JP2005323339A - タイヤ用無線周波数アンテナ及びそのための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＶＨＦ送信において、通信レンジを改善すると共に、アンテナの処理及びチューニングを改善する。
【解決手段】（タイヤゴムのような）導電性誘電材料内に埋め込むための無線周波数アンテナ及び埋め込む方法で、接着剤コーティングによりアンテナに絶縁層を形成し、絶縁層の比誘電率を導電性誘電材料より小さくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、（タイヤゴムのような）導電性誘電材料内に埋め込むための無線周波数アンテナ及び導電性誘電材料内に無線周波数アンテナを埋め込む方法に関するものである。

タイヤと一体化された電子装置を用いることによって、製造時、流通時および使用時のタイヤの識別および追跡ができる。更にそのような電子装置によって、タイヤ使用中の圧力や温度等の物理的パラメータを測定することができる。タイヤと外部のモニタ装置または問合せ装置（インタロゲーション装置）との間の通信に無線周波数を用いるシステムが多い。この無線周波数の通信リンクには単数または複数のアンテナが必要である。

タイヤやホイールの表面に設置した装置やタイヤ膨張弁中に組み込んだ装置が市販されている。タイヤ表面に直接取付けたり、タイヤ構造体中に埋め込まれた電子装置およびアンテナは、恒久的な変更防止性を有する一体化を実現していることが望ましい。しかし、タイヤに直接接触するかタイヤ中に埋め込まれたアンテナには多くの課題がある。

すなわち、無線周波数のエネルギーは、アンテナの表面に沿って伝播する。そして、アンテナは、その周囲に存在してタイヤを構成しているエラストマー材料を通って無線周波数を放射しなければならない。しかし、このエラストマー材料は、普通導電性があり、そして一般には３以上の高い比誘電率を有している。アンテナと接触している導電材料は、アンテナ表面上を伝播する無線周波数エネルギーを消費する傾向がある。更に、アンテナと接触した導電性誘電材料は、アンテナの互いに隣接した２つの給電点間に無線周波数電流を流して、同様に無線周波数エネルギーを消費する。このエネルギー消費の問題は周波数が高くなるにつれ大きくなり、ＶＨＦ周波数（１３０ＭＨｚ）以上で動作する場合には特に問題になる。

更に、タイヤゴムのような誘電材料中にアンテナを配置する場合、アンテナの共振周波数及びインピーダンスが大きく変化し、その結果、電気的な観点からは、アンテナが自由空間にあるときに比べてアンテナが長くなる。そのため、アンテナを短くするか、又は、適当なリアクタンスを挿入して、補正しなければならない。

最後に、アンテナをタイヤに埋め込むか又はアンテナをタイヤに直接接触させて配置したとき、物理的な問題がある。例えば、アンテナを適切な位置に固定するためには、一般に金属素子であるアンテナをゴム材料に接着しなければならない。また、アンテナ材料は、タイヤ使用中に受ける繰返しストレスに耐えなければならない。

本発明の目的及び効果は、以下に説明すると共に、以下の説明から明らかになり、また、本発明の実施から理解されよう。
本発明は、（タイヤゴムのような）導電性誘電材料内に埋め込むための無線周波数アンテナ及び導電性誘電材料内に無線周波数アンテナを埋め込む方法を提供するものである。本発明は、ＶＨＦ帯送信に特に効果があり、通信レンジを改善する。更に、本発明は、アンテナの処理及びチューニングの両方を改善する。

本発明の代表的な１実施例によれば、導電性誘電材料と一体化するための無線周波数装置が提供される。その無線周波数装置は、無線信号を送信し、又は無線信号を受信し、又は無線信号を反射し、又はそれらを組み合わせて行う無線素子を有している。その無線素子にアンテナが接続される。少なくともアンテナを実質的に覆うように接着剤コーティングが設けられ、必要ならば、その接着剤コーティングは更に無線素子も覆っていてもよい。その接着剤コーティングによって絶縁層がアンテナに付着される。その絶縁層は、導電性誘電材料から少なくともアンテナを絶縁するように形成され、更に、その絶縁層は無線素子も絶縁するように形成されてもよい。この絶縁層は、導電性誘電材料の比誘電率より小さな比誘電率を有する。或る実施例では、その絶縁層は、動作周波数で約６以下の比誘電率を有するように形成されている。様々な材料が絶縁材料のために使用できる。例えば、シリカ強化エラストマは、その形成のために選択できる１つの材料である。絶縁層は様々な厚さにすることができる。しかし、絶縁層の硬化後の厚さが少なくとも０．３ｍｍあることが好ましい。或る実施例では、絶縁層は、動作周波数において誘電損が約０．６以下であるように形成される。本発明の別の実施例においては、絶縁層は、動作周波数での誘電損が約０．６以下で、表面抵抗率が少なくとも１０¹²Ω/□であり、体積抵抗率が少なくとも１０¹³Ω・cmであるように形成される。本発明は、タイヤに成型された導電性誘電材料と組み合わせて使用できる。或る場合には、絶縁層は、タイヤに接着されるように構成され、又はタイヤの材料内に埋め込まれるように構成できる。他の動作周波数も本発明の範囲内にあるが、或る実施例においては本発明は少なくとも１３０ＭＨｚの周波数で動作する無線素子を含む。

他の或る実施例において、無線周波数装置が一体的に組み込まれたタイヤが提供される。その無線周波数装置は、無線信号を送信し、又は無線信号を受信し、又は無線信号を反射し、又はそれらを組み合わせて行う無線素子を有している。その無線素子にアンテナが接続される。少なくともアンテナを実質的に覆うように接着剤コーティングが設けられ、必要ならば、その接着剤コーティングは更に無線素子も覆っていてもよい。その接着剤コーティングによって絶縁層がアンテナに付着される。その絶縁層は、タイヤから少なくともアンテナを絶縁するように形成され、更に、その絶縁層はタイヤから無線素子も絶縁するように形成されてもよい。この絶縁層は、無線周波数装置がタイヤに使用されたときにタイヤのアンテナに隣接した少なくとも一部の比誘電率より小さな比誘電率を有する。

本発明は、タイヤに成型された導電性誘電材料と組み合わせて使用される無線周波数アンテナを組み立てる方法を提供する。本発明の１つの代表的な実施例の方法においては、タイヤと組み合わせて使用するための無線周波数装置を形成する方法が提供される。その方法は、以下の工程を含んでいる。無線信号を送信し、又は無線信号を受信し、又は無線信号を送受信する無線素子が用意される。その無線素子にアンテナが接続される。少なくともアンテナを実質的に覆うように接着剤が使用され、必要ならば、その接着剤は更に無線素子も覆うように使用されてもよい。絶縁層がアンテナに塗布され、接着剤コーティングによって付着される。その絶縁層は、タイヤから少なくともアンテナを絶縁するように形成され、更に、その絶縁層はタイヤから無線素子も絶縁するように形成されてもよい。この絶縁層は、タイヤの比誘電率より小さな比誘電率を有するものが選択される。

本発明の上記した及びそのほかの特徴、性質及び効果は、以下の説明及び請求項からより良く理解されるであろう。添付図面は、本明細書に組み合わされ、本明細書の一部を構成し、本発明の実施例を図解しており、以下の説明と共に本発明の原理を説明するものである。

図１は、本発明に従ってタイヤ114（図２）に組み込まれる絶縁された無線周波数装置110の代表的な実施例を示している。その無線周波数装置110は、無線素子111とアンテナ112を有している。無線周波数装置110は、製造時、流通時および販売活動時に使用されるような識別装置または追跡装置とすることができる。又は、この無線周波数装置110は、タイヤ使用時のタイヤ114の温度、圧力またはその他の物理的パラメータを測定するモニタ装置とするか、それを含む装置とすることもできる。例えば、無線周波数装置110のアンテナ112を用いて外部装置と無線周波数で情報を送信し、受信し、及び／又は送り返すことができる。別の実施例では、アンテナ112を用いて、タイヤ114の外部にある問合せ装置（インタロゲーション装置）からエネルギーを受けることもできる。無線周波数装置110は、受信機、送信機、トランスポンダまたはリフレクタとして用いることができる。本発明のアンテナはこれらの全ての装置に有用であるので、以下の説明では「無線周波数装置」という用語はこれらの全ての装置を含むものである。

図２に示すように、無線周波数装置110は、タイヤ114の種々の異なる場所に配置できる。無線周波数装置110は、例えばトレッド119、ビード115近くまたはタイヤ赤道面113に配置できる。例えば１つのタイヤにこの種の装置110を単数または複数設けて、タイヤの異なる位置で物理的パラメータをモニタしたり、異なるパラメータをモニタすることができる。無線周波数装置110をパッチ130として形成して、パッチ130をタイヤ114の表面上に接着することもできる。或いは、無線周波数装置110をタイヤ構造体中に埋め込むか、タイヤ１４の内表面を形成するゴム材料の下に積層することもできる。無線周波数装置１０は例えばカーカスプライ116と内側ライナー115との間、カーカスプライ116とサイドウォール117との間および／またはベルトパッケージ118とトレッド119との間に配置することができる。ここでは「一体化」という用語は、アンテナ112および無線素子111を有する無線周波数装置110をタイヤに組み込む上記した方法のいずれをも意味するものである。

タイヤゴムのようにタイヤの構成に使用される材料は、普通カーボンブラックが用いられるために、しかししばしばその他の補強充填材が用いられるために、一般に導電性がある。従って、無線周波数アンテナとタイヤゴム材料とを直接接触させると、アンテナのエネルギー放射性能が低下する。無線周波数エネルギーはいわゆる「表皮効果」によってアンテナ表面に沿って伝播する。アンテナ表面と接触する導電性材料は渦電流によってエネルギーを消費する傾向にある。さらに、導電性誘電材料によって無線周波数エネルギーがアンテナの互いに隣接した２つの給電点132及び134の間に流れ、それによってもエネルギーを消費する。タイヤのサイドウォールに代表的な使用されているゴムは、１２位の高い比誘電率を有する場合もある。その結果、アンテナの有効送信距離を減少させる。本発明者は、半波長ダイポール長が８３ｍｍであるアンテナを有する９１５ＭＨｚ ＲＦＩＤチップから成る装置の送信レンジは空中で僅か４２インチであるが、この装置を従来のタイヤゴム中に埋め込んだ場合の送信レンジは４インチになってしまうということを発見した。

有効レンジの減少を解決するために、タイヤ構成体の高比誘電率の導電性材料からタイヤを絶縁する適当な材料が必要である。本出願人に譲渡された先願、米国特許出願第１０／７７５６２３号（２００４年２月１０日出願）（ここにその全てを引用することにより本明細書に組み入れる）により、タイヤ114を構成しているエラストマー材料とアンテナ112との間に絶縁材料の単一層が設けられたアンテナ112を提案して、送信を改善できることを発見したことを開示した。そこに開示した少なくとも１つの例において、絶縁材料は、アンテナ112に対して垂直に測定して、未硬化状態で少なくとも０．０２ｍｍの厚さの被膜ら形成された。この厚さは、エラストマー材料へのブリードスルー放電（bleed-through discharge）を避けるのに十分な間隔をタイヤ114の導電性エラストマー材料とアンテナ112との間に確保している。その例では、被膜材料の比誘電率は、タイヤ114を構成するために使用されているエラストマー材料の比誘電率より小さく、３未満であることが好ましいと記載した。さらに、被膜材料の表面抵抗率は少なくとも１０¹²Ω/□であり、体積抵抗率は少なくとも１０⁹Ω・cmであり、誘電正接は０．０３以下であるのが好ましいと記載した。そのような被膜材料を構成するために有用な材料には、電気収縮チューブ、熱可塑性ポリカーボネート、ブタジエンゴム、低炭素ゴム（ここで、「低炭素」とは、カーボンブラックが１０重量％未満のゴム混合物であると定義する）、イソシアネートベースの金属-ゴム接着剤（例えばアメリカ合衆国、ペンシルベニア州、エリー、ウェストグランドヴューブルバード2000のロード社（Lord Corporation）の化学製品部門より商品名Chemlock TS3604-50で入手可能な接着剤）、ポリエチレン、絶縁塗料、エポキシ、ＴＰＥセルロースアセテート、ポリパラキシリレン（一般に「パリレン」とよばれている）および絶縁性ポリエステル塗料が含まれる。これらの被膜材料には多くの利点があり、アンテナ材料（例えば真鍮または鋼）に対して必要な厚さに塗布でき、さらに、優れた粘着性を有している。少なくとも１つの代表的な例の場合、上記した先願には、０．０２ｍｍの厚さを有する適切な材料の被膜が、読み取りレンジにおいて十分な利得を得るのに十分であり、０．１ｍｍの厚さが好ましいと記載されている。

本発明の発明者は、アンテナのチューニング及び処理を改善する、タイヤからアンテナ素子を絶縁するための更なる方法を発見した。詳述するならば、本発明は、アンテナの信号損失が許容限界を超えて損なわれないように、タイヤを構成するために使用されている材料より比誘電率が十分に低い絶縁材料を使用することを可能にする。例えば、本発明を利用することにより、動作周波数において６以下という高い比誘電率を使用できる。一般的に、タイヤで使用する場合、動作周波数は通常、少なくとも１３０ＭＨｚの範囲である。

本明細書及び請求項のために、以下のように定義する。
誘電率（permittivity）＝ｅ’＋ｊｅ”
比誘電率（relative dielectric constant）＝ｅ’／ｅ₀
誘電損（dielectric loss）＝ｅ”／ｅ₀
ここで、ｅ₀は、真空中の誘電率であり、ｅ”は、所与の材料の誘電損である。

無線周波数装置110及び特に図１並びに図３に戻ると、絶縁材料の単一層の代わりとして、比較的に薄い接着剤のコーティング又は層122がアンテナ112に塗布される。そのコーティングされたアンテナ112を絶縁層124が囲んでいる。この絶縁層124の比誘電率は、所望の動作周波数においてアンテナ112の有効送信レンジを許容限度を超えて損なわれないように、タイヤ114の材料の比誘電率より十分小さい。絶縁層124の比誘電率は約６以下であることが好ましい。更に、絶縁層124の表面抵抗率が約１０¹²Ω/□以上で、体積抵抗率が約１０¹³Ω・cm以上であることが好ましい。ここに開示する技術を使用することにより、当業者は、他の比誘電率及び抵抗率の値を有する材料を本発明に従って使用することもできることは理解できよう。

実施例においては、接着剤コーティング122は、ロード社（Lord Corporation）で商品名Chemlock 8210で製造されている接着剤で構成できる。その接着剤は、同じく商品名Chemlock 8007で製造されているプライマーを使用して塗布される。この場合、接着剤コーティング122は、僅か０．１ｍｍの厚さに比較的薄く塗布できる。更に、実施例においては、絶縁層124は、比誘電率が約４以下で、表面抵抗率が約１０¹²Ω/□以上で、体積抵抗率が約１０¹³Ω・cm以上のシリカ強化エラストマーで形成できる。上記した材料を使用した場合、アンテナ112を囲んでいるシリカ強化エラストマーの硬化後の厚さは、(最も薄い場所で)少なくとも０．３ｍｍとすべきである。上記したように無線周波数装置110を構成し更に上に例示した材料を使用した場合、動作周波数において許容送信レンジ及び約０．２以下の誘電損が達成できる。ここに開示する技術を使用することにより、当業者は、接着剤コーティング122及び絶縁層124のためにほかの様々な材料を使用でき、上記した実施例は、例示に過ぎず、本発明を限定するものではないことは理解できよう。

１つの典型的な実施例において、無線周波数装置110を構成するための本発明による方法は、無線素子111とアンテナ112を用意して接続し、その無線素子111とアンテナ112を接着剤122でコーティングし、更に、その接着剤コーティング122に絶縁材料124を塗布する工程を含む。接着剤コーティング122及び絶縁層124のための材料選択によっては、接着剤コーティング122と絶縁層124との接着、及び／又は接着剤コーティング122とアンテナ112及び無線素子111との間の接着のために、硬化工程を追加することができる。必要ならば、アンテナ112の様々な長さを試して、所望の読み取りレンジが実現されるまで半波長ダイポール長を調整して、無線周波数装置110を最適化することができる。又は、ネットワークアナライザーを使用して、特定のゴムに埋め込まれたアンテナ112の実際の共振周波数を測定して、最適長を見つけ出すための反復試行の回数を減らすこともできる。

無線周波数装置110の代表的な実施例を使用して上述した本発明は、様々な利点及び改善をもたらす。アンテナ112を図１から図３において正弦波状に図解しているが、アンテナ112は、らせんばね状に構成することもできる。かかる場合には、らせんの中心部の空間を絶縁層124で占められるように絶縁層124をアンテナ112に塗布する。このような配置により、（タイヤゴム材料のような）高い比誘電率を有する相対的に導電性の材料が、アンテナの無効性近傍界に接して結合されて、アンテナを離調し、放射エンルギーを吸収する傾向がある配置と比較して、送信能力及びチューニング能力が改善される。

更に、絶縁層124は、タイヤを構成するために使用されている導電性誘電材料とのアンテナ112との間にバリアを構成しているので、性能を犠牲にすることなく接着剤コーティング122の厚さを減少することができる。厚さを確保しつつ完全な被膜を確保する多層被膜に比較して、接着剤コーティング122を単一工程で普通塗布できるので、製造工程を改善できる。更に、絶縁層124があるために、接着剤コーティング122を非導電性材料から必ずしも構成必要はない。その結果、接着剤コーティング122のために使用できる適切な材料の範囲が拡大する。最後に、絶縁層124を構成するためにシリカ強化エラストマーが使用される場合には、かかる材料は、タイヤ114との一体化に良く適した性質を有する。例えば、この材料の粘着性により、タイヤ114の構造コンポーネント内に無線周波数装置110を配置することを容易にし、タイヤ114の表面に配置するためにパッチ130として無線周波数装置110を製造することを容易にする。実施例において、無線周波数装置110を間に“挟みこむ”シート状として絶縁層114を塗布して、タイヤ114内に埋め込む又はタイヤ表面に配置する構造とすることもできる。その場合、タイヤ114、接着剤コーティング122及び／絶縁層124を同時に接着するために硬化工程を使用することができる。ここに開示する技術を使用することにより、当業者は、無線周波数装置110を一体化するために様々な方法を使用できることは理解できよう。

当業者が、請求項の範囲及び本発明の思想から逸脱することなく、上記した装置及び方法を変更又は修正することができることは理解できよう。従って、本発明は、請求項及びその均等の範囲内のそのような修正及び変更を含むものである。

本発明の代表的な実施例でのアンテナを有する電気装置の概念図である。 本発明の代表的な実施例でのアンテナを有する電気装置の各種の取付け位置を示すタイヤの断面図である。 図１の線３−３での断面図である。

符号の説明

110 無線周波数装置
111 無線素子
112 アンテナ
114 タイヤ
122 接着剤コーティング
124 絶縁層
130 パッチ

Claims (25)

1. 導電性誘電材料と一体化するための無線周波数装置にして、
   無線信号を送信し、又は無線信号を受信し、又は無線信号を送受信する無線素子と、
   前記無線素子に接続されたアンテナと、
   少なくとも前記アンテナを実質的に覆う接着剤コーティングと、
   前記接着剤コーティングによって前記アンテナに付着された絶縁層と
   を具備しており、前記絶縁層は、前記導電性誘電材料から少なくとも前記アンテナを絶縁するように形成されており、前記絶縁層は、前記導電性誘電材料の比誘電率より小さな比誘電率を有する
   ことを特徴とする無線周波数装置。
2. 前記絶縁層の動作周波数での比誘電率が約６以下であるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数装置。
3. 前記絶縁層は、シリカ強化エラストマーから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数装置。
4. 前記絶縁層の硬化後の厚さが少なくとも０．３ｍｍあることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数装置。
5. 前記絶縁層の動作周波数での誘電損が約０．６以下であることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数装置。
6. 前記絶縁層の動作周波数での誘電損が約０．６以下であり、表面抵抗率が少なくとも１０¹²Ω/□であり、体積抵抗率が少なくとも１０¹³Ω・cmであることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数装置。
7. 前記導電性誘電材料はタイヤ内に存在し、前記絶縁層は、前記タイヤに接着されるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数装置。
8. 前記導電性誘電材料はタイヤ内に存在し、前記絶縁層は、前記タイヤ内に埋め込まれるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数装置。
9. 前記無線素子は少なくとも１３０ＭＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項１に記載の無線周波数装置。
10. タイヤと一体化された無線周波数装置を有するタイヤにして、
    無線信号を送信し、又は無線信号を受信し、又は無線信号を送受信する無線素子と、
    前記無線素子に接続されたアンテナと、
    少なくとも前記アンテナを実質的に覆う接着剤コーティングと、
    前記接着剤コーティングによって前記アンテナに付着された絶縁層と
    を具備しており、前記絶縁層は、タイヤから少なくとも前記アンテナを絶縁するように形成されており、前記絶縁層は、前記タイヤに対して前記無線周波数装置を使用したときに前記タイヤの前記アンテナに隣接した少なくとも部分の比誘電率より小さな比誘電率を有する
    ことを特徴とするタイヤ。
11. 前記絶縁層は、前記無線素子の動作周波数での比誘電率が約６以下であるように形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のタイヤ。
12. 前記絶縁層は、シリカ強化エラストマーからなることを特徴とする請求項１１に記載のタイヤ。
13. 前記絶縁層の硬化後の厚さが少なくとも０．３ｍｍあることを特徴とする請求項１２に記載のタイヤ。
14. 前記絶縁層の動作周波数での誘電損が約０．６以下であることを特徴とする請求項１３に記載のタイヤ。
15. 前記絶縁層の動作周波数での誘電損が約０．６以下であり、表面抵抗率が少なくとも１０¹²Ω/□であり、体積抵抗率が少なくとも１０¹³Ω・cmであることを特徴とする請求項１３に記載のタイヤ。
16. 前記無線素子は少なくとも１３０ＭＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項１３に記載のタイヤ。
17. タイヤに使用するための無線周波数装置を組み立てる方法にして、
    無線信号を送信し、又は無線信号を受信し、又は無線信号を送受信する無線素子を用意し、
    前記無線素子に接続されたアンテナを用意し、
    少なくとも前記アンテナを接着剤でコーティングし、
    前記アンテナに絶縁層を塗布して前記接着剤コーティングに付着し、
    前記絶縁層は、前記タイヤから少なくとも前記アンテナを絶縁するように形成されており、前記絶縁層は、前記タイヤの比誘電率より小さな比誘電率を有する
    ことを特徴とする、タイヤに使用するための無線周波数装置を組み立てる方法。
18. 前記絶縁層と前記アンテナと前記無線素子とを前記タイヤと一体化する工程を更に有することを特徴とする請求項１７に記載のタイヤに使用するための無線周波数装置を組み立てる方法。
19. 前記絶縁層と前記アンテナと前記無線素子とを前記タイヤに埋め込む工程を更に有することを特徴とする請求項１７に記載のタイヤに使用するための無線周波数装置を組み立てる方法。
20. 前記絶縁層を前記タイヤに取り付ける工程を更に有することを特徴とする請求項１７に記載のタイヤに使用するための無線周波数装置を組み立てる方法。
21. 前記タイヤはエラストマー材料で構成されており、前記エラストマー材料の共振周波数に対して前記アンテナをチューニングする工程を更に有することを特徴とする請求項１７に記載のタイヤに使用するための無線周波数装置を組み立てる方法。
22. 前記タイヤはエラストマー材料で構成されており、前記エラストマー材料と一緒に前記絶縁層を硬化する工程を更に有することを特徴とする請求項１７に記載のタイヤに使用するための無線周波数装置を組み立てる方法。
23. 前記絶縁層の硬化後の厚さが少なくとも０．３ｍｍあることを特徴とする請求項２２に記載のタイヤに使用するための無線周波数装置を組み立てる方法。
24. 前記絶縁層の動作周波数での比誘電率が約６以下であることを特徴とする請求項１７に記載のタイヤに使用するための無線周波数装置を組み立てる方法。
25. 前記絶縁層は、シリカ強化エラストマーからなることを特徴とする請求項２４に記載のタイヤに使用するための無線周波数装置を組み立てる方法。

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