JP6095119B2 - エネルギー収穫／タイヤ圧、温度、及びタイヤデータ送信器 - Google Patents

Description

かなり一般的なレベルでは、本発明は閉システムでの省エネに関するが、より詳細には、タイヤ構造としてのそのような閉システムでのエネルギー収穫に関する。さらに詳細には、本発明によるハーベスト装置は、ハーベスト装置に関する独立請求項の前文部分に示された分野に関する。本発明は、ハーベスト装置マトリックスに関する独立請求項の前文部分に示された分野でのハーベスト装置マトリックスにも関する。本発明は、ハーベスト装置マトリックスシステムに関する独立請求項の前文部分に示された分野でのハーベスト装置マトリックスシステムにも関する。本発明は、ハーベスト装置マトリックスモジュールに関する独立請求項の前文部分に示された分野でのハーベスト装置マトリックスモジュールにも関する。さらに、本発明は、タイヤに関する独立請求項の前文部分に示された分野でのタイヤにも関する。さらに、本発明は、フットウェアに関する独立請求項の前文部分に示された分野でのフットウェアにも関する。

我々は、使用されている主源から流れ出て、使用されるエネルギーの主目的が満たされているために小さな流れを形成し得る多くの種類のエネルギーを含む環境で生きているが、減衰したレベル又は別の形態でシステム内にまだ存在している残留又は二次エネルギーがまだ存在している。

今日、自動車量のタイヤのタイヤ圧測定システムが一般的である。典型的な最新技術によるシステムでは、圧力・温度センサモジュールが無線送信器と組み合わせられ、タイヤ内部のバルブ軸に組み付けられる。モジュールの電気エネルギーは、電池により供給される。電池から利用可能なエネルギーは、モジュールの信号送信周波数及び動作寿命を制限する。送信周波数は、毎分１回と低いことがあり得る。また、タイヤが十分な高速で回転している場合のみ、移動スイッチが使用されて、送信できるようにする。

代替の解決策がエネルギー源に対して提案されている。一解決策は、電磁場を介して電気エネルギーをモジュールに供給するというものである。高周波無線信号並びに低周波磁場結合が使用されてきた。最高で１秒毎に１回、周波数を更新するのに十分なエネルギーを送信することができる。また、移動スイッチが必要ない。欠点は、各タイヤの近傍にアンテナ及び関連付けられたケーブルが必要なことである。これは、システムを実際に実施できないほどコストの高いものにする。

第３の代替の最新技術による解決策は、タイヤに存在し得る利用可能な機械的、熱的、放射性、又は同様のエネルギー源から電気エネルギーを生成することである。確実な機械的エネルギー源は、タイヤの回転運動により提供される。必要とされる１０〜１００μＷ電力と比較して、大量のエネルギーが機械的電力として利用可能である。

また、タイヤの内部ライナーにおいて、ブレーキによる影響を受けない代表的な温度読み取り値を得ることができるため、測定モジュールをその位置に搭載することも望ましい。また、測定モジュールが、弁又はリムではなくタイヤと組み合わせられる場合、圧力読み取り値及び温度読み取り値に加えてタイヤパラメータ情報を送信することができる。

しかし、外部エネルギー源への接続を考える場合、外部エネルギー源は、タイヤ等の閉システムでは確実に実施することが難しい。外部エネルギー源は、測定結果の無線での収集、保存、及び／又は報告を行う測定電子回路及び／又は送信器等のタイヤ内システム電子回路の機能を回復するために、交換及び／又は装填を行う必要がある。外部エネルギー源が、完全に不可能ではない場合が、少なくとも適用が非常に難しいシステムのそのような状況では、内部エネルギー源が必要とされる。

しかし、エネルギーは多くの方法で世界中で私達自身を取り巻いているが、縮退エネルギーと呼ばれることもあるそのような自由なエネルギーの利用は、特に、回転可能なタイヤ内部のような閉システムでは問題である。そのようなエネルギーの量は、デジタル電子回路の多くの目的で十分であるが、エネルギーの取り出し及び／又は利用可能なエネルギーの利用可能な形態への変換の実施は、非常に低レベルのエネルギー歩留まりが既知の技法それ自体によりもたらされる以外、まだ見つかっておらず、したがって、タイヤ構造内に含まれる電子回路は、高い信頼性では動作不可能であり得る。

米国特許第７４１５８７４号 米国特許第７４１４３５１号

実施形態の概説
エネルギーハーベストに関する従来技術によるこれらの上述した問題は、本発明の実施形態により解決され、完全ではない場合でも、本実施形態は新しい方法で少なくとも軽減を提供する。

本発明によるハーベスト装置は、ハーベスト装置に関する独立請求項の特徴付け部分に示されたものを特徴とする。

本発明によるハーベスト装置マトリックスは、ハーベスト装置マトリックスに関する独立請求項の特徴付け部分に示されたものを特徴とする。

本発明によるハーベスト装置マトリックスシステムは、ハーベスト装置マトリックスシステムに関する独立請求項の特徴付け部分に示されたものを特徴とする。

本発明によるハーベスト装置モジュールは、ハーベスト装置モジュールに関する独立請求項の特徴付け部分に示されたものを特徴とする。

本発明によるタイヤは、タイヤに関する独立請求項の特徴付け部分に示されたものを特徴とする。

本発明によるフットウェアは、フットウェアに関する独立請求項の特徴付け部分に示されたものを特徴とする。

本発明の実施形態による、機械的領域から電気的領域にエネルギーを変換するハーベスト装置は、
−少なくとも１つの慣性体と、
−少なくとも１つの梁と、
−上記少なくとも１つの梁への支持体と、
−トランスデューサ手段と、
を備え
上記少なくとも１つの梁は、
−梁が慣性体の運動状態変化に従って変形できるように、慣性体を支持体から懸架された振り子構造内に構成し、
−少なくとも１つのトランスデューサ手段と相互作用するように構成され、少なくとも１つのトランスデューサ手段は、梁の変形した状態又は慣性体の運動状態に応答して、上記トランスデューサ手段の電気状態変化を生み出すように構成される。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置は、ねじれ変形する少なくとも１つの梁を有するねじれ振り子構造を備える。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置は、中間慣性体を通してねじれ軸を形成するように構成された２つの梁を備え、各梁は、両側で支持体に懸架される。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置では、慣性体は少なくとも３つの寸法を有し、寸法のうち、運動の振り子面での長さ寸法は、運動の振り込面での回転軸に垂直に位置合わせされる。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置は、振り子構造内のばねとして動作するように構成された梁を備える。実施形態によれば、ばねは変形するように構成される。実施形態によれば、変形は湾曲である。実施形態によれば、変形はねじれを含む。実施形態によれば、変形はねじれ、湾曲、及び／又はツイストを含む。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置は、慣性体及び梁を備え、慣性体の長さ寸法が、梁の長さ寸法と比較した場合に長く、すなわち、上記慣性体の長さが梁の長さの少なくとも１．５倍であるように構成され、梁の長さは、支持体への懸架点と慣性体への懸架点との間で測定される。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置は、梁の長さ寸法が、慣性体の長さ寸法と比較した場合に短く、すなわち、上記長さが慣性体の長さの最大でも０．６６倍であるように構成され、上記長さは、支持体への懸架点と慣性体への懸架点との間で測定される。実施形態の変形によれば、慣性体の上記長さ及び梁の上記長さ、各長さ比率は、具現される短と長との間の範囲内にある。

非対称的な実施形態によれば、慣性体の寸法は、特定の梁取り付けスポットから慣性体まで測定される慣性体の第１の端部と、慣性体の第２の端部とで異なり得る。このように、振動の振幅比率に影響を及ぼすことが可能である。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置は、支持体が支持体の層に電気を通す導通構成を備えるように構成される。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置では、支持体の層に電気を通す上記導通構成は、支持体及び／又はコンデンサを通るガルバニリードを備え、導通構成の少なくとも１つの電極はトランスデューサに接続される。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置は、以下：
−モジュール筐体、
−並進移動手段への取り付け手段、
−少なくとも１つの過負荷ストッパー、
−慣性体に一体化される少なくとも１つの過負荷ストッパー、
−機能が磁性反発に基づく過負荷ストッパー、
−ガルバニック接点の接点電極、
−電気構成要素、受信器回路、及び／又は送信器回路、
−整流器回路、
−生成された電流を安定化するフィルタ回路、並びに
−生成された電気のエネルギー貯蔵器
のうちの少なくとも１つをさらに備える。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置では、上記トランスデューサは、梁の湾曲に電気的に応答するように構成された圧電素子を備える。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置では、圧電素子は、梁の少なくとも１つの表面に圧電層を備える。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置では、梁は、タイヤに取り付けるために、半径方向に長さが位置合わせされる。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置では、慣性体に接続された梁は、ハーベスト装置支持体に接続された端部よりも、タイヤの回転の中心から離れて取り付けられて存在するように構成される。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置では、トランスデューサ手段は、少なくとも１つのコイルと、少なくとも１つの永久磁石と、を備え、コイル及び永久磁石は、磁石とコイルとの距離及び／又は角度が、支持体に対する慣性体の移動に従って変化する際、電磁誘導を発生させるように適合される。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置では、トランスデューサ手段は、慣性体内に少なくとも１つのコイルを備え、支持体は少なくとも１つの永久磁石を有する。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置では、トランスデューサ手段は、支持体に少なくとも１つのコイルを備え、慣性体は少なくとも１つの永久磁石を有する。

本発明の実施形態によるハーベスト装置マトリックスは、本発明の実施形態による少なくとも１つのハーベスト装置を備える。

本発明の実施形態による少なくとも１つのハーベスト装置マトリックスを備えるハーベスト装置マトリックスシステム。実施形態によれば、ハーベスト装置マトリックスシステムは、ハーベスト装置マトリックスのグループ及び／又は個々のハーベスト装置を備え、そのうちのいくつかの第１のハーベスト装置の向き、機械的寸法でのサイズ、電力に関するサイズ、及び／又は動作機能、すなわち、ねじれベース及び／又は振り子ベースは異なる。

本発明の実施形態によるハーベスト装置モジュールは、モジュール内に、好ましくは、並進移動手段の構造に取り付けられるように構成された、本発明の実施形態による少なくとも１つのハーベスト装置を備える。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置モジュールは、並進移動手段の内部ライナーへの取り付け構造を備える。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置モジュールでは、上記並進移動手段はタイヤ、ホィール、コンベアベルト、又はフットウェアを含む。

本発明の実施形態によるタイヤは、実施形態による少なくとも１つのハーベスト装置を備える。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるタイヤは、ハーベスト装置に接続された送信器をアンテナとしてタイヤの金属部分に接続する接続手段を備える。

本発明の実施形態によるフットウェアは、本発明の実施形態によるハーベスト装置モジュールを備える。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置では、慣性体は均等な質量分布を有する。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置内の慣性体は、長さ方向において、中央よりも端部に配置される質量が大きい。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置は、インパルス無線規格に従って動作可能な送受信器を形成するように構成された回路を備える。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置は、少なくとも１つの過負荷ストッパー個片を備え、過負荷ストッパー個片は、磁石の反発を介する停止機能に向けて適合されて、ストッパーの磁性面の直接接触を回避する一対の磁石を備える。

実施形態によれば、単なる温度及び／又は圧力を測定することができる。しかし、実施形態の別の群によれば、任意選択的に、又は単なる圧力及び／又は温度に加えて、各実施形態により、タイヤセンサ、道路接触面積、摩擦、牽引力、タイヤ変形により、他の数量を測定することもできる。

本発明の実施形態によれば、実施形態によるタイヤは、それ自体が連続して動作して読み取られるが、直接又は間接的な電源として使用されるハーベスト装置モジュールと併せて動作して読み取られる歪みゲージをタイヤ構造内に備える。

ハーベスト装置モジュール又はこれらの集合が間接的な電源として使用される場合、電気を蓄えるとともに、ハーベスト装置モジュール生成能力の能力を超える急なニーズで送達するように構成された、電池及び／又は超コンデンサ等の貯蔵装置がある。そのような実施形態では、ハーベスト装置は、該当する実施形態の正常動作に現在必要とされる量を超えて利用可能な電気がある場合、電池及び／又は超コンデンサに電気を蓄える。

本発明の実施形態によれば、本発明の実施形態によるハーベスト装置では、少なくとも１つの過負荷ストッパーが慣性体にある。

「備える」という用語は、その変形においても、本発明の実施形態内でオープン表現として使用されている。「構成」という用語は、実施形態の適した部分において、機械的及び／又は電気的エンティティでの構造的特徴を表現する表現として使用されている。

本発明の実施形態は、適した部分で組み合わせ可能である。

図
以下において、例が与えられ、本発明の実施形態が、この説明の一部に添付された添付図を参照してより詳細に示される。図に示される物体の例は、同じ又は他の図に示される物品及び／又は部分との寸法に関して互いに必ずしも一定の縮尺であるわけではない。図中、同じ参照番号が、必ずしも実際に同じである必要はない同種類の物体を指すために使用される。しかし、潜在的な違いは、実施形態及び示される文脈に従って当業者には明らかである。

稼働中のタイヤ及び形状形態変化エリアの遷移位置を示す。 半径方向加速度についての実験結果を示す。 接線加速度についての実験結果を示す。 接線加速度についての実験結果を示す。 時間領域における遷移点での時間の関数としてのタイヤ表面角度を示す。 時間領域における遷移点での時間の関数としての角速度を示す。 時間領域における遷移点での時間の関数としてのタイヤ表面角加速度を示す。 具現されたハーベスト装置の慣性体を示す。 本発明の実施形態によるハーベスト装置のねじれ振り子構造の実施形態を示す。 本発明の実施形態によるハーベスト装置のねじれ振り子構造の実施形態を示す。 本発明の実施形態によるハーベスト装置のねじれ振り子構造の実施形態を示す。 本発明の実施形態によるハーベスト装置のねじれ振り子構造の実施形態を示す。 本発明の実施形態によるハーベスト装置のねじれ振り子構造の実施形態を示す。 本発明の実施形態によるハーベスト装置のねじれ振り子構造の実施形態を示す。 本発明の実施形態によるハーベスト装置の湾曲振り子構造の実施形態を示す。 本発明の実施形態によるハーベスト装置の湾曲振り子構造の実施形態を示す。 本発明の実施形態によるハーベスト装置の湾曲振り子構造の実施形態を示す。 本発明の実施形態によるハーベスト装置の湾曲振り子構造の実施形態を示す。 本発明の実施形態によるハーベスト装置の湾曲振り子構造の実施形態を示す。 本発明の実施形態によるハーベスト装置の湾曲振り子構造の実施形態を示す。 具現された圧電ハーベスト装置の基本部分の断面を示す。 ハーベスト装置モジュールでの本発明の実施形態を示す。 タイヤに取り付けられたハーベスト装置モジュールでの本発明の実施形態を示す。 実施形態における慣性体の振動の減衰及び新しい励起を示す。 本発明の実施形態での電子回路を示す。

実施形態群での例群
エネルギー源としてのタイヤ
角運動を使用して、タイヤの形状の遷移点（図１、ポイント３及び４）において慣性系を励起可能なことに留意する。円形から平坦へのタイヤの形態変化（３）は、タイヤ構造への機械的エネルギーを取り戻し、タイヤの形態が元の円形に戻る（４）際に解放される。エネルギーレベルが、測定装置並びに小型無線送信器及び／又は受信器の維持に十分であるため、本発明により具現される慣性構造を使用するハーベスト装置が実際に、タイヤのような閉システムでの電子回路のエネルギー生成問題を解決することにさらに留意する。

いかなる外部からの追加の影響もない状態では、一定の角速度で回転しているホィールからエネルギーを収穫することが不可能であると信じられる。地球の重力の存在により、タイヤ構造の復元エネルギーを収穫することができるが、高電力レベルを得るために、かなり大きな慣性体が必要とされる。地球の重力の影響は、図２及び図３の正弦波基線変動として見られる。

半径方向加速度
タイヤは、地球の重力よりもはるかに大きなレベルの加速度レベルを提供する。図１は、回転運動中のゴムタイヤを示す。「ゴム」それ自体は、非限定的に簡潔にするために使用される、タイヤの主成分の単なる例として言及され参照され、したがって、ゴムがタイヤの主成分である単なる実施形態のみに限定されない。実施形態群によれば、タイヤは、そのようなものとして知られたタイヤに使用される他の材料を含むこともできる。回転による半径方向求心性加速度は、
ａ＝ω^２ｒ （１）
であり、式中、ωはタイヤの角速度であり、ｒは半径である。当業者は求心力の性質を知り、ここでは、説明での例示的な利点として使用される。この加速度は、地面に接触しないタイヤの位置（１）で優勢である。地面に接触している間、タイヤは平坦（２）であると見なされ（実際のタイヤは、平坦エリアで平坦ではないことがあるタイヤ外面でそのような表面構造を備え得るが）、湾曲の半径は無限になり、求心性加速度はゼロである。平坦から円形部（そして元に戻る）への遷移時、湾曲の半径は瞬間的に非常に小さく（３、４）、したがって、半径方向加速度の大きなピークがある。これは図２に見られ、図２は、低速から５０ｋｍ／ｈに加速する間の実験データに基づく。加速度計（５）は、実施形態の実施研究では内部ライナーに搭載された。図２では、半径方向加速度は時間（秒単位）の関数として与えられる。

（特許文献１）では、半径方向加速度を使用するエネルギーハーベスト装置が提示される。この参照では、加速度が存在しない場合の短い平坦期間が、収穫に使用される。サイクルの残りの部分中、ハーベスト装置構造が、効率の損失を犠牲にして非常に高い剛性を有するように作られなかった場合、ハーベスト装置に求心性加速度により容易に過負荷がかかり得る。半径方向加速度変化に基づく同様の概念が、（特許文献２）にも提示される。

接線加速度
内部ライナーでの物体の軌道変化により、接線加速度成分もある。平坦部での接線速度は位置及び対応する角度に依存する。

式中、ｖ_０は、タイヤ表面の測定位置での円形部での接線速度であり、ｒはタイヤの半径であり、ｔ_０は図１のポイント４での瞬間である。時間の原点は、この例では、平坦部の中間において選択された。ポイント３において速度の急激な増大があり、ポイント４において低減がある。図３は、ｖ_０＝３０ｋｍ／ｈ、ｒ＝０．３ｍ、及びｔ_０＝６．３ｍｓでの式（２）に基づいて計算される加速度の例を示す。

接線加速度の実験結果例を図４に示す。図３と同様の全般挙動が見られ、最初に正及び２番目に負の急な加速度ピークがある。

したがって、接線加速度を使用して、遷移点で慣性系を励起させることができる。

角運動
タイヤの表面は、円形から平坦への遷移（３）及び平坦から円形部への遷移（４）中に非常に大きな角運動を経る。図５は、具現される実施形態例での時間の関数としての角度を示す。角速度は、図６に示されるように、遷移点において大きく狭いピークを有する。角加速度は、図７に示されるように、遷移点において２つのピークを有する。

角励起の慣性エネルギーハーベスト装置の実施形態
実施例群
実施形態例群では、慣性系は、慣性体及びばねからなる。ばねにより、慣性体は線形、又は角度的、又はこれらの組み合わせで移動することができ、これらの運動モードは変形又は変形モードとしても示される。前者の場合、慣性体の質量及び線形ばね定数により、動的挙動及び慣性系に蓄えられるエネルギーが決まる。後者の場合、慣性及び角度ばね定数のモーメントにより、動的挙動及び慣性系に蓄えられるエネルギーが決まる。本発明のこの実施形態群は、振り子（及び／又はねじれ振り子）実施形態としてもそれぞれ呼ばれる、慣性体の角度（又は回転）運動を可能にする慣性モーメント及びばねを所有する慣性体を有する慣性系に基づくエネルギーハーベスト装置に関する。

本発明の実施形態によれば、トランスデューサ手段１０がハーベスト要素１６を備える。実施形態によれば、ハーベスト要素は以下：湾曲、ねじれ、又は両方に適した圧電素子、磁石、コイル、及び少なくとも１つのコンデンサを含むコンデンサ板群のうちの少なくとも１つを含む。実施形態によれば、いくつかのハーベスト装置要素がハーベスト装置構造内で使用される。実施形態によれば、１つのハーベスト装置に異なるハーベスト装置要素が使用される。このようにして、いくつかのトランスデューサ手段及び／又は異なるタイプのハーベスト装置要素を用いて、収穫を冗長的に動作可能なようにすることが可能であり、それにより、動作の致命的な故障を制限することができる。

例では、本発明の実施形態による慣性ハーベスト装置において、慣性ハーベスト装置は円形部（３）から平坦部（４）及びこの逆の遷移点（３、４）での自動車量タイヤに存在するような急な角運動に応答する。例示的に具現されるハーベスト装置が、タイヤの回転軸を中心として大きな慣性モーメントを有する慣性体を有することに留意することが重要である。例として、矩形直方体の慣性モーメントは、

であり、式中、ｍは慣性体の質量であり、Ｌは、回転軸に直交する慣性体の最大寸法である。したがって、回転する慣性体の慣性は、長さの増大により、且つ／又は質量のみならず不均等な質量分布を用いることにより効率的に増大させることができる。例として、慣性体（６）がハンマー状のＬ字形端部を有する実施形態がある。図８は、矩形直方体の形状を有する慣性体６の回転軸及び長さＬを示す。この種の実施形態は後にねじれ振り子に関連付けられ、そのように呼ばれる。直方体は、ここでは、例えば、簡潔にするために使用され、実施形態を直方体形の質量を使用する実施形態群のみに限定するいかなる意図もない。慣性体への限定も意図されず、特徴的な寸法Ｌに沿って質量の均等な質量分布を有する。

シーソー構造を利用した実施形態群について
図８の実施形態例では、慣性体６は、図９ａに示されるような一対のねじればね
７により回転軸上に懸架することができる。ねじればねの外端部は、慣性体６及びシステムを運動源、例えば、タイヤに接続する支持構造８に固定される。実施形態によれば、特に、慣性体６の慣性状態が変化する（図１１）際、振り子実施形態に他のねじれ振り子モードを利用するために、振り子内に湾曲梁７を備えるような実施形態では、支持体８への単一のサスペンション７により、上述したねじれ振り子の変形を実施することも可能である。参照したモードを単一構造及び／又はエネルギー収穫に使用すべき場合、高感度トランスデューサを有するねじればねとして動作して、ねじればねのエネルギーを、上述した目的のために使用する電気エネルギーに変換するねじれ梁を提供することが有利である。

図９ｂでは、慣性体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギーハーベスト要素１６が、慣性体の大きな変位位置に配置される。トランスデューサ１０としてのハーベスト要素１６は、容量性、電磁性、圧電性、又はエネルギーを機械領域から電気領域に変換する任意の他の同様の既知の方法に基づき得る。図９ｂのハーベスト要素１６は、慣性体外への機械的、磁気的、又は容量的なリンクを必要としない完全に独立したハーベスト装置である。

図９ｃでは、慣性体上のハーベスト装置部１６ａは、移動可能であり、実施形態では、慣性体外の固定部１６ｂと相互作用する必要がある。電磁実施形態では、移動可能なハーベスト装置部１６ａは永久磁石を含み、固定部１６ｂはコイルを含むか、又はこの逆である：１６ａが慣性体にコイルを含み、部分１６ｂが固定位置に磁石１６ｂを含む。静電実施形態では、慣性体におけるハーベスト部１６ａはコンデンサの第１の電極に取り付けられ、ハーベスト装置の固定部１６ｂは静電ハーベスト装置の第２の電極に取り付けられる。

ねじればねは、機械領域から電気領域へのエネルギーの容量性及び／又は電磁性変換により機能するそのようなトランスデューサを有するエネルギーハーベスト装置実施形態に適する。優先日において、ねじればね７は、ねじればねの剪断変形が圧電極性に上手く結合しないため、圧電材料をねじればね７に直接配置するには適さない。圧電実施形態変形では、追加の圧電素子１７を慣性体６及び固定アンカー１８に接続して配置する必要がある。図９ｄ、図９ｅ、及び図９ｆは、圧電素子の可能な配置を示すが、これらは、当業者が本発明の優れた実施形態を読んで理解した場合に使用することができるいくつかの可能性のうちの単なる例として示される。

Ｔ字形構造を利用する実施形態群について
ねじればねの他に、慣性体は、短い片持ち梁上で回転運動するように懸架することができる。実施形態によれば、ばねの湾曲が圧電発電に容易に結合されるため、短い片持ち梁ばねを備える圧電式ハーベスト装置が好ましい。片持ち梁ばねは純粋な角運動を生成せず、小さな線形変位成分が存在する。しかし、十分に長い慣性体を選択することにより、角度成分を優勢にすることができる。角運動に圧電性片持ち梁ばねを使用することは、力ではなくばねの端部でのトルクにより湾曲により、ばねの圧電層のねじれが、ばねの長さの関数として一定であるため、実施形態群において特に有利である。図１０ａは、慣性体６、短い片持ち梁ばね９、及び支持構造８を有するそのような構造の例を示す。振り子当分野の現状では、構造は、剛性（湾曲不可能であるか、又は本質的に湾曲不可能）梁が前後移動できるようにするジョイントを備える。当分野の上記状態とは逆に、適した部分での振り子実施形態及びねじれ振り子実施形態の実施形態では、梁は湾曲及び／又はねじれようとしている。

勿論、独立したハーベスト装置又はそのようなハーベスト装置の群を、ねじればねにより支持される慣性体（図９ｂ、図９ｃ）と同様に、この種のハーベスト装置の慣性体に配置することも可能である。そのような実施形態の例を図１０ｂに示す。

例示的な実施形態では、慣性体に接続された端部からの位置の関数としての片持ち梁の偏向は、

により与えられ、式中、Ｔは慣性体による慣性トルクであり、Ｅはヤング率であり、Ｉ_Ｂはばねの断面の慣性モーメントであり、Ｉはばねの長さであり、Ｆは慣性体による慣性力である。慣性トルクは、特定の実施形態で使用される慣性体による形状及び質量分布に従って決まる。

それに対応して、片持ち梁の角度は、

により与えられる。

ばねの湾曲モーメントは、
Ｍ＝Ｔ＋Ｆｘ （６）
により与えられる。

ばね表面の歪みは、

により与えられ、式中、ｈはばねの厚さである。（７）から、示される例示的な実施形態から、ＴがＦ^＊ｌよりもはるかに大きい場合（すなわち、ｘ＝ｌの場合）、梁の長さに沿って均一な歪みが生成されることが明らかである。これは、電荷生成が均一になり、電荷生成能動エリアに容量的に負荷をかける受動エリアがないため、圧電性トランスデューサの場合に有利である。ここでは、片持ち梁が例として使用されるが、実施形態の範囲を片持ち梁に関連する実施形態のみに限定するいかなる意図もない。

実施形態によれば、片持ち梁ばね９は、図１０ｃ（上）に示されるように、慣性体６の溝に配置することができる。慣性体は、慣性モーメントが大きく、質量が低い場合、慣性体の端部近くに優勢的に分布する質量が好ましい（図１０ｄ（下）に示される）ため、部分的に中空であり得る。図１０ｅ（上）及び図１０ｆ（下）は、対応する実施形態の慣性体及びばねの上面図を示す。本発明の実施形態によれば、図１０ｅのように単に１つのばねがあってもよく、又は図１０ｆのように少なくとも２つのばねがあってもよく、用途での強度向上のために有利であり得るように、さらに多数であってもよい。

図１０ｃ及び図１０ｄは、慣性体の不均等な質量分布についての例を示す。実施形態では、一対のばね７、９が慣性体の溝に存在し得る。実施形態のさらなる変形によれば、質量分布は、質量が慣性体の外端部に集中するようになされる。実施形態についての示される例によれば、質量分布は、慣性体の中心にあるばね位置に関して対称である。しかし、実施形態の範囲を対称な質量分布のみに限定することは意図されない。実施形態のさらなる変形によれば、慣性体は起伏のある外観を備え得るが、端部でのモーメントはそれでもやはり、異なる材料及び／又は異なる量の材料を慣性体構造の両端部に使用する場合に平衡することができる。

図１０ｅ及び／又は図１０ｆは、慣性体の中央に溝を有するボート状の慣性体６の上面図を示す。いくつかの実施形態は、必ずしもそのような溝の種類、形態、及び／又は溝数のみに限定されるわけではなく、溝の種類、形態、及び／又は溝数は実施形態毎に可変である。ボートの中央にある湾曲梁の位置が示されるが、実施形態の範囲は必ずしもそれのみに限定されるわけではない。図１０ｅ及び／又は図１０ｆでの湾曲梁の形状は、梁７、９がボートの脇では剛性であるが、長さ方向では容易に湾曲するように構成される。

図１０ｅ及び／又は図１０ｆも、２つ以上の湾曲梁７、９が使用されて、ハーベスト装置を、ばねをあまり幅広にせずに横からの影響に対してより堅牢にするとともに、材料により長さ方向では剛性を有する実施形態を示す。梁７、９は、図１０ｅ及び／又は図１０ｆの図では線上に配置され、それにより、矩形ボート状構造の対角線方向へのねじれモーメントが本質的にない。しかし、そのようなモードが望ましい実施形態では、好ましくは、そうして実施される実施形態に少なくともいくらか存在するねじれに耐えることが可能な、位置合わせされない梁により実施することができる。

ストッパー及び／又は移動デリミタは、慣性体図１０ａ〜１０ｆに示されないが、実施形態に従って使用することが可能である。

図１１は、具現される圧電性ハーベスト装置の基本部分の断面の例を示す。慣性体６は片持ち梁ばね９に懸架される。梁には、圧電性トランスデューサ１０が片側（ユニモルフ）又は両側（バイモルフ）に取り付けられる。三角形状梁ばねが使用される本発明の実施形態では、梁ばねの各側（マルチモルフ）が、運動モードエネルギー収穫の場合、信号形成の場合、並びに／或いは直接使用し、且つ／又は貯蔵のためのエネルギー変換の場合に使用されるトランスデューサを備えることができる。トランスデューサは、電気接続手段１１により支持構造８上の電気回路に電気的に接続される。電気接続手段は、はんだ付けされたワイヤ、接合されたワイヤ、直接はんだ取り付け、導電性接着剤等であり得る。本発明の実施形態によれば、場合によっては、誘導性及び／又は容量性接続を、使用中の回路に電気エネルギーを送るために使用することもできる。

完全なハーベスト装置を、示される例によるハーベスト装置の動作を理解する意味で使用される、図１２に示す。実施形態に基づき、且つ当業者の熟練により、当業者は、図１２に示されないが、実際の実施では、単に支持機能のために使用する必要があり得る従来既知の技法からの基盤にタイヤ、及び／又はハーベスト装置、及び／又はハーベスト装置モジュールを提供することができる。したがって、完全とは、含まれ、例示される１３電子回路に使用するためにエネルギーを電気領域に変換する動作原理の理解を示すものと理解すべきである。支持構造８は、例では、プリント回路基板として具現される。支持構造８はモジュール筐体１２に取り付けられる。プリント回路基板８上には、電気構成要素１３が取り付けられる。実施例での電気構成要素は、ハーベスト装置の出力電圧の変換及び／又は安定化を行うため、且つシステムが実行する必要がある他の機能、例えば、圧力及び温度の測定並びに測定結果及びタイヤ情報の無線波による送信のために使用される。過負荷ストッパー１４がパッケージ又は慣性体に提供されて、圧電性トランスデューサを過負荷時の破損から保護する。実施形態では、過負荷ストッパーのうちの少なくともいくつかは、磁性反発に基づいて具現され、それにより、ストッパーへの接触及び摩耗を最低限に抑えることができる。

例では、ハーベスト装置は、柔軟層１９を使用してゴムタイヤ１５の内部ライナーに搭載されるハーベスト装置モジュール内にある。片持ち梁９は、タイヤの回転、ハーベスト装置の土台に接続された端部（梁が重力場と位置合わせされた静止位置にある場合）、慣性体に接続された端部が中心から離れるように半径方向において位置合わせされる。これは、静的求心性加速によるばねの圧縮並びに共振周波数の低下及びばねの潜在的な座屈を回避するためである。

本発明の実施形態によれば、歪みゲージがタイヤに含まれる。この方法及びタイヤのいくつかのエリアに歪みゲージを配置することで、タイヤのどの部分が道路に接触しているかを示すことが可能である。したがって、実施形態によれば、接触時に歪みゲージを受ける力も測定し、電気信号に変換することができる。

ハーベスト装置の動作
実施形態によるハーベスト装置は以下のように動作する：ハーベスト装置がタイヤ表面の遷移点３、４に達すると、図５〜図７に示されるような急な角運動が慣性系を励起させる。系の共振周波数が、遷移速度と比較して低い場合、励起は図５による振幅励起である。共振周波数が遷移速度と比較して高い場合、系は図７の加速度信号に応答する。図５の励起角度振幅は約０．２ラジアンであり、これは、本出願の優先日において、実用的な長さの任意の圧電素子が湾曲する場合に高すぎる。したがって、例では、過負荷ストッパーが運動を、例えば、０．０５ラジアンに制限する。しかし、材料がそれに従って開発される場合、より大きな値も可能である。

タイヤの遷移後、エネルギー変換中、慣性系の機械的エネルギーが、ばねの位置エネルギーと慣性体の運動エネルギーとの間で系の共振周波数で振動する。続けて、ハーベスト装置の振動中、ハーベスト要素により生成された電気エネルギーは、ハーベスト要素から電気負荷に送られる。負荷は、測定電子回路、通信、及び／又は蓄電装置（図１５に示される例を参照のこと）を含み得る。ハーベスト要素の放電によりエネルギー損失及び内部機械的エネルギー損失により、振動振幅は徐々に減衰する。次に、遷移点が慣性系を再び励起させ、タイヤの全サイクルを通して、収穫が略途切れなく続き得る。図１４は、ハーベスト装置の出力電圧及び新しい励起の振動の減衰を示す。

ハーベスト装置に接続される電気負荷としては、整流回路、電圧変換回路、電圧安定化回路、及びエネルギー貯蔵装置、例えば、超コンデンサが挙げられる。

ハーベスト装置の動作それ自体が示されるが、タイヤ内のハーベスト装置の数を単なる１つのみに限定することは意図されない。その代わり、実施形態によれば、搭載位置に関してタイヤの湾曲に従う実施形態によってさえも、いくつかのハーベスト装置は、タイヤ内に搭載可能な、具現されるハーベスト装置バンク又はマトリックス内で並列して動作することができる。実施形態では、少なくとも１つのハーベスト装置を備えるそのようなモジュールは対称に配置して、タイヤを平衡させ、且つ／又はより多くのエネルギーを使用に提供することができる。

図１５は、本発明の実施形態に含まれる電子回路を示す。センサバンクは、実施形態では、少なくとも１つのセンサを含むが、他の実施形態では、タイヤの数量を測定するセンサ群を含む。数量は温度及び圧力並びに加速度及び／又はタイヤの位置であることができる。したがって、車両ドライバーがバランスの崩れに気づく前であっても、タイヤのバランスが崩れていることを検出することができる。センサは、測定電子回路により読み取られ、且つ／又は通信され、測定電子回路は、実施形態では、バンク内のセンサ又は特定のセンサが読み取られているときを示す。実施形態では、そうして取得された測定データは送信器に送信されて、タイヤ外部にブロードキャストされる。受信器の周囲の破線は、受信器が使用されて、測定回路に信号を搬送するそのような実施形態の任意選択性を示す。信号は、例えば、取得し、ブロードキャストすべき測定データの定時若しくは断続的な読み取り又は閾値若しくは許容差に関連する読み取りの代替又は追加として使用される場合、センサの読み取りコマンドに関連することができる。

送信器及び受信器の周囲の破線は、言及した２つが統合されて送受信器を形成するような実施形態を具現する。そうして示される無線ブロックは、実施形態によれば、インパルス無線を含み、インパルス無線はそれ自体既知の方法で実施することができる。このようにして、エネルギー節減が得られ、ハーベスト装置の電力は、充電コントローラ制御内の電池の充電に使用して、エネルギーをエネルギー貯蔵装置に送ることができる。任意選択的な実施形態では、電子回路の動作の制御並びに／或いは測定ソフトウェア及び／又はデータの適した部分への記憶に利用可能なマイクロプロセッサμＰ及び／又はメモリも存在し得る。

実施形態によれば、マイクロプロセッサ及び／又はメモリは、十分に利用可能なエネルギーがある場合、エネルギー源により給電することができる。マイクロプロセッサは、目的に従って、受信器を介して起動し、電子回路の制御及び／又は報告作業を実行するように構成することもできる。

実施形態では、図１５に示されるブロックのうちの少なくとも１つには、バンク内の少なくとも１つのハーベスト装置が上記ブロックに供給するように、専用ハーベスト装置バンクが提供される。実施形態によれば、いくつかのハーベスト装置バンクをタイヤに取り付けることができる。ハーベスト装置バンクのうちの少なくとも１つは、エネルギー貯蔵装置に供給するように構成することができる。実施形態によれば、バンクは、略してハーベスト装置システムとも呼ばれるタイヤ内ハーベスト装置システムを形成する。実施形態では、システムは、専用電子回路部と共に動作するように構成されたいくつかのハーベスト装置を含むことができる。システム部は、実施形態では、タイヤ構造内に分散させてもよく、それにより、回転時のタイヤの安定性が得られる。

実施形態によれば、少なくとも１つのハーベスト装置（例えば、図１２のような）は、タイヤ構造内に収まるように構成されたハーベスト装置モジュール内に構成される。実施形態によれば、そのようなハーベスト装置モジュールは、モジュール内にハーベスト装置バンクを形成するいくつかのハーベスト装置を含みことができる（しかし、必ずしもそうである必要はない）。ハーベスト装置は、必ずしも同じ動作実施形態を用いて実施される必要があるわけではない。したがって、湾曲振り子実施形態として具現される異なる変形に基づく振り子が存在することができ、且つ／又はねじれ振り子で具現されるハーベスト装置が、単一のバンク内であっても存在する。

タイヤに搭載されるいくつかのモジュールがある実施形態によれば、具現されるタイヤに対称に搭載されて、回転平衡タイヤ構造が得られる。

本発明の実施形態によれば、ハーベスト装置はトランスデューサ手段（１０）を備えることができ、代替の実施形態では、トランスデューサ手段は、トランスデューサ手段が少なくとも１つの静止部分及び動的部分を備えるように多様化させることができる。本発明の実施形態によれば、静止部分は、電磁誘導に基づく電気エネルギーを生成するように構成された磁石及び／又はコイルを含むことができ、したがって、動的部分は、電磁誘導に基づく電気エネルギーを生成するように構成されたコイル及び／磁石をそれぞれ含む。実施形態によれば、動的部分は、梁及び／又は慣性体に沿って移動するように構成され、それにより、実施形態では、担当するトランスデューサ部分の磁力場は、トランスデューサ手段のコイルに電動力を誘導することが可能である。実施形態によれば、慣性体はコイルを備える。実施形態によれば、コイルは、プリント基板コイルとして支持体上にある。実施形態によれば、慣性体は誘導のための磁石を備える。実施形態によれば、同じ磁石が磁石ストッパーとして使用されるが、必ずしもそれのみに限定されない。したがって、本発明の代替の実施形態によれば、トランスデューサの動的部分は、梁（７、９）の相互作用が間接的である、すなわち、慣性体を介することができるように構成することができ、それにより、例えば、静止部分と動的部分との間の各移動が誘導に提供される。

いくつかの実施形態では、トランスデューサ手段は、誘導のために、静止部分及び動的部分に加えて圧電部分を備えることもできる。実施形態では、トランスデューサ手段が絶縁される場合、トランスデューサ手段がエネルギーを供給する回路をある意味独立した目的に使用することができる。

本発明の示された実施形態から、コンベアベルト及び／又は靴若しくは他のフットウェア等の他の並進移動手段も同様に励起させることが可能なことが当業者には明らかである。

Claims (29)

1. 機械的領域から電気的領域にエネルギーを変換するハーベスト装置（１２）であって、
   少なくとも１つの慣性体（６）と、
   少なくとも１つの梁（７、９）と、
   前記少なくとも１つの梁（７、９）への支持体（８）と、
   トランスデューサ手段（１０、１６）と、
   を備え
   前記少なくとも１つの梁（７、９）は、長さ寸法（Ｉ）を有し、かつ、
   該梁（７、９）は、前記慣性体（６）を、前記支持体（８）から懸架された振り子構造となるように構成し、かつ、該慣性体（６）を通過する回転軸線の周りで該慣性体（６）を角運動させるようにし、該梁（７、９）は、該慣性体（６）の運動状態変化（３）、（４）に従って変形するようになっており、
   前記慣性体（６）は、少なくとも３つの寸法方向へと延びており、前記寸法のうち、該慣性体の長さ寸法（Ｌ）は、該慣性体（６）における前記角運動の前記回転軸線に対して垂直になるよう位置合わせされており、
   前記トランスデューサ手段（１０、１６）の電気的な状態の変化が、前記慣性体（６）の運動状態及び／又は前記梁（７、９）の前記変形した状態に応答して生じるように構成されており、
   前記慣性体（６）の長さ寸法（Ｌ）は、前記梁の長さ寸法（Ｉ）に対して垂直になるよう位置合わせされており、
   前記慣性体（６）の長さ寸法（Ｌ）は、前記梁の長さ寸法（Ｉ）よりも長い、
   前記ハーベスト装置。
2. ねじれ変形する少なくとも１つの梁（７、９）を有するねじれ振り子構造を備える、請求項１に記載のハーベスト装置。
3. 当該ハーベスト装置は、２つの梁（７、９）を備え、それらの梁は、それらの梁の中間の慣性体（６）を通過するねじれ軸線である回転軸線を形成するように構成されており、各梁（７、９）は、両側で前記支持体（８）に懸架される、請求項２に記載のハーベスト装置。
4. 前記梁（７、９）の少なくとも１つは、前記振り子構造において、湾曲ばね及び／又はねじればねとして動作するように構成される、請求項１に記載のハーベスト装置。
5. 前記慣性体（６）の前記長さ寸法（Ｌ）は、前記梁（７、９）の長さ（Ｉ）の少なくとも１．５倍であり、前記長さ（Ｉ）は、前記支持体への懸架点と前記慣性体（６）との間で測定される、請求項１に記載のハーベスト装置。
6. 前記梁（７、９）のうちの前記少なくとも１つの前記長さ寸法（Ｉ）は、前記慣性体（６）の前記長さ（Ｌ）の最大でも０．６６倍であり、前記長さ（Ｉ）は、前記支持体（８）への懸架点と前記慣性体（６）との間で測定される、請求項１に記載のハーベスト装置。
7. 前記支持体（８）は、前記支持体（８）の層に電気を通す導通構成を備える、請求項１に記載のハーベスト装置。
8. 前記支持体（８）の層に電気を通す前記導通構成は、前記支持体及び／又はコンデンサを通るガルバニリードを備え、前記導通構成の少なくとも１つの電極は前記トランスデューサ（１０、１６）に接続される、請求項７に記載のハーベスト装置。
9. 前記ハーベスト装置は、以下：
   モジュール筐体（１２）、
   並進移動手段（１５）への取り付け手段、
   少なくとも１つの過負荷ストッパー（１４）、
   ガルバニック接点（１１）の接点電極、
   電気構成要素（１３）、受信器回路、及び／又は送信器回路（１３）、
   整流器回路、
   生成された電流、電圧、及び／又は電流及び電圧のうちの少なくとも一方から導出可能な数量を安定化するフィルタ回路ｐ（１３Ｂ）、
   前記生成された電気のエネルギー貯蔵器、並びに
   磁石、コイル、及び／又は圧電層をさらに備えるトランスデューサ（１０）部のうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項１に記載のハーベスト装置。
10. 前記トランスデューサ（１０）は、前記梁（７、９）のうちの少なくとも一方の湾曲に電気的に応答するように構成された圧電素子を備える、請求項１に記載のハーベスト装置。
11. 前記圧電素子は、前記梁（７、９）のうちの少なくとも１つの少なくとも１つの表面に圧電層を備える、請求項１０に記載のハーベスト装置。
12. 前記梁（７、９）のうちの少なくとも１つは、タイヤに取り付けるために、半径方向に長さが位置合わせされる、請求項１に記載のハーベスト装置。
13. 前記慣性体（６）に接続された梁（７、９）は、前記ハーベスト装置支持体に接続された端部よりも、前記タイヤの回転の中心から離れて取り付けられて存在するように構成される、請求項１に記載のハーベスト装置。
14. 前記トランスデューサ手段（１０、１６）は、少なくとも１つのコイルと、少なくとも１つの永久磁石と、を備え、前記コイル及び前記永久磁石は、前記磁石と前記コイルとの距離及び／又は角度が、前記支持体（８）に対する前記慣性体（６）の移動に従って変化する際、電磁誘導を発生させるように適合される、請求項１に記載のハーベスト装置。
15. 前記ハーベスト装置において、前記トランスデューサ手段（１０）は、前記慣性体（６）内に少なくとも１つのコイルを備え、前記支持体（８）は少なくとも１つの永久磁石を有する、請求項１４に記載のハーベスト装置。
16. 前記ハーベスト装置において、前記トランスデューサ手段（１０）は、前記支持体（８）に少なくとも１つのコイルを備え、前記慣性体（６）は少なくとも１つの永久磁石を有する、請求項１４に記載のハーベスト装置。
17. 請求項１〜１６のうちのいずれか一項に記載の少なくとも１つのハーベスト装置を備えるハーベスト装置マトリックス。
18. 請求項１７に記載の少なくとも１つのハーベスト装置マトリックスを備えるハーベスト装置マトリックスシステム。
19. 請求項１〜１６のうちのいずれか一項に記載の少なくとも１つのハーベスト装置を備えるハーベスト装置モジュール。
20. 並進移動手段（１５）の内部ライナーへの取り付け構造を備える、請求項１９に記載のハーベスト装置モジュール。
21. 前記並進移動手段（１５）が、タイヤ、ホイール、コンベアベルト、又はフットウェアを含む、請求項２０に記載のハーベスト装置モジュール。
22. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載の少なくとも１つのハーベスト装置を備えるタイヤ。
23. ハーベスト装置に接続された送信器をアンテナとして前記タイヤの金属部分に接続する接続手段を備える、請求項２２に記載のタイヤ。
24. 請求項１９に記載のハーベスト装置モジュールを備えるフットウェア。
25. 前記慣性体（６）は均等な質量分布を有する、請求項１に記載のハーベスト装置。
26. 前記慣性体（６）個片は、長さ方向において、中央よりも前記端部に配置される質量が大きい、請求項１に記載のハーベスト装置。
27. 前記ハーベスト装置は、インパルス無線規格に従って動作可能な送受信器を形成するように構成された回路を備える、請求項１に記載のハーベスト装置。
28. 少なくとも１つの過負荷ストッパー（１４）を有し、該過負荷ストッパーは、一対の磁石を備え、該一対の磁石は、前記ストッパーの磁性面の直接接触を回避するために、磁石の反発による停止機能を示すように適合されている、請求項８に記載のハーベスト装置。
29. 少なくとも１つの過負荷ストッパーが、前記慣性体（６）上にある、請求項１〜１６のうちいずれか一項に記載のハーベスト装置。