JP2022093421A - 発電機能付きタイヤ及びそれを装着した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の走行時に、車両走行には全く影響を与えることなく自動的に発電して、発生電力を蓄電したり、車両搭載バッテリの充電に供給したり、タイヤが内蔵するセンサ類の電力に使用することが可能な発電機能付きタイヤ及びそれを装着した車両を提供する。【解決手段】車両に装着されるタイヤであり、タイヤの回転軸の円周面に沿って、トレッド部とインナー部との間に分離された複数の圧電素子アレイ及び／又は電磁誘導式振動発電機が層設されている。【選択図】図７

Description

本発明は、自動車、トラック等の車両に装着して利用することができる発電機能付きタイヤに関し、特に車両の走行に必要なエネルギーに全く影響を与えることなく、電気自動車等の蓄電器や車両搭載バッテリへの電力の供給や補充、タイヤ内蔵センサへの電力供給等を効率良く行い得る発電機能付きタイヤ及びそれを装着した車両に関する。

一般に、自動車、トラック等の車両は、ガソリンや重油のような化石燃料を燃焼させる過程で発生する動力によって車輪を回転させ、走行動力を得ているが、化石燃料の燃焼過程で発生する二酸化炭素のような温室ガス、光化学スモッグの原因となる物質を生成する炭化水素、人体に有害とされる窒素酸化物などの汚染物質を排出するため、環境汚染の大きな原因とされている。このような問題のため、更にはカーボンニュートラルといった世界的な潮流のため、太陽電池を備えたソーラーカー、電気をエネルギー源とし、電動モータで走行する電気自動車（Electric Vehicle）、燃料電池を搭載する燃料電池自動車のように、汚染物質を排出しない、環境に優しい車両に関する研究が盛んに行われている。

その中でも、内燃機関を持たないことから、排気ガスが発生しないゼロエミッション車であること、走行音や振動がほとんどないので乗り心地が快適などのことから、電気自動車が注目を集めている。モータを動力源とする電気自動車は、車載電池（バッテリ）から電力を得る電池式電気自動車と、走行中に電力を外部から供給される架線式電気自動車とに大きく分けられるが、架線などのインフラ整備を要しない電池式電気自動車が主流である。かかる電気自動車にあっては、バッテリ容量がなくなると走行できなくなるため、バッテリ切れとなる前にバッテリを充電して走行する必要がある。

また、自動車等の車両にはタイヤが必須であり、タイヤ状態を検知して安全性を確保するために、タイヤ内に加速度センサや振動センサ、マイクロコンピュータなどを内蔵しているケースが多い。このような車種では、各種センサなどの電力を、タイヤに内蔵した内蔵バッテリから供給している。そのため、バッテリ容量がなくなった時に、内蔵バッテリを取り換えなければならない煩雑さがある。

こように、電気自動車であっても、或いは内蔵バッテリタイヤを具備した車両であっても、バッテリ消耗の補充を行う電力の供給が問題となる。車両の走行に伴う運動を利用して発電を行うことは従来行われているが、発電動作自体が走行に必要なエネルギーを消費する場合には、エネルギー効率の良い発電とはいえない。一方、発電動作自体が車両の走行系に直接マイナス要素とならない発電も知られている。圧電素子を利用して、車両の重力方向の応力変化により発電を行うものなどである（例えば特許第４５９６２４０号公報）。

米国特許第４，５０４，７６１号明細書 特開２０１１－６２０６５号公報 実開昭６２－８７１８７号公報 特開２００８－３０６４０号公報 特開２０１４－１７７２３４号公報 特開２０１３－２２３３４７号公報 ＷＯ２０１３／０５７８９７公報

群馬大学大学院 理工学府 理工学専攻 平成２６年度修士論文（淡路創介）「圧電デバイスを用いた振動発電システム実用化に関する研究」

車両のタイヤの圧力変動を電気信号に変換して電力を得る手法として、圧電素子を使用する技術が米国特許第４，５０４，７６１号明細書（特許文献１）、特開２０１１－６２０６５号公報（特許文献２）などに開示されているが、図１に示すように、圧電素子１０はタイヤ２０の回転軸に対する円周面に沿って、連続的にかつトレッド部２１とインナー部２２との間に層設された構成となっている。そのため、リング状の圧電素子１０をタイヤ２０に層設する工程が煩雑となると共に、縁石に乗り上げなどの瞬間的な衝撃によって、圧電素子１０の一部が変形若しくは切断されたときに、発電ができなくなる恐れがある。

実開昭６２－８７１８７号公報（特許文献３）には、車体の機械的振動を電気信号に変換する車体振動発電装置が開示されているが、車体の上下振動をアームやギアなどを用いて回転運動に変換して発電しており、車両に新たな特別な機構を付加しなければならない。

また、特開２００８－３０６４０号公報（特許文献４）には、振動発電装置を用いた車両用発電装置が開示されているが、車両走行時に生じる走行風を利用する手法であり、車体構造が限定される問題がある。

特開２０１４－１７７２３４号公報（特許文献５）には、タイヤのトレッドに生じる振動を電気信号に変換するタイヤ装置が開示されているが、静電誘導式の振動発電機を用いた構造であり、出力電力が小さい問題ある（例えば特開２００９－２８４６６４号公報の段落[０００９]）。

特開２０１３－２２３３４７号公報（特許文献６）には、回転体の回転運動を効率良く圧電素子の振動に変換して発電する発電装置が開示されているが、回転体の中心軸に機構を配設しなければならず、車両のタイヤに適用するには制限が多くなる。

更に、ＷＯ２０１３／０５７８９７公報（特許文献７）には、回転体の回転運動を振動に変換して電気信号に変換する振動発電機が開示されているが、静電誘導式の振動発電機を用いた構造であり、出力電力が小さい問題ある（例えば特開２００９－２８４６６４号公報の段落[０００９]）。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、車両の走行時に、車両走行には全く影響を与えることなく自動的に発電して、発生電力を蓄電したり、車両搭載バッテリの充電に供給したり、タイヤが内蔵するセンサ類の電力に使用することが可能な発電機能付きタイヤ及びそれを装着した車両を提供することにある。

本発明は車両に装着されるタイヤに関し、本発明の上記目的は、前記タイヤの回転軸の円周面に沿って、トレッド部とインナー部との間に分離された複数の圧電素子アレイ、若しくは分離された複数の電磁誘導式振動発電機が層設されていることにより達成される。

本発明に係る発電機能付きタイヤによれば、車両の走行時に、車両走行のエネルギーには全く影響を与えることなく自動的に発電して、発生交流電力を直流に変換し、その直流電力を蓄電したり、車両搭載バッテリの充電に供給することができる。また、タイヤ内で電力を発生するので、タイヤが内蔵するセンサ類の電力に使用することができ、タイヤにバッテリを内蔵させる必要がなくなる。

インナー部の内部に振動発電機を設ける場合には、設置のための特別な製造工程が付加され、しかもタイヤ構造が複雑になる。しかしながら、本発明では、タイヤの回転軸の円周面に沿って、かつトレッド部とインナー部との間に圧電素子アレイ若しくは電磁誘導式振動発電機を層設しているので、設置面が同一であるため、タイヤ製造が比較的容易である。

従来の圧電素子付きタイヤの一例を示す側面図及び一部断面斜視図である。 本発明に係る発電機能付きタイヤ（第１実施形態）の構造例を示す一部断面図である。 図２の一部上面図（図２のＸ方向）である。 本発明で使用する圧電素子アレイの構造例を示す断面図である。 タイヤが装着された自動車の一例を示す斜視図である。 圧電素子アレイによる発電と蓄電の構成例を示す結線図である。 タイヤに層設された圧電素子アレイの出力波形の一例を示す特性図である。 本発明に係る発電機能付きタイヤ（第２実施形態）の構造例を示す一部断面図である。 図７の一部上面図（図７のＸ方向）である。 電磁誘導式振動発電機の一例を示す模式的構造図である。 電磁誘導式振動発電機の他の例を示す模式的構造図である。 電磁誘導式振動発電機の動作例を説明するための機構図である。 電磁誘導式振動発電機による発電と蓄電の構成例を示す結線図である。 タイヤに層設された電磁誘導式振動発電機の出力波形の一例を示す特性図である。 本発明に係る発電機能付きタイヤ（第３実施形態）の構造例を示す一部断面図である。 圧電素子アレイと電磁誘導式振動発電機によるハイブリッド発電と蓄電の構成例を示す結線図である。

本発明は、電気自動車などの蓄電器(capacitor)の蓄電、車両搭載バッテリ（二次電池）の充電、或いはタイヤに内蔵されたセンサ類や通信手段のための電力を、車両が具備するタイヤから自動的に発電して供給することが可能な発電機能付きタイヤである。車両が走行する時に、タイヤに印加される圧力変化ないしは振動を、外部電力を要することなく自動的に電力に変換することにより発電する発電機能付きタイヤである。振動発電には、圧電素子を用いた圧電式、磁石とコイルの電磁誘導作用による電磁誘導式、２枚の対向電極（電荷）板を用いた静電式の３種類があるが、本発明では比較的出力電力が大きい電磁誘導式若しくは圧電式を用いる。

以下に、本発明の実施形態（第１実施形態～第３実施形態）を、図面を参照して説明する。

図２は、本発明に係る発電機能付きタイヤ１００（第１実施形態）の側面構成を、一部断面で示しており、圧電式振動発電機を用いた実施形態であり、タイヤ回転軸に対する円周面に沿って、タイヤ表面にトレッドを有するトレッド部１０１と、内部のインナー部１０２との間にほぼ均等間隔に分離された複数（８個）の圧電素子アレイ１１０～１１７が層設されている。圧電素子アレイ１１０～１１７は全て同一構成であり、例えば図２の上方（Ｘ方向）から見た配置は図３であり、圧電素子アレイ１１０～１１７は、いずれもタイヤ１００の幅方向（回転軸方向）にも広がりを有する平面方形状の薄型板状構造となっている。図４は圧電素子アレイ１１０の断面構造を模式的に示しており、平面方形状の上部電極板１１０－２及び下部電極板１１０－３の間に圧電材１１０－１が挟持された構造であり、例えば上部電極板１１０－２に圧力が印加されると、圧電材１１０－１を介して上部電極板１１０－２及び下部電極板１１０－３の間に電力（電流i1）が発生される。

図５は発電機能付きタイヤ１００を装着した自動車（乗用車）１の一例を示しており、自動車１が車速Ｖで走行する。自動車１が走行することによって、装着されたタイヤ１００が回転（回転速度ω）すると共に、タイヤ１００の接地面に自動車１の重力である圧力が印加される。また、自動車１が走行する路面の凹凸や砂利等に起因する圧力変化が、タイヤ１００と路面の間に発生し、この圧力変化が振動として圧電素子アレイ１１０～１１７に伝達される。

図６は、圧電素子アレイ１１０～１１７による発電と、車両側の蓄電（充電）の結線の構成例を示しており、本発明に係るタイヤ１００はバッテリを内蔵しておらず、回転軸に対する円周面に沿って、トレッド部１０１とインナー部１０２との間の円周面に沿って、分離して配置された複数の圧電素子アレイ１１０～１１７を具備している。圧電素子アレイ１１０～１１７からの発生交流電力Ｗ１１０～Ｗ１１７は車両側に送電され、それぞれ整流回路２１０～２１７で直流（ＤＣ）に変換される。整流回路２１０～２１７からの直流電力は相互に干渉しないように合成回路２０１に入力され、合成された直流電力が蓄電部２００に蓄電される。蓄電部２００に蓄電された電力が蓄電器に供給されたり、車両搭載バッテリの充電に利用される。合成された直流電力を、直接蓄電器に供給しても良い。

圧電素子アレイ１１０～１１７はトレッド部１０１の下層（内側）に配置されているので、車両が走行すると、道路からの圧力が印加され、道路に接している箇所の圧電素子アレイが電力を発生する。車両の走行に従ってタイヤ１００は回転するので、圧電素子アレイ１１０～１１７は順次接地箇所に達して電力を発生し、接地箇所以外では圧力が印加されないので圧電素子アレイ１１０～１１７は電力を発生ぜず、圧電素子アレイ１１０～１１７の各発生電力Ｗ１１０～Ｗ１１７は全て交流（ＡＣ）となる。そのため、圧電素子アレイ１１０～１１７の各交流電力Ｗ１１０～Ｗ１１７を、それぞれダイオードのブリッジ回路で成る整流回路２１０～２１７で直流（ＤＣ）に変換している。

図７は圧電素子アレイ１１０～１１７の出力電力の波形例を示しており、車速が同一であれば、頂部が平坦なパルス状の同一波形となる。

本例では整流回路２１０～２１７を車両側に設置しているが、整流回路２１０～２１７には電力を要しないので、タイヤ１００内に設置し、整流回路で得られた直流出力を車両側に送電するようにしても良い。また、本例では圧電素子アレイを８個層設しているが、個数は任意に設置可能である。

本発明で使用する圧電素子アレイは、タイヤ全周に亘って配置されるのではなく、分離された形態の独立形式で配置されているので、石や縁石などでタイヤに急激に印加される衝撃等で一部が破壊若しくは損傷しても、他の正常な圧電素子アレイにより継続して発電を行うことができる。

図８は本発明に係る発電機能付きタイヤ１００Ａ（第２実施形態）の側面構成を、一部断面で示しており、電磁誘導式振動発電機を用いた実施形態であり、回転軸に対する円周面に沿って、タイヤ表面にトレッドを有するトレッド部１０１と内部のインナー部１０２との間に、ほぼ均等間隔に分離された電磁誘導式振動発電機１２０～１２７が層設されている。振動発電機１２０～１２７は全て同一構成であり、例えば図８の上方（Ｘ方向）から見た配置は図９（Ａ）であり、振動発電機１２０～１２７はいずれも長形の立体形状となっている。

図１０は、電磁誘導式振動発電機１２０の構造を模式的に示しており、同心円の２つの円形状の永久磁石１２０－１及び１２０－２、即ち中心に配設された円柱状のＮ極永久磁石１２０－１と、このＮ極永久磁石１２０－１の周りに配設されたドーナツ状同心円の円筒状のＳ極永久磁石１２０－２とを具備し、永久磁石１２０－１及び１２０－２の間を自在に移動（図では上下動）可能な平板円筒状の磁性体で成る移動体１２０－４が配設され、移動体１２０－４は弾性体のバネ１２０－５で上部を保持され、外部振動によって振動（上下動）するようになっている。移動体１２０－４の外周にはコイル１２０－３が巻回されており、振動によって移動体１２０－４が永久磁石１２０－１及び１２０－２の間を往復動するので、コイル１２０－３と磁石１２０－１，１２０－２の電磁誘導作用に基づいて電力（交流の電流i2）を発生する。図１０は模式的に示しているが、永久磁石１２０－１及び１２０－２の高さ（長さ）は十分な高さ（長さ）となっている。また、当然に、永久磁石１２０－１及び１２０－２の磁界が強いほど、コイル１２０－３の巻き数が多いほど発生電力は大きくなる。また、本実施形態とは逆に、円柱状永久磁石１２０－１がＳ極で、円筒状永久磁石１２０－２がＮ極であっても良い。

図１０に示す電磁誘導式振動発電機１２０は、外形や磁石が断面円形となっているが、図１１に示すように、外形や磁石を断面矩形とした構造であっても良い。即ち、中心に配設された矩形台状のＮ極永久磁石１３０－１と、このＮ極永久磁石１３０－１の周りに配設された矩形筒状のＳ極永久磁石１３０－２とを具備し、永久磁石１３０－１及び１３０－２の間を自在に移動（図では上下動）可能な矩形板状の磁性体で成る移動体１３０－４が配設され、移動体１３０－４は弾性体のバネ１３０－５で上部を保持され、外部振動によって振動（上下動）するようになっている。移動体１３０－４の外周にはコイル１３０－３が巻回されており、振動によって移動体１３０－４が永久磁石１３０－１及び１３０－２の間を往復動するので、コイル１３０－３と磁石１３０－１，１３０－２の電磁誘導作用に基づいて電力（交流の電流i3）を発生する。

振動発電機は磁石とコイルの電磁誘導作用によって電力を発生する構成であり、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems/微小電気機械システム）の技術を用いて、タイヤ内に埋設可能なサイズに作製可能である。

図１２は、タイヤ１００Ａに内蔵された振動発電機が電力を発生する原理を説明する機構図であり、タイヤ１００Ａは図５に示すような形態で車両に装着されて走行する。その際、車両速度をＶとし、タイヤ１００Ａの回転速度をωとし、例えば振動発電機１２０が図８の位置Ｐ（タイヤ１００Ａの上部）にある時の状態は図１２（Ａ）であり、図８の位置Ｑ（タイヤ１００Ａの下部）にある時の状態は図１２（Ｂ）である。位置Ｐでは、車速Ｖの方向（走行方向）とタイヤ１００Ａの回転速度ωの方向が同一であり、回転速度ωを水平方向の速度に変換する変換係数を“ｋ”として、下記数１の関数ｆにより圧力Ｆ１が生成される。
（数１）
Ｆ１＝ｆ（Ｖ＋ｋ・ω）

また、位置Ｑでは、車速Ｖの方向（走行方向）とタイヤ１００Ａの回転速度ωの方向が逆であり、下記数２の関数ｆにより圧力Ｆ２が生成される。
（数２）
Ｆ２＝ｆ（Ｖ－ｋ・ω）

このように、振動発電機のタイヤ上部とタイヤ下部（接地部）とで異なる圧力Ｆ１、Ｆ２が生じるドップラー効果により、振動発電機の移動体が図１２の左右に往復動するので、車両の走行により振動が形成され、振動発電機は交流電力（ＡＣ）を発生することができる。

図１３は、振動発電機１２０～１２７による発電と、車両側の蓄電（充電）の結線の構成例を示しており、本発明に係るタイヤ１００Ａは図８に示されるようにバッテリを内蔵しておらず、回転軸に対する円周面に沿って、トレッド部１０１とインナー部１０２との間の円周面に沿って、分離して配置された図１０若しくは図１１に示されるような振動発電機１２０～１２７を具備している。振動発電機１２０～１２７からの発生電力Ｗ１２０～Ｗ１２７は車両側に送電され、それぞれ整流回路２２０～２２７で直流（ＤＣ）に変換される。整流回路２２０～２２７からの直流電力は相互に干渉しないように合成回路２０１Ａに入力され、合成された直流電力が蓄電部２００Ａに蓄電される。蓄電部２００Ａに蓄電された電力が蓄電器に供給されたり、車両搭載バッテリの充電に利用される。合成された直流電力は、直接蓄電器に供給されても良い。

振動発電機１２０～１２７は、車両進行方向に沿ってトレッド部１０１の下層に配置されているので、車両が走行すると、タイヤ上部とタイヤ底部の上下においてドップラー効果による圧力変化が生じ、その圧力変化が振動として印加されるので、振動発電機１２０～１２７は交流電力Ｗ１２０～Ｗ１２７を発生する。車両の走行に従ってタイヤ１００Ａは回転するので、振動発電機１２０～１２７は順次交流電力Ｗ１２０～Ｗ１２７を発生し、整流回路２２０～２２７で直流（ＤＣ）に変換される。

図１４は振動発電機１２０～１２７の出力電力の波形例を示しており、パルス状の同一波形となる。

本例では整流回路２２０～２２７を車両側に設置しているが、整流回路２２０～２２７には電力を要しないので、整流回路２２０～２２７をタイヤ１００Ａ内に設置し、直流出力を車両側に送電するようにしても良い。また、本例では振動発電機を８個層設しているが、個数は任意に設置可能である。

なお、上述では振動発電機１２０～１２７を図９（Ａ）に示すように、回転軸方向に１列で設けているが、図９（Ｂ）に示すように２列に設けても良い。振動発電機とタイヤの横幅サイズの関係によっては、３列以上の配置も可能である。

図１５は本発明の第３実施形態を示しており、第１実施形態の圧電素子アレイと第２実施形態の誘導式振動発電機を組み合わせたハイブリッド発電形式である。即ち、回転軸に対する円周面に沿って、タイヤ表面にトレッドを有するトレッド部１０１と内部のインナー部１０２との間に、ほぼ均等間隔に分離された圧電素子アレイ１１０～１１７と、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７とが交互に層設されている。圧電素子アレイ１１０～１１７は全て同一構成であり、第１実施形態で説明した構成であり、また、振動発電機１２０～１２７は全て同一構成であり、第２実施形態で説明した構成である。

なお、ここでは、圧電素子アレイ１１０～１１７と電磁誘導式振動発電機１２０～１２７とを交互に設置しているが、これに限定されず、例えば２つ置きに設置するようにしても良い。

図１６は、圧電素子アレイ１１０～１１７及び振動発電機１２０～１２７による発電と、車両側の蓄電の構成例を示しており、本発明に係るタイヤ１００Ｂはバッテリを内蔵しておらず、回転軸に対する円周面に沿って、トレッド部１０１とインナー部１０２との間の円周面に沿って、分離して配置された図４に示されるような圧電素子アレイ１１０～１１７と、図９若しくは図１０に示されるような振動発電機１２０～１２７とを具備している。圧電素子アレイ１１０～１１７からの発生電力Ｗ１１０～Ｗ１１７は車両側に送電され、それぞれ整流回路２１０～２１７で直流（ＤＣ）に変換され、また、振動発電機１２０～１２７からの発生電力Ｗ１２０～Ｗ１２７も車両側に送電され、それぞれ整流回路２２０～２２７で直流（ＤＣ）に変換される。整流回路２１０～２１７からの直流電力は相互に干渉しないように合成回路２０２に入力され、合成された直流電力が蓄電部２０４に蓄電され、整流回路２２０～２２７からの直流電力は相互に干渉しないように合成回路２０３に入力され、合成された直流電力が蓄電部２０４に蓄電される。蓄電部２０４に蓄電された電力が蓄電器に供給されたり、車両搭載バッテリの充電に利用される。

１ 自動車（乗用車）
１０ 圧電素子
２０ タイヤ
２１ トレッド部
２２ インナー部
１００，１００Ａ，１００Ｂ 発電機能付きタイヤ
１０１ トレッド部
１０２ インナー部
１１０～１１７ 圧電素子アレイ
１１０－１ 圧電材
１１０－２ 上部電極板
１１０－３ 下部電極板
１２０～１２７ 電磁誘導式振動発電機
１２０－１、１３０－１ Ｎ極永久磁石
１２０－２、１３０－２ Ｓ極永久磁石
１２０－３、１３０－３ コイル
１２０－４、１３０－４ 移動体
１２０－５，１３０－５ バネ
２００、２００Ａ、２０４ 蓄電部
２０１、２０１Ａ、２０２、２０３ 合成回路
２１０～２１７、２２０～２２７ 整流回路

Claims (4)

1. 車両に装着されるタイヤにおいて、
   前記タイヤの回転軸の円周面に沿って、トレッド部とインナー部との間に分離された複数の圧電素子アレイが層設されていることを特徴とする発電機能付きタイヤ。
2. 車両に装着されるタイヤにおいて、
   前記タイヤの回転軸の円周面に沿って、トレッド部とインナー部との間に分離された複数の電磁誘導式振動発電機が層設されていることを特徴とする発電機能付きタイヤ。
3. 車両に装着されるタイヤにおいて、
   前記タイヤの回転軸の円周面に沿って、トレッド部とインナー部との間に、分離された複数の圧電素子アレイと、分離された複数の電磁誘導式振動発電機とが層設されていることを特徴とする発電機能付きタイヤ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の発電機能付きタイヤを装着している車両。
   

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