(57)【要約】【課題】タイヤの形状変化を確実に検出可能で低コストな形状変化検出装置を提供する。【解決手段】制御回路１４は、駆動信号を生成して発信部１２ａに出力する。すると、発信部１２ａは駆動信号に基づいて超音波を発信し、その超音波はタイヤＴの側面部分Ｔａに向けて投射される。その発信部１２ａの発信した超音波は、タイヤＴの側面部分Ｔａで反射する。その反射音は受信部１２ｂによって検出され、受信部１２ｂの検出信号は制御回路１４に出力される。従って、制御回路１４は、前記駆動信号と前記検出信号とに基づく演算により、タイヤＴの側面部分Ｔａの形状変化（変形度合）を検出し、その形状変化の検出結果に従って路面Ｐから車輪Ｗにかかる応力（特に横応力）を検出し、その応力の検出結果のデータ信号Ｄを生成する。【選択図】  図１
2005207811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出物に対して超音波を発信する発信手段と、
その発信手段が発信した超音波が被検出物に反射した反射音を受信する受信手段と、
前記発信手段が発信した超音波と、前記受信手段が受信した超音波とに基づいて、被検出物の形状変化を検出する形状変化検出手段と
を備えた形状変化検出装置であって、
前記受信手段は、超音波を受信する複数個の受信部を備え、当該各受信部がアレイ状に配置されていることを特徴とする形状変化検出装置。
【請求項２】
車両の車輪の所定箇所に対して超音波を発信する発信手段と、
その発信手段が発信した超音波が被検出物に反射した反射音を受信する受信手段と、
前記発信手段が発信した超音波と、前記受信手段が受信した超音波とに基づいて、前記車輪の所定箇所の形状変化を検出する形状変化検出手段と
を備えた形状変化検出装置であって、
前記受信手段は、超音波を受信する複数個の受信部を備え、当該各受信部がアレイ状に配置されていることを特徴とする形状変化検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の形状変化検出装置において、
前記車輪の所定箇所は、路面に接触している車輪の底面近傍の側面部分であることを特徴とする形状変化検出装置。
【請求項４】
請求項２に記載の形状変化検出装置において、
前記車輪の所定箇所は、車輪に接続された車軸の外周面であることを特徴とする形状変化検出装置。
【請求項５】
請求項２に記載の形状変化検出装置において、
前記車輪の所定箇所は、車輪のリムの任意な箇所であることを特徴とする形状変化検出装置。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか１項に記載の形状変化検出装置において、
前記形状変化検出手段が検出した前記車輪の所定箇所の形状変化に基づいて、路面から前記車輪にかかる応力を検出する応力検出手段を備えたことを特徴とする形状変化検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の形状変化検出装置において、
前記受信手段を構成する複数個の受信部と、前記発信手段とが、１枚の基板上に集積化されていることを特徴とする形状変化検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状変化検出装置に係り、詳しくは、超音波の反射を利用して被検出物（車両の車輪など）の形状変化を検出する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、障害物回避などの急激なハンドル操作をしたときや、滑りやすい路面のカーブに進入したときなどに発生する車両（自動車）の横滑りを抑制するために、エンジン出力と各車輪のブレーキ力を自動的に制御し、車両の安定性を確保することにより、衝突予知被害軽減（プリクラッシュセーフティー）を図る車両安定制御技術の開発がすすめられている。そのような技術として、例えば、ＶＤＣ（Vehicle Dynamics Control）やＶＳＣ（Vehicle Stability Control ）などが実用化されている。
【０００３】
車両安定制御技術では、路面から車輪にかかる応力を検出することにより、車両の横滑り状態を判定している。そのため、車両の横滑り状態を正確に判定するには、路面から車輪にかかる応力（特に横応力）を正確に検出する必要がある。
【０００４】
従来より、路面から車輪にかかる応力を検出する技術として、極性Ｎ，Ｓが交番する永久磁石を備えたエンコーダを車輪のタイヤ側面に取り付けると共に、そのエンコーダの磁界を感知するための２個の磁界感知式測定値ピックアップ（センサ）を車両のシャーシに取り付けておき、前記測定値ピックアップによってタイヤ側面の変形を検出することにより、路面から車輪にかかる応力を検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特表２００３−５０９６６５号公報（第１〜３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術では、永久磁石を備えたエンコーダがタイヤ側面に取り付けられた特別な専用タイヤを用意しなければならないため、市販タイヤを使用できず一般性に欠ける上に、専用タイヤの分だけコストがかかるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、被検出物の形状変化を確実に検出可能で低コストな形状変化検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（請求項１）
請求項１に記載の発明は、被検出物に対して超音波を発信する発信手段と、その発信手段が発信した超音波が被検出物に反射した反射音を受信する受信手段と、前記発信手段が発信した超音波と、前記受信手段が受信した超音波とに基づいて、被検出物の形状変化を検出する形状変化検出手段とを備えた形状変化検出装置であって、前記受信手段は、超音波を受信する複数個の受信部を備え、当該各受信部がアレイ状に配置されていることを技術的特徴とする。
【０００８】
（請求項２）
請求項２に記載の発明は、車両の車輪の所定箇所に対して超音波を発信する発信手段と、その発信手段が発信した超音波が被検出物に反射した反射音を受信する受信手段と、前記発信手段が発信した超音波と、前記受信手段が受信した超音波とに基づいて、前記車輪の所定箇所の形状変化を検出する形状変化検出手段とを備えた形状変化検出装置であって、前記受信手段は、超音波を受信する複数個の受信部を備え、当該各受信部がアレイ状に配置されていることを技術的特徴とする。
【０００９】
（請求項３：第１実施形態に該当）
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の形状変化検出装置において、前記車輪の所定箇所は、路面に接触している車輪の底面近傍の側面部分であることを技術的特徴とする。
【００１０】
（請求項４：第２実施形態に該当）
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の形状変化検出装置において、前記車輪の所定箇所は、車輪に接続された車軸の外周面であることを技術的特徴とする。
【００１１】
（請求項５）
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の形状変化検出装置において、前記車輪の所定箇所は、車輪のリムの任意な箇所であることを技術的特徴とする。
【００１２】
（請求項６）
請求項６に記載の発明は、請求項２〜５のいずれか１項に記載の形状変化検出装置において、前記形状変化検出手段が検出した前記車輪の所定箇所の形状変化に基づいて、路面から前記車輪にかかる応力を検出する応力検出手段を備えたことを技術的特徴とする。
【００１３】
（請求項７）
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の形状変化検出装置において、前記受信手段を構成する複数個の受信部と、前記発信手段とが、１枚の基板上に集積化されていることを技術的特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、超音波を発信する複数個の受信部をアレイ状に配置した受信手段を用い、発信手段が発信した超音波が被検出物に反射した反射音を当該受信手段によって受信することにより、被検出物の３次元的な形状変化を検出することが可能になる。
【００１５】
尚、受信手段を構成する受信部の個数は形状変化検出値の分解能に対応し、受信部の個数を増やすほど当該分解能を高くすることができる。また、受信部の配置間隔は、発信手段の発信する超音波の波長よりも短い距離に設定する必要がある。そして、各受信部の配置間隔は形状変化検出値の分解能に対応する。そのため、受信部の個数および配置間隔は、必要な形状変化検出値の分解能に応じてカット・アンド・トライで実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の作用により、被検出物として車両の車輪の所定箇所の３次元的な形状変化を検出することが可能になる。そして、超音波の発信手段および受信手段を設けることにより、既存の車輪には何ら手を加えることなく、車輪の所定箇所の形状変化を正確に検出することが可能であるため、特別な専用タイヤを用いる特許文献１の技術に比べて、低コスト化を図ることができる。
【００１７】
ところで、請求項３に記載の発明のように、前記車輪の所定箇所は、路面に接触している車輪の底面近傍の側面部分にすればよい。また、請求項４に記載の発明のように、前記車輪の所定箇所は、車輪に接続された車軸の外周面にしてもよい。また、請求項５に記載の発明のように、前記車輪の所定箇所は、車輪のリムの任意な箇所にしてもよい。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、車輪の所定箇所の形状変化に基づいて路面から車輪にかかる応力を応力検出手段にて検出することができる。そして、路面から車輪にかかる応力（特に横応力）に基づいて、車両のエンジン出力を制御すると共に、車両のブレーキ力を制御すれば、障害物回避などの急激なハンドル操作をしたときや、滑りやすい路面のカーブに進入したときなどに発生する車両の横滑りが抑制され、車両の安定性が確保されることから、衝突予知被害軽減が図られる。
【００１９】
請求項７に記載の発明によれば、受信手段を構成する複数個の受信部と発信手段とが１枚の基板上に集積化されているため、受信手段および発信手段を小型化することが可能であり、特に、請求項２に記載の発明において、受信手段および発信手段を車両に容易に取り付けることができる。
【００２０】
（用語の説明）
尚、上述した［課題を解決するための手段］に記載した構成要素と、後述する［発明を実施するための最良の形態］に記載した構成部材との対応関係は以下のようになっている。
【００２１】
「被検出物」は、路面Ｐに接触しているタイヤＴの底面近傍の側面部分Ｔａ、車軸Ｓの外周面、リムＲの適宜な箇所などに該当する。また、「発信手段」および「受信手段」は、超音波センサ１２に該当する。また、「形状変化検出手段」および「応力検出手段」は、制御回路１４に該当する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を具体化した各実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、各実施形態において、第１実施形態と同一構成部材については符号を等しくして説明を省略してある。
【００２３】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態におけるタイヤ形状変化検出装置１０の概略構成を示す説明図である。タイヤ形状変化検出装置１０は、超音波センサ１２および制御回路１４から構成されている。
【００２４】
車両（自動車）の車輪Ｗは、車軸（シャフト）Ｓと、その車軸Ｓに固定されたリムＲと、そのリムＲに嵌合されたタイヤＴとから構成されている。超音波センサ１２は車両のシャーシ（図示略）に取付固定されている。超音波センサ１２は、超音波の発信部１２ａおよび受信部１２ｂを備え、各部１２ａ，１２ｂが路面Ｐに接触しているタイヤＴの底面近傍の側面部分Ｔａに向くように配置されている。
【００２５】
制御回路１４は、駆動信号を生成して発信部１２ａに出力する。すると、発信部１２ａは駆動信号に基づいて超音波を発信し、その超音波はタイヤＴの側面部分Ｔａに向けて投射される。その発信部１２ａの発信した超音波は、タイヤＴの側面部分Ｔａで反射する。その反射音は受信部１２ｂによって検出され、受信部１２ｂの検出信号は制御回路１４に出力される。
【００２６】
すると、制御回路１４は、前記駆動信号と前記検出信号とに基づき、発信部１２ａから発信させた超音波と受信部１２ｂの受信した超音波との位相差を求めることにより、タイヤＴの側面部分Ｔａの形状変化（変形度合）を検出し、その形状変化の検出結果に従って路面Ｐから車輪Ｗにかかる応力（特に横応力）を演算にて求め、その応力を表すデータ信号Ｄを生成する。
【００２７】
そして、制御回路１４の生成したデータ信号Ｄは、車両のエンジン制御装置（図示略）およびブレーキ制御装置（図示略）へ出力される。すると、そのデータ信号Ｄに基づいて、エンジン制御装置がエンジン出力を制御すると共に、ブレーキ制御装置がブレーキ力を制御することにより、障害物回避などの急激なハンドル操作をしたときや、滑りやすい路面のカーブに進入したときなどに発生する車両の横滑りが抑制され、車両の安定性が確保されることから、衝突予知被害軽減が図られる。
【００２８】
［超音波センサの構成］
図２は、超音波センサ１２の概略構成を示す斜視図である。超音波センサ１２は、１個の発信部１２ａと、アレイ状に並べられた複数個（図示例では９個）の受信部１２ｂとが１枚の基板１２ｃ上に配置されて構成されている。尚、超音波センサ１２の方式としては、圧電（ピエゾ）式や静電容量（コンデンサ）式などがある。
【００２９】
図３（Ａ）は、圧電式の超音波センサ１２の概略構成を示す断面図である。圧電式超音波センサ１２は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１２ｃ上に複数個形成された強誘電体（例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）など）の薄膜２１から構成され、各薄膜２１がそれぞれ発信部１２ａまたは受信部１２ｂを構成する。そして、圧電式の超音波センサ１２において、発信部１２ａでは入力信号に応じて薄膜２１が圧電効果により振動して超音波を発生し、受信部１２ｂでは超音波によって振動した薄膜２１が圧電効果により電気信号を発生する。
【００３０】
図３（Ｂ）は、静電容量式の超音波センサ１２の概略構成を示す断面図である。静電容量式超音波センサ１２は、シリコン基板１２ｃ上に形成された複数個の固定電極２２と、各固定電極２２に対して間隙を設けて配置された各可動電極２３と、各可動電極２３が形成された振動膜（ダイヤフラム）２４とから構成され、対向する一対の電極２２，２３がそれぞれ発信部１２ａまたは受信部１２ｂを構成する。そして、静電容量式の超音波センサ１２において、発信部１２ａでは各電極２２，２３に入力信号に応じた静電引力が生じて振動膜２４が振動することで超音波を発生し、受信部１２ｂでは超音波によって振動膜２４が振動して各電極２２，２３間の静電容量が変化する。そのため、制御回路１４において、各電極２２，２３間の静電容量の変化を電気信号に変換する。
【００３１】
［第１実施形態の作用・効果］
第１実施形態によれば、以下の作用・効果を得ることができる。
【００３２】
（１）超音波センサ１２の発信部１２ａおよび受信部１２ｂは、路面Ｐに接触しているタイヤＴの底面近傍の側面部分Ｔａに向くように配置され、発信部１２ａの発信した超音波はタイヤＴの側面部分Ｔａに向けて投射される。そして、制御回路１４は、タイヤＴの側面部分Ｔａの形状変化を検出し、その形状変化の検出結果に従って路面Ｐから車輪Ｗにかかる応力を検出する。
【００３３】
つまり、路面Ｐから車輪Ｗにかかる応力（特に横応力）により最も変形しやすいのは、路面Ｐに接触しているタイヤＴの底面近傍の側面部分Ｔａであるため、その側面部分Ｔａの形状変化を超音波センサ１２を用いて検出することにより、前記応力を正確に検出することができる。
【００３４】
ちなみに、図１に示すタイヤＴの上部近傍（路面Ｐとは反対側）の側面部分Ｔｂの形状変化を超音波センサ１２を用いて検出しても、前記応力を正確に検出することができる。しかし、タイヤＴの側面部分Ｔｂは、走行に伴うタイヤＴの振動によっても形状変化を起こしやすい。そのため、側面部分Ｔｂの形状変化を検出する方法では、側面部分Ｔｂの形状変化を検出する第１実施形態に比べて、前記応力の検出精度が低下することになる。
【００３５】
（２）超音波センサ１２を用いることにより、既存の車輪Ｗには何ら手を加えることなく、タイヤＴの側面部分Ｔａの形状変化を正確に検出することができる。従って、本第１実施形態は、特別な専用タイヤを用いる特許文献１の技術に比べて、低コストに実現することができる。
【００３６】
（３）超音波センサ１２を用いることにより、路面Ｐの泥，砂塵，雨水などが付着してタイヤＴの側面部分Ｔａが汚れている場合でも、その側面部分Ｔａの形状変化を正確に検出することができる。
【００３７】
（４）超音波センサ１２は、基板１２ｃ上にアレイ状に並べられた複数個の受信部１２ｂを備えている。そのため、タイヤＴの側面部分Ｔａの一点と超音波センサ１２との距離変化だけでなく、タイヤＴの側面部分Ｔａの３次元的な形状変化を検出することが可能であり、その３次元的な形状変化に基づいて路面Ｐから車輪Ｗにかかる応力を正確に検出することができる。
【００３８】
尚、受信部１２ｂの個数は検出対象の形状変化検出値の分解能（つまり、路面Ｐから車輪Ｗにかかる応力の分解能）に対応し、受信部１２ｂの個数を増やすほど当該分解能を高くすることができる。また、各受信部１２ｂの配置間隔は、発信部１２ａの発信する超音波の波長よりも短い距離に設定する必要がある。そして、各受信部１２ｂの配置間隔は前記分解能に対応する。そのため、受信部１２ｂの個数および配置間隔は、必要な前記分解能に応じてカット・アンド・トライで実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
【００３９】
（５）超音波センサ１２の方式は、超音波センサ１２自体の共振周波数と検出対象の超音波（発信部１２ａの発信する超音波）の周波数とを勘案して、適宜な方式を選択すればよい。例えば、圧電式は、構造的に簡単で超音波センサ１２自体の共振周波数を高くできるため、検出対象の超音波が高い場合に好適である。
【００４０】
（６）図３（Ａ）（Ｂ）に示す超音波センサ１２は、シリコンマイクロマシニング技術を用いることにより、各発信部１２ａおよび受信部１２ｂを１枚の基板１２ｃ上に集積化することができる。そのため、超音波センサ１２全体を小型化することが可能であり、超音波センサ１２を車両に容易に取り付けることができる（つまり、超音波センサ１２の車両搭載性に優れる）。
【００４１】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態におけるタイヤ形状変化検出装置３０の概略構成を示す説明図である。第２実施形態において、図１に示す第１実施形態と異なるのは、超音波センサ１２の発信部１２ａおよび受信部１２ｂが車軸Ｓの外周面に向くように配置されている点だけである。
【００４２】
つまり、第２実施形態において、発信部１２ａの発信した超音波は車軸Ｓの外周面に向けて投射され、車軸Ｓの外周面で反射する。その反射音は受信部１２ｂによって検出され、受信部１２ｂの検出信号は制御回路１４に出力される。そして、制御回路１４は、前記駆動信号と前記検出信号とに基づく演算により、車軸Ｓの外周面の形状変化（撓み変化）を検出し、その形状変化の検出結果に従って路面Ｐから車輪Ｗにかかる応力（特に横応力）を検出し、その応力の検出結果のデータ信号Ｄを生成する。
【００４３】
すなわち、路面Ｐから車輪Ｗに応力がかかると、車輪Ｗに接続された車軸Ｓの外周面が形状変化（撓み変化）を起こすため、その車軸Ｓの外周面の形状変化を超音波センサ１２を用いて検出することにより、前記応力を正確に検出することができる。従って、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。
【００４４】
尚、超音波センサ１２を用いて形状変化を検出する箇所は、第１実施形態（路面Ｐに接触しているタイヤＴの底面近傍の側面部分Ｔａ）や第２実施形態（車軸Ｓの外周面）に限らず、路面Ｐから車輪Ｗにかかる応力によって形状変化を発生する箇所であれば、どのような箇所（例えば、タイヤＴの適宜な箇所、タイヤＴが嵌合されたリムＲの適宜な箇所、など）でもよい。
【００４５】
（別の実施形態）
ところで、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、上記各実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。
【００４６】
［１］図５は、超音波センサ１２の概略構成の別例を示す斜視図である。図５に示す超音波センサ１２において、図２に示すものと異なるのは、アレイ状に並べられた複数個（図示例では６個）の発信部１２ａを備える点である。尚、発信部１２ａの個数は発信する超音波の音響出力に対応し、発信部１２ａの個数を増やすほど音響出力を大きくすることができる。また、各発信部１２ａの配置状態を適宜設定することにより、超音波の投射方向（指向性）を調節することができる。そのため、発信部１２ａの個数および配置状態は、必要な音響出力および指向性に応じてカット・アンド・トライで実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
【００４７】
［２］図３（Ａ）（Ｂ）に示す超音波センサ１２は、１枚の基板１２ｃ上に発信部１２ａおよび受信部１２ｂを集積化したものであるが、既存の小型超音波センサを所定個数集めて組み立てたものを各部１２ａ，１２ｂとして使用してもよい。
【００４８】
［３］受信部１２ｂだけを１枚の基板上に集積化し、発信部１２ａは別の既存の超音波センサを使用してもよい。また、発信部１２ａだけを１枚の基板上に集積化し、受信部１２ｂは別の既存の超音波センサを使用してもよい。これらの場合には、各部１２ａ，１２ｂの発信および受信が確実に行えるならば、各部１２ａ，１２ｂを離した適宜な場所に設置してもよい。
【００４９】
［４］上記各実施形態の超音波センサ１２を既存の車両のバックソナーに用いることにより、車両後部と障害物までの距離だけでなく、その障害物の大きさ及び位置に関する情報までも正確に検出できるため、確実な衝突回避が可能な自動駐車支援システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明を具体化した第１実施形態におけるタイヤ形状変化検出装置１０の概略構成を示す説明図。
【図２】第１実施形態で用いられる超音波センサ１２の概略構成を示す斜視図。
【図３】図３（Ａ）は、圧電式の超音波センサ１２の概略構成を示す断面図。図３（Ｂ）は、静電容量式の超音波センサ１２の概略構成を示す断面図。
【図４】本発明を具体化した第２実施形態におけるタイヤ形状変化検出装置３０の概略構成を示す説明図。
【図５】超音波センサ１２の概略構成の別例を示す斜視図。
【符号の説明】
【００５１】
１０，３０…タイヤ形状変化検出装置
１２…超音波センサ
１２ａ…発信部
１２ｂ…受信部
１２ｃ…基板
１４…制御回路
Ｗ…車輪
Ｓ…車軸
Ｒ…リム
Ｔ…タイヤ
Ｔａ…路面に接触しているタイヤの底面近傍の側面部分
【図１】
2005207811.tif 000003
【図２】
2005207811.tif 000004
【図３】
2005207811.tif 000005
【図４】
2005207811.tif 000006
【図５】
2005207811.tif 000007