JP2012023839A

JP2012023839A - 静電容量変化型発電装置

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Publication number: JP2012023839A
Application number: JP2010159045A
Authority: JP
Inventors: Akira Kobayakawa; 彰小早川
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2012-02-02

Abstract

【課題】入力が小さい場合でも、効率よく発電を行うことのできる静電容量変化型発電装置を提供する。
【解決手段】タイヤ内に配置されて、タイヤの振動により容量が変化する可変電荷蓄積素子と、可変電荷蓄積素子の容量が増加したときに可変電荷蓄積素子に電荷を供給する第１の電荷蓄積素子と、可変電荷蓄積素子の容量が減少したときに可変電荷蓄積素子から供給される電荷を蓄積する第２の電荷蓄積素子とを備えた静電容量変化型発電装置において、前記可変電荷蓄積素子を、固定部材本体に設けられた櫛状の固定側電極と、バネを介してバネ固定部材に取付けられた可動部材と、この可動部材に設けられた櫛状の可動側電極とを備え、可動部を構成する可動部材及び可動側電極の質量とバネのバネ定数が、タイヤ周方向の振動スペクトルの２次ピークの周波数付近になるように設定された可変容量キャパシターから構成した。
【選択図】図６

Description

本発明は、タイヤ内に設置された計測器や通信機などに電力を供給するための静電容量変化型発電装置に関する。

従来、外力により静電容量が変化する可変容量キャパシターを用いて発電を行う静電容量変化型発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
図７（ａ）はその一例を示す図で、この静電容量変化型発電装置５０は、外力により静電容量が変化する可変容量キャパシター５１と、入力側電圧源５２と出力側電圧源５３とを備えており、入力側電圧源５２と可変容量キャパシター５１、及び、可変容量キャパシター５１と出力側電圧源５３とはそれぞれダイオード５４，５５により接続されている。入力側電圧源５２と出力側電圧源５３とは、ともに一定電圧源であり、出力側電圧源５３の電圧Ｖ₂は、入力側電圧源５２の電圧Ｖ₁よりも高く設置されている。
可変容量キャパシター５１は、図７（ｂ）に示すように、櫛の歯状に形成されて基板５１ｍに固定される固定電極５１ａと、一端がバネ固定部５１ｎに固定されたバネ５１ｋの他端側に取付けられて空中に浮いた状態で支持される櫛の歯状に形成された可動電極５１ｂとを備えている。この可変容量キャパシター５１では、外力が作用すると、可動電極５１ｂの電極面が固定電極５１ａに対して同図の矢印に示す方向に相対的に移動する。これにより、固定電極５１ａの電極面と対向する面積Ｓ、すなわち、可変容量キャパシター５１の電極面積が変化し、静電容量が変化する。

外力により、可変容量キャパシター５１の静電容量が最大値のＣ₀＋ΔＣとなったときには、入力側電圧源５２から可変容量キャパシター５１に電荷Ｑ₁が供給され、可変容量キャパシター５１の電圧はＶ₁＝Ｑ₁/（Ｃ₀＋ΔＣ）となる。更に、可変容量キャパシター５１の静電容量がＣ₀まで減少すると、可変容量キャパシター５１の電圧は出力側電圧源５３の電圧Ｖ₂まで上昇する。可変容量キャパシター５１の静電容量が更に減少すると、ダイオード５５が導通し、可変容量キャパシター５１から出力側電圧源５３に電荷が移動し、可変容量キャパシター５１の容量が最小値Ｃ₀−ΔＣになった時点で、可変容量キャパシター５１に蓄積される電荷は減少してＱ₂となる。つまり、外力により、可変容量キャパシター５１の容量を最大値のＣ₀＋ΔＣから最小値Ｃ₀−ΔＣに変化させることで、出力側電圧源５３には電荷（Ｑ₁−Ｑ₂）が蓄積される。すなわち、外力により発電を行うことができる。

また、図８に示すような、個人用健康管理機器（Personal Vital Assistant；ＰＶＡ）の電源として使用される、人体に装着され人体の振動により静電容量が変化する可変容量キャパシターCM1と電力回収回路PC2とを備えた静電容量変化型発電装置（発電チップ）CHIP2が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
可変容量キャパシターCM1は、ＭＥＭＳプロセスによりシリコンチップから成る基板上に形成された２つの固定電極ST1，ST2と可動電極VT1とを備える。可動電極VT1は、アンカーPN1〜PN4以外はどこにも固定されておらず、発電チップCHIP2上に浮いているので、発電チップCHIP2がある加速度で振動すると、可動電極VT1は慣性力により２つの固定電極ST1，ST2間を振動する。これにより、可動電極VT1と固定電極ST1，ST2との電極間距離が変化し、可変容量キャパシターCM1の静電容量が変化する。この外部の振動による静電容量の変化により、可変容量キャパシターCM1に蓄えられる静電エネルギーが増加する。したがって、この静電エネルギーを電力回収回路PC2により回収して基板上のキャパシターC3を充電すれば、発電電力を蓄積できる。

特開平１１−９８８６８号公報特開２００４−２４５５１号公報

しかしながら、従来の静電容量変化型発電装置５０では、可変容量キャパシター５１の静電容量の変化は入力の大きさに比例するので、入力が小さい場合には電極間の変位量も小さくなり、その結果、十分な発電量を得ることができなかった。
特に、可変容量キャパシターCM1のようにＭＥＭＳプロセスを用いて形成されたものは、全体の寸法が、例えば、10mm×10mm×0.5mm（深さ）と非常に小さいため、電極間の変位量を大きくとることができず、そのため、十分な発電量を得ることができないといった問題点があった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、入力が小さい場合でも、効率よく発電を行うことのできる静電容量変化型発電装置を提供することを目的とする。

本願発明は、タイヤ内に配置されて、タイヤの振動により容量が変化する可変電荷蓄積素子と、前記電荷蓄積素子の容量が増加したときに前記可変電荷蓄積素子に電荷を供給する第１の電荷蓄積素子と、前記可変電荷蓄積素子の容量が減少したときに前記可変電荷蓄積素子から供給される電荷を蓄積する第２の電荷蓄積素子とを備えた静電容量変化型発電装置であって、前記可変電荷蓄積素子が、一方の電極が他方の電極に対して弾性体を介して揺動可能に支持されて、前記タイヤの振動により電極間距離と電極面積のいずれか一方もしくは両方が変化し、かつ、前記タイヤのタイヤトレッドの振動の周波数スペクトルに出現するピークの周波数と同じ共振周波数を有する可変容量キャパシターであることを特徴とする。
このように、可変電荷蓄積素子である可変容量キャパシターにタイヤトレッドの振動の周波数スペクトルに出現するピークの周波数と同じ共振周波数をもたせるようにすれば、入力が小さい場合でも、弾性体を介して支持された電極の変位量を大きくできる。その結果、電極間距離や電極面積を大きく変化させることができるので、効率よく発電を行うことができる。

また、本願発明は、前記ピークの周波数を、タイヤトレッドの周方向振動の周波数スペクトルの１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲に出現する２次ピークの周波数としたものである。
タイヤ内面に設置された可変容量キャパシターには、タイヤ周方向振動、タイヤ幅方向振動、タイヤ径方向振動のいずれの振動も作用するが、タイヤ周方向振動が振幅も大きく、かつ、遠心力の影響を受けないので、大きな発電量を得ることができる。
また、発電量は、可動電極の変位量が大きいほど大きく、また、周波数が高いほど大きいので、特に、ＭＥＭＳプロセスを用いて作製した可変容量キャパシターにおいて発電効率を高めるためには、共振周波数を１００Ｈｚ以上とすることが好ましい。また、共振周波数が１ｋＨｚを超えると、タイヤ周方向振動そのものの大きさ（ピーク値）が小さくなるので、ピークの周波数を、タイヤトレッドの周方向振動の２次ピークの周波数とすることが好ましい。

また、本願発明は、前記可変容量キャパシターが、固定部材と、少なくとも一端が前記固定部材にそれぞれバネを介して取付けられた可動部材と、前記固定部材に設けられた固定側電極と、前記可動部材に前記固定側電極に対向するように設けられた可動側電極とを備え、前記バネがタイヤ周方向に振動するように配置され、かつ、前記可動部材の質量と前記バネのバネ定数とが、前記ピークの周波数となるように設定されていることを特徴とする。
これにより、可動部材をタイヤ周方向振動の２次ピークの周波数で確実に共振させることができるので、大きな発電量を安定して得ることができる。

なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

本実施の形態に係る静電容量変化型発電装置の構成を示す図である。静電容量変化型発電装置の取付け位置を示す図である。本実施の形態に係る可変容量キャパシターの構成を示す図である。可変容量キャパシターの動作を説明するための図である。タイヤ内面振動の周波数スペクトルを示す図である。静電容量変化型発電装置をタイヤに装着して走行させたときの可変容量キャパシターの静電容量の変化を測定した結果を示す図である。従来の静電容量変化型発電装置の構成を示す図である。従来の静電容量変化型発電装置の他の構成を示す図である。

以下、実施の形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また、実施の形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施の形態に係る静電容量変化型発電装置１０の構成を示す図である。
静電容量変化型発電装置１０は、第１の電荷蓄積素子１１と、可変電荷蓄積素子２０と、第２の電荷蓄積素子１２と、第１の電荷蓄積素子１１と可変電荷蓄積素子２０との間に設けられたダイオード１３と、可変電荷蓄積素子２０と第２の電荷蓄積素子１２との間に設けられたダイオード１４とを備える。
本例では、第１の電荷蓄積素子１１と第２の電荷蓄積素子１２として、静電容量が一定の容量一定型のキャパシターを用い、可変電荷蓄積素子２０として可変容量キャパシターを用いた。本例の可変容量キャパシターは外力により静電容量が変化するキャパシターである。以下、可変電荷蓄積素子２０を可変容量キャパシター２０という。
なお、前記電荷蓄積素子１１，１２としては、キャパシターの他に二次電池（充電式電池）などを用いることができる。
第１の電荷蓄積素子１１は可変容量キャパシター２０に電荷を供給する電荷供給用のキャパシターで、第２の電荷蓄積素子１２は可変容量キャパシター２０から電荷を受けとって蓄電する蓄電用のキャパシターである。
可変容量キャパシター２０は、図２に示すように、タイヤ３０のインナーライナー３１のタイヤ気室３２側で、かつ、トレッド３３の幅方向中心部の裏面側に配置されており、タイヤの振動、具体的には、タイヤのトレッド３３の振動により静電容量が変化するキャパシターである。なお、第１の電荷蓄積素子１１、第２の電荷蓄積素子１２、ダイオード１３，１４も可変容量キャパシター２０と一体に構成されて、例えば、タイヤ３０のインナーライナー３１のタイヤ気室３２側や、インナーライナー３１とカーカスプライ３４との間のゴム部材中や、サイドウォールのゴム中などの、タイヤ３０の内部に設置される。

図３（ａ），（ｂ）は本発明による可変容量キャパシター２０の構成を示す図で、（ａ）図は平面図、（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ａ断面図である。
可変容量キャパシター２０は、固定部材本体２１と、複数の固定側電極２２と、バネ固定部材２３ａ，２３ｂと、バネ２４ａ，２４ｂと、複数の可動側電極２５と、可動部材２６とを備える。複数の固定側電極２２は固定部材本体２１に設けられ、複数の可動側電極２５は可動部材２６に設けられている。可動部材２６は、両端がバネ２４ａ，２４ｂを介してバネ固定部材２３ａ，２３ｂにそれぞれ取付けられている。
固定部材本体２１と固定側電極２２とバネ固定部材２３ａ，２３ｂとが可変容量キャパシター２０の固定部を構成し、可動部材２６と可動側電極２５とが可動部を構成する。

固定部材本体２１は、四角板状の底板２１ｋの周縁部に立設されて枠状を成す４つの直方体状のブロック２１ａ〜２１ｄとを備えた升状の部材である。以下、底板２１ｋと４つのブロック２１ａ〜２１ｄとに囲まれた空間をキャビティ２７という。
固定側電極２２は、固定部材本体２１の互いに対向するブロック２１ａ，２１ｃのキャビティ２７側の側面からキャビティ２７に向かって突出するように設けられた板状の電極で、固定側電極２２の電極面とブロック２１ａ，２１ｃのキャビティ２７側の側面とは直交している。また、固定側電極２２は、隣接する固定側電極２２同士が所定の間隔を隔てて配列されており、全体として、櫛型電極を形成している。
本例では、ブロック２１ａ，２１ｃの延長方向、すなわち、固定側電極２２の電極面に垂直な方向がタイヤ周方向と平行な方向、固定側電極２２の突出方向がタイヤ幅方向と平行な方向になるように、可変容量キャパシター２０をタイヤ踏面の裏面側に取付けるようにしている。したがって、底板２１ｋに垂直な方向がタイヤ径方向となる。

バネ固定部材２３ａ，２３ｂは、キャビティ２７の内部の固定側電極２２が設けられていない側のブロック２１ｂ，２１ｄ側に、底板２１ｋから上部に突出するように設けられた直方体状のブロックで、このバネ固定部材２３ａ，２３ｂに、バネ２４ａ，２４ｂがそれぞれ取付けられる。
バネ２４ａ，２４ｂは、それぞれ、固定部材取付部２４ｍと可動側取付部２４ｎとバネ本体２４ｋとを備えた板状の部材で、固定部材取付部２４ｍは枠状に形成されてバネ固定部材２３ａ，２３ｂの周縁部に取付けられる。可動側取付部２４ｎはタイヤ幅方向に平行な方向に延長する板材で、バネ２４ａ，２４ｂの両端に取付けられる。バネ本体２４ｋは固定部材取付部２４ｍのタイヤ幅方向端部からタイヤ周方向に延長する水平片と、一端が垂直片の端部に接続され他端が可動側取付部２４ｎに接続されるタイヤ幅方向に平行な垂直片とを有するＬ字型に形成されて、可動部材２６をバネ固定部材２３ａ，２３ｂに対してタイヤ周方向に揺動可能に支持する。

可動部材２６は長手方向がタイヤ周方向である直方体状のブロックから成り、可動側電極２５は、固定部材本体２１のブロック２１ａ，２１ｃに対向する面であるタイヤ幅方向に垂直な面から固定側電極２２に向かって突出するように形成されている。可動側電極２５の電極面と可動部材２６のタイヤ幅方向に垂直な面とは直交している。すなわち、可動側電極２５の電極面に垂直な方向がタイヤ周方向と平行な方向となる。また、可動側電極２５も、固定側電極２２と同様に、隣接する可動側電極２５同士が所定の間隔を隔てて配列されており、全体として、櫛型電極を形成している。
図４の中央の図にも示すように、外力が作用していない状態では、バネ本体２４ｋが伸縮していない状態で、かつ、可動側電極２５が隣接する２つの固定側電極２２のほぼ中間に位置するように、可動部材２６を、バネ２４ａ，２４ｂを介して、バネ固定部材２３ａ，２３ｂに取付ける。固定側電極２２と可動側電極２５とにより、キャパシターを形成することができる。このキャパシターの外力が作用していない状態での静電容量は、固定側電極２２と可動側電極２５との対向している部分の面積をＳ、固定側電極２２と可動側電極２５との距離をｄとすると、可変容量キャパシター２０の静電容量は、Ｃ＝ε₀・ε_r・（Ｓ/ｄ）となる(ε₀；真空の誘電率、ε_r；電極間物質の比誘電率)。
タイヤの振動がない場合、固定側電極２２と可動側電極２５との距離ｄは一定で、この状態を以下、中立状態という。なお、本例では、電極間に誘電体を挿入していないので、ε_r≒１である。

可変容量キャパシター２０にタイヤ径方向の入力が作用すると、固定側電極２２と可動側電極２５との距離ｄが変化し、可変容量キャパシター２０の静電容量は変化する。このとき、入力に可動部材２６の質量とバネ２４ａ，２４ｂのバネ定数とにより決まる固有共振周波数が含まれていると、可動部材２６は、固定部材本体２１に対して、外力が作用していないときの位置を中心として、前記固有共振周波数で共振する。
例えば、図４の左側の図に示すように、可動部材２６が固定部材本体２１に対して右側に移動して固定側電極２２ａとその右側にある可動側電極２５ａとの距離がｄ＋Δｄ（Δｄ＜ｄ）となった場合には、可動側電極２５ａとその右側にある固定側電極２２ｂとの距離はｄ−Δｄとなるので、固定側電極２２ａ、可動側電極２５ａ、及び、固定側電極２２ｂから成るキャパシターの静電容量は、外力が作用していない状態、すなわち、中立状態での静電容量よりも大きくなる。逆に、図４の右側の図に示すように、可動部材２６が固定部材本体２１に対して左側に移動して、固定側電極２２ａとその右側にある可動側電極２５ａとの距離がｄ−Δｄとなった場合には、可動側電極２５ａとその右側にある固定側電極２２ｂとの距離はｄ＋Δｄとなるので、この場合も、静電容量は中立状態の静電容量よりも大きくなる。すなわち、可変容量キャパシター２０の静電容量の大きさは中立状態で最小値Ｃ_minとなり、可動部材２６が固定部材本体２１に対して最も大きく振れたときに最大値Ｃ_maxとなる。

本例では、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスを用いて、電極の１枚当たりの厚みが約０．５ｍｍ、電極間距離が約１００μｍの櫛型電極を有する可変容量キャパシター２０を形成するとともに、可動側電極２５と可動部材２６とから成る可動部の共振周波数が、タイヤトレッドの振動の周波数スペクトルに出現するピークの周波数と同じ共振周波数を有するように、可動側電極２５及び可動部材２６の質量とバネ２４ａ，２４ｂのバネ定数とを設定している。
図５は、タイヤ３０のインナーライナー３１のタイヤ気室３２側のタイヤ幅方向中心に加速度センサーを設置して計測したタイヤトレッドの振動の周波数スペクトルの一例を示す図で、同図の太い実線で示す曲線Ｇ_xがタイヤ周方向の振動スペクトル、同図の一点鎖線で示す曲線Ｇ_yがタイヤ幅方向の振動スペクトル、同図の細い実線で示す曲線Ｇ_zがタイヤ径方向の周方向の振動スペクトルである。
本例では、前記可動部の共振周波数を、同図の矢印で示した、タイヤ周方向の振動スペクトルの、１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲に出現する２次ピークの周波数ｆx2（ここでは、５００Ｈｚ付近）になるように、可動部の質量とバネ２４ａ，２４ｂのバネ定数とを設定した。
このように、走行中のタイヤに取付けられた可変容量キャパシター２０を周波数ｆx2で共振させるようにすれば、タイヤの振動が小さい場合でも電極間の変位量を大きくとることができる。また、共振周波数が高いので、単位時間当たりの電荷の移動量も多くなる。したがって、十分な発電量を得ることができる。

次に、静電容量変化型発電装置１０の動作について図１及び図４を参照して説明する。
図４の右側もしくは左側の図に示すように、タイヤの振動により、可動部材２６が固定部材本体２１に対して大きく振れて可動側電極２５と左右いずれかの固定側電極２２との距離が小さくなると、可変容量キャパシター２０の静電容量が最大値Ｃ_maxになる。すなわち、可変容量キャパシター２０の電圧Ｖ_rは第１の電荷蓄積素子１１の電圧Ｖ₁よりも低くなり、その結果、ダイオード１３が導通して、第１の電荷蓄積素子１１から可変容量キャパシター２０にＱ＝Ｃ_max・Ｖ₁の電荷が供給される。なお、Ｖ_rは第２の電荷蓄積素子１２の電圧Ｖ₂よりも低いので、ダイオード１４には電流が流れない。
可変容量キャパシター２０にＱ＝Ｃ_max・Ｖ₁の電荷が供給されると、可変容量キャパシター２０の電圧Ｖ_rは第１の電荷蓄積素子１１の電圧Ｖ₁まで上昇する。その結果、ダイオード１３には電流が流れなくなるので、電荷Ｑは可変容量キャパシター２０に保持される。

次に、可動部材２６が逆方向に移動して、図４の中央の図に示すように、可動側電極２５と左右の固定側電極２２との距離が同じになると、可変容量キャパシター２０の静電容量は最小値Ｃ_minになる。これにより、可変容量キャパシター２０の電圧は更に上昇して、第２の電荷蓄積素子１１の電圧Ｖ₂よりも高くなる。すなわち、Ｖ_r＝（Ｑ/Ｃ_min）＞Ｖ₂となる。その結果、ダイオード１４が導通して、可変容量キャパシター２０から第２の電荷蓄積素子１２にＱ’＝Ｃ_min・（Ｖ_r−Ｖ₂）の電荷が移動する。そして、第２の電荷蓄積素子１２の電圧Ｖ₂が可変容量キャパシター２０と等しくなった時点で、ダイオード１４に電流が流れなくなり、電荷の移動は止まる。
そして、可動部材２６が固定部材本体２１に対して、図４の中央の図から、図４の左側もしくは右側の位置まで更に移動すると、可変容量キャパシター２０の静電容量は上昇する。その後、可変容量キャパシター２０の静電容量が最大値Ｃ_maxになる。これにより、可変容量キャパシター２０の電圧Ｖ_rは第１の電荷蓄積素子１１の電圧Ｖ₁よりも低くなり、その結果、ダイオード１３が導通して、第１の電荷蓄積素子１１から可変容量キャパシター２０に電荷が供給される。

このような動作を繰り返すことにより、電荷が第１の電荷蓄積素子１１から第２の電荷蓄積素子１２に移動し、第２の電荷蓄積素子１２に蓄積される。すなわち、タイヤの振動によって可変容量キャパシター２０の静電容量を変化させることにより、発電を行うことができる。前記の1サイクルにおいて、可変容量キャパシター２０に蓄えられるエネルギーΔＥ_gは、以下の式（１）で表わせる。

すなわち、左右のキャパシターである第１及び第２の電荷蓄積素子１１，１２の電圧変化を無視して単純化すれば、可変容量キャパシター２０は、電荷Ｑを保存して、電極間距離を広げただけ発電している。
本例では、可変容量キャパシター２０を５００Ｈｚという高い周波数で共振させるようにしているので、単位時間当たりの電荷の移動量も多くなる。したがって、十分な発電量を得ることができる。

このように、本実施の形態では、タイヤ３０内に配置されて、タイヤの振動により容量が変化する可変電荷蓄積素子２０と、可変電荷蓄積素子２０の容量が増加したときに可変電荷蓄積素子２０に電荷を供給する第１の電荷蓄積素子１１と、可変電荷蓄積素子２０の容量が減少したときに可変電荷蓄積素子２０から供給される電荷を蓄積する第２の電荷蓄積素子１２とを備えた静電容量変化型発電装置１０において、可変電荷蓄積素子２０を、固定部材本体２１に設けられた櫛状の固定側電極２２と、バネ２４ａ，２４ｂを介してバネ固定部材２３ａ，２３ｂに取付けられた可動部材２６と、この可動部材２６に設けられた櫛状の可動側電極２５とを備えた可変容量キャパシターから構成するとともに、可動部を構成する可動部材２６及び可動側電極２５の質量とバネ２４ａ，２４ｂのバネ定数を、タイヤ周方向の振動スペクトルの２次ピークの周波数である５００Ｈｚ付近になるように設定したので、タイヤの振動が小さい場合でも電極間の変位量を大きくとることができる。また、共振周波数が高いので、単位時間当たりの電荷の移動量も多くなる。したがって、十分な発電量を得ることができる。

なお、前記実施の形態では、静電容量変化型発電装置１０の共振周波数を５００Ｈｚとしたが、これに限るものではなく、タイヤトレッドの周波数スペクトルに出現する周波数であればよい。このとき、静電容量変化型発電装置１０の共振周波数を、タイヤトレッドの周方向振動の周波数スペクトルの１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲に出現する２次ピークの周波数とすれば、特に好ましい。
また、前記例では、可変容量キャパシター２０の固定部であるバネ固定部材２３ａ，２３ｂと可動部材２６とを連結するバネ２４ａ，２４ｂがタイヤ周方向に振動するように可変容量キャパシター２０を配置したが、タイヤ幅方向に振動するように配置してもよいし、タイヤ径方向に振動するように配置してもよい。但し、タイヤ幅方向の入力はタイヤ周方向に比較して小さく、また、タイヤ径方向では、バネ２４ａ，２４ｂが遠心力の影響を受けるので、バネ２４ａ，２４ｂは、本例のように、タイヤ周方向に振動するように配置することが好ましい。
また、バネ固定部材を一つとし、可動部材２６を片持ち梁としてもよいが、片持ち梁の構造は両持ち梁の構造に対して耐久性の点で劣るだけでなく、可動部材２６を安定して一方向（ここでは、タイヤ周方向）に確実に変位させるためには、本例のように、両持ち梁の構造とすることが好ましい。

ＭＥＭＳプロセスを用いて作製した静電容量変化型発電装置をタイヤのインナーライナーのタイヤ気室側のタイヤ幅方向中心に取り付けたタイヤを車両に搭載し、30km/hrの速度で走行させて可変容量キャパシターの静電容量の変化を測定した結果を図６に示す。
タイヤサイズは225/55R17で、静電容量変化型発電装置のサイズは10mm×10mm×1mm（厚さ）である。
静電容量変化型発電装置としては、可動部材を支持する板バネの厚さを変化させることにより、共振周波数が４００Ｈｚと５００Ｈｚの２種類作製した。静電容量変化が大きいほど発電能力が高い。
図６から明らかなように、同図の細い実線で示した共振周波数がタイヤ周方向の振動スペクトルの２次ピークの周波数ｆx2＝５００Ｈｚである静電容量変化型発電装置の方が共振周波数が２次ピークの周波数４００Ｈｚである静電容量変化型発電装置よりも静電容量変化が大きいことが確認された。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

本発明の静電容量変化型発電装置は、入力が小さい場合でも効率よく発電を行うことができるので、小型で効率のよいタイヤ内発電装置を得ることができる。

１０静電容量変化型発電装置、１１第１の電荷蓄積素子、
１２第２の電荷蓄積素子、１３，１４ダイオード、
２０可変電荷蓄積素子（可変容量キャパシター）、２１固定部材本体、
２２固定側電極、２３ａ，２３ｂバネ固定部材、２４ａ，２４ｂバネ、
２５可動側電極、２６可動部材、２７キャビティ、
３０タイヤ、３１インナーライナー、３２タイヤ気室、３３トレッド、
３４カーカスプライ。

Claims

タイヤ内に配置されて、タイヤの振動により容量が変化する可変電荷蓄積素子と、前記可変電荷蓄積素子の容量が増加したときに前記可変電荷蓄積素子に電荷を供給する第１の電荷蓄積素子と、前記可変電荷蓄積素子の容量が減少したときに前記可変電荷蓄積素子から供給される電荷を蓄積する第２の電荷蓄積素子とを備えた静電容量変化型発電装置において、
前記可変電荷蓄積素子が、一方の電極が他方の電極に対して弾性体を介して揺動可能に支持されて、前記タイヤの振動により電極間距離と電極面積のいずれか一方もしくは両方が変化し、かつ、前記タイヤのタイヤトレッドの振動の周波数スペクトルに出現するピークの周波数と同じ共振周波数を有する可変容量キャパシターであることを特徴とする静電容量変化型発電装置。
前記ピークの周波数は、タイヤトレッドの周方向振動の周波数スペクトルの１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲に出現する２次ピークの周波数であることを特徴とする請求項１に記載の静電容量変化型発電装置。
前記可変容量キャパシターが、
固定部材と、
少なくとも一端が前記固定部材にそれぞれバネを介して取付けられた可動部材と、
前記固定部材に設けられた固定側電極と、
前記可動部材に前記固定側電極に対向するように設けられた可動側電極とを備え、
前記バネがタイヤ周方向に振動するように配置され、かつ、前記可動部材の質量と前記バネのバネ定数とが、前記ピークの周波数となるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の静電容量変化型発電装置。