タイヤ空気圧センサーはどのように機能しますか?直接および間接 TPMS について

ドライバーが時速 110 マイルで巡航しているときに、ダッシュボードに黄色のタイヤ空気圧アイコンが表示されます。タイヤは目に見えてパンクしておらず、車両はまだ正常にハンドルを操作します。何が起こったかというと、ホイールの内側に取​​り付けられた MEMS 圧力センサーが、絶対圧力が 2.2 バールのベースラインから約 1.9 バールまで低下したことを検出しました。このセンサーは物理的な圧力を電圧に変換してデジタル化し、それを 433.92 MHz で車体制御モジュールに送信し、警告をトリガーしました。このシナリオは世界中の道路で毎日何百万回も繰り返されます。タイヤ空気圧センサーがどのように機能するかを知ることは、単なる工学上の豆知識ではありません。これは、適切なコンポーネントを選択し、信頼性の高い自動車圧力監視システムを設計するための基礎となります。

タイヤ空気圧センサーが実際に測定するもの

タイヤ空気圧センサーは、タイヤ空洞内の絶対空気圧を通常 100 ～ 400 kPa (1.0 ～ 4.0 bar) の範囲で測定し、その測定値を約 1 kPa の分解能で車両の ECU にワイヤレスで送信します。

感知要素は MEMS 圧力センサー チップ、つまり応答性の高い薄いダイアフラムを備えた小さなシリコン ダイです。タイヤの空気圧がこのダイヤフラムを押すと、膜が数十分のマイクロメートルだけ曲がります。この機械的なたわみは、最終的にダッシュボード上の数値となる物理的なイベントです。センサーは、タイヤの内部圧力を密閉された真空基準と比較する必要があるため、絶対圧力デバイスとして構築されています。大気圧は高度や天候によって変化するため、ゲージ基準では 1 回の駆動で最大 30 kPa の誤差が生じる可能性があります。

MEMSチップが圧力をデータに変換する仕組み

機械的なたわみからデジタル データへの変換は、ダイヤフラムの変位、ホイートストン ブリッジの抵抗変化、アナログ信号の調整、および無線周波数送信という 4 つのステップ チェーンに従います。

• ダイヤフラムのたわみ: 1 バールの圧力により、一般的なシリコン ダイヤフラムは 0.5 ～ 1 マイクロメートル移動します。
• ホイートストーンブリッジ: ダイアフラム上にパターン化されたピエゾ抵抗素子は、全圧力スケールにわたって抵抗を 1 ～ 3% 変化させます。
• 信号調整: ASIC はブリッジ電圧を増幅し、温度補償を適用し、結果を 10 ～ 12 ビットのデジタル データに処理します。
• RF 送信: 処理されたフレームは 433.92 MHz または 315 MHz の搬送波に変調され、受信機ユニットにブロードキャストされます。

温度は、圧力測定値を損なう最大の変数です。 20℃で校正されたセンサーでは、上に示した範囲全体で気圧が 50 kPa 上昇することがわかります。補償がなければ、補償されていないユニットは冬の朝におよそ 20 kPa 低すぎる値を報告し、誤った警告を発するのに十分です。

これらのデバイスの背後にあるテクノロジーについて詳しくは、このガイドを参照してください。 MEMS圧力センサー .

直接 TPMS と間接 TPMS: 2 つのアプローチの違い

ダイレクト TPMS は、各ホイールに物理的な圧力センサーを使用します。間接 TPMS は、車両の既存の ABS 車輪速度センサーを使用して圧力を推定します。直接 TPMS のみが実際の圧力値を返します。

最新の車両のほとんどはダイレクト TPMS を使用しています。これは、各タイヤの正確な読み取り値が得られるためです。これは、ゆっくりとした漏れを検出し、不均一なトレッド摩耗を防ぐために重要です。同じMEMS圧力センサー技術は、 最新の車両の圧力センサー TPMS を超えて、油圧監視やブレーキ システムも含まれます。

タイヤ空気圧センサーの選択を決定する 4 つの仕様

圧力範囲、精度、出力信号、およびパッケージングは、タイヤ空気圧センサーが現場で確実に機能するかどうかを決定する 4 つのパラメータです。

2.2 ～ 2.5 bar で走行する乗用車の場合、警告しきい値は通常、メーカーの推奨圧力より 25% 低い値に設定されます。 0 ～ 4 バールの範囲は、センサーの解像度を犠牲にするほど広くなりすぎずに、そのアプリケーションをカバーします。

次の制約は精度です。 0.3 bar のオフセットでは、遅い漏れが隠蔽されたり、誤った警報が生成されたりする可能性があります。これが、最高の自動車グレード MEMS 圧力センサーがフルスケール スパンの /-0.2 パーセントに達する理由です。 4 bar センサーでは、これはおよそ 8 kPa の許容誤差に相当します。

出力信号は 3 番目の決定点です。 0.5 ～ 4.5 V の範囲のアナログ電圧出力はシンプルで広く使用されており、I2C や SPI などのデジタル出力は車両ハーネス内の電磁ノイズの影響を軽減します。高振動ルートでのダイレクト TPMS では、デジタル信号がますます好まれています。

パッケージングによって、センサーをタイヤ バルブまたはホイール リムにどれだけ簡単に組み込めるかが決まります。 DIP および SIP パッケージは PCB 取り付けをサポートしますが、センサーがバルブ ステム アセンブリに設置される場合は SOP パッケージが一般的です。また、デバイスは最大 1 kHz の周波数で約 50 g の振動レベルに耐える必要があります。

車載用絶対圧センサ MCP-J10、MCP-J11、MCP-J12 これらの校正済み絶対圧力センサーはアナログまたはデジタル出力を提供し、最大 4 bar まで測定でき、車両全体にわたって温度補償されているため、タイヤ空気圧監視システムに適しています。 製品を見る→

無錫の国家ハイテク産業開発区に拠点を置く MemsTech は、これらの要件に基づいて自動車用圧力センサーを製造しています。 MCPJ10、MCPJ11、および MCPJ12 シリーズは、測定範囲が 0 ～ 4 bar の絶対圧力センサーで、アナログ出力バージョンとデジタル出力バージョンの両方が用意されており、その校正プロセスは車両の温度範囲全体をカバーしています。

タイヤ空気圧センサーにおいて温度補償が重要である理由

タイヤ内部の温度は、冬の駐車場では -40℃ から高速道路では 80℃ まで変動することがあります。センサーが補正されていない場合、このドリフトだけでも 15 ～ 20 kPa の誤差が生じる可能性があり、これは誤った低圧警告を引き起こすのに十分な大きさです。

すべてのユニットは工場でいくつかの温度ポイントで校正されています。補正係数は製造時にセンサーの内部 ASIC に保存されるため、タイヤの加熱と冷却に応じて最終出力が自動的に補正されます。 MemsTech は 2,000 平方メートルの施設内でこのプロセスを実行し、内部機能ではパッケージング、溶接、温度補償、性能校正をカバーしています。各デバイスは出荷前にゼロスケールとフルスケールでテストされ、バッチの一貫性が保証されます。

MCP-J20 シリーズ自動車およびオートバイのマニホールド用途向け圧力センサー 自動車やオートバイのインテークマニホールド圧力センシング用に設計されたこのシリーズは、最大 1000 kPa までのオプション範囲のアナログ出力を提供し、顧客側での校正を必要とせずに精度が校正されています。 製品を見る→

MCPJ20 シリーズは、同じ絶対センシング アーキテクチャを、より高い低温膨張圧力を備えた大型の SUV や小型トラックのプラットフォームを含む、より幅広い自動車アプリケーションに拡張します。

よくある質問

タイヤ空気圧センサーのバッテリーの寿命はどのくらいですか?

ダイレクト TPMS センサーは密閉型ユニットで、バッテリー寿命は 5 ～ 10 年です。バッテリーが消耗すると、密閉されたバルブユニット内ではバッテリーを使用できないため、センサーアセンブリ全体を交換する必要があります。

バルブステムを交換せずにタイヤ空気圧センサーを交換できますか?

ほとんどのダイレクト TPMS システムでは、センサーはバルブ ステムと統合されています。一部のアフターマーケット キットではセンサーのみの交換が可能ですが、アセンブリ全体を交換するのが標準のサービス手順であり、より信頼性が高くなります。

TPMS センサーはどのくらいのタイヤ空気圧を読み取る必要がありますか?

ほとんどの乗用車では、推奨される冷えたタイヤの空気圧は 2.2 ～ 2.4 bar (32 ～ 35 psi) です。 TPMS 警告しきい値は通常、推奨値よりも約 25 パーセント低い値に設定されます。

天気が寒いときに TPMS ライトが点灯するのはなぜですか?

冷たい空気は収縮します。周囲温度が 10 度低下すると、タイヤの空気圧は 7 ～ 10 kPa 低下する可能性があります。タイヤがすでに警告しきい値に近づいている場合、この低下だけで警告が作動するのに十分です。