JP2017216775A - 発電装置及び電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タイヤの回転による振動のように振動周波数が変動する場合でも発電効率の低下を抑えることが可能な発電装置を提供する。【解決手段】少なくとも１つの磁歪素子２２を含み、磁歪素子２２に衝撃が加わることにより生じる磁界の変化に基づいて発電する発電部２と、発電部２と衝突する錘３と、固定された発電部２に対して錘３を移動自在に保持する保持部材４とを備える。錘３の移動方向において対向する発電部２の外面には、錘３の外面に向かって隆起した隆起部２１１が設けられており、発電部２と記錘３とが隆起部２１１において衝突する。【選択図】図２

Description

本発明は、振動により発電する発電装置とこれを備えたタイヤ用の電子装置に関する。

タイヤ空気圧監視システム（ｔｉｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ：ＴＰＭＳ）では、タイヤの内部に配置されたセンサから車載制御装置へ無線等により空気圧の検出結果が送信される。このセンサや無線機等に供給する電源としては、一般に電池が使用される。しかしながら、電池は寿命による交換が必要になることから、メインテナンスの負担が大きいという不利益がある。そのため、タイヤの回転による振動を利用したＴＰＭＳ用の発電装置が従来より検討されている。例えば下記の特許文献１では、振動に伴って磁石がコイルの中を往復運動するように構成された発電装置が開示されている。

特開２００４−１８７４２９号

特許文献１に記載される発電装置は、付勢部材（コイルスプリング等）によって磁石が移動方向に付勢されている。このように、振動する機構部品を用いた発電装置は、特定の共振周波数を持つため、振動周波数と共振周波数が一致する場合に発電効率が高くなる一方、振動周波数と共振周波数がずれていると発電効率が大幅に低下する。一般に、タイヤの回転による振動はタイヤの回転速度などに応じて周波数が大きく変化することから、特許文献１のように特定の共振周波数を持つ発電装置では、安定した発電効率を保つことが難しいという不利益がある。そこで、周波数帯域が広がるように共振のＱ値を抑えることも考えられるが、そうすると機械的なエネルギーの損失が増大するため、かえって発電効率が低下するという不利益がある。また、振動する機構部品を用いた場合、耐久性が低くなるという不利益もある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、タイヤの回転による振動のように振動周波数が変動する場合でも発電効率の低下を抑えることが可能な発電装置及びこれを備えた電子装置を提供することにある。

本発明の第１の観点に係る発電装置は、少なくとも１つの磁歪素子を含み、前記磁歪素子に衝撃が加わることにより生じる磁界の変化に基づいて発電する発電部と、前記発電部と衝突する錘と、固定された前記発電部に対して前記錘を移動自在に保持する保持部材とを備える。前記錘の移動方向において対向する前記発電部の外面と前記錘の外面との少なくとも一方には、対向する前記外面に向かって隆起した隆起部が設けられており、前記発電部と前記錘とが前記隆起部において衝突する。

この構成によれば、前記磁歪素子に衝撃が加わることにより生じる磁界の変化に基づいて前記発電部が発電を行う。衝撃による前記磁歪素子の微小な変形により生じた磁界の変化に基づいて発電することから、コイルスプリングなどの比較的低い周波数で振動する機構部品を用いて発電を行う場合に比べて、振動周波数の変動による発電効率の低下が生じ難い。また、前記隆起部において衝撃を受け易くなるため、前記発電部において衝撃が加わる場所が変化し難くなり、発電の効率が安定する。

好適に、前記発電部が、前記錘の衝突による衝撃を前記磁歪素子に伝達する衝撃伝達部材を含み、前記錘の移動方向と前記衝撃伝達部材による衝撃の伝達方向とが平行であり、前記隆起部が、前記錘の移動方向と平行な第１方向からみた平面視において前記衝撃伝達部材と前記磁歪素子との接触面と重なる場所に位置する。

この構成によれば、前記錘の移動方向と前記衝撃伝達部材による衝撃の伝達方向とが平行であるため、前記磁歪素子へ効率的に衝撃が伝わる。また、前記錘の移動方向と平行な第１方向からみた平面視において前記衝撃伝達部材と前記磁歪素子との接触面と重なる場所に前記隆起部が位置するため、前記第１方向へ加えられた衝撃が前記接触面から前記磁歪素子へ伝わり易くなる。これにより、前記磁歪素子へ更に効率的に衝撃が伝わる。

好適に、前記隆起部における隆起の高さは、前記第１方向からみた平面視における前記接触面の中央に対応する位置若しくは当該位置を含む領域で最も高く、当該位置若しくは当該領域から離れるにつれて連続的に低くなる。

この構成によれば、前記第１方向からみた平面視における前記接触面の中央に対応する位置若しくは当該位置を含む領域で前記隆起の高さが最も高いため、当該位置の付近において衝撃を受け易くなる。これにより、前記第１方向へ加えられた衝撃が前記接触面の中央付近から前記磁歪素子へ伝わり易くなるため、前記磁歪素子へ更に効率的に衝撃が伝わる。

好適に、前記隆起部は、隆起の高さが最も高い位置の周囲に球面状の曲面を持つ。

この構成によれば、前記第１方向からみた平面視における前記接触面の中央に対応する位置の近くで前記発電部と前記錘との衝突が生じ易くなる。これにより、前記第１方向へ加えられた衝撃が前記接触面の中央付近から前記磁歪素子へ伝わり易くなるため、前記磁歪素子へ効率的に衝撃が伝わる。

好適に、前記隆起部は、前記球面状の曲面の周囲に円錐面状の曲面を持つ。

この構成によれば、前記隆起部の隆起が高くなる一方で、前記円錐面状の曲面において前記発電部と前記錘との衝突が生じ難くなる。これにより、前記第１方向へ加えられた衝撃が前記接触面の中央により近い位置から前記磁歪素子へ伝わり易くなる。

好適に、前記隆起部は、隆起の高さが最も高い位置の周囲に円形の平面を持ち、前記円形の平面の周囲に円錐面状の曲面を持つ。

この構成によれば、前記第１方向からみた平面視における前記接触面の中央に対応する位置の近くで前記発電部と前記錘との衝突が生じ易くなる。これにより、前記第１方向へ加えられた衝撃が前記接触面の中央付近から前記磁歪素子へ伝わり易くなるため、前記磁歪素子へ効率的に衝撃が伝わる。

好適に、前記保持部材が、前記錘の移動方向と平行な第１方向へ延びて前記錘を移動自在に収容する円柱状の内部空間を持ち、前記錘が、前記第１方向へ延びた楕円柱状若しくは角柱状の形状を持つ。

この構成によれば、前記第１方向と垂直な断面視において、前記保持部材の前記内部空間を画定する内面が円の形状を持つ。前記錘が楕円柱状の形状を持つ場合、前記断面視において楕円の長軸に対応する前記錘の外面上の位置が、前記保持部材の円形状の前記内面に当接し易くなる。また、前記錘が角柱状の形状を持つ場合は、前記断面視において多角形の頂点に対応する前記錘の外面上の位置が、前記保持部材の円形状の前記内面に当接し易くなる。これにより、前記錘と前記保持部材との接触面積が小さくなるため、前記錘の移動に伴う前記保持部材と前記錘との摺動の摩擦が小さくなり、当該摩擦による衝撃力の減衰が抑えられる。

好適に、前記保持部材が、前記錘の移動方向と平行な第１方向へ延びて前記錘を移動自在に収容する内部空間を持ち、前記錘が、前記第１方向へ延びた形状を持ち、互いに対向する前記保持部材の内面と前記錘の外面との少なくとも一方には、複数の凸部が設けられており、前記錘が移動する場合、前記保持部材と前記錘とが前記複数の凸部において摺動する。

この構成によれば、互いに対向する前記保持部材の内面と前記錘の外面との少なくとも一方に設けられた前記複数の凸部において、前記保持部材と前記錘とが摺動する。これにより、前記錘と前記保持部材との接触面積が小さくなるため、前記保持部材と前記錘との摺動の摩擦が小さくなり、当該摩擦による衝撃力の減衰が抑えられる。

好適に、前記凸部が、前記第１方向に延びた円柱状の曲面を持ち、前記保持部材と前記錘とが前記凸部の前記曲面において摺動する。

この構成によれば、前記保持部材と前記錘とが前記凸部の前記曲面において摺動するため、前記保持部材と前記錘との摺動の摩擦がより小さくなる。

好適に、２以上の前記凸部が前記第１方向の異なる位置に設けられている。

この構成によれば、前記第１方向の異なる位置で前記保持部材と前記錘とが前記凸部により接触するため、前記保持部材の前記内部空間における前記錘の姿勢のばらつきが小さくなり、発電の効率が安定する。また、前記第１方向に長く延びた凸部を設ける場合に比べて、前記錘と前記保持部材との接触面積が小さくなるため、前記保持部材と前記錘との摺動の摩擦が小さくなる。

好適に、前記発電部は、前記錘との衝突による衝撃を前記磁歪素子に伝達する衝撃伝達部材と、前記衝撃伝達部材による前記磁歪素子への衝撃の伝達方向において前記磁歪素子と並んで配置された少なくとも１つの磁石と、前記磁歪素子が収容される孔を有し、前記孔の周りに導線が巻回されたコイルとを有し、前記錘の移動方向と前記衝撃伝達部材による衝撃の伝達方向とが平行であり、前記コイルの前記孔が、前記錘の移動方向と平行な第１方向へ延びており、前記衝撃伝達部材が、１以上の磁性部材を含み、前記１以上の磁性部材が、前記孔の一端から前記孔の外を通り前記孔の他端へ至る前記磁歪素子の磁束線の磁路を形成する。
好適に、前記衝撃伝達部材が、前記第１方向へ相対的に変位可能に組み合わされた少なくとも２つの磁性部材を含む。

この構成によれば、前記衝撃伝達部材を介して前記磁歪素子に衝撃が伝達されると、前記磁歪素子において逆磁歪効果により磁界の変化が生じ、この磁界の変化に応じて前記コイルの起電力が発生する。衝撃による前記磁歪素子の微小な変形により生じた磁界の変化に基づいて発電することから、コイルスプリングなどの比較的低い周波数で振動する機構部品を用いて発電を行う場合に比べて、振動周波数の変動による発電効率の低下が生じ難い。また、前記衝撃伝達部材における前記１以上の磁性部材が、前記磁歪素子へ衝撃を伝達する機能に加えて、前記磁歪素子による前記磁束線の磁路を形成する機能も備えているため、これらの機能を別の部材で実現する場合に比べて構成が簡易となる。

本発明の第２の観点に係る電子装置は、タイヤの内部に取り付けられた電子装置であって、電子回路と、前記電子回路に電源を供給する上記第１の観点に係る発電装置とを備える。

この構成によれば、タイヤの回転数の変動などによって振動周波数が変化しても、発電効率の低下が生じ難い。

好適に、前記発電部が、前記錘に比べて前記タイヤの回転の中心から径方向に離れた場所で前記タイヤに固定される。

この構成によれば、前記発電部の固定場所に対応する前記タイヤの表面が地面に接地すると、前記錘が前記接地の衝撃により前記タイヤの回転の中心へ近づく方向に移動し、前記発電部と前記錘とが離間する。その後、前記タイヤが更に回転すると、前記錘が遠心力によって前記タイヤの回転の中心から離れる方向に移動し、前記発電部と前記錘とが衝突する。すなわち、前記タイヤの接地の衝撃によって前記発電部と前記錘とが離間した後、遠心力によって前記発電部と前記錘とが衝突する。これにより、前記タイヤの回転の度に前記発電部と前記錘との衝突が確実に生じるため、前記発電部において安定した出力が得られる。

本発明によれば、タイヤの回転による振動のように振動周波数が変動する場合でも発電効率の低下を抑えることができる。

第１の実施形態に係る発電装置の一例を示す斜視図である。 図１に示す発電装置のＡ−Ａ線断面図である。 第１の実施形態に係る発電装置における発電部の斜視図及び分解図である。 発電部の外面に設けられた隆起部の一例を示す図である。 隆起部の形状に応じた衝撃の伝達の態様を説明するための図である。 第１の実施形態に係る発電装置における隆起部の一変形例を示す図である。 第１の実施形態に係る発電装置における隆起部の一変形例を示す図である。 第１の実施形態に係る発電装置の一変形例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る発電装置の一変形例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る発電装置の一変形例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る発電装置の一変形例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る発電装置の一変形例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る発電装置の一変形例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る発電装置の一変形例を示す断面図である。 第２の実施形態に係るに係るタイヤ監視システムの構成の一例を示す図である。 タイヤ監視システムにおける各構成要素の配置の一例を示す図である。 タイヤの接地の衝撃による錘の移動を示す図である。 タイヤの回転の遠心力による錘の移動を示す図である。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る発電装置１の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示す発電装置１のＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１に示す発電装置１における発電部２の斜視図（図３Ａ）及び分解図（図３Ｂ）である。

図１〜図３において示すように、本明細書では、互いに直交する３つの方向を「ｘ」、「ｙ」、及び「ｚ」とする。また、ｘ方向に含まれる互いに逆向きの方向を「ｘ１」及び「ｘ２」とし、ｙ方向に含まれる互いに逆向きの方向を「ｙ１」及び「ｙ２」方向とし、Ｚ方向に含まれる互いに逆向きの方向を「ｚ１」及び「ｚ２」とする。

本実施形態に係る発電装置１は、外部から加えられる振動や衝撃により発電する装置であり、発電部２と、錘３と、保持部材４と、基台５と、配線基板１１とを有する。

保持部材４は、固定された発電部２に対して錘３を移動自在に保持する。保持部４は、錘３の移動方向と平行なＺ方向に延びた内部空間４０を持ち、この内部空間４０に発電部２と錘３を収容する。錘３は、内部空間４０のｚ１側に配置されており、保持部材４に固定されていないため、内部空間４０においてＺ方向に移動自在である。発電部２は、内部空間４０のｚ２側の端に位置しており、保持部材４の内壁に固定される。外部から振動が加えられると、錘３のみが内部空間４０においてＺ方向に移動し、発電部２と衝突する。

保持部材４は、Ｚ１側に開口を持つケース４２と、ケース４２の開口を塞ぐ蓋４３を有する。ケース４２は、ｚ方向へ延びた円筒状の側壁４２１と、側壁４２１のＺ２側の端に設けられた底部４２２を有する。蓋４３と側壁４２１と底部４２２の各内面が、円柱状の内部空間４０を画定する。

配線基板１１は、電源回路の配線が形成された基板であり、整流回路や電圧レギュレータなどを構成する回路部品１２が実装される。この電源回路により、後述するコイル２４の起電力に基づいた一定の電源電圧が生成される。配線基板１１は、例えば保持部材４の外面（図１、図２の例では蓋４３の外面）に配置される。

基台５は、保持部材４が固定される台であり、振動や衝撃を生じる物体（タイヤ等）に取り付けられる。

錘３は、発電部２に衝突して衝撃を加えるための部材（衝突部材）であり、移動方向（ｚ方向）へ延びた形状を持つ。図１、図２の例において、錘３は、内部空間４０よりも径が小さく長さが短い円柱状の形状を持つ。錘３は、両端の平面がｘｙ平面に対して概ね平行となる姿勢で内部空間４０に収容されており、このｚ２側の平面が発電部２と衝突する。

発電部２は、衝撃によって発電する装置であり、磁歪素子２２と、磁歪素子２２に衝撃を伝達する衝撃伝達部材２０と、磁石２３と、コイル２４とを有する。発電部２は、磁歪素子２２に衝撃が加わることにより生じる磁界の変化に基づいて発電する。

磁歪素子２２は、磁界を加えることで外形が変形する磁歪材料により形成される。磁歪素子２２に衝撃が加わってその外形が変化すると、逆磁歪効果によって磁界が変化する。図２、図３の例において、磁歪素子２２は円柱状の形状を持ち、両端の平面がｘｙ平面に対して概ね平行となる姿勢でコイル２４の後述する孔２４１に収容される。

コイル２４は、磁歪素子２２における磁界の変化に応じた起電力を発生する。コイル２４は、磁歪素子２２が収容される孔２４１を有しており、この孔２４１の周りに導線１６が巻回される。コイル２４の孔２４１は、衝撃伝達部材２０による衝撃の伝達方向と平行な方向であるｚ方向に延びている。

磁石２３は、逆磁歪効果による磁界の変化を生じさせるためのバイアス磁界を磁歪素子２２に与える。磁石２３は、衝撃伝達部材２０による磁歪素子２２への衝撃の伝達方向において磁歪素子２２と並んで配置される。図２、図３の例において、磁石２３は磁歪素子２２とほぼ同じ径の円柱状の形状を持つ。磁石２３は、磁歪素子２２よりｚ２側に配置されており、磁歪素子２２のｚ２側の平面と磁石２３のｚ１側の平面とが接触している。

衝撃伝達部材２０は、内部空間４０においてｚ２方向へ移動する錘３が衝突した場合、その衝撃を磁歪素子２２へｚ２方向に伝達し、磁歪素子２２をｚ方向に圧縮する。図２、図３の例において、衝撃伝達部材２０は、ｚ方向へ相対的に変位可能に組み合わされた第１磁性部材２０１及び第２磁性部材２０２を有する。第１磁性部材２０１及び第２磁性部材２０２は、鋼鉄などの比較的強度が高い軟磁性体からなり、コイル２４の孔２４１の一端から孔２４１の外を通り孔２４１の他端へ至る磁歪素子２２の磁束線ＭＦの磁路を形成する。第１磁性部材２０１及び第２磁性部材２０２は、互いに固定されずに組み合わされてもよいし、粘着材や接着剤、溶着などによって互いに固定された状態で組み合わされてもよい。第１磁性部材２０１及び第２磁性部材２０２が互いに固定される場合は、錘３の衝突の衝撃によって固定箇所の部材や磁性部材自体が微小に変形することで、その衝撃が磁歪素子２２に伝達されるようにしてもよい。

第２磁性部材２０２は、ｚ方向と垂直な方向に向かってコイル２４の周りを囲む円筒状の側壁２１７と、側壁２１７のｚ２側の端に設けられた底部２１８とを有しており、コイル２４が収容される円筒状の収容空間２０３を形成する。第１磁性部材２０１は、円盤状の形状を持ち、収容空間２０３のｚ１側における円形の開口部を塞ぐように配置される。第１磁性部材２０１の側端面２１３が、側壁２１７の内側の面と対向する。磁歪素子２２及び磁石２３による磁束線ＭＦは、この側端面２１３と側壁２１７との対向部分を通る。

保持部材４のケース４２と発電部２の第２磁性部材２０２は、コイル２４の収容空間２０３と保持部材４の外側とを連通する孔１３及び１４を有する。コイル２４の導線１６は、この孔１３及び１４を通じて保持部材４の外側に引き出され、配線基板１１に配置されたコネクタ等に接続される。

第１磁性部材２０１及び第２磁性部材２０２は、孔２４１の一端側と他端側とにおいてコイル２４を挟んで対向する２つの内側平面（２１５、２１６）を有する。２つの内側平面（２１５、２１６）は、コイル２４の孔２４１に収容された磁歪素子２２及び磁石２３を、ｚ方向の両側から挟む。第１磁性部材２０１の内側平面２１５は、孔２４１のｚ１側の端において磁歪素子２２のｚ１側の平面と接する。第２磁性部材２０２の内側平面２１６は、孔２４１のｚ２側の端において磁石２３のｚ２側の平面と接する。図２において示すように、２つの内側平面２１５、２１６の離間距離Ｌａは、ｚ方向におけるコイル２４のサイズＬｂに比べて長い。離間距離Ｌａは、２つの内側平面２１５、２１６に挟まれた磁歪素子２２及び磁石２３によって保たれており、錘３の衝突による衝撃が第１磁性部材２０１に加わった場合も「Ｌａ＞Ｌｂ」の関係は変わらない。そのため、コイル２４に直接衝撃が加わることはない。

第１磁性部材２０１は、コイル２４に面した内側平面２１５に突出部２１４を有する。突出部２１４は、その先端がコイル２４の孔２４１の中に挿入されており、先端の接触面２１９において磁歪素子２２と接触する。図３、図４の例において、突出部２１４はｚ方向に延びた円柱状の形状を持ち、ｚ２側の先端の平面において磁歪素子２２と接触する。

第１磁性部材２０１は、磁歪素子２２との接触面２１９の反対側において錘３からの衝撃を受ける外面２１２を有する。図２、図３において示すように、外面２１２の中央には、ｚ１方向へ隆起した隆起部２１１が形成される。

図４は、発電部２の外面２１２に設けられた隆起部２１１の一例を示す図である。図４Ａは、第１磁性部材２０１をｙ２側からみた図であり、図４Ｂは、第１磁性部材２０１及び第２磁性部材２０２をｚ１側からみた図である。図４Ｂに示すように、隆起部２１１は、ｚ１側からみた平面視において、第１磁性部材２０１と磁歪素子２２との接触面２１９（円形の点線部分）と重なる場所に設けられている。隆起部２１１における隆起の高さは、この接触面２１９の中央に対応する位置Ｐ１で最も高く、位置Ｐ１から離れるにつれて連続的に低くなる。図３、図４の例において、隆起部２１１の形状は球体の一部のように丸みを帯びている。すなわち、隆起部２１１は、位置Ｐ１の周囲に球面状の曲面を持つ。

図５は、隆起部の形状に応じた衝撃の伝達の態様を説明するための図である。図５Ａは、比較例の発電装置１Ａの断面図であり、図５Ｂは上述した発電装置１の断面図であり、何れも錘３が発電部２に衝突した状態を示す。図５Ａに示す比較例の発電装置１Ａでは、外面２１２において錘３と衝突する隆起部２１１Ａがｚ１方向に突出した円柱状の形状を有していることから、錘３が円柱形状の隆起部２１１Ａの縁に衝突する。そのため、黒の矢印で表すように、錘３は位置Ｐ１（図４）からずれた位置で隆起部２１１Ａと衝突し、その衝撃は磁歪素子２２のｘ方向及びｙ方向の中心に対してずれた位置に伝わる。一方、図５Ｂに示す本実施形態に係る発電装置１では、隆起部２１１が位置Ｐ１を中心として球体状に隆起している。そのため、錘３が位置Ｐ１（図４）に近い位置で隆起部２１１と衝突し、その衝撃は磁歪素子２２のｘ方向及びｙ方向の中心に近い位置に伝わる。従って、本実施形態に係る発電装置１は、比較例の発電装置１Ａに比べて磁歪素子２２に加わるｚ方向の衝撃が強くなるため、磁歪素子２２の磁界の変化が大きくなる。

上述した構成を有する本実施形態に係る発電装置１によれば、次のような効果を奏することができる。

本実施形態に係る発電装置１によれば、衝撃伝達部材２０を介して磁歪素子２２に衝撃が伝達されると、磁歪素子２２において逆磁歪効果により磁界の変化が生じ、この磁界の変化に応じてコイル２４の起電力が発生する。衝撃による磁歪素子２２の微小な変形により生じた磁界の変化に基づいて発電することから、コイルスプリングなどの比較的低い周波数で振動する機構部品を用いて発電を行う場合に比べて、振動周波数の変動による発電効率の低下が生じ難い。従って、タイヤの回転による振動のように振動周波数が変動する場合でも、発電効率の低下を抑えることができる。また、振動する機構部品を用いないため、耐久性を高めることができる。更に、隆起部２１１において衝撃を受け易くなるため、発電部２において衝撃が加わる場所が変化し難くなり、発電の効率を安定させることができる。

本実施形態に係る発電装置１によれば、錘３の移動方向と衝撃伝達部材２０による衝撃の伝達方向とが平行であるため、磁歪素子２２へ効率的に衝撃を伝えることができる。

本実施形態に係る発電装置１によれば、第１磁性部材２０１において磁歪素子２２と接触する内側平面２１５の反対側の外面２１２に錘３が衝突し、衝撃が加えられる。これにより、外面２１２に加えられた衝撃が磁歪素子２２へ直接的に伝わり易くなるため、発電効率が向上する。

本実施形態に係る発電装置１によれば、第１磁性部材２０１の外面２１２には、錘３が衝突する側（ｚ１側）からみた平面視において第１磁性部材２０１と磁歪素子２２との接触面２１９と重なる場所に、隆起部２１１が設けられている。これにより、ｚ方向へ加えられた衝撃が接触面２１９を介して磁歪素子２２に伝わり易くなるため、錘３の衝突による衝撃が磁歪素子２２へ効率的に伝わり、発電効率が向上する。

本実施形態に係る発電装置１によれば、錘３が衝突する側（ｚ１側）からみた平面視における第１磁性部材２０１と磁歪素子２２との接触面２１９の中央に対応する位置Ｐ１（図４）において、隆起部２１１の隆起の高さが最も高い。そのため、第１磁性部材２０１は位置Ｐ１の付近において衝撃を受け易くなる。これにより、ｚ方向へ加えられた衝撃が第１磁性部材２０１と磁歪素子２２との接触面２１９の中央付近から磁歪素子２２へ伝わり易くなるため、磁歪素子２２へ効率的に衝撃を伝えることができる。

本実施形態に係る発電装置１によれば、隆起部２１１において隆起の高さが最も高い位置Ｐ１の周囲が球面状の曲面になっているため、錘３が衝突する側（ｚ１側）からみた平面視における接触面２１９の中央に対応する位置の近くで発電部２と錘３との衝突が生じ易くなる。これにより、ｚ方向へ加えられた衝撃が接触面２１９の中央付近から磁歪素子２２へ伝わり易くなるため、磁歪素子２２へ効率的に衝撃を伝えることができる。

本実施形態に係る発電装置１によれば、衝撃伝達部材２０における２つの磁性部材（２０１、２０２）が、磁歪素子２２へ衝撃を伝達する機能に加えて、磁歪素子２２による磁束線ＭＦの磁路を形成する機能も備えている。そのため、これらの機能を別の部材で実現する場合に比べて構成が簡易となる。更に、磁性部材（２０１、２０２）や磁歪素子２２、磁石２３などはいずれも高い強度を持つ材料を用いて形成可能であるため、耐久性を高めることができる。

本実施形態に係る発電装置１によれば、衝撃伝達部材２０から磁歪素子２２へ衝撃が伝わる場合でも、２つの内側平面２１５、２１６のｚ方向における離間距離Ｌａがコイル２４のｚ方向におけるサイズＬｂに比べて長い。そのため、衝撃による力がコイル２４へ直接的に加わらない。これにより、磁歪素子２２へ効率的に衝撃が伝わるため発電効率が向上するとともに、衝撃によるコイル２４の変形を防止できる。

本実施形態に係る発電装置１によれば、コイル２４の孔２４１の一端側において磁歪素子２２と第１磁性部材２０１とが接している。そのため、第１磁性部材２０１からの衝撃が磁歪素子２２へ直接伝わり易くなり、発電効率が向上する。また、孔２４１の他端側において、磁石２３と第２磁性部材２０２とが接しているため、第２磁性部材２０２が磁石２３の磁束線ＭＦを通す磁路として機能し易くなる。

次に、本実施形態に係る発電装置１の変形例について図６〜図１４を参照して説明する。

図６及び図７は、第１磁性部材２０１の外面２１２に設けられた隆起部の変形例（２１１Ｂ、２１１Ｃ）を示す図である。図４と同様に、図６Ａ及び図７Ａは第１磁性部材２０１をｙ２側からみた図であり、図６Ｂ及び図７Ｂは第１磁性部材２０１及び第２磁性部材２０２をｚ１側からみた図である。

図６に示す変形例の隆起部２１１Ｂは、ｚ１側からみた平面視において、第１磁性部材２０１と磁歪素子２２との接触面２１９と重なる場所に設けられている。また、隆起部２１１Ｂにおける隆起の高さは、この接触面２１９の中央に対応する位置Ｐ１を中心とした円形の平面の領域ＡＲ１で最も高く、領域ＡＲ１から離れるにつれて連続的に低くなる。図６の例において、隆起部２１１Ｂの形状は円錐台状である。このような形状の隆起部２１１Ｂを第１磁性部材２０１の外面２１２に設けた場合、隆起部２１１Ｂの隆起が高くなる一方で、円錐面状の曲面において発電部２と錘３との衝突が生じ難くなる。これにより、ｚ方向へ加えられた衝撃が更に接触面２１９の中央に近い位置から磁歪素子２２へ伝わり易くなるため、磁歪素子２２へより効率的に衝撃を伝えることができる。

図７に示す変形例の隆起部２１１Ｃは、図６に示す隆起部２１１Ｂにおける頂部の形状を変更したものである。隆起部２１１Ｃの形状は、頂部に丸みを帯びた円錐形状である。すなわち、隆起部２１１Ｃは、位置Ｐ１の周囲の領域ＡＲ２において球面状の曲面の持ち、この領域ＡＲ２の周囲に円錐状の曲面（斜面）を持つ。このような形状の隆起部２１１Ｃを第１磁性部材２０１の外面２１２に設けた場合、図６に示す円錐台状の隆起部２１１Ｂに比べて、領域ＡＲ２の曲面上において位置Ｐ１と更に近い位置に錘３が衝突し易くなる。そのため、ｚ方向へ加えられた衝撃が更に接触面２１９の中央に近い位置から磁歪素子２２へ伝わり易くなるため、磁歪素子２２へより効率的に衝撃を伝えることができる。

図８及び図９は、隆起部が設けられる場所の変形例を示す図である。図８及び図９の断面図は、図２と同様なＡ−Ａ線の断面を示す。

図８に示す変形例の発電装置１Ｂは、図２に示す発電装置１の発電部２に設けられた隆起部２１１を錘３へ移動させたものである。発電装置１Ｂの錘３Ｂは、発電部２の外面２１２と対向する外面３３のほぼ中央に、外面２１２へ向かって隆起した隆起部３２を有する。隆起部３２は、ｚ１側からみた平面視において、第１磁性部材２０１と磁歪素子２２との接触面２１９と重なる場所に設けられている。隆起部３２における隆起の高さは、この接触面２１９の中央に対応する位置で最も高く、この位置から離れるにつれて連続的に低くなる。図８の例において、隆起部３２の形状は球体の一部のように丸みを帯びている。他の例において、隆起部３２の形状は円錐台状でもよいし、先端に丸みを帯びた円錐状でもよい。一方、発電部２の第１磁性部材２０１Ｂでは、隆起部２１１がなくなっており、外面２１２の全体が平面になっている。このように、錘３Ｂが隆起部３２を有する場合でも、上述した発電装置１と同様に、接触面２１９の中央付近から磁歪素子２２へｚ方向に衝撃が伝達され易くなり、発電効率が向上する。

図９に示す変形例の発電装置１Ｃは、図２に示す発電装置１の発電部２に設けられた隆起部２１１を錘３にも追加したものである。図９に示す発電装置１Ｃでは、錘３Ｂが隆起部３２を有するとともに、発電部２も隆起部２１１を有しており、この２つの隆起部（３２、２１１）同士が衝突する。このように、錘３Ｂの隆起部３２と発電部２の隆起部２１１とが衝突する場合でも、接触面２１９の中央付近から磁歪素子２２へｚ方向に衝撃が伝達され易くなり、発電効率が向上する。

図１０及び図１１は、錘の形状に関する変形例を示す図である。図１０Ａ及び図１１Ａの断面図は、図２と同様なＡ−Ａ線の断面を示す。図１０Ｂ及び図１１Ｂの断面図は、錘の移動方向（ｚ方向）に対して垂直な断面を示す。

図１０に示す変形例の発電装置１Ｄでは、錘３Ｄがｚ方向へ延びた楕円柱状の形状を持つ。図１０Ｂに示すＤ−Ｄ線の断面において、保持部材４の内部空間４０を画定する内面の形状が円形であるのに対し、錘３Ｄの形状は楕円である。そのため、この楕円の長軸に対応する位置において、錘３Ｄの外面と保持部材４の内面とが当接し易くなる。これにより、錘３Ｄと保持部材４との接触面積が小さくなるため、錘３Ｄの移動に伴う保持部材４と錘３Ｄとの摺動の摩擦が小さくなり、当該摩擦による衝撃力の減衰を抑制できる。

図１１に示す変形例の発電装置１Ｅでは、錘３Ｅがｚ方向へ延びた角柱状の形状を持つ。図１１Ｂに示すＥ−Ｅ線の断面において、保持部材４の内部空間４０を画定する内面の形状が円形であるのに対し、錘３Ｅの形状は多角形（図の例では略正方形）である。そのため、この多角形の頂点に対応する位置において、錘３Ｅの外面と保持部材４の内面とが当接し易くなる。これにより、錘３Ｅと保持部材４との接触面積が小さくなるため、錘３Ｅの移動に伴う保持部材４と錘３Ｅとの摺動の摩擦が小さくなり、当該摩擦による衝撃力の減衰を抑制できる。

図１２〜図１４は、保持部材の内壁と錘との摺動を生じる場所に凸部を設けた変形例を示す図である。図１２Ａ〜図１４Ａの断面図は、図２と同様なＡ−Ａ線の断面を示す。図１２Ｂ〜図１４Ｂの断面図は、錘の移動方向（ｚ方向）に対して垂直な断面を示す。

図１２に示す変形例の発電装置１Ｆにおいて、錘３Ｆには、保持部材４の内面と対向する外面に複数の凸部３１が設けられている。図１２ＡのＡ−Ａ線断面図と図１２ＢのＦ−Ｆ線断面図とが示す例において、凸部３１は４つであり、円柱状の錘３Ｆの周方向において等間隔に並んでいる。それぞれの凸部３１は、ｚ方向へ延びた円柱状の曲面を持つ。図１２の例において、凸部３１の高さは錘３Ｆのｚ方向の端に近づくにつれ連続的に低くなっている。錘３Ｆが移動する場合、保持部材４と錘３Ｆとが複数の凸部３１の曲面において摺動する。

図１２に示す変形例の発電装置１Ｆによれば、保持部材４の内面と対向する錘３Ｆの外面に設けられた複数の凸部３１において、保持部材４と錘３Ｆとが摺動する。これにより、錘３Ｆと保持部材４との接触面積が小さくなるため、錘３Ｆの移動に伴う保持部材４と錘３Ｆとの摺動の摩擦が小さくなり、当該摩擦による衝撃力の減衰を抑制できる。

図１３に示す変形例の発電装置１Ｇにおいて、錘３Ｇには、保持部材４の内面と対向する外面に複数の凸部３１１及び３１２が設けられている。図１３ＡのＡ−Ａ線断面図と図１３ＢのＧ−Ｇ線断面図とが示す例において、凸部３１１と凸部３１２はそれぞれ４つである。４つの凸部３１１は、錘３Ｇのｚ１側の端に近い場所に設けられており、錘３Ｇの周方向において等間隔に並んでいる。また、４つの凸部３１２は、錘３Ｇのｚ２側の端に近い場所に設けられており、錘３Ｇの周方向において等間隔に並んでいる。また、図１３の例では、４つの凸部３１１のそれぞれが、１つの凸部３１２とｚ方向に並んでいる。複数の凸部３１１及び３１２は、何れも球面状の曲面を持つ。錘３Ｇが移動する場合、保持部材４と錘３Ｇとが複数の凸部３１１及び３１２の曲面において摺動する。

図１３に示す変形例の発電装置１Ｇによれば、保持部材４の内面と対向する錘３Ｇの外面に設けられた複数の凸部３１１及び凸部３１２において、保持部材４と錘３Ｇとが摺動する。これにより、錘３Ｇと保持部材４との接触面積が小さくなるため、錘ＧＥの移動に伴う保持部材４と錘３Ｇとの摺動の摩擦が小さくなり、当該摩擦による衝撃力の減衰を抑制できる。また、図１２に示す発電装置１Ｆのようにｚ方向へ長く延びた凸部３１を設ける場合に比べて、錘３Ｇと保持部材４との接触面積が小さくなるため、保持部材４と錘３Ｇとの摺動の摩擦を抑制できる。

図１４に示す発電装置１Ｈでは、錘３の外面と対向する保持部材４の内面に複数の凸部４５が設けられている。図１４ＡのＡ−Ａ線断面図と図１４ＢのＨ−Ｈ線断面図とが示す例において、凸部４５は４つであり、保持部材４の内面の周方向において等間隔に並んでいる。それぞれの凸部４５は、ｚ方向へ延びた円柱状の曲面を持つ。図１４の例において、凸部４５の高さはｚ方向において一定である。錘３Ｈが移動する場合、保持部材４と錘３とが複数の凸部４５の曲面において摺動する。

図１４に示す変形例の発電装置１Ｈによれば、錘３の外面と対向する保持部材４の内面に設けられた複数の凸部４５において、保持部材４と錘３とが摺動する。これにより、錘３と保持部材４との接触面積が小さくなるため、錘３の移動に伴う保持部材４と錘３との摺動の摩擦が小さくなり、当該摩擦による衝撃力の減衰を抑制できる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、上述した第１の実施形態の発電装置をタイヤ監視システムに適用したものである。

図１５は、本実施形態に係るタイヤ監視システムの構成の一例を示す図である。図１５Ａはタイヤ監視システムの全体構成を示し、図１５Ｂは電子装置１００の発電装置１２０の電気的な構成を示す。このタイヤ監視システムは、例えばタイヤの空気圧を監視するＴＰＭＳであり、タイヤ１４０の内部に取り付けられた電子装置１００と、この電子装置１００から監視結果のデータを取得する車載制御装置１３０とを有する。

電子装置１００は、電子回路１１０と、この電子回路１１０に電源電圧ＶＤＤを供給する発電装置１２０を有する。電子回路１１０は、車載制御装置１３０に無線信号を送信する無線送信部１１１と、空気圧や温度、加速度などの所定の物理量を測定するセンサ部１１３と、無線送信部１１１及びセンサ部１１３の動作を制御するコンピュータ等の処理部１１２とを有する。発電装置１２０は、第１の実施形態に係る発電装置１（若しくはその変形例）と同様の構成を持つ。また、図１５Ｂにおいて示すように、発電装置１２０は、コイル２４の出力を整流する整流回路１２１と、整流回路１２１により整流された電圧を入力して一定の電源電圧ＶＤＤを生成するレギュレータ１２２とを有する。電子回路１１０や発電装置１２０の回路部品は、例えば配線基板１１に実装される。

車載制御装置１３０は、例えば車両１５０のＥＣＵ（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）やＥＣＵと通信する制御モジュールである。図１５Ａの例において、車載制御装置１３０は、電子装置１００からの無線信号を受信する無線受信部１３１と、車両１５０の他の制御モジュールやＥＣＵとデータ通信を行う通信部１３３と、無線受信部１３１及び通信部１３３の動作を制御するコンピュータ等の処理部１３２とを有する。処理部１３２は、電子装置１００から無線信号によって送られてくるセンサ部１１３のセンシング結果のデータに基づいて、車両１５０における種々の制御（警告ランプの表示など）を行う。

図１６は、図１５に示すタイヤ監視システムにおける各構成要素の配置の一例を示す図である。図１６Ａは車両１５０における電子装置１００と車載制御装置１３０の概略的な配置例を示し、図１６Ｂはタイヤ１４０内における電子装置１００の概略的な配置例を示す。図１６Ｂの例において、電子装置１００は、タイヤ１４０の接地面１４１に対して裏側の内壁１４２に取り付けられている。図１６Ｂにおける「Ｐｓ１」は、タイヤ１４０の回転の中心から径方向を見た場合に電子装置１００と重なる接地面１４１上の位置を示す。

図１７及び図１８は、タイヤ１４０の回転に伴う錘３の移動を説明するための図である。図１７はタイヤ１４０の接地の衝撃による発電装置１２０の錘３の移動を示し、図１８はタイヤ１４０の回転の遠心力による発電装置１２０の錘３の移動を示す。また、図１７Ａ及び図１８Ａは、タイヤ１４０の接地面１４１における位置Ｐｓ１と地面６との位置関係を表しており、図１７Ｂ及び図１８Ｂは、保持部材４の内部空間４０における錘３の移動方向を示す。

本実施形態において、保持部材４は、タイヤ１４０の径方向と平行なｚ方向において発電部２と錘３とを相対的に移動自在に保持する。また図１７及び図１８の例において、発電部２は、保持部材４及び基台５を介してタイヤ１４０に固定される。タイヤ１４０の内部における発電部２の固定場所は、錘３よりもタイヤ１４０の中心Ｐｏから離れている。

発電部２の固定場所に対応するタイヤ１４０の接地面１４１の位置Ｐｓ１が地面６に接地すると（図１７Ａ）、タイヤ１４０に固定されていない錘３がその接地の衝撃により中心Ｐｏへ近づく方向（ｚ１方向）に移動し、錘３が発電部２から離間する。その後タイヤ１４０が更に回転して、タイヤ１４０の接地面１４１の位置Ｐｓ１が地面６から離れると（図１８Ａ）、錘３に遠心力が働き、錘３が中心Ｐｏから離れる方向（ｚ２方向）に移動する。これにより、錘３が発電部２に衝突し、その衝突の衝撃によって発電部２が発電する。

以上説明したように、本実施形態によれば、タイヤ１４０に固定されていない錘３が、タイヤ１４０の接地の衝撃によって回転の中心Ｐｏへ近づく方向に移動し、タイヤ１４０に固定された発電部２から離れる。その後、タイヤ１４０の回転に伴う遠心力により、錘３が回転の中心Ｐｏから離れる方向に移動し、発電部２と衝突する。これにより、タイヤ１４０の回転の度に発電部２と錘３との衝突が確実に生じるため、発電部２において安定した出力を得ることができる。

本発明は上述した実施形態には限定されない。すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。

上述した実施形態では、衝撃伝達部材が２つの磁性部材を含む例に挙げたが、本発明の他の実施形態では、衝撃伝達部材が３以上の磁性部材を含んでもよいし、磁性部材を１つだけ含んでもよい。衝撃伝達部材が磁性部材を１つだけ含む場合には、磁性部材自体が衝撃に伴って変形することで、磁性部材を介して磁歪素子に衝撃が伝達されるようにしてもよい。

１，１Ａ〜１Ｈ…発電装置、１１…配線基板、１２…回路部品、１３，１４…孔、１６…導線、２…発電部、２０…衝撃伝達部材、２０１，２０１Ｂ…第１磁性部材、２０２…第２磁性部材、２１１，２１１Ａ〜２１１Ｃ…隆起部、２１２…外面、２１３…側端面、２１４…突出部、２１５，２１６…内側平面、２１７…側壁、２１８…底部、２１９…接触面、２２…磁歪素子、２３…磁石、２４…コイル、２４１…孔、３，３Ｂ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ，３Ｇ…錘、３２…隆起部３２、４…保持部材、４０…内部空間、４２…ケース、４２１…側壁、４２２…底部、４３…蓋、５…基台、１００…電子装置、１１０…電子回路、１１１…無線送信部、１１２…処理部、１１３…センサ部、１２０…発電装置、１３０…車載制御装置、１３１…無線受信部、１３２…処理部、１３３…通信部、１４０…タイヤ、１４１…接地面、１４２…内壁、１５０…車両、ＭＦ…磁束線

Claims (14)

1. 少なくとも１つの磁歪素子を含み、前記磁歪素子に衝撃が加わることにより生じる磁界の変化に基づいて発電する発電部と、
   前記発電部と衝突する錘と、
   固定された前記発電部に対して前記錘を移動自在に保持する保持部材とを備え、
   前記錘の移動方向において対向する前記発電部の外面と前記錘の外面との少なくとも一方には、対向する前記外面に向かって隆起した隆起部が設けられており、
   前記発電部と前記錘とが前記隆起部において衝突する、
   発電装置。
2. 前記発電部が、前記錘の衝突による衝撃を前記磁歪素子に伝達する衝撃伝達部材を含み、
   前記錘の移動方向と前記衝撃伝達部材による衝撃の伝達方向とが平行であり、
   前記隆起部が、前記錘の移動方向と平行な第１方向からみた平面視において前記衝撃伝達部材と前記磁歪素子との接触面と重なる場所に位置する、
   請求項１に記載の発電装置。
3. 前記隆起部における隆起の高さは、前記第１方向からみた平面視における前記接触面の中央に対応する位置若しくは当該位置を含む領域で最も高く、当該位置若しくは当該領域から離れるにつれて連続的に低くなる、
   請求項２に記載の発電装置。
4. 前記隆起部は、隆起の高さが最も高い位置の周囲に球面状の曲面を持つ、
   請求項３に記載の発電装置。
5. 前記隆起部は、前記球面状の曲面の周囲に円錐面状の曲面を持つ、
   請求項４に記載の発電装置。
6. 前記隆起部は、隆起の高さが最も高い位置の周囲に円形の平面を持ち、前記円形の平面の周囲に円錐面状の曲面を持つ、
   請求項３に記載の発電装置。
7. 前記保持部材が、前記錘の移動方向と平行な第１方向へ延びて前記錘を移動自在に収容する円柱状の内部空間を持ち、
   前記錘が、前記第１方向へ延びた楕円柱状若しくは角柱状の形状を持つ、
   請求項１乃至６の何れか一項に記載の発電装置。
8. 前記保持部材が、前記錘の移動方向と平行な第１方向へ延びて前記錘を移動自在に収容する内部空間を持ち、
   前記錘が、前記第１方向へ延びた形状を持ち、
   互いに対向する前記保持部材の内面と前記錘の外面との少なくとも一方には、複数の凸部が設けられており、
   前記錘が移動する場合、前記保持部材と前記錘とが前記複数の凸部において摺動する、
   請求項１乃至６の何れか一項に記載の発電装置。
9. 前記凸部が、前記第１方向に延びた円柱状の曲面を持ち、
   前記保持部材と前記錘とが前記凸部の前記曲面において摺動する、
   請求項８に記載の発電装置。
10. ２以上の前記凸部が前記第１方向の異なる位置に設けられている、
    請求項８に記載の発電装置。
11. 前記発電部は、
    前記錘との衝突による衝撃を前記磁歪素子に伝達する衝撃伝達部材と、
    前記衝撃伝達部材による前記磁歪素子への衝撃の伝達方向において前記磁歪素子と並んで配置された少なくとも１つの磁石と、
    前記磁歪素子が収容される孔を有し、前記孔の周りに導線が巻回されたコイルとを有し、
    前記錘の移動方向と前記衝撃伝達部材による衝撃の伝達方向とが平行であり、
    前記コイルの前記孔が、前記錘の移動方向と平行な第１方向へ延びており、
    前記衝撃伝達部材が、１以上の磁性部材を含み、
    前記１以上の磁性部材が、前記孔の一端から前記孔の外を通り前記孔の他端へ至る前記磁歪素子の磁束線の磁路を形成する、
    請求項１乃至１０の何れか一項に記載の発電装置。
12. 前記衝撃伝達部材が、前記第１方向へ相対的に変位可能に組み合わされた少なくとも２つの磁性部材を含む、
    請求項１１に記載の発電装置。
13. タイヤの内部に取り付けられた電子装置であって、
    電子回路と、
    前記電子回路に電源を供給する請求項１乃至１１の何れか一項に記載の発電装置と
    を備える電子装置。
14. 前記発電部が、前記錘に比べて前記タイヤの回転の中心から径方向に離れた場所で前記タイヤに固定される、
    請求項１３に記載の電子装置。
    

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