JP5947698B2

JP5947698B2 - タイヤ発電装置

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Publication number: JP5947698B2
Application number: JP2012234065A
Authority: JP
Inventors: 五郎山口; 久保田　康弘; 康弘久保田
Original assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2032-10-23
Also published as: JP2014083957A

Description

本発明は、タイヤの走行性能を損ねることなく、かつタイヤへの取り付けを容易とした発電具を具えるタイヤ発電装置に関する。

近年、車両の走行安全性を高めるため、タイヤの空気圧や温度を測定し、その情報を無線で車体側に送信してドライバーに知らせるタイヤ空気圧監視システム（以下、ＴＰＭＳと略記）の開発が進められている。

このようなＴＰＭＳでは、タイヤの空気圧センサや送信機などのために電源が必要であり、この電源として例えば圧電素子等を用いた発電装置が種々提案されている（例えば特許文献１等参照。）。

しかしながら、従来の発電装置は、タイヤ或いはホイールの１箇所に取り付けられる。そのため重量物が１箇所に取り付けられることで、タイヤの重量バランスを損ねたり、又走行中に不要な振動を招くなど、タイヤの走行性能を低下させるという問題がある。又より大きな電気エネルギーを得るためには、複数箇所にそれぞれ発電装置を配置しなければならず、その取り付け加工を難しくするという問題もあった。

特表２００６−５０１４６１号公報

そこで本発明は、タイヤ内腔面に沿う環状帯体の内周面に複数の圧電素子を周方向に間隔を有して取り付けた発電具を用いることを基本として、タイヤの重量バランスや振動などの走行性能を損ねることなく、しかもタイヤへの取り付けを容易としながら発電量を高めうるタイヤ発電装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本願請求項１の発明は、空気入りタイヤと、この空気入りタイヤのタイヤ内腔面に取り付けられた発電具とを具えるタイヤ発電装置であって、
前記発電具は、
前記タイヤ内腔面に沿って配される樹脂製の環状帯体と、
該環状帯体の内周面に周方向に間隔を有して取り付き、前記環状帯体の変形に応じて撓む複数個の圧電素子からなる発電手段と、
前記発電手段を覆う絶縁シートとを含むことを特徴としている。

また請求項２では、前記タイヤ内腔面又は前記発電具の外周面の一方に、凹部が設けられ、かつタイヤ内腔面又は前記発電具の外周面の他方に、前記凹部に嵌り合うことにより空気入りタイヤと発電具との位置ずれを防止する凸部が設けられることを特徴としている。

また請求項３では、前記発電具は、前記圧電素子により発生する交流電圧を直流電圧に返還する整流回路を具えることを特徴としている。

また請求項４では、各前記圧電素子は、１つの整流回路と接続し、かつ前記発電具は、前記整流回路を、接地領域内に位置する圧電素子のみと接続するスイッチング手段を具えることを特徴としている。

また請求項５では、前記発電具は、前記整流回路によって整流された直流の電気を蓄える蓄電手段を具えることを特徴としている。

また請求項６では、前記発電具は、空気入りタイヤの接地変形によって前記圧電素子が撓んで発電することを特徴としている。

また請求項７では、前記発電具は、タイヤ内腔内の空気振動によって前記圧電素子が撓んで発電することを特徴としている。

また請求項８では、前記環状帯体は、帯状シートの長さ方向両端部に、該両端部を連結することにより帯状シートを環状に形成する連結手段を具えるとともに、前記連結手段は、連結位置を違えることにより前記環状帯体の外径を調整可能としたことを特徴としている。

本発明に係わる発電具は、叙上の如く、環状帯体の内周面に、複数個の圧電素子を周方向に間隔を有して配置している。前記環状帯体は、タイヤ内腔面に沿う円環状をなすため、この環状帯体をタイヤ内腔面に密着させることで、発電具をタイヤに容易に装着することができる。しかも１つの発電具の装着により、複数の圧電素子が一度にタイヤに取り付けられるなど、タイヤへの取り付けを容易とし、しかも発電量を高めることが可能となる。

又複数個の圧電素子が、周方向に分散配置しているため、タイヤの重量バランスの低下、及びそれに起因する振動発生などを抑えることができ、タイヤの走行性能を維持することができる。

本発明のタイヤ発電装置の一実施例を示す斜視図である。（Ａ）はタイヤ発電装置を概念的に示す周方向断面図、（Ｂ）はタイヤ軸方向の拡大断面図である。圧電素子を概念的に示す断面図である。（Ａ）タイヤの接地変形を示す部分断面図、（Ｂ）その時に圧電素子に発生する交流電圧を示すグラフである。（Ａ）は発電具の回路図、（Ｂ）は整流回路を拡大して示す回路図である。（Ａ）は第１実施例における圧電素子の配置を示す略断面図、（Ｂ）はその回路図である。（Ａ）（Ｂ）スイッチング手段を説明する配置図、及び加速度センサの出力曲線の処理方法を説明するグラフである。第２実施例における圧電素子のグループ分けを説明する略断面図である。第２実施例における回路図である。第３実施例における発電具の部分断面図である。（Ａ）、（Ｂ）は第４実施例における連結手段を説明する断面図、及び分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１、２に示すように、本実施形態のタイヤ発電装置１は、空気入りタイヤ２と、そのタイヤ内腔面２Ｓに取り付けられる発電具３とを具える。

前記空気入りタイヤ２としては、特に規制されるものではなく、従来的な種々な構造の空気入りタイヤが好適に採用される。本例では、乗用車用ラジアルタイヤの場合が例示される。

前記発電具３は、タイヤ内腔面２Ｓに沿って配される樹脂製の環状帯体４と、該環状帯体の内周面に周方向に間隔を有して取り付く複数個の圧電素子５からなる発電手段６と、前記発電手段６を覆う絶縁シート７（図２に示す。）とを含んで構成される。

前記環状帯体４は、絶縁性の樹脂製材料からなり、本例では、タイヤ内腔面２Ｓの直径と実質的に等しい外径を有する。これにより前記環状帯体４は、タイヤ内腔面２Ｓと密着でき、空気入りタイヤ２の接地変形を、前記圧電素子５に確実に伝達させることが可能となる。

前記環状帯体４を形成する樹脂材料としては、特に規制されないが、空気入りタイヤ２の接地変形に追従して変形するため、繊維強化プラスチックが好適であり、又その厚さは０．４〜０．６ｍｍが好ましい。

又、本例のタイヤ発電装置１は、前記空気入りタイヤ２と発電具３との位置ずれを防止するための位置ずれ防止手段１０を具える。前記位置ずれ防止手段１０は、前記タイヤ内腔面２Ｓ又は前記環状帯体４の外周面の一方に形成される凹部１０Ａと、前記タイヤ内腔面２Ｓ又は前記環状帯体４の外周面の他方に形成される凸部１０Ｂとからなる。そして、前記凹部１０Ａと凸部１０Ｂとが互いに嵌り合うことにより、前記位置ずれ、特にタイヤ回転に伴う周方向の位置ずれが防止される。

前記凹部１０Ａおよび凸部１０Ｂは、少なくとも１以上、好ましくは複数、例えば６個程度形成される。なお複数形成される場合には、タイヤ周方向に等間隔を隔てて隔設される。前記凹部１０Ａおよび凸部１０Ｂの断面形状としては、位置ずれ防止等の観点から断面矩形状（正方形状を含む。）が好ましい。前記凹部１０Ａおよび凸部１０Ｂのサイズについては特に規制されないが、位置ずれ防止及び接地変形の観点から、本例では、深さ（又は高さ）としては１０〜２０ｍｍ、タイヤ軸方向長さとしては８０〜１００ｍｍ、タイヤ周方向巾としては１０〜３０ｍｍに設定している。

前記凸部１０Ｂは、接地変形の観点からゴム弾性体で形成するのが好ましく、特に、前記タイヤ内腔面２Ｓを形成するタイヤゴムと略同硬度のゴム弾性体で形成するのが好ましい。なお「略同硬度」とは、ゴム硬度の差が１０°以下を意味する。前記ゴム硬度は、ＪＩＳ−Ｋ６２５３に基づきデュロメータータイプＡにより、２３℃の環境下で測定したデュロメータＡ硬さを意味する。

又、前記位置ずれ防止手段１０により、接着剤などを使用することなく前記発電具３を空気入りタイヤ１に固定することが可能となる。即ち、前記位置ずれ防止手段１０は、発電具３と空気入りタイヤ１との脱着を可能とした取付け手段としても機能しうる。

前記発電手段６は、複数個の圧電素子５から形成される。本例では、前記発電手段６が、タイヤ軸方向両側に配される２列の圧電素子列５Ｒからなり、各圧電素子列５Ｒが、タイヤ周方向に等間隔を隔てて配される例えば３６個の圧電素子５から形成される場合が示される。一方の圧電素子列５Ｒの圧電素子５は、他方の圧電素子列５Ｒの圧電素子５とは、タイヤ周方向に同位相で配されている。

図３に概念的に示すように、本例の圧電素子５は、周知の如く、例えば圧電セラミックス板５ａと、それに接合した金属板５ｂとから構成される。そして圧電素子５が前記環状帯体４の変形に応じて撓むことにより、圧電セラミックス板５ａ側の電極１１ａと、金属板５ｂ側の電極１１ｂと間に、撓み方向に応じてプラス、マイナスの電圧が発生する。

具体的には、図４（Ａ）に示すように、タイヤが転動する際、タイヤの「接地入り」では、圧電素子５に圧縮方向の撓みが生じ、かつ接地出では、引張り方向の撓みが生じる。その結果、図４（Ｂ）に示すように、「接地入り」では前記電極１１ａ、１１ｂ間に例えば圧縮撓みによるプラスの電圧が出力され、「接地出」では引張り撓みによるマイナスの電圧が出力される。即ち、圧電素子５には交流電圧が発生し、この交流電圧は、整流回路１２によって直流電圧に返還される。

即ち、前記発電具３は、各前記圧電素子５によって発生する交流電圧を、直流電圧に返還する整流回路１２を具える。又発電具３は、前記整流回路１２によって整流された直流の電気を蓄える蓄電手段１５を具える。

図５（Ａ）に発電具３の電気回路の一例が示される。本例の整流回路１２は、ブリッジ式全波整流回路であって、本例では、１つの圧電素子５に対して１つの整流回路１２が設けられる。各前記整流回路１２は、図５（Ｂ）に示すように、２つのダイオード１３を直列接続したダイオード対１４の２組を具える。前記圧電素子５の一方の電極１１ａが、一方のダイオード対１４におけるダイオード１３、１３の中間点Ｄｍに接続され、かつ他方の電極１１ｂが、他方のダイオード対１４におけるダイオード１３、１３の中間点Ｄｍに接続される。又各ダイオード対１４におけるカソード側電極同士は短絡されるとともに、各ダイオード対１４のアノード側電極同士は短絡されている。

そして各前記整流回路１２は、蓄電手段１５であるコンデンサ１６に並列接続される。即ち、蓄電手段１５の一方の電極１５ａには、各整流回路１２のカソード側電極の短絡部Ｑａが接続され、蓄電手段１５の他方の電極１３ｂには、各整流回路１２のアノード側電極の短絡部Ｑｂが接続される。

従って、各整流回路１２では、前記図５（Ｂ）に示すように、圧電素子５に例えばプラスの電圧が生じた場合には、実線の矢印で示す順序で電気が流れ、逆にマイナスの電圧が生じた場合には、破線の矢印で示す順序で電気が流れる。即ち、整流回路１２は交流電流を直流電流に整流でき、又整流された直流電流は、前記蓄電手段１５に電荷の形で順次蓄電される。

各前記圧電素子５、整流回路１２、蓄電手段１５は、前記環状帯体４の内周面に取り付けられるとともに、これら圧電素子５、整流回路１２、蓄電手段１５は、前記環状帯体４の内周面にプリント印刷されたプリント配線によって接続される。前記プリント配線としては、環状帯体４に直接プリント印刷することも、又プリント印刷された薄い配線シートを、前記環状帯体４に貼り付けても良い。又、環状帯体４の内周面には、圧電素子５、整流回路１２、蓄電手段１５、及び前記プリント配線を被覆保護し、水などの導電体の付着による電気的故障を防止するための皮膜状の絶縁シート７が配される。

次に、発電具３の他の実施例を説明する。

第１の実施例では、図６（Ａ）に示すように、複数の圧電素子５は、周方向接地領域長さＬよりも長い間隔Ｐを隔てて、タイヤ周方向に配されている。そして、各前記圧電素子５は、図６（Ｂ）に示すように、１つの整流回路１２と並列接続される。又前記発電具３は、前記整流回路１２を、接地領域Ｙ内に位置する圧電素子５Ａのみと接続させるスイッチング手段２０を具える。

前記接地領域Ｙとは、正規リムにリム組みしかつ正規内圧を充填した状態のタイヤに正規荷重を負荷した時に接地するタイヤ周方向の接地外端位置をＥとしたとき、各接地外端位置Ｅを通るタイヤ半径方向線Ｘｅ、Ｘｅ間の領域を意味する。又この接地領域Ｙのタイヤ内腔面２Ｓ上での周方向長さを、前記周方向接地領域長さＬと呼ぶ。

前記「正規リム」とは、タイヤが基づいている規格を含む規格体系において、当該規格がタイヤ毎に定めるリムであり、例えばＪＡＴＭＡであれば標準リム、ＴＲＡであれば "Design Rim" 、或いはＥＴＲＴＯであれば "Measuring Rim"を意味する。前記「正規内圧」とは、前記規格がタイヤ毎に定めている空気圧であり、ＪＡＴＭＡであれば最高空気圧、ＴＲＡであれば表 "TIRE LOAD LIMITS AT VARIOUS COLD INFLATION PRESSURES" に記載の最大値、ＥＴＲＴＯであれば "INFLATION PRESSURE"を意味するが、乗用車用タイヤの場合には１８０ｋＰａとする。又前記「正規荷重」とは、前記規格がタイヤ毎に定めている荷重であり、ＪＡＴＭＡであれば最大負荷能力、ＴＲＡであれば表 "TIRE LOAD LIMITS AT VARIOUS COLD INFLATION PRESSURES" に記載の最大値、ＥＴＲＴＯであれば "LOAD CAPACITY"である。

そして前記スイッチング手段２０により、整流回路１２を、接地領域Ｙ内に位置する圧電素子５Ａのみと接続させる。これにより、前記整流回路１２の形成数を大幅に減じることができ、コストの削減に貢献できる。

前記スイッチング手段２０として特に規制されないが、本例では、例えば２つの加速度センサ２１ａ、２１ｂと、その出力信号により接地領域Ｙ内の圧電素子５Ａを認識する認識手段２２と、スイッチ２３とを含む。

図７（Ａ）、（Ｂ）に概念的に示すように、本例では、８個の圧電素子５が配される場合が例示される。詳しくは、タイヤ２を、８つの周方向領域Ｊ１〜Ｊ８に等区分し、各周方向領域Ｊ１〜Ｊ８の中央に圧電素子５_１〜５_８が配される。

前記２つの加速度センサ２１Ａ、２１Ｂは、周方向に９０度の角度を隔てた２位置に取り付く。本例では、周方向領域Ｊ１の周方向中央位置に加速度センサ２１Ａが、又周方向領域Ｊ３の周方向中央位置に加速度センサ２１Ｂが取り付く。各加速度センサ２１Ａ、２１Ｂは、図７（Ｂ）に示すように、タイヤ回転時の加速度をサイン曲線で出力するが、加速度センサ２１Ａ、２１Ｂの取り付け位置が９０度ずれているため、その出力信号（サイン曲線）ＦＡ、ＦＢも周方向に９０度位相がずれている。

本例では、一方の加速度センサ２１Ａは、この加速度センサ２１Ａが０時、６時の回転位置のとき出力が０で、３時の回転位置のとき出力が最大（ｍａｘ）となるように、ゲインの向きが設定されている。又他方の加速度センサ２１Ｂは、この加速度センサ２１Ｂが０時、６時の回転位置のとき出力が０で、９時の回転位置のとき出力が最大（ｍａｘ）となるように、ゲインの向きが設定されている。

そして、前記サイン曲線の出力信号ＦＡ、ＦＢを、３つの閾値Ｔ１〜Ｔ３にて二値化処理することにより、それぞれ３つ（合計６つ）のデジタル信号ｆａ１〜ｆａ３、ｆｂ１〜ｆｂ３を得ることができる。そして、これら６つのデジタル信号ｆａ１〜ｆａ３、ｆｂ１〜ｆｂ３の組み合わせによって、どの周方向領域Ｊ１〜Ｊ８が、接地領域Ｙとなるかを判定することができる。即ち、接地領域Ｙ内の圧電素子５Ａを認識できる。

このような出力信号ＦＡ、ＦＢの二値化処理、それによって得られるデジタル信号ｆａ１〜ｆａ３、ｆｂ１〜ｆｂ３に基づいた周方向領域Ｊ１〜Ｊ８の接地の判定は、前記認識手段２２によって行われる。なお、周方向領域の分割数（即ち圧電素子５の取り付け数）に応じて、前記加速度センサの取り付け数、閾値の値を設定しうる。又前記スイッチング手段２０は、前記環状帯体４に取り付けることができ、このスイッチング手段２０の電源も、前記蓄電手段１５から供給することができる。

発電具３の第２の実施例は、図８に概念的に示すように、接地領域Ｙに複数の圧電素子５が配される例であり、同図には、例えば２４個の圧電素子５が周方向に間隔を隔てて配されている。この２４個の圧電素子５は、複数（本例では４つ）のグループＧａ〜Ｇｄ（総称するとき、グループＧと呼ぶ。）に区分される。各グループＧに属する圧電素子５は、タイヤ周方向の接地領域長さＬよりも長い間隔を隔てて互いに離間している。

又図９に示すように、各グループＧに属する圧電素子５は、グループ毎に１つの整流回路１２に並列接続されるとともに、各整流回路１２は、１つの蓄電手段１５に並列接続される。この場合、１つのグループＧ内では、２つ以上の圧電素子５が同時に接地しない。従って、１つのグループＧに属する圧電素子５同士を並列接続した場合にも、その出力を互いに干渉させることがない。従って、グループ毎に１つの整流回路１２を用いても、同等の整流機能を発揮しうるなど、整流回路１２の形成数を減じることができ、コストの削減に貢献できる。

又発電具３の第３の実施例を、図１０に示す。本例の発電具３では、タイヤ内腔２Ｈ内の空気振動によって前記圧電素子５が撓むことにより発電が行われる。具体的には、前記環状帯体４の外周面に、スポンジ材からなる帯状のクッション体２５が添設される。これにより、タイヤ内腔２Ｈ内に生じる空気振動を、前記環状帯体４に伝播させ、その振動によって圧電素子５を撓ませて発電する。クッション体２５の厚さは特に規制されないが、１０〜２０ｍｍが好適である。前記スポンジ材は、海綿状の多孔構造体であり、例えばゴムや合成樹脂を発泡させたスポンジそのものの他、動物繊維、植物繊維又は合成繊維等を絡み合わせて一体に連結したウエブ状のものを含む。好ましくは、エーテル系ポリウレタンスポンジ、エステル系ポリウレタンスポンジ、ポリエチレンスポンジなどの合成樹脂スポンジ、クロロプレンゴムスポンジ（ＣＲスポンジ）、エチレンプロピレンゴムスポンジ（ＥＤＰＭスポンジ）、ニトリルゴムスポンジ（ＮＢＲスポンジ）などのゴムスポンジを好適に用いることができる。又スポンジ材としては、その比重が０．００５〜０．０６０のものが好ましい。

又発電具３の第４の実施例を、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示す。本例の環状帯体４は、帯状シート２６と、この帯状シート２６の長さ方向両端部２６Ｅを互いに連結することにより帯状シート２６を環状に形成する連結手段２７とを具える。本例の連結手段２７は、一方の端部２６Ｅに取り付くネジ金具２７Ａと、他方の端部２６Ｅに設けられかつ前記ネジ金具２７Ａを挿通させるネジ挿通孔２７Ｂと、挿通したネジ金具２７Ａを固定するナット金具２７Ｃとを具える。又前記ネジ挿通孔２７Ｂは、帯状シート２６の長さ方向に任意のピッチ間隔にて複数形成される。これにより、前記連結手段２７は、両端部２６Ｅ間の連結位置を違えることができ、環状帯体４の外径をタイヤ内腔面２Ｓの内径に合わせて自在に調整することができる。

以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。

１タイヤ発電装置
２空気入りタイヤ
２Ｓタイヤ内腔面
３発電具
４環状帯体
５圧電素子
６発電手段
７絶縁シート
１０Ａ凹部
１０Ｂ凸部
１２整流回路
１５蓄電手段
１６帯状シート
２０スイッチング手段
２６Ｅ両端部
２７連結手段
Ｙ接地領域

Claims

空気入りタイヤと、この空気入りタイヤのタイヤ内腔面に取り付けられた発電具とを具えるタイヤ発電装置であって、
前記発電具は、
前記タイヤ内腔面に沿って配される樹脂製の環状帯体と、
該環状帯体の内周面に周方向に間隔を有して取り付き、前記環状帯体の変形に応じて撓む複数個の圧電素子からなる発電手段と、
前記発電手段を覆う絶縁シートとを含むことを特徴とするタイヤ発電装置。
前記タイヤ内腔面又は前記発電具の外周面の一方に、凹部が設けられ、かつタイヤ内腔面又は前記発電具の外周面の他方に、前記凹部に嵌り合うことにより空気入りタイヤと発電具との位置ずれを防止する凸部が設けられることを特徴とする請求項１記載のタイヤ発電装置。
前記発電具は、前記圧電素子により発生する交流電圧を直流電圧に返還する整流回路を具えることを特徴とする請求項１又は２記載のタイヤ発電装置。
各前記圧電素子は、１つの整流回路と接続し、かつ前記発電具は、前記整流回路を、接地領域内に位置する圧電素子のみと接続するスイッチング手段を具えることを特徴とする請求項３記載のタイヤ発電装置。
前記発電具は、前記整流回路によって整流された直流の電気を蓄える蓄電手段を具えることを特徴とする請求項３又は４記載のタイヤ発電装置。
前記発電具は、空気入りタイヤの接地変形によって前記圧電素子が撓んで発電することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のタイヤ発電装置。
前記発電具は、タイヤ内腔内の空気振動によって前記圧電素子が撓んで発電することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のタイヤ発電装置。
前記環状帯体は、帯状シートの長さ方向両端部に、該両端部を連結することにより帯状シートを環状に形成する連結手段を具えるとともに、前記連結手段は、連結位置を違えることにより前記環状帯体の外径を調整可能としたことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のタイヤ発電装置。