JP2008011385A

JP2008011385A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2008011385A
Application number: JP2006181930A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Konno; 靖弘昆野; Akira Shigihara; 亮鴫原
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-01-17
Also published as: US7453415B2; US20080001842A1

Abstract

【課題】低背化や低コスト化が容易でホイールリムに後付けでき、かつ、タイヤのサイドウォール部へ垂直偏波を効率よく放射できるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ装置１は、タイヤ空気圧等を監視するシステムのトランスポンダとしてホイールリム２１に装着されたものであり、空気バルブ２２の一端部に取り付けられている。このアンテナ装置１は、電子回路部６や接地導体層７が設けられた回路基板２と、板金製の逆Ｆアンテナ型のアンテナ素子３と、電子回路部６を覆って接地導体層７に導通された板金製のシールドケース４と、これら各部材を収納する樹脂ケース５とを備えている。回路基板２とアンテナ素子３の放射導体部３ａとに挟まれた空間の長手方向に沿う一側面はタイヤ２０の一方のサイドウォール部２０ｃと対向させてあり、その他側面は使用する電波の波長の約１／４の間隔を存してホイールリム２１の壁面２１ｂと対向させてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両のタイヤ用ホイールのリムに装着されてタイヤ空気圧等を監視するシステムのトランスポンダとして用いられるアンテナ装置に関する。

車両の走行中でも運転者がタイヤ空気圧を把握できるようにするため、最近、水晶振動子等の圧力センサを組み込んだアンテナ装置をタイヤ用ホイールのリム（ホイールリム）に装着して、タイヤ空気圧を監視するというシステムが注目されている。かかるタイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ）において、トランスポンダとして用いられるアンテナ装置は、通常、タイヤ内の空間を臨む側でホイールリムに取り付けられている。この種のアンテナ装置は、車体側に設置された外部アンテナとの間で送受信が可能なアンテナ素子を有しており、外部アンテナに接続されている車室内の質問器からの質問信号を該アンテナ素子が受信すると、前記圧力センサによって検出されたタイヤ空気圧の情報が該アンテナ素子から外部アンテナに送信されるようになっている。また、該アンテナ素子と車体側の外部アンテナとの間の送受信には垂直偏波が用いられる。

このようにトランスポンダとして用いられるアンテナ装置にはアンテナ素子や回路基板が具備されており、回路基板にはセンサ回路や送受信回路を含む電子回路部が設けられている。また、タイヤと一体的に回転するアンテナ装置には車両走行時に大きな遠心力や衝撃が作用するため、ホイールリムにアンテナ装置を接着しただけでは所要の取付強度を確保することは困難である。そこで、ホイールリムに付設されている空気バルブを利用してアンテナ装置を取り付けるという技術が、従来より種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−４４７２６号公報（第２−３頁、図１）

ところで、前述したように空気バルブを利用してホイールリムに装着される従来のアンテナ装置のうち、空気バルブの一部（例えばグロメット）をアンテナ装置用に改造するという構成のものは、安価に製造できないという問題があり、各種のホイールに後付けできないという不便さもあった。また、ホイールリムに装着された従来のアンテナ装置のうち、装置全体が十分に低背化されていない構成のものは、タイヤの脱着作業時に工具等が触れて破損しやすいという問題があった。

また、ホイールリムに装着されたアンテナ装置のアンテナ素子がパッチアンテナである場合には、低背化を実現するために利得の低下を余儀なくされるという別の問題が発生する。すなわち、ホイールリムに取り付けられたアンテナ装置のパッチアンテナから放射された電波（直線偏波）がタイヤのトレッド部へ向かうと、トレッド部に埋設されている金属ベルトで反射されてしまうため、パッチアンテナは電界強度の大きな放射ビームがタイヤのサイドウォール部から外れないような姿勢で設置されていることが好ましい。しかるに、低背化を実現するためにはパッチアンテナをホイールの径方向に対して大きく傾けなければならないため、必然的に電界強度の大きな放射ビームはタイヤのトレッド部へ向かってしまう。その結果、パッチアンテナから放射された電波の多くはトレッド部やホイールリムで反射を繰り返してからサイドウォール部を通過することになるので、車体側の外部アンテナで受信される垂直偏波成分が減って利得が低下し、通信性能の劣化が起こりやすくなる。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、低背化および低コスト化が容易でホイールリムに後付けできると共に、タイヤのサイドウォール部へ垂直偏波を効率よく放射できるアンテナ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明では、一面に電子回路部が設けられて他面に接地導体層が設けられた回路基板と、この回路基板の他面側に搭載されたアンテナ素子と、前記接地導体層に導通されて前記回路基板の一面側で前記電子回路部を覆う板金製のシールドケースと、これら回路基板とアンテナ素子およびシールドケースを収納する樹脂ケースとを備え、車両のタイヤ用ホイールのリムに付設された空気バルブの一端部に前記樹脂ケースを取り付けて使用されるアンテナ装置において、前記アンテナ素子が、前記接地導体層に対して略平行に配置された放射導体部と、この放射導体部から前記回路基板側へ延出して前記電子回路部に接続された給電導体部と、前記放射導体部から前記回路基板側へ延出して前記接地導体層に接続された接地導体部とを有していると共に、前記樹脂ケース内の前記アンテナ素子の姿勢を、前記回路基板と前記放射導体部とに挟まれた空間の長手方向に沿う一側面が前記タイヤの一方のサイドウォール部と対向するように設定した。

このように回路基板に搭載されたアンテナ素子を逆Ｆアンテナ型の構造にすると、その放射導体部と回路基板の接地導体層との間に生成される電界が垂直偏波成分と水平偏波成分を有する電波（直線偏波）として放射される。そして、空気バルブの一端部に取り付けられた樹脂ケース内で、回路基板と放射導体部とに挟まれた空間の長手方向に沿う一側面がタイヤの一方のサイドウォール部と対向するように設定しておけば、電界強度の大きな垂直偏波がアンテナ素子から該サイドウォール部へ向かって放射されることになるので、垂直偏波成分の利得が高まり、アンテナ装置全体の低背化も損なわれない。また、このアンテナ装置は、接地導体層に導通された板金製のシールドケースが回路基板の電子回路部を覆っているため、電子回路部が電磁的にシールドされて誤動作が防止できると共に、アンテナ素子にとってのグラウンドがシールドケースによって強化されることから、水平偏波の放射が減って垂直偏波の放射が増える。したがって、このアンテナ装置のアンテナ素子は、タイヤのサイドウォール部へ垂直偏波を効率よく放射することができ、通信性能が大幅に向上する。また、このアンテナ装置は、取付対象となる空気バルブを改造する必要がなく各種のホイールに後付けできるため、比較的安価に製造できて使い勝手もよい。

上記の構成において、回路基板と放射導体部とに挟まれた空間の長手方向に沿う他側面が、使用する電波の波長の約４分の１の間隔を存してホイールリムの壁面と対向していると、この壁面で反射されてから前記サイドウォール部へ向かう垂直偏波が、アンテナ素子から該サイドウォール部へ直接向かう垂直偏波と重畳されることになるので、垂直偏波成分の利得が一層高まって好ましい。

また、上記の構成において、アンテナ素子が板金製であれば、安価に製造できて機械的強度も高いアンテナ素子が得られるため好ましい。そして、板金製のアンテナ素子の給電導体部と接地導体部が金属平板からなる放射導体部の長手方向一端部から回路基板側へ延出する折曲片として形成されている場合には、典型的な逆Ｆアンテナとして動作させることができる。また、板金製のアンテナ素子の給電導体部と接地導体部が金属平板からなる放射導体部の長手方向中央部から回路基板側へ延出する折曲片として形成されている場合には、逆Ｆアンテナ型ではあるが外観が略Ｔ字形で水平偏波の放射が少ないアンテナ素子が得られるため、垂直偏波の放射効率がさらに高まると共に、アンテナ素子の姿勢が極めて安定したものとなる。

また、上記の構成において、樹脂ケースが空気バルブの空気孔に圧入して固定される取付突起部を有していれば、空気バルブの一端部に樹脂ケースを容易かつ確実に取り付けることができるため好ましい。

本発明のアンテナ装置は、アンテナ素子を逆Ｆアンテナ型の構造にして、空気バルブの一端部に取り付けられた樹脂ケース内で、回路基板と放射導体部とに挟まれた空間の長手方向に沿う一側面がタイヤの一方のサイドウォール部と対向するように設定してあるので、電界強度の大きな垂直偏波がアンテナ素子から該サイドウォール部へ向かって放射されることになって垂直偏波成分の利得が高まり、アンテナ装置全体の低背化も損なわれない。また、このアンテナ装置は、接地導体層に導通された板金製のシールドケースが回路基板の電子回路部を覆っているため、電子回路部が電磁的にシールドされて誤動作が防止できると共に、アンテナ素子にとってのグラウンドがシールドケースによって強化されることから水平偏波の放射が減って垂直偏波の放射が増える。したがって、このアンテナ装置のアンテナ素子は、タイヤのサイドウォール部へ垂直偏波を効率よく放射することができ、通信性能が大幅に向上する。また、このアンテナ装置は、取付対象となる空気バルブを改造する必要がなく各種のホイールに後付けできるため、比較的安価に製造できて使い勝手もよく、それゆえ顕著な実用的効果が期待できる。

発明の実施の形態を図面を参照して説明すると、図１は本発明の第１実施形態例に係るアンテナ装置をホイールリムに装着した状態を模式的に示す断面図、図２は該アンテナ装置の取付状態を詳細に示す要部斜視図、図３は図２に対応する分解斜視図、図４は該アンテナ装置の方位角面内の放射パターンを示す特性図、図５は該アンテナ装置の仰角面内の放射パターンを示す特性図である。

図１〜図３に示すアンテナ装置１は、タイヤ２０内の空間を臨む位置でホイールリム２１に装着されて、タイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ）のトランスポンダとして用いられるものであり、ホイールリム２１に付設された空気バルブ２２を利用して取り付けられている。このアンテナ装置１は、下面側に電子回路部６が設けられた回路基板２と、この回路基板２上に搭載された板金製のアンテナ素子３と、回路基板２の下面側で電子回路部６を覆っている板金製のシールドケース４と、これら回路基板２、アンテナ素子３およびシールドケース４を収納している樹脂ケース５とによって主に構成されており、樹脂ケース５には取付突起部５ａが突設されている。そして、空気バルブ２２の一端部に形成されている空気孔２２ａに樹脂ケース５の取付突起部５ａを圧入して固定することによって、アンテナ装置１は図１に示すような姿勢でホイールリム２１に一体化されている。また、タイヤ２０の近傍の車体側にはアンテナ装置１と送受信を行うための外部アンテナ２３が設置されており、この外部アンテナ２３は質問器を備えた車室内のコントロールユニット２４と接続されている。

タイヤ２０の構造は、金属ベルト２０ｂが埋設されているトレッド部２０ａの幅方向両側がサイドウォール部２０ｃとなっており、各サイドウォール部２０ｃの内周側はビード部２０ｄとなっている。そして、ホイールリム２１の鍔部２１ａ内にビード部２０ｄを嵌め入れることによって、タイヤ２０はホイールリム２１に装着されている。

アンテナ装置１の構成について詳しく説明すると、回路基板２の上面には接地導体層７が設けられている。また、回路基板２の下面側に設けられた電子回路部６には、センサ回路や送受信回路が含まれている。アンテナ素子３は、接地導体層７に対して略平行に配置された金属平板からなる放射導体部３ａと、放射導体部３ａから回路基板２側へ延出する折曲片として形成され前記送受信回路（電子回路部６）に接続された給電導体部３ｂと、放射導体部３ａから回路基板２側へ延出する折曲片として形成され接地導体層７に接続された接地導体部３ｃとからなる。つまり、このアンテナ素子３は、金属板を折曲加工して形成された逆Ｆアンテナである。樹脂ケース５内におけるアンテナ素子３の姿勢は、回路基板２と放射導体部３ａとに挟まれた空間の長手方向に沿う一側面がタイヤ２０の一方のサイドウォール部２０ｃと対向するように設定されており、このサイドウォール部２０ｃを介してアンテナ素子３と車体側の外部アンテナ２３とは送受信可能である。また、回路基板２と放射導体部３ａとに挟まれた空間の長手方向に沿う他側面は、使用する電波の波長の約４分の１の間隔ｄを存してホイールリム２１の壁面２１ｂと対向するように設定されている。これは、アンテナ素子３からサイドウォール部２０ｃへ直接向かう電波と壁面２１ｂで反射されてからサイドウォール部２０ｃへ向かう電波とを重畳させやすくするためであり、例えば周波数が２．５ＧＨｚの電波を使用する場合には間隔ｄを約３ｃｍに設定しておけばよい。樹脂ケース５は蓋板５ｂを有する筐体であり、その内部構造は回路基板２およびシールドケース４を位置決めして保持できるように設計されている。前記取付突起部５ａは、樹脂ケース５の蓋板５ｂ側とは逆側の面に突設されている。

なお、このアンテナ装置１は、電源として車体側の外部アンテナ２３から送信される電波によって生起される誘導起電力を利用しているため、電源電池は不要である。

次に、アンテナ装置１の動作について説明する。このアンテナ装置１は、電子回路部６の送受信回路からアンテナ素子３の給電導体部３ｂに所定の給電信号を供給して放射導体部３ａを励振させるというものであり、励振時には放射導体部３ａと接地導体層７との間に生成される電界が、垂直偏波成分と水平偏波成分を有する電波（直線偏波）として放射される。アンテナ素子３から放射された電波は、図１に模式的に示すように、タイヤ２０の一方のサイドウォール部２０ｃを通過して車体側の外部アンテナ２３へ送信される。すなわち、まず、車室内のコントロールユニット２４に内蔵されている質問器からの質問信号が外部アンテナ２３からアンテナ装置１へ送信され、この信号をアンテナ素子３が受信すると、前記センサ回路（電子回路部６）の圧力センサによって検出されたタイヤ空気圧の情報が、アンテナ素子３から外部アンテナ２３へ送信されてコントロールユニット２４の表示画面にタイヤ空気圧の情報が表示されるようになっている。ここで、アンテナ素子３と外部アンテナ２３との間の送受信には垂直偏波が用いられるため、通信性能を高めるためには、アンテナ素子３から外部アンテナ２３側のサイドウォール部２０ｃへ向けて垂直偏波が効率よく放射される必要がある。そして本実施形態例の場合、逆Ｆアンテナ型のアンテナ素子３の放射導体部３ａと回路基板２の接地導体層７とに挟まれた空間の長手方向に沿う一側面が、外部アンテナ２３側のサイドウォール部２０ｃと対向するように設定してあるため、アンテナ素子３は該サイドウォール部２０ｃへ向けて垂直偏波が効率よく放射できるようになっている。

具体的には、図１の右方向をＸ方向、奥行方向をＹ方向、上方向をＺ方向としたとき、ＸＹ面内（方位角面内）におけるアンテナ素子３の垂直偏波の放射パターンは図４中の実線のようになり、水平偏波の放射パターンは図４中の破線のようになる。また、ＸＺ面内（仰角面内）におけるアンテナ素子３の垂直偏波の放射パターンは図５中の実線のようになり、水平偏波の放射パターンは図５中の破線のようになる。

このように本実施形態例に係るアンテナ装置１は、回路基板２に搭載されたアンテナ素子３を逆Ｆアンテナ型の構造にして、空気バルブ２２の一端部に取り付けられた樹脂ケース５内で、回路基板２と放射導体部３ａとに挟まれた空間の長手方向に沿う一側面が外部アンテナ２３側のサイドウォール部２０ｃと対向するように設定してある。これにより、電界強度の大きな垂直偏波がアンテナ素子３から該サイドウォール部２０ｃへ向かって放射されることになるので、垂直偏波成分の利得が高まり、アンテナ装置１全体の低背化も損なわれない。また、このアンテナ装置１は、接地導体層７に導通された板金製のシールドケース４が回路基板２の電子回路部６を覆っているため、電子回路部６が電磁的にシールドされて誤動作が防止できると共に、アンテナ素子３にとってのグラウンドがシールドケース４によって強化されることから水平偏波の放射が減って垂直偏波の放射が増える。したがって、このアンテナ素子３は外部アンテナ２３側のサイドウォール部２０ｃへ垂直偏波を効率よく放射することができ、通信性能の大幅な向上が見込める。

また、このアンテナ装置１は、取付対象となる空気バルブ２２を改造する必要がなく各種のホイールに後付けできるため、比較的安価に製造できて使い勝手もよい。しかも、アンテナ素子３が板金製なので、機械的強度が高いアンテナ素子３を極めて安価に製造することができ、部品コストを低減することができる。

また、このアンテナ装置１では、回路基板２と放射導体部３ａとに挟まれた空間の空気バルブ２２側の側面が、使用する電波の波長の約４分の１の間隔ｄを存してホイールリム２１の壁面２１ｂと対向するように設定されている。したがって、アンテナ素子３から外部アンテナ２３側のサイドウォール部２０ｃへ直接向かう垂直偏波と、壁面２１ｂで反射されてからの該サイドウォール部２０ｃへ向かう垂直偏波とが重畳されることになって、垂直偏波成分の利得が一層高まっている。

また、このアンテナ装置１では、樹脂ケース５に空気バルブ２２の空気孔２２ａに圧入して固定される取付突起部５ａが突設されているため、空気バルブ２２の一端部に樹脂ケース５を容易かつ確実に取り付けることができる。

図６は本発明の第２実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図であって、図２および図３と対応する部分には同一符号が付してあるため、重複する説明は省略する。

図６に示すアンテナ装置１１は、板金製のアンテナ素子３の形状が前述した第１実施形態例と大きく異なっている。すなわち、このアンテナ装置１１のアンテナ素子３は、給電導体部３ｂと接地導体部３ｃが金属平板からなる放射導体部３ａの長手方向中央部から回路基板２側へ延出する折曲片として形成されており、逆Ｆアンテナ型ではあるが外観が略Ｔ字形のアンテナ素子３となっている。このようにアンテナ素子３を略Ｔ字形に形成すると、水平偏波の放射が少なくなるため垂直偏波の放射効率が一層高まる。また、略Ｔ字形のアンテナ素子３は、回路基板２上における搭載姿勢が極めて安定したものとなる。

本発明の第１実施形態例に係るアンテナ装置をホイールリムに装着した状態を模式的に示す断面図である。該アンテナ装置の取付状態を詳細に示す要部斜視図である。図２に対応する分解斜視図である。該アンテナ装置の方位角面内の放射パターンを示す特性図である。該アンテナ装置の仰角面内の放射パターンを示す特性図である。本発明の第２実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図である。

符号の説明

１，１１アンテナ装置
２回路基板
３アンテナ素子
３ａ放射導体部
３ｂ給電導体部
３ｃ接地導体部
４シールドケース
５樹脂ケース
５ａ取付突起部
６電子回路部
７接地導体層
２０タイヤ
２０ｃサイドウォール部
２１ホイールリム
２１ｂ壁面
２２空気バルブ
２２ａ空気孔
２３外部アンテナ

Claims

一面に電子回路部が設けられて他面に接地導体層が設けられた回路基板と、この回路基板の他面側に搭載されたアンテナ素子と、前記接地導体層に導通されて前記回路基板の一面側で前記電子回路部を覆う板金製のシールドケースと、これら回路基板とアンテナ素子およびシールドケースを収納する樹脂ケースとを備え、車両のタイヤ用ホイールのリムに付設された空気バルブの一端部に前記樹脂ケースを取り付けて使用されるアンテナ装置であって、
前記アンテナ素子が、前記接地導体層に対して略平行に配置された放射導体部と、この放射導体部から前記回路基板側へ延出して前記電子回路部に接続された給電導体部と、前記放射導体部から前記回路基板側へ延出して前記接地導体層に接続された接地導体部とを有していると共に、前記樹脂ケース内の前記アンテナ素子の姿勢を、前記回路基板と前記放射導体部とに挟まれた空間の長手方向に沿う一側面が前記タイヤの一方のサイドウォール部と対向するように設定したことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１の記載において、前記回路基板と前記放射導体部とに挟まれた空間の長手方向に沿う他側面が、使用する電波の波長の約４分の１の間隔を存して前記リムの壁面と対向していることを特徴とするアンテナ装置。
請求項１または２の記載において、前記アンテナ素子が板金製であって、前記給電導体部と前記接地導体部が金属平板からなる前記放射導体部の長手方向一端部から前記回路基板側へ延出する折曲片として形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
請求項１または２の記載において、前記アンテナ素子が板金製であって、前記給電導体部と前記接地導体部が金属平板からなる前記放射導体部の長手方向中央部から前記回路基板側へ延出する折曲片として形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
請求項１〜４のいずれか１項の記載において、前記樹脂ケースが前記空気バルブの空気孔に圧入して固定される取付突起部を有することを特徴とするアンテナ装置。