JP4558518B2 - 安全タイヤ - Google Patents

Description

この発明は、定常走行時にはタイヤに所要の性能を十分に発揮させるとともに、タイヤが外傷等を受けることによってそれがパンク状態となってなお、必要とされる距離の、安全な継続走行を担保するべく、タイヤとリムとで区画されるタイヤ気室内へ、熱膨張可能な中空粒子を加圧下で充填してなる自動車用の安全タイヤに関するものであり、とくには、タイヤがパンク状態となる以前の、中空粒子の不測の熱膨張を防止する技術を提案するものである。

タイヤの、リムへの装着姿勢の下で、タイヤとリムとで区画された空間内へ、樹脂による連続相と、大気圧より高圧に保持された独立気泡とからなる気泡含有粒子を多数個封入してなる自動車用の安全タイヤは、たとえば、出願人の先の提案に係る特許文献１に記載されている。

この安全タイヤでは、タイヤが受傷して内圧が低下し始めると、気泡含有粒子が受傷部を封止して急激な内圧低下を抑制する一方で、タイヤ内圧の低下に伴ってタイヤの撓み量が増加し、タイヤ内容積が減少することによって、気泡含有粒子そのものが直接的に荷重を負担することとなり、その後の走行に必要な最低限のタイヤ内圧を保持することとなるとし、また、受傷前のタイヤ内圧下で存在していた気泡含有粒子の独立気泡中の気泡内圧力は、受傷後も上記タイヤ内圧に準じた圧力を保ったまま、言い換えれば、受傷前の気泡含有粒子総体積を保持したままタイヤ内に存在することになるので、タイヤがさらに転動することによって、気泡含有粒子そのものが直接的に荷重を負担しつつ気泡含有粒子同士が摩擦を引き起こして自己発熱し、これにより、タイヤ内の気泡含有粒子温度が急上昇して、該温度が気泡含有粒子の連続相を形成する樹脂の軟化温度を超えると、気泡含有粒子の独立気泡中の気泡内圧力が受傷前のタイヤ内圧に準じた圧力であるのに加え、前記気泡含有粒子温度の急上昇によりさらに気泡内圧が上昇するため、気泡含有粒子が一気に体積膨張し、タイヤ内圧は受傷前の状態に近い圧力まで復活することになるとする。

また、出願人の最近の提案に係る自動車用安全タイヤとしては、たとえば特願２００４−３２９３０１号にあるように、タイヤをリムに装着し、タイヤとリムとで区画されたタイヤ気室内に、熱膨張が可能な、樹脂による連続相と独立気泡とからなる中空粒子を、５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下の充填率で充填するとともに、大気圧下での３０℃における水蒸気含有率を７０％以下に調整した気体を、加圧下でタイヤ気室内に充填したものがある。

この安全タイヤもまた、タイヤ受傷部の傷口を、中空粒子をもって塞ぐとともに、タイヤ気室内の中空粒子をタイヤの負荷転動に伴って熱膨張させて体積増加させ、これによって、そのタイヤ気室内圧を回復させることで、必要とされる距離の、継続した安全走行を担保することができるとするものである。
特開２００３−１１８３１２号公報

ところで、この安全タイヤでは、タイヤのパンクの故障等によってその内圧が低下した場合に、気泡含有粒子をも含む中空粒子を体積膨張させて、タイヤ気室内圧を、故障の発生前のそれに近い圧力まで回復させることが必要であるところ、従来の安全タイヤには、タイヤ、ひいては、車両の定常高速走行状態の下で、中空粒子が、熱膨張による不測の体積増加を引き起すおそれがあり、このようにして一旦体積増加を生じた中空粒子はもはや、タイヤのパンク故障等に当ってのタイヤ気室内圧の回復には寄与し得ないことから、現実のパンク故障等に際して、タイヤ気室内圧を所期したほどには回復させることができず、結果として、十分な距離にわたる安全走行を保証し得ないうれいがあった。

そこで、安全タイヤの中空粒子の、不測の体積増加の原因についての検討を行ったところ、タイヤの負荷転動に当って、そのタイヤのトレッドおよびベルト等が、図５（ａ）に要部断面略線側面図で、中空粒子とともに例示するように、路面によって比較的大きく圧潰変形される従来の一般的な空気入りタイヤでは、それの踏込部および蹴出部での、遠心力が、図５（ｂ）にグラフで模式的に示すように、接地部分でのそれに比して相当大きくなることに起因して、タイヤ気室内の中空粒子もまた、とくには、タイヤの高速走行状態の下で、それらの踏込部および蹴出部のそれぞれで大きな遠心力を受けて、中空粒子同士の、タイヤ半径方向の外側に向く摩擦を生じるとともに、遠心力が急激に小さくなる接地部分では、中空粒子の慣性力に対抗する半径方向内向きの相対力によって、中空粒子同士が半径方向内側に向く摩擦を生じ、これらの摩擦によって、中空粒子が熱膨張温度まで加熱されるおのれがあることが知見された。

これをいいかえれば、タイヤは高速で回転することにより、速度に応じた遠心力を発生し、タイヤ気室内に配置した中空粒子群も同様の遠心力を受けることになり、この遠心力は、粒子の重量に比例するとともに、速度の２乗に比例し、タイヤの半径に反比例する大きさとなる。この一方で、タイヤは荷重を負担することで一定の撓みを生じ、接地している領域は、路面と平行な面の状態となるため、この接地領域でのタイヤ内面は曲率を持たず、遠心力はほぼゼロとなる。
従って、荷重を負担しつつ回転するタイヤとリムとの組立体内における中空粒子は、非接地領域では上述のように遠心力を受けつつ、その一方で接地領域に入った瞬間に遠心力が抜けるといった『遠心力の繰り返し変動入力下』に置かれるのである。更に詳細には、非接地領域から接地領域に近づくにつれ、タイヤ内面の曲率はいったん極大値を迎え、その直後に踏込部分に達して曲率ゼロを迎え接地領域に入る。またその後は蹴出部を過ぎた直後に再度曲率の極大値を迎えた後に、タイヤ本来の半径に準じた曲率に近づきながら非接地領域を通過していく。よって、タイヤ気室内の中空粒子は、非接地領域から接地領域を迎える区間（踏込部分前後に相当）と、接地領域から非接地領域を迎える区間（蹴出部分前後に相当）にて、タイヤ転動中最大の遠心力変動を発生しており、この遠心力の変動が中空粒子の粒子間摩擦発熱の根源といえる。

これがため、この発明は、タイヤの定常状態の下での負荷転動に際する、タイヤトレッドの踏込部分および蹴出部分での、上述したような遠心力の変動を十分小さく抑制することで、タイヤ気室内に加圧下で封入した中空粒子の不測の体積増加を有効に防止できる安全タイヤを提供する。

この発明に係る安全タイヤは、一対のビード部間にトロイド状に延びる、一枚以上のカーカスプライからなるカーカスおよび、このカーカスのクラウン域の外周側に配設した、一層以上のベルト層からなるベルトを具えるタイヤを、適用リムに組付けて、規定の内圧を充填したタイヤ姿勢の下で、カーカスに、それの最大径部分から半径方向内方に向かって横断面幅が次第に増加する拡幅部分を設けるとともに、この拡幅部分の最大幅部に連続して、半径方向内方に向かって横断面幅が次第に減少する絞り部分を設け、この絞り部分の、半径方向内方側への変形を、組付けた適用リムにより拘束するタイヤ・リム組立体の、タイヤと適用リムとで区画されるタイヤ気室内に、樹脂よりなる、一もしくは複数の小部屋を含む連続相と、それに囲まれた、一もしくは複数の独立気泡とからなる熱膨張可能な中空粒子の多数個を加圧下で封入したものである。

ここで、「適用リム」とは、タイヤサイズに応じて下記の規格に規定されたリムをいい、「規定の内圧」とは、下記の規格において、最大負荷能力に対応して規定される空気圧をいい、最大負荷能力とは、下記の規定でタイヤに負荷することが許される最大の質量をいうものとする。
なお、ここにおける空気は、窒素ガス等の不活性ガスその他に置換できることはもちろんである。
そして規格とは、タイヤが生産又は使用される地域に有効な産業規格によって決められたものであり、例えば、アメリカ合衆国では”THE TIRE AND RIM ASSOCIAITION INC. の YEAR BOOK” であり、欧州では、”THE European Tyre and Rim Technical Organisation のSTANDARDAS MANUAL”であり、日本では日本自動車協会の”JATMA YEAR BOOK”である。

また、「加圧下で」とは、タイヤ気室内に使用内圧を充填した状態にあることをいい、その使用内圧とは、自動車メーカーが車両毎に指定した、装着位置ごとのタイヤ気室内圧（ゲージ圧）を指すものとする。

かかる安全タイヤにおいて好ましくは、中空粒子の、タイヤ気室内への、下記式（Ｉ）に従う充填率を５Ｖｏｌ％以上８０Ｖｏｌ％以下、好適には１０Ｖｏｌ％以上とし、中空粒子の中空部圧力を、タイヤの使用内圧の７０％以上とするとともに、中空粒子の膨張開始温度（Ｔｓ２）を９０〜２００℃、より好ましくは、１１０℃〜２００℃の範囲とする。

記
中空粒子の充填率＝（粒子体積値／タイヤ気室容積値）×１００・・・・・・（Ｉ）
ここで、
粒子体積値：タイヤ気室に配置した全中空粒子の大気圧下での合計体積と粒子間の空隙体積との合計量（ｃｍ^３）
タイヤ気室容積値：タイヤとリムとの組立体に空気のみを充填して使用内圧（ｋＰａ）に調整した後、充填空気を内圧が大気圧になるまで排出した際の充填空気排出量（ｃｍ^３）を用いて、次式（ＩＩ）から求めた値（ｃｍ^３）
タイヤ気室容積値＝（充填空気排出量）／（使用内圧／大気圧）・・・・・・（ＩＩ）
なお、式（ＩＩ）において使用内圧はゲージ圧値（ｋＰａ）を、大気圧値は気圧計による絶対値（ｋＰａ）を用いる。
また、ここにおいて、「中空部」とは、中空粒子の、一もしくは複数の独立気泡の内部をいうものとする。

そしてまた好ましくは、タイヤ気室内への充填気体の、３０℃の大気圧下での水蒸気含有率を７０％以下に調整する。

この安全タイヤでは、とくに、タイヤ・リム組立体におけるカーカスのパスラインに、最大幅部に連続して、半径方向内方に向かって横断面幅が次第に減少する絞り部分を設けるとともに、この絞り部分の、たとえば内圧充填時の、半径方向内方側への変形を、適用リムによって拘束することにより、出願人の先の提案に係る、国際公開第０３／０３１２０６号パンフレットに開示されたタイヤ・リム組立体と同様にタイヤ気室内圧によって、絞り部分が半径方向内方に変形されるのを適用リムにより抑制し、この結果として、ベルトの円周方向の張力を、従来タイヤに比して増加させてベルト剛性を高め、この一方で、好ましくは、横断面内で、拡幅部分に対して３０〜７５°の角度をなす絞り部分の作用によってタイヤサイド部の撓み変形を容易にして、タイヤの上下剛性を、従来タイヤに比して低減させることにより、タイヤの負荷転動に際して、ベルトおよびトレッドを、タイヤ中心に対して路面から逃げる方向に偏心変位させることが可能となり、これにより、トレッド接地部分でのベルトおよびトレッドの、路面による圧潰変形が緩和されることになる。

従ってここでは、トレッド接地部分およびそれの前後部分でのタイヤ半径の変動、ひいては、遠心力の変動を有効に防止することができ、これがため、タイヤ気室内に充填した中空粒子の、摩擦に起因する発熱を抑制して、中空粒子の不測の体積増加のおそれを有利に取り除くことができる。

その上ここでは、ベルトおよびトレッドの圧潰変形量の減少に伴って、その変形に起因するタイヤの発熱をもまた抑制することができるので、タイヤ気室内への封入気体の、タイヤの高速転動に伴う温度上昇を十分小さく抑えて、その封入気体を中空粒子の冷却にも寄与させることで、中空粒子の、意図しない熱膨張のおそれをより効果的に取り除くことができ、それらの中空粒子を、タイヤのパンク故障等に際するタイヤ内圧の回復のために十分有効に機能させることができる。

なおここでは、ベルトおよびトレッドの変形量が抑制される一方で、サイド部の変形量が増加することになるも、サイド部の変形量の増加に起因する発熱量の増加は、ベルトおよびトレッドの変形量の減少に伴う発熱量の低下に比してはるかに小さい値となるので、サイド部での発熱量の増加は、ベルトおよびトレッドでの変形量の低下によって十分に相殺されることになる。

しかもこの安全タイヤでは、タイヤ気室内に充填した中空粒子が、とくにはロードノイズの大きな路面上での定常走行時の、タイヤ気室内の空洞共鳴音を大きく低減させるべくも機能することから、定常走行時の静粛性が一段と向上することになる。
つまり、空洞共鳴は、タイヤ気室自体が円管状の連続した空洞になっているために、接地領域にて発生する微細な入力によりタイヤが振動し、その振動がタイヤ気室内の気体に伝播してノイズとなって、空洞内で共鳴することのより発生するものである。これに対し、中空粒子を配置すると、該空洞の連続性、均一性を阻害できるため、共鳴現象を抑制することができる。
また、振動する気体により中空粒子が振動させられたとき、中空粒子の内外間で振動エネルギーが消費されてしまうために、共鳴に使われる振動エネルギー自体を減退させることができ、これらのそれぞれの効果により空洞共鳴が低減されることになる。

この一方で、タイヤがカット傷等の外傷を受けてパンクした場合には、はじめに、タイヤ気室内の中空粒子が、その傷内へ入り込んで、傷口を閉塞して、空気内圧の急激な低下を抑制する。
その後は、空気内圧の低下に伴うタイヤの撓み変形量の増加の下で、中空粒子は、相互に摩擦して自己発熱し、これに基く、樹脂連続相の軟化および中空部圧力の増加によって体積膨張して、タイヤ気室内圧を、少なくともタイヤのサイド部が接地しなくなるタイヤ気室圧力まで復活させる。これがため、このタイヤを装着した車両は、必要とされる距離を十分安全に継続走行することができる。

かかるタイヤにおいて、タイヤ気室内への中空粒子の充填率を５Ｖｏｌ％以上８０Ｖｏｌ％以下とした場合には、中空粒子による受傷部の閉塞をより適正に行うとともに、パンク時の内圧復活機能を所期した通りに発揮させることができる。

またここで、中空粒子の中空部の圧力を、タイヤの使用内圧の７０％以上とした場合には、パンクによって、タイヤ気室内圧が大気圧まで低下してなお、中空粒子の、上述したような内圧復活機能の下で、そのタイヤ気室内圧を、タイヤのサイド部が接地しなくなる以上に高めることができる。

そしてさらに、タイヤ気室内への充填気体、たとえば、空気、窒素ガスその他の不活性ガス等の、３０℃の大気圧下での水蒸気含有率を７０％以下としたときは、中空粒子の、タイヤ気室内での円滑なる流動性を担保して、中空粒子に、所期したとおりの内圧復活機能をより十分に発揮させることができる。

図１はこの発明の対象となるタイヤ・リム組立体を例示する横断面図であり、図示のこの組立体は、タイヤ１を適用リム２に組付けて、タイヤ１とリム２とで区画されるタイヤ気室３内に規定の内圧を充填してなる。

ここにおけるタイヤ１は、ビードコア４を配置した一対のビード部５間にトロイド状に延びる、少なくとも一枚のカーカスプライからなるカーカス６を具えるとともに、そのカーカス６のクラウン域の外周側に配設した、少なくとも一層のベルト層からなるベルト７および、ベルト７のさらに外周側に配設されて踏面を形成するトレッド８を具えてなり、カーカス６のそれぞれの側部部分は、ビードコア４の周りで、タイヤ半径方向の内側から外側に巻き返して固定してなる。

そしてここでは、カーカス６の、最大径（Ｄ_ｍａｘ）となる部分から半径方向内方に向かって断面幅が次第に増加する拡幅部分９を設けるとともに、その拡幅部分９の最大幅（Ｗ_ｍａｘ）部に連続して、半径方向内方に向かって断面幅が次第に減少する絞り部分１０を設けこの絞り部分１０の、タイヤ気室３内への規定の内圧の充填等に際する半径方向内方側への変形を、タイヤ１に組付けた適用リム２の、ビードシート１１およびリムフランジ１２による、タイヤ気室内圧の支持に基いて十分に拘束する。

従ってここでは、タイヤ気室内圧のほぼ全部を、ベルト７およびトレッド８の円周方向張力の増加に寄与させることができ、結果として、絞り部分１０が半径方向内方側に変形されるタイヤに比して、ベルト剛性を大きく増加させることができる。
しかも、このようなタイヤ・リム組立体を、タイヤの定常状態で負荷転動させるに当っては、図２にカーカスの横断面形状を模式的に示すように、拡幅部分９と絞り部分１０との連続域で、とくに、リムフランジ１２の外周側に隣接する個所を幅方向の外側に向けて大きく膨出変形させることで、タイヤの上下剛性を小さく抑えることができるので、ベルト７の、トレッド接地部分での圧潰変形を、それの、路面から逃げる方向への変位をもって、前述したベルト剛性の増加と相俟って有効に防止することができ、この結果として、従来技術で述べたような、タイヤに作用する遠心力の変動を有効に緩和することができる。

ところで、カーカス６のこのような変形挙動を、確実に行わせるためには、図３に例示するように、カーカス６の、リムフランジ１２の外周側に隣接する部分に、タイヤ・リム組立体の中心軸線とほぼ平行に延びる水平域６ａを設けることが好ましく、また、その変形挙動を、カーカス６の破断のおそれなしに十分円滑に行わせるためには、拡幅部分９と絞り部分１０との、連続部を隔てたカーカス６の横断面内での挟角θを３０〜７５°の範囲とすることが好ましい。
なお、図１中１３は、適用リム２のバルブ取付口に装着した給排気バルブを示す。

ここで、この発明に係る安全タイヤでは、図４に幅方向断面図で示すように、タイヤ気室３内に、樹脂よりなる連続相と、独立気泡からなる熱膨張可能な中空粒子１４の多数個を加圧下で充填配置する。
図中１５は、中空粒子１４の間に存在する空隙を示す。

この中空粒子１４は、略球形状の樹脂による連続相で囲まれた独立気泡を有する、たとえば粒径が１０μｍ〜５００μｍ程度の範囲の粒径分布を持つ中空体、あるいは、独立気泡による小部屋の多数を含む海綿状構造体よりなる。すなわち、中空粒子１４は、外部と連通せずに密閉された独立気泡を内包する粒子であり、その独立気泡の数は単数であってもよいし、複数であってもよい。なお、この明細書では、中空粒子の、一もしくは複数の独立気泡の内部を『中空部』と表現する。

また、中空粒子１４が独立気泡を有することは、その粒子が独立気泡を密閉状態で内包するための『樹脂製の殻』を有することを指し、さらに、樹脂による連続相とは、この『樹脂製の殻を構成する成分組成上の連続相』を指す。なお、この樹脂製の殻の組成は後述する。

中空粒子１４の多数個である中空粒子群は、高圧気体とともにタイヤ気室３の内側に充填配置することによって、通常の使用条件下ではタイヤの使用内圧を部分的に担うと共に、タイヤ１の受傷時には、タイヤ気室３内の失った圧力を復活させる機能を発現する源となる。この『内圧復活機能』については後述する。

さて、上述したようなタイヤ・リム組立体のタイヤ１は、タイヤ気室圧力が大気圧まで低下した状態で走行すると、荷重によりタイヤ１が大きく撓み、そのサイド部１６が路面に接地してしまうため、路面との摩擦と、繰り返しの屈曲変形とに起因した発熱によって骨格をなすカーカス６が疲労し、そして、サイド部１６の摩耗傷が最終的にタイヤ気室内まで貫通することで破壊に到る。

そこで、この発明に係る安全タイヤでは、外傷によってタイヤ気室３内の気体が漏れ出た際に、傷口を閉塞した上で、その後の走行に必要な最低限のタイヤ気室圧力を適正に与え、失った圧力を回復させて、タイヤ１の、上述したような故障破壊を防ぐことを主目的とする。

すなわち、タイヤ気室圧力が大気圧にまで低下したとしても、中空粒子１４に上述の機能を早期に発揮させることによって、タイヤ１が上述したような破壊に至ることを回避することが重要であり、そのためには、中空粒子１４を適正に充填して所期した通りに機能させることによって、タイヤ気室３内の圧力を、『少なくともタイヤのサイド部１６が接地しなくなる圧力またはインナーライナー面同士が接触しなくなる圧力』まで復活させることが肝要である。

この場合、タイヤ気室３に配置する中空粒子１４は、下記式（Ｉ）に従う充填率を５Ｖｏｌ％以上８０Ｖｏｌ％以下とすることが好ましい。

記
中空粒子の充填率＝（粒子体積値／タイヤ気室容積値）×１００・・・・・・（Ｉ）
ここで、粒子体積値は、タイヤ気室３に配置した全中空粒子の大気圧下での合計体積と粒子間の空隙体積との合計量（ｃｍ^３）である。
また、タイヤ気室容積値は、タイヤ１とリム２との組立体に空気のみを充填して使用内圧（ｋＰａ）に調整した後、充填空気を内圧が大気圧になるまで排出した際の充填空気排出量（ｃｍ^３）を用いて、次式（ＩＩ）から求めた値（ｃｍ^３）である。
タイヤ気室容積値＝（充填空気排出量）／（使用内圧／大気圧）・・・・・・（ＩＩ）

なお、式（ＩＩ）において使用内圧はゲージ圧値（ｋＰａ）を、大気圧値は気圧計による絶対値（ｋＰａ）を用いる。すなわち、大気圧はゲージ圧で０［ｋＰａ］で表されるが、大気圧値自体は日々刻々と変動するものであるため、その時点での気圧計から観測される絶対値を用いる。
よって、例えばある時の大気圧が１０１３ｈＰａであった場合は、大気圧絶対値として１０１．３ｈＰａを式（ＩＩ）に用いる。ここで、『使用内圧』とは、前述したように、『自動車メーカーが各車両毎に指定した、装置位置ごとのタイヤ気室圧力値（ゲージ圧力値）』を指す。

さらに、中空粒子１４の中空部内の圧力は、タイヤ気室の圧力（通常は使用内圧）の少なくとも７０％とすることにより、粒子形状が略球形に保たれて粒子の耐久性が保証されるため、中空粒子の中空部内圧力を使用内圧の７０％以上とすることが好ましい。

このように、中空粒子１４の中空部内の圧力を所望のタイヤ気室内の圧力に対して７０％以上とした中空粒子を、タイヤ気室３内に所定の充填量で配置することにより、たとえば、タイヤ気室３の内圧が大気圧となった状態（つまりパンク状態）で走行した時に、少なくとも、タイヤのサイド部１６が接地しなくなる、またはインナーライナー面同士が接触しなくなるタイヤ気室圧力まで、タイヤ気室３の圧力を回復させることができる。
以下に、そのタイヤ気室内圧の復活機能を説明する。

すなわち、上述した中空粒子群をタイヤ気室内に配置したタイヤ１とリム２との組立体よりなる安全タイヤにあっては、タイヤ１が受傷すると、中空粒子相互間の空隙１５に存在するタイヤ気室内の高圧気体がタイヤの外側に漏れ出し、これにより、高圧気体の流出に共連れされた中空粒子１４の多数個が受傷部を閉塞して、気室圧力の急激な低下を抑制する。
つまり、受傷部の傷口はタイヤ気室３内の気体が漏れ出る流路となるが、中空粒子１４は、その流路内に『圧密』状態で入り込んで多数の中空粒子１４によって流路を詰まらせることができる。

そしてさらに、後述する内圧復活機能によって、タイヤ気室３内の圧力が、たとえば大気圧から増圧されると、タイヤ骨格としてのカーカス６に張力が与えられることにより、傷口の内径は絞り込まれるように減少していくので、傷口内に圧密状態で入り込んだ中空粒子群には、タイヤ気室３内の増圧により、タイヤ側から絞り込まれるように圧縮力が働く。
この場合、中空粒子１４は、中空部圧力が高いため、その圧縮力に対して、中空部圧力に基く反力を発生して圧密の度合いを高めることができ、より大きな内径の傷口においても、タイヤ気室３内の気体がほとんど漏れ出さない程度まで傷口を閉塞することができる。
したがって、パンクの原因となった傷口は、瞬時にかつ確実に中空粒子１４によって塞がれることになる。

この一方で、気室圧力の低下に伴って、タイヤ１の撓み変形量が増加して、タイヤ気室容積が減少すると、タイヤの大きな撓みに起因して、タイヤ気室内に配置した中空粒子１４は、タイヤ内面とリム内面との間に挟まれながら、圧縮とせん断の入力を受けることになり、これによれば、中空粒子同士が摩擦して自己発熱するために、タイヤ気室３内の中空粒子１４の温度が急上昇し、この温度が、中空粒子１４の殻部である連続相を形成する樹脂の熱膨張開始温度Ｔｓ２（該樹脂のガラス転移温度に相当する）を超えると、該粒子の殻は軟化し始める。

このとき、中空粒子１４の中空内部の圧力が使用内圧に準じた高い圧力であるのに加え、中空粒子温度の急上昇により中空部内圧力がさらに上昇するために、中空粒子１４が一気に体積膨張して粒子周囲の空隙気体を圧縮する事になり、タイヤ気室３の圧力を、少なくともタイヤのサイド部１６が接地しなくなるタイヤ気室圧力まで回復させる事ができ、結果として、安全タイヤ、ひいては、それを装着した車両は、必要とされる距離を安全に継続走行することが可能となる。

このように、中空粒子１４の中空部内の圧力を大気圧以上の高い圧力に設定すれば、内圧復活機能を発現させることができるも、サイド部１６が接地しないタイヤ内圧までタイヤ気室３の圧力を復活させるには、前述の中空部内の圧力が使用内圧の７０％以上である中空粒子１４を、５Ｖｏｌ％以上８０Ｖｏｌ％以下の充填率の下にタイヤ気室内に配置しておくことが好適である。

すなわち、中空粒子１４の充填率が５Ｖｏｌ％未満であると、受傷部の閉塞は問題なく行えるものの、中空粒子１４の絶対量が不足して、サイド部１６が接地しない、またはインナーライナー面同士が接触しなくなる圧力レベルまでの充分な復活内圧を得る事が難しくなることがある。一方、その充填率が８０Ｖｏｌ％を超えると、常用時の高速走行での粒子摩擦による発熱のために、タイヤがパンク等する前に、中空粒子１４が膨張開始温度Ｔｓ２を超えて膨張してしまうおそれがあり、これによって、タイヤ１のパンク時の内圧復活機能が失われることがある。

ところで、このような内圧復活機能を確実に発現させるためには、その機能の発現に先だって、受傷部を確実に閉塞する事が必要になる。すなわち、受傷部の閉塞が不完全であると、復活したはずの圧力が受傷部から漏洩してしまう結果、内圧復活機能により得られた圧力がその後の安全走行に一時的にしか貢献できなくなって、受傷後の走行性能を保証できなくなる。

中空粒子１４は、中空構造による低比重かつ弾力性に富んだ粒子であるために、タイヤが受傷し受傷部から中空粒子周囲の空隙気体が漏洩し始めると、空隙気体の漏洩による流れに乗って即座に受傷部に密集し、受傷部の傷口を瞬時に閉塞する。従って、中空粒子１４による受傷部の閉塞機能は、安全タイヤの内圧復活機能を支える必須機能である。

以上に述べたように、中空粒子を充填した安全タイヤは、パンク後の内圧低下に伴うタイヤ気室容積の減少とタイヤの撓み量の増大により、中空粒子間の摩擦を引き起こすことで中空粒子１４の急激な温度上昇とともに中空粒子の膨張による内圧復活を果たし、パンク後の安全走行を実現できる。

ここで、中空粒子１４の中空部内圧を所望のタイヤ気室内圧に対して７０％以上とした中空粒子を、タイヤ気室内に所定の充填量で配置するには、タイヤの使用内圧以上の高圧気体中に中空粒子１４の多数を収容した耐圧容器から、タイヤ気室に中空粒子並びに高圧気体を充填することが有効である。

この場合、耐圧容器内に中空粒子１４および高圧気体を収容することの意義は以下の通りである。
中空粒子１４は耐圧容器の内部に高圧気体とともに収容されることになるが、耐圧容器内に高圧気体とともに収容した当初は、中空粒子１４の中空部内の圧力（独立気泡内の圧力）は大気圧とほぼ等しく、容器内の圧力より小さいために、粒子の体積は減少する。この時点での中空粒子１４の形状は略球形状ではなく、球形状から扁平化して歪んだ形状となっている。

粒子形状が扁平化して歪んだままの状態で中空粒子１４をタイヤ気室に充填し、使用内圧に調整して常用走行を開始してしまうと、中空粒子１４は、球形状の場合と比べて、粒子同士の衝突やタイヤおよびリム内面との衝突により破壊しやすくなる。
すなわち、中空粒子１４が扁平化して歪んだ形状では、衝突による入力を均一に分散させることができず、中空粒子の耐久性の面で大きな不利をもたらすことになる。

更にタイヤ１が受傷することによって生じた傷口に、中空粒子１４が入り込むことで閉塞される傷口の大きさが、小さいものだけに限定されることになり、また、中空粒子１４がタイヤ外部に噴出することはないにしても、中空粒子１４が扁平化して歪んだ形状であるためにミクロな通路が多く発生し、よってタイヤ気室内の気体が漏洩することがある。

しかし、扁平化して歪んだ中空粒子１４が当初は体積減少した状態にあるも、一定期間にわたって耐圧容器等の内圧に晒し続けることによって、その中空部内の圧力と容器内の圧力との差により、中空粒子１４の中空部内の圧力、言い換えれば粒子内の独立気泡内の圧力を、耐圧容器の圧力程度に高めることができる。
すなわち、扁平化した中空粒子１４の殻の部分には元の略球形状に戻ろうとする力が働いて、扁平化した中空粒子１４の中空部内の圧力が、耐圧容器内圧力よりも低いために、その圧力差を解消すべく耐圧容器内の気体の分子が樹脂による連続相の殻を通過して粒子の中空部内に浸透することになる。
また、中空粒子１４の中空部は独立気泡であり、その中の気体は発泡剤に起因するガスで満たされているため、耐圧容器内（粒子間空隙部）の気体とは異なる場合があり、この場合は、上述したような単なる圧力差だけではなく、気体の分圧差に従いながら、その分圧差を解消するまで耐圧容器内の高圧気体が粒子中空部内へ浸透していく。

このように、耐圧容器内の高圧気体は、時間の経過と共に中空粒子１４の中空部内へ浸透していくため、その中空部内に浸透した分だけ、耐圧容器内の圧力が低下することとなる。
よって、中空粒子１４の中空部内に浸透した分を補うために、高圧気体を補充した上で所望の圧力をかけ続けることにより、中空部内圧を所要の圧力に調整した中空粒子を得ることができる。

中空粒子１４の中空部内の圧力は、以上のようにして耐圧容器内（粒子間空隙部）の圧力に近づくことになり、これにより、中空粒子１４は、一旦減少した粒子体積を回復して、扁平化されて歪んだ粒子形状から元の略球形状へと回復することになる。この形状回復過程で、中空粒子１４の中空部内圧が耐圧容器の内圧力に対して７０％以上まで増加することにより、粒子形状は扁平化した状態から略球形へ十分に回復することができ、これによって上述した中空粒子１４の耐久性を保障することが出来る。

従って、中空粒子１４をタイヤ１とは別の耐圧容器内に配置し、粒子間の空隙圧力を所望のタイヤ気室内の使用圧力以上まで高めた状態に保持し、この圧力をかけ続けたまま該耐圧容器内にて適当時間保管したうえで、中空部内の圧力が増加した状態の中空粒子１４をその周囲の雰囲気と共にタイヤ気室内に供給することにより、中空粒子１４は粒子体積を回復して、粒子形状を略球状に回復しているため、中空粒子を充填後のタイヤの、転動時の繰返し変形に伴って粒子に加わる疲労や破壊も大幅に低減でき、中空粒子の耐久性が損なわれることはない。

なお、中空粒子１４の耐久性が損なわれない好適範囲は、タイヤ気室３内の圧力が、装着する車両指定内圧等の所望する高圧環境のなかで、中空粒子１４の中空部の圧力が所望のタイヤ気室内圧に対して少なくとも７０％であり、より好ましくは、８０％以上さらには９０％以上であり、そして、１００％以上と高く設定することがとくに推奨される。

ここで、中空粒子１４の、耐圧容器内への適切な保持時間は、中空粒子の殻の部分、すなわち粒子の連続相に対する空隙気体の透過性と、粒子中空部内の気体と空隙気体との分圧差とを考慮して、設定することができる。

以上に述べたような、粒子形状および体積の変化過程に則り、耐圧容器内（粒子周囲の空隙部）に充填する気体の種類と圧力とを適宜に選択し、調節することによって、中空粒子の中空部内の圧力を所望の範囲に設定することができる。

耐圧容器内でこのようにして調整された中空粒子１４は、タイヤ気室３内へ供給された段階で、その中空部内の圧力（独立気泡中の気泡内圧力）が、タイヤ気室３内の使用内圧に準じた高い圧力を保ったまま、言い換えれば、粒子体積と中空部圧力を保持したままタイヤ気室内に存在することになる結果として、安全タイヤに所要の、上記の内圧復活機能を十分に発揮することができる。

なお、このような内圧復活機能を有する安全タイヤを得る手段は、上記手法に限定されるものではなく、耐圧容器を用いずに、タイヤ・リム組立体内のタイヤ気室を耐圧容器の代替とすることによっても同様の安全タイヤを得ることができる。

さらにまた、上述したような安全タイヤを得るにあたり、タイヤ気室内に充填する高圧気体は、３０℃の大気圧下での水蒸気含有率を７０％以下に調整することが好適である。
中空粒子１４を充填した安全タイヤの転動中は、該タイヤ内の中空粒子１４は転動に伴う遠心力によりタイヤクラウン部の内面側で層を形成する。そして、この中空粒子群の層内では、中空粒子同士の摩擦発熱により中空粒子温度が上昇するが、一方で中空粒子１４の活発な移動とリム内面側空隙に存在する気体の冷却効果とによって、その熱収支が保たれる結果、中空粒子１４の温度は、その膨張開始温度Ｔｓ２以下の範囲で安定することになる。

しかしながら、中空粒子群が存在するタイヤ気室内において、その雰囲気気体の湿度が高い場合は、中空粒子１４の特徴である優れた流動性が低下して、中空粒子１４が凝集することがある。
すると、定常走行でのタイヤ転動中に、中空粒子１４の相互移動が妨げられる結果、中空粒子同士の摩擦発熱が、限定された領域で生じることになり、加えて、中空粒子１４の移動の抑制に伴って冷却能が低下するため、中空粒子群の層内に部分的な蓄熱領域が発生する。この部分的な蓄熱領域では、中空粒子１４の膨張開始温度Ｔｓ２を超えて膨張する粒子が散発し、中空粒子１４の総体積の増加をまねく。これは、空隙体積の減少を意味しており、中空粒子１４の相互移動はさらに制約されて冷却能の低下を加速することになり、最悪の場合は、上記蓄熱領域が発生する初期段階でタイヤ気室内の中空粒子温度が一気に上昇し、全中空粒子が膨張開始温度Ｔｓ２を超えてしまう結果、タイヤがパンク状態に到った後の内圧復活機能を喪失する場合もある。

このような事態を回避するには、定常走行中におけるタイヤ気室内温度が３０℃〜７０℃程度であることから、その温度域の下限である３０℃における水蒸気含有率を、７０％以下に調整することが重要である。

ところで、中空粒子１４はその原料である『膨張性樹脂粒子』、すなわちガス成分を液体状態の発泡剤として樹脂に封じ込めた粒子を加熱膨張させることにより得られ、この膨張性樹脂粒子には膨張開始温度Ｔｓｌが存在する。
このような加熱膨張によって得られた中空粒子１４を、室温から再度加熱すると、その中空粒子１４は更なる膨張を開始し、ここに中空粒子の膨張開始温度Ｔｓ２が存在する。発明者らは、これまで多くの膨張性樹脂粒子から中空粒子を製造し検討を重ねてきた結果、Ｔｓｌを膨張特性の指標としてきたが、中空粒子の膨張特性の指標としてはＴｓ２が適切であることを見出すに到った。

すなわち、膨張性樹脂粒子を加熱膨張させる場合における膨張挙動を観察したところ、膨張性樹脂粒子は膨張する前の段階にあるため、中空粒子１４の状態に比して粒径が極端に小さく、樹脂製の殻部の厚さが極端に厚いため、マイクロカプセルとしての剛性が高い状態にある。したがって、加熱膨張の過程で樹脂製の殻部の連続相がガラス転移点を越えても、更なる加熱により殻部がある程度柔らかくなるまでは、内部ガスの拡張力が殻部の剛性にうち勝つことができない。よって、Ｔｓｌは実際の殻部のガラス転移点よりも高い値を示す。

この一方で、中空粒子１４を加熱膨張させる場合には、中空粒子１４の殻部の厚さが薄く、中空体としての剛性が低い状態にある。したがって、中空粒子１４の加熱膨張の過程では、殻部の連続相がガラス転移点を越えると同時に膨張を開始するため、Ｔｓ２はＴｓ１より低い位置づけとなる。

そこで、この安全タイヤでは、膨張性樹脂粒子を一旦膨張させてなる中空粒子１４の更なる膨張特性を活用する。
この場合、中空粒子１４のＴｓ２は、９０℃以上２００℃以下、なかでも１１０℃以上２００℃以下、とくには１３０℃以上２００℃以下であることが好ましい。
すなわち、中空粒子１４のＴｓ２が９０℃未満では、定常走行時のタイヤ気室内の温度環境下にて膨張するおそれがあるからであり、一方２００℃を超えると、パンク受傷後のランフラット走行において、中空粒子１４の摩擦発熱に起因する急激な温度上昇が起こっても、Ｔｓ２に達することが出来ない場合があり、よって目的とする『内圧復活機能』を十分に発現させることが出来なくなる場合がある。

次に、中空粒子１４の中空部（独立気泡）を構成する気体としては、窒素、空気、炭素数が２から８の直鎖状及び分岐状の脂肪族炭化水素およびそのフルオロ化物、炭素数が２から８の脂環式炭化水素およびそのフルオロ化物、そして次の一般式（III）

Ｒ^１−Ｏ−Ｒ^２・・・・（III）

（式中のＲ^１およびＲ^２は、それぞれ独立に炭素数が１から５の一価の炭化水素基であり、該炭化水素基の水素原子の一部をフッ素原子に置き換えても良い）にて表されるエーテル化合物、からなる群の中から選ばれた少なくとも１種が挙げられる。

ところで、タイヤ気室３内に充填する気体は空気でも良いが、上記粒子中の気体がフルオロ化物でない場合には、安全性の面から酸素を含まない気体、たとえば窒素や不活性ガス等が好ましい。

なお、独立気泡を有する中空粒子１４を得る方法は特に限定されないが、発泡剤を用いて『膨張性樹脂粒子』を作製し、これを加熱膨張させる方法が一般的である。
この発泡剤としては、高圧圧縮ガス及び液化ガスなどの蒸気圧を活用する手法、熱分解によって気体を発生する熱分解性発泡剤を活用する手法などを挙げることができる。

後者の熱分解性発泡剤には窒素を発生させる特徴のあるものが多く、これらによる発泡によって得られる膨張性樹脂粒子の反応を適宜制御することによって得た粒子は気泡内に主に窒素を有するものとなる。この熱分解性発泡剤としては特に限定されないが、ジニトロソペンタメチレンテトラミン、アゾジカルボンアミド、パラトルエンスルフォニルヒドラジンおよびその誘導体、そしてオキシビスベンゼンスルフォニルヒドラジンを好適に挙げることができる。

次に、前者の高圧圧縮ガス及び液化ガスなどの蒸気圧を活用して中空粒子となる『膨張性樹脂粒子』を得る手法を説明する。
中空粒子を形成する前記樹脂による連続相を重合する際、炭素数が２から８の直鎖状及び分岐状の脂肪族炭化水素およびそのフルオロ化物、炭素数が２から８の脂環式炭化水素およびそのフルオロ化物、そして次の一般式（IV）

Ｒ^１−Ｏ−Ｒ^２・・・・（IV）

（式中のＲ^１およびＲ^２は、それぞれ独立に炭素数が１から５の一価の炭化水素基であり、該炭化水素基の水素原子の一部をフッ素原子に置き換えても良い）にて表されるエーテル化合物からなる群の中から選ばれた少なくとも１種を発泡剤として高圧下で液化させ、反応溶媒中に分散させつつ、乳化重合させる手法である。これにより上記に示されるガス成分を液体状態の発泡剤として前述の樹脂連続相にて封じ込めた『膨張性樹脂粒子』を得ることができ、これを加熱膨張させる事によって、所望の中空粒子１４を得る事が出来る。

また、前記『膨張性樹脂粒子』の表面に、シリカ粒子等のアンチブロッキング剤、カーボンブラック微粉、帯電防止剤、界面活性剤等をコーティングした上で加熱膨張させることによって目的の中空粒子を得ることもできる。

ここで、受傷によりタイヤ気室圧力が低下した状態において、該中空粒子１４によって必要最低限の内圧を付与するためには、中空粒子１４の中空部内に所定圧力で封入された気体が、粒子外部へ漏れ出ないこと、換言すると、中空粒子１４の殻の部分に相当する、樹脂による連続相が気体を透過し難い性質を有することが重要である。

すなわち、連続相を構成する樹脂は、ガスバリア性の高い材質によること、具体的には、アクリロニトリル系共重合体、アクリル系共重合体、塩化ビニリデン系共重合体のいずれか少なくとも１種からなることが好ましい。これらの材料は、タイヤ変形による入力に対して中空粒子としての柔軟性を有するため、安全タイヤに適用して特に有効である。

とりわけ、中空粒子１４の連続相には、アクリロニトリル系重合体、アクリル系重合体および塩化ビニリデン系重合体のいずれかを適用することが好ましい。さらに詳しくは、重合体を構成するモノマーが、アクリロニトリル、メタアクリロニトリル、メチルメタクリレート、メタクリル酸、塩化ビニリデンから選択される重合体であり、好ましくは、アクリロニトリル／メタアクリロニトリル／メチルメタクリレート３元共重合体、アクリロニトリル／メタアクリロニトリル／メタクリル酸３元共重合体から選ばれた少なくとも１種がそれぞれ有利に適合する。これらの材料は、いずれもガス透過係数が小さくて気体が透過し難いために、中空粒子１４の中空部内の気体が外部に漏れ難く、中空部内の圧力を適切に保持することができる。

さらに、中空粒子１４の連続相は、３０℃におけるガス透過係数が３００×１０^−１２（ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓ・ｃｍＨｇ）以下、好ましくは３０℃におけるガス透過係数が２０×１０^−１２（ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓ・ｃｍＨｇ）以下、さらに好ましくは３０℃におけるガス透過係数が２×１０^−１２（ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓ・ｃｍＨｇ）以下であることが推奨される。
すなわち、通常の空気入りタイヤにおけるインナーライナー層のガス透過係数は３００×１０^−１２（ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓ・ｃｍＨｇ）以下のレベルにあって十分な内圧保持機能を有している実状を鑑み、粒子の連続相についても、３０℃におけるガス透過係数を３００×１０^−１２（ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓ・ｃｍＨｇ）以下とした。ただし、このガス透過係数のレベルでは、３〜６カ月に１度程度の内圧補充が必要であるから、そのメンテナンス性の点からも、２０×１０^−１２（ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓ・ｃｍＨｇ）以下、さらに好ましくは２×１０^−１２（ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓ・ｃｍＨｇ）以下とすることが推奨される。

図１に示すような基本構造を有するサイズが２３５／３５ Ｒ１９の実施例タイヤと、同サイズの一般的なコントロールタイヤとにつき、タイヤ気室内への中空粒子の充填率をパラメータとして、タイヤの定常走行時に、中空粒子が意図しない体積増加を行う限界速度を、ドラム耐久試験により測定したところ、表１〜３に示す結果を得た。
なお、カーカスプライの枚数、ベルト層の層数等の補強条件は、両タイヤともに同一とした。

表１〜３に示すところによれば、実施例タイヤは、この発明に固有の、カーカスのパスラインの選択によるベルト剛性の増加の増加および、タイヤの上下剛性の低減の下で、中空粒子の発熱を有効に抑制することができ、この結果として、中空粒子の充填率のいかんにかかわらず、コントロールタイヤに比して、はるかにすぐれた高速耐久性を実現できることが解かる。

この発明の対象となるタイヤ・リム組立体を例示する横断面図である。 タイヤの負荷転動時のカーカスの変形態様を例示する略線横断面図である。 図１の要部を拡大して示す断面図である。 この発明に係る安全タイヤを示す横断面図である。 従来タイヤの変形態様およびそれに作用する遠心力を示す図である。

符号の説明

１ タイヤ
２ 適用リム
３ タイヤ気室
４ ビードコア
５ ビード部
６ カーカス
６ａ 水平域
７ ベルト
８ トレッド
９ 拡幅部分
１０ 絞り部分
１１ ビードシート
１２ リムフランジ
１３ 給排気バルブ
１４ 中空粒子
１５ 空隙
１６ サイド部

Claims (3)

1. 一対のビード部間にトロイド状に延びるカーカスおよび、このカーカスのクラウン域の外周側に配設したベルトを具えるタイヤを、適用リムに組付けて、規定の内圧を充填したタイヤ姿勢の下で、カーカスに、それの最大径部分から半径方向内方に向かって横断面幅が次第に増加する拡幅部分を設けるとともに、この拡幅部分の最大幅部に連続して、半径方向内方に向かって横断面幅が次第に減少する絞り部分を設け、この絞り部分の、半径方向内方側への変形を適用リムにより拘束するタイヤ・リム組立体の、タイヤと適用リムとで区画されるタイヤ気室内に、樹脂よりなる連続相と、それに囲まれた独立気泡とからなる熱膨張可能な中空粒子の多数個を加圧下で封入してなる安全タイヤ。
2. 中空粒子の、タイヤ気室内への、下記式（Ｉ）に従う充填率を５Ｖｏｌ％以上８０Ｖｏｌ％以下とし、中空粒子の中空部圧力を、タイヤの使用内圧の７０％以上とするとともに、中空粒子の膨張開始温度（Ｔｓ２）を９０〜２００℃の範囲としてなる請求項１に記載の安全タイヤ。
   記
   中空粒子の充填率＝（粒子体積値／タイヤ気室容積値）×１００・・・・・・（Ｉ）
   ここで、
   粒子体積値：タイヤ気室に配置した全中空粒子の大気圧下での合計体積と粒子間の空隙体積との合計量（ｃｍ^３）
   タイヤ気室容積値：タイヤとリムとの組立体に空気のみを充填して使用内圧（ｋＰａ）に調整した後、充填空気を、内圧が大気圧になるまで排出した際の充填空気排出量（ｃｍ^３）を用いて、次式（ＩＩ）から求めた値（ｃｍ^３）
   タイヤ気室容積値＝（充填空気排出量）／（使用内圧／大気圧）・・・・・・（ＩＩ）
   なお、式（ＩＩ）において使用内圧はゲージ圧値（ｋＰａ）を、大気圧値は気圧計による絶対値（ｋＰａ）を用いる。
3. タイヤ気室内への充填気体の、３０℃の大気圧下での水蒸気含有率を７０％以下に調整してなる請求項１もしくは２に記載の安全タイヤ。

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