JP6425883B2 - 自動車用タイヤの空気圧低下検知装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動車のタイヤの空気圧状態を走行中に検知し、安全性に関する警告やタイヤの空気圧状態を知らせる自動車用タイヤの空気圧低下検知装置に関する。

特許文献１には、車両の各輪に装着されたタイヤの車輪速度を相対比較することにより、当該タイヤの内圧低下を検出する方法が提示されている。
特許文献２には、車輪速センサの出力を周波数解析し、高周波成分から車速成分を取り除いた接地長を算出することで、タイヤ状態を判定する方法が提示されている。
特許文献３には、タイヤの空気圧評価値となる共振周波数を求めるときに、車輪速度、外気温度、路面の種類ごとに区分けして記憶しておき、以前と同様の条件で求めた共振周波数と比較することで、タイヤの空気圧低下を判定する方法が提示されている。
特許文献４には、自動車の車輪用軸受に回転検出装置を取り付け、信号を逓倍する機能を設けた高分解能回転検出装置が提示されている。
特許文献５には、自動車の車輪用軸受に回転検出装置を取り付けた、絶対角検出を可能とした回転検出装置が提示されている。
特許文献６には、タイヤの回転センサ信号からスリップ率等を推定する方法が提示されており、数回転にわたるタイヤの回転信号から回転同期成分を平均化して検出する方法も提示されている。

特開２０１１−１５６９２４号公報 特開２０１１−１６２１３８号公報 特開２００５−０１４６６４号公報 特開２０１１−００２３５７号公報 特開２００８−２３２４２６号公報 特開２００６−１２６１６４号公報

タイヤの空気圧が低下した状態で走行すると、燃費の悪化、偏摩耗によるタイヤの低寿命化、発熱による損傷、操舵安定性の低下、ハイドロプレーニング現象が発生しやすくなるなど、様々な悪影響が生じる。
これを予防するためには、定期的にタイヤの空気圧を点検し、適正な空気圧を維持することが推奨されている。しかしながら、タイヤの空気圧を点検する場合、一般ユーザがエアゲージを所有していない場合や目視による点検では適正な空気圧かどうか判断が難しいため、適正ではない空気圧で走行し、交通事故に繋がる恐れもある。
ＴＰＭＳ（Tire Pressure Monitoring System；タイヤ空気圧モニタリングシステム）で空気圧をモニタリングすることは可能であるが、タイヤ交換した場合には無線通信ＩＤの再登録作業が必要となり、正しく登録しないと空気圧のモニタリングに問題が発生する。また、無線回路のために電源が必要である。
このため、車体側に設けたセンサで、タイヤ交換時にも使用でき、それほど大きなコストが増加することなしにＴＰＭＳに冗長性を持たせて、タイヤの空気圧状態を検出することが望まれている。特に、給油を必要としない電動車両などでは、サービスマンによるタイヤの状況確認機会も少なくなることから、タイヤの空気圧状態を検知して運転者に注意を促すことが望まれる。

この発明の目的は、タイヤの空気圧状態を、走行中の車輪の回転センサの信号から検出することができて、回転側部材に特殊なセンサを設ける必要がなく、大幅にコストアップすることなく、車両に実装することができる自動車用タイヤの空気圧低下検知装置を提供することである。

この発明の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置は、車輪速を検出する回転センサ２と、この回転センサ２の検出した回転信号から回転に同期した回転速度の変動を抽出し、この抽出した回転速度の変動から回転に同期した回転速度変動パターンを抽出する信号処理ユニット３と、基準となる回転速度変動パターンと前記抽出された回転速度変動パターンとの相互相関パターンに基づいて、あるいは、基準となる回転速度変動パターンの自己相関パターンと前記抽出された回転速度変動パターンの自己相関パターンとの比較に基づいてタイヤ１ａの空気圧状態を推定し空気圧情報を出力する空気圧状態判断ユニット４、とを備え、
前記信号処理ユニット３は、初期状態の空気圧が正常な状態の回転速度変動パターンを前記基準となる回転速度変動パターンとして記憶する基準速度パターン記憶部７を有していて、この基準速度パターン記憶部７は、前記基準となる回転速度変動パターンを更新する機能を有しており、前記信号処理ユニット３は前記回転センサ２の検出した回転信号につき、この回転センサ２の回転信号に重畳する製造上のばらつき程度の微小な誤差成分を補正する誤差補正部を有し、前記回転に同期した回転速度の変動の抽出は、前記誤差成分が補正された回転信号から行う。

この構成によると、前記回転センサ２は、例えば車輪用軸受３０またはドライブシャフト等に設置され、車輪１の回転を検出する。タイヤ１ａの空気圧が変化すると、路面との接地面の形状や面積、タイヤが路面を踏み込む位置が変化するため回転速度変動のパターンが変化する。前記信号処理ユニット３では、回転センサ２から入力された回転信号を用いて走行中に、上記のように変化するタイヤ１ａの回転に同期した回転速度変動パターンを抽出する。
空気圧状態判断ユニット４は、このように抽出した回転速度変動パターンの、基準となる回転速度変動パターンとの相互相関パターンを求め、この相互相関パターンに基づいて、あるいは、基準となる回転速度変動パターンの自己相関パターンと前記抽出された回転速度変動パターンの自己相関パターンとの比較に基づいてタイヤ１ａの空気圧状態を推定し空気圧情報を出力する。タイヤ１ａの空気圧状態を、回転センサ２から取得した信号を用いて走行中に検出することができるため、特殊なセンサを設ける必要がない。そのため、大幅にコストアップすることなく、車両に実装することができる。
このように、タイヤ１ａの空気圧状態を、走行中の車輪の回転センサ２の信号から検出することができて、回転側部材に特殊なセンサを設ける必要がなく、大幅にコストアップすることなく、車両に実装することができる。

なお、前記信号処理ユニット３による信号処理においては、ノイズ成分やセンサ誤差成分を抑制するために、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）やハイパスフィルタ（ＨＰＦ）によりフィルタ処理し、回転速度データである回転信号からタイヤ１ａのトレッドパターンに起因する成分を抽出するようにしても良い。

この発明において、空気圧状態判断ユニットは、得られた前記相互相関パターンのピーク値に基づいてタイヤの空気圧状態を推定する構成としても良い。

この発明において、空気圧状態判断ユニット４は、得られた前記相互相関パターンの位相Δφに基づいてタイヤ１ａの空気圧状態を推定する構成としても良い。
空気圧の違いによって、相互相関パターンが変化し、そのピーク値やピーク位置の位相Δφも変化する。前記ピーク値、または前記相互相関パターンの位相Δφに基づくと、タイヤ１ａの空気圧状態の推定が容易に行える。

この発明において、前記信号処理ユニット３は、前記回転に同期した回転速度変動パターンを抽出するにつき、前記回転センサ２の複数回転にわたる回転信号を、回転に同期させた平均化処理または積算処理によって抽出を行う構成としても良い。
１回転の回転信号のデータでは、路面の凹凸などによる影響が現れるが、ある程度の回転回数にわたる期間の回転信号を収集し、平均化または積算処理して特定の回転速度変動パターンを抽出することで、路面の凹凸などによる影響が排除される。
また、回転同期成分を積算もしくは平均化して抽出することにより、ごくわずかな回転変動パターンを検出できるため、タイヤ１ａの空気圧の情報を精度よく検知して通知できる。

この発明において、前記信号処理ユニット３は、前記回転に同期した回転速度変動パターンの抽出の処理を、一つ以上設定された走行速度範囲にある状態のときに選択的に行うようにしても良い。
回転速度変動の発生状況はタイヤ１ａの状態に応じて変化するため、走行速度によって影響を受ける。すなわち、回転速度変動成分はタイヤ１ａの伝達特性により周波数特性を示し、走行速度によってその位相や振幅が変化する。そのため、回転速度変動パターンを抽出する際には、回転速度が特定の範囲にある状態の信号を用いて処理するのが望ましい。

この発明において、前記信号処理ユニットは、前記抽出の処理を複数の走行速度範囲について行い、前記空気圧状態判断ユニットは、それぞれの速度範囲のデータについてそれぞれ空気圧状態の推定処理を行い、これら複数の推定処理の結果からタイヤの空気圧を、正常、空気圧低下、異常の３段階で示すようにしても良い。
複数の速度領域で回転速度変動パターンを検出することにより、一つに限定された速度範囲のデータだけを抽出して判別する場合と比較して、より多くの走行データに基づいて総合的な判断が可能になるため、タイヤ１ａの空気圧を推定する精度が向上する。また、タイヤの空気圧を、正常、空気圧低下、異常の３段階で示すことで、多数の段階で示すよりも、運転者が知りたい空気圧の必要かつ十分な情報を分かり易く示すことができる。

この発明において、前記回転センサ２は、磁気センサ２ｂとこの磁気センサ２ｂで検出される被検出極を有する磁気エンコーダ２ａまたはパルサギヤとで構成され、回転による磁気強度の変動をアナログ信号で出力する構成としても良い。
回転に伴って出力されるアナログ信号を分析すれば、信号に含まれている波形の歪みなどから回転速度の変動を抽出できるため、パルス出力の場合と同様の処理が可能である。また、磁気センサ２ｂは、光学式のセンサに比べて温度変化や汚れに対して強く、汚れ易い環境下に設置される回転センサ２として、磁気センサが好ましい。

この発明において、前記回転センサ２は、磁気センサ２ｂとこの磁気センサ２ｂで検出される被検出極を有する磁気エンコーダ２ａまたはパルサギヤと、前記磁気センサ２ｂの検出信号を逓倍する回転パルスを出力する逓倍回路２ｃａを備える構成であっても良い。
検出対象とする特定の回転速度変動パターンを精度よく検出するためには、車輪１に対して搭載される回転センサ２には十分な検出精度と、十分な空間分解能を備えたものを使用することが望まれる。上記のように磁気エンコーダ２ａまたパルサギヤと磁気センサ２ｂを組み合わせ、検出した磁界信号を逓倍して分解能を高めた回転センサ２は、温度変化や汚れなどの劣悪な環境に強く、かつ、例えば１回転あたり１００パルス以上の回転分解能を有するため、本用途に適している。
高分解能な回転センサ２と組み合わせることで、低速走行状態における回転変動成分を、高い分解能で検出できるため、タイヤ１ａの空気圧変化の検出精度が高くなる。

この発明において、前記空気圧状態判断ユニット４が推定したタイヤの空気圧状態情報に基づいて、運転者への報知または車両の制御状態の変更を行う空気圧推定結果利用手段１７を設けても良い。
タイヤ空気圧推定結果利用手段１７は、例えば、空気圧状態判断ユニットト４に対して上位となる車両のコンピュータ１６に設ける。タイヤ空気圧推定結果利用手段１７は、具体的には、次のいずれかの機能を持つものとされる。

前記空気圧推定結果利用手段１７は、前記空気圧状態判断ユニット４が推定したタイヤ１ａの空気圧状態情報に基づいて、運転席に設けられた報知手段１９に報知させる構成としても良い。前記報知手段１９は、例えば運転席のコンソールに設けられた液晶表示装置等の画像表示装置１９ｂや警告ランプ等の表示ランプ１９ａである。空気圧状態に応じて警告ランプの点灯等を行い、運転者に空気圧の確認や調整，点検を促す。

前記空気圧推定結果利用手段１７は、前記空気圧状態判断ユニット４が推定したタイヤ１ａの空気圧状態情報に基づいて、車両制御ＥＣＵ２２等の車両制御コンピュータの制御パラメータを変更し、タイヤの能力に応じた定められた安全制御を行わせる構成としても良い。
例えば、検出されたタイヤ１ａの空気圧状態情報に応じて、車両姿勢制御などの安全制御システム２２ａのパラメータを変更し、タイヤ１ａの能力を考慮して安全制御システム２２ａを調整してもよい。このように、タイヤ１ａの能力を考慮した車両制御が可能になるため、走行条件に応じて適切な運転補助や安全制御を施し、交通事故を防止することができる。

この発明において、前記空気圧推定結果利用手段１７は、前記空気圧状態判断ユニット４が推定したタイヤの空気圧状態情報と、天候情報入手手段２５から得た走行時の天候に基づいて、定められた天候時に警告を出す構成としても良い。
検出されているタイヤ１ａの空気圧状態に応じて、晴天時には警告は出さないが、スリップ等が発生し易い雨天時の走行中には警告を出すようにするなど、危険が高いと判断される場合の注意を促すこともできる。

この発明において、前記空気圧推定結果利用手段１７は、前記空気圧状態判断ユニット４が推定した空気圧状態に基づいて、定められた時間内に所定以上の空気圧の低下が確認されたとき、車両に搭載されたコンピュータ１６が通信回線１８を通じてタイヤの空気圧情報を、車両の点検またはタイヤの交換が可能な定められた営業所へ発信する機能を有する構成としても良い。
定められた時間内に所定以上の空気圧の低下が確認されたときは、タイヤ１ａにパンク等の異常が発生している。この場合は、例えば、警告ランプとなる表示ランプ１９ａなどの表示による報知と同時に、車両の通信回線１８を通じて情報が発信され、必要に応じて車両販売店やサービス店などの営業所２０を通じた点検・交換の促進が行われるようにする。これにより、営業所２０におけるタイヤ１ａの在庫確認等を早期に行い、迅速かつ適切な点検，交換が期待できる。

この発明の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置は、車輪速を検出する回転センサと、この回転センサの検出した回転信号から回転に同期した回転速度の変動を抽出し、この抽出した回転速度の変動から回転に同期した回転速度変動パターンを抽出する信号処理ユニットと、基準となる回転速度変動パターンと前記抽出された回転速度変動パターンとの相互相関パターンに基づいてタイヤの空気圧状態を推定し空気圧情報を出力する空気圧状態判断ユニット、とを備え、前記信号処理ユニットは、初期状態の空気圧が正常な状態の回転速度変動パターンを前記基準となる回転速度変動パターンとして記憶する基準速度パターン記憶部を有していて、この基準速度パターン記憶部は、前記基準となる回転速度変動パターンを更新する機能を有しており、前記信号処理ユニットは前記回転センサの検出した回転信号につき、この回転センサの回転信号に重畳する製造上のばらつき程度の微小な誤差成分を補正する誤差補正部を有し、前記回転に同期した回転速度の変動の抽出は、前記誤差成分が補正された回転信号から行うため、タイヤの空気圧状態を、走行中の車輪の回転センサの信号から検出することができて、回転側部材に特殊なセンサを設ける必要がなく、大幅にコストアップすることなく、車両に実装することができる。

この発明の一実施形態に係る自動車用タイヤの空気圧低下検知装置の概念構成を示すブロック図である。 同空気圧低下検知装置の信号処理ユニットの概念構成を示すブロック図である。 同空気圧低下検知装置の空気圧状態判断ユニットの概念構成を示すブロック図である。 同空気圧低下検知装置の利用形態を示すブロック図である。 複数回転にわたる回転に同期した回転速度変動パターンの作成方法の一例を示す概念図である。 複数回転にわたる回転に同期した回転速度変動パターンの作成方法の一例を波形により示す説明図である。 同空気圧低下検知装置による空気圧低下の検出方法を示す概念図である。 同空気圧低下検知装置における自己相関パターンと相互相関パターンによる空気圧低下の検知方法を示す説明図である。 タイヤの空気圧の違いによる回転速度変動パターンの違いを示すグラフである。 空気圧の違いによる相互相関パターンの違いを示すグラフである。 試験データから作成した空気圧の違いによる相関値ＣＶと位相差Δφの変化の模式図である。 回転変動の速度依存性を示すグラフである。 同空気圧低下検知装置で用いる回転センサを装備した車輪用軸受の一例の断面図である。 同車輪用軸受をインボードから見た図である。 同空気圧低下検知装置で用いる回転センサを装備した車輪用軸受の他の例の断面図である。 同車輪用軸受をインボードから見た図である。 同空気圧低下検知装置で用いる回転センサを装備した車輪用軸受のさらに他の例の断面図である。 同車輪用軸受をインボードから見た図である。 同タイヤの空気圧低下検知装置が用いる回転センサの一例を示す断面図および斜視図である。 同タイヤの空気圧低下検知装置が用いる回転センサの他の例を示す断面図および斜視図である。 回転センサにおける逓倍回路の一例を示すブロック図である。 同逓倍回路を用いる磁気センサの説明図である。 同回転センサとして用いる絶対角回転センサの例を示す構成説明図である。 同回転センサの磁極配列および検出信号の説明図である。 同回転センサの磁極配列および検出信号の処理例の説明図である。

この発明の一実施形態を図面と共に説明する。図１に示すように、この自動車用タイヤの空気圧低下検知装置は、空気圧低下検出の対象となるタイヤ１ａを有する車輪１の回転速度を検出する回転センサ２を、車輪用軸受もしくはドライブシャフト外輪等に設置し、出力される回転信号を処理するための信号処理ユニット３を設ける。この信号処理ユニット３の出力を用いてタイヤ１ａの空気圧状態を推定する空気圧状態判断ユニット４を設ける。

信号処理ユニット３は、回転センサ３が検出した回転信号から回転に同期した回転速度の変動を抽出し、この抽出した回転速度の変動から回転に同期した回転速度変動パターンを抽出する手段である。タイヤ１ａの空気圧が変わると、路面との接地面の形状や面積、タイヤ１ａが路面を踏み込む位置が変化するため、回転速度変動パターンが変化する。これを空気圧状態判断ユニット４で検出しタイヤ１ａの空気圧状態に関する情報を出力する。これら信号処理ユニット３と空気圧状態判断ユニット４とで、空気圧低下検知装置本体５が構成される。空気圧低下検知装置本体５は、独立したＥＣＵとしても良く、また車両全体の制御を行うＥＣＵの一部として設けても良い。図１３〜図１８に回転センサ付きの車輪用軸受を例示するが、これについては後に説明する。

図２に信号処理ユニット３の概念構成を示す。信号処理ユニット３では、回転センサ２が検出した回転信号を用いて走行中の車輪１の回転速度を回転速度判別部５ａで測定し、車輪１の回転に同期した回転速度の変動、つまり１回転毎の回転速度変動パターンを、回転変動パターン抽出部６で抽出する。
ここで、回転センサ２に用いられる磁気エンコーダなどの検出ターゲットには、製造上のばらつきなどによるピッチ誤差が含まれている。そのため、初期状態の正常な状態の回転速度変動パターンを基準となる回転速度変動パターンとして、基準速度パターン記憶部７に記憶しておき、回転センサ２の回転信号に重畳する微小な誤差成分を、誤差補正部８で補正する構成としている。

回転変動パターン抽出部６による信号処理においては、ノイズ成分やセンサ誤差成分を抑制するために、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）やハイパスフィルタ（ＨＰＦ）（いずれも図示せず）によってフィルタ処理し、回転信号からタイヤ１ａの形状やトレッドパターンに起因する成分を抽出する。また、路面の凹凸による影響を排除するために、ある程度の回転回数にわたる期間の回転信号を収集し、平均化処理または積算処理して、特定の回転速度変動パターンを抽出する。例えば、数回転にわたる車輪１の回転信号から回転同期成分を平均化して検出する。抽出処理に平均化処理または積算処理を適用することで、効果的に車輪１の回転に同期しないランダムな回転変動の影響が、効果的に排除される。

回転変動パターンの抽出につき説明する。
回転速度変動の発生状況はタイヤ１ａの状態に応じて変化するため、走行速度によって影響を受ける。すなわち、回転速度変動成分はタイヤ１ａの伝達特性により周波数特性を示し、走行速度によってその位相や振幅が変化する。そのため、回転速度変動パターンを抽出する際には、回転速度が特定の範囲にある状態の信号を用いて処理するのが望ましく、信号処理ユニット３には回転速度判別部５ａを設けることによって、回転速度の判別機能を備えておく。

より好ましくは、回転速度判別部５ａによる回転速度判別処理では複数の回転速度領域を分類するのが望ましい。すなわち、それぞれの回転速度領域に対して回転速度変動パターンを抽出し、それぞれの領域でタイヤ１ａの空気圧状態を判別し、その結果から総合判断するように構成する。複数の速度領域で回転速度変動パターンを検出することにより、一つに限定された速度範囲のデータだけを抽出して判別する場合と比較して、より多くの走行データに基づいて総合的な判断が可能になるため、タイヤ１ａの空気圧の状態を検出する精度が向上する。

上記平均化処理の具体例を図５，図６と共に説明する。この例は、回転センサ２が、図１７に示すように、磁気エンコーダ２ａと磁気センサ２ｂとで構成され、磁気エンコーダ２ａが、被検出部であるＮ，Ｓの磁極２ａａを交互に有するセンサである場合に適用される。磁気エンコーダ２ａの代わりにパルサギヤ（図示せず）を用いた場合も、磁気エンコーダ２ａの場合と同様に適用される。回転センサ２については、後に具体的に説明する。

図５において、回転センサ２の出力を、タイヤ１回転を周期として、タイヤ複数回転分の、被検出部（磁極２ａａまたは検出歯車の個々の歯）の通過速度または通過所要時間を回転変動パターン抽出部６の平均化部６ａで平均して、タイヤ特性となる回転速度変動パターンを抽出部６ｂで得る。単純平均をとるだけでなく、過去の値よりも直前の値に重きを置いた加重平均をとれば、常に最新のタイヤの特性を得ることができ、タイヤ特性の経時変化に追従することができる。

例えば、図６（Ａ）に示すように、回転センサ２の出力が与えられた場合に、複数回転分の被検出部（磁極２ａａまたは検出歯車の個々の歯）の通過速度または通過所要時間の値を平均すると、図６（Ｂ）に示すタイヤ特性である回転速度変動パターンが得られる。なお、図６において縦軸は個々の被検出部の通過速度または通過所要時間、横軸は時刻（個々の被検出部に対応）である。

空気圧状態判断ユニット４〈図３〉による空気圧低下の検出方法の例を説明する。
図７に示すように、空気圧状態判断ユニット４では、正常な状態（初期状態）の回転速度変動パターン（Pref）を基準パターンとして基準パターン記憶部１３に登録しておき、検出された回転速度変動パターン（Pobs）との比較や、検出された回転速度変動パターン（Pref）の自己相関パターン（Pcorr1）と、検出された回転速度変動パターン（Pobs）と基準の回転速度変動パターン（Pref））（以下、単に「基準パターン」と称する場合がある）の相互相関パターン（Pcorr2）との比較から空気圧低下を判断する。

この方法で検出する具体例を説明する。
回転センサ２に基準を設けて、回転位相を合わせた状態で走行中の回転速度変動パターンと基準速度パターンとの相関値や相互相関パターンを検出しても良い。
回転位相の判別を容易にするために、Ｚ相信号（零相信号）を備えた回転センサ２を使用してもよいし、レゾルバやその他の絶対角センサを使用してもよい。

基準パターン（Pref）と検出した回転速度変動パターン（Pobs）との相関値ＣＶが、適宜に設定したしきい値より小さい場合、空気圧が低下していると判断してもよい。このとき、相関値ＣＶと設定したしきい値との差の大きさに応じて空気圧低下度合が推測される。

また、前記自己相関パターン（Pcorr1）のピーク位置と前記相互相関パターン（Pcorr2）のピーク位置との間の位相差Δφの値が設定したしきい値よりも大きい場合に、空気圧が低下していると判断しても良い。このとき、位相差Δφの値の大きさに応じて空気圧低下度合が推測される。
さらには、基準パターンの自己相関パターン（Pcorr1）と検出した回転速度変動パターンの自己相関パターン（Pcorr3）との相関値が設定したしきい値よりも小さい場合に、空気圧が低下していると判断してもよい。

基準パターンに空気圧が正常なときの回転変動パターンを記憶しておいても良く、その場合、回転センサ２の固有の誤差パターンやタイヤ１ａのアンバランスなどの情報も含めた基準状態からの変化分を検出することができ、より検出感度を高めることができる。ただし、タイヤ１ａやホイールを交換した時などは基準パターンが変化するため、基準パターンを更新する。
なお、パンクして空気圧が極度に低下した場合には、初期に記憶しておいた基準パターンとは全く異なった回転速度変動パターンが抽出されるため、上記の構成による空気圧低下の検知に相当しない条件となる。この状態は、タイヤ種別が違うと判定される状態であるため、走行中に急に状態が変化した場合にはパンクが疑われ、そうでなければ、パンクあるいはタイヤ交換が実施された、等の可能性が提示される。そのため、上位のECU等で判断が必要あり、この実施形態では、後に図４と共に説明する空気圧推定結果利用手段１７で判断及び処理を行う。

検出対象とする特定の回転速度変動パターンを精度よく検出するために、車輪１ａに搭載される回転センサ２には十分な検出精度と、十分な空間分解能を備えたものとするのが望ましい。たとえば、少なくとも０．５％の回転速度変動を検出できる精度を備え、１回転あたりのパルス数を４０以上とする。より高い次数の回転変動成分を含む低速回転時に十分なデータを取得するためには、回転センサ２の分解能をさらに高いものにするのが望ましい。タイヤ１ａのブロックサイズなどの構造を考慮すると、接地長２０mm程度の分解能を確保できるように、回転センサ２の１回転あたりの出力パルス数を最低１００以上にするのが望ましい。

なお、回転センサ２の出力はパルス出力である必要はなくアナログ信号であっても良い。回転に伴って出力されるアナログ信号を分析すれば、信号に含まれている波形の歪みなどから回転速度の変動を抽出できるため、パルス出力の場合と同様の処理が可能である。特に、回転パルスの分解能（逓倍能力）が低い場合には、アナログ信号を積極的に利用することにより、高い分解能での信号処理を実行するのが望ましい。

空気圧を変化させて試験したデータ例を説明する。
スタッドレスタイヤの空気圧を変化させて、一回転あたり９６０回の分解能で回転速度データを収集した。タイヤ１ａの空気圧が変化することで、路面と接地面の形状が変化するため、接地面に作用する力が変化するとともに、タイヤ１ａが踏み込む位置が変化するため回転変動パターンが変化する。図９に、空気圧０．２３ MPaを基準として、(a) ０．２０ MPa、(b) ０．１４ MPaの回転速度変動パターンとの比較結果を示す。空気圧の違いによって、回転速度変動パターンの位相が変化していることがわかる。

図１０には、０．２３ MPaを基準にした相互相関パターンを示す。図１０(a) は、0.23 MPa を基準にした0.20 MPaの相互相関パターン、図１０(b) は、0.23 MPa を基準にした0.14 MPaの相互相関パターンである。空気圧の違いによって、相互相関パターンが異なっており、０．１４ MPaではピーク位置の位相も変化している。

また、これらの試験データから作成した空気圧の違いによる相関値ＣＶと位相差Δφの変化の模式図を図１１に示す。

回転速度によるパターン変化に対する対応につき説明する。
回転速度変動の発生状況はタイヤ１ａの状態に応じて変化するため、走行速度によって影響を受けることが示されている。図１２に示す波形の点線で示した部分は、回転変動の発生する回転位置で観測された速度変動波形であり、(a) 〜(c) に示されるように走行速度によって波形が変化している。すなわち、回転速度変動成分はタイヤの伝達特性により周波数特性を示し、走行速度によってその位相や振幅が変化する。そのため、回転速度変動パターンを抽出する際には、回転速度が特定の範囲にある状態の信号を用いて処理するのが望ましく、信号処理ユニット３（図２）には、回転速度選別部５ａを設けて回転速度の判別機能を備えておく。

より好ましくは、回転速度判別処理では複数の回転速度領域を分類するのが望ましい。 すなわち、それぞれの回転速度領域に対して、比較対象とする基準の回転速度変動パターンを用意しておき、それぞれの領域で空気圧状態を判別し、その結果から総合判断するように構成する。複数の速度領域で回転速度変動パターンを検出することにより、一つに限定された速度範囲のデータだけを抽出して判別する場合と比較して、より多くの走行データに基づいて総合的な判断が可能になるため、空気圧状態を検出する精度が向上する。

検出したタイヤ１ａの空気圧低下の情報を利用する方法を、図４と共に説明する。
同図のように、空気圧低下装置本体１５の空気圧状態判断ユニット４（図３）が推定したタイヤ１ａの空気圧状態の情報に基づいて、運転者への報知または車両の制御状態を変更する空気圧推定結果利用手段１７を設ける。空気圧推定結果利用手段１７は、例えば空気圧状態判断ユニット４に対して上位となる車両のコンピュータ１６に設ける。タイヤ空気圧状態判断ユニット４は、具体的には、例えば次のいずれかの機能を持つものとされる。

検出されたタイヤの空気圧状態は、空気圧低下装置本体１５の空気圧状態判断ユニット４から車両の上位コンピュータ１６に伝達され、この上位コンピュータ１６等に設けられた空気圧推定結果利用手段１７により、空気圧状態に応じて報知手段１９に報知を行う。報知手段１９は、例えば運転席の警告ランプ等の表示ランプ１９ａや、液晶表示装置等の画像表示装置１９ｂである。これら警告ランプ等の表示ランプ１９ａを点灯させ、画像表示装置１９ｂに注意表示を行い、運転者に空気圧の確認や調整、点検を促す。

空気圧推定結果利用手段１７は、さらに、設定定時間内に一定以上の空気圧低下が確認されたとき、車両の通信回線１８を通じて車両販売店やサービス店などの営業所２０に情報を発信し、必要に応じて前記サービス店などの営業所２０を通じた調整・点検の促進が行われる。
定められた時間内に所定以上の空気圧の低下が確認されたときは、タイヤ１ａにパンク等の異常が発生している。この場合は、例えば、警告ランプとなる表示ランプ１９ａなどの表示による報知と同時に、車両の通信回線１８を通じて情報が発信され、必要に応じて車両販売店やサービス店などの営業所２０を通じた点検・交換の促進が行われるようにする。これにより、営業所２０におけるタイヤ１ａの在庫確認等を早期に行い、迅速かつ適切な点検，交換が期待できる。

また、空気圧推定結果利用手段１７は、前記空気圧状態判断ユニット４が推定したタイヤ１ａの空気圧状態情報と、天候情報入手手段２５から得た走行時の天候に基づいて、定められた天候時に警告を出すようにしてもよい。例えば、検出されている空気圧状態に応じて、晴天時には警告は出さないが、雨天時の走行中には警告を出すようにするなど、危険が高いと判断される場合の注意を促すこともできる。特に危険な状態と判断された場合には、走行速度を自動的に制限する機能を設けてもよい。天候情報入手手段２５は、車両に搭載されたラジオ、テレビ、その他の天候情報通信手段から情報を得る手段、または天候を検出するセンサ（図示せず）である。

また、検出された空気圧状態に応じて、車両の動作を制御する車両制御ＥＣＵ２２等の車両制御コンピュータに設けられた車両姿勢制御などの安全制御システム２２ａのパラメータを変更し、タイヤ１ａの能力低下を考慮して定められた安全制御を行うように、安全制御システム２２ａを調整してもよい。

上記実施形態による効果を纏め直して次に示す。
・タイヤ１ａの空気圧状態を、走行中の車輪１ａの回転センサ２の信号から検出することができるため、回転側部材に特殊なセンサを設ける必要がない。そのため、大幅にコストアップすることなく、車両に実装することができる。
・従来は目視による点検や専用の測定器を用いた点検のため、見逃す可能性や点検できない場合があったが、車両の回転センサ２によって検出するため、適切な警告を発信して安全確認を促し、予防安全を実現できる。
・タイヤ１ａの空気圧が低下した状態で運転していることに気づかない場合であっても、検出信号によって車両が警告を発信できるため、速度を落とすなどの運転操作が可能になる。
・空気圧状態を考慮した車両制御が可能になるため、走行条件に応じて適切な運転補助や安全制御を施せる。
・回転速度の平均値（動半径）の低下と比較して、空気圧の低下をより精度良く推定し、警告することができる。
・回転同期成分を積算もしくは平均化して抽出することにより、極く僅かな回転変動パターンを検出できるため、タイヤ１ａの空気圧低下を精度よく検知して通知できる。
・さらに高分解能な回転センサ２と組み合わせることで、低速走行状態における回転変動成分を、高い分解能で検出できるため、空気圧状態の検出精度が高くなる。

また、空気圧低下の検知の特徴を纏め直して示す。回転速度変動パターンからの車輪に関する検出としては、空気圧低下検知の他に、タイヤの摩耗検知、タイヤの異常状態検知、タイヤの種類判断などが考えられるが、空気圧低下の検知の場合は、次の特徴がある。
情報の抽出処理としては、記憶しておいた初期状態（基本状態）からの偏差・ずれ量
である。検出対象とする現象は、基本状態から相似的に発生するずれである。

図１９は、回転センサ２の具体例を示す。この回転センサ２は、ラジアルタイプの磁気式であり、ターゲットとなる環状の磁気エンコーダ２ａと、この磁気エンコーダ２ａの外周面に対面してこの磁気エンコーダ２ａの磁気を検出する磁気センサ２ｂとを有する。磁気エンコーダ２ａは、Ｎ，Ｓの磁極２ａａを交互に有し、磁気センサ２ｂからは正弦波状の回転信号を出力する。この正弦波状の回転信号は信号処理手段２ｃで矩形に整形され、矩形波のパルス信号として出力される。信号処理手段２ｃは、逓倍回路２ｃａを有していても良く、その場合、逓倍された高分解能の回転信号を出力する。

磁気エンコーダ２ａは、前記磁極２ａａに軸方向に並んで、円周上の１か所にＺ相（零相）検出用の磁極２ａｂを有するものであっても良く、その場合、磁気センサ２ｂは、前記Ｎ，Ｓ交互の磁極２ａａの検出用のセンサ部２ｂａに加えて、Ｚ相検出用の磁極２ａｂを検出するセンサ部２ｂｂが設けられる。このセンサ部２ｂｂは、１回転で１回のＺ相（零相）信号を出力する。

図２０は、回転センサ２の他の例を示す。この回転センサ２は、アキシアルタイプの磁気式であり、環状の磁気エンコーダ２ａと磁気センサ２ｂとがアキシアル方向に対面する。磁気エンコーダ２ａは、断面Ｌ字状のセンサ取付リング２ｄのフランジ部に取付けられている。その他の構成は、図１９に示したラジアルタイプの回転センサ２と同様である。なお、図２０の例では図示を省略したが、このラジアルタイプの回転センサ２においても、前記と同様に零相用の磁極およびセンサ部、並びに逓倍回路を設けても良い。

なお、図１９，図２０は、いずれも磁気エンコーダ２ａを有する回転センサ２を示したが、回転センサ２は、ターゲットがギヤ型の磁性体からなるパルサリング（図示せず）、いわゆる検出歯車であっても良い。その場合、磁気センサはパルサリングの歯部を検出して回転信号を出力する。
これら磁気エンコーダ２ａやギヤ型のパルサリングを用いた磁気式の回転センサ２によると、温度変化や汚れなどの劣悪な環境に強い。磁気式の場合、光学式に比べて磁極を細かく設けることが困難であるが、逓倍回路２ｃａを有すると、回転速度変動パターンを検出するために必要な分解能の回転信号が得られる。

図２１は、前記逓倍回路２ｃａの一例を示す。なお、この逓倍回路２ｃａは、磁気センサ２ｂとして、図２２に示すように、磁気エンコーダ２ｂａの１磁極対のピッチλを１周期とするとき、９０度位相差（λ／４）となるように磁極の並び方向に離して配置したホール素子などの２つの磁気センサ素子２ｂａａ，２ｂａｂを用い、これら２つの磁気センサ素子２ｂａａ，２ｂａｂにより得られる２相の信号(sinφ,cosφ) から磁極内位相 (φ=tan-1(sinφ／cos φ))を逓倍して算出するものとしている。

この逓倍回路２ｃａは、図２１に示すように、信号発生手段４１、扇形検出手段４２、マルチプレクサ手段４３、および微細内挿手段４４とを備える。
信号発生手段４１は、前記磁気センサ３の出力である２相の信号sin,cos から、同一の振幅Ａ0 と同一の平均値Ｃ0 とを有し、ｍをｎ以下の正の整数、ｉを１〜２^m-1 の正の整数として、相次いで互いに２π／２^m-1 ずつ位相がずれた、２^m-1 個の信号ｓi を生成する手段である。
扇形発生手段４２は、２m 個の等しい扇形Ｐi を定義するようにコード化された、ｍ個のディジタル信号ｂn-m+1 ，ｂn-m+2 ，……，ｂn-1 ，ｂn を発生する、２m-1 個の信号ｓi によって区切られた２m 個の扇形Ｐi を検出する手段である。
マルチプレクサ手段４３は、上記扇形発生手段４２から発生するｍ個の上記ディジタル信号ｂn-m+1 ，ｂn-m+2 ，……，ｂn-1 ，ｂn によって制御され、上記信号発生手段４１から生成される２m-1 個の上記信号ｓi を処理して、振幅が一連の２m-1 個の上記信号ｓi の上記平均値Ｃ0 と第１のしきい値Ｌ1 との間にある部分によって構成される一方の信号Ａと、振幅が一連の２^m-1 個の上記信号ｓi の上記第１のしきい値Ｌ1 とこのしきい値よりも高い第２のしきい値Ｌ2 との間にある部分によって構成される他方の信号Ｂとを生成するアナログの手段である。
微細内挿手段４４は、所望の分解能を得るために、角度２π／２^m の２^m 個の上記扇形Ｐi の各々を角度２π／２n の２^n-m 個の同じサブ扇形に細分するようにコード化された、（ｎ−ｍ）個のディジタル信号ｂ1 ，ｂ2 ，……，ｂn-m-1 ，ｂn-m （ここではｂ1 ，ｂ2 ，……，ｂ8 ，ｂ9 ）回転パルスに逓倍される。

図２３〜図２５は、回転センサ２を絶対角検出型とした一例を示す。この例では、磁気エンコーダ２ａに２列の磁極列２ａＡ，２ａＢを設け、片方の磁極列２ａＡの磁極対数をＰ、もう片方の磁極列２ａＢの磁極対数をＰ＋ｎとしている。そのため、両磁極列列２ａＡ，２ａＢの間で、１回転あたり磁極対にしてｎ個分の位相差があり、これら磁気磁極列２ａＡ，２ａＢに対応する磁気センサ２ｂａ，２ｂｂの検出信号の位相は、３６０／ｎ度回転するごとに一致する。

信号処理手段２ｃを構成する位相差検出手段２ｃｂは、磁気センサ２ｂａ，２ｂｂの検出信号により、図２４（Ｅ）に示したような位相差信号を出力する。その次段に設けられた角度算出手段２ｃｃは、位相差検出手段２ｃｂで求められた位相差を補正した後に、予め設定された計算パラメータにしたがって絶対角度へ換算する処理を行う。

図２４（Ａ），（Ｂ）には両磁極列２ａＡ，２ａＢの磁極のパターン例を示し、図２４（Ｃ），（Ｄ）にはこれら磁極列２ａＡ，２ａＢに対応する磁気センサ２ｂａ，２ｂｂの検出信号の波形を示す。図示の例では、磁極列２ａＡの３磁極対に対して、磁極列２ａＢＢの２磁極対が対応しており、この区間内での絶対位置を検出することができる。図２５（Ｅ）は、図２４（Ｃ），（Ｄ）の検出信号に基づき、図２３の位相差検出手段２ｃｂにより求められる位相差の出力信号の波形図を示す。

位相差検出手段２ｃｂの検出した位相差信号（図２４（Ｅ），図２５（Ｅ））は、互いの磁極列２ａＡ，２ａＢの磁気干渉やノイズの影響を受けているため、実際には歪みを持った波形となる。そこで角度算出手段２ｃｃでは、角度補正手段２ｃｃａで補正し、検出精度の高い絶対角度を算出する。

図１３〜図１８は、前記回転センサ２が設けられる車輪用軸受の各例を示す。図１３，図１４に示す車輪用軸受３０は、第３世代型の内輪回転タイプで、かつ駆動輪支持用であり、複列の中央に回転センサ２を設けた例を示す。この車輪用軸受３０は、内周に複列の転走面３３を形成した外方部材３１と、これら各転走面３３に対向する転走面３４を形成した内方部材３２と、これら外方部材３１および内方部材３２の転走面３３，３４間に介在した複列の転動体３５とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する。この車輪用軸受３０は、複列外向きアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体３５はボールからなり、各列毎に保持器３６で保持されている。内方部材３２は、ハブ輪３２ａと、このハブ輪３２ａのインボード側端の外周に嵌合した内輪３２ｂとでなり、各輪３２ａ、３２ｂの外周に前記転走面３４が設けられている。外方部材３１と内方部材３２の間の軸受空間の両端は、シール３７，３８によりそれぞれ密封されている。

この車輪用軸受３０において、内方部材３２の両転走面３４，３４間の外周に、回転センサ２のエンコーダ２ａが設けられ、このエンコーダ２ａに対面する磁気センサ２ｂが、外方部材３１に設けられた半径方向のセンサ取付孔１９内に設置されている。回転センサ２は、例えば図１８と共に前述したラジアルタイプのものである。

図１５，図１６に示す車輪用軸受３０は、第３世代型の内輪回転タイプで、かつ駆動輪支持用であり、インボード側端に回転センサ２を設けた例を示す。この例では、回転センサ２には、図２０と共に前述したアキシアルタイプのものが用いられている。具体的にはインボード側端のシール３８における、内方部材３２の外周面に圧入固定されるスリンガが、図２０の例のセンサ支持リング２ｄを兼ねている。磁気センサ２ｂは、リング状の金属ケース３９内に樹脂モールドされ、金属ケース３９を介して外方部材３１に固定される。その他の構成は、図１３，図１４に示した例と同様である。

図１７，図１８に示す車輪用軸受３０は、第３世代型の内輪回転タイプで、かつ従動輪支持用であり、インボード側端に回転センサ２を設けた例を示す。この例では、外方部材３１のインボード側端部の端面開口がカバー２９で覆われており、このカバー２９に回転センサ２の磁気センサ２ｂが取付けられている。その他の構成および作用効果は図１３，図１４に示した例と同様である。

なお、この発明の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置は、乗用車やタクシーなど小型の自動車から、トラックやトレーラー、バスなどの大型自動車まで幅広く適用できる。
最も好ましい形態は、トラックやトレーラー、バスなどの大型自動車への適用である。 これら自動車では、乗客や貨物を安全に効率よく運搬することが要求されるため、 常に車両を正常な状態に保つことが重要になる。 日常の運行前点検に加えて、走行中にもタイヤ空気圧をモニタすることにより、運行に影響が出る前にその兆候をつかむことが必要になっている。

１…車輪
１ａ…タイヤ
２…回転センサ
２a…ターゲット
２b…磁気センサ
２c…逓倍手段
３…信号処理ユニット
４…空気圧状態判断ユニット
５…空気圧低下検知装置本体
５ａ…回転速度判別部
６…回転変動パターン抽出部
８…誤差補正部
１３…初期パターン記憶部
１６…上位コンピュータ
１７…空気圧推定結果利用手段
１９…報知手段
２０…営業所
２３…基準パターン再登録部
２５…天候情報入手手段

Claims (15)

1. 車輪速を検出する回転センサと、この回転センサの検出した回転信号から回転に同期した回転速度の変動を抽出し、この抽出した回転速度の変動から回転に同期した回転速度変動パターンを抽出する信号処理ユニットと、基準となる回転速度変動パターンと前記抽出された回転速度変動パターンとの相互相関パターンに基づいてタイヤの空気圧状態を推定し空気圧情報を出力する空気圧状態判断ユニット、とを備え、
   前記信号処理ユニットは、初期状態の空気圧が正常な状態の回転速度変動パターンを前記基準となる回転速度変動パターンとして記憶する基準速度パターン記憶部を有していて、この基準速度パターン記憶部は、前記基準となる回転速度変動パターンを更新する機能を有しており、
   前記信号処理ユニットは前記回転センサの検出した回転信号につき、この回転センサの回転信号に重畳する製造上のばらつき程度の微小な誤差成分を補正する誤差補正部を有し、前記回転に同期した回転速度の変動の抽出は、前記誤差成分が補正された回転信号から行うタイヤの空気圧低下検知装置。
2. 請求項１に記載の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置において、前記空気圧状態判断ユニットは、得られた前記相互相関パターンのピーク値に基づいてタイヤの空気圧状態を推定する自動車用タイヤの空気圧低下検知装置。
3. 請求項１に記載の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置において、空気圧状態判断ユニットは、得られた前記相互相関パターンのピーク位置の位相Δφに基づいてタイヤの空気圧状態を推定する自動車用タイヤの空気圧低下検知装置。
4. 車輪速を検出する回転センサと、この回転センサの検出した回転信号から回転に同期した回転速度の変動を抽出し、この抽出した回転速度の変動から回転に同期した回転速度変動パターンを抽出する信号処理ユニットと、基準となる回転速度変動パターンの自己相関パターンと前記抽出された回転速度変動パターンの自己相関パターンとの比較に基づいてタイヤの空気圧状態を推定し空気圧情報を出力する空気圧状態判断ユニット、とを備えたタイヤの空気圧低下検知装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置において、前記信号処理ユニットは、前記回転に同期した回転速度変動パターンを抽出するにつき、前記回転センサの複数回転にわたる回転信号を、回転に同期させた平均化処理または積算処理によって抽出を行う自動車用タイヤの空気圧低下検知装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置において、前記信号処理ユニットは、前記回転に同期した回転速度変動パターンの抽出の処理を、一つ以上設定された走行速度範囲にある状態のときに選択的に行うようにした自動車用タイヤの空気圧低下検知装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置において、前記信号処理ユニットは、前記抽出の処理を複数の走行速度範囲について行い、前記空気圧状態判断ユニットは、それぞれの速度範囲のデータについてそれぞれ空気圧状態の推定処理を行い、これら複数の推定処理の結果からタイヤの空気圧を、正常、空気圧低下、異常の３段階で示す自動車用タイヤの空気圧低下検知装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置において、前記回転センサは、零相を備えた回転センサまたは絶対角検出機能を備えた回転センサで構成し、前記信号処理ユニットは、検出した速度変動パターンの位相を合わせた状態で、基準速度パターンとの差分を求め、変化の大きさを検出する自動車用タイヤの空気圧低下検知装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置において、前記回転センサは、磁気センサとこの磁気センサで検出される被検出極を有する磁気エンコーダまたはパルサギヤとで構成され、回転による磁気強度の変動をアナログ信号で出力する構成とした自動車用タイヤの空気圧低下検知装置。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置において、前記回転センサは、磁気センサとこの磁気センサで検出される被検出極を有する磁気エンコーダまたはパルサギヤと、前記磁気センサの検出信号を逓倍する回転パルスを出力する逓倍回路を備える自動車用タイヤの空気圧低下検知装置。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置において、前記空気圧状態判断ユニットが推定したタイヤの空気圧状態情報に基づいて、運転者への報知、または車両の制御状態の変更を行う空気圧推定結果利用手段を設けた自動車用タイヤの空気圧低下検知装置。
12. 請求項１１に記載の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置において、前記空気圧推定結果利用手段は、前記空気圧状態判断ユニットが推定したタイヤの空気圧状態情報に基づいて、運転席に設けられた報知手段に報知させる自動車用タイヤの空気圧低下検知装置。
13. 請求項１１に記載の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置において、前記空気圧推定結果利用手段は、前記空気圧状態判断ユニットが推定したタイヤの空気圧状態情報に基づいて、車両制御コンピュータの制御パラメータを変更し、タイヤの能力に応じた定められた安全制御を行わせる自動車用タイヤの空気圧低下検知装置。
14. 請求項１１に記載の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置において、前記空気圧推定結果利用手段は、前記空気圧状態判断ユニットが推定したタイヤの空気圧状態情報と、天候情報入手手段から得た走行時の天候に基づいて、定められた天候時に警告を出す自動車用タイヤの空気圧低下検知装置。
15. 請求項１１に記載の自動車用タイヤの空気圧低下検知装置において、前記空気圧推定結果利用手段は、前記空気圧状態判断ユニットが推定した空気圧状態に基づいて、定められた時間内に所定以上の空気圧の低下が確認されたとき、車両に搭載されたコンピュータが通信回線を通じてタイヤの空気圧状態の情報を、車両の点検またはタイヤの交換が可能な定められた営業所へ発信する機能を有する自動車用タイヤの空気圧低下検知装置。

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