JP5075623B2 - タイヤセンサシステム及びそれを搭載する車体 - 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を搭載する車体に関する。

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、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。両者の間のワイヤレス接続方式は、電磁場の変動周波数や通信距離に応じて、便宜上、電波方式、電磁誘導方式、及び電磁結合方式に分類されるが、いずれも電磁場の変動を媒介する点で物理的に本質的な違いはない。

タイヤの回転位置がＲＦＩＤトランスポンダをリーダライタに接近させる位置である場合、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は電磁場により直接的に良好に接続され得る。しかし、タイヤがその位置から回転すると例えば、両者の距離の拡大の他、両者間に介在するタイヤ構成部材の量の増加、両者のアンテナを構成するコイルの指向性のずれといった要因により、両者間のワイヤレス接続が困難となり、センサの検出結果を車体側で取得することができない状態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、タイヤの回転位置に関わらず、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それを搭載する車体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、前記車体に取り付けられた反射部材を有し、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前記電磁場変動を生じるコイルアンテナと、を有し、前記反射部材が、前記制御ユニットからの前記送信電磁場を反射し、前記制御ユニットと前記センサユニットとの前記無線接続を中継するものである。

本発明の好適な態様は、前記反射部材が、前記車体のホイールハウスの内側面に配置されるタイヤセンサシステムである。

本発明の他の好適な態様は、前記反射部材が、金属板であるタイヤセンサシステムである。

本発明に係る車体は、装着されるタイヤに配置されるセンサユニットに対して無線接続される制御ユニットを備えたものであって、当該車体の所定位置に取り付けられた反射部材を有し、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、前記反射部材が、前記制御ユニットからの前記送信電磁場を反射し、前記制御ユニットと前記センサユニットとの前記無線接続を中継するものである。

本発明の好適な態様は、前記反射部材が、当該車体のホイールハウスの内側面に配置される車体である。

本発明の他の好適な態様は、前記反射部材が、金属板である車体である。

本発明によれば、制御ユニットとセンサユニットとの間にて送信電磁場が反射部材で中継されて伝播する。これにより、制御ユニットとセンサユニットとの間の直線経路上に存在するタイヤ等の減衰材を迂回したり、センサユニットのコイルアンテナの指向性と送信電磁場の伝播方向とを合わせることが可能となり、制御ユニットとセンサユニットとのワイヤレス接続がより好適に実現される。

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。 実施形態に係るタイヤ及びホイールハウスに関する部分の模式図である。 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。

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及びホイールハウス１６に関する部分の模式図であり、車両の側方から見た図である。センサユニット６は、ホイール１８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はタイヤの内側底面に貼り付けられる。例えば、センサユニット６はフレキシブル基板上に平面的に形成することができ、そのコイルアンテナも当該基板とコイル開口面を一致させるように形成される。これにより、センサユニット６のコイルアンテナの開口面はタイヤの径方向に向く。これにより、センサユニット６は当該径方向を極大方向とするダイポール型の指向性を有する。車体８にはセンサ制御ユニット１０が、例えば、ホイールハウスの頂部に取り付けられる。センサ制御ユニット１０のコイルアンテナはその開口面を上下方向に向けて配置され、当該方向を極大方向とするダイポール型の指向性を有する。ホイールハウスの下方端部の内側面には反射板２０が取り付けられている。反射板２０の反射面の向きは、センサ制御ユニット１０の位置と所望の反射方向とに応じて設定される。センサユニット６が頂部近傍に存在するとき、センサ制御ユニット１０は直接、センサユニット６と電磁的に結合する。一方、センサユニット６が頂部から離れ、図２においてタイヤの側部、さらに下部に移動するにつれ、センサユニット６及びセンサ制御ユニット１０それぞれのコイルアンテナの向きのずれや両者の間に存在するタイヤ４による減衰によって、両者は直接的に結合しにくくなる。この場合には、センサ制御ユニット１０から放射される電磁場のうち、反射板２０によって反射されたものがセンサユニット６に作用し、この反射板２０で中継される電磁場によって両者の電磁的な結合が実現され得る。

図３は、センサユニット６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、上記コイルアンテナであるコイル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。

センサユニット６は、コイルアンテナとしてコイルＬ2を有し、このコイルＬ2とコイルＬ1との間の電磁場を介してセンサ制御ユニット１０にワイヤレス接続される。例えば、本システムでは、両者がコイルＬ1とコイルＬ2とが接近した際に直接的にトランス結合することと、反射板２０を介して間接的にトランス結合することを利用してワイヤレス接続が実現される。センサ制御ユニット１０側にてコイルＬ1が周波数ｆ0の電磁場変動を発生させると、トランス結合したコイルＬ2の両端に、周波数ｆ0の交流電圧が発生する。

コイルＬ2にはコンデンサＣ1が並列接続され、これらは並列ＬＣ共振回路を構成し、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との位置関係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と好適にワイヤレス接続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のコイルＬ2及びセンサ制御ユニット１０のコイルＬ1が互いにトランス結合した状態における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４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）Ａ／Ｄ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、コイルＬ1、Ｌ2を結合する電磁場の変動をもたらし、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。ここで、コイルＬ1，Ｌ2が反射板２０を介して電磁的に結合している場合も、センサ制御ユニット１０にてコイルＬ2のインピーダンスの変化を検出することができる。具体的にはこの場合、コイルＬ2のインピーダンスの変化は反射板２０とコイルＬ2との間の電磁場の変動をもたらし、この変動が反射板２０を介して、反射板２０とコイルＬ1との間の電磁場の変動を生起させる。このようにして、この場合にもセンサ制御ユニット１０でセンサユニット６からの送信データを受信することが可能となる。

なお、反射板２０の反射面は平面とすることができる他、例えば、パラボナアンテナのようにタイヤに向かって凹部形状の面として電磁場変動の集束を図り、その焦点近傍にセンサユニット６が回転してきたときに、当該センサユニット６とセンサ制御ユニット１０との電磁的な結合を良好とするように構成することもできる。

Claims (4)

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、
   前記車体に取り付けられた反射部材を有し、
   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コイルアンテナと、
   を有し、
   前記反射部材は、前記車体のホイールハウスの内側面に配置され、前記制御ユニットからの前記送信電磁場を反射し、前記制御ユニットと前記センサユニットとの前記無線接続を中継すること、
   を特徴とするタイヤセンサシステム。
2. 請求項１に記載のタイヤセンサシステムにおいて、
   前記反射部材は、金属板であること、を特徴とするタイヤセンサシステム。
3. 装着されるタイヤに配置されるセンサユニットに対して無線接続される制御ユニットを備えた車体であって、
   当該車体の所定位置に取り付けられた反射部材を有し、
   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、
   前記反射部材は、当該車体のホイールハウスの内側面に配置され、前記制御ユニットからの前記送信電磁場を反射し、前記制御ユニットと前記センサユニットとの前記無線接続を中継すること、
   を特徴とする車体。
4. 請求項３に記載の車体において、
   前記反射部材は、金属板であること、を特徴とする車体。

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