(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物に生じた振動のエネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電装置であって、
前記構造物の振動に共振して大きく運動する、前記構造物に弾性支持された、
動吸振器を構成する錘体と、
前記錘体に駆動されて上下動するように前記構造体に案内支持された被駆動体と、
前記錘体の運動の上下方向成分を前記被駆動体に伝達する運動伝達手段と、
前記被駆動体の上下方向の運動を回転運動に変換する変換機構と、
前記変換機構により生み出された回転運動の回転数を増倍する回転数増倍機構と、
前記回転数増倍機構により回転駆動される発電機と、
を備え、
前記動吸振器、前記被駆動体、前記運動伝達手段、前記変換機構、前記回転数増倍機構及び前記発電機は、前記構造物に設置自在に、一体的に並設されている
ことを特徴とする振動発電装置。
【請求項２】
前記変換機構は、
互いに平行に延びる上下一対の水平支軸によってそれぞれ回転自在に支持された上下一対の第１の歯付きプーリと、
前記上下一対の第１の歯付きプーリに巻回されて上下方向に延びる部分を有する無端状の第１のタイミングベルトと、
この第１のタイミングベルトのうち上下方向に延びる部分に前記被駆動体を接続する接続手段と、
を有することを特徴とする請求項１に記載した振動発電装置。
【請求項３】
前記回転数増倍機構は、
前記上下一対の第１の歯付きプーリのいずれか一方と一体に回転する、前記上下一対の第１の歯付きプーリより大径な第２の歯付きプーリと、
前記発電機の駆動軸と一体に回転する、前記第２の歯付きプーリより小径な第３の歯付きプーリと、
前記第２の歯付きプーリと前記第３の歯付きプーリとに巻回された第２のタイミングベルトと、
を有することを特徴とする請求項２に記載した振動発電装置。
【請求項４】
前記運動伝達手段は、
前記錘に接続された第１の球面軸受と、
前記被駆動体に接続された第２の球面軸受と、
前記第１の球面軸受と前記第２の球面軸受との間で上下方向に延びるロッドとを有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載した振動発電装置。
【請求項５】
前記発電機は、ステッピングモータであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載した振動発電装置。
【請求項６】
前記錘体は、前記構造物に生じる振動を制振する動吸振器の構成部品であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに一項に記載した振動発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動発電装置に関し、より詳しくは、橋梁等の構造物に生じる振動のエネルギーを効率的に電気エネルギーに変換する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両の通行に伴って橋梁等の構造物に生じる振動を活用して発電する技術がいくつか提案されている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、陸橋と一体に振動する可撓性の水平振動板の表面に圧電素子を設け、陸橋の振動に伴って水平振動板に生じる撓みにより圧電素子を変形させて発電する技術が記載されている。
【０００４】
また、下記特許文献２には、橋桁とそれを支持するアーチとの間にリニア発電機を介設し、橋桁に設けた可動子とアーチに設けた固定子との間の上下方向の相対変位によって発電する技術が記載されている。
【０００５】
さらに、下記特許文献３には、橋桁の端部をバネ支持するとともに、橋桁と一体に上下動するピストンによりシリンダから作動油を吐出させてタービンを回転させ、このタービンの回転により発電機を駆動して発電する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１５７０５号公報
【特許文献２】特開２００９−２４３１２８号公報
【特許文献３】実開平６−４７６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、車両の通行に伴って橋梁等の構造物に生じる振動の振幅は、それほど大きいものではない。
これにより、橋梁等の構造物に生じている振動をそのまま用いて発電する構造の上記特許文献１〜３に記載されている技術では、橋梁等の構造物に生じている振動のエネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することができない。
【０００８】
そこで本発明の目的は、上述した従来技術が有する問題点を解消し、車両の通行に伴って橋梁等の構造物に生じる振動のエネルギーを効率的に電気エネルギーに変換できる新たな振動発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するための請求項１に記載した手段は、
構造物に生じた振動のエネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電装置であって、
前記構造物の振動に共振して大きく運動する、前記構造物に弾性支持された錘体と、
前記錘体に駆動されて上下動するように前記構造体に案内支持された被駆動体と、
前記錘体の運動の上下方向成分を前記被駆動体に伝達する運動伝達手段と、
前記被駆動体の上下方向の運動を回転運動に変換する変換機構と、
前記変換機構により生み出された回転運動の回転数を増倍する回転数増倍機構と、
前記回転数増倍機構により回転駆動される発電機と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
すなわち、請求項１に記載した振動発電装置は、橋梁等の構造物そのものの上下方向の運動を回転運動に変換して発電機を回すのではなく、橋梁等の構造物の振動に共振して大きく運動する錘体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する構造である。
このとき、構造物の振動に共振して大きく運動する錘体の運動エネルギーのうち、上下方向の運動成分のみによって、言い換えると水平方向の運動成分を取り除いて、被駆動体を駆動して上下方向に運動させる。
これにより、被駆動体の上下方向の運動を支持する機構に水平方向の運動成分が作用しないから、摩擦や変形等によって被駆動体の上下方向の運動エネルギーをロスすることがない。
したがって、橋梁等の構造物に生じている振動のエネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換することができる。
【００１１】
また、請求項２に記載した手段は、請求項１に記載した振動発電装置において、
前記変換機構が、互いに平行に延びる上下一対の水平支軸によってそれぞれ回転自在に支持された上下一対の第１の歯付きプーリと、前記上下一対の第１の歯付きプーリに巻回されて上下方向に延びる部分を有する無端状の第１のタイミングベルトと、この第１のタイミングベルトの上下方向に延びる部分に前記被駆動体を接続する接続手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
すなわち、請求項２に記載した振動発電装置における変換機構は、上下一対の第１の歯付きプーリに巻回された第１のタイミングベルトのうち上下方向に延びる部分に、被駆動体を接続する構造である。
これにより、第１のタイミングベルトのうち上下方向に延びる部分が被駆動体の上下動に連動して上下動すると、上下一対の第１の歯付きプーリには正逆両方向の回転が間歇的に生じる。
また、第１のタイミングベルトのうち上下方向に延びる部分に被駆動体の間歇的な上下方向の運動が作用しても、第１のタイミングベルトの歯と第１の歯付きプーリの歯とが互いに噛み合っているので、両者の間に滑りが生じることはなく、被駆動体の上下方向の運動を確実に回転運動に変換することができる。
【００１３】
また、請求項３に記載した手段は、請求項２に記載した振動発電装置において、
前記回転数増倍機構が、前記上下一対の第１の歯付きプーリのいずれか一方と一体に回転する、前記上下一対の第１の歯付きプーリより大径な第２の歯付きプーリと、前記発電機の駆動軸と一体に回転する、前記第２の歯付きプーリより小径な第３の歯付きプーリと、前記第２の歯付きプーリと前記第３の歯付きプーリとに巻回された第２のタイミングベルトと、を有することを特徴とする。
【００１４】
すなわち、請求項３に記載した振動発電装置における回転数増倍機構は、第１の歯付きプーリに生じた回転運動の回転数を、大径な第２の歯付きプーリと小径な第３の歯付きプーリとによって増倍する構造である。
また、第２の歯付きプーリと第３の歯付きプーリには、無端状の第２のタイミングベルトが巻回されている。
これにより、第１の歯付きプーリに生じた正逆両方向の間歇的な回転運動を、この回転数増倍機構によって増倍しても、第２および第３の歯付きプーリの歯と第２のタイミングベルトの歯との係合により両者の間に滑りが生じることはない。
したがって、第１の歯付きプーリに生じた正逆両方向の間歇的な回転運動の回転数を確実に増倍して発電機を駆動することができる。
【００１５】
また、請求項４に記載した手段は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載した振動発電装置において、前記運動伝達手段が、前記錘に接続された第１の球面軸受と、前記被駆動体に接続された第２の球面軸受と、前記第１の球面軸受と前記第２の球面軸受との間で上下方向に延びるロッドと、を有することを特徴とする。
【００１６】
すなわち、錘体は構造物の上に弾性支持されているので、その運動には水平方向の運動成分が含まれている。
このとき、錘体と被駆動体を剛体である１本のロッドによって直結すると、錘体の運動に含まれている水平方向の運動成分がそのまま被駆動体にも伝達され、被駆動体の上下方向の案内支持に摩擦が生じて運動エネルギーのロスが生じる。
このとき、請求項４に記載した振動発電装置における伝達手段は、錘体に接続した第１の球面軸受と被駆動体に接続した第２の球面軸受とを上下方向に延びるロッドで接続した構造である。
これにより、錘体の運動に含まれている水平方向の運動は、第１および第２の球面軸受における滑り作用によって遮断されて被駆動体には伝達されない。
したがって、被駆動体の上下方向の案内支持に無駄な摩擦が作用し、被駆動体の運動エネルギーのロスが生じることがない。
【００１７】
また、請求項５に記載した手段は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載した振動発電装置において、前記発電機がステッピングモータであることを特徴とする。
すなわち、ステッピングモータを発電機として用いると、その構造に起因して、第３の歯付きプーリのわずかな回転によっても確実に発電することができる。
これにより、橋梁等の構造物に生じている振動のエネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる。
【００１８】
また、請求項６に記載した手段は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載した振動発電装置において、前記錘体が、前記構造物に生じる振動を制振する動吸振器の構成部品であることを特徴とする。
すなわち、橋梁等の構造物には、その振動を制振するための動吸振器（ＴＭＤ：Tuned Mass Damper）を設置することがある。
この場合、本発明の振動発電装置は、この動吸振器の錘体を運動エネルギーの供給源として活用できるから、その構成部品の点数を削減して製造コストの低減が図ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、橋梁等の構造物に生じている振動のエネルギーを効率的に電気エネルギーに変換できる振動発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】一実施形態の振動発電装置を示す正面図。
【図２】図１に示した振動発電装置の平面図。
【図３】図１に示した振動発電装置の右側面図。
【図４】図１中のＡ−Ａ破断線に沿った断面図。
【図５】図１中のＢ−Ｂ破断線に沿った断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図１乃至図５を参照し、本発明の振動発電装置の一実施形態について詳細に説明する。
なお、以下の説明においては、鉛直方向を上下方向、橋梁等の構造物が延びる方向（図１の正面図において図示左右方向）を左右方向、これらの２つの方向に対して垂直な方向（図２の平面図において図示上下方向）を前後方向と言う。
【００２２】
まず最初に図１および図２を参照すると、本実施形態の振動発電装置１００は、橋梁等の構造物Ｓ上に固定された前後一対のベース板１，１と、これらのベース板１，１の間に前後方向に掛け渡された動吸振器（ＴＭＤ）１０とを備えている。
【００２３】
この動吸振器（ＴＭＤ）１０は、前後方向に延びる左右一対のＩ形鋼１１，１１からなる架台上に、合計１６本のコイルばね１２によって、錘体１３が固定された厚い鋼板１４を弾性支持した構造となっている。
これにより、錘体１３は、橋梁等の構造物Ｓに生じている振動に共振して大きく運動する。
【００２４】
一方、動吸振器１０の左右の両端には、被駆動体支持機構２０、変換機構３０、回転数増倍機構４０、発電機５０がそれぞれ並設されている。
【００２５】
被駆動体支持機構２０は、図３に示したように、前後一対のベース板１，１の間に掛け渡されて前後方向に延びる基板２と、この基板２上に垂設されて上下方向に延びる前後一対のガイドシャフト２１，２１を有している。
そして、これらのガイドシャフト２１，２１にはリニアブッシュ２２，２２がそれぞれ上下方向に摺動自在に嵌装され、被駆動体２３が上下方向に滑らかに往復動できるように案内支持している。
なお、被駆動体２３は厚い鋼板から略コ字形に形成された部材であり、ロッド（運動伝達手段）２５により動吸振器１０に接続されて、錘体１３の上下動に連動して上下方向に運動する。
【００２６】
ロッド２５は、第１の球面軸受２６と、第２の球面軸受２７と、これらの球面軸受２６，２７の間で上下方向に延びるロッド本体２８とを有している。
第１の球面軸受２６は、錘体１３を支持している厚板１４の左右両端部に固定されたブラケット１６に固定されており、かつ第２の球面軸受２７は、被駆動体２７に固定されている。
ロッド本体２８は、その両端部が球面軸受２６，２７にそれぞれ螺着されている。
【００２７】
変換機構３０は、被駆動体２３の上下方向の運動を回転運動に変換するものであり、基板２に垂設されて互いに平行に延びる左右一対の支持板３１，３１と、これらの支持板３１，３１によって支持されて互いに平行に左右方向に延びる上下一対の水平支軸３２，３３を有している。
上側の水平支軸３２により上側の第１の歯付きプーリ３４が回転自在に支持され、下側の水平支軸３３により下側の第１の歯付きプーリ３５が回転自在に支持され、かつこれらの第１の歯付きプーリ３４，３５には無端状の第１のタイミングベルト３６が巻回されている。
第１のタイミングベルト３６のうち、第１の歯付きプーリ３４，３５の間で上下方向に延びる部分には、接続金具（接続手段）３７により、被駆動体２３の後端部分が接続されている。
これにより、被駆動体２３が上下方向に運動すると、第１のタイミングベルト３６のうち上下方向に延びる部分もまた上下方向に運動し、したがって第１の歯付きプーリ３４，３５が正逆両方向に間歇的に回転する。
【００２８】
回転数増倍機構４０は、第１の歯付きプーリ３４の回転運動の回転数を増倍して発電機５０に伝達するものであり、第１の歯付きプーリ３４より大径で、かつ第１の歯付きプーリ３４と一体に回転する第２の歯付きプーリ４１を有している。
また、図５に示したように、基板２上に重畳されて固定されている小さな基板３上には、左右一対の支持板４２，４２が垂設され、左右方向に延びる水平支軸４３を回転自在に支持している。
この水平支軸４３の先端には、第３の歯付きプーリ４４が一体に回転するように固定されている。
第３の歯付きプーリ４４の径は、第２の歯付きプーリ４１に比較するとかなり小さい。
また、第２および第３の歯付きプーリ４１，４４には無端状の第２のタイミングベルト４５が巻回されている。
これにより、第３の歯付きプーリ４４は、第２の歯付きプーリ４１、したがって第１の歯付きプーリ３４の回転数よりかなり高い回転数で回転する。
【００２９】
発電機５０は、基板３上に固定されており、かつその回転軸はカップリング５１を介して回転数増倍機構４０の水平支軸４３に連結されている。
これにより、第３の歯付きプーリ４４が回転すると発電機５０の回転軸が一体に回転し、発電機５０が電気エネルギーを生じさせる。
なお発電機５０は、ＰＭ型ステッピングモータから構成され、第３の歯付きプーリ４４の回転数が低い場合でも数ボルトに達する高い電圧の起電力を生じさせる。
また、発電機５０が生み出した電気エネルギーは、図示されない蓄電手段に蓄電された後、橋梁等の構造物の照明等に用いられる。
【００３０】
次に、上述した本実施形態の振動発電装置１００の動作について説明する。
【００３１】
橋梁等の構造物Ｓの上を車両が通過すると、構造物Ｓには上下方向の振動が生じる。
すると、動吸振器１０の錘体１３は構造物Ｓの振動に共振して大きく運動する。
【００３２】
一方、被駆動体２３は、ロッド２５、動吸振器１０のブラケット１６および厚板１４を介して錘体１３に接続されている。
これにより、錘体１３が大きく運動すると、被駆動体２３もまたそれに連動して大きく運動する。
【００３３】
ところが、ロッド２５には、第１および第２の球面軸受２６，２７が設けられている。
これにより、錘体１３の大きな運動に含まれている水平方向の運動は、第１および第２の球面軸受２６，２７における滑り作用によって遮断され、被駆動体２３には伝達されない。
すると、被駆動体２３の滑らかな上下方向の運動を案内支持しているガイドシャフト２１，２１およびリニアブッシュ２２，２２は、錘体１３の水平方向の運動に起因して水平方向に押動されることはない。
したがって、ガイドシャフト２１，２１およびリニアブッシュ２２，２２の間に無駄な摩擦が作用し、被駆動体２３の上下方向の運動エネルギーをロスすることがない。
【００３４】
他方、被駆動体２３の上下方向の運動のエネルギーは、変換機構３０によって回転エネルギーに変換される。
このとき、変換機構３０を構成する第１の歯付きプーリ３４，３５と第１のタイミングベルト３６とが互いに噛み合っている。
これにより、それらの間に滑りが生じることはなく、被駆動体２３の上下方向の運動エネルギーを確実に回転エネルギーに変換することができる。
【００３５】
同様に、回転数増倍機構４０を構成する大径な第２の歯付きプーリ４１および小径な第３の歯付きプーリ４４と第２のタイミングベルト４５とが互いに噛み合っている。
これにより、それらの間に滑りが生じることはなく、第２の歯付きプーリ４１に生じた正逆両方向の間歇的な回転運動の回転数を確実に増倍して発電機５０を駆動することができる。
【００３６】
さらに発電機５０は、ステッピングモータから構成されているので、第３の歯付きプーリ４４のわずかな回転を確実に電気エネルギーに変換することができる。
【００３７】
すなわち、本実施形態の振動発電装置１００は、橋梁等の構造物Ｓそのものの上下方向の運動を回転運動に変換して発電機５０を回すのではなく、橋梁等の構造物Ｓの振動に共振して大きく運動する錘体１３の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する構造である。
また、錘体１３の運動エネルギーのうち、上下方向の運動成分のみによって、言い換えると水平方向の運動成分を取り除いて、被駆動体２３を駆動して上下方向に運動させる構造である。
これにより、被駆動体２３の上下方向の運動を案内支持している被駆動体支持機構２０が水平方向に押動されて、その構成部品の間に摩擦や変形等が生じることはないから、被駆動体２３の上下方向の運動エネルギーをロスすることがない。
したがって、本実施形態の振動発電装置１００によれば、橋梁等の構造物Ｓに生じている振動のエネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる。
【００３８】
さらに、本実施形態の振動発電装置１００は、橋梁等の構造物Ｓ上に固定される前後一対のベース板１，１の上に、動吸振器（ＴＭＤ）１０、被駆動体支持機構２０、ロッド（運動伝達手段）２５、変換機構３０、回転数増倍機構４０、発電機５０を、それぞれ一体的に並設した構造となっている。
すなわち、橋梁等の構造物Ｓの振動に共振して大きく運動する錘体１３から発電機構に至るエネルギーの経路が、この振動発電装置１００の内部で完結する構造である。
これにより、本実施形態の振動発電装置１００は、上記した特許文献２、特許文献３に記載されている装置のように他の構造物によって支持する必要がないから、橋梁等の構造物Ｓの任意の場所に自在に設置することができる。
【００３９】
以上、本発明の振動発電装置の一実施形態について詳しく説明したが、本発明は上述した実施形態によって限定されるものではなく、種々の変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態においては、橋梁等の構造物Ｓの振動に伴って運動する動吸振器１０の錘体１３を活用することにより、その構成部品の点数を削減して製造コストの低減を図っている。
これに対して、専用の錘体を用いて振動発電装置を構成することにより、より効率の高い振動発電を達成することができる。
【符号の説明】
【００４０】
Ｓ  構造物
１  基板
２  基板
３  基板
１０  動吸振器
１２  コイルばね
１３  錘体
１４  厚板
１６  ブラケット
２０  被駆動体支持機構
２１  ガイドシャフト
２２  リニアブッシュ
２３  被駆動体
２５  ロッド（運動伝達手段）
２６  第１の球面軸受
２７  第２の球面軸受
２８  ロッド本体
３０  変換機構
３１  支持板
３２，３３  水平支軸
３４，３５  第１の歯付きプーリ
３６  第１のタイミングベルト
４０  回転数増倍機構
４１  第２の歯付きプーリ
４２  支持板
４３  水平支軸
４４  第３の歯付きプーリ
４５  第２のタイミングベルト
５０  発電機
５１  カップリング
１００  一実施形態の振動発電装置
【図１】
0005705618.tif 000002
【図２】
0005705618.tif 000003
【図３】
0005705618.tif 000004
【図４】
0005705618.tif 000005
【図５】
0005705618.tif 000006