JP2007271620A - カーカスプライとインナーライナとの間に配置されたセンサを備えたタイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】カーカスプライとインナーライナとの間にセンサが配置されたタイヤ
【解決手段】本発明タイヤ（１０）はインナーライナ（１１）と、少なくとも一つのカーカスプライ（１２）と、歪みセンサ（２０）とを備え、この歪みセンサはカーカスプライとインナーライナとの間に配置されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、歪みセンサを備えたタイヤに関するものであり、特に、タイヤ構造体中の歪みセンサの位置決めに関するものである。

快適性、性能、安全性を高めるための車両の補助／監視システムは絶えず発展している。従って、各種パラメータを測定するための新しいニーズが生じる。パラメータのいくつかはタイヤ内部に設けたセンサを用いて決定できる。特に、タイヤが曝されている応力に関係する変数（タイヤの変形、ホイール中心での力のテンソル、グリップ限界プロキシミティ等）はタイヤの変形および歪みの測定で得られる。

タイヤの測定に関する分野は２つの下位分野すなわち内部空気に関係した変数の測定と、タイヤ構造および構成材料に関係した変数の測定とに分けることができる。

タイヤ内部の空気に関係した変数（例えば内部空気の圧力および温度）の測定ではセンサとタイヤとの間に特別なインターフェースを確立する必要はなく、センサ（必要な場合にはさらに他の電子部品）をタイヤに取付け、適当なデカップリングによって機械的応力からセンサを保護する支持体を用いるだけで十分である。

一方、タイヤ構造および構成材料に関係する変数（例えば所定位置に生じるタイヤの変形または歪み）の測定には上記とは全く別の問題がある。この場合には用いるセンサと周囲環境との間の機械的インターフェースの品質が最も重要になる。特に、インターフェースとなる支持体の幾何構造および材料を慎重に選択することでセンサに伝達される変形または歪みの比率を制御できる。

タイヤの構成部品の一つにセンサを取付けることは公知である。一例として下記文献１には摩耗しない領域に「釘」型のセンサを備えたタイヤが開示されている。この文献の図１６および図１７ではサイドウォールの下側部分でビード近傍（図１６）のサイドウォールとトレッドとを連結する領域（図１７）にセンサを埋め込むことが提案されている。下記文献２にはビードワイヤ近傍に応力センサを設けることが開示されている（特に図１１および図１２を参照）。
米国特許第２００３／００５６５７９号明細書 米国特許第２００４／０１５８４４１号明細書

本発明の目的はタイヤ内部での歪みセンサの位置決めを最適化することにある。

本発明のこの目的はインナーライナと、少なくとも一つのカーカスプライと、歪みセンサとを備え、歪みセンサがカーカスプライとインナーライナとの間に配置されたタイヤによって達成される。

「インナーライナ」とはタイヤ内部の気体と接触する内側表面とタイヤのカーカスプライと接触する外側表面とによって規定されるゴム混合物（例えばブチルベースのゴム）のマスを意味し、このインナーライナによってチューブレスタイヤの気密性が保証される。

本発明者が知る限り、カーカスプライとインナーライナとの間の領域にセンサを配置することを提案した者はいない。それには十分な理由がある。すなわち、インナーライナの直ぐ近くにセンサを配置するのを避けるのが普通の当業者である。それは、例えばタイヤ成形中にゴム薄層が損傷するとタイヤの気密性に多大な影響が及ぶためである。

しかし、下記の理由からカーカスプライとインナーライナとの間にセンサを位置決めすることが有利であることが分かった。第１に製造が容易で、パッチの位置決めよりも必要な操作数が少なくて済み、製造時間が短くなり、製造コストが低くなる。第２に上記位置決めによって外部からの攻撃に関して十分な機能的保護が与えられる。カーカスプライの内部に位置決めすることによってセンサは外側のサイドウォールおよびプライ自体によって保護される。第３にセンサはタイヤ内部からの攻撃（湿気、酸化等）から十分に保護される。これは密封性が主たる特性であるインナーライナの裏側にセンサが配置されるためである。また、タイヤ設計で使用される種々の構造は上記位置決めにほとんど影響しない。従って、一つの所定構造に関して開発され、妥当性が実証された解決策はその他の構造で一般的に再使用できる。

外部攻撃（衝撃、湿気、酸化等）とタイヤ内部からの攻撃（湿気、酸化）の両方からセンサを保護することを希望する当業者がカーカスプライとインナーライナとの間のセンサの位置を自然には選択しないという点にも注目すべきである。すなわち、当業者はセンサがより十分に保護されるビード内の位置を選択して、センサは多量のゴムによってタイヤ内部から離すであろう。

本発明タイヤは特に、変形可能なほぼ平らなダイヤフラムに結合された剛性のあるシャンクを備えた歪みセンサを備え、上記ダイヤフラムはダイヤフラムの変形を検出する手段を備え、上記シャンクはタイヤのカーカスプライおよび／またはインナーライナに機械的カップリング(結合)されている。ダイヤフラムの変形量の検出と、それと組合された力の測定方法に関しては下記文献に記載の説明が参照できる。
米国特許第６，６６６，０７９号明細書

タイヤのカーカスプライおよび／またはインナーライナへのシャンクの機械的カップリングはカーカスプライ、インナーライナおよびセンサ間の空間を充填する一定量の材料によって行うことができる。材料としてはゴム材料を用いるのが好ましい。このような材料の存在によって、特に材料の剛性を慎重に選択することによってセンサとタイヤとの間の機械的カップリングを最適化することができる。１０％伸び率に対するリジディティー(剛性)が２〜１５Ｍｐａであるゴム材料が大抵の用途に適していることが分かっている。

本発明の一実施例では上記材料は剛性の勾配を有することができる。インナーライナおよびカーカスプライに近い領域の材料の剛性が、それが接触するゴム組成物（インナーライナまたはカーカスプライ）の剛性に近くなるように選択するか、インナーライナの剛性とカーカスプライの剛性の中間になる（一般に１０％伸び率で２〜６ＭＰａ）ように選択するのが有利である。センサに近い領域にある材料の剛性をインナーライナの剛性およびカーカスプライの剛性より大きくして、センサの剛性に近づけるのが有利である。

本発明の一実施例では、センサのダイヤフラムに対する垂線がカーカスプライの平面に対して平行である。それによってこの平面内の剪断歪みを測定できる。この垂線は半径方向を向く(すなわちタイヤの回転軸線を含む平面内で平行)か、この半径方向に対して直角を向くのが有利である。

センサはタイヤのビード領域またはサイドウォール上に配置できる。

センサをタイヤのクラウンの下側に配置することもでき、センサのダイヤフラムの平面に対する垂線がタイヤの周方向を向くようにセンサを向けるのが好ましい。これによってタイヤ走行面に対して平行な平面のクラウン下側の剪断力とタイヤ前進方向の圧縮力を入手できる。「走行面」とはタイヤ走行時に地面と接触するタイヤトレッドの各点が形成する表面を意味する。

本発明の別の実施例ではセンサのダイヤフラムがカーカスプライおよびインナーライナに対して平行な方向を向く。この場合にはタイヤの空気圧を表す値を求めることができる。
本発明は図面を参照した以下の説明からより良く理解できよう。添付図面は概念的なものであり、また、単なる例として示したもので、本発明をなんら限定するものではない。

［図１］は従来のタイヤ１０の概念図で、このタイヤ１０は不透過性のゴムの内側インナーライナ１１と、ゴム混合物（すなわち１種のエラストマと１種のフィラーとを少なくとも含むゴム組成物）で被覆されたコード１３から成るカーカスプライ１２と、リム（図示せず）上にタイヤ１０を維持する周方向強化部材１４と、２つのプライ１５、１６から成るクラウン強化部材とを備えている。プライ１５および１６の各々はタイヤの回転軸線に対して直角な面に対して角度を成したコード１７、１８で補強されている。トレッド１９はプライ１５、１６上に位置している。タイヤ１０はこのトレッド１９を介して道路と接触する。このタイヤのインナーライナ１１とカーカスプライ１２との間にセンサ２０（その構造は以下の図面で説明する）が装備・配置される。センサ２０はインナーライナ１１で覆われているので破線で示されている。

［図２］は「釘（ネイル）」型３次元歪みセンサ２０の概念図である。このセンサ２０はリジッドなシャンク２１とヘッド２２とから成り、ヘッド２２はほぼ平らなダイヤフラム２３を備え、このダイヤフラム２３は、測定装置の構造体全体が加速によって応力が加わったり、力やモーメント等によって応力を受けてダイヤフラム２３の中心に結合された剛性シャンク２１が変形した時に変形できる。従って、シャンク２１はセイスミック（seismic）質量を形成する。

ダイヤフラム２３には変形ゲージが取付けられ、それに加わる下記の歪みに比例した信号を送信する：
（１）ダイヤフラム２３に垂直な歪み（Ｚ方向）
（２）ｘ方向の剪断歪み（σ_xz）
（３）ｙ方向の剪断歪み（σ_yz）。
上記センサはこれら３つの歪み成分を同時に測定する。〔図２］のデカルト座標系（ｘ，ｙ，ｚ）はアクセス可能な応力を図示するためにのみ選択したものであるということは注意すべきである。以下、ｘ、ｙ、ｚはタイヤに関するローカル基準系での方向を示し、ｘは周方向、ｙは軸線方向、ｚはｘとｙの両軸に対して垂直な方向である。ダイヤフラム２３の変形の検出と、それと組み合わされた力の測定法に関しては下記文献の開示を参照できる。
米国特許第６，６６６，０７９号明細書

以下ではこの種のセンサについて考えるが、本発明のタイヤではその他の歪みセンサを用いることもできる。
タイヤ１０内部の局部歪みを測定し、それをタイヤ１０の変形に関連付けるように設計されたセンサ２０はタイヤ製造時にタイヤ１０と一体化される。センサはカーカスプライ１２とインナーライナ１１との間に過剰厚さ部分として配置されるのが好ましい。

［図３］はセンサ２０をカーカスプライ１２とインナーライナ１１との間に配置した本発明の一実施例を示している。センサ２０とタイヤ１０との間の機械的カップリングを最適化するためにセンサ２０の近傍のカーカスプライ１２とインナーライナ１１との間の空間を適当な特徴を有する一定量の材料３０を加えて充填するのが望ましい（または必要である）ことが多い。特に、そうした材料３０の剛性および形状は下記：
（１）特定の点に歪みが蓄積するのを防ぎ（テーパ形状）、
（２）タイヤ１０製造中に気泡が形成されるのを防行目、
（３）センサに伝達される歪みのレベルを制御する、
ように定義される。

極めて硬い材料は大きな歪みを伝達でき、一方、可撓性のある材料はセンサ２０のダイヤフラム２３上の歪みのレベルを制限できる。
［図４］はセンサ２０（ここでは処理モジュール４０と組み合わされている）が、そのダイヤフラム２３に対する垂線がカーカスプライ１２の平面に対して平行になるような位置に取り付けられた実施例の概念図である。この実施例ではタイヤ１０上の歪みをセンサ２０に伝達するために多量の材料３０を添加する必要がある。同じタイヤ１０の変形に対して上記センサ２０が検出する歪みはセンサ２０近傍のカーカスプライ１２とインナーライナ１１との間の空間を充填するのに用いた材料の剛性にほぼ比例する。

上記センサを用いることによって各物理変数をその位置およびその向きの関数として測定できる。以下ではいくつかの実施例とその潜在的用途とを説明する。
本発明の第１実施例ではセンサ２０はタイヤ１０のビード領域内またはサイドウォール上に配置され、ダイヤフラム２３の平面に対する垂線が半径方向になる（すなわちタイヤ１０の回転軸線を含む平面内の一つの方向に対して平行になる）ような向きに配置される。［図５］はこの状態のラジアル構造のタイヤ１０の概念図である。従って、ダイヤフラム２３の平面に対する垂線（矢印２４で示す）はカーカスプライ１２のコード１３に対して平行である。この向きに対応する（且つ同等な結果を生じる）２つの位置が［図６］に示してある。すなわち、センサ４２の場合はダイヤフラムがタイヤ１０の回転軸線に向かい、センサ４１の場合は反対方向を向く。

この好ましい実施例を用いることによってタイヤ１０のサイドウォールのデラジアル化（deradialisation）および撓みを測定できる。
タイヤ１０のデラジアル化はセンサ２０のダイヤフラム２３の剪断ｘｚ（σ_xz）で測定できる。ラジアルタイプのタイヤ１０が加重または駆動／制動トルクを受けて応力が加わったときにタイヤは変形し、カーカスプライのケーブル１３はその半径方向向きから外れる。その結果、半径方向と周方向との間に剪断力が生じる。
この剪断力はセンサ２０で検出できる。

［図７]は地面９と接触して２つのタイプの応力を受けているタイヤ１０の概念図である。［図７]の（ａ）はタイヤの静止時にこのタイヤ１０によって支持される荷重Ｆｚの作用によって生じるタイヤ１０の非ラジアル化を示している。この力Ｆｚが加わった時には図示した４つのコード１３１〜１３４の中のコード１３１と１３３のみが非ラジアル化し、コード１３２と１３４はその半径方向向きを維持する。［図７]の（ｂ）ではタイヤ１０はさらに駆動トルクＭ_yを受けて非ラジアル化状態が変り、コード１３１〜１３４はいずれもその半径方向向きを維持しなくなる。コードの半径方向位置に対する傾きが全てのコードで同一ではないことは理解できよう。すなわち、駆動トルクＭ_yによって生じる非ラジアル化を力Ｆｚによって生じる非ラジアル化に加えることができ（例えばコード１３３の場合）、あるいは、反対の符号を有することができる（コード１３１の場合）。

本発明の好ましい第１実施例ではさらに、ダイヤフラムに対して垂直な歪み（ｚ方向、図２も参照）を介してサイドウォールの撓みを測定することができる。タイヤに加重が加わるとサイドウォールは接地面に対応する領域で撓む。［図８]はこの２つの状態の差を示している。初期の非加重状態（実線）を加重状態（破線）と比較している。加重状態ではサイドウォールの変形（矢印で示す）によってセンサ２０上の歪みが増大する。

タイヤ１０のサイドウォールの非ラジアル化および撓みが分かると、タイヤ全体を変形させる力を演繹できる。この用途は多数考えることができる。すなわち、下記文献に記載のように、タイヤの変形（すなわち、タイヤが非加重状態から加重状態へ移行するときのタイヤの半径方向高さの変化）、そのキャンバ（すなわちタイヤの回転軸線の地面と平行な面に対する傾き）またはホイールセンター力のテンソルを決定することができる。
米国特許第６，９６２，０７５号明細書

［図９]に概念的に示した本発明の第２実施例ではセンサ２０はタイヤのビードまたはサイドウォール上に配置され、且つ、ダイヤフラムの平面に対する垂線（矢印２４で示す）が半径方向（カーカスプライのコード１３の方向に対応）に対して直角で且つカーカスプライの表面に対して平行に向けられている。ここでも、［図１０]に示す２つの位置が可能であり、前記と同様な結果が得られる。すなわち、ダイヤフラムは車両前進時のタイヤ走行方向（４３）に向かうか、その反対方向（４４）を向くことができる。

この実施例では好ましい第１実施例と同等に、主として剪断ｘｚ（σ_xz）を介したタイヤ１０の非ラジアル化が測定でき、ダイヤフラムに対して垂直な歪みを介したサイドウォールの周方向伸び率（ｘ方向）が測定できる。これらの２つの変数はタイヤ全体の変形に関する情報を提供し、下記文献に記載のように、本発明の好ましい第１実施例と同様に、タイヤの変位および／またはキャンバ並びにホイールセンター力のテンソルを測定することができる。
米国特許第２００４／１５８，４１４号明細書

本発明の好ましい第３実施例ではセンサはタイヤのクラウンの下側に配置され、センサのダイヤフラムに対する垂線は周方向を向き、すなわちカーカスプライのコードの方向に対して直角で且つプライに対して平行な方向を向いている。この実施例を用いると２つの関連した変数すなわちクラウン下側の剪断ｘｙとｘ方向の圧縮力を入手できる。

［図１１]は第３実施例の半径方向断面を示している。この図はセンサ２０のダイヤフラムに対して垂直な歪みの変化を示している。タイヤ１０は矢印５０で示される方向へ前進し、この図は３つの連続した瞬間におけるタイヤを示している。［図１１]の（ａ）ではセンサはタイヤ１０と地面９との間の接触領域の外側に配置される。曲率半径はタイヤの内径に対応する。［図１１]の（ｂ）ではセンサが接触領域に入る所にあり、タイヤ１０のクラウンの曲率半径が［図１１]の（ａ）より小さい連結領域にセンサは位置している。従って、センサ２０のダイヤフラムが受ける歪みは増大する。最後に、［図１１]の（ｃ）ではセンサはタイヤ１０と地面９との間の接触領域内に位置している。クラウンは平坦になり、曲率半径は無限になる。センサのダイヤフラム上の歪みは減少し、さらには符号が変わることもある。

この実施例に関する用途は、周方向における圧縮信号による接触領域の長さの評価によってタイヤの変形を推定するという目的が考えられる。

本発明の好ましい第４実施例では、センサがそのダイヤフラムがカーカスプライおよびインナーライナに対して平行になるように配置される。この位置ではセンサが底領域内、サイドウォール内またはクラウン下側のいずれの位置でもセンサは垂直歪みからタイヤ空気圧を表す値を求めることができる。

センサを備えたタイヤの部分斜視図。 「釘」型３次元歪みセンサ２０を示す図。 本発明の一実施例を示す図。 本発明の別の実施例を示す図。 本発明の好ましい第１実施例によるカーカスプライに対するセンサの位置決め法を示す図。 上記第１実施例によるタイヤ上でのセンサの位置決め法を示す図。 ２つタイプの応力を受けるタイヤを示す図。 荷重を加える前と後の本発明タイヤの図。 本発明の好ましい第２実施例によるセンサのカーカスプライに対する位置決め法を示す図。 上記第２実施例によるタイヤ上でのセンサの位置決め法を示す図。 本発明の好ましい第３実施例によるセンサの位置決め法を示す図。

Claims (12)

1. インナーライナ（１１）と、少なくとも一つのカーカスプライ（１２）と、歪みセンサ（２０）とを備え、上記歪みセンサがカーカスプライとインナーライナとの間に配置されているタイヤ（１０）。
2. 歪みセンサ（２０）が変形可能な平らなダイヤフラム（２３）に結合されたリジッドなシャンク（２１）を備え、上記ダイヤフラムはダイヤフラムの変形を検出する手段を備え、上記シャンクがタイヤのカーカスプライ（１２）および／またはインナーライナ（１１）に機械的にカップリングされている請求項１に記載のタイヤ（１０）。
3. 上記の機械的カップリングがカーカスプライ（１２）、インナーライナ（１１）および歪みセンサ（２０）の間の空間を充填する一定量の材料（３０）によって達成される請求項２に記載のタイヤ（１０）。
4. カーカスプライ（１２）、インナーライナ（１１）および歪みセンサ（２０）の間の空間を充填する上記材料（３０）がゴム材料である請求項３に記載のタイヤ（１０）。
5. カーカスプライ（１２）、インナーライナ（１１）および歪みセンサ（２０）の間の空間を充填する上記材料（３０）が１０％伸びに対して２〜１５Ｍｐａの剛性（リジディティー）を有する請求項３または４に記載のタイヤ（１０）。
6. カーカスプライ（１２）、インナーライナ（１１）および歪みセンサ（２０）の間の空間を充填する上記材料（３０）のが剛性が勾配を有し、インナーライナおよびカーカスプライに近い領域にある材料はインナーライナの剛性とカーカスプライの剛性との中間の剛性を有し、上記歪みセンサに近い領域にある材料はインナーライナの剛性およびカーカスプライの剛性より大きい剛性を有する請求項３または４に記載のタイヤ（１０）。
7. 歪みセンサ（２０）のダイヤフラム（２３）に対する垂線（２４）がカーカスプライ（１２）の平面と平行である請求項２〜６のいずれか一項に記載のタイヤ（１０）。
8. 歪みセンサ（２０）のダイヤフラム（２３）の平面に対する垂線（２４）が、タイヤの回転軸線を含む平面内の一つの方向と平行である請求項７に記載のタイヤ（１０）。
9. 歪みセンサ（２０）のダイヤフラム（２３）の平面に対する垂線（２４）が、タイヤの回転軸線を含む平面内の一つの方向に対して直角である請求項７に記載のタイヤ（１０）。
10. 歪みセンサ（２０）がタイヤのビード領域またはサイドウォール上に配置されている請求項８または９に記載のタイヤ（１０）。
11. 歪みセンサ（２０）がタイヤクラウンの下側に配置され、歪みセンサのダイヤフラム（２３）の平面に対する垂線（２４）がタイヤの周方向を向いている請求項７に記載のタイヤ（１０）。
12. 歪みセンサ（２０）のダイヤフラム（２３）がカーカスプライ（１２）およびインナーライナ（１１）に対して平行である請求項２〜６のいずれか一項に記載のタイヤ（１０）。

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