JP2006250663A - Rfidセンサによるタイヤ歪み測定システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 バッテリーを使用することなく、構造的に簡易で安価なシステム構成にてタイヤ歪みを測定することができる、RFIDセンサによるタイヤ歪み測定システムを得る。
【解決手段】 タイヤ内に、タイヤ歪みを抵抗値変化により検出するための磁気センサと歪み量に応じて磁気センサの抵抗値を変化させるためのマグネット及び当該磁気センサを接続して情報伝送を行うためのRFIDセンサから成るセンサユニットを内蔵し、各タイヤハウス内に、前記センサユニットのRFIDセンサと無線通信を行い応答信号よりRFIDセンサのID情報及び抵抗値を電圧信号に変換してスケーリングしたデータから成る計測データを読取るためのリーダーを配設し、各リーダーから得られた計測データを演算処理して各タイヤの歪みを測定するための演算制御装置と、タイヤ歪み情報を運転者に知らせるためのモニタとを備えて構成する。
【選択図】 図1
【解決手段】 タイヤ内に、タイヤ歪みを抵抗値変化により検出するための磁気センサと歪み量に応じて磁気センサの抵抗値を変化させるためのマグネット及び当該磁気センサを接続して情報伝送を行うためのRFIDセンサから成るセンサユニットを内蔵し、各タイヤハウス内に、前記センサユニットのRFIDセンサと無線通信を行い応答信号よりRFIDセンサのID情報及び抵抗値を電圧信号に変換してスケーリングしたデータから成る計測データを読取るためのリーダーを配設し、各リーダーから得られた計測データを演算処理して各タイヤの歪みを測定するための演算制御装置と、タイヤ歪み情報を運転者に知らせるためのモニタとを備えて構成する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、車両が装備する空気入りゴムタイヤ(以後単にタイヤと言う)のタイヤ歪みを、RFID(Radio Frequency Identification)センサを利用して測定する、タイヤ歪み測定システムに関するものである。なお、前記RFIDセンサとは、RFIDタグにセンサインターフェース回路を内蔵すると共にセンサを接続するための外部端子を設けたRFIDタグを指すものとする。
従来、急停止によるスリップや雨天で路面が濡れている場合に発生するハイドロプレーニング等の事故を防止するため、アンチロックブレーキシステム(ABS:Anti-lock Brake System)やトラクションコントロールシステムがある。ABSは、各タイヤの回転状態を検出し、該検出データに基づき各タイヤがロック状態に入るのを防止するように制動力を制御するシステムである。ここで、タイヤの回転状態として各タイヤの回転数や空気圧及び歪み等を検出し、該検出データを制御装置により解析して制動力の制御を行うものである。
上記各タイヤの回転数や空気圧及び歪み等を検出する方法として多くの提案が成されているが、一例として特開2004−102753号公報の『タイヤの状態検出装置、そのセンサユニット及びタイヤ、並びに車両の制動制御装置』においては、タイヤ内のリムにセンサユニットを固定し、該センサユニット内の加速度センサや圧力センサで得られた検出データをCPUや周辺アナログ回路により処理し、マイクロ波帯の電磁波を使用してタイヤハウスに固定されたモニタ装置と無線通信を行うことによりタイヤの状態を検出する方法が開示されている。
また、特開2004−155222号公報の『タイヤ状態監視装置』においては、タイヤ内のホイールに送信機を固定し、該送信機内の加速度センサや圧力センサで得られた検出データをマイクロコンピュータから成る送信コントローラで処理し、車体に固定された受信機と無線通信を行うことによりタイヤの状態を検出する方法が開示されている。
特開2004−102753
特開2004−155222
しかしながら、上記特開2004−102753号公報では、センサ信号を処理するためのアナログ回路用電源やCPU駆動用電源及び発振回路用電源はキャリアの電磁波を整流して得ると記載されているが、該方法により得られる電力はセンサユニットとモニタ装置間の距離を15cm程度としても数100μW程度しかなく、CPUの駆動電圧を3Vとした場合でもたかだか100μA程度の電流供給能力しか得られない。従って、このような微小電力でマイクロ波帯の周波数を発振させたりCPUや周辺アナログ回路を駆動し、更には電磁波を送信することは不可能である。
また、上記特開2004−155222号公報では、センサ信号を処理するための通信コントローラ用電源や送信回路用電源はバッテリーからの電力供給によると記載されているが、リチウム電池等を使用してもそれほど長期間の使用できるものではない。従って、定期的にタイヤ内にバッテリーを交換する必要があり現実的なものではない。
本発明は、以上のような問題点を解決するために成されたものであり、RFIDセンサ及び該RFIDセンサに接続する歪み測定用センサの駆動電源としてバッテリーを使用することなく、構造的に簡易で安価なシステム構成にてタイヤ歪みを測定することができる、RFIDセンサによるタイヤ歪み測定システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明のRFIDセンサによるタイヤ歪み測定システムにおいては、車両の前後左右に装備されたタイヤ内に、タイヤ歪みを抵抗値変化により検出するための磁気センサと歪み量に応じて磁気センサの抵抗値を変化させるためのマグネット及び当該磁気センサを接続して情報伝送を行うためのRFIDセンサから成るセンサユニットを内蔵し、各タイヤハウス内に、前記センサユニットのRFIDセンサと無線通信を行い応答信号よりRFIDセンサのID情報及び抵抗値を電圧信号に変換してスケーリングしたデータから成る計測データを読取るためのリーダーを配設し、各リーダーから得られた計測データを演算処理して各タイヤの歪みを測定するための演算制御装置と、タイヤ歪み情報を運転者に知らせるためのモニタとを備えて構成する。
上記RFIDセンサ及び磁気センサの駆動電源として、リーダーから出力された電磁界又は電磁波によりアンテナに発生した誘導起電力を整流して安定化した回路電源及び大容量型の充電用コンデンサに蓄積した電力を使用する。
上記磁気センサは、磁気抵抗(MR:Magnetic Resistor Effect)素子とする。
また、上記演算制御装置は、測定したタイヤ歪みデータの変化に基づきブレーキ制動装置及びエンジン制御装置の各制御が行えるものとする。
本発明のRFIDセンサによるタイヤ歪み測定システムを車両に装備すれば、センサユニットとしてタイヤ歪みを抵抗値変化により検出するための磁気センサ及びマグネットと当該磁気センサを接続して情報伝送を行うためのRFIDセンサで構成し、電磁界又は電磁波により発生した誘導起電力を回路電源として使用すると共に充電用コンデンサに蓄積した電力も使用できるためセンサシステムのバッテリーが不要となり、タイヤ歪みを構造的に簡易で安価なシステムにより長期間安定して測定することができるという絶大なる効果を奏することができる。
本発明を実施するための最良の形態を図を用いて説明する。
図1は本発明のRFIDセンサによるタイヤ歪み測定システムの配置構成図であり、車両6の前後左右(FL,FR,RL,RR)に装備されたタイヤ2内に、タイヤ歪みを抵抗値変化により検出するための磁気抵抗素子と歪み量に応じて磁気抵抗素子の抵抗値を変化させるためのマグネット及び当該磁気抵抗素子を接続して情報伝送を行うためのRFIDセンサで構成するセンサユニット1を内蔵する。
また、各タイヤハウス内に、前記センサユニット1のRFIDセンサと無線通信を行い応答信号よりRFIDセンサのID情報及び抵抗値を電圧信号に変換してスケーリングしたデータから成る計測データを読取るためのリーダー3を配設し、各リーダー3から得られた計測データを演算処理して各タイヤ2の歪みを測定するための演算制御装置4と、タイヤ歪み情報を運転者に知らせるためのモニタ5を配備する。なお、モニタ5は専用モニタとしなくともカーナビシステムのモニタを利用しても構わない。
図2は本発明のRFIDセンサによるタイヤ歪み測定システムにおけるセンサユニットの概略ブロック図であり、アンテナ7をRFIDチップ8に接続して構成したRFIDセンサに、磁気センサとして磁気抵抗素子18を接続して構成する。リーダーと電磁界又は電磁波により通信を行うためのアンテナ7は同調キャパシタ(図示せず)から成る同調回路9に接続して共振回路を構成する。該アンテナ7は一般的にはループアンテナであり、該ループアンテナの導線には相互インダクタンスが大きく取れる高効率なアンテナ素材を使用するのが好適である。なお、磁気抵抗素子18にはGMR(Giant Magneto Resistance Effect)やTMR(Tunneling Magneto Resistance Effect)等の各種タイプがあるが、特に限定はしない。
上記同調回路9の後段には、リーダーから出力された電磁界又は電磁波がアンテナ7を通過した時に発生する誘導起電力の電圧波形を検波したり、該誘導起電力を半波又は全波整流して直流電圧を取り出すための整流回路10を接続する。該整流回路10で使用するダイオード(図示せず)は順方向電圧降下の低いもの、例えばショットキバリアダイオードが好適である。
次に、上記整流回路10の後段には、検波したキャリアを分周してシステムクロックを生成するためのクロック生成回路11と、信号受信時においてキャリアから信号を取り出す復調動作を行ったり信号送信時においてスイッチング素子(図示せず)により変調動作を行うための変復調回路12と、上記直流電圧を安定化して回路電源を供給したり、充電用コンデンサ14に充電電圧を供給するための電源回路13を接続する。該充電用コンデンサ14は大容量型として電気二重層コンデンサが好適であるが、消費電流に応じて他のコンデンサを選択しても構わない。
次に、上記変復調回路12の後段には、該変復調回路12の制御や強誘電体メモリであるSiRAM(Sensor Interface RAM:センサが必要とする処理単位にてアクセス可能なメモリで、本願出願人による商標)16にID情報や計測データの書込み又は読出し制御を行うためのロジック回路15と、磁気抵抗素子18の抵抗値を電圧信号に変換してスケーリングしたアナログ信号をデジタル信号に変換するためのA/D変換回路17等を接続する。
また、図3は図2のA/D変換回路の第一実施形態のブロック図であり、磁気抵抗素子18の抵抗値を電圧信号に変換してアナログ入力回路20に入力する。該アナログ入力回路20は入力電圧を適正レベルにスケーリングするためのOPアンプや抵抗等で構成される。磁気抵抗素子18用の電源は、RFIDチップ8の電源回路13より得られる回路電源を使用する。なお、図3では入力数が3チャンネルであるが、特に限定するものではない。
次に、上記アナログ入力回路20の後段には、A/Dコンバータ22にアナログ入力回路20から出力された電圧信号を順次切換えてサンプリング入力するためのアナログマルチプレクサ21を接続し、該A/Dコンバータ22でアナログ信号である電圧信号をデジタル信号に変換する。ここで、該A/Dコンバータ22の出力をシリアル出力型とした場合、システムクロックに同期してシフトレジスタ23に入力しパラレルデータに変換した後、SiRAM16に書込みを行う。また、該A/Dコンバータ22の出力をパラレル出力型とした場合、システムクロックに同期してSiRAM16に書込みを行う。該A/Dコンバータ22の分解能は、4〜16ビット程度の範囲において任意で構わない。
また、図4は図2のA/D変換回路の第二実施形態のブロック図であり、第一実施形態と同様に磁気抵抗素子18の抵抗値を電圧信号に変換してアナログ入力回路20に入力する。該アナログ入力回路20は入力電圧を適正レベルにスケーリングするためのOPアンプや抵抗等で構成される。磁気抵抗素子18用の電源は、RFIDチップ8の電源回路13より得られる回路電源を使用する。なお、図4でも入力数が3チャンネルであるが、特に限定するものではない。
次に、上記アナログ入力回路20の後段には、A/Dコンバータ22を磁気抵抗素子18毎に独立して接続し、該A/Dコンバータ22で電圧信号をデジタル信号に変換する。該A/Dコンバータ22の出力はパラレル出力型としてSiRAM16の特定アドレスにダイレクト接続し、システムクロックに同期してSiRAM16の特定アドレスにダイレクト書込みを行う。また、リーダーからの出力指令により特定アドレスの検出データのダイレクト読出しを行う。該方式によれば、SiRAM16本来の高速動作と相俟って、更なる検出データの高速書込み又は高速読出しが可能となる。
上記SiRAM16は不揮発性メモリであり、回路電源がOFFになってもID情報や検出データは消失することはない。このため、DRAMとは異なりリフレッシュ動作は不要であり、消費電力はDRAMよりはるかに少なくなる。また、データの書込み電圧は、EEPROMやフラッシュメモリのように高圧に昇圧する必要がないため、昇圧回路が簡略化される。更には、書込み又は読出し速度はDRAMと同等であり、EEPROMやフラッシュメモリよりはるかに高速である。
図5はタイヤ内におけるセンサユニットの取付位置図であり、(a)は断面図,(b)はA−A矢視図である。また、タイヤ2のトレッド内面にセンサユニット1を埋設して取付けた状態を示している。該センサユニット1の磁気センサを構成する磁気抵抗素子18及びマグネット19において、縦方向歪みを検出する場合には前記磁気抵抗素子18及びマグネット19を縦方向に配置し、横方向歪みを検出する場合には前記磁気抵抗素子18及びマグネット19を縦方向に配置する。配置箇所は中央部及び両側部の3箇所が好適であるが、特に限定するものではない。また、両方向の歪みを検出する場合には縦方向歪み検出用と横方向歪み検出用のセンサユニット1を各々の位置に配置する。
図6はリーダーの概略ブロック図であり、該リーダー3は、アンテナ24を介してセンサユニット1のRFIDセンサと無線通信を行うための送受信回路25と、キャリア信号を発生するための信号発生回路26と、応答信号より得られた計測データを演算制御装置4に送信するための通信インターフェース回路28と、前記送受信回路25と信号発生回路26と通信インターフェース回路28の制御を行う制御回路27等により構成する。
図7は演算制御装置の概略ブロック図であり、各リーダー3から送信された計測データを受信するための通信インターフェース回路29と、該計測データを演算解析してタイヤ2の歪みを測定するための演算回路30と、各タイヤ2のタイヤ歪み情報をモニタ5にて運転者に知らせるべくモニタ出力を行うための出力回路32と、該タイヤ歪みデータの変化に基づきブレーキ制動装置及びエンジン制御装置の各制御を行うための制御回路31等により構成する。
図8は本発明のRFIDセンサによるタイヤ歪み測定システムのリーダーとセンサユニット間におけるデータの読み取り位置関係図であり、タイヤハウス33内に配備したリーダー3のアンテナ24とタイヤ2のトレッド内面に埋設又は固着したセンサユニット1のアンテナ7間において、蹴出し前ポイントBと蹴出し中ポイントC及び蹴出し後ポイントDの3箇所にて無線通信を行い、タイヤ2の歪み測定を行う。ここで、リーダー3のアンテナ24の位置はタイヤ2が図中矢印方向に回転した場合、タイヤ2の蹴出し前ポイントBと180度反対側のポイントAが応答信号の受信レベルの最大ポイントとなる位置とする。蹴出し中ポイントCはセンサユニット1の外面のトレッド面が路面と最大に接触している時であり、蹴出し後ポイントDは蹴出し中ポイントCを中心に蹴出し前ポイントBと略対称な位置とする。
本発明の実施例を図を用いて説明する。
まず、図1及び図8に示すように、車両6の前後左右(FL,FR,RL,RR)に装備されたタイヤ2内に、センサユニット1を内蔵する。該センサユニット1は、図2に示すようにタイヤ歪みを抵抗値変化により検出するための磁気抵抗素子18と歪み量に応じて磁気抵抗素子18の抵抗値を変化させるためのマグネット19及び当該磁気抵抗素子18を接続して情報伝送を行うためのアンテナ7をRFIDチップ8に接続したRFIDセンサで構成する。該センサユニット1の取付位置は、図5に示すようにタイヤ2のトレッド内面に埋設又は固着する。また、各タイヤハウス33内にリーダー3を配備し、各リーダー3と演算制御装置4を接続する。更に、該演算制御装置4とモニタ5とを接続する。
次に、車両6が走行してタイヤ2の歪みを測定する場合、リーダー3とセンサユニット1間において蹴出し前ポイントBと蹴出し中ポイントC及び蹴出し後ポイントDの3箇所の歪みを測定する。該測定において、応答信号の受信レベルの最大ポイントAを通過するセンサユニット1の通過周期Tを測定することにより車速が算出でき、センサユニット1がポイントAを通過後よりT/2時間の位置が蹴出し前ポイントBとなり、更にT/2+Δt1時間の位置が蹴出し中ポイントCとなり、更にT/2+2Δt1時間の位置が蹴出し後ポイントDとなる。該Δt1は車速より求められる。
ここで、タイヤ2の歪み測定の原理を説明する。
空気圧の減少やスリップ等によりタイヤ2が歪み加速度に変化が生じると、図2から図5の磁気抵抗素子18及びマグネット19の箇所の矢印で示すようにマグネット19は歪み量に応じて伸縮又は撓み、磁気抵抗素子18に磁界の大きさの変化を与える。該磁気抵抗素子18は磁界の大きさの変化で抵抗値が変化するセンサであり、歪み量に応じて抵抗値が変化する。このため、空気圧の減少やスリップ等によりタイヤ2が歪むと当該磁気抵抗素子18を接続したA/D変換回路17の計測データに変化を生じて計測される。該計測データは常時リーダー3によりセンサユニット1の固有ID情報と共に検出され読取られる。更に、該リーダー3から得られた計測データを演算制御装置4にて演算解析することによりタイヤ2の歪みを測定することができることになる。
そして、通常時におけるタイヤ2の歪みデータとリアルタイムに測定したタイヤ2の歪みデータを比較し、通常データと異なったデータが得られた時は状態に応じてモニタ5にタイヤ歪み情報を表示して運転者に知らせ危険回避を促すことができる。
また、上記モニタ5によるタイヤ歪み情報の表示の他に、該タイヤ歪みデータの変化に基づいたブレーキ制御信号をブレーキ制動装置(図示せず)に伝送することにより自動的にブレーキ制御が行え、タイヤ歪みデータの変化に基づいたエンジン制御信号をエンジン制御装置(図示せず)に伝送することにより自動的にエンジン制御が行えることにもなる。
本発明のRFIDセンサによるタイヤ歪み測定システムは、一般的な空気入りゴムタイヤを装備した車両、例えば乗用車やトラックを対象としているが、空気入りゴムタイヤを装備していれば如何なる種類の車両又は装置であっても構わないものである。
1 センサユニット
2 タイヤ
3 リーダー
4 演算制御装置
5 モニタ
6 車
7 アンテナ
8 RFIDチップ
9 同調回路
10 整流回路
11 クロック生成回路
12 変復調回路
13 電源回路
14 充電用コンデンサ
15 ロジック回路
16 SiRAM
17 A/D変換回路
18 磁気抵抗素子
19 マグネット
20 センサ入力回路
21 アナログマルチプレクサ
22 A/Dコンバータ
23 シフトレジスタ
24 アンテナ
25 送受信回路
26 信号発生回路
27 制御回路
28 通信インターフェース回路
29 通信インターフェース回路
30 演算回路
31 制御回路
32 出力回路
33 タイヤハウス
2 タイヤ
3 リーダー
4 演算制御装置
5 モニタ
6 車
7 アンテナ
8 RFIDチップ
9 同調回路
10 整流回路
11 クロック生成回路
12 変復調回路
13 電源回路
14 充電用コンデンサ
15 ロジック回路
16 SiRAM
17 A/D変換回路
18 磁気抵抗素子
19 マグネット
20 センサ入力回路
21 アナログマルチプレクサ
22 A/Dコンバータ
23 シフトレジスタ
24 アンテナ
25 送受信回路
26 信号発生回路
27 制御回路
28 通信インターフェース回路
29 通信インターフェース回路
30 演算回路
31 制御回路
32 出力回路
33 タイヤハウス
Claims (4)
- 車両の前後左右に装備されたタイヤ内に、タイヤ歪みを抵抗値変化により検出するための磁気センサと歪み量に応じて磁気センサの抵抗値を変化させるためのマグネット及び当該磁気センサを接続して情報伝送を行うためのRFIDセンサから成るセンサユニットを内蔵し、各タイヤハウス内に、前記センサユニットのRFIDセンサと無線通信を行い応答信号よりRFIDセンサのID情報及び抵抗値を電圧信号に変換してスケーリングしたデータから成る計測データを読取るためのリーダーを配設し、各リーダーから得られた計測データを演算処理して各タイヤの歪みを測定するための演算制御装置と、タイヤ歪み情報を運転者に知らせるためのモニタとを備えて構成することを特徴とする、RFIDセンサによるタイヤ歪み測定システム。
- RFIDセンサ及び磁気センサの駆動電源として、リーダーから出力された電磁界又は電磁波によりアンテナに発生した誘導起電力を整流して安定化した回路電源及び該回路電源を大容量型の充電用コンデンサに蓄積した電力を使用することを特徴とした、請求項1に記載のRFIDセンサによるタイヤ歪み測定システム。
- 磁気センサが、磁気抵抗素子であることを特徴とする、請求項1及び請求項2に記載のRFIDセンサによるタイヤ歪み測定システム。
- タイヤ歪みデータの変化に基づいたブレーキ制御信号をブレーキ制動装置に伝送することにより自動的にブレーキ制御が行え、タイヤ歪みデータの変化に基づいたエンジン制御信号をエンジン制御装置に伝送することにより自動的にエンジン制御が行えることを特徴とした、請求項1に記載のRFIDセンサによるタイヤ歪み測定システム。
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