JP4450193B2 - タイヤ空気圧検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、タイヤ空気圧を検出するタイヤ空気圧検出装置に関する。

タイヤ空気圧検出装置における車体側と車輪側の無線通信に、ＩＣタグなどの分野で知られているトランスポンダ方式による充電を行う電池レス駆動タイプとすることについて検討がなされている。

トランスポンダ方式では、車体側アンテナからの電波で車輪側のセンサ装置を電力チャージし、電力チャージが終了したことをトリガとして、チャージ電力でセンサ装置を作動させ、タイヤ空気圧等のデータを車体側に返信する方式である。この方式では、センサ装置に電源となる電池を必要としない反面、高いアンテナ利得が必要となる。

そこで、高いアンテナ利得を得るために、車輪側のアンテナとして、タイヤホイール全周にアンテナコイルを巻き付けたループ型アンテナが提案されている（非特許文献１参照）。
ＳＡＥ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＰＡＰＥＲ ＳＥＲＩＥＳ ２００３−０１−１２７９

しかしながら、上記非特許文献１の構成ではタイヤホイール全周にループを形成する必要があり、固定方法の信頼性や取付作業の工数等を考慮すると、車輪側の受信アンテナは、タイヤホイールに装着されるエア注入バルブ内に収まる小型のアンテナであることが望ましい。

車体側に搭載される送信アンテナを各国電波法による法規制内における出力レベルとし、かつ車輪側の受信アンテナをタイヤホイールに装着されるエア注入バルブ内に収まるサイズで構成すると低利得となり、車輪全周のうち電力チャージ可能な範囲が狭い範囲に制限される。この結果、車体側アンテナとタイヤ側のアンテナが接近したときにしか通信が成立せず、低速走行時には通信間隔が長くなり、車両停止時には、車輪角度によっては通信が成立しない場合があるという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、トランスポンダ方式のタイヤ空気圧検出装置において、通信可能範囲を広げることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、複数個の車輪（６ａ〜６ｄ）それぞれに設けられ、複数個の車輪（６ａ〜６ｄ）それぞれに備えられたタイヤの空気圧に応じた検出信号を出力するセンシング部（２１）と、センシング部（２１）の検出信号を信号処理をする制御部（２３ａ）と、制御部（２３ａ）にて信号処理された検出信号を送信すると共に電力チャージ用の電波の受信を行う送受信部（２３ｂ）と、電力チャージ用の電波によって電力チャージを行うチャージ部（２２）とを有するセンサ装置（２）と、車体（７）側に設けられ、電力チャージ用の電波の送信を行うための送信アンテナ（３２）を有する送信手段（３）と、検出信号を受信する受信手段（３）と、検出信号に基づいてタイヤの空気圧を求める制御装置（４）とを備えた車体側装置（３、４）とを備え、送信アンテナ（３２）は、車体（７）における車輪（６）の近傍において、車輪（６）の回転方向にずらして複数個配置されており、送信アンテナ（３２）は、長手方向が車輪（６）の回転方向と平行となるように配置されており、送信アンテナ（３２）は、導線コイル（３２ｂ）がループ状に構成されたループ型アンテナであり、導線コイル（３２ｂ）のループ面の法線方向が車輪（６）の回転方向と略一致していることを特徴としている。

このように複数の送信アンテナ（３２）を車輪回転方向にずらして配置することで、送受信アンテナを単独で用いた場合に生ずる電界強度の落ち込みを互いに補完し合うことができ、通信可能範囲を広げることが可能となる。

また、送信アンテナ（３２）は、長手方向が車輪（６）の回転方向と平行となるように配置することで電界強度を高くすることができ、さらに、複数の送信アンテナ（３２）を車輪回転方向にずらして配置したことによる効果を、より効果的に得ることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態におけるタイヤ空気圧検出装置の全体構成を示すブロック図である。図１の紙面上方向が車両１の前方、紙面下方向が車両１の後方に一致する。この図を参照して、本実施形態におけるタイヤ空気圧検出装置について説明する。

図１に示されるように、タイヤ空気圧検出装置は、車両１に取り付けられるもので、センサ装置２、送受信機３、制御装置４、警報装置５を備えて構成されている。

図１に示すように、センサ装置２は、車両１における各車輪６ａ〜６ｄに取り付けられるもので、車輪６ａ〜６ｄに取り付けられたタイヤの空気圧を検出すると共に、その検出結果を示す検出信号のデータを送信フレーム内に格納して送信するものである。また、送受信機３は、車両１における車体７側に取り付けられるもので、センサ装置２への電力チャージを行う共に、センサ装置２から送信される送信フレームを受信する。制御装置４は、送受信機３を介して受信した送信フレームの中に格納された検出信号に基づいて各種処理や演算等を行うことでタイヤ空気圧を求めるものである。なお、送受信機３と制御装置４が本発明の車体側装置に相当している。

図２に、センサ装置２のブロック構成を示す。センサ装置２は、送受信機３から送信される電力チャージを行うための電波によって電力チャージが成され、チャージされた電力に基づいて駆動されるようになっている。

図２に示すように、センサ装置２は、センシング部２１、チャージ部２２、マイクロコンピュータ２３、アンテナ２４を備えた構成となっており、アンテナ２４を通じて送受信機３からの電力チャージのための電波を受け取り、その電波を電力エネルギーに変換してチャージ部２２に蓄えることで作動する。なお、このトランスポンダ方式による電力チャージに関しては、バッテリレスのＩＤタグの認識等の分野において周知のものであるため、ここでは説明を省略する。

センシング部２１は、例えばダイアフラム式の圧力センサや温度センサを備えた構成とされ、タイヤ空気圧に応じた検出信号や温度に応じた検出信号を出力するようになっている。チャージ部２２は、アンテナ２４から受け取った電波を充電し、センシング部２１やマイクロコンピュータ２３への電力供給を行うものである。

マイクロコンピュータ２３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のもので、制御部２３ａや送受信部２３ｂなどを備え、ＲＯＭ内に記憶されたプログラムに従って、所定の処理を実行するようになっている。

制御部２３ａは、センシング部２１からの検出信号を受け取り、その信号を必要に応じて信号処理したのち、これを検出結果を示すデータとして、どの車輪６ａ〜６ｄに取り付けられたセンサ装置２であるかを示すＩＤ情報と共に、送信フレーム内に格納する。その後、制御部２３ａは、送受信部２３ｂを通じて送信フレームを送受信機３に向けて送信するようになっている。この送受信機３に送信フレームを送る処理は、上記プログラムに従って、上記電力チャージを行うための電波送信がＯＦＦされたときをトリガとして実行されるようになっている。例えば、制御部２３ａは、送受信機３からの電波送信のＯＮ、ＯＦＦをモニタリングしておき、電波送信がＯＦＦされたときの立下り信号に基づいて送信フレームを送る処理を実行する。

送受信部２３ｂは、アンテナ２４を通じて、電力チャージ用の電波を受け取ってチャージ部２２および制御部２３ａに送る入力部としての機能と、制御部２３ａから送られてきた送信フレームを送受信機３に向けて送信する出力部としての機能を果たすものである。

図３（ａ）はセンサ装置２が内蔵されたエア注入バルブ８を正面から見た断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、センサ装置２は、樹脂モールド等によりエア注入バルブ８と一体的に成形される。エア注入バルブ８は、センサ装置２がタイヤホイール内部に位置し、エア注入口がタイヤホイール外部に位置するようにタイヤホイールに取り付けられる。これにより、該当するタイヤ空気圧を検出し、各センサ装置２に備えられたアンテナ２４を通じて、所定周期毎（例えば、１分毎）の所定の送信タイミングで送信フレームを送信するようになっている。

図１に戻り、送受信機３は、所定周期毎（例えば、１分毎）の所定の通信タイミングのときに、電力チャージ用の電波を出力してセンサ装置２の電力チャージを行わせ、それが完了した後、各車輪６ａ〜６ｄの回転に同期した所定のタイミングで電力チャージ用の電波のＯＮ、ＯＦＦを行う。そして、そのときにセンサ装置２から送られてくる送信フレームを受信するようになっている。

図４（ａ）に送受信機３のブロック構成を示し、図４（ｂ）に送受信機３のアンテナ３２の断面構成を示す。

図４（ａ）に示すように、送受信機３は、送受信部３１と送受信アンテナ３２とを備えている。送受信部３１は、アンテナ３２を通じて、センサ装置２に対して電力チャージ用の電波を出力する出力部としての機能と、受信された各センサ装置２からの送信フレームを入力し、その送信フレームを受信して制御装置４に送る入力部としての機能を果たすものである。このように本実施形態の送受信機３は、電力チャージ用の電波を送信する送信手段と送信フレームを受信する受信手段を兼ねた構成となっているが、これらを別々の構成とすることも可能である。また、アンテナ３２は送信・受信兼用となっているが、以下「送信アンテナ」と称する。

図４（ｂ）に示すように、本実施形態の送信アンテナ３２は、ソレノイド状の磁界型アンテナであり、磁性体コア３２ａの周囲に導線コイル３２ｂが巻き付けられて構成されている。

図５は、センサ装置２と送受信機３の配置関係を示している。各送受信機３は、車体７のうち各センサ装置２の位置と対応する場所に設置されており、例えば、図５に示すように各センサ装置２から所定間隔離れた位置において車体７に固定されている。後述のように、本実施形態の送受信機３は、１つのセンサ装置２に対して２個ずつ設けられている。

図１に戻り、制御装置４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏおよびカウンタなどを備えた周知のもので、ＲＯＭ内に記憶されたプログラムに従って、所定の処理を実行するようになっている。

制御装置４は、車内ＬＡＮ（ＣＡＮ）等を通じて他のＥＣＵ（例えばメータＥＣＵ）で求められた車速のデータを受け取り、この車速のデータに基づいて各車輪６ａ〜６ｄの回転状態を検出すると共に、検出した回転状態に応じて各センサ装置２に電力チャージ用の電波を出力する。さらに、制御装置４は、送受信機３から送られてきた送信フレームを受け取り、それに格納された各センサ装置２が取り付けられた車輪を示すＩＤ情報に基づいて、送られてきた送信フレームが車輪６ａ〜６ｄのいずれのものかを特定するようになっている。

また、制御装置４では、受け取った送信フレームに格納された検出結果を示すデータに基づいて各種信号処理および演算等を行うことにより各車輪６ａ〜６ｄそれぞれのタイヤ空気圧を求めると共に、求めたタイヤ空気圧に応じた電気信号を警報装置５に出力するようになっている。具体的には、制御装置４は、タイヤ空気圧が所定のしきい値を下回ったか否かを判定し、その判定結果に基づき、タイヤ空気圧の低下したことを示す信号を警報装置５に出力するようになっている。

警報装置５は、ドライバが視認可能な場所に配置され、例えば車両１におけるインストルメントパネル内に設置される警報ランプや警告表示器（ディスプレイ）、もしくは警報ブザーによって構成される。この警報装置５は、例えば制御装置４からタイヤ空気圧の低下を示す信号が送られてくると、その旨を示す警報を行うことでドライバにタイヤ空気圧の低下を伝えるようになっている。以上のようにしてタイヤ空気圧検出装置が構成されている。

次に、送信アンテナ３２の配置について図６、図７に基づいて説明する。

図６は、センサ装置２と送信アンテナ３２の配置関係を示す側面図である。図６に示すように、送信アンテナ３２は車体７におけるタイヤハウス内に配置されている。このとき、送信アンテナ３２は、長手方向がタイヤ回転方向と平行になるように配置されている。さらに、センサ装置２内のアンテナも長手方向がタイヤ回転方向と平行になるように配置されている。送信アンテナ３２をこのような配置とすることで、センサ装置２における送受信機３からのチャージ電波の電界強度のピークを大きくすることができ、センサ装置２の受信利得を大きくすることができる。

上述のように、送受信機３は１つのセンサ装置２に対して２個ずつ設けられている。これらの送信アンテナ３２は、車輪回転方向にずらして配置されている。本実施形態の２個の送信アンテナ３２は、車輪６の中心を通る垂線の上方向を０°とし、車輪回転方向を図６における時計回りとした場合、車輪回転角度の６０°と３２０°に設けられている。

図７は、センサ装置２における送受信機３からのチャージ電波の電界強度〔ｄＢμＶ／ｍ〕を示しており、横軸が車輪回転角度、縦軸が電界強度となっている。図７（ａ）（ｂ）は１個の送受信機３からのチャージ電波の電界強度を示しており、図７（ａ）では送信アンテナ３２は車輪回転角度３２０°に設けられ、図７（ｂ）では送信アンテナ３２は車輪回転角度６０°に設けられている。図７（ｃ）は車輪回転角度６０°と車輪回転角度３２０°に設けられた２個の送受信機３からのチャージ電波の電界強度を示している。

図７において、送受信機３からのチャージ電波の電界強度が、通信成立に必要な所定値を超えている場合に通信が確保できていると判断できる。なお、本実施形態では、所定値を１７０ｄＢμＶ／ｍとしている。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように、送信アンテナ３２の搭載角度（３２０°、６０°）における電界強度が最大値となっており、送信アンテナ３２の搭載角度の前後３０°付近において電界強度の急峻な落ち込みがあり最小値となっている。この結果、送信アンテナ３２の搭載角度を中心とする通信可能範囲は、送信アンテナ３２の搭載角度を中心とした前後２５°（＝５０°）程度の範囲となっている。さらに、送信アンテナ３２の搭載角度から遠ざかっていくと、送信アンテナ３２の搭載角度の１８０°反対側まで距離減衰により緩やかに減少していく傾向にある。このように、送信アンテナ３２の搭載角度の前後３０°付近と、送信アンテナ３２の搭載角度の１８０°反対側を中心とした前後４５°程度の範囲で電界強度が所定値を下回り、通信が不成立となる。

送信アンテナ３２の搭載角度の前後３０°付近における電界強度の低下は、送信アンテナ３２がセンサ装置２のアンテナ２４に作る磁界ベクトルが、センサ装置２内のアンテナ２４の搭載方向と直交するためである。また、送信アンテナ３２の搭載角度の１８０°反対側を中心とした前後４５°程度の範囲における電界強度の低下は、送信アンテナ３２とセンサ装置２のアンテナ間の伝搬距離が長くなったからである。

次に図７（ｃ）に示す２個の送受信機３を設けた場合の電界強度は、図７（ａ）に示す電界強度と図７（ｂ）に示す電界強度とをそれぞれ半分にして、加算したものとなっており、電界強度の最大値が法規制内の出力レベルとなるようにしている。この結果、一方の送信アンテナ３２の電界強度の落ち込みを他方の送信アンテナ３２で互いに補完し合うことができ、図７（ｃ）に示す例では車輪回転角度の全範囲で電界強度が所定値を超えている。これにより、送信アンテナ３２の搭載角度の前後３０°付近における通信不成立を回避できる。また、２個の送信アンテナ３２を離れた位置に配置することで、伝搬距離を短くすることができ、送信アンテナ３２の搭載角度の１８０°反対側を中心とした前後４５°程度の範囲の通信不成立も回避できる。

このように２個の送信アンテナ３２を車輪回転方向にずらして配置することで、送信アンテナ３２を単独で用いた場合に生ずる電界強度の落ち込みを互いに補完し合うことができ、送信アンテナ３２を単独で用いた場合に比べて通信可能範囲を広げることが可能となる。これにより、エア注入バルブ８に内蔵可能な小型アンテナ２４の低利得をカバーして、通信可能範囲を広げることができる。

また、送信アンテナ３２の長手方向を車輪回転方向に平行に配置する構成の場合は、送信アンテナ３２の長手方向が車輪回転方向と直交する配置に比べて、電界強度を高くすることができる一方、電界強度のピークの前後における落ち込みも大きくなる。したがって、本実施形態のように２個の送信アンテナ３２を車輪回転方向にずらして配置する構成は、送信アンテナ３２の長手方向を車輪回転方向に平行に配置する場合に、特に効果が高い。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、２個の送信アンテナ３２を車輪回転方向にずらして配置したが、送信アンテナ３２は複数であればよく、３個以上の送信アンテナ３２を車輪回転方向にずらして配置してもよい。

また、上記実施形態では、送信アンテナ３２として図４（ｂ）で示した電界型アンテナを用いたが、これに限らず、例えば空芯ループアンテナといった他のタイプのアンテナを用いる場合にも本発明を適用することができる。

上記実施形態のタイヤ空気圧検出装置のブロック構成を示す図である。 センサ装置のブロック構成を示す図である。 （ａ）はセンサ装置が内蔵されたエア注入バルブを正面から見た断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は送受信機のブロック構成を示す図であり、（ｂ）に送受信用アンテナの断面構成を示す図である。 センサ装置と送受信機の配置関係を示す車両進行方向からみた図である。 センサ装置と送受信機の配置関係を示す側面図である。 センサ装置における送受信機からのチャージ電波の電界強度を示す図である。

符号の説明

１…車両、２…センサ装置、３…送受信機、４…制御装置、５…警報装置、６…車輪、７…車体、３２…送受信用アンテナ。

Claims (1)

1. 複数個の車輪（６ａ〜６ｄ）それぞれに設けられ、前記複数個の車輪（６ａ〜６ｄ）それぞれに備えられたタイヤの空気圧に応じた検出信号を出力するセンシング部（２１）と、前記センシング部（２１）の検出信号を信号処理をする制御部（２３ａ）と、前記制御部（２３ａ）にて信号処理された前記検出信号を送信すると共に電力チャージ用の電波の受信を行う送受信部（２３ｂ）と、前記電力チャージ用の電波によって電力チャージを行うチャージ部（２２）とを有するセンサ装置（２）と、
   車体（７）側に設けられ、前記電力チャージ用の電波の送信を行うための送信アンテナ（３２）を有する送信手段（３）と、前記検出信号を受信する受信手段（３）と、前記検出信号に基づいて前記タイヤの空気圧を求める制御装置（４）とを有する車体側装置（３、４）とを備え、
   前記送信アンテナ（３２）は、前記車体（７）における前記車輪（６）の近傍において、前記車輪（６）の回転方向にずらして複数個配置されており、
   前記送信アンテナ（３２）は、長手方向が前記車輪（６）の回転方向と平行となるように配置されており、
   前記送信アンテナ（３２）は、導線コイル（３２ｂ）がループ状に構成されたループ型アンテナであり、前記導線コイル（３２ｂ）のループ面の法線方向が前記車輪（６）の回転方向と略一致していることを特徴とするタイヤ空気圧検出装置。

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