JP2013258820A - 振動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設置場所の自由度を向上させた振動発電装置を提供する。
【解決手段】歪みに応じた電力を生じる発電素子３と、振動発生源の振動に応じて発電素子３に対する相対変位が可能に配設され、当該変位に応じた荷重を発電素子３に与える可動部４と、を備える構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、歪みに応じた電力を生じる発電素子を備えた振動発電装置に関する。

従来、発電素子を備えた振動発電装置としては、例えば、特許文献１に記載されているように、列車がレール上を通過した際に生じるレール振動を利用し発電するものが知られている。

この特許文献１に記載の振動発電装置では、レール固定用枕木の上面に形成したザグリ部内に発電素子を設置し、この発電素子をザグリ部底面とレール下面とで挟み込むようにして配置している。そして、この振動発電装置は、レール上を列車が通過した際に、その列車荷重によりレールと枕木（ザグリ部底部）間に設置された発電素子に荷重を与えて歪ませ、この歪に応じた電力を発生させるように構成されている。

特開平１０−２７１８５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来の振動発電装置においては、発電素子をレールと枕木（ザグリ部底部）との間で挟み込んで発電素子に荷重を与える構成、つまり、枕木等の既存の設備を利用して発電素子に荷重を与える構成であるため、レール等の振動発生源とは別の設備の配置関係により設置場所が制約されてしまう。

本発明は上記課題に着目してなされたもので、設置場所の自由度を向上ことが可能な振動発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る振動発電装置は、歪みに応じた電力を生じる発電素子と、振動発生源の振動に応じて前記発電素子に対する相対変位が可能に配設され、当該変位に応じた荷重を前記発電素子に与える可動部と、を備える構成とする。

本発明に係る振動発電装置によれば、振動発生源が振動すると、該振動に応じて可動部が発電素子に対して相対変位して振動し、その変位に応じた荷重を発電素子に与えて発電することができるため、枕木等の既存の設備を利用することなく発電素子に荷重を与えて発電できる。したがって、発電素子に荷重を与えるために振動発生源とは別の設備を必要としないため、設置場所が制約されず、設置場所の自由度を向上させることができる。

本発明に係る振動発電装置の一実施形態を模式的に示した構成図である。 上記実施形態の振動発電装置の設置例を示す概略図である。 図２のＡ−Ａ矢視断面を示す断面図である。 上記実施形態のより具体的な構成例を示す概略構成図である。 図４のＢ−Ｂ矢視図である。 図４に示す構成例の振動発電装置の振動発生源への取り付け状態を説明するための図である。 図４に示す構成例の変形例を示す部分拡大断面図である。 図７に示す連結要素の上面図である。 図４及び図５に示す構成例の連結要素の変形例を示す図であり、（ａ）は上面図で、（ｂ）は断面図である。 連結要素の別の変形例を示す図であり、（ａ）は上面図で、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。 上記実施形態の別の構成例を示す概略構成図である。

以下、本発明に係る振動発電装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の振動発電装置の一実施形態の構成の断面図を模式的に示す。
図１において、本実施形態の振動発電装置１は、振動入力部２と、発電素子３と、可動部４と、連結要素５とを備え、発電素子３に歪みを生じさせるように構成されている。

前記振動入力部２は、図１に示すように、振動発生源からの振動を受け振動するものであり、振動発生源に固定され該振動発生源の振動を入力する。前記振動入力部２は、その中心軸が振動発生源の振動方向と平行になるように配置され固定されている。後述するように、発電素子３と可動部４の一部（中央突起部４Ｂ２）もそれぞれの中心軸と振動入力部２の中心軸は、略一致するように配置されている。

前記発電素子３は、歪みに応じた電力を生じるものである。発電素子３は、例えば、振動入力部２に固定され、振動入力部２の振動発生源側端面とは反対面に配置される。

前記可動部４は、振動発生源の振動に応じて発電素子３に対する相対変位が可能に配設され、当該変位に応じた荷重を、例えば、図１の矢印Ｃで示すように、発電素子３に与えるものであり、連結要素５を介して振動入力部２と連結される。

可動部４の発電素子３に対する相対変位の方向は、図１に示すように、振動入力部２の振動方向と平行になるように構成される。

また、可動部４は、発電素子３に対して振動入力部２の振動方向に直交する方向上の位置に配設されている。可動部４は、例えば、質量を集中させた集中質量部４Ａと、発電素子３に荷重を与える底部４Ｂと、を備えている。底部４Ｂは、底板４Ｂ１と、該底板４Ｂ１の中心から垂直方向に突出する中央突起部４Ｂ２とからなる。この中央突起部４Ｂ２は、振動入力部２と対向して発電素子３を挟みこむように配置される。

前記連結要素５は、例えば振動入力部２を介して振動発生源と可動部４とを連結し、少なくとも一部に弾性を有するものである。連結要素５は、例えば、図１に示すように、振動入力部２の振動方向と略直交する方向に延伸して配設され、振動入力部２の振動方向に直交する方向上の位置に配設された可動部４を連結する。

次に、本実施形態に係る振動発電装置１の動作について、例えば、振動入力部２を移動体の走行する走行路における走行面と反対面に固定する場合について、図１〜図３を参照して説明する。なお、下記の説明では、移動体は列車であり、走行路はレールとし、振動発電装置１はレール６の下面に取り付ける場合で説明する。

まず、振動発生源への取り付け状態について概略説明する。
図２に示すように、振動発電装置１は、例えば、レール６を固定する枕木７間におけるレール６の下面に設置されている。図２では、振動発電装置１を一つ設置した状況を示しているが、複数個設置してそれぞれを電気接続してユニット化したものとしてもよい。また、振動発電装置１は、図３に示すように、レール６の下面に取付けられている。図示省略するが例えば、振動入力部２をレール６の下部にクランプ具等を利用して締付け固定することで、レール６を加工することなく振動発電装置１を取り付ける。

次に、振動発電装置１の動作について説明する。
まず、列車が走行するとレール６が振動する。そして、振動発生源としてのレール６に取り付けられた振動入力部２に、図１及び図３に示す振動方向の振動が入力される。このとき、少なくとも一部に弾性を有する連結要素５を介して振動入力部２に連結された可動部４（集中質量部４Ａ）は、振動入力部２の振動方向と平行に、発電素子３に対して相対変位し、振動入力部２に対する入力振動周波数とは異なる周波数で振動する。そして、可動部４の集中質量部４Ａが振動すると、底板４Ｂ１の中央突起部４Ｂ２側に、圧縮・引張の内部応力が生じ、これにより、図１及び図３に矢印Ｃで示すように、可動部４（集中質量部４Ａ）の相対変位に応じた荷重を発電素子３に与える。この荷重により発電素子３は歪み、この歪みに応じた電力を発生する。

このように、本実施形態に係る振動発電装置１によれば、振動発生源が振動すると、該振動に応じて可動部４が発電素子３に対して相対変位して振動し、その変位に応じた荷重を発電素子３に与えて発電することができるため、枕木等の既存の設備を利用することなく発電素子３に荷重を与えて発電できる。したがって、発電素子３に荷重を与えるために振動発生源とは別の設備を必要としないため、設置場所が制約されず、設置場所の自由度を向上させることができる。

また、本実施形態に係る振動発電装置１によれば、振動発生源への取り付けの際、枕木等の既存の設備にザグリ部等の加工が不要なため、安全性の低下を招くこともない。さらに、本実施形態に係る振動発電装置１によれば、振動発生源に単に取り付けるだけでよいため、取り付け作業を簡素化することが可能な振動発電装置１を提供することができる。また、専用の枕木を準備する必要もないため、従来の振動発電装置における既存枕木と専用枕木の交換作業等が必要となり取り付け作業のコストを抑制することができる。

そして、本実施形態に係る振動発電装置１によれば、発電素子３に荷重を与える可動部４を、少なくとも一部に弾性を有する連結要素５によって振動入力部２と連結し、可動部４を発電素子に対して積極的に相対変位するようにして振動させる構造としたので発電効率の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、可動部４の発電素子３に対する相対変位の方向は、振動入力部２の振動方向と平行になるように構成したので、発電素子３へ荷重を効率的に加えることができるため、より効率的に発電させることができる。

さらに、本実施形態では、可動部４は、発電素子３に対して振動入力部２の振動方向と略直交する方向上の位置に配設されるように構成したので、連結要素５の可動部４側端部に連結された振動入力部２の振動が継続し易くなるため、さらに、効率的に発電させることができる。なお、本実施形態では、発電素子３は、振動入力部２に固定されているものとしたが、これに限らず、可動部４側に固定されていてもよい。

また、本実施形態においては、移動体の走行する走行路における走行面と反対面に固定する場合の具体例として、移動体は列車であり、走行路をレールとし、レールの下面に配置する振動発電装置１について説明したが、これに限らず、移動体は、例えば、自動車、モノレール、ロープーウェー等であってもよい。いずれの場合においても、それぞれの走行路において走行に支障のない箇所に振動発電装置１を取り付ければよい。例えば、自動車の場合は、橋脚の下面に取り付け、懸垂式のモノレールでレールの上面に走行に支障のない空間が有る場合は、レールの上面に取り付ければよい。また、移動体の走行路に設ける構成に限らず、移動体自体に取り付ける構成であってもよい。例えば、列車、自動車、モノレール等の移動体自体の下面や上面に取り付ければよい。

次に、本発明に係る振動発電装置のより具体的な構成例について、発電素子３として超磁歪素子を用いた場合で説明する。
図４は、図１に示した振動発電装置１のより具体的な構成例の概略断面図である。なお、図１に示した実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を示し、異なる部分について説明する。

図４において、本構成例の振動発電装置１は、図１と同様に、振動入力部２と、発電素子３と、可動部４と、連結要素５とを備えて構成されている。以下に、各構成要素のより具体的な構成を説明する。

振動入力部２は、固定具２Ａと加振部２Ｂとを備えて構成される。固定具２Ａは、振動発生源への取り付け固定用のものであり、図４に示すように、薄板状に形成し中心部から円柱状に突出した突出部を有している。加振部２Ｂは、後述する永久磁石３２と当接し、発電素子３へ振動発生源からの振動を入力する。加振部２Ｂは、概略円柱状に形成され、その中心軸が振動発生源の振動方向と平行になるように配置され固定されている。また、後述するように、発電素子３と可動部４の一部（中央突起部４Ｂ２）もそれぞれ円柱状に形成されており、これら円柱の中心軸と振動入力部２の中心軸は、略一致するように配置されている。加振部２Ｂは、図４に示すように、鍔部を有すると共に一端には雄ネジが形成され固定具２Ａにネジ止め固定さている。また、図４に示すように、この加振部２Ｂの鍔部と固定具２Ａの突出部端面によって、連結要素５を締め付けることにより、連結要素５を振動入力部２に連結させている。

本構成例において、発電素子３は、超磁歪素子である。また、超磁歪素子３の周囲に巻回されたコイル３１と、超磁歪素子３を磁化可能に配設された永久磁石３２とを更に備えて構成されている。超磁歪素子３と永久磁石３２は、例えば、円柱状に形成されている。永久磁石３２は、超磁歪素子３の両端面に配置され、超磁歪素子３と共にカラー３３内に配置されている。コイル３１は、図４に示すように、カラー３３の外周を巻くようにして設けられている。

また、可動部４は、有底筒状であり、その側部が発電素子３を包囲し、底部４Ｂが発電素子に荷重を与えるように形成されている。この有底筒状の可動部４が、図１と同様に、発電素子３に対して振動方向に直交する方向上の位置に配設される。

本構成例において、集中質量部４Ａが、発電素子３を包囲する側部に相当し、例えば、図４に示すように、振動可能に適度な質量を有するように形成され、下側質量部４Ａ１及び上側質量部４Ａ２からなる。また、本構成例では、中央突起部４Ｂ２は、下側質量部４Ａ１及び底板４Ｂ１と分割形成され、例えば、六角頭付きボルトである。下側質量部４Ａ１及び底板４Ｂ１は一体に形成され、有底筒状に形成され、中心部を円柱状に突出させ該円柱外周にカラー３３を外挿して、カラー３３を位置決め可能に形成すると共に、その円柱中心に雌ネジが形成されている。この雌ネジと中央突起部４Ｂ２の雄ネジが螺合する。

また、上側質量部４Ａ２は、下側質量部４Ａ１と分割形成され、下側質量部４Ａ１と共に、コイル３１、永久磁石３２及び超磁歪素子３を包囲するように形成されている。連結要素５と、上側質量部４Ａ２と、下側質量部４Ａ１とは、図示省略のボルト等によって一体固定されている。これにより、上側質量部４Ａ２、下側質量部４Ａ１、底板４Ｂ１及び中央突起部４Ｂ２からなる可動要素４が連結要素５を介して振動入力部２に連結される。そして、六角頭付きボルトである中央突起部４Ｂ２は、超磁歪素子３の下側に配置された永久磁石３２に当接し、加振部２Ｂとで超磁歪素子３を挟み込むように配置されている。このとき、本構成例においては、中央突起部４Ｂ２は単に永久磁石３２に当接している状態であり、磁歪素子３に予荷重を与えていないものとする。

連結要素５は、振動入力部２の振動方向と略直交する方向に延伸するように配設されておいる。具体的には、連結要素５は、例えば、図４及び図５に示すように、振動入力部２の中心軸から複数本（例えば、３本）外側に向かって梁部５１を延伸させると共に、中心部に貫通孔５２を有するように形成されている。梁部５１は、図４に示すように、例えば裏面側の一部を薄く形成させることにより弾性変形し易く形成されている。また、図示省略するが、梁部５１の延出端側は可動部４にネジ止め固定される。

次に、本構成例の振動発電装置１の動作及び取り付け状態について、図４及び図６を参照して説明する。なお、図１の基本構成と同じ動作については説明を簡略化する。

まず、振動発生源への取り付け状態について概略説明する。
図６に示すように、本構成例の振動発電装置１は、保護ボックス１１内に配置されそのボックス内のレール６側天端に固定されている。これにより、砂利等の飛散による破損がないように保護されている。そして、振動発電装置１は、保護ボックス１１をクランプ具１２によってレール６の下面に締付け固定することで、レール６を加工することなく取り付けられている。なお、図６では、振動発電装置１を保護ボックス１１内に一つ配置した状態を示したが、これに限らず、複数個をユニット化して配置してもよい。また、保護ボックス１１を設けなくてもよく、この場合、固定具２Ａをクランプ具等によりレール６の下面に締付け固定すればよい。

次に、振動発電装置１の動作について概略説明する。
振動入力部２に図４に示す振動方向の振動が入力される。このとき、連結要素５の梁部５１を介して振動入力部２に連結された可動部４（下側質量部４Ａ１及び上側質量部４Ａ２）は、振動入力部２の振動方向と平行に、超磁歪素子３に対して相対変位して振動する。そして、下側質量部４Ａ１及び上側質量部４Ａ２からなる側部としての集中質量部４Ａが振動すると中央突起部４Ｂ２に、圧縮・引張の内部応力が生じ、これにより、図４に矢印Ｃで示すように、可動部４（下側質量部４Ａ１及び上側質量部４Ａ２）の相対変位に応じた荷重を超磁歪素子３に与える。超磁歪素子３に荷重が加わると変形し、逆磁歪効果によりコイル３１のコイル軸（超磁歪素子３の中心軸）沿いに磁界が発生し、コイルに誘導起電力が発生し、発電する。

このようにして、発電素子３として超磁歪素子を用いた本構成例においても、設置場所の自由度を向上させることができると共に、取り付けに当って安全性の低下を招くこともない上、容易に取り付けることができ、さらには、発電効率の向上を図ることが可能な振動発電装置を提供することができる。

また、本実施形態では、可動部４は、有底筒状であり、側部（集中質量部４Ａ）が発電素子を包囲し、底部４Ｂが発電素子３に荷重を与えるように形成して構成したので、可動部４の高さ方向の寸法をコンパクトにすることができる。これにより、レール６と路盤（砂利）との間のように、狭い空間に配置可能な振動発電装置１を提供することができる。なお、可動部４は、これに限らず、発電素子３に対して相対変位可能に配設され、当該変位に応じた荷重を発電素子３に与える構成であればよい。

なお、本構成例において、振動入力部２、可動部４及び連結要素５を磁性体で形成することにより、これら自体を、永久磁石３２から超磁歪素子３へ向かう磁束密度を増加させるヨークを兼ねるようにして磁気回路を形成することができる。したがって、磁化効率を向上させるためにヨークを別途設けて磁気回路を形成する必要がないため、発電装置をサイズアップさせることなく磁化効率を向上可能な振動発電装置を提供することができる。また、本構成例においては、振動入力部２、可動部４及び連結要素５がヨークを兼ねるものとして説明したが、これに限らず、少なくとも可動部４がヨークを兼ねればよい。

この場合、連結要素５は、梁部５１の一部を可とう性のある軟磁性体５１Ａで構成してもよい。具体的には、鉄、フェライト、パーマロイ等の粉末を可とう性材料に混合させたものを用いるとよい。例えば、図７及び図８に示すように、連結要素５の各梁部５１の長手方向中間部を、可とう性の軟磁性体５１Ａで形成する。これにより、可動部４をより振動させ易くすることができる。

本構成例において、連結要素５は、図４及び図５に示すように、振動入力部２の中心軸から複数本（例えば、３本）外側に向かって梁部５１を延出させると共に、中心部に貫通孔５２を有するように形成された場合で説明したが、これに限らず、例えば、円盤状に形成したり、梁部５１を中心側からではなく外周側から延出するように形成させたりしてもよい。

円盤状の場合、連結要素５は、例えば、図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、中心部に貫通孔５２を設け、また、中央部の厚みが薄くなるように形成されている。また、この薄く形成された薄板部５１’が、図７及び図８の梁部５１に相当し、この薄板部５１’の一部を、図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、可とう性の軟磁性体５１Ａで形成するとよい。

また、梁部５１を外側から中心側へ延出させる場合、連結要素５は、例えば、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、外形を円状に形成した枠部５５と、この枠部５５から円中心側に向けて延出された複数本（例えば、３本）の梁部５１とを備えて形成されている。この梁部５１は、その厚さが枠部５５より薄くなるように形成されており、円中心部には加振部２Ｂを挿通用の貫通部５２Ａが形成されている。また、この梁部５１の一部を、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、可とう性の軟磁性体５１Ａで形成するとよい。

また、本構成例においては、可動部４は、上側質量部４Ａ２、下側質量部４Ａ１、底板４Ｂ１及び中央突起部４Ｂ２を備えて構成した場合で説明したが、これに限らず、図１１に示すように、下側質量部４Ａ１、底板４Ｂ１及び中央突起部４Ｂ２だけで構成してもよい。この場合、連結要素５は、例えば、下側質量部４Ａ２に直接固定され、また、梁部５１の中心側端部に加振部２Ｂとの連結用のネジ孔（図示省略）が形成されている。そして、加振部２Ｂは、図示省略するが、梁部５１の中心側端部に設けられたネジ孔を利用してボルト止めされている。

また、本構成例において、例えば、六角頭付きボルトとした中央突起部４Ｂ２は、単に永久磁石３２に当接している状態であるとして説明したが、中央突起部４Ｂ２が永久磁石３２に当接した後、連結要素５に予張力がかかるように、更に、中央突起部４Ｂ２をねじ込んで増し締めするとよい。これにより、可動部４を超磁歪素子３に向けて付勢して超磁歪素子３に予荷重を与えることができる。本構成例においては、六角頭付きボルトである中央突起部４Ｂ２と連結要素５が、超磁歪素子に予荷重を与える手段に相当する。このように、振動発電装置の構成部品を利用して超磁歪素子３に予荷重を付加して発電効率を向上させることができる。

また、本構成例においても、図１の実施形態と同様に、連結要素５は、例えば、図１に示すように、振動入力部２の振動方向と略直交する方向に延出するように配設されているので、より効率的に発電させることができる振動発電装置１を提供することができる。

また、本構成例に振動発電装置１についても、自動車、モノレール、ロープーウェー等のいずれの移動体であっても、それぞれの移動体の走行路において走行に支障のない箇所に振動発電装置１を取り付ければよく、また、移動体の走行路に設ける構成に限らず、移動体自体に取り付ける構成であってもよい。

上記の構成例（図４〜図１１）において、発電素子３は超磁歪素子の場合で説明したが、これに限らず、発電素子３は歪みにより発電するものであればよく、例えば、圧電素子であってもよい。この場合、コイル３１や永久磁石３２は不要であり、ヨーク部を設ける必要もない。

なお、上記全ての説明において、可動部４は、少なくとも一部に弾性を有する連結要素５により振動発生源と連結する場合で説明したが、これに限らず、可動部４は、振動発生源の振動に応じて発電素子３に対する相対変位が可能に配設され、この変位に応じた荷重を発電素子に与えるように構成されていればよい。

１ 振動発電装置
３ 発電素子（超磁歪素子）
４ 可動部
５ 連結要素
６ 走行路
３１ コイル
３２ 永久磁石
４Ａ 側部
４Ｂ 底部

Claims (10)

1. 歪みに応じた電力を生じる発電素子と、
   振動発生源の振動に応じて前記発電素子に対する相対変位が可能に配設され、当該変位に応じた荷重を前記発電素子に与える可動部と、
   を備える、振動発電装置。
2. 前記振動発生源と前記可動部とは、少なくとも一部に弾性を有する連結要素により連結する、請求項１に記載の振動発装置。
3. 前記可動部の前記発電素子に対する相対変位の方向は、前記振動発生源の振動方向と平行である、請求項１又は２に記載の振動発電装置。
4. 前記可動部は、前記発電素子に対して前記振動方向に直交する方向上の位置に配設された、請求項１〜３のいずれか１つに記載の振動発電装置。
5. 移動体の走行する走行路における走行面と反対面に固定する、請求項１〜４のいずれか１つに記載の振動発電装置。
6. 前記走行路は、レールである、請求項５に記載の振動発電装置。
7. 前記発電素子は、超磁歪素子である、請求項１〜６のいずれか１つに記載の振動発電装置。
8. 前記可動部は、有底筒状であり、その側部が前記超磁歪素子を包囲し、底部が前記超磁歪素子に前記荷重を与える、請求項７に記載の振動発電装置。
9. 前記超磁歪素子の周囲に巻回されたコイルと、
   前記超磁歪素子を磁化可能に配設された永久磁石と、を更に備え、
   少なくとも前記可動部は、前記永久磁石から前記超磁歪素子へ向かう磁束密度を増加させるヨークを兼ねる、請求項８に記載の振動発電装置。
10. 前記可動部を前記超磁歪素子に向けて付勢して、前記超磁歪素子に予荷重を与える手段を備える、請求項７〜９のいずれか１つに記載の振動発電装置。