JP2006501461A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

空気入りタイヤの内側に取り付けるための遠隔測定ユニット（１００）が提供される。当該ユニット（１００）は、該ユニット（１００）に給電する圧電発電装置を有する。タイヤの回転の際にアクチュエータ（１３６）に作用する外力に応じて圧電素子（１１４）を撓ませるよう、圧電素子（１１４）と接触するように配置されたアクチュエータ（１３６）を有するハウジング（１１２）内に圧電素子（１１４）が支持される。タイヤの回転ごとに、圧電素子（１１４）の撓みにより電荷の周期パルスが発生する。この電荷は蓄電され、消費電力プロトコル下で用いられて、圧力および温度センサを作動させ、上記ユニット（１００）からのデータを送信するようにする。遠隔測定回路は、アクチュエータ（１３６）とともに移動するように取り付けられ、よって、圧電素子（１１４）に作用する作動体に寄与する。

Description

本発明は、空気入りタイヤの内側に取り付けるための発電装置に関する。本発明は、タイヤからのデータを送信する遠隔測定ユニットに給電するために、車両タイヤ監視装置に特に適している。

車両タイヤ内の圧力を測定するためにタイヤ監視装置を設けることが知られている。タイヤ監視装置は、タイヤの局部温度等、タイヤ環境内の他のパラメータも測定することができる。測定されたデータは、例えば無線電波リンクを介して、該データが電子的に処理される車室内に送信されてから、運転者に表示される。これにより、送信されたデータの受け取り側は、タイヤの状態の変化を監視して、例えば車両のタイヤ（複数可）に対する損傷を減らし、またはタイヤの故障を予測することができるようになる。このことは、タイヤ内の環境が最も悪く、タイヤに損傷を与える可能性、実際には、車両の乗員に損傷を与える可能性が最も大きい様な高速走行時に特に有利である。

大部分の既存のタイヤ監視装置は、電源としてバッテリを使用しており、バッテリはホイールまたはタイヤの上あるいはその内部に配置される。かかる構成には、例えばバッテリの寿命が制限される、およびタイヤ内に収容され得るバッテリのサイズまたは重量が制限されるといった、いくつかの望ましくない制限がある。このことはさらに、例えば重量の関係で、利用できる電源に制限がある場合、処理のために中継され得るデータ送信の数および周波数が妥協されるという点で、効果にさらに望ましくない影響を与える。

本発明の目的は、上記に示した不都合点を減らすかまたは実質的に取り除くことである。

本発明によれば、空気入りタイヤの内側に取り付けるための発電装置であって、圧電素子と、該圧電素子と接触するように構成された作動体と、該圧電素子と電気通信する制御回路とを備え、上記作動体は、使用時に該作動体に作用する外力に応じて圧電素子を撓ませて、電荷を発生させるように構成され、上記制御回路は、作動体の少なくとも一部をなすことを特徴とする、発電装置が提供される。

便宜上、発電装置は、圧電素子、作動体、および制御回路のためのハウジングを備え、該ハウジングは、空気入りタイヤ内に取り付けられるようになっている。

ハウジングの外表面は、車両タイヤの弧状内表面に結合するようになっているほぼ弧状の輪郭を有し得る。ハウジングの外表面は、車両タイヤの内部パターンと相補的に係合する外部輪郭を有し得る。

好適な一実施形態では、ハウジングは、タイヤの内壁に結合するようになっているフッティング上に着脱可能に取り付けられ、この取り付けはクリップによるものであってもよい。

フッティングは、好ましくは使用時にハウジングの周りの空気の移動を可能にする空気流路を有する。

好ましくは、作動体の作用下での圧電素子の最大撓みは、ハウジングの一部により制限される。

便宜上、ハウジングはベース壁を有し、圧電素子はその中心領域がベース壁から離隔した状態でハウジングに支持され、この場合、ベース壁は圧電素子の最大撓みを制限する役割を果たす。

好適な一実施形態では、圧電素子は、好ましくは半径Ｒを有する圧電セラミック円板の形態であり、Ｒよりも大きい半径を有する支持円板に取り付けられる。

好ましくは、作動体は、ハウジングに可動に取り付けられ、圧電素子と接触するようになっているアクチュエータを含む。アクチュエータは、圧電素子との接触のために設けられた突起（細長とすることができる）を有し得る。好適な一実施形態では、突起は、圧電素子の中央領域と接触し、円板と直径方向に接触するように構成され得る。

好適な一実施形態では、制御回路はアクチュエータ上に取り付けられる。さらなる実施形態では、ハウジングは、アクチュエータとともに移動するようになっているキャップを備え、制御回路はこのキャップ上に取り付けられる。

好ましくは、制御回路は、作動体に寄与もするポッティング剤内に封入される。

制御回路は、ハウジングに局所的な環境パラメータを監視するセンサ回路を有し得る。

発電装置は遠隔測定ユニットの一部を形成し得、制御回路はユニットに局所的な環境パラメータを監視するセンサ回路を有する。

制御回路は、発生した電力の消費を最小限にとどめるために低消費電力プロトコルを有することが好ましい。

本発明は、バッテリの必要性がない、回転中の空気入りタイヤの苛酷環境の内部からのデータを送信する遠隔測定装置に給電するのに適した発電装置を提供するという点で有利である。

次に、本発明を、例として添付の図面を参照して説明する。

図１〜図４を参照すると、タイヤ監視装置において用いるための発電装置／センサユニットが全体として１０で示されている。ユニット１０は、内部取り付け用に強化射出成形合成物として作られているとともに、空気入り車両タイヤの苛酷環境に耐えるようになっているハウジング１２を有する。ハウジング１０２は、合成成形物として作られるものと説明しているが、任意の適した材料を用いることができる。

ハウジング１２は、車両タイヤの対応する弧状内表面に結合する浅い凸状外部輪郭（図２においてＣで示す）を有するベースすなわちフッティング１６を有する。ベース１６は、図１に１８で示すチャンバを画定し、ベース内壁２０を有する。

ユニット１０は、半径Ｒを有する圧電セラミック円板１４の形態の圧電素子１１を有し、圧電セラミック円板１４は半径Ｒよりも大きい半径を有する真鍮支持円板１５の中心に取り付けられる。圧電素子１１は、ユニット１０内の回路を作動させる電力を発生させるよう、ハウジング１２内に取り付けられる。

ハウジング１２のベース１６は、真鍮円板１５の円周の一部を支持する２つの対向するくぼみ２２（そのうちの一方を図１に明確に見ることができる）を含む。ベース１６に支持されると、真鍮円板１５の中心部は、小距離だけベース壁２０から離隔する。くぼみ２
２に支持された真鍮円板１５の円周の一部に被さるカバー２６がベース１６の上に嵌まり、円板が２つの縁部４７に沿ってカバー２６およびくぼみ２２間に圧着されるようになっている。

カバー２６の中央開口２７内に延びる中央形成部３０を含むキャップ２８が、カバー２６の上に設けられる。

プリント回路基板（ＰＣＢ）３２がハウジング１２のキャップ２８上に取り付けられる。図５ａに示されるように、ＰＣＢ３２は、マイクロプロセッサ、無線周波数（ＲＦ）送信機、圧力および温度センサ回路（圧力および温度センサを含む。）、監視および制御回路を備え、これらはタイヤ監視装置の一部を形成する。ＰＣＢ３２はまた、圧電セラミック円板１４から出力された交流を直流出力に変換する整流器、必要とされるまで該整流器から出力された直流を蓄電する一連のコンデンサの形態のエネルギー蓄積素子、およびコンデンサから出力された電圧を調整するために設けられたＤＣ−ＤＣコントローラを備える。好適な実施形態は、極低漏洩型コンデンサを用いることで、発生した電荷のパーセンテージが可能な限り高く維持され、内部漏洩が最小限に保たれることを保証するようにする。

ＰＣＢ３２は、２つのワイヤ（図示せず）を介して圧電セラミック円板１４と電気通信し、ポッティング剤３４によりキャップ２８に固定可能に配置される。その結果、取り付け中又は移動中に、回転中の空気入りタイヤ内の苛酷環境からＰＣＢ３２を保護する。ポッティング剤３４は、任意の適したタイプとすることができるが、この実施形態では２液性エポキシ接着剤である。

一体形成されたフット３８およびステム４０からなるアクチュエータ３６が、圧電セラミック円板１４、カバー２６、およびキャップ２８間に配置される。ステム４０は、キャップ２８の中央形成部の中に延び、中央内孔４２を含む。図２において明確に見られるように、フット３８は、圧電セラミック素子と接触する、一体形成された細長の突起すなわちノーズ４４を含む。ノーズ４４は、図４（圧電セラミック素子１１上のノーズ４４の接触領域４５およびベース１６上の円板１５に対する支持領域４７を示す）に示すように、圧電セラミック素子１１の上に径方向に延びる。圧電セラミック素子１１は、ベース１６のくぼみ２２により一方の側に支持されるとともに、アクチュエータ３６のノーズ４４によりその向かい側で接触可能である単純支持梁として実質的に構成されることを理解されたい。

アクチュエータ３６は、キャップ２８に通されてステム４０の内孔４２にしっかりと嵌まるねじ４６により、キャップ２８に接続される。ベース１６は、ベース１６の隅に通されてカバー２６にしっかりと嵌まる４つのねじ４８によりカバー２６に接続される。

この構成は、より詳細に以下で説明するように、アクチュエータ３６の影響下で圧電素子１１が下方に撓む（図２に見られるように）ようになっている。しかしながら、圧電素子１１の最大撓みは、真鍮円板１５の下側およびベース内壁２０間の距離（図１〜図４の実施形態では０．４ｍｍに設定されている）によって制限される。したがって、素子１１は、過剰な撓みから保護される（保護されない場合、素子１１の構造および電荷発生能力を損なうおそれがある）。ハウジング１２内でのアクチュエータ３６の反対方向の動き、すなわち図２に見られるように上方へ圧電セラミック円板１４から垂直方向に離れる動きが、カバー２６の壁２７により制限される。図１〜図４の実施形態では、アクチュエータ３６のフット３８の上側およびカバー２６の壁２７間の最大距離は、発電装置１０が図２に示す静止位置にあるとき０．６ｍｍである。したがって、ハウジング１２内でのアクチュエータ３６の最大移動距離は図１〜図４の実施形態では１ｍｍである。このハウジング
１２内でのアクチュエータ３６の最大移動距離は、圧電セラミック円板１４を、撓みによる、および／または使用時の圧電セラミック円板１４の上面へのアクチュエータ３６の衝撃による損傷から保護するために所定の低値に設定される。アクチュエータの最大移動距離および圧電素子の撓みは、圧電素子の構造および電荷発生能力の完全性を保護するのに適したいずれもの距離に制限することができることを理解されたい。

上述したように、圧電セラミック円板１４と連結するＰＣＢ３２のコンポーネントと組み合わさった、圧電セラミック円板１４の構成は、ユニット１０の回路のために給電するよう、本発明の好適な一実施形態による発電装置の一部を形成する。

次に、例として発電装置の動作を説明するが、この発電装置では、ユニット１０が車両のホイールの空気入りタイヤに取り付けられ、ハウジング１２のベース１６の外表面がタイヤの内表面の対応する弧状輪郭に結合され、また、ユニット１０は、任意の適した既知の構造の圧電セラミック円板１４を有する。

円板１４の機械的励振が電圧を発生させることを理解されたい。この効果はほぼ線形である、すなわち、発生した電界は、加えられる機械的応力により直接変化し、方向依存型であり、圧縮応力および引張応力が逆極性の電圧を発生するようになっている。

キャップ２８、ＰＣＢ３２、ポッティング剤３４、およびアクチュエータ３６は、使用時に単一ユニット体として円板１４に作用する。即ち、キャップ、アクチュエータ、回路、およびポッティング剤は、複合作動体として作用する。ホイールが回転しているときに、遠心力がキャップ２８、ＰＣＢ３２、およびポッティング剤３４に作用し、この作用により、アクチュエータ３６が圧電素子１１の半径外方向に付勢される。アクチュエータ３６への遠心作用により、圧電素子１１は、ホイールが回転していないときの静止位置から中央領域４５にて通常０．２〜０．４ｍｍ撓む。圧電素子１１が単純支持梁として作用し、アクチュエータ３６のノーズ４４が、真鍮円板１５用の支持領域との間の中央位置４５にて円板１４と接触し、撓みは、真鍮円板１５の２つの支持領域４７間で円板１４および１５の均一な湾曲の形態をとる。

車両の移動の際、ユニット１０に隣接したタイヤの外部領域は、ホイールの回転ごとに１回、車両が移動する際に沿う表面と接触することが理解されよう。この接触により、ユニットに隣接したタイヤの領域が変形し、この変形が発電装置に伝わり、最終的にアクチュエータ３６により圧電素子１１が変形する形となる。このため、路面上をホイールが回転する際、圧電セラミック円板１４は機械的励振の変動を受け、各励振により、電位差が圧電セラミック円板１４によって発生することになる。このプロセスを、回転中のホイールを参照しながら、ユニット１０に隣接したタイヤの領域が路面と接触する方向に移動する位置をスタートとして、以下で説明する。

ホイールの回転に伴い、アクチュエータ３６が、上述したようにキャップ２８、ＰＣＢ３２、およびポッティング剤３４からの遠心作用下で圧電セラミック円板１４と接触する。そのため、圧電セラミック円板１４は、アクチュエータ３６により伝わる遠心力下でほぼ一定の撓みを被る。ホイールがさらに回転するにつれ、ユニット１０に隣接したタイヤの領域は路面に接触し、変形する。この変形により、路面との接触地点の領域においてタイヤに減速力が生じ、アクチュエータ３６が受ける遠心力がほぼ瞬時に実質的にゼロに急減する。遠心加速度のこのような変化により、アクチュエータ３６の作用下で圧電セラミック円板１４が受ける撓みが減り、第１の電荷パルスの電荷が生じ、この第１の電荷パルスはＰＣＢ３２に伝えられる。

ホイールがさらに回転するにつれ、ユニット１０に隣接したタイヤの領域が路面との接
触から離れるように移動する時点で、ユニット１０に隣接したタイヤの加速度が急増し、その結果、アクチュエータ３６が受ける遠心力が瞬時に増大する。このため、圧電セラミック円板１４は再び、上述したように、アクチュエータ３６、キャップ２８、ＰＣＢ３２、およびポッティング剤３４の遠心作用下で撓まされ、この撓みにより、上述の第１のパルスとは逆の極性の第２の電荷パルスが生じ、この第２の電荷パルスがＰＣＢ３２に伝えられる。

このため、ホイールの１回の回転の間、逆の極性の２つの電荷パルスが連続して発生し、単一の交流出力を構成する。整流器は、交流出力を直流出力に整流し、この直流出力は、タイヤ監視装置に給電するのに使用するためにコンデンサに蓄電される。ホイールの各回転について、通常５〜１０ナノクーロンの蓄電可能な小さい電荷が発生する。

路面との接触によるホイールの各回転により発生する蓄電可能な電荷のほかに、ユニット１０は、他の励振力、例えば、路面の欠陥に起因した振動により、またはホイール自体にかかる平衡力から生じる加速度／撓みも圧電素子１４に伝える。励振が圧電円板１４を撓ませるのに十分である場合、上述したように、さらなる蓄電可能な電荷が発生し、コンデンサに蓄電される。

状況によっては、車両タイヤの内側のユニット１０に作用する力は、上述したように、圧電セラミック円板１４を均一に湾曲させるには十分ではないであろう。その代り、この変形は、アクチュエータとの接触地点およびアクチュエータにすぐ隣接する領域の円板１４の構造が局部的に「つぶれた」形態となる。作動時に、円板構造の局部的な「つぶれ」は、上述したように、実質的に電荷を生じさせるよう、素子１１の両端に電位差も生じさせる。

ユニット１０は、制御回路が圧電素子１１に対する作動体として用いられるという点で特に有利である。説明した実施形態では、キャップ２８、ＰＣＢ３２、およびポッティング剤３４の重量は、いかなる追加の質量も必要とせず、圧電セラミック円板１４に対する作動体／励振器として作用する単一ユニットとして働く。したがって、発電装置の重量の全体的な削減となり、車両タイヤの取り付け領域に隣接したユニット１０が引き起こす局在的な摩耗が最小限にとどめられ、よって、タイヤのトレッドに生じる局在化したむき出しポイントの可能性が減る。

ベース１６の外表面Ｃは、車両タイヤの内部パターンと相補的に係合する外部輪郭を有して、使用時のタイヤに対する局所的な摩耗の更なる影響を制限し得る。

発電装置により発生した少量の電力を用いるために、かつタイヤ監視装置に給電するためのバッテリのバックアップの必要性をなくすために、極低消費電力プロトコルを用いて、コンデンサにより蓄電された電力の消費を制御する。

次に、タイヤ監視装置の動作を、図５を参照しながら、「スリープ」モードにある監視装置から開始して、最適な低電力プロトコルを実現することを保証するために実施される複数の段階を示して、例として説明する。上述したように、タイヤ監視装置は、圧電発電装置と、マイクロプロセッサと、無線周波数（ＲＦ）送信機と、圧力および温度センサ回路と、監視および制御回路とを有するユニット１０を備える。
＜実施例１＞

段階１
マイクロプロセッサが「スリープ」モードにあり、このスリープモードでは、マイクロプロセッサの「ウェイクアップ」要求を監視するモニタ回路を除いたすべての内部処理が
一時停止する。この実施形態では、モニタ回路は、ユニットのマイクロプロセッサの外側に配置された、水晶発振器の形態の外部基準クロックを監視する。したがって、スリープモードでは、マイクロプロセッサ回路の大部分が停止状態になっており、タイヤ監視装置の消費電力は最低レベルであり、例えば約２４マイクロアンペアの供給電流である。

段階２
所定時間後、この実施形態では６０秒後、モニタ回路はマイクロプロセッサを「ウェイクアップ」させる。「ウェイクアップ」時に、マイクロプロセッサは外部クロックから内部抵抗コンデンサ発振器の形態の内部クロックに切り換わる。この切り換えは、タイヤ監視装置により用いられるアナログ／デジタル変換および続いての計算動作の高速化を促進するために行われる。この切り換えはまた、マイクロプロセッサの内部回路に給電を開始し、これにより、マイクロプロセッサの主要なプログラムを用いることができるとともに、マイクロプロセッサが測定および制御段階に入るようにすることができる。

段落３
マイクロプロセッサが「ウェイクアップ」すると、温度および圧力センサ回路に電力が供給される。次に、センサ回路の安定化を促進するために、所定時間、この実施形態では０．５ミリ秒経過させ、この所定時間後に、マイクロプロセッサがタイヤ内の局所的な圧力および温度を測定する。次に、これらの値がマイクロプロセッサ内に格納され、センサ回路への電力が瞬時に取り除かれる。

段階４
格納された圧力値および温度値は、車両内の受信ユニット／表示ユニットに送信するためのデータパケットを形成するために、センサ識別および巡回冗長検査に連結される。

段階５
マイクロプロセッサは次に、内部クロックから再び外部クロックに切り換わる。この変更は、無線周波数（ＲＦ）リンクを介してのデータ送信のための正確な時間信号を保証するために用いられるが、その理由は、外部クロックが、内部クロックでの場合よりも高い精度の絶対周波数を得ることが可能な水晶時間基準ユニットであるからである。

段階６
マイクロプロセッサは、制御ラインを、ＲＦ送信機を作動状態にする３ｖの論理ハイに設定し、それにより、ＲＦ送信機が無線周波数キャリアを発する。次に、ＲＦ送信機コンポーネントの安定化を促進するために約１ミリ秒の安定化時間を経過させてから、ＰＣＢ３２からデータを送信する。次に、無線周波数データスライサをバイアスするのに用いられる擬似のビットパターンが、送信のためにセンサ識別および巡回冗長検査に連結される。この場合、送信すべきデータは、受信ユニットへの搬送のために４３３ＭＨｚ電波に変調された周波数である。

段階７
データが送信され、ＲＦ送信機への給電が瞬時に阻止され、その時点でマイクロプロセッサが「スリープモード」に再び入る。

したがって、上記例の段階１〜７で説明した低消費電力プロトコルを用いることにより、タイヤ監視装置は、タイヤ内の局所的な圧力および温度の読み取り値を送信するのに発電装置から最小限の電力量しか使用しない。使用後、マイクロプロセッサは、段階２で上述したように、所定時間、スリープモードの状態にあるが、コンデンサに蓄積されたエネルギーは、図１〜図４を参照して説明したように、圧電セラミック円板１４の励振により再び蓄積される。したがって、段階１〜７の連続サイクルを用いて、バッテリ源をバック
アップする必要なく、圧電セラミック円板１４により発生する小さい電荷を用いて、タイヤ監視装置はタイヤの局所的な状態を監視することができる。この連続サイクルはまた、タイヤの通常の動作条件の際に有利であり、それにより、タイヤの潜在的な問題または故障を示し得るタイヤの圧力または温度のいかなる変化も監視して、例えばパンクを回避することができる。このことは、高車速で特に有利である。

主として、圧電素子の電荷発生能力と、蓄電電荷の量および効率と、送信機の「オン」時間により左右されるＲＦ送信機の信頼性とに、遠隔測定ユニット用のプロトコルにおける重要な要素の３方向の相互依存性が存在する。所与のタイプの圧電素子の場合、発電装置に対する最適な電荷容量、およびＲＦ送信機に対する最適な送信時間が存在する。圧電素子は、蓄電コンデンサのインピーダンスを克服するのに十分な電荷発生がなければならず、コンデンサは、測定／送信サイクルを行うのに必要とされる電荷を保持するのに十分な容量を有さねばならない。ＲＦ送信機の「オン」時間（すなわち該送信機がアクティブ状態および送信状態になっている場合）は、エネルギー蓄積が使い果たされる前の、データを送信するのに十分な電荷が存在する最大期間と、最小期間（これより短いとＲＦリンクの信頼性が悪影響を及ぼされる）との間で最適化されなければならない。送信時間が最適期間を超える場合、データ送信の有効周波数は所与の容量に対し少なくなる。

車内受信ユニットに送信されたデータは、車両の各タイヤに関して、タイヤ監視装置内のセンサ回路または各センサ回路の表示ユニット上で運転者に示される。表示ユニットは、運転者にデータを視覚的に、および／または聴覚的手段（例えば車両内のオーディオシステムへのリンク）により知らせる。

自動車の各タイヤ／ホイールは、そのタイヤ内に配置された特定のセンサに関連する個々の識別特徴によりマーキングされる。この識別特徴はまた、タイヤ内のセンサからのデータと組み合わせて、表示ユニット上に表される。ホイールが車両の別の位置に移動しても、ホイールは、表示ユニット上の関連情報に常に関係し得る。適した識別情報は、色分け記号および英数字記号を含む。

各センサは、無線送信データの安全性を守るために用いることができる固有の電子シリアル番号を有する。固有の電子シリアル番号は、安全性および偽造防止目的のための電子タグ付け特徴としての役割も果たすことができる。

発電装置の好適な実施形態を参照して、蓄電可能な電荷が、車両ホイールの各回転により圧電素子によって発生することを説明してきた。したがって、電荷の発生は、車両が移動している速度に比例することが理解されるであろう。消費電力プロトコルの上記例では、さらなる読み取り値を測定および送信するために、タイヤ監視装置からのデータの送信およびマイクロプロセッサの「ウェイクアップ」間の時間遅延が所定値に設定される。低速で移動中の車両において、所定時間期間内に発生しかつ蓄電される電荷は、同じ時間期間内に高速で移動中の車両で発生しかつ蓄電される電荷よりも少ないであろう。したがって、マイクロプロセッサの「ウェイクアップ」間の時間間隔は、所定値に設定され、低速（例えば２５ｋｍ／時間）で移動中の車両のタイヤのパラメータの測定および送信のために、十分な電荷が発生し蓄電されることを可能にするように選択される。

しかしながら、車速が増すにつれて電荷発生率も増す。このため、タイヤ監視システムにタイヤパラメータを測定かつ送信させることを可能にさせるのに十分な電荷を発生させるために必要とされる時間期間は減る。

この利点を利用するために、上述した低消費電力プロトコルは、マイクロプロセッサが車速またはコンデンサに蓄電された電荷の状態に応じて周期的にスリープモードから「覚
醒する」ように変更され得、データ送信が車速に比例して変わることが可能となる。

以下の例は、好適な動作モードを示し、この動作モードでは、タイヤ監視装置からのデータ送信レートが車速に比例し、実施例１に実質的に示すように、監視システムが「スリープ」モードで開始する。
＜実施例２＞

段階１
上述したように、ホイールが回転すると、１回転につき１回、蓄電可能な電力出力が発電装置により生成される。この実施例では、発電装置のこのような特性は、車速および／またはコンデンサの電荷状態を監視するのに用いられる。各蓄電可能な電力出力の小部分は、ホイールの回転の際に圧電円板１４が受ける可能性のある、見せかけの電力トリガ（例えば、路面の欠陥に起因する振動により生じる加速／撓み）を考慮するように条件付けされた信号である。次に、条件付けされた信号は、マイクロプロセッサ内の割り込み回路に供給され、この割り込み回路は、マイクロプロセッサをスリープモードから瞬時に覚醒させ、マイクロプロセッサ内のカウンタをインクリメントさせる。次に、マイクロプロセッサは、瞬時にスリープモードに戻る。

段階２
ホイールの回転ごとに発生する平均電荷、およびユニット１０からのデータを測定かつ送信するのに十分に蓄電された電荷の値はいずれも分かっている。したがって、「割り込み」の数、または装置からのデータを測定かつ送信するのに十分な電荷を蓄電するのにコンデンサに必要とされるカウンタのインクリメントを計算することができる。したがって、マイクロプロセッサは、ホイールの所定数の回転、例えば５０回転の後に、実施例１の段階２に実質的に説明したように、「ウェイクアップ」に設定されることができる。この時点で、電力は、マイクロプロセッサの内部回路への給電が開始され、マイクロプロセッサの主要プログラムが使用されてマイクロプロセッサが測定および制御段階に入ることが可能となる。

マイクロプロセッサの内部クロックは、所定数の回転が完了するのにかかった時間を監視する。したがって、時間期間の間の平均車速値は、経過時間から、およびホイールの直径に関連するデータテーブルから相互参照した移動距離から計算することができる。

段階３
実施例１に説明するように、マイクロプロセッサが一度「ウェイクアップ」すると、電力が温度および圧力センサ回路に供給される。次に、センサ回路の安定化を促進するために、所定時間、例えば５００マイクロ秒経過させ、その所定時間後に、マイクロプロセッサはタイヤ内の局所的な圧力および温度を測定する。次に、それらの値がマイクロプロセッサ内に格納され、センサ回路への電力が瞬時に除去される。

段階４
格納された圧力値および温度値は、実施例１の段階４で説明したようにセンサ識別および巡回冗長検査、ならびに段階２の際に計算された速度値に連結される。

次に、さらなる段階５〜７が、上記例での段階５〜７を参照して実質的に説明されたように行われる。

データ送信速度が車速に比例するため、この動作モードは、車速に応じて情報が送信され定期的に更新されるという点で、既知のタイヤ監視装置に比してより大きく安全性が向上する。このことは、高車速での、おそらくはより大惨事となる、タイヤの大きな破壊が
生じる可能性が高い場合に、特に有利である。ユニット１０は、高車速時に、低車速時よりも頻繁に定期的に更新されるため、例えば車両タイヤのいかなる収縮も運転者に警告することで、車両の安全性が向上する。

電力／センサまたは遠隔測定ユニットのさらなる実施形態は、図６〜図１１に１００（上述のユニット１０にほぼ対応する）で示す。

図６に示すように、ユニット１００は、ベース部１１６および該ベース部１１６に取り付けられたキャップ１２８から構成されるハウジング１１２を有する。ハウジング１１２は、ゴムまたは任意の他の適した材料からなる弾性ベースすなわちフッティング１５１上に着脱可能に取り付けられる。一対の弾性クリップアーム１５３が、ハウジング１１２のベース部１１６の形成部１１７とスナップ嵌め係合するよう、フッティング１５１に枢動可能に設けられる。ユニット１００は、例えば修繕、または新しいフッティング１５１を用いる別のタイヤでの設置のために、アーム１５３を形成部１１７との係合から外すことによってフッティング１５１から簡単に取り外すことができる。

フッティング１５１は、図１０および図１１に示すように、タイヤの内表面１５９に恒久的に固定されるようになっており、使用後はタイヤとともに処分することができる。２つの空気流路１５５がフッティング１５１内に設けられ、これら空気流路は、使用時にユニット１００の周りの空気の移動を可能にすること、およびユニット１００の内部コンポーネントに対する保護および衝撃吸収に役立つのに十分な可撓性を有するフッティングを提供するとともにユニット１００の内部コンポーネントに回転の際のタイヤの撓みを伝播させること、の２つの機能を有する。

フッティング１５１は、ほぼ楕円形であり、ハウジング１１２のベース部１１６よりも大きな表面積を有する。フッティング１５１の形状および大きさは、タイヤにかかるユニット１００の荷重を拡散して、ユニット１００の領域での不都合なタイヤ摩耗を低減する（そうしない場合、タイヤの内側に質量が局在化したときのユニット１００の質量は約３０〜５０グラムであることが予測され得る）ように設計される。

次に、図７〜図９を具体的に参照して、ハウジング１１２の内部構成およびユニット１００の内部コンポーネントを説明する。

ユニット１００は、図１〜図４を参照して概ね説明したように、真鍮支持円板１１５に取り付けられた圧電素子１１４を有する。ハウジング１１２のベース部１１６は、ベース壁１２０と周壁１２１により形成された区画１１８を画定している。真鍮円板１１５の円周の一部を支持するためのくぼみ１２２が周壁１２１に形成されている。ベース部１１６に支持されると、真鍮円板１１５の中央部はベース壁１２０から離隔する。この実施形態では、真鍮円板１１５の円周と係合させ、真鍮円板１１５を保持するため、したがって圧電素子１１４をベース部１１６に保持するために、くぼみ１２２の一部にわたって延びたタブ１２３が設けられる。

ユニット１００は、ハウジング１１２に可動に取り付けられる、チャンバ１３７を画定する一体成形アクチュエータ１３６を有する。図１〜図４の実施形態を参照して説明したＰＣＢ３２に対応するプリント回路基板すなわちＰＣＢ（図示せず）が、チャンバ１３７に取り付けられる。ＰＣＢは、チャンバ１３７の床の孔１３９に通したワイヤ（図示せず）を介して圧電セラミック円板１１４と電気通信する。ＰＣＢは、ユニット１００の設置または移行の際に、および使用時の回転中の空気入りタイヤの苛酷環境からＰＣＢを保護するポッティング剤（図示せず）によりアクチュエータ１３６上にしっかり固定される。

図８に見られるように、細長の突起すなわちノーズ１４４がアクチュエータ１３６の下側に形成される。図９に見られるように、ハウジング１１２の通常の静止位置では、ノーズ１４４は圧電セラミック円板１１４と接触している。静止位置では、アクチュエータ１３６の下側は、ベース部１１６の内表面１４１から約０．３ｍｍの距離だけ離隔している。

使用時に、圧電素子１１４は、作動体の作用下でベース壁１２０の方向に撓み、したがって、最大撓みは、アクチュエータ１３６の周りが内表面１４１と接触する際の約０．３ｍｍに制限されることが理解される。この最大撓みは、圧電素子１１４を過剰な曲げから保護するように制限され、任意の適した距離、例えば０．２〜０．５ｍｍにすることができる。ＰＣＢのコンポーネントおよびポッティング剤は、アクチュエータ１３６と一緒に、圧電素子を励振するための作動体の一部を形成することが理解される。

ハウジング１１２は、プラスチックから射出成形され、空気入り車両タイヤ内の苛酷環境に耐えるようになっている。したがって、圧電セラミック１１４、およびアクチュエータ１３６ならびに制御回路は、本発明の好適な一実施形態での使用のための発電装置の一部を形成する。

ユニット１００は、上述したユニット１０と概ね同じ方法で動作するため、ユニット１００の動作はさほど詳細には説明しない。

要約すると、ユニット１０、１００はそれぞれ、タイヤの局所的な状態に関連したデータを測定し、かつそのデータをユニットに送信することができる遠隔測定ユニットとして機能することが理解される。

タイヤに恒久的に結合され得る犠牲フッティング１５１により、タイヤの内表面にタイヤ内遠隔測定ユニットを取り付けるという概念は、上述した圧電発電装置を有するユニットを用いる用途に限定されない。このフッティングは、任意の適した遠隔測定ユニットとともに用いることができる。したがって、本出願人は、本概念に対し独立した特許保護を主張し得る。

本発明の好適な一実施形態による発電装置を有するタイヤ内電源／センサまたは遠隔測定ユニットの分解斜視図である。 組み立てられた静止位置にある、図１に示したユニットの部分横断面図である。 図２に示したユニットの斜視図である。 図１〜図３に示したユニットの一部を形成する圧電円板および真鍮取り付け部の概略平面図である。 発電装置のコンポーネント間の相互関係を示すブロック図である。 図１〜図３に示したユニットからのデータの測定および送信を制御する低消費電力プロトコルに伴う段階を示す流れ図である。 本発明のさらなる好適な実地形態による発電装置を有するタイヤ内電源／センサユニットのさらなる実施形態の斜視図である。 上から見た、図６のユニットの分解斜視図である。 下から見た、図６および図７のユニットの分解斜視図である。 図６〜図８のユニット内の横断面図である。 空気入りタイヤでの使用時の、図６〜図９のユニットの端面図を示す。 図１０に示したユニットの側面図である。

Claims (24)

1. 空気入りタイヤの内側に取り付けるための発電装置であって、
   圧電素子と、
   該圧電素子と接触するように構成された作動体と、
   該圧電素子と電気通信する制御回路とを備え、
   前記作動体は、使用時に該作動体に作用する外力に応じて前記圧電素子を撓ませて、電荷を発生させるように構成され、前記制御回路は前記作動体の少なくとも一部を形成することを特徴とする発電装置。
2. 前記発電装置は、前記圧電素子、前記作動体、および前記制御回路のためのハウジングを備え、該ハウジングは、空気入りタイヤ内に取り付けられるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記ハウジングの外表面は、車両タイヤの弧状内表面に結合するようになっているほぼ弧状の輪郭を有することを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
4. 前記ハウジングの外表面は、車両タイヤの内部パターンと相補的に係合する外部輪郭を有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の発電装置。
5. 前記ハウジングは、タイヤの内壁に結合するようになっているフッティングに着脱可能に取り付けられることを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
6. 前記ハウジングは、クリップにより前記フッティングに着脱可能に取り付けられることを特徴とする請求項５に記載の発電装置。
7. 前記フッティングは、使用時に前記ハウジングの周りの空気の移動を可能にする空気流路を有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の発電装置。
8. 前記作動体の作用下での前記圧電素子の最大撓みは、前記ハウジングの一部により制限されることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか1項に記載の発電装置。
9. 前記ハウジングはベース壁を有し、前記圧電素子はその中央領域が該ベース壁から離隔した状態で該ハウジングに支持され、前記ベース壁は、前記圧電素子の最大撓みを制限する役割を果たすことを特徴とする請求項２から請求項８のいずれか1項に記載の発電装置。
10. 前記圧電素子は、圧電セラミック円板の形態であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか1項に記載の発電装置。
11. 前記圧電セラミック円板は、半径Ｒを有し、該半径Ｒよりも大きい半径を有する支持円板に取り付けられることを特徴とする請求項１０に記載の発電装置。
12. 前記作動体は、前記ハウジングに可動に取り付けられ、前記圧電素子と接触するようになっているアクチュエータを含むことを特徴とする請求項２から請求項１１のいずれか1項に記載の発電装置。
13. 前記アクチュエータは、前記圧電素子との接触のために設けられた突起を有することを特徴とする請求項１２に記載の発電装置。
14. 前記突起は細長いことを特徴とする請求項１３に記載の発電装置。
15. 前記突起は、前記圧電素子の中央領域と接触することを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の発電装置。
16. 請求項１１に従属する場合、前記突起は、前記円板と直径方向に接触するように構成されることを特徴とする請求項１３から請求項１５のいずれか1項に記載の発電装置。
17. 前記制御回路は、前記アクチュエータに取り付けられることを特徴とする請求項１２から請求項１６のいずれか1項に記載の発電装置。
18. 前記ハウジングは、前記アクチュエータとともに移動するようになっているキャップを備え、前記制御回路は該キャップに取り付けられることを特徴とする請求項１２から請求項１６のいずれか1項に記載の発電装置。
19. 前記作動体は、遠心力下で前記圧電素子との接触のために前記ハウジング内に配置されることを特徴とする請求項１から請求項１８のいずれか1項に記載の発電装置。
20. 前記制御回路は、前記作動体に寄与もするポッティング剤内に封入されることを特徴とする請求項１から請求項１９のいずれか1項に記載の発電装置。
21. 前記制御回路は、前記ハウジングに局所的な環境パラメータを監視するセンサ回路を有することを特徴とする請求項１から請求項２０のいずれか1項に記載の発電装置。
22. 前記発電装置は遠隔測定ユニットの一部を形成し、前記制御回路は該ユニットに局所的な環境パラメータを監視するセンサ回路を有することを特徴とする請求項１から請求項２１のいずれか1項に記載の発電装置。
23. 前記制御回路は、発生した電力の消費を最小限にとどめるために低消費電力プロトコルを有することを特徴とする請求項１から請求項２２のいずれか1項に記載の発電装置。
24. 実質的に本明細書で説明されるとともに図１ないし図５および図６ないし図１１に示されたことを特徴とする発電装置。

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