JP2014174715A - Structure health monitoring system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、環境発電(エナジーハーベスティング)を利用した構造ヘルスモニタリングシステムに関する。 The present invention relates to a structural health monitoring system using energy harvesting.
近年、周囲環境におけるエネルギを電気エネルギに変換する発電素子が、環境発電等の分野で注目されている。このような発電素子は、例えば、周囲環境の振動等により運動エネルギにより電気エネルギを生成する(特許文献1)。
一方、橋梁等の構造物の異常を検知する構造ヘルスモニタリングシステムが提案されている(特許文献2)。
In recent years, power generation elements that convert energy in the surrounding environment into electrical energy have attracted attention in fields such as energy harvesting. Such a power generation element generates electrical energy by kinetic energy, for example, due to vibrations in the surrounding environment (Patent Document 1).
On the other hand, a structural health monitoring system that detects an abnormality of a structure such as a bridge has been proposed (Patent Document 2).
しかしながら、特許文献1に記載の発電素子は、周囲環境の振動を利用するので、多くの振動が見込めない箇所に設置される場合、発電量が低減する。また、特許文献2に記載のシステムは、センサ部の通電が必要であるため、センサ部の設置個所が限定される恐れがある。
本発明は、上記問題点を鑑み、周囲環境による高効率な発電を利用可能な構造ヘルスモニタリングシステムを提供することを目的とする。
However, since the power generation element described in
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a structural health monitoring system that can use highly efficient power generation by the surrounding environment.
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様は、構造物に設置され、物理量を示すデータを計測するセンサ部と、前記センサ部が計測したデータを無線送信する通信部と、周囲の流体の流れにより発電する発電素子を有し、前記発電素子の発電により、前記センサ部及び通信部に電力を供給する電源供給部と、前記センサ部が計測したデータを解析することにより、前記構造物の状態を示す構造物情報を算出するデータ解析部と、前記データ解析部が算出した前記構造物情報を蓄積する蓄積部とを備える構造ヘルスモニタリングシステムであることを要旨とし、前記解析部が算出した前記構造物情報を、ネットワークを介して提供可能であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention includes a sensor unit that is installed in a structure and measures data indicating a physical quantity, a communication unit that wirelessly transmits data measured by the sensor unit, A power supply element that generates power by the flow of fluid, and a power supply unit that supplies power to the sensor unit and the communication unit by power generation of the power generation element, and by analyzing data measured by the sensor unit, The analysis unit includes a data analysis unit that calculates structure information indicating a state of a structure, and a storage unit that stores the structure information calculated by the data analysis unit. The structure information calculated by can be provided via a network.
また、本発明の第1の態様に係る構造ヘルスモニタリングシステムにおいて、前記発電素子は、前記流体の流れにより振動し、振動に応じた電力を出力することができる。 In the structural health monitoring system according to the first aspect of the present invention, the power generating element can vibrate due to the flow of the fluid and can output electric power corresponding to the vibration.
また、本発明の第1の態様に係る構造ヘルスモニタリングシステムにおいて、前記センサ部、前記通信部及び前記電源供給部を備えるモニタリング装置が、前記構造物に複数設置されることができる。 In the structural health monitoring system according to the first aspect of the present invention, a plurality of monitoring devices including the sensor unit, the communication unit, and the power supply unit may be installed in the structure.
また、本発明の第1の態様に係る構造ヘルスモニタリングシステムにおいて、前記モニタリング装置は、トンネルに設置されることができる。 In the structural health monitoring system according to the first aspect of the present invention, the monitoring device can be installed in a tunnel.
また、本発明の第1の態様に係る構造ヘルスモニタリングシステムにおいて、前記データ解析部が算出した構造物情報を監視し、異常の有無を判定する監視部と、前記監視部により異常であると判定された前記構造物について、前記構造物の管理者に異常が生じていることを報知する報知処理部とを更に備えることができる。 Moreover, in the structural health monitoring system according to the first aspect of the present invention, the structure information calculated by the data analysis unit is monitored, and a monitoring unit that determines whether there is an abnormality is determined by the monitoring unit. About the said structure, the alerting | reporting process part which alert | reports that the abnormality has arisen to the administrator of the said structure can further be provided.
また、本発明の第1の態様に係る構造ヘルスモニタリングシステムにおいて、前記発電素子は、枠状の支持部と、前記支持部の内周面に一端側を支持され、周囲の流体の流れにより自励振動するカンチレバー部と、前記カンチレバー部に設けられた圧電変換部とを備え、前記カンチレバー部は、他端側が、前記支持部の厚さ方向において、前記カンチレバー部の一端側からずれるように形成される圧電型発電素子とすることができる。 Further, in the structural health monitoring system according to the first aspect of the present invention, the power generating element is supported at one end side by a frame-shaped support portion and an inner peripheral surface of the support portion, and is automatically generated by a flow of surrounding fluid. A cantilever portion that vibrates and a piezoelectric conversion portion provided in the cantilever portion, wherein the cantilever portion is formed such that the other end side is deviated from one end side of the cantilever portion in the thickness direction of the support portion; The piezoelectric power generation element can be made.
また、本発明の第1の態様に係る構造ヘルスモニタリングシステムにおいて、前記発電素子は、磁石を有する磁石ブロックと、前記磁石ブロックに対向して配置され、コイルを有するコイルブロックと、前記磁石ブロックと前記コイルブロックとのいずれかを保持する可動部と、前記可動部が、前記磁石ブロック及び前記コイルブロックの対向方向に直交する規定方向に振動可能なように、前記可動部を支持する複数の弾性体部と、前記複数の弾性体部を介して前記可動部を支持する支持部とを備える電磁誘導型発電素子とすることができる。 Further, in the structural health monitoring system according to the first aspect of the present invention, the power generating element includes a magnet block having a magnet, a coil block disposed opposite to the magnet block and having a coil, and the magnet block. A movable portion that holds one of the coil blocks, and a plurality of elastic members that support the movable portion so that the movable portion can vibrate in a specified direction orthogonal to the opposing direction of the magnet block and the coil block. It can be set as an electromagnetic induction type electric power generation element provided with a body part and a support part which supports the movable part via a plurality of elastic body parts.
また、本発明の第1の態様に係る構造ヘルスモニタリングシステムにおいて、前記弾性体部は、前記規定方向における剛性が前記規定方向に直交する方向の剛性に比べて小さく、前記規定方向における前記可動部の両側の各々に、複数個ずつ並んで設けられることができる。 Further, in the structural health monitoring system according to the first aspect of the present invention, the elastic body portion is smaller in rigidity in the prescribed direction than in a direction orthogonal to the prescribed direction, and the movable portion in the prescribed direction. A plurality of them can be provided side by side on each of both sides.
本発明によれば、周囲環境による高効率な発電を利用可能な構造ヘルスモニタリングシステムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the structural health monitoring system which can utilize highly efficient electric power generation by the surrounding environment can be provided.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための部材や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the following embodiments exemplify members and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the material, shape, structure, The layout is not specified as follows. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope described in the claims.
(構造ヘルスモニタリングシステム)
本発明の実施の形態に係る構造ヘルスモニタリングシステムは、図1に示すように、構造物Pにそれぞれ設置された複数のモニタリング装置5a,5b,5c,5d,5eと、中継装置65a,65bと、クラウド部6とを備える。構造物Pは、例えば、ビル等の建築物、橋梁、トンネル、鉄道、道路、擁壁、堤防、ダム等である。
(Structural health monitoring system)
As shown in FIG. 1, the structural health monitoring system according to the embodiment of the present invention includes a plurality of
モニタリング装置5a〜5e(以下、総称して「モニタリング装置5」という。)は、種々の物理量を示すデータを計測するセンサ部51と、通信部52と、電源供給部53とを備える。センサ部51は、物理量を示すデータを計測する。モニタリング装置5は、例えば、図2に示すように、トンネルP1,P2の壁面等に複数設置される。モニタリング装置5は、その他、建築物の支柱や壁面、ビルや橋梁のダンパー等に設置可能である。
The
センサ部51は、設置された箇所におけるデータを計測する。センサ部51は、計測したデータを通信部52に出力する。センサ部51は、例えば加速度センサ、変位センサ、傾斜センサ、圧力センサ、歪みセンサ、流量センサ、導電率センサ、温度センサ、湿度センサ等から構成される。
The
通信部52は、センサ部51が出力したデータを入力し、通信可能な範囲に存在する中継装置65a,65b(以下、総称して「中継装置65」という。)に無線送信する。通信部52は、データを計測したセンサ部51を識別する識別子、センサ部51が計測したデータの取得時間等の付加情報を付加して、センサ部51が計測したデータを、中継装置65に送信する。通信部52の無線通信規格としては、例えば、EnOcean(登録商標)を採用することができる。
The
電源供給部53は、周囲の流体の流れにより発電する発電素子1を有し、発電素子1の発電により、センサ部51及び通信部52に電力を供給する。発電素子1が発電に用いる流体は、例えば空気等の気体や、液体である。発電素子1は、モニタリング装置5が設置された個所における振動等により発電するようにしてもよい。
The
中継装置65は、モニタリング装置5の通信部52が送信したデータ及び付加情報を受信し、ネットワークを介したクラウド部6に送信する。中継装置65は、複数のモニタリング装置5から送信されたデータ及び付加情報を受信可能である。中継装置65は、複数のモニタリング装置5から送信されたデータ及び付加情報を記憶する記憶部(図示省略)を有する。
The relay device 65 receives the data and additional information transmitted by the
クラウド部6は、中継装置65が送信したデータ及び付加情報を収集する収集サーバ61と、収集サーバ61が収集したデータ及び付加情報を解析する解析サーバ62と、解析サーバ62により解析された情報を蓄積する蓄積サーバ63とを備える。収集サーバ61は、収集したデータ及び付加情報を記憶する記憶部を有する。クラウド部6は、ソフトウェア及びハードウェア資源を、ネットワークを介して提供可能な、クラウドコンピューティングを用いたサーバ群である。
The
解析サーバ62は、図3に示すように、解析サーバ62が行う処理に必要な演算を行う処理部70と、外部と通信する通信部75とを備える。処理部70は、データ解析部71と、監視部72と、報知処理部73と、応答処理部74とを有する。
As illustrated in FIG. 3, the
データ解析部71は、通信部75を介して、収集サーバ61が収集したデータ及び付加情報を取得する。データ解析部71は、収集サーバ61が収集したデータ及び付加情報を解析することにより、構造物Pの状態を示す構造物情報を算出する。データ解析部71は、センサ部51の識別子と、構造物Pにおけるモニタリング装置5が設置された位置とを関連付け、モニタリング装置5が設置された位置毎に構造物Pの状態を示す構造物情報を算出する。
The
データ解析部71が算出する構造物情報は、収集サーバ61が収集したデータ及び付加情報を含む。構造物情報は、例えば、構造物Pにおけるひび割れ、剥離、剥落、漏水等の有無、構造物Pにかかる荷重、構造物Pの振動数、傾斜、変形、変位、物性等である。構造物情報は、その他、風や水の流量、温度、湿度等の物理量を含む。
The structure information calculated by the
監視部72は、データ解析部71が算出した構造物情報を監視し、異常の有無を判定する。監視部72は、データ解析部71が算出した構造物情報を所定の条件と照合することにより、構造物における安全性、耐久性、使用性を評価する。監視部72は、データ解析部71が算出した構造物情報が所定の条件と合致する場合において、所定の条件と合致すると判定された構造物情報が示す構造物Pの位置について、異常であると判定する。
The
報知処理部73は、監視部72により異常であると判定された構造物Pの位置について、例えば構造物Pの管理者の端末装置66aに、通信部75を介して報知信号を送信することにより、管理者に異常が生じていることを報知する。解析サーバ62は、データ解析部71が算出した構造物情報や、報知処理部73による報知等を、ネットワークを介して、端末装置66a,66b(以下、総称して「端末装置66」という。)に提供可能である。
For example, the
応答処理部74は、端末装置66の要求に応じて、データ解析部71が算出した構造物情報を、通信部75を介して、端末装置66に送信する。応答処理部74は、端末装置66に送信する構造物情報として、端末装置66において表示される表示データを作成する。表示データは、例えば、図4に示すように、構造物Pについて、モニタリング装置5が設置された位置毎の構造物情報である。
The
蓄積サーバ(蓄積部)63は、データ解析部71が算出した構造物情報を蓄積する。蓄積サーバ63は、その他、図5に示すように、収集サーバ61が収集したデータ及び付加情報を、センサ部51の識別子(センサID)と、センサ部51が設置された構造物Pと、構造物Pにおけるセンサ部51が設置された位置とを関連付けして蓄積する。
The accumulation server (accumulation unit) 63 accumulates the structure information calculated by the
−動作例−
以下、図6に示すフローチャートを用いて、本発明の実施の形態に係る構造ヘルスモニタリングシステムの動作の一例を説明する。
-Operation example-
Hereinafter, an example of the operation of the structural health monitoring system according to the embodiment of the present invention will be described using the flowchart shown in FIG.
先ず、ステップS1において、収集サーバ61は、モニタリング装置5から送信されたデータを、中継装置65を介して受信し、解析サーバ62に送信する。解析サーバ62のデータ解析部71は、通信部75を介して、収集サーバ61が収集したデータ及び付加情報を取得する。
First, in step S <b> 1, the
ステップS2において、データ解析部71は、収集サーバ61が収集したデータ及び付加情報を解析することにより、構造物Pの状態を示す構造物情報を算出する。
In step S <b> 2, the
ステップS3において、監視部72は、データ解析部71が算出した構造物情報を監視し、異常の有無を判定する。監視部72が構造物情報について異常と判定する場合はステップS4に進み、異常と判定しない場合はステップS5に進む。
In step S <b> 3, the
ステップS4において、報知処理部73は、異常であると判定された構造物Pの位置について、ネットワークを介して端末装置66に報知する。端末装置66は、報知処理部73の報知に応じて、異常であると判定された構造物Pの位置及び構造物情報の内容を、画像、音声、文字、光等により出力する。
In step S4, the
ステップS5において、応答処理部74は、端末装置66の要求に応じた構造物情報を示す表示データを作成する。ステップS6において、応答処理部74は、作成した表示データを、ネットワークを介して、端末装置66に送信する。
In step S <b> 5, the
(電源供給部)
モニタリング装置5が備える電源供給部53は、例えば、図7に示すように、発電素子1が出力する交流電圧を整流して出力する整流部91と、整流部91の出力電圧を監視する電力監視部92とを更に備える。
(Power supply unit)
The
整流部91は、例えば、全波整流回路や両波倍電圧整流回路等の整流回路、コンデンサ、整流部91の出力をオンオフするスイッチング素子等を用いて構成される。整流部91は、整流された電圧を、センサ部51及び通信部52に出力する。
The
電力監視部92は、整流部91の出力電圧を監視し、出力電圧と予め設定された規定値との比較結果に基づいて、整流部91を、スイッチング素子がオンオフするように制御する。例えば、電力監視部92は、整流部91の出力電圧がセンサ部51または通信部52の駆動に必要な規定値に到達すると、整流部91の出力をオンさせ、規定量よりも低下すると、整流部91の出力をオフさせる。センサ部51及び通信部52は、整流部91から間欠的に電力が供給されることにより、間欠的に駆動される。
The
(発電素子)
以下、本発明の実施の形態に係る構造ヘルスモニタリングシステムが備える発電素子1の一例として、圧電型発電素子1A,1B及び電磁誘導型発電素子1C,1Dについて、図8〜図13を参照して説明する。
(Power generation element)
Hereinafter, as an example of the
−圧電型発電素子−
圧電型発電素子1Aは、図8(a)〜(c)に示すように、矩形枠状の支持部11と、支持部11の4辺のうち1辺の内周面に、一端側を支持された矩形平板状のカンチレバー部12と、カンチレバー部12に設けられた圧電変換部14とを備える。圧電型発電素子1Aは、概略として矩形平板状である。
-Piezoelectric generator-
As shown in FIGS. 8A to 8C, the piezoelectric
支持部11は、内周面において、カンチレバー部12の一端側である基端部122と連結されることにより、カンチレバー部12を振動可能に支持する。カンチレバー部12は、他端側である先端部121が、支持部11の厚さ方向(図8(b),(c)における上下方向)において、カンチレバー部12の基端部122からずれるように形成される。カンチレバー部12は、周囲の流体の流れにより自励振動する。流体は、例えば空気等の気体や、液体である。
The support part 11 is connected to the
支持部11及びカンチレバー部12は、支持部11及びカンチレバー部12の上面側から下面側に貫通する、平面視U字型のスリットである流路15が形成されることにより、一体に形成される。流路15は、例えば、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされたマスクを用いて、誘導結合プラズマ型反応性イオンエッチング(ICP−RIE)等のドライエッチングを行うことにより形成される。カンチレバー部12は、流体が、支持部11の厚さ方向に沿って、支持部11の一面側から他面側に流路15を流れることにより、自励振動する。
The support portion 11 and the
支持部11及びカンチレバー部12は、例えば、SOI(Silicon On Insulator)基板である同一の基板10Aを用いて、微小電気機械システム(MEMS)技術により、微小かつ高精度に、一体に形成可能である。基板10Aは、シリコン(Si)基板101と、シリコン基板101上に形成されたシリコン酸化膜(SiO2)からなる埋込絶縁膜102と、埋込絶縁膜102上に形成されたシリコン(Si)層103とを備える。基板10Aの表面は、例えば、(100)面または(110)面である。
The support unit 11 and the
支持部11は、基板10Aのうち、シリコン基板101と埋込絶縁膜102とシリコン層103とを用いて形成される。カンチレバー部12は、基板10Aのうち、埋込絶縁膜102とシリコン層103とを用いて形成されることにより、支持部11よりも厚さが薄く、可撓性を有する。カンチレバー部12は、例えば、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされたマスクを用いた、ICP−RIE等のドライエッチングにより、基板10Aの下面に空隙部16が形成されることにより、支持部11よりも薄い厚さに形成される。
The support portion 11 is formed using the
支持部11及びカンチレバー部12は、基板10Aの上面に、シリコン酸化膜からなる第1絶縁膜181が形成されている。支持部11は、基板10Aの下面に、シリコン酸化膜からなる第2絶縁膜182が形成されている。第1絶縁膜181及び第2絶縁膜182は、例えば、熱酸化法、化学気相成長(CVD)法等により形成される。
In the support part 11 and the
基板10Aは、SOI基板に限らず、単結晶または多結晶のシリコン基板、酸化マグネシウム(MgO)等の金属酸化物基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板等であってもよい。基板10Aとして、MgO基板、ガラス基板、ポリマー基板等の絶縁性基板を用いる場合、第1絶縁膜181及び第2絶縁膜182は、設けられなくてもよい。また、支持部11の外周及び内周の平面パターン、カンチレバー部12の平面パターンは、矩形状に限らず、例えば、多角形状円形状、楕円形状等であってもよい。
The
圧電変換部14は、図8(d)に示すように、カンチレバー部12上に形成された第1電極層(下部電極層)141と、第1電極層141上に形成された圧電体層142と、圧電体層142上に形成された第2電極層(上部電極層)143とを備える。圧電変換部14は、カンチレバー部12の厚さ方向の一面(上面)に形成される。圧電変換部14は、カンチレバー部12の自励振動によって交流電圧を出力する。
As shown in FIG. 8D, the
カンチレバー部12は、圧電体層142の内部応力によって、先端部121が、支持部11の厚さ方向(カンチレバー部12の厚さ方向)において、基端部122から上方にずらされている。これにより、圧電型発電素子1Aは、構成要素を増加させることなく、流体を利用した発電が可能となる。
The
また、カンチレバー部12は、厚さ方向における一面側に応力制御膜によって、先端部121が、支持部11の厚さ方向において、基端部122から上方にずらされるように構成されてもよい。応力制御膜は、例えばSiO2、Si3N4等により成膜される。圧電型発電素子1Aは、応力制御膜によりカンチレバー部12を変位させる場合、製造工程の条件の自由度が高くなる。
Further, the
第1電極層141は、例えば、厚さが約500nmである。第1電極層141は、例えば、白金(Pt)からなる。第1電極層141の材料は、その他、金(Au)、アルミニウム(Al)、イリジウム(Ir)、銀(Ag)、銅(Cu)等であってもよい。第2電極層143は、例えば、Auからなる。第2電極層143の材料は、その他、モリブデン(Mo)、Al、Pt、Ir、Ag、Cu等であってもよい。
The
圧電体層142は、例えば、厚さが約3000nmである。圧電体層142は、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O3)、PZT−PMN(Pb(Mn,Nb)O3)、他の不純物を添加したPZT等、PZT系の高い圧電特性を示す圧電セラミックスからなる。圧電体層142は、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、ニオブ酸カリウム(KN:KNbO3)、ニオブ酸ナトリウム(NN:NaNbO3)等、ニオブ酸系の圧電セラミックスであってもよい。ニオブ酸系の圧電セラミックスは、その他、ニオブ酸カリウムナトリウム(KNN:K0.5Na0.5NbO3)が挙げられる。例えばKNNは、リチウム(Li)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、アンチモン(Sb),Cu等の他の不純物が添加されてもよい。その他、圧電体層142の材料となる圧電体として、ニッケル酸ランタン(LaNiO3)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)等が上げられる。更に、水晶、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ビスマスゲルマニウムオキサイド(Bi12GeO20)、ランガサイト(La3Ga5SiO14)等も挙げられる。
The
圧電変換部14は、カンチレバー部12の振動に応じて、圧電体層142に応力が生じ、圧電体層142の圧電効果により、第2電極層143と第1電極層141との間に交流電圧が発生する。圧電型発電素子1Aの共振周波数は、カンチレバー部12と圧電変換部14とからなる可動部の構造パラメータ、材料等により決定される。圧電変換部14に生じる電圧は、振動数に対してピーキーな値をとるため、カンチレバー部12及び圧電変換部14の構造パラメータ、材料等を考慮して設計することにより、圧電型発電素子1Aは、発電効率を向上することができる。
In the
圧電変換部14は、平面視矩形状であり、カンチレバー部12の基端部122に近い1辺が、基端部122と平面視において重なるように配置される。このように、圧電変換部14は、基端部122近傍に配置されることにより、カンチレバー部12の振動時に応力が高くなる領域の面積を広くすることができ、発電効率を向上させることができる。
The
圧電型発電素子1Aは、支持部11の上面に、第1電極層141に第1配線部171aを介して電気的に接続された第1パッド172aと、第2電極層143に第2配線部171bを介して電気的に接続された第2パッド172bとを備える。
The piezoelectric
第1配線部171a、第2配線部171b、第1パッド172a及び第2パッド172bは、例えばAuからなる。第1配線部171a、第2配線部171b、第1パッド172a及び第2パッド172bの材料は、Mo、Al、Pt、Ir等であってもよい。また、第1配線部171a、第2配線部171b、第1パッド172a及び第2パッド172bは、単層構造に限らず、多層構造であってもよい。
The
圧電型発電素子1Aは、第2配線部171bと第1電極層141との短絡を防止する絶縁層(図示省略)を備える。第2配線部171bと第1電極層141との間の絶縁層は、例えば、SiO2、シリコン窒化膜(Si3N4)等からなる。
The piezoelectric
また、圧電型発電素子1Aは、基板10Aと第1電極層141との間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層の材料は、圧電体層142の材料に応じて適宜選択できる。例えば、圧電体層142の材料がPZTの場合、緩衝層の材料として、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO3)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La)TiO3)、チタン酸鉛(PbTiO3)等が挙げられる。圧電体層142の材料がPZTの場合の緩衝層の材料は、その他、MgO、ニッケル酸ランタン(LaNiO3)等が挙げられる。また、緩衝層は、例えば、Pt層とSrRuO3層とを含む多層構造であってもよい。圧電型発電素子1Aは、緩衝層を設けることにより、圧電体層142の結晶性を向上させることできる。
The piezoelectric
圧電型発電素子1Aは、流体の流れる方向と支持部11の厚さ方向とが沿うように、上面側が上流側、下面側が下流側となるように配置される。圧電型発電素子1Aは、流体が支持部11の厚さ方向に沿って流路15を流れる際に流体の流速が速くなり、カンチレバー部12の下方の空隙部16の圧力が下がり、カンチレバー部12の先端部121が支持部11に下方に変位する。カンチレバー部12と支持部11とが面一になったところで、カンチレバー部12の両面側における圧力差がなくなり、カンチレバー部12または圧電変換部14の弾性力によりカンチレバー部12の先端部121が元の位置に戻る。圧電型発電素子1Aは、カンチレバー部12がこれらの動作が繰り返して自励振動することにより、圧電変換部14が発電し、第1パッド172a及び第2パッド172bから交流電圧を出力する。
The piezoelectric
圧電型発電素子1Aは、支持部11及びカンチレバー部12の側面が傾斜するように構成されてもよい。圧電型発電素子1Aの変形例である圧電型発電素子1Bは、図9に示すように、支持部11の内側の側面及びカンチレバー部12の側面が、支持部11の厚さ方向における両面側を向くように傾斜する。圧電型発電素子1Bの説明されない他の構成は、圧電型発電素子1Aの構成と実質的に同様であるので重複する説明を省略する。
The piezoelectric
圧電型発電素子1Bの流路15及び空隙部16は、カンチレバー部12の下面がなす平面において最も開口面積が小さくなり、支持部11の厚さ方向における両面側に近づくほど開口面積が大きくなるように形成される。支持部11の内側の側面及びカンチレバー部12の側面は、例えば、流路15及び空隙部16の形成時において、アルカリ系溶液による異方性エッチングを行うことにより傾斜される。
The
流路15及び空隙部16が、支持部11の厚さ方向における両面側に近づくほど開口面積が大きくなるように形成されることにより、圧電型発電素子1Bは、流路15を流れる流体の量を増加させることができる。よって、圧電型発電素子1Bは、カンチレバー部12の厚さ方向における両面側の圧力差が増加して、カンチレバー部12の振幅が大きくなることにより、発電効率を向上させることができる。
By forming the
圧電型発電素子1A,1Bの構成は、上述の例に限らず、例えば、圧電変換部14は、カンチレバー部12の表面に複数配置され、互いに直列に接続されるようにしてもよい。複数の圧電変換部14の直列回路の一端、他端は、それぞれ第1パッド172b、第2パッド172aに電気的に接続される。この場合、例えば、圧電変換部14は、カンチレバー部12の幅方向(図8(a)における上下方向)に沿う方向の寸法を小さくし、カンチレバー部12の表面に幅方向に複数配列されればよい。
The configuration of the piezoelectric
また、圧電型発電素子1A,1Bは、カンチレバー部12が、圧電体を用いて形成され、振動に応じて発電するように構成されてもよい。この場合、カンチレバー部12は、第1電極層141と、圧電体層142と、第2電極層143とが積層されたバルク状の平板である。圧電体を用いて形成されたカンチレバー部12は、例えば、矩形枠状の支持部11の上面に、下面に対して傾斜する上面を有する設置台を介して設置されればよい。
The piezoelectric
電源供給部53は、図10(a),(b)に示すように、圧電型発電素子1Aの流路15に流れる流体を導入する導入部58と、圧電型発電素子1Aの空隙部16から流れる流体を排出する排出部59とを備えるようにしてもよい。導入部58及び排出部59は、圧電型発電素子1Aを収容するように構成され、支持部11の厚さ方向における両面側に形成される。導入部58は支持部11の上面に接するように設置され、排出部59は、支持部11の下面に接するように形成される。導入部58は、流体の上流側から下流側に貫通する導入口を有し、排出部59は、流体の上流側から下流側に貫通する排出口を有する。導入部58の導入口及び排出部59の排出口は、圧電型発電素子1Aから離れるほど開口面積が大きくなるように形成される。
As shown in FIGS. 10A and 10B, the
導入部58及び排出部59は、圧電型発電素子1Aの流路15を流れる流体の量を増加させることができる流量増大部として機能する。よって、圧電型発電素子1Aは、カンチレバー部12の厚さ方向における両面側の圧力差が増加して、カンチレバー部12の振幅が大きくなることにより発電効率を向上させることができる。また、導入部58及び排出部59は、圧電型発電素子1Aを保護できるとともに、圧電型発電素子1Aの取り扱いを容易にすることができる。
The
−電磁誘導型発電素子−
電磁誘導型発電素子1Cは、図11(a),(b)及び図12に示すように、複数の磁石24を有する磁石ブロック2と、複数のコイル41を有し、磁石ブロック2に対向して配置されたコイルブロック4とを備える。電磁誘導型発電素子1Cは、磁石ブロック2及びコイルブロック4が、磁石ブロック2及びコイルブロック4の対向方向に直交する規定方向において相対的に変位することで生じる電磁誘導により発電する。磁石ブロック2及びコイルブロック4の対向方向は、図11(a)における上下方向であり、規定方向は、図11(b)における左右方向である。
-Electromagnetic induction type power generation element-
As shown in FIGS. 11A, 11 </ b> B, and 12, the electromagnetic induction
電磁誘導型発電素子1Cは、磁石ブロック2を保持する可動部25と、可動部25が規定方向に振動可能なように、可動部25を支持する複数の弾性体部22と、弾性体部22を介して可動部25を支持する支持部21とを備える。電磁誘導型発電素子1Cは、概略として矩形平板状である。可動部25が規定方向に振動することにより、磁石ブロック2及びコイルブロック4は相対的に変位する。電磁誘導型発電素子1Cは、例えば、流体の流れ等による可動部25の振動に応じて発電する。
The electromagnetic induction
弾性体部22は、規定方向における可動部25の両端側に、それぞれ複数個ずつ並んで設けられるばねである。弾性体部22は、例えば、平面視において、規定方向に蛇行するように互い違いに屈曲する。弾性体部22は、屈曲パターンが丸みを有することにより、弾性体部22のクラックの発生が低減される。弾性体部22は、それぞれ、規定方向における剛性が規定方向に直交する方向の動性に比べて小さい。
The
弾性体部22は、例えば、Si、SUS304等のステンレス、鋼、Cu、真鍮やベリリウム銅(BeCu)等のCu合金、チタン(Ti)合金、Al合金等からなる。電磁誘導型発電素子1Cは、弾性体部22がSiから形成される場合、金属から形成される場合に比べて弾性体部22での振動減衰に起因した運動エネルギの損失を低減でき、発電効率を向上できる。
The
弾性体部22は、例えば、約10〜300nmの幅及び約40〜1200nmの周期(ピッチ)をそれぞれ有して形成される。弾性体部22の幅及びピッチを小さくすることにより、弾性体部22の周囲のデッドスペースを小さくすることができ、弾性体部22は、歪みエネルギとして蓄えられるエネルギ量が増加する。これにより、電磁誘導型発電素子1Cは、小型化が可能となる。
For example, the
電磁誘導型発電素子1Cは、弾性体部22により、可動部25の振動方向を規定方向に単方向化し、規定方向と直交する方向への振動を低減できる。よって、電磁誘導型発電素子1Cは、不要な振動成分の発生を低減でき、発電効率を向上することができる。また、電磁誘導型発電素子1Cは、個々の弾性体部22に生じる応力を低減でき、耐久性を向上できる。なお、図11及び図12に示す例では、弾性体部22は、可動部25の両端側にそれぞれ5個ずつ、計10個設けられる構成を説明したが、弾性体部22の数は特に5個ずつに限定するものではない。
The electromagnetic induction
支持部21は、概略として矩形枠状であり、内側の側面に囲まれた領域に可動部25及び弾性体部22が配置される。支持部21は、内側の側面のうち、可動部25の規定方向における両端側において、弾性体部22のそれぞれ一端側を連結する。弾性体部22の他端側は、可動部25の規定方向における両端側にそれぞれ連結する。
The
可動部25は、概略として、平面視、外周が八角形、内周が矩形の枠状である。磁石ブロック2は、可動部25の内側の側面に囲まれた空隙である保持部23に保持される。可動部25は、振動しない定常状態において支持部21から離れるように配置される。可動部25の外周形状は、八角形に限らず、矩形、円形、多角形等であってもよい。
The
可動部25は、平面視において規定方向に直交する方向の両端側に、それぞれ外側に突出する2つの突出部26が設けられる。突出部26は、それぞれ平面視矩形状に形成されている。また、支持部21は、内側の側面のうち、平面視において規定方向に直交する方向の両端側に、それぞれ、突出部26が規定方向に変位可能なように形成された切欠部201を有する。
The
支持部21は、可動部25の規定方向への変位量を所定の範囲に制限するテーパ状のストッパ部202を有する。ストッパ部202は、支持部21の内側の側面のうち、平面視において規定方向に対して傾斜する面である。可動部25は、変位時にストッパ部202に接触することにより、可動部25の規定方向への変位量を所定の範囲に制限するテーパ状の傾斜面27を有する。傾斜面27は、可動部25の外側の側面のうち、平面視において規定方向に対して傾斜し、ストッパ部202と略平行な面である。
The
電磁誘導型発電素子1Cは、ストッパ部202及び傾斜面27により、可動部25の規定方向と異なる方向への変位を所定の範囲に制限することができる。よって、電磁誘導型発電素子1Cは、出力電力のばらつきを低減でき、また、弾性体部22に規定方向と異なる方向の力が作用することを低減できるため、信頼性を向上できる。
The electromagnetic induction
磁石ブロック2は、それぞれ平面視、規定方向と直交する方向を長手方向とする長方形平板状である複数の磁石24が、幅方向と規定方向とが一致するように、規定方向に配列されることにより構成される。磁石ブロック2は、矩形平板状であり、図示を省略した接合部により保持部23に固定される。接合部は、例えば、接着剤、ねじ等の他、磁石ブロック2と保持部23との間隙に圧入可能な弾性材料等を採用可能である。
In the
磁石24は、例えば、ネオジム(NdFeB)、サマリウムコバルト(SmCo)、アルニコ(Al−Ni−Co)、フェライト等の永久磁石からなる。磁石24は、例えば、磁性材料を切削、研磨などで整形加工した後、パルス着磁法などによって着磁することにより、形成される。磁石24は、厚さ方向の一面側がN極、他面側がS極となるように着磁されている。
The
磁石ブロック2は、磁石ブロック2の厚さ方向の両面側それぞれで、規定方向においてN極とS極とが交互となるように、複数の磁石24が配列されることにより構成される。すなわち、磁石ブロック2は、規定方向において隣り合う2つの磁石24について、磁化の向きが逆向きとなっている。磁石ブロック2は、複数の磁石24が1次元のアレイ状に配置される構成に限らず、例えば、2次元のアレイ状に配置された構成であってもよい。
The
支持部21、弾性体部22及び可動部25は、例えば、同一の基板20を用いて、MEMS技術により、微小かつ高精度に、一体に形成可能である。支持部21、弾性体部22及び可動部25は、例えば、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされたマスクを用いて、ICP−RIE等のドライエッチングを行うことにより形成される。 弾性体部22及び可動部25の厚さは、支持部21の厚さと同じであるが、この構成に限らず、所望の可動部25の質量、弾性体部22の弾性等に基づいて、適宜変更されてよい。
The
基板20は、例えば、磁力線に対して低減衰あり、高抵抗率で電気絶縁性を有するSi基板等の絶縁性基板からなる。基板20は、その他、SOI基板等であってもよい。また、支持部21、弾性体部22及び可動部25は、基板20の材料や抵抗率に応じて、適宜、絶縁膜を設けてもよい。
The
電磁誘導型発電素子1Cは、支持部21の厚さ方向の一面側に配置される第1キャップ31と、支持部21の厚さ方向の他面側に配置される第2キャップ32とを備える。第1キャップ31及び第2キャップ32は、それぞれ、コイルブロック4を保持する。その他、電磁誘導型発電素子1Cは、第1キャップ31と支持部21との間に配置された枠状の第1スペーサ35と、第2キャップ32と支持部21との間に配置された枠状の第2スペーサ36とを備えている。
The electromagnetic induction
平面視、第1キャップ31及び第2キャップ32の外周形状は、支持部21の外周形状と一致する。第1キャップ31及び第2キャップ32は、支持部21の切欠部201それぞれの投影領域に、矩形状の貫通孔311,321がそれぞれ形成される。
The outer peripheral shape of the
第1キャップ31及び第2キャップ32は、例えば、エンジニアリングプラスチック(例えばポリカーボネート)等の樹脂、セラミックス、Si等から形成される。第1キャップ31及び第2キャップ32がSiからなる場合、表面活性化接合法、共晶接合法、樹脂接合法等により、第1スペーサ35及び第2スペーサ36にそれぞれ接合される。第1キャップ31及び第2キャップ32は、それぞれ、可動部25及び弾性体部22等の構造に応じて、第1スペーサ35及び第2スペーサ36を介さず、直接支持部21に固定されてもよい。
The
第1スペーサ35及び第2スペーサ36の平面パターンは、支持部21の平面パターンと一致する。第1スペーサ35及び第2スペーサ36は、例えば、エンジニアリングプラスチック(例えばポリカーボネート)等の樹脂、セラミックス、Si等から形成される。第1スペーサ35及び第2スペーサ36がSiからなる場合、表面活性化接合法、共晶接合法、樹脂接合法等により、支持部21の厚さ方向の両面側にそれぞれ接合される。
The plane pattern of the
電磁誘導型発電素子1Cは、第1キャップ31と支持部21との間に配置された枠状の第1スペーサ35及び第2スペーサ36を備えることにより、コイルブロック4と磁石ブロック2との間のギャップ長を容易に決定することができる。よって、電磁誘導型発電素子1Cは、コイルブロック4と磁石ブロック2との間のギャップを狭くしつつ、コイルブロック4と磁石ブロック2との接触を低減することができる。電磁誘導型発電素子1Cは、コイルブロック4と磁石ブロック2との間のギャップを狭くすることにより、磁束の利用効率を向上でき、発電効率を向上できる。
The electromagnetic induction type
図11及び図12に示す例では、第1キャップ31、第1スペーサ35、支持部21、第2スペーサ36及び第2キャップ32は、それぞれ四隅に、固定用のねじを挿通可能な貫通孔21a、35a、11a、46a及び31aがそれぞれ形成される。
In the example shown in FIGS. 11 and 12, the
第1キャップ31、第1スペーサ35、支持部21、第2スペーサ36及び第2キャップ32とは、複数個のねじにより互いに固定されてもよく、接着剤により互いに固定されてもよく、或いは、ねじ及び接着剤により互いに固定されてもよい。また、第1キャップ31、第1スペーサ35、支持部21、第2スペーサ36及び第2キャップ32は、相互に嵌合可能な構造が嵌合することにより、互いに固定されるようにしてもよい。
The
電磁誘導型発電素子1Cは、適宜の冶具を貫通孔311,321に通して、突出部26に外力を与えることにより、可動部25を規定方向へ変位させることが可能となっている。突出部26を変位させた後に冶具を引き抜けば、可動部25は規定方向に振動することができる。この場合、電磁誘導型発電素子1Cは、カンチレバー部12の減衰振動に応じた交流電圧を発生する。
The electromagnetic induction
コイルブロック4は、隣り合うコイル41同士が、導電性接合材により接合されて電気的に接続されている。導電性接合材は、例えば、半田や銀ペースト等からなる。隣り合うコイル41同士は、それぞれ互いに逆巻き方向となるように直列接続されている。また、第1キャップ31及び第2キャップ32には、コイルブロック4の両端のコイル41それぞれにおいて、隣り合うコイル41に接続されていない側の線端部が電気的に接続される電極(図示省略)が設けられている。コイル41に接続された電極間には、可動部25の振動時において、誘導電流がコイル41を流れることにより、電力が出力される。
In the
コイルブロック4のコイル41は、コイル41の芯となる芯材42をそれぞれ備える。コイル41は、芯材42を備えない空芯コイルであってもよい。或いは、コイル41は、第1キャップ31及び第2キャップ32それぞれに設けられた複数のリブを芯として、各リブに位置決めされるようにしてもよい。
The
また、コイル41は、例えば、第1キャップ31及び第2キャップ32それぞれに形成された平面コイルであってもよい。平面コイルは、例えば、Cu、Au、Ag等から形成可能である。また、平面コイルは、パーマロイ、コバルト基アモルファス合金、フェライト等から形成されてもよい。平面コイルは、蒸着法、スパッタ法などの薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術等により形成可能である。
Further, the
電磁誘導型発電素子1Cは、第1キャップ31及び第2キャップ32に、コイルブロック4が保持されることにより、第1キャップ31及び第2キャップ32の一方のみにコイルブロック4が保持される場合に比べて、発電効率を向上できる。また、電磁誘導型発電素子1Cは、第1キャップ31に保持されたコイルブロック4のコイル41の直列回路と、第2キャップ32に保持されたコイルブロック4のコイル41の直列回路とを直列接続することにより、出力電力を高めることができる。
In the electromagnetic induction
電磁誘導型発電素子1Cは、可動部25の規定方向への振動時、コイルブロック4が、磁石ブロック2に対して相対的に変位し、交流の誘導起電力を発生する。電磁誘導型発電素子1Cの開放電圧は、カンチレバー部12の振動に応じた交流電圧である。
In the electromagnetic induction
電磁誘導型発電素子1Cは、電磁誘導型発電素子1Cの共振周波数が、構造物の固有振動数に一致するように設計されることにより、流体の流れによる振動の他、構造物の振動を利用して発電させることもできる。電磁誘導型発電素子1Cが利用可能な振動は、その他、稼動中の機器で発生する振動、車両の走行によって発生する振動、人の歩行によって発生する振動等であってもよい。 The electromagnetic induction power generation element 1C is designed so that the resonance frequency of the electromagnetic induction power generation element 1C matches the natural frequency of the structure, thereby utilizing vibrations of the structure in addition to vibrations caused by the flow of the fluid. Can be generated. Other vibrations that can be used by the electromagnetic induction power generating element 1C may be vibrations that occur in an operating device, vibrations that occur when a vehicle travels, vibrations that occur when a person walks, and the like.
電磁誘導型発電素子1Cは、可動部25が磁石ブロック2を保持し、第1キャップ31および第2キャップ32がコイルブロック4を保持するが、逆の構成であってもよい。すなわち、電磁誘導型発電素子1Cは、可動部25がコイルブロック4を保持し、第1キャップ31及び第2キャップ32の少なくとも一方が磁石ブロック2を保持する構成であってもよい。また、弾性体部22は、ゴムや樹脂などにより形成してもよい。
In the electromagnetic induction
電磁誘導型発電素子1Cは、可動部25の変位方向を規定方向に制限する機構を備えるようにしてもよい。電磁誘導型発電素子1Cの変形例である電磁誘導型発電素子1Dは、図13に示すように、可動部25を規定方向に沿って変位させるための入力機構8を備える。電磁誘導型発電素子1Dの説明されない他の構成は、電磁誘導型発電素子1Cの構成と実質的に同様であるので重複する説明を省略する。
The electromagnetic induction
電磁誘導型発電素子1Dは、可動部25に接続された第1磁性材料部29と、入力機構8に接続された第2磁性材料部85とを備え、第1磁性材料部29と第2磁性材料部85との間に発生する磁力により可動部25を変位可能である。
The electromagnetic induction
第1磁性材料部29は、第1磁性体により構成される。第1磁性体は、例えば、鉄−コバルト合金、電磁軟鉄、電磁ステンレス、パーマロイ等である。第1磁性材料部29は、第1磁石により構成されてもよい。第1磁石は、例えば、ネオジム(NdFeB)、サマリウムコバルト(SmCo)、アルニコ(Al−Ni−Co)、フェライト等である。
The first
第2磁性材料部85は第2磁石より構成される。第2磁石は、例えば、NdFeB、SmCo、Al−Ni−Co、フェライト等である。第2磁性材料部85は、第2磁性体より構成されてもよい。第2磁性体は、例えば、鉄−コバルト合金、電磁軟鉄、電磁ステンレス、パーマロイ等である。
The second
第1磁性材料部29と第2磁性材料部85との間に発生する磁力の方向は、吸引する方向であるが、これに限らず、反発する方向でもよい。例えば、第1磁性材料部29が第1磁石、第2磁性材料部85が第2磁石により構成される場合、同極同士が対向するように第1磁石及び第2磁石を配置すれば、第1磁性材料部29と第2磁性材料部85との間に発生する磁力の方向は、反発する方向となる。
The direction of the magnetic force generated between the first
電磁誘導型発電素子1Dの可動部25は、可動部25の外側の側面から規定方向に沿って突出する突出部28を備えている。突出部28の先端面には、第1磁性材料部29が接着剤等により接続される。突出部28は、平面視、規定方向を長手方向とする長方形状である。第1磁性材料部29は、平面視矩形状である。
The
電磁誘導型発電素子1Dは、支持部21が、平面視、突出部28の領域を開放したC字型形状である。可動部25は、可動部25は、支持部21の内側に支持部21の内側の側面から離れて配置される。弾性体部22は、規定方向における可動部25の両側に配置される。
In the electromagnetic induction
電磁誘導型発電素子1Dの可動部25、突出部28、支持部21及び各弾性体部22は、例えば、同一の基板20を用いて、MEMS技術により、微小かつ高精度に、一体に形成可能である。
The
電磁誘導型発電素子1Dは、実装基板80に実装される。実装基板80としては、例えば、プリント配線板などの回路基板を採用することができる。入力機構8は、実装基板80に固定される。これにより、実装基板80は、電磁誘導型発電素子1Dと入力機構8との相対的な位置関係を規定する。
The electromagnetic induction
入力機構8は、実装基板80に固定される円柱状の回動軸81と、回動軸81に回動自在に保持された回動部82と、回動部82から突出する操作部83と、回動部82から操作部83とは反対側に突出する突出部84とを備えている。操作部83は、例えば、ユーザが指等で操作可能な大きさに形成される。操作部83、回動部82及び突出部84は、例えば、樹脂により形成することができる。突出部84は、先端面に、平面視矩形状の第2磁性材料部85が接着剤等により接続される。
The
入力機構8は、操作部83と突出部84と第2磁性材料部85とが一直線上に配置されており、操作部83と突出部84と第2磁性材料部85とを結ぶ直線が規定方向と略直交するように配置されている。入力機構8は、回動部82が初期位置から回転した場合において、回動部82が初期位置に戻る方向に、回動部82に力を作用させる復帰ばね(図示省略)を備える。
In the
電磁誘導型発電素子1Dは、操作部83を初期位置から第1所定角(例えば、5°)回転させた時、可動部25の傾斜面27がストッパ部202に接触するように、弾性体部22のばね力を設計してある。電磁誘導型発電素子1Dは、操作部83を初期位置から第2所定角(例えば、10°)だけ回動させた時、弾性体部22のばね力が第1磁性材料部29と第2磁性材料部85との間の磁力よりも大きくなるように、弾性体部22のばね力を設計してある。
The electromagnetic induction
電磁誘導型発電素子1Dは、入力機構8へ外力を適宜与えることで可動部25を変位させて作動させることができる。また、電磁誘導型発電素子1Dは、規定方向とは異なる方向の力が可動部25に作用することを低減することができ、発電効率及び信頼性を向上できる。
The electromagnetic induction
本発明の実施の形態に係る構造ヘルスモニタリングシステムによれば、発電素子1が周囲の流体の流れにより発電するので、周囲の振動により発電する場合と比べて発電効率を向上できる。また、本発明の実施の形態に係る構造ヘルスモニタリングシステムによれば、センサ部51及び通信部52が、発電素子1から電源を供給されるので、モニタリング装置5の設置個所に対する自由度を向上できる。
According to the structural health monitoring system according to the embodiment of the present invention, since the
また、本発明の実施の形態に係る構造ヘルスモニタリングシステムによれば、モニタリング装置5が、設置個所に対する自由度が高いので、施工が容易である。更に、風や渦が励起される構造物Pの位置にモニタリング装置5を設置すれば、発電素子1の発電効率を更に向上できる。また、発電素子1の共振周波数と、発電素子1が設置される構造物Pの位置における固有振動数とが一致するように発電素子1を設計することにより、更に、発電素子1の発電効率を向上できる。
Moreover, according to the structural health monitoring system which concerns on embodiment of this invention, since the
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As mentioned above, although this invention was described by embodiment, it should not be understood that the description and drawing which form a part of this indication limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
例えば、既に述べた実施の形態の説明において、センサ部51、通信部52及び電源供給部53は、モニタリング装置5として一体に構成される必要はなく、別個に構造物Pに設置され、互いに接続されるようにしてもよい。
また、既に述べた実施の形態の説明において、構造ヘルスモニタリングシステムは、構造物Pとして、地面、岩盤、河川等の状態を検出するようにしてもよい。
For example, in the description of the embodiment already described, the
Moreover, in the description of the embodiment already described, the structural health monitoring system may detect the state of the ground, rock, river, etc. as the structure P.
上記の他、上述の実施の形態及び変形例を応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 In addition to the above, the present invention includes various embodiments and the like not described herein, such as configurations to which the above-described embodiments and modifications are applied. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
1 発電素子
1A,1B 圧電型発電素子
1C,1D 電磁誘導型発電素子
2 磁石ブロック
4 コイルブロック
5a,5b,5c,5d,5e モニタリング装置
11 支持部
12 カンチレバー部
14 圧電変換部
21 支持部
24 磁石
25 可動部
41 コイル
51 センサ部
52 通信部
53 電源供給部
63 蓄積サーバ(蓄積部)
71 データ解析部
72 監視部
73 報知処理部
DESCRIPTION OF
71
Claims (8)
前記センサ部が計測したデータを無線送信する通信部と、
周囲の流体の流れにより発電する発電素子を有し、前記発電素子の発電により、前記センサ部及び通信部に電力を供給する電源供給部と、
前記センサ部が計測したデータを解析することにより、前記構造物の状態を示す構造物情報を算出するデータ解析部と、
前記データ解析部が算出した前記構造物情報を蓄積する蓄積部と
を備え、
前記データ解析部が算出した前記構造物情報を、ネットワークを介して提供可能であることを特徴とする構造ヘルスモニタリングシステム。 A sensor unit that is installed in a structure and measures data indicating physical quantities;
A communication unit that wirelessly transmits data measured by the sensor unit;
A power supply unit that generates power by the flow of surrounding fluid, and supplies power to the sensor unit and the communication unit by power generation of the power generation element;
A data analysis unit that calculates structure information indicating a state of the structure by analyzing data measured by the sensor unit;
A storage unit for storing the structure information calculated by the data analysis unit;
A structural health monitoring system characterized in that the structure information calculated by the data analysis unit can be provided via a network.
前記監視部により異常であると判定された前記構造物について、前記構造物の管理者に異常が生じていることを報知する報知処理部と
を更に備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の構造ヘルスモニタリングシステム。 A monitoring unit that monitors the structure information calculated by the data analysis unit and determines whether there is an abnormality;
The information processing unit according to claim 1, further comprising: a notification processing unit configured to notify a manager of the structure that an abnormality has occurred with respect to the structure determined to be abnormal by the monitoring unit. The structural health monitoring system according to any one of the preceding claims.
枠状の支持部と、
前記支持部の内周面に一端側を支持され、周囲の流体の流れにより自励振動するカンチレバー部と、
前記カンチレバー部に設けられた圧電変換部と
を備え、
前記カンチレバー部は、他端側が、前記支持部の厚さ方向において、前記カンチレバー部の一端側からずれるように形成される圧電型発電素子であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の構造ヘルスモニタリングシステム。 The power generating element is:
A frame-shaped support,
A cantilever part that is supported at one end on the inner peripheral surface of the support part and vibrates by the flow of surrounding fluid;
A piezoelectric transducer provided in the cantilever part,
6. The piezoelectric power generating element according to claim 1, wherein the cantilever part is a piezoelectric power generating element formed such that the other end side is displaced from one end side of the cantilever part in the thickness direction of the support part. The structural health monitoring system according to item 1.
磁石を有する磁石ブロックと、
前記磁石ブロックに対向して配置され、コイルを有するコイルブロックと、
前記磁石ブロックと前記コイルブロックとのいずれかを保持する可動部と、
前記可動部が、前記磁石ブロック及び前記コイルブロックの対向方向に直交する規定方向に振動可能なように、前記可動部を支持する複数の弾性体部と、
前記複数の弾性体部を介して前記可動部を支持する支持部と
を備える電磁誘導型発電素子であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の構造ヘルスモニタリングシステム。 The power generating element is:
A magnet block having magnets;
A coil block disposed opposite to the magnet block and having a coil;
A movable part that holds either the magnet block or the coil block;
A plurality of elastic body portions that support the movable portion so that the movable portion can vibrate in a specified direction orthogonal to the opposing direction of the magnet block and the coil block;
The structural health monitoring system according to any one of claims 1 to 5, wherein the structural health monitoring system is an electromagnetic induction power generating element including a support portion that supports the movable portion via the plurality of elastic body portions.
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-
2013
- 2013-03-08 JP JP2013046398A patent/JP2014174715A/en active Pending
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