JP6211903B2

JP6211903B2 - タイヤ、タイヤグリップ力制御装置、及び、タイヤグリップ力制御方法

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Publication number: JP6211903B2
Application number: JP2013235781A
Authority: JP
Inventors: 隆之丸山; 山口　健; 健山口; 洋平三舛
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2033-11-14
Also published as: JP2015093642A

Description

本発明は、電圧の印加によりグリップ力が制御可能なタイヤと、このタイヤのグリップ力を制御する方法及びその装置に関するものである。

従来、タイヤのグリップ力を向上させる方法として、トレッドと路面との間に電流を流すことでトレッドと路面との間の摩擦力を増大させ、タイヤのグリップ力を向上させる方法が開示されている。具体的には、トレッドの半径方向内側にスチールコードからなる補強ベルトを配設するとともに、補強ベルトに電圧を印加することで、路面と導電体である補強ベルトとの間のトレッドに電流を流して、トレッドにジョンセンラーベック力を生じさせる。ジョンセンラーベック力の生じたトレッドには吸着力が作用するので、路面に対するトレッドの摩擦力が大きくなり、タイヤのグリップ力が向上する（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記のようにトレッドにジョンセンラーベック力を発現させるためには、十分な量の電流を通電する必要があるため、電流の供給手段である車載バッテリーの消耗が大きくなってしまうといった問題点があった。

特開２０１２−７６５９０号公報

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、少ない電力で十分なグリップ力を得ることのできるタイヤ、及び、タイヤのグリップ力を制御する方法とその装置を提供することを目的とする。

本発明は、電圧の印加によりグリップ力が制御可能なタイヤであって、少なくとも一部が、ゴム弾性体中に、電場の作用により分極する、粒径が０．０１〜１μｍの炭素質粉体を分散させて成る、電圧の印加により粘弾性率が変化する電気応答性弾性体から構成されたトレッドと、前記トレッドのタイヤ径方向内側に配設される導電体と、を備えることを特徴とする。
電気応答性弾性体は、接地部分に通電することなく、電圧を印加するだけで粘弾性率Ｇが変化する（貯蔵弾性率Ｇ’が増大し、損失正接tanδが減少する）ので、わずかな帯電量でトレッドの発熱を効果的に抑制することができる。したがって、本発明のタイヤを用いれば、高速走行時やコーナリング時におけるタイヤのグリップ力を効果的に高めることができるので、タイヤの操縦安定性能を向上させることができる。
また、前記電気応答弾性体の弾性率を３〜８×１０ ⁶ ｄｙｎ/ｃｍ ² とした。
また、前記トレッドを、タイヤ踏面側に配置される表面層と、前記電気応答弾性体から構成されて前記表面層のタイヤ径方向内側に配置される内部層とから構成した。

また、本発明は、タイヤのグリップ力を制御する装置であって、少なくとも一部が、ゴム弾性体中に、電場の作用により分極する、粒径が０．０１〜１μｍの炭素質粉体を分散させて成る、電圧の印加により粘弾性率が変化する電気応答性弾性体から構成されたトレッドと、前記トレッドのタイヤ径方向内側に配設される導電体とを備えたタイヤと、前記導電体に電圧を印加する電圧印加手段と、を備えることを特徴とする。
このような構成を採ることにより、少ない電力で、タイヤのグリップ力を効果的に高めることのできる装置を得ることができる。
また、本発明は、前記導電体を、タイヤの構造部材であるスチールコードによって構成される補強ベルトとしたことを特徴とする。
これにより、タイヤに別途導電体を設けることなく、電気応答性弾性体に電圧を印加できるので、タイヤの重量が増加することを防ぐことができる。
また、本発明は、前記補強ベルトを、タイヤの円周方向に螺旋状に形成したことを特徴とする。
これにより、補強ベルトの端部から電圧を印加することでタイヤの全周に亘り電圧を印加することができるので、電気応答性弾性体の粘弾性率を効果的に変化させることができる。
また、本発明は、前記電圧印加手段は、前記タイヤに取付けられた帯電ブラシと、車両バネ下部の非回転部材もしくは車体に取付けられて前記帯電ブラシと接触する接触部材と、前記導電体に電気的に接続されて、前記帯電ブラシに発生した電荷を蓄積するコンデンサーと、を備えることを特徴とする。
これにより、車載バッテリーを用いることなく、電気応答性弾性体に電圧を印加できるので、バッテリーの消耗を低減できる。

また、本発明は、タイヤのグリップ力を制御する方法であって、タイヤのトレッドの少なくとも一部を、ゴム弾性体中に、電場の作用により分極する、粒径が０．０１〜１μｍの炭素質粉体を分散させて成る、炭素質粉体を分散させて成る、電圧の印加により粘弾性率が変化する電気応答性弾性体から構成するとともに、前記トレッドのタイヤ径方向内側に導電体を配設し、電圧印加手段にて、前記導電体に電圧を印加して前記トレッドの粘弾性率を変化させて前記タイヤのグリップ力を制御することを特徴とする。
これにより、少ない電力で、タイヤのグリップ力を効果的に高めることができるので、タイヤの操縦安定性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係るグリップ力制御装置の構成を示す図である。本実施の形態に係る螺旋状ベルトを示す図である。グリップ力制御装置がタイヤに電圧を印加する状況の概念図である。本発明による電気応答性弾性体の他の配置を示す図である。本発明による電気応答性弾性体の他の配置を示す図である。

図１は、タイヤのグリップ力制御装置１を示す図で、グリップ力制御装置１は、電圧の印加によりグリップ力が制御可能なタイヤ（以下、タイヤという）２と、電圧印加手段３とを備える。
タイヤ２は、左右一対のビードコア２１，２１と、左右のビードコア２１，２１にトロイド状をなして跨るように設けられたカーカス２２と、ビードコア２１を中心として内側から外側に折り返されたカーカス２２の間に配置されるビードフィラー２３と、カーカス２２のタイヤ径方向外側に配置された第１及び第２のベルト２４ａ，２４ｂと、第２のベルト２４ｂのタイヤ径方向外側に配置された補強ベルトとしての螺旋状ベルト２５と、螺旋状ベルト２５のタイヤ径方向外側に配置されるトレッド２６と、トレッド２６の幅方向端部からカーカス２２の端部近傍までを保護するサイドウォール２７と、カーカス２２の端部よりもタイヤ幅方向外側に配置され、ビード部をホイール４のリムから保護するリムクッションゴム２８と、左右のリムクッションゴム２８と連続するようにカーカス２２の内面側に配置されるインナーライナー２９とを備える。

トレッド２６は、表面層２６ａと内部層２６ｂとから構成される。表面層２６ａは、例えば、スチレン−ブタジエンゴムなどのゴム弾性体から構成されて、タイヤ踏面側に配置される。内部層２６ｂは電気応答性弾性体から構成されて、表面層２６ａのタイヤ径方向内側に配置される。本例では、表面層２６ａと内部層２６ｂの体積抵抗率を、いずれも、１０⁵Ω・ｍ以上としている。
電気応答性弾性体は、スチレン−ブタジエンゴムなどのゴム弾性体中に、炭素質粉体などの電場の作用によって電気分極する粒径が０．０１〜１μｍの微粉体を分散させたもので、弾性率は３〜８×１０⁶ｄｙｎ/ｃｍ²である。電気応答性弾性体の弾性率は、例えば、２０ｋＶ/ｃｍの電場中では、無電場時に比較して、貯蔵弾性率Ｇ’が２〜６倍に増大し、損失正接tanδが４０〜８０％減少する。
電気応答性弾性体の一配合例を以下の表１に示す（なお、表の数値は質量部である）。

配合した微粉体は、フェノール樹脂を５００℃で１時間熱処理して得られた炭素質球状粉体で、得られた炭素質球状粉体の体積平均粒径（Ｄ５０）は、粒度分布測定装置（BECKMAN COULTER 社 LS230）にて測定したところ０．５μｍであった。
その後、得られた炭素質球状粉体、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ），ＺｎＯ，ステアリン酸，酸化防止剤，イオウ，促進剤を、表１に示す割合で配合したゴム組成物を公知の方法で調整した。
なお、スチレン−ブタジエンゴムとしては、Ｅ−ＳＢＲ１７１２（ＪＳＲ（株）製）を用いた。また、酸化防止剤としては、Ｎ−1,3−ジメチルブチル−Ｎ−フェニルパラフェニレンジアミンを用い、促進剤としては、Ｎ−シクロヘキシル−2−ベンゾチアジルスルフェンアミドを用いた。
また、調整されたゴム組成物を１４５°で３３分硬化させた特性を以下の表２に示す。

電圧印加手段３は、ホイール４に取付けられてタイヤ２の回転に伴って回転する回転側リング３１と、回転側リング３１に取付けられる帯電ブラシ３２と、帯電ブラシ３３と接触する接触部材としての固定側リング３３と、回転側リング４１上に取付けられて帯電ブラシ３２で発生した電荷を蓄積するコンデンサー３４とを備える。
回転側リング３１は、詳細には、導電体から成るリング状の部材で、例えば、絶縁性両面テープなどの絶縁性を有する接着手段３５によりホイール４のリムの車体側の端面に、ホイール４と同心円となるように固定される。
帯電ブラシ３２は多数の導電性繊維から成り、一端が回転側リング３１に固定され、他端が固定側リング３３に接触する。
固定側リング３３は、エポキシ樹脂などの絶縁性の材料から成るリング状の部材で、ナックルやブレーキなどの車両バネ下部の非回転部材３６に、回転側リング３１と同心円となるように取付けられる。

螺旋状ベルト２５は、図１，２に示すような、一本のスチールコードを螺旋状に巻回して形成したもので、一方（車体側）の側部２５Ａは、サイドウォール２７及びリムクッションゴム２８側に纏められて、先端２５ａがコンデンサー３４の高圧側に接続される。コンデンサー３４の他端（低圧側）は、図示しない絶縁性を有する接着手段（例えば、絶縁性両面テープ）の一点に設けられた貫通孔を通してホイール４と接続される。一方、螺旋状ベルト２５の他方の側部２５Ｂは、他方のサイドウォール２７及びリムクッションゴム２８側に纏められて、他方のリムクッションゴム２８内に配置される。なお、他方の側部２５Ｂの先端２５ｂについても、被覆導線を介して、コンデンサー３４の高圧側に接続してもよい。
当該タイヤ２は、乗用車であれば、例えば、４輪に対して装着される。
これにより、タイヤ２が回転すると、帯電ブラシ３２には摩擦により帯電し、この帯電された電荷は、回転側リング３１からコンデンサー３４の高圧側に蓄積されるとともに、導電体である螺旋状ベルト２５に電圧が印加される。

上記のように、トレッド２６の体積抵抗率は１０⁵Ω・ｍ以上と高いので、螺旋状ベルト２５に印加される電圧では、トレッド２６を介した路面への通電は殆どない。したがって、螺旋状ベルト２５に電圧を印加するための電荷が、トレッド２６を通電する電流として路面に流れ出る量が非常に少ないため、摩擦静電気による僅かな電荷量でも、導電体である螺旋状ベルト２５へ、必要な高電圧を印加して保持することができる。すなわち、タイヤの転動中に帯電ブラシ３２に帯電された電荷はその殆どがコンデンサー３４に蓄積されるので、走行中には、トレッド２６への印加電圧は容易に数ｋＶの高電圧に達するとともに、トレッド２６には常時高電圧が印加されることになる。
なお、トレッド２６を介して路面に漏出する電流量は僅かではあっても完全にゼロではないので、車両が停止した状態ではコンデンサー３４の蓄積電荷は徐々に路面に放電され、それに伴い、トレッド２６に印加される電圧は安全上十分に小さいレベルまで低減する。
また、走行中でも、蓄電電圧による電界が空気の絶縁破壊電界（約３０ｋＶ/ｃｍ）を超えると自然に放電されるため、際限なく摩擦電荷が蓄積され続けることはない。したがって、トレッド２６に印加される電圧も自然放電に対応する電圧をほぼ上限として、それを著しく超えることはない。

上記グリップ力制御装置１によるタイヤ２のグリップ力の向上を検証するため、タイヤ２に３ｋＶの直流電圧を印加したときと、電圧を印加しないときとで、トレッド２６と路面との摩擦力がどのように変化するかを調べた。
ドラム試験装置は、タイヤ２と接触する回転ドラムの表面を実際の舗装路面として擬装したものである。実験条件は、タイヤサイズが１５５/６５Ｒ１３、タイヤの内圧が２１０ｋＰａ、タイヤにかかる負荷荷重が２．６ｋＮ、タイヤの回転速度が６０ｋｍ/ｈとなるように設定した。実験は、タイヤが回転ドラムに対してスリップ角がゼロから微操舵された状態においてタイヤ２に電圧を印加したときと、電圧を印加しないときのコーナリングパワーの測定を５回繰り返し行った。
コーナリングパワーの測定を５回繰り返し行ったときの電圧を印加しないときの平均値を指標１００として電圧を印加したときの指標と比較した結果を以下の表３に示す。

表３に示すように、タイヤ２に電圧を印加することによりコーナリングパワーが３％増加することが分かった。すなわち、スリップ角がゼロから微操舵された状態において、タイヤ２にはほとんど横滑りが生じておらず、路面に対してタイヤが粘着している状態となっている。
当該事実は、螺旋状ベルト２５に印加した電圧により、トレッド２６に採用した電気応答性弾性体の粘弾性率が変化して、路面に対する摩擦力が大きくなり、タイヤ２のグリップ力が向上したことを示している。よって、本実験により、タイヤ２の螺旋状ベルト２５に電圧を印加することにより、タイヤの操縦安定性が向上することが検証された。

図３は、グリップ力制御装置１がタイヤ２に電圧を印加する状況を概念的に示したものである。以下、同図を参照して、車両の操縦安定性について説明する。
グリップ力制御装置１は、タイヤ２の走行開始（運転開始）と同時に起動する。帯電ブラシ３２は、タイヤ２の回転に伴って、固定側リング３３と接触しながら回転して摩擦帯電による電荷を発生する。発生した電荷は、コンデンサー３４に速やかに蓄積される。
コンデンサー３４に蓄積された電荷は、螺旋状ベルト２５に出力され、トレッド２６の内部層２６ｂを構成する電気応答性弾性体と、電気応答性弾性体に直列に接続される表面層２６ａを構成するゴム弾性体とに印加される。
トレッド２６への印加電圧は、車両の走行に伴って上昇し、走行中に蓄電電圧による電界が上限値である空気の絶縁破壊電界（約３０ｋＶ/ｃｍ）を超えると自然に放電されるので、トレッド２６に印加される電圧もほぼ一定の値となる。
次に、車両が一時停止すると、帯電ブラシ３２の摩擦帯電による電荷は発生せず、コンデンサー３４への電荷の蓄積はなくなる。一方、コンデンサー３４の蓄積電荷は、タイヤ外周面のうちの最も電気抵抗の少ない路面との接触面からトレッド２６を通して路面に徐々に放電されるので、トレッド２６に印加される電圧も徐々に低下する。
また、車両が走行を再開すると、帯電ブラシ３２には、再び摩擦帯電による電荷が発生するので、コンデンサー３４へ蓄電される電荷は増加し、その結果、トレッド２６への印加電圧も上昇し、上限値である空気の絶縁破壊電界（約３０ｋＶ/ｃｍ）に達し、その後、ほぼ一定の値となる。
車両の運転を終了すると、コンデンサー３４の蓄積電荷は徐々に路面に放電され、それに伴い、トレッド２６に印加される電圧は安全上十分に小さいレベルまで低減する。

このように、トレッド２６の一部である内部層２６ｂを、電圧の印加により粘弾性率が変化する電気応答性弾性体から構成するとともに、トレッド２６のタイヤ径方向内側に、導電体としての螺旋状ベルト２５を配置し、この螺旋状ベルト２５に、電圧印加手段３にて電圧を印加して、前記電気応答性弾性体の弾性率（貯蔵弾性率Ｇ’）を高めるようにしたので、トレッド２６の変形を抑制して十分なグリップ力を生じさせることができる。また、電圧の印加により、電気応答性弾性体の損失正接（tan δ）が低減するので、トレッド２６の発熱を抑制することができ、転がり抵抗を低減できる。
このとき、電圧印加手段３を、タイヤ２に装着された回転側リング３１に取付けられた帯電ブラシ３２と、車両バネ下部の非回転部材３６に取付けられて帯電ブラシ３２と接触する固定側リング３３と、螺旋状ベルト２５に電気的に接続されて、帯電ブラシ３２に発生した電荷を蓄積するコンデンサー３４とから構成したので、タイヤ２に印加する電源として、車体に搭載されたバッテリーを用いることなく、トレッド２６に必要な高電圧を印加することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

例えば、前記実施の形態では、トレッド２６の内部層２６ｂを電気応答性弾性体から構成したが、図４（ａ）に示すように、トレッド２６全体を電気応答性弾性体２６Ｐから構成してもよい。また、電気応答性弾性体は、必ずしも、タイヤ周方向もしくはタイヤ幅方向に連続して配置する必要はなく、例えば、図４（ｂ）に示すように、複数の電気応答性弾性体片２６Ｑを互いに離隔するように配置してもよい。
また、旋回時のグリップ性能を重視する場合には、図５（ａ）に示すように、トレッド２６のショルダー部側の内部層２６ｂの厚さをタイヤセンター部の内部層２６ｂの厚さよりも厚くするか、もしくは、ショルダー部側の内部層２６ｂのみを電気応答性弾性体とすればよい。また、直進時に高速走行性能を重視する場合には、図５（ｂ）に示すように、タイヤセンター部の内部層２６ｂの厚さをショルダー部側の内部層２６ｂの厚さよりも厚くするか、もしくは、タイヤセンター部の内部層２６ｂのみを電気応答性弾性体とすればよい。
また、電気応答性弾性体は、導電体である螺旋状ベルト２５からの電界中に位置していればよいので、電気応答性弾性体と螺旋状ベルト２５との間にゴム弾性体が配置されていてもよい。

また、前記実施の形態では、導電体として螺旋状ベルト２５を用いたが、金属板などの導電部材を用いてもよい。この場合には、補強ベルトとしてスチールコードをゴム部材で被覆したものを用いるか、ナイロン等の繊維から成るコードからなる補強ベルトを用いればよい。
また、前記実施の形態では、電圧印加手段３を用いた螺旋状ベルト２５に電圧を印加する構成としたが、車載バッテリーから螺旋状ベルト２５に電圧を印加する構成であってもよい。これは、本願発明における電圧の印加は、通電を要さない電圧のみの印加であるので、電源として車載バッテリーを用いても、車載バッテリーの消耗が大きくなってしまうことはないからである。
なお、従来のジョンセンラーベック力を利用した発明では、螺旋状ベルト２５に高電圧を印加する必要があるので、バッテリーの電圧（直流電圧１２Ｖ）を昇圧する昇圧回路を設ける必要があったが、本願発明では、僅かな帯電量でも高電圧を得られるので、昇圧回路は不要であるという利点も有する。

また、前記実施の形態では、電圧印加手段３の固定側リング３３を、車両バネ下部の非回転部材３６に取付けたが、例えば、タイヤハウスに、路面側に延長するリング取付部材を取付け、このリング取付部材に固定側リング３３を取付けるなど、固定側リング３３を車体側に取付ける構成としてもよい。
また、固定側リング３３に代えて、円弧状の固定片を用いてもよい。この場合、タイヤ１回転での発生電荷は減少するが、帯電ブラシ３２の受け部材を小さくできるので、装置を軽量化できるとともに、車両バネ下部への取付けが容易であるという利点がある。なお、回転側リング３１を円弧状とし、固定側リング３３をリング状としてもよい。

１グリップ力制御装置、２タイヤ、４ホイール、
２１ビードコア、２２カーカス、２３ビードフィラー、
２４ａ第１のベルト、２４ｂ第２のベルト、
２５螺旋状ベルト、２５Ａ，２５Ｂ側部、２５ａ，２５ｂ先端、
２６トレッド、２６ａ表面層、２６ｂ内部層（電気応答性弾性体）、
２７サイドウォール、２８リムクッションゴム、２９インナーライナー、
３電圧印加手段、３１回転側リング、３２帯電ブラシ、３３固定側リング、
３４コンデンサー、３５接着手段、３６非回転部材。

Claims

電圧の印加によりグリップ力が制御可能なタイヤであって、
少なくとも一部が、ゴム弾性体中に、電場の作用により分極する、粒径が０．０１〜１μｍの炭素質粉体を分散させて成る、電圧の印加により粘弾性率が変化する電気応答性弾性体から構成されたトレッドと、
前記トレッドのタイヤ径方向内側に配設される導電体と、
を備えるタイヤ。
前記電気応答弾性体の弾性率が３〜８×１０ ⁶ ｄｙｎ/ｃｍ ² である請求項１に記載のタイヤ。
前記トレッドが、タイヤ踏面側に配置される表面層と、前記電気応答弾性体から構成されて前記表面層のタイヤ径方向内側に配置される内部層とを備える請求項１または請求項２に記載のタイヤ。
少なくとも一部が、ゴム弾性体中に、電場の作用により分極する、粒径が０．０１〜１μｍの炭素質粉体を分散させて成る、電圧の印加により粘弾性率が変化する電気応答性弾性体から構成されたトレッドと、
前記トレッドのタイヤ径方向内側に配設される導電体とを備えたタイヤと、
前記導電体に電圧を印加する電圧印加手段と、
を備えるタイヤグリップ力制御装置。
前記導電体は、スチールコードによって構成される補強ベルトである請求項４に記載のタイヤグリップ力制御装置。
前記補強ベルトは、タイヤの円周方向に螺旋状に形成される請求項５に記載のタイヤグリップ力制御装置。
前記電圧印加手段は、
前記タイヤに取付けられた帯電ブラシと、
車両バネ下部の非回転部材もしくは車体に取付けられて前記帯電ブラシと接触する接触部材と、
前記導電体に電気的に接続されて、前記帯電ブラシに発生した電荷を蓄積するコンデンサーと、
を備える請求項４〜請求項６のいずれかに記載のタイヤグリップ力制御装置。
タイヤのトレッドの少なくとも一部を、ゴム弾性体中に、電場の作用により分極する、粒径が０．０１〜１μｍの炭素質粉体を分散させて成る、電圧の印加により粘弾性率が変化する電気応答性弾性体から構成するとともに、前記トレッドのタイヤ径方向内側に導電体を配設し、電圧印加手段にて、前記導電体に電圧を印加して前記トレッドの粘弾性率を変化させて前記タイヤのグリップ力を制御するタイヤグリップ力制御方法。