特開 2020-201042 測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2020-201042(P2020-201042A)

(43)【公開日】2020年12月17日

(54)【発明の名称】測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/22 20060101AFI20201120BHJP

   B60C 19/00 20060101ALI20201120BHJP

   G01M 17/02 20060101ALI20201120BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/22 C

   B60C19/00 H

   G01M17/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2019-105789(P2019-105789)

(22)【出願日】2019年6月6日

(71)【出願人】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079290

【弁理士】

【氏名又は名称】村井 隆

(74)【代理人】

【識別番号】100136375

【弁理士】

【氏名又は名称】村井 弘実

(72)【発明者】

【氏名】米田 貞春

(72)【発明者】

【氏名】千里内 忠雄

【テーマコード（参考）】

2G060

3D131

【Ｆターム（参考）】

2G060AA08

2G060AD05

2G060AE29

2G060AF10

2G060GA04

2G060HC02

3D131EC24U

3D131LA06

3D131LA22

(57)【要約】

【課題】被測定物の化学的性質の変化を電気的特性の変化として好適に測定することの可能な測定装置を提供する。
【解決手段】被測定物の同一面上に設けられた第１電極１１及び第２電極１２と、第１電極１１及び第２電極１２に接続された電気的特性測定回路と、を備える測定装置であり、第１電極１１及び第２電極１２は、長手方向に延びる縁部同士が対向する。第１電極１１の幅をｗ１、第２電極１２の幅をｗ２、第１電極１１及び第２電極１２の対向距離をｇ、被測定物９０の厚みをｔとした場合に、
ｗ１＋ｗ２＋ｇ≦ｔ
である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定物の同一面上に設けられた第１及び第２電極と、
前記第１及び第２電極に接続された電気的特性測定回路と、を備え、
前記第１及び第２電極は、長手方向に延びる縁部同士が対向し、
前記第１電極の幅をｗ１、前記第２電極の幅をｗ２、前記第１及び第２電極の対向距離をｇ、被測定物の厚みをｔとした場合に、
ｗ１＋ｗ２＋ｇ≦ｔ
である、測定装置。

【請求項2】

前記第１及び第２電極は、互いに略平行にスパイラル状に周回する、請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

前記電気的特性測定回路は、前記第１及び第２電極間の静電容量を測定する、請求項１又は２に記載の測定装置。

【請求項4】

被測定物は、経年劣化が生じるもの、断続的に機械的負荷がかかるもの、あるいは粘弾性材である、請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置。

【請求項5】

前記電気的特性測定回路における測定結果を基に、被測定物の劣化状態を推定する、請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被測定物の電気的特性を測定する測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１は、タイヤのトレッド部の摩耗を検出するためのタイヤ摩耗検出装置を開示する。このタイヤ摩耗検出装置は、互いに離間し、かつ絶縁された状態でタイヤの内周面に接合された一対の電極を備え、前記一対の電極に電圧を印加したときの前記電極の静電容量を計測し、計測した静電容量に基づきトレッド部の摩耗を検出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第5933472号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のタイヤ摩耗検出装置では、計測した静電容量がタイヤの摩耗に応じて変化する。このため、計測した静電容量からタイヤの化学的性質の変化を推定するのは困難である。被測定物がタイヤ以外の場合や計測する電気的特性が静電容量以外の場合にも同様の問題がある。

【0005】

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、被測定物の化学的性質の変化を電気的特性の変化として好適に測定することの可能な測定装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様は、測定装置である。この測定装置は、
被測定物の同一面上に設けられた第１及び第２電極と、
前記第１及び第２電極に接続された電気的特性測定回路と、を備え、
前記第１及び第２電極は、長手方向に延びる縁部同士が対向し、
前記第１電極の幅をｗ１、前記第２電極の幅をｗ２、前記第１及び第２電極の対向距離をｇ、被測定物の厚みをｔとした場合に、
ｗ１＋ｗ２＋ｇ≦ｔ
である。

【0007】

前記第１及び第２電極は、互いに略平行にスパイラル状に周回してもよい。

【0008】

前記電気的特性測定回路は、前記第１及び第２電極間の静電容量を測定してもよい。

【0009】

被測定物は、経年劣化が生じるもの、断続的に機械的負荷がかかるもの、あるいは粘弾性材であってもよい。

【0010】

前記電気的特性測定回路における測定結果を基に、被測定物の劣化状態を推定してもよい。

【0011】

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、被測定物の化学的性質の変化を電気的特性の変化として好適に測定することの可能な測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施の形態１に係る測定装置の第１電極１１及び第２電極１２の形状及び配置を示す平面図。

【図2】同断面図。

【図3】前記測定装置のブロック図。

【図4】第１電極１１の幅ｗ１及び第２電極１２の幅ｗ２を、ｗ１＝ｗ２（＝ｗ）＝２ｍｍとした場合において、被測定物９０の厚さｔを、ｔ＝１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、５００ｍｍとし、第１電極１１及び第２電極１２の対向距離ｇを、ｇ＝０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍとした各場合における、第１電極１１及び第２電極１２間の静電容量のシミュレーション結果をまとめた表。

【図5】図４の表に示す各静電容量値を、ｇの値ごとに、ｔ＝５００ｍｍの場合に対する変化率のパーセント表示に変換した表。

【図6】図５の表に示すｇの各値を２ｗ＋ｇの各値に置換した表。

【図7】ｗ１＝ｗ２（＝ｗ）＝１ｍｍとした場合において、ｔ及びｇを図４の場合と同様にした各場合における、第１電極１１及び第２電極１２間の静電容量のシミュレーション結果をまとめた表。

【図8】図７の表に示す各静電容量値を、ｇの値ごとに、ｔ＝５００ｍｍの場合に対する変化率のパーセント表示に変換した表。

【図9】図８の表に示すｇの各値を２ｗ＋ｇの各値に置換した表。

【図10】ｗ１＝ｗ２（＝ｗ）＝０．５ｍｍとした場合において、ｔ及びｇを図４の場合と同様にした各場合における、第１電極１１及び第２電極１２間の静電容量のシミュレーション結果をまとめた表。

【図11】図１０の表に示す各静電容量値を、ｇの値ごとに、ｔ＝５００ｍｍの場合に対する変化率のパーセント表示に変換した表。

【図12】図１１の表に示すｇの各値を２ｗ＋ｇの各値に置換した表。

【図13】図６、図９、図１２に示す（２ｗ＋ｇ）／ｔの値（横軸）とｔ＝５００ｍｍの場合に対する変化率（縦軸、絶対値表示）との組合せをプロットすると共に両者の関係の近似直線も併せて示したグラフ。

【図14】本発明の実施の形態２に係る測定装置の第１電極１１及び第２電極１２の形状及び配置を示す平面図。

【図15】本発明の実施の形態３に係る測定装置の第１電極１１及び第２電極１２の形状及び配置を示す、第１電極１１及び第２電極１２の高さ範囲内で切断した平断面図。

【図16】本発明の実施の形態４に係る測定装置の第１電極１１及び第２電極１２の形状及び配置を示す、第１電極１１及び第２電極１２の高さ範囲内で切断した平断面図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0015】

（実施の形態１）
図１〜図１３を参照し、本発明の実施の形態１に係る測定装置を説明する。図１及び図２において、この測定装置における互いに直交するｘ、ｙ、ｚの各方向を定義する。この測定装置は、被測定物９０の電気的特性を測定する装置であって、第１電極１１と、第２電極１２と、を備える。

【0016】

第１電極１１及び第２電極１２は、被測定物９０の同一面上に設けられる。被測定物９０は、経年劣化が生じるもの、断続的に機械的負荷がかかるもの、あるいは粘弾性材である。被測定物９０はタイヤであってもよく、第１電極１１及び第２電極１２の配置面はタイヤの内周面であってもよい。第１電極１１及び第２電極１２は、ここでは長手方向がｘ方向と平行な長方形であり、ｘ方向に延びる縁部同士（長辺同士）が対向する。第１電極１１及び第２電極１２は、長方形に限定されず、長方形や三角形の角部を面取り又はＲ加工した形状や、楕円形等であってもよく、任意である。

【0017】

第１電極１１の幅をｗ１、第２電極１２の幅をｗ２、第１電極１１及び第２電極１２の対向距離をｇ、被測定物９０の厚みをｔとした場合に、
ｗ１＋ｗ２＋ｇ≦ｔ …式１
である。図示の例では、
ｗ１＝ｗ２＝ｗ …式２
であり、式１は、
２ｗ＋ｇ≦ｔ …式３
となる。ｗ１≠ｗ２であってもよい。第１電極１１及び第２電極１２が、長手方向が互いに平行な長方形でない場合、式１の左辺の値がｘ方向位置において変化する。この場合、式１の左辺は、ｗ１＋ｗ２＋ｇの平均値であるものとすればよい。好ましくは、式１の左辺は、ｗ１＋ｗ２＋ｇの最大値であるものとする。

【0018】

図３に示すように、本実施の形態の測定装置は、第１電極１１及び第２電極１２に加えて、温度検出素子１７と、湿度検出素子１８と、電気的特性測定回路３１と、温度・湿度検出手段（温度・湿度検出回路）３２と、演算回路３５と、検出結果出力手段３９と、を備える。第１電極１１及び第２電極１２は、電気的特性測定回路３１に接続される。温度検出素子１７及び湿度検出素子１８は、被測定物９０に近接配置される。温度検出素子１７及び湿度検出素子１８は、温度・湿度検出手段３２に接続される。電気的特性測定回路３１は、第１電極１１及び第２電極１２間に例えば１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲内の所定周波数の交流電圧を印加した結果により第１電極１１及び第２電極１２間の電気的特性、例えば静電容量を測定し、演算回路３５に送信する。測定する電気的特性は、静電容量に替えて又は静電容量に加えて、寄生抵抗や誘電正接を含んでもよい。第１電極１１及び第２電極１２間の電気的特性は、被測定物９０の劣化状態によって変化する。

【0019】

温度・湿度検出手段３２は、温度検出素子１７からの受信信号により被測定物９０の周囲温度を検出し、湿度検出素子１８からの受信信号により被測定物９０の周囲湿度を検出し、検出結果を演算回路３５に送信する。演算回路３５は、電気的特性測定回路３１から受信した第１電極１１及び第２電極１２間の電気的特性を、温度・湿度検出手段３２の検出値（温度検出値及び湿度検出値）を基に補正する。この補正は、被測定物９０の周囲温度及び周囲湿度が基準温度及び基準湿度と相違することによる被測定物９０の電気的特性の変化を除去するものである。求められる仕様等によっては、周囲温度及び周囲湿度に基づく補正の一方又は両方を省略してもよい。演算回路３５は、補正した電気的特性を基に被測定物９０の劣化状態を推定する。演算回路３５は、モニタ等の検出結果出力手段３９により被測定物９０の劣化状態を使用者に表示（報知）する。

【0020】

図３に示す測定装置の各構成部品が、外部から電源の取ることが困難な空間、例えばタイヤの内側に設けられる場合、同空間に電源として一次電池を設けてもよい。あるいは、圧電素子等の発電機構と、二次電池やキャパシタ等の蓄電手段と、の組合せを電源として同空間に設けてもよい。被測定物９０がタイヤの場合、タイヤの外部に送電用アンテナ又は送電用コイルを配置しておき、タイヤの内部に設けた受電用アンテナ又は受電用コイルを電源としてもよい。送電用アンテナ又は送電用コイルは、例えばタイヤのエアバルブの外側に電源となる電池と共に設置される。あるいは、電力配線用コネクタをタイヤの内側に設け、エアバルブの外側等の交換しやすい場所に設置した電池から延びる電力配線を接続してもよい。電源が複数種類ある場合、電力マネジメント回路を設けていずれかの電源の電力を各回路に供給してもよい。また、検出結果出力手段３９は、タイヤの外部に被測定物９０の劣化状態を送信、好ましくは間欠的に送信する送信回路及び送信アンテナに替えてもよい。間欠的な送信とすることで、消費電力を抑制できる。

【0021】

以下、第１電極１１の幅ｗ１、第２電極１２の幅ｗ２、第１電極１１及び第２電極１２の対向距離ｇ、及び被測定物９０の厚みｔの関係を上記式１〜式３のように定める理由を説明する。第１電極１１及び第２電極１２間の電気的特性は、被測定物９０の劣化状態によって変化するが、被測定物９０の厚さｔによっても変化する。第１電極１１及び第２電極１２間の電気的特性を基に被測定物９０の劣化状態を推定する場合には、被測定物９０の厚さｔによる電気的特性の変化は小さいほど好ましい。上記式１〜式３は、第１電極１１及び第２電極１２間の電気的特性に対する被測定物９０の厚さｔの影響が小さくなる条件を示す。以下、被測定物９０をゴム（比誘電率３．０）とした場合の具体例により説明する。

【0022】

図４は、ｗ１＝ｗ２（＝ｗ）＝２ｍｍとした場合において、ｔ＝１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、５００ｍｍとし、ｇ＝０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍとした各場合における、第１電極１１及び第２電極１２間の静電容量（以下、単に「静電容量」とも表記）のシミュレーション結果を示す表である。図５は、図４の表に示す各静電容量値を、ｇの値ごとに、ｔ＝５００ｍｍの場合に対する変化率のパーセント表示に変換した表である。図６は、図５の表に示すｇの各値を２ｗ＋ｇの各値に置換した表である。図７は、ｗ１＝ｗ２（＝ｗ）＝１ｍｍとした場合において、ｔ及びｇを図４の場合と同様にした各場合における静電容量のシミュレーション結果を示す表である。図８は、図７の表に示す各静電容量値を、ｇの値ごとに、ｔ＝５００ｍｍの場合に対する変化率のパーセント表示に変換した表である。図９は、図８の表に示すｇの各値を２ｗ＋ｇの各値に置換した表である。図１０は、ｗ１＝ｗ２（＝ｗ）＝０．５ｍｍとした場合において、ｔ及びｇを図４の場合と同様にした各場合における静電容量のシミュレーション結果を示す表である。図１１は、図１０の表に示す各静電容量値を、ｇの値ごとに、ｔ＝５００ｍｍの場合に対する変化率のパーセント表示に変換した表である。図１２は、図１１の表に示すｇの各値を２ｗ＋ｇの各値に置換した表である。

【0023】

図４〜図１２において、第１電極１１及び第２電極１２の長さＬは、Ｌ＝５０ｍｍに固定した。ｔ＝５００ｍｍの結果は、被測定物９０の厚さが無限大である場合を擬似的に示すものである。なお、図７〜図１３において、ｔ＝１０ｍｍの場合の静電容量がｔ＝５００ｍｍの場合の静電容量より若干大きくなっている箇所があるが、これはシミュレーション精度の限界によるものである。図４、図７、図１０に示す結果より、ｗが大きいほど静電容量が大きくなる傾向、ｇが小さいほど静電容量が大きくなる傾向、及びｔが大きいほど静電容量が大きくなる傾向が確認できた。図示は省略したが、第１電極１１及び第２電極１２の長さＬが長いほど、静電容量は大きくなる。また、ｔについては、大きくしていった場合に静電容量が一定値に収束する傾向が確認できた。これは、ｔが大きくなるほど、第１電極１１及び第２電極１２間の電気力線のうち被測定物９０の下側（−Ｚ方向側）に突き抜けるものが少なくなり、最終的に被測定物９０の下側に突き抜ける電気力線が無い場合（ｔが無限大の場合）の静電容量に近づいていくためである。

【0024】

図１３は、図６、図９、図１２に示す（２ｗ＋ｇ）／ｔの値（横軸）とｔ＝５００ｍｍの場合に対する変化率（縦軸、絶対値表示）との組合せをプロットすると共に両者の関係の近似直線も併せて示したグラフである。図１３において、ｔ＝１０ｍｍの場合の静電容量がｔ＝５００ｍｍの場合の静電容量よりも大きい結果となったものは、プロットを省略し、また近似直線を算出する場合の元データからも除外した。近似直線の式は、
ｙ＝３．３５５２ｘ−１．３２９２ …式４
となった。ただし、ｙは、ｔ＝５００ｍｍの場合に対する静電容量の変化率の絶対値であり、ｘは、（２ｗ＋ｇ）／ｔを置換したものである。式４においてｙ切片の値がマイナスのなったのは、シミュレーション精度の限界によるものである。

【0025】

図１３より、（２ｗ＋ｇ）／ｔが１以下、すなわち式３の関係が満たされる場合、ｔ＝５００ｍｍの場合に対する静電容量の変化率が２％程度以下、シミュレーション精度の限界を考慮しても３％程度以下に抑えられることが分かった。また、この場合、例えばｔが摩耗により１０％小さくなったとき、（２ｗ＋ｇ）／ｔの値は約０．１１以内の範囲で大きくなるが、このときの静電容量への影響は約０．３７％（＝０．１１×３．３５５２）以内となる。同様に、ｔが摩耗により２０％小さくなったときの静電容量への影響は約０．８４％（＝０．２５×３．３５５２）以内、ｔが摩耗により３０％小さくなったときの静電容量への影響は約１．４４（＝０．４３×３．３５５２）％以内となる。ｗ１≠ｗ２の場合は、（ｗ１＋ｗ２＋ｇ）／ｔが１以下、すなわち式１の関係が満たされる場合に、式３の関係が満たされる場合と同様の結果が得られる。また、第１電極１１及び第２電極１２間の静電容量以外の電気的特性、例えば寄生抵抗や誘電正接についても、式１あるいは式３の関係が満たされることで、同様の結果が得られる。

【0026】

（ｗ１＋ｗ２＋ｇ）／ｔを小さくするほど、ｔ＝５００ｍｍの場合に対する第１電極１１及び第２電極１２間の電気的特性の変化率を小さくでき、またｔが摩耗等により小さくなった場合の第１電極１１及び第２電極１２間の電気的特性への影響も抑制できる。より好ましくは、
ｗ１＋ｗ２＋ｇ≦ｔ／１．５ …式５
とし、さらに好ましくは
ｗ１＋ｗ２＋ｇ≦ｔ／２ …式６
とする。

【0027】

本実施の形態によれば、第１電極１１の幅ｗ１、第２電極１２の幅ｗ２、第１電極１１及び第２電極１２の対向距離ｇ、及び被測定物９０の厚みｔの関係を上記式１〜式３、又は式５もしくは式６のようにすることで、被測定物９０の厚さｔによる第１電極１１及び第２電極１２間の電気的特性の変化を微小レベルに抑制でき、被測定物９０の劣化状態による第１電極１１及び第２電極１２間の電気的特性を高い精度で検出できる。このため、被測定物９０の化学的性質の変化を電気的特性の変化として好適に測定することができ、被測定物９０の劣化状態をより正確に推定することができる。

【0028】

（実施の形態２）
図１４は、本発明の実施の形態２に係る測定装置の第１電極１１及び第２電極１２の形状及び配置を示す平面図である。以下、実施の形態１との相違点を中心に説明する。実施の形態１では第１電極１１及び第２電極１２が互いに略平行に一方向に延びるストレート形状であったが、本実施の形態では第１電極１１及び第２電極１２が互いに略平行なＬ字形状（屈曲形状）である。屈曲の角度は、図示の例では９０度であるが、９０度以外の任意の角度でもよい。また、屈曲形状は湾曲形状に替えてもよい。本実施の形態のその他の点は、実施の形態１と同様である。本実施の形態によれば、第１電極１１及び第２電極１２を配置可能なｘ方向の範囲が第１電極１１及び第２電極１２に必要な長さに対して不足する場合でも、第１電極１１及び第２電極１２を好適に配置できる。

【0029】

（実施の形態３）
図１５は、本発明の実施の形態３に係る測定装置の第１電極１１及び第２電極１２の形状及び配置を示す、第１電極１１及び第２電極１２の高さ範囲内で切断した平断面図である。以下、実施の形態１との相違点を中心に説明する。本実施の形態では、第１電極１１及び第２電極１２が屈曲を繰り返して互いに略平行にスパイラル状に周回する。周回数は１．２５ターンである。屈曲部は湾曲部に替えてもよい。本実施の形態のその他の点は、実施の形態１と同様である。本実施の形態によれば、第１電極１１及び第２電極１２が実施の形態１のようなストレート形状の場合には電界結合しない辺同士が電界結合して図１５のＡ部にも容量が形成されるため、同じ長さであれば実施の形態１と比較して第１電極１１及び第２電極１２間の静電容量を大きくすることができ、同じ静電容量であれば実施の形態１と比較して第１電極１１及び第２電極１２の長さあるいは面積を小さくできる。図１５のＡ部においても、上記式１の関係を満たすことが望ましい。すなわち、第１電極１１の両側に第２電極１２が存在する場合、及び第２電極１２の両側に第１電極１１が存在する場合は、隣り合う第１電極１１及び第２電極１２の各々において上記式１が成立することが望ましい。

【0030】

（実施の形態４）
図１６は、本発明の実施の形態４に係る測定装置の第１電極１１及び第２電極１２の形状及び配置を示す、第１電極１１及び第２電極１２の高さ範囲内で切断した平断面図である。本実施の形態は、第１電極１１及び第２電極１２の周回数が２．２５ターンとなった以外は実施の形態３と同じである。本実施の形態によれば、第１電極１１及び第２電極１２の周回数を増やしたことで、同じ長さであれば実施の形態３と比較して第１電極１１及び第２電極１２間の静電容量を大きくすることができ、同じ静電容量であれば実施の形態３と比較して第１電極１１及び第２電極１２の長さあるいは面積を小さくできる。

【0031】

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。

【符号の説明】

【0032】

１１ 第１電極、１２ 第２電極、１７ 温度検出素子、１８ 湿度検出素子、３１ 電気的特性測定回路、３２ 温度・湿度検出手段、３５ 演算回路、３９ 検出結果出力手段、９０ 被測定物。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】