(57)【要約】【課題】漏れ電流により消失電荷を補充することで安定した電力供給を行うことのできる静電容量変化型発電装置を提供する。【解決手段】静電容量変化型発電装置１を、圧電素子１１と圧電素子１１に並列に接続された整流回路１２とを備えた電荷供給部１０と、タイヤの内面でかつタイヤ踏面の裏面側に配置されて、タイヤの振動により容量が変化する可変電荷蓄積素子２２と、可変電荷蓄積素子の容量が増加したときに可変電荷蓄積素子２２に電荷を供給する第１の電荷蓄積素子２１と、可変電荷蓄積素子２２の容量が減少したときに可変電荷蓄積素子２２から供給される電荷を蓄積する第２の電荷蓄積素子２３とを備えた発電部２０とから構成し、圧電素子１１で発生した電荷を、電荷供給用の電荷蓄積素子である第１の電荷蓄積素子２１に供給するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タイヤ内に配置されて、タイヤの振動により容量が変化する可変電荷蓄積素子と、前記可変電荷蓄積素子の容量が増加したときに前記可変電荷蓄積素子に電荷を供給する第１の電荷蓄積素子と、前記可変電荷蓄積素子の容量が減少したときに前記可変電荷蓄積素子から供給される電荷を蓄積する第２の電荷蓄積素子とを備えた静電容量変化型発電装置において、
当該タイヤに装着されて、タイヤの振動により電荷を発生するとともに、前記発生した電荷を前記第１の電荷蓄積素子に供給する電荷供給手段を備えたことを特徴とする静電容量変化型発電装置。
【請求項２】
前記電荷供給手段が圧電素子を備えたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量変化型発電装置。
【請求項３】
前記電荷供給手段が誘起電荷発生機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量変化型発電装置。
【請求項４】
前記第１の電荷蓄積素子と前記可変電荷蓄積素子との間に設けられた第１のスイッチと、
前記可変電荷蓄積素子と前記第２の電荷蓄積素子との間に設けられた第２のスイッチとを備え、
前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとは、前記可変電荷蓄積素子の電圧に応じて開閉することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の静電容量変化型発電装置。
【請求項５】
前記可変電荷蓄積素子が、
固定部と、
少なくとも一端が前記固定部にそれぞれバネを介して取付けられた可動部と、
前記固定部に設けられた固定側電極と、
前記可動部に前記固定側電極に対向するように設けられた可動側電極とを備えた可変容量キャパシターであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の静電容量変化型発電装置。
【請求項６】
前記バネがタイヤ周方向に振動するように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の静電容量変化型発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイヤ内に設置された計測器や通信機などに電力を供給するための静電容量変化型発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、タイヤの内部に加速度センサーと演算装置とを備えたセンサーモジュールを取付けて走行中のタイヤの振動を検出し、検出されたタイヤ振動を周波数分析して得られた周波数スペクトルから所定の周波数領域の振動レベルを算出し、この振動レベルと予め求めておいた路面状態と振動レベルとの関係を示すマップとに基づいて走行中の路面の状態を推定する路面状態推定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この路面状態推定装置では、センサーモジュールに送信機を設けて、算出された振動レベルのデータを、車体側に設けられた路面状態推定手段に送信して走行中の路面の状態を推定するようにしている。
【０００３】
しかしながら、送信機を動かすための電源として電池を用いた場合には、電池寿命が短いため定期的に電池交換が必要であった。また、センサーモジュールに、車体側から送信されるＲＦ信号を受信して電源電圧を発生させる電力再生回路を設けることも考えられるが、車体側に電力供給装置を設ける必要があるだけでなく、受信アンテナや電力再生回路が付加されるため、センサーモジュールが大型化してしまうといった問題点があった。
そこで、タイヤ内に設置された送信機を安定して稼働させることのできるタイヤ内発電装置の開発が望まれている。
【０００４】
図９は、タイヤの内部に圧電素子を取付けて発電を行う発電部の一例を示す図である。この発電部は、ポリマー中に径が１００μｍ以下のＰＺＴ圧電繊維６１を一方向に配列した複合圧電材料に２個のインターデジット式電極６２Ａ，６２Ｂを組み合わせて成るＡＦＣ構造体(active fiber composite)６０を、タイヤの内側に設置して発電に利用したもので、ＡＦＣ６０の電極６２Ａ，６２Ｂに発生した電荷は、整流器を介して電解キャパシターに蓄積される（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
一方、外力により静電容量が変化する可変容量キャパシターを用いて発電を行う静電容量変化型発電装置が知られている（例えば、特許文献２，３参照）。
図１０はその一例を示す図で、この静電容量変化型発電装置７０は、機械力により静電容量が変化する可変容量キャパシター７１と、入力側電圧源７２と出力側電圧源７３とを備えており、入力側電圧源７２と可変容量キャパシター７１、及び、可変容量キャパシター７１と出力側電圧源７３とはそれぞれダイオード７４，７５により接続されている。入力側電圧源７２と出力側電圧源７３とは、ともに一定電圧源であり、出力側電圧源７３の電圧Ｖ2は、入力側電圧源７２の電圧Ｖ1よりも高く設置されている。
【０００６】
このような構成を採ることにより、外力により、可変容量キャパシター７１の静電容量が最大値のＣ0＋ΔＣとなったときには、入力側電圧源７２から可変容量キャパシター７１に電荷Ｑ1が供給され、可変容量キャパシター７１の電圧はＶ1＝Ｑ1/（Ｃ0＋ΔＣ）となる。更に、可変容量キャパシター７１の静電容量がＣ0まで減少すると、可変容量キャパシター７１の電圧はＶ2まで上昇する。可変容量キャパシター７１の静電容量が更に減少すると、ダイオード７５が導通し、可変容量キャパシター７１から出力側電圧源７３に電荷が移動し、可変容量キャパシター７１の容量が最小値Ｃ0−ΔＣになった時点で、可変容量キャパシター７１に蓄積される電荷は減少してＱ2となる。つまり、外力により、可変容量キャパシター７１の容量を最大値のＣ0＋ΔＣから最小値Ｃ0−ΔＣに変化させることで、電荷出力側電圧源７３には電荷（Ｑ1−Ｑ2）が蓄積される。すなわち、外力により発電を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−５５２８４号公報
【特許文献２】特開平１１−９８８６８号公報
【特許文献３】特開２００４−２４５５１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】村上陽太郎  “アクティブ圧電繊維複合材料”ＮＭＣニュース  第４号（９）  ２００３年３月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の圧電装置を用いた発電システムでは、圧電素子の歪み量が小さいため発生する電荷量が少なく、その結果、発電量が少ないといった問題点があった。また、圧電素子で発電した電荷を電解キャパシターに蓄電し、一定容量の電荷が溜まってから給電するシステムであるため、十分なエネルギーを蓄電するためには時間がかかっていた。したがって、タイヤ内に設置された送信機に電力を供給する発電装置としては、現実的能力が十分ではない。
一方、静電容量変化型発電装置７０では、電荷の移動による発電であるため電荷の発生を必要とせず、電荷さえ十分あれば、より大きな電力を供給できる可能性を持つが、放電などによる漏れ電流の影響により徐々に電圧が低下し、最終的には発電ができなくなるといった問題点があった。
【００１０】
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、漏れ電流により消失した電荷を補充することで安定した電力供給を行うことのできる静電容量変化型発電装置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】
【００１１】
本願の請求項１に記載の発明は、タイヤ内に配置されて、タイヤの振動により容量が変化する可変電荷蓄積素子と、前記可変電荷蓄積素子の容量が増加したときに前記可変電荷蓄積素子に電荷を供給する第１の電荷蓄積素子と、前記可変電荷蓄積素子の容量が減少したときに前記可変電荷蓄積素子から供給される電荷を蓄積する第２の電荷蓄積素子とを備えた静電容量変化型発電装置において、当該タイヤに装着されて、タイヤの振動により電荷を発生するとともに、前記発生した電荷を前記第１の電荷蓄積素子に供給する電荷供給手段を備えたことを特徴とする。
これにより、電荷蓄積素子の漏れ電流によって電荷の一部が消失した場合でも電荷供給部からロスした電荷を補充することができるので、安定した電力供給が可能となる。したがって、これをタイヤ内に設置されたセンサーや送信機などの電源に用いれば、タイヤ内に設けられたセンサーを安定して動作させたり、センサーで採取したデータを車体側に安定して送ることができるので、例えば、路面状態の推定などのタイヤ内に設置されたセンサーを用いた計測を連続的にかつ確実に行うことができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の静電容量変化型発電装置であって、前記電荷供給手段が圧電素子を備えたことを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の静電容量変化型発電装置であって、前記電荷供給手段が誘起電荷発生機構を備えたことを特徴とする。
圧電素子や誘起電荷発生機構は電荷供給量は少ないが、タイヤの走行に応じた発電ができるので、ロスした電荷を確実に補充することができる。また、圧電素子や誘起電荷発生機構は、外部電圧を必要としない自己電荷生成機構なので、装置を小型化できる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の静電容量変化型発電装置であって、前記第１の電荷蓄積素子と前記可変電荷蓄積素子との間に設けられた第１のスイッチと、前記可変電荷蓄積素子と前記第２の電荷蓄積素子との間に設けられた第２のスイッチとを備え、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとは前記可変電荷蓄積素子の電圧に応じて開閉することを特徴とする。
これにより、タイヤの動きに合わせたスイッチングが可能となるので、電荷を効率よく第１の電荷蓄積素子から第２の電荷蓄積素子に移動させることができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の静電容量変化型発電装置であって、前記可変電荷蓄積素子が、固定部と、少なくとも一端が前記固定部にそれぞれバネを介して取付けられた可動部と、前記固定部に設けられた固定側電極と、前記可動部に前記固定側電極に対向するように設けられた可動側電極とを備えた可変容量キャパシターであることを特徴とする。
これにより、タイヤの振動を可変容量キャパシターの静電容量の変化に容易にかつ確実に変換できるので、電荷を効率よく第１の電荷蓄積素子から第２の電荷蓄積素子に移動させることができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の静電容量変化型発電装置において、前記バネがタイヤ周方向に振動するように配置されていることを特徴とする。
これにより、タイヤの振動を効率よく可変容量キャパシターの容量変化に変換できるので、発電効率を更に向上させることができる。
【００１６】
なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態に係る静電容量変化型発電装置の構成を示す図である。
【図２】可変容量キャパシターの取付け位置を示す図である。
【図３】本実施の形態に係る可変容量キャパシターの構成を示す図である。
【図４】可変容量キャパシターの動作を説明するための図である。
【図５】本実施の形態に係る静電容量変化型発電装置の動作を説明するための図である。
【図６】本実施の形態に係る静電容量変化型発電装置の動作を説明するための図である。
【図７】誘起電荷発生機構の一例を示す図である。
【図８】静電容量変化型発電装置の出力電圧の経時変化を示す図である。
【図９】従来の圧電素子を用いた発電部の構成を示す図である。
【図１０】従来の静電容量変化型発電装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、実施の形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また、実施の形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１９】
図１は、本実施の形態に係る静電容量変化型発電装置１の構成を示す図で、静電容量変化型発電装置１は、電荷供給部１０と発電部２０とを備える。
電荷供給部１０は、圧電材１１ａとこの圧電材１１ａの表面と裏面とに形成された電極１１ｂ，１１ｃとを備えた圧電素子１１と、圧電素子１１に並列に接続された整流回路１２とを備える。
発電部２０は、第１の電荷蓄積素子２１と、可変電荷蓄積素子２２と、第２の電荷蓄積素子２３と、第１の電荷蓄積素子２１と可変電荷蓄積素子２２との間に設けられた第１のスイッチとしての第１のダイオード２４と、可変電荷蓄積素子２２と第２の電荷蓄積素子２３との間に設けられた第２のスイッチとしての第２のダイオード２５と、可変電荷蓄積素子２２と第２のダイオード２５との間に設けられたツェナーダイオード２６とを備える。
なお、前記電荷蓄積素子２１〜２３としては、キャパシター、二次電池（充電式電池）などが挙げられる。
発電部２０は、スイッチ３１を介して負荷回路３２と接続される。具体的には、第１の電荷蓄積素子２１の電圧Ｖ1と第２の電荷蓄積素子２３の電圧Ｖ2（Ｖ2＞Ｖ1）との電位差Ｖout＝Ｖ2−Ｖ1により負荷回路３２に電流を供給する。すなわち、発電部２０は負荷回路３２に電力を供給する電源として機能する。
負荷回路３２としては、例えば、図２に示すような、第１及び第２の加速度センサー４１ａ，４２ｂと演算回路４２とを備えた路面状態推定装置のセンサーモジュール４０からのデータを図示しない車体側に送信する送信機等が挙げられる。
【００２０】
圧電素子１１は、図２に示すように、タイヤ２のインナーライナー３のタイヤ気室４側のタイヤ踏面側に取付けられる。走行中にタイヤのトレッド５が振動すると、インナーライナー３に取付けられた圧電材１１ａはトレッド５の振動に応じて歪み、その結果、電極１１ｂ，１１ｃに、前記歪みの大きさに応じた量の電荷を発生させる。本例では、圧電材１１ａとしてポリフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）から成る圧電フィルムを用いた。
整流回路１２は、圧電素子１１で発生した電荷を第１の電荷蓄積素子２１に供給するとともに、電極１１ｂ，１１ｃ間の電位差の振動に起因する第１の電荷蓄積素子２１からの電荷の逆流を防止するもので、４個のダイオード１２ａ〜１２ｄを備える。ダイオード１２ａとダイオード１２ｂとの接続点と、ダイオード１２ｃとダイオード１２ｄとの接続点とがそれぞれ発電部２０への（＋）側の出力端Ａと（−）側の出力端Ｂとなり、この出力端Ａ，Ｂから圧電素子１１で発生した電荷が第１の電荷蓄積素子２１に供給される。
【００２１】
本例では、第１の電荷蓄積素子２１と第２の電荷蓄積素子２３とを、静電容量が一定の容量一定型のキャパシターから構成し、可変電荷蓄積素子２２を外力により静電容量が変化する可変容量キャパシターから構成した。
すなわち、第１の電荷蓄積素子２１は、可変電荷蓄積素子２２に電荷を供給する電荷供給用のキャパシターで、第２の電荷蓄積素子２３は可変電荷蓄積素子２２から電荷を受けとって蓄電する蓄電用のキャパシターである。
以下、第１及び第２の電荷蓄積素子２１，２３をそれぞれ第１及び第２のキャパシター２１，２３といい、可変電荷蓄積素子２２を可変容量キャパシター２２という。
可変容量キャパシター２２は、図２に示すように、タイヤ２のインナーライナー３のタイヤ気室４側で、かつ、タイヤ踏面の裏面側に配置されて、タイヤの振動により静電容量が変化する。可変容量キャパシター２２の詳細については、後述する。
【００２２】
第１のダイオード２４は、可変容量キャパシター２２の電圧が第１のキャパシター２１の電圧Ｖ1よりも低くなった時に導通して第１のキャパシター２１と可変容量キャパシター２２とを電気的に接続し、可変容量キャパシター２２の電圧が第１のキャパシター２１の電圧Ｖ1よりも高くなった時には大きな抵抗となって第１のキャパシター２１と可変容量キャパシター２２との電気的な接続を遮断するスイッチとして機能する。
第２のダイオード２５は、可変容量キャパシター２２の電圧が第２のキャパシター２３の電圧Ｖ2よりも高くなった時に導通して第２のキャパシター２３と可変容量キャパシター２２とを電気的に接続し、可変容量キャパシター２２の電圧が第２のキャパシター２３の電圧Ｖ2よりも低くなった時には大きな抵抗となって第２のキャパシター２３と可変容量キャパシター２２との電気的な接続を遮断するスイッチとして機能する。
ツェナーダイオード２６は、可変容量キャパシター２２と第２のダイオード２５との間に設けられて、第１のキャパシター２１の電荷が可変容量キャパシター２２を介さずに直接第２のキャパシター２３に移動することを防いで電位差を所定電圧差以上に保持する。
【００２３】
次に、可変容量キャパシター２２の詳細について説明する。
図３（ａ）は可変容量キャパシター２２の一例を示す平面図で、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
可変容量キャパシター２２は、固定部材本体２２Ａと、複数の固定側電極２２Ｐと、バネ固定部材２２ａ，２２ｂと、バネ２２ｍ，２２ｎと、複数の可動側電極２２Ｑと、可動部材２２Ｂとを備える。複数の固定側電極２２Ｐは固定部材本体２２Ａに設けられ、複数の可動側電極２２Ｑは可動部材２２Ｂに設けられている。可動部材２２Ｂは、両端がバネ２２ｍ，２２ｎを介してバネ固定部材２２ａ，２２ｂにそれぞれ取付けられている。
固定部材本体２２Ａと固定側電極２２Ｐとバネ固定部材２２ａ，２２ｂとが固定部を構成し、可動部材２２Ｂと可動側電極２２Ｑとが可動部を構成する。
【００２４】
固定部材本体２２Ａは、四角板状の底板２２１と底板２２１の周縁部に立設されて枠状を成す４つの直方体状のブロック２２２〜２２５とを備えた升状の部材である。以下、底板２２１と４つのブロック２２２〜２２５とに囲まれた空間をキャビティ２２Ｃという。
固定側電極２２Ｐは、固定部材本体２２Ａの互いに対向するブロック２２２，２２４のキャビティ２２Ｃ側の側面からキャビティ２２Ｃに向かって突出するように設けられた板状の電極で、固定側電極２２Ｐの電極面とブロック２２２，２２４のキャビティ２２Ｃ側の側面とは直交している。また、固定側電極２２Ｐは、隣接する固定側電極２２Ｐ同士が所定の間隔を隔てて配列されており、全体として、櫛型電極を形成している。
本例では、ブロック２２２，２２４の延長方向、すなわち、固定側電極２２Ｐの電極面に垂直な方向がタイヤ周方向と平行な方向、固定側電極２２Ｐの突出方向がタイヤ幅方向と平行な方向になるように、固定部材本体２２Ａをタイヤ踏面の裏面側に取付けている。したがって、底板２２１に垂直な方向がタイヤ径方向となる。
【００２５】
バネ固定部材２２ａ，２２ｂは、キャビティ２２Ｃの内部の固定側電極２２Ｐが設けられていない側のブロック２２３，２２５側に、底板２２１から上部に突出するように設けられた直方体状のブロックで、このバネ固定部材２２ａ，２２ｂに、バネ２２ｍ，２２ｎがそれぞれ取付けられる。
バネ２２ｍ，２２ｎは、それぞれ、固定部材取付部２２ｃと可動側取付部２２ｄとバネ本体２２ｋとを備えた板状の部材で、固定部材取付部２２ｃは枠状に形成されてバネ固定部材２２ａ，２２ｂの周縁部に取付けられる。可動側取付部２２ｄはタイヤ幅方向に平行な方向に延長する板材で、バネ２２ｍ，２２ｎの両端に取付けられる。バネ本体２２ｋは固定部材取付部２２ｃのタイヤ幅方向端部からタイヤ周方向に延長する水平片と、一端が垂直片の端部に接続され他端が可動側取付部２２ｄに接続されるタイヤ幅方向に平行な垂直片とを有するＬ字型に形成されて、可動部材２２Ｂをバネ固定部材２２ａ，２２ｂに対してタイヤ周方向に揺動可能に支持する。
【００２６】
可動部材２２Ｂは長手方向がタイヤ周方向である直方体状のブロックから成り、可動側電極２２Ｑは、固定部材本体２２Ａのブロック２２２，２２４に対向する面であるタイヤ幅方向に垂直な面から固定側電極２２Ｐに向かって突出するように形成されている。可動側電極２２Ｑの電極面と可動部材２２Ｂのタイヤ幅方向に垂直な面とは直交している。すなわち、可動側電極２２Ｑの電極面に垂直な方向がタイヤ周方向と平行な方向となる。また、可動側電極２２Ｑも、固定側電極２２Ｐと同様に、隣接する可動側電極２２Ｑ同士が所定の間隔を隔てて配列されており、全体として、櫛型電極を形成している。
図４の中央の図にも示すように、外力が作用していない状態では、バネ本体２２ｋが伸縮していない状態で、かつ、可動側電極２２Ｑが隣接する２つの固定側電極２２Ｐのほぼ中間に位置するように、可動部材２２Ｂを、バネ２２ｍ，２２ｎを介して、バネ固定部材２２ａ，２２ｂに取付ける。これにより、固定側電極２２Ｐと可動側電極２２Ｑとにより、キャパシターを形成することができる。このキャパシターの外力が作用していない状態での静電容量は、固定側電極２２Ｐと可動側電極２２Ｑとの対向している部分の面積をＳ、固定側電極２２Ｐと可動側電極２２Ｑとの距離をｄとすると、Ｃ＝ε0・εr・（Ｓ/ｄ）となる(ε0；真空の誘電率、εr；電極間物質の比誘電率)。キャパシターへの入力がない場合、固定側電極２２Ｐと可動側電極２２Ｑとの距離ｄは一定である。この状態を以下、中立状態という。なお、本例では、電極間に誘電体を挿入していないので、εr≒１である。
【００２７】
可変容量キャパシター２２にタイヤ径方向の入力が作用すると、可変容量キャパシター２２の静電容量は変化する。このとき、入力に可動部材２２Ｂの質量とバネ２２ｍ，２２ｎのバネ定数とにより決まる固有共振周波数が含まれていると、可動部材２２Ｂは、固定部材本体２２Ａに対して、外力が作用していないときの位置を中心として、前記固有共振周波数で共振する。
例えば、図４の左側の図に示すように、可動部材２２Ｂが固定部材本体２２Ａに対して右側に移動して固定側電極２２Ｐ１とその右側にある可動側電極２２Ｑ１との距離がｄ＋Δｄ（Δｄ＜ｄ）となった場合には、可動側電極２２Ｑ１とその右側にある固定側電極２２Ｐ２との距離はｄ−Δｄとなるので、固定側電極２２Ｐ１、可動側電極２２Ｑ１、及び、固定側電極２２Ｐ２から成るキャパシターの静電容量は、外力が作用していない状態、すなわち、中立状態での静電容量よりも大きくなる。逆に、図４の右側の図に示すように、可動部材２２Ｂが固定部材本体２２Ａに対して左側に移動して、固定側電極２２Ｐ１とその右側にある可動側電極２２Ｑ１との距離はｄ−Δｄとなった場合には、可動側電極２２Ｑ１とその右側にある固定側電極２２Ｐ２との距離はｄ＋Δｄとなるので、この場合も、静電容量は中立状態の静電容量よりも大きくなる。すなわち、可変容量キャパシター２２の静電容量の大きさは中立状態で最小値Ｃminとなり、可動部材２２Ｂが固定部材本体２２Ａに対して最も大きく振れたときに最大値Ｃmaxとなる。
本例では、ＭＥＭＳ（Micro Electro  Mechanical Systems）プロセスを用いて、電極の１枚当たりの厚みが約０．２ｍｍ、電極間距離が約４０μｍの櫛型電極を有する可変容量キャパシター２２を形成した。
また、タイヤ２への入力に対する応答性を確保するためには、可動部材２２Ｂの固有共振周波数が１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲になるように、可動部材２２Ｂの質量とバネ２２ｍ，２２ｎのバネ定数とを設定した。
【００２８】
次に、静電容量変化型発電装置１の発電部２０の動作について、図４及び図５を参照して説明する。なお、図５においては、説明を簡単にするため、第１のダイオード２４をスイッチＳＷ１とし、第２のダイオード２５をスイッチＳＷ２とした。
図４の右側もしくは左側の図に示すように、タイヤの振動により、可動部材２２Ｂが固定部材本体２２Ａに対して大きく振れて可動側電極２２Ｑと左右いずれかの固定側電極２２Ｐとの距離が小さくなると、可変容量キャパシター２２の静電容量が最大値Ｃmaxになる。すなわち、可変容量キャパシター２２の電圧Ｖrは第１のキャパシター２１の電圧Ｖ1よりも低くなり、その結果、図５（ａ）に示すように、ＳＷ１がＯＮ状態となり、第１のキャパシター２１から可変容量キャパシター２２にＱ＝Ｃmax・Ｖ1の電荷が供給される。なお、Ｖrは第２のキャパシター２３の電圧Ｖ2よりも低いので、ＳＷ２はＯＦＦ状態にある。
可変容量キャパシター２２にＱ＝Ｃmax・Ｖ1の電荷が供給されると、可変容量キャパシター２２の電圧Ｖrは第１のキャパシター２１の電圧Ｖ1まで上昇するので、図５（ｂ）に示すように、ＳＷ１はＯＦＦ状態になる。
なお、Ｖ1＜Ｖ2なので、ＳＷ２もＯＦＦ状態のままである。したがって、電荷Ｑは可変容量キャパシター２２に保持される。
【００２９】
次に、可動部材２２Ｂが逆方向に移動して、図４の中央の図に示すように、可動側電極２２と左右の固定側電極２２との距離が同じになると、図５（ｃ）に示すように、可変容量キャパシター２２の静電容量は最小値Ｃminになる。これにより、可変容量キャパシター２２の電圧は更に上昇して、第２のキャパシター２１の電圧Ｖ2よりも高くなる。すなわち、Ｖr＝（Ｑ/Ｃmin）＞Ｖ2となる。その結果、図５（ｄ）に示すように、ＳＷ２がＯＮ状態となり、可変容量キャパシター２２から第２のキャパシター２３にＱ’＝Ｃmin・（Ｖr−Ｖ2）の電荷が移動する。そして、第２のキャパシター２３の電圧Ｖ2は可変容量キャパシター２２と等しくなった時点で、図５（ｅ）に示すように、ＳＷ２はＯＦＦ状態となる。
そして、可動部材２２Ｂが固定部材本体２２Ａに対して、図４の中央の図から、図４の左側もしくは右側の位置まで更に移動すると、可変容量キャパシター２２の静電容量は上昇する。その後、可変容量キャパシター２２の静電容量が最大値Ｃmaxになる。これにより、可変容量キャパシター２２の電圧Ｖrは第１のキャパシター２１の電圧Ｖ1よりも低くなり、その結果、図５（ａ）に示したように、ＳＷ１がＯＮ状態となる。
【００３０】
このような動作を繰り返すことにより、電荷が第１のキャパシター２１から第２のキャパシター２３に移動し、第２のキャパシター２３に蓄積される。すなわち、タイヤの振動によって可変容量キャパシター２２の静電容量を変化させることにより、発電を行うことができる。可変容量キャパシター２２に蓄えられるエネルギーΔＥgは、以下の式（１）で表わせる。
【数１】
2012023838.tif 000003
すなわち、左右のキャパシター（第１及び第２のキャパシター）２１，２３の電圧変化を無視して単純化すれば、可変容量キャパシター２２は、電荷Ｑを保存して、電極間距離を広げただけ発電している。
これにより、図６に示すように、発電部２０の出力端子Ｃ，Ｄにスイッチ３１を備えた負荷回路３２を接続し、スイッチ３１を開けば、第１のキャパシター２１と第２のキャパシター２３との間に接続された負荷回路３２に電流を供給することができる。
また、負荷回路３２に電流を流すことで、第２のキャパシター２３に蓄えられた電荷を第１のキャパシター２１に戻すことができるので、連続発電を実現できる。
【００３１】
ところで、発電部２０では、可変容量キャパシター２２の静電容量の変化によって電荷を移動させることはできるものの、電荷が生成されることがないので、キャパシター２１〜２３の漏れ電流の影響により電荷が徐々に消失し、最終的には発電ができなくなる。
本発明の静電容量変化型発電装置１は、図１に示すように、可変容量キャパシター２２に電荷を供給する電荷供給用のキャパシターである第１のキャパシター２１に電荷を供給する電荷供給部１０を備えているので、キャパシター２１〜２３に漏れ電流が発生しても第１のキャパシター２１の電圧が降下することはない。
すなわち、電荷供給部１０においては、圧電素子１１の電極１１ｂ，１１ｃには、圧電材１１ａがタイヤの振動による歪みの大きさに応じた量の電荷が発生しているので、第１のキャパシター２１に蓄えられた電荷が減少して出力端Ａ，Ｂ間の電圧よりも低くなった場合には、出力端Ａ，Ｂから圧電素子１１で発生した電荷が第１のキャパシター２１に供給される。
このように、本発明の静電容量変化型発電装置１では、発電部２０における電荷の消失を、圧電素子１１で発生した電荷で相殺することができるので、永続的に発電を継続することができる。
【００３２】
本実施の形態では、静電容量変化型発電装置１を、圧電素子１１と圧電素子１１に並列に接続された整流回路１２とを備えた電荷供給部１０と、タイヤ２のインナーライナー３のタイヤ気室４側でかつタイヤ踏面の裏面側に配置されて、タイヤの振動により容量が変化する可変電荷蓄積素子２２と、可変電荷蓄積素子の容量が増加したときに可変電荷蓄積素子２２に電荷を供給する第１の電荷蓄積素子２１と、可変電荷蓄積素子２２の容量が減少したときに可変電荷蓄積素子２２から供給される電荷を蓄積する第２の電荷蓄積素子２３とを備えた発電部２０とから構成し、圧電素子１１で発生した電荷を、電荷供給用の電荷蓄積素子である第１の電荷蓄積素子２１に供給するようにしたので、電荷蓄積素子２１〜２３の漏れ電流によって電荷の一部が消失した場合でも、電荷供給部１０からロスした電荷を補充することができる。したがって発電部２０の出力端子Ｃ，Ｄに、例えば、路面状態推定装置のセンサーモジュール４０からのデータを図示しない車体側に送信する送信機等の負荷回路３２を接続すれば、負荷回路３２に電流を安定して供給することができる。
また、可変電荷蓄積素子２２を、固定部材本体２２Ａに設けられた複数の固定側電極２２Ｐと、両端がバネ２２ｍ，２２ｎによりバネ固定部材２２ａ，２２ｂに連結された可動部材２２Ｂと、この可動部材２２Ｂに固定側電極２２Ｐに対向するように設けられてタイヤの振動により固定側電極２２Ｐとの距離が変化する複数の可動側電極２２Ｑとを備えた可変容量キャパシターから構成したので、タイヤの振動を可変容量キャパシター２２の容量変化に容易にかつ確実に変換できる。
このとき、バネ２２ｍ，２２ｎをタイヤ周方向に振動するように配置すれば、タイヤの振動を効率よく可変容量キャパシター２２の容量変化に変換できるので、発電効率が向上する。
【００３３】
なお、前記実施の形態では、圧電素子１１を、タイヤ２のインナーライナー３のタイヤ気室４側に部に取付けたが、圧電素子１１の取付け箇所はこれに限るものではなく、インナーライナー３とカーカスプライとの間のゴム部材中や、サイドウォールのゴム中などのように、タイヤ２内に取付けられていればよい。また、圧電素子１１に用いられる圧電材１１ａとしては、本例で用いたＰＶＤＦから成る圧電フィルムの他にポリ塩化ビニルなど他の圧電フィルムを用いてもよいし、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、水晶、などの薄膜積層体もしくは板状の圧電体を用いてもよい。また、圧電素子１１として、図９に示したような、ＡＦＣ構造体を用いてもよい。
【００３４】
また、前記例では、圧電素子１１を備えた電荷供給部１０について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、電荷供給部１０を、エレクトレッドを用いた誘起電荷発生機構から構成してもよい。エレクトレッドは、周知のように、ポリフッ化ビニリデンやポリプロピレン等の誘電体ポリマー材料を加熱溶融し、これに直流の高電圧を印加させて電極間で固化させた後電極を取り去るなどして誘電体ポリマー材料を分極させて成る、電荷を誘電体ポリマー材料表面に保持可能なデバイスである。
図７は誘起電荷発生機構５０の一例を示す図で、誘起電荷発生機構５０は、基台５１上に形成されたベース電極５２上にエレクトレッド膜５３を作製するとともに、基台５１から立設する支持台５４に片持状態に保持された対向電極５５を備えている。この誘起電荷発生機構５０の基台５１をタイヤ２のインナーライナー３のタイヤ気室４側に取付けることで、タイヤが振動した場合には対向電極５５がエレクトレッド膜５３に対して振動する。その結果、対向電極５５に静電誘導用される電荷量が変化するので、この電荷を整流回路１２を用いて取り出すことで、発電が可能となる。
【００３５】
また、前記例では、可変容量キャパシター２２の固定部であるバネ固定部材２２ａ，２２ｂと可動部材２２Ｂとを連結するバネ２２ｍ，２２ｎがタイヤ周方向に振動するように可変容量キャパシター２２を配置したが、タイヤ幅方向に振動するように配置してもよいし、タイヤ径方向に振動するように配置してもよい。但し、タイヤ幅方向の入力はタイヤ周方向に比較して小さく、また、タイヤ径方向では、バネ２２ｍ，２２ｎが遠心力の影響を受けるので、バネ２２ｍ，２２ｎは、本例のように、タイヤ周方向に振動するように配置することが好ましい。
また、バネ固定部材を一つとし、可動部材２２Ｂを片持ち梁としてもよいが、片持ち梁の構造は両持ち梁の構造に対して耐久性の点で劣るだけでなく、可動部材２２Ｂを安定して一方向（ここでは、タイヤ周方向）に確実に変位させるためには、本例のように、両持ち梁の構造とすることが好ましい。
【実施例】
【００３６】
本発明による静電容量変化型発電装置を作製し、その経時変化を、電荷供給部を有していない従来の静電容量変化型発電装置と比較した結果を図８に示す。
試験に用いたキャパシターは以下の通りである。
第１のキャパシター  〜  電気二重層キャパシター、容量；    １Ｆ
第２のキャパシター  〜  電気二重層キャパシター、容量；０．１Ｆ
可変容量キャパシター  〜ＭＥＭＳによる櫛歯機構、
電極厚み；０．５ｍｍ、電極間距離；１００μｍ
Ｃmax≒１ｎＦ，Ｃmin≒０．１ｎＦ、
可動部の固有共振周波数；６２５Ｈｚ
また、電荷供給部の圧電素子を構成する圧電材料としては、ＰＶＤＦから成る圧電フィルムを用い、圧電フィルムに繰り返し変形を継続的に与えた。
経時変化は、初期状態として、全てのキャパシターの電圧を３Ｖにして放置し、キャパシターの電圧を１０日置きに測定した。
図８に示すように、電荷供給部を有していない従来の静電容量変化型発電装置では、５０日経過後には全てのキャパシターの電圧が２Ｖに低下したが、本発明による静電容量変化型発電装置では、５０日経過後も全てのキャパシターの電圧が３Ｖを維持していることがわかった。これにより、電荷供給部を設けることにより、キャパシターの漏れ電流によって電荷の一部が消失された場合でも、電荷供給部からロスした電荷を補充することができることが確認された。
【００３７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によれば、漏れ電流により消失した電荷を補充して安定した電力供給を行うことのできる静電容量変化型発電装置を得ることができるので、タイヤ内に設置されたセンサーや送信機などを安定して動作させることができるとともに、タイヤ内に設けられたセンサーで採取したデータを車体側に安定して送ることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  静電容量変化型発電装置、２  タイヤ、３  インナーライナー、
４  タイヤ気室、
１０  電荷供給部、１１  圧電素子、１１ａ  圧電材、１１ｂ，１１ｃ  電極、
１２  整流回路、１２ａ〜１２ｄ  ダイオード、
２０  発電部、２１  第１の電荷蓄積素子（第１のキャパシター）、
２２  可変電荷蓄積素子（可変容量キャパシター）、
２３  第２の電荷蓄積素子（第２のキャパシター）、
２４  第１のダイオード（第１のスイッチ）、
２５  第２のダイオード（第２のスイッチ）、２６  ツェナーダイオード、
３１  スイッチ、３２  負荷回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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