JP4777339B2 - 変形センサを備えたタイヤと、タイヤの撓みの評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、容量センサ（capacitive sensor）を備えたタイヤと、変形センサ（deformation sensor）を備えたタイヤと、変形センサと、タイヤの撓み (deflection) の評価方法とに関するものである。
本発明は特に、タイヤのサイドウォールに支持された２つの略平行な電極を含む容量センサを備えたタイヤに関するものである。

「タイヤの撓み」とは荷重を受けたタイヤの垂直方向の変形の大きさを意味し、この撓みを測定することによって所定タイヤ圧下でタイヤに加わる大体の荷重を知ることができる。推奨された最大荷重を超過するとタイヤの耐久性に悪影響が及ぶため、タイヤに加わる荷重は重要なパラメータである。大きなタイヤ、例えば大型車両や建設機械に取り付けられるタイヤは最大荷重に合わせて設計されており、一般に、荷重限界はこの最大荷重で表されている。

走行時、タイヤには下記の３つの方向の力が加わる：
（１）車両が加える荷重の力を受ける垂直方向または放射方向の力、
（２）走行方向に沿った水平方向の力(正放射方向剪断力、オルソラジカル剪断力、ortho-radical shear force、ともよばれる)、例えば車両加速時にタイヤに加わるトルクによって発生する力、
（３）走行方向に対して直角な水平方向の力（軸方向剪断力、アキシャル剪断力、axial shear forceともよばれる）、例えば車両がカーブを回る時にタイヤをドリフトさせる力。

タイヤのある点で上記正放射方向は上記軸方向およびこの点を通る半径に対して直角な方向である。
容量センサを備えたタイヤは公知であり、例えば、下記文献に記載されている。
国際特許第ＷＯ ０２／０５７７１１号公報

この特許の容量センサはタイヤのサイドウォール上に放射方向に配置された略平行な２つの電極を有している。この種の容量センサの容量値は２つの電極間の距離の関数で変化するので、タイヤのサイドウォールにこの容量センサを固定すれば、センサの出す信号はタイヤサイドウォールの変形の関数になる。

従来の容量センサはタイヤに加わる上記の３つの力に全て同じような感度を有している。すなわち、上記３つの力の各々に起因して容量センサが出す信号の変化は同程度の大きさである。
従って、信号は各力の基本寄与率に依存する。そこで、現在の方法はタイヤの周方向延長を測定することができる。そのためにはタイヤに加わる力の値およびその撓みの値を実験的に、特にニューロンネットワークによって演繹する。
これらの方法は満足のいく結果を出しているが、実現するには複雑である。すなわち、タイヤの撓みの測定のみを必要とする用途では、周知な方法は適切ではない。

また、タイヤの外側にあるセンサによってサイドウォールの変形を測定する配置を保護する下記文献にも言及する価値がある。
欧州特許第１１８６８５３号

このような配置からは２つの大きさ、すなわちタイヤのサイドウォールを補強するカーカスコードの放射方向からのズレ（deradialisation）およびセンサとサイドウォールとの間の距離が入手できるように見える。この特許は撓みの測定への適用に全く言及しておらず、しかも、対象では、これらの外部センサの位置に関して詳細に限定していない。

本発明の目的は、タイヤの撓みを簡単な方法で測定することができる容量センサを備えたタイヤを提供することによって上記の問題点を解決することにある。

本発明の対象は、タイヤのサイドウォールによって支持されたほぼ平行な２本の電極を有する容量センサを備えたタイヤにおいて、容量センサの電極が実質的にタイヤの回転軸線に対して直角な平面内に位置し、且つ、実質的に正放射方向を向いていることを特徴とするタイヤにある。

本発明者は、本発明のタイヤの容量センサが出す信号はタイヤに加わる水平方向の力によって生じるサイドウォールの変形に対してよりもタイヤに加わる垂直方向の力によって生じるサイドウォールの変形に対してより敏感に感応するということを見出した。本発明者は、この発見とタイヤに加わる垂直方向の力によって生じるサイドウォールの変形がその撓みに直接関係するということから、所定角度位置にある時にセンサが出す信号値範囲と撓み値範囲との間には全単射（bijection）が存在するという結論に達した。換言すれば、本発明タイヤは計算無しに撓みを表す信号を直接出す。

本発明の容量センサを備えたタイヤは下記の特徴を一つまたは複数有することができる：
（１）センサの電極はフィラメント電極である。
（２）電極は導電性ゴムのフィラメントであり、タイヤの機械的機能と干渉しないように曲げおよび引張り時に可撓性がある。
（３）電極はストリップ電極である。
（４）電極は直線状である。
（５）電極はタイヤの回転軸線とほぼ同心な円の弧である。
（６）誘電体を形成するエラストマー本体中に２本の電極が埋め込まれ、センサーは一方の電極の他方の電極に対する変位を容易にするように形成される。
（７）エラストマー本体は２本の電極の間に溝を有する。
（８）センサーは一定電位に接続された可撓性の導電性エンベロープを備え、電磁障害を制限するように設計されている。
（９）導電性エンベロープはエラストマー本体中に埋め込まれた伝導性粒子を含み、この伝導性粒子は例えばカーボンブラックまたは金属粒子である。

タイヤのサイドウォールは、サイドウォールの放射方向最内側部分に対応する極めて硬いゴムの底領域と、タイヤが荷重を受けた時の局部曲げが最大になる最大撓み領域と、中間領域との３つの領域に区別される。最大撓み領域はタイヤの赤道すなわちタイヤが最大幅になる所に対応する。
タイヤが荷重を受けるとタイヤのサイドウォールの中間領域も曲がるが、本発明者は、本発明の容量センサで測定したこの中間領域での局部変形はタイヤのサイドウォールの他の領域で測定した局部変形よりも水平方向の力に対する感度が低いということを見出した。
従って、タイヤのサイドウォールの底領域と最大撓み領域との間の部分に容量センサを配置するのが有利である。

本発明の別の対象は、変形センサを備えたタイヤにおいて、変形センサがタイヤの軸線を含む平面内のタイヤのサイドウォールの部分の局部曲げを表す特性値を出すことを特徴とするタイヤにある。
タイヤのサイドウォールの上記部分の局部曲げとは、タイヤのサイドウォールの上記部分の曲率の変化を意味する。この局部曲はサイドウォールの上記部分に依存する局部的な測定値であり、それに対して撓みとはタイヤとタイヤが受ける力とに関する全体の測定値である。

局部曲げの特性値はある瞬間にセンサが出す値を意味し、この値はそのタイヤのサイドウォールの上記部分の曲率、唯一の曲率に対応する。従って、センサが出す瞬時値の範囲とそのタイヤのサイドウォールの上記部分の曲率の範囲との間には全単射が存在する。

タイヤのサイドウォールの上記部分が取る曲率の範囲と、タイヤの撓みが取る値の範囲との間にも全単射が存在する。
従って、これらの２つの全単射の存在によって、本発明の変形センサを備えたタイヤはタイヤの撓みの値を単純且つ直接的な方法で得ることができる。
本発明の第１の対象であるタイヤのサイドウォール上に配置された上記定義の容量センサは、その電極の幾何形状および位置決めによって、タイヤの軸線を含む平面におけるタイヤのサイドウォールの部分の局部曲げを示す値を提供するように配置されたセンサの定義を満たす。

本発明の変形センサを備えたタイヤは下記の特徴の一つまたは複数をさらに有することができる：
（１）タイヤのサイドウォールの上記部分に位置するセンサーは局部曲げを示す値を出す。
（２）局部曲げを示す特性値を出すセンサを有するタイヤのサイドウォールの上記部分は底領域と最大撓み領域との間に位置する。

本発明のさらに別の対象は、誘電体を形成するエラストマー本体中に埋め込まれた略平行な２つの電極を有する変形センサにおいて、一方の電極の他方電極に対する変位が容易になるように形成され、従って、曲げに対してより良く感応することを特徴とする変形センサにある。

本発明の変形センサは下記の特徴の一つまたは複数をさらに有することができる：
（１）一方の電極の他方の電極に対する変位を容易にする形状がエラストマー本体の２つの電極間に形成された溝である。
（２）変形センサーは一定電位に接続された可撓性の導電性エンベロープを備え、それによって磁障害を制限するように設計されている。
（３）導電性エンベロープはエラストマー本体に埋め込まれた伝導性粒子を含み、これらの伝導性粒子は例えばカーボンブラックまたは金属粒子である。

本発明のさらに別の対象は、タイヤの軸線を含む平面内のタイヤのサイドウォールの部分の局部曲げを測定する段階を含むタイヤの撓みの評価方法にある。
タイヤの撓みを評価する本発明方法では、局部曲げを測定するタイヤのサイドウォールの部分が底領域と最大撓み領域との間に位置する。
本発明のタイヤの撓みの評価方法の一実施例はタイヤの圧力を測定する段階をさらに含む。圧力を測定することで撓みの評価時の精度を向上させることができる。
本発明は添付図面を参照した以下の実施例の説明からより良く理解できよう。しかし、本発明が下記実施例に限定されるものではない。

［図１］には、撓みの測定を可能にする装置を備えた全体番号１０によって指定されたゴムタイヤが示されている。タイヤは車両タイヤであるが、本発明はあらゆる型のタイヤに適用することができる。
タイヤの通常使用時に地面と接触するためのタイヤの部分はトレッドとよばれる。タイヤの撓みはタイヤが荷重を受けた時のその垂直方向変形の大きさである。
この撓み測定装置はタイヤのサイドウォール上に配置された変形センサ１２と、変形センサ１２からの情報を受信する測定ボックス１４と、この情報を受信ボックス１８に伝送することができる回転コレクター１６とを備え、受信ボックス１８は受信したデータの関数として撓みを測定する処理装置２０に接続されている。

この処理装置２０は例えばコンピュータである。
変形センサはタイヤのサイドウォールの内側またはサイドウォールの外側のいずれかでサイドウォール上の任意のポイントに配置することができる。
タイヤ１０のサイドウォールは［図２］および［図３］に示すように３つの領域に分けることができる。
タイヤ１０の底領域２２とよばれる第１領域はサイドウォールの最内側部分に位置する。この底領域は一般に極めて硬いゴムから成り、タイヤの機械的安定性を確実にする機能を有する鋼ビードワイヤ２４を含んでいる。

最大撓み領域２６とよばれる第２領域は実質的にタイヤの赤道、すなわちタイヤが最大幅になる所に位置している。タイヤ１０のサイドウォールの曲げが［図３］に示すようにタイヤが荷重を受けた時に最大となるのはこの領域である。
さらに、タイヤのサイドウォールの最大撓み領域２６と底領域２２との間にある中間領域２８とよばれる第３領域が存在する。この中間領域２８は、タイヤ１０のサイドウォールの底領域２２よりも可撓性があり、従ってより大きく変形するという利点を有するが、サイドウォールの最大撓み領域２６より加速による力に対する感度は低く、曲がる。

従って、タイヤ１０の軸線を含む平面における上記の中間領域２８の局部曲げを測定するように変形センサ１２を配置するのが有利である。
使用する変形センサは、後で説明するように、サイドウォールの中間領域内に完全に納まるくらい小型である。
所定の瞬間に地面と接触するタイヤのトレッド領域は接地面とよばれる。

タイヤが垂直荷重を受けるとトレッドの接地面をタイヤの中心に結合している両サイドウォールが曲がる。これはしばしば「ウサギ腹（ventre de lapin）」とよばれる。このウサギ腹の領域はタイヤのサイドウォールの曲る部分である。このウサギ腹の領域は角度約６０°のセクタである。
変形センサが取り付けられたタイヤが回転すると、タイヤの中間領域に位置したセンサは略垂直な円を描く。変形センサは特に２つの特性点すなわちこの円形軌道の頂点と最下点とを通る。

曲げが最大になるのは変形センサが上記軌道の最下点に来た時すなわちウサギ腹の領域の中央に来た時である。軌道の残りの部分に沿った部分では変形センサが取付けられているタイヤのサイドウォール部分は実質的に変化しない。実質的に変化しないタイヤのサイドウォール部分は角度約３００°のセクタである。

タイヤのサイドウォールの局部的な曲げ値はタイヤの回転中、上記２つの極限値の間で連続的に変化する。この曲げ値は変形センサがウサギ腹の領域に入る所からその領域の中央まで移動する間に増加し、ウサギ腹の領域の中央からその領域を出る所まで移動する間に減少する。
従って、タイヤ１０の回転中に変形センサ１２が出す信号ｓ（θ）は周期３６０°の周期信号である。［図７］に示すように、この信号はタイヤの回転角度θの関数で表される。

この周期信号で特に重要な点はθ₀は０〜３６０°の間のある一定角度での信号値Ｓ（θ₀）、例えばセンサがウサギ腹の領域の中央に来た時の信号値であり、この信号値Ｓは原則としてタイヤのサイドウォールの最大局部曲げに対応する。
既に述べたように、この最大局部曲げ値はタイヤの撓みに直接関係するということを本発明者は見出した。従って、最大局部曲げを測定することによって撓み値を得ることができる。撓みの精度を上げるためにはタイヤの圧力を考慮に入れるのが有利である。

上記３つのデータの間の関係はニューロンネットワークを用いて得ることができ、簡単には所定の表に実験値、経験値を記入することで得ることができる。
通常の使用条件下ではタイヤは完全に平らな地面上を走行するのではないため、変形センサが接地面の中央に来た時に最大局部曲げが必ずしも得られるとは限らない。従って、複数の回転角度値での局部曲げ測定値の結果を平均化するか、一定期間での周期信号の積分値を用いることができる。

本発明で使用する変形センサ１２は２つの互いに平行なフィラメント電極からなる容量センサで、バイフィラメントセンサとよばれる。このバイフィラメントセンサでは互いに平行な２本の可撓性導電性フィラメント３０が誘電体を形成するエラストマー本体３２中に埋め込まれている。このセンサはコンデンサの役目をし、このコンデンサの容量は上記２本のフィラメント３０の間の離隔距離の関数で変化する。すなわち、変形センサ１２が変形すると、２本のフィラメント間の離隔距離が変化し、従って、変形センサが出す信号も変化する。

導電性フィラメントは曲げ可撓性があり、タイヤの機械的機能に干渉せず、タイヤの耐久性に全く悪影響を与えないものである。
バイフィラメントセンサは遮蔽リード線（screened leads）を介して測定ボックス１４に接続されている。従って、測定ボックス１４で測定される変形センサの容量値は遮蔽リード線の間の距離の変化で変わることはない。

変形に対するバイフィラメントセンサの感度を良くするために、変形センサには互いに平行な２本のフィラメント３０の間のエラストマー本体に溝(スロット)３４が形成してある。この溝34によって一方のフィラメントの他方のフィラメントに対する変位が容易になる。
変形センサ１２はタイヤ１０の軸線を含む平面内のタイヤ１０のサイドウォールの局部曲げを測定するのに用いられる。従って、このタイヤの変形センサ１２はタイヤ１０から突出し、変形センサのフィラメント３０が実質的にタイヤの軸線に対して直角な面内に位置し、且つ、実質的に正放射方向に沿って延びるように配置される。

従って、［図５］に示すように変形センサ１２が取付けられたタイヤのサイドウォール部分に変化がない時にはバイフィラメントセンサも変化せず、２本のフィラメント３０は一定距離だけ離れている。［図６］に示すように変形センサ１２が取付けられたタイヤのサイドウォール部分に荷重が加わると、バイフィラメントセンサ１２の２つのフィラメント３０が変形し、その間の距離が縮まる。すなわち、バイフィラメントセンサ１２のエラストマー本体３２の溝３４が狭くなる。従って、バイフィラメントセンサ１２はタイヤ１０の回転中に曲げ位置と静止(rest)位置との間で周期的に変わる。

さらに、電磁障害を弱めるために変形センサに可撓性のある導電性エンベロープ３６を取り付け、この導電性エンベロープ３６を一定電位に接続することもできる。特に、タイヤゴムに伝導性粒子を埋め込むことでこの導電性エンベロープを形成することもできる。伝導性粒子は例えばカーボンブラックまたは金属粒子にすることができる。

［図８］に示す変形例ではバイフィラメントセンサ１２のフィラメント３０が基本的にタイヤの軸線を含む平面内に位置し、且つ、フィラメント３０が基本的に放射方向に沿って変形配置された状態で、センサがタイヤ１０のサイドウォールから突き出て配置されている。タイヤの軸線を含む平面内でのタイヤのサイドウォールの曲げに対してのみバイフィラメントセンサが感応するようにするためには上記フィラメントは突き出していることが不可欠である。タイヤのサイドウォールが曲がると、変形センサが引張られ、２本のフィラメントが互いに近づく。変形センサがタイヤから突き出ているので、タイヤゴム中の剪断力が２本のフィラメントの間の距離には全く影響を与えず、従って、変形センサは主として曲げに感応する。

バイフィラメントセンサのフィラメントの形状および向きが例えば製造上の公差によってわずかにズレても許容されるということは理解できよう。
本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは理解できよう。すなわち、本発明の変形センサをタイヤに支持された電子回路と組み合わせることができ、オンボード処理をすることができる。電子回路を用いることによって変形センサは自動的に作動し、回転コレクタ、受信ボックスまたは処理装置を備える必要がなくなる。この電子回路は例えば測定値を記憶するための手段と、記憶した測定値を車両のコンピュータに伝送するための手段とを有する。

変形センサを備えたタイヤの概念図。 荷重を受けていないタイヤの概念的放射方向断面図。 荷重を受けたタイヤの概念的放射方向断面図。 バイフィラメントセンサの概念的斜視図。 バイフィラメントセンサを備えたタイヤの概念的断面図。 バイフィラメントセンサを備え、荷重を受けたタイヤの概念的断面図。 センサを備えたタイヤの回転中にバイフィラメントセンサが出す信号を示すグラフ。 別の実施例による変形センサを備えたタイヤの概念的断面図。

Claims (11)

1. タイヤのサイドウォール上に位置した略平行な２本の電極（３０）を有する容量センサ（１２）を備えたタイヤ（１０）において、
   センサの電極（３０）が実質的にタイヤの回転軸線に対して直角な平面内に位置し且つ実質的に正放射方向を向いていることを特徴とするタイヤ（１０）。
2. 容量センサの電極がフィラメント電極である請求項１に記載のタイヤ（１０）。
3. 上記電極が導電性ゴムのフィラメントである請求項２に記載のタイヤ（１０）。
4. 上記電極がストリップ電極である請求項１に記載のタイヤ（１０）。
5. 上記電極が直線状である請求項１〜４のいずれか一項に記載のタイヤ（１０）。
6. 上記電極がタイヤの回転軸線と略同心な円の弧である請求項１〜４のいずれか一項に記載のタイヤ（１０）。
7. ２本の電極がエラストマー本体中に埋め込まれ、これらの２本の電極は、一方の電極の他方の電極に対する変位が容易となるように形成されている請求項１〜６のいずれか一項に記載のタイヤ（１０）。
8. 上記エラストマー本体が２本の電極の間に溝を有する請求項７に記載のタイヤ（１０）。
9. 容量センサが一定電位に接続された可撓性のある導電性エンベロープを備え、電磁障害が制限されている請求項１〜８のいずれか一項に記載のタイヤ（１０）。
10. 導電性エンベロープがエラストマー本体中に埋め込まれた伝導性粒子を含み、この伝導性粒子がカーボンブラックまたは金属粒子である請求項９に記載のタイヤ（１０）。
11. 容量センサ（１２）がタイヤのサイドウォールの底領域（２２）と最大撓み領域（２６）との間の部分に位置する請求項１〜１０のいずれか一項に記載のタイヤ（１０）。

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