JP4827837B2 - タイヤセンサシステム及びこれに用いるタイヤ - Google Patents

Description

本発明は、自動車等のタイヤ内に配置されたセンサの出力を車体側で利用可能なタイヤセンサシステム及びそれに用いるタイヤに関する。

近年、米国において、自動車にタイヤ空気圧を監視するタイヤ空気圧監視システムの搭載を義務づける動きがある。従来、タイヤの空気圧を直接測定する方式として、弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスを用いることで電池を不要にすることができるものがある。

また、タイヤに取り付けられる圧力センサ側と車体側の制御装置との間でのワイヤレス接続を実現する技術としては、両者の間の電磁的な結合を利用するＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）技術が知られている。このＲＦＩＤを用いた構成では、タイヤの内部空間に圧力センサを含んだＲＦＩＤトランスポンダ（ＲＦタグ）が配置され、車体側にリーダライタが配置される。

タイヤ内のＲＦＩＤトランスポンダと車体側のリーダライタとの間には、タイヤを構成するゴム等の部材が存在する。そのため、ＲＦＩＤトランスポンダ及びリーダライタ相互の電磁的な結合が弱くなり、車体側でタイヤ内のセンサの出力結果を受信する上で障害となり得るという問題があった。一方、ＲＦＩＤトランスポンダの送信出力を大きくしようとすると、消費電力が大きくなるという問題が生じる。

本発明は上記問題点を解決し、低消費電力で高感度にタイヤ内のセンサの出力を検知できるタイヤセンサシステム及びタイヤを提供することを目的とする。

本発明に係るタイヤセンサシステムは、車体に配置された制御ユニットと、前記車体のタイヤの内側に配置されたセンサユニットとが無線接続されるものにおいて、前記タイヤを構成する部材内に埋め込まれたブースターアンテナを有し、前記制御ユニットが、時間的に変化する送信電磁場を発生すると共に、前記センサユニットに起因する電磁場変動を検出し、前記センサユニットが、前記タイヤ内の目的量を測定するセンサと、前記センサの出力に応じて変調される送信交流電流を生成する応答回路と、前記送信交流電流に基づいて電磁場変動を生じる一次コイルアンテナと、を有し、前記ブースターアンテナが、前記一次コイルアンテナに磁気結合可能に配置された二次コイルアンテナであるものである。

他の本発明に係るタイヤセンサシステムは、車体に配置された制御ユニットと、前記車体のタイヤの内側に配置されたセンサユニットとが無線接続されるものにおいて、前記タイヤを構成する部材内に埋め込まれた複数のブースターアンテナを有し、前記制御ユニットが、時間的に変化する送信電磁場を発生すると共に、前記センサユニットに起因する電磁場変動を検出し、前記センサユニットが、前記タイヤ内の所定の目的量を測定するセンサと、前記センサの出力に応じて変調される送信交流電流を生成する応答回路と、前記送信交流電流に基づいて電磁場変動を生じる一次コイルアンテナと、を有し、前記複数のブースターアンテナが、磁気結合により互いに順次連鎖しつつ前記タイヤの周に沿って配列される二次コイルアンテナであり、少なくとも１つの前記ブースターアンテナが、前記一次コイルアンテナに直接、磁気結合可能に配置されるものである。

また他の本発明に係るタイヤセンサシステムにおいては、前記複数のブースターアンテナが、前記タイヤの全周に配列される。

別の本発明に係るタイヤセンサシステムにおいては、前記ブースターアンテナが、前記送信電磁場の変動周波数に応じた共振特性を有する。

本発明の好適な態様は、前記制御ユニットが、時間的に変化する送信電磁場を発生し、前記一次コイルアンテナが、前記送信電磁場の変化を前記センサユニットの駆動電力に変換するタイヤセンサシステムである。

本発明の好適な態様は、前記センサが、前記タイヤ内の気圧を測定する圧力センサであるタイヤセンサシステムである。

本発明に係るタイヤは、外部からの送信電磁場に応答して電磁場変動を発生するセンサユニットが内側の空間に配置されたものであって、当該タイヤを構成する部材内に埋め込まれたブースターアンテナを有し、前記センサユニットが、当該タイヤ内の所定の目的量を測定するセンサと、前記センサの出力に応じて変調される送信交流電流を生成する応答回路と、前記送信交流電流に基づいて前記電磁場変動を生じる一次コイルアンテナと、を有し、前記ブースターアンテナが、前記一次コイルアンテナに磁気結合可能に配置された二次コイルアンテナであるものである。

他の本発明に係るタイヤセンサシステムは、外部からの送信電磁場に応答して電磁場変動を発生するセンサユニットが内側の空間に配置されたタイヤであって、当該タイヤを構成する部材内に埋め込まれた複数のブースターアンテナを有し、前記センサユニットが、当該タイヤ内の所定の目的量を測定するセンサと、前記センサの出力に応じて変調される送信交流電流を生成する応答回路と、前記送信交流電流に基づいて前記電磁場変動を生じる一次コイルアンテナと、を有し、前記複数のブースターアンテナが、磁気結合により互いに順次連鎖しつつ当該タイヤの周に沿って配列される二次コイルアンテナであり、少なくとも１つの前記ブースターアンテナは、前記一次コイルアンテナに直接、磁気結合可能に配置されるものである。

また他の本発明に係るタイヤにおいては、前記複数のブースターアンテナが、当該タイヤの全周に配列される。

別の本発明に係るタイヤにおいては、前記ブースターアンテナが、前記送信電磁場の変動周波数に応じた共振特性を有する。

本発明の好適な態様は、前記一次コイルアンテナが、前記送信電磁場の変化を前記センサユニットの駆動電力に変換するタイヤである。

本発明の好適な態様は、前記センサが、当該タイヤ内の気圧を測定する圧力センサであるタイヤである。

本発明によれば、車体側の制御ユニットとタイヤ内のセンサユニットとの間に存在するタイヤ構成部材の中にブースターアンテナを埋設する。このブースターアンテナは、制御ユニット及びセンサユニット相互間の電磁場変動に介在し、両者間にて伝達される電磁場変動の減衰を抑制する。よって、低消費電力で高感度にタイヤ内のセンサの出力を検知できるタイヤセンサシステムが得られる。

実施形態に係るタイヤ圧力検知システムの概略の構成を示す模式図である。 実施形態に係る自動車のタイヤ及びその周辺の構造を示す模式図である。 実施形態に係る第１の構成例のタイヤの模式的な側面図である。 実施形態におけるセンサユニット及びセンサ制御ユニットの概略の回路図である。 コイルＬs及び容量Ｃsが構成するＬＣ共振回路の出力電圧Ｖsの、タイヤの空気圧Ｐに対する変化を示す模式的なグラフである。 実施形態に係る第２の構成例のタイヤを側面から見た形状を表した模式図である。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

図１は、自動車等の車両のタイヤ空気圧を検知するタイヤ圧力検知システムの概略の構成を示す模式図である。本システムは、自動車２の各タイヤ４に取り付けられたセンサユニット６及び図示されていないブースターアンテナと、車体８のタイヤ４の近傍位置に取り付けられたセンサ制御ユニット１０とを含んで構成される。センサユニット６とセンサ制御ユニット１０との間はワイヤレス接続される。センサユニット６は、取り付けられたタイヤの空気圧を検知し、そのデータを発信する。一方、センサ制御ユニット１０は、センサユニット６が発信するデータを検知し、例えば、ＥＣＵ等の車両制御ユニット１２へ通知する。車両制御ユニット１２は、例えば、タイヤ空気圧に応じて、車両の運行を制御したり、表示装置１４にタイヤ空気圧の測定結果を表示してドライバに通知することが可能である。

図２は、自動車２のタイヤ４及びその周辺の構造を示す模式図であり、同図は、車体８の前後方向に沿った軸に直交する断面を表している。センサユニット６は、ホイール１６に装着されたタイヤ４の内面に取り付けられる。例えば、センサユニット６はタイヤの側部の内側面に貼り付けられ、そのセンサユニット６が貼り付けられたタイヤ４の側面部材の中に、ブースターアンテナ１８が埋め込まれている。ブースターアンテナ１８は、基本的にはコイルであり、その一方の開口面をセンサユニット６に向けて配置される。車体８には、車体８に取り付けられた状態でのタイヤ４の側面に対向する位置にセンサ制御ユニット１０が配置される。タイヤ４が回転してセンサユニット６がセンサ制御ユニット１０に近接するタイミングにて、両者間にて電磁場変動が伝達される。ブースターアンテナ１８は、そのタイミングにてセンサユニット６とセンサ制御ユニット１０との間に介在し、電磁場変動の減衰を軽減する役目を果たす。

図３は、タイヤ４の一例の模式的な側面図である。図３に示す例では、タイヤ４の周上の例えば１箇所にセンサユニット６とブースターアンテナ１８とが互いに重なるように配置される。

図４は、センサユニット６、ブースターアンテナ１８及びセンサ制御ユニット１０の概略の回路図である。センサ制御ユニット１０は、コイルＬ1と、オペアンプＡ1とを含んで構成される。オペアンプＡ1は、その出力と一方の入力端子とがコイルＬ1を介して接続され、他方の入力端子に供給される周波数ｆ0のクロックに応じて、コイルＬ1に周波数ｆ0の交流電流を発生させる。また、コイルＬ1は、センサユニット６が発生する磁場変動を検知し、その変動を電圧に変換する。具体的には、オペアンプＡ1からコイルＬ1に供給される周波数ｆ0の電圧変化が、センサユニット６からの送信データに応じて振幅変調される。例えば、コイルＬ1の出力電圧として、オペアンプＡ1の出力端子の電圧が取り出される。センサ制御ユニット１０は、オペアンプＡ1の出力端子の電圧変化を検波して、センサユニット６からの送信データを抽出し、車両制御ユニット１２へ渡す。

ここで本システムでは、センサ制御ユニット１０とセンサユニット６とが接近した際にブースターアンテナ１８を介して両者が電磁的な結合を強めることができる。言い換えれば、ブースターアンテナ１８は、センサユニット６及びセンサ制御ユニット１０相互間を中継し、両者間の距離や媒体、特にタイヤ４の壁面による電磁場変動の減衰を軽減する。本システムでは、これを利用して、センサユニット６とセンサ制御ユニット１０との間の好適なワイヤレス接続を実現する。

ブースターアンテナ１８はコイルを主要部として構成され、センサユニット６のコイルＬ2と磁気結合するように配置される。例えば、両コイルのコイル面が互いに向き合うように配置することで両コイルは良好に磁気結合する。また、ブースターアンテナ１８はそのコイルのインダクタンスと容量成分とに応じた共振特性を有する。この共振特性は、センサ制御ユニット１０のコイルＬ1が生じる電磁場変動の周波数を考慮して設定される。すなわち、センサ制御ユニット１０が生じる周波数ｆ0の電磁場変動にブースターアンテナ１８が共振し得るように、ブースターアンテナ１８のコイルのサイズや巻線数といった回路定数が定められる。ブースターアンテナ１８がセンサ制御ユニット１０が発生する周波数ｆ0の成分に対して共振現象を起こすことによって、ブースターアンテナ１８に磁気結合するコイルＬ2に当該周波数ｆ0の成分が効果的に伝達される。

センサユニット６において、コイルＬ2にはコンデンサＣ1が並列接続され、これらコイルＬ2及びコンデンサＣ1は並列ＬＣ共振回路を構成する。コンデンサＣ1の容量は、当該並列ＬＣ共振回路の共振周波数がｆ0となるように設定される。このＬＣ共振回路の構成により、コイルＬ2は、外界の交流磁場のうち、センサ制御ユニット１０が発生する周波数ｆ0の成分に対して共振現象を起こし、コイルＬ2の両端に発生する交流の電圧振幅を増幅させることができる。コイルＬ2の一方端子は抵抗Ｒ1を介して接地されると共に、後述するトランジスタＴrに接続される。

コイルＬ2の他方端子にはクロック生成回路３０、レベル検出回路３２、及び電源回路３４が接続される。

クロック生成回路３０は、ダイオードＤ1、コンデンサＣ2、及びクロック発生器３６を含んで構成される。ダイオードＤ1は一方端子をコイルＬ2に接続され、他方端子をコンデンサＣ2の一方端子及びクロック発生器３６に接続される。コンデンサＣ2の他方端子は接地される。ダイオードＤ1はコイルＬ2が生じる交流を入力され、これを半波整流して出力する。コンデンサＣ2は容量が比較的小さく、その平滑化作用が小さいので、クロック発生器３６には、ダイオードＤ1から出力される周波数ｆ0で変動する電圧信号が入力される。クロック発生器３６は、この電圧信号を基準信号として入力され、その周期に応じたクロック信号を生成して出力する。例えば、クロック発生器３６は、基準信号と同じ周波数ｆ0のクロック信号を出力する。また、クロック発生器３６は、基準信号を分周した周波数のクロック信号を生成して出力するように構成することもできる。

レベル検出回路３２は、ダイオードＤ2、コンデンサＣ3、基準電圧源３８、及び比較器４０を含んで構成される。ダイオードＤ2は一方端子をコイルＬ2に接続され、他方端子をコンデンサＣ3の一方端子及び比較器４０に接続される。コンデンサＣ3の他方端子は接地される。ダイオードＤ2はコイルＬ2が生じる交流を入力され、これを半波整流して出力する。コンデンサＣ3は、例えば、数１００ｋＨｚから数１０ＭＨｚといった比較的高い周波数ｆ0での変動を平滑化する大きさの容量を有する。すなわち、ダイオードＤ2及びコンデンサＣ3は、コイルＬ2に生じる周波数ｆ0の電圧信号を検波して、振幅変調成分を取り出す。その結果、コンデンサＣ3からは、ダイオードＤ2の出力に現れる周波数ｆ0に比べて低い周波数での電圧変動が取り出され、これが比較器４０の一方端子に入力される。そのような低い周波数での変動は、本システムにおいては、センサユニット６が取り付けられたタイヤ４の回転によるセンサユニット６とセンサ制御ユニット１０との距離の周期的変化に起因して生じ得る。

比較器４０は、一方端子に入力されたコンデンサＣ3からの電圧信号Ｖsigと、基準電圧源３８から他方端子へ入力される一定電圧Ｖrefの信号とを比較し、Ｖsigが閾値電圧Ｖref以上である期間には、デジタル値“１”に対応するＨレベルの電圧を出力し、一方、ＶsigがＶref未満である期間には、デジタル値“０”に対応するＬレベルの電圧を出力する。この比較器４０の出力は、後述するように、センサユニット６がセンサ制御ユニット１０に所定距離以内に接近した状態においてのみ送信データの発信を行わせるために用いられる。この目的に対応して、基準電圧源３８の電圧Ｖrefは、センサユニット６とセンサ制御ユニット１０との接近状態におけるＶsigの値に基づいて予め定められる。なお、基準電圧源３８はレギュレータ回路等により構成することができる。

電源回路３４は、ダイオードＤ3及びコンデンサＣ4を含んで構成され、センサユニット６の各部で必要とされる電力を供給する。電源回路３４の入力端と出力端との間にはダイオードＤ3が配置され、出力端にはコンデンサＣ4の一方端子が接続される。コンデンサＣ4の他方端子は接地される。電源回路３４の入力端はコイルＬ2に接続される。ダイオードＤ3はコイルＬ2からの交流を整流し、その出力でコンデンサＣ4を充電する。コンデンサＣ4は、例えば電解コンデンサ等の大きな容量を有するコンデンサで構成され、ダイオードＤ3の出力を平滑化し直流にして電源回路３４から出力する。

センサユニット６は、タイヤの空気圧を検知する圧力センサ４２を備える。圧力センサ４２は、容量型圧力センサであり、圧力Ｐに応じて電気容量Ｃsを変化させるセンサ素子である。圧力センサ４２の容量Ｃsは、コイルＬsと共に並列ＬＣ共振回路を構成する。コイルＬsはコイルＬeとトランス結合される。コイルＬeはクロック発生器３６が生成するクロックをバッファ回路４４を介して入力される。

図５は、コイルＬs及び容量Ｃsが構成するＬＣ共振回路の出力電圧Ｖsの、タイヤの空気圧Ｐに対する変化を示す模式的なグラフである。当該ＬＣ共振回路は、基準圧力Ｐ0での容量Ｃsの値に対して、クロック発生器３６の出力クロックの周波数で共振し、電圧Ｖsが極大となるように構成される。空気圧Ｐが基準圧力Ｐ0からずれるに従って、電圧Ｖsは低下する。例えば、基準圧力Ｐ0は、正常とされる圧力範囲の中心値に設定され、電圧Ｖsが所定の閾値以上である場合に、車両制御ユニット１２が正常と判断するように構成することができる。

また、センサユニット６は、温度センサ４６及びメモリ４８を備えることができる。

ＬＣ共振回路の出力電圧Ｖs及び温度センサ４６の出力電圧は、Ａ／Ｄ（Analog-to-Digital）変換回路５０に入力される。Ａ／Ｄ変換回路５０は、これらアナログ信号である入力信号をデジタルデータに変換する。ちなみに、Ａ／Ｄ変換回路５０は、電源回路３４から駆動電力を供給され、また、クロック発生器３６の出力クロックをＡ／Ｄ変換処理に利用するように構成することができる。

メモリ４８は、タイヤの種類や製造時期等といった、センサユニット６が取り付けられているタイヤに関する情報を予め格納されている。

送信データ生成回路５２は、メモリ４８から情報を読み出すと共に、その情報を表すデータとＡ／Ｄ変換回路５０から出力されるデータとを所定のフォーマットで格納した送信データを生成し、その送信データを構成するビット列に従って、ＨレベルとＬレベルとを切り換えて出力する。

送信データ生成回路５２の出力は、バッファ回路５４を介してＡＮＤゲート５６の一方端子に入力される。ＡＮＤゲート５６の他方端子には、レベル検出回路３２の出力が入力される。ＡＮＤゲート５６は、レベル検出回路３２の出力がＨレベルのときだけ、選択的に、圧力データ等を含む送信データを透過させる。

トランジスタＴrは、ＡＮＤゲート５６の出力をゲートに印加される。例えば、トランジスタＴrは、ＡＮＤゲート５６の出力がＨレベルのときオン状態となり、コイルＬ2はトランジスタＴrを介して接地される。一方、トランジスタＴrは、ＡＮＤゲート５６の出力がＬレベルのときオフ状態となり、このときコイルＬ2は抵抗Ｒ1を介して接地される。この構成により、コイルＬ2のインピーダンスは、トランジスタＴrがオフ状態のときよりオン状態のときの方が小さくなる。

このコイルＬ2のインピーダンスの変化は、当該コイルＬ2とブースターアンテナ１８とを結合する電磁場の変動をもたらし、さらにブースターアンテナ１８とコイルＬ1を結合する電磁場の変動をもたらして、センサ制御ユニット１０側にてコイルＬ1の端子間電圧に影響を与える。すなわち、センサ制御ユニット１０はコイルＬ1により、センサユニット６が送信データに応じて発生する磁場変動を電圧変化として検出することができる。センサ制御ユニット１０は、周波数ｆ0のキャリアに重畳された電圧変化を検波することにより、センサユニット６からの送信データを再生し、車両制御ユニット１２へ出力する。

上述の構成では、ブースターアンテナ１８はセンサユニット６に応じた位置に１つだけ設けた。しかし、ブースターアンテナ１８を複数設ける構成も可能である。図６は、その構成例であるタイヤ４の模式的な側面図である。図６に示す例では、タイヤ４の周に沿って複数のブースターアンテナ１８，７０が配列される。ここで、ブースターアンテナ１８は、センサユニット６のコイルＬ2に直接、磁気結合する。一方、各ブースターアンテナ７０は、隣り合うもの同士が部分的にコイル面をオーバーラップさせて配置され、磁気結合する。この隣り合うもの同士の磁気結合によって、ブースターアンテナ７０はブースターアンテナ１８から順番に連鎖し、ブースターアンテナ１８を介して間接的にコイルＬ2に磁気結合する。例えば、ブースターアンテナ７０は図６に示すようにタイヤ４の全周に配列することができる。この構成では、タイヤ４の回転位置に関わらずいずれかのブースターアンテナ１８，７０がセンサ制御ユニット１０のコイルＬ1に向き合って磁気結合する。つまり、センサユニット６がセンサ制御ユニット１０に向き合う位置になくても、コイルＬ2とＬ1との間で、ブースターアンテナ１８，７０を介して電磁場の変動が伝達可能となる。これにより、タイヤ４の回転位置に関わらず、タイヤの空気圧を車体側で監視することができる。

なお、ブースターアンテナ７０の連鎖はタイヤの周の一部分だけに配置することもできる。その場合には、その連鎖が配置された回転角度の範囲内にて、コイルＬ2とＬ1との間の電磁場による伝達が可能となる。

Claims (10)

1. 車体に配置された制御ユニットと、前記車体のタイヤの内側に配置されたセンサユニットとが無線接続されるタイヤセンサシステムにおいて、
   前記タイヤを構成する部材内に埋め込まれた複数のブースターアンテナを有し、
   前記制御ユニットは、時間的に変化する送信電磁場を発生すると共に、前記センサユニットに起因する電磁場変動を検出し、
   前記センサユニットは、
   前記タイヤ内の所定の目的量を測定するセンサと、
   前記センサの出力に応じて変調される送信交流電流を生成する応答回路と、
   前記送信交流電流に基づいて電磁場変動を生じる一次コイルアンテナと、
   を有し、
   前記複数のブースターアンテナは、磁気結合により互いに順次連鎖しつつ前記タイヤの周に沿って配列される二次コイルアンテナであり、
   少なくとも１つの前記ブースターアンテナは、前記一次コイルアンテナに直接、磁気結合可能に配置されること、
   を特徴とするタイヤセンサシステム。
2. 請求の範囲第２項に記載のタイヤセンサシステムにおいて、
   前記複数のブースターアンテナは、前記タイヤの全周に配列されること、を特徴とするタイヤセンサシステム。
3. 請求の範囲第２項又は請求の範囲第３項に記載のタイヤセンサシステムにおいて、
   前記ブースターアンテナは、前記送信電磁場の変動周波数に応じた共振特性を有すること、を特徴とするタイヤセンサシステム。
4. 請求の範囲第２項又は請求の範囲第３項に記載のタイヤセンサシステムにおいて、
   前記一次コイルアンテナは、前記送信電磁場の変化を前記センサユニットの駆動電力に変換すること、
   を特徴とするタイヤセンサシステム。
5. 請求の範囲第２項又は請求の範囲第３項に記載のタイヤセンサシステムにおいて、
   前記センサは、前記タイヤ内の気圧を測定する圧力センサであること、を特徴とするタイヤセンサシステム。
6. 外部からの送信電磁場に応答して電磁場変動を発生するセンサユニットが内側の空間に配置されたタイヤであって、
   当該タイヤを構成する部材内に埋め込まれた複数のブースターアンテナを有し、
   前記センサユニットは、
   当該タイヤ内の所定の目的量を測定するセンサと、
   前記センサの出力に応じて変調される送信交流電流を生成する応答回路と、
   前記送信交流電流に基づいて前記電磁場変動を生じる一次コイルアンテナと、
   を有し、
   前記複数のブースターアンテナは、磁気結合により互いに順次連鎖しつつ当該タイヤの周に沿って配列される二次コイルアンテナであり、
   少なくとも１つの前記ブースターアンテナは、前記一次コイルアンテナに直接、磁気結合可能に配置されること、
   を特徴とするタイヤ。
7. 請求の範囲第８項に記載のタイヤにおいて、
   前記複数のブースターアンテナは、当該タイヤの全周に配列されること、を特徴とするタイヤ。
8. 請求の範囲第８項又は請求の範囲第９項に記載のタイヤにおいて、
   前記ブースターアンテナは、前記送信電磁場の変動周波数に応じた共振特性を有すること、を特徴とするタイヤ。
9. 請求の範囲第８項又は請求の範囲第９項に記載のタイヤにおいて、
   前記一次コイルアンテナは、前記送信電磁場の変化を前記センサユニットの駆動電力に変換すること、
   を特徴とするタイヤ。
10. 請求の範囲第８項又は請求の範囲第９項に記載のタイヤにおいて、
    前記センサは、当該タイヤ内の気圧を測定する圧力センサであること、を特徴とするタイヤ。

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