CN110733299A - 轮胎组装体、轮胎的监控系统和方法 - Google Patents

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Abstract

轮胎组装体、轮胎的监控系统和方法，具有简单构造的发电体。轮胎组装体具有：轮胎，其安装于车轮；发电体，其配置在轮胎的内侧；和电子设备，其接受从发电体输出的电力的供给。发电体具有第1绝缘膜、第2绝缘膜、第1电极和第2电极。第1绝缘膜具有第1面。第2绝缘膜具有与第1面对置并与第1面接触的第2面。第1电极具有导电性，与第1绝缘膜的第1面的背面接触。第2电极具有导电性，与第2绝缘膜的第2面的背面接触。第1面与第2面的真实接触面积根据轮胎的变形而变化。第1绝缘膜和第2绝缘膜构成为通过使真实接触面积变化而使得一方带正电且另一方带负电。通过使第1绝缘膜和第2绝缘膜带电，在第1电极与第2电极之间产生电压，并输出电力。

Description

轮胎组装体、轮胎的监控系统和方法
技术领域
本发明涉及轮胎组装体、轮胎的监控系统和方法。
背景技术
在日本特开2016-88473号公报(专利文献1)中，公开了将发电体和电子装置组装到轮胎的内部的轮胎组装体。发电体构成为：利用静电效应将轮胎的机械振动能量转换为电能，并向电子装置提供电源。
专利文献1：日本特开2016-88473号公报
在专利文献1中公开的发电体中，对置的一对电极构造体受到轮胎的振动而彼此接触或分开从而产生静电。因此，需要将一对电极构造体分开支承的固定部、在轮胎的橡胶内部埋入发电体的结构，因此构造容易复杂化。
发明内容
本发明的目的在于，提供具有简单构造的发电体的轮胎组装体以及用于利用该轮胎组装体来监控轮胎的监控系统和方法。
本发明的第1技术方案的轮胎组装体具有：轮胎，其安装于车轮；发电体，其配置在所述轮胎的内侧；以及电子设备，其接受从所述发电体输出的电力的供给。所述发电体具有第1绝缘膜、第2绝缘膜、第1电极以及第2电极。
第1绝缘膜具有第1面。第2绝缘膜具有第2面，该第2面与所述第1面对置并且与所述第1面接触。第1电极具有导电性，并且与所述第1绝缘膜的位于所述第1面的相反侧的背面接触。第2电极具有导电性，并且与所述第2绝缘膜的位于所述第2面的相反侧的背面接触。所述发电体构成为：所述第1面与所述第2面的真实接触面积根据所述轮胎的变形而变化。所述第1绝缘膜和所述第2绝缘膜构成为：通过使所述真实接触面积变化而使得一方带正电且另一方带负电。通过使所述第1绝缘膜和所述第2绝缘膜带电，在所述第1电极与所述第2电极之间产生电压，由所述发电体输出电力。
关于本发明的第2技术方案的轮胎组装体，在第1技术方案的轮胎组装体中，所述电子设备包含能够与外部的装置进行数据通信的通信装置。
关于本发明的第3技术方案的轮胎组装体，在第1或第2技术方案的轮胎组装体中，所述电子设备包含检测与所述轮胎的状态相关的数据的检测装置。
关于本发明的第4技术方案的轮胎组装体，在第1至第3技术方案中的任意一个技术方案的轮胎组装体中，所述电子设备包含控制所述电子设备的微型控制器。
关于本发明的第5技术方案的轮胎组装体，在第1至第4技术方案中的任意一个技术方案的轮胎组装体中，该轮胎组装体还具有薄膜袋，该薄膜袋具有防湿性，并且在减压条件下封入有所述发电体。
关于本发明的第6技术方案的轮胎组装体，在第1至第5技术方案中的任意一个技术方案的轮胎组装体中，该轮胎组装体还具有蓄电池，该蓄电池蓄积由所述发电体输出的电力。所述电子设备接受蓄积在所述蓄电池中的电力的供给。
关于本发明的第7技术方案的轮胎组装体，在第1至第6技术方案的任意一个技术方案的轮胎组装体中，该轮胎组装体还具有施重件，该施重件配置成：对所述发电体进行加压，使得所述第1绝缘膜与所述第2绝缘膜相对接近。
关于本发明的第8技术方案的轮胎组装体，在第1至第6技术方案的任意一个技术方案的轮胎组装体中，所述电子设备配置成：对所述发电体进行加压，使得所述第1绝缘膜与所述第2绝缘膜相对接近。
关于本发明的第9技术方案的轮胎组装体，在第6技术方案的轮胎组装体中，所述蓄电池配置成：对所述发电体进行加压，使得所述第1绝缘膜与所述第2绝缘膜相对接近。
本发明的第10技术方案的轮胎的监控系统具有：第2技术方案的轮胎组装体；以及外部控制装置，其能够与所述通信装置进行数据通信。所述通信装置将由所述发电体输出的电压和电流、以及基于电压和电流中的至少一方的物理量中的至少一个输出数据发送到所述外部控制装置。所述外部控制装置根据从所述通信装置接收到的输出数据，对与所述轮胎相关的信息进行监控。
关于本发明的第11技术方案的轮胎的监控系统，在第10技术方案的轮胎的监控系统中，与所述轮胎相关的信息包含与所述轮胎的旋转速度相关的信息、与所述轮胎的磨损相关的信息以及与安装有所述轮胎的车辆所行驶的道路的状态相关的信息中的至少一个信息。
关于本发明的第12技术方案的轮胎的监控系统，在第10或第11技术方案的轮胎的监控系统中，所述外部控制装置搭载于包含所述轮胎组装体的车辆。
本发明的第13技术方案的轮胎的监控方法包含以下内容。
·准备安装有第1至第9技术方案中的任意一个技术方案的轮胎组装体的车辆。
·在所述车辆的行驶过程中收集由所述发电体输出的电压和电流、以及基于电压和电流中的至少一方的物理量中的至少一个输出数据。
·根据收集到的所述输出数据，对与所述轮胎相关的信息进行监控。
根据本发明，提供了具有简单构造的发电体的轮胎组装体。发电体利用轮胎的变形而产生电动势。因此，能够向内置于轮胎的检测装置等电子设备提供电力。并且，通过将发电体所输出的电压和电流等输出数据与轮胎的状态关联起来并进行分析，能够获取与轮胎相关的各种信息。由此，提供利用了本发明的轮胎组装体的轮胎的监控系统和监控方法。
附图说明
图1是示出本发明的一个实施方式的轮胎的监控系统的整体结构的图。
图2是示出监控系统的电气结构的框图。
图3是示出轮胎组装体的结构的剖视图。
图4是示出另一实施方式的轮胎组装体的结构的剖视图。
图5是示出发电体和传感器模块的整体结构的图。
图6是示出发电体的动作原理的图。
图7的(a)～(d)是发电体的输出电压的曲线图。
图8是示出使用了轮胎组装体的实验装置的结构的图。
图9是示出组装于轮胎组装体的发电体所受到的力的图。
图10的(a)是对使用了发电体的实验进行说明的图。图10的(b)是施重件的质量与输出电压的曲线图。
图11是对通常状态下的输出电压与摩擦状态下的输出电压进行比较的图。
标号说明
1：车辆；100：监控系统；20(20a～20d)：轮胎组装体；21：气压传感器；22：发电体；23：微控制器；24：蓄电池；25：通信装置；26：轮胎；28：传感器模块；30：控制装置；210：第1面；211：第1绝缘膜；212：第1电极；220：第2面；221：第2绝缘膜；222：第2电极；F：薄膜袋；M：施重件；V：输出电压。
具体实施方式
以下，参照图面对本发明的一个实施方式的轮胎组装体以及利用了该轮胎组装体的轮胎的监控系统和监控方法进行说明。
＜1.轮胎的监控系统的整体结构＞
图1是示出本发明的一个实施方式的轮胎的监控系统100(以下有时简称为系统100)的整体结构的图。系统100是包含搭载于车辆1的控制装置30和安装在车辆1的车轮上的轮胎组装体20的、用于监控轮胎的系统。系统100例如作为TPMS(Tire PressureMonitoring System；轮胎气压监控系统)而发挥功能。车辆1是四轮车辆，具有左前轮FL、右前轮FR、左后轮RL以及右后轮RR。在车轮FL、FR、RL、RR上分别安装有轮胎组装体20a～20d。虽然轮胎组装体20a～20d所安装的车轮不同，但具有相同的构造和功能。因此，不必区分这些轮胎组装体，有时将轮胎组装体20a～20d称为轮胎组装体20。
图2是示出系统100的电气结构的框图。控制装置30是对用于监控与轮胎组装体20所包含的轮胎26(参照图3和图4)相关的信息的各种处理进行控制的单元，具有CPU 31、I/O接口34、RAM 35、ROM 36以及非易失性且可改写的存储装置38。I/O接口34是用于与显示器40、轮胎组装体20等外部装置进行有线或无线的通信的通信装置。在ROM 36中保存有用于控制系统100的动作的程序37。CPU 31从ROM36读出程序37并执行，由此假想地作为运算部32和控制部33进行动作。在后面说明各部分的动作的详细内容。存储装置38由硬盘、闪存等构成。另外，程序37的保存位置可以不是ROM 36，而是存储装置38。另外，RAM 35和存储装置38适当用于CPU 31的运算。另外，控制装置30也可以经由网络连接到云计算服务。
显示器40只要能够显示各种信息并传递给用户，则方式不被限定。例如能够以液晶显示器、液晶显示元件、有机EL显示器、等离子显示器等任意的方式来实现。显示器40的安装位置可以适当选择，例如期望设置在仪表板上等驾驶员容易理解的位置。在控制装置30与汽车导航系统连接的情况下，也可以将汽车导航用的监视器用作显示器40，也可以将多信息显示器用作显示器40。
图3是示出轮胎组装体20的结构的剖视图。轮胎组装体20具有安装在车辆1的车轮上的轮胎26、配置在轮胎26的内侧的发电体22以及传感器模块28。如后所述，发电体22构成为利用轮胎26的变形来输出电力。在传感器模块28中包含有接受从发电体22输出的电力的供给的电子设备。在本实施方式中，电子设备是检测装置、微型控制器(以下称为微控制器)23以及通信装置25(包含天线)(参照图2和图5)。检测装置是检测与轮胎26的状态相关的数据的装置，在本实施方式中，是检测轮胎26内部的气压的气压传感器21。通信装置25能够与传感器模块28的外部的装置进行数据通信。微控制器23对气压传感器21和通信装置25的动作进行控制。气压传感器21、微控制器23以及通信装置25接受从发电体22输出的电力的供给而被驱动。
气压传感器21所检测出的轮胎26的气压的数据存储在微控制器23内的存储部中，按照规定的间隔被通信装置25发送到控制装置30。控制装置30所接收到的数据如后述那样被运算部32进行处理，根据其结果来判定轮胎26是否已减压。控制部33根据判定来控制系统100的各部分的动作。
传感器模块28还具有蓄电池24(参照图5)。由发电体22输出的电力经由微控制器23而蓄积在蓄电池24中。气压传感器21、微控制器23以及通信装置25接受蓄积在蓄电池24中的电力的供给。另外，蓄电池24附属有将交流电流转换为直流电流的整流器。
发电体22所输出的电压和电流、以及基于电压和电流中的至少一方的物理量中的至少一个数据能够如后述那样作为用于监控与轮胎26相关的信息的数据而加以利用。即，发电体22不仅作为电力供给源也作为传感器而发挥功能。在该情况下，在微控制器23内构成的检测电路(未图示)检测发电体22所输出的电压或电流。检测到的数据存储在微控制器23内的存储装置中，按照规定的间隔被通信装置25发送到控制装置30。另外，从通信装置25发送到控制装置30的输出数据可以不是检测到的数据本身，也可以代替该检测到的数据而包含基于电压和电流中的至少一方的物理量的数据(例如电力的数据)，或者除了该检测到的数据之外还包含基于电压和电流中的至少一方的物理量的数据(例如电力的数据)。控制装置30所接收到的输出数据由运算部32以规定的算法进行分析，获取与轮胎26的旋转速度(车轮速度)、轮胎26的磨损状态、以及车辆1所行驶的道路的状态相关的信息。获取的这些信息在控制部33对系统100的控制中使用。
＜2.轮胎组装体的结构＞
以下，参照图3对轮胎组装体20的详细结构进行说明。轴线W是安装有轮胎组装体20的车轮的旋转轴线，在轮胎组装体20安装在车轮上时，轮胎组装体20以轴线W为中心进行旋转。轮胎组装体20具有安装在车辆1的车轮上的轮胎26。轮胎26可装卸地固定在轮子27上。轮子27由金属材料构成，将发动机的旋转传递到轮胎组装体20。在轮子27的周缘部形成有轮辋270。轮胎26由橡胶、热塑性弹性体等弹性材料构成，具有胎面部260、胎肩部261、胎侧部262以及胎圈部263。胎面部260是对以轴线W为基准的轮胎26的侧周面进行划分的部分，通过与路面接触而产生摩擦，从而使车辆1前进。胎肩部261与胎面部260和胎侧部262相邻。胎侧部262与胎肩部261相邻，屈曲并产生挠曲以吸收来自路面的冲击。胎圈部263在内部内置有胎圈线，并且该胎圈部263固定在轮辋270上。
如上所述，轮胎组装体20具有配置在轮胎26的内侧的传感器模块28。传感器模块28经由引线L1、L2与发电体22电连接。本实施方式的传感器模块28像图3所示那样以重叠在发电体22上那样的方式固定在发电体22的上表面。换言之，传感器模块28以如下方式固定在发电体22上：传感器模块28以轴线W为基准配置在径向内侧，发电体22以轴线W为基准配置在径向外侧。
另外，只要轮胎26的变形传递到发电体22，则发电体22和传感器模块28所配置的部位不限于胎面部260的内侧面。例如也可以选择胎肩部261的内侧面和胎侧部262的内侧面。另外，传感器模块28可以不固定在发电体22上，它们的相对位置关系可以适当选择。例如如图4所示，也可以将传感器模块28和发电体22分别平面地配置在胎面部260的内侧面。但是，在传感器模块28未固定在发电体22的上表面的情况下，优选还将施重件М配置在轮胎26内，以在轮胎组装体20旋转时对发电体22进行加压。关于施重件М在后面说明。
在图5中示出了发电体22和传感器模块28的详细结构。传感器模块28具有经由印刷电路板P而彼此电连接的气压传感器21、微控制器23、蓄电池24以及通信装置25。在微控制器23连接有引线L1、L2。印刷电路板P、气压传感器21、微控制器23、蓄电池24以及通信装置25被环氧树脂E一体地密封。引线L1、L2贯穿环氧树脂E而向环氧树脂E的外侧延伸，分别与后述的发电体22的第1电极212和第2电极222连接。
轮胎组装体20还具有防湿性的薄膜袋F，在该薄膜袋F中在减压条件下封入有发电体22。发电体22具有第1绝缘膜211、第2绝缘膜221、第1电极212以及第2电极222。在第1电极212和第2电极222分别连接有引线L1、L2。引线L1、L2分别向薄膜袋F的外部延伸，与微控制器23电连接。
发电体22利用以下原理进行发电。当不同的两种物质(绝缘膜)彼此接触时，电荷在绝缘膜彼此接触的接触面之间移动。即，在带电序列中，电子从更靠正极性侧的绝缘膜向更靠负极性侧的绝缘膜移动。接下来，当绝缘膜分开时，成为从一个绝缘膜向另一个绝缘膜移动了的许多电子残留在移动目的地的绝缘膜上的状态，因而一个绝缘膜带正电，另一个绝缘膜带负电。这样，在两个绝缘膜之间产生电动势。另外，由电荷的移动引起的绝缘膜的带电会对一部分接触的状态下的绝缘膜施加压力，以使得绝缘膜彼此更加接近，即使接下来去除压力，也能够同样地产生电动势。即，即使绝缘膜从最初起一部分接触，通过使绝缘膜彼此接触的接触面的面间平均距离(平均面间隔)变化而产生电动势。若在绝缘膜的接触面上附加凹凸，则在未对绝缘膜施加压力的状态下接触面的平均面间隔比较大。接下来，当以使绝缘膜彼此相对接近的方式施加压力时，绝缘膜的接触面的形状发生变化，平均面间隔减小。其结果是，当去除压力时，接触面的凹凸复原，平均面间隔增加，因此由在绝缘膜上带电的电荷在与各个绝缘膜接触的电极上感应出高电压的电荷。这样，一个电极带正电，另一个电极带负电。另外，构成两种绝缘膜的材质在带电序列中越是相对远离，则带电量越是增加。这里，接触面的平均面间隔发生变化与接触面的真实接触面积发生变化是等效的。即，平均面间隔的减小与真实接触面积的增加是等效的，平均面间隔的增加与真实接触面积的减小是等效的。
第1绝缘膜211具有第1面210，第2绝缘膜221具有第2面220。第2面220与第1面210对置并且与第1面210接触。第1面210与第2面220的真实接触面积构成为根据轮胎26的变形而变化。第1绝缘膜211和第2绝缘膜221由在带电序列中彼此分开的材料构成。因此，当受到轮胎26的变形从而第1面210与第2面220的真实接触面积发生变化时，第1绝缘膜211与第2绝缘膜221中的一方带正电，另一方带负电。例如，在真实接触面积发生变化时第1绝缘膜211带正电的情况下，第2绝缘膜221带负电。反之，在真实接触面积变化时第1绝缘膜211带负电的情况下，第2绝缘膜221带正电。通过该结构，不需要用于将第1绝缘膜211和第2绝缘膜221分开支承的构造体和将发电体22组装到轮胎26的橡胶内部的结构。其结果是，发电体22能够利用简单的构造进行发电。
第1面210和第2面220分别具有凹凸形状。因此，虽然第1面210与第2面220一部分接触，但也存在第1面210与第2面220不接触的部分。当轮胎26的变形传递到发电体22时，第1绝缘膜211和第2绝缘膜221像后述那样进行动作，产生感应电荷。优选第1面210和第2面220中的至少一方的十点平均粗糙度为100μm以上且2mm以下。另外，十点平均粗糙度的测定方法按照JIS B 0601：2001。
第1绝缘膜211的第1面210的背面连接有平板状的第1电极212。第1电极212具有导电膜212a和绝缘性的基材212b，基材212b的表面被导电膜212a包覆。导电膜212a例如由Ag(银)、Cu(铜)等具有导电性的材料构成。基材212b由橡胶或弹性体等具有挠性的材料构成。因此，第1电极212整体具有挠性，能够以某种程度追随发电体22整体受到的变形而变形。在第2绝缘膜221的第2面220的背面连接有平板状的第2电极222。第2电极222具有导电膜222a和绝缘性的基材222b，基材222b的表面被导电膜222a包覆。导电膜222a例如由Ag(银)、Cu(铜)等具有导电性的材料构成。基材222b由橡胶或弹性体等具有挠性的材料构成。因此，第2电极222整体具有挠性，能够以某种程度追随发电体22整体受到的变形而变形。另外，也可以采用第1电极212和第2电极222中的任意一方不具有基材的结构，也可以由导电性的弹性体构成。第1电极212和第2电极222分别经由引线L1、L2与微控制器23电连接。由此，从发电体22向微控制器23感应出介电电荷，从而在微控制器23内的电路中流过电流。
优选第1绝缘膜211和第2绝缘膜221中的带正电的一方是类金刚石碳(DLC)，优选带负电的一方是以氟化碳有机物为主要成分的绝缘膜。由于DLC的硬度高并且摩擦系数低，因此，由于绝缘膜彼此的摩擦接触而引起的绝缘膜的磨损较少。即，绝缘膜的凹凸不容易磨损，因此能够长时间保持发电体22的发电性能。另外，由于以氟化碳有机物为主要成分的绝缘膜的润滑性高，因此能够抑制第1面210和第2面220的磨损。此外，作为构成第1绝缘膜211和第2绝缘膜221的材料，例如举出了全氟聚醚、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯(PU)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚二酚碳酸酯、氯化聚醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、四氟乙烯和六氟丙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)等。
优选第1绝缘膜211和第2绝缘膜221中的至少一方的厚度构成为20μm以下。另外，更加优选第1绝缘膜211和第2绝缘膜221这两者的厚度构成为20μm以下。
构成薄膜袋F的材料只要具有阻隔水蒸气的性质，则不特别限定。例如可以在塑料膜制的基材表面使用对铝或铜进行蒸镀而成的薄膜材料。在轮胎组装体20的内部，相对湿度根据温度变化而变化从而产生水蒸气，产生的水蒸气有时会对发电体22的动作带来影响。薄膜袋F将在轮胎组装体20内产生的水蒸气与发电体22阻隔，从而能够限定对发电体22的影响。
在本实施方式中，通过像上述那样将传感器模块28固定在发电体22的上表面，传感器模块28作为施重件而发挥功能。即，气压传感器21、微控制器23、蓄电池24以及通信装置25根据其重量而对发电体22进行加压，以使得第1绝缘膜211与第2绝缘膜221相对接近。当轮胎组装体20旋转时，对传感器模块28作用有离心力，由传感器模块28将发电体22按压在轮胎26上，从而施加使第1绝缘膜211与第2绝缘膜221相对接近的压力来进行发电。然而，如图4所示，传感器模块28也可以配置在不作为辅助发电体22的发电的施重件而发挥功能的位置。在该情况下，如图4所示，优选相对于传感器模块28另外配置施重件M，该施重件M对发电体22进行加压，以使得第1绝缘膜211与第2绝缘膜221相对接近。施重件M只要能够作用使第1绝缘膜211与第2绝缘膜221相对接近的压力，则可以是任何物体，也可以适当选择向轮胎组装体20固定的固定方法。
本实施方式的轮胎26是不具有内胎的无内胎轮胎。但是，在轮胎组装体20是具有轮胎26和内胎的有内胎轮胎的情况下，通过在轮胎26与内胎之间配置发电体22，能够将内胎作为与施重件M同样地辅助发电体22的发电的要素而发挥功能。即，以内胎内的气压将发电体22按压在轮胎26上的方式进行作用，从而能够利用内胎对发电体22进行加压，以使得第1绝缘膜211与第2绝缘膜221相对接近。
＜3.发电体的动作＞
以下，对发电体22的动作进行说明。在轮胎组装体20静止的状态下，如图5所示，第1绝缘膜211的第1面210与第2绝缘膜221的第2面220在凹凸形状的一部分处接触。此时，由于轮胎26静止，因此真实接触面积几乎不变化，从而即使在第1电极212和第2电极222之间产生电位差，其绝对值也比较小。
当轮胎组装体20在路面上旋转时，胎面部260的与路面接触的部分从路面受到冲击。当该冲击被传递到整个轮胎26时，尤其胎侧部262产生挠曲以吸收冲击，轮胎26整体变形。然后，胎侧部262欲从变形复原，但经由胎面部260的其他部分而再次受到来自路面的冲击。这样，轮胎26整体重复进行伸缩变形。轮胎26的伸缩变形被传递到固定于胎面部260的内侧面的发电体22。发电体22与所传递的轮胎26的伸缩变形对应地变形。其结果是，第1绝缘膜211与第2绝缘膜221彼此接近或分开，真实接触面积发生变化。
当轮胎组装体20旋转时，对传感器模块28作用有离心力，发电体22被从第1电极212侧按压在胎面部260的内侧面。这样，在发电体22上作用有使第1绝缘膜211与第2绝缘膜221相对接近的压力。其结果是，第1面210和第2面220所具有的凹凸形状变形成比轮胎组装体20的静止状态平坦的形状，真实接触面积增加(参照图6)。关于无内胎轮胎，当利用施重件对发电体22进行加压时，与未加压发电体22的情况相比，由上述的轮胎26的变形引起的真实接触面积的变化变大。其结果是，能够使感应出的电荷量变得比未加压发电体22的情况大。另外，如后所述，发电体22的输出电压V与施重件的质量m的平方成比例。
在车辆1的行驶过程中由发电体22输出的电力提供给气压传感器21、微控制器23以及通信装置25，成为它们的驱动电力。在本实施方式中，由发电体22输出的电力蓄积在蓄电池24中。因此，即使在车辆1停止时，也能够借助蓄积在蓄电池24中的电力来驱动气压传感器21、微控制器23以及通信装置25。
＜4.监控系统的动作＞
以下，参照附图对本实施方式的轮胎的监控系统100的动作进行说明。在本实施方式的轮胎的监控中存在由气压传感器21进行的监控和利用发电体22的输出电压的数据的监控。由气压传感器21进行监控的对象是轮胎26内部的气压。另一方面，由发电体22进行监控的对象例如可以是轮胎26(或轮胎组装体20)的旋转速度、轮胎26的磨损、以及车辆1所行驶的道路的状态。系统100例如能够构成为：在控制装置30的电源变成“接通”时开始以下的监控处理，当车辆1停止并经过一定时间时停止监控处理。
＜4-1.气压监控＞
在气压监控中，气压传感器21分别检测各轮胎组装体20a～20d的轮胎26内部的气压。对各轮胎组装体20a～20d检测的气压的数据暂时存储在各个轮胎组装体20所具有的微控制器23的存储部中，并以规定的时间间隔经由通信装置25发送到控制装置30。数据的发送间隔例如可以为1次/40秒。
控制装置30接收从通信装置25定期发送的各轮胎组装体20a～20d的气压的数据。在ROM 36或存储装置38中预先存储有识别各轮胎组装体20a～20d所具有的气压传感器21的ID。另外，气压的数据包含识别各轮胎组装体20a～20d所包含的气压传感器21的ID，控制装置30能够通过进行ID匹配将接收到的四个数据与轮胎组装体20a～20d关联起来。当接收到数据时，运算部32从这些数据中获取各轮胎组装体20a～20d的气压，并与预先存储在ROM36或存储装置38中的减压阈值进行比较。所谓减压阈值，可以是在检测出的气压低于该减压阈值时判定为该轮胎已减压的气压值。或者，减压阈值也可以是从保存在存储装置38等中的各轮胎的气压的初始值按照预先确定的减压率减压后的气压。若检测出的气压的数据为减压阈值以上，则运算部32判定为正常，如果检测出的气压的数据小于减压阈值，则判定为已减压(异常)。
在运算部32的判定为“正常”的情况下，控制部33接着对从通信装置25接收的数据重复进行与运算部32相同的处理。另一方面，在运算部32的判定为“异常”的情况下，控制部33经由显示器40等输出减压警报，提醒用户注意。
＜4-2.由发电体进行的监控＞
在由发电体22进行的监控中，将发电体22用作检测与轮胎26相关的信息的传感器。在本实施方式中，发电体22利用在轮胎组装体20的旋转过程中输出的电压的数据来获取与轮胎26的旋转速度、轮胎26的磨损、以及车辆1所行驶的道路的状态相关的信息。
发电体22输出的电压V根据第1面210与第2面220的真实接触面积A的时间变化而发生变化。更具体地说，A的时间变化(dA/dt)越大，则V的绝对值也越与该时间变化(dA/dt)成比例地变大。尤其是在发电体22经由胎面部260在路面上旋转时(大致在发电体22在最下方的位置处最靠近路面时)(dA/dt)变大。此时，发电体22从传感器模块28受到压力，与此同时经由胎面部260从路面受到阻力，从而大幅变形。因此，当轮胎组装体20以大致恒定的旋转速度旋转时，电压V的时间序列数据表示在一定的周期中出现正峰值和负峰值的脉冲波形。
图7的(a)～(d)是证明这一结果的实验数据。在实验中，准备轮胎26未磨损的通常状态下的轮胎组装体20和轮胎26处于磨损状态的轮胎组装体20这两种轮胎组装体(但是，将轮胎的磨损标记出现的情况判断为处于磨损状态)。将各个轮胎组装体20组装到图8所示那样的独轮车上，针对内压为140[kPa]的情况和210[kPa]的情况，利用旋转带以一定的速度旋转而测量发电体22的输出电压V。另外，轮胎26是有内胎轮胎，第1绝缘膜211由PU构成，第2绝缘膜221由FEP构成。第1电极212的基材212b是由有机硅酮橡胶制成的，导电膜212a为铜箔带。另外，第2电极222不具有基材222b，由作为铜箔带的导电膜222a构成。如图7的(a)～(d)所示，无论轮胎26的内压如何、有无磨损，输出电压V的波形均为周期性的脉冲波形。脉冲的周期T是轮胎组装体20旋转一圈所需的时间。因此，对V的脉冲波形进行采样，只要测量出周期T，则能够根据以下的式(1)来计算出轮胎组装体20的旋转速度ω。
ω＝2π/T (1)
可是，随着轮胎组装体20的旋转而发电体22受到的力可以像图9所示那样进行模型化。将路面与轮胎组装体20的摩擦系数设为μ，将点A处轮胎组装体20的切线与路面所成的接地角度设为θ，将传感器模块28的质量设为m。另外，点A是发电体22和传感器模块28经由胎面部260在路面上开始旋转的点。此时，在传感器模块28上作用有离心力p、重力mg、摩擦力。由此，作用在传感器模块28上的水平方向和铅垂方向的力分别为μpcosθ+psinθ、pcosθ+mg。这里，若利用在θ＜＜1时cosθ≈1，sinθ≈θ，则在半径方向上作用于传感器模块28的力F根据以下的式子来计算。
F＝p+mg+(μ+θ)θp
F中的传感器模块28施加到发电体22的压力的变动量ΔF可以表示为：
ΔF＝(μ+θ)θp＝(μ+θ)θmrω2
其中，r是轮胎组装体20的半径，p＝mrω2。
这里，可知在ΔF与输出电压V之间存在V∝ΔF2的关系。因此，在ΔF与输出电压V之间成立以下那样的关系式(2)。
V∝(μ+θ)2θ2m2r2ω4 (2)
同样地，若将发电体22和传感器模块28经由胎面部260在路面上结束旋转的点设为B，则点B处的ΔF可以表示为：
ΔF＝-(μ-θ)θp＝-(μ-θ)θmrω2
因此，ΔF与输出电压V的关系式为：
V∝-(μ-θ)2θ2m2r2ω4
根据式(2)，V根据摩擦系数μ、接地角度θ、传感器模块28的质量m、轮胎组装体20的半径r以及轮胎组装体20的旋转速度ω这样的参数而变化。例如，输出电压V与传感器模块28(施重件)的质量m的平方成比例。本发明人通过实验而确认了这一结果。如图10的(a)所示，准备在上表面上固定有质量m的施重件M的状态下的发电体22，并测量出通过振动装置示意性地再现轮胎26的振动时的发电体22的输出电压V。振动为10[Hz]、2[G]。图10的(b)是对V相对于质量m的正的峰值进行绘图而得的曲线图。根据该结果，证明了V与m2成比例。因此，优选轮胎组装体20具有对发电体22进行加压的施重件，施重件的质量m越大则越能增加发电体22的输出电压V。
可是，根据发明人们的研究，可知在轮胎26处于通常状态的情况和处于磨损状态的情况下，即使旋转速度、内压、车轮载荷的条件相同，V的脉冲波形也会发生变化。图11是对在相同的旋转速度和载荷的条件下使通常状态的轮胎组装体20和磨损状态的轮胎组装体20分别旋转一圈时的脉冲波形进行比较的曲线图(轮胎组装体20的旋转方法利用了图8所示的装置)。可知在轮胎26处于磨损状态的轮胎组装体20中，与轮胎26处于通常状态的轮胎组装体20相比，电压V的峰值的绝对值变大，脉冲宽度变长。该现象可以用于轮胎26的磨损的检测。例如，事先存储从开始使用时的轮胎组装体20的发电体22输出的电压V的波形，通过与在车辆1的行驶过程中获取的V的波形定期进行比较，可以检测出轮胎26的磨损。
另外，根据式(2)，输出电压V因为依赖于车辆1所行驶的路面的摩擦系数μ和接地角度θ，所以反映车辆1所行驶的路面的状态。因此，能够从发电体22输出的数据获取与车辆1所行驶的路面的状态相关的信息，并对该信息进行监控。例如，通过车辆1的实车实验，将在各种路面(沥青、砂石路、润湿的路面)上行驶的情况下的V的数据预先存储在ROM 36或存储装置38中，通过与在车辆1的行驶过程中获取的V的数据进行对照，能够监控路面的状态。
以上，发电体22所输出的V的数据反映了包含轮胎组装体20的旋转速度ω、轮胎26是否磨损以及车辆1所行驶的路面在内的道路的状态。旋转速度ω能够根据V的脉冲波形的周期来计算。另外，将在气压、旋转速度、道路的状态等各种条件下发电体22所输出的V的数据预先存储在ROM 36或存储装置38中，通过与在车辆1的行驶过程中获取的V的数据进行比较，能够监控与轮胎26相关的信息。以下，对包含轮胎组装体20在内的监控系统100的具体动作进行说明。
当车辆1行驶时，轮胎组装体20在路面上旋转，像上述那样发电体22产生电压。在车辆1的行驶过程中由发电体22输出的电压V由微控制器23内的检测电路进行检测。输出电压V的数据以规定的周期被采样，并暂时蓄积在微控制器23中。蓄积在微控制器23中的V的数据以规定的时间间隔经由通信装置25依次向控制装置30发送。控制装置30经由I/O接口34接收V的数据，并暂时保存在RAM 35或存储装置38中。运算部32参照所保存的V的数据，对脉冲波形的周期s进行计算。另外，运算部32根据式(1)来计算旋转速度ω。另外，旋转速度ω也可以取多次计算出的值的平均值。另外，也可以使用多个脉冲波形的周期s的平均值来计算旋转速度ω。控制部33能够根据需要将计算出的旋转速度ω向车辆1的ECU等发送。
另外，与上述处理并行或前后地进行如下处理：运算部32对预先存储在ROM 36或存储装置38中的V的数据和当前暂时保存在RAM 35或存储装置38中的V的数据进行比较，判定轮胎26是否磨损。若判定为轮胎26处于通常状态，则控制部33针对接下来接收到的V的数据使运算部32重复进行同样的处理。另一方面，若判断为轮胎26处于磨损状态，则控制部33经由显示器40等向用户通知该内容，提醒用户注意。
并且，与上述处理并行或前后地进行如下处理：运算部32对预先存储在ROM 36或存储装置38中的V的数据和当前暂时保存在RAM 35或存储装置38中的V的数据进行比较，判断车辆1所行驶的路面处于何种状态。判断出的路面的状态可以用于制动器的控制等。另外，在控制装置30连接到云计算服务的情况下，V、旋转速度ω、轮胎26的磨损状态以及路面的状态的数据经由I/O接口34发送到云服务器，可以与其他系统100的用户共享。
＜5.变形例＞
以上，对本发明的一个实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式，只要不脱离其主旨，可以进行各种变更。例如，可以进行以下变更。另外，以下变形例的主旨可以适当组合。
＜5-1＞
在上述实施方式中，根据发电体22的输出电压V的时间序列数据来进行轮胎组装体20的监控，但也可以根据在与发电体22连接的电路中流过的电流、电力等其他物理量的时间序列数据来进行轮胎组装体20的监控。
＜5-2＞
在上述实施方式中，第1面210和第2面220均具有凹凸形状。但是，也可以以仅第1面210和第2面220中的任意一方具有凹凸形状的方式构成发电体22。
＜5-3＞
第1电极212可以通过将导电性的纤维编织成织物状而构成。纤维例如可以采用具有挠性的Cu线、不锈钢线。并且，也可以在该纤维的外周面包覆有第1绝缘膜211。同样地，第2电极222可以通过将导电性的纤维编织成织物状而构成。纤维例如可以采用具有挠性的Cu线、不锈钢线。并且，也可以在该纤维的外周面包覆有第2绝缘膜221。
＜5-4＞
在上述实施方式中，第1电极212和第2电极222均分别具有由挠性材料构成的基材212b和基材222b。但是，也可以仅第1电极212和第2电极222中的任意一方具有挠性的基材。
＜5-5＞
发电体22也可以具有多个第1绝缘膜211、第2绝缘膜221、第1电极212以及第2电极222。例如可以采用如下结构：从上起依次层叠第1电极212、第1绝缘膜211、第2绝缘膜221、第2电极222、第2绝缘膜221、第1绝缘膜211以及第1电极212。
＜5-6＞
在上述实施方式中，控制装置30是车载装置，但也可以采用安装有程序37的智能手机、平板电脑、笔记本电脑等便携式的设备。此时，也可以将上述设备的显示器用作显示器40。或者，轮胎组装体20内的微控制器23也可以不经由车载装置而直接与云服务器等安装有程序37的外部装置进行通信。
＜5-7＞
气压传感器21只要能够检测轮胎26内部的气压，则检测方式不被限定。例如可以使用应变仪式、膜片式或半导体式的传感器等。另外，传感器21不限于检测轮胎26的内压的气压传感器，例如可以是检测轮胎26的内部的温度的温度传感器，也可以是检测轮胎26的振动的振动检测传感器(加速度传感器)。
＜5-8＞
与车辆1所行驶的道路的状态相关的信息不限于与路面的状态相关的信息，也可以是与地基的状态相关的信息。
＜5-9＞
也可以配置成：仅蓄电池24对发电体22进行加压，使得第1绝缘膜211与第2绝缘膜212相对接近。

Claims (13)

1.一种轮胎组装体，其具有：
轮胎，其安装于车轮；
发电体，其配置在所述轮胎的内侧；以及
电子设备，其接受从所述发电体输出的电力的供给，
所述发电体具有：
第1绝缘膜，其具有第1面；
第2绝缘膜，其具有与所述第1面对置并且与所述第1面接触的第2面；
第1电极，其具有导电性，并且与所述第1绝缘膜的位于所述第1面的相反侧的背面接触；以及
第2电极，其具有导电性，并且与所述第2绝缘膜的位于所述第2面的相反侧的背面接触，
所述发电体构成为：所述第1面与所述第2面的真实接触面积根据所述轮胎的变形而变化，
所述第1绝缘膜和所述第2绝缘膜构成为：通过使所述真实接触面积变化而使得一方带正电且另一方带负电，
通过使所述第1绝缘膜和所述第2绝缘膜带电，在所述第1电极与所述第2电极之间产生电压，由所述发电体输出电力。
2.根据权利要求1所述的轮胎组装体，其中，
所述电子设备包含能够与外部的装置进行数据通信的通信装置。
3.根据权利要求1或2所述的轮胎组装体，其中，
所述电子设备包含检测与所述轮胎的状态相关的数据的检测装置。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的轮胎组装体，其中，
所述电子设备包含控制所述电子设备的微型控制器。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的轮胎组装体，其中，
该轮胎组装体还具有薄膜袋，该薄膜袋具有防湿性，并且在减压条件下封入有所述发电体。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的轮胎组装体，其中，
该轮胎组装体还具有蓄电池，该蓄电池蓄积由所述发电体输出的电力，
所述电子设备接受蓄积在所述蓄电池中的电力的供给。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的轮胎组装体，其中，
该轮胎组装体还具有施重件，该施重件配置成：对所述发电体进行加压，使得所述第1绝缘膜与所述第2绝缘膜相对接近。
8.根据权利要求1至6中的任意一项所述的轮胎组装体，其中，
所述电子设备配置成：对所述发电体进行加压，使得所述第1绝缘膜与所述第2绝缘膜相对接近。
9.根据权利要求6所述的轮胎组装体，其中，
所述蓄电池配置成：对所述发电体进行加压，使得所述第1绝缘膜与所述第2绝缘膜相对接近。
10.一种轮胎的监控系统，所述轮胎的监控系统具有：
权利要求2所述的轮胎组装体；以及
外部控制装置，其能够与所述通信装置进行数据通信，
所述通信装置将由所述发电体输出的电压和电流、以及基于电压和电流中的至少一方的物理量中的至少一个输出数据发送到所述外部控制装置，
所述外部控制装置根据从所述通信装置接收到的输出数据，对与所述轮胎相关的信息进行监控。
11.根据权利要求10所述的轮胎的监控系统，其中，
与所述轮胎相关的信息包含与所述轮胎的旋转速度相关的信息、与所述轮胎的磨损相关的信息以及与安装有所述轮胎的车辆所行驶的道路的状态相关的信息中的至少一个信息。
12.根据权利要求10或11所述的轮胎的监控系统，其中，
所述外部控制装置搭载于包含所述轮胎组装体的车辆。
13.一种轮胎的监控方法，所述轮胎的监控方法包含如下步骤：
准备安装有权利要求1至9中的任意一项所述的轮胎组装体的车辆；
在所述车辆的行驶过程中收集由所述发电体输出的电压和电流、以及基于电压和电流中的至少一方的物理量中的至少一个输出数据；以及
根据收集到的所述输出数据，对与所述轮胎相关的信息进行监控。
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