JP2017051024A - タイヤ発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タイヤ内の構造が単純なタイヤ発電装置の提供。
【解決手段】タイヤ５０が装着されるリム部４２を有するホイール４０と、タイヤ５０の内周面５０ａに当接し配設される押圧部材２５と、リム部４２に固定され、タイヤ５０の回転に伴って、押圧部材２５に当接する当接状態と、押圧部材２５から離間する離間状態と、を周期的に繰り返す発電体２２と、を有し、発電体２２は、前記当接状態においてタイヤ５０を介して当該タイヤ５０を備えた車両の荷重を受けて発電することを特徴とするタイヤ発電装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、タイヤ発電装置に関する。

タイヤ内に圧電式の発電体を設けて、車両の走行中に、当該車両の自重を受けることで発電するタイヤ発電装置が知られている（例えば特許文献１参照）

特許第５２４８４５８号公報 米国特許第４５０４７６号明細書 特表２０１５−５０２７２５号公報 特許第４６２７１０８号公報 特開２００６−１９９１０７号公報

しかしながら、このようにタイヤを利用したタイヤ発電装置は、タイヤ内の構造が複雑で実用化が難しいという課題がある。

本発明は以上のような課題に基づきなされたものであり、タイヤ内の構造が単純なタイヤ発電装置の提供を目的とする。

本願発明にかかるタイヤ発電装置は、タイヤが装着されるリム部を有するホイールと、前記タイヤの内周面に当接し配設される押圧部材と、前記リム部に固定され、前記タイヤの回転に伴って、前記押圧部材に当接する当接状態と、前記押圧部材から離間する離間状態と、を周期的に繰り返す発電体と、を有し、前記発電体は、前記当接状態において前記タイヤを介して当該タイヤを備えた車両の荷重を受けて発電することを特徴とする。

本発明のタイヤ発電装置によれば、タイヤ内の構造が単純なタイヤ発電装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態としての車両の全体構成斜視図の一例である。 図１に示したタイヤ発電装置の周辺構成の一例を示す模式図である。 図２に示したタイヤ発電装置の構成の一例を示す斜視図である。 図２に示したタイヤ発電装置の動作の一例を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態としてのタイヤ発電装置の構成の一例を示す図である。

以下、本発明の第１の実施形態として、図１に示すタイヤ発電装置２０を有する車両１００について説明する。
車両１００は、内燃機関たるエンジン３００と、車両１００の下部に配置されて車両１００の重量を支持する４つのタイヤ５０と、端部をタイヤ５０に取り付けられてエンジン３００からの動力をタイヤ５０に伝えるための車軸６０と、を有している。
車両１００は、タイヤ５０の内側に取り付けられて、車両１００の自重を利用して発電するためのタイヤ発電装置２０と、タイヤ発電装置２０からの電力を動力へと変換してエンジン３００を補助するモーター２００と、を有している。

車軸６０は、車両１００の前後方向たるＹ方向に２つ並んで設置され、車両１００の車幅方向であるＸ方向に伸びた駆動軸であり、エンジン３００の動作によってＡ方向への回転運動を行う。
車軸６０は、端部をタイヤ５０に取り付けられることで、エンジン３００の回転運動をタイヤ５０に伝達する。

タイヤ５０は、中空のゴム製タイヤである。タイヤ５０の内部には、圧力Ｐ１の空気が充填される。
モーター２００は、本実施形態ではホイール４０に取り付けられてタイヤ発電装置２０からの電力を動力へと変換してホイール４０を回転させるインホイールモーターとしたが、車両１００に備えられたモーターであっても良い。

タイヤ発電装置２０は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、車軸６０に接続されて車軸６０を回転軸として連れ回り回転するホイール４０と、ホイール４０の外周部に沿って円周状に設けられた固定部２１と、を有している。
タイヤ発電装置２０は、タイヤ５０の内周面５０ａに当接し配設される押圧部材たる押圧チューブ２５と、固定部２１の押圧チューブ２５とホイール４０の半径方向で対向する面側に取り付けられた発電体たる４つの圧電素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと、を有している。
なお、４つの圧電素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、それぞれホイール４０の回転中心に対して４方に、すなわちホイール４０の周方向に等間隔に分散して配置されているが、単数であっても良いし、４以外の複数であっても良い。圧電素子が複数である場合には、本実施形態のように、圧電素子をホイール４０の周方向に等間隔で配置することが、発電を時間的に均一に行う上で望ましい。
また、特に位置を示す必要のない場合には、４つの圧電素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを総称して圧電素子２２として以下に記述する。

ホイール４０は、ホイール４０のＸ方向両端に、ホイール４０の外周方向に突出して設けられた突起部たるタイヤ保持部４１と、タイヤ保持部４１の間に形成され、ホイール４０の回転中心に向けて凹んだ溝状の凹部たるリム部４２と、を有している。
タイヤ保持部４１は、タイヤ５０を挟んで両側に、タイヤ５０の外側面５０ｃと当接して、リム部４２に装着されたタイヤ５０を保持する。

押圧チューブ２５は、内部に窒素ガスを圧力Ｐ２で充填された、ドーナツ状の、言い換えると断面の略円形を車軸６０を中心にＡ方向に回転させた回転体である円環面形状のゴム製チューブである。
押圧チューブ２５の外周面２５ａは、タイヤ５０とは別体であるが、連続して環状にタイヤ５０の内周面５０ａに沿って当接する。

圧電素子２２は、後述するように、車両１００の走行時のタイヤ５０の回転に伴って、押圧チューブ２５に当接（接触）する当接状態と、押圧チューブ２５から離間（非接触）する離間状態と、を周期的に繰り返す。
圧電素子２２は、離間状態から当接状態に変化するときの圧力によって、言い換えると押圧チューブ２５から押圧されることによる圧力によって起電力を生じさせて発電するピエゾ素子である。
圧電素子２２は、タイヤ発電装置２０内のホイール４０側の位置すなわちホイール４０の回転中心たる車軸６０側に、固定部材２１を介して固定される。
圧電素子２２によって発電された電力は、配線部たる配線７０によってホイール４０に取り付けられたモーター２００へと伝達される。

固定部２１は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、一方の押圧チューブ２５と対向する面には発電体たる４つの圧電素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと、を有し、反対の他方にはリム部４２に沿って取り付けられる面が設けられたアルミ製の部材であり、例えば分割構造などリム部４２を覆うようになっており、内部に圧電素子２２からの配線７０を挿通するための中空部２３を有している。
固定部２１は、ホイール４０の回転中心（半径方向）にむけて凹んだ凹部であるリム部４２に嵌め合うように、言い換えると固定部２１がリム部４２の幅方向に変移しないよう位置決めされ嵌合するように固定される。
なお、図３（ａ）はタイヤ発電装置２０の組み付け前の状態を示す部品図であり、図３（ｂ）はタイヤ発電装置２０をタイヤ５０に組み付けた後、タイヤ５０を車両１００に取り付ける前の状態を一部断面表示した図である。

このような構造の車両１００において、タイヤ発電装置２０が発電する際の動作について説明する。
タイヤ５０が車両１００に取り付けられた車載状態において、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、タイヤ５０の接地面Ｅである−Ｚ方向側の端部は、車両１００の自重を受けて歪むとともに、地面に沿って略直線状に変形する。なお、実際の車両においては、自重によるタイヤの変形量は十分に小さいが、図４では発電素子２２と押圧チューブ２５との動作の説明のために敢えて変形量を大きく誇張して記載する。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、４つの圧電素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄのうち、最も接地面Ｅに近い圧電素子２２ａは、押圧チューブ２５に当接した当接状態である。また、その他の圧電素子２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは押圧チューブ２５から離間した離間状態である。言い換えると、図４（ｂ）に示すように、車軸６０の中心から接地面Ｅまでの距離Ｌ２は、車軸６０の中心からタイヤ５０の＋Ｚ方向側の端部までの距離Ｌ１より小さい。ここでタイヤ５０の厚みは、＋Ｚ方向側の地面と当接していない部分と、−Ｚ方向側の接地面Ｅの周辺の部分とで変化なく略一様とみなして良い。したがって、当接状態にある圧電素子２２ａから内周面５０ａまでの距離は、離間状態にある圧電素子２２ｃから内周面５０ａまでの距離より小さい。

タイヤ５０は、車載状態において、−Ｚ方向にはたらく車両１００の荷重を支えるとともに、接地面Ｅから＋Ｚ方向にはたらく車両１００の荷重の抗力を受けている。
押圧チューブ２５は、かかる抗力によって＋Ｚ方向に力を受けることで変形して圧電素子２２ａに当接する。従って圧電素子２２ａは、タイヤ５０と押圧チューブ２５とを介して車両１００の荷重を受けて起電力が生じて発電する。

車両１００がＹ方向に進む場合には、タイヤ５０はＡ方向に回転する。
Ａ方向への回転に伴って、圧電素子２２ａは、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、当接状態から押圧チューブ２５から離間した離間状態へと変化し、代わりに圧電素子２２ａのＡ方向上流に配置された圧電素子２２ｂが当接状態へと変化する。
圧電素子２２ｂについても同様に、当接状態において車両１００の荷重を受けるから、圧電素子２２ｂが発電する。
以下、圧電素子２２ｃ、２２ｄについても同様に、当接状態において順次発電する。なお、タイヤ５０の回転時には、押圧チューブ２５とタイヤ５０とが必ずしも一体的に回転するとは限らず、相対的に回転し得る。本実施形態では、押圧チューブ２５がタイヤ５０の周方向に連続した円環面形状であるから、タイヤ５０と押圧チューブ２５との間で回転角のズレ、言い換えると回転角の位相差が生じても、押圧チューブ２５と圧電素子２２とが当接して発電が可能である。
複数の圧電素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが順次、当接状態に変化するようにＡ方向に等間隔に配置することで、タイヤ発電装置２０は、連続的に電力を供給する発電手段としての機能を有している。

なお、タイヤ５０がＡ方向に１回転すると、図４（ａ）、（ｂ）の状態に戻るから、圧電素子２２ａが再び離間状態から当接状態へと変化する。
このように単体の圧電素子２２ａのみを用いた場合であっても、当接状態と離間状態とをタイヤ５０の回転に伴って周期的に繰り返すことで、パルス状の発電を行うことが可能である。

配線７０は、タイヤ発電装置２０によって供給された電力をモーター２００へと伝達する。モーター２００は、かかる電力を用いてホイール４０を回転させる駆動力源としての機能を有する。

本実施形態では、固定部２１に固定され、タイヤ５０のＡ方向への回転に伴って、押圧チューブ２５に当接する当接状態と、押圧チューブ２５から離間する離間状態と、を周期的に繰り返す圧電素子２２と、を有している。
圧電素子２２は、当接状態においてタイヤ５０を介して車両１００の荷重を受けて発電する。
かかる構成により、タイヤ５０内部のタイヤ発電装置２０の構造を単純化する。

また、本実施形態では、４つの圧電素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを有し、少なくとも接地面Ｅに最も近い圧電素子２２は、タイヤ５０を介して車両１００の荷重を受けて発電する。なお、押圧チューブ２５に複数の圧電素子２２が当接するときには、当該複数の圧電素子２２がそれぞれ同時に発電する。
かかる構成により、タイヤ５０内部のタイヤ発電装置２０の構造を単純化する。

また、本実施形態では、固定部２１は、内部に配線７０を挿通するための中空部２３を有している。
かかる構成により、配線７０が固定部２１によって保護されるから、タイヤ５０の回転による配線７０の損耗や断線などの障害の発生を抑制して、タイヤ５０内部の構造を単純化しながらも信頼性を向上させる。
また、かかる構成により、配線７０の取り回しを簡易に行うことができるから、タイヤ発電装置２０の内部構造が複雑化しない。
また、本実施形態では、押圧チューブ２５がタイヤ５０の周方向に連続した円環面形状であるから、タイヤ５０と押圧チューブ２５との間で回転角のズレが生じても、押圧チューブ２５と圧電素子２２とが当接して発電が可能である。

本発明の第２の実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、既に述べた第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号をつけて説明を省略する。
図５に示すように、タイヤ発電装置２０は、タイヤ５０の内周面５０ａに連結された押圧部材として、タイヤ５０内部にタイヤ５０の回転中心に向かって凸状に、圧電素子２２の数及び位置に対応させて複数形成された基部２６ａと、基部２６ａを支持する四時部２６ｂとを備えた押圧部２６を有している。
また、車両１００は、タイヤ５０とホイール４との間であって、周方向において複数の押圧部２６の間に形成されて、車両１００の荷重を支持するための弾性部２７を有している。
弾性部２７は、ホイール４０とタイヤ５０の内周面５０ａとを連結する弾性体であり、ホイール４０とタイヤ５０との間の距離Ｌ３が車両１００の荷重によって減少すると、タイヤ５０の変形に反発する方向にはたらく弾性力によって車両１００を支持する。
基部２６ａは、底面たる−Ｚ方向側の面が当接状態において圧電素子２２と当接するように、圧電素子２２に対向する位置であって、ホイール４０とタイヤ５０との間の空間に形成されている。
支持部２６ｂは、基部２６ａの両端に形成された脚部である。
タイヤ５０の車載状態において、４つの圧電素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄのうち最も接地面Ｅに近い圧電素子２２ａは、押圧部２６、具体的には基部２６ａの−Ｚ方向側の面に当接して発電する。
かかる構成により、タイヤ５０内部のタイヤ発電装置２０の構造が単純化される。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、実施形態ではタイヤの内部に空気を充填することで、空気圧により車両の重量を支持するとしたが、タイヤ内部をハニカム構造として弾性体で支持するタイプのタイヤであってもよい。

また、実施形態では、モーターの他に内燃機関を有する車両としたが、モーターのみを動力源とする電気自動車であってもよい。
またその場合には、電池等の別の電力源を有していることが望ましいが、タイヤ発電装置のみを電力源とするものであってもよい。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

２０…タイヤ発電装置、２１…固定部材（固定部）、２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ…発電体（圧電素子）、２２ａ…地面に最も近い発電体、２３…中空部、２５…押圧部材（押圧チューブ）、２５ａ…外周面、２６…押圧部材（押圧部）、４０…ホイール、４２…リム部（凹部）、５０…タイヤ、５０ａ…内周面、１００…車両、２００…モーター、３００…内燃機関（エンジン）、Ａ…回転方向、Ｅ…地面（接地面）、Ｘ…車幅方向、Ｙ…進行方向（前後方向）

Claims (5)

1. タイヤが装着されるリム部を有するホイールと、
   前記タイヤの内周面に当接し配設される押圧部材と、
   前記リム部に固定され、前記タイヤの回転に伴って、前記押圧部材に当接する当接状態と、前記押圧部材から離間する離間状態と、を周期的に繰り返す発電体と、を有し、
   前記発電体は、前記当接状態において前記タイヤを介して当該タイヤを備えた車両の荷重を受けて発電することを特徴とするタイヤ発電装置。
2. 請求項１に記載のタイヤ発電装置であって、
   前記発電体を前記ホイールの周方向に等間隔で複数有し、
   前記複数の発電体のうち、少なくとも地面に最も近い発電体は、前記タイヤを介して当該タイヤを備えた自動車の荷重を受けて発電することを特徴とするタイヤ発電装置。
3. 請求項１または２に記載のタイヤ発電装置であって、
   前記発電体が発電した電力を伝達する配線部を挿通するための中空部を備え、前記リム部に取り付けられて前記発電体を固定するための固定部材を有することを特徴とするタイヤ発電装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載のタイヤ発電装置であって、
   前記リム部には、前記ホイールの回転中心に向けて凹んだ凹部が設けられ、
   前記発電体は、前記凹部に嵌合して固定されることを特徴とするタイヤ発電装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載のタイヤ発電装置であって、
   前記押圧部材は、外周面が連続して環状に前記内周面に当接することを特徴とするタイヤ発電装置。

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