JP5168681B2 - タイヤ空気圧センサおよびタイヤ空気圧監視装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動車などのタイヤ内部の空気圧変動を監視し、タイヤのパンクやバースト等の原因となる空気圧異常状態を検出して運転者に通知警告することにより自動車の安全性を確保するためのタイヤ空気圧センサに関するものであり、さらに詳しくは、極めて軽量のフィルム状圧電センサにより、ホイールバランスに対する影響が小さく、長寿命の空気圧検出部を実現できるタイヤ空気圧センサに関するものである。

タイヤ空気圧の異常（異常低下、異常上昇等）は、タイヤトレッド両肩の異常磨耗や発熱とそれによるバースト、操縦安定性の減少、燃費の悪化、低走行速度でのハイドロプレーニング発生など重大な事故につながる恐れがあり、これを常時監視することは自動車の安全性を確保する上で重要なことである。これまでにも、使用中のタイヤ内部の空気圧を各種圧力センサによって検出し、これを無線などによって車両に伝達し、運転者に異常発生時に警告する技術が多く開発されている。

例えば、特許文献１には、タイヤリムを貫通して取り付けられるタイヤバルブに一体成形したタイヤ空気圧検知手段が開示されている。バルブステムのタイヤ内部側側面に圧力センサと一体化した半導体チップを樹脂によってモールドし、その信号をバルブステムのタイヤ外部側側面に一体成形したアンテナから送信する構造となっている。

また、特許文献２には、空気圧センサーの外郭形状を曲面状にし、タイヤリムへの取り付けを容易にする手段が開示されている。さらに、特許文献３にはタイヤのインナーライナーにアンテナを貼り付け、空気圧監視装置をこれに接続して車両との信号伝達を容易にする手段が開示されている。そして、特許文献４には、半導体チップ上に圧力センサと温度センサを同時に配置し、圧力センサの温度補償を可能とする空気圧監視装置が開示されている。
特開２００５−１８６６５８号公報 特開２００４−３１７１９８号公報 特開２００１−１３０４２号公報 特開２００５−１１４５５８号公報

従来は、タイヤ内部の空気圧検出に半導体のピエゾ抵抗効果を利用したセンサや、静電容量型のセンサが多用されていた。走行中のタイヤ内部は高温多湿であり、かつ温度の変動も大きい。従来の半導体型や静電容量型の圧力センサでは、センサ特性の温度による変動を補償する回路が必須であり、回路構成が複雑になっていた。さらに、温度補償回路を駆動するための電力が必要であり、空気圧検出部の内部に電池を備える場合には使用可能時間が短くなってしまう。空気圧検出部の外部から電力供給する場合には受電回路を大容量化する必要があり、そのための装置が大型化して重量が増大し、タイヤのバランスを保持するためのバランスウェィトなども必要となってしまう。

そこで、本発明は、極めて軽量のフィルム状圧電センサにより、ホイールバランスに対する影響が小さく、長寿命の空気圧検出部を実現できるタイヤ空気圧センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のタイヤ空気圧センサは、タイヤ内部の空気圧が検出可能な位置に配置されるフィルム状の圧電センサからなるタイヤ空気圧センサであって、前記圧電センサは、ポリイミドからなり可撓性を有するフィルム状の基板と、前記基板の裏面側に積層された第１電極層と、前記基板の表面上に直接積層された圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜の表面側に積層された第２電極層とを含むものである。

また、上記のタイヤ空気圧センサにおいて、前記圧電センサは、前記圧電体薄膜が１層の圧電センサを、前記第２電極層が内側となるように２枚重ねた構造のものであることが好ましい。

また、上記のタイヤ空気圧センサにおいて、前記圧電体は窒化アルミニウムであることが好ましい。

また、上記のタイヤ空気圧センサにおいて、前記圧電体を酸化亜鉛とすることもできる。

また、上記のタイヤ空気圧センサにおいて、前記圧電センサを、タイヤ接地部の内面に密着配置することができる。

また、上記のタイヤ空気圧センサにおいて、前記圧電センサを、リム外周面に密着配置することができる。

また、上記のタイヤ空気圧センサにおいて、前記圧電センサを、タイヤ内側のバルブ表面に配置することができる。

また、本発明のタイヤ空気圧監視装置は、上記のタイヤ空気圧センサを、タイヤ接地部内面に配置して備えたタイヤ空気圧監視装置であって、前記圧電センサの検出電圧波形から、タイヤ接地部の円周方向角度である接地角を求め、前記接地角から空気圧を求める演算部を有するものである。

また、本発明のタイヤ空気圧監視装置は、上記のタイヤ空気圧監視装置であって、前記圧電センサを、タイヤ接地部内面の円周方向複数の位置に配置して備えることができる。

本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。

本発明のタイヤ空気圧センサは、極めて薄いフィルム状の圧電センサであり、極めて軽量でホイールバランスに対する影響を大幅に低減することができる。また、本発明のタイヤ空気圧センサは、極めて薄いフィルム状で柔軟性に富んであり、タイヤの内面やその他の曲面部分にも容易に取り付けることができる。

圧電センサが２層の圧電体薄膜を有しているので、圧力を受ける圧電層の面積が２倍になり、高感度の圧力センサとすることができる。

本発明のタイヤ空気圧センサは、空気圧検出に電力供給を必要とせず、低消費電力で長時間の使用が可能な空気圧監視装置を実現できる。また、低価格で長寿命の空気圧監視装置を実現できる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明のタイヤ空気圧センサとして使用するフィルム状の圧電センサ１の積層構造を示す断面図である。圧電センサ１はタイヤ空気圧センサとしての基本構造をなすものである。

基板１０は可撓性を有する高分子材料からなるフィルムであり、この基板１０の上面側に圧電層１１が形成されている。基板１０は、例えばポリイミドのフィルムが使用できる。圧電層１１は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の薄膜である。圧電体としての窒化アルミニウムは、ポリイミドのフィルム上でもｃ軸配向を示し、十分な圧電性を持つことが確認されている。また、ポリイミドのフィルムは耐熱性の点でも優れている。

なお、圧電層１１は窒化アルミニウムの薄膜が好ましいが、その他の圧電性を有する金属化合物を使用することもできる。圧電性金属化合物としては、窒化アルミニウム以外には、酸化亜鉛、窒化ガリウム、窒化インジウム、ニオブ酸リチウムが使用できる。すなわち、圧電層１１としては、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、窒化ガリウム、窒化インジウム、ニオブ酸リチウム等が使用できるが、耐熱性、検出出力の温度特性などからは、窒化アルミニウム、酸化亜鉛が望ましく、特に窒化アルミニウムが最も適している。

圧電層１１は、スパッタリング法によって形成できるが、その他のイオンプレーティング、ＣＶＤなどの薄膜形成方法を使用してもよい。特に、スパッタリング法を用いて圧電層１１の薄膜形成を行った場合は、圧電層１１の結晶配向度を高めることができ、圧電特性を向上させることができるので望ましい。スパッタリング法は、例えば高周波マグネトロンスパッタリング法が使用できる。圧電層１１の膜厚は、０．５μｍ〜１０μｍが望ましいが、あまり薄すぎると膜質が一定にならなかったり、厚すぎると製膜に時間を要したりするので、１μｍ程度が望ましい。

圧電層１１には、スパッタリング法を用いて成膜した窒化アルミニウムを使用した場合、窒化アルミニウムはキュリー点が存在しないために６００度以上の高温環境でも圧電性を失わず、耐熱性に優れたタイヤ空気圧センサとすることができる。また、感度特性の温度依存性が極めて小さく、余分な補償回路を必要としない。薄膜状圧電体を積層させる基板１０としては、ポリイミド（ＰＩ）の他にもポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの高分子フィルムを用いることが可能である。

基板１０には、柔軟で十分な機械的強度および１００度以上の耐熱性があることが望ましく、機械的な強度および耐熱性に優れるポリイミドがもっとも望ましい。基板１０の厚みは薄すぎると機械的強度が不十分となり、厚すぎると電気的な損失が大きくなるため、１μｍ〜１０μｍの範囲であることが望ましい。

さらに、基板１０の下面側と圧電層１１の上面側には、それぞれ第１電極層１２および第２電極層１３が形成されている。第１電極層１２および第２電極層１３としては、膜厚０．１μｍ（１００ｎｍ）程度の白金（Ｐｔ）薄膜を利用できる。これらの電極層については、白金、金、銀、銅など各種金属や導電性を有する物質を使用することができる。電極層の腐食を防止するためには白金を用いることが好ましい。電極層の形成はスパッタリング法や蒸着法、さらにスクリーン印刷など一般的に用いられている方法で形成することができる。基板１０や圧電層１１との密着性を高めるためにはスパッタリング法で形成するのが好ましい。

図２は、他の形態の圧電センサ２の構成を示す断面図である。図１に示す圧電センサ１を２層積層して構成したものである。この圧電センサ２は、以下のようにして作成する。まず、図１で説明したように、基板１０に圧電層１１、第１電極層１２、第２電極層１３を積層形成して圧電センサ１を作成する。もう１枚の圧電センサに、電極層に検出端子やリード線等を接続するための接続穴１４を形成して圧電センサ１ａとする。

そして、圧電センサ１の第２電極層１３側と、圧電センサ１ａの第２電極層１３ａ側が接触するように重ね合わせて接着する。第２電極層１３と第２電極層１３ａとは電気的に接続される。接続穴１４を通して検出端子やリード線等を第２電極層１３ａに接続する。第１電極層１２と第１電極層１２ａも電気的に接続される。これらの第１電極層１２、第１電極層１２ａに、もう一方の検出端子やリード線等が接続される。

圧電センサ２は、このように圧電センサ１に対応するものを２層重ね合わせて構成したので、圧力を受ける圧電層の面積が２倍になり、高感度の圧力センサとすることができる。また、圧電センサ２の内部が第１電極層１２と第１電極層１２ａによってシールドされる構造となるので、外部からの電磁誘導ノイズ等を排除してＳ／Ｎ比を向上させることができる。なお、第２電極層１３と第２電極層１３ａが外側になるように積層することもできるが、図示のように第２電極層１３を内側にした方が圧電層１１，１１ａが保護されるので好ましい。

また、図２では２枚の圧電センサ１と圧電センサ１ａとを重ね合わせて積層するようにしたが、１枚の圧電センサ１を第２電極層１３が内側になるように折りたたんで接着してもよい。この場合も、圧電センサ１の適宜位置に予め接続穴１４を形成しておく。なお、圧電センサの接着方法はシリコンゴムやエポキシなどの接着剤を用いるが、センサの柔軟性を保持するためにはシリコンゴムが好ましい。

図３は、さらに他の形態の圧電センサ３の構成を示す断面図である。図２に示す圧電センサ２に対応するものの上下両面に、保護フィルム３１，３２を接着してセンサ全体を覆うようにしたものである。圧電センサ本体が保護フィルム３１，３２によって保護されるため、耐熱性、耐久性がさらに向上する。そして、それぞれの保護フィルム３１，３２に金属のシールド層３３，３４を形成しておけば、電磁誘導ノイズ等に対するシールド性が向上してさらにＳ／Ｎ比を向上させることができる。

なお、図２および図３に示す圧電センサ２，３の厚さは全体で６０μｍ程度とすることができる。このため、極めて薄いフィルム状のタイヤ空気圧センサとなり、質量も極めて小さくなるため、ホイールバランスに対する影響を大幅に低減することができる。また、本発明のタイヤ空気圧センサは、極めて薄いフィルム状で柔軟性に富んであり、タイヤの内面やその他の曲面部分にも容易に取り付けることができる。さらに、本発明のタイヤ空気圧センサは、空気圧検出に電力供給を必要とせず、低消費電力の空気圧監視装置を実現できる。

図４は、タイヤ接地部の内面にタイヤ空気圧センサとしての圧電センサ２を貼り付けて密着配置した例を示す図である。走行中のタイヤ４は、支えている車体重量のために、図４に示すように路面との接地箇所において変形が発生している。この変形量はタイヤ４内部の空気圧が減少するにつれて大きくなる。接地箇所以外ではタイヤ４の形状は円弧状であるが、接地箇所ではタイヤ４は平面状に変形する。走行によるタイヤ回転によって、タイヤ表面が非接地状態から接地状態へ、あるいはその逆の遷移を行うとき、タイヤ接地部の形状の変化率が大きくなる。また、タイヤ４内部の空気圧が減少するにしたがってタイヤ４と路面との接地面積が増大する。

ここで、薄膜状圧電体を用いたフィルム状の圧電センサ２は、曲げによって形状が変化すると電荷を発生し、電極間の電位差を発生する。この圧電センサ２をタイヤ接地部の内面に貼り付けることによって、貼り付け位置におけるタイヤ接地部の変形の発生を検知することができる。

図５は、タイヤ４の回転角度とセンサの発生電圧の関係を示したものである。内面に圧電センサ２を貼り付けたタイヤ４の部分が非接地状態から接地状態に遷移すると、曲面状から平面状にタイヤ内面の形状が変化するためパルス状の出力電圧が発生する。また、逆に接地状態から非接地状態に遷移すると平面状から曲面状にタイヤ内面の形状が変化するため符号が反転したパルス状の出力電圧が発生する。

これらのパルス間の回転角度（＝接地角Ａ）を計測し、得られた接地角Ａとタイヤの半径および幅とから、タイヤの接地面積を計算することができる。あらかじめタイヤ内部の空気圧とタイヤの接地面積の対応を測定しておくと、得られた接地面積からタイヤの空気圧を計算することができる。なお、タイヤの接地面積は、パルス間の時間と車両の速度とから求めることもできる。

タイヤ４の接地角Ａから空気圧を検出する場合は、作製したフィルム状センサをタイヤ接地部の内面に貼り付ける。貼り付け方法は接着剤を用いる。タイヤ変形を妨げないように、接着剤にはシリコンゴムやゴム系の接着剤を使用するのが望ましい。貼り付け箇所は１箇所でもよいが、１箇所の場合はタイヤ変形を計測するために必ず１回転必要となる。圧電センサ２を円周上の複数箇所に貼り付けると１回転以内でタイヤ変形を計測することができるので、計測の迅速化を行うことができる。

また、圧電センサ２で検出した、図５に示すようなタイヤの変形信号は、無線信号によって送信され、車体側の受信機によって受信されて演算部に送られる。演算部では、受信した信号から前述のような演算を行って接地面積を計算し、さらにタイヤの空気圧を求める。圧電センサ２が空気圧検出に電力供給を必要とせず、低消費電力の空気圧監視装置を実現できる。変形信号の送信部が電池を電源としている場合は、動作時間を長期化することができる。無線により電力を外部から供給する場合でも、アンテナ部等を小型化し軽量化することができる。

次に、タイヤ空気圧の変動を直接計測する場合を説明する。図６は、リム５に設置されているバルブ６に圧電センサ２を取り付けた例である。バルブ６のタイヤ内部に突出した部分の外側に圧電センサ２を接着剤によって貼り付ける。また、圧電センサ２を重ねて貼り付けると、等価的な受圧面積を増加させることができるので、センサとしての感度を向上させることができる。

また、図７は、圧電センサ２をリム５の外周面（タイヤ側の面）に貼り付けた例である。この場合は面積の大きな圧電センサ２を貼り付けることができ、センサ感度を十分に高くすることができる。

なお、図４、図６、図７において、圧電センサ２を使用した場合を示しているが、図１の圧電センサ１や図２の圧電センサ３も全く同様に使用することができる。

本発明のタイヤ空気圧センサは、極めて薄いフィルム状の圧電センサであり、極めて軽量でホイールバランスに対する影響を大幅に低減することができる。また、本発明のタイヤ空気圧センサは、極めて薄いフィルム状で柔軟性に富んであり、タイヤの内面やその他の曲面部分にも容易に取り付けることができる。さらに、本発明のタイヤ空気圧センサは、空気圧検出に電力供給を必要とせず、低消費電力で長時間の使用が可能な空気圧監視装置を実現できる。また、低価格で長寿命の空気圧監視装置を実現できる。

本発明のタイヤ空気圧センサによれば、低消費電力で長時間の使用が可能な空気圧監視装置を実現でき、また、低価格で長寿命の空気圧監視装置を実現できる。

本発明の圧電センサ１の積層構造を示す断面図である。 他の形態の圧電センサ２の構成を示す断面図である。 さらに他の形態の圧電センサ３の構成を示す断面図である。 タイヤ接地部の内面にタイヤ空気圧センサとしての圧電センサ２を貼り付けて密着配置した例を示す図である。 タイヤ４の回転角度とセンサの発生電圧の関係を示したものである。 リム５に設置されているバルブ６に圧電センサ２を取り付けた例である。 圧電センサ２をリム５の内面に貼り付けた例である。

符号の説明

１〜３ 圧電センサ
４ タイヤ
５ リム
６ バルブ
１０ 基板
１１ 圧電層
１２ 第１電極層
１３ 第２電極層
１４ 接続穴
３１，３２ 保護フィルム
３３，３４ シールド層

Claims (9)

1. タイヤ（４）内部の空気圧が検出可能な位置に配置されるフィルム状の圧電センサ（１）からなるタイヤ空気圧センサであって、
   前記圧電センサ（１〜３）は、
   ポリイミドからなり可撓性を有するフィルム状の基板（１０）と、
   前記基板（１０）の裏面側に積層された第１電極層（１２）と、
   前記基板（１０）の表面上に直接積層された圧電体薄膜（１１）と、
   前記圧電体薄膜（１１）の表面側に積層された第２電極層（１３）とを含むものであるタイヤ空気圧センサ。
2. 請求項１に記載したタイヤ空気圧センサであって、
   前記圧電センサ（２，３）は、前記圧電体薄膜が１層の圧電センサ（１，１ａ）を、前記第２電極層（１３，１３ａ）が内側となるように２枚重ねた構造のものであるタイヤ空気圧センサ。
3. 請求項１，２のいずれか１項に記載したタイヤ空気圧センサであって、
   前記圧電体は窒化アルミニウムであるタイヤ空気圧センサ。
4. 請求項１，２のいずれか１項に記載したタイヤ空気圧センサであって、
   前記圧電体は酸化亜鉛であるタイヤ空気圧センサ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載したタイヤ空気圧センサであって、
   前記圧電センサ（１〜３）は、タイヤ（４）接地部の内面に密着配置されるものであるタイヤ空気圧センサ。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載したタイヤ空気圧センサであって、
   前記圧電センサ（１〜３）は、リム（５）外周面に密着配置されるものであるタイヤ空気圧センサ。
7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載したタイヤ空気圧センサであって、
   前記圧電センサ（１〜３）は、タイヤ（４）内側のバルブ（６）表面に配置されるものであるタイヤ空気圧センサ。
8. 請求項５に記載したタイヤ空気圧センサを、タイヤ（４）接地部内面に配置して備えたタイヤ空気圧監視装置であって、
   前記圧電センサ（１〜３）の検出電圧波形から、タイヤ（４）接地部の円周方向角度である接地角（Ａ）を求め、前記接地角（Ａ）から空気圧を求める演算部を有するタイヤ空気圧監視装置。
9. 請求項８に記載したタイヤ空気圧監視装置であって、
   前記圧電センサ（１〜３）を、タイヤ（４）接地部内面の円周方向複数の位置に配置して備えたタイヤ空気圧監視装置。

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