(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な構造の発電体を備えるタイヤ組立体を提供する。【解決手段】発電体２２は、第１絶縁膜２１１と、第２絶縁膜２２１と、第１電極２１２と、第２電極２２２とを備える。第１絶縁膜は第１面２１０を有する。第２絶縁膜は、前記第１面に対向し、かつ前記第１面に接する第２面２２０を有する。第１電極は、導電性を有し、前記第１絶縁膜の前記第１面の裏面に接する。第２電極は、導電性を有し、前記第２絶縁膜の前記第２面の裏面に接する。前記発電体は、前記タイヤの変形により、前記第１面と前記第２面との真実接触面積が変化するように構成される。前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とは、前記真実接触面積が変化することにより一方が正に帯電し、他方が負に帯電するように構成される。前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とが帯電することにより、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧が生じ、電力を出力する。【選択図】図５
2020200012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪に装着されるタイヤと、
前記タイヤの内側に配置される発電体と、
前記発電体から出力される電力の供給を受ける電子機器と、
を備え、
前記発電体は、
第１面を有する第１絶縁膜と、
前記第１面に対向し、かつ前記第１面に接する第２面を有する第２絶縁膜と、
導電性を有し、前記第１絶縁膜の前記第１面の裏面に接する第１電極と、
導電性を有し、前記第２絶縁膜の前記第２面の裏面に接する第２電極と、
を備え、
前記発電体は、前記タイヤの変形により、前記第１面と前記第２面との真実接触面積が変化するように構成され、
前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とは、前記真実接触面積が変化することにより一方が正に帯電し、他方が負に帯電するように構成され、
前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とが帯電することにより、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧が生じ、前記発電体が電力を出力する、
タイヤ組立体。
【請求項２】
前記タイヤの周方向に沿った前記第２面の長さは、前記タイヤの接地長以下である、
請求項１に記載のタイヤ組立体。
【請求項３】
前記タイヤの周方向に沿った前記第２面の長さは、前記接地長の３０％〜９０％である、
請求項１又は２に記載のタイヤ組立体。
【請求項４】
前記発電体は、前記タイヤのトレッド部の内側面に配置され、前記タイヤの軸方向に沿った前記第２面の長さは、前記タイヤの接地幅の１０％〜９０％である、
請求項１から３のいずれかに記載のタイヤ組立体。
【請求項５】
前記電子機器には、外部の装置とデータ通信可能な通信装置が含まれる、
請求項１から４のいずれかに記載のタイヤ組立体。
【請求項６】
前記電子機器には、前記タイヤの状態に関するデータを検出する検出装置が含まれる、
請求項１から５のいずれかに記載のタイヤ組立体。
【請求項７】
前記電子機器には、前記電子機器を制御するマイクロコントローラが含まれる、
請求項１から６のいずれかに記載のタイヤ組立体。
【請求項８】
前記発電体が封入される防湿性のフィルム袋、
をさらに備える、
請求項１から７のいずれかに記載のタイヤ組立体。
【請求項９】
前記発電体が封入される柔軟性封止材、
をさらに備える、
請求項１から７のいずれかに記載のタイヤ組立体。
【請求項１０】
前記発電体により出力される電力を蓄える蓄電池、
をさらに備え、
前記電子機器は、前記蓄電池に蓄えられた電力の供給を受ける、
請求項１から９のいずれかに記載のタイヤ組立体。
【請求項１１】
前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とが相対的に近接するように前記発電体を加圧するように配置されるおもり、
をさらに備える、
請求項１から１０のいずれかに記載のタイヤ組立体。
【請求項１２】
前記電子機器は、前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とが相対的に近接するように前記発電体を加圧するように配置される、
請求項１から１０のいずれかに記載のタイヤ組立体。
【請求項１３】
前記蓄電池は、前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とが相対的に近接するように前記発電体を加圧するように配置される、
請求項１０に記載のタイヤ組立体。
【請求項１４】
請求項５に記載のタイヤ組立体と、
前記通信装置とデータ通信可能な外部制御装置と、
を備え、
前記通信装置は、前記発電体により出力される電圧及び電流、並びに電圧及び電流の少なくとも一方に基づく物理量のうち少なくとも１つの出力データを前記外部制御装置に送信し、
前記外部制御装置は、前記通信装置から受信した出力データに基づいて、前記タイヤに関する情報をモニタリングする、
タイヤのモニタリングシステム。
【請求項１５】
前記タイヤに関する情報は、前記タイヤの回転速度、前記タイヤの摩耗に関する情報及び前記タイヤが装着された車両が走行する道路の状態に関する情報のうち、少なくとも１つを含む、
請求項１４に記載のタイヤのモニタリングシステム。
【請求項１６】
前記外部制御装置は、前記タイヤ組立体が含まれる車両に搭載される、
請求項１４又は１５に記載のタイヤのモニタリングシステム。
【請求項１７】
請求項１から１３のいずれかに記載のタイヤ組立体が装着された車両を準備することと、
前記車両の走行中に前記発電体により出力される電圧及び電流、並びに電圧及び電流の少なくとも一方に基づく物理量のうち少なくとも１つの出力データを収集することと、
前記収集された出力データに基づいて、前記タイヤに関する情報をモニタリングすることと、
を含む、
タイヤのモニタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイヤ組立体、タイヤのモニタリングシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１６−８８４７３号公報（特許文献１）には、発電体と電子装置とをタイヤの内部に組み込んだタイヤ組立体が開示されている。発電体は、静電効果を利用してタイヤの機械的な振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、電子装置に電源を供給するように構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−８８４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されている発電体では、対向する一対の電極構造体が、タイヤの振動により互いに接触又は離間することにより静電気を生じる。このため、一対の電極構造体を離間して支持する固定部や、タイヤのゴム内部に発電体を埋め込む構成が必要となるため、構造が複雑化しやすい。
【０００５】
本発明は、簡易な構造の発電体を備えるタイヤ組立体並びにこれを利用してタイヤをモニタリングするためのモニタリングシステム及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１観点に係るタイヤ組立体は、車輪に装着されるタイヤと、前記タイヤの内側に配置される発電体と、前記発電体から出力される電力の供給を受ける電子機器とを備える。前記発電体は、第１絶縁膜と、第２絶縁膜と、第１電極と、第２電極とを備える。第１絶縁膜は第１面を有する。第２絶縁膜は、前記第１面に対向し、かつ前記第１面に接する第２面を有する。第１電極は、導電性を有し、前記第１絶縁膜の前記第１面の裏面に接する。第２電極は、導電性を有し、前記第２絶縁膜の前記第２面の裏面に接する。前記発電体は、前記タイヤの変形により、前記第１面と前記第２面との真実接触面積が変化するように構成される。前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とは、前記真実接触面積が変化することにより一方が正に帯電し、他方が負に帯電するように構成される。前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とが帯電することにより、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧が生じ、前記発電体が電力を出力する。
【０００７】
本発明の第１観点によれば、タイヤ組立体の電力出力のための構成を簡易にすることができる。
【０００８】
本発明の第２観点に係るタイヤ組立体は、第１観点に係るタイヤ組立体であって、前記タイヤの周方向に沿った前記第２面の長さは、前記タイヤの接地長以下である。
【０００９】
本発明の第２観点によれば、発電体が出力する起電力を効率的に高めることができる。
【００１０】
ここで、タイヤの「接地長」は、標準リムに装着され、所定の空気圧が充填されたタイヤを、静止した状態で平面に対し垂直に置き、所定の質量に対応する負荷を加えたときにトレッド部が平面に接触する領域の、タイヤの周方向に沿った長さの最大値とする。トレッド部が平面に接触する領域の接地形状は、上述のようにタイヤを平面に置く際に、タイヤの周面に塗布された塗料等が平面に転写する形状とすることができる。つまり、接地長は、接地形状の外接長方形の第１辺の長さとすることができる。ただし、外接長方形の第１辺は、上述の平面においてタイヤの軸方向に垂直に延びるものとする。
【００１１】
「標準リム」はタイヤが依拠する規格においてタイヤの分類ごとに定められるリムである。タイヤがJATMA（日本自動車タイヤ協会）規格に依拠していれば、JATMAのYEAR BOOKにおける標準リムが上述の「標準リム」である。また、タイヤがETRTO規格に依拠していれば、ETRTOのSTANDARDS MANUALに定められるリムを上述の標準リムとする。
【００１２】
「所定の空気圧」は、２００ｋＰａとする。なお、この空気圧はタイヤに充填される空気圧であり、タイヤを使用することによる上昇分を含まないものとする。「所定の質量」とは、タイヤがJATMAに依拠していれば、JATMAに規定される空気圧−負荷能力対応表において、空気圧が２００ｋＰａのときの負荷能力に対応する質量（ｋｇ）とする。タイヤがETRTO規格（スタンダード）に依拠していれば、「所定の質量」は、ETRTO（スタンダード）における空気圧−負荷能力対応表において、空気圧が２００ｋＰａのときの負荷に対応する質量（ｋｇ）であるものとする。タイヤがETRTO規格（Reinforced）に依拠していれば、「所定の質量」は、ETRTO（Reinforced）における空気圧−負荷能力対応表において、空気圧が２００ｋＰａのときの負荷に対応する質量（ｋｇ）であるものとする。
【００１３】
発電体の第２面のタイヤの周方向に沿った長さは、第２面の一方の端部から他方の端部までのタイヤの周方向に沿った距離のうち、最大となる長さとする。
【００１４】
本発明の第３観点に係るタイヤ組立体は、第１観点又は第２観点に係るタイヤ組立体であって、前記タイヤの周方向に沿った前記第２面の長さは、前記接地長の３０％〜９０％である。
【００１５】
本発明の第４観点に係るタイヤ組立体は、第１観点から第３観点のいずれかに係るタイヤ組立体であって、前記発電体は、前記タイヤのトレッド部の内側面に配置される。前記タイヤの軸方向に沿った前記第２面の長さは、前記タイヤの接地幅の１０％〜９０％である。
【００１６】
タイヤの「接地幅」は、上述の接地長と同様の条件下でトレッド部が平面に接触する領域の、タイヤの軸方向に沿った長さの最大値とする。つまり、接地幅は、接地形状の外接長方形の第２辺の長さとすることができる。ただし、第２辺は上述の第１辺に直交する辺である。
【００１７】
発電体の第２面のタイヤの軸方向に沿った長さは、第２面の一方の端部から他方の端部までのタイヤの軸方向に沿った距離のうち、最大となる長さとする。
【００１８】
本発明の第５観点に係るタイヤ組立体は、第１観点から第４観点のいずれかに係るタイヤ組立体であって、前記電子機器には、外部の装置とデータ通信可能な通信装置が含まれる。
【００１９】
本発明の第６観点に係るタイヤ組立体は、第１観点から第５観点のいずれかに係るタイヤ組立体であって、前記電子機器には、前記タイヤの状態に関するデータを検出する検出装置が含まれる。
【００２０】
本発明の第７観点に係るタイヤ組立体は、第１観点から第６観点のいずれかに係るタイヤ組立体であって、前記電子機器には、前記電子機器を制御するマイクロコントローラが含まれる。
【００２１】
本発明の第８観点に係るタイヤ組立体は、第１観点から第７観点のいずれかに係るタイヤ組立体であって、前記発電体が封入される防湿性のフィルム袋をさらに備える。
【００２２】
本発明の第９観点に係るタイヤ組立体は、第１観点から第７観点のいずれかに係るタイヤ組立体であって、前記発電体が封入される柔軟性封止材をさらに備える。
【００２３】
本発明の第１０観点に係るタイヤ組立体は、第１観点から第９観点のいずれかに係るタイヤ組立体であって、前記発電体により出力される電力を蓄える蓄電池をさらに備える。前記電子機器は、前記蓄電池に蓄えられた電力の供給を受ける。
【００２４】
本発明の第１１観点に係るタイヤ組立体は、第１観点から第１０観点のいずれかに係るタイヤ組立体であって、前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とが相対的に近接するように前記発電体を加圧するように配置されるおもりをさらに備える。
【００２５】
本発明の第１２観点に係るタイヤ組立体は、第１観点から第１０観点のいずれかに係るタイヤ組立体であって、前記電子機器は、前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とが相対的に近接するように前記発電体を加圧するように配置される。
【００２６】
本発明の第１３観点に係るタイヤ組立体は、第１０観点に係るタイヤ組立体であって、前記蓄電池は、前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜とが相対的に近接するように前記発電体を加圧するように配置される。
【００２７】
本発明の第１４観点に係るタイヤのモニタリングシステムは、第５観点に係るタイヤ組立体と、前記通信装置とデータ通信可能な外部制御装置とを備える。前記通信装置は、前記発電体により出力される電圧及び電流、並びに電圧及び電流の少なくとも一方に基づく物理量のうち少なくとも１つの出力データを前記外部制御装置に送信する。前記外部制御装置は、前記通信装置から受信した出力データに基づいて、前記タイヤに関する情報をモニタリングする。
【００２８】
本発明の第１５観点に係るタイヤのモニタリングシステムは、第１４観点に係るタイヤのモニタリングシステムであって、前記タイヤに関する情報は、前記タイヤの回転速度、前記タイヤの摩耗に関する情報及び前記タイヤが装着された車両が走行する道路の状態に関する情報のうち、少なくとも１つを含む。
【００２９】
本発明の第１６観点に係るタイヤのモニタリングシステムは、第１４観点又は第１５観点に係るタイヤのモニタリングシステムであって、前記外部制御装置は、前記タイヤ組立体が含まれる車両に搭載される。
【００３０】
本発明の第１７観点に係るタイヤのモニタリング方法は、以下のことを含む。
・第１観点から第１３観点のいずれかに係るタイヤ組立体が装着された車両を準備すること。
・前記車両の走行中に前記発電体により出力される電圧及び電流、並びに電圧及び電流の少なくとも一方に基づく物理量のうち少なくとも１つの出力データを収集すること。
・前記収集された出力データに基づいて、前記タイヤに関する情報をモニタリングすること。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、簡易な構造の発電体を備えるタイヤ組立体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係るタイヤのモニタリングシステムの全体構成を示す図。
【図２】モニタリングシステムの電気的構成を示すブロック図。
【図３】タイヤ組立体の構成を示す断面図。
【図４】別の実施形態に係るタイヤ組立体の構成を示す断面図。
【図５】発電体及びセンサモジュールの全体構成を示す図。
【図６】発電体の動作原理を示す図。
【図７Ａ】発電体の出力電圧のグラフ。
【図７Ｂ】発電体の出力電圧のグラフ。
【図７Ｃ】発電体の出力電圧のグラフ。
【図７Ｄ】発電体の出力電圧のグラフ。
【図８】タイヤ組立体を用いた実験装置の構成を示す図。
【図９】タイヤ組立体に組み込まれた発電体が受ける力を示す図。
【図１０Ａ】発電体を用いた実験を説明する図。
【図１０Ｂ】おもりの質量と出力電圧のグラフ。
【図１１】通常状態での出力電圧と摩擦状態での出力電圧とを比較する図。
【図１２Ａ】第２面の構成例を示す図。
【図１２Ｂ】第２面の他の構成例を示す図。
【図１３Ａ】比較例１に係るタイヤ組立体の出力電圧のグラフ。
【図１３Ｂ】比較例２に係るタイヤ組立体の出力電圧のグラフ。
【図１３Ｃ】比較例３に係るタイヤ組立体の出力電圧のグラフ。
【図１３Ｄ】実施例に係るタイヤ組立体の出力電圧のグラフ。
【図１４】第２面の長さと出力電圧のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係るタイヤ組立体並びにこれを利用したタイヤのモニタリングシステム及びモニタリング方法について説明する。
【００３４】
＜１．タイヤのモニタリングシステムの全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るタイヤのモニタリングシステム１００（以下、単にシステム１００と呼ぶことがある）の全体構成を示す図である。システム１００は、車両１に搭載されている制御装置３０及び車両１の車輪に装着されるタイヤ組立体２０とを含む、タイヤをモニタリングするためのシステムである。システム１００は、例えばＴＰＭＳ（Tire Pressure Monitoring System; タイヤ空気圧モニタリングシステム）として機能する。車両１は、四輪車両であり、左前輪ＦＬ、右前輪ＦＲ、左後輪ＲＬ及び右後輪ＲＲを備えている。車輪ＦＬ，ＦＲ，ＲＬ，ＲＲには、それぞれタイヤ組立体２０ａ〜２０ｄが装着されている。タイヤ組立体２０ａ〜２０ｄは、取り付けられる車輪が異なるが、同じ構造及び機能を有している。従って、これらを区別せずに、タイヤ組立体２０ａ〜２０ｄをタイヤ組立体２０と呼ぶことがある。
【００３５】
図２は、システム１００の電気的構成を示すブロック図である。制御装置３０は、タイヤ組立体２０に含まれるタイヤ２６（図３及び図４参照）に関する情報をモニタリングするための各種処理を制御するユニットであり、ＣＰＵ３１、Ｉ／Ｏインターフェース３４、ＲＡＭ３５、ＲＯＭ３６、及び不揮発性で書き換え可能な記憶装置３８を備えている。Ｉ／Ｏインターフェース３４は、表示器４０やタイヤ組立体２０等の外部装置との有線又は無線による通信を行うための通信装置である。ＲＯＭ３６には、システム１００の動作を制御するためのプログラム３７が格納されている。ＣＰＵ３１は、ＲＯＭ３６からプログラム３７を読み出して実行することにより、仮想的に演算部３２及び制御部３３として動作する。各部の動作の詳細は、後述する。記憶装置３８は、ハードディスクやフラッシュメモリ等で構成される。なお、プログラム３７の格納場所は、ＲＯＭ３６ではなく、記憶装置３８であってもよい。また、ＲＡＭ３５及び記憶装置３８は、ＣＰＵ３１の演算に適宜使用される。また、制御装置３０は、ネットワークを介してクラウドコンピューティングサービスに接続されていてもよい。
【００３６】
表示器４０は、各種の情報を表示してユーザに伝えることができる限り、態様は限定されない。例えば、液晶モニター、液晶表示素子、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ等、任意の態様で実現することができる。表示器４０の取り付け位置は、適宜選択することができるが、例えば、インストルメントパネル上等、ドライバーに分かりやすい位置に設けることが望ましい。制御装置３０がカーナビゲーションシステムに接続される場合には、カーナビゲーション用のモニターを表示器４０として使用することも可能であるし、マルチインフォメーションディスプレイを表示器４０として使用することも可能である。
【００３７】
図３は、タイヤ組立体２０の構成を示す断面図である。タイヤ組立体２０は、車両１の車輪に装着されるタイヤ２６と、タイヤ２６の内側に配置される発電体２２及びセンサモジュール２８とを備える。発電体２２は、後述するように、タイヤ２６の変形を利用して電力を出力するように構成される。センサモジュール２８には、発電体２２から出力される電力の供給を受ける電子機器が含まれている。電子機器は、本実施形態では検出装置、マイクロコントローラ（以下、マイコンと呼ぶ）２３及び通信装置２５（アンテナを含む）である（図２及び図５参照）。検出装置は、タイヤ２６の状態に関するデータを検出する装置であり、本実施形態ではタイヤ２６内部の空気圧を検出する空気圧センサ２１である。通信装置２５は、センサモジュール２８の外部の装置とデータ通信をすることができる。マイコン２３は、空気圧センサ２１及び通信装置２５の動作を制御する。空気圧センサ２１、マイコン２３及び通信装置２５は、発電体２２から出力される電力の供給を受けて駆動される。
【００３８】
空気圧センサ２１によって検出されたタイヤ２６の空気圧のデータは、マイコン２３内の記憶部に記憶され、所定の間隔ごとに通信装置２５によって制御装置３０に送信される。制御装置３０によって受信されたデータは、後述するように演算部３２により処理され、その結果に基づいてタイヤ２６が減圧しているか否かが判定される。制御部３３は、判定に応じてシステム１００の各部の動作を制御する。
【００３９】
センサモジュール２８は、蓄電池２４をさらに備える（図５参照）。発電体２２により出力される電力は、マイコン２３を介して蓄電池２４に蓄えられる。空気圧センサ２１、マイコン２３及び通信装置２５は、蓄電池２４に蓄えられた電力の供給を受ける。なお、蓄電池２４には、電流を直流交流変換する整流器が付属している。
【００４０】
発電体２２の出力する電圧及び電流、並びに電圧及び電流の少なくとも一方に基づく物理量のうち少なくとも１つのデータは、後述するようにタイヤ２６に関する情報をモニタリングするためのデータとして利用することができる。すなわち、発電体２２は電力供給源のみならずセンサとしても機能する。この場合、マイコン２３内に構成された検知回路（図示しない）が発電体２２の出力する電圧又は電流を検知する。検知されたデータはマイコン２３内の記憶装置に記憶され、所定の間隔ごとに通信装置２５によって制御装置３０に送信される。なお、通信装置２５から制御装置３０に送信される出力データは、検知されたデータそのものでなくてもよく、これに変えて又は加えて、電圧及び電流の少なくとも一方に基づく物理量のデータ（例えば、電力のデータ）を含んでいてもよい。制御装置３０によって受信された出力データは、演算部３２により所定のアルゴリズムで解析され、タイヤ２６の回転速度（車輪速）、タイヤ２６の摩耗状態、及び車両１が走行する道路の状態に関する情報が取得される。取得されたこれらの情報は、制御部３３によるシステム１００の制御に用いられる。
【００４１】
＜２．タイヤ組立体の構成＞
以下、図３を参照しつつタイヤ組立体２０の詳細な構成について説明する。図３は、ホイール２７に装着されたタイヤ組立体２０の部分断面図である。図３では、紙面の奥から手前に向かう方向、又は紙面の手前から奥に向かう方向がタイヤ組立体２０の周方向である。タイヤ組立体２０は、軸Ｗを中心として周方向に延びるタイヤ２６を備えている。タイヤ２６又はタイヤ組立体２０は、ホイール２７に固定されると、ホイール２７と共に軸Ｗを中心として回転する。ホイール２７は、金属材料から構成され、エンジンの回転をタイヤ組立体２０に伝達する。ホイール２７の周縁部にはホイールリム（リム）２７０が形成される。
【００４２】
タイヤ２６は、ホイール２７に着脱可能に固定される。タイヤ２６は、ゴムや熱可塑性エラストマー等の弾性材料から構成され、トレッド部２６０、ショルダ部２６１、サイドウォール部２６２、及びビード部２６３を有する。トレッド部２６０は、軸Ｗを基準とするタイヤ２６の側周面を画定する部分であり、路面と接触して摩擦を生じることで車両１を前進させる。ショルダ部２６１は、トレッド部２６０及びサイドウォール部２６２に隣接する。サイドウォール部２６２は、ショルダ部２６１に隣接しており、路面からの衝撃を吸収すべく屈曲して撓みを生じる。ビード部２６３は、内部にビードワイヤを内蔵しており、ホイールリム２７０に固定されている。
【００４３】
上述したように、タイヤ組立体２０は、タイヤ２６の内側に配置されるセンサモジュール２８を備える。センサモジュール２８は、リード線Ｌ１，Ｌ２を介して発電体２２と電気的に接続されている。本実施形態のセンサモジュール２８は、図３に示すように発電体２２の上に重なるような態様で発電体２２の上面に固定される。言い換えると、センサモジュール２８は、センサモジュール２８が軸Ｗを基準として径方向内側に、発電体２２が軸Ｗを基準として径方向外側に配置されるような態様で発電体２２に固定される。ただし、説明の便宜上、図における発電体２２及びセンサモジュール２８の縮尺は必ずしも正確ではない。
【００４４】
なお、タイヤ２６の変形が発電体２２に伝わる限り、発電体２２及びセンサモジュール２８の配置される箇所はトレッド部２６０の内側面に限定されない。発電体２２及びセンサモジュール２８の配置される場所として、例えばショルダ部２６１の内側面及びサイドウォール部２６２の内側面を選択することもできる。また、センサモジュール２８は発電体２２に固定されていなくてもよく、これらの相対的な位置関係は適宜選択することができる。例えば、図４に示すように、センサモジュール２８と発電体２２とをそれぞれトレッド部２６０の内側面に平面的に配置することもできる。ただし、センサモジュール２８が発電体２２の上面に固定されない場合には、おもりＭをタイヤ２６内にさらに配置し、タイヤ組立体２０の回転時に発電体２２に加圧することが望ましい。おもりＭについては後述する。
【００４５】
図５に発電体２２及びセンサモジュール２８の詳細な構成を示す。センサモジュール２８は、プリント基板Ｐを介して互いに電気的に接続される空気圧センサ２１と、マイコン２３と、蓄電池２４と、通信装置２５とを備える。マイコン２３にはリード線Ｌ１，Ｌ２が接続される。プリント基板Ｐ、空気圧センサ２１、マイコン２３、蓄電池２４、及び通信装置２５は、エポキシ樹脂Ｅで一体的に封止されている。リード線Ｌ１，Ｌ２は、エポキシ樹脂Ｅを貫通してエポキシ樹脂Ｅの外側へと延び、後述する発電体２２の第１電極２１２及び第２電極２２２にそれぞれ接続される。
【００４６】
タイヤ組立体２０は、防湿性のフィルム袋Ｆをさらに備え、このフィルム袋Ｆに発電体２２が封入される。発電体２２は、第１絶縁膜２１１と、第２絶縁膜２２１と、第１電極２１２と、第２電極２２２とを有する。第１電極２１２及び第２電極２２２にはリード線Ｌ１，Ｌ２がそれぞれ接続される。リード線Ｌ１，Ｌ２は、それぞれフィルム袋Ｆの外部へと延び、マイコン２３と電気的に接続される。なお、発電体２２はフィルム袋Ｆに減圧下で封入されてもよい。
【００４７】
発電体２２は、以下の原理を利用して発電を行う。異なる２種類の物質（絶縁膜）同士が接触すると、絶縁膜同士が接触する接触面の間で電荷が移動する。すなわち、帯電列においてより正極性側の絶縁膜から、より負極性側の絶縁膜へと電子が移動する。次に、絶縁膜が離間すると、一方の絶縁膜から他方の絶縁膜へと移動した電子の多くが移動先の絶縁膜に残留した状態となり、一方の絶縁膜は正に、他方の絶縁膜は負に帯電する。こうして２つの絶縁膜の間に起電力が生じる。なお、電荷の移動による絶縁膜の帯電は、一部が接触した状態の絶縁膜に、絶縁膜同士がさらに近接するように圧力を加え、次に圧力を取り除いても、同様に発生させることができる。つまり、絶縁膜が最初から一部接触していても、絶縁膜同士が接触する接触面の平均面間の距離（平均面間隔）を変化させることにより、起電力が生じる。絶縁膜の接触面に凹凸を付加すると、絶縁膜に圧力を加えていない状態では接触面の平均面間隔は比較的大きい。次に、絶縁膜同士が相対的に近接するように圧力を加えると、絶縁膜の接触面の形状が変化して、平均面間隔は減少する。その結果、圧力を取り除くと、接触面の凹凸が復元し、平均面間隔が増加するため、絶縁膜に帯電した電荷によりそれぞれの絶縁膜に接する電極には高電圧の電荷が誘導される。このようにして、一方の電極が正に、他方の電極が負に帯電する。なお、２種類の絶縁膜を構成する材質が帯電列において相対的に離れているほど、帯電量が増加する。ここで、接触面の平均面間隔が変化することは、接触面の真実接触面積が変化することと等価であるものとする。つまり、平均面間隔の減少は、真実接触面積の増加と等価であり、平均面間隔の増加は、真実接触面積の減少と等価であるものとする。
【００４８】
なお、真実接触面積は、絶縁膜が面方向に相対的に移動することによっても変化することがある。従って、発電体２２に加わる力のうち、絶縁膜同士が近接離間するような力のみならず、絶縁膜が面方向に相対的に移動するような力も、発電体２２の発電に寄与する。
【００４９】
第１絶縁膜２１１は、第１面２１０を有し、第２絶縁膜２２１は、第２面２２０を有する。第２面２２０は、第１面２１０に対向し、かつ第１面２１０に接する。第１面２１０と第２面２２０との真実接触面積は、タイヤ２６の変形に応じて変化するように構成される。第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１とは、帯電列において互いに離れた材料で構成されている。このため、タイヤ２６の変形を受けて第１面２１０と第２面２２０との真実接触面積が変化すると、第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１のうち一方が正に帯電し、他方が負に帯電する。例えば、真実接触面積が変化すると第１絶縁膜２１１が正に帯電する場合、第２絶縁膜２２１は負に帯電する。反対に、真実接触面積が変化すると第１絶縁膜２１１が負に帯電する場合、第２絶縁膜２２１は正に帯電する。この構成により、第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１とを離間して支持するための構造体や、発電体２２をタイヤ２６のゴム内部に組み込む構成が不要となる。その結果、発電体２２は簡易な構造で発電を行うことができる。
【００５０】
第１面２１０及び第２面２２０は、それぞれ凹凸形状を有する。このため、第１面２１０と第２面２２０とは、一部において接触しているが、第１面２１０と第２面２２０とが接触していない部分も存在する。タイヤ２６の変形が発電体２２に伝わると、第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１とは後述するように動作し、誘導電荷を生じる。第１面２１０及び第２面２２０のうち少なくとも一方は、十点平均粗さが１００μｍ以上２ｍｍ以下であることが望ましい。なお、十点平均粗さの測定方法はＪＩＳ  Ｂ ０６０１：２００１に従う。
【００５１】
ここで、上述の原理によれば、２つの絶縁膜が接触する接触面の面積が大きければ大きい程、絶縁膜を移動する電荷の総量が多くなり、結果として発電体の出力する電圧が大きくなると考えられる。つまり、発電体２２においては、第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１とが重なり合う領域の面積、すなわち第２面２２０の面積が大きい程真実接触面積も大きくなり、発電体２２の出力電圧が大きくなると考えられる。しかしながら、本発明者らの検討によれば、単に第２面２２０の面積を大きくしても、これによってより大きな出力電圧が得られるとは限らない。
【００５２】
より具体的には、本発明者らは、第２面２２０の長さＨ１とタイヤ２６の接地長Ｉ１との大小関係と、発電体２２の出力電圧とに相関があることに着目した。ただし、長さＨ１とは、タイヤ２６の周方向に沿って計測される第２面２２０の一方の端部から他方の端部までの距離のうち、最大のものとする。本発明者らによれば、長さＨ１が接地長Ｉ１以下である方が、長さＨ１が接地長Ｉ１を超える方よりも出力電圧が大きくなる（図１３Ａ〜Ｄ参照）。また、長さＨ１が接地長Ｉ１を超える程度が大きい程、出力電圧が小さくなる（図１４参照）。
【００５３】
後述するように、発電体２２の出力する電圧は、第１面２１０と第２面２２０との真実接触面積の時間変化に応じて変化する。より具体的には、真実接触面積の時間変化が大きい程、出力電圧の絶対値もそれに比例して大きく、タイヤ組立体２０の回転中、発電体２２が路面に最も近づくときに出力電圧の波形が顕著なピークを示すことが分かっている。しかしながら、長さＨ１が接地長Ｉ１を超える（Ｈ１＞Ｉ１）ように発電体２２が構成されると、トレッド部２６０の接地開始部分と、接地離脱部分との双方からの衝撃が、同時に発電体２２に伝わるようになる。このため、発電体２２（第２面２２０）の接地開始部分に対応する部位と、接地離脱部分に対応する部位とで生じた局所的な起電力が互いに打ち消し合い、発電体２２全体としての出力電圧が小さくなると考えられる。なお、トレッド部２６０の接地開始部分は、トレッド部２６０において路面に接触し始める部分を称するものとする。また、トレッド部２６０の接地離脱部分は、トレッド部２６０において、それまで接触していた路面から離れ始める部分を称するものとする。
【００５４】
このことから、タイヤ組立体２０の起電力を高めるためには、少なくとも第２面２２０を、接地開始部分と接地離脱部分との双方にまたがらないようにする必要がある。従って、タイヤ組立体２０において、発電体２２の第２面２２０のタイヤ２６の周方向に沿った長さＨ１は、タイヤ２６の接地長Ｉ１以下となるように構成される。さらに、長さＨ１は接地長Ｉ１の３０％〜９０％であることがより好ましい。
【００５５】
同様に、発電体２２がトレッド部２６０の内側面に配置される実施形態においては、第２面２２０のタイヤ２６の軸方向に沿った長さＨ２がタイヤ２６の接地幅Ｉ２以下となることが好ましい。ただし、長さＨ２は、タイヤ２６の軸方向に沿って計測される第２面２２０の一方の端部から他方の端部までの距離のうち、最大のものとする。長さＨ２は、接地幅Ｉ２の１０％〜９０％であることがより好ましい。
【００５６】
ここで、図１２Ａ及び１２Ｂは、タイヤ２６の内側面に配置された発電体２２の第１絶縁膜２１１、第２絶縁膜２２１及び第２面２２０を示す平面図であり、図の上下方向をタイヤ２６の周方向とし、図の左右方向をタイヤ２６の軸方向とする。図１２Ａに示す例では、第１絶縁膜２１１、第２絶縁膜２２１が共に長さＨ１及び長さＨ２の辺を有する長方形に構成され、互いの位置及び向きが一致して積層されている。このとき、第２面２２０のタイヤ２６の周方向に沿った長さはＨ１であり、タイヤ２６の軸方向に沿った長さはＨ２である。また、図１２Ｂに示す例では、第１絶縁膜２１１の向きが第２絶縁膜２２１に対してずれており、第２面２２０の形状が長方形状ではない。このような場合であっても、長さＨ１及びＨ２は同様に定義される。
【００５７】
第１絶縁膜２１１の第１面２１０の裏面には、平板状の第１電極２１２が接している。第１電極２１２は、導電膜２１２ａと絶縁性の基材２１２ｂとを備え、基材２１２ｂの表面が導電膜２１２ａで被覆されている。導電膜２１２ａは、例えばＡｇ（銀）、Ｃｕ（銅）等、導電性を有する材料で構成される。基材２１２ｂは、ゴム又はエラストマー等の可撓性を有する材料で構成される。従って、第１電極２１２は、全体として可撓性を有し、発電体２２全体が受ける変形にある程度追随して変形することができる。第２絶縁膜２２１の第２面２２０の裏面には、平板状の第２電極２２２が接している。第２電極２２２は、導電膜２２２ａと絶縁性の基材２２２ｂとを備え、基材２２２ｂの表面が導電膜２２２ａで被覆されている。導電膜２２２ａは、例えばＡｇ（銀）、Ｃｕ（銅）等、導電性を有する材料で構成される。基材２２２ｂは、ゴム又はエラストマー等の可撓性を有する材料で構成される。従って、第２電極２２２は、全体として可撓性を有し、発電体２２全体が受ける変形にある程度追随して変形することができる。なお、第１電極２１２と第２電極２２２のうちいずれか一方は基材を備えない構成とすることもできるし、導電性のエラストマーで構成することもできる。第１電極２１２と第２電極２２２とは、リード線Ｌ１，Ｌ２を介してマイコン２３にそれぞれ電気的に接続される。これにより、発電体２２からマイコン２３へと誘電電荷が誘導され、マイコン２３内の電気回路に電流が流れる。
【００５８】
第１絶縁膜２１１及び第２絶縁膜２２１のうち、正に帯電する方はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）であることが望ましく、負に帯電する方はフッ化炭素有機物を主成分とする絶縁膜であることが望ましい。ＤＬＣは、硬度が高く、なおかつ摩擦係数が低いため、絶縁膜同士が摩擦接触することによる双方の絶縁膜の摩耗が少ない。すなわち、第１面２１０及び第２面２２０の凹凸が摩耗し難いので、発電体２２の発電性能を長期間保つことができる。また、フッ化炭素有機物を主成分とする絶縁膜は潤滑性が高いので、第１面２１０及び第２面２２０の摩耗を抑制することができる。その他、第１絶縁膜２１１及び第２絶縁膜２２１を構成する材料としては、例えば、パーフルオロポリエーテル、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソブチレン、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、ポリクロロプレン、天然ゴム、ポリアクリロニトリル、ポリジフェノールカーボネート、塩化ポリエーテル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリテトラフルオロエチレン、四フッ化エチレン及び六フッ化プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等が挙げられる。
【００５９】
第１絶縁膜２１１及び第２絶縁膜２２１のうち少なくとも一方は、厚さが２０μｍ以下に構成されることが望ましい。また、第１絶縁膜２１１及び第２絶縁膜２２１の双方の厚さが２０μｍ以下に構成されることがさらに望ましい。
【００６０】
フィルム袋Ｆを構成する材料は、水蒸気を遮断する性質を有するものであれば特に限定はされない。例えば、プラスチックフィルム製の基材表面に、アルミニウムや銅を蒸着させてなるフィルム材を用いることができる。タイヤ組立体２０の内部では、温度変化により相対湿度が変化して水蒸気が発生し、発生した水蒸気が発電体２２の動作に影響を及ぼすことがある。フィルム袋Ｆはタイヤ組立体２０内に発生した水蒸気を発電体２２から遮断し、発電体２２への影響を限定的なものとすることができる。
【００６１】
タイヤ組立体２０は、フィルム袋Ｆに代えて、発電体２２が封止される柔軟性封止材Ｕを備えていてもよい（図５参照）。柔軟性封止材Ｕとしては、低硬度、低弾性率で吸水率が小さいものが好ましい。発電体２２は、柔軟性封止材Ｕで封止されてもよいし、柔軟性封止材Ｕで作成された封入用のカバーの中に封入されてもよい。
【００６２】
より具体的には、柔軟性封止材Ｕのショア硬度(JIS K 6253)の範囲は、5〜50が好ましく、20〜40がより好ましい。また、柔軟性封止材Ｕの吸水率（JIS K 6911）の範囲は、0.5%以下が好ましく、0.2%以下がより好ましい。柔軟性封止材Ｕの限定されない例としては、サンユレック株式会社の防水絶縁用耐熱性ウレタン樹脂（UA-3001）あるいはウレタン樹脂（UE-503）等が挙げられる。
【００６３】
本実施形態では、図３に示すようにセンサモジュール２８が発電体２２の上面に固定されることにより、センサモジュール２８がおもりとして機能する。すなわち、空気圧センサ２１、マイコン２３、蓄電池２４及び通信装置２５は、その重量により、第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１とが相対的に近接するように発電体２２を加圧する。タイヤ組立体２０が回転すると、センサモジュール２８に遠心力が作用し、センサモジュール２８によって発電体２２がタイヤ２６に押し付けられ、第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１とが相対的に近接するような圧力が加えられ、発電が行われる。しかしながら、図４に示すように、センサモジュール２８を、発電体２２による発電を補助するおもりとして機能しない位置に配置することもできる。その場合、図４に示すように、センサモジュール２８とは別途、第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１とが相対的に近接するように発電体２２を加圧するおもりＭを配置することが望ましい。おもりＭは、第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１とが相対的に近接するような圧力を作用させることができれば、どのような物体でもよく、タイヤ組立体２０への固定方法も適宜選択することができる。
【００６４】
本実施形態に係るタイヤ２６は、チューブを備えないチューブレスタイヤである。しかし、タイヤ組立体２０がタイヤ２６とチューブとを備えるチューブタイヤである場合は、タイヤ２６とチューブとの間に発電体２２を配置することにより、チューブをおもりＭと同じく発電体２２による発電を補助する要素として機能させることができる。すなわち、チューブ内の空気圧が発電体２２をタイヤ２６に押し付けるように作用し、チューブによって第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１とが相対的に近接するように発電体２２に加圧することができる。
【００６５】
＜３．発電体の動作＞
以下、発電体２２の動作について説明する。タイヤ組立体２０が静止している状態では、第１絶縁膜２１１の第１面２１０と第２絶縁膜２２１の第２面２２０とは、図５に示すように、凹凸形状の一部において接触している。この時、タイヤ２６は静止しているため、真実接触面積は殆ど変化せず、第１電極２１２及び第２電極２２２間に電位差が生じたとしても、その絶対値は比較的小さい。
【００６６】
タイヤ組立体２０が路面上を回転すると、トレッド部２６０のうち路面と接する部分が路面から衝撃を受ける。この衝撃がタイヤ２６全体に伝達されると、衝撃を吸収するため特にサイドウォール部２６２に撓みが生じ、タイヤ２６全体が変形する。その後、サイドウォール部２６２は変形から戻ろうとするが、トレッド部２６０の別の部分を介して再び路面からの衝撃を受ける。このようにして、タイヤ２６は全体として伸縮変形を繰り返す。タイヤ２６の伸縮変形は、トレッド部２６０の内側面に固定された発電体２２に伝わる。発電体２２は、伝達されるタイヤ２６の伸縮変形に対応して変形する。その結果、第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１とが互いに近接離間したり、第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１との相対的な位置が面方向にずれたりして、真実接触面積が変化する。
【００６７】
タイヤ組立体２０が回転すると、センサモジュール２８に遠心力が作用し、発電体２２は、第１電極２１２側からトレッド部２６０の内側面に押し付けられる。こうして発電体２２に第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１とが相対的に近接するような圧力が作用する。その結果、第１面２１０及び第２面２２０の有する凹凸形状が、タイヤ組立体２０の静止状態と比較して平たい形状に変形し、真実接触面積が増加する（図６参照）。チューブレスタイヤでは、発電体２２をおもりにより加圧すると、発電体２２を加圧していない場合と比較して、上述したタイヤ２６の変形による真実接触面積の変化が大きくなる。その結果、誘導される電荷量を、発電体２２を加圧しない場合と比較して大きくすることができる。なお、後述するように、発電体２２の出力電圧Ｖはおもりの質量ｍの２乗に比例する。
【００６８】
車両１の走行中に発電体２２により出力される電力は、空気圧センサ２１、マイコン２３、及び通信装置２５に供給され、これらの駆動電力となる。本実施形態では、発電体２２により出力される電力は、蓄電池２４に蓄えられる。よって、蓄電池２４に蓄積された電力により空気圧センサ２１、マイコン２３、及び通信装置２５を車両１の停止時にも駆動することができる。
【００６９】
＜４．モニタリングシステムの動作＞
以下、図面を参照しつつ、本実施形態に係るタイヤのモニタリングシステム１００の動作について説明する。本実施形態に係るタイヤのモニタリングには、空気圧センサ２１によるモニタリングと、発電体２２の出力電圧のデータを利用するモニタリングとがある。空気圧センサ２１によるモニタリングの対象は、タイヤ２６内部の空気圧である。一方、発電体２２によるモニタリングの対象は、例えばタイヤ２６（又はタイヤ組立体２０）の回転速度、タイヤ２６の摩耗、及び車両１が走行する道路の状態とすることができる。システム１００は、例えば制御装置３０の電源がＯＮになると以下のモニタリング処理を開始し、車両１が停止して一定時間が経過するとモニタリング処理を停止するものとすることができる。
【００７０】
＜４−１．空気圧モニタリング＞
空気圧モニタリングでは、空気圧センサ２１が各タイヤ組立体２０ａ〜２０ｄのタイヤ２６内部の空気圧をそれぞれ検出する。各タイヤ組立体２０ａ〜２０ｄについて検出された空気圧のデータは、それぞれのタイヤ組立体２０が有するマイコン２３の記憶部に一旦蓄積され、所定の時間間隔で通信装置２５を介して制御装置３０に送信される。データの送信間隔は、例えば１回／４０秒とすることができる。
【００７１】
制御装置３０は、通信装置２５から定期的に送信される各タイヤ組立体２０ａ〜２０ｄ空気圧のデータを受信する。ＲＯＭ３６又は記憶装置３８には各タイヤ組立体２０ａ〜２０ｄが有する空気圧センサ２１を識別するＩＤが予め記憶されている。一方、空気圧のデータには、各タイヤ組立体２０ａ〜２０ｄが含む空気圧センサ２１を識別するＩＤが含まれており、制御装置３０はＩＤ照合を行うことで受信した４つのデータとタイヤ組立体２０ａ〜２０ｄとを関連付けることができる。データが受信されると、演算部３２がこれらのデータから各タイヤ組立体２０ａ〜２０ｄの空気圧を取得し、予めＲＯＭ３６又は記憶装置３８に記憶されている減圧閾値と比較する。減圧閾値とは、検出された空気圧がこれを下回った際にそのタイヤが減圧していると判定する空気圧の値とすることができる。或いは、減圧閾値は、記憶装置３８等に保存されている各タイヤの空気圧の初期値から、予め定められた減圧率だけ減圧した空気圧とすることもできる。演算部３２は、検出された空気圧のデータが減圧閾値以上であれば正常、減圧閾値未満であれば減圧（異常）と判定する。
【００７２】
演算部３２による判定が「正常」である場合、制御部３３は次に通信装置２５から受信されるデータについて、演算部３２に同様の処理を繰り返させる。一方、演算部３２による判定が「異常」である場合、制御部３３は表示器４０等を介して減圧警報を出力し、ユーザに注意を促す。
【００７３】
＜４−２．発電体によるモニタリング＞
発電体２２によるモニタリングでは、発電体２２をタイヤ２６に関する情報を検出するセンサとして利用する。本実施形態では、発電体２２がタイヤ組立体２０の回転中に出力する電圧のデータを利用して、タイヤ２６の回転速度、タイヤ２６の摩耗、及び車両１が走行する道路の状態に関する情報を取得する。
【００７４】
発電体２２の出力する電圧Ｖは、第１面２１０と第２面２２０との真実接触面積Ａ１の時間変化に応じて変化する。より具体的には、Ａ１の時間変化（ｄＡ１／ｄｔ）が大きい程、Ｖの絶対値もそれに比例して大きくなる。特に（ｄＡ１／ｄｔ）が大きくなるのは、発電体２２がトレッド部２６０を介して路面上を回転するとき（概ね発電体２２が最下の位置で路面に最も近づくとき）である。このとき、発電体２２はセンサモジュール２８から圧力を受けると同時に、トレッド部２６０を介して路面から抵抗力を受け、大きく変形する。従って、タイヤ組立体２０がほぼ一定の回転速度で回転すると、電圧Ｖの時系列データは、一定の周期で正と負のピークが現れるパルス波形を示す。
【００７５】
図７Ａ〜Ｄは、このことを裏付ける実験データである。実験では、タイヤ２６が摩耗していない通常状態のタイヤ組立体２０と、タイヤ２６が摩耗状態のタイヤ組立体２０との２種類を用意した（ただし、タイヤのスリップサインが現れたものを摩耗状態であると判断した）。それぞれのタイヤ組立体２０を図８に示すような一輪車に組み込み、内圧が１４０[ｋＰａ]の場合と２１０[ｋＰａ]の場合とについて、回転ベルトによって一定の速度で回転させて発電体２２の出力電圧Ｖを計測した。なお、タイヤ２６はチューブタイヤであり、第１絶縁膜２１１はＰＵで構成し、第２絶縁膜２２１はＦＥＰで構成した。第１電極２１２の基材２１２ｂはシリコーンゴム製とし、導電膜２１２ａは銅箔テープとした。一方、第２電極２２２は、基材２２２ｂを備えず、銅箔テープである導電膜２２２ａから構成されるものとした。図７Ａ〜Ｄに示すように、出力電圧Ｖの波形は、タイヤ２６の内圧や摩耗の有無に関わらず周期的なパルス波形となった。パルスの周期Ｔは、タイヤ組立体２０が一回転するのに要する時間である。従って、Ｖのパルス波形をサンプリングし、周期Ｔを計測すれば、以下の式（１）に基づいてタイヤ組立体２０の回転速度ω（rad／s）を算出することができる。
ω＝２π／Ｔ      （１）
【００７６】
ところで、タイヤ組立体２０の回転に伴って発電体２２が受ける力は、図９に示すようにモデル化することができる。路面とタイヤ組立体２０との摩擦係数をμ、点Ａにおいてタイヤ組立体２０の接線と路面とがなす接地角度をθ、センサモジュール２８の質量をｍとする。なお、点Ａは、発電体２２及びセンサモジュール２８がトレッド部２６０を介して路面上を回転し始める点である。このとき、センサモジュール２８には遠心力ｐ、重力ｍｇ、摩擦力が作用する。これより、センサモジュール２８に作用する水平方向及び鉛直方向の力は、それぞれμｐｃｏｓθ＋ｐｓｉｎθ，ｐｃｏｓθ＋ｍｇとなる。ここで、θ≪１のときｃｏｓθ≒１，ｓｉｎθ≒θであることを用いると、半径方向にセンサモジュール２８に作用する力Ｆoは、以下の式に基づいて算出される。
Ｆo＝ｐ＋ｍｇ＋（μ＋θ）θｐ
【００７７】
Ｆoのうち、センサモジュール２８が発電体２２に加える圧力の変動分ΔＦo
は、
ΔＦo＝（μ＋θ）θｐ＝（μ＋θ）θｍｒω2
と表すことができる。ただし、ｒはタイヤ組立体２０の半径であり、ｐ＝ｍｒω2である。
【００７８】
ここで、ΔＦoと出力電圧Ｖとの間にはＶ∝ΔＦo2の関係があることが分かっている。従って、ΔＦoと出力電圧Ｖとの間には以下のような関係式（２）が成り立つ。
Ｖ∝（μ＋θ）2θ2ｍ2ｒ2ω4      （２）
【００７９】
同様に、発電体２２及びセンサモジュール２８がトレッド部２６０を介して路面上を回転し終わる点をＢとすると、点ＢでのΔＦoは、
ΔＦo＝−（μ−θ）θｐ＝−（μ−θ）θｍｒω2
と表すことができる。従って、ΔＦoと出力電圧Ｖとの関係式は、
Ｖ∝−（μ−θ）2θ2ｍ2ｒ2ω4
となる。
【００８０】
式（２）によれば、Ｖは摩擦係数μ、接地角度θ、センサモジュール２８の質量ｍ、タイヤ組立体２０の半径ｒ、タイヤ組立体２０の回転速度ωといったパラメータに応じて変化する。例えば、出力電圧Ｖは、センサモジュール２８（おもり）の質量ｍの２乗に比例する。本発明者は、実験によりこのことを確認した。図１０Ａに示すように、上面に質量ｍのおもりＭが固定された状態の発電体２２を用意し、振動装置によりタイヤ２６の振動を模式的に再現したときの発電体２２の出力電圧Ｖを計測した。振動は１０[Ｈｚ]、２[Ｇ]である。図１０Ｂは、質量ｍに対するＶの正のピーク値をプロットしたグラフである。この結果により、Ｖがｍ2に比例することが裏付けられた。従って、タイヤ組立体２０は発電体２２を加圧するおもりを備えることが望ましく、おもりの質量ｍが大きければ大きい程発電体２２の出力電圧Ｖを増加させることができる。
【００８１】
ところで、発明者らの検討によると、タイヤ２６が通常状態である場合と摩耗状態である場合とでは、回転速度、内圧、輪荷重の条件が同一であってもＶのパルス波形が変化することが分かった。図１１は、同一の回転速度及び荷重の条件下で通常状態のタイヤ組立体２０と摩耗状態のタイヤ組立体２０とをそれぞれ一回転させたときのパルス波形を比較したグラフである（タイヤ組立体２０の回転方法は図８に示す装置を用いた）。タイヤ２６が摩耗状態であるタイヤ組立体２０では、タイヤ２６が通常状態であるタイヤ組立体２０と比較して、電圧Ｖのピークの絶対値が大きくなり、パルス幅が長くなっていることが
分かる。この現象は、タイヤ２６の摩耗の検出に利用し得る。例えば、使用開始時のタイヤ組立体２０の発電体２２から出力される電圧Ｖの波形を記憶しておき、車両１の走行中に取得されたＶの波形と定期的に比較することにより、タイヤ２６の摩耗を検出し得る。
【００８２】
また、式（２）によれば、出力電圧Ｖは車両１が走行する路面の摩擦係数μ及び接地角度θに依存することから、車両１が走行する路面の状態を反映する。従って、発電体２２から出力されるデータから車両１が走行する路面の状態に関する情報を取得し、これをモニタリングすることができる。例えば、車両１の実車実験により、様々な路面（アスファルト、砂利道、濡れた路面）を走行した場合のＶのデータをＲＯＭ３６又は記憶装置３８に予め記憶しておき、車両１の走行中に取得されたＶのデータと照合することで路面の状態をモニタリングすることができる。
【００８３】
以上より、発電体２２が出力するＶのデータは、タイヤ組立体２０の回転速度ω、タイヤ２６が摩耗しているか否か及び車両１の走行する路面を含む道路の状態を反映する。回転速度ωは、Ｖのパルス波形の周期から算出することができる。また、空気圧、回転速度、道路の状態等の様々な条件下において発電体２２が出力するＶのデータを予めＲＯＭ３６又は記憶装置３８に記憶しておき、車両１の走行中に取得されたＶのデータと比較することで、タイヤ２６に関する情報がモニタリング可能となる。以下、タイヤ組立体２０を含んだモニタリングシステム１００の具体的な動作を説明する。
【００８４】
車両１が走行すると、タイヤ組立体２０が路面上を回転し、上述のように発電体２２に電圧が生じる。車両１の走行中に発電体２２により出力される電圧Ｖは、マイコン２３内の検出回路により検出される。出力電圧Ｖのデータは、所定の周期でサンプリングされ、マイコン２３に一旦蓄積される。マイコン２３に蓄積されたＶのデータは、所定の時間間隔で通信装置２５を介して制御装置３０へと順次送信される。制御装置３０は、Ｉ／Ｏインターフェース３４を介してＶのデータを受信し、ＲＡＭ３５又は記憶装置３８に一時保存する。演算部３２は、保存されたＶのデータを参照し、パルス波形の周期ｓを算出する。また、演算部３２は、式（１）に基づいて回転速度ωを算出する。なお、回転速度ωは複数回算出される値の平均値とすることもできる。また、複数のパルス波形の周期ｓの平均値を用いて回転速度ωを算出することもできる。制御部３３は、必要に応じて算出された回転速度ωを車両１のＥＣＵ等へ送信することができる。
【００８５】
また、上述の処理と並行して又は前後して、演算部３２が予めＲＯＭ３６又は記憶装置３８に記憶されているＶのデータと、現在ＲＡＭ３５又は記憶装置３８に一時保存されたＶのデータを比較し、タイヤ２６が摩耗しているか否かを判定する。タイヤ２６が通常状態であると判定されれば、制御部３３は次に受信したＶのデータについて、演算部３２に同様の処理を繰り返させる。一方、タイヤ２６が摩耗状態であると判断されれば、制御部３３が表示器４０等を介してユーザにその旨を報知し、注意を促す。
【００８６】
さらに、上述の処理と並行して又は前後して、演算部３２が予めＲＯＭ３６又は記憶装置３８に記憶されているＶのデータと、現在ＲＡＭ３５又は記憶装置３８に一時保存されたＶのデータを比較し、車両１が走行する路面がどのような状態であるかを判断する。判断された路面の状態は、ブレーキの制御等に利用され得る。また、制御装置３０がクラウドコンピューティングサービスに接続される場合、Ｖ、回転速度ω、タイヤ２６の摩耗状態及び路面の状態のデータがＩ／Ｏインターフェース３４を介してクラウドサーバーに送信され、他のシステム１００のユーザと共有され得る。
【００８７】
＜５．変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、以下の変更が可能である。また、以下の変形例の要旨は、適宜組み合わせることができる。
【００８８】
＜５−１＞
上記実施形態では、発電体２２の出力電圧Ｖの時系列データに基づいてタイヤ組立体２０のモニタリングを行ったが、発電体２２が接続される電気回路に流れる電流や電力等の他の物理量の時系列データに基づいてタイヤ組立体２０のモニタリングを行ってもよい。
【００８９】
＜５−２＞
上記実施形態では、第１面２１０及び第２面２２０が共に凹凸形状を有していた。しかし、第１面２１０及び第２面２２０のうちいずれか一方のみが凹凸形状を有するように発電体２２を構成してもよい。
【００９０】
＜５−３＞
第１電極２１２は、導電性の繊維が織物状に織り込まれて構成されてもよい。繊維は、例えば可撓性を有するＣｕ線、ステンレス鋼線とすることができる。さらに、この繊維の外周面に第１絶縁膜２１１が被覆されていてもよい。同様に、第２電極２２２は、導電性の繊維が織物状に織り込まれて構成されてもよい。繊維は、例えば可撓性を有するＣｕ線、ステンレス鋼線とすることができる。さらに、この繊維の外周面に第２絶縁膜２２１が被覆されてもよい。
【００９１】
＜５−４＞
上記実施形態では、第１電極２１２及び第２電極２２２が共に可撓性材料から構成される基材２１２ｂ及び基材２２２ｂをそれぞれ備えていた。しかし、第１電極２１２及び第２電極２２２のうちいずれか一方のみが可撓性の基材を備えることとしてもよい。
【００９２】
＜５−５＞
発電体２２は、第１絶縁膜２１１、第２絶縁膜２２１、第１電極２１２及び第２電極２２２を複数備えていてもよい。例えば、上から順に第１電極２１２、第１絶縁膜２１１、第２絶縁膜２２１、第２電極２２２、第２絶縁膜２２１、第１絶縁膜２１１及び第１電極２１２が積層するような構成とすることができる。
【００９３】
＜５−６＞
上記実施形態では、制御装置３０は車載装置であったが、プログラム３７がインストールされたスマートフォン、タブレット、ノートＰＣ等のポータブルなデバイスとすることもできる。このとき、上述のデバイスのディスプレイを表示器４０として使用することもできる。あるいは、タイヤ組立体２０内のマイコン２３は、車載装置を介さずに、直接クラウドサーバー等の、プログラム３７がインストールされた外部装置と通信してもよい。
【００９４】
＜５−７＞
空気圧センサ２１は、タイヤ２６内部の空気圧を検出できるものであれば、検出方式は限定されない。例えば、歪みゲージ式、ダイアフラム式、又は半導体式のセンサ等を用いることができる。また、センサ２１はタイヤ２６の内圧を検出する空気圧センサに限定されず、例えばタイヤ２６の内部の温度を検出する温度センサであってもよいし、タイヤ２６の振動を検出する振動検出センサ（加速度センサ）であってもよい。
【００９５】
＜５−８＞
車両１の走行する道路の状態に関する情報は、路面の状態に関する情報に限定されず、地盤の状態に関する情報であってもよい。
【００９６】
＜５−９＞
上記実施形態では、タイヤ組立体２０はセンサモジュール２８の一部として蓄電池２４を備えていた。しかしながら、タイヤ組立体２０は、蓄電池２４をセンサモジュール２８とは別に備えてもよい。この場合、蓄電池２４を発電体２２の上面に配置し、蓄電池２４を第１絶縁膜２１１と第２絶縁膜２２１とが相対的に近接するように発電体２２を加圧するおもりとして機能させてもよい。
【実施例】
【００９７】
＜実験条件＞
比較例１〜３の発電体及び実施例の発電体を、それぞれタイヤのトレッド部の内側面に配置したタイヤ組立体を用意し、所定の回転速度で回転させて、発電体の出力電圧をそれぞれ計測した。タイヤの種類は比較例１〜３及び実施例に全て共通であり、タイヤのサイズは２１５／４０Ｒ１７（直径は約６０４ｍｍ）、内圧は２００ｋＰａであった。また、上述の計測方法で計測したタイヤの接地長は、８０ｍｍであった。タイヤ組立体を回転させる実験装置としては、図８に示す装置と同様の装置を用いた。ただし、輪荷重は３ｋＮとした。
【００９８】
比較例１〜３の発電体及び実施例の発電体は、構成は共通であるが、長さＨ１を以下のように変えた。つまり、比較例１〜３に係る発電体は、第２面のタイヤの周方向に沿った長さＨ１がタイヤの接地長を超えて長かった。一方、実施例に係る発電体は、第２面のタイヤの周方向に沿った長さＨ１がタイヤの接地長の６２．５％であった。なお、第２面のタイヤの軸方向に沿った長さＨ２は全ての発電体で共通とし、タイヤの接地幅以下に構成した。
比較例１：１１０ｍｍ
比較例２：１５０ｍｍ
比較例３：１８０ｍｍ
実施例：５０ｍｍ
【００９９】
発電体は、いずれも第１絶縁膜及び第２絶縁膜が共通の寸法を有する平面視矩形状に構成され、互いに面方向の位置が一致するように積層された。つまり、図１２Ａに示すように、第２面の全体が第１面の全体に対向し、かつ第１面に接するように第１絶縁膜及び第２絶縁膜が積層された。発電体は、いずれも第１絶縁膜及び第２絶縁膜の長さＨ１を有する辺がタイヤの周方向に沿うように配置された。第１絶縁膜はＰＵで構成され、第２絶縁膜はＦＥＰで構成された。また、第１電極及び第２電極共に、基材はシリコーンゴムで構成され、導電膜は導電布で構成された。
【０１００】
＜実験結果＞
タイヤ組立体の回転時間（秒）に対する発電体の出力電圧（Ｖ）のグラフは、それぞれ図１３Ａ〜Ｄに示すようになった。ただし、説明の便宜上、図１３Ａ〜１３Ｃ、及び図１３Ｄとでは縦軸と横軸のスケールが異なっている。比較例１では、出力電圧のピークが＋２Ｖ付近に出現した。比較例２では、出力電圧のピークが＋２Ｖ付近に出現した。比較例３では、出力電圧のピークが概ね０〜＋２Ｖの間に出現した。これに対し、実施例では出力電圧のピークが−１５Ｖ付近に出現した。この結果より、長さＨ１（ｍｍ）に対する出力電圧（Ｖ）との関係を示すグラフは図１４に示すようになった。つまり、発電体は、長さＨ１がタイヤの接地長以下であるときに、長さＨ１がタイヤの接地長を超えたときよりも、大きな電圧を出力することができた。つまり、タイヤ組立体における発電体の出力電圧の大きさは、第２面の面積に必ずしも比例しないことが分かった。従って、実施例に係るような構成のタイヤ組立体では、発電体がより小型に構成できると共に起電力が大きく、発電効率が高いということが判明した。
【符号の説明】
【０１０１】
１  車両
１００  モニタリングシステム
２０（２０ａ〜２０ｄ）  タイヤ組立体
２１  空気圧センサ
２２  発電体
２３  マイコン
２４  蓄電池
２５  通信装置
２６  タイヤ
２８  センサモジュール
３０  制御装置
２１０  第１面
２１１  第１絶縁膜
２１２  第１電極
２２０  第２面
２２１  第２絶縁膜
２２２  第２電極
Ｆ  フィルム袋
Ｍ  おもり
Ｖ  出力電圧
Ｕ  柔軟性封止材
【図１】
2020200012.tif 000003
【図２】
2020200012.tif 000004
【図３】
2020200012.tif 000005
【図４】
2020200012.tif 000006
【図５】
2020200012.tif 000007
【図６】
2020200012.tif 000008
【図７Ａ】
2020200012.tif 000009
【図７Ｂ】
2020200012.tif 000010
【図７Ｃ】
2020200012.tif 000011
【図７Ｄ】
2020200012.tif 000012
【図８】
2020200012.tif 000013
【図９】
2020200012.tif 000014
【図１０Ａ】
2020200012.tif 000015
【図１０Ｂ】
2020200012.tif 000016
【図１１】
2020200012.tif 000017
【図１２Ａ】
2020200012.tif 000018
【図１２Ｂ】
2020200012.tif 000019
【図１３Ａ】
2020200012.tif 000020
【図１３Ｂ】
2020200012.tif 000021
【図１３Ｃ】
2020200012.tif 000022
【図１３Ｄ】
2020200012.tif 000023
【図１４】
2020200012.tif 000024