JP2008087512A - Tire power generation device, tire sensor using the same, and tire rigidity varying device - Google Patents

Tire power generation device, tire sensor using the same, and tire rigidity varying device Download PDF

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Tadanobu Ota
忠伸 太田
Kenichi Mitsui
研一 三井
Tatsuo Suzuki
達雄 鈴木
Takashi Maeno
隆 前野
Hiroaki Ando
宏明 安藤
Hideyuki Fujiwara
秀之 藤原
Yoshinobu Nakamura
祥宜 中村
Hiromitsu Takeuchi
宏充 竹内
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Toyoda Gosei Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tire power generation device capable of converting the deformation energy of a tire into electric energy, a vehicle with the tire power generation device mounted thereto, a tire sensor using the same, and a tire rigidity varying device capable of adjusting the rigidity of the tire by the electric energy. <P>SOLUTION: The tire power generation device 5 comprises a wheel 4 having a disk 41 and a rim 42 extending outwardly in the radial direction from the disk 41, a rubber-made tubeless tire 3 composed of a side wall 31 and a tread 32 and held by the rim 42, a power generation element 1 fixed to the inner surface 35 of the tire 3, and a cable 2 as a power-transmission means for transmitting power generated in the power generation element 1 to an external circuit. The power generation element 1 has a dielectric elastomer 11 for converting expansive kinetic energy into the electric energy by performing expansion and contraction following the expansion/contraction of the tire 3, and electrodes 12, 12 arranged at both ends of the dielectric elastomer 1. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、車両に搭載されるタイヤ発電装置及びこれを用いたタイヤセンサ、並びにタイヤ剛性可変装置に関する。   The present invention relates to a tire power generation device mounted on a vehicle, a tire sensor using the tire power generation device, and a tire stiffness varying device.

自動車の燃費向上のため、エネルギの有効活用が重要視されている。たとえば、ハイブリッド自動車では、発電機を用いて慣性エネルギを電気エネルギに変換し、電気駆動用のエネルギとして有効活用している。   In order to improve the fuel efficiency of automobiles, the effective use of energy is regarded as important. For example, in a hybrid vehicle, a generator is used to convert inertial energy into electric energy, which is effectively used as electric drive energy.

また、自動車から発するエネルギには、慣性エネルギのほかにも、熱・振動・音など、様々なものがある。これらのエネルギの殆どは、外部へ放出されてしまい、大部分のエネルギが有効活用されていない。そこで、放出されていたエネルギを回収して、有効利用する技術が望まれている。   In addition to inertial energy, there are various types of energy emitted from automobiles such as heat, vibration, and sound. Most of these energies are released to the outside, and most of the energies are not effectively utilized. Therefore, a technique for recovering and effectively using the released energy is desired.

エネルギ回収の方法として、放出されたエネルギを他のエネルギに変換する方法がある。たとえば、従来、エネルギ変換素子として、電圧を加えると変形をおこす圧電素子がある。また、特許文献1には、機械エネルギを電気エネルギに変換するための素子が開示されている。発明者は、このようなエネルギ変換素子を利用して自動車などの車両の燃費向上を図ろうと鋭意研究した。また、電気エネルギを利用してタイヤの剛性を調整しようと鋭意研究した。
特表2003−505865号公報
As a method of energy recovery, there is a method of converting emitted energy into other energy. For example, conventionally, there is a piezoelectric element that deforms when a voltage is applied as an energy conversion element. Patent Document 1 discloses an element for converting mechanical energy into electrical energy. The inventor has intensively studied to improve the fuel consumption of vehicles such as automobiles by using such energy conversion elements. In addition, we have earnestly studied to adjust the tire stiffness using electric energy.
Special table 2003-505865 gazette

本発明は、車両の中の特にタイヤの伸縮運動に着目し、この伸縮運動エネルギを電気エネルギに変換し得るタイヤ発電装置及びこれを搭載した車両、並びにこれらを用いたタイヤセンサ、更には電気エネルギによってタイヤの剛性を調整できるタイヤ剛性可変装置を提供することを課題とする。   The present invention focuses on the expansion and contraction motion of a tire in a vehicle, and a tire power generation device capable of converting the expansion and contraction kinetic energy into electric energy, a vehicle equipped with the tire power generation device, a tire sensor using these, and further electric energy It is an object of the present invention to provide a tire stiffness varying device that can adjust the stiffness of a tire.

課題を解決するための手段及び効果Means and effects for solving the problems

前記課題を解決する発明は、ディスク部と該ディスク部から径外方向に延設されたリム部とを有するホイールと、サイドウォール部とトレッド部とを有し前記リム部に保持されているタイヤと、該タイヤの内側面または内部に固定された発電素子と、該発電素子で発生した電力を外部回路に送電する送電手段とをもち、発電素子は、タイヤの変形に追従して伸縮することによりその伸縮運動エネルギを電気エネルギに変換する誘電エラストマと、該誘電エラストマの両端に配置された電極とを有することを特徴とする。   The invention for solving the above-mentioned problems is a tire having a wheel having a disk part and a rim part extending radially outward from the disk part, a sidewall part and a tread part, and being held by the rim part. And a power generating element fixed to the inner surface or inside of the tire, and a power transmission means for transmitting the power generated by the power generating element to an external circuit, the power generating element expands and contracts following the deformation of the tire And a dielectric elastomer that converts the expansion and contraction kinetic energy into electric energy, and electrodes disposed at both ends of the dielectric elastomer.

前記構成によれば、タイヤの地面接触部は、タイヤ、ホイール及びこれを取付けた車両などの重量による負荷を受けて、変形する。タイヤの回転により、タイヤの地面接触部が非接触状態に移行すると、タイヤの内圧によってタイヤがもとの形状に戻る。このため、タイヤが回転すると、タイヤのある部分はこれらの変形によって伸長・収縮が繰り返される。このタイヤの伸縮にともなって、タイヤに固定されている誘電エラストマも、タイヤの伸縮に追従して伸縮が繰り返される。誘電エラストマは伸縮によって起電力を発生させる性質をもつ。このため、タイヤの回転によって誘電エラストマは伸縮が繰り返され、電力を発生させることができる。   According to the said structure, the ground contact part of a tire deform | transforms in response to the load by weight, such as a tire, a wheel, and a vehicle which attached this. When the ground contact portion of the tire shifts to a non-contact state due to the rotation of the tire, the tire returns to its original shape due to the internal pressure of the tire. For this reason, when the tire rotates, a certain portion of the tire is repeatedly expanded and contracted by these deformations. As the tire expands and contracts, the dielectric elastomer fixed to the tire also repeats expansion and contraction following the expansion and contraction of the tire. Dielectric elastomers have the property of generating electromotive force by expansion and contraction. For this reason, expansion and contraction of the dielectric elastomer is repeated by rotation of the tire, and electric power can be generated.

また、タイヤ発電装置を有することを特徴とする車両がある。車両は、走行時にタイヤが伸縮運動するため、この伸縮運動エネルギをタイヤ発電装置にて電気エネルギに変換できる。生成した電力は、バッテリに蓄えることにより、必要なときに適時利用することができる。また、モータ駆動、車載照明装置などに利用でき、車両の燃費向上に役立つ。   There is also a vehicle characterized by having a tire power generator. Since the tire expands and contracts during traveling, the vehicle can convert the expansion and contraction kinetic energy into electrical energy by the tire power generator. The generated electric power can be used in a timely manner by storing it in a battery. In addition, it can be used for motor driving, in-vehicle lighting devices, etc., and is useful for improving the fuel efficiency of vehicles.

また、タイヤ発電装置にて発生した電力の応答に基づいてタイヤの変形状態を検知することを特徴とするタイヤセンサがある。このセンサによれば、タイヤの変形状態を検知することができる。   There is also a tire sensor that detects a deformation state of a tire based on a response of electric power generated by the tire power generation device. According to this sensor, the deformation state of the tire can be detected.

また、ディスク部と該ディスク部から径外方向に延設されたリム部とを有するホイールと、サイドウォール部とトレッド部とを有し前記リム部に保持されているタイヤと、該タイヤに固定されたアクチュエータと、アクチュエータへ外部回路から送電する送電手段とをもち、アクチュエータは、外部回路から送電手段を通じて印加された電気エネルギを伸縮運動エネルギに変換する誘電エラストマと、誘電エラストマの両端に配置された電極とを有することを特徴とするタイヤ剛性可変装置がある。   Further, a wheel having a disk part and a rim part extending radially outward from the disk part, a tire having a sidewall part and a tread part and held by the rim part, and fixed to the tire The actuator is disposed at both ends of the dielectric elastomer, and a dielectric elastomer that converts electrical energy applied from the external circuit through the power transmission means to expansion and contraction kinetic energy. There is a tire stiffness variable device characterized by having an electrode.

このタイヤ剛性可変装置によれば、アクチュエータに電気が印加されると、電極間に電圧差が生じて電場の変化が生じる。この場合、電極によって異なる電荷が互いに引き合い、これにより誘電エラストマは電極間で圧縮を受け、電極間の平面方向に伸長される。電力の印加を停止すると、電極間の電圧差がなくなり。電荷の差が解消される。この場合、誘電エラストマは電極間の圧縮力から解放され、その平面方向の伸長状態から収縮してもとの形状に戻る。このように、電力の印加・停止により誘電エラストマは伸縮する。   According to the tire stiffness varying device, when electricity is applied to the actuator, a voltage difference is generated between the electrodes, and the electric field is changed. In this case, different electric charges are attracted to each other depending on the electrodes, so that the dielectric elastomer is compressed between the electrodes and stretched in the plane direction between the electrodes. When the application of power is stopped, the voltage difference between the electrodes disappears. The difference in charge is eliminated. In this case, the dielectric elastomer is released from the compressive force between the electrodes, and returns to its original shape even when contracted from the extended state in the planar direction. In this way, the dielectric elastomer expands and contracts by applying and stopping power.

これにともない、誘電エラストマを内蔵または一体化したタイヤは、剛性が変化する。すなわち、誘電エラストマが伸長したときには、タイヤが伸長してタイヤの剛性が上がる。誘電エラストマが収縮したときには、タイヤが収縮して剛性が低下する。このように、印加する電圧を変化させることにより、タイヤの剛性を調整することができる。このため、車速、路面、カーブなどの走行状態に適したタイヤの剛性に調整することができる。   As a result, the rigidity of a tire with a built-in or integrated dielectric elastomer changes. That is, when the dielectric elastomer is extended, the tire is extended and the rigidity of the tire is increased. When the dielectric elastomer contracts, the tire contracts and the rigidity decreases. Thus, the rigidity of the tire can be adjusted by changing the applied voltage. For this reason, it is possible to adjust the tire rigidity suitable for the traveling state such as the vehicle speed, the road surface, and the curve.

以上のように本発明によれば、タイヤの変形エネルギを電気エネルギに変換し得るタイヤ発電装置及びこれを搭載した車両、並びにこれらを用いたタイヤセンサ、更には電気エネルギによってタイヤの剛性を調整できるタイヤ剛性可変装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, the tire power generation device capable of converting the deformation energy of the tire into electric energy, the vehicle equipped with the tire power generation device, the tire sensor using these, and further the rigidity of the tire can be adjusted by the electric energy. A tire stiffness variable device can be provided.

(タイヤ発電装置)
発電素子は、伸縮運動エネルギを電気エネルギに変換する誘電エラストマと、誘電エラストマの両端に配置された電極とを有する。かかる発電素子としては、例えば、特表2003−505865号公報に示されたジェネレータを用いることができる。
(Tire power generator)
The power generation element includes a dielectric elastomer that converts expansion and contraction kinetic energy into electric energy, and electrodes disposed at both ends of the dielectric elastomer. As such a power generation element, for example, a generator disclosed in JP-T-2003-505865 can be used.

誘電エラストマは、変形すると電場が生成して電気エネルギが発生する。すなわち、誘電エラストマは、電気抵抗値が高い。このため、誘電エラストマを伸張すると、静電気が発生して、誘電エラストマの中の異なる電荷が電極の側に引き寄せられる。そして、誘電エラストマが収縮すると、各電極に引き寄せられた電荷は誘電エラストマの面方向の密度が高くなり、電気エネルギは増加する。また、電極間の厚みが厚くなるため、異なる電位の電荷が互いに引き離されるので、やはり電荷のエネルギは増加する。このように、タイヤの伸縮にともなって誘電エラストマが伸縮すると、電気エネルギが生成する。   When the dielectric elastomer is deformed, an electric field is generated to generate electric energy. That is, the dielectric elastomer has a high electric resistance value. Therefore, when the dielectric elastomer is stretched, static electricity is generated, and different charges in the dielectric elastomer are attracted to the electrode side. When the dielectric elastomer contracts, the electric charge attracted to each electrode has a higher density in the surface direction of the dielectric elastomer, and the electric energy increases. In addition, since the thickness between the electrodes is increased, charges of different potentials are separated from each other, so that the energy of the charges also increases. Thus, when the dielectric elastomer expands and contracts with the expansion and contraction of the tire, electric energy is generated.

誘電エラストマは、エラストマに予めひずみを加えて作成される。誘電エラストマに適した材料としては、変形によって電場が変化するような、可撓性で電気抵抗値が高いポリマまたはゴム、あるいはこれらの組み合わせを含む。具体的には、シリコンエラストマ、アクリルエラストマ、ポリウレタン、熱可塑性エラストマ、EPDM(エチレンプロピレン共重合体)などのポリマ、圧感接着剤、フルオロエラストマ、シリコン成分およびアクリル成分を含むポリマなどが挙げられる。   The dielectric elastomer is created by applying strain to the elastomer in advance. Suitable materials for dielectric elastomers include flexible, high electrical resistance polymers or rubbers that change the electric field upon deformation, or combinations thereof. Specific examples include a silicone elastomer, an acrylic elastomer, a polyurethane, a thermoplastic elastomer, a polymer such as EPDM (ethylene propylene copolymer), a pressure sensitive adhesive, a fluoroelastomer, a polymer containing a silicon component and an acrylic component.

誘電エラストマの電気抵抗値は、1014Ω・m以上であることが好ましい。1014Ω・m未満の場合には、生成する電圧が低くなるおそれがある。 The electric resistance value of the dielectric elastomer is preferably 10 14 Ω · m or more. If it is less than 10 14 Ω · m, the generated voltage may be low.

電極は、誘電エラストマよりも電気抵抗値が低い導電性材料を用いることができ、グラファイト、カーボンブラック、銀及び金を含む薄い金属、銀及びカーボンを充填したゲル及びポリマ、イオンもしくは電子工学的に導電性のポリマを例示できる。電極は、たとえば、誘電エラストマの表面に印刷形成したり、結合剤を用いて形成したりすることができる。   The electrode can be made of a conductive material having a lower electrical resistance than a dielectric elastomer, such as graphite, carbon black, thin metals including silver and gold, silver and carbon filled gels and polymers, ionic or electronically Examples thereof include conductive polymers. The electrode can be formed, for example, by printing on the surface of a dielectric elastomer or using a binder.

電極の電気抵抗値は、10Ω・m以下であることが好ましい。10Ω・mを越える場合には導電性が低下するおそれがある。 The electric resistance value of the electrode is preferably 10 1 Ω · m or less. If it exceeds 10 1 Ω · m, the conductivity may decrease.

発電素子は、誘電エラストマの両側に電極を配置して形成される。また、発電素子は、誘電エラストマと電極とを交互に積層して多層構造とすることが好ましい。この場合には、発電量を増加させることができる。   The power generation element is formed by arranging electrodes on both sides of the dielectric elastomer. The power generation element preferably has a multilayer structure in which dielectric elastomers and electrodes are alternately stacked. In this case, the power generation amount can be increased.

発電素子は、タイヤの内側面に固定されているか、またはタイヤの内部に埋設されている。電力引き出しの容易さからは、タイヤの内側面に固定されている方がよい。発電素子は、損傷防止のため、タイヤの外側面に配設しない方がよい。   The power generation element is fixed to the inner side surface of the tire or embedded in the tire. From the viewpoint of ease of power extraction, it is better to be fixed to the inner surface of the tire. It is better not to arrange the power generating element on the outer surface of the tire in order to prevent damage.

タイヤは、チューブレスタイヤでも、チューブタイヤのいずれでもよい。チューブレスタイヤの場合には、タイヤ自体に発電素子を固定する。チューブタイヤの場合には、外殻のタイヤハウスや中身のチューブのいずれに発電素子を固定してもよい。   The tire may be a tubeless tire or a tube tire. In the case of a tubeless tire, a power generation element is fixed to the tire itself. In the case of a tube tire, the power generating element may be fixed to either the outer tire house or the inner tube.

発電素子をタイヤに固定するにあたっては、たとえば、接着材などで固定する。また、発電素子がゴム製である場合には、発電素子とタイヤとを共架橋して一体化してもよい。また、ゴム製の接着材を用いてゴム製の発電素子とタイヤとを共架橋してもよい。接着材を用いる場合には、タイヤ及び発電素子の伸縮にあわせて伸縮できる伸縮性接着材であることが好ましい。   In fixing the power generating element to the tire, for example, it is fixed with an adhesive or the like. Further, when the power generation element is made of rubber, the power generation element and the tire may be integrated by co-crosslinking. In addition, a rubber power generation element and a tire may be co-crosslinked using a rubber adhesive. When an adhesive is used, it is preferably a stretchable adhesive that can be expanded and contracted according to the expansion and contraction of the tire and the power generation element.

たとえば、発電素子は、タイヤの周方向に断続的に配設されている。この場合、発電素子は、1つでも2以上の複数でもよい。発電素子が複数の場合、発電素子は、タイヤの周方向に等間隔で配設されていることが好ましい。この場合、定周波数の電力を生成することができる。   For example, the power generation element is intermittently disposed in the circumferential direction of the tire. In this case, the power generation element may be one or a plurality of two or more. When there are a plurality of power generation elements, the power generation elements are preferably arranged at equal intervals in the circumferential direction of the tire. In this case, constant frequency power can be generated.

また、発電素子は、タイヤの周方向に連続して配設されていてもよい。   Moreover, the power generation element may be continuously arranged in the circumferential direction of the tire.

発電素子は、タイヤのサイドウォール部に配設されていることが好ましい。サイドウォール部は、接地時にはタイヤやホイールなどの負荷を平面方向に受けて収縮し、非接触時にはその負荷から解放されて伸張する。サイドウォール部は、タイヤの接地時と非接地時との伸縮差が大きい部分である。このため、比較的大きな電力を発生させることができる。   It is preferable that the power generation element is disposed on a sidewall portion of the tire. The side wall portion contracts by receiving a load such as a tire or a wheel in a planar direction when the ground is touched, and is released from the load and stretches when not in contact. The sidewall portion is a portion having a large expansion / contraction difference between when the tire is grounded and when it is not grounded. For this reason, relatively large electric power can be generated.

また、発電素子は、タイヤのトラッド部に配設されていてもよい。この場合には、接地時に路面と接触する面積が大きく、接地時の路面の状態を反映した電力を生成できる。このため、たとえば路面の状態を検知する電気信号を生成するのに適している。トラッド部は、接地時にタイヤやホイールなどの負荷を厚み方向に受けて伸張し、非接地時にはその負荷から解放されて収縮する。   Further, the power generation element may be disposed in the trad portion of the tire. In this case, the area in contact with the road surface at the time of grounding is large, and electric power reflecting the state of the road surface at the time of grounding can be generated. For this reason, for example, it is suitable for generating an electric signal for detecting a road surface state. The trad portion expands by receiving a load such as a tire or a wheel in the thickness direction at the time of grounding, and is contracted by being released from the load when not grounded.

送電手段は、たとえば、タイヤとリム部との間に形成されている気圧室の中に配設されたケーブルである。ケーブルは、誘電エラストマの両端に配設されている陽極側、陰極側の電極にそれぞれ接続されている。陰極側に接続されているケーブルは、接地する。   The power transmission means is, for example, a cable disposed in a pressure chamber formed between the tire and the rim portion. The cables are respectively connected to the anode side and cathode side electrodes disposed at both ends of the dielectric elastomer. The cable connected to the cathode side is grounded.

リム部は、気圧室と連通する導通孔を有し、導通孔は、ケーブルを挿通した状態でハーメチックシールにて封止されていることが好ましい。導通孔はタイヤの中の気圧室と連通しているため、導通孔にケーブルを挿通しただけでは導通孔を通じて気圧室の外に空気が漏れ出てしまう。そこで、導通孔にケーブルを挿通した状態でハーメチックシールにて気密的に封止することにより、気圧室からの空気漏れを抑制できる。ここで、ハーメチックシールとは、導通孔とその内部に挿通されたケーブルとの間をガラスなどの封止材料で焼き固めたシール構造をいう。ハーメチックシールによれば、導通孔とケーブルとの間の隙間を気密的に封止できるため、タイヤ内の気圧室から空気が漏れ出ることを抑制できる。   The rim portion preferably has a conduction hole communicating with the atmospheric pressure chamber, and the conduction hole is preferably sealed with a hermetic seal in a state where the cable is inserted. Since the conduction hole communicates with the pressure chamber in the tire, air can leak out of the pressure chamber through the conduction hole just by inserting a cable into the conduction hole. Therefore, air leakage from the pressure chamber can be suppressed by hermetically sealing with a hermetic seal with the cable inserted through the conduction hole. Here, the hermetic seal refers to a seal structure in which a gap between a conduction hole and a cable inserted therein is baked and hardened with a sealing material such as glass. According to the hermetic seal, the gap between the conduction hole and the cable can be hermetically sealed, so that air can be prevented from leaking out from the pressure chamber in the tire.

(車両)
タイヤ発電装置は、たとえば、車両に搭載されている。車両としては、自動車、バイク、自転車などがあるが、タイヤを有する車両であれば特に限定されない。
車両は、タイヤのホイールを固定しホイールの回転に伴って回転する回転部材と、車両の車体に固定された固定部材とを有する。タイヤ発電装置にて生成した電力は、これを利用する装置に送電する必要がある。かかる電力利用装置は、多くの場合、車両の車体に固定されている。このため、回転するタイヤ発電装置から非回転の車体の固定部材に導出させる手段が必要となる。
(vehicle)
The tire power generation device is mounted on a vehicle, for example. Examples of the vehicle include an automobile, a motorcycle, and a bicycle, but are not particularly limited as long as the vehicle has a tire.
The vehicle has a rotating member that fixes a wheel of a tire and rotates as the wheel rotates, and a fixing member that is fixed to a vehicle body of the vehicle. The power generated by the tire power generation device needs to be transmitted to a device that uses the power. Such power utilization devices are often fixed to the vehicle body. For this reason, a means for deriving from the rotating tire power generation device to the fixing member of the non-rotating vehicle body is required.

このようにタイヤ発電装置から車体の固定部材に導出させる手段として、たとえば、回転部材と固定部材のそれぞれに形成されている外部回路の間をスリップリングにて電気的に接続する方式がある。   As a means for deriving from the tire power generation device to the fixing member of the vehicle body in this way, for example, there is a method of electrically connecting the external circuits formed on the rotating member and the fixing member with a slip ring.

誘電エラストマの両側に配設された電極は、一方が陽極で、他方が陰極となる。タイヤ発電装置より外部回路に導出するには、互いに電位の異なる陽極側電流と陰極側電流とを別々に車両に導出する必要がある。このような構成として、たとえば、車両の回転部材は、内層と外層と、内層と外層との間を絶縁する絶縁層とを有し、内層と外層は、それぞれタイヤ発電装置の送電手段に接続されており、かつ外層は、第一のスリップリングにて固定部材に形成した第一の外部回路と接続し、内層は、絶縁層及び外層から露出した露出部をもち、露出部において、第二のスリップリングにて固定部材に形成した第二の外部回路と接続していることが好ましい。この場合、タイヤ発電装置より別々に送電された陽極側電流と陰極側電流とが、回転部材の中の内層と外層とのそれぞれ別個の導電路を通り、それぞれ別個のスリップリングによって別々に固定部材に導出される。   One of the electrodes disposed on both sides of the dielectric elastomer is an anode and the other is a cathode. In order to derive to the external circuit from the tire power generation device, it is necessary to separately derive the anode side current and the cathode side current having different potentials to the vehicle. As such a configuration, for example, a rotating member of a vehicle has an inner layer and an outer layer, and an insulating layer that insulates between the inner layer and the outer layer, and the inner layer and the outer layer are respectively connected to the power transmission means of the tire power generation device. And the outer layer is connected to a first external circuit formed on the fixing member by the first slip ring, and the inner layer has an exposed portion exposed from the insulating layer and the outer layer. It is preferable to connect with the 2nd external circuit formed in the fixing member with the slip ring. In this case, the anode-side current and the cathode-side current transmitted separately from the tire power generation device pass through separate conductive paths of the inner layer and the outer layer in the rotating member, and are separately fixed by separate slip rings. To be derived.

また、発電素子は、これを複数枚重ね合わせて直列に配線することが好ましい。この場合、生成電力の量を増加させることができる。   Moreover, it is preferable that a plurality of power generating elements are overlapped and wired in series. In this case, the amount of generated power can be increased.

(タイヤセンサ)
タイヤ発電装置を用いたセンサとして、タイヤ発電装置にて発生した電力の応答に基づいてタイヤの変形状態を検知することを特徴とするタイヤセンサがある。
(Tire sensor)
As a sensor using a tire power generation device, there is a tire sensor that detects a deformation state of a tire based on a response of electric power generated by the tire power generation device.

たとえば、タイヤセンサは、発電素子から発する電力の時間的変化を計測する計測手段と、電力の時間的変化に基づいてタイヤの回転速度を算出する速度算出手段とを有するタイヤ回転速度センサである。   For example, the tire sensor is a tire rotation speed sensor that includes a measurement unit that measures a temporal change in electric power generated from a power generation element and a speed calculation unit that calculates a rotation speed of the tire based on the temporal change in electric power.

タイヤ回転速度センサは、アンチロックブレーキシステム(ABS)、トラクションコントロールシステムなどの走行制御システムに利用することができる。また、タイヤのロックやスリップもタイヤ毎に検知できる。   The tire rotation speed sensor can be used in a travel control system such as an antilock brake system (ABS) or a traction control system. Further, tire lock and slip can be detected for each tire.

たとえば、タイヤセンサは、タイヤの異常を検知する異常検知センサである。異常検知センサは、タイヤの1回転当たりに発生する起電力の正常パターンを記憶する記憶手段と、タイヤの回転に伴い発生する起電力の実測パターンを計測する計測手段と、正常パターンと実測パターンとを比較して実測パターンが正常パターンと同じである場合には正常と判断し、実測パターンが正常パターンと異なる場合にはタイヤが異常であると判断する判断手段をもつ。この異常検知センサを各タイヤに装着することにより、スタンディングウェーブ現象、スリップなどのタイヤの状態をタイヤ毎に検知できる。   For example, a tire sensor is an abnormality detection sensor that detects an abnormality of a tire. The abnormality detection sensor includes a storage unit that stores a normal pattern of electromotive force generated per one rotation of the tire, a measurement unit that measures an actual pattern of electromotive force generated along with the rotation of the tire, a normal pattern, and an actual measurement pattern. Are determined to be normal when the measured pattern is the same as the normal pattern, and to determine that the tire is abnormal when the measured pattern is different from the normal pattern. By attaching this abnormality detection sensor to each tire, the tire state such as standing wave phenomenon and slip can be detected for each tire.

たとえば、タイヤセンサは、タイヤの空気圧を検知する空気圧センサである。空気圧センサは、走行時のタイヤの空気圧と誘電エラストマから発生する起電力との相関データを記憶する記憶手段と、走行時の誘電エラストマから発生する起電力の実測値を計測する計測手段と、起電力の実測値を相関データに照合してタイヤの空気圧をもとめる照合手段とをもつ。空気圧センサは、タイヤのバーストを検知するセンサとして用いることができる。   For example, a tire sensor is an air pressure sensor that detects tire air pressure. The air pressure sensor includes storage means for storing correlation data between the tire air pressure during travel and the electromotive force generated from the dielectric elastomer, measurement means for measuring an actual value of the electromotive force generated from the dielectric elastomer during travel, And a collating means for collating the measured value of the electric power with the correlation data to obtain the tire air pressure. The air pressure sensor can be used as a sensor that detects a tire burst.

たとえば、タイヤセンサは、タイヤが走行している路面の状態を検知する路面状態検知センサである。路面の状態により、タイヤの伸縮量が変化するため、誘電エラストマの伸縮量も変化する。このため、路面状態検知センサによれば、砂利路、凍結路などの路面状態を検知できる。路面状態検知センサは、タイヤが基準となる路面の上を走行したときに発生する起電力のパターンを基準パターンとして記憶する記憶手段と、走行時に発生する起電力のパターンを実測パターンとして計測する計測手段と、実測パターンを基準パターンと照合してその差異に基づき路面状態を検知する検知手段とをもつ。たとえば、実測パターンが基準パターンよりもパターンの凹凸が滑らかなときには、凍結路などの凹凸の小さい路面であると判断する。実測パターンが基準パターンよりもパターンの凹凸が大きい場合には、砂利路などの凹凸の大きい路面であると判断する。路面状態センサは、タイヤのトレッド部に配設されていることが好ましい。トレッド部は地面に接触する部分であるため、路面の状態に追従して伸縮する。このため、路面情報を詳細に取得することができる。   For example, a tire sensor is a road surface state detection sensor that detects a state of a road surface on which a tire is traveling. Since the amount of expansion / contraction of the tire changes depending on the road surface state, the expansion / contraction amount of the dielectric elastomer also changes. For this reason, according to the road surface state detection sensor, road surface states such as gravel roads and frozen roads can be detected. The road surface detection sensor is a storage means for storing an electromotive force pattern generated when a tire travels on a reference road surface as a reference pattern, and a measurement for measuring an electromotive force pattern generated during traveling as an actual measurement pattern. Means, and detecting means for comparing the actually measured pattern with the reference pattern and detecting the road surface state based on the difference. For example, when the measured pattern is smoother than the reference pattern, it is determined that the road surface has a small unevenness such as a frozen road. When the measured pattern has a larger pattern unevenness than the reference pattern, it is determined that the road surface has a large unevenness such as a gravel road. It is preferable that the road surface state sensor is disposed in the tread portion of the tire. Since the tread portion is a portion in contact with the ground, the tread portion expands and contracts following the road surface state. For this reason, road surface information can be acquired in detail.

たとえば、タイヤセンサは、タイヤの摩耗状態を検知するタイヤ摩耗センサである。タイヤの摩耗度合いにより、誘電エラストマの応答性が異なってくるため、タイヤセンサはタイヤ摩耗センサとして用いることができる。タイヤ摩耗センサは、たとえば、タイヤの摩耗度合いと誘電エラストマによる発電量との相関データを記憶する記憶手段と、走行時の誘電エラストマから発生する電力の実測値を計測する計測手段と、実測値を相関データに照合してタイヤの摩耗度合いを検知する検知手段とをもつ。タイヤ摩耗センサは、タイヤ交換が必要な程度のタイヤの摩耗状態になったときにタイヤ交換が必要であることを知らせるタイヤ交換告知装置として利用できる。タイヤ摩耗センサは、タイヤのトレッド部に配設されていることが好ましい。トレッド部は摩耗量が多いため、このトレッド部にタイヤ摩耗センサを配設することにより、タイヤの摩耗量を容易に検知できる。   For example, a tire sensor is a tire wear sensor that detects a wear state of a tire. Since the response of the dielectric elastomer varies depending on the degree of wear of the tire, the tire sensor can be used as a tire wear sensor. The tire wear sensor includes, for example, storage means for storing correlation data between the degree of tire wear and the amount of power generated by the dielectric elastomer, measurement means for measuring an actual value of electric power generated from the dielectric elastomer during travel, and an actual value. And detecting means for detecting the degree of tire wear by checking the correlation data. The tire wear sensor can be used as a tire change notification device for notifying that a tire change is necessary when the tire is in a worn state that requires a tire change. The tire wear sensor is preferably disposed in the tread portion of the tire. Since the tread portion has a large amount of wear, the tire wear amount can be easily detected by disposing a tire wear sensor on the tread portion.

たとえば、タイヤセンサは、車両の盗難を検知する盗難センサである。車両停止時には誘電エラストマは伸縮せずに電力は発生しない。車両が盗難されたときには、車両は持ち上げられるか、走行してタイヤが回転する。いずれの場合にも、タイヤが伸縮し、誘電エラストマから電力が発生する。この電力を検知することにより、車両が停車位置から移動して盗難されたことがわかる。盗難センサは、タイヤの周方向の全体に連続して配設されていることが好ましい。この場合には、タイヤの周方向のどの面が接地して停止していても、盗難などでタイヤが持ち上げられたときに起電力を発生させることができる。   For example, a tire sensor is a theft sensor that detects theft of a vehicle. When the vehicle is stopped, the dielectric elastomer does not expand and contract and no power is generated. When the vehicle is stolen, the vehicle is lifted or travels and the tire rotates. In either case, the tire expands and contracts and power is generated from the dielectric elastomer. By detecting this power, it can be seen that the vehicle has been stolen by moving from the stop position. It is preferable that the theft sensor is continuously arranged in the entire circumferential direction of the tire. In this case, an electromotive force can be generated when the tire is lifted due to theft or the like, regardless of which surface in the circumferential direction of the tire is grounded and stopped.

たとえば、タイヤセンサは、制動状態を検知する制動センサである。制動装置を作動させたときには、非作動時よりも大きな負荷がタイヤに加わる。このため、タイヤの変形量が大きくなり、誘電エラストマの伸縮が大きくなり、起電力も大きくなる。このため、起電力が、制動装置の非作動時よりも大きくなったときは制動装置を作動されていると判断できる。   For example, a tire sensor is a braking sensor that detects a braking state. When the braking device is operated, a larger load is applied to the tire than when the braking device is not operated. For this reason, the deformation amount of the tire increases, the expansion and contraction of the dielectric elastomer increases, and the electromotive force also increases. For this reason, when the electromotive force becomes larger than when the brake device is not operated, it can be determined that the brake device is operated.

制動センサは、制動装置非作動時の起電力値を基準値として記憶する記憶手段と、走行時の起電力を実測値として計測する計測手段と、実測値を基準値と比較して実測値が基準値と同じ場合は制動装置が作動していないと判断し実測値が基準値よりも大きい場合には制動装置が作動していると判断する。また、実測値と基準値との差異に基づいて制動装置の作動状態(例えばブレーキのかかり具合)を把握することもできる。制動センサは、車両のすべてのタイヤに装着することが好ましい。この場合には、より正確に制動状態を検知できる。   The braking sensor includes a storage unit that stores an electromotive force value when the braking device is not operated as a reference value, a measuring unit that measures an electromotive force during traveling as an actual measurement value, and the actual measurement value is compared with the reference value. If it is the same as the reference value, it is determined that the braking device is not operating, and if the measured value is larger than the reference value, it is determined that the braking device is operating. It is also possible to grasp the operating state of the braking device (for example, the degree of brake application) based on the difference between the actually measured value and the reference value. The braking sensor is preferably mounted on all tires of the vehicle. In this case, the braking state can be detected more accurately.

たとえば、タイヤセンサは、ホイールの舵取り角度を検知する角度センサである。車両を旋回させたときに、内側タイヤには外側タイヤよりも大きな負荷がかかり、内側タイヤは大きく収縮する。そこで、内側タイヤと外側タイヤにタイヤ発電装置を搭載する。両側のタイヤの伸縮のバランス具合を検知し、その具合に基づいて旋回方向及び旋回角度を計測することができる。   For example, a tire sensor is an angle sensor that detects a steering angle of a wheel. When the vehicle is turned, a larger load is applied to the inner tire than the outer tire, and the inner tire contracts greatly. Therefore, a tire power generation device is mounted on the inner tire and the outer tire. The balance of the expansion and contraction of the tires on both sides can be detected, and the turning direction and turning angle can be measured based on the degree.

制動センサ、角度センサは、走行状態を記録するドライブレコーダにも用いることができる。   The brake sensor and the angle sensor can also be used for a drive recorder that records a running state.

各センサにおいて、タイヤ発電装置から発する信号を増幅させる増幅器を設けてもよい。この場合、微弱な電気信号でも検知可能な程度まで増幅できる。   Each sensor may be provided with an amplifier that amplifies a signal emitted from the tire power generation device. In this case, even a weak electric signal can be amplified to a detectable level.

(タイヤ剛性可変装置)
アクチュエータは、外部回路から印加された電気エネルギを伸縮運動エネルギに変換する誘電エラストマと、誘電エラストマの両端に配置された電極とを有する。
(Tire stiffness variable device)
The actuator includes a dielectric elastomer that converts electrical energy applied from an external circuit into stretching kinetic energy, and electrodes disposed at both ends of the dielectric elastomer.

アクチュエータは、発電素子と同様のものを用いることができる。誘電エラストマは、伸縮運動エネルギを電気エネルギに変換するが、電気エネルギを加えると、誘電エラストマは伸張運動する。このようなアクチュエータとしては、たとえば、特表2003−505865号に示されているアクチュエータを用いることができる。   An actuator similar to the power generation element can be used. A dielectric elastomer converts expansion and contraction kinetic energy into electrical energy, but when an electrical energy is applied, the dielectric elastomer undergoes a stretching motion. As such an actuator, for example, an actuator shown in Japanese translations of PCT publication No. 2003-505865 can be used.

また、アクチュエータに送電する送電手段は、前記タイヤ発電装置の送電手段と同様のものを用いることができる。   Moreover, the power transmission means for transmitting power to the actuator can be the same as the power transmission means of the tire power generator.

タイヤ剛性可変装置は、自動車、バイク、自転車などの車両に搭載することができる。   The tire stiffness varying device can be mounted on a vehicle such as an automobile, a motorcycle, or a bicycle.

タイヤ剛性可変装置は、タイヤセンサと組み合わせて用いることができる。たとえば、タイヤ剛性可変装置をタイヤ回転速度センサと組み合わせることにより、タイヤを速度に応じた剛性に設定できる。タイヤ剛性可変装置を路面状態検知センサと組み合わせることにより、タイヤを路面に応じた剛性に設定できる。また、角度センサと組み合わせることにより、タイヤを旋回角に応じた剛性に設定できる。さらに、また、タイヤ回転速度センサ、路面状態検知センサ及び角度センサを併用して最適なタイヤ剛性を算出し、この最適剛性値に基づいて、タイヤの剛性を制御することもできる。また、タイヤの剛性を検知するタイヤ剛性検知センサを併用することにより、フィードバック制御も可能となる。   The tire stiffness varying device can be used in combination with a tire sensor. For example, by combining a tire stiffness varying device with a tire rotation speed sensor, the tire can be set to a stiffness corresponding to the speed. By combining the tire stiffness varying device with a road surface state detection sensor, the tire can be set to a stiffness corresponding to the road surface. Further, by combining with an angle sensor, the tire can be set to a rigidity corresponding to the turning angle. Furthermore, it is possible to calculate the optimum tire stiffness by using a tire rotation speed sensor, a road surface state detection sensor, and an angle sensor in combination, and to control the tire stiffness based on the optimum stiffness value. Moreover, feedback control is also possible by using a tire stiffness detection sensor that detects the stiffness of the tire.

(実施例1)
以下に、本発明の実施例に係るタイヤ発電装置について、図面を用いて説明する。
(Example 1)
Hereinafter, a tire power generator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に示すように、タイヤ発電装置5は、ディスク部41とディスク部41から径外方向に延設されたリム部42とを有するホイール4と、サイドウォール部31とトレッド部32とを有しリム部42に保持されているゴム製でチューブレスのタイヤ3と、タイヤ3の内側面35に固定された発電素子1と、発電素子1で発生した電力を外部回路に送電する送電手段としてのケーブル2とをもつ。発電素子1は、タイヤ3の伸縮に追従して伸縮することによりその伸縮運動エネルギを電気エネルギに変換する誘電エラストマ11と、誘電エラストマ11の両端に配置された電極12,13とを有する。   As shown in FIG. 1, the tire power generation device 5 includes a wheel 4 having a disk portion 41 and a rim portion 42 extending radially outward from the disk portion 41, a sidewall portion 31, and a tread portion 32. As a power transmission means for transmitting the power generated by the power generation element 1 to an external circuit, the rubber-made tubeless tire 3 held by the rim portion 42, the power generation element 1 fixed to the inner side surface 35 of the tire 3 With cable 2. The power generation element 1 includes a dielectric elastomer 11 that converts the expansion and contraction kinetic energy into electrical energy by expanding and contracting following the expansion and contraction of the tire 3, and electrodes 12 and 13 disposed at both ends of the dielectric elastomer 11.

発電素子1の誘電エラストマ11は、EPDMに所定のひずみを加えて作製された可撓性の薄膜である。電極12、13は、カーボンをEPDMに添加して形成した導電性ポリマーである。誘電エラストマ11の電気抵抗値は1014Ω・mであり、電極12,13の電気抵抗値は10Ω・mである。一方の電極12は陽極、他方の電極13は陰極である。陰極側の電極13は、ケーブル2の一部をホイールなどの導電部材に接触させて接地している。発電素子1は、伸縮性の接着材であるEPDMゴム系接着剤にてタイヤ3に固定されている。 The dielectric elastomer 11 of the power generating element 1 is a flexible thin film produced by applying a predetermined strain to EPDM. The electrodes 12 and 13 are conductive polymers formed by adding carbon to EPDM. The dielectric elastomer 11 has an electric resistance value of 10 14 Ω · m, and the electrodes 12 and 13 have an electric resistance value of 10 1 Ω · m. One electrode 12 is an anode, and the other electrode 13 is a cathode. The cathode-side electrode 13 is grounded by bringing a part of the cable 2 into contact with a conductive member such as a wheel. The power generating element 1 is fixed to the tire 3 with an EPDM rubber adhesive that is a stretchable adhesive.

図1、図2に示すように、発電素子1は、タイヤ3の両側のサイドウォール部31の外周付近に各1つずつ配設されていて、これらはケーブル2を通じて直列に接続されている。ケーブル2は、一端が発電素子1の電極12,13に接続され、他端が車体側のハブ92に接続されている。ケーブル2はタイヤ3の気圧室30の中を通り、ホイール4を貫通する導通孔420に挿通されている。導通孔420における気圧室30の側の開口421は、封着ガラスからなるハーメチックシール422により気密に封止されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the power generating elements 1 are arranged one by one near the outer periphery of the sidewall portions 31 on both sides of the tire 3, and these are connected in series through the cable 2. The cable 2 has one end connected to the electrodes 12 and 13 of the power generation element 1 and the other end connected to a hub 92 on the vehicle body side. The cable 2 passes through the pressure chamber 30 of the tire 3 and is inserted into a conduction hole 420 that penetrates the wheel 4. The opening 421 on the pressure chamber 30 side in the conduction hole 420 is hermetically sealed by a hermetic seal 422 made of sealing glass.

タイヤ発電装置5は、自動車の車体91に固定されている。車体91は、タイヤ発電装置1のホイール4を固定しホイール4の回転に伴って回転するハブ92と、車体91に固定されハブ92の外周に筒状に配設されたケース95とを有する。ホイール4は、図示しないボルトによりハブ92に固定されている。回転部材であるハブ92と非回転部材であるケース95との間には、ベアリング94が回転自在に介設されている。ハブ92の中にはケーブル2が挿入されていて、ハブ92を固定している回転シャフト93に接続されている。   The tire power generation device 5 is fixed to a vehicle body 91 of the automobile. The vehicle body 91 includes a hub 92 that fixes the wheel 4 of the tire power generation device 1 and rotates as the wheel 4 rotates, and a case 95 that is fixed to the vehicle body 91 and disposed in a cylindrical shape on the outer periphery of the hub 92. The wheel 4 is fixed to the hub 92 by bolts (not shown). A bearing 94 is rotatably interposed between a hub 92 that is a rotating member and a case 95 that is a non-rotating member. The cable 2 is inserted into the hub 92 and is connected to a rotating shaft 93 that fixes the hub 92.

回転シャフト93は、内層931と外層932とをもち、内層931と外層932との間は絶縁層933により絶縁されている。回転シャフト93の外周は、他部材との短絡を防止するため、絶縁層934により被覆されている。内層931と外層932は、ケーブル2の陽極側と陰極側にそれぞれ、回転シャフト93から着脱可能なコネクタ40を介して接続されている。コネクタ40は、ホイール4のディスク部41から軸方向に突出した部分であり、その中心には導通孔420が形成されている。図3(a)に示すように、コネクタ40は、導通孔420の端部に形成された内層接続用の端子902と、導通孔420の内周にリング状に形成された外層接続用の端子901とをもつ。内層接続用の端子902,外層接続用の端子901は、それぞれリード904,903により回転シャフト93の内層931と外層932に電気的に接続されている。ホイール4をハブ92から取り外す際に、コネクタ40は、ホイール4と一体となってハブ92から取り外される。図3(b)に示すように、回転シャフト93の一部には、外層932がリング状に露出している外層露出部935と、内層932がリング状に露出している内層露出部936が形成されている。図3(b)に示すように、外層露出部935,内層露出部936は、それぞれスリップリング84の回転集電体を構成している。スリップリング84は、固定部材96に固定されている一対の腕部840、841と、腕部840,841の先端に設けられたブラシ842,843とを有する。外層露出部935及び内層露出部936には、ブラシ842,843が接している。ブラシ842,843はバネ849により回転シャフト93の径内方向に付勢されていて常に外層露出部935及び内層露出部936との接触を保持している。   The rotating shaft 93 has an inner layer 931 and an outer layer 932, and the inner layer 931 and the outer layer 932 are insulated by an insulating layer 933. The outer periphery of the rotating shaft 93 is covered with an insulating layer 934 in order to prevent a short circuit with other members. The inner layer 931 and the outer layer 932 are connected to the anode side and the cathode side of the cable 2 via connectors 40 that are detachable from the rotary shaft 93, respectively. The connector 40 is a portion protruding in the axial direction from the disk portion 41 of the wheel 4, and a conduction hole 420 is formed at the center thereof. As shown in FIG. 3A, the connector 40 includes an inner layer connection terminal 902 formed at the end of the conduction hole 420 and an outer layer connection terminal formed in a ring shape on the inner periphery of the conduction hole 420. 901. The inner layer connection terminal 902 and the outer layer connection terminal 901 are electrically connected to the inner layer 931 and the outer layer 932 of the rotary shaft 93 by leads 904 and 903, respectively. When the wheel 4 is removed from the hub 92, the connector 40 is detached from the hub 92 together with the wheel 4. As shown in FIG. 3B, an outer layer exposed portion 935 in which the outer layer 932 is exposed in a ring shape and an inner layer exposed portion 936 in which the inner layer 932 is exposed in a ring shape are partly included in the rotating shaft 93. Is formed. As shown in FIG. 3B, the outer layer exposed portion 935 and the inner layer exposed portion 936 each constitute a rotating current collector of the slip ring 84. The slip ring 84 has a pair of arm portions 840 and 841 fixed to the fixing member 96 and brushes 842 and 843 provided at the tips of the arm portions 840 and 841. Brushes 842 and 843 are in contact with the outer layer exposed portion 935 and the inner layer exposed portion 936. The brushes 842 and 843 are urged in the radial inward direction of the rotary shaft 93 by the spring 849 and always maintain contact with the outer layer exposed portion 935 and the inner layer exposed portion 936.

ケーブル2より送電された陽極側電流と陰極側電流とは、それぞれ回転シャフト93の内層931、外層932を通り、スリップリング84により固定部材96の外部回路961に送電される。外部回路961は、A/D変換器、蓄電器、モータなどを備えている。タイヤ発電器より取り出した電力は、蓄電器に蓄え、自動車電力の補助として利用される。   The anode-side current and the cathode-side current transmitted from the cable 2 pass through the inner layer 931 and the outer layer 932 of the rotary shaft 93, respectively, and are transmitted to the external circuit 961 of the fixing member 96 by the slip ring 84. The external circuit 961 includes an A / D converter, a capacitor, a motor, and the like. The electric power taken out from the tire generator is stored in an electric storage device and used as an auxiliary for automobile electric power.

図4に示すように、誘電エラストマ11は、変形すると電場が生成して電気エネルギが発生する。すなわち、図4(a)に示すように、誘電エラストマ11は、電気抵抗値が高い。このため、誘電エラストマ11を伸張すると、静電気が発生して、誘電エラストマ11の中の異なる電荷が電極12,13の側に引き寄せられる。図4(b)に示すように、誘電エラストマ11が収縮すると、各電極12,13に引き寄せられた電荷は誘電エラストマ11の面方向の密度が高くなり、電気エネルギは増加する。また、電極12,13間の厚みが厚くなるため、異なる電位の電荷が互いに引き離されるので、やはり電荷のエネルギは増加する。このように、タイヤの伸縮にともなって誘電エラストマが伸縮すると、電気エネルギが生成する。   As shown in FIG. 4, when the dielectric elastomer 11 is deformed, an electric field is generated to generate electric energy. That is, as shown in FIG. 4A, the dielectric elastomer 11 has a high electric resistance value. For this reason, when the dielectric elastomer 11 is stretched, static electricity is generated, and different charges in the dielectric elastomer 11 are drawn toward the electrodes 12 and 13. As shown in FIG. 4B, when the dielectric elastomer 11 contracts, the charges drawn to the electrodes 12 and 13 increase in density in the surface direction of the dielectric elastomer 11, and the electrical energy increases. In addition, since the thickness between the electrodes 12 and 13 is increased, charges of different potentials are separated from each other, so that the energy of the charges also increases. Thus, when the dielectric elastomer expands and contracts with the expansion and contraction of the tire, electric energy is generated.

本例のタイヤ発電装置にて発電された電力は、図5に示す波形をもつ直流である。発電素子は、タイヤ1両側のサイドウォール部31の各一カ所に1つずつ配設されている。図5のピークP1は、タイヤが接地して径方向に圧縮されて、それに追従して誘電エラストマが径方向に収縮したときの電位である。誘電エラストマは伸張時に発生した静電気が、収縮によって圧縮されて、電圧が増加する。この増加した電圧値がピークP1である。この最大電圧は4000Vで、タイヤ1回転で数μAの電気が発生した。   The electric power generated by the tire power generator of this example is a direct current having the waveform shown in FIG. One power generating element is disposed at each one of the sidewall portions 31 on both sides of the tire 1. A peak P1 in FIG. 5 is a potential when the tire is grounded and compressed in the radial direction, and the dielectric elastomer contracts in the radial direction following the tire. In the dielectric elastomer, static electricity generated during expansion is compressed by contraction, and the voltage increases. This increased voltage value is the peak P1. The maximum voltage was 4000 V, and electricity of several μA was generated with one rotation of the tire.

なお、本例においては図1に示すようにハブ92とスリップリング84との電気的導通は、内層931と外層932の2層構造により行っているが、回転シャフト93の中心に孔をあけてその中にケーブル2を通しても良い。   In this example, as shown in FIG. 1, the electrical conduction between the hub 92 and the slip ring 84 is performed by a two-layer structure of an inner layer 931 and an outer layer 932, but a hole is formed in the center of the rotating shaft 93. The cable 2 may be passed through it.

(実施例2)
本例においては、図6に示すように、発電素子1をタイヤ3のサイドウォール部31の周方向に等間隔で8枚を配設している。すべての発電素子1は、並列に接続されている。電圧の波形を図7に示す。本例では8つの発電素子を周方向に配設しているため、タイヤ1回転により、8本のピークP2が生成する。
(Example 2)
In this example, as shown in FIG. 6, eight power generating elements 1 are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the sidewall portion 31 of the tire 3. All the power generating elements 1 are connected in parallel. The voltage waveform is shown in FIG. In this example, since eight power generating elements are arranged in the circumferential direction, eight peaks P2 are generated by one rotation of the tire.

(実施例3)
本例においては、図8に示すように、発電素子1をタイヤ3のサイドウォール部31の周方向に連続して1枚を配設している。電圧の波形を図9に示す。タイヤ回転時には、常時一定値を維持し、タイヤ停止時には0Vに低下した。
(Example 3)
In this example, as illustrated in FIG. 8, one power generation element 1 is disposed continuously in the circumferential direction of the sidewall portion 31 of the tire 3. The voltage waveform is shown in FIG. During tire rotation, a constant value was always maintained, and when the tire stopped, it decreased to 0V.

(実施例4)
本例においては、図10、図11に示すように、発電素子1をタイヤ3のトラッド部32に8枚を断続的に配設している。この場合、接地時には、車両の重量により、タイヤのトラッド部が平面方向に圧縮され伸張する。このため、誘電エラストマも伸張して、静電気が発生する。そして、接地から非接地の状態にシフトすると、タイヤが荷重から解放され平面方向に収縮する。このとき、誘電エラストマも収縮する。そして、発生した電荷の単位面積当たりの数が増えて、電圧が増加する。したがって、トラッド部32に配設された誘電エラストマも伸縮により電気エネルギを発生させることができる。
Example 4
In this example, as shown in FIGS. 10 and 11, eight power generating elements 1 are intermittently disposed on the trad portion 32 of the tire 3. In this case, at the time of ground contact, the trad portion of the tire is compressed and extended in the plane direction due to the weight of the vehicle. For this reason, the dielectric elastomer also expands and static electricity is generated. Then, when shifting from grounding to non-grounding, the tire is released from the load and contracts in the plane direction. At this time, the dielectric elastomer also contracts. Then, the number of generated charges per unit area increases, and the voltage increases. Therefore, the dielectric elastomer disposed in the trad portion 32 can also generate electric energy by expansion and contraction.

(実施例5)
本例は、実施例4のタイヤ発電装置を用いたタイヤ回転速度センサである。タイヤ回転速度センサは、発電素子から発する電力の時間的変化を計測する計測手段と、前記電力の時間的変化に基づいてタイヤの回転速度を算出する速度算出手段とを有する。また、発電素子により生成する電気信号が小さい場合には、増幅器により信号を増幅させてもよい。
(Example 5)
This example is a tire rotation speed sensor using the tire power generation device of Example 4. The tire rotation speed sensor includes a measurement unit that measures a temporal change in electric power generated from the power generation element, and a speed calculation unit that calculates a rotation speed of the tire based on the temporal change in the electric power. In addition, when the electrical signal generated by the power generation element is small, the signal may be amplified by an amplifier.

本タイヤ回転速度センサによれば、タイヤの回転速度を計測できる。   According to the tire rotation speed sensor, the rotation speed of the tire can be measured.

(実施例6)
本例は、実施例3のタイヤ発電装置を用いた盗難検知センサである。盗難検知センサは、盗難検知モードをON・OFFする切換手段(スイッチなど)と、盗難検知モードのときにタイヤの起電力の変化を監視する監視手段(電圧計など)と、起電力に変化が生じたときに外部通信機に通報する通報手段(携帯端末などの無線通報システム)とをもつ。
(Example 6)
This example is a theft detection sensor using the tire power generation device of the third embodiment. The theft detection sensor includes a switching means (such as a switch) for turning on / off the theft detection mode, a monitoring means (such as a voltmeter) for monitoring a change in the electromotive force of the tire in the theft detection mode, and a change in the electromotive force. It has reporting means (wireless reporting system such as a portable terminal) for reporting to an external communication device when it occurs.

盗難検知モードがONになると、タイヤの起電力の変化の有無を監視する。車両停止時には誘電エラストマは伸縮せずに電力は発生しない。車両に乗り込んだり車両を持ち上げたりした際、誘電エラストマは伸縮して起電力に変化が発生する。盗難センサは、この起電力の変化を検知したときに、これを盗難情報として所持者の通信機に通報する。   When the theft detection mode is turned on, the presence / absence of a change in tire electromotive force is monitored. When the vehicle is stopped, the dielectric elastomer does not expand and contract and no power is generated. When getting into the vehicle or lifting the vehicle, the dielectric elastomer expands and contracts, causing a change in electromotive force. When the theft sensor detects this change in electromotive force, it reports this to the owner's communication device as theft information.

(実施例7)
本例は、実施例2のタイヤ発電装置を用いてスタンディングウェーブ現象を検知する異常検知センサである。異常検知センサは、異常検知モードのONN・OFFを切り換える切換手段と、発電素子の起電力の経時変化を監視する監視手段と、発電素子の最大起電力発生後の電圧低下の時期が、予め記憶された正常時の電圧低下の時期よりも遅延している場合にスタンディングウェーブ現象が生じていると判断する判断手段とを有する。
(Example 7)
This example is an abnormality detection sensor that detects a standing wave phenomenon using the tire power generation device of the second embodiment. The abnormality detection sensor stores in advance the switching means for switching ON / OFF of the abnormality detection mode, the monitoring means for monitoring the change with time of the electromotive force of the power generation element, and the voltage drop timing after the generation of the maximum electromotive force of the power generation element. And determining means for determining that the standing wave phenomenon has occurred when the time is delayed from the normal voltage drop time.

スタンディングウェーブ現象は、タイヤの接地面での変形が元の形に戻る速さよりもタイヤの回転速度が速いため、元の形に戻れずに、タイヤの後方に波形が残る現象である。
図12に示すように、スタンディングウェーブ現象が生じている場合には、いずれの発電素子についても、起電力が最大値に到達した後の電圧低下が正常時(図12中の点線)よりも遅延する。このような波形になっているときには、スタンディングウェーブ現象が生じていると判断できる。
The standing wave phenomenon is a phenomenon in which a waveform remains behind the tire without returning to the original shape because the rotation speed of the tire is faster than the speed at which the deformation on the ground contact surface of the tire returns to the original shape.
As shown in FIG. 12, when the standing wave phenomenon occurs, the voltage drop after the electromotive force reaches the maximum value is delayed for any power generation element from the normal time (dotted line in FIG. 12). To do. When such a waveform is obtained, it can be determined that a standing wave phenomenon has occurred.

スタンディングウェーブ現象が生じると、特にサイドウォール部の伸張が大きく遅延する。本例においては、実施例2の図6に示すように、タイヤのサイドウォール部31に発電素子が配設されている。サイドウォール部31は、タイヤ回転時の伸張・収縮の度合いが大きい部分である。このため、伸張の遅延が生じている状態を十分に反映した電気信号を発生させることができ、スタンディングウェーブ現象を容易に検知できる。   When the standing wave phenomenon occurs, the extension of the sidewall portion is particularly delayed. In this example, as shown in FIG. 6 of Example 2, the power generation element is disposed on the sidewall portion 31 of the tire. The sidewall portion 31 is a portion where the degree of expansion / contraction during tire rotation is large. For this reason, it is possible to generate an electrical signal that sufficiently reflects the state in which the expansion delay occurs, and to easily detect the standing wave phenomenon.

(実施例8)
本例は、実施例1のタイヤ発電装置をタイヤ剛性可変装置に用いた例である。
(Example 8)
This example is an example in which the tire power generation device of Example 1 is used for a tire stiffness varying device.

実施例1では、タイヤ発電装置から送電されてくる電力を蓄える蓄電器を外部回路に備えているが、本例では外部回路にタイヤ剛性可変装置に適宜電気を送る送電制御手段を備えている。送電制御手段は、タイヤ剛性可変装置へ送電する電力を生成する発電器と、タイヤの剛性を計測する計測手段と、タイヤの伸縮状態とタイヤ回転速度、路面状態及び舵取り角度などの走行状態とを考慮してタイヤの最適剛性を算出する最適剛性算出手段と、計測されたタイヤの剛性がタイヤの最適剛性になるようにアクチュエータに送電する電力量を算出する送電量算出手段と、算出された電力量をアクチュエータに送電するように発電器に指令する指令手段とをもつ。タイヤの剛性は、タイヤの伸縮度合いに基づいて計測される。タイヤが伸張しているときには、剛性が高く、タイヤが収縮しているときには剛性が低くなる。   In the first embodiment, the external circuit is provided with a capacitor that stores electric power transmitted from the tire power generation device, but in this example, the external circuit is provided with power transmission control means for appropriately supplying electricity to the tire stiffness varying device. The power transmission control means includes a generator that generates electric power to be transmitted to the tire stiffness varying device, a measurement means that measures tire rigidity, and a tire expansion / contraction state and a running state such as a tire rotation speed, a road surface state, and a steering angle. Optimum stiffness calculation means for calculating the optimum stiffness of the tire in consideration, transmission amount calculation means for calculating the amount of power transmitted to the actuator so that the measured tire stiffness becomes the optimum stiffness of the tire, and the calculated power Command means for commanding the generator to transmit the quantity to the actuator. The rigidity of the tire is measured based on the degree of expansion / contraction of the tire. When the tire is extended, the rigidity is high, and when the tire is contracted, the rigidity is low.

送電制御手段よりタイヤ剛性可変装置に電気が送電されると、アクチュエータの誘電エラストマが伸張する。誘電エラストマが伸張すると、これを固定しているタイヤも伸張して剛性が高くなる。タイヤ剛性可変装置への送電が停止すると、誘電エラストマが収縮する。誘電エラストマが収縮すると、タイヤも収縮して剛性が低くなる。このように、アクチュエータへ送電する電圧を調整することにより、タイヤの剛性を調整できる。   When electricity is transmitted from the power transmission control means to the tire stiffness variable device, the dielectric elastomer of the actuator expands. When the dielectric elastomer is stretched, the tire fixing the dielectric elastomer is also stretched to increase the rigidity. When power transmission to the tire stiffness varying device stops, the dielectric elastomer contracts. When the dielectric elastomer shrinks, the tire also shrinks and the rigidity becomes low. Thus, the rigidity of the tire can be adjusted by adjusting the voltage transmitted to the actuator.

本発明のタイヤ発電装置、タイヤセンサ及びタイヤ剛性可変装置は、車両に搭載されるものだけでなく、自転車、車椅子などのようにタイヤが回転し伸縮を繰り返すものについて適用できる。   The tire power generation device, tire sensor, and tire stiffness variable device of the present invention can be applied not only to those mounted on a vehicle but also to those that rotate and expand and contract repeatedly, such as bicycles and wheelchairs.

実施例1のタイヤ発電装置の断面説明図である。It is a section explanatory view of the tire power generator of Example 1. 実施例1における、発電素子の配設位置を示すためのタイヤの正面図である。FIG. 2 is a front view of a tire for indicating a position where a power generation element is disposed in Example 1. 実施例1における、コネクタを示す説明図(a)及びスリップリングの説明図(b)である。It is explanatory drawing (a) which shows a connector in Example 1, and explanatory drawing (b) of a slip ring. 実施例1における、発電機構を示すための、誘電エラストマの伸張時(a)、収縮時(b)の断面説明図である。In Example 1, it is sectional explanatory drawing at the time of expansion | extension (a) and contraction (b) of a dielectric elastomer for showing the electric power generation mechanism. 実施例1における、発電素子の電圧パターンを示す説明図である。In Example 1, it is explanatory drawing which shows the voltage pattern of the electric power generation element. 実施例2における、発電素子の配設位置を示すためのタイヤの正面図である。In Example 2, it is a front view of the tire for showing the arrangement position of the power generation element. 実施例2における、発電素子の電圧パターンを示す説明図である。In Example 2, it is explanatory drawing which shows the voltage pattern of the electric power generation element. 実施例3における、発電素子の配設位置を示すためのタイヤの正面図である。In Example 3, it is a front view of the tire for showing the arrangement position of the power generation element. 実施例3における、発電素子の電圧パターンを示す説明図である。In Example 3, it is explanatory drawing which shows the voltage pattern of the electric power generation element. 実施例4における、発電素子の配設位置を示すためのタイヤの断面説明図である。In Example 4, it is a cross-sectional explanatory drawing of the tire for showing the arrangement position of the power generation element. 実施例4における、発電素子の配設位置を示すためのタイヤの正面図である。In Example 4, it is a front view of the tire for showing the arrangement position of the power generation element. 実施例7における、スタンディングウェーブ現象が生じている場合の電圧パターンを示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating a voltage pattern when a standing wave phenomenon occurs in Example 7.

符号の説明Explanation of symbols

1:発電素子、11:誘電エラストマ、12、13:電極、2:ケーブル、3:タイヤ、31:サイドウォール部、32:トレッド部、4:ホイール、40:コネクタ、41:ディスク部、42:リム部、83、84:スリップリング、91:車体、92:ハブ、93:回転シャフト 1: power generation element, 11: dielectric elastomer, 12, 13: electrode, 2: cable, 3: tire, 31: sidewall portion, 32: tread portion, 4: wheel, 40: connector, 41: disk portion, 42: Rim part, 83, 84: slip ring, 91: vehicle body, 92: hub, 93: rotating shaft

Claims (19)

ディスク部と該ディスク部から径外方向に延設されたリム部とを有するホイールと、サイドウォール部とトレッド部とを有し前記リム部に保持されているタイヤと、該タイヤに固定された発電素子と、該発電素子で発生した電力を外部回路に送電する送電手段とをもち、
前記発電素子は、前記タイヤの変形に追従して伸縮することによりその伸縮運動エネルギを電気エネルギに変換する誘電エラストマと、該誘電エラストマの両端に配置された電極とを有することを特徴とするタイヤ発電装置。
A wheel having a disk part and a rim part extending radially outward from the disk part, a tire having a sidewall part and a tread part and held by the rim part, and fixed to the tire Having a power generation element and power transmission means for transmitting the power generated by the power generation element to an external circuit;
The power generation element includes a dielectric elastomer that converts expansion and contraction kinetic energy into electrical energy by expanding and contracting following the deformation of the tire, and electrodes disposed at both ends of the dielectric elastomer. Power generation device.
前記発電素子は、前記タイヤの周方向に断続的に配設されていることを特徴とする請求項1記載のタイヤ発電装置。   The tire power generation device according to claim 1, wherein the power generation element is intermittently disposed in a circumferential direction of the tire. 前記発電素子は、前記タイヤの周方向に複数が等間隔で配設されていることを特徴とする請求項2記載のタイヤ発電装置。   The tire power generation device according to claim 2, wherein a plurality of the power generation elements are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the tire. 前記発電素子は、前記タイヤの周方向に連続して配設されていることを特徴とする請求項1記載のタイヤ発電装置。   The tire power generation device according to claim 1, wherein the power generation elements are continuously arranged in a circumferential direction of the tire. 前記発電素子は、前記タイヤのサイドウォール部に配設されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のタイヤ発電装置。   The tire power generation device according to any one of claims 1 to 4, wherein the power generation element is disposed in a sidewall portion of the tire. 前記発電素子は、前記タイヤの前記トレッド部に配設されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のタイヤ発電装置。   The tire power generation device according to any one of claims 1 to 4, wherein the power generation element is disposed in the tread portion of the tire. 前記送電手段は、前記タイヤと前記リム部との間に形成されている気圧室の中に配設されたケーブルであることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のタイヤ発電装置。   The said power transmission means is a cable arrange | positioned in the atmospheric | air pressure chamber formed between the said tire and the said rim | limb part, The any one of Claim 1 thru | or 6 characterized by the above-mentioned. Tire power generator. 前記リム部は、前記気圧室と連通する導通孔とを有し、
該導通孔は、前記ケーブルを挿通した状態でハーメチックシールにて封止されていることを特徴とする請求項7記載のタイヤ発電装置。
The rim portion has a conduction hole communicating with the atmospheric pressure chamber,
The tire power generation device according to claim 7, wherein the conduction hole is sealed with a hermetic seal in a state where the cable is inserted.
請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の前記タイヤ発電装置を有することを特徴とする車両。   A vehicle comprising the tire power generation device according to any one of claims 1 to 8. 請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の前記タイヤ発電装置にて発生した電力の応答に基づいてタイヤの変形状態を検知することを特徴とするタイヤセンサ。   A tire sensor that detects a deformation state of a tire based on a response of electric power generated by the tire power generation device according to any one of claims 1 to 9. 前記タイヤセンサは、タイヤ回転速度センサであることを特徴とする請求項10記載のタイヤセンサ。   The tire sensor according to claim 10, wherein the tire sensor is a tire rotation speed sensor. 前記タイヤセンサは、前記タイヤの異常を検知する異常検知センサであることを特徴とする請求項10に記載のタイヤセンサ。   The tire sensor according to claim 10, wherein the tire sensor is an abnormality detection sensor that detects an abnormality of the tire. 前記タイヤセンサは、前記タイヤの空気圧を検知する空気圧センサであることを特徴とする請求項10記載のタイヤセンサ。   The tire sensor according to claim 10, wherein the tire sensor is an air pressure sensor that detects an air pressure of the tire. 前記タイヤセンサは、前記タイヤが接地する路面の状態を検知する路面状態検知センサであることを特徴とする請求項10記載のタイヤセンサ。   The tire sensor according to claim 10, wherein the tire sensor is a road surface state detection sensor that detects a state of a road surface on which the tire contacts the ground. 前記タイヤセンサは、前記タイヤの摩耗状態を検知するタイヤ摩耗センサであることを特徴とする請求項10記載のタイヤセンサ。   The tire sensor according to claim 10, wherein the tire sensor is a tire wear sensor that detects a wear state of the tire. 前記タイヤセンサは、車両の盗難を検知する盗難センサであることを特徴とする請求項10記載のタイヤセンサ。   The tire sensor according to claim 10, wherein the tire sensor is a theft sensor that detects theft of a vehicle. 前記タイヤセンサは、制動状態を検知する制動センサであることを特徴とする請求項10記載のタイヤセンサ。   The tire sensor according to claim 10, wherein the tire sensor is a braking sensor that detects a braking state. 前記タイヤセンサは、ホイールの舵取り角度を検知する角度センサであることを特徴とする請求項10記載のタイヤセンサ。   The tire sensor according to claim 10, wherein the tire sensor is an angle sensor that detects a steering angle of a wheel. ディスク部と該ディスク部から径外方向に延設されたリム部とを有するホイールと、サイドウォール部とトレッド部とを有し前記リム部に保持されているタイヤと、該タイヤに固定されたアクチュエータと、該アクチュエータへ外部回路から送電する送電手段とをもち、
前記アクチュエータは、前記外部回路から前記送電手段を通じて印加された電気エネルギを伸縮運動エネルギに変換する誘電エラストマと、該誘電エラストマの両端に配置された電極とを有することを特徴とするタイヤ剛性可変装置。
A wheel having a disk part and a rim part extending radially outward from the disk part, a tire having a sidewall part and a tread part and held by the rim part, and fixed to the tire An actuator and a power transmission means for transmitting power from an external circuit to the actuator;
The actuator includes a dielectric elastomer for converting electrical energy applied from the external circuit through the power transmission means into expansion and contraction kinetic energy, and electrodes disposed at both ends of the dielectric elastomer. .
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