JP4580194B2 - タイヤ空気圧パッシブセンサーと方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に空気圧監視装置に関し、特にタイヤ圧パッシブ監視装置、システム、およびその使用方法に関する。

米国政府は米国エネルギー庁によって裁定与された契約条項No.DE-AC04-94AL85000によって、本発明におけるある権利を有している。米国政府は本発明におけるある種の権利を保有している。

自動車の安全で、効率的で、経済的な運転は、自動車の全ての（個々の）タイヤの空気圧を正しく維持することにかなり依存している。低いタイヤ圧のまま自動車を運転すると、タイヤの摩擦が著しくなり、操舵が難しくなり、道路接地性および燃費が悪くなり、これらは全て「フラット」タイヤの場合にタイヤ圧がゼロとなったときに悪化する。

タイヤ使用時にタイヤ圧を監視する必要性は、完全に空気が抜けた状態で使用可能なタイヤである「ランフラットタイヤ」、すなわち走行距離延長（ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｍｏｂｉｌｉｔｙ）タイヤの場合に増す。ここに引用によって含める、例えば特許文献１に開示されたこのようなランフラットタイヤは、空気タイヤの中に、補強されたサイドウォールと、タイヤビードをリムに取付ける機構と非空気圧タイヤを含むことで、圧力が著しく低下した後に運転者が自動車に対するコントロールを維持することを可能にし、タイヤの空気が抜けたことが運転者にますますわからないところまで発達してきた。ランフラットタイヤの使用の背後にある主な目的は、自動車の運転者が、空気の抜けたタイヤを修理する前に空気の抜けた空気タイヤで限られた距離運転を続けられるようにすることである。したがって、光または音響によるアラームによって空気タイヤの空気圧の低下を運転者に警告する低タイヤ圧警報装置を自動車内に設けることが一般に望ましい。一般に、このような警報装置は、空気圧が減ったタイヤを特定し、該タイヤが、空気が抜けた状態で走行した距離を追跡する手段を自動的に起動するのにも使用されることがある。

このために、空気タイヤの圧力を監視し、自動車の運転者に、現在のタイヤ圧を提示し、あるいは圧力が所定の関値レベル未満に低下したときに警告する多くの電子装置やシステムが知られている。単にパッシブな共鳴回路ではなく、むしろ遠隔の受信装置に対して、タイヤ圧を示す無線周波（RF）信号を送信することができる電子装置でタイヤ圧を監視することも知られている。このような「送信装置」は自装置の電源を有し、あるいは遠隔の受信装置からのRF信号による起動される。後者の形態では、送信装置は「パッシブ」と呼ばれる。

代表的なタイヤ圧監視システムは、自動車の各タイヤ内のタグからの信号を受信する１つまたは２つ以上のアンテナを備えた受信装置を有する。これらタグはひとまとめにされてタイヤの空洞に、あるいはタイヤの空洞につながっているバルブステムに取り付けられる。自動車に搭載されている各タイヤについて正しく特定されているタイヤ状態を通知するために、監視システムの受信装置は、受信したRF信号がどこから発信されたかを判定できなければならない。したがって、各タグ内に固有の識別コード（ID）を含め、このＩＤをタグによって発信されるデータストリーム中に含めるようにタグを構成することが知られている。
米国特許5,368,082 米国特許4,578,992

空気圧を測定する種々の手段が公知のタイヤ圧監視装置内で使用される。特許文献２にあるように、タイヤ圧とともに変化する共鳴周波数を有するパッシブ発振回路を構成する圧力感知キャパシタを使用することが知られている。当該技術で知られている他の適切なトランスデューサとして、ピエゾ圧電装置、シリコンキャパシチブ圧力トランスデューサ、コンダクタンスインクの可変導電積層体、および、可変コンダクタンスエラストマ合成物がある。これらの装置は理論上は適切に動作するが、装置を校正し、アナログ周波数や電圧の変化を正確、かつ再現性良く測定するのが困難であるため、比較的高価であり、満足できるものではない。さらに、これら公知の装置は、圧力データを送信する電子回路と共に、タイヤ環境における固有の困難に悩まされて来た。このような困難には、RF信号を効率的にかつ信頼性高くタイヤへ結合しおよび結合を解除すること、タイヤと電子部品が受ける厳しい使用、そしてタイヤ／車輪のシステムに圧力トランスデューサと電子回路を含めることから生じるタイヤの悪影響の可能性が含まれる。外部の読み取り装置から電力を供給されるパッシブRFトランスポンダの場合、トランスポンダ内の回路がその設計仕様にしたがって動作できるように、他の問題が、予測可能で安定した電圧レベルをトランスポンダ内に生じさせつつある。

追加の導電ストライプのいくつかのセットを付加し、それらの導電ストライプを選択的にフローリング状態にしたり接地させたりすることによって、プログラマブルな反射パルス列を弾性表面波（SAW）装置に含めることがさらに知られている。弾性表面波は、それがその伝播路で遭遇する音響インピーダンスの不連続によって反射される。装置の表面上(即ち、SAW波の経路上)の互いに組み合った（ｉｎｔｅｒ−ｄｉｇｉｔａｔｅｄ）トランスデューサを設置することにより、音響インピーダンスの不連続の変化が発生し、音響反射が大きくなる。互いに組み合ったトランスデューサを電気的にフローティング状態にすることによって、音響インピーダンスの不連続が減り、音響の反射が最少となる。このような装置はRF信号によって電力が与えられ、データがリードオンリメモリ（ＲＯＭ）に蓄えられ、システムは応答を求められる状態にある。

このような装置には用途、例えば、通過中の列車がSAW装置を通過するときにその線路内のSAW装置に呼びかける高速軌道交通制御システムがある。SAW装置からの反射パラメータはＲＯＭに蓄えられているデータを反射トランスデューサへ入力することによって制御される。このようにして、反射パラメータ信号は時間の周数として変調され、データは、それによってＲＯＭからSAW装置を介して列車受信機に送信される。データはパッシブSAW装置システムから列車への、列車がパッシブSAW装置を通過する時の位置および他の情報を記述している。

添付の請求項の１つまたは複数に記載された無線周波数（RF）トランスポンダは、空気タイヤに関する、空気圧のような、空気タイヤに関するデータとパラメータを外部の読み取り装置に送信することができる。本発明の一態様によれば、トランスポンダはパッシブであり、外部読取装置からのRF信号によって電力が与えられるのが好ましい。しかしながら、本発明の原理は、本発明が非タイヤ用途、あるいは、局地的なトランスポンダ電力を提供する用途にも利点があるようなものである。

本発明の態様によれば、弾性表面波（SAW）に基づく圧力センサは、タイヤ空洞内のタイヤ圧を測定し、個々のタイヤを識別するコード化方式を使用する。タイヤ用途のシステムは、少なくとも一つのアクチブなRF送信装置と、各タイヤに搭載された少なくとも一つのパッシブ圧力センサとからなる。SAW装置はパッシブな圧力測定センサあるいは装置を構成する圧力トランスデューサと組合わされている。

本発明の他の態様によれば、センサ装置は、可撓性の導電性膜でシールされ、空洞内の標準の高圧力を有する空洞を含んでいる。等しい圧力が膜に加わると、膜はSAW装置の裏側の少なくとも一つの細長い隆起と接触する。これら隆起は、通常電気的にフローティング状態にあるSAW装置の導電性フィンガと電気的に接続されている。圧力が正しい場合、SAW装置上の選択されたフィンガは接地され、パターン化された音響反射波を生成しインパルスRF信号に加える。もし周囲の圧力（タイヤ空洞内の圧力）がシールドされている空洞内の気体を圧縮するのに十分に高ければ、膜はつぶれて導電性メサ（ｍｅｓａ）となり、したがって、反射トランスデューサ同士ショートさせる。

本発明のさらに他の態様によれば、センサ装置は、双安定モード、あるいは量的圧力測定のための測定モードに構成されている。センサ装置はRFインパルス信号に応答する識別信号を出力し、それによって圧力センサの位置を求めるように構成されている。

本発明のさらに他の実施態様によれば、圧力を検出する方法は、
ａ． センサボディの少なくとも表面部分にわたって音響波を送信するステップと、
ｂ． 音響波を遮ぎり、信号を反射する反射トランスデューサを設置するステップと、
ｃ． 可撓性の導電膜と、該膜でシールされ、設定された内部参照圧力にある空洞を有する圧力トランスデューサをセンサボディに隣接して配置するステップと、
ｄ． 所定の外部圧力レベルの存在に応答して膜を変位させて反射トランスデューサと電気的に接触係合させるステップと、
ｅ． 反射トランスデューサと変位した膜との間電気的係合によって、反射トランスデューサによって反射された信号を変調するステップ
とを有する。

まず、図1を参照すると、本発明は、弾性表面波（SAW）装置12を超小型に作られた（ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ）圧力トランスデューサ14と組合わせる安価なパッシブ圧力測定装置10を製造することを提案している。この装置10はタイヤの使い捨てのバルブステム（不図示）に、入手可能な圧力測定装置にとって従来の方法で、取り付けてもよい。本装置10は空気タイヤ内の空気圧の測定に使用するのに適用可能であるが、その使用はそのように限定されるものではない。安価な圧力測定装置を要求する、あるいは該測定装置利益が得られる他の用途では本発明が有用であることがわかるであろう。さらに、本発明の好ましい実施形態はパッシブであることを意図しているが、すなわち、以下に述べるように、送信装置／受信装置からのRF起動によって電力を供給されるものであるが、本発明は必ずそうすることを意図するものではない。ここに述べている発明の原理を使用することによって、装置が電源から直接電気を供給される「アクチブ」なセンサ構成の利点も得られる。

引き続き図1を参照すると、可撓性の導電性膜18でシールされ、標準の空洞内高圧P₀を有する、超小型化に作られた空洞16が示されている。説明の都合上、P₀の許容可能な多数の値の一つは35psi（35lb／in²）である。膜18は可撓性の導電性の適切な材料で作られてよい。適切な材料の範囲を制限するものではないが、そのような材料の１つは薄いポリシリコンである。膜18は、同じ圧力が膜１８に加えられると、SAW装置の裏側22に設けられているいくつかの細長い隆起20に接触するように作られている。これら隆起は通常電気的にフローティング状態のSAW装置の導電性のフィンガ24（「反射トランスデューサ」とも呼ぶ）に電気的に接続されている。圧力が正しいと、SAW装置の選択されたフィンガ24は接地され、パターン化された音響反射波が生成されてインパルスRF信号に加えられる。P_aが周囲圧力、P₀がトランスデューサ膜がシールされている圧力である図１において、3つの膜構造26、28、30が3つの状態Pa=P₀、P_a>P₀、P_a<P₀で示されている。P₀の値は公称タイヤ圧または他の参考圧力に設定することができる。

図１に示すように、装置10は、アンテナ３４に接続されている一組の互いに組み合わされたトランスデューサ（IDT）32を有するSAW装置から構成されているのが望ましい。狭いRFパルスが送信装置／受信装置36から発生され、アンテナ38によってSAWアンテナ34へ送信され、そして基板表面32，24に配置されたピエゾ圧電歪を用いてアンテナIDTによって音響パルスに変換される。このパルスは図１で見て左側に伝播する。もし膜18の上方の大気の圧力が、シールされている空洞16内の気体を圧縮するほど十分に高いと、膜18は導電、すなわち隆起16へとつぶれて、反射トランスデューサ24を短絡する。いくつかの選択された反射トランスデューサ４０のみが導電性メサに接続されていることが図１からわかる。これによって設計者は固有の識別パルス列を反射するセンサを製作することができる。このように、センサは単に圧力を測定するのみならず、センサに固有の識別パルス列によって自身を同定する。図１は入力パルス42と反射された固有の識別パルス列44のグラフを示している。

P_aが圧力P_oより小さい場合、膜18は導電性メサ20よりも浮き上がり、受信装置36に対して低下した反射信号を送出することになる。このように、識別信号は、圧力が十分に高い場合にのみ適所にあるので装置10は自己試験をも行っている。もし、膜１８、すなわちSAW装置に欠陥があると、低下あるいはゼロ反射信号、またはシステムが回路の故障を認めることを可能にする装置からの不正確なパターンが発生する。図１に示されている構成の場合、圧力は、設定されている圧力P₀より大きいか等しいか、あるいは小さいかが測定される。このような双安定モードは、自動車の用途においてタイヤ圧が突然無くなったことを検出することのような多くの用途に対して十分に正確である。したがって、本発明は、タイヤ圧が閾値未満に低下したとき、タイヤ圧を参照用の膜圧力および信号に対して測定する、ディジタルのオン／オフインディケータとして機能することができる。このような低下は「フラット」状態の発生と電気的に解釈されて、自動車のコンピュータに走行距離の追跡を開始させる。「ランフラット」モードのタイヤで走行した運転者に警告することは、自動車がフラットタイヤで、タイヤの設計されたランフラット限度を超えて走行するのを防止することになる。

装置の識別が要求されていない用途の場合、追加の反射トランスデューサ24を用いて本質的にオンまたはオフである双安定性の場合よりも分解能の高い圧力の測定値を返信することができる。この構成は、導電性メサ20の高さが、圧力の一定の変化が膜18をその近傍のメサに接触させるように設定されている図２に示されている。このように、所与の入力RFパルス46はトランスデューサから戻ってきた信号48になる。戻ってきた信号48に現われる戻りパルスの数はセンサの上方の大気圧の測定点となる。反射トランスデューサ24およびメサ20の数は装置の分解能を決めるために変えてもよい。

もし、膜18に予め張力がかけられていない場合、膜18の点（d_x）の変位は下記の式から計算できる。

ここで、ｘは図2に示されている膜18に沿った位置、Eは膜18の材質のヤング率、ｈは膜18の厚さ、aは膜18の長さである。したがってメサ20の高さはゲージの校正を可能にする圧力の関数として計算可能である。

機能システムが図3に示されている。デュアルSAW装置50が、単極2スローRFスイッチ54の常時開側を経由してRFシンセサイザ52(例えば、ヒューレットパッカード社によって販売されているシンセサイザーHP8657A)へ接続されるのを可能にする真ちゅうでシールされた取付具に配置されている。SAW装置50は97MHZで動作するように最適化され、シンセサイザ52はその周波数の連続信号を発生するように設定されている。RFスイッチ54(ミニサーキットモデルZFSW-2-46)をシンセサイザ52と、スイッチ54の常時開側56を約0.1μsの閉じてパルスのRF信号をSAW装置50に到達させる。パルス発生器62(HP8082A)に接続してもよい。RFスイッチ54は次にその通常の位置58に戻り、SAW装置からの反射信号をオシロスコープ（HP54522A)を使用して測定させる。測定結果は図4に示されている。

図4は８μm幅のトレース（ｔｒａｃｅｓ）と８μm幅のスペースの互いに組み合った入出力トランスデューサ32（IDT）（音響波長32μm）からの反射を時間の関数として示すグラフである。図3と図4を参照すると、発射トランスデューサAは反射トランスデューサBから5.7μm離れており、両トランスデューサは1.6ｍｍ幅（50個のフィンガ対×32μm＝1.6ｍｍ）であり、その結果、図4に見られる2つの主要な反射特性間で測定されたときのように、2倍の通過時間4.7μsecとなる。さらに、観察された0.35μsec周期の振動はオシロスコープのサンプリング周期に合わされた97MHzの反射の結果である。その包絡線は、オシロスコープ上の、狭い時間スケールで個別に観察可能な10nsecの周期のRF信号を実際に囲んでいる。さらに、包絡線の幅は2.4μsecで、音響波が7.6ｍｍ伝播することができる時間を表している。トランスデューサのスペーシング以外に、このオーダーの寸法を有する特徴はSAW装置上に存在しないので、SAW装置の共鳴構造に定在波が励起され、その減衰時間は2.4μsecであると結論される。装置の共鳴構造はこのようにして、得ることができる一時的な分解能を小さくする。

接地されたトランスデューサ(グラフ６６)と接地されていないトランスデューサ(グラフ64)の反射の包絡線の振幅を比較すると、接地されているトランスデューサの音響インピーダンスの方がフローティングになっているトランスデューサのものより大きく、より多くのエネルギーが反射されていることがわかる。本トランスデューサの構造は、図4に示すように反射体中のための共鳴構造を有しているので、最良のものではない。当業者に明らかであり、反射体の共鳴構造を最小にし、あるいは不用にする他の構造を案出してもよい。

現在、超小型化された圧力トランスデューサが市販されている。しかしながら、抵抗が膜の撓みによる歪の関数として変化するフィルムをベースにしているものもある。このように、圧力トランスデューサはフィルム内の小さな電流変化を測定し、圧力を記録する、感度の良い電子装置を必要としている。それには作動電源への接続をさらに必要としている。このような、電源を設けることは、回転するタイヤの用途の場合には車輪ハブの変更を必要とし、またはバッテリを必要とする。しかしながら、バッテリはその寿命が限られている。システムは、このような設計上の障壁を除去する。回転中のタイヤにはアクチブなバイアス電圧は必要ないので、エネルギ−の伝達はRFパルスによって行われる。このように、本装置は真にパッシブである。さらに、本センサは他のシステムや構造と比べて、比較的安価に製造および組立てできる。

上記から、本発明は現在入手可能な圧力システムの欠陥を克服するものであることが理解されるであろう。タイヤの圧力が感知され、予めセットされている閾値（膜内の圧力）と比較されるセンサは真のディジタルモードで動作することができる。タイヤ内の圧力は許容される、許容されないのいずれかである。センサはタイヤの圧力状態をその関連する遠隔の読取器に送信するだけでなく、タイヤを明確に識別する識別シーケンスをも送信することができる。他のセンサ構造で必要なバイアス電圧の問題のある使用は避けられる。したがって、センサは安価で、容易に作成、組立できるのみならず、このようなセンサを含むシステムはバイアス電圧の変化からの圧力読み取り誤差を生じ難い。

SAW圧力トランスデューサシステムの概略図と、入力RF信号とそれに応答する反射RF信号のグラフである。 装置の外部の実際の圧力を測定するように構成されたSAW圧力トランスデューサシステムの概略図である。 SAW装置からの音響波の反射を観測する測定装置の概略図である。 フローティング状態のトランスデューサを接地されたトランスデューサと比較するSAW反射のグラフである。

符号の説明

10 パッシブ圧力測定装置
12 弾性表面波（SAW）
14 圧力トランスデューサ
16 空洞
18 導電性膜
20 細長い隆起
24 反射トランスデューサ
26、28、30 膜構造
32 互いに組合わされたトランスデューサ（IDT)
34 アンテナ
36 受信装置
38 アンテナ
40 反射トランスデューサ
42、46 入射RFパルス
44、48 反射識別パルス列
50 デュアルSAW装置
52 RFシンセサイザ
54 RFスイッチ
56 通常開接点
58 通常閉接点
60 オシロスコープ
62 パルス発生器
64 フローティングング時のグラフ
66 接地時のグラフ
A 発射トランスデューサ
B 反射トランスデューサ

Claims (3)

1. 圧力センサにおいて、
   ボディの少なくとも表面部分にわたって、方向性のある音響波を送出するように配置された入力トランスデューサを有する弾性表面波導電性ボディと、
   前記音響波を受信し、反射信号として反射するように配置された少なくとも１つの反射トランスデューサと、
   前記弾性表面波導電性ボディに近接して配置され、可撓性の導電性膜を有する圧力トランスデューサと、
   前記導電性膜によってシールされ、予めセットされた参照圧力にある空洞と
   を有し、
   前記導電性膜は所定の外部圧力レベルに応答して変位し、前記反射トランスデューサに接触し、該反射トランスデューサによって反射された信号を変調することを特徴とする圧力センサ。
2. 前記反射トランスデューサは、前記弾性表面波導電性ボディに沿って配置されている複数の導電性フィンガを有し、該導電性フィンガの少なくとも１つが、電気的にフローティングの状態と、前記可撓性の導電性膜との電気的接触による接地状態との間を切替わる、請求項1記載の圧力センサ。
3. 前記導電性膜の変位の範囲が前記外部圧力レベルによって決まる、請求項２記載の圧力センサ。
   
   

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