JP2006507967A - タイヤに高周波アンテナを埋め込む方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１３０ＭＨｚの周波数レンジで使われるタイヤ中に埋め込まれた無線発信機（１１）と一緒に用いられる高周波アンテナ（２０）。
【解決手段】アンテナ本体とアンテナ本体を包む絶縁被覆材料とから成る。絶縁被覆材料の誘電率はゴム材料の誘電率より小さく、好ましくは３以下であり、その厚さは少なくとも０．０２ｍｍである。絶縁被覆材料の表面抵抗率は少なくとも１０¹²ohms/sq、体積抵抗率は少なくとも１０⁹ohms*cmであるのが好ましい。絶縁被覆材料の散逸率は０．０３以下であるのが好ましい。アンテナ本体はバネ鋼、真鍮被覆バネ鋼またはバネ真鍮で作るのが好ましい。

Description

本発明はタイヤに高周波アンテナを埋め込む方法に関するものである。

タイヤに組込ん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、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。タイヤと外部モニタ装置または問合せ装置との間の通信にラジオ周波数を用いるシステムが多い。この高周波通信の通信回線には単数または複数のアンテナが必要である。アンテナを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、タイヤ構造物（すなわちゴム材料）中に埋め込む電子装置およびアンテナは恒久的にテンパープルーフ（temper-proof）な一体性を有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、アンテナはその周囲に存在するエラストマー材料（このエラストマー材料は一般に導電性があり、一般には３以上の高い誘電率を有する）を通して高周波を出さなければならない。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高周波エネルギーを損失させる傾向がある。さらに、アンテナと接触した導電性の誘電材料はアンテナの互いに隣接した２つの供給点間に高周波電流を流して高周波エネルギーを損失させる。このエネルギー損失の問題は周波数が高くなるにつれ大きくなる。超高周波（１３０ＭＨｚ）以上で運転する場合には特に問題になる。
さらに、一般に金属素子であるアンテナをゴム材料接着固定しなければならず、また、アンテナの素材はタイヤ使用中に受ける繰返し応力に耐えなければならない。

本発明は、超高周波またはそれ以上の高周波をアンテナから伝送できるようにタイヤゴムのような導電性のエラストマー材料中に高周波アンテナを埋め込む方法を提供する。

本発明方法は、アンテナ素子を作り、このアンテナ素子を、誘電率がエラストマー材料の誘電率より低い少なくとも０．０２ｍｍの厚さの絶縁被覆材で被覆し、被覆されたアンテナ素子をエラストマー材料中に埋め込んでタイヤと一体化させる工程からなる。絶縁被覆材は少なくとも０．０２ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも０．１ｍｍの厚さにするのが好ましい。
本発明の別の観点から、絶縁被覆材は表面抵抗率が少なくとも１０¹²ohms/sqで、体積抵抗率が少なくとも１０⁹ohms*cmであるのが好ましい。絶縁被覆材の散逸率（dissipation factor）がは０．０３以下であるのがさらに好ましい。
逆に、適当な電気特性（すなわち表面抵抗率が少なくとも１０¹²ohms/sqで、体積抵抗率が少なくとも１０⁹ohms*cmで、散逸率が０．０３以下）を有するゴム材料中にアンテナを直接埋め込むこともできる。

本発明の別の観点から、アンテナを調整して誘電体エラストマー材料を埋め込まれたアンテナの共振周波数に同調させる補償を行う。誘電体はアンテナをその物理的長さより電気的に長く見せる効果があるのでアンテナを短くする。その長さは一連のテストを繰返して最適長さを決めるか、ネットワークアナライザを用いて決める。或いは、供給点に容量リアクタンスを直列に加えてアンテナの調節を行うこともできる。

本発明はさらに、少なくとも１３０ＭＨｚの周波数の伝送に適したタイヤゴム材料中に埋め込まれるアンテナを供給する。本発明のこの観点では、アンテナがアンテナ本体とアンテナ本体を被覆した絶縁被覆材とを含み、絶縁被覆材は誘電率がゴム材料の誘電率より小さく、３以下であるのが好ましく、少なくとも厚さが０．０２ｍｍであるのが好ましい。

アンテナ本体は高周波エネルギーを伝達できるものものであればよい。アンテナ本体は疲労条件下のタイヤで用いられる耐久性の必要から、バネ鋼、真鍮被覆バネ鋼またはバネ真鍮で作られたワイヤであるのが有利であり、好ましい。これらの材料は一般にタイヤに加わる曲げ変形や屈曲変形に耐えることができる。
本発明では被覆材料は表面抵抗率が少なくとも１０¹²ohms/sqで、体積抵抗率が少なくとも１０⁹ohms*cmであるのが好ましい。被覆材料はさらに散逸率が０．０３以下であるのが好ましい。
本発明は添付図面を参照した下記の詳細な説明からよりよく理解できよう。

［図１］は無線発信機１１と本発明のアンテナ２０とを含むタイヤ用高周波装置１０を示している。無線発信機１１は製造時、流通時および販売活動時の識別装置または追跡装置にすることができる。この無線発信機１１はタイヤ使用時の温度、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にするか、それを含む装置にすることもできる。こうした装置でアンテナ２０を用いて例えば外部装置と高周波で情報を送受信することができる。別の例ではアンテナを用いて問合せ装置（interrogation device）からエネルギーを受信することもできる。この無線発信機は受信機、送信機、中継器または反射器として用いることができ、本発明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「無線発信機」という用語には全ての装置が含まれる。

［図２］に示すように、高周波装置１０はタイヤの種々の異なる場所、例えばトレッド１９、ビード１２近くまたはタイヤ赤道面１３に配置できる。例えば１つのタイヤにこの種の装置を単数または複数設けて、タイヤの各種位置での物理的パラメータを監視したり、異なるパラメータをモニターすることができる。無線発信機１１およびアンテナ２０をゴムパッチ３０中に埋め込み、このパッチ３０をタイヤ１４の表面上に接着することもできる。或いは、無線発信機１１とアンテナ２０とをタイヤ構造物中に埋め込むか、タイヤ１４の表面を形成するゴム材料の下に積層することもできる。高周波装置１０は例えばカーカスプライ１６と内側ライナー１５との間、カーカスプライ１６とサイドウォール１７との間および／またはベルトパッケージ１８とトレッド１９との間に配置することができる。ここでは「組み込む」という用語でアンテナ１２および無線発信機１１をタイヤに内臓させる任意の方法を表すことにする。

ゴム材料には一般にカーボンブラック、その他の補強充填材が用いられるため、ゴム材料は導電性がある。従って、高周波アンテナとタイヤのゴム材料とを直接接触させるとアンテナのエネルギー伝達性能が低下する。高周波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移動する。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損失する傾向にある。さらに、導電性誘電材料によって高周波エネルギーがアンテナの互いに隣接した２つの供給点の間に流れ、それによってもエネルギーを損失する。その結果、アンテナの有効伝送距離が短くなる。半波長双極子の長さが８３ｍｍであるアンテナを有する915 MHz RFIDチップから成る装置の伝送範囲は空中で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伝送範囲は４インチになってしまうということが分かっている。

この有効範囲の損失を克服するため、本発明の第１の好ましい実施例のアンテナ２０はアンテナ素子またはアンテナ本体２０と断絶被覆２２とから成る。［図１］に示した実施例ではアンテナ２０が正弦波の形をしている。この形はタイヤの製造工程および通常のタイヤの動作時に生じるタイヤ材料の張力に合わせるに有利である。アンテナ素子２０は高周波エネルギーを伝送できるものであればよい。例えば、タイヤに用いるアンテナ素子２０はバネ鋼、真鍮被覆ネ鋼またはバネ真鍮のワイヤにするのが好ましい。これらの材料はタイヤ構造物に加わる周期的に繰返れる変形下での金属疲労に耐えることができる。

絶縁被覆層２２は絶縁材料で作られ、未硬化の状態で少なくとも０．０２ｍｍの厚さを有する（アンテナに対して垂直に測定した寸法）。この厚さはアンテナ本体の平均的厚さを表し、例えばアンテナに塗布された材料の体積を測定して決めることができる。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導電性エラストマー材料とアンテナ２０との間に設けるための厚さである。本発明では被覆材料の誘電率はエラストマー材料の誘電率より小さく、３以下であるのが好ましい。さらに、被覆材料の表面抵抗率は少なくとも１０¹²ohms/sq、体積抵抗率は少なくとも１０⁹ohms*cmであるのが好ましい。また、被覆材料の散逸率は０．０３以下であるのが好ましい。本発明の被覆材料によって伝送距離が改善される。また、以下の説明から分るに、当業者は被覆材料とその厚さとを選択することによって装置が読取る特定条件に必要な伝送距離を決めることができる。

本発明の被覆材料の材料としては有用なものは電気収縮チューブ（electrical shrink tubing）、熱可塑性ポリカーボネート、ブタジエンゴム、低炭素ゴム（ゴム混合物中に含まれるブラックカーボンが１０重量％以下のもの）、イソシアネートベースの金属接着性ゴム、例えばチェムロック接着剤（Chemlock TS3604-50、登録商標、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）の化学製品課より市販）、ポリエチレン、絶縁塗料、エポキシ、酢酸セルロースＴＰＥ、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であることを見い出した。これらの被覆材料には多くの利点があり、必要な厚さに塗布でき、さらに、アンテナの材料（実施例では真鍮または鋼）とタイヤまたはパッチのゴム材料との両方に対して優れた粘着性を有し、従って、追加の接着性被覆材または接着層は不必要である。

［図３］はタイヤ中に組込んだ状態をシュミレーションするために各種絶縁被覆材料を用いたアンテナをゴム基材中に埋め込んだ時の結果を示している。アンテナはトランスポンダーの役割をする９１５ＭＨｚのＲＦＩＤチップに結合した。図から分かるように、ゴム中に埋め込んだ未被覆のアンテナの読取りレンジは４インチであった。電気収縮チューブ、熱可塑性ポリカーボネート、ブタジエンゴムおよびチェムロック接着剤（Chemlock TS3604-50、登録商標）を含む第１群の絶縁被覆材料では読取りレンジが少なくとも３５インチ広がった。絶縁塗料、エポキシ、ＴＰＥ酢酸セルロース、パリレンおよび絶縁ポリエステル塗料を含む第２群の絶縁被覆材料によって得られた効果は第１群のものより小さいが、全て未被覆のアンテナの読取りレンジの少なくとも２倍であった。検討の結果、第２群の絶縁被覆材料には絶縁材の亀裂、その他の欠陥も見られた。０．００１５ｍｍのパリレンの被覆材料の繰返し試験で読取りレンジは１９インチになった。チェムロック接着剤（Chemlock TS3604-50）の被覆材料では、０．５ｍｍで９インチ、１ｍｍで１８〜２４インチ、１．５ｍｍで少なくとも３０インチの読取りレンジが得られた。一般に、十分に有効な読取りレンジを得ることができるのは適切な材料から成る被覆材料を少なくとも０．０２ｍｍの厚さにした場合であると考えられ、少なくとも０．１ｍｍの厚さにするのが好ましい。

本発明の変形例では、アンテナを低カーボンゴムの薄層で被覆することもできる。低カーボンゴムの混合物はカーボンブラックの代わりにシリカやクレー等の充填材を含むことができる。無線発信機用パッチは全体が低カーボンゴムで成形できるので、アンテナ被覆材料および取付けパッチの両方の役割をする。
さらに別の変形例では、無線発信機が埋め込まれるタイヤの一部の素材そのものを低カーボンゴム混合物にする。そのためにはタイヤのサイドウォールの一部を低カーボンゴム混合物で作ってアンテナの被覆材料の代わりにすることができる。
本発明の別の観点から、絶縁被覆材はアンテナをゴム材料に結合させる接着材の役割をする。すなわち、絶縁被覆材はアンテナ素材とタイヤゴム材料との両方に対して優れた接着性を有している。本発明の観点から接着剤とそれに関する塗布段階が不要になり、製造工程が単純になる。しかし、絶縁被覆材料がこの役割を果たすことは必須ではなく、さらに接着剤を用いても本発明の範囲を逸脱するものではない。

［図４］は真鍮外層を有するアンテナワイヤ（バネ真鍮または真鍮被覆バネ鋼）をタイヤゴムに接着する際の各種絶縁被覆材料の接着強度の試験結果を示している。未被覆のワイヤおよび下記被覆材料を被覆したアンテナワイヤのサンプルを作成した：タイヤベルトに用いられるゴム混合物、チェムロック接着剤（Chemlock TS3604-50、登録商標）、シリカゴム、ブタジエンゴム、パリレンＣ、パリレンＮ、バイエル（Bayer）9371（ブランド）熱可塑性ポリカーボネートおよびバイエル（Bayer）2608(ブランド)熱可塑性ポリカーボネート(ペンシルベニア州、ピッツバーグ、バイエルロード１００のBayer Corporationにより市販)。作成したアンテナワイヤをサイドウォールタイプのゴムとカーカスプライゴム混合物との間で硬化させた。硬化後、剥離試験を実施した。［図４］はアンテナからゴムを剥離するのに要する力を示す。最も高い剥離力が得られたのは、ベルト用ゴム混合物、チェムロック接着剤（Chemlock TS3604-50、登録商標）、シリカゴムで被覆したアンテナワイヤと、サイドウォール中に裸で埋め込んだワイヤであった。
［図３］と［図４］の結果の比較から、絶縁特性（読取りレンジの改善）と接着力（剥離力の改善）との組み合わせに最も優れているのはチェムロック接着剤（Chemlock TS3604-50、登録商標）である。

アンテナをタイヤ中またはゴム基材中で用いるのに必要な次の段階は誘電性材料中に埋め込んだ時の影響に合わせてアンテナを再調整する操作である。［図５］は標準的な電熱収縮チューブで被覆したアンテナを種々の長さに切断し一般的な硬化または未硬化のタイヤサイドウォールゴム混合物中に埋め込んだ試験の結果を示している。アンテナはトランスポンダーである９１５ＭＨｚのＲＦＩＤチップに接続した。水平軸はアンテナの半波長ダイポール長をミリメートル単位で示し、垂直軸は読取りレンジをインチ単位で示している。自由空間内にある（ゴム中に埋め込まれていない）アンテナは半波長ダイポール長が８３ｍｍで読取りレンジが４８インチである。同じ長さのアンテナの未硬化ゴム混合物中での読取りレンジは３０インチであり、硬化ゴム混合物中ではアンテナの読取りレンジが１２インチになる。半波長ダイポール長を４７ｍｍに調整すると読取りレンジは４１インチに回復し、図から分かるように、この構造では最適である。

アンテナの調整は［図５］に示されるような繰返し試験で行うことができる。或いは、ネットワークアナライザを用いて埋め込まれたアンテナの実際の正弦周波数を測定することで最適長さを見つけるのに必要な繰り返し数を減らすことができる。さらに、アンテナと装置の供給点との間に容量リアクタンスを直列に加えてアンテナを調節することもできる。

アンテナをタイヤ中またはエラストマー基材中に埋め込む本発明方法は、アンテナ本体を作り、このアンテナ本体を少なくとも０．０２ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍの厚さの絶縁被覆材料で被覆し、被覆したアンテナ本体をエラストマー素材中で硬化させる段階が含まれる。その次に、上記方法でアンテナを調整した後、アンテナワイヤをゴム材料中に埋め込む。被覆材料は上記特性に従って選択する。

アンテナの被覆は被覆材料が所望厚さの層になるまで浸漬を繰返すことで実行できる。また、被覆材料をスプレー噴霧したり、線状素材に対する周知の塗布方法で被覆材料を塗布することもできる。ゴム混合物を無線発信機およびアンテナを被覆するようにスキン層状に形成したり、ゴム層を張り付ける方法等によってゴムの被覆材料を付けることもできる。
以上、本発明の好ましい原理、実施例および構造を説明したが、上記の説明は例示のためのもので、当業者は特許請求の範囲で定義される本発明の範囲を逸脱せずに置換を行い、均等物を使用することができる。

本発明のアンテナを有する電子装置の概念図。 本発明のアンテナを有する電子装置の各種の取付け位置を示すタイヤの断面図。 ９１５ＭＨｚでタイヤゴム材料を通って伝送する被覆アンテナの能力に関する各種絶縁材料の効果を示すグラフ。 各種絶縁材料の粘着強度を示すグラフ。 アンテナを同調させ、エラストマー材料中に埋め込んだ時の結果を示すグラフ。

符号の説明

１０ 高周波装置
１１ 無線発信機
１２ アンテナ
１６ カーカスプライ
１７ サイドウォール
２０ アンテナ素子
２２ 絶縁被覆材
３０ ゴムパッチ

Claims (27)

1. 高周波装置と、アンテナ本体と、少なくともアンテナ本体を覆った誘電率がゴム材料の誘電率より小さい絶縁被覆材とから成る、少なくとも１３０ＭＨｚの周波数範囲で操作される、タイヤのゴム材料中に埋め込まれたアンテナを有する高周波装置。
2. 絶縁被覆材の厚さが少なくとも０．０２ｍｍである請求項１に記載の高周波装置。
3. 絶縁被覆材の厚さが少なくとも０．１ｍｍである請求項２に記載の高周波装置。
4. 絶縁被覆材が少なくとも０．０１５ｍｍの厚さを有するパリレンから成る請求項１に記載の高周波装置。
5. 絶縁被覆材の誘電率が３以下である請求項１に記載の高周波装置。
6. 絶縁被覆材の表面抵抗率が少なくとも１０¹²ohms/sqで、体積抵抗率が少なくとも１０⁹ohms*cmで、散逸率が０．０３以下である請求項１に記載の高周波装置。
7. 絶縁被覆材が電気収縮チューブ、熱可塑性ポリカーボネート、ブタジエンゴム、低炭素ゴム、イソシアネートベースの接着剤、ポリエチレン、絶縁塗料、エポキシ、ＴＰＥ酢酸セルロース、パリレンおよび絶縁ポリエステル塗料から成る群の中から選択される請求項１に記載の高周波装置。
8. タイヤのゴム材料がタイヤ表面に取付けられるパッチの形をしている請求項１に記載の高周波装置。
9. タイヤのゴム材料がタイヤの一部を成す請求項１に記載の高周波装置。
10. カーカス補強材とこのカーカス補強材に貼り付けられたゴム材料の層とから成り、内部にアンテナが一体化された高周波装置を有するタイヤにおいて、
    アンテナが、少なくとも１３０ＭＨｚの周波数で動作する高周波装置と、この高周波装置に接続されたアンテナ本体と、このアンテナ本体を少なくとも被覆した誘電率がゴム材料の誘電率より小さい絶縁被覆材とから成ることを特徴とするタイヤ。
11. 絶縁被覆材の厚さが少なくとも０．０２ｍｍである請求項１０に記載の高周波装置を有するタイヤ。
12. 絶縁被覆材の厚さが少なくとも０．１ｍｍである請求項１０に記載の高周波装置を有するタイヤ。
13. 絶縁被覆材の誘電率が３以下である請求項１０に記載の高周波装置を有するタイヤ。
14. 絶縁被覆材の表面抵抗率が少なくとも１０¹²ohms/sqで、体積抵抗率が少なくとも１０⁹ohms＊cmで、散逸率が０．０３以下である請求項１０に記載の高周波装置を有するタイヤ。
15. 絶縁被覆材を電気収縮チューブ、熱可塑性ポリカーボネート、ブタジエンゴム、低炭素ゴム、イソシアネートベースの接着剤、ポリエチレン、絶縁塗料、エポキシ、ＴＰＥ酢酸セルロース、パリレンおよび絶縁ポリエステル塗料から成る群の中から選択する請求項１０に記載の高周波装置を有するタイヤ。
16. 絶縁被覆材が少なくとも０．１５ｍｍの厚さを有するパリレンである請求項１５に記載の高周波装置を有するタイヤ。
17. アンテナがタイヤ表面に取付けられたパッチ中に埋め込まれている請求項１０に記載の高周波装置を有するタイヤ。
18. アンテナがタイヤの構造部分中に埋め込まれている請求項１０に記載の高周波装置を有するタイヤ。
19. 絶縁被覆材がタイヤのゴム材料の層から成る請求項１０に記載の高周波装置を有するタイヤ。
20. カーカス補強材とこのカーカス補強材に貼り付けられたゴム材料の層とから成り、内部にアンテナが一体化された高周波装置を有するタイヤにおいて、
    高周波装置が少なくとも１３０ＭＨｚの周波数で動作する高周波装置と、中継器に接続されたアンテナ本体とを有し、アンテナが埋め込まれているゴム材料の層が３以下の誘電率と、少なくとも１０¹²ohms/sqの表面抵抗率と、少なくとも１０⁹ohms*cmの体積抵抗率と、０．０３以下の散逸率とを有することを特徴とするタイヤ。
21. アンテナ素子を作り、このアンテナ素子を、誘電率がエラストマー材料の誘電率より低い少なくとも０．０２ｍｍの厚さの絶縁被覆材で被覆し、被覆されたアンテナ素子をエラストマー材料中に埋め込んでタイヤと一体化させることを特徴とするタイヤ中に高周波装置を埋め込む方法。
22. 絶縁被覆材の表面抵抗率が少なくとも１０¹²ohms/sqで、体積抵抗率が少なくとも１０⁹ohms*cmで、散逸率が０．０３以下である請求項２１に記載の方法。
23. 絶縁被覆材の厚さを少なくとも０．１ｍｍにする請求項２１に記載の方法。
24. 絶縁被覆材を電気収縮チューブ、熱可塑性ポリカーボネート、ブタジエンゴム、低炭素ゴム、イソシアネートベースの接着剤、ポリエチレン、絶縁塗料、エポキシ、ＴＰＥ酢酸セルロース、パリレンおよび絶縁ポリエステル塗料から成る群の中から選択する請求項２１に記載の方法。
25. アンテナをエラストマー材料の共振周波数に合わせて調整する段階をさらに含む請求項２１に記載の方法。
26. エラストマー材料がゴムのパッチで、このパッチをタイヤの表面に接着する段階をさらに含む請求項２１に記載の方法。
27. エラストマー材料がタイヤの一部である請求項２１に記載の方法。

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