JP2017108536A

JP2017108536A - 発電装置及びタイヤ

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Publication number: JP2017108536A
Application number: JP2015240555A
Authority: JP
Inventors: 長屋　豪; Takeshi Nagaya; 豪長屋; 泰通若尾; Yasumichi Wakao
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2017-06-15
Also published as: EP3389171A1; CN108370209A; WO2017098912A1; US20200251974A1; EP3389171A4

Abstract

【課題】タイヤの回転による発電効率が向上可能な発電装置及び該発電装置を備えたタイヤを提供する。【解決手段】タイヤ内面に装着され、走行時のタイヤの回転によって振動する振動素子により起電力を生じさせる発電装置であって、振動素子の共振周波数を、一定速度で回転するタイヤが一回転する間のタイヤ内面における加速度の変化に対応する周波数に合致させた。【選択図】図２

Description

本発明は、発電装置及びタイヤに関し、特にタイヤの回転による発電効率を向上可能な発電装置及び該発電装置を備えたタイヤに関する。

従来、タイヤの気室内の圧力や温度等の使用環境を検出する機器とともにタイヤ内に設けられる発電装置が知られている。特許文献１には、タイヤの表面が路面に接地する際に受ける衝撃力によって、主ばねを介して支持されたマグネットを振動させることにより、導電コイルに誘導起電力を生じさせて発電する発電装置が開示されている。
また、当該発電装置には、タイヤの回転速度が速いとき、主ばねに支持されたマグネットの中立位置から遠心力によって径方向外側に移動した際にマグネットを弾性的に支持する副ばねが設けられている。このような構成によれば、タイヤの回転速度が遅いときには主に主ばねの弾性により、回転速度が速いときには主に副ばねの弾性によりマグネットを振動させることが可能となり、発電効率を向上させることができる。

特開２０１５ー４７００３号公報

しかしながら、特許文献１の発電装置では、タイヤの回転速度に依らずマグネットを振動させて発電できるものの、各速度で発電される発電量が少ないという問題がある。即ち、特許文献１に係る副ばねの弾性力は、マグネットの中立位置よりも半径方向外側で作用するように構成されていることから、中立位置よりも半径方向内側が回転速度の遅いときのマグネットの振動範囲となり、半径方向外側が回転速度の速いときのマグネットの振動範囲となる。よって、特許文献１の発電装置では、副ばねが無いときに比べて、マグネットの振動範囲が半分に制限され、低速や高速の各速度において発電される発電量が少なくなるという問題がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、タイヤの回転による発電効率が向上可能な発電装置及び該発電装置を備えたタイヤを提供する。

上記課題を解決するための発電装置の構成として、タイヤ内面に装着され、走行時のタイヤの回転によって振動する振動素子により起電力を生じさせる発電装置であって、振動素子の共振周波数を、一定速度で回転するタイヤが一回転する間のタイヤ内面における加速度の変化に対応する周波数に合致させるようにした。
本構成によれば、発電効率を向上させることができる。即ち、振動素子の共振周波数を、一定速度で回転するタイヤが一回転する間のタイヤ内面の加速度の変化に対応する周波数に合致させることで振動素子を共振させ、振動素子の振幅を大きくすることで起電力も大きくなるため発電効率を向上させることができる。
また、タイヤ内面の加速度をタイヤ半径方向の加速度としたり、さらに加速度の変化に対応する周波数をタイヤ半径方向の加速度の時系列変化波形に現れる踏込み側ピークと蹴り出し側ピークとの間のピーク間時間に基づいて算出することにより、確実に発電効率を向上させることができる。
また、タイヤ内面の加速度をタイヤ円周方向の加速度とし、さらに、加速度の変化に対応する周波数をタイヤ円周方向の加速度の時系列変化波形に現れる踏込み側ピークと蹴り出し側ピークとの間のピーク間時間の２倍した時間に基づいて算出することにより、確実に発電効率を向上させることができる。
また、振動素子を複数備えた発電装置であって、一部の振動素子の共振周波数を、一定速度で回転するタイヤが一回転する間のタイヤ内面におけるタイヤ半径方向の加速度の変化に対応する周波数に合致させ、他部の振動素子の共振周波数を、一定速度で回転するタイヤが一回転する間のタイヤ内面におけるタイヤ円周方向の加速度の変化に対応する周波数に合致させることにより、より発電効率を向上させることができる。
また、タイヤが請求項１に記載の発電装置を備えることにより、発電装置の発電効率を向上させることができ、従来よりも大きな発電量を得ることができる。

発電装置の装着状態を示す図である。発電装置の構成を示すブロック図である。発電装置の構成を示す図である。マグネットにより構成される磁気回路を示す図である。発電量が最大となるときの可動側ユニットの振動状態を示す図である。内周面に生じるタイヤ半径方向の加速度の変化を示す時系列変化波形図である。接地前後の遠心力の変化を示す図である。本実施形態に係る発電のメカニズムを示す図である。可動側ユニットを共振振動させたときの発電電圧の変化を示す図である。発電装置の他の適用例を示す図である。他の適用例に係る発電のメカニズムを示す図である。

以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明される特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らず、選択的に採用される構成を含むものである。

図１は、タイヤ内に装着された発電装置の概要を示す図である。図２は、発電装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、発電装置１０は、車両や航空機等のタイヤ２の内周面２ａ（タイヤ内面）に設けられる。発電装置１０は、タイヤ２が図中矢印Ａで示す方向に回転し、タイヤ２が路面４と接地する接地区間Ｅや非接地区間Ｆへの転動を繰り返すことにより振動素子を振動させて起電力を生じさせて発電する。

図２に示すように、発電装置１０は、例えば、導電コイル２２に生じた電流を整流する整流回路９、整流された電流を蓄電するキャパシタ８、キャパシタ８に蓄電された電力の出力を制御するスイッチ回路７、気室内における空気の圧力や温度等のタイヤ２の使用環境を検出するためのセンサ５、センサ５の検出値を送信する送信回路６等とともに一体的に構成される。整流回路９、キャパシタ８、スイッチ回路７、送信回路６、センサ５は、回路基板５０上に一体に配設され、発電装置１０内に収容される。そして、キャパシタ８に蓄電された電力がスイッチ回路７の制御により、センサ５や送信回路６に供給され、センサ５の検出した圧力や温度が送信回路６から後述するアンテナ５２を介して、例えば車内に設けられた受信機に送信される。

図３（ａ）は、発電装置１０の構成を示す分解斜視図、図３（ｂ）は、発電装置１０の平面図、図３（ｃ）は、発電装置１０の断面図である。なお、図３（ｂ）に示す平面図では、一方のハーフ部材３２及びマグネットホルダ４６を省略して示した。また、各図に示す方向は、図３（ｂ）の平面図に示す可動側ユニット４０の可動方向（振動方向）を上下方向、これに直交する方向を左右方向とした。また、図３（ｃ）の断面図に示す上下方向と直交する方向を前後方向とする。

発電装置１０は、概略、タイヤ２の内周面２ａに固定される固定側ユニット２０と、タイヤ２の回転に伴って、固定側ユニット２０に対して振動可能に設けられる可動側ユニット４０とで構成される。固定側ユニット２０は、ケース３０と、コイルホルダ２４とを備える。ケース３０は、一対のハーフ部材３１，３２が組み合わされることにより構成され、例えば、樹脂等の軽量かつ所定の剛性を有する素材からなる。ハーフ部材３１，３２は、平面視において正方形に近い矩形状の外形形状の一方開口の箱体からなり、互いの開口部同士を対向させて組み合わされてコイルホルダ２４や回路基板５０及び可動側ユニット４０を収容するための収容空間を形成する。各ハーフ部材３１，３２には、可動側ユニット４０の移動を許容する可動空間Ｃと、ばね収容空間３０ｃとが形成される。

ケース３０内において可動空間Ｃを形成する上端壁３０ａ、及び下端壁３０ｂには、左右方向に帯状に延びるクッション材２６が貼付される。クッション材２６は、可動側ユニット４０が上下方向に振動したときの振幅が一定値以上になったときに可動側ユニット４０と接触し、可動側ユニット４０の過振幅での振動を規制するとともに、接触時の衝撃力を緩和させて可動側ユニット４０の破損を防ぐ。

各ハーフ部材３１，３２の左右両側部には、ばね１２を収容するための１対のばね収容部３０ｃ，３０ｃが上下方向に延長するように形成される。一方のハーフ部材３１の各ばね収容部３０ｃの上下両側には、ばね１２を係止するためのピン３０ｄが設けられ、他方のハーフ部材３２の各ばね収容部３０ｃの上下両側には、ピン３０ｄの先端側を挿入可能なピン受け３０ｆが設けられている。各ハーフ部材３１,３２の下端側の壁部の左右方向中央には、コイルホルダ２４の左右方向の位置を位置決めする突部３０ｇが設けられる。ハーフ部材３１の上部には、回路基板５０を収容するための回路基板収容部３０ｅが形成される。

コイルホルダ２４は、平面視において正方形に近い矩形状の外形形状を有する板状の部材であって、ケース３０内の略中央に配置される。コイルホルダ２４の下端面の左右中央位置には、逆Ｕ字状の位置決め凹部２４ｂが設けられる。コイルホルダ２４は、当該凹部２４ｂがケース３０の突部３０ｇと嵌め合わせることで、ケース３０内における左右方向の位置が位置決めされ、ケース３０の内壁によってその上下両端部側及び前後両面側から挟持される。

コイルホルダ２４には、導電コイル２２を収容するためのコイル収容部２４ａが前後方向（板厚方向）に貫通する孔として設けられる。コイル収容部２４ａは、左右方向に延長する角丸長方形状に形成される。コイルホルダ２４の前後両面には、コイル収容部２４ａを収容した後に図外の摩擦低減フィルムが貼り付けられる。コイルホルダ２４は、例えば、樹脂により構成される。

導電コイル２２は、コイル収容部２４ａと同形な外形形状を有するように形成され、コイルホルダ２４に収容されたときに、導線が左右方向に延長するように所定回数巻き回して形成される。導電コイル２２の巻開始端と巻終了端は、回路基板５０に対して電気的に接続される。

次に、可動側ユニット４０の構成について説明する。可動側ユニット４０は、コイルホルダ２４と所定間隔をおいて、コイルホルダ２４を囲むように形成された磁気ユニットとして構成される。可動側ユニット４０は、コイルホルダ２４の前後方向に設けられる一対のマグネットホルダ４６，４６と、各マグネットホルダ４６に配設されるマグネット４２及びヨーク４４とを備える。

マグネットホルダ４６，４６は、コイルホルダ２４の左右方向寸法よりも長い横長矩形状の外形形状に形成された板状部材であって、コイルホルダ２４の前面側及び後面側において左右方向に延長するように設けられる。各マグネットホルダ４６は、例えば、樹脂製部材で構成され、マグネット４２を収容するマグネット収容部４６ａ及びマグネットホルダ４６同士を連結する連結部４６ｂが形成される。

マグネット収容部４６ａは、マグネットホルダ４６を前後方向に貫通する横長矩形状の孔として上下に複数設けられる。連結部４６ｂは、間に位置するコイルホルダ２４を避けるように四隅に設けられる。例えば、一方のマグネットホルダ４６に形成される連結部４６ｂは、後方に向けて突出する軸状連結部として形成され、他方のマグネットホルダ４６に形成される連結部４６ｂは、一方のマグネットホルダ４６に形成された連結部４６ｂの外周に嵌合する筒状連結部として形成される。そして、各連結部４６ｂ同士が前後方向に突き当たるまで挿入されることにより、マグネットホルダ４６，４６同士が前後方向に所定距離離間した状態で一体化される。図３（ｃ）に示すように、マグネットホルダ４６，４６同士が連結部４６ｂを介して一体化されると、コイルホルダ２４の前面側及び後面側には所定の空隙が確保される。

マグネットホルダ４６，４６に収容される各マグネット４２は、例えばネオジウム磁石であって、マグネット収容部４６ａの形状と同一の外形形状を呈し、各マグネット収容部４６ａに嵌め込まれる。マグネットホルダ４６，４６に収容される各ヨーク４４は、軟鉄板で構成されており、各マグネットホルダ４６の外形形状と同一の外形形状を有し、各マグネットホルダ４６に対して、上下１対のマグネット４２の吸引力による吸着、及び接着剤の併用により所定の位置に位置決め固定される。

図４は、マグネット４２により構成される磁気回路を示す図である。同図に示すように、マグネット４２は、各マグネットホルダ４６の同一面側において上下で異なる極性となるように、かつ、マグネットホルダ４６；４６同士を結合した際に、前後に対向する各マグネット４２の磁極が異なる極性となるように配置される。即ち、上下１対のマグネット４２，４２同士は、互いに磁極の極性が逆となる状態で配置され、かつ、前後１対のヨーク４４，４４の相互間においてもその極性が逆となる状態で配置される。このようなマグネット４２の配置により、可動側ユニット４０には、各組のマグネット４２相互間の空間を横切る磁束（図４矢印Ｈで示す）を生じさせる磁気回路が形成される。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、上記可動側ユニット４０は、複数のばね１２によって固定側ユニット２０に対して吊り支持され、振動素子として機能する。図３（ｂ）に示すように、複数のばね１２は、可動ユニット４０の左右両側において、上下に分かれて配設される。複数のばね１２は、いずれも同一の構成を有するコイルばねであって、ケース３０に形成された左右１対のばね収容部３０ｃに沿って上下方向に伸縮するように配置される。なお、ばね１２としては圧縮ばね、引張ばね等が適用される。

可動側ユニット４０の上側に位置する左右１対のバネ１２，１２は、それぞれ上端部がケース３０の上部に形成されたピン３０ｄに係止され、下端部がマグネットホルダ４６，４６の上部側の連結部４６ｂに係止される。また、可動側ユニット４０の下側に位置する左右１対のばね１２は、それぞれ下端部がケース３０の下部に形成されたピン３０ｄに係止され、上端部がマグネットホルダ４６，４６の下部側の連結部４６ｂに係止される。

図３（ｃ）及び図４に示すように、複数のばね１２により固定側ユニット２０に対して吊り支持された可動側ユニット４０のマグネット４２は、コイルホルダ２４に収容された導電コイル２２と重複する位置関係となるように設定される。具体的には、回転していないタイヤ２の接地区間Ｅの内周面２ａに発電装置１０が正立している状態において、コイル収容部２４ａは、上下に配置されたマグネット４２，４２の中間位置に、コイルホルダ２４に収容された導電コイル２２の上下方向の中間位置に対応するように、コイルホルダ２４に形成される。これにより、可動側ユニット３０は、導電コイル２２の上下方向の中間位置を中立位置Ｎにして振動する。

図５（ａ）乃至（ｃ）は、発電量を最大とするような可動側ユニット４０の振動状態を示す図である。同図に示すように、発電量を最大とするには、例えば、可動側ユニット４０に設けられた上下のマグネット４２，４２を、図５（ａ）に示す中立位置Ｎから、図５（ｂ）に示す導電コイル２２と重複しないタイヤ半径方向外側（下方）の範囲までに移動させるとともに、当該位置から図５（ｃ）に示す導電コイル２２と重複しないタイヤ半径方向内側（上方）の範囲に移動させる。このように可動側ユニット４０を大きく振動させることにより導電コイル２２に生じる誘導起電力を大きくすることができる。

そして、可動側ユニット４０の振幅を最大にするには、可動側ユニット４０を吊り支持する４つのばねによる合成ばね特性ｋ及び可動側ユニット４０の質量Ｍとで決定される固有周波数、いわゆる共振周波数ｆ１を、特定の走行速度でタイヤ２が回転するときのタイヤ２の内周面２ａに作用する加速度の変化に対する周波数ｆｚと一致させることで可能となる。

以下、可動側ユニット４０の振動方向がタイヤ半径方向を向くように発電装置１０をタイヤ２の内周面２ａのうちトレッド部の裏面のタイヤ幅方向中央位置に取り付けた場合について、可動側ユニット４０の振幅を最大にする例を説明する。なお、可動ユニット４０の振動方向がタイヤ半径方向を向くとは、厳密に半径方向と平行な方向に限られるものではなく、タイヤ半径方向に対して傾斜する方向をも許容するものである。また、以下の説明では、発電に寄与するタイヤ２の回転速度は、タイヤ２を車両に装着した状態において車両が特定の一定速度で走行しているときを想定する。

図６は、特定の一定速度で回転するタイヤ２の内周面２ａに生じるタイヤ半径方向の加速度Ｇｚの変化を示す時系列変化波形図である。同図に示すように、路面４に接地した状態で回転するタイヤ２の内周面２ａには、遠心力によるタイヤ半径方向の加速度Ｇｚが作用している。また、加速度Ｇｚは、破線により囲む部分において上下に大きく変化しているが、当該加速度Ｇｚの変化は、タイヤ２が路面４に接地する際の影響によるものである。

図７は、タイヤ２の接地前後の遠心力の変化を示す図である。同図に示すように、非接地区間Ｆにおいてタイヤ２の内周面２ａには遠心力が作用しており、当該区間においては、可動側ユニット４０が中立位置Ｎよりも半径方向外側に加圧され振動不能の状態となる。一方、接地区間Ｅではタイヤ２が路面４に沿うように移動する等速直線運動と見なせるため、遠心力は理論的には作用せず、破線で示すようにパルス状に変化するものと考えられる。
つまり、タイヤ２の内周面２ａに１の着目点を設定し、一定速度で回転する当該着目点の運動を考えると、当該着目点は、タイヤ一回転毎に非接地区間Ｆにおいてタイヤ回転中心軸周りを回転する円運動と、接地区間Ｅにおいて直線運動とをしているものと見なすことができる。
一方、実際のタイヤ２は踏込側の非接地区間Ｆから接地区間へ、接地区間から蹴出側の非接地区間Ｆへ滑らかに変形するため、遠心力は、破線で示すようにパルス状に変形せず、図７の実線で示すように接地前後において最大、接地面の中央で最小となるように変化する。
そして、この遠心力が変化（減少または増加）するタイミングを利用して可動側ユニット４０の振動を誘起するとともに、遠心力が変化（減少または増加）する周波数の波形に沿うように可動側ユニット４０を振動させることで効率的な発電が可能となる。

図８（ａ）は、接地変形したタイヤの形状を誇張して示した図である。図８（ｂ）は、接地変形したタイヤ２の内周面２ａに作用する遠心力（加速度Ｇｚ）の時間変化を示す図である。図８（ｃ）は、振幅が最大化されたときの可動側ユニット４０の振動を示すモデル図である。
図８（ａ）に示すように、回転中のタイヤ２は、接地部近傍（Ｑ２，Ｑ３）においてタイヤ２に設定された曲率よりも大きな曲率の円弧状に変形する。具体的には、タイヤ２は、路面４に直接接地して変形する接地変形部Ｑ１と、接地変形部Ｑ１の前後近傍においてタイヤ２に設定された所定の曲率よりも大きな曲率で変形する踏込側変形部Ｑ２及び蹴出側変形部Ｑ３と、変形がないものと見なせる非変形部Ｑ４とを有するように変形する。踏込側変形部Ｑ２及び蹴出側変形部Ｑ３は、平面状に変形する接地変形部Ｑ１と非変形部Ｑ４とを滑らかに結ぶように変形する。なお、以下の説明では、接地変形部Ｑ１と踏込側変形部Ｑ２及び蹴出側変形部Ｑ３を含む範囲を変形区間、非変形部Ｑ４を非変形区間という。

図８（ｂ）に示すように、非変形区間では、上述した円運動によりタイヤ２の内周面２ａに遠心力により略一定の加速度Ｇｚが作用する。一方、変形区間では路面４との接地によりタイヤ２の形状が変形するため内周面２ａに作用する遠心力に変化が生じる。タイヤ２の内周面２ａに作用する遠心力は、非変形区間では全体的に一定と見なすことができる。一方、遠心力は、非変形区間から変形区間に近づくにつれて徐々に大きくなり、非変形区間と変形区間とが連続する部分において最大となり、接地区間の中央において最小となるように減少した後に、変形区間と非変形区間とが連続する部分において再び最大となり、変形区間から離れるにつれて徐々に減少して一定となる。
つまり、一定速度で回転するタイヤ２において遠心力は、一回転する間に変形区間の変形始端ｚ１で最大となる踏込側ピークｐ１と、変形区間の中央で最小となる最小値ピークｐ２と、変形終端ｚ２で再び最大となる蹴出側ピークｐ３とを有するように変化する。

そして、発電装置１０の発電量を最大にするためには、可動側ユニット４０の振動が上述のような遠心力の変化と同期するように構成する。具体的には、図８（ｃ）に示すように、遠心力の変化により、（１）可動側ユニット４０が、踏込側ピークｐ１でタイヤ半径方向外側に最も移動し、（２）遠心力の減少とばね１２の弾性力とによりタイヤ半径方向内側移動し、（３）最小値ピークｐ２でタイヤ半径方向内側に最も移動し、（４）その後の遠心力の増加とばね１２の弾性力によりタイヤ半径方向外側に移動し、（５）蹴出側ピークｐ３でタイヤ半径方向外側に最も移動するサイクルで振動するように構成すればよい。

即ち、予め設定した一定速度で回転するタイヤ２の一回転における踏込側ピークｐ１と蹴出側ピークｐ３との間のピーク間時間と、合成ばね特性ｋ及び可動側ユニット４０の質量Ｍで構成される可動側ユニット４０の共振周期とが合致するように、４つのばね１２の合成ばね特性ｋや可動側ユニット４０の質量Ｍを設定することで、タイヤ２の回転に対応させて可動側ユニット４０を共振させることができる。換言すれば、遠心力の変化に対応する周波数に、可動側ユニット４０の共振周波数ｆ１が合致するように、合成ばね特性ｋや可動側ユニット４０の質量Ｍを設定すれば良い。これは、発電装置１０が、図８（ａ）に示す変形長さＬ２を移動する時間と、可動側ユニット４０の共振周期Ｔ１を一致させることと同意であり、変形長さＬ２を可動側ユニット４０の共振周波数ｆ１の波長λ１に一致させるとも言うことができる。

このような可動側ユニット４０の共振周期を有する共振周波数ｆ１は、可動側ユニット４０の質量Ｍ及び４つのばね１２の合成ばね特性ｋとの関係(１/２π)√（ｋ／Ｍ）により算出できる。なお、ばね１２の質量は無視できるものとした。

可動側ユニット４０の共振周波数ｆ１の共振周期を、一定速度で回転する発電装置１０が変形長さＬ２（変形区間）を通過する通過時間Δｔに合致させることで、可動側ユニット４０をタイヤ２の回転に共振させることができる。共振周波数ｆ１の共振周期が、加速度Ｇｚが変化するピーク間時間Ｔｚと合致するように、例えば、合成ばね特性ｋや可動側ユニット４０の質量Ｍを設定することにより、可動側ユニット４０の上下方向への振動の振幅、及び上下方向への移動速度が最大となり、得られる機械的振動エネルギーを最大にできる。

図８（ｂ）に示すピーク間時間Ｔｚは、マグネット４２（可動側ユニット４０）に作用する遠心力の一周期に相当している。そこで、ピーク間時間Ｔｚ（周期）の逆数をとることにより、周波数ｆｚ＝１/Ｔｚが得られる。従って、タイヤ２の回転する周波数ｆｚが可動側ユニット４０の共振周波数ｆ１と等しい時に発電量が最大となる。この周波数ｆｚは、タイヤ２の回転速度に置き換えることができる。このように、タイヤ２の回転により生じる遠心力の変化時間と、可動側ユニット４０の振動時の変位速度の位相を揃えることで、可動側ユニット４０の振動を円滑に継続させることが可能となる。なお、上述のように誘起された可動側ユニット４０の振動は、発電によるエネルギー変換及び摩擦による損失等により振動が徐々に減衰する。

図９は、可動側ユニット４０を共振振動させたときの発電電圧の変化を示す図である。同図に示すように、発電装置１０では、接地に伴なって可動側ユニット４０が共振振動するため、加速度Ｇｚの変化に追従するように発電されている。また、非変形区間では、遠心力による加速度Ｇｚの変化が無くなっているにも関わらず、可動側ユニット４０の振動が減衰しつつも発電が継続されていることが分かる。このように、可動側ユニット４０をタイヤ２の回転に共振させて振幅を大きくすることで、大きな発電量を得ることができる。即ち、可動側ユニット４０の複数のマグネット４２により形成された磁気回路の磁束が導電コイル２２を貫く変化量、及び磁束の変化速度を最大にできるため、発電量を大きくすることができる。

上記実施形態では、発電装置１０を、可動側ユニット４０の振動方向が内周面２ａに作用する遠心力に沿うように設けた形態について説明した。図１０は、発電装置１０を、可動側ユニット４０の振動方向が内周面２ａの円周方向に沿うように設けた形態を示す図である。以下、本実施形態に係る発電装置１０における発電のメカニズムについて説明する。なお、発電装置１０の内周面２ａへの装着において、可動側ユニット４０の振動方向が内周面２ａの円周方向に沿うとは、厳密に円周方向に沿うのではなく、内周面２ａの円周に接する接線方向に振動することをいい、接線方向に対して傾斜する方向をも許容するものである。以下の説明では、円周方向ではなく接線方向として説明する。

図１１（ａ）は、接地変形したタイヤの形状を示す図である。図１１（ｂ）は、接地変形したタイヤ２の内周面２ａの接線方向に沿って生じる加速度Ｇｘの時間変化を示す図である。図１１（ｃ）は、振幅が最大化されたときの可動側ユニット４０の振動を示すモデル図である。回転するタイヤ２には路面４に接地することにより摩擦力が生じる。この摩擦力は、踏込側では回転を減速させる加速度Ｇｘを、蹴出側では回転を加速させる加速度Ｇｘを生じさせる。このため、図１１（ｂ）に示すように、発電装置１０に加わる加速度Ｇｘは、接地面の前後端で負号が異なるピークとなる。以下、正値側で加速度が最大となる前端側のピークを踏込側ピークｐ４、負値側で加速度が最大となる後端側のピークを蹴出側ピークｐ５という。この踏込側ピークｐ４と蹴出側ピークｐ５との間の加速度Ｇｘの変化は、ある波長を有する周波数の１周期のうちの半周期に対応するものとみなすことができる。したがって、可動側ユニット４０を共振させるためには、共振周期の半周期が、踏込側ピークｐ４から蹴出側ピークｐ５までの時間に合致すれば良い。

具体的には、図１１（ｃ）に示すように、（１）可動側ユニット４０が加速度Ｇｘの踏込側ピークｐ４でタイヤ接線方向踏込側に最も移動し、（２）加速度Ｇｘの減少とばね１２の弾性力とによりタイヤ接線方向蹴出側に移動し、（３）加速度Ｇｘの蹴出側ピークｐ５でタイヤ接線方向蹴出側に最も移動するサイクルで振動するように構成すれば良い。

図１１（ｂ）に示す踏込側ピークｐ４と蹴出側ピークｐ５のピーク間時間Ｔｘは、可動側ユニット４０を共振させるための半周期に相当している。そこで、ピーク間時間Ｔｘの逆数をとることにより、周波数ｆｘ＝１/（２Ｔｘ）が得られる。なお、本形態のピーク間時間Ｔｘは半周期であるため１周期に直すため２倍している。この周波数ｆｘは、タイヤ２の回転速度に置き換えることができる。したがって、タイヤ２の回転する周波数ｆｘが可動側ユニット４０の共振周波数ｆ２と等しい時に発電量が最大となる。

また、タイヤ２の回転速度でより多くの発電量を得るには、可動側ユニット４０の振動方向がタイヤ半径方向に沿って振動するように構成した上述の発電装置１０と、タイヤ接線方向に沿って振動するように構成した本実施形態に係る発電装置１０とをタイヤ２の内周面２ａに設けても良い。

また、１つの発電装置１０の中に、タイヤ半径方向に沿って振動する可動側ユニット（半径方向ユニット）及びこれと対をなす導電コイルと、タイヤ接線方向に振動する可動側ユニット（接線方向ユニット）及びこれと対をなす導電コイルとを設け、一定速度で回転するタイヤが一回転する間に半径方向ユニット及び接線方向ユニットがそれぞれの方向の加速度の変化に対応する周波数で共振するように発電装置１０を構成しても良い。

また、各実施形態では、可動側ユニット４０がタイヤ半径方向やタイヤ接線方向に沿って振動するように、発電装置１０をタイヤ幅方向中央の内周面２ａに設けるとして説明したが、これに限定されない。タイヤ２の内周面２ａは、設計時の形状としてタイヤ幅方向及びタイヤ円周方向に所定の曲率で湾曲する３次元曲面として形成されている。このように３次元曲面で形成された内周面２ａは、路面４への接地によりタイヤ半径方向、タイヤ幅方向及びタイヤ円周方向に引き伸ばされるように変形するため、各方向に力が作用する。つまり、各方向に加速度が生じることになる。

従って、タイヤ２の内周面２ａの各位置において加速度の変化が大きく得られる方向に可動側ユニット４０の振動方向を沿わせるとともに、加速度の踏込側ピークと蹴出側ピークとの間の周期に可動側ユニット４０の共振周波数が合致するように発電装置１０を構成すれば良い。
例えば、接地したタイヤ２は、サイド部ではタイヤ幅方向に膨出するように変形することから主として幅方向に加速度Ｇｙが作用する。そこで、可動側ユニット４０の振動方向をタイヤ幅方向に沿うように内周面２ａのサイド部に発電装置１０を設けても良い。そしてこの場合、踏込側ピークと蹴出側ピークのピーク間の周期Ｔｙに、可動側ユニット４０の共振周期を合致させることで、効率良く発電させることができる。

また、上述の発電装置１０は、導電コイル２２を固定し、この導電コイル２２に対して振動素子として機能するマグネット４２を振動させる構成としたが、マグネット４２を固定し、固定されたマグネット４２に対して導電コイル２２を振動させる構成としても良い。つまり、導電コイル２２が振動素子として機能する。この場合、導電コイル２２をマグネット４２で囲むという位置関係をそのままにしても上記構成の発電装置１０と同じ発電量が得られる。
以上説明したような、発電装置をタイヤが備えることにより、発電装置の発電効率を向上させ、従来よりも大きな発電量を得ることができる。

２タイヤ、２ａ内周面、４路面、１０発電装置、１２ばね、
２０固定側ユニット、２２導電コイル、２４コイルホルダ、
２４ａコイル収容部、２４ｂ位置決め凹部、２４ｃ切欠き部、
２６クッション材、３０ケース、３１；３２ハーフ部材、３０ａ上端壁、
３０ｂ下端壁、３０ｃばね収容部、３０ｄピン、
３０ｅ回路基板収容部、４０可動側ユニット、４２マグネット、４４ヨーク、
４６マグネットホルダ、５０回路基板、５２コード、Ｃ可動空間。

Claims

タイヤ内面に装着され、走行時のタイヤの回転によって振動する振動素子により起電力を生じさせる発電装置であって、
前記振動素子の共振周波数を、一定速度で回転するタイヤが一回転する間のタイヤ内面における加速度の変化に対応する周波数に合致させたことを特徴とする発電装置。
前記加速度は、タイヤ半径方向の加速度であることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記加速度の変化に対応する周波数は、タイヤ半径方向の加速度の時系列変化波形に現れる踏込み側ピークと蹴り出し側ピークとの間のピーク間時間に基づいて算出されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電装置。
前記加速度は、タイヤ円周方向の加速度であることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記加速度の変化に対応する周波数は、タイヤ円周方向の加速度の時系列変化波形に現れる踏込み側ピークと蹴り出し側ピークとの間のピーク間時間の２倍したものに基づいて算出されることを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
前記振動素子を複数備えた発電装置であって、
一部の振動素子の共振周波数を、一定速度で回転するタイヤが一回転する間のタイヤ内面におけるタイヤ半径方向の加速度の変化に対応する周波数に合致させ、
他部の振動素子の共振周波数を、一定速度で回転するタイヤが一回転する間のタイヤ内面におけるタイヤ円周方向の加速度の変化に対応する周波数に合致させたことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
請求項１に記載の発電装置を備えたタイヤ。