JP2019142380A - 電子装置及びタイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】内部構造の耐久性を向上可能なモニタリング装置を提供する。【解決手段】タイヤの状態を検出するモジュールと、タイヤ内面に取り付けられ、モジュールが収容される収容空間を有する台座とを有する電子装置であって、モジュール又は収容空間の一方の平面視における形状を定幅形状とし、他方の平面視における形状を円形とした。【選択図】図２

Description

本発明は、タイヤ内面に設置される電子装置及び該電子装置を備えたタイヤに関する。

従来、圧力センサ、温度センサ、電池又は発電素子、無線機等を一体化した機能部品（モジュール）をタイヤ内に設け、タイヤの状態を検出する技術が知られている。
モジュールは、タイヤ内面に取り付けられた台座を介してタイヤ内に装着されるものの、タイヤは、路面との接地によって変形するため、台座から脱落したり、台座内で回転したりすることが予測される。これらの不具合を防止するように、例えば、台座における機能部品の収容部の底部に凹凸部を設け、この凹凸部に嵌合する凹凸部を機能部品に設けたモジュール及び台座の取付構造が知られている（特許文献１）。

特開２０１５−１６０５１２号公報

しかしながら、このような取付構造は、モジュール及び台座双方の凹凸部の形成により体積が増加してしまい、モジュール及び台座の重量の増加によるタイヤへの影響に加え、モジュール及び台座の製造時の資源の増加等の懸念を生じさせる。
また、モジュールの回転を防止する形状の他の選択肢として、モジュール及び台座の収容部の平面形状を楕円や長方形（正方形）等とすることが考えられる。しかし、楕円であっても回転方向に外形形状が滑らかであり、引っ掛かりがない形状のため回転し易い。また、長方形のような多角形では、回転を防止できるものの、角部をきっかけとしてゴム製の台座を引き裂いてしまう危険性がある。加えて、モジュールではボタン電池等の円盤状のものが使用されるため、この形状から外れた角部を外形形状に設定すると、電池等の機能部品を収容する空間の周りに不要な領域ができることになる。このようなケースの不要な領域を少なくするためには、四角よりもボタン電池の形状に近くなるような角数の多い正多角形にする必要があるが、やはり角がゴム台座を切り裂く虞がある。このように平面形状を正多角形とした場合であってもモジュールの平面形状の重心と、台座収容部の平面形状の重心とが一致しているため、モジュールに回転力が生じた場合、モジュールの回転しようとする運動に対して重心位置が変化しないため回転しやすい。仮に、多角形状の角部を面取りしても、不要な領域の問題はあり、なおかつ面取りしたとしても、応力集中を起こしやすく、その面取りした角部付近からゴム台座が引き裂かれることも考えられる。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、モジュール及び台座の重量の増加を防ぎつつ機能部品を台座に対して安定的に維持可能な電子装置及びタイヤを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための電子装置の構成として、タイヤの状態を検出するモジュールと、タイヤ内面に取り付けられ、モジュールが収容される収容部を有する台座とを有する電子装置であって、収容部に収容されたモジュールの平面視における外形形状の重心と、台座の収容部の平面視における断面形状の重心とがずれるように、モジュールの外形形状及び収容部の形状を設定した。
本構成によれば、平面視におけるモジュールの重心と、台座の重心との位置がずれるため、台座内におけるモジュールの回転を防止できる。
また、モジュールの外形形状又は収容部の断面形状の一方を円形とし、他方を円形を除く定幅形状としたことにより、平面視におけるモジュールの重心と、台座の重心との位置がずれるため、台座内におけるモジュールの回転を防止できる。
また、定幅形状をルーローの多角形としたことにより、容易に定幅形状を設定できる。
また、請求項１乃至請求項３に記載された電子装置をタイヤが備えたことにより、該タイヤの状態を安定して取得できる。

タイヤに取り付けられた電子装置を示す図である。 タイヤに取り付けられた電子装置の平面図である。 モジュールの平面図及び断面図である。 台座の平面図及び断面図である。 台座の収容部の断面図である。 定幅形状の設定方法の一例を示す図である。 定幅形状の他の形態を示す図である。 定幅形状の他の形態を示す図である。

以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明される特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らず、選択的に採用される構成を含むものである。

図１は、タイヤ１０に取り付けられた電子装置１の取付状態を示す図である。図２は、タイヤ１０に取り付けられた電子装置１の平面図である。図１に示すように、タイヤ１０は、ホイールリム１５に組み付けられて使用される。ホイールリム１５に組み付けられたタイヤ１０の内側空間には、空気などの気体が充填される。

電子装置１は、タイヤ１０の路面と接するトレッド１１の裏側である内周面１０ｓの幅方向中央に取り付けられる。電子装置１は、モジュール２と、台座３とで構成され、モジュール２は、タイヤ１０に対して所定の向きとなるように台座３を介してタイヤ１０に取り付けられる。なお、電子装置１が装着されるタイヤ１０の種類は、特に限定されないが、主に通常の舗装路（一般道及び高速道）を走行する乗用自動車、トラック、バスなどの自動車、航空機等のタイヤに装着される。

図３は、モジュール２の平面図及び断面図である。
図３（ａ）に示すように、モジュール２は、外観視において下面部５８と、側面部５１と、上面部５６とを備える。本実施形態では、下面部５８と上面部５６とは同一形状に設定される。モジュール２の内部には、タイヤ１０の状態を検出するための複数のセンサ３２；３４；３６、送信装置３８、制御装置４０及び電池４６等の機能部品が収容される。なお、機能部品の詳細については後述する。

図３（ａ）に示すように、本実施形態に係るモジュール２は、平面視したときの形状（以下、平面形状という）、即ち、側面部５１の輪郭、下面部５８及び上面部５６の形状が、円形状に設定される。ここでいう円形とは、真円を意味するが、楕円などであっても良い。また、平面視とは、図１に示すように、タイヤ内周に取り付けられた電子装置１をタイヤ中心側から半径方向に見たときの形状をいう。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すＡ−Ａ矢視におけるモジュール２の断面図である。以下、同図を用いてモジュール２について説明する。
モジュール２は、上述のように、タイヤ１０の状態を検出するためのセンサ３２；３４；３６、送信装置３８、制御装置４０及び電池４６等の機能部品をケース２０に収容して構成される。

ケース２０は、例えば、機能部品を収容するための主空間を形成する下ケース２０Ａと、下ケース２０Ａに対する蓋体として機能する上ケース２０Ｂとを組み合わせることで構成される。ケース２０の素材としては、例えば、モジュール２の軽量化及び強度の観点から合成樹脂等が用いられる。下ケース２０Ａ及び上ケース２０Ｂは、平面視における形状が同一形状に形成され、下ケース２０Ａと上ケース２０Ｂとを組み合わせて一体化した場合であってもその形状が維持される。即ち、モジュール２の外形形状は、ケース２０の外形形状に一致する。

ケース２０には、機能部品を収容する収容空間Ｓが設けられる。収容空間Ｓは、平面形状において設定された円形の中心と同心となるように、円盤状の電池４６の形状である円形に倣い円筒状に形成される。

機能部品である温度センサ３２、圧力センサ３４及び加速度センサ３６等の複数のセンサ３２；３４；３６や、各センサ３２；３４；３６により検出された検出値を送信するための送信装置３８、複数のセンサ３２；３４；３６の動作及び送信装置３８の動作等を制御する制御装置４０は、例えば、回路基板３０上に実装される。
なお、回路基板３０の構成については、これに限定されない。

温度センサ３２、圧力センサ３４及び加速度センサ３６は、例えば、回路基板３０の同一面側に配置され、他面側には、送信器として機能する送信装置３８と制御装置４０とが配置される。また、回路基板３０の他面側には、電池４６の電極に接続される端子４２Ａ；４２Ｂが設けられている。回路基板３０は、例えば、電池４６の直径よりもやや小径の円形に形成され、モジュール２をタイヤ内周面１０ｓに取り付けたときに、一面側をタイヤ中心（他面側をタイヤ内面）に向けてケース２０内に収容される。

温度センサ３２は、計測部３２Ａを囲み、該計測部３２Ａにタイヤ内の空気を導入する導入筒３２Ｂを備え、圧力センサ３４は、感圧面３４Ａを囲み、該感圧面３４Ａへとタイヤ内の空気を導入する導入筒３４Ｂをそれぞれ備える。

温度センサ３２の導入筒３２Ｂ及び圧力センサ３４の導入筒３４Ｂは、それぞれ回路基板３０に対して垂直方向に延長し、回路基板３０をケース２０内の所定の位置に収容したときに、上ケース２０Ｂに設けられた貫通孔２２；２４に挿入される。これにより、回路基板３０をケース２０内に収容した状態であっても、タイヤ内の空気に対して計測部３２Ａや感圧面３４Ａが露出することになり、タイヤ気室内の状態を正確に計測することができる。

加速度センサ３６は、例えば、タイヤ幅方向、半径方向及び周方向（回転接線方向）の３軸方向の加速度を測定可能とするセンサであって、回路基板３０に設けられた位置決め部を基準にして所定の向きに取り付けられる。加速度センサ３６は、回路基板３０をケース２０内に収容し、モジュール２としてタイヤ１０に装着したときに、加速度センサ３６の測定軸が、タイヤ幅方向、タイヤ前後方向、タイヤ半径方向に一致するように回路基板３０に配設される。

送信装置３８は、送信回路として回路基板に実装される。送信装置３８は、例えば、加速度センサ３６がタイヤ１０の回転（遠心力）を検出したことに基づいて所定のプログラムを実行し、温度センサ３２、圧力センサ３４及び加速度センサ３６によって検出されたタイヤ１０内の温度、圧力、加速度を無線通信によりタイヤ外に送信する。送信装置３８から無線により送信された温度、圧力及び加速度等の信号は、図外の車両に設けられた本体ユニットの無線回路により受信され、例えば、車内に設けられた表示器にタイヤの状態（温度、圧力、又は、異常の有り・無し）に関する情報を表示する。

電池４６は、いわゆる円盤状のボタン電池であって、回路基板３０から延長する金属製の端子４２Ａ；４２Ｂを各電極に接触させながら端子４２Ａ；４２Ｂ間で挟むことにより回路基板３０に取り付けられる。

回路基板３０は、電池４６が取り付けられた状態で電池４６の電極面を下ケース２０Ａの内底部に向けて収容される。回路基板３０は、ケース２０に対して所定の位置を向くように収容空間Ｓに収容される。回路基板３０をケース２０に対する位置を設定する方法としては、例えば、収容空間Ｓを形成する内壁に突起を設け、回路基板３０に突起に対応する切欠きを設けておくことで、回路基板３０がケース２０に対して位置決めされる。

ケース２０の内部には、上記回路基板３０及び電池４６を収容した状態でポッティング材４８が充填される。これにより、圧力センサ３４の感圧面３４Ａ及び温度センサ３２の計測部３２Ａを除く回路基板３０の全体及び電池４６がポッティング材４８により覆われた状態にある。ポッティング材４８の素材としては、ウレタン系樹脂、或いは、エポキシ系樹脂が好ましい。タイヤ１０の回転時、特に高速回転したときであってもポッティング材４８が電池４６や回路基板３０から受ける力に対して十分な耐性を得ることができる。

図４は、台座３の断面図及び平面図である。
台座３は、タイヤ内周面１０ｓに対して貼付される貼付面１３０ａを有する貼付部１３０と、当該貼付部１３０から上方に向けて立ち上がり、モジュール２の収容空間である収容部１５０ｓを形成する収容壁部１５０とを備える。台座３は、タイヤ１０の変形に追従するように、ゴム部材によって形成されている。ゴム部材は、特に限定されず、天然ゴムやジエン系ゴムまたは非ジエン系ゴムなどの合成ゴム等の弾性素材（エラストマー）等により一体的に構成される。

貼付部１３０は、断面円形状に形成された板状部材であって、その下面がタイヤ内周面１０ｓと接して貼付される貼付面１３０ａとして形成される。貼付面１３０ａは、例えば、タイヤ内周面１０ｓへの貼付前において平坦面、或いはタイヤ内周面１０ｓの曲率に沿う曲面として形成される。

収容壁部１５０は、モジュール２の周囲を包み込み、脱落不能に収容可能に形成される。収容壁部１５０は、モジュール２の側面部５１に対応する包囲壁部１５２と、モジュール２の上面部５６に対応する上壁部１５４とを備える。図４（ｂ）に示すように、包囲壁部１５２は、例えば、一定の肉厚で延長し、平面視したときの内側側面１５１の形状、即ち、内側側面１５１の断面形状が、定幅形状となるように設定される。定幅形状とは、差し渡しの幅が常に一定となる形状である。差し渡しの幅とは、ある図形（形状）を一組の平行線で挟んだときの、その二直線の距離である。つまり、定幅形状とは、平面上において回転させたときに、高さが変化しない（一定の）図形である。定幅形状の代表的なものの一つにルーローの多角形があり、ルーローの多角形による形状を台座３の収容部１５０ｓの平面形状として設定することができる。図４（ｂ）は、ルーローの７角形に基づいて設定された平面形状を示している。内側側面１５１の寸法は、モジュール２の側面部５１に接し、内側側面１５１を所定の加圧力で加圧しつつ保持可能に設定される。なお、包囲壁部１５２の厚さは、上述のように一定の肉厚に限らず、適宜設定すれば良い。

上壁部１５４は、包囲壁部１５２で囲まれる空間を覆うように、包囲壁部１５２の上端において包囲壁部１５２の延長方向に沿って収容部１５０ｓ側に向けて鍔状に突出するように形成される。上壁部１５４の中央には、モジュール２を収容部１５０ｓに挿入できるように、開口部１５６が形成されている。開口部１５６は、例えば、モジュール２を平面視したときの形状よりも小さい相似形状で形成される。なお、開口部１５６の形状は、モジュール２を台座３から着脱可能であれば特に限定されない。

モジュール２は、開口部１５６から台座３に押し込まれることによって台座３に収容されてタイヤ１０に装着される。収容部１５０ｓに収容されたモジュール２は、側面部５１が、台座３の内側側面１５１に密着し、上面部５６の周縁部が上壁部１５４により押し下げるように保持されることで、下面部５８が収容部底面１５８に密着した状態となる。

台座３のタイヤ内周面１０ｓへの固定方法は、特に限定されない。接着剤で接着されてもよいし、可能であれば、タイヤ１０の加硫時に一体として成形されてもよい。

図５は、台座３内にモジュール２を収容したときの図を示している。
上述のように、モジュール２の平面形状に対して台座３の収容部１５０ｓの内側側面１５１の平面形状を設定することにより、図５に示すように、モジュール２の平面形状における重心Ｇ２が、台座３の内側側面１５１の平面形状における重心Ｇ３に対してずれた状態で装着されることになる。このように、台座３に対するモジュール２の重心位置がずれて装着されると、外力によって回転する力がモジュール２に作用しても、台座３内におけるモジュール２の回転を防止することができる。なお、図５において、台座３の内側側面１５１とモジュール２の側面部５１との間に隙間があるが、説明の便宜上見られるものであって、その寸法は図５から限定されるものではない。

従来のように、円形の平面形状を有するモジュールを、モジュール２の平面形状と同一の平面形状を有する台座内に収容した場合、仮に、モジュールを締め付けるように収容部の大きさを設定したとしても、平面視におけるモジュールの重心と、台座３における収容部の重心とが一致するため、モジュールに外力が加わったときに、重心を中心として回転し易い。

即ち、定幅形状は、転がした時に重心が変化するため、モジュール２が回転しようとすると、モジュール２の重心と台座３の重心とがずれるため、円形よりも回転しにくい形状といえる。モジュール２に作用する外力は、モジュール２を台座３の重心周りに回転させようと作用するため、モジュール２が台座３の内側側面１５１によって支持されることになり、その結果として台座３に対する回転が規制されることになる。
したがって、台座３内におけるモジュール２の回転防止には、台座３の収容部１５０ｓの平面視における内側側面１５１の形状が円形を除く定幅形状であることが好ましい。また、収容部１５０ｓの大きさは、上述のように重心Ｇ２，Ｇ３の間にずれが維持されるように、モジュール２の寸法に対して設定されることが好ましい。

したがって、上述のように、台座３の形状を設定することにより、台座３内におけるモジュール２の回転の防止と、応力集中による台座３の破損を防ぐことができる。
また、内側側面１５１の平面形状は、上述したルーローの多角形に限定されない。なお、ルーローの多角形は厳密には角が存在するものの、通常の（正）多角形等に比べて角部の形状は丸い。したがって、ルーローの多角形において、角数を多くするほど全体としてモジュール２を平面視したときの形状（円形）に近づくことになる。即ち、図７に見られるように、上述のルーローの７角形では、各辺に設定された円弧と円弧とが交差する角が存在してしまうが、角数の多い多角形をルーローの方法により定幅形状を設定することにより、角はより滑らかにしてすることができる。

図６は、本実施形態に係る内側側面１５１の平面形状として設定されるルーローの７角形の設定方法について説明する。ルーローの多角形は、奇数角形、本実施形態では、正７角形に基づいて設定される。図６に示すように、ルーローの方法によれば、ルーローの正７角形は、各頂点ａ１〜ａ７から最も遠い対角線を半径とする円ｃ１〜ｃ７を描き、元の正７角形を形成する各辺（線分）に対向する頂点（例えば、辺ａ１ａ２に対向する頂点ａ５等のように）を中心とする円弧に置き換えることで得られる。

即ち、ルーローの多角形状とは、正奇数角形の各頂点を中心とし、各頂点から最も長い対角線を半径とする円を描いたときの共通部分により形成され、元の正奇数角形を形成する各辺（線分）が、対向する頂点を中心とする円弧に置き換えられる。なお、ルーローの多角形が作図できるのは、頂点と辺が向かい合う正奇数角形にのみ可能である。例えば、頂点と辺ではなく、頂点と頂点、辺と辺が向かい合っている正偶数角形からは定幅図形として得られない。例えば、辺に向かい合った頂点のかわりに向かい合った辺の中点を採用することで似たような膨らんだ偶数角形を得ることも考えられるが、定幅図形とはならず、ルーローの偶数角形とはみなさない。

なお、角のない滑らかな定幅形状が設定可能であることは知られており、適宜選択すれば良い。例えば、角のない滑らかな定幅形状を設定する方法として以下のようにしても良い。ここでいう滑らかとは、数学的に連続、即ち、定幅形状をなす輪郭線のすべてにおいて微分可能であることをいう。以下の説明では、説明の便宜上、三角形を用いて説明するが、三角形以上の奇数角形の多角形を用いても良い。

図７は、正三角形に基づいて定幅形状を設定したときの図である。図７に示す三角形は、一辺の長さｘの正三角形ＡＢＣである。この正三角形ＡＢＣに基づいて定幅形状を設定する場合には、まず各辺ＡＢ，ＢＣ，ＡＣをそれぞれ延長した延長線ｋ１，ｋ２，ｋ３を設定する。
次に、頂点Ａの外角側で延長線ｋ１；ｋ３で挟まれる範囲に頂点Ａを中心とする半径ｘの円弧、頂点Ａの内角側で延長線ｋ１；ｋ３で挟まれる範囲に頂点Ａを中心とする半径２ｘの円弧をそれぞれ描く。
次に、頂点Ｂの外角側で延長線ｋ１；ｋ２で挟まれる範囲に頂点Ｂを中心とする半径ｘの円弧、頂点Ｂの内角側で延長線ｋ１；ｋ２で挟まれる範囲に頂点Ｂを中心とする半径２ｘの円弧をそれぞれ描く。
次に、頂点Ｃの外角側で延長線ｋ２；ｋ３で挟まれる範囲に頂点Ｃを中心とする半径ｘの円弧、頂点Ｃの内角側で延長線ｋ２；ｋ３で挟まれる範囲に頂点Ｃを中心とする半径２ｘの円弧をそれぞれ描く。
このような手順により、正三角形ＡＢＣに基づいて図形化することで滑らかに連続する定幅形状を設定することができる。また、基準となる図形は正三角形に限定されず以下に示すように正三角形以外の三角形でも良い。

図８は、各辺ＡＢ，ＢＣ，ＡＣの長さの異なる三角形に基づいて定幅形状を設定したときの図である。このような三角形ＡＢＣに基づいて定幅形状を設定する場合、上記正三角形ＡＢＣと同様に、まず各辺ＡＢ，ＢＣ，ＡＣをそれぞれ延長した延長線ｋ１，ｋ２，ｋ３を設定する。
次に、頂点Ａの外角側で延長線ｋ１；ｋ３で挟まれる範囲に頂点Ａを中心とする頂点Ａの対辺ＢＣの長さｘ２を半径とする円弧を描く。
次に、頂点Ｂの外角側で延長線ｋ１；ｋ２で挟まれる範囲に頂点Ｂを中心とする頂点Ｂの対辺ＡＣの長さｘ３を半径とする円弧を描く。
次に、頂点Ｃの外角側で延長線ｋ２；ｋ３で挟まれる範囲に頂点Ｃを中心とする頂点Ｃの対辺ＡＣの長さｘ１を半径とする円弧を描く。
次に、頂点Ａの内角側で延長線ｋ１；ｋ３で挟まれる範囲に頂点Ａを中心とし、頂点Ａを形成する辺ＡＢ及び辺ＡＣの長さを合算した長さｘ１＋ｘ３を半径とする円弧を描く。
次に、頂点Ｂの内角側で延長線ｋ１；ｋ２で挟まれる範囲に頂点Ｂを中心とし、頂点Ｂを形成する辺ＡＢ及び辺ＢＣの長さを合算した長さｘ１＋ｘ２を半径とする円弧を描く。
次に、頂点Ｃの内角側で延長線ｋ２；ｋ３で挟まれる範囲に頂点Ｃを中心とし、頂点Ｃを形成する辺ＢＣ及び辺ＡＣの長さを合算した長さｘ２＋ｘ３を半径とする円弧を描く。
このような手順により、各辺の長さの異なる三角形ＡＢＣに基づいても、滑らかに連続する定幅形状を設定することができる。

なお、本実施形態は、モジュール２の平面形状を電池４６の形状、即ち、ボタン電池の形状に倣い円形としたがこれに限定されない。例えば、モジュールの平面形状を定幅形状に設定する場合、電池４６の平面形状を、モジュールの平面形状を相似に縮小した形状にしても良い。このように、電池４６の平面形状とモジュールの平面形状とを同一形状とすることにより、収容部を形成する包囲壁部１５２の壁厚さを一定にできるので、ケースを形成するときの資源を最小化できる。

また、上記実施形態では、モジュール２の平面形状を円形とし、台座３の収容部１５０ｓの平面形状を定幅形状としたが、モジュール２の平面形状を定幅形状とし、台座３の収容部１５０ｓの平面形状を円形としても良い。

なお、定幅形状に、さらに、凸部や凹部等を設定することで回転防止の効果を得ることができるが、凸部や凹部を基点としてゴムが切れる等の台座３損傷の危険性が高まる虞があるため、形状の設定において凸部や凹部の設定は避けることが好ましい。

２ モジュール、３ 台座、１０ タイヤ、１０ｓ タイヤ内周面、
３０ 回路基板、５１ 側面部、１５０ｓ 収容部、１５１ 内側側面、
１５２ 包囲壁部。

Claims (4)

1. タイヤの状態を検出するモジュールと、タイヤ内面に取り付けられ、モジュールが収容される収容部を有する台座とを有する電子装置であって、
   前記収容部に収容された前記モジュールの平面視における外形形状の重心と、前記台座の収容部の平面視における断面形状の重心とがずれるように、前記モジュールの外形形状及び前記収容部の形状を設定したことを特徴とする電子装置。
2. 前記モジュールの前記外形形状又は前記収容部の前記断面形状の一方を円形とし、
   他方を円形を除く定幅形状としたことを特徴とする請求項１記載の電子装置。
3. 前記定幅形状は、ルーローの多角形であることを特徴とする請求項２記載の電子装置。
4. 前記請求項１乃至請求項３いずれかに記載の電子装置を備えたタイヤ。

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