JP7389210B2

JP7389210B2 - センサモジュール

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Publication number: JP7389210B2
Application number: JP2022186643A
Authority: JP
Inventors: 一夫林
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2022-11-22
Publication date: 2023-11-29
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: JP7183105B2; JP2020164112A; JP2023015370A

Description

本発明は、センサモジュールに関し、特に、タイヤ内に設けられてタイヤの状態を検出するセンサモジュールに関する。

近年、タイヤの状態を検出するためのセンサー等で構成され、タイヤ内に設けられる装置が知られている。このような装置では、センサー等を駆動させるための電力の供給源として電池がセンサー等とともに内蔵されている。しかし、電池は、タイヤが寿命に達する前に電池切れを起こすという問題を内在している。
そこで、特許文献１では、電池切れの懸念をなくすために、タイヤ内の電池に換えてコイル（二次コイル）、車体には二次コイルに向けて磁束を生じさせるコイル（一次コイル）を車体に設け、タイヤが回転することにより二次コイルが一次コイルによって生じた磁束を貫くように構成し、誘導起電力を電力としてセンサー等に供給するようにしている。

特開２０００－２５５２２９号公報

しかしながら、引用文献１では、２次コイルを形成する銅線同士が接触するように巻き回されているため、路面との接触を繰り返す過酷なタイヤ使用条件では、２次コイルを形成する銅線同士がフレッティングにより断線してしまい装置として機能しなくなる虞がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、受電コイルの耐久性を向上可能なセンサモジュール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センサモジュールの構成として、タイヤの内周面に取り付けられ、外部から供給される電波エネルギーを受電し、当該受電した電波エネルギーに基づいて電力を発生させる受電コイルを備えたゴム部材よりなる取付台座と、取付台座内に収容され、受電コイルからの電力供給によりタイヤ内の状態を検出するセンサ部とを備えたセンサモジュールであって、受電コイルは、巻回部を備え、隣り合うコイル線が渦巻状に巻き回されたコイル線の間にゴム部材が介在する状態で前記取付台座内に埋設された構成とした。
本構成によれば、受電コイルを形成するコイル線同士がフレッティングにより断線することを防ぐことができ、その結果としてタイヤの使用寿命を超える長期にわたり安定してセンサ部に電力を供給することが可能となる。
また、センサモジュールの他の構成として、取付台座がセンサ部を収容可能な収容部と、タイヤ内周面と接する貼付面を有する貼付部とを備え、受電コイルが、貼付部内に埋設された構成、収容部の底面が、外側から内側に向けて高くなる傾斜部を有する構成、埋設された受電コイルから貼付面までのゴム部材の厚さが、受電コイルにおける隣り合うコイル線との間に介在するゴム部材の厚さよりも厚く設定された構成、受電コイルが、巻回部を形成するコイル線の始端側と終端側とがゴム部材の表面から露出する構成、受電コイルが、巻回部がタイヤの内周面に垂直な軸の周りに向けて取り付けられた構成であっても良い。

センサモジュールの取付状態を示す図である。センサモジュールの平面図及び断面図である。センサモジュールの分解図である。センサモジュールの使用形態を示す図である。受電コイルの他の形態を示す図である。受電コイルの他の形態を示す図である。受電コイルの配置の他の形態を示す図である。受電コイルの配置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、センサモジュールの取付状態を示す図である。
図１に示すように、センサモジュール１は、センサユニット２と、取付台座３とを備える。センサユニット２は、タイヤ幅方向の中央部ＣＬに取付台座３を介してタイヤ１０の内周面１０ｓを形成するインナーライナーに取り付けられる。例えば、センサモジュール１は、リムホイール１５に組み付けられたタイヤ１０の気室内の温度や圧力、振動等を検出するための複数のセンサーや、各センサーにより検出された検出値を送信する送信器及び各センサーや送信器を動作させるための電力を供給する電力供給部等の機能部品を備える。

図２は、センサモジュールの平面図及び断面図である。図３は、センサユニット及び取付台座の断面図である。以下、図２，図３を用いてセンサモジュール１を構成するセンサユニット２及び取付台座３について説明する。

センサユニット２は、上述のように、タイヤ１０の状態を検出するための複数のセンサ３２（温度・圧力センサ）；３６（加速度センサ）、送信装置３８、制御装置４０、電力供給装置７０等の電子部品をケース２０に収容して構成され、センサ部として機能する。

図３（ａ）に示すように、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収容ケース２０Ａと、収容ケース２０Ａに対する蓋体として機能するキャップ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、センサユニット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。収容ケース２０Ａ及びキャップ２０Ｂは、平面視における形状が同一形状に形成され、収容ケース２０Ａとキャップ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、センサユニット２の外形形状は、ケース２０の外形形状に一致する。

収容ケース２０Ａには、機能部品を収容するための収容空間Ｓが設けられる。収容空間Ｓは、例えば、円筒状に形成される。収容空間Ｓは、収容ケース２０Ａの外周と同心円の円筒空間として形成される。この収容空間Ｓには、温度・圧力センサ３２や加速度センサ３６、温度・圧力センサ３２及び加速度センサ３６により検出された温度、圧力、加速度等の検出値を送信するための送信装置３８、温度・圧力センサ３２及び加速度センサ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、及びそれらに電力を供給する電力供給装置７０を構成する電子部品が収容される。

温度・圧力センサ３２や加速度センサ３６、送信装置３８、制御装置４０及び電力供給装置７０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、これに限定しない。

回路基板３０の一側面側には、温度・圧力センサ３２及び加速度センサ３６が配置され、他面側には、送信器として機能する送信装置３８、制御装置４０及び電力供給装置７０の一部とが配置される。また、回路基板３０の一側面側には、後述の電力供給装置７０を構成する受電コイル７６から延長するコイル線の端部が接続される接続端子４９が実装される。接続端子４９は、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、キャップ２０Ｂに設けられた貫通孔２２に挿入される。これにより、接続端子４９は、キャップ２０Ｂを閉めた状態で露出することになり、キャップ２０Ｂを閉めた状態でコイル線の端部を接続することができる。

温度・圧力センサ３２は、タイヤ内の空気の温度及び圧力を検出する検出部にタイヤ内の空気を導入する導入筒３２Ａを備える。導入筒３２Ａは、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、キャップ２０Ｂに設けられた貫通孔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検出部が露出することになり、タイヤ気室内の状態を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の測定方向は、回路基板３０をケース２０に収容したときに、キャップ２０Ｂに設けられた取付方向Ｍに対応するように設定される。具体的には、回路基板３０をケース２０内に収容し、センサユニット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３０に実装され、図外のアンテナを備える。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・圧力センサ３２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可能に構成される。

電力供給装置７０は、例えば、整流部７２と、蓄電部７４と、発電部としての受電コイル７６とを備える。整流部７２は、整流回路として回路基板３０に実装される。蓄電部７４は、例えば、コンデンサーや、ボタン型の充放電可能な２次電池を使用することができる。なお、蓄電部７４の形態は、特に限定されない。

受電コイル７６は、取付台座３に設けられ、外部から供給される電波エネルギーを受電することにより、発電可能なコイルからなる。電力供給装置７０は、受電コイル７６が外部から供給される電波エネルギーを受電することにより、電力となる電流を生じさせ、生じた電流を整流部７２により所定の規格の電流及び電圧に変換し、蓄電部７４に蓄電するように構成される。なお、受電コイル７６の構成については、後述する。

電子部品が実装された回路基板３０は、温度・圧力センサ３２及び加速度センサ３６を収容ケース２０Ａの開口部側に向けて収容され、ケース２０に対して回路基板３０が所定の位置を向き、位置決めされるように収容空間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、温度・圧力センサ３２の検出部を除く回路基板３０の全体がポッティング材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、タイヤ１０が路面と衝突するときの衝撃をポッティング材４８が回路基板３０から受ける力を吸収し、十分な耐性を得ることができる。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、センサユニット２の外形形状は、例えば、外径が一定の円盤型に形成され、例えば、底面２ａをタイヤ１０の内周面１０ｓに向けた状態で取付台座３に収容される。

図３（ｂ）に特に示すように、取付台座３は、タイヤ１０の内周面１０ｓに対して貼付される取付面５１ａを有する貼付部５１と、当該貼付部５１から上方に向けて立ち上がり、センサユニット２を収容可能な収容空間としての略円筒状の収容部５２を形成する収容壁部５０と、電力供給装置７０を構成する受電コイル７６と、を有する。

取付台座３は、タイヤ１０の変形に追従するように、天然ゴムや合成ゴム等の弾性素材（エラストマー）により一体的に構成される。図２（ａ）に示すように、貼付部５１は、平面視において外形形状が円形の板状に形成される。貼付部５１は、下面がタイヤ１０の内周面１０ｓと接して貼付される取付面５１ａとして形成される。取付面５１ａは、例えば、タイヤ１０の内周面１０ｓへの貼付前において平坦な面として形成される。

貼付部５１の上面（取付面５１ａと逆側の面）には、上方に向けて円筒状に突出する収容壁部５０が設けられる。収容壁部５０は、円形状の貼付部５１の中心軸Ｏを中心とする同心円上に設けられ、その内周面５４によってセンサユニット２の外形形状に対応する収容部５２が形成される。収容壁部５０は、収容部５２内に収容されたセンサユニット２の外周面と接する周面保持部５０ａと、当該周面保持部５０ａの先端から半径方向内側に突出し、センサユニット２の上面２ｃの周縁部を押し下げるように保持する天面保持部５０ｂとを有する。天面保持部５０ｂの内径部は、センサユニット２の収容部５２への収容を可能とする開口部５６として形成され、センサユニット２は、当該開口部５６を押し広げることにより収容される。

収容壁部５０の内周面５４の直径は、センサユニット２の外周面２ｂの直径よりも小径に形成されており、センサユニット２を収容部５２に収容した状態において、内周面５４がセンサユニット２の外周面２ｂに沿って密着して拘束力を発揮する。

図３に示すように、収容部５２を形成する底面６０、換言すれば、貼付部５１の取付面５１ａと反対側の上面は、例えば、半径方向外側よりも中央側が高い凸状底面として形成される。より詳細には、底面６０は、収容壁部５０の下端部から中央側に向けて緩やかに上傾斜する傾斜面部６２と、中央側において取付面５１ａと平行な平坦な面として形成された平坦面部６４とを有する。

従って、図３に示すように、センサユニット２を上記底面６０を有する収容部５２内に圧入するように収容した場合、センサユニット２の底面２ａによって平坦面部６４がタイヤ１０の内周面１０ｓ側に押圧され、取付面５１ａ側がタイヤ１０の内周面１０ｓの湾曲形状に沿って弓なりに変形し、タイヤ１０の内周面１０ｓの曲率に沿って密に接することとなる。換言すれば、収容部５２を形成する底面６０が、センサユニット２の底面２ａによって圧接された状態となる。またこの時、センサユニット２は、収容部５２内において内周面５４、天面保持部５０ｂ及び底面６０に取り囲まれて密着状態が維持され、タイヤ１０の転動時においても強固に拘束される。

貼付部５１には、電力供給装置７０を構成する受電コイル７６が設けられる。図２（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態に係る受電コイル７６は、貼付部５１に埋設して設けられる。受電コイル７６は、例えば、円板状に形成された貼付部５１の中心を中心とし、半径方向外側に向けて漸次拡径する渦巻状にコイル線７７を巻き回して形成される。なお、本実施形態では、コイル線７７は、貼付部５１の取付面５１ａに平行な一つの平面内に巻き回されたものとして説明する。

コイル線７７の巻き回しにおける始端側の内側の端部７６Ａ側は、収容壁部５０の内部を、収容壁部５０に沿って延長し、例えば、周面保持部５０ａと天面保持部５０ｂとの境界部分から露出する。また、コイル線７７の巻き回しにおける、例えば、終端側の外側の端部７６Ｂ側は、貼付部５１に埋設された状態で、渦巻状に形成された巻回部７６Ｃの上方を横切るように収容壁部５０まで延長した後に、収容壁部５０の内部を、収容壁部５０の立ち上り方向に沿って延長することで被覆された状態で、例えば、周面保持部５０ａと天面保持部５０ｂとの境界部分から露出する。受電コイル７６の内側の端部７６Ａ及び外側の端部７６Ｂは、独立した状態を維持したままコネクタ７８により一体化される。

図２（ｃ）に示すように、受電コイル７６は、貼付部５１に埋設された状態において、巻回部７６Ｃを形成するコイル線７７の最下部から取付面５１ａまでの距離（厚み）ａ２のゴム層Ｆが設けられる。
が、少なくとも０．５ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ以上の厚みを有するゴム層Ｆが設定される。

さらに、受電コイル７６は、巻回部７６Ｃが、貼付部５１に埋設された状態において、隣り合うコイル線７７とコイル線７７との間に少なくとも０．５ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ以上の隙間ａ１を有するように渦巻状に巻き回され、その隙間ａ１には貼付部５１を形成するゴムが充填される。また、受電コイル７６の外側の端部７６Ｂ側が、巻回部７６Ｃの上方を横切るコイル線７７と巻回部７６Ｃを構成するコイル線７７との間に、少なくとも０．５ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ以上の隙間ａ３を有するように延長し、その隙間ａ３に貼付部５１を形成するゴムが充填される。

また、厚みａ２は、例えば、巻回部７６Ｃを形成するコイル線７７；７７同士の隙間ａ１の寸法よりも厚く設定すると良い。

このように、隣接するコイル線７７や互いに交差するコイル線７７同士の間に、ゴム部材を充填することにより、タイヤ１０の変形伴ない、追従して取付台座３が変形しても、受電コイル７６を形成するコイル線７７同士の接触による断線（フレッティング）を防ぐことができるので、タイヤ１０が使用限界に至る以上の寿命で安定して電力を供給することができる。

取付台座３は、受電コイル７６の巻回部７６Ｃが、タイヤ表面に垂直な軸周りに巻回されるように貼付される。受電コイル７６において巻回部７６Ｃは、誘導起電力を生じさせる実質的な発電部として機能する。

図４は、本実施形態に係るセンサモジュールの使用形態を示す図である。
本実施形態に係るセンサモジュール１は、車体９０に設けられる電波エネルギー発生手段１００とともに、例えば、タイヤモニタリングシステムとして構成することができる。
電波エネルギー発生手段１００は、車体９０においてタイヤ１０のトレッド面１１の外側を覆いトレッド面１１と対向する位置に設けることが好ましい。より好ましくは、電波エネルギー発生手段１００に対して、操舵操作によるタイヤ１０の移動が少ない位置に設けると良い。電波エネルギー発生手段１００は、磁力線を生じさせるコイル１０２とインバータ１０４とを備える。コイル１０２は、コイル線が巻き付けられた巻回軸をタイヤ１０の半径方向に向けて配置される。インバータ１０４は、図４に示すように、車体９０に設けられたバッテリー９２を電源としてコイル１０２を励磁する。

上記構成からなる本実施形態の動作を説明する。本実施形態のタイヤ１０は、自動車の車軸にリムホイール１５をナット締めして取り付けられる。自動車を駆動させるとインバータ１０４が起動し、コイル１０２が励磁されることにより、タイヤ１０の半径方向に延長する磁束Ｇが発生する。
そして、車両の走行に伴ないタイヤ１０が回転することにより、タイヤ１０とともに回転する受電コイル７６がタイヤ円周方向に沿って移動する。この移動により受電コイル７６の巻回部７６Ｃには、磁束Ｇが量を変化させながら貫通し、巻回部７６Ｃに誘導起電力を生じさせる。巻回部７６Ｃに生じた誘導起電力は、整流部７２により整流された後に蓄電部７４に蓄電される。蓄電部７４に蓄電された電力は、温度・圧力センサ３２及び加速度センサ３６、送信装置３８及び制御装置４０の駆動源として供給される。
そして、温度・圧力センサ３２及び加速度センサ３６により検出された検出値が、送信装置３８を介して無線信号として放出され、図外の車体に設けられた表示装置に表示されたり、表示装置とともに設けられた記憶装置に記憶される。

以上、説明したように、本実施形態のセンサモジュール１への給電構造によれば、従来のように電池切れの心配もなく、タイヤ１０内に設けられた電子部品に安定して電力を供給することができるとともに、タイヤ１０の寿命を超えて利用することができる。

図５は、受電コイルの他の形態を示す図である。
上記実施形態では、取付台座３において受電コイル７６の巻回部７６Ｃを収容壁部５０の立上り部から外周に向けて巻き回すものとして説明したが、これに限定されない。例えば、図５に示すように、取付台座３の貼付部５１において、当該貼付部５１の中心軸Ｏの近傍から巻き回しても良い。この場合、内側の端部７６Ａ側は、巻回部７６Ｃの上方を横切るように収容壁部５０まで延長させ、外側の端部７６Ｂ側と同様に、収容壁部５０の立上り方向に沿って延長させれば良い。

図６は、受電コイルの他の形態を示す図である。また、上記実施形態では、受電コイル７６の巻回部７６Ｃを取付台座３の貼付部５１に埋設するものとして説明したが、これに限定されない。
例えば、図２（ｃ）に示すように受電コイル７６を設けた場合を用いて説明すれば、図６（ａ）に示すように、巻回部７６Ｃの上側のゴム部材を省略しても良い。また、タイヤ１０の内周面１０ｓを形成するインナーライナーが、ゴム部材であることを考慮すれば、図６（ｂ）に示すように、取付部３０の取付面５１ａから巻回部７６Ｃを形成するコイル線７７の一部が露出していても良い。
即ち、受電コイル７６を形成するコイル線７７同士が互いに接触が回避されるのであれば、受電コイル７６の一部が取付台座３から露出していても良い。

図７は、受電コイル７６の他の配置の形態を示す図である。上記実施形態では、取付台座３に受電コイル７６を設けるものとして説明したが、これに限定されない。例えば、図７に示すように、取付台座３から受電コイル７６の機能を分離し、受電コイル７６を受電コイル体７６’として取付台座３とは別部品として構成しても良い。
この場合、受電コイル体７６’は、例えば、断面視において図７（ｂ）に示すように構成することができる。なお、この場合であっても渦巻状に形成された巻回部７６Ｃ、及びセンサユニット２に延長する各端部７６Ａ；７６Ｂのコイル線７７同士が接触しないように、例えば、取付台座３の形成に用いられたゴムを素材として、コイル線７７；７７間に所定の間隔が維持されるように介在させれば良い。

図８は、受電コイルの他の配置の形態を示す図である。上記実施形態では、受電コイル７６をタイヤ１０の内周面１０ｓに直接接着するものとして説明したが、これに限定されない。例えば、図８に示すように受電コイル７６を構成しても良い。
図８に示す受電コイル７６は、取付台座３に設けられた収容壁部５０の上方に設けられている。受電コイル７６は、上述の各形態と同様に、取付台座３の取付面５１ａをタイヤ１０の内周面１０ｓに接着し、固定したときに、巻回面がタイヤ１０の半径方向を向くように取付台座３に設けられる。
このように、受電コイル７６をタイヤ１０の内周面１０ｓから所定距離離れるように設けることにより、トレッド面１１が路面に踏み込まれてから、路面から蹴り出しに伴なう繰り返しの変形の力を受けずに済むため、受電コイル７６の耐久性をより、向上させることができる。

なお、取付台座３の収容壁部５０の上部は、センサユニット２を収容部５２に収容する際の開口部であるため、センサユニット２の収容時に受電コイル７６に無理な力がかからないように、受電コイル７６の巻回部７６Ｃの内周側の直径Ｄ２を、収容壁部５０の内周面５４の直径Ｄ１よりも大きく設定すると良い。

なお、上記実施形態では、電波エネルギー発生手段１００が磁束を放出するものとして説明したが、これに限定されず電波であっても良い。

また、受電コイル７６の巻回部７６Ｃ等においてコイル線７７同士の間にゴム部材を設けるものとして説明したが、コイル線７７に密着可能な弾性体（素材）であれば良い。

１センサモジュール、２センサユニット、３取付台座、
１０タイヤ、１０ｓ内周面、３０取付部、３０ａ貼付面
７６受電コイル、７６Ｃ巻回部、７７コイル線、
１００電波エネルギー発生手段。

Claims

タイヤの内周面に取り付けられ、外部から供給される電波エネルギーを受電し、当該受電した電波エネルギーに基づいて電力を発生させる受電コイルを備えたゴム部材よりなる取付台座と、
前記取付台座内に収容され、前記受電コイルからの電力供給により前記タイヤ内の状態を検出するセンサ部と、
を備えたセンサモジュールであって、
前記受電コイルは、巻回部を備え、隣り合うコイル線が渦巻状に巻き回されたコイル線の間に前記ゴム部材が介在する状態で前記取付台座内に埋設されたことを特徴とするセンサモジュール。
前記取付台座は、
前記センサ部を収容可能な収容部と、
前記タイヤ内周面と接する貼付面を有する貼付部と、
を備え、
前記受電コイルは、前記貼付部内に埋設されたことを特徴とする請求項１に記載のセンサモジュール。
前記収容部の底面は、外側から内側に向けて高くなる傾斜部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセンサモジュール。
前記埋設された受電コイルから前記貼付面までの前記ゴム部材の厚さは、前記受電コイルにおける隣り合うコイル線との間に介在する前記ゴム部材の厚さよりも厚く設定されたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のセンサモジュール。
前記受電コイルは、前記巻回部を形成するコイル線の始端側と終端側とが前記ゴム部材の表面から露出することを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれかに記載のセンサモジュール。
前記受電コイルは、前記巻回部がタイヤの内周面に垂直な軸の周りに向けて取り付けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれかに記載のセンサモジュール。