JP2011071389A - タイヤ内電力発生装置及び該装置を用いたタイヤモニタリングシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】タイヤ内電力発生装置2は、下記一般式(PX)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)無機圧電体を含む圧電部20と、圧電部20がタイヤに加えられる外力により歪むことにより、圧電部20に発生する電荷を取り出す一対の電極(21,22)と、取り出した電荷を蓄積するエネルギー蓄積部23とを備えている。
(Bix,A1−x)(By,C1−y)O3・・・(PX)
(式(PX)中、AはPb以外の平均イオン価数が2価のAサイト元素、Bは平均イオン価数が3価のBサイト元素,Cは平均イオン価数が3価より大きいBサイト元素であり、A,BおよびCは各々1種又は複数種の金属元素である。Oは酸素。B及びCは互いに異なる組成である。0.6≦x≦1.0、x−0.2≦y≦x。)
【選択図】図1A
Description
取り出した前記電荷を蓄積するエネルギー蓄積部とを備えたことを特徴とするものである。
(Bix,A1−x)(By,C1−y)O3・・・(PX)
(式(PX)中、AはPb以外の平均イオン価数が2価のAサイト元素、Bは平均イオン価数が3価のBサイト元素,Cは平均イオン価数が3価より大きいBサイト元素であり、A,BおよびCは各々1種又は複数種の金属元素である。Oは酸素。B及びCは互いに異なる組成である。0.6≦x≦1.0、x−0.2≦y≦x。Aサイト元素の総モル数及びBサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ1:3が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1:3からずれてもよい。)
100<ε33<1500 ・・・(1)、
d33(pm/V)>12√ε33 ・・・(2)
ここで、d33及びε33の添字表記は、直交する3つの軸1,2,3を規定した時、最初の添字が電界の印加方向、2番目の添字が歪みの方向を示しており、歪みまたは応力を取り出す方向が、電界を加えた方向に対して平行方向である縦振動モードであることを示している。従って、d33及びε33は縦振動モードの圧電歪定数及び誘電率を示している。
100<d33(pm/V) ・・・(3)、
80<g33(×10−3V・m/N) ・・・(4)
(式中、g33は前記圧電体の電圧出力定数である。)
中でも、前記無機圧電体としては、前記ペロブスカイト型酸化物が、第1成分としてBaTiO3を、第2成分としてBiFeO3を含むものであることが好ましい。
0.97≦TF(PX)≦1.02・・・(5)
(式中、TF(PX)は上記一般式(PX)で表される酸化物の許容因子である。)
本明細書において、「許容因子TF」は下記式で表されるファクターである。
TF=(rA+rO)/√2(rB+rO)
(式中、rAはAサイトの平均イオン半径、rBはBサイトの平均イオン半径、rOは酸素のイオン半径である。)
本明細書において、「イオン半径」は、いわゆるShannonのイオン半径を意味している(R. D. Shannon, Acta Crystallogr A32,751 (1976)を参照)。「平均イオン半径」は、格子サイト中のイオンのモル分率をC、イオン半径をRとしたときに、ΣCiRiで表される量である。ただし、12配位のBiのイオン半径に関しては、前記文献に記載が無く、また共有結合性が強いので、「共有結合半径」を用いる。
図面を参照して、本発明にかかる一実施形態のタイヤ内電力発生装置及びタイヤモニタリングシステムについて説明する。図1Aは、本実施形態のタイヤ内電力発生装置及びタイヤモニタリングシステムの構成を示す概略図である。図1Bは、本実施形態のタイヤモニタリングシステム1の、タイヤ内における位置関係を示した概略図である。視認しやすくするために各部の縮尺は適宜変更して示してある。
以下に、圧電コンポジットの構成及び圧電コンポジットに含まれる無機圧電体について説明する。
(i)自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致したときに、電界印加強度の増減によって電界印加方向に伸縮する通常の電界誘起圧電歪(真性圧電歪(intrinsic))、
(ii)電界印加強度の増減によって分極軸が可逆的に非180°回転することで生じる圧電歪、
(iii)電界印加強度の増減によって結晶を相転移させ、相転移による体積変化を利用する圧電歪、
(iv)電界印加により相転移する特性を有する材料を用い、自発分極軸方向とは異なる方向に結晶配向性を有する強誘電体相を含む結晶配向構造とすることで、より大きな歪が得られるエンジニアードドメイン効果を利用する圧電歪(エンジニアードドメイン効果を利用する場合には、相転移が起こる条件で駆動してもよいし、相転移が起こらない範囲で駆動してもよい)などが挙げられる。
(Bix,A1−x)(By,C1−y)O3・・・(PX)
(式(PX)中、AはPb以外の平均イオン価数が2価のAサイト元素、Bは平均イオン価数が3価のBサイト元素,Cは平均イオン価数が3価より大きいBサイト元素であり、A,BおよびCは各々1種又は複数種の金属元素である。Oは酸素。B及びCは互いに異なる組成である。0.6≦x≦1.0、x−0.2≦y≦x。Aサイト元素の総モル数及びBサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ1:3が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1:3からずれてもよい。)
100<ε33<1500 ・・・(1)、
d33(pm/V)>12√ε33 ・・・(2)
100<d33(pm/V) ・・・(4)
80<g33(×10−3V・m/N) ・・・(5)
(式中、g33は前記圧電体の電圧出力定数(圧電感度定数)である。)
TF(BiFeO3)<TF(D)<TF(BaTiO3)・・・(6)、
0.97≦TF(D)≦1.02・・・(7)
(式中、TF(PX)は上記一般式(PX)で表される酸化物の許容因子、TF(BiFeO3)、TF(D)、及びTF(BaTiO3)はそれぞれ()内に記載の酸化物の許容因子である。)
上記実施形態において、センサ3はタイヤの歪をセンシングするものについて述べたが、感知する特性はこれに制限されない。例えば、温度、タイヤの回転数、車両速度等の特性が上げられる。
2 タイヤ内電力発生装置
3 センサ
4 コントローラ
5 無線周波数装置
20,30 圧電部(高分子複合圧電体、圧電コンポジット)
20p 圧電体
20m 高分子マトリックス
21,22,31,32 電極
23 エネルギー蓄積部
100 タイヤ
Claims (11)
- タイヤの内側の表面に固定されるタイヤ内電力発生装置であって、
下記一般式(PX)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)無機圧電体を含む圧電部と、該圧電部が前記タイヤに加えられる外力により歪むことにより、該圧電部に発生する電荷を取り出す一対の電極と、取り出した前記電荷を蓄積するエネルギー蓄積部とを備えたことを特徴とするタイヤ内電力発生装置。
(Bix,A1−x)(By,C1−y)O3・・・(PX)
(式(PX)中、AはPb以外の平均イオン価数が2価のAサイト元素、Bは平均イオン価数が3価のBサイト元素,Cは平均イオン価数が3価より大きいBサイト元素であり、A,BおよびCは各々1種又は複数種の金属元素である。Oは酸素。B及びCは互いに異なる組成である。0.6≦x≦1.0、x−0.2≦y≦x。Aサイト元素の総モル数及びBサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ1:3が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1:3からずれてもよい。) - 前記Aサイト元素Aが、Mg,Ca,Sr,Ba,(Na,Bi),及び(K,Bi)からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素であることを特徴とする請求項1に記載のタイヤ内電力発生装置。
- 前記Bサイト元素Bが、Al,Sc,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ga,Y,In,及びReからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素であることを特徴とする請求項1又は2に記載のタイヤ内電力発生装置。
- 前記無機圧電体の圧電歪定数d33(pm/V)と比誘電率ε33とが下記式(1)及び(2)を満足するものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のタイヤ内電力発生装置。
100<ε33<1500 ・・・(1)、
d33(pm/V)>12√ε33 ・・・(2) - 前記無機圧電体の圧電歪定数d33と電圧出力定数g33とが下記式(3)及び(4)を満足するものであることを特徴とする請求項4に記載のタイヤ内電力発生装置。
100<d33(pm/V) ・・・(3)、
80<g33(×10−3V・m/N) ・・・(4) - 前記ペロブカイト型酸化物が、第1の成分としてBaTiO3を、第2の成分としてBiFeO3を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のタイヤ内電力発生装置。
- 前記一般式(PX)で表されるペロブスカイト型酸化物が、許容因子が1.0より大きい第1の成分と、許容因子が1.0より小さい第2の成分とを含み、下記式(5)を満足することを特徴とする請求項1〜6に記載のタイヤ内電力発生装置。
0.97≦TF(PX)≦1.02・・・(5)
(式中、TF(PX)は上記一般式(PX)で表される酸化物の許容因子である。) - Aサイト元素の平均原子量MAとBサイト元素の平均原子量MBとの差|MA−MB|が145より大きいことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のタイヤ内電力発生装置。
- 前記圧電部が、有機高分子樹脂からなるマトリックスと、該マトリックス中に含まれる、前記無機圧電体とを含む高分子複合圧電体からなることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のタイヤ内電力発生装置。
- 前記高分子複合圧電体が、1−3型連結性を有するであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のタイヤ内電力発生装置。
- 請求項1から10のいずれかに記載のタイヤ内電力発生装置と、
前記タイヤの所定の特性を検出する少なくとも1つのセンサと、
該センサにより検出された前記特性から得られる情報を、遠隔位置でモニタリングできるように該遠隔位置へ送信する無線周波数装置とを備え、
該無線周波数装置及び/又は前記センサが、前記エネルギー蓄積部から給電されるように前記エネルギー蓄積部と接続されていることを特徴とするタイヤモニタリングシステム。
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