／Ｏ、及びこれらを接続するバスを備えている。信号処理部１４は、振動発電素子１１より逐次入力される電圧の時間変化から、路面７−タイヤ６間の摩擦係数や、タイヤ６の空気圧を推定するために必要なデータを抽出する処理を実施する。信号処理部１４はこれらの処理を実施するための機能として、路面接触区間検出部１４１、高周波成分抽出部１４２、および接地時間計測部１４４を備えている。なお、以降では、振動発電素子１１の出力電圧の時間変化のデータを、振動データとして取り扱う。

路面接触区間検出部１４１は、振動発電素子１１より取得する振動データから、タイヤ６が回転する際に、タイヤ側装置１が取り付けられているトレッド部分（以降、取付部分６１）が路面７に接地した時点、および取付部分６１が路面７から離れた時点を検出する。そして、取付部分６１が路面に接地してから路面から離れるまでを路面に接触している区間（路面接触区間）として検出する。ここで、トレッド６０における取付部分６１が路面７と接地した時点（接地時点）、および路面７から離れた時点（離地時点）は、次のようにして検出する。

車両走行時、振動発電素子１１の対向電極基板１１Ｐは、トレッド６０に生じる振動を受けて、タイヤ接線方向に振動している。そして、振動発電素子１１は、対向電極基板１１Ｐがタイヤ接線方向に振動する際の速度および周波数に応じた電圧を出力する。この振動発電素子１１の出力電圧の時間変化（すなわち振動データ）の概念図を図４に示す。図４中のＴ１は、タイヤ６が回転する際に、タイヤ側装置１が取り付けられている取付部分６１が路面７と接地した時点である。また、Ｔ２は、取付部分６１が路面７から離れた時点である。

Ｔ１、Ｔ２における振動発電素子１１の出力電圧が、その前後の出力電圧の振幅よりも大きくなるのは次の通りである。タイヤ６の回転に伴ってトレッド６０におけるタイヤ側装置１の取付部分６１が接地する際、それまで略円筒面であった取付部分６１近傍は、押圧されて平面状に変形する。Ｔ１における出力電圧がＴ１の直前の出力電圧よりも大きくなるのは、この押圧される際の衝撃を受けるためである。また、取付部分６１近傍が接地面から離れるときには、押圧が解放されて平面状から略円筒状に戻る。Ｔ２において出力電圧がＴ２の後の出力電圧よりも大きくなるのは、この押圧されている状態から開放されて元に戻る際の衝撃を受けるためである。なお、押圧される際の衝撃の方向と、押圧から開放される際の衝撃の方向は逆方向であるため、出力電圧の符号も逆方向となる。また、路面７から離れてから再び路面７と接地するまでの間（図４のＳ２）は、路面７の凹凸などによる路面鉛直方向の振動のうち、取付部分６１におけるタイヤ接線方向の振動成分を検出している。

以上のトレッド６０に生じる振動の時間変化を鑑みて、路面接触区間検出部１４１は、振動発電素子１１の出力電圧が、所定の閾値Ｔｈ以上となった場合に、取付部分６１が接地／離地したと判定する。閾値Ｔｈは、試験等によって適宜設定されればよく、たとえば車両走行時に出力される振幅の平均値の２倍の大きさに設定すれば良い。なお、この接地時点を検出する処理を実施する路面接触区間検出部１４１が、接地時時点検出部１４１Ａであり、離地時点を検出する処理を実施する路面接触区間検出部１４１が、接地時時点検出部１４１Ｂである。

高周波成分抽出部１４２は、振動発電素子１１の振動データにおいて、路面接触区間検出部１４１で検出された接地時点から離地時点に対応する部分の高周波成分（高周波振動データ）を抽出して、送信機１５に出力する。本実施形態では、この高周波成分抽出部１４２として、ウェーブレットフィルタを用いるものとするが、その他の公知のハイパスフィルタを用いてもよい。接地時間計測部１４４は、路面接触区間検出部１４１で検出された接地時点から離地時点までの時間を計測し、その接地時間（図４のＳ１）を送信機１５に出力する。

以上の信号処理部１４で生成された、接地時点から離地時点までの振動データの高周波成分、および接地時間Ｓ１などのデータ（検出データ）は、送信機１５を介して車両側装置２に送信される。送信機１５と車両側装置２が備える受信機２１との間の通信は、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの公知の近距離無線通信技術によって実施さればよい。なお、本実施形態において検出データを送信するタイミングは、タイヤ６の１回転当りにおける接地時間Ｓ１や高周波振動データを生成できたときとする。また、他の形態として、複数回転分のデータを蓄積した後に送信する構成としてもよい。その場合、送信機１５の稼働率を抑制することができるため、送信機１５で消費される電力を低減することができる。

車両側装置２は、タイヤ６外部の自車に備えられてあって、受信機２１、車輪速検出部２２、信号処理部２３、および積載重量検出部２４を備えている。受信機２１は、タイヤ側装置１が備える送信機１５より送信される検出データを受信するための装置である。受信機２１で受信した検出データは、受信するたびに信号処理部２３に逐次出力される。

車輪速検出部２２は、車輪の回転速度を検出する公知の車輪速センサであって、タイヤ６の回転速度を信号処理部２３に出力する。車輪速検出部２２としては、例えば、車軸とともに回転するロータの外周に形成された歯による磁束変化を、ピックアップコイルやホール素子を用いて検出するタイプのものを用いることができる。

積載重量検出部２４は、自車の積載重量を検出して信号処理部２３に出力する。積載重量検出部２４としては、たとえば特開２０１０−２４３３０５に開示されているように、車両のギヤやアクセル状態、エンジン回転数、加速度などから推定する構成とすればよい。また、その他の公知の積載重量センサを用いてもよい。

信号処理部２３は、マイクロコンピュータを主として構成され、いずれも周知のＣＰＵ、ＲＯＭ・ＲＡＭ・ＥＥＰＲＯＭ等のメモリ、Ｉ／Ｏ、及びこれらを接続するバスを備えている。信号処理部２３は、受信機２１より検出データが逐次入力されるとともに、車輪速取得手段２２よりタイヤ６の車輪速が逐次（たとえば１００ｍｓｅｃ毎に）入力される。そして、信号処理部２３は、各種データから路面７−タイヤ６間の摩擦係数や、タイヤ６の空気圧を推定する処理を実施する。これらの処理を実施するため、信号処理部２３は、摩擦係数算出部２３１と空気圧算出部２３２を機能として備えている。

摩擦係数推定部２３１は、高周波振動データにおける離地時点の振幅レベルと、所定の閾値（摩擦判定閾値）とを比較して、路面７−タイヤ６間の摩擦係数を推定する。これは、特許文献１に開示されているように、ドライアスファルト路面などの摩擦係数が高い路面と、摩擦係数が低い路面とでは、トレッド６０に生じる振動の波形が異なっており、特に、離地時点の高周波成分の振幅レベルの差異が著しい点に着眼して推定する。摩擦判定閾値は、取付部分６１が路面７に接地していない区間（図４のＳ２）の振幅レベルと、接地時点（Ｔ１）や離地時点（Ｔ２）での振幅レベルとが識別できるように、予め試験などによって定めておけばよい。

以上を鑑みて、摩擦係数推定部２３１は、高周波振動データにおける離地時点の振幅レベルと、試験などによって予め定められている摩擦判定閾値とを比較する。そして、離地時点の高周波振幅レベルが摩擦判定閾値よりも大きい場合は、路面７−タイヤ６間の摩擦係数が高いと判定する。また、高周波振動データにおける離地時点の振幅レベルが摩擦判定閾値よりも小さい場合は、路面７−タイヤ６間の摩擦係数が低いと判定する。なお、摩擦係数と離地時点での振幅レベルとの対応関係を示すテーブルを予め持ち、この対応関係から離地時点での振幅レベルに応じた摩擦係数を推定する構成としてもよい。

なお、トレッド６０に生じる振動は、路面７との摩擦係数に加えて、車輪速にも大きく影響される。たとえば、車輪速が大きいほど、取付部分６１の離地時に生じる振動の振幅は大きくなる。もちろん、車輪速の大きさの影響は、離地時だけではなく、接地時の振動振幅にも顕れる。したがって、摩擦係数推定部２３１で、高周波振動データにおける離地時点の振幅レベルを、車輪速検出部２２で取得される車輪速、および接地時の振幅レベルを用いて補正してもよい。その場合、車輪速が大きいほど離地時の振幅レベルを小さく補正することで、車輪速による摩擦係数への影響を低減する。また、予め接地時の振幅レベルの基準として基準接地時振幅レベルを設定しておき、実際に検出された接地時の振幅レベルを基準接地時振幅レベルとの乖離度に応じて、離地時の振幅レベルを補正すればよい。その補正された離地時点の高周波振幅レベルと摩擦判定閾値とから、摩擦係数を推定してもよい。摩擦係数推定部２３１で推定された摩擦係数は、ＡＢＳシステムなどの各種制御システムに出力される。

空気圧推定部２３２は、接地時間Ｓ１と車輪速から、タイヤ６の空気圧を推定する。まず、空気圧推定部２３２が備える接地長算出部２３２Ａは、車輪速から自車の走行速度を算出し、この走行速度と接地時間Ｓ１からタイヤ６が路面と接触している進行方向の長さ（接地長）を算出する。例えば、走行速度が６０ｋｍ／ｈで、接地時間Ｓ１が６０ｍｓｅｃの場合、接地長が１０ｃｍと求めることができる。

ここで、通常の空気圧時の接地長（基準接地長）を１０ｃｍとすると、タイヤ６の空気圧が低下している場合、接地長は１０ｃｍよりも長くなる。したがって、空気圧推定部２３２は、予め設定されている通常時の基準接地長と、検出された接地時間Ｓ１と車輪速から算出される接地長とを比較して、算出された接地長が基準接地長よりも長かった場合は、その差に応じて空気圧が低下していると推定する。また、算出された接地長が、基準接地長よりも短い場合は、その差に応じて空気圧が高い状態となっていると推定する。ここで、基準接地長は、予め試験などによって設定された値を用いればよく、もちろん上述した値に限定しない。

また、基準接地長を複数設定してもよい。たとえば、基準接地長として２種類設定し、これらを第１基準接地長（たとえば１２ｃｍ）、第２基準接地長（たとえば８ｃｍ：第２基準接地長＜第１基準接地長）とする。そして接地長が、第１基準接地長よりも長い場合は空気圧が通常よりも低下していると推定する。接地長が、第１基準接地長と第２基準接地長との間の値となっている場合は、正常な空気圧と推定する。また、接地長が、第２基準接地長よりも短い場合は空気圧が高すぎると推定する。また、接地長と空気圧との対応関係を示すテーブルを予め持ち、この対応関係から接地長に応じた空気圧を推定してもよい。

なお、接地長は、タイヤに係る荷重（車両に積載される荷物や乗員などの重さである積載重量や、車両自体の重量を含む）にも影響される。特に積載重量は、車両自体の重量とは異なり、走行毎に変動しやすいものである。従って、空気圧推定部２３２は、積載重量検出部２４から取得する車両の積載重量を用いて基準接地長を補正し、その補正された基準接地長を用いて空気圧を推定しても良い。たとえば、基準接地長を設定した時の積載重量（以下、基準積載重量）よりも現在の積載重量が大きい場合は、その差に応じて基準接地長が長くなるように補正すればよい。また、基準積載重量よりも現在の積載重量が小さい場合は、その差に応じて基準接地長が短くなるように補正すればよい。これによって、より精度良くタイヤ６の空気圧を推定することができる。基準積載重量は、人や荷物が何も載っていない状態（すなわち、車両自体の重量のみがタイヤにかかっている状態）を想定して設定としても良いし、１人の標準的な成人が乗車している状態を想定して設定してもよい。もちろん、タイヤに係る荷重を検出する荷重センサを別途取り付けて、その検出値を用いて接地長と空気圧の対応関係を補正してもよい。その場合も、荷重センサの検出値が大きいほど、基準接地長が長くなるように補正すれば良い。

以上の構成によれば、振動発電素子１１は、取付部分６１の振動によって対向電極Ｐがエレクトレット電極Ｅに対して相対的に振動することで、トレッド６０の振動を検出する。また、その発電した電力で信号処理部１４および送信機１５が作動する。このように振動を検出する素子が、タイヤ側装置１を駆動させるための電力を供給する役割を兼ねるため、タイヤ側装置１を駆動させるための電池を別途設ける必要がなくなる。従って、タイヤ側装置１（タイヤ装置１００のうちのタイヤ内部に取り付けられる部材）を小型化することができる。例えば、従来の構成においては、タイヤ側装置１において、タイヤ側装置を駆動するための電池が全体の半分程度のスペースを占めていた。すなわち、本実施形態のような構成にすることで、タイヤ側装置１は半分程度まで小型化することができる。

本実施形態では、タイヤ側装置１の信号処理部１４では、タイヤの状態を推定するために必要な情報を抽出する処理を実施し、車両側装置２の信号処理部２３にて、車輪速などのデータを用いて摩擦係数や空気圧を算出する処理を行うようにした。これによって、車両側装置２の信号処理部２３において複雑な処理をまとめて実施することができる。

たとえば四輪車であれば、車両が備えるそれぞれのタイヤの状態を検出する必要がある。各タイヤに備えられているタイヤ側装置１において、必要な情報を選択して車両側装置２へ送信することで、車両側装置２において各タイヤ側装置１から受信する検出データを効率的にまとめて処理することができる。すなわち、それぞれのタイヤ側装置１に、摩擦係数推定部２３１や空気圧推定部２３２の機能を実施させる手間を省略することができる。

なお、タイヤ側装置１の信号処理部１４が備える種々の機能（路面区間検出部１４１、接地時間計測部１４４、高周波成分抽出部１４２）を、車両側装置２の信号処理部２３に備えさせても良い。また、車両側装置２の信号処理部２３が備える種々の機能（摩擦係数推定部２３１や空気圧推定部２３２）を、タイヤ側装置１の信号処理部１４に備えさせてもよい。

本実施形態では、可動基板（本実施形態においては対向電極基板１１Ｐ）をばねＫ１で支持する構成を例示した。振動発電素子１１において、可動基板１１Ｐを単一のばねで支持する場合、振動発電素子１１は、そのばねのばね定数に応じた特定の周波数帯の振動に対して、感度良く振動を検出（および発電）する。発明者らは、種々の試験より、車両走行時にトレッド６０に生じる接地時および離地時以外の振動（すなわち、図４のＳ２区間の振動）の周波数は、およそ１０〜１００Ｈｚの範囲で存在することを把握した。したがって、ばねで支持された可動基板１１Ｐの固有振動数が１０〜１００Ｈｚの範囲に含まれるようにばね定数を設計することで、振動発電素子１１の発電効率を上げることができる。

ただし、上述した図４のＳ２区間に相当する振動の周波数は、タイヤの回転速度（１〜２０Ｈｚ）や、路面の形状（凹凸など）および状態（凍結の有無など）にも影響されるため、上述した以外の値（１００〜２００Ｈｚなど）であってもよい。たとえば、高速道路を主に走行する長距離トラックなどの車両と、砂利道などの整備されていない路面を主に走行する車両とでは、それぞれのタイヤのトレッドに生じる振動の周波数の分布も異なることが予想される。したがって、該タイヤ装置１００を備えた車両が日常的に走行する環境においてトレッド６０に生じる振動の周波数の範囲に、可動基板１１Ｐの固有振動数が含まれるように設計されればよい。

一方で、接地時点および離地時点やその近傍において、トレッドに生じる振動は１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲で存在することを発明者らは種々の試験より把握した。従って、これらの周波数帯の振動に対しても感度良く検出できる構成が好ましい。言い換えれば、これらの周波数帯の振動に対応する電圧を出力することで、タイヤの回転運動における取付部分６１の接地時点および離地時点を精度よく検出することができる。なお、この接地時点および離地時点の近傍においてトレッドに生じる振動は、前述したように、取付部分６１が押圧される際、またはその押圧から開放される際に、取付部分６１が変形することに起因する。

しかしながら、一例として上述したような、１０〜１００Ｈｚの範囲に可動基板１１Ｐの固有振動数が含まれる構成と、１００〜１０ｋＨｚの範囲に可動基板１１Ｐの固有振動数が含まれる構成を、単一のばねで支持することは困難である。そこで、例えば図５のＫＸに示すように、異なるばね定数を有する複数種類のばねを組み合わせて可動基板１１Ｐを支持することで、種々の周波数帯の振動に対して感度良く振動を検出し、かつ、効率良く発電する事ができるようになる。あるいは、図６のように固定基板（本実施形態ではエレクトレット電極基板１１Ｅ）に対して、可動基板１１Ｐをボールや振動検出方向に回転する円筒状の部材（Ｂ１）によって支持する構成としても良い。

１００…タイヤ装置、１…タイヤ側装置、
１１…振動発電素子（振動検出部）、１２…電力供給回路、１４…信号処理部、
２３…信号処理部

Claims (12)

1. タイヤのトレッドに生じる振動の時間変化に応じた電圧を出力する振動発電素子（１１）と、前記振動発電素子の出力電圧に対して信号処理を行う信号処理部（１４）と、前記信号処理部で信号処理されたデータを前記タイヤ外部に設けられた装置へ送信する送信機（１５）と、を前記タイヤ内部に備え、前記信号処理部および前記送信機は前記振動発電素子の発電した電力によって駆動するものであって、
   前記振動発電素子の出力電圧の時間変化から、前記トレッドにおいて前記振動発電素子が取り付けられている取付部分（６１）が路面と接触した時点を検出する接地時点検出部（１４１Ａ）と、
   前記振動発電素子の出力電圧の時間変化から、前記取付部分が路面から離れた時点である離地時点を検出する離地時点検出部（１４１Ｂ）と、
   前記接地時点検出部が検出した前記接地時点から前記離地時点検出部が検出した前記離地時点までの接地時間を計測する接地時間計測部（１４４）と、
   前記タイヤの回転速度を検出する車輪速検出部（２２）と、
   前記接地時間計測部が算出した前記接地時間と前記車輪速検出部が検出した前記タイヤの前記回転速度から、前記取付部分が路面に接触していた区間の長さである接地長を算出する接地長算出部（２３２Ａ）と、
   前記接地長算出部が算出した前記接地長から前記タイヤの空気圧を推定する空気圧推定部（２３２）と、
   前記車両の積載重量を検出する積載重量検出部（２４）と、を備え、
   前記空気圧推定部は、
   前記タイヤの空気圧に応じて予め設定された接地長である基準接地長を少なくとも１つ記憶しており、前記基準接地長と、前記接地長算出部で算出された接地長とを比較することで前記タイヤの空気圧を推定するとともに、
   前記積載重量検出部が検出した前記車両の積載重量が、予め設定された積載重量である基準積載重量よりも大きい場合は、前記基準接地長をより長くし、また、前記車両の積載重量が前記基準積載重量よりも小さい場合は、前記基準接地長をより短くするように補正することを特徴とするタイヤ装置。
2. 請求項１において、
   前記振動発電素子の出力電圧の高周波成分を抽出する高周波成分抽出部（１４２）を備え、前記高周波成分抽出部が抽出した高周波成分の振幅の大きさから、前記路面と前記タイヤ間の摩擦係数を推定する摩擦係数推定部（２３１）を備えることを特徴とするタイヤ装置。
3. タイヤのトレッドに生じる振動の時間変化に応じた電圧を出力する振動発電素子（１１）と、前記振動発電素子の出力電圧に対して信号処理を行う信号処理部（１４）と、前記信号処理部で信号処理されたデータを前記タイヤ外部に設けられた装置へ送信する送信機（１５）と、を前記タイヤ内部に備え、
   前記信号処理部および前記送信機は前記振動発電素子の発電した電力によって駆動するものであって、
   前記振動発電素子の出力電圧の高周波成分を抽出する高周波成分抽出部（１４２）を備え、前記高周波成分抽出部が抽出した高周波成分の振幅の大きさから、前記路面と前記タイヤ間の摩擦係数を推定する摩擦係数推定部（２３１）を備えることを特徴とするタイヤ装置。
4. 請求項１から３の何れか１項において、
   前記振動発電素子は、前記トレッドに対して固定されている固定基板（１１Ｅ）と、前記固定基板に対して対向して設置され、かつ、前記固定基板に対してタイヤ接線方向に可動する可動基板（１１Ｐ）と、を備えており、前記可動基板が前記固定基板に対する位置が変化することで発電する振動発電素子であって、
   前記可動基板の固有振動数が、前記トレッドにおいて前記振動発電素子が取り付けられている取付部分が変形する際に生じる振動の周波数帯に含まれる構造を備えることを特徴とするタイヤ装置。
5. タイヤのトレッドに生じる振動の時間変化に応じた電圧を出力する振動発電素子（１１）と、前記振動発電素子の出力電圧に対して信号処理を行う信号処理部（１４）と、前記信号処理部で信号処理されたデータを前記タイヤ外部に設けられた装置へ送信する送信機（１５）と、を前記タイヤ内部に備え、
   前記信号処理部および前記送信機は前記振動発電素子の発電した電力によって駆動するものであって、
   前記振動発電素子は、前記トレッドに対して固定されている固定基板（１１Ｅ）と、前記固定基板に対して対向して設置され、かつ、前記固定基板に対してタイヤ接線方向に可動する可動基板（１１Ｐ）と、を備えており、前記可動基板が前記固定基板に対する位置が変化することで発電する振動発電素子であって、
   前記可動基板の固有振動数が、前記トレッドにおいて前記振動発電素子が取り付けられている取付部分が変形する際に生じる振動の周波数帯に含まれる構造を備えることを特徴とするタイヤ装置。
6. 請求項１から５の何れか１項において、
   前記振動発電素子の出力電圧は、整流部（１２１）および蓄電部（１２２）を備える電力供給回路（１２）へと入力され、
   前記電力供給回路は、前記振動発電素子より入力された電力を、前記信号処理部（１４）および前記送信機（１５）に供給することを特徴とするタイヤ装置。
7. 請求項１から３の何れか１項において、
   前記振動発電素子は、前記トレッドに対して固定されている固定基板（１１Ｅ）と、前記固定基板に対して対向して設置され、かつ、前記固定基板に対してタイヤ接線方向に可動する可動基板（１１Ｐ）と、を備え、前記可動基板が前記固定基板に対する位置が変化することで発電する振動発電素子であって、
   前記可動基板の固有振動数が、１〜２０Ｈｚで回転する前記タイヤの回転運動および路面の凹凸に起因して前記トレッドに生じる振動の周波数帯に含まれる構造を備えることを特徴とするタイヤ装置。
8. タイヤのトレッドに生じる振動の時間変化に応じた電圧を出力する振動発電素子（１１）と、前記振動発電素子の出力電圧に対して信号処理を行う信号処理部（１４）と、前記信号処理部で信号処理されたデータを前記タイヤ外部に設けられた装置へ送信する送信機（１５）と、を前記タイヤ内部に備え、
   前記信号処理部および前記送信機は前記振動発電素子の発電した電力によって駆動するものであって、
   前記振動発電素子は、前記トレッドに対して固定されている固定基板（１１Ｅ）と、前記固定基板に対して対向して設置され、かつ、前記固定基板に対してタイヤ接線方向に可動する可動基板（１１Ｐ）と、を備えており、前記可動基板が前記固定基板に対する位置が変化することで発電する振動発電素子であって、
   前記可動基板の固有振動数が、１〜２０Ｈｚで回転する前記タイヤの回転運動および路面の凹凸に起因して前記トレッドに生じる振動の周波数帯に含まれる構造を備えることを特徴とするタイヤ装置。
9. 請求項７又は８において、
   前記振動発電素子は、前記可動基板の固有振動数が１〜２０Ｈｚで回転する前記タイヤの回転運動および路面の凹凸に起因して前記トレッドに生じる振動の周波数帯に含まれる構造と、前記可動基板の固有振動数が前記トレッドにおいて前記振動発電素子が取り付けられている取付部分が変形する際に生じる振動の周波数帯に含まれる構造と、を両立する構造を備えることを特徴とするタイヤ装置。
10. 請求項３から９の何れか１項において、
    前記振動発電素子の出力電圧の時間変化から、前記トレッドにおいて前記振動発電素子が取り付けられている取付部分（６１）が路面と接触した時点を検出する接地時点検出部
    （１４１Ａ）と、
    前記振動発電素子の出力電圧の時間変化から、前記取付部分が路面から離れた時点である離地時点を検出する離地時点検出部（１４１Ｂ）と、
    前記接地時点検出部が検出した前記接地時点から前記離地時点検出部が検出した前記離地時点までの接地時間を計測する接地時間計測部（１４４）と、
    前記タイヤの回転速度を検出する車輪速検出部（２２）と、
    前記接地時間計測部が算出した前記接地時間と前記車輪速検出部が検出した前記タイヤの前記回転速度から、前記取付部分が路面に接触していた区間の長さである接地長を算出する接地長算出部（２３２Ａ）と、
    前記接地長算出部が算出した前記接地長から前記タイヤの空気圧を推定する空気圧推定部（２３２）と、を備えることを特徴とするタイヤ装置。
11. 請求項１０において、
    前記空気圧推定部は、前記タイヤの空気圧に応じて予め設定された接地長である基準接地長を少なくとも１つ記憶しており、前記基準接地長と、前記接地長算出部で算出された接地長とを比較することで前記タイヤの空気圧を推定することを特徴とするタイヤ装置。
12. 請求項１１において、
    前記車両の積載重量を検出する積載重量検出部（２４）を備え、前記空気圧推定部は、前記積載重量検出部が検出した前記車両の積載重量が、予め設定された積載重量である基準積載重量よりも大きい場合は、前記基準接地長をより長くし、また、前記車両の積載重量が前記基準積載重量よりも小さい場合は、前記基準接地長をより短くするように補正することを特徴とするタイヤ装置。

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