(57)【要約】【課題】発電効率を高めることができる発電可能な振動発電装置を提供する。【解決手段】振動が伝達される支持台２０と、該支持台に支持された振動電力変換部３０とを備え、前記振動電力変換部３０は、前記支持台に先端側が交差するように支持された一対の発電用ビーム３１Ａ，３１Ｂと、該一対の発電用ビームの交差位置に固定された錘体４１とを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動が伝達される支持台と、
該支持台に支持された振動電力変換部とを備え、
前記振動電力変換部は、前記支持台に先端側が交差するように支持された一対の発電用ビームと、該一対の発電用ビームの交差位置に固定された錘体と
を有することを特徴とする振動発電装置。
【請求項２】
前記一対の発電用ビームのそれぞれは、前記支持台に固定される取付部と、該取付部に振動の振幅方向に回動可能に支持された磁性体ビームと、該磁性体ビームと平行に配置された磁歪体ビームと、前記磁歪体ビームに巻装された磁気コイルとで構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
【請求項３】
前記磁性体ビームは、一端に前記支持台に枢着される基部が形成され、他端に前記錘体を固定する取付部が形成され、前記基部及び取付部間の長手方向と直行する端面の一方側に、前記磁気コイルを巻装した前記磁歪体ビームを収納する収納切欠部を長手方向に形成して可撓性棒部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の振動発電装置。
【請求項４】
前記錘体は、中心円柱部と、該中心円中部の上下端部から半径方向に延長する上下フランジとで構成され、前記上下フランジ間に前記磁性体ビームの取付部が装着されて固定されることを特徴とする請求項３に記載の振動発電装置。
【請求項５】
前記支持台は、前記一対の発電用ビームの取付部を固定する前記錘体の中心を中心とする円弧状取付面を有し、前記一対の発電用ビームの取付位置及び交差角の少なくとも一方を選択可能に構成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の振動発電装置。
【請求項６】
前記支持台は、前記錘体の中心を中心とする円環状に形成され、前記一対の発電用ビームの取付位置及び交差角の少なくとも一方を選択可能に構成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の振動発電装置。
【請求項７】
前記一対の発電用ビームの交差角は、共振を生じる振動周波数に応じて設定されていることを特徴とする請求項６に記載の振動発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば高速道路や橋梁などに設置したセンサ類に電源を供給可能な振動によって発電する振動発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動を利用した発電技術としては、圧電素子を利用した方法がよく知られている。この圧電素子を利用した発電方法の多くは、圧電素子に何らかの方法で外部から力を加えることにより、圧電素子を変形させて発電するものである。この圧電素子を利用した振動力発電装置としては、例えば特許文献１に記載れているものがある。この振動力発電装置は、圧電材料の少なくとも一方の面に複数の溝が形成されている圧電素子と、この圧電素子と接合され、前記圧電素子に振動を伝える振動板と、圧電素子の出力を整流する手段と、整流された電力を蓄積する手段とを備えている。
【０００３】
しかしながら、この圧電素子を使用した振動力発電装置は、圧電素子を構成する圧電材料は、脆性材料であり、曲げや衝撃に対して弱い材料である。そのため、過度な負荷を加えることはできず、発電量を増加するために大きな曲げや衝撃を加えることが困難であるという問題点がある。
また、圧電素子は低周波数でインピーダンスが高く、圧電素子より低いインピーダンスを有する負荷を接続した際に、負荷に発生する電圧が小さくなるため、発電により得られる電力が小さくなり、発電の効率が低いという問題点もある。
【０００４】
このような圧電素子を使用した振動発電装置の問題点を解決するために、特許文献２に記載された磁歪素子を利用した振動発電装置が提案されている。この振動発電装置は、図９（ａ）及び（ｂ）に示す発電素子１００を備えている。この発電素子１００は、連結ヨーク１００ａおよび１００ｂと、連結ヨーク１００ａおよび１００ｂに平行に支持された磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂと、各磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂに巻装されたコイル１２０ａおよび１２０ｂと、連結ヨーク１００ａ及び１００ｂに永久磁石１４０ａおよび１４０ｂを介して連結されたバックヨーク１５０とを備えている。
【０００５】
この発電素子１００を図１０に示すように、連結ヨーク１００ａを固定部に固定して方持ち梁構造とし、連結ヨーク１００ｂに発電素子１００の軸方向と直交する方向に曲げ応力Ｐを印加することにより、磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂが曲げ変形される。これにより磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂに発生する逆磁歪効果によって、コイル１２０ａおよび１２０ｂを貫く磁束が変化することで、コイル１２０ａおよび１２０ｂに誘導電圧（または誘導電力）が発生する。これにより発電素子１００に振動を印加することで発電が可能となる。
【０００６】
磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂを構成する磁歪材料は延性材料であり、圧電材料に比べて曲げ変や衝撃に強いため、大きな曲げや衝撃を加えることで発電量を増加することが可能である。また、発電素子のインピーダンスが圧電材料よりも低いことから、インピーダンスの低い負荷の接続による発電効率の低下が少なく、前述した圧電材料の問題点を解決することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１６６６９４号公報
【特許文献２】特許第４９０５８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献２に記載された従来例にあっては、曲げと捩じれを伴う２次モードでの共振によって発電を行うため、発電効率が低下するという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、発電効率を高めることができる発電可能な振動発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明に係る振動発電装置の一態様は、振動が伝達される支持台と、該支持台に支持された振動電力変換部とを備えている。前記振動電力変換部は、前記支持台に先端側が交差するように支持された一対の発電用ビームと、該一対の発電用ビームの交差位置に固定された錘体とを有している。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、一対の発電用ビームが先端側で交差するように配置され、これら一対の発電用ビームの交差位置に錘体を固定するようにしたので、捩じれを伴わない１次モードの変位を磁歪体ビームに作用させることができ発電効率を向上させるができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る振動発電装置の一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線上の一部を省略した断面図である。
【図３】振動電力変換部を示す斜視図である。
【図４】発電用ビームを示す平面図である。
【図５】発電用ビームの磁性体ビームおよび磁歪体ビームを示す側面図である。
【図６】発電用ビーム間の角度と装置の共振周波数との関係を示す特性線図である。
【図７】錘体質量と振動周波数との関係を示す特性線図である。
【図８】発電用ビームの磁性体ビーム及び磁歪体ビームの変形例を示す側面図である。
【図９】従来の振動発電装置の発電素子を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図１０】図９の発電素子の発電原理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を伴って説明する。
図１は、本発明に係る振動発電装置の一実施形態を示す平面図、図２は、図１のＡ−Ａ線上の一部を省略した断面図、図３は、振動電力変換部を示す斜視図である。
本発明に係る振動発電装置１０は、図１および図２に示すように、円筒状の支持台２０と、この支持台２０に支持される振動電力変換部３０とで構成されている。
【００１３】
支持台２０は、図２に示すように、円形基板２１上にボルト２２で取付けられた円筒体２３とで構成され、円筒体２３の上面に例えば２４個の取付雌ねじ２４が等間隔で形成されている。
振動電力変換部３０は、図３とともに参照して明らかなように、支持台２０に先端側が所定角度θで交差するように支持された一対の発電用ビーム３１Ａおよび３１Ｂと、これら一対の発電用ビーム３１Ａおよび３１Ｂの交差位置に取付けられた錘体４１とを備えている。
【００１４】
一対の発電用ビーム３１Ａおよび３１Ｂのそれぞれは、一端に形成された支持台２０の円筒体２３にボルト３２で固定される取付部としての基部３３と、この基部３３にピン３４によって回動可能に支持された磁性材料で構成される磁気ヨークとなる磁性体ビーム３５と、この磁性体ビーム３５に支持された磁歪材料で構成される磁歪体ビーム３６とを備えている。
【００１５】
基部３３は、図２〜図４に示すように、比較的厚みが薄い取付平板部３３ａと、この取付平板部３３ａの右端側に形成された比較的厚みが厚い支持部３３ｂとで構成されている。取付平板部３３ａにはボルト３２を挿通する貫通孔３３ｃが形成されている。支持部３３ｂには、右端側から磁歪体ビーム３６を挿通する挿通凹部３３ｄが上下に貫通して形成されている。また、支持部３３ｂには図４に示すように挿通凹部３３ｄと直交してピンを挿通する挿通孔３３ｅが形成されている。
【００１６】
磁性体ビーム３５は、図５に示すように、細長い板状に形成され、一端に基部３３に取付けられる基部取付部３５ａが形成され、他端に錘体４１を取付ける錘体取付部３５ｂが形成されている。基部取付部３５ａには、ピン３４が挿通される挿通孔３５ｄが形成されている。また、錘体取付部３５ｂには長手方向に所定間隔を保って２本の雌ねじ３５ｅが貫通形成されている。
【００１７】
また、磁性体ビーム３５には、基部取付部３５ａおよび錘体取付部３５ｂ間に下面側から切り欠かれた長手方向に延長する収納切欠部３５ｆが形成されて細い可撓性棒部３５ｇが形成されている。この収納切欠部３５ｆは、長手方向の両端部が下端面から上方に延長する垂直辺部３５ｈと、この垂直辺部３５ｈの上端から外上方に傾斜延長する傾斜辺部３５ｉとで形成され、両端部の垂直辺部３５ｈにそれぞれ前後に貫通する嵌合凹部３５ｊが形成されている。
【００１８】
一方、磁歪体ビーム３６は、図３に示すように、断面長方形状の細長い角棒状に形成され、その両端部を所定長さ残して磁気コイル３７が巻装され、さらに両端に扁平な直方体状の永久磁石３８Ａおよび３８Ｂが固定されている。ここで、永久磁石３８Ａおよび３８Ｂは、図５に示すように、ともに長手方向に左端側がＳ極、右端側がＮ極に着磁されている。
【００１９】
この磁歪体ビーム３６はその両端に固定された永久磁石３８Ａおよび３８Ｂを磁性体ビーム３５の嵌合凹部３５ｊに嵌合させて収納切欠部３５ｆに収納保持されている。このため、永久磁石３８ＡのＮ極から出る磁束が磁歪体ビーム３６を通って永久磁石３８ＢのＳ極に達し、この永久磁石３８ＢのＮ極から出る磁束が磁性体ビーム３５の錘体取付部３５ｂ、可撓性棒部３５ｇ、基部取付部３５ａを通って永久磁石３８ＡのＳ極に達する磁路が形成される。
【００２０】
そして、上記構成を有する発電用ビーム３１Ａおよび３１Ｂが支持台１０の円筒体２３の上面に形成された取付雌ねじ２４に所定の交差角θとなるように取付けられている。ここで、交差角θは、図６に示すように、振動発電装置１０が効率的に発電できる振動の共振周波数を決定する要素であり、本実施形態のように磁性体ビーム３５を基部３３に回動可能に支持するか固定支持するかによって共振周波数が異なる。本実施形態のように磁性体ビーム３５を基部３３に回動可能に支持する場合には、図６において特性曲線Ｌ１で示すように、交差角θが１８０°であるときに共振周波数が１７０Ｈｚ程度となり、交差角θが１８０°より小さくなるにしたがって指数関数的に減少し、交差角θが３０°で共振周波数が２．５〜５Ｈｚに低下する。
【００２１】
一方、磁性体ビーム３５を基部３３に固定支持する場合には、図６において特性曲線Ｌ２で示すように、交差角θが１８０°であるときに共振周波数が１９０Ｈｚ程度となり、交差角θが１８０°より小さくなるにしたがって指数関数的に減少するが、全体として特性曲線Ｌ１より高い共振周波数となり、交差角θが３０°であるときに５５Ｈｚ程度となる。
【００２２】
したがって、本実施形態のように磁性体ビーム３５を基部３３に回動可能に支持する場合の方が、共振周波数の選択範囲が広くなり、振動発電可能な振動の周波数範囲が広くなり、特に高速道路や橋梁等の車輛通過時の振動周波数が２．８〜３．７Ｈｚであることから、この周波数範囲で共振させるには、磁性体ビーム３５を基部３３に回動可能に支持する必要がある。
【００２３】
また、錘体４１は、図１〜図３に示すように、中心円柱部４２と、この中心円柱部４２の上下端部に形成された円板状のフランジ部４３及び４４とで構成されている。フランジ部４３及び４４には、磁性体ビーム３５の錘体取付部３５ｂの雌ねじ３５ｅに対応する２組の貫通孔４５が円周方向に等間隔で２４個形成されている。
そして、錘体４１が図１及び図３に示すように、支持台２０に支持された一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂの磁性体ビーム３５の交差位置に取付けられている。この錘体４１の取付けは、まず、錘体４１のフランジ部４３及び４４間に一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂの磁性体ビーム３５における錘体取付部３５ｂを挿通する。そして、雌ねじ３５ｅを貫通孔４５と同心位置とした状態で、フランジ部４３及び４４の外側からそれぞれ貫通孔４５を通じてボルト４６を雌ねじ３５ｅに螺合させて締め付けることより、一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂと錘体４１とを一体化する。
【００２４】
この状態で、図１に示すように、錘体４１の中心軸が支持台２０の円筒体２３の中心軸が一致するように一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂの長さが選定されている。
ここで、錘体４１の質量と振動の共振周波数との関係は、錘体４１の質量が１０〔ｇ〕から７０〔ｇ〕の範囲で測定したところ、図７に示すように、錘体４１の質量が重くなる方が振動の共振周波数が低下することが判明した。しかしながら、錘体４１の質量が重くなると加速度が大きくなることから加速度との兼ね合いで錘体４１の質量を設定する。
【００２５】
次に、上記実施形態の動作を説明する。
まず、振動発電装置１０を設置する振動源の振動周波数に応じて一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂの交差角θを設定する。この交差角θの設定は、前述した図６の交差角θと振動の共振周波数との関係を示す特性曲線Ｌ１に基づいて振動発電装置１０に入力される振動の周波数が共振周波数となるように交差角θを設定する。
【００２６】
例えば、高速道路や橋梁では、老朽化が進むことから、加速度センサ、振動センサ，腐食センサ等の構造ヘルスモニタリングセンサを配置して劣化傾向を把握する必要がある。
これら構造ヘルスモニタリングセンサには、電源を必要とするが、蓄電池では寿命があることから定期的な交換が必要となり、その管理が煩雑となる。このため、構造ヘルスモニタリングセンサの電源として振動発電装置１０を適用する。
【００２７】
この場合、高速道路や橋梁を車両が通過する際に生じる振動の周波数は２．８Ｈｚ〜３．７Ｈｚの低周波数領域で加速度は０．１５Ｇ〜０．５Ｇの範囲となっている。
このため、振動発電装置１０としては低周波数領域に共振周波数を設定する必要があり、本実施形態では、図６の特性曲線Ｌ１に基づいて交差角θを３０°に設定する。
このため、支持台２０の円筒体２３の上面に形成された雌ねじ２４のうち交差角θに一致する一つ置きの２つの雌ねじ２４を選択し、選択した雌ねじ２４に一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂの基部３３を個別に支持する。このとき、基部３３の貫通孔３３ｃを同心状に合わせた状態でボルト３２を上側から貫通孔３３ｃを通じて雌ねじ２４に螺合させて基部３３が多少回動する程度に仮締めする。
【００２８】
次いで、支持台２０に仮締めした一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂの先端側の交差位置に錘体４１を取付ける。この錘体４１の取付けは、前述したように、錘体４１のフランジ部４３及び４４に一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂを構成する磁性体ビーム３５の錘体取付部３５ｂを挿通し、フランジ部４３及び４４に形成した一つ置きの貫通孔４５に錘体取付部３５ｂに形成した雌ねじ３５ｅを合わせた状態で上下方向からそれぞれ貫通孔４５を介してボルト４６を雌ねじ３５ｅに螺合させる。
【００２９】
その後、基部３３のボルト３２を本締めするとともに、錘体４１側のボルト４６を本締めして支持台２０に一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂを所定の交差角θ（＝３０°）を保つとともに、錘体４１を支持台２０の円筒体２３の中心軸に中心軸を一致させて配置し、振動電力変換部３０を構成する。
この振動電力変換部３０を構成した状態で、一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂのそれぞれは、基部３３に磁性体ビーム３５が回動可能に支持されているが、両発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂの先端の交差位置に錘体４１が取付けられている。一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂの回動面が異なるため、支持台２０に振動が伝達されていない状態では、図２に示すように、一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂが重力によって下方に回動することなく水平状態に保持される。この水平状態では、磁歪体ビーム３６には撓みが発生せず、磁力線が変化しないことにより、磁気コイル３７から電圧（電力）は出力されることがない。
【００３０】
この状態で、高速道路又は橋梁に車両が通過することにより支持台２０に２．５〜４Ｈｚの振動が伝達されると、一対の発電用ビーム３１Ａ，３１Ｂの磁性体ビーム３５に可撓性棒部３５ｇが形成されていることにより、振動に応じて一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂの磁性体ビーム３５が水平線を挟んで上下に繰り返し撓み、一対の発電用ビーム３１Ａ，３１Ｂ及び錘体４１が共振状態となる。これによって磁歪体ビーム３６に伸びと圧縮が繰り返し作用することになり、磁力線が交番状に変化する。この磁力線の変化が電磁誘導の法則によって磁気コイル３７に誘起電圧（誘起電力）を発生させ、振動発電を行うことができる。
【００３１】
このとき、一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂは、交差配置されているとともに先端側の交差位置に錘体４１が配置されているので、一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂを構成する磁性体ビーム３５に捩じれが発生することはなく、撓みのみの１次モードで変位することになり、磁歪体ビーム３６にも捩じれ力が伝達されることがない。このため、磁歪体ビーム３６による発電効率を向上させることができ、２．５ｍＷ以上の電力を発電することができる。
【００３２】
しかも、支持台２０に固定支持された基部３３に対して磁性体ビーム３５が振動の振幅方向に回動可能に支持されているので、図６から明らかなように、高速道路や橋梁で車両が通過したときに発生する周波数が２．５〜４Ｈｚの低周波数領域の振動に対して共振現象を生じて確実に発電することができる。
さらに、磁歪体ビーム３６は磁歪材料で構成され、この磁歪材料は延性材料であり、圧電材料に比べて曲げや衝撃に強いため、大きな曲げや衝撃を加えることで発電量を増加することが可能である。振動発電装置１０のインピーダンスが圧電材料よりもひくいことから、インピーダンスの低い負荷の接続による発電効率の低下が少ない。
【００３３】
そして、振動発電装置１０で発生された電力が環境ヘルスモニタリングセンサに動作電源として供給されてこれら環境ヘルスモニタリングセンサを作動させることができる。
また、振動発電装置１０を設置する設置対象の振動の周波数が４Ｈｚより高い場合には、図６の特性曲線Ｌ１にしたがって、一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂの交差角θを１８０度以内の範囲で選択すればよい。そして、選択した交差角θとなるように一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂの支持台２０への支持位置を設定すれば、設置対象の振動周波数で共振させることができ、広範囲の振動周波数領域で振動発電を効率良く行うことができる。
【００３４】
また、磁性体ビーム３５を、基部取付部３５ａおよび錘体取付部３５ｂ間に下面側から切り欠かれた長手方向に延長する収納切欠部３５ｆを形成して細い可撓性棒部３５ｇを形成するように構成すると、磁性体ビーム３５への磁気コイル３７を巻装した磁歪体ビーム３６の装着を容易に行うことができ、一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂの組み立てを容易に行うことができる。
【００３５】
なお、上記実施形態では、高速道路や橋梁等で発生する２．５〜４Ｈｚ程度の低周波数の振動で発電可能なように、基部３３に対して磁性体ビーム３５を回動可能に支持する場合について説明した。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではなく、振動周波数領域６０Ｈｚ以上である場合には、前述図６の特性曲線Ｌ２で表されるように、基部３３に対して磁性体ビーム３５を固定配置しても、低周波数領域を除く領域で振動発電を行うことができる。
【００３６】
また、上記実施形態では、磁性体ビーム３５の下端側に収納切欠部３５ｆを形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図５の構成で、磁性体ビーム３５及び磁歪体ビーム３６の上下を反転させて配置するようにしても、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
さらに、上記実施形態では、磁性体ビーム３５の一つの磁歪体ビーム３６を装着する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図８に示すように、磁性体ビーム３５の上下両側に磁歪体ビーム３６を装着することもできる。
【００３７】
さらに、上記実施形態では、永久磁石３８Ａ及び３８Ｂの着磁方向が左側をＳ極に右側をＮ極とした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、左側をＮ極に右側をＳ極に着磁するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、支持台２０が円筒体２３を有する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、一対の発電用ビーム３１Ａ及び３１Ｂの交差角θが決まっている場合には、その交差角θに応じた円弧範囲のみの円弧状又は直線状に形成することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０…振動発電装置、２０…支持台、２１…基板、２３…円筒体、２４…雌ねじ、３０…振動電力変換部、３１Ａ，３１Ｂ…発電用ビーム、３２…ボルト、３３…取付部、３５…磁性体ビーム、３５ａ…基部取付部、３５ｂ…錘体取付部、３５ｆ…収納切欠部、３５ｇ…可撓性棒部、３６…磁歪体ビーム、３７…磁気コイル、３８ＡＰ３８Ｂ…永久磁石、４１…錘体
【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】
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