JP7488915B2 - タイヤ用のパッチ型アンテナを有する改良型のrfidセンサデバイス - Google Patents

タイヤ用のパッチ型アンテナを有する改良型のrfidセンサデバイス Download PDF

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Description

本発明は、タイヤの物理的条件(温度、圧力等)をモニタリングするためのセンサを備え付けられた、タイヤ用のパッチ型アンテナを有する改良型の無線周波数識別(RFID)デバイスに関する。
公知のように、タイヤの製造は複雑なプロセスであり、最終製品(すなわち、タイヤ)の品質は、極めて優れた機械的特性をタイヤのエラストマーコンパウンドに付与するために製造中に適用される温度、圧力及びタイミングの正確な組合せに依存する。
特に、タイヤの性能及び寿命は、製造中及び使用中にタイヤがさらされる環境条件(温度、圧力等)にとりわけ依存する。
そのため、自動車分野、特にタイヤ分野においては、製造中及び使用中のタイヤの物理的条件(温度、圧力等)をモニタリングする必要があると感じられている。
現在では、無線周波数識別(RFID)技術をベースとする技術的ソリューション等、前述のモニタリング作業を実施するためのいくつかの技術的ソリューションが公知である。
例えば、伊国特許出願第102016000009727号明細書は、有利なことに製造中及び使用中のタイヤの識別を可能にするためにタイヤに組み込む/組み入れる又は装着することが可能であり、温度又は圧力データ等の診断データも提供するように設計された、設定及びチューニングが可能な無線周波数方式の無線センサデバイスを開示している。
前述の点に関して、(弾性が高い非常に柔軟なボディである)タイヤへのRFIDタグの埋め込みは、タイヤの製造中(例えば、タイヤの加硫/硬化中)及びタイヤの通常運転中に、タイヤ又はタイヤのコードに損傷を起こす可能性があり(例えば、タイヤの層分離/層間剥離、コード/ボディのプライの破断等を起こす可能性がある)、その結果として、安全上のリスクが発生することには、留意すべきである。
言い換えると、タイヤに使用するためのRFIDトランスポンダは、タイヤ特性との適合のため、及び許容される遠隔読取り距離(例えば、30cm以上)の提供のために、可能な限り柔軟で小型化されたものとなるように設計されるべきである。
性能が向上しており、タイヤ(又はタイヤのコード)の損傷を回避するようになっている、タイヤ用の改良型のRFIDデバイスが、本出願人の国際公開第2020/170057(A1)号パンフレットに開示されており、国際公開第2020/170057(A1)号パンフレットは、タイヤの加硫/硬化の前又は後でタイヤのインナーライナーに装着されるように設計されており、
・ 基板と;
・ 基板の第1の部分を覆っており、これにより、前記第1の部分の周りに延在する基板の第2の部分を露出した状態のままにしている、第1の絶縁層と;
・ 互いに接続されており、第1の絶縁層上に配置された、RFIDチップ及び第1のアンテナと;
・ 第1のアンテナと電磁結合しており、第1の絶縁層上に少なくとも部分的に延在する、第2のアンテナであって、RFIDチップ、第1のアンテナ及び第2のアンテナが1つの同じ平面上に位置する、第2のアンテナと;
・ 第1の絶縁層、RFIDチップ、第1のアンテナ及び少なくとも部分的に第2のアンテナを覆っている、第2の絶縁層と
を備える多層構造の柔軟な平面形構造体を備える、タイヤ用のRFIDデバイスに関する。
特に、前記第1のアンテナは好都合なことに、近傍界カプラ(例えば、ループ状又は円形又は長方形又は正方形又はメアンダライン状(meander-line-like)又はらせん状の形状を有する、折り曲げられた二次元(2D)構造は、有利に使用することができる。)として動作するように設計されており、前記第2のアンテナは好都合なことに、遠傍界放射する型のアンテナとして動作するように設計される。
より厳密には、前記第2のアンテナは好ましくは、
・ メアンダライン状の導電性ワイヤー又は
・ まっすぐな導電性ワイヤー又は
・ より合わせた導電性ワイヤーの組立体又は
・ より合わせた導電性ワイヤー及び非導電性ワイヤーの組立体
によって好都合に形成することができる、無給電放射器(parasitic radiator)である。
国際公開第2020/170057(A1)号パンフレットによれば、温度センサは有利なことに、温度値を測定するためにRFIDチップに組み込むことが可能であり、RFIDチップは、問合せ元RFIDリーダーに、タイヤの一意な識別子を付与し、さらには、温度センサによって測定された温度値も付与するように構成される。
物流/トラッキング/識別を目的として(これらを主に目的とする又はこれらのみを目的として)タイヤに埋め込まれており、ダイポールアンテナ又はスプリングアンテナを備え付けられた、RFIDタグのさらなる例は、米国特許出願公開第2017/0277992(A1)号明細書、米国特許出願公開第2008/0289736(A1)号明細書及び欧州特許第0389406(B1)号明細書において開示されている一方で、タイヤ用の柔軟な導電性RFIDタグに関するKR10-0822850B1は、タイヤに埋め込まれた/組み込まれたRFIDタグの耐久性に対処している。
さらに、独国特許出願公開第102004046193(A1)号明細書は、センサデバイスと、電磁場の放射及び受信のためのアンテナデバイス、特にパッチ型アンテナ、より厳密には板状逆F型アンテナ(PIFA)とを有する、タイヤ圧力センサを開示している。センサデバイスは、部分的に電磁波を発するものとして活発に設計されており、電磁場の放射及び受信用のアンテナデバイスと電磁的に動作可能に接続されている。センサデバイスは、部分的には、電磁レゾネータの一部として動作する。
さらに、米国特許出願公開第2015/097662(A1)号明細書は、車両のホイールのタイヤの内壁に接合した第1の表面、及び、第1の表面に対して反対側にある第2の表面を有するフレキシブルプリント回路(PC)基板と;車両のホイールの種々のステータスを検知するためにフレキシブルPC基板の第2の表面に実装されたセンサモジュールと;フレキシブルPC基板の第2の表面に実装されており、センサモジュールへの通信プログラムの伝送を可能にするためにセンサモジュールと電気的に接続された、伝送端末セットと;フレキシブルPC基板の第2の表面に実装されており、センサモジュールによって生成されたセンサ信号を送出するためにセンサモジュールと電気的に接続された、アンテナとを備える、フレキシブル基板型のタイヤ圧力センサデバイスを開示している。
最後に、欧州特許出願公開第EP2278533(A1)号明細書は、基板と;基板に取り付けられた半導体パッケージであって、その半導体パッケージに封入された半導体チップと、信号端子及びダミー端子を含み、その半導体パッケージ上にある、複数の接続端子とを備える、半導体パッケージと;基板上に形成されており、信号端子に電気的に接続された、アンテナパターンとを備える、RFIDタグであって、アンテナパターンが、半導体パッケージの底部領域の少なくとも一部と重なるように展開された、RFIDタグを開示している。
伊国特許出願第102016000009727号明細書 国際公開第2020/170057(A1)号パンフレット 米国特許出願公開第2017/0277992(A1)号明細書 米国特許出願公開第2008/0289736(A1)号明細書 欧州特許第0389406(B1)号明細書 KR10-0822850B1 独国特許出願公開第102004046193(A1)号明細書 米国特許出願公開第2015/097662(A1)号明細書 欧州特許出願公開第EP2278533(A1)号明細書
上記を鑑みて、本出願人は、タイヤ用の改良型のRFIDセンサデバイスを開発するために綿密な調査を実施する必要性を感じ、その結果として、本発明を考案した。
そのため、本発明の目的は、現在公知のソリューションのものに比べて向上した性能及び/又は特徴を有する、タイヤ用のRFIDセンサデバイスを提供することである。
上記の目的及び他の目的は、添付した特許請求の範囲に規定された、タイヤ用の無線周波数識別(RFID)センサデバイスに関する、本発明によって達成される。
特に、本発明によるRFIDセンサデバイスは、少なくとも部分的にタイヤに埋め込まれる/組み込まれる又は装着されるように設計されており、
・ 底部グランドプレーンと;
・ 底部グランドプレーン上に配置された誘電性中間基板と;
・ 誘電性中間基板上に配置されており、前記誘電性中間基板を部分的に又は完全に覆っている、1つ以上の頂部導電性パッチであって、前記底部グランドプレーンと前記1つ以上の頂部導電性パッチとが短絡又は容量結合している、1つ以上の頂部導電性パッチと
を含む多層構造体を備える、パッチ型アンテナを備える。
さらに、前記RFIDセンサデバイスは、
・ 前記1つ以上の頂部導電性パッチ及び/又は誘電性中間基板上に配置されたリジッド又はフレキシブル基板と;
・ リジッド/フレキシブル基板に実装されており、前記1つ以上の頂部導電性パッチに接続/連結された、RFIDチップと;
・ 前記RFIDチップに組み込まれた又は接続された温度センサと;
・ リジッド/フレキシブル基板に実装されており、RFIDチップに接続された、圧力センサと
をさらに備える。
底部グランドプレーンは、
・ 導電性テキスタイル/織物/糸/繊維/ヤーン要素/層若しくは金属よこ糸/ネット/メッシュによって形成され;又は、
・ タイヤの導電性及び/若しくは金属要素/層によって少なくとも部分的に形成される。
誘電性中間基板は、少なくとも部分的にゴムから製作されており、又は、タイヤの誘電及び/若しくはゴム要素/層によって少なくとも部分的に形成される。
次に、本発明をより深く理解するという目的で、純粋に非限定的な例として意図されている好ましい実施形態を、添付の図面(すべてが縮尺どおりなわけでなはない)を参照しながら説明する。
本発明の第1の好ましい実施形態による第1のRFIDセンサデバイスを概略的に示している、図である。 本発明の第2の好ましい実施形態による第2のRFIDセンサデバイスを概略的に示している、図である。 本発明の第2の好ましい実施形態による第2のRFIDセンサデバイスを概略的に示している、図である。 本発明の代替的な2つの実施形態による第2のRFIDセンサデバイスの底面図である。 本発明の代替的な2つの実施形態による第2のRFIDセンサデバイスの底面図である。 本発明の一実施形態によるRFIDセンサデバイスの動作周波数に対する読取り距離に関するシミュレーション結果を示している、図である。 タイヤへの、本発明の第3の好ましい実施形態による第3のRFIDセンサデバイスの組込みの一例を概略的に示している、図である。 本発明による2個のRFIDセンサデバイスの圧力測定値と、参照用有線圧力計の圧力測定値とを比較したものである、空気を入れる/空気を抜く一連の作業中の、ドラムマシン上を回転しているタイヤのリアルタイム圧力測定値を示している、図である。 本発明によるRFIDセンサデバイスによって測定された、オフロードタイヤのトレッドプライの温度値を示している、図である。
下記の論述は、当業者による本発明の製作及び使用を可能にするために提供されている。提示及び記載された実施形態に対する様々な変更も、当業者には、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく容易に明らかとなろう。そのため、本発明は、提示及び記載された実施形態に限定されるものとして意図されておらず、本明細書において開示された原理及び特徴、並びに、添付した特許請求の範囲において規定された原理及び特徴と一致する最も広範な保護範囲を与えられるべきである。
本発明は、タイヤの識別に加えて、製造中及び使用中にタイヤがさらされる物理的条件及び/又は環境条件(温度、圧力、変形、ひずみ、加速度、応力等)に関連付けられたさらなる情報項目を提供する機能も有する、RFIDセンサデバイスに関する。前記RFIDセンサデバイスは、好ましくは、パッシブ型のもの(すなわち、バッテリーなしで動作するもの)である。前述の点に関して、公知のように、パッシブ型RFIDデバイスは、一般的には、問合せ元RFIDリーダーによって無線伝送された無線周波数(RF)エネルギーから電力を取り出すように設計されているため、いかなる専用の電源も必要としないことは、思い起こしておくべきである。しかしながら、本発明によるRFIDセンサデバイスは好都合なことに、セミアクティブ型のもの(すなわち、RFIDセンサデバイスのチップ及びセンサに通電するために使用されるバッテリー等の固有の電源を備えるもの。ただし、読取り操作は、パッシブ型RFIDタグのような問合せ元RFIDリーダーから放出されたRFエネルギーをベースとして実施される。)であってもよいことには、留意すべきである。
より厳密には、本発明は、(例えば、物流/トラッキングを目的とする)タイヤの識別に加えて、2個以上のアドホックセンサによって検知された物理的及び/又は環境パラメータ(例えば、温度、圧力等)を提供することもできる、RFIDセンサデバイスに関する。
本発明によるRFIDセンサデバイスは例えば、タイヤの温度及び/若しくは空気圧をリアルタイムモニタリングして、動作条件下におけるタイヤのステータスを判定するため(すなわち、タイヤの健全性のリアルタイムモニタリングのため)、並びに/又は、標準的なタイヤプレッシャーモニタリングシステム(TPMS)の圧力センサを備え付けられた現在のフィルバルブの取替えを可能にするために有利に活用することができる。
さらに、本発明によるRFIDセンサデバイスは、
・ タイヤの生産中の品質の評価及び改善;
・ レースとの関連でのタイヤを使用しているときの、最適な性能評価;
・ アビオニクスとの関連でのタイヤを使用しているときの、満足な性能の評価;
・ オンボード型RFIDリーダー及び/又は車両/トラック/バスが通過する特定のゲートに設置された外部RFIDリーダーによる、使用中のタイヤのリアルタイムモニタリング
のために有利に活用することができる。
前記RFIDセンサデバイスの適正な設計は、電力消費の最小化、(高損失材料/金属が存在する)電磁的に厳しい環境下で複数の物理的パラメータをモニタリングする機能及び操作、並びに、いかなるタイヤの機械的損傷又は性能低下も伴わないタイヤへの組込みという最近の需要のため、極めて困難な仕事になっている。
好ましくは、(好都合なことに極超短波(UHF)RFID帯(860~960MHz)で動作するように設計されている)前記RFIDセンサデバイスは、タイヤの機械的特性と適合するように柔軟である。
より厳密には、前記RFIDセンサデバイスは、放射素子(すなわち、アンテナ)と、RFIDチップと、物理的パラメータ及び/又は環境パラメータをモニタリングするための2個以上のセンサとを備え、これらの2個以上のセンサは、好都合なことに、RFIDチップに組み込むことができ、又は好都合なことに、前記RFIDチップの外部に配置し、前記RFIDチップに接続することができる。
(好都合なことにRFIDチップのRFパッドに接続することができる)アンテナは、パッチ型アンテナ(マイクロストリップアンテナ、下部メタライゼーション又はグランドプレーンを有するアンテナ、接地アンテナ又は多層構造アンテナとしても公知である)であり、伊国特許出願第102016000009727号明細書及び国際公開第2020/170057(A1)号パンフレットに記載されたもの等、単層ダイポール状アンテナ(例えば、Tマッチ型及び/又は誘導結合型のもの、例えば、導電性ヤーン又はエナメル線から製作されたもの)をベースとすることが一般的な公知のソリューションとは異なる。
前述の点に関して、単層ダイポール状アンテナには、組込み中のタイヤへの妨害を最小化する薄く細長いフットプリントという主な利点がある一方で、パッチ型アンテナは代わりに、タイヤの高損失/金属部品(タイヤのトレッド内に存在するもの等)との接触に耐えることが可能であり、より小さい機械的変形によっても影響されることには、留意すべきである。
より詳細には、本発明によるRFIDセンサデバイスは、積層した少なくとも3つの層を含む、すなわち、底部から上に向かって:

- 導電性テキスタイル/織物/糸/繊維/ヤーン要素/層若しくは金属よこ糸/ネット/メッシュによって形成され、又は、
- タイヤの導電性及び/若しくは金属要素/層によって少なくとも部分的に形成された、
底部グランドプレーンと;
・ 少なくとも部分的にゴムから製作された、又は、タイヤの誘電及び/若しくはゴム要素/層によって少なくとも部分的に形成された、(好都合なことに複数の層を含むことができる)誘電性中間基板と;
・ (好都合なことに1種以上の金属等の1種以上の導電性材料から製作されることが可能であり、好都合なことに任意の方法によって整形することができ、好都合なことにいくつかのスロットを備えることもできる、)1つ以上の頂部導電性パッチであって、底部グランドプレーンと、前記頂部導電性パッチとが短絡又は容量結合している、1つ以上の頂部導電性パッチと
を含む多層構造体を備える、パッチ型アンテナを備える。
前記多層構造体(先ほど記述した特有のアンテナレイアウトを有する)は、タイヤ内で動作可能な/タイヤと協働する組込み型RFIDセンサデバイスを実現するように本出願人が特に考案した。
特に、底部グランドプレーン及び誘電性中間基板(先ほど記述したそれぞれに特有の特徴を有する)は、RFIDセンサデバイスの適正な機能発揮を保証しながら、RFIDセンサデバイスをタイヤに組み込むことを可能にすること等を目的として、電気的特性、電磁的特性及び機械的特性を多層構造体に付与することを可能にする。
先述のように、底部グランドプレーンは好都合なことに、タイヤに属するいくつかの構成要素(例えば、タイヤの中、例えば、トレッドプライの中にすでに存在する導電性構成要素)を活用することによって作り出すことが可能であり、又は好都合なことに、その間隔が、RFIDセンサデバイスの動作周波数で等価な導電性連続平面として電磁的に生じるように適正にサイズ設定された、導電性テキスタイル/織物/糸/繊維/ヤーン要素若しくは金属よこ糸/ネット/メッシュによって作り出すことが可能である。
誘電性中間基板は好都合なことに、1つ以上の柔軟な層(例えば、フェルト)及び/又は剛直な層によって製作することができる。特に、前記誘電性中間基板は好都合なことに、タイヤのゴムの一部を含む(又はタイヤのゴムの一部から構成される)ことができる。この場合、天然ゴムを前記格子/メッシュ入り底部グランドプレーンの穴に浸透させ、誘電性中間基板として使用されているゴムによって前記格子/メッシュ入り底部グランドプレーンの穴を封止することを可能にする、格子/メッシュ入り底部グランドプレーンが使用されることが好ましい。
パッチ型アンテナは、タイヤの下部金属/高損失材料から遮へいされており、放射された電磁場を上方に集中させ、この結果として、前記パッチ型アンテナより下にある材料(金属/高損失材料)の影響の低減と、前記パッチ型アンテナより上の方向(すなわち、ブロードサイド方向)への電磁放射線の改善とのおかげで改善された無線周波数(RF)性能を提供するように設計されている。したがって、本発明によるRFIDセンサデバイスは、RFIDにとって非常に不利な材料を含み、摩耗及び劣化をより受けやすい、タイヤの領域(例えば、ビードバンドルに近いタイヤトレッド及びタイヤ領域)にも有利に組み込むことができる。
本発明によるRFIDセンサデバイスは、RFIDチップに組み込まれた温度センサと、RFIDチップの外部にあり、RFIDチップに接続された、(空気圧のモニタリングのための)圧力センサとを少なくとも備える。RFIDセンサデバイスは好都合なことに、RFIDチップの外部にあり、RFIDチップに接続された、1個以上のさらなるセンサ(例えば、変形センサ、ひずみセンサ、加速度センサ、応力センサ、さらなる温度センサ等)を備えることもできる。特に、RFIDセンサデバイスは好ましくは、タイヤの2つの部位の温度(例えば、タイヤゴムの温度と、タイヤのエアチャンバ内の温度)をモニタリングするように、RFIDチップの外部にあり、RFIDチップに接続された、さらなる温度センサをさらに備える。
RFIDセンサデバイスは好都合なことに、適切な接着剤によって、又は同様の適切なプロセス(例えば、表面バフ研磨手順)の実施によって、タイヤの加硫/硬化後の(すなわち、レトロフィット手順中の)タイヤに装着/貼り付けることが可能である。そのようにしない場合、RFIDセンサデバイスは好都合なことに、タイヤの加硫/硬化前にタイヤに部分的に又は完全に組み込む/埋め込むこともできる。
RFIDチップ及び1個以上の外部センサ(すなわち、圧力センサ、及びもしあれば、1個以上のさらなるセンサ)は好都合なことに、リジッド又はフレキシブル基板上に配置し、これにより、電子モジュールを形成することが可能であり、この電子モジュールは好都合なことに、
・ 頂部導電性パッチの中央に配置し、これにより、重量のバランスがとれた対称の構成とすることもできるし;又は、
・ 頂部導電性パッチの縁部に配置し、これにより、全体的な柔軟性及び順応性を改善することもできる。
好都合なことに、RFIDチップ(使用時には、パッチ型アンテナ用の給電点として働く)は、テーパ形マイクロストリップ線路及び/若しくは直接はんだ付けを介して頂部導電性パッチに電気的に接続することもできるし、並びに/又は、前記頂部導電性パッチに誘導結合させることもできる。
RFIDセンサデバイスは好都合なことに、前記RFIDセンサデバイスが組み込まれたタイヤを備えるホイールのリムに組み込まれた、又はホイールアーチに取り付けられた、RFIDリーダーのアンテナによって読み取ることが可能であり、前記リム/ホイールアーチは好都合なことに、同軸ケーブルによって給電されるRFID問合せ元アンテナとして動作するように(例えば、1つ以上のスロットの導入によって)修正することができる。
本発明をより深く理解するために、図1は、本発明の第1の好ましい実施形態による第1のRFIDセンサデバイス(全体を1によって示している)を概略的に示している。
特に、前記第1のRFIDセンサデバイス1は、以下のものを備える:
・ 底部グランドプレーン10;
・ 底部グランドプレーン10上に配置された誘電性中間基板11;

- パッチ型アンテナの放射スロット11aとして働く、前記誘電性中間基板11の頂部の中央にある細長い領域11aを露出した状態のままにするように誘電性中間基板11上に配置された、
第1の頂部導電性パッチ12及び第2の頂部導電性パッチ13(例えば、第1の頂部金属パッチ12及び第2の頂部金属パッチ13)であって、
- 底部グランドプレーン10、誘電性中間基板11並びに前記第1及び第2の頂部導電性パッチ12、13によって形成された多層構造体の対向する2つの角に配置されており、底部グランドプレーン10と、第1/第2の頂部導電性パッチ12/13のそれぞれとの間で垂直に延在する、2つの短絡用金属ストライプ14によって底部グランドプレーン10に短絡している(この点に関して、代替的には、いかなる金属ストライプ14も用いることなく、前記第1及び第2の頂部導電性パッチ12、13を、底部グランドプレーン10と容量結合させることも可能であることには、留意すべきである)、
第1の頂部導電性パッチ12及び第2の頂部導電性パッチ13;

- 第1の頂部導電性パッチ12上に部分的に配置されており、放射スロット11a上に部分的に配置されており、第2の頂部導電性パッチ13上に部分的に配置されており、前記放射スロット11aの中央に配置されており、
- バイア18を介して前記第1及び第2の頂部導電性パッチ12、13に電気的に接続されており、
- リジッド基板(例えば、FR4をベースとするリジッド基板)又はフレキシブル基板(例えば、Kapton、Duroid又はポリエチレンテレフタレート(PET)をベースとするフレキシブル基板)上に好都合に製作された、
プリント回路基板(PCB)15;
・ PCB15に実装されており、第1及び第2の頂部導電性パッチ12、13の両方に接続/連結された、RFIDチップ16であって、温度センサ(図1には図示なし)が組み込まれた(好都合には、前記組み込まれた温度センサは、プログラミング可能なダイナミックレンジ及び増幅器利得を有する。)、RFIDチップ16;並びに、
・ PCB15に実装されており、RFIDチップ16に接続された、圧力センサ17。
好都合なことに、PCB15は、圧力センサ17及びさらなるセンサ(例えば、変形センサ、ひずみセンサ、加速度センサ、応力センサ、さらなる温度センサ(Pt1000型又は負の温度係数(NTC)型の外部温度プローブ等)等)を接続するための、複数のパッド(図1には図示なし)を備えることができる。
図2及び図3は、本発明の第2の好ましい実施形態による第2のRFIDセンサデバイス(全体を2によって示している)を概略的に示している。特に、図2は、第2のRFIDセンサデバイス2の斜視図であるが、図3は、第2のRFIDセンサデバイス2の側面図である。
前記第2のRFIDセンサデバイス2は、以下のものを備える:
・ 好都合なことに切れ目のない金属層又は格子/メッシュ入り金属層であってもよい、底部グランドプレーン20;
・ 底部グランドプレーン20上に配置された誘電性中間基板21(好都合なことに、順応性の高い誘電性基板);
・ 誘電性中間基板21上に配置されており、単一の頂部導電性パッチとして働く、頂部金属層22;
・ 底部グランドプレーン20と、頂部金属層22との間にある誘電性中間基板21の一面上で垂直に延在し、これにより、前記底部グランドプレーン20と、前記頂部金属層22とを短絡させている、短絡用金属壁23(この金属壁23の長さは、第2のRFIDセンサデバイス2の動作周波数をチューニングするために、好都合にサイズ設定することができる。);
・ 頂部金属層22上に製作されており、これにより、3つのチューニング用ノッチ24に対応する誘電性中間基板21の3つの部分が真下に露出している、3つのチューニング用ノッチ24であって、第2のRFIDセンサデバイス2を小型化するために導入されたものであり、第2のRFIDセンサデバイス2の動作周波数におけるチューニングのために好都合にサイズ設定されている、3つのチューニング用ノッチ24;
・ 頂部金属層22上に部分的に配置されており、誘電性中間基板21上にも部分的に配置された、電子回路を収容するためのリジッド又はフレキシブル基板25(リジッド基板(例えば、FR4をベースとするリジッド基板上に製作されたPCB等)又はフレキシブル基板(例えば、Kapton、Duroid又はPETをベースとするフレキシブル基板));
・ リジッド/フレキシブル基板25に実装されたRFIDチップ26であって、温度センサ(図2及び図3には図示なし)が組み込まれた(好都合なことに、前記組み込まれた温度センサは、プログラミング可能なダイナミックレンジ及び増幅器利得を有する。)、RFIDチップ26;
・ リジッド/フレキシブル基板25に実装されており、前記リジッド/フレキシブル基板25のパッド28を介してRFIDチップ26に接続された、圧力センサ27;並びに
・ さらなるセンサ(例えば、変形センサ、ひずみセンサ、加速度センサ、応力センサ、さらなる温度センサ(Pt1000型又はNTC型の外部温度プローブ等)等)及び/又はバッテリーを接続するための、前記リジッド/フレキシブル基板25のさらなるパッド29。
図4及び図5は、第2のRFIDセンサデバイス2の底面図であり、図4においては、底部グランドプレーン20は、切れ目のない金属層から構成されるが、図5においては、底部グランドプレーン20は、格子/メッシュ入り金属層から構成される。
図6は、誘電性中間基板(底部グランドプレーンと、頂部導電性パッチとの間に挟まれている)が、タイヤゴム(例えば、3~9の誘電率(すなわち、比誘電率)ε及び0.05S/m未満の導電率σを有するゴム)の一部を使用することによって製作された、本発明の一実施形態によるRFIDセンサデバイス(図1に図示の第1のRFIDセンサデバイス1等)の動作周波数fに対する読取り距離dに関連付けられた、シミュレーション結果を示している。この場合、非常に薄い構成(すなわち、誘電性中間基板がわずか0.8mmの厚さである場合)であっても、すぐ近くであれば読み取りが可能であるが、誘電性中間基板がより厚いもの(すなわち、3mm)であり、アンテナが適正にチューニングされている場合には、50cm超の読取り距離を達成することができる。
第1及び第2のRFIDセンサデバイス1、2において、RFIDチップ16、26は、アナログ式及び/又はデジタル式の1個以上の外部センサ(例えば、先述したように、圧力センサ17、27、並びに好都合には、変形センサ及び/又はひずみセンサ及び/又は加速度センサ及び/又は外部温度プローブ等)を制御するように構成される。さらに、好都合なことに、1個以上のさらなるセンサ(例えば、プログラミング可能なダイナミックレンジ及び増幅器利得を有する加速度センサ及び/又はひずみセンサ)は、RFIDチップ16、26に直接組み込むこともできる。
好ましくは、RFIDチップ16、26は、変化していく周囲の誘電/電磁条件を補償するような態様で、RFIDチップ16、26の入力インピーダンス及び/又はRFIDチップ16、26の各パッチ型アンテナの入力インピーダンスのセルフチューニングを実施するように構成される。このようにして、第1及び第2のRFIDセンサデバイス1、2は、周囲の誘電/電磁条件に適応することが可能であり(例えば、第1及び第2のRFIDセンサデバイス1、2は、特定のタイヤに適応し、並びに/又は、第1及び第2のRFIDセンサデバイス1、2が装着された位置に適応することが可能であり)、これにより、RFID通信性能(例えば、読取り距離に関するRFID通信性能)を最大化することができる。
好都合なことに、RFIDチップ16、26は、組込み型RSSIオンチップセンサ及び/又は組込み型マッチングセンサを備えることもできる。
さらに、RFIDチップ16、26は有利なことに、
・ 完全パッシブモード(すなわち、作動及び応答に必要なエネルギーの全量を、問合せ元RFIDリーダーから回収する)から放出された電磁波;又は
・ バッテリー補助モード(すなわち、読取り距離を延長するため、とりわけ、問合せ元RFIDリーダーが存在しない状況下であっても定期的な測定(例えば、データロギングのための定期的な測定)を実施するために、ローカルバッテリーがさらなるエネルギーを供給する)
でも使用することができる。
先述のように、RFIDチップ16、26、圧力センサ17、27、及びもしあれば、1個以上のさらなる外部センサは好都合なことに、リジッド基板(例えば、FR4をベースとするリジッド基板)又はフレキシブル基板(例えば、Kapton、Duroid又はPETをベースとするフレキシブル基板)上に製作されたPCB上に配置することが可能であり、相互接続用トレースは好都合なことに、PCBのエッチングによって製造することができる。
第1及び第2のRFIDセンサデバイス1、2は好都合なことに、タイヤの加硫/硬化の前又は後でタイヤに埋め込むことができる。特に、第1及び第2のRFIDセンサデバイス1、2は好都合なことに、タイヤのインナーライナー(IL)に貼り付けることによって、タイヤの加硫/硬化の後でタイヤに埋め込むことができる。より詳細には、タイヤの加硫/硬化プロセス後にタイヤのILに貼り付けるためには、適切な手順(例えば、表面バフ研磨手順)及び/又は適切な接着剤を好都合に使用して、第1及び第2のRFIDセンサデバイス1、2をタイヤ表面に取り付けることができる。
好都合なことに、第1又は第2のRFIDセンサデバイス1/2を、圧力センサ17/27がタイヤの内面の方を向き、タイヤのエアチャンバ内にある空気と接触するようにタイヤ内に配置する一方で、第1/第2のRFIDセンサデバイス1/2の残る一方を、タイヤ自体の中に部分的に組み込むこともできる。この場合、圧力センサ17/27は好都合なことに、(例えば、一次的な保護のための断熱キャップの使用によって)加硫/硬化を耐えるように設計又は保護されている。
好都合なことに、温度モニタリングに関しては、
・ 第1/第2のRFIDセンサデバイス1/2をタイヤ内に部分的に組み込んだ状態にして、RFIDチップ16/26に組み込まれた温度センサによって、タイヤのゴムの内部の温度をモニタリングすること;及び/又は、
・ RFIDチップ16/26に接続されたさらなる温度センサによってタイヤ表面の内部領域と外部領域との両方の温度をモニタリングする
ことができる。
圧力及び温度のモニタリングに関して先述した両方のケースにおいて、圧力センサ17/27の適正な動作を保ちながら、第1/第2のRFIDセンサデバイス1/2をタイヤ内に埋め込むことができることを保証するという目的で、好都合なことに、
・ タイヤの構成要素(例えば、トレッドプライ等、タイヤ自体の中に元々存在する導電性構成要素)を活用して、パッチ型アンテナの底部グランドプレーン10/20を作り出すこと;又は、
・ その間隔が、第1/第2のRFIDセンサデバイス1/2の動作周波数で等価な導電性連続平面として電磁的に生じるように適正にサイズ設定された(すなわち、金属よこ糸/ネット/メッシュの穴の最大サイズDは、有効波長より格段に小さい。)、導電性テキスタイル/織物/糸/繊維/ヤーン要素若しくは金属よこ糸/ネット/メッシュによってグランドプレーン10/20を作り出すこと
が可能である。
数学的に表すと、以下のような結果になる:

且つ

式中、
・ λ=c/f(式中、cが、光速を表し、fが、第1/第2のRFIDセンサデバイス1/2の動作周波数である。)、
・ εeqは、誘電性中間基板11/21を構成する層の誘電率及び周囲の空気の誘電率の体積加重平均として計算された有効誘電率を表す。
そのため、得られる構造は、複数の穴を有する多孔構成を維持しながらも、導電性連続平面と電磁的に等価であり、機械的に整合してタイヤの天然ゴムを前記穴に浸透させ、誘電性中間基板11/21として使用されているゴムによって前記穴を封止し、これにより、タイヤへの第1/第2のRFIDセンサデバイス1/2の完全な組込みを実現する。
前述の点に関して、図7は、タイヤ4への、本発明の第3の好ましい実施形態による第3のRFIDセンサデバイス(全体を3によって示している)の組込みの一例を示している。
特に、前記第3のRFIDセンサデバイス3は、
・ タイヤ4の導電性構造要素(例えば、トレッドプライ)を活用することによって作り出された、底部グランドプレーン30と;
・ 底部グランドプレーン30上に配置されており、タイヤ4のゴムから製作されたインナーライナー及びテキスタイルから製作されたボディプライを活用することによって作り出された、誘電性中間基板31と;
・ 誘電性中間基板31上に配置されており、前記タイヤ4のエアチャンバの方を向くようにタイヤ4の内面上で露出している、頂部金属層又はパッチ32と;
・ 頂部金属層/パッチ32上に配置されたジッド又はフレキシブル基板33と;
・ リジッド/フレキシブル基板33に実装されたRFIDチップ34であって、温度センサ(図7には図示なし)が組み込まれた、RFIDチップ34と;
・ リジッド/フレキシブル基板33に実装されており、RFIDチップ34に接続されており、前記タイヤ4の空気圧のモニタリングを可能にするようにタイヤ4のエアチャンバの方を向いている、圧力センサ35と
を備える。
以下において、本発明の使用に関するいくつかの説明用の(ただし、非限定的な)例について詳細に記述する。
まず、本発明は、タイヤの生産中及び試験中に有利に使用することができる。
実際、タイヤの品質及び機械的/化学的性能は、タイヤの生産プロセス(加硫サーマルサイクル、様々な材料の組込み)の品質に関連付けられ、したがって、実施された品質試験にも関連付けられる。特に、加硫は、100~200℃でのみ起きる、極めて感度の高いプロセスである。
したがって、生産プロセスの最適化及び製品の品質の確保には、加硫中と後続する試験中との両方の間で、タイヤを構成するエラストマーブレンドの内部の温度をモニタリングすることが必要になる。
慣例的な有線センサ(例えば、熱電対/熱抵抗)の使用は高価であり、回転構造体へのケーブルの埋め込みが必要になるため、困難でもある。
反対に、本発明によるRFIDセンサデバイスは有利なことに、加硫段階中に熱/圧力モニタリングを実施するために使用することができる。さらに、本発明によるRFIDセンサデバイスは、耐久性/速度/疲労ドラム試験の間及びライフサイクルの全体にわたって、タイヤにある複数のサンプルポイントのセンシングデータをリアルタイムで提供することができる。
ケーブル及びバッテリーが存在しないおかげで、本発明によるRFIDセンサデバイスは、耐久性ドラム試験の機構と非常に容易に統合することが可能であり、製造されたばかりのタイヤへのいかなる修正も必要としない。
さらに、本発明は、計装のコストの低減及び試験の実行に必要な時間の短縮を可能にする。
さらなる応用ケースにおいて、本発明によるRFIDセンサデバイスは、旧式の有線センサが存在する状況下において、試験中のタイヤのパラメータ制御のために以前から使用されていた圧力センサが適正に機能発揮しているかどうかを時間効率及び費用対効果が高い様式で再度点検するものとして使用することもでき、この結果、試験の実行前にセンサに起こり得る動作不良を迅速に特定することが可能になる。
例えば、図8は、60km/hでドラムマシン上を回転しているタイヤの試験中における、リアルタイム圧力モニタリングの一例を示している。より厳密には、図8に図示の例において、タイヤには、インナーライナー(特に、バルブの付近に配置された第1のRFIDセンサデバイス、および、バルブから180°のところに半径方向に配置された第2のRFIDセンサデバイス)に貼り付けられた本発明による2個のRFIDセンサデバイス(タグ1及びタグ2として示されている)が備え付けられていた。回転している間、タイヤに空気を入れていき、(例えば、パンクを原因とする)タイヤからの急速な空気の抜けをシミュレーションするために一気に空気を抜いていった。さらに、制御された圧力の段階的な上昇/低下を制御シミュレーションしたところ、参照用センサ(バルブにある参照用インフレータに対する平均オフセットは、0.03bar未満である。)に対してよく合致していた。本発明によるRFIDセンサデバイスによって得られた圧力測定値と、参照用センサによって得られた圧力測定値との類似度が急に異なるようになったら、センサのうちの1個以上の動作不良を指し示している可能性がある。
本発明の別の有利な用途は、車両/航空機/バス/トラックがロングレンジRFIDリーダーを備え付けられたアクティブゲートを通過するときの、タイヤ(例えば、乗用車若しくはオフロード車に取り付けられた、又は航空機に取り付けられた、又はバス/トラックに取り付けられたタイヤ)のリアルタイムモニタリングである。特に、ゲート(例えば、空港の出発時及び/又は到着時のゲート、又は倉庫のゲート、タイヤの診断のためのチェックポイントのゲート等)において、RFIDリーダーは、タイヤに埋め込まれたRFIDセンサデバイスを一意に検出し、リアルタイムで測定された情報項目(識別子及び検知データ)を読み取り、及び/又は、RFIDセンサデバイスのメモリ(例えば、データロガーモードに設定されたRFIDセンサデバイスの場合)に記憶された時刻履歴をダウンロードする。読み取った情報項目は、タイヤの現在の状態及びタイヤの履歴(温度、圧力等)に関する情報を提供する。データは直接処理し、分析のために、クラウドコンピューティングシステムに伝送することができる。
本発明を使用することにより、設置、問合せ及びデータ分析の容易化のおかげで、現在のTPMSに比べて大幅な改善が達成される。
さらに、RFIDリーダーを車両/航空機に直接オンボード方式で搭載することによって、リアルタイムでタイヤの状態をモニタリングすることができる。
さらに、本発明の特定の有利な用途は、高性能レース用タイヤのモニタリングである。この場合、RFIDリーダーは好都合なことに、レースの開始前とレースの終了後との両方でタイヤの物理的パラメータをモニタリングするために、ピットに取り付けることができる。さらに、ステータス更新は、毎回のピットストップ中に実施することが可能であり、したがって、動作不良の早期特定に役立つ。
本発明の別の有利な用途は、空港におけるものである。この場合、RFIDリーダーは好都合なことに、特定のゲートに取り付けることが可能であり、及び/又は、地上にいる作業員によって使用されることが可能である。例えば、航空機が到着したら、RFIDリーダーは、タイヤの温度及び圧力に関する情報を読み取り、重要な着陸段階後の健全性に関する貴重な情報を提供することができる。さらに、このようにすれば、航空機が長く動かないままになりすぎて、タイヤの圧力/温度条件に損失がないかどうかを評価することもできる。
さらに、RFIDリーダーは好都合なことに、リアルタイムでタイヤの温度及び圧力(例えば、重要な着陸段階及びブレーキ操作段階のタイヤの温度及び圧力)をモニタリングするために、航空機にもオンボード方式で搭載することができる。
本発明のさらなる有利な一用途は、運転状態中のトレッドプライ(特に、オフロードタイヤのトレッドプライ)の温度のモニタリングである。実際、本発明によるRFIDセンサデバイスは好都合なことには、動作条件下で(すなわち、使用中に)トレッドプライ等の特定のタイヤ要素の温度をモニタリングするために使用することができる。
この場合、RFIDリーダーは好都合なことに、車両に直接オンボード方式で搭載することができる。特に、RFIDリーダーは好都合なことに、アンテナがタイヤの方を向いた状態にして車両に取り付けることができる。好ましくは、RFIDリーダーのアンテナは、タイヤのリム又はホイールアーチに配置する/取り付ける/組み込むことができる。例えば、リム/ホイールアーチは好都合なことには、タイヤに埋め込まれたRFIDセンサデバイスを読み取るための電磁放射素子として作用するように設計された、スロットを備えることもできる。
本出願は、一般的に使用中に強い応力を受けるオフロードタイヤ用として特に有益なものである。特に、トレッドは、トレッドは路面に面し、したがって、疲労度が最も大きくなりやすいため、モニタリングすべき最も重要な領域である。
本発明によるRFIDセンサデバイスは、トレッドに直接組み込むために特に有利なアーキテクチャを有する。実際、パッチ型アンテナの使用により、電磁性能へのトレッドの金属部品の悪影響を最小化することができる。実際、このような金属プライ及びアドホック型金属ヤーンネットは有利なことに、パッチ型アンテナの底部グランドプレーンを効果的に作り出すために使用することができる。
前述の点に関して、図9は、本発明によるRFIDセンサデバイスによって測定された、オフロードタイヤのトレッドプライの温度値を、参照用温度データと一緒に示している。図示のように、本発明は、参照用温度データにぴったりと合致する、優れた温度モニタリングを提供している。特に、図9に示された温度値は、外部温度プローブを備え付けられたRFIDセンサデバイスによって測定したが、このようなRFIDセンサデバイスの使用は、アクセスしづらいタイヤの部品の温度モニタリングを実施することが必要な場合、又は、RFIDセンサデバイスの全体を組み込む/装着することが事実上不可能である場合に好ましい。
以上より、本発明の技術的な利点及び革新的な特徴は、当業者には瞬時に明らかとなっている。
結論として、数多くの本発明の変更形態及び変形形態をなすことが可能であり、これらのすべてが、添付した特許請求の範囲に規定された本発明の範囲に含まれることは明らかである。

Claims (20)

  1. 少なくとも部分的にタイヤ(4)に埋め込まれる又は組み込まれる又は装着されるように設計されており、
    ・ 底部グランドプレーン(10、20、30)と;
    ・ 前記底部グランドプレーン(10、20、30)上に配置された誘電性中間基板(11、21、31)と;
    ・ 前記誘電性中間基板(11、21、31)上に配置されており、前記誘電性中間基板(11、21、31)を部分的に又は完全に覆っている、1つ以上の頂部導電性パッチ(12、13、22、32)であって、前記底部グランドプレーン(10、20、30)と、前記1つ以上の頂部導電性パッチ(12、13、22、32)とが短絡又は容量結合している、1つ以上の頂部導電性パッチ(12、13、22、32)と
    を含む多層構造体を備える、パッチ型アンテナを備え、
    ・ 前記1つ以上の頂部導電性パッチ(12、13、22、32)及び/又は前記誘電性中間基板(11、21、31)上に配置されたリジッド又はフレキシブル基板(15、25、33)と;
    ・ 前記リジッド又はフレキシブル基板(15、25、33)に実装されており、前記1つ以上の頂部導電性パッチ(12、13、22、32)に接続又は連結された、無線周波数識別チップ(16、26、34)と;
    ・ 前記無線周波数識別チップ(16、26、34)に組み込まれた又は接続された温度センサと;
    ・ 前記リジッド又はフレキシブル基板(15、25、33)に実装されており、前記無線周波数識別チップ(16、26、34)に接続された、圧力センサ(17、27、35)と
    をさらに備える、
    タイヤ用の無線周波数識別センサデバイス(1、2、3)であって、
    前記底部グランドプレーン(10、20、30)が、
    ・ 導電性テキスタイル又は織物又は又は繊維又はヤーン要素又は層若しくは金属よこ糸又はネット又はメッシュによって形成され;又は、
    ・ 前記タイヤ(4)の導電性及び/若しくは金属要素又は層によって少なくとも部分的に形成され;
    前記誘電性中間基板(11、21、31)が、少なくとも部分的にゴムから製作されており、又は、前記タイヤ(4)の誘電及び/若しくはゴム要素又は層から少なくとも部分的に形成される
    ことを特徴とする、タイヤ用の無線周波数識別センサデバイス(1、2、3)。
  2. 前記リジッド又はフレキシブル基板(15、25、33)を介して前記無線周波数識別チップ(16、26、34)に接続された1個以上のさらなるセンサをさらに備える、請求項1に記載の無線周波数識別センサデバイス。
  3. 前記圧力センサ(17、27、35)が、前記リジッド又はフレキシブル基板(15、25、33)の1つ以上の第1のパッド(28)を介して前記無線周波数識別チップ(16、26、34)に接続されており、前記さらなるセンサが、前記リジッド又はフレキシブル基板(15、25、33)の1つ以上の第2のパッド(29)を介して前記無線周波数識別チップ(16、26、34)に接続された、請求項2に記載の無線周波数識別センサデバイス。
  4. 前記さらなるセンサが、さらなる温度センサを含む、請求項2又は3に記載の無線周波数識別センサデバイス。
  5. 前記さらなるセンサが、変形センサ、ひずみセンサ、加速度センサ、応力センサ、さらなる温度センサのうちの1種以上を含む、請求項2から4のいずれかに記載の無線周波数識別センサデバイス。
  6. 前記無線周波数識別チップ(16、26、34)に接続されたバッテリーをさらに備える、請求項1から5のいずれかに記載の無線周波数識別センサデバイス。
  7. 前記誘電性中間基板(11、21、31)が、1つ以上の柔軟な層及び/又は剛直な層を含む、請求項1から6のいずれかに記載の無線周波数識別センサデバイス。
  8. 1つ以上のチューニング用ノッチ(24)が、前記1つ以上の頂部導電性パッチ(12、13、22、32)上に製作されており、これにより、前記1つ以上のチューニング用ノッチ(24)に対応する前記誘電性中間基板(11、21、31)の1つ以上の部分が真下に露出している、請求項1から7のいずれかに記載の無線周波数識別センサデバイス。
  9. 前記リジッド又はフレキシブル基板(15、25、33)が、リジッド又はフレキシブル基板上に製作されたプリント回路基板(PCB)である、請求項1から8のいずれかに記載の無線周波数識別センサデバイス。
  10. 前記リジッド又はフレキシブル基板(15、25、33)が、少なくとも部分的にFR4から製作されたリジッド基板、又は少なくとも部分的にKapton、Duroid又はポリエチレンテレフタレートから製作されたフレキシブル基板上に製作された、請求項9に記載の無線周波数識別センサデバイス。
  11. 前記底部グランドプレーン(10、20、30)と、前記1つ以上の頂部導電性パッチ(12、13、22、32)との間にある前記誘電性中間基板(11、21、31)の一面上で垂直に延在し、これにより、前記底部グランドプレーン(10、20、30)と、前記1つ以上の頂部導電性パッチ(12、13、22、32)とを短絡させている、短絡用金属壁(23)をさらに備える、請求項1から10のいずれかに記載の無線周波数識別センサデバイス。
  12. 請求項1から11のいずれかに記載の無線周波数識別センサデバイス(1、2、3)を備える、タイヤ(4)。
  13. 前記無線周波数識別センサデバイス(1、2、3)が、前記圧力センサ(17、27、35)が前記タイヤ(4)のエアチャンバの方を向くように、前記タイヤ(4)に部分的に組み込まれた、請求項12に記載のタイヤ。
  14. 前記無線周波数識別センサデバイス(1、2、3)が、前記温度センサが前記タイヤ(4)のゴム温度を測定するように前記タイヤ(4)に埋め込まれた又は部分的に組み込まれた又は装着された、請求項12又は13に記載のタイヤ。
  15. 前記無線周波数識別センサデバイス(1、2、3)が、前記無線周波数識別チップ(16、26、34)に接続されており、前記タイヤ(4)の内面又は外面上で温度測定を実施するように配置された、さらなる温度センサを備える、請求項14に記載のタイヤ。
  16. 請求項12から15のいずれかに記載のタイヤ(4)を備える、車両。
  17. それぞれ前記温度センサ及び前記圧力センサ(17、27、35)によって測定された温度値及び圧力値を、前記無線周波数識別センサデバイス(1、2、3)から読み取るように構成された1つ以上の問合せ元アンテナに接続された、無線周波数識別リーダーをさらに備える、請求項16に記載の車両。
  18. 前記無線周波数識別リーダーが、前記車両にオンボード方式で搭載されており、前記問合せ元アンテナが、前記タイヤ(4)を備えるホイールのリム又はホイールアーチに組み込まれた又は取り付けられた、請求項17に記載の車両。
  19. 前記車両が、乗用車若しくはオフロード車若しくはレース用車両であり、又は航空機であり、又はトラック若しくはバスである、請求項16から18のいずれかに記載の車両。
  20. ・ 製造及び試験中のタイヤ(4);又は
    ・ レース用車両のタイヤ(4);又は
    ・ 航空機のタイヤ(4);又は
    ・ 使用中の車両又はトラック又はバスのタイヤ(4)
    をモニタリングするための、請求項1から11のいずれかに記載の無線周波数識別センサデバイス(1、2、3)の使用。
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