特許 6088908 タイヤ内センサーの変形状態検知方法、タイヤ接地状態推定方法、及び、タイヤ接地状態推定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6088908

(24)【登録日】2017年2月10日

(45)【発行日】2017年3月1日

(54)【発明の名称】タイヤ内センサーの変形状態検知方法、タイヤ接地状態推定方法、及び、タイヤ接地状態推定装置

(51)【国際特許分類】

   B60C 19/00 20060101AFI20170220BHJP

   G01M 17/02 20060101ALI20170220BHJP

【ＦＩ】

   B60C19/00 B

   G01M17/02 B

   B60C19/00 G

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-115761(P2013-115761)

(22)【出願日】2013年5月31日

(65)【公開番号】特開2014-234038(P2014-234038A)

(43)【公開日】2014年12月15日

【審査請求日】2016年3月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000005278

【氏名又は名称】株式会社ブリヂストン

(74)【代理人】

【識別番号】100080296

【弁理士】

【氏名又は名称】宮園 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100141243

【弁理士】

【氏名又は名称】宮園 靖夫

(72)【発明者】

【氏名】滝口 清昭

(72)【発明者】

【氏名】須田 義大

(72)【発明者】

【氏名】河野 賢司

(72)【発明者】

【氏名】水野 翔太

(72)【発明者】

【氏名】正木 信男

(72)【発明者】

【氏名】安西 弘行

(72)【発明者】

【氏名】林 達郎

【審査官】 増永 淳司

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−１０８６５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−９９８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５３５７１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０３０２１７７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−３７１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２０３０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２５０２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６０Ｃ １９／００

Ｇ０１Ｍ １７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

タイヤ内に配置された電荷発生型パッシブセンサーの変形状態を車体側にて検知する方法であって、
車体側に、車体における金属部位の表面に配置される検出電極と、前記車体の外側表面から空間を隔てて配置されるリファレンス電極とを設けるとともに、
前記電荷発生型パッシブセンサーの一方の電極をホイールと電気的に結合させ、他方の電極をフローティングさせた状態で、前記検出電極と前記リファレンス電極との間の電位である車体に分布する帯電電位の時間変化波形を検出し、
前記検出された帯電電位の時間変化波形から前記電荷発生型パッシブセンサーの変形状態を検知することを特徴とするタイヤ内センサーの変形状態検知方法。

【請求項2】

タイヤ内に配置された電荷発生型パッシブセンサーの変形状態に基づいて走行中のタイヤの接地状態を推定する方法であって、
車体側に、車体における金属部位の表面に配置される検出電極と、前記車体の外側表面から空間を隔てて配置されるリファレンス電極とを設けるとともに、
前記電荷発生型パッシブセンサーの一方の電極をホイールと電気的に結合させ、他方の電極をフローティングさせた状態で、前記検出電極と前記リファレンス電極との間の電位である車体に分布する帯電電位の時間変化波形を検出し、
前記検出された帯電電位の時間変化波形から前記電荷発生型パッシブセンサーの変形により発生する帯電電位の変化を検知し、
前記検知された前記電荷発生型パッシブセンサーの変形により発生する帯電電位の変化に基づいて当該タイヤの接地状態を推定することを特徴とするタイヤ接地状態推定方法。

【請求項3】

タイヤ内に車両走行時のタイヤの変形状態を検知するセンサーを配置し、前記センサーで検知された当該タイヤの変形状態から、当該タイヤの接地状態を推定するタイヤ接地状態推定装置であって、
前記センサーとして電荷発生型パッシブセンサーを用いるとともに、
車体における金属部位の表面に配置される検出電極と、
前記車体の外側表面から空間を隔てて配置されるリファレンス電極と、
前記検出電極と前記リファレンス電極との間の電位である車体に分布する帯電電位の時間変化波形を検出する帯電電位検出手段と、
前記検出された帯電電位の時間変化波形から当該タイヤの接地状態を推定するタイヤ接地状態推定手段とを備え、
前記電荷発生型パッシブセンサーの一方の電極をホイールと電気的に結合させ、他方の電極をフローティングさせたことを特徴とするタイヤ接地状態推定装置。

【請求項4】

前記電荷発生型パッシブセンサーを、タイヤ接地面に対応するタイヤ内面に配置される圧電素子と、前記圧電素子に接続される素子用電極とを備えた圧電センサーとするとともに、
前記素子用電極のうちの一方の電極を前記タイヤのビード部近傍まで延在させ、他方の電極をフローティングさせたことを特徴とする請求項３に記載のタイヤ接地状態推定装置。

【請求項5】

前記電荷発生型パッシブセンサーを、タイヤ接地面に対応するタイヤ内面に配置される圧電素子と、前記圧電素子に接続される素子用電極とを備えた圧電センサーとするとともに、
前記素子用電極のうちの一方の電極を前記タイヤのホイールに接続させ、他方の電極をフローティングさせたことを特徴とする請求項３に記載のタイヤ接地状態推定装置。

【請求項6】

前記電荷発生型パッシブセンサーがタイヤ赤道面に配置されていることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれかに記載のタイヤ接地状態推定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、タイヤ内に配置されたセンサーの車両走行時における変形状態を検知する方法と、タイヤの接地状態に応じて変形するセンサーの変形状態からタイヤの接地状態を推定する方法及びその装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、路面状態を推定する装置としては、タイヤの内面に加速度センサーを取付けて、タイヤの接地時に生じるタイヤの振動を検出し、この検出されたタイヤの振動のデータ（加速度のデータ）を、タイヤ内に設けられた送信機から車体側に送信するとともに、車体側に路面状態推定手段を設け、車体側にて、前記送信された加速度のデータを用いて路面状態を推定する構成のものが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
なお、タイヤ側に路面状態推定手段を設けて路面状態を推定する構成の路面状態推定装置も提案されているが、このような構成であっても、路面状態の推定結果は無線通信によって車体側に送られる。

【0003】

また、車体の帯電電位を検出して路面状態を推定する方法も提案されている（例えば、特願２０１１−２８２８５８）。
一般に、タイヤと路面との接触、剥離及び摩擦によってタイヤと路面との間に静電気による帯電電位が生じること自体は、例えば、特開２０１１−２２５０２３号公報の背景技術などに記載されていることからも分かるように、周知事項である。
一方、車体とタイヤとは容量結合されているので、車体外表面には、タイヤと路面との間に生じた帯電電位に対応する電位が発生する。
タイヤ表面や車体外表面に分布する電界は、以下の式（１）に示す電磁界を構成する３つの要素（1/rに比例する放射電磁界、1/r²に比例する誘導電磁界、1/r³に比例する準静電界）のうちの準静電界であり、車両の走行に伴うタイヤの転動よりに時間的に変化する。

【数1】

準静電界は磁界成分を含まず、また、電波のように伝搬する性質がないので、人や車両、物質の周りに静電気帯電電界のように分布し、その極性またはレベルが変化する。
したがって、車体の帯電電位を検出すれば、タイヤと路面との間に生じた帯電電位に対応する電位を検出することができるので、路面状態などのタイヤの状態を精度よく推定することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−２０３０１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、加速度のデータ等を無線にて車体に送信するためには、多くの電気エネルギーを必要とするので、タイヤに発電装置や電池を設置する必要がある。
また、車体の帯電電位を検出して路面状態を推定する方法では、発電装置や電池は不要であるが、Ｓ/Ｎ比が十分でないため、複数回転のデータを取得しそれを平均化する必要がある。

【0006】

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、無線通信を用いることなく、タイヤ内に配置されたセンサーの変形状態を車体側にて安定して検知する方法、及び、検知されたセンサーの変形状態からタイヤの接地状態を推定する方法とその装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者らは、鋭意検討の結果、電荷発生型パッシブセンサーの一方の電極とホイールとを直接接続し他方の電極をフローティングさせるか、もしくは、一方の電極とホイールとを容量結合し他方の電極をフローティングさせて、車体に分布する帯電電位を検出すれば、車体の帯電電位の時間変化波形に出現する電荷発生型パッシブセンサーの変形状態を車体側にて精度良く検知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、本発明は、タイヤ内に配置された電荷発生型パッシブセンサーの変形状態を車体側にて検知する方法であって、車体側に、車体における金属部位の表面に配置される検出電極と、前記車体の外側表面から空間を隔てて配置されるリファレンス電極とを設けるとともに、前記電荷発生型パッシブセンサーの一方の電極をホイールと電気的に結合させ、他方の電極をフローティングさせた状態で、前記検出電極と前記リファレンス電極との間の電位である車体に分布する帯電電位の時間変化波形を検出し、前記検出された帯電電位の時間変化波形から前記電荷発生型パッシブセンサーの変形状態を検知することを特徴とする。
これにより、無線通信を用いることなく、タイヤ内に配置された電荷発生型パッシブセンサーの変形状態を車体側にて精度良く検知することができる。
また、前記検知された電荷発生型パッシブセンサーの変形により発生する帯電電位の変化に基づいて当該タイヤの接地状態を推定するようにしたので、タイヤ内に電力供給手段を設けることなく、路面状態や横力などのタイヤの接地状態を安定して推定することができる。
ここで、電荷発生型パッシブセンサーとは、センサーに応力等の外力が作用すると伸縮して電荷を発生するセンサーであり、ＰＺＴなどの圧電センサーなどが挙げられる。
電荷発生型パッシブセンサーは、タイヤのトレッドの変形に伴い変形して電荷を発生する。タイヤのトレッドの変形状態は、走行時におけるタイヤの接地状態（タイヤと路面との摩擦状態やタイヤに作用する横力など）により変化する。したがって、電荷発生型パッシブセンサーの変形により発生する帯電電位の変化を、車体に分布する帯電電位の変化として検出すれば、当該タイヤの接地状態を推定することができる。
なお、電荷発生型パッシブセンサーの一方の電極をホイールと「電気的に結合させる」とは、上記電極とホイールとを導線で直接接続して結合する場合だけでなく、上記電極とホイールとを容量結合させる場合も含む。
また、電極を「フローティングさせた状態」とは、電極が、電圧源，グランド，グランド基準信号源のいずれにも接続されていないことをいう。

【0008】

また、本発明は、タイヤ内に車両走行時のタイヤの変形状態を検知するセンサーを配置し、前記センサーで検知された当該タイヤの変形状態から、当該タイヤの接地状態を推定するタイヤ接地状態推定装置であって、前記センサーとして電荷発生型パッシブセンサーを用いるとともに、車体における金属部位の表面に配置される検出電極と、前記車体の外側表面から空間を隔てて配置されるリファレンス電極と、前記検出電極と前記リファレンス電極との間の電位である車体に分布する帯電電位の時間変化波形を検出する帯電電位検出手段と、前記検出された帯電電位の時間変化波形から当該タイヤの接地状態を推定するタイヤ接地状態推定手段とを備え、前記電荷発生型パッシブセンサーの一方の電極をホイールと電気的に結合させ、他方の電極をフローティングさせたことを特徴とする。
このような構成を採ることにより、タイヤに電池や蓄電回路、発電素子などの電力供給手段を設けることなく、タイヤの接地状態を確実に推定することのできるタイヤ接地状態推定装置を実現することができる。

【0009】

また、本発明は、前記電荷発生型パッシブセンサーを、タイヤ接地面に対応するタイヤ内面に配置される圧電素子と、前記圧電素子に接続される素子用電極とを備えた圧電センサーとするとともに、前記素子用電極のうちの一方の電極を前記タイヤのビード部近傍まで延在させ、他方の電極をフローティングさせたことを特徴とする。
なお、ビード部近傍とは、インナーライナーの内側で、タイヤ内のビード部に対向する範囲を指すものとする。これにより、ホイールと圧電素子とを確実に容量結合させて、ホイールの帯電電位を圧電素子の変形状態に応じた電位にすることができるので、車体に分布する帯電電位の時間変化波形に重畳される前記圧電素子の出力波形を精度よく検出できる。
また、本発明は、前記電荷発生型パッシブセンサーを、タイヤ接地面に対応するタイヤ内面に配置される圧電素子と、前記圧電素子に接続される素子用電極とを備えた圧電センサーとするとともに、前記素子用電極のうちの一方の電極を前記タイヤのホイールに接続し、他方の電極をフローティングさせたことを特徴とする。
このように、一方の電極をホイールに直接接続すれば、車体に分布する帯電電位の時間変化波形に重畳される前記圧電素子の出力波形を精度よく検出できる。
また、前記電荷発生型パッシブセンサーをタイヤの変形の大きなタイヤ赤道面に配置したので、タイヤの変形状態を更に精度よく検知できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本実施形態に係る路面状態推定装置の構成を示すブロック図である。

【図2】圧電センサー、検知電極、及び、リファレンス電極の配置を示す図である。

【図3】圧電素子の配置例を示す図である。

【図4】車体の帯電電位の一例を示す図である。

【図5】タイヤの変形状態と圧電素子に作用する力を示す模式図と、圧電素子の両端に発生する帯電電位の時間変化波形の一例を示す図である。

【図6】圧電素子の配置の他の例を示す図である。

【図7】圧電センサーの他方の電極をフローティングさせたときとさせなかったときの帯電波形を示す図である。

【図8】静電界シミュレーションに用いた電気的等価モデルを示す図である。

【図9】圧電センサーのタイヤ側電極をフローティングさせたときとさせなかったときの電圧分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図10】タイヤ側電極の面積と測定電圧との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１は、本実施形態に係る路面状態推定装置１０の構成を示すブロック図である。
路面状態推定装置１０は、電荷発生型パッシブセンサーとしての圧電センサー１１と、帯電電位検知手段１２と、帯電波形抽出手段１３と、記憶手段１４と、路面状態推定手段１５とを備える。帯電電位検知手段１２は、検知電極１２ａとリファレンス電極１２ｂと増幅器１２ｃとを備える。
図２に示すように、圧電センサー１１はタイヤ３の内面に設置され、帯電電位検知手段１２は車体２に設置される。また、帯電波形抽出手段１３〜路面状態推定手段１５までの各手段は、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶装置とマイクロコンピュータのプログラムとから構成され、車両１の走行状態を制御する車両制御装置（図示せず）とともに電子ユニットに組み込まれて車体側（例えば、車体２のフレーム上など）に配置される。

【0012】

圧電センサー１１は、図３（ａ）に示すように、圧電素子１１ａと、素子用電極１１ｂ，１１ｃとを備えた電荷発生型パッシブセンサーで、図３（ｂ）に示すように、タイヤ３の内面であるインナーライナー３ｃの内面に取付けられる。
圧電素子１１ａを構成する材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；商品名）などの圧電セラミックスやポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの圧電ポリマーが好適に用いられる。本例では、圧電素子１１ａとして、ＰＶＤＦから成る圧電フィルムを用いるとともに、圧電フィルムの両面にそれぞれ素子用電極１１ｂ，１１ｃが形成された構成の圧電センサー１１を用いている。
また、本例では、図３（ｃ）に示すように、圧電フィルムの長手方向がタイヤ周方向を向くように圧電センサー１１をインナーライナー３ｃのタイヤ径方向内側に配置している。これは、圧電フィルムが、長手方向に伸縮した場合に分極が大きくなるためと、フィルムを用いた方が、円環状であるタイヤ内面に貼付けやすいためである。なお、本例のように、圧電素子１１ａの長さをタイヤ３の接地長よりも短くしている場合には、圧電素子１１ａとして圧電セラミックスを用いても特に問題はない。
また、圧電センサー１１の取付位置としては、タイヤ走行時の変形が最も大きな位置である、トレッド３ａの接地面の幅方向中央に対応する位置（タイヤ赤道面）とすることが発生する電荷量が大きくなるので好ましい。

【0013】

また、本例では、圧電センサー１１を、エポキシ樹脂などの絶縁性接着剤を用いてインナーライナー３ｃの内面側に貼付けている。このとき、インナーライナー３ｃの内面側を予めバフ研磨して接着面に小さな凹凸をつけてから圧電センサー１１を貼付けることが好ましい。これにより、圧電センサー１１をタイヤ内面に強固に接着できるので、圧電素子１１ａを、トレッド３ａの変形状態に応じて変形させることができる。また、接着面に小さな凹凸をつけることで、接着層の厚さを均一にできるので、接着状態のバラつきに起因する不要なノイズの発生を防止することができる。

【0014】

本例では、圧電素子１１ａの変形状態を精度よく検知するため、圧電センサー１１の一方の素子用電極（ここでは、タイヤ気室３ｓの素子用電極）１１ｂを、リード線１１ｄを介して、タイヤ３のホイール３ｂに直接接続させるとともに、他方の素子用電極（タイヤ内面側の素子用電極）１１ｃをフローティングさせるようにしている。これに対して、素子用電極１１ｂ，１１ｃをそれぞれホイール３ｂとタイヤ内面とに接続した場合には、圧電素子１１ａそのものが準静電的には電極として作用するので圧電素子１１ａがタイヤ３を介して路面４と電気的に結合してしまう。その結果、ホイール３ｂと路面４とが短絡するので、検知電極１２ａで検知する帯電電位が低下するだけでなく、不要なノイズが発生してしまい、十分かつ安定したセンサー出力（圧電素子１１ａの変形状態に起因する帯電電位）を検知することが困難となる。
本例では、圧電素子１１ａの配線をホイール３ｂ側のみとすることで、ホイール３ｂに電気的に接続される素子用電極１１ｂを接地側電極とし、他方の電極である素子用電極１１ｃを配線しないようにしている。したがって、ホイール３ｂに、圧電素子１１ａのタイヤ３の周方向の伸縮に応じた電荷を効果的に帯電させることができる。

【0015】

なお、タイヤ３のホイール３ｂと電気的に接続させるためには、必ずしも素子用電極１１ｂとホイール３ｂとを直接リード線１１ｄで結合する必要はなく、例えば、素子用電極１１ｂをビード部３ｄ近傍まで延在させた構成としてもよい。これにより、素子用電極１１ｃとホイール３ｂとを確実に容量結合させることができるので、ホイール３ｂに、圧電素子１１ａのタイヤの周方向の伸縮に応じた電荷を帯電させることができる。
素子用電極１１ｃをフローティングさせるには、例えば、他方の電極である素子用電極１１ｃとインナーライナー３ｃの内面側との間に高抵抗の絶縁体を配置するなどすればよい。また、素子用電極１１ｃを省略してもよい。
本例では、前述したように、圧電センサー１１をタイヤ内面に装着する際に、接着剤として、エポキシ樹脂などの絶縁性接着剤を使用しているので、素子用電極１１ｃはフローティング状態にある。なお、本例のように、圧電素子１１ａの長さがタイヤ３の接地長よりも短く、素子用電極１１ｂ，１１ｃの面積が小さい場合には、素子用電極１１ｃとタイヤ３とが直接接続している部分があっても、素子用電極１１ｃはほぼフローティング状態にあると見做すことができる。

【0016】

帯電電位検知手段１２の検知電極１２ａは平板状の電極で、車体２の外側表面に対して所定の空隙を隔てて配置され、車体２と容量結合される。本例では、車体２の外側表面と検知電極１２ａとの間の空隙に厚さが一定の板状の誘電体を介挿することで、車体２との間の静電容量を大きくするとともに、前記空隙を確保するようにしている。
一方、リファレンス電極１２ｂも平板状の電極から構成され、支持部材５により、車体２と電気的に絶縁した状態で車体２の外側表面に取付けられる。図２に示すように、支持部材５は、車体２の外表面に設けられた防振台５ａと、防振台５ａ上に設けられた筒状の支持台５ｂと、支持台５ｂの上端から突出するように取付けられたアクリル，ウレタン等の樹脂から成る棒状の支持棒５ｃとを備えており、リファレンス電極１２ｂは支持棒５ｃの先端に取付けられる。これにより、リファレンス電極１２ｂを帯電している車体２から遠くに離す（例えば、１００［ｍｍ］以上）ことができるとともに、リファレンス電極１２ｂと車体２とを電気的に絶縁できるので、リファレンス電極１２ｂを安定的に零電位に保つことができる。
増幅器１２ｃは、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）等の検知素子及びアンプを有しており、検知電極１２ａとリファレンス電極１２ｂとの間の電位である帯電電位を検知して増幅する。

【0017】

車体２とタイヤ３とは容量結合しているので、車体２の外表面には、タイヤ３と路面４との間の静電容量の変化に起因する帯電電位（以下、ベース電位という）に、タイヤ１回転毎に出現するタイヤの変形に起因する帯電電位（以下、圧電電位という）が重畳された帯電電位が発生する。したがって、検知電極１２ａとリファレンス電極１２ｂとの間には、タイヤ３と路面４との接触によりトレッド３ａに帯電した電荷を発生源として車体２全体に分布したベース電位と、圧電素子１１ａの伸縮に応じて発生しホイール３ｂに帯電した電荷とを発生源とした圧電電位とを含む帯電電位の信号が連続的に出力される。
圧電電位は、路面状態によらず、ベース電位に比較して大きく、かつ、ベース電位の周波数は圧電電位の周波数よりも高いので、帯電電圧の時間変化波形は、図４に示すように、ベース電位に圧電電位が重畳されたものとなる。これは、車体側に設けられた検知電極１２ａが、タイヤ側に設けられた圧電素子１１ａの出力を検出していることを意味している。つまり、タイヤ側で発生した圧電素子１１ａの変形状態に対応する信号は、送信機などの通信手段を用いることなく、車体２側に送られる。

【0018】

帯電波形抽出手段１３は、増幅器１２ｃで増幅されて連続的に出力される帯電電位の信号をＡ/Ｄ変換するとともに、帯電電位のタイヤ１回転分の長さの時間変化波形（以下、帯電波形という）を抽出する。なお、抽出する帯電波形としては、タイヤ２回転分あるいは３回転分以上の長さであってもよい。これにより、複数回転での平均を採ることができるので、路面状態の推定精度が向上する。
このとき、フィルタを用いて高周波成分を除去するとともに、圧電素子１１ａの接着状態に起因する低周波ノイズを除去するようにすれば、ベース電位も小さくなるので、車体２側にて、圧電電位の時間変化波形（センサーの出力波形）に近い帯電波形を抽出することができる。

【0019】

記憶手段１４は、予め様々な路面状態を走行させて作成した帯電波形に出現する蹴り出し点Ｅ_kにおけるピーク値である基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ）と、そのときの路面状態Ｒとを対応させたＲ−Ｖテーブル１４Ｔと、路面状態の判定に用いる閾値Ｋとを記憶する。
路面状態推定手段１５は、ピーク値算出部１５ａと判定部１５ｂとを備え、帯電波形抽出手段１３で抽出した帯電波形からタイヤ３の走行している路面４の状態を推定する。具体的には、ピーク値算出部１５ａにて、帯電波形に出現する蹴り出し点Ｅ_kにおけるピーク値Ｖ_kを算出し、判定部１５ｂにて、前記算出されたピーク値Ｖ_kとＲ−Ｖテーブル１４Ｔに記憶された基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ）とを比較して路面状態を推定する。
例えば、路面状態が乾燥路面であるかＷＥＴ路面であるかを判定する場合には、記憶手段１４に、乾燥路面での基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ_D）とＷＥＴ路面での基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ_W）とを、それぞれ乾燥路面及びＷＥＴ路面に対応させたＲ−Ｖテーブル１４Ｔを記憶させておき、帯電波形から算出された蹴り出し点Ｅ_kにおけるピーク値Ｖ_kと乾燥路面での基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ_D）及びＷＥＴ路面での基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ_W）とを比較して路面状態を推定する。乾燥路面での基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ_D）はＷＥＴ路面での基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ_W）よりも大きいので、算出されたピーク値Ｖ_kの大きさと基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ_D），Ｖ_k（Ｒ_W）との大小関係を調べれば、路面状態を容易に推定できる。

【0020】

次に、路面状態推定装置１０の動作について説明する。
インナーライナー３ｃの内側に圧電センサー１１を取付けたタイヤ３を装着した車両を走行させて、車体２側に設けられた検知電極１２ａにてタイヤ３と路面４との間の静電容量の変化に起因するベース電位に、圧電素子１１ａの変形状態に応じて変化する圧電電位が重畳された帯電電位を検出する。
ベース電位は、タイヤ３と路面４との接触によりトレッド３ａに帯電した電荷を発生源として車体２全体に分布した帯電電位で、その振幅は路面状態により変化する。なお、ＷＥＴ路面におけるベース電位の振幅の平均値は乾燥路面におけるベース電位の振幅の平均値の約１/５程度の大きさである。
一方、圧電電位も、タイヤ３の接地状態（ここでは、タイヤ３に作用する路面４からの摩擦力）により変化する。また、図４に示すように、ベース電位が時間的に正負に変化するのに対して、圧電電位は、踏み込み点と蹴り出し点とに大きなピークを有する波形がタイヤ１回転毎に出現する。これら２つのピークは、ＷＥＴ路面においても乾燥路面においてもベース電位よりもはるかに大きな振幅を有する。

【0021】

図５（ａ）は、走行時のタイヤ３の変形状態と圧電素子１１ａに作用する力を示す模式図で、同図の左右方向が車両１の前後方向、紙面に垂直な方向が車軸方向である。同図に示すように、タイヤ３が接地している箇所では円弧状であったタイヤ３の形状は荷重により引き伸ばされる。すなわち、タイヤ３の接地している領域（接地領域）では、タイヤ３には車両前後方向の引張応力が作用する。これに対して、接地する前の領域（踏み込み点Ｅ_fよりも前の領域；踏み込み前領域）と接地面から離れた後の領域（蹴り出し点Ｅ_kよりも後の領域；蹴り出し後領域）では、圧縮応力が作用する。圧電素子１１ａが周方向の圧縮応力を受けたときにはタイヤ気室３ｓ側が(＋)に帯電し、引張応力を受けたときには(−)に帯電するように分極されているとすると、圧電素子１１ａの両端には、図５（ｂ）に示すような、踏み込み点Ｅ_fに(＋)のピークを有し蹴り出し点Ｅ_kに(−)のピークを有する帯電電位が発生する。

【0022】

本例では、圧電センサー１１のタイヤ気室３ｓ側の素子用電極１１ｂを、リード線１１ｄを介して、タイヤ３のホイール３ｂと電気的に接続させるとともに、タイヤ内面側の素子用電極１１ｃはフローティングされているので、素子用電極１１ｂにはホイール３ｂから電荷が流れ込んで蓄積されるとともに、ホイール３ｂが帯電する。このとき、ホイール３ｂの帯電電位は、圧電素子１１ａの帯電電位、すなわち、圧電素子１１ａのタイヤ３の周方向の伸縮に応じた帯電電位となる。
したがって、車体２側に帯電電位検知手段１２として検知電極１２ａとリファレンス電極１２ｂとを設けて、車体２の帯電電位を検知すれば、タイヤ３と路面４との間の静電容量の変化に起因するベース電位と、圧電素子１１ａの変形状態に応じて変化する圧電電位とを同時に検知することができる。なお、帯電電位は増幅器１２ｃで増幅されて帯電波形抽出手段１３に送られる。

【0023】

次に、帯電波形抽出手段１３にて、帯電電位のタイヤ１回転の長さの時間変化波形である帯電波形を抽出する。
次に、この抽出された帯電波形から蹴り出し点Ｅ_kにおけるピーク値Ｖ_kを算出し、この算出されたピーク値Ｖ_kと乾燥路面での基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ_D）とＷＥＴ路面での基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ_W）とを比較し、｜Ｖ_k（Ｒ_D）−Ｖ_k｜＜Ｋ_Dであれば路面は乾燥路面であると推定し、｜Ｖ_k（Ｒ_W）−Ｖ_k｜＜Ｋ_WであればＷＥＴ路面であると推定する。いずれでもない場合には、再度ピーク値Ｖ_kを算出して基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ）と比較する。
なお、算出されたピーク値Ｖ_kの大きさと基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ_D），Ｖ_k（Ｒ_W）との大小関係から路面状態を推定してもよい。

【0024】

このように、実施の形態では、タイヤ３内に配置された圧電センサー１１のタイヤ気室３ｓ側の素子用電極１１ｂをホイール３ｂと電気的に結合させ、タイヤ内面側の素子用電極１１ｃをフローティングさせるとともに、車体２側に検知電極１２ａとリファレンス電極１２ｂとを設けて、車体２に分布する帯電電位を検知することで、タイヤ３と路面４との接触によりトレッド３ａに帯電した電荷を発生源として車体２全体に分布した帯電電位とこの帯電電位に重畳される圧電センサー１１の変形状態に起因する帯電電位を車体２側で検知するようにしたので、無線通信を用いることなく、圧電センサー１１の変形状態を検知することが可能となる。また、検知された帯電電位の時間変化波形である帯電波形から当該タイヤの接地状態を推定するようにしたので、タイヤに電池や蓄電回路、発電素子などの電力供給手段を設けることなく、タイヤの接地状態を確実に推定することができる。

【0025】

なお、前記実施の形態では、圧電フィルムの長手方向がタイヤ周方向を向くように配置して路面状態を推定したが、図６（ａ）に示すように、圧電フィルムの長手方向がタイヤ幅方向を向くように配置したり、タイヤ周方向とタイヤ幅方向とに交差するように配置することで、横力や前後力などのタイヤ接地面に作用する多方向の力を求めることができる。図６（ｂ）に示すように、タイヤ３の接地面に踏面に路面摩擦力が作用した場合には、圧電フィルムの長手方向がタイヤ周方向を向いている圧電センサー１１Ａのピーク値が最も大きく、長手方向がタイヤ幅方向を向いている圧電センサー１１Ｂのピーク値が最も小さくなり、長手方向がタイヤ周方向に対して４５°傾いている圧電センサー１１Ｃ，１１Ｄのピーク値はその中間の大きさになる。一方、タイヤ３に横力が作用すると、圧電センサー１１Ａのピーク値は変わらないが、圧電センサー１１Ｂ〜１１Ｄのピーク値は大きくなる。したがって、圧電センサー１１Ａ〜１１Ｄのピーク値を比較することでタイヤ３に作用する横力の大きさを推定することができる。
また、タイヤ３の周方向に沿って、長手方向の向きが互いに異なる複数の圧電フィルムを貼着すると、図６（ｃ）に示すように、タイヤ１周分の周期Ｔで、長手方向の向きが異なる複数の圧電センサー１１Ａ〜１１Ｄの帯電電位が所定の時間間隔で出現するので、タイヤ接地面に作用する多方向の力を時限で切り分けてタイヤ３に作用する力の成分を分離して取り出すことができる。
また、タイヤ接地面に作用する多方向の力を分離することで、スリップ角やキャンバー角などのタイヤの姿勢角も推定できる。

【0026】

また、前記実施の形態では、帯電波形に出現する蹴り出し点Ｅ_kにおけるピーク値Ｖ_kから路面状態を推定したが、記憶手段１４に、踏み込み点Ｅ_fにおけるピーク値と路面状態との関係を示すテーブルと、蹴り出し点Ｅ_kにおけるピーク値と路面状態との関係を示すテーブルの両方を記憶させておき、路面状態推定手段１５では踏み込み点Ｅ_fにおけるピーク値と蹴り出し点Ｅ_kにおけるピーク値との両方を用いて路面状態を推定してもよい。あるいは、記憶手段１４に、帯電波形そのものを路面状態毎に記憶させておき、検出した帯電波形と記憶手段１４に記憶しておいた路面状態毎の帯電波形とを比較して路面状態を推定してもよい。
なお、本例では、圧電センサー１１を１個としているが、複数個の圧電センサー１１をタイヤ周方向に所定距離離隔して取付け、帯電波形に出現する蹴り出し点Ｅ_kにおけるピーク値Ｖ_kの平均値と基準ピーク値Ｖ_k（Ｒ_D），Ｖ_k（Ｒ_W）とを比較して路面状態を推定してもよい。

【0027】

また、前記実施の形態では、帯電波形抽出手段１３にて、タイヤ１回転分の帯電波形を抽出したが、２回転あるいは３回転以上の長さの帯電波形を抽出してもよい。これにより、複数回転での圧電電位の平均を採ることができるので、路面状態の推定精度を向上させることができる。
また、少なくとも２つ以上の時間的に前後する圧電波形が含まれる帯電波形を求めれば、タイヤ３が１回転に要する時間である回転時間を求めることが可能となる。具体的には、タイヤ３の径と２つの時間変化波形に重畳された圧電波形の踏み込み点Ｅ_fのピーク間の時間もしくは蹴り出し点Ｅ_kのピーク間の時間が回転時間となる。

【0028】

＜実験例＞
図７（ａ）は、圧電センサー１１の一方の電極（素子用電極１１ｂ）をホイールに導通させ、他方の電極（素子用電極１１ｃ）をフローティング状態にした場合の帯電波形で、図７（ｂ）は、素子用電極１１ｃを、タイヤ３のインナーライナー３ｃの内面側に設けた銅箔（タイヤ側リファレンス電極）に導通させた場合の帯電波形である。このように、圧電センサーの素子用電極１１ｃをフローティングした方が、大きな信号電圧を得ることができることが実験的に確認された。
また、このような傾向について、図８（ａ），（ｂ）に示すような、電気的等価モデルを作成して、静電界シミュレーション(EEM-STF)による裏付けを行った。
具体的には、圧電素子１１ａを点電荷２１とし、素子用電極１１ｂを面電極（ホイール側電極２２）とし、素子用電極１１ｃとタイヤ側リファレンス電極とを面電極（タイヤ側電極２３）とした。また、ホイール３ｂとリード線１１ｄとを導体２４とし、タイヤ３を誘電率がε＝２．４である直方体状の誘電体２５とした。符号２６は路面である。
ここで、圧電素子１１ａの長さ方向をＸ方向、幅方向をＹ方向、厚み方向をＺ方向とし、ホイール側電極２２の長さを３０ｍｍ、幅を１０ｍｍとした。また、タイヤ側電極２３の幅を１０ｍｍとし長さを可変とすることでタイヤ側電極２３の電極面積を可変とした。なお、誘電体２５の厚さは１０ｍｍであり、素子用電極１１ｃがフローティングされている場合には、タイヤ側電極２３の面積は零として計算した。

【0029】

図９（ａ），（ｂ）は、静電界シミュレーションにより求めた電圧分布を示す図で、（ａ）図が素子用電極１１ｃをフローティング状態にした場合、（ｂ）図がタイヤ側リファレンス電極の面積を１０００ｍｍ²としたときの電圧分布である。なお、路面２６の電位を０Ｖとした。
素子用電極１１ｃをフローティング状態にした方が、ホイール側電極２２と導体２４の周りの電位が高くなっている。すなわち、素子用電極１１ｃをフローティングした方がホイール３ｂに帯電する電荷量が多いことが分かる。
図１０は、タイヤ側電極２３の面積と測定点（導体２４先端）の電圧値との関係を示す図である。同図に示すように、タイヤ側電極２３の面積が大きいほど測定電圧値が低下することが分かる。これにより、圧電センサーの素子用電極１１ｃをフローティングした方が、大きな信号電圧を得ることができることが静電界シミュレーションによっても確認された。

【0030】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

【符号の説明】

【0031】

１ 車両、２ 車体、３ タイヤ、３ａ トレッド、３ｂ ホイール、
３ｃ インナーライナー、３ｄ ビード部、３ｓ タイヤ気室、４ 路面、
５ 支持部材、１０ 路面状態推定装置、１１ 圧電センサー、１１ａ 圧電素子、
１１ｂ，１１ｃ 素子用電極、１１ｄ リード線、１２ 帯電電位検知手段、
１２ａ 検知電極、１２ｂ リファレンス電極、１２ｃ 増幅器、
１３ 帯電波形抽出手段、１４ 記憶手段、１４Ｔ Ｒ−Ｖテーブル、
１５ 路面状態推定手段、１５ａ ピーク値算出部、１５ｂ 判定部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】