JP2014228283A - 発電振動センサ、およびそれを用いたタイヤ並びに電気機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】低消費電力化、小型化、低コスト化が可能な発電振動センサ、およびそれを用いたタイヤ並びに電気機器を提供することである。
【解決手段】本発明に係る発電振動センサは、振動を電力に変換する電力発生素子と、
前記電力発生素子により得られた振動情報を抽出する第１の電力系統と、
前記電力発生素子に接続され、前記第１の電力系統により抽出された前記振動情報を外部に送出するための電力を供給する第２の電力系統と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、発電振動センサに関し、特に外力を受けて発電し振動を検出する振動センサ、およびそれを用いたタイヤ並びに電気機器に関する。
現在、様々な電気機器等において、圧力センサ、加速度センサ、歪センサ等の物理量センサが用いられている。
特に、携帯電話や自動車等において加速度を検出しこれを基に様々な情報を得ようとする試みが成されており、このような加速度検出を行うことができるセンサ装置が必要とされている。このようなセンサ装置は、電気機器の狭小な領域に設けられるため、小型化、省スペース化が求められている。また、携帯電話等は、一回の充電でできるだけ長い時間作動することが求められており、また、自動車等においては、電力供給が困難な領域において用いられるため、センサ装置の低消費電力化が求められている。また、これら物理量センサを設置する部位は、そのセンシング情報を用いて、例えばフィードバック制御等の制御を行う部位が離れており、無線装置によりセンシング情報を物理量センサから制御装置等の装置に送出する必要がある場合がある。このような無線装置を備えたセンサ装置にいては、センシング部分（センサ部分）だけでなく無線機の低電力化も不可欠である。
ところで、微小電気機械素子（ＭＥＭＳ素子、ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）が、無線、光、モーションセンス、バイオおよび発電など、多くの分野に応用されている。その中で、発電の分野にＭＥＭＳ技術を応用したデバイスとして、光、熱および振動といった形で環境中に散逸されたエネルギーを集めて活用する環境発電器（Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｅｒ）の開発が進められている。この環境発電器は、例えば上記した低電力無線機の電源に適用されて、電源ケーブルや電池を必要としない無線センサネットワークを実現する。また、ＭＥＭＳ技術を環境発電器に適用することにより、環境発電器の小型化が期待される。
また、ＭＥＭＳ素子とは別に、圧電素子も、環境発電器として用いることができ、電源ケーブルや電池を必要としない無線センサネットワークを実現する。また、圧電素子についてもＭＥＭＳ素子と同様小型化が可能であり、このような小型化された圧電素子を環境発電器に適用することにより、上記同様、環境発電器の小型化が期待される。
無線装置を備えたセンサ装置（無線センサネットワーク）の一例として、車のタイヤセンサシステムが挙げられる。タイヤやホイールなど、タイヤ周辺に無線センサを搭載し、検出した物理情報から、タイヤの空気圧や、タイヤと路面との摩擦力などの、タイヤや路面の状態を監視することにより、車の安全制御を行うシステムである。ここで、物理情報とは、タイヤの空気圧や路面からの振動情報などを意味する。
光および熱の散逸量が比較的小さいタイヤ周辺の環境においては、外部環境から加えられる力を利用して、素子を構成する部材の振動によって発電する振動型発電器が有用である。振動型発電器には、圧電式、電磁式および静電式がある。
このようなタイヤセンサシステムに関連する技術として例えば特許文献１に開示された技術がある。特許文献１において、タイヤモニタ装置（タイヤセンサシステム）は、タイヤから得られる物理量を検出するセンサ（物理量センサ）と、これらのセンサに含まれる無線装置に電力を供給する発電器と、を必須の構成として含んでいる。
特開２００５−２２４５７号公報
しかしながら、タイヤの空気圧や振動情報を取得するためには、圧力センサ、加速度センサ、歪センサなどの物理量センサが必要であり、さらに、これらの物理量センサに電力を供給する発電器を必須のものとして含んでいるため、低消費電力化、小型化、低コスト化が十分で無い場合があるという問題があった。特に、近年これらへの要求がより厳しくなっており、特許文献１等に記載の従来のセンサ装置では要求を満たせないことが多くなっている。
本発明はこの問題を解決するためになされたものであり、その目的は、低消費電力化、小型化、低コスト化が可能な発電振動センサ、およびそれを用いたタイヤ並びに電気機器を提供することである。
上記目的を解決するため、本発明に係る発電振動センサは、
振動を電力に変換する電力発生素子と、
前記電力発生素子により得られた振動情報を抽出する第１の電力系統と、
前記電力発生素子に接続され、前記第１の電力系統により抽出された前記振動情報を外部に送出するための電力を供給する第２の電力系統と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、発電振動センサが、電力発生素子により得られた振動情報を抽出する第１の電力系統と、電力発生素子に接続され、第１の電力系統により抽出された振動情報を外部に送出するための電力を供給する第２の電力系統と、を備えるため、発電および振動検出の機能を有した発電振動センサを実現することができる。これにより、加速度センサなどの物理量センサが不要となり、部品数を減らし発電振動センサの構成を簡素化できる。また、物理量センサが不要であることから発電振動センサの低消費電力化、小型化、低コスト化が可能となる。
したがって、本発明によれば、低消費電力化、小型化、低コスト化が可能な発電振動センサ、およびそれを用いたタイヤ並びに電気機器を提供することができる。
図１は、実施形態１に係るタイヤセンサシステムの構成を示す概略図である。図１（ａ）は、発電振動センサが地面に達する状態を示しており、図１（ｂ）は、発電振動センサが地面から離れる状態を示している。 図２は、実施形態１に係るタイヤセンサシステムの構成を示すブロック図である。 図３は、実施形態１に係る送信機の構成を示すブロック図である。 図４は、実施形態１に係る発電振動センサを示した断面図である。図４（ａ）は、可動基板が固定基板に対して変位していない状態を示しており、図４（ｂ）は、可動基板が固定基板に対して右側に変位している状態を示している。 図５は、実施形態１に係る発電振動センサの一の態様に係る第１の電極及び第２の電極の配置と可動基板の振動方向との関係を説明するための図である。 図６は、実施形態１に係る発電振動センサの他の態様に係る第１の電極及び第２の電極の配置と可動基板の振動方向との関係を説明するための図である。 図７は、実施形態２に係る発電振動センサを示した断面図である。 図８は、実施形態２に係る発電振動センサの一の態様に係る積層構造について配置を説明するための上面図である。 図９は、実施形態２に係る発電振動センサの他の態様に係る積層構造について配置を説明するための上面図である。 図１０は、実施形態３に係る発電振動センサの発電出力（図１０（ａ））とタイヤの振動（図１０（ｂ））を表す図である。 図１１は、実施形態３に係る発電振動センサの発電出力（図１１（ａ））とタイヤの振動（図１０（ｂ））を表す図である。 図１２は、実施形態４に係るタイヤの振動を表す図である。 図１３は、実施形態５に係るタイヤの振動を表す図である。
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して説明する。
本発明者らは、従来技術における課題に鑑み鋭意検討を重ねた結果、従来は無線装置等のセンサ装置を構成する装置に電力を供給することに専ら用いていた、振動発電器の電力波形、すなわち、振動を受けた場合に生ずる電力波形から加速度センシングが可能であることを見出した。特に、このような加速度センシングは、例えば車やバイク等の移動手段、とりわけこれら移動手段のタイヤに好適に用いることができるとの知見を得たため、以下車やバイク等の移動手段のタイヤに振動発電器を取り付けた場合について説明する。本発明者らは、上記知見を基にさらに検討を重ねた結果、第１の電力系統と第２の電力系統とを設けることにより、１つの電力系統をタイヤの状況や路面の状況を推測するセンシングに用いることができるとともに、他の電力系統うちの１つをセンシングにより得られた情報を外部（例えばセンサ装置に設けた送信機からセンサ装置外の受信機）へ送信するための電力供給に用いることができ、これにより、圧力センサ、加速度センサ、歪センサ等の物理量センサ若しくは当該物理量センサに電力を供給する電力供給手段のいずれか一方を省略することができセンサの低消費電力化、小型化、低コスト化が可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明は、上記知見に基づき成されたものであり、振動を電力に変換する電力発生素子と、前記電力発生素子により得られた振動情報を抽出する第１の電力系統と、前記電力発生素子に接続され、前記第１の電力系統により抽出された前記振動情報を外部に送出するための電力を供給する第２の電力系統と、を備える発電振動センサである。電力発生素子の具体的な態様は、実施形態１ではエレクトレットを用いる静電式タイプのものであり、実施形態２では圧電素子を用いる圧電式タイプのものである。
また、本発明に係る発電振動センサにおいて、電力発生素子が２つ含まれ、一方が振動情報を抽出する第１の電力系統に接続され、他方が振動情報を伝播させるための電力を供給する第２の電力系統に接続されていてもよいし、電力発生素子が１つ含まれ、当該電力発生素子に第１の電力系統と第２の電力系統とが接続されていてもよい。
以下、それぞれの実施形態について、詳細に説明する。
＜１．実施形態１＞
＜１−１．構成＞
＜１−１−１．全体の構成＞
図１は、本実施形態１によるタイヤセンサシステム（本発明の振動発電センサを用いたシステムの一例）の構成を示す図である。図１で示すように、本実施形態１の送信機２００は、ホイール３２０に装着されたタイヤ３１０の内側に設置されている。送信機２００が、タイヤの回転方向３３０に回転し、路面４００にタイヤの部材を介して接触する状態を図１（ａ）に示す。一方、送信機２００が、タイヤの回転方向３３０に回転し、路面４００から離れる状態を図１（ｂ）に示す。送信機２００は、タイヤや路面状態を判別するためのデータ信号を送信する。
図２は、本実施形態１によるタイヤセンサシステムの構成を示すブロック図である。大別して、データ信号の送信機２００と受信機５００、判別したタイヤの状態や路面の状態に応じて車両を制御する車両制御部６００で構成されている。送信機２００は、発電振動センサ１００、制御部２１０、送信部２２０を具備する。発電振動センサ１００は、タイヤの振動を検出し、データ信号を制御部２１０に送る。制御部２１０は、データ信号とデータ送信の指示を送信部２２０に送る。送信部２２０より無線にて送信されたデータ信号は、受信機５００に入力される。受信機５００は、受信部５１０、信号処理部５２０、データ解析部５３０、車両制御指示部５４０を具備する。データ信号は、受信部５１０より信号処理部５２０に送られ、ノイズの除去やスムージングなど、データ解析に適した明確なデータに処理される。次に、信号処理部５２０で処理されたデータ信号はデータ解析部５３０に送信され、データ解析部５３０において、振動データの波形を基にしてタイヤの状態や路面の状態を判別し、車両制御部５４０よりタイヤや路面状態に応じた車両制御の指示を車両制御部６００へ送る。車両制御部６００は、警告表示、車軸、制動の制御を行う。
例えば、路面が滑り易い状態では、警告を表示し運転者に注意を促すことができる。また、車軸や制動の制御を行い、車がスリップして衝突事故が起こらないよう車両自体が能動的に安全機能を働かすことができる。
図３は、本実施形態１による送信機２００の構成を示すブロック図である。本発明に係る第１の電力系統は、電力発生素子により得られた振動情報を抽出するためのものであり、図３において、発電振動センサ／振動発電器１００から制御部２１０を経由して送信部２２０へ至る経路を意味する。また、本発明の第２の電力系統は、第１の電力系統により抽出された振動情報を外部に送出するための電力を供給するためのものであり、図３において、発電振動センサ／振動発電器１００を含む電源部１５０から制御部２１０または送信部２２０へ至る経路を意味する。
発電振動センサ１００、制御部２１０、送信部２２０を有することは図２にて説明した通りである。本実施形態１の送信機２００は、制御部２１０や送信部２２０を駆動するための電力源として、外部振動のエネルギーを電力に変換する発電振動センサ１００を発電器として使用できる（以下、センシングに用いられる場合発電振動センサ１００と称することがあり、発電器に用いられる場合振動発電器１００と称することがある。また、センシングと発電器の両方に用いられる場合、発電振動センサ／振動発電器１００と併記される場合もある）。発電振動センサ１００は、外部振動の波形に応じた電圧を出力するため、直流電圧に変換するパワーマネージメント回路１２０と合わせて発電部１４０を構成する。電源部１５０は、発電部１４０より制御部２１０や送信部２２０に電力を供給する。また、電源部１５０は、発電部１４０に加えて蓄電部１３０を具備しており、必要に応じえて蓄電部１３０から制御部２１０や送信部２２０に電力を供給することができる。
本構成においては、発電振動センサ１００の発電出力波形より振動情報を抽出することにより、振動発電器を振動センサとして機能させることができる。加速度センサなどの振動センサが不要となり、部品数を減らし構成を簡素化できる。送信機２００の低消費電力化、小型化、低コスト化が可能となる。
なお、図２に示すように、信号処理部５２０、データ解析部５３０、車両制御指示部５４０を受信機５００に具備し送信機２００に搭載しない構成とすることにより、送信機２００における消費電力を抑制することができる。
また、無線送信によるノイズや伝送エラーが発生しデータ信号の質が許容されない場合や、送信機２００での消費電力が許容される場合は、受信機５００の構成ブロックを送信機２００に具備してもよい。
＜１−１−２．発電振動センサの構成＞
図４を参照して発電振動センサ１００の構造について説明する。本発明に係る第１の電力系統は、図４において、後述する第１パッド１０５に接続される経路を意味し、本発明に係る第２の電力系統は、図４において、後述する第２パッド１１３に接続される経路を意味する。後述するように発電振動センサ１００は内部で振動する可動基板１１０を備えている。図４（ａ）は、可動基板１１０が振動の中心にある状態を示す。図４（ｂ）は、可動基板１１０が振動の中心から右側へずれた位置にある状態を示す。
発電振動センサ１００は下部基板（第１基板）１１１と、上部基板（第２基板）１０９と、可動基板（以下、可動部、重り、振動体と称することがある）１１０と、バネ（弾性構造体）１１２と、固定構造体１０８と、上部接合部１０７と、下部接合部１０６と、複数のエレクトレット１０１と、複数の第１電極１０２と、複数の第２電極１０４と、第１パッド１０５と、第２パッド１１３とを備える。
上部基板１０９および下部基板１１１は、互いに平行に対向するように配置される。上部基板１０９および下部基板１１１は、可動基板１１０とバネ１１２と固定構造体（中間基板）１０８とから所定の距離を置いて設けられ、上部接合部１０７および下部接合部１０６によって固定される。
固定構造体１０８、可動基板１１０およびバネ１１２は、図４に示すように、１枚の基板が加工されて形成される。よって、固定構造体１０８、可動基板１１０およびバネ１１２は、「可動基板１１０が弾性構造体１１２によって接続されている中間基板１０８」または「弾性構造体１１２によって可動な重り１１０を有する中間基板１０８」といってもよい。
可動基板１１０は、上部基板１０９または下部基板１１１と平行な、少なくとも一軸方向（例えば、図４における両矢印方向）に動けるよう構成される。よって可動基板１１０は、外部から加えられた力（振動）に追従して、図４（ｂ）に示すように、上部基板１０９と平行な方向に振動（往復運動）することが可能である。
上部基板１０９の下部基板１１１に対向する面を下部表面という。下部基板１１１の上部基板１０９に対向する面を上部表面という。
下部基板１１１の上部表面には、複数の第１電極１０２と複数の第２電極１０４とが設けられる。第１電極１０２と第２電極１０４とが交互に配置されている。これら複数の第１電極１０２を接続する配線は、下部基板１１１内の、上部表面付近を通って、第１パッド１０５に接続される。また、これら複数の第２電極１０４を接続する配線は、下部基板１１１内の、下部表面付近を通って、第２パッド１１３に接続される。第１パッド１０５は第２パッド１１３に対して電気的に絶縁されている。発電振動センサ１００は、第１パッド１０５および第２パッド１１３のそれぞれを通じて、発電した電力を出力する。
下部基板１１１に対向する側の可動基板１０９の表面には複数のエレクトレット１０１が設けられる。エレクトレットとは、着電し電荷を保持できる材料である。各エレクトレット１０１は、電気力線が下部基板１１１の上部表面に対して垂直、かつ、電気力線の向きが可動基板１１０から下部基板１１１へ向かう方向となるように設けられる。
第１電極１０２およびエレクトレット１０１の間に所定の間隙が設けられるように、下部基板１１１と固定構造体１０８は下部接合部１０６によって接合される。
以下、図５に基づき、電極１０２、１０４およびエレクトレット１０１の配置について説明する。図５は、下部基板１１１の上部表面を、下部基板１１１の上部表面に対して垂直な方向から見たときの図である。図５の両矢印は可動基板１１０の振動可能な方向を示す。
図５に示すように第１電極１０２および第２電極１０４は、可動基板１１０（図５において不図示）の振動可能な方向に対して垂直な方向であり、かつ下部基板１１１の上部表面と平行な方向に向くように配置されている。図５のＰは、第２電極１０４の両隣りに、第２電極１０４に隣接して配置された２つの第１電極１０２の中心線間の距離を示す。複数の第１電極１０２は、互いに平行に、かつ中心線間隔Ｐを設けて等間隔になるように、配置される。第２電極１０４は、２つの第１電極１０２の間に、第１電極１０２と平行に配置される。例えば、第１電極１０２及び第２電極１０４の幅（可動基板１１０の振動可能方向に対する寸法）は、好ましくは５０μｍ〜５００μｍであり、より好ましくは約１００μｍである。このように設定することにより、限られた領域に多数の第１電力１０２及び第２電極１０４を形成することが可能となり、発電出力およびセンシング感度を高めることができる。第１電極１０２及び第２電極１０４の幅がともに１００μｍである場合距離Ｐは２００μｍである。
複数のエレクトレット１０１は可動基板１１０の２つの主面のうち下部基板１１１側の主面に、下部基板１１１の上部表面に対して垂直な方向から見たときに電極１０２と一致するように配置される。つまり、エレクトレット１０１は第１電極１０２と同じ大きさで、かつ第１電極１０２間距離Ｐと同じ間隔をあけて配置される。なお、エレクトレット１０１の幅は、第１電極１０２の幅と異なってもよい。その場合エレクトレット１０１は、エレクトレット１０１の中心線が第１電極１０２の中心線と重なるように、かつ同じ中心線間隔Ｐを設けて配置される。このように配置することにより、中心線の左右対称にエレクトレット１０１が変位することとなり、正負対称的な乱れの少ない電流および電圧の波形を得ることができる。出力の信号処理を容易にすることができる。
また、図６に示すように、発電に用いられる第１電極１０２を、タイヤの状態や路面の状態を把握するセンシングに用いられる第２電極１０４より大きく形成してもよい（例えば、可動基板１１０の幅方向における第１電極１０２と第２電極１０４の長さは一定で、可動基板１１０の振動方向における第１電極１０２の長さが同方向における第２電極１０４の長さより大きくしてもよい）。このように構成することにより、第１電極１０２から得られる発電出力を増大することができる。
図６に示す態様において、第１電極１０２の幅は、好ましくは１００μｍ〜５００μｍであり、より好ましくは１００μｍ〜３００μｍである。また、第２電極１０４の幅は、好ましくは５０μｍ〜２００μｍであり、より好ましくは５０μｍ〜１００μｍである。このように設定することにより、限られた領域に多数の第１電極１０２及び第２電極１０４を形成することが可能となり、発電出力およびセンシング感度を高めることができる。
＜１−２．発電振動センサの動作＞
再び図４を参照して、発電振動センサ１００の動作について説明する。発電振動センサ１００では、外部環境から受けた力（例えば振動）に追従して可動基板１１０が水平方向に振動する。弾性構造体１１２のバネ定数および共振周波数は、想定される外部環境（例えば、自動車の走行中の振動）の振動周波数に対して最大振幅が発生するよう最適化される。
可動基板１１０は振動時、図４（ａ）に示すようなエレクトレット１０１と第１電極１０２との対向面積が最大になる状態と、図４（ｂ）に示すようなエレクトレット１０１と第１電極１０２との対向面積が小さくなる状態とを、交互に繰り返す。
エレクトレット１０１と第１電極１０２との対向面積が大きくなるほど、エレクトレット１０１の電気力線は可動基板１１０から下部基板１１１への方向を向いているので、第１電極１０２に引き寄せられる電荷が多くなる（給電）。逆に、対向面積が小さくなるほど、第１電極１０２に引き寄せられる電荷が少なくなる、つまり解放される電荷が多くなる（放電）。すなわち、エレクトレット１０１と第１電極１０２の対向面積が大きくなるほどエレクトレット１０１と第１電極１０２間の静電容量値が大きくなり、対向面積が小さくなるほど静電容量値が小さくなる。
エレクトレット１０１と第１電極１０２の対向面積が大きくなり第１電極１０２に電荷が引き寄せられることにより、第１パッド１０５からパワーマネージメント回路１２０の方向へ電流が流れる。一方、第１電極１０２に引き寄せられていた電子がこの対向面積の減少によって解放されることにより、パワーマネージメント回路１２０から第１パッド１０５の方向へ電流が流れる。このような発電動作によって、交流電力が発電される。また、エレクトレット１０１と第２電極１０４についても同様で、可動基板１１０の振動に従って、第２パッド１１３を通じて、第２電極１０４とパワーマネージメント回路１２０との間で電流が出入りする。このような発電振動センサ１００の動作によって、交流電力が発電される。
このとき、第１パッド１０５および第２パッド１１３から出力される交流電力は互いに、変動の遷移が同じである。すなわち、第１パッド１０５からの交流電力が増大するとき、第２パッド１１３からの交流電力が増大する。減少するときも同様である。それぞれの交流電力は互いに同期的に変動する。
パワーマネージメント回路１２０は、発電振動センサ１００の第１パッド１０５を通じて出力された交流電力を直流電力に変換して出力する。
一方、発電振動センサ１００の第２パッド１１３を通じて出力された交流電力は、振動のデータ信号として制御部２１０に入力される。
＜１−３．変形例＞
本実施形態１の変形例として、第１電極１０２および第２電極１０４のいずれか一方だけを下部基板１１１上に配置し、当該電極に第１の電力系統と第２の電力系統とが接続されていても良い。また、当該電極から一の電力系統が接続され、その一の電力系統が１以上の第１の電力系統と１以上の第２の電力系統に分岐していてもよい。このように構成することにより、発電振動センサの構成をより簡易にすることができる。下部基板１１１に設けられる第１電極１０２又は第２電極１０４は、可動基板１１０の振動方向に対して垂直な方向にかつ等間隔で設けられる。
また、第１電極１０２および第２電極１０４のいずれか一方だけを下部基板１１１上に配置し、これに一の電力系統を接続し、当該一の電力系統により、センシングを行った後、同じく当該一の電力系統により、発電を行っても良い。また、当該一の電力系統により、発電を行った後、同じく当該一の電力系統により、センシングを行っても良い。
＜１−４．本実施形態のまとめ＞
以上のとおり、本実施形態の送信機２００は、振動を受けて電力を発電しかつ振動を検出する発電振動センサ１００と、振動データの信号送信を制御する制御部２１０と送信部２２０とを備える。発電振動センサ１００は第１電極１０２および第２電極１０４で電力を出力し、パワーマネージメント回路１２０は、発電振動センサ１００の第１電極１０２からの出力を別の電力に変換し、制御部２１０は、発電振動センサ１００の第２電極１０４からの出力に基づいて、振動データの信号送信を制御する。
また、発電振動センサ１００の外側の面積が大きい面（例えば、図４における下部基板１１１または上部基板１０９の外側の面）を、タイヤ３１０の裏側の面と平行に設置し、強固かつ安定に固定した場合、図１に示す円形のタイヤ３１０の接線方向Ｘと、図４に示す発電振動センサ１００の可動基板１１０の振動方向（例えば、図４における両矢印方向）を一致させることでき、効率的にＸ方向の振動を利用できる。
本構成においては、発電振動センサ１００の発電出力波形より振動情報を抽出することにより、振動発電器を振動センサとして機能させることができる。加速度センサなどの振動センサが不要となり、部品数を減らし構成を簡素化できる。送信機２００の低消費電力化、小型化、低コスト化が可能となる。
また、発電振動センサ１００のタイヤ３１０への高信頼性実装と、効率的な発電および高感度な振動検出を実現することができる。
＜２．実施形態２＞
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。
＜２−１．構成および動作＞
本実施形態２は図７に示すような構成を有する。本実施形態２の発電振動センサ１０００は、実施形態１の発電振動センサ１００がエレクトレットを用いて発電する方式に対して、実施形態２の発電振動センサ１０００が圧電体を用いて発電する方式である点で、実施形態２の発電振動センサ１０００は実施形態１の発電振動センサ１００と異なる。それ以外の構成は実施形態１と同様である。
図７を参照して発電振動センサ１０００の構造について説明する。後述するように発電振動センサ１０００は内部で振動する可動基板１１０を備えている。
発電振動センサ１０００は下部基板（第１基板）１１１と、上部基板（第２基板）１０９と、可動基板（以下、可動部、重り、振動体と称することがある）１１０と、バネ（弾性構造体）１１２と、固定構造体１０８と、上部接合部１０７と、下部接合部１０６と、第１圧電体１００１と、第１下部電極１００２と、第１上部電極１０２２と、第１パッド１０５とを備える。
上部基板１０９および下部基板１１１は、互いに平行に、かつ対向するように配置される。上部基板１０９および下部基板１１１は、可動基板１１０とバネ１１２と固定構造体（中間基板）１０８とから所定の距離隔てて設けられ、上部接合部１０７および下部接合部１０６によって固定される。
固定構造体１０８、可動基板１１０およびバネ１１２は、１枚の基板が加工されて形成される。よって、固定構造体１０８、可動基板１１０およびバネ１１２は、「可動基板１１０が弾性構造体１１２によって接続されている中間基板１０８」または「弾性構造体１１２によって可動な重り１１０を有する中間基板１０８」といってもよい。
可動基板１１０は、上部基板１０９または下部基板１１１と垂直な、少なくとも一軸方向（例えば、図７における両矢印方向）に動けるよう構成される。よって可動基板１１０は、外部から加えられた力（振動）に追従して、図７に示すように、上部基板１０９と垂直な方向に振動（往復運動）することが可能である。
中間基板１０８の上部基板１０９に対向する面を上部表面という。
中間基板１０８の弾性構造体１１２上には、第１下部電極１００２と、第１圧電体１００１と、第１上部電極１０２２とが積層されている。第１下部電極１００２を接続する配線は上部表面上を通って、第１パッド１０５に接続される。
図８は、中間基板１０８の上部表面を、中間基板１０８の上部表面に対して垂直な方向から見たときの図である。図５の両矢印は可動基板１１０の振動可能な方向を示す。
図８に示すように中間基板１０８の上部表面の弾性構造体１１２上には、第１下部電極１００２と、第１圧電体１００１と、第１上部電極１０２２とからなる第１積層構造１２００と、第２下部電極１００４と、第２圧電体１０２１と、第２上部電極１０２４とからなる第２積層構造１４００とが並置されている。第２下部電極１００４を接続する配線は上部表面上を通って、第２パッド１１３に接続される。第１パッド１０５は第２パッド１１３に対して電気的に絶縁される。発電振動センサ１０００は、第１パッド１０５および第２パッド１１３のそれぞれを通じて、発電した電力を出力する。
図８に示すように、第１積層構造１２００と第２積層構造１４００とは同じ面積であってもよいし、図９に示すように、第１積層構造１２００が第２積層構造１４００より大きく形成されていても良い。第１積層構造１２００は発電のために用いられ、第２積層構造１４００はタイヤの状態や路面の状態を把握するセンシングのために用いられる。図９に示すように、発電に用いられる第１積層構造１２００を、センシングに用いられる第２積層構造１４００より大きく形成することにより、発電量が増加し、センシングに必要な電力を少ない振動動作で賄うことができ、図３に示す電源部１５０において蓄電部１３０を省略することができる。
再び図７を参照して、発電振動センサ１０００の動作について説明する。発電振動センサ１０００では、外部環境から受けた力（例えば振動）に追従して可動基板１１０が振動する。弾性構造体１１２のバネ定数および共振周波数は、想定される外部環境（例えば、自動車の走行中の振動）の振動周波数に対して最大振幅が発生するよう最適化される。
可動基板１１０の振動時、第１圧電体１００１と第２圧電体１０２１は、弾性構造体１１２の変形に応じて歪む。圧電体は歪むことにより電圧を発生するため、中間基板１０９の上部表面に対して垂直な方向に上下に振動を繰り返すことにより、発電を交互に繰り返す。
このような発電振動センサ１０００の動作によって、交流電力が発電される。
このとき、第１パッド１０５および第２パッド１１３から出力される交流電力は互いに、変動の遷移が同じである。すなわち、第１パッド１０５からの交流電力が増大するとき、第２パッド１１３からの交流電力が増大する。減少するときも同様である。それぞれの交流電力は互いに同期的に変動する。
パワーマネージメント回路１２０は、発電振動センサ１０００の第１パッド１０５を通じて出力された交流電力を直流電力に変換して出力する。
一方、発電振動センサ１０００の第２パッド１１３を通じて出力された交流電力は、振動のデータ信号として制御部２１０に入力される。
＜２−２．変形例＞
本実施形態２の変形例として、第１積層構造１２００と第２積層構造１４００のいずれか一方だけを弾性構造体１１２上に配置し、当該積層構造に第１の電力系統と第２の電力系統とが接続されていても良い。また、当該積層構造から一の電力系統が接続され、その一の電力系統が１以上の第１の電力系統と１以上の第２の電力系統に分岐していてもよい。このように構成することにより、発電振動センサの構成をより簡易にすることができる。
また、第１積層構造１２００および第２積層構造１４００のいずれか一方だけを弾性構造体１１２上に配置し、これに一の電力系統を接続し、当該一の電力系統により、センシングを行った後、同じく当該一の電力系統により、発電を行っても良い。また、当該一の電力系統により、発電を行った後、同じく当該一の電力系統により、センシングを行っても良い。
＜２−３．本実施形態のまとめ＞
以上のとおり、本実施形態の発電振動センサ１０００は、発電振動センサ１０００の外側の面積が大きい面（例えば、図７における下部基板１１１または上部基板１０９の外側の面）を、タイヤ３１０の裏側の面と平行に設置し、強固かつ安定に固定した場合、図１に示す円形のタイヤ３１０の法線方向Ｚと、図７に示す発電振動センサ１０００の可動基板１１０の振動方向（例えば、図７における両矢印方向）を一致させることでき、効率的にＺ方向の振動を利用できる。
本構成においては、発電振動センサ１０００の発電出力波形より振動情報を抽出することにより、振動発電器を振動センサとして機能させることができる。加速度センサなどの振動センサが不要となり、部品数を減らし構成を簡素化できる。送信機２００の低消費電力化、小型化、低コスト化が可能となる。
また、発電振動センサ１０００のタイヤ３１０への高信頼性実装と、効率的な発電および高感度な振動検出を実現することができる。
＜３．実施形態３＞
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。
本実施形態では、実施形態１および実施形態２で示した発電振動センサから得られる振動データの解析方法と、それを用いたタイヤまたは路面状態の推定方法を説明する。
＜３−１．振動データの解析方法、およびタイヤや路面状態の推定方法＞
図１０、図１１を参照して発電出力波形から外部振動波形への変換方法について説明する。発電振動センサ（振動発電器）は、外部振動の波形に応じた電力を出力するため、図２で示したデータ解析部５３０において、発電出力波形を解析することにより、外部振動の波形を得ることができる。
図１０（ａ）は、横軸は時間、縦軸は円形のタイヤの接線方向Ｘの振動による発電出力であり、図１０（ｂ）は、横軸は時間、縦軸は図１０（ａ）に示す発電電力から求めた、円形のタイヤの接線方向Ｘの振動の大きさを表す加速度である。
タイヤが回転し、発電振動センサが路面とタイヤの部材を介して接触する状態において、発電振動センサの回転速度は減速され、接触加速度Ａｃが加わる。タイヤがさらに回転し、発電振動センサが路面から離れる状態においては、タイヤの部材が路面から開放されることにより発電振動センサの速度は加速され、離脱加速度Ａｒが加わる。この発電振動センサが路面に接触し離れる間の時間を接触時間Ｔｃとする。
接触加速度Ａｃにより発電振動センサの振動体は変位し、自由振動を行う。この場合、接触加速度Ａｃに応じた接触発電出力Ｐｃが得られる。例えば、接触加速度Ａｃが大きいほど振動体は大きく変位し、接触発電出力Ｐｃは大きくなる。続いて、離脱加速度Ａｒにより再び振動体は自由振動を行い、離脱加速度Ａｒに応じた離脱発電出力Ｐｒが得られる。
なお、接触発電出力Ｐｃは負、離脱発電出力Ｐｒは正の値で図示したが、定義の仕方により正負逆としてもよい。
図１０（ａ）に示す電力波形を取得し、接触発電出力Ｐｃ、離脱発電出力Ｐｒ、接触時間Ｔｃを抽出することにより、図１０（ｂ）に示す接触加速度Ａｃ、離脱加速度Ａｒ、接触時間Ｔｃを含む外部振動波形を得ることができる。
図１１（ａ）は、横軸は時間、縦軸は円形のタイヤの法線方向Ｚの振動による発電出力であり、図１１（ｂ）は、横軸は時間、縦軸は円形のタイヤの法線方向Ｚの振動の大きさを表す加速度である。
タイヤが回転し、発電振動センサが路面とタイヤの部材を介して接触する状態において、発電振動センサにかかっていた遠心力が減じられ、接触加速度Ａｃが加わる。タイヤがさらに回転し、発電振動センサが路面から離れる状態においては、タイヤの部材が路面から開放されることにより発電振動センサに遠心力が加わり、離脱加速度Ａｒが加わる。
接触加速度Ａｃにより発電振動センサの振動体は変位し、自由振動を行う。この場合、接触加速度Ａｃに応じた接触発電出力Ｐｃが得られる。続いて、離脱加速度Ａｒにより再び振動体に遠心力が加わり、自由振動が阻害され発電出力は得られなくなる。
図１１（ａ）に示す発電出力波形を取得し、接触発電出力Ｐｃ、接触時間Ｔｃを抽出することにより、図１１（ｂ）に示す接触加速度Ａｃ、離脱加速度Ａｒ、接触時間Ｔｃを含む外部振動波形を得ることができる。
以上のように、発電振動センサにより外部振動波形を得ることが可能となる。
次に、図１２（ａ）を参照して振動データの解析方法、およびタイヤまたは路面状態の推定方法について説明する。図１２（ａ）は、横軸は時間、縦軸は円形のタイヤの接線方向Ｘの振動の大きさを表す加速度である。
車両においては、車重やタイヤの空気圧などによりタイヤが変形し、タイヤと路面との接触面積が変化する。例えば、車重が重い場合やタイヤの空気圧が低い場合は、タイヤが路面方向に押し潰される形で変形し、タイヤと路面との接触面積が大きくなる。図１２（ａ）においては、タイヤを路面へ、路面と垂直なｚ方向へ押し付ける力Ｆｚを用いて、タイヤの変形量を表すこととする。ＦｚをＦｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３と大きくすることは、タイヤが強く路面へ押し付けられ、タイヤと路面の接触面積が大きくなることを表す。
速度が一定で、タイヤと路面の接触面積が大きくなった場合は、接触時間Ｔｃは長くなる。また、タイヤが大きく変形するため、接触加速度Ａｃおよび離脱加速度Ａｒが高くなる。
これらのパラメータを解析することにより、タイヤの状態や路面の状態を推定する。例えば、タイヤがパンクしタイヤの空気圧が減少した場合は、タイヤの変形が大きいため、接触時間Ｔｃは長くなり、接触加速度Ａｃおよび離脱加速度Ａｒが高くなる。
また、円形のタイヤの法線方向Ｚの振動データも有効である。図１２（ｂ）は、横軸は時間、縦軸は円形のタイヤの法線方向Ｚの振動の大きさを表す加速度である。
速度が一定で、タイヤと路面の接触面積が大きくなった場合は、接触時間Ｔｃは長くなる。
タイヤまたは路面状態の推定方法は、上述の接線方向Ｘの場合と同様である。
以上のように、発電振動センサによりタイヤや路面状態の推定が可能となる。
＜３−２．本実施形態のまとめ＞
本実施形態のタイヤまたは路面状態の推定方法によれば、タイヤの回転により発電振動センサが路面に接触し離れる場合の接触時間Ｔｃ、接触加速度Ａｃ、離脱加速度Ａｒのパラメータから、タイヤの変形量や、タイヤと路面との摩擦力を抽出し、タイヤや路面状態の推定を行うことができる。
本構成により、タイヤや路面状態に応じた車両の警告表示、車軸、制動の制御を行うことができる。
＜４．実施形態４＞
以下、本発明の第４の実施形態について説明する。
本実施形態では、タイヤの回転速度によりタイヤの状態または路面の状態を推定する方法を説明する。それ以外の構成は実施形態３と同様である。
＜４−１．振動データの解析方法、およびタイヤや路面状態の推定方法＞
図１３（ａ）を参照して振動データの解析方法、およびタイヤまたは路面状態の推定方法について説明する。図１３（ａ）は、横軸は時間、縦軸は円形のタイヤの接線方向Ｘの振動の大きさを表す加速度である。
タイヤの回転速度Ｖｒが、Ｖｒ１、Ｖｒ２、Ｖｒ３と速くなった場合、接触時間Ｔｃは短くなる。また、発電振動センサの減速、加速に伴う接触加速度Ａｃおよび離脱加速度Ａｒが高くなる。
これらのパラメータを解析することにより、タイヤや路面状態を推定する。例えば、タイヤが摩耗しタイヤと路面の摩擦力が低下した場合や、路面が滑り易い場合は、タイヤが空回りしタイヤの回転速度Ｖｒが速くなる。そのため、接触時間Ｔｃは短くなり、接触加速度Ａｃおよび離脱加速度Ａｒが高くなる。また、タイヤと路面との摩擦力が減少する影響が大きい場合は、接触加速度Ａｃおよび離脱加速度Ａｒが低くなる。
また、円形のタイヤの法線方向Ｚの振動データも有効である。図１３（ｂ）は、横軸は時間、縦軸は円形のタイヤの法線方向Ｚの振動の大きさを表す加速度である。
タイヤが空回りし回転速度Ｖｒが速くなった場合、発電振動センサに加わる遠心力が大きくなるため、接触時間Ｔｃは短くなり、接触加速度Ａｃおよび離脱加速度Ａｒが高くなる。
タイヤまたは路面状態の推定方法は、上述の接線方向Ｘの場合と同様である。
以上のように、発電振動センサによりタイヤや路面状態の推定が可能となる。
＜４−２．本実施形態のまとめ＞
本実施形態のタイヤまたは路面状態の推定方法によれば、タイヤの回転により発電振動センサが路面に接触し離れる場合の接触時間Ｔｃ、接触加速度Ａｃ、離脱加速度Ａｒのパラメータから、タイヤの回転速度や、タイヤと路面との摩擦力を抽出し、タイヤや路面状態の推定を行うことができる。
本構成により、タイヤや路面状態に応じた車両の警告表示、車軸、制動の制御を行うことができる。
＜５．他の実施形態＞
本発明の思想は前述の実施形態に限定されない。以下、他の実施形態について説明する。
前述の実施形態において、タイヤセンサシステムは、振動情報とそれに対応するタイヤや路面の状態の一覧であるデータテーブルを有してもよい。実測された振動情報をデータテーブルに参照することにより、タイヤや路面の状態を判定する。
また、タイヤセンサシステムは、振動情報をプロトコル化してもよい。情報の構成を簡素化することができ、通信および情報処理の速度を上げることができる。
また、発電振動センサ１００、１０００の第１電極１０２、１００２と第２電極１０４、１０２４からの２系統の発電出力を、発電と振動検出に使用したが、第１電極１０２、１００２の１系統とし、後に分岐させ発電と振動検出に使用する構成としてもよい。
また、発電振動センサ１００、１０００の可動基板１１０は、例えば図４の両矢印で示すような方向に振動するとした。しかしこれは、この両矢印以外の方向の振動を除外するものではない。外部振動の方向と、発電振動センサ１００、１０００の可動基板１１０の振動方向とが一致するよう発電振動センサ１００、１０００をタイヤ３１０の裏側に設置することにより、外部振動を利用することができる。
＜６．まとめ＞
前述の実施形態は、下記のような発電振動センサおよびタイヤセンサシステムの思想を開示する。
第１の態様は、
振動を電力に変換する電力発生素子と、
前記電力発生素子により得られた振動情報を抽出する第１の電力系統と、
前記電力発生素子に接続され、前記第１の電力系統により抽出された前記振動情報を外部に送出するための電力を供給する第２の電力系統と、を備える発電振動センサである。
第２の態様は、
前記電力発生素子が２以上設けられ、前記第１の電力系統が、２以上の前記電力発生素子のうち少なくとも一つと接続され、
前記第２の電力系統が、２以上の前記電力発生素子のうち残りの少なくとも一つと接続されている第１の態様に記載の発電振動センサである。
第３の態様は、
単一の前記電力発生素子に、前記第１の電力系統と前記第２の電力系統とが接続されている第１又は第２の態様に記載の発電振動センサである。
第４の態様は、
前記電力発生素子が、
固定基板と、
該固定基板の１つの主面と対向する１つの主面を有し、かつ前記固定基板に対して略平行に振動可能な可動基板と、
前記固定基板の１つの主面および前記可動基板の１つの主面の一方に、当該可動基板の振動方向に対して並列配置された複数のエレクトレットと、
前記固定基板の１つの主面および前記可動基板の１つの主面の他方に、前記振動方向に対して並列にかつ交互に配置され、前記第１の電力系統および前記第２の電力系統のいずれかに接続された第１電極および第２電極と、を備える第１〜第３の態様のいずれかに記載の発電振動センサである。
第５の態様は、
前記電力発生素子は、
周期的に繰り返し湾曲することができる弾性構造体と、
前記弾性構造体の一端に接続された固定基板と、
前記弾性構造体の他端に接続された可動基板と、
前記弾性構造体上に設けられ、前記第１の電力系統および前記第２の電力系統のいずれかに接続された第１の積層構造と第２の積層構造と、を備え、
前記第１の積層構造は、第１の下部電極と、該第１の下部電極上に形成された第１の圧電体と、該第１の圧電体上に形成された第１の上部電極と、を有し、
前記第２の積層構造は、第２の下部電極と、該第２の下部電極上に形成された第２の圧電体と、該第２の圧電体上に形成された第２の上部電極と、を有する第１〜第３の態様のいずれかに記載の発電振動センサである。
第６の態様は、
前述の発電振動センサを内壁に備えるタイヤであって、
前記発電振動センサが地面に達した際に前記発電振動センサにより得られる電力波形と、地面から離れる際に得られる電力波形と、から当該タイヤの状態および路面の状態を推定することを特徴とするタイヤである。
第７の態様は、前述の発電振動センサを備える電気機器である。
第８の態様は、タイヤ周辺の物理情報からタイヤや路面の状態を監視し、車の安全制御を行うタイヤセンサシステムにおいて、センサをタイヤの裏面に配置し、前記タイヤの回転によって、前記センサが路面と前記タイヤの部材を介して接触する状態において、前記センサに加わる第１の振動と、前記センサが前記路面から離れる状態において、前記センサに加わる第２の振動と、前記センサが前記路面に接触し離れる間の接触時間から、前記タイヤや前記路面の状態を推定することを特徴とする、タイヤセンサシステムである。
前述のタイヤセンサシステムにおいて、前記タイヤや前記路面の状態は、前記タイヤの空気圧や、前記タイヤと前記路面との摩擦力であってもよい。
前述のタイヤセンサシステムにおいて、前記タイヤの空気圧が減少した場合は、円形の前記タイヤの接線方向の振動において、前記第１の振動と前記第２の振動が大きくなり、前記接触時間が長くなってもよい。
前述のタイヤセンサシステムにおいて、前記タイヤの空気圧が減少した場合は、円形の前記タイヤの法線方向の振動において、前記接触時間が長くなってもよい。
前述のタイヤセンサシステムにおいて、前記タイヤが滑り易い場合は、円形の前記タイヤの接線方向の振動において、前記第１の振動と前記第２の振動が大きくなり、前記接触時間が短くなってもよい。
前述のタイヤセンサシステムにおいて、前記タイヤが滑り易く、前記タイヤと前記路面との摩擦力が減少する影響が大きい場合は、円形の前記タイヤの接線方向の振動において、前記第１の振動と前記第２の振動が小さくなり、前記接触時間が短くなってもよい。
前述のタイヤセンサシステムにおいて、前記タイヤが滑り易い場合は、円形の前記タイヤの法線方向の振動において、前記第１の振動と前記第２の振動が大きくなり、前記接触時間が短くなってもよい。
前述のタイヤセンサシステムにおいて、振動情報とそれに対応するタイヤや路面の状態の一覧であるデータテーブルを有し、実測された振動情報を前記データテーブルに参照することにより、前記タイヤや前記路面の状態を判定してもよい。
前述のタイヤセンサシステムにおいて、前記振動情報をプロトコル化し、通信または情報処理を行ってもよい。
前述のタイヤセンサシステムにおいて、前記振動情報は、発電出力波形より振動情報を抽出する発電振動センサから得られてもよい。
本発明は、タイヤ周辺の物理情報からタイヤや路面の状態を監視し、車の安全制御を行うタイヤセンサシステムとして有用である。
１００、１０００：発電振動センサ
１０１：エレクトレット
１０２：第１電極
１０４：第２電極
１０５：第１パッド
１０６：下部接合部
１０７：上部接合部
１０８：固定構造体
１０９：上部基板
１１０：可動基板（可動部、重り、振動体）
１１１：下部基板
１１２：バネ（弾性構造体）
１１３：第２パッド
１２０：パワーマネージメント回路
１３０：蓄電部
１４０：発電部
１５０：電源部
２００：送信機
２１０：制御部
２２０：送信部
３１０：タイヤ
３２０：ホイール
３３０：回転方向
４００：路面
５００：受信機
５１０：受信部
５２０：信号処理部
５３０：データ解析部
５４０：車両制御指示部
６００：車両制御部
１００１：第１圧電体
１００２：第１下部電極
１００４；第２下部電極
１０２１：第２圧電体
１０２２：第１上部電極
１０２４；第２上部電極
１２００：第１積層構造
１４００：第２積層構造

Claims (7)

  1. 振動を電力に変換する電力発生素子と、
    前記電力発生素子により得られた振動情報を抽出する第１の電力系統と、
    前記電力発生素子に接続され、前記第１の電力系統により抽出された前記振動情報を外部に送出するための電力を供給する第２の電力系統と、を備える発電振動センサ。
  2. 前記電力発生素子が２以上設けられ、前記第１の電力系統が、２以上の前記電力発生素子のうち少なくとも一つと接続され、
    前記第２の電力系統が、２以上の前記電力発生素子のうち残りの少なくとも一つと接続されている請求項１記載の発電振動センサ。
  3. 単一の前記電力発生素子に、前記第１の電力系統と前記第２の電力系統とが接続されている請求項１又は２に記載の発電振動センサ。
  4. 前記電力発生素子は、
    固定基板と、
    該固定基板の１つの主面と対向する１つの主面を有し、かつ前記固定基板に対して略平行に振動可能な可動基板と、
    前記固定基板の１つの主面および前記可動基板の１つの主面の一方に、当該可動基板の振動方向に対して並列配置された複数のエレクトレットと、
    前記固定基板の１つの主面および前記可動基板の１つの主面の他方に、前記振動方向に対して並列にかつ交互に配置され、前記第１の電力系統および前記第２の電力系統のいずれかに接続された第１電極および第２電極と、を備える請求項１〜３のいずれかに記載の発電振動センサ。
  5. 前記電力発生素子は、
    周期的に繰り返し湾曲することができる弾性構造体と、
    前記弾性構造体の一端に接続された固定基板と、
    前記弾性構造体の他端に接続された可動基板と、
    前記弾性構造体上に設けられ、前記第１の電力系統および前記第２の電力系統のいずれかに接続された第１の積層構造と第２の積層構造と、を備え、
    前記第１の積層構造は、第１の下部電極と、該第１の下部電極上に形成された第１の圧電体と、該第１の圧電体上に形成された第１の上部電極と、を有し、
    前記第２の積層構造は、第２の下部電極と、該第２の下部電極上に形成された第２の圧電体と、該第２の圧電体上に形成された第２の上部電極と、を有する請求項１〜３のいずれかに記載の発電振動センサ。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載の発電振動センサを内壁に備えるタイヤであって、
    前記発電振動センサが地面に達した際に前記発電振動センサにより得られる電力波形と、地面から離れる際に得られる電力波形と、から当該タイヤの状態および路面の状態を推定することを特徴とするタイヤ。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載の発電振動センサを備える電気機器。
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