特表 2023-528578 タイヤ空気圧及び摩耗の検出のためのシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-07-05

(54)【発明の名称】タイヤ空気圧及び摩耗の検出のためのシステム

(51)【国際特許分類】

   B60C 23/04 20060101AFI20230628BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20230628BHJP

   B60C 19/00 20060101ALI20230628BHJP

   H10N 30/30 20230101ALI20230628BHJP

   H10N 30/88 20230101ALI20230628BHJP

【ＦＩ】

B60C23/04 120B

H02J7/00 303Z

B60C19/00 B

B60C19/00 E

H10N30/30

H10N30/88

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022565808

(86)(22)【出願日】2021-05-03

(85)【翻訳文提出日】2022-11-28

(86)【国際出願番号】 IL2021050504

(87)【国際公開番号】W WO2021224911

(87)【国際公開日】2021-11-11

(31)【優先権主張番号】16/866,581

(32)【優先日】2020-05-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】16/917,902

(32)【優先日】2020-07-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522172092

【氏名又は名称】エナーヴィブ リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｅｎｅｒｖｉｂｅ ＬＴＤ

【住所又は居所原語表記】１ Ｇｏｌａｎ Ｓｔｒｅｅｔ， Ａｉｒｐｏｒｔ Ｃｉｔｙ ７０１９９００， Ｉｓｒａｅｌ

(74)【代理人】

【識別番号】100142804

【弁理士】

【氏名又は名称】大上 寛

(72)【発明者】

【氏名】ダン ハロニアン

(72)【発明者】

【氏名】ミハエル ハロニアン

(72)【発明者】

【氏名】ヘミ サギ

【テーマコード（参考）】

3D131

5G503

【Ｆターム（参考）】

3D131BB01

3D131BB02

3D131BB03

3D131BC05

3D131BC25

3D131BC55

3D131EC24Z

3D131LA05

3D131LA06

5G503AA07

5G503BA01

5G503BB03

(57)【要約】

本明細書は、車両の各車輪内に位置されたモジュールを含むタイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステムを開示する。このモジュールは、センサ、プロセッサ、送信機及びモジュールに電力を供給するための電源を含む。各車輪内のセンサからの出力は、データを処理するために、各車輪のプロセッサに供給され、データは各車輪内の送信機によって車輪の外部に位置した受信機及びデータプロセッサに送信される。データプロセッサは、モジュールから受信した処理されたデータを分析し、記憶された情報に基づいて、そして第１車輪からの処理されたデータを第２車輪からの処理されたデータと比較することにより、警告を提供するように設計される。
【代表図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステムであって、
それぞれセンサ、モジュールプロセッサ、モジュール送信機、及び前記センサ、モジュールプロセッサ及びモジュール送信機に電力を供給するための電源を含む第１車輪の内部に位置されるように設計された第１モジュール、及び第２車輪の内部に位置されるように設計された第２モジュール、及び
前記車輪の外部に位置されるように設計された遠隔受信機及びデータプロセッサを含み、
各車輪のモジュールプロセッサは、前記車輪のセンサからの出力を受信するように設計され、
前記第１モジュール及び前記第２モジュールのモジュール送信機は、前記出力に基づいてモジュールプロセッサから処理されたデータを遠隔受信機に送信するように設計され、
前記データプロセッサは、前記モジュールから受信した処理されたデータを分析し、第１車輪からの処理されたデータを第２車輪からの処理されたデータと比較し、前記モジュールからの処理されたデータを予め計算されたデータと比較し、前記分析及び比較に基づいて警告を提供するように設計される、少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項2】

前記センサは、容積温度センサ、タイヤ材料温度センサ、振動センサ、タイヤトレッド厚さセンサ及びタイヤ乾燥率センサを含むセンサグループからの少なくとも一つのセンサ及び圧力センサを含む、請求項１に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項3】

前記電源は１次電池である、請求項１に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項4】

前記電源は、エネルギーハーベスタ、電力管理回路及びエネルギー貯蔵装置を含み、エネルギーハーベスタは、前記車輪の回転からエネルギーを取得するように設計され、前記エネルギーは、エネルギー貯蔵装置を充電する調節された電力を生成するように、電力管理回路によって管理される、請求項１に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項5】

前記電源は１次電池、エネルギーハーベスタ、コンデンサ及び電力管理回路を含み、前記エネルギーハーベスタは、前記車輪の回転からエネルギーを取得するように設計され、前記エネルギーは、コンデンサを充電する調節された電力を生成するように電力管理回路によって管理され、前記センサの少なくとも一つはモジュールプロセッサによって制御される充電方式に応じて、コンデンサによってまたは１次電池によって選択的に電力が供給されるように設計される、請求項１に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項6】

前記エネルギーハーベスタは、コイル、コア及び少なくとも一つの磁石を含み、タイヤに固定されるように設計され、前記エネルギーハーベスタは、タイヤの撓みを電気に変換するように設計される、請求項４に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項7】

前記エネルギーハーベスタは、コイル、コア及び少なくとも一つの磁石を含み、タイヤに固定されるように設計され、前記エネルギーハーベスタは、タイヤの撓みを電気に変換するように設計される、請求項５に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項8】

前記エネルギーハーベスタは、コイル、コア及び少なくとも一つの磁石を含み、車輪のリムに固定されるように設計され、前記エネルギーハーベスタは、振動及び衝撃を電気に変換するように設計される、請求項４に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項9】

前記エネルギーハーベスタは、コイル、コア及び少なくとも一つの磁石を含み、車輪のリムに固定されるように設計され、前記エネルギーハーベスタは、振動及び衝撃を電気に変換するように設計される、請求項５に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項10】

前記エネルギーハーベスタは、タイヤに固定されるように設計される圧電エネルギーハーベスタタイプである、請求項４に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項11】

前記エネルギーハーベスタは、タイヤに固定されるように設計される圧電エネルギーハーベスタタイプである、請求項５に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項12】

前記エネルギーハーベスタは、車輪のリムに固定されるように設計された圧電エネルギーハーベスタタイプであり、前記エネルギーハーベスタは、振動及び衝撃を電気に変換するように設計される、請求項４に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項13】

前記エネルギーハーベスタは、車輪のリムに固定されるように設計された圧電エネルギーハーベスタタイプであり、前記エネルギーハーベスタは、振動及び衝撃を電気に変換するように設計される、請求項５に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項14】

前記警告は、前記タイヤが必要とする技術サービスに対する情報を含む、前記エネルギーハーベスタは、振動及び衝撃を電気に変換するように設計される、請求項１に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項15】

前記センサの少なくとも一つは、前記電源からエネルギーを受信し、それにより、タイヤの回転率が予め設定された速度を超える時に活性化されるように設計される、請求項１に記載の少なくとも第１車輪タイヤ及び第２車輪タイヤの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム。

【請求項16】

車輪タイヤの状態を監視するためのシステムであって、
タイヤの内部に位置されるように設計されたモジュールを含み、前記モジュールは、少なくとも一つのセンサ、モジュールプロセッサ、モジュール送信機、電力管理回路及びコアに巻かれたコイル、及びスプリングに吊り下げられ、コアに近接した距離にある少なくとも一つの磁石を含む電磁気エネルギーハーベスタを含んで、タイヤの衝撃で磁石を振動させ、コイル内に電力を生成するようにして、電力管理回路によって電力が管理され、管理された電力が前記少なくとも一つのセンサ、モジュールプロセッサ及びモジュール送信機に電力を供給するために用いられるようにする、車輪タイヤの状態を監視するためのシステム。

【請求項17】

前記管理された電力がエネルギー貯蔵装置を充電するように設計され、エネルギー貯蔵装置は、前記少なくとも一つのセンサ、モジュールプロセッサ及びモジュール送信機に電力を供給するように設計されるエネルギー貯蔵装置及び充電回路をさらに含む、請求項１６に記載の車輪タイヤの状態を監視するためのシステム。

【請求項18】

１次電池及びコンデンサをさらに含み、前記管理された電力はコンデンサを充電するように設計され、前記少なくとも一つのセンサの少なくとも一つは、前記モジュールプロセッサによって制御される充電方式に応じて、コンデンサによってまたは１次電池によって選択的に電力が供給されるように設計される、請求項１６に記載の車輪タイヤの状態を監視するためのシステム。

【請求項19】

前記タイヤ回転率が増加する時に、前記距離がさらに小さくなるように、前記距離は車両速度によって変化するように設計される、請求項１６に記載の車輪タイヤの状態を監視するためのシステム。

【請求項20】

前記車輪の回転中に生成される遠心力によって誘導される前記磁石の変位を補償するように設計されたメカニズムをさらに含む、請求項１６に記載の車輪タイヤの状態を監視するためのシステム。

【請求項21】

スプリングに吊り下げられた前記磁石の偏向を制限するように設計された少なくとも一つの制限スプリングをさらに含む、請求項１６に記載の車輪タイヤの状態を監視するためのシステム。

【請求項22】

前記ハーベスタに固定され、スプリングに吊り下げられた前記一つの磁石の偏向を制限するように設計される少なくとも一つの磁石をさらに含む、請求項１６に記載の車輪タイヤの状態を監視するためのシステム。

【請求項23】

制御された圧力で前記エネルギーハーベスタをカプセル化するチャンバをさらに含む、請求項１６に記載の車輪タイヤの状態を監視するためのシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、２０２０年５月５日に出願された米国特許出願番号１６／８６６，５８１の一部継続出願である。
本発明は、車輪タイヤの空気圧及び摩耗状態を検出するためのシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

自動車タイヤ状態の監視は、ＣＯ_２及びＮＯｘ排出を担当する走行安全燃費／エネルギー消費に影響を及ぼす重要な要素である。燃費でタイヤの役割を考慮する時に、自動車タイヤの走行抵抗（ｒｏｌｌｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）は自動車が使用するエネルギーの２０％乃至５０％を占めるという事実に注目する必要がある。乗用車両タイヤの走行抵抗を１０％低減することができれば、燃費は３％向上される。走行抵抗の１％乃至５％は、空気抵抗に起因すると推定される。他の９％乃至１０％は、道路摩擦から発生する。そして、残り８５％乃至９５％は、材料の内部摩擦またはヒステリシス（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）に起因する。車両の移動時に、タイヤの撓み（ｆｌｅｘｉｎｇ）を通じて材料ヒステリシスを制御することによれば、走行抵抗を減少させ、燃料消費を改善することができる。

【0003】

ヒステリシスの損失に影響を及ぼすいくつかの主要な要素がある。そのうちのいくつかは、本発明で記述されるシステム及び方法によって制御されることができ、以下で詳しく説明する：
タイヤ空気圧（Ｉｎｆｌａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）：走行抵抗に最も影響を及ぼす要素はタイヤ空気圧である。圧力が高いほどタイヤは丸くなって完璧な円に近くなり、これは抵抗を減少させる。また、タイヤがさらに硬くなって撓みが少ない。しかしながら、さらに高いタイヤ空気圧はハンドリングと乗り心地にも影響を及ぼすため、タイヤが過度に膨脹されてはならない。
スリップ角（Ｓｌｉｐ Ａｎｇｌｅ）：タイヤ面と自動車が進行する方向との間の角度は、スリップ角またはスクラブ角と称される。これは、車両がコーナーを曲がる時に増加し得る。スリップ角が大きいほど、走行抵抗が高くなる。前輪の面が車両の中心線に向かう角度であるトーイン（Ｔｏｅ－ｉｎ）は、走行安定性を向上させるが、走行抵抗を増加させる。自動車の車輪が適切に整列された状態に保持されることを確保するほかに、スリップ角による抵抗を低減するためにできることはほとんどない。
タイヤ腐敗（Ｔｉｒｅ Ｒｏｔ）：ゴム及びプラスチック材料は、気候、温度及び湿度、車両の使用及び保管、タイヤの空気圧のレベルによって、５年乃至６年の期間にわたって自然に劣化される。乾燥腐敗（ｄｒｙ ｒｏｔ）は、タイヤ上の硬くて脆い面によって発生される。ゴムのオイルが蒸発し始めると、化学結合が切れて乾いたタイヤが残るようになる。乾燥腐敗の最も一般的な原因は、タイヤの低い膨脹、過度な熱の近くでの保管及び使用不足である。太陽に対する持続的な露出は、乾燥腐敗がタイヤに及ぼす影響を加速化する可能性がある。
トレッド深さ（Ｔｒｅａｄ ｄｅｐｔｈ）：タイヤが摩耗するにつれて、走行抵抗が減少する。これは屈曲された後に反動するタイヤ材料の量が減少されつつ、ヒステリシス損失も減少するからである。残っているトレッドの厚さは、動作の熱と変形下でタイヤが撓む方式に影響を及ぼし、よって、車両の燃料消費にも影響を及ぼす。トレッドが小さくて浅いほど走行抵抗が低くなるが、濡れた路面上のタイヤ摩擦力も悪くなる。このような摩耗されたタイヤはこれ以上滑りを防止することができなくて、短い制動距離を提供しない。ミシュランタイヤ製造会社は、タイヤのトレッド深さが減少するほど、トレッド深さによって走行抵抗が低くなって、車両の燃費が増加するはずであると言及した。法的トレッド限界における取り外しポイントのタイヤの走行抵抗は、新しいタイヤ状態の８０％である。よって、法的トレッド摩耗限界まで車両でタイヤを使用することは、燃料が最も効率的な状態におかれる時間を増加させ、運転手の燃料費も減少させる。いずれにしてもタイヤ状態の綿密な監視は、タイヤの低い動力消費範囲の最大活用を可能にして、燃料消費を減少させることができる。

【0004】

タイヤ空気圧、トレッド摩耗、タイヤ層分離及びアライメントは、燃費、事故、高速道路を汚染させるタイヤゴム破損の発生、商用トラック運送効率性の減少などの主要原因である。多くの事故がタイヤの摩耗／バーストによって発生されることから、タイヤの摩耗を監視して管理することは公共安全性を向上させる。また、トラック／バスのダウンタイム（ｄｏｗｎｔｉｍｅ）は、運営者に費用がかかるため、本発明は、車両の使用効率性を向上させる。

【0005】

電気自動車（ＥＶ）の場合、燃費の向上とは、車両のより長い走行範囲またはバッテリのより高い充電状態を意味する。ＥＶ走行距離の増加は、多くの場合、自ら排出原因となる商用発電機のより少ない電力及び負荷を意味する。

【0006】

現在では、車両にはタイヤに内蔵されて（タイヤ内部の空気温度で補償された）空気圧を無線で送出するタイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ）が装着されており、車両コントローラがタイヤの空気圧を監視することができるようにしている。ＴＰＭＳは、寿命が最大５年のバッテリを含む。よりたくさんのタイヤ属性を監視するために、タイヤ内によりたくさんのセンサが必要である。問題は、このようなセンサに電力を供給し、データを無線で送るための合理的なエネルギー源がないということである。

【0007】

車両の年間走行距離を２００００ｋｍと仮定すれば、タイヤの最大使用量は５００００ｋｍである。この場合、タイヤの寿命は約２．５年である。タクシーまたは作業用車両に対して、通常自動車が一日に６時間使用したと仮定する。タイヤ追跡システムが作動する時間は１年に約２０００時間であり、２．５年では５０００時間である。このシステムが、平均１０ｍＷを消費し、動作電圧が３．７Ｖであると、必要なバッテリは１００００ｍＡｈの範囲である。

【0008】

トラックの場合：年間平均走行距離は９００００ｋｍ、タイヤ最大使用量は１５００００ｋｍ、一日平均走行時間を７時間と仮定する。総走行時間は約４０００時間であり、必要なバッテリも１００００ｍＡｈ範囲にあることが分かった。
極限温度でも作動することができるこのような大型バッテリは、大きくて重く、費用が高くて、回転するタイヤの内部に装着することができない。そこで、本発明の一実施例で提案されたような方案は、小型１次電池とコンデンサの組合せで、車輪の回転からエネルギーを取得するエネルギーハーベスタを用いる。

【0009】

タイヤの状態を感知するためのセンサを提供することを目的としたいくつかの特許が開示された。１９９５年に出願された特許番号ＣＡ２２１４７００Ｃは、タイヤの外部受信機の要請に応じて、この受信機にデータを送信するタイヤ内センサを開示する。この特許の期間は満了している。

【0010】

特許番号ＷＯ２０１３／１１４３８８Ａ１は、タイヤ空気圧適正化システム（ＴＰＯＳ）及びタイヤ空気圧制御装置（ＴＰＣＵ）を含む。ＳＡＴＰＯＳは、非常事態を減らすために、スマートに感知することにより、タイヤ空気圧を即時に感知及び制御し、状況認識計算を実施して、ＴＰＣＵが適時に適正な空気圧及び適正なタイヤでタイヤ空気圧を即時に制御するように指示する。ＴＰＯＳは、重要な状況でタイヤ空気圧を制御するために、感知、事前計算、電流計算を実行し、それに応じて克服した後にタイヤ空気圧を適正化するための事後計算を実行する。

【0011】

特許番号ＴＷ４９９３７２Ｂは、加速度信号を提供するために、タイヤの半径方向及び横方向加速の少なくとも一つを感知するセンサを利用して、トレッド摩耗、衝撃吸収装置性能、車両タイヤの均衡状態、及び／または車両タイヤの回転率を監視するシステム及び方法を論議する。トレッドの摩耗を監視するために、少なくとも一つのプロセッサが提供され、センサからの加速度信号に反応して、３０～６０Ｈ_ｚ範囲の共振周波数を決めるように、半径方向及び／または横方向加速度信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を利用して、タイヤの半径方向及び横方向加速度の少なくとも一つについての少なくとも一つの共振周波数を決め、周波数シフトを決めて、周波数シフトに基づいてタイヤトレッドの摩耗を決めるために、タイヤの摩耗がないことを示す記憶された周波数と決められた少なくとも一つの共振周波数を比較して、運転手用の情報ディスプレイに送信されるタイヤトレッドの摩耗を示す情報信号を提供する。

【0012】

特許番号ＷＯ２０１８／１３７９２０Ａ１は、タイヤが発生させる騷音を通じてタイヤの摩耗を評価するシステム及び方法を記述する。このシステムは、音響センサ、プロセッサ及び車両速度、車輪速度、エンジン及び車両の騷音を含む多様な入力によって、各タイヤの摩耗程度を決める機械学習を含む。このシステムは、車両の使用者に各タイヤの摩耗程度を示す出力を提供する。

【0013】

特許ＵＳ２０１９／０００１７５６Ａ１は、非本質的に導電性ポリマーで構成され、トレッドの一部分に固定されたセンサを利用して車両用タイヤトレッドの状態を監視するシステムを開示する。センサからのデータはトレッドの厚さを決めるために、センサ読み取り値の変化を解釈するアルゴリズムを利用するデータ処理装置に送信される。

【0014】

特許番号ＣＮ２７０３６６４Ｙは、タイヤ空気圧センサ、タイヤ容積温度センサ、タイヤ外部の受信機にタイヤ空気圧及び温度を伝達するデータプロセッサ及び装置に電力を供給する電源供給装置を含む、車両の車輪内に装着されたシステムを含むタイヤ監視及びディスプレイ装置を説明する。このシステムは、車両の４つの車輪のうち、一つのタイヤの空気圧または温度が標準値を逸脱すると警告を発する。このシステムは、電源供給装置の電源が足りない時にも警告を発する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

上述した特許は、タイヤ内部で使用できる電力が制限されているため、タイヤの状態を感知する制限された手段を提供するものである。本発明は、超大型バッテリを必要とせず、タイヤの内部に装着されたエネルギーハーベスタによって可能なリアルタイム自動車タイヤ摩耗、圧力監視及び管理のための無線多重センサソリューションである。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明に対する概略的な説明である。

【図2】時間及び移動距離の関数で示したタイヤ属性の概略的な説明である。

【図3】タイヤ内部に使用可能なセンサを示す。

【図4】電源の実施形態を示す。

【図5】電源の実施形態を示す。

【図6a】タイヤ内部装置に電力を供給するための電源としての圧電に基づくエネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図6b】タイヤ内部装置に電力を供給するための電源としての圧電に基づくエネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図6c】タイヤ上に装着されたエネルギーハーベスタ（２２）を示す。

【図7a】タイヤ内部装置に電力を供給するための電源としての熱電に基づくエネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図7b】タイヤ内部装置に電力を供給するための電源としての熱電に基づくエネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図8a】タイヤの内部に用いられる電磁エネルギーハーベスタの従来技術を示す。

【図8b】タイヤの内部に用いられる電磁エネルギーハーベスタの従来技術を示す。

【図9a-9c】タイヤ内部装置に電力を供給するための電源としての電磁気に基づくエネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図10】タイヤ内部装置に電力を供給するための電源としての電磁気に基づくエネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図11a】図９の実施形態に対する説明である。

【図11b】図９の実施形態に対する説明である。

【図12】タイヤ内部装置に電力を供給するための電源としての電磁気に基づくエネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図13a】図１１の実施形態に対する説明である。

【図13b】図１１の実施形態に対する説明である。

【図14】タイヤ内部装置に電力を供給するための電源としての電磁気に基づくエネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図15】タイヤ内部装置に電力を供給するための電源としての電磁気に基づくエネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図16】タイヤ内部装置に電力を供給するための電源としての電磁気に基づくエネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図17a-17l】タイヤまたは車輪のリム（ｒｉｍ）から電力を取得するための電磁エネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図18】タイヤの撓みから電力を取得するための電磁エネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図19】タイヤの撓みから電力を取得するための電磁エネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図20a-20c】タイヤの撓みから電力を取得するための電磁エネルギーハーベスタの実施形態である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明は、タイヤの空気圧及び摩耗状態を検出するためのシステムに関する。本発明の一実施形態は、図１に示すように、少なくとも第１車輪タイヤ２ａ及び第２車輪タイヤ２ｂの圧力及び摩耗状態を検出するためのシステム１である。このシステムは、第１車輪の内部２１ａに位置するように設計された第１モジュール３、及び第２車輪内部２１ｂに位置するように設計された第２モジュール３を含み、ここで、各モジュールは、センサ３１、モジュールプロセッサ３２、モジュール送信機３５、及びセンサ、モジュールプロセッサ及びモジュール送信機に電力を供給するための電源３４を含む。このシステムは、車輪の外部に位置するように設計された遠隔受信機４、及びデータプロセッサ５をさらに含む。各車輪のセンサの出力は、当該車輪のモジュールプロセッサに供給されることができ、各車輪のモジュール送信機は、処理されたデータを遠隔受信機に送信する。データプロセッサは、受信して処理されたデータを分析し、第１車輪からの処理されたデータを第２車輪からの処理されたデータと比較し、それに基づいて警告を提供するように設計される。警告は、タイヤの交換または不適切なタイヤ空気圧またはバランスが取れないか、または不適切なタイヤのスリップ角度、またはその他不適切なタイヤ状態を含む何れの技術的サービスだけでなく、運行安全及び燃料消費に関する警告を含むことができる。

【0018】

一実施形態において、各車輪から受信されたデータは、時間依存値ｄ_ｉｊ（ｔ、Ｌ）のストリングとして見ることができ、ここで、ｄ_ｉｊは、タイヤｊのセンサｉによって受信されたデータを指し、ｔは時間を指し、Ｌは車両によって用いられる間に特定タイヤが移動した距離を指す。タイヤの状態に関する結論は、互いに異なるタイヤ内のセンサ値を比較することにより導き出すことができ、すなわち、ｄ_ｉｊ（ｔ、Ｌ）－ｄ_ｉｋ（ｔ、Ｌ）、またはｄ_ｉｊ（ｔ、Ｌ）／ｄ_ｉｋ（ｔ、Ｌ）である。

【0019】

他の実施形態において、タイヤの値ｄ_ｉｊ（ｔ、Ｌ）は、長時間ｔと距離Ｌにわたって複数のタイヤから収集され、図２に概略的に示すように、統計的３Ｄマップが得られる。このような３Ｄマッピングは、正常な統計を示すことができ、ｔとＬの関数であり得る＋Δｄ_ｉｊ（ｔ、Ｌ）－Δｄ_ｉｊ（ｔ、Ｌ）で例示される統計的変動を有する。図２で、値ｄ_ｉｊ（ｔ_１、Ｌ_１）は、時間ｔ_１及び距離Ｌ_１でのｄ_ｉｊの正常値を示す。所定の値＋σｄ_ｉｊ（ｔ、Ｌ_１）を超える偏差または所定の値－σｄ_ｉｊ（ｔ_１、Ｌ_１）未満の偏差は、システムで「非正常様相」に識別されることができ、使用者に警告を発する。

【0020】

例えば、タイヤの振動は、時間と移動距離によって変わる特定スペクトルを有し得る。振動スペクトルは、温度によっても変わり得る。温度は時間が経つにつれてタイヤを劣化させる累積効果を有する。温度を考慮するために、温度応力関数Ｓ_ｔ、Ｔが定義されることができる。

【0021】

Ｓ_ｔ，Ｔの可能な形式は

であり、ここで、Ａは定数であり、ｔは時間温度がＴ₁．．．Ｔ_Nで表示されるセグメントに分割される位置にタイヤ温度が露出された時間である。ｘ及びｙは、タイヤ及び時間のような環境パラメータによって変わるパラメータ定数である。

【0022】

温度の影響を記述するための他の方法は、Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ関数を利用して

とすることであり、ここで、Ｂは定数、ｋはボルツマン定数であり、Ｅ_ａ、ｉは故障ｉに対する活性化エネルギーである。

【0023】

温度を考慮した時に、図２に示された３Ｄダイアグラムは、ｄ_ｉｊ（ｔ、Ｌ、Ｓ）である４Ｄダイアグラムになる。ｄ_ｉｊ（ｔ、Ｌ、Ｓ）で、「ｉ」は、例えば、各センサが多次元で記述されることができる５つのセンサだけ大きくてもよい。このようなシステムの多次元記述は、例えば、システムの次元数を減少させ、タイヤ問題の迅速な識別を提供する主要成分分析（ＰＣＡ）を利用して単純化されることができる。神経網または異常（ａｎｏｍａｌｙ）分析のような他の方法を利用して単純化されてもよい。

【0024】

モジュール内のセンサが圧力センサ３１１、容積温度センサ３１２、タイヤ材料温度センサ３１３、振動センサ３１４、タイヤトレッド厚さセンサ３１５、及びタイヤ乾燥率センサ３１６であり得ることを教示する図３を参照する。

【0025】

一実施形態において、電源３４は１次電池であってもよい。他の実施形態において、電源３４は、図４に示すように、エネルギーハーベスタ３４３、電力管理回路３４５、及びエネルギー貯蔵装置３４１を含む。この場合、エネルギーハーベスタは、車輪の回転からエネルギーを取得し、取得されたエネルギーは電力管理回路によって管理されて、エネルギー貯蔵装置を充電する調節された電力を発生させる。エネルギー貯蔵装置は、充電式バッテリまたはコンデンサであってもよい。

【0026】

他の実施形態において、図５に示すように、電源３４は、１次電池３４７、エネルギーハーベスタ３４３、コンデンサ３４６、及び電力管理回路３４５を含み、エネルギーハーベスタが車輪の回転からエネルギーを取得するようにし、取得されたエネルギーは電力管理回路によって管理されて、コンデンサ３４６を充電する調節された電力を発生させ、それによって、センサの少なくとも一つはモジュールプロセッサ３２によって制御される充電方式に応じて１次電池またはコンデンサによって選択的に電力が供給されるように設計される。

【0027】

極限動作温度に適したコンデンサ及び１次電池は、市場で入手可能である。一方、充電式バッテリは、通常、制限された温度範囲で動作することができる。上記実施形態は、センサを、高いサンプリング速度が必要な場合、または自動車が移動しない時や非常に遅い速度で移動する時にも必要なセンサタイプＡ、及び低いサンプリング速度が必要な場合、または車両が止まっていたり、非常に遅く移動する時には、活性化が必要ではないセンサタイプＢに分ける。この場合、十分な電力がある限り、コンデンサは、センサタイプＢに電力を供給し、１次電池は、センサタイプＡに電力を供給する。自動車が移動し始めると、コンデンサ３４６が充電され始める。コンデンサ３４６の充電が予め設定された値より高くなると、モジュールプロセッサ３２はコンデンサ３４６を通じて１次電池３４７と電力センサタイプＡとの接続を解除する。コンデンサ３４６の充電が予め設定された値以下になると、モジュールプロセッサ３２はコンデンサ３４６がセンサタイプＡに電力を供給しないように接続を解除し、代わりに１次電池３４７と接続する。

【0028】

センサタイプＡは、例えば、１次電池で駆動される現在利用可能なタイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ）のような圧力センサであってもよい。センサタイプＢは、例えば、タイヤ温度、振動、または乾燥率と関連されることができる。

【0029】

本発明の他の実施形態において、一部センサには車輪の回転率が予め設定されたＲＰＭ（Ｒｏｕｎｄｓ Ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）、すなわち１０ｋｍ／時間の車両速度を超える場合のみに電源が供給されることができる。

【0030】

他の実施形態において、モジュールはタイヤまたはタイヤのリム上に位置されることができるか、またはセンサの数によってタイヤとリムとの間に分割されることができる。

【0031】

互いに異なる実施形態において論じられるエネルギーハーベスタは、例えば、圧電、電磁気、熱または一形態のエネルギーを電気エネルギーに変換する他の方法を利用することができる。

【0032】

ＷＯ２００８／０３４８２５Ａ１、ＷＯ２００１／０８０３２７Ａ１、ＣＮ１８５２０１７Ａのような多数の特許出願によって提案されたように、タイヤの内部装置のための電源として用いられることができる圧電エネルギーハーベスタ２１を概略的に示した図６ａを参照する。このエネルギーハーベスタは、圧電材料の曲げ（ｂｅｎｄｉｎｇ）を利用して、エネルギーを取得する。圧電ハーベスタは、エネルギーハーベスタ２１の曲げによって電力が生成される２つの電極２１Ｂ、２１Ｃの間にカプセル化された圧電層２１Ａを含む。圧電装置は、タイヤ５００に接着されて、タイヤが地面で転がりながら、圧電ハーベスタの位置で撓む時に電気を生産することができる。

【0033】

また、図６ｂに示すように、車輪が回転する間に振動するスプリング２２２に吊り下げられた地震質量体２２１の機械的エネルギーの変換のための他の圧電エネルギーハーベスタ２２を示す図６ｂを参照する。この場合、エネルギーハーベスタ２２は、図６ｃに示すように、タイヤまたはタイヤのリムに装着されることができる。

【0034】

また、タイヤの内部装置の電源として用いられることができる熱電エネルギーハーベスタ２３を概略的に示した図７ａを参照する。このようなハーベスタは、中国特許番号ＣＮ２０５３６５２４２Ｕで提案された。ハーベスタは、熱素子２３Ａの２つの側面２３Ｂ、２３Ｃの間の温度差に基づく。熱電ハーベスタ２３は、タイヤに固定されて、リザーバーとしての役割を果たす道路とタイヤの内部側との間の温度差を活用することができる。選択的に、熱電エネルギーハーベスタ２３は、リムに固定されて、タイヤの回転中に冷却され、リザーバーとしての役割を果たすリムとタイヤの内部側との間の温度差からエネルギーを取得することができる。これら２つのオプションは、図７ｂに示される。

【0035】

また、Ｓｔｅｆａｎｏ Ｔｏｒｎｉｎｃａｓａのほか多数による「Ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｉｒｅｓ：Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｕｔｃｏｍｅｓ」というタイトルの論文に開示されたエネルギーハーベスタ２４の一般的なセットアップを示す図８ａを参照する。可動磁石２４１は、起電力が合算されるように２つの直列接続されたコイル２４３、２４４が反対方向に巻線されるガイド２４２の内部をスライディングする。予荷重固定磁石２４５は、下蓋に配置されて浮動する磁石を上蓋で押し出す。２つのゴムバンパー２４６、２４７は、可動磁石２４１及びエンドストロークの間の破壊的な衝撃を避けるために、蓋の内部表面上に設けられる。ガイド２４２内で浮動する磁石の移動は、コイル内の鎖交磁束（ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ）を変更し、電気負荷に電力を供給するのに利用可能な起電力を生成する。同様の構成が、予荷重磁石が上蓋及び下蓋に固定されるように対称する予荷重を用いるＭａｎｎ及びＳｉｍｓによる「Ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ」というタイトルの論文で提案されて分析された。

【0036】

また、タイヤ上に装着されたエネルギーハーベスタ２４を示した図８ｂを参照する。遠心力の結果として、可動磁石２４１は固定磁石２４５に向かって押される。これは図面で位置１に表示される。ハーベスタが位置３に到逹すると、タイヤが平らになり、遠心力が０に低下し、可動磁石がガイド２４２に沿って固定磁石によって押されながら、コイル内に電気が生成される。速度が増加するにつれて、ハーベスタが平坦な領域にある時間が少なくなるので、磁石の応答時間が低下し、発電電力も減少するという点に留意する。論文では、特定設計の場合に生成された電力が３ｍＷに限定され、１００ｋｍｈの車両速度付近で低下し始めることを示した。

【0037】

図８ａに示されたエネルギーハーベスタは、遠心力を利用して自由磁石を固定磁石の方に押すという点に留意する。このようなハーベスタを作動させるためには遠心力が必要となる。遠心力が０になると直ちにタイヤの平坦な部分で自由磁石が固定磁石によって拒否されて、エネルギーの取得が開始される。速度が増加するにつれて遠心力も増加するが、エネルギー取得が発生するタイヤの平坦な部分は、遠心力が再び作用する前においては、自由磁石運動の応答時間が非常に長過ぎて十分な磁石運動ができない状況となるまで狭くなる、という点に留意する。

【0038】

また、タイヤの内部装置の電源として用いられることができる電磁エネルギーハーベスタの一実施形態を概略的に示す図９ａ及び９ｂを参照する。タイヤ５００に付着されたハーベスタは、タイヤの撓みが地点２０２に対する地点１０２の横方向移動を発生させるように、一端１０１、２０１上で互いに連結された２つのアーム１０、２０を含む曲げ－移動装置１０２１で構成される。磁石４４は、アームの側面１０２に連結され、コイル３３１と強磁性コア３３２を含む電磁気装置３３は、アームの側面２０２に連結される。タイヤの撓みは、磁石がコイルに対して移動して、コイルに電力が生成されるように、側面１０２と側面２０２との間に相対的な側面移動を生成する。

【0039】

図９ｃは、装置３３の詳細を示す。電線３３１１、３３１２は、電力が生成されるコイルの端部である。コイル内に生成された電力を言及する本発明の全般にわたって、図９ｃに示されたようなコイルの両端部を指す。

【0040】

本出願人は、実験室でこの構成をテストした。設定として１５０Ωのコイル抵抗が含まれる。コイルによる磁石の高速移動は、２００ｍｓのインパルス幅を有する３．５Ｖのインパルスを発生した。２７０Ωの負荷で計算されたエネルギーは７１ｕＪである。

【0041】

また、タイヤの内部装置の電源として用いられることができるエネルギーハーベスタの他の実施形態を概略的に示した図１０及び図１１を参照する。図１０はハーベスタ３の拡大図である。タイヤ５００に付着されたハーベスタは、タイヤの撓みがプレート４０２に対する地点３０２の横方向移動を発生させるように、一端３０１、４０１上で互いに連結された２つのアーム３０、４０を含む曲げ－移動装置１０２２で構成される。フレーム５０は、これが地点３０２と一緒に移動するように地点３０２に連結される。磁石６１、６２は、これら磁石の同じ磁極が互いに向くように、フレーム５０の２つの対向面５０１、５０２に連結される。電磁気ユニット７０は、図９ｃに詳しく示すように、ホルダ７０１、７０２、コイル７０３及び強磁性コア７０４を含み、側面７０４１、７０４２を有する金属のようにし、コイルが強磁性コアの周りに巻かれ、コイルワイヤが２つの端部を有するようにする。側面７０４２は、図１０に示されているが現れない。電磁気ユニット７０は、窪み（ｄｉｎｔ）４０３、４０４内にそれぞれロックされるほぞ（ｔｅｎｏｎ）７０１１、７０２１を用いてプレート４０２に固定される。

【0042】

図１１ａ及び図１１ｂは、２つの状態のハーベスタを示す。図１１ａでは、アームはコアの側面７０４１が磁石６１に接触する第１状態にある。アーム３０、４０が曲がるとフレーム５０が押され、それとともに２つの磁石が押され、それにより、側面７０４２が磁石６２に接触する。この動作は、コイルの端部の間に起電力を生成する電磁気装置の磁束極性を反転させる。

【0043】

本出願人は、磁束反転が遥かに高い電力を発生させることを見つけた。コアを備えた９．３Ωコイルを有するこのような構成をテストした時には、２２Ω抵抗で３Ｖを発生させ、スイチングごとに０．６１ｍＪのエネルギーを生成する。

【0044】

このように、エネルギーが高くなる理由は、式１から解ることができる。
(1)Ｅ＝－Ｎ・ｄΦ/ｄｔ
ここで、Ｅはボルトで測定された起電力、Ｎはコイルａの巻数、Ｆは磁束である。コイルに対する磁石の移動はｄΦ/ｄｔを発生させる。明らかに、ｄΦ/ｄｔが大きいほど、Ｅが大きくなる。磁束を反転させることは、磁束に非常に大きい変化を発生させ、よって高い起電力を発生させる。このような構成は、磁束の極性が２つの状態の間で切り替えられるので、トグルモード（ｔｏｇｇｌｉｎｇ ｍｏｄｅ）と呼ばれる。

【0045】

大きい磁束を発生させて、大きい磁束変化を引き起こすために、磁場をコイルの近くに閉じ込めるように、強磁性ラッピング（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗｒａｐｐｉｎｇ）を用いることが可能である。

【0046】

図１０及び図１１に示される実施形態は、コアの磁束を反転させるために、２つの磁石を用いる。しかしながら、図１２及び図１３に概略的に示すように、コアの磁束を反転させるために、一つの磁石を用いることが可能である。図１２は、ハーベスタの拡大図である。タイヤ５００に付着されたハーベスタは、タイヤの撓みがプレート９０２に対する地点８０２の横方向移動を発生させるように、一端８０１、９０１上で互いに連結された２つのアーム８０、９０を含む曲げ－移動装置１０２３で構成される。フレーム１００は、延長部１００２、１００３、１００４、１００５が形成されるように、曲げられる金属のような強磁性材料で製造される。

【0047】

電磁気ユニット１１００は、コイルが強磁性コアの周りを囲み、コイルが図９ｃに詳細に示されたように、２つの端部を有するように、ホルダ１１０１、１１０２、コイル１１０３及び側面１１０４１、１１０４２を有する強磁性コア１１０４を含む。

【0048】

ユニット１２０は、側面１２０１が一磁極性で、側面１２０２が反対磁極性を有する磁石である。ユニット１３０は、金属のような強磁性材料である。

【0049】

図１３ａ及び図１３ｂは、２つの状態で構成されたハーベスタを示す。フレーム１００と電磁石ユニット１１０は、コア１１０４の側面１１０４１がフレーム１００に連結されるように、平面９０２に固定される。磁石１２０は、側面１２０１が側面１３０１と接触し、側面１２０２が側面１３０２と接触するようにする内部ユニット１３０である。

【0050】

図１３ａに示すように、ハーベスタは、側面１３０２が延長部１００２、１００３と接触し、コア１１０４の側面１１０４２が側面１３０１と接触するようにする一位置にある。図１２ｂに示すように、タイヤ５００が撓んだときには、側面１３０１が延長部１００４、１００５に接触する一方、コア１１０４の側面１１０４２が側面１３０２に接触するように、２つのアームの曲げを発生させる。

【0051】

一位置から他の位置への移動は、コアの磁束極性を反転させ、コイルの両端部の間に起電力のインパルスが発生する。このような構成は、スイチングごとに数ｍＪだけ高いエネルギーを取得することができる。このような実施形態において、磁場がコイルの周りでさらに稠密になり、２つの位置の間の転換によって誘導される磁束の変化がより大きくなるように、強磁性材料がコイルを囲むということに注目する。

【0052】

したがって、本発明の一つの重要なことは、タイヤが撓む度に２つの状態の間を切り替えるのである。明らかに、このような切り替え段階が発生するためには、曲げエネルギーハーベスタの最小の曲げが必要であることを意味する。

【0053】

上記実施形態は、変位が発電機で回転を生成するのに用いられた、ＰＣＴ番号ＰＣＴ／ＩＬ２０１９／０５１３０２に開示された曲げ－変位変換器を用いる。現在、特許出願でこのような変位は磁石とコイルとの間の相対的な横方向移動を生成したり、コアで磁束反転を発生させる状態の間の切り替えのために用いられる。

【0054】

このような曲げ－横方向変位変換器の使用は、ただこのような相対的移動及び磁束反転のためのメカニズムを例示するためのことであり、ハーベスタを活性化するために、他のメカニズムを用いることもできることに留意する。

【0055】

また、図９に示されたハーベスタを活性化する他の可能な方法を概略的に示した図１４を参照する。ここで、電磁気ユニット３３は、タイヤ５００に連結されたベース３１上に連結され、磁石４０はベース３１でスライドすることができるフレーム４０１上に装着される。曲げ－移動変換器１０２４はフレーム４０１に連結され、ヒンジ４０４、４０５を通じて支持部４０３に連結されたアーム４０２を含み、それによって曲げタイヤ５００が電磁気ユニット３３に対してフレーム４０１及び磁石４４を移動させる。

【0056】

また、図１０及び図１１に示されたハーベスタを活性化する他の可能な方法を概略的に示した図１５を参照する。図１５で、電磁気装置７０は、タイヤ５００に連結されたプレート４０２上に装着される。曲げ－移動変換器は、ヒンジ５０３を通じて支持部５０２に連結されたアーム５０１を含む。追加ヒンジがアーム５０１をフレーム５０に連結するように用いられることができる。支持部５０２はタイヤ５００の撓みが電磁気装置内の磁束の極性を反転させる２つの状態の間で電磁気装置７０に対して磁石６１、６２を有するフレーム５０を移動させるように、タイヤ５００に連結される。

【0057】

また、図１２及び図１３に示されたハーベスタを活性化する他の可能な方法を概略的に示した図１６を参照する。ここで、図１２に示すように、電磁気ユニット１１００を収容するフレーム１００がタイヤ５００に連結されたベース１４０に連結される。曲げ－移動変換器１０２６は、タイヤ５００の撓みが２つの状態の間で磁石１２０を有する磁石ユニット１３０を移動させるように、タイヤ５００に連結された支持部１３０４にヒンジ１３０５を介して連結されたアーム１３０３を含む。

【0058】

図１４乃至図１６に示された実施形態において、支持部４０３、５０２及び１３０４は、アーム４０２、５０１及び１３０３をタイヤ５００に連結するのに用いられる。このような支持部は、すべての応用に必要なものではない。例えば、タイヤ上にハーベスタを適用する場合、タイヤの撓みは支持部がない状態でアームをタイヤに直接連結するようにすることができる。また、図１４乃至図１６に示された実施形態で、ヒンジが概略的に示された。これらヒンジは、ハーベスタの適切な機能ができるようにするために、タイヤ５００の撓みによってアーム４０２、５０１及び１３０３の移動を許容するように設計される。また、一部場合において、一つよりはたくさんのヒンジが必要となることは明らかである。

【0059】

一部場合において、タイヤに連結されたハーベスタの部品の代わりに、タイヤ自体を用いることが可能であるという点が理解され得る。

【0060】

本特許出願に開示された曲げエネルギーハーベスタを活性化するために、他のメカニズムが設計されることができる。このような設計は、一つの部分が磁石を保持し、一つの部分が電磁気装置を保持して、例えば、これらの間のヒンジ連結を有することにより、互いに対する移動が自由になるようにする２つの部分を含む相異する幾何学的形態を利用することができ、それによって、タイヤ上に装着される時に、タイヤの撓みが磁石が電磁気装置に対して移動するように、２つの部分を互いに対して相対的に移動させる。

【0061】

また、最小の曲げに到達すると、スプリングが巻戻され、磁石をコイルに対して移動させて、磁束の極性反転がより速くなり、したがって、ｄΦ/ｄｔになるように、スプリングを含むことが可能である。

【0062】

本特許出願に記述された曲げエネルギーハーベスタは、初期状態で曲げアームが平坦であることに示した。初期状態で、ハーベスタが固定されたタイヤに合わせて曲げられることができることは明らかである。

【0063】

本特許出願の一実施形態において、タイヤの撓みを電気に変換するための装置がタイヤに固定されるように設計された。この装置は、コイル及びコアを含む電磁気装置、磁石及び繰り返し的に電力のインパルスがコイルによって発生されるように、タイヤの撓みを電磁気装置に対する磁石の移動に変換するように設計された変換器を含む。

【0064】

本特許出願の他の実施形態において、タイヤの撓みを電気に変換するための装置がタイヤに固定されるように設計される。この装置は、第１端部及び第２端部を有するコア及びコイルを含む電磁気装置、電磁気装置を囲むように設計されたフレーム、タイヤの撓みをフレームの移動に変換するように設計された変換器、フレームの第１側面に固定されるように設計された第１磁石、及びフレームの第２側面に固定されるように設計された第２磁石を含み、それにより、タイヤの前後移動が第１磁石が自分の第１端部でコアに接触する第１状態から第２磁石が自分の第２端部でコアに接触する第２状態へのフレームの前後移動を発生させ、それにより、コイルによって電力の繰り返しインパルスが発生されるように、コア内の磁束が繰り返し的に反転されることができる。

【0065】

本特許出願の他の実施形態において、タイヤの撓みを電気に変換するための装置がタイヤに固定されるように設計される。この装置は、第１端部及び第２端部を有するコア及びコイルを含む電磁気装置、磁石の第１面に付着される第１延長部及び磁石の第２面に付着される第２延長部を有する磁石、タイヤの撓みを磁石の移動に変換するように設計された変換器を含み、この装置は、第１延長部が磁石の第１側面をコアの第２端部に連結し、磁石の第２側面が媒体を介してコアの第１端部に連結される第１位置に位置してもよく、この装置は、第２延長部が磁石の第２側面をコアの第２端部に連結し、磁石の第１側面が媒体を介してコアの第１端部に連結される第２位置に位置してもよく、それにより、タイヤの前後移動が第１位置から第２位置への磁石の前後移動を発生させて、コア内の磁束が繰り返し的に反転されることができる。

【0066】

また、タイヤ５００の内部装置のための電源として用いられることができるエネルギーハーベスタ８の他の実施形態を概略的に示した図１７ａを参照する。この実施形態において、磁石８００３は、アンカー８００５によってタイヤ５００に固定される曲げスプリング８００４によって吊り下げられる。磁石は距離８００１３を隔ててコイル８００２のコア８００１に近く位置される。コイル及びコアの一般的な例が図９ｃに示された。タイヤが急に撓むと、磁石が強制的に振動して、コイルに電気が発生される。

【0067】

図１７ａに示すように、タイヤの回転は遠心力Ｆｃを発生させる。これにより、磁石が自分の好ましい動作点からコア８００１に対して移動するようになり、これは、高電力変換を反映する。アンカー８００５に固定された追加スプリング８００６を追加することにより、図１７ｂに示された一部距離で追加スプリングの追加によって、図２に示された所定距離に追加スプリングを追加して、磁石移動を制限することが可能である。スプリング８００６は、スプリング８００４が予め設定された距離で遠心力によって偏向される時のみに活性化される。スプリング８００４が遠心力による所定の曲げ状態で衝撃によって振動する時に、これはスプリング８００６と前後に弾性的にエネルギーを交換して、結局コイル８００２内の電気に変換される。互いに異なる遠心力で作動するスプリング８００６の下に複数のスプリングを追加することが可能である。図１７ｃに例示されたように、スプリング８００４の上にスプリングを追加することも可能である。同様の方式で、このようなスプリングは振幅が所定の距離を超えると効果的にスプリングを硬直させることで、スプリング８００４の振動を制限する。

【0068】

図１７ｄには２つの磁石８００３１、８００３２が用いられるこのような構成の他のバージョンが示されている。このような構成の長所は、磁石の振動が一つの磁石に比べてより大きい磁束変化を生成することができるという点である。また、追加磁石は遠心力の結果でスプリング８００４の曲げを補償することができるので、ハーベスタの作業ウィンドウを増加させることができる。磁石が移動する時に、コア内の磁束の変化を改善する任意の構成の磁石が用いられることができることに注目する。例えば、磁石が移動する時に、コア内の磁束が値の大きな変化を発生させるように、磁石の間の間隔が変調されてもよく、極性が反転されてもよく、強磁性遮蔽物を用いてもよい。

【0069】

タイヤの内部に高圧力が存在することに注目する。車のタイヤで、圧力は、通常、小型車両の場合３５ｐｓｉ、トラックタイヤの場合最大１００ｐｓｉに至る範囲を有する。３５ｐｓｉでは空気密度が大気圧よりも３倍高く、１００ｐｓｉでは空気密度が大気圧よりも８倍高い。高圧は、空気の粘度を増加させて粘性減衰を増加させる。これから図１７ｅを参照する。この実施形態で、スプリング８００６は磁石８００６－１で取り替えられることができる。スプリングの代わりに磁石を用いる長所は、遠心力が高く、スプリング８００４がスプリング８００６に向かって曲がる高速で動作するということである。２つのスプリングが高粘度環境で互いに近接する時に、スクイズフィルム効果減衰は、エネルギーの一部を熱に変換して、電気に変換されるエネルギーを減少させる。同様の方式で、図１７ｆで、磁石８００４１－１、８００４１－２は、図１７ｃに示されたスプリング８００４１、８００４１を取り替える。

【0070】

エネルギーハーベスタは、ビスコース（ｖｉｓｃｏｓｅ）効果によるエネルギー損失を減らすために、低圧チャンバに密封されることができることにも留意する。

【0071】

また他のオプションは、図１７ｇに示すように、コイルとコアをスプリング８００８及びダンパー８００９に吊り下げることである。この実施形態は、２つのスプリング－質量体システムを生成する。スプリング８００４及び磁石８００３を含むシステム、そしてスプリング８００８、コイル８００２、及びコア８００１を含むシステムである。２つのスプリング－質量体システムは、遠心力によるコア及び磁石での偏向が同一になるように設計される。これは、ｋ_１／ｍ_１＝ｋ_２／ｍ_２の場合に達成され、ここで、ｋ_１はスプリング８００４のスプリング定数であり、ｍ_１は磁石８００３の質量であり、ｋ_２はスプリング８００８のスプリング定数であり、ｍ_２はコイル８００２及びコア８００１の質量である。この場合、磁石とコアの相対的な位置は明らかに変化しない。タイヤがハーベスタ位置で地面に接触する時に、ハーベスタ８が急激な衝撃を経験する場合、２つのシステム上に衝撃が発生される。ダンパー８００９は、タイヤがタイヤの平坦な部分を出る前にコイルが大きく移動しないように設計され、それにより、コアに対する磁石の振動によって相対移動が発生される。図１７ｈはダンパー８００９の一つの可能な構成を示す。言及したように、タイヤ内部圧力は高く、空気は大気圧の空気よりも遥かに密度が高い。よって、穴の内部の空気移動がスプリング８００８の移動を減衰させるように、ダンパーは穴８００９１がほとんどないピストン８００９２を含むことができる。

【0072】

タイヤ５００の内部装置のための電源として用いられることができるエネルギーハーベスタ８の他の実施形態を概略的に示した図１７ｉ及び図１７ｊを参照する。この実施形態は、スプリング８００４がタイヤの平面で自由に振動するように９０゜回転されるという点を除けば、図１７ａで記述された実施形態と同様である。タイヤが急に撓むと、磁石が強制的に振動し、コイル内に電気が発生する。このような幾何学的構造の長所は、スプリング８００４が遠心力方向で硬くて、作動点がほとんど影響を受けないということである。

【0073】

エネルギーハーベスタ８の取得された電力は、コア８００１と磁石８００３または磁石８００３１及び８００３２の間の間隔８００１３によって異なる。間隔８００１３が小さいほど、磁石移動の結果として取得された電力がより高くなる。どころが、間隔が小さく、車両速度が低い場合、生成されたインパルスが磁石とコアとの間の力を克服し、磁石が振動するようにするには小さ過ぎる可能性がある。実際に、磁石の極の一つがコアにより近くなって、小さな衝撃が電磁気力を克服できないように、静止した状態で、スプリング８００４のスプリング定数に応じてスプリングが曲がることができる。したがって、高速及び高い振幅で間隔８００１３が低い振幅でより近くなるように、車両速度によって変わる間隔８００１３を有することが好ましい。

【0074】

図１７ｋは車両速度の関数として間隔８００１３を制御する一つの方法を示す。この実施形態で、遠心力はヒンジ８００１６に吊り下げられたバー８００１５に固定された質量体８００１４を引っ張るのに用いられる。レバー８００１７は、Ｘ方向に自由にスライドするスプリング支持部８００５に連結される。車両の速度が増加するにつれて、質量体８００１４が下に押され、間隔８００１３が減少するようにスプリングホルダ８００５がＸ方向に押される。車両速度が減少するにつれて、質量体８００１４が復帰し、スプリングホルダ８００５は間隔８００１３が増加するようにスプリング８００１８によって後にスライドする。

【0075】

エネルギーハーベスタ８は、図１７ｌに示すように、タイヤリム８００１０上に装着されることができ、ここで、タイヤリムの振動及び衝撃から電気が発生されることができることに注目する。

【0076】

また、エネルギーハーベスタは、本特許出願に記述された互いに異なる実施形態の組合せであってもよいことに注目する。例えば、これは、図１７ｅ及び図１７ｆに記述された磁石と、図１７ａ乃至図１７ｄに記述されたスプリングの組合せを用いることができる。また、本特許出願に記述されたスプリングは、ただスプリングを例示するために示され、スプリングは異なる形態、それによる異なる断面を有してもよく、任意の方向に曲げることができることに留意する。

【0077】

タイヤ５００から電力を取得するためのエネルギーハーベスタ５００１の使用を例示する図１８を参照する。ハーベスタは、タイヤの内部に付着されたり、タイヤの内部に内蔵されてタイヤのランダム曲げの結果として電気を発生させることができる。図９に例示されたような一実施形態で、曲げはコイルに対する磁石の移動を発生させる。図１０乃至図１６に例示された他の実施形態で、タイヤの撓みの結果として、ハーベスタが２つの状態の間をトグルする時電力が発生される。図１７に例示されたような他の実施形態で、タイヤの急激な撓みは、コイル－コアシステムに対して磁石が振動するようにする。

【0078】

タイヤの接触面は平坦な断面によって特徴づけられ、そのため、図１８に示された「ａ」地点と「ｂ」地点で撓みが発生する。エネルギーハーベスタは、図１９に示すように、垂直に配置されてもよい。このような撓みは周知のものであり、機械的装置はコイルに対する磁石の移動または振動だけでなく、各トグル段階が磁束極性を反転させるように、状態の間のトグルを発生させるように設計されることができる。

【0079】

図１７に示された多様なハーベスタ構成のエネルギー取得過程は、ハーベスタが地面との接触を終了する時（図１８のＢ地点）に発生し、この地点でスプリングに吊り下げられた磁石がスプリングに貯蔵されたエネルギーによって振動し始めるという点に注目する。スプリング－磁石システムの自由振動は、タイヤの次の回転まで発生する可能性があるので、タイヤの回転の大部分を通じて磁石の自由振動を電気に変換することにより取得されることができる。固定磁石の目的は、ただ遠心力を補償するためである。これは、遠心力が取得されたエネルギーのエネルギー源である、図８に記述された電磁エネルギーハーベスタに比べて有利である。図８に示されたエネルギー取得は、ハーベスタがタイヤの平坦な部分（図１８で、地点ＡとＢと間）にある時間の間のみに発生し、ここで、遠心力が相殺され、自由磁石は固定磁石によって拒否される。ハーベスタが平坦な領域を逸脱すると、半径方向への振動がほとんどなく、直ちに固定磁石に向かって引き戻される。前述したように、車輪の回転が速いほど、自由磁石が平坦な領域に位置する時間が少なく、固定磁石によって印加される拒否する力が発生する。また、実験から分かるように、固定磁石がタイヤの平坦な部分を出ると直ちに遠心力は取得されたエネルギーに寄与することができる相当な磁石振動なしにこれを固定磁石に向かって押す。

【0080】

また、図２０ａ乃至図２０ｃに示された実施形態を参照する。図２０ａは、車輪５５の前方断面図を示し、図１９ｂは、内部面２００を有するリム及び内部面９９を有するタイヤを含む車輪５５の側面図である。タイヤの撓みを電気に変換するためのハーベスタ５００３は、リム２００の内部面上にまたはタイヤ５００の内部面９９に配置されることができる。ハーベスタから延長する延長アーム１４１、例えば、図１４のアーム４０２、または図１５のアーム５０１、または図１６のアーム１３０３は、これが接触したり、寄りかかったり、または単純にタイヤの内部面に近接する方式で用いることが可能であり、それにより、タイヤが撓む時に本特許出願に記述された任意の実施形態に係るエネルギーハーベスタ内の移動を誘導するように延長部が移動したり曲がる。

【0081】

また、車輪５５の断面を示した図２０ｃに示された実施形態を参照する。この実施形態において、エネルギーハーベスタ５００４は、リム２００の内部面上に配置される。エネルギーハーベスタから延長する延長アーム１４１は、タイヤの内部面に接触したり、寄りかかったりまたはこれに近接してタイヤが撓む時に、本特許出願に記述された任意の実施形態に係るエネルギーハーベスタ内の移動を誘導するように延長部が移動したり曲がる。図２０ｃに示されたエネルギーハーベスタは、２つの状態に示された。上部位置でタイヤはたわまず、延長アームは緩い状態である。地面位置でタイヤが撓み、延長アームは第２状態である曲げ状態にある。一状態から他の状態への切り替えは本特許出願の他の実施形態で記述されたように、エネルギーハーベスタを活性化する。

【0082】

図２０ａ乃至図２０ｃに示したような延長アームは、実施例としてだけ示されるものである。アームは、ハーベスタで必要な移動を生成するのみ十分な剛性を有すれば、金属またはゴムのような任意の可撓性材料または圧縮可能な材料で製造されることができる。

【0083】

本発明は車輪内に位置されるように設計されたモジュールを含む車輪タイヤの状態を監視するためのシステムに関するもので、このモジュールは、少なくとも一つのセンサ、モジュールプロセッサ、モジュール送信機、及び電源管理回路を含む。このシステムは、また、コア上に巻き取られたコイル及びスプリングに吊り下げられており、コアに近接した距離にある少なくとも一つの磁石を含む電磁気エネルギーハーベスタを含み、それによって、タイヤの衝撃は、磁石が振動して電源管理回路によって管理され、その後にセンサ、モジュールプロセッサ及びモジュール送信機に電力を供給するように用いられるコイル内の電力を生成するようにする。

【0084】

このシステムは、管理された電力がセンサ、モジュールプロセッサ及びモジュール送信機に電力を供給するのに用いられるエネルギー貯蔵装置を充電するように、エネルギー貯蔵装置及び充電回路を含むことができる。

【0085】

このシステムは、１次電池及びコンデンサを含むことができ、管理された電力はコンデンサを充電し、センサはモジュールプロセッサによって制御される充電方式に応じてコンデンサ、または１次電池によって選択的に電力が供給されるように設計される。

【0086】

このシステムは、車輪の回転率が増加するにつれて、距離がより小さくなるように、磁石とコアとの間の距離を制御するメカニズムを含むことができる。

【0087】

このシステムは、タイヤが回転する間に、タイヤ内に発生する遠心力によって誘導される磁石の変位を補償するメカニズムを含むことができる。

【0088】

このシステムは、磁石を支持するスプリングの偏向を減衰させる少なくとも一つの減衰スプリングを含むことができ、ここで、偏向はタイヤが回転する時に、タイヤ内に発生する遠心力によって誘導される。

【0089】

このシステムは、スプリングに吊り下げられた磁石上に固定磁石によって加えられる磁気力がタイヤが回転する間にタイヤ内に発生される遠心力の方向と反対方向になるように、ハーベスタ本体に対して固定された磁石を含むことができる。

【0090】

このシステムは、制御された圧力でエネルギーハーベスタをカプセル化するチャンバを含むことができる。

【0091】

本発明で記述されたシステムは、タイヤの機械的エネルギーを電気に変換するためのエネルギーハーベスタを用いる。このようなシステム及びエネルギーハーベスタは、多数の状況と多数の構成要素で用いられることができる。例えば、これは、車輪の内部に用いられることができる。以下及び特許請求範囲で、車両という用語は、自動車、トラック、バス、トラクタ、自転車、馬車などのように、リムとタイヤを含む少なくとも一つの車輪を有するあらゆる種類の運搬機械のことをいう。

【0092】

また、本発明は、リム、タイヤ及びタイヤの撓みを電気に変換するための装置を含む車輪に関する。任意の時点に地面と接触するタイヤの部分がタイヤの他の部分に対して撓むことが知られている。よって、本発明で記述されたエネルギーハーベスタをリムの内部面またはタイヤの内部面に固定することができ、タイヤの撓みをハーベスタに伝達するために、エネルギーハーベスタとタイヤとの間を連結するようにアームを用いることができる。伝達された動きは、２つの状態の間で磁石をトグルすることにより、または、コイルのコアに対して磁石を移動することにより、または、コイルのコアに対してスプリングに吊り下げられた磁石を振動させることにより、ハーベスタを活性化する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6a】

【図6b】

【図6c】

【図7a】

【図7b】

【図8a】

【図8b】

【図9a】

【図9b】

【図9c】

【図10】

【図11a】

【図11b】

【図12】

【図13a】

【図13b】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17a】

【図17b】

【図17c】

【図17d】

【図17e】

【図17f】

【図17g】

【図17h】

【図17i】

【図17j】

【図17k】

【図17L】

【図18】

【図19】

【図20a】

【図20b】

【図20c】

【国際調査報告】