JP2006050621A - タイヤ用複合アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】電気インピーダンスが低く、かつタイヤの組立工程から使用時までにわたって応力に耐えて最適な形状を維持する機械強度を有するアンテナを提供する。
【解決手段】 複合アンテナが、重合体材料で構成されたコア３６と、コア３６の周りに密着して形成された導電層３２から構成されている。重合体材料からなるコア３６は弾性を有し、タイヤ１２の内部で圧力を受けた時に拡がることができる。導電層３２は低インピーダンス材料からなり、内側のベースとなる金属が強度を高め、外側の金属層が電気特性を向上させる複合構造であってもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、タイヤ圧監視システムのためのアンテナおよび応答器を含む装置に関し、特にタイヤ圧監視システムに組み込まれる複合アンテナに関する。

タイヤまたはホイールの識別情報もしくはその他のデータを無線周波数で電子的に伝送する、アンテナを含む装置が一般に用いられている。この装置は、少なくともタイヤまたはホイールの識別情報を保持するのに十分なデータ容量を有する集積回路（ＩＣ）チップを備えた無線周波数応答器を含んでいる。タイヤの膨張圧、もしくは応答器の位置におけるタイヤまたはホイールの温度などの他のデータを、識別情報のデータとともに応答器によって伝送することができる。

データを、タイヤ構造またはタイヤとホイールとの組立体の中に収容されている応答器から、無線周波数で伝送する環状アンテナを用いることが、当該技術で公知である。このアンテナは、合成樹脂などの適切な材料から押し出し成形された覆いの中に収められることがあるループ状に形成されたワイヤまたはワイヤの撚り線を含んでいる。この合成樹脂製の入れ物は、アンテナと組み合わされて、製造前の組立工程においてグリーンタイヤに貼り付けられてもよく、または、硬化後の作業で、完成したタイヤに取り付けられてもよい、単一物を形成する。アンテナおよび応答器は、「硬化前」の製造中にタイヤに組み込まれることがあるが、実際には、こうすることは非常に難しい。ラジアルプライタイヤおよびバイアスプライタイヤの両方とも、製造工程中に、直径方向にかなり拡げられる。バイアスプライタイヤは、グリーンタイヤを包み込むモールドの円環形状内にグリーンタイヤを押し込む空気袋を通常有している硬化プレス内に挿入されるときに、直径方向に拡げられる。ラジアルプライタイヤは、タイヤ組立中または成形工程中に直径方向に拡げられ、硬化工程中に直径方向にさらに拡げられる。タイヤ内に組み込まれている、あらゆる環状アンテナと、それに付属する、電子回路部品が、タイヤの製造中にタイヤが直径方向に拡げられる間に、アンテナと応答器パッケージの間の構造上完全な状態と機械接続とを維持できなければならない。一旦タイヤに組み立てられたならば、アンテナ、応答器、またはアンテナの応答器への接続に、修理不可能な何らかの不具合が見つかると、タイヤの有用性が失われ、タイヤを廃棄しなければならなくなることがある。したがって、環状アンテナと応答器の組立体をタイヤの製造中にタイヤ内に配置することは、組立体の部品が後での故障または破損によって、その他の点では好適である、それが取り付けられているタイヤの破壊を余儀なくされるというおそれがある。したがって、環状アンテナは、タイヤ内におけるその位置にかかわらず、タイヤが使用されている時に絶えず受ける屈曲に耐えることができなければならない。このことは、タイヤの空洞の内部に装着されたアンテナ、またはタイヤ構造内で硬化されたアンテナに当てはまる。

環状アンテナと応答器のシステムに対する損傷のおそれが、製造中にそれがタイヤ内に組み込まれる際に存在するのみならず、このようなシステムに対する損傷が、乗物に取り付けられたタイヤの動作から生じることは珍しいことではない。ループアンテナと、それに付属する電子部品は、かなりの圧縮ひずみを受け、サイドウォールにおいて大きなひずみ振幅を被る。このような場所には、大きな負荷と、タイヤの複数の領域への変形が存在する。したがって、アンテナと、応答器と、これらの間の接続部は、このような場所において、破損し易く、機械的または電気的な故障を生じ易い。

アンテナの機械特性と同様に、アンテナの電気特性も同等に重要であり、機械性能を犠牲にすることなく十分な電気的能力を有するアンテナを実現することが難しいことが分かっている。タイヤ圧監視システムの中には、電池がなく、マイクロプロセッサに電力を供給する外部電源に頼っているものもある。アンテナは、タイヤの空気圧を表す無線周波数信号を送信するのみならず、マイクロプロセッサが動作するための電力に変換することができる無線周波数信号の受信も行わなければならないので、これらのタイヤ圧監視システムは、複雑な電気的要求を有している。アンテナの、電力を伝える能力に悪影響を及ぼすことがある複数の要因がある。特に、このような要因は、アンテナと乗物に取り付けられた応答器の間の距離と、リムに起因する磁界の歪みと、マイクロプロセッサの近傍で使用される変圧器の大きさと、タイヤの温度を含む。これらの要因および他の要因のために、アンテナの本来の電気インピーダンスが最小に保たれることが必須である。

それゆえに、硬化前または硬化後の工程のいずれかにおいてタイヤの中に組み込まれるのに適したアンテナ装置が引き続いて必要とされている。アンテナ装置は、タイヤ組立工程と、製造後に乗物に取り付けられて使用されるときに伴う応力に耐えるのに十分な、構造上の完全さを備えていなければならない。さらに、アンテナ装置は、理想的には、タイヤの組立作業と、それに続く、乗物に取り付けられて使用される間中で、その最適で、意図された構成と形状を維持する。タイヤ圧監視システムの性能は、タイヤの電子部品と遠隔読み取り機との間の、アンテナを介した効率的な通信に依存しており、アンテナを最適な形態に維持することが非常に望ましい。最後に、どのような好適なアンテナも低いインピーダンスを備え、ロバストな機械性能を犠牲にすることなくシステムの電気的な要求を満たすことが重要である。

本発明は、前記した電気的および機械的な要求を満たすことのできる複合体を使用することによって、タイヤ監視システムのための公知のアンテナシステムと方法の欠点を克服する。この複合体は、互いに密接に接触した重合体材料および金属材料を含んでいる。重合体材料は、金属材料が上に配置されるコアとして働き、様々な異なる形態を有することができる。

金属材料がコアの周囲に配置され、導電層を有している。導電層は電流を伝え、本発明の一態様では、コアの周りに巻かれた１つ以上の金属フィラメントの形態をとってもよい。アンテナの導電層が作られている１つまたは複数の材料は、本発明にしたがって低インピーダンス（高導電性）を示す。導電層は、鉄および非鉄材料の組み合わせから、複合構造に形成されてもよい。本発明の一態様では、より強度の高い材料が、導電層のコアと、コアを取り囲むように形成される、より導電性の高い材料からなる覆いとして用いるために選択されてもよい。導電層における非導電性の他の被覆が、導電層のフィラメントを絶縁して、アンテナの電気性能を損なう「表皮効果」を低減させるために用いられてもよい。

本発明の他の態様によると、タイヤは、上記で簡単に述べた種類のアンテナと組み合わせてもよい。アンテナを構成する方法は、本発明のさらに他の態様を含む。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

タイヤ圧監視システムは、一般に、１つまたは複数のセンサを有する応答器からなっている。応答器と、付属する電子部品が、パッケージ内に収容されている。無線周波数信号を送信または受信するために、応答器はアンテナを有していなければならない。アンテナは、本発明では環状の形状であることが好ましいが、望むならば他の形状を有していてもよい。アンテナは、製造中にタイヤ内に組み入れられてもよく、または製造後の工程によってタイヤに付着させられてもよい。ここで用いられる「環状アンテナ」は、本発明の原理から離れることなく、円環状であっても、楕円状であっても、対称形であっても、非対称形であってもよい。しかしながら、アンテナの好ましい形状は円環状であり、アンテナが取り付けられるタイヤのサイドウォール領域に重なる大きさに形成される。好ましい位置はサイドウォールであるが、上部サイドウォールまたはクラウンへの配置も可能である。市販されている種々の応答器、センサ、およびその他の電気装置を、本発明の原理に従って形成されたアンテナと組み合わせて配置してもよい。

まず図１を参照すると、環状組立体１０の好ましい実施形態が、タイヤ１２内に配置されているのが示されている。タイヤ１２は、従来の手段によって、ゴムもしくはゴム複合物などの従来の材料から形成されており、ラジアルプライまたはバイアスプライの構造を含んでもよい。一般的なタイヤ１２は、トレッド１４とショルダー１６と環状サイドウォール１８と端末ビード２０を有して構成されている。インナーライナ２２が形成されて、タイヤ空洞２４を形成している。タイヤ１２は、周辺のリムフランジ２８および外部のリムフランジ表面３０を有する環状リム２６上の位置に取り付けられるようになっている。リム２６は従来と同様に構成され、鋼などの適切に強い金属からなる。

図１および図２を参照すると、組立体１０は、応答器３４に電気的に接続され、アンテナ内側コア３６を少なくとも部分的に囲み、かつそれに密接に接触している外部の導電性アンテナ層３２を有している。ここで用いられているように、「複合」という用語は、互いに密接に接触している、重合体のコア材と金属導電層材の組み合わせを指す。コア３６は少なくとも部分的に重合体材料から形成され、導電性材料はコア３６を覆う導電層３２を形成している。コア３６は、ここでは、主としてアンテナの中央に存在する材料と定義され、概ね断面内で丸くなっているのが好ましいが、そうでなくてもよい。本発明が意図する範囲内で、コアの他の形態が考案されてもよい。コア３６は、さらに、当産業界で一般にＯリングコード材（o-ring cord stock）と呼ばれる単一の麺状の構造（noodle-like structure）からなるものであってもよい。あるいは、コア３６は、補強布を作るために使われるものなどの、重合体材料の撚られた繊維からなるものであってもよい。繊維または糸を撚ることによって、単一のプライまたは複数のプライはそれらの伸び特性が大きくなる。好適な繊維は、ポリエステル、ナイロン（６または６．６）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）などであるが、それらに限定されない。

コア３６を製造するのに適した重合体は、天然のものであっても、人工的なものであってもよい。用いてもよい重合体の１つの大きなグループは熱可塑性物質およびエラストマである。しかしながら、本発明は、本発明の実施に適した特性を実質的に示す重合体または重合体化合物の使用を意図している。何らかの適切な材料が、張力試験において断裂するまでに十分大きな伸びを示すのが望ましく、その伸びは少なくとも１５パーセントであることが好ましいが、そうでなくてもよい。さらに、コア３６に適した材料が、十分大きな破壊荷重を有することが望ましく、その破壊荷重は少なくとも１ポンド（４５３．６ｇ）であることが好ましいが、そうでなくてもよい。材料は、周期的な機械負荷に対する高い耐疲労性と、ガス劣化に対する高い材料抵抗も示すことが好ましく、それに密接に接触する金属導電層３２に対して化学的に不活性であることも好ましい。アンテナのコア３６が、その周囲を取り囲む金属導電層３２の直径の約５倍の直径を有することがさらに好ましい。

引き続き図１を参照すると、上述した一般的なタイプの応答器モジュール３４が設けられ、圧力および温度などのタイヤパラメータを検知する手段を含んでもよい。製造後の状態において、アンテナの導電層３２と、応答器モジュール３４と、アンテナのコア３６を含む装置１０は、好ましくは円形であるがそうでなくてもよい、容易に移送可能でありタイヤ１２に取り付けるために取り扱われる、単一の組立体である。この装置組立体１０の直径は、タイヤ１２の寸法と、その上の好ましいタイヤ表面付属品の位置の関数である。複合アンテナは、何らかの好適な手段によって、インナーライナ２２へ取り付けられる前に、組立体１０をその意図された形態に保つ。装置１０は、タイヤ１２の製造中に、または、好ましくは製造後の組立作業において、タイヤ１２のライナ２２に取り付けられる。取り付けは接着剤によって行われてもよく、または、装置１０が、製造中にタイヤ自体の中に埋め込まれてもよい。

アンテナは、タイヤ内に置かれ、タイヤ内に存在する圧力や熱を受けると、初期の緩んだ状態から拡がった状態まで長くなる。波状、正弦曲線状、またはジグザグ状の形状が、アンテナの導電層とコアの材料の複合物と組み合わされると、アンテナは、タイヤの応力を受けたときに、破損することなく伸びることができる。アンテナのコアの弾性構造は、タイヤの応力の影響から解放された時に、戻り、本来の、最適な意図された形状に収縮する。

導電層３２は電流を流す機能をし、図５に示すようにコアの回りに均一に螺旋状に巻かれた、１つまたは複数の金属製の単一フィラメントの形態をとってもよい。あるいは、導電層３２は、図２および図３に示すようにコアの周りに螺旋状に巻かれた、１つまたは複数の予め撚られたワイヤ束を含んでもよい。

導電層３２は、限定されるものではないが銅に由来する合金などの、本業界で入手可能な、多くの様々な種類の金属材料から形成されていてよい。ワイヤ用に許容できる材料は、鋼、アルミニウム、銅、銅合金、またはその他の導電ワイヤを含む。導電層３２の直径は、一般に、アンテナとしての動作にとって重要であるとは考えられていない。アンテナの正弦曲線状またはジグザグ状の形態は、可撓性を付与する上で有用であり、製造中および使用中の破損のおそれを最小にとどめる。アンテナの導電層３２を形成する適切な金属材料は、コア３６を覆うように形成された後、高い延性を示すのが好ましい。このような材料は、さらに、タイヤ環境において経験する種類および大きさの周期的な機械負荷に対する高い耐疲労性を示す。さらに、導電層３２を形成している材料は、システムの無線動作周波数における低い電気インピーダンスと、抵抗の低い温度係数とを有し、環境上の危険となる要素を含まないのが好ましい。コア３６は縦軸線を有し、導電層３２は、ある交差角度でコアの軸線と交差する。このような角度は、導電層がコアの回りを、概ねコアの軸線と同じ方向に巻くように、比較的小さいことが好ましい。コア３６も、完全な直線から外れる、すなわち逸脱することが可能になっていてもよい。図２に示すように、コア３６は、導電層３２によって加えられる力によって波打っている。

前記した低インピーダンスアンテナは、送受信機からの信号を送信し受信する環状の構成において特に有用である。アンテナのインピーダンスが低いほど、応答器をタイヤからより遠くに離して配置することができる。導電層３２は、高い導電性を有する非鉄元素を用いて形成されてもよい。あるいは、鉄と非鉄材料の化合物を複合構造に使用してもよい。銅、またはパーコン１９（Percon 19、商標）のような銅をベースとした合金を使用してもよい。パーコン１９は、ニュージャージー州ホーソーンに位置するフィスク アロイ コンダクターズ（Fisk Alloy Conductors）にて製造されて市販されている、銅をベースとした合金である。銅をベースとした合金は、導電性を許容できない程に犠牲にすることなく、純銅よりも高い強度を示す。

適している他の材料は、導電層のベース材用鋼などの高い強度の材料と、ベース材の周りの銅または銅合金などの、より導電性の高い材料とを使用したものである。アンテナの導電層はさらに、限定されないが、錫、金、または銀などの、導電性の、薄い電気メッキ被覆材とともに用いられてもよい。被覆材は、導電層を応答器の端子にはんだ付けするのを助けることができ、ベース材を腐食から防ぐこともできる。

導電性被覆材の使用に加えて、導電層３２を被覆する非導電性被覆材を用いてもよい。このような被覆材の１つはポリウレタンである。このような被覆材は、導電性のベース材に塗布できる。固体の導電体よりもむしろ、多数の微細なフィラメントで構成されている導電層の場合、各フィラメントを絶縁することによって、一般に「表皮効果」と呼ばれる作用を低減する。表皮効果は、アンテナの性能にとって有害であり、アンテナの導電層内の導電体の全てが均一には利用されないとき、すなわち、アンテナの導電層の内側領域が外側領域と同程度に有効には働かないときに生じる。

低インピーダンスの外側導電層と、可撓性の重合体の内側コアの組み合わせは、かなり有利な機械特性および電気特性を示す。アンテナは可撓性であり、しかも良好な導電性を示す。一例として、代わりの材料を使用することを制限することなく、アンテナは、少なくとも部分的に（熱可塑性の）ナイロン６．６の双糸から形成されたコア３６と、（図２に示すように事前に撚られた）１＋６Ｘ０．１７５ｍｍのパーコン１９からなる導電層３２とを有する構成であってもよい。他の複合アンテナは、少なくとも部分的に（熱可塑性の）ポリエステルの双糸から形成されたコア３６と、図３に示す３Ｘ０．１７５ｍｍのパーコン１９の予め撚られた６つの束からなる導電層３２とを用いて形成してもよい。他の複合アンテナは、カーボンブラックが入れられた（エラストマである）ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）から形成されたコア３６と、（図５に示すように単層の）０．１７５ｍｍの（７つの）パーコン１９からなる導電層３２とを用いて形成してもよい。

説明のためにタイヤの一部を取り除いた、タイヤと当該環状装置の斜視図である。 本発明によるアンテナ装置の第１の実施形態の一部の拡大概略図である。 本発明によるアンテナ装置の第２の代替実施形態の一部の拡大概略図である。 一般的な寸法測定状態を示す、アンテナの第１の実施形態の斜視図である。 本発明によるアンテナ装置の第３の実施形態の一部の拡大概略図である。

符号の説明

１０ 環状組立体
１２ タイヤ
１４ トレッド
１６ ショルダー
１８ サイドウォール
２０ 端末ビード
２２ インナーライナ
２４ タイヤ空洞
２６ リム
２８ リムフランジ
３０ リムフランジ表面
３２ 導電層
３４ 応答器
３６ コア

Claims (3)

1. タイヤのインナーライナに取り付けられる複合アンテナにおいて、
   少なくとも部分的に重合体材料から形成されている長いコアと、
   前記コアの周りに少なくとも部分的に配置された長い導電層とを有し、
   前記タイヤの内部の応力に反応して柔軟に変形できることを特徴とする複合アンテナ。
2. 前記コアは、前記導電層の断面寸法の少なくとも３倍の寸法の直径を有している、請求項１に記載の複合アンテナ。
3. 前記導電層は、少なくとも部分的に、１＋６Ｘ０．１７５ｍｍのパーコン１９と、１＋３Ｘ０．１７５ｍｍのパーコン１９を含むグループから選択された材料によって形成されている、請求項１に記載の複合アンテナ。
   
   

Images