(57)【要約】【課題】手間をかけることなく、発電効率を高く維持する。【解決手段】振動源に一端が連結され他端１１ｂが自由端とされ前記振動源の振動によって発電する発電素子１１と、発電素子１１の一端と他端１１ｂとを結ぶ方向に沿って移動可能に設けられた錘２２と、錘２２を移動させる移動手段２４と、発電素子１１の出力を計測する計測部と、計測される発電素子１１の出力レベルによって、移動手段２４による錘２２の移動を制御する制御部と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動源に一端が連結され他端が自由端とされ前記振動源の振動によって発電する発電素子と、
前記発電素子に対し、前記一端と前記他端とを結ぶ方向に沿って移動可能に設けられた錘と、
前記錘を移動させる移動手段と、
前記発電素子からの出力を計測する計測部と、
前記計測部で計測される前記発電素子の出力レベルによって、前記移動手段による錘の移動を制御し、前記発電素子の固有振動数を調整する制御部と、
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記移動手段により前記錘を移動させていったときに、前記発電素子の出力レベルがピークとなる位置に前記錘を固定することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記計測部で計測される前記発電素子の出力が、予め定めた下限を下回ったときに、前記錘を移動させることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の発電装置と、
前記発電素子または前記振動源に取り付けられて状態量を検出するセンサと、
前記発電素子から電力の供給を受け、前記センサの検出信号を外部に送信する無線送信器と、
を備えることを特徴とする検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電素子の振動によって発電する発電素子を備えた発電装置、検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種の状態量を検出するセンサ装置等においては、その作動のために電源が必要であるが、電源を、商用交流電源やバッテリ等とした場合には、センサと電源との間に配線が必要である。このため、これらにコストがかかるとともに、配線を設けるためのスペースを確保するためにセンサ装置の小型化が妨げられることもある。
【０００３】
これに対し、近年、測定対象に圧電素子を設け、測定対象に生じる振動や歪みによって圧電素子で電力を発生させ、この電力を電源として用いることが行われつつある。
例えば、特許文献１には、回転機械の軸受等の振動検出装置において、軸受に取り付けられた圧電素子が、軸受の振動によって発電する電力によって、振動検出装置で必要な電量を賄う構成が開示されている。
【０００４】
さらに、この特許文献１には、圧電素子に錘を装着し、その重量や圧電素子に対する錘の取り付け位置を調整することによって、圧電素子の固有周波数を測定対象である軸受の振動周波数帯に合わせる構成が開示されている。この構成は、圧電素子で発生する電力量を高めようというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２６４７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の構成においては、測定対象で生じる振動周波数帯が何らかの原因で変動した場合には、圧電素子における発電効率が低下してしまう。
また、錘はネジによって圧電素子に取り付けられているため、ネジがゆるんだりして錘がずれてしまった場合にも、圧電素子における発電効率が低下してしまう。
これらの場合、圧電素子に対する錘の重さや取り付け位置を調整しなおさなければならず、これに手間がかかるという問題がある。
【０００７】
なお、このような問題は、振動検出装置に限らず、振動源の振動によって発電を行う圧電素子等の発電素子を備えた装置等においては共通するものである。
【０００８】
そこでなされた本発明の目的は、手間をかけることなく、発電効率を常に高く維持することのできる発電装置、検出システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の発電装置は、振動源に一端が連結され他端が自由端とされて前記振動源の振動によって発電する発電素子と、前記発電素子に対し、前記一端と前記他端とを結ぶ方向に沿って移動可能に設けられた錘と、前記錘を移動させる移動手段と、前記発電素子からの出力を計測する計測部と、前記計測部で計測される前記発電素子の出力レベルによって、前記移動手段による錘の移動を制御し、前記発電素子の固有振動数を調整する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
このような発電装置によれば、制御部において、発電素子に対して錘を移動させたときの、発電素子の出力レベルによって錘の移動を制御することによって、発電素子の固有振動数を自動的に調整することができる。これにより、発電素子の固有振動数を振動源の固有振動数に合わせて調整し、発電素子における発電効率を高く保つことが可能となる。
【００１１】
ここで、前記制御部は、前記移動手段により前記錘を移動させていったときに、前記発電素子の出力レベルがピークとなる位置に、前記錘を固定するのが好ましい。
【００１２】
前記制御部は、前記計測部で計測される前記発電素子の出力が、予め定めた下限を下回ったときに、前記錘を移動させるようにしてもよい。
これにより、何らかの原因で発電素子の出力が低下した場合に、錘の位置調整を自動的に行い、発電素子における発電効率を高く維持できる。
【００１３】
また、本発明は、上記したような発電装置と、前記発電素子または前記振動源に取り付けられて状態量を検出するセンサと、前記発電素子から電力の供給を受け、前記センサの検出信号を外部に送信する無線送信器と、を備えることを特徴とする検出システムとすることもできる。
【００１４】
このような検出システムは、無線送信器でセンサの検出信号を外部に送信するための電源を確保することができ、しかも、発電素子における発電効率を高く保つことによって、システムを継続的に安定して動作させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、手間をかけることなく、発電効率を常に高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る検出システムにおける発電素子が振動する様子を示す図である。
【図２】実施形態に係る検出システムの機能的な構成を示す図である。
【図３】実施形態に係る検出システムに備えられた発電素子の振動数調整機構を示す側面図である。
【図４】本実施形態に係る検出システムにおける発電素子の振動数を自動的に調整する処理の流れを示す図である。
【図５】本実施形態の変形例における発電素子の振動数を自動的に調整する処理の流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明による発電装置、検出システムを実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
図１、図２に示すように、検出システム１０は、各種回転機械等の回転軸（振動源）１の端部１ａに設けられて自身の振動によって発電する発電素子１１と、状態量を検出するセンサ素子（センサ）１３（例えば、回転軸１の軸トルクによる歪を検出する歪ゲージ）と、発電素子１１から電力の供給を受けて、センサ素子１３の検出信号を計測し、無線送信する信号処理部１４と、この信号処理部１４に内蔵され、発電素子１１から電力の供給を受けて蓄電するキャパシタ等の蓄電素子１５と、発電素子１１に設けられ、この発電素子１１の固有振動数を調整する振動数調整機構２０と、振動数調整機構２０の動作を制御する振動数調整コントローラ（計測部、制御部）２５と、を備えている。
【００１８】
発電素子１１は、前記信号処理部１４に一端１１ａが固定されている。このような発電素子１１は、一端１１ａが固定端とされ、他端１１ｂが自由端とされた、カンチレバー状をなしている。また前記信号処理部１４は、前記回転軸１の外周に設けられて、前記発電素子１１の一端１１ａを回転軸１の表面から半径方向外方に離れた位置（高さ）で支持し、前記発電素子１１が最大振幅で振動した場合にも回転軸１に接触しないようになっている。
この発電素子１１は、一端１１ａから他端１１ｂまで、例えば断面が長方形状をなした帯板状とされている。
ここで、発電素子１１は、断面二次モーメントを小さくし、あるいは適切に弾性変形できるヤング率の材料を用いることによって、回転に伴って振動(繰り返し弾性変形)するように形成されている。
【００１９】
このような発電素子１１は、回転軸１が回転すると、回転軸１とともにその中心軸線周りに回転する。回転軸１は、偏芯等による僅かなアンバランス量により、あるいは、回転軸１を支持する軸受から振動を受けて自身が振動する。発電素子１１は、回転軸１の軸線に沿って延び、径方向に薄肉の偏平状であり、その板幅方向Ｄｗ（図１の紙面と直交する方向）と板厚方向Ｄｔとで剛性が異なる。その結果、発電素子１１では、他端１１ｂにおいて板厚方向Ｄｔへの変形が繰り返される振動が発生する。このとき、発電素子１１の固有振動数が回転軸１の回転に対応する振動数に一致し、または、近い値であることで、発電素子１１が大きな振幅で振動し、変形することにより起電力が生じることになる。なお、図１において、発電素子１１は、その長手方向、すなわち回転軸１の軸線に沿う方向の一部に貼り付けられているが全面に貼り付けられるようにしても良い。少なくとも発電素子１１が振動する際に、歪の大きな位置に貼り付けられていることが好ましい。また、発電素子１１は、他端１１ｂの振れによる運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電する、例えばピエゾ素子により形成されるが、発電素子自体がカンチレバー状をなして振動する構造に限られるものではなく、回転にともなって振動するカンチレバー状の弾性体に運動エネルギーを電気エネルギーに変換するピエゾ素子等の素子を一体に固定して弾性体とともに振動させても良い。
【００２０】
センサ素子１３は、状態量を検出するもので、回転軸１の外表面１ｂに固定されている。このセンサ素子１３は、例えば回転軸１の回転トルクを検出する目的であれば、箔歪ゲージまたはピエゾ式歪みセンサからなり、回転軸１の歪みを検出する。
【００２１】
図２に示すように、信号処理部１４は、発電素子１１または蓄電素子１５から電力の供給を受けて作動する無線送信回路（無線送信器）１４ａと、無線送信コントローラ１４ｂと、を備える。
【００２２】
無線送信回路１４ａは、センサ素子１３から出力される検出信号を受け取り、これを無線により外部に送信する。外部の受信装置（図示なし）においては、センサ素子１３からの検出信号を受信することによって、回転軸１のトルク変動等をモニタリングすることができる。
【００２３】
無線送信コントローラ１４ｂは、無線送信回路１４ａの作動を制御する。すなわち、消費電力を抑えるため、無線送信回路１４ａを一定時間ごとに定期時に起動させてセンサ素子１３からの検出信号を外部に送信し、それ以外のときは無線送信回路１４ａをＯＦＦとする、といったような制御を司る。なお、無線送信コントローラ１４ｂにおける制御内容については、なんら限定するものではない。
【００２４】
この信号処理部１４に対しては、発電素子１１およびセンサ素子１３を電気的に接続する必要があるが、配線をなるべく短くするために、信号処理部１４を発電素子１１のより近傍に配置することが望ましい。
【００２５】
このような検出システム１０においては、発電素子１１を備えることによって、外部に電源を備える必要がなく、発電素子１１で発電した電力によってセンサ素子１３の検出信号を無線により送信することができる。したがって、電源からの配線等も不要であり、メンテナンスフリーで長期間にわたって検出を行うことが可能となる。
【００２６】
図３に示すように、発電素子１１の固有振動数を調整する振動数調整機構２０は、発電素子１１の他端１１ｂから、発電素子１１の長手方向に沿って突出するよう設けられたレール２１と、レール２１と噛み合った状態でレール２１に沿って移動可能とされた錘２２と、レール２１と平行に設けられた送りねじ２３と、発電素子１１の他端１１ｂに固定され、送りねじ２３をその軸線周りに回転駆動させるマイクロモータからなるモータ（移動手段）２４と、を備えている。
錘２２には、雌ねじ部２２ａが貫通形成されており、この雌ねじ部２２ａに送りねじ２３が挿通されて噛み合っている。
このような振動数調整機構２０は、モータ２４で送りねじ２３を回転させることによって、錘２２がレール２１に沿って発電素子１１の長手方向Ｄｓに移動するようになっている。これによって、発電素子１１の固有振動周波数を変動させる。
【００２７】
上記振動数調整機構２０の動作を制御する振動数調整コントローラ２５は、マイコン（マイクロコンピュータ）からなり、発電素子１１または蓄電素子１５から電力の供給を受けて動作する。
この振動数調整コントローラ２５は、発電素子１１における発電量（電流値）をモニタリングし、検出された発電量に応じてモータ２４を作動させ、錘２２の位置を調整する。これによって、振動数調整コントローラ２５では、発電素子１１における発電量に応じて、錘２２の位置を調整して発電素子１１の固有振動周波数（回転軸１の回転に伴う共振周波数）を自動調整する。
【００２８】
以下に、上記振動数調整コントローラ２５における、発電素子１１の固有振動周波数の自動調整処理の流れについて、図４を参照しつつ説明する。以下の処理は、振動数調整コントローラ２５に予め記憶されたコンピュータプログラムに基づいて、自動的に実行されるものである。
ここで、発電素子１１および振動数調整機構２０を回転軸１に装着した組立直後の状態では、蓄電素子１５に蓄電がなされておらず、振動数調整コントローラ２５に電力供給もなされないため、振動数調整コントローラ２５による自動調整処理が行えない。そこで、組立段階において、予め、外部の電源から蓄電素子１５に蓄電しておくのが好ましい。
【００２９】
発電素子１１の固有振動周波数の自動調整処理においては、まず、回転軸１の運転（回転）開始させる（ステップＳ１０１）。
すると、発電素子１１が回転軸１の回転にともなって振動し、これによって、発電素子１１が発電を開始する。
【００３０】
振動数調整コントローラ２５においては、モータ２４を、あらかじめ定められた時間だけ作動させて、錘２２の位置を一定寸法だけ移動させて位置変更を行う（ステップＳ１０２）。すると、錘２２の位置の移動によって、発電素子１１の固有周波数が変化する。錘２２の位置調整を行った後の状態で振動する発電素子１１においては、発電素子１１における発電量も変化する。
次いで、振動数調整コントローラ２５において、発電素子１１の発電量として発電素子１１からの出力電流の大きさを計測する（ステップＳ１０３）。
そして、ステップＳ１０２で計測された発電量の値を振動数調整コントローラ２５に備えられたメモリ等の記憶領域に記憶させる。
【００３１】
この後は、錘２２が移動可能な範囲の全域にわたって、上記のステップＳ１０２〜Ｓ１０３を繰り返し、錘２２を一定寸法ずつ移動させながら、それぞれの位置で発電素子１１からの出力電流を計測する。
【００３２】
錘２２の移動可能な範囲の全域にわたる発電素子１１からの出力電流の計測が完了した後、モータ２４を作動させて、錘２２を、ステップＳ１０４に記憶された、発電素子１１からの出力電流が最も高い位置に移動させる。錘２２の移動後、モータ２４の回転を停止させる（ステップＳ１０４）。
これにより、発電素子１１における発電量が最大となる位置に錘２２を配置することができ、振動数調整機構２０を含んだ発電素子１１の固有振動数を、回転軸の固有振動数に合致あるいは近い状態とすることができる。
【００３３】
そして、あらかじめ定めた一定時間が経過後は、ステップＳ１０２〜Ｓ１０４における錘２２の自動位置調整を繰り返す（ステップＳ１０５）。
【００３４】
上述したようにして、錘２２の位置を自動的に調整することによって、計測対象である回転軸１の回転数（回転軸１に生じる振動）に応じて、発電素子１１における発電量が最大である状態とすることができる。これによって、調整に手間をかけることなく、発電素子１１における発電効率を高く維持することが可能となる。
【００３５】
（実施形態の変形例）
次に、本発明にかかる発電装置、検出システムの実施形態の変形例について説明する。すなわち、上記実施形態では、振動数調整コントローラ２５において、発電素子１１の発電量が最大限となるように、錘２２の位置を自動的に調整したが、本変形例にあっては、以下に示すような制御により、より正確に錐２２の位置を決めることができる。
すなわち、図５に示すように、まず、回転軸１を作動（回転）させる（ステップＳ２０１）。すると、発電素子１１が回転軸１の回転にともなって振動し、これによって、発電を開始する。
【００３６】
振動数調整コントローラ２５においては、モータ２４を、あらかじめ定められた時間だけ作動させて、錘２２の位置を一定寸法だけ移動させて位置変更を行う（ステップＳ２０２）。すると、錘２２の位置の移動によって、発電素子１１の固有周波数が変化する。錘２２の位置調整を行った後の状態で振動する発電素子１１の発電量も変化する。
次いで、振動数調整コントローラ２５において、発電素子１１の発電量として、その出力電流の大きさを計測する（ステップＳ２０３）。
そして、ステップＳ１０２で計測された発電量の値を振動数調整コントローラ２５に備えられたメモリ等の記憶領域に記憶させる。
【００３７】
この後は、錘２２が移動可能な範囲の全域にわたって、上記のステップＳ２０２〜Ｓ２０３を繰り返し、錘２２を一定寸法ずつ移動させながら、それぞれの位置で発電素子１１からの出力電流を計測する。
【００３８】
錘２２の移動可能な範囲の全域にわたる発電素子１１からの出力電流の計測が完了した後、モータ２４を逆回転させて、錘２２を、ステップＳ１０４に記憶された発電素子１１からの出力電流がピーク値Ｐｉとなる位置に接近する方向に移動させる。このとき、上記ステップＳ２０２，Ｓ２０３と同様に、錘２２を一定射距離移動させるごとに、発電素子１１からの出力電流の大きさをモニタリングする。そして、錘２２を、出力電流がピーク値Ｐｉとなる位置を越え、ピーク値ＰｉのＫ％（Ｋは、予め定めた例えば７０以上９５未満の数）となる位置まで移動させる（ステップＳ２０４）。
すると、錘２２は、発電素子１１からの出力電流のピーク値Ｐｉとなる位置を通り過ぎるので、再び、モータ２４を正転させ、発電素子１１の出力電流が、ステップＳ１０４に記憶された発電素子１１の出力電流がピーク値Ｐｉとなる位置に接近する方向に錘２２を移動させる。このとき、錘２２は、モータ２４のオーバーシュート等によって、発電素子１１の出力電流がピーク値Ｐｉとなる位置を通り過ぎる可能性がある。そこで、錘２２が、発電素子１１の出力電流がピーク値Ｐｉとなる位置に合致するまで、上記のモータ２４の正転・逆転を繰り返し、錘２２の位置を、発電素子１１の出力電流がピーク値Ｐｉとなる位置に収束させていく。
なおこのとき、モータ２４の正転・逆転方向を切り換えるたびに、モータ２４の回転速度を段階的に遅くしたり、１回のモータ２４の駆動で錘２２を移動させる距離を段階的に短くしたり、モータ２４の１回の駆動時間を段階的に短くしたりしても良い。これにより、錘２２の位置を、発電素子１１の出力電流がピーク値Ｐｉとなる位置に迅速に収束させることができる。
【００３９】
そして、錘２２が、発電素子１１の出力電流がピーク値Ｐｉとなる位置に合致した時点で、モータ２４の回転を停止させる（ステップＳ２０５）。
これにより、発電素子１１における発電量が予め定めた下限値以上となる位置に錘２２を配置することができる。
【００４０】
そして、あらかじめ定めた一定時間Ｔ１が経過後は、ステップＳ２０２〜Ｓ２０５における錘２２の自動位置調整を繰り返す（ステップＳ２０６）。
【００４１】
また、発電素子１１の出力電流の計測を、前記一定時間Ｔ１よりも短い一定時間Ｔ２ごとに実行し（ステップＳ２０７）する。そして、計測された出力電流値が、予め定めた下限値Ｌ（例えば、前記の出力電流のピーク値Ｐ１に対して、Ｘ％未満（Ｘは例えば６０以上Ｋ未満））となったときには、ステップＳ２０２〜Ｓ２０６における錘２２の自動位置調整を繰り返す（ステップＳ２０８）。
【００４２】
上述したような構成によれば、発電素子１１における発電量が低くなりすぎた場合には、錘２２の位置調整を自動的に行って発電素子１１の固有振動数を調整し、発電量を高く維持し続けることができる。
発電素子１１あるいは回転軸１側の固有振動数の変化頻度が高い場合、図４に示した処理の流れにおいては、ステップＳ１０５で一定時間が過ぎる前に固有振動数が変化し、発電量が大幅に低下しまうことがある。その場合、発電素子１１の発電量が不足し、無線送信回路１４ａからの信号送信や、錘２２の位置調整が行えなくなってしまうことがある。これに対し、上記のように、発電量が低くなった時には錘２２の位置調整を自動的に行うことによって、常に安定して発電を行うことができる。
【００４３】
（その他の変形例）
なお、本発明の発電装置、検出システムは、図面を参照して説明した上述の実施形態および変形例に限定されるものではなく、その技術的範囲においてさらに様々な変形例が考えられる。
例えば、センサ素子１３で計測する状態量は、回転軸１の回転トルクに限らず、他の、例えば温度等であってもよい。
さらに、上記の発電素子１１と、錘２２と、モータ２４と、振動数調整コントローラ２５とにより、発電装置を構成することができる。この発電装置で発電した電力の使用対象は、センサ素子１３で計測したデータの送信、無線送信回路１４ａにおける信号送信に限るものではなく、他のいかなる目的であってもよい。
【００４４】
加えて、上記実施形態では、回転機械の回転軸１に発電素子１１を取り付ける構成を例示したが、回転軸１は、いかなる回転機械のものであってもよい。さらには、発電素子１１が振動するのであれば、その取付対象となる振動源は回転軸１に限るものではなく、他の装置等、他のいかなるものであってもよい。
【００４５】
また、発電素子１１を、断面長方形の帯板状としたが、これを例えば、断面円形の円柱状とすることも可能である。この場合も、発電素子１１の断面二次モーメントを回転軸１より十分に小さくすることにより、必要な発電効率、センサ感度を得ることができる。ただし、円柱状の発電素子１１では、振動が発生する方向が、回転軸１の中心軸に直交した断面で、直線的な往復運動になりにくい可能性がある。そこで、回転軸１に取り付ける発電素子１１の断面形状は、上記実施形態のような長方形状の他、長円形状、楕円形状等といった扁平形状とするのが好ましい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１    回転軸（振動源）
１０  検出システム
１１  発電素子
１３  センサ素子（センサ）
１４  信号処理部
１４ａ      無線送信回路（無線送信器）
１４ｂ      無線送信コントローラ
１５  蓄電素子
２０  振動数調整機構
２１  レール
２２  錘
２２ａ      雌ねじ部
２３  送りねじ
２４  モータ（移動手段）
２５  振動数調整コントローラ（計測部、制御部）
【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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