JP4942984B2

JP4942984B2 - 回転するタイヤの機械エネルギーから電力を発生するシステム及び方法

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Publication number: JP4942984B2
Application number: JP2005306002A
Authority: JP
Inventors: ディー．アダムソンジョン; ピー．オ’ブライエンジョージ; シー．シネットジェイ
Original assignee: ソシエテドテクノロジーミシュラン; ミシュランルシェルシュエテクニークソシエテアノニム
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: EP1650057B1; RU2005132299A; DE602005019514D1; BRPI0504316A; US7429801B2; EP1650057A2; KR20060054112A; JP2006151372A; CN1799894A; EP1650057A3; RU2388621C2; TW200621536A; US20050110277A1

Description

本発明は、一般に言うならば、タイヤ回転による機械的エネルギーを圧電構造体に受けさせることによって、タイヤに一体化された電子装置のための電力を発生させるシステム及び方法に関するものである。圧電技術を利用して、タイヤ又はホイールの構成要素の撓みに伴う機械的な歪みを電荷に変換し、得られた電荷を調整してエネルギー蓄積装置に蓄積し、こうして十分に蓄積されたエネルギーを用いて各種の物理的タイヤパラメータを識別するための部品や無線周波数（ＲＦ）送信装置を含む電子システムへ電力供給する。

電子デバイスをタイヤ構造体に組み込むことで多く実用的利点が得られる。こうしたタイヤ電子デバイスには、各種物理的パラメータ、例えば温度、圧力、タイヤ回転数、車両速度等に関する情報を得るためにセンサやその他の部品が含まれる。これら性能情報は、タイヤの監視・警報システムで有用であり、更に、適正なタイヤ圧レベルに調整するためのフィードバックシステムで使用することができる可能性がある。

下記の特許文献１には、タイヤの撓み、タイヤ速度、タイヤ回転数等の情報を求めることができるタイヤ監視システム及び方法が開示されている。下記の特許文献２には異常なタイヤ状態を警報するシステムに係る別のタイヤ電子システムの例が記載されている。下記の特許文献３は、タイヤ電子装置に係るものあり、自動車及びトラックのタイヤと一緒に用いる典型的な回転計を開示している。
米国特許第5,749,984号明細書（Frey達）米国特許第4,510,484号明細書（Snyder達）米国特許第4,862,486号明細書（Wing達）

タイヤ構造体中に電子システムを一体化することによって得られる更に他の用途は、商業車両分野において追跡及び性能評価ができる点にある。すなわち、商業用トラック、航空機及び土木車両／採鉱車両は全て、タイヤ電子システムとそれに関連する情報送信の利点が利用できる。タイヤセンサによって走行する車両の各タイヤの距離を求めることができ、商業用システムの整備計画の一助となる。採鉱装置等のコストのかかる用途では車両の配置及び性能を最適化させることができる。車両群全体をＲＦタグ送信を利用して追跡することができる。この例は下記文献に開示されている。
米国特許第5,457,447号明細書（Ghaem達）

この種の一体化タイヤ電子システムにはこれまで様々な技術及び各種電力発生システムから電力供給がされてきた。タイヤの運動からエネルギーを発生させる機械機構の例は下記文献に開示されている。
米国特許第4,061,200号明細書（Thompson）米国特許第3,760,350号明細書（Thomas）

しかし、上記文献に記載のシステムは複雑で大きく、現代のタイヤアプリケーションに組み入れるには一般に適していない。

或るタイヤ電子システムは、様々な圧電装置から電力供給されている。
下記の特許文献７は、自己電力供給式タイヤ回転数カウンタを開示している。その自己電力供給式タイヤ回転数カウンタは、タイヤに取り付けられた圧電素子が設けられており、タイヤが回転しているときに、周期的な機械的応力を受けて、その周期的な機械的応力に応答して周期的なパルスを発生する。下記の特許文献８には、タイヤ電子システムへ電力供給するための更に別の圧電装置の例が開示されている。この特許ではタイヤの半径方向中心線を中心とした対称な圧電リード電源を用いている。
米国特許第6,438,193号明細書（Ko達）米国特許第4,510,484号明細書（Snyder達）

タイヤ電子システムへの他の形式の電力供給方法は、再充電不可能な電池を使用するものである。しかし、この方法は定期的に電池交換をして電子システムを正しく動作させる必要があるため、タイヤの使用者にとっては不便なものである。また、従来の電池は環境汚染につながる重金属を含んでいることが多いため、電池を多量に使用する場合には廃棄の問題が生じる。更に、複雑な機能を有する応用電子装置へ電力供給する場合には電池は蓄積したエネルギーを急速に消耗する。電池の蓄積エネルギーの消耗は、遠距離通信、例えばトラックホイール位置からトラック車内の受信機までの遠い距離を情報送信する電子システムでみられる。一方、ホイール位置から上記位置よりも近い受信機位置へ送信する電子システムで電池を使用した場合には、情報は一般に有線送信媒体を介して無線受信機位置から車内へ中継されることになるため、多くの場合に高価となる追加の通信配線を車両内に設置する必要がある。

タイヤ監視システムのための電力を得るため他の公知方法としては、タイヤ及びそれと一体化した電子機構に非常に近接したインテロゲイションアンテナとを用いてＲＦビームパワーを捕える方法がある。アンテナから放射されるエネルギーを捕捉して電子装置を電力供給するため、多くの場合、これらの電子装置は、数マイクロワット以内の極めて特殊な超低電力電子装置にしなければならない。一般に、ビームで電力供給される電子装置と一緒に用いるインテロゲイションアンテナは、その送信範囲が制限されているため、各ホイールのかなり近くに配置しなければならない（約２フィート以内）。従って、一般に、車両一台に多数のアンテナが必要になり、設備コストが増える。また、各アンテナは道路の障害物によって損傷しやすい。こうした多くの理由からある種のタイヤ電子アプリケーションではこの方法が最も望ましい電力供給方法であるとはいえない。

上記した全特許文献の開示内容の全てを、ここに引用することにより本明細書に組み入れるものである。各種のタイヤ電子システムと、そのための電力発生システムとが既に開発されているが、以下に開示する本発明による所望特性を全て含んだ構成は現われていない。

従来技術における上記問題に鑑みて、本発明は、タイヤ構造体内に一体化された電子システムへ電力供給するための改良されたシステム及び方法を提供せんとするものである。本発明では、タイヤの撓みに伴う機械的歪を電荷に変換するために圧電技術を用い、得られた電荷を１つ以上のエネルギー蓄積装置において調整して蓄積する。十分な蓄積量の蓄積エネルギーは、タイヤの様々な物理的なパラメータを識別するためのコンポーネントと無線周波数（ＲＦ）送信装置とを含む電子装置へ電力供給される。

本発明の具体的な観点によれば、本発明の目的は、自己電力供給式の電子装置が一体化された空気タイヤを提供することである。その電子装置は、一体化された圧電構造体から得られたエネルギーから自己電力供給され、また、様々な電子装置アプリケーションに対応させることができる。１つの典型的な電子装置アプリケーションの１つには、圧力及び温度等のタイヤ状態に関する情報並びにタイヤ回転数等の他の情報、又は一般的なタイヤ識別変数を測定及び送信するように構成されたタイヤ監視システムがある。

本発明のタイヤ電子システム及び特別な電力発生装置の各種機構及び特徴には多くの利点がある。本発明は電池交換に依存しない自己電力供給式の電子システムを提供する。電池及び電池動作式装置を本発明の様々な特徴と組合せることはできるが、本発明を用いることによって、電池のみから電力供給されるタイヤ電子装置の場合の多くの複雑な問題はなくなる。

本発明の別の利点は、従来のタイヤ監視システムにために必要とされる信号処理用ハードウェアの量を削減したタイヤ監視システムが提供される点にある。自己電力供給式のタイヤ監視システムを用いることによって、追加のハードウェア接続線を必要とする捕捉アンテナや複数の受信機位置が不要になる。本発明のタイヤ監視システムは、車両の個々のタイヤ構造体内に一体化することができ、（一般に車内に配置される）単一の受信機によって各タイヤ一体化電子装置から送信された情報を受信することができる。

本発明の更に別の利点は、タイヤ及びホイール組立体内で使用可能な電子設備の形式及び数量に関する制約が少ない点にある。これに対して、本発明以外の従来法で電力供給されるタイヤ電子装置は多くの場合電力が著しく低い装置に制限される。本発明の装置にはこうした極端な電力制限がない。この利点によって、より多くの部品及び／又はより高いレベルの設備を使用することができるので、タイヤ電子装置のより良い動作をより容易に実行することができる。

本発明の更に別の利点は、本発明のシステム及び方法を種々の既存の用途で使用することによって、電力を発生させ、得られた電力を利用することができる点にある。すなわち、本発明の測定法、監視及び警報システム、車両フィードバックシステム及び追跡システムは、商業用トラック群、飛行機及び採鉱／土木設備等の用途で使用できる。

本発明の１つの典型的な実施例においては、電力発生装置が一体化されたタイヤ組立体は、空気タイヤ構造体と、圧電装置と、電子装置組立体とを具備している。空気タイヤ構造体は、地面と接触する外部トレッド部分を有するクラウン部分と、ホイールリムにタイヤを装着するビード部分と、各ビード部分とクラウン部分との間に延在する一対のサイドウォール部分とを有している。カーカスはサイドウォール部とクラウンとを越えてビードの間のタイヤに設けられており、ベルトパッケージがタイヤクラウン内のトレッド部分とカーカスとの間に設けられており、インナーライナーがタイヤ構造体の内側表面を形成している。圧電装置は、タイヤ構造体が機械歪みを受けると、電荷を発生するように構成されている。電子装置組立体は、電力発生装置に（或る実施例ではエネルギー蓄積装置を介して）接続されており、電子装置組立体の内の選択された構成要素が、圧電装置によって発生された電荷で電力供給される。

圧電装置は、空気タイヤ構造体の様々な場所に、例えば、限定するものではないが、トレッド部分とベルトパッケージとの間のクラウン内、ベルト部分とカーカスとの間のクラウン内、カーカスとインナーライナーとの間のクラウン内、カーカスとタイヤ外側との間のサイドウォール内、カーカスとインナーライナーとの間のサイドウォール内、タイヤ構造体の選択したビード部分に近い基部領域内などに一体化することができる。或る実施例では、空気タイヤ構造体は、ベルトパッケージとトレッド部分との間にキャッププライ部分を有している。この実施例の場合、圧電装置は、トレッド部分とキャッププライ部分との間又はベルトパッケージとキャッププライ部分との間のタイヤクラウン内に埋め込むこともできる。他の実施例では、ベルトパッケージは、少なくとも第１及び第２のスティールベルトを有しており、圧電装置は、それぞれのスティールベルトの間に取り付けることもできる。圧電装置は、圧電装置のための付加的な支持体を構成するゴムケーシングに取付け又は埋め込むこともできる。ゴムケーシングと圧電装置は、空気タイヤ構造体のインナーライナーに又は外側トレッド部分に取付けることもできる。

本発明による別の例示的な実施例では、電力発生装置が一体化されたタイヤ組立体は、空気タイヤ構造体と、安全支持体と、圧電装置と、電子装置組立体とを具備している。空気タイヤ構造体は、地面と接触する外部トレッド部分を有するクラウン部分を有している。安全支持体は、タイヤ圧力が失われた場合にトレッド部分を支持するために、空気タイヤ構造体内部のホイールリム上に取り付けるように形成されている。その安全支持体は、ホイールリムの周りに嵌まるようされた内面と、タイヤ圧力が失われた場合にタイヤのトレッド部分に接触する外側キャップとを有している。圧電装置は、安全支持体の選択した部分に一体化することができ、空気タイヤ構造体のタイヤ圧力が失われている間、安全支持体が機械的な歪みを受けているとき電荷を発生するように構成されている。電子装置組立体は圧電装置に接続され、電子装置組立体の内の選択した構成要素に、圧電装置が発生した電荷から電力供給される。その電荷が、或る実施例では、空気タイヤ構造体がタイヤ圧力が失われた状態で動作していることを表す信号を発するように使用することもできる。

本発明の更に別の例示的な実施例は、非空気式の構造的に支持されているタイヤと、圧電装置と、電子装置組立体とを有するタイヤ構造体である。その非空気式の構造的に支持されているタイヤは、強化環状バンドと、その強化環状バンドから半径方向内側に向かって延びるように強化環状バンド全体にわたって設けられた複数のウェブスポークと、そのウェブスポークの半径方向内側端に設けられた取付けバンドとを有している。トレッド部分は、強化環状バンドの半径方向外側部分に設けることができる。圧電装置は、強化環状バンド又は複数のウェブスポークの内の１つ又はそれ以上のウェブスポークのような場所において、非空気式の構造的に支持されているタイヤと一体化することができる。非空気式の構造的に支持されているタイヤが機械的な歪みを受けると、圧電装置が電荷を発生し、その発生した電荷を使用して電子装置組立体の１つ以上の電子構成要素に電力供給する。

本発明の特定の実施例においては、上記した圧電装置は、複数の圧電材料ファイバがエポキシマトリクス内に埋込まれたファイバ複合構造にすることができる。又は、圧電装置は、圧電セラミックウエハが保護ケーシングによって実質的に囲まれて、圧電セラミックウエハに（例えば電極を介して）接続するための第１及び第２の電気リード線が埋込まれているものでもよい。更に別の実施例において、圧電装置は、圧電材料層の両面にそれぞれ導電層（例えば、アルミニウム層又はステンレススチール層）がポリイミド接着剤（例えば、高温度熱可塑性ポリイミド）で接着されているものである。或る場合には、圧電装置は、直列又は並列に接続された複数の圧電素子を有していてもよい。そのような複数な圧電素子は、ｄ３３又はｄ３１変位モードで、分極方向が同相に又は反対となるように構成できる。そして、圧電素子は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、水晶、硫化カドミウム、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)およびポリ塩化ビニル(ＰＶＣ)のような材料から構成できる。

本発明の上記以外の目的及び利点は、以下に詳細に説明すると共に、以下の本発明の詳細な説明から当業者には容易に理解できよう。また、本明細書に例示、言及、説明した特定の特徴及び工程は、本発明の技術思想及び範囲を逸脱することなく、本発明の各種実施例及び用途で変更及び変形することができるということは理解できよう。変形としては、例示、言及又は説明した手段、特徴又は工程の均等物による置換及び各種部分、特徴、工程等の機能、動作、位置を逆にしたものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

更に、本発明の様々な実施例及び様々な現在の好ましい実施例には、本発明の特徴、工程又は要素あるいはそれらの均等物を種々の組合せ又は形態が含まれることは理解できよう（図面に図示せず又は図面の詳細な説明に記載していない機構、部品、操作又はそれらの組み合わせを含む）。

本項において必ずしも説明していない本発明の上記以外の例には、上記概要で述べた特徴、部品又は工程及び／又は本明細書の他の部分で説明する他の特徴、部品又は工程の種々組み合わせも含まれる。そうした実施例の機構及び特徴は以下の説明から当業者にはより良く理解できよう。

添付図面を参照した本明細書において、当業者に向けた最良態様を含めて本発明を十分且つ実施可能に説明する。

本発明の同一又は同様な特徴又は要素を指示するために、本明細書全体及び全添付図面において同一の参照番号を使用する。なお、添付図面に示す様々な特徴は必ずしも正確な縮尺で描かれてはおらず、従って、特徴間の相互の相対的な関係は本発明を限定するものではない。

「課題を解決するための手段」の項で述べたように、本発明はタイヤ構造体内に一体化された電子装置システムに電力供給するための改良システム及び方法に係るものである。この場合、電力発生装置は、圧電技術を利用して、タイヤの撓みに伴う機械的歪みを電流に変換し、この電流はエネルギー蓄積装置において調整され蓄積される。十分な量のエネルギーが蓄積されると、そのエネルギーが電子システムへ電力供給される。その電子装置システムの例には、各種の物理的タイヤパラメータを識別するための電子装置及び無線（ＲＦ）送信機が含まれる。

一般に述べるならば、本発明の電力発生装置は、２つの代表的な構成要素、すなわち、圧電構造体と電力調整モジュールとを含む。図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃを参照して圧電構造体の様々な例を説明する。（エネルギー蓄積装置を有する）電力調整モジュールの例は図３を参照して説明する。電力発生装置における１つ以上の圧電素子の形状例に係る特徴は、図７Ａから図７Ｄ並びに図８Ａ及び図８Ｂに図解する。電力調整モジュールの出力は、タイヤ又はホイール組立体内の電子システムへの電力供給に使用されることが好ましい。センサ、マイクロコントローラ、無線送信装置を含むタイヤ電子システムの例を、それぞれ図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。複数の圧電素子と１つ以上のタイヤ電子モジュールとの相互作用の例を図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃに図示する。タイヤ電子システムから送信された情報を得るための遠隔受信装置の例示的な実施例を図６に図示する。

本発明の開示技術の上記の特徴を選択的に組み合わせたものが、本発明の複数の様々な実施例に対応する。しかし、本発明の対象は本明細書で説明する各実施例に限定されるものではないことは理解できよう。一つの実施例の一部で説明された特徴又は工程を別の実施例の特徴と組合させることで更に別の実施例ができる。更に、特定の特徴を、同じ又は類似機能を果たす説明していない類似装置又は特徴と置換することができるということは理解できよう。同様に、特定の操作工程を他の工程と置換又は組み合わせることによって回転するタイヤの機械エネルギーから電力を発生させる更に別の実施例が得られる。

以下、タイヤ又はホイール組立体内に一体化された電子装置のための本発明の電力発生システム及び方法の好ましい実施例を詳細に説明する。図面を参照するならば、図１は、本発明による自己電力供給式の電子装置１２が一体化された例示的なタイヤ組立体１０の全体の断面図である。電力発生装置（power generation device, 以下、ＰＧＤ）１４はタイヤ構造体１６の内部に電子装置と一緒に設けられて、この電子装置がタイヤ組立体１０内部で自己電力供給されることが好ましい。

以下で説明する圧電材料を用いた本発明の電力発生装置は、タイヤ組立体内部で電力が供給される点で従来法に比べて多くの利点を有する。すなわち、上記のアンテナビーム電力捕捉技術はタイヤ電子装置へ電力供給法の中で制約のある選択肢の１つでは最早なくなる。同様に、多くのタイプのタイヤ電子装置の機能上の可能性が一般に増大する。電力発生に電池を使用する選択肢が最早必須ではなくなり、従って、コストのかかる厄介な電池交換は不要になる。本発明の電力発生装置技術を用いることでアンテナビーム電力捕捉法や電池を用いる方法は不要になるが、本発明の電力発生装置は圧電技術及び／又は電池及び／又はアンテナビーム捕捉法をハイブリッドに種々組み合わせてホイール組立体内の種々の電子装置へ電力供給することができるということは理解できよう。

典型的な空気タイヤ構造体１６は、外側トレッド部１８を支持するクラウン１５と、ビード部２２まで延びたサイドウォール２０とを有している。サイドウォール２０は一般に断面線１７と１９との間にわたって延び、タイヤクラウン１５は２つの断面線１９の間にわたって延びている。タイヤビード２２は一般にタイヤ構造体１６をホイール組立体のリムに効果的に取り付けできるようになっている。内側クラウン表面２４と内側サイドウォール表面２６とを含むタイヤの内側表面は、気密材料のインナーライナーで形成されている。カーカス２３はサイドウォール部２０とクラウン１５とを越えてビード２２の間に延び、タイヤ圧下でタイヤの形状を規定し、トラクションとステアリングのための力とを伝達する。（スチールのような材料から通常形成される）第１のベルト２１ａと第２のベルト２１ｂとを少なくとも有するベルトパッケージ２１が、一般にタイヤ構造体内部にクラウン１５に沿って設けられている。或るタイヤでは、オーバレイ層又はキャッププライを設けて、スチールベルトをほぼ覆い、ベルトパッケージがタイヤから剥がれるのを防止し、それにより、タイヤの性能を高め及び寿命を伸ばすこともできる。キャッププライ部分２５は、１層以上の工業用織物強化層を含むこともできる。

図１のタイヤ組立体の実施例に示すように、ＰＧＤ１４はタイヤ構造体１６の内側クラウン表面２４上に取り付けることができる。この位置は、外側トレッド部１８が地面に沿って移動した時にタイヤ構造体１６が撓んだ時にＰＧＤ１４内部の圧電装置を駆動させるのに一般に適した位置である。タイヤの撓みはタイヤ組立体１０が移動した時の全体的な機械的振動と組合されて、電力発生装置１４内部の圧電装置に電流を発生させ、その電流は、タイヤ電子装置１２に電力供給するためのエネルギー蓄積装置で調整されて蓄積される。内側クラウン表面２４は電力発生装置１４を取り付けるための論理的な場所ではあるが、ＰＧＤ１４を例えば内側サイドウォール表面２６を含む他の場所に取り付けることもできるということは理解できよう。このように配置することによって或る種の電子装置に十分な電力を発生できる一方で、本発明によるＰＧＤ１４の内部の圧電素子に加わる歪みを低下させることができる。

更に、ＰＧＤ１４又はＰＧＤ１４の内の少なくとも圧電素子は、タイヤ構造体１６内に組込んで硬化することもできる。ＰＧＤ１４又はＰＧＤ１４の内の少なくとも圧電素子をタイヤ構造体１６内に埋込んでもいい場所の例には、限定するものではないが、例えば第１及び第２のスチールベルト２１ａ及び２１ｂから構成されるベルトパッケージとトレッド部分１８との間のタイヤクラウン部又は頂部、又は最も内側のスチールベルト（例えば図１のスチールベルト２１ａ）とその内側のカーカス２３との間のクラウン部、又は表面２４及び／又は２６に沿ったインナーライナーとカーカス２３との間のクラウン部、又はカーカス２３とインナーライナーとの間のサイドウォール部、又は部分２７にほぼ位置するサイドウォールゴムとカーカスとの間のサイドウォール部があり、又はしばしばタイヤ領域基部と称される部分２９に埋込んでもいい。キャッププライ部分２５のようなキャッププライを有するタイヤの場合、ＰＧＤ１４又はその圧電素子を埋込んでもいい他の場所には、トレッド部分１８とキャッププライ部分２５との間又は第１及び第２のスチールベルト２１ａ及び２１ｂから構成されるベルトパッケージとキャッププライ部分２５との間のタイヤクラウン部も含まれる。

又は、ＰＧＤ１４又はその選択した素子は、タイヤに接着又は埋込む前にゴム又はエラストマーのケーシング中に配置して、保護能力を高めることもできる。このようなケーシングにより、更に、ＰＧＤをタイヤ構造体に接着することを容易にする。更に又は、ゴムケーシングをＰＧＤ１４又はその選択した素子の１つの側面に接して支持のために設けて、そのゴムケーシングをタイヤ構造体の内面に接着することもできる。他の実施例では、ＰＧＤ１４を、ファイバガラス又はその他の剛性材料で構成される比較的剛性の基板に更に取り付けて、ＰＧＤに対する保護能力と支持能力を高めることもできる。ＰＧＤ１４に接して設けられるゴムケーシング及び／又は基板及び／又は他の要素は、ＰＧＤ１４内の普通以上に剛性な圧電素子と、そのような剛性な圧電素子が組込まれるタイヤ構造体１６の普通以上に可撓性の材料と間の機械的なインターフェイスとして一体となって機能する。この機械的なインターフェイスを設けることにより、多くの場合の曲がらない圧電素子があるために生じるおそれのある損傷からタイヤ構造体１６を保護し、更に、タイヤが圧電素子に対して作用するおそれがある比較的極端な形状歪みから圧電素子を保護する。或る実施例において、中間層に関して機械的な最適化の行って、インターフェイスの何れかの側に生じるストレス（力）と歪み（変位）との比を調整することもできる。

パッチと圧電素子との組合せが一体化される例示的な場所には、表面２４及び／又は２６に沿って設けられたインナーライナー又はタイヤ構造体１６の外部も含まれる。ＰＧＤ１４の様々な配置によれば、「一体化」という用語は、全ての可能な配置場所が含まれ、例えばタイヤ構造体上への取り付け又はタイヤ構造体内部への埋込が含まれると理解されたい。

本発明の圧電技術は、非従来型タイヤ、すなわち、図１に図解した例示的な構造に対して様々な変更をしたタイヤにも利用できる。１つの例は、本件出願において開示する電力発生技術を、安全支持体がタイヤ内のホイールリム上に装着され、タイヤパンクなどのタイヤ機能不全の場合に荷重を支えて、従って、タイヤ空気圧が失われた場合にタイヤのトレッド部分を支持するようになされたタイヤにも組込むことができる。安全支持体が装備されたタイヤの特徴を図解する図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、タイヤ１５６の空洞１５４内で、ホイールリム１５２の周りに装着された安全支持体１５０の軸から半分の断面図である。タイヤ１５６は、ホイールリム１５２に装着されるように構成されており、特に、直径の異なる２つのビードを有している。安全支持体１５０は、３つの主要部、すなわち、実質的に零度に長手方向に向けられたプライ１６０で強化された全体形状が環状の基部１５８と、半径方向に外側壁面に長手方向溝１６４が設けられた実質的環状のキャップ１６２と、基部１５８とキャップ１６２とを一緒に結合する環状ボディ１６６とを具備している。部分１６８で画成されている空洞により、安全支持体１５０の重量が削減され、安全支持体１５０の他の部分と協働して、ランフラット状態（すなわち、タイヤ圧力が完全に又は一部失われた状態）での均一な支持をする。図１２は、地面に沿ってすなわちランフラット状態で動作している場合の図１０と同様な安全支持体を図示している。安全支持体１５０のキャップ１６２は、タイヤ１５６のキャップの半径方向内側の面に接触して、タイヤ空洞１５４内の空気圧が失われた状態においてタイヤ１５６がホイールリム１５２の上に重なることを防止している。このような安全支持体付きのタイヤの他の詳細は、下記特許文献９に開示されており、ここに引用して下記特許文献９の全内容を本明細書に組み入れるものである。しかし、他の具体的な安全支持体もタイヤ構造体内に組込むこともできることも理解されたい。下記特許文献９に開示される安全支持体は全体にソリッドな円形の装置であるが、他の例では安全支持体は他に支持材料（例えば、タイヤがランフラット状態にあるときに変形を受ける発泡ゴム）から形成することもできる。
米国特許第5,891,279号明細書（Lacour）

図１０及び図１１を参照するならば、ＰＧＤ１４の圧電素子又は他の選択した部分は、上記したランフラットタイヤ構造体の安全支持体１５０に一体化することもできる。例えば、ＰＧＤ１４又はその一部分は、安全支持体１５０のキャップ部分に、例えば溝１６４の１つの中に、一体化することができる。他の取付け場所としては、空洞１６８で画成される領域の内面でもいい。ＰＧＤ１４又は特にＰＧＤ１４の圧電素子は、本発明の範囲から逸脱することなく、ランフラット状態走行を容易にするための安全支持体を有するタイヤに対して更に他の場所に取付け又は貼り付け又は埋込むこともできる。

図１０及び図１１を参照して説明したタイヤが正常なタイヤ圧力下で動作している場合には、タイヤ１５６が変形を受け、安全支持体１５０は変形を受けない。しかし、タイヤがランフラット状態（以下、場合により「拡張された動作モード」と称する）下で動作する場合には、安全支持体１５０が変形を受ける。その変形により生じる歪によって、安全支持体１５０と一体化された圧電素子は電気エネルギーを発生する。この発生した電気エネルギーを使用して、少なくとも１つのタイヤの圧力が全て又は一部失われたランフラット状態で車両が走行していることを車両の運転手に表示するために、視覚的及び／又は音響的な指示器又は警報器又は他の通知発生機構を起動することができる。発生した電気エネルギーを使用して、タイヤ／ホイール組立体内の電子装置に電力供給することもできる。電子装置を使用して、ランフラット状態すなわち「拡張された動作モード」で動作している場合に安全支持体付きタイヤが走行した単位走行距離当たりタイヤ回転数又は時間を計測すること、タイヤが圧力不足で如何に過酷であるかを表す指標として安全支持体の接触パッチ長（接触領域長）を測定すること、「拡張された動作モード」での安全支持体の温度を測定することのような機能を実行することができる。上記した測定データを選択的に組合せることにより、安全支持体の有効残存使用寿命を決定することもできる。安全支持体の有効残存使用寿命、及びタイヤ圧力が失われた状態でタイヤが走行したことを表示する情報を含むその他の関連データを、タイヤ安全支持体上又内に取り付けたインターフェイスメモリ装置に記憶することもできる。タイヤを修理しているときに、技術者は、安全支持体が交換を必要とするどうかを決定することもできる。或る実施例においては、十分な電気エネルギーを蓄積して、無線信号を車両中央部に送信して、運転者に警戒状態が生じていることを警告することもできる。

本発明の圧電技術が利用できるタイヤの別の例としては、図１０及び図１１を参照して説明したタイヤとは異なる「構造的に支持されたタイヤ」がある。非空気式の構造的に支持されているタイヤを図１２を参照して以下に簡単に説明する。図１２の非空気式タイヤ１７０は、従来の空気タイヤの機構とは異なり、内部空気圧による支持ではなく、その構造的な要素のみで荷重を支持するように構成されている。非空気式の構造的に支持されているタイヤ１７０は、地面に接触するトレッド部分１７２と、トレッド部分１７２の半径方向内側に設けられた強化環状バンド１７４と、強化環状バンド１７４全体にわたって強化環状バンド１７４から半径方向内側に向かって半径方向に延在する複数のウェブスポーク１７６と、ウェブスポークの半径方向内側端に設けられた取付けバンド１７８とを具備している。取付けバンド１７８は、ホイール１８０又はハブにタイヤ１７０を取り付けている。図１２には図示していないが、赤道面内に延在する複数のウェブスポークを追加することもできる。具体的には、強化環状バンド１７４は、エラストマー横方向変形層と、その横方向変形層の半径方向に最も内側に接着された第１の膜と、横方向変形層の半径方向に最も外側に接着された第２の膜とを具備することができる。それら膜は、横方向変形層の剪断剛性より大きな引張り強さを有しており、強化環状バンドが荷重下での剪断変形を受ける。強化環状バンド１７４は、タイヤに作用する荷重を支持する。図１２に指示されているように、タイヤ回転軸Ｘに作用する荷重Ｌは、ウェブスポーク１７６の緊張によって強化環状バンド１７４に伝達される。強化環状バンド１７４は、弓と同様な態様で作用して、荷重支持部材として動作するに十分に高い、タイヤ赤道面での周方向圧縮剛性及び長手方向曲がり剛性を発揮する。荷重下で、強化環状バンドの横方向変形を含む機構によって地面との接触領域Ｃで変形する。剪断力で変形できることにより、空気タイヤの作用と同様に機能する接地面倣り接触領域Ｃができ、同様な効果が得られる。図１２を参照して説明した非空気式の構造的に支持されているタイヤの他の詳細は、下記の特許文献１０に開示されており、ここに引用して特許文献１０の全内容を本件出願に組み入れるものである。
米国特許出願公開第2004/0159385号公報

更に図１２に参照するならば、ＰＧＤ１４の圧電素子又は他の選択した部分を、非空気式の構造的に支持されているタイヤ１７０に一体化することができる。例えば、ＰＧＤ１４又はその一部を、地面に接触するトレッド部分１７２の内部、又は強化環状バンド１７４の内部、又は１つ又は複数のウェブスポーク１７６に一体化することができる。しかし、ＰＧＤ１４又は具体的にはその圧電素子は、本発明の範囲から逸脱することなく、非空気式の構造的に支持されているタイヤに対して更に他の場所に取付け又は貼り付け又は埋込むこともできる。

図１２を参照して説明したタイヤが地面上を回転すうとき、タイヤは変形を受ける。その変形により誘起される歪みによって、非空気式の構造的に支持されているタイヤ１７０に一体化された圧電素子が電気エネルギーを発生する。この発生した電気エネルギーを使用して、タイヤ／ホイール組立体内の電子装置に電力供給することもできる。電子装置を使用して、非空気式の構造的に支持されているタイヤが走行した単位走行距離当たりタイヤ回転数又は時間を計測すること、タイヤが如何に過酷な荷重を受けているかを指示する指標として、非空気式の構造的に支持されているタイヤの接触パッチ長を測定すること、非空気式の構造的に支持されているタイヤの温度を測定することのような機能を実行することができる。上記した測定データを選択的に組合せることにより、非空気式の構造的に支持されているタイヤの有効残存使用寿命を決定することもできる。非空気式の構造的に支持されているタイヤの有効残存使用寿命及びその他の関連データを、タイヤ上又内に取り付けたインターフェイスメモリ装置に記憶することもできる。或る実施例においては、十分な電気エネルギーを蓄積して、無線信号を車両中央部に送信して、運転者に警戒状態が生じていることを警告することもできる。

一般に述べるならば、ＰＧＤ１４は、2つの主要部品すなわち圧電装置と電力調整モジュールとを有する。圧電装置は、（当業者には周知であるように）タイヤの回転で生じる機械的歪みを受けて、１つ以上の圧電素子中に電荷を発生させる。この電荷は、電力調整モジュールへ送られ、得られた電流が整流され、調整され、電子装置に電力供給するために蓄積される。

圧電装置は、様々な圧電材料から構成できる。限定するものではないが、その圧電材料には、チタン酸バリウム、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)、硫化カドミウム、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）結晶、又はＰＺＴファイバなどがある。本発明の電力発生装置で利用可能な圧電材料の例としては、例えば下記の特許文献１１及び特許文献１２に記載の圧電材料ファイバ複合構造体が挙げられる。これらの特許の内容はここに引用して本明細書に組み入れるものである。本発明で利用可能なアクティブファイバ複合体（ＡＦＣ）の例としては「Continum Control Corporation」から市販のブランド名「PiezoFlex」の製品が挙げられる。
米国特許第5,869,622号明細書（Hagood，IV達）米国特許第6,048,622号明細書（Hagood，IV達）

図２Ａは本発明の電力発生装置の実施例のＡＦＣ複合体２８の等角図で、この圧電ＡＦＣ複合体２８は複数の圧電材料ファイバ３０を含み、これらの圧電材料ファイバは一方向に整合し、ＡＦＣ複合体２８を作動させ、この構造体に剛性を与えている。圧電材料ファイバ３０はエポキシ又はポリマーの樹脂マトリックス32によって取り囲まれ、荷重伝達機構を介して損傷に対する許容度が与えられる。各圧電材料ファイバはそれらのほぼ平行な軸線方向配置を横切る共通ポーリング方向34を有する。

圧電材料ファイバ／樹脂マトリックス形の2つの対向する表面に沿って別々の各基板上に電極層を設けてＡＦＣ複合体２８への電気の入力及び出力を行うのが好ましい。図２Aの実施例では電極層３６がフィンガ−ツ−フィンガ極性に互いに向き合わせて交互に配置したインターディジタル構造をしている。このようなインターディジタル構造の電極層３６は当業者に周知のスクリーン印刷技術と銀入りエポキシ樹脂等の導電性インクとを用いて別体の基板層（例えばポリイミド又はポリエステル）上にエッチングで形成することができる。図２のインターディジタル電極形構造はＡＦＣ複合体２８の電気機械的応答の指向性を高め、高い電荷係数及び結合係数を与えるように設計されている。より良い性能特性を得るためには電極３６と圧電材料ファイバ30との間の樹脂マトリックス32の量は最小にするのが好ましい。

ＡＦＣ複合体中のタイヤ構造体に対する圧電材料ファイバの向きは本発明技術の一つの設計因子である。圧電材料ファイバをタイヤの周方向に沿って向けると一般に圧電材料ファイバが受ける引張歪は高くなるが、圧縮歪が低くなる。圧電材料ファイバの向きをタイヤの半径方向に沿って向けると一次エネルギーの回収と半径方向歪みとを結合させることができる。従って、本発明の電力発生装置の圧電パッチをタイヤ構造体に沿って半径方向と周方向のどちらに向けるかはパッチの寸法及びパッチが使用される特定のタイヤ環境に基づいて決定できる。特に、圧電ＡＦＣ複合体の最適配置及び向きは各種の因子、例えばタイヤの１サイクルで所望の最大出力が得られ、半径方向対周方向の取付方向に沿ってピーク引張歪及び圧縮歪が得られ、所定の時間でＡＦＣ複合体全体で歪の均一性が得られるように決定できる。

図２Aの実施例のような圧電ＡＦＣ構造の具体的な特性は、用途に合わせて調整できる。例えば、圧電材料ファイバとしては、ＰＺＴ−５Ａ、ＰＺＴ−５Ｈ、ＰＺＴ−４、ＰＺＴ−８及びＰＭＮ−３３ＰＴを含む様々なＰＺＴ材料がある。他の具体的な設計上の製薬としては、圧電材料ファイバの直径３８があるが、典型的には約３／１０００（３ミル）インチから１５／１０００インチ（１５ミル）の範囲内である。特定用途用に設計可能な他の特定寸法としては、インターディジット層36の電極フィンガの幅40とピッチ42の寸法がある。電極フィンガ幅40は例えば約25ミルであり、電極ピッチ42は例えば約20ミル〜約100ミルである。本発明で使用する圧電ＡＦＣ複合体全体の特定の実施例では、電極フィンガピッチが45ミルで、直径が10ミルのPZT-5A圧電材料ファイバを有するインターディジット電極を有する。

本発明の電力発生装置で使用される圧電ＡＦＣ複合体の設計上の更に別の制約は特定の用途でみられる。例えば、タイヤ構造体と一体化に適した圧電材料パッチの寸法と扱い容易性に係わる構成上の制約である場合もある。タイヤ最高点位置に沿って周方向に一体化された出力調整モジュールと一緒に圧電装置が設けられている本発明によるＰＧＤを想定する。そのＰＧＤは、タイヤ内部に貼り付けられる場合には、ゴム又はガラスファイバ又は他の支持基板に支持されたゴム又はエラストマーのケースに収容されて、更に保護されることがこのましい。そのゴムのケース又は基板は、ＰＧＤのタイヤ構造体への貼り付けを容易にする。

上述したＰＧＤの実施例のおいては、一般的に、圧電パッチの長さについての制約はないが、テストでは、長さが７０ｍｍを越えるパッチは失敗する傾向があることが示唆された。最大幅は約８０ｍｍが或る実施例では望ましい場合がある。又、或る実施例では、（電力調整モジュールなし）圧電パッチの最大暑さは、約７００ミクロンとすることができ、（圧電パッチと電力調整モジュールとを含む）最大重量は、約２０グラムが望ましい場合もある。タイヤ内部に接着するために圧電パッチをゴムパッチに接合するために、パッチは、約２０バールの圧力下の約摂氏１７０度に約３０分間耐え、更に約２０バールの圧力下の約摂氏１５０度に約６０分間耐えることができることが必要がある。しかし、上記した具体的な制約は、適切な材料及び接着技術の進歩に変ってゆくことは理解すべきである。更に、本発明によるＰＧＤは、約摂氏マイナス４０度から約プラス１２５度の温度、時速１２５キロメートルの最大タイヤ速度、約１０年又は７０万マイルの耐久性などの運転条件に耐えることができることが好ましい。

本発明の実施例のＰＧＤ１４に使用される圧電パッチの別の形式としては、全体にソリッドな圧電セラミックウエハがある。そのような圧電セラミックウエハは、単結晶でも多結晶でもよい。圧電セラミックウエハには、限定するものではないがチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）及びジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のような多結晶強誘電体材料のウエハが含まれる。

図２Ｂを参照するならば、本発明による電力発生装置１４に使用するための圧電素子２８’の更に別の実施例が図示されている。圧電素子２８’は、ユニモルフ、バイモルフ、又は積層／サンドイッチ構造の１枚以上の圧電セラミックウエハであり、保護膜１０８内に封止される。一般に、ユニモルフ構造は、圧電材料の単一モジュール（すなわち、単一層）であり、或る実施例では、不活性基板に接合される。バイモルフ構造は、圧電材料の２枚のモジュール（すなわち、２つの層）であり、中心の金属シム層の両面にそれぞれ接合される。積層又はサンドイッチ構造は、３つ以上の圧電材料素子が互いに隣接して互いに結合される。バイモルフ構造及び積層構造が、或る用途では、ユニモルフ構造に比較して、発生電荷対機械的変位量の比が高い。

再度図２Ｂを参照するならば、内部に１つ以上の圧電セラミックウエハが設けられている保護ケーシングは、圧電セラミックウエハのための電気絶縁として、更に湿気及び過酷な汚染物質に対する防御として機能することができる。或る実施例では、圧電セラミックウエハは、ＰＺＴ−５Ａ及び／又はＰＺＴ−５ＨのようなＰＺＴ材料から形成できる。ニッケルのような材料から形成できる分布式電極１１０が、組立体の頂面及び底面に設けられ、予め貼り付けられた第１及び第２に電極リード線１１２及び１１４に接続される。リード線１１２及び１１４に接続するためのピンによって、コネクタ素子１２０に接続可能であり、かくして、ハンダ付けワイヤのない信頼性の高い素子を実現できる。コネクタ素子１２０に更にピンを設けて、圧電素子２８’内の１つ又は複数の圧電素子をポーリングするための電気接続１１６及び１１８を設けることもできる。このような圧電装置の具体例が図２Ｂに図示されており、Mide Technology Corporationから販売されているブランド名「QuickPack」の製品（例えば、ACX QuickPack-PowerAct QP15W）が本発明において使用できる。

本発明の電力発生装置に使用する圧電装置の更に別の例を図２Ｃに参照番号２８”で示す。図２Ｃは、圧電素子２８”の分解部品配列斜視図であり、複数の層が、それぞれ各層の頂面の上に重なられて積層構造に設けられている。圧電素子２８”を構成する積層複合体の第１層は、金属基板層１２０であり、限定するものではないが、ステンレススチールで形成されている。それに続く接着剤層は、内側の圧電材料の層１２４を囲んでいる。ある実施例では、その圧電材料層１２４は、ＰＺＴのような圧電セラミック材料である。或る実施例では、接着剤層１２２は、ポリイミド、又はより具体的には、高温熱可塑性ポリイミド（例えば、NASA's Langley Reseach Centerで開発されたブランド名「LaRC^TM-SI」の材料で構成できる。圧電素子２８”の最上層１２６は、金属材料で形成されており、限定するものではないが、アルミニウムで形成できる。このような複数の層は、組立体全体を圧力釜の中に入れて、加熱して、一緒に圧縮して、昇温してその後室温まで冷却して、一緒に結合できる。圧電素子２８”は冷却し始めるとき、圧電セラミック層１２４に接合された基板層１２０は、圧電セラミック層１２４を圧縮状態に維持する一方、引っ張り状態に連続して維持される。このようにしてもたらされるプレストレス状態により、結果的に圧電装置は僅かに湾曲した形状に形成され、完成品は、従来の圧電装置に比較して、割れを生じることなく、大きな機械的な撓みを受けることができる。

図２Ｃに示し本発明により使用できる圧電装置の型式の具体例としては、Face International Corporationから市販されているブランド名「THUNDER」の製品（例えば、Face Thunder Actuator 6R)がある。ここで、「THUNDER」製品には、「ＴｈｉｎＬａｙｅｒＵｎｉｍｏｒｐｈＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＤｒｉｖｒａｎｄＳｅｎｓｏｒｄｅｖｉｃｅｓ」があり、内部プレストレスを生じるように複数の材料層が一緒に「サンドイッチ」型式に高強度接合材料で封止されている。圧電素子２８”の接着剤１２２は、装置製造中に比較的高い内部応力が生じている様々な装置の層を一緒に保持する。

本発明の電力発生装置に使用できる上記した圧電装置の例を変更や修正でき、そのような変更や修正が本発明の技術思想及び範囲に含まれることは、当業者には理解できる筈である。例えば、ここに開示した圧電素子は形状が矩形であるが、円形や正方形やそのほかの様々な形状の圧電素子を使用できることも当業者には理解できる筈である。圧電素子の幾何学形状、寸法、材料形式ほかの変更及び修正も当業者の知識の範囲内であると考える。

複数の圧電素子の組み合わせに係わる本発明の他の構成例を、図７Ａから図７Ｄ及び図８Ａから図８Ｂを参照して以下説明する。図７Ａから図７Ｄは、どのようにして複数の素子１３０がタイヤＰＧＤ内部に垂直に重ねるかと示した例を図示している。図７Ａから図７Ｄには２つの圧電素子１３０しか図示していないが、３つ以上の圧電素子も使用可能である。圧電素子１３０は、単結晶又は多結晶圧電セラミックウエハであり、その多結晶圧電セラミックウエハには、限定するものではないがチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）及びジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のような多結晶強誘電体材料のウエハが含まれる。図７Ａから図７Ｄには図示していないが、バ互いに隣接する圧電素子の間には、中央導電性シム層を設けることができ、これがイモルフ又は積層構造の圧電装置構成の特徴である。

図７Ａから図７Ｄは図示されている様々な形状は、圧電素子１３０の組合体の様々なポーリング及び変位モードを図解している。各圧電素子１３０内の短い矢印１３２及び１３４は、各圧電素子でのポーリング方向を表しており、一般に、圧電素子１３０の製造中に高ＤＣ電圧が印加された正電極から負電極への方向を向いている。図７Ａから図７Ｄは例示されているポーリング形態に限定されるものではないが、全ての圧電素子１３０は、基準軸3に大体平行な分極ベクトル１３２及び１３４が特徴である。図７Ｂ及び図７Ｇは、２つの圧電素子の分極ベクトル１３２及び１３４が同相である形態を図解しており、図７Ａ及び図７Ｃは、２つの圧電素子の分極ベクトル１３２及び１３４が反対向きすなわち同相でない形態を図解している。図７Ａ及び図７Ｂの圧電素子形態は両方共、ｄ３３モードであり、矢印１３６で表される変位力が、電界及びポーリング方向と同じ方向の膨張である。図７Ｃ及び図７Ｄの圧電素子形態は両方共、ｄ３１モードであり、矢印１３８で表される変位力が、電界及びポーリング方向と直角な方向の膨張である。

図７Ａから図７Ｄは、単一圧電素子と同じ範囲の歪み界に如何に多くの圧電材料を置くことができるかを図解している。かかる配置により、タイヤ又はホイールの組立体の回転毎に、圧電素子がそのタイヤの接触パッチを通るときに、より多くのエネルギーを出力できる。

図８Ａ及び図８Ｂを参照するならば、圧電素子１４０は、図８Ａに描くように直列に接続することも、又は図８Ｂに描くように並列に接続することも、更に又は、３つ以上の圧電素子が組み合わされる場合には、それら組合せて接続することもできる。圧電素子を直列接続した場合、単一圧電素子の場合と比較して、電圧が大きく電流が小さい出力が得られる。図８Ａに示すそのような接続は、圧電素子がタイヤ又はホイールの組立体の接触面を通るときにタイヤの回転を検出する場合のような検出の用途に特に効果がある。圧電素子を並列接続した場合、電圧が小さく電流が大きい出力が得られる。これは、エネルギー回収用途に特に効果がある。図８Bに示すそのような接続は、エネルギー漏洩を削減することに有用であり、電力調整電子装置を単純化できる。圧電素子１４０は、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに図示してそれぞれ参照して説明した圧電素子２８、２８’及び２８”とすることができ、又別の実施例では、図７Ａから図７Ｄに示した圧電セラミックウエハ１３０とすることもできる。

圧電素子以外のＰＧＤ１４の主要部、第２の主要部は、電力調整モジュールであり、その実施例が図３に図示されている。本発明の電力調整モジュールの主要な機能は圧電構造体１４０内で発生した電荷を整流し、調整し、蓄積することにある。一般に、電力調整モジュールは、電力を必要とする各種電子装置に合わせて構成できる。本明細書のタイヤ監視システムの実施例では図３の電力調整モジュールが所定の動的エネルギー要求量に合わせて設計される。特に、図３の電力調整モジュールは、電圧出力44が一般に約5ボルト、出力電圧44の最大リップルが±10ミリボルト、出力電圧44の最小デューテーサイクルが約60秒、出力電圧44の最大デューテーサイクルが約5秒になるように設計されている。図３の電力調整モジュールの実施例が作動する追加の設計条件は、電子装置システムの最大エネルギー要求量が約4ミリジュールで、電子システムが動作可能な持続時間が約25ミリ秒から約200ミリ秒の間である。これは電子システムの機能によって変わる。

図３の電力調整モジュール実施例では、圧電構造体１４０が整流器（例えば全波整流ブリッジ整流器）４６に並列接続されている。別の整流器の形態としては、倍電圧整流器又はＮ段電圧逓倍器がある。整流器４６から出た整流された信号は、電解キャパシタ４８に蓄積される。図３の電力調整モジュールでの使用に適した電解キャパシタ４８の例は、容量が約47マイクロファラドのパナソニックＴＥＬシリーズのタンタルキャパシタである。他の電解キャパシタも本発明の電力調整モジュールの蓄積要素として同様に適している。他のエネルギー蓄積要素としては，例えば再充電可能な電池又はスーパーキャパシタがあり、用途に応じてこれらを電力調整モジュール用のエネルギー蓄積装置として用いることができる。

電解キャパシタ４８（又は他の適したエネルギー蓄積装置）に十分な量のエネルギーが蓄積された時に、拡散金属酸化物半導体（ＤＭＯＳ）ＦＥＴトランジスタ５４がスイッチの役目をしてキャパシタ４８内に蓄積されたエネルギーを電圧調整器５２に開放する。図３の実施例での使用に適した電圧調整器５２の例は，デュアルモードの５ボルトのプログラマブルマイクロパワー電圧調整器であり、例えばMaxim Integrated Productsからブランド名「MAX666」で市販されている。この電圧調整器は、従来の電池駆動式電子システムに理想的であるので、キャパシタ４８の電圧を調整された５ボルトの出力電圧４４に効果的に変換することができる。図３の電力調整モジュールには、バイポーラＰＮＰトランジスタ５４と、ツェナーダイオード５６とが追加されている。

トランジスタ５０及び５４は最初はオフであり、トランジスタ５４のドレインのアースがフローティング状態であるので、出力電圧４４は供給されない。キャパシタ４８が十分な電圧レベル（ツェナーダイオード５６とトランジスタ５０のベース−エミッター接合とによって決まる）まで充電すると、トランジスタ５０がオンになり、トランジスタ５４を作動させ、トランジスタ５０をラッチングする。この時点でキャパシタ４８は回路を通って５ボルトの調整出力４４を電子システムへ放電する。一般に、出力電圧４４が供給されるアプリケーションの電子装置の有効動作が終了したときには、電子システムから信号が、信号経路５８を通って抵抗６０及びキャパシタ６２を介して返され、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）５０をオフにし、トランジスタ５４をオフにする。それによって再度キャパシタ４８にエネルギーが蓄積され始まる。

本発明ではＰＧＤ１４が発生したエネルギーを種々の装置又は各種のタイヤ電子システム（Tire Electronics System、以下、ＴＥＳ）に与えることができる。図４Ａ及び図４Ｂは，ＰＧＤ１４とＴＥＳ１２との間の相互作用の例を示している。

図４Ａでは、ＴＥＳ１２で所望の機能を果たすのに十分な電荷が得られるまで、エネルギーがＰＧＤのエネルギー蓄積装置（例えばキャパシタ４８）に蓄積される。電力発生サイクルの間にはＴＥＳ１２には電力供給されないままである。すなわち、エネルギーがＰＧＤ１４のエネルギー蓄積装置に蓄積される速度によってＴＥＳ１２がアクティブにされタイミングが制御される。ＰＧＤ１４に十分なエネルギーが蓄積されると、供電力供給圧Ｖdd及び接地電圧ＶssがＴＥＳ１２に達する経路６４及び６６に供給される。ＴＥＳ１２はＴＥＳ１２内の電子装置が現在動作していることを示す「アクティブ」信号を経路５８で返す。ＴＥＳ１２内の所定の電子装置がそれぞれの作業を終わると、「アクティブ」信号がローレベルとなり、ＰＧＤ１４内のエネルギー蓄積装置は再度エネルギーを蓄積し始める。このサイクルはタイヤ組立体が所定の閾速度（一般に時速約20キロ）又はそれ以上の速度で回転している限り繰返される。

図４Ｂに示した相互作用の例では、ＰＧＤ１４は上記の電圧信号Ｖdd及び接地信号Ｖssを、ＰＧＤ１４に蓄積されたエネルギーの量を表す「燃料計」信号と一緒にＴＥＳ１２に連続的に出力する。電力がＴＥＳ１２に加えられると、マイクロプロセサ、その他の適当な電子装置は周期的にそれ自身をアクティブ化し、ＰＧＤ１４からの「燃料計」信号を監視することができる。ＰＧＤ１４のエネルギー蓄積装置で十分な量のエネルギーが得られる場合には、ＴＥＳ１２が特定の作業を行う。十分な量のエネルギーが得られない場合には、ＴＥＳ１２は約１μA未満の電力を消費する低電力モードになる。その後、十分なエネルギーが蓄積されるまで燃料計信号が周期的にチェックされる。十分なエネルギーが蓄積されるのを待ち、特定の作業を行い、低電力モードに戻るというこのサイクルはタイヤが所定の閾速度又はそれ以上の速度で回転している限り、連続的に繰返される。

既に述べたように、ＴＥＳ１２はタイヤ又はホイール組立体に含まれる部品の種類に応じて種々の電子装置を含むことができる。タイヤ電子システム１２の具体例として、図５を参照してタイヤ監視システムを以下に説明する。図５のタイヤ監視システムは、タイヤ構造体内の温度及び圧力を測定し、その測定結果を無線（ＲＦ）送信機６８によって遠隔受信機へ送信する。本発明で使用する送信機及び受信機のモジュールの例は、Radiometrix Ltd.からブランド名ＴＸ２及びＲＸ２で市販されているＵＨＦＦＭデータ送信機及び受信機のモジュールである。

図４Ａ及び図４Ｂで説明した５ボルトの電力信号Ｖdd、接地信号Ｖss、及び「アクティブ」信号又は「燃料計」信号は、ＰＧＤ１４からマイクロコントローラ７０へ送られるのが好ましい。本発明で使用するのに適したマイクロコントローラの例は、「Microchip」ブランドのＰＩＣ１６ＬＦ８７６２８-ピンＣＭＯＳＲＩＳＣマイクロコントローラである。このマイクロコントローラ７０は入力６４に電力が加わると、アクティブ化される。次に、このマイクロコントローラ７０は温度センサ７２と圧力センサ７４の両方（及びＴＥＳ１２内の任意の追加センサ又は適当な電子装置）に電力を供給する。本発明で使用するのに適した温度センサ７２の例は、National Semiconductorから商品名ＬＭ５０ＳＯＴ-２３で市販されている単一電源摂氏温度御センサである。本発明で使用するのに適した圧力センサ７４の例は、ICSensors and Measurement Specialities Inc.から商品名Model 1471で市販されているＰＣボード装着可能な圧力センサである。追加センサ７６、７８、８０を用いることによってタイヤ構造体又はそれに対応するホイール組立体の追加の特性をそれぞれ測定することができる。

図５のＴＥＳ１２の実施例の更に別の部品は再充電可能な電池81である。この再充電可能な電池はＰＧＤ１４の圧電構造体２８が発生する電荷を受けるためと、タイヤ電子装置のための追加のエネルギーを蓄積するように設計することもできる。再充電可能な電池８１は一般にキャパシタ４８のような他の蓄積装置よりも長期間エネルギーを蓄積することができる。再充電可能な電池８１に蓄積されたエネルギーを圧電材料ファイバの作動によって発生する電力が十分でないときにマイクロコントローラ７０へ送ることができる。このような状態は例えば車両が静止している時又はタイヤを車両から取外したときに起こり得る。例えば、地上整備員が旅客機の静止したタイヤの空気圧を検査するときにＴＥＳ１２へ電力供給するのに蓄積されたエネルギーが必要となることがある。また、車両からタイヤが取外されているときにタイヤの在庫又は再生タイヤの管理のための情報を入手可能にするために再充電可能な電池８１でＴＥＳ１２へ電力を供給することもできる。

図５のＴＥＳ１２を更に参照すると、マイクロコントローラ７０は複数のセンサ７２〜８０からそれぞれの情報を受信し、その情報をデジタル情報に変換するアナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器を備えるのが好ましい。マイクロコントローラ７０は更に、タイヤ又はホイール組立体を識別するのに十分な情報を提供する唯一の識別タグを蓄積するメモリ、好ましくは不揮発性ＥＥＰＲＯＭを有するのが好ましい。これらの識別変数は商業用途のタイヤ及び車両、例えばトラック輸送群、旅客機等の追跡で使用できる。マイクロコントローラ７0は、複数のセンサ７２〜８０からそれぞれ所望の情報を入手し、デジタル情報に変換した後、センサへの電力を遮断して、ライン８２、８４を介してRF無線送信機６８へ電力を供給するのが好ましい。次いで、所望のデジタル化された情報がデータライン８６を介して無線送信機６８に出力され、ここでデータがＦＭ搬送信号で変調され、アンテナ８８を介して遠隔受信機へ送信される。

本発明の自己電力供給式の電子装置を備えたタイヤ組立体を使用する車両は、各タイヤ組立体から無線送信された情報を得るための単一の受信機を備えるのが好ましい。図６は本発明による遠隔受信機９０の例を表すブロック図である。受信アンテナ９２を用いることによって各ホイール組立体から送信された情報の受信が容易になる。この情報は無線受信機９４へ中継される。受信された情報はこの受信機で搬送信号から復調され、経路９６を介して信号プロセサ９８に出力される。無線受信機94から出力された搬送波検出信号は単一経路１００を介して信号プロセサ９８へ送られる。無線受信機９４から出力されたデータ及び搬送波検出信号は信号プロセサ９８で一緒に増倍されてスプリアスノイズのない信号を得るのが好ましい。誤り確率が低下したこのデータ信号は次にドライバ回路へ送られ、ドライバ回路ではこのデジタル信号をＲＳ２３２インターフェース１０２を介したホストコンピュータ１０４への送信に適した電圧レベルの信号に変換するのが好ましい。ホストコンピュータ１０４では端末エミュレーションソフトウェアを用いてＲＳ２３２インターフェース１０２を介して受信したデータを一般ユーザが使い易い情報、例えば表示モジュールで読むことのできる情報に変換するのが好ましい。

本明細書に具体的に開示した以外の電子装置を本発明の電力発生技術では利用できるということは理解できよう。例えば、温度、圧力及び識別情報以外の各種情報を遠隔位置に送信することが考えられる。その例としてはタイヤの回転数、タイヤの変位量及び車両速度が挙げられる。上記米国特許第5,749,984号明細市には本発明の対象と一緒に使用可能なタイヤ監視システムの他の例が開示されている。この特許の内容は本明細書の一部を成す。タイヤ電子システムを車両の正確な位置を示すための衛星航法システム（ＧＰＳ）と組み合わせることもできる。また、圧電ＰＧＤを，ホイール組立体内の光組立体又はフィードバックシステムの電力供給に使用することもできる。本発明によって電力供給可能な電子装置アプリケーションは莫大な数にのぼり、本発明対象が特定な用途に限定されるものではない。

本発明の電力発生システム及び方法の実施例は、タイヤ又はホイールの組立体１つ当たり１つの電力発生装置と１つのタイヤ電子装置モジュールを設けることに限定されるものではないことは、本発明から理解できよう。更に、ここの開示した複数の素子の選択的な組合せは、本発明の技術思想及び範囲においては限定されるものでもない。図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃを参照するならば、図１に示すタイヤ内又はホイール組立体内に組合せた本発明の様々な例が図示されている。

図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃを参照するならば、複数の圧電素子１４０がタイヤ内又はホイール組立体内に設けることができる。それら圧電素子１４０は、タイヤ又はホイールの組立体内に互いに隣接して配置することもでき、又は、タイヤ又はホイールの組立体の全体において異なる位置に分散することもできる。圧電素子１４０は、或る実施例では、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに図示してそれぞれ参照して説明した圧電素子２８、２８’及び２８”を具備することができ、又は別の或る実施例では、図７Ａから図７Ｄに示した圧電セラミックウエハを具備することもできる。図９Ａの各圧電素子１４０は、圧電素子が取り付けられたタイヤ又はホイールの組立体の接触パッチをを通過するときに、エネルギーを発生する。

特に図９Ａを参照するならば、圧電素子１４０は、直列又は並列に電気的に接続され、中央エネルギー蓄積モジュール１４２に結合されている。エネルギー蓄積モジュール１４２は、図３に例を示したような電力調整回路を具備しており、その電力調整回路は、それぞれの圧電素子１４０が発生したエネルギーを蓄積するためのキャパシタ又は（２次）電池のようなエネルギー蓄積装置を有している。このエネルギー蓄積モジュール１４２は更に、ＴＥＳ１２のような電子装置モジュールに接続されており、ＴＥＳ１２内のアプリケーション電子装置が、エネルギー蓄積モジュール１４２に蓄積された電力を受けることができる。

図９Ｂ及び図９Ｃを参照するならば、分散配置された圧電素子１４０が、直列又は並列に電気的に接続され、各々別々のローカルエネルギー蓄積モジュール１４２に結合されている。各エネルギー蓄積モジュール１４２は、図３に例を示したような電力調整回路を具備しており、その電力調整回路は、それぞれの圧電素子１４０が発生したエネルギーを蓄積するためのキャパシタ又は（２次）電池のようなエネルギー蓄積装置を有している。図９Ｂを参照するならば、複数のエネルギー蓄積モジュール１４２が、直列又は並列に接続されて、ＴＥＳ１２のような中央電子装置モジュールにエネルギーを供給し、ＴＥＳ１２内のアプリケーション電子装置が、エネルギー蓄積モジュール１４２に蓄積された電力を受けることができる。又は、図９Ｃにおいては、複数のエネルギー蓄積モジュール１４２の各々が、それぞれ別々のＴＥＳ１２のようなローカル電子装置モジュールにエネルギーを供給する。ここで、複数のローカル電子装置モジュール１２は、タイヤ又はホイールの組立体全体の様々な場所に分散することができ、互いに同様な機能を遂行することも、又は互い異なる機能を遂行して、それぞれ別々の場所で異なるパラメータを測定することもできる。

以上、特定な実施例を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明では上記実施例を変更、変形し、均等物に置換できるということは当業者には理解できよう。従って、上記の開示は単なる例であって本発明がそれに限定されるものではなく、本発明は変更、変形及び／又は追加を除外するものではないということは当業者には理解できよう。

本発明の自己電力供給式電子装置が一体化された空気タイヤ構造体の１つの例示的な実施例の横断面図。本発明の電力発生装置に使用される圧電装置構造体の第１実施例の斜視図。本発明の電力発生装置に使用される圧電装置構造体の第２実施例の斜視図。本発明の電力発生装置に使用される圧電装置構造体の第３実施例の分解部品配列斜視図。本発明の電力発生装置、特に電力調整モジュールに係る部分の実施例の概念回路図。本発明の電力発生装置とタイヤ電子システムとを含む、タイヤ構造体に一体化された自己電力供給式電子装置と、それらの相互作用を示す一実施例のブロック図。本発明の電力発生装置とタイヤ電子システムとを含む、タイヤ構造体に一体化された自己電力供給式電子装置と、それらの相互作用を示す別の実施例を示すブロック図。本発明のタイヤ電子システムの１つの例示的な実施例を示すブロック図。本発明の遠隔受信装置の１つの例示的な実施例を示すブロック図。図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ及び図７Ｄは、本発明の電力発生装置に使用するための重ねて組合せた複数の圧電素子の配置例を示す図。図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の電力発生装置に使用するための直列及び並列に組合せた複数の圧電素子の配置例を示す図。図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃは、本発明の電力発生装置及びタイヤ構造体電子装置システムの例示的な実施例における１つ以上のエネルギー蓄積装置と１つ以上のアプリケーション電子装置モジュールに接続された複数の圧電素子の例を図示する図。本発明による自己電力供給式電子装置が一体化された、タイヤ内部のホイールリム上に安全支持体が装着されたタイヤ構造体の軸方向の半分の概略断面図。安全支持体がランフラット状態にある図１０のタイヤと安全支持体のの軸方向の半分の概略断面図。本発明による自己電力供給式電子装置が一体化された、非空気式の構造的に支持されているタイヤの例の側面図。

符号の説明

１０タイヤ組立体
１２タイヤ電子装置
１４電力発生装置（ＰＧＤ）
１６タイヤ構造体
２８圧電素子

Claims

電力発生装置が一体化されたタイヤ組立体であって、
地面と接触するトレッド部分を少なくとも有するタイヤ構造体と、
前記タイヤ構造体と一体化され、且つ前記タイヤ構造体が機械歪みを受けると電荷を発生するように構成された圧電装置と、
前記圧電装置から前記電荷を受けてこの電荷の少なくとも一部を蓄積するように前記圧電装置に結合されている少なくとも１つのエネルギー蓄積装置と、
前記タイヤ構造体と一体化されており、前記少なくとも１つのエネルギー蓄積装置に結合されている、タイヤパラメータを監視するための電子装置組立体とを備え、この電子装置組立体の内の選択された電子的な構成要素が、前記少なくとも１つのエネルギー蓄積装置に蓄積された電荷で電力供給され、
前記タイヤ構造体は、地面と接触するトレッド部分を有するクラウン部分と、ホイールリムに空気タイヤ構造体を据え付けるビード部分と、各ビード部分とクラウン部分との間に延在するサイドウォール部分と、を有する空気タイヤ構造体であり、
前記ビード部分の間で前記サイドウォール部分と前記クラウン部分とを横断して空気タイヤ構造体内にカーカスが設けられ、
前記トレッド部分と前記カーカスとの間の前記空気タイヤ構造体の前記クラウン部分内にベルトパッケージが設けられ、
インナーライナーが空気タイヤ構造体の内面を形成し、
前記圧電装置は、前記空気タイヤ構造体を形成する材料内に埋め込まれ、且つ、前記トレッド部分と前記ベルトパッケージとの間の前記空気タイヤ構造体の前記クラウン部分内の埋め込み位置、前記カーカスと前記タイヤ外面との間の前記空気タイヤ構造体の前記クラウン部分内の埋め込み位置、及び、前記空気タイヤ構造体の前記ビード部分のうち選択した１つの近くの埋め込み位置からなるグループから選択される位置に設けられていることを特徴とするタイヤ組立体。
前記圧電装置は、
直列又は並列に接続された複数の圧電セラミック素子と、
前記複数の圧電セラミック素子を実質的に囲んでいる保護ケーシングと、
前記複数の圧電セラミック素子に接続するための第１及び第２の電気リード線とを有している請求項１に記載のタイヤ組立体。
前記複数の圧電セラミック素子の分極方向が互いに同相又は逆相に構成されており、前記複数の圧電セラミック素子の変位が、ｄ３３モード又はｄ３１モードであるように構成されている請求項２に記載のタイヤ組立体。
電力発生装置が一体化されたタイヤ組立体であって、
地面と接触するトレッド部分を少なくとも有するタイヤ構造体と、
前記タイヤ構造体と一体化され、且つ前記タイヤ構造体が機械歪みを受けると電荷を発生するように構成された圧電装置と、
前記圧電装置から前記電荷を受けてこの電荷の少なくとも一部を蓄積するように前記圧電装置に結合されている少なくとも１つのエネルギー蓄積装置と、
前記タイヤ構造体と一体化されており、前記少なくとも１つのエネルギー蓄積装置に結合されている、タイヤパラメータを監視するための電子装置組立体とを備え、この電子装置組立体の内の選択された電子的な構成要素が、前記少なくとも１つのエネルギー蓄積装置に蓄積された電荷で電力供給され、
前記タイヤ構造体は、地面と接触するトレッド部分を有するクラウン部分と、ホイールリムに空気タイヤ構造体を据え付けるビード部分と、各ビード部分とクラウン部分との間に延在するサイドウォール部分と、を有する空気タイヤ構造体であり、
前記ビード部分の間で前記サイドウォール部分と前記クラウン部分とを横断して空気タイヤ構造体内にカーカスが設けられ、
前記トレッド部分と前記カーカスとの間の前記空気タイヤ構造体の前記クラウン部分内にベルトパッケージが設けられ、
インナーライナーが空気タイヤ構造体の内面を形成し、
前記タイヤ組立体は、更に、
圧力が失われたときに前記空気タイヤ構造体の前記トレッド部分を支持する前記空気タイヤ構造体内側のホイールリム上に取付けられる安全支持体を備え、前記安全支持体は、前記ホイールリムの周りと合うようにされている内面と、圧力が失われたときに前記空気タイヤ構造体のトレッド部分によって係合されるようにされている外側キャップとを有する環状本体を備え、
前記圧電装置は、前記空気タイヤ構造体の圧力が失われている状態において前記安全支持体が機械歪みを受けるときに、電荷を発生するように構成されていることを特徴とするタイヤ組立体。
前記圧電装置は、前記安全支持体の前記外側キャップに取り付けられている位置、及び前記安全支持体の一部に埋込まれている位置からなるグループから選択された位置に設けられている請求項４に記載のタイヤ組立体。
前記電子装置組立体は、空気圧が失われた状態で前記空気タイヤ構造体が走行した回転数を計数するように構成されている１つ又は２つ以上の電子構成要素と、タイヤ圧力及びタイヤ温度の１つ又は２つ以上を監視するように構成された少なくとも１つのセンサと、情報を遠隔の場所に中継するための無線周波数装置と、前記安全支持体のコンタクトパッチを測定するように構成された電子構成要素と、前記空気タイヤ構造体の空気圧が失われたことを知らせる起動機構と、前記空気タイヤ構造体の空気圧が失われたとき信号表示をする電子構成要素とを有している請求項４に記載のタイヤ組立体。
電力発生装置が一体化されたタイヤ組立体であって、
地面と接触するトレッド部分を少なくとも有するタイヤ構造体と、
前記タイヤ構造体と一体化され、且つ前記タイヤ構造体が機械歪みを受けると電荷を発生するように構成された圧電装置と、
前記圧電装置から前記電荷を受けてこの電荷の少なくとも一部を蓄積するように前記圧電装置に結合されている少なくとも１つのエネルギー蓄積装置と、
前記タイヤ構造体と一体化されており、前記少なくとも１つのエネルギー蓄積装置に結合されている、タイヤパラメータを監視するための電子装置組立体とを備え、この電子装置組立体の内の選択された電子的な構成要素が、前記少なくとも１つのエネルギー蓄積装置に蓄積された電荷で電力供給され、
前記タイヤ構造体は、
強化環状バンドと、前記強化環状バンドの端から端まで横方向に延び且つ前記強化環状バンドから半径方向内側に向かって延びる複数のウェブスポークと、前記複数のウェブスポークの半径方向内側端に設けられた取付けバンドと、を有する非空気式の支持構造のタイヤであり、
トレッド部分は、前記強化環状バンドの半径方向外側の範囲に設けられ、
前記圧電装置は、前記非空気式の支持構造のタイヤに一体化されており、タイヤが機械歪みを受けるときに、電荷を発生するように構成されていることを特徴とするタイヤ組立体。
前記圧電装置は、前記非空気式の支持構造のタイヤの前記強化環状バンドの内部、及び、前記非空気式の支持構造のタイヤの前記複数のウェブスポークの１つ又は２つ以上、からなるグループから選択された位置に取り付けられている請求項７に記載のタイヤ組立体。
前記電子装置組立体は、前記非空気式の支持構造のタイヤが走行した回転数を計数するように構成されている１つ又は２つ以上の電子構成要素と、選択した情報を遠隔の場所に中継するための無線周波数装置と、前記非空気式の支持構造のタイヤのコンタクトパッチを測定して、タイヤの負荷レベルを示すように構成されている電子構成要素と、前記非空気式の支持構造のタイヤの使用履歴に係る情報を記憶するようになされたメモリ装置とを有している請求項８に記載のタイヤ組立体。