JP5405795B2 - 発電装置及びタイヤ空気圧測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電装置及びタイヤ空気圧測定装置に関するものである。

近年、自動車の安全性向上のため、走行中にタイヤの空気圧を監視し、必要に応じてドライバに警報を発生するタイヤ空気圧警報システム（ＴＰＭＳ）の開発が盛んに進められている。このようなＴＰＭＳにおいては、タイヤの空気圧を測定する空気圧センサと、この空気圧センサにより検知されたタイヤ空気圧を自動車本体に設けられたモニタ本体へ無線で送信するための無線通信装置と、それらを制御するための制御装置と、空気圧センサ等に電力を供給するための電力供給装置と、がタイヤ内に設けられている。

従来は、上述した電力供給装置として一次電池を内蔵して、長時間動作のために無線通信装置によるタイヤ空気圧の送信を間欠的に行っていた。しかしながら、電力供給装置として一次電池を用いる場合、電池容量が低下する毎に電池交換する必要があった。また、動作状態によっては電池交換前に電池容量の低下が生じて通信故障などを生じる可能性もあった。

そこで、電池の交換をなくすために、電力供給装置として二次電池を内蔵して、タイヤの回転力やタイヤの圧力変化を圧電素子に伝えて圧電素子により発電した電力を二次電池に蓄積するものも提案されている（特許文献１〜４）。しかしながら、圧電素子を用いる場合は、圧電素子が高価なためコストが上昇する、という問題があった。また、頻繁に圧電素子が変形し、しかもタイヤ内の環境条件も劣悪であるため、圧電素子の劣化が早く、恒久的に電力を供給するのが困難な状況である、という問題があった。
特開２００７−２８２３５号公報 特開２００６−３２９７７２号公報 特開２００５−２１８２１８号公報 特開２００５−１８６９３０号公報

そこで、本発明は、耐久性のある発電装置及び電池交換が不要で耐久性のあるタイヤ空気圧測定装置を安価に提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、回転駆動される回転体に固定され、前記回転体の回転体用回転軸とは径方向に離間して設けられた回転軸と、前記回転軸の一端に回転自在に取り付けられると共に前記回転軸を中心とした周方向の質量が偏るように設けられた円盤状のマグネットと、前記マグネットと磁気的に結合して発電する前記回転体に固定されたコイルと、を備え、前記回転軸は、前記回転体に固定された基板に直交するように、他端が前記基板に固定され、前記コイルは、コイル長さ方向が前記基板と直交するように基板に搭載され、円盤状の前記マグネットの一部に穴を設けることにより、周方向に質量が偏るように設けたことを特徴とする発電装置に存する。

請求項２記載の発明は、前記回転体がタイヤで構成された請求項１記載の発電装置と、前記発電装置で発生する電力を蓄電される蓄電装置と、前記蓄電装置に蓄えられた電力により動作して前記タイヤの空気圧を測定する空気圧センサと、を備えたことを特徴とするタイヤ空気圧測定装置に存する。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、回転体の回転速度が遅いうちは回転体が回転すると、マグネットは質量の重い部分が鉛直下側に位置するようにマグネットの回転軸を中心として回転する。これにより、回転体の回転に応じてマグネットとコイルとの相対位置が変わってコイル内に生じる磁束が変化してコイルが発電する。従って、圧電素子を用いることなく回転体の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して発電することができるため、耐久性のある発電装置を安価に得ることができる。また、回転体の回転速度が速くなりマグネットに生じる遠心力が大きくなると、マグネットは質量の重い部分が回転体の回転軸から離れた側に位置してマグネットの回転軸を中心として回転しない。これにより、回転速度が速く過充電となるときには、回転体が回転してもマグネットとコイルとの相対位置が変わらずにコイルの発電が停止する。従って、過充電を防止することができる発電装置を得ることができる。

請求項１記載の発明によれば、マグネットに穴を設けるだけで簡単にマグネットの質量を偏らせることができる。

請求項２記載の発明によれば、回転体の回転速度が遅いうちは回転体が回転すると、マグネットは質量の重い部分が鉛直下側に位置するようにマグネットの回転軸を中心として回転する。これにより、回転体の回転に応じてマグネットとコイルとの相対位置が変わってコイル内に生じる磁束が変化してコイルが発電する。従って、圧電素子を用いることなく回転体の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して発電することができ、電池交換が不要で耐久性のあるタイヤ空気圧測定装置を安価に得ることができる。また、回転体の回転速度が速くなりマグネットに生じる遠心力が大きくなると、マグネットは質量の重い部分が回転体の回転軸から離れた側に位置してマグネットの回転軸を中心として回転しない。これにより、回転速度が速く過充電となるときには、回転体が回転してもマグネットとコイルとの相対位置が変わらずにコイルの発電が停止する。従って、過充電を防止することができるタイヤ空気圧測定装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、タイヤ空気圧測定装置１は、自動車のタイヤ３（＝回転体）に設けられている。タイヤ３は、タイヤ回転軸Ｃ１を中心に回転駆動される。タイヤ３は、タイヤ本体３１と、タイヤホイール３２と、から構成されている。

タイヤ空気測定装置２は、図２に示すように、空気圧センサ２１と、無線通信装置２２と、制御装置２３と、二次電池２４（＝蓄電装置）と、基板２５（図３及び図４）と、発電装置２６と、を備えている。空気圧センサ２１は、タイヤ３の空気圧を測定するための周知のセンサである。無線通信装置２２は、アンテナＡＴを用いて空気圧センサ２１が測定した空気圧を自動車車体に設けられたモニタ本体（図示せず）に対して無線送信する装置である。

制御装置２３は、例えば中央演算装置などから構成されていて、空気圧センサ２１及び無線通信装置２２の動作を制御する装置である。二次電池２４は、上述した空気圧センサ２１、無線通信装置２２及び制御装置２３などに電力を供給する電源である。空気圧センサ２１、無線通信装置２２及び制御装置２３は、二次電池２４からの電力供給を受けて動作する。基板２５は、上記空気圧センサ２１、無線通信装置２２及び制御装置２３などが搭載されている。基板２５は、タイヤ回転軸Ｃ１と直交するようにタイヤホイール３２に固定され、タイヤ３の回転に応じてタイヤ回転軸Ｃ１周りを回転する。

発電装置２６は、タイヤ３の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して、変換した電気エネルギーを二次電池２４に充電する装置である。発電装置２６は、図３及び図４に示すように、ホイール回転軸Ｃ２と、金属ホイール２６１（＝マグネット）と、コイル２６２と、を備えている。ホイール回転軸Ｃ２は、一端が基板２５と直交するように基板２５に固定されている。よって、ホイール回転軸Ｃ２は、基板２５を介してタイヤ回転軸Ｃ１と平行になるようにタイヤホイール３２に固定されている。ホイール回転軸Ｃ２は、他端が金属ホイール２６１に取り付けられている。

金属ホイール２６１は、円盤状に形成された金属板から構成されている。金属ホイール２６１は、その中心がホイール回転軸Ｃ２に回転自在に取り付けられている。金属ホイール２６１は、ホイール回転軸Ｃ２を中心として周方向Ｙ１に沿ってＮ極、Ｓ極が１極づつ着磁された磁気を帯びたマグネットである。金属ホイール２６１は、タイヤ回転軸Ｃ１と直交するように基板２５に取り付けられている。

金属ホイール２６１には、その中心から外れた位置に穴としての空洞部２６３が設けられている。この空洞部２６３を設けることにより金属ホイール２６１は、ホイール回転軸Ｃ２を中心とした周方向Ｙ１の質量が偏るように設けられている。より詳しく説明すると、金属ホイール２６１の空洞部２６３が設けられた部分の質量が軽くなり、金属ホイール２６１のホイール回転軸Ｃ２を挟んだ空洞部２６３とは反対側の部分Ａの質量が重くなる。

コイル２６２は、導線を螺旋状に巻いて設けられている。コイル２６２は、コイル長さ方向が基板２５と直交するように基板２５上の金属ホイール２６１の下に搭載されている。コイル２６２は、発電した電気エネルギーを二次電池２４に充電するように設けられている。

次に、上述した構成の発電装置２６の発電原理について図５及び図６を参照して説明する。タイヤ３が回転すると金属ホイール２６１はタイヤ回転軸Ｃ１周りを回転する。タイヤ３の回転が遅いうちはタイヤ３が回転すると、図５（Ａ）に示すように、金属ホイール２６１は、質量の軽い空洞部２６３が設けられた部分が鉛直上側に位置し、質量の重い部分Ａが鉛直下側に位置するようにホイール回転軸Ｃ２を中心として回転する。即ち、タイヤ３が１回転する毎に、金属ホイール２６１はホイール回転軸Ｃ２周りを１周する。従って、タイヤ３の回転に応じて金属ホイール２６１とタイヤ３との相対位置は変化する。

一方、コイル２６２は、基板２５を介してタイヤ３に固定されているため、タイヤ３が回転してもコイル２６２とタイヤ３との相対位置は変化しない。このため、図５（Ｂ）に示すように、タイヤ３の回転に応じて金属ホイール２６１とコイル２６２との相対位置が変わってコイル２６２内に生じる磁束φが変化してコイル２６２が発電する。より詳しく説明すると、例えば、金属ホイール２６１がタイヤ回転軸Ｃ１の真右に位置しているときは、コイル２６２は金属ホイール２６１のＳ極側に位置する。よって、コイル２６２には基板２５側に向かう磁束φが発生する。

その後、タイヤ３が矢印Ｙ２方向に回転すると、金属ホイール２６１がタイヤ回転軸Ｃ１周りを回転して、コイル２６２は金属ホイール２６１のＳ極側から離れる。よって、コイル２６２に発生している基板２５側に向かう磁束φは、金属ホイール２６１がタイヤ回転軸Ｃ１の真上に近づくほど小さくなる。そして、金属ホイール２６１がタイヤ回転軸Ｃ１の真上に位置すると、コイル２６２は金属ホイール２６１のＳ極及びＮ極の中間に位置して、コイル２６２に発生する磁束φは０となる。

その後、タイヤ３が矢印Ｙ２方向に回転すると、金属ホイール２６１がタイヤ回転軸Ｃ１周りをさらに回転して、コイル２６２は金属ホイール２６１のＮ極に近づく。よって、コイル２６２には基板２５から離れた側に向かう磁束φが発生し、この磁束φは、金属ホイール２６１がタイヤ回転軸Ｃ１の真左に近づくに従って大きくなる。そして、金属ホイール２６１がタイヤ回転軸Ｃ１の真左に位置すると、コイル２６２は金属ホイール２６１のＮ極側に位置して、基板２５から離れた側に向かう磁束φが最大となる。

その後、タイヤ３が矢印Ｙ２方向に回転すると、属ホイール２６１がタイヤ回転軸Ｃ１周りをさらに回転して、コイル２６２は金属ホイール２６１のＮ極側から離れる。よって、コイル２６２に発生している基板２５からはなれた側に向かう磁束φは、金属ホイール２６１がタイヤ回転軸Ｃ１の真下に近づくほど小さくなる。そして、金属ホイール２６１がタイヤ回転軸Ｃ１の真下に位置すると、コイル２６２は金属ホイール２６１のＳ極及びＮ極の中間に位置して、コイル２６２に発生する磁束φは０となる。

さらに、タイヤ３が矢印Ｙ２方向に回転すると、属ホイール２６１がタイヤ回転軸Ｃ１周りをさらに回転して、コイル２６２は金属ホイール２６１のＳ極に近づく。よって、コイル２６２には基板２５側に向かう磁束φが発生し、この磁束φは、金属ホイール２６１がタイヤ回転軸Ｃ１の真右に近づくに従って大きくなる。そして、金属ホイール２６１がタイヤ回転軸Ｃ１の真右に位置すると、コイル２６２は金属ホイール２６１のＳ極に位置して、基板２５側に向かう磁束φが最大となる。コイル２６２は、タイヤ３の一回転に応じて上述したような磁束変化が生じ、発電する。タイヤ３の回転速度が速くなるに従って、磁束の変化速度も速くなり発電量が増加する。従って、圧電素子を用いることなくタイヤ３の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して発電することができ、電池交換が不要で耐久性のあるタイヤ空気圧測定装置１を安価に得ることができる。

また、タイヤ３の回転速度が速くなるに従って、金属ホイール２６１にかかる遠心力は大きくなる。この遠心力は、金属ホイール２６１の質量の重い部分Ａをタイヤ回転軸Ｃ１から離れた側に引っ張る力である。そして、タイヤ３の回転速度が所定速度を越えると、金属ホイール２６１の質量の重い部分Ａにかかる重力よりも遠心力が大きくなる。この結果、図６（Ａ）に示すように、金属ホイール２６１は、質量の重い部分Ａがタイヤ３のタイヤ回転軸Ｃ１から離れた側に位置して金属ホイール２６１のホイール回転軸Ｃ２を中心として回転しない。従って、タイヤ３が回転しても金属ホイール２６１とタイヤ３との相対位置は変わらない。

また、上述したようにコイル２６２は、基板２５を介してタイヤ３に固定されていて、タイヤ３が回転しても金属ホイール２６１とタイヤ３との相対位置は変わらない。このため、図６（Ｂ）に示すように、回転速度が所定速度を越えるとタイヤ３が回転しても金属ホイール２６１とコイル２６２との相対位置が変わらずにコイル２６２内に生じる磁束が変化しなくなりコイル２６２の発電が停止する。従って、タイヤ３の回転速度が速くなり発電量が多くなりすぎると、二次電池２４を過充電してしまう恐れがあるが、本実施形態によれば、タイヤ３の回転速度が所定速度を超えるとコイル２６２の発電が停止されるため、過充電を防止することができる。なお、コイル２６２が発電を停止する回転速度は部分Ａの質量を調整することにより自由に変えることができる。

また、上述した実施形態によれば、円盤状の金属ホイール２６１の一部に空洞部２６３を設けている。これにより、金属ホイール２６１の一部に空洞部２６３を設けるだけで簡単に金属ホイール２６１の質量を偏らせることができる。

なお、上述した実施形態によれば、金属ホイール２６１の内部に空洞部２６３を設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、金属ホイール２６１を貫通する貫通穴を設けてもよい。

また、上述した実施形態によれば、金属ホイール２６１の内部に空洞部２６３を設けて質量を偏らせていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、金属ホイール２６１内に錘を埋め込んで金属ホイール２６１の質量を偏らせてもよい。

また、上述した実施形態によれば、コイル２６２は金属ホイール２６１の真下に設けられていたが、本発明はこれに限ったものではない。コイル２６２の配置位置としては、金属ホイール２６１と磁気的に結合するような範囲内であればよい。即ち、金属ホイール２６１の磁気によりコイル２６２に磁束φが発生するような範囲内であればよい。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明のタイヤ空気圧測定装置を組み込んだタイヤの一実施形態を示す図である。 図１に示すタイヤ空気圧測定装置の電気構成図を示すブロック図である。 図１に示すタイヤ空気圧測定装置の正面図である。 図１に示すタイヤ空気圧測定装置の側面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、タイヤの回転が低速のときの金属ホイールとタイヤとの位置関係を示す説明図及び金属ホイールとコイルとの位置関係を示す説明図であり、（Ｃ）はコイルに生じる磁束を示す説明図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、タイヤの回転が高速のときの金属ホイールとタイヤとの位置関係を示す説明図及び金属ホイールとコイルとの位置関係を示す説明図である。

符号の説明

１ タイヤ空気圧測定装置
３ タイヤ（回転体）
２１ 空気圧センサ
２４ 二次電池（蓄電装置）
２６ 発電装置
２６１ 金属ホイール（マグネット）
２６２ コイル
２６３ 空洞部（穴）
Ｃ１ ホイール回転軸（回転軸）

Claims (2)

1. 回転駆動される回転体に固定され、前記回転体の回転体用回転軸とは径方向に離間して設けられた回転軸と、
   前記回転軸の一端に回転自在に取り付けられると共に前記回転軸を中心とした周方向の質量が偏るように設けられた円盤状のマグネットと、
   前記マグネットと磁気的に結合して発電する前記回転体に固定されたコイルと、を備え、
   前記回転軸は、前記回転体に固定された基板に直交するように、他端が前記基板に固定され、
   前記コイルは、コイル長さ方向が前記基板と直交するように基板に搭載され、
   円盤状の前記マグネットの一部に穴を設けることにより、周方向に質量が偏るように設けたことを特徴とする発電装置。
2. 前記回転体がタイヤで構成された請求項１記載の発電装置と、
   前記発電装置で発生する電力を蓄電される蓄電装置と、
   前記蓄電装置に蓄えられた電力により動作して前記タイヤの空気圧を測定する空気圧センサと、
   を備えたことを特徴とするタイヤ空気圧測定装置。

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