(57)【要約】【課題】振動を利用して発電を行う発電手段を複数用いて当該複数の発電手段に同位相の振動を与えることを可能として、発電量を向上させることができる発電装置等を提供する。【解決手段】発電装置１は、一方向に長く延長する長尺状に形成されて振動を利用して発電を行うことが可能な発電手段（発電素子４０）が複数隣り合うように並列に配列されて構成された発電部４と、発電部４を構成する各発電手段の延長方向一端部に連結されて取付対象部６に固定される固定部２と、発電部４を構成する各発電手段の延長方向他端部に連結された錘構成部３と、固定部２と錘構成部３とを連結する連結部５とを備え、連結部５は、錘構成部３に応力が加わった場合に、発電部４のねじり変形を抑制して当該発電部４を構成する各発電手段に同位相の振動を付与する構成とされた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に長く延長する長尺状に形成されて振動を利用して発電を行うことが可能な発電手段が複数隣り合うように並列に配列されて構成された発電部と、
前記発電部を構成する各発電手段の延長方向一端部に連結されて取付対象部に固定される固定部と、
前記発電部を構成する各発電手段の延長方向他端部に連結された錘構成部と、
前記固定部と前記錘構成部とを連結する連結部とを備え、
前記連結部は、前記錘構成部に応力が加わった場合に、前記発電部のねじり変形を抑制して当該発電部を構成する各発電手段に同位相の振動を付与する構成とされたことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記連結部は、前記発電手段の配列方向において発電手段と並ぶように設けられ、かつ、剛性が前記発電部の剛性よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記発電手段は、
磁歪材料により一方向に長く延長する長尺状に形成された磁歪体と、
前記磁歪体の周囲に螺旋状に巻き回されたコイルと、
を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記連結部は、前記発電手段の配列方向両端側に配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発電装置を備えたタイヤであって、
前記固定部がタイヤのトレッド部下に対応するタイヤ内面に取付けられたことを特徴とするタイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動を利用して発電を行う発電手段を備えた発電装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動を利用して発電を行う発電手段として圧電素子を用いた発電装置や、振動を利用して発電を行う発電手段として磁歪材料を用いた発電装置が知られている（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１１／１５８４７３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した振動を利用して発電を行う発電手段を用いた発電装置の発電量は小さく、発電量を向上させることが望まれている。
本発明は、振動を利用して発電を行う発電手段を複数用いて当該複数の発電手段に同位相の振動を与えることを可能として、発電量を向上させることができる発電装置等を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る発電装置は、一方向に長く延長する長尺状に形成されて振動を利用して発電を行うことが可能な発電手段が複数隣り合うように並列に配列されて構成された発電部と、前記発電部を構成する各発電手段の延長方向一端部に連結されて取付対象部に固定される固定部と、前記発電部を構成する各発電手段の延長方向他端部に連結された錘構成部と、前記固定部と前記錘構成部とを連結する連結部とを備え、前記連結部は、前記錘構成部に応力が加わった場合に、前記発電部のねじり変形を抑制して当該発電部を構成する各発電手段に同位相の振動を付与する構成とされたので、並列配置された発電手段に同位相の振動が加わることで、発電量が向上する発電装置を得ることができる。
前記連結部は、前記発電手段の配列方向において発電手段と並ぶように設けられ、かつ、剛性が前記発電部の剛性よりも大きくしたので、錘構成部に応力が加わった場合に、発電部のねじり変形を抑制でき、並列配置された発電手段に同位相の振動を付与することができるようになるので、発電量が向上する発電装置を得ることができる。
前記発電手段は、磁歪材料により一方向に長く延長する長尺状に形成された磁歪体と、前記磁歪体の周囲に螺旋状に巻き回されたコイルと、を備えたので、磁歪体を薄厚の板材により形成できて発電手段を撓みやすい構成とでき、発電手段に加わる振動を大きくできるので、発電量が向上する発電装置を得ることができる。
前記連結部は、前記発電手段の配列方向両端側に配置されたので、発電部のねじり変形をより効果的に抑制できるようになり、発電量を向上させることができる。
本発明に係るタイヤは、前記発電装置を備えたタイヤであって、前記固定部がタイヤのトレッド部下に対応するタイヤ内面に取付けられたので、発電量の大きい発電装置を備えたタイヤを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】発電装置の斜視図。
【図２】（ａ）は図１の左下側から見た発電装置の正面図、（ｂ）は図１の右下側から見た発電装置の側面図。
【図３】磁歪材料を用いた発電素子の一例を示す図。
【図４】タイヤの内面に発電装置が取付けられたタイヤを示す断面図。
【０００７】
以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明される特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らず、選択的に採用される構成を含むものである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１に示すように、実施形態の発電装置１は、固定部２と、錘構成部３と、一端部が固定部２に固定されて固定端となり自由端となる他端部に錘構成部３が取付けられた発電部４と、一端部が固定部２に固定されて固定端となり自由端となる他端部に錘構成部３が取付けられた連結部５と、を備えた構成である。
【０００９】
固定部２は、例えば合成樹脂、ゴム、金属等の矩形板により形成され、発電部４を構成する複数の発電素子４０；４０…の一端部及び連結部５の一端部が当該矩形板の一方の板面に固定され、当該矩形板の他方の板面がタイヤ６０の内面７０等の取付対象部６に接着剤や加硫接着等によって固定される部材である。
【００１０】
錘構成部３は、例えば合成樹脂、ゴム、金属等の矩形板により形成された錘板３ａと、当該錘板の一方の板面にぶら下がるように設けられた錘体３ｂとを備え、発電部４を構成する複数の発電素子４０；４０…の他端部及び連結部５の他端部が当該錘板の一方の板面に固定される。当該錘構成部３は、応力を受けた場合に、発電部４の各発電素子４０及び連結部５を撓ませて、当該各発電素子４０及び連結部５に振動を付与する部材である。
【００１１】
発電部４は、振動を利用して発電を行う発電手段としての複数の発電素子４０；４０；４０…が隣り合うように並列に配列されて構成される。発電素子４０は、一方向に長く延長する長尺状に形成される。
発電素子４０は、磁歪材料により一方向に長く延長する長尺状に形成された磁歪体、導線が磁歪体の周囲に螺旋状に巻き回されて形成されたコイルと、磁歪体を磁化させる磁石とを備えた構成であり、磁石により磁化されている磁歪体に応力を加えて磁歪体を振動させることで磁歪体の磁化を変化させ、この磁化の変化によりコイルに誘導電圧（または誘導電流）を発生させる逆磁歪効果によって、発電を行うものである。
磁歪体としては、例えば、鉄ガリウム合金であるＧａｌｆｅｎｏｌ、ニッケル、フェライト、アルフェル（鉄とアルミニウムとの合金）等を用いればよい。
【００１２】
発電素子４０は、例えば図３に示すように、細長い薄板状（短冊状）の磁歪体４１と当該薄板状の磁歪体４１の周囲に螺旋状に巻き回されたコイル４２とにより構成された棒状体４０Ａ（図１参照）が２つと、各磁歪体４１；４１の板面同士が平行に対向するように配置された各棒状体４０Ａ；４０Ａの各磁歪体４１；４１の一端部同士を連結する一端側ヨーク４３と、各磁歪体４１；４１の板面同士が平行に対向するように配置された各棒状体４０Ａ；４０Ａの各磁歪体４１；４１の他端部同士を連結する他端側ヨーク４４と、一端側ヨーク４３及び他端側ヨーク４４の同一平面上に位置する各側面４３ａ；４４ａにそれぞれ設けられた磁石４５；４６と、磁石４５と磁石４６とを連結するバックヨーク４７とを備えた構成である。尚、図１では、磁石４５；４６及びバックヨーク４７の図示を省略してある。
そして、発電素子４０の一端部である一端側ヨーク４３の端部を固定して発電素子４０の固定端とし、発電素子４０の自由端となる他端側ヨーク４４に端部に力を作用させて、平行梁を構成する各磁歪体４１；４１の各板面を湾曲させるように撓ませた場合、一方の磁歪体４１には圧縮力が加わって逆磁歪効果で磁力線が減少するとともに、他方の磁歪体４１には引張り力が加わって磁力線が増加する。このように２つの磁歪体４１；４１に振動が加わると、磁歪体４１に作用する磁力線が交番状に変化し、この際、電磁誘導の法則でコイル４２に電圧（起電力）が発生する。
【００１３】
連結部５は、例えば合成樹脂、金属等により一方向に長く延長する長尺状に形成された１本以上の梁５０により構成され、梁５０の一端部が固定部２の一方の板面に連結され、梁５０の他端部が錘構成部３の一方の板面に連結されることによって、固定部２と錘構成部３とを連結して、発電部４のねじり変形を抑制するための部材である。
【００１４】
固定部２の一方の板面には、発電素子４０の長手方向一端部、及び、連結部５の長手方向一端部が挿入される溝８が形成され、複数の発電素子４０及び梁５０の当該長手方向一端部が当該溝８の溝底に接着剤等で固定されている。
錘構成部３の一方の板面には、発電素子４０の長手方向他端部、及び、連結部５の長手方向他端部が挿入される溝９が形成され、複数の発電素子４０及び梁５０の当該長手方向他端部が当該溝９の溝底に接着剤等で固定されている。
溝８は固定部２の一方の板面に沿った方向にまっすぐに延長する溝により形成され、溝９は錘構成部３の一方の板面に沿った方向にまっすぐに延長する溝により形成される。
【００１５】
連結部５は、例えば、２本の梁５０ａ；５０ｂにより形成され、一方の梁５０ａの一端部が固定部２の溝８の延長方向の一端部の溝底に固定され、一方の梁５０ａの他端部が錘構成部３の溝９の延長方向の一端部の溝底に固定され、さらに、他方の梁５０ｂの一端部が固定部２の溝８の延長方向の他端部の溝底に固定され、他方の梁５０ｂの他端部が錘構成部３の溝の延長方向の他端部の溝底に固定されたことによって、固定部２に固定されている端が固定端、錘構成部３に固定されている端が自由端となる片持ち梁となるように構成され、かつ、溝８及び溝９の延長方向に沿った溝底の中心線が同一平面上に位置して溝８及び溝９が平行に向かい合うように配置されることになる。
尚、梁５０ａ；５０ｂは、例えば、磁歪体４１と同じように、細長い薄板状（短冊状）に形成される（図１参照）。
【００１６】
錘構成部３は、溝９を境界とした一方部３１と他方部３２とが当該溝９を中心として対称な形状（同じ形状）でかつ同じ重量に構成されている（図２（ｂ）参照）。
錘構成部３は、一方部３１と他方部３２とがそれぞれ錘体３ｂを備え、外力を受けた場合に、一方部３１及び他方部３２が溝９を中心としてシーソー運動のように揺動しやすいように構成されている。
【００１７】
発電部４を構成する複数の発電素子４０；４０…は、梁５０ａと梁５０ｂとの間に位置される溝８；溝９の延長方向中央部側において、それぞれ溝８；９の延長方向に沿って隣り合って並ぶように並列配置され、発電素子４０の一端部が固定部２の溝８の延長方向中央部側の溝底に固定され、発電素子４０の他端部が錘構成部３の溝９の延長方向中央部側の溝底に固定されたことによって、固定部２に固定されている端が固定端、錘構成部３に固定されている端が自由端となる片持ち梁となるように構成される。
【００１８】
尚、複数の発電素子４０；４０…は、互いに所定の間隔を隔てて隣り合うように設けられ、かつ、発電素子４０と梁５０ａとが互いに所定の間隔を隔てて隣り合うように設けられているので、発電素子４０及び梁５０ａが撓んだ際に隣り合う部材同士の接触を防止でき、部材の耐久性を向上できる（図２（ａ）参照）。
【００１９】
そして、前記２つの梁５０ａ；５０ｂにより構成されて固定部２と錘構成部３とに連結された連結部５の剛性が、前記複数の発電素子４０；４０…により構成されて固定部２と錘構成部３とに連結された発電部４の剛性よりも大きくなるように構成されている。当該剛性とは連結部５を形成する梁５０ａ；５０ｂの板面や発電部４を形成する複数の発電素子４０；４０…の板面が撓むように当該連結部５や発電部４に曲げモーメントが作用した場合の当該連結部５や発電部４の剛性を意味し、縦弾性率（ヤング率）などを指標とすることができる。縦弾性率は、静的試験法、又は、横振動法、又は、超音波法により測定された値を指標とすればよい。
【００２０】
尚、発電素子４０の細長い薄板状の磁歪体４１、及び、細長い薄板状の梁５０ａ；５０ｂは、板面が溝８；９の延長方向に沿った面と平行になるように配置され、錘構成部３が溝９を中心としてシーソー運動のように振動した場合、複数の磁歪体４１及び梁５０ａ；５０ｂの薄板状の板面が撓んで（歪んで）、複数の磁歪体４１及び梁５０ａ；５０ｂが振動するように構成されている。
具体的には、磁歪体４１、及び、梁５０ａ；５０ｂは、溝８；溝９に沿った方向に直交する方向の長さ（板厚）が、溝８；溝９に沿った方向の長さ（板幅）よりも短い寸法の細長い薄板状に形成されている（図１参照）。
【００２１】
実施形態の発電装置１の固定部２が取付対象部６に固定された場合、梁５０ａ；５０ｂ及び複数の発電素子４０；４０…は、固定部２に連結されている端が固定端、錘構成部３に連結されている端が自由端となる片持ち梁となり、当該錘構成部３に応力が加わって、当該錘構成部３が溝９を中心としてシーソー運動のように揺れ動く（振動する）のに伴って、連結部５及び発電部４が同じ方向に撓んで振動しやすくなる。
実施形態では、連結部５よりも剛性が小さくねじりが発生しやすい発電部４の複数の発電素子４０の配列方向の両端側に連結部５を形成する梁５０ａ；５０ｂを設けたので、発電部４よりも剛性が大きい連結部５によって発電部４のねじり変形をより効果的に抑制することができる。
【００２２】
尚、連結部５を備えずに、複数の発電素子４０；４０…を互いに隣り合うように配列して固定部２と錘構成部３とに連結することで発電部４を構成した場合、発電部４の剛性が高くなると、発電素子４０に加わる歪が低減するために、発電量が小さくなる。
よって、発電素子４０の剛性を小さくして発電素子４０を撓み易いように構成する場合、発電部４のねじり剛性まで低下してしまうため、複数の発電素子４０に同位相の歪を与えることができなくなり、発電量を向上させることができなくなる。
そこで、実施形態の発電装置１では、当該錘構成部３に応力が加わった場合に、発電部４のねじり変形を抑制でき、発電部４を構成する複数の発電素子４０；４０…が同じ方向に撓んで、複数の発電素子４０；４０…に同位相の歪を与えることができるようにするために、発電部４の剛性よりも剛性の大きい連結部５を設けるようにした。
【００２３】
実施形態の発電装置１の構成によれば、発電部４がねじれようとしても連結部５の剛性が大きいため発電部４のねじり変形が抑制されるとともに、梁５０ａ；５０ｂ及び複数の発電素子４０；４０…が同じ方向に撓む場合には、梁５０ａ；５０ｂと同じ撓み量だけ撓むので、複数の発電素子４０；４０…に同位相の歪を与えることができるようになるため、発電能力の大きい発電装置１となる。
【００２４】
実施形態の発電装置１は、加速度センサ、圧力センサ、温度センサ等のセンサを搭載したセンサモジュールに搭載されてセンサ等に供給する電力を発生する発電装置として用いることができる。
例えば、複数の発電素子４０；４０…の配列方向、及び、各磁歪体４１；４１…の板面が、タイヤ６０の赤道面６０Ｘと直交するように、発電装置１の固定部２がタイヤ６０のトレッド部６２下に対応するタイヤ６０の内面７０に取付けられることで、タイヤ６０が転動した場合に、複数の発電素子４０；４０…の磁歪体４１の板面がタイヤ６０の周方向に変形しやすくなり、発電能力の大きい発電装置１を備えたタイヤとなる。
【００２５】
尚、タイヤ６０は、カーカス６０Ａと、ベルト６１と、トレッド部６２と、ビード部６３と、サイドウォール部６４と、ショルダー部６５と、を備えて構成される。カーカス６１は、タイヤ６０の内面７０側からタイヤ６０の外面７１側に向けて積層された複数のコード層が一対のビード部６３；６３間をトロイド状に跨るように配設され、例えば、内層側の複数層は両端が該ビード部６３のビードコア６６に対してタイヤ幅方向内側から外側へ折り返されるターンアッププライとなっており、外層側の複数層は両端が該ビード部６３のビードコア６６に対してタイヤ幅方向外側から内側へ折り返されるダウンプライとなっている。ベルト６１は、カーカス６０Ａとトレッド部６２との間に設けられる。トレッド部６２は、カーカス６０Ａ及びベルト６１のタイヤ径方向外側に配置されている。トレッド部６２の表面には、タイヤ周方向に延びる複数の周方向主溝６７が形成されている。
【００２６】
また、発電装置１が、タイヤ６０のトレッド部６２下に対応するタイヤ６０の内面７０の周方向に沿って均等な間隔を隔てて複数配置されたタイヤを構成すれば、発電能力が大きくて、かつ、ユニフォーミティの優れたタイヤを得ることができる。
【００２７】
また、発電装置１が、トレッド６２の陸部下に対応するタイヤ６０の内面７０に取付けられた構成とすることが好ましい。このようにすれば、トレッド部の溝部の変形等の影響を受けにくくでき、発電装置への外乱入力を抑制でき、発電部４のねじれ等が生じにくくなるので、好ましい。
【００２８】
上記では、磁歪材料を用いた発電素子を備えた発電装置を説明したが、圧電素子を利用した発電手段を備えた発電装置としてもよい。
即ち、上述した発電装置１の発電素子４０の代わりに圧電素子を用いた発電手段を設け、圧電素子を振動させることにより、上述した発電装置１と同様に、複数の圧電素子に同位相の歪を与えることができ、発電能力の大きい発電装置を得ることができる。
尚、圧電材料は、脆性材料であり、曲げや衝撃に対して弱い材料であるため、圧電素子を用いる場合には、圧電素子を剛性部材に張り合わせる等して圧電素子の強度を補強することが好ましい。
【００２９】
また、本発明の発電装置１においては、連結部５の配置は特に限定されない。即ち、錘構成部３に応力が加わった場合に、発電部４のねじり変形を抑制して発電部４を構成する各発電手段に同位相の振動、あるいは、同位相に近い振動を付与することができるように構成された連結部５を備えていればよい。例えば、連結部５の板面の捩れに対する剛性を連結部５の板面の撓みに対する剛性よりも大きくしたり、あるいは、連結部５の板面の捩れ振動における固有振動数を連結部５の板面の撓み振動における固有振動数よりも大きくすること等によって、錘構成部３に応力が加わった場合に、発電部４のねじり変形を抑制して発電部４を構成する各発電手段に同位相の振動、あるいは、同位相に近い振動を付与することができるようにすればよい。
また、本発明の発電装置１が取付けられる対象、即ち、発電装置１の取付対象部はタイヤ６０の内面に限られない。即ち、本発明の発電装置は、固定部が取付対象部に固定されて発電部が振動することで発電を行う構成であるので、固定部を様々な取付対象部に取付けて、発電能力の大きい発電装置を構成することが可能となる。
【符号の説明】
【００３０】
１  発電装置、２  固定部、３  錘構成部、４  発電部、５  連結部、
４０  発電素子、４１  磁歪体、６０  タイヤ、６２  トレッド部。
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
2015180126.tif 000006