JP2007202381A - 発電装置 - Google Patents

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

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）。

特開平９−１３６５１７号公報

特開２０００−３３９９６４号公報

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ｖ_０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ｖ_０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ｖ_０毎の振動周波数ｆ_０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。

タイヤ内部の点が受ける加速度の種類を説明するための図である。 タイヤの回転と単振り子が共振する原理を説明するための図である。 タイヤの回転とやじろうべえ型振り子が共振する原理を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態となる発電装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態となる単振り子の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態となるやじろうべえ型振り子の構成を示す模式図である。 図４に示すハンマーの構成を示す上面図及び側面図である。 本発明の第２の実施形態となる発電装置の構成を示す模式図である。 振り子の支点部分の構成例を示す模式図である。

符号の説明

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

Claims (13)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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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