JP5646871B2

JP5646871B2 - タイヤ内発電装置

Info

Publication number: JP5646871B2
Application number: JP2010095132A
Authority: JP
Inventors: 彰小早川
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: JP2011229237A

Description

本発明は、タイヤ内発電装置に関し、特に、磁力を効率的に得られる構造を有し、高電力を得ることの可能なタイヤ内発電装置に関する。

タイヤ内の温度や圧力を検出するＴＰＭＳ(タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム)等のセンサ＋無線を有するデバイスをタイヤ気室内に設置してタイヤモニタリングを実施する場合に、そのデバイスに電力を供給するタイヤ内発電装置が知られている。
例えば、発電体を螺旋状に摺動させることで磁石とコイルで発電させる技術（特許文献１等参照）、回転錘を回転させて発電させる技術（特許文献２等参照）などが知られている。

しかしながら、特許文献１の技術では、発電体にかかる力の方向と発電体の螺旋摺動方向とが同一方向ではないため、発電体の摺動抵抗が大きく、発電効率が低いので、高電力を得ることができない。また、特許文献２の技術では、回転錘と発電ロータの回転力が歯車を介して伝達されるため、回転抵抗が高く、発電効率が低いので、高電力を得ることができない。

特開２０００−９２７８４号公報特開２０００−２７８９２３号公報

本発明は、上記課題を解決するために、高電力を得ることができるタイヤ内発電装置を提供する。

本発明の第１の構成として、タイヤ気室内に取付けられるタイヤ内発電装置であって、回転軸に取付けられ回転中心と重心とが異なるように一部が磁石により形成されて車両走行時のタイヤに加わる力の変化に応じて回転する回転体と、互いに対向する回転体の磁石間に位置し、当該磁石との電磁誘導作用により電圧を発生するコイル部とを備え、コイル部は、互いに対向する磁石の互いに異なる磁極間で発生する磁束が通る空間を取り囲む筒形状にコイルが巻回されたコイル巻体を備え、回転体は、回転体の回転方向に沿って磁極が交互に入れ替わるように配置した複数の磁石と、複数の磁石のコイル部に対向する面とは反対側の面にヨーク体とを備え、回転体の複数の磁石の磁極が反転する位置のヨーク体の厚さを当該ヨーク体の回転方向端部の厚さよりも回転軸方向に厚く設定するとともにヨーク体の回転方向の厚さの分布がヨーク体の飽和磁場となるようにヨーク体の厚さを設定するようにした。本発明によれば、ヨーク体の厚みを磁石の極性の変化点において最も厚くし、極性の変化点から離れるほど薄くすることにより、極性の変化点程多くの磁力線がヨーク体内を通過するため、ヨーク体外部に漏れ出す磁束が減ることで磁石から放出される磁力線が対向する回転体の磁石間の磁力を最大とし、効率的に発電することができる。また、本発明によれば、ヨーク体の厚さをヨーク体の固有の最大飽和密度（Ｂｍ）と等しくなるように設定することで、磁石から放出される磁力線の全てをヨーク体内に通過させることができ、磁石から放出される磁力線が一切ヨーク体から漏れることがない。また、磁石の極性の変化点からの距離に応じてヨーク体の厚さを変化させることで、ヨーク体の体積を最小に設定することができる。
本発明の第２の構成として、コイル巻体が、回転体の磁石の回転軌跡の投影部分に設けられるようにした。本発明によれば、コイル巻体の筒内を通過する磁束φの磁束密度を大きくでき、高電力を得ることができる。
本発明の第３の構成として、コイル巻体の筒の断面の外周形状と回転体の磁石の断面の外周形状とが同じ形状に形成され、回転体の回転により磁石の断面の中心線とコイル巻体の筒の断面の中心線とが一致した場合に、コイル巻体の筒の断面の外周の長さが回転体の磁石の断面の外周の長さ以下であるようにした。本発明によれば、コイル巻体の抵抗を小さくでき、発電効率が高くなる。
本発明の第４の構成として、コイル巻体を複数備え、コイル巻体毎に整流回路及び充電回路を設けるようにした。本発明によれば、充電量を多くできる。
本発明の第５の構成として、コイル部を中心に回転体の磁石が対称、かつ、対向して回転軸に固定され、回転体と回転軸とが一体に回転するように構成した。本発明によれば、コイル部に対して安定した磁界を供給できるので、発電効率を高めることができる。
本発明の第６の構成として、ヨーク体は、扇の２つの半径のなす角度が１８０°以下の扇部と扇部の要部とを備えたヨーク面板と、扇部の外周縁に沿って扇部の面と垂直をなすように設けられた磁石位置決め板と、扇部の要部に回転軸への取付孔とを備え、当該ヨーク体は、ヨーク面板と磁石位置決め板とで囲まれた扇形状の磁石設置部を形成し、磁石を磁石設置部に対応した扇形状に形成し、磁石の扇の要に回転軸の外周面に対応する湾曲切欠部を形成し、磁石設置部に設置するようにした。本発明によれば、磁石に回転軸への取付部を設けないことで、回転体がより回転しやすくなるので、コイル巻体の筒内の空間を通過する磁束φの向きが変化する速度がより速くなって、高電力を得ることができ、また、効率的な連続発電が可能となり、発電量を増加させることができる。また、磁石を偏心錘として利用したので、部品点数を削減できる。また、磁石が回転しやすくなり、高電力を得ることができるので、発電量を増加させることができる。
本発明の第７の構成として、取付孔は少なくとも１辺の直線を備えた孔に形成され、かつ、取付孔が取付けられる回転軸の部分の断面形状が孔に対応した形状に形成されるようにした。本発明によれば、回転体の磁石がコイル部を中心として対称な形状で対向した状態に維持されて回転体と回転軸とが一緒に回転可能なように、回転体の磁石を位置決めして回転軸に取付ける作業が容易となる。
本発明の第８の構成として、コイル部が、タイヤの内面にベースを介して固定されたコイル部固定部材に固定されるようにした。本発明によれば、互いに対向して回転する回転体の磁石に対するコイル部の位置を正確に維持でき、磁束φの乱れを防止できて、発電効率が高くなる。
本発明の第９の構成として、回転軸が、タイヤの幅方向に延長するようにトレッド面の裏面に取付けられるようにした。本発明によれば、車両走行時のタイヤに加わる遠心力の変化に応じて回転体が回転しやすくなり、高電力を得ることができるので、発電量を増加させることができる。

本発明に係るタイヤ内発電装置を示す斜視図。本発明に係るタイヤ内発電装置を示す分解斜視図。本発明に係るタイヤ内発電装置を示す断面図。本発明に係るコイル部と接続される電気部品群を示すブロック図。本発明に係る回転体におけるヨーク体の形状を示す図。本発明に係るヨーク体の形状を示す断面図。本発明に係るヨーク体の形状を示す断面図。本発明に係るコイル部と磁石との関係を示す斜視図。本発明に係るヨーク面板の効果を検証するためのヨーク面板及び磁石のモデル図。本発明に係るヨーク面板の形状の違いによる効果を検証するモデル図及び形状寸法表。本発明に係るヨーク面板の端部の厚さと磁力との関係を示すグラフ。

以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明される特徴の組合せのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らず、選択的に採用される構成を含むものである。

実施形態
図１，図２に示すように、タイヤ気室内に取付けられるタイヤ内発電装置１は、ベース２と、２つの回転軸支持部材３；３と、１本の真っ直ぐな回転軸４と、コイル部固定部材５と、コイル部６と、２つの回転体７；７とを備える。コイル部６の両端は電線２３により整流回路１８（図４参照）に接続される。ベース２、２つの回転軸支持部材３；３、回転軸４、コイル部固定部材５は、非磁性材料により形成される。ベース２、回転軸支持部材３；３、コイル部固定部材５は、例えば、アクリル樹脂により形成され、回転軸４は、例えば、ＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４により形成される。なお、本実施形態において説明に用いる、上下，前後，左右の位置関係は、図１において矢印で示した。

ベース２は、例えば、矩形の平板により形成されたベース板１１と、ベース板１１上に設けられた固定台１２とを備える。固定台１２は、下板１３と、左右一対の側壁１４；１４と、屋根板１５と、左右の側設置台１６；１６と、収納設置空間１７とを備える。下板１３は、ベース板１１より一回り小さい矩形の平板状であってベース板１１上にベース板１１と同心に設けられる。左右一対の側壁１４；１４は、下板１３上に間隔を隔てて設けられ、上下方向及び前後方向に延長する。側壁１４；１４は、下板１３上に左右の側縁からそれぞれ等間隔の位置に設けられる。屋根板１５は、左右一対の側壁１４；１４の上端面を跨ぐように設けられる。左右の側設置台１６；１６は、下板１３上の左右の側縁に近い左右の側壁１４；１４の外面と下板１３の上面とから延長するように設けられる。収納設置空間１７は、下板１３と左右の側壁１４；１４と屋根板１５とで囲まれて前後が開口した空間により形成される。収納設置空間１７内には、図４の点線内に示す整流回路１８、充電回路１９、無線モジュールのようなデバイス２０などの電気部品群２２が収納設置される。なお、ベース２は、上述した各部材を組み立てて形成したものでも、一体成型して形成したものでもよい。

屋根板１５の上面、及び、側設置台１６の上面は、ベース板１１の上平面と平行な平面に形成される。回転軸支持部材３は、側設置台１６の上面より上方に延長するように側設置台１６の上面に設けられ、コイル部固定部材５が屋根板１５の上面より上方に延長するように屋根板１５の上面に設けられる。

コイル部固定部材５は、屋根板１５と一体に形成されたものでもよいし、屋根板１５と別個に形成されたものが接着剤などの固定手段で屋根板１５の上面に固定されて形成されたものでもよい。コイル部固定部材５は、屋根板１５の左右間の中央位置より上方向及び前後方向に延長して互いに対向する対向面５ａ；５ａを有した平板により形成される。コイル部固定部材５の平板の対向面５ａ；５ａは屋根板１５の上面である平面に対して垂直な面である。コイル部固定部材５は、対向面５ａ；５ａを貫通するコイル部収納貫通孔５ｂと、上縁面を円弧状に切り欠いて形成された軸避け部５ｃとを備える。コイル部６はコイル部収納貫通孔５ｂの孔内壁に接着剤などの固定手段で固定される。

回転軸支持部材３は、側設置台１６と別個に形成されるものであり、例えば、平板状の壁体により形成され、接着剤などの固定手段で側設置台１６の上面に固定される。回転軸支持部材３は、上部側面に回転軸４の端部４１を回転可能に支持する軸受２１を備える。軸受２１は、回転軸支持部材３の上部側面に形成された孔に取付けられた軸受部材、あるいは、回転軸支持部材３の上部側面に形成された軸受孔により形成される。

回転軸４は、両端部４１；４１と、ヨーク体位置決め部４２、磁石対応部４３、軸補強部４４とを備える。回転軸４の両端部４１；４１が各回転軸支持部材３；３の軸受２１；２１に回転可能に支持される。図２に示すように、回転軸４は、中央部に軸補強部４４を備え、軸補強部４４と端部４１との間には、ヨーク体位置決め部４２と磁石対応部４３とを備える。軸補強部４４と磁石対応部４３と端部４１とが断面円形状に形成され、ヨーク体位置決め部４２が断面角形状に形成される。ヨーク体位置決め部４２は、例えば断面正六角形状に形成される。軸補強部４４と左右の磁石対応部４３；４３とが隣り合うように設けられ、磁石対応部４３とヨーク体位置決め部４２とが隣り合うように設けられ、ヨーク体位置決め部４２と端部４１とが隣り合うように設けられる。

回転軸４の端部４１の断面円径寸法は、ヨーク体位置決め部４２の断面正六角形の内接円の円径寸法以下に形成される。磁石対応部４３の断面円径寸法は、ヨーク体位置決め部４２の断面正六角形の外接円の円径寸法以上に形成される。軸補強部４４の断面円径寸法は、磁石対応部４３の円径寸法よりも大きい寸法に形成される。

回転体７は、扇形状のヨーク体７１と磁石７２とにより構成し、ヨーク体７１と磁石７２とを組み合わせることで扇形状の偏心錘を形成する。
ヨーク体７１は、扇形状のヨーク面板７３と、位置決め孔７４と、磁石位置決め板７５；７５；７６とを備える。ヨーク面板７３は、扇部７３ａと扇の要部７３ｂとを備える。ヨーク面板７３の扇形状は、扇の２つの半径線のなす角度が例えば１２０°に形成される。位置決め孔７４は、ヨーク面板７３の扇の要部７３ｂに形成された孔であり、回転軸４のヨーク体位置決め部４２の断面正六角形状に対応した正六角形状の孔に形成される。磁石位置決め板７５；７５は、ヨーク面板７３の２つの半径線縁Ｃ１に沿って設けられる。磁石位置決め板７６は、ヨーク面板７３の円弧線縁Ｃ２に沿って設けられる。磁石位置決め板７５；７５；７６は、ヨーク面板７３の一方の面より一方向に突出し、かつ、ヨーク面板７３と垂直に形成される。
また、ヨーク面板７３の扇部７３ａは、扇部７３ａを半分に分割する半径方向中心線Ｐの中心部分の厚さＨ（図５参照）が扇部７３ａの内側半径及び外側半径の厚さよりも厚く、かつ、半径線縁Ｃ１；Ｃ１の厚さよりも厚くなるように山型に形成される。具体的には、扇部７３ａの２つの半径線縁Ｃ１；Ｃ１の円弧側の端部同士を結ぶ線分Ｑ（図５参照）と、２つの半径線の挟角を２分する半径方向中心線Ｐとの交点部分の厚さＨ（図５参照）が最も厚くなるように形成される。つまり、扇部７３ａは、錐体状に形成される。
よって、扇部７３ａは、図５に示す半径方向中心線Ｐに直交する断面Ｓ１−Ｓ１；Ｓ２−Ｓ２；Ｓ３−Ｓ３；Ｓ４−Ｓ４において、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、断面が三角形状となるように形成される。また、扇部７３ａは、図５に示す扇部７３ａの２つの半径線縁Ｃ１；Ｃ１の円弧側の端部同士を結ぶ線分Ｑに直交する断面Ｔ１−Ｔ１：Ｔ２−Ｔ２；Ｔ３−Ｔ３において、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、断面が三角形状となるように形成される。上記扇部７３ａの形状の設定の方法については後段において詳述する。なお、半径方向中心線Ｐは、後述の磁石７２を構成する単位扇形状磁石７７,７７の接着位置である極性の反転する位置に対応する。

磁石７２は、円の中心に円孔を備えた所定厚さの円板を円の中心を要とした扇形状に分割した扇形状の磁石により形成される。磁石７２の扇の要には回転軸４の外周面に対応する湾曲切欠部８０を備える。例えば、２つの半径のなす角度が例えば６０°の単位扇形状磁石７７を２つを組み合わせて２つの半径のなす角度が１２０°の扇形状に形成された扇形状の磁石７２を用いる。このような２つの半径のなす角度が６０°の単位扇形状磁石７７を用いることにより、安定的な磁力が得られ、また、コイル巻体６１の筒内の空間６０（図８参照）を通過する磁束φの向きが変化する速度を速くできるため、効率的に発電できる。
なお、単位扇形状磁石７７を６０°に設定したが、単位扇形状磁石７７を３０°に設定して、周方向に異なる磁極が交互に配置されるように磁石７２を構成しても良く、適宜コイル巻体６１の形状に応じて設定すれば良い。

以下、ヨーク体７１の扇部７３ａの形状の設定について、図５（ｃ）を参照して説明する。
ヨーク体７１の扇部７３ａは、磁石７２から放出される磁束φにより、ヨーク体７１が飽和磁場となるように形状が設定される。ヨーク体７１の磁場の最大飽和密度Ｂｍは、ヨーク体７１を構成する素材の固有のものであり、素材により異なる。例えば、２極の磁石においてＮ極からＳ極に放出される磁束φは、磁石端から極性の反転する変化点に向かって比例して増加する。よって、回転方向に隣接する一方の単位扇形状磁石７７から放出される磁束密度Ｂｍａｇが、すべて他方の単位扇形状磁石７７に吸引されるようにすれば良いので、放出される磁束密度Ｂｍａｇが扇部７３ａの厚さ断面において最大飽和密度Ｂｍで飽和するように扇部７３ａの厚さＨを設定すれば良い。つまり、磁石の放出する磁束密度Ｂｍａｇとヨーク体７１の磁場の最大飽和密度Ｂｍとの関係ｔａｎθ＝Ｂｍａｇ/Ｂｍから扇部７３ａの厚さＨを設定することができる。
例えば、本実施形態では、回転体７の磁石をネオジウム磁石、ヨーク体７１をパーメンジュール（軟鉄）により構成し、次のようにヨーク体７１の形状を設定する。
ネオジウム磁石の磁束密度Ｂｍａｇは１．４Ｔ、パーメンジュールの最大飽和密度Ｂｍは２．４Ｔの物性を有する。よって、単位扇形状磁石７７から垂直に放出される磁束密度Ｂｍａｇよりもヨーク体７１の最大飽和密度Ｂｍが等しいか、大きくなるように厚さＨを決定すれば良い。つまり、単位扇形状磁石７７から放出される磁束φは、ヨーク体７１に沿って曲がるため、単位扇形状磁石７７により放出される単位面積あたりの磁束密度Ｂｍａｇよりもヨーク体７１の単位断面あたりの最大飽和密度Ｂｍが等しいか大きければ良い。磁束密度Ｂｍａｇとヨーク体７１の最大飽和密度Ｂｍの奥行き方向の長さを同じとすれば、単位長さあたりの磁束密度Ｂｍａｇに対して、ヨーク体７１の厚さＨは１．４Ｔ/２．４Ｔ＝約０．５８３３倍（ｔａｎθ＝約３０度）の厚さＨがあれば良いことになる。よって、半径方向中心線Ｐの位置でのヨーク体７１の厚さＨは、ヨーク体７１の（断面長さＬ/２）×（Ｂｍａｇ/Ｂｍ）を計算することにより設定される。
なお、ヨーク体７１は、鉄、ニッケル、パーマロイ、センダスト、アモルファス金属などの軟磁性体により形成しても良い。

図８に示すように、単位扇形状磁石７７は、一方の扇面側がＮ極に着磁され、他方の扇面側がＳ極に着磁されて形成された磁石である。扇形状磁石７２は、異極同士が互いに隣り合うように２つの単位扇形状磁石７７；７７の端面７８；７８同士が接着されて形成される。
即ち、回転体７が、回転体７の回転方向に沿って配置された複数の異なる磁極の単位扇形状磁石７７；７７を備えるので、磁極の変化点が多くなり、回転体７が回転することによりコイル巻体６１の筒内の空間６０を通過する磁束φの向きを変化させる速度が速くなるので、高電力を得ることができるようになる。

磁石７２は、磁石位置決め板７５；７５；７６で囲まれた磁石設置部７９内に挿入可能な大きさに形成される。
例えば、磁石位置決め板７５；７５；７６で囲まれた扇部７３ａの一方の扇面７３ｕの面積と同じ面積の扇面を有した扇形状の磁石７２を形成し、扇部７３ａの一方の扇面７３ｕと磁石７２の一方の扇面とが互いに接着剤などの固定手段で固定されて回転体７が形成される。
即ち、回転体７の磁石７２は、コイル部６に対向する面とは反対側の面にヨーク面板７３を備え、かつ、磁石７２の扇の外周面にヨークとして機能する磁石位置決め板７５；７５；７６を備える構成としたので、磁石７２内で自己完結する磁界発生状態を抑制できてコイル巻体６１の筒内の空間６０を通過する磁束φの磁束密度を大きくできるので、高電力を得ることができるようになる。
ヨーク体７１が磁石設置部７９を備えるので、磁石７２をヨーク体７１の決まった位置である磁石設置部７９に容易に設置できるとともに、回転体７の製作が容易となる。また、磁石７２の位置ずれも防止できるので、コイル部６に安定的な磁界を供給できる。
さらに、回転体７の回転方向に沿って磁極が交互に入れ替わるように磁石設置部７９に配置した複数の磁石７２の磁極が反転する位置に対応して、ヨーク体７１の厚さＨを磁石位置決め板７５；７５；７６が形成される位置の厚さよりも厚くすることで、単位扇形状磁石７７から放出される全ての磁束φをヨーク体７１内に通過させることができ、互いに対向する単位扇形状磁石７７：７７の互いに異なる磁極間で発生する磁束φを最大に設定することができる。

また、回転体７は、ヨーク体７１の扇部の要部７３ｂが回転軸４への取付孔としての位置決め孔７４を備え、磁石７２がヨーク面板７３と磁石位置決め板７５；７５；７６とで囲まれた扇形状の磁石設置部７９に対応する扇形状に形成され、磁石７２の扇の要には回転軸４の外周面に対応する湾曲切欠部８０を備え、磁石設置部７９に設置される構成とした。
即ち、磁石７２に回転軸４への取付部を設けない構成としたので、回転体７がより回転しやすくなるので、コイル巻体６１の筒内の空間６０を通過する磁束φの向きが変化する速度がより速くなって、高電力を得ることができ、また、効率的な連続発電が可能となり、発電量を増加させることができる。
また、磁石７２を偏心錘として利用したので、部品点数を削減できるとともに、磁石７２が回転しやすくなり、高電力を得ることができるので、発電量を増加させることができるようになる。

また、回転体７の磁石７２が回転軸４の軸補強部４４側に位置されるように、ヨーク体７１の位置決め孔７４内に回転軸４の端部４１側から断面六角形のヨーク体位置決め部４２を嵌め込んで、図３に示すように、ヨーク面板７３の扇の要部７３ｂにおける位置決め孔７４の孔縁部面４６と回転軸４の磁石対応部４３の端面４５とを接触させる。この際、ヨーク体７１と回転軸４とを接着剤などの固定手段で固定すれば、ヨーク体７１と回転軸４とをより確実に一体化させることができる。
そして、回転軸４の端部４１；４１を回転軸支持部材３の軸受２１内に回転可能に挿入した状態で、回転軸支持部材３を屋根板１５の上面に接着剤などの固定手段で固定する。
回転軸４の各ヨーク体位置決め部４２；４２には、各回転体７；７の磁石７２；７２の扇面同士が向き合うように取付けられる。
本実施形態では、ヨーク体位置決め部４２の断面形状及び位置決め孔７４の孔形状を正六角形状としたので、磁石７２；７２の扇面の中心線が一致し、磁石７２；７２の扇面同士が向き合うように磁石７２；７２を位置決めして回転軸４の各ヨーク体位置決め部４２；４２に回転体７を取付ける取付作業が容易となる。なお、位置決め孔７４の孔形状を、三つ以上の角を備えた角孔とし、ヨーク体位置決め部４２の断面形状は角孔に対応した角形状とすれば、当該取付作業が容易となる。

軸受２１に回転可能に支持された回転軸４と、回転軸４の中心線を回転中心として回転軸４と一緒に回転するように形成された回転体７とにより、回転構成部２５（図１参照）が形成される。回転体７は、回転中心と重心とが異なるものであればよく、例えば、扇の２つの半径のなす角度が例えば１８０°以下の扇形状により形成されたものを用いればよい。

また、図８に示すように、コイル部６は、回転軸４と一緒に回転して互いに向き合う２つの回転体７；７における磁石７２；７２の互いに異なる磁極間で発生する磁束φが通る空間６０を取り囲む筒形状にコイル６２が巻回された２つのコイル巻体６１；６１により形成される。例えば、コイル巻体６１は、回転する２つの回転体７；７の磁石７２；７２間で発生する磁束φが通る扇形の筒を形成するようにコイル６２が巻かれた構成である。好ましくは、コイル６２として、断面矩形状の平角線を用いる。これにより、巻線抵抗減少と巻数増加が図れ、巻線密度を向上できるので、発電効率を高めることができる。

図１；図８に示すように、コイル巻体６１は、回転体７の磁石７２の回転軌跡の投影部分に設けられたので、コイル巻体６１の筒内の空間６０を通過する磁束φの磁束密度を大きくでき、高電力を得ることができる。
例えば、コイル部６の外周を磁石７２の外周より大きくした場合、コイル巻体６１の巻長さが長くなることで、コイル巻体６１の抵抗が大きくなり、発電効率が悪化するが、コイル巻体６１の筒の断面の外周形状と磁石７２の断面の外周形状とを同じ形状に形成し、さらに、回転体７が回転し、磁石７２の断面の中心線とコイル巻体６１の筒の断面の中心線とが一致したときに、コイル巻体６１の筒の断面の外周の長さが磁石７２の断面の外周の長さよりも小さくなるように形成することで、コイル巻体６１の抵抗を小さくしつつ、発電効率を高めることができる。
また、回転体７が回転した場合において、回転軸４に沿った方向で単位扇形状磁石７７の扇面とコイル巻体６１の扇形状の筒の端部とが対向するように構成し、コイル部６を中心として回転体７；７の磁石７２；７２が左右対称に位置するので、コイル部６に対して安定した磁界を供給でき、発電効率を高めることができる。

図３に示すように、回転軸支持部材３；３間の間隔ｃは、回転軸４の全長よりも短く、かつ、回転軸４の両端部４１；４１を除いた部分の長さｄよりも長く形成される。これにより、回転軸支持部材３とヨーク体位置決め部４２との接触干渉を低減させることができるので、回転軸４の回転がスムーズになって磁石７２が回転しやすくなり、高電力を得ることができるので、発電量を増加させることができる。さらに、回転軸４が軸受２１よりはずれてしまうことを防止できる。
さらに、ヨーク面板７３の扇の要部７３ｂにおける位置決め孔７４の孔縁部面４６と回転軸４の磁石対応部４３の端面４５とが接触するように、ヨーク体位置決め部４２と位置決め孔７４とが嵌め合わされる構成としたので、回転体７の磁石７２とコイル部６との間の距離がほぼ一定に保たれ、効率良く、安定的に電圧を発生できる。

以上のように構成されたタイヤ内発電装置１は、ベース２の裏面１１ａ（図１参照）が、タイヤ気室内であって例えばトレッド面の裏面に相当する位置に固定される。そして、車を走行させると、タイヤ内振動でもっともエネルギーの高い遠心力の変動により、回転体７；７が回転し、互いに対向する２つの磁石７２；７２も回転する。この２つの磁石７２；７２の回転によって、各コイル巻体６１の筒内の空間６０を通過する磁束φの向きが変化するので、コイル６２に電圧が発生する。この電圧が整流回路１８を通して充電回路１９に充電され、デバイス２０に供給される。

コイル部６の全体に対して１対の整流回路１８と充電回路１９とを設けるようにしても良いが、コイル部６のコイル巻体６１毎に１対の整流回路１８と充電回路１９とを設けるようにすれば、充電量を多くできて好ましい。

なお、タイヤの回転による振動は、タイヤのベルトの曲げによるヨー変化が引き起こしている。特にタイヤが接地する瞬間、又は、タイヤが接地から離れる瞬間に、タイヤ振動として現れる。この振動は、ベルトからタイヤの中心に近づくほど大きくなる。従って、トレッド面の裏面にベース２を固定し、回転体７を回転可能に支持する回転軸４をトレッド面の裏面よりタイヤの中心側に離れた位置に位置させることにより、回転体７により大きな加速度が働き、回転体７に大きなエネルギーを与えることができるので、トレッド面の裏面よりタイヤの中心方向への距離１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下の間に回転軸４を位置させるのがより好ましい。
また、コイル部６をコイル部固定部材５に固定する構成としたので、互いに対向して回転する２つの回転体７；７に対するコイル部６の位置を正確に維持でき、磁束φの乱れを防止できて、発電効率が高くなる。
また、回転軸４を、タイヤの幅方向に延長するようにトレッド面の裏面に取付けることにより、車両走行時のタイヤに加わる遠心力の変化に応じて回転体７が回転しやすくなり、高電力を得ることができるとともに発電量を増加させることができるようになる。

本発明のタイヤ内発電装置１によれば、回転体７の偏心錘を磁石７２により形成したので、回転体７と磁石７２とを別々に備えた構成と比べて、部品点数を削減できるので、小型軽量化が図れる。また、回転体７が回転しやすい構成を備えたので、高電力を得ることができるとともに発電量を増加させることができるようになる。

実施例
以下、ヨーク体７１の形状を設定するための実験結果について説明する。
図９は、ヨーク体７１の形状による効果を調べる実験のために用いる回転体７のモデルを示す。図１０（１）,（２）は、実験に用いた回転体７のモデルの異なるパターンのヨーク断面形状を示す図及びその寸法を示す表である。図１１（ａ）〜（ｃ）は、実験により得られたヨーク断面形状と磁力の関係を示すグラフである。なお、ヨーク形状及び寸法は、体積一定の条件の下で設定した。また、ヨーク断面形状とは、中心線Ｐと垂直な面で切断した断面を意味する。
回転体７のモデルは、図９に示すように、磁石７２を１０ｍｍ×１０ｍｍの３ｍｍ厚さの両面４極磁石の磁石により構成し、３ｍｍのエアギャップを隔てて互いに引力が作用するように対向させて磁石を配置する。磁石７２の対向面の裏面側には、体積がそれぞれ２５ｍｍ^３，５０ｍｍ^３，１００ｍｍ^３のパーメンジュール（軟鉄）からなるヨーク面板７３を配置する。図１０（１）に示すように、パターン（ａ）を基準の体積とし、パターン（ａ）の体積が一定となるようにパターン（ｂ）〜（ｆ）のヨーク体７１を用意した。パターン（ａ）〜（ｆ）までの形状の変化は、厚さ一定の平板形状のパターン（ａ）のヨーク面板７３から、端部の厚さ（端部厚みＢ）が０ｍｍかつ中心部の厚さが最大となるパターン（ｆ）まで、端部の厚さを徐々に減少させて得られる計６種類の形状による磁場の変化について調べた。
図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように、いずれの体積においても、端部厚みＢが０ｍｍのときに中心点Ｋにおいて最大の磁場が測定されている。なお、中心点Ｋは、磁石７２，７２の対向する面の中心同士を結ぶ線上の中間距離の点である。また、ヨーク断面形状が平板状から台形形状、そして三角形状に近づくに従いエアギャップにおける磁場の強さが強くなっていることが分かる。
さらに、ヨーク体積が１００ｍｍ^３のときに、端部厚みＢが０．２ｍｍのときと端部厚みＢが０ｍｍでは、ほぼ同じ磁場の強さとなっているが、実験に用いた磁石では、ヨーク体積１００ｍｍ^３に設定し、磁極が反転する位置においてヨーク面板７３の厚さＨが最大となるように端部厚みＢを０ｍｍに設定することで磁石７２から放出される磁束φを全てヨーク面板７３を通過させることができ、エアギャップＧ間に配置されるコイル巻体６１に対して最大の磁束φの変化を与えることができる。よって、コイル巻体６１に生じる誘導起電力は最大となり、最も効率の良い発電を可能にできる。
以上より、タイヤ内発電装置１に用いる磁石の磁束密度の強さに対応して、最適な体積を算出するとともに、磁極が反転する位置においてヨーク面板７３の厚さが最大となるようにヨーク面板７３の端部の厚さを０ｍｍに設定することで、単位扇形状磁石７７から隣接する単位扇形状磁石７７に放出される磁束を全てヨーク体７１内に通過させることができる。よって、対向する磁石７２；７２間において最大の磁束φが得られ、当該磁束φ中をコイル巻体６１が通過することにより効率の良い発電が得られる。

本発明のタイヤ内発電装置１によれば、タイヤ内の温度や圧力タイヤ情報、例えば、タイヤにかかる圧力、路面の滑りやすさを検出し、これらタイヤの動的な状態を連続送信するために高電力を必要とするデバイスに安定して電力を供給できるようになる。

なお、タイヤの内面に対するタイヤ内発電装置１の取付位置は特に限定されない。例えば、回転軸４がトレッド面の裏面と直交するようにタイヤ内発電装置１をトレッド面の裏面に取付けても良いし、回転軸４が回転方向に沿った方向に延長するようにタイヤ内発電装置１をトレッド面の裏面に取付けても良い。

また、回転体７を、ヨーク体７１と、偏心錘を形成する磁石７２とにより構成したが、偏心錘の少なくとも重心部分が磁石により形成されていればよい。
さらに、ヨーク体７１を断面三角形状の錐体状に形成したが、ヨーク体７１の形状はこれに限らず、偏心錘としての磁石７２の形状に対応してヨーク体７１の体積が増加しないように形状を変化させればよい。

また、上記実施形態において、１つのコイル部６に対して一対の回転体７：７を対向して配置し、当該回転体７：７及びコイル部６の組を構成するようにしたが、回転軸４に沿って並列に複数組設けるようにしても良い。

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上記実施の形態に記載の範囲に限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能である。

１タイヤ内発電装置、２ベース、３回転軸支持部材、４回転軸、
５コイル部固定部材、５ａ対向面、５ｂコイル部収納貫通孔、５ｃ軸避け部、
６コイル部、７回転体、１１ベース板、１２固定台、１３下板、
１４側壁、１５屋根板、１６側設置台、１７収納設置空間、１８整流回路、
１９充電回路、２０デバイス、２１軸受、２３電線、
４１端部、４２ヨーク体位置決め部、４３磁石対応部、４４軸補強部、
６０空間、６１コイル巻体、７１ヨーク体、７２磁石、
７３ヨーク面板、７３ａ扇部、７３ｂ扇の要部、７３ｕ扇面、
７４位置決め孔、７５；７６磁石位置決め板、７７単位扇形状磁石、
７８端面、７９磁石設置部、８０湾曲切欠部、
Ｂｍ最大飽和密度、Ｂｍａｇ磁束密度、Ｃ１半径線縁、Ｐ半径方向中心線。

Claims

タイヤ気室内に取付けられるタイヤ内発電装置であって、
回転軸に取付けられ回転中心と重心とが異なるように一部が磁石により形成されて車両走行時のタイヤに加わる力の変化に応じて回転する回転体と、
互いに対向する回転体の磁石間に位置し、当該磁石との電磁誘導作用により電圧を発生するコイル部とを備え、
前記コイル部は、互いに対向する前記磁石の互いに異なる磁極間で発生する磁束が通る空間を取り囲む筒形状にコイルが巻回されたコイル巻体を備え、
前記回転体は、回転体の回転方向に沿って磁極が交互に入れ替わるように配置した複数の磁石と、前記複数の磁石の前記コイル部に対向する面とは反対側の面にヨーク体とを備え、
前記回転体の前記複数の磁石の磁極が反転する位置の前記ヨーク体の厚さを当該ヨーク体の回転方向端部の厚さよりも回転軸方向に厚く設定するとともに前記ヨーク体の回転方向の厚さの分布がヨーク体の飽和磁場となるようにヨーク体の厚さを設定することを特徴とするタイヤ内発電装置。
前記コイル巻体が、前記回転体の磁石の回転軌跡の投影部分に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のタイヤ内発電装置。
前記コイル巻体の筒の断面の外周形状と回転体の磁石の断面の外周形状とが同じ形状に形成され、前記回転体の回転により磁石の断面の中心線とコイル巻体の筒の断面の中心線とが一致した場合に、コイル巻体の筒の断面の外周の長さが回転体の磁石の断面の外周の長さ以下であることを特徴とする請求項２に記載のタイヤ内発電装置。
前記コイル巻体を複数備え、コイル巻体毎に整流回路及び充電回路を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載のタイヤ内発電装置。
前記コイル部を中心に回転体の磁石が対称、かつ、対向して回転軸に固定され、回転体と回転軸とが一体に回転することを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれかに記載のタイヤ内発電装置。
前記ヨーク体は、扇の２つの半径のなす角度が１８０°以下の扇部と扇部の要部とを備えたヨーク面板と、扇部の外周縁に沿って扇部の面と垂直をなすように設けられた磁石位置決め板と、前記扇部の要部に回転軸への取付孔とを備え、
当該ヨーク体は、前記ヨーク面板と磁石位置決め板とで囲まれた扇形状の磁石設置部を形成し、
前記磁石を磁石設置部に対応した扇形状に形成し、前記磁石の扇の要に回転軸の外周面に対応する湾曲切欠部を形成し、磁石設置部に設置することを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれかに記載のタイヤ内発電装置。
前記取付孔は少なくとも１辺の直線を備えた孔に形成され、かつ、当該取付孔が取付けられる回転軸の部分の断面形状が孔に対応した形状に形成されたことを特徴とする請求項６に記載のタイヤ内発電装置。
前記コイル部が、タイヤの内面にベースを介して固定されたコイル部固定部材に固定されたことを特徴とする請求項１乃至請求項７いずれかに記載のタイヤ内発電装置。
前記回転軸が、タイヤの幅方向に延長するようにトレッド面の裏面に取付けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項８いずれかに記載のタイヤ内発電装置。