JP4386427B2 - 圧力計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力計測装置に関するものであり、例えば、タイヤの接地部の圧力計測装置に関する。

従来より、タイヤの動的あるいは静的特性を解析するためには、タイヤの接地圧を計測することが重要であり、いくつかの計測方法が提案されている。

具体的には、例えば図７に示すように（従来構成例１という）、代用路面となる強化ガラス板３３の下部に直角プリズム３４の長辺に当たる面を透明な接着剤で接着し、プリズム３４の斜面を通して光を当て、強化ガラス板３３の上面で全反射させるように構成する。タイヤ３１を強化ガラス板３３上部に接触させると、反射光量が接触圧力により変化する。そこで、反射光量と圧力の関係を求めておき、接触部の微小な面積部分で吸収された光量を測定して圧力に変換する。この測定を接触部の全面にわたって行い、コンピュータで処理を行って、タイヤの圧力分布状態などをカラー画像として表示する方法がある（例えば特許文献１参照）。

また、図８に示すように（従来構成例２という）、並行した複数の電極線を直交させグリッド状の検出端を形成したシート形状の圧力検出体が提案されており、これを利用することで、平面的な圧力分布を画像として表示することができる。つまり、図９（Ａ）に示すように、バックシート５２に配された縦電極５４に感圧導電性インク７２をコーティングしたシート５０と、図９（Ｂ）に示すように、バックシート６２に配された横電極６４に感圧導電性インク７４をコーティングしたシート６０とを重ねて一体とし、交差部が検出端を形成している（例えば特許文献２参照）。
実開平７−２９４４号公報 米国特許第４８５６９９３号明細書

しかし、上記のようにタイヤの接地圧を計測するに際しては、いくつか改善を必要とする問題点があった。

つまり、従来構成例１のような方法では静的な接地圧を計測するのは優位であるが、光学的に高い精度が必要となり、装置が大掛かりで汎用性に欠けるという問題があった。さらに、タイヤの回転移動という動的な接地圧の計測を行った場合、計測面の画像が安定しないという大きな課題があった。

従来構成例２のようなシート状の圧力検出部については、広い平面における静的な接地圧を計測するのは優位であるが、シート内部における各検出端ごとの感度にバラツキがあるという問題点があった。また、タイヤを転動させた場合、シートの破損あるいは検出端の破壊が生じることから、動的な計測には適さないという問題点があった。さらに、計測密度を高めるためにグリッドの密度を高めると、隣接する検出端が互いに影響を受け合うことがある一方、こうした影響を減少させるためにグリッドの密度を低くすると、計測密度が低下することになるという課題もあった。

従って、本発明は、検出部に上下左右の力が加わっても影響しない強固な構造を有し、計測密度の高い多次元の圧力情報として取り出すことができる圧力計測装置を提供することを目的とする。特に、タイヤの接地圧を計測する場合のように、高い計測密度を必要とするとともに、動的な計測にも適用可能な圧力計測装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す圧力計測装置により上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は、印加電極、出力電極および計測面を有する感圧導電性エラストマーから構成される圧力検出部を、一定間隔に平面状に複数配列し、該複数の圧力検出部出力を多次元情報として取り出す圧力計測装置であって、
前記各圧力検出部の周囲に、感圧導電性エラストマーの変形可能な領域を制限する剛体の外周カバー部を設け、該外周カバー部と圧力検出部との間に狭隙部を設けるとともに、前記外周カバー部の少なくとも一部が導電性を有し、圧力計測時の前記感圧導電性エラストマーの変形によって、前記狭隙部が埋まり圧力検出部と外周カバー部とが導通することを特徴とする。

つまり、面全体として負荷が掛かる圧力計測時において、平面状の圧力検出ユニット内で細分された部位に圧力検出部を設け、感圧導電性エラストマー（以下「感圧素子」という）を圧力検出部として用いることで、付加された圧力の解除に伴い、感圧素子の機能が迅速に回復することができることを見出したもので、特に動的な圧力計測を行う場合において、圧力計測を精度よく行うことができる。また、こうした圧力検出部を、一定間隔に平面状に複数配列することによって、２次元の圧力分布、あるいは各圧力検出部の抵抗値を含む３次元の分布、さらには同一対象の繰り返し計測を行う場合には時間を含む４次元の分布、を情報として得ることができる。従って、検出部に上下左右の力が加わっても影響しない強固な構造を有し、計測密度の高い多次元の圧力情報として取り出すことができるとともに、動的な計測が可能な圧力計測装置を提供することができる。

また、圧力検出部の周囲に剛体の外周カバー部を設け、感圧導電性エラストマー（感圧素子）の変形可能な領域を制限することによって、堅牢さを強化するとともに、感圧素子の変形の回復を迅速かつ確実に行うことができる。さらに、後述するように、圧力と抵抗値の相関関係が最適な領域のみを利用することができることから、高い計測精度を確保することが可能となる。従って、強固な構造を確保し動的な計測が可能な圧力計測装置を提供することができる。また、こうした狭隙部を有する構造は、加圧に伴う感圧素子の変形を回復する空間的猶予をもたらすことができることから、圧力検出部の再現性を確保することができる点、効果的である。

上記のように、タイヤの接地圧計測などにおいては、計測装置の圧力検出部自体の耐久性・耐圧性が要求される。また、検出部の重要な特性として要求される再現性を確保するためにも、機械的に可塑性を有する構造が不可欠である。本発明においては、計測面を被覆する保護カバーを設けるとともに、計測面を確保しつつ所定の高さで変形が停止するように外周部を被覆するカバー部を設けることによって、圧力検出部の破損あるいは破壊を防止し、感圧導電性エラストマーの変形の回復を迅速かつ確実に行うことができる。従って、強固な構造を確保し動的な計測が可能な圧力計測装置を提供することができる。

さらに、本発明は、上記特徴とともに、前記外周カバー部の少なくとも一部が導電性を有し、圧力計測時の前記感圧導電性エラストマーの変形によって、前記狭隙部が埋まり圧力検出部と外周カバー部とが導通することを特徴とする。

感圧導電性エラストマーを圧力検出部として用いた場合、圧力−抵抗値（電流値）の相関関係は、一定の変形が生じた後の方が直線関係に近く、高い計測精度を得ることができる。従って、圧力検出部の外周カバー部の表面あるいは全体を導電性部材で形成するとともに、圧力検出部と該カバー部の間に設けた狭隙部を接点として利用し、圧力検出部の一定の変形によって計測開始時点を明確にすることによって、計測精度の向上を図ることができる。また、こうした狭隙部は、加圧に伴う変形を回復する空間的猶予をもたらすことができることから、検出部の再現性を確保することができる。

本発明は、前記圧力計測装置がタイヤの接地圧力計測用として用いられ、タイヤのトレッドパターン内の１つのブロックに対しても、複数の前記圧力検出部が接することを特徴とする。

上記のような圧力計測装置は、微小部分の圧力計測に有用であり、特にタイヤの接地圧計測のように加圧条件での動的な計測においては、堅牢かつ高精度の計測が可能な圧力計測装置を提供することができる。

以上のように、本発明では、感圧素子を用いて堅牢かつ小スポットの圧力検出部とし、該圧力検出部を最適構造および最適な配列によって平面圧力計測装置を形成することで、高い計測密度を必要とする動的な計測が可能な圧力計測装置を提供することができる。特に、変形を伴う圧力検出部の迅速な回復を図る構造とすることで、計測精度の高い圧力計測装置の提供が可能となる。

具体的には、タイヤの接地圧計測のように、圧力検出部に対し直接負荷がかかるような用途には、本発明の堅牢かつ計測密度の高い機能は非常に有効である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明に係る圧力計測装置を例示する。複数の圧力検出部および各圧力検出部に対応する印加電極と出力電極から構成される圧力検出ユニット１が、保護カバー２を介して枠体３によって基体４に固定されている。例えば、タイヤの計測においては、タイヤを枠体３の上を走査することで、圧力検出ユニット１の各圧力検出部が圧力を感知し、タイヤの接地圧を計測することができる。

ここで、保護カバー２は、直接対象物が圧力検出ユニット１に接することでの破損や汚濁の防止あるいは絶縁性の保持などを目的として設けられるもので、例えば、数１０〜数１００μｍ程度のゴムや柔軟性樹脂膜などを用いることができる。

また、枠体３および基体４は、圧力検出ユニット１の保持・固定をするものであれば、その素材および構成は限定されない。例えば、金属やセラミックス製あるいは剛性の樹脂などを用いることができる。あるいは、ガラスエポキシなどの樹脂を用い、一般の配線基板と同様の構成を形成することが可能である。さらには、ポリイミド系の高機能樹脂などを用いて、フレキシブルな基板を形成することも可能である。

上記圧力計測装置においては、図２に例示するように、圧力検出部５を一定間隔に平面状に複数配列した形態を形成している。このように配列することによって、２次元の圧力情報を得ることができるとともに、圧力検出ユニット１を小型の圧力検出部５に細分することで、１つには圧力変形に対して堅牢な構造が可能となり、もう１つには圧力検出ユニット１からの圧力に関する豊富な情報量の入手が可能となる、という利点がある。

前者については、受圧面積は圧力検出ユニット１全体であるが、圧力検出部５としては非常に狭小な受圧面（計測面）しかなく、また、隣接部からの圧迫を受けることがなく、従来のように、急激な圧縮による破壊あるいは圧搾などを防止することができる。特に、後述するような圧力検出部５の周囲に剛体の外周カバー部を設け、圧力検出部５の変形量を所定の範囲で制限することによって、さらに、堅牢さを強化することが可能である。また、隣接部の影響を受けることがなく、独立性の高い出力を得ることができることから、高い精度圧力計測を確保することができる。さらに、各圧力検出部５個々に、例えば定圧チェッカによる校正が容易であり、相互のトレーサビリティの確保が容易であり、一層の計測精度の向上を図ることができる。

後者については、圧力検出部５の大きさおよび配列は、任意に設定することが可能であり、検出感度あるいは計測対象によって必要となる情報量などを考慮して設定される。例えば、タイヤの計測においては、圧力検出部５を約０．５〜１．５ｍｍφとし２〜３ｍｍ間隔で配することによって、タイヤのトレッドパターン内にある５〜１０ｍｍ幅の１つのブロックに対して５〜１０点の計測を行うことができる。こうした配列を基に、２００〜３００ｍｍ幅の圧力検出ユニット１を形成した場合には、幅方向に１００〜１５０ポイントの計測が可能となり、タイヤの動的計測には十分な情報を得ることができる。タイヤの空気圧の相違による動的な接地圧の差を解析するなど、各種タイヤの評価試験において非常に有用である。

また、本装置においては、圧力検出部５が感圧導電性エラストマー（感圧素子）によって構成されている。感圧素子は、本来圧力変形に対して可塑性を有し、かつ本装置においては、上記のように各圧力検出部５が小容量であることから、圧力解除に伴い迅速に形状を回復し、再現性のよい精度の高い圧力計測出力を得ることができる。さらに、感圧導電性エラストマーは、後述するように、圧力変形によって電気抵抗値が変化し、一定条件では圧力値と抵抗値が所定の相関関係を有するという特性がある。従って、こうした特性を利用し、上記のような圧力検出ユニット１を形成することによって、各圧力検出部の出力を３次元の圧力情報として取り出すことができる。さらに、同一対象を繰り返し計測した場合には、平面情報および各点の抵抗値に時間を加えた４次元の情報として取り出すことができる。

感圧素子としては、ゴムあるいは樹脂の成形体として圧力検出部５を形成することができるものであれば、任意に選択することができる。具体的には、絶縁体とされているゴム材料に導電材を混ぜた導電タイプのエラストマーが使用可能であるが、導電性塗料や有機半導体あるいはピエゾ素子やポリフッ化ビニリデンなどの圧電素子などを利用した成形体も使用することができる。

なお、圧力検出部５の形状を図２では円筒形として表したが、これに限定されることはなく、立方形や角柱、あるいは断面を多角形などの形状にした筒体など任意に設定することができる。また、計測面５ａについても、接触面（点）での圧力が感圧素子全体に伝達できる構造であれば平面に限定されるものではなく、中央部が盛り上がった形状あるいは一部（１または複数箇所）に突起部を有する場合など任意に設定することが可能である。また、外周面５ｂについても特に限定されるものではなく、後述する狭隙部を介して外周カバー部との接触が容易となるように、外周の一部（１または複数箇所あるいは周面）に突起部を設けるなど任意に設定することが可能である。

図３（Ａ）に、圧力検出部５の構成例の断面を示す。圧力検出部５の計測面５ａおよび外周面５ｂを被覆する保護カバー２および外周カバー部６が設けられている。図３（Ａ）では、保護カバー２と外周カバー部６を一体化した部材として例示しているが、むろん別体である場合にも、本発明は適用される。

圧力検出部５の詳細を、図４に例示する。ここでは、感圧素子７がメッキ層８を介して基板９に取り付けられており、印加電極１０および出力電極１１がメッキ層８を介して感圧素子７と接続している。ここで、印加電極１０に所定の電圧を印加しておくと、感圧素子７の抵抗値変化に応じて、両電極間における電流値が変化する。つまり、計測面５ａに圧力が付加された場合、感圧素子７は、圧力に対応した抵抗値の変化が生じる。発生した抵抗値の変化は、その変化量に対応した電流値の変化となる。従って、出力電極１１を介して電流値を測定すれば、計測面５ａでの圧力を計測することができる。

計測面５ａでの圧力と感圧素子７の抵抗値（電流値）の相関関係は、例えば、図５に示すような例が挙げられる。片対数グラフ上において２つの領域（Ａ）あるいは（Ｂ）で直線に近い関係となる特性を有しており、この領域を活用することで、容易に計測面５ａでの圧力を計測することができるとともに、高い計測精度を確保することが可能となる。一般的には、電流値の高精度測定の方が容易であることから、領域（Ａ）のように、抵抗値変化に比べ荷重量変化が少ない方が、荷重量の高い計測精度を得ることができる。また、感圧素子７に予め所定量の圧力を付加し、感圧素子７の特性をこうした領域（Ａ）あるいは（Ｂ）で使用可能な条件にしておくことによって、高い計測精度を確保することも可能となる。

ここで、図３（Ｂ）に例示するように、計測面５ａの高さが、外周カバー部６の高さよりも少なくとも一部が大きいことが好適である。つまり、タイヤの接地圧計測などにおいては、計測装置の圧力検出部自体の耐久性・耐圧性が要求され、また、検出部の重要な特性として要求される再現性を確保するためにも、機械的に可塑性を有する構造が不可欠である。圧力検出部５の周囲に剛体の外周カバー部を設け、感圧素子７の変形可能な領域を制限することによって、上述のように、堅牢さを強化するとともに、感圧素子の変形の回復を迅速かつ確実に行うことができる。また、図５に例示された圧力と抵抗値の相関関係が最適な領域のみを利用することができることから、高い計測精度を確保することが可能となる。従って、強固な構造を確保し動的な計測が可能な圧力計測装置を提供することができる。

具体的な計測面５ａおよび外周カバー部６の高さは、感圧素子７の特性や実測に必要な圧力範囲などによって設定される。例えば、タイヤの接地圧計測に用いられる、上記のような構成の圧力検出部においては、計測面５ａが０．１〜１ｍｍ程度高い部分があれば、精度の高い検出が可能である。

本発明における別の実施態様を、図６に例示する。外周カバー部６と圧力検出部５との間に狭隙部を設けるとともに、圧力計測時の感圧素子７の変形によって圧力検出部５と外周カバー部６との導通が可能な構成を採っている。

つまり、１つには、こうした狭隙部を有する構造は、加圧に伴う感圧素子７の変形を回復する空間的猶予をもたらすことができることから、圧力検出部５の再現性を確保することができる点、効果的である。

また、付加圧力と感圧素子７の抵抗値の関係は、図５に示すように、一定の付加圧力（荷重）Ｇ以上において直線関係に近く、既述のように直線関係に近いほど高い計測精度を得ることができる。つまり、外周カバー部６を印加電極１０と接続し、上記の狭隙部が埋まるような変形が生じる圧力Ｇを、計測スタートの接点として利用することによって、計測精度の向上を図ることができる。特に、タイヤの接地圧計測などにおいては、付加圧力ゼロからの計測値は必ずしも精度を必要とせず、所定圧力以上における偏差を精度よく計測したいとの要請が強い場合が有り、こうした目的には、上記の狭隙部をトリガとする構成は非常に有用である。

このとき、圧力検出部５は外周カバー部６から等距離であることが好適であり、狭隙部の距離は必ずしも厳格な管理を要するものではなく一定の精度で管理されれば、実用可能である。具体的には、約０．１ｍｍ程度の精度管理で十分であり、より高い精度が必要な場合には、例えば定圧チェッカによる校正が可能である。また、外周カバー部６は、全体が導電体である必要はなく、印加電極１０と接続しかつ感圧素子７との接続が可能なように、表面に導電性を有する素材をコーティングしたものでもよい。

出力電極１１からの出力は、信号処理部（図示せず）によって処理された後、表示部（図示せず）に表示され、あるいはデジタル信号に変換して圧力計測装置から出力されて、多次元情報として活用される。

以上のような本発明に係る圧力計測装置は、特に、タイヤの接地圧力計測用として用いた場合には、非常に有用性が高い。つまり、タイヤの接地圧力計測においては、トレッドパターンの１つのブロックでの圧力分布および各ブロックごとの圧力分布の相違が、タイヤの動的特性の解析に重要であり、本装置においては、こうした情報を精度よく提供することができる。具体的には、等間隔に配列した複数の堅牢な圧力検出部によって、小さなスポットにおけるタイヤの接地圧に関する３次元の情報を、連続的にかつ再現よく得られることから、タイヤの接地圧計測のように微小部分の圧力計測を必要とし、堅牢かつ高精度の動的な計測に適しているといえる。

上記では、主としてタイヤの接地圧力計測用の圧力計測装置に対する本発明の適用について説明したが、同じ技術思想はタイヤだけではなく、他のゴム成形体などに対して適用可能である。また、計測対象物の形状についても、平面状あるいは曲面状など種々の形状に対しても適用可能であり、広い用途に適用することができる。

具体的には、スポーツ分野においては、運動能力の計測、例えば、走行中の足底面の圧力分布あるいは跳躍に伴う衝撃（圧力）分布の計測、などに適用可能である。また、医療分野においける、皮膚や骨格に対する義手や義足などによる負荷の分布の計測、あるいは、ロボット工学分野などにおける、捕捉、狭持または押付などの接触圧分布の計測、など幅広い分野あるいは用途に適用可能であり、非常に有用性が高い。

本発明に係る圧力計測装置の構成例を示す説明図 上記構成例における圧力検出部の配列を例示する説明図 上記構成例における圧力検出部の構成を例示する説明図 上記構成例における圧力検出部の構成の詳細を例示する説明図 感圧導電性エラストマーの圧力−抵抗値特性を例示する説明図 本発明に係る別の構成例における圧力検出部の構成の詳細を例示する説明図 従来技術に係る圧力計測装置の１の構成例を示す説明図 従来技術に係る圧力計測装置の他の構成例を示す説明図 従来技術に係る圧力計測装置の他の構成例の詳細を示す説明図

符号の説明

１ 圧力検出ユニット
２ 保護カバー
３ 枠体
４ 基体
５ 圧力検出部
５ａ 計測面
５ｂ 外周面
６ 外周カバー部
７ 感圧導電性エラストマー（感圧素子）
１０ 印加電極
１１ 出力電極

Claims (2)

1. 印加電極、出力電極および計測面を有する感圧導電性エラストマーから構成される圧力検出部を、一定間隔に平面状に複数配列し、該複数の圧力検出部出力を多次元情報として取り出す圧力計測装置であって、
   前記各圧力検出部の周囲に、感圧導電性エラストマーの変形可能な領域を制限する剛体の外周カバー部を設け、該外周カバー部と圧力検出部との間に狭隙部を設けるとともに、前記外周カバー部の少なくとも一部が導電性を有し、圧力計測時の前記感圧導電性エラストマーの変形によって、前記狭隙部が埋まり圧力検出部と外周カバー部とが導通することを特徴とする圧力計測装置。
2. 前記圧力計測装置がタイヤの接地圧力計測用として用いられ、タイヤのトレッドパターン内の１つのブロックに対しても、複数の前記圧力検出部が接することを特徴とする請求項１記載の圧力計測装置。

Images