JP5219829B2 - センサ付きタイヤ - Google Patents
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Description
また、圧電素子や歪ゲージなどのセンサは、一般には、上記センサの出力を増幅するアンプや電源部等が搭載された基板に取付けられて筐体等で保護されているが、上記センサの変形部についてはタイヤ表面のゴム部材に密着するように、上記ゴム部材に接着剤にて貼り付けるようにしている(例えば、特許文献1〜3参照)。
しかしながら、上記従来の方法では、いずれも、接着性にある程度の改善は見られるものの、十分な初期接着性能と接着耐久性能とをともに満足できるものではなかった。
また、車両の走行時においては、タイヤ歪が±数%と大きいため、上記センサが、例えば、圧電素子センサのような場合には、その歪が圧電素子センサに直接入力すると、当該圧電素子の耐久回数を超えてしまうため、長期間の計測もしくは発電を行うことが困難であった。また、センサがセラミック系圧電素子センサである場合には、タイヤに高周波(短波長)の入力があると、上記圧電素子センサに局所的な歪が生じ、このため、クラックが入って圧電素子センサが破壊される場合があった。
なお、上記センサは、センサ素子、センサ基板、センサ筐体等の検出部を補強する部材やセンサ素子や基板をコーティングするフィルム等を含むものとする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のセンサ付きタイヤにおいて、上記弾性接着剤を常温湿気硬化型の接着剤としたものである。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載のセンサ付きタイヤにおいて、上記弾性接着剤をアクリル変成シリコーン樹脂、エポキシ変成シリコーン樹脂、クロロプレン合成ゴム、シリウル化ウレタン樹脂のいずれかの樹脂を主成分とする接着剤としたものである。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれかに記載のセンサ付きタイヤにおいて、上記接着層が当該センサの変形部と接触する接触面の面積を、上記変形部の面積の60%以上としたものである。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項4のいずれかに記載のセンサ付きタイヤにおいて、上記接着層の厚みを3.0mm以下としたものである。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項5のいずれかに記載のセンサ付きタイヤにおいて、上記接着層の弾性率を0.1〜100MPaとし、かつtanδを0.1未満としたものである。
したがって、タイヤの振動あるいはタイヤの変形量を精度良く検出することができるとともに、耐久性にもすぐれたセンサ付きタイヤを得ることができる。
このとき、上記接着層がセンサの変形部と接触する接触面の面積を、上記変形部の面積の60%以上とすれば、上記ゴム部材の変形を確実にセンサに伝達することができる。
また、上記ゴム部材の変形を確実にセンサに伝達するためには、接着層の厚みとしては3.0mm以下とすることが好ましく、接着層の弾性率としては、0.1〜100MPa(−40℃〜120℃)で、かつ、tanδ<0.1(−40℃〜120℃)であることが好ましい。
13 インナーライナ部、14 センサ、15 タイヤ表面部のゴム部材、
16,36 弾性接着剤を硬化させた弾性接着層、17 フレーム、18 ピット、
34 圧電素子センサ、35 センサ補強部材、37 電子デバイス。
最良の形態1.
図1は、本最良の形態1に係るセンサ付きタイヤ10を示す図である。同図において、11はタイヤトレッド、12はベルト層、13はタイヤのインナーライナ部、14はこのインナーライナ部13のゴム部材であるタイヤ表面部のゴム部材15に取付けられたセンサ、16は上記センサ14と上記タイヤ表面部のゴム部材(以下、ゴム部材という)15とを接着する弾性接着層である。この弾性接着層16は、硬化後に弾性体となる弾性接着剤を硬化させて形成される。また、上記センサ14は、歪みゲージや圧電素子などのセンサ素子、上記センサ素子の電源やアンプ等が搭載された基板、上記センサ素子及び上記基板を収納して保護する筐体、及び、これらを補強する補強部材やセンサ素子をコーティングするフィルム等も含まれているものとする。
上記弾性接着剤としては、例えば、アクリル変成シリコーン樹脂、エポキシ変成シリコーン樹脂、クロロプレン合成ゴム、シリウル化ウレタン樹脂のいずれかの樹脂を主成分とする常温湿気接着剤から成る弾性接着剤が好適に用いられる。
このとき、上記ゴム部材15の変形をセンサ14に精度よく伝達するためには、上記弾性接着層16の弾性率は0.1〜100MPaで、かつ、損失係数(tanδ)が0.1未満であることが好ましい。すなわち、弾性率が0.1MPa未満である場合、もしくは、tanδが0.1を超えた場合には、振動や衝撃を十分に吸収することはできるが、自身の変形が大きくなり、ゴム部材15の変形をセンサ14に精度よく伝達することが困難である。逆に、弾性率が100MPaを超えると、弾性接着層16の剛性とゴム部材15の剛性との差が大きくなるため、タイヤゴム−弾性接着層間が剥離してしまうといった問題が発生する。なお、上記弾性率については、使用温度範囲である−40℃〜120℃において温度依存性が少ない弾性接着剤を用いる必要があることはいうまでもない。また、tanδについても、温度依存性が少ないことが望ましい。
このように、上記接着層16の厚み、弾性率、tanδを設定すれば、上記接着層16はゴム部材15の変形をセンサ14に精度よく伝達することができるとともに、外的な振動や衝撃を吸収することができる。したがって、接着界面に応力が集中しにくいだけでなく、曲げモードを含む入力に対しても高い剥離接着強度を発揮することができるので、センサの耐久性を大幅に向上させることができる。
センサの検出精度を保つためには、弾性接着層16の厚みを均一にすることが重要である。これを実現するため、本例では、図2(a)に示すように、タイヤ表面部のゴム部材15上に、例えば、非接着性の樹脂などにより、開口部の面積がセンサ14の接着面よりも大きな面積を有する仮止め用のフレーム17を設けて、このフレーム17内に弾性接着剤を当該フレーム17の面位置まで流し込み、その上にセンサ14を載せて上記接着剤を硬化させることにより、均一な厚みを有する弾性接着層16を形成するようにしている。
なお、タイヤ加硫時にモールド、ブラダーに予めパターンを形成し、加硫時に上記フレーム17を形成してもよい。あるいは、上記フレーム17に代えて、図2(b)に示すような、ピット18を設けてもよい。
このように、加硫と同時にフレーム17またはピット18を形成すると、弾性接着層16を形成する位置が正確になるので、センサ14の位置決めを簡単にかつ精度よく行うことができる。また、上記フレーム17またはピット18をゴム部材で形成した場合には、弾性接着剤の弾性率をタイヤ表面部のゴム部材15と等しくなるようにすれば、センサ14の検出精度を更に向上させることができる。
ここで、タイヤ歪をε0、センサ歪をεとすると、センサ歪εは補正係数Cを用いて、ε0=C・εと表わせる。この補正係数Cは、接着層の厚みをt、弾性率をE、その剪断弾性率をGとし、タイヤのゴム部材の厚みをt1、弾性率をE1、センサの厚みをt2、センサ幅をw、センサ長をl、弾性率をE2とし、
K1=(E1t1+Et)w/l、K2=(E2t2+Et)w/l、k=Glw/tとおくと、以下の式で表わせる。
なお、接着層の幅及び長さは、それぞれ、センサ幅w及びセンサ長lに等しくした。
また、弾性接着剤またはセンサ基板の弾性率の温度変化が顕著な場合には、センサ付近に温度センサを設けて、弾性接着剤またはセンサ基板の弾性率の温度変化を計測し、それらの弾性率の変化により緩和補正係数を算出するようにすればよい。
また、上記弾性率に周波数依存性がある場合(弾性接着剤のtanδが大きい場合)には、センサ入力周波数に対して周波数補正を合わせて用いることができる。
このとき、上記弾性接着層16の厚みを3mm以下とするとともに、弾性率を0.1〜100MPa、損失係数(tanδ)を0.1未満となるような弾性接着剤を用いれば、タイヤ10の変形を確実にセンサ14に伝達することができるとともに、センサ14の耐久性を大幅に向上させることができる。
また、タイヤ表面部のゴム部材15に、フレーム17もしくはピット18を設けて、このフレーム17もしくはピット18内に弾性接着剤を流し込み、その上にセンサ14を載せて上記接着剤を硬化させるようにすれば、弾性接着層16の厚みを確実に均一にできるので、タイヤ10の変形を更に精度よくセンサ14に伝達することができる。
また、上記例では、図1に示すように、弾性接着層16の幅と長さを当該センサ14の幅と長さに等しくなるように、すなわち、センサ14の全面に亘って弾性接着層16を設けているが、上記接着層16の幅と長さとしては、センサ14の変形部と接触する接触面の面積を、上記変形部の面積の60%以上とすれば、十分にゴム部材15の変形をセンサ14に精度よく伝達することができる。
また、センサ全体をゴムシートで覆うことにより、センサとタイヤとの接着力を補強したり、センサと外部との接触を防止することができる。
図3に示すような厚さ2mmのゴム片21上に設けられたフレーム22内に、エポキシ・変性シリコーン弾性接着剤をディスペンサを用いて注入し、その上にセンサ長が2mmの精度検証用の歪ゲージ23がパターンニングされた、t=0.05mm、10mm□のPETフィルム24を接着して、これを23℃×7日硬化させて、上記歪ゲージ23とゴム片21との間に弾性接着層25を形成した試験サンプル20を作製した。なお、同図において、符号26は基板で、27は検出回路、通信回路等を含む回路部である。
この試験サンプル20のゴム片21に、引張試験機にて様々な振動を与え、そのときの入力と歪ゲージ23の出力信号との関係を調べた結果を図4のグラフに示す。同図において、横軸はゴム片21に与えた入力歪(%)で、この入力歪(%)は走行中のタイヤの歪に相当するので、同図ではタイヤ歪(%)としている。また、縦軸は入力に対する歪ゲージの出力信号の比であるセンサ歪(%)である。
同図から明らかなように、センサ歪(%)の大きさはタイヤ歪(%)の約1/6と、歪の大きさそのものは緩和されているものの、タイヤ歪(%)とセンサ歪(%)とは高い相関を示していることがわかる。これにより、本願発明の弾性接剤を硬化させた接着層はゴム部材の変形をセンサに精度よく伝達することができることが確認された。
接着性検証試験
タイヤ内面に、図2(a)に示すようなフレームを設け、上記精度検証試験と同様の条件で歪ゲージがパターンニングされたPETフィルムを弾性接着剤で接着したタイヤを試験車両に搭載し、1000kmの実車試験を行いその接着性を検証した。また、比較のため、上記PETフィルムを瞬間接着剤であるシアノアクリレートを用いて接着したタイヤについても同様の試験を行った。このとき、シアノアクリレートは通常の使用方法と同様に、ごく薄く塗布した。その結果、シアノアクリレートで接着したPETフィルムが100km走行時において接着剥離が見られたのに対し、本発明のPETフィルムを弾性接着剤で接着したタイヤでは、1000km完走後も接着剥離はなかった。これにより、本発明の弾性接着剤は耐久性にも優れていることが確認された。
また、上記精度検証試験で用いたサンプルに、疲労試験機にて、50Hz、2.5%歪を与えた。その結果、5000万回(走行距離換算で10万km)の振動付与後も出力信号が検出されたことから、本発明の接着層は疲労破壊に対しても高い耐久性を備えていることが確認された。
図5(a)〜(c)は、本最良の形態2に係わるセンサ付きタイヤ10Pと圧電素子センサをタイヤに装着する方法の概要を示す模式図である。同図において、11はタイヤトレッド、12はベルト層、13はタイヤのインナーライナ部、34はこのインナーライナ部13のゴム部材であるタイヤ表面部のゴム部材15に取付けられた圧電素子センサ、35は上記圧電素子センサ34の検知面であるタイヤとの接触面に、上記接触面の全面を覆うように取付けられるセンサ補強部材、36は上記圧電素子センサ34と上記ゴム部材15とを接着する弾性接着層である。上記圧電素子センサ34は、圧電素子とこの圧電素子に設けられた電極部とを備え、タイヤの変形量を検出する。また、上記弾性接着層36は上記最良の形態1の弾性接着層16と同様の接着層で、硬化後に弾性体となる弾性接着剤を硬化させて形成される。
本例では、上記センサ補強部材35として、その剛性が上記圧電素子センサ34の剛性よりも高い、厚みが一定のフィルム状部材を用いるとともに、上記センサ補強部材35の剛性を、上記圧電素子センサ34とセンサ補強部材35とを合わせたセンサ全体の剛性が一様になるように設定している。
上記圧電素子センサ34とセンサ補強部材35の剛性は、それぞれの部材の厚みDとヤング率Yとの積で表わされる。ここで、添え字1を圧電素子センサ、添え字2をセンサ補強部材とすると、圧電素子センサ34とセンサ補強部材35とを合わせたセンサ全体の剛性を一様にするためには、剛性比=(D2・Y2)/(D1・Y1)を10以上とすることが望ましい。
このように、圧電素子センサ34の検知面であるタイヤとの接触面側の全面を、その剛性が上記圧電素子センサ34の剛性よりも高いセンサ補強部材35で覆い、圧電素子センサ34とセンサ補強部材35とを合わせたセンサ全体の剛性が一様になるようにすれば、上記センサ補強部材35により、圧電素子センサ34への入力が緩和されるので、圧電素子センサ34の耐久性、すなわち、センサ付きタイヤ10Pの耐久性を向上させることができる。
また、タイヤ入力が高周波である(波長が短い)場合、図6(a)に示すように、センサ補強部材35がない場合には、圧電素子センサ34に局所的な歪が入り、その大きさによっては圧電素子センサ34が破壊してしまう場合があった。これに対して、本例では、図6(b)に示すように、センサ補強部材35を設けて、圧電素子センサ34とセンサ補強部材35とを合わせたセンサ全体の剛性が一様になるようにしたので、上記圧電素子センサ34には局所的な歪が発生することはない。したがって、圧電素子センサ34の耐久性を大幅に向上させることができる。
また、電極部を構成する材料としては、金、銅などを用いることができるが、クラック防止のためには、金などの柔らかい材料を圧電素子上にスクリーン印刷して電極部を形成することが好ましい。なお、電極部を構成する材料として導電ゴムを使用してもよい。
一方、センサ補強部材35としては、アラミド、ポリエステル、ポリイミド、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、EVA、ポリウレタン、塩化ビニルなどの厚みが一定のフィルム状の樹脂を用いることが好ましい。
このとき、上記ゴム部材15の変形を圧電素子センサ34に精度よく伝達するためには、センサ補強部材35の剛性を1kN/m〜100kN/mとし、かつ、損失係数(tanδ)を0.1未満とする必要がある。すなわち、剛性が1kN/m未満、もしくは、tanδが0.1を超えると、振動や衝撃に対する緩和効果は大きいがゴム部材15の変形を圧電素子センサ34に精度よく伝達することが困難である。逆に、剛性が100kN/mを超えると、入力に対するセンサ自身の変形が小さくなるため、精密な測定が困難になるといった問題が発生する。なお、上記剛性については、使用温度範囲である−40℃〜120℃において温度依存性が少ない樹脂を用いる必要があることはいうまでもない。また、tanδについても、温度依存性が少ないことが望ましい。
なお、上記センサ補強部材35に紫外線照射処理、コロナ放電処理、プラズマ処理などの物理処理や、薬剤を用いた化学処理、機械加工のいずれかの前処理を行うようにすれば、接着性を向上させることができる。
また、上記接着層36の厚みは、上記接着層36が歪により破断しない厚み以上とする必要がある。その最小値δは、弾性接着剤の限界伸びdに対して安全率αを設定し、以下の式を満たすような値に設定することが望ましい。
このように、上記接着層36の厚み、弾性率、tanδを設定すれば、上記接着層36はゴム部材15の変形を圧電素子センサ34もしくはセンサ補強部材35に精度よく伝達することができるとともに、外的な振動や衝撃を吸収することができる。
ここで、タイヤ歪をε0、センサ歪をεとすると、センサ歪εは補正係数C’を用いて、ε0=C’・εと表わせる。この補正係数C’は、接着層の厚みをt、弾性率をE、その剪断弾性率をGとし、タイヤのゴム部材の厚みをt1、弾性率をE1、補強部材35の厚みをt3、センサ幅をw、センサ長をl、補強部材35の弾性率をE3とし、
K1=(E1t1+Et)w/l、K3=(E3t3+Et)w/l、k=Glw/tとおくと、以下の式で表わせる。
なお、センサ補強部材35の弾性定数が温度依存性を有する場合には、別途温度センサを設けて緩和補正係数の温度補正を行うようにすればよい。
また、タイヤ表面部のゴム部材15の変形を確実に圧電素子センサ34に伝達することができるので、タイヤの変形量を精度よく検出することのできるセンサ付きタイヤ10Pを得ることができる。
また、上記例では、圧電素子センサ34をタイヤのインナーライナ部13に配置した場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、タイヤトレッド部やサイド部のような、タイヤ外面側、もしくは、トレッドブロックの内部などのタイヤ内部に圧電素子センサ34を配置して成るセンサ付きタイヤにも適用可能である。
なお、タイヤ内部に圧電素子センサ34を配置する場合には、センサ補強部材35のゴム部材と対向する面とタイヤ部材とを、硬化後に弾性体となる弾性接着剤を用いて接着すればよいが、この反対側の面とタイヤ部材とを同様の弾性接着剤で接着してもよいし、その両面を接着してもよい。
また、上記例では、上記圧電素子センサ34の検知面であるタイヤとの接触面側の全面をセンサ補強部材35で覆うようにしたが、図7(a)に示すように、上記圧電素子センサ34のタイヤとの接触面とは反対側の面の全面をセンサ補強部材35で覆うようにしてもよい。なお、この場合にも、センサ補強部材35の剛性を上記圧電素子センサ34の剛性よりも高くすることが肝要である。また、剛性比を10以上とすれば、圧電素子センサ34とセンサ補強部材35とを合わせたセンサ全体の剛性がほぼ一様になるので、更に好ましい。また、図7(a)のように圧電素子センサ34をゴム部材15に直接接着する場合には、接着剤として硬化後に弾性体となる弾性接着剤を用いて接着し、圧電素子センサ34とゴム部材15との間に上記実施の形態1と同様の接着層36を設けることが好ましい。
また、図7(b)に示すように、上記圧電素子センサ34のタイヤとの接触面とその反対側の面の両方の全面をそれぞれセンサ補強部材35m,35nで覆うようにしても同様の効果を得ることができる。
また、図7(c)に示すように、フィルム状の樹脂35a,35b,35cを積層したセンサ補強部材35Lを用いてもよい。なお、この場合には、上記フィルム状の樹脂35a,35b,35cの剛性を、タイヤ表面部のゴム部材15に近いほど低くすることが肝要で、これにより、タイヤ入力を更に効果的に緩和することができる。
また、図8に示すように、センサ補強部材35(または、センサ補強部材35L)を少なくとも圧電素子センサ34の検知面とは反対側の面に設けるとともに、上記補強部材35上にAD変換器37a,信号処理回路37b,無線回路37c,アンテナ37dのような、無線通信用の電子デバイス37を、例えば、スクリーン印刷などにより形成するようにすれば、小型のセンサ−無線一体の圧電素子モジュールを得ることができる。
その結果を図9のグラフに示す。横軸は入力回数(万回)、縦軸は圧電素子センサの生存率である。グラフから明らかなように、補強なしの圧電素子センサは100万回以前に全て故障した。一方、本発明によるポリエステルラミネートで補強した圧電素子センサは5000万回以上の耐久性を有していることから、本発明の圧電素子センサの装着方法を用いることにより、圧電素子センサの耐久性を大幅に向上させることができることが確認された。
また、図10は、本発明による圧電素子センサ付きタイヤを室内試験機にて所定速度で走行させたときの、走行前と走行後の圧電素子センサの電極部の拡大写真で、補強なしの圧電素子センサの表面は、走行後には、多数のクラックが入っているのに対し、本発明の圧電素子センサは5000万回以上のくり返し入力に対しても、故障の原因となるクラックがほとんど発生していないことが分かる。
また、本発明を、例えば、タイヤに装着された加速度センサなどの駆動電源として用いられる圧電素子センサに適用した場合でも、長期にわたって安定して電力を供給することができる。
Claims (6)
- タイヤの振動あるいはタイヤの変形量を計測するセンサがタイヤ表面部に配置されているセンサ付きタイヤにおいて、
タイヤ表面部のゴム部材と上記センサとの間に、硬化後に弾性体となる弾性接着剤を硬化させた接着層を設けるとともに、
上記センサの検知面を含む面及び上記検知面を含む面とは反対側の面のいずれか一方または両方の面側に、上記検知面を含む面もしくは上記反対側の全面を覆う、その剛性が上記センサの剛性よりも高い、厚みが一定のフィルム状の部材もしくはフィルム状の部材を積層した厚みが一定の積層部材から成る補強部材を配置したことを特徴とするセンサ付きタイヤ。 - 上記弾性接着剤を常温湿気硬化型の接着剤としたことを特徴とする請求項1に記載のセンサ付きタイヤ。
- 上記弾性接着剤をアクリル変成シリコーン樹脂、エポキシ変成シリコーン樹脂、クロロプレン合成ゴム、シリウル化ウレタン樹脂のいずれかの樹脂を主成分とする接着剤としたことを特徴とする請求項2に記載のセンサ付きタイヤ。
- 上記接着層が当該センサの変形部と接触する接触面の面積を、上記変形部の面積の60%以上としたことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載のセンサ付きタイヤ。
- 上記接着層の厚みを3.0mm以下としたことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載のセンサ付きタイヤ。
- 上記接着層の弾性率を0.1〜100MPaとし、かつtanδを0.1未満としたことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載のセンサ付きタイヤ。
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