タイヤ内発電装置
【課題】タイヤの低速回転時から効率良く発電することで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。
【解決手段】タイヤ気室内のトレッド部に取付けられるタイヤ内発電装置であって、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、車両走行時のトレッド部に加わる力の変化に応じて回転する回転体と、回転体と対面し、磁石の放出する磁束の電磁誘導作用により電圧を発生し、発電するコイル部と、電圧を蓄電する蓄電部とを備え、コイル部の発電をトレッド部に加わる力の変化に応じて制御する制御部を備えるようにした。
【解決手段】タイヤ気室内のトレッド部に取付けられるタイヤ内発電装置であって、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、車両走行時のトレッド部に加わる力の変化に応じて回転する回転体と、回転体と対面し、磁石の放出する磁束の電磁誘導作用により電圧を発生し、発電するコイル部と、電圧を蓄電する蓄電部とを備え、コイル部の発電をトレッド部に加わる力の変化に応じて制御する制御部を備えるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイヤ内発電装置に関し、特に、発電の制御により高電力を得ることができるタイヤ内発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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）等のセンサ及び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、デバイスに電力を供給するタイヤ内発電装置が知られ、具体的には、発電体を螺旋状に摺動させることにより磁石とコイルで発電させる装置（特許文献１参照）や、回転錘を回転させて発電させる装置（特許文献２参照）などが知られている。
【０００３】
しかしながら、特許文献１に係る発電装置では、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、タイヤの回転速度が低速のときにはほとんど発電できない。また、発電体の摺動抵抗は、タイヤの回転速度全域に亘り影響を及ぼすため、発電効率が低くなり、高電力を得ることができない。また、特許文献２に係る発電装置では、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、タイヤの回転速度が高いときには歯車の慣性力を利用した発電が可能となるが、タイヤの回転速度が低いときには歯車の回転抵抗が高いため、発電することができず、発電効率が低くなり、高電力を得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−９２７８４号公報
【特許文献２】特開２０００−２７８９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するために、低速回転時のタイヤであっても効率良く発電させ、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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の構成として、タイヤ気室内のトレッド部に取付けられるタイヤ内発電装置であって、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、車両走行時のトレッド部に加わる力の変化に応じて回転する回転体と、回転体と対面し、磁石の放出する磁束の電磁誘導作用により電圧を発生し、発電するコイル部と、電圧を蓄電する蓄電部とを備え、コイル部の発電をトレッド部に加わる力の変化に応じて制御する制御部を備える構成とした。
本発明によれば、制御部がトレッド部に加わる力の変化に応じてコイル部による発電を制御することで、発電により回転体の回転するエネルギーが発電により失われ、回転体の回転にブレーキが作用することを抑制できるので、回転体の回転が維持され、効率良く発電することで高電力を得ることができる。
本発明の第２の構成として、制御部は、トレッド部が接地している時間、コイル部と蓄電部との回路を遮断する構成とした。
本発明によれば、タイヤ内発電装置が取付けられるトレッド部が、路面に接触するタイヤ踏み込み時から、上記トレッド部が路面から離れるタイヤ蹴り出し時までのトレッド部が接地している時間、コイル部と蓄電部との回路を遮断することにより、タイヤ踏み込みからタイヤ蹴り上げの間に回転体の回転に発電によるブレーキが作用しないので、効率良く発電できる。つまり、回転体の回転エネルギーが発電により失われることを防ぐことができる。
本発明の第３の構成として、制御部は、トレッド部の接地を検知する検知手段を有する構成とした。
本発明によれば、制御部が検知手段を有することにより、タイヤ内発電装置の取付けられたトレッド部が路面に接地したことを検知できるので、上記トレッド部が路面に接地している時間、確実に蓄電部とコイル部との回路を遮断し、コイル部での発電が回転体の回転を妨げないように制御することができる。
本発明の第４の構成として、検知手段は、トレッド部の遠心力を検知する加速度センサで構成した。
本発明によれば、タイヤ内発電装置の取付けられたトレッド部と路面とが接触するタイヤ踏み込み時と、トレッド面と路面とが離れるタイヤ蹴り出し時と、トレッド面が接地している間と、蹴り出しから踏み込むまでの間とのタイヤ内発電装置に作用する加速度を加速度センサにより直接検知することができる。
本発明の第５の構成として、検知手段は、トレッド部の周方向のひずみを検知するひずみセンサで構成した。
本発明によれば、トレッド部と路面とが接触したときのトレッド部の周方向のひずみを検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係るタイヤ内発電装置の外観斜視図。
【図２】本発明に係るタイヤ内発電装置の分解斜視図。
【図３】本発明に係るタイヤ内発電装置の部分拡大断面図。
【図４】本発明に係るコイル部と磁石との関係を示す斜視図。
【図５】本発明に係る回転体が回転するメカニズムを示す概念図。
【図６】本発明に係るタイヤ内面におけるタイヤ径方向の加速度の変化を示すグラフ。
【図７】本発明に係るタイヤ内発電装置に作用するタイヤ径方向及びタイヤ周方向の加速度の変化を示すグラフと、回転体の挙動の模式図。
【０００８】
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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施形態
図１は、タイヤ内発電装置１の外観斜視図を示す。図２は、タイヤ内発電装置１の分解斜視図を示す。図３は、タイヤ内発電装置１の部分拡大断面図を示す。以下、図１乃至図３を用いてタイヤ内発電装置１について説明する。
タイヤ気室内のトレッド部Ｔ２に取付けられるタイヤ内発電装置１は、トレッド部Ｔ２のインナーライナＴ１に貼り付けられるベース２と、一対の回転軸支持部材３；３と、回転軸支持部材３；３に軸支される回転軸４と、コイル部固定部材５と、コイル部６と、回転体７；７と、電気部品群２２により構成される。電気部品群２２は、コイル部６の発電を制御する制御部８と、コイル部６と電線２３により接続される蓄電部９と、蓄電部９から供給される電力により駆動する各種デバイス２０により構成される。なお、タイヤ気室内とは、タイヤをホイールに組み付けたときにホイールとタイヤのインナーライナとに囲まれ、空気を保持する空間である。
【００１０】
ベース２、一対の回転軸支持部材３；３、回転軸４及びコイル部固定部材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及びコイル部固定部材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、本実施形態における説明に用いる、上下，前後，左右の位置関係は、図１において矢印で示した。
【００１１】
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の上面から上向きに延長し、左右の側壁１４；１４の外面から下板１３上の左右の側縁に沿って張り出すように設けられる。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、前後が開口した空間である。
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。
【００１２】
屋根板１５の上面、及び、側設置台１６の上面は、ベース板１１の上表面と平行な面として形成される。回転軸支持部材３；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。
【００１３】
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。
なお、コイル部固定部材５は、屋根板１５と一体に形成しても良いし、屋根板１５と別個に形成しても良い。
【００１４】
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。
【００１５】
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は、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。２つの半径のなす角度が６０°の単位扇形状磁石７７を２つ組み合わせて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。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４参照）を通過するときの磁束φの向きを変化させる速度を速くできるため、発電効率を高めることができる。
なお、単位扇形状磁石７７の２つの半径のなす角度を６０°に設定したが、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。
【００１９】
図４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２極の磁石である。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。
よって、回転体７が、当該回転体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を速くすることができるので、発電効率を高め、高電力を得ることができる。
【００２０】
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、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。
また、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７：７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に安定した磁界を供給できる。
【００２１】
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はヨーク面板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し、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。
つまり、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、効率的に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が回転しやすくなるので、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。
【００２２】
回転体７の磁石７２が回転軸４の軸補強部４４側に位置するように、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。
【００２３】
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。
【００２４】
また、図４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が通る扇形の筒形状を形成するようにコイル６２が巻かれる構成である。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とで、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。
また、図４に示すように、コイル巻体６１を回転体７：７の磁石７２：７２と対面する回転軌跡の投影部分に設けることで、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。
【００２５】
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。
【００２６】
コイル部６は、磁石７２の磁束の変化により生じる電流を電線２３を介して電気部品群２２に出力する。電気部品群２２は、制御部８と、蓄電部９と、デバイス２０とにより構成される。
制御部８は、検知手段としての加速度センサ２４と、スイッチング回路２６とを備える。加速度センサ２４は、収納設置空間１７内のベース２の上面に取付けられ（図２参照）、タイヤが回転することによりタイヤ内発電装置１に作用する遠心力の加速度（タイヤ径方向の加速度）を検知する。
スイッチング回路２６は、複数の電子部品により構成され、加速度センサ２４の出力する信号を加速度に変換する変換回路を有し、予め制御回路内に設定される閾値とタイヤ径方向の加速度とを比較して、上記加速度が閾値以上のときにコイル部６と蓄電部９との接続を遮断するスイッチを備える。閾値には、例えば、重力加速度の１０倍の１０Ｇ（重力加速度の１０倍）が電気的に設定される。例えば、スイッチをコンパレータとＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）とにより構成し、コンパレータの参照電圧と、加速度センサ２４の出力する電圧との差が閾値以下の電圧となったときに、コンパレータからＭＯＳＦＥＴに信号電圧を出力し、コイル部６と蓄電部９とを接続する回路を遮断し、閾値以上の電圧となったときに、コイル部６と蓄電部９との回路を接続する。
なお、制御部８の構成は上記に限らず、タイヤ内発電装置１全体の重量が増加しないように適宜選択すれば良い。
蓄電部９は、整流回路１８と、充電回路１９とを備える。
整流回路１８は、例えば、コイル部６で発生する電圧によって出力される交流電流を整流する回路がワンチップに構成された整流素子を用いる。また、充電回路１９には、発電された電流の電荷を蓄積する静電容量タイプのコンデンサが用いられる。
デバイス２０は、タイヤの空気圧を測定するＴＰＭＳや、ＴＰＭＳから出力される空気圧や空気温度を無線により車室内に送信する無線装置などにより構成される。
【００２７】
上記構成のタイヤ内発電装置１によれば、次のように発電が行われる。
回転するタイヤにおいて、タイヤ内発電装置１には、回転による遠心力がタイヤ径方向に常に作用する。遠心力下にあるタイヤ内発電装置１において、タイヤ内発電装置１の取付けられたトレッド部Ｔ２が路面に接地する瞬間であるタイヤ踏み込み時に、回転体７：７は、タイヤの遠心力が作用しない０Ｇ状態（無重力状態）となり、タイヤ周方向に加速度が生じる。よって、回転体７：７には、慣性力による周方向の加速度が生じ、回転軸支持部材３に対して回転を開始する。回転を開始した回転体７：７は、接地中において遠心力の作用しない状態が継続され、タイヤ踏み込み時に生じた慣性力を維持したままタイヤ内発電装置１の上側まで回転する。そして、回転体７：７は、上記トレッド部Ｔ２が路面から離れる瞬間のタイヤ蹴り出し時の加速度によりさらに回転が加速される。このタイヤ蹴り出しによる加速度は、回転体７：７を支持する回転軸支持部材３が蹴り出しにより回転方向に加速されることと、タイヤの回転による遠心力が回転体７：７に作用することとの相対的な運動により生じるものである。
その後、回転体７：７は、タイヤの遠心力の作用下で回転支持部材３に対する回転運動を開始し、回転体７：７の磁石７２：７２の放出する磁束がコイル部６を横切るたびに電磁誘導作用によりコイル部６に電圧が発生する。つまり、回転体７：７が回転することで、コイル部６に電圧が発生し、発電が開始される。
コイル部６による発電は、制御部８により制御される。
制御部８は、加速度センサ２４の検知する加速度が１０Ｇ以下のときは、回転体７：７がコイル部６を通過するときにスイッチング回路２６をオフにしてコイル部６と蓄電部９との接続を一時的に遮断し、加速度センサ２４の検知する加速度が１０Ｇ以上のときは、スイッチング回路２６をオンにしてコイル部６と蓄電部９とを接続状態にする（図５参照）。
よって、コイル部６で発生した電圧により生じる電流は、制御部８を介して蓄電部９の整流回路１８により整流されて充電回路１９のコンデンサに電荷として蓄電され、デバイス２０に供給される。
【００２８】
以上説明したように、タイヤの回転によりタイヤ内発電装置１に作用するタイヤの回転による遠心力により作用する径方向加速度を制御部８の加速度センサ２４で検知することで、タイヤ内発電装置１が路面と接触するタイヤの裏面側に位置しているかどうかを検知し、加速度センサ２４の検知した加速度が１０Ｇ以下のときには、コイル部６と蓄電部９との接続をスイッチング回路２６により遮断する。これは、ちょうど回転体７：７がコイル部６を通過するときであり、コイル部６と蓄電部９との接続が遮断されているため、コイル部６には電流が生じないので、回転体７：７の回転エネルギーが電気エネルギーに変換されず、回転体７：７の回転にブレーキがかかることがない。そして、回転体７：７がコイル部６を通過した後は、スイッチング回路２６がコイル部６と蓄電部９とを接続することで、回転体７：７の回転エネルギーを保つことができる。よって、制御部８がタイヤ径方向の加速度に基づいて、回転体７：７とコイル部６との発電を制御することでタイヤが低速回転しているときでも回転体７：７の回転エネルギーの損失が少ない安定した発電をすることができる。
【００２９】
以下、本発明のタイヤ内発電装置１の効果について説明する。
本発明のタイヤ内発電装置１の効果を調べるために、タイヤ内発電装置１に制御部８を備える場合と、制御部８を備えない場合の発電の違いについて調べた。
実施条件を以下に示す。
・タイヤサイズ；２２５／５５Ｒ１７を用いた。
・タイヤ内発電装置１をタイヤ気室内のトレッド部Ｔ２の幅方向中央部にベース２の裏面１１ａに接着して取付けた。回転軸４は、タイヤの回転軸と平行に取付けた。ベース２の裏面１１ａから回転軸４までの距離は２０ｍｍとした。
・蓄電部９の充電回路１９はコンデンサに電荷が蓄えられる回路を用い、無線デバイスとコンデンサとを接続した。
・制御部８は、タイヤ内発電装置１に作用する遠心力を加速度センサ２４により検知し、スイッチング回路２６をコンパレータとＭＯＳＦＥＴとにより構成し、コンパレータの参照電圧と、加速度センサの出力する電圧とを比較して加速度が１０Ｇの時に、コンパレータがＭＯＳＦＥＴに信号を出力するように電圧差による閾値設定のスイッチング回路２６を構成した。
・回転軸４は、全長の寸法が２２．５ｍｍ、軸補強部４４の長さ寸法が３ｍｍ、磁石対応部４３の長さ寸法が４ｍｍ、ヨーク体位置決め部４２の長さ寸法が３．２５ｍｍ、端部４１の長さが２．５ｍｍ、軸補強部４４の径寸法が３．５ｍｍ、磁石対応部４３の径寸法が２．５ｍｍ、ヨーク体位置決め部４２の最大径寸法が２．５ｍｍ、端部４１の径寸法が２ｍｍのものを用いた。
・ヨーク体７１は、回転体７の回転中心からヨーク面板７３の円弧線縁に沿って設けられた磁石位置決め板７６の内面７６ａまでの距離である扇の内寸法が９ｍｍ、ヨーク面板７３から磁石位置決め板７６の外面７６ｂまでの距離である扇の外寸法が９．５ｍｍ、ヨーク面板７３の２つの半径線縁に沿って設けられた２つの磁石位置決め板７５；７５の内面７５ａと内面７５ａとのなす角度が１２０°のものを用いた。また、図３に示すように、磁石位置決め板７５；７５；７６の幅寸法ａを３ｍｍ、ヨーク面板７３の幅寸法ｂを１ｍｍとした。
・単位扇形状磁石７７は、扇の要の円弧の内径が４ｍｍ、扇の外径が１８ｍｍ、厚さ４ｍｍ、重さ２．３５ｇのネオジム磁石を用いた。
・コイル巻体６１は、扇の要の円弧の内径が内径５ｍｍ、扇の外径が１８ｍｍ、筒の全長が２ｍｍ、コイルの線径が０．０８ｍｍ、巻数が５００回のものを用いた。
・タイヤ内発電装置１は、電気回路群２２を含めて全体で１３ｇのものを用いた。
・車速３０ｋｍ/ｈで定常走行し、蓄電電圧が０Ｖから安定するまで走行させた。
・安定した電圧とデバイスの負荷（Ｒ＝２００Ω）とにより、発電量（Ｗ＝Ｖ２／Ｒ）を算出した。
【００３０】
上記実施条件に基づき実施した結果、制御部８を備えるタイヤ内発電装置１では、１４．７ｍＷの発電量が得られ、制御部８を備えないタイヤ内発電装置１では、１３．６ｍＷの発電量が得られた。つまり、制御部８を備えることにより、８％の出力の向上が得られた。
【００３１】
以下、制御部８の有無による結果について考察する。
図５は、回転するタイヤ内においてタイヤ内発電装置１の回転体７：７が回転するメカニズムの概念図を示す。
図６は、タイヤ内発電装置１の取付けられたトレッド部Ｔ２が路面と接地している時間及びその前後の時間においてトレッド部Ｔ２に作用する遠心力を加速度センサ２４により検知したタイヤ径方向の加速度の変化を示すグラフである。
図７（ａ）は、タイヤ内発電装置１に作用するタイヤ径方向の加速度の変化を示すグラフと、周方向の加速度の変化を示すグラフである。図７（ｂ）は、図５に示す、状態１〜５における回転体７：７の挙動を模式的に示す図である。なお、図７（ａ）は、図６における８．３２ｓから８．３６ｓを拡大したものである。同図において、タイヤ内発電装置１に作用するタイヤ径方向加速度は、タイヤ内面に作用する加速度と作用反作用の関係にあるため、図７（ａ）に示す径方向の加速度は、図６のグラフでは上下反転した形で示される。
図６に示すように、トレッド部Ｔ２が路面と接地している時間では、トレッド部Ｔ２のタイヤ径方向の加速度は、略０Ｇとして加速度センサ２４により検知される。
また、図５，図７（ａ）に示すように、タイヤ内発電装置１のタイヤ周方向の加速度は、接地時間の両端で加速度の変化が生じている。これは、タイヤが路面と接触するタイヤ踏み込み時（状態２）と、タイヤが路面から離れるタイヤ蹴り出し時（状態４）に対応する。さらに、図５，図７（ａ），（ｂ）に示すように、タイヤ径方向及び周方向の加速度の変化と、回転体７：７の挙動の模式図とを比較すると、状態２により得られる周方向の加速度の大きさによって、回転体７：７が回転するか回転しないかが決定されることが分かる。
よって、図７（ｂ）に示すように、制御部８を備える場合、コイル部６と蓄電部９とを遮断したときの方が、状態２において大きなタイヤ周方向の加速度が得られ、状態３における自由回転の回転力が大きい。そして、完全に接地した状態３では、回転体７：７は、接地した瞬間のタイヤ周方向の加速度が回転体７：７に作用し、回転軸支持部材３の上側まで回転する。さらに、状態４におけるタイヤ蹴り出し時には、遠心力が回転体７：７に作用することで、タイヤ径方向に加速される。このメカニズムにより、回転体７：７は、時速３０ｋｍ/ｈにおいても安定的に発電を行うことが可能となった。
一方、制御部８を備えない場合、状態２で周方向に作用する加速度により発電が行われてしまうため、回転エネルギーが不足し、さらに、状態３でも発電が継続されるために回転エネルギーが消費されてしまい、回転不足となる。そして、状態４のように周方向に加速度が得られても、制御部８を備えるときのような回転力ではなく、元の位置に戻る回転力として作用してしまい、回転体７：７が回転することができない場合が発生してしまう。よって、制御部８を備えない場合には、時速３０ｋｍ/ｈにおいて効率良く発電することができないことが確認された。
【００３２】
よって、本発明のタイヤ内発電装置１によれば、タイヤの遠心力により作用するタイヤ径方向の加速度の変化に応じて、制御部８がコイル部６と蓄電部９との接続を遮断することで、タイヤが低速回転時においても発電してしまい回転体７：７の回転エネルギーを発電により消費することを制御できるので、安定的に発電することができる。よって、タイヤ内の温度や圧力等のタイヤ情報を検出し、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２０に対して安定して電力を供給できるようになる。
【００３３】
なお、上記実施例において制御部８がコイル部６と蓄電部９との接続を遮断する閾値を１０Ｇとして説明したが、閾値となる加速度は、タイヤの大きさ及び発電させたいタイヤの回転速度に応じて適宜設定すれば良い。
また、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、タイヤ内発電装置１を回転軸４がトレッド部Ｔ２の幅方向と直交するようにタイヤ気室内のトレッド部Ｔ２に取付けても良い。
【００３４】
また、検知手段を加速度センサ２４により構成したが、タイヤ気室内のトレッド部Ｔ２のタイヤ周方向のひずみをひずみゲージにより検知するように構成しても良い。
例えば、ひずみゲージは、タイヤ内発電装置１のタイヤの前進回転方向上流側に隣接するようにタイヤ気室内のトレッド部Ｔ２に貼り付けられれば良い。このようにひずみゲージを配置することで、タイヤ内発電装置１の取付けられたトレッド部Ｔ２が、路面と接触するタイヤの踏み込み時を正確に検知することができる。さらに、タイヤの前進回転方向下流側にタイヤ内発電装置１に隣接するようにひずみゲージを貼り付けることで、タイヤの蹴り出し時を正確に検知することができる。また、タイヤ内発電装置１を取り囲むようにひずみゲージを貼り付けるようにしても良い。
【００３５】
また、タイヤ内発電装置１は、上記構成に限らず、タイヤ内発電装置の回転体と磁石とを別体として構成しても良く、タイヤの回転速度の小さいときに、常時発電しないようにタイヤ内発電装置１に上記制御部８を備えることでタイヤが低速回転時から効率良く安定的に発電できるようになる。
【００３６】
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は限定されない。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。
【符号の説明】
【００３７】
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、８ 制御部、９ 蓄電部、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、２５ 加速度センサ、２６ スイッチング回路、
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 磁石、７８ 端面、
７９ 磁石設置部、８０ 湾曲切欠部、ａ：ｂ 幅寸法、Ｔ２ トレッド部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイヤ内発電装置に関し、特に、発電の制御により高電力を得ることができるタイヤ内発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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）等のセンサ及び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、デバイスに電力を供給するタイヤ内発電装置が知られ、具体的には、発電体を螺旋状に摺動させることにより磁石とコイルで発電させる装置（特許文献１参照）や、回転錘を回転させて発電させる装置（特許文献２参照）などが知られている。
【０００３】
しかしながら、特許文献１に係る発電装置では、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、タイヤの回転速度が低速のときにはほとんど発電できない。また、発電体の摺動抵抗は、タイヤの回転速度全域に亘り影響を及ぼすため、発電効率が低くなり、高電力を得ることができない。また、特許文献２に係る発電装置では、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、タイヤの回転速度が高いときには歯車の慣性力を利用した発電が可能となるが、タイヤの回転速度が低いときには歯車の回転抵抗が高いため、発電することができず、発電効率が低くなり、高電力を得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−９２７８４号公報
【特許文献２】特開２０００−２７８９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するために、低速回転時のタイヤであっても効率良く発電させ、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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の構成として、タイヤ気室内のトレッド部に取付けられるタイヤ内発電装置であって、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、車両走行時のトレッド部に加わる力の変化に応じて回転する回転体と、回転体と対面し、磁石の放出する磁束の電磁誘導作用により電圧を発生し、発電するコイル部と、電圧を蓄電する蓄電部とを備え、コイル部の発電をトレッド部に加わる力の変化に応じて制御する制御部を備える構成とした。
本発明によれば、制御部がトレッド部に加わる力の変化に応じてコイル部による発電を制御することで、発電により回転体の回転するエネルギーが発電により失われ、回転体の回転にブレーキが作用することを抑制できるので、回転体の回転が維持され、効率良く発電することで高電力を得ることができる。
本発明の第２の構成として、制御部は、トレッド部が接地している時間、コイル部と蓄電部との回路を遮断する構成とした。
本発明によれば、タイヤ内発電装置が取付けられるトレッド部が、路面に接触するタイヤ踏み込み時から、上記トレッド部が路面から離れるタイヤ蹴り出し時までのトレッド部が接地している時間、コイル部と蓄電部との回路を遮断することにより、タイヤ踏み込みからタイヤ蹴り上げの間に回転体の回転に発電によるブレーキが作用しないので、効率良く発電できる。つまり、回転体の回転エネルギーが発電により失われることを防ぐことができる。
本発明の第３の構成として、制御部は、トレッド部の接地を検知する検知手段を有する構成とした。
本発明によれば、制御部が検知手段を有することにより、タイヤ内発電装置の取付けられたトレッド部が路面に接地したことを検知できるので、上記トレッド部が路面に接地している時間、確実に蓄電部とコイル部との回路を遮断し、コイル部での発電が回転体の回転を妨げないように制御することができる。
本発明の第４の構成として、検知手段は、トレッド部の遠心力を検知する加速度センサで構成した。
本発明によれば、タイヤ内発電装置の取付けられたトレッド部と路面とが接触するタイヤ踏み込み時と、トレッド面と路面とが離れるタイヤ蹴り出し時と、トレッド面が接地している間と、蹴り出しから踏み込むまでの間とのタイヤ内発電装置に作用する加速度を加速度センサにより直接検知することができる。
本発明の第５の構成として、検知手段は、トレッド部の周方向のひずみを検知するひずみセンサで構成した。
本発明によれば、トレッド部と路面とが接触したときのトレッド部の周方向のひずみを検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係るタイヤ内発電装置の外観斜視図。
【図２】本発明に係るタイヤ内発電装置の分解斜視図。
【図３】本発明に係るタイヤ内発電装置の部分拡大断面図。
【図４】本発明に係るコイル部と磁石との関係を示す斜視図。
【図５】本発明に係る回転体が回転するメカニズムを示す概念図。
【図６】本発明に係るタイヤ内面におけるタイヤ径方向の加速度の変化を示すグラフ。
【図７】本発明に係るタイヤ内発電装置に作用するタイヤ径方向及びタイヤ周方向の加速度の変化を示すグラフと、回転体の挙動の模式図。
【０００８】
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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施形態
図１は、タイヤ内発電装置１の外観斜視図を示す。図２は、タイヤ内発電装置１の分解斜視図を示す。図３は、タイヤ内発電装置１の部分拡大断面図を示す。以下、図１乃至図３を用いてタイヤ内発電装置１について説明する。
タイヤ気室内のトレッド部Ｔ２に取付けられるタイヤ内発電装置１は、トレッド部Ｔ２のインナーライナＴ１に貼り付けられるベース２と、一対の回転軸支持部材３；３と、回転軸支持部材３；３に軸支される回転軸４と、コイル部固定部材５と、コイル部６と、回転体７；７と、電気部品群２２により構成される。電気部品群２２は、コイル部６の発電を制御する制御部８と、コイル部６と電線２３により接続される蓄電部９と、蓄電部９から供給される電力により駆動する各種デバイス２０により構成される。なお、タイヤ気室内とは、タイヤをホイールに組み付けたときにホイールとタイヤのインナーライナとに囲まれ、空気を保持する空間である。
【００１０】
ベース２、一対の回転軸支持部材３；３、回転軸４及びコイル部固定部材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及びコイル部固定部材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、本実施形態における説明に用いる、上下，前後，左右の位置関係は、図１において矢印で示した。
【００１１】
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の上面から上向きに延長し、左右の側壁１４；１４の外面から下板１３上の左右の側縁に沿って張り出すように設けられる。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、前後が開口した空間である。
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。
【００１２】
屋根板１５の上面、及び、側設置台１６の上面は、ベース板１１の上表面と平行な面として形成される。回転軸支持部材３；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。
【００１３】
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。
なお、コイル部固定部材５は、屋根板１５と一体に形成しても良いし、屋根板１５と別個に形成しても良い。
【００１４】
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。
【００１５】
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は、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。２つの半径のなす角度が６０°の単位扇形状磁石７７を２つ組み合わせて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。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４参照）を通過するときの磁束φの向きを変化させる速度を速くできるため、発電効率を高めることができる。
なお、単位扇形状磁石７７の２つの半径のなす角度を６０°に設定したが、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。
【００１９】
図４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２極の磁石である。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。
よって、回転体７が、当該回転体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を速くすることができるので、発電効率を高め、高電力を得ることができる。
【００２０】
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、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。
また、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７：７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に安定した磁界を供給できる。
【００２１】
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はヨーク面板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し、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。
つまり、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、効率的に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が回転しやすくなるので、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。
【００２２】
回転体７の磁石７２が回転軸４の軸補強部４４側に位置するように、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。
【００２３】
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。
【００２４】
また、図４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が通る扇形の筒形状を形成するようにコイル６２が巻かれる構成である。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とで、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。
また、図４に示すように、コイル巻体６１を回転体７：７の磁石７２：７２と対面する回転軌跡の投影部分に設けることで、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。
【００２５】
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。
【００２６】
コイル部６は、磁石７２の磁束の変化により生じる電流を電線２３を介して電気部品群２２に出力する。電気部品群２２は、制御部８と、蓄電部９と、デバイス２０とにより構成される。
制御部８は、検知手段としての加速度センサ２４と、スイッチング回路２６とを備える。加速度センサ２４は、収納設置空間１７内のベース２の上面に取付けられ（図２参照）、タイヤが回転することによりタイヤ内発電装置１に作用する遠心力の加速度（タイヤ径方向の加速度）を検知する。
スイッチング回路２６は、複数の電子部品により構成され、加速度センサ２４の出力する信号を加速度に変換する変換回路を有し、予め制御回路内に設定される閾値とタイヤ径方向の加速度とを比較して、上記加速度が閾値以上のときにコイル部６と蓄電部９との接続を遮断するスイッチを備える。閾値には、例えば、重力加速度の１０倍の１０Ｇ（重力加速度の１０倍）が電気的に設定される。例えば、スイッチをコンパレータとＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）とにより構成し、コンパレータの参照電圧と、加速度センサ２４の出力する電圧との差が閾値以下の電圧となったときに、コンパレータからＭＯＳＦＥＴに信号電圧を出力し、コイル部６と蓄電部９とを接続する回路を遮断し、閾値以上の電圧となったときに、コイル部６と蓄電部９との回路を接続する。
なお、制御部８の構成は上記に限らず、タイヤ内発電装置１全体の重量が増加しないように適宜選択すれば良い。
蓄電部９は、整流回路１８と、充電回路１９とを備える。
整流回路１８は、例えば、コイル部６で発生する電圧によって出力される交流電流を整流する回路がワンチップに構成された整流素子を用いる。また、充電回路１９には、発電された電流の電荷を蓄積する静電容量タイプのコンデンサが用いられる。
デバイス２０は、タイヤの空気圧を測定するＴＰＭＳや、ＴＰＭＳから出力される空気圧や空気温度を無線により車室内に送信する無線装置などにより構成される。
【００２７】
上記構成のタイヤ内発電装置１によれば、次のように発電が行われる。
回転するタイヤにおいて、タイヤ内発電装置１には、回転による遠心力がタイヤ径方向に常に作用する。遠心力下にあるタイヤ内発電装置１において、タイヤ内発電装置１の取付けられたトレッド部Ｔ２が路面に接地する瞬間であるタイヤ踏み込み時に、回転体７：７は、タイヤの遠心力が作用しない０Ｇ状態（無重力状態）となり、タイヤ周方向に加速度が生じる。よって、回転体７：７には、慣性力による周方向の加速度が生じ、回転軸支持部材３に対して回転を開始する。回転を開始した回転体７：７は、接地中において遠心力の作用しない状態が継続され、タイヤ踏み込み時に生じた慣性力を維持したままタイヤ内発電装置１の上側まで回転する。そして、回転体７：７は、上記トレッド部Ｔ２が路面から離れる瞬間のタイヤ蹴り出し時の加速度によりさらに回転が加速される。このタイヤ蹴り出しによる加速度は、回転体７：７を支持する回転軸支持部材３が蹴り出しにより回転方向に加速されることと、タイヤの回転による遠心力が回転体７：７に作用することとの相対的な運動により生じるものである。
その後、回転体７：７は、タイヤの遠心力の作用下で回転支持部材３に対する回転運動を開始し、回転体７：７の磁石７２：７２の放出する磁束がコイル部６を横切るたびに電磁誘導作用によりコイル部６に電圧が発生する。つまり、回転体７：７が回転することで、コイル部６に電圧が発生し、発電が開始される。
コイル部６による発電は、制御部８により制御される。
制御部８は、加速度センサ２４の検知する加速度が１０Ｇ以下のときは、回転体７：７がコイル部６を通過するときにスイッチング回路２６をオフにしてコイル部６と蓄電部９との接続を一時的に遮断し、加速度センサ２４の検知する加速度が１０Ｇ以上のときは、スイッチング回路２６をオンにしてコイル部６と蓄電部９とを接続状態にする（図５参照）。
よって、コイル部６で発生した電圧により生じる電流は、制御部８を介して蓄電部９の整流回路１８により整流されて充電回路１９のコンデンサに電荷として蓄電され、デバイス２０に供給される。
【００２８】
以上説明したように、タイヤの回転によりタイヤ内発電装置１に作用するタイヤの回転による遠心力により作用する径方向加速度を制御部８の加速度センサ２４で検知することで、タイヤ内発電装置１が路面と接触するタイヤの裏面側に位置しているかどうかを検知し、加速度センサ２４の検知した加速度が１０Ｇ以下のときには、コイル部６と蓄電部９との接続をスイッチング回路２６により遮断する。これは、ちょうど回転体７：７がコイル部６を通過するときであり、コイル部６と蓄電部９との接続が遮断されているため、コイル部６には電流が生じないので、回転体７：７の回転エネルギーが電気エネルギーに変換されず、回転体７：７の回転にブレーキがかかることがない。そして、回転体７：７がコイル部６を通過した後は、スイッチング回路２６がコイル部６と蓄電部９とを接続することで、回転体７：７の回転エネルギーを保つことができる。よって、制御部８がタイヤ径方向の加速度に基づいて、回転体７：７とコイル部６との発電を制御することでタイヤが低速回転しているときでも回転体７：７の回転エネルギーの損失が少ない安定した発電をすることができる。
【００２９】
以下、本発明のタイヤ内発電装置１の効果について説明する。
本発明のタイヤ内発電装置１の効果を調べるために、タイヤ内発電装置１に制御部８を備える場合と、制御部８を備えない場合の発電の違いについて調べた。
実施条件を以下に示す。
・タイヤサイズ；２２５／５５Ｒ１７を用いた。
・タイヤ内発電装置１をタイヤ気室内のトレッド部Ｔ２の幅方向中央部にベース２の裏面１１ａに接着して取付けた。回転軸４は、タイヤの回転軸と平行に取付けた。ベース２の裏面１１ａから回転軸４までの距離は２０ｍｍとした。
・蓄電部９の充電回路１９はコンデンサに電荷が蓄えられる回路を用い、無線デバイスとコンデンサとを接続した。
・制御部８は、タイヤ内発電装置１に作用する遠心力を加速度センサ２４により検知し、スイッチング回路２６をコンパレータとＭＯＳＦＥＴとにより構成し、コンパレータの参照電圧と、加速度センサの出力する電圧とを比較して加速度が１０Ｇの時に、コンパレータがＭＯＳＦＥＴに信号を出力するように電圧差による閾値設定のスイッチング回路２６を構成した。
・回転軸４は、全長の寸法が２２．５ｍｍ、軸補強部４４の長さ寸法が３ｍｍ、磁石対応部４３の長さ寸法が４ｍｍ、ヨーク体位置決め部４２の長さ寸法が３．２５ｍｍ、端部４１の長さが２．５ｍｍ、軸補強部４４の径寸法が３．５ｍｍ、磁石対応部４３の径寸法が２．５ｍｍ、ヨーク体位置決め部４２の最大径寸法が２．５ｍｍ、端部４１の径寸法が２ｍｍのものを用いた。
・ヨーク体７１は、回転体７の回転中心からヨーク面板７３の円弧線縁に沿って設けられた磁石位置決め板７６の内面７６ａまでの距離である扇の内寸法が９ｍｍ、ヨーク面板７３から磁石位置決め板７６の外面７６ｂまでの距離である扇の外寸法が９．５ｍｍ、ヨーク面板７３の２つの半径線縁に沿って設けられた２つの磁石位置決め板７５；７５の内面７５ａと内面７５ａとのなす角度が１２０°のものを用いた。また、図３に示すように、磁石位置決め板７５；７５；７６の幅寸法ａを３ｍｍ、ヨーク面板７３の幅寸法ｂを１ｍｍとした。
・単位扇形状磁石７７は、扇の要の円弧の内径が４ｍｍ、扇の外径が１８ｍｍ、厚さ４ｍｍ、重さ２．３５ｇのネオジム磁石を用いた。
・コイル巻体６１は、扇の要の円弧の内径が内径５ｍｍ、扇の外径が１８ｍｍ、筒の全長が２ｍｍ、コイルの線径が０．０８ｍｍ、巻数が５００回のものを用いた。
・タイヤ内発電装置１は、電気回路群２２を含めて全体で１３ｇのものを用いた。
・車速３０ｋｍ/ｈで定常走行し、蓄電電圧が０Ｖから安定するまで走行させた。
・安定した電圧とデバイスの負荷（Ｒ＝２００Ω）とにより、発電量（Ｗ＝Ｖ２／Ｒ）を算出した。
【００３０】
上記実施条件に基づき実施した結果、制御部８を備えるタイヤ内発電装置１では、１４．７ｍＷの発電量が得られ、制御部８を備えないタイヤ内発電装置１では、１３．６ｍＷの発電量が得られた。つまり、制御部８を備えることにより、８％の出力の向上が得られた。
【００３１】
以下、制御部８の有無による結果について考察する。
図５は、回転するタイヤ内においてタイヤ内発電装置１の回転体７：７が回転するメカニズムの概念図を示す。
図６は、タイヤ内発電装置１の取付けられたトレッド部Ｔ２が路面と接地している時間及びその前後の時間においてトレッド部Ｔ２に作用する遠心力を加速度センサ２４により検知したタイヤ径方向の加速度の変化を示すグラフである。
図７（ａ）は、タイヤ内発電装置１に作用するタイヤ径方向の加速度の変化を示すグラフと、周方向の加速度の変化を示すグラフである。図７（ｂ）は、図５に示す、状態１〜５における回転体７：７の挙動を模式的に示す図である。なお、図７（ａ）は、図６における８．３２ｓから８．３６ｓを拡大したものである。同図において、タイヤ内発電装置１に作用するタイヤ径方向加速度は、タイヤ内面に作用する加速度と作用反作用の関係にあるため、図７（ａ）に示す径方向の加速度は、図６のグラフでは上下反転した形で示される。
図６に示すように、トレッド部Ｔ２が路面と接地している時間では、トレッド部Ｔ２のタイヤ径方向の加速度は、略０Ｇとして加速度センサ２４により検知される。
また、図５，図７（ａ）に示すように、タイヤ内発電装置１のタイヤ周方向の加速度は、接地時間の両端で加速度の変化が生じている。これは、タイヤが路面と接触するタイヤ踏み込み時（状態２）と、タイヤが路面から離れるタイヤ蹴り出し時（状態４）に対応する。さらに、図５，図７（ａ），（ｂ）に示すように、タイヤ径方向及び周方向の加速度の変化と、回転体７：７の挙動の模式図とを比較すると、状態２により得られる周方向の加速度の大きさによって、回転体７：７が回転するか回転しないかが決定されることが分かる。
よって、図７（ｂ）に示すように、制御部８を備える場合、コイル部６と蓄電部９とを遮断したときの方が、状態２において大きなタイヤ周方向の加速度が得られ、状態３における自由回転の回転力が大きい。そして、完全に接地した状態３では、回転体７：７は、接地した瞬間のタイヤ周方向の加速度が回転体７：７に作用し、回転軸支持部材３の上側まで回転する。さらに、状態４におけるタイヤ蹴り出し時には、遠心力が回転体７：７に作用することで、タイヤ径方向に加速される。このメカニズムにより、回転体７：７は、時速３０ｋｍ/ｈにおいても安定的に発電を行うことが可能となった。
一方、制御部８を備えない場合、状態２で周方向に作用する加速度により発電が行われてしまうため、回転エネルギーが不足し、さらに、状態３でも発電が継続されるために回転エネルギーが消費されてしまい、回転不足となる。そして、状態４のように周方向に加速度が得られても、制御部８を備えるときのような回転力ではなく、元の位置に戻る回転力として作用してしまい、回転体７：７が回転することができない場合が発生してしまう。よって、制御部８を備えない場合には、時速３０ｋｍ/ｈにおいて効率良く発電することができないことが確認された。
【００３２】
よって、本発明のタイヤ内発電装置１によれば、タイヤの遠心力により作用するタイヤ径方向の加速度の変化に応じて、制御部８がコイル部６と蓄電部９との接続を遮断することで、タイヤが低速回転時においても発電してしまい回転体７：７の回転エネルギーを発電により消費することを制御できるので、安定的に発電することができる。よって、タイヤ内の温度や圧力等のタイヤ情報を検出し、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２０に対して安定して電力を供給できるようになる。
【００３３】
なお、上記実施例において制御部８がコイル部６と蓄電部９との接続を遮断する閾値を１０Ｇとして説明したが、閾値となる加速度は、タイヤの大きさ及び発電させたいタイヤの回転速度に応じて適宜設定すれば良い。
また、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、タイヤ内発電装置１を回転軸４がトレッド部Ｔ２の幅方向と直交するようにタイヤ気室内のトレッド部Ｔ２に取付けても良い。
【００３４】
また、検知手段を加速度センサ２４により構成したが、タイヤ気室内のトレッド部Ｔ２のタイヤ周方向のひずみをひずみゲージにより検知するように構成しても良い。
例えば、ひずみゲージは、タイヤ内発電装置１のタイヤの前進回転方向上流側に隣接するようにタイヤ気室内のトレッド部Ｔ２に貼り付けられれば良い。このようにひずみゲージを配置することで、タイヤ内発電装置１の取付けられたトレッド部Ｔ２が、路面と接触するタイヤの踏み込み時を正確に検知することができる。さらに、タイヤの前進回転方向下流側にタイヤ内発電装置１に隣接するようにひずみゲージを貼り付けることで、タイヤの蹴り出し時を正確に検知することができる。また、タイヤ内発電装置１を取り囲むようにひずみゲージを貼り付けるようにしても良い。
【００３５】
また、タイヤ内発電装置１は、上記構成に限らず、タイヤ内発電装置の回転体と磁石とを別体として構成しても良く、タイヤの回転速度の小さいときに、常時発電しないようにタイヤ内発電装置１に上記制御部８を備えることでタイヤが低速回転時から効率良く安定的に発電できるようになる。
【００３６】
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は限定されない。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。
【符号の説明】
【００３７】
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、８ 制御部、９ 蓄電部、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、２５ 加速度センサ、２６ スイッチング回路、
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 磁石、７８ 端面、
７９ 磁石設置部、８０ 湾曲切欠部、ａ：ｂ 幅寸法、Ｔ２ トレッド部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タイヤ気室内のトレッド部に取付けられるタイヤ内発電装置であって、
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、車両走行時の前記トレッド部に加わる力の変化に応じて回転する回転体と、
前記回転体と対面し、前記磁石の放出する磁束の電磁誘導作用により電圧を発生し、発電するコイル部と、
前記電圧を蓄電する蓄電部とを備え、
前記コイル部の発電を前記トレッド部に加わる力の変化に応じて制御する制御部を備えることを特徴とするタイヤ内発電装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記トレッド部が接地している時間、前記コイル部と前記蓄電部との回路を遮断することを特徴とする請求項１に記載のタイヤ内発電装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記トレッド部の接地を検知する検知手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタイヤ内発電装置。
【請求項４】
前記検知手段は、前記トレッド部の遠心力を検知する加速度センサであることを特徴とする請求項３に記載のタイヤ内発電装置。
【請求項５】
前記検知手段は、前記トレッド部の周方向のひずみを検知するひずみセンサであることを特徴とする請求項３に記載のタイヤ内発電装置。
【請求項１】
タイヤ気室内のトレッド部に取付けられるタイヤ内発電装置であって、
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、車両走行時の前記トレッド部に加わる力の変化に応じて回転する回転体と、
前記回転体と対面し、前記磁石の放出する磁束の電磁誘導作用により電圧を発生し、発電するコイル部と、
前記電圧を蓄電する蓄電部とを備え、
前記コイル部の発電を前記トレッド部に加わる力の変化に応じて制御する制御部を備えることを特徴とするタイヤ内発電装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記トレッド部が接地している時間、前記コイル部と前記蓄電部との回路を遮断することを特徴とする請求項１に記載のタイヤ内発電装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記トレッド部の接地を検知する検知手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタイヤ内発電装置。
【請求項４】
前記検知手段は、前記トレッド部の遠心力を検知する加速度センサであることを特徴とする請求項３に記載のタイヤ内発電装置。
【請求項５】
前記検知手段は、前記トレッド部の周方向のひずみを検知するひずみセンサであることを特徴とする請求項３に記載のタイヤ内発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２３９５１０（Ｐ２０１１−２３９５１０Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０６８６６（Ｐ２０１０−１０６８６６）
【出願日】平成２２年５月７日（２０１０．５．７）
【出願人】（０００００５２７８）株式会社ブリヂストン (11,469)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月７日（２０１０．５．７）
【出願人】（０００００５２７８）株式会社ブリヂストン (11,469)
【Ｆターム（参考）】
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