特許 7175486 発電機能付きタイヤ及びそれを装着した車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-11

(45)【発行日】2022-11-21

(54)【発明の名称】発電機能付きタイヤ及びそれを装着した車両

(51)【国際特許分類】

   B60C 19/00 20060101AFI20221114BHJP

   H02N 2/18 20060101ALI20221114BHJP

   H02K 35/00 20060101ALI20221114BHJP

   B60L 50/60 20190101ALI20221114BHJP

   B60L 53/00 20190101ALI20221114BHJP

【ＦＩ】

B60C19/00 F

H02N2/18

H02K35/00

B60L50/60

B60L53/00

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022094062

(22)【出願日】2022-06-10

【審査請求日】2022-08-18

(31)【優先権主張番号】P 2022068664

(32)【優先日】2022-04-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】501204868

【氏名又は名称】安形 雄三

(74)【代理人】

【識別番号】100078776

【弁理士】

【氏名又は名称】安形 雄三

(74)【代理人】

【識別番号】100121887

【弁理士】

【氏名又は名称】菅野 好章

(72)【発明者】

【氏名】安形 雄三

【審査官】松岡 美和

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２２－０４７６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１０８７７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０８４１２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５１７３９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０８１０１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２１／０３４７２１５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０５１０２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１８０１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２１０６６９８４３（ＣＮ，Ｕ）

【文献】中国特許出願公開第１０６０２６７７６（ＣＮ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５３９３３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０８７５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１５１３７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｃ １９／００

Ｂ６０Ｃ ２３／０４

Ｂ６０Ｌ ５０／６０

Ｂ６０Ｌ ５３／００

Ｈ０２Ｎ ２／１８

Ｈ０２Ｋ ３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の曲率を有するリング形状であって、車両に装着されるタイヤにおいて、
前記タイヤの回転軸の円周面に沿った、前記タイヤのトレッド部とインナー部との間のスペースに、薄型板状構造の複数の圧電素子アレイと、長形の立体形状の複数の電磁誘導式振動発電機とが交互に配設されており、
前記複数の電磁誘導式振動発電機のそれぞれの移動体の移動方向は前記円周面に沿った方向であり、前記複数の圧電素子アレイのそれぞれの外部面のタイヤ密接面及び前記複数の電磁誘導式振動発電機の外部筐体のそれぞれのタイヤ密接面が、前記曲率に対応して、前記円周面に沿って湾曲しており、
前記複数の圧電素子アレイの各出力を全波整流する第１の整流回路群と、
前記複数の電磁誘導式振動発電機の各出力を全波整流する第２の整流回路群と、
前記第１の整流回路群からの各直流出力、前記第２の整流回路群からの各直流出力が干渉しないようにする合成回路と、
前記合成回路から出力される直流電力を蓄電する蓄電部と、
を具備していることを特徴とする発電機能付きタイヤ。

【請求項2】

所定の曲率を有するリング形状であって、車両に装着されるタイヤにおいて、
前記タイヤの回転軸の円周面に沿った、前記タイヤのトレッド部とインナー部との間のスペースに、薄型板状構造の複数の圧電素子アレイと、複数の磁歪式振動発電機とが交互に配設されており、
前記複数の磁歪式振動発電機のそれぞれの固定部と可動部を接続する長形状ヨークの長軸方向が前記円周面に沿った方向であり、前記複数の圧電素子アレイのそれぞれの外部面のタイヤ密接面が、前記曲率に対応して、前記円周面に沿って湾曲しており、
前記複数の磁歪式振動発電機のそれぞれは、前記固定部の上下面が前記トレッド部の内面とインナー部の表面とに接し、前記可動部の一面が前記前記トレッド部の内面に接して配設されており、
前記複数の圧電素子アレイの各出力を全波整流する第１の整流回路群と、
前記複数の磁歪式振動発電機の各出力を全波整流する第３の整流回路群と、
前記第１の整流回路群からの各直流出力、前記第３の整流回路群からの各直流出力が干渉しないようにする合成回路と、
前記合成回路から出力される直流電力を蓄電する蓄電部と、
を具備していることを特徴とする発電機能付きタイヤ。

【請求項3】

所定の曲率を有するリング形状であって、車両に装着されるタイヤにおいて、
前記タイヤの回転軸の円周面に沿った、前記タイヤのトレッド部とインナー部との間のスペースに、長形の立体形状の複数の電磁誘導式振動発電機と、長形の立体形状の複数の磁歪式振動発電機とが交互に配設されており、
前記複数の電磁誘導式振動発電機のそれぞれの移動体の移動方向は前記円周面に沿った方向であり、前記複数の磁歪式振動発電機のそれぞれの固定部と可動部を接続する長形状ヨークの長軸方向が前記円周面に沿った方向であり、前記複数の電磁誘導式振動発電機のそれぞれの外部筐体のタイヤ密接面が、前記曲率に対応して、前記円周面に沿って湾曲しており、
前記複数の磁歪式振動発電機のそれぞれは、前記固定部の上下面が前記トレッド部の内面とインナー部の表面とに接し、前記可動部の一面が前記前記トレッド部の内面に接して配設されており、
前記複数の電磁誘導式振動発電機の各出力を全波整流する第２の整流回路群と、
前記複数の磁歪式振動発電機の各出力を全波整流する第３の整流回路群と、
前記第２の整流回路群からの各直流出力、前記第３の整流回路群からの各直流出力が干渉しないようにする合成回路と、
前記合成回路から出力される直流電力を蓄電する蓄電部と、
を具備していることを特徴とする発電機能付きタイヤ。

【請求項4】

所定の曲率を有するリング形状であって、車両に装着されるタイヤにおいて、
前記タイヤの回転軸の円周面に沿った、前記タイヤのトレッド部とインナー部との間のスペースに、薄型板状構造の複数の圧電素子アレイと、長形の立体形状の複数の電磁誘導式振動発電機と、長形の立体形状の複数の磁歪式振動発電機とが順次繰り返しの配列で配設されており、
前記複数の電磁誘導式振動発電機のそれぞれの移動体の移動方向は前記円周面に沿った方向であり、前記複数の磁歪式振動発電機のそれぞれの固定部と可動部を接続する長形状ヨークの長軸方向が前記円周面と同一の方向であり、
前記複数の圧電素子アレイのそれぞれの外部面のタイヤ密接面、前記複数の電磁誘導式振動発電機のそれぞれの外部筐体のタイヤ密接面が、前記曲率に対応して、前記円周面に沿って湾曲しており、
前記複数の磁歪式振動発電機のそれぞれは、前記固定部の上下面が前記トレッド部の内面とインナー部の表面とに接し、前記可動部の一面が前記前記トレッド部の内面に接して配設されており、
前記複数の圧電素子アレイの各出力を全波整流する第１の整流回路群と、
前記複数の電磁誘導式振動発電機の各出力を全波整流する第２の整流回路群と、
前記複数の磁歪式振動発電機の各出力を全波整流する第３の整流回路群と、
前記第１の整流回路群からの各直流出力、前記第２の整流回路群からの各直流出力、前記第３の整流回路群からの各直流出力が干渉しないようにする合成回路と、
前記合成回路から出力される直流電力を蓄電する蓄電部と、
を具備していることを特徴とする発電機能付きタイヤ。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれかに記載の発電機能付きタイヤを装着している車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、自動車、トラック、オートバイ等の車両に装着して利用することができる発電機能付きタイヤに関し、特に車両の走行に必要なエネルギーに全く影響を与えることなく、電気自動車等の蓄電器への電力供給や補充、車両搭載バッテリの充電電力の供給、タイヤ内蔵センサへの電力供給や補充等を効率良く、安定的に行い得る発電機能付きタイヤ及びそれを装着した車両に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、自動車、トラック等の車両は、ガソリンや重油のような化石燃料を燃焼させる過程で発生する動力によって車輪を回転させ、走行動力を得ているが、化石燃料の燃焼過程で発生する二酸化炭素のような温室ガス、光化学スモッグの原因となる物質を生成する炭化水素、人体に有害とされる窒素酸化物などの汚染物質を排出するため、環境汚染の大きな原因とされている。このような問題のため、更にはカーボンニュートラルといった世界的な潮流のため、太陽電池を備えたソーラーカー、電気をエネルギー源とし、電動モータで走行する電気自動車（Electric Vehicle）、燃料電池を搭載する燃料電池自動車のように、汚染物質を排出しない、環境に優しい車両に関する研究が盛んに行われている。

【0003】

その中でも、内燃機関を持たないことから、排気ガスが発生しないゼロエミッション車であること、走行音や振動がほとんどないので乗り心地が快適などのことから、電気自動車が注目を集めている。電動モータを動力源とする電気自動車は、車載電池（バッテリ）から電力を得る電池式電気自動車と、走行中に電力を外部から供給される架線式電気自動車とに大きく分けられるが、架線などのインフラ整備を要しない電池式電気自動車が主流である。かかる電気自動車にあっては、バッテリ容量がなくなると走行できなくなるため、バッテリ切れとなる前にバッテリを充電して走行する必要がある。

【0004】

また、自動車等の車両にはタイヤが必須であり、タイヤ状態（例えば空気圧）を検知して安全性を確保するために、タイヤ内に加速度センサや振動センサ、マイクロコンピュータなどを内蔵している車種も多い。このような車種では、各種センサなどの電力を、タイヤに内蔵した内蔵バッテリ若しくは車体側に搭載のバッテリから供給している。そのため、特にタイヤ内蔵バッテリでは、バッテリ容量がなくなった時に、バッテリを取り換えなければならない煩雑さがあり、その管理も必要である。

【0005】

このように、電気自動車であっても、或いは内蔵バッテリタイヤを具備した車両であっても、バッテリ消耗の補充を行う電力の供給が問題となる。車両の走行に伴う運動を利用して発電を行うことは従来行われているが、発電動作自体が走行に必要なエネルギーを消費する場合には、エネルギー効率の良い発電とはいえない。一方、発電動作自体が車両の走行系に直接マイナス要素とならない発電も知られている。圧電素子を利用して、車両の重力方向の応力変化により発電を行うものなどである（例えば特許第４５９６２４０号公報）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】米国特許第４，５０４，７６１号明細書

【文献】特開２０１１－６２０６５号公報

【文献】実開昭６２－８７１８７号公報

【文献】特開２００８－３０６４０号公報

【文献】特開２０１４－１７７２３４号公報

【文献】特開２０１３－２２３３４７号公報

【文献】ＷＯ２０１３／０５７８９７

【非特許文献】

【0007】

【文献】群馬大学大学院 理工学府 理工学専攻 平成２６年度修士論文（淡路創介）「圧電デバイスを用いた振動発電システム実用化に関する研究」

【文献】精密工学会誌 Vol.179, No.4, 2013 「磁歪材料を用いた振動発電とアクチュエータの実用化、現状と展望」（上野敏幸）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

車両のタイヤの圧力変動を電気信号に変換して電力を得る手法として、圧電素子を使用する技術が米国特許第４，５０４，７６１号明細書（特許文献１）、特開２０１１－６２０６５号公報（特許文献２）などに開示されているが、図１に示すように、圧電素子１０はタイヤ２０の回転軸に対する円周面に沿って、連続的にかつトレッド部２１とインナー部２２との間に層設された構成となっている。そのため、リング状の圧電素子１０をタイヤ２０に層設する工程が煩雑となると共に、縁石に乗り上げた時などの瞬間的な衝撃によって、圧電素子１０の一部が変形若しくは切断されたときに、発電ができなくなる恐れがある。

【0009】

実開昭６２－８７１８７号公報（特許文献３）には、車体の機械的振動を電気信号に変換する車体振動発電装置が開示されているが、車体の上下振動をアームやギアなどを用いて回転運動に変換して発電しており、車両に新たな特別な機構を付加しなければならない。

【0010】

また、特開２００８－３０６４０号公報（特許文献４）には、振動発電装置を用いた車両用発電装置が開示されているが、車両走行時に生じる走行風を利用する手法であり、車体構造が限定される問題がある。

【0011】

特開２０１４－１７７２３４号公報（特許文献５）には、タイヤのトレッドに生じる振動を電気信号に変換するタイヤ装置が開示されているが、主として静電誘導式の振動発電機を用いた構造であり、出力電力が小さい問題ある（例えば特開２００９－２８４６６４号公報の段落[０００９]）。

【0012】

特開２０１３－２２３３４７号公報（特許文献６）には、固定体により、回転体の回転運動を効率良く圧電素子の振動に変換して発電する発電装置が開示されているが、回転体の中心軸に機構を配設しなければならず、車両のタイヤに適用するには制限が多くなる。

【0013】

更に、ＷＯ２０１３／０５７８９７（特許文献７）には、回転体の回転運動を振動に変換して電気信号に変換する振動発電機が開示されているが、主として静電誘導式の振動発電機を用いた構造であり、出力電力が小さい問題ある（例えば特開２００９－２８４６６４号公報の段落[０００９]）。

【0014】

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、車両の走行時に、車両走行エネルギーには全く影響を与えることなく、自動的にかつ安定的に発電して、発電電力を蓄電したり、車両搭載バッテリの充電に供給したり、タイヤが内蔵するセンサ類の電力に使用することが可能な発電機能付きタイヤ及びそれを装着した車両を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明は車両に装着されるタイヤに関し、本発明の上記目的は、前記タイヤの回転軸の円周面に沿って、トレッド部とインナー部との間に分離された複数の圧電素子アレイ、若しくは分離された複数の電磁誘導式振動発電機、若しくは磁歪式振動発電機、若しくはそれらが適宜組み合わされて層設されていることにより達成される。

【発明の効果】

【0016】

本発明に係る発電機能付きタイヤによれば、車両の走行時に、車両走行のエネルギーには全く影響を与えることなく、自動的にかつ安定的に発電して、発電交流電力を直流に変換し、その直流電力を蓄電したり、車両搭載バッテリの充電に供給することができる。また、タイヤ内で自動的に電力を発電するので、タイヤが内蔵するセンサ類の電力にそのまま使用することができ、タイヤにバッテリを内蔵させる必要がなくなる。

【0017】

タイヤのインナー部の内部に圧電素子アレイや振動発電機を設ける場合、それら設置のための特別な製造工程が付加され、タイヤ構造も複雑になる。しかしながら、本発明では、タイヤの回転軸の円周面に沿って、かつトレッド部とインナー部との間のスペースに圧電素子アレイ、若しくは電磁誘導式振動発電機、若しくは磁歪式振動発電機、若しくはそれらを適宜組み合わして層設しているので、容積や設置面などがほぼ同一であるため、タイヤ製造が比較的容易である。タイヤ構造は複雑になるが、反面、自動的にかつ安定して発電できることは、カーボンニュートラルを実現する上で、環境にも優しく、そのメリットの方がはるかに大きい。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】従来の圧電素子付きタイヤの一例を示す側面図及び一部断面斜視図である。

【図2】本発明に係る発電機能付きタイヤ（第１実施形態）の構造例を示す一部断面図である。

【図3】図２の一部上面図（図２のＸ方向）である。

【図4】本発明で使用する圧電素子アレイの構造例を示す断面図である。

【図5】図３のＹ１－Ｙ１’線の断面図である。

【図6】タイヤが装着された自動車の一例を示す斜視図である。

【図7】圧電素子アレイによる発電と蓄電の構成例を示す結線図である。

【図8】タイヤに層設された圧電素子アレイの出力波形の一例を示す特性図である。

【図9】本発明に係る発電機能付きタイヤ（第２実施形態）の構造例を示す一部断面図である。

【図10】図９の一部上面図（図９のＸ方向）である。

【図11】電磁誘導式振動発電機の一例を示す模式的構造図である。

【図12】電磁誘導式振動発電機の他の例を示す模式的構造図である。

【図13】図１０のＹ２－Ｙ２’線の断面図である。

【図14】電磁誘導式振動発電機の動作例を説明するための機構図である。

【図15】電磁誘導式振動発電機による発電と蓄電の構成例を示す結線図である。

【図16】タイヤに層設された電磁誘導式振動発電機の出力波形の一例を示す特性図である。

【図17】本発明に係る発電機能付きタイヤ（第３実施形態）の構造例を示す一部断面図である。

【図18】図１７の一部下面図（図１７のＸ方向）である。

【図19】磁歪式振動発電機の一例を示す模式的構造図である。

【図20】本発明で使用する磁歪式振動発電機とその装着例を示す断面機構図である。

【図21】磁歪式振動発電機の動作例を説明するための動作図である。

【図22】磁歪式振動発電機による発電と蓄電の構成例を示す結線図である。

【図23】本発明に係る発電機能付きタイヤ（第４実施形態）の構造例を示す一部断面図である。

【図24】圧電素子アレイと電磁誘導式振動発電機によるハイブリッド発電と蓄電の構成例を示す結線図である。

【図25】本発明に係る発電機能付きタイヤ（第５実施形態）の構造例を示す一部断面図である。

【図26】圧電素子アレイと電磁誘導式振動発電機によるハイブリッド発電と蓄電の構成例を示す結線図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明は、電気自動車などの蓄電器(capacitor)の蓄電、車両搭載バッテリ（二次電池）の充電、或いはタイヤに内蔵されたセンサ類や通信手段のための電力を、車両が具備するタイヤから自動的に発電して安定供給することが可能な発電機能付きタイヤである。車両が道路上を走行する時に、道路面からタイヤに印加される圧力変化ないしは振動を、外部電力を全く要することなく、自動的に電気エネルギーに変換することにより発電する発電機能付きタイヤである。振動発電には、圧電素子を用いた圧電式、磁石とコイルの電磁誘導作用による電磁誘導式、２枚の対向電極（電荷）板を用いた静電式、磁歪材料と、コイル、磁石とを用いた磁歪式、摩擦駆動振動による摩擦式の５種類が知られているが、本発明では比較的出力電力が大きい電磁誘導式、若しくは圧電式、若しくは磁歪式、若しくはそれら組み合わせたハイブリッド式を用いる。電磁誘導式、圧電式及び磁歪式の組み合わせを用いる場合には、いずれかが故障したとしても発電を継続できるので、特に安定的に電力を確保することができる。

【0020】

以下に、本発明の実施形態（第１実施形態～第５実施形態）を、図面を参照して順次説明する。

【0021】

図２は、本発明に係る発電機能付きタイヤ１００（第１実施形態）の側面構成を、一部断面で示しており、圧電式振動発電機を用いた実施形態であり、タイヤ回転軸に対する回転方向（車両進行方向）に、タイヤ表面にトレッドを有するトレッド部１０１と、タイヤ内部のインナー部１０２との間のスペースに、ほぼ均等間隔に分離された複数（本例では８個）の圧電素子アレイ１１０～１１７が層設されている。圧電素子アレイ１１０～１１７は全て同一構成であり、例えば図２の上方（Ｘ方向）から見た配置例は図３であり、圧電素子アレイ１１０～１１７は、いずれもタイヤ１００の幅方向（回転軸方向）にも広がりを有する平面方形状の薄型板状構造となっている。

【0022】

図４は、圧電素子アレイ１１０の断面構造を模式的に示しており、平面方形状の上部電極板１１０－２及び下部電極板１１０－３の間に圧電材１１０－１が挟持された構造であり、例えば上部電極板１１０－２に圧力が印加されると、圧電材１１０－１を介して上部電極板１１０－２及び下部電極板１１０－３の間に電力（電流i1）が発生される。

【0023】

図５は、図３におけるＹ１－Ｙ１’線の断面図であり、圧電素子アレイ１１０は、トレッド部１０１の裏面（内側）に上部電極板１１０－２が密接し、インナー部１０２の表面（外側）に下部電極板１１０－３が密接して固定されており、タイヤ１００に印加される圧力がロスなく、そのまま圧電素子アレイ１１０に瞬時に伝達されるように配置されている。なお、図５では便宜的に直線で表現しているが、タイヤ１００の曲率に合わせて、上部電極板１１０－２及び下部電極板１１０－３の各密接面は湾曲した形状になっている。他の発電素子アレイについても同様である。

【0024】

図６は、発電機能付きタイヤ１００を装着した自動車（乗用車）１の一例を示しており、自動車１が車速Ｖで走行する。自動車１が走行することによって、装着されたタイヤ１００が回転（回転速度ω）すると共に、タイヤ１００の接地面に自動車１の重力である圧力が印加される。また、自動車１が走行する路面の凹凸や砂利等に起因する圧力変化が、タイヤ１００と路面の間に発生し、この圧力変化が振動として圧電素子アレイ１１０～１１７に伝達される。

【0025】

図７は、圧電素子アレイ１１０～１１７による発電と、車両側の蓄電（充電）の結線の構成例を示しており、本発明に係るタイヤ１００はバッテリを内蔵しておらず、回転軸に対する回転方向に、トレッド部１０１とインナー部１０２との間のスペースに図５に示されるように密接して、かつ分離して配置された複数の圧電素子アレイ１１０～１１７を具備している。圧電素子アレイ１１０～１１７からの発生交流電力Ｗ１１０～Ｗ１１７は車両側に送電され、それぞれ全波整流の整流回路２１０～２１７で直流（ＤＣ）に変換される。整流回路２１０～２１７からの直流電力は相互に干渉しないように合成回路２０１に入力され、合成された直流電力が蓄電部２００に蓄電される。蓄電部２００に蓄電された電力が蓄電器に供給されたり、車両搭載バッテリの充電に利用される。合成された直流電力を、直接蓄電器に供給しても良い。また、タイヤがセンサ内蔵などの理由により電力を要する場合には、タイヤに直流電力を供給する。

【0026】

圧電素子アレイ１１０～１１７はトレッド部１０１の裏面（内側）に配置されているので、車両１が走行すると、道路からの圧力がタイヤ１００に印加され、道路に接している箇所の圧電素子アレイがトレッド部１０１を経て押圧され、当該圧電素子アレイが電力を発生する。車両１の走行に従ってタイヤ１００は回転するので、圧電素子アレイ１１０～１１７は順次接地箇所に達して電力を発生し、接地箇所以外では圧力が印加されないので圧電素子アレイ１１０～１１７は電力を発生ぜず、圧電素子アレイ１１０～１１７の各発生電力Ｗ１１０～Ｗ１１７は全て交流（ＡＣ）となる。そのため、圧電素子アレイ１１０～１１７の各交流電力Ｗ１１０～Ｗ１１７を、それぞれダイオードのブリッジ回路で成る全波整流の整流回路２１０～２１７で、直流（ＤＣ）に変換している。

【0027】

図８は、圧電素子アレイ１１０～１１７の出力電力の波形例を示しており、車速が同一であれば、頂部が平坦なパルス状の同一波形として、各圧電素子アレイ１１０～１１７から出力される。

【0028】

本例では整流回路２１０～２１７を車両側に設置しているが、整流回路２１０～２１７には外部電力を要しないので、整流回路２１０～２１７をタイヤ１００内に設置し、整流回路２１０～２１７で得られた直流出力を車両側に送電するようにしても良く、合成回路２０１もタイヤ内に設置しても良い。また、本例では圧電素子アレイを８個層設しているが、個数は任意に設置可能である。更に、説明の便宜上、圧電素子アレイ１１０～１１７は全て同一としているが、サイズ等が異なるものであっても良い。

【0029】

本発明で使用する圧電素子アレイは、タイヤ全周に亘って連続一連に配置されるのではなく、分離された形態の独立形式で配置されているので、石や縁石などでタイヤに急激に印加される衝撃により、圧電素子アレイの一部が破壊若しくは損傷しても、他の正常な圧電素子アレイにより継続して発電を行うことができる。

【0030】

図９は本発明に係る発電機能付きタイヤ１００Ａ（第２実施形態）の側面構成を、一部断面で示しており、電磁誘導式振動発電機を用いた実施形態であり、回転軸に対する回転方向に、タイヤ表面にトレッドを有するトレッド部１０１と、タイヤ内部のインナー部１０２との間のスペースに、ほぼ均等間隔に分離された８個の電磁誘導式振動発電機１２０～１２７が層設されている。振動発電機１２０～１２７は全て同一構成であり、例えば図９の上方（Ｘ方向）から見た配置は図１０（Ａ）であり、振動発電機１２０～１２７はいずれも長形の立体形状となっている。

【0031】

図１１は、電磁誘導式振動発電機１２０の構造を模式的に示しており、同心円の２つの円形状の永久磁石１２０－１及び１２０－２、即ち中心に配設された円柱状のＮ極永久磁石１２０－１と、このＮ極永久磁石１２０－１の周りに配設されたドーナツ状同心円の円筒状のＳ極永久磁石１２０－２とを具備し、永久磁石１２０－１及び１２０－２の間を自在に移動（図では上下動であるが、この移動方向をＺとする）可能な薄型円筒状の磁性体で成る移動体１２０－４が配設され、移動体１２０－４は弾性体のバネ１２０－５で上部を保持され、外部振動によって振動（Ｚ方向）するようになっている。移動体１２０－４の外周にはコイル１２０－３が巻回されており、振動によって移動体１２０－４が永久磁石１２０－１及び１２０－２の間を往復動するので、コイル１２０－３と磁石１２０－１，１２０－２の電磁誘導作用に基づいて電力（交流の電流i2）を発生する。

【0032】

図１１は模式的に示しているが、永久磁石１２０－１及び１２０－２の高さ（長さ）は十分な高さ（長さ）となっていると共に、外部は筐体となっている。また、当然に、永久磁石１２０－１及び１２０－２の磁界が強いほど、コイル１２０－３の巻き数が多いほど発生電力は大きくなる。更に、本実施形態の磁石とは逆に、円柱状永久磁石１２０－１がＳ極で、円筒状永久磁石１２０－２がＮ極であっても良い。図１１では示していないが、外部全体は強固な筐体となっている。

【0033】

図１１に示す電磁誘導式振動発電機１２０は、外形や磁石が断面円形となっているが、図１２に示すように、外形や磁石を断面矩形とした構造であっても良い。即ち、中心に配設された矩形台状のＮ極永久磁石１３０－１と、この極永久磁石１３０－１の周りに配設された矩形筒状のＳ極永久磁石１３０－２とを具備し、永久磁石１３０－１及び１３０－２の間を自在に移動（図では上下動であるが、この移動方向をＺとする）可能な矩形板状の磁性体で成る移動体１３０－４が配設され、移動体１３０－４は弾性体のバネ１３０－５で上部を保持され、外部振動によってＺ方向に振動するようになっている。移動体１３０－４の外周にはコイル１３０－３が巻回されており、振動によって移動体１３０－４が永久磁石１３０－１及び１３０－２の間を往復動するので、コイル１３０－３と磁石１３０－１，１３０－２の電磁誘導作用に基づいて電力（交流の電流i3）を発生する。

【0034】

図１３は、図１０（Ａ）におけるＹ２－Ｙ２’線の断面図であり、電磁誘導式振動発電機１２０は、トレッド部１０１の裏面（内側）に筐体の上面が密接し、インナー部１０２の表面に筐体の底面が密接して固定されており、筐体はタイヤ１００に圧力が印加されても破壊、変形しない強度で構成されている。なお、図１３では便宜的に直線で表現しているが、タイヤ１００の曲率に合わせて、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７の各筐体の上面及び底面は湾曲した形状になっている。また、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７のＺ方向は、車輪１００Ａの回転方向と同一となるように配設されている。

【0035】

電磁誘導式振動発電機は、磁石とコイルの電磁誘導作用によって電力を発生する構成であり、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems/微小電気機械システム）の技術を用いて、タイヤ内に埋設可能なサイズに作製可能である。

【0036】

図１４は、タイヤ１００Ａに層設された振動発電機が電力を発生する原理を説明する機構図であり、タイヤ１００Ａは図６に示すような形態で車両に装着されて走行する。その際、車両速度をＶとし、タイヤ１００Ａの回転速度をωとし、例えば振動発電機１２０が図９の位置Ｐ（タイヤ１００Ａの上部）にある時の状態は図１４（Ａ）であり、図９の位置Ｑ（タイヤ１００Ａの下部）にある時の状態は図１４（Ｂ）である。位置Ｐでは、車速Ｖの方向（走行方向）とタイヤ１００Ａの回転速度ωの方向が同一であり、回転速度ωを水平方向の速度に変換する変換係数を“ｋ”として、下記数１の関数ｆにより、Ｚ方向の圧力Ｆ１が生成される。
（数１）
Ｆ１＝ｆ（Ｖ＋ｋ・ω）

また、位置Ｑでは、車速Ｖの方向（走行方向）とタイヤ１００Ａの回転速度ωの方向が逆であり、下記数２の関数ｆにより圧力Ｆ２が生成される。
（数２）
Ｆ２＝ｆ（Ｖ－ｋ・ω）

このように、電磁誘導式振動発電機のタイヤ上部とタイヤ下部（接地部）とで異なる圧力Ｆ１、Ｆ２が生じるドップラー効果により、振動発電機の移動体が図１４の左右（Ｚ方向）に往復動するので、車両の走行により振動が形成され、電磁誘導式振動発電機は交流電力（ＡＣ）を発生することができる。

【0037】

図１５は、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７による発電と、車両側の蓄電（充電）の結線の構成例を示しており、本発明に係るタイヤ１００Ａは図９に示されるようにバッテリを内蔵しておらず、回転軸に対する円周面に沿って、トレッド部１０１とインナー部１０２との間のスペースに、分離して配置された図１１若しくは図１２に示されるような電磁誘導式振動発電機１２０～１２７を具備している。電磁誘導式振動発電機１２０～１２７からの発生電力Ｗ１２０～Ｗ１２７は車両側に送電され、それぞれ整流回路２２０～２２７で直流（ＤＣ）に変換される。整流回路２２０～２２７からの直流電力は相互に干渉しないように合成回路２０１Ａに入力され、合成された直流電力が蓄電部２００Ａに蓄電される。蓄電部２００Ａに蓄電された電力が蓄電器に供給されたり、車両搭載バッテリの充電に利用される。合成された直流電力は、直接蓄電器に供給されても良い。

【0038】

電磁誘導式振動発電機１２０～１２７は、車両進行方向に沿ってトレッド部１０１の下層（内側）に配置されているので、車両が走行すると、タイヤ上部とタイヤ底部の上下においてドップラー効果による圧力変化が生じ、その圧力変化がＺ方向の振動として印加されるので、振動発電機１２０～１２７は交流電力Ｗ１２０～Ｗ１２７を発生する。車両の走行に従ってタイヤ１００Ａは回転するので、振動発電機１２０～１２７は順次交流電力Ｗ１２０～Ｗ１２７を発生し、整流回路２２０～２２７で直流（ＤＣ）に変換される。

【0039】

図１６は、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７の出力電力の波形例を示しており、車速Ｖが等速であれば、パルス状の同一波形として、各電磁誘導式振動発電機１２０～１２７から出力される。

【0040】

本例では整流回路２２０～２２７を車両側に設置しているが、整流回路２２０～２２７及び合成回路２０１Ａには電力を要しないので、整流回路２２０～２２７、合成回路２０１Ａをタイヤ１００Ａ内に設置し、直流出力を車両側に送電するようにしても良い。また、本例では電磁誘導式振動発電機を８個層設しているが、個数は任意に設置可能である。

【0041】

なお、上述では電磁誘導式振動発電機１２０～１２７を図１０（Ａ）に示すように、回転方向に１列で設けているが、図１０（Ｂ）に示すように２列に設けても良い。また、振動発電機とタイヤの横幅サイズの関係によっては、３列以上の配置も可能である。更に、説明の便宜上、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７は全て同一としているが、サイズ等が異なるものであっても良い。

【0042】

図１７は本発明に係る発電機能付きタイヤ１００Ｂ（第３実施形態）の側面構成を、一部断面で示しており、磁歪式振動発電機を用いた実施形態であり、回転軸に対する回転方向に、タイヤ表面にトレッドを有するトレッド部１０１と、タイヤ内部のインナー部１０２との間のスペースに、ほぼ均等間隔に分離された８個の磁歪式振動発電機１４０～１４７が層設されている。振動発電機１４０～１４７は全て同一構成であり、例えば図１７の下方（Ｘ方向）から見た配置は図１８（Ａ）であり、振動発電機１４０～１４７はいずれもタイヤ回転方向に長形の立体形状となっている。

【0043】

図１９は、磁歪式振動発電機１４０の原理的構造を模式的に示しており、図１９（Ａ）は側面図であり、図１９（Ｂ）は平面図である。立体形状の固定部１４０－１に連接されたヨーク１４０－２の先端部には図示Ｄ方向に可動（上下動）する立体形状の可動部１４０－３が設けられており、ヨーク１４０－２と可動部１４０－３との間に、矩形板状の磁歪材料（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）１４０－４が懸架されると共に、コイル１４０－５が巻回されている。磁歪材料１４０－５の側面には、逆極性となるように１対の永久磁石１４０－６（本例ではＳ極）及び１４０－７（本例ではＮ極）が配設されている。可動部１４０－３が方向Ｄに往復動することにより、磁歪材料１４０－５もＤ方向に往復動、つまり振動して永久磁石１４０－６及び１４０－７の間の磁束が変化し、コイル１４０－５の電磁誘導により電力（交流の電流i4）が発生される。

【0044】

本発明では、このような磁歪式振動発電機１４０を図２０に示すように、固定部１４０－１の高さｈ１と、可動部１４０－３の高さｈ２とを相違させると共に、高さｈ２を高さｈ１より小さくする。そして、トレッド部１０１の内面とインナー部１０２の表面との間のスペース間隔をＨとした場合、固定部１４０－１の高さｈ１をスペース間隔Ｈとほぼ等しくする。従って、下記関係がある。
（数３）
ｈ１＞ｈ２
（数４）
ｈ１≒Ｈ

そして、トレッド部１０１の内面とインナー部１０２の表面との間のスペースに磁歪式振動発電機１４０を層設する際、図２０に示すように、固定部１４０－１の上面をインナー部１０２の表面に固定すると共に、固定部１４０－１の底面をトレッド部１０１の内面に固定し、可動部１４０－３の底面をトレッド部１０１の内面に固定する。固定部１４０－１と可動部１４０－３を結ぶ向きは、車輪１００Ｂの回転方向となっている。これにより、可動部１４０－３の上面とインナー部１０２の表面との間に下記数５で示される空間ｈ３が形成され、可動部１４０－３が図２０の上方に移動可能な空間を形成する。
（数５）
ｈ３＝Ｈ（≒ｈ１）－ｈ２

可動部１４０－３の上面とインナー部１０２の表面との間に空間ｈ３が形成されているので、可動部１４０－３がインナー部１０２の表面側（上方向）に移動することができる。可動部１４０－３が上方（Ｄ方向）に移動することは、磁歪材料１４０－５もＤ方向に移動することであり、それに従って磁歪材料１４０－５が変形（撓む）し、これにより磁歪式振動発電機１４０は磁歪作用によって発電することになる。

【0045】

図２１は、磁歪作用による発電の様子を模式的に示しており、磁歪式振動発電機１４０が層設されたタイヤ位置が接地していない状態では、トレッド部１０１の裏面は図２１（Ａ）に示すように圧力で変形しておらず、可動部１４０－３は上方（Ｄ方向）に移動していない。つまり、可動部１４０－３の上面とインナー部１０２との間には高さｈ３の空間が確保されている。そして、タイヤが回転し、磁歪式振動発電機１４０が層設されたタイヤ位置が接地状態になると、トレッド部１０１の裏面が図２１（Ｂ）に示すように圧力で変形し、固定されている可動部１４０－３が上方（Ｄ方向）に押し上げられるが、接地面を過ぎると元の位置に復帰する。このような動作が各磁歪式振動発電機１４０～１４７について繰り返されるので、磁歪材料１４０－５が振動（変形）して交流電力を発生することができる。

【0046】

図２２は、磁歪式振動発電機１４０～１４７による発電と、車両側の蓄電（充電）の結線の構成例を示しており、本発明に係るタイヤ１００Ｂはバッテリを内蔵しておらず、回転軸に対する円周面に沿って、トレッド部１０１とインナー部１０２との間のスペースに、図２０に示されるような磁歪式振動発電機１４０～１４７が設けられている。磁歪式振動発電機１４０～１４７からの発生電力Ｗ１４０～Ｗ１４７は車両側に送電され、それぞれ整流回路２４０～２４７で直流（ＤＣ）に変換される。整流回路２４０～２４７からの直流電力は相互に干渉しないように合成回路２０１Ｂに入力され、合成された直流電力が蓄電部２００Ｂに蓄電される。蓄電部２００Ｂに蓄電された電力が蓄電器に供給されたり、車両搭載バッテリの充電に利用される。合成された直流電力は、直接蓄電器に供給されても良い。

【0047】

なお、上述では磁歪式振動発電機１４０～１４７を図１８（Ａ）に示すように、回転方向に１列で設けているが、図１８（Ｂ）に示すように２列に設けても良い。また、振動発電機とタイヤの横幅サイズの関係によっては、３列以上の配置も可能である。更に、説明の便宜上、磁歪式振動発電機１４０～１４７は全て同一としているが、サイズ等が異なるものであっても良い。

【0048】

上述では圧電素子アレイを用いた発電機能付きタイヤ（第１実施形態）、電磁誘導式振動発電機を用いた発電機能付きタイヤ（第２実施形態）、磁歪式振動発電機を用いた発電機能付きタイヤ（第３実施形態）について説明したが、これらを組み合わせたハイブリッド式の発電機能付きタイヤを実現することもできる。

【0049】

図２３は本発明の第４実施形態を示しており、第１実施形態の圧電素子アレイと第２実施形態の電磁誘導式振動発電機を組み合わせたハイブリッド発電形式である。即ち、回転軸に対する円周面に沿って、タイヤ表面にトレッドを有するトレッド部１０１と、タイヤ内部のインナー部１０２との間のスペースに、ほぼ均等間隔に分離された圧電素子アレイ１１０～１１７と、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７とが交互に層設されている。圧電素子アレイ１１０～１１７は全て同一構成であり、第１実施形態で説明した構成であり、また、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７は全て同一構成であり、第２実施形態で説明した構成である。交互に層設することにより、両者の平均的な電力を得ることができる。

【0050】

なお、ここでは、圧電素子アレイ１１０～１１７と電磁誘導式振動発電機１２０～１２７とを交互に設置しているが、これに限定されず、例えば２つ置きに設置するようにしても良い。

【0051】

図２４は、圧電素子アレイ１１０～１１７及び電磁誘導式振動発電機１２０～１２７による発電と、車両側の蓄電の構成例を示しており、本発明に係るタイヤ１００Ｃはバッテリを内蔵しておらず、回転軸に対する円周面に沿って、トレッド部１０１とインナー部１０２との間のスペースに、分離して配置された図４に示されるような圧電素子アレイ１１０～１１７と、図１１若しくは図１２に示されるような電磁誘導式振動発電機１２０～１２７とを具備している。圧電素子アレイ１１０～１１７からの発生電力Ｗ１１０～Ｗ１１７は車両側に送電され、それぞれ整流回路２１０～２１７で直流（ＤＣ）に変換され、また、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７からの発生電力Ｗ１２０～Ｗ１２７も車両側に送電され、それぞれ整流回路２２０～２２７で直流（ＤＣ）に変換される。整流回路２１０～２１７からの直流電力は相互に干渉しないように合成回路２０１に入力され、合成された直流電力が蓄電部２００Ｃに蓄電され、整流回路２２０～２２７からの直流電力は相互に干渉しないように合成回路２０１Ａに入力され、合成された直流電力が蓄電部２００Ｃに蓄電される。蓄電部２００Ｃに蓄電された電力が蓄電器に供給されたり、車両搭載バッテリの充電に利用される。

【0052】

このような第４実施形態によれば、圧電素子アレイ１１０～１１７による発電と、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７による発電とで、それぞれの特徴を活かした電力を得ることができる。

【0053】

また、図２５は本発明の第５実施形態を示しており、第１実施形態の圧電素子アレイと、第２実施形態の電磁誘導式振動発電機と、第３実施形態の磁歪式振動発電機とを組み合わせたハイブリッド発電形式である。即ち、回転軸に対する円周面に沿って、タイヤ表面にトレッドを有するトレッド部１０１と、タイヤ内部のインナー部１０２との間のスペースに、分離された圧電素子アレイ１１０～１１７と、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７と、磁歪式振動発電機１４０～１４７とが交互に層設されている。圧電素子アレイ１１０～１１７は全て同一構成であり、第１実施形態で説明した構成であり、また、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７は全て同一構成であり、第２実施形態で説明した構成であり、磁歪式振動発電機１４０～１４７は全て同一構成であり、第３実施形態で説明した構成である。

【0054】

なお、ここでは、圧電素子アレイ１１０～１１７と、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７と、磁歪式振動発電機１４０～１４７とを交互に設置しているが、これに限定されず、例えば２つ置きに交互に設置するようにしても良い。

【0055】

図２６は、圧電素子アレイ１１０～１１７、振動発電機１２０～１２７及び磁歪式振動発電機１４０～１４７による発電と、車両側の蓄電の構成例を示しており、本発明に係るタイヤ１００Ｄはバッテリを内蔵しておらず、回転軸に対する円周面に沿って、トレッド部１０１とインナー部１０２との間のスペースに、分離して配置された図４に示されるような圧電素子アレイ１１０～１１７と、図１１若しくは図１２に示されるような電磁誘導式振動発電機１２０～１２７と、図２０に示されるような磁歪式振動発電機１４０～１４７とを具備している。圧電素子アレイ１１０～１１７からの発生電力Ｗ１１０～Ｗ１１７は車両側に送電され、それぞれ整流回路２１０～２１７で直流（ＤＣ）に変換され、また、電磁誘導式振動発電機１２０～１２７からの発生電力Ｗ１２０～Ｗ１２７も車両側に送電され、それぞれ整流回路２２０～２２７で直流（ＤＣ）に変換され、磁歪式振動発電機１４０～１４７からの発生電力Ｗ１４０～Ｗ１４７も車両側に送電される。整流回路２１０～２１７からの直流電力は相互に干渉しないように合成回路２０１に入力され、合成された直流電力が蓄電部２００Ｄに蓄電され、整流回路２２０～２２７からの直流電力は相互に干渉しないように合成回路２０１Ａに入力され、合成された直流電力が蓄電部２００Ｄに蓄電され、整流回路２４０～２４７からの直流電力は相互に干渉しないように合成回路２０１Ｂに入力され、合成された直流電力が蓄電部２００Ｄに蓄電される。蓄電部２００Ｄに蓄電された電力が蓄電器に供給されたり、車両搭載バッテリの充電に利用される。

【0056】

ハイブリッド形式として、圧電素子アレイと電磁誘導式振動発電機の組み合わせ、圧電素子アレイ、電磁誘導式振動発電機及び磁歪式振動発電機の組み合わせについて説明したが、圧電素子アレイと磁歪式振動発電機の組み合わせ、電磁誘導式振動発電機と磁歪式振動発電機の組み合わせであっても良い。

【0057】

なお、上述では車両として、自動車を挙げて説明したが、タイヤを具備して地上を走行するものであれば、トラック、ダンプカー、オートバイ、スクータ、農業機械などであっても良い。いずれの車両においても、本発明に係る発電機能付きタイヤを装着すれば、カーボンニュートラルの実現に寄与できる。

【符号の説明】

【0058】

１ 自動車（乗用車）
１０ 圧電素子
２０ タイヤ
２１ トレッド部
２２ インナー部
１００，１００Ａ，１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ 発電機能付きタイヤ
１０１ トレッド部
１０２ インナー部
１１０～１１７ 圧電素子アレイ
１１０－１ 圧電材
１１０－２ 上部電極板
１１０－３ 下部電極板
１２０～１２７ 電磁誘導式振動発電機
１２０－１、１３０－１ Ｎ極永久磁石
１２０－２、１３０－２ Ｓ極永久磁石
１２０－３、１３０－３ コイル
１２０－４、１３０－４ 移動体
１２０－５，１３０－５ バネ
１４０～１４７ 磁歪式振動発電機
１４０－１ 固定部
１４０－２ ヨーク
１４０－３ 可動部
１４０－４ 磁歪材料（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）
１４０－５ コイル
１４０－６、１４０－７ 永久磁石
２００、２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ 蓄電部
２０１、２０１Ａ、２０１Ｂ、 合成回路
２１０～２１７、２２０～２２７、２４０～２４７ 整流回路

【要約】

【課題】車両の走行時に、車両走行エネルギーには全く影響を与えることなく、自動的に発電して、発電電力を蓄電したり、車両搭載バッテリの充電に供給したり、タイヤが内蔵するセンサ類の電力に使用することが可能な発電機能付きタイヤ及びそれを装着した車両を提供する。
【解決手段】車両に装着されるタイヤであり、タイヤの回転軸の円周面に沿って、トレッド部とインナー部との間のスペースに複数の圧電素子アレイ、複数の電磁誘導式振動発電機、複数の磁歪式振動発電機が層設されている発電機能付きタイヤ及びそれを装着した車両である。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】