WO2013187163A1 - 状態検出装置 - Google Patents

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WO2013187163A1
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detection device
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興司 中谷
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横浜ゴム株式会社
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    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole

Definitions

  • the present invention relates to a state detection device, and more particularly to a state detection device that transmits a detection result to the outside by radio waves and is used by being mounted on a metal surface such as a rim in a tire.
  • a tire condition detection device equipped with a radio that transmits air pressure data on a tire rim well (see, for example, Patent Document 1).
  • the antenna provided in the tire condition detection device is affected by the approach of a metal part such as a rim, and the characteristics often change greatly.
  • the antenna design with the tire condition detection device installed on a metal such as a rim It was essential.
  • the resonance frequency of the antenna of the tire condition detection device often shifts significantly, so in order to maintain good antenna characteristics, It was necessary to design an antenna for each rim shape on a one-by-one basis.
  • the present inventor aims to provide a tire condition detection device that can obtain good antenna characteristics even when the shape of a rim to be mounted is changed, can reduce manufacturing costs, and can be mass-produced.
  • a tire condition detection device disclosed in Japanese Patent No. 4868192 Patent Document 2 has been devised.
  • the tire condition detection device 10 includes a sensor 410 for detecting a predetermined physical condition of the tire, an antenna 450 having a predetermined resonance frequency, and information on the detection result of the sensor 410 as an antenna.
  • a detection / transmission / reception circuit 400 that transmits as a radio wave from 450, and a case 130 that houses the apparatus main body 30 in which the sensor 410, the antenna 450, the detection / transmission / reception circuit 400, and the like are formed and transmits the radio wave. Used by attaching to the rim 4 in the tire.
  • the tire state detection device 10 includes a device main body 30 including printed wiring boards 351 and 352 fixed to a case 130 inside the case, and an antenna 450 is provided fixed to one surface side of the printed wiring board 351.
  • the detection / transmission / reception circuit 400 is fixed in a state where it is electrically insulated from the antenna 450 at a predetermined distance from the antenna 450 so as to form a boundary surface between the antenna 450 and the rim 4 when mounted on the antenna 450.
  • a flat conductor 361 set to a potential equal to the reference potential is provided, and the flat conductor 361 is arranged so that the other surface of the printed wiring board 351 and one surface of the flat conductor 361 are parallel to each other with a predetermined distance D therebetween.
  • This is fixed to the printed wiring board 351 by a plurality of holding members 371 so as to form a predetermined space between the other surface of the substrate 351 and one surface of the flat conductor 361.
  • the antenna 450 is a coiled antenna whose resonance frequency is set to the transmission / reception frequency of the transmission / reception unit, and the printed wiring provided on the printed wiring board 351, the printed wiring provided on the printed wiring board 352, and the printed wiring board 351.
  • the printed wiring and the printed wiring of the printed wiring board 352 are conductively connected and are formed by columnar connecting conductors 354 that fix the printed wiring boards 351 and 352 to each other.
  • the feeding conductors 461a, 461b, 461c Connected by 462.
  • the planar conductor 361 set to the reference potential of the detection circuit is provided at the position of the predetermined distance D from the antenna 450 in the apparatus, and when the apparatus is mounted on the rim 4, the planar conductor 361 is connected to the antenna 450 and the rim 4. Therefore, the influence of the metal constituting the rim 4 on the antenna 450 can be greatly reduced as compared with the prior art. Therefore, good antenna characteristics can be obtained even if the shape of the rim 4 to be mounted is changed, manufacturing costs can be reduced, and mass production becomes possible.
  • JP 2006-327460 A Japanese Patent No. 4868192
  • the antenna 450 is an extremely small antenna and has a narrow frequency bandwidth. It has been discovered that when the resonance frequency of 450 is shifted, the transmission / reception frequency is outside the frequency band of the antenna, the matching state between the transmission / reception unit and the antenna 450 is deteriorated, and the performance is deteriorated. In such a case, the size of the antenna has to be finely adjusted, but the fine adjustment has been troublesome.
  • the present invention provides a sensor for detecting a predetermined physical quantity in the surroundings, a first printed wiring board and a second printed wiring board provided to face each other, and the first printed wiring board.
  • a plurality of antenna printed wirings formed, a plurality of antenna printed wirings formed on the second printed wiring board, an antenna printed wiring formed on the first printed wiring board, and an antenna printed formed on the second printed wiring board A plurality of connecting conductors that form a coiled antenna having a predetermined resonance frequency by connecting wiring, and physical quantity information formed on the first printed wiring board and detected by the sensor as radio waves from the coiled antenna
  • the plane conductor is parallel to the plane of the second printed wiring board and the plane of the plane conductor. And fixed to the second printed wiring board by a plurality of holding materials so as to form a predetermined space between the surface of the second printed wiring board and the surface of the planar conductor. It suggests that state detecting device.
  • the planar conductor set at the reference potential of the detection circuit is provided at a predetermined distance from the antenna in the device, and when the device is mounted on a metal surface, the planar conductor is connected to the antenna and the metal. Since it becomes a boundary surface between surfaces, the influence which a metal surface gives to an antenna can be reduced significantly compared with the past.
  • the case when the state detection device is mounted on a metal surface, the case is fixed to the metal surface so that the bottom surface of the case faces the metal surface. Since the case is fixed to the metal surface in this way, a plane conductor set at a reference potential is arranged between the antenna and the metal surface. Therefore, when the state detection device is mounted on the metal surface, the plane conductor is Since it becomes a boundary surface between an antenna and a metal surface, the influence which a metal surface gives to an antenna can be reduced significantly compared with the past. Therefore, there is no need to create an antenna with optimal characteristics for each shape of the metal surface such as a tire rim, and the same antenna can be used when fixing to a metal surface of any shape.
  • the manufacturing cost per tire condition detecting device can be greatly reduced as compared with the conventional one, and mass production of the tire condition detecting device can be easily performed. Furthermore, the frequency band of the antenna can be made wider than the conventional example so that the transmission / reception frequency falls within the frequency band of the antenna even if the resonance frequency of the antenna is slightly shifted.
  • the figure which shows the tire structure in one Embodiment of this invention. 1 is an external perspective view showing a tire condition detection device in one embodiment of the present invention.
  • Side surface sectional drawing which shows the tire condition detection apparatus in one Embodiment of this invention 1 is an external perspective view showing an apparatus main body according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is an external perspective view showing an apparatus main body according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is an external perspective view showing a main part of an apparatus main body according to an embodiment of the present invention.
  • the figure which shows the positional relationship of the conductor for electric power feeding and planar conductor board in one Embodiment of this invention 1 is an external perspective view showing a planar conductor plate and a holding material in one embodiment of the present invention. 1 is an external perspective view showing a holding material in an embodiment of the present invention.
  • the figure which shows the Smith chart in one Embodiment of this invention The figure which shows the relationship between the power efficiency with respect to input impedance and VSWR in one Embodiment of this invention.
  • Smith chart explaining antenna characteristics when appropriate in the conventional example Smith chart explaining variation in antenna characteristics in conventional example Side surface sectional view showing a tire condition detection device in a conventional example External perspective view showing an apparatus main body in a conventional example External perspective view showing an apparatus main body in a conventional example
  • the figure which shows the positional relationship of the conductor for electric power feeding and a planar conductor board in a prior art example The figure which shows the example which applied the state detection apparatus of this invention to the pneumatic fender
  • FIG. 1 is a diagram showing a tire mounted with a tire condition detection device according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram showing a tire structure in one embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a tire condition in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view showing a tire condition detecting device in one embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a side sectional view showing the tire condition detecting device in one embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is an external perspective view showing an apparatus main body according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is an external perspective view showing an essential part of the apparatus main body according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a tire according to an embodiment of the present invention.
  • It is a block diagram which shows the electric system circuit of a state detection apparatus. In the figure, the same components as those in the conventional example are represented by the same reference numerals.
  • the tire condition detection device 100 in the present embodiment is fixed at a predetermined position of the rim 4 inside the air chamber 3 of the tire 1, and will be described later provided in the tire condition detection device 100.
  • the pressure and temperature in the air chamber 3 of the tire main body 2 are detected by a sensor unit including a pressure detecting element and a temperature detecting element, and the detection result is converted into a digital value. Further, the tire condition detection device 100 generates and transmits digital information including these digital values. This digital information includes identification information unique to the tire condition detection device 100 in addition to the digital value of the detection result.
  • the tire 1 used in the present embodiment is a tire used for a large truck or the like, and a steel carcass is embedded in the tire 1.
  • the tire used in this embodiment is normally used for a large vehicle, and has a steel belt and a steel carcass embedded therein.
  • the tire 1 is a known tubeless radial tire, for example, and includes a wheel and a rim in the present embodiment. 1 and 2, the tire 1 includes a tire body 2, a rim 4 and a wheel 5.
  • the tire body 2 includes a known cap tread 21, under tread 22, belts 23A and 23B, carcass 24, and the like. .
  • the case 130 of the tire condition detection device 100 has a substantially rectangular parallelepiped shape, has protrusions for screwing at both ends in the longitudinal direction, and the case main body 131 and the lid 132. It consists of and.
  • a storage space 134 for storing the apparatus main body 300 is formed inside the case main body 131, and the opening of the storage space 134 is formed by fixing the lid 132 to the case main body 131 with screws 141. Closed.
  • a vent hole 133 is formed in the lid body 132, and even when the lid body 132 is fixed to the case main body 131, air can flow from the outside to the storage space 134 through the vent hole 133. Yes.
  • the apparatus main body 300 includes two printed wiring boards 351 and 352 having a substantially rectangular shape arranged in parallel at a predetermined interval, and a columnar connection constituting an antenna 450 therebetween.
  • the conductor 354 and the third printed wiring board 353 for connection are fixed to each other.
  • a coil-shaped antenna 450 having a central axis extending in the width direction of the first and second printed wiring boards 351 and 351 is formed at the other end portion in the longitudinal direction of the apparatus main body 300, and the sensor portion 410 and the battery are disposed at one end side.
  • Electronic components that constitute an electronic circuit including 420 are mounted.
  • the connecting printed wiring board 353 is soldered to each of the two printed wiring boards 351 and 352.
  • the first printed wiring board 351 and the second printed wiring board 352 are provided between them, and fix the other printed wiring board to the one printed wiring board at a predetermined interval, and The printed wiring and the printed wiring of the other printed wiring board are connected by a plurality of columnar connecting conductors 354 that are conductively connected.
  • a detection / transmission / reception circuit 400 shown in FIG. 9 is formed on the first printed wiring board 351 of the apparatus main body 300. That is, the detection / transmission / reception circuit 400 includes a sensor unit 410, a battery 420, a main control unit 430, a transmission / reception unit 440, and an antenna 450.
  • the sensor unit 410 is mounted on the surface of the main body 300, and includes an air pressure detection element 411, a temperature detection element 412, and an analog / digital conversion circuit 413.
  • the air pressure detection element detects the air pressure and temperature in the tire air chamber. 411 and the temperature detection element 412, and the detection result is converted into a digital value by the analog / digital conversion circuit 413 and output to the main control unit 430.
  • the battery 420 is fixed to the surface of the second printed wiring board 352, connected to the apparatus main body 300 by a connection conductor, and supplies power to the detection / transmission / reception circuit 400 formed on the first printed wiring board 351.
  • the main control unit 430 includes a well-known CPU and memory, receives the detection result from the sensor unit 410 as a digital value, generates digital information including the digital value, and outputs the digital information to the transmission / reception unit 440.
  • the digital information includes identification information unique to the apparatus main body 300 that has been set in advance (which has been previously written in a memory or set by a dip switch). It is.
  • the transmission / reception unit 440 switches between transmission and reception based on an instruction from the main control unit 430.
  • the digital information input from the main control unit 430 is transmitted from the antenna 450 with a predetermined frequency, for example, 315 MHz, and at the time of reception.
  • a digital signal is detected from the 315 MHz radio wave received via the antenna 450, digital information is extracted from the detected digital signal, and is output to the main control unit 430.
  • the transmission frequency and the reception frequency of the transmission / reception unit 440 are set to the same frequency.
  • input / output terminals 441 and 442 connected to the antenna 450 of the transmission / reception unit 440 are formed on the first printed wiring board 351.
  • the antenna 450 is a coiled antenna whose resonance frequency is set to the transmission / reception frequency of the transmission / reception unit 440, and the printed wiring 351a provided on the first printed wiring board 351 and the printed wiring 352a provided on the second printed wiring board 352.
  • the printed wiring of the first printed wiring board 351 and the printed wiring of the second printed wiring board 352 are conductively connected and formed by columnar connecting conductors 354 that fix the printed wiring boards 351 and 352 to each other.
  • the feeding conductors 451a, 451b, 451c, 452 are conductively connected.
  • a rectangular planar conductor plate 361 is fixed to the outer surface of the other end of the second printed wiring board 352 by four holding members 371.
  • a planar conductor plate 361 is provided at the position of the antenna 450 so as to be parallel to the printed wiring board 352 located on the bottom surface side of the case body 131 when the apparatus body 300 is housed in the case 130.
  • the flat conductor plate 361 is fixed to the second printed wiring board 352 by the holding material 371 so as to maintain a predetermined distance D.
  • the planar conductor plate 361 is conductively connected to a predetermined conductor pattern (a conductor pattern connected to the negative electrode of the battery 420) of the second printed wiring board 352 and set to a reference potential. Further, as shown in FIG.
  • the holding member 371 is fixed to the four corners of the planar conductor plate 361. As shown in FIG. 12, the holding member 371 has a shape in which cylindrical projections 371b having a diameter smaller than that of the main body 371a are provided at both ends of the cylindrical main body 371a.
  • the planar conductor plate 361 is disposed so as to form a boundary surface between the antenna 450 and the rim 4 when the case 130 of the tire condition detection device 100 is attached to the rim 4.
  • the directivity of the transmission radio wave at this time is as shown in FIG.
  • the antenna 450 has a resonance frequency of 315 MHz with the planar conductor plate 361 mounted on the second printed wiring board 352, and the antenna impedance at 315 MHz is 50 ohms. At this time, the distance D between the printed wiring board 351 and the planar conductor plate 361 is set to 1.5 mm by the holding material 371.
  • FIG. 15 shows the impedance characteristics of the tire condition detection device 100 in this embodiment
  • FIG. 16 shows the power efficiency (Pin / Pout) and the VSWR characteristics with respect to the input impedance of the antenna 450.
  • the characteristic curve A represents the outer periphery of the range where the input impedance Z1 of the antenna 450 is 25 ⁇ ⁇ Z1 ⁇ 100 ⁇ .
  • a characteristic curve B is an impedance curve in the present embodiment, and represents that the input impedance Z1 of the antenna 450 is 25 ⁇ ⁇ Z1 ⁇ 100 ⁇ between the frequency 316 MHz at the point B1 and the frequency 314.5 MHz at the point B2. .
  • a characteristic curve C is an impedance curve in the conventional example, and represents that the input impedance Z1 of the antenna is 25 ⁇ ⁇ Z1 ⁇ 100 ⁇ between the frequency 315.5 MHz at the point C1 and the frequency 314.5 MHz at the point C2. . Therefore, in this embodiment, it can be seen that the frequency band where the input impedance Z1 of the antenna 450 is 25 ⁇ ⁇ Z1 ⁇ 100 ⁇ is expanded by 0.5 MHz compared to the conventional example.
  • curve P represents power efficiency
  • curve S represents VSWR.
  • the case 130 is attached to the rim 4 so that the bottom surface of the case 130 faces the surface of the rim 4. Since the case 130 is fixed to the rim 4 in this manner, the planar conductor plate 361 set at the reference potential is disposed between the antenna 450 and the surface of the rim 4, so that the tire
  • the planar conductor plate 361 becomes an interface between the antenna 450 and the rim 4, so that the influence of the metal constituting the rim 4 on the antenna 450 is significantly larger than before. Can be reduced.
  • the second printed wiring board 352 facing the first printed wiring board 351. Since the plane conductor plate 361 is fixed and the plane conductor plate 361 is disposed away from the input / output terminals 441 and 442 connected to the antenna 450 of the transmission / reception unit 440, the frequency band where the input impedance Z1 of the antenna 450 is 25 ⁇ ⁇ Z1 ⁇ 100 ⁇ . However, it increased by 0.5 MHz compared with the conventional example.
  • the planar conductor plate 361 is arranged at a position away from the input / output terminals 441 and 442 of the transmission / reception unit 440, thereby connecting the antenna 450 of the transmission / reception unit 440. This is probably because the stray capacitance formed between the output terminals 441 and 442 and the planar conductor plate 361 is reduced.
  • the manufacturing cost can be greatly reduced as compared with the conventional one, and mass production of the tire condition detection device can be easily performed. Furthermore, since the frequency band in which the input impedance Z1 of the antenna 450 is 25 ⁇ ⁇ Z1 ⁇ 100 ⁇ is wider than that of the conventional example, fine adjustment of the antenna is not necessary even if the resonance frequency of the antenna is slightly shifted.
  • the tire state detection device 100 that can detect both the air pressure and the temperature in the tire is configured, but an information acquisition device that can detect either the air pressure or the temperature or another physical quantity is also configured. good.
  • the state detection device configured to detect the physical quantity in the tire while using the rim in the tire as the metal surface to be mounted is configured, but the state in which the surrounding physical quantity is detected by mounting on a metal surface other than the tire It goes without saying that the same effect can be obtained when the detection apparatus is configured.
  • the state detection device of the present invention can reduce the influence on the antenna characteristics not only from the tire rim but also from the surrounding casing, it can be used for other purposes.
  • the air pressure inside the pneumatic fender 5 used when a ship is berthed or touched to a quay or another ship is also detected by the sensor of the state detection device 100, The detection value is transmitted to a place away by radio waves using the state detection device 100, and this is received and applied to the one in which the internal air pressure can be monitored without touching the pneumatic fender 5 it can.
  • Sensor unit 411 ... Air pressure detection element, 412 ... Temperature detection element, 413 ... Analog / digital conversion circuit, 420 ... battery, 421, 422 ... connection conductor, 430 ... main control unit, 440 ... transmission / reception unit, 441, 442 ... input / output terminal, 450 ... antenna, 451, 452 ... feeding point, 461a, 461b, 461c, 462 ... feeding conductor.

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Abstract

【課題】アンテナの共振周波数が少々ずれても送受信周波数がアンテナの周波数帯域内に入るように、従来例よりもアンテナの周波数帯域を広くできる状態検出装置を提供する。 【解決手段】タイヤの所定物理量を検出して送信する検出・送受信回路400とアンテナ用プリント配線351aが形成されている第1プリント配線基板351とアンテナ用プリント配線352aが形成されている第２プリント配線基板352とを対向して配置し、柱状接続導体354によってアンテナ用プリント配線351a,352aをコイル状に導電接続してアンテナ450を形成した装置本体300の第２プリント配線基板352に、アンテナ450と装着対象の金属面との間に位置するように平面導体板361を固定して設ける。

Description

状態検出装置
　本発明は、状態検出装置に関し、特に、検出結果を電波によって外部に送信するものであり且つタイヤ内のリム等の金属面に装着して用いる状態検出装置に関するものである。
　タイヤ内空気圧をモニタリングするシステムは、空気圧データを送信する無線機を備えたタイヤ状態検出装置をタイヤ内リムウェル部に装着することが一般的である（例えば、特許文献１参照）。タイヤ状態検出装置に備わるアンテナは、リム等の金属部が接近することにより影響を受け、大きく特性が変化する場合が多く、リム等の金属にタイヤ状態検出装置を設置した状態でのアンテナ設計が必須であった。しかしながら、リム形状は様々であり、特にアンテナとリムを構成する金属との間の距離がリムの形状によって異なるとアンテナの共振周波数及びインピーダンスが共に大きく変化する。
　例えば、送信周波数が３１５ＭＨｚの送信部と、共振周波数が３１５ＭＨｚのアンテナを備えたタイヤ状態検出装置を最適な状態でリムに装着した場合、図１７に示すように良好なインピーダンス特性を得られる。しかし、このタイヤ状態検出装置をリムから少し離した場合或いは他の形状のリムに装着した場合は、図１８に示すように、アンテナの共振周波数が大幅にずれてしまうことが多々起こっていた。
　すなわち、タイヤ状態検出装置の装着対象となるリムの形状などが異なるとタイヤ状態検出装置のアンテナの共振周波数が大幅にずれてしますことが多いので、良好なアンテナ特性を保持するためには、ワンバイワンでリムの形状毎にアンテナ設計をすることが必要であった。
　このようにリムの形状毎に最適な特性を備えたアンテナを作成する必要があったので、１つあたりの製造コストが高くなると共に、大量生産が困難であるという問題点があった。
　このため本発明者は、装着対象となるリムの形状が変わっても良好なアンテナ特性を得ることができると共に、製造コストを低減でき、大量生産が可能なタイヤ状態検出装置を提供することを目的として、特許第４８６８１９２号公報（特許文献２）に開示されるタイヤ状態検出装置を考案した。図１９～図２３に示すように、このタイヤ状態検出装置10は、タイヤの所定の物理状態を検出するセンサ410と、所定の共振周波数を有するアンテナ450と、センサ410の検出結果の情報をアンテナ450から電波として送信する検出・送受信回路400と、センサ410とアンテナ450と検出・送受信回路400等が形成されている装置本体30を収納し且つ電波を透過するケース130とを備え、ケース130をタイヤ内のリム4に装着して用いる。このタイヤ状態検出装置10は、ケース130に固定されたプリント配線基板351,352からなる装置本体30をケース内部に備え、アンテナ450はプリント配線基板351の一面側に固定されて設けられ、ケース130をリム4に装着したときにアンテナ450とリム4との間に境界面を形成するようにアンテナ450から所定距離の位置にアンテナ450と電気的に絶縁された状態で固定され且つ検出・送受信回路400の基準電位と等しい電位に設定されている平面導体361を設けるとともに、平面導体361はプリント配線基板351の他面と平面導体361の一面が所定の間隔Ｄを開けて平行になるように且つプリント配線基板351の他面と平面導体361の一面との間に所定の空間を形成するように複数の保持材371によってプリント配線基板351に固定されているものである。
　また、アンテナ450は、共振周波数が送受信部の送受信周波数に設定されたコイル状アンテナであり、プリント配線基板351に設けられたプリント配線とプリント配線基板352に設けられたプリント配線及びプリント配線基板351のプリント配線とプリント配線基板352のプリント配線とを導電接続するとともにこれらのプリント配線基板351,352を互いに固定する柱状接続導体354によって形成されている。
　さらに、検出・送受信回路400が形成されているプリント配線基板351に設けられた検出・送受信回路400の入出力端子441,442とアンテナ450の給電点451,452との間は給電用導体461a,461b,461c,462によって接続されている。
　このように、装置内においてアンテナ450から所定距離Ｄの位置に検出回路の基準電位に設定された平面導体361が設けられ、装置をリム4に装着したときには平面導体361がアンテナ450とリム4との間の境界面となるので、リム4を構成する金属がアンテナ450に与える影響を従来に比べて大幅に低減することができる。したがって、装着対象となるリム4の形状が変わっても良好なアンテナ特性を得ることができると共に、製造コストを低減でき、大量生産が可能になる。
特開２００６－３２７４６０号公報 特許第４８６８１９２号公報
　しかしながら、本発明者が上記タイヤ状態検出装置を改良研究していく中、アンテナ450が極めて小型のアンテナであるため周波数帯域幅が狭いものとなっているため、アンテナ450の寸法が少々ずれてアンテナ450の共振周波数がずれると、送受信周波数がアンテナの周波数帯域外となり送受信部とアンテナ450との整合状態が悪くなり、性能が低下することが発見された。このようなときは、アンテナの寸法を微調整しなければならないが、微調整に手間がかかっていた。
　本発明は、アンテナの共振周波数が少々ずれても送受信周波数がアンテナの周波数帯域内に入るように、従来例よりもアンテナの周波数帯域を広くできる状態検出装置を提供することにある。
　本発明は、上記の目的を達成するために、周囲の所定物理量を検出するセンサと、面対向して設けられた第１プリント配線基板及び第２プリント配線基板と、前記第１プリント配線基板に形成された複数のアンテナプリント配線及び第２プリント配線基板に形成された複数のアンテナプリント配線と、前記第１プリント配線基板に形成されたアンテナプリント配線と第２プリント配線基板に形成されたアンテナプリント配線とを連結して所定の共振周波数を有するコイル状アンテナを形成する複数の連結導体と、前記第１プリント配線基板に形成され前記センサによって検出された物理量の情報を前記コイル状アンテナから電波として送信する送信回路と、前記第１プリント配線基板に設けられた前記送信回路の出力端子と、前記アンテナの給電点と前記出力端子とを導電接続する導電体と、前記第１プリント配線基板及び第２プリント配線基板を収納し且つ電波を透過するケースと、前記ケースを金属面に装着したときに前記アンテナと前記金属面との間に境界面を形成するように前記アンテナから所定距離の位置に前記アンテナと電気的に絶縁された状態で固定され且つ前記送信回路の基準電位と等しい電位に設定されている平面導体とを備え、前記ケースを前記金属面に装着して用いる状態検出装置において、前記平面導体は前記第２プリント配線基板の面と前記平面導体の面が所定の間隔を開けて平行になるように且つ前記第２プリント配線基板の面と前記平面導体の面との間に所定の空間を形成するように複数の保持材によって前記第２プリント配線基板に固定されている状態検出装置を提案する。
　本発明の状態検出装置によれば、装置内においてアンテナから所定距離の位置に検出回路の基準電位に設定された平面導体が設けられ、装置を金属面に装着したときには前記平面導体がアンテナと金属面との間の境界面となるので、金属面がアンテナに与える影響を従来に比べて大幅に低減することができる。
　本発明によれば、状態検出装置を金属面に装着するときは、ケースの底面が金属面に対向するようにケースが金属面に固定される。このようにケースが金属面に固定されることにより、アンテナと金属面との間には基準電位に設定された平面導体が配置されるため、状態検出装置を金属面に装着したときには平面導体がアンテナと金属面との間の境界面となるので、金属面がアンテナに与える影響を従来に比べて大幅に低減することができる。したがって、タイヤのリムなどの金属面の形状毎に最適な特性を備えたアンテナを作成する必要がなくなり、どのような形状の金属面に固定する際においても同一のアンテナを用いることができるので、タイヤ状態検出装置の１つあたりの製造コストが従来に比べて大幅に低減できると共に、タイヤ状態検出装置の大量生産が容易に可能になる。さらに、アンテナの共振周波数が少々ずれても送受信周波数がアンテナの周波数帯域内に入るように、従来例よりもアンテナの周波数帯域を広くできる。
本発明の一実施形態におけるタイヤ状態検出装置を実装したタイヤを示す図 本発明の一実施形態におけるタイヤ構造を示す図 本発明の一実施形態におけるタイヤ状態検出装置を示す外観斜視図 本発明の一実施形態におけるタイヤ状態検出装置を示す平面図 本発明の一実施形態におけるタイヤ状態検出装置を示す側面断面図 本発明の一実施形態における装置本体を示す外観斜視図 本発明の一実施形態における装置本体を示す外観斜視図 本発明の一実施形態における装置本体の要部を示す外観斜視図 本発明の一実施形態におけるタイヤ状態検出装置の電気系回路を示すブロック図 本発明の一実施形態における給電用導体と平面導体板との位置関係を示す図 本発明の一実施形態における平面導体板と保持材を示す外観斜視図 本発明の一実施形態における保持材を示す外観斜視図 本発明の一実施形態におけるタイヤ状態検出装置をタイヤに装着したときのリムと平面導体板との関係を示す図 本発明の一実施形態におけるタイヤ状態検出装置の送信電波の指向性を示す図 本発明の一実施形態におけるスミスチャートを示す図 本発明の一実施形態における入力インピーダンスに対する電力効率とＶＳＷＲの関係を示す図 従来例における適正時のアンテナ特性を説明するスミスチャート 従来例におけるアンテナ特性の変動を説明するスミスチャート 従来例におけるタイヤ状態検出装置を示す側面断面図 従来例における装置本体を示す外観斜視図 従来例における装置本体を示す外観斜視図 従来例におけるタイヤ状態検出装置をタイヤに装着したときのリムと平面導体板との関係を示す図 従来例における給電用導体と平面導体板との位置関係を示す図 本発明の状態検出装置を空気式防舷材に適用した例を示す図
　以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
　図１は本発明の一実施形態におけるタイヤ状態検出装置を実装したタイヤを示す図、図２は本発明の一実施形態におけるタイヤ構造を示す図、図３は本発明の一実施形態におけるタイヤ状態検出装置を示す外観斜視図、図４は本発明の一実施形態におけるタイヤ状態検出装置を示す平面図、図５は本発明の一実施形態におけるタイヤ状態検出装置を示す側面断面図、図６及び図７は本発明の一実施形態における装置本体を示す外観斜視図、図８は本発明の一実施形態における装置本体の要部を示す外観斜視図、図９は本発明の一実施形態におけるタイヤ状態検出装置の電気系回路を示すブロック図である。図において、従来例と同一構成部分は同一符号をもって表す。
　図１に示すように、本実施形態におけるタイヤ状態検出装置100は、タイヤ１の空気室３内部においてリム４の所定位置に固定されており、このタイヤ状態検出装置100内に設けられている後述する圧力検出素子と温度検出素子を備えたセンサ部によってタイヤ本体２の空気室３内の圧力と温度とを検出し、この検出結果をディジタル値に変換する。また、タイヤ状態検出装置100はこれらのディジタル値を含むディジタル情報を生成して送信する。このディジタル情報には、上記検出結果のディジタル値の他にタイヤ状態検出装置100に固有の識別情報が含まれる。なお、本実施形態において用いたタイヤ１は大型トラックなどに使用されるタイヤであって、タイヤ１内にスチールカーカスが埋設されているものである。
　本実施形態で用いたタイヤは、図２に示すように、通常大型車両に用いられるものであり、スチール製のベルトとスチール製のカーカスが埋設されているものである。タイヤ１は、例えば、周知のチューブレスラジアルタイヤであり、本実施形態においてはホイール及びリムを含むものである。図１及び図２において、タイヤ１はタイヤ本体２とリム４及びホイール５から構成され、タイヤ本体２は周知のキャップトレッド21、アンダートレッド22、ベルト23A,23B、カーカス24等から構成されている。
　タイヤ状態検出装置100のケース130は、図３乃至図５に示すように、略直方体形状をなし、その長手方向の両端部にねじ止め用の突起部を有し、ケース本体131と蓋体132とから構成されている。図５に示すように、ケース本体131の内部には装置本体300を収納するための収納空間134が形成され、収納空間134の開口は蓋体132をケース本体131にねじ141によって固定することにより閉鎖される。また、蓋体132には通気孔133が形成されており、ケース本体131に蓋体132を固定した状態においてもこの通気孔133を介して外部から収納空間134に空気が流通するようになっている。
　図６乃至図８に示すように、装置本体300は、略長方形をなす２枚のプリント配線基板351,352が所定間隔を開けて平行に配置されてなり、これらの間はアンテナ450を構成する柱状接続導体354と連結用の第３プリント配線基板353などによって互いに固定されている。装置本体300の長手方向の他端部には第１及び第２プリント配線基板351,351の幅方向に延びる中心軸を有するコイル状のアンテナ450が形成されており、一端側にはセンサ部410及び電池420などを含む電子回路を構成する電子部品が搭載されている。連結用プリント配線基板353は２つのプリント配線基板351,352のそれぞれに半田付けされている。
　第１プリント配線基板351と第２プリント配線基板352は、これらの間に設けられ一方のプリント配線基板に対して他方のプリント配線基板を所定の間隔をあけて固定するとともに一方のプリント配線基板のプリント配線と他方のプリント配線基板のプリント配線とを導電接続する複数の柱状接続導体354によって連結されている。
　装置本体300の第１プリント配線基板351には図９に示す検出・送受信回路400が形成されている。すなわち、検出・送受信回路400はセンサ部410、電池420、主制御部430、送受信部440、アンテナ450から構成されている。
　センサ部410は、本体300の表面上に搭載され、空気圧検出素子411と、温度検出素子412、アナログ／ディジタル変換回路413とから構成され、例えばタイヤの空気室内の空気圧と温度とを空気圧検出素子411と温度検出素子412によって検出し、この検出結果をアナログ／ディジタル変換回路413によってディジタル値に変換して主制御部430に出力する。
　電池420は、第２プリント配線基板352の表面に固定され、接続導体によって装置本体300に連結され、第１プリント配線基板351に形成されている検出・送受信回路400に電力を供給する。
　主制御部430は周知のＣＰＵとメモリなどから構成され、センサ部410による検出結果をディジタル値で受け取り、このディジタル値を含むディジタル情報を生成して送受信部440に出力する。なお、このディジタル情報には、上記検出結果のディジタル値の他に、予め設定されている装置本体300に固有の識別情報（予めメモリに書き込まれているか又はディップスイッチによって設定されている）が含まれる。
　送受信部440は、主制御部430からの指示に基づいて送信と受信を切り替え、送信時には主制御部430から入力したディジタル情報を所定周波数、例えば３１５ＭＨｚの電波によってアンテナ450から送信するとともに、受信時にはアンテナ450を介して受信した３１５ＭＨｚの電波からディジタル信号を検出し、検出したディジタル信号からディジタル情報を抽出して主制御部430に出力する。なお、送受信部440の送信周波数と受信周波数とは同一周波数に設定されている。また、送受信部440のアンテナ450に接続される入出力端子441,442は第１プリント配線基板351に形成されている。
　アンテナ450は、共振周波数が送受信部440の送受信周波数に設定されたコイル状アンテナであり、第１プリント配線基板351に設けられたプリント配線351aと第２プリント配線基板352に設けられたプリント配線352a及び第１プリント配線基板351のプリント配線と第２プリント配線基板352のプリント配線とを導電接続するとともにこれらのプリント配線基板351,352を互いに固定する柱状接続導体354によって形成されている。
　また、図１０に示すように、第１プリント配線基板351に形成されている送受信部440のアンテナ450に接続される入出力端子441,442とアンテナ450の給電点451,452との間は給電用導体451a,451b,451c,452によって導電接続されている。
　さらに、第２プリント配線基板352の他端部外面には長方形をなす平面導体板361が４つの保持材371によって固定されている。装置本体300をケース130に収納した時にケース本体131の底面側に位置するプリント配線基板352と平行になるようにアンテナ450の位置に平面導体板361が設けられている。平面導体板361は保持材371によって第２プリント配線基板352と所定の間隔Ｄを維持するように固定されている。この平面導体板361は第２プリント配線基板352の所定の導体パターン（電池420の負極に接続されている導体パターン）に導電接続されて基準電位に設定されている。また、図１１に示すように、保持材371は平面導体板361の四隅に固定されている。保持材371は、図１２に示すように円柱形の本体371aの両端に本体371aよりも小さい直径の円柱形状の突起部371bを備えた形状をなしている。
　また、図１３に示すように、タイヤ状態検出装置100のケース130をリム4に装着したときにアンテナ450とリム4との間に境界面を形成するように平面導体板361が配置される。このときの、送信電波の指向性は図１４に示すものとなる。
　また、第２プリント配線基板352に平面導体板361を装着した状態においてアンテナ450は３１５ＭＨｚを共振周波数とするものであり、３１５ＭＨｚにおけるアンテナインピーダンスは５０オームである。このときのプリント配線基板351と平面導体板361との間隔Ｄは保持材371によって１．５ｍｍに設定されている。
　本実施形態におけるタイヤ状態検出装置100のインピーダンス特性を図１５に示し、アンテナ450の入力インピーダンスに対する電力効率（Pin/Pout）とＶＳＷＲの特性を図１６に示す。
　図１５において、特性曲線Ａはアンテナ450の入力インピーダンスＺ１が２５Ω＜Ｚ１＜１００Ωとなる範囲の外周を表している。また、点Ａ１は周波数３１５ＭＨｚにおける最良のインピーダンス（Ｚ0＝５０＋０（Ω））の点を表している。また、特性曲線Ｂは本実施形態におけるインピーダンス曲線を示し、点Ｂ１における周波数３１６ＭＨｚと点Ｂ２における周波数３１４．５ＭＨｚの間においてアンテナ450の入力インピーダンスＺ１が２５Ω＜Ｚ１＜１００Ωとなることを表している。また、特性曲線Ｃは従来例におけるインピーダンス曲線を示し、点Ｃ１における周波数３１５．５ＭＨｚと点Ｃ２における周波数３１４．５ＭＨｚの間においてアンテナの入力インピーダンスＺ１が２５Ω＜Ｚ１＜１００Ωとなることを表している。したがって、本実施形態ではアンテナ450の入力インピーダンスＺ１が２５Ω＜Ｚ１＜１００Ωとなる周波数帯域が従来例に比べて０．５ＭＨｚ広がっていることが分かる。
　図１６において、曲線Ｐは電力効率を表し、曲線ＳはＶＳＷＲを表しており、アンテナ450の入力インピーダンスＺ１が２５Ω＜Ｚ１＜１００ΩにおいてＶＳＷＲが２以下となり電力効率が９０％以上得られることが示されている。
　上記のように本実施形態のタイヤ状態検出装置100によれば、タイヤ状態検出装置100をリム4に装着するときは、ケース130の底面がリム4の表面に対向するようにケース130がリム4の表面に固定され、このようにケース130がリム4に固定されることにより、アンテナ450とリム4の表面との間には基準電位に設定された平面導体板361が配置されるため、タイヤ状態検出装置100をリム4に装着したときには平面導体板361がアンテナ450とリム4との間の境界面となるので、リム4を構成する金属がアンテナ450に与える影響を従来に比べて大幅に低減することができる。さらに、アンテナ450の給電点451,452に接続される送受信部440の入出力端子441,442が形成されている第１プリント配線基板351ではなく、第１プリント配線基板351に対向する第２プリント配線基板352に平面導体板361を固定し、平面導体板361を送受信部440のアンテナ450に接続される入出力端子441,442から離して配置したので、アンテナ450の入力インピーダンスＺ１が２５Ω＜Ｚ１＜１００Ωとなる周波数帯域が従来例よりも０．５ＭＨｚ増加した。このように周波数帯域が従来例よりも広がった理由としては、送受信部440の入出力端子441,442から離れた位置に平面導体板361を配置することにより、送受信部440のアンテナ450に接続される入出力端子441,442と平面導体板361との間に形成される浮遊静電容量が減少したためであると思われる。
　したがって、リムの形状毎に最適な特性を備えたアンテナを作成する必要がなくなり、どのような形状のリムであっても同一のアンテナを用いることができるので、タイヤ状態検出装置の１つあたりの製造コストが従来に比べて大幅に低減できると共に、タイヤ状態検出装置の大量生産が容易に可能になる。さらに、アンテナ450の入力インピーダンスＺ１が２５Ω＜Ｚ１＜１００Ωとなる周波数帯域が従来例よりも広がったので、アンテナの共振周波数が少々ずれてもアンテナの微調整を行う必要が無くなった。
　また、上記実施形態では、タイヤ内の空気圧と温度の両方を検出できるタイヤ状態検出装置100を構成したが、空気圧または温度の何れか一方或いは他の物理量を検出できる情報取得装置を構成しても良い。
　また、上記実施形態ではタイヤ内のリムを装着対象の金属面とすると共にタイヤ内の物理量を検出する状態検出装置を構成したが、タイヤ以外の金属面に装着して周囲の物理量を検出する状態検出装置を構成する際にも同様の効果を奏することは言うまでもないことである。
　また、本発明の状態検出装置は、タイヤのリムだけでなく周囲の筐体からのアンテナ特性への影響を少なくすることができるため、他の用途にも流用可能である。例えば、図２４に示すように、船舶が岸壁や他の船舶に対して接岸或いは接舷する際に用いる空気式防舷材５においても内部の空気圧を状態検出装置100のセンサによって検出し、その検出値を状態検出装置100を用いて電波によって離れた場所に送信し、これを受信して空気式防舷材５に触れることなく内部の空気圧を監視することができるようにしたものへも適用できる。
　状態検出装置を金属面に装着する際に、金属面のアンテナへの影響を低減し、アンテナの共振周波数が少々ずれても送受信周波数がアンテナの周波数帯域内に入るように、アンテナの周波数帯域を広くすることができる。
　１…タイヤ、２…タイヤ本体、３…空気室、４…リム、５…空気式防舷材、100…タイヤ状態検出装置、130…ケース、131…ケース本体、132…蓋体、133…通気孔、134…収納空間、141…ねじ、300…装置本体、351…第１プリント配線基板、351a…プリント配線、352…第２プリント配線基板、352a…プリント配線、353…第３プリント配線基板、354…柱状接続導体、361…平面導体板、371…保持材、400…検出・送受信回路、410…センサ部、411…空気圧検出素子、412…温度検出素子、413…アナログ／ディジタル変換回路、420…電池、421,422…接続導体、430…主制御部、440…送受信部、441,442…入出力端子、450…アンテナ、451,452…給電点、461a,461b,461c,462…給電用導体。

Claims (3)

  1. 　周囲の所定物理量を検出するセンサと、面対向して設けられた第１プリント配線基板及び第２プリント配線基板と、前記第１プリント配線基板に形成された複数のアンテナプリント配線及び第２プリント配線基板に形成された複数のアンテナプリント配線と、前記第１プリント配線基板に形成されたアンテナプリント配線と第２プリント配線基板に形成されたアンテナプリント配線とを連結して所定の共振周波数を有するコイル状アンテナを形成する複数の連結導体と、前記第１プリント配線基板に形成され前記センサによって検出された物理量の情報を前記コイル状アンテナから電波として送信する送信回路と、前記第１プリント配線基板に設けられた前記送信回路の出力端子と、前記アンテナの給電点と前記出力端子とを導電接続する導電体と、前記第１プリント配線基板及び第２プリント配線基板を収納し且つ電波を透過するケースと、前記ケースを金属面に装着したときに前記アンテナと前記金属面との間に境界面を形成するように前記アンテナから所定距離の位置に前記アンテナと電気的に絶縁された状態で固定され且つ前記送信回路の基準電位と等しい電位に設定されている平面導体とを備え、前記ケースを前記金属面に装着して用いる状態検出装置において、
    　前記平面導体は前記第２プリント配線基板の面と前記平面導体の面が所定の間隔を開けて平行になるように且つ前記第２プリント配線基板の面と前記平面導体の面との間に所定の空間を形成するように複数の保持材によって前記第２プリント配線基板に固定されている
    　ことを特徴とする状態検出装置。
  2. 　前記コイル状アンテナの軸が前記平面導体の面と平行に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の状態検出装置。
  3. 　前記コイル状アンテナの前記軸方向の長さＬと、前記送信回路の送信周波数の波長λとの関係においてＬ／λの値が０．２５以下となるように前記長さＬが設定されている
    　ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の状態検出装置。
PCT/JP2013/063268 2012-06-13 2013-05-13 状態検出装置 WO2013187163A1 (ja)

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