JP2015101123A - 自動車用タイヤの異常状態検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 タイヤの異常状態を走行中に検出できてタイヤ異常の確実な検出、運転者への認知、安全確認の促し、予防安全が実現でき、かつ特殊なセンサを設ける必要がなくて、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異常状態検出装置を提供する。【解決手段】 車輪１の回転を検出する回転センサ２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、この回転速度の変動から複数回転に渡る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とを設ける。この抽出した回転速度変動パターンと設定された基準となる回転速度変動パターンとの差分を求め、その差分からタイヤの異常状態を推定し異常情報を出力する異常状態判断ユニット４を設ける。【選択図】 図１

Description

この発明は、自動車のタイヤにおける異物噛み込みやブロックの欠け、フラットスポットの発生などの異常を検知し、安全性に関する警告を可能にする、自動車用タイヤの異常状態検出装置に関する。

特許文献１には、回転体の物理量（振動、音、回転数、歪、変位）を計測し、１つの適応デジタルフィルタが１つの回転次数成分を解析することで、時間遅れやメモリ量を増大することなく検出精度を向上することができる回転体の異常検出装置が提示されている。 特許文献２には、磁気ロータの見かけの回転速度変動の発生間隔時間とその回転速度の積に基づいて、特定位置における見かけの回転速度変動を判定することで、磁気ロータの異常状態や悪路状態を検出できる磁気式回転検出装置を用いた車両制御装置が提示されている。
特許文献３には、タイヤに取り付けたセンサから発生した波形を解析することで、車両に関連する様々なパラメータを得るための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２００７−１３９６９７号公報 特開２００８−１７４２３５号公報 特開２０１２−１６２２５９号公報 特開２０１１−００２３５７号公報 特開２００８−２３２４２６号公報 特開２００６−１２６１６４号公報

タイヤに異物が噛み込んだり、傷やフラットスポットが生じた状態で走行すると、タイヤの性能低下を引き起こしたり、パンクの発生など、危険性が高くなる。これらを予防するためには、走行前にタイヤに異物の噛み込みや傷、フラットスポットなどの異常がないか確認する必要がある。
しかしながら、タイヤの状態を目視点検する場合、一般ユーザには状態を判別し難い場合もあり、定期的に点検しないと見逃してしまう恐れがある。また、走行中に発生した釘や石の噛み込みやパンクなどは、運転者が気づかない場合も多く、交通事故に繋がる恐れもある。

そのため、タイヤの異常状態を走行中に検出できる異常状態検出装置が望まれる。特許文献３には、前述のように、タイヤに取り付けたセンサから発生した波形を解析することで、車両に関連する様々なパラメータを得るための方法が提示されている。しかし、タイヤに取り付けられる特殊なセンサが必要となり、コスト高になる。

このため、特殊なセンサを設けることなく、それほど大きくコストが増加することなしにタイヤが異常状態にあることを検出し、運転者に知らせることを可能にして、不安全な状態での走行による事故を未然に防ぐ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、異常状態を検知して運転者に注意を促すことが望まれる。

特許文献２には、磁気ロータの異常状態や悪路状態を検出する技術につき記載されており、特許文献６にはスリップ率を推定する方法が提示されている。しかし、走行中のタイヤの異常検出についての提示はない。他の特許文献１，４，５は、いずれも回転検出についての技術であり、走行中のタイヤの異常検出についての提示はない。

この発明の目的は、タイヤの異常状態を走行中に検出できてタイヤ異常の確実な検出、運転者への認知、安全確認の促し、予防安全が実現でき、かつ特殊なセンサを設ける必要がなくて、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異常状態検出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異常状態検出装置は、車輪１の回転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、この回転速度の変動から複数回転に渡る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、この抽出した回転速度変動パターンと設定された基準となる回転速度変動パターンとの差分を求め、この求めた差分から前記車輪１のタイヤ１ａの異常状態を推定しその推定した異常情報を出力する異常状態判断ユニット４とを備える。前記「異常状態」は、例えば、回転速度に変動を与える異物噛み込みや傷、ブロックの欠損、フラットスポット等である。

前記回転センサ２は、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。前記信号処理ユニット３は、前記回転センサ２で検出された回転信号を用い、回転に同期した回転速度の変動を抽出する。前記信号処理ユニット３は、さらに、入力された回転信号を用いて、走行中のタイヤの回転速度を測定するようにしても良い。
信号処理においては、前記回転速度の変動から複数回転に渡る回転に同期した速度変動パターンを抽出する。１回転分のみの回転速度の変動には路面の凹凸などによる影響があるが、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等をすることで、路面の凹凸などによる影響が排除された特定の回転速度変動パターンが抽出される。また、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、例えばローパスフィルタやハイパスフィルタ等によってフィルタ処理し、回転速度データからタイヤの回転に同期した変動に起因する成分を抽出する。
異常状態判断ユニット４は、信号処理ユニット３で抽出した回転速度変動パターンと設定された基準となる回転速度変動パターンとの差分を求め、この求めた差分、例えば差分の特徴から前記車輪１のタイヤ１ａの異常状態を推定し、その推定した異常情報を出力する。
タイヤ１ａに異物の噛み込みや傷、フラットスポット等による変形や摩耗が生じると、異常発生部位の路面との接地面の形状が変化するため回転速度変動のパターンが変化する。この変化は、前記信号処理ユニット３で抽出した回転速度変動パターンと設定された基準となる回転速度変動パターンとの差分として現れる。そのため、この差分を求めることで、この差分の特徴からタイヤ１ａの異常状態を検出することができる。

このように、タイヤ１ａの異常状態を、走行中に回転センサ２の情報から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。
従来は目視による点検のため見逃す可能性があったが、車両のセンサ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に異常が生じた状態で運転していることを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、走行速度を落とし急ハンドルを避けるなどの運転操作を促すことが可能になり、交通事故を防止することができる。また、タイヤ１ａに深刻な異常が発生した場合、自動的に車両の速度を落とすか、または停止させる制御を施すことで、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データを、回転に同期させた平均化処理または積算処理によって行うようにしても良い。
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、異常状態が発生した初期の状態で兆候をとらえ、状況が進展する前に異常を検知して通知できる可能性が高くなる。

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。
この場合に、前記信号処理ユニット３は、前記抽出の処理を複数の走行速度範囲について行い、前記異常状態判断ユニット４は、前記信号処理ユニット３が前記抽出の処理を行うそれぞれの速度範囲のデータについて、それぞれ異常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異常状態を総合判断するようにしても良い。これにより異常判断の精度、信頼性の向上が得られる。

この発明において、前記異常状態判断ユニット４は、前記基準となる回転速度変動パターンと検出した回転速度変動パターンとの差分より得られるパターンのピーク値が、あらかじめ設定したしきい値を超えることによって異常状態を判断する構成であっても良い。
しきい値で判断することで、容易に異常状態の判断が行える。
前記ピーク値を前記しきい値と比較して異常状態を判断する場合、タイヤ交換した場合と異常がある場合とで区別が付かない恐れがある。しかし、しきい値を超えるピークの数が１回転中に１〜数個であるときに限定することで、設定された上限個数を超える場合は、タイヤ１ａが交換された、又は、パンク等の異常が想定されるとして、警告を出力することができる。

この発明において、前記異常状態判断ユニット４は、前記基準となる回転速度変動パターンと検出した回転速度変動パターンとの差分より得られるパターンの絶対値の積算値、又は２乗の積算値が、あらかじめ設定した値を超えることによって異常状態を判断するようにしても良い。これにより正確な判断が行える。

この発明において、前記回転センサ２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、前記異常状態判断ユニット４は、検出した前記回転速度変動パターンの位相を合わせた状態で、前記基準となる回転速度変動パターンとの差分を求め、この差分の大きさから前記車輪のタイヤの異常状態を推定するようにしても良い。位相を合わせて差分を求めることで、その差分の大きさからタイヤの異常状態を容易にかつ精度良く推定できる。
回転センサ２は、車輪用軸受３０およびドライブシャフトのいずれに設けられていても良いが、車輪用軸受３０に組み込まれている場合、検出誤差が小さくなり、僅かな回転速度変動も検出することができる。そのため、運転者が感知できないようなタイヤ１ａの異常状態を精度よく検出することができる。

検出対象とする回転速度変動パターンを精度よく検出するために、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。
この発明において、前記回転センサ２が磁気センサと磁気エンコーダもしくはパルサギヤで構成され、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。

また、前記回転センサ２が磁気センサと磁気エンコーダもしくはパルサギヤで構成され、前記磁気センサの検出信号を逓倍した回転パルスを出力する逓倍回路を備えたものであっても良い。
磁気センサと磁気エンコーダもしくはパルサギヤで構成される回転センサは、温度変化や汚れ等の劣悪な環境に強い。その反面、光学式の回転センサに比べて分解能が低いが、逓倍回路を備えることで分解能を高めることができる。前記回転センサが、逓倍回路を備えたものであるなど、高分解能な回転センサ２であることで、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、異常状態の検知感度が高くなる。

この発明において、前記異常状態判断ユニット４が出力した異常情報に基づいて、運転者への警告または車両の制御状態を変更する異常推定結果利用手段１７を設けても良い。異常推定結果利用手段１７は、例えば異常状態判断ユニット４に対して上位となる車両のコンピュータに設ける。異常推定結果利用手段１７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。

前記異常推定結果利用手段１７は、前記異常状態判断ユニット４が出力した異常情報に基づいて、運転席の警告報知手段に表示させる機能を有するようにしても良い。この場合に、検出した異常情報に基づいて、タイヤ１ａの異常状態がどの車輪１で発生しているかを知らせる構成とすることが望ましい。

前記異常推定結果利用手段１７は、前記異常状態判断ユニット４が出力した異常情報に基づいて、車両を設定速度まで減速させる機能、または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１ａの能力を考慮した安全制御を行う機能を有するようにしても良い。タイヤ１ａの異常情報に基づいて車両を設定速度まで減速させる制御、例えば停止させる制御を自動で行うことで、運転者が気づかないタイヤ１ａの異常時にも安全が得られる。また、タイヤ１ａの能力低下に応じて、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の能力低下を考慮して安全制御システム２２ａを調整することで、状況に適した安全制御が確実に行える。

前記異常推定結果利用手段１７は、前記異常状態判断ユニット４が出力した異常情報に基づいて、車両に搭載されたコンピュータが通信回線を通じて異常状態を、車両の点検またはタイヤ１ａの交換が可能な定められた営業所に発信する機能を有するようにしても良い。
このようにタイヤ１ａの異常に対する点検，交換の情報が営業所２０に発信させることで、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。

前記異常推定結果利用手段１７は、車両に設けられた他車両への異常報知手段、例えばハザードランプ等を動作させる機能を有するようにしても良い。

この発明の自動車用タイヤの異常状態検出装置は、車輪の回転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、この回転速度の変動から複数回転に渡る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、この抽出した回転速度変動パターンと設定された基準となる回転速度変動パターンとの差分を求め、この求めた差分から前記車輪のタイヤの異常状態を推定しその推定した異常情報を出力する異常状態判断ユニットとを備えるため、タイヤの異常状態の走行中の検出が可能となり、運転者への認知、安全確認の促し、予防安全を実現し、かつ特殊なセンサを設ける必要がなくて、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異常状態検出装置の概念構成を示すブロック図である。 同異常状態検出装置の信号処理ユニットの概念構成のブロック図である。 同異常状態検出装置の異常状態判断ユニットの概念構成のブロック図である。 同異常状態検出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。 異常状態の回転速度変動パターン例の説明図である。 同異常状態検出装置の信号処理ユニットによる回転速度変動パターンの検出方法の例を示す説明図である。 テープ付着による回転変動データの違いを示すグラフである。 ネジ有無による回転変動データの違いを示すグラフである。 回転変動の速度依存性を示すグラフである。 同異常状態検出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。 同異常状態検出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。 同異常状態検出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。 同異常状態検出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。 同異常状態検出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。

この発明の第１の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異常状態検出装置は、異常の検知対象となるタイヤ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の異常を検知する異常状態判断ユニット４を設ける。信号処理ユニット３と異常状態判断ユニット４とで、異常状態検出装置本体５が構成される。異常状態検出装置本体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。回転センサ２は、換言すれば車輪速センサである。図１２〜図１７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の速度パターンＰ０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速度変動成分を抽出する。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や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排除される。

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１８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の代わりに検出歯車（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）またはパルスの位置である。

異常状態の回転速度変動パターンの例を図７に示す。タイヤ１ａに異物噛み込みや傷、フラットスポットが生じると、タイヤ接地面のパターン形状の変化や、踏込時の抵抗変化などにより、回転速度変動の発生状態が変化し、図７のような回転速度変動パターンが観測される。通常のパターンから突出した誤差が観測されるので、これを図１，図３の異常状態判断ユニット４で検出し異常状態に関する情報を出力する。

図３に異常状態判断ユニット４の概念構成を示す。異常状態判断ユニット４は、信号処理ユニット３で抽出した回転速度変動パターンと、基準パターン記憶部１３に設定された基準となる回転速度変動パターンとの差分を、差分計算部１４で求め、この求めた差分から、異常推定部１１により前記車輪１のタイヤ１ａの異常状態を推定しその推定した異常情報を出力する。
すなわち、図８に示すように、基準となる回転速度変動パターン(Pref)と観測した回転速度変動パターン(Pobs)の差分を差分計算部１４で求め、この差分より得られるパターン(Pdif)につき、１回転中に１〜数回のしきい値を超えるようなズレが発生したときに、異常状態判断ユニット４の異常推定部１１は異常状態が観測されたと判断する。

回転速度変動パターンの検出方法の具体例を説明する。
例えば、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(Pobs)と基準の回転速度変動パターン(Pref)の差分を検出する。このとき、回転位相の判別を容易にするために、前記回転センサ２（図１）として、Ｚ相（ゼロ相）信号を備えた回転角センサを使用してもよいし、絶対角センサを使用してもよい。

異常状態判断ユニット４は、前記差分より得られたパターン(Pdif)のピーク値が、設定したしきい値より大きくなったときに、異常状態と判断してもよい。また、Σ｜Pdif｜またはΣ(Pdif)² が設定値より大きくなったときに、異常状態と判断してもよい。

このとき、タイヤ交換した場合と区別がつかないので、一般の異常判断については、差分より得られたパターン(Pdif)のうち、しきい値を超えるピークの数が、１回転中に１〜数個であるときに限定しても良い。設定された上限個数を超える場合は、タイヤが交換されたか、又はパンク等の異常が想定されるとして、一般の異常判断ではなく、タイヤ交換またはパンクを示す特別の異常の判断結果となる警告を、異常推定部１１によって出力する。

基準となる回転速度変動パターン(Pref)としては、初期の回転速度変動パターンを基準パターン記憶部１３〈例えば初期状態メモリ〉に記憶しておいて良く、これにより、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初期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、車輪１のタイヤ１ａやホイール（図示せず）を交換したときには、基準となる回転速度変動パターン(Pref)が変化するため、精度が劣化することになる。そのため、前記基準パターン記憶部１３は、基準とする回転速度変動パターン(Pref)とする初期の回転速度変動パターンを更新する機能を備えてもよい。

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、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とするのが望ましい。例えば、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の出力は必ずしもパルス出力である必要はなく、アナログ信号であってもよい。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。

異常状態を模擬して試験したデータ例につき、図９、図１０と共に説明する。
タイヤトレッド面に異物が付着した場合や、局所的に摩耗が進んだ場合を想定した試験をした。タイヤトレッド面にトレッドを横切るようにして厚さ約０．３mmのビニールテープを貼り付けた状態で、約１５km/hの速度でアスファルト路面を数十メートル走行し、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。このとき、ビニールテープ表面では摩擦係数が減少するため、接地面に作用する力が変化して回転変動が発生する。またその大きさはビニールテープの幅によって変化する。抽出された一回転分の速度変動パターンを図９に示す。

各グラフは、それぞれ、(a) テープ無し、(b) テープ幅６mm、(c) テープ幅１２mm、における回転速度変動を規格化してプロットしたものである。タイヤトレッド面にテープを貼り付けたことにより、特定の回転変動パターンが発生していることがわかる。

また、タイヤ１ａのトレッドブロックに釘が刺さったような場合や、トレッドブロックの溝に異物が噛み込んだ場合を想定した試験をした。タイヤ１ａの接地面にあるトレッドブロックの側面にネジを刺し込み、トレッド面からネジ頭が約３mm飛び出した状態で約１５km/hの速度でアスファルト路面を数十メートル走行し、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。抽出された一回転分の速度変動パターンから、低周波成分を除去した波形を図１０に示す。ネジによって接地面に作用する力が変化して回転変動が発生するため、特定の回転変動パターンが発生していることがわかる。

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１１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〉には回転信号から回転速度を判別する回転速度判別部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。例えば、回転速度判別部５ａが、複数の回転速度領域に分類されたどの回転速度の領域に該当するかを示す速度領域情報を、回転速度変動パターンの情報と共に出力する。異常判断ユニット４〈図１，図３〉では、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、それぞれの領域で異常状態を判別し、その結果から総合判断するように構成する。総合判断の方法は、例えば、複数の速度領域が異常状態であるとされた場合に異常であると総合判断をしても、またいずれか一つの速度領域において異常の場合は、異常であるとの総合判断としても良く、その他、種々の方法で総合判断できる。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、異常検出の精度が向上する。

検出した異常状態の情報を利用する例につき説明する。
図４はその一例を示す。検出されたタイヤの異常状態は、図1の前記信号処理ユニット３および異常状態判断ユニット４からなる異常状態検出装置本体５〈図４〉から、車両の上位コンピュータ１６に伝達され、上位コンピュータ１６に設けられた異常推定結果利用手段１７は、異常状態に応じて運転席の警告報知手段１９に表示させる。例えば警告ランプなどの表示ランプ１９ａを点灯させる。これにより、運転者にタイヤ１ａの確認や点検を促す。警告報知手段１９は、表示ランプ１９ａの他、液晶表示装置等の画像表示装置１９ｂに注意表示の画像を表示するものであっても良い。

異常推定結果利用手段１７は、前記警告報知手段１９への表示と同時に、上位コンピュータ１６から車両と通信可能な通信回線網１８を通じて情報を発信し、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・修理・交換の促進が行われるようにする。

異常推定結果利用手段１７は、警告報知手段１９に報知させる場合等に、検出されたタイヤ１ａの異常状態がどの車輪１で発生しているのかを運転者や作業者に分かりやすく表示させるようにすることが好ましい。

異常推定結果利用手段１７は、走行中に検出された異常状態の種類やレベルに応じて、安全に走行できる速度まで減速、または停止させるようにしてもよい。例えば、特に危険な状態と判断された場合には、ＥＣＵ（電機制御ユニット）等の車両制御装置２２に、前記減速または停止の指令を与える。
また、異常推定結果利用手段１７は、検出された異常状態に応じて、車両制御装置２２における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の異常を考慮して安全制御システム２２ａを調整してもよい。

上記のように減速または停止させるその場合には、異常状態の種類やレベルに応じて、周囲への安全配慮のためハザードランプなどで注意を促すようにしても良い。
また、異常推定結果利用手段１７は、車両間の通信回線がある場合には、通信回線を通じて周囲の車両に対して注意情報を発信し、安全な距離を保つ等の予防措置を講じるのがよい。

この実施形態に係る自動車用タイヤの異常状態検出装置の効果を整理して次に示す。
・タイヤ１ａの異常状態を、走行中に回転センサの情報から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。
・従来は目視による点検のため見逃す可能性があったが、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に異常が生じた状態で運転していることを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、走行速度を落とし急ハンドルを避けるなどの運転操作を促すことが可能になり、交通事故を防止することができる。
・タイヤ１ａに深刻な異常が発生した場合、自動的に車両の速度を落とす、または停止させる制御を施すことで、交通事故を防止することができる。
・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、ごくわずかな回転変動パターンを検出できるため、異常状態が発生した初期の状態で兆候をとらえ、状況が進展する前に異常を検知して通知できる可能性が高くなる。
・車輪用軸受に回転センサが組み込まれている場合は、検出誤差が小さくなり、わずかな回転速度変動も検出することができる。そのため、運転者が感知できないようなタイヤの異常状態を精度よく検出することができる。
・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、異常状態の検知感度が高くなる。

図１８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１９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１８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１９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１８，図１９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２０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２１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、図２０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２２〜図２３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２３（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２３（Ａ），（Ｂ）には両磁極列２ａＡ，２ａＢの磁極のパターン例を示し、図２３（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２４（Ｅ）は、図２３（Ｃ），（Ｄ）の検出信号に基づき、図２２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２３（Ｅ），図２４（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１２〜図１７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１２，図１３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４０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１４，図１５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１９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１９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１２，図１３に示した例と同様である。

図１６，図１７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１２，図１３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異常状態検出装置本は、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、走行中にも車両状態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…異常状態判断ユニット
５…異常状態検出装置本体
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
１６…上位コンピュータ
１７…異常推定結果利用手段
１９…警告報知手段
２０…営業所

Claims (15)

1. 車輪の回転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、この回転速度の変動から複数回転に渡る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、この抽出した回転速度変動パターンと設定された基準となる回転速度変動パターンとの差分を求め、この求めた差分から前記車輪のタイヤの異常状態を推定しその推定した異常情報を出力する異常状態判断ユニットと、を備えた自動車用タイヤの異常状態検出装置。
2. 請求項１に記載の自動車用タイヤの異常状態検出装置において、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データを、回転に同期させた平均化処理または積算処理によって行う自動車用タイヤの異常状態検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の自動車用タイヤの異常状態検出装置において、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異常状態検出装置。
4. 請求項３に記載の自動車用タイヤの異常状態検出装置において、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、前記異常状態判断ユニットは、前記信号処理ユニットが前記抽出の処理を行うそれぞれの速度範囲のデータについて、それぞれ異常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異常状態を総合判断する自動車用タイヤの異常状態検出装置。
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異常状態検出装置において、前記異常状態判断ユニットは、前記基準となる回転速度変動パターンと検出した回転速度変動パターンとの差分より得られるパターンのピーク値が、あらかじめ設定したしきい値を超えることによって異常状態を判別する自動車用タイヤの異常状態検出装置。
6. 請求項５に記載の自動車用タイヤの異常状態検出装置において、前記異常状態判断ユニットは、前記差分より得られたパターンのうち、しきい値を超えるピークの数が、１回転中に１〜数個であるときに限定する自動車用タイヤの異常状態検出装置。
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異常状態検出装置において、前記異常状態判断ユニットは、前記基準となる回転速度変動パターンと検出した回転速度変動パターンとの差分より得られるパターンの絶対値の積算値、又は、２乗の積算値があらかじめ設定した値を超えることによって異常状態を判別する自動車用タイヤの異常状態検出装置。
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異常状態検出装置において、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、前記異常状態判断ユニットは、検出した前記回転速度変動パターンの位相を合わせた状態で、前記基準となる回転速度変動パターンとの差分を求め、この差分の大きさから前記車輪のタイヤの異常状態を推定する自動車用タイヤの異常状態検出装置。
   
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異常状態検出装置において、前記回転センサが磁気センサと磁気エンコーダもしくはパルサギヤで構成され、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である自動車用タイヤの異常状態検出装置。
10. 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異常状態検出装置において、前記回転センサが磁気センサと磁気エンコーダもしくはパルサギヤで構成され、前記磁気センサの検出信号を逓倍した回転パルスを出力する逓倍回路を備えたものである自動車用タイヤの異常状態検出装置。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれ１項に記載の自動車用タイヤの異常状態検出装置において、前記異常状態判断ユニットが出力した異常情報に基づいて、運転者への警告または車両の制御状態を変更する異常推定結果利用手段を設けた自動車用タイヤの異常状態検出装置。
12. 請求項１１に記載の自動車用タイヤの異常状態検出装置において、前記異常推定結果利用手段は、前記異常状態判断ユニットが出力した異常情報に基づいて、運転席の警告報知手段に表示させる機能を有する自動車用タイヤの異常状態検出装置。
13. 請求項１１または請求項１２に記載の自動車用タイヤの異常状態検出装置において、前記異常推定結果利用手段は、前記異常状態判断ユニットが出力した異常情報に基づいて、車両を設定速度まで減速させ、または車両制御ユニットの制御パラメータを変更し、タイヤの能力を考慮した安全制御を行う機能を有する自動車用タイヤの異常状態検出装置。
14. 請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の自動車用タイヤの異常状態検出装置において、前記異常推定結果利用手段は、前記異常状態判断ユニットが出力した異常情報に基づいて、車両から通信回線を通じて異常状態を、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に発信する機能を有する自動車用タイヤの異常状態検出装置。
15. 請求項１１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の自動車用タイヤの異常状態検出装置において、前記異常推定結果利用手段は、車両に設けられた他車両への異常報知手段を動作させる機能を有する自動車用タイヤの異常状態検出装置。

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