JP2007202381A - 発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】長期間、且つ、安価にタイヤ異常監視装置に電力を供給する。
【解決手段】ホイール2の外周上の点Sにおいて支持された単振り子4と、ホイール2の外周上の点S’において支持されたハンマー6と、単振り子4とハンマー6とを柔結合により結合するスプリング7と、ハンマー6からの加振力によって発生した歪みを電力に変換する圧電セラミックス8a,8bと、圧電セラミックス8a,8bを位置保持するクッション材9a,9bとを備え、単振り子2はタイヤ1の回転周波数と同一又は整数倍の振動周波数を有する。
【選択図】図4
【解決手段】ホイール2の外周上の点Sにおいて支持された単振り子4と、ホイール2の外周上の点S’において支持されたハンマー6と、単振り子4とハンマー6とを柔結合により結合するスプリング7と、ハンマー6からの加振力によって発生した歪みを電力に変換する圧電セラミックス8a,8bと、圧電セラミックス8a,8bを位置保持するクッション材9a,9bとを備え、単振り子2はタイヤ1の回転周波数と同一又は整数倍の振動周波数を有する。
【選択図】図4
Description
本発明は、タイヤ等の回転体の空気圧異常を監視する回転状態監視装置に電力を供給するための発電装置に関する。
例えば、回転体の一つであるタイヤの回転異常監視装置に例をとり説明すると、従来より、タイヤ内部の圧力を検出する圧力センサと、タイヤ内部の温度を検出する温度センサと、圧力センサ及び温度センサにより検出された情報を車体に取り付けられた受信機に無線送信する無線送信機とを備え、タイヤの空気圧異常を監視し、空気圧異常発生時、運転者にタイヤの空気圧異常を通知するタイヤ異常監視装置が知られている。
このようなタイヤ異常監視装置では、タイヤ内部やバルブ部分に設けられた電池の電力を利用したり、タイヤ内部やバルブ部分にループコイルアンテナ型受電器を設け、タイヤハウス付近に設けられた無線送受信機からループコイルアンテナ型受電器が受電した電力を利用したりすることによって、タイヤ異常監視装置を構成する電子機器に電力を供給するようにしている(例えば特許文献1,2を参照)。
しかしながら、タイヤ異常監視装置の電力源として電池の電力を利用する場合、電池寿命が短いために、タイヤの空気圧異常を長期間監視することができない。また、タイヤ異常監視装置の電力源としてループコイルアンテナ型受電器が受電した電力を利用する場合には、ループコイルアンテナ型受電器と無線送受信機との間の距離を長くすることができないために種々の制約が生じると共に、タイヤ毎に無線送受信機を設ける必要があるためにタイヤ異常監視装置のコストが増加してしまう。なお、このような問題を解決するために、ASB(アンチスピンブレーキシステム)等に取り付けられている左右のタイヤの回転数センサを利用して左右のタイヤの回転数差からタイヤの空気圧異常をみなし検出する技術が提案されているが、この技術によれば、左右又は4輪のタイヤの空気圧が自然に減少した場合、空気圧異常を検出することができない。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、長期間、且つ、安価にタイヤ等の回転状態監視装置に電力を供給することが可能な発電装置を提供することにある。
上述の課題を解決するために、本発明に係る発電装置は、回転体に発生する圧力、温度、回転数等各種の状態を監視する回転状態監視装置に電力を供給する発電装置であって、前記回転体の内部に配設され、当該回転体の回転周波数と同一又は整数倍の振動周波数を有する振り子と、前記振り子が回転体の回転と共振又は同期或は同調することにより発生した振動エネルギーから電力を生成する電力生成手段と、を備える。
また、この発明に係る発電装置は、前記振り子のアーム部分及び/又は重り部分に、空気抵抗が調整可能な空気流路を形成したことを特徴とする。
本発明に係る発電装置によれば、電池やループコイルアンテナ型受電器を用いることなくタイヤ等の回転状態監視装置に電力を供給することができるので、長期間、且つ、安価に回転状態監視装置に電力を供給することができる。
また、この発明に係る発電装置は、前記振り子のアーム部分及び/又は重り部分に、空気抵抗が調整可能な空気流路を形成した。これは、振り子の振動振幅は、回転体の回転数が大きくなって遠心力が増加しても、振幅が小さくなることはないが、回転数が上がり、振り子の振動周波数が大きくなってくると、機械的ストレスが振り子に作用するため、これを軽減させるために、振り子のアーム部分及び/又は重り部分の形状を、空気抵抗を適度に受ける構造とすることにより、高速振動時の振幅を制限して振り子機構を保護することができる。
以下、本発明を、回転体の一つであるタイヤの回転異常監視装置に適用した場合を例にとり説明するが、この発明は、タイヤ以外の回転体の圧力、温度、回転数等各種の状態を監視する装置にも適用することができることは勿論である。
一般に、タイヤ1内部の点P(図1ではホイール2の外周上の点)は、図1に示すように、タイヤ1の回転に伴い発生する遠心力に起因する加速度αと、路面3の凹凸から与えられる押圧力に起因する加速度Gdと、地球の重力加速度(9.8[m/s2])に起因し、タイヤ1の回転方向に応じて受ける方向が変化する加速度G(重力加速度の方向が回転方向と同じである点Pにおいては+1G,重力加速度の方向が回転方向と逆である点P’においては−1G)を受ける。そして、加速度Gはタイヤ1の1回転毎に必ず1回は±1Gの加速度変化を生じる。
従って、タイヤ1内部の点Pにタイヤ1の回転周波数と同じ又は整数倍の振動周波数を有する単振り子ややじろべえ型振り子等の振り子を配置することにより、どのような車速においてもタイヤ1の回転と振り子を共振させ、振り子の振動エネルギーを発生させることができる。具体的には、図2に示すようにホイール2の外周上に単振り子4を配置した場合、単振り子4の支点S及び重心Gが受ける加速度変化±1Gの振動周波数f0は以下の数式1に示すようになる。なお、数式1中のパラメータv、rはそれぞれホイール2の外周速度と半径を示す。
また、タイヤ1の半径r0及び外径速度(車速)v0とホイール2の半径r及び外径速度vとの間には以下の数式2に示す関係があるので、上記数式1は以下の数式3のように変形することができる。
そして、単振り子4が受ける遠心力による加速度αは以下の数式4のように表されるので、微小振幅時の単振り子4の固有振動数fは数式3,4を用いて以下の数式5のように近似される。なお、振幅量が増大した際は固有振動数fは数式5に示す値よりも幾分小さくなる。
従って、振動周波数f0=固有振動数fとなる単振り子4を構成することにより、振動周波数f0と固有振動数fを同一周波数で共振させることが可能となり、以下に示す数式6から単振り子4の支点Sと重心G間の距離hがホイール2の外径rと同じもの(h=r)であれば、車速v0に影響されることがなくタイヤ1の回転と単振り子4を共振させ、単振り子4の振動エネルギーを発生させることができる。
より具体的には、単振り子4を5逓倍共振させるためには、5f0=fの単振り子4を構成すればよいので、以下の数式7から単振り子4の支点Sと重心G間の距離hとホイール2の外径rが以下の数式8に示す条件を満たせば、車速v0に影響されることがなくタイヤ1の回転と単振り子4を共振させ、単振り子4の振動エネルギーを発生させることができる。
なお、上記説明においては、振り子として単振り子4を用いたが、やじろべえ型振り子についても同様に考えることができる。すなわち、一般に、やじろべえ型振り子5は、図3に示すように、支点Sにおいて支持された高さhの支柱に対し長さlの支持棒を左右水平方向に設け、この支持棒の先端部に質量mの重りを付けたものであるが、このやじろべえ型振り子5の微小振幅時の固有振動数fは以下の数式9のように表される。なお、振幅量が増大した際は、固有振動数fは数式9に示す値よりも幾分小さくなる。
そして、上記数式9中においてh/(l2+h2)はやじろべえ型単振り子5の形状に依存する固有の定数となるので、これを1/h’とすると、上記数式9は以下に示す数式10のようになり、単振り子4の場合と同様に考えられることがわかる。
具体的には、振動周波数f0と固有振動数fを同一周波数で共振させるためには、振動周波数f0=固有振動数fとなるやじろべえ型単振り子5を構成すればよいので、以下に示す数式11から以下に示す数式12が満たされれば、車速v0に影響されることがなくタイヤ1の回転とやじろべえ型単振り子5を共振させ、やじろべえ型単振り子5の振動エネルギーを発生させることができる。
なお、振り子をホイール2の外周上に設置する際、固有振動数fを振動周波数f0に合わせるために振り子の高さhを大きくすることはタイヤ1の構造上困難であり、高さhは10[mm]以下であることが望ましい。しかしながら、やじろうべえ型振り子5の場合、支持棒の長さlの寸法はタイヤ1の構造上比較的許容されるので、高さhを小さくし、長さlを大きくすることにより、固有振動数fを小さくすることができる。従って、タイヤ1の構造を考えた場合には、振り子としては、単振り子2よりもやじろべえ型振り子5を用いることが望ましい。
以下、このような技術的思想に基づいて想到された本発明の第1及び第2の実施形態となる発電装置の構成について説明する。
始めに、図4を参照して、本発明の第1の実施形態となる発電装置の構成について説明する。
本発明の第1の実施形態となる発電装置は、タイヤ1内部に配置され、図4に示すように、ホイール2の外周上の点Sにおいて支持された単振り子4と、ホイール2の外周上の点S’において支持されたハンマー6と、単振り子4とハンマー6とを柔結合により結合するスプリング7と、ハンマー6からの加振力によって発生した歪みを電力に変換する圧電セラミックス8a,8bと、圧電セラミックス8a,8bを位置保持するクッション材9a,9bとを備え、単振り子4はタイヤ1の回転周波数と同一又は整数倍の振動周波数を有する。なお、タイヤ1の回転周波数と同一又は整数倍の振動周波数を有する振り子であれば、単振り子4はやじろべえ型振り子等の他の振り子であってもよい。
このような構成を有する発電装置においては、単振り子4はタイヤ1の回転周波数と同一又は整数倍の振動周波数を有するので、どのような車速v0においてもタイヤ1の回転と単振り子4が共振し、単振り子4の振動エネルギーはスプリング7を介してハンマー6に伝達される。そして、単振り子4の振動エネルギーがハンマー6に伝達されると、ハンマー6は振動の度毎に圧電セラミックス8a,8bを殴打して加振力を加え、圧電セラミックス8a,8bはハンマー6からの加振力に伴い発生した歪みを電力に変換し、生成した電力を図示しないタイヤ異常監視装置に供給する。
従って、このような発電装置によれば、電池やループコイル型アンテナ型受電器を用いることなくタイヤ異常監視装置に電力を供給することができるので、長期間、且つ、安価にタイヤ異常監視装置に電力を供給することができる。なお、この発電装置では、単振り子4は、ホイール2の回転からエネルギーを受けて共振を継続しており、その振動エネルギーの一部をハンマー6に伝達することにより圧電セラミックス8a,8bを加振する。そして、ハンマー6は圧電セラミックス8a,8bを一度殴打すると振動をほぼ停止し、単振り子4の次の振動サイクルで再び圧電セラミックス8a,8bを殴打する。すなわち、単振り子4とハンマー6とを柔結合によって結合するスプリング7は、連続振動する単振り子4と一殴打毎に停止するハンマー6間の緩衝の役割を果たす。
また、本実施形態では、ホイール2の半径rが約200[mm]の時には、単振り子4の高さhを8[mm]とすることにより、5逓倍共振を実現した。また、単振り子4の代わりにやじろうべえ型振り子を用いた場合には、支持棒の長さlを27.6[mm],支柱の高さhを4[mm]とすることにより、同一周波数の共振を実現した。この場合、車速v0毎の振動周波数f0及び固有振動数fは以下に示す表1のようになった。
また、既に述べたように、固有振動数fを小さくするために単振り子ややじろべえ型振り子の高さhを大きくすることはタイヤ1の構造上困難であるので、本実施形態では、単振り子4ややじろべえ型振り子5の形状は、図5,6に示すように、重りMの高さH方向の長さを圧縮し、水平方向の長さLを広げた形状とした。
また、本実施形態では、遠心力の影響をできるだけ小さくしてハンマー6を振動しやしくするために、図7(a),(b)に示すように、ハンマー6の形状は、長さ2Lの支持棒をその中心位置S(回転軸)において支柱10によって支持し、支持棒の両端部に重りnを対称になるように形成した。また、ハンマー6は、タイヤ1の回転に伴い発生する遠心力が回転軸面に対して鉛直方向に働くように設置した。これにより、ハンマー6は、遠心力Fの方向に対して対称な構造を有するようになるので、遠心力Fに対してバランスを取り、遠心力の影響を小さくすることができる。なお、本実施形態では、支柱10の先端部は、ホイール2に接合された支持体との摩擦を小さくするために、曲面により構成されている。
次に、図8を参照して、本発明の第2の実施形態となる発電装置の構成について説明する。
本発明の第2の実施形態となる発電装置は、タイヤ1内部に配置され、図8に示すように、ホイール2の外周上の点Sにおいて支持されたやじろうべえ型振り子5を備え、やじろうべえ型振り子5を構成する支持棒11の両端部には磁石12a,bが設けられている。また、やじろうべえ型振り子5はタイヤ1の回転周波数と同一又は整数倍の振動周波数を有し、磁石12a,12bと対向する位置にはコイル13a,13bが配置されている。なお、本実施形態では、磁石12a,bは、約3[g]のサマリウムコバルト磁石により構成し、重りの役割を兼用させるようにした。また、ホイール2の半径rが約200[mm]である時、支柱10の高さhは4[mm],支持棒11の半分の長さlは27.6[mm]とした。
このような構成を有する発電装置においては、やじろうべえ型振り子5はタイヤ1の回転周波数と同一又は整数倍の振動周波数を有するので、どのような車速v0においてもタイヤ1の回転とやじろうべえ型振り子5が共振し、やじろうべえ型振り子5が振動することにより、磁石12a,12bが交互にコイル13a,b内に進入する。そして、磁石12a,12bがコイル13a,b内に進入すると、コイル13a,bに電力(誘導起電力)が誘起され、誘起された電力は図示しないタイヤ異常監視装置に供給される。従って、電池やループコイル型アンテナ型受電器を用いることなくタイヤ異常監視装置に電力を供給することができるので、長期間、且つ、安価にタイヤ異常監視装置に電力を供給することができる。尚、前記振り子は、その支点を、図9に示すようにくさび状とすることで、より効果的な発電を行うことができる。
また、各実施例に係る発電装置にあっては、前記振り子のアーム部分及び/又は重り部分に、空気抵抗を調整可能な空気流路を形成した。例えば、切り欠き部や凹溝等を形成する。
これにより、振り子の振動振幅は、回転体の回転数が大きくなって遠心力が増加しても、振幅が小さくなることはないが、回転数が上がり、振り子の振動周波数が大きくなってくると、機械的ストレスが振り子に作用するが、これを軽減させることができ、振り子のアーム部分及び/又は重り部分の形状を、空気抵抗を適度に受ける構造とすることができるので、高速振動時の振幅を制限して振り子機構を保護することができる。
1 タイヤ
2 ホイール
3 路面
4 単振り子
5 やじろうべえ型振り子
6 ハンマー
7 スプリング
8a,8b 圧電セラミックス
9a,9b クッション材
10 支柱
11 支持棒
12a,12b 磁石
13a,13b コイル
2 ホイール
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Claims (13)
- 回転体に発生する圧力、温度、回転数等各種の状態を監視する回転状態監視装置に電力を供給する発電装置であって、
前記回転体の内部に配設され、当該回転体の回転周波数と同一又は整数倍の振動周波数を有する振り子と、
前記振り子が回転体の回転と共振又は同期或は同調することにより発生した振動エネルギーから電力を生成する電力生成手段と
を備えることを特徴とする発電装置。 - 請求項1に記載の発電装置であって、
前記電力生成手段は、前記振動エネルギーが加えられることによって発生した歪みを電力に変換する圧電素子であることを特徴とする発電装置。 - 請求項1に記載の発電装置であって、
前記電力生成手段は、前記振動エネルギーによってコイルと磁石の一方を振動させ、誘導起電力を発生させることにより、電力を生成することを特徴とする発電装置。 - 請求項2に記載の発電装置であって、
前記振り子は前記圧電素子に対し加振力を与えるハンマーを振動させ、圧電素子はハンマーからの加振力によって発生した歪みを電力に変換することを特徴とする発電装置。 - 請求項4に記載の発電装置であって、
前記振り子と前記ハンマーは柔結合によって接合されていることを特徴とする発電装置。 - 請求項1乃至請求項5のうち、いずれか1項に記載の発電装置であって、
前記振り子が有する重りの形状は、高さ方向の寸法が圧縮され、水平方向に伸びた形状を有することを特徴とする発電装置。 - 請求項1乃至請求項6のうち、いずれか1項に記載の発電装置であって、
前記振り子は単振り子であることを特徴とする発電装置。 - 請求項1乃至請求項6のうち、いずれか1項に記載の発電装置であって、
前記振り子はやじろうべえ型振り子であることを特徴とする発電装置。 - 請求項4乃至請求項8のうち、いずれか1項に記載の発電装置であって、
前記振り子の支点がくさび形状であることを特徴とする発電装置。 - 請求項4乃至請求項9のうち、いずれか1項に記載の発電装置であって、
前記ハンマーは回転軸に対して対称に配置された2つの重りを備えることを特徴とする発電装置。 - 請求項4乃至請求項10のうち、いずれか1項に記載の発電装置であって、
前記ハンマーは回転体の回転に伴い発生する遠心力がハンマー回転軸面に対して鉛直方向に働くように配設されていることを特徴とする発電装置。 - 請求項1乃至請求項11のうち、いずれか1項に記載の発電装置であって、
前記振り子のアーム部分及び/又は重り部分に、空気抵抗を調整可能な空気流路を形成したことを特徴とする発電装置。 - 請求項1乃至請求項12のうち、いずれか1項に記載の発電装置であって、
前記回転体は、タイヤであることを特徴とする発電装置。
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