JP2006025593A - 金属コアを有する圧電セラミックファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】細長い圧電材料と金属コアと導電性シースとを有する改善した圧電材料ワイヤ構造体が提案される。
【解決手段】金属コア１４は、細長い圧電材料１２によって囲まれており、第１の電極として機能する。導電性シース１６は、圧電材料の選択した領域を覆っており、圧電材料構造体１０の第２の電極として機能する。圧電材料としては、チタン酸バリウムセラミックファイバであり、無鉛構造を実現できる。本発明の圧電材料ワイヤ構造体は、低い分極化電圧で低い温度レベルで分極化可能であり、又、機械的な作動のための必要電圧も低い。電力発生装置として使用される場合には、圧電材料ワイヤ構造体は、回転数カウンタなどのようなタイヤ電子装置構成要素に電力を供給できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、タイヤ／ホイール組立体利用分野において使用する圧電材料の改良に関するものである。具体的には、タイヤ電子装置組立体又は他の振動系のためのセンサ若しくはアクチュエータ装置又は電力発生モジュールに使用する圧電材料の改良に関するものである。

空気タイヤ構造体に電子装置を組合せることにより、実際上の様々な利点が得られる。タイヤ電子装置は、温度、圧力、タイヤ回転数、車両速度などの様々の物理パラメータに係る情報を得るためにセンサ及び他の構成要素を含んでいる。かかる性能情報は、タイヤ監視警告システムにおいて役立つ可能性もあり、適正なタイヤ圧力レベルに調整するためにフィードバックシステムや車両性能制御システムに使用する潜在的な可能性がある。

タイヤ構造体に一体化された電子装置システムから得られる更に別の潜在的な可能性には、商業的な車両利用分野における資産追跡や性能指標がある。商業輸送トラック、航空機、土木／採鉱車両は全て、タイヤ電子装置システム及び関連情報送信の利益を享受できる産業として挙げられる。タイヤセンサは、車両の各タイヤが走行した距離を測定することができ、従って、商業組織のための保守計画の一助となることができる。土木／採鉱機械に係る分野のように費用の嵩む利用分野では、車両配置及び車両性能を最適化することができる。無線タグ送信を使用することによって、全保有車両の追跡を可能にする。

タイヤ／ホイール組立体や他の振動系に係る様々な利用分野において或る圧電材料が使用されている。例えば、圧電変換器が、印加された音場又は機械波に対する応答を測定するセンサとして使用できる。圧電アクチュエータは、印加された電界を運動エネルギー及び機械的変位に変換できる。リード状圧電材料や他の専用圧電材料成形体が、タイヤの回転からの機械振動を電気エネルギーに変換してタイヤ電子装置組立体に電力を供給するために使用されている。

圧電材料の構造及び性能に固有に付帯する独特な性質及び潜在的な制約のために上記した利用分野他での圧電材料の利用はしばしば制限されている。圧電材料の結晶及びファイバは、歪みのレベルが大きいと、割れや破断を生じる。圧電セラミックは、圧電材料の分極ドメインの方向を揃えてセンサ又はアクチュエータとして機能させるための少なくとも１回の分極化処理が必要である。圧電材料と電極との一体化装置は、正確に形状を形成し、圧電装置の効果的な動作のために維持されねばならない。更に、或る型式の圧電材料は、所与の用途又は所与の環境に良く適合していない。例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）はしばしば望ましい性能特性を有しているが、或る利用分野では鉛含む材料が好ましくない。

本発明によるならば、圧電材料の或る利点が長く認められていることを認識する。しかし、かかる技術は常に改良されており、動作能力が改善された圧電材料及び圧電構造を応用できる潜在的な可能性がある。本発明は、タイヤホイール組立体に圧電材料を使用する場合に関係する本明細書に開示する事項およびその他の事項に係るものであり、そのような用途のために改良した圧電構造を提案するものである。

本発明の上記した事項に鑑みて、タイヤホイール組立体に関係する応用分野のための圧電セラミックを改良するものである。本発明による改良した圧電材料構造体は、金属コアの周りに形成されて導電性外皮すなわち導電性シースで囲まれている圧電セラミックファイバを有する。金属コアと導電性シースとが、圧電材料のための第１の電極と第２の電極として機能し、センサ又はアクチュエータ装置に又はタイヤ電子装置組立体のための電力発生モジュールに使用するために電子装置に接続することができる。

本発明の圧電材料技術及びタイヤ電子装置利用の様々な特徴により、複数の利点が得られる。本発明の圧電材料構造体には、独特な電極構成により相当な構成自在性がある。未硬化状態の圧電セラミック材料の曲げ易さすなわち屈曲性により、様々な横断面形状を有する圧電材料構造体を形成できる。更に、圧電材料構造体は、実質的な直線や、二次元の正弦波状形状や、三次元のらせん状形状などの多数の様々な形状に形成できる。

本発明のもう１つの利点は、圧電材料構造体が単一構造体やモジュール集合体として様々な実現できることである。シース状電極を設けることによって、モジュールパッチ組立体として複数の圧電材料構造体を組合せることが容易になる。そのモジュールパッチ組立体は、複数の層に設けて、特定の環境での動作や特定の表面への装着のために最適化できる。

本発明の更にもう１つの利点は、圧電材料構造体が低い分極電圧と低い温度レベルで分極化でき、圧電材料構造体に必要などのような再分極化も容易になることである。圧電材料構造体の機械的な作動に必要な電圧レベルも対応して低下し、圧電アクチュエータに使用するに理想的な圧電材料構造体とすることができる。

圧電材料構造体は、アクチュエータ装置としてだけでなく、変換器又はセンサのような状態応答装置又は電力発生装置としても動作できる。タイヤ組立体に設けられた電力発生装置は、回転数カウンタ、周辺センサ、再充電可能なバッテリー、フラッシュライト組立体、マイクロコントローラ、ＧＰＳ装置、無線トランスポンダ又は他の無線装置を含む様々なタイヤ電子装置システムに電力を供給できる。ここに開示する技術を電力発生装置として使用する場合、圧電材料構造体は、バッテリーの交換には依存しない自己給電式タイヤ電子装置システムを実現する。バッテリー及びバッテリーで動作する装置を本発明と組合せることもできるが、バッテリー又は他の電力供給手段から単独に電力供給されるタイヤ電子装置に関する沢山な複雑な問題が本発明によって回避できる。

本発明の更に別の利点は、圧電材料構造体に使用する材料の型式に関する設計自在性である。圧電材料構造体のセラミックファイバに使用するに一般に適した圧電材料の具体的な例には、チタン酸バリウムである。このチタン酸バリウムは鉛を一切含んでいないので、多くの利用分野において好ましい。

本発明の更に別の利点は、電力を発生して利用する本発明の装置及び方法は、現在の様々な応用例に従って使用できる。測定、監視警告システム、車両フィードバックシステム、資産追跡などが、商業輸送トラック、航空機、土木／採鉱機械のような応用分野で可能である。

本発明の１つの実施例では、電子装置組立体は、少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体とマイクロコントローラとを有している。その圧電材料ワイヤ構造体は、細長い圧電材料部分と、金属コアと、導電性シースとを有している。その金属コアは、細長い圧電材料部分によって実質的に囲まれており、圧電材料構造体の第１の電極として機能するように形成されている。好ましくは、導電性シースが、細長い圧電材料部分を選択した領域を覆い、圧電材料構造体の第２の電極として機能する。マイクロコントローラは、その少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体に接続されて、（圧電材料ワイヤ構造体が状態応答装置として動作するように形成されている場合のように）圧電材料構造体によって発生された電荷量を監視するか、又は、（圧電材料ワイヤ構造体が機械的アクチュエータとして動作するように形成されている場合のように）圧電材料構造体に供給された電荷量を監視する。圧電材料ワイヤ構造体が状態応答装置として動作するように形成されている場合、圧電材料ワイヤ構造体は、温度及び／又は圧力、及び／又は、相対的な静的及び／又は動的な力のような所定の特性を監視できる。更に、圧電材料ワイヤ構造体がタイヤ又はホイールの組立体のような環境において使用される場合には、圧電材料ワイヤ構造体は、タイヤ／ホイールの回転数及び／又は車両速度のような情報を測定するために使用できる。無線装置が（マイクロコントローラを介するなどして）圧電材料ワイヤ構造体に接続されて、圧電材料ワイヤ構造体によって出力された信号又は圧電材料ワイヤ構造体に供給される信号を通信することができる。

本発明の更に別の実施例は、複数の上述した圧電材料構造体のモジュールパッチとエネルギー蓄積装置とを有する電力発生装置である。そのモジュール組立体では、複数の圧電材料構造体の金属コアの全てが、第１の電極として機能し、複数の圧電材料構造体の全てを取り巻く導電性材料が、第２の電極として機能する。モジュールパッチは、電力発生装置が機械的振動を受けたとき電荷を発生するように形成されている。そのような機械的振動を受ける環境の一例は、タイヤ又はホイールの組立体である。エネルギー蓄積装置（例えば、キャパシタ又は再充電可能な電池）は、モジュールパッチが発生した電荷の内の選択した量を蓄積するように形成される。その蓄積したエネルギーが、電子装置構成要素、例えば、回転数カウンタ、周辺センサ、フラッシュライト組立体、マイクロコントローラ、無線装置、ＧＰＳ装置などに電力を供給するために使用できる。

上記した電子装置組立体において、上記した少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体又は複数のそのような圧電材料ワイヤ構造体のモジュールパッチによって発生された電荷量が監視されて、圧電材料構造体の分極有効性が所定の閾値以下に低下したときを検知して、例えば圧電材料構造体の再分極化の必要を表示することもできる。再分極化の必要が判明した場合、圧電材料構造体の電極が、圧電材料構造体を再分極化させるに十分な電荷を供給できる電源に接続できる。

本発明の更に別の実施例は、電力発生装置が一体化されたタイヤ組立体である。そのタイヤ組立体は、空気タイヤ構造体と、上記した圧電モジュールパッチとを有している。空気タイヤ構造体は、地面と接触するトレッド部を有するクラウン部と、タイヤをホイールリムに装着するビード部と、各ビード部とクラウン部との間に延在するサイドウォールとを有している。モジュールパッチは、空気タイヤ構造体の選択した部分に一体化され、空気タイヤ構造体が機械的歪みを受けたときに電荷を発生するように形成されている。或る実施例では、圧電モジュールパッチで発生された電荷を受けてその電荷エネルギーの内の選択した量を蓄積するためにエネルギー蓄積装置が設けられる。電力発生装置をタイヤ構造体に一体化することを容易にするために、モジュールパッチをタイヤ構造体に貼り付け又はタイヤ構造体内に埋込むことができる。

本発明の更に別の実施例は、振動系に一体化された圧電材料から電力を発生させる方法である。かかる方法は、少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体を、振動系に対する選択した場所に配置し、振動系に伴う機械歪みを上記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体に受けさせ、上記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体が機械歪みを受けたときに上記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体が発生した電荷の内の選択した量を蓄積する。上記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体は、内側電極と外側電極を有する細長い圧電材料で構成できる。そのような圧電材料構造体において発生された電力は、振動系に付属する電子装置組立体に電力を供給するように使用できる。

本発明のその他の目的及び利点は、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、以下に詳細に説明し図解する本発明の特徴や構成要素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。

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部品や工程や配置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より良く理解できるであろう。

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。
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。

「課題を解決するための手段」において説明したように、本発明は、タイヤ／ホイール組立体に使用するための、更に具体的に述べるならば、タイヤ電子装置組立体のためのセンサ又はアクチュエータ装置又は電力発生装置に使用するための改良した圧電材料に関するものである。その改良した圧電材料は、金属コアの周りに形成された、チタン酸バリウムのような圧電セラミックファイバからなり、そのいくつかを図１、図２、図４及び図５に図示する。かかる圧電材料構造体のタイヤ組立体への組み込みすなわち一体化は図３A及び図３Ｂに示す。本発明による圧電モジュールが電力発生装置に使用される場合、圧電モジュールは、図６に示すように電子装置組立体に電力を供給するように使用できる。

ここに開示する技術の特徴の選択的な組合せは、本発明の複数の異なる実施例であり、ここに開示して説明する例示的な実施例の各々は、本発明を限定するものではない。１つの実施例の一部として図解し又は説明する特徴又は工程は、他の実施例の特徴と組合せて、更に別の実施例を実現できる。更に、或る特徴は、同一又は同様な機能を達成するここに開示しない類似の装置や特徴と置換できるものである。また、或る工程は、他の工程と置換でき又は組み合わせて更に別の実施例を実現できる。

本発明の圧電材料構造体の好ましい実施例を、タイヤ／ホイールの組立体内に一体化した電子装置システムと組み合わせて、詳細に参照する。添付図面を参照するならば、図１は、圧電材料ワイヤ構造体１０の１つの実施例の、断面も示す概略斜視図である。圧電材料ワイヤ構造体１０は、金属コア１４を有する圧電材料１２の部分から形成されている。かかる両方の部分は、共押出し成型によって、細長いワイヤのような形状に形成できる。又は、浸漬、吹付け、プラズマ蒸着、又は当業者に周知の他の製造方法によって、金属コアの上に圧電材料を形成できる。圧電材料ワイヤ構造体１０は、或る実施例の場合、５０ミクロンから５００ミクロンの直径のほぼ円形の横断面を有することができる。しかし、この寸法は本発明を限定するものではなく、また、用途に応じて、これより小さい又は大きい横断面寸法を採用できることは理解されるべきである。更に、図１に示す構造はほぼ円形の横断面を有するように描かれているが、他の構造、例えばほぼ正方形又は他の形の横断面を有する構造も本発明の技術思想の範囲内で採用できる。また、圧電材料ワイヤ構造体１０の構成の自在性は、構造体を焼成する前の未硬化状態の圧電セラミック材料の曲げ易さすなわち屈曲性により高められる。

圧電材料ワイヤ構造体１０の圧電材料１２は、ファイバ状の圧電セラミック材料、例えば、チタン酸バリウム又はジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）が好ましいが、或る実施例では、水晶、硫化カドミウム、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）又は当業者に周知のようファイバ状又は結晶状のその他の圧電材料でもよい。例示した材料の内の或るものは、タイヤ構造体内に使用するに適している可能性があるが、材料の選択は、性能特性にも関係することは理解されるべきである。例えば、ＰＺＴ材料は、多くの環境において比較的高い性能を有していると知られており、或る用途では好都合である。しかし、チタン酸バリウムは、無鉛である圧電材料セラミックであるので、他の用途ではむしろ適している可能性がある。何れにしても、上記した及びその他の圧電材料に係わる技術進歩により、他の圧電材料が車両分野で使用する場合に更に適した圧電材料となる可能性もあり、本発明が、本発明の構成でのそのような新規開発材料も含むことも理解すべきである。

更に図１を参照するならば、圧電材料ワイヤ構造体１０の金属コア１４は、圧電装置の第１の電極を形成し、一方、圧電材料の周りに形成された導電性外皮すなわち導電性シース１６は、圧電装置の第２の電極として機能する。シース１６は、圧電材料１２のために保護としても機能する。圧電材料の割れや破断は性能を不可避的に低下させるので、保護機能は効果がある。導電性部分１４及び１６のために例示できる材料には、銀、パラジウム、ニッケル、銅、アルミナファイバ、又は当業者周知の金属又は合金がある。このようにして構成される圧電材料ワイヤ構造体１０の分極方向は、内側の導電性コア１４と外側の導電性シース１６との間である。

圧電材料ワイヤ構造体１０が形成された後、圧電セラミックファイバのドメインすなわち局部的に整列している隣接ダイポールの領域全てを同じ方向に揃えるために圧電材料ワイヤ構造体を分極化処理する必要がある。典型的な分極化処理は、導電性部分１４及び１６によって形成されている第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加して、圧電セラミック１２に強い直流電界を加えることである。この分極化処理は、一般に、キュリー点より僅かに低い温度で行われる。このキュリー点は、分極化した圧電材料が正しく機能可能である、分極化した圧電材料が曝される最大温度である。

圧電材料ワイヤ構造体１０が分極化処理を受けた後、圧電材料のダイポールの殆どは分極方向に方向が揃えられており、圧電材料ワイヤ構造体が圧電特性を効果的に発揮できる。圧電材料１０が機械的な引っ張り力や圧縮力のような歪みを受けると、２つの電極１４と１６の間に電圧が発生し、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。この圧電作用によって、詳細に後述するように圧電材料ワイヤ構造体１０はセンサや電力発生装置として使用できる。反対に、分極化電圧と同じ極性の電圧を（電極１４と１６との間で）圧電材料１２に印加すると、圧電材料ワイヤ構造体１０の直径１８が増大し、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。分極化電圧と反対の極性の電圧を圧電材料ワイヤ構造体１０に印加すると、直径１８が減少する。この形式の圧電作用により、圧電材料ワイヤ構造体１０を詳細に後述するようにアクチュエータとして使用することを可能にしている。

殆ど全ての圧電材料構造体は、上述した方法で有効に機能する前に分極化されねばならない。図１に示す新規な構成は、より低い分極化電圧でそしてより低い温度で分極化できる構造を実現している。従って、圧電材料ワイヤ構造体１０及び複数のそのような圧電材料ワイヤ構造体の集合体のモジュールの製造を大きく単純化する。これにより、圧電材料ワイヤ構造体を機械的に作動させるために必要な電圧の大きさを小さくできる。

圧電材料構造体が初期分極化処理を受けた後でも、機械的及び／又は電気的なストレスに過剰に曝すと、圧電材料が劣化し、圧電材料ダイポールの方向が不揃いになり、圧電材料ワイヤ構造体１０の性能が低下する。そのような場合、再度分極化することが必要になり、圧電材料構造体を初期分極化しそして再分極化するために必要な電圧レベルが低いことが利点である。本発明の多くの実施例は、タイヤ又はホイールの構造体に圧電材料構造体を使用する。圧電材料構造体が初期分極化されてタイヤ構造体に組み込まれた後に再分極化が必要とされる場合、分極化電圧が比較的に低いという要件は、圧電材料構造体を再分極化する手段をタイヤ内に設けることを容易にする。このような再分極化手段は、圧電式電力発生装置によって蓄積された電荷によって、又は、バッテリーのような代替電源を設けることによって実現できる。この再分極化の具体的な特徴は、図６を参照して後述する。

本発明によるならば、複数の圧電材料ワイヤ構造体１０が一緒に組み合わされて、図２に組立体２０として図示する圧電材料ワイヤ構造体のモジュールパッチを構成できる。組立体２０は、複数の圧電材料ワイヤ構造体１０を組み合わせており、それぞれの外側電極１６は互いに接触するようにされて、組立体２０のための共通電極端子を形成している。他の実施例では、それぞれコア１４と圧電材料部分１２とによって形成されている複数の共押出し成型ワイヤを、金属又は導電性エポキシ又は類似材料の一体部分の中に埋め込むことによって共通電極端子を形成することができる。それぞれの内部コア１４への個々の電気接続は、組立体の他方の端子として機能する。このような端子の形成は、当業者周知の多数の既知の方法で実現可能であり、ここでは詳述しない。それそれの内部コアを終端する接続形式の１例として、図６にターミナル２２に示すように、カスタム化したリボンコネクタ又はマルチクリップ状コネクタがある。

圧電材料ワイヤ構造体１０の形状は、その独特な電極形成により、図２に示すように複数の圧電材料ワイヤ構造体１０を組立体２０に組立てる場合に特に効果がある。複数の層（例えば、３層（３つ重ね）が図２に図解されている）で圧電材料組立体のアクティブ範囲を形成することができる。他の既知の圧電パッチ実施例では、（内部コア電極を有していない）複数の圧電材料ファイバが並べられて単一の平たい層を形成していた。その後、第１の電極と第２の電極とが、例えば、平たい層に並べられたファイバ組立体の頂面及び／又は底面に櫛状電極をスクリーン印刷して形成される。かかる形状は、圧電材料ファイバの単一層の場合しか電極を接続できないという意味で制約である。更に、電極と圧電材料との間の接続を正確に形成し且つ圧電材料組立体の有効な動作のためにそのような接続を維持する必要がある。

本発明によるならば、圧電材料ワイヤ構造体を複数層に重ねて独特なモジュール形状を実現できるので、設計の自在性だけでなく、具体的な用途に適合するようにモジュールパッチの形状を最適化できる。例えば、圧電材料組立体２０が受ける主要な機械歪みが１つの軸に比較的集中している場合には、圧電材料組立体のアクティブ範囲の厚さ（すなわち、層の数）を増大して、圧電材料組立体２０がその主要な機械歪みを受けたときに容量性損失を減少することができる。更に、肉眼で見える振動も含めて、具体的な取り付け面に合わせて構成されたモジュールに複数の圧電材料ワイヤ構造体を組合せることもできる。図３Ａ及び図３Ｂを参照するならば、圧電材料ワイヤ構造体のモジュールパッチ２０がタイヤ構造体２４の内面に合わせて形成されている。タイヤ構造体の独特な輪郭に合わせてモジュールパッチ組立体を設計することによって、圧電材料ファイバは、タイヤに貼り付けられたとき又はタイヤに埋込まれたときにストレスを受けていない状態に置くことができる。これにより、モジュールパッチ２０をセンサ又は電力発生装置として使用するときに、モジュールパッチ２０は振動エネルギー又は捨てられたエネルギーを効率的に利用することができる。

複数の圧電材料ワイヤ構造体１０を（図２に示すように）モジュールパッチ組立体２０に組合せたとき、（図３Ａ及び図３Ｂに示すような）タイヤ構造体２４に対する圧電材料ワイヤ構造体１０の方向を設計上考慮することができる。タイヤの周方向に沿って圧電材料ワイヤ構造体を配置した場合、圧電材料ファイバは、一般的に大きな引張り歪みを受けるが、一方小さな圧縮歪みしか受けない。周方向のファイバ配置では、図３Ａのタイヤ構造体実施例２８に図示されているように、タイヤ構造体２４のクラウン部２６にモジュールパッチ組立体２０を一体化することが好ましい。タイヤの半径方向に沿ってファイバの方向を揃えると、主エネルギー回収を半径方向歪みにする。この配置方向は、ファイバを損傷する可能性が殆どないが、ファイバの圧縮性分極劣化を受ける潜在的な可能性が高い。半径方向配置では、図３Ｂのタイヤ構造体実施例２８に図示されているように、タイヤ構造体２４の選択したサイドウォール部分３０にモジュールパッチ組立体２０を一体化することが好ましい。従って、本発明の圧電モジュールパッチをタイヤ構造体の周方向と半径方向のどちらに向けるかは、パッチの寸法と、パッチが受ける具体的なタイヤ環境とに基づいて決定できる。更に具体的には、圧電材料パッチの最適な配置場所と方向は、タイヤ１回転当たりの最大パワーと、周方向及び半径方向での最大引張り歪み及び最大圧縮歪みと、所与の時間での圧電材料パッチ全体での歪みの均一性などのファクターに基づいて決定できる。

図３Ａ及び図３Ｂに示すタイヤ構造体実施例２８に図示されている単一圧電材料１０又はモジュールパッチ２０は、タイヤ構造体２４のクラウン内面２６又はサイドウォール内面３０に取り付けることができる。これら配置場所は、タイヤ構造体２４のトレッド部２５は地面上を走行してタイヤ構造体が撓むときに、モジュールパッチ２０内の圧電材料を作動すなわち駆動させるに非常に適している。タイヤ構造体２８が地面上を走行するときの機械的振動で生じるタイヤの撓みにより、圧電材料構造体が電荷を発生し、モジュールパッチをセンサ又は電力発生装置として動作させることができる。更に、タイヤ内、例えば普通のタイヤ構造体のカーカスとインナーライナーとの間にパッチ２０を埋込んで硬化することもできる。又は、タイヤに貼り付け又は埋込む前にパッチ２０にゴム又はエラストマーのケーシング内に入れて保護することもできる。このようなケーシングは、圧電材料パッチをタイヤ構造体に貼り付けることを容易にする。又は、ゴムケーシングは、パッチ２０の一方の面に設けて、タイヤ構造体の内面に貼り付ける支持体とすることもできる。圧電材料構造体は様々な場所に配置できるので、「一体化」とは、タイヤ構造体に又はタイヤ構造体内に取り付ける可能な配置場所の全てを含むものである。

上述するように、圧電材料構造体10又はモジュールパッチ組立体２０は、タイヤ及びホイールの組立体に使用する場合及びその他の環境で使用する場合、様々な異なる形態で使用できる。例えば、本発明の圧電材料パッチは、アクチュエータ、センサ、電力発生装置、又はそれらの装置の任意の又は全ての組合せとして使用できる。本発明の圧電材料構造体は、単一のファイバであること又は単一層の平らな組立体であるいう制約から自由であるので、圧電アクチュエータ及び圧電センサの実施例は、制限されずに様々可能である。或る実施例では、図３に示すような二次元の正弦波状の形態１０’又は図４に示すような三次元のらせん状若しくはスプリング状の形態１０”とすることができる。圧電材料構造体（参照番号１０）の方向の様々な変更は本発明の技術思想の範囲内にあるものである。又、或る実施例では、圧電材料構造体が有効に動作する歪みの範囲を拡大し、数十倍のダイナミックレンジを有する非常に高感度の振動センサを実現できる。

圧電アクチュエータはレスポンスタイムが比較的速くエネルギー変換効率も高いので、本発明の圧電材料構造体を機械的なアクチュエータとして使用することが望ましい。圧電アクチュエータは、装置の超小型化に適合容易であり、本発明の単一圧電材料ワイヤ構造体又はモジュールパッチによって圧電アクチュエータの実現可能にできる。また、圧電装置の駆動に必要な電圧が比較的低いので、更に利点がある。

本発明の圧電材料ワイヤ構造体又はモジュールパッチは、変換器、センサ、弾性波装置、又は入力状態の変化に応答して或る種の出力を発生する他の構成要素ような状態応答装置として使用できる。状態応答装置は、多数のタイヤ又はホイールの特性、例えば、限定するものではないが、温度、圧力、タイヤ回転数、車両速度、タイヤ構造体に作用するかタイヤ構造体に付随する（サイドウォールの撓みやタイヤ変位のような）三次元の静的及び動的な力のレベルを監視するように使用できる。加えられた弾性波及びその他の力に対して圧電材料構造体の応答を測定することによってタイヤ構造体の温度と圧力の両方を監視できる単一弾性波装置として、複数の圧電変換器を組合せて使用できる。

本発明の圧電材料構造体の更に別の重要な利用例は、タイヤ構造体内での電力発生装置である。タイヤ電子装置組立体に電力を供給する従来の電源は、バッテリーか、又は近接した放射アンテナから得るエネルギーであった。バッテリーは、再充電可能ではない場合には、定期的に交換する必要があり、廃棄物問題及び効率問題をしばしば生じる。インタロゲーションアンテナからの無線周波数パワーを回収する実施例ではしばしば、全く不充分であり、費用が嵩み、損傷を受け易い。従って、本発明による圧電パッチは、タイヤが機械歪みを受けているときに圧電パッチ内で発生した電荷を回収する改良した電源をタイヤ電子装置組立体のために実現できる。普通のタイヤ回転状態で、十分な量の機械歪みが発生する。

ここに提案する圧電材料を使用した電力発生装置は、タイヤ構造体内で電力を供給するための従来技術より優れた多数の利点がある。上述したようなアンテナビームパワー回収技術は、タイヤ電子装置組立体に電力を供給するために選択する限られた選択肢の１つでは最早なくなった。従って、様々なタイヤ電子装置の機能を全体に高めることができる。電力発生のためにバッテリーを利用する選択肢は最早重要ではなく、費用が嵩み面倒なバッテリー交換は不要になった。ここに開示する技術が、アンテナビーム及びバッテリーを不要にする電力発生装置を実現しているが、電力発生装置が、ホイール組立体内の異なる選択した電子構成要素の電力を供給するために、圧電技術及び／又はバッテリー及び／又はアンテナビーム回収技術を混合して組合せて使用することも可能であることは理解すべきである。

電力発生装置として圧電パッチ２０を使用する場合、図６に示す或る種のエネルギー蓄積及び／又は調整装置３２と組合せて圧電パッチ２０を設ける。エネルギー蓄積装置３２は第１及び／又は第２の電気端子２２及び３４に並列に接続され、圧電パッチ２０が機械歪みを受けたとき圧電パッチ２０で発生された電荷の内の選択した量を受ける。そのエネルギー蓄積装置３２は、少なくとも４７μＦのキャパシタンスを有するパナソニックＴＥＬシリーズのタンタルキャパシタのような電解キャパシタとすることができる。スーパーキャパシタ又は非電解キャパシタのような他の型式のキャパシタをエネルギー蓄積装置３２として使用することも同様に適している。更に、エネルギー蓄積装置３２は、Infinite Power Solutionsからブランド名「LiteStar」で販売されている再充電可能な固体バッテリーような再充電可能なバッテリーとすることもできる。他の再充電可能な固体バッテリーや再充電可能な化学バッテリーもエネルギー蓄積装置３２として使用することも可能である。

エネルギー蓄積装置３２と組合せて追加パワー回収回路を設けて、タイヤ電子装置組立体のために調和した電源を実現できる。パワー回収回路とタイヤ電子装置システムとの間の相互作用部も含むそのようなパワー回収／調節回路の例が、本出願の出願人に譲渡されている下記の特許出願に開示されてりいる。ここに引用して下記の特許出願の全内容を本明細書に組み入れる。
米国特許出願第10／143535号（米国公開特許公報US2003/0209063A1）発明の名称「System and Method for Generating Electric Power from a Rotating Tire's Mechnical Energy Using Piezoelectric Fiber Composites」

十分な量の電荷が圧電パッチ２０で発生されてエネルギー蓄積装置３２に蓄積された場合、任意の数の構成要素又はそれらの組合せを含む場合もあるタイヤ電子装置組立体３６に電力を供給するように使用できる。タイヤ電子装置組立体３６は、回転数カウンタ、状態応答装置、再充電可能バッテリー、フラッシュライト組立体、マイクロコントローラ、ＧＰＳシステム及び／又は無線（ＲＦ）装置のような構成要素を含む場合もある。上記した特許文献１は、圧電組立体によって電力供給できるタイヤ電子装置システムの他の例も開示している。本発明の圧電材料構造体を上記した特許文献１の技術と組合せて又は他の複数の素子と組合せて使用することも、本発明の技術思想の範囲内にある。

本明細書において又は引用して本明細書に組み入れた特許文献において開示する電子装置以外の電子装置も、本発明の圧電装置の電力発生装置と組合せて使用できることは本発明から理解できるであろう。本発明の圧電材料構造体によって電力供給できる電子装置の数は、膨大であり、本発明を制限するものではない。

上述したように、圧電材料構造体を監視して、再分極化が必要なときを検出して、実際に圧電材料構造体を再分極化するための回路を、本発明の圧電材料構造体に付属して設けることもできる。モジュールパッチ２０内の圧電材料構造体の性能を監視する例の１つは、エネルギー蓄積装置３２又はモジュールパッチ２０に関連して（例えば、電子装置組立体３６内に）設けられる他の専用エネルギー蓄積素子に蓄積された電荷量を監視することである。そのようなエネルギー蓄積装置のキャパシタンスレベルは、圧電材料の誘電率のようなモジュールパッチ２０内の圧電材料の性質と相関関係がある場合もある。付属するエネルギー蓄積装置で測定したキャパシタンスレベルは、電子装置組立体３６内のマイクロコントローラにプログラムされたキャパシタンスレベルと比較できる。測定値が所定の閾値以下に低下したならば、圧電装置の再分極化の実行が望ましい。圧電装置の再分極化には比較的高い電圧が必要とされる場合があるので、比較的低い電圧の蓄積エネルギーを、（約３００Ｖ程度の又はモジュールパッチ２０内の圧電材料の型式及び厚さによって決定される他の具体的な電圧のような）比較的高い電圧へ変換するために電圧変換器を設けることができる。かかる比較的高い電圧をモジュールパッチ２０の圧電材料の電極の間に印加して、圧電装置の再分極化を実行する。

或る用途では、本発明により電力発生装置として使用する圧電パッチ２０の設計上の制約が考えられる。例えば、図６に図示されるように、圧電パッチ２０に接して支持基板３８を設けることによって圧電パッチ２０を補強することもできる。既知の方法によりモジュールパッチ２０を支持基板３８に貼り付けることができる。又は、他の実施例では、モジュールパッチ２０を支持基板内に埋込むこともできる。圧電パッチ２０と支持基板３８との組合せにより、パッチ２０内の圧電材料ワイヤによって検出される歪み力の機械的分散を容易にする。パッチ２０に加わる歪みの均等化を改善することにより、全圧電材料ワイヤ構造体が同一張力で全体で動作できる。補強された圧電パッチは、タイヤ構造体及び対応する車両環境において更に長い時間の間稼働し続けることができる。

支持基板３８は圧電パッチ２０に加わる歪みを可能な限り均一に分布させるように機能することが好ましいので、支持基板３８は、一様な厚さと一様な剛性レベルを有していることが好ましい。支持基板の実際の厚さは、本発明の圧電材料ワイヤ構造体が一体化されるタイヤ構造体に使用されている材料の型式に従って設計できる。基板厚さとタイヤ構造体の弾性率とを最適に組合せにより、圧電パッチの適正な作動と、適正な方法でのタイヤ構造体内へのパッチの一体化との両方を確保することができる。本発明の或る実施例では、剛性レベルは均一であるが容易に調整可能である。支持基板３８の例としては、低ヒステリシス、化学的な不活性、タイヤ構造体内で動作し続ける固有な能力のような性質によって特徴付けることができる。支持基板３０を形成するに適した材料の具体例としては、ファイバガラスのような印刷回路基板材料やほかのそのような材料がある。支持基板３８を形成する適当な材料の別の例として、高モジュラスゴムコンパウンドがある。

以上、特定な実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、上記した記載を理解した上で、当業者が上記実施例を変更し修正し又は上記実施例の均等物を容易に実現できることは理解できるであろう。従って、上記実施例の開示は、例示に過ぎず、限定を意味するものではない。また、上記実施例の開示は、当業者にとって容易に実現できる変更、修正、追加を除外するものではない。

本発明の実施例において使用される圧電材料ワイヤ構造体の１つの例の、断面も示す概略斜視図である。 圧電材料ワイヤ構造体のモジュールパッチとして、本発明の別の実施例で使用される圧電材料ワイヤ構造体の機能的な集合体の概略斜視図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、空気タイヤ構造体に圧電材料ワイヤ構造体モジュールパッチを適用する例を図解する、本発明によるタイヤ構造体の例の等角投影図を図示している。 ほぼ二次元正弦波形状の本発明による圧電材料ワイヤ構造体の例を図示する。 ほぼ三次元らせん状の本発明による圧電材料ワイヤ構造体の例を図示する。 支持手段と周辺電子装置構成要素とが設けられた本発明による圧電材料ワイヤ構造体モジュールパッチの概略等角投影図である。

符号の説明

１０ 圧電材料ワイヤ構造体
１２ 圧電材料
１４ 金属コア
１６ 導電性シース
２０ 圧電材料ワイヤ構造体モジュールパッチ
２４ タイヤ
３２ エネルギー蓄積装置
３６ 電子装置組立体
３８ 支持基板

Claims (36)

1. 機械的歪みを受けたときに電荷を発生するように構成された圧電モジュールパッチと当該圧電モジュールパッチからの前記電荷を受けてその内の選択した量を蓄積するエネルギー蓄積装置とを具備しており、前記圧電モジュールパッチが、
   複数の細長い圧電材料構造体と、
   各々前記複数の細長い圧電材料構造体の１つに実質的に囲まれている複数の金属コアであって、当該複数の金属コア全体が前記圧電モジュールパッチのための共通する第１の電極として機能するように形成されている、複数の金属コアと、
   前記複数の細長い圧電材料構造体の各々を取り囲んで、前記圧電モジュールパッチのための共通する第２の電極を形成している導電性材料と
   を具備していることを特徴とする電力発生装置。
2. 前記複数の圧電材料構造体がチタン酸バリウムファイバからなることを特徴とする請求項１に記載の電力発生装置。
3. 前記複数の圧電材料構造体が、水晶、チタン酸バリウム、硫化カドミウム、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）からなる群から選択された材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電力発生装置。
4. 前記圧電モジュールパッチによって発生された電荷量を監視して、空気タイヤ構造体の所定の特性を測定する手段を更に具備していることを特徴とする請求項１に記載の電力発生装置。
5. 前記所定の特性は、温度、圧力、タイヤ回転数、車両速度、タイヤ構造体に作用する静的及び動的な力のレベルからなる群から選択されることを特徴とする請求項４に記載の電力発生装置。
6. 前記圧電モジュールパッチは、空気タイヤ構造体の選択した部分に一体化されており、前記空気タイヤ構造体が機械歪みを受けているときに電荷を発生するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力発生装置。
7. 前記圧電モジュールパッチによって発生される電荷を監視して、前記圧電材料構造体の分極有効性が所定の閾値以下に低下したときを検出する手段を更に有していることを特徴とする請求項１に記載の電力発生装置。
8. 前記圧電モジュールパッチの前記第１の電極及び前記第２の電極にそれぞれ接続されており、前記圧電材料構造体の分極有効性が前記所定の閾値以下に低下したときに前記圧電モジュールパッチを再分極化する電源を更に具備していることを特徴とする請求項７に記載の電力発生装置。
9. 回転数カウンタ、状態応答装置、再充電可能なバッテリー、フラッシュライト組立体、マイクロコントローラ、ＧＰＳシステム、無線装置からなる群から選択された少なくとも１つの電子装置構成要素を更に具備しており、当該少なくとも１つの電子装置構成要素は、前記圧電モジュールパッチにおいて発生された電荷で電力が供給されることを特徴とする請求項１に記載の電力発生装置。
10. 前記エネルギー蓄積装置は、電解キャパシタ、スーパーキャパシタ、再充電可能な固体バッテリー、再充電可能な化学バッテリーの内の１つからなることを特徴とする請求項１に記載の電力発生装置。
11. 少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体と、当該少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体に接続されて、少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体によって発生された又は前記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体に供給された電荷量を監視するマイクロコントローラとを具備しており、前記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体は、
    細長い圧電材料と、
    前記細長い圧電材料に実質的に囲まれ、前記細長い圧電材料のための第１の電極として機能するように形成されている金属コアと、
    前記細長い圧電材料の選択した領域を取り囲んで、前記細長い圧電材料のための第２の電極を形成している導電性シースと
    を具備していることを特徴とする電子装置組立体。
12. 前記細長い圧電材料がチタン酸バリウムファイバからなることを特徴とする請求項１１に記載の電子装置組立体。
13. 前記細長い圧電材料が、水晶、チタン酸バリウム、硫化カドミウム、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）からなる群から選択された材料からなることを特徴とする請求項１１に記載の電子装置組立体。
14. 前記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体は、所与の環境内の所定の特性に関係して変化する電荷量の電荷を発生することによって前記所定の特性を監視する状態応答装置として動作することを特徴とする請求項１１に記載の電子装置組立体。
15. 前記所定の特性は、温度、圧力、所与の環境内で作用する静的及び動的な力のレベルからなる群から選択されることを特徴とする請求項１４に記載の電子装置組立体。
16. 前記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体は、空気タイヤ構造体の選択した部分に一体化されており、温度、圧力、タイヤ回転数、車両速度、タイヤ構造体に作用する静的及び動的な力のレベルからなる群から選択される少なくとも１つの所定の特性を検出するように構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の電子装置組立体。
17. 前記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体を機械的なアクチュエータとして制御する手段を更に具備することを特徴とする請求項１１に記載の電子装置組立体。
18. 前記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体は、二次元の正弦波状形状につくられていることを特徴とする請求項１１に記載の電子装置組立体。
19. 前記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体は、三次元のらせん状形状につくられていることを特徴とする請求項１１に記載の電子装置組立体。
20. 前記細長い圧電材料に実質的に囲まれている前記金属コアは共押出し成型で形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の電子装置組立体。
21. 前記細長い圧電材料は、浸漬、吹付け、又はプラズマ蒸着の内の１つによって、前記金属コアの周りに形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の電子装置組立体。
22. 前記マイクロコントローラに接続されて、前記マイクロコントローラによって制御されて、前記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体から出力された又は前記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体に入力すべき信号を通信する無線装置を更に具備していることを特徴とする請求項１１に記載の電子装置組立体。
23. 電力発生装置が一体化されているタイヤ組立体であって、
    地面と接触するトレッド部を有するクラウン部と、タイヤをホイールリムに装着するビード部と、各ビード部とクラウン部との間に延在するサイドウォールとを有している空気タイヤ構造体と、
    前記空気タイヤ構造体の選択した部分に一体化され、前記空気タイヤ構造体が機械的歪みを受けたときに電荷を発生するように形成されている圧電モジュールパッチと
    を具備しており、前記圧電モジュールパッチが、
    複数の細長い圧電材料構造体と、
    各々前記複数の細長い圧電材料構造体の１つに実質的に囲まれている複数の金属コアであって、当該複数の金属コア全体が前記圧電モジュールパッチのための共通する第１の電極として機能するように形成されている、複数の金属コアと、
    前記複数の細長い圧電材料構造体の各々を取り囲んで、前記圧電モジュールパッチのための共通する第２の電極を形成している導電性材料と
    を具備していることを特徴とするタイヤ組立体。
24. 前記圧電モジュールパッチの前記複数の圧電材料構造体が、水晶、チタン酸バリウム、硫化カドミウム、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）からなる群から選択された材料からなることを特徴とする請求項２３に記載のタイヤ組立体。
25. 前記圧電モジュールパッチによって発生された電荷量を監視して、前記空気タイヤ構造体の所定の特性を測定する手段を更に有していることを特徴とする請求項２３に記載のタイヤ組立体。
26. 前記所定の特性は、温度、圧力、タイヤ回転数、車両速度、タイヤ構造体に作用する静的及び動的な力のレベルからなる群から選択されることを特徴とする請求項２３に記載のタイヤ組立体。
27. 前記圧電モジュールパッチにおいて発生された電荷を受けて、その電荷の内の選択した量を蓄積するように構成されたエネルギー蓄積装置を更に具備することを特徴とする請求項２３に記載のタイヤ組立体。
28. 前記エネルギー蓄積装置は、電解キャパシタ、非電解キャパシタ、スーパーキャパシタ、再充電可能な固体バッテリー、再充電可能な化学バッテリーの内の１つからなることを特徴とする請求項２７に記載のタイヤ組立体。
29. 前記圧電モジュールパッチによって発生される電荷を監視して、前記圧電材料構造体の分極有効性が所定の閾値以下に低下したときを検出する手段を更に有していることを特徴とする請求項２３に記載のタイヤ組立体。
30. 前記圧電モジュールパッチの前記第１の電極及び前記第２の電極にそれぞれ接続されており、前記圧電材料構造体の分極有効性が前記所定の閾値以下に低下したときに前記圧電モジュールパッチを再分極化する電源を更に具備していることを特徴とする請求項２９に記載のタイヤ組立体。
31. 回転数カウンタ、状態応答装置、再充電可能なバッテリー、フラッシュライト組立体、マイクロコントローラ、ＧＰＳシステム、無線装置からなる群から選択された少なくとも１つの電子装置構成要素を更に具備しており、当該少なくとも１つの電子装置構成要素は、前記圧電モジュールパッチにおいて発生された電荷で電力が供給されることを特徴とする請求項２３に記載のタイヤ組立体。
32. 支持基板を更に具備しており、前記圧電モジュールパッチは前記支持基板内に埋込まれていることを特徴とする請求項２３に記載のタイヤ組立体。
33. 振動系に一体化された圧電材料から電力を発生させる方法であって、
    内部電極と外側電極とを有する細長い圧電材料から構成される少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体を、前記振動系に係る選択した場所に配置し、
    前記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体に、前記振動系に係る機械歪みを受けさせて、前記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体に電荷を発生させ、
    前記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体に発生させた前記電荷の内の選択した量を蓄積して、当該蓄積した電荷を、前記振動系に付属する電子装置に電力を供給するために使用する
    ことを特徴とする方法。
34. 前記蓄積の前に、前記少なくとも１つの圧電材料ワイヤ構造体に発生させた前記電荷の流れを調整する工程を更に有することを特徴とする請求項３３に記載の方法。
35. 前記蓄積された電荷から、前記振動系に接続されたマイクロコントローラに調整された電圧を供給する工程を更に有することを特徴とする請求項３３に記載の方法。
36. 前記振動系は、タイヤ又はホイールの組立体であり、前記振動系に係る機械歪みを受けさせる工程は、前記タイヤ又はホイールの組立体が地面を走行するときに生じる機械歪みを受けさせることであるとを特徴とする請求項３３に記載の方法。

Images