(57)【要約】ホイール、特に車両に適したホイールは、知覚された状態を示す少なくとも１つのセンサが組み込まれている非金属材料から形成された少なくとも一部分を含む。本発明のある好ましい実施形態では、ホイール（１）は、ファイバ強化プラスチック材料からモールディングされ、ホイール又はそれと結合したタイヤの状態（たとえば、タイヤ圧力や伝達トルク）を示すことが可能な受動センサ（２）を組み込む。このセンサの出力は、ＡＳＩＣデバイス（６）によって処理されて、これもホイールの搭載されている通信デバイス（１０）に対する出力信号となる。ＡＳＩＣ（６）と通信デバイス（１０）は、たとえば、ホイール自身内の張力によって発生された電気パルスを用いて、適切な手段によって充電されている仮想バッテリ（９）から電力を供給される。ｉｄタグ（８）が提供され、これで、当該ホイールを識別する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非金属材料から形成された構造部分を有するホイールであり、前記構造部分が、自身の一体部品として受動センサを組み込み、これで、前記ホイール及び／又は前記ホイールに搭載されているタイヤ及び／又は前記ホイールと前記タイヤ間に含まれている流体の特徴を、前記ホイール／タイヤが使用中に監視する、ホイール。
【請求項２】
シリコンデバイスが、前記ホイール中に埋め込まれ又は前記ホイールに固定され、これで、パラメータの計算及び／又は事前設定された値の記憶を実行する、請求項１に記載のホイール。
【請求項３】
前記受動センサに問い合わせをする問い合わせデバイスを含み、前記問い合わせデバイスが、前記ホイール中に埋め込まれた又は前記ホイールに固定されたＡＳＩＣを組み込む、請求項１又は２に記載のホイール。
【請求項４】
前記ホイール中に埋め込まれ又は前記ホイールに固定されて、前記ホイール中に埋め込まれ又は前記ホイールに固定されたコンポーネントに供給する電力を発生する手段を含む、請求項１乃至３の内のいずれかに記載のホイール。
【請求項５】
前記ホイールの外部にあって、前記ホイールに無線接続でエネルギを供給する手段と組み合わされる、請求項１乃至４の内のいずれかに記載のホイール。
【請求項６】
電気エネルギ発生手段が、前記ホイールの１回転毎に固定数の電気エネルギパルスを発生する、請求項４に記載のホイール。
【請求項７】
前記ホイールがカウンタを含み、前記カウンタが、パルスの数のカウント値をストアして、前記ホイールの回転数の値を提供する、請求項６に記載のホイール。
【請求項８】
電気エネルギパルスを発生する前記デバイスが、圧電デバイス、たとえば、前記ホイールの構造体中に埋め込まれたＰＶＤＦである、請求項６又は７に記載のホイール。
【請求項９】
前記センサと関連する識別コードをストアするストア手段と；
遠隔の問い合わせデバイスから信号を受信する受信手段と；
前記センサが知覚する状態を示す信号を前記問い合わせデバイスに送る手段と；
前記識別コードを示す信号を前記問い合わせデバイスに送る手段と；
を含む、請求項１乃至８の内のいずれかに記載のホイール。
【請求項１０】
前記受動センサがＳＡＷデバイスである、請求項１乃至９の内のいずれかに記載のホイール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、状態監視システムを組み込んだ非金属製ホイールに関する。この状態監視システムは、物理的パラメータを測定するためのホイール内コンポーネントを含むが、さらに、たとえば製造データを包含するメモリデバイスを有することがある。この必要とされるコンポーネント及び関連の回路は、製造時点でホイール中にモールディングされるか、又は、製造後に埋め込まれるか、又は、製造時点でホイール中に部分的にモールディングされて、製造後に部分的にホイール中に埋め込まれるかホイールに取り付けられるかする。この好ましいホイールは、車（自動車）又はバンもしくはローリ（トラック）上で、又は、土木工事プラント（フェースシャベル、スクレーパ、グレーダなど）上で使用するのに特に適しているが、本発明は、このような応用に限らず、実際、本発明が提供する監視を必要とするいかなるホイールにも応用可能である。
【０００２】
本発明によれば、ホイールは、非金属材料から形成された構造部分を有するが、この構造部分は、その一体部品として、ホイール及び／又はホイールに搭載されたタイヤ及び／又はホイールとタイヤ間に含まれている流体の特徴を、ホイール／タイヤが使用中に監視する受動センサを組み込んでいる。
【０００３】
本明細書中で用いられる「構造部分」という用語は、少なくともホイールのある動作条件下で、ホイールの負荷を担う部品であるホイールの部分を意味する。この構造部分は、たとえば、ホイールのリムの部分であったり、ホイールのハブの部分であったり、ホイールのスポークであったりする。
【０００４】
本明細書中で用いられる「非金属材料」とう用語は、大部分が非金属であるような材料を意味し、たとえば強化エレメントのような金属製エレメントを組み込んだ材料を含む。本発明による好ましい非金属材料は合成プラスチック材料であり、任意にたとえば、グラスファイバや他の強化材料で強化される合成プラスチック材料である。
【０００５】
本明細書中で用いられる「受動センサ」という用語は、ホイールに搭載された電気化学的な一次又は二次電池を用いることなく知覚された状態を示す出力を提供することが可能なセンサを意味する。このセンサは、たとえば、表面音波（ＳＡＷ）デバイス（たとえば、ＳＡＷ共鳴器）及び、関連のアンテナとＲＦのカップルである。
【０００６】
ＳＡＷ共鳴器センサは、共鳴器を無線信号で励起して、共鳴周波数反応を発生することによって操作される。したがって、ＳＡＷ共鳴器は、なんら別の電源を必要とすることなく、その出力信号が、受信した入力信号に反応して生成されるという意味で、完全に「受動的」であると考えられる。ＳＡＷデバイスに基づいたセンサは、ホイール中に組み込まれて、無制限に用いられて、ホイールの適切な物理的状態を監視する。それと等しくＳＡＷ遅延線ベースのセンサ又は他の受動センサを用いてもよい。
【０００７】
ホイールは、パラメータの計算及び／又は事前設定された値の記憶のためのシリコン製デバイスを含むのが好ましい。さらに、受動センサの問い合わせのために、ＡＳＩＣが必要とされる場合、このＡＳＩＣもまた、ホイール内に組み込まれる。このため、ホイール内で電力が必要とされる場合、この必要な電力は、ホイールが回転するに連れて電気的エネルギを発生する機械的又は電気機械的手段を含む適当な手段でその場で発生することが可能であり、また、この電気的エネルギを蓄積する適切な手段で蓄積するようにしてもよい。これに加えて、又は、こうする代わりに、この電源を、たとえば、ホイールに伝達されてホイール内で整流されるＲＦエネルギによって、又は、ホイールに誘導カップリングさせて、外部の電源としてもよい。
【０００８】
必要とされるあらゆる計算機能又は記憶機能（いわゆる「インテリジェンス」）は、車両の静止部品中に常駐し、また、ホイール中に組み込まれている受動センサに静止ＡＳＩＣからＲＦエネルギカップリングされるようにしてもよい。また、ホイール内インテリジェンスと外部インテリジェンスが組み合わされるような実施形態も存在する。
【０００９】
提案されるホイールには、３つの主要なクラスと多くのサブ実施形態が存在する。この主要クラスは、完全受動ホイール、半受動ホイール及び能動ホイールと記載される。
【００１０】
この完全受動ホイールは、埋め込み式のＳＡＷベースセンサ又は他の受動センサ、たとえば、受動インピーダンス／周波数コンバータ（ＰＩＦＣ）センサもしくは受動インピーダンス／振幅コンバータ（ＰＩＡＣ）センサ（これらは、当技術分野において周知である）を有している。これらは、非接触式にＲＦカップル又は対となっているアンテナを介して指定される。車両の静止部品上には、たとえば、ＡＳＩＣという形態で必要な電子系が搭載されている。これが、問い合わせ信号を発生し、戻り信号を解釈して、ホイールの物理的パラメータに関するデータを得る。これで、このデータは、たとえば、索引制御、能動ブレーキングなどに用いられる。この情報はまた、各ホイールアーチから中央処理／表示ユニットに対して、たとえばＢｌｕｅｔｏｏｔｈプロトコル又は衛星通信プロトコルを用いる、たとえば無線遠隔測定技術によって送信される。
【００１１】
半受動ホイールは、上記のように埋め込まれたセンサを有するが、アイデンティティタグによってある種の電子系を搭載している場合がある。このクラスは、非接触式に内部で、又は、カップリングされた外部の電源から、たとえば回転変圧器もしくはＲＦ出力によって電力を供給される必要がある。このセンサ電子系は、依然として、車両の静止部品上にあり、適切なカップルが必要である。
【００１２】
能動ホイールは、さらに、ホイール中のセンサを問い合わせるために必要とされるすべてのコンポーネントを組み込むことによってステージという概念を採っている。このホイールと静止部品間のインタフェースは、おそらくそして好ましくはディジタル形式で双方向に通信する手段を構成するが、これは、たとえば、アンテナを介して又は回転変圧器もしくは光学回転ジョイントを介して送られるＲＦ信号を用いるものである。この情報もまた、たとえば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈプロトコル又は衛星通信プロトコルを用いる、たとえば無線遠隔測定技術によって、各ホイールアーチから中央処理／表示ユニットに送信することが可能である。
【００１３】
ホイールと車両間とが無線で通信することが望ましいような実施形態では、アンテナは、ホイール構造体中にモールディング段階又は後の段階で組み込まれる。
【００１４】
（発明の概要）
本発明の特定の実施形態では、電気エネルギを発生する手段は、電気エネルギのパルスを、たとえば、ホイールの１回転に対して１つの電気エネルギパルスを発生する。この場合、本発明のある実施形態によるデバイスもまた、ホイールの回転数のカウント値をストアするカウンタを含むのが好ましい。問い合わせデバイスは、このストアされたカウント値を問い合わせて、ホイールの回転数を決定することが可能であるのが好ましい。この機能は、重土木機械で用いられるような大型ホイールにおいて特に所望されるものである。このようなホイール用のタイヤは、しばしばリースされ、また、工場に返却されて、再生される場合が多い。再生プロセスを、タイヤがあまりにひどく摩耗する以前に開始することが特に重要である。ホイールの完全回転総数を遠隔から示すことによって、回転カウント値に基づいて、タイヤをいつ点検及び／又は回収して再生するかを決定することが可能である。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態では、電気エネルギ発生デバイスは、圧電デバイス、たとえば、ホイールの構造体中に埋め込まれたＰＶＤＦである。このようなデバイスによって、ホイールが回転するに連れて、あるポイントで負荷が変動するためホイールのそのポイントにおいて応力が変化し、このため、電気エネルギのパルスが発生する。このパルスは、カウンタをインクレメントし、また、蓄電デバイスを充電する働きをする。
【００１６】
この蓄電デバイスは、キャパシタを電気エネルギ蓄積手段として用いるのが好ましい。本システムの必要電力は非常に些細なものであり、また、一次電池や二次電池ではなくキャパシタを用いることによって、本デバイスは、非常に長寿命となり、本デバイスが動作しなければならない過酷な条件下でもそれによって悪影響されない。
【００１７】
ホイールは、センサと関連する識別コードをストアするストア手段と；遠隔の問い合わせデバイスから信号を受信する受信手段と；前記センサが知覚する状態を示す信号を送る手段と；前記問い合わせデバイスに前記識別コードを示す信号を送る手段と；前記デバイスに電気エネルギを供給する電源と；このように発生された電気エネルギを蓄積するホイール内に組み込まれた手段と；を含むのが好ましい。
【００１８】
このような実施形態では、各ホイールが、メモリ中にストアされている識別コードに対応する部分を有する問い合わせ信号に反応してセンサが知覚した状態を示すだけであるように構成される。このホイールはまた、自分自身の識別コードを問い合わせシーケンスの一部として発行する。一般的には、このホイールを搭載したデバイスは、このデバイスを担持しているホイールの識別コードに対応する部分を含む信号を送ることによって起動される。すると、本デバイスは、知覚されている状態を示す必要な信号を送信し、次に、ホイールの識別コードを示す信号を送信する。ストアされている識別コードに対応する部分を含む受信された信号に反応してセンサ情報を単に送信することと、ストアされている識別コードをセンサ情報送信シーケンスの最後で送信することを組み合わせることによって、センサ情報が補正された識別コードと関連している確実性が高いことを問い合わせデバイスに通知することになる。
【００１９】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、次の添付図面を参照して、単に例示目的で与えられる以下の好ましい実施形態の説明を読めばよりよく理解されるであろう。
【００２０】
図１を参照すると、状態監視システムを有するホイール１の略図が示されている。
【００２１】
本システムは、１つ以上のセンサ２を含むが、図１では、３つの直行軸ｘ、ｙ及びｚに沿った張力を測定する３つのＳＡＷセンサが示されている。これらのセンサは、どのような受動タイプ、たとえば、ＳＡＷデバイス又はナノ位相のワイヤ、小片もしくは受動式のインピーダンス／周波数変換デバイスでもよく、どのようなホイール状態、たとえば、ホイール圧力及びホイール温度並びにホイール中の多軸張力を示す。しかしながら、本発明は、このようなセンサに制限されることはなく、温度又は圧力以外の信号を生成することが可能なＳＡＷデバイスセンサ及び／又は他のタイプの受動センサで動作可能であることが理解されよう。
【００２２】
当業者には理解されるように、ＳＡＷデバイスセンサは、遠隔のＲＦ源から送られた問い合わせ信号に反応してセンサの特徴を示すことが可能である。この完全に受動的なシステムは、本システムの問い合わせ方針とハードウエア的制約によってＲＦカップル５又はアンテナ３及び４のどちらかを介して通信し；この双方の通信方法を図示する。次に、センサ情報が、ＡＳＩＣという形態であるのが好ましい電子系６によって処理されて、車両監視又は安定性制御システム７に対してデータバスを介して又は無線で伝達される。
【００２３】
図２ａに、現時点でｉｄタグ８を組み込んだ図１のシステムの修正例を示す。このｉｄタグ８は、特にトラックや保有車両マーケットでは多くの用途を有するが、これについては、我々の同時係属英国特許出願第００２４４１６．０号に説明されている。このタグは、無線で又はＲＦカップルを介して読み取られる。無線で読み取られた場合、タグは、すでに述べたＳＡＷセンサに対しては異なった周波数で読み取られる。次に、再度、センサ情報が、ＡＳＩＣという形態であるのが好ましい電子系によって処理されて、データバスを介して又は無線で車両安定性／制御システムに伝達される。
【００２４】
図２ｂに、手段９が示されているが、これは、ホイール内で電圧を発生し、これで、ｉｄタグ８とＳＡＷベースセンサ１を組み込んだシステムが、電源内蔵式となり、また、英国特許出願第００２４４１６．０号に記載されている技法を用いて無線で問い合わされるようにする。
【００２５】
ここで、図３を参照すると、本発明の第２の実施形態が示されている。この実施形態では、図２ｂの実施形態の場合と同様に、ホイール１に組み込まれた又はこれに固定されたコンポーネントは、適切なセンサ１と、ｉｄタグ８と、内部電源９とを備えている。しかしながら、この場合、必要とされるＡＳＩＣと信号処理装置６は、ホイール中に組み込まれて、センサ１、ｉｄタグ８及び電源９に配線される。加えて、通信デバイス１０が、ホイール中に組み込まれて、車両の非回転部品に搭載されている補完的な通信デバイス１１と通信できるようになっている。デバイス１０とデバイス１１間の通信は、適切な手段であればどのような、たとえば、特にＢｌｕｅｔｏｏｔｈ技術を含むＲＦ技術によって実行されてもよい。トランシーバ１１によって受信された情報は、適切な車両監視又は安定性制御管理システムに通信される。
【００２６】
ここで図４を参照すると、本発明のさらなる展開が略図で示されている。この場合、ホイールに搭載されているコンポーネントには、ホイールトルクセンサ１２、ホイール速度センサ１３、回転カウンタ１４、アイデンティティタグ１５、タイヤ圧力センサ１６、タイヤ温度センサ１７及びホイール振動センサ１８がある。ホイールに搭載されているタイヤは、トレッド摩耗センサ１９、タイヤアイデンティティデバイス２０及びタイヤ張力測定デバイス２１を組み込んでいる。加えて、タイヤは、タイヤ内コンポーネントとホイール搭載コンポーネント間で信号を収集するアブレーティブアンテナ２２を組み込んでいる。適切な制御回路２３が装備されており、これで、様々なセンサを制御し、また、カウンタ機能、クロック機能及びメモリ機能を提供している。本システムは、その電力を、ホイール内電圧発生デバイス２４から供給されており、この電圧発生デバイス２４が出力するパルスが、回転数カウント目的で用いられ得るが、電子パッケージ２３の一部分を形成している仮想バッテリ２５を充電する目的で用いられる。ホイール内アンテナ２６が装備されており、これで、ホイールアーチに搭載されているアンテナ２７を介して、車両の非回転部品に搭載されているトランシーバ回路２８に通信するようになっている。回路２８が処理した信号は、適切な送信機回路２９によってドライバ情報パネル及び／又は車両監視又は制御システム３０に再伝達される。
【００２７】
上記の各々のデバイス中で、コンポーネントの内の少なくとも一部は、製造時点でホイールの非金属製部品中に組み込まれて、ホイールの一体部品となる。たとえば、適切なセンサは、製造時点でホイール内に組み込まれる及び／又はアンテナが、製造時点でホイール内に組み込まれる。本発明の比較的単純な実施形態では、ＳＡＷデバイスベースの張力ゲージが、非金属製ホイールのスポーク中に組み込まれて、アンテナに接続されるが、このアンテナはホイールの一体部品であり、これは、製造時点又は製造されたホイールの表面にアンテナを取り付ける時点で事前形成済みアンテナを組み込んだ結果である。張力ゲージをスポーク中に挿入して調べることによって、ホイールを介して伝達されたトルクを監視することが可能である。車両のすべてのホイールからのトルク値は、監視されると、索引制御又は能動ブレーキング制御システムに対して入力として用いられる。本発明は、あるコンポーネントが製造後にホイールに固定されることを認識しながらも、本発明の重要な特徴は、少なくとも一部のコンポーネントが製造時点でホイール中に組み込まれ、これで、コストが低く一体性の高い構造体が提供され、しかも、この構造体は、後続の組み立てが最小であり、コンポーネントを追加することによって、必要とされる機能性が与えられるようになっているという点にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の略図である。
【図２】図１の実施形態の修正例を示す図である。
【図３】本発明のさらなる実施形態を示す図である。
【図４】本発明のさらなる実施形態のコンポーネントを示す略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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