(57)【要約】【課題】圧力に由来する外乱の影響を受けることなく、摩擦力を正確に計測する。【解決手段】ダイヤフラム１１の撓み変形を電気抵抗変化として検知する複数個のピエゾ抵抗素子１２〜１５を設け、ピエゾ抵抗素子１２〜１５を、押力Ｆｐによるダイヤフラム１１の撓み変形による電気抵抗変化を相殺して摩擦力ｔに由来する力Ｆｔによるダイヤフラム１の撓み変形による電気抵抗変化を出力端子に取り出すように結線する。【選択図】図１
2007113957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
押力を軸力方向に受けて軸力方向に変位すると共に摩擦力に由来する力を受けて傾動する中央突起を一方の面に形成し当該中央突起の軸力方向の変位と傾動によって撓み変形するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの撓み変形を電気抵抗変化として検知する複数個の圧電素子と、を有し、
前記複数個の圧電素子は、押力による前記ダイヤフラムの撓み変形による電気抵抗変化を相殺して摩擦力に由来する力による前記ダイヤフラムの撓み変形による電気抵抗変化を出力端子に取り出すように結線されていることを特徴とする摩擦力センサ。
【請求項２】
前記ダイヤフラムは、中央部に前記中央突起が形成されたシリコンチップにより構成され、前記中央突起の周りに撓み変形可能な薄肉部を有し、当該薄肉部に前記圧電素子としてピエゾ抵抗素子が拡散形成されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦力センサ。
【請求項３】
温度補償用の温度検出素子を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦力センサ。
【請求項４】
前記出力端子の電気信号を入力して信号処理を行う信号処理回路と、前記信号処理回路に接続された無線通信回路と、前記無線通信回路に接続された無線通信用のアンテナとを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の摩擦力センサ。
【請求項５】
前記ダイヤフラムの他方の面に設けられた蓋基板を有し、当該蓋基板に、前記信号処理回路と、前記無線通信回路と、前記アンテナが形成されていることを特徴とする請求項４項に記載の摩擦力センサ。
【請求項６】
前記中央突起が突出している側をタイヤ表面側にして請求項４又は５に記載の摩擦力センサが埋め込まれていることを特徴とする摩擦センサ付きタイヤ。
【請求項７】
請求項４又は５に記載の摩擦力センサが混入されたゴム状の塗料が塗布されていることを特徴とする摩擦力センサ付きタイヤ。
【請求項８】
請求項４又は５に記載の摩擦力センサが埋め込まれたタイヤ用スパイク。
【請求項９】
請求項８のタイヤ用スパイクが装着されていることを特徴とする摩擦力センサ付きタイヤ。
【請求項１０】
請求項６、７、９のいずれか一項に記載の摩擦センサ付タイヤに取り付けられたタイヤ圧センサと摩擦力センサとの情報を一括管理する機能を具備していることを特徴とするタイヤ情報無線管理システム。
【請求項１１】
前記摩擦力センサが前記タイヤ圧センサとピアツーピアの通信を介して外部のコントローラと通信する機能を具備していることを特徴とする請求項１０に記載のタイヤ情報無線管理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦力センサに係り、特に、自動車のタイヤに装着されてタイヤと路面との摩擦力を検出する摩擦力センサおよび摩擦力センサ付きタイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧力・摩擦力の分布を測定するセンサとして、感圧導電性素材の水平方向に対向形成した電極の抵抗変化（導電性変化）から圧力を検知し、斜め方向に対向させた電極の抵抗変化（導電性変化）から摩擦力を検出するものがある（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−９８０２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の圧力・摩擦力分布測センサは、摩擦力センサとしては、被検知量である摩擦力に比べて圧力に由来する外乱の影響を大きく受け、摩擦力を正確に計測し難く、特性面で課題を残している。
【０００５】
特に、自動車等の車輪のタイヤに装着されてタイヤと路面との摩擦力を検出するタイヤ摩擦センサとして用いられる場合には、センサが受ける圧力は、被検知量である摩擦力に比べて大きく、摩擦力計測のためには、圧力によるものとの弁別に、複雑な演算処理や補正が必要である。
【０００６】
本発明は、前記解決しようとする課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、圧力に由来する外乱の影響を受けることなく、摩擦力を正確に計測することができ、特に、自動車用のタイヤに装着されるタイヤ摩擦センサとして好適な摩擦力センサ及び該摩擦センサ付きタイヤを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するべく、本発明による摩擦力センサは、押力を軸力方向に受けて軸力方向に変位すると共に摩擦力に由来する力を受けて傾動する中央突起を一方の面に形成し当該中央突起の軸力方向の変位と傾動によって撓み変形するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの撓み変形を電気抵抗変化として検知する複数個の圧電素子と、を有し、前記複数個の圧電素子は、押力による前記ダイヤフラムの撓み変形による電気抵抗変化を相殺して摩擦力に由来する力による前記ダイヤフラムの撓み変形による電気抵抗変化を出力端子に取り出すように結線されている。
【０００８】
本発明による摩擦力センサは、好ましくは、前記ダイヤフラムは、中央部に中央突起を形成されたシリコンチップにより構成され、前記中央突起の周りに撓み変形可能な薄肉部を有し、当該薄肉部に前記圧電素子としてピエゾ抵抗素子が拡散形成されている。
【０００９】
また、本発明による摩擦力センサは、好ましくは、温度検出素子を有する。
本発明による摩擦力センサは、好ましくは、更に、前記出力端子の電気信号を入力して信号処理を行う信号処理回路と、前記信号処理回路に接続された無線通信回路と、前記無線通信回路に接続された無線通信用のアンテナとを有する。
【００１０】
本発明による摩擦力センサは、好ましくは、前記ダイヤフラムの他方の面に設けられた蓋基板を有し、当該蓋基板に、前記信号処理回路と、前記無線通信回路と、前記アンテナが形成されている。
【００１１】
本発明による摩擦センサ付きタイヤは、前記中央突起が突出している側をタイヤ表面側にして上述の発明による摩擦力センサが埋め込まれている。
【００１２】
また、本発明による摩擦力センサ付きタイヤは、上述の発明による摩擦力センサが混入されたゴム状の塗料が塗布されている。
【００１３】
本発明によるタイヤ用スパイクは、上述の発明による摩擦力センサが埋め込まれている。
【００１４】
また、本発明による摩擦力センサ付きタイヤは、上述の発明によるタイヤ用スパイクを装着している。
【００１５】
本発明によるタイヤ情報無線管理システムは、上述の発明による摩擦力センサ付タイヤに取り付けられたタイヤ圧センサと摩擦力センサとの情報を一括管理する機能を具備している。
【００１６】
本発明によるタイヤ情報無線管理システムは、好ましくは、前記摩擦力センサが前記タイヤ圧センサとピアツーピアの通信を介して外部のコントローラと通信する機能を具備している。
【発明の効果】
【００１７】
この発明による摩擦力センサは、押力および摩擦力によって撓み変形する一つのダイヤフラムに、複数個の圧電素子あるいは静電容量型の変位センサが配置され、これらが、押力による前記ダイヤフラムの撓み変形に由来する電気抵抗変化を相殺して摩擦力による前記ダイヤフラムの撓み変形に由来する電気抵抗変化を出力端子に取り出すように結線されているから、圧力に由来する外乱の影響を受けることなく、摩擦力を正確に計測することができ、タイヤに装着されるタイヤ摩擦力センサとして好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明による摩擦力センサおよび摩擦力センサ付きタイヤの実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一つの実施形態の摩擦力センサの断面図で、該摩擦力センサは、全体を符号１０により示されており、ダイアフラム起歪構造体（ダイアフラム）１１と、蓋基板２０と、の接合体により構成され、数ｍｍ立方体による一つの半導体センサチップをなしている。
【００２０】
ダイアフラム起歪構造体１１は、シリコン単結晶製のシリコンチップにより構成され、一方の面の中央部に中央突起１１Ａを、外郭に外郭突起１１Ｂを各々形成し、中央突起１１Ａの周りに肉厚が１０μｍの撓み変形可能な薄肉部１１Ｃを有する。
【００２１】
ダイアフラム起歪構造体１１の中央突起１１Ａは、圧力Ｐに由来する押力Ｆｐを軸力方向（中央突起１１Ａの高さ方向）に受けて軸力方向に変位すると共に摩擦力ｔに由来する力Fｔを受けて傾動する。ダイアフラム起歪構造体１１の薄肉部１１Ｃは、中央突起１１Ａの軸力方向に変位と傾動によって撓み変形する（図３参照）。
【００２２】
薄肉部１１Ｃには、中央突起１１Ａの両側（図１にて左右両側）に、圧電素子であるピエゾ抵抗素子１２、１３、１４、１５が、２個ずつ対称配置されている。この４個のピエゾ抵抗素子１２、１３、１４、１５は、摩擦力ｔの作用方向（図１にて左右方向）に整列配置されている。換言すると、４個のピエゾ抵抗素子１２、１３、１４、１５の整列方向が、摩擦力ｔの作用方向と同じ方向になるように、摩擦力ｔの作用方向に対して摩擦力センサ１０が位置決め配置される。
【００２３】
ピエゾ抵抗素子１２、１３、１４、１５は、１０００℃程度の熱拡散によってシリコン単結晶製のダイアフラム起歪構造体１１の薄肉部１１Ｃの裏面（中央突起１１Ａが突出している面とは反対の他方の面）の一部に形成されている。ピエゾ抵抗素子１２〜１５は、ダイアフラム起歪構造体１１の薄肉部１１Ｃの撓み変形を受け、撓み変形を電気抵抗変化に変換する。
【００２４】
ダイアフラム起歪構造体１１の裏面にはピエゾ抵抗素子１２〜１５の保護のために、酸化膜（ＳｉＯ２）１６Ａ、窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）１６Ｂが重層に形成されている。
【００２５】
蓋基板２０は、シリコン単結晶基板により構成され、半導体ＬＳＩプロセス技術によって、信号処理回路２１と、無線通信回路２２と、無線通信用のアンテナ２３と、貫通電極２４を形成している。これにより、摩擦力センサ１０は、無線通信機能付き摩擦力センサをなす。
【００２６】
摩擦力センサ１０は、中央突起１１Ａが突出している側をタイヤ表面２０１の側にしてタイヤ２００に埋め込まれ（図２参照）、タイヤ摩擦センサとして用いられる。これにより、タイヤ２００は摩擦センサ付きタイヤをなす。なお、摩擦力センサ１０は、ピエゾ抵抗素子１２〜１５の整列方向が、タイヤ回転方向に整合するように、タイヤ２００に埋め込まれる。
【００２７】
摩擦力センサ１０は、タイヤ２００の製造工程の最終工程で、タイヤ２００の表面に小さな孔２０２を明け、孔２０２に摩擦力センサ１０を挿入し、必要に応じてタイヤ２００と同質のゴム材によって孔２０２を蓋することにより、タイヤ２００に埋め込まれる。これにより、摩擦センサ付きタイヤは、完成した一般用のタイヤに摩擦力センサ１０を埋め込むことにより得られ、完成した一般用のタイヤを、簡単に、安価に、摩擦センサ付きタイヤにすることができる。
【００２８】
この摩擦センサ付きタイヤにおいて、ピエゾ抵抗素子１２〜１５は、酸化膜（ＳｉＯ２）１６Ａ、窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）１６Ｂによって保護されているから、タイヤ表面２０１から孔２０２内に水分等が進入しても、摩擦力センサ１０の絶縁劣化はなく、長期の使用において安定した特性で、高い信頼性を確保できる。
【００２９】
図３に示されているように、ダイアフラム起歪構造体１１の中央突起１１Ａが、タイヤ２００が受ける圧力Ｐに由来する押力Ｆｐを軸力方向に受けて軸力方向に変位すると共に、路面との摩擦力ｔに由来する力Ｆｔを受けて傾動し、これらによってダイアフラム起歪構造体１１の薄肉部１１Ｃが撓み変形する。これに応答してピエゾ抵抗素子１２〜１５の各々の抵抗値Ｒ１〜Ｒ４が、図４の図表に示すように、各々個別に変化する。なお、図４において、↑は抵抗値増大を、↓は抵抗値低下を示す。
【００３０】
ピエゾ抵抗素子１２の抵抗値Ｒ１は、押力Ｆｐの増加によって低減し、摩擦力ｔに由来する力Ｆｔによって増大する。
【００３１】
ピエゾ抵抗素子１３の抵抗値Ｒ２は、押力Ｆｐの増加によって増大し、摩擦力ｔに由来する力Ｆｔの増加によっても増大する。
【００３２】
ピエゾ抵抗素子１４の抵抗値Ｒ３は、押力Ｆｐの増加によって増大し、摩擦力ｔに由来する力Ｆｔの増加によって低減する。
【００３３】
ピエゾ抵抗素子１５の抵抗値Ｒ４は、押力Ｆｐの増加によって低減し、摩擦力ｔに由来する力Ｆｔの増加によっても低減する。
【００３４】
ピエゾ抵抗素子１２〜１５は、図５に示されているように、ピエゾ抵抗素子１２と１５が一方の脚、ピエゾ抵抗素子１３と１４がもう一方の脚をなすブリッジ回路１７に結線されている。このピエゾ抵抗素子１２〜１５によるブリッジ回路１７の中点電位Ｅ１、Ｅ２の取出部が出力端子１８、１９になっている。このブリッジ回路１７が図７のセンサ部３０に相当する。
【００３５】
摩擦力ｔに対してはノイズである圧力Ｐは、ダイアフラム起歪構造体１１に大きな垂直変形を与え、圧力Ｐに由来する押力Ｆｐに応答してピエゾ抵抗素子１２〜１５の抵抗値Ｒ１〜Ｒ４が変化する。しかし、ブリッジ回路１７には、大きさが等しく、符号が反対の抵抗変化を生じるピエゾ抵抗素子１２と１３、１４と１５が各々結線されているから、ブリッジ回路１７の中点電位Ｅ１、Ｅ２は、押力Ｆｐによるピエゾ抵抗素子１２〜１５の抵抗値変化に対して不変であり、２つの中点電位Ｅ１、Ｅ２の差であるブリッジ回路１７の出力電圧Ｅは、ダイアフラム起歪構造体１１が受ける圧力Ｐによっては変化しない。
【００３６】
つまり、４個のピエゾ抵抗素子１２〜１５は、圧力Ｐに由来する押力Ｆｐによるダイアフラム起歪構造体１１Ａの撓み変形による電気抵抗変化を相殺して摩擦力ｔに由来する力Ｆｔによるダイアフラム起歪構造体１１の撓み変形による電気抵抗変化を出力端子１８、１９に取り出すように結線されている。
【００３７】
これにより、ダイアフラム起歪構造体１１とピエゾ抵抗素子１２〜１５のブリッジ回路１７の段階で、摩擦力ｔの出力信号にとっては、大きなノイズ成分（外乱）である圧力成分をキャンセルすることができる。ゆえに、摩擦力成分の電圧信号と圧力成分の電圧信号の弁別に、複雑な演算処理や補正が不要となり、圧力Ｐに由来する外乱の影響を受けることなく、摩擦力ｔを正確に計測することができる。
【００３８】
図７において、信号処理回路２１は、ノイズ除去用のフィルタ回路やＡ／Ｄ変換回路等を有するものであり、ブリッジ回路１７の出力端子１８、１９に接続され、電気信号を入力して、ノイズ除去、Ａ／Ｄ変換等の信号処理を行う。
【００３９】
路面からの摩擦を受けて撓むダイアフラム起歪構造体１１には、振動のように交流的なノイズ成分が含まれるので、信号処理回路２１のセンサ出力を受ける側に設けたローパスフィルタで交流成分を除去することにより、路面からの摩擦信号のみを検知出力することができる。
【００４０】
無線通信回路２２は、ＲＦ回路等を含み、信号処理回路２１の出力側に接続されて信号処理回路２１よりの信号の無線通信処理を行う。アンテナ２３は、たとえば、扁平なコイルアンテナであり、貫通電極２４（図１参照）によって無線通信回路２２に接続され、計測した摩擦力に関する情報を無線通信によって外部局に伝送する。外部局は、例えば、キーレスコントローラ等、車体側に設置されたリーダ・ライタ５０（図７参照）である。
【００４１】
これにより、回転するタイヤ２００の埋設された半導体センサチップによる摩擦力センサ３０から外部のコントローラの送受信機（リーダ・ライタ５０）に摩擦力の情報を無線伝送することが行われる。
【００４２】
また、図１の蓋基板２０には、信号処理回路２１と同じ半導体プロセスにより、温度検知用のピエゾ抵抗素子（温度検知用抵抗）２６（図７参照）が埋設時の歪影響を受けない結晶方位［１００］軸方位に配列された状態で形成されている。図６はこれを説明する図で、Ｐ型シリコン抵抗体の｛１００｝結晶面のピエゾ抵抗係数を示している。結晶方位｛１００｝軸方位に配列されたピエゾ抵抗素子は、歪に対しては不感で、温度が変化したときに生じる抵抗変化を電圧に変換して温度だけを検知することが可能である。
【００４３】
この温度検知用抵抗（温度検知用のピエゾ抵抗素子２４）の信号を用いて摩擦力センサ１０の温度影響を補正（温度補償）し、正確な摩擦力を演算することができる。そして、必要に応じて摩擦力と併せて外部のコントローラに温度信号を伝送することもできる。
【００４４】
図７は摩擦力センサ１０の構成ブロック図である。摩擦力センサ１０は、ピエゾ抵抗素子１２〜１５のブリッジ回路１７によるセンサ部３０と温度検知用のピエゾ抵抗素子２６とが信号処理回路２１に接続されている。信号処理回路２１において、温度検知用のピエゾ抵抗素子２６の信号を用いて温度補償の処理を行うことができ、また必要であれば、摩擦情報に加えて温度情報やタイヤ面に作用する圧力情報も信号処理によって分離処理して伝送することも可能である。
【００４５】
信号処理回路２１は、入力側に、摩擦力信号と温度信号、圧力信号を切り替えるマルチプレクサ、抵抗・電圧変換回路及び振動のように交流的なノイズ成分を除去するフィルター回路を有し、出力側にセンサ信号のレベル調整を行うが回路が形成される。これらの信号はＡＤ変換器によりデジタル値に変換された後、マイクロプロセッサを用いて特性補正などの演算処理をすることが可能である。以上の処理によって、タイヤ２００に埋め込まれた摩擦力センサ１０は、路面からの摩擦信号のみを検知出力することができる。
【００４６】
摩擦力センサ１０には、必要に応じてメモリ２５が設けられる。メモリ２５は、センサチップの特性マップ（個性）やＩＤ番号を記憶する。
【００４７】
無線通信回路２２は、アンテナ２３によって外部のコントローラ（リーダ・ライタ５０）からの電力を受け、摩擦力（必要あれば、併せて温度、圧力）の情報をリーダ・ライタ５０に伝送することができる。リーダ・ライタ５０も無線式（非接触式）のものであり、アンテナ５１を有する。
【００４８】
初期処理として、摩擦力センサ１０の製造によるばらつき、取付時のばらつきを含めて、摩擦力センサ１０をタイヤ２００に埋め込んだ後に、用意された試験装置により、路面−タイヤ摩擦と出力電圧の特性を取得し、これをリーダ・ライタ５０によって摩擦力センサ１０に送信し、個々の特性をメモリ２５に記憶させる。この出荷試験は，全数実施してもよいが，ばらつきが小さい場合には、所定ロットごとに試験するだけでもよい。走行時を含めて信号、電力のやり取りは、アンテナ２３を用いて無線通信し、外部のリーダ・ライタ５０あるいは他のコントローラを用いて行う。
【００４９】
また、図８に示されているように、半導体チップ４０に、ピエゾ抵抗素子１２〜１５によるセンサと、信号処理回路２１、無線通信回路２２を形成して絶縁膜４１で覆い、摩擦力センサ１０をワンチップで構成することが可能である。更に、半導体チップ４０の下面の一部には、Ａｕめっきによって渦巻き状（コイル状）のアンテナ２３を形成する。通信に使う周波数帯は２．４５ＧＨｚでチップ上に形成することで，小型化が図れ、アンテナ２３を取り付けるコストを低減できる。
【００５０】
本発明による摩擦センサ付きタイヤの他の実施形態を、図９を参照して説明する。なお、図９において、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００５１】
この実施形態の摩擦センサ付きタイヤ２１０は、スパイクタイヤであり、タイヤ２１０にねじ部２１３によってスパイク２１２が装着される。
スパイク２１２のタイヤ表面２１１側に孔２１４が形成されており、孔２１４に、図１に示されている摩擦力センサ１０と同じ摩擦力センサ１０が埋め込まれている。孔２１４は、タイヤ２１０とほぼ粘弾性特性を有するゴム材料２１５をモールドすることにより蓋されている。
【００５２】
摩擦力センサ１０を内蔵したスパイク２１２をねじ部２１３によってタイヤ２１０にねじ込み装着することにより、通常のスパイクタイヤが摩擦センサ付きスパイクタイヤになる。摩擦力センサ１０を内蔵したスパイク２１２をタイヤ２１０の異なる複数箇所に装着することにより、摩擦情報の信頼性を向上させることができる。
【００５３】
以上のように、本発明の摩擦力センサ１０は、完成した一般用のタイヤにも装備可能としたものであり、非常に簡単で、量産性が向上するので、一般にも安価に提供することができる。
【００５４】
また、将来、半導体チップの更なる小型化が実現すると、ゴム状の塗料に多数の摩擦力センサ（チップ）１０を混ぜてタイヤに塗布することも可能である。この場合、タイヤ表面の摩擦力センサ１０は塗料と一緒に磨耗してなくなるが、タイヤ溝に内側に塗装された摩擦力センサ１０は残るので、複数の摩擦力センサ１０に形成したピエゾ抵抗素子で測定された異なる位置のタイヤのひずみ情報を処理することにより、路面との摩擦を演算し計測してコントローラへ無線伝送することができる。この場合、タイヤのトレッドが磨耗するまで通信することが可能である。
【００５５】
図１０（Ａ）、（Ｂ）は摩擦力センサ１０（６０）の信号伝送経路を示している。図１０（Ａ）では、リーダ・ライタ５０から発振したマイクロ波による放射エネルギを、摩擦センサ１０（６０）に形成されたアンテナ２３（図１、図１０参照）によって受けて摩擦力センサ１０の回路を起電する。摩擦力センサ１０はピエゾ抵抗素子１２〜１５を有するから、これの抵抗変化を処理し、摩擦情報を得てアンテナ２３からリーダ・ライタ５０へ無線伝送する。
【００５６】
図１０（Ｂ）では、タイヤ２００に形成したタイヤ圧センサ７０（図２参照）と通信することで、タイヤ圧と摩擦情報を一括してリーダ・ライタ５０へ無線伝送することも可能である。通信周波数をタイヤ圧センサ７０と同じ誘導エネルギによって、無線通信ＩＣを起電する１３．５６ＭＨｚ帯を使えば、アンテナは若干大きいが、北米で生産される新車に対して設置が義務づけられたタイヤ圧センサを利用し、これと通信を行うことが可能である。これは近くに在る電源付き通信端末であるタイヤ圧センサ７０とピアツーピアの通信を行うことなり、センサの機能を一部共用することもできる。
【００５７】
現在入手できる２種類のタグの最大通信距離を実験結果では、４バイト読み出した場合で，１３．５６ＭＨｚ帯の最大通信距離は約５０ｃｍ、２．４５ＧＨｚ帯は１５０ｃｍと報告されている。通信周波数とアンテナの大きさに依存して通信距離に制限があるので、必要に応じて設計しセンサチップを組み込むスパイクの一部やタイヤの一部に小さいアンテナを形成するなど適切な設計をことが可能である。
【００５８】
２００４年１２月に承認された近距離無線通信規格「ＮＦＣＩＰ−１」は，１３．５６ＭＨｚの電波を用通信距離は１０ｃｍ程度で情報交換が可能になる。データ転送速度は，１０６ｋビット／秒、２１２ｋビット／秒，４２４ｋビット／秒から選べる。無線通信技術は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈの規格化に始まり、これをベースに将来のＷｉ−Ｆｉと自動車アプリケーションがシリコン・ベンダからハードウエア製造業者、自動車メーカ、ガソリン小売業者まで着目さてれおり、更なる技術進歩が期待される。北米で設置が義務づけられタイヤ圧センサに留まらず、速度センサなど他のセンサとの無線ネットワークを組み、摩擦センサを含めたのセンサ群を統括し、車体制御用のアクチュエーターを制御する新しいコントローラーの出現により安全な自動車の実現が期待される。
【００５９】
本発明の特徴は、半導体チップによる摩擦力センサをタイヤの中に埋め込み、圧力、温度や振動の影響をキャンセルしながら、正確に摩擦情報を検知でき・送信でき、弁別に複雑な演算処理や補正が不要になる。また高精度、高信頼性の無線式タイヤ摩擦センサを量産的にかつ安価に提供することができる。
【００６０】
また、本発明の摩擦力センサは、シリコンチップの中心部に突起を有するダイアフラム起歪構造体が形成されており、その薄肉部には、例えば、シリコンチップ上に１０００℃で拡散形成したピエゾ抵抗素子を用いるため、高温まで安定した特性にて使用することができる。
【００６１】
本発明の摩擦力センサは完成した一般用のタイヤにも形成することを可能としたものである。スパイクタイヤのようにセンサをタイヤの製造工程の最終工程で埋設する。タイヤの表面に小さな孔を開け、無線通信機能付き摩擦センサを形成した半導体チップをタイヤの中に埋設する。一般用のタイヤに比べてタイヤ孔開けとセンサ埋設工程が追加となるが、従来例の製造プロセスに比べると非常に簡単となる。
【００６２】
また、半導体チップの一部に形成したピエゾ抵抗素子による温度センサの情報で摩擦センサの温度特性を補正しより正確な摩擦情報を得ることができる。さらに温度センサの情報も必要に応じて送信することができる。
【００６３】
また、半導体基板上に摩擦力センサ及び温度センサ、信号処理回路，電源回路、センサの出力側に設けたローパスフィルタ、通信回路からなる信号処理回路を集積形成し、その表面は酸化膜と窒化膜で覆われ、保護されているので、水分を含んだ気体の測定にも長期間に安定である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明による摩擦力センサおよび摩擦力センサ付きタイヤの一つの実施形態を示す断面図。
【図２】本発明による摩擦力センサ付きタイヤの一つの実施形態を示す部分的斜視図。
【図３】本実施形態による摩擦力センサのダイアフラム起歪構造体の変形を示す図。
【図４】本実施形態による摩擦力センサのピエゾ抵抗素子の抵抗値変化特性を示す表図。
【図５】本実施形態による摩擦力センサのピエゾ抵抗素子のブリッジ回路結線を示す回路図。
【図６】Ｐ型シリコン抵抗体の［１００］結晶面のピエゾ抵抗係数を示すグラフ。
【図７】本実施形態による摩擦力センサのブロック図。
【図８】本発明による摩擦力センサの他の実施形態を示す断面図。
【図９】本発明による摩擦力センサおよび摩擦力センサ付きタイヤの他の実施形態を示す断面図。
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）は各々本発明による摩擦力センサの信号伝送経路を示す図。
【符号の説明】
【００６５】
１０    摩擦力センサ
１１    ダイアフラム起歪構造体
１１Ａ  中央突起
１１Ｂ  外郭突起
１１Ｃ  薄肉部
１２、１３、１４、１５  ピエゾ抵抗素子
１６Ａ  酸化膜
１６Ｂ  窒化膜
１７    ブリッジ回路
１８、１９  出力端子
２０    蓋基板２
２１    信号処理回路
２２    無線通信回路
２３    アンテナ
２４    貫通電極
２５    メモリ
２６    ピエゾ抵抗素子
３０    センサ部
３１、３２、３３、３４  出力端子
３５、３６  空隙
４０    半導体チップ
４１    絶縁膜
５０    リーダ・ライダ
５１    アンテナ
６０    摩擦力センサ
６１、６２、６３、６４  変位センサ
７０    タイヤ圧センサ
２００  タイヤ
２０１  タイヤ表面
２０２  孔
２１０  摩擦センサ付きタイヤ
２１１  タイヤ表面
２１２  スパイク
２１３  ねじ部
２１４  孔
２１５  ゴム材料
【図１】
2007113957.tif 000003
【図２】
2007113957.tif 000004
【図３】
2007113957.tif 000005
【図４】
2007113957.tif 000006
【図５】
2007113957.tif 000007
【図６】
2007113957.tif 000008
【図７】
2007113957.tif 000009
【図８】
2007113957.tif 000010
【図９】
2007113957.tif 000011
【図１０】
2007113957.tif 000012