JP2008087512A - タイヤ発電装置及びこれを用いたタイヤセンサ、並びにタイヤ剛性可変装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タイヤの変形エネルギを電気エネルギに変換し得るタイヤ発電装置及びこれを搭載した車両、並びにこれらを用いたタイヤセンサ、更には電気エネルギによってタイヤの剛性を調整できるタイヤ剛性可変装置を提供。
【解決手段】タイヤ発電装置５は、ディスク部４１とディスク部４１から径外方向に延設されたリム部４２とを有するホイール４と、サイドウォール部３１とトレッド部３２とを有しリム部４２に保持されているゴム製でチューブレスのタイヤ３と、タイヤ３の内側面３５に固定された発電素子１と、発電素子１で発生した電力を外部回路に送電する送電手段としてのケーブル２とをもつ。発電素子１は、タイヤ３の伸縮に追従して伸縮することによりその伸縮運動エネルギを電気エネルギに変換する誘電エラストマ１１と、誘電エラストマ１の両端に配置された電極１２，１２とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載されるタイヤ発電装置及びこれを用いたタイヤセンサ、並びにタイヤ剛性可変装置に関する。

自動車の燃費向上のため、エネルギの有効活用が重要視されている。たとえば、ハイブリッド自動車では、発電機を用いて慣性エネルギを電気エネルギに変換し、電気駆動用のエネルギとして有効活用している。

また、自動車から発するエネルギには、慣性エネルギのほかにも、熱・振動・音など、様々なものがある。これらのエネルギの殆どは、外部へ放出されてしまい、大部分のエネルギが有効活用されていない。そこで、放出されていたエネルギを回収して、有効利用する技術が望まれている。

エネルギ回収の方法として、放出されたエネルギを他のエネルギに変換する方法がある。たとえば、従来、エネルギ変換素子として、電圧を加えると変形をおこす圧電素子がある。また、特許文献１には、機械エネルギを電気エネルギに変換するための素子が開示されている。発明者は、このようなエネルギ変換素子を利用して自動車などの車両の燃費向上を図ろうと鋭意研究した。また、電気エネルギを利用してタイヤの剛性を調整しようと鋭意研究した。
特表２００３−５０５８６５号公報

本発明は、車両の中の特にタイヤの伸縮運動に着目し、この伸縮運動エネルギを電気エネルギに変換し得るタイヤ発電装置及びこれを搭載した車両、並びにこれらを用いたタイヤセンサ、更には電気エネルギによってタイヤの剛性を調整できるタイヤ剛性可変装置を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段及び効果

前記課題を解決する発明は、ディスク部と該ディスク部から径外方向に延設されたリム部とを有するホイールと、サイドウォール部とトレッド部とを有し前記リム部に保持されているタイヤと、該タイヤの内側面または内部に固定された発電素子と、該発電素子で発生した電力を外部回路に送電する送電手段とをもち、発電素子は、タイヤの変形に追従して伸縮することによりその伸縮運動エネルギを電気エネルギに変換する誘電エラストマと、該誘電エラストマの両端に配置された電極とを有することを特徴とする。

前記構成によれば、タイヤの地面接触部は、タイヤ、ホイール及びこれを取付けた車両などの重量による負荷を受けて、変形する。タイヤの回転により、タイヤの地面接触部が非接触状態に移行すると、タイヤの内圧によってタイヤがもとの形状に戻る。このため、タイヤが回転すると、タイヤのある部分はこれらの変形によって伸長・収縮が繰り返される。このタイヤの伸縮にともなって、タイヤに固定されている誘電エラストマも、タイヤの伸縮に追従して伸縮が繰り返される。誘電エラストマは伸縮によって起電力を発生させる性質をもつ。このため、タイヤの回転によって誘電エラストマは伸縮が繰り返され、電力を発生させることができる。

また、タイヤ発電装置を有することを特徴とする車両がある。車両は、走行時にタイヤが伸縮運動するため、この伸縮運動エネルギをタイヤ発電装置にて電気エネルギに変換できる。生成した電力は、バッテリに蓄えることにより、必要なときに適時利用することができる。また、モータ駆動、車載照明装置などに利用でき、車両の燃費向上に役立つ。

また、タイヤ発電装置にて発生した電力の応答に基づいてタイヤの変形状態を検知することを特徴とするタイヤセンサがある。このセンサによれば、タイヤの変形状態を検知することができる。

また、ディスク部と該ディスク部から径外方向に延設されたリム部とを有するホイールと、サイドウォール部とトレッド部とを有し前記リム部に保持されているタイヤと、該タイヤに固定されたアクチュエータと、アクチュエータへ外部回路から送電する送電手段とをもち、アクチュエータは、外部回路から送電手段を通じて印加された電気エネルギを伸縮運動エネルギに変換する誘電エラストマと、誘電エラストマの両端に配置された電極とを有することを特徴とするタイヤ剛性可変装置がある。

このタイヤ剛性可変装置によれば、アクチュエータに電気が印加されると、電極間に電圧差が生じて電場の変化が生じる。この場合、電極によって異なる電荷が互いに引き合い、これにより誘電エラストマは電極間で圧縮を受け、電極間の平面方向に伸長される。電力の印加を停止すると、電極間の電圧差がなくなり。電荷の差が解消される。この場合、誘電エラストマは電極間の圧縮力から解放され、その平面方向の伸長状態から収縮してもとの形状に戻る。このように、電力の印加・停止により誘電エラストマは伸縮する。

これにともない、誘電エラストマを内蔵または一体化したタイヤは、剛性が変化する。すなわち、誘電エラストマが伸長したときには、タイヤが伸長してタイヤの剛性が上がる。誘電エラストマが収縮したときには、タイヤが収縮して剛性が低下する。このように、印加する電圧を変化させることにより、タイヤの剛性を調整することができる。このため、車速、路面、カーブなどの走行状態に適したタイヤの剛性に調整することができる。

以上のように本発明によれば、タイヤの変形エネルギを電気エネルギに変換し得るタイヤ発電装置及びこれを搭載した車両、並びにこれらを用いたタイヤセンサ、更には電気エネルギによってタイヤの剛性を調整できるタイヤ剛性可変装置を提供することができる。

（タイヤ発電装置）
発電素子は、伸縮運動エネルギを電気エネルギに変換する誘電エラストマと、誘電エラストマの両端に配置された電極とを有する。かかる発電素子としては、例えば、特表２００３−５０５８６５号公報に示されたジェネレータを用いることができる。

誘電エラストマは、変形すると電場が生成して電気エネルギが発生する。すなわち、誘電エラストマは、電気抵抗値が高い。このため、誘電エラストマを伸張すると、静電気が発生して、誘電エラストマの中の異なる電荷が電極の側に引き寄せられる。そして、誘電エラストマが収縮すると、各電極に引き寄せられた電荷は誘電エラストマの面方向の密度が高くなり、電気エネルギは増加する。また、電極間の厚みが厚くなるため、異なる電位の電荷が互いに引き離されるので、やはり電荷のエネルギは増加する。このように、タイヤの伸縮にともなって誘電エラストマが伸縮すると、電気エネルギが生成する。

誘電エラストマは、エラストマに予めひずみを加えて作成される。誘電エラストマに適した材料としては、変形によって電場が変化するような、可撓性で電気抵抗値が高いポリマまたはゴム、あるいはこれらの組み合わせを含む。具体的には、シリコンエラストマ、アクリルエラストマ、ポリウレタン、熱可塑性エラストマ、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレン共重合体）などのポリマ、圧感接着剤、フルオロエラストマ、シリコン成分およびアクリル成分を含むポリマなどが挙げられる。

誘電エラストマの電気抵抗値は、１０^１４Ω・ｍ以上であることが好ましい。１０^１４Ω・ｍ未満の場合には、生成する電圧が低くなるおそれがある。

電極は、誘電エラストマよりも電気抵抗値が低い導電性材料を用いることができ、グラファイト、カーボンブラック、銀及び金を含む薄い金属、銀及びカーボンを充填したゲル及びポリマ、イオンもしくは電子工学的に導電性のポリマを例示できる。電極は、たとえば、誘電エラストマの表面に印刷形成したり、結合剤を用いて形成したりすることができる。

電極の電気抵抗値は、１０^１Ω・ｍ以下であることが好ましい。１０^１Ω・ｍを越える場合には導電性が低下するおそれがある。

発電素子は、誘電エラストマの両側に電極を配置して形成される。また、発電素子は、誘電エラストマと電極とを交互に積層して多層構造とすることが好ましい。この場合には、発電量を増加させることができる。

発電素子は、タイヤの内側面に固定されているか、またはタイヤの内部に埋設されている。電力引き出しの容易さからは、タイヤの内側面に固定されている方がよい。発電素子は、損傷防止のため、タイヤの外側面に配設しない方がよい。

タイヤは、チューブレスタイヤでも、チューブタイヤのいずれでもよい。チューブレスタイヤの場合には、タイヤ自体に発電素子を固定する。チューブタイヤの場合には、外殻のタイヤハウスや中身のチューブのいずれに発電素子を固定してもよい。

発電素子をタイヤに固定するにあたっては、たとえば、接着材などで固定する。また、発電素子がゴム製である場合には、発電素子とタイヤとを共架橋して一体化してもよい。また、ゴム製の接着材を用いてゴム製の発電素子とタイヤとを共架橋してもよい。接着材を用いる場合には、タイヤ及び発電素子の伸縮にあわせて伸縮できる伸縮性接着材であることが好ましい。

たとえば、発電素子は、タイヤの周方向に断続的に配設されている。この場合、発電素子は、１つでも２以上の複数でもよい。発電素子が複数の場合、発電素子は、タイヤの周方向に等間隔で配設されていることが好ましい。この場合、定周波数の電力を生成することができる。

また、発電素子は、タイヤの周方向に連続して配設されていてもよい。

発電素子は、タイヤのサイドウォール部に配設されていることが好ましい。サイドウォール部は、接地時にはタイヤやホイールなどの負荷を平面方向に受けて収縮し、非接触時にはその負荷から解放されて伸張する。サイドウォール部は、タイヤの接地時と非接地時との伸縮差が大きい部分である。このため、比較的大きな電力を発生させることができる。

また、発電素子は、タイヤのトラッド部に配設されていてもよい。この場合には、接地時に路面と接触する面積が大きく、接地時の路面の状態を反映した電力を生成できる。このため、たとえば路面の状態を検知する電気信号を生成するのに適している。トラッド部は、接地時にタイヤやホイールなどの負荷を厚み方向に受けて伸張し、非接地時にはその負荷から解放されて収縮する。

送電手段は、たとえば、タイヤとリム部との間に形成されている気圧室の中に配設されたケーブルである。ケーブルは、誘電エラストマの両端に配設されている陽極側、陰極側の電極にそれぞれ接続されている。陰極側に接続されているケーブルは、接地する。

リム部は、気圧室と連通する導通孔を有し、導通孔は、ケーブルを挿通した状態でハーメチックシールにて封止されていることが好ましい。導通孔はタイヤの中の気圧室と連通しているため、導通孔にケーブルを挿通しただけでは導通孔を通じて気圧室の外に空気が漏れ出てしまう。そこで、導通孔にケーブルを挿通した状態でハーメチックシールにて気密的に封止することにより、気圧室からの空気漏れを抑制できる。ここで、ハーメチックシールとは、導通孔とその内部に挿通されたケーブルとの間をガラスなどの封止材料で焼き固めたシール構造をいう。ハーメチックシールによれば、導通孔とケーブルとの間の隙間を気密的に封止できるため、タイヤ内の気圧室から空気が漏れ出ることを抑制できる。

（車両）
タイヤ発電装置は、たとえば、車両に搭載されている。車両としては、自動車、バイク、自転車などがあるが、タイヤを有する車両であれば特に限定されない。
車両は、タイヤのホイールを固定しホイールの回転に伴って回転する回転部材と、車両の車体に固定された固定部材とを有する。タイヤ発電装置にて生成した電力は、これを利用する装置に送電する必要がある。かかる電力利用装置は、多くの場合、車両の車体に固定されている。このため、回転するタイヤ発電装置から非回転の車体の固定部材に導出させる手段が必要となる。

このようにタイヤ発電装置から車体の固定部材に導出させる手段として、たとえば、回転部材と固定部材のそれぞれに形成されている外部回路の間をスリップリングにて電気的に接続する方式がある。

誘電エラストマの両側に配設された電極は、一方が陽極で、他方が陰極となる。タイヤ発電装置より外部回路に導出するには、互いに電位の異なる陽極側電流と陰極側電流とを別々に車両に導出する必要がある。このような構成として、たとえば、車両の回転部材は、内層と外層と、内層と外層との間を絶縁する絶縁層とを有し、内層と外層は、それぞれタイヤ発電装置の送電手段に接続されており、かつ外層は、第一のスリップリングにて固定部材に形成した第一の外部回路と接続し、内層は、絶縁層及び外層から露出した露出部をもち、露出部において、第二のスリップリングにて固定部材に形成した第二の外部回路と接続していることが好ましい。この場合、タイヤ発電装置より別々に送電された陽極側電流と陰極側電流とが、回転部材の中の内層と外層とのそれぞれ別個の導電路を通り、それぞれ別個のスリップリングによって別々に固定部材に導出される。

また、発電素子は、これを複数枚重ね合わせて直列に配線することが好ましい。この場合、生成電力の量を増加させることができる。

（タイヤセンサ）
タイヤ発電装置を用いたセンサとして、タイヤ発電装置にて発生した電力の応答に基づいてタイヤの変形状態を検知することを特徴とするタイヤセンサがある。

たとえば、タイヤセンサは、発電素子から発する電力の時間的変化を計測する計測手段と、電力の時間的変化に基づいてタイヤの回転速度を算出する速度算出手段とを有するタイヤ回転速度センサである。

タイヤ回転速度センサは、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、トラクションコントロールシステムなどの走行制御システムに利用することができる。また、タイヤのロックやスリップもタイヤ毎に検知できる。

たとえば、タイヤセンサは、タイヤの異常を検知する異常検知センサである。異常検知センサは、タイヤの１回転当たりに発生する起電力の正常パターンを記憶する記憶手段と、タイヤの回転に伴い発生する起電力の実測パターンを計測する計測手段と、正常パターンと実測パターンとを比較して実測パターンが正常パターンと同じである場合には正常と判断し、実測パターンが正常パターンと異なる場合にはタイヤが異常であると判断する判断手段をもつ。この異常検知センサを各タイヤに装着することにより、スタンディングウェーブ現象、スリップなどのタイヤの状態をタイヤ毎に検知できる。

たとえば、タイヤセンサは、タイヤの空気圧を検知する空気圧センサである。空気圧センサは、走行時のタイヤの空気圧と誘電エラストマから発生する起電力との相関データを記憶する記憶手段と、走行時の誘電エラストマから発生する起電力の実測値を計測する計測手段と、起電力の実測値を相関データに照合してタイヤの空気圧をもとめる照合手段とをもつ。空気圧センサは、タイヤのバーストを検知するセンサとして用いることができる。

たとえば、タイヤセンサは、タイヤが走行している路面の状態を検知する路面状態検知センサである。路面の状態により、タイヤの伸縮量が変化するため、誘電エラストマの伸縮量も変化する。このため、路面状態検知センサによれば、砂利路、凍結路などの路面状態を検知できる。路面状態検知センサは、タイヤが基準となる路面の上を走行したときに発生する起電力のパターンを基準パターンとして記憶する記憶手段と、走行時に発生する起電力のパターンを実測パターンとして計測する計測手段と、実測パターンを基準パターンと照合してその差異に基づき路面状態を検知する検知手段とをもつ。たとえば、実測パターンが基準パターンよりもパターンの凹凸が滑らかなときには、凍結路などの凹凸の小さい路面であると判断する。実測パターンが基準パターンよりもパターンの凹凸が大きい場合には、砂利路などの凹凸の大きい路面であると判断する。路面状態センサは、タイヤのトレッド部に配設されていることが好ましい。トレッド部は地面に接触する部分であるため、路面の状態に追従して伸縮する。このため、路面情報を詳細に取得することができる。

たとえば、タイヤセンサは、タイヤの摩耗状態を検知するタイヤ摩耗センサである。タイヤの摩耗度合いにより、誘電エラストマの応答性が異なってくるため、タイヤセンサはタイヤ摩耗センサとして用いることができる。タイヤ摩耗センサは、たとえば、タイヤの摩耗度合いと誘電エラストマによる発電量との相関データを記憶する記憶手段と、走行時の誘電エラストマから発生する電力の実測値を計測する計測手段と、実測値を相関データに照合してタイヤの摩耗度合いを検知する検知手段とをもつ。タイヤ摩耗センサは、タイヤ交換が必要な程度のタイヤの摩耗状態になったときにタイヤ交換が必要であることを知らせるタイヤ交換告知装置として利用できる。タイヤ摩耗センサは、タイヤのトレッド部に配設されていることが好ましい。トレッド部は摩耗量が多いため、このトレッド部にタイヤ摩耗センサを配設することにより、タイヤの摩耗量を容易に検知できる。

たとえば、タイヤセンサは、車両の盗難を検知する盗難センサである。車両停止時には誘電エラストマは伸縮せずに電力は発生しない。車両が盗難されたときには、車両は持ち上げられるか、走行してタイヤが回転する。いずれの場合にも、タイヤが伸縮し、誘電エラストマから電力が発生する。この電力を検知することにより、車両が停車位置から移動して盗難されたことがわかる。盗難センサは、タイヤの周方向の全体に連続して配設されていることが好ましい。この場合には、タイヤの周方向のどの面が接地して停止していても、盗難などでタイヤが持ち上げられたときに起電力を発生させることができる。

たとえば、タイヤセンサは、制動状態を検知する制動センサである。制動装置を作動させたときには、非作動時よりも大きな負荷がタイヤに加わる。このため、タイヤの変形量が大きくなり、誘電エラストマの伸縮が大きくなり、起電力も大きくなる。このため、起電力が、制動装置の非作動時よりも大きくなったときは制動装置を作動されていると判断できる。

制動センサは、制動装置非作動時の起電力値を基準値として記憶する記憶手段と、走行時の起電力を実測値として計測する計測手段と、実測値を基準値と比較して実測値が基準値と同じ場合は制動装置が作動していないと判断し実測値が基準値よりも大きい場合には制動装置が作動していると判断する。また、実測値と基準値との差異に基づいて制動装置の作動状態（例えばブレーキのかかり具合）を把握することもできる。制動センサは、車両のすべてのタイヤに装着することが好ましい。この場合には、より正確に制動状態を検知できる。

たとえば、タイヤセンサは、ホイールの舵取り角度を検知する角度センサである。車両を旋回させたときに、内側タイヤには外側タイヤよりも大きな負荷がかかり、内側タイヤは大きく収縮する。そこで、内側タイヤと外側タイヤにタイヤ発電装置を搭載する。両側のタイヤの伸縮のバランス具合を検知し、その具合に基づいて旋回方向及び旋回角度を計測することができる。

制動センサ、角度センサは、走行状態を記録するドライブレコーダにも用いることができる。

各センサにおいて、タイヤ発電装置から発する信号を増幅させる増幅器を設けてもよい。この場合、微弱な電気信号でも検知可能な程度まで増幅できる。

（タイヤ剛性可変装置）
アクチュエータは、外部回路から印加された電気エネルギを伸縮運動エネルギに変換する誘電エラストマと、誘電エラストマの両端に配置された電極とを有する。

アクチュエータは、発電素子と同様のものを用いることができる。誘電エラストマは、伸縮運動エネルギを電気エネルギに変換するが、電気エネルギを加えると、誘電エラストマは伸張運動する。このようなアクチュエータとしては、たとえば、特表２００３−５０５８６５号に示されているアクチュエータを用いることができる。

また、アクチュエータに送電する送電手段は、前記タイヤ発電装置の送電手段と同様のものを用いることができる。

タイヤ剛性可変装置は、自動車、バイク、自転車などの車両に搭載することができる。

タイヤ剛性可変装置は、タイヤセンサと組み合わせて用いることができる。たとえば、タイヤ剛性可変装置をタイヤ回転速度センサと組み合わせることにより、タイヤを速度に応じた剛性に設定できる。タイヤ剛性可変装置を路面状態検知センサと組み合わせることにより、タイヤを路面に応じた剛性に設定できる。また、角度センサと組み合わせることにより、タイヤを旋回角に応じた剛性に設定できる。さらに、また、タイヤ回転速度センサ、路面状態検知センサ及び角度センサを併用して最適なタイヤ剛性を算出し、この最適剛性値に基づいて、タイヤの剛性を制御することもできる。また、タイヤの剛性を検知するタイヤ剛性検知センサを併用することにより、フィードバック制御も可能となる。

（実施例１）
以下に、本発明の実施例に係るタイヤ発電装置について、図面を用いて説明する。

図１に示すように、タイヤ発電装置５は、ディスク部４１とディスク部４１から径外方向に延設されたリム部４２とを有するホイール４と、サイドウォール部３１とトレッド部３２とを有しリム部４２に保持されているゴム製でチューブレスのタイヤ３と、タイヤ３の内側面３５に固定された発電素子１と、発電素子１で発生した電力を外部回路に送電する送電手段としてのケーブル２とをもつ。発電素子１は、タイヤ３の伸縮に追従して伸縮することによりその伸縮運動エネルギを電気エネルギに変換する誘電エラストマ１１と、誘電エラストマ１１の両端に配置された電極１２，１３とを有する。

発電素子１の誘電エラストマ１１は、ＥＰＤＭに所定のひずみを加えて作製された可撓性の薄膜である。電極１２、１３は、カーボンをＥＰＤＭに添加して形成した導電性ポリマーである。誘電エラストマ１１の電気抵抗値は１０^１４Ω・ｍであり、電極１２，１３の電気抵抗値は１０^１Ω・ｍである。一方の電極１２は陽極、他方の電極１３は陰極である。陰極側の電極１３は、ケーブル２の一部をホイールなどの導電部材に接触させて接地している。発電素子１は、伸縮性の接着材であるＥＰＤＭゴム系接着剤にてタイヤ３に固定されている。

図１、図２に示すように、発電素子１は、タイヤ３の両側のサイドウォール部３１の外周付近に各１つずつ配設されていて、これらはケーブル２を通じて直列に接続されている。ケーブル２は、一端が発電素子１の電極１２，１３に接続され、他端が車体側のハブ９２に接続されている。ケーブル２はタイヤ３の気圧室３０の中を通り、ホイール４を貫通する導通孔４２０に挿通されている。導通孔４２０における気圧室３０の側の開口４２１は、封着ガラスからなるハーメチックシール４２２により気密に封止されている。

タイヤ発電装置５は、自動車の車体９１に固定されている。車体９１は、タイヤ発電装置１のホイール４を固定しホイール４の回転に伴って回転するハブ９２と、車体９１に固定されハブ９２の外周に筒状に配設されたケース９５とを有する。ホイール４は、図示しないボルトによりハブ９２に固定されている。回転部材であるハブ９２と非回転部材であるケース９５との間には、ベアリング９４が回転自在に介設されている。ハブ９２の中にはケーブル２が挿入されていて、ハブ９２を固定している回転シャフト９３に接続されている。

回転シャフト９３は、内層９３１と外層９３２とをもち、内層９３１と外層９３２との間は絶縁層９３３により絶縁されている。回転シャフト９３の外周は、他部材との短絡を防止するため、絶縁層９３４により被覆されている。内層９３１と外層９３２は、ケーブル２の陽極側と陰極側にそれぞれ、回転シャフト９３から着脱可能なコネクタ４０を介して接続されている。コネクタ４０は、ホイール４のディスク部４１から軸方向に突出した部分であり、その中心には導通孔４２０が形成されている。図３（ａ）に示すように、コネクタ４０は、導通孔４２０の端部に形成された内層接続用の端子９０２と、導通孔４２０の内周にリング状に形成された外層接続用の端子９０１とをもつ。内層接続用の端子９０２，外層接続用の端子９０１は、それぞれリード９０４，９０３により回転シャフト９３の内層９３１と外層９３２に電気的に接続されている。ホイール４をハブ９２から取り外す際に、コネクタ４０は、ホイール４と一体となってハブ９２から取り外される。図３（ｂ）に示すように、回転シャフト９３の一部には、外層９３２がリング状に露出している外層露出部９３５と、内層９３２がリング状に露出している内層露出部９３６が形成されている。図３（ｂ）に示すように、外層露出部９３５，内層露出部９３６は、それぞれスリップリング８４の回転集電体を構成している。スリップリング８４は、固定部材９６に固定されている一対の腕部８４０、８４１と、腕部８４０，８４１の先端に設けられたブラシ８４２，８４３とを有する。外層露出部９３５及び内層露出部９３６には、ブラシ８４２，８４３が接している。ブラシ８４２，８４３はバネ８４９により回転シャフト９３の径内方向に付勢されていて常に外層露出部９３５及び内層露出部９３６との接触を保持している。

ケーブル２より送電された陽極側電流と陰極側電流とは、それぞれ回転シャフト９３の内層９３１、外層９３２を通り、スリップリング８４により固定部材９６の外部回路９６１に送電される。外部回路９６１は、Ａ／Ｄ変換器、蓄電器、モータなどを備えている。タイヤ発電器より取り出した電力は、蓄電器に蓄え、自動車電力の補助として利用される。

図４に示すように、誘電エラストマ１１は、変形すると電場が生成して電気エネルギが発生する。すなわち、図４（ａ）に示すように、誘電エラストマ１１は、電気抵抗値が高い。このため、誘電エラストマ１１を伸張すると、静電気が発生して、誘電エラストマ１１の中の異なる電荷が電極１２，１３の側に引き寄せられる。図４（ｂ）に示すように、誘電エラストマ１１が収縮すると、各電極１２，１３に引き寄せられた電荷は誘電エラストマ１１の面方向の密度が高くなり、電気エネルギは増加する。また、電極１２，１３間の厚みが厚くなるため、異なる電位の電荷が互いに引き離されるので、やはり電荷のエネルギは増加する。このように、タイヤの伸縮にともなって誘電エラストマが伸縮すると、電気エネルギが生成する。

本例のタイヤ発電装置にて発電された電力は、図５に示す波形をもつ直流である。発電素子は、タイヤ１両側のサイドウォール部３１の各一カ所に１つずつ配設されている。図５のピークＰ１は、タイヤが接地して径方向に圧縮されて、それに追従して誘電エラストマが径方向に収縮したときの電位である。誘電エラストマは伸張時に発生した静電気が、収縮によって圧縮されて、電圧が増加する。この増加した電圧値がピークＰ１である。この最大電圧は４０００Ｖで、タイヤ１回転で数μＡの電気が発生した。

なお、本例においては図１に示すようにハブ９２とスリップリング８４との電気的導通は、内層９３１と外層９３２の２層構造により行っているが、回転シャフト９３の中心に孔をあけてその中にケーブル２を通しても良い。

（実施例２）
本例においては、図６に示すように、発電素子１をタイヤ３のサイドウォール部３１の周方向に等間隔で８枚を配設している。すべての発電素子１は、並列に接続されている。電圧の波形を図７に示す。本例では８つの発電素子を周方向に配設しているため、タイヤ１回転により、８本のピークＰ２が生成する。

（実施例３）
本例においては、図８に示すように、発電素子１をタイヤ３のサイドウォール部３１の周方向に連続して１枚を配設している。電圧の波形を図９に示す。タイヤ回転時には、常時一定値を維持し、タイヤ停止時には０Ｖに低下した。

（実施例４）
本例においては、図１０、図１１に示すように、発電素子１をタイヤ３のトラッド部３２に８枚を断続的に配設している。この場合、接地時には、車両の重量により、タイヤのトラッド部が平面方向に圧縮され伸張する。このため、誘電エラストマも伸張して、静電気が発生する。そして、接地から非接地の状態にシフトすると、タイヤが荷重から解放され平面方向に収縮する。このとき、誘電エラストマも収縮する。そして、発生した電荷の単位面積当たりの数が増えて、電圧が増加する。したがって、トラッド部３２に配設された誘電エラストマも伸縮により電気エネルギを発生させることができる。

（実施例５）
本例は、実施例４のタイヤ発電装置を用いたタイヤ回転速度センサである。タイヤ回転速度センサは、発電素子から発する電力の時間的変化を計測する計測手段と、前記電力の時間的変化に基づいてタイヤの回転速度を算出する速度算出手段とを有する。また、発電素子により生成する電気信号が小さい場合には、増幅器により信号を増幅させてもよい。

本タイヤ回転速度センサによれば、タイヤの回転速度を計測できる。

（実施例６）
本例は、実施例３のタイヤ発電装置を用いた盗難検知センサである。盗難検知センサは、盗難検知モードをＯＮ・ＯＦＦする切換手段（スイッチなど）と、盗難検知モードのときにタイヤの起電力の変化を監視する監視手段（電圧計など）と、起電力に変化が生じたときに外部通信機に通報する通報手段（携帯端末などの無線通報システム）とをもつ。

盗難検知モードがＯＮになると、タイヤの起電力の変化の有無を監視する。車両停止時には誘電エラストマは伸縮せずに電力は発生しない。車両に乗り込んだり車両を持ち上げたりした際、誘電エラストマは伸縮して起電力に変化が発生する。盗難センサは、この起電力の変化を検知したときに、これを盗難情報として所持者の通信機に通報する。

（実施例７）
本例は、実施例２のタイヤ発電装置を用いてスタンディングウェーブ現象を検知する異常検知センサである。異常検知センサは、異常検知モードのＯＮＮ・ＯＦＦを切り換える切換手段と、発電素子の起電力の経時変化を監視する監視手段と、発電素子の最大起電力発生後の電圧低下の時期が、予め記憶された正常時の電圧低下の時期よりも遅延している場合にスタンディングウェーブ現象が生じていると判断する判断手段とを有する。

スタンディングウェーブ現象は、タイヤの接地面での変形が元の形に戻る速さよりもタイヤの回転速度が速いため、元の形に戻れずに、タイヤの後方に波形が残る現象である。
図１２に示すように、スタンディングウェーブ現象が生じている場合には、いずれの発電素子についても、起電力が最大値に到達した後の電圧低下が正常時（図１２中の点線）よりも遅延する。このような波形になっているときには、スタンディングウェーブ現象が生じていると判断できる。

スタンディングウェーブ現象が生じると、特にサイドウォール部の伸張が大きく遅延する。本例においては、実施例２の図６に示すように、タイヤのサイドウォール部３１に発電素子が配設されている。サイドウォール部３１は、タイヤ回転時の伸張・収縮の度合いが大きい部分である。このため、伸張の遅延が生じている状態を十分に反映した電気信号を発生させることができ、スタンディングウェーブ現象を容易に検知できる。

（実施例８）
本例は、実施例１のタイヤ発電装置をタイヤ剛性可変装置に用いた例である。

実施例１では、タイヤ発電装置から送電されてくる電力を蓄える蓄電器を外部回路に備えているが、本例では外部回路にタイヤ剛性可変装置に適宜電気を送る送電制御手段を備えている。送電制御手段は、タイヤ剛性可変装置へ送電する電力を生成する発電器と、タイヤの剛性を計測する計測手段と、タイヤの伸縮状態とタイヤ回転速度、路面状態及び舵取り角度などの走行状態とを考慮してタイヤの最適剛性を算出する最適剛性算出手段と、計測されたタイヤの剛性がタイヤの最適剛性になるようにアクチュエータに送電する電力量を算出する送電量算出手段と、算出された電力量をアクチュエータに送電するように発電器に指令する指令手段とをもつ。タイヤの剛性は、タイヤの伸縮度合いに基づいて計測される。タイヤが伸張しているときには、剛性が高く、タイヤが収縮しているときには剛性が低くなる。

送電制御手段よりタイヤ剛性可変装置に電気が送電されると、アクチュエータの誘電エラストマが伸張する。誘電エラストマが伸張すると、これを固定しているタイヤも伸張して剛性が高くなる。タイヤ剛性可変装置への送電が停止すると、誘電エラストマが収縮する。誘電エラストマが収縮すると、タイヤも収縮して剛性が低くなる。このように、アクチュエータへ送電する電圧を調整することにより、タイヤの剛性を調整できる。

本発明のタイヤ発電装置、タイヤセンサ及びタイヤ剛性可変装置は、車両に搭載されるものだけでなく、自転車、車椅子などのようにタイヤが回転し伸縮を繰り返すものについて適用できる。

実施例１のタイヤ発電装置の断面説明図である。 実施例１における、発電素子の配設位置を示すためのタイヤの正面図である。 実施例１における、コネクタを示す説明図（ａ）及びスリップリングの説明図（ｂ）である。 実施例１における、発電機構を示すための、誘電エラストマの伸張時（ａ）、収縮時（ｂ）の断面説明図である。 実施例１における、発電素子の電圧パターンを示す説明図である。 実施例２における、発電素子の配設位置を示すためのタイヤの正面図である。 実施例２における、発電素子の電圧パターンを示す説明図である。 実施例３における、発電素子の配設位置を示すためのタイヤの正面図である。 実施例３における、発電素子の電圧パターンを示す説明図である。 実施例４における、発電素子の配設位置を示すためのタイヤの断面説明図である。 実施例４における、発電素子の配設位置を示すためのタイヤの正面図である。 実施例７における、スタンディングウェーブ現象が生じている場合の電圧パターンを示す説明図である。

符号の説明

１：発電素子、１１：誘電エラストマ、１２、１３：電極、２：ケーブル、３：タイヤ、３１：サイドウォール部、３２：トレッド部、４：ホイール、４０：コネクタ、４１：ディスク部、４２：リム部、８３、８４：スリップリング、９１：車体、９２：ハブ、９３：回転シャフト

Claims (19)

1. ディスク部と該ディスク部から径外方向に延設されたリム部とを有するホイールと、サイドウォール部とトレッド部とを有し前記リム部に保持されているタイヤと、該タイヤに固定された発電素子と、該発電素子で発生した電力を外部回路に送電する送電手段とをもち、
   前記発電素子は、前記タイヤの変形に追従して伸縮することによりその伸縮運動エネルギを電気エネルギに変換する誘電エラストマと、該誘電エラストマの両端に配置された電極とを有することを特徴とするタイヤ発電装置。
2. 前記発電素子は、前記タイヤの周方向に断続的に配設されていることを特徴とする請求項１記載のタイヤ発電装置。
3. 前記発電素子は、前記タイヤの周方向に複数が等間隔で配設されていることを特徴とする請求項２記載のタイヤ発電装置。
4. 前記発電素子は、前記タイヤの周方向に連続して配設されていることを特徴とする請求項１記載のタイヤ発電装置。
5. 前記発電素子は、前記タイヤのサイドウォール部に配設されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のタイヤ発電装置。
6. 前記発電素子は、前記タイヤの前記トレッド部に配設されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のタイヤ発電装置。
7. 前記送電手段は、前記タイヤと前記リム部との間に形成されている気圧室の中に配設されたケーブルであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のタイヤ発電装置。
8. 前記リム部は、前記気圧室と連通する導通孔とを有し、
   該導通孔は、前記ケーブルを挿通した状態でハーメチックシールにて封止されていることを特徴とする請求項７記載のタイヤ発電装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の前記タイヤ発電装置を有することを特徴とする車両。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の前記タイヤ発電装置にて発生した電力の応答に基づいてタイヤの変形状態を検知することを特徴とするタイヤセンサ。
11. 前記タイヤセンサは、タイヤ回転速度センサであることを特徴とする請求項１０記載のタイヤセンサ。
12. 前記タイヤセンサは、前記タイヤの異常を検知する異常検知センサであることを特徴とする請求項１０に記載のタイヤセンサ。
13. 前記タイヤセンサは、前記タイヤの空気圧を検知する空気圧センサであることを特徴とする請求項１０記載のタイヤセンサ。
14. 前記タイヤセンサは、前記タイヤが接地する路面の状態を検知する路面状態検知センサであることを特徴とする請求項１０記載のタイヤセンサ。
15. 前記タイヤセンサは、前記タイヤの摩耗状態を検知するタイヤ摩耗センサであることを特徴とする請求項１０記載のタイヤセンサ。
16. 前記タイヤセンサは、車両の盗難を検知する盗難センサであることを特徴とする請求項１０記載のタイヤセンサ。
17. 前記タイヤセンサは、制動状態を検知する制動センサであることを特徴とする請求項１０記載のタイヤセンサ。
18. 前記タイヤセンサは、ホイールの舵取り角度を検知する角度センサであることを特徴とする請求項１０記載のタイヤセンサ。
19. ディスク部と該ディスク部から径外方向に延設されたリム部とを有するホイールと、サイドウォール部とトレッド部とを有し前記リム部に保持されているタイヤと、該タイヤに固定されたアクチュエータと、該アクチュエータへ外部回路から送電する送電手段とをもち、
    前記アクチュエータは、前記外部回路から前記送電手段を通じて印加された電気エネルギを伸縮運動エネルギに変換する誘電エラストマと、該誘電エラストマの両端に配置された電極とを有することを特徴とするタイヤ剛性可変装置。

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