JP2024513490A - スプリットリング共振器を含むタイヤ - Google Patents

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    • B60C2019/004—Tyre sensors other than for detecting tyre pressure

Abstract

本開示は、複数のプライを有する本体、及びこの本体を囲むトレッドから形成されるタイヤを提供する。プライ及び／またはトレッド、及び／または他のタイヤ表面は、１つ以上の共振器を含み、この共振器は、外部で発生した励起信号によって照会されることに応答する。導電材料から形成された複数の共振器は、プライ及び／またはトレッド、及び／または他のタイヤ表面に配置（例えばプリント）される。複数の共振器の群の各々は、複数の共振器の一つ一つからの応答の存在（例えば、測定された励起信号戻りの減衰）または応答の欠如（例えば、励起信号戻りと較正曲線との対比に基づく）が組み合わされてタイヤまたは他のエラストマー含有コンポーネント（例えば、ベルト、ホースなど）に固有なシリアル番号を形成するといった具合に、励起信号の異なる周波数に応答するように個別に構成され得る。

Description

本特許出願は、２０２１年４月９日に「ＴＵＮＥＤ ＲＡＤＩＯ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ（ＲＦ）ＲＥＳＯＮＡＮＴ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮＳ ＦＯＲ ＳＥＮＳＩＮＧ ＩＮ Ａ ＶＥＨＩＣＬＥ」と題して出願された米国特許出願第１７／２２７，２４９号に基づく優先権を主張するものであり、これは、「ＴＩＲＥＳ ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ ＲＥＳＯＮＡＴＩＮＧ ＣＡＲＢＯＮ－ＢＡＳＥＤ ＭＩＣＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」と題して２０２０年３月２５日に出願された米国特許出願第１６／８２９，３５５号の一部継続出願であり、かつそれに基づく優先権の利益を主張するものであり、これは、「ＴＵＮＩＮＧ ＲＥＳＯＮＡＮＴ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＦＯＲ ＶＥＨＩＣＬＥ ＳＥＮＳＩＮＧ」と題して２０１９年３月２７日に出願された米国特許出願第６２／８２４，４４０号に基づく優先権の利益を主張するものであり、それらのすべては、本明細書の譲受人に譲渡される。すべての先行出願の開示内容は、本特許出願の一部とみなされ、参照により本特許出願に援用される。
本開示は、概して、センサに関するものであり、より詳しくは、自動車のタイヤのさまざまな特性を検出できるスプリットリング共振器に関する。
ハイブリッド及び電気のみのシステムを含む、車両の動力タイプでの進歩により、さらなる技術統合の機会が生まれた。これは、完全自動運転及びナビゲーションに車両が移行する現代に特に当てはまり、完全自動運転及びナビゲーションでは、テクノロジーは（訓練を受けた有能な人間とは対照的に）車両コンポーネントの性能及び信頼性を常に監視して、継続的に車両乗員の安全と快適さを確保する必要がある。タイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ）などの従来のシステムは、高性能（レースなど）または完全自動運転用途に必要とされる高度な忠実度を提供できないことがある。それらのような用途は、要求の厳しい運転もしくはレースで遭遇する急速な車両コンポーネント（タイヤなど）の摩耗、または車両操作中にタイヤの性能をチェックすることができる人間の運転者がいないなど、特有の課題を提示することがある。
本発明の概要は、以下の発明を実施するための形態にさらに説明されている概念の一部を簡略化された形式で紹介するために提供されている。本発明の概要は、主張されている発明の主題の主要な特徴または重要な特徴を確認することが意図されておらず、主張されている発明の主題の範囲を制限することも意図されていない。さらに、本開示のシステム、方法、及びデバイスは、いくつかの革新的な態様を各有し、それらのうちの単一のものが単独で本明細書に開示される望ましい属性の原因ではない。
本開示に記載される主題の１つの革新的な態様は、１つ以上のタイヤプライから形成される本体を含むタイヤに実装されることができる。いくつかの実施態様では、各タイヤプライは、第一スプリットリング共振器（ＳＲＲ）、及び第一ＳＲＲに隣接する第二ＳＲＲを含み得る。第一ＳＲＲは、第一ＳＲＲの中の第一炭素粒子の濃度レベルに少なくとも部分的に基づいて電磁ピング音を固有に減衰させるように構成された複数の第一炭素粒子を含み得る。第二ＳＲＲは、第二ＳＲＲの中の第二炭素粒子の濃度レベルに少なくとも部分的に基づいて電磁ピング音を固有に減衰させるように構成された複数の第二炭素粒子を含み得る。第一炭素粒子は、第一多孔構造を形成している第一集合体を含み得、第二炭素粒子は、第二多孔構造を形成している第二集合体を含み得る。いくつかの例では、第一多孔構造及び第二多孔構造は、メソスケール構造状態を含む。他の例では、第一ＳＲＲ及び第二ＳＲＲの各々は、導電材料、金属、導電性非金属、誘電材料または半導体材料の１つ以上を含む。
いくつかの実施態様では、第一ＳＲＲ及び第二ＳＲＲによる電磁ピング音の減衰の量は、タイヤプライの摩耗の程度を示し得る。他の実施態様では、第一ＳＲＲは、電磁ピング音に応答して第一周波数で共振するように構成され得、第二ＳＲＲは、電磁ピング音に応答して第二周波数で共振するように構成され得、第一周波数は第二周波数とは異なる。いくつかの例では、第一周波数及び第二周波数は、符号化されたシリアル番号を形成する。他のいくつかの例では、第一ＳＲＲまたは第二ＳＲＲの共振の振幅は、タイヤプライの摩耗の程度を示し得る。
いくつかの実施態様では、第一ＳＲＲ及び第二ＳＲＲはタイヤプライの表面にプリントされ得る。いくつかの例では、第一ＳＲＲまたは第二ＳＲＲの少なくとも１つは、卵円形、楕円形、矩形、正方形、円形または曲線の１つを有する。他の例では、第一ＳＲＲまたは第二ＳＲＲの１つ以上は円筒形ＳＲＲを含む。他のいくつかの例では、第一ＳＲＲ及び第二ＳＲＲは、一対の同心環として構成され得る。第一ＳＲＲは第二ＳＲＲの外側に配置され得る。他の実施態様では、第一ＳＲＲ及び第二ＳＲＲがタイヤのインナーライナー内に配置され得る。他のいくつかの実施態様では、第一ＳＲＲ及び第二ＳＲＲはタイヤ本体の踏面側に配置され得る。
本明細書に開示される発明の主題の実施態様は、例として示されており、添付の図面の図によって限定されることが意図されない。同様の番号は、図面及び明細書全体を通して同様の要素を参照する。次の図の相対的な寸法が縮尺どおりに描かれていない場合があることに留意されたい。
いくつかの実施態様による、ピング音が発せられるときの望ましい高周波（ＲＦ）信号の共振及び応答を示すように同調する、炭素含有複合材料から形成されるさまざまなセンサを含む、原位置車両制御系を提示する。 いくつかの実施態様による、炭素含有ＲＦ同調共振材料から形成されるセンサによって、周波数シフトされる、及び／または減衰するチャープ信号を分析する信号処理システムを示す。 いくつかの実施態様による、内蔵型電源テレメトリによって発生される（またはその他の方法で関連付けられる）経時変化するテレメトリ信号を分析する信号処理システムを示し、これらの信号は、炭素含有ＲＦ同調共振材料から形成されるセンサによって、周波数シフトされる、及び／または減衰する。 いくつかの実施態様による、互いに接触している炭素含有樹脂及び炭素繊維の互層を含む感知積層体を示す。 図２Ｂ１及び図２Ｂ２はそれぞれ、いくつかの実施態様による、炭素含有ＲＦ同調共振材料を含む感知積層体によって示されるような周波数シフト現象の２つの配置例を示す。 図２Ｂ１及び図２Ｂ２はそれぞれ、いくつかの実施態様による、炭素含有ＲＦ同調共振材料を含む感知積層体によって示されるような周波数シフト現象の２つの配置例を示す。 いくつかの実施態様による、偏向関数としてＲＦ共振における理想的な変化を示すグラフである。 いくつかの実施態様による、４層及び５層の積層体についてのＲＦ共振における変化を示すグラフである。 いくつかの実施態様による、車両領域における表面センサ展開を示す。 いくつかの実施態様による、図２Ｃに示される表面センサ展開と統合することができるさまざまな電流発生システムを示す。 いくつかの実施態様による、車両のエネルギーハーベスティングに関連するさまざまな数値についての表を示す。 いくつかの実施態様による、車両のエネルギーハーベスティングに関連するさまざまな特性についての表を示す。 いくつかの実施態様による、極性及び／または分極率に依存するように編成される摩擦帯電型シリーズで使用される一般材料のコレクションを示す。 いくつかの実施態様による、炭素含有ＲＦ同調共振材料から形成されるセンサから受信する信号を処理するシグネチャクラス分類システムを示す。 いくつかの実施態様による、タイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ）の一部である（またはその他の方法で関連付けられる）ことができるような、従来技術の圧力に基づいたバッテリ駆動タイヤ状態センサを示す。 いくつかの実施態様による、タイヤプライに埋め込まれる炭素含有ＲＦ同調共振材料を含むセンサを備えた車両タイヤの動作を示す。 いくつかの実施態様による、炭素含有ＲＦ同調共振材料のさまざまな層のＲＦ共振における変化から感知される一連のタイヤ状態パラメータを示す。 いくつかの実施態様による、単一のタイヤアセンブリの本体に組み込むために、別個の独立した反応炉から炭素含有ＲＦ同調共振材料を選択することによって、タイヤの複数のプライを同調させる製造技法を示す。 いくつかの実施態様による、炭素含有ＲＦ同調共振材料の層から形成されるタイヤから発せられる第一セットの例示的な状態シグネチャを示す。 いくつかの実施態様による、炭素含有ＲＦ同調共振材料の層で形成される新しいタイヤから発せられる第二セットの例示的な状態シグネチャを示す。 いくつかの実施態様による、いくつかの炭素含有ＲＦ同調共振材料の摩耗後にタイヤから発せられる第三セットの例示的な状態シグネチャを示す。 いくつかの実施態様による、タイヤトレッド層の損失の高さ（ミリメートル、ｍｍ）に対する測定された共振シグネチャ信号強度（デシベル、ｄＢ）のグラフを示す。 いくつかの実施態様による、例示的な従来の炭素材料の生産チェーンの概略図を示す。 いくつかの実施態様による、例示的な従来の炭素材料の生産チェーンの概略図を示す。 いくつかの実施態様による、高温領域と低温領域との間の電荷担体の流量（半導体材料内の）を表す概略図を示し、これらの電荷担体の流量が電圧差を生じることにより、熱電発電機（ＴＥＧ）が微小光状態または無光状態で動作することができる。 いくつかの実施態様による、炭素系材料を示し、これらの炭素系材料は、導電率に同調するタイヤの本体内のプライまたはトレッド中に取り込まれる、及び／または廃熱から電力を生成するためにドープされる。 いくつかの実施態様による、タイヤに統合される熱電発電機能に関連する熱流束の大きさ（摂氏のデルタ）に対する出力電力を比較するチャートを示す。 いくつかの実施態様による、電力回収のためにエンジンコンポーネントに組み込まれる層状のｐ型－ｎ型（ＰＮ）接合半導体材料を示す。 いくつかの実施態様による、正規化された静電容量（Ｃ／Ｃ０）をゴムの厚さ（ｍｍ）に対して比較する、車両タイヤのゴム内に組み込まれる従来の材料のグラフである。 いくつかの実施態様による、インピーダンスに基づいた分光法によるタイヤ摩耗感知のための完全なタイヤ診断システム及び装置を図示する概略図を示す。 いくつかの実施態様による、テレメトリを介してナビゲーションシステム、及びプリント炭素系材料を製造するための機器に転送されるタイヤ情報を示す。 いくつかの実施態様による、タイヤ状態の感知に関連する情報の提示である。 図６Ｄ及び図６Ｅはそれぞれ、いくつかの実施態様による、タイヤトレッド層及び／またはタイヤ本体のプライプリント符号化による車両タイヤの共振シリアル番号に基づいたデジタル符号化に関連する概略図を示す。 図６Ｄ及び図６Ｅはそれぞれ、いくつかの実施態様による、タイヤトレッド層及び／またはタイヤ本体のプライプリント符号化による車両タイヤの共振シリアル番号に基づいたデジタル符号化に関連する概略図を示す。 いくつかの実施態様による、圧電機能によって電力または電流を発生するように構成される、タイヤベルトプライのさまざまな層を描写する概略図を示す。 いくつかの実施態様による、従来の車両に関連するパワートレーン損失（前方向推進力には使用できない）を示す、車両シャーシ、エンジン及びドライブトレーンの概略断面図を示す。 いくつかの実施態様による、圧電性及び／または熱電性の電流及び／または電力発電機を備えた車両の概略断面図を示す。 いくつかの実施態様による、高度な概念のタイヤ及びさまざまなエネルギー（電流）送達の課題のさまざまな概略斜視図を示す。 いくつかの実施態様による、グラフェン充填ゴムを組み込み、地面または舗道に接触する車両タイヤの概略的な側面図である。 転動するホイール（いくつかの実施態様による、単一電極及び銅積層ポリジメチルシロキサン、ＰＤＭＳ、パッチを備えた）上での電荷発生の概略図を示す。 転動するホイール（いくつかの実施態様による、単一電極及び銅積層ポリジメチルシロキサン、ＰＤＭＳ、パッチを備えた）上での電荷発生の概略図を示す。 転動するホイール（いくつかの実施態様による、単一電極及び銅積層ポリジメチルシロキサン、ＰＤＭＳ、パッチを備えた）上での電荷発生の概略図を示す。 いくつかの実施態様による、摩擦帯電型発電機またはモータの例示的な回転子及び固定子構成を示す。 いくつかの実施態様による、車両タイヤに組み込まれたさまざまな代替の摩擦帯電型発電機、及びゴム製ニューマチックタイヤ内に固定された圧縮可能な六角形構造の摩擦帯電エネルギーナノ発電機（ＣＨ－ＴＥＮＧ）のアレイの配置に関する概略図を示す。 いくつかの実施態様による、車両タイヤ内に組み込むことを目的とするさまざまなタイプの摩擦帯電エネルギー発生器の配置を示す。 いくつかの実施態様による、基板電極を組み込んだ基板の概略側面図である。 いくつかの実施態様による、タイヤ空気圧を監視する、ポリイミド系ひずみゲージの概略図である。 いくつかの実施態様による、車両のタイヤトレッドの変形を検知するように構成され、セラミック上にヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）を取り込むホールセンサの概略断面図である。 いくつかの実施態様による、タイヤ本体内の鋼線ベルト上に統合された非接触超音波電気抵抗器－コンデンサ並列回路に関連するさまざまな概略図を示す。 いくつかの実施態様による、タイヤ本体内の鋼線ベルト上に統合された非接触超音波電気抵抗器－コンデンサ並列回路に関連するさまざまな概略図を示す。 いくつかの実施態様による、タイヤ本体内の鋼線ベルト上に統合された非接触超音波電気抵抗器－コンデンサ並列回路に関連するさまざまな概略図を示す。 いくつかの実施態様による、タイヤ本体内の鋼線ベルト上に統合された非接触超音波電気抵抗器－コンデンサ並列回路に関連するさまざまな概略図を示す。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、図１５～１７に示される構造化炭素及び／または同様のもののうちの１つ以上についてのラマンシフトプロットを示す。 いくつかの実施態様による、タイヤトレッド層及び／またはプライ中の構成要素（ゴムなど）の例示的な格子状配置の概略斜視図を示し、共振回路コンポーネントはこれらの要素内に、または要素間に埋め込まれている。 いくつかの実施態様による、車両タイヤ本体プライ及び／またはトレッド層内に組み込まれるときで、動作中に、図２１に示される共振回路に関連する信号減衰を表す例示的なラマン強度ヒートマップまたはプロットである。 いくつかの実施態様による、自己集積した炭素系粒子の例示的な配置を示す概略図である。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及びさまざまな三次元炭素含有集積体を示し、これらは他の材料の上に成長している。 いくつかの実施態様による、近接して存在している異なる共振回路タイプによって生じる合奏現象に寄与する共振機構を例説するために提示したものである。 いくつかの実施態様による、符号化されたシリアル番号に対応する様式で共振するように構成されたスプリットリング共振構造体の使用を示す。 いくつかの実施態様による、各層がスプリットリング共振器を内包している２つの層の上面図である。
本明細書に開示される発明の主題のさまざまな実施態様は、一般に、従来の現在市販されているニューマチックタイヤ（空気、窒素または他の気体が充填されたものを指す）、及び次世代のエアレスソリッドタイヤの本体のプライ内など、車両コンポーネント内に炭素系微細構造体を含む耐久性のあるセンサを展開することに関する。炭素系微細構造体を含んだそれらのようなセンサ（タイヤプライの実施態様の代替として、またはそれらに加えて）を、道路または地面に接触するタイヤトレッド周囲の上のゴムを指す、タイヤトレッドの部分内に組み込むことができる配置も存在する。タイヤが使用されると、トレッドが摩耗して取れるため、その有効性がトラクションを提供する際に限定される。また、その結果、炭素含有センサの少なくとも一部が劣化し、摩耗して取れるため、適切に装備された構成部品によって、これらのセンサの欠如が検知されることができる。
言及されている炭素系または炭素含有微細構造材料は、（１）タイヤプライ内のもの、及び／または（２）タイヤトレッド内のものを含む、前述の議論された２つのシナリオのいずれかでの実施態様に利用可能である。これらの炭素系または炭素含有微細構造材料は、発せられる高周波（ＲＦ）信号に対する、特異的な所期のＲＦ信号のシフト（周波数シフトを指す）、及び信号の減衰（信号強度の低減を指す）という挙動を、例えば、本開示のシステムを備えた車両の１つまたは複数のホイールウェル内に取り付けられるトランシーバによって、及び／またはタンク回路、インダクタ－コンデンサ（ＬＣ）回路または共振器とも称される（互換的に）ＬＣ回路によって、達成するようにインフライト合成（化学反応炉または反応容器内などの）中に同調することができる。
本開示の構成は、従来のタイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ）に必要とされることが多いような可動部品とは独立して機能するため、日常の道路使用に起因する摩損の影響を受けにくく、タイヤ関連摩耗の検知及び通信のために自動車に実装されるような既存の車両用電子部品と通信する、またはその他の方法で電子的に協働するように構成されることができる。炭素微細構造体から作られる開示された複合材料の標的ＲＦ共振周波数値は、反応チャンバまたは反応炉内での「成長」とも称される、カーボンオンカーボン合成を司るメカニズムの制御によってさらに同調することができる。開示された炭素微細構造体及び他の材料は、トレッドのないレーストラック専用スリックタイヤと比較して低圧のオフロード用ノビータイヤなどの類似または非類似の最終用途応用分野に適した標的性能特性及び挙動をもたらす相互作用を示すことができる。
概要
序文
材料科学と工学での進歩により、分子構造でを含む、炭素系微細構造材料を微同調させることで共振し、周波数シフト挙動を示すことができ、及び／または指定された高周波（ＲＦ）（０．０１ＧＨｚ～１００ＧＨｚなど）で減衰する（物理学及びワイヤレステレコミュニケーションでは、媒体を通る流束の強さの漸減による信号消衰を指す）ことができ、さまざまな最終用途応用分野のニーズに合うようにさらに改善することができる。炭素系微細構造体は、炭素含有気相種から反応炉内で自己集積して、または「成長」して、過度に修飾された三次元階層的炭素系構造体を生成することができる。これらの三次元階層的炭素系構造体は、センサとして車両タイヤの本体の１つ以上のプライ及び／またはトレッド内に、またはいくつかの他の意図された車両関連の表面、コンポーネント、及び／または部品などの内に埋め込まれることができる。
本開示の材料及びシステムを装備した車両を取り巻く環境における変化は、炭素系構造体の共振、周波数シフト、及び／または信号減衰挙動に影響する可能性がある。そのため、車両のタイヤの性能、寿命、摩耗の激しい面での劣化の可能性などのごくわずかな異常でも検知され、運転者、乗客、またはリアルタイムで完全自律走行（ドライバーレス）車両のためにより一般的には車両の乗員（これらのような変化が起こる場合に参照）に通信されることができる。すなわち、信号は、タイヤの１つ以上のプライ及び／またはトレッド内に、ある特定の濃度レベルで埋め込まれた炭素含有微細構造体によってある特定の程度まで減衰することができるため、そのプライまたはトレッド層の存在を正確かつ繰り返し決定することができる。舗道などの路面と接触するために露出するトレッド（及び／またはトレッド内の層）が、舗道との繰り返しの接触（運転中に受けるような）によって最終的に摩滅した場合、そのトレッド層の発信した信号への応答（その減衰または欠如によって示されるような）は、そのトレッド層の有無、及び摩耗の程度を示すことができる。天候または他の環境条件における急激な、またはゆるやかな遷移は、本開示の同調した炭素系微細構造体の物性での差異を引き起こす可能性があり、これらの差異は、周波数シフト及び／または減衰の挙動における変化を観察することによって検知可能である。
これらの材料のＲＦ範囲の共振周波数における変化（１つ以上のトレッド層の表面上にあるもの、またはトレッド層内に埋め込まれているものなど）は、トランシーバ（１つ以上のホイールウェル内に取り付けられている可能性がある）からの信号刺激に応答して、パターン化された共振回路（本明細書では、タイヤ本体のプライ上に３Ｄプリントされることができる、「共振器」と称される）によってさらに発信される信号（既知の周波数を有する）を用いてＲＦ共振材料を刺激することに続き、炭素含有微細構造体によって引き起こされる、その発信された信号の周波数シフトを観測する、または信号減衰（同様に炭素含有微細構造体によって引き起こされる）の程度を観測することによって検知されることができる。信号の特性を電子的に観測して分析し、現在の環境条件、及び大雨がみぞれに移行する、路面が滑りやすく非常に危険になるなどの気象条件における変化を測定することができる。車両のタイヤプライ以外の実装もまた想定される。例えば、車両が動いている間のスプリッター、カナード、バンパー、サイドスカート、リアウィング、スポイラー及び／または同様のもののような地面効果を含む、車両の車体のセクション上に流れている空気の圧力が変化すると、この空気の圧力によって、車両の車体の少なくとも一部のセクションがわずかに変形（または再位置決め）することができることで、エアフォイルを形成するために使用される造形的な炭素系材料のＲＦ共振において、対応する変化をもたらすことができる。１つのＲＦ共振周波数（または複数の周波数）におけるこれらのような変化を観測し、既知で個別の較正点と比較して、所与の瞬間に車両の車体上の１つ以上の所定の検知点で測定される空気の圧力を、非常に高い忠実度及び精度（本来であれば、従来の技法では達成できない）で決定することができる。
材料（複数の構成物質または材料で構成される複合材料を含む）は、車両に実装されているタイヤ（オンロード及びオフロードの異形）の特定の操作での必要性に対応するように同調することができる。車両操作中、そのタイヤは、振動だけでなく、物理的な応力、ひずみ及び変形の点で極限状態を受けることが多い。タイヤは、１つ以上の内層（「１つのプライ」または「複数のプライ」と称され、本体から突出するトレッドによって囲まれる）を備えた本体を含むように構築されることができる。これらのタイヤのプライ及びトレッド（各トレッド内に１つ以上のトレッド層を含む）の両方は、特定のＲＦ共振周波数に同調することができる材料から形成されることができる。ほとんどのロードタイヤのオンロード運転中に、またはオフロードタイヤのオフロード（山岳地帯または他の起伏のある地形など）運転中に遭遇するようなタイヤの従来の使用は、タイヤの部分のわずかな変形を引き起こすことができる。これらの変形は、タイヤを形成するために使用されるいずれかの所与の材料のＲＦ共振周波数における変化（その材料の検知時に、ＲＦ信号が「ピング音」を発することによる）を引き起こすことができる。本開示の炭素系微細構造材料のいずれか１つ以上に関連付けられるような、共振周波数におけるそれらのような変化（発信した信号の周波数シフト及び／または減衰のいずれかによって示されるような）を検知した後に、既知の較正点と比較して、タイヤに影響する可能性のある環境条件（タイヤの外側）だけでなく、ある特定の領域での摩耗の増加などのタイヤ内側の状態を最終的に決定することができる。
機能性
システム全体の動作機能に関して、車両コンポーネントの変化を感知するシステム全体に関連する方法、装置、及び材料が本明細書に開示されている。上記に概説されるように、物品は、（１）変化（環境曝露など、または過剰使用による）を感知すること、及び（２）表面に埋め込まれた炭素系微細構造材料のセンサ（車両ボデー上のいずれかの箇所に使用されるような）、及び／または埋伏されたセンサ（例えば、タイヤ内で使用されるような）などを使用して報告することの両方ができる、そのような車両感知システムを構築するために示されている。
次に、理論的な根拠は、どのようなごくわずかな量の偏り（例えば、車両スキン上への空圧による、またはタイヤの内／上にいずれかの外側からの力を加えることによる）でも、「ピング音」を発し、周波数領域の戻りなどによって示されるような、所与のタイヤのプライ及び／またはトレッド層（または他のそのように装備された表面または領域）の「シグネチャ」を処理すること（ＲＦ信号の発信、その発信後の観測及び分析を指す）によって検知されることができることに関して提示される。観測された信号シグネチャを較正し（テスト設定では）、戻りシグネチャを処理する（操作設定では）ためのさまざまなメカニズムが議論される。
エラストマーと相互作用する同調した炭素構造体の形態で埋め込まれたパッシブセンサを備えたタイヤの製造方法（及び関連装置）もまた提示される。埋め込まれたタイヤセンサがピング音を発するときの戻りシグネチャの性質は、さまざまな同調した微細構造体を含むさまざまな同調した炭素を用いる、複数のプライからタイヤを製造するメカニズムであるように、議論される。これらの炭素系微細構造体は、ミクロンサイズのスケールであることができる、または代替に、ミリメートル（ｍｍ）レベルまでのナノメートル、マイクロ、さらにはメソの粒径のいずれか１つ以上であることができる。
（１）車両タイヤの回転時、及びその車両タイヤの舗道または地面との繰り返された摩擦及び／または接触時などにトライボロジー発電機が電流を発生することによって可能にされる、ＧＨｚ及びＭＨｚの範囲内の共振からの内蔵型電源シグネチャ、を含む、タイヤ（そのうえ潜在的に他の領域）の感知に利用されることができる、さらなる観測もまた調査される。それらのようなトライボロジーコンポーネントは、１つ以上の車両タイヤプライ中のエラストマー層の間内の複数のスチールベルト内に統合される、またはその他の方法で組み込まれることができる。
注目すべきことに、トライボロジー（使用可能な電流または電力を生成するエネルギーの発生に関連する、摩擦、潤滑、及び摩耗の原理の研究及び適用を指す）効果は、例えば、電荷の移動に対応するための導電路（少なくとも部分的に炭素系であってもよい）についてのパターンなどによる使用に利用可能である。そうすることで、電荷発生器（議論された摩擦帯電構成部品によって提供される）が作製され、この電荷発生器がその電荷を、放電すると同調可能な固有振動数を有する適切に装備された共振器（共振回路などとも称される）に向ける。この固有振動数は、本明細書で使用される場合、ＭＨｚの範囲内（またはそれ未満）にある。したがって、共振器用の摩擦帯電型発電機が共振して（したがってＲＦ信号を発信して）放電することによって、共振器を充電する（及び／または給電する）ことができる。共振器は、繰り返されている充放電サイクルに対応するように構成されることができ、固有の共振値または特性（その形成材料及び／またはその構築物に基づく）を有する卵円形を含む、さまざまな形状及び／またはパターンのいずれか１つ以上であることができる。
共振器の形状または向きにおける変化は、いずれかの関連する共振定数の対応する変化をもたらす可能性がある。その結果、変形によるタイヤの物性におけるいずれかの変化（タイヤの内部圧力などの静的な条件下、またはボッツドッツの上を走行しているときに遭遇するような動的な条件下など）は、共振器の形状または向きを変えることができる。さまざまなパターンを使用して、１つのタイプの変形に対して、もう１つのタイプの変形（例えば、砂利または粗い表面上を走行しているときに発生する垂直方向の運動と比較して、カーブの周りを移動しているときに発生する側方の変形を指す）よりも高い感度で応答することができる。
装備された車両内の個々のコンポーネントは、炭素含有微細構造材料によって規定される１つ以上の固有の「シグネチャ」を示すことができる。それらのようなシグネチャは、ＫＨｚ（またはそれ未満）の範囲内のＲＦ信号への曝露に起因する。開示された配置は、埋め込まれたセンサ（タイヤ本体のプライ及び／またはトレッド層などの内に）を使用して動的な動作特性を感知することができる配置を含む。それにもかかわらず、トレッド近くのタイヤプライ内に前述の摩擦帯電型電荷発生器を配置することにより、タイヤが回転すると振動のデジタル観測が可能になる。それらのような振動は、低いヘルツ範囲内にあり、１分あたりの回転数（ＲＰＭ）などの動的な感知だけでなく、トレッドウェアについての表示の送信などの比較的より静的なテストにも使用されることができる。
開示された炭素系微細構造材料は、（１）ホイールウェル内に、またはホイールのリム内にも置かれるデジタル信号処理ＤＳＰ、コンピュータチップ及び／またはトランスデューサによって提示されるような、周波数シフト及び／または信号減衰の検知機能に対して外部から発生する「ピング」信号の発信及び／または伝送、及び（２）タイヤプライなどの内に埋め込まれるトライボロジー電力発電機が電荷及び／または電力を共振器に与えることによって促進されるタイヤ内の内蔵型電源自己ピング音発信機能、の両方によって摩耗表示をサポートすることができる。上記に示されるオプション（１）は、刺激及び応答の両方に外部トランシーバ（半導体チップ）を使用することができる。一方、オプション（２）は、外部受信器（半導体チップなども、ただし必ずしも別途供給された伝送電力を必要としない）が拾うことができる方法で常に共振しているタイヤ内同調共振回路を利用することができる。
適切に装備された、及び／または準備された受信器、トランシーバ及び／または同様のものは、多くの異なるシグネチャを区別して、特異的な領域で観測される特定のタイプの摩耗、例えば、高低差を特徴とするコース上の激しいコーナリングによる右フロントタイヤの内側に面しているサイドウォールの劣化などを非常に正確かつ的確に識別する（正確に示す）ことができる。
図の定義及び使用
この説明で使用される用語のいくつかは、参照しやすいように以下に定義される。提示された用語、及びそれらのそれぞれの定義は、これらの定義に厳密に限定されない。用語は、本開示内での用語の使用によってさらに定義され得る。「例示的」という用語は、本明細書では、実施例、例、または例示として機能することを意味するために使用され、必ずしもその種の最良のものを表す望ましいモデルとして機能することを意味するために使用されない。したがって、本明細書では「例示的」として説明される任意の態様または設計は、必ずしも他の態様または設計よりも好ましいまたは有利であると解釈されないものとする。むしろ、例示的という単語の使用は、具体的な方法で概念を提示することが意図される。本出願及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、「または」という用語は、排他的な「または」ではなく包含的な「または」を意味することが意図される。別段に指定されない限り、または文脈から明らかでない限り、「ＸがＡまたはＢを用いる」は、自然な包括的順列のいずれかを意味することが意図される。すなわち、ＸがＡを用いる場合、ＸがＢを用いる場合、またはＸがＡ及びＢの両方を用いる場合、「ＸがＡまたはＢを用いる」は、あらゆる前述の例の下に満たされる。本明細書に使用されるように、ＡまたはＢのうちの少なくとも１つは、Ａのうちの少なくとも１つ、またはＢのうちの少なくとも１つ、またはＡ及びＢの両方のうちの少なくとも１つを意味する。換言すれば、この句は、前後関係がないことを意味する、または２つの相互に排他的な可能性、例えば「彼女は彼が行くかとどまるかを尋ねた」における「または」などの間の選択を表現することを意味する、離接的である。本出願及び添付の特許請求の範囲に使用される、冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、別様に指定されない限り、または文脈から単数形を指すことが明らかでない限り、概して「１つ以上の」を意味するように解釈されるべきである。
さまざまな実施態様は、図面を参照して本明細書では説明されている。図面が必ずしも縮尺通りに描かれておらず、同様の構造または機能の要素が時には図面全体を通して同様の参照記号によって表されていることに留意されたい。これらの図面は本開示の実施態様の説明を容易にすることのみが意図され、すべての可能な実施態様の網羅的な扱い方を表さず、特許請求の範囲に関していかなる制限も課すことが意図されないことにも留意された。さらに、図示された実施態様は、いずれかの特定の環境での使用のすべての態様または利点を表現する必要はない。本開示の実施態様は、特許請求の範囲を限定することが意図されない。
システム構造
図１Ａは、車両状態検知システム１Ａ００（車両上に装備されることが意図される）のブロック図を示す。車両状態検知システム１Ａ００は、２０２０年２月７日に出願された「３Ｄ Ｓｅｌｆ－Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｕｌｔｉ－Ｍｏｄａｌ Ｃａｒｂｏｎ－Ｂａｓｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ」と題された、米国特許出願第１６／７８５，０２０号にＳｔｏｗｅｌｌ，ｅｔ ａｌ．によって開示されるもの（本明細書では「炭素系微細構造体」と総称される）のような、複数の炭素系微細構造材料、強集合体、弱集合体、及び／または同様のものから構成されるＲＦ同調共振コンポーネント１０８などのセンサを含むことができる。ＲＦ同調共振コンポーネント１０８は、従来の運転者駆動型自動車、または完全自律運航型ポッド、または人間の運転者なしで車両乗員を移動させるように動作することができる車両など、車両上の、エアフォイルセンサ１０４、ガラスセンサ１０５１、タイヤセンサ１０６、及びトランシーバアンテナ１０２のうちのいずれか１つ以上に組み込まれることができる。
ＲＦ同調共振コンポーネント１０８は、信号周波数のシフトまたは減衰の測定などによって、トランシーバ１１４、車両中央処理装置１１６、車両センサデータ受信ユニット１１８、車両アクチュエータ制御ユニット１２０、及びアクチュエータ１２２のうちのいずれか１つ以上と電子で、及び／または無線で通信するように構成されることができ、これらのアクチュエータ１２２は、ドア、窓、ロック１２５、エンジンコントロール１２６、ナビゲーション／ヘッドアップディスプレイ１２８、サスペンションコントロール１２９、及びエアフォイルトリム１３０を含むことができる。さまざまなＲＦ同調共振コンポーネント１０８は、発信された「チャープ」信号１１０を介して、及び／またはトランシーバ１１４を用いて「戻り」チャープ信号１１２を介して、発信されたＲＦ信号の観測された周波数におけるシフト（「周波数シフト」と称され、周波数におけるいずれかの変化を黙示する）を引き起こすことができる。チャープ信号１１００の「戻り」チャープ信号への参照は、エアフォイルセンサ１０４及び／または同様のもののうちのいずれか１つ以上に統合されるＲＦ同調共振コンポーネント１０８のうちの１つ以上に対して発信されたチャープ信号１１０（センサからの信号の実際の反射または戻りではなく）の周波数シフトまたは減衰の電子的な観測または検知を指すことができる。チャープ信号１１０、及び戻りチャープ信号１１２は、車両中央処理装置１１６、車両センサデータ受信ユニット１１８、車両アクチュエータ制御ユニット１２０、及び／またはアクチュエータ１２２のうちのいずれか１つ以上と通信することができる（したがって、それらによって評価されることもできる）。車両状態検知システム１Ａ００は、ソフトウェア及びハードウェアの任意の適切な組み合わせを使用して実装されることができる。
車両状態検知システム１Ａ００の描かれたさまざまなセンサのいずれか１つ以上は、発信されたＲＦ信号によって（それらのＲＦ信号によって当てられる、またはその他の方法で接触されることを指す）「ピング音」が発せられると、特異的なＲＦ共振挙動を達成するように同調する、炭素系微細構造体から形成されることができる。車両状態検知システム１Ａ００（またはその任意の態様）は、みぞれ、雹、雪、氷、霜、泥、砂、デブリ、起伏のある地形、水及び／または同様のものを含む悪天候条件中などに、考えられる任意の車両使用用途、領域、または環境に実装されるように構成されることができる。
ＲＦ同調共振コンポーネント１０８は、車両の周囲に、及び／または車両上に（例えば、車両の車室、エンジンコンパートメント、もしくはトランク内に、またはボデー上に）配置されることができる。図１Ａに示されるように、ＲＦ同調共振コンポーネントは、エアフォイルセンサ１０４、ガラスセンサ１０５、タイヤセンサ１０６、及びトランシーバアンテナ１０２を含むことができ、それらのうちのいずれか１つ以上は、最新の車両内にそれらの製造中に実装されてもよい、または（代替に）車両の使用年数及び／または状態にかかわらず、既存の車両に後付けされてもよい。ＲＦ同調共振コンポーネント１０８は、ガラス繊維（例えば、エアフォイル用）またはゴム（例えば、タイヤ用）またはガラス（例えば、ウインドシールド用）などの容易に入手可能な材料を使用して、部分的に形成されることができる。これらの従来の材料は、炭素系材料、成長、弱集合体、強集合体、シート、粒子、及び／または反応チャンバまたは反応炉内に炭素含有気相種からインフライト自己核形成され、（１）それらが取り込まれる複合材料の機械的（例えば、引張、圧縮、剪断、ひずみ、変形及び／または同様のもの）強度を向上させるように配合されるような同様のもの、及び／または（２）特定の周波数または周波数セット（１０ＧＨｚ～１００ＧＨｚの範囲内）で共振するように配合されるような同様のもの、と組み合わされることができる。材料のＲＦ共振特性及び挙動を支配する変数は、材料強度の制御に関与する変数とは独立して制御されることができる。
高周波（ＲＦ）に基づいた刺激（トランシーバ１１４によって発せられる、または共振器によって発せられるような）を使用して、ＲＦ同調共振コンポーネント１０８、アクチュエータ１２２（及び／またはＲＦ同調共振コンポーネント１０８内に、またはそれらの上に実装されるセンサなどの同様のもの）にＲＦ信号を発信することができ、ＲＦ同調共振コンポーネント１０８、アクチュエータ１２２は、それらのＲＦ信号のそれぞれの１つの共振周波数または複数の共振周波数だけでなく、発信された信号の減衰で観測される周波数シフト及びパターン（内部または外部条件が影響することがある）を検知することができる。例えば、ＲＦ同調共振コンポーネント（タイヤセンサ１０６など）が約３ＧＨｚの周波数で共振するように特別に準備されている（「同調されている」と称される）場合、タイヤセンサ１０６は、３ＧＨｚのＲＦ信号によって刺激されると、共鳴による共振、または共振による振動を発することができる（以前に受動的であった弦または振動体が外部振動に応答して、この外部振動に似ている高調波を有する、高調波現象を指す）。
これらの共振による振動は、刺激された周波数でも、基本的な３ＧＨｚトーンに由来する倍音またはサイドローブでも発生することができる。同調共振コンポーネント（ＲＦ同調共振コンポーネント１０８の）が２ＧＨｚで共振するように同調している場合、同調共振コンポーネントが２ＧＨｚのＲＦ信号によって刺激されると、その同調共振コンポーネントは、そのように説明されるように共振による振動を発する。これらの共振による振動は、刺激された周波数でも、基本的な２ＧＨｚのトーンに由来する倍音またはサイドローブ（工学では、メインローブではない、アンテナまたは他の放射源の遠方界放射パターンの極大値を指す）でも発生する。多くの追加の同調共振コンポーネントは、ＲＦエミッタの近位に位置していることができる。ＲＦエミッタは、最初に２ＧＨｚのピング音を発し、次に３ＧＨｚのピング音を発し、その次に４ＧＨｚのピング音を発するなどのように制御される場合がある。異なり増加する周波数でのこの一連のピング音は、「チャープ音」と称される。
図３Ｆ１～３Ｆ２によって概して示されるようなタイヤ本体内で隣接するタイヤプライ（互いに接触しているような）は、その（それぞれを参照する）タイヤ本体のプライ及び／またはトレッド層内に組み込まれるセンサを、互いに高調波ではないさまざまな別個の周波数で共振するように規定するために、炭素系微細構造体のさまざまな濃度レベルまたは配置を有することができる。すなわち、非高調波プライは、特定のタイヤ本体のプライ及び／またはトレッド層（または他の表面もしくは材料）を、高調波が引き起こす（またはその他の方法で関連する）信号干渉が原因の混入リスクが最も低い他のものに対して、別々に容易に認識可能に検知することを確実にすることができる。
トランシーバ１１４（及び／または図１Ａに示されていない共振器）は、チャープ信号１１０を、ＲＦ同調共振コンポーネント１０８のうちのいずれか１つ以上に伝送し、ＲＦ同調共振コンポーネント１０８のうちのいずれか１つ以上からのチャープ信号１１１（図１Ａでは戻り信号１１２と称される）の周波数シフト及び／または減衰をデジタル方式で認識するように構成されることができる。それらのような「戻り」信号１０８をデジタル情報に処理することができ、このデジタル情報を車両の中央処理装置１１６に電子的に通信することができ、この車両の中央処理装置１１６は、車両センサデータ受信ユニット１１８及び／または車両アクチュエータ制御ユニット１２０とインタラクトし、さらに、車両センサデータ受信ユニット１１８及び／または車両アクチュエータ制御ユニット１２０は、受信するセンサデータに基づいて車両性能関連信号を送信する。戻り信号１１２０は、アクチュエータ１２２を少なくとも部分的に制御することができる。すなわち、車両アクチュエータ制御ユニット１２０は、トランシーバ１１４と通信するＲＦ同調コンポーネントによって示される車両コンポーネントの摩耗または劣化に関して車両センサデータ受信ユニット１１８から受信するフィードバックに従って、ドア、窓、ロック１２４、エンジンコントロール１２６、ナビゲーション／ヘッドアップディスプレイ１２８、サスペンションコントロール１２９、及び／またはエアフォイルトリム１３０のうちのいずれか１つ以上を、アクチュエータ１２２が操作するように制御することができる。
チャープ信号１１１の挙動（周波数シフト及び／または減衰など）を監視するときに、道路のデブリ及び悪天候条件を検知すると、例えば、アクチュエータ１２２がサスペンションコントロール１２９において対応する変更をトリガすることができる。それらのような変更は、例えば、道路のデブリを乗り越えることに対応するためにサスペンション設定を緩和することに続き、大雨（したがって低トラクション）状態での走行に必要な場合がある、車両の応答性の向上に対応するためにサスペンション設定を締め付けることなどを含むことができる。車両アクチュエータ制御ユニット１２０によるそのような制御の変動は多く、車両の外部のいずれの考えられる状態をもトランシーバによって検知することができる（チャープ信号１１０及び／または戻り信号１１２の周波数シフト及び／または減衰によって示されるように）。
記載されたセンサを形成するＲＦ同調共振コンポーネント１０８のいずれかは、特定の周波数で刺激されると共振するように同調することができる。そこでは、１つの周波数、または複数の周波数において規定されたシフト（炭素系微細構造体が引き起こす）は、センサが組み込まれている材料、またはこの材料の状態を示す１つ以上の信号シグネチャを形成することができる。
戻り信号１１２における周波数シフト（信号シグネチャに示されるような）の時間変動または時間偏差（ＴＤＥＶ）（測定されたクロックソースの観測間隔τに対する位相ｘの時間安定性を指すため、時間偏差は信号ソースの時間不安定性を示す標準偏差タイプの測定を形成する）は、センサの環境における時変の変動、及び／またはセンサ自体における時変の変動に対応することができる。したがって、信号処理システム（車両中央処理装置１１６、車両センサデータ受信ユニット１１８、及び／または車両アクチュエータ制御ユニット１２０などのうちのいずれか１つ以上など）は、ＴＤＥＶ原理に従ってセンサに関連する信号（チャープ信号１１０及び戻り信号１１２など）を分析するように構成されることができる。そのような分析（シグネチャ分析など）の結果を車両中央処理装置１１６に配信することができ、この車両中央処理装置１１６は、適切な応答アクションのためにコマンドを車両アクチュエータ制御ユニット１２０に通信することができる（今度は）。いくつかの構成では、アクチュエータ１２２によるそのような応答アクションは、人間の運転者の少なくともいくつかの入力を含むことができるが、他の構成では、車両状態検知システム１Ａ００は、完全に自己完結型の方法で機能することができることによって、そのように装備された車両は、コンポーネント性能問題が完全にドライバーレス設定で発生する場合に、それらの問題に対処することができる。
図１Ｂは、信号処理システム１Ｂ００のブロック図を示し、この信号処理システム１Ｂ００は、表面センサ１６０及び埋め込みセンサ１７０を含むことができ、それらのいずれか１つ以上は、そのように装備された車両（表面センサ１６０及び埋め込みセンサ１７０が装備された車両を指す）についての環境変化１５０に関して、その他のものと電子的に通信することができる。また、信号処理システム１Ｂ００は、トランシーバ１１４、シグネチャ分析モジュール１５４、及び車両中央処理装置１１６を含んでもよく、これらのいずれか１つ以上は、その他のものと電子通信している。
信号処理システム１Ｂ００は、炭素系微細構造体から形成されるセンサが刺激されると、信号シグネチャ（チャープ信号１１１及び／または対応する「戻り」信号１１２に示されるようなチャープ信号１１０のうちのいずれか１つ以上の周波数シフト及び／または減衰をデジタル方式で観測することによって規定される）を分析するように機能する。チャープ信号による刺激の結果、センサは、チャープ／ピング周波数のうちの１つで共振するようになり、その対応する同調周波数で、またはその近くで共振すること、発せられた周波数をシフトさせること、及び／または発せられた信号の振幅を減衰させることによって「応答」する。チャープ音／ピング音が発せられている間に、環境変化（タイヤ本体のプライ及び／またはトレッド層の摩耗を生じるような）が発生した場合、「戻り」信号は、同調周波数よりも高いか低いかいずれかの変調における変動を監視されることができる。したがって、トランシーバ１１４は、ピング音を発する表面を表す「戻り」信号１１２を受信するように構成されることができ、これらの表面の上に、またはこれらに対してなどにピング音を発する。
上記のチャープ／ピング信号を、トランシーバ１１４が発信する（例えば、非可聴ＲＦ信号、パルス、振動及び／または同様の伝送によって）ことができる。また、「戻り」信号を同じ（または異なる）トランシーバ１１４が受信することができる。示されるように、チャープ信号は、チャープ音（チャープ信号１１０など）の繰り返しシーケンス中に発生することができる。例えば、チャープ信号シーケンスは、１ＧＨｚのピング音、次に２ＧＨｚのピング音、その次に３ＧＨｚのピング音などを含むパターンから形成されてもよい。チャープ信号シーケンス全体は、その全体を連続的に繰り返されることができる。共振材料からの戻り信号（戻り信号１１２）をピング音の終了直後に受信することができるように、各ピング音の間に短い期間があることができる。あるいは、またはさらに、ピング音刺激に対応する信号、及び観測された「応答」の信号は、同じ一般的な経路またはルートに同時に、及び／またはこれに沿って発生することができる。シグネチャ分析モジュールは、デジタル信号処理技法を使用して、観測された「応答」の信号をピング信号と区別することができる。戻された応答が多くの異なる周波数（倍音、サイドローブなど）にわたるエネルギーを含む状況では、ノッチフィルタを使用して刺激をフィルタリングすることができる。トランシーバが受信する戻り信号を、シグネチャ分析モジュール１５４に送信することができ、シグネチャ分析モジュール１５４は、今度は処理された信号を車両中央処理装置１１６に送信することができる。図１Ｂの前述の議論は、炭素含有同調共振材料から形成されるセンサの議論を含み、そのうえ、感知積層体を参照することもできる。
図１Ｃは、信号処理システム１Ｃ００のブロック図を示し、この信号処理システム１Ｃ００は、図１Ｂに示される信号処理システム１Ｂ００と実質的に同様であるため、同様の特徴の冗長な説明は省略されている。雨、雪、雹、みぞれ及び／または同様のものなどの降水を指すような環境変化１５０は、表面センサ１６０及び／または埋め込みセンサ１７０によって示されることができる。表面センサ１６０とは異なり、埋め込みセンサ１７０（タイヤプライなどの材料内に埋め込まれることができる）は、トライボロジーエネルギー発生器（図１Ｃには示されていない）を含む内蔵型電源テレメトリを使用することができる、及び／またはこの内蔵型電源テレメトリによって電力を供給されることができる。これらのトライボロジーエネルギー発生器もまた、それぞれセンサが封入される材料内に組み込まれることができる。したがって、トライボロジーエネルギー発生器は、例えば、回転するタイヤまたはホイールと、それが接触する舗道との間に蓄積される静電荷を回収することによって使用可能な電流及び／または電力を発生し、共振回路（本明細書でさらに詳細に説明される）に電力を供給することができる。次に、共振回路は、共振して既知の周波数でＲＦ信号を発することができる。その結果、外部に取り付けられたトランシーバユニット（車両の各ホイールウェル内に取り付けられるものなど）はＲＦ信号を発することができる。この構成では、共振回路は、これらのＲＦ信号をさらに伝播し、トライボロジーによって電力を供給され、タイヤ本体のプライに埋め込まれる。同様に、発信された信号の強度の周波数シフト及び／または減衰は、例えば、シグネチャ分析モジュール１５４及び／または車両中央処理装置１６６によって受信され、分析される。
内蔵型電源テレメトリ（遠隔ポイントまたはアクセスできないポイントでの測定値または他のデータの収集、及び監視用の受信機器へのそれらの自動送信を指す）は、車両のタイヤに組み込まれ得る。本明細書に言及される内蔵型電源テレメトリは、タイヤ内でのトライボロジー電荷発生、その電荷の蓄積、及び共振回路に、またはそれを介して蓄積された電荷のその後の放電を利用することを含み、共振回路（インダクタからなり、文字Ｌで表される電気回路と、文字Ｃで表され、合わせて接続され、特定の１つの周波数または複数の周波数でＲＦ信号を発生するために使用されるコンデンサとを指す）の放電中に発生する「リンギング」（ＲＦ信号のさらなる発信に応答可能な共振回路の発振を指す）を使用する。
ピング音刺激は、一般に、本開示の車両コンポーネント摩耗検知システムの２つの可能な構成のうちの１つで提供されることができる。これら２つの可能な構成のうちの１つは、
・そのように装備された車両の各ホイールウェル内に組み込まれるようなタイヤ（または継続使用による摩耗に関する監視が意図される他の車両コンポーネント）の外側に位置している従来のトランシーバなどの刺激源によって発生する信号または「ピング音」への信頼性、または
・回転するホイール及び／またはタイヤと、それらと接触している地面または舗道との間の本来であれば廃棄されている摩擦エネルギーに起因するエネルギーを回収する、タイヤ内（炭素系微細構造体を持つセンサと同様に、タイヤプライに埋め込まれていることも指す）トライボロジーエネルギー発生装置の使用、
を有する。トライボロジーは、一般的に理解され、本明細書で言及されるように、相対運動における相互作用する表面の科学及び工学の研究を黙示する。それらのようなトライボロジーエネルギー発生装置は、タイヤ内共振装置に電力を供給することができ、これらのタイヤ内共振装置は、今度はタイヤ特性テレメトリを自己発信する。
上記に議論されている２つの「ピング音」刺激発生器かプロバイダかいずれかは、約１０～９９ＧＨｚの範囲の複素共振周波数（ＣＲｆ）成分（例えば、グラフェンプレートレットなどの小さな寸法の構造体の共振周波数による）だけでなく、相対的にさらに大きい寸法の議論されているタイヤ内共振が原因でＫｈｚ範囲内のより低い周波数共振も有することができる。一般に、ＣＲｆは、エラストマー成分の固有共振周波数、炭素成分の固有共振周波数、構成成分の比率／集合、及びタイヤ内共振装置の幾何学的形状の関数に等しいとみなされることができる。
図２Ａは、炭素含有樹脂２０４２、炭素繊維２０２２、炭素含有樹脂２０４１、及び炭素繊維２０２１を含む（順次）、互いの上に配置される複数の層から構成される感知積層体２Ａ００（図１Ａ～１Ｃに示されるものに関連して議論されるいずれかのセンサを表すことができる）の概略的な側断面図を示す。「樹脂」という用語（高分子化学及び材料科学では）は、一般に、ポリマー（多くの繰り返されたサブユニットから構成される大分子または巨大分子）に通常変換可能である、プラントまたは合成由来の固体または高粘性物質を指す。合成樹脂は、工業的に製造された樹脂であり、通常、硬化の過程で剛直高分子に変換される粘性物質である。硬化を受けるために、樹脂は、通常、アクリレートまたはエポキシドなどの反応性末端基を含む。また、「炭素繊維」という用語は、直径が約５～１０マイクロメートル（μｍ）であり、ほとんどが炭素原子から構成される繊維である。炭素繊維には、硬直性が高く、引張強度が高く、重量が軽く、化学物質に対する耐性が高く、高温に耐性があり、熱膨張が低いという、いくつかの利点がある。
炭素含有樹脂２０４２、炭素繊維２０２２、炭素含有樹脂２０４１、及び炭素繊維２０２１のうちのいずれか１つ以上は、前述の炭素含有微細構造体のうちのいずれか１つ以上の特異的な濃度レベルを組み込むことによって、ＲＦ信号がピング音を発信すると、１つ以上の特異的な共振周波数を実証する、または示すように同調することができる。感知積層体は、炭素含有樹脂２０４２、炭素繊維２０２２、炭素含有樹脂２０４１、及び炭素繊維２０２１のうちのいずれか１つ以上の任意の構成、配向、順序、または層、及び／または類似または非類似の材料を含む少数の層または追加の層を含むことができる。追加の樹脂層は、追加の炭素繊維層の間に介在して層にされることができる。
各炭素含有樹脂層は、異なる所期の、または所望の同調周波数で共振するように別々に配合されることができる。材料共振の物理現象は、対応する分子組成に関して説明されることができる。例えば、第一分子構造などの規定された第一構造を有する層は第一周波数で共振するが、異なる第二分子構造を有する層は異なる第二周波数で共振することができる。
特定の分子構造を有し、層内に含まれる材料は、その層が低エネルギー状態にある場合に第一同調周波数で共振し、その層内の材料が誘起された高エネルギー状態にある場合に異なる第二周波数で共振する。例えば、特定の分子構造を示す層内の材料は、その層が自然の変形されていない低エネルギー状態にある場合に３ＧＨｚで共振するように同調することができる。対照的に、その同じ層は、層がその自然の変形されていない低エネルギー状態から少なくとも部分的に変形されている場合に２．９５ＧＨｚで共振することができる。その結果、この現象は、例えば、舗道などの路面に接触して、ある特定の局所的な接触領域で激しい摩耗を受けるタイヤの表面などに対するごくわずかな異常でも、高い忠実度及び精度で検知する必要性に対応するように調整されることができる。要求の厳しいレースサーキット（急カーブ及び急激な高低変化を特徴とする高度に技術的で風の強いトラックを指す）でレースするレースカーは、時間に制約のあるレース当日の条件でも、情報に基づいたタイヤ交換の決定を行うために、そのような局所的なタイヤ摩耗または劣化情報から利益を得ることができる。
上記を参照して周波数シフト現象（３ＧＨｚの周波数での共振から２．９５ＧＨｚへの遷移など）が示され、図２Ｂ１～２Ｂ２を参照して議論される。図２Ｂ２は、炭素含有同調共振材料を含む感知積層体に示されるような周波数シフト現象を描く。
一般的に理解されるように、原子は所与の元素に対して固有振動数で電磁放射を放出する。すなわち、特定の元素の原子は、その原子の特性に対応する固有振動数を有する。例えば、セシウム原子が刺激されると、価電子は低エネルギー状態（基底状態など）から高エネルギー状態（励起エネルギー状態など）に跳ね上がる。電子は、その低エネルギー状態に戻ると、光子の形態で電磁放射を放出する。セシウムの場合、放出される光子は、９．１９２６３１７７０ＴＨｚでマイクロ波周波数範囲内にある。複数の原子で形成される分子など、原子よりも大きい構造も、予測可能な周波数で共振する（電磁放射を放出することなどによって）。例えば、バルク内の液相の水は１０９．６ＴＨｚで共振する。張力がかかっている水（バルクの表面、さまざまな表面張力状態などで）は、１１２．６ＴＨｚで共振する。炭素原子及び炭素構造体もまた、その構造体に依存する固有振動数を示す。例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の固有共振周波数は、ＣＮＴのチューブの直径及び長さに依存する。チューブの直径及び長さを制御するように制御された条件下でＣＮＴを成長させると、構造体の固有共振周波数が制御されるようになる。したがって、ＣＮＴを合成する、またはその他の方法で「成長させる」ことは、所望の共振周波数に同調させるための１つの方法である。
炭素で形成される他の構造体は、制御された条件下で形成されることができる。それらのような構造体は、カーボンナノオニオン（ＣＮＯ）、炭素格子、グラフェン、炭素含有強集合体または弱集合体、グラフェン系の、その他の炭素含有材料、人工ナノスケール構造体など、及び／またはそれらの組み合わせを含むが、それらに限定されず、それらのうちのいずれか１つ以上は、本開示の実施態様による車両コンポーネントのセンサに組み込まれている。それらのような構造体は、特定の同調周波数で共振するように形成されることができる、及び／またはこれらのような構造体は、所望の特徴または特性を取得するように後処理で変更されることができる。例えば、高い補強値などの所望の特性は、材料の組み合わせの選択及び比率によって、及び／または他の材料の追加によってもたらされることができる。さらに、それらのような複数の構造体の並置は、さらなる共振効果を導入する。例えば、２枚のグラフェンシートは、ある周波数でそれら自体の間で共振することができ、この周波数は、長さ、幅、間隔、間隔の形状及び／またはシートの他の物性及び／またはそれらの互いの並置に依存する。
当該技術で知られているように、材料は特異的で測定可能な特性を有する。これは、天然に存在する材料だけでなく、人工炭素同素体にも当てはまる。それらのような人工炭素同素体は、物性を示すように同調することができる。例えば、炭素同素体は、（ａ）構成一次粒子の特定の配置、（ｂ）強集合体の形成、及び（ｃ）弱集合体の形成、に対応する物性を示すように設計されることができる。これらの物性のそれぞれは、対応する特定の炭素同素体を使用して形成される材料の特定の共振周波数に影響する。
特定の共振周波数に対応する特定の物理的配置に特定の炭素系構造体を同調させることに加えて、炭素含有化合物を特定の共振周波数（または共振周波数セット）に同調させることができる。共振周波数セットは、共振プロファイルと称される。
周波数同調材料の形成
ＲＦ信号によってピング音が発信されると、特異的な共振周波数を示すように同調する炭素含有材料（炭素系微細構造体を含むものなど）は、これらの材料が特定の電気インピーダンスを有するように合わせて特異的な化合物を作ることにより、特定の共振プロファイルを示すように同調することができる。同様に、異なる電気インピーダンスは、異なる周波数応答プロファイルに対応する。
インピーダンスは、交流（ＡＣ）が要素を通して流れる難しさの程度を表す。周波数領域では、インピーダンスは、インダクタとして挙動する構造体のため、実数成分及び虚数成分を有する複素数である。虚数成分は誘導性リアクタンス（回路素子のインダクタンスまたは静電容量による電流の流れに対するその回路素子の抵抗、リアクタンスが大きいほど同じ電圧が印加された場合の電流が小さくなる）成分ＸＬであり、これは以下の式の特定の構造体の周波数ｆ及びインダクタンスＬに基づく。
ＸＬ＝２πｆＬ （式１）
受信した周波数が増加すると、リアクタンスもまた増加するため、ある特定の周波数閾値で、発信された信号の測定された強度（振幅）は減衰することができる。インダクタンスＬは、材料の電気インピーダンスＺによって影響され、Ｚは次の関係によって透磁率μ及び誘電率εの材料特性に関連がある。
Figure 2024513490000002
したがって、材料特性を同調させると、電気インピーダンスＺは、インダクタンスＬに影響するため、リアクタンスＸＬに影響するように変わる。
全体が参照により本明細書に援用されている、２０１９年１０月１日に発行された「Ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ」と題された米国特許第１０，４２８，１９７号にＡｎｚｅｌｍｏ，ｅｔ ａｌ．によって開示されたものなど、異なるインダクタンスを有する炭素含有構造体は、異なる周波数応答を示すことができる（前述のシステムにセンサを作製するために使用される場合）。すなわち、インダクタンスＬが高い（電気インピーダンスＺに基づく）炭素含有構造体は、インダクタンスが低い別の炭素含有構造体よりも低い周波数で、ある特定のリアクタンスに達する。
特定の電気インピーダンスに同調する化合物を配合する場合、透磁率、誘電率及び導電率の材料特性も考慮することができる。さらに、第一炭素含有構造体が第一周波数で共振するが、第二炭素含有構造体がわずかに変形した（これにより、この構造体の物性をわずかに変えるような）場合など、この構造体が張力誘起条件下にある場合、この構造体が第二周波数で共振することが観測される。
図２Ｂ１は、コンデンサＣ１及びインダクタＬ１を含む等価電気回路に相関されることができる、第一周波数で共振する第一炭素含有構造体を示す。周波数ｆ１は、次式で与えられる。
Figure 2024513490000003
図２Ｂ２は、図２Ｂ１の同じ第一炭素含有構造体のわずかな変形を示す。変形は、物理的構造体に変化を引き起こし、同様に、その構造体のインダクタンス及び／または静電容量を変化させる。これらの変化は、コンデンサＣ２及びインダクタＬ２を含む等価電気回路に相関されることができる。周波数ｆ２は、次式で与えられる。
Figure 2024513490000004
図２Ｂ３は、偏向関数として測定された共振における理想的な変化を示すグラフ２Ｂ３００である。オプションとして、グラフ２Ｂ３００の１つ以上の変形形態、またはそれらのいずれかの態様は、本明細書に記載の実施態様に照らして実行されることができる。グラフ２Ｂ３００（またはその任意の態様）は、任意の環境で実行されることができる。
図２Ｂ３に示される実施態様は、一例にすぎない。示されているグラフは、変形の１つの態様、具体的には偏向を示す。部材または表面が偏向による変形（湾曲など）を受ける場合、変形は、ＲＦ信号などの信号によってピング音が発信されると、部材の示された共振周波数を変更することができる。その湾曲の形状は、部材または表面を形成する積層体の特性など、部材の特性に依存することができる。この湾曲は小さな変動で急勾配になることができるが、偏向が最大に達すると湾曲は平らになる。さらに、湾曲の形状は、積層体の層の数、炭素構造体の幾何学的形状、炭素が積層体にどのように結合されるかなどに部分的に依存する。
図２Ｂ４は、４層の積層体２９２及び５層の積層体２９４についての共振における変化を示すグラフ２Ｂ４００である。オプションとして、グラフ２Ｂ４００の１つ以上の変形形態、またはそれらの任意の態様は、本明細書に記載の材料及びシステムに実装されることができる。記載の積層体などの材料は、多くの用途に展開されることができる。１つの特定の用途は、表面センサについてのものであり、これらの表面センサは、車両全体を通して多くの位置の中に、またはそれらの上に、またはそれらを越えて展開されることができる。いくつかのそのような展開は、図２Ｃに関連するものとして示され、説明される。
図２Ｃは、車両の選択された位置における例示的な表面センサ展開２Ｃ００を示す。例示的な表面センサ展開２Ｃ００、またはそれらの任意の態様は、雪、みぞれ、雹などの任意の可能な外部環境条件に曝露される車両の内に、またはその上に実装されてもよい。
同調した共振感知炭素含有材料は、車両のさまざまな外面内の耐久性のあるセンサという観点から、自動車の特徴、表面、及び／またはコンポーネント中に組み込まれる、またはそれらと結合されることができる。示されるように、車両は、車両のフロントフェアリング（フードなど）、車両の支持部材、及び車両のルーフの上に表面センサを備える。車両の前述の位置のそれぞれは、車両の動作中に応力及び付随する変形を受けることがある。例として、フロントフェアリング上の表面センサは、車両動作中（前進運動中など）に空気圧変化を受ける。空気圧の力の下で、表面を構成する材料は、わずかに変形し、図２Ｂ１及び図２Ｂ２に関連して記載される現象に従って、材料の変化または変形の程度に比例した材料の共振周波数における変化を示すことができる。そのような変化は、前述の「ピング音」及び観測技法を使用して検知されることができる。
観測された発信信号は、特定の材料または表面についてのシグネチャをまとめて規定することができ、さらにクラス分類されることができる。信号の特異的な特性を比較及び測定のために分離し、特異的な分離された特性に対応する較正点を決定することができる。したがって、車両を取り巻く環境の態様を正確かつ確実に決定することができる。
例えば、表面センサの変形によって周波数が３ＧＨｚから２．９５ＧＨｚにシフトする場合、その差を較正曲線にマッピングすることができると、空気圧についての値を得ることができる。パネル、ルーフ、フード、トランク、またはエアフォイルコンポーネントなどの車両コンポーネントは、比較的大きな表面積を提供することができる。これらのような場合、トランシーバアンテナをコンポーネントの観測可能な側に配設することができる。いくつかのトランシーバアンテナをアレイに配設することができ、このアレイの各要素は大きな表面積のセクションに対応する。各トランシーバアンテナは、示されるような表面センサ展開２Ｃ００のホイールウェル上に、またはホイールウェル内に設置されることができ、ピング音／チャープ音によって独立して刺激されることができる。場合によっては、アレイの各要素を順次刺激することができるが、他の場合には、アレイの各要素を同時に刺激する。車両の空気力学は、シグネチャ戻り値を近位アレイ要素と区別するために用いられる信号処理によって、広い表面積にわたって測定されることができる。
特定のアレイ要素からのシグネチャ戻り値は、他の環境条件及び／または他の感知データに関して分析されることができる。例えば、エアフォイルコンポーネントの特定部分の偏向は、エアフォイルコンポーネントの異なる部分の偏向と比較されてもよく、次に、その時の温度、及び／またはその時のタイヤ空気圧、及び／または車両またはその環境のいずれかの他の感知された態様に関して分析されてもよい。
図２Ｄは、いくつかの実施態様による、図２Ｃに示される表面センサ展開と統合することができるさまざまな電流発生システムを示す。回生ブレーキシステム２Ｄ０２、動電システム２Ｄ１８、光起電力システム２Ｄ０４、風力タービンシステム２Ｄ０６、光起電力及び／または振動電池２Ｄ０８、圧電タイヤ空気圧モニタ２Ｄ１０、排気系タービン２Ｄ１２、エネルギーハーベスティングショックアブソーバ２Ｄ１４及び／または補助電源装置２Ｄ１６を含む、示されている電気力学的、光起電力、圧電、及び／または振動電流発生システムのうちのいずれか１つ以上は、図２Ｃ及び他の箇所に議論されるようなタイヤ本体のプライ内に組み込まれる摩擦帯電エネルギー発生器を補助することができる。
回生ブレーキシステム２Ｄ０２は、回転するブレーキ回転子に対するシューのブレーキパッドの圧縮時に発生する熱エネルギーを捕捉するために、吸収し、保持し、そして有用な電流に変換して、共振器に電力を供給することができる。そして、そのような電力は、従来の内燃機関駆動の車両、またはバッテリ駆動の車両の直線加速の即時オフを強化するトルクブーストを提供するために、再印加される、またはその他の方法で再利用されることができる。入射光（例えば、屋外の日の光の中に駐車することによる）は、光起電力システム２Ｄ０４によって回収されることができるが、風力タービンシステム２Ｄ０６は、エネルギーをさらに捕捉し、保持し、そして再印加することができる。
同様に、入射振動エネルギー（図２Ｄの本開示のシステムをそのように装備した駐車中の車の近くを走行するトラックによるものなど）は、振動電池２Ｄ０８によって捕捉されることができ、不均一な路面上で運転している間に遭遇する振動によるエネルギーは、圧電タイヤ空気圧モニタ２Ｄ１０によって捕捉されることができる。排気系タービン２Ｄ１２（内燃機関のターボチャージャのような）は、排気ガスを捕捉して再供給し、使用可能な電力を発生することができる。エネルギーハーベスティングショックアブソーバ２Ｄ１４は、衝撃を吸収してその機械的エネルギーを保持し、それを有用な電流に変換して補助電源装置２Ｄ１６に供給し、ハイブリッド車両または電気のみの車両の使用可能な範囲を拡大することができる。潜在的な補助電源及びシステムは、本明細書に具体的に列挙されるには多すぎて広範囲に及ぶため、当業者は、本開示のシステム（及びトライボロジーエネルギー発生器）がいずれかの利用可能な電力捕捉及び再利用システムと共に機能することができることを理解するであろう。
エネルギーリサイクルに関連している機能は、さまざまなクラスの車両に組み込まれ得る。振動エネルギー捕捉装置が約８００μＷ／ｃｍ３の機械誘起振動を保持することができるような、必要な電力の大きさに応じて、エネルギー源は提供されることができる。あるいは、またはさらに、人が電荷搬送装置（コンデンサなど）として働くことから、約８００μＷ／ｃｍ３を捕捉することができる。本開示のシステムのいずれかに組み込むのに適した光（光起電力）及び熱（熱電）エネルギー捕捉及びリサイクル装置は、約０．１～１００ｍＷ／ｃｍ２（光起電力装置の場合）及び６０μＷ／ｃｍ２を約５℃の温度勾配で保持して再利用することができる。周囲の電磁（ＥＭ）放射高周波（ＲＦ）は、約０．２６μＷ／ｃｍ２を１Ｖ／ｍの場の強度などで与えることができる。
図２Ｅは、車両のエネルギーハーベスティングに関連するさまざまな数値についての表２Ｅ００を示す。エネルギーハーベスティングにおける増加に関連して実現可能なシナリオは、販売されている（重工業など）電動車両（ＥＶ）の数と、例えば、２０２１年（予測されたもの）と比較した２０１１年のエネルギーハーベスティングを使用してメインバッテリを充電した割合とに関して示されている。
図２Ｆは、車両のエネルギーハーベスティングに関連するさまざまな特性についての表２Ｆ００を示す。エネルギーハーベスティングテクノロジー及びそれらの電動車両、陸上、水及び空気への適用性の例は、すべて車両あたり次の電力範囲、（１）数マイクロワットから数ミリワット、（２）数ミリワットから数ワット、及び（３）数ワットから数十キロワットごとに示される。前述の電力回生システムは、潜在的な電力回生及び送達機能（数マイクロワットから数ミリワット以上など）によって編成される。
図２Ｇは、いくつかの実施態様による、極性及び／または分極率に依存するように編成される摩擦帯電型シリーズで使用される一般材料のコレクション２Ｇ００を示す。実証された正の極性及び／または分極率に認められる材料の例は、ポリホルムアルデヒド１．３～１．４などを含むが、実証された負の極性及び／または分極率に認められる材料の例は、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））などを含む。当業者は、図２Ｇ及び他の箇所に示されるものの範囲及び趣旨から逸脱することなく、摩擦帯電エネルギー発生の可能性について他の可能な材料の例が存在することができることを理解するであろう。
図２Ｈは、炭素含有同調共振材料から形成されるセンサから受信する信号を処理するシグネチャクラス分類システム２Ｈ００を示す。シグネチャクラス分類システム２Ｈ００は、あらゆる物理環境または気象条件で実装されることができる。図２Ｈは、車両に設置されるセンサによって検知される、及び／またはそれらのセンサからクラス分類される、及び／またはそれらのセンサから受信する信号（シグネチャなど）をクラス分類するために、同調した共振感知材料を自動車部品に組み込むことに関する。操作２７０では、選択されたピング周波数のピング信号を伝送する。ピング信号発生機構及びピング音伝送機構は、任意の既知の技法で実施されることができる。例えば、送信器モジュールは、３ＧＨｚの選択された周波数を発生し、１つのアンテナまたは複数のアンテナを使用してその信号を発信することができる。同調アンテナの設計及び位置（ホイールウェルまたは車両のうちのいずれか１つ以上の上に、及び／または内に取り付けられるような）は、ピング音の強度が近接センサ内の共振（ＲＦ）を誘起するのに十分であるような、いずれかの同調アンテナの幾何学的形状、材料及び／または位置に対応することができる。いくつかの同調アンテナは、対応するセンサに近接している構造部材上に、または構造部材内に配置される。このように、近位の表面センサは、ピング音によって刺激されると、共振してシグネチャと共に戻される。そのシグネチャを受信して（操作２７４）、データセットに格納し、このデータセットは受信したシグネチャ２７６を含むことができる。シグネチャの受信を後に伴うピング音の伝送シーケンスは、ループ内で繰り返されることができる。
ピング周波数は、ループを繰り返し通過する際に変更されることができる（操作２７２）。したがって、操作２７４がループ内で実施されると、操作２７４は、第一シグネチャ２７８１、第二シグネチャ２７８２、最大第Ｎシグネチャ２７８Ｎを含むシグネチャ２７８を格納することができる。反復回数は、決定２８０によって制御されることができる。決定２８０の「いいえ」分岐が得られるとき（例えば、送信するさらなる追加のピング音がないとき）、受信したシグネチャは、デジタル信号処理モジュール（例えば、図１Ｂに示されるシグネチャ分析モジュール１５４のインスタンス）に提供される（操作２８２）ことができる。デジタル信号処理モジュールは、１セットの較正点２８６に対してシグネチャをクラス分類する（操作２８４）。較正点は、特定のピング周波数に対応するように構成されることができる。例えば、較正点２８８は、いずれかの整数値「Ｎ」の較正点に対して、３ＧＨｚ近くの第一ピング音及び第一戻りシグネチャに対応することができる第一較正点２８８１、２ＧＨｚ近くの第二ピング音及び第二戻りシグネチャに対応することができる第二較正点２８８２などを含むことができる。
操作２９０では、クラス分類された信号を車両中央処理装置（例えば、図１Ｂの車両中央処理装置１１６）に送信する。クラス分類された信号を車両中央処理装置は、上流リポジトリに中継することができ、この上流リポジトリは、機械学習アルゴリズムをホストする、及び／または実行するように構成されるコンピュータ化されたデータベースをホストする。したがって、信号、クラス分類された信号、及び信号応答に関連する膨大な刺激量を、その後のデータ集約及び処理のために捕捉することができる。データベースは、「トレーニング」と称される、計算で準備されてもよく、繰り返し使用することによるタイヤの劣化など、車両の性能に関連する状態または診断に相関されることができる、所与の感知測定値セットが提供されてもよい。車両の操作中に、エアフォイルコンポーネントの特定の部分の測定された偏向（空気圧など）が、エアフォイルコンポーネントの異なる部分の測定された偏向（空気圧など）と異なる場合、潜在的な診断では、１つのタイヤの空気圧が不足しているため、車両の最低地上高が不均一になり、その結果、車両を越える、車両の上の、及び／または車両周囲の気流が、エアフォイルコンポーネント上の偏向によって検知されるように、比例した不均一性を示す可能性がある。他の潜在的な状態または診断も機械学習システムが決定することができる。状態及び／または診断及び／またはサポートデータを車両に返して、フィードバックループを完了することができる。車両における計装は、行われる（運転者またはエンジニアなどによって）ことができる可視化を提供する。
図３Ａは、バッテリ駆動のタイヤ状態センサ３Ａ００（従来技術）を示す。示されるように、従来技術の技法は、バッテリ駆動の電子機器（例えば、圧力センサ３０２、バッテリ３０４、及びアンテナ３０６）に依存することができ、それらのいずれか１つ以上を、膨張したタイヤの内側に配置し、膨張したタイヤの外側の受信器に信号を送信する。これにより、（１）バッテリ駆動の電子機器が過酷な環境（車両の外部）では存続できない可能性があること、及び（２）バッテリ駆動の電子機器が膨張したタイヤの寿命中にアクセスできないこと、を含むさまざまな課題に直面する可能性がある。
優れた技法は、パッシブ（一般にバッテリ駆動ではない）センサ、または感知材料をタイヤ材料自体（個々のタイヤプライ、またはタイヤカーカスの上、中間、または内部など）に埋め込むことを含むことができる。タイヤ内側の感知だけでなくタイヤ外側の環境感知を含む、タイヤ感知についてのメカニズムは、以下に示され、さらに詳細に説明される。
図３Ｂは、炭素含有同調共振材料の１つ以上のディスクリート層（ただし相互接続される、または接触する）としてタイヤ中に（または少なくとも部分的にタイヤ内に）埋め込まれるタイヤ状態センサ３Ｂ００の動作を示す。タイヤ状態センサ３Ｂ００は、どのような環境でも実装されることができる。バッテリ駆動の電子機器は、タイヤの内部に設置されておらず、むしろタイヤの１つ以上のさまざまなタイヤトレッド層及び／またはタイヤ本体プライは、炭素含有同調共振材料から構成される（及び／またはその他の方法でそれらから作製されたセンサを含む）ことができ、それらの材料のそれぞれは、その他のトレッド層及び／またはプライとは異なる確認可能な周波数で共振するように調製される。
図３Ｃは、同調共振感知材料を自動車部品（タイヤなど）に組み込むことに関連するさまざまな物性または態様（タイヤ状態パラメータ３Ｃ００）を示す。本明細書では、図面は、非ニューマチックタイヤ及びニューマチックタイヤを含む、タイヤ中で存続可能なセンサの展開に対処することに関して提示される。タイヤの構成は、ラジアルタイヤ、バイアスプライタイヤ、チューブレスタイヤ、ソリッドタイヤ、ランフラットタイヤなどに対応することができる。これらのタイヤは、あらゆる種類の車両及び／または機器及び／または車両関連付属品に使用されることができる。それらのような車両は、航空機、全地形対応車、自動車、建設機械、ダンプトラック、ブルドーザ、農機具、フォークリフト、ゴルフカート、収穫機、リフトトラック、モペット、オートバイ、オフロード車、レーシングカー、芝刈り機、トラクタ、トレーラ、トラック、車椅子などを含んでもよい。これらのタイヤは、提示されたものに加えて、またはその代わりに、自転車、三輪車、一輪車、芝刈り機、車椅子、カートなどの非電動車両、機器、及び付属品に使用されてもよい。
図３Ｃに示されるパラメータは一例であり、他の異なるものは、寿命を延ばすように設計されるトラックタイヤ（路面粘着を犠牲にする可能性がある）、または最大路面粘着を与えるように設計されるソフトレーシングタイヤ（寿命を犠牲にする可能性がある）を含む、多くの考えられる最終用途シナリオの特異な望ましい性能特性を標的とするように存在してもよいし、その他の方法で調製されてもよい。
さまざまな炭素構造体は、他の非炭素材料を含む異なる配合物に使用され、タイヤに組み込まれ、その後、タイヤのそれらのそれぞれの特性を決定する機械的分析を受ける。これらの特性の一部は、直接試験によって経験的に決定されることができるが、他の特性は、測定値及びデータの外挿に基づいて決定される。例えば、転動の均一性は、タイヤがローラなどの均一な表面上で転動するときの力における変化を感知することによって決定されることができるが、トレッドの寿命は短期間のアブレーション試験に基づいているため、その短期間の試験の結果を外挿して、予測されたトレッド寿命値が得られる。
より多くのタイヤ特性を測定することができるが、これらの測定技法のいくつかは、タイヤを物理的に破壊する可能性があるため、タイヤ寿命の所望の時点で測定されることができる。対照的に、タイヤに埋め込まれている存続可能なセンサを使用することによって、タイヤ寿命全体を通して、本来であれば破壊的なそれらのような測定を行うことができる。例えば、タイヤに埋め込まれているセンサに対してピング音が発せられる、ＲＦ信号に基づく応答信号の検知を、そのような感知に使用することができる。そのうえ、タイヤの各本体プライ及び／またはトレッド層は、説明されたように、特定の周波数で共振するように同調する耐久性のある（「存続可能な」とも称される）センサを含むことができる。
タイヤに使用されるプライは、炭素含有構造体を他の材料と組み合わせて、所望の性能特性（取り扱い及び寿命など）を示す特定の材料組成物を達成するように配合されることができる。特定の材料組成物の１つの固有共振周波数（または複数の固有共振周波数）をスペクトル分析にかけて、特定の材料組成物についてのスペクトルプロファイルを作成することができる。このスペクトルプロファイルは、その材料の較正基線として使用されることができる。タイヤの本体プライ及び／またはトレッド層が変形を受けると、スペクトルプロファイルは変化し、このスペクトルプロファイルの変化は追加の較正点として使用されることができる。多くのそれらのような較正点は、試験によって生成されることができ、次に、それらのような較正点は、変形を計測するために使用されることができる。
スペクトル応答の分析の結果、多くのタイヤパラメータの定量的測定値が得られる。シグネチャ分析から決定されることができるタイヤパラメータは、例えば、トレッド寿命３２２、第一温度での取り扱い３２８、第二温度での取り扱い３２６、第一温度での転動経済性３３０、第二温度での転動経済性３３２、転動均一性３３６、及び制動均一性３３８を含むことができる。
タイヤプライ内の材料中に埋め込まれているセンサから受信する戻りピング信号に基づいてスペクトルで表されるような応答は、観測されている変形を表すことができる。すなわち、ある特定のタイプのタイヤの変形は、ある特定のタイプの特異的な応答に対応するため、これらの応答または応答タイプの間のマッピングを劣化タイプに対して行うことができる。さらに、タイヤが原位置で変形するときのタイヤのスペクトル応答における時変の変動を使用して、多くの周囲条件を決定することができ、それらの周囲条件のいくつかは、図３Ｅに関連して議論されている。複数のプライを使用して構築されているタイヤでは、各本体のプライ及び／またはトレッド層は、特定の同調周波数、または特定の同調周波数の範囲を示すように配合されることができる。例えば、図３Ｄは、複数のプライからタイヤを構築する概略図を示し、各プライは、異なる１つの特定の同調周波数、または複数の特定の同調周波数の範囲を有する。
図３Ｄは、あらゆる環境に実装されることができる、タイヤアセンブリまたは構造体中に組み込む炭素含有同調共振材料を選択することによって、タイヤの複数の本体プライ及び／またはトレッド層の微調整または同調のための概略図３Ｄ００を示す。図３Ｄは、さまざまな炭素をタイヤ複合材料の配合物に混合させ、マルチプライタイヤに集積させる方法を示す。得られたマルチプライタイヤは、さまざまな共振感応性及び周波数シフト特性を示す。
複数の反応炉（例えば、反応炉３５２１、反応炉３５２２、反応炉３５２３、及び反応炉３５２４）は、特定の規定されたスペクトルプロファイルを生じるように同調するネットワークに、特定の炭素添加物／フィルタを各生成する（またはその他の方法で輸送する、もしくは提供する）。炭素添加物（例えば、第一同調炭素３５４、第二同調炭素３５６、第三同調炭素３５８、及び第四同調炭素３６０）を、他の組成物３５０（炭素系または非炭素系）と混合させることができる。任意の既知の技法を使用して、特定の炭素添加物をその他の組成物と混合させる、加熱する、前処理する、後処理する、またはその他の方法で組み合わせることができる。撹拌機（例えば、撹拌機３６２１、撹拌機３６２２、撹拌機３６２３、及び撹拌機３６２４）を提示し、タイヤのさまざまなコンポーネントに異なる同調炭素を導入することができる方法を示す。タイヤアセンブリについての他の技法は、他の構築技法、及び／またはタイヤを備える他のコンポーネントを含んでもよい。マルチプライタイヤにあらゆる既知の技法を使用することができる。さらに、特定の本体プライ及び／またはトレッド層（例えば、本体プライ及び／またはトレッド層３６８１、本体プライ及び／またはトレッド層３６８２、本体プライ及び／またはトレッド層３６８３、及び本体プライ及び／またはトレッド層３６８４を含む、本体プライ及び／またはトレッド層３６８の群など）のスペクトルプロファイルは、特定の本体プライ及び／またはトレッド層の配合物の特性に基づいて決定されることができる。例えば、刺激及び応答の特性に基づいて、第一本体プライ及び／またはトレッド層の配合物（例えば、本体プライ及び／またはトレッド層の配合物３６４１）は、第一スペクトルプロファイルを示すことができるが、第二本体プライ及び／またはトレッド層の配合物（例えば、本体プライ及び／またはトレッド層の配合物３６４２）は、第二スペクトルプロファイルを示すことができる。
結果として得られるさまざまな配合物（例えば、本体プライ及び／またはトレッド層の配合物３６４１、本体プライ及び／またはトレッド層の配合物３６４２、本体プライ及び／またはトレッド層の配合物３６４３、及び本体プライ及び／またはトレッド層の配合物３６４４）は、これらの本体プライ及び／またはトレッド層のそれぞれが対応するスペクトルプロファイルを示しながら、タイヤアセンブリ３６６に形成される異なる本体プライ及び／またはトレッド層に使用される。
図３Ｅは、炭素含有同調共振材料の層から形成されるタイヤ（任意の環境に曝露される）から発せられる第一セットの例示的な状態シグネチャ３Ｅ００を示す。動作に基づいて計測されることができる、いくつかの動的力学分析タイヤパラメータが示される。所与の１つのタイヤまたは複数のタイヤは、車両の１つ以上のホイール上に設置され、車両によってあらゆる環境の中で駆動されることができる。タイヤがＲＦ信号刺激を受け、同時に使用により変形（例えば、タイヤの１つ以上の本体プライ及び／またはトレッド層の変形）も受ける場合、タイヤ内にセンサ層を形成する炭素含有同調共振材料は、刺激に応答して、タイヤの同時に起こる変形を表すことができるシグネチャを発することができる。
この図は、タイヤがさまざまな条件下で動作する場合の、タイヤの１つ以上の本体プライ及び／またはトレッド層の変形のいくつかの例を示すにすぎない。さまざまな条件下でタイヤが動作すると、それらのような条件が存在している間に刺激に応答して、タイヤのさまざまな本体プライ及び／またはトレッド層が異なる信号セット（例えば、条件特異的信号３４５）を発信する。示されるように、タイヤは、温暖周囲条件中で動作することができ、その動作中に、刺激に応答してタイヤのさまざまな本体プライ及び／またはトレッド層が発信する、信号は温暖周囲信号３４０とみなされる。また示されるように、タイヤは、寒冷周囲条件中で動作することができ、その動作中に、刺激に応答してタイヤのさまざまな本体プライ及び／またはトレッド層が発信する、信号は寒冷周囲信号３４２とみなされる。さらに、タイヤは、タイヤ空気圧が低い条件下で動作することができ、その動作中に、刺激に応答してタイヤのさまざまな本体プライ及び／またはトレッド層が発信する、信号は低タイヤ空気圧信号３４４とみなされる。
信号処理（例えば、図１Ｂの前述のシグネチャ分析モジュール１５４のインスタンスによって実行されることができるような）は、さまざまな環境条件に対応する較正点セットに対して条件特異的信号３４５をクラス分類する。較正点は特定のピング周波数に対応してもよい、及び／または較正点は特定のピング周波数セットに対応してもよい。異なる原位置条件を検知するために、ピング音発信の時間特性は異なってもよい。例えば、車両がボッツドッツ（通常はプラスチック、セラミック、熱可塑性塗料、ガラス、またはまれに金属で作られた丸い無反射の隆起した舗道マーカーを指す）上で動作すると、車両の１つ以上のタイヤは、周期的に変形することができる。この周期は、車両の速度、及び最初のボッツドッツ３４６と次のボッツドッツとの間の距離に依存している。示されるように、変形は、さまざまな条件（例えば、温暖周囲条件、寒冷周囲条件、タイヤ空気圧が低い条件など）に基づいて異なることができる。さらに、異なる変形は、道路シーム３４７または小さな道路不具合３４８などの特定の道路の状態によって引き起こされることができる。前述の条件特異的信号のいずれか、及び／またはいずれかの道路状態は、ピング音または他の刺激に応答して返される信号に基づいて検知されることができる。図３Ｅの前述の議論は、第一セットの例示的な状態シグネチャの処理を含む。追加の状態シグネチャセットは、次のようにさらに詳細に議論される。
図３Ｆ１は、炭素含有同調共振材料の層で形成されるタイヤから発せられる第二セットの例示的な状態シグネチャ３Ｆ１００を示す。例示的な状態シグネチャ３Ｆ１００またはその任意の態様は、任意の環境で発せられることができる。図３Ｆ１は、新しいタイヤの複数の本体プライ及び／またはトレッド層（例えば、本体プライ及び／またはトレッド層＃１、本体プライ及び／またはトレッド層＃２、及び本体プライ及び／またはトレッド層＃３）を示す。提示された実施態様のいずれか１つ以上を参照して、この例及び他の箇所に使用される場合、「プライ」という用語は、タイヤ本体内のプライもしくは層、または代替に、硬い舗道、もしくはオフロードタイヤ用の地面と接触することが意図されるタイヤ本体から半径方向に外に向けて離れて突出するタイヤトレッド層を指すことができる。例では、第一本体プライ及び／またはトレッド層は、第一本体プライ及び／またはトレッド層が１．０ＧＨｚのピング音刺激（例えば、第一ピング音３７４）を用いて刺激されると、１．０ＧＨｚで共振するような同調炭素と配合される（特異的な配合によって作製されることを指す）。同様に、第二本体プライ及び／またはトレッド層は、第二本体プライ及び／またはトレッド層が２．０ＧＨｚのピング音刺激（例えば、第二ピング音３７６）を用いて刺激されると、２．０ＧＨｚで共振するような同調炭素と配合される。さらに、第三本体プライ及び／またはトレッド層は、第三本体プライ及び／またはトレッド層が３．０ＧＨｚのピング音刺激（例えば、第三ピング音３７８）を用いて刺激されると、３．０ＧＨｚで共振するような同調炭素と配合される。第一応答３８２、第二応答３８４、及び第三応答３８６によって示されるように、３つの本体プライ及び／またはトレッド層のすべては、それらのそれぞれの同調周波数で応答できる。
トランシーバアンテナは、対応するタイヤのホイールウェル内に、及び／またはその上に位置決めされることができる。そのように発生したあらゆる応答信号も処理するシステムは、例えば、車両の残りの非標的タイヤなど、その他の表面から生じる他の潜在的な応答と区別するように構成されることができる。例えば、車両の右フロントホイール上に取り付けられる右フロントタイヤが車両の左フロントホイールウェル内に位置しているトランシーバアンテナから発せられるピング音に応答する場合でも、右フロントタイヤからの応答信号は、車両の左フロントタイヤからの応答信号と比較して、有意に減衰する（そしてそのように認識される）。
トランシーバアンテナが対応するタイヤのホイールウェル内に位置している場合、対応するタイヤからの応答は、ピング音刺激に対して減衰する。例えば、対応するタイヤからの応答は、ピング音刺激に対して９デシベル（－９ｄＢ）以上減衰することができる、またはピング音刺激に対して１８デシベル（－１８ｄＢ）以上減衰することができる、またはピング音刺激に対して３６デシベル（－３６ｄＢ）以上減衰することができる、またはピング音刺激に対して７２デシベル（－７２ｄＢ）以上減衰することができる。場合によっては、ピング信号発生器は、対応するタイヤのピング音応答が７５ｄＢ（－７５ｄＢ）以下で減衰するように、ホイールウェル内に位置しているトランシーバアンテナと組み合わされるように設計される。
図３Ｆ２は、いくつかの炭素含有同調共振材料の摩耗後にタイヤから発せられる第三セットの例示的な状態シグネチャ３Ｆ２００を示す。オプションとして、例示的な状態シグネチャ３Ｆ２００またはそれらの任意の態様の１つ以上の変形形態は、本明細書で説明される実施態様のアーキテクチャ及び機能に照らして実装されることができる。例示的な状態シグネチャ３Ｆ２００またはそれらの任意の態様は、任意の環境で発信されることができる。
この例では、タイヤは摩耗している。より具体的には、最も外側の本体プライ及び／またはトレッド層は完全に摩耗している。そのため、１．０ＧＨｚでのピング音刺激の結果、最も外側のプライからの応答が得られなかった。これは、第一応答減衰３８７としてチャートに示されている。タイヤのトレッドが摩耗し続けると、次の本体プライ及び／またはトレッド層からのピング音応答、その次に続く本体プライ及び／またはトレッド層からのピング音応答などが減衰し、その減衰を使用してタイヤの総トレッド摩耗を測定することができる。代替として、同じ同調炭素をすべてのプライに使用することができる。タイヤのトレッド摩耗だけでなく他の兆候も、タイヤから返された信号シグネチャに基づいて決定することができる。
図３Ｆ３は、いくつかの実施態様による、タイヤトレッド層の損失の高さ（ミリメートル、ｍｍ）に対する測定された共振シグネチャ信号強度（デシベル、ｄＢ）のグラフを示す。本明細書に示されるように、炭素含有微細構造体及び／または微細構造材料をセンサ内に組み込んで、または構成によっては、所与の濃度レベル、もしくは複数の異なる濃度レベル（１つ以上のタイヤトレッド層のそれぞれの中での）で１つ以上のタイヤトレッドの層全体内に組み込んで、示される固有の劣化プロファイルを得ることができる。すなわち、測定された共振シグネチャ（問題の特定のタイヤトレッド層を識別する「シグネチャ」を指す）は、本明細書で説明されるように、１つ以上のＲＦ信号によって「ピング音」が発信されると、示されるように、その発信された信号の減衰を示すことができる。
新しいタイヤトレッド層は、約０の信号強度（デシベル、ｄＢで測定）を示すように構成されることができる。その強度は、そのタイヤトレッド層の劣化の程度に比例して変化することができる。例えば、タイヤトレッド層（舗道と接触しているタイヤトレッド層と仮定する）の２ｍｍの高さの損失は、示される測定共振シグネチャ信号強度プロファイルに対応することができる。６．７ＧＨｚでの「ピング」信号は、約９ｄＢなどの強度レベルで測定されることができる。
したがって、炭素含有微細構造体の固有の濃度レベル、化学作用、分散、分布及び／または同様のものをタイヤトレッド層に埋め込んで（または場合によっては、それらの１つ以上の表面上に配置して）、示されるように、固有かつ容易に識別可能な測定された共振シグネチャ信号強度を得ることができる。したがって、そのようなシステムのユーザは、時間と手間の両方がかかることがあるプロセスで車両が静止状態にある間にタイヤを観測するように制限されるのではなく、運転中に発生するタイヤトレッドの摩耗の正確な範囲及び位置を即時に通知されることができる。
図３Ｇ１及び３Ｇ２は、全体が参照により本明細書に援用されている、２０１９年１０月１日に発行された「Ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ」と題された米国特許第１０，４２８，１９７号に、Ａｎｚｅｌｍｏ，ｅｔ ａｌ．によって記載されたものなどの例示的な従来の炭素材料生産チェーンの概略図を示す。図３Ｇ１は、本明細書に記載の炭素系微細構造体を生産するために使用される炭素材料生産チェーン３Ｇ２００の一例である、図３Ｇ２と比較して、例示的な従来の炭素材料生産チェーン３Ｇ１００の概略図を示す。従来の炭素材料生産チェーン３Ｇ１００では、図３Ｇ１に示されるように、カーボンブラック３Ｇ１０２、シリカ３Ｇ１０４、及び他の化学物質３Ｇ１０６などの原材料を輸送し、製造施設３Ｇ１１０に入れることができ、そこでそれらの原材料をエラストマー化合物中に配合してから、タイヤ３Ｇ１２０（ゴム系タイヤ及びニューマチックタイヤ）などの最終製品に加工処理する。
従来のタイヤ供給は、原材料（ゴムベール、炭素フィラー、織物、鋼及び他の添加剤など）の調製、タイヤコンポーネントの構築（トレッド及びサイドウォールについてのエラストマー化合物を押し出すことを含む）、及びタイヤ３Ｇ１２０の構築（タイヤの硬化、完成したタイヤの点検を有する）を含むことができる。炭素微細構造体の生産、エラストマー化合物の混合、及び任意選択で最終製品（自動車タイヤなど）の構築だけでなく、材料のナノ混合（任意選択で）も、現場で行うことができる。
図３Ｇ１での従来の炭素材料生産チェーン３Ｇ１００によって提示されるような従来の炭素含有タイヤ生産とは対照的に、炭化水素３Ｇ２０２及びシリカ３Ｇ２０４を、現場の製造施設３Ｇ２０８の反応炉３Ｇ２０６内で混合し（合わせて統合することなどによって）、次にエラストマー原材料（ゴムなど）と統合して、タイヤ３Ｇ２０８などの最終製品に加工処理する前に、エラストマー化合物を生産する。図３Ｇ１と図３Ｇ２との間の差別化は、取り扱いが難しいカーボンブラック材料を輸送する必要をなくし、炭素生産プロセス中に材料を合わせて統合することでエネルギー消費を削減することを含む、潜在的な利点を示す。
あるいは、図３Ｇ１に示される従来のサプライチェーンは、本発明のグラフェン系炭素材料と組み合わせて使用されることができる。炭素材料を１つの現場で生産することができ、次いで、炭素材料及び他の構成材料を製造施設に輸送することができ、そこでそれらをエラストマー化合物に配合し、タイヤなどの最終製品に加工処理する。
本発明のグラフェン系炭素材料を使用する別の利点は、カーボンブラックと比較して純度が向上することである。カーボンブラック中の不純物（残留油など）によって、炭素を発がん性とラベル付けすることが要求される。与えられたグラフェン含有炭素系微細構造体は、カーボンブラックよりも揮発性有機化合物（ＶＯＣ）が少ないため、生産されたエラストマー材料の表面上に残留油を生じない。あるいは、炭素系微細構造体は、カーボンブラックと比較して残留炭化水素（多環芳香族炭化水素など）の濃度が低いため、生産されたエラストマー材料の表面上に残留油が少なくなる。また、本明細書に記載の炭素材料（炭素系微細構造体を含む）は、従来の方法で処理されたカーボンブラックまたはグラフェンと比較して、低濃度の混入物（灰、金属、及び他の元素混入物など）を含む。また、副生成物として排出されるＣＯ２、ＮＯｘ、及びＳＯｘを最少にすることができる。これらすべての利点により、本発明の炭素材料は、エラストマーに使用される従来のカーボンブラックよりも取り扱いが安全で、環境にやさしいものになる。
カーボンブラックと比較して、本発明の炭素系微細構造体の不純物の濃度が低いことも、炭素材料の処理（炭素後処理、及びエラストマー化合など）にとって利点である。例えば、従来のカーボンブラック処理機器は、有毒なカーボンブラック粒子を処理するために特殊なシステムを必要とすることがある。対照的に、本発明の無毒な、または毒性の低い材料を処理するために特殊なシステムを必要としない。
特定の炭素材料がエラストマーを強化するという能力に影響することができる特性には、（１）表面積、（２）構造、及び（３）界面活性という３つの特性がある。また、コークス、灰分、及び水分などの不純物は、エラストマー中の炭素材料のフィラーの有効性に重要な場合がある。表面積は、エラストマーと相互作用するために利用できるものを含む、炭素材料の表面の総面積を指す。粒子のサイズ及び形状は表面積に影響することがある。融合される炭素系微細構造体（平均直径１００ｎｍ未満など）が小さいほど、通常、大きい集合体（平均直径１～１０ミクロンなど）を形成する。構造は、集合体の形状を表す。構造は、融合される粒子の数、及び集合体内の粒子の配置によって影響されることができる。例えば、粒子の数が多い集合体は、作製される空隙容量が大きい複雑な形状を有することができる。構造は、炭素及びポリマーの混合の程度に影響することができる（例えば、空隙をポリマーで充填することができる）ため、エラストマー／炭素化合物の特性に影響することができる。
また、界面活性は、炭素充填材とポリマーとの間の表面相互作用の強さを指し、エラストマー内の炭素材料の分散特性に影響することができる。引張強さ、引裂強さ、及びアブレーション耐性などの化合物力学特性には、炭素充填材の表面積が影響することができる。粘性、収縮、弾性率などの他の化合物力学特性には、炭素充填材の構造が影響することができる。また、表面積は、ヒステリシスなどのいくつかの化合物力学特性に影響することができる。また、構造は、強化エラストマー化合物における耐屈曲疲労性及びアブレーション耐性に影響することができる。界面活性は、弾性率、ヒステリシス、及びアブレーション耐性などの化合物力学特性にも影響することができる。
車両における廃棄エネルギーハーベスティング及び電力供給に関連する特性及び手順は、それらのいずれか１つ以上が本開示のシステムにおける炭素含有材料性能に影響し得るのであるが、タイヤプライ内に埋め込まれた共振器に電力を供給することを含み得る。例えば、車両の廃棄エネルギーハーベスティング及び電力供給に関連する機能は、応用空間を含むことができ、これらの応用空間は、少なくとも以下の、車両の動きからエネルギーを回収するために車両に使用される複合材料、車両の動きからエネルギーを回収する車両タイヤ、蒸気管または排気管などの熱源内でそれらの周辺に位置決めされるエネルギー捕捉装置、及び機器の動きからエネルギーを回収する産業用途を含む。
熱電力発電機能は、いくつかの実施態様では、車両のホイールウェル内で発生するエネルギー移動のためにタイヤに少なくとも部分的に統合されることもできる。そのようなエネルギー移動には、高温領域と低温領域（タイヤの）の間の電荷担体の流量によって電圧差が生じるため、熱電発電機（ＴＥＧ）は暗所でも機能することができ、そのうえＴＥＧは可動部品を含まないことで、連続動作ができ、ＴＥＧは層としてタイヤトレッド内に配置されることができると、導電率に同調してＮ／Ｐドープされる炭素は廃熱＞１０ｍｗ／ｃｍ２から有意な電力を生じることができ、わずかな温度変化（Δ１０℃など）でも約３．５Ｗ＋を生じ、使用可能な回収電力を供給することができることが含まれることができる。
図４Ａは、高温領域と低温領域との間の電荷担体の流量（車両コンポーネントの材料内に組み込まれる半導体材料内の）を表す概略図を示し、この流量が電圧差を生じることにより、熱電発電機（ＴＥＧ）が微小光または無光状態で動作することができる。半導体４Ａ００を車両タイヤの本体のプライ内に組み込み、位置４Ａ０２及び４Ａ０４を含む高温領域からｎ型及び／またはｐ型半導体材料４Ａ０６を介して熱の移動を捕捉し、回路４Ａ１０を介して電流を供給して、例えば、本開示の共振器のいずれかに電力を供給することができる。
図４Ｂは、炭素系材料を示し、これらの炭素系材料は、導電率に同調するタイヤの本体内のプライまたはトレッドに取り込まれる、及び／または廃熱から電力を生成するためにドープされる。電圧４Ｂ０２用にセグメント化されている層状のｐ型－ｎ型（ＰＮ）接合半導体材料は、タイヤの本体のウォール、またはそこから延出するトレッド内に組み込まれるため、電流を供給することができ、そのように記述される通りに共振器に電力を供給することができる。この共振器は、発振器、共振回路、及び整流器などのコンポーネントを含むことができ、これらコンポーネントのすべては、実質的に従来の形式で動作する。
図４Ｃは、タイヤに統合される熱電発電機能に関連する熱流束の大きさ（摂氏のデルタ）に対する出力電力を比較するチャート５Ｄ００を示す。ＴＥＧデバイスには、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）が含まれ、このテルル化ビスマスには、５４℃で約－２８７μＶ／Ｋのようなゼーベック係数（その材料全体の温度差に応じて誘起される熱電電圧の大きさの尺度を指す）が含まれる、及び／またはＺＴ＝Ｓ２Ｔ／ρκ～１という関係が示されると仮定する。炭素系微細構造体を同調させて、ＴＥＧデバイス内に組み込むことができることで、ゼーベック性能（テルル化ビスマス含有ＴＥＧデバイスを参照する）及び曲げ能力も達成する可能性がある。一般に、そのようなＴＥＧデバイスが発生する出力電力（タイヤあたりのワット、Ｗ）は、温度勾配が大きくなると増加することができる。
炭素系微細構造体は、複合材料コンポーネントの積層体内の層として配置されることによって熱電（ＴＥＧ）デバイス内に組み込まれることができ、導電率に適切に同調してｎ型及び／またはｐ型（それぞれＮ、Ｐ）半導体材料にドープされる炭素は、廃熱＞１０ｍｗ／ｃｍ２から有意な電力を生じることができるため、約２００°Ｆの温度勾配は、約３５Ｗ以上を生じることができる。本開示の炭素系微細構造体を組み込む、それらのようなＴＥＧデバイスは、例えば、従来の内燃機関の車両エンジンカバー内に含まれるため、エンジン動作中に放出された放射熱エネルギーを効率的に捕捉して、貯蔵し、及び／または後に利用可能な電流を供給することによって再利用し、共振器に電力を供給することができる。
図５Ａは、電力回収のためにエンジンコンポーネントに組み込まれる層状のｐ型－ｎ型（ＰＮ）接合半導体材料のさまざまな例の模式図５Ａ００を示す。層状ＰＮ半導体は、正確な電圧制御のためにセグメント化され、エンジンカバー、遮熱材、または排気コンポーネント内に組み込まれることができる。また、電力回収のために、発泡材を使用して振動及び／または熱エネルギーを吸収してもよい。全体として、これらのデバイスを、前述のシステム及びデバイスのいずれか１つ以上と組み合わせて使用すると、エネルギーハーベスティング及び再利用機能を補完し、必要に応じて共振器に電力を供給して車両コンポーネントの摩耗を効率的に特定することができる。
タイヤ診断関連装置は、いくつかの実施態様では、圧電エネルギー発生器及び／または同様のものによって電力が供給され得る。圧電気は、加えられた機械的応力に応答して、ある特定の固体材料（結晶など）に蓄積する電荷である。圧電効果は、反転対称性のない結晶性材料中の機械的状態と電気的状態との間の線形電気機械的相互作用に起因する。圧電効果は、圧電効果（加えられた機械的力に起因する電荷の内部発生）を示す材料が、印加された電界に起因する機械的ひずみの内部発生という逆圧電効果も示すことができる、可逆的なプロセスである。ここで、タイヤの変形またはひずみの監視はタイヤと（タイヤが接触する）路面との間の摩擦の度合いを間接的に提供し得るが、これは、自動車タイヤ制御システムの最適化のために利用され得る。タイヤ摩耗情報は、共振センサプラットフォームに基づいて関心対象のタイヤを収容しているホイールウェルの中に位置決めされる受信器へ無線送信されることができる。タイヤ情報は、テレメトリによって車両ナビゲーションシステム内へ転送されることができる。
いくつかの実施態様では、カーボンナノオニオン（ＣＮＯ）を含む、本開示のシステム及び材料によって使用される炭素系微細構造体のいずれか１つ以上を使用して、タイヤなどの車両コンポーネントの表面上にある、または車両コンポーネント内に埋め込まれる、センサ内に圧電層を形成することができる。また、グラフェンを使用してエネルギーハーベスティングパッチを作製することができ、タイヤ内に統合することができる。ＣＮＯ及び／またはグラフェンは、電力（電流形態などで）を収集し、保持し、共振器に供給するように調製されることができ、この共振器は、精度を要求する、タイヤの摩耗などの車両コンポーネントの劣化の位置を特定する際に使用されることができる。
図５Ｂのグラフ５Ｂ００に示されるマイクロカーボンナノチューブ（ｍ－ＣＮＴ）などの同調炭素材料は、それらの固有静電容量が大きいため、タイヤトレッド摩耗の感知（共振器に電力を供給することなどによる）をより正確に支援することができる。金属と比較して、ＣＮＯは、圧電エネルギー発生を実現するために強化された炭素の形態を提供することができる。
前に提示されているシステム、方法、及び材料のいずれか１つ以上と組み合わせて使用する場合、ＣＮＯを使用して、電力を供給する圧電発電機を作製することができる。これらの圧電発電機は、例えば、タイヤの側面上の（インナーライナー内などの）ワイヤレスひずみセンサの位置に電力を供給し、このセンサは、タイヤの損傷を監視し、検知することができる。潜在的なタイヤの変形またはひずみを、路面に由来する摩擦の程度から決定する、または計算することができ、そのような情報を使用して、関連する自動車のタイヤ制御系を最適化することができる。例えば、タイヤ関連情報を適切に装備された受信器に無線で送信することができる（前に議論されているような信号の周波数シフト及び／または減衰挙動に基づいて計算した後に）。これらの受信器は、タイヤ内に位置決めされてもよい、及び／または共振器と連動して総合的なタイヤ情報ソリューションを提供してもよい。開示された実施態様は、従来のテレメトリ方法及びデバイスと連動して、車両コンポーネントの摩耗関連情報を、例えば、車両ナビゲーションシステムなどに通信することができる。
図５Ｂは、正規化された静電容量（Ｃ／Ｃ０）をゴムの厚さ（ｍｍ）に対して比較する、車両タイヤのゴム内に組み込まれる従来の材料のグラフ５Ｂ００を示す。示されるように、本開示のｍ－ＣＮＴは、銀、金、またはｍ－ＣＮＴ（圧電、熱電、または他の高度なエネルギーハーベスティング及び補給機能に組み込まれてもよい）が入る材料のゴムの厚さと比較して、正規化された静電容量に関して、銀及び金などの従来の材料を一貫して上回る。本開示の炭素系ナノ材料は、ｍ－ＣＮＴについて示される性能の数値と同等である、またはそれらを上回る。
図６Ａは、インピーダンスに基づいた分光法によるタイヤ摩耗感知のための完全なタイヤ診断システム及び装置を図示する概略図６Ａ００を示す。空気または窒素ガス（Ｎ２）で充填されたゴム製ニューマチックタイヤなどのタイヤ６Ａ００は、本体６Ａ２０、インナーライナー６Ａ１２、ビードフィラー領域６Ａ２２、ビード６Ａ１６、１つ以上のベルトプライ６Ａ０４、６Ａ０６、６Ａ０８、及び６Ａ１０、トレッド６Ａ０２、ならびにインピーダンスに基づいた分光法の摩耗感知プリンテッドエレクトロニクス６Ａ１８（代替に、ベルトプライ６Ａ０４～６Ａ１０のうちのいずれか１つ以上の内に埋め込まれる共振器による信号の周波数シフト及び減衰の監視のために炭素系微細構造体を含むセンサ）を有する従来のタイヤコンポーネントを含むことができる。
本明細書に示されるように、ワイヤレスひずみセンサをインナーライナーの表面上に、または側面上に配置して（または内部に埋め込んで）、自動車の安全性（損傷したタイヤの検知など）のためにタイヤ状態を監視することができる。タイヤの変形またはひずみの監視により、タイヤと接触する路面との間の摩擦の程度を表す情報が提供されることができ（間接的に）、この情報は、自動車のタイヤ制御系の最適化に使用されることができる。タイヤ情報は、共振センサプラットフォームに基づいてタイヤハブ内に位置決めされる受信器に無線で送信されることができる。
図６Ｂは、テレメトリを介してナビゲーションシステム、及びプリント炭素系材料を製造するための機器に転送されるタイヤ摩耗関連情報を提供するシステム６Ｂ００を示す。システム６Ｂ００は、炭素系微細構造体を含むセンサなど、本開示のシステム、方法、及び材料のうちのいずれか１つ以上で機能することができるため、同じものの冗長な説明は省略される。電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）とも称されるインピーダンス分光法は、タイヤ６Ｂ０２の１つ以上のタイヤベルトプライ内に組み込まれる炭素系微細構造体を含むセンサなどのサンプルを測定するときに、正弦波の電気化学的摂動（電位または電流）を広範囲の周波数にわたって印加することを含むインピーダンス計測変換方法を指す。プリント炭素系共振器６Ｂ０４は、タイヤベルトプライなどの１つ以上のタイヤコンポーネント内に組み込まれることができる。プリント炭素系共振器６Ｂ０４のそれぞれは、周波数シフト及び／または減衰（約１．０ＧＨｚの固有共振周波数を有するタイヤ本体プライ及び／またはトレッド層の摩耗を示す第一応答減衰など）の監視によって車両コンポーネントの摩耗を効率的かつ正確に検知するのに適している特異的な望ましい共振特性を達成するように、示される概して卵円形の構成、または合わされるいくつかの他の形状もしくは構成を有することができる。
プリント炭素系共振器６Ｂ０４を形成することができるローラアセンブリ６Ｂ１０は、炭素系微細構造体及び／または微細構造材料（グラフェンなど）の６Ｂ１２（バットなど）、アニロックスローラ６Ｂ１４（ハードシリンダを指し、通常、電池として知られている、工業用セラミック（その表面に数百万個の非常に微細なディンプルを含む）によってコーティングされている鋼またはアルミニウムコアから構築される）、版胴６Ｂ１６、及び圧銅６Ｂ１８を含む。動作中、貯蔵所６Ｂ１２から抽出されるグラフェンは、ローラアセンブリ６Ｂ１０のローラによって、卵円形状（またはいずれかの他の形状）のプリント炭素共振器６Ｂ０４に圧延される、プレスされる、延伸される、またはその他の方法で製造されることができる。システム６Ｂ００の適切な機能にプリント炭素共振器６Ｂ０４の位置合わせ（アライメントを指す）がない。
そのように、前述の特徴のいずれかの組み合わせを使用して、共振器を含むタイヤを製造することができる。この共振器は、実際の、または「等価の」タンク、ＬＣ及び／または共振回路を指し、そこでは、トランシーバから、及び／または高度なエネルギー源によって供給されるエネルギーから、ＲＦ信号が発信されることに応答して、炭素含有微細構造体自体が共振することができるため、タイヤのトレッド、１つのプライまたは複数のプライ、インナーライナーなどのようないずれか１つ以上のコンポーネント内に、またはそれらの上に配置される、他のセンサは、周波数シフトまたは信号減衰の特性または挙動を示すことができる。記載の共振器は、必ずしも実際の電気及び／または集積回路（ＩＣ）として具現化される必要がない。記載の共振器は、同調炭素含有微細構造体として簡単に実現されることができるため、タイヤのトレッド層などの分解可能な材料内に従来のディスクリート回路を実装するときに発生する可能性のある一般的な劣化の懸念を回避することができる。それらのような共振器は、外部から供給される「ピング音」（車両のホイールウェル内に配置されるトランシーバによって供給されるものなど）に応答して共振することができる、または共振器は、いずれかの変形形態の、もしくはいずれかの数の電力もしくは電荷発生器（例えば、熱電発電機、圧電エネルギー発生器、摩擦帯電エネルギー発生器など）によって促進される、共同設置された（同じタイヤトレッド層内を指すが、そのタイヤトレッド層内の異なる位置でも可能である）、電源内蔵の、自己ピング音発信機能によって充電されることに応答することができる。
タイヤが転動しているときに、またはその他の方法で変形しているときにはいつでも、記載の共振器（及び他の共振器及び／または共振回路）のいずれかは、振動するＲＦ信号（または全体的な構成に応じて他の形式の電磁放射）を発信する、及び／またはさらに発信するように構成されることができる。車両のタイヤが使用（オンロードまたはオフロード走行など）に起因する摩耗を受ける場合、舗道または地面（地上）と接触するタイヤトレッド層は、変形（回転または転動中に露出した車両タイヤトレッド層のセクションの少なくとも部分的な平坦化を指す、「つぶれている」ことから、及び／または旋回などの間に受けるような横方向の運動から観測されるような）を瞬間的に、または経時的に受けることがあるため、結果として生じる信号の周波数シフト及び／または減衰挙動は、関連する信号が１つ以上の既知の振幅範囲にわたって振動することができる場合、そのような「つぶれている」ことに応じて変化することができる。さらに、または代替に、タイヤが変形すると、観測された信号は、特定の共振器に対応する既知の周波数範囲内で振動することができることによって、車両が静止している間に運転者、乗客、及び／または他の車両乗員が車両に存在する必要があるというよりもむしろ、劣化が起こっている間に起こっている劣化のタイプの正確で的確な特定ができ、タイヤトレッド状態を観測することができる。そのような周波数シフトの振動は、既知の周波数範囲内の２つ以上の周波数間で周波数が前後にシフトするときに観測できる。
インナーライナーの側面上に配置されたワイヤレス対応ひずみ、例えば、外部の拘束または負荷によって引き起こされる、材料の本体内の粒子間の相対変位を表す変形の幾何学的尺度のセンサは、自動車の安全性のためにタイヤの状態を監視することができる（損傷したタイヤの検知などによって）。さらに、タイヤの変形またはひずみの監視により、タイヤと路面との間の摩擦の程度に関連する情報が間接的に提供されることができ、この情報は、自動車のタイヤ制御系の最適化に使用されることができる。そのようなタイヤ情報は、共振センサ（インピーダンス分光法、ＩＳ、センサなど）プラットフォームに基づいてホイールハブ内に位置決めされる受信器（及び／またはトランシーバ）に無線によって送信されることができる。
図６Ｃ～６Ｄは、概略図６Ｃ００及び概略図６Ｄ００を含む概略図を示し、両方とも、プライプリント符号化を通じて車両タイヤの摩耗を決定するために共振シリアル番号に基づいたデジタル符号化システム６Ｃ０４に関連する。共振シリアル番号に基づいたデジタル符号化システム６Ｃ０４は、本開示のシステム、方法、及びセンサのいずれかに組み込まれてもよい、及び／またはそれらと共に機能してもよい。共振シリアル番号に基づいたデジタル符号化システム６Ｃ０４は、プライプリント符号化を通じてタイヤのデジタル符号化を提示することで、タイヤにおける日常的な摩損の影響を受けやすい従来の電子機器を必要としない、ゆりかごから墓場まで（全寿命を指す）のタイヤの追跡（及び関連する性能測定基準）及び使用プロファイルを提示する。
インピーダンス分光法（ＩＳ）及び／または電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）によるタイヤ摩耗感知に加えて、追加の共振器を、テレメトリに基づいたタイヤ性能の追跡のために、プリントパターン上にデジタル符号化して、認識可能なシリアル番号を提供することができる。したがって、そのように装備された車両は、従来の無線周波数識別システム（ＲＦＩＤ）または他のいかなる種類の電子機器も必要とせずに、トレッドの摩耗、走行距離の合計、年数などを追跡することができる。本体プライ及び／またはトレッド層上に逐次的にプリントすることによって、議論されたプリント炭素系共振器を組み込むタイヤに固有のシリアル番号を付けることができる。
図６Ｇは、タイヤにおける共振シリアル番号符号化についての概略図６Ｄ１０を示す。特別に調製されたプリント炭素共振器アレイ内で符号化される、シリアル番号「６Ｅ」を示し、このアレイは、「ピング音」刺激応答図６Ｄ１２に従って共振することによって、そのように装備された車両タイヤのその特定の本体プライ及び／またはトレッド層の簡便で信頼性の高い識別ができるように構成される。
図７は、先に概説され、さまざまな提示されたシステム、方法、及び材料に関連して本明細書に議論される例示的なタイヤのうちのいずれか１つ以上に組み込まれることができるような、圧電機能によって電力または電流を発生するように構成されるタイヤベルトプライ７０２のさまざまな層を図示する概略図７００を示す。一般に、それらのようなベルトプライは、自動車、スポーツユーティリティビークル、ライトトラック、またはトラックなどの車両の従来のゴム製ニューマチックタイヤの一部であってもよく、ビード、本体、補強ベルト、キャッププライ（任意選択である）、サイドウォール、及び同様に任意選択であるがスリックタイヤなどのある特定のレース用タイヤにはないトレッドのうちのいずれか１つ以上を含んでもよい。
いくつかの実施態様では、本開示の例のいずれか１つ以上に関して、熱電発電は、ゼーベック、ペルチェ、及びトムソン効果の原理に基づくことができる。これらの効果では、高温領域と低温領域との間の電荷担体の流量によって電圧差が生じる。
最適な熱電材料（本開示のＴＥＧ内に組み込むのに適している）は、高いゼーベック係数（Ｖ＝αΔＴ）、高い導電率、及び低い熱伝導率を有し、接合部で高い温度勾配を維持する必要がある。出力電圧の極性は、ＴＥＧの両端の温度差の極性に依存することができる。
ＴＥＧは、「レッグ」と称される、逆ドープされた熱電構造ポスト対のソリッドステートデイジーチェーン回路で構成されることができる。Ｎ型及びＰ型半導体レッグは、電気的に直列に配置され、２枚の薄い熱伝導性セラミックプレートの間に挟装されることができる。一般的に使用される半導体材料は、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）である。
所与のサイズについてのＶｍａｘ（最大電圧）＊Ｉｍａｘ（最大電流）の積が最も高い熱電モジュールが理想的な電力を供給する。一般的なモジュールは、１辺のサイズが約１０ｍｍから５０ｍｍの範囲にある正方形であることができ、厚さが２ｍｍから５ｍｍの範囲にあることができる。他の代替エネルギー発生装置にわたって区別できる注目すべき性能特徴は、ＴＥＧが暗所で動作することができることであり、これにより、可能性のある用途の範囲が大幅に拡大する。ＴＥＧは、可動部品のないソリッドステートデバイスでもあるため、連続動作が可能であり、補充が必要な材料も含まれていない。また、ある特定の構成において、ＴＥＧによっては、加熱機能及び冷却機能を逆にすることができる場合がある。
いくつかの例では、ひずみゲージセンサは、エラストマー材料内に組み込まれ、重量を感知して、例えば、トラクタ及びトレーラの空車重量を決定することができる。それらのようなセンサは、タイヤが重量または負荷の不均衡（貨物のずれなどによる）、及び力の増加を示す場合に警報をトリガするように設計されることができる。
ＴＥＧは、窒素ガスで充填されたレースタイヤに組み込まれる共振器と共に機能して、リークまたは今後のタイヤの破裂（パンク）状況が起こる可能性を示す他のガス量（酸素及び／またはアルゴンなど）の増加を観測することができる。タイヤ構造は、ＴＥＧ、圧電エネルギー発生器、摩擦帯電エネルギー発生器、及び他の高度なエネルギーハーベスティング手段のいずれかの組み合わせを組み込んで、車両の動作中にエネルギーを捕捉し、保持し、別の目的のために再利用して、共振器の振動に必要な電流を供給し、共振器が提示されたシステムのいずれかと共に機能することができる。また、車両コンポーネントの摩耗及び劣化の情報を、適切に装備されたシステム（車両自体の中に、または遠隔位置の他の箇所に取り付けられる）によって電子的に転送し、利害関係者、あるいは法執行機関にも通知するだけでなく、高品質で継続した全体的で信頼性の高い車両運用情報を提供することができる。この情報は、予測販売（車両の運転挙動に基づく）、販促支援、保険契約、通行時間などに使用され、考慮されることができる。
図８は、従来の車両に関連するパワートレーン損失（前方向推進力には使用できないものなど）を示す、車両シャーシ、エンジン、及びドライブトレーンの概略断面図８００を示す。それらのようなパワートレーン損失に反作用するように、本開示のシステム、方法、及び材料のいずれかを適用することで、本来であれば損失するであろうエネルギーを効率的に捕捉して、そのようなエネルギーを、信号応答の監視による車両コンポーネント材料の劣化の検知のために本開示の共振器のいずれかに電力を供給する別の目的のために再利用することができる。例えば、前部に搭載された内燃機関（図８の図解８００によって示されるものなど）によって駆動される従来の自動車では、入力８０２は、ガソリンなどの従来の有限なエネルギー源をエンジンに供給する。エンジンのアイドリングにより、その入力エネルギーの１７％が廃棄物８０４になり、別の２％が付随する動作８０６で失われ、６２％がエンジン摩擦、エンジンポンピング損失、及び廃熱（エンジン関連損失８０８と総称される）のために失われ、摩擦及び滑りによるドライブトレーン損失８１０で５．６％が失われ、実際に車両を道路で動かすために利用可能な残留エネルギー８１２は１２．６％しか残っていない。
図９は、圧電性及び／または熱電性の電流及び／または電力発電機を備えた車両の概略断面図を示す。車両９００（ミニコンパクトであることが示されているが、代替に任意の形態の乗用車、セダン、クーペ、トラック、スポーツユーティリティビークル、スポーツカーなどであることができる）は、従来の内燃機関が動力を供給すること、ハイブリッド電力を搭載すること、または電気モータを搭載して排他的に電気のみで動作することができる。構成例では、車両９００は、４つのタイヤ９１２、空調（Ａ／Ｃ）コンバータ９１４、駆動モータ９０２、パワーステアリング９０６、馬力（ＨＰ）分配機９１０、外部充電ソケット９０４、及びバッテリシステム９１６を含むことができる。車両９００は、圧電エネルギー発生手段（例えば、発電機、装置、モータ及び／または同様のもの）を装備することができる。これらの圧電エネルギー発生手段は、エネルギーを捕捉し、その捕捉されたエネルギーを電流に変換し、この電流は、例えば、摩耗及び劣化に関する車両コンポーネントの状態の正確かつ的確な検知のために本開示の共振器、共振回路、及び／または同様のもののいずれかに電力を供給することなど、他の用途または使用に有用であることができる。
圧電気は、先に紹介されるように、加えられた機械的応力に応答して、ある特定の固体材料（結晶など）に蓄積する電荷を黙示する。圧電気という単語は、圧力及び潜熱に起因する電気を意味する。機構的に、圧電効果の性質は、固体における電気双極子モーメントの発生と密接に関連している。後者は、周囲（ＢａＴｉＯ３などの中）の電荷が非対称である結晶格子部位上のイオンに誘起されるか、分子群（ショ糖など）によって直接搬送されるかいずれかであることができる。これらの結晶についての双極子密度または分極（次元性［Ｃ・ｍ／ｍ３］）は、結晶学的な単位胞の体積あたりの双極子モーメントを総計することによって計算されることができる。すべての双極子はベクトルであるため、双極子密度Ｐはベクトル場である。
機械的応力を加えるときの分極Ｐの変化は、圧電効果にとって重要である。これは、双極子が誘起する周囲の再配置か、外部応力の影響下での分子双極子モーメントの再配向かいずれかによって引き起こされる可能性がある。次に、圧電気は、分極強度、その方向、または両方の変動として現れる可能性があり、詳細は、
・結晶内のＰの配向、
・結晶対称性、及び
・加えられた機械的応力、
に依存する。
Ｐにおける変化は、バルクの双極子密度における変化によって引き起こされる結晶面間に広がる電界の変動など、結晶面上の表面電荷密度の変動として現れる。例えば、２ｋＮ（５００ｌｂｆ）の力が加えられた１ｃｍ３の立方体の石英は、１２，５００Ｖの電圧を生成することができる。
それらのような原理は、（１）高電力または（２）低電力を送達するなど、先に議論されるように関連して機能する本開示の共振器のいずれかに電圧及び／または電流を供給するように構成されることができる。高電力の印加は、回転するハブ、誘起、または無線手段を介してタイヤから発生する回転エネルギーを捕捉することを含むことができる。低電力の印加は、リモート及び／またはオンボード（車両９００と統合されることを指す）エネルギーハーベスティングシステム（本開示のＴＥＧシステム及び／または摩擦帯電エネルギー発生器など）と統合されることを含む。電磁（ＥＭ）信号通信（例えば、４６５Ｍｈｚまたは同様のものなどでの）によってアクティブ化される分散型センサアレイとの統合を使用して、後方散乱または誘導結合を促進することができる。
図１０は、高度な概念のタイヤ及びさまざまなエネルギー（電流）送達の課題のさまざまな概略斜視図を示す。タイヤ１０００及び／または１００２は、Ａｋｒｏｎ，ＯｈｉｏのＴｈｅ Ｇｏｏｄｙｅａｒ Ｔｉｒｅ ＆ Ｒｕｂｂｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙによって製造されている、Ｇｏｏｄｙｅａｒ（登録商標）ＢＨ０３ピエゾコンセプトタイヤ、またはいずれかの同様のそのような高度な自己発生動力源付きタイヤであることができる。そこでは、本開示のシステム、方法、及び材料（炭素含有微細構造体を含む）のいずれかは、正確な車両コンポーネント材料の劣化検知のために共振器に継続的な電力の供給に関して電源内蔵である、それらのような高度なタイヤと共に機能するように構成されることができる。タイヤ１０００及び／または１００２は、トレッド１００４、サイプ１００６を備え、熱電（ＴＥ）発電機または機能によって捕捉される効率的な熱吸収のための「ウルトラブラック」テクスチャと称される、カーボンブラックを含む構成を提示することができる。
タイヤ材料中に組み込まれる本開示の炭素系微細構造体の例のいずれか１つ以上の中への組込みに関して、適する炭素の種類としては、グラフェン及びグラフェン関連材料が挙げられる。グラフェンは、１つの原子が各頂点を形成する２次元の六方格子内の原子の単層の形態での炭素の同素体を指す。これは、グラファイト、木炭、カーボンナノチューブ、及びフラーレンを含む、他の同素体の基本的な構造元素である。それはまた、無限に大きな芳香族分子とみなされることができ、平らな多環芳香族炭化水素のファミリーの究極の事例である。
グラフェンは、２，６３０ｍ２／ｇの理論上の比表面積（ＳＳＡ）を有する。これは、カーボンブラック（９００ｍ２／ｇより一般的に小さい）について、またはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）（約１００～１０００ｍ２／ｇ、活性炭のようなものである）について、これまでに報告されたものよりもはるかに大きい。グラフェンの固有の特性は、高強度（単位面積あたり）、約３，０００Ｗ／ｍＫから約５，０００Ｗ／ｍＫまでの範囲内の熱伝導率、窒素（Ｎ）、硫黄（Ｓ）、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、フッ素（Ｆ）、及び／または塩素（Ｃｌ）など、ある特定の元素をドープすることによってｎ型導電率に対応する機能を含む。
式ＺＴ＝σＳ２Ｔ／κは、測定された材料の熱電（ＴＥ）性能に関する定量的関係を与え、次の、Ｓがゼーベック係数（ゼーベック効果によって誘起されると、その材料全体の温度差に応答して誘起された熱電電圧の大きさの尺度）であり、「σ」及び「κ」がそれぞれ導電率及び熱伝導率であり、Ｔは絶対温度である、と規定されることができる。熱電変換の目標は、導電率を上げると同時に熱伝導率を下げることを含むことができる。
グラフェンは、ナノ構造化を必要とする場合がある。例えば、ナノ構造化によって、一般的な高出力のサーモパイルアーキテクチャ内で「デイジーチェーン接続」（いくつかのデバイスを直列に合わせて接続することを指す）によく適していない、ある特定のグラフェンシート構成を調製することで、エピタキシャル成長したＢｉＳｂＴｅの支持基板（熱管理などのための）として最適であるように調製することができ、熱コンダクタンスを低下させるためにドット（「０Ｄ」）、チューブ／リボン（「１Ｄ」）、またはシート（２Ｄ）及び界面（フォノン散乱体）の低次元性を達成し、電気担体（ｐ／ｎ）を増加させて感度／性能を向上させるためにバンドギャップエンジニアリングを達成することができる。
また、グラフェンは、多機能要素として使用されることができる。この多機能要素は、次の、熱伝導体（熱管理／ＰＭＣ複合材料システム、グラフェンオングラフェン材料などの場合）との組み合わせ（または熱伝導体として機能すること）を可能にすること、強化材／補強材、分散型センサ（圧力、摩擦、剪断の健全性）、及びエネルギーハーベスタとして機能することという利点のいずれか１つ以上を提示することができる。
図１１は、グラフェン充填ゴムを組み込み、地面または舗道に接触する車両タイヤ１１００の概略的な側面図である。示されるように、車両タイヤ１１００は、タイヤリム（接地）１１０２、及び車両タイヤ１１００の周囲に巻き付けられたスチールベルト（導体）１１０４を含む。グラフェン充填ゴムは、タイヤ本体の１つ以上のタイヤプライを形成する際に組み込まれる、またはその他の方法でそれらを形成するために使用されることができる。そのようなグラフェン充填ゴムは、導電性パーコレーション閾値（絶縁材料を導電材料に変換することができるフィラーの最低濃度を指す、すなわち、パーコレーション閾値はサンプル全体で電気経路を形成するグラフェン充填ゴムなどのフィラー材料の最低濃度である）を提供することができる。車両が積載されるときに、タイヤは、車両のシャーシを通して、または乗員などの、タイヤにかかる負荷１１０６及び／または他の重量として反映されるようにその重量を支持することができる。
車両タイヤ１１００に、タイヤ本体の１つ以上のプライ内で摩擦帯電型発電機を装備して、先に開示されるように、使用可能な電気エネルギーの形態で捕捉されたエネルギーを共振器に供給することができる。本明細書に用いられる摩擦帯電エネルギーの変換原理は、機械的エネルギーの電気への変換を支援し、摩擦帯電の摩擦及び電気誘導を電力センサに結合して、タイヤの一般的な健全性（摩耗及び劣化を参照する）を継続した方法で診断する。
通常の（通勤使用ごとの）条件下では、車両タイヤ１１００と地面（舗道など）との間で受ける摩擦によって発生する約５～７％のエネルギーが散逸することがある。そのような散逸したエネルギーを回収して保持するための摩擦帯電型発電機（または他の高度なエネルギー回収手段）がなければ、エネルギーは周囲環境に望ましくないほど失われることがある。したがって、２０２０年２月７日に出願された、「３Ｄ Ｓｅｌｆ－Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｕｌｔｉ－Ｍｏｄａｌ Ｃａｒｂｏｎ－Ｂａｓｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ」と題された米国特許出願第１６／７８５，０２０号に、Ｓｔｏｗｅｌｌ， ｅｔ ａｌ．によって開示されるような、メタン（ＣＨ４）などの炭素含有気相種から反応チャンバまたは反応炉内でインフライト自己核形成されるものなど、本開示の炭素系微細構造体のいずれかを使用して、先に議論されるような、車両コンポーネントの摩耗または劣化を示すのに適しているセンサを形成することができる。
あるいは、またはさらに、それらのような炭素系微細構造体は、摩擦帯電エネルギー発生器自体内に組み込まれることができ、調整可能な（同調可能な）分極率を有する炭素含有摩擦帯電型導体を作製するように最適化されることができ、さまざまな電源及び発電のシナリオまたはニーズに対応するために組織化される、及び／または直列に接続されることができる。そのように説明されるような、炭素含有摩擦帯電エネルギー発生器は、任意選択で、センサを局所（タイヤの幅よりも小さい）に局在させる代替に、タイヤ周囲の周方向だけでなく、タイヤの幅全体にわたって延在するように、所与のタイヤプライ全体に均一に散在することができる。したがって、そのようなタイヤプライの幅全体の炭素含有摩擦帯電エネルギー発生器（及び／または１つ以上のタイヤプライ全体に分散される局在的な摩擦帯電エネルギー発生器と通信する局在的なセンサ）は、両方とも次の、
・最適な電荷発生／表面帯電（アブレーション－摩擦、新しい表面の作製、ならびに抵抗における可能性のある変化、及び潜在的にトレッドに関連する摩耗／寿命における可能性のある変化が原因であるような、気化、チッピング、または他の侵食プロセスによる物体からの材料の除去または破壊を指す）のためにタイヤ表面での接触面積が大きいという利点と、
・同調したグラフェン及びゴムの複合材料は静電誘導（近くの電荷の影響によって引き起こされる物体における電荷の再分配を指し、帯電した物体を材料に近づけることによってその材料に静電気を生じる、または発生させることにより、電荷が材料に再分配された結果、１つの側面で正（＋）か負（－）かいずれかの電荷が過剰になる）に関連する誘電率に最適化されることができるという利点と、
・グラフェンは最適な最終用途応用分野で特異的なタイヤ特性（例えば、ウェットまたはドライハンドリング、転動抵抗などの最適化）、及び電荷発生（濡れ性）を達成するように同調することができるという利点と、
・タイヤの振動（負荷時及び負荷軽減時の、材料の曲げを指し、インピーダンスの変化に関連する可能性がある）を捕捉して、有用な電力に変換することができるという利点と、
を提供することができる。
本明細書に記載の摩擦帯電型発電機の車両に特異的な適用は、本来であればタイヤと、このタイヤと接触している舗道との間の転動摩擦によって失われる、約５～７％のエネルギーの捕捉及び再利用に適用される。具体的には、シリカ、セメント、及び金属（または金属含有複合材料）を含む接地面は、電子供与材料として機能することができ、これらの電子供与材料は、ゴム製のニューマチックタイヤなどの本体のセンサ内に、またはプライ全体内に組み込まれるグラフェンなどの炭素系微細構造体内の電子受容材料と接触する。
いくつかの例では、合わせて結合される複数のグラフェンシートを含む弱集合体から合成される３Ｄ階層的炭素系微細構造体を特に指す、グラフェンの役割は、導電体としてそのパーコレーション閾値（絶縁材料を導電材料に変換するフィラーの最低濃度を指す）で機能するように同調することができ、最適な電荷発生のためにタイヤの露出面に比較的大きい接触面積を提供することができる。これは、１つ以上のタイヤプライの幅全体が少なくともいくつかの炭素系微細構造体を組み込み、その本体プライ及び／またはトレッド層全体を少なくとも部分的に導電性にする構成に特に当てはまることができる。導電材料は、摩擦帯電型発電機によってアブレーション（タイヤ本体プライ及び／またはトレッド層内の炭素含有ゴムが舗道との接触時に除去される、または破壊されることにより、その材料が気化することを指す）から発生する電荷に対応することができる。
そのうえ、タイヤ本体プライ及び／またはトレッド層内に組み込まれるグラフェンは、湿潤または乾燥条件下でのハンドリング、転動抵抗などを最適化するように同調するなど、最適なタイヤ特性を達成するように同調することを含む複数の望ましい目的を果たすことができる。また、発生した電荷を捕捉して材料劣化検知の目的のために再利用することができる、そのような部分的に導電性のタイヤ内で観測されたインピーダンス変化に、負荷及び負荷軽減状態中のタイヤの振動は影響することができる。
図１２Ａ～１２Ｃは、転動するホイール（単一電極及び銅積層ポリジメチルシロキサン、ＰＤＭＳ、パッチを備えた）上での電荷発生の概略図１２００を示し、道路の舗装などの地面の上で転動するホイールの逐次電荷発生を実証する。表面上にセンサを形成するために使用されるか、タイヤプライ内に埋め込まれるか、ゴム配合物内に混合されて炭素含有タイヤプライを形成するかどうかにかかわらず、本開示の炭素系ナノ構造体のいずれか１つ以上は、概略図１２００によって示される設計を含む摩擦帯電エネルギー発生器と共に機能することができる。示されるように、摩擦帯電エネルギー発生器は、次の金属シート１２０６というコンポーネントを含むことができ、この金属シートは、電気負荷１２０４（能動電力を消費する電気コンポーネント、または回路の一部を指す）に接続されることができ、この電気負荷１２０４は、同様に、地面１２１０に接触するポリマーフィルム１２０８と接触する金属フィルム１２０２に接続される。
すなわち、概略図１２００によって示される機器は、共振器に電力を供給して、タイヤ本体プライ及び／またはトレッド層内の、またはその上のセンサ及び他の箇所の中の炭素系微細構造体と電子通信するように機能することができ、少なくとも次の、
・粗いＰＤＭＳ薄膜を使用して単一電極摩擦帯電型ナノ発電機（Ｓ－ＴＥＮＧ）を設計し、タイヤ表面をシミュレートすると、転動するタイヤから廃棄された摩擦エネルギーを効果的に集めることができることと、
・Ｓ－ＴＥＮＧの設計は非常に単純でスケーラブルであり、多種多様な潜在的な最終用途応用分野に簡単に統合されることができることと、
・摩擦帯電型出力はタイヤの負荷及び移動速度に応じて単調（所与の順序を守る、または逆にする順序セット間の関数を指す）に増加することと、
・Ｓ－ＴＥＮＧはおもちゃの乗り物のタイヤにうまく実装されており、乗り物が地上で移動していた間、６つの市販の発光ダイオード（ＬＥＤ）に瞬時に電力を供給したことと、
・この開発は従来の車両の燃費、または電動車両の巡航能力を向上させるための有望な解決策を提供することと、
という原理、機能、及び／または観測に対応することができる。
摩擦帯電型ナノ発電機（ＴＥＮＧ）は、一般に、広く知られている摩擦帯電原理に基づいて、機械的エネルギーを電気に変換するエネルギーハーベスティングデバイスである。ＰＤＭＳを使用する単一電極ＴＥＮＧ（Ｓ－ＴＥＮＧ）の革新的な設計は、タイヤ表面をシミュレートすると転動するタイヤから廃棄された摩擦エネルギーを集めるように開発されており、本開示のシステム、方法、及び材料と統合されることができる。ＰＤＭＳ Ｓ－ＴＥＮＧをゴム製ホイール上に固定することにより、摩擦エネルギーの収集性能を体系的に調査することに成功した。ホイール上のＳ－ＴＥＮＧの電気出力は、ホイールの移動速度及び重量負荷の増加に伴って単調な増加を示した。
最大瞬時電力は、１０．４％の最高エネルギー変換効率に対応する、１０ＭΩの負荷抵抗で約１．７９ｍＷにあることが得られた。また、複数のＳ－ＴＥＮＧのアレイは、おもちゃの乗り物のタイヤに実装され、乗り物が地上を移動していた間、６個の市販の緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）に瞬時に電力を供給した。この成功した実証は、転動するタイヤから廃棄された摩擦エネルギーを収集する有望な解決策を支持し、この解決策により、電動車両の燃費または巡航能力が向上することができ、提示された共振器に電力が供給されることができる。
図１２Ｄは、いくつかの実施態様による、構成１２Ｄ００として配列されて摩擦帯電型発電機またはモータの一例として総括的に機能する、例示的な回転子１２Ｄ１８及び固定子１２Ｄ１０を示す。さまざまな既知の材料を使用することができるが、構成１２Ｄ００に示される例は、外殻１２Ｄ０２と、銅層１２Ｄ０４と、ヘキサフルオロプロピレン及びテトラフルオロエチレンのコポリマーであるフッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）材料（また、従来の射出成形及びスクリュー押出技術を使用して溶融加工可能である点でポリテトラフルオロエチレン樹脂とは異なる）と、アルミニウム回転子１２Ｄ１６と、スポンジ層と、アクリルコア１２Ｄ１４とを含む（少なくとも）ことができる。
動作中、アクリルコア１２Ｄ１４は、１２Ｄ０８の方向に回転し、複数の層によって包まれることができ、複数の層の各層は、前後の層の両方を囲み、それら両方と接触している。すなわち、アクリルコア１２Ｄ１４は、電荷の捕捉及び移動に対応するために必要に応じて厚さを減少させ、後で回復するように内向きに圧縮可能であってもよいスポンジ層１２Ｄ０６によって囲まれることができ、このスポンジ層は、銅層１２Ｄ０４（その中に分散している多量のＦＥＰ及び外殻１２Ｄ０２を含んでもよい）によって囲まれることができる。
アルミニウム回転子１２Ｄ１６は、拡大された断面１２Ｄ１２に示されるように、１２Ｄ１４の方向と反対に回転して、摩擦帯電によって発生した電荷を回収することができる。観測された物理値及びパラメータ（例えば、前述の摩擦帯電型発電手段のいずれかと組み合わせて使用される場合）は、次の、
・２０ＭΩの負荷抵抗及び１０００ｒ／ｍｉｎの回転速度で、２５０ｍＷ／ｍ２のピーク電力密度と、
・並列にある１６個のスポットライトに同時に電力を供給し、２００μＦの市販のコンデンサを１７０秒で１２０Ｖに充電することと、
・１０ＭΩの負荷抵抗で測定された１５ｍＷ／ｃｍ３の電力密度と、
・約１ＭΩの負荷抵抗では１０００ｒｐｍの回転数、２６７ｍＷ／ｃｍ２のピーク出力と、
を含む（少なくとも）。
図１３Ａは、車両１３Ａ０２のタイヤ１３Ａ０４（従来のニューマチックタイヤ及び次世代のソリッドエアレスタイヤなどのいずれかのタイプの）に組み込まれるシステム１３Ａ００（例えば、電気及び／またはディスクリート回路として実現される実際の形態だけでなく、以下にさらに詳述されるような「等価」回路として代表的な形態の摩擦帯電エネルギー発生器を含む）を備えた車両に関連する概略図を示す。システム１３Ａ００は、本体１３Ａ０８内に、またはタイヤ１３Ａ０４のうちの１つが有する１つ以上のトレッド層内に固定される圧縮性六角形構造の摩擦帯電エネルギーナノ発電機（ＣＨ－ＴＥＮＧ）１３Ａ０６のアレイの構成を含むことができる。ＣＨ－ＴＥＮＧ １３Ａ０６は、本開示の摩擦帯電型発電手段のいずれかと実質的に同様である（そしてそれに応じて機能する）ことができるが、各摩擦帯電エネルギー発生器は実質的に六角形状を有する。他の潜在的な表現１３Ｂ０２は図１３Ｂに示される。
ＣＨ－ＴＥＮＧ １３Ａ０６は、電荷を発生することができ、この電荷を使用して、共振器に電力を供給するのに適した電流を生じることができ、共振器は、トランシーバ１３Ａ１０が発信した信号をさらに発信することができる（信号の形式で電磁放射を送信すること、及び受信することの両方ができる）。ＣＨ－ＴＥＮＧ １３Ａ０６のある特定の構成は、整流器及びコンデンサなどの従来の電子部品も含むことができ、これら従来の電子部品は、タイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ）の一部であることができるワイヤレスタイヤ空気圧センサと通信し、全体的なタイヤ摩耗監視解決策を提供することができる。
システム１３Ａ００は、タイヤに対する異常の検知及び通信に関連する少なくとも三（３）つのタイプのコンポーネント、機能、及び／またはサブシステムを含むことができ、
・トランシーバ１３Ａ１０などによって、または共振器によってさらに発信される、ＲＦ信号を発信することと、
・従来のＬＣ、共振及び／またはタンク回路（またはいずれかの他のディスクリート回路素子）によって、及び／または既知の周波数及び／または強度レベルで信号を共振させる及び／または減衰させるように同調する炭素含有微細構造体によって実行されるものなど、ＲＦ信号に応答して共振する（より具体的には、励起信号に応答して共振することによってそれぞれの共振信号を発生する）ことと、
・炭素含有材料から作製されるセンサによって、または固定もしくは変動濃度レベルなどでの混合物を含む車両タイヤのトレッド層及び／またはプライなどの表面全体によって実行されるように、ＲＦ信号の周波数をシフトさせること、及び／またはＲＦ信号を減衰させることと、
によって機能する機器を含むことができる。
一般に、共振器は、ディスクリート形態で、すなわち、共振回路、タンク回路、または同調回路とも称されるＬＣ回路として実現されることができる。このタイプの共振器は、合わせて接続される、文字Ｌで表されるインダクタ、及び文字Ｃで表されるコンデンサなど、ディスクリートコンポーネントからなる電気回路である。この回路は、音叉の電気的な類似物である電気共振器として機能し、エネルギーを蓄積し、回路の固有共振周波数で振動しているエネルギーを放出することができる。
ＬＣ回路は、特定の周波数で信号を発生するか、より複雑な信号から特定の周波数で信号を抽出するかいずれかのために使用されることができる。この機能は「バンドパスフィルタ」と称される。これらは、発振器、フィルタ、チューナー及び周波数混合器などの回路で使用される多くの電子機器、特に無線機器の主要コンポーネントである。
ただし、舗道または地面との接触に曝露される車両タイヤトレッド層など、アブレーションが高い可能性のある領域へのディスクリート電子部品の組み込みは、例えば、摩耗及び引裂及び／または温度上昇などが原因で、上記のような従来のＬＣ回路などのそれらのような部品のありえる望ましくない劣化及び破損を考慮すると問題となる可能性がある。
したがって、共振器は、いくつかの実施態様では、いかなるディスクリート電子機器とも無関係に、炭素含有微細構造体及び関連材料のみから作製されることができる。それらのような炭素含有微細構造体は、タイヤ本体のタイヤプライ内か、タイヤトレッド層内か、その両方かいずれかに埋め込まれることができるセンサを形成することができる。さらに、炭素含有微細構造体は、例えば、信号発生性能に影響する可能性のあるさまざまな類似の濃度レベルなどで（または同一の濃度レベルでさえ）１つ以上のプライ及び／またはタイヤトレッド層内に存在するタイヤ形成材料（ゴムなど）に混合することができる。
炭素含有微細構造体から作製されるセンサ、プライ及び／またはタイヤトレッド層は、同等の（少なくとも実質的に同一の）機能及び性能を提供することにより、上記の共振回路などの従来のディスクリート回路コンポーネントを効率的かつ完全に置換することができるため、等価回路１３Ａ１２によって表現されることができる。この等価回路は、ＣＨ－ＴＥＮＧ １３Ａ０６によって、またはそれらによってではなく、励起信号（トランシーバによって発信されるものなど）に応答して共振することでそれぞれの共振信号を発生することによって、電力が供給されることができる。等価回路は、所与の回路（共振回路など）のすべての電気特性を保持する理論回路を指すが、線形の受動素子で構成される（したがって、必ずしも従来のディスクリート回路素子を使用する必要はない）。
したがって、従来のディスクリート回路の望まれない破損は、等価回路として機能する炭素含有微細構造体から作製されるセンサ、プライ及び／またはタイヤトレッド層を実装することによって回避されることができる。そのような構成では、タイヤの内部に設置されるディスクリート電子部品デバイスがない。むしろ、タイヤの１つ以上のさまざまなタイヤトレッド層及び／またはタイヤ本体のプライは、炭素含有同調微細構造共振材料から構成される（及び／またはその他の方法で炭素含有同調微細構造共振材料から作製されるセンサを含む）ことができる。これらの炭素含有同調微細構造共振材料は、既知の周波数で共振し、または既知の周波数範囲内で共振し、部品の摩耗を正確かつ的確に特定しやすくする。
図１３Ｂは、車両のタイヤ内に組み込むことが意図される、さまざまなタイプの摩擦帯電エネルギー発生器構成１３Ｂ００を示す。それらのような構成は、拡大断面１３Ｂ１２によって示されるような実質的に六角形であってもよいし、ＣＨ－ＴＥＮＧがタイヤプライ内に含まれ（図１３Ａに示されるタイヤ１３Ａ０４の本体１３Ａ０８に示されるように）、タイヤ圧縮に応じて圧縮することができるとすると、タイヤ本体プライ及び／またはトレッド層が地面と接触することに比例した周期的な圧縮及び減圧サイクル（口語的に「つぶされる」と称される）中に、構成例概略図１３Ｂ０２、構成例概略図１３Ｂ０４、構成例概略図１３Ｂ０６、構成例概略図１３Ｂ０８、構成例概略図１３Ｂ１０及び構成例概略図１３Ｂ１２によってそれぞれ示される構造体Ｉ～ＶＩによって示される形態のいずれかをとってもよい。周期的な圧縮－減圧挙動により、ＣＨ－ＴＥＮＧの電荷回収機能が促進されることができる。
一般に、タイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ）は、システム及び構造体の上記例のいずれか１つ以上と共に組み込まれるのに適したものであり得るが、さまざまなタイプの車両のニューマチックタイヤ内の空気圧を監視するように設計される電子システムを指す。ＴＰＭＳは、ゲージか、ピクトグラム表示か、単純な低圧警告灯かいずれかを介して、リアルタイムのタイヤ空気圧情報を車両の運転者に報告する。ＴＰＭＳは、直接（ｄＴＰＭＳ）及び間接（ｉＴＰＭＳ）の２つの異なるタイプに分けることができる。ＴＰＭＳは、ＯＥＭ（工場）レベル及びアフターマーケットソリューションの両方で提供される。ＴＰＭＳの目標は、タイヤの危険な状態を早期に認識することにより、交通事故、燃費の悪さ、及びタイヤの空気圧不足によるタイヤの摩耗の増加を回避することである。
本開示の方法、システム及び材料のいずれも、任意のタイプのＴＰＭＳと機能的に組み合わせて、ＴＰＭＳ機能をサポートし、追加の、高められた、タイヤ劣化情報を提供することができる。提示されているように、ｉＴＰＭＳは、速度、振動、ホイール半径のいずれかを監視することができ、ひずみ、温度、及び加速度に加えて、カルマンフィルタ（線形二次推定（ＬＱＥ）、統計的なノイズ及び他の不正確さを含む、経時的に観測される一連の測定値を使用し、各時間枠の変数の同時確率分布を推定することにより、単一の測定値のみに基づくものよりも正確になる傾向がある未知の変数の推定値を生成するアルゴリズムとしても知られている）を使用して、変形及び摩擦（基本的に「ピギーバック」オフ、既存のアンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、センサスイートの機能に依存することを指す）を決定することを含む、より高度な方法を用いることができる。また、ｄＴＰＭＳは、次の、
・２つの表面は接触するようになる（ホイールリム、バルブ、Ｎｂ２Ｏ５活物質）静電容量センサ及び／またはエネルギー発生器と、
・フィルムがゴムよりもはるかに硬い（剥離）がポリイミド系であるひずみゲージと、
・弾性表面波（ＳＡＷ）センサであって、物理現象を感知するために弾性表面波の変調に依存する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）のクラスであり、センサは入力された電気信号を力学的な波に変換し、力学的な波は電気信号とは異なり、物理現象による影響を受けやすいことができ、次に、この波をデバイスは変換して電気信号に戻し、入力電気信号と出力電気信号との間の振幅、位相、周波数、または時間遅延における変化を使用して、所望の現象の存在を測定することができ、圧電基板上の櫛形電極である、ＳＡＷセンサと、
・２つの平行な反射面（薄い鏡など）から作られる光キャビティであるファブリペロー干渉計（ＦＰＩ）またはエタロンあって、光波は光キャビティと共振している場合にのみ、光キャビティを通過することができる、ＦＰＩまたはエタロンと、
・磁場の大きさを測定するために使用されるデバイスを指す、ホール効果センサであって、その出力電圧はそれを通る磁場の強さに正比例し、ホール効果センサはトレッド変形（セラミック上のＧａＡｓ）の近接感知、位置決め、速度検知、及び電流感知用途に使用される、ホール効果センサと、
・ＭＥＭＳ（微小電気機械システム、特に可動部品を備えた、顕微鏡装置のテクノロジーを指す）と、
・非接触超音波システム（タイヤ内部のホイールリムの取り付け基部）と、
・鋼線ベルト上に統合される電気抵抗器－コンデンサ並列回路と、
という機能及び／またはテクノロジー（少なくとも）と結合する、またはその他の機能で統合することができる。
グラフェン及び／または他の秩序のある炭素系センサは、前述のＴＰＭＳシステムと組み合わせ、次のセンサタイプ及び／または変形、
・静電容量と、
・ひずみゲージと、
・圧電系センサ（ＺｎＯコーティングされたカーボンナノチューブ、ＣＮＴ）と、
のうちのいずれか１つ以上を使用することができる。
図１４Ａは、基板１４Ａ０４を組み込む基板アセンブリ１４Ａ００の概略側面図である。基板アセンブリ１４Ａ００は、ＡＢＳセンサスイートの一部であり、例えば、炭素系微細構造体などを組み込んで共振器に電力（電流の形態で）を供給する、本開示のシステム、方法、及び材料のいずれかと相互作用する、またはそれらと共に機能することができる。基板アセンブリ１４Ａ００は、ギャップ１４Ａ０８より上の外力（矢印で示される）に応答して、シリコン含有領域１４Ａ０２の近くで膨張（または圧縮）することができるダイヤフラム厚さ１４Ａ０６を有することができる。ギャップ１４Ａ０８は、基板電極１４Ａ１２の頂面上の絶縁層１４Ａ１０より上に配置されることができる。
図１４Ｂは、ポリイミド系ひずみゲージシステム１４Ｂ００の概略図であり、このポリイミド系ひずみゲージシステムは、タイヤ空気圧を監視するように構成され、コンピューティングリソース１４Ｂ０２、外部から加えられた力１４Ｂ１０に応じるひずみゲージ１４Ｂ０４、及びタイヤ本体プライ及び／またはトレッド層１４Ｂ０８上のタイヤプライ上フィットメント１４Ｂ１２に対応するために小型化される機能を含むことができる。ポリイミド系ひずみゲージシステム１４Ｂ００は、本開示のシステム、方法、及び材料のいずれかと通信するＴＰＭＳの一部であり、タイヤ空気圧検知機能をさらに詳細なタイヤ状態劣化関連情報を用いて拡張することができる。
図１４Ｃは、車両のタイヤトレッドの変形を検知するように構成され、セラミック上にヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）を取り込むホールセンサシステム１４Ｃ００の概略断面図である。ホールセンサシステム１４Ｃ００は、本開示のシステム、方法、及び材料のいずれかと通信するＴＰＭＳの一部であり、タイヤ空気圧検知機能をさらに詳細なタイヤ状態劣化関連情報を用いて拡張することができる。ホールセンサシステム１４Ｃ００は、車両タイヤの一部としてスチールコード１４Ｃ０４を含むことができる。ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）ホール効果発生器１４Ｃ０６は、道路（舗道１４Ｃ１２として示される）に接触するトレッド要素より上の本体１４Ｃ１０（タイヤの）内の磁石１４Ｃ０８と共に機能する。ホールセンサシステム１５Ｄ００の機能は、車両動作中に共振器に電力を供給してタイヤ状態情報を確認するために使用可能な電荷及び／または電流を発生することができる。
図１４Ｄは、タイヤ本体内の鋼線ベルト１４Ｄ０２の対１４Ｄ０４上に統合される非接触超音波電気抵抗器－コンデンサ並列回路１４Ｄ００に関連する概略図を示す。非接触超音波電気抵抗器－コンデンサ並列回路１４Ｄ００の機能は、車両動作中に共振器（本開示のような）に電力を供給してタイヤ状態情報を確認するために使用可能な電荷及び／または電流を発生することができる。鋼線ベルト１４Ｄ０２の対１４Ｄ０４は、定量化可能な比誘電率１４Ｄ０６及び／または抵抗率１４Ｄ０８の値を示すために、規定された距離１４Ｄ１０に離れて位置決めされることができる。
図１４Ｅは、非接触超音波電気抵抗器－コンデンサ並列回路１４Ｅ００（非接触は個々の鋼線ベルト間の接触がないことを指す）の別の適切な構成を示し、そこで鋼線は、電荷を蓄積して移動させ、及び／または電流を伝導し、本明細書に開示されるように共振器に電力を供給することが必要であることがある場合、対応する電極に電気的に結合される、及び／またはそれらと電気的に接続される。
図１４Ｆは、非接触超音波電気抵抗器－コンデンサ並列回路１４Ｄ００（図１４Ｄに示される）の表現の簡略化された概略図を示し、これは、いくつかの実施態様では、ディスクリート回路がないことを特徴とするが、代替に所与の回路のすべての電気特性を示す炭素含有微細構造体から構成される理論回路を実装する、別のタイプの「等価回路」であることができる。一例として、この等価電気回路は、炭素含有微細構造共振材料を含むことができ、これらの共振材料は、共振材料によって示される周波数シフト挙動及び／または信号減衰の検知のために必要とされる場合に共振するように必要に応じて構成されることができる、少なくともコンデンサ（Ｃ）及び抵抗器（Ｒ）の機能を模倣する。
図１４Ｇは、車両タイヤ１４Ｇ０２の鋼線ベルト１４Ｇ０６上に統合される電気抵抗器－コンデンサ並列回路１４Ｇ１０（複数のワイヤ１４Ｇ１２を含む）の概略図１４Ｇ００を示す。鋼線ベルト１４Ｇ０６は、タイヤトレッドパターン１４Ｇ０８に干渉することなく、タイヤコンポーネント（サイドウォールなど）１４Ｇ０４の近くにあることができる。電気抵抗器－コンデンサ並列回路１４Ｇ１０は、摩擦帯電原理など、またはその他の方法による前述の手段のいずれか１つ以上を介して使用可能な電荷及び／または電力または電流を発生し、そのような電力を本開示の共振器に供給することができる。
図１５～１７は、構造化炭素、さまざまなカーボンナノ粒子、さまざまな炭素系集合体、及び他の材料の上に成長するさまざまな三次元炭素含有集積体を示す。開示されるものは、本明細書で言及されるような炭素系微細構造体の例であることができる。
図１８は、図１６～１８に示される、構造化炭素及び／または同様のもののうちの１つ以上についてのラマンシフトプロットを示す。ピークは、約２６７０ｃｍ－１、１６００ｃｍ－１、及び１３８０ｃｍ－１（またはその前後）で観測される。
図１９は、タイヤ本体プライ及び／またはトレッド層内の構成要素（ゴムなど）の例示的な格子状配置１９０８の概略斜視図１９００を示し、これらの要素内に、またはこれらの要素間に、共振回路構成例１９０２、共振回路構成例１９０４及び共振回路構成例１９０６を含めた共振回路（本明細書では「共振器」とも称される）コンポーネントは埋め込まれている。いかなる考え得る構成も、共振回路コンポーネントには可能であり、それらのような構成は、本明細書に現在開示されるタイヤ劣化を確認することに関連することができるような、さらなる信号発信に関する発振及び／または共振機能に影響することができる。
図２０は、車両タイヤ本体プライ及び／またはトレッド層内に組み込まれるときで動作中に、図１９に示される共振回路に関連する信号減衰を表す例示的なラマン強度ヒートマップまたはプロットである。
図２１は、示されるさまざまな弱集合パターン（例えば、示されているような弱集合パターン２１０６、弱集合パターン２１０８及び弱集合パターン２１１０）を有する自己集積化炭素系粒子の例示的な配置を示す概略図であり、それらのいずれか１つ以上は、炭素系微細構造体が組み込まれている、材料の共振性能に影響することができる濃縮領域２１０４を構成することができる。
使用法の概要
展開例
前述の技法及び材料のいずれか１つ以上は、車両関連の材料及び／またはタイヤプライなどの表面内に埋め込まれることを目的とした表面センサの製造工程に組み合わされることができる。自動車の表面センサは、指定された周波数に少なくとも部分的に基づいて炭素同素体を選択し、炭素同素体を複合材料の他の成分と混合し、次に複合材料を使用して自動車の表面センサを形成することによって製造されることができる。自動車の表面センサは、指定された周波数の電磁放射（ＲＦ信号）によって刺激されると、指定された周波数で共振する。
さらに、前述の技法及び材料のいずれか、またはすべては、タイヤの製造工程に組み合わされることができる。自動車用タイヤは、指定された周波数に少なくとも部分的に基づいて炭素同素体を選択し、炭素同素体を、１つ以上のタイヤ材料に使用される他の成分と混合し、次に１つ以上のタイヤ材料を追加のタイヤコンポーネントと組み合わせ、タイヤを組み立てることによって製造されることができる。タイヤ材料は、指定された周波数の電磁放射によって刺激されると、指定された周波数で共振する。さらに、そのような共振は、指定された周波数の近位電磁放射（ピング音など）によって引き起こされることができる。厳密には一例として、指定された周波数の近位電磁放射線を放射する同調アンテナは、車両のホイールウェル内にあることができる。いくつかの状況において、タイヤ材料に適用される及び／またはそれと共にもしくはその中に組み込まれる共振構造体は、指定された周波数の電磁放射線の放射によって刺激されたとき、当該指定された周波数で共振することになる。いくつかの状況において、そのような共振は、応答信号の減衰として測定可能である。
構造化炭素の概要
追加の構造化炭素の例
図２２Ａから図２２Ｙは、２０２０年２月７日に出願された、「３Ｄ Ｓｅｌｆ－Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｕｌｔｉ－Ｍｏｄａｌ Ｃａｒｂｏｎ－Ｂａｓｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ」と題された、米国特許出願第１６／７８５，０２０号に、Ｓｔｏｗｅｌｌ， ｅｔ ａｌ．によって開示されるような、メタン（ＣＨ４）などの炭素含有気相種から反応チャンバまたは反応炉内でインフライト自己核形成されるものなど、炭素系材料、成長、弱集合体、強集合体、シート、粒子、及び／または同様のものを示す。
示される炭素系ナノ粒子及び集合体は、従来のシステム及び方法で達成可能な、均一性が低く、秩序があまりなく、純度が低い粒子とは対照的に、高度な「均一性」（所望の炭素同素体の質量分率が高いなど）、高度の「秩序」（低濃度の欠陥など）、及び／または高度の「純度」（低濃度の元素不純物など）によって特徴付けられることができる。
本明細書に記載の方法を使用して生成されるナノ粒子は、多層球状フラーレン（ＭＷＳＦ）または結合されたＭＷＳＦを含むことができ、高い均一性（例えば、２０％～８０％のＭＷＳＦに対するグラフェンの比率）、高度の秩序（例えば、０．９５～１．０５のＩＤ／ＩＧ比を有するラマンシグネチャ）、及び高度の純度（例えば、炭素と他の元素（水素以外）との比率は９９．９％超である）を有することができる。本明細書に記載の方法を使用して生成されるナノ粒子は、ＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦを含み、ＭＷＳＦは、炭素以外の不純物元素から構成されるコアを含まない。本明細書に記載の方法を使用して生成される粒子は、大きな直径（１０μｍ超など）を有する上記のナノ粒子を含む集合体であることができる。
従来の方法を使用して、高度の秩序を有する多層球状フラーレンを含む粒子を生成してきたが、さまざまな欠点を有する最終製品につながる可能性がある。例えば、高温合成技法では、多くの炭素同素体の混合物を含む粒子になるため、均一性が低くなる（他の炭素同素体と比較して２０％未満のフラーレンなど）、及び／または粒径が小さくなる（１μｍ未満、または場合によっては１００ｎｍ未満など）。触媒を使用する方法では、触媒元素を含む生成物になるため、純度も比較的低くなる可能性がある（他の元素に対して９５％未満の炭素を指す）。また、これらの望ましくない特性では、結果として生じる炭素粒子の望ましくない電気特性（１，０００Ｓ／ｍ未満の導電率など）になることが多い。
本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体は、構造の高度の秩序及び均一性を示すラマン分光法によって特徴付けられることができる。本明細書に記載の均一な秩序ある、及び／または純粋なカーボンナノ粒子及び集合体は、以下に記載されるように、比較的高速で低コストの改善された熱反応炉及び方法を使用して生成されることができる。
「グラフェン」という用語は、一般に理解される通りにも、本明細書で言及される通りにも、１つの原子が各頂点を形成する二次元の原子スケールの六方格子の形態での炭素同素体を黙示する。グラフェン中の炭素原子は、ＳＰ２－結合される。さらに、グラフェンには、約１５８０ｃｍ－１でのＧモード、約１３５０ｃｍ－１でのＤモード（５３２ｎｍの励起レーザを使用する場合）という２つの主なピークを有するラマンスペクトルがある。
「フラーレン」という用語は、一般に理解される通りにも、本明細書で言及される通りにも、中空球、楕円体、チューブ、または他の形状の形態での炭素の分子を黙示する。球状フラーレンは、バックミンスターフラーレンまたはバッキーボールと称されることもある。円筒形フラーレンは、カーボンナノチューブと称されることもある。フラーレンは、連結した六員環の積層グラフェンシートから構成される、グラファイトに構造が類似している。フラーレンには、五員環（または時には七員環）が含まれている場合もある。
「多層フラーレン」という用語は、一般的に理解される通りにも、本明細書で言及される通りにも、複数の同心円状層を有するフラーレンを黙示する。例えば、多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）には、グラフェンの複数の圧延層（同心円状チューブ）が含まれる。多層球状フラーレン（ＭＷＳＦ）には、フラーレンの複数の同心球が含まれる。
「ナノ粒子」という用語は、一般的に理解される通りにも、本明細書で言及される通りにも、１ｎｍから９８９ｎｍまでの大きさの粒子を黙示する。ナノ粒子は、１つ以上の構造特性（例えば、結晶構造、欠陥濃度など）、及び１種類以上の原子を含むことができる。ナノ粒子は、球形状、楕円体形状、ダンベル形状、円筒形状、細長い円筒型形状、矩形及び／またはプリズム形状、ディスク形状、ワイヤ形状、不規則形状、密な形状（例えば、空隙が少ない）、多孔質形状（例えば、空隙が多い）などを含むが、これらに限定されない、いずれかの形状であることができる。
「集合体」という用語は、一般に理解される通りにも、本明細書に言及される通りにも、ファンデルワールス力によって、共有結合によって、イオン結合によって、金属結合によって、または他の物理的相互作用もしくは化学的相互作用によって、合わせて結合される複数のナノ粒子を黙示する。集合体のサイズはかなり変わることができるが、一般的には約５００ｎｍよりも大きい。
カーボンナノ粒子は、二（２）つ以上の結合された多層球状フラーレン（ＭＷＳＦ）、及び結合されたＭＷＳＦをコーティングするグラフェン層を含むことができ、炭素以外の不純物元素から構成されるコアから独立して形成されることができる。本明細書に記載されるように、カーボンナノ粒子は、二（２）つ以上の結合された多層球状フラーレン（ＭＷＳＦ）、及び結合されたＭＷＳＦをコーティングするグラフェン層を含むことができる。そのような配置では、ＭＷＳＦは、その中心に空隙（約０．５ｎｍよりも大きい、または約１ｎｍより大きい炭素原子がない空間を指す）を含まない。結合されたＭＷＳＦは、ｓｐ２－混成軌道炭素原子の同心円状で秩序だった球体から形成されることができる（本来であれば、本明細書に開示される予期せぬ好ましい特性のいずれか１つ以上を達成できない可能性のある、偶然に秩序のある、不均一なアモルファス炭素粒子の従来の球体とは対照的に好ましい）。
結合されたＭＷＳＦを含むナノ粒子の平均直径は、５～５００ｎｍ、または５～２５０ｎｍ、または５～１００ｎｍ、または５～５０ｎｍ、または１０～５００ｎｍ、または１０～２５０ｎｍ、または１０～１００ｎｍ、または１０～５０ｎｍ、または４０～５００ｎｍ、または４０～２５０ｎｍ、または４０～１００ｎｍ、または５０～５００ｎｍ、または５０～２５０ｎｍ、または５０～１００ｎｍの範囲内にある。
本明細書に記載のカーボンナノ粒子は集合体を形成し、多くのナノ粒子が合わせて集合してより大きな単位を形成する。炭素集合体は、複数のカーボンナノ粒子であることができる。炭素集合体全体の直径は、１０～５００μｍ、または５０～５００μｍ、または１００～５００μｍ、または２５０～５００μｍ、または１０～２５０μｍ、または１０～１００μｍ、または１０～５０μｍの範囲にあってもよい。集合体は、上記で定義されるように、複数のカーボンナノ粒子から形成されることができる。集合体は、均一性の計量が高いもの（例えば、グラフェンとＭＷＳＦの比率が２０％から８０％）、高度の秩序のもの（例えば、ＩＤ／ＩＧの比が０．９５～１．０５であるラマンシグネチャ）、及び純度が高いもの（例えば、９９．９％超の炭素）などの結合されたＭＷＳＦを含むことができる。
カーボンナノ粒子の集合体は、主に上記の範囲内の直径を有するもの、特に１０μｍ超の粒子を指し、一般に、５００ｎｍ未満の粒子、または粒子の集合体よりも収集しやすい。収集の容易さは、カーボンナノ粒子の製造に使用される製造装置のコストを削減し、カーボンナノ粒子の収量を増加させる。サイズが１０μｍを超える粒子では、小さなナノ粒子の吸入による潜在的な健康及び安全上のリスクなど、小さなナノ粒子を取り扱うリスクと比較して、安全上の懸念もまた少なくなる。したがって、健康及び安全上のリスクが低いため、製造コストがさらに削減される。
カーボンナノ粒子は、本明細書に開示されているものを参照して、グラフェンとＭＷＳＦとの比率が１０％～９０％、または１０％～８０％、または１０％～６０％、または１０％～４０％、または１０％～２０％、または２０％～４０％、または２０％～９０％、または４０％～９０％、または６０％～９０％、または８０％～９０％であることができる。炭素集合体のグラフェンとＭＷＳＦとの比率は、１０％～９０％、または１０％～８０％、または１０％～６０％、または１０％～４０％、または１０％～２０％、または２０％～４０％、または２０％～９０％、または４０％～９０％、または６０％～９０％、または８０％～９０％である。カーボンナノ粒子のグラフェンと、結合されたＭＷＳＦとの比率は、１０％～９０％、または１０％～８０％、または１０％～６０％、または１０％～４０％、または１０％～２０％、または２０％～４０％、または２０％～９０％、または４０％～９０％、または６０％～９０％、または８０％～９０％である。炭素集合体のグラフェンと、結合されたＭＷＳＦとの比率は、１０％～９０％、または１０％～８０％、または１０％～６０％、または１０％～４０％、または１０％～２０％、または２０％～４０％、または２０％～９０％、または４０％～９０％、または６０％～９０％、または８０％～９０％である。
ラマン分光法を使用して、炭素同素体を、それらの分子構造体を区別するように特徴付けることができる。例えば、グラフェンは、ラマン分光法を使用して、秩序／無秩序、エッジ及び粒界、厚さ、層の数、ドーピング、ひずみ、及び熱伝導率などの情報を決定するように特徴付けられることができる。また、ＭＷＳＦは、ラマン分光法を使用してＭＷＳＦの秩序の程度を決定するように特徴付けられている。
ラマン分光法を使用して、本明細書で論じられるように、タイヤのさまざまなタイヤ関連プライ内に組み込まれたものを参照して使用されるＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦの構造体を特徴付ける。ラマンスペクトルにおける主なピークは、Ｇモード及びＤモードである。Ｇモードはｓｐ２－混成軌道炭素回路網中の炭素原子の振動に起因し、Ｄモードは欠陥のある炭素六員環のブリージングに関連する。状況によっては、欠陥が存在する場合があるが、ラマンスペクトルでは検出できないことがある。例えば、提示された結晶構造が基底面に対して直交している場合、Ｄピークは増加を示す。あるいは、基底面に対して平行な完全に平面の表面が提示された場合、Ｄピークはゼロになる。
５３２ｎｍの入射光を使用する場合、ラマンＧモードは通常、平面グラファイトでは１５８２ｃｍ－１であるが、ＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦではシフトダウンされることができる（例えば、１５６５ｃｍ－１まで下がる、または１５８０ｃｍ－１まで下がる）。Ｄモードは、ＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦのラマンスペクトルでは約１３５０ｃｍ－１で観測される。Ｇモードピークに対するＤモードピークの強度の比率（例えば、ＩＤ／ＩＧ）は、ＭＷＳＦの秩序の程度に関連し、ＩＤ／ＩＧが低い場合、秩序の程度が高いことを示す。ＩＤ／ＩＧ付近または１未満の場合、秩序の程度が比較的高いことを示し、ＩＤ／ＩＧが１．１より大きい場合、秩序の程度が低いことを示す。
本明細書に記載されるように、ＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦを含むカーボンナノ粒子または炭素集合体は、５３２ｎｍの入射光を使用した場合、第一ラマンピークが約１３５０ｃｍ－１にあり、第二ラマンピークが約１５８０ｃｍ－１にある、ラマンスペクトルを有する、及び／または示すことができる。本明細書に記載のナノ粒子または集合体についての第一ラマンピークの強度と第二ラマンピークの強度との比（例えば、ＩＤ／ＩＧ）は、０．９５～１．０５、または０．９～１．１、または０．８～１．２、または０．９～１．２、または０．８～１．１、または０．５～１．５、または１．５未満、または１．２未満、または１．１未満、または１未満、または０．９５未満、または０．９未満、または０．８未満の範囲内にあることができる。
上記に定義されるように、ＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦを含む炭素集合体は高純度を有する。ＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦを含む炭素集合体では、金属に対する炭素の比率が９９．９９％超、または９９．９５％超、または９９．９％超、または９９．８％超、または９９．５％超、または９９％超である。炭素集合体では、炭素と他の元素との比率が９９．９９％超、または９９．９５％超、または９９．９％超、または９９．５％超、または９９％超、または９０％超、または８０％超、または７０％超、または６０％超である。炭素集合体では、炭素と他の元素（水素を除く）との比率が９９．９９％超、または９９．９５％超、または９９．９％超、または９９．８％超、または９９．５％超、または９９％超、または９０％超、または８０％超、または７０％超、または６０％超である。
上記に定義されるように、ＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦを含む炭素集合体は高い比表面積を有する。炭素集合体では、ブルナウアー、エメット及びテラー（ＢＥＴ）の比表面積が１０～２００ｍ２／ｇ、または１０～１００ｍ２／ｇ、または１０～５０ｍ２／ｇ、または５０～２００ｍ２／ｇ、または５０～１００ｍ２／ｇ、または１０～１０００ｍ２／ｇである。
上記に定義されるように、ＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦを含む炭素集合体は高い導電率を有する。上記で定義されるように、ＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦを含む炭素集合体を圧縮してペレットにし、ペレットの導電率は、５００Ｓ／ｍ超、または１，０００Ｓ／ｍ超、または２，０００Ｓ／ｍ超、または３，０００Ｓ／ｍ超、または４，０００Ｓ／ｍ超、または５，０００Ｓ／ｍ超、または１０，０００Ｓ／ｍ超、または２０，０００Ｓ／ｍ超、または３０，０００Ｓ／ｍ超、または４０，０００Ｓ／ｍ超、または５０，０００Ｓ／ｍ超、または６０，０００Ｓ／ｍ超、または７０，０００Ｓ／ｍ超、または５００Ｓ／ｍ～１００，０００Ｓ／ｍ、または５００Ｓ／ｍ～１，０００Ｓ／ｍ、または５００Ｓ／ｍ～１０，０００Ｓ／ｍ、または５００Ｓ／ｍ～２０，０００Ｓ／ｍ、または５００Ｓ／ｍ～１００，０００Ｓ／ｍ、または１０００Ｓ／ｍ～１０，０００Ｓ／ｍ、または１，０００Ｓ／ｍ～２０，０００Ｓ／ｍ、または１０，０００Ｓ／ｍ～１００，０００Ｓ／ｍ、または１０，０００Ｓ／ｍ～８０，０００Ｓ／ｍ、または５００Ｓ／ｍ～１０，０００Ｓ／ｍである。場合によっては、ペレットの密度は、約１ｇ／ｃｍ３、または約１．２ｇ／ｃｍ３、または約１．５ｇ／ｃｍ３、または約２ｇ／ｃｍ３、または約２．２ｇ／ｃｍ３、または約２．５ｇ／ｃｍ３、または約３ｇ／ｃｍ３である。さらに、試験が実施され、この試験では、炭素集合体の材料の圧縮ペレットは、２，０００ｐｓｉ及び１２，０００ｐｓｉの圧縮で、８００℃及び１，０００℃のアニーリング温度で形成された。圧縮が高いほど、及び／またはアニーリング温度が高いほど、一般に、１２，４１０．０Ｓ／ｍ～１３，１７３．３Ｓ／ｍの範囲内を含む、導電率が高いペレットになる。
熱処理システムを使用して生成された高純度炭素同素体
本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体は、熱反応炉及び方法を使用して生成されることができる。使用する熱反応炉及び／または方法に関するさらなる詳細は、「ＣＲＡＣＫＩＮＧ ＯＦ Ａ ＰＲＯＣＥＳＳ ＧＡＳ」と題された、２０１８年１月９日に発行された米国特許第９，８６２，６０２号に見いだされることができ、これは、参照によりその全体が本明細書で援用されている。さらに、炭素含有及び／または炭化水素の前駆体（少なくともメタン、エタン、プロパン、ブタン、及び天然ガスを指す）に熱反応炉を使用して、本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び炭素集合体を生成することができる。
本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体は、気体流量が１ｓｌｍ～１０ｓｌｍ、または０．１ｓｌｍ～２０ｓｌｍ、または１ｓｌｍ～５ｓｌｍ、または５ｓｌｍ～１０ｓｌｍ、または１ｓｌｍ超、または５ｓｌｍ超である、熱反応炉を使用して生成される。本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体は、気体の共振時間が０．１秒（ｓ）～３０ｓ、または０．１ｓ～１０ｓ、または１ｓ～１０ｓ、または１ｓ～５ｓ、または５ｓ～１０ｓ、または０．１秒超、または１ｓ超、または５ｓ超、または３０ｓ未満である、熱反応炉を使用して生成される。
本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体は、生成速度が１０ｇ／ｈｒ～２００ｇ／ｈｒ、または３０ｇ／ｈｒ～２００ｇ／ｈｒ、または３０ｇ／ｈｒ～１００ｇ／ｈｒ、または３０ｇ／ｈｒ～６０ｇ／ｈｒ、または１０ｇ／ｈｒ～１００ｇ／ｈｒ、または１０ｇ／ｈｒ超、または３０ｇ／ｈｒ超、または１００ｇ／ｈｒ超である、熱反応炉を使用して生成されることができる。
熱反応炉（または他のクラッキング装置）及び熱反応炉方法（または他のクラッキング方法）を使用して、原料のプロセスガスをその構成物に精製し、熱分解し、解離させ、または分解し、本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び炭素集合体、ならびに他の固体及び／または気体生成物（水素ガス及び／または秩序の低い炭化水素ガスなど）を生成することができる。原料のプロセスガスは、一般的には、例えば、水素ガス（Ｈ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、Ｃ１～Ｃ１０の炭化水素、芳香族炭化水素、及び／または天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、飽和／不飽和炭化水素ガス、エテン、プロペンなどの他の炭化水素ガス、及びそれらの混合物を含む。カーボンナノ粒子及び炭素集合体は、例えば、多層球状フラーレン（ＭＷＳＦ）、結合されたＭＷＳＦ、カーボンナノスフェア、グラフェン、グラファイト、高度に秩序化された熱分解グラファイト、単層ナノチューブ、多層ナノチューブ、他の固体炭素生成物、及び／または本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び炭素集合体を含むことができる。
本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び炭素集合体を生成する方法は、熱分解方法を含むことができ、これらの熱分解方法は、例えば、熱分解装置の細長いケーシング、ハウジングまたは本体内に任意選択で封入される細長い長手方向の発熱体を使用する。本体は、例えば、ステンレス鋼、チタン、グラファイト、石英などで作られる１つ以上のチューブまたは他の適切な筐体を含むことができる。熱分解装置の本体は一般に円筒形であり、中央の細長い長手方向の軸は垂直方向に配置され、原料のプロセスガスの注入口は本体の頂面に、またはその近くにある。原料のプロセスガスは、本体またはその一部を通って長手方向に流下することができる。垂直方向の構成では、ガス流量及び重力の両方は、熱分解装置の本体からの固体生成物の除去を支援する。
発熱体は、加熱ランプ、１つ以上の抵抗ワイヤまたはフィラメント（またはツイストワイヤ）、金属フィラメント、金属ストリップまたはロッド、及び／または他の適切な熱ラジカル発生剤または要素のうちのいずれか１つ以上を含むことができ、これらは、原料のプロセスガスの分子を熱分解するのに十分に特異的な温度（例えば、分子分解温度）まで加熱することができる。発熱体は、熱分解装置の本体内で、その中心長手方向軸に沿って中心に延びるように配置される、位置している、または配列されることができる。発熱体が１つしかない構成では、その発熱体は、中心長手方向軸に配置されて、またはその中心長手方向軸と同心に配置されて含まれることができる。あるいは、複数の発熱体を有する構成の場合、それらの発熱体は、中心長手方向軸の近くで、かつ周囲で、かつ平行な位置に概して対称に、または同心に間隔を置いて、またはオフセットして含まれることができる。
本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体を生成するための熱分解は、発熱体からの熱によって生成され、熱分解装置の本体によって画定され、その本体内部に含まれる、長手方向に細長い反応ゾーン内の発熱体の上に、またはそれと接触して、またはその近くの内に原料のプロセスガスを流し、原料のプロセスガスを特異的な分子分解温度まで、またはこの特異的な分子分解温度で加熱することによって達成されることができる。
反応ゾーンは、原料のプロセスガスがその分子を熱分解するのに十分な熱を受け取るために、発熱体を囲み、この発熱体に十分に近い領域であるとみなされることができる。したがって、反応ゾーンは、概して、本体の中心長手方向軸と軸方向にアライメントされる、または同心である。熱分解は特異的な圧力下で行われる。原料のプロセスガスを反応ゾーンまたは加熱チャンバの容器の外面の周囲またはそれを横切って循環させ、容器またはチャンバを冷却し、原料のプロセスガスを予熱してから、原料のプロセスガスを反応ゾーンに流入させる。
本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体、及び／または水素ガスは、触媒を使用せずに生成される。したがって、このプロセスは完全に触媒を含まないことができる。
開示された方法及びシステムは、独立型の水素及び／またはカーボンナノ粒子生産ステーション、炭化水素源、または燃料電池ステーションを提供し、精製所及び／または同様のものなどに大容量システムを提供するために拡張可能であるなど、必要に応じて、異なる生産レベルに対して迅速にスケールアップする、またはスケールダウンすることが有利に可能である。
原料のプロセスガスを分解して本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体を生産する熱分解装置は、本体、原料のプロセスガス注入口、及び細長い発熱体を含む。本体には長手方向軸に関して内容積がある。この内容積には、長手方向軸と同心の反応ゾーンがある。原料のプロセスガスは、熱分解操作中に原料のプロセスガス注入口を通って内容積に流入することができる。細長い発熱体は、長手方向軸に沿って内容積内に配置されることができ、反応ゾーンに囲まれている。熱分解操作中、細長い発熱体は、電力によって分子分解温度まで加熱されて反応ゾーンを生じ、原料のプロセスガスは、細長い発熱体からの熱によって加熱され、この熱は、反応ゾーン内の分子の構成物中にある原料のプロセスガスの分子を熱分解する。
本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体を生産するために原料のプロセスガスを分解する方法は、次の、（１）長手方向軸を有する内容積、及びこの長手方向軸に沿って内容積内に配置される細長い発熱体を有する熱分解装置を提供することと、（２）細長い発熱体を電力によって分子分解温度まで加熱して、内容積内に長手方向に細長い反応ゾーンを生じることと、（３）原料のプロセスガスを内容積内に、そして長手方向に細長い反応ゾーンを通して流入させる（例えば、原料のプロセスガスは細長い発熱体からの熱によって加熱される）ことと、（４）原料のプロセスガスが長手方向に細長い反応ゾーンを通って流れると、長手方向の細長い反応ゾーン内の原料のプロセスガスの分子をその構成物（例えば、水素ガス及び１つ以上の固体生成物）に熱分解することと、のうちの少なくともいずれか１つ以上を含むことができる。
本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体を生成するために使用される原料のプロセスガスは、炭化水素ガスを含むことができる。クラッキングの結果、気相形態の水素（Ｈ２など）、ならびに本明細書に記載のさまざまな形態のカーボンナノ粒子及び集合体をさらに含むことができる。カーボンナノ粒子及び集合体は、２つ以上のＭＷＳＦ及びＭＷＳＦをコーティングするグラフェン層、及び／または結合されたＭＷＳＦ及び結合されたＭＷＳＦをコーティングするグラフェン層を含む。原料のプロセスガスは、加熱チャンバと熱分解装置のシェルとの間のガス予熱領域を通して原料のプロセスガスを流してから、原料のプロセスガスを内容積に流入させることによって予熱される（例えば、１００℃から５００℃まで）。そこでナノ粒子を含むガスが内容積に流入し、長手方向に細長い反応ゾーンを通って原料のプロセスガスと混合されることで、ナノ粒子の周りに固体生成物（グラフェン層など）のコーティングを形成する。
高純度構造化炭素の後処理
本明細書に記載の多層球状フラーレン（ＭＷＳＦ）または結合されたＭＷＳＦを含むカーボンナノ粒子及び集合体は、いかなる後処理または操作の完了も必要とせずに生成され、収集されることができる。あるいは、いくつかの後処理は、本開示のＭＷＳＦのうちの１つ以上に実施されることができる。共振材料の作製及び使用に関連する後処理のいくつかの例は、ボールミル粉砕、細砕、アトリッションミル粉砕、マイクロ流動化、及びＭＷＳＦに損傷を与えることなく粒径を縮小させる他の技法などの機械的処理を含む。後処理のいくつかのさらなる例は、剥離プロセス（グラファイトからのグラフェン層の作製または抽出などの炭素含有材料の層の完全な分離を指す）を含み、これらの剥離プロセスは、剪断混合、化学エッチング、酸化（Ｈｕｍｍｅｒ法など）、熱アニーリング、アニーリング中に元素（硫黄及び／または窒素など）を追加することによるドーピング、蒸気処理、ろ過、及び凍結乾燥などを含む。後処理のいくつかの例は、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）、直流焼結、マイクロ波焼結、及び紫外線（ＵＶ）焼結などの焼結プロセスを含み、これらは、不活性ガス中に高圧及び高温で行われることができる。複数の後処理方法を合わせて使用することも、連続して使用することもできる。後処理により、多層球状フラーレン（ＭＷＳＦ）または結合されたＭＷＳＦを含む、官能基を持つカーボンナノ粒子または集合体が生成される。
材料は、さまざまな組み合わせ、量、及び／または比率で合わせて混合されることができる。本明細書に記載のＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦを含む異なるカーボンナノ粒子及び集合体は、もしあれば、１つ以上の後処理操作の前に合わせて混合されることができる。例えば、異なる特性（例えば、異なる処理とは、異なるサイズ、異なる組成物、異なる純度の実行など）を有するＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦを含む異なるカーボンナノ粒子及び集合体を合わせて混合することができる。本明細書に記載のＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦを含むカーボンナノ粒子及び集合体をグラフェンと混合して、混合物中の結合されたＭＷＳＦとグラフェンとの比率を変えることができる。本明細書に記載のＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦを含む異なるカーボンナノ粒子及び集合体は、後処理後に合わせて混合されることができる。ＭＷＳＦまたは結合されたＭＷＳＦを含む異なるカーボンナノ粒子及び集合体を、異なる特性及び／または異なる後処理方法（異なるサイズ、異なる組成物、異なる機能性、異なる表面特性、異なる表面積など）を用いて、任意の量、比率及び／または組み合わせで混合することができる。
本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体を生成して収集した後、機械的な細砕、粉砕、及び／または剥離によって処理する。処理（機械的な細砕、粉砕、剥離などによる）により、平均粒径が小さくなることができる。処理（機械的な細砕、粉砕、剥離などによる）により、粒子の平均表面積が増加する。機械的な細砕、粉砕及び／または剥離による処理により、炭素層の一部が剪断され、カーボンナノ粒子と混合されるグラファイトのシートが生産される。
機械的な細砕または粉砕は、ボールミル、遊星ミル、ロッドミル、剪断撹拌機、高剪断造粒機、自生粉砕ミル、または細砕、粗砕または切断によって固体材料をより小さな断片に壊すために使用される他のタイプの機械加工を使用して行われる。機械的な細砕、粉砕及び／または剥離は、湿潤状態または乾燥状態で行われる。機械的な細砕は、ある期間細砕してから、ある期間アイドリングし、細砕とアイドリングを数サイクル繰り返すことによって行われる。細砕期間は、１分（ｍｉｎ）～２０ｍｉｎ、または１ｍｉｎ～１０ｍｉｎ、または３ｍｉｎ～８ｍｉｎ、または約３ｍｉｎ、または約８ｍｉｎである。アイドリング期間は、１ｍｉｎ～１０ｍｉｎ、または約５ｍｉｎ、または約６ｍｉｎである。細砕及びアイドリングのサイクル数は、１ｍｉｎ～１００ｍｉｎ、または５ｍｉｎ～１００ｍｉｎ、または１０ｍｉｎ～１００ｍｉｎ、または５ｍｉｎ～１０ｍｉｎ、または５ｍｉｎ～２０ｍｉｎである。細砕及びアイドリングの合計時間は、１０ｍｉｎ～１，２００ｍｉｎ、または１０ｍｉｎ～６００ｍｉｎ、または１０ｍｉｎ～２４０ｍｉｎ、または１０ｍｉｎ～１２０ｍｉｎ、または１００ｍｉｎ～９０ｍｉｎ、または１０ｍｉｎ～６０ｍｉｎ、または約９０ｍｉｎである。
サイクル中の細砕ステップは、最初のサイクル（時計回りなど）でミルを一方向に回転させ、その次のサイクルで反対方向（反時計回りなど）にミルを回転させることによって行われる。機械的な細砕または粉砕は、ボールミルを使用して行われ、細砕ステップは、１００～１０００ｒｐｍ、または１００～５００ｒｐｍ、または約４００ｒｐｍの回転速度を使用して行われる。機械的な細砕または粉砕は、直径が０．１ｍｍ～２０ｍｍ、または０．１ｍｍ～１０ｍｍ、または１ｍｍ～１０ｍｍ、または約０．１ｍｍ、または約１ｍｍ、または約１０ｍｍである粉砕媒体を用いる、ボールミルを使用して行われる。機械的な細砕または粉砕は、鋼などの金属、酸化ジルコニウムなどの酸化物（ジルコニア）、イットリア安定化酸化ジルコニウム、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、または炭化ケイ素もしくは炭化タングステンなどの他の硬質材料から構成される粉砕媒体を用いる、ボールミルを使用して行われる。
本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体は、生成されて収集された後、熱アニーリングまたは焼結などの昇温を使用して処理される。昇温を使用した処理は、窒素またはアルゴンなどの不活性環境中で行われる。昇温を使用した処理は、大気圧で、真空下で、または低圧で行われる。昇温を使用した処理は、５００℃～２，５００℃、または５００℃～１，５００℃、または８００℃～１，５００℃、または８００℃～１，２００℃、または８００℃～１，０００℃、または２，０００℃～２，４００℃、または約８，００℃、または約１，０００℃、または約１，５００℃、または約２，０００℃、または約２，４００℃の温度で行われる。
本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体を生成して収集した後、後処理操作中に、追加の元素または化合物をカーボンナノ粒子に追加することによって、固有の特性のカーボンナノ粒子及び集合体を他の材料混合物に取り込む。
後処理の前か後かいずれかに、本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体を、他の元素または化合物の固体、液体またはスラリーに加え、固有の特性のカーボンナノ粒子及び集合体を取り込むさらなる材料混合物を形成する。本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体は、他の固体粒子、ポリマーまたは他の材料と混合される。
後処理の前か後かいずれかに、本明細書に記載のカーボンナノ粒子及び集合体は、共振材料の作製及び使用に関連する用途を越えて、さまざまな用途に使用される。それらのような用途は、輸送用途（自動車及びトラックのタイヤ、カップリング、マウント、エラストマー「ｏ」リング、ホース、シーラント、グロメットなど）及び産業用途（ゴム用添加剤、高分子材料用機能化添加剤、エポキシ用添加剤など）を含むが、これらに限定されない。
図２２Ａ及び２２Ｂは、合成時のカーボンナノ粒子の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。図２２Ａ（第一倍率で）及び図２２Ｂ（第二倍率で）のカーボンナノ粒子は、グラフェン層を備えた結合された多層球状フラーレン（ＭＷＳＦ）を含み、グラフェン層は、結合されたＭＷＳＦをコーティングしている。この例では、グラフェン同素体に対するＭＷＳＦの比率は、共振時間が比較的短いため、約８０％である。図２２ＢのＭＷＳＦは、直径が約５ｎｍ～１０ｎｍであり、この直径は、上記の条件を使用して５ｎｍ～５００ｎｍであることができる。ＭＷＳＦ全体の平均直径は、５ｎｍ～５００ｎｍ、または５ｎｍ～２５０ｎｍ、または５ｎｍ～１００ｎｍ、または５ｎｍ～５０ｎｍ、または１０ｎｍ～５００ｎｍ、または１０ｎｍ～２５０ｎｍ、または１０ｎｍ～１００ｎｍ、または１０ｎｍ～５０ｎｍ、または４０ｎｍ～５００ｎｍ、または４０ｎｍ～２５０ｎｍ、または４０ｎｍ～１００ｎｍ、または５０ｎｍ～５００ｎｍ、または５０ｎｍ～２５０ｎｍ、または５０ｎｍ～１００ｎｍの範囲内にある。このプロセスでは触媒を使用しなかったため、混入物を含む中心のシードがない。この例では、生成された集合体の粒子は、約１０μｍ～１００μｍ、または約１０μｍ～５００μｍの粒径を有していた。
図２２Ｃは、５３２ｎｍの入射光で取られたこの例の合成時の集合体のラマンスペクトルを示す。この例で生成された集合体のＩＤ／ＩＧは、約０．９９～１．０３であり、集合体が秩序の程度の高い炭素同素体から構成されたことを示す。
図２２Ｄ及び図２２Ｅは、ボールミルでの細砕によるサイズ縮小後のカーボンナノ粒子の例示的なＴＥＭ画像を示す。ボールミル粉砕は、反時計回りに３分（ｍｉｎ）間の細砕操作、続いて６分間のアイドリング操作、続いて時計回りに３分間の細砕操作、続いて６分間のアイドリング操作のサイクルで実施された。細砕操作は、４００ｒｐｍの回転数を使用して実施された。粉砕媒体はジルコニアであり、サイズが０．１ｍｍ～１０ｍｍの範囲内であった。全体のサイズ縮小処理時間は６０分～１２０分であった。サイズ縮小後、この例で生成された集合体の粒子の粒径は約１μｍ～５μｍであった。サイズ縮小後のカーボンナノ粒子は、グラフェン層を備えた結合されたＭＷＳＦであり、グラフェン層は、結合されたＭＷＳＦをコーティングしている。
図２２Ｆは、５３２ｎｍの入射光で取られたサイズ縮小後のこれらの集合体からのラマンスペクトルを示す。サイズ縮小後のこの例では、集合体の粒子についてのＩＤ／ＩＧは約１．０４である。また、サイズ縮小後の粒子は、約４０ｍ２／ｇ～５０ｍ２／ｇのブルナウアー、エメット及びテラー（ＢＥＴ）の比表面積を有した。
このサンプルで生成された集合体の純度は、質量分析及び蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分光法を使用して測定された。異なる１６バッチで測定された、炭素と、水素を除く他の元素との比率は９９．８６％～９９．９８％であり、平均９９．９４％の炭素であった。
この例では、カーボンナノ粒子はサーマルホットワイヤ処理システムを使用して生成された。前駆体材料はメタンであり、１ｓｌｍ～５ｓｌｍに流れた。これらの流量及びツールの形状により、反応チャンバ内のガスの共振時間は約２０秒～３０秒であり、炭素粒子の生成速度は約２０ｇ／ｈｒであった。
そのような処理システムに関するさらなる詳細は、「ＣＲＡＣＫＩＮＧ ＯＦ Ａ ＰＲＯＣＥＳＳ ＧＡＳ」と題された、前述の米国特許第９，８６２，６０２号に見いだされることができる。
実施例１
図２２Ｇ（図１５として拡大して示される）、図２２Ｈ（図１６として拡大して示される）及び図２２Ｉ（図１７として拡大して示される）は、本実施例の合成時のカーボンナノ粒子のＴＥＭ画像を示す。カーボンナノ粒子は、グラフェン層を備えた結合された多層球状フラーレン（ＭＷＳＦ）を含み、グラフェン層は、結合されたＭＷＳＦをコーティングしている。本実施例での多層フラーレンとグラフェン同素体との比率は、共振時間が比較的長いことが原因で約３０％であり、ＭＷＳＦをコーティングするグラフェン層が厚くなる、またはこれらの層が多くなることができる。このプロセスでは触媒を使用しなかったため、混入物を含む中心のシードがない。この例では、生成された合成時の集合体の粒子は、約１０μｍ～５００μｍの粒径を有した。図２２Ｊは、本実施例の集合体からのラマンスペクトルを示す。本実施例での合成時の粒子のラマンシグネチャは、合成時の材料中でＭＷＳＦをコーティングするグラフェン層が厚いことを示す。さらに、合成時の粒子は、約９０ｍ２／ｇ～１００ｍ２／ｇのブルナウアー、エメット及びテラー（ＢＥＴ）の比表面積を有した。
実施例２
図２２Ｋ及び図２２Ｌは、本実施例のカーボンナノ粒子のＴＥＭ画像を示す。具体的には、これらの画像は、ボールミルで細砕することによるサイズ縮小実行後のカーボンナノ粒子を示す。サイズ縮小プロセスの条件は、前述の図２２Ｇから図２２Ｊに関連するものとして記載されたものと同じであった。サイズ縮小後、本実施例では、生成された集合体の粒子の粒径は約１μｍ～５μｍであった。ＴＥＭ画像は、グラフェンコーティング中に埋没した、結合されたＭＷＳＦがサイズ縮小後に観測されることができることを示す。図２２Ｍは、５３２ｎｍの入射光で取られたサイズ縮小後の本実施例の集合体からのラマンスペクトルを示す。サイズ縮小後の本実施例では、集合体の粒子についてのＩＤ／ＩＧは、約１であり、合成時にグラフェンコーティング中に埋没した、結合されたＭＷＳＦがサイズ縮小後にラマンで検知可能になり、秩序だったことを示す。サイズ縮小後の粒子は、約９０ｍ２／ｇ～１００ｍ２／ｇのブルナウアー、エメット及びテラー（ＢＥＴ）の比表面積を有した。
実施例３
図２２ｎは、第一倍率でのグラファイト及びグラフェン同素体を示す炭素集合体の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。図２２ｏは、第二倍率でのグラファイト及びグラフェン同素体を示す炭素集合体のＳＥＭ画像である。層状グラフェンは、炭素の歪曲（しわ）の中に明瞭に示されている。炭素同素体の３Ｄ構造も可視である。
図２２Ｎ及び図２２Ｏの炭素粒子の粒度分布は図２２Ｐに示される。質量に基づいた累積粒度分布４０６は、グラフの左側のｙ軸（Ｑ３（ｘ）［％］）に対応する。質量粒度分布４０８のヒストグラムは、グラフの右側の軸（ｄＱ３（ｘ）［％］）に対応する。粒径の中央値は約３３μｍである。１０パーセンタイルの粒径は約９μｍであり、９０パーセンタイルの粒径は約１０３μｍである。粒子の質量密度は約１０ｇ／Ｌである。
実施例４
多段反応炉から捕捉された炭素粒子の粒度分布は図２２Ｑに示される。質量に基づいた累積粒度分布４１４は、グラフの左側のｙ軸（Ｑ３（ｘ）［％］）に対応する。質量粒度分布４１６のヒストグラムは、グラフの右側の軸（ｄＱ３（ｘ）［％］）に対応する。捕捉された粒径の中央値は約１１μｍである。１０パーセンタイルの粒径は約３．５μｍであり、９０パーセンタイルの粒径は約２１μｍである。また、図２２Ｑのグラフは、グラフの左側のｙ軸（Ｑ０（ｘ）［％］）に対応する、数に基づいた累積粒度分布４１８を示す。数に基づいた粒径の中央値は、約０．１μｍ～約０．２μｍである。収集された粒子の質量密度は約２２ｇ／Ｌである。
図２２Ｐの議論に戻り、グラフは、第二セットの実施例の結果も示す。具体的には、本実施例では、粒子を機械的な細砕によってサイズ縮小してから、サイクロンセパレータを使用してサイズ縮小した粒子を処理した。本実施例では捕捉された、サイズ縮小した炭素粒子の質量に基づいた累積粒度分布４１０は、グラフの左側のｙ軸（Ｑ３（ｘ）［％］）に対応する。質量に基づいた粒度分布４１２のヒストグラムは、グラフの右側の軸（ｄＱ３（ｘ）［％］）に対応する。本実施例では捕捉された、サイズ縮小した炭素粒子の粒径の中央値は約６μｍである。１０パーセンタイルの粒径は１μｍ～２μｍであり、９０パーセンタイルの粒径は１０μｍ～２０μｍである。
サイクロンセパレータの製造及び使用に関するさらなる詳細は、２０１７年１０月５日に出願された「ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＲＥＡＣＴＯＲ ＳＹＳＴＥＭ ＷＩＴＨ ＧＡＳ－ＳＯＬＩＤＳ ＳＥＰＡＲＡＴＩＯＮ」と題された、米国特許出願第１５／７２５，９２８号に見いだされることができ、これは参照によりその全体が本明細書に援用されている。
マイクロ波反応炉系を使用して生成された高純度炭素同素体
場合によっては、グラファイト、グラフェン、及び無定形炭素を含む炭素の粒子及び集合体は、前駆体材料を用いるマイクロ波プラズマ反応炉系を使用して生成されることができ、この前駆体材料は、メタンを含む、またはイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を含む、またはエタノールを含む、または縮合炭化水素（ヘキサンなど）を含む。他のいくつかの実施例では、炭素含有前駆体は、任意選択で供給ガス（アルゴンなど）と混合される。本実施例で生成された粒子には、グラファイト、グラフェン、無定形炭素が含まれ、シード粒子が含まれない。本実施例の粒子では、炭素と他の元素（水素以外）との比率が約９９．５％以上であった。
ある特定の実施例では、炭化水素は、マイクロ波プラズマ反応炉の入力材料であり、反応炉の分離された出力は、水素ガスと、グラファイト、グラフェン及び無定形炭素を含む炭素粒子とを含んだ。炭素粒子は、多段気相固相分離システム中の水素ガスから分離された。反応炉からの分離された出力の固体負荷は０．００１ｇ／Ｌ～２．５ｇ／Ｌであった。
実施例５
図２２Ｒ、図２２Ｓ、及び図２２Ｔは、合成時のカーボンナノ粒子のＴＥＭ画像である。これらの画像は、グラファイト、グラフェン、及び無定形炭素の同素体の実施例を示す。グラフェン及び他の炭素材料の層は画像にはっきりと見られることができる。
捕捉された炭素粒子の粒度分布は図２２Ｕに示される。質量に基づいた累積粒度分布４２０は、グラフの左側のｙ軸（Ｑ３（ｘ）［％］）に対応する。質量粒度分布４２２のヒストグラムは、グラフの右側の軸（ｄＱ３（ｘ）［％］）に対応する。本実施例でサイクロンセパレータに捕捉された粒径の中央値は約１４μｍであった。１０パーセンタイルの粒径は約５μｍであり、９０パーセンタイルの粒径は約２８μｍであった。また、図２２Ｕのグラフは、グラフの左側のｙ軸（Ｑ０（ｘ）［％］）に対応する、数に基づいた累積粒度分布４２４を示す。本実施例では、数に基づいた粒径の中央値は、約０．１μｍ～約０．２μｍであった。
実施例６
図２２Ｖ、図２２Ｗ、及び図２２Ｘは、他の三次元構造体上に成長する三次元炭素含有構造体を示す画像である。図２２Ｖは、１００Ｘの倍率の炭素繊維上に成長した三次元炭素構造体であるが、図２２Ｗは、２００Ｘの倍率の炭素繊維上に成長した三次元炭素構造体である。図２２Ｘは、１６０１Ｘの倍率の炭素繊維上に成長した三次元炭素構造体である。繊維表面上に成長した三次元炭素が示される。図２２Ｙは、１００００Ｘの倍率の炭素繊維上に成長した三次元炭素構造体である。この画像は、基底面上だけでなく、エッジ面上への成長も示す。
より具体的には、図２２Ｖ～２２Ｙは、マイクロ波プラズマ反応炉からのプラズマエネルギーだけでなく熱反応炉からの熱エネルギーも使用して繊維上に成長した３Ｄ炭素材料の例示的なＳＥＭ画像を示す。図２２Ｖは、繊維４３１及び繊維４３２が交差し、これらの繊維の表面上に３Ｄ炭素材料４３０が成長したＳＥＭ画像を示す。図２２Ｗは、繊維４３２上の３Ｄ炭素材料４３０を示す高倍率画像（スケールバーは図２２Ｖの５００μｍと比較して３００μｍである）である。図２２Ｘは、繊維表面４３５上の３Ｄ炭素材料４３０を示すさらに拡大された図（スケールバーは４０μｍである）であり、炭素材料４３０の３Ｄ性質は、はっきりと見られることができる。図２２Ｙは、炭素のみのクローズアップ図（スケールバーは５００ｎｍである）を示し、繊維の基底面４３２と、この繊維の上に成長した３Ｄ炭素材料の多数のサブ粒子のエッジ面４３４との間の相互接続を示す。図２２Ｖ～２２Ｙは、３Ｄ炭素繊維上に成長した３Ｄ炭素成長など、３Ｄ繊維構造体上で３Ｄ炭素を成長させる能力を示す。
繊維上の３Ｄ炭素の成長は、複数の繊維をマイクロ波プラズマ反応炉に導入し、マイクロ波反応炉内にプラズマを使用して繊維をエッチングすることによって達成されることができる。エッチングにより、核形成部位が作製されるため、反応炉内での炭化水素の解離によって炭素粒子及びサブ粒子が作製されると、それらの核形成部位で３Ｄ炭素構造体の成長が開始される。これらの繊維上での３Ｄ炭素構造体の直接成長は、それら自体が本質的に三次元であるため、樹脂が浸透することができる細孔を含む高度に統合された３Ｄ構造体を提供する。表面が滑らかな従来の繊維を含む複合材料では、これらの滑らかな表面で樹脂マトリックスから典型的に層が剥離されるため、これらの従来の繊維を含む複合材料と比較して、樹脂複合材料用のこの３Ｄ強化マトリックス（高アスペクト比の強化繊維と統合された３Ｄ炭素構造体を含む）では、結果として引張強さ及び剪断などの材料特性が向上する。
露出した炭素表面の官能基化
本明細書に記載の３Ｄ炭素材料のいずれか１つ以上などの炭素材料は、接着を促進する、及び／または酸素、窒素、炭素、シリコンなどの元素、または硬化剤を追加するような、官能基化のために調製された１つ以上の露出面を有することができる。官能基化は、化学合成による化合物への官能基の追加を指す。材料科学では、官能基化を用いて所望の表面特性を達成することができ、例えば、官能基を用いて、機能性分子を化学デバイスの表面に共有結合させることもできる。炭素材料は、原位置で、すなわち、炭素材料が生成されるのと同じ反応炉内の現場で官能基化されることができる。炭素材料は後処理中に官能基化されることができる。例えば、フラーレンまたはグラフェンの表面は、樹脂マトリックスのポリマーとの結合を形成する酸素または窒素含有種で官能基化されることで、接着が改善されて強い結合が提供され、複合材料の強度を高めることができる。
官能基化表面処理は、本明細書に記載のプラズマ反応炉（マイクロ波プラズマ反応炉など）を利用して、本開示の炭素系材料（例えば、複数のＣＮＴ、１つのＣＮＯ、グラフェン、３Ｄグラフェンなどの３Ｄ炭素材料）のいずれか１つ以上に対して実施されることができる。それらのような処理は、複合材料内の結合剤もしくはポリマーと組み合わされることができる炭素材料の作製中の原位置表面処理、または炭素材料がまだ反応炉内にある間の炭素材料の作製後の表面処理を含むことができる。
上記実施形態のいくつかは、タイヤの１つまたは複数のプライの中に埋め込まれた炭素含有材料から形成された複数の三次元（３Ｄ）集合体を含んだ共振器を含む。しかしながら、いくつかの実施形態は、タイヤの内面上（例えば、タイヤのインナーライナー上）にプリントされているかあるいは配置されている共振器を含む。そのような実施形態のいくつかは、図２３において、示され、それに関する記述がなされる。
図２３は、近接して存在している異なる共振器タイプによって生じる合奏現象に寄与する共振装置としてのスプリットリング共振器（ＳＲＲ）の使用を例説するために提示したものである。図はタイヤの内面２３０１を示し、内面は２つのスプリットリング共振器（例えば、スプリットリング共振器２３０３Ａ及びスプリットリング共振器２３０３Ｂ）を有するが、これらのスプリットリング共振器の各々は、特定周波数の信号を減衰させる及び／または周波数の特定範囲内で減衰させるように同調することができる回路構成１９０２を形成している。この実施形態では、回路構成１９０２は、実質的に円形であるスプリットリング共振器に対応する幾何学パターンとして示されているが、代替となる回路構成は、異なる幾何学パターン（例えば、円筒形、楕円形、矩形、卵円形、正方形など）を有することができ、それゆえ、考え得る任意の幾何学的構成が可能である。幾何学的構成の変形形態は、幾何学パターンの共振能力に及ぼす影響に基づいて選択され得る。詳しくは、示されているように、幾何学パターンは、さまざまな弱集合パターン（例えば、弱集合パターン２１０６、弱集合パターン２１０８及び弱集合パターン２１１０）を有する自己集積化炭素系粒子を含むことができ、それらのいずれか１つ以上は、炭素系微細構造体を中に組み込んでいる材料の共振性能に影響を及ぼすことができる濃縮領域２１０４を構成することができる。１つの弱集合パターン、及び／または一連の弱集合パターンもまた、炭素系微細構造体を中に組み込んでいる材料の共振性能に影響を及ぼし得る。
さまざまな構成において、炭素系微細構造体は、少なくとも一部がグラフェンによって形成される。この文脈において、グラフェンは、１つの原子が各頂点を形成する２次元の六方格子内の原子の単層の形態での炭素の同素体を指す。そのような六方格子の複数が同じ場所に位置して及び／または並んで配置されてより複雑な構造体になることで、さらなる共振効果が導入される。例えば、２枚のグラフェンのシートまたはプレートレットが並んだ配置２３０２は、それらの間で、シートまたはプレートレットの長さ、幅、間隔、厚さ、離隔の形状及び／または他の物理的特性、及び／またはそれらの互いに対する相対的な並んだ配置によって決まる周波数で共振し得る。
合奏効果
表１は、合奏効果によって生じる１つの可能な減衰のコードを表したものである。表中に示されるように、構造体の各々は、そのスケール名称に対応する異なる共振周波数領域を有する。
Figure 2024513490000005
任意の数の異なるスプリットリング共振器をタイヤの表面にプリントすることができる。さらには、任意の数の異なる大きさのスプリットリング共振器をタイヤの表面のいずれかにプリントすることができる。特定のスプリットリング共振器の材料及び／またはサイズ及び／または他の構造的もしくは寸法的特徴の選択を用いてその特定の共振器スプリットリングの共振周波数を制御することができる。一連の異なるサイズのスプリットリング共振器を、デジタルで符号化された値にパターンが対応するようにプリントすることができる。一連の異なるサイズのスプリットリング共振器を、電磁信号伝達、例えば８ＧＨｚ～９ＧＨｚ程度の範囲にわたる掃引、及び戻りの範囲にわたる減衰応答の測定によってシミュレートすることで、識別可能な符号化されたシリアル番号がもたらされる。多くの異なる符号化方式が可能であり、それゆえ、表２の非限定的な例は単に例示のためのものである。
Figure 2024513490000006
図２４は、符号化されたシリアル番号に対応する様式で共振するように構成されたスプリットリング共振構造体の使用を示す。スプリットリング共振構造体のそのようなパターンは、タイヤまたは他のエラストマーの上にプリントされることができる。示されているように、符号化されたシリアル番号「Ｅ１」は、４つの異なるサイズのスプリットリング共振器の存在によって示される。刺激－応答図２４００は約８ＧＨｚ～約９ＧＨｚの範囲内のＥＭ刺激を示しているのに対し、応答は約－８ｄＢ～約－１８ｄＢの範囲内の減衰として示される。一連の異なるサイズのスプリットリング共振器を、当該範囲にわたる電磁信号伝達によって刺激し、当該範囲にわたって戻りのＳパラメータを測定することで、その特定のプリントパターンの簡便で信頼できる同定がもたらされる。それが今度は、タイヤの走行部の一つ一つの上に固有パターンがプリントされている場合及び符号化されたシリアル番号にパターンが関連付けられている場合にはＥＭ照会に対するパターンの応答に基づいて特定のタイヤを見つけ出すことがなされ得る、ということになる。より具体的には、タイヤの走行部の一つ一つの上に固有パターンがプリントされている場合及び符号化されたシリアル番号にパターンが関連付けられている場合には、符号化方式に対応する範囲内のＥＭ刺激によるＥＭ照会に応答して測定されたＳパラメータ（例えば、減衰に対応するＳパラメータ比率）に基づいて特定のタイヤを見つけ出すことがなされ得る。図２４の例では減衰が約－８ｄＢ～約－１８ｄＢの範囲に入るが、他の測定では減衰が約－１ｄＢ～約－９ｄＢの範囲に入る。他の測定では、減衰は約－１０ｄＢ～約－１９ｄＢの範囲に入る。他の測定では、減衰は約－２０ｄＢ～約－３５ｄＢの範囲に入る。経験上の実験では、減衰は、タイヤ表面上で隣接して一緒に配置されている異なる構成の共振器の数に実質的に無関係である。より詳しくは、いくつかの実験では、減衰は、（例えばスチールベルトを有するラジアルタイヤの）スチールベルトの踏面側にあるタイヤ表面で共振器が隣接して一緒に配置されている場合に特に顕著である。
議論され表１に示されている上記例はたったの８ビットの符号化しか含んでいないが、異なる構成の共振器の数を単に増やすことによって、より多いビットをパターンに符号化することができる。これが今度は、いつ何時であっても何百万個もの固有ユニットが存在する場合にさえ、個々のユニットのゆりかごから墓場までの信頼できるコンポーネント同定をもたらすことができる。
他の実施態様
上記符号化及びプリント技術は、タイヤ及び他のエラストマー含有コンポーネントに用いられることができる。場合によっては、共振器のプリントは、共振器の炭素原子とエラストマーとの間に化学結合が形成されるように、比較的高い温度で、及び／または化学薬剤（例えば触媒）を使用して行われる。共振器の炭素原子とエラストマーとの間に形成される化学結合は合奏効果に寄与し、それゆえ、上記化学結合のタイプ及び程度を求めるために較正曲線が取得され得る。
エラストマーは、ゴムのいずれか１つ以上のタイプを含有することができる。例えば、イソプレンは一般的なゴム配合物である。イソプレンは、それ自体のＣ－Ｃ単結合及び二重結合を、他のリガンド中の分子状要素の間に有する。スプリットリング共振器の高温プリントによって形成された付加的な炭素二重結合は導電率の向上の効果を有し、この効果を利用してより大きな、より低い周波数の共振器を形成することができる。さらに、またはあるいは、弱集合体を、合奏効果に寄与する倍音を生じさせるであろう特定のサイズに調整することができるが、これが今度は、同調範囲における非常に高感度な所与のＥＭ照会をもたらす。場合によっては、ＥＭ照会に対する材料の応答は、エラストマーの健全性に関する寿命及び他の側面を（例えば１つ以上の較正曲線との比較によって）見極めることができるように十分に区別可能である。
より具体的には、エラストマーが老化するにつれてそれ相応に、分子間隔が変化し、エネルギーの結合及び／またはパーコレーションが減少し、したがって、導電的場所が隣接場所に関して孤立すればするほど応答周波数はシフトする。場合によっては、減衰及び／または戻り信号強度が特定周波数で変化することになる。そのような変化は経時的に決定されることができ、当該変化を用いて較正曲線を構築することができる。
タイヤのデザインは、スプリットリング共振器をプリントするための多くの可能な場所を支持する。一例として、スプリットリング共振器は、タイヤの任意の内面上、例えば、限定はされないが、キャッププライ上、及び／またはスチールベルト上もしくはその近傍（例えば、スチールベルトの踏面側）、及び／またはラジアルプライ上もしくはその近傍、及び／またはサイドウォール上、及び／またはビードチェーファー上、及び／またはビード上などに配置されることができる。
スプリットリング共振器技術の利用はタイヤだけに限定されるわけではない。当該技術は、ベルト及びホースなどの任意のエラストマー含有コンポーネントに適用されることができる。さらには、スプリットリング共振器技術の利用は車両のみに限定されるわけではない。つまり、消耗品は多様な運動装置（例えば工業機械システム）の中の有機的パワートレーン及び／またはドライブトレーンコンポーネントの中に存在するため、スプリットリング共振器技術はそれらの消耗品にも適用されることができる。摩耗現象のいくつかの側面は、摩擦、熱、熱循環及び腐食の結果であるが、それらのいずれかは、材料の分子構造における変化を生じさせ得る、及び／または加速させ得るものである。材料の分子構造の変化は、ＥＭ照会の下に検出可能である。より具体的には、較正曲線と比べたときの特定のＥＭ照会体制下での特定試料の応答（例えば老化試料の応答）である周波数シフトを計算することによって、材料の寿命または健全性を周波数シフトの大きさに基づいて評価することができる。
図２５は、各層がスプリットリング共振器を内包している２つの層の上面図である。本明細書で使用される場合、スプリットリング共振器（ＳＲＲ）は、誘電体基板上に配置された一対の同心環からなり、各環は（例えばプリントパターンによって）スリットを有する。ＳＲＲのアレイが時間変動磁場の手段によって励起されると、構造体は、ＳＲＲ共振点の周りの狭いバンドに負の有効透磁率を有する効果的な媒体として振る舞う。多くの幾何学配置が可能である、１つの特定の幾何学配置は、同心環の間に間隙を含む。そのような間隙は、同心環の対に固有なインダクタンスと組み合わさって集合体の共振における変化を導入する静電容量を生じさせる。
プリントすることができるシート方向性円筒型スプリットリング共振器デザインは、任意の導電材料、例えば、金属、導電性非金属、誘電材料、半導体材料などから作られることができる。導電材料の選択及び／または処理に基づいて調整すること以外にも、有効誘電率が適切に調整されるように幾何学配置を変化させることによって、スプリットリング共振器を調整することができる。スプリットリング共振器の幾何学配置の関数としての有効誘電率をＥＱ１に示す。
Figure 2024513490000007
式中、ａは円筒の間隔であり、ωは角周波数であり、μ０は自由空間の透磁率であり、ｒは半径であり、ｄは同心導電性シートの間隔であり、ｌは積層長さであり、ｃは環の厚さであり、σは円周にわたって測定されたシートの単位長さの抵抗である。
いくつかの状況では、ａの値（例えば、円筒形スプリットリング共振器の円筒の間隔）は、比較的狭い周波数範囲内で同心環がＥＭ放射線を吸収するように、比較的小さくされることができる。他の状況では、ａの値は、広い範囲で離隔した周波数のＥＭ放射線を同心環の各々が吸収するように、比較的大きくされることができる。いくつかの状況では、異なるサイズのＳＲＲをタイヤの異なる表面に配置することができる。いくつかの状況では、タイヤの異なる表面に配置される異なるサイズのＳＲＲは、タイヤ条件（例えば、温度、老化、摩耗など）を測定するために使用され得る。
いくつかの実施形態では、スプリットリング共振器を形成する材料は複合材料である。各ＳＲＲは、ＥＭ刺激に対して任意の所望される特定の同調応答をするように構成されることができる。少なくとも、ＳＲＲが原子の共振応答を（より低い周波数でよりはるかに大きなスケールではあるが）模倣するように設計される限りにおいて、ＳＲＲのスケールが原子に比べてより大きいことは、共振応答をよりよく制御することを可能にする。さらには、ＳＲＲは、天然に見つかる強磁性材料に比べて応答性がよりはるかに大きい。ＳＲＲの際立った磁気的応答は、より重い天然起源材料に比べて顕著な利点を保有している。
前述の明細書では、本開示は、その特定の実施態様を参照して説明されてきた。しかしながら、本開示のより広範の趣旨及び範囲から逸脱することなく、さまざまな修正及び変更が本明細書に加えられ得ることは明らかである。例えば、上記のプロセスフローは、プロセスアクションの順序を参照して説明されている。ただし、説明されているプロセスアクションの多くの順序は、本開示の範囲または操作に影響を与えることなく変更されることができる。本明細書及び図面は、限定する意味ではなく、例示的な意味とみなされるものとする。

Claims (20)

  1. １つ以上のタイヤプライから形成される本体を含むタイヤであって、各タイヤプライが、
    第一スプリットリング共振器（ＳＲＲ）の中の第一炭素粒子の濃度レベルに少なくとも部分的に基づいて電磁ピング音を固有に減衰させるように構成された複数の前記第一炭素粒子を含む前記第一ＳＲＲ；及び
    前記第一ＳＲＲに隣接しており、第二ＳＲＲの中の第二炭素粒子の濃度レベルに少なくとも部分的に基づいて前記電磁ピング音を固有に減衰させるように構成された複数の前記第二炭素粒子を含む、前記第二ＳＲＲ
    を含む、前記タイヤ。
  2. 前記第一炭素粒子が、第一多孔構造を形成している第一集合体を含み、前記第二炭素粒子が、第二多孔構造を形成している第二集合体を含む、請求項１に記載のタイヤ。
  3. 前記第一多孔構造及び第二多孔構造が、メソスケール構造状態を含む、請求項２に記載のタイヤ。
  4. 前記第一ＳＲＲ及び前記第二ＳＲＲが前記タイヤプライの表面にプリントされている、請求項１に記載のタイヤ。
  5. 前記第一ＳＲＲが、前記電磁ピング音に応答して第一周波数で共振するように構成され、前記第二ＳＲＲが、前記電磁ピング音に応答して第二周波数で共振するように構成され、前記第一周波数が前記第二周波数とは異なる、請求項１に記載のタイヤ。
  6. 前記第一周波数及び第二周波数が、符号化されたシリアル番号を形成する、請求項５に記載のタイヤ。
  7. 前記第一ＳＲＲまたは前記第二ＳＲＲの前記共振の振幅が、前記タイヤプライの摩耗の程度を示している、請求項５に記載のタイヤ。
  8. 前記第一ＳＲＲ及び前記第二ＳＲＲによる前記電磁ピング音の前記減衰の量が、前記タイヤプライの摩耗の程度を示している、請求項１に記載のタイヤ。
  9. 前記第一ＳＲＲ及び前記第二ＳＲＲの各々が減衰点を有する、請求項１に記載のタイヤ。
  10. 前記第一ＳＲＲ及び前記第二ＳＲＲの各々の前記減衰点が、前記電磁ピング音に対する周波数応答に関連付けられている、請求項９に記載のタイヤ。
  11. 前記第一炭素粒子及び第二炭素粒子の各々が前記タイヤプライと化学結合している、請求項１に記載のタイヤ。
  12. 前記第一ＳＲＲ及び前記第二ＳＲＲの各々が、
    Ｓパラメータ、または前記電磁ピング音の周波数
    の１つ以上に関連付けられた主要寸法を有する、請求項１に記載のタイヤ。
  13. 前記第一ＳＲＲまたは前記第二ＳＲＲの少なくとも１つが、
    卵円形、楕円形、矩形、正方形、円形または曲線
    の１つを有する、請求項１に記載のタイヤ。
  14. 前記第一ＳＲＲまたは前記第二ＳＲＲの１つ以上が円筒形ＳＲＲを含む、請求項１に記載のタイヤ。
  15. 前記第一ＳＲＲ及び第二ＳＲＲが、一対の同心環として構成される、請求項１に記載のタイヤ。
  16. 前記第一ＳＲＲが前記第二ＳＲＲの外側に配置されている、請求項１５に記載のタイヤ。
  17. 前記第一ＳＲＲ及び前記第二ＳＲＲが前記タイヤのインナーライナー内に配置されている、請求項１に記載のタイヤ。
  18. 前記第一ＳＲＲ及び前記第二ＳＲＲが前記タイヤ本体の踏面側に配置されている、請求項１に記載のタイヤ。
  19. 前記第一ＳＲＲ及び前記第二ＳＲＲの各々が、負の有効透磁率を有する、請求項１に記載のタイヤ。
  20. 前記第一ＳＲＲ及び前記第二ＳＲＲの各々が、
    導電材料、金属、導電性非金属、誘電材料または半導体材料
    の１つ以上を含む、請求項１に記載のタイヤ。
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EP2118965B1 (en) * 2007-01-12 2011-05-04 Aida Centre, S.L. Self-resonant electrically small antenna
WO2018169889A1 (en) 2017-03-16 2018-09-20 Lyten, Inc. Carbon and elastomer integration
US9862602B1 (en) 2017-03-27 2018-01-09 Lyten, Inc. Cracking of a process gas
US11446966B2 (en) * 2019-03-27 2022-09-20 Lyten, Inc. Tires containing resonating carbon-based microstructures
US11592279B2 (en) * 2019-03-27 2023-02-28 Lyten, Inc. Sensors incorporated into elastomeric materials to detect environmentally-caused physical characteristic changes
WO2020198451A1 (en) * 2019-03-27 2020-10-01 Lyten, Inc. Tuned radio frequency (rf) resonant materials and material configurations
WO2022086611A1 (en) * 2020-10-20 2022-04-28 Lyten, Inc. Systems for detecting physical property changes in an elastomeric material

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