(57)【要約】      （修正有）【課題】発電体を組み込んだタイヤ組立体であって、とくに電子装置の保護を実現するタイヤ組立体を提供する。【解決手段】このタイヤ組立体は、タイヤと発電体と電子装置とを備える。そして、発電体として、第１電極１１を有する第１電極構造体１５および第２電極１２を有する第２電極構造体１６と、第１電極構造体と第２電極構造体とを、互いの対向距離が可変となるように、固定する固定部１７と、を有する。各電極構造体の少なくとも一方は、対向面側に静電気を生じるための帯電体を有し、第１電極構造体および第１電極構造体はその外周部が固定部によって固定され、互いの対向距離が可変となっている。加えて、電子装置は固定部に埋設されることによって保護される。【選択図】図４
2016088473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪の外周に組み付けられるタイヤ（１００）と、
前記タイヤに配置され、前記タイヤの変形によって電圧を発生させる発電体（２２０）と、
前記発電体による電力の供給を受けて動作し、前記タイヤに関する物理量を検出する電子装置（２１０）と、を備えるタイヤ組立体であって、
前記発電体は、
導電性金属で構成された第１電極（１１）を有し、前記タイヤに固定される第１電極構造体（１５）と、
前記第１電極に対して対向配置され導電性金属で構成された第２電極（１２）を有する第２電極構造体（１６）と、
電気絶縁性の材料を用いて形成されており、前記第１電極構造体と前記第２電極構造体との対向距離を、前記タイヤの変形がない状態で所定間隔に保持するとともに、前記タイヤの変形に伴って前記第１電極構造体と前記第２電極構造体とを互いに接近または離間可能に保持する固定部（１７）と、を有し、
前記第１電極と前記第２電極との間に摩擦による静電気を生じるために、前記第１電極構造体および前記第２電極構造体の少なくとも一方が、前記第１電極および前記第２電極における互いの対向面上に帯電体（１３，１４）を有し、
前記タイヤの変形により前記第１電極構造体と前記第２電極構造体とが互いに接触して静電気を生じ、さらに前記タイヤの変形により前記第１電極構造体および前記第２電極構造体とが互いに離間して、前記第１電極および前記第２電極の間に電圧を生じる構成とされており、
前記電子装置は、前記第１電極および前記第２電極と電気的に接続されるとともに前記固定部の内部に埋設されて、前記固定部により保護されていることを特徴とするタイヤ組立体。
【請求項２】
前記電子装置は、前記第１電極と前記第２電極とが対向する領域の一部に配置され、前記第１電極と前記第２電極との挟持によって両電極と電気的に接続されており、
前記第１電極構造体と前記第２電極構造体との間であって、前記電子装置の配置領域を除く一部の領域に、前記タイヤの変形がない状態で空隙（ＡＧ）が形成され、対向距離が所定間隔に保持されることを特徴とする請求項１に記載のタイヤ組立体。
【請求項３】
前記電子装置は、前記第１電極構造体と前記第２電極構造体とにより形成される対向空間の外に配置され、前記第１電極および前記第２電極に、導電部材（２１５）を介して電気的に接続されており、
前記第１電極構造体と前記第２電極構造体との間であって、前記固定部により固定される領域を除く一部の領域に、前記タイヤの変形がない状態で空隙（ＡＧ）が形成され、対向距離が所定間隔に保持されることを特徴とする請求項１に記載のタイヤ組立体。
【請求項４】
前記電子装置の検出した情報を外部に送信する無線通信装置（５００）を、さらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のタイヤ組立体。
【請求項５】
前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方は無線通信に用いられるアンテナパターンを有し、電極としての機能とアンテナ（５１０）としての機能とを兼ねることを特徴とする請求項４に記載のタイヤ組立体。
【請求項６】
前記電子装置および前記無線通信装置は、一体にパッケージされた集積回路装置（６００）として形成され、
前記集積回路装置は、前記第１電極および前記第２電極と電気的に接続されるとともに前記固定部の内部に埋設されて、前記固定部により保護されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のタイヤ組立体。
【請求項７】
前記集積回路装置は、前記第１電極と前記第２電極とが対向する領域の一部に配置され、前記第１電極と前記第２電極との挟持によって両電極と電気的に接続されており、
前記第１電極構造体と前記第２電極構造体との間であって、前記集積回路装置の配置領域を除く一部の領域に、前記タイヤの変形がない状態で空隙（ＡＧ）が形成され、対向距離が所定間隔に保持されることを特徴とする請求項６に記載のタイヤ組立体。
【請求項８】
前記集積回路装置は、前記第１電極構造体と前記第２電極構造体とにより形成される対向空間の外に配置され、前記第１電極および前記第２電極に、導電部材（２１５）を介して電気的に接続されており、
前記第１電極構造体と前記第２電極構造体との間であって、前記固定部により固定される領域を除く一部の領域に、前記タイヤの変形がない状態で空隙（ＡＧ）が形成され、対向距離が所定間隔に保持されることを特徴とする請求項６に記載のタイヤ組立体。
【請求項９】
前記タイヤの一部の構成材料が前記帯電体あるいは前記固定部を兼用することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のタイヤ組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイヤ内に発電体およびその発電体によって電力供給を受ける電子装置が組み込まれたタイヤ組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電効果を利用した、機械的な振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電体が知られている。特許文献１には圧電効果を利用した発電体をタイヤに組み込んだタイヤ組立体が提案されている。また、特許文献２には帯電効果を有するエレクトレットを利用した発電体が提案されている。さらに、非特許文献１のように、樹脂同士を接触帯電させてその電界を利用する摩擦帯電方式の発電体が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１５１３７２号公報
【特許文献２】特開２０１４−２７７５６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Sihong Wang et al., Nano Lett., 2012,12(12), pp 6339-6346
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの発電体は、タイヤの空気圧監視用センサ（Tire Pressure Monitoring System：ＴＰＭＳ）などに代表される電子装置のための電源としての応用が期待されている。しかしながら、タイヤ内部の環境は、湿度、温度、圧力、タイヤに組み込まれる内包物が受ける加速度の観点で大変厳しいものである。このため、組み込まれる発電体の上記環境からの保護はもとより、発電体から電子装置への電力供給を制御したり、電子装置から出力されるデータの処理を実行したりする制御装置の発電体との接続信頼性の確保が難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、電子装置の保護とともに、発電体による摩擦帯電方式の発電を実現するタイヤ組立体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】
【０００７】
ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、車輪の外周に組み付けられるタイヤ（１００）と、タイヤに配置され、タイヤの変形によって電圧を発生させる発電体（２２０）と、発電体による電力の供給を受けて動作し、タイヤに関する物理量を検出する電子装置（２１０）と、を備えるタイヤ組立体であって、発電体は、導電性金属で構成された第１電極（１１）を有し、タイヤに固定される第１電極構造体（１５）と、第１電極に対して対向配置され導電性金属で構成された第２電極（１２）を有する第２電極構造体（１６）と、電気絶縁性の材料を用いて形成されており、第１電極構造体と第２電極構造体との対向距離を、タイヤの変形がない状態で所定間隔に保持するとともに、タイヤの変形に伴って第１電極構造体と第２電極構造体とを互いに接近または離間可能に保持する固定部（１７）と、を有し、第１電極と第２電極との間に摩擦による静電気を生じるために、第１電極構造体および第２電極構造体の少なくとも一方が、第１電極および第２電極における互いの対向面上に帯電体（１３，１４）を有し、タイヤの変形により第１電極構造体と第２電極構造体とが互いに接触して静電気を生じ、さらにタイヤの変形により第１電極構造体および第２電極構造体とが互いに離間して、第１電極および第２電極の間に電圧を生じる構成とされており、電子装置は、第１電極および第２電極と電気的に接続されるとともに固定部の内部に埋設されて、固定部により保護されていることを特徴としている。
【０００９】
これによれば、固定部は、第１電極構造体および第２電極構造体が互いに接触と離間を繰り返すことのできるように固定する機能を発揮するとともに、電子装置を固定部の内部に埋め込んで保護する機能を発揮する。このため、発電体による摩擦帯電方式の発電を実現するとともに、同時に、電子装置の保護を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係るタイヤ組立体の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１におけるＩＩ領域の詳細図であり、タイヤ組立体の詳細を示す断面図である。
【図３】センサ装置の構成を示す平面図である。
【図４】図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う図であり、センサ装置の構成を示す断面図である。
【図５】発電体による発電原理および電子装置への電力供給の経路を示す回路図である。
【図６】第２実施形態に係るセンサ装置の構成を示すブロック図である。
【図７】センサ装置の構成を示す平面図である。
【図８】変形例１に係るアンテナパターンを示す斜視図である。
【図９】変形例２に係るセンサ装置の構成を示す断面図である。
【図１０】第３実施形態に係るセンサ装置の構成を示す断面図である。
【図１１】変形例３に係るセンサ装置の構成を示す断面図である。
【図１２】第４実施形態に係るタイヤ組立体の詳細な構成を示す断面図である。
【図１３】タイヤ組立体の詳細な構成を示す断面図である。
【図１４】タイヤ組立体の詳細な構成を示す断面図である。
【図１５】タイヤ組立体の詳細な構成を示す断面図である。
【図１６】その他の実施形態に係るセンサ装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。
【００１２】
（第１実施形態）
最初に、図１〜図５を参照して、本実施形態に係るタイヤ組立体の概略構成について説明する。
【００１３】
本実施形態におけるタイヤ組立体は、例えば車両に供され、車両が路面との間の摩擦力によって移動するためのものである。タイヤ組立体は、タイヤと発電体とが一体的に形成されて成る。発電体は、車両の移動に伴うタイヤの変形による機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して、車両に搭載されたバッテリに充電したり、各種センサ等の電子装置を駆動したりする。
【００１４】
なお、図１は、タイヤ１００における回転軸Ｌに沿う断面を図示したものである。また、図２は、図１におけるＩＩ領域を拡大したものであり、紙面上方を車両の進行方向としたとき、タイヤ１００の前方左側の部分のみを図示している。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態におけるタイヤ組立体１０は、タイヤ１００と、タイヤ１００の内側に貼り付けて取り付けられたセンサ装置２００と、を備えている。
【００１６】
タイヤ１００は、図１に示すように、車輪のホイールリム３００を丸く囲むようにホイールリム３００に固定されている。図２に示すように、タイヤ１００はトレッド部１００Ａ、ショルダ部１００Ｂ、サイドウォール部１００Ｃ、および、ビード部１００Ｄに分けて説明することができる。トレッド部１００Ａは路面と接触する部分であり、後述のタイヤ樹脂体１１０の厚さがもっとも厚くなっている。ショルダ部１００Ｂはトレッド部１００Ａに隣接する部分であり、車両が旋回運動を行う際に路面と接する。サイドウォール部１００Ｃはショルダ部１００Ｂに隣接する部分であり、路面には接触しないが、路面から受ける衝撃を緩和する目的で屈曲する部分である。ビード部１００Ｄはタイヤ１００をホイールリム３００に固定する部分である。
【００１７】
タイヤ１００は、図２に示すように、弾性変形可能なタイヤ樹脂体１１０と、タイヤ樹脂体１１０を補強して剛性を向上させるベルト１２０と、タイヤ樹脂体１１０を保持するとともに、タイヤ１００の受ける荷重や衝撃に対する耐久性を向上させるカーカス１３０と、を有している。
【００１８】
タイヤ樹脂体１１０は、合成ゴムや天然ゴムを主成分とし、カーボンや硫黄等の配合剤が混合された混合物から成り、弾性変形可能とされている。タイヤ樹脂体１１０は、ホイールリム３００との間に空気を充填するための中空部４００が形成されるように、ビード部１００Ｄにおいてホイールリム３００に固定されている。
【００１９】
ベルト１２０は、金属のワイヤー、例えば鋼のワイヤーを編んで帯状に形成され、タイヤ樹脂体１１０の内部に埋設されている。ベルト１２０は、トレッド部１００Ａからショルダ部１００Ｂを経てサイドウォール部１００Ｃの一部に至る部分に、タイヤ１００の周方向（回転方向）に張られている。
【００２０】
カーカス１３０は、例えばポリアミド系やポリエステル系の繊維から成り、タイヤ樹脂体１１０の内部のうち、ベルト１２０と中空部４００の間に埋設されている。カーカス１３０は、進行方向に対して左側のビード部１００Ｄから、図示しない右側のビード部まで延びて形成され、タイヤ１００の骨格として機能している。
【００２１】
また、タイヤ１００は、ビード部１００Ｄにビード１４０を有している。ビード１４０は高炭素鋼を束ねた構造を成している。このビード１４０はタイヤ樹脂体１１０をホイールリム３００に固定するとともに、カーカス１３０の両端を固定している。
【００２２】
次いで、図１〜図５を参照して、センサ装置２００の概略構成について説明する。
【００２３】
センサ装置２００は、図２に示すように、タイヤ１００の内側に貼り付けられており、タイヤ１００とホイールリム３００とに囲まれて形成される中空部４００に配置されている。本実施形態におけるセンサ装置２００は、タイヤ１００におけるサイドウォール部１００Ｃに固定されている。このように、センサ装置２００は、タイヤ１００とともにタイヤ組立体１０を構成している。
【００２４】
なお、本実施形態では、車両の進行方向に対して、タイヤ１００の前後左右のサイドウォール部１００Ｃに、計４つのセンサ装置２００が貼り付けられている。センサ装置２００がセンシングする対象は設計者が任意に選択できるが、対象の物理量として、タイヤ内の気圧、タイヤ１００の回転により生じる加速度、タイヤ１００の内部または表面の温度を例に挙げることができる。
【００２５】
また、本実施形態では、センサ装置２００が、タイヤ１００におけるサイドウォール部１００Ｃに配置される例について記述するが、トレッド部１００Ａ、ショルダ部１００Ｂ、サイドウォール部１００Ｃ、および、ビード部１００Ｄのいずれにも配置することが可能である。
【００２６】
以下、センサ装置２００の詳細について説明するが、図３および図４の各図において、ｘ方向と、ｘ方向に直交するｙ方向と、ｘ方向とｙ方向とにより規定されるｘｙ平面に直交するｚ方向を定義する。この定義の通り、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は、互いに一次独立の関係にある。
【００２７】
センサ装置２００は、図３および図４に示すように、ｘｙ平面に沿って張る矩形状を成し、ｚ方向に厚さを持っている。センサ装置２００は、物理量を検出するための電子装置２１０と、電子装置２１０へ電力を供給するための発電体２２０とを有している。
【００２８】
電子装置２１０は、例えば、タイヤ１００の内部の気圧を検出するための圧力センサである。電子装置２１０には、図５に示すように、圧力の検出を行うセンサ本体２１１に加えて、センサ本体２１１へ安定した電力を供給するためのバッテリ２１２や、全波整流用のダイオード２１３有している。発電体２２０から電子装置２１０への電力供給について、詳しい動作は追って記載する。
【００２９】
発電体２２０は、図４に示すように、ｘｙ平面に沿う平板状の第１電極１１と、第１電極１１とｚ方向において対向する第２電極１２と、これらの外周部を固定する固定部１７と、を有している。第１電極１１における第２電極１２との対向面には、帯電体として第１帯電体１３が形成されている。第１電極１１と第１帯電体１３は互いに接合されて一体の第１電極構造体１５を成している。本実施形態における第２電極１２には帯電体が接合されていないが、第１帯電体１３との対向する面に第２帯電体が接合された構成としてもよい。このような構成であれば、第２電極１２と第２帯電体は互いに接合されて一体の第２電極構造体１６を成す。なお、本実施形態では、第２帯電体は形成されていないので、第２電極１２が、特許請求の範囲に記載の第２電極構造体１６に相当する。
【００３０】
第１電極構造体１５の構成材料としては、例えば、第１帯電体１３としてのポリイミド系の樹脂やジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）を採用し、第１電極１１として金（Ａｕ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）を採用することができる。一方、第２電極構造体１６の構成材料としては、第２電極１２として金（Ａｕ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）を採用することができる。なお、第２電極構造体１６が帯電体（第２帯電体）を有する構成であれば、第２帯電体としてナイロンを採用することができる。第１電極１１、第２電極１２、第１帯電体１３、および第２帯電体の材料はそれぞれ任意に選択することができる。互いに接触と離間を繰り返す場合に静電気を生じる組み合わせであれば、いかなる材料を採用してもよいが、一対の電極構造体１５，１６がそれぞれ帯電体を有する場合においては、帯電体として、一般的に知られた摩擦帯電列において互いに離れたもの同士を採用すると良い。
【００３１】
電子装置２１０は、図５に示すように、第１電極１１および第２電極１２に電気的に接続されている。本実施形態において、電子装置２１０と、第１電極１１および第２電極１２と、の接続は、図４に示すように、導電性接着剤２１４を介して実現されている。発電体２２０から供給される電流は、ブリッジ接続された４つのダイオード２１３を介して全波整流されてセンサ本体２１１の電力に供されるか、あるいはバッテリ２１２の充電に寄与する。
【００３２】
電子装置２１０は、ｚ方向において対向する第１電極１１と第２電極１２との間に形成される対向空間に配置されている。電子装置２１０は、各電極１１，１２に対向する面に端子を有しており、該端子と、第１電極１１および第２電極１２と、が導電性接着剤２１４を介して互いに電気的に接続されている。第１電極１１および第２電極１２、ひいては、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６の対向空間の一部に電子装置２１０が介在している。このため、電子装置２１０の配置領域を除く領域における第１電極構造体１５と第２電極構造体１６の間には空隙ＡＧが形成されている。
【００３３】
固定部１７は、第１電極構造体１５および第２電極構造体１６の外周部を互いに固定する部材である。具体的には、矩形状とされた第１電極構造体１５および第２電極構造体１６の外周部において、固定部１７が、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６との間の対向空間を埋めるように配置されて各電極構造体１５，１６を互いに固定している。
【００３４】
第１電極構造体１５および第２電極構造体１６は、固定部１７により固定された部分を固定端として、ｚ方向に自由に変形可能な膜状となっている。すなわち、発電体２２０が外力を受けると各電極構造体１５，１６がｚ方向に変位して互いの対向距離が変化するようになっている。発電体２２０は、ｘｙ平面に沿う面を接着面としてタイヤ１００の内側に貼り付けられる。本実施形態では、第１電極構造体１５の一面がタイヤ１００の内側に貼り付けられる。このため、各電極構造体１５，１６はタイヤ１００の変形に応じて形を変える。よって、第１電極構造体１５および第２電極構造体１６は、固定部１７により固定された部分を除いて、互いの対向距離が、タイヤ１００の変形に応じて可変となっている。第１電極構造体１５は、第２電極構造体１６との対向空間が変化することによって第２電極構造体１６と接触したり離間したりする。
【００３５】
固定部１７は、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６とを互いに固定するとともに空隙を形成するための機能に加えて、電子装置２１０を被覆して保護している。図３に示すように、本実施形態における電子装置２１０は、矩形状の第１電極１１および第２電極１２の四隅の一角に配置されている。固定部１７は、第１電極１１および第２電極の外周部に形成されているが、固定部１７の成型に際して、電子装置２１０を埋没させるように成型される。これにより、電子装置２１０は、固定部１７に取り囲まれた状態となり、外部からのダストや接触に対して耐性を有するようできる。
【００３６】
なお、本実施形態における固定部１７は、各電極１１，１２のｘｙ平面に沿う面のうち、空隙ＡＧの反対側の面にも形成されている。すなわち、固定部１７は、空隙ＡＧとなる空間を空けた状態で、第１電極構造体１５、第２電極構造体１６、電子装置２１０および導電性接着剤２１４の全体を取り囲むように形成されている。
【００３７】
固定部１７は、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６との間の対向距離を変位させるという性質上、例えば、シリコーン系の軟性樹脂を採用することが好ましい。センサ装置２００は、固定部１７で被覆されることによって保護された一体のモジュールとして、タイヤ１００の内側に貼り付けられている。
【００３８】
次に、図４および図５を参照して、センサ装置２００における発電原理について説明する。
【００３９】
タイヤ１００が路面と接触すると、トレッド部１００Ａが受けた応力は、サイドウォール部１００Ｃに伝達されてサイドウォール部１００Ｃの変形に寄与する。トレッド部１００Ａが路面に接地していない状態ではサイドウォール部１００Ｃの変形量は小さく、発電体２２０における第１電極構造体１５と第２電極構造体１６との間の対向距離は所定間隔を維持している。
【００４０】
一方、トレッド部１００Ａが路面に接地してサイドウォール部１００Ｃが変形すると、発電体２２０はｘｙ平面に沿う方向に圧縮される。これにより、空隙ＡＧにおける対向距離が小さくなる、あるいは大きくなる。換言すれば、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６とが互いに接近あるいは離間する。
【００４１】
対向距離が小さくなるように変形した場合に、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６とが接触して静電気が生じると第１帯電体１３に電荷が蓄積される。この状態で、トレッド部１００Ａが路面から離れるとサイドウォール部１００Ｃは元の状態に戻ろうとする。このため、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６との対向距離は所定間隔に戻る。そして再びトレッド部１００Ａが路面に接地してサイドウォール部１００Ｃが変形すると、発電体２２０はｘｙ平面に沿う方向に圧縮されて対向距離が変化する。
【００４２】
走行中の車両におけるタイヤ１００は常に回転運動をしているため、トレッド部１００Ａにおけるある一点は、路面との間で接触と離間を繰り返す。すなわち、サイドウォール部１００Ｃは、タイヤ１００の回転に伴って周期的に伸縮を繰り返す。換言すれば、第１電極構造体１５および第２電極構造体１６は、略周期的に接触と離間を繰り返す。
【００４３】
以下、発電の原理について説明するが、説明の簡便性を考慮し、第１電極１１および第２電極１２が、互いに平行を維持する平行平板であると仮定する。
【００４４】
第１帯電体１３と第２電極１２が接触すると静電気を生じる。これにより生じた電荷の面密度（以下、電荷密度と示す）をσとすると、第１電極１１と第２電極１２との間に生じる電場ＥはＥ＝σ／εである。ここで、εは第１帯電体１３および空隙ＡＧに存在する気体の各誘電率を考慮にいれた全体としての誘電率である。
【００４５】
一方、第１電極１１と第２電極１２との間の電位差Ｖは、電場Ｅが一定であるから、Ｖ＝Ｅｄである。ここで、ｄは、図５に示すように、第１帯電体１３と第２電極１２とが離間したときの対向距離である。したがって、第１帯電体１３と第２電極１２が互いに接触して電荷密度σをもって帯電した状態から、互いの対向距離がｄになるまで離間した際に第１帯電体１３に蓄積されるエネルギーＵは、数式１により表される。
【数１】
2016088473.tif 000003
なお、Ｃは、第１電極１１と第２電極１２とを電極とみなしたときのコンデンサの静電容量であり、Ｓは第１電極１１および第２電極１２のｘｙ平面に沿う面の面積である。
【００４６】
第１帯電体１３に蓄積されるエネルギーＵは、バッテリ２１２に蓄積される、あるいは、センサ本体２１１に供給される電力となる。このように、本実施形態では、発電体２２０と電子装置２１０とによって、自律して発電と物理量の検出を行えるシステムが構築されている。
【００４７】
数式１によれば、エネルギーＵは、第１帯電体１３と第２電極１２の対向距離ｄに比例する。よって、このセンサ装置２００は、タイヤ１００の変形に起因する、第１帯電体１３と第２電極１２との間の接触と離間の繰り返しによって、発電を行うことができる。このセンサ装置２００における発電体２２０は、一対の電極構造体１５，１６を重ね合わせただけの簡素な構成であって、高コストの主な原因である圧電体を用いる必要がないため、製造コストを抑制することができる。また、従来のように圧電体を用いる場合、剛性の高い圧電体の伸縮を発電に利用するため、経年劣化等により圧電体が応力割れを生ずる虞があった。一方、この発電体２２０は、第１電極構造体１５に対して相対的に可変の第２電極構造体１６を有する構成であるため、応力割れ等を生ずることがない。このため、センサ装置２００の耐久性を向上させることができる。
【００４８】
また、数式１によれば、エネルギーＵは、第１電極１１および第２電極１２の面積Ｓに比例する。従来でも、圧電体の大きさを大きくすることで発電量を大きくすることは可能であったが、コストが著しく増大するという問題があった。これに対して、本実施形態に係るセンサ装置２００は、高コストの主な原因である圧電体を用いないため、コストを抑制しつつ、各電極１１，１２、ひいては各電極構造体１５，１６の面積の増大を容易に行うことができる。
【００４９】
さらに、数式１によれば、エネルギーＵは、電荷密度σの二乗に比例する。すなわち、帯電量の増大に伴って充電量も増大する。このため、帯電体１３と電極１１，１２の構成材料の選び方によって、発電量を調整することができる。
【００５０】
次に、本実施形態に係る固定部１７の作用効果について説明する。
【００５１】
固定部１７は、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６と、これらの外周部において互いに固定している。これにより、第１電極構造体１５および第２電極構造体１６の中央付近において空隙ＡＧを形成することができる。空隙ＡＧの存在により、第１電極構造体１５および第２電極構造体１６は膜状になりｚ方向への変位が可能となるので、タイヤ１００の回転に伴う変形によって第１電極構造体１５と第２電極構造体１６を互いに接触したり離間したりできる。したがって、タイヤ１００の回転による機械的なエネルギーを、電気的なエネルギーに変換することができる。
【００５２】
さらに、固定部１７は電子装置２１０を被覆して保護している。図３に示すように、本実施形態における電子装置２１０は、矩形状の第１電極１１および第２電極１２の四隅の一角に配置されている。固定部１７は、第１電極１１および第２電極の外周部に形成されているが、固定部１７の成型に際して、電子装置２１０を埋没させるように成型される。これにより、電子装置２１０は、固定部１７に取り囲まれた状態となり、外部からのダストや接触に対して耐性を確保することができる。
【００５３】
また、電子装置２１０は、導電性接着剤２１４を介して第１電極１１および第２電極１２に直付けされているので、互いの電気的な接続にボンディングワイヤ等の線材を用いる形態に較べて、接続信頼性を向上させることができる。
【００５４】
そして、センサ装置２００は、電力を供給する発電体２２０と、物理量を検出する電子装置２１０とが、固定部１７に被覆されつつ一体的に形成されているので、センサ装置２００を、外部電源を必要としない自律したモジュールとして利用することができる。
【００５５】
（第２実施形態）
第１実施形態に加えて、タイヤ組立体１０が外部との間で情報を送受信する無線通信装置５００を備える構成とすると良い。具体的には、図６に示すように、無線通信装置５００は電子装置２１０に通信可能に接続されており、電子装置２１０の取得した物理量、例えばタイヤ１００の内部の気圧、の情報をタイヤ１００の外部に置かれた制御装置（ＥＣＵなど）へ送信する。無線通信装置５００への電力の供給は、センサ本体２１１への供給と同様に、発電体２２０から行われるように構成する。
【００５６】
無線通信装置５００は、図７に示すように、電子装置２１０とは別体の装置として配置されている。無線通信装置５００は、電子装置２１０と同様に、第１電極１１と第２電極１２の対向空間に配置され、各電極１１，１２に対向する面に端子を有しており、該端子と、第１電極１１および第２電極１２と、が導電性接着剤２１４を介して互いに電気的に接続されている。固定部１７は、電子装置２１０に加えて無線通信装置５００を被覆して保護するように構成されている。また、電子装置２１０からの信号は、フレキシブル配線やボンディングワイヤなどによって入力されるように構成する。
【００５７】
これによれば、電子装置２１０が取得した物理量を無線で出力することができるので、スリップリング等の回転運動に対応した機構を必要とすることなく、タイヤ組立体１０と外部の制御装置とを通信可能に接続することができる。また、有線にて接続する場合に較べて、タイヤ１００の回転運動に伴う配線の機械的な劣化を生じることがない。すなわち、タイヤ組立体１０と外部の制御装置との接続信頼性を向上させることができる。また、固定部１７は、電子装置２１０とともに無線通信装置５００も被覆するように形成されているので、無線通信装置５００を保護する機能を発揮することができる。
【００５８】
（変形例１）
無線通信装置５００は、外部との間で情報を送受信するアンテナ５１０を有している。アンテナ５１０の形状、配置はとくに限定されるものではないが、本変形例のように、発電体２２０における第１電極１１または第２電極１２がアンテナ５１０の機能を兼用するように構成すると良い。
【００５９】
具体的には、図８に示すように、第１電極１１または第２電極１２がアンテナ５１０用にパターニングされたアンテナパターンを有している。アンテナパターンは電極１１，１２と同一の構成材料から形成されるものであり、例えば、電極１１，１２を形成した後にエッチングによってパターニングして形成することができる。アンテナパターンは電極として機能する部分とは電気的に絶縁するように形成されている。
【００６０】
なお、図８において破線で示した部分は、電子装置２１０および無線通信装置５００の素子が配置される部分である。また、アンテナパターンの形状をわかりやすくするため、電極１１，１２およびアンテナ５１０の側壁部にハッチングを施している。
【００６１】
第１電極１１または第２電極１２を構成する金属部分にアンテナパターンが形成されていることによって、無線通信装置５００は別途アンテナ５１０を用意することなく、電極１１，１２をアンテナ５１０として利用することができる。すなわち、第１電極１１または第２電極１２は、電極としての機能とアンテナとしての機能とを兼ねることができ、別途アンテナ５１０を形成する場合に必要となるレイアウト面積を抑制することができる。
【００６２】
（変形例２）
第２実施形態およびその変形例１では、電子装置２１０と無線通信装置５００が別体の素子として第１電極１１と第２電極１２の対向空間に配置される例を示した。しかしながら、図９に示すように、電子装置２１０と無線通信装置５００は、一体でパッケージされた集積回路装置６００として構成したうえで、第１電極１１と第２電極１２の対向空間に配置されるようにすると良い。
【００６３】
集積回路装置６００は、例えば、電子装置２１０と無線通信装置５００を同一の基板上に構成し、これを一体的にモールドして形成される。このため、電子装置２１０と無線通信装置５０とが互いに別体で構成される形態に較べて、電子装置２１０と無線通信装置５００とを互いに接続するための配線を短くすることができるので、耐ノイズ性を向上することができる。また、配線としてフレキシブル配線やボンディングワイヤを用いることなく、基板上の配線パターンとして、電子装置２１０と無線通信装置５００とを互いに接続することができるので、接続信頼性を向上することができる。
【００６４】
なお、第１実施形態における電子装置２１０と同様に、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６の対向空間に集積回路装置６００が介在しているため、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６の間には空隙ＡＧを形成することができる。このため、第１実施形態と同様に、集積回路装置６００の、第１電極１１および第２電極１２との接続信頼性を維持したまま、タイヤ１００の変形に伴う発電を行うことができる。
【００６５】
（第３実施形態）
上記した各実施形態では、電子装置２１０あるいは集積回路装置６００が、第１電極１１と第２電極１２との対向空間、ひいては、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６とにより形成される対向空間、に配置される例を示した。これに対して、本実施形態では、電子装置２１０あるいは集積回路装置６００が、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６とにより形成される対向空間の外に配置される例について説明する。なお、発電体２２０の構造は第１実施形態にて説明した構成と同一であるから、その説明を省略する。
【００６６】
なお、以下説明において参照する図１０および図１１について、発電体２２０の電力の供給先として電子装置２１０を例示しているが、電子装置２１０を集積回路装置６００に置換することができる。
【００６７】
本実施形態におけるセンサ装置２００は、第１実施形態に対して、導電性接着剤２１４に代えて、変形に耐える導電部材２１５によって、第１電極１１および第２電極１２と、電子装置２１０とを電気的に接続している。具体的には、図１０に示すように、電子装置２１０が第１電極１１と第２電極１２との間の対向空間から外れて配置されており、電子装置２１０に設けられた２つの端子から、第１電極１１と第２電極にそれぞれ延びたフレキシブル配線２１５ａが形成されている。このフレキシブル配線２１５ａが導電部材２１５に相当し、フレキシブル配線２１５ａによって第１電極１１および第２電極１２と、電子装置２１０と、が電気的に接続されている。
【００６８】
本実施形態においても、固定部１７は第１電極１１と第２電極１２の外周部を固定するとともに、電子装置２１０を埋没させるように形成されている。これにより、固定部１７は、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６との接触と離間を可能にするとともに、電子装置２１０を外部からのダストや接触に対して保護することができる。
【００６９】
（変形例３）
電子装置２１０あるいは集積回路装置６００が、第１電極構造体１５と第２電極構造体１６とにより形成される対向空間の外に配置される例について、本変形例では、導電部材２１５の別の構成について説明する。
【００７０】
図１１に示すように、本発明は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂によってモールドされた素子についても適用することができる。本変形例における電子装置２１０は、ボンディングワイヤ２１５ｂを介して電子装置２１０と電気的に接触されるリードフレーム２１５ｃとともにインサート成型されている。電子装置２１０、ボンディングワイヤ２１５ｂおよびリードフレーム２１５ｃは熱硬化性樹脂から成るモールド材１８によりモールドされている。リードフレーム２１５ｃは、第１電極１１と接続されるべきものと、第２電極１２と接続されるべきもの、の２本のリードフレーム２１５ｃがモールド材１８から一部が突出している。本変形例における２本のリードフレーム２１５ｃは、ｙ方向に並んで形成されている。図１１では、紙面手前側と紙面奥側に形成されており、例えば、紙面手前側のリードフレーム２１５ｃと第１電極１１とがフレキシブル配線２１５ａを介して接続されている。一方、紙面奥側のリードフレーム２１５ｃと第１電極１１とがフレキシブル配線２１５ａを介して接続されている。本変形例において、特許請求の範囲に記載の導電部材２１５は、フレキシブル配線２１５ａとボンディングワイヤ２１５ｂとリードフレーム２１５ｃから成る全体を指している。
【００７１】
本変形例における固定部１７は、内部に電子装置２１０を保持したモールド材１８を埋没させるように形成されている。これによれば、電子装置２１０は、固定部１７とモールド材１８の両方によって保護されている。本変形例においては、固定部１７およびモールド材１８が、特許請求の範囲に記載の固定部に相当している。
【００７２】
（第４実施形態）
上記した各実施形態では、センサ装置２００がタイヤ１００の内側に貼り付けられる構成について説明した。これに対して、センサ装置２００をタイヤ１００におけるタイヤ樹脂体１１０の内部に埋め込んで配置しても良い。
【００７３】
本実施形態におけるタイヤ組立体１０は、図１２に示すように、第１〜第３実施形態において説明したセンサ装置２００を、単純にタイヤ樹脂体１１０の内部に埋め込むことによって構成されている。
【００７４】
図１２に示すように、センサ装置２００をタイヤ樹脂体１１０の内部に埋め込む構成でも、タイヤ１００の変形による機械的エネルギーを、発電体２２０によって電気的なエネルギーに変換することができる。なお、センサ装置２００をタイヤ樹脂体１１０の内部に埋め込む構成とすることによって、タイヤ１００の一部の構成要素が、センサ装置２００の構成要素と共用されるようにすることができる。
【００７５】
例えば、図１３に示すように、固定部１７の構成材料と、タイヤ樹脂体１１０の構成材料を共通化して用いることができる。これにより、固定部１７とタイヤ樹脂体１１０を別々の材料として調達する場合に較べて低コスト化できる。また、タイヤ１００の成形時において、センサ装置２００も同時成型できるため、工程数を削減することができる。
【００７６】
また、別の例では、図１４に示すように、第１帯電体１３の構成材料と、タイヤ樹脂体１１０の構成材料を共通化して用いることができる。この場合は、タイヤ樹脂体１１０の一部が固定部１７を貫通して第１電極１１に接触するようになっている。
【００７７】
さらには、第１電極１１あるいは第２電極１２およびその両方とベルト１２０とを共通化してもよい。具体的には、図１５に示すように、ベルト１２０が第１ベルト１２０ａと第２ベルト１２０ｂとを有して成り、第１ベルト１２０ａと第１電極１１とが共通化され、第２ベルト１２０ｂと第２電極１２とが共通化されている。また、図１５に示す例では、固定部１７とタイヤ樹脂体１１０も共通化されている。
【００７８】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００７９】
上記した各実施形態では、第２電極構造体１６が第２電極１２のみで構成される例を示したが、図１６に示すように、第２電極１２における第１帯電体１３との対向面に第２帯電体１４が形成されていても良い。第１帯電体１３および第２帯電体１４の材料はそれぞれ任意に選択することができる。互いに接触と離間を繰り返す場合に静電気を生じる組み合わせであれば、いかなる材料を採用してもよいが、一般的に知られた摩擦帯電列において互いに離れたもの同士を採用すると良い。
【００８０】
また、上記した各実施形態では、電子装置２１０としてタイヤ１００の内部の気圧を検出する圧力センサを例示したが、センシングする対象の物理量としては、タイヤ内の気圧ほか、タイヤ１００の回転により生じる加速度、タイヤ１００の内部または表面の温度などを例に挙げることができる。言うまでもないが、物理量はこれらに限定されない。
【００８１】
また、上記した各実施形態では、電子装置２１０がバッテリ２１２を有する構成について示したが、発電体２２０が発生させた電力はセンサ本体２１１にも供給されるので、バッテリ２１２は必ずしも必要ではない。
【符号の説明】
【００８２】
１０…タイヤ組立体，１１…第１電極，１２…第２電極，１３…第１帯電体，１５…第１電極構造体，１６…第２電極構造体，１７…固定部，１００…タイヤ，２００…センサ装置，２１０…電子装置，２２０…発電体
【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】
2016088473.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2016088473.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
2016088473.tif 000018
【図１６】
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