(57)【要約】【課題】ゴム自身の物性変化からゴムの歪みを検出する方法とその装置を提供する。【解決手段】タイヤ内面歪み検出装置１０を、タイヤ２０の内面側に、伸縮性導電インクにより形成された、互いに対向するように配置された２つのパターンから成る容量部、容量部に流れる交流電流を計測するための端子部、及び、容量部と端子部とを接続する導電部を有し、かつ、２つのパターンの間隔が、導電部を形成するパターンのうちの互いに対向するパターンの間隔よりも狭い回路パターン１１と、回路パターン１１に複数の周波数を有する交流電圧を印加する交流電源１２と、容量部に流れる交流電流を周波数毎に検出する電流計１３と、容量部の周波数毎の複素インピーダンスを算出する複素インピーダンス算出手段１４と、算出された複数の複素インピーダンスの実数部と虚数部とからタイヤ内面歪みを検出するタイヤ内面歪み検出手段１５とから構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゴム部材の歪みを検出する方法であって、
前記ゴム部材の表面に、伸縮性導電部材により、互いに対向するように配置された２つのパターンから成る容量部と、前記容量部に流れる交流電流を計測するための端子部と、前記容量部と前記端子部とを接続する導電部とを有し、かつ、前記容量部を構成する２つのパターンの間隔が、前記導電部を形成するパターンのうちの互いに対向するパターンの間隔よりも狭い回路パターンを形成するとともに、
前記回路パターンに互いに異なる複数の周波数を有する交流電圧を印加して前記導電部に流れる交流電流をそれぞれ検出して前記容量部の複素インピーダンスを算出し、
この算出された複数の複素インピーダンスを用いて、前記容量部が形成された箇所のゴム部材の歪みを検出することを特徴とするゴム部材の歪み検出方法。
【請求項２】
前記伸縮性導電部材が伸縮性導電性インクであることを特徴とする請求項１に記載のゴム部材の歪み検出方法。
【請求項３】
前記伸縮性導電部材が導電ゴムであることを特徴とする請求項１に記載のゴム部材の歪み検出方法。
【請求項４】
ゴム部材の歪みを検出する装置であって、
前記ゴム部材の表面に、伸縮性導電部材により形成された、
互いに対向するように配置された２つのパターンから成る容量部、前記容量部に流れる交流電流を計測するための端子部、及び、前記容量部と前記端子部とを接続する導電部を有し、
かつ、前記容量部を構成する２つのパターンの間隔が、前記導電部を形成するパターンのうちの互いに対向するパターンの間隔よりも狭い回路パターンと、
前記回路パターンに、互いに異なる複数の周波数を有する交流電圧を印加する交流電源と、
前記回路パターンに流れる交流電流を前記周波数毎に検出する電流計と、
前記交流電圧と前記交流電流とから、前記容量部の前記周波数毎の複素インピーダンスの実部と虚部とを算出する複素インピーダンス算出手段と、
前記算出された複数の複素インピーダンスの実数部と虚数部とから、前記容量部が形成された箇所のゴム部材の歪みを検出する歪み検出手段とを備えることを特徴とするゴム部材の歪み検出装置。
【請求項５】
タイヤの内面側に、伸縮性導電部材により形成された、互いに対向するように配置された２つのパターンから成る容量部と、前記容量部に流れる交流電流を計測するための端子部と、前記容量部と前記端子部とを接続する導電部とを有し、かつ、前記容量部を構成する２つのパターンの間隔が、前記導電部を形成するパターンのうちの互いに対向するパターンの間隔よりも狭い回路パターンを備えたことを特徴とする内面歪み検出用タイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイヤ内面歪などのゴム部材の歪みを検知する方法とその装置、及び、タイヤ内面歪みを検出できるタイヤに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、タイヤ内面歪みを検出する方法として、タイヤの内面側に金属製の歪みゲージを貼着して、その抵抗変化からタイヤ内面歪みを検出する方法が知られている。この検出されたタイヤ内面歪みをもとに、車両の走行している路面状態やタイヤに作用する荷重や横力などのタイヤの動的状態を推定することができる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４６８０５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、タイヤの主要部材であるゴムは、突発的な１００％以上の伸び、連続的な１００万回以上の伸縮を繰り返すため、一般的な歪みゲージでは、耐久性が不十分であるといった問題点があった。
【０００５】
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、センサーを不要とし、ゴム自身の物性変化からゴムの歪みを検出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】
【０００６】
本発明は、ゴム部材の歪みを検出する方法であって、ゴム部材の表面に、伸縮性導電部材により、互いに対向するように配置された２つのパターンから成る容量部と、前記容量部に流れる交流電流を計測するための端子部と、前記容量部と前記端子部とを接続する導電部とを有し、かつ、前記容量部を構成する２つのパターンの間隔が、前記導電部を形成するパターンのうちの互いに対向するパターンの間隔よりも狭い回路パターンを形成するとともに、前記回路パターンに互いに異なる複数の周波数を有する交流電圧を印加して前記導電部に流れる交流電流をそれぞれ検出して前記容量部の複素インピーダンスを算出し、この算出された複数の複素インピーダンスから、前記容量部が形成された箇所のゴム部材の歪みを検出することを特徴とする。
このように、伸縮性導電インクや導電ゴムなどの伸縮性を有する導電部材によりゴム部材の表面にパターンを形成し、誘電緩和計測を実施すれば、変形により複素誘電率が変化するゴム部材自身をセンサーとして、当該ゴム部材の歪みを検出することができるので、ゴム部材の歪みを、低コストでかつ耐久性の高い手法で検出することができる。
【０００７】
また、本発明は、ゴム部材の歪みを検出する装置であって、前記ゴム部材の表面に、伸縮性導電部材により形成された、互いに対向するように配置された２つのパターンから成る容量部、前記容量部に流れる交流電流を計測するための端子部、及び、前記容量部と前記端子部とを接続する導電部を有し、かつ、前記容量部を構成する２つのパターンの間隔が、前記導電部を形成するパターンのうちの互いに対向するパターンの間隔よりも狭い回路パターンと、前記回路パターンに、互いに異なる複数の周波数を有する交流電圧を印加する交流電源と、前記回路パターンに流れる交流電流を前記周波数毎に検出する電流計と、前記交流電圧と前記交流電流とから、前記容量部の前記周波数毎の複素インピーダンスの実部と虚部とを算出する複素インピーダンス算出手段と、前記算出された複数の複素インピーダンスの実数部と虚数部とから、前記容量部が形成された箇所のゴム部材の歪みを検出する歪み検出手段とを備えることを特徴とする。
このような構成を採ることにより、低コストでかつ耐久性の高いゴム部材の歪み検出装置を得ることができる。
【０００８】
また、タイヤの内面側に、伸縮性導電部材により形成された、互いに対向するように配置された２つのパターンから成る容量部と、前記容量部に流れる交流電流を計測するための端子部と、前記容量部と前記端子部とを接続する導電部とを有し、かつ、前記容量部を構成する２つのパターンの間隔が、前記導電部を形成するパターンのうちの互いに対向するパターンの間隔よりも狭い回路パターンを設ければ、タイヤの内面歪みを容易に検出することのできるタイヤを提供できるとともに、検出されたタイヤの内面歪みを用いて、タイヤに作用する荷重や横力などのタイヤの動的状態を推定することができる。
【０００９】
なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態に係るタイヤ内面歪み検出装置の機能ブロック図である。
【図２】回路パターンと計測ユニットの取りけ箇所の一例を示す図である。
【図３】回路パターンの一例を示す図である。
【図４】回路パターンに電源と電流計を接続したときの等価回路を示す図である。
【図５】Cole-Coleプロットの一例を示す図である。
【図６】本発明によるタイヤ内面歪み検出手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明による回路パターンの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本実施の形態に係るタイヤ内面歪み検出装置（以下、検出装置１０という）の機能ブロック図で、検出装置１０は、タイヤ２０の内面側に形成された回路パターン１１と、回路パターン１１に交流電圧Ｖを印加する交流電源１２と、回路パターン１１に流れる交流電流Ｉを検出する電流計１３と、交流電圧Ｖと交流電流Ｉとから、後述する容量部１１Ｃの複素インピーダンスＺ*を算出する複素インピーダンス算出手段１４と、この算出された複素インピーダンスＺ*を用いてタイヤ内面歪みを検出するタイヤ内面歪み検出手段１５とを備える。ここで、「タイヤ内面歪」とは、図２に示す、タイヤ２０の内面側に位置するインナーライナー部２１及びカーカス２２のゴム部材の歪みを指す。なお、同図において、２３はベルト層、２４はトレッドである。
複素インピーダンス算出手段１４とタイヤ内面歪み検出手段１５とは、タイヤ内面歪み検出装置１０の演算部１０Ａを構成するもので、例えば、コンピュータのソフトウェア及びＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリーから構成される。
図２に示すように、回路パターン１１は、タイヤ２０の内面側であるインナーライナー部２１のタイヤ気室２５側のほぼ中央部に形成され、交流電源１２と電流計１３と演算部１０Ａとは、リム３０に取付けられる。
以下、交流電源１２と電流計１３と演算部１０Ａとを計測ユニット１０Ｋという。
タイヤ内面歪み検出手段１５で検出されたタイヤ内面歪は、例えば、上記の計測ユニット１０Ｋに設けられた送信機１０Ｂにより、図示しない車体側に設けられた車両制御装置に送られる。
【００１２】
回路パターン１１は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、互いに対向するように配置された２つの矩形状のパターン１１１，１１２から成る容量部１１Ｃと、容量部１１Ｃに交流電圧Ｖ*を印加するための２つの入力端子１１３，１１４と、容量部１１Ｃと入力端子１１３，１１４とをそれぞれ接続する導線１１５，１１６と、パターン１１２側の導線１１６間に電流計１３を接続するための計測端子１１７，１１８とを備える。
本例では、２つの矩形状のパターン１１１，１１２の対向する方向を、タイヤ周方向と平行な方向とすることで、タイヤ周方向のタイヤ内面歪を計測するようにしている。
本例では、回路パターン１１を、伸縮性導電部材である伸縮性導電インクを用いて形成するとともに、矩形状のパターン１１１，１１２のタイヤ周方向の長さ寸法をａ＝５ｍｍ、タイヤ幅方向の長さ寸法をｂ＝５ｍｍ、厚さをｔ＝０．３ｍｍ、矩形状のパターン１１１，１１２間の距離（以下、ギャップ長という）をｄ＝０．３ｍｍとした。また、導線１１５，１１６厚さを、矩形状のパターン１１１，１１２の厚さと同じくし、幅寸法をｗ＝１ｍｍとした。
ここで、ギャップ長ｄを、導電部を形成する互いに対向するパターンとしての導線１１５，１１６の間隔Ｄよりも狭く（好ましくは、１/１０以下）することが肝要である。これにより、矩形状のパターン１１１，１１２を容量部１１Ｃとして機能させ、導線１１５，１１６を導電部として機能させることができる。本例では、Ｄ＝５ｍｍとした。
なお、計測端子１１７，１１８は、（ａ）図に示すように、上記の導線１１６の途中に挿入されるように設けてもよいし、交流電源１２側のパターン１１１と入力端子１１３とを結ぶ導線１１５に流れる電流を計測するように設けられてもよい。
【００１３】
交流電源１２は、入力端子１１３，１１４に接続されて、容量部１１Ｃを構成する矩形状のパターン１１１，１１２間に、１０Ｈｚ〜１ＭＨｚの周波数範囲にある、複数の互いに異なる周波数ｆ1〜ｆnの交流電圧Ｖ（ｆk）を印加する（ｋ＝１〜ｎ；ｎ≧２）。
電流計１３は、計測端子１１７，１１８に接続されて、回路パターン１１に流れる交流電流Ｉを検出する。
複素インピーダンス算出手段１４は、上記の交流電圧Ｖと交流電流Ｉとから、容量部１１Ｃの複素インピーダンスＺ*を、周波数ｆk毎に算出する。
図４は、回路パターン１１に交流電源１２と電流計１３とを接続したときの等価回路を示す図である。タイヤ２０のゴムは電気伝導性を有する誘電物質であることから、容量部１１Ｃは、コンデンサーＣpと抵抗Ｒpとの並列回路と見做すことができるので、回路パターン１１には、誘電現象による電流ＩC＝ｊωＣp・Ｖと、導電現象による電流ＩG＝Ｖ/Ｒpとが流れることになる。すなわち、回路パターン１１に流れる全電流は、Ｉ＝Ｖ/Ｒp＋ｊωＣp・Ｖとなるので、交流電圧Ｖの周波数がｆkであるときの複素インピーダンスをＺ*kとすると、１/Ｚ*k＝１/Ｒp＋ｊωkＣpＺ*kとなる。但し、ωk＝２πｆkである。
複素インピーダンスＺ*kは、交流電圧Ｖと同位相成分である実数部をＺ’k、９０°位相が遅れた成分である虚数部をＺ”kとすると、Ｚ*k＝Ｚ’k＋ｊＺ”kと表せる。この複素インピーダンス算出手段１４で算出された実数部の数値Ｚ’kと虚数部の数値Ｚ”kとは、タイヤ内面歪み検出手段１５に送られる。
【００１４】
タイヤ内面歪み検出手段１５は、Cole-Cole プロット作成部１５１と、記憶部１５２と、タイヤ内面歪み検出部１５３とを備え、複素インピーダンス算出手段１４で算出された、周波数ｆk毎の複素インピーダンスＺ*kを用いてタイヤ内面歪みを検出する。
Cole-Cole プロット作成部１５１は、上記算出された実数部の数値Ｚ’kと虚数部の数値Ｚ”kとから、図５（ａ）に示すような、横軸が実数部Ｚ’で縦軸が虚数部Ｚ”である座標平面上に、周波数ｆk毎に求められた複素インピーダンスＺ*kの実数部Ｚ’kと虚数部Ｚ”kとを表す点（Ｚ’k，Ｚ”k）をプロットした曲線であるCole-Cole プロットを作成する。
Cole-Cole プロットは、周波数ｆkを０に近づけると、コンデンサーＣpが絶縁状態となるので、複素インピーダンスＺ*kは抵抗Ｒpに近づく。一方、周波数ｆkを高くすると、極限では、コンデンサーＣpが導通状態となるので、複素インピーダンスＺ*kは０に近づく。すなわち、Cole-Cole プロットは、Ｚ’軸上に中心（ｐ，０）を持つ半径ｒ＝Ｒp/２の半円（デバイの半円）となる。
図５（ｂ）に示すように、デバイの半円の半径Ｒは、タイヤのゴムが圧縮応力を受けている状態（圧縮側）では小さく、引張応力を受けている状態（拡張側）では大きくなる。したがって、周波数ｆk毎に求められた複素インピーダンスＺ*kのCole-Cole プロットを作成して、その半径ｒを求めれば、タイヤ内面の歪みを検出することができる。
記憶部１５２は、デバイの半円の半径ｒの大きさと、タイヤ内面の歪みの状態及びその大きさとの関係を示すテーブルを記憶する。タイヤ内面の歪みの状態及びその大きさとしては、例えば、圧縮−大、引張−小、などであってもよいし、圧縮を（＋）、引張を（−）とした応力の大きさであってもよい。
タイヤ内面歪み検出部１５３は、Cole-Cole プロット作成部１５１で作成されたCole-Cole プロットからデバイの半円の半径ｒの大きさを求めた後、上記のテーブルを参照して、タイヤ内面の歪みの状態及びその大きさを検出する。
なお、デバイの半円は、Ｚ’軸上に中心Ｏ（ｐ，０）を持つので、原理的には、最低２つの周波数ｆkの複素インピーダンスＺ*kを算出すれば、半径ｒ求めることができるが、検出精度を上げるためには、少なくとも５つ以上の周波数ｆkにおける複素インピーダンスＺ*kを求め、例えば、カーブフィッティングなどの統計的手法によりデバイの半円の半径ｒを求めることが好ましい。
【００１５】
次に、本発明によるタイヤ内面歪みの検出手順について、図６のフローチャートを参照して説明する。
まず、回路パターン１１と計測ユニット１０Ｋとを接続する（ステップＳ１０）。
次に、回路パターン１１に、周波数ｆk（ｋ＝１）の交流電圧Ｖkを印加（ステップＳ１１）して、容量部１１Ｃに流れる交流電流Ｉkを計測する（ステップＳ１２）。
そして、印加した交流電圧Ｖkと計測した交流電流Ｉkとから、複素インピーダンスＺ*kの実数部Ｚ’kと虚数部Ｚ”kとを算出する（ステップＳ１３）。
次に、上記のｋと、予め設定された印加周波数の数ｎとを比較し（ステップＳ１４）、ｋ＜ｎである場合には、ｋ＝ｋ＋１として、ステップＳ１１に戻って、周波数ｆk+1の交流電圧Ｖk+1を印加したときの複素インピーダンスＺ*k+1の実数部Ｚ’k+1と虚数部Ｚ”k+1とを算出する。
ステップＳ１４にて、ｋ＝ｎである場合には、ステップＳ１５に進んで、ｎ個の複素インピーダンスＺ*k+1の実数部Ｚ’k+1と虚数部Ｚ”k+1の組から、Cole-Cole プロットを作成した後、デバイの半円の半径ｒの大きさを求める（ステップＳ１６）。
最後に、求められた半径ｒと、予め求めておいたテーブルとから、タイヤ内面の歪みの状態及びその大きさを検出する（ステップＳ１７）。
【００１６】
以上、本発明を実施の形態及び実験例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、多様な変更また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。そのような変更また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。
【００１７】
例えば、前記実施の形態では、回路パターン１１を、インナーライナー部２１のタイヤ幅方向中央部に形成したが、図２の破線で示すように、タイヤ幅方向の端部側に形成すれば、ベルト層２３の端部側のタイヤ内面の歪みを検出することができる。
また、前記実施の形態では、タイヤ周方向のタイヤ内面歪を計測した場合について説明したが、図７（ａ）に示すように、容量部１１Ｃを構成する２つの矩形状のパターン１１１，１１２の対向する方向を、タイヤ幅方向と平行な方向とすれば、タイヤ幅方向のタイヤ内面歪についても計測することができる。
また、容量部１１Ｃについては、１個に限るものではなく、例えば、図７（ｂ）に示すように、複数の容量部１１Ｃ1〜１１Ｃ3を並列に接続してもよい。
また、前記実施の形態では、回路パターン１１の容量部１１Ｃを、互いに対向するように配置された２つの矩形状のパターン１１１，１１２から構成したが、図７（ｃ）に示すように、回路パターン１１を、互いに対向する導線１１ａの間隔がＤである導線部１１Ａと、互いに対向する導線１１ｃの間隔ｄが、上記間隔Ｄよりも狭い容量部１１Ｃと、導線部１１Ａと容量部１１Ｃとを接続する接続導線１１ｂとから構成してもよい。
なお、回路パターン１１の幅（導線１１ａ〜導線１１ｃの幅）は一定であってもよいし、容量部１１Ｃの導線１１ｃの幅を、導線１１ａ，１１ｃの幅よりも広くしてもよい。
また、前記実施の形態では、伸縮性導電部材として伸縮性導電インクを用いたが、これに限るものではなく導電性ゴムなどの他の伸縮性導電部材を用いてもよい。
また、前記実施の形態では、歪みを検出するゴム部材を、タイヤ２０のインナーライナー部２１及びカーカス２２のゴム部材としたが、本発明は、例えば、コンベヤベルトのような他のゴム部材の歪みの検出にも適用可能である。
【符号の説明】
【００１８】
１０  タイヤ内面歪み検出装置、１０Ａ  演算部、１０Ｋ  計測ユニット、
１１  回路パターン、
１１Ｃ  容量部、１１１，１１２  矩形状のパターン、１１３，１１４  入力端子、
１１５，１１６  導線、１１７，１１８  計測端子、１２  交流電源、１３  電流計、
１４  複素インピーダンス算出手段、１５  タイヤ内面歪み検出手段、
２０  タイヤ、２１  インナーライナー部、２２  カーカス、２３  ベルト層、
２４  トレッド、２５  タイヤ気室、３０  リム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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