JP2014228283A - 発電振動センサ、およびそれを用いたタイヤ並びに電気機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る発電振動センサは、振動を電力に変換する電力発生素子と、
前記電力発生素子により得られた振動情報を抽出する第1の電力系統と、
前記電力発生素子に接続され、前記第1の電力系統により抽出された前記振動情報を外部に送出するための電力を供給する第2の電力系統と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図4
Description
特に、携帯電話や自動車等において加速度を検出しこれを基に様々な情報を得ようとする試みが成されており、このような加速度検出を行うことができるセンサ装置が必要とされている。このようなセンサ装置は、電気機器の狭小な領域に設けられるため、小型化、省スペース化が求められている。また、携帯電話等は、一回の充電でできるだけ長い時間作動することが求められており、また、自動車等においては、電力供給が困難な領域において用いられるため、センサ装置の低消費電力化が求められている。また、これら物理量センサを設置する部位は、そのセンシング情報を用いて、例えばフィードバック制御等の制御を行う部位が離れており、無線装置によりセンシング情報を物理量センサから制御装置等の装置に送出する必要がある場合がある。このような無線装置を備えたセンサ装置にいては、センシング部分(センサ部分)だけでなく無線機の低電力化も不可欠である。
また、MEMS素子とは別に、圧電素子も、環境発電器として用いることができ、電源ケーブルや電池を必要としない無線センサネットワークを実現する。また、圧電素子についてもMEMS素子と同様小型化が可能であり、このような小型化された圧電素子を環境発電器に適用することにより、上記同様、環境発電器の小型化が期待される。
振動を電力に変換する電力発生素子と、
前記電力発生素子により得られた振動情報を抽出する第1の電力系統と、
前記電力発生素子に接続され、前記第1の電力系統により抽出された前記振動情報を外部に送出するための電力を供給する第2の電力系統と、を備えることを特徴とする。
したがって、本発明によれば、低消費電力化、小型化、低コスト化が可能な発電振動センサ、およびそれを用いたタイヤ並びに電気機器を提供することができる。
本発明者らは、従来技術における課題に鑑み鋭意検討を重ねた結果、従来は無線装置等のセンサ装置を構成する装置に電力を供給することに専ら用いていた、振動発電器の電力波形、すなわち、振動を受けた場合に生ずる電力波形から加速度センシングが可能であることを見出した。特に、このような加速度センシングは、例えば車やバイク等の移動手段、とりわけこれら移動手段のタイヤに好適に用いることができるとの知見を得たため、以下車やバイク等の移動手段のタイヤに振動発電器を取り付けた場合について説明する。本発明者らは、上記知見を基にさらに検討を重ねた結果、第1の電力系統と第2の電力系統とを設けることにより、1つの電力系統をタイヤの状況や路面の状況を推測するセンシングに用いることができるとともに、他の電力系統うちの1つをセンシングにより得られた情報を外部(例えばセンサ装置に設けた送信機からセンサ装置外の受信機)へ送信するための電力供給に用いることができ、これにより、圧力センサ、加速度センサ、歪センサ等の物理量センサ若しくは当該物理量センサに電力を供給する電力供給手段のいずれか一方を省略することができセンサの低消費電力化、小型化、低コスト化が可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明は、上記知見に基づき成されたものであり、振動を電力に変換する電力発生素子と、前記電力発生素子により得られた振動情報を抽出する第1の電力系統と、前記電力発生素子に接続され、前記第1の電力系統により抽出された前記振動情報を外部に送出するための電力を供給する第2の電力系統と、を備える発電振動センサである。電力発生素子の具体的な態様は、実施形態1ではエレクトレットを用いる静電式タイプのものであり、実施形態2では圧電素子を用いる圧電式タイプのものである。
また、本発明に係る発電振動センサにおいて、電力発生素子が2つ含まれ、一方が振動情報を抽出する第1の電力系統に接続され、他方が振動情報を伝播させるための電力を供給する第2の電力系統に接続されていてもよいし、電力発生素子が1つ含まれ、当該電力発生素子に第1の電力系統と第2の電力系統とが接続されていてもよい。
以下、それぞれの実施形態について、詳細に説明する。
<1.実施形態1>
<1−1.構成>
<1−1−1.全体の構成>
図1は、本実施形態1によるタイヤセンサシステム(本発明の振動発電センサを用いたシステムの一例)の構成を示す図である。図1で示すように、本実施形態1の送信機200は、ホイール320に装着されたタイヤ310の内側に設置されている。送信機200が、タイヤの回転方向330に回転し、路面400にタイヤの部材を介して接触する状態を図1(a)に示す。一方、送信機200が、タイヤの回転方向330に回転し、路面400から離れる状態を図1(b)に示す。送信機200は、タイヤや路面状態を判別するためのデータ信号を送信する。
発電振動センサ100、制御部210、送信部220を有することは図2にて説明した通りである。本実施形態1の送信機200は、制御部210や送信部220を駆動するための電力源として、外部振動のエネルギーを電力に変換する発電振動センサ100を発電器として使用できる(以下、センシングに用いられる場合発電振動センサ100と称することがあり、発電器に用いられる場合振動発電器100と称することがある。また、センシングと発電器の両方に用いられる場合、発電振動センサ/振動発電器100と併記される場合もある)。発電振動センサ100は、外部振動の波形に応じた電圧を出力するため、直流電圧に変換するパワーマネージメント回路120と合わせて発電部140を構成する。電源部150は、発電部140より制御部210や送信部220に電力を供給する。また、電源部150は、発電部140に加えて蓄電部130を具備しており、必要に応じえて蓄電部130から制御部210や送信部220に電力を供給することができる。
また、無線送信によるノイズや伝送エラーが発生しデータ信号の質が許容されない場合や、送信機200での消費電力が許容される場合は、受信機500の構成ブロックを送信機200に具備してもよい。
図4を参照して発電振動センサ100の構造について説明する。本発明に係る第1の電力系統は、図4において、後述する第1パッド105に接続される経路を意味し、本発明に係る第2の電力系統は、図4において、後述する第2パッド113に接続される経路を意味する。後述するように発電振動センサ100は内部で振動する可動基板110を備えている。図4(a)は、可動基板110が振動の中心にある状態を示す。図4(b)は、可動基板110が振動の中心から右側へずれた位置にある状態を示す。
上部基板109の下部基板111に対向する面を下部表面という。下部基板111の上部基板109に対向する面を上部表面という。
下部基板111の上部表面には、複数の第1電極102と複数の第2電極104とが設けられる。第1電極102と第2電極104とが交互に配置されている。これら複数の第1電極102を接続する配線は、下部基板111内の、上部表面付近を通って、第1パッド105に接続される。また、これら複数の第2電極104を接続する配線は、下部基板111内の、下部表面付近を通って、第2パッド113に接続される。第1パッド105は第2パッド113に対して電気的に絶縁されている。発電振動センサ100は、第1パッド105および第2パッド113のそれぞれを通じて、発電した電力を出力する。
図6に示す態様において、第1電極102の幅は、好ましくは100μm〜500μmであり、より好ましくは100μm〜300μmである。また、第2電極104の幅は、好ましくは50μm〜200μmであり、より好ましくは50μm〜100μmである。このように設定することにより、限られた領域に多数の第1電極102及び第2電極104を形成することが可能となり、発電出力およびセンシング感度を高めることができる。
再び図4を参照して、発電振動センサ100の動作について説明する。発電振動センサ100では、外部環境から受けた力(例えば振動)に追従して可動基板110が水平方向に振動する。弾性構造体112のバネ定数および共振周波数は、想定される外部環境(例えば、自動車の走行中の振動)の振動周波数に対して最大振幅が発生するよう最適化される。
本実施形態1の変形例として、第1電極102および第2電極104のいずれか一方だけを下部基板111上に配置し、当該電極に第1の電力系統と第2の電力系統とが接続されていても良い。また、当該電極から一の電力系統が接続され、その一の電力系統が1以上の第1の電力系統と1以上の第2の電力系統に分岐していてもよい。このように構成することにより、発電振動センサの構成をより簡易にすることができる。下部基板111に設けられる第1電極102又は第2電極104は、可動基板110の振動方向に対して垂直な方向にかつ等間隔で設けられる。
また、第1電極102および第2電極104のいずれか一方だけを下部基板111上に配置し、これに一の電力系統を接続し、当該一の電力系統により、センシングを行った後、同じく当該一の電力系統により、発電を行っても良い。また、当該一の電力系統により、発電を行った後、同じく当該一の電力系統により、センシングを行っても良い。
以上のとおり、本実施形態の送信機200は、振動を受けて電力を発電しかつ振動を検出する発電振動センサ100と、振動データの信号送信を制御する制御部210と送信部220とを備える。発電振動センサ100は第1電極102および第2電極104で電力を出力し、パワーマネージメント回路120は、発電振動センサ100の第1電極102からの出力を別の電力に変換し、制御部210は、発電振動センサ100の第2電極104からの出力に基づいて、振動データの信号送信を制御する。
以下、本発明の第2の実施形態について説明する。
<2−1.構成および動作>
本実施形態2は図7に示すような構成を有する。本実施形態2の発電振動センサ1000は、実施形態1の発電振動センサ100がエレクトレットを用いて発電する方式に対して、実施形態2の発電振動センサ1000が圧電体を用いて発電する方式である点で、実施形態2の発電振動センサ1000は実施形態1の発電振動センサ100と異なる。それ以外の構成は実施形態1と同様である。
中間基板108の上部基板109に対向する面を上部表面という。
中間基板108の弾性構造体112上には、第1下部電極1002と、第1圧電体1001と、第1上部電極1022とが積層されている。第1下部電極1002を接続する配線は上部表面上を通って、第1パッド105に接続される。
図8に示すように中間基板108の上部表面の弾性構造体112上には、第1下部電極1002と、第1圧電体1001と、第1上部電極1022とからなる第1積層構造1200と、第2下部電極1004と、第2圧電体1021と、第2上部電極1024とからなる第2積層構造1400とが並置されている。第2下部電極1004を接続する配線は上部表面上を通って、第2パッド113に接続される。第1パッド105は第2パッド113に対して電気的に絶縁される。発電振動センサ1000は、第1パッド105および第2パッド113のそれぞれを通じて、発電した電力を出力する。
このような発電振動センサ1000の動作によって、交流電力が発電される。
このとき、第1パッド105および第2パッド113から出力される交流電力は互いに、変動の遷移が同じである。すなわち、第1パッド105からの交流電力が増大するとき、第2パッド113からの交流電力が増大する。減少するときも同様である。それぞれの交流電力は互いに同期的に変動する。
一方、発電振動センサ1000の第2パッド113を通じて出力された交流電力は、振動のデータ信号として制御部210に入力される。
本実施形態2の変形例として、第1積層構造1200と第2積層構造1400のいずれか一方だけを弾性構造体112上に配置し、当該積層構造に第1の電力系統と第2の電力系統とが接続されていても良い。また、当該積層構造から一の電力系統が接続され、その一の電力系統が1以上の第1の電力系統と1以上の第2の電力系統に分岐していてもよい。このように構成することにより、発電振動センサの構成をより簡易にすることができる。
また、第1積層構造1200および第2積層構造1400のいずれか一方だけを弾性構造体112上に配置し、これに一の電力系統を接続し、当該一の電力系統により、センシングを行った後、同じく当該一の電力系統により、発電を行っても良い。また、当該一の電力系統により、発電を行った後、同じく当該一の電力系統により、センシングを行っても良い。
以上のとおり、本実施形態の発電振動センサ1000は、発電振動センサ1000の外側の面積が大きい面(例えば、図7における下部基板111または上部基板109の外側の面)を、タイヤ310の裏側の面と平行に設置し、強固かつ安定に固定した場合、図1に示す円形のタイヤ310の法線方向Zと、図7に示す発電振動センサ1000の可動基板110の振動方向(例えば、図7における両矢印方向)を一致させることでき、効率的にZ方向の振動を利用できる。
以下、本発明の第3の実施形態について説明する。
本実施形態では、実施形態1および実施形態2で示した発電振動センサから得られる振動データの解析方法と、それを用いたタイヤまたは路面状態の推定方法を説明する。
図10、図11を参照して発電出力波形から外部振動波形への変換方法について説明する。発電振動センサ(振動発電器)は、外部振動の波形に応じた電力を出力するため、図2で示したデータ解析部530において、発電出力波形を解析することにより、外部振動の波形を得ることができる。
なお、接触発電出力Pcは負、離脱発電出力Prは正の値で図示したが、定義の仕方により正負逆としてもよい。
以上のように、発電振動センサにより外部振動波形を得ることが可能となる。
速度が一定で、タイヤと路面の接触面積が大きくなった場合は、接触時間Tcは長くなる。また、タイヤが大きく変形するため、接触加速度Acおよび離脱加速度Arが高くなる。
これらのパラメータを解析することにより、タイヤの状態や路面の状態を推定する。例えば、タイヤがパンクしタイヤの空気圧が減少した場合は、タイヤの変形が大きいため、接触時間Tcは長くなり、接触加速度Acおよび離脱加速度Arが高くなる。
速度が一定で、タイヤと路面の接触面積が大きくなった場合は、接触時間Tcは長くなる。
タイヤまたは路面状態の推定方法は、上述の接線方向Xの場合と同様である。
以上のように、発電振動センサによりタイヤや路面状態の推定が可能となる。
本実施形態のタイヤまたは路面状態の推定方法によれば、タイヤの回転により発電振動センサが路面に接触し離れる場合の接触時間Tc、接触加速度Ac、離脱加速度Arのパラメータから、タイヤの変形量や、タイヤと路面との摩擦力を抽出し、タイヤや路面状態の推定を行うことができる。
本構成により、タイヤや路面状態に応じた車両の警告表示、車軸、制動の制御を行うことができる。
以下、本発明の第4の実施形態について説明する。
本実施形態では、タイヤの回転速度によりタイヤの状態または路面の状態を推定する方法を説明する。それ以外の構成は実施形態3と同様である。
図13(a)を参照して振動データの解析方法、およびタイヤまたは路面状態の推定方法について説明する。図13(a)は、横軸は時間、縦軸は円形のタイヤの接線方向Xの振動の大きさを表す加速度である。
タイヤまたは路面状態の推定方法は、上述の接線方向Xの場合と同様である。
以上のように、発電振動センサによりタイヤや路面状態の推定が可能となる。
本実施形態のタイヤまたは路面状態の推定方法によれば、タイヤの回転により発電振動センサが路面に接触し離れる場合の接触時間Tc、接触加速度Ac、離脱加速度Arのパラメータから、タイヤの回転速度や、タイヤと路面との摩擦力を抽出し、タイヤや路面状態の推定を行うことができる。
本構成により、タイヤや路面状態に応じた車両の警告表示、車軸、制動の制御を行うことができる。
本発明の思想は前述の実施形態に限定されない。以下、他の実施形態について説明する。
前述の実施形態において、タイヤセンサシステムは、振動情報とそれに対応するタイヤや路面の状態の一覧であるデータテーブルを有してもよい。実測された振動情報をデータテーブルに参照することにより、タイヤや路面の状態を判定する。
また、タイヤセンサシステムは、振動情報をプロトコル化してもよい。情報の構成を簡素化することができ、通信および情報処理の速度を上げることができる。
前述の実施形態は、下記のような発電振動センサおよびタイヤセンサシステムの思想を開示する。
振動を電力に変換する電力発生素子と、
前記電力発生素子により得られた振動情報を抽出する第1の電力系統と、
前記電力発生素子に接続され、前記第1の電力系統により抽出された前記振動情報を外部に送出するための電力を供給する第2の電力系統と、を備える発電振動センサである。
前記電力発生素子が2以上設けられ、前記第1の電力系統が、2以上の前記電力発生素子のうち少なくとも一つと接続され、
前記第2の電力系統が、2以上の前記電力発生素子のうち残りの少なくとも一つと接続されている第1の態様に記載の発電振動センサである。
単一の前記電力発生素子に、前記第1の電力系統と前記第2の電力系統とが接続されている第1又は第2の態様に記載の発電振動センサである。
前記電力発生素子が、
固定基板と、
該固定基板の1つの主面と対向する1つの主面を有し、かつ前記固定基板に対して略平行に振動可能な可動基板と、
前記固定基板の1つの主面および前記可動基板の1つの主面の一方に、当該可動基板の振動方向に対して並列配置された複数のエレクトレットと、
前記固定基板の1つの主面および前記可動基板の1つの主面の他方に、前記振動方向に対して並列にかつ交互に配置され、前記第1の電力系統および前記第2の電力系統のいずれかに接続された第1電極および第2電極と、を備える第1〜第3の態様のいずれかに記載の発電振動センサである。
前記電力発生素子は、
周期的に繰り返し湾曲することができる弾性構造体と、
前記弾性構造体の一端に接続された固定基板と、
前記弾性構造体の他端に接続された可動基板と、
前記弾性構造体上に設けられ、前記第1の電力系統および前記第2の電力系統のいずれかに接続された第1の積層構造と第2の積層構造と、を備え、
前記第1の積層構造は、第1の下部電極と、該第1の下部電極上に形成された第1の圧電体と、該第1の圧電体上に形成された第1の上部電極と、を有し、
前記第2の積層構造は、第2の下部電極と、該第2の下部電極上に形成された第2の圧電体と、該第2の圧電体上に形成された第2の上部電極と、を有する第1〜第3の態様のいずれかに記載の発電振動センサである。
前述の発電振動センサを内壁に備えるタイヤであって、
前記発電振動センサが地面に達した際に前記発電振動センサにより得られる電力波形と、地面から離れる際に得られる電力波形と、から当該タイヤの状態および路面の状態を推定することを特徴とするタイヤである。
101:エレクトレット
102:第1電極
104:第2電極
105:第1パッド
106:下部接合部
107:上部接合部
108:固定構造体
109:上部基板
110:可動基板(可動部、重り、振動体)
111:下部基板
112:バネ(弾性構造体)
113:第2パッド
120:パワーマネージメント回路
130:蓄電部
140:発電部
150:電源部
200:送信機
210:制御部
220:送信部
310:タイヤ
320:ホイール
330:回転方向
400:路面
500:受信機
510:受信部
520:信号処理部
530:データ解析部
540:車両制御指示部
600:車両制御部
1001:第1圧電体
1002:第1下部電極
1004;第2下部電極
1021:第2圧電体
1022:第1上部電極
1024;第2上部電極
1200:第1積層構造
1400:第2積層構造
Claims (7)
- 振動を電力に変換する電力発生素子と、
前記電力発生素子により得られた振動情報を抽出する第1の電力系統と、
前記電力発生素子に接続され、前記第1の電力系統により抽出された前記振動情報を外部に送出するための電力を供給する第2の電力系統と、を備える発電振動センサ。 - 前記電力発生素子が2以上設けられ、前記第1の電力系統が、2以上の前記電力発生素子のうち少なくとも一つと接続され、
前記第2の電力系統が、2以上の前記電力発生素子のうち残りの少なくとも一つと接続されている請求項1記載の発電振動センサ。 - 単一の前記電力発生素子に、前記第1の電力系統と前記第2の電力系統とが接続されている請求項1又は2に記載の発電振動センサ。
- 前記電力発生素子は、
固定基板と、
該固定基板の1つの主面と対向する1つの主面を有し、かつ前記固定基板に対して略平行に振動可能な可動基板と、
前記固定基板の1つの主面および前記可動基板の1つの主面の一方に、当該可動基板の振動方向に対して並列配置された複数のエレクトレットと、
前記固定基板の1つの主面および前記可動基板の1つの主面の他方に、前記振動方向に対して並列にかつ交互に配置され、前記第1の電力系統および前記第2の電力系統のいずれかに接続された第1電極および第2電極と、を備える請求項1〜3のいずれかに記載の発電振動センサ。 - 前記電力発生素子は、
周期的に繰り返し湾曲することができる弾性構造体と、
前記弾性構造体の一端に接続された固定基板と、
前記弾性構造体の他端に接続された可動基板と、
前記弾性構造体上に設けられ、前記第1の電力系統および前記第2の電力系統のいずれかに接続された第1の積層構造と第2の積層構造と、を備え、
前記第1の積層構造は、第1の下部電極と、該第1の下部電極上に形成された第1の圧電体と、該第1の圧電体上に形成された第1の上部電極と、を有し、
前記第2の積層構造は、第2の下部電極と、該第2の下部電極上に形成された第2の圧電体と、該第2の圧電体上に形成された第2の上部電極と、を有する請求項1〜3のいずれかに記載の発電振動センサ。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の発電振動センサを内壁に備えるタイヤであって、
前記発電振動センサが地面に達した際に前記発電振動センサにより得られる電力波形と、地面から離れる際に得られる電力波形と、から当該タイヤの状態および路面の状態を推定することを特徴とするタイヤ。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の発電振動センサを備える電気機器。
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