JP5571206B1 - 電磁式発電機の装着方法及び電磁式発電機内蔵タイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】タイヤ種によらず装着される電磁式発電機の発電能力を向上させることのできる電磁式発電機とその装着方法、及び、電磁式発電機が装着されたタイヤを提供する。
【解決手段】タイヤ２０の内面に振り子構造を有する電磁式発電機１０を装着する際に、電磁式発電機１０の等価振り子長さｌで決まる振り子１４の周期λの整数倍が、タイヤ２０の周長Ｌの整数倍、及び、タイヤ２０の周長Ｌから接地長Ｃを引いたタイヤの非接地部分の長さＳ、のいずれとも一致しないように、振り子１４の等価振り子長さｌを調整するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、タイヤの内面に装着される電磁式発電機の装着方法、及び、電磁式発電機が装着されたタイヤに関するものである。

従来、タイヤの内面に装着されるタイヤ内発電装置として、振り子構造を有する電磁式発電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
電磁式発電機は、タイヤの転動時には、タイヤ内部で永久磁石がコイルに対して振り子状に揺れ動いているが、特に、タイヤの接地開始点（踏み込み点）及び接地終了点（蹴り出し点）では、タイヤ内面周方向に発生する前後加速度により、振り子が急激に加速されるので、コイルの両端には高電圧が発生する。
このような構成の電磁式発電機では、発電能力を向上させるため、振り子部分のイナーシャの低減を目的として、等価振り子長さを短くする方法が採用されている。

特開２０１１−２３９５１０号公報

しかしながら、従来の電磁式発電機では、等価振り子長さを設定する際にタイヤサイズを考慮していないため、等価振り子長さとタイヤの動半径との組み合わせによっては発電能力が低下する場合があった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、タイヤ種によらず装着される電磁式発電機の発電能力を向上させることのできる電磁式発電機の装着方法、及び、電磁式発電機が装着されたタイヤを提供することを目的とする。

本願発明は、タイヤ内面に振り子構造を有するタイヤ内発電装置を装着する方法であって、前記電磁式発電機の等価振り子長さで決まる振り子の固有波長λの整数倍が、前記タイヤの周長の整数倍、及び、タイヤの周長から接地長を引いた前記タイヤの非接地部分の長さ、のいずれとも一致しないように、前記等価振り子長さを調整した電磁式発電機を前記タイヤに装着することを特徴とする。
これにより、タイヤの回転周期と発電機の振り子の周期とが一致することがないので、振り子を間欠的に高速回転でき、安定した高電圧を得ることができる。
なお、タイヤの非接地部分の長さは、タイヤを規格リムに装着した状態で正規内圧/正規荷重を加えたときの非接地部分の長さをいう。
また、等価振り子長さｌは、振り子を構成する剛体の質量をＭ、回転軸と振り子の重心との距離をｄ、振り子の回転軸周りの慣性モーメントをＩとすると、ｌ＝Ｉ/（Ｍ・ｄ）と表わせる。

また、本願発明は、タイヤ内面側に振り子構造を有する電磁式発電機が装着されたタイヤであって、前記電磁式発電機が、基台と、少なくとも一部が磁石から構成されて回転中心と重心とが異なるように前記基台に取付けられて回転する回転体と、前記磁石からの磁界に交差するように前記基台に固定されたコイルとを備えた振り子構造を有し、前記回転体の等価振り子長さｌと前記タイヤの動半径Ｒとが、（Ｒ・ｌ）^1/2 ＝ｐ・Ｒ（ｐ；正の非整数）の関係にあることを特徴とする。
これにより、振り子運動の定在波化による発生電圧の低下を防止できるとともに、振り子を大きく加速できる最適位置を何度も通過できるので、振り子を効率的に加速することができる。したがって、振り子を高速回転運動させて発生電圧を高めることができるので、タイヤ内に設けられたセンサーやデバイス、更には、無線機に安定して電力を供給することができる。
また、本願発明は、前記タイヤの非接地部分の長さをＳとしたとき、前記等価振り子長さｌと前記動半径Ｒと前記非接地部分の長さＳとが、２πｑ・（Ｒ・ｌ）^1/2 ＝Ｓ（ｑ；正の非整数）の関係にあることを特徴とする。
これにより、タイヤ１回転に対して振り子運動の定在波化を防止できるので、発電機を効率よく加速でき、発電機の発電能力を更に向上させることができる。

なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

本発明の実施の形態に係る振り子型電磁式発電機を示す模式図である。 タイヤ転動時のタイヤ形状と周方向加速度波形を示す図である。 振り子の加速状態を説明するための図である。 周方向加速度波形と発電電圧との関係を示す図である（タイヤ１周分）。 振り子の最下点と踏み込み位置と発電電圧との関係を示す図である。 ２周長波長比と電圧平均値との関係を示す図である。 非接地長と振り子波長の整数倍とが一致した場合の振り子位置と発電電圧との関係を示す図である。 非接地長と振り子波長の整数倍とが不一致である場合の振り子位置と発電電圧との関係を示す図である。 非接地長波長比と電圧平均値との関係を示す図である。 振り子型電磁式発電機の他の例を示す図である。

以下、実施の形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また、実施の形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る振り子型電磁式発電機（以下、発電機という）１０を示す模式図で、（ａ）図はタイヤ軸方向に垂直な面で切った断面図、（ｂ）はタイヤ径方向に垂直な面で切った断面図である。
発電機１０は、タイヤ２０内に設置される平板状の基台１１と、基台１１の中央部に立設された回転支持部材１２と、中央部が回転支持部材１２の基台１１とは反対側に、軸受け１２ｊを介して、回転支持部材１２に回転自在に取り付けられた回転軸１３と、一端が回転軸１３の端部側に固定された支持棒１４ａと支持棒１３の他端側に取付けられた円板状の永久磁石１４ｂとを有する一対の振り子１４と、回転支持部材１２の基台１１側に装着された円板状のコイル１５と、コイル１５の両端に接続された整流回路１６とコイル１５で発電された電荷を蓄積する蓄電器１７とを備える。

発電機１０は、回転軸１３の延長方向がタイヤ回転軸の方向と平行になるように、トレッド２１の裏面側で、インナーライナー部２２のタイヤ気室２３側のほぼ中央部に設置され、タイヤ２０の回転とともに回転する。
円板状の永久磁石１４ｂが振り子の重りに相当する。
一対の永久磁石１４ｂ，１４ｂは互いに対向する面の磁極が互いに異なるように着磁されている。一方、コイル１５は、被覆導線を回転軸１３の延長方向と平行な軸周りに巻きまわして形成され、振り子１４の重りである永久磁石１４ｂが最下位置（タイヤ径方向外側）に位置したときに、中心が永久磁石１４ｂの中心とほぼ一致する位置に固定される。
整流回路１６と蓄電器１７とは、基台１１上の、回転支持部材１２、振り子１４などの部品の隙間の空間に配置される。

タイヤ２０が接地した状態で転動すると、発電機１０の振り子１４には、図２（ａ）に示す、踏み込み点と呼ばれる接地開始点Ｆと蹴り出し点と呼ばれる接地終了点Ｋにおいて、図２（ｂ）に示すような、周方向加速度が生じるため、振り子１４は加速されて回転軸１３周りに振り子運動する。その結果、コイル１５を貫く磁束密度が変化してコイル１５の両端に電圧（誘導起電力）が発生する。この誘導起電力は、整流回路１６を構成する整流機と平滑コンデンサーとにより整流され、蓄電器１７に蓄電される。
図３は、周方向加速度とコイル１５の両端に発生した電圧（発電電圧）の時間変化を示す図で、振り子１４は、踏み込み時及び蹴り出し時に周方向加速度を受けて運動速度が増し、その結果、発電電圧が上昇する。すなわち、図３の左方では振り子１４が十分加速されていないため、振り子１４の振幅が小さく、発電電圧も低い。しかし、振り子１４はタイヤ１回転毎に周方向加速度を受けて加速されるので、振り子１４の振幅は徐々に大きくなり、図３の右方では振り子１４は振り子運動から高速回転運動に移行し、その結果、発電電圧も上昇する。

振り子１４の振り子運動の周期Ｔは、振り子１４の等価振り子長さをｌ、重力加速度をＧとすると、Ｔ＝２π（ｌ/Ｇ）^1/2と表わせる。
支持棒１４ａの質量ｍ_aが重りである永久磁石１４ｂの質量ｍ_bに比べて無視できる場合には、振り子１４の等価振り子長さｌは、回転軸１３と永久磁石１４ｂの中心との距離にほぼ等しいが、一般には、図１に示すように、振り子１４の回転軸１３周りの慣性モーメントをＩ、質量をＭ（Ｍ＝ｍ_a＋ｍ_b）、振り子１４の重心Ｐと回転軸１３の中心Ｑとの距離をｄとすると、ｌ＝Ｉ/（Ｍ・ｄ）となる。
また、振り子１４が１周期揺動する間にタイヤが転動する距離を振り子波長λとすると、λ＝ＶＴ（Ｖはタイヤ回転速度）となる。
また、発電機１０は、動半径Ｒのタイヤ内面に装着されているので、重力加速度Ｇはタイヤ回転速度Ｖにより異なり、Ｇ＝（Ｖ/Ｒ²）^1/2と表わせる。なお、タイヤの動半径Ｒは、タイヤ転動時におけるタイヤ半径を指すが、ここでは、図１に示すように、動半径Ｒをタイヤ回転軸中心Ｏとベルト層２４との距離で近似した。
以上から、動半径がＲのタイヤ２０の内部に等価振り子長さｌの振り子１４を備えた発電機１０を装着してタイヤ回転速度Ｖで車両を走行させた場合、振り子波長は、λ＝２π（Ｒ・ｌ）^1/2となる。
すなわち、図４に示すように、振り子１４は、タイヤ回転速度Ｖに関係なく、動半径Ｒと等価振り子長さｌとで決まる固有波長λで振り子運動する。

一方、発電機１０を装着するタイヤ２０の動半径をＲとすると、タイヤ１回転分の周長Ｌは、Ｌ＝２πＲとなる。
このとき、ｎ・λ＝ｍ・Ｌ（ｎ，ｍは正の整数）のように、発電機１０の固有波長λの整数倍と周長Ｌの整数倍とが一致すると、タイヤ２０がｍ回転する距離に対し発電機１０の振り子運動の位相が固定され、発電機１０の振り子運動は定在波のように振舞うため、踏み込み時及び蹴り出し時に発生する周方向加速度を受ける位置及び回数が固定される。
本構成では、振り子１４が加速されて高電圧を発生できる最適位置が存在する。この最適位置は、図５（ａ），（ｂ）の太い破線で示すように、踏み込み位置が振り子１４の最下位置になるよりも若干（ここでは、約０．０３ｍｍ）手前にある。
振り子１４の最下位置が最適位置を通過したときに、振り子１４の受ける周方向加速度が最大となるので、振り子１４の最下位置が最適位置を通過する回数が多いほど振り子１４は間欠的に加速されて高速回転し、コイル１５の両端には高電圧が発生する。

図５（ａ）は、発電機１０の固有波長λの整数倍と周長Ｌの整数倍とが一致した場合の振り子の最下点と踏み込み位置と発電電圧との関係を示す図で、振り子運動の位相が固定されると、踏み込み時の直前の振り子最下点が最適位置と一致しないため、振り子１４を加速できず、発生電圧が低くなる。そのため、周方向加速度によって振り子１４を効果的に加速できなくなり、発生電圧が低くなる。
これに対して、発電機１０の固有波長λの整数倍と周長Ｌの整数倍とが一致していない場合、すなわち、タイヤ２０の動半径Ｒと等価振り子長さｌとが、（Ｒ・ｌ）^1/2 ＝ｐ・Ｒ（ｐ；正の非整数）の関係にある場合には、振り子運動の位相が固定されない。その結果、図５（ｂ）に示すように、タイヤ２０の回転ごとに、タイヤ２０に対して振り子運動の位相が少しずつずれていくので、振り子１４は、振り子１４を大きく加速できる最適位置を何度も通過できる。したがって、振り子１４は、間欠的に加速されて高速回転するので、コイル１５の両端に高電圧を発生することができるようになる。

図６は、タイヤ周長Ｌの２倍と固有波長λと発電電圧との関係を示す図で、横軸は２周長波長比（２Ｌ/λ）で、縦軸は発電電圧の平均値である。同図から分かるように、発電機１０の固有波長λの１１倍がタイヤ周長Ｌの２倍に近付くほど発電電圧の平均値は低下し、離れるほど上昇する。
このように、振り子の固有波長λの整数倍とタイヤ周長Ｌの整数倍とが一致しないように、タイヤ２０と発電機１０とを組み合わせて設計すれば、発電能力の低下を防ぎ、安定した電力を得ることができる。

振り子の固有波長λの整数倍がタイヤ周長Ｌの整数倍と一致しないように調整するには、等価振り子長さｌを１０％程度変化させれば十分である。また、等価振り子長さｌを長めにする方が発電電圧が安定することが分かっている。
例えば、振り子１４のような、支持棒１４ａの先端に永久磁石１４ｂを取り付けた構成のものでは、支持棒１４ａの長さを可変にする方法が簡単であるが、この場合には、コイル１５の位置を下げる必要があるので、永久磁石１４ｂの支持棒１４ａとは反対側に重りを着脱可能に取付けるなどして等価振り子長さｌを長くする方が好ましい。
振り子１４が剛体振り子の場合にも、剛体の回転軸とは反対側に重りを着脱可能に取付けた構造とすれば、コイル１５の位置を動かすことなく等価振り子長さｌを調整できる。
あるいは、回転軸周りの慣性モーメントＩの異なる、回転軸１３とは反対側に永久磁石が取付けられた振り子体を複数準備し、発電機１０を装着するタイヤ２０毎に振り子体を交換するようにしてもよい。

振り子運動の位相は、発電機１０の固有波長λの整数倍と非接地長Ｓとが一致した場合にも固定される。
図７（ａ）に示すように、タイヤ２０の周長をＬ、踏み込み点から蹴り出し点までの距離である接地長をＣとすると、タイヤ２０が接地していない部分の長さである非接地長Ｓは、Ｓ＝Ｌ−Ｃとなる。ここで、ｋ・λ＝Ｓ（ｋは正の整数）のように、発電機１０の固有波長λの整数倍と非接地長Ｓとが一致すると、タイヤ２０の１周長さに対して発電機１０の振り子運動の位相が固定され、発電機１０の振り子運動は定在波のように振舞う。したがって、発電機１０の固有波長λの整数倍と周長Ｌの整数倍とが一致した場合と同様に、振り子１４を、踏み込み時と蹴り出し時に発生する周方向加速度によりうまく加速できなくなるので、発生電圧が低くなる。
図７（ｂ）は、発電機１０の固有波長λの整数倍と非接地長Ｓとが一致した場合の振り子１４の最下点と踏み込み位置と発電電圧との関係を示す図である。振り子運動の位相が固定されると、踏み込み時の直前の振り子最下点が最適位置と一致しない状態（同図の最悪位置に位置する状態）が延々と続くため、振り子１４を加速できず、発生電圧が低くなる。すなわち、この状態では、周方向加速度によって振り子１４を効果的に加速できなくなるので、発生電圧が低くなる。

一方、図８（ａ）に示すように、発電機１０の固有波長λの整数倍と非接地長Ｓとが一致していない場合、すなわち、等価振り子長さｌと動半径Ｒと非接地長Ｓとが、２πｑ・（Ｒ・ｌ）^1/2 ＝Ｓ（ｑ；正の非整数）の関係にある場合には、振り子運動の位相が固定されないので、図８（ｂ）に示すように、タイヤ２０の回転ごとに、タイヤ２０に対して振り子運動の位相が少しずつずれていく。したがって、振り子１４は、振り子１４を大きく加速できる最適位置を何度も通過できるので、間欠的に加速されて高速回転し、高電圧を発生することができるようになる。

図９は、非接地長Ｓと固有波長λと発電電圧との関係を示す図で、横軸は非接地長波長比（Ｓ/λ）で、縦軸は発電電圧の平均値である。同図から分かるように、発電機１０の固有波長λの５倍が非接地長Ｓに近付くほど発電電圧の平均値は低下し、離れるほど上昇する。
このように、発電機１０の固有波長λの整数倍と非接地長Ｓとが一致しないように、タイヤ２０と発電機１０とを組み合わせて設計すれば、発電能力の低下を防ぎ、安定した電力を得ることができる。

なお、前記実施の形態では、発電機１０を、支持棒１４ａと円板状の永久磁石１４ｂとから成る振り子１４を備えた電磁式発電機としたが、これに限るものではなく、例えば、図１０に示すような、扇型板状の永久磁石３４Ｍとヨーク３４Ｙとを備えた振り子３４を回転軸３３に取付けた形態の発電機３０を用いてもよい。また、コイルも、環状のコイル３５，３５を２個設けた形態としてもよい。なお、振り子３４の慣性モーメントＩ’と質量Ｍ’とは、永久磁石３４Ｍとヨーク３４Ｙを一体としたときの慣性モーメントと質量であることはいうまでもない。

［実施例］
動半径Ｒが０．３３７ｍ、周長Ｌが２．１３ｍのタイヤに、等価振り子長さｌの異なる発電機を搭載するとともに、このタイヤを装着した車両を様々な速度で走行させて、発電機の発電性能を比較した結果を表１に示す。
比較例１では、２周長波長比（２Ｌ/λ）が整数で非接地長波長比（Ｓ/λ）が非整数となるように等価振り子長さｌを設定した。
比較例２では、実施例１よりも等価振り子長さｌを短くしたが、実施例１と同様に、２周長波長比（２Ｌ/λ）が整数で非接地長波長比（Ｓ/λ）が非整数である。
比較例３では、２周長波長比（２Ｌ/λ）が非整数で非接地長波長比（Ｓ/λ）が整数となるように等価振り子長さｌを設定した。
比較例４では、標準荷重時には２周長波長比（２Ｌ/λ）も非接地長波長比（Ｓ/λ）も非整数となるが、荷重が減少すると、非接地長波長比（Ｓ/λ）が整数となるように等価振り子長さｌを設定した。
実施例１では、標準荷重時も荷重が減少した場合も、２周長波長比（２Ｌ/λ）も非接地長波長比（Ｓ/λ）も非整数となるように等価振り子長さｌを設定した。
実施例２では、実施例１よりも等価振り子長さｌを長く設定したが、２周長波長比（２Ｌ/λ）も非接地長波長比（Ｓ/λ）も非整数である。

比較例１，２のように、２周長波長比（２Ｌ/λ）が整数である場合には、タイヤに対して振り子の位相が固定されるので、非接地長波長比（Ｓ/λ）を非整数としても、発電性能が低下することが分かった。
また、比較例３のように、２周長波長比（２Ｌ/λ）を非整数としても、非接地長波長比（Ｓ/λ）が整数である場合には、タイヤに対して振り子の位相が固定されるので、発電性能が低下することが分かった。
また、比較例４のように、標準時の２周長波長比（２Ｌ/λ）も非接地長波長比（Ｓ/λ）も非整数であっても、荷重が減少した場合に非接地長波長比（Ｓ/λ）が整数になれば、発電性能が低下する。
したがって、高電圧を得るためには、実施例１のように、標準荷重時も荷重が減少した場合も、２周長波長比（２Ｌ/λ）も非接地長波長比（Ｓ/λ）も非整数となるように等価振り子長さｌを設定することが必要なことが確認された。
また、実施例２のように、等価振り子長さｌを長めに設定すれば、走行条件に対する発電性能変化を少なくすることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

このように、本発明によれば、タイヤ種によらず装着される電磁式発電機の発電能力を向上させることができるので、タイヤに装着する発電機数の低減によるコストダウンを実現できるとともに、電力を使用する無線機等の機器の出力を向上させることができる。

１０ 振り子型電磁式発電機、１１ 基台、１２ 回転支持部材、１２ｊ 軸受け、
１３ 回転軸、１４ 振り子、１４ａ 支持棒、１４ｂ 永久磁石、１５ コイル、
１６ 整流回路、１７ 蓄電器、２０ タイヤ、２１ トレッド、
２２ インナーライナー部、２３ タイヤ気室、２４ ベルト層。

Claims (3)

1. タイヤ内面に振り子構造を有する電磁式発電機を装着する方法であって、
   前記電磁式発電機の等価振り子長さで決まる振り子の固有波長λの整数倍が、前記タイヤの周長の整数倍、及び、タイヤの周長から接地長を引いた前記タイヤの非接地部分の長さ、のいずれとも一致しないように、前記等価振り子長さを調整した電磁式発電機を前記タイヤに装着することを特徴とする電磁式発電機の装着方法。
2. タイヤ内面側に振り子構造を有する電磁式発電機が装着されたタイヤであって、
   前記電磁式発電機が、基台と、少なくとも一部が磁石から構成されて回転中心と重心とが異なるように前記基台に取付けられて回転する回転体と、前記磁石からの磁界に交差するように前記基台に固定されたコイルとを備えた振り子構造を有し、
   前記回転体の等価振り子長さｌと前記タイヤの動半径Ｒとが、
   （Ｒ・ｌ）^1/2 ＝ｐ・Ｒ （ｐ；正の非整数）
   の関係にあることを特徴とする電磁式発電機内蔵タイヤ。
3. 前記タイヤの非接地部分の長さをＳとしたとき、
   前記等価振り子長さｌと前記動半径Ｒと前記非接地部分の長さＳとが、
   ２πｑ・（Ｒ・ｌ）^1/2 ＝Ｓ （ｑ；正の非整数）
   の関係にあることを特徴とする請求項２に記載の電磁式発電機内蔵タイヤ。

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