JP6042812B2 - 集電装置構造及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の特徴付け前の部分による集電装置構造に関する。

本発明は、集電方法にも関する。

多くの無線装置では、電力の取得は中心的な位置まで高まった。振動する物品では、圧電に基づく解決策が開発されたが、動作寿命は短い。ＭＥＭＳは有望な解決策であると見なされたが、集電におけるＭＥＭＳ構造の性能はそれ自体、サイズが小さいことにより芳しくない。

ＲＦＩＤ技法に基づく集電解決策も知られているが、これらでは、ハードウェア構成が高価である。車のタイヤでは、誘導に基づく集電の解決策も知られているが、機械的に極端なテスト環境では、これらの解決策の耐久性は芳しくなかった。車のタイヤの圧力を計測する際、電池も電気圧力センサ及びその送信器に関連して使用されたが、そのような解決策に伴う問題は、電池を繰り返し交換する必要性である。

本発明では、集電方法が提示され、上記方法は特に、車のタイヤとの併用に適する。この方法はピンに基づき、タイヤの下の表面に接触することが意図されるタイヤの一部分が、地面に当たる際に湾曲する場合、ピンは振動する。通常、ピンの一端部は、タイヤの周縁シェルの内面への加硫によりタイヤに固定される。ピンの先端部には、そのようなＭＥＭＳ加速度センサ又は圧電素子があり、ＭＥＭＳ加速度センサ又は圧電素子は、タイヤの移動状態の変化に関連付けられた加速度の影響下で集電することが可能である。走行面に面する車のタイヤの表面の部分が路面に接触すると、数十度という角度の急激な変化がタイヤの表面に生じ、この変化はタイヤの圧力に依存する。角度変化の結果、ピンは湾曲し、振動し始める。周期的な加速が、減衰が振動を抑えるまで、ピンの先端でＭＥＭＳ又は圧電コレクタで生じる。

より厳密に言えば、本発明による集電装置は、請求項１の特徴付け部分に提示されることを特徴とする。

本発明による方法に関しては、請求項１２の特徴付け部分に提示されることを特徴とする。

本発明の実施形態による集電装置構造では、集電装置構造は、集電装置構造の固有共振周波数が総合共振周波数を少なくとも５０％にするようにしっかりとベースに接続される。

本発明の実施形態による集電装置構造は、電気機械変換器を備える。

本発明の実施形態による集電装置構造では、上記電気機械変換器はＭＥＭＳ変換器である。

本発明の実施形態による集電装置構造では、ベースは車のタイヤの周縁の内面である。

本発明の実施形態による集電装置構造では、ベースは靴又は靴の一部である。

本発明の実施形態による集電装置構造内の集電装置は、ＭＥＭＳ要素を備える。

本発明の実施形態による集電装置の電気機械変換器には、バイアス電圧を上記変換器に提供するバイアス手段が設けられる。

本発明の実施形態によれば、上記バイアス手段は圧電素子により実施される。

本発明の実施形態によれば、上記バイアス手段は適した材料結合により実施される。

本発明の実施形態によれば、集電装置は圧電素子を備える。

本発明の実施形態による集電装置構造では、計測電子回路が集電装置に集積される。

本発明の実施形態による集電装置構造では、送信電子回路が集電装置に集積される。

本発明の実施形態による方法では、集電装置構造は、集電装置構造の固有共振周波数が総合共振周波数を少なくとも５０％にするようにしっかりとベースに接続される。

本発明の実施形態による方法では、電気機械変換器が集電装置構造として使用されている。本発明の一実施形態による方法では、上記電気機械変換器はＭＥＭＳ変換器である。

本発明の実施形態による方法では、車のタイヤの周縁の内面がベースとして使用されている。

本発明の実施形態による方法では、靴又は靴の一部がベースとして使用されている。

本発明の実施形態による方法では、バイアス電圧が提供されるＭＥＭＳ要素が集電装置に使用されている。

本発明の実施形態による方法では、バイアス電圧は圧電素子により実施される。

本発明の実施形態による方法では、バイアス電圧は適した材料結合により実施される。

本発明の実施形態による方法では、圧電素子が集電装置として使用されている。

本発明の実施形態による方法では、計測電子回路が集電装置に集積される。

本発明の実施形態による方法では、送信電子回路が集電装置に集積される。

本発明の実施形態による車のタイヤが、本発明の一実施形態による集電装置を備える。

本発明の実施形態による靴が、本発明の実施形態による集電装置を備える。

本発明の実施形態によるローラ構造が、本発明の実施形態による集電装置を備える。

本発明の実施形態による方法では、集電装置構造を製造する場合、集電装置構造に、本発明の実施形態による方法において提示された使用すべき構成要素を取り付けることにより形成される。

本発明の実施形態による方法では、集電装置構造を製造する場合、車のタイヤ、車のタイヤの部分、リム、これらの組み合わせ、靴、又はローラ構造のような、本発明の実施形態によるそのような構造の構成要素として、取り付けられるように形成される。

顕著な利点が本発明により達成される。

本発明は、例えば、車のタイヤの安価でメンテナンスが必要ない圧力センサを提供する。計算により、１ｍＷを超える電力を装置により容易に取得できることが示され、この電力は、圧力センサに関連付けられた電子回路が必要とする電力の最高で１０倍である。この方法の好ましい一用途は、車両のタイヤ圧の監視であるが、この方法は他の用途にも同様に使用することができる。この方法では、まず、エネルギーがバネに蓄えられることに焦点を当てるが、当然、加速を通してのエネルギーがまず、質量の運動エネルギーに結合されることが考えられる。これにより、この方法のいくつかの用途ターゲットが広がる。
タイヤに加えて、この方法の機能原理は、靴及びローラマットでも作用し、それにより、例えば、ローラの状態又は雪の特徴を監視するスノーモービルローラに関連して利用することができる。

以下に、図による実施形態例を用いて本発明について説明する。

本発明による集電装置をブロック図で示す。 図１のブロック図をより詳細に示す。 車のタイヤに関連して本発明の実施形態を示す。

図１によれば、本発明による集電装置の実施形態例は、電力を必要とする電子回路２に接続された集電装置１を備える。

図２によれば、集電装置は通常、ＭＥＭＳ要素３を備え、ＭＥＭＳ要素３と均等な回路は、本発明の一実施形態によれば、コンデンサを含む。特に、このコンデンサの静電容量は、静止電極及びコンデンサの他方の電極を形成する、静止電極に隣接して配置される棒振動子により生成される。バイアス電圧がこれらの２つの電極の間に印加され、次に、棒振動子の振動棒が極間にＡＣ電圧を生成する。バイアス電圧は、電池、圧電素子、又はいわゆる内蔵効果により形成することができ、それにより、２つの異なる材料間に電圧が生じる。この電圧は、整流器４により整流され、センサ７を含む計測電子回路５及び送信アンテナ８が接続された送信電子回路６を備えた電子回路２に入力される。センサ７は通常、圧力センサである。

要素３は圧電素子で置換することもでき、圧電素子は、後述するようにピン１０の先端又はピン１０の上記先端の周囲に配置することができる。

図３によれば、どちらかと言えば短いピン１０が、車のタイヤ１２の周縁シェルの内面１１、すなわち、車のタイヤ１２の加圧内部内に固定される。ピン１０は、適したアンカー９により周縁シェルの内面１１に固定される。ピン１０の特性周波数は十分に低く、タイヤが湾曲する際、ピン１０の質量は定位置に留まり、次に、バネが、ピンのバネ定数に従って変化エネルギーをバネ構造に蓄えられるエネルギーに変換する。この変化後、ピン１０は特性周波数で振動し始める。ＭＥＭＳ集電装置１、２がピン１０の先端に設置される。本発明の一実施形態によれば、圧力センサ７をピンの先端に配置して、より大きな質量を達成することも好ましい。ピン１０のＱ値が十分に大きい（往々にして最高で１０００）場合、電力は、本質的にＭＥＭＳ３のみを介して電気の形態で収集されている。本発明の一実施形態によれば、ＭＥＭＳ３では、ＭＥＭＳ３が集電装置として動作するために、例えば、バイアス電圧を生成する圧電素子がさらにあることが重要である。しかし、ＭＥＭＳ内のギャップが非常に狭い場合、いわゆる内蔵電圧が頻繁にギャップにわたり電圧を生成するため、圧電素子をなくすことができる。電池のみに限定せず、電池をバイアス電圧の生成に使用することもできる。その場合、バイアス電圧それ自体だけでは、実際に電池をまったく消耗させないため、電池は非常に長い寿命を有する。

この用途では、「ピン」という用語は、構造の長さよりも明らかに小さな最小直径を有する細長い棒状の構造を示す。

数学的解析
タイヤ１２の表面の湾曲が十分に高速な場合、ある意味、ピン１０の特性周波数に関連して、表面は角度φ度まで湾曲し、角度φは本質的に、車の重量及びタイヤ圧に依存する。ピン先端の質量の視点から、これは変位ｘ_Δを意味する。この場合、ピン１０に蓄えられるエネルギーは、

であり、式中、ｋはピンのバネ定数であり、ωはピンの振動の特性周波数であり、ｍはピンの重量である。変位は、ピンの長さｌ及び角度φにより表すことができ、角度φは、タイヤの周縁部分が路面に当たった際の曲率の変化を示す。変位は、
ｘ_Δ＝ｌｔａｎφ
の形態で与えることができる。

角度φは、下の表面上のタイヤのトラック２ｈ（タイヤ又は同様のものと下の表面とが接触する部分）及びタイヤの半径ｒで表すことができ、

であり、すなわち、

をもたらす。

ここで、総合エネルギーは、

の形態で与えることができる。

タイヤが変位角度φ_ｍを通して回転する際、タイヤの丸い部分から平坦な部分への移動が生じると仮定される。これから、この変位に関連する時間を計算することができる。

質量慣性により、位相変化時の質量は、移動状態の変化に抵抗し、その瞬間状態のまま留まらざるをえず、タイヤの表面の湾曲に関連する変化エネルギーをバネエネルギーに変換するために、ピンの機械的共振周波数についての必要条件に辿り着く。

この区切り周波数が使用される場合、最大エネルギーは、

の形態で得られる。

エネルギーは回転毎に２回得られるため、反復周波数は

になる。

ここで、平均電力は、

の形態で表すことができる。

ピンの質量ｍ＝０．００２ｋｇ（０．０７オンス）、速度ｖ_ａ＝５０ｋｍ／ｈ（３１マイル／ｈ）、ピンの長さｌ＝０．０１ｍ（０．３９インチ）、タイヤの半径ｒ＝０．３０ｍ（１１．８１インチ）、トラックの全長２ｈ＝０．１ｍ（３．９４インチ）、トラックに対応する湾曲角度φ_ｍ＝０．０３ラジアン（１．７２度）を仮定すると、得られる電力はＰ＝０．４Ｗである。実際には、ピンの共振周波数は任意の大きさにすることができないため、電力は小さくなるであろう。他方、ＭＥＭＳ要素３は全体的に、必ずしもピンに結合されたエネルギーのすべてを収集可能である必要はない。しかし、この種類のピン又は棒１０の線質係数は最高で１０００であることができ、したがって、ＭＥＭＳ要素３は、線質係数がＭＥＭＳによる集電によって決まるように振動への負荷を構成する。特性周波数が最高周波数の約１／１０であることを考えると、電力は約４ｍＷである。通常、車のタイヤ圧のセンサは約０．１ｍＷの電力を必要とし、したがって、本発明の実施形態による方法による技法は、その用途に対して十分である。

本発明の主な用途は、タイヤからの集電である。構造の振動又は湾曲がある用途で、この方法を利用することができる。車のタイヤでは、圧力もピン１０のＱ値により計測することができ、ピン１０のＱ値はタイヤ１２内の圧力に比例する。残念ながら、湿気も結果に影響する。本発明の実施形態による構造が耐久性を有するためには、恐らく、ピン１０の振り子運動を制限しなければならない。本発明の実施形態による方法の利点は、湾曲それ自体が、加速度と同じように車の速度に依存しないことである。加速度がピンの横運動に直接影響しない場合、本発明では、そのような耐久性構造が達成される、低いタイヤ速度でも集電可能なそのような構造的解決策が可能である。

本発明の実施形態による構造の耐久性は、ピン１０が、境界、例えばゴムストップに軽く接触し、したがって、いかなる大きな動きも抑制を受けるように向上させることができる。最大振幅もこの方法で減衰させることができる。構造内のバネが堅い場合、質量は湾曲に従い、それにより、ピンが受ける湾曲が低くなり、ピンの耐久性が向上する。

Claims (27)

1. 回転運動において繰り返し変形又は湾曲するベース（１１）に接続された集電装置構造（１０）であって、
   当該集電装置構造（１０）は、棒状のピンであって、本質的にしっかりとベース（１１）の表面に接続され、
   当該集電装置構造（１０）である前記棒状のピンは、前記ベース（１１）の表面から半径方向に延びるように配置されており、かつ、
   当該集電装置構造（１０）は、棒状のピンである該集電装置構造（１０）の先端に、機械エネルギーを電力に変換する集電装置（３）を有しており、
   前記回転運動における前記ベースの変形又は湾曲が、半径方向に対する、前記ベースの表面の角度を変化させ、
   前記ベースの表面の角度の変化の結果として、前記集電装置を含んだ前記棒状のピンが振動を開始することを特徴とする、
   前記集電装置構造。
2. 当該集電装置構造（１０）の固有共振周波数が総合共振周波数を少なくとも５０％にするように、当該集電装置構造（１０）が、しっかりと前記ベース（１１）に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の集電装置構造。
3. 当該集電装置構造（１０）が電気機械変換器を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の集電装置構造（１０）。
4. 前記ベース（１１）の表面が、車のタイヤ（１２）の周縁の内面（１１）にあることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の集電装置構造（１０）。
5. 前記ベース（１１）の表面が、靴又は靴の一部にあることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の集電装置構造（１０）。
6. 前記集電装置（３）が、バイアス電圧を該集電装置（３）に提供するためのバイアス手段を備えることを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の集電装置構造（１０）。
7. 前記バイアス電圧を提供するバイアス手段が圧電素子により実施されることを特徴とする、請求項６に記載の集電装置構造（１０）。
8. 前記バイアス電圧を提供するバイアス手段が、適した材料結合によって作られた積み重なりにより実施されることを特徴とする、請求項６に記載の集電装置構造（１０）。
9. 前記集電装置（３）が圧電素子を備えることを特徴とする、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の集電装置構造（１０）。
10. 計測電子回路（２）が前記集電装置（３）に集積されることを特徴とする、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の集電装置構造（１０）。
11. 送信電子回路（６）が前記集電装置（３）に集積されることを特徴とする、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の集電装置構造（１０）。
12. 回転運動において繰り返し変形又は湾曲するベース（１１）から電力を集める方法であって、当該方法では、集電装置構造（１０）が使用され、
    当該方法の特徴が、当該方法では、
    前記集電装置構造（１０）として棒状のピンが用いられ、該棒状のピンの一端は、ベース（１１）の表面に本質的にしっかりと接続され、該集電装置構造（１０）である棒状のピンは、前記ベース（１１）の表面から半径方向に延びており、かつ、
    前記集電装置構造（１０）の先端に設けられた、振動の機械エネルギーを電力に変換する集電装置（３）が用いられることであり、かつ、
    当該方法では、
    前記回転運動における前記ベースの変形又は湾曲が、半径方向に対する、前記ベースの表面の角度を変化させ、
    前記ベースの表面の角度の変化の結果として、前記集電装置を含んだ前記棒状のピンが振動を開始することである、
    前記方法。
13. 前記集電装置構造（１０）が、前記集電装置構造（１０）の固有共振周波数が総合共振周波数を少なくとも５０％にするようにしっかりと前記ベース（１１）に接続されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 電気機械変換器が前記集電装置構造（１０）として使用されていることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の方法。
15. 車のタイヤ（１２）の周縁の内面（１１）が前記ベース（１１）の表面として使用されていることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 靴又は靴の一部が前記ベース（１１）の表面として使用されていることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記集電装置（３）が、バイアス電圧を提供されることを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 当該方法において、前記バイアス電圧が、圧電素子により実施されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 当該方法において、前記バイアス電圧が、適した材料結合による積み重なりにより実施されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
20. 当該方法において、圧電素子が前記集電装置（３）として使用されていることを特徴とする、請求項１２〜１９のうちいずれか一項に記載の方法。
21. 当該方法において、計測電子回路（２）が前記集電装置（３）に集積されることを特徴とする、請求項１２〜２０のうちいずれか一項に記載の方法。
22. 当該方法において、送信電子回路（６）が前記集電装置（３）に集積されることを特徴とする、請求項１２〜２１のうちいずれか一項に記載の方法。
23. 請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載の集電装置構造を備えることを特徴とする、車のタイヤ。
24. 請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載の集電装置構造を備えることを特徴とする、靴。
25. 請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載の集電装置構造を備えることを特徴とする、ローラ構造。
26. 物品を製造する方法であって、
    請求項１〜１１のいずれか一項に記載の集電装置構造を前記物品中に含むことを特徴とする、
    前記方法。
27. 前記物品が、車のタイヤ、車のタイヤの一部、リム、そのような物品の組み合わせ、靴、又はローラ構造であることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。