JP2008154193A - タイヤ内蔵型アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両走行時にも停車時にもタイヤ内のトランスポンダと車体側の外部アンテナとの通信が常に支障なく行えるタイヤ内蔵型アンテナ装置を提供すること。
【解決手段】車体側の外部アンテナ７と通信可能なトランスポンダ４を備えてタイヤ１内に装着されるタイヤ内蔵型アンテナ装置において、タイヤ１内にトランスポンダ４のアンテナ素子と同等の周波数で共振可能な１個または複数個の無給電アンテナ５を配設し、トランスポンダ４から放射されてタイヤ１内を伝播する電波が無給電アンテナ５で再放射されるようにした。無給電アンテナ５を複数個取り付ける場合、これらの無給電アンテナ５とトランスポンダ４がタイヤ１の周方向に沿って略等間隔となるように設定しておく。また、１個の無給電アンテナ５をタイヤ１内でトランスポンダ４と略点対称な位置に取り付けてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、タイヤ内に装着されてタイヤ空気圧等を監視するシステムに用いられるタイヤ内蔵型アンテナ装置に係り、特に、車体側から送信される信号に応答するトランスポンダを備えたタイヤ内蔵型アンテナ装置に関する。

自動車の走行中に運転者がタイヤ空気圧やその異常を速やかに把握できるようにするため、近年、圧力センサを組み込んだアンテナ装置をタイヤ内に装着することによって、タイヤ空気圧を運転席で監視できるようにしたシステムが普及しつつある。かかるタイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ）においては、タイヤに内蔵されたアンテナ装置が発信するタイヤ空気圧等に関する検出情報を車体側に設置された外部アンテナが受信して電子制御装置へ伝送するようになっており、受信効率や信頼性を確保するという観点から、車体側の外部アンテナはタイヤの近傍に設置することが好ましいとされている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来はタイヤ内蔵型アンテナ装置に電源電池を組み込むことが多かったが、電池を用いた構造にすると、電池の長寿命化を図るためにタイヤ空気圧等の検出頻度を抑制しなければならず、かつ電池交換時には煩雑な作業を余儀なくされてしまう。そこで最近、車体側の外部アンテナから送信される信号に電池なしで応答可能なトランスポンダをタイヤ内に装着し、このトランスポンダのアンテナ素子によって、圧力センサ等が検出した情報を車体側へ送信できるようにした構成のものが提案されている。このようにタイヤ内蔵型アンテナ装置が電池不要な構成になっていると、タイヤ空気圧等の検出頻度を高めることができるため検出精度が向上させやすくなり、かつ電池交換の必要がないためメンテナンス費用も低減できる。
特開２００５−１６１９４４号公報（第３−５頁、図１）

しかしながら、タイヤ内蔵型アンテナ装置を電池不要な構成にするという前述した従来提案には以下のような問題点があった。すなわち、かかる従来技術においては、電波法の制約により直進性の強い周波数帯（例えば２．４ＧＨｚ帯）を使用することになるが、タイヤ内の円環状空間（空気室）はトレッド側のスチールベルトと金属製ホイールのリムとに挟まれており、タイヤの側壁部であるゴム製のサイドウォールを介してのみ外部機器との通信が可能なため、車体側のタイヤ近傍で外部アンテナの設置に好適な場所はタイヤの側方（サイドウォールと対向する位置）に限定される。その結果、タイヤ内に装着されて該タイヤと一体的に回転するトランスポンダは、サイドウォールを介して車体側の外部アンテナと対向可能な位置にあるとき（例えば回転角度で約８０度の範囲内）には該外部アンテナとの通信が行えるが、それ以外の位置にあるときには該外部アンテナとの通信に支障をきたしてしまい、よって停車時にはタイヤ空気圧監視システムを利用できない可能性が高いという不便さがあった。また、車両走行中であってもタイヤの回転位置に応じて断続的に通信不能な状態となるため、タイヤ空気圧等の検出頻度には限界があり、それゆえ検出精度を飛躍的に向上させることはできなかった。

なお、本発明者らのシミュレーションによると、タイヤ内のトランスポンダから放射された２．４ＧＨｚ帯の電波は該タイヤ内で定在波を発生しやすくて外部空間への放射量が少ないため、トランスポンダから車体側の外部アンテナへ向かって放射される直接波を利用しないと通信が困難であることが判明した。トランスポンダから放射されてタイヤ内を伝播する電波が定在波となりやすい理由は、タイヤのスチールベルトとホイールのリムとによって疑似的に平行平板の伝送線路が形成されており、かつ該伝送線路が閉じているためであると考えられる。

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、車両走行時にも停車時にもタイヤ内のトランスポンダと車体側の外部アンテナとの通信が常に支障なく行えるタイヤ内蔵型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、車体側の外部アンテナと通信可能なトランスポンダを備えてタイヤ内に装着されるタイヤ内蔵型アンテナ装置において、前記タイヤ内に、前記トランスポンダのアンテナ素子と同等の周波数で共振可能な１個または複数個の無給電アンテナを取り付ける構成とした。

このように同等の周波数で共振可能なトランスポンダと無給電アンテナとがタイヤ内に配設されていると、トランスポンダから放射されてタイヤ内を伝播する電波が無給電アンテナで再放射されるため、タイヤ内に定在波が発生しにくくなって外部空間への放射量が増大する。それゆえ、タイヤの回転位置の関係でトランスポンダから外部空間へ向かって放射される直接波を車体側の外部アンテナに到達させることができない場合でも、タイヤ内を伝播して外部空間へ漏れる電波を該外部アンテナに到達させることが容易となり、タイヤ内のトランスポンダと車体側の外部アンテナとの通信を常に支障なく行わせることが可能となる。

上記の構成において、無給電アンテナの数が１個の場合には、この無給電アンテナをタイヤ内でトランスポンダと略点対称な位置に取り付けておくことが好ましく、こうすることで車体側の外部アンテナに対するトランスポンダの位置に拘らず両者間の通信がほぼ支障なく行えるようになる。

また、上記の構成において、無給電アンテナの数が複数個の場合には、これら無給電アンテナとトランスポンダの配置がタイヤの周方向に沿って略等間隔となるように設定しておくことが好ましく、こうすることで車体側の外部アンテナに対するトランスポンダの位置に拘らず両者間の通信が支障なく行えるようになる。また、トランスポンダと複数個の無給電アンテナがタイヤ内にバランスよく配置されることになるので、トランスポンダのみが装着されている場合と比べてタイヤ全体の重量バランスが向上するという利点もある。なお、１個のトランスポンダとＮ個（ただしＮは正の整数）の無給電アンテナをタイヤ周方向に角度φずつずらして等間隔に配置したとすると、φ＝３６０／（Ｎ＋１）となる。

上記の構成において、タイヤ内におけるトランスポンダおよび無給電アンテナの取付位置は適宜選択可能である。例えば、トランスポンダおよび無給電アンテナを、タイヤのインナーライナーの内周面に取り付ければよい。あるいは、トランスポンダおよび無給電アンテナを、タイヤが装着されるホイールのリムに取り付けてもよく、その場合、トランスポンダおよび無給電アンテナを該リムのウエル部にベルトを介して取り付けることが好ましい。あるいは、トランスポンダをホイールのリムに固設された空気バルブに取り付けると共に、無給電アンテナを該リムのウエル部にベルトを介して取り付けてもよい。

また、トランスポンダを空気バルブに取り付ける場合において、無給電アンテナとしてばね性を有する直線状の金属線材を用い、この金属線材をリムのウエル部に立設する構成を採用すると、タイヤをホイールのリムに装着する際に金属線材がタイヤのビード部に接触して変形したとしても、タイヤの装着後に金属線材は自身のばね性で元の直線状に自動復帰するため、無給電アンテナとしての動作に支障をきたすことのないタイヤ内蔵型アンテナ装置を実現できる。その場合、金属線材の基端側に取付ねじを固着し、この取付ねじをウエル部に刻設したねじ孔に螺着するようにすると、金属線材をリムのウエル部に簡単に取り付けることができて好ましい。なお、金属線材は長さ約λ／４のモノポールアンテナであることが好ましく、例えばピアノ線や形状記憶合金を用いることができる。

本発明のタイヤ内蔵型アンテナ装置では、同等の周波数で共振可能なトランスポンダと１個または複数個の無給電アンテナとがタイヤ内に配設されており、トランスポンダから放射されてタイヤ内を伝播する電波が無給電アンテナで再放射されるため、タイヤ内に定在波が発生しにくくなって外部空間への放射量が増大する。それゆえ、タイヤの回転位置の関係でトランスポンダから外部空間へ向かって放射される直接波を車体側の外部アンテナに到達させることができない場合でも、タイヤ内を伝播して外部空間へ漏れる電波を該外部アンテナに到達させることが容易となり、タイヤ内のトランスポンダと車体側の外部アンテナとの通信を常に支障なく行わせることが可能となる。その結果、車両走行中だけでなく停車時にもタイヤ空気圧等を運転席で確実に監視することができるため安全性が向上する。また、車両走行中にタイヤ空気圧等の検出頻度を高めることができるため、検出精度を飛躍的に向上させることが可能となる。

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実施形態例に係るタイヤ内蔵型アンテナ装置の取付状態を示す説明図で、同図（ａ）はタイヤ全周に沿う取付位置を示す説明図、同図（ｂ）はタイヤ幅方向に沿う断面構造を示す説明図である。

図１において、タイヤ１はホイール２のリム２１に装着されており、タイヤ１のトレッド１１やサイドウォール１２とホイール２のリム２１とによって円環状空間（空気室）３が画成されている。また、タイヤ１のトレッド１１側にはスチールベルト１３が埋設されている。円環状空間３には、周方向に９０度ずつ隔てた等間隔な４箇所に、トランスポンダ４と３個の無給電アンテナ５が配設されている。これらトランスポンダ４と無給電アンテナ５は、タイヤ１のインナーライナー１４の内周面に接着剤等によって取り付けられている。ホイール２は金属製でスポーク部２２を有し、このホイール２に固設された空気バルブ６が円環状空間３に臨出している。

トランスポンダ４は、特に図示はしていないが、圧力センサや温度センサ、送受信回路、アンテナ素子等によって構成されており、該アンテナ素子としては例えば逆Ｆ型アンテナが好適である。また、各無給電アンテナ５は、トランスポンダ４のアンテナ素子と同等の周波数で共振可能である。なお、本実施形態例においてトランスポンダ４のアンテナ素子や無給電アンテナ５は２．４ＧＨｚ帯の電波に共振するように設計されている。

図１（ｂ）に示すように、タイヤ１のサイドウォール１２と対向する車体側の適宜箇所（例えばタイヤハウス）には外部アンテナ７が取り付けられている。この外部アンテナ７は、２．４ＧＨｚ帯の電波を用いて近傍のタイヤ１内のトランスポンダ４と送受信させるためのもので、外部アンテナ７が受信した信号は同軸ケーブル等を介して図示せぬ電子制御装置（ＥＣＵ）へ伝送されるようになっている。なお、本実施形態例ではタイヤ１を１本だけ図示しているが、実際には４本のタイヤ内にそれぞれトランスポンダ４および３個の無給電アンテナ５が取り付けられ、かつ各タイヤのサイドウォールと対向する車体側にそれぞれ外部アンテナが取り付けられている。そして、４本のタイヤの空気圧や温度の検出値に基づく信号が前記電子制御装置に入力されるようになっている。

次に、本実施形態例の動作について説明する。外部アンテナ７から質問信号となる電波が発信されると、タイヤ１内のトランスポンダ４のアンテナ素子が励振されて高周波電流が生じる。トランスポンダ４は、この高周波電流に、圧力センサが検出したタイヤ空気圧の情報や温度センサが検出したタイヤ内温度の情報を重畳した信号電流をアンテナ素子に供給することによって、該アンテナ素子から応答信号となる電波を発信させる。トランスポンダ４のアンテナ素子から発信された電波のうち、近傍のサイドウォール１２へ向かって放射された電波は該サイドウォール１２を通過してそのまま外部空間へ伝播するが、それ以外の電波はスチールベルト１３やホイール２のリム２１に反射されながら円環状空間３内を伝播することになる。しかし、円環状空間３内には３個の無給電アンテナ５が配設されており、各無給電アンテナ５は円環状空間３内を伝播する２．４ＧＨｚ帯の電波に共振して再放射を行う放射源となるため、トランスポンダ４から放射されてスチールベルト１３やリム２１で反射された電波が円環状空間３内で定在波となる可能性は低く、その分、サイドウォール１２の各部から外部空間へ漏れる電波が増えることになる。したがって、トランスポンダ４から発信された電波はサイドウォール１２のほぼ全周から外部空間へ放射されることになり、タイヤ１の側方の広範囲な領域でトランスポンダ４の応答信号が受信可能となる。

トランスポンダ４から発信されてサイドウォール１２を通過した電波は、タイヤ１の近傍に位置する車体側の外部アンテナ７によって受信される。この受信信号は同軸ケーブル等を介して前記電子制御装置へ伝送される。すなわち、タイヤ１の空気圧や温度の検出値に基づく信号が外部アンテナ７を介して該電子制御装置に入力される。同様に、他の３本のタイヤの空気圧や温度の検出値に基づく信号も、各タイヤの近傍に位置する外部アンテナを介して該電子制御装置に入力される。そして、これらの信号が該電子制御装置で制御処理されることにより、処理後の検出結果が運転席の表示装置に表示されたり警告音が発せられるようになっている。

このように本実施形態例にあっては、タイヤ１内にトランスポンダ４だけでなく３個の無給電アンテナ５が配設されており、トランスポンダ４から放射されてタイヤ１内を伝播する電波が各無給電アンテナ５で再放射されるようにしてあるため、該電波がタイヤ１内で定在波となりにくく、その分、外部空間への放射量を増大させることができる。つまり、トランスポンダ４から発信された電波をタイヤ１のサイドウォール１２の各部から外部空間へ効率良く放射できるようになっている。したがって、タイヤ１の回転位置の関係でトランスポンダ４から外部空間へ向かって放射される直接波を外部アンテナ７に到達させることができない場合でも、タイヤ１内を伝播して外部空間へ漏れる電波を外部アンテナ７に到達させることが容易となり、タイヤ１内のトランスポンダ４と車体側の外部アンテナ７との通信を常に支障なく行わせることができる。それゆえ、車両走行中だけでなく停車時にも、タイヤ空気圧やタイヤ内温度を運転席で確実に監視できるようになって安全性が向上する。また、車両走行中にタイヤ空気圧やタイヤ内温度の検出頻度を高めることができるため、検出精度を飛躍的に向上させることもできる。

また、本実施形態例では、１個のトランスポンダ４と３個の無給電アンテナ５をタイヤ１の周方向に沿って等間隔に配置させているため、トランスポンダ４のみが装着されている場合と比べてタイヤ全体の重量バランスが向上しており、よって重量バランスの調整作業は不要である。

なお、上記の実施形態例では、タイヤ１内に無給電アンテナ５が３個取り付けてあるが、無給電アンテナ５の取付個数は適宜選択可能であり、トランスポンダ４と複数個の無給電アンテナ５がタイヤ１の周方向に沿って略等間隔に配設されていれば、上記の実施形態例とほぼ同等の効果が期待できる。すなわち、トランスポンダ４と２個の無給電アンテナ５を周方向に約１２０度ずつずらして配置したり、あるいはトランスポンダ４と５個の無給電アンテナ５を周方向に約６０度ずつずらして配置した場合でも、外部アンテナ７との通信を常に支障なく行わせることができ、タイヤ全体の重量バランスも良好となる。

また、無給電アンテナ５の取付個数が１個の場合にも、この無給電アンテナ５をタイヤ１内でトランスポンダ４と略点対称な位置に取り付けておけば、トランスポンダ４のみが装着されている場合と比べて外部アンテナ７との通信性能が向上し、かつタイヤ全体の重量バランスも向上する。

また、上記の実施形態例では、トランスポンダ４や無給電アンテナ５がタイヤ１のインナーライナー１４の内周面に取り付けてあるが、他の取付位置を選択することも可能である。例えば、図２に示す第２実施形態例のように、トランスポンダ４と各無給電アンテナ５をホイール２のリム２１のウエル部２１ａに金属ベルト８を用いて取り付けてもよく、このような取付構造を採用すると、タイヤ内蔵型アンテナ装置が容易に後付けできるという利点がある。なお、図２（ａ）はタイヤ全周に沿う取付位置を示す説明図、同図（ｂ）はタイヤ幅方向に沿う断面構造を示す説明図であり、図１と対応する部分には同一符号が付してある。

あるいはまた、図３に示す第３実施形態例のように、トランスポンダ４を空気バルブ６に取り付けると共に、無給電アンテナ５をリム２１のウエル部２１ａに金属ベルト８を用いて取り付けてもよい。なお、図３（ａ）はタイヤ全周に沿う取付位置を示す説明図、同図（ｂ）はタイヤ幅方向に沿う断面構造を示す説明図であり、図１および図２と対応する部分には同一符号が付してある。

図４は本発明の第４実施形態例に係るタイヤ内蔵型アンテナ装置の取付状態を示す説明図、図５は該アンテナ装置に備えられる無給電アンテナの斜視図、図６は該無給電アンテナの取付状態を示す要部断面図である。なお、図４（ａ）はタイヤ全周に沿う取付位置を示す説明図、４図（ｂ）はタイヤ幅方向に沿う断面構造を示す説明図であり、図４〜図６において図１および図２と対応する部分には同一符号が付してある。

本実施形態例では、無給電アンテナ５として長さ約λ／４のモノポール状の金属線材９を３本用い、これら金属線材９をリム２１のウエル部２１ａに９０度ずつ隔てて取り付けてある。また、トランスポンダ４は空気バルブ６に取り付けてあり、トランスポンダ４と３本の金属線材９は周方向に９０度ずつ隔てた等間隔な４箇所に配設されている。金属線材９はピアノ線や形状記憶合金等のばね性を有する直線状の素材からなり、高周波特性改善のために表面にメッキを施してある。図５と図６に示すように、金属線材９は保護チューブ９ａによって被われており、金属線材９の基端（下端）側には取付ねじ９ｂが固着されている。一方、リム２１のウエル部２１ａには各金属線材９に対応する位置にねじ孔２１ｂが刻設されており、取付ねじ９ｂを対応する取付ねじ９ｂに螺合して締め付けた後、必要に応じて接着剤１０を併用して緩み止めを図ることにより、各金属線材９はウエル部２１ａの所定箇所に強固に取り付けられる。

このように構成された第４実施形態例では、タイヤ１をホイール２のリム２１に装着する組込み作業時に、タイヤ１のビード部１５が保護チューブ９ａに接触して金属線材９（無給電アンテナ５）が折れ曲がったとしても、タイヤ１の組込みが終了した装着後に、金属線材９は自身のばね性によって元の直線状に自動復帰するため、無給電アンテナ５としての動作に支障をきたすことのないタイヤ内蔵型アンテナ装置を実現できる。また、タイヤ１側について見ると、金属線材９が折れ曲がって組込みの支障とならないので、ビード部１５の損傷を防止できるというメリットがある。なお、無給電アンテナ５として用いた金属線材９の本数が適宜選択可能であることはいうまでもなく、トランスポンダ４と１本または複数本の金属線材９とがタイヤ１の周方向に沿って略等間隔に配設されていればよい。

本発明の第１実施形態例に係るタイヤ内蔵型アンテナ装置の取付状態を示す説明図である。 本発明の第２実施形態例に係るタイヤ内蔵型アンテナ装置の取付状態を示す説明図である。 本発明の第３実施形態例に係るタイヤ内蔵型アンテナ装置の取付状態を示す説明図である。 本発明の第４実施形態例に係るタイヤ内蔵型アンテナ装置の取付状態を示す説明図である。 図４のアンテナ装置に備えられる無給電アンテナの斜視図である。 該無給電アンテナの取付状態を示す要部断面図である。

符号の説明

１ タイヤ
２ ホイール
３ 円環状空間（空気室）
４ トランスポンダ
５ 無給電アンテナ
６ 空気バルブ
７ 外部アンテナ
８ 金属ベルト
９ 金属線材（無給電アンテナ）
９ａ 保護チューブ
９ｂ 取付ねじ
１０ 接着剤
１１ トレッド
１２ サイドウォール
１３ スチールベルト
１４ インナーライナー
１５ ビード部
２１ リム
２１ａ ウエル部
２１ｂ ねじ孔

Claims (10)

1. 車体側の外部アンテナと通信可能なトランスポンダを備えてタイヤ内に装着されるタイヤ内蔵型アンテナ装置であって、前記タイヤ内に、前記トランスポンダのアンテナ素子と同等の周波数で共振可能な１個または複数個の無給電アンテナを取り付けたことを特徴とするタイヤ内蔵型アンテナ装置。
2. 請求項１の記載において、前記無給電アンテナの数が１個で、この無給電アンテナを前記タイヤ内で前記トランスポンダと略点対称な位置に取り付けたことを特徴とするタイヤ内蔵型アンテナ装置。
3. 請求項１の記載において、前記無給電アンテナの数が複数個で、これら無給電アンテナと前記トランスポンダの配置が前記タイヤの周方向に沿って略等間隔となるように設定したことを特徴とするタイヤ内蔵型アンテナ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項の記載において、前記トランスポンダおよび前記無給電アンテナを、前記タイヤのインナーライナーの内周面に取り付けたことを特徴とするタイヤ内蔵型アンテナ装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項の記載において、前記トランスポンダおよび前記無給電アンテナを、前記タイヤが装着されるホイールのリムに取り付けたことを特徴とするタイヤ内蔵型アンテナ装置。
6. 請求項５の記載において、前記トランスポンダおよび前記無給電アンテナを、前記リムのウエル部にベルトを介して取り付けたことを特徴とするタイヤ内蔵型アンテナ装置。
7. 請求項１〜３のいずれか１項の記載において、前記トランスポンダを前記タイヤが装着されるホイールのリムに固設された空気バルブに取り付けると共に、前記無給電アンテナを前記リムのウエル部にベルトを介して取り付けたことを特徴とするタイヤ内蔵型アンテナ装置。
8. 請求項１〜３のいずれか１項の記載において、前記トランスポンダを前記タイヤが装着されるホイールのリムに固設された空気バルブに取り付けると共に、前記無給電アンテナとしてばね性を有する直線状の金属線材を用い、この金属線材を前記リムのウエル部に立設したことを特徴とするタイヤ内蔵型アンテナ装置。
9. 請求項８の記載において、前記金属線材の基端側に取付ねじを固着し、この取付ねじを前記ウエル部に刻設したねじ孔に螺着したことを特徴とするタイヤ内蔵型アンテナ装置。
10. 請求項８または９の記載において、前記金属線材が長さ約λ／４のモノポールアンテナであることを特徴とするタイヤ内蔵型アンテナ装置。

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