JP2007333622A

JP2007333622A - 有機材料から成る粘弾性体の変形量計測方法とその装置及びタイヤ変形量計測装置

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Publication number: JP2007333622A
Application number: JP2006167215A
Authority: JP
Inventors: Yasumichi Wakao; 泰通若尾; Akira Kobayakawa; 彰小早川
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2026-06-16
Also published as: JP4794368B2

Abstract

【課題】計測する粘弾性体の変形量が大きい場合でも、その変形量を精度よく計測できるとともに、耐久性に優れた有機材料から成る粘弾性体の変形量計測装置を提供する。
【解決手段】有機材料から成る粘弾性体から成るタイヤ２０のトレッドゴムの変形量を計測するためのコイル１１を、タイヤトレッド２１の陸部２１ｋを構成するゴム内に埋設するとともに、上記コイル１１に抵抗１２を直列接続し、このコイル１１と抵抗１２とから成る回路に交流電圧を印加して上記抵抗１２の両端の電圧Ｖを検出し、この検出された電圧Ｖと予め求めておいたトレッドゴムの変形量εと抵抗１２の両端の電圧Ｖとの関係を示すε−Ｖ対応表１６Ｔとに基づいて、上記コイル１１が埋設されているタイヤトレッド２１の陸部２１ｋのゴムの変形量を計測するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、タイヤトレッドに使用されるゴム部材などの有機材料から成る粘弾性体の変形量を計測する方法とその装置に関するものである。

従来、回転軸やバネ部材などの変形量を計測する際には、一般に、計測する部材に樹脂フィルム上に設けられた金属箔をエッチングして作製した歪ゲージを埋設したり貼着したりするなどして、上記歪ゲージを構成する細い金属線の電気抵抗の変化から当該部材の変形量を求める方法が行なわれている。
このような歪ゲージは、タイヤトレッゴムなどのような有機材料から成る粘弾性体の変形量を計測する際にも使用されている（例えば、特許文献１，２参照）。
一方、タイヤ内にインピーダンス素子を埋設する技術としては、図９に示すように、タイヤ５１の空気室側にコイル本体５２と開閉スイッチ５３とから成るスイッチ付コイル５４を埋め込んで、上記開閉スイッチ５３が空気圧に応じて開閉するようにしておくとともに、タイヤ５１の近傍に交流電源５５に接続された検知コイル５６を配置して、上記開閉スイッチ５３の開閉に伴う上記検知コイル５６のインピーダンスの変化から当該タイヤ５１の空気圧の低下を検知するタイヤ空気圧警報センサ５０が開示されている。このタイヤ空気圧警報センサ５０は、具体的には、空気圧が高いときには開閉スイッチ５３が閉じられて上記スイッチ付コイル５４と上記検知コイル５６とが結合し、上記検知コイル５６のインピーダンスを変化させるが、空気圧が低いときには開閉スイッチ５３が開いているので、上記スイッチ付コイル５４がオープンになり、上記スイッチ付コイル５４と上記検知コイル５６とが結合しなくなることを利用してタイヤ５１の空気圧の低下を検知する（例えば、特許文献３参照）。
特開２００５−３４３２８１号公報特開２００５−３４５２３８号公報特開２００５−３３１３６１号公報

しかしながら、タイヤトレッゴムなどの有機材料から成る粘弾性体の変形量を歪ゲージで計測する場合には、歪ゲージパターンが形成されるフィルムの弾性率が上記粘弾性体の弾性率よりも高いため、歪ゲージが示す歪量(変形量)は実際の粘弾性体の変形量よりも小さくなってしまうといった問題点があった。
また、金属箔の弾性限界はゴムなどの粘弾性体に比べて小さいため、特に、タイヤトレッドのゴムのように、繰返し圧縮や引張りが作用する箇所のゴムの変形量を計測する場合には、変形量が大きいと少ない繰返し回数で断線する恐れがあった。
また、上記タイヤ空気圧警報センサ５０に使用されているスイッチ付コイル５４は、空気圧により開閉スイッチ５３を容易に開閉することができるように、上記開閉スイッチ５３をゴムの変形により変形しやすい収納室５７に収納してはいるものの、コイル本体５２で上記空気圧によるゴムの変形を計測するようには構成されていない。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、計測する粘弾性体の変形量が大きい場合でも、その変形量を精度よく計測することができるとともに、耐久性に優れた有機材料から成る粘弾性体の変形量計測装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、金属線をコイル状に配置すれば金属線の単位長さ当たりの変形量が小さいので、素子の耐久性に優れるとともに、粘弾性体の変形に伴った上記コイルの変形を当該コイルのインダクタンスの変化として検出すれば、有機材料から成る粘弾性体の変形量を精度よく計測できることを見出し本発明に到ったものである。
すなわち、請求項１に記載の発明は、有機材料から成る粘弾性体の変形量を計測する方法であって、トレッドゴムなどの有機材料から成る粘弾性体の内部に埋設したコイル、もしくは、有機材料から成る粘弾性体の表面に貼着したコイルに交流電圧を印加して、上記コイルのインダクタンスの変化を検出し、上記粘弾性体の変形量を計測することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、有機材料から成る粘弾性体の変形量を計測する装置であって、有機材料から成る粘弾性体の内部に埋設したコイル、もしくは、上記粘弾性体の表面に貼着したコイルと、上記コイルに直列接続された抵抗と、この抵抗と上記コイルとから成る回路に交流電圧を印加する交流電源と、上記コイルまたは抵抗の両端の電圧を検出する手段と、上記検出された電圧に基づいて当該粘弾性体の変形量を計測する手段とを備え、上記コイルのインダクタンスの変化をコイルまたは抵抗の両端の電圧の変化として検出し、この電圧の変化から上記粘弾性体の変形量を計測するようにしたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の有機材料から成る粘弾性体の変形量計測装置において、上記電圧検出手段に代えて、上記コイル及び抵抗に流れる電流を検出する手段を設けるとともに、上記電流に基づいて当該ゴムの変形量を計測するようにしたものである。
請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載のゴム変形量計測装置において、上記抵抗に代えて、コンデンサを上記コイルに直列接続し、コイルまたはコンデンサの両端の電圧、あるいは、コイル及びコンデンサに流れる電流を検出し、上記電圧もしくは電流に基づいて当該粘弾性体の変形量を計測するようにしたものである。

また、請求項５に記載の発明は、タイヤの変形量を計測する装置であって、タイヤを構成するゴム部材の内部または表面に配設されたコイルと、上記コイルに直列に接続された抵抗と、この抵抗と上記コイルから成る回路に交流電圧を印加する手段と、上記コイルまたは抵抗の両端の電圧を検出する手段と、上記検出された電圧に基づいて、タイヤの変形量を計測する手段とを備えたことを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のタイヤ変形量計測装置において、上記抵抗に代えて、コンデンサを上記コイルに直列接続したものである。

本発明によれば、タイヤトレッドゴムなどの有機材料から成る粘弾性体の内部に埋設したコイル、もしくは、上記粘弾性体の表面に貼着したコイルに交流電圧を印加して、上記コイルのインダクタンスの変化を検出し、上記粘弾性体の変形量を計測するようにしたので、粘弾性体の変形量が大きい場合でも、当該粘弾性体の変形量を精度よく計測することができる。また、上記粘弾性体に埋設もしくは貼着する素子として、コイル状の素子を用いたので、従来の金属箔歪ゲージに比べて耐久性を向上させることができる。
また、ゴムなどの有機材料から成る粘弾性体の内部に埋設したコイル、もしくは、上記粘弾性体の表面に貼着したコイルと、上記コイルに直列接続された抵抗と、この抵抗と上記コイルとから成る回路に交流電圧を印加する交流電源と、上記コイルまたは抵抗の両端の電圧を検出する手段と、上記検出された電圧に基づいて当該弾性体の変形量を計測する手段とを備えた有機材料から成る粘弾性体の変形量を計測する装置を作製して、上記コイルのインダクタンスの変化をコイルまたは抵抗の両端の電圧の変化として検出し、この電圧の変化から上記粘弾性体の変形量を計測するようにすれば、直接インダクタンスを検出することなく、上記粘弾性体の変形量を計測することができる。

なお、上記電圧検出手段に代えて、上記コイル及び抵抗に流れる電流を検出する手段を設けるとともに、上記電流に基づいて当該粘弾性体の変形量を計測するようにしても、同様の効果を得ることができる。
また、上記抵抗に代えて、コンデンサを上記コイルに直列接続し、上記コイルまたはコンデンサの両端の電圧、あるいは、上記コイル及びコンデンサに流れる電流を検出し、上記電圧もしくは電流に基づいて当該粘弾性体の変形量を計測するようにしてもよい。

以下、本発明の最良の形態について、図面に基づき説明する。
図１は、本最良の形態に係わるタイヤ変形量計測装置１０の構成を示す機能ブロック図である。同図において、１１はタイヤの変形量を計測するためのコイルで、このコイル１１は、図２（ａ）に示すように、タイヤ２０のタイヤトレッド２１の陸部２１ｋを構成するゴム内に埋設されている。１２は上記コイル１１に直列接続された抵抗、１３は、図２（ｂ）にも示すように、ゴムｇに埋設されたコイル１１と抵抗１２とが直列接続された回路に交流電圧を印加するための交流電源１４と、上記抵抗１２の両端の電圧を検出する電圧検出手段１５とを備えた駆動検出部で、本例では、上記抵抗１２と駆動検出部１３とをタイヤのインナーライナー２２の表面に配設している。また、１６は上記電圧検出手段１５で検出された抵抗１２の両端の電圧Ｖと、予め求めておいたトレッドゴムの変形量εと抵抗１２の両端の電圧Ｖとの関係を示すε−Ｖ対応表１６Ｔとに基づいて、上記コイル１１が埋設されているタイヤトレッド２１の陸部２１ｋのゴムの変形量を計測するタイヤ変形量計測手段で、このタイヤ変形量計測手段１６で計測されたトレッドゴムの変形量のデータは、車体側に設けられた図示しない車両制御装置に送られる。
なお、上記ε−Ｖ対応表１６Ｔと上記タイヤ変形量計測手段１６は、上記駆動検出部１３内に設けてもよいし、リム部２３、あるいは、車体側に設けてもよい。車体側に設ける場合には、上記駆動検出部１３に送信器を設けて、上記電圧Ｖのデータを車体側に送信する。また、リム部２３に設けた場合には、上記駆動検出部１３に送信器を、タイヤ変形量計測手段１６に送受信器をそれぞれ設けて、上記電圧Ｖのデータをタイヤ変形量計測手段１６に送り、タイヤ変形量計測手段１６で得られたトレッドゴムの変形量のデータを車体側に送信する。

図３（ａ）は、上記コイル１１の一例を示す図で、このコイル１１は、トレッドゴムと同質のゴムから成る軸方向に長い円柱状の芯材１１ａと、その表面に金属細線を巻回したコイル本体１１ｂとを備えている。上記コイル１１は、その周囲がタイヤトレッド２１の陸部２１ｋのゴムで囲まれているので、タイヤ２０が転動し、上記コイル１１が埋設されているトレッド２１の陸部２１ｋが路面に接地して上記陸部２１ｋのゴムが変形すると、上記コイル１１も上記ゴムとともに変形して、上記コイル１１のインダクタンスが変化する。
コイル１１の形状が上記のように軸方向に長い場合には、軸方向が感度が高いので、上記コイル１１の延長方向が当該コイル１１が計測するトレッドゴムの変形方向となるように、上記コイル１１を配置することが好ましい。例えば、トレッドゴムの荷重方向への変形を計測したい場合には、図２（ａ）に示すように、コイル１１の延長方向をタイヤ径方向とする。また、上記トレッドゴムの周方向の変形量を計測する場合には、上記コイル１１の延長方向をタイヤ周方向にすれば、上記トレッドゴムの変形量を効率よく計測することができる。
なお、上記コイル１１の感度方向はコイルの形状に依存するので、例えば、コイル１１が、図３（ｂ）に示すような、軸方向に短い形態である場合には、径方向の方が感度が高いので、上記コイル１１の延長方向を当該コイル１１が計測するトレッドゴムの変形方向に直交する方向になるように配置するなど、コイル形状については、埋設箇所や貼着箇所などの条件に応じて適宜設定すればよい。

ところで、コイルが変形していない場合の円柱状のコイルのインダクタンス（初期インダクタンス）Ｌ₀は、単位長さ当たりの巻数をｎ、円柱の半径をＲ，円柱の長さをｌとしたとき、端の効果等を無視すると、以下の式（１）のように近似できる。
Ｌ₀＝Ｋｎ²Ｒ²ｌ‥‥（１）
なお、Ｋは形状に依存した係数(長岡係数)である。
コイルの円柱が変形してその長さがｌから（１＋ε）ｌになった場合、インダクタンスＬは、ゴムのポアソン比が０．５で、かつ、歪量εが小さくて体積変化がないものとすると、変形後のインダクタンスＬは、以下の式（２）のようになる。

ここで、αは永岡係数Ｋのε依存性を示す係数で、円柱の形状が、例えば、（２Ｒ／ｌ）≒０．５であれば、α≒−０．２５である。また、β＝２＋αである。
上記式（２）から、インダクタンスの変化ΔＬ＝Ｌ−Ｌ。は歪量εに比例することが分かる。
したがって、コイル１１のインダクタンスの変化を求めれば、コイル１１の変形量、すなわち、コイル１１が埋設されているトレッドゴムの変形量を計測することができる。

本例では、上記コイル１１のインダクタンスの変化を直接求めるのではなく、図２（ｂ）に示すように、上記コイル１１と抵抗１２とを直列接続した回路に交流電源１４を接続するとともに、上記抵抗１２の両端の電圧Ｖを電圧検出手段１５により検出する。ここで、上記交流電源１４の電源電圧の大きさをＶ_i［Ｖ］、周波数をｆ［Ｈｚ］、抵抗１２の抵抗値をＲ［Ω］とすると、上記抵抗１２の両端の電圧の大きさＶ［Ｖ］は、上記電圧Ｖ_i、周波数ｆ、抵抗値Ｒ、及び、上述した初期インダクタンスＬ₀と歪量εとを用いて、以下の式（３）で表わせる。

上記式（３）に示すように、抵抗１２の両端の電圧の大きさＶ［Ｖ］は、コイル１１の歪量εに比例する項を有するので、上記電圧Ｖを検出すれば、上記コイル１１が埋設されているゴムの変形量を計測することができる。
本例では、上記歪量εと上記電圧Ｖとの関係を予め求めて、ε−Ｖ対応表１６Ｔとしているので、タイヤ変形量計測手段１６にて、電圧検出手段１５により検出した抵抗１２の両端の電圧の大きさＶと上記ε−Ｖ対応表１６Ｔの歪量εと電圧Ｖとの関係とを比較することにより、上記タイヤ２０の変形量を求めることができる。
なお、コイル１１は一様に伸縮するので局所的な歪が入りにくく、そのため、任意の線幅でも高い耐久性を得ることができる。

このように、本最良の形態によれば、タイヤ２０の変形量を計測するためのコイル１１をタイヤトレッド２１の陸部２１ｋを構成するゴム内に埋設するとともに、上記コイル１１に抵抗１２を直列接続し、このコイル１１と抵抗１２とから成る回路に交流電圧を印加して上記抵抗１２の両端の電圧Ｖを検出し、この検出された電圧Ｖと予め求めておいたトレッドゴムの変形量εと抵抗１２の両端の電圧Ｖとの関係を示すε−Ｖ対応表１６Ｔとに基づいて、上記コイル１１が埋設されているタイヤトレッド２１の陸部２１ｋのゴムの変形量を計測するようにしたので、ゴムの変形量が大きい場合でも、当該ゴムの変形量を精度よく計測することができる。
また、上記コイル１１は、当該コイル１１を構成する金属の単位長さ当たりの変形量が従来の金属箔ゲージに比べて少ないので、タイヤ変形量計測装置１０の耐久性を向上させることができる。

なお、上記最良の形態では、タイヤトレッド２１のゴムの変形量を計測したが、これに限るものではなく、エンジンマウントなどのゴム部材に本発明のコイル１１を埋設または貼着してそのインダクタンスの変化を検出するようにすれば、当該ゴム部材の変形量を精度よく計測することができる。
また、本発明は、有機材料から成る粘弾性体、特に、ゴムや熱可塑性エラストマーなどのような、常温近傍で粘弾性を示す高分子材料（エラストマー）から成る粘弾性体一般に適用可能である。
また、コイルの形状についても、断面が円形である円柱状のもの(コイル１１)に限定されるものではなく、例えば、図４（ａ）に示すような、断面が長方形状である直方体状のもの（コイル１１Ａ）であってもよい。なお、コイルの形状としては、上記円柱状のコイル１１や直方体状のコイル１１Ａのように断面形状が軸方向に一様である必要はなく、例えば、計測部であるコイル本体１１ｂの中央部の面積を広くし、金属線の引き出し部である端部の面積を狭くしたような、断面形状が軸方向に一様でないものを用いてもよい。
また、上記例では、コイル１１を、円柱状の芯材１１ａの表面にコイル本体１１ｂとなる金属細線を巻回した形態としたが、図４（ｂ）に示すように、コイル１１Ｂをタイヤトレッド２１の陸部２１ｋを構成するゴム内に直接埋設する構成としてもよい。
また、上記例では、コイル１１をタイヤトレッド２１の陸部２１ｋを構成するゴム内に埋設したが、コイル１１の設置場所はこれに限るものではなく、例えば、図５に示すように、タイヤのインナーライナー２２内など、設置したコイル１１がタイヤトレッド２１の変形に伴って変形する箇所であればよい。

また、コイル１１のインダクタンスの変化は、直列接続した抵抗１２の両端の電圧Ｖから求める方が回路構成上好ましいが、上記コイル１１及び上記抵抗１２に流れる電流を検出する構成としてもよい。
また、上記例では、コイル１１に抵抗１２を直列接続した例を示したが、図６（ａ）に示すように、上記抵抗１２に代えて、コンデンサ１７をゴムｇに埋設されたコイル１１に直列に接続し、上記コイル１１またはコンデンサ１７の両端の電圧、あるいは、上記コイル１１及びコンデンサ１７に流れる電流を検出してタイヤトレッド２１の陸部２１ｋを構成するゴムの変形量を計測するようにしてもよい。
また、図６（ｂ）に示すように、コイル１１だけでなく、抵抗１２もゴムｇ内に埋設してもよいが、抵抗１２の両端の電圧Ｖを検出するような場合には、配線等の関係から、本例のようにコイル１１のみを埋設する方が好ましい。

実施例１.
図３に示したコイル１１と同様の試験片を作製し、上記芯材に周期的な圧力を与えて、試験体のインダクタンスの時間変化を計測した結果を図７に示す。ここで、上記試験片のインダクタンスは０．３０００ｍＨ、圧力の周期は１．０sec．とした。なお、図７の横軸は時間（sec）、縦軸は試験片３０の変位（％）と試験片のインダクタンス（ｍＨ）である。
図７から明らかなように、試験片のインダクタンスは試験片の変位（％）と同様の時間変化を示すことがわかる。これにより、ゴム表面に形成したコイルのインダクタンスを検出れば、当該ゴムの変形量を精度よく計測できることが確認された。

実施例２.
上記試験片を様々な歪量εで変形させるとともに、図３に示すように、コイルに抵抗を直列接続した回路に、交流電源にて交流電圧（Ｖ₁＝１Ｖ，ｆ＝５００ｋＨｚ）を印加して、上記抵抗の両端の電圧Ｖを測定した結果を図８に示す。図８のグラフから明らかなように、上記電圧Ｖは、上記式（２）のように、試験片の歪量εと線形な関係にあり、これにより、上記電圧Ｖを検出すれば、歪量εを計測することができることが確認された。

実施例３.
コイルを試験タイヤのインナーライナー内にコイルを形成した試験タイヤを作製し、この試験タイヤを車両に搭載して実車走行試験を実施し、コイルの破壊の有無を検査した。また、比較のため、上記コイルに代えて、従来の金属箔歪ゲージをインナーライナー内に配置して、同様の試験を行った。その結果、金属箔歪ゲージは走行距離２００ｋｍで破損したが、コイルは１０万ｋｍ走行後も破損しなかった。これにより、本発明のコイルが耐久性に優れていることがが確認された。

以上説明したように、本発明によれば、簡単な構成で、トレッドゴムなどの有機材料から成る粘弾性体の変形量を精度よく計測することができるとともに、検出素子の耐久性を向上させることができるので、安価で耐久性に優れた粘弾性体の変位量計測装置を提供することができる。

本発明の最良の形態に係わるタイヤ変形量計測装置の構成を示す機能ブロック図である。コイルの配置とゴム変形量の計測方法を示す図である。本発明によるコイルの一構成例を示す図である。本発明に係るコイルの他の形状を示す図である。コイルをインナーライナー内に形成した例を示す図である。本発明に係るタイヤ変形量の計測方法の他の例を示す図である。試験片の変位とインダクタンスの時間変化の計測結果を示す図である。ゴムの歪量εとコイルに直列接続された抵抗の両端の電圧Ｖとの関係を示す図である。従来のタイヤ空気圧警報センサの構成を示す図である。

符号の説明

１０タイヤ変形量計測装置、１１コイル、１２抵抗、１３駆動検出部、
１４交流電源、１５電圧検出手段、１６タイヤ変形量計測手段、
１６Ｔ ε−Ｖ対応表、１７コンデンサ、２０タイヤ、２１タイヤトレッド、
２１ｋタイヤトレッドの陸部、２２インナーライナー、２３リム部。

Claims

有機材料から成る粘弾性体の内部に埋設したコイル、もしくは、有機材料から成る粘弾性体の表面に貼着したコイルに交流電圧を印加して、上記コイルのインダクタンスの変化を検出し、上記粘弾性体の変形量を計測することを特徴とする有機材料から成る粘弾性体の変形量計測方法。
有機材料から成る粘弾性体の変形量を計測する装置であって、有機材料から成る粘弾性体の内部に埋設したコイル、もしくは、上記粘弾性体の表面に貼着したコイルと、上記コイルに直列接続された抵抗と、この抵抗と上記コイルとから成る回路に交流電圧を印加する交流電源と、上記コイルまたは抵抗の両端の電圧を検出する手段と、上記検出された電圧に基づいて当該粘弾性体の変形量を計測する手段とを備えたことを特徴とする有機材料から成る粘弾性体の変形量計測装置。
上記電圧検出手段に代えて、上記コイル及び抵抗に流れる電流を検出する手段を設けるとともに、上記電流に基づいて当該粘弾性体の変形量を計測するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の有機材料から成る粘弾性体の変形量計測装置。
上記抵抗に代えて、コンデンサを上記コイルに直列接続したことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の有機材料から成る粘弾性体の変形量計測装置。
タイヤを構成するゴム部材の内部または表面に配設されたコイルと、上記コイルに直列に接続された抵抗と、この抵抗と上記コイルから成る回路に交流電圧を印加する手段と、上記コイルまたは抵抗の両端の電圧を検出する手段と、上記検出された電圧に基づいて、タイヤの変形量を計測する手段とを備えたことを特徴とするタイヤ変形量検出装置。
上記抵抗に代えて、コンデンサを上記コイルに直列接続したことを特徴とする請求項５に記載のタイヤ変形量計測装置。