JP2006069526A - 多段式蓄積装置を備えた圧電式電源からの電力変換 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡易で小型、低コストのタイヤ電子装置のための電力供給変換システムを提供する。
【解決手段】回転するタイヤ１６の機械的なエネルギーから電力を発生するためのシステム及び方法は、電力回収調整モジュール１４が付属する圧電式電力発生装置６０を有している。圧電構造体６０は、タイヤ構造体内に取り付けられ、ホイール組立体が地面上を走行するときに電荷が発生される。圧電構造体の電極に接続された電力回収調整モジュールは、圧電構造体からの電流を整流し、調整し、多段式蓄積装置、好ましくは複数のキャパシタ４５、５５に蓄積する。電力発生装置に蓄積されたエネルギーから調整された電圧源が実現され、タイヤ又はホイールの組立体内に一体化された様々な電子システムに選択的に電力を供給するために使用され、１例には、タイヤ圧力、タイヤ温度、識別変数のような情報を遠隔の受信器位置に無線送信するタイヤ監視システムがある。
【選択図】図５

Description

本発明は、一般的に言うならば、通常のタイヤ回転の機械的エネルギーを受ける圧電構造体によって発生されたエネルギーを、一体化されたタイヤ電子装置に電力を供給するに適した形に変換するシステム及び方法に関するものである。タイヤの撓みに伴う機械的な歪みを電荷に変換するために圧電技術が利用され、その電荷は、１つ以上のエネルギー蓄積装置において調整されて蓄積される。十分な量のエネルギーが蓄積されると、様々な物理的なタイヤパラメータを識別する構成要素や、タイヤ識別情報やその他のデータを送信できる無線（ＲＦ）送信装置を含む電子システムに電力を供給できる。

電子デバイスを空気タイヤ構造体中に組み込むことで多く実用的利点が得られる。タイヤ電子デバイスは、タイヤの各種物理的パラメータ、例えば温度、圧力、タイヤ回転数、車両速度、速度回転数（number of rotations at speed）、速度温度（temperature at speed）、その他の物理的及び動作上のパラメータや、製造情報、例えば、製造者名、製造地、製造日などに係る情報を得るために、センサその他の部品を含む場合もある。これら性能情報は、タイヤの監視・警報システムにおいて有用であり、さらに、適正タイヤ圧力レベルに調整するためのフィードバックシステムで使用することができる可能性がある。例えば、タイヤの直径は空気圧力で僅かに変化するので、同一車両でのタイヤ回転速度の差は、空気圧不足又は空気圧過剰を表している可能性がある。

下記の特許文献１には、タイヤの偏倚、タイヤ速度、タイヤ回転数等の情報を測定できるタイヤ監視システムおよび方法が開示されている。
米国特許第5,749,984号明細書（Frey他）

下記の特許文献２には、タイヤ異常警報システムに係る別のタイヤ電子システムの例が記載されている。
米国特許第4,510,484号明細書（Snyder）

下記の特許文献３も、タイヤ電子装置に係るものであり、更に具体的には、自動車およびトラックのタイヤに関連して用いる回転計を開示している。
米国特許第4,862,486号明細書（Wing他）

タイヤ構造体と一体化された電子システムによって得られる更に他の可能性は、商業車両分野において財産追跡および性能評価ができる点にある。商業用トラック、航空機および土木車両／採鉱車両は全て、タイヤ電子システムとそれに関連する情報送信の利点が利用できる発展可能性のある工業分野である。車両の各タイヤの走行距離をタイヤセンサによって測定することができ、上記した商業システムのメンテナンス計画の助けとなる。採鉱装置等のコストのかかる用途では車両の配置および性能を最適化させることができる。車両群全体を無線タグ送信を利用して追跡することができる。この例は下記の特許文献４に開示されている。
米国特許第5,457,447号明細書（Ghaem他）

従来、一体化されたこの種のタイヤ電子システムには、各種の技術および様々な電力発生システムから電力が供給されてきた。タイヤの運動からエネルギーを発生させる機械機構の例が下記文献に開示されている。
米国特許第4,061,200号明細書（Thompson） 米国特許第3,760,350号明細書（Thomas）

しかし、上記文献に記載のシステムは、複雑で大きく、現代のタイヤ電子応用装置に組み入れるには適していない。タイヤ電子システムに電力を供給する他の選択肢が、上記した特許文献２に開示されている。特許文献２は、タイヤの半径方向中心線を中心とした対称な圧電リード電源に係る。

タイヤ電子システムへ電力を供給する他の典型的な解決策は、再充電不可能な電池を使用するものである。しかし、この方法は、適正な電子システム動作は定期的な電池交換にかかっているので、タイヤの使用者にとっては本質的には不便なものである。また、従来の電池は、電池を多量に使用する場合には特に廃棄の問題が生じる、環境問題に不都合な重金属を含んでいることが多い。さらに、複雑な機能レベルの電子応用装置へ電力を供給する場合には、電池は蓄積したエネルギーを急速に消耗する。電池の蓄積エネルギーの消耗は、例えばトラックホイール位置からトラック車内の受信器までのような比較的遠い距離を情報送信する電子システムでみられる。ホイール位置から上記位置よりも近い受信器位置へ送信する電子システムに電池を使用した場合には、情報は一般に有線送信媒体を介して無線受信器位置から車内へ中継されるため、多くの場合、しばしば高価となる追加の通信配線を車両内に設置する必要がある。

タイヤ監視システムのための電力を得るため他の公知方法としては、タイヤとそれに一体化された電子機構に近接したインタロゲイションアンテナを用いて無線ビームパワーを捕える方法がある。アンテナから放射されるエネルギーを捕捉して電子装置に電力を供給するため、しばしば、電子装置は数マイクロワットの範囲内に制限された極めて特殊な超低電力電子装置にしなければならない。一般に、ビームで電力供給される電子装置と一緒に用いるインテロゲイションアンテナは、送信範囲が制限されているため、各ホイールのかなり近くに（約2フィート以内）配置しなければならない。従って、一般に、車両一台に多数のインテロゲイションアンテナが必要になり、設備費用が増大する。また、各アンテナは道路の障害物によって損傷し易く、そのため、多くの理由から、この方法は、或る種のタイヤ電子応用装置に電力を供給する最も望ましい方法ではない可能性がある。

本発明の対象では、圧電材料の或る利点は従来認識されていた。しかし、圧電技術は絶えず改良され続け、改良された動作能力を有する圧電材料を利用する可能性がある。圧電技術の比較的最近の発展の例が、構造制御のための複合物に係る下記の特許文献に開示されている。
米国特許第5,869,189号明細書（Hagood, IV 他） 米国特許第6,048,622号明細書（Hagood, IV 他）

本発明は、圧電技術を更に発展させて、圧電式電力発生装置を電力変換装置と組合せて、エネルギー回収のためにタイヤ又はホイールの組立体と一体化できるようにするものである。

上記した全米国特許文献の開示内容の全てを、ここに引用することにより本明細書に組み込んで、本明細書の一部を成すものである。各種のタイヤ電子システムと電力発生変換システムとが既に開発されているが、以下に開示する本発明による所望特性を全て含んだ構成は出現していない。

従来技術における上述した問題に鑑みて、本発明は、タイヤ構造体内に一体化された電子システムへ電力供給するための改良されたシステムおよび方法を提供するものである。タイヤの撓みに伴う機械的歪みを電荷に変換するために圧電技術を用い、得られた電荷を１つ以上のエネルギー蓄積装置に回収し、調整し、蓄積する。十分に蓄積された蓄積エネルギーにより、様々な物理的なタイヤパラメータを識別するための構成要素と無線（ＲＦ）送信装置とを含む電子システムへ電力が供給される。

本発明の具体的特徴によれば、本発明の１つの特徴は、自己電力発生式の電子装置が一体化された空気タイヤを提供することである。その電子装置は、一体化された圧電構造体から得られたエネルギーから自己電力供給され、また、様々な電子応用装置に対応させることができる。典型的な電子応用装置の１つには、圧力及び温度等の１つ以上の選択したタイヤ状態に関する情報並びにタイヤ回転数または一般的なタイヤ識別変数等の他の情報を測定および送信するように構成されたタイヤ監視システムがある。本発明のもう１つの特徴は、そのような電子装置に電力を供給するためにエネルギーを発生する方法である。

本発明のタイヤ電子システムおよび特別の電力発生装置の各種機構および特徴には多くの利点がある。本発明は、電池交換に依存しない自己電力供給式のタイヤ電子システムを提供する。電池および電池動作式装置を本発明の特徴と一緒に用いることはできるが、本発明を用いることによって、電池によって電力供給されるだけのタイヤ電子装置の場合の多くの複雑な問題は解消する。

本発明の別の利点は、従来のタイヤ監視システムよりも必要な信号用ハードウェアの量を削減するタイヤ監視システムが提供されることにある。自己電力供給式のタイヤ監視システムを用いることによって、追加のハードウェア接続線を伴う捕捉アンテナや複数の受信器の配置が不要になる。本発明のタイヤ監視システムの構成要素は、車両の個々のタイヤ構造体中に一体化することができ、単一の受信器（一般には車内に配置される）によって各タイヤに組み込まれた電子装置から送信された情報を受信することができる。

本発明のさらに別の利点は、タイヤおよびホイール組立体構造内で使用可能な電子設備の形式および量に関する制約が少ない点にある。本発明の圧電技術以外の従来法で電力供給されるタイヤ電子装置は、超低電力装置にしばしば制限される。本発明による装置はこうした極端な電力制限を必ずしも受けない。この利点によって、更に多くの部品および／または更に高いレベルの設備を使用できる可能性があるので、タイヤ電子装置の機能を容易に更に拡大することができる。

本発明のさらに別の利点は、電力を発生させて、得られた電力を利用するための本発明のシステムおよび方法を、種々の既存の応用装置に使用することができる点にある。測定能力、監視および警報システム、車両フィードバックシステムおよび資産追跡可能性は、商業用トラック群、飛行機および採鉱／土木設備等の分野において利用できる。

本発明の１つの典型的な実施例においては、自己電力供給式電子装置が一体化された空気タイヤ組立体は、タイヤ構造体と、アクティブ圧電構造体と、電力回収調整モジュールと、電子装置パッケージとを具備している。更に好ましくは、タイヤ構造体は、地面と接触する外側トレッド部分を有するクラウン部分と、ホイールリムにタイヤを装着するビード部分と、各ビード部分とクラウン部分との間に延在する外側サイドウォール部分と、クラウン内側表面とサイドウォール内側表面に沿ったインナーライナーとを有している。電力回収調整モジュールは、圧電構造体に電気的に接続されて、圧電構造体内で発生された電荷を受けて、調整された電圧出力を発生する。この調整された電圧出力により、電子装置パッケージの内の選択された構成要素に電力を供給する。圧電構造体と付属の電力回収調整モジュールは、タイヤのクラウン内側表面に貼り付けることもでき、又は、圧電構造体はタイヤ構造体内に直接埋込むこともできる。

本発明のもう１つの典型的な実施例は、１つ以上の予め選択したタイヤ状態に係る情報を測定して送信するように構成された、空気タイヤ構造体と一体化されているタイヤ監視システムに関するものである。更に具体的に、このタイヤ監視システムは、アクティブ圧電構造体と、電力回収調整モジュールと、複数のセンサと、マイクロコントローラと、無線送信器とを具備することができる。圧電構造体は、エポキシマトリクス内に埋込むことができ、少なくとも２つの電極を設けることができる。かかる組立体は、空気タイヤ構造体の内部に貼り付けるか、又はタイヤ構造体内に埋込んで硬化されることが好ましい。電力回収調整モジュールは、選択した電極に電気的に接続されて、圧電構造体内で発生された電流を受けて、その電流を、調整された電圧出力として供給されるまで、エネルギー蓄積装置に蓄積する。その調整された電圧出力によって複数のセンサに電力が供給され、複数のセンサは、予め選択したタイヤ状態に係る情報を測定する。無線送信器がマイクロコントローラに電気的に接続されて、マイクロコントローラからの情報を受けて、その情報でキャリア信号を変調して、遠隔の受信器位置へ送信する。

本発明の更に別の実施例は、タイヤ及びホイール組立体内に一体化された圧電材料から電力を発生して回収して調整する方法である。この方法の第１の工程は、タイヤ及びホイール組立体の選択した内部の場所にアクティブ圧電構造体を組み込むことである。この方法の次の工程は、タイヤ及びホイール組立体が地面上を回転してその結果タイヤ及びホイール組立体の一部が撓むときに普通に発生する機械的な歪みをタイヤ及びホイール組立体に生じさせ、圧電構造体内に電流を発生させることである。その発生された電流は、１つ以上のエネルギー蓄積装置に回収され調整され蓄積され、タイヤ及びホイール組立体に付属する電子装置に電力を供給するために、調整された電圧源が利用可能になる。

本発明の更に別の実施例は、多段式の蓄積方法を用いて圧電材料から電力を回収調整するための方法および装置である。本発明のこの特徴によれば、圧電材料から発生した電荷エネルギーを分散した蓄積要素に蓄積することができ、低電圧エネルギーを早くから利用可能にし、更に、高電圧エネルギーをほんの僅かな遅れで利用可能にする。

本発明のその他の特徴及び効果は、以下の詳細な説明において述べると共に、以下の詳細な説明から当業者には明らかになる筈である。更に、以下に詳細に図示し説明し参照し検討する本発明の特徴や工程に対する変更や修正は、本発明の技術思想の範囲から離れることなく、本発明の様々な実施例や使用方法において実現可能であることも理解される筈である。変更や修正には、限定するものではないが、図示し説明し参照し検討した様々な要素、特徴、工程などの均等手段への置換並びに図示し説明し参照し検討した様々な要素、特徴、工程などの機能上、動作上、位置上の逆転も含まれる。

更に、本発明の様々な実施例や様々な現在好ましい実施例は、ここに開示する特徴や工程や要素やそれらの均等物の様々な組合せや配置（図面に明確に示されていない又は図面を参照しての詳細な説明に記載さていない特徴や部品や工程や配置の組合せも含む）を含むものである。本明細書の「課題を解決するための手段」において必ずしも説明していない本発明の他の実施例は、本明細書の「課題を解決するための手段」において言及した特徴や部品や工程、及び／又は本明細書において別に検討している他の特徴や部品や工程の性質の様々の組合せも含むこともできる。本明細書の他の部分を検討することにより、当業者は、上記した実施例及びほかの特徴を更に良く理解できるであろう。

添付図面を参照した本明細書において、当業者に向けた最良態様を含めて本発明を十分且つ実施可能に説明する。
本発明の同一又は同様な特徴又は要素を指示するために、本明細書全体及び全添付図面において同一の参照番号を使用する。

本明細書の「課題を解決するための手段」において述べたように、本発明は、タイヤ構造体内に取り付けられる又は一体化される電子システムに電力供給するための改良システム及び方法に特に係るものである。電力発生装置は、圧電技術を利用して、タイヤの撓みに伴う機械的歪みを電流に変換し、この電流は１つ以上のエネルギー蓄積装置において調整され蓄積される。エネルギーが十分に蓄積されると、電子システムへ電力供給される。その電子システムの例には、各種の物理的タイヤパラメータを識別するための構成要素および無線（ＲＦ）送信装置が含まれる。

本発明による電力発生装置は、２つの代表的な構成要素、すなわち圧電式電力発生構造体と電力回収調整モジュールとを具備している。既知の典型的な圧電構造体の特徴は、本件出願の出願人に譲渡されており、ここに引用して本明細書に組込む下記の特許文献９の図２を参照して説明する。
米国特許出願第10／143535号

この特許文献９には、典型的な電力調整モジュールが（特許文献９の図３に図示されて）開示されており、その電力調整モジュールは、本件出願の図７に示す既知の電力発生調整回路に類似している。以下の実施例は単なる例示に過ぎず、タイヤの撓みによる歪みを変換できるどのような圧電構造体も使用できることは理解されたい。

図７を参照するならば、既知のコンバータ回路が図示されており、圧電素子６０が設けられ、全波ブリッジ整流器に接続されて、圧電素子６０の撓みでバス７０と８０との間に直流（ＤＣ）電圧を出力する。圧電素子６０がタイヤの動きすなわち回転から生じる機械的な撓みを受けるような適切な態様でタイヤ構造体内に圧電素子６０を貼り付け又は埋込むことができる。圧電素子６０の機械的な撓みにより、比較的高電圧で低電流を生成してキャパシタ４０を充電し、そのキャパシタ４０は、比較的大きな容量の高定格電圧の装置である。圧電素子６０の機械的な撓みが続く間、キャパシタ４０は、ツエナダイオード１２０が導通するまで電荷を蓄積し続け、ツエナダイオード１２０が導通すると、パルス幅変調式閉ループバックコンパータ１００がオンして、キャパシタ４０内に蓄積された高電圧低電流エネルギーの一部を取り出して、そのエネルギーを低電圧高電流に変換して蓄積キャパシタ５０を充電して、その変換されたエネルギーを外部装置に供給する。キャパシタ５０は、比較的小さい容量の低定格電圧の装置とすることができる。キャパシタ４０の両端間の入力電圧が所定のレベルの到達すると、蓄積された高電圧低電流エネルギーから低電圧高電流エネルギーへの変換が自動的に行われるので、上記した型式の動作は、「一括変換（バルク変換：bulk conversion）」システムと称することができる。

容易に分かるであろうが、このような「一括変換」システムでは、エネルギーが要求されるときにエネルギー供給に遅延が生じることに伴うエネルギー供給上の問題が生じる可能性がある。例えば、タイヤが実際に回転しているすなわちエネルギーが要求されているときに撓みの機械的エネルギーを圧電素子６０に少なくとも与えていると仮定すると、要求時から、コンバータが外部装置による使用に適した形にエネルギーを実際に変換できるまでの遅延が避けれない場合もあろう。その場合、タイヤが機械的エネルギーを圧電素子に現実に与えていない可能性か、又は外部装置に使用させるために変換すべきエネルギーがキャパシタ４０に殆ど又は全くない期間の間、機械的エネルギーをタイヤが圧電素子の与えなかった可能性がある。このような事態により、変換可能な蓄積エネルギーの不足による変換の遅れだけでなく、タイヤが実際に再び動き始めるまでに更に遅延が生じるであろう。

本発明は、既知の電力発生回収調整装置での上記した欠陥に応じてなされたものである。図１を参照するならば、本発明がブロック図の形で図示されており、タイヤのような取付対象に取り付けられた圧電ストリップによって発生された電力を回収して調整する新規な技術の基本構成が図示されている。ここで、本説明を車両及びタイヤの環境に主に適用して説明するが、本発明は、機械歪みを圧電ストリップに加えて電力を発生させ、その電力を回収して調整して、電子装置に動作電力を供給するどのような装置にも本発明が適用できることは理解されたい。例えば、本発明は、地球物理学センサに適用でき、対象装置を輸送する行為と、弱い地震のような振動誘起事象から生じた実際の振動とが、センサを動作させるための電力を発生させるように利用可能な振動を生成する。他の応用例には、本発明を使用して自己電力供給式センサを構成して、殆どの種類の機械の動作に係る振動や他の状態を検出するように使用することもできる。

図１を詳細に参照するならば、本発明は、タイヤ構造体上に又はタイヤ構造体内に装着できる圧電素子６０を使用する。その圧電素子６０は、キャパシタ４０を充電する図７の既知の装置に図解した圧電素子６０と実質的に同一の構成の整流器構成でキャパシタ４５を充電するように構成されている。しかし、本発明では、キャパシタ４５は、比較的大きな容量の高定格電圧のキャパシタ４０と異なり、比較的小さい容量の高定格電圧のキャパシタとすることができる。電圧検出器／制御器１１０が、キャパシタ４５に接続されて、キャパシタ４５の両端間の電圧を監視する。電圧が閾値レベルに到達すると、電圧検出器／制御器１１０は、制御信号を発生し、単一サイクルバックコンバータ２００を動作させる。単一変換サイクルの始まりで、キャパシタ４５からエネルギーの一部をキャパシタ５５に転送し、キャパシタ４５が、最適電力出力レベルに近いままの電圧範囲内で動作できるようにする。本発明では、キャパシタ５５は、比較的大きな容量の低定格電圧の電解キャパシタ又はセラミックキャパシタ又はその他の形式のキャパシタとすることができ、それらキャパシタは単一サイクルバックコンバータの複数回の動作によって充電されたとき、本明細書に開示するエネルギー調整装置のための主エネルギー蓄積装置として機能する。

本発明による上記した全体的な動作は、前述した「一括変換」システムとは異なり、「小刻み変換」システムとも称することができる。本発明によるならば、電荷が蓄積されたとき、すなわち電荷が「利用可能」になり、圧電素子６０の撓みによって発生された電荷によってキャパシタ４５の両端間の閾値を越えたとき、変換サイクルが開始される。このような利用可能な高電圧の低電圧高電流への変換により、本発明のエネルギー調整装置から動作電力を受けるどのような負荷でも即座に動作させることができ、前述した既知のシステムに伴う遅延を解消できる。本発明の「小刻み変換」技術の更なる利点は、前述した既知のパルス幅変調式コンバータと比較して、コンバータが結果的に簡単になり、安価になり、物理的に小型化され、軽量化される。単一変換サイクルが開始される閾値は、特定な電圧値に固定することもでき、又は、タイヤ荷重を変えるような様々な動作条件下で最大電力出力を維持することが必要とされる場合のように可変とすることもできる。

電圧検出器／制御器１１０は様々な形態をとることができ、その様々な形態の内の２つの実施例を図３及び図４を参照して説明する。詳細に後述するように、図３及び図４に示す実施例は、簡単な制御構成例を示しているに過ぎず、以下で図２を参照してより一般的に述べるように、マイクロコントローラ又は同様な装置を使用して、コンバータの更に知的な制御を実現することもできる。

図２を参照すると、図１に示す変換システムの別の構成の概略図が示されている。この別の実施例では、圧電素子６０が図１の実施例と同様な形態で使用され、対象タイヤの動きと同時に圧電素子６０が撓むときに電荷を供給する。圧電素子６０によって発生された電荷は、全波ブリッジ整流器６２、任意に追加できる高電圧から低電圧への変換装置２００’、任意に追加できる分離ダイオード６４を通ってキャパシタ５５’へ、及び分離ダイオード６４’を通ってキャパシタ４５’へ転送される。任意に追加できるダイオード６４’は、以下で更に十分に説明するように、マイクロコントローラ１１０’のための動作電力の別の経路として使用できる。キャパシタ４５’は、図１のキャパシタ５５と同様にかなり大きな容量値のキャパシタ５５’に比較してかなり小さな容量値のキャパシタである点で図１のキャパシタ４５に類似している。高電圧から低電圧への変換装置２００’は、システム内で使用される種々の制御及び電力消費装置の動作電圧要件に応じて、設けても設けなくてもよい。すなわち、キャパシタ４５’および５５’用の動作電圧仕様は、任意に追加できる高電圧から低電圧への変換装置２００’の有無に依存して、図１のキャパシタ４５及び５５の動作電圧仕様とは異なるようにすることができる。

システムの種々の部品の動作電圧要求、及び、任意に追加できる高電圧から低電圧への変換装置２００’の有無にかかわらず、キャパシタ４５’は図１のキャパシタ４５と同様に、比較的小さい容量値を有するように選択され、マイクロコントローラ１１０’、又は、他の用途における他の任意の低電力要求装置の迅速なターンオンを可能にするためにキャパシタを急速充電できるようにする。このようにして、マイクロコントローラ１１０’は、比較的小さい電力を要求するこれらの作業、例えば、各種センサの読取り、回転のカウント等を即時に開始することができる。キャパシタ５５’は、その比較的大きな容量値のために充電がさらに遅く、また電子スイッチ６６を介するマイクロコントローラ１１０’の電圧調整制御下にある。充電が遅いキャパシタ５５’が充電すると、その両端の電圧を、「燃料計」のようにマイクロコントローラ１１０’によって接続ライン６９を介してモニターすることができる。接続ライン６９は以下で更に説明するように検知ライン並びに電力供給ラインとして使用できる。

キャパシタ５５’に蓄積された電荷の形態の「エネルギー源」が利用可能になると、マイクロコントローラ１１０’は、このような蓄積された電荷をより高電力消費装置５７、５８及び／又は他の高電力消費機能に選択的に供給するために電子スイッチ６７、６８を動作させることができる。電力消費装置５７、５８は追加のセンサ、無線式又は他のタイプの送信装置、メモリ記憶装置、又は、比較的高い動作電力を必要とする他の任意の装置のような要素を含むことができる。他の高電力消費機能は、通常低電力を必要とするマイクロコントローラによって果たされる高電力要求機能に対応させることができる。例えば、高電力が利用可能になるとき、集中的な計算又はオンボードメモリ要素へのデータの記憶を要求するマイクロコントローラによって実行される機能は、高い容量値のキャパシタ５５’から例えば接続ライン６９又は他のエネルギー供給専用のラインを通して補助エネルギーをマイクロコントローラに供給することによって可能となる。さらに、車両がしばらく静止しているかのような長いアイドル期間中に低い容量値のキャパシタ４５’がその電荷を消耗したかもしれないときに、低電力要求マイクロコントローラのより長い時間動作を支えるために、補助エネルギーを供給することも可能である。このような補助エネルギーは接続ライン６９又は任意に追加できるダイオード６４’’を通して供給することができる。２つの電力消費装置が図示されているが、任意の数のこのような装置及び対応する直列接続されたマイクロコントローラで制御された電子スイッチ並びに通常は低電力要求装置の高電力要求機能を、これらを組合わせて適用できる具体的な用途による必要又は要求に応じて設けることができることは完全に理解すべきである。

本発明によるならば、タイヤ上に又はタイヤ内に取り付けられた電子装置が、動作エネルギーを必要とするとき、そのエネルギーは、より低いレベルでほぼすぐに利用可能である。その低電圧エネルギー蓄積装置は、限定するものではないが前述したキャパシタ４５、４５’５５及び５５’を含む複数の装置又は装置段とすることができる。例えば、エネルギー蓄積装置は、１つ以上のキャパシタ、スーパーキャパシタ、電池のような様々な型式の再充電装置とすることができ、タイヤが停止しているか又は非常に低速で回転しているときでも、電力供給されている電子装置がより長い間動作できるように急速電力供給／長期間電力供給可能なエネルギー蓄積装置を実現できる。更に、多段式蓄積装置を種々組合せることもできる。例えば、本発明を適用できる具体的な用途に応じて、小さい容量値の蓄積装置を使用することで迅速に利用可能な第１の電圧源と、その小さい容量値の蓄積装置からの制御された電荷の転送によって利用可能となる大きな電力を蓄積できる装置である第２の電圧源のような、複数の比較的高い電圧源を実現する第１の多段式蓄積装置を設けることができる。このような第１の多段式蓄積装置には第２、又は更に第３又はそれ以上の装置、必要に応じて更に高電圧から低電圧への変換装置を含むことができるような装置が追加され、２つ（又は３つ、又はそれ以上）のこのような多段式蓄積装置の間に複数の電圧レベル及び複数の電力供給能力を持たせることができる。

図３を参照するならば、本発明による電力回収調整装置の典型的な実施例が図示されている。その実施例は、ツエナダイオード１２０によって決定されるような固定閾値電圧と、標準的なバック調整器を制御する簡単な電圧検出器１３０と、キャパシタ５５として実現されている単一段の主エネルギー蓄積装置とを具備している。例えば、電圧検出器１３０は、Ｓ−８０８２５型２．５Ｖ出力電圧検出器とすることができる一方、ツエナダイオード１２０は、公称電圧３３Ｖの装置とすることができる。圧電素子６０から供給される平均電流は極めて小さいので、電圧検出器１３０の出力は本来単安定であり、弛張発振器として動作し、電圧閾値を越えるたびに単一出力パルスを発生する。ここで、タイヤの１回転は、丁度１変換サイクルにはならず、むしろ、１変換サイクルでキャパシタ４５からキャパシタ５５への転送されるエネルギー量が、タイヤ１回転で圧電素子６０から供給されるエネルギー量より小さい場合には、数変換サイクルとなる場合もあることを留意することが重要である。反対に、タイヤ１回転で圧電素子６０から供給されるエネルギー量が、１変換サイクルで転送されるエネルギー量より小さい場合には、平均すると、１回転当たり１変換サイクル未満になる場合もある。

トランジスタ３１０及び３２０並びにツエナダイオード３４０は、参照番号なして図示している抵抗と共に、ストローブ式低リーク分路調整器を構成している。当業者には明らかであるように、図示したストローブ式調整器の代わりに、他の既知の電圧調整器を使用することもできる。この電圧調整器は、本発明による電力調整回路から電力が供給される電子装置の使用に適した所定の電圧にコンバータの出力電圧を維持するために使用される。典型的な実施例では、電圧調整器は、キャパシタ５５の両端間の出力電圧を、約３．０Ｖから約５．０Ｖの範囲内の選択した値に維持することができる。当業者には明らかなように、トランジスタ２１０及び２２０、インダクタ２３０、ダイオード２４０並びに参照番号を付していない他の構成要素が、キャパシタ４５から出力キャパシタ５５へ電荷を転送する上記した標準的なバックコンバータを構成している。

図４を参照するならば、本発明による電力回収調整装置のもう１つの典型的な実施例が図示されている。図４に示す実施例は、図３に示す実施例と２つの点で異なる。第１に、図４に図示したような分路調整器が設けられていない。この除去は、調整器は設けられるべきではないとの意味に解すべきではなく、むしろ簡略化のために単に調整器が除去されているに過ぎない。第２に、ツエナダイオード１２０と電圧検出器１３０の位置が入れ替わっている。これらの変更に加えて、抵抗１４０及び１５０並びにツエナダイオード１６０が追加されて、電圧検出器／制御器のために過渡現象を抑制するように制御している。図４に図示する電力回収調整装置の実施例は、図３に示す実施例と実質的に同一の形態で動作する。すなわち、キャパシタ４５の両端間の電圧が、ツエナダイオード１２０と電圧検出器１３０との組合せによって決定されるレベルに達すると、電圧検出器の出力端子にパルスが発生され、トランジスタ２１０及び２２０、インダクタ２３０、ダイオード２４０並びに他の参照番号を付していない構成要素を具備している標準的なバックコンバータが、キャパシタ４５から電荷を出力キャパシタ５５に転送する。電力回収調整モジュールの出力は、タイヤ又はホイールの組立体内の電子システムに電力を供給するように使用することが好ましい。センサ、マイクロコントローラ及び無線送信器を具備するタイヤ電子システムの例を図６に示し、詳細に後述する。

タイヤ又はホイールの組立体内に一体化された電子システムのための電力を発生する本発明のシステムと方法の好ましい実施例を詳細に説明する。図面を参照するならば、図５は、本発明による自己電力供給式電子装置１２（図６に詳細に図示）が一体化された典型的な空気タイヤ組立体１０の概略横断面図を示している。ここに図示した典型的なタイヤ横断面は、普通の空気タイヤとして広く知られているのであり、本発明はそのようなタイヤに使用するものと限定されるものでなく、図示した横断面とは幾分異なる横断面を有する所謂ランフラットタイヤにも使用できることは特に理解されたい。

電力発生装置６０及び電力回収調整回路１２は、タイヤ構造体１６に付属する電子構成要素２８、２９、３０、３２、３４、３６、３８と共に設けられて、それら構成要素がタイヤ組立体１０内で自己電力供給されることが好ましい。図６に図示するように、電子構成要素２８及び２８は、温度センサ及び圧力センサとしてそれぞれ図示されており、構成要素３０、３２、３４は、センサＸ、Ｙ、Ｚとして図解しているが、任意の所望のセンサ素子でもよく、又は、温度及び圧力のデータがセンサ２８及び２９から送信される態様と同様な態様において、付属のタイヤに関係するデータがセンサからマイクロコントローラ３６及び無線送信器３８を介して外部受信装置（不図示）へ送信されるセンサと同様な態様で動作する情報蓄積装置でもよい。非限定的な例として、センサ３０、３２、３４は、追加的な物理的な環境応答装置、例えば、センサ２８及び２９とは離れて配置できる追加の温度又は圧力感知装置、車両速度センサ、タイヤ回転センサ、タイヤ偏倚センサ、又は他の物理的又は動作型式センサでもよく、さもなくば又は、製造者、製造日、製品情報、又はタイヤ又はタイヤセットに関連する他のデータに相当する情報を含む情報記憶装置でもよい。本発明によるならば、本明細書において具体的に開示した電子装置以外の電子装置を電力発生装置と組合せて使用することもできることは理解されたい。上記した特許文献１は、本発明と組合せて使用できるタイヤ監視システムの他の特徴も開示しており、改めてここに引用してその全内容を本明細書に組み入れる。タイヤ電子システムをＧＰＳシステムと組合せることにより、車両の正確な位置をピンポイントで示すこともできる。又は、圧電式電力発生回収調整装置は、ホイール組立体内の発光組立体又はフィードバックシステムに電力を供給するように使用することもできる。本発明によって電力供給できる電子応用例の数は、膨大であり、本発明を一切限定するものではない。

本発明の電力発生回収調整装置は、タイヤ組立体内において電力を供給する従来技術に比較して優れた沢山の効果を奏する。上述したアンテナビームパワー捕捉技術は、タイヤ電子装置へ電力を供給する上での制限された選択肢の１つでは最早なくなる。同様に、多くのタイプのタイヤ電子装置の機能上の可能性が全体として拡大する。電力発生に電池を使用する選択肢は最早必須ではなくなり、従って、コストのかかる厄介な電池交換は不要になる。本発明の技術を用いることで、アンテナビームパワーや電池を不要にできる電力発生装置を提供できるが、電力発生装置が、圧電技術および／または電池および／またはアンテナビーム捕捉法を混合して組み合わせることにより、ホイール組立体内の選択した種々の電子装置へ電力供給することもできるということは理解できよう。

図５に示すように、典型的なタイヤ構造体１６は、外側トレッド部１８を支持するクラウン１５と、ビード部２２まで延びたサイドウォール２０とを具備している。サイドウォール２０は断面線１７と１９との間に延在し、タイヤクラウン１５は２つの断面線１９の間に延在している。タイヤビード２２は、タイヤ構造体１６をホイール組立体のリムに効果的に装着できるように構成されている。クラウン内側表面２４とサイドウォール内側表面２６とを含むタイヤの内側表面は気密材料のインナーライナーで形成されている。カーカス２３は、サイドウォール部２０とクラウン１５とを通ってビード２２の間に延在し、タイヤ圧下でタイヤの形状を規定し、トラクションとステアリングのための力を伝達する。ベルトパッケージ２１はタイヤ構造体内部にクラウン１５に沿って設けられている。

図５の典型的なタイヤ組立体の実施例に図示するように、電力発生回収調整装置１４は、タイヤ構造体１６のクラウン内側表面２４上に取り付けることができる。この位置は一般に、外側トレッド部１８が地面に沿って移動してタイヤ構造体１６が撓んだ時に、電力発生回収調整装置１４内部の圧電素子を駆動するのに適した位置である。タイヤの撓みは、タイヤ組立体１０が地上を移動した時の全体的な機械的振動と組合され、電力発生装置１４内部の圧電構造体が電流を発生できるようにする。この電流は、タイヤ電子装置１２へ電力を供給するためのエネルギー蓄積装置で調整され、蓄積される。クラウン内側表面２４は電力発生装置１４を取り付けるための論理的位置であるが、電力発生回収調整装置１４を例えばサイドウォール内側表面２６のような位置に取り付けることもできるということは理解できよう。このように配置することによって特定の電子応用装置に十分な量の電力を発生できる一方、電力発生回収調整装置１４の内部の圧電素子に加わる歪みを小さくすることができる。さらに、電力発生回収調整装置１４をタイヤ構造体１６の内部に、例えばカーカス２３と表面２４および／または２６に沿って延びたインナーライナーとの間に、取り付け硬化することもできる。電力発生回収調整装置１４の様々な配置によれば、「一体化 (integrated)」という用語は、全ての可能な配置位置が含まれ、例えばタイヤ構造体上への取り付けまたはタイヤ構造体内部への取り付けが含まれる。

圧電素子の電力発生素子は、上述した特許出願に開示される様々な圧電材料から構成できる。上述した特許出願の内容は、ここに引用して本明細書に組込み、圧電素子の更に具体的な詳細については参照されたい。

以上、特定な実施例を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明では上記実施例を変更、変形し、均等物に置換できるということは当業者には理解できよう。従って、上記の開示は単なる例であって本発明がそれに限定されるものではなく、本発明は変更、変形および／または追加を除外するものではないということは当業者には理解できよう。

本発明による電力発生回収調整装置の１つの実施例のブロック図。 本発明の１つの特徴に二段式の電力回収装置を示す詳細な構成図。 本発明による電力発生回収調整装置の１つの実施例の概略構成図。 本発明による電力発生回収調整装置のもう１つの実施例の概略構成図。 本発明による自己電力供給式電子装置が一体化された典型的な空気タイヤ構造体の概略横断面図。 本発明による典型的なタイヤ電子システムのブロック図。 既知の電力回収調整装置の概略ブロック図。

符号の説明

１０ タイヤ組立体
１２ タイヤ電子装置
１４ 電力回収調整モジュール
１６ タイヤ構造体
４５、５５ キャパシタ
６０ 圧電素子

Claims (23)

1. 自己電力供給式電子装置が一体化されている空気タイヤ組立体であって、
   地面と接触する外側トレッド部分を有するクラウン部分と、ホイールリムにタイヤを装着するビード部分と、各ビード部分とクラウン部分との間に延在する外側サイドウォール部分と、クラウン内側表面と、サイドウォール内側表面とを有するタイヤ構造体と、
   前記タイヤ構造体の撓みで電気エネルギーを発生するように前記タイヤ構造体の選択した部分に一体化された圧電構造体と、
   前記圧電構造体に電気的に接続されて、前記タイヤ構造体の撓みで前記圧電構造体内で発生された電荷を受けて、調整された電圧出力を供給する電力回収調整モジュールと、
   前記電力回収調整モジュールに接続された電子装置パッケージであって、その内の選択された機能部分が、前記調整された電圧出力によって電力が供給される電子装置パッケージと
   を具備することを特徴とする空気タイヤ組立体。
2. 前記電力回収調整モジュールは、前記圧電構造体によって発生された前記電気エネルギーを整流する電圧整流器と、その整流された電気エネルギーを蓄積する少なくとも２つのエネルギー蓄積装置とを具備していることを特徴とする請求項１に記載の空気タイヤ組立体。
3. 前記電圧整流器は全波ブリッジ整流器であり、前記少なくとも２つのエネルギー蓄積装置はそれぞれキャパシタを具備することを特徴とする請求項２に記載の空気タイヤ組立体。
4. 前記少なくとも２つのエネルギー蓄積装置は前記電圧整流器から前記整流された電気エネルギーを受ける第１の蓄積装置と、第２の蓄積装置とを具備し、更に整流器から前記第２の蓄積装置へのエネルギーの転送を制御するコントローラを具備することを特徴とする請求項２に記載の空気タイヤ組立体。
5. コントローラがマイクロコントローラである請求項４に記載の空気タイヤ組立体。
6. 前記第１の蓄積装置と前記第２の蓄積装置とは共にキャパシタであり、前記第１の蓄積装置の容量値は、前記第２の蓄積装置の容量値より小さいことを特徴とする請求項４に記載の空気タイヤ組立体。
7. 第１の蓄積装置の動作電圧は、第２のエネルギー蓄積装置の動作電圧より高いことを特徴とする請求項４に記載の空気タイヤ組立体。
8. 空気タイヤ構造体と一体化されて、予め選択したタイヤ状態に係る情報を測定して送信するように構成されたタイヤ監視システムであって、
   圧電構造体と、
   前記圧電構造体に電気的に接続され、前記圧電構造体内で発生した電荷を受けて電力調整モジュール内に蓄積し、調整された電圧出力を独立して発生する電力回収調整モジュールと、
   少なくとも１つの予め選択したタイヤ状態に係る情報を測定するための少なくとも１つのセンサと、
   前記電力回収調整モジュールと前記少なくとも１つのセンサとに接続され、前記少なくとも１つのセンサからの情報を処理して、前記少なくとも１つの予め選択したタイヤ状態を表す選択した情報を発生するマイクロコントローラと、
   前記マイクロコントローラに電気的に接続され、前記マイクロコントローラから前記選択した情報を受けて、搬送波信号を前記選択した情報で変調して、前記選択した情報を送信する無線送信器と、
   を具備していることを特徴とするタイヤ監視システム。
9. 前記電力調整モジュールは、前記圧電構造体によって発生された前記電気エネルギーを整流する電圧整流器と、電気エネルギーを蓄積する複数のエネルギー蓄積装置と、電圧調整器とを具備していることを特徴とする請求項８に記載のタイヤ監視システム。
10. 前記電圧整流器は全波ブリッジ整流器であり、前記エネルギー蓄積装置は複数のキャパシタを含むことを特徴とする請求項９に記載のタイヤ監視システム。
11. 電圧調整器は出力電圧を約３Ｖから約５Ｖまでの選択されたレベルに維持することを特徴とする請求項１０に記載のタイヤ監視システム。
12. 複数のセンサが設けられ、その内の選択されたセンサは、空気タイヤ組立体内の温度及び圧力に係る情報を出力することを特徴とする請求項１０に記載のタイヤ監視システム。
13. 前記マイクロコントローラによって発生された前記選択した情報は、前記タイヤ構造体の温度及び圧力の選択されたもの、前記タイヤ構造体が受けているタイヤ回転数、及びタイヤ識別タグを表していることを特徴とする請求項８に記載のタイヤ監視システム。
14. ホイール組立体内に一体化された圧電材料から電力を発生する方法であって、
    圧電構造体を用意して、前記ホイール組立体内部の選択した場所に沿って配置し、
    前記ホイール組立体が地面に沿って回転してその結果前記ホイール組立体の一部が撓むときに普通に発生する機械的な歪みを前記ホイール組立体に生じさせて、前記圧電構造体内に電流を発生させ、
    前記圧電構造体内に発生した前記電流を調整し、
    その調整した電流を複数の蓄積装置に蓄積し、電圧源が、前記ホイール組立体に設けられた電子装置に電力を供給するために直に利用可能であるようにする
    ことを特徴とする、電力を発生する方法。
15. 前記調整工程は、前記圧電構造体内で発生された前記電流を整流することを含むことを特徴とする請求項１４に記載の電力を発生する方法。
16. 撓んだときに出力電圧を出力する出力端子を有する圧電素子と、
    出力と、前記圧電素子の前記出力端子に接続された入力とを有する整流器と、
    コントローラと、
    前記整流器の前記出力に接続された第１の蓄積素子と、
    前記コントローラによって前記整流器に選択的に接続される第２の蓄積素子と
    を具備しており、前記圧電素子は、撓んだとき、電荷を発生し、その電荷は前記第１の蓄積素子に蓄積され、前記第１の蓄積素子の電圧が閾値レベルに到達すると、一部が前記第２の蓄積素子に送られることを特徴とする電力発生モジュール。
17. 前記第１及び前記第２の蓄積素子はそれぞれキャパシタであることを特徴とする請求項１６に記載の電力発生モジュール。
18. 前記第１の蓄積素子のエネルギー蓄積容量は前記第２の蓄積素子のエネルギー蓄積容量より小さいことを特徴とする請求項１７に記載の電力発生モジュール。
19. 前記第１の蓄積素子と前記第２の蓄積素子との間に接続されたコンバータを更に具備していることを特徴とする請求項１６に記載の電力発生モジュール。
20. 前記コンバータはバックコンバータであることを特徴とする請求項１９に記載の電力発生モジュール。
21. 前記第１の蓄積素子の動作電圧は前記第２の蓄積素子の動作電圧より高いことを特徴とする請求項１８に記載の電力発生モジュール。
22. 前記コントローラは動作エネルギーを要求し、その動作エネルギーは最初前記第１の蓄積素子から供給されることを特徴とする請求項１８に記載の電力発生モジュール。
23. 前記コントローラのための補助動作エネルギーは前記第２の蓄積素子から供給されることを特徴とする請求項２２に記載の電力発生モジュール。

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