JP2006208051A

JP2006208051A - ゴム物品用歪センサー

Info

Publication number: JP2006208051A
Application number: JP2005017215A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamaguchi; 健山口; Katsutaka Sato; 克隆佐藤
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】タイヤをはじめとするゴム物品の歪を、数百％程度までの広範囲で計測することが可能なゴム物品用歪センサーを提供する。
【解決手段】導電性粒子を含有し、外的負荷に伴い生ずる歪により引き起こされる電気抵抗の変化を計測して、該歪を検出することが可能な歪検出用ゴム組成物が、加硫後にオイルで膨潤されてなるゴム物品用歪センサーである。０％を超えて５０％以下の範囲内の歪を検出することができ、膨潤用オイルの体積分率は、好適には０．１〜２０％の範囲内である。このゴム物品用歪センサーはタイヤ用に好適に用いることができる。
【選択図】なし

Description

本発明はゴム物品用歪センサー（以下、単に「歪センサー」とも称する）に関し、詳しくは、外的負荷に伴いゴム物品に生ずる歪を検出するために用いられるゴム物品用歪センサーに関する。

タイヤにおける歪モニタリングの研究は、従来より行われており、例えば、電気容量を利用して歪を検出する技術として、タイヤ内部のスチールワイヤを電極とし、ワイヤ間の電気容量を測定することによりワイヤ間距離と歪とを関係付ける技術が知られている。

また、歪の計測に関する従来技術としては、例えば特許文献１に、導電性粒子をプラスチック、ゴムなどの高分子に分散させ、粒子の接触による粒子連鎖を形成し、系内に導電性回路を形成した系を用い、系が外力により伸張を受け、この結果系の電気抵抗が増加し、この増加分を測定することにより伸張歪みを計測するセンサーが記載されている。この文献に記載の歪みセンサーは、鉄骨構造物および鉄筋コンクリート構造物における歪みの計測を想定したものであり、主として２０％未満の歪みを対象としている。
特許第３４１８５６１号公報

近年、自動車の安全性向上のために、タイヤの歪度合いを、特にはある程度広範囲で予測できるセンサーに対する要請が高まってきている。また、タイヤのみならず、ゴム物品一般においても、耐久性予測の観点から、歪計測技術の実現は有効である。

そこで本発明の目的は、タイヤをはじめとするゴム物品の歪を、ある程度広範囲で計測することが可能なゴム物品用歪センサーを提供することにある。

本発明者らは、鋭意検討した結果、ゴム物品用歪センサーを、導電性粒子を含有する歪検出用ゴム組成物からなるものとすることにより、ゴムの内部構造変化に起因する電気抵抗変化から、ゴム物品の歪を数百％程度までの広範囲で計測することが可能となることを見出した。

しかし、例えば、０〜１００％の歪変化量に対し、体積抵抗率の変化量は１０⁴〜１０³Ω・ｃｍの範囲であり、センサー精度としては高くない。センサー精度の向上のためには、歪を加えたときの電気抵抗変化を大きくすることが必要となる。

ところが、導電性粒子の充填量を減少させて粒子の接触による粒子連鎖を減少させると、結果として系内の導電性回路が減少して、繰り返し変形時の歪−電気抵抗の関係が変化する場合があり、これによりセンサー精度が低下することがある。従って、導電性粒子の充填量を減少させることなく、歪の変化に対する電気抵抗値の変化の幅を増幅し、かつ、繰り返し変形に対して安定した電気抵抗値を発現するゴム組成物が望まれる。

本発明者らはかかる観点からさらに検討した結果、上記ゴム組成物を加硫後にオイルで膨潤することにより、歪を加えたときの電気抵抗変化を大きくして、より高精度の歪センサーが実現できることを見出して、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明のゴム物品用歪センサーは、導電性粒子を含有し、外的負荷に伴い生ずる歪により引き起こされる電気抵抗の変化を計測して、該歪を検出することが可能な歪検出用ゴム組成物が、加硫後にオイルで膨潤されてなることを特徴とするものである。

なお、前述したように、従来のタイヤにおける歪み計測技術は、内部に埋設されたワイヤを利用して電気抵抗を計測するものであり、ゴム自体の内部構造の変化からタイヤの歪度合いを予測する技術はこれまで存在しなかった。

本発明のゴム物品用歪センサーは、タイヤ用として好適に用いることができ、０％を超えて５０％以下の範囲内で前記歪を検出することが可能である。また、前記膨潤用オイルの体積分率は０．１〜２０％の範囲内とすることが好ましい。さらに、前記導電性粒子としてはカーボンブラックが好適であり、前記導電性粒子の体積分率は、好適には１０％を超えて３０％未満の範囲内である。さらにまた、前記歪検出用ゴム組成物の体積抵抗率は、好適には１０⁰〜１０⁶Ω・ｃｍの範囲内である。

本発明によれば、上記構成としたことで、ゴムの歪度合いから電気抵抗変化を計測することにより、歪センサーに隣接するゴム物品の歪度合いを、より高精度で予測できるゴム物品用歪センサーを実現することが可能となった。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
本発明のゴム物品用歪センサーは、導電性粒子を含有し、外的負荷に伴い生ずる歪により引き起こされる電気抵抗の変化を計測して、その歪を検出することが可能な歪検出用ゴム組成物（以下、単に「ゴム組成物」とも称する）が、加硫後にオイルで膨潤されてなる。

本発明においては、歪センサーを、導電性粒子を含有するゴム組成物からなるものとしたことで、歪センサーのゴム内において、粒子の接触による粒子連鎖の形成により導電性回路が形成されるため、外部からの力の作用によりゴムが歪んで内部構造が変化すると、電気抵抗も変化する。従って、この変化量を計測することにより歪と電気抵抗とを関連付けて、歪センサーに隣接するゴム物品の歪度合いを予測することが可能となる。

より具体的には、導電性粒子を分散したゴムに外力を加えることにより導電性粒子はゴム内で均一に分散し、さらに、繰り返し歪を加えた場合、歪により電気抵抗値の減少が生ずる。即ち、サンプルを伸張させると、伸張に伴いサンプル内で形成されている導電性粒子のネットワーク（導電性回路）が破壊され、このため電気抵抗値は増加するが、その後、さらに引っ張り変形をサンプルに加えることで、導電性粒子の配向が起こり、これにより導電性回路が形成されて電気抵抗値が減少することになる。本発明におけるように大変形領域までの測定に対抗可能な歪センサーを考えた場合、後者の挙動が支配的となるため、電気抵抗値の減少により歪の測定を行うことができるのである。本発明においては、この電気抵抗値と歪値との１対１の対応を利用して、歪センサーを設計している。

また、本発明においては、上記ゴム組成物を加硫後にオイルに浸漬し、一定体積膨潤させることで、導電性粒子間の距離を制御することができ、歪を加えたときの電気抵抗変化を大きくすることができる。即ち、オイルによる膨潤の効果により、導電性回路の数を均一に減少させて、未変形時および０〜５０％程度の低歪領域の電気抵抗を上昇させ、この領域での測定精度を向上できるとともに、オイル成分の均一な分散の効果により、連続変形を加えた際のゴムの導電性回路数の変化、即ち、電気抵抗の低下度を安定化することができる。従って、この電気抵抗の低下分を測定することにより、精度良く歪の計測を行うことが可能となる。

本発明の歪センサーに用いる歪検出用ゴム組成物は、少なくともゴム中に導電性粒子を含有する。ゴム種としては、特に制限されるものではなく、例えば、天然ゴム（ＮＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体ゴム（ＮＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、スチレンイソプレンゴム（ＳＩＲ）、スチレンイソプレンブタジエンゴム（ＳＩＢＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ハロゲン化ブチルゴム（Ｈａｌ−ＩＩＲ）等を、用途により適宜選択して用いることが可能である。

また、導電性粒子についても特に制限はされないが、カーボンブラック、例えば、ＳＡＦ、ＩＳＡＦ−ＨＭ、ＩＳＡＦ−ＬＭ、ＨＡＦ−ＬＳ、ＨＡＦ、ＨＡＦ−ＨＳ、ＦＥＦ、ＧＰＦ、ＡＰＦ、ＳＲＦ−ＬＭ、ＳＲＦ−ＨＭ、ＭＴ等や、カーボンナノチューブなどを好適に挙げることができ、これらのうちから１種または２種以上を用途に応じて選択して用いることができる。また、導電性カーボンブラックやカーボンナノチューブを用いて歪センサーの精度を向上することが可能である。

本発明においては、導電性粒子の種類（粒径、ストラクチャー）やゴム種を変えることにより、様々な電気抵抗値を備える歪検出用ゴム組成物を作製することができるが、好ましくは、ゴム組成物の体積抵抗率を１０⁰〜１０⁶Ω・ｃｍの範囲内とする。この範囲内の体積抵抗率を有するゴム組成物であると、絶縁状態である純ゴムと導体である金属との中間の体積抵抗率を取ることになるため、歪センサーとして利用するのに特に好適である。なお、未変形時に１０⁴Ω・ｃｍの体積抵抗率を有する加硫ゴムは、オイルにより膨潤させることで体積抵抗率１０⁵Ω・ｃｍに上昇させることができる。

また、導電性粒子の濃度（充填量）を選択することにより、種々の感度を有する歪センサーの設計が可能である。かかる導電性粒子の充填量については用途により選択可能であるが、特に導電性粒子としてカーボンブラックを用いる場合には、その充填量が、体積分率で１０％を超えて３０％未満の範囲となるようにすることが好ましい。カーボンブラックの充填量が体積分率で１０％以下であると、ほぼ絶縁状態となり歪センサーとして利用できなくなる。一方、体積分率が３０％以上であると、大変形の歪をかけることができず、大変形時まで計測可能なセンサーとして利用できない。なお、他の導電性粒子を用いる場合はこの限りではない。また、導電性粒子としてカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）や導電性カーボンブラックを用いると、配向の効果が顕著に現れるため、センサーの感度を向上させることができる。

本発明に使用可能な膨潤用のオイルとしては、不揮発性の有機オイルを用いることができ、例えば、パラフィン系、ナフテン系、アロマ系などを問わず使用することができる。具体的にはＤＢＡ（ジブチルアジペート、Ｄｉ−ｂｕｔｙｌａｄｉｐａｔｅ）などを用いることができるが、特に制限されるものではない。また、膨潤用オイルの充填量としては、体積分率で０．１〜２０％、特には０．１〜１０％の範囲内程度とすることが好ましい。オイルの充填量が２０％より大きくなると、膨潤しすぎて電気抵抗値が大きくなり、センサーとして使用しにくくなる。

なお、本発明に係るゴム組成物には、上記導電性粒子の他、通常ゴム工業において使用される配合剤を、本発明の目的を害しない範囲内で適宜選択して使用することができ、例えば、プロセスオイル、老化防止剤、加硫促進剤、ステアリン酸や亜鉛華等の加硫促進助剤、硫黄などの加硫剤などを必要に応じて適宜配合することができる。これらは、市販品を好適に使用可能である。

本発明のゴム物品用歪センサーは、かかるゴム組成物の配合成分を、混練り、熱入れ、押出、加硫等することにより得ることができる。

混練りの条件としては、特に制限はなく、混練り装置への投入体積、ローターの回転速度、ラム圧等、混練り温度、混練り時間、混練り装置の種類等の諸条件について、目的に応じて適宜選択することができる。混練り装置としては、例えば、通常ゴム組成物の混練りに用いられるバンバリーミキサー、インターミックス、ニーダー等が挙げられる。

熱入れの条件としては、特に制限はなく、熱入れ温度、熱入れ時間、熱入れ装置等の諸条件について目的に応じて適宜選択することができる。熱入れ装置としては、例えば、通常ゴム組成物の熱入れに用いるロール機等が挙げられる。

押出しの条件としては、特に制限はなく、押出し時間、押出し速度、押出し装置、押出し温度等の諸条件について目的に応じて適宜選択することができる。

加硫を行う装置、方式、条件等については、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。加硫温度は、通常、１００〜１９０℃程度である。

本発明のゴム物品用歪センサーによれば、上記のように適宜ゴム配合を調整することで、０％を超えて５０％以下の範囲内の歪の計測を高精度で行うことが可能である。本発明のゴム物品用歪センサーは、ゴム物品全般に適用することが可能であるが、特に、タイヤ用として好適に用いることができる。なお、本発明の歪センサーの具体的な使用方法としては、例えば、タイヤ用として用いる場合には、タイヤ内面に、合成ゴム系やシリコーン系等の接着剤を用いて歪センサーを貼り付けて、貼り付け箇所の歪を連続的に計測すればよい。

以下、本発明を、実施例を用いてより詳細に説明する。
（比較例１，２、実施例１〜５）
下記の表１中に示すゴム配合にて、各比較例および実施例のゴム組成物を調製し、それぞれ歪センサーサンプルを作製して、０％および３０％伸張時の体積抵抗率を夫々測定し、その抵抗差を算出した。体積抵抗率の測定は、具体的には、図１に示すようにして行った。即ち、まず、チャック部１によりサンプル１０を挟持して、伸張させた状態で停止させ、その後、両端チャック１間に電流を流して、ブラス製のクリップ２でサンプル１０を挟み、電圧の測定を行った。測定は、伸張比にかかわらず一定箇所で行い、得られた電圧値から、オームの法則に従い、各サンプルの電気抵抗値を求めた。その結果を、下記の表１中に併せて示す。

＊１）ＳＭＲＣＶ６０
＊２）ＨＡＦ：Ｎ３３０
＊３）ＨＰＰＤ：ヘキシルフェニルｐ−フェニレンジアミン（Ｎ−（１，３−ジメチルブチル）−Ｎ’−フェニレンジアミン）、６Ｃ
＊４）ＣＢＳ：大内新興化学（株）製商品名ノクセラーＣＺ、Ｎ−シクロへキシル−２−ベンゾチアジルスルフェンアミド
＊５）ＤＢＡ（ジブチルアジペート、Ｄｉ−ｂｕｔｙｌａｄｉｐａｔｅ）

上記表１中に示すように、膨潤用オイルの量を増やすことにより、未伸張時における体積抵抗率が上昇していることがわかる。また、３０％伸張時における体積抵抗率との差が大きくなり、低歪領域での歪センサーとしての精度が向上することが確かめられた。なお、比較例１はオイル未膨潤の場合を示しており、抵抗差が小さく、精度が低いことがわかる。また、比較例２は実施例５と等量のオイルをゴム組成物中に配合して混練した場合であり、この場合、オイル分散が不均一であるために体積抵抗率の上昇が見られず、効果が少ないことがわかる。

電気抵抗値の測定方法を示す概略説明図である。

符号の説明

１チャック部
２クリップ
１０サンプル

Claims

導電性粒子を含有し、外的負荷に伴い生ずる歪により引き起こされる電気抵抗の変化を計測して、該歪を検出することが可能な歪検出用ゴム組成物が、加硫後にオイルで膨潤されてなることを特徴とするゴム物品用歪センサー。
前記歪の検出範囲が０％を超えて５０％以下の範囲内である請求項１記載のゴム物品用歪センサー。
前記膨潤用オイルの体積分率が０．１〜２０％の範囲内である請求項１または２記載のゴム物品用歪センサー。
タイヤ用に用いられる請求項１〜３のうちいずれか一項記載のゴム物品用歪センサー。
前記導電性粒子がカーボンブラックである請求項１〜４のうちいずれか一項記載のゴム物品用歪センサー。
前記導電性粒子の体積分率が、１０％を超えて３０％未満の範囲内である請求項１〜５のうちいずれか一項記載のゴム物品用歪センサー。
前記歪検出用ゴム組成物の体積抵抗率が１０⁰〜１０⁶Ω・ｃｍの範囲内である請求項１〜６のうちいずれか一項記載のゴム物品用歪センサー。