JP2006329772A - 発電装置、及び発電装置を備えるタイヤ空気圧警報システム - Google Patents

Abstract

【課題】 定期的に交換が必要な部品を用いることなくタイヤ空気圧監視装置を駆動可能で、タイヤ空気圧監視装置で使用するセンサの種類や測定間隔等についての制限を少なくすることが可能な発電装置を提供する。
【解決手段】 空気室５を内部に形成する外壁２と、外壁２に設けられ、一方の面が空気室５に、他方の面が外部空間に面する発電板３とを有し、外部空間の空気圧変動によって、空気室５と外部空間とに空気圧の差が生じることにより、発電板３に形状変化を生じさせて発電を行うように発電装置１を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電装置に関するものであり、詳しくは、発電板を用いた発電装置、及びその発電装置を備えるタイヤ空気圧警報システムに関するものである。

近年、自動車の安全性向上のため、走行中にタイヤの空気圧を監視し、必要に応じてドライバに警報を発するタイヤ空気圧警報システム（ＴＰＭＳ）の開発が盛んに進められている（特許文献１参照）。このようなＴＰＭＳでは、タイヤ内に、空気圧センサと、圧力センサにより検知されたタイヤ空気圧を、自動車本体に設けられたモニタ部本体へ無線で通信するための無線通信装置と、それらを制御するための制御装置と、制御装置等を駆動するための電力供給装置等を供えるタイヤ空気圧監視装置が設けられる。特に、電力供給装置は、タイヤの取り外しを行うことなく長期間にわたってタイヤ空気圧監視装置に電力を供給する必要性から、短期間で交換が必要な部品なく作動することが求められ、またタイヤ内に設置するため小型であることが求められる。

このような要求に対して、上述した特許文献１に記載されたタイヤ空気圧警報システムのように、パッシブ型トランスポンダを用いた電力供給装置が開発されている。パッシブ型のトランスポンダを用いた電力供給装置では、タイヤ内に電池やバッテリを設ける必要がない点で有利であるが、受信可能なエネルギーが小さいこともあって、駆動可能な空気圧センサや無線通信装置の構成が限定され、またトランスポンダと給電アンテナの距離が遠いと給電ができないため、給電アンテナの設置場所が限定される等の問題点が有る。

一方、ＴＰＭＳに使用可能な電力供給装置として、圧電素子を使用し、タイヤ内の空気圧変動によって圧電素子を振動させて発電する発電装置が開発されている（特許文献２参照）。この特許文献２に記載された発電装置を電力供給装置として用いると、タイヤ内で発電を行うため、特許文献１に記載された電力供給装置同様、電池等の交換が必要な部品を設けなくて済むという利点がある。しかし、特許文献２に記載された発電装置では、圧電素子の撓みを大きくすることが困難なため、発電量が十分でなく、タイヤ空気圧監視装置を駆動するために必要な電力を充電するのに長時間を要する。そのため、空気圧の測定間隔等に制限を設ける必要があった。

そこで、短時間でタイヤ空気圧監視装置を駆動するために必要な電力を供給することが可能であり、且つタイヤ空気圧監視装置を小型化可能な電力供給装置の開発が求められている。

特開平１０−１９７１０号公報 特開２００３−１５４８２６号公報

上記の問題点に鑑み、本発明は、乾電池等の一次電池のような定期的に交換が必要な電源を用いることなく、タイヤ空気圧監視装置を駆動可能な電源に好適な発電装置を提供することを目的とする。

また、本発明の別の目的は、タイヤ内に設置可能で発電量が多く、タイヤ空気圧監視装置に使用するセンサの種類や測定間隔等の制限を少なくすることが可能な発電装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る発電装置は、空気室を内部に形成する外壁と、外壁に設けられ、一方の面が空気室に、他方の面が外部空間に面すると共に、外部空間の空気圧変動により、形状変化を生じて発電を行う発電板とを有することを特徴とする。このような構成とすることで、発電板の形状変化量を大きくし、発電量を従来よりも大きくすることが可能なためである。

また、外壁又は発電板は、空気室と外部空間との間で気体を流通させる圧力調整孔を有することが好ましい。定常状態において発電板が形状変化することを防止し、空気室外部の定常状態における空気圧に変動が生じても、一定の発電量を供給可能なためである。

さらに、本発明に係る発電装置は、発電板を複数有することが好ましい。より大きな起電力を得ることが可能なためである。

なお、発電板は圧電素子であることが好ましく、さらにバイモルフ型圧電素子であってもよい。

また、空気室は、略円筒形状であり、発電板は、その円筒形状の上部端面又は下部端面に設けられることが好ましい。

また、本発明に係るタイヤ空気圧警報システムは、上述した発電装置の何れかと、発電装置で発生する電力を蓄える蓄電装置とを有するタイヤの空気圧を測定するタイヤ空気圧監視装置と、タイヤ空気圧監視装置から、測定された空気圧信号を無線で受信し、ドライバにタイヤの空気圧情報を知らせる中央制御装置と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、乾電池等の一次電池のような定期的に交換が必要な電源を用いることなく、タイヤ空気圧監視装置を駆動可能な電源に好適な発電装置を得ることができる。

また本発明によれば、タイヤ内に設置可能であり、発電量が多く、タイヤ空気圧監視装置の電源として使用する場合には、センサの種類や測定間隔等の制限を少なくすることが可能となる。

また本発明によれば、設置の自由度が高く、且つ後から取り付け可能なタイヤ空気圧警報システムとすることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明について詳細に説明する。

本発明に係る発電装置は、タイヤ空気圧警報システム（ＴＰＭＳ）に組み込まれた場合に、各タイヤ内に設置するタイヤ空気圧監視装置に電力を供給する役割を担うものであり、自動車の走行時におけるタイヤ内の空気圧変動を利用して発電を行うものである。

図１（ａ）は、本発明に係る発電装置の第１の具体例である発電装置１の概略平面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）中のＡＡ’で示した線を矢印の方向から見た発電装置１の概略断面図を示す。

図１に示すように、第１の具体例の発電装置１は、直径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円筒形に形成され、円筒の側面及び上面を形成し、底面の開いた金属製の外壁２と、その円筒の底面部に配置され、外壁２と接着された平板状の圧電素子である発電板３から構成されている。また、外壁２と発電板３で囲まれた内部には密閉された空気室５が形成され、空気室５は、外壁２の上面の中央部に設けられた直径１ｍｍの圧力調整孔４でのみ、外部空間とつながっている。

ただし圧力調整孔４のサイズは上記のものに限られるわけではなく、瞬時に生じたタイヤ内空気圧の変動による空気室５と外部空間との空気圧差を損ねることなく、一方定常状態において空気室５と発電装置１の外部の空気圧が等しくなるように空気室５と外部空間とで空気の流通が可能なものであればよい。同様に、圧力調整孔４の数は、１個に限られず、複数個存在してもよい。

また、発電板３の端部には、一対の起電力出力端子６−１及び６−２が設けられ、この起電力出力端子から発電板３で生じた起電力が取り出される。

上述したように、発電装置１はタイヤ内部の空気圧変動を利用して発電を行うため、発電装置１は、タイヤ内の例えばホイールや、バルブ部分に取り付けられる。ただし、発電板３が自由に撓めるように、外壁２の一部でホイールやバルブに固定するとよい。そのため、外壁２には、固定用治具（図示せず）が設けられる。

以下に、発電装置１を自動車のタイヤ内に取り付けた場合における動作を説明する。

まず、自動車が停止している状態では、発電装置１内部の空気室５の空気圧は、発電装置１の外部空間と同じ空気圧となっている。この状態では、発電板３は撓みの無い平板形状のままである。

そこで、自動車が走行を開始すると、地面の凹凸等により、タイヤの形状が変化する。このタイヤ形状の変化によって、タイヤ内に空気圧変動が生ずる。タイヤが圧迫されてタイヤ内の空気圧が上昇する場合には、瞬間的に、発電装置１の空気室５の内部よりも、空気室５の外部空間の空気圧の方が高くなる。そのため、発電板３は発電装置１の空気室５側へ凹む様に撓み、発電板３に起電力が生ずる。

また、タイヤへの圧迫が減少し、タイヤ内の空気圧が上昇した状態から通常の状態に戻ってタイヤ内の空気圧が減少する場合等、瞬間的に発電装置１の空気室５内部の空気圧の方が、空気室５の外部空間の空気圧よりも高くなる。そのため、発電板３は空気室５の外側へ膨らむように撓み、発電板３に逆位相の起電力が生ずる。それぞれ生じた起電力は起電力出力端子６−１及び６−２から取り出される。

空気室５の空気圧は圧力調整孔４を通じて調整され、自動車が停車する等してタイヤ内の空気圧が一定となれば、空気室５の空気圧もタイヤ内空気圧と等しくなる。このように、圧力調整孔４を設けることにより、タイヤ内の空気圧が安定した状態で発電装置１の内外の空気圧の差をなくすことが可能であり、長期間の走行に伴うタイヤ内空気圧の低下や空気圧調整によるタイヤ内空気圧の上昇が生じても、発電板３の定常的変形を防ぐことができるため、安定した発電を行うことができる。

また、発電板３として、バイモルフ型の圧電素子を使用することもできる。バイモルフ型の圧電素子を使用した場合、発電板３の撓みによって各層の圧電素子が、それぞれ極性が反対の起電力を生ずるため、より大きく、且つ安定的に起電力を発生させることが可能である。

また、外壁２は、ステンレス、アルミニウム、鉄、銅、チタン等の金属で構成することが可能であるが、これらに限られるものではなく、硬質プラスチック等の樹脂材料、硬質ゴム、セラミック等、発電装置１の形状をほぼ一定に保ち、且つ発電板３よりも剛性が高く、タイヤ内空気圧の変動で形状が変化しないものであればよい。

図２に、本発明に係る発電装置の第２の具体例を示す。第１の具体例による発電装置１では、装置本体の外壁２を円筒形状としたが、第２の具体例による発電装置１０では、装置本体の外壁を半球形状とした。

図２（ａ）は、本発明に係る発電装置の第２の具体例である発電装置１０の概略平面図を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＢＢ’で示した線を矢印の方向から見た概略断面図を示す。

第２の具体例に係る発電装置１０は、直径２０ｍｍの半球状の金属製の外壁１２と平板状の圧電素子である発電板１３で構成され、内部には空気室１５を形成する。また外壁１２には、圧力調整孔１４が設けられる。また、発電板１３の端部には、一対の起電力出力端子１６−１及び１６−２が設けられ、この起電力出力端子１６−１及び１６−２から発電板１３で生じた起電力が取り出される。

発電装置１０も、第１の具体例による発電装置１の場合と同様に、タイヤ内の空気圧変動による発電装置１０内部と外部空間に生ずる空気圧差で発電板１３を撓ませ、発電を行うものである。

なお、外壁１２は、第１の具体例による発電装置１の外壁２と同様の材質を使用することができる。また発電板１３には、バイモルフ型の圧電素子を用いることができる。

図３に、本発明に係る発電装置の第３の具体例を示す。第１の具体例による発電装置１では１枚の圧電素子が使用されたが、第３の具体例による発電装置２０は、２枚の圧電素子で構成されるようにした。

図３は、本発明に係る発電装置の第３の具体例である発電装置２０の概略断面図を示す。

第３の具体例に係る発電装置２０は、全体として、例えば、直径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの略円筒形状に形成され、金属製の円筒外壁２２と、その円筒外壁２２の上側開口面及び下側開口面にそれぞれ配置された平板状の発電板２３及び２４とで構成され、円筒外壁２２、発電板２３及び２４で内部に空気室２６を形成するものである。また、円筒外壁２２には、上述した第１及び第２の具体例による発電装置１及び１０と同様に、圧力調整孔２５が設けられる。さらに、発電板２３及び２４の端部には、それぞれ一対の起電力出力端子２７−１乃至２７−４が設けられ、この起電力出力端子２７−１と２７−２、２７−３と２７−４から、発電板２３及び２４で生じた起電力が取り出される。

本発明に係る発電装置の第３の具体例である発電装置２０も、上述した第１及び第２の具体例による発電装置１及び１０と同様に、タイヤ内の空気圧変動による発電装置２０の空気室２６と外部空間との間に生ずる空気圧差で発電板２３及び２４を撓ませ、発電を行うものである。しかし、発電装置２０では、２枚の発電板を用いているため、上述した第１及び第２の具体例による発電装置１及び１０と比較して、略２倍の起電力を得ることができる。さらに、圧電素子である発電板２３及び２４を、逆位相となるように外壁２２に接着すれば、双方の素子が交互に正の振幅及び負の振幅を有する起電力を生じるため、より安定した電力を得ることが可能となる。

なお、外壁２２は、上述した発電装置１及び１０の外壁２、１２と同様の材質を使用することができる。また発電板２３及び２４には、上述した発電装置１及び１０の発電板３、１３と同様に、バイモルフ型の圧電素子を用いることができる。

上述してきた発電装置を用いると、特許文献２に記載された空気室を設けない発電装置よりも数倍〜数十倍程度の起電力を生ずることができる。そのため、短時間でタイヤ空気圧監視装置を駆動するために必要な電力を得ることが可能である。さらに、比較的短時間で必要な電力を得られるため、タイヤ空気圧監視装置に設ける蓄電装置は小型のものを用いることが可能となり、タイヤ空気圧監視装置全体の大きさを小型化することができる。

以下に、本発明に係る発電装置を用いたタイヤ空気圧警報システム（ＴＰＭＳ）の具体例を示す。

図４に、本発明に係る発電装置を用いたタイヤ空気圧警報システム（ＴＰＭＳ）の概略構成図を示す。図４（ａ）には、タイヤ内に装着された送信側のシステムであるタイヤ空気圧監視装置の構成が、そして図４（ｂ）には、その受信側のシステムである中央制御装置の構成が、それぞれ示されている。

本発明に係る発電装置を用いたＴＰＭＳは、１０分毎、１時間毎又は走行距離１００ｋｍ毎等のように、予め設定されるか又はドライバ等によって設定された間隔で、自動車の各タイヤ内の空気圧や温度といったタイヤ空気圧情報を測定し、ドライバに知らせるものである。またＴＰＭＳは、自動車の各タイヤ内に設置され、タイヤ内空気圧やタイヤ内の温度を測定し、タイヤ空気圧情報を取得するタイヤ空気圧監視装置６０と、タイヤ空気圧監視装置６０から無線でタイヤ空気圧情報を受信し、ドライバにタイヤ空気圧情報を知らせる中央制御装置７０で構成される。

タイヤ空気圧監視装置６０は、発電装置６１、蓄電装置６２、センサ６３、無線通信装置６４、及び制御装置６５を備える。なお、センサ６３、無線通信装置６４、制御装置６５の何れも、蓄電装置６２を電源として動作するように構成されている。

タイヤ空気圧監視装置６０では、発電装置６１で生じた電力は、一旦蓄電装置６２で充電される。なお蓄電装置６２は、発電装置６１の起電力が比較的大きく、短時間で充電可能なため、小容量のキャパシタや鉛蓄電池等で構成される。そして、センサ６３は、周知の空気圧センサや温度センサで構成され、蓄電装置６２から電力供給を受けて機能し、また制御装置６５からの測定指令に基づいてタイヤ内の空気圧やタイヤ内の温度を測定する。さらにセンサ６３は、測定したこれらの情報をタイヤ空気圧情報として制御装置６５に送信する。無線通信装置６４は、例えば、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）のような省電力近距離無線通信規格に則った無線通信装置で構成される。また無線通信装置６４は、アンテナ６６を備え、制御装置６５から受信したタイヤ空気圧情報を中央制御装置７０へ無線通信によって送信する。さらに無線通信装置６４もまた蓄電装置６２から電力供給を受けて機能する。なお制御装置６５は、ＣＭＯＳ回路のような低消費電力の回路及び内蔵されたメモリに記憶されたプログラム等で構成され、そのプログラム若しくは中央制御装置７０から受信した情報収集指令に基づいてセンサ６３や無線通信装置６４の制御を行う。また、センサ６３から受信したタイヤ空気圧情報を一時的に記憶するキャッシュメモリを備える。

さらに、各タイヤ空気圧監視装置６０は、中央制御装置７０との通信を確実に行うために、無線通信装置６４のアンテナ６６がタイヤのバルブ部へ位置するか、そのバルブ部が無線通信装置６４のアンテナ６６を兼ねるように配置することが好ましい。

一方、中央制御装置７０は、各タイヤ空気圧監視装置６０と無線通信を行うための無線通信装置７１及びアンテナ７４と、ドライバにタイヤ空気圧情報や必要に応じて警告を行う表示装置７２と、無線通信装置７１、表示装置７２及び各タイヤ空気圧監視装置６０の制御を行う制御装置７３で構成される。

中央制御装置７０は、ドライバからの指示により、若しくは搭載されたプログラムに従って、無線通信装置７１及びアンテナ７４を通じて、各タイヤ空気圧監視装置６０へ情報収集指令を発信する。また、無線通信装置７１及びアンテナ７４を通じて各タイヤ空気圧監視装置６０からタイヤ空気圧情報を受信すると、その情報を表示装置７２でドライバに表示する。その際、制御装置７３は、タイヤ内の空気圧や温度が所定の許容範囲内に収まるか否かを判定し、それらの測定値が許容範囲を超えていると判定した場合には、表示装置７２において、許容範囲を超えた値の表示色を変えたり、点滅させる等によってドライバに警告を行う。

上述したＴＰＭＳでは、タイヤ空気圧監視装置６０に発電量の大きい発電装置を用いるため、比較的自由な測定間隔で各センサを動作させることができる。

なお、上述した第１乃至第３の具体例は本発明の実施形態を説明するためのものであり、本発明は上述した実施形態に限られるものではない。例えば、上述した発電装置の各具体例のサイズを変更し、発電装置を取り付ける位置や形状に合わせて、最適化することも可能である。またさらに、発電装置本体の形状も、上述した具体例に限られるものではない。例えば、メニスカス状に湾曲させた圧電素子による２枚の発電板同士を互いに周縁部で接着し、内部に空気室を形成するように構成してもよい。このような構成とすることで、装置本体としての外壁を準備する必要をなくすことができる。また別の構成例として、空気室を直方体とし、各壁面のうち、幾つかを圧電素子で構成することも可能である。

このように、本発明の範囲において、様々な構成を得ることが可能である。

（ａ）は本発明に係る発電装置の第１の具体例の概略平面図であり、（ｂ）は第１の具体例の概略断面図である。 （ａ）は本発明に係る発電装置の第２の具体例の概略平面図であり、（ｂ）は第２の具体例の概略断面図である。 本発明に係る発電装置の第３の具体例の概略断面図である。 本発明に係る発電装置を利用したタイヤ空気圧警報システムにおける、（ａ）はタイヤ空気圧監視装置の概略構成図、（ｂ）は中央制御装置の概略構成図である。

符号の説明

１、１０、２０ 発電装置
２、１２、２２ 外壁
３、１３、２３、２４ 発電板
４、１４、２５ 圧力調整孔
５、１５、２６ 空気室
６０ タイヤ空気圧監視装置
６１ 発電装置
６２ 蓄電装置
６３ センサ
６４、７１ 無線通信装置
６５、７３ 制御装置
６６、７４ アンテナ
７０ 中央制御装置
７２ 表示装置

Claims (8)

1. 空気室を内部に形成する外壁と、
   前記外壁に設けられ、一方の面が前記空気室に、他方の面が外部空間に面すると共に、前記外部空間の空気圧変動により形状変化を生じて発電を行う発電板と、
   を有することを特徴とする発電装置。
2. 前記外壁又は前記発電板は、前記空気室と前記外部空間との間で気体を流通させる圧力調整孔を有することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記発電板を複数有することを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
4. 前記発電板は圧電素子であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の発電装置。
5. 前記発電板はバイモルフ型圧電素子であることを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
6. 前記空気室は、略円筒形状であり、
   前記発電板は、該円筒形状の上部端面又は下部端面に設けられることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の発電装置。
7. 前記外部空間は、タイヤ内部であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の発電装置。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載された発電装置と、該発電装置で発生する電力を蓄える蓄電装置とを有するタイヤの空気圧を測定するタイヤ空気圧監視装置と、
   前記タイヤ空気圧監視装置から、測定された空気圧信号を無線で受信し、ドライバにタイヤの空気圧情報を知らせる中央制御装置とを有することを特徴とするタイヤ空気圧警報システム。

Images