JP2005156557A - 圧力感知ダイヤフラムに対するｓａｗ変換器の相互当接構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 タイヤ又はホイールの組立体のような所与の環境において物理的なパラメータを監視するセンサ組立体において、センサの構成要素間の相互当接構造を改良する。
【解決手段】 センサ組立体は、表面弾性波（ＳＡＷ）共振器のような共振器素子が形成された圧電基板を有している。共振器素子は、センサ組立体が受ける圧力及び温度のような情報を決定するために監視される所定の共振周波数範囲で電気出力信号を発生するように構成されている。圧電基板の表面に突起が形成され、その突起が、可撓性の蓋部分の凹んだ表面領域に相互に当接する。蓋部分と剛性の基部部分とが組み合わされて、センサ組立体の封止パッケージを構成する。アンテナをセンサ組立体に接続して、通信信号の受信及び／又は送信を可能にすることができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一般的に言うならば、タイヤやホイールの環境で使用できる、圧力及び／又は温度のような物理的パラメータを検知するために利用できる表面弾性波（ＳＡＷ）装置に関するものである。具体的には、本発明は、ＳＡＷ装置の圧力感知ダイヤフラムと、ＳＡＷのような内部のセンサ構成部品との間の改良した相互当接構造を提供するものである。

空気タイヤ構造への電子装置の組込みにより、沢山の実際的な利点がもたらされている。タイヤエレクトロニクスは、温度、圧力、タイヤ回転数、車両速度などのタイヤの様々な物理的パラメータに係る情報を得るためにセンサや他の構成部品を含む場合もある。そして、このような性能情報は、タイヤモニタ及び警告システムにとって有用である場合もあり、更に、適正なタイヤ圧力レベルに調整するためのフィードバックシステムに使用できる潜在的可能性もある。

タイヤやホイールの組立体に関する様々なパラメータを測定するために使用されてきた状態応答装置の１つの型式は、表面弾性波（ＳＡＷ）装置のような弾性波装置である。このＳＡＷ装置は、圧電基板上に櫛形電極が形成されて構成された少なくとも１つの共振素子を有している。電気入力信号がＳＡＷ装置に印加されると、選択された電極が、ＳＡＷ装置を変換器として動作させ、その入力信号を、基板内の機械波に変換する。ＳＡＷ装置内の他の構成が、機械波を反射し、電気出力信号を発生させる。このようにして、ＳＡＷ装置は、電気機械変換器のように動作する。ＳＡＷ装置からの出力信号の変化、例えば、出力信号の周波数、位相及び／又は振幅の変化が、ＳＡＷ装置での伝搬路の特性の変化に対応している。或るＳＡＷ装置の例では、モニタしている装置周波数及びその何らかの変化から、ＳＡＷ装置が受けている温度や歪のようなパラメータを測定するに十分な情報が得られる。

既知のＳＡＷ装置の例では、圧電基板上に１つ以上の共振器素子が設けられている。そして、ＳＡＷ装置を封止するケーシング組立体は、基部部分と蓋部分とを有している。その蓋部分は、圧力感知ダイヤフラムとして動作するように構成され、圧電基板上の特定の表面領域に正確に位置合わせされたディンプルが設けられている。

しかし、圧電基板上の正確な位置にダイヤフラムのディンプルの反対側の比較的小さな突起の先端を位置づけているために、圧電基板の特定の表面領域に対してダイヤフラムのディンプル反対側の突起の先端を的確に機械的に位置合わすることがしばしば困難な場合がある。更に、組立て及び溶接の際のケーシング組立体の性能の潜在的な予測不能性のために、ＳＡＷ装置のそのような部分の位置合わせが不確かさである場合がある。そのため、ＳＡＷ装置の圧力感知ダイヤフラムと圧電基板のそれぞれの部分の間の相互当接構造の改良が望まれている。

ＳＡＷセンサのような弾性波装置の様々な実現方法が開発されてきたが、本発明によって後述するように実現される望ましい特徴の全てを全体として達成する構成は未だ現われていない。

従来技術で認識されている特徴に鑑み、本発明は、様々な物理的なパラメータを感知するために使用できる改良された表面弾性波（ＳＡＷ）装置を開発した。本発明のＳＡＷ装置は、ＳＡＷ装置の圧力感知ダイヤフラムと内部センサ構成部品とのそれぞれの部分の間の相互当接構造を改良している。

本発明の代表的実施例によれば、改良したセンサ組立体は、１つ以上の共振器素子が設けられている基板を有している。その基板は、水晶のような圧電材料で形成されていることが好ましく、共振器素子は、表面弾性波（ＳＡＷ）共振器でよい。更に、基板とその上に設けられている構成部品とを内部に収容するように構成されているケーシング組立体の一部との力の伝達のために基板の所定の位置に突起が設けられている。

本発明の他の特定な代表的実施例によれば、ケーシング組立体は、第１と第２のケーシング構成部品を具備している。第１のケーシング構成部品は、基板を支持するための剛性基部部分に相当している。第２のケーシング構成部品は、基部部分に固定される蓋部分に相当しており、更に、基板に設けられている突起と相互に当接する位置に、凹んだ表面領域すなわち凹部が設けられている。更に、蓋部分は、或る大きさの圧力を受けて撓み（可撓性）、凹んだ表面領域と突起とが物理的に相互に当接するように構成されている。この物理的相互当接により、基板上の選択された複数の共振器素子に対して歪を生じさせ、それらの共振器素子の電気出力信号に変化を生じさせて、圧力又は歪の変化の表示を与えることができる。他の共振器素子の電気出力は、温度ような他の物理的パラメータの表示を与えることもできる。

本発明の更に別の実施例では、上述したセンサ組立体実施例を空気タイヤ構造又はホイール組立体と一体化して、温度又は圧力ような物理的パラメータをモニタして測定できる能力をタイヤ組立体に持たせることができる。そのようなセンサ組立体にアンテナを組合せて、センサ素子への遠隔信号及びセンサ素子からの遠隔信号の通信を容易にすることが好ましい。

本発明の或る実施例の１つの利点は、ケーシング組立体の表面凹みと基板上の突起との相互当接での機械的な位置合わせが容易になることである。その理由は、センサ組立体のケーシング部分の組立ての際、機械的な位置合わせが精確である必要がないためである。かくして、改良した組立体ケーシングを有するＳＡＷセンサが実現される。
本発明の或る実施例の別の利点は、ケーシング組立体の蓋部分に実現されている感知ダイヤフラムを変更して、より低いばね定数を持つようにすることが可能となり、ダイヤフラムのヒステリシスや非線形性の影響を削減し、他方で、圧電基板を、線形性や安定性に関して圧電基板固有の性能範囲に近い状態で動作させることができる。

本発明のその他の目的及び効果は、以下の詳細な説明において述べると共に、以下の詳細な説明から当業者には明らかになる筈である。更に、以下に詳細に説明し図解する本発明の特徴や工程に対する変更や修正は、本発明の精神から離れることなく、本発明の様々な実施例や使用方法において実現可能であることも理解される筈である。変更や修正は、以下に説明し図解する手段や特徴や工程をそれらに均等な手段や特徴や工程に置換することや、様々な部品、特徴、工程などの機能上や動作上や位置上の反転などを含むが、それらに限定されるものではない。

更に、本発明の様々な実施例や様々な現在好ましい実施例は、ここに開示する特徴や部品や工程や配置やそれらの均等物の様々な組合せや配置（図面に明確に示されていない又は図面を参照しての詳細な説明に記載さていない特徴や部品や工程や配置の組合せも含む）を含むものである。本明細書の発明の概要において必ずしも説明していない本発明の他の実施例は、本明細書の発明の概要において言及した特徴や部品や工程、及び／又は本明細書において別に検討している他の特徴や部品や工程の性質の様々の組合せも含むこともできる。本明細書の他の部分を検討することにより、当業者は、上記した実施例及びほかの特徴をより良く理解できるであろう。

当業者に向けた本発明の最良態様を含む本発明の十分で実施可能な開示を、以下、添付図面を参照して行う。
なお、本明細書及び図面に亘って同一参照番号を、本発明の同一又は同様な特徴を示すために使用する。

発明の概要の項で説明したように、本発明は特に、タイヤ又はホイールの環境で使用できるような、圧力及び／又は温度のような物理的なパラメータを感知するために使用される表面弾性波（ＳＡＷ）装置に係るものである。詳細に言うならば、ＳＡＷ装置の圧力感知ダイヤフラムと内部センサ構成部品との間の相互当接構造を改良するものである。

図１と図２は、ＳＡＷ装置の圧力を感知するダイヤフラムと内部センサ構成部品との間の典型的な相互当接構造と一般的なケーシングの特徴とを有する従来のＳＡＷ装置の特徴を図解している。図３と図４は、ＳＡＷ装置の圧力感知構成部品間の改良した相互当接構造とケーシングの特徴とを有する、本発明による典型的なＳＡＷ装置の特徴を図解している。図３と図４の典型的なＳＡＷ装置は、図５に典型的な特徴が図解されている環境に係る様々な物理的かパラメータを測定するためにタイヤ又はホイールの組立体に組み込むことができる。

図面を参照するならば、図１は、従来技術のＳＡＷ装置１０の平面図を示している。そのＳＡＷ装置１０は、ＳＡＷ装置１０が受ける温度や歪のような特定なパラメータの何らかの指示をするように構成されている。ＳＡＷ装置１０は、１つ以上の共振器素子１４が形成されている圧電基板１２を具備している。圧電基板１２として適当な材料の一例は水晶である。共振器素子１４ａ、１４ｂ及び１４ｃ（これらは纏めて参照番号１４で示す）は各々僅かに異なる共振周波数を有している。適用される環境条件において同時に発せられる可能性のある３つの異なる共振周波数の１つの典型例は、433.28ＭＨｚ、433.83ＭＨｚ及び434.26ＭＨｚである。感知している１以上のパラメータに応答して、各共振は僅かにずれる。組合せた３つの共振器素子により、タイヤの温度レベルと圧力レベルとの両方を決定するに十分か情報を提供する状態応答装置が実現できる。例えば、共振器素子１４ａが、ＳＡＷ装置１０に働く歪／圧力を決定する情報を提供し、他方、共振器１４ｂ及び１４ｃから得られる差分測定値により温度情報が提供される。このような複数の共振器素子の共振周波数は、隣り合う共振周波数の差が、タイヤ内での圧力又は温度の条件下で、共振帯域幅よりも常に広いように構成することが好ましい。

図２を参照するならば、ＳＡＷ装置１０を納めているケーシング組立体は、剛性基部部分１６と蓋部分１８とを有しており、剛性基部部分１６と蓋部分１８は、組合されて、ＳＡＷ装置１０の封止パッケージを構成している。１つの実施例では、剛性基部部分１６は、金属又はセラミック材料で形成することができ、蓋部分１８は、鉄、ニッケル、コバルトなどの金属で形成することができ、そして、より具体的な実施例では、商品名「Ｋｏｖａｒ」の合金で形成することができる。蓋部分１８は、圧力感知ダイヤフラムとして動作するように構成されており、更に、蓋部分１８は、圧電基板１２（図１を参照）の所定の表面領域２２と精確に位置合わせしたディンプル２０が設けられている。或る範囲の歪又は圧力を受けると、蓋部分１８のディンプル２０は、圧電基板１２に対して下向きの力を作用し、その結果として、共振器素子１４ａの共振周波数を変化させる。この共振周波数の変化を監視して、ＳＡＷ装置１０が受けた歪又は圧力を決定する。

しかし、圧電基板１２上の所定の表面領域２２に対するダイヤフラムのディンプル２０の的確な機械的位置合わせは、圧電基板上の精確な位置に、ディンプルの反対側に形成される比較的小さな突起の先端を位置づけねばならないために、しばしば難しい場合がある。更に、組立て及び溶接の間に、ケーシング組立体１６＋１８の性能が潜在的に予測不能であるために、ＳＡＷ装置１０のそれらの部分を位置合わせする場合、不確かさ生じる場合がある。このようなために、本発明は、ＳＡＷ装置の圧力感知ダイヤフラム部分１８と圧電基板部分１２との間の相互当接構造を改良せんとするものであり、以下、図３、図４、図５を参照して説明する。

図３及び図４に示す典型的なＳＡＷ装置の特徴のいくつかは、図１及び図２に図示しそして図１及び図２を参照して説明した特徴と同一または類似しており、そのような部分には、同一性又は類似性を表すために同一の参照番号を使用する。図３は、本発明によるＳＡＷ装置１０’の平面図である。ＳＡＷ装置１０’は、１つ以上の共振器素子１４が形成されている圧電基板１２を具備している。圧電基板１２として適当な材料の一例は水晶である。共振器素子１４ａ、１４ｂ及び１４ｃ（これらは纏めて参照番号１４で示す）は各々僅かに異なる共振周波数を有している。適用される環境条件において同時に発せられる可能性のある３つの異なる共振周波数の１つの典型例は、433.28ＭＨｚ、433.83ＭＨｚ及び434.26ＭＨｚである。感知している１以上のパラメータに応答して、各共振は僅かにずれる。組合せた３つの共振器素子により、タイヤの温度レベルと圧力レベルとの両方を決定するに十分か情報を提供する状態応答装置が実現できる。例えば、共振器素子１４ａが、ＳＡＷ装置１０’に働く歪／圧力を決定する情報を提供し、他方、共振器１４ｂ及び１４ｃから得られる差分測定値により温度情報が提供される。このような複数の共振器素子の共振周波数は、隣り合う共振周波数の差が、タイヤ内での圧力又は温度の条件下で、共振帯域幅よりも常に広いように構成することが好ましい。

図４を参照するならば、ＳＡＷ装置１０’を納めているケーシング組立体は、剛性基部部分１６と蓋部分１８’とを有しており、剛性基部部分１６と蓋部分１８’は、組み合わされて、ＳＡＷ装置１０’の封止パッケージを構成している。すなわち、剛性基部部分１６と蓋部分１８’は、圧電基板と当該圧電基板上に設けられている構成部品とを囲む包囲体を構成している。１つの実施例では、剛性基部部分１６は、金属又はセラミック材料で形成することができ、蓋部分１８’は、鉄、ニッケル、コバルトなどの金属で形成することができ、そして、より具体的な実施例では、商品名「Ｋｏｖａｒ」の合金で形成することができる。蓋部分１８’は、圧力感知ダイヤフラムとして動作するように構成されており、更に、或る範囲の歪又は圧力を受けると、蓋部分１８’の少なくとも一部分が、圧電基板１２に対して下向きの力を作用し、その結果として、共振器素子１４ａの共振周波数を変化させる。この共振周波数の変化を監視して、ＳＡＷ装置１０’が受けた歪又は圧力を決定する。

図１と図２に示した代表的な従来のＳＡＷ装置例１０とは異なり、図３と図４に示したＳＡＷ装置の実施例は、圧電基板１２上の力の印加点と、蓋部分１８’で実現されている圧力感知ダイヤフラムとの間の相互当接構造を改良している。圧電基板１２の図１に示す所定の表面領域２２に、小さな突起２４が設けられている。突起２４は、例えば金属材料又はセラミック材料で形成され、当業者に周知のホトリソグラフィープロセスや他の同等なプロセスによって圧電基板１２に形成される。又は、突起２４は、予め形成した後に、エポキシ又はそのほかの接着材料で圧電基板１２に接着することもできる。圧電基板１２に突起２４を設けることにより、組立てる前に、圧電基板１２に対する力の印加点を精確に位置づけることができる。

図４のＳＡＷ装置実施例２８を参照すると、改良した蓋部分１８’には、比較的小さなそしてほぼ平らな平面凹み２６が形成されている。具体的な実施例では、平面凹み２６は、全体が円形又は正方形であり、１２平方マイクロメートルの面積を有している。かくして、ＳＡＷ装置組立体２８のケーシング部分の組立ての際には位置合わせが精確である必要はなくなるので、蓋部分１８’の平面凹み２６と圧電基板１２の突起２４との間の相互当接での機械的位置合わせが容易となる。更に、図４に示したＳＡＷ装置組立体２８においては、蓋部分１８’によって実現されている感知ダイヤフラムに小さいばね定数を持たせるように変更して、ダイヤフラム１８’のヒステリシスや非線形性の影響を削減し、他方で、圧電基板を、線形性や安定性に関して圧電基板固有の性能範囲に近い状態で動作させることができる。

上述したように、図３及び図４に１つの実施例を示した本発明のＳＡＷセンサ組立体は、タイヤ又はホイールの組立体のような車両応用分野において、温度及び／又は圧力のような物理的なパラメータを感知するために利用できる。図５を参照するならば、空気タイヤ３０の典型的な斜視図が示されている。空気タイヤ３０は、外側のトレッド部分３２を有するクラウンと、ビード部分と、タイヤビード部分とクラウンとの間に延びるサイド部分３４とを有している。クラウンとサイド部分の内側表面にインナーライナー３６が設けられている。そして、そのインナーライナー３６に本発明によるＳＡＷ装置２８が取り付けらている。しかし、ＳＡＷ装置２８は、ホイールリム、又はバルブステム、又はタイヤ又はホイールの組立体の他の適当な場所に取り付けてることもできる。

遠隔の送受信機と無線通信するために、ＳＡＷ装置２８はアンテナを備えることもできる。２以上の物理的な接続点を単一のポートに接続した単一ポート装置としてＳＡＷ装置２８を構成する場合には、ＳＡＷ装置２８の入力ポートにアンテナを接続して、ＳＡＷ装置２８から出力信号を発せさせることもできる。すなわち、アンテナが少なくとも１つの弾性波共振器素子に接続されている。例えば、２つのアンテナワイヤ３８ａと３８ｂを組合せて設けて、状態応答装置のダイポールアンテナとして機能させることもできる。アンテナワイヤ３８ａと３８ｂは、真っ直ぐでも湾曲していてもよく、最適信号伝搬に適した長さを有している。しかし、本発明の精神の範囲において、当業者周知のモノポールアンテナ、ループアンテナ、ヘリカルアンテナ他を使用することもできる。

以上、特定な実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、上記した記載を理解した上で、当業者が上記実施例を変更し修正し又は上記実施例の均等物を容易に実現できることは理解できるであろう。従って、上記実施例の開示は、例示に過ぎず、限定を意味するものではない。また、上記実施例の開示は、当業者にとって容易に実現できる変更、修正、追加を除外するものではない。

従来の典型的なＳＡＷ組立体の周知の特徴を示す平面図。 既知のケーシングの特徴を有する図１の典型的なＳＡＷ組立体の横断面図。 本発明の特徴を有する典型的なＳＡＷ組立体の平面図。 本発明の特徴を有するケーシングを有する図３の典型的なＳＡＷ組立体の横断面図。 本発明の特徴を有するＳＡＷ組立体が取り付けられている典型的な空気タイヤの全体的な斜視図。

符号の説明

１０、１０’ ＳＡＷ装置
１２ 圧電基板
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 共振器素子
１６ 剛性基部部分
１８、１８’ 蓋部分
２０ ディンプル
２２ 圧電基板の所定の表面領域
２４ 突起
２６ 平面凹み

Claims (19)

1. 物理的なパラメータを表す電気出力信号を発生するように構成された少なくとも１つの弾性波共振器が設けられた基板と、
   前記基板の所定の位置から延びる突起と、
   前記基板と当該基板上に設けられている構成部品を囲む封止パッケージを構成するケーシング組立体と
   を具備しており、前記ケーシング組立体の少なくとも一部が、前記基板の前記所定の位置から延びる前記突起と相互に当接するように撓むことができる凹んだ表面領域を形成している、センサ組立体。
2. 前記基板上に更に２つの弾性波共振器が設けられている請求項１に記載のセンサ組立体。
3. 前記弾性波共振器が、表面弾性波（ＳＡＷ）共振器であり、当該センサ組立体が受ける圧力又は温度を表す出力信号を発生するように構成されている請求項２に記載のセンサ組立体。
4. 前記少なくとも１つの弾性波共振器からの前記電気出力信号を送信するためのアンテナが前記少なくとも１つの弾性波共振器に接続されている請求項１に記載のセンサ組立体。
5. 前記突起がホトリソグラフィーによって前記基板に形成されている請求項１に記載のセンサ組立体。
6. 前記突起が接着剤によって前記基板に取り付けられている請求項１に記載のセンサ組立体。
7. 前記基板が水晶からなる請求項１に記載のセンサ組立体。
8. 物理的なパラメータを表す電気出力信号を発生するように構成された少なくとも１つの弾性波共振器素子が設けられた圧電基板と、
   前記圧電基板の所定の位置から延びる突起と、
   前記圧電基板を支持する剛性基部を構成する第１のケーシング部分と、
   前記第１のケーシング部分と組合されるようにつくられた可撓性の蓋部分を構成する第２のケーシング部分と
   を具備しており、前記第１のケーシング部分と前記第２のケーシング部分とが、前記圧電基板と当該圧電基板上に設けられている構成部品とを囲む包囲体を構成しており、
   前記ケーシング組立体の少なくとも一部が、
   前記圧電基板の前記所定の位置から延びる前記突起と選択的に相互に当接するようになされたほぼ平らな凹み領域が、前記第２のケーシング部分に形成されている、センサ組立体。
9. 前記圧電基板上に更に２つの弾性波共振器素子が設けられている請求項８に記載のセンサ組立体。
10. 前記弾性波共振器素子が、表面弾性波（ＳＡＷ）共振器素子であり、当該センサ組立体が受ける圧力又は温度を表す出力信号を発生するように構成されている請求項９に記載のセンサ組立体。
11. 前記少なくとも１つの弾性波共振器素子からの前記電気出力信号を送信するためのアンテナが前記少なくとも１つの弾性波共振器素子に接続されている請求項８に記載のセンサ組立体。
12. 前記ほぼ平らな凹み領域が少なくとも約１２平方マイクロメートルある請求項８に記載のセンサ組立体。
13. 前記第１のケーシング部分と前記第２のケーシング部分と前記突起との内の少なくとも１つが金属材料で形成されている請求項８に記載のセンサ組立体。
14. 空気タイヤ構造体と、前記空気タイヤ構造体に取り付けられたセンサ組立体とを具備しているタイヤ組立体において、
    前記センサ組立体が、
    物理的なパラメータを表す電気出力信号を発生するように構成された少なくとも１つの弾性波共振器素子が設けられた基板と、
    前記基板の所定の位置から延びる突起と、
    前記基板と当該基板上に設けられている構成部品を囲む封止パッケージを構成するケーシング組立体と
    を具備しており、前記ケーシング組立体の少なくとも一部が、前記基板の前記所定の位置から延びる前記突起と相互に当接するように撓むことができる凹んだ表面領域を形成している、タイヤ組立体。
15. 前記基板上に更に２つの弾性波共振器素子が設けられている請求項１４に記載のタイヤ組立体。
16. 前記弾性波共振器素子が、表面弾性波（ＳＡＷ）共振器素子であり、前記センサ組立体が受ける圧力又は温度を表す出力信号を発生するように構成されている請求項１４に記載のタイヤ組立体。
17. 前記少なくとも１つの弾性波共振器素子からの前記電気出力信号を送信するためのアンテナが前記少なくとも１つの弾性波共振器素子に接続されている請求項１４に記載のタイヤ組立体。
18. 前記ケーシング組立体は、前記基板を支持する剛性基部を構成する第１のケーシング部分と、前記第１のケーシング部分と組み合わされるようにつくられた可撓性蓋部分を構成する第２のケーシング部分とを具備しており、前記第１のケーシング部分と前記第２のケーシング部分とが、前記基板と当該基板上に設けられている構成部品を囲む包囲体を構成している請求項１４に記載のタイヤ組立体。
19. 前記凹んだ表面領域が前記第２のケーシング部分に形成されている請求項１８に記載のタイヤ組立体。

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