ワイヤレス・センサーがタイヤを守る

2004年12月号

ワイヤレス・センサーがタイヤを守る

タイヤ空気圧の監視はエレクトロニクス技術がドライバーに提供する最大の安全確保項目の1つである。タイヤの空気圧を測定するシステムには、4つの車輪の回転数差を検出する間接測定方式とタイヤごとの空気圧を直接測定する方法があるが、今後は直接測定方式が主流になっていくであろう。また、圧力センサーに弾性表面波デバイスを用いることで電池を不要にすることができる。タイヤ空気圧監視システムが本格的に実用化される日が近づいている。

デビッド・マーシュ	EDN誌特約テクニカル・エディター
David Marsh	contributing technical editor

　今日どの国でも、世の中の安全を確保することが政府の最も優先する政治課題の1つとなっている。われわれは、偵察衛星による監視や電話回線の盗聴、電子メールの傍受など、日常生活を脅かすような広範な脅威にさらされている。そのような脅威の上位にあるのが、毎年数え切れない人の生命を奪っている交通事故だ。そこで、交通事故について技術者の観点から考察する。
　交通事故を減らすための取り組みはさまざまな形が考えられる。近年、自動車メーカーは車の安全性に対して、著しい改良を行っている。その多くはエレクトロニクスに大きく依存したものである。身近な例としては、現在のほとんどの車に装備されているアンチロック・ブレーキ・システム （ABS＊）や車の横滑りを防止するための電子安定化プログラム （ESP＊）である。米国および欧州連合（EU）の政府機関は、先端技術の導入を促すために衝突回避レーダーのような安全性に絡む各種のプロジェクトを支援している ＊1）。
　しかし、現実的には、車が適切に使用できる状態になっているかどうかを確かめる方が、高速道路での事故を減らすのに役立つだろう。このような観点から見れば、タイヤの状態は安全性にかかわる最も大きい要因の1つと考えられる。車が白物家電のような生活必需品となるにつれて、また車の信頼性が高くなってきたため、頻繁に点検をする必要がなくなり、ドライバーは安全運転を行うための基本事項にあまり気を配らなくなってきた。また、タイヤの安全性に関する問題の法制化で世界をリードしている米国での調査は、タイヤの空気圧を適切な値に維持することの重要性をドライバーの85%が認識しているにもかかわらず、ほとんどのドライバーは車の定期点検の時期が来て、整備工場の技術者がタイヤのチェックを行うまで、空気圧には無関心であるという実態を示している。全米で1万1530台の車を対象にした米運輸省 （DOT＊）の2001年2月の調査は、乗用車の27%、軽トラックの33%がタイヤの空気圧が不足している状態で走行していると報告している。その結果として、タイヤのパンクや破裂に絡む交通事故が米国内だけで年平均2万3000件起きており、その死亡者も535人になっているとしている。
　一方で、車の信頼性が高まったために定期点検の間隔が延びてきている。車種によっては点検を実施しなくてはならない走行距離が5万kmにもなっているような現状である。そのことが、日常点検に対する注意を足りなくさせ、不要な事故を発生させる原因となっていることは明らかだ。

タイヤの空気圧に着目

　そこで事故の要因となるタイヤの空気圧について考察してみよう。タイヤの円周は内部空気圧が1～3bar ＊2）変わってもほとんど変化しないため、タイヤの空気圧が不足していてもタイヤの外観からは分からない（図1）。空気圧が30％減っていたとしても普通のドライバーはほとんど気が付かない。

　空気圧不足のタイヤは余分なエネルギーを消費する。例えば、ガソリンの消費量は空気圧が0.2bar減ると約1％増加するという。従って、自動車メーカーと運輸に関する政府機関ではタイヤ空気圧監視システム （TPMS＊）の技術に強い関心を持っている。これらのグループは、タイヤ空気圧の監視の必要性について1970年ころから認識していたが、これまで費用対効果の高い技術が存在しなかった。しかし、現在の進んだ技術によって、米国運輸省は、今後製造されるほとんどの車にTPMSを搭載することを義務付けることができるようになった。
　2001年11月には、TREAD＊法案が米国 NHTSA＊の支持を受けて議会に提出され成立した。この法制化の重要な動機は、2000年に、ある車種のスポーツ・ユーティリティー車が、走行モードによっては車の重心が比較的高くなり、車が転覆するような重大なパンク事故を連続して引き起こしたことにあった。
　一方ヨーロッパでは差し迫った法制化の動きがなかったにもかかわらず、進んだ技術を持つ自動車メーカーが早い時期からTPMSの導入に取り組んできた。このためシステムの製造に必要な技術的基盤が存在しているのである。このシステムの量産化のパイオニアとして、英シュレイダー・エレクトロニクス社＊を挙げることができる。同社のシステムは多くの最新のフランス車に搭載されている。ドイツでは、国内の主だった自動車メーカーのコンソーシアムが、コスト効率の優れた大量生産向けTPMSの設計を 独アリゲーター・ベンティルファブリック社＊と ルクセンブルグのベルー社＊に委託した。アリゲーター社はバルブ部品の組み立てを担当し、ベルー社はエレクトロニクス関係の開発に取り組んでいる。最近ではEUの情報社会総局（Information-Society-Technology）によって資金援助された別の取り組みである「アポロ・コンソーシアム」がある。アポロ・コンソーシアムはインテリジェントなタイヤの製造を目指している。そのプロジェクト・コーディネーターはフィンランドの技術研究センター（Technical Research Centre of Finland）が務めている。
　2003年5月に発行されたインテリジェント・タイヤ監視システムに関するこのグループのレポートは、年間4000人に達すると見積もられる交通事故犠牲者を減らすのに役立つであろう ＊3）。EU内には交通事故数を低減するための政治的な推進力があるため、近い将来TPMSの装備が義務付けられることになるだろう。

主流は空気圧直接測定方式

　半導体メーカーの視点から見て差し当たり極めて重要なことは、2003年8月の米国連邦控訴裁判所（US Court of Appeals）の決定により、すべての北米用TPMSは、タイヤの圧力を直接測定する方式を用いることを実質的に義務付けられたことだろう。この方式が北米の車に適用されることによる量産効果によって、TPMSの価格が引き下げられ、そのほかの地域向けの車も必然的にこの方式に従うようになると予想される。このシナリオは、実質的にすべての車が圧力センサー用半導体デバイスを装着すること、および北米とヨーロッパの自動車メーカーが毎年製造しているおよそ2500万台の大部分を巻き込む大きな需要を創出することを意味しているのである。日本と韓国もこの技術を利用する可能性があり、2008年までに毎年1200万～1500万台の需要が発生する可能性がある。
　この法制化に先立ち、米国運輸省国家道路交通安全局は、タイヤ空気圧不足を検出するためにABSを利用したTPMSを自動車メーカーが採用できるような提案を行った。いわゆる間接TPMS方式である。通常、ブレーキの不均衡による車輪のロックを防止するために使われているABSは、車輪を車軸に取り付けるハブ上にセンサーを取り付けて各車輪の回転速度を監視している。この方式は、生産されるほとんどの車にABSが装備されているために導入コストが最小で済むというメリットがある。米国では、自動車メーカーがこの間接測定方式を推定160万台の車に採用している。
　この方式は著しく空気圧が不足しているタイヤは、もう片方のタイヤよりも小さい直径で回転しているという事実に着目して、通常の走行モードにおける各車輪の回転速度を比較し、その差から空気圧不足を検出するというものである。空気圧不足のタイヤは、適切な空気圧のタイヤ（特に同じ車軸上でペアをなすタイヤ）よりも速く回転する。しかし、この間接測定方式を使ったシステムでは、30％以下の空気圧不足を検出できないといった問題がある。さらに、この方式は、タイヤを変更した場合にシステムをリセットして各車輪間の動的な相対関係を再度取り直す必要があり、タイヤを使っている間、保守と校正が必要になる。また、システムは2つの車輪の回転速度差を測定するだけなので、各車輪の空気圧それぞれを単独で直接測定することができない。
　例えば、4つのタイヤがすべて同じ程度に空気圧不足になっている場合、4つのタイヤに回転数の差が生じないため圧力不足を検出することができない。これは同じ種類のタイヤを長い間チェックせずに使用しているような場合に通常起こり得るケースである。この問題に関しては、各車輪の共振周波数を解析すれば解決できる。しかし、これはかなりの計算能力を必要とするためコスト的な問題が生じる。
　現在研究中の途中結果によると、別の間接測定方式が適用できるかもしれないという。例えば、米スタンフォード大学の研究者は、標準部品として自動車に取り付けられているセンサーと GPS＊の組み合わせによりタイヤ空気圧の差を約5％の精度で検出する方式を提案している ＊4）。
　また、工場で組み込まれた間接測定方式を用いたセンサーを4種類、NHTSAが試験したところ、低空気圧状態の警告しきい値は－8～－48％まで幅があった。その上、4つのうちの1つは0.98barまで空気圧が低下しても警告を発しなかった ＊5）。試験者はまた同様のテスト条件に対して応答時間が10分も食い違っていることに加え、舗装道路と未舗装道路で路面の条件に驚くほど違いが出ることにも気が付いた。
　一方、すでに製品化されている直接測定方式を使ったTPMSに関するテストは、推奨空気圧から平均20％の圧力低下で勧告メッセージを出し、36％の低下で警告を発するという結果を示した。また、さまざまなシステムのアップデート手順の違いを反映して、応答時間に8～136秒という大きなばらつきがあることも判明した。間接的な方式と比べて、直接測定方式は組み込み費用が高くなること、電池の寿命により製品の使用可能期間が5～10年に限定されること、スペア・タイヤに交換したときや、ドライバーがタイヤを縁石に乗り上げさせたことによってタイヤに損傷が生じたときにセンサーにも損傷が発生する可能性があることなどの問題がある。しかし、一般的には、直接測定方式はあらゆる局面で間接測定方式より優れている。個々のタイヤの状態を高い信頼性で知らせることができることが特に優れているのだ。

厳しい設置環境と仕様

　北米用TPMSは、タイヤの圧力を直接的に測定する方式を用いなければならないという昨年の判決は、TPMSの導入スケジュールについてあいまいさを残したままではあったが、オブザーバーの多くは、米国運輸省国家道路交通安全局の「直接測定、4タイヤ独立、20％」モデルは世界中で共通的に採用されることになるだろうとみている。
　このモデルの基本的な要求条件は、4つのタイヤのうちのいずれか1つ、または複数のタイヤ空気圧がメーカーが推奨する空気圧より20％以上低下したときにシステムがドライバーに警告を発するということである。
　EUは長期にわたるTPMSの精度および信頼性を保証するためには温度を測定することも不可欠であると考えている。温度を監視することにより、システムは低温時から高温時にまたがるタイヤ空気圧の変化の補正および圧力センサー素子の温度依存性の補正をすることができる。また、測定系全体が過熱した場合にシステムを停止できるようにすることも求められている。
　すべてのTPMSが－40～125℃までの温度範囲に耐えるように設計されてはいるが、激しい運転によりブレーキ・ディスクが過熱してディスクの表面温度が900℃に達するような場合には過熱状態となることがある。この理由から、システムによっては過熱時のシャットダウン機能を備えたものがある。またほかに、170℃で3～5分間動作可能と規定したシステムもある。
　TPMSの設計者が直面するそのほかの環境条件は大変厳しい。製造工場で取り付けられる一般的なワイヤレス・マウント・システムは、バルブ・ステムと一体化されてタイヤの内側にセットされる小さなセンサー・モジュールを使用する（図2）。バルブ・ステムは、しっかり固定するためにナットで締め付けられている。二輪車への適用のような、販売後にTPMSを取り付ける場合、センサー・モジュールは通常スチール製のストラップを用いて車輪に固定される。このモジュールは一般に重さが28～35g程度であり、これを取り付けた場合は車輪リムのどこかにバランス補正用の小さな重りを取り付ける必要がある。
　センサーはタイヤの温度上昇だけでなく大きな加速度や振動にも耐えられる強度を持っていなければならない。例えば、フォーミュラー1（F-1）モーター・スポーツ用の 英Piリサーチ社＊製のTPMSシステムのモジュールは、車が250km/hで走行している場合、1000gもの力が加えられると同時に路面の凹凸による絶え間ない振動にさらされる。また、モジュールは使用中に石油系化学薬品や潤滑油などの異物の侵入によって、取り付けが緩まないような構造となっていなければならない。
　車の過酷な動作環境の中で、電子回路を正常に維持するための一般的な方法としては、保護コーティングや、ある種のエポキシまたはポリウレタン系の樹脂の中に封じ込めるという方法がある。しかし、TPMSを利用するには圧力測定用の開口部を設ける必要がある。このため、構造を設計する際に若干だが面倒な一面がある。そのため、例えば 米クックソン・エレクトロニクス社＊製の、真空蒸着で形成される不活性で疎水性のあるポリマー・コーティング材「Parylene」のような、特殊な保護コーティング材料により振動を減衰させている。この材料は極めて薄く塗布することができるため、MEMS＊センサーを保持するのに適している。圧力測定用開口部を確保する方法としては、ゲル・コーティングやテフロン・マイクロフィルターなどを利用する方法がある。
　システム・レベルにおいて、直接測定の無線TPMS方式を選択するかどうかは、システムの性能と自動車メーカーのコスト制約や性能の必要条件などによって決められる。
　代表的なシステムは4つの機能ブロック、すなわち各タイヤのセンサーおよび送信機、車体側の受信機、ディスプレイ・サブシステム、およびオプションのコマンド・チャンネルの機能ブロックから構成される（図3）。基本的なシステムは315MHz（米国）、434MHz（ヨーロッパ）または448MHz（韓国）を中心とする認可不要の ISM＊周波数帯を利用した送信専用チャンネルを使用する。この場合、車輪センサーの動作はいかなるセントラル・インテリジェンス機能からも独立している。また、通常は電池寿命を確保するため、加速度センサーに動作モードと待機モードの切り換えを行う機能を搭載しておく必要がある。
　車輪センサーはシステム・コストを押し上げることになるが、コマンド・バック・チャンネルを含むことにより自律センサーと送信機が直面する問題を簡単にするとともに、自動車メーカーが望む高度な応答要求および表示能力を備えることが可能になる。このコマンド・チャンネルは誘導性結合を利用した125kHzのリンクがしばしば使用される。一般にはリモート・キーレス・エントリーシステムまたは今では一般化したLIN（Local-Interconnect-Network）バスを介した別の車体関連の機能を利用して実装されている。
　センサーの通信可能範囲が約2mであることに加えて、自動車の製造ライン上でTPMSのセットアップ、テスト、およびデバッグを行うことができるなどの利点が挙げられる。しかし、TPMSに携わっている人々の間では、一般的にこのコマンド・チャンネル機能を「POD（Pressure On Demand）」と呼んでいる。現状では、このシステムは比較的コストが高いため全自動車数のおよそ10％程度しか市場に普及しないと思われる。そして、この10％はおそらく高級車となるであろう。

低消費電力を競うセンサー

　タイヤ空気圧監視システムの心臓部にあるセンサーはTPMS動作の信頼性を保つ鍵である。現在のTPMSセンサーの最大のサプライヤーは 独インフィニオン・テクノロジーズ社＊が最近買収した ノルウェーのセンサノール社＊と、米ゼネラル・エレクトリック社の子会社で、やはりヨーロッパに拠点を置く GEノバセンサー社＊である。タイヤ空気圧計測用のセンサー製品を提供しているそのほかのヨーロッパの企業としては、ベルリン工科大学からスピンオフした 独ファースト・センサー・テクノロジー社＊、独IMST社＊、英国防省の研究所からスピンオフした 英キネティック社＊、およびその製造パートナーである 独ファースト・テクノロジーズ社＊、英トランセンス・テクノロジーズ社＊、半導体製造ライセンシー企業である ベルギーのメレクシス社＊、フィンランドのVTIテクノロジーズ社＊がある。
　昔からある半導体圧力センサー素子は、ホイートストーン・ブリッジ内の素子に加わったひずみに従って変化する電圧を発生するピエゾ抵抗テクノロジーを利用している。圧力が加えられた場合、圧力の方向に電荷の数が増加するためにピエゾ抵抗の値は減少する。そこでブリッジの対辺をなすピエゾ抵抗素子の値を同時に増減させて回路を再調整すると回路の感度が最大となる。
　センサノール社のタイヤ空気圧センサー「SP12」のように、TPMSアプリケーション専用に開発された素子は、MEMS技術で製造されており、温度、加速度、および電池電圧の各センサーを備えている。これらのうち後の2つの機能はシステムの起動コントロールのための動き検出機能を備えており、これによってシステムはセンサーの電池に不具合が起きそうだということをドライバーに警告することができる。
　信号処理用のASICが±0.085barの精度で圧力を測定し、3線式 SPI＊互換のインターフェースを通して結果を出力する。電池電圧のモニターは±100mVの精度で最低1.8Vまで電池電圧を監視している。また、温度センサーは－40～125℃の温度範囲にわたって4℃の精度で温度を監視する。半径方向の加速度の分解能は、－12～115gの範囲で±18％の感度において0.5gである。また、最悪ケースの電流消費量は、測定サイクル中にすべてのアナログ・モジュールがアクティブであったとすれば、120℃で3.8mAであり、標準の動作条件では1mA以下となる。これがスタンバイ・モードかつ室温では1μA以下に減少する。
　センサノール社のアプリケーション・エンジニアを務めるロニー・ウェム氏は、センサーは4つのピエゾ抵抗素子でホイートストーン・ブリッジを構成していると、述べている。スタンバイ・モードでは低消費電力の発振器とインターバル・カウンターのみが動作している。同氏は「どのアプリケーションでも、SP12がスタンバイ状態になっている時間が最も長い。動作状態では、SP12の圧力測定時間は最大でも6msにすぎない」と語る。
　センサノール社は車重の大きい自動車向けに圧力の測定範囲を拡大した類似のタイヤ空気圧センサー「SP12T」を販売しているが、これは加速度の測定機能を備えていない。両方の素子とも組み立てを簡単にするために密封された圧力容器を備えており、上部開口部（ベント）または底面開口部のどちらかを選択できるカスタムの14端子 SOIC＊にパッケージされている。どちらも開発キットが用意されている。
　フランスのツールーズにある 米フリースケール・セミコンダクタ社＊の工場でTPMSプログラム・マネジャーを務めるマーク・オサヤダ氏は、「ホイートストーン・ブリッジ回路はバイアス電流の供給を必要とするため、比較的大きな電力を消費するのが欠点だ」と指摘する。同氏は自動車メーカーによる7～10年間の電池寿命という要求条件を満たすためには、標準的な電池の容量550mAhに対してセンサーはマイクロクーロン（μC）のオーダーの微量電荷で動作する必要があるとしている（表1）。
　電池容量は周囲温度が変化すれば変わる。これは電池の内部抵抗は周囲温度が下がるにつれて増加するためである。この理由からTPMSの動作は通常2.1Vが限界といわれているが、設計者はTPMSを1.8Vまたはそれ以下まで動作保証できるようにしようとしている。
　ホイートストーン・ブリッジ内の消費電力を下げる1つの方法として、通常は数kΩのオーダーであるブリッジのインピーダンスをもっと大きく設定する方法がある。しかしフリースケール・セミコンダクタ社は別のアプローチを選んだ。すなわち同社の第一世代の圧力・温度センサー「MPXY8020A」に容量を使用した回路テクニックである。表面をマイクロマシン加工したMEMSデバイスを8端子パッケージに封入したこの素子は、ひずみで発生する、並列素子から成る2つのセット間の静電容量変化を検出することによって圧力を検出するというものである。また、これとは別に正の温度係数を持つ抵抗を利用して温度の測定を行っている。
　オサヤダ氏は、静電容量を用いたテクニックはピエゾ抵抗ホイートストーン・ブリッジによる同等品よりも小さなチップ・サイズで素子を構成することができ、ほかのCMOS回路との同時集積化も可能なことが利点であるとみている。
　MPXY8020Aの容量－電圧変換増幅器は、利得やオフセットおよび温度係数をオンチップのEEPROMに格納してある校正定数を使って工場で調整する。外部論理回路との通信はSPIバスを介して行われ、プログラマブルな8ビットしきい値レジスターに設定された警告パラメーターが送信される。
　価格が375米ドルの同社デモ用基板は、信号伝送に必要なRFインターフェースと8ビット・マイコン「MC68HC908RF2」を使用しているが、その単純なロジックにより最高の効率が達成されているとオサヤダ氏は語っている。また「マイコンは設計の後半においても変更がきくため設計者に大きな柔軟性を与えるが、CMOSステート・マシンと比較すれば消費電力が大きくなるのが欠点だ」とも述べている。
　スタンバイ・モードでは、MPXY8020Aは通常1μA以下の電流で動作するが、温度測定時には400μAに、圧力測定時には1300μAに増える。また読み出し動作時には最悪の場合で600μAの電流を消費する。従って、現時点で可能な消費電力低減手法としては、問題が生じた時に限り測定結果を送信するという方法が用いられている。しかし、システム設計者はドライバーの情報システムの定期的なアップデートだけでなく、システムの健全な動作状態を保証するための定期的な送信も必要としている。その結果、典型的なシステムでは、問題になる条件が発生したならば迅速に応答して、ただちに情報を送信することができるように3～6秒毎に圧力測定を行い、定期的な送信は10回の測定毎に1回という程度に抑えている。
　MPXY8020Aは微小電力の5.4KHz発振器と、変換を開始させるために3秒毎に370μsのパルスと、およそ52分おきにリセット・パルスを発生する分周器チェーンを備えている。そのリセット・パルスは、ウォッチ・ドッグ・タイマー機能としても使用することができる。

電池不要のセンサー

　もちろんセンサーの電力消費を抑えることは重要ではある。しかし、その電力消費量はセンサーと車体側の受信機の間の高周波通信に要する消費電力（通常、数10mAの電流が必要）に比べれば小さい。従って、動き検出またはPOD（Pressure On Demand）機能を導入することによって、どの部分の電力消費を削減できるかを考えるべきである。それがなければシステムはスリープとスリープの間では連続して動作しなければならない。
　米アトメル社＊でTPMSマーケティング・マネジャーを務めるマーチン・モッツ氏は、平均的なユーザーが車を運転する時間は一生の時間のわずか5％でしかない上に、その時間の中でTPMSが動作する時間はさらに短いとみている。測定頻度はさておき、TPMSの動作期間を短縮するのに有効な要素として、無線システムが安定化するまでの立ち上がり時間がある。モッツ氏によれば、米アトメル社の新製品であるUHF帯のトランシーバーIC「ATA5756」および「ATA5757」（それぞれ315MHzと434MHzで動作する）は、TPMSの最適化によって立ち上がり時間を短くした最初の製品であるという。送信時間は0.85ms以下である。そのうちの600μsは電源オンの後、水晶発振器が安定化するまでに要する時間で、250μsはPLLが立ち上がりパワー・アンプが送信を行うための時間である。
　送信電力は動作電流約8mAでおよそ6dBmである。送信方式は振幅変調（AM）または周波数シフト・キーイング（FSK）が使用される。伝送速度はマンチェスター・エンコードで20Kビット/秒、NRZ（Non-Return-to-Zero）ではその2倍となる。
　同氏は、これらのICは－650Ωに厳密に設定された最大負性抵抗（標準値は-1100Ω）を持たせることにより、水晶発振器の動作余裕度を広くとることを狙ったものでもあるとしている。
　送信機に絡むそのほかの問題としては、識別と競合がある。各データグラムにユニークな識別（ID）コードを挿入することにより、受信機は個々のモジュールを識別し、タイヤのローテーションのような車の点検・保守に伴うタイヤ位置の変更の後でもタイヤ位置を再度把握することが可能になる。無線の競合を避けるために無線チャンネルのランダム化機能を備えている。
　TPMSメーカーの 米スマータイヤ・システムズ社＊でビジネス開発担当副社長を務めるアーウィン・バーツ氏は、通信上で重要な問題は、高周波スペクトラムが各地域の電波管理規則を満たすことを保証する必要があることだと語っている。無線周波数の管理組織は、米国では FCC＊であり、ヨーロッパでは ETSI＊である。このような規制は、最大許容出力レベルと自由空間で測定しても隠されてしまうようなレベル以内の適切な出力密度のスペクトル漏えい量を規定している
　バーツ氏は、タイヤの構造にも依存するが、タイヤの内側に圧力センサー送信器を組み込むことにより25dBもの損失が発生するため、規制の要求条件はTPMSのアプリケーションに大きく立ちはだかるものとなっていると指摘する。また車輪は回転しているため、データが欠損するのを避けることが大切であり、このことはアンテナの設計が大事であることを示している。1つの選択肢は無線送信のリンクとしてバルブ・ステムを利用することである。車輪を覆うカバー（Wheel well）毎に受信アンテナを使用する実現形式とは異なり、スマータイヤ・システムズ社のシステムは配線ハーネスの必要性を最小化することでコストを削減するために中央の受信モジュールを使用している。バーツ氏は、今後5年以内に電池を使用しないTPMSが一般的になっているだろうと予測する（下記の 「SAWセンサーを使った電池不要のTPMS」を参照）。
　米ナショナルセミコンダクター社＊のドイツ法人のデータ変換システム部門でマーケティング・マネジャーを務めるウエ・コップ氏は、同社のダイバーシティ無線受信用チップ・セットのTPMSへの応用に関する調査報告の中で、認可が不要な利用可能周波数帯域に対する地域毎の依存性をなくすために、2.45 GHz動作をベースとした電池を使用しないシステムを提案している。電波の届く範囲を約80cmに制限した。その結果、車輪とタイヤ間の通信の競合がなくなり、車輪を区別するための符号化を不要にできる。
　同氏は、水晶を用いた SAW＊温度・圧力センサーを使用した。SAWセンサーをうまく使うために5M～10MHzで振幅変調した出力10mWの2.45GHzキャリヤーを使用したシステムを提案している。RFバーストに続いて、SAWセンサーはその中心周波数プラスまたはマイナスの周波数シフトを伴って短時間発振を継続する。この応答信号を感知することでタイヤの状況を知らせている。
　同氏の例では、応答信号は多重化されて中央無線受信器に送られる。この無線受信器は、信号を一般的な帯域通過フィルターと同相の直交復調段を通した後、信号の位相情報を調べることによってデータを抽出する。重要なシステム要素としては、自動利得制御機能付きデュアル・チャンネル・デジタル・ダウンコンバーター「CLC5903」、デジタル可変利得増幅器「CLC5526」、およびA-D変換器がある。同氏は、圧力の絶対値1barが700Hzの周波数シフトに対応するならば、15Hzは1％の圧力分解能となると言っている。また、信号処理チェーン全体では約120dBのダイナミック・レンジを必要とするとしている。処理結果の大部分は、ホストDSP内の若干の後処理分と一緒に、可変利得増幅器とダウンコンバーター・コントロール・ループから得られる。
　コントロール・ループは、サンプリング前のIF信号のダイナミック・レンジを圧縮して、12ビットの分解能を確保するために42dBまでA-D変換器のダイナミック・レンジを拡張している。これによって、最小10ビットで約60dBの信号対雑音比というコンバーター分解能の要求条件が満たされる。コンバーターのサンプリング周波数は少なくともナイキスト限界の2倍以上である必要があり、適当な余裕を持たせるためにはさらに高い周波数が望ましい。このような性能はナショナルセミコンダクター社のデュアル10ビット、40MHzのA-D変換器IC「ADC10D040」が対応している。
　コップ氏は、「圧力センサーの規定動作周波数が9.6MHzの場合、温度センサーはサイドバンドのオーバーラップを避けるために9.2 MHzにずらす必要がある」と指摘している。それは戻りの信号が回転している車輪から発生しており、デジタル・ダウンコンバーターはドップラー効果によるずれを除去するためにサイドバンドを分離して処理するためである。また同氏は、「可変利得増幅器とA-D変換器の間のフィルターの設計は極めて重要である」とも語っている。ダイナミック・レンジを増加させるためには増幅器が不可欠であるが、コンバーターの入力に広い範囲の周波数成分を含む雑音を取り込んでしまう。システム性能を低下させるサンプリング・イメージ周波数雑音がコンバーターから発生しないようにするためには、この雑音をフィルターで除去することが必要である。ナショナルセミコンダクター社は、評価ボード・セットと、ユーザーが同社のウエブ・サイト上で検証することができるリファレンス・デザインを提供している。

SAWセンサーを使った電池不要のTPMS
　
　電池は動作時間を制限し、保守や廃棄の問題を起こす。電池をなくすことはTPMS（tire pressure monitoring system：タイヤ空気圧監視システム）の設計者にとって極めて魅力的な提案である。高周波通信システムのフィルターで使用されていることで比較的なじみが深い弾性表面波（SAW）デバイスは、ひずみを利用した圧力やトルク、さらには温度といったセンサーの応用分野でも使用されている。適切なSAWテクノロジーが利用できれば、RFIDで採用されているようなRFバック・スキャッター応答方式の技術は、圧力の直接測定と電池を用いないTPMSを可能にする。電池で動作する現在のセンサーよりも何倍も小さく軽いセンサーを実現できる。
このSAWデバイスは、1880年代の中ごろに弾性表面波の伝播について研究したイギリスの物理学者レイリー氏にちなんで名付けられた「レイリー波効果」を応用したものである。弾性表面波の伝播は電磁波よりも数10万倍も遅く、典型的な波長は1μ～100μm、振動振幅は1nm程度である。重要なことは、レイリー波の伝播速度は基板材料と結晶格子に対する伝播方向に依存するが、励起周波数には無関係なことである。SAWセンサーの動作周波数範囲は一般に50M～950 MHz程度である。
共振型SAWデバイスでは、交互配置された多数の金属電極指から構成される中央のIDT（Interdigital Transducer）を介してピエゾ基板の表面に高周波信号を印加すると、弾性材料の表面にわずかな変位を引き起こす。IDTの両側にある金属電極指の残りのセットは反射器となる。その反射器が拡大する弾性表面波を次々に反射して機械的なひずみと温度の両方に関係する自然周波数を持つ定在波を発生する（図A）。高周波信号の入力を停止するとSAWデバイスは短時間の間振動して高周波信号を再生成する。こうして生成された高周波信号を使えば応答信号を無線で送ることができる。つまり、SAWデバイスが受動的なトランスポンダーとして機能するわけだ。
SAWセンサーの設計企業である英トランセンス・テクノロジーズ（Transense Technologies）社でテクニカル・ディレクターを務めるレイ・ロー氏は、水晶のピエゾ結晶は異方性であると説明する。3つのSAWデバイスを1つの基板上に適当な角度で設置することにより、温度と圧力の情報を独立に抽出することが可能である（図B）。一般的なプロセスによって製造された水晶基板がセンサーのベースに不可欠な2つの出っ張り上に置かれる。SAWデバイスの金属のふたの中央にある内側にへこんでいる部分が水晶チップの中央に当たっており、外部圧力が増加すると水晶チップの変形を引き起こす。3つのSAWセンサーはすべて温度に応答するが、中央の1つだけは圧力にも反応する。2つの周波数の差の信号から圧力と温度を独立に取り出すことは簡単である。気密封止された金属ケースのサイズは直径12mm、厚さ2mm、重さはわずか2gである。
　同氏はこのデバイスを、その共振周波数がISM周波数帯と合っているシングル・ポート共振型SAWセンサーとして説明する。励起電力1 mW程度の短いRFバースト信号を注入すると、RF送信後約20μsの間振動し続ける。同氏は約1nWの低電力の戻り信号は約0.2～0.5mの到達範囲であるため、トランスデューサー同士の干渉が発生する可能性は小さいと指摘している。タイヤ内で使用するための典型的なホイップ・アンテナは長さが約170mm（らせん状に曲げられた場合はもっと短い）であり、ナイロン被覆のスチール線から作ることができる。各ホイール・アーチ内に取り付ける外部ダイポール・アンテナはこのサイズの約2倍である。最も低コストで実装するためには同軸線またはより線対による配線を介してセントラル・モジュールに接続される。同氏は、このシステムはほかのいかなるタイヤ圧力直接測定テクノロジーよりも車輪当たりの組み込みコストが安くなると信じている。


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