(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自装置の幅方向中央及び長さ方向中央に配置され、タイヤの振動加速度を検出する加速度センサと、
タイヤの振動により発電し、共振周波数が前記加速度センサで検出される振動加速度の使用周波数範囲外である振動発電機と、
を備え、
前記振動発電機の振動方向と、前記加速度センサの前記振動加速度の検出方向とが成す角度が、７０度以上で且つ１１０度以下である
加速度取得装置。
【請求項２】
自装置の幅方向中央及び長さ方向中央に配置され、タイヤの振動加速度を検出する加速度センサと、
タイヤの振動により発電し、共振周波数が前記加速度センサで検出される振動加速度の使用周波数範囲外である偶数個の振動発電機と、
を備え、
前記偶数個の振動発電機を同数個ずつに分け、前記同数個ずつの振動発電機により前記加速度センサが挟まれた
加速度取得装置。
【請求項３】
前記振動発電機の共振周波数が５００Ｈｚ未満の周波数又は２ｋＨｚより高い周波数である
請求項１又は請求項２記載の加速度取得装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の加速度取得装置を、タイヤ内側の幅方向中央に配置したタイヤ。
【請求項５】
請求項１〜３の何れか１項に記載の加速度取得装置を、タイヤ内側の幅方向中央に取り付けるステップを含むタイヤの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度取得装置、タイヤ、及びタイヤの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車のタイヤの内側に装着した加速度センサによりタイヤの振動加速度を検出し、検出した振動加速度を無線で車載解析装置へ送信し、車載解析装置に送信された振動加速度をリアルタイムに解析してタイヤの摩耗状態や路面状態（乾燥、半湿、シャーベット、積雪、圧雪、及び凍結等）を判定する技術がある。加速度センサは、加速度センサと同じようにタイヤの内側に装着された発電機によって発電された電力が供給されることにより駆動される。
【０００３】
発電機としては、例えば振動発電機を用いることが考えられるが、この場合、加速度センサ及び振動発電機は、小型化するために一体化することが好ましい。
【０００４】
例えば特許文献１には、振動発電機及び加速度センサが一体化された装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２０６６３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
加速度センサ及び振動発電機を一体化した場合、振動発電機の振動が加速度センサに伝達し、加速度センサで検出される振動加速度の信号波形が乱れてしまい、精度良く振動加速度を取得できない虞がある。この場合、振動発電機の共振周波数を加速度センサで検出される振動加速度の使用周波数範囲外とすることにより、振動発電機の振動の影響が加速度センサに伝達されるのを抑制することが考えられる。
【０００７】
しかしながら、例えばタイヤを左右でローテーションした場合、回転方向が逆になることから、振動発電機及び加速度センサが一体化された装置に対して加速度センサの位置が偏って配置されていた場合、タイヤの回転方向が逆になることによって加速度センサの挙動が変化し、検出される振動加速度の信号波形に変化が生じてしまう場合がある。
【０００８】
本発明は、上記事実を鑑みて成されたものであり、タイヤをローテーションした場合でも精度良く振動加速度を取得することができる加速度取得装置、タイヤ、及びタイヤの製造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】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明の加速度取得装置は、自装置の幅方向中央及び長さ方向中央に配置され、タイヤの振動加速度を検出する加速度センサと、タイヤの振動により発電し、共振周波数が前記加速度センサで検出される振動加速度の使用周波数範囲外である振動発電機と、を備え、前記振動発電機の振動方向と、前記加速度センサの前記振動加速度の検出方向とが成す角度が、７０度以上で且つ１１０度以下である。
請求項２記載の発明の加速度取得装置は、自装置の幅方向中央及び長さ方向中央に配置され、タイヤの振動加速度を検出する加速度センサと、タイヤの振動により発電し、共振周波数が前記加速度センサで検出される振動加速度の使用周波数範囲外である偶数個の振動発電機と、を備え、前記偶数個の振動発電機を同数個ずつに分け、前記同数個ずつの振動発電機により前記加速度センサが挟まれている。
【００１０】
なお、請求項３に記載したように、前記振動発電機の共振周波数が５００Ｈｚ未満の周波数又は２ｋＨｚより高い周波数である構成としてもよい。
【００１３】
請求項４記載の発明のタイヤは、請求項１〜３の何れか１項に記載の加速度取得装置を、タイヤ内側の幅方向中央に配置したタイヤである。
【００１４】
請求項５記載の発明のタイヤの製造方法は、請求項１〜３の何れか１項に記載の加速度取得装置を、タイヤ内側の幅方向中央に取り付けるステップを含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、タイヤをローテーションした場合でも精度良く振動加速度を取得することができる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】加速度取得装置の斜視図である。
【図２】タイヤの断面図である。
【図３】タイヤの内側の平面図である。
【図４】加速度取得装置の構成図である。
【図５】振動発電機の構成図である。
【図６】加速度取得装置の側面図である。
【図７】振動発電機の共振周波数が５０Ｈｚの場合の振動加速度の波形図である。
【図８】振動発電機の共振周波数が５０Ｈｚの場合の振動加速度のパワースペクトルを示す図である。
【図９】振動発電機の共振周波数が８７０Ｈｚの場合の振動加速度の波形図である。
【図１０】振動発電機の共振周波数が８７０Ｈｚの場合の振動加速度のパワースペクトルを示す図である。
【図１１】振動発電機の振動方向と加速度センサの振動加速度の検出方向とを直交させた場合の振動加速度の波形図である。
【図１２】振動発電機の振動方向と加速度センサの振動加速度の検出方向とを直交させた場合の振動加速度のパワースペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１には本実施形態に係る加速度取得装置１０の斜視図を示した。図１に示すように、加速度取得装置１０は、２個の振動発電機１２Ａ、１２Ｂ及び加速度検出部１４を備えている。振動発電機１２Ａ、１２Ｂ、及び加速度検出部１４は、加速度検出部１４が振動発電機１２Ａ、１２Ｂに挟まれた状態で金属製の取付部１６に取り付けられることにより一体化されている。取付部１６は、台座１８に固定されている。また、本実施形態では、一例として振動発電機１２Ａ、１２Ｂ、及び加速度検出部１４の外形サイズ（縦×横×高さ）は同一である。
【００１９】
なお、本実施形態では、２個の振動発電機１２Ａ、１２Ｂにより加速度センサ２０が挟まれた構成について説明するが、振動発電機は２個より多くてもよい。例えば偶数個の振動発電機を同数個ずつに分け、同数個ずつの振動発電機により加速度センサ２０を挟む構成としてもよい。
【００２０】
また、１個の振動発電機及び加速度センサ２０を一体化した構成としてもよいし、複数の振動発電機及び加速度センサ２０を一体化した構成の場合においても、複数の振動発電機で加速度センサ２０を挟まない構成としてもよい。
【００２１】
図２に示すように、加速度取得装置１０は、台座１８の底面を取付面として、タイヤＴを製造した後に、タイヤＴの内側に例えば接着剤等により取り付けられる。具体的には、図２に示すように、タイヤＴの幅方向中央（Ｙ方向中央）、すなわちタイヤのセンターラインＣＬ上に加速度取得装置１０が取り付けられる。また、図３のタイヤＴの内側の平面図に示したように、加速度取得装置１０は、タイヤＴの幅方向（Ｙ方向）に沿って振動発電機１２Ａ、加速度検出部１４、及び振動発電機１２Ｂの順となるように、タイヤＴの内側に取り付けられる。なお、台座１８を省略して、取付部１６をタイヤＴの内側に直接取り付けるようにしてもよい。
【００２２】
図４には、加速度取得装置１０の構成図を示した。図４に示すように、加速度検出部１４は、加速度センサ２０及び送信部２２を備えており、振動発電機１２Ａ、１２Ｂによって発電された電力の供給を受けて駆動される。
【００２３】
図５に示すように、振動発電機１２Ａは、一例として磁石２４、２個のコイルばね２６、２８を備えている。このように、磁石２４は、２個のコイルばね２６、２８によって支持されており、一例としてＺ方向に振動する。
【００２４】
振動発電機１２Ａは、加速度取得装置１０が取り付けられたタイヤＴの振動に伴って磁石２４が振動し、磁石２４の周囲に配置されたコイル２５に起電力が生じる電磁発電によって電力を発生させる。また、振動発電機１２Ａは、図示しない整流器及びコンデンサを備えており、発電された電力は、整流器で整流されてコンデンサに蓄電される。そして、コンデンサの電圧が予め定めた閾値以上になると、電力を加速度検出部１４へ出力する。振動発電機１２Ｂは、振動発電機１２Ａと同様の構成のため、説明は省略する。振動発電機１２Ａ、１２Ｂから出力された電力は、コンデンサに蓄積され、加速度検出部１４へ出力される。
【００２５】
なお、本実施形態では、振動を電力に変換する構成として磁石２４、コイル２５を備えた構成の場合について説明したが、振動を電力に変換する構成としては、これに限らず種々公知の手法を用いることができる。例えば、圧電素子及びカンチレバーを備えた構成とし、周囲の振動に伴ってカンチレバーを曲げ振動させ、圧電素子の電極に電荷を発生させる構成としてもよい。
【００２６】
加速度センサ２０は、一例として、図１においてＺ方向の振動加速度を検出する。加速度センサ２０としては、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた加速度センサが用いられる。また、加速度センサ２０は、図３に示すように、加速度取得装置１０の長さ方向中央（Ｙ方向中央）に配置されると共に、図６に示すように、加速度取得装置１０の幅方向中央（Ｘ方向中央）に配置される。
【００２７】
また、加速度センサ２０は、取付部１６や台座１８に近い側（タイヤＴのタイヤ径方向外側）に設置されるのが好ましい。加速度センサ２０が備える振動センサが、タイヤの転動に伴う振動を精度よく検出するためには、タイヤＴ内のベルトに近い位置に設置されることが好ましいためである。また、タイヤＴの接地時において加速度センサ２０の角度変化によるモーメントの影響を排除でき、好ましいためである。
【００２８】
図４に示すように、送信部２２は、加速度センサ２０によって検出された振動加速度を、例えば自動車の車室内に設置された車載解析装置３０に無線で送信する。車載解析装置３０は、受信した振動加速度に基づいて、タイヤの摩耗状態及びタイヤの路面状態の少なくとも一方を判定する。
【００２９】
ここで、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの磁石２４の振動方向及び加速度センサ２０が振動加速度を検出する方向は、共にＺ方向である。この場合、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの共振周波数が、加速度センサ２０により検出される振動加速度の使用周波数範囲内の場合、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの振動が加速度センサ２０により検出される振動加速度の信号波形に悪影響を及ぼし、精度良く振動加速度を検出できない場合がある。
【００３０】
そこで、本実施形態では、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの共振周波数が加速度センサ２０の振動加速度の使用周波数範囲外となるように、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの共振周波数が設定されている。具体的には、共振周波数は磁石２４の質量ｍ及びコイルばね２６、２８のばね定数ｋに依存するので、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの共振周波数が加速度センサ２０で検出される振動加速度の使用周波数範囲外となるように、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの磁石２４の質量ｍ及びコイルばね２６、２８のばね定数ｋが設定されている。
【００３１】
また、車載解析装置３０において例えばタイヤの路面状態を判定する場合、加速度センサ２０で検出する振動加速度の周波数としては、例えば特許第４８１７７５３号公報に記載されているように、数１００Ｈｚ〜１０数ｋＨｚの周波数が使用される。本実施形態では、車載解析装置３０においてタイヤの摩耗状態及び路面状態の少なくとも一方を判定する場合において、一例として５００Ｈｚ〜２ｋＨｚの周波数を使用することを想定する。そこで、本実施形態では、一例として振動発電機１２Ａ、１２Ｂの共振周波数が５００Ｈｚ未満の周波数又は２ｋＨｚより高い周波数となるように、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの磁石２４の質量ｍ及びコイルばね２６、２８のばね定数ｋが設定される。なお、共振周波数が５００Ｈｚ未満の周波数の場合と２ｋＨｚより高い周波数の場合とでは、５００Ｈｚ未満の周波数の方が発電量が多くなることから、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの共振周波数が５００Ｈｚ未満の周波数と成るように、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの磁石２４の質量ｍ及びコイルばね２６、２８のばね定数ｋを設定することが好ましい。
【００３２】
ところで、タイヤＴは、偏摩耗を避けるために使用途中でローテーションすることが良く行われる。例えばタイヤＴを左右でローテーションした場合、回転方向が逆になる場合が多く、加速度センサ２０の位置が加速度取得装置１０の幅方向及び長さ方向の少なくとも一方について偏って配置されていた場合、タイヤの回転方向が逆になることによって加速度センサ２０の挙動が変化し、検出される振動加速度の信号波形に変化が生じてしまう。これに対し、本実施形態においては、加速度センサ２０は、加速度取得装置１０の幅方向中央（Ｙ方向中央）及び長さ方向中央（Ｘ方向中央）に配置されている。また、加速度検出部１４は、２個の振動発電機１２Ａ、１２Ｂにより挟まれた構成となっている。このため、タイヤＴを左右でローテーションして回転方向が逆になった場合でも、加速度センサ２０の挙動がタイヤＴのローテーションの前後で変化してしまうのをするのを防ぐことができ、精度良く振動加速度を検出することができる。
【００３３】
なお、本実施形態では、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの共振周波数が加速度センサ２０で検出される振動加速度の使用周波数範囲外となるようにする場合の一例として、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの共振周波数が５００Ｈｚ未満の周波数又は２ｋＨｚより高い周波数となるように、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの磁石２４の質量ｍ及びコイルばね２６、２８のばね定数ｋを設定する場合について説明したが、これに限られない。例えば、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの共振周波数が加速度センサ２０で検出される振動加速度に影響を与えないように、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの振動方向と、加速度センサ２０の振動加速度の検出方向とを異ならせてもよい。具体的には、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの振動方向と、加速度センサ２０の振動加速度の検出方向とが成す角度が、例えば７０度以上で且つ１１０度以下となるように構成する。好ましくは、例えば振動発電機１２Ａ、１２Ｂの振動方向がＺ方向、加速度センサ２０の振動加速度の検出方向がＸ方向のように、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの振動方向と加速度センサ２０の振動加速度の検出方向とが成す角度が、９０度と成るように、すなわち直交するように、振動発電機１２Ａ、１２Ｂ及び加速度センサ２０の向きを設定する。これにより、振動発電機１２Ａ、１２Ｂの共振周波数を加速度センサ２０で検出される振動加速度の使用周波数範囲外とすることができる。
【００３４】
（実施例）
【００３５】
本発明者らは、本実施形態に係る振動発電機１２Ａ、１２Ｂと同様に、磁石をコイルばねで支持して振動させる構成の発電機（以下、振動発電機１）と加速度センサを一体化した加速度取得装置（以下、加速度取得装置Ａ）、金属のカンチレバーが振動して発電する構成の発電機（以下、振動発電機２）と加速度センサを一体化した加速度取得装置（加速度取得装置Ｂ）、振動発電機の代わりに電池を電源とした加速度取得装置（以下、加速度取得装置Ｃ）を製作した。なお、振動発電機１の共振周波数は５０Ｈｚ、振動発電機２の共振周波数は８７０Ｈｚである。また、各振動発電機は、振動方向が周方向となるように固定した。また、加速度センサは、ＭＥＭＳ加速度センサを用いて周方向の振動加速度を測定した。加速度センサにより検出される振動加速度の使用周波数範囲は５００Ｈｚ〜２ｋＨｚである。また、加速度取得装置Ａ〜Ｃは、タイヤのトレッド部の中央、すなわちタイヤのセンターライン上に装着した。タイヤサイズは２２５／６０／Ｒ１７である。
【００３６】
そして、加速度取得装置Ａ〜Ｃの各々について、ドラム評価試験機を用いてタイヤを回転させ、加速度取得装置Ａ〜Ｃにより検出された振動加速度の信号波形を計測し、計測した信号波形のパワースペクトルを求めて、振動の影響が振動加速度の信号波形に現れないか検証した。なお、ドラム評価試験機におけるタイヤの速度は４０ｋｍ／ｈに設定した。
【００３７】
振動発電機の代わりに電池を用いた加速度取得装置Ｃの場合、振動の影響が振動加速度の信号波形に現れないことが確認できた。
【００３８】
また、共振周波数が５０Ｈｚの加速度取得装置Ａの場合、振動加速度の信号波形は図７に示すような波形となった。図７の実線（with generator）が加速度取得装置Ａで検出された振動加速度の信号波形であり、破線（without generator）が振動発電機無しの加速度取得装置、すなわち加速度取得装置Ｃで検出された振動加速度の信号波形である。
【００３９】
また、図８には、検出された振動加速度の信号波形のパワースペクトルを示した。図８の実線（acceleration without generator）が加速度取得装置Ｃで検出された振動加速度の信号波形であり、破線（acceleration with generator）が加速度取得装置Ａで検出された振動加速度の信号波形である。図８に示すように、加速度センサにより検出される振動加速度の使用周波数範囲である５００Ｈｚ〜２ｋＨｚの範囲においては、加速度取得装置Ａで検出された振動加速度のパワースペクトルと加速度取得装置Ｃで検出された振動加速度のパワースペクトルとが略一致しており、振動発電機１の振動が振動加速度の信号波形に悪影響を及ぼさないことが判った。
【００４０】
また、共振周波数が８７０Ｈｚの加速度取得装置Ｂの場合、振動加速度の信号波形は図９に示すような波形となった。また、図１０には、検出された振動加速度の信号波形のパワースペクトルを示した。図１０に示すように、加速度センサにより検出される振動加速度の使用周波数範囲である５００Ｈｚ〜２ｋＨｚの範囲のうち、特に８００Ｈｚ〜９００Ｈｚ付近においては、加速度取得装置Ｂで検出された振動加速度のパワースペクトルと加速度取得装置Ｃで検出された振動加速度のパワースペクトルとが大きく異なっており、振動発電機２の振動が振動加速度の信号波形に悪影響を及ぼすことが判った。
【００４１】
また、図１１には、振動発電機の振動方向と、加速度センサの振動加速度の検出方向とが成す角度が直交するように振動発電機及び加速度センサの向きを設定した加速度取得装置Ｄについて、加速度取得装置Ａ〜Ｃと同様に試験を行って検出された振動加速度の信号波形を示した。また、図１２には、検出された振動加速度の信号波形のパワースペクトルを示した。図１２に示すように、加速度センサにより検出される振動加速度の使用周波数範囲である５００Ｈｚ〜２ｋＨｚの範囲においては、加速度取得装置Ｄで検出された振動加速度のパワースペクトルと加速度取得装置Ｃで検出された振動加速度のパワースペクトルとが略一致しており、振動発電機の振動が振動加速度の信号波形に悪影響を及ぼさないことが判った。
【符号の説明】
【００４２】
１０  加速度取得装置、１２Ａ、１２Ｂ  振動発電機、１４  加速度検出部、１６  取付部、１８  台座、２０  加速度センサ、２２  送信部、２４  磁石、２５  コイル、２６、２８  コイルばね、３０  車載解析装置
【図１】
0006463173.tif 000002
【図２】
0006463173.tif 000003
【図３】
0006463173.tif 000004
【図４】
0006463173.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0006463173.tif 000008
【図８】
0006463173.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0006463173.tif 000011
【図１１】
0006463173.tif 000012
【図１２】
0006463173.tif 000013