(57)【要約】      （修正有）【課題】タイヤ回転の機械的エネルギーを受ける圧電構造体によって発生されたエネルギーを、一体化されたタイヤ電子装置に電力を供給するに適した形に変換するシステム及び方法。【解決手段】回転するタイヤの機械的なエネルギーから電力を発生するためのシステム及び方法は、圧電式電力発生装置と電力回収調整モジュールとを有している。圧電構造体は、好ましくはタイヤ構造体内に取り付けられ、ホイール組立体が地面上を走行するときに電荷が発生される。圧電構造体の電極に接続された電力回収調整モジュールは、圧電構造体からの電流を整流し、調整し、エネルギー蓄積装置、好ましくはキャパシタに蓄積する。電力発生装置に蓄積されたエネルギーから調整された電圧源が実現され、タイヤ又はホイールの組立体内に一体化された様々な電子システムに電力を供給するために使用される。【選択図】  図１
2006056501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己電力供給式電子装置が一体化されている空気タイヤ組立体であって、
地面と接触する外側トレッド部分を有するクラウン部分と、ホイールリムにタイヤを装着するビード部分と、各ビード部分とクラウン部分との間に延在する外側サイドウォール部分と、クラウン内側表面と、サイドウォール内側表面とを有するタイヤ構造体と、
前記タイヤ構造体の撓みで電気エネルギーを発生するように前記タイヤ構造体の選択した部分に一体化された圧電構造体と、
前記圧電構造体に電気的に接続されて、前記タイヤ構造体の撓みで前記圧電構造体内で発生された電荷を受けて、調整された電圧出力を供給する電力回収調整モジュールと、
前記電力回収調整モジュールに接続された電子装置パッケージであって、その内の選択された機能部分が、前記調整された電圧出力によって電力が供給される電子装置パッケージと
を具備することを特徴とする空気タイヤ組立体。
【請求項２】
前記電力回収調整モジュールは、前記圧電構造体によって発生された前記電気エネルギーを整流する電圧整流器と、その整流された電気エネルギーを蓄積するエネルギー蓄積装置と、前記調整された電圧出力を供給する電圧調整器とを具備していることを特徴とする請求項１に記載の空気タイヤ組立体。
【請求項３】
前記電圧整流器は全波ブリッジ整流器であり、前記エネルギー蓄積装置はキャパシタであることを特徴とする請求項２に記載の空気タイヤ組立体。
【請求項４】
前記電圧整流器から前記整流された電気エネルギーを受ける第１の蓄積装置と、
前記第１の蓄積装置から前記エネルギー蓄積装置にエネルギーを転送するコンバータと
を更に具備していることを特徴とする請求項２に記載の空気タイヤ組立体。
【請求項５】
前記コンバータはバックコンバータであることを特徴とする請求項４に記載の空気タイヤ組立体。
【請求項６】
前記第１の蓄積装置と前記エネルギー蓄積装置とは共にキャパシタであり、前記第１の蓄積装置の容量値は、前記エネルギー蓄積装置の容量値より小さいことを特徴とする請求項４に記載の空気タイヤ組立体。
【請求項７】
前記第１の蓄積装置の定格電圧は、前記エネルギー蓄積装置の定格電圧より高いことを特徴とする請求項４に記載の空気タイヤ組立体。
【請求項８】
空気タイヤ構造体と一体化されて、予め選択したタイヤ状態に係る情報を測定して送信するように構成されたタイヤ監視システムであって、
圧電構造体と、
前記圧電構造体に電気的に接続され、前記圧電構造体内で発生した電荷を受けて電力調整モジュール内に蓄積し、調整された電圧出力を独立して発生する電力回収調整モジュールと、
前記予め選択したタイヤ状態に係る情報を測定するための複数のセンサと、
前記電力回収調整モジュールと前記複数のセンサとに接続され、前記センサからの情報を処理して、前記予め選択したタイヤ状態を表す選択した情報を発生するマイクロコントローラと、
前記マイクロコントローラに電気的に接続され、前記マイクロコントローラから前記選択した情報を受けて、搬送波信号を前記選択した情報で変調して、前記選択した情報を遠隔受信器位置に送信する無線送信器と、
を具備していることを特徴とするタイヤ監視システム。
【請求項９】
前記電力調整モジュールは、前記圧電構造体によって発生された前記電気エネルギーを整流する電圧整流器と、その整流された電気エネルギーを蓄積するエネルギー蓄積装置と、前記調整された電圧出力を発生する電圧調整器とを具備していることを特徴とする請求項８に記載のタイヤ監視システム。
【請求項１０】
前記電圧整流器は全波ブリッジ整流器であり、前記エネルギー蓄積装置はキャパシタであることを特徴とする請求項９に記載のタイヤ監視システム。
【請求項１１】
前記調整された電圧出力は、約３Ｖから約５Ｖのレベルであることを特徴とする請求項１０に記載のタイヤ監視システム。
【請求項１２】
前記複数のセンサの内の選択されたセンサは、空気タイヤ組立体内の温度及び圧力に係る情報を出力することを特徴とする請求項１０に記載のタイヤ監視システム。
【請求項１３】
前記マイクロコントローラによって発生された前記選択した情報は、前記タイヤ構造体の温度及び圧力、前記タイヤ構造体が受けているタイヤ回転数、及びタイヤ識別タグを表していることを特徴とする請求項８に記載のタイヤ監視システム。
【請求項１４】
ホイール組立体内に一体化された圧電材料から電力を発生する方法であって、
圧電構造体を用意して、前記ホイール組立体内部の選択した場所に沿って配置し、
前記ホイール組立体が地面に沿って回転してその結果前記ホイール組立体の一部が撓むときに普通に発生する機械的な歪みを前記ホイール組立体に生じさせて、前記圧電構造体内に電流を発生させ、
前記圧電構造体内に発生した前記電流を調整し、
その調整した電流をエネルギー蓄積装置に蓄積し、調整された電圧源が、前記ホイール組立体に設けられた電子装置に電力を供給するために直に利用可能であるようにする
ことを特徴とする、電力を発生する方法。
【請求項１５】
前記調整工程は、前記圧電構造体内で発生された前記電流を整流することを含むことを特徴とする請求項１４に記載の電力を発生する方法。
【請求項１６】
撓んだときに出力電圧を出力する出力端子を有する圧電素子と、
出力と、前記圧電素子の前記出力端子に接続された入力とを有する整流器と、
前記整流器の前記出力に接続された第１の蓄積素子と、
出力と、前記第１の蓄積素子に接続された入力とを有するコンバータと、
前記コンバータの前記出力に接続された第２の蓄積素子と
を具備しており、前記圧電素子は、撓んだとき、比較的高電圧の電荷を発生し、その比較的高電圧の電荷は前記第１の蓄積素子に蓄積され、前記第１の蓄積素子の電圧が閾値レベルに到達すると、比較的低電圧の電荷に変換されて、前記第２の蓄積素子に蓄積されることを特徴とする電力発生モジュール。
【請求項１７】
前記コンバータはバックコンバータであることを特徴とする請求項１６に記載の電力発生モジュール。
【請求項１８】
前記第１及び前記第２の蓄積素子はキャパシタであることを特徴とする請求項１６に記載の電力発生モジュール。
【請求項１９】
前記第２の蓄積素子は電解キャパシタであることを特徴とする請求項１８に記載の電力発生モジュール。
【請求項２０】
前記第１の蓄積素子の容量値は前記第２の蓄積素子の容量値より小さいことを特徴とする請求項１８に記載の電力発生モジュール。
【請求項２１】
前記第１の蓄積素子の定格電圧は前記第２の蓄積素子の定格電圧より高いことを特徴とする請求項１８に記載の電力発生モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に言うならば、通常のタイヤ回転の機械的エネルギーを受ける圧電構造体によって発生されたエネルギーを、組み込まれたすなわち一体化されたタイヤ電子装置に電力を供給するに適した形に変換するシステム及び方法に関するものである。タイヤの撓みに伴う機械的な歪みを電荷に変換するために圧電技術が利用され、その電荷は、エネルギー蓄積装置において調整されて蓄積される。十分な量のエネルギーが蓄積されると、様々な物理的なタイヤパラメータを識別する構成要素や、タイヤ識別情報やその他のデータを送信できる無線（ＲＦ）送信装置を含む電子システムに電力を供給できる。
【背景技術】
【０００２】
電子デバイスを空気タイヤ構造体中に組み込むことで多く実用的利点が得られる。タイヤ電子デバイスは、タイヤの各種物理的パラメータ、例えば温度、圧力、タイヤ回転数、車両速度、速度回転数（number of rotations at speed）、速度温度（temperature at speed）、その他の物理的及び動作上のパラメータや、製造情報、例えば、製造者名、製造地、製造日などを得るために、センサその他の部品を含む場合もある。これら性能情報は、タイヤの監視・警報システムにおいて有用であり、さらに、正しいタイヤ圧力レベルに調整するためのフィードバックシステムで使用することができる可能性がある。例えば、タイヤの直径は空気圧力で僅かに変化するので、同一車両でのタイヤ回転速度の差は、空気圧不足又は空気圧過剰を表している可能性がある。
【０００３】
下記の特許文献１には、タイヤの偏倚、タイヤ速度、タイヤ回転数等の情報を測定できるタイヤ監視システムおよび方法が開示されている。
【特許文献１】米国特許第5,749,984号明細書（Frey他）
【０００４】
下記の特許文献２には、タイヤ異常警報システムに係る別のタイヤ電子システムの例が記載されている。
【特許文献２】米国特許第4,510,484号明細書（Snyder）
【０００５】
下記の特許文献３も、タイヤ電子装置に係るものであり、更に具体的には、自動車およびトラックのタイヤに関連して用いる回転計を開示している。
【特許文献３】米国特許第4,862,486号明細書（Wing他）
【０００６】
タイヤ構造体と一体化された電子システムによって得られる更に他の可能性は、商業車両分野において財産追跡および性能評価ができる点にある。商業用トラック、航空機および土木車両／採鉱車両は全て、タイヤ電子システムとそれに関連する情報送信の利点が利用できる発展可能性のある工業分野である。車両の各タイヤの走行距離をタイヤセンサによって測定することができ、上記した商業システムのメンテナンス計画の助けとなる。採鉱装置等のコストのかかる用途では車両の位置および性能を最適化させることができる。車両群全体を無線タグ送信を利用して追跡することができる。この例は下記の特許文献４に開示されている。
【特許文献４】米国特許第5,457,447号明細書（Ghaem他）
【０００７】
従来、一体化されたこの種のタイヤ電子システムには、各種の技術および様々な電力発生システムから電力が供給されてきた。タイヤの運動からエネルギーを発生させる機械機構の例が下記文献に開示されている。
【特許文献５】米国特許第4,061,200号明細書（Thompson）
【特許文献６】米国特許第3,760,350号明細書（Thomas）
【０００８】
しかし、上記文献に記載のシステムは、複雑で大きく、現代のタイヤ電子応用装置に組み入れるには適していない。タイヤ電子システムに電力を供給する他の選択肢が、上記した特許文献２に開示されている。特許文献２は、タイヤの半径方向中心線を中心とした対称な圧電リード電源に係る。
【０００９】
タイヤ電子システムへ電力を供給する他の典型的な解決策は、再充電不可能な電池を使用するものである。しかし、この方法は、電子システムを正しく動作させる必要があるためには定期的が電池交換が必要であるので、タイヤの使用者にとっては本質的には不便なものである。また、従来の電池は、電池を多量に使用する場合には特に廃棄の問題が生じる、環境問題に不都合な重金属を含んでいることが多い。さらに、複雑な機能レベルの電子応用装置へ電力を供給する場合には、電池は蓄積したエネルギーを急速に消耗する。電池の蓄積エネルギーの消耗は、例えばトラックホイール位置からトラック車内の受信器までのような比較的遠い距離を情報送信する電子システムでみられる。ホイール位置から上記位置よりも近い受信器位置へ送信する電子システムに電池を使用した場合でも、情報は一般に有線送信媒体を介して無線受信器位置から車内へ中継されるため、多くの場合、しばしば高価となる追加の通信配線を車両内に設置する必要がある。
【００１０】
タイヤ監視システムのための電力を得るため他の公知方法としては、タイヤとそれに一体化された電子機構に近接したインタロゲイションアンテナを用いて無線ビームパワーを捕える方法がある。アンテナから放射されるエネルギーを捕捉して電子装置に電力を供給するため、しばしば、電子装置は数マイクロワットの範囲内に制限された極めて特殊な超低電力電子装置にしなければならない。一般に、ビームで電力供給される電子装置と一緒に用いるインテロゲイションアンテナは、送信範囲が制限されているため、各ホイールのかなり近くに（約2フィート以内）配置しなければならない。従って、一般に、車両一台に多数のインテロゲイションアンテナが必要になり、設備費用が増大する。また、各アンテナは道路の障害物によって損傷し易く、そのため、多くの理由から、この方法は、或る種のタイヤ電子応用装置に電力を供給する最も望ましい方法ではない可能性がある。
【００１１】
圧電材料の或る利点は従来認識されていた。しかし、圧電技術は絶えず改良され続け、改良された動作能力を有する圧電材料を利用する可能性がある。圧電技術の比較的最近の発展が、構造制御のための複合物に係る下記の特許文献に開示されている。
【特許文献７】米国特許第5,869,189号明細書（Hagood, IV 他）
【特許文献８】米国特許第6,048,622号明細書（Hagood, IV 他）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、圧電技術を更に発展させて、圧電式電力発生装置を電力変換装置と組合せて、エネルギー回収のためにタイヤ又はホイールの組立体と一体化できるようにするものである。
【００１３】
上記した全米国特許文献の開示内容の全てを、ここに引用することにより本明細書に組み込んで、本明細書の一部を成すものである。各種のタイヤ電子システムと電力発生変換システムとが既に開発されているが、以下に開示する本発明による所望特性を全て含んだ構成は出現していない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
従来技術における上述した問題に鑑みて、本発明は、タイヤ構造体内に一体化された電子システムへ電力供給するための改良されたシステムおよび方法を提供するものである。タイヤの撓みに伴う機械的歪みを電荷に変換するために圧電技術を用い、得られた電荷をエネルギー蓄積装置に回収し、調整し、蓄積する。十分に蓄積された蓄積エネルギーにより、様々な物理的なタイヤパラメータを識別するための構成要素と無線（ＲＦ）送信装置とを含む電子システムへ電力が供給される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の具体的特徴によれば、本発明の１つの特徴は、自己電力発生式の電子装置が一体化された空気タイヤを提供することである。その電子装置は、一体化された圧電構造体から得られたエネルギーから自己電力供給され、また、様々な電子応用装置に対応させることができる。典型的な電子応用装置の１つには、圧力及び温度等のタイヤ状態に関する情報並びにタイヤ回転数等の他の情報、または一般的なタイヤ識別変数を測定および送信するように構成されたタイヤ監視システムがある。本発明のもう１つの特徴は、そのような電子装置に電力を供給するためにエネルギーを発生する方法である。
【００１６】
本発明のタイヤ電子システムおよび特別の電力発生装置の各種機構および特徴には多くの利点がある。本発明は、電池交換に依存しない自己電力供給式のタイヤ電子システムを提供する。電池および電池動作式装置を本発明の特徴と一緒に用いることはできるが、本発明を用いることによって、電池によって電力供給されるだけのタイヤ電子装置の場合の多くの複雑な問題は解消する。
【００１７】
本発明の別の利点は、従来のタイヤ監視システムよりも必要な信号用ハードウェアの量を削減するタイヤ監視システムが提供されることにある。自己電力供給式のタイヤ監視システムを用いることによって、追加のハードウェア接続線を伴う捕捉アンテナや複数の受信器の配置が不要になる。本発明のタイヤ監視システムの構成要素は、車両の個々のタイヤ構造体中に組み込むすなわち一体化することができ、単一の受信器（一般には車内に配置される）によって各タイヤに組み込まれた電子装置から送信された情報を受信することができる。
【００１８】
本発明のさらに別の利点は、タイヤおよびホイール組立体構造内で使用可能な電子設備の形式および量に関する制約が少ない点にある。本発明の圧電技術以外の従来法で電力供給されるタイヤ電子装置は、超低電力装置にしばしば制限される。本発明による装置はこうした極端な電力制限を必ずしも受けない。この利点によって、更に多くの部品および／または更に高いレベルの設備を使用することができる可能性があるので、タイヤ電子装置の機能性を容易に更に拡大することができる。
【００１９】
本発明のさらに別の利点は、電力を発生させて、得られた電力を利用するための本発明のシステムおよび方法を、種々の既存の応用装置に使用することができる点にある。測定能力、監視および警報システム、車両フィードバックシステムおよび資産追跡可能性は、商業用トラック群、飛行機および採鉱／土木設備等の分野において利用できる。
【００２０】
本発明の１つの典型的な実施例においては、自己電力供給式電子装置が一体化された空気タイヤ組立体は、タイヤ構造体と、アクティブ圧電装置と、電力回収調整モジュールと、電子装置パッケージとを具備している。更に好ましくは、タイヤ構造体は、地面と接触する外側トレッド部分を有するクラウン部分と、ホイールリムにタイヤを装着するビード部分と、各ビード部分とクラウン部分との間に延在する外側サイドウォール部分と、クラウン内側表面とサイドウォール内側表面に沿ったインナーライナーとを有している。電力回収調整モジュールは、圧電構造体に電気的に接続されて、圧電構造体内で発生された電荷を受けて、調整された電圧出力を発生する。この調整された電圧出力により、電子装置パッケージの内の選択された構成要素に電力を供給する。圧電構造体と付属の電力回収調整モジュールは、タイヤのクラウン内側表面に貼り付けることもでき、又は、圧電構造体はタイヤ構造体内に直接埋込むこともできる。
【００２１】
本発明のもう１つの典型的な実施例は、予め選択したタイヤ状態に係る情報を測定して送信するように構成された、空気タイヤ構造体と一体化されているタイヤ監視システムに関するものである。更に具体的に、このタイヤ監視システムは、アクティブ圧電構造体と、電力回収調整モジュールと、複数のセンサと、マイクロコントローラと、無線送信器とを具備することができる。圧電構造体は、エポキシマトリクス内に埋込まれており、少なくとも２つの電極層の間に設けられている。かかる組立体は、空気タイヤ構造体の内部に貼り付けるか、又はタイヤ構造体内に埋込んで硬化されることが好ましい。電力回収調整モジュールは、選択した電極層に電気的に接続されて、圧電構造体内で発生された電流を受けて、その電流を、調整された電圧出力として供給されるまで、エネルギー蓄積装置に蓄積する。その調整された電圧出力によって複数のセンサに電力が供給され、複数のセンサは、予め選択したタイヤ状態に係る情報を測定する。無線送信器がマイクロコントローラに電気的に接続されて、マイクロコントローラからの情報を受けて、その情報でキャリア信号を変調して、遠隔の受信器位置へ送信する。
【００２２】
本発明の更に別の実施例は、ホイール組立体内に一体化された圧電材料から電力を発生して回収して調整する方法である。この方法の第１の工程は、ホイール組立体の選択した内部の場所にアクティブ圧電構造体を組み込むことである。この方法の次の工程は、ホイール組立体が地面上を回転してその結果ホイール組立体の一部が撓むときに普通に発生する機械的な歪みをホイール組立体に生じさせ、圧電構造体内に電流を発生させることである。その発生された電流は、エネルギー蓄積装置に回収され調整され蓄積され、ホイール組立体に付属する電子装置に電力を供給するために、調整された電圧源が利用可能になる。
【００２３】
本発明のその他の特徴及び効果は、以下の詳細な説明において述べると共に、以下の詳細な説明から当業者には明らかになる筈である。更に、以下に詳細に図示し説明し参照し検討する本発明の特徴や工程に対する変更や修正は、本発明の技術思想の範囲から離れることなく、本発明の様々な実施例や使用方法において実現可能であることも理解される筈である。変更や修正には、限定するものではないが、図示し説明し参照し検討した様々な要素、特徴、工程などの均等手段への置換並びに図示し説明し参照し検討した様々な要素、特徴、工程などの機能上、動作上、位置上の逆転も含まれる。
【００２４】
更に、本発明の様々な実施例や様々な現在好ましい実施例は、ここに開示する特徴や工程や要素やそれらの均等物の様々な組合せや配置（図面に明確に示されていない又は図面を参照しての詳細な説明に記載さていない特徴や部品や工程や配置の組合せも含む）を含むものである。本明細書の「課題を解決するための手段」において必ずしも説明していない本発明の他の実施例は、本明細書の「課題を解決するための手段」において言及した特徴や部品や工程、及び／又は本明細書において別に検討している他の特徴や部品や工程の性質の様々の組合せも含むこともできる。本明細書の他の部分を検討することにより、当業者は、上記した実施例及びほかの特徴を更に良く理解できるであろう。
【実施例】
【００２５】
添付図面を参照した本明細書において、当業者に向けた最良態様を含めて本発明を十分且つ実施可能に説明する。
【００２６】
本発明の同一又は同様な特徴又は要素を指示するために、本明細書全体及び全添付図面において同一の参照番号を使用する。
【００２７】
本明細書の「課題を解決するための手段」において述べたように、本発明は、タイヤ構造体内に取り付けられる又は一体化される電子システムに電力供給するための改良システム及び方法に特に係るものである。電力発生装置は、圧電技術を利用して、タイヤの撓みに伴う機械的歪みを電流に変換し、この電流はエネルギー蓄積装置において調整され蓄積される。エネルギーが十分に蓄積されると、電子システムへ電力供給される。その電子システムの例には、各種の物理的タイヤパラメータを識別するための構成要素および無線（ＲＦ）送信装置が含まれる。
【００２８】
本発明による電力発生装置は、２つの典型的な構成要素、すなわち圧電式電力発生構造体と電力回収調整モジュールとを具備している。既知の典型的な圧電構造体の特徴は、本件出願の出願人に譲渡されており、ここに引用して本明細書に組込む下記の特許文献９の図２を参照して説明する。
【特許文献９】米国特許出願第10／143535号（米国公開特許公報US2003/0209063A1）
【００２９】
この特許文献９には、典型的な電力調整モジュールが特許文献９の図３に図示されて開示されており、その電力調整モジュールは、本件出願の図６に示す既知の電力発生調整回路に類似している。上記した特許文献９には具体的な圧電構造体が図示されているが、任意の適切な圧電構造体が使用できることは理解されたい。
【００３０】
図６を参照するならば、既知のコンバータ回路が図示されており、圧電素子６０が設けられ、全波ブリッジ整流器に接続されて、圧電素子６０の撓みでバス７０と８０との間に直流（ＤＣ）電流を出力する。圧電素子６０がタイヤの動きすなわち回転から生じる機械的な撓みを受けるような適切な態様でタイヤ構造体内に圧電素子６０を貼り付け又は埋込むことができる。圧電素子６０の機械的な撓みにより、キャパシタ４０に比較的高電圧で低電流を充電し、そのキャパシタ４０は、比較的大きな容量の高定格電圧の装置である。圧電素子６０の機械的な撓みが続く間、キャパシタ４０は、ツエナダイオード１２０が導通するまで電荷を蓄積し続け、ツエナダイオード１２０が導通すると、パルス幅変調式閉ループバックコンパータ１００がオンして、キャパシタ４０内に蓄積された高電圧低電流エネルギーの一部を取り出して、そのエネルギーを低電圧高電流に変換して蓄積キャパシタ５０を充電して、その変換されたエネルギーを外部装置に供給する。キャパシタ５０は、比較的小さい容量の低定格電圧の装置とすることができる。キャパシタ４０の両端間の入力電圧が所定のレベルの到達すると、蓄積された高電圧低電流エネルギーから低電圧高電流エネルギーへの変換が自動的に行われるので、上記した型式の動作は、「一括変換（バルク変換：bulk conversion）」システムと称することができる。
【００３１】
容易に分かるであろうが、このような「一括変換」システムでは、エネルギーが要求されるときにエネルギー供給に遅延が生じることに伴うエネルギー供給上の問題が生じる可能性がある。例えば、タイヤが実際に回転しているすなわちエネルギーが要求されているときに撓みの機械的エネルギーを圧電素子６０に少なくとも与えていると仮定すると、要求時から、コンバータが外部装置による使用に適した形にエネルギーを実際に変換できるまでの遅延が避けれない場合もあろう。その場合、タイヤが機械的エネルギーを圧電素子に現実に与えていない可能性か、又は外部装置に使用させるために変換すべきエネルギーがキャパシタ４０に殆ど又は全くない期間の間、機械的エネルギーをタイヤが圧電素子の与えなかった可能性がある。このような事態により、変換可能な蓄積エネルギーの不足による変換の遅れだけでなく、タイヤ実際に再び動き始めるまでに更に遅延が生じるであろう。
【００３２】
本発明は、既知の電力発生回収調整装置での上記した欠陥に応じてなされたものである。図１を参照するならば、本発明がブロック図の形で図示されており、タイヤのような取付対象に取り付けられた圧電ストリップによって発生された電力を回収して調整する新規な技術の基本構成が図示されている。ここで、本説明を車両及びタイヤの環境に主に適用して説明するが、本発明は、機械歪みを圧電ストリップに加えて電力を発生させ、その電力を回収して調整して、電子装置に動作電力を供給するどのような装置にも本発明が適用できることは理解されたい。例えば、本発明は、地球物理学センサに適用でき、対象装置を輸送する行為と、弱い地震のような振動誘起事象から生じた実際の振動とが、センサを動作させるための電力を発生させるように利用可能な振動を生成する。他の応用例には、本発明を使用して自己電力供給式センサを構成して、殆どの種類の機械の動作に係る振動や他の状態を検出するように使用することもできる。
【００３３】
図１を詳細に参照するならば、本発明は、タイヤ構造体上に又はタイヤ構造体内に装着できる圧電素子６０を使用する。その圧電素子６０は、キャパシタ４０を充電する図６の既知の装置に図解した圧電素子６０と実質的に同一の方法でキャパシタ４５を充電するように構成されている。しかし、本発明では、キャパシタ４５は、比較的大きな容量の高定格電圧のキャパシタ４０と異なり、比較的小さい容量の高定格電圧のキャパシタとすることができる。電圧検出器／制御器１１０が、キャパシタ４５に接続されて、キャパシタ４５の両端間の電圧を監視する。電圧が閾値レベルに到達すると、電圧検出器／制御器１１０は、制御信号を発生し、単一サイクルバックコンバータ２００を動作させる。単一変換サイクルの始まりで、キャパシタ４５からエネルギーの一部をキャパシタ５５に転送し、キャパシタ４５が、最適電力出力レベルに近いままの電圧範囲内で動作できるようにする。本発明では、キャパシタ５５は、比較的大きな容量の低定格電圧の電解キャパシタとすることができ、単一サイクルバックコンバータの複数回の動作によって充電されたとき、本明細書に開示するエネルギー調整装置のための主エネルギー蓄積装置として機能する。
【００３４】
本発明による上記した全体的な動作は、前述した「一括変換」システムとは異なり、「小刻み変換」システムとも称することができる。本発明によるならば、電荷が蓄積されたとき、すなわち電荷が「利用可能」になり、圧電素子６０の撓みによって発生された電荷によってキャパシタ４５の両端間の閾値を越えたとき、変換サイクルが開始される。このような利用可能な高電圧の低電圧高電流への変換により、本発明のエネルギー調整装置から動作電力を受けるどのような負荷でも即座に動作させることができ、前述した既知のシステムに伴う遅延を解消できる。本発明の「小刻み変換」技術の更なる利点は、前述した既知のパルス幅変調式コンバータと比較して、コンバータが結果的に簡単になり、安価になり、物理的に小型化され、軽量化される。単一変換サイクルが開始される閾値は、特定な電圧値に固定することもでき、又は、タイヤ荷重を変えるような様々な動作条件下で最大電力出力を維持することが必要とされる場合のように可変とすることもできる。
【００３５】
電圧検出器／制御器１１０は様々な形態をとることができ、その様々な形態の内の２つの実施例を図２及び図３を参照して説明する。詳細に後述するように、図２及び図３に示す実施例は、簡単な制御構成例を示しているに過ぎず、マイクロコントローラ又は同様な装置を使用して、コンバータの更に知的な制御を実現することもできる。
【００３６】
本発明によるならば、タイヤ上に又はタイヤ内に取り付けられた電子装置が、動作エネルギーを必要とするとき、そのエネルギーは、より低いレベルで既に利用可能である。その低電圧エネルギー蓄積装置は、限定するものではないが前述したキャパシタ５５を含む複数の装置又は装置段とすることができる。例えば、エネルギー蓄積装置は、１つ以上のキャパシタ、スーパーキャパシタ、電池のような様々な型式の再充電装置とすることができ、タイヤが停止しているか又は非常に低速で回転しているときでも、電力供給されている電子装置がより長い間動作できるように急速充電／長期間電力供給可能なエネルギー蓄積装置を実現できる。
【００３７】
図２を参照するならば、本発明による電力回収調整装置の典型的な実施例が図示されている。その実施例は、ツエナダイオード１２０によって決定されるような固定閾値電圧と、標準的なバックコンバータを制御する簡単な電圧検出器１３０と、キャパシタ５５として実現されている単一段の主エネルギー蓄積装置とを具備している。例えば、電圧検出器１３０は、Ｓ−８０８２５型２．５Ｖ出力電圧検出器とすることができる一方、ツエナダイオード１２０は、公称電圧３３Ｖの装置とすることができる。圧電素子６０から供給される平均電流は極めて小さいので、電圧検出器１３０の出力は本来単安定であり、弛張発振器として動作し、電圧閾値を越えるたびに単一出力パルスを発生する。ここで、タイヤの１回転は、丁度１変換サイクルにはならず、むしろ、１変換サイクルでキャパシタ４５からキャパシタ５５への転送されるエネルギー量が、タイヤ１回転で圧電素子６０から供給されるエネルギー量より小さい場合には、数変換サイクルとなる場合もあることを留意することが重要である。反対に、タイヤ１回転で圧電素子６０から供給されるエネルギー量が、１変換サイクルで転送されるエネルギー量より小さい場合には、平均では、１回転当たり１変換サイクル未満になる場合もある。
【００３８】
トランジスタ３１０及び３２０並びにツエナダイオード３４０は、参照番号なして図示している抵抗と共に、ストローブ式低リーク分路調整器を構成している。当業者には明らかであるように、図示したストローブ式調整器の代わりに、他の既知の電圧調整器を使用することもできる。この電圧調整器は、本発明による電力調整回路から電力が供給される電子装置の使用に適した所定の電圧にコンバータの出力電圧を維持するために使用される。典型的な実施例では、電圧調整器は、キャパシタ５５の両端間の出力電圧を、約３．０Ｖから約５．０Ｖの範囲内の選択した値に維持することができる。当業者には明らかなように、トランジスタ２１０及び２２０、インダクタ２３０、ダイオード２４０並びに参照番号を付していない他の構成要素が、キャパシタ４５から出力キャパシタ５５へ電荷を転送する上記した標準的なバックコンバータを構成している。
【００３９】
図３を参照するならば、本発明による電力回収調整装置のもう１つの典型的な実施例が図示されている。図３に示す実施例は、図２に示す実施例と２つの点で異なる。第１に、図２に図示したような分路調整器が設けられていない。この除去は、調整器は設けられるべきではないとの意味に解すべきではなく、むしろ簡略化のために単に調整器が除去されているに過ぎない。第２に、ツエナダイオード１２０と電圧検出器１３０の位置が入れ替わっている。この変更に加えて、抵抗１４０及び１５０並びにツエナダイオード１６０が追加されて、電圧検出器／制御器のために過渡現象を抑制するように制御している。図３に図示する電力回収調整装置の実施例は、図２に示す実施例と実質的に同一の形態で動作する。すなわち、キャパシタ４５の両端間の電圧が、ツエナダイオード１２０と電圧検出器１３０との組合せによって決定されるレベルに達すると、電圧検出器の出力端子にパルスが発生され、トランジスタ２１０及び２２０、インダクタ２３０、ダイオード２４０並びに他の参照番号を付していない構成要素を具備している標準的なバックコンバータが、キャパシタ４５から電荷を出力キャパシタ５５に転送する。電力回収調整モジュールの出力は、タイヤ又はホイールの組立体内の電子システムに電力を供給するように使用することが好ましい。センサ、マイクロコントローラ及び無線送信器を具備するタイヤ電子システムの例を図５に示し、詳細に後述する。
【００４０】
タイヤ又はホイールの組立体内に一体化された電子システムのための電力を発生する本発明のシステムと方法の好ましい実施例を詳細に説明する。図面を参照するならば、図４は、本発明による自己電力供給式電子装置１２（図５に詳細に図示）が一体化された典型的な空気タイヤ組立体１０の概略横断面図を示している。ここに図示した典型的なタイヤ横断面は、普通の空気タイヤとして広く知られているのであり、本発明はそのようなタイヤに使用するものと限定されるものでなく、図示した横断面とは幾分異なる横断面を有する所謂ランフラットタイヤにも使用できることは特に理解されたい。
【００４１】
電力発生装置６０及び電力回収調整回路１２は、タイヤ構造体１６に付属する電子構成要素２８、２９、３０、３２、３４、３６、３８と共に設けられて、それら構成要素がタイヤ組立体１０内で自己電力供給されることが好ましい。図５に図示するように、電子構成要素２８及び２８は、温度センサ及び圧力センサとしてそれぞれ図示されており、構成要素３０、３２、３４は、センサＸ、Ｙ、Ｚとして図解しているが、任意の所望のセンサ素子でもよく、又は、温度及び圧力のデータがセンサ２８及び２９から送信される態様と同様な態様において、付属のタイヤに関係するデータがセンサからマイクロコントローラ３６及び無線送信器３８を介して外部受信装置（不図示）へ送信されるセンサと同様な態様で動作する情報蓄積装置でもよい。非限定的な例として、センサ３０、３２、３４は、追加的な物理的な環境応答装置、例えば、センサ２８及び２９とは離れて配置できる追加の温度又は圧力感知装置、車両速度センサ、タイヤ回転センサ、タイヤ偏倚センサ、又は他の物理的又は動作型式センサでもよく、さもなくば又は、製造者、製造日、製品情報、又はタイヤ又はタイヤセットに関連する他のデータに相当する情報を含む情報記憶装置でもよい。本発明によるならば、本明細書において具体的に開示した電子装置以外の電子装置を電力発生装置と組合せて使用することもできることは理解されたい。上記した特許文献１は、本発明と組合せて使用できるタイヤ監視システムの他の特徴も開示しており、改めてここに引用してその全内容を本明細書に組み入れる。タイヤ電子システムをＧＰＳシステムと組合せることにより、車両の正確な位置を示すこともできる。又は、圧電式電力発生回収調整装置は、ホイール組立体内の発光組立体又はフィードバックシステムに電力を供給するように使用することもできる。本発明によって電力供給できる電子応用例の数は、膨大であり、本発明を一切限定するものではない。
【００４２】
本発明の電力発生回収調整装置は、タイヤ組立体内に電力を供給する従来技術に比較して優れた沢山の効果を奏する。上述したアンテナビームパワー捕捉技術は、タイヤ電子装置へ電力を供給する上での制限された選択肢の１つでは最早なくなる。同様に、多くのタイプのタイヤ電子装置の機能上の可能性が全体として拡大する。電力発生に電池を使用する選択肢は最早必須ではなくなり、従って、コストのかかる厄介な電池交換は不要になる。本発明の技術を用いることで、アンテナビームパワーや電池を不要にできる電力発生装置を提供できるが、電力発生装置が、圧電技術および／または電池および／またはアンテナビーム捕捉法を混合して組み合わせることにより、ホイール組立体内の選択した種々の電子装置へ電力供給することができるということは理解できよう。
【００４３】
図４に示すように、典型的なタイヤ構造体１６は、外側トレッド部１８を支持するクラウン１５と、ビード部２２まで延びたサイドウォール２０とを具備している。サイドウォール２０は断面線１７と１９との間に延在し、タイヤクラウン１５は２つの断面線１９の間に延在している。タイヤビード２２は、タイヤ構造体１６をホイール組立体のリムに効果的に装着できるように構成されている。クラウン内側表面２４とサイドウォール内側表面２６とを含むタイヤの内側表面は気密材料のインナーライナーで形成されている。カーカス２３は、サイドウォール部２０とクラウン１５とを通ってビード２２の間に延在し、タイヤ圧下でタイヤの形状を規定し、トラクションとステアリングのための力を伝達する。ベルトパッケージ２１はタイヤ構造体内部にクラウン１５に沿って設けられている。
【００４４】
図４の典型的なタイヤ組立体の実施例に図示するように、電力発生回収調整装置１４は、タイヤ構造体１６のクラウン内側表面２４上に取り付けることができる。この位置は一般に、外側トレッド部１８が地面に沿って移動してタイヤ構造体１６が撓んだ時に、電力発生回収調整装置１４内部の圧電素子を駆動するのに適した位置である。タイヤの撓みは、タイヤ組立体１０が地上を移動した時の全体的な機械的振動と組合され、電力発生装置１４内部の圧電構造体が電流を発生できるようにする。この電流は、タイヤ電子装置１２へ電力を供給するためのエネルギー蓄積装置で調整され、蓄積される。クラウン内側表面２４は電力発生装置１４を取り付けるための論理的位置であるが、電力発生回収調整装置１４を例えばサイドウォール内側表面２６のような位置に取り付けることもできるということは理解できよう。このように配置することによって特定の電子応用装置に十分な量の電力を発生できる一方、電力発生回収調整装置１４の内部の圧電素子に加わる歪みを小さくすることができる。さらに、電力発生回収調整装置１４をタイヤ構造体１６の内部に、例えばカーカス２３と表面２４および／または２６に沿って延びたインナーライナーとの間に、取り付け硬化することもできる。電力発生回収調整装置１４の様々な配置によれば、「一体化 (integrated)」という用語は、タイヤに対する全ての可能な配置位置が含まれ、例えばタイヤ構造体上への取り付けまたはタイヤ構造体内部への埋込が含まれる。
【００４５】
圧電素子すなわち電力発生素子は、上述した特許出願に開示される様々な圧電材料から構成できる。上述した特許出願の内容は、ここに引用して本明細書に組込み、圧電素子の更に具体的な詳細については参照されたい。
【００４６】
以上、特定な実施例を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明では上記実施例を変更、変形し、均等物に置換できるということは当業者には理解できよう。従って、上記の開示は単なる例であって本発明がそれに限定されるものではなく、本発明は変更、変形および／または追加を除外するものではないということは当業者には理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明による電力発生回収調整装置のブロック図。
【図２】本発明による電力発生回収調整装置の１つの実施例の概略図。
【図３】本発明による電力発生回収調整装置のもう１つの実施例の概略図。
【図４】本発明による自己電力供給式電子装置が一体化された典型的な空気タイヤ構造体の概略横断面図。
【図５】本発明による典型的なタイヤ電子システムのブロック図。
【図６】既知の電力回収調整装置の概略ブロック図。
【符号の説明】
【００４８】
１０    タイヤ組立体
１２    タイヤ電子装置
１４    電力回収調整モジュール
１６    タイヤ構造体
４５、５５    キャパシタ
６０    圧電素子
【図１】
2006056501.tif 000003
【図２】
2006056501.tif 000004
【図３】
2006056501.tif 000005
【図４】
2006056501.tif 000006
【図５】
2006056501.tif 000007
【図６】
2006056501.tif 000008