JP2011517396A - 回転系内の電気エネルギの形成装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電子モジュール（２，３）へ電流を供給するために、回転系（１）に作用する外力から回転系内の複数の能動圧電変換器によって電気エネルギを形成し、形成された電気エネルギを電子回路（４）によって処理して電子モジュールへ供給する、回転系内の電気エネルギの形成装置に関する。回転系の回転特性への影響を小さくし、利用可能なエネルギを増大し、極大の加速度特性のもとでの耐用期間を延長するために、本発明では、複数の能動圧電変換器がそれぞれ１つずつ電極（６）を含む複数の圧電セラミックファイバ（５）であり、ファイバの同じ極性の電荷を形成する電極どうしが導電性の１つの外部電極（７）を介して接続されている。

Description

本発明は、電子モジュールへ電流を供給するために、回転系に作用する外力から前記回転系内の複数の能動圧電変換器によって電気エネルギを形成し、形成された電気エネルギを電子回路によって処理して前記電子モジュールへ供給する、回転系内の電気エネルギの形成装置に関する。

こうした装置はＤＥ６０３１０１０４Ｔ２から公知である。ここでは、タイヤ（エアタイヤ）内に、圧電素子、圧電素子へのコンタクトのための操作質量体、および、圧電素子に電気的に接続された制御回路が配置されている。操作質量体とは外力によって圧電素子を偏向させるために設けられているものであり、この操作質量体に外力がかかると圧電素子に電荷が発生する。この電荷ないしエネルギが制御回路によって各モジュールへ供給される。

ここでの欠点は、圧電素子および操作質量体が重く、回転系またはタイヤの回転特性への影響が大きいということである。また、こうした装置はふつう、センサや伝送エレメントの持続的動作にとって充分なエネルギを供給することができない。さらに、数万Ｇの極端な加速度のもとでも信頼性高く、耐用期間の長い装置が望まれている。

エネルギ伝送のための容量性かつ誘導性のシステムやエネルギを蓄積するバッテリまたは蓄電池のほか、圧電セラミックベースのシステムも公知である。しかし、当該のシステムは、例えば質量振動装置として構成されるため、その構造によって、動作中、回転系としてのタイヤ内で発生する力および変形の影響を受けやすく、モジュールが早期に破壊されることもある。

また、公知の手段のなかには、タイヤの運動面の内部に組み込まれているため、質量によって走行安定性を大きく損ない、かなり強い不平衡を引き起こすものもある。

したがって、本発明の基礎とする課題は、冒頭に言及した形式の回転系内の電気エネルギの形成装置を改善して、回転系の回転特性への影響をできるだけ小さくすることである。さらに、当該の電気エネルギの形成装置ができるだけ多くのエネルギを供給して、例えばセンサおよび伝送エレメントに持続的に給電を行えるようになり、また、数万Ｇの極端な加速度のもとでも確実に動作し、長い耐用期間にわたって利用できるようになるといっそう有利である。

この課題は、本発明により、複数の能動圧電変換器がそれぞれ１つずつ電極を含む複数の圧電セラミックファイバであり、このファイバの同じ極性の電荷を形成する電極どうしが導電性の１つの外部電極を介して接続されている構成により解決される。回転系に作用する外力が動作中に加速度を変化させることにより、ファイバが短時間だけ変形し、電荷が発生する。当該の電荷が取り出され、電気エネルギとしてモジュールへ供給されるのである。圧電セラミックファイバは軽いので、回転系の回転特性への影響はほとんど生じない。また、充分に大きなエネルギをセンサや伝送エレメントへの持続的給電に用いることができる。この場合、数万Ｇの極端な加速度も許容され、装置の耐用期間も長くなる。

タイヤの運動面上のポイントが道路に衝突する際の時間特性図である。 本発明の装置の有利な実施例を示す図である。図３にはが示されている。 本発明の電極を備えたファイバおよび対応する外部電極を示す図である。

有利な実施形態によれば、当該の回転系は特に自動車用のタイヤである。

有利には、複数の圧電セラミックファイバは互いに機械的に分離されている。これにより、各ファイバが電荷の形成に寄与する。

有利な実施形態によれば、複数の圧電セラミックファイバが回転系の内側、特にタイヤの運動面の内側に取り付けられるかまたはそこに組み込まれている。これにより、ファイバは直接に外力によって変形する。タイヤの運動面へのファイバの組み込みをタイヤの製造時に行い、顧客に不可視とすることもできる。また、このようにすればファイバが保護される。

複数の圧電セラミックファイバは回転系またはタイヤの運動面に対して横方向に、有利には相互に平行に配置されている。これにより、ファイバが回転系またはタイヤの変形に対していっそう安定となり、負荷への耐性が向上する。

複数の圧電セラミックファイバは直径０．０１ｍｍ〜５ｍｍ、有利には直径０．０５ｍｍ〜２ｍｍ、特に有利には直径０．１ｍｍ〜０．５ｍｍを有する。こうした直径にすればファイバが安定し、充分な電荷を形成できるようになる。

有利な実施形態によれば、複数の圧電セラミックファイバは引き出し法により形成される。これにより特に低コストに任意の長さでファイバを形成することができる。

複数の圧電セラミックファイバはプレート状の圧電セラミックウェハをソーカットすることにより形成することもできる。この場合、ファイバは、ふつう、長方形または正方形の断面を有し、相応の寸法を有する。

有利な実施形態によれば、複数の圧電セラミックファイバは、高いフレキシビリティを有するように３次元パターニングされた金属製の外部電極を介して、発生した電荷を放出するために接続されており、回転系またはタイヤに作用する力および変形によって破壊されない複数のファイバグループが形成される。

ここで、外部電極は精細なワイヤネットから成る。ワイヤネットはフレキシビリティが高く、３Ｄパターニングによって金属から形成される。

有利には、複数のファイバ間の距離または複数のファイバグループ間の距離は、個々のファイバまたは個々のファイバグループで形成された電荷が同時に反対極性を有さないように選定されている。これにより、電荷が互いに打ち消し合わず、互いに増幅される。

有利には、同じ極性を形成する複数のファイバまたは複数のファイバグループは電気的にまとめられて別個の整流回路に接続されており、電荷の中性化が阻止される。

有利には、複数の圧電セラミックファイバが新規未使用の状態にあるとき、すなわち、複数の圧電セラミックファイバが圧電セラミックプレートの未加工部材として用意されている場合、この未加工部材が、製造時または動作中に自動的に破断されて定義されたファイバとなるように、製造プロセスにおいて機械的に処理される。例えば、プレートに複数の打ち抜き孔が設けられ、この打ち抜き孔にしたがって破断が行われる。

有利には、本発明の装置は、タイヤ圧を測定するため、および／または、道路特性を求めるため、および／または、自動車の走行動特性を求めるために用いられる。

有利には、本発明の装置によって測定された電荷信号と目標値とが比較され、この電荷信号が目標値を上回った場合または下回った場合に所定の信号が表示される。例えば、タイヤ内の空気圧が過度に低いとき、目標値からの偏差を表す信号が形成される。

以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。

本発明の有利な実施例では、タイヤの運動面の内側に、加速度の変化に基づいて動作中に電荷を形成する能動圧電部品、特に圧電セラミックファイバが組み込まれている。この能動圧電部品は、走行方向に対して横断方向に配置されていることにより、タイヤの大きな機械的変形にも耐えることができる。

圧電セラミックファイバとは、その長さに比べて厚さが小さく、フレキシビリティの高い造形物であると理解されたい。ファイバとは、所定の構造を形成するように繊維を結合したものである。ファイバの横断面は任意の形状、例えば円形または多角形またはこれらの組み合わせ形状に構成できる。ファイバの構造は、同じ形状の"完全体"の構造に比べて、より強固である。

本発明の装置を自動車のタイヤに用いる実施例では、タイヤの内側の全周にわたって、タイヤとともに回転する圧電性のファイバ構造体が配置される。当該のファイバ構造体は、電気コンタクトを介して、生じたエネルギを取り出し、蓄積し、管理し、他のユニットへ送出する電子ユニットに接続されている。

基本的には、回転可能に取り付けられたタイヤが回転すると遠心力がかかる。この場合、相応の加速度はタイヤの半径および角速度のみに依存する。外力が作用しなければ、本発明の装置は電気エネルギを形成しない。

走行動作中、接触面での外力の作用がタイヤの変形をもたらすため、きわめて高い加速度が発生し、この加速度から、圧電素子内のファイバ構造体の圧電特性に基づいて、電荷量Ｑが形成される。この電荷量Ｑにより、例えばキャパシタンスＣを有するキャパシタが充電される。エネルギＥすなわち
Ｅ＝１／２・（Ｑ^２／Ｃ）
が電気エネルギとして取り出される。

本発明によれば、タイヤの運動面が走行路に接触している場合、つねに、有効加速力が発生する。このときタイヤは変形し、均等な円運動が阻害される。これにより、加速度の変化が生じ、この変化が圧電セラミックファイバへの衝突力として取り出され、本発明の電荷の分離が達成される。

高い加速度値ひいては大きな電荷の形成にとって重要なのは、主として、タイヤの運動面が変形し、ファイバの運動方向が変化する時間の長さΔｔである。

図１には、自動車のタイヤの運動面上の所定のポイントが道路に衝突する場合の時間経過がｙ軸に示されている。ここではタイヤの運動面上の所定のポイントの運動特性が近似に示されている。領域Ｉではタイヤは均等に回転しているが、領域ＩＩで道路に当たって変形し始めており、領域ＩＩＩでポイントが道路に接触している。

適切な近似計算を行うことにより、領域ＩＩにおいて圧電素子の受ける加速度の値が１／（Δｔ^２）に比例することが推定される。ここで、Δｔは、タイヤの運動面が変形し、ファイバの運動方向が変化する時間である。タイヤの状態とタイヤの弾性特性と車速に依存する角速度とによって時間Δｔは極端に短くなることがあるため、１００００Ｇのオーダーの加速度が発生しうる。

道路の平坦性や、付加的な力ないし電荷を発生させるその他の動特性係数に基づく付加的な影響は、ここでは考慮しない。

加速度が高い場合に発生する電荷を１次推定する際には、次のように計算する。すなわち、圧電素子またはファイバがｄ_３３モードで駆動される場合、発生する電荷と力との関係は、式
Ｑ＝ｄ_３３・Ｆ
で表される。ｄ_３３は圧電定数であり、例えば４００ｐＣ／Ｎのオーダーにある。

圧電セラミック材料の上に、付加的なゴム製の載置台その他を介して、例えば０．００５ｋｇの重量の物体が載置された場合、１次推定で、タイヤの１回転ごとに予測される電荷量は、

となる。したがって、充分に大きな電荷量が形成される。ただし、この電荷量は、本発明の装置の構成に応じて、大きな範囲で変化させることができる。

圧電セラミック製の素子を１００μｍのオーダーの径の円筒形のファイバとして構成すると、きわめて有利である。こうしたファイバは、引き出しプロセスなどを用いた大量生産によって低コストに製造可能である。セラミック産業で知られているプロセスを用いて、これらのファイバに電気コンタクトおよびｄ_３３モードの極性付けを行って使用すれば、高いエネルギ効率が保証される。

もちろん、他の形状および他の寸法も可能であり、適用目的に応じて、例えば平行六面体形のファイバその他を構成することができる。

これらのファイバは、タイヤの製造時に直接にタイヤの内部に組み込むこともできるし、タイヤから独立した弾性シートに組み合わせることもできる。この場合、いわゆるパッチの形態の弾性複合部材が設けられ、タイヤに組み込まれる。当該のパッチはマクロファイバコンポーネントＭＦＣの名称で知られている。

ファイバ構造体の利点は、タイヤの運動面が道路に当たったときの高い変形力に対して良好な耐性を有し、機械的な機能停止にいたりにくくなるということである。

特に、ファイバが、タイヤの運動面に対して横方向に、また、相互に平行に配置されていると、変形耐性が高まる。ファイバは複合部材として設けられることでタイヤから機械的に分離されるため、例えばタイヤの変形率が典型的な５％〜１０％のオーダーにある場合、こうした変形に対してきわめて安定となり、負荷耐性が保証される。

通常、圧電セラミックプレートの変形に対する耐性限界はパーミル領域にある。従来技術の圧電ジェネレータすなわち圧電セラミックプレートとコンタクトとを組み合わせた装置は、タイヤの運動面が道路に当たる際の条件によって、破壊されることがある。

圧電セラミックファイバのパッチの充填率を所望に応じて調整することにより、最適な条件を設定することができる。なお、平行に配置されたファイバどうしの間隔は、直接に接する位置から寸法に応じたファイバの径または幅の数倍の位置まで、変更することができる。

有利には、タイヤ内面の全周にわたって複数のファイバ領域または複数のパッチが均等に分配され、不平衡が最小化され、エネルギ形成能力が数倍高まる。

別の実施例として、ファイバ領域がタイヤの接触面積よりも狭くされる。このようにすれば、形成された電荷はタイヤの運動面が道路へ当たったり離れたりする交互の対称的な運動経過によっては補償されない。

有利には、ファイバ領域は、程度の差こそあれ、タイヤの内面の全体にわたって延在している。

この場合、エネルギ効率の最大値が達成される。ただし、適切な電子制御回路によって、上述したような電荷を形成する圧電効果が打ち消されないように制御を行わなければならない。

例えば、パッチグループが形成される。ここで、第１のパッチグループは、タイヤの運動面が道路に当たるときにエネルギを形成するように電子ユニットによって駆動され、第２のパッチグループは、タイヤの運動面が道路から離れるときにエネルギを形成するように電子ユニットによって駆動される。

個々のパッチ間の距離は、上述の制御においてパッチグループを充分に利用できるように選定される。

ファイバ構造体に代えて、相応の形状の圧電セラミックプレートを用いてもよい。従来の圧電セラミックプレートは前述したように動作中に破壊されることがあるが、本発明の圧電セラミックプレートは適切なコンタクト形成によって保持される。

適切なコンタクト形成とは、導電性を有するフレキシブルなネットを圧電セラミックプレート上に形成することである。こうしたコンタクトはタイヤの運動中の高度の変形に耐えることができる。

別の実施例として、製造プロセス中に圧電セラミックプレートにマークを付すこともできる。このマークは、圧電セラミックプレートが製造中または動作中に自動的に定められたファイバ位置で破断されることを表すものである。

有利な実施例では、本発明の装置は、タイヤ圧を測定するため、および／または、道路特性を求めるため、および／または、走行動特性を求めるために設けられる。

自動車のタイヤ圧が過度に低い場合、道路上のタイヤの接触面積は、タイヤ圧が正常である場合に比べて大きくなる。これにつき、測定装置は別の測定信号を形成し、この測定信号と正常な圧力での信号とが比較され、タイヤ圧の信号および／または低い圧力のタイヤに対する信号が得られる。当該の信号は適切に表示される。道路面でのタイヤの変形率によって、道路特性および走行動特性を推論することができる。

図２には本発明の装置の有利な実施例が示されている。図３には本発明の電極６を備えたファイバ５またはファイバ構造体６と対応する外部電極７とが示されている。

回転系１は車両用のタイヤ、有利には、自動車または自動二輪車のタイヤであり、従来技術から公知のゴム状の複合材料から成る運動面８および側面１１を有している。道路１０上での回転方向９が矢印で示されている。運動面８には圧電セラミックファイバまたはファイバ構造体５（図３を参照）が組み込まれており、動作中、このファイバに種々の強さの加速度が作用する。これにより電荷が発生し、この電荷がファイバに電気的に接続された電子制御ユニット４に蓄積され、制御される。電子制御ユニット４は、運動面８の内側の、ファイバ構造体またはファイバ５の配置されている箇所に位置する。これとともに、例えばタイヤ圧を測定するセンサエレメント２などのセンサ装置または通信エレメント３などの電子部品を設けることができる。ファイバ５は相互に接続されて、例えば図３に示されているように４つのファイバグループにまとめられているので、タイヤに作用する変形力によって破壊されない。ただし、圧電性のファイバ５は必ずしも４つのグループにまとめられたり４つの領域に分割されたりしなくてよく、任意の数の領域を有することができる。重要なのは、ファイバ領域の個数ないし寸法に関係なく、これらの領域が個々のサブ領域として電気的に分離されているということである。これは、運動面が道路に当たったときおよび運動面が道路から離れるときの方向に依存する特性に基づいて、電荷を形成する効果が互いに打ち消されないようにするためである。

図３には、それぞれ１つずつ電極６を備えた３つのファイバ５が示されている。各電極６は外部電極７を介して相互に電気的に接続されている。外部電極７は、高いフレキシビリティを有し、かつ、精細に３次元パターニングされた金属製のワイヤネットから成り、ファイバ５の上方および／または下方に配置されている。ファイバ５は電極６に接着されているか、焼成されているか、または、はんだ付けされている。さらに、個々のファイバ領域またはファイバ構造体５間の電気的接続、および、これらと電子制御ユニット４、空気圧を検出するセンサエレメント２または通信エレメント３との外部電極７を介した電気的接続は、タイヤ内に積層されたケーブルまたはその他の導体路を介して行われる。

Claims (15)

1. 電子モジュール（２，３）へ電流を供給するために、
   回転系（１）に作用する外力から該回転系内の複数の能動圧電変換器によって電気エネルギを形成し、
   形成された電気エネルギを電子回路（４）によって処理して前記電子モジュールへ供給する、
   回転系内の電気エネルギの形成装置において、
   前記複数の能動圧電変換器はそれぞれ１つずつの電極（６）を含む複数の圧電セラミックファイバ（５）であり、該ファイバの同じ極性の電荷を形成する電極どうしが導電性の１つの外部電極（７）を介して接続されている
   ことを特徴とする回転系内の電気エネルギの形成装置。
2. 前記回転系は例えば自動車用のタイヤである、請求項１記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。
3. 前記複数の圧電セラミックファイバは互いに機械的に分離されている、請求項１または２記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。
4. 前記複数の圧電セラミックファイバは前記回転系または前記タイヤの運動面の内側に取り付けられるかまたは組み込まれている、請求項１から３までのいずれか１項記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。
5. 前記複数の圧電セラミックファイバは前記回転系または前記タイヤの運動面に対して横方向に、有利には相互に平行に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。
6. 前記複数の圧電セラミックファイバは直径０．０１ｍｍ〜５ｍｍ、有利には直径０．０５ｍｍ〜２ｍｍ、特に有利には直径０．１ｍｍ〜０．５ｍｍを有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。
7. 前記複数の圧電セラミックファイバは引き出し法により形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。
8. 前記複数の圧電セラミックファイバはプレート状の圧電セラミックウェハをソーカットすることにより形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。
9. 前記複数の圧電セラミックファイバは、高いフレキシビリティを有するように３次元パターニングされた金属製の前記外部電極（７）を介して、発生した電荷を放出するために接続されており、前記回転系または前記タイヤに作用する力および変形によって破壊されない複数のファイバグループが形成される、請求項１から８までのいずれか１項記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。
10. 前記外部電極は精細なワイヤネットから成る、請求項１から９までのいずれか１項記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。
11. 前記複数の圧電セラミックファイバ間の距離または前記複数のファイバグループ間の距離は、個々のファイバまたは個々のファイバグループで形成された電荷が同時に反対極性を有さないように選定されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。
12. 同じ極性の電荷を形成する複数のファイバまたは複数のファイバグループが電気的にまとめられて別個の整流回路に接続されており、前記電荷の中性化が阻止される、請求項１から１１までのいずれか１項記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。
13. 前記複数の圧電セラミックファイバが新規未使用の状態にあるとき、すなわち、前記複数の圧電セラミックファイバが圧電セラミックプレートの未加工部材として用意されている場合、該未加工部材が、製造時または動作中に自動的に破断されて定義されたファイバとなるように、製造プロセスにおいて機械的に処理される、請求項１から１２までのいずれか１項記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。
14. 当該の電気エネルギの形成装置は、タイヤ圧を測定するためおよび／または道路特性を求めるためおよび／または自動車の走行動特性を求めるために用いられる、請求項１から１３までのいずれか１項記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。
15. 当該の電気エネルギの形成装置によって測定された信号と目標値とが比較され、該信号が該目標値を上回った場合または下回った場合に所定の信号が表示される、請求項１から１４までのいずれか１項記載の回転系内の電気エネルギの形成装置。

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