(57)【要約】【課題】発電効率に優れ、かつ、構成が簡素な測定ユニットおよびその電源装置を提供する。【解決手段】ケース１と、このケース１に設置されたセンサ２と、ケース１に設置された圧電素子等の電力発生手段３等とを備える。電力発生手段３とコイルＬ１とで構成される共振回路４を有する。電力発生手段３と一体に振動する振動体９の固有振動数の周波数帯と、共振回路４の共振周波数帯とに重なる範囲を生じさせる。前記電力発生手段３は、圧電素子の代わりにスピーカーまたは電磁ソレノイドを用いてもよく、その場合、コイルＬ１の代わりにコンデンサを設けて共振回路４を構成する。【選択図】図１
2020129881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースと、このケースに設置されたセンサと、前記ケースに設置されて前記センサに電力を供給する電力発生手段とを備える測定ユニットであって、
前記電力発生手段が、振動が加わることで電力を発生する機能、および容量性素子としての性質を有し、
前記電力発生手段と誘導性素子とで構成される共振回路が設けられ、
前記電力発生手段と一体に振動する振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲がある、
ことを特徴とする測定ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の測定ユニットにおいて、
前記共振回路が、前記電力発生手段、前記誘導性素子、および第一のダイオードを有する第一の閉回路と、前記電力発生手段、前記誘導性素子、負荷回路、および第二のダイオードを有する第二の閉回路を有する並列接続であり、
前記第一の閉回路に電流が流れた場合は、前記第二の閉回路の前記負荷回路に電流は流れず、前記第二の閉回路に電流が流れた場合は前記第一のダイオードに電流が流れない、
測定ユニット。
【請求項３】
請求項２に記載の測定ユニットにおいて、
前記第一の閉回路と前記第二の閉回路の並列回路の動作が前記共振回路の共振周波数の周期の１／２の周期で動作をする測定ユニット。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の測定ユニットにおいて、
前記電力発生手段が圧電素子である測定ユニット。
【請求項５】
ケースと、このケースに設置されたセンサと、前記ケースに設置されて前記センサに電力を供給する電力発生手段とを備える測定ユニットであって、
前記電力発生手段が、振動が加わることで電力を発生する機能、および誘導性素子としての性質を有し、
前記電力発生手段と容量性素子とで構成される共振回路が設けられ、
前記電力発生手段と一体に振動する振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲がある、
ことを特徴とする測定ユニット。
【請求項６】
請求項５に記載の測定ユニットにおいて、
前記共振回路が、前記電力発生手段、前記容量性素子、および第一のダイオードを有する第一の閉回路と、前記電力発生手段、前記容量性素子、負荷回路、および第二のダイオードを有する第二の閉回路とを有する並列接続であって、
前記第一の閉回路に電流が流れた場合は、前記第二の閉回路の前記負荷回路に電流は流れず、
前記第二の閉回路に電流が流れた場合は前記第一のダイオードに電流が流れない、
測定ユニット。
【請求項７】
請求項６に記載の測定ユニットにおいて、
前記第一の閉回路と前記第二の閉回路の並列回路の動作が前記共振回路の共振周波数の周期の１／２の周期で動作をする測定ユニット。
【請求項８】
請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の測定ユニットにおいて、
前記電力発生手段がコイルと磁石を備える素子である測定ユニット。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の測定ユニットにおいて、
前記センサが振動センサであり、前記電力発生手段を前記ケースに設置する設置手段が、前記ケース固定されたばねと、このばねに固定された可動台とでなり、前記電力発生手段と一体に振動する振動体は、前記ケースを含まず前記可動台およびこの可動台上に固定された物からなる、
測定ユニット。
【請求項１０】
ケースと、このケースに設置された電力発生手段とを備える発電装置であって、
前記電力発生手段が、振動が加わることで電力を発生する機能、および容量性素子としての性質を有し、
前記電力発生手段と誘導性素子とで構成される共振回路が設けられ、
前記電力発生手段と一体に振動する振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲がある、
ことを特徴とする発電装置。
【請求項１１】
ケースと、このケースに設置された電力発生手段とを備える発電装置であって、
前記電力発生手段が、振動が加わることで電力を発生する機能、および誘導性素子としての性質を有し、
前記電力発生手段と容量性素子とで構成される共振回路が設けられ、
前記電力発生手段と一体に振動する振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲がある、
ことを特徴とする測定ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各種回転装置の振動等を検出する発電機能付きの測定ユニット、およびその発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両や産業設備等において、軸受等の回転装置の状態診断等のために、振動を検出したい場合があるが、貨物列車や鉄鋼設備のコンベア装置等、振動センサの駆動やその測定結果の記録、送信等のための電源配線が行い難いことがある。そのため、発電機能を備えた測定ユニットが望まれる。
振動測定の場合では、振動が生じる環境下に振動素子が置かれることになるため、振動を利用した発電装置を測定ユニットに用いることができる。
【０００３】
特許文献１では、振動を利用した発電装置として、圧電素子を利用したものが提案されている。これは、圧電素子が非共振周波数で振動している場合の電気的エネルギーを効率良く利用して蓄える圧電素子型電源装置であり、圧電素子で得た電力を平滑用のコンデンサに一旦蓄え、電磁コイルを通して蓄電用のコンデンサに移しかえるように構成されている。
特許文献２では、機械振動により圧電素子で発生する電荷を、並列接続のダイオードと直列接続のダイオードとの組み合わせを用いてコンデンサに充電するようにすることで、エネルギー効率の良い発電回路とすることが提案されている。
特許文献３では、圧電素子での発電を昇圧させるために、コイルとスイッチを付加したものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３４１８３７号公報
【特許文献２】特開２０１４−１２８１６１号公報
【特許文献３】特許第５８７１１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
圧電素子による発電は、共振周波数で振動した場合は発電効率が高いが、一致しない振動では発電効率が低いという課題がある。特許文献１では、これの改善を図っている。しかし、前記平滑用のコンデンサに電荷がない場合に、前記蓄電用のコンデンサに充電できず、十分な発電効率を得ることができない。
また、圧電素子による発電は、外部からの振動印加時間が短く、発電できない時間が発生することがある。特許文献２は、この課題の改善を図ろうとしているが、今一つ、十分ではない。
また、特許文献１，３ではダイオードブリッジを用いて整流しているため、回路が複雑となり、小型化が難しい。しかも、特許文献１，３の技術では、スイッチ回路が必要となり、これによっても構成が複雑となる。
【０００６】
この発明は、上記課題を解消するものであり、その目的は、発電効率に優れ、かつ構成が簡素な測定ユニットおよびその電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の第一の発明に係る測定ユニットは、ケースと、このケースに設置されたセンサと、前記ケースに設置されて前記センサに電力を供給する電力発生手段とを備える測定ユニットであって、
前記電力発生手段が、振動が加わることで電力を発生する機能、および容量性素子としての性質を有し、
前記電力発生手段と誘導性素子とで構成される共振回路が設けられ、
前記電力発生手段と一体に振動する振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲がある、
ことを特徴とする。
前記誘導性素子は、例えばコイルである。
前記容量性素子は、例えばコンデンサである。
【０００８】
この構成の作用を説明する。前記電力発生手段と一体に振動する振動体は、固有振動数で振動する場合に、振動源からの振動エネルギー減衰を最小限に出来る為、最も効率よく振動する。前記電力発生手段も、この電力発生手段を含む共振回路の共振周波数で共振すると、前記電力発生手段と前記誘導性素子の合成インピーダンスが、直列共振回路の場合は最小、並列共振回路の場合は最大となり、最も効率良く電力を負荷へ供給できる。そのため、前記振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲があり、機械的な共振と電気的な共振が共に生じることで、高効率で発電することができる。
すなわち、機械的な共振周波数となる固有振動数と一致する周波数で電気的にも共振させることで、共振周波数で得られる発電エネルギーの積み増しができる。また、外部振動が終わり機械的な振動が収束するまでの振動も、共振回路を利用して発電エネルギーの積み増しができる。
機械的な共振と電気的な共振の周波数を合わせることは、例えば誘導性素子のインダスタンスの選択等で済み、構成も簡素にできる。
なお、前記圧電素子が機械的な振動を行う前記振動体の固有振動数は、外部振動源の周波数に近くなるように機構設計すると、最も発電の効率が良くなる。
前記電力発生手段と一体に振動する振動体は、前記電力発生手段が前記ケースに固定されている場合は、前記ケースおよびこのケースに固定された前記電力発生手段や、前記共振回路を構成する素子や配線を含む物となり、前記電力発生手段が前記ケースに対して可動状態に設置されている場合は、前記ケースは含まず、前記電力発生手段を設置する可動台やこの可動台に固定された素子や配線を含む物からなる。
【０００９】
この発明の測定ユニットにおいて、
前記共振回路が、前記電力発生手段、前記誘導性素子、および第一のダイオードを有する第一の閉回路と、前記電力発生手段、前記誘導性素子、負荷回路、および第二のダイオードを有する第二の閉回路とを有する並列接続であって、
前記第一の閉回路４aに電流が流れた場合は、前記第二の閉回路の前記負荷回路に電流は流れず、
前記第二の閉回路４ｂに電流が流れた場合は前記第一のダイオードに電流が流れない構成であってもよい。
【００１０】
この構成の場合、前記第一のダイオードと前記第二のダイオードの組み合わせで整流回路を構成し、交流電力を整流するので、交流電力の整流手段としてダイオードブリッジが不要であり、整流機能を有しながら構成が簡素化できる。
【００１１】
この構成の場合に、前記第一の閉回路と前記第二の閉回路の並列回路の動作が前記共振回路４の共振周波数の周期の１／２の周期で動作をするようにしてもよい。
【００１２】
この発明において、前記電力発生手段が圧電素子であってもよい。
前記電力発生手段が圧電素子であると、簡素で軽量で全体をコンパクト化できる。
【００１３】
この発明の第二の測定ユニットは、第一の測定ユニットにおいて、電力発生手段に誘導性素子としての性質を有する手段を用い、誘導性素子の代わりに容量性素子を用いたものである。
すなわち、発明の第二の測定ユニットは、ケースと、このケースに設置されたセンサと、前記ケースに設置されて前記センサに電力を供給する電力発生手段とを備える測定ユニットであって、
前記電力発生手段が、振動が加わることで電力を発生する機能、および誘導性素子としての性質を有し、
前記電力発生手段と容量性素子とで構成される共振回路が設けられ、
前記電力発生手段と一体に振動する振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲がある、
ことを特徴とする。
前記誘導性素子は、例えばスピーカーである。
前記容量性素子は、例えばコンデンサである。
【００１４】
第二の発明においても、前記電力発生手段と一体に振動する振動体は、固有振動数で振動する場合に、振動源からの振動エネルギー減衰を最小限に出来る為、最も効率よく振動する。前記電力発生手段も、この電力発生手段を含む共振回路の共振周波数で前記共振回路が共振すると、前記電力発生手段と前記容量性素子の合成インピーダンスが直列共振回路の場合は最小、並列共振回路の場合は最大となり、最も効率良く電力を負荷へ供給できる。そのため、前記振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲があり、機械的な共振と電気的な共振が共に生じることで、高効率で発電することができる。また、機械的な共振と電気的な共振の周波数を合わせればよく、例えば容量性素子のキャパシタンスの選択等で済み、構成も簡素にできる。
前記電力発生手段と一体に振動する振動体は、前記電力発生手段が前記ケースに設置されている場合は、前記ケースおよびこのケースに設置された前記電力発生手段や前記共振回路を構成する素子や配線を含む物となり、前記電力発生手段が前記ケースに対して可動状態に設置されている場合は、前記ケースは含まず、前記電力発生手段を設置する可動台やこの可動台に設置された素子や配線を含む物からなる。
【００１５】
第二の発明の測定ユニットにおいて、
前記共振回路が、前記電力発生手段、前記容量性素子、および第一のダイオードを有する第一の閉回路と、前記電力発生手段、前記容量性素子、負荷回路、および第二のダイオードを有する第二の閉回路とを有する並列接続であって、
前記第一の閉回路に電流が流れた場合は、前記第二の閉回路の前記負荷回路に電流は流れず、
前記第二の閉回路に電流が流れた場合は前記第一のダイオードに電流が流れない構成であってもよい。
【００１６】
この構成の場合、前記第一のダイオードと前記第二のダイオードで、交流電力を整流するので、交流電力の整流手段としてダイオードブリッジが不要であり、構成が簡素化できる。
【００１７】
この構成の場合に、前記第一の閉回路と前記第二の閉回路の並列回路の動作が前記共振回路の共振周波数の周期の１／２の周期で動作をするようにしてもよい。
【００１８】
第二の発明の測定ユニットにおいて、前記電力発生手段がコイルと磁石を備える素子であってもよい。
コイルと磁石を備える素子からなる電力発生手段として、例えばスピーカーや電磁ソレノイドを用いることができる。電磁ソレノイドは、互いに可動となっている部位の間に振動が与えられることで、コイルから誘導電圧を発生する。また、コイルを有することで、誘導性素子としての性質を有する。電磁ソレノイドを用いることで、安価にこの発明を構成するための電力発生手段として用いることができる。
【００１９】
第一の発明および第二の発明において、前記センサが振動センサであり、前記電力発生手段を前記ケースに設置する設置手段が、前記ケース固定されたばねと、このばねに固定された可動台とでなり、前記電力発生手段と一体に振動する振動体は、前記ケースを含まず前記可動台およびこの可動台上に固定された物からなり、前記振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲があるようにしてもよい。
前記センサが振動センサである場合に、測定周波数と共振周波数が異なるときは、前記ケースに前記電力発生手段を固定してもよいが、測定周波数と共振周波数が同じときは、共振が生じることで適切な振動検出が行えない。しかし、前記ばねを介して電力発生手段を設置することで、共振させても支障なく振動測定が行える。
【００２０】
この発明の第一の発電装置は、ケースと、このケースに設置された電力発生手段とを備える発電装置であって、
前記電力発生手段が、振動が加わることで電力を発生する機能、および容量性素子としての性質を有し、
前記電力発生手段と誘導性素子とで構成される共振回路が設けられ、
前記電力発生手段と一体に振動する振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲がある、
ことを特徴とする。
この構成の場合に、この発明の第一の測定ユニットで説明したのと同様に、高効率で発電でき、かつ構成が簡素となる。
【００２１】
この発明の第二の発電装置は、ケースと、このケースに設置された電力発生手段とを備える発電装置であって、
前記電力発生手段が、振動が加わることで電力を発生する機能、および誘導性素子としての性質を有し、
前記電力発生手段と容量性素子とで構成される共振回路が設けられ、
前記電力発生手段と一体に振動する振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲がある、
ことを特徴とする。
この構成の場合に、この発明の第一の測定ユニットで説明したと同様に、高効率で発電でき、かつ構成が簡素となる。
【発明の効果】
【００２２】
この発明の第一の測定ユニットは、ケースと、このケースに設置されたセンサと、前記ケースに設置されて前記センサに電力を供給する電力発生手段とを備える測定ユニットであって、前記電力発生手段が、振動が加わることで電力を発生する機能、および容量性素子としての性質を有し、前記電力発生手段と誘導性素子とで構成される共振回路が設けられ、前記電力発生手段と一体に振動する振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲があるため、発電効率に優れ、かつ構成が簡素にできる。
【００２３】
この発明の第二の測定ユニットは、ケースと、このケースに設置されたセンサと、前記ケースに設置されて前記センサに電力を供給する電力発生手段とを備える測定ユニットであって、前記電力発生手段が、振動が加わることで電力を発生する機能、および誘導性素子としての性質を有し、前記電力発生手段と容量性素子とで構成される共振回路が設けられ、前記電力発生手段と一体に振動する振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲があるため、発電効率に優れ、かつ構成が簡素にできる。
【００２４】
この発明の第一の発電装置は、ケースと、このケースに設置された電力発生手段とを備える発電装置であって、前記電力発生手段が、振動が加わることで電力を発生する機能、および容量性素子としての性質を有し、前記電力発生手段と誘導性素子とで構成される共振回路が設けられ、前記電力発生手段と一体に振動する振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲があるため、発電効率に優れ、かつ構成が簡素にできる。
【００２５】
この発明の第二の発電装置は、ケースと、このケースに設置された電力発生手段とを備える発電装置であって、前記電力発生手段が、振動が加わることで電力を発生する機能、および誘導性素子としての性質を有し、前記電力発生手段と容量性素子とで構成される共振回路が設けられ、前記電力発生手段と一体に振動する振動体の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲があるため、発電効率に優れ、かつ構成が簡素にできる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の一実施形態に係る測定ユニットを示す断面図である。
【図２】他の実施形態に係る測定ユニットを示す断面図である。
【図３】各実施形態に係る測定ユニットの設置例の説明図である。
【図４】圧電素子のみの回路図の一例である。
【図５】各実施形態に用いられる圧電素子で発電する並列共振型の共振回路の回路図である。
【図６】各実施形態に用いられる圧電素子で発電する直列共振型の共振回路の回路図である。
【図７】各実施形態に用いられる圧電素子で発電する並列共振型で整流手段を含む共振回路の回路図である。
【図８】各実施形態に用いられる圧電素子で発電する直列共振型で整流手段を含む共振回路の回路図である。
【図９】各実施形態に用いられる圧電素子で発電する直列共振型で並列コンデンサおよび整流手段を含む共振回路の回路図である。
【図１０】各実施形態に用いられる圧電素子で発電する直列共振型で直列コンデンサおよび整流手段を含む共振回路の回路図である。
【図１１】各実施形態に用いられる圧電素子にＬＣＣ共振回路を追加した回路図である。
【図１２】電力発生手段となるスピーカーのみの回路図の一例である。
【図１３】各実施形態に用いられる誘導性素子型の電力発生手段で発電する並列共振型の共振回路の回路図である。
【図１４】各実施形態に用いられる誘導性素子型の電力発生手段で発電する直列共振型の共振回路の回路図である。
【図１５】各実施形態に用いられる誘導性素子型の電力発生手段で発電する並列共振型で整流手段を含む共振回路の回路図である。
【図１６】各実施形態に用いられる誘導性素子型の電力発生手段で発電する直列共振型で整流手段を含む共振回路の回路図である。
【図１７】各実施形態に用いられる誘導性素子型の電力発生手段で発電する並列共振型で直列コイルおよび整流手段を含む共振回路の回路図である。
【図１８】各実施形態に用いられる誘導性素子型の電力発生手段で発電する直列共振型で直列コイルおよび整流手段を含む共振回路の回路図である。
【図１９】各実施形態に用いられる電力発生手段となる誘導性素子にＬＣＣ共振回路を追加した回路図である。
【図２０】図４の回路と図６の共振回路との出力電圧波形を比較して示すグラフである。
【図２１】図４の回路と図６の共振回路との出力電圧波形を比較して示す他のグラフである。
【図２２】図４の回路と図５の共振回路との電圧波形を比較して示す他のグラフである。
【図２３】図７の共振回路の出力電圧の波形を、コイルＬ１の有無を比較して示すグラフである。
【図２４】図８の共振回路の出力電圧の波形を、コイルＬ１の有無を比較して示すグラフである。
【図２５】図１２、図１３の共振回路の出力電圧の波形をコンデンサＣ１の有無を比較して示すグラフである。
【図２６】図１２、図１４の共振回路の出力電圧の波形を比較して示すグラフである。
【図２７】図１５の共振回路の出力電圧の波形を、コンデンサＣ１の有無を比較して示すグラフである。
【図２８】図１６の共振回路の出力電圧の波形を、コンデンサＣ２の有無を比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１は、この実施形態の測定ユニットを示す。この測定ユニット１０は、ケース１と、このケース１に設置されたセンサ２と、ケース１に設置されてセンサ２に電力を供給する電力発生手段３と、共振回路４とを備える。この測定ユニット１０における、センサ２を除くものが、発電装置２０を構成する。換言すれば、この測定ユニット１０は、センサ２と発電装置２０とで構成される。
【００２８】
ケース１は、この例では鋼板製等のボックス形の金属ケースからなる。センサ２は、物理量を測定する素子であり、この例では振動センサが用いられ、ケース１の天板部１ａの下面に設置されている。センサ２は、振動を検出する素子に限らず、他の物理量を測定するもの、例えばアコースティックエミッションセンサや、音響センサ、温度センサ等であってもよい。また複数個設けられていてもよい。
電力発生手段３は、振動が加わることで電力を発生する機能を有する素子であり、ケース１の底板部１ｂの上面に設置されている。前記電力発生手段３は、振動が加わることで電力を発生する機能を有するものであればよく、後に図１５〜図１９の例に示すようなスピーカーであってもよく、また電磁ソレノイド等であってもよいが、この例では圧電素子を用いている。
【００２９】
共振回路４は、前記圧電素子からなる電力発生手段３と誘導性素子で構成され、これらと負荷回路５とが回路基板上に実装されて共振回路基板６を構成する。電力発生手段３に圧電素子を用いた場合につき説明すると、圧電素子はキャパシタンスを持ち容量性素子としての性質を有しており、前記共振回路４は、電力発生手段３のキャパシタンスと前記共振回路４内のインダクタンスとによる直列または並列の共振回路として構成されて発振を行う。共振回路４は、負荷が低インピーダンスの場合は直列共振回路、高インピーダンスの場合は並列共振回路とされると共振周波数でＱ値が高くなるため、負荷回路５とセンサ２を含む負荷が低インピーダンスの場合は直列共振回路、高インピーダンスの場合は並列共振回路とすることが好ましい。共振回路基板６は、ケース１内の棚板部１ｃに設置されている。共振回路基板６と電力発生手段３とセンサ２とは、配線７で接続されている。
【００３０】
なお、この測定ユニット１０は、センサ２の測定信号を無線等で送信する通信手段（図示せず）や、前記測定信号の処理や記憶を行う回路（図示せず）を有していて、これらが前記共振回路基板６またはケース１に設置されていてもよい。この測定ユニット１０の寸法例を示すと、幅Ｗと高さＨが，共に１００mm程度とされている。
【００３１】
この測定ユニット１０は、電力発生手段３と一体に振動する振動体９の固有振動数の周波数帯と、前記共振回路４の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲が生じるように調整されている。電力発生手段３と一体に振動する振動体９は、この実施形態では、ケース１、センサ２、電力発生手段３、および共振回路基板６の全てである。
前記固有振動数の周波数帯は、前記振動体９の固有振動数を中心に、前記振動体９が共振を生じる範囲の周波数帯である。前記共振回路４の共振が発生する周波数帯は、前記共振回路４の共振周波数を中心に、共振が発生する周波数の範囲である。前記振動体の固有振動数と、前記共振回路の共振周波数は、一致していることが好ましいが、機械的な共振と電気的な共振が共に生じる重なる範囲があればよい。
【００３２】
前記調整は、例えば次のいずれかの方法で行われる。
・ケース１を含めた質量の増減による測定ユニット１０の固有振動数の増減。
・圧電素子からなる電力発生手段３の品番選択によるキャパシタンスの増減。
・電力発生手段３の複数を並列/ 直列に追加することで、発電電力を増加させる。
この場合、単純に電力発生手段３だけ追加するか、共振回路４内のコイルとセットで追加するかで回路構成が変わる。
【００３３】
図１の実施形態は、電力発生手段３をケース１に直接に固定した場合に、この測定ユニット１０による測定周波数と固有振動数とが異なる場合に適用される例である。
図１の例のように電力発生手段３をケース１に直接に固定した場合に測定ユニット１０による測定周波数と固有振動数とが重なる場合は、図２に示すように電力発生手段３を設置する。
【００３４】
図２の実施形態では、電力発生手段３をケース１に設置する設置手段８が、ケース１に下端が固定されたばね８ａと、このばね８ａに固定された可動台８ｂとでなる。この場合、電力発生手段３と一体に振動する振動体９Ａは、可動台８ｂ、電力発生手段３からなる。この振動体９Ａの固有振動数の周波数帯と、前記共振回路の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲が生じるようになされている。
【００３５】
図３は、この実施形態の測定ユニット１０の設置列を示す。この例では、鉄道車両の車体１０１を支持する車台１０２に備えられた車軸用軸箱１０３の下面に、測定ユニット１０が固定されている。
【００３６】
この構成の作用を説明する。電力発生手段３として圧電素子が使われるが、圧電素子には機械的な共振周波数があり、特にその周波数において発電効率が高い。また、その発電電圧は交流であり、圧電素子からなる電力発生手段３をコンデンサと見た場合、コイルを組み合わせることで、電気的な共振回路を組むことができ、更に発電効率を向上させることが可能である。
具体的に説明すると、電力発生手段３と一体に振動する振動体９は、固有振動数で振動する場合に、振動源からの振動エネルギー減衰を最小限に出来る為、最も効率よく振動する。電力発生手段３も、この電力発生手段３を含む共振回路４の共振周波数で共振回路４が共振すると、前記電力発生手段３と共振回路４内の誘導性素子の合成インピーダンスが直列共振回路の場合は最小、並列共振回路の場合は最大となり、最も効率良く電力を負荷へ供給できる。
そのため、前記振動体９の固有振動数の周波数帯と、共振回路４の共振が発生する周波数帯とに重なる範囲があり、機械的な共振と電気的な共振が共に生じることで、高効率で発電することができる。また、機械的な共振と電気的な共振の周波数を合わせればよく、例えば前述のように共振回路４内の誘導性素子のインダクタンスの選択等で済み、構成も簡素にできる。なお、前記電力発生手段３が機械的な振動を行う前記振動体９の固有振動数は、外部振動源の周波数に近くなるように機構設計すると、最も発電の効率が良くなる。前記外部振動源が図３の列車の車台１０２における主軸用軸箱１０３である場合は、例えば列車が定速走行する場合に生じる主軸用軸箱１０３の振動周波数に前記振動体９の固有振動数が近くなるように設計することが好ましい。
【００３７】
この実施形態の測定ユニット１０は、前記従来の各列と比較すると、特許文献１の開示技術では平滑用コンデンサに電荷が無い場合、蓄電用コンデンサに充電できないが、この実施形態では、例えば後述の(直列)共振回路を利用する場合、電力発生手段３の電荷を直接使うので、圧電素子３が振動すればすぐに充電できる。
また、特許文献２の開示技術では機械振動により圧電素子に発生する電荷をコンデンサに充電するのに対し、この実施形態では、コイルの追加による共振回路４を構成し、負荷回路３０とインピーダンスをマッチングさせることで、より多くの電荷を充電できる。
さらに、特許文献３の開示技術では圧電素子での発電を昇圧させるためにコイルとスイッチを付加しダイオードドブリッジで全波整流しているが、この実施形態では、後述の共振回路４の具体例のように圧電素子からなる電力発生手段３の極性反転とダイオードを組み合わせて整流することで、整流のための構成が簡素化される。
【００３８】
次に、前記共振回路４の具体例を、図４〜図１１と共に説明する。図４は参考となる回路図を、図５〜図１１は実施形態に用いる共振回路４を示す。
図４は、圧電素子からなる電力発生手段３のみを負荷回路３０に接続した例を示す。電力発生手段３となる圧電素子は、回路図において符号「ＰＺ１」で示している。電力発生手段３を正側配線３１および負側配線３２の端子３１ａ，３２ａを介して負荷回路３０に接続している。負荷回路３０の等価抵抗となる負荷抵抗をＺ１で示す。負荷回路３０は、例えばセンサ２（図１）や負荷回路５である。
【００３９】
図５の例は、図４の回路において、電力発生手段３と並列に誘導性素子であるコイルＬ１を接続して並列共振型の共振回路４が構成されている。圧電素子からなる電力発生手段３は、キャパシタンスを持ちコンデンサとしての性質を有するため、同図の回路は並列型の共振回路４となる。同図の例の場合、コイルＬ１のインダクタンスを適宜選択することで、共振回路４の共振周波数を、図１，図２の測定ユニット１０における振動体９，９Ａの固有振動数と一致させている。
このように機械的な共振と電気的な共振が共に生じるようにすることで、圧電素子からなる電力発生手段３をより高効率で発電させ、負荷回路３０となるセンサ２への給電を可能としている。
【００４０】
図６の例は、図４の回路において、圧電素子からなる電力発生手段３と直列に誘導性素子であるコイルＬ１を接続して直列共振型の共振回路４が構成されている。機械的な共振と電気的な共振が共に生じるようにすることは、図５〜図１１、図１３〜図１９の各例において同様である。
【００４１】
図７の例は、図５の並列共振型の共振回路４において、ダイオードＤ２を設けて整流を行い、負荷回路３０となるセンサ２に給電を行っている。抵抗Ｚ１と並列に平滑用のコンデンサＣ３を設けている。共振回路４にダイオードＤ２を設けて整流を行う場合は、ダイオードＤ２の接合容量も加味して共振回路４のコイルＬ１のインダクタンス値を決める。
【００４２】
図８の例は、図６の直列共振型の共振回路４において、ダイオードＤ１，Ｄ２を設けて整流を行い、負荷回路３０となるセンサ２に給電を行っている。抵抗Ｚ１と並列に平滑用のコンデンサＣ３を設けている。
この構成の場合、２個のダイオードＤ１，Ｄ２での整流回路を構成しているため、整流用ダイオードブリッジが不要であり、回路構成が簡素化される。
【００４３】
図９の例は、図８の直列共振型の共振回路４において、さらに並列にコンデンサＣ１を追加している。
同図の共振回路４は、圧電素子からなる電力発生手段３、コイルＬ１、コンデンサＣ１、および第一のダイオードＤ１を有する第一の閉回路４ａと、電力発生手段３、コイルＬ１、コンデンサＣ１、負荷回路３０、および第二のダイオードＤ２を有する第二の閉回路４ｂとを有する並列接続となっている。
同図の共振回路４では、第一の閉回路４ａに電流が流れた場合は、第二の閉回路４ｂの負荷回路３０に電流は流れず、第二の閉回路４ｂに電流が流れた場合は第一のダイオードＤ１に電流が流れない。
この場合に、第一の閉回路４ａと第二の閉回路４ｂの直列回路の動作が、共振回路４の共振周波数の周期の１／２の周期で動作をするように、電力発生手段３、各コンデンサＣ２，Ｃ１のキャパシタンス、コイルＬ１のインダクタンスの関係が調整されている。
【００４４】
この構成の場合、前記第一のダイオードＤ１と前記第二のダイオードＤ２で、交流電力を整流するので、交流電力の整流手段としてダイオードブリッジが不要であり、構成が簡素化できる。
【００４５】
図１０の例は、図８の直列共振型の共振回路４において、コイルＬ１と直列にコンデンサＣ２を追加している。
同図の共振回路４は、圧電素子からなる電力発生手段３、コイルＬ１、コンデンサＣ２、および第一のダイオードＤ１を有する第一の閉回路４ａと、電力発生手段３、コイルＬ１、コンデンサＣ２、負荷回路３０、および第二のダイオードＤ２を有する第二の閉回路４ｂとを有する並列接続となっている。
同図の共振回路４では、第一の閉回路４ａに電流が流れた場合は、第二の閉回路４ｂの負荷回路３０に電流は流れず、第二の閉回路４ｂに電流が流れた場合は第一のダイオードＤ１に電流が流れない。
【００４６】
図１１は、圧電素子からなる電力発生手段３に追加する共振回路４をＬＣＣ型とした例を示す。この例では、図８の直列共振型の共振回路４において、コイルＬ１と直列にコンデンサＣ２を追加し、さらに並列にコンデンサＣ１を追加している。
【００４７】
図１２〜図１９は、図１、図２に示した各実施形態において、電力発生手段３として、圧電素子の代わりに誘導性素子としての性質を有する手段、例えばスピーカーまたは電磁ソレノイドを用いた各例を示す。
【００４８】
図１２は、誘導性素子、換言すればコイルとしての性質を有する電力発生手段３のみを負荷回路３０に接続した例を示す。電力発生手段３は、回路図中においてコイルのマークと符号「ＳＰ１」で示している。電力発生手段３を正側配線３１および負側配線３２の端子３１ａ，３２ａを介して負荷回路３０に接続している。負荷回路３０の等価抵抗となる負荷抵抗をＺ１で示す。負荷回路３０は、例えばセンサ２（図１）や負荷回路５である。
【００４９】
図１３の例は、図１２の回路において、電力発生手段３と並列にコンデンサＣ１を接続して並列共振型の共振回路４を構成している。電力発生手段３は、インダクタンスを持ちコイルとしての性質を有するため、同図の回路は並列型の共振回路４となる。同図の例の場合、コンデンサＣ１のキャパシタンスを適宜選択することで、共振回路４の共振周波数が、図１，図２の測定ユニット１０における振動体９，９Ａの固有振動数と一致させている。
このように機械的な共振と電気的な共振が共に生じるようにすることで、電力発生手段３を高効率で発電させ、負荷回路３０となるセンサ２への給電を可能としている。
【００５０】
図１４の例は、図１２の回路において、電力発生手段３と直列にコンデンサＣ２を接続して直列共振型の共振回路４を構成している。機械的な共振と電気的な共振が共に生じるようにすることは、図１３〜図１９の各例において同様である。
【００５１】
図１５の例は、図１３の並列共振型の共振回路４において、ダイオードＤ２を設けて整流を行い、負荷回路３０となるセンサ２に給電を行っている。また、負荷抵抗Ｚ１と並列に平滑用のコンデンサＣ３を設けている。
【００５２】
図１６の例は、図１４の直列共振型の共振回路４において、ダイオードＤ１，Ｄ２を設けて整流を行い、負荷回路３０となるセンサ２に給電を行っている。また、負荷抵抗Ｚ１と並列に平滑用のコンデンサＣ３を設けている。
【００５３】
図１７の例は、図１５の並列共振型の共振回路４において、スピーカＳＰ１と直列にコイルＬ１とダイオードＤ１とを追加している。
同図の共振回路４は、電力発生手段３、コイルＬ１、コンデンサＣ１、および第一のダイオードＤ１を有する第一の閉回路４ａと、電力発生手段３、コイルＬ１、コンデンサＣ１、第二のダイオードＤ２、および負荷回路３０を有する第二の閉回路４ｂとを有する並列接続となっている。
同図の共振回路４では、第一の閉回路４ａに電流が流れた場合は、第二の閉回路４ｂの負荷回路３０に電流は流れず、第二の閉回路４ｂに電流が流れた場合は第一のダイオードＤ１に電流が流れない。
この場合に、第一の閉回路４ａと第二の閉回路４ｂの並列回路の動作が、共振回路４０の共振周波数の周期の１／２の周期で動作をするように、電力発生手段３、コンデンサＣ１のキャパシタンス、コイルＬ１のインダクタンスの関係が調整されている。
【００５４】
この構成の場合、前記第一のダイオードＤ１と前記第二のダイオードＤ２で、交流電力を整流するので、交流電力の整流手段としてダイオードブリッジが不要であり、構成が簡素化できる。
【００５５】
図１８の例は、図１６の直列共振型の共振回路４において、さらにコイルＬ１を追加している。
同図の共振回路４は、電力発生手段３、コイルＬ１、コンデンサＣ２、および第一のダイオードＤ１を有する第一の閉回路４ａと、電力発生手段３、コイルＬ１、コンデンサＣ２、第二のダイオードＤ２、および負荷回路３０を有する第二の閉回路４ｂとを有する並列接続となっている。
同図の共振回路４では、第一の閉回路４ａに電流が流れた場合は、第二の閉回路４ｂの負荷回路３０に電流は流れず、第二の閉回路４ｂに電流が流れた場合は第一のダイオードＤ１に電流が流れない。
【００５６】
図１９は、電力発生手段３に追加する共振回路４をＬＣＣ型とした例を示す。この例では、図１８の直列共振型の共振回路４において、並列にコンデンサＣ１を追加している。
【００５７】
図２０〜図２８は、図４〜図１９の回路における出力電圧Ｖｏｕｔの比較を示す。
図２０は、図４の回路と図６の共振回路４との電圧波形の比較、すなわちコイルＬ１の有無による電圧を比較して示す。縦軸は出力電圧Ｖｏｕｔ、横軸は周波数を示す。
【００５８】
図２１は、図４の回路と図６の共振回路４との出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形の比較、すなわちコイルＬ１の有無による電圧を比較して示す。縦軸は出力電圧Ｖｏｕｔ、横軸は時間
を示す。以下の各図も、縦軸と横軸は図２１同様である。
図６の例のようにコイルＬ１がある方が、出力電圧Ｖｏｕｔが高いことが分かる。
【００５９】
図２２は、図４の回路と図５の共振回路４との出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形の比較、すなわちコイルＬ１の有無による電圧を比較して示す。コイルＬ１がある方が、出力電圧Ｖoutが高いことが分かる。
図２３は、図７の共振回路４の出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を、コイルＬ１の有無を比較して示す。
図２４は、図８の共振回路４の出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を、コイルＬ１の有無を比較して示す。コイルＬ１がある方が、出力電圧Ｖｏｕｔが高いことが分かる。
図９〜図１１の波形も図２４と同様である。
図２５は、図１２の回路と、図１３の共振回路４の出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を、コンデンサＣ１の有無を比較して示す。図１３の共振回路の方が図１２の回路よりも出力電圧Ｖｏｕｔが高いことが分かる。
図２６は、図１２の回路と、図１４の共振回路４の出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を比較して示す。同図はコンデンサＣ２の有無の比較となる。図１４の共振回路の方が図１２の回路より出力電圧Ｖｏｕｔが高いことが分かる。
図２７は、図１５の共振回路４の出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を、コンデンサＣ１の有無を比較して示す。コンデンサＣ１がある方が、出力電圧Ｖｏｕｔが高いことが分かる。
図２８は、図１６の共振回路４の出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を、コンデンサＣ２の有無を比較して示す。コンデンサＣ２がある方が、出力電圧Ｖｏｕｔが高いことが分かる。
図１７の波形も図２７と同様である。
図１８〜図１９の波形も図２８と同様である。
【００６０】
以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６１】
１…ケース
２…センサ
３…電力発生手段
４…共振回路
４ａ…第一の閉回路
４ｂ…第二の閉回路
５…負荷回路
６…共振回路基板
８…設置手段
８ａ…ばね
８ｂ…可動台
９…振動体
９Ａ…振動体
１０…測定ユニット
２０…発電装置
３０…負荷回路
Ｃ１〜Ｃ３…コンデンサ
Ｌ１…コイル
Ｚ１…負荷抵抗
【図１】
2020129881.tif 000003
【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】
2020129881.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2020129881.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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