自動車用タイヤのインテリジェント化 · 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8...

1

東京理科大学理工学部機械工学科松崎亮介

自動車用タイヤのインテリジェント化

Ryosuke Matsuzaki, Tokyo University of Science

2

研究背景

2000年ブリヂストン/ファイアストンタイヤのリコール

TREAD (Transportation recall enhancement, Accountability

and Documentation) Act

TPMS (tire pressure monitoring system：タイヤ空気圧監視装置) の装着義務化

タイヤバーストが頻発

空気圧の低下が原因

Tire burst in 2000

3

TPMS（タイヤ空気圧監視装置）

Valve attached by Bridgestone

Valve attached by Alps Electronic

Clamp-on-rim by SmarTire

Valve-cap-sensor by Tiresentry

義務化を受け，既にいくつかのタイヤ空気圧監視装置が開発されている

TPMS（タイヤ空気圧監視装置）

4

J.-G. Oh et al. / Sensors and Actuators A 141 (2008) 631–639

Nabipoor et al., Journal of Physics, 34 (2006) 770-775

5

タイヤ/路面監視装置

•空気圧に加えて，種々のセンシングが期待される

•人身事故の55%以上が雨や雪による路面の摩擦係数低下

タイヤ/路面監視装置の装備

間接的測定（車軸回転数，GPS，…）では低精度

直接タイヤを監視するシステムが必要（インテリジェントタイヤ）

(Statistical yearbook 2002 for the federal republic of Germany)

路面情報警告システム（運転手，メンテナンス）

車両制動性能の向上

6

インテリジェントタイヤ

タイヤ/路面状態監視等のため，空気圧，温度，ひずみ，加速度センサ等をタイヤ内部に搭載

センサ

タイヤ/路面監視

運転手警告

外部ユーザー車両間の通信

インフラ整備

タイヤR&D

ブレーキ油圧制御

最適制動制御

最適制動制御，運転手警告，タイヤ/路面監視

7

測定データと効果

運転手

タイヤひずみから，スリップ比，摩擦係数を測定する

Tire pressure

Tire forces

Tire slip condition

Friction potential

Road condition

運動制御

外部ユーザー

センサ出力効果

警告システムタイヤ，路面，摩擦係数

最適制御 ABS, TCS, Roll-over protection

Maintenance, R&D 路面修復, タイヤ会社

加速度センサを用いる測定では困難（タイヤの大きさ，回転速度に依存）

Development Road Map

8

摩擦計測の研究動向(センシング)

9

摩擦計測の研究動向(センシング)

10 Tyren et al., Fortschritt-Berichte VDI Reihe 12 Nr. 511, VDI Verlag, 2002.

Görich et al., Fortschritt-Berichte VDI Reihe 12 Nr. 181, VDI-Verlag, 2002.

11

タイヤひずみ測定従来手法

従来手法 – ひずみゲージ, SAW, MEMS，光ファイバ，etc.

タイヤゴム（E：数MPa）と比較して高弾性，低伸び率

大型，高価格，有線接続

– センサのはく離・破損が生じる

106 回以上の繰り返し荷重

突起乗り越え時の大変形（通常はひずみ±0.3%）

タイヤひずみセンサに求められる条件 –低弾性，大変形に対応，小型

–低価格

–無線測定

SAW tire sensor

MEMS tire sensor

12

研究目的

• タイヤひずみ測定に適用可能な新しいセンサの開発

• バッテリーレス無線測定システムの開発

• ひずみを利用した車両運動制御，路面状態警告システムの提案

タイヤひずみ測定センサが確立していない

バッテリーレス無線技術

取得タイヤひずみデータの活用法

問題点

目的

タイヤひずみ測定を利用した統合車両安全システムの確立

13

発表の流れ

ひずみセンサパッチ型フレキシブルセンサ

セルフセンシング

バッテリーレス無線通信方法電磁誘導を用いたパッシブ無線

同調回路を用いたパッシブ無線

ひずみを利用した最適制動制御，路面状態警告システムの提案

タイヤひずみ測定手法の開発

Capacitive rubber-based sensor

従来

大ひずみゲージ

ゴムの変形を妨げる

• 大ひずみ対応，タイヤ変形を妨げない

• 長期運用（106回）でセンサ特性の変化小

タイヤと同等の力学的特性（E, ν, 線膨張係数）

• Lift-offフォトリソグラフィーを利用したAu櫛型電極の作成

無線測定に適した電気容量型

• DirectWrite thermal spray等

• センサ貼付なし・応力集中なし

将来的には，タイヤに直接センサ描画可能

従来型センサ（箔ひずみゲージ，SAW, 光ファイバ, PZT, PVDF,…）

高剛性 → 異材界面端部での応力特異性（はく離，変形干渉）

低破断ひずみ → 突発的大入力

無線システムへの接続性

14

Rubber-based sensor for intelligent tires

Natural rubber

Ag paste

Cu thin filmEpoxy

Au

Au interdigital capacitor

Cu electordes

Attachm

ent area

38mm

25mm

Natural rubber

(12mm

x 30mm

)

Strain direction

1 mm

•天然ゴムベースパッチ型

•タイヤゴムベースも作成済み

15

センサ作製プロセス

Rubber base

Coating photoresist

Mask and exposure

Development

Sputtering

Lift-off

No Au layer

1mm

150 nm

UV light

Au

Na2SiO3

Fuji Chemicals

FPPR-200

Tigers Polymer

超音波洗浄+アセトン

Sputtering

Lift-off

16

Photoresist coating observation Loading direction (circumferential direction of tire)

Photoresist pattern Closeup

• Natural rubber, photoresist pattern, and Au sputtering (20nm)

• Observation using SEM (KEYENCE VE-8800)

Rubber Rubber

Photoresist

Photoresist

17

Rubber base

SEM of Au electrodes

Rubber base

Au electrode

Rubber-based strain sensor fabricated using photolithographic lift-off process

天然ゴム部ははく離性良

Au端部に破れ

18

19

Cross-section observation

Rubber Photoresist Photoresist Rubber

• Shape of photoresist coat should be overhung

• However, the edge of photoresist is not clear due to the roughness of natural rubber Au

Photoresist

Rubber

Au

Photoresist

Rubber

Ideal shape of photoresist Actual shape of photoresist

SEM observation

Pretreatment: chemical fixation + microtome

FEM results of dielectric flux density

Y

Z

0% 20% 30% 40% 60% 70% 80% 90% 100%50%10%

2%

4%

6%

Air

Rubber

Au electrode+ --

g

h

Dielectric flux density

b

width of interdigital finger b=0.35 mm, finger gap g=0.35 mm, thickness of rubber

h=1 mm.

センサ板厚半分の位置で

電界強度最大値の5%

ほぼ表面付近に電界形成

・測定対象物の影響なし

・センサ高さ変化による影響なし

Ansys ver.11

Element type: 121

(2-D 8-Node Electrostatic Solid)

20

Theory: capacitance change and GF p: 誘電率

h: 高さ

n: ポアソン比

e: ひずみ

n: 電極数

Capacitance change ratio

Capacitance

e

en

1

1

1

1

0C

C

Gage factor

n

1

1GF

(CP=CS0)

P

PS

Cg

hapn

CCC

e

ne

1

112

b

c

l

a

g

センサ電気容量寄生容量

• 電気容量変化は線形

• GFは測定対象のポアソン比に依存 21

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Strain measured using DICM

No

min

al s

tres

s (M

Pa)

Foil strain gage Rubber-based sensor without sensor

応力ひずみ線図(natural rubber)

22

センサ貼付時の応力ひずみ線図

低弾性用箔ひずみゲージ

(KFML-5-350-C1)

本センサ

天然ゴム

ひずみ測定：デジタル画像相関法

・天然ゴム矩形試験片に貼付

長さ100mm, 幅30mm, 厚さ10mm

弾性率 9MPa

・引張速度0.25mm/min

試験条件：

電気容量変化(GFRPに貼付)

0 2000 4000 6000

-0.004

-0.003

-0.002

-0.001

0

Strain

C

/C

Loading

Unloading

C0=20.6GF=-0.58

×10-6

引張負荷除荷に伴うセンサ電気容量変化（GFRPに貼付）

理論値

GF=-0.69

GFRP試験片に貼付


ポアソン比 0.11


試験条件：

23

電気容量変化(天然ゴムに貼付)

0 5000 10000 15000

-0.015

-0.010

-0.005

0

Strain

C

/C

C0=21.1pFGF=-0.98

Loading 1 Unloading 1 Loading 2 Unloading 2

×10-6

理論値

GF=-0.92

ポアソン比大

→電極幅小

ゲージ率小

引張負荷除荷に伴うセンサ電気容量変化（天然ゴムに貼付）

天然ゴム試験片に貼付


ポアソン比 0.47


24

疲労試験による電気容量変化

•最大ひずみ3000m

•応力比0.1

•20Hz，sin波

•応力中央値で一時停止し

電気容量測定

105程度から電気容量変化確認

⊿C/C=0.002 =ひずみ3448μ

⊿C/C=0.0005 =ひずみ862μ

102 103 104 105 106 107

-0.002

-0.001

0

0.001

Number of cycles

C

/C

Without coating

With silicon-rubber coating

試験条件：

試験結果：

25

106回疲労後のひずみ-電気容量特性

0 500 1000 1500 2000

-0.010

-0.008

-0.006

-0.004

-0.002

0

Strain

C

/C

×10-6

GF=-18.4

GF=-0.52

C0=21.9 pF

コーティングなし

低ひずみ域でGF大，500μから理論通り

Au端部にはく離・破れ発生，Bridging

0 1000 2000 3000 4000 5000

-0.003

-0.002

-0.001

0

Strain

C

/C

Loading

Unloading

×10-6

C0=22.1pFGF=-0.52


コーティングあり疲労前 GF=-0.58

疲労後 GF=-0.52 （誤差10%）

支配パラメータ疲労による影響

初期電気容量電極形状大

ゲージ率ゴムの特性小

キャリブレーションで補正可能

26

Capacitance change up to 14 % strain

0 0.05 0.1 0.15

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

C

/C

Strain

C0=20.9 pFGF=-1.89

大ひずみ負荷時の電気容量変化

電気容量減少確認

ゲージ率は理論値からずれる

Srain: 0 % Srain: 13.3 %

27

センサのタイヤ貼付

GUARD Lcur Lpot Hpot Hcur

Unkown±40V DC MaxCAT 1

!

HIOKI 3532-50 LCR HiTESTER

Contrast

POWER

IO

31.945kW

0.00052

4.9821 nF

- 89.97

D

Z

C

θ

NORMALOFF

5.00s

OFFOFF

OFF

1.000V1.000V

100kHz

0.002mA

INT

AUTO 10

MENU

Strain sensor

Circumferential direction

Compressive load is applied at 2.0mm/min

Automobile tire

Sensor

LCR meter

Experimental setup for capacitance measurement of the sensor attached to inner

surface of a radial tire (175/70 R14).

28

電気容量変化

0 500 1000 1500 2000

-0.008

-0.006

-0.004

-0.002

0

Strain

C

/C

C0=19.7pFGF=-3.95

Loading Unloading

×10-6

Capacitance change ratio of the rubber-based sensor attached to inner surface of radial

tire due to compressive loading.

29

30

タイヤひずみのセルフセンシング法

タイヤ自体をセンサとして利用（セルフセンシング）

付加センサ不要→はく離問題を解決，小型化

厳しい環境下で使用可能

より直接的な測定

Advantage:

ひずみ測定第2手法

トラック/バスタイヤ試験片

乗用車用ラジアルタイヤ試験片

乗用車用ラジアルタイヤ

タイヤ変形による電気容量変化を調査

31

タイヤの電気容量

Distance dRadius a

q -qE

rRadius a

Dielectric constant e

Steel wires

a

adC

ln

e

al

dR

2Resistance:

Capacitance:

Tread

Carcass

Structure of Radial tire

Belt

Bead Steel wire

Synthetic Rubber

FRR (fiber reinforced rubber)

Belt part of radial tire

C

R

32

タイヤベルト部試験片

Steel wire Synthetic rubber

Steel wire

Polyester fiber

トラック/バスタイヤ乗用車用ラジアルタイヤ

（±20°)

構造が単純（基礎研究）

パッチ型センサとして適用可

Carcass

Steel wire belt

Tread

Carcass (Polyester fiber)

Steel wire belt

Tread

Bead wire

Carcass

Steel wire belt

Tread

Carcass (Polyester fiber)

Steel wire belt

Tread

Bead wire

長さ250mm, 幅30mm, 厚さ3mm 長さ270mm, 幅30mm, 厚さ4mm

33

0 1000 2000 3000 4000

7

8

9

10

11

12

13

Strain (µe)

Cap

acit

ance

(p

F)

Loading Unloading

トラック/バスタイヤ試験片

Cap

acit

ance

(p

F)

Strain, me

Loading

Steel wire

電極間隔増加

変位： 3 mm

変位速度：0.5mm/mim

電気容量測定：LCR meter (100 kHz)

引張試験

34

0 1000 2000 3000

18

20

22

24

26

28

Strain (μ)

Cap

acit

ance

(p

F)

Loading Unloading

乗用車用ラジアルタイヤ試験片 C

apac

itan

ce (

pF

)

Strain, me

Load

Steel wire

Load

Steel wire

電極間隔減少

35

実際の乗用車用ラジアルタイヤ

Interdigital electrodes

圧縮試験 –変位速度：2.0 mm/min

–変位: 10 mm

–センサ部が下端となるように設置

–LCRを用いて電気容量・抵抗測定

電気容量測定用電極 –タイヤショルダー部を一部除去

–櫛型電極を配置

乗用車用ラジアルタイヤ –175/70 R14

Applying compressive load

Automobile tire

Sensing area

Strain gage

(175/70 R14)

Strain gage

Sensing area

Automobile tire

(175/70R14)

Compressive load

36

電気容量・電気抵抗測定結果

0 500 1000 1500 2000

15800

16000

16200

16400

Strain, me

Cap

acit

ance

(p

F)

Loading Unloading

Cap

acit

ance

(pF

)

Strain, me

Capacitance change

0 500 1000 1500 2000

420

440

460

480

500

Strain, me

Res

ista

nce

(k

)

Loading Unloading

Resistance change

Strain, me

Res

ista

nce

(

) 試験片では引張ひずみにより電気容量増加

実タイヤでは，3次元的な複雑な変形，接地点周辺の圧縮域の影響

37

電磁誘導を用いたパッシブ無線モニタリング

発振回路を用いた無線アクティブモニタリング

電源が必要

電源が不要

電磁誘導を用いた無線パッシブモニタリング

寿命

温度耐性

重量増加

環境への影響

乗用車用ラジアルタイヤ試験片に適用し有効性を検討

38

LCR

meter

Ra Rs

La Ls Cs Cx

Wireless communication

External antenna Strain sensor

M

電磁誘導を利用したパッシブ回路

センサ回路

無線区間：コイルを用いた電磁誘導

xs

sssCC

LjRZ

1

s

aaaZ

MLjRZ

22

タイヤ

外部アンテナ

39

1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1

81

82

83

84

Frequency (MHz)P

has

e an

gle

, φ

(deg

)　

Phase dip point

Loading

|⊿φdip|

モニタリングシステム

電気容量変化

センサ回路の

共振周波数変化

アンテナインピーダンス位相角

極小値が変化 xs

rCCL

f

2

1

センサ回路の共振周波数

タイヤベルト部

変形

Frequency (MHz) P

has

e an

gle

(d

eg)

Loading

Phase dip-point

decreases

40

インピーダンス位相角

1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

86

87

88

89

90

91

Frequency (MHz)

Phas

e an

gle

, φ

(deg

)　

3mm2mm1mm

0mm

|⊿φdip| decreases

Frequency (MHz)

Ph

ase

ang

le (

deg

)

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

88

89

90

91

Frequency (MHz)

Phas

e an

gle

, φ

(deg

)　

0pF

2000pF

4000pFfr decreases

Frequency (MHz)

Ph

ase

ang

le (

deg

)

電気容量Cx変化コイル間隔di変化

電気容量Cxに応じて位相角ディップ点（共振周波数）が変化

コイル間隔diは共振周波数に依存しない

fr decreases

41

0 1000 2000 3000 4000

-0.008

-0.004

0

0.004

0.008

Strain (m)

Res

onan

t fr

equen

cy c

han

ge

(MH

z)


静的引張試験（ラジアルタイヤ試験片）

0 1 2 3 4 5

0

0.5

1

1.5

2

88

90

92

94

96

Frequency (MHz)

Imp

edan

ce,

Za (Ω

)

Za

φ

Ph

ase

ang

le, φ

(d

eg)

Frequency (MHz)

Ph

ase

ang

le (

deg

)

Strain, me

Fre

qu

ency

, f r (

MH

z)

Imped

ance

, Z

a (Ω

)

外部アンテナのインピーダンス

（無負荷時）

ひずみによる共振周波数の変化

電気容量増加により共振周波数が減少

測定精度，測定速度，無線通信距離に問題

42

同調回路を用いたパッシブ無線モニタリング

電磁誘導を用いたパッシブ無線モニタリング

電磁誘導を利用するため無線距離が短い

測定時間が長い（1回の測定につき2分）

同調回路を用いたパッシブ無線モニタリング

電波を利用するため無線距離が長い

短時間測定可能（周波数解析速度に依存）

ラジアルタイヤ試験片を用いた静的・繰り返し荷重試験

複数スペクトル特徴量を用いた実タイヤのひずみ測定

43

External Transmitter

(Function generator)

External Receiver

(Digital oscilloscope)

Strain Sensor

L C (Tire) R (Tire)

R

White noise

Tire deformation

Electric resistance and

capacitance change

Power spectrum change

Power spectrum change

FFT analysis

Strain measurement

RF RF

Tire CR

White noise

RF RF

Deformation

C change

R change

Spectram change

Spectram change

FFT analysis

Strain

measuremet

ひずみ無線センサシステム

44

静的引張試験

0 1000 2000 3000

850

900

950

1000

1050

1100

Strain (μ)

Fre

qu

ency

(k

Hz)


Strain, me

Tu

nin

g F

requ

ency

(k

Hz)

L=100μH

x

tLC

f2

1同調周波数：

ひずみの増加に伴い，電気容量が増加するため同調周波数は減少

10 100 1000

-50

-40

-30

-20

-10

0

Frequency (kHz)

Pow

er s

pec

trum

(dB

m) White noise

Sensor output

Received RF

Frequency (kHz)

Po

wer

sp

ectr

um

(d

Bm

)

ラジアルタイヤ試験片の電気容量を用いる

45

140

145

150

155

160

165

170

0 100 200 300 400 500

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

繰り返し荷重試験

140

145

150

155

160

165

170

0 2000 4000 6000 8000 10000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0.5Hz （3km/h） 10Hz （70km/h）

Strain

Frequency

Time (mｓ) Time (ms)

Fre

qu

ency

(k

Hz)

Fre

qu

ency

(k

Hz)

Str

ain

, μ

Str

ain, μ

電気油圧試験機

変位周波数：0.5～10 Hz

変位：2 mm

46

繰り返し荷重試験

0 1000 2000 3000

155

160

165

170

Strain (μ)

Tunin

g F

requen

cy (

kH

z) 0.5Hz 1Hz 5Hz 10Hz

各変位周波数における，同調周波数とひずみの関係

Tu

nin

g F

requ

ency

(k

Hz)

Strain, me

47

ひずみを用いたタイヤ形状・荷重算出

FEMによるタイヤひずみ分布の解析

タイヤパラメータの測定

タイヤひずみデータを利用した最適制動制御，路面状態警告システムの提案

タイヤひずみセンサ

無線モニタリングシステム

タイヤひずみ無線モニタリング手法の確立

48

スリップスロープ

スリップ比

有効転がり半径reの測定が必要

V

rV

V

V es

路面状態に依存せず一定のスリップ比で最大摩擦係数を得る

路面/タイヤ摩擦係数はスリップ比に依存

摩擦係数

N

t

F

Fm

Slip ratio

Fri

ctio

n c

oef

fici

ent

V: 車両速度, Vs: タイヤスリップ速度

: タイヤ角速度, re: 有効転がり半径

FN: ホイール垂直荷重

Ft: 横方向荷重（ブレーキトルク）

49

FEM解析

Ansys ver.10

• 材料非線形（超弾性・非圧縮） Mooney-Rivlinモデル

• 要素 3次元20節点要素（5000要素，20000節点）

接触要素

分割（接触面付近，その他） 1/2対称モデル

• 拘束・荷重条件ビード部と中心を幾何学的拘束

荷重：内圧 200 kPa，ホイール垂直荷重，ブレーキトルク

タイヤのひずみ分布を有限要素法を用いて解析

FEM model

Strain sensorSensor

50

タイヤ回転試験

0 5 10

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

-15000

-10000

-5000

0

5000

Time (s)

Fre

quen

cy c

han

ge

rati

o, ⊿

f / f

Str

ain (μ

)

Strain

Frequency

f /

f

Str

ain

, m

e

re

V

w

Tread

Belt

Compression

Tension

Deformation direction

Compression

タイヤの変形

Tire rotation testing machine Time (s)

圧縮圧縮引張

51

-20 -10 0 10 20

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

Rotation angle (degree)

Str

ain

1000 N500 N

250 N

100 N

-0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15

-0.33

-0.32

-0.31

-0.30

-0.29

-0.28

x direction (m)

y d

irec

tio

n (

m)

0 N100 N

250 N

500 N

1000 N

Contact patch

タイヤひずみ分布

タイヤ変形ひずみ分布

接地点で引張，周辺で圧縮

圧縮ひずみ増加

ホイール垂直荷重増加

有効転がり半径減少

接地長さ増加

re

中心Cn

x direction

(m) Rotation angle, q

(deg)

y d

irec

tion (

m)

Str

ain

re

Tread

Belt

θ

52

-20 -10 0 10 20

-0.01

0

0.01


Tim

e D

iffe

renti

al

Contact Patch (100 N)

Contact patch (1000 N)

接地長さ

0 0.05 0.1 0.15

0

0.05

0.10

0.15

Contact patch length using FEM (m)E

stim

ated

co

nta

ct p

atch

len

gth

(m

)

ひずみ時間微分のピーク間隔が接地長さに相当

FEM解析で一致を確認

re

Tread

Belt

Tim

e dif

fere

nti

al

Est

imat

ed c

on

tact

pat

ch (

m)

Contact path using FEM (m) Rotation angle (deg)

タイヤの変形を示すパラメータ

53

有効転がり半径

0 0.05 0.1 0.15

0.25

0.26

0.27

0.28

0.29

0.30

Contact patch length (m)

Eff

ecti

ve

radiu

s, r

e (m

)

ひずみデータからスリップ比が算出可能

接地長さと有効転がり半径には負の比例関係

re

Tread

Belt

Contact patch

re

Contact patch (m)

Eff

ecti

ve

rad

ius,

re

(m)

54

-20 -10 0 10 20

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02


Str

ain

1000 N500 N

250 N

100 N

ホイール垂直荷重

0 0.01 0.02 0.03

0

500

1000

1500

2000

2500

Maximum compressive strain

Wheel

load (

N)

最大圧縮ひずみからホイール垂直荷重が測定可能

Strain distribution

Maximum compressive strain

Whee

l lo

ad (

N)

Rotation angle

Str

ain

55

-20 0 20 40

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04


Str

ain

F=500N, T=0

F=500N, T=144Nm

F=500N, T=342Nm

ブレーキトルク

1 1.1 1.2 1.3 1.4

0

100

200

300

400

Compressive strain ratio, rfb

To

rqu

e (N

m)

re

Tread

Belt

V

接地前後で圧縮ひずみ分布が変化

圧縮ひずみ比からブレーキトルクが測定可能

Compressive strain ratio, rfb

Rotation angle (deg)

Str

ain

To

rqu

e (N

m)

pb

pf

fbee

ee

r ef: 前部のひずみ

eb: 後部のひずみ

ep: 空気圧によるひずみ

56

最適制動制御，路面状態警告システム

ひずみデータ有効転がり半径

スリップ比

ホイール荷重

ブレーキトルク

摩擦係数

一定のスリップ比で保持（ブレーキ圧調整）

測定済みスリップスロープを参照

最適な制動制御

路面状態警告システム

Slip ratio

Fri

ctio

n c

oef

fici

ent

57

まとめ

タイヤひずみセンサ

パッチ型フレキシブルセンサ

セルフセンシング

バッテリーレス無線送信システムの開発

電磁誘導

同調回路

インテリジェントタイヤによる車両安全システム

最適制動制御

路面状態警告システム

Tire

Control unit

Vehicle

Copper electrode (35μm)on polyimide carrieer (50μm)

Flexible epoxy(pelnox, ME-113/XH-1859-2)

59

第7章結言

ひずみ時間微分から接地長さ，有効転がり半径の測定が可能である．さらに有効転がり半径からスリップ比の算出が可能である．

最大圧縮ひずみからホイール垂直荷重の測定が可能であり，圧縮ひずみ比からトルクの測定が可能である．これらの値から摩擦係数の算出が可能である．

ひずみデータを利用した最適制動制御と路面状態警告システムを提案した．

Tokyo Institute of Technology 60

結論

Patch type sensor Self-sensing

- easy to be installed

- applicable to existing tires

- capable of withstanding harsh conditions

- does not cause debonding problems

Improved manufacturing

technology for intelligent tire

Present stage Future stagePresent stage Future stage

パッチ型フレキシブルセンサ装着容易

市販タイヤに適用可能

セルフセンシング法環境耐性

はく離問題なし

既存タイヤに適用できない

タイヤ製造プロセスの変更

インテリジェントタイヤ

タイヤ成型法の確立


櫛型電極

Electrodes

Tire specimen

Electrodes

Tire specimen

0 2 4 6 8 10 12

0

20

40

60

80

100

Nd

⊿C

(p

F)

Upper layer Lower layer

Number of electrodes

Cap

acit

ance

ch

ang

e (p

F)

特徴

小型構造で大きな

電気容量変化を得る

櫛状に電極を配置

櫛型電極配置


0 500 1000 1500 2000

-0.004

-0.002

0

0.002

0.004

Strain, me

f t /

ft0

Loading 1 UnLoading 1 Loading 2 Unloading 2

0 500 1000 1500 2000

0

0.05

0.10

Strain, me

P

p /

Pp0


0 500 1000 1500 2000

-0.05

0

0.05

0.10

Strain, me

Q

/Q0


スペクトル形状変化

Q

/ Q

0

f t /

ft0

P

p /

Pp0

Strain, me

Strain, me Strain, me


Truck/bus tire

Steel belt


Element

Mooney- Rivlin

2 parameter

Tensile strain 100%, compressive strain 30%

Strain-energy density function

2

3

1

201110321 11

33,, JD

JCJCJJJW

C10, C01: material constants

J1, J2, J3: invariants of strain tensor


動的ひずみ測定ソフトウェア

測定用アプリケーションの作成

測定周波数：~10MHz

STFT（短時間フーリエ変換），MEM（最大エントロピー法）

スペクトルサンプリング周波数：90Hz

測定はAD変換ボードを内蔵した

PCのみで可能

Strain change (CH2)

STFT result

(Time-frequency plane)

Tuning frequency change

FFT resultStrain change (CH2)

STFT result

(Time-frequency plane)

Tuning frequency change

FFT result


試験装置

変位： 3 mm

変位速度：0.5mm/mim

LCR Meter

Strain gageSpecimen

Insulator

Signal conditionerBridge circuit

Tensile testing machinePC


第2章パッチ型フレキシブルセンサ

既存タイヤに適用可能なパッチ型フレキシブルセンサの提案

・ 2.1 低剛性，大変形に耐えうる電気容量型センサ

・ 2.2 FEMによる静電容量解析，GFRP・実タイヤ貼付試験

Copper electrode (35μm)on polyimide carrieer (50μm)

Flexible epoxy(pelnox, ME-113/XH-1859-2)

patch-type sensor Flexible capacitive sensor


電気容量型フレキシブルセンサ製作

フレキシブル基板

超可とう性エポキシ

銅箔（35mm）

ポリィミドフィルム（50mm）

材料

ペルノックス製ME-113/XH-1859-2

（伸び率: 150 %, 弾性率: 0.55 MPa ）

Flexible epoxy

Copper film (35μm)Polyimide carrier (50μm)

(pelnox, ME-113/XH-1859-2)

Step 2 FeCl3 etch

Step 3 Cutting polyimide

Step 4 Bonding two substrates

Step 1 Flexible substrates

Flexible substrate

・低弾性率センサ

・大変形にも対応可能

Step 1. Flexible substrate

Step 2. FeCl3 etch

Step 3. Cutting polyimide

Step 4. Bonding two substrates


櫛型電極形状

w

s

s

l

Attachment area

Flexible resin

Copper electrode

Strain direction x

w

l s

s

Lateral comb (LC) Transverse comb (TC)

対向面積の減少電極間隔の増減


静電容量解析

0 0.5 1 1.5

-1.5

-1.0

-0.5

0

Strain, %

C

/C

FEM Eq. (1)

021763

4352665288

87051108814

130577152340

174103195865

Electric field distribution (V/m)


FEM解析 • ANSYS ver.10

• 2次元8節点静電場要素（要素数5000，節点数17000）

• ひずみ負荷時の電極間電気容量を解析

LCセンサ解析結果 Strain direction

Strain, %

C

/C

Electric field distribution (V/m)



解析結果2

0 0.5 1 1.5

0

1

2

3

Strain, %

C

/C

FEM Eq. (6)

0 0.1 0.2

0

10

20

30

40

50

60

Initial Capacitance, C0 pFF

M

As finger length a increases,FM and C0 of TC increase.

FM and C0 of LC

Strain

TCセンサ引張負荷時の電気容量変化ゲージ率と初期電気容量

TC

LC

Strain, % Initial capacitance, C0 pF

C

/C

Gag

e fa

cto

r

櫛長さを長くすると…


オフセットTCセンサ

-1 -0.5 0 0.5

0

200

400

600

800

0

0.2

0.4

0.6

Offset value, ov

FM

Init

ial

cap

acit

ance

, C0

pF

C0

FM

Gag

e fa

cto

r

Init

ial

cap

acit

ance

, C

0

C0

GF

Offset value, ov

TCセンサでは電極をオフセット配置することでさらに高いC0，GFを得ることが可能


GFRP貼付実験方法

＜GFRP引張試験＞

GFRP平板（150 mm×40 mm ）にTC，LCセンサを貼付

変位速度 0.2 mm/min

LCRメータを用いて電気容量を測定

ひずみゲージをGFRPに貼付

Sensor no. w c b g a n lS wS

(mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm)

LC-1 39 2.5 1 0.5 20 9 45 20

TC-1 13 6 1 3.5 7 3 85 26

+V

g

b

w

l

a

c

センサ形状

TC: 電極をオフセット


GFRP貼付実験結果

0 1000 2000 3000 4000 5000

-0.4

-0.2

0

0.2

Strain, me

C

/C,

%

Loading

Unloading

C0=3.4 pF

0 5000 10000 15000

-6

-4

-2

0

2

Strain, me

C

/C, %

Loading Unloading

C0=9.3 pF

C0=3.4pF

GF=0.67

C0=9.3pF

GF=4

ov=0.75

Strain, me Strain, me

C

/C,

%

C

/C,

%

• ひずみに比例して電気容量は減少

• TCセンサではより高い初期電気容量，ゲージ率が得られる

LC sensor TC sensor


ラジアルタイヤ貼付実験

TCセンサをタイヤ(175/70R14)内側表面に貼付

タイヤ圧縮試験を実施： 2.0mm/min

Picture of attached flexible sensor


ラジアルタイヤ貼付実験結果

0 500 1000 1500 2000

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

Strain, me

C

/C

Loading

Unloading

C0=22.1 pF

•ひずみ増加に伴い線形に電気容量は減少

Strain, me

C

/C

C0=22.1 pF


無線測定

0 500 1000 1500 2000 2500

-10

-8

-6

-4

-2

0

Strain, me

V

p/V

p (

%)

Loading Unloading

V in

V out

Buffer

x

ref

C

C

in

ref

out VCC

CV

x

x

電気容量変化を電圧振幅変化に変換（Amplitude Modulation）

電気容量データを受信機（コントロールユニット）に無線送信

AM wireless transmitter Strain, me

V

p/V

p (

%)

Vin: 入力電圧

Vout: 出力電圧


自己温度補償

30 40 50 60

0

1

2

3

4

5

Temperature (°C)

V

p/V

p (

%)

TC-3 no.1

TC-3 no.2

Temperature compensation using TC-3 no.2 as Cref

Crefに同形状のTCセンサ電気容量を利用（ダミーセンサ）

.

11

1

in

dum

in

dum

out

VCC

C

VCC

CV

x

x

x

x

温度の影響を除去

走行中にタイヤ温度が上昇し，センサ出力に影響

Temperature (º C)

V

p/V

p (

%)

（: TCセンサ温度係数）

TCセンサ1

TCセンサ2

温度補償


第2章結言

• タイヤひずみ測定用センサとして，低剛性・大変形に対応可能な電気容量型のLC，TCセンサを提案した．GFRP・ラジアルタイヤ貼付実験を実施した結果，TCセンサの方が高い初期電気容量とゲージ率の点からタイヤひずみセンサとして適する．

• 振幅変調を用いることでラジアルタイヤひずみの無線測定が可能であることを実証した．

• センサ電気容量は温度変化の影響を受けるが，ダミーセンサを用いることで除去可能である

81

内容

第1章緒論

第2章パッチ型フレキシブルセンサ

第3章タイヤひずみのセルフセンシング法

第4章 CR発信器を用いたアクティブ無線モニタリング

第5章電磁誘導を用いたパッシブ無線モニタリング

第6章同調回路を用いたパッシブ無線モニタリング

第7章ひずみを用いたタイヤ形状・荷重算出

第8章結論

82

実タイヤへの適用

実際のタイヤの電気容量変化

3次元構造の複雑さ，接地面による圧縮影響

電気容量値の変化にヒステリシス

→ひずみ測定精度低下

無線ひずみモニタリングの実タイヤへの適用

電気抵抗・電気容量並列モデルを用いる

同調周波数，スペクトル最大値，Q値を測定

スペクトル全体の形状から決定される

共振点のわずかな変動に影響を受けない

応答曲面法によりひずみを高精度で推定

83

スペクトル形状の変化

Frequency

Po

wer

sp

ectr

um

Loading

Tuning

frequency

・ Tuning frequency increases

・Maximum spectrum increases

・ Spectrum peak becomes sharper

Tuning

frequency

Frequency

Po

wer

sp

ectr

um

Loading

Tuning

frequency

・ Tuning frequency increases

・Maximum spectrum increases

・ Spectrum peak becomes sharper

Tuning

frequency

同調周波数ft

Q値

スペクトル最大値Pp

LCft

2

1

RIP 2

p

L

CRQ

電極間隔増大

同調周波数ft 増加

スペクトル最大値Pp 増加

Q値増加

電気抵抗R 増加

電気容量C 減少

同調周波数増加

スペクトル最大値増加

共振の鋭さは増す

84

スペクトル特徴量の抽出

0 500 1000 1500 2000 2500

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

Po

wer

Sp

ectr

um

(d

Bm

)

ft = 550kHz

400 500 600

-55

-50

-45

Frequency (kHz)

Experimental value Approximated curve

Frequency (kHz)

Pow

er s

pec

trum

(dB

m)

2

1t

2k

kf

0

2

12p

4k

kkP

2

120

1

4

14 kkk

kQ

210

2

2

2

2

1

2

1

1kfkfk

f

fP

m

ローレンツ関数近似

同調周波数

Q値

スペクトル最大値

センサ出力波形を無線受信

FFTによりスペクトル解析

85

応答曲面を用いたひずみ測定

0 1000 2000 3000 4000

0

1000

2000

3000

4000

Strain, me

Est

imat

ed s

trai

n, m

e

Used data for regression New data

Strain, me

Est

imat

ed s

trai

n, m

e

Response y: strain

Variables x1: ft

x2: Pp

x3: Q

応答曲面法を用いてひずみを推定

k

i

k

ij

jiij

k

j

jj

k

j

jj xxxxy11

2

1

0

2次多項式近似

86

第6章結言

同調回路と白色雑音を用いたセンサ内に電源不要のパッシブ無線モニタリングシステムを提案した．

ラジアルタイヤ試験片を用いて，変位周波数10Hzの繰り返し荷重試験を実施し有効性を示した．

同調周波数に加え，パワースペクトル最大値，共振の鋭さを測定し応答曲面法を用いることで，高精度でタイヤひずみの測定が可能であることを実証した．

自動車用タイヤのインテリジェント化 · 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8...

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