タイヤ用途のためのレーダ摩耗検知

本開示は、無線センサを特徴とするタイヤ及びタイヤトレッド、並びに無線センサを使用し、かつ組み込むタイヤ及びタイヤシステムに関する。より具体的には、本開示は、トレッド摩耗を検知するタイヤ及びタイヤシステムに関する。タイヤは、空気式であっても非空気式であってもよい。

既知の低電力無線センサは、物体からの距離を概算するために、電磁波を放出し、反射電磁波を受信する。センサは、電源が欠けており、したがって、質問器と併用される。質問器は、無線センサに電力供給し、システム内の追加の構成要素に測定値を通信する。

一実施形態では、タイヤ構造体は、第1の環状ビードと第2の環状ビードとを含む。本体プライは、第1の環状ビードと第2の環状ビードとの間に延在し、周方向ベルトは、本体プライの径方向に上に配設され、本体プライの一部分を軸方向に横切って延在する。周方向アンダートレッドは、周方向ベルトの径方向に上に配設され、本体プライの一部分を軸方向に横切って延在する。第1のサイドウォールは、第1の環状ビードと第1のショルダーとの間に延在する。第2のサイドウォールは、第2の環状ビードと第2のショルダーとの間に延在する。第1及び第2のショルダーは、周方向アンダートレッドに関連付けられている。電子デバイスは、電子デバイスが摩耗によって不能化され又は損傷されないように、周方向ベルトと底部トレッド表面との間に径方向に配設される。電子デバイスは、30〜300GHzの周波数及び15〜35psの帯域幅を有するパルス電磁波を放射するように構成されたエミッタを含む。電子デバイスはまた、反射電磁波を受信するように構成された受信器と、放射波と反射波との間の少なくとも1つの特性の差を比較するプロセッサとを含む。電子デバイスは、質問器にデータを伝送するように構成された伝送器を更に含む。電子デバイスは、前記タイヤの寿命にわたってサブミリメートルの分解能で摩耗を観察する。

別の実施形態では、タイヤ用のレーダベースの検知システムは、タイヤ環状体の周囲に周方向に配設された複数のセンサを含む。前記複数のセンサの各々は、タイヤ環状体内に永久的に配設される。前記複数のセンサの各々は、更に、タイヤ環状体内の任意の金属構造体の径方向に上に配設される。複数のセンサ中の各センサは、回転しているときに波を放出し、反射波を検知する。

更に別の実施形態では、摩耗検知レーダ及び質問器アセンブリは、第1の環状ビードと第2の環状ビードとを有するタイヤを含む。本体プライは、第1の環状ビードと第2の環状ビードとの間に延在する。周方向ベルトは、本体プライの径方向に上に配設され、本体プライの一部分を軸方向に横切って延在する。周方向トレッドは、周方向ベルトの径方向に上に配設され、本体プライの一部分を軸方向に横切って延在する。第1のサイドウォールは、第1の環状ビードと第1のショルダーとの間に延在する。第2のサイドウォールは、第2の環状ビードと第2のショルダーとの間に延在する。第1及び第2のショルダーは、周方向トレッドに関連付けられている。少なくとも1つのレーダデバイスが、周方向ベルトと周方向トレッド中の空隙との間においてタイヤに埋め込まれる。少なくとも1つのレーダデバイスは、90〜100GHzの周波数を有するレーダ波を放射及び受信する。少なくとも1つの質問器が、少なくとも1つのレーダデバイスに電力供給し、少なくとも1つのレーダデバイスからデータを受信するように構成されるが、質問器は、タイヤ上に配設されない。

添付の図面では、以下に提供される詳細な説明と共に、特許請求される本発明の例示的な実施形態を説明する構造が図示される。同様の要素は、同一の参照番号で識別される。単一の構成要素として示される要素は、複数の構成要素に置き換えられてもよく、複数の構成要素として示されている要素は、単一の構成要素に置き換えられてもよいことが理解されるべきである。図面は正確な縮尺ではなく、特定の要素の比率が説明のために誇張されている場合がある。

タイヤ構造体の一実施形態の外側を剥がした断面斜視図である。

タイヤ構造体の代替の実施形態の部分断面図である。

タイヤシステムの一実施形態の斜視図である。

レーダ及び質問器アセンブリの斜視図である。

以下は、本明細書で用いられる選択される用語の定義を含む。これらの定義には、用語の範囲に該当し、実施のために使用され得る構成要素の様々な例及び/又は形態が含まれる。例は、制限的であることを意図しない。用語の単数形及び複数形は、いずれも定義の範囲内であってよい。

「軸方向の」及び「軸方向に」は、タイヤの回転軸と平行する方向を指す。

「周方向の」及び「周方向に」は、軸方向に対して垂直であるトレッドの表面の外周部に沿って延在する方向を指す。

「径方向の」及び「径方向に」は、タイヤの回転軸に対して垂直である方向を指す。

本明細書で使用するとき、「サイドウォール」は、トレッドとビードとの間のタイヤの部分を指す。

本明細書で使用するとき、「トレッド」は、通常の膨張度及び通常の荷重において、道路又は地面と接触するタイヤの部分を指す。

「トレッド幅」は、通常の膨張度及び荷重におけるタイヤの回転中に道路面に接触するトレッドの地面接触領域の幅を指す。

本明細書では、方向は、タイヤの回転軸を基準にして述べられる。用語「上向きの」及び「上向きに」は、タイヤのトレッドに向かう一般方向を指し、「下向きの」及び「下向きに」は、タイヤの回転軸に向かう一般方向を指す。したがって、「上部の」及び「下部の」又は「頂部の」及び「底部の」など相対的な方向用語が要素に関連して使用されるとき、「上部の」又は「頂部の」要素は、「下部」又は「底部」の要素よりもトレッドに近い位置に離間配置される。加えて、「上」又は「下」など相対的な方向用語が要素に関連して使用されるとき、別の要素の「上」にある要素は、他の要素よりもトレッドに近い。

用語「内側の」及び「内側に」は、タイヤの赤道面に向かう一般方向を指し、「外側の」及び「外側に」は、タイヤの赤道面から離れ、タイヤのサイドウォールに向かう一般方向を指す。したがって、「内部」及び「外部」など相対的な方向用語が要素と関連して使用されるとき、「内部」要素は、「外部」要素よりもタイヤの赤道面の近くに離間配置される。

以下の説明で使用される同様の用語によって一般的なタイヤ構成要素が説明されるが、これらの用語が若干異なる含意を有するため、当業者は、以下の用語のうちのいずれか1つが、一般的なタイヤ構成要素の説明に使用される別の用語と紛れもなく互換性があるとはみなさないであろうことが理解される。

図1は、タイヤ100の一実施形態の外側を剥がした断面斜視図である。示されるように、タイヤ100は、第1の環状ビード105及び第2の環状ビード110を特徴とする。環状ビードは、タイヤをホイールに部分的に固定する。代替の実施形態(図示せず)では、タイヤは、4つ以上のビードを備える。

示されるように、タイヤ100は更に、第1の環状ビード105と第2の環状ビード110との間に延在する本体プライ115を特徴とする。本体プライ115は、タイヤに形状を与える。当業者であれば、本体プライ115が補強コード又は織物(図示せず)を含んでもよいことを理解するであろう。代替の実施形態(図示せず)では、本体プライは、クイック2構造を形成する。

タイヤ100は、周方向ベルト120を更に備える。周方向ベルト120は、本体プライ115の径方向に上に配設され、本体プライ115の一部分を軸方向に横切って延在する。当業者であれば、周方向ベルト120がスチールコード及び補強コード(両方とも図示せず)を含んでもよいことを理解するであろう。代替の実施形態(図示せず)では、周方向ベルトは金属が含まれない。

タイヤ100はまた、補強プライ125を更に備える。第1補強プライ125は、周方向ベルト120の径方向に上に配設され、本体プライ115の一部分を軸方向に横切って延在する。当業者であれば、追加の補強プライが用いられ得ることを理解するであろう。補強プライは、タイヤを強化及び安定化する。代替の実施形態(図示せず)では、タイヤは、1つ又は3つ以上の補強プライを含む。別の実施形態では、補強プライは省略される。

図1に示されるように、タイヤ100は、キャッププライ130を更に備える。キャッププライ130は、周方向ベルト120及び第2の補強プライ130の径方向に上に配設される。キャッププライ130は、本体プライ115の一部分を軸方向に横切って延在する。代替の実施形態(図示せず)では、封止ゲル層がキャッププライ領域に提供される。

タイヤ100は、アンダートレッド135を更に備える。アンダートレッド135は、周方向ベルト120及びキャッププライ130の径方向に上方に配設される。アンダートレッド135は、本体プライ115の一部分を軸方向に横切って延在する。アンダートレッド135は典型的には、ゴムからなり、その厚さはタイヤ用途に応じて異なってもよい。例えば、再生タイヤ用途においては、バフ研磨に対応するためにより厚いアンダートレッドが所望される。乗用車用タイヤ用途においては、これに比較してより薄いアンダートレッドが所望される。

示されるように、タイヤ100は、第1のサイドウォール140と第2のサイドウォール145とを更に備える。第1のサイドウォール135は、第1の環状ビード105と第1のショルダー150との間に延在し、それは、周方向トレッド160の縁部に近接して関連付けられている。第2のサイドウォール145は、第2の環状ビード110と第2のショルダー155との間に延在し、第2のショルダー155は、周方向トレッド160の反対側の縁部に近接して関連付けられている。代替の実施形態(図示せず)では、サイドウォールは、アンダートレッド(図示せず)に近接して関連付けられている。

図1を続けて参照すると、タイヤ100は、周方向トレッド160を更に備え、それは、周方向溝165によって分離される。周方向トレッド160は、径方向に沿って補強プライ125及びキャッププライ130の上に配設され、周方向トレッド160は、本体プライ115の一部分を軸方向に横切って、かつショルダー150とショルダー155との軸方向の間に延在する。例示された実施形態では、周方向溝165は、周方向トレッド160を5つのリブに分割する。しかしながら、任意の数のリブが用いられてもよいことを理解されたい。代替の実施形態(図示せず)では、トレッドブロックが周方向トレッドの表面を形成する。別の実施形態では、ラグが周方向トレッドの表面を形成する。異なる実施形態において、スリック表面が周方向トレッドの表面を形成する。当業者であれば、スリック表面を特徴とするタイヤが、航空機又はレース用タイヤが必要とし得るようなハイグリップを必要とする用途に適していることを理解するであろう。

タイヤ100は、電子デバイス170を更に備える。電子デバイス170は、周方向ベルト120と周方向トレッド160の表面との径方向の間に配設される。より具体的には、図1に示される特定の実施形態では、電子デバイス170は、アンダートレッド135と周方向トレッド160の径方向内側部分との間に径方向に配設される。示されるように、電子デバイス170は円筒状であるが、電子デバイス170は、円筒状の形態には限定されない。電子デバイス170は、加硫、接着剤、パッチ、かかりによって、又は当業者に既知の他の手段及び方法を通じて、タイヤ100内に固定される。電子デバイス170は、タイヤ内に固定されるため、タイヤ内で移動しない。電子デバイスはまた、初期量の摩耗後にタイヤから抜け出ず、飛び出さず、又は離れず、したがってタイヤが腐食したか、又は損なわれたときに、電子デバイスは意図的に動作を停止しない。したがって、通常のトレッド摩耗によっては、電子デバイスは不能になり又は損傷されない。代替の実施形態(図示せず)では、電子デバイスは、アンダートレッド内に配設される。別の実施形態では、電子デバイスは、電子デバイスとトレッド表面との間に金属構造体が配設されないように配設される。特定の代替の実施形態では、電子デバイスは、本体プライの内側表面(例えば、インナーライナー)の5〜15mmに配設される。

再生タイヤの実施形態では、電子デバイスは、タイヤケーシングと再生トレッドとの間に配設される。再生タイヤ用途において、電子デバイスは、新しいトレッド情報に対応するために再設定可能又は書換可能であってもよい。

示されるように、電子デバイス170は、トレッド幅の中央3分の1の中央リブ下に配設される。しかしながら、電子デバイスは、特定の軸方向の位置に限定されない。したがって、代替の実施形態(図示せず)では、電子デバイスは、周方向トレッド中の周方向溝下に配設される。別の代替の実施形態では、電子デバイスは、トレッド幅の外側3分の1の下に配設される。更に別の実施形態では、複数の電子デバイスが任意の位置で用いられてもよい。例えば、第1電子デバイスがトレッド幅の中央3分の1の下に配設され、第2電子デバイスがトレッド幅の外側3分の1の下に配設される。別の例として、電子デバイスは、トレッドパターン中の各リブの下に配設されてもよい。

一実施形態では、電子デバイスは、エミッタと、受信器と、プロセッサと、質問器にデータを伝送するように構成された伝送器とを備える。

エミッタは、30〜300GHzの周波数及び15〜35psの帯域幅を有するパルス電磁波を放出するように構成される。代替の実施形態では、パルス電磁波は、90〜100GHzの周波数を有し、20〜30psの帯域幅を有する。別の実施形態では、パルス電磁波は、24〜26psの帯域幅を有する。図示されないが、エミッタは、約1メートルの最大範囲を有する。別の実施形態では、エミッタは、約3メートルの最大範囲を有する。

受信器は、電磁波、特に、反射電磁波を受信するように構成される。電磁波は、タイヤトレッドを通してエミッタから放出される。次いで、波は、タイヤが置かれる表面(即ち、道路又は地面)で反射する。次いで、反射波は、受信器によって受信される。次いで、プロセッサは、放出波と反射波との間の少なくとも1つの特性の差を比較する。放出波と反射波との間の差が計算され、この情報は質問器に送信される。いずれの実施形態においても、放出波と反射波との間の差は、アルゴリズムで処理され、センサと反射表面との間の距離を計算するために使用される。更に拡張して、タイヤトレッド中の残りのトレッド深さ又はトレッド摩耗量が計算される。この点で、電子デバイスは、タイヤトレッドの寿命にわたってタイヤトレッドの摩耗をサブミリメートル分解能で観察することが可能である。リアルタイムで提供され得るこの情報は、記録又は表示のために、質問器を通じて送信されてもよい。

代替の実施形態では、電子デバイスはまた、タイヤ情報及び履歴を記憶してもよく、プロセッサ又は質問器は、放出波と反射波との間の差に対する過去の値を検索して、トレッド摩耗を計算してもよい。そのようなデータは、トレッド摩耗を計算するために使用されるルックアップテーブル中に記憶されてもよい。

代替の実施形態では、電子デバイスセンサは、タイヤトレッド内の剛性微粒子を検知する。剛性微粒子の例としては、石、金属(即ち、くぎ)、及びガラスが挙げられるがこれらに限定されない。電子デバイスが剛性微粒子を検出した場合にはアラートが生成され得る。

空気式タイヤが図1に示されるが、RFID及びアンテナはまた、再生タイヤ及び非空気式タイヤ用途にも用いられ得る。再生タイヤ及び非空気式タイヤの基本構造は、当該技術分野において既知であり、本明細書に示されない。

図2は、図1に示されるタイヤ構造体の代替の実施形態の部分断面図である。図2に示される実施形態は、図1に示される実施形態と実質的に同じである。したがって、実施形態間の差のみが議論される。

図2に示されるように、タイヤ200は、ショルダー155と、周方向トレッド160と、周方向溝165と、電子デバイス170と、第2電子デバイス205と、ベルト領域Bとを備える。電子デバイス170、205は、ベルト領域Bと周方向トレッド160のトレッド表面TSとの径方向の間に配設される。更に、電子デバイス170、205は、摩耗がタイヤの異なるセグメントにわたって追跡され得るように、タイヤの異なる横方向部分の下(例えば、異なるリブの下)に配設される。電子デバイス170、205は、共通の横方向平面内に配設される必要はない。タイヤ100に関して議論される代替の実施形態がタイヤ200とも用いられ得ることが理解されるべきである。

図3は、タイヤシステムの一実施形態の斜視図である。具体的に、図3は、タイヤ用の摩耗検知システム300を示す。

摩耗検知システム300は、タイヤ環状体305を特徴とする。図3に示されるように、タイヤ環状体305は、タイヤカーカスである。代替の実施形態(図示せず)では、タイヤ環状体は、グリーンタイヤカーカスである。別の実施形態では、タイヤ環状体は、周方向トレッドである。異なる実施形態において、タイヤ環状体は、非空気式タイヤの構成要素である。

タイヤ環状体305は、平滑な(平坦な)周方向表面を特徴とする。代替の実施形態(図示せず)では、タイヤ環状体は、センサを部分的又は完全に受容する凹部を更に備える。別の実施形態では、各センサは、凹部によって受容される。

摩耗検知システム300は、複数のセンサを特徴とする。具体的に、図3は、第1のセンサ310、第2のセンサ315、及び第3のセンサ320を示す。タイヤ環状体305上の第2のセンサ315の反対側に配設された、複数のセンサ中の第4のセンサは、図からは見えない。代替の実施形態(図示せず)では、正確に2つのセンサが複数のセンサを構成する。別の実施形態では、正確に3つのセンサが複数のセンサを構成する。更に別の実施形態では、複数のセンサは、少なくとも5つのセンサを含む。

示されるように、複数のセンサは、タイヤ環状体内の任意の金属構造体の径方向に上に配設される。代替の実施形態(図示せず)では、複数のセンサは、タイヤ環状体内に配設される。タイヤ環状体が周方向トレッドである異なる実施形態(図示せず)では、複数のセンサは、周方向トレッド内に配設される。

示されるように、複数のセンサ中のセンサは、タイヤの周囲で実質的に等距離に配設される。したがって、センサは、以下の式に従って離間配置される。

式中、 S=各センサ間の距離(m単位)であり、 r=タイヤ環状体の半径(m単位)であり、 n=複数のセンサ中のセンサの数である。

実際には、正確に等距離の間隔が必要でないことがあり得、センサが以下の許容差内で離間配置され得ることが理解されるべきである。

代替の実施形態(図示せず)では、センサは、以下の式に従って離間配置される。

代替の実施形態(図示せず)では、複数のセンサ中の少なくとも2つのセンサが、周方向トレッドの共通の軸方向縁部上に配設される。当業者であれば理解するように、周方向トレッドの共通の軸方向縁部に沿って複数のセンサのうちの少なくとも2つのセンサを配設することにより、タイヤ接地面の軸方向縁部の少なくとも一部分に沿った摩耗検知を可能にする。同様に、当業者であれば理解するように、追加の重複するセンサの利用がセンサ読み取り値の平均化を可能にする。2つ以上のセンサを利用する実施形態では、両方のセンサによって検知された摩耗を比較することができ、読み取り値が所定の量だけ異なる場合、偏摩耗アラートを生成することができる。

図4は、レーダ及び質問器アセンブリ400の斜視図である。アセンブリ400は、少なくとも1つのレーダセンサ405と、少なくとも1つの質問器410とを備える。レーダセンサ405は、車両Vの前右側タイヤ内に配設される。代替の実施形態(図示せず)では、少なくとも1つのレーダセンサが車両の各タイヤ内に配設される。異なる実施形態において、2つ以上のレーダセンサが車両上のタイヤの一部上に配設される。

質問器410は、レーダセンサ405に電力供給し、追加の構成要素と通信する。追加の構成要素の例としては、車両V、コンピュータ、電話、タブレット、又は他の電子デバイスが挙げられるがこれらに限定されない。

示されるように、質問器410は、車両Vのホイールウェルに配設される。代替の実施形態(図示せず)では、質問器は、車軸、ホイール、及びホイールウェルからなる群から選択される車両位置上に配設される。別の実施形態では、質問器は、携帯型デバイスである。異なる実施形態において、質問器は、車両が運転される車両経路上に配設される。車両経路の例としては、私有車道、車庫入口、ガソリンスタンド、サービスステーション、料金所、及び秤量所が挙げられるがこれらに限定されない。質問器は、柱、パッド(その上で車両が運転される)上に配設されてもよく、又は既存の構造体に固定されてもよい。

図示されないが、レーダセンサは、90〜100GHzの周波数を有するレーダ波を放射及び受信する。別の実施形態では、レーダセンサは、92〜95GHzの周波数のレーダ波を放射及び受信する。

図示されないが、レーダセンサ放射は、約1メートルの放射範囲限界を有する。別の実施形態では、レーダセンサ放射は、約3メートルの放射範囲限界を有する。

質問器又は質問器と通信している構成要素からの情報は、様々な送付先に送信されてもよい。例示的な送付先としては、車両、上記で議論された電子デバイス、データベース、相手先ブランド製造会社(車両又はタイヤ製造会社など)が挙げられるがこれらに限定されない。当業者であれば、データが予測メンテナンス、警告システム、又はタイヤ性能の定量分析のために使用され得ることを理解するであろう。

当業者が理解するように、本開示に記載のタイヤの実施形態は、オートバイ、トラクター、農業用車両、芝刈り機、ゴルフカート、スクーター、飛行機、軍用車両、乗用車、ハイブリッド車両、高性能車両、SUV、軽トラック、大型トラック、大型車、及びバスからなる群から選択される車両で使用するために構成されてよい。当業者はまた、本開示に記載の実施形態が、対称、非対称、有向性、スタッド、及びスタッドレストレッドパターンが挙げられるが、これらに限定されない様々なトレッドパターンと共に利用され得ることを理解するであろう。当業者はまた、本開示に記載の実施形態が、高性能タイヤ、冬季、オールシーズン、ツーリング、非空気式、及びリトレッドタイヤの用途でも利用され得るが、これらに限定されないことを理解するであろう。

用語「含む(includes)」又は「含むこと(including)」が、本明細書又は特許請求の範囲で使用される範囲において、用語「からなる(comprising)」が特許請求の範囲において移行詞として用いられる際の解釈と同様の様式で包括的であることが意図される。更に、用語「又は(or)」が用いられる限りで(例えば、A又はB)、「A若しくはB、又は両方とも」であることが意図されている。本出願人らが「A又はBの両方ではなく一方のみ」を示すことを意図する場合、用語「A又はBの両方ではなく一方のみ」が用いられるであろう。したがって、本明細書における用語「又は」の使用は、排他的ではなく、包含的な使用である。Bryan A.Garner、A Dictionary of Modern Legal Usage 624(1995年、第2版)を参照されたい。また、用語「中に(in)」又は「中へ(into)」が、本明細書又は特許請求の範囲において使用される限り、「上に(on)」又は「上へ(onto)」を更に意味することが意図されている。更に、用語「接続する(connect)」が、本明細書又は特許請求の範囲において使用される限り、「直接〜に接続する(directly connected to)」だけではなく、別の構成要素を介して接続するなど「間接的に〜に接続する(indirectly connected to)」も意味することが意図されている。

本開示はその実施形態の記述によって例解され、実施形態は相当に詳細に説明されたが、添付の特許請求の範囲をこのような詳細に制限するか、又はいかなる形でも限定することは、出願人らの本意ではない。更なる利点及び改良は、当業者には容易に明らかとなるであろう。したがって、そのより広域な態様における本開示は、示され説明される、特定の詳細、例示的な機器及び方法、並びに例示の実施例に限定されない。このため、このような詳細からの逸脱が、出願人の一般的な発明概念の趣旨又は範囲から逸脱することなく、なされ得る。