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InWheelSense™:路面とタイヤの接触部分でスマートセンシング

二十一世紀に入り、あらゆるクルマの電装化が進むなか、安全性、快適性、利便性、娯楽性の向上を目的とした電子システムの開発がいよいよ活発になっています。もっとも、電子システムと一口にいってもその種類はさまざまで、早い時期からターゲットになってきた分野は機能の充実度もいちだんと高くなっています。その点、タイヤは後れを取っており、電子システムがホイール環境にようやく普及しはじめたのは1980年代になってからでした。よく知られるタイヤ空気圧監視システム(Tire Pressure Monitoring Systems: TPMS)は、まず欧州市場に導入され、世界に拡がりました。現在のところ、TPMSのほかに、タイヤ/ホイール環境への実装が普及している電子システムは見当たりません。強いて挙げるとすれば、軍事車両や一部の商用車、さらにごく一部のハイエンドな一般車で使用されている自己膨張式タイヤシステム(self-inflating tire system)がありますが、これにしても、システムの核となる技術はTPMSです。

背景

電装化はクルマの歴史を通じて、数々の時代を画するイノベーションを打ち立ててきました。電気「車両」自体は19世紀半ばにはすでに存在し、電気自動車も同世紀後半には登場していました。最も初期の電子システムの一つは1930年代のカーラジオで(真空管チューブでしたが)、その後、50年代には電子制御点火装置、70年代初期にはトランスミッションコントロールユニット(TCU)、アダプティブグルーズコントロール(ACC)、電子制御点火装置、燃料噴射、燃料ポンプ、同年代中期にはプロセッサベースシステムなど、次々と新たなイノベーションが登場しました。電子システムはいまや、平均して、自動車の生産コストの3割程度を占めるまでになっています。

米国では2000年に自動車の安全規制であるTREAD法(Transportation Recall Enhancement, Accountability, and Documentation Act)が成立したこともあり、TPMSはいまでは身近なものとなっています。この技術は、ユーザーの安全や事故防止に加え、経済性向上にも貢献します。というのも、タイヤの空気圧をリアルタイムで把握して適正に保つことで、燃費が向上するうえ、基準外の空気圧によるタイヤの摩耗が減り、タイヤの寿命も向上するためです。タイヤの空気圧が低下すると、TPMSはトランスポンダコイルを介して、ドライバーにインジケーターで警告を発します。こうしたシステムへの電力供給は、充電できない使い捨て電池でおこなっています。

もっとも、クルマのなかで唯一路面に接する部分であるタイヤからは、空気圧以外にも、さらに多くの有益な情報が引き出せるはすです。ただ、より多くのセンサをタイヤ/ホイールに実装して電装化をサポートするには、より大きな電力をタイヤ/ホイールに供給する電源が必要となります。そして、ここには、他の車載システムにはない、タイヤ/ホイール環境特有の問題が存在します。すなわち、回転するデバイスに充分な電力を供給し、なおかつ、軽量・小型・低コストを維持するにはどうすればよいか、という問題です。これを物理学の法則に背くことなく実現すること――我々のストーリーはここから始まります。

InWheelSense™――序論および技術概観

複数のパラメータを簡単かつ精確に測定できるシステム技術を思い浮かべてみましょう。電源自給式(self-sufficient)で動き、あらゆる機能を一つに集約したシステムで、しかも、既成の枠に囚われないイノベーターたちの斬新なアイデアをどんどん取り入れり、新たなアプリケーションに合わせてシステムを自在に「スケール」させることができる柔軟な構成を備えたシステムです。どんな種類のパラメータが測定できるでしょうか?タイヤの空気圧に加え、タイヤウォールの温度に、路面状態、ホイールアラインメントなどなど・・・欲しい機能は枚挙に暇がありません。ところで、これらすべてをたった一台でかなえるシステムソリューションがすでに存在するとしたら、どうでしょう?

新発売のInWheelSense™は、電源、センシング、コネクティビティの三つの主要なサブシステムから構成される、多面的なテクノロジーです。ピエゾ素子を動力源とする(piezo-powered)この革新的なセンサプラットフォームは、ホイールで得られたデータ分析を車両や、クラウドにつながったデバイスに直接提供します。こうしたデータ分析は、ハイパフォーマンスなドライビング、自動運転、安全性、快適性、省エネをサポートします。

標準的なプラットフォームには、あらかじめ選定されたセンサセットが搭載されています。とはいえ、これらのセンサは、InWheelSense™によって実現可能なあまたの機能やソリューション――ドライビングのパフォーマンスやドライバーの安全性、快適性を飛躍的に向上させうる機能やソリューションのごく一部に過ぎません。しかし、システムはフレキシブルに構成されているため、ユーザーは自分で選んだセンサを自由に組み込むことができます。そして、より多くのセンサやより多くの電力を消費するセンサに、システムが充分な電力を自給できるよう、電源システムの最適化がなされます。

InWheelSense™ エナジーハーベスティング(EH)モジュール

図1:TDKのInWheelSense™ EHモジュール

図1:TDKのInWheelSense™ EHモジュール

発電は、圧電(および強誘電)材料であるチタン酸ジルコン酸鉛(lead zirconate titanate: PZT)セラミックス素子をベースにした、エナジーハーベスティングモジュールが担います。圧電セラミックスに電流を印加して表面に電場を形成すると、セラミックスが変形します。これを「逆圧電効果」と呼びます。逆に、セラミックスに機械的エネルギーを加えると、微小な電気的エネルギー(電流)が発生します。これを「直接圧電効果」と呼びます。InWheelSense™はこの「直接圧電効果」を発電やセンシング素子として利用しています。発生する電流量は、素子の大きさや形状、力の向き、機械的なたわみの大きさに依存します。これを精緻に制御することで、電力を必要な量だけ自家発電できるユニークなオンホイール電源自給システムが可能になります。

EHモジュールは16~21インチのホイール径で使用可能です。エナジーハーベスティングモジュール(EHM)は、タイヤ/ホイール・インターフェースのホイール上に取り付けられますが、気密シールの完全性を損ねることはありません。この実装法こそ最適発電(optimum power generation)を確保するカギです。つまり、タイヤが回転することで、ホイールに取り付けられた個々のEHモジュールで発電が繰り返される仕組みになっているのです。たとえば、18インチホイールを装着したクルマを時速65マイル(時速約104キロ)で運転する場合、タイヤ一回転あたりの発電量は、モジュール一個につきおよそ1 mW(ミリワット)となります。さらに多くの電力が必要な場合は、複数のEHモジュールを追加することで電力を拡張することができます。図2に、InWheelSense™システムの完全な装着例を示します。

図2:5個のEHモジュールを18インチホイールに配置したInWheelSense™プラットフォームの装着例” wheel

図2:5個のEHモジュールを18インチホイールに配置したInWheelSense™プラットフォームの装着例

生成されたエネルギーは、パワーコンディショナによる出力制御を経て、ただちに使用されたり、あるいは、収穫(ハーベスト)されて、オンボード電池や(電気二重層コンデンサ[EDLC]である)スーパーコンデンサに蓄えられます。これら二つのエネルギー貯蔵デバイスには違いがあります。リチウムイオン電池(LiB)などの電池の場合、より多くのエネルギーをより長時間蓄えられますが、充電に時間がかかるのに対し、ELDCは瞬時の充放電を特長としています。5個のEHモジュールを標準で備えたInWheelSense™システムは、数ミリワット(mW)の連続給電か、あるいは、約30ミリ秒間のバーストモードで90mWの間欠給電が可能です。バーストモードは間欠運転機能を提供するセンサ――すなわち、待ち受けモードとデータ通信モードから成り、大部分の時間は待ち受け状態ですが、特定時に起動して測定やデータ送信をおこなうセンサ――に典型的なニーズです。

この特許出願中のEHモジュール発電技術は、エナジーハーベスティングの方法論を活用したものです。タイヤ/ホイールが回転することで発電し、さらに、回転エネルギーの電気的エネルギーへの転換を最適化することで、市場に出回る他のソリューションよりも高い出力を実現しています。EHモジュールは回転エネルギーを活用するのに対し、他のほとんどのシステムは直線力を利用したものです。EHモジュールはTDKが製造します。

電源システム全体は、生成された電力をユーザーが必要に応じて分配するのに充分に柔軟な構成であり、必要な電力の総量は最終的に、ユーザーが実装したセンシング回路やセンサによって決まります。InWheelSense™制御モジュール(IWCM)の一部をなすセンシング機能については後段で取り上げます。

InWheelSense™ 制御モジュール(IWCM)

InWheelSense™評価キット(Eval Kit)プラットフォームの心臓部ですが、オンホイールセンサによって実現可能なあまたのソリューションのごく一部に対象を絞って開発されています。センサは、オンホイール、オフホイールの両方の操縦性評価指標(metrics)の測定をサポートしており、いずれに対しても高精度なデータを提供することができます。「オフホイール」指標とは、ドアの開閉や、ギア係合(gear engagement)などを指します。こうした機能はすべてユーザーが定義しますが、重要な点は、既存のTPMS やタイヤひずみゲージのほかに追加でセンサを実装した場合も、必要な電力のすべてがEHモジュール発電でまかなわれる点です。

IWCMは、標準のラグナットでタイヤに取り付けられたバックプレート上にしっかりと装着されています。ここにモジュールを配置することで、IWCMにかかる重力(G)も軽減されるため、これらのセンシティブなデバイスの「飽和」(saturation)が防止できます。データの精度向上につながるうえ、機械的ストレスの軽減によってセンサ寿命の延長も期待できます。

図3:InWheelSense™制御モジュール” wheel

図3:InWheelSense™制御モジュール

パワーコンディショニングインターフェース

IWCMのパワーコンディショニングインターフェースは、システムの電圧の整流や、降圧レベルの制御、EHモジュール発電交流(AC)の電圧波形の平滑化をおこないます。さらに、このインターフェースは、安定化された電力を直接負荷に供給しますが、電池自体やシステム電源監視ユニットへの電力の貯蔵(電池の充電回路を含む)をサポートする仕組みを目下開発中です。現在、オンボードの電池は外部USB電源によって充電されています。図4に、標準IWCMのPCBアセンブリを示します。

図4:センサを備えたIWCMのマザーボード

図4:センサを備えたIWCMのマザーボード

オンボードのカスタム電源管理IC(Power Management Integrated Circuit: PMIC)は、EHモジュールが発電したAC電圧を整流DC(直流)電圧に変換し、リップルフリーの3.3ボルト(V)の安定化電圧に降圧します。さらに、テスト用として、サードパーティの部品に電力を供給するのための2500 mAh容量のオンボード電池も備えています。将来的には、調整電力を用いて直接電池を充電できる充電ステージを設ける予定です。

センサインターフェース

IWCM内はセンサのほとんどが実装される場でもあります。EHモジュールのADCインターフェースもIWCM内に設けられています。IWCMで事前に設定することで、EHモジュールをエネルギーハーベスタ(EH発電機)として使用するか、センサ(EHセンシング)として使用するかを選択できます。この設定はマザーボードのジャンパを用いておこなえます。将来的には、走行中にもソフトウェアコントロールで選択可能となる予定です。評価キットには、想定される多くのアプリケーションやデータニーズを紹介する目的で選定された、以下のようなセンサが搭載されています。

  • マルチチャンネル高感度InWheelSense™ ピエゾEHセンサ
  • 6軸IMU(慣性計測装置)
  • 気圧センサ
  • 温度センサ

今後、以下のセンサを搭載したモジュールを開発予定です。

  • 9軸IMU
  • 2チャンネルマイクロフォン
  • 超音波ToF (Timeof Flight)
  • ホール効果スイッチ
  • ショック/ウェイクセンサ(EHセンシング)
  • ブレーキダストやタイヤのマイクロプラスチック微粒子センサ

上記の既存のセンサはあくまで評価キットとして選定されたもので、ユーザーは必要に応じて、あとからセンサの追加や削除ができます。これらのセンサはTDKブランドである必要はありません――IoTプラットフォーム機能を備えたものであれば、サードパーティのどんなセンサソリューションでも追加できます。評価キットにはインターフェースコネクタも備わっているため、カスタムセンサを搭載したドーターボードのIWCMへの組み込みも簡単にできます。

評価キットセンサは、高度な予測アルゴリズムライブラリを用いて、特定のアプリケーション向けに波形の特徴を検出するようプログラムすることが可能です。検出された波形を機械学習(machine learning: ML)させることで、集まったデータを操縦性評価指標(performance metrics)に変換します。こうしたアプリケーションには、リアルタイム速度、路面状態、スリップ検出、トレッド摩耗、ポットホールマッピング、タイヤ・サイドウォールの温度センシング、ルースホイールインジケーター、挙動モデリング、事故データ解析用ブラックボックス、ロボタクシー安全性、燃費効率センシングなどがあります。

InWheelSense™評価キットはさらに、ライブデータのストリーミングのためのソフトウェアライブラリや種々の関連ツールにアクセスできるオープンプラットフォームとのインターフェースも搭載しています。これにより、クラウドや、PCベースの「ダッシュボード」のような可視化ツールを用いて、さらにユーザーフレンドリーなフォーマットでデータをディスプレイに表示することが可能です。最後に、IWCMプラットフォームは、エッジコンピューティング用のパスも提供しています。

コネクティビティ

IWCMプラットフォームには現在、ワイヤレス接続用の低電力Bluetooth(BLE)が搭載されています。Bluetoothシステムは、連続的なリアルタイムデータストリーミングを可能にするものです。データは車両のゲートウェイやホストコンピュータに送信され、ドライバーフレンドリーな情報に加工されます。加工データは、前述のダッシュボードタイプのディスプレイやインジケーター、警告灯に表示されます。マッピングや自律走行支援をターゲットにしたアプリケーションにとって、リアルタイムデータストリーミングは欠かせないツールです。

今後開発が予定されているのは、新たなワイヤレス接続に、「LoRa」(長距離)変調方式を追加する計画で、いわゆる「省電力長距離通信」(low-power wide-area network: LPWAN)プロトコルです。スペクトル拡散通信方式を用いたLoRaは、低消費電力で長距離通信(非都市域で10 km以上)が可能なため、電池式デバイスにとって大きなメリットとなります。もっとも、長距離/低電力であるのと引き替えに、通信速度は最大でも50 kbps程度と遅く、拡散係数(spread factor: SF)に依存します。現行のInWheelSense™センサで生成された生の出力データを、エンドデバイスからゲートウェイに伝送するには、この通信速度では、容量的に充分とはいえません。したがって、LoRaデータはIWCMによる処理が必要となるか、あるいは、その適用範囲が限定されることになります。エッジコンピューティングでは、生データはBLEのみで伝送されるか、オンボードに保管して、あとでダウンロードすることになるでしょう。地域によって、動作周波数は免許が不要のSub-GHz周波数帯に該当します――たとえば、433 MHz、868 MHz(欧州)、915 MHz(豪州および北米)、923 MHz(アジア)。

LoRaの適用範囲内では、システムのセンサは非同期で、出力可能になるとデータを送信します。データはホイール内のセンサ(エンドノード)からいったんゲートウェイに伝送され、そこから中央集中管理用ホストコンピュータやプロセッサユニットにデータパケットが転送されます。LoRaチップセットはさらに、ジオロケーション機能も備えています。

最後に、InWheelSense™には近い将来、車載「ブラックボックス」の搭載も予定されています。これは、メモリモジュールを用いて、走行中の情報を記録する機能を提供するものです。記録されたデータは所定の期間保存するか、いったんゲートウェイに接続してから「データダンピング」することもできます。

InWheelSense™ 評価キットシステムの装着

前節まではInWheelSense™プラットフォームの主要なサブシステムとそれぞれの機能について述べました。図5に、システムの機構を示します。

図5:システムハードウェア a)個々のモジュール b)取り付け金具 c)装着されたシステム

図5:システムハードウェア a)個々のモジュール b)取り付け金具 c)装着されたシステム

画像の左より順に、図5a(左の画像)は評価キットモジュールです。〔スター型の中央の〕IWCMを中心に、5個のEHモジュールが72度の間隔で配置されています。図5b(中央の画像)は取り付け金具です。各EHモジュールMの角度位置を確保するとともに、モジュールをタイヤ/ホイール・インターフェースのホイール上に取り付けるための機能を提供します。取り付け金具は、使用するEHモジュール5の数やホイールのサイズに基づいて選択する必要があります。そして、最後の図5c(右の画像)は、完全に装着された状態のInWheelSense™システムです。

評価キットはモジュール化されているため、実装は思うほど複雑でも時間のかかるものでもありません。IWCMをホイールの中央にラグナットで固定するようにしたことで、実装の手間が大幅に省けました。評価キットを実装する手順の概要は以下のとおりです。手順の詳細についてはTDKまでお問い合わせください。

  • 1. ホイールにラグナット/ラグボルトや留め具類を取り付け、正しく取り付けられていることを確認する。
  • 2. 取り付け金具をホイールに装着する。
  • 3. EHモジュールをタイヤ/ホイール・インターフェースのホイール側に実装する。
  • 4. IWCMを配置し、取り付け金具に固定する。
  • 5. EHモジュールをIWCMメインボードに接続する。
  • 6. IWCMに保護カバーを取り付ける。
  • 7. 市販のツールを用いてホイールのバランスを調整する。
  • 8. 走行テストを実施し、システムが適切に機能することを確認する。

図6に、上記の取り付けプロセスをタイムラプス画像で示します。

図6:InWheelSense™ プラットフォームの装着手順

図6:InWheelSense™ プラットフォームの装着手順

発電にとって、EHモジュールを適切な位置に配置することが極めて重要となります。すでに触れたように、モジュールはタイヤ/ホイール・インターフェースのホイール側の外縁に取り付け、タイヤの気密シーリングを損なわないようにしなければなりません。図7にEHモジュールの正しい配置を示します。

図7:EHモジュールの装着位置

図7:EHモジュールの装着位置

説明からもわかるように、上記のオペレーションはいずれも、特別なスキルや機材を要するものではありません。ただし、標準的な取り付け金具はホイールのサイズによって限られ、通例、16~21インチのホイール径に対応可能です。大型車両、とくにセミトレーラー(大型トレーラー、18ホイーラーなど)や農作業機、バスについては、取り付け金具を調節する必要があることに留意してください。

結論

以上に詳しくみてきたように、本稿では、TDK InWheelSense™テクノロジープラットフォームが次のような特長をもつことが示されました。

  • 1) オンホイールとオフホイールの両方における多様な車両操縦性評価指標(vehicle metrics)の測定や検出が可能な、電源自給式のオンホイールモジュラーテクノロジーです。
  • 2) 圧電セラミック素子によってオンボードで発電する 他に類のないエナジーハーベスティングモジュールを搭載。さらに、これらの素子は高感度のセンサとしても利用可能です。
  • 3) 標準的なセンサセットがあらかじめ搭載されていますが、非常にフレキシブルな設計で、顧客が開発した拡張ボードをインターフェースコネクタによって簡単に組み込むことが可能です。
  • 4) パワーコンディショナの制御モジュールや、電力貯蔵回路・部品に加え、センサや(センサで生成されたデータをゲートウェイに送信して処理するのに必要な)通信デバイスを備えています。
  • 5) オープンプラットフォームアーキテクチャを活用、OTA(Over-the-Air)アップデート、エッジコンピューティングに対応します。
  • 6) カスタマイズされた予測アルゴリズムをもち、ダッシュボードタイプの可視化機能を備え、ユーザーが利用可能なソフトウェアライブラリやツールの標準セットを開発中です。
  • 7) Bluetoothワイヤレス接続を提供し、さらに、LoRaによるデータ通信を開発予定です。
  • 8) オンボード電力貯蔵や提案されたオンボードデータストレージを実現しています。
  • 9) ホイールの中央にセンサを配することで、高い遠心力への曝露を低減します。
  • 10) 特別なツールなしに、同梱の取り付け金具を用いて、およそ2時間以内で簡単に装着可能です。
  • 11) 主要な車両の操縦性評価指標(driving metrics)を測定・解析するサービスの提供により、クルマの安全性(衝突回避など)や快適性の飛躍的な向上が期待できます。InWheelSense™プラットフォーム技術をセンターピースに、今後、「センサ統合」の可能性をさらに押し拡げ、タイヤ/ホイールのスマートな「回転=革命」(revolution)の実現を目指します。
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