JP7270590B2 - 自己発電式検出送信装置 - Google Patents

Description

本開示は、自己発電式検出送信装置（ｓｅｌｆ－ｐｏｗｅｒｅｄ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）に関し、より具体的には、検出及び送信のために圧電性を用いた装置に関する。

タイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ、Ｔｉｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）は、世界の多くの地域では自動車の標準仕様であるのにもかかわらず、タイヤのパンクによる交通事故は依然として非常に頻ぱんに発生している。タイヤのパンクの原因は複雑であるが、タイヤの空気圧が不十分であることが主な原因の一つであるとされる。

従来の商業用ＴＰＭＳは、通常、使い捨て電池で駆動されている。圧力がＴＰＭＳの下限を超える場合、電力節約のために、検出及び送信の頻度が３０秒～６０秒に一回に設定される。検出及び送信の頻度が増えると、使い捨て電池の電力がすぐに使い果たされる可能性がある。また、タイヤ内の環境は通常高温高湿であるため、従来の商業用ＴＰＭＳ内の使い捨て電池は、通常、消費者が交換できない封止剤（ｅｎｃａｐｓｕｌａｎｔ）によって密封されている。このため、たとえＴＰＭＳを採用しても、タイヤのパンクを防止することができない。その理由の一つとしては、タイヤ空気圧の情報の検出及び送信の間隔が長すぎることであると考えられ、安全係数が低いことを示唆している。

また、従来の商業用ＴＰＭＳは、タイヤのリム（例えば、アルミニウムリムなど）にねじ止めされている。そのため、タイヤ内の空気圧及び／又は温度のみを検出でき、地面に接触するタイヤの状態を最適に反映するパラメータ（例えば、タイヤの厚み、加速度、垂直負荷等）は検出できない。実際、タイヤのパンクの前によくある不規則な振動を検出することが必要不可欠である。

一つの実施形態において、本開示に係る自己発電式検出送信装置は、圧電発電器、該圧電発電器に積層された搭載構造、該圧電発電器と該搭載構造とを封止するための封止部と、該封止部の両端に接続された２つの支持部と、を含む封止支持構造、及び、該２つの支持部に対応して結合するための、可撓性表面に固定された固定支持構造、を備える。

図１Ａ及び図１Ｂは、本開示に係る自己発電式検出送信装置の圧電発電器及び搭載構造を示す模式図である。

図２は、本開示に係る自己発電式検出送信装置の封止支持構造及び固定支持構造を示す模式図である。

図３は、可撓性表面に設置された本開示に係る自己発電式検出送信装置を示す模式図である。

図４Ａ及び図４Ｂは、本開示に係る自己発電式検出送信装置の封止支持構造と固定支持構造との対応結合を示す模式図である。

図５Ａ及び図５Ｂは、本開示に係る自己発電式検出送信装置の回路モジュール及びコネクタを示す模式図である。

図６Ａ～図６Ｃは、タイヤが回転するときに地面に接触する際、タイヤの内表面に設置された本開示に係る自己発電式検出送信装置を示す模式図である。

図７は、本開示に係る自己発電式検出送信装置の信号送信結果を示す図である。

図８は、靴の内面に設置された本開示に係る自己発電式検出送信装置を示す模式図である。

下記の実施形態により、本開示を実施できる方法を説明する。当業者は、本明細書に開示された内容により、本開示の他の利点や技術的効果を容易に理解できる。また、添付の図面に示される構造、比例、寸法は、当業者が理解できるように、本明細書の開示内容に合わせて解釈されるべきであることを留意されたい。それらは、本開示の実施可能な範囲を制限するものではないため、いかなる修飾、変更又は調整は、本開示の効果及び目的に影響を与えるものでなければ、本明細書に開示された技術内容の範囲に含まれる。さらに、本明細書の段落に記載されている参照符号は、その段落が参照している図面に表示されていない場合、本開示の他の図面に見出すことができる。

図１Ａ、図１Ｂ及び図２に示すように、本開示に係る自己発電式検出送信装置は、圧電発電器１と、搭載構造２と、封止支持構造３と、固定支持構造４とを備える。

圧電発電器１は、圧電薄膜１１と、圧電薄膜１１の上下両側にある２つの導電電極１２とを含み、搭載構造２に積層されている。圧電発電器１は、例えば、圧電セラミック発電器である。搭載構造２は、例えば、弾性を有する薄い金属板である。図１Ａに示すように、圧電発電器１は、搭載構造２の一方の側に付着されているか、又は、図１Ｂに示すように、圧電発電器１は、搭載構造２の対向する両側に付着されており、その結果、機械エネルギーを受けて搭載構造２が変形する場合、圧電発電器１が機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

封止支持構造３は、圧電発電器１と搭載構造２とを封止するための封止部３１と、封止部３１の両端に接続された２つの支持部３２と、を備える。封止支持構造３は、例えば、ゴム、シリコーン又はプラスチック等の弾性又は成形可能な材料で構成され得る。ここで説明すべきのは、封止部３１と支持部３２は、基本的に一体的に成形されているため、２つの支持部３２は、封止部３１を支持する橋脚のように機能することにより、圧電発電器１と搭載構造２とが封止された封止部３１を、２つの支持部３２の支持下で振動させることができる。

固定支持構造４は、２つの支持部３２に対応して結合するために使用され、前記固定支持構造４は、可撓性表面Ｓに固定されている。図３に示すように、一つの実施形態において、本開示に係る自己発電式検出送信装置１０は、可撓性表面Ｓ（例えば、タイヤ２０の内面（図３を参照）、又は靴３０の内面（図８を参照））に設置することができる。

次に、図２に示すように、固定支持構造４は、２つの第１の嵌合部品４１を含み、２つの支持部３２は、それぞれ第２の嵌合部品３２１を含み、第１の嵌合部品４１と第２の嵌合部品３２１は、埋め込まれる形で物理的に一緒に結合されている。例えば、第１の嵌合部品４１は、凸状部品であってもよく、第２の嵌合部品３２１は、凹状部品であってもよい。より具体的には、第１の嵌合部品４１は、ヘッド部４１１とネック部４１２とを含み、第２の嵌合部品３２１は、支持部３２を貫通する貫通孔３２１１と、貫通孔３２１１から支持部３２の周縁まで延在する開口３２１２とを含む。また、開口３２１２の寸法（幅）は、実質的にネック部４１２の寸法（幅）以下である。第１の嵌合部品４１、又はより具体的には、ヘッド部４１１に対して寸法が小さいネック部４１２は、第２の嵌合部品３２１の開口３２１２から進入して貫通孔３２１１にはめ込む。この過程において、第１の嵌合部品４１はゴム栓と類似する特性を有するため、ネック部４１２は、開口３２１２を通過するときに、開口３２１２の周縁によって少し圧迫されるが、貫通孔３２１１に到達すると、元の形状に戻ることができる。このとき、ヘッド部４１１は、第１の嵌合部品４１が貫通孔３２１１から通ることを防止することにより、固定支持構造４と封止支持構造３との間の対応結合を達成する。一方、固定支持構造４の第１の嵌合部品４１は、凹状部品であってもよく、封止支持構造３の第２の嵌合部品３２１は、凸状部品であってもよく、これによって、固定支持構造４と封止支持構造３との間の対応結合を達成する。

図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、可撓性表面Ｓに設置された固定支持構造４を示す模式図が示されている。まず、固定支持構造４は、例えば、接着剤により可撓性表面Ｓに取り付けられることができる。一つの実施形態において、図３に示すように、固定支持構造４は、タイヤの内側クラウン領域（ｉｎｎｅｒ ｃｒｏｗｎ ａｒｅａ）に取り付けられている。あるいは、固定支持構造４は、タイヤの製造においてモールディングにより一体的に成形することができる。簡単に言えば、固定支持構造４は、可撓性表面Ｓに固定されており、容易に取り外すことができない。また、封止支持構造３と固定支持構造４との対応結合は、封止部３１の曲率半径が可撓性表面Ｓの曲率半径以下になるように実行されるので、封止部３１の曲率が可撓性表面Ｓの曲率以上になる。言い換えれば、固定支持構造４は、封止支持構造３に対してプレストレス（ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓ）を加える。ここで説明しておきたいのは、可撓性表面Ｓが湾曲する程度（即ち、曲率）は、半径の逆数として定義され、つまり、半径が小さいほど、曲率が大きくなる。また、平面の曲率半径は、無限大である。

設置のために、まず、封止支持構造３に力を加え少し湾曲させ、封止支持構造３の２つの支持部３２を２つの第１の嵌合部品４１の間に収容させる。次に、支持部３２の開口３２１２を第１の嵌合部品４１に位置合わせるとともに、封止支持構造３に加えられた力を少し減らせて、第１の嵌合部品４１を開口３２１２を通過させ貫通孔３２１１に進入させる。第１の嵌合部品４１を支持部３２に対応して結合させた後、封止部３１はプレストレスされている。

図４Ａに示すように、固定支持構造４は、２つの第１の嵌合部品４１を含む。第１の嵌合部品４１のそれぞれは、図面において、上から下に、ヘッド部、ネック部及びベース部を含み、２つのベース部は、互いに分離されてもよく、一体的に成形されてもよい。２つの第１の嵌合部品４１は、可撓性表面Ｓから離れるように延在するにつれて、相互に徐々に接近する（即ち、テーパー状に延びる）。封止部３１は、可撓性表面Ｓの方向へ湾曲し（つまり、２つの支持部３２よりも、封止部３１の中央箇所の方が可撓性表面Ｓに近接している）、封止部３１は、可撓性表面Ｓに部分的に接触してもよく、全く接触しなくてもよい。このように、可撓性表面Ｓが変形するとき（例えば、タイヤの回転により、タイヤ内面が変形する）、機械エネルギーが封止部３１に伝達して封止部３１を振動させ、また、封止部３１に封止された搭載構造２は、機械エネルギーにより変形され、圧電発電器１は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。

別の実施形態において、固定支持構造４は、図８に示すように、例えば、靴の内面に貼り付けられている。図４Ｂに示すように、固定支持構造４は、２つの第１の嵌合部品４１を含み、第１の嵌合部品４１のそれぞれは、ヘッド部４１１、ネック部４１２及びベース部４１３を含み、２つのベース部４１３は、原則的に分離されている。２つの第１の嵌合部品４１は、可撓性表面Ｓから離れるように延在するにつれて、相互に徐々に離れる（即ち、徐々に拡幅するように延びる）。封止部３１は、可撓性表面Ｓから離れる方向へ湾曲し（つまり、支持部３２よりも、封止部３１の中央箇所の方が可撓性表面Ｓから離れている）、封止部３１は、可撓性表面Ｓに部分的に接触してもよく、全く接触しなくてもよい。このように、可撓性表面Ｓが変形するとき（例えば、歩行によって、靴の内面が変形する）、機械エネルギーが封止部３１に伝達して封止部３１を振動させ、また、封止部３１に封止された搭載構造２は、機械エネルギーにより変形され、圧電発電器１は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。

図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、本開示に係る自己発電式検出送信装置は、さらに、回路モジュール５と、回路モジュール５を圧電発電器１及び搭載構造２に接続するコネクタ６とを含み、回路モジュール５及びコネクタ６は、封止支持構造３の封止部３１によって封止されている。また、回路モジュール５は、整流器５１と、電気貯蔵器５２（例えば、一時記憶制御回路又は充電式電池）と、センサ５３（例えば、検出モジュール及び信号送信モジュールを含む）とを含む。回路モジュール５は、圧電発電器１によって生成された交流電流を整流して一時記憶制御回路に蓄積し、電圧調整ＩＣとコンデンサを用いて出力電圧レベルを制御し、電力を一時記憶制御回路から直接供給して検出モジュールと信号送信モジュールに使用することができる。あるいは、回路モジュール５は、圧電発電器１によって生成された交流電流を直流整流して充電式電池に蓄積する。検出モジュール内の加速度計チップが「Ｇ値が０以上であること」を検出すると、充電式電池から必要な電力を取得することができる。さらに、圧電発電器１は、図５Ａに示すように、搭載構造２に積み重ねられた単体の素子として提供することができ、あるいは、図５Ｂに示すように、搭載構造２に個別に積み重ねられた複数の分離した素子として提供し、圧電発電器１’及び１”を回路モジュール５’及び５”にそれぞれ接続することもできる。一つの実施形態において、圧電発電器１の上に薄い金属板が積層されてもよく、その結果、圧電発電器１に亀裂が発生した場合、薄い金属板を通して回路モジュール５との電気伝導を維持することができる。別の実施形態において、搭載構造２の振動の時、導電性接着剤を用いて、圧電発電器１と搭載構造２と回路モジュール５とを接続することにより、圧電発電器１と搭載構造２と回路モジュール５との間の適切な電気的接続を確保することができる。さらに別の実施形態において、封止導電性接着剤を用いて、圧電発電器１と回路モジュール５とを封止し、搭載構造２と回路モジュール５とを封止することにより、回路モジュール５との間の適切な電気的な接続を確保することができる。

一つの実施形態において、例えば、車両が停止する時、自己発電式検出送信装置がエネルギーを捕捉することは困難であるため、電気エネルギーの損失が最小である回路を設計することができ、圧電発電器１によって生成された交流電流を整流して回路モジュール５の電気貯蔵器５２（例えば、一時記憶制御回路又は充電式電池）に蓄積し、電圧調整ＩＣとコンデンサを用いて出力電圧レベルを制御して、電力は、電気貯蔵器５２から直接供給してセンサ５３の負荷（例えば、検出モジュールと信号送信モジュールとを含む）に使用することができる。別の実施形態において、例えば、路上での装置の穿刺のリスクを低減するために、圧電発電器１は、２つの分離した素子として、あるいは同じ超薄型圧電セラミック上にカットされて２つの分離した発電器を形成する２つの電極領域として、設計することができる。また、圧電発電器の一つによって生成された交流電流を整流して回路モジュール５の電気貯蔵器５２（例えば、一時記憶制御回路又は充電式電池）に蓄積することができ、加速器計によって検出されたＧ値が０を超える場合（すなわち、車両が移動する時）、センサ５３は、該圧電発電器によって生成された電気エネルギーにより直接電力を供給される。同時に、車両が移動している間、他の発電器によって生成された電気エネルギーは、負荷に対して給電せずに、電気貯蔵器５２に入力することができる。車両が停止して検出が必要となる時のみ、電力を提供する。

従って、図１Ａ、図１Ｂ、図２、図３、図４Ａ～４Ｂ、図５Ａ～５Ｂに関連する上記の説明から分かるように、本開示に係る自己発電式検出送信装置１０における固定支持構造４は、可撓性表面Ｓ（タイヤの内面）に固定することができ、また、圧電発電器１、搭載構造２、回路モジュール５及びコネクタ６は、封止支持構造３によって一体的に封止されることができる。支持部３２と固定支持構造４との対応結合により、封止部３１が可撓性表面Ｓの曲率半径以下の曲率半径を有することになり、また、可撓性表面Ｓの変形中に振動を発生させるように、封止部３１は、可撓性表面Ｓに部分的に接触するか、又は全く接触しないことができる。

また、一つの実施形態において、回路モジュール５の電気貯蔵器５２は、使い捨て電池を置き換えるように設計することができる。調整可能な曲率を有する圧電発電器１によって回転タイヤのエネルギーを捕捉することにより、検出モジュール（例えば、温度及びタイヤ空気圧のセンサ、並びに加速度計）及び信号送信モジュールの必要な電力を供給するのに十分な電気エネルギーを生成することができる。言い換えれば、本開示に係る自己発電式検出送信装置１０は、ＴＰＭＳに適用可能であり、取り外し可能・再利用可能なタイヤパラメータ検出装置として設計することができ、その装置は、タイヤの内壁に取り付けることができ、寿命に達した古いタイヤから取り外して新しいタイヤに取り付けて再度使用することができる。

図６Ａを参照して、図１Ａ、図１Ｂ及び図２と併せて、一つの実施形態において、図６Ａに示すように、タイヤ２０が回転し始めると、自己発電式検出送信装置１０は、機械エネルギーを受け、搭載構造２が変形して圧電発電器１に振動を生じさせる。圧電発電器１は、本来、タイヤの内壁の曲率半径よりも小さい曲率半径を有する。図６Ｂに示すように、タイヤ２０の回転中に、自己発電式検出送信装置１０は、機械エネルギーを受け、搭載構造２が変形して圧電発電器１に振動を生じさせる。図６Ｃに示すように、タイヤ２０の一部が地面に対して平坦であるとき、封止部３１における搭載構造２の変形が最大となり、圧電発電器１の振動の程度及び曲率半径も最大となる。従って、タイヤ２０の回転に応じて、タイヤの内面に取り付けられた自己発電式検出送信装置１０は、検出と信号送信を実行するために、自体に電力を供給することができる。

次に、圧電発電器の曲率半径と生成する電圧との関係を以下の表１Ａで説明する。寸法が７５ｍｍ×３０ｍｍ×０．０４ｍ（Ｌｐ＊Ｗｐ＊Ｔｐ）である圧電セラミックを圧電発電器として、寸法が１００ｍｍ×３２ｍｍ×０．１ｍｍ（Ｌ＊Ｗ＊Ｔ）である金属板を搭載構造として利用した。圧電発電器を１ｋΩ負荷に接続し、負荷電圧（Ｖｍａｘ）を測定した。

表１Ａから分かるように、圧電セラミックの曲率半径が小さいほど、生成する電圧が大きくなった。

圧電発電器の厚さと生成する電圧及び電流との関係を以下の表１Ｂで説明する。寸法が７５ｍｍ×３０ｍｍである圧電セラミックを圧電発電器として、寸法が１００ｍｍ×３２ｍｍ×０．１ｍｍ（Ｌ＊Ｗ＊Ｔ）である金属板を搭載構造として利用した。圧電セラミックの曲率半径は１５ｃｍであった。圧電発電器を１ｋΩ負荷に接続し、負荷電圧（Ｖｍａｘ）を測定した。

表１Ｂから分かるように、圧電セラミックの厚さが薄いほど、生成する電気エネルギーが大きくなった。

以下の表２Ａ及び表２Ｂを参照して、本開示に係る自己発電式検出送信装置は、スマートタイヤを作成するために、タイヤの内面に設置された。より具体的には、自己発電式検出送信装置の固定支持構造は、タイヤの内面に固定されるか、又はタイヤと一体的に成形されており、また、自己発電式検出送信装置の封止支持構造は、取り外しを容易にするために、固定支持構造に対応して結合された。次に、標準的な１６インチ（約３５ｃｍ）のセダンタイヤ及びトラックタイヤ（約６５ｃｍ）を用いて、本開示の応用の実行可能性を以下に示す。セダンタイヤは、基本的に多層の鋼線コイルが埋め込まれた特殊なゴムで構成されており、トラックタイヤは、ゴム内に緊密に埋め込まれたさらに多層の鋼線コイルを有した。従って、テスト中、信号は、セダンタイヤでは４３３ＭＨｚの無線周波数を使用し、トラックタイヤでは２．４ＧＨｚのＢｌｕｅｔｏｏｔｈ通信方式を使用して、送信された。

表２Ａについて、本開示に係る自己発電式検出送信装置を、タイヤと一致する（すなわち、同じ曲率半径を有する）ように、タイヤの内側クラウンの中央位置に設置した。セダンタイヤに用いられる発電器は、厚さ４５μｍの単一の超薄型圧電セラミックであった。一方、トラックタイヤに用いられる発電器は、同じく厚さ４５μｍで面積がわずかに大きい２つの超薄型圧電セラミック（バイモルフ）で構成された。２つの圧電セラミックは、スペースを節約するために、バイモルフと同じ金属板に積み重ねられた。テスト条件は、停止状態から始まり、最高１２０ｋｍ／ｈまで加速することであった。タイヤは、それぞれ、速度３０ｋｍ／ｈ、６０ｋｍ／ｈ、１２０ｋｍ／ｈで１時間走行した。信号受信機は、タイヤから１０ｍ離れた位置に配置され、タイヤの空気圧、温度及び加速度に関する送信信号の間隔を記録した。

表２Ａから分かるように、セダンタイヤについて、速度３０ｋｍ／ｈの場合、受信機は５秒間隔でタイヤ内部から送信されたパラメータ情報を受信した。速度が６０ｋｍ／ｈ以上に加速すると、セダンタイヤは、１秒に一回の信号送信頻度に達した。トラックタイヤも、セダンタイヤと同様の傾向を示した。しかし、トラックタイヤの直径がかなり大きいため、トラックタイヤの１回転の長さは４メートルを超えており、セダンタイヤ及びトラックタイヤが速度３０ｋｍ／ｈで地面に接触して変形することによる発電の時間間隔は、セダンタイヤは０．２６４秒であり、トラックタイヤは０．４９秒であった。タイヤ速度が上がると、速度１２０ｋｍ／ｈの場合、トラックタイヤもほぼ１秒に一回のＢｌｕｅｔｏｏｔｈ信号送信を達成できた。

表２Ｂにについて、２番目のテストは、前のテストと同様のテスト速度で実行された。唯一の違いは、自己発電式検出送信装置における封止支持構造及び固定支持構造は、図４Ａに示すように、マッチングする傾きを有する点であり、そのため、自己発電式検出送信装置は、タイヤ内壁よりも小さい曲率半径を有し、即ち、より湾曲した初期状態を有した。

表２Ｂから分かるように、セダンタイヤは、低速３０ｋｍ／ｈの場合、信号送信間隔が約３秒に短縮されており、これは、前記自己発電式検出送信装置は、機械エネルギーのゆっくりした小さな変化（例えば、車両が街をゆっくりと移動するときや渋滞中など）を捕捉でき、機械エネルギーをタイヤセンサ及び信号発信機に必要な電力に変換できることを意味する。また、トラックタイヤについての結果も、プレストレスにより、自己発電式検出送信装置の発電効率が向上し、また、速度が増加すると、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ信号の送信間隔は１０秒（３０ｋｍ／ｈの場合）、５秒（６０ｋｍ／ｈの場合）、１秒（１２０ｋｍ／ｈの場合）に大幅に短縮されたことを示す。

図７を参照すると、より大きな発電器（２２ｃｍ^２＊２、即ち、バイモルフ）を用いて、表２Ｂで説明したテストと同様に固定されたセダンタイヤに対しテストを行い、一定期間における累積信号送信数を観察した。速度は３０ｋｍ／ｈから始まり、最高速度１５０ｋｍ／ｈまで順次に増加し、各速度の持続時間は５分（３００秒）であった。結果を図７に示す。発電器の面積が大きいほど、信号送信数が増加した。セダンタイヤが低速運転（３０～４０ｋｍ／ｈ）する場合、約１秒に一回でタイヤの空気圧信号を送信することができ、速度が上がると、高速範囲では信号送信間隔が１秒未満となった。最低速度から最高速度までの合計テスト時間は３９００秒であり、受信器は合計５０１７個の信号を受信した。図７に示すように、１秒に一回、又は１秒未満で、タイヤ空気圧信号を送信することにより、タイヤ空気圧の状態の連続的な検出を提供できた。３０秒に一回だけ信号を送信するという従来の使い捨て電池を備えたＴＰＭＳに比べて、本開示の自己発電式検出送信装置は、よりも高い検出頻度を提供できる。このため、安全係数が向上する。例えば、路上でタイヤにパンクが発生すると、タイヤの空気圧が速く漏れる。本開示に係る自己発電式検出送信装置によれば、タイヤが異物によってちりばめられたか又は穿刺されたかについて、タイヤ空気圧を即時に正確に測定することができる。また、タイヤの交換中に、自己発電式検出送信装置の封止支持構造を固定支持構造から取り外すことができる。固定支持構造を備えた別のタイヤを取り付けた後、封止支持構造を新しいタイヤの固定支持構造に対応して結合することにより、タイヤの空気圧、温度、加速度などをさらに検出することができる。

図８を参照すると、複数の自己発電式検出送信装置１０、１０’を含むシステムにおいて、一つ又は複数の自己発電式検出送信装置１０、１０’のうちの一方は、靴３０の足指に近い靴３０の内面に設置され、自己発電式検出送信装置１０、１０’のうちのもう一方は、該靴３０の踵に近い靴３０の内面に設置されており、前記一つ又は複数の自己発電式検出送信装置１０、１０’の一方の封止支持構造の封止部は、もう一方の自己発電式検出送信装置１０又は１０’の封止支持構造の封止部とは逆の方向に湾曲している。本開示に係る自己発電式検出送信装置１０又は１０’は、運動監視システムに適用可能であり、靴３０の内面に設置され得る。一つの実施形態において、スマート靴として提供可能であり、そのうち、本開示に係る自己発電式検出送信装置１０又は１０’は、人の足指、足裏、踵又はその他の足の部位に近い靴３０の内面に設置されることにより、足に関する検出データ、例えば、体重、歩行又はランニングの状態、移動中の歩行数又は運動距離等を出力することができる。例えば、自己発電式検出送信装置１０は、足指又は足裏に近い靴３０の内面に設置されており、自己発電式検出送信装置１０’は、踵に近い靴３０の内面に設置されている。自己発電式検出送信装置１０又は１０’における封止支持構造の曲率半径は、自己発電式検出送信装置１０又は１０’の設置された靴の底面の曲率半径以下であり、封止支持構造の湾曲方向は、靴の底面の湾曲方向と同一であってもよく、その逆となってもよい。靴底が地面に接触するとき、機械エネルギーが自己発電式検出送信装置１０又は１０’に供給され、封止部における薄い金属板を変形させ、これにより、薄型圧電セラミックが機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、検出されたデータを出力するために必要な電力を供給する。図８に示すように、一つの実施形態において、本開示に係る自己発電式検出送信装置は、運動監視システムに適用され、自己発電式検出送信装置１０と１０’は、靴３０の内面（即ち、可撓性表面Ｓ）に設置され、自己発電式検出送信装置の一方（図８では、自己発電式検出送信装置１０として示される）は、靴の足指に近い靴の内面に設置され、自己発電式検出送信装置のもう一方（図８では、自己発電式検出送信装置１０’として示される）は、靴の踵に近い靴の内面に設置され、また、一方の自己発電式検出送信装置の封止支持構造の封止部は、もう一方の自己発電式検出送信装置の封止支持構造の封止部とは逆の方向に湾曲している。

発明の効果
結論として、本開示に係る自己発電式検出送信装置は、例えば、タイヤ又は運動のパラメータを検出するために、タイヤの内面又は靴の内底面に取り外し可能・再利用可能な装置である。回転するタイヤ（動いている靴）のエネルギーを捕捉することで、検出モジュール（温度、圧力、加速度等を検出するためのもの）及び信号送信モジュールに電力を供給することができる。本開示に係る自己発電式検出送信装置は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換できる超薄型圧電セラミックを用いて、地面と接触しているタイヤ（靴）からの機械エネルギーの変化を捕捉する。タイヤの内面（又は靴の内底面）に設置された超薄型圧電セラミックは、タイヤの内面（又は靴の内底面）の曲率半径以下の曲率半径を有する。当該装置が地面に接触するタイヤ（靴）からの機械エネルギーの変化を持続的に受けた場合、圧電セラミックが縦方向に伸張され、その厚さが変化するため、圧力及び／又は温度等のリアルタイムのパラメータ信号を検出・送信するために検出モジュール及び信号送信モジュールに電力を供給するのに十分な電気エネルギーを生成し、これにより、従来の使い捨て電池を有するＴＰＭＳに関連する不都合を解消することができる。また、本開示に係る自己発電式検出送信装置は、取り外し可能・再利用可能であるため、タイヤが寿命に達したとき、前記自己発電式検出送信装置は、新しいタイヤに再度設置することができ、環境にやさしくて経済的であるという利点を有する。

上記の実施形態は、本開示の原理を説明するために記載されており、いかなる方法でも本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲で定義される本開示の範囲から逸脱することなく、当業者によって修正することができる。

１、１’、１” 圧電発電器
１０、１０’ 自己発電式検出送信装置
１１ 圧電薄膜
１２ 導電電極
２ 搭載構造
２０ タイヤ
３ 封止支持構造
３０ 靴
３１ 封止部
３２ 支持部
３２１ 第２の嵌合部品
３２１１ 貫通孔
３２１２ 開口
４ 固定支持構造
４１ 第１の嵌合部品
４１１ ヘッド部
４１２ ネック部
４１３ ベース部
５、５’、５” 回路モジュール
５１ 整流器
５２ 電気貯蔵器
５３ センサ
６ コネクタ
Ｓ 可撓性表面

Claims (18)

1. 圧電発電器、
   該圧電発電器に積層された搭載構造、
   該圧電発電器と該搭載構造とを封止するための封止部と、該封止部の両端に接続された２つの支持部と、を含む封止支持構造、及び
   ２つの支持部に対応して結合するための、可撓性表面に固定された固定支持構造、
   を備え、
   該封止支持構造及び該固定支持構造がマッチングする傾きを有し、
   該固定支持構造は、２つの第１の嵌合部品を有し、
   該２つの支持部のそれぞれは、それぞれの該第１の嵌合部品に対応して結合される第２の嵌合部品を有し、
   該２つの第１の嵌合部品は該可撓性表面から離れる方向に延在するにつれて相互に徐々に接近して、かつ該封止部は該可撓性表面の方向へ湾曲するか、あるいは、該２つの第１の嵌合部品は該可撓性表面から離れる方向に延在するにつれて相互に徐々に離れて、かつ該封止部は該可撓性表面から離れる方向へ湾曲し、
   該封止部と該２つの支持部は、一体的に成形され、該２つの支持部は橋脚のように該封止部を支持し、
   該封止部を該２つの支持部の支持下で振動させることができ、
   該可撓性表面が変形して機械エネルギーが生じるとき、該機械エネルギーが該封止部に伝達して該封止部を振動させ、該封止部に封止された該搭載構造は該機械エネルギーにより変形され、該圧電発電器は該機械エネルギーを電気エネルギーに変換することを特徴とする自己発電式検出送信装置。
2. 該固定支持構造は、該封止部の曲率半径が該可撓性表面の曲率半径以下となるように、該２つの支持部に対応して結合されていることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
3. 該２つの支持部よりも、該封止部の方が該可撓性表面に近接していることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
4. 該２つの支持部よりも、該封止部の方が該可撓性表面から離れていることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
5. 該固定支持構造は、該封止部が該可撓性表面に部分的に接触するか、又は、完全に接触しないように、該２つの支持部に対応して結合されていることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
6. 該第１の嵌合部品は、凸状部品であり、
   該第２の嵌合部品は、凹状部品であることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
7. 該第１の嵌合部品は、ヘッド部とネック部とを含み、
   該第２の嵌合部品は、該支持部を貫通する貫通孔と、該貫通孔から該支持部の周縁まで延在する開口とを含み、
   該開口の寸法は、該ネック部の寸法以下であることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
8. 該封止支持構造は、ゴム、シリコーン又はプラスチックで構成されることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
9. 回路モジュールとコネクタとをさらに備え、
   該回路モジュールは、該コネクタにより該圧電発電器及び該搭載構造に接続され、
   該回路モジュールと該コネクタは、該封止支持構造の該封止部により封止されることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
10. 該回路モジュールは、整流器と、電気貯蔵器と、センサとを備えることを特徴とする請求項９に記載の自己発電式検出送信装置。
11. 該可撓性表面が変形する際、機械エネルギーが該封止支持構造の支持部に伝達され、該搭載構造を介して該圧電発電器に伝達され、該圧電発電器によって生成された電気エネルギーが該整流器を介して該電気貯蔵器に供給され、さらに電気エネルギーが該電気貯蔵器から該センサに供給されることを特徴とする請求項１０に記載の自己発電式検出送信装置。
12. 該圧電発電器は、圧電薄膜と、該圧電薄膜の両側に配置された２つの導電電極とを備えることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
13. 該圧電発電器は、該搭載構造の一方の側又は対向する両側に積み重ねられていることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
14. 該圧電発電器は、分離した複数の素子で構成され、
    各該素子は、それぞれ該搭載構造に積み重ねられていることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
15. 該圧電発電器は、単体の素子であり、該搭載構造に積み重ねられていることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
16. タイヤ監視システムに適用される自己発電式検出送信装置であって、
    該可撓性表面は、タイヤの内面であることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
17. 運動監視システムに適用される自己発電式検出送信装置であって、
    該可撓性表面は、靴の内面であることを特徴とする請求項１に記載の自己発電式検出送信装置。
18. 複数の請求項１７に記載の自己発電式検出送信装置を含むシステムであって、
    一つ又は複数の該自己発電式検出送信装置のうちの一方は、該靴の足指に近い靴の内面に設置され、
    該自己発電式検出送信装置のうちのもう一方は、該靴の踵に近い靴の内面に設置されており、
    前記一つ又は複数の自己発電式検出送信装置の一方の封止支持構造の封止部は、もう一方の自己発電式検出送信装置の封止支持構造の封止部とは逆の方向に湾曲していることを特徴とするシステム。

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