JP2016011909A - 振動発電無線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】気象情報を収集する拠点ごとに、電源供給のための配線をなくした上で安定的に電力を供給し、継続的に気象情報の収集・送信を可能とする振動発電無線センサを得る。
【解決手段】永久磁石と、永久磁石の外周に間隔を有して固定配置されるコイルを有し、振動源である構造物に対して設置されることで発電する振動発電機（１０）と、振動発電機により発電された電力により駆動され、あらかじめ設定された周期で起動状態とスリープ状態を繰り返し、起動状態の周期ごとに、外部の気象センサから気象データを収集し、振動発電機により発電されて蓄電されている電力が、収集した気象データを無線送信するために必要な電力を確保できていると判断した場合には、収集した気象データを無線送信する制御回路部（２１、２２）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、自然風、あるいは車両の通過による風圧により生じる振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電磁誘導型の振動発電機を利用し、気象情報の収集、配信を行う振動発電無線センサに関するものである。

さまざまな地域での気象情報をタイムリーに収集し、情報提供することが行われている。このような情報提供に当たっては、電源供給のための配線をなくす工夫がなされている。具体例として、太陽電池や風力発電機により得た電力により、気象情報を測定するもの（例えば、特許文献１参照）、あるいは圧電素子で雨滴落下により発電し、雨量を測定するもの（例えば、特許文献２参照）などがある。

特開平１１−２３７４８３号公報 特開２０１３−７９８２８号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
太陽電池は、電池表面の清掃等のメンテナンスが必要であり、かつ、夜間は発電できないといった問題がある。また、風力発電も、自然風に左右されるため、安定的に電力を得ることが難しい。さらに、圧電素子を利用した雨滴落下による発電も、降雨が少ない期間での電力回収は困難であり、不安定なシステムとなる。

すなわち、従来の気象センサシステムでは、自然風や雨滴によるエネルギーにより気象観測を行うものであったため、安定的に電力を得ることが困難であり、観測の継続性に課題が多い。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、気象情報を収集する拠点ごとに、電源供給のための配線をなくした上で安定的に電力を供給し、継続的に気象情報の収集・送信を可能とする振動発電無線センサを得ることを目的とする。

本発明に係る振動発電無線センサは、円柱あるいは円筒形で構成された永久磁石と、永久磁石の外周に、間隔を有して固定配置されるコイルを有し、振動源である構造物に対して設置されることで、永久磁石が軸方向に振動することによる、永久磁石とコイルとの相対運動によって発電する振動発電機と、振動発電機により発電された電力により駆動され、あらかじめ設定された周期で起動状態とスリープ状態を繰り返し、起動状態の周期ごとに、外部の気象センサから気象データを収集し、振動発電機により発電されて蓄電されている電力が、収集した気象データを無線送信するために必要な電力を確保できていると判断した場合には、収集した気象データを無線送信する制御回路部とを備える。

本発明によれば、道路に存在する既設の構造物に対して、電磁誘導型の振動発電機を設置して蓄電を可能とし、蓄電量に応じて気象情報の収集・送信を行う構成を備えることにより、気象情報を収集する拠点ごとに、電源供給のための配線をなくした上で安定的に電力を供給し、継続的に気象情報の収集・送信を可能とする振動発電無線センサを得ることができる。

本発明の実施の形態１における振動発電無線センサに適用される振動発電機の設置例を示した図である。 本発明の実施の形態１における振動発電無線センサに適用される振動発電機の構造を説明するための概略断面図である。 本発明の実施の形態１の振動発電無線センサが適用される気象センサシステムにおける構造物と振動発電機の振動モデルである。 本発明の実施の形態１における振動発電無線センサに適用される振動発電機の固有振動数に対する発電効率特性を示した図である。 本発明の実施の形態１の振動発電無線センサが適用される気象センサシステムにおける構造物と振動発電機の、重量比および固有振動数比に対する発電効率特性をまとめた図である。 本発明の実施の形態１における振動発電無線センサに適用される振動発電機で最大の発電力を得るための、周波数比と質量比の対応をまとめた図である。 本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムの構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムの別の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１における振動源として用いられる構造物である表示板の、車両通過に伴う振動加速度を示した図である。 本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムに用いられる雨量計の具体的な構成図である。 本発明の実施の形態１における図１０Ａに示した雨量計の回路構成図である。 本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムに用いられる雨量計の具体的な構成図である。 本発明の実施の形態１における図１１Ａに示した雨量計の回路構成図である。 本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムに用いられる風速計の具体的な構成図である。 本発明の実施の形態１における図１２Ａに示した風速計の回路構成図である。 本発明の実施の形態１における振動発電無線センサの構成、および入出力信号を示す図である。 本発明の実施の形態１における図１３Ａに示した振動発電無線センサの回路構成図である。 本発明の実施の形態１における振動発電無線センサの一連動作を説明するためのタイムチャートである。 本発明の実施の形態１における振動発電無線センサの一連動作を説明するためのフローチャートである。

本発明は、システムの電力供給源として、電磁誘導型の振動発電機を利用して気象情報を定期的に収集するとともに、振動発電機による蓄電量が、気象情報の送信に必要な電力量を確保できている場合に、収集した気象情報を無線送信することを技術的特徴とするものである。

そこで、このような技術的特徴を備えた本発明の振動発電無線センサの好適な実施の形態につき、以下に、図面を用いて詳細に説明する。

実施の形態１．
まず始めに、本発明の振動発電無線センサが設置される環境、および安定的な電力供給源となる電磁誘導型の振動発電機の構成について説明する。

導電性コイルの中を通過するように磁石を振動させると、コイルに誘導電流が生じ、起電力が発生する。この原理を利用したものとして、板バネを用いた電磁誘導型の振動発電機がある。このような振動発電機は、外部環境の振動エネルギーに基づいて、電気エネルギーを発生させることが可能である。

さらに、振動発電機を用いることで、電源ケーブルや電池による電源供給を不要とした上で、電気エネルギーを発生できる。このような観点で、経済的な利点または操作上の利点が見込まれる多くの用途で、振動発電機が活用されることが期待される。

そして、一般道や高速道路では、道路上のポイントごとで、雨、風、気温などの気象情報をタイムリーに伝える需要がある。このような用途には、電源ケーブルや電池による電源供給が不要な振動発電機を活用することが考えられる。さらに、設置場所となる振動源としては、道路に設けられた既設の距離標あるいは表示板といった構造物を利用することが考えられる。

図１は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサに適用される振動発電機の設置例を示した図であり、具体的には、道路に設置されている構造物である距離標（キロポスト）に振動発電機が設置された状態を例示している。振動発電機１０は、既設の距離標１の一部分に、ねじ等で固定設置することができる。なお、このような振動板となる構造物としては、距離標に限定されず、表示板なども含まれる。

図２は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサに適用される振動発電機１０の構造を説明するための概略断面図である。図２に示した振動発電機１０は、永久磁石１１、コイル１２、板バネ１３ａ、１３ｂ、ガイド棒１４ａ、１４ｂフレーム１５、一対の端部板１６ａ、１６ｂ、および中板１７を備えて構成されている。

図２においては、円柱あるいは円筒形をした永久磁石（以下磁石）１１の周りを、コイル１２が囲む構成となっている。ここで、コイル１２は、中板１７に固定されている。また、磁石１１は、一端が、ガイド棒１４ａを介して板バネ１３ａにより保持され、他端が、ガイド棒１４ｂを介して板バネ１３ｂにより保持されている。

さらに、板バネ１３ａ、１３ｂ、一対の端部板１６ａ、１６ｂ、中板１７のそれぞれは、フレーム１５に固定接続されている。このような構造を備える結果、コイル１２の中に配置された磁石１１が振動することで、電気エネルギーが発生することとなる。

図３は、本発明の実施の形態１の振動発電無線センサが適用される気象センサシステムにおける構造物と振動発電機の振動モデルである。図３における各符号は、以下の内容を示している。
ｍ：振動発電機の質量
ｋ：振動発電機のバネ定数
ｃ：振動発電機の減衰係数
Ｍ：構造物の質量
Ｋ：構造物のバネ定数
Ｃ：構造物の減衰係数

また、図４は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサに適用される振動発電機の固有振動数に対する発電効率特性を示した図である。より具体的には、図３のモデルを用いて、
ｍ＝０．１ｋｇ
Ｍ＝２ｋｇ
構造物の固有振動数＝１２．６Ｈｚ
とした場合に、振動発電機の固有振動数を１１．５Ｈｚ〜２８．３Ｈｚの間で変化させた際の発電力を求めた特性結果をまとめたものである。

振動発電機の固有振動数は、先の図２に示した構成における板バネ１３ａ、１３ｂのバネ定数と、磁石１１およびガイド棒１４ａ、１４ｂを含めた可動部の質量により決定している。また、振動発電機の減衰係数ｃは、振動発電機の電気的な負荷により変化する。そして、図４の特性を算出するに当たっては、減衰係数ｃを２Ｎｓ／ｍ、３Ｎｓ／ｍ、４Ｎｓ／ｍの３通りに変化させており、具体的には、ｍ＝０．１ｋｇ、磁石１１の直径＝２５ｍｍ、コイル１２の巻数＝１０００回として、電気的な負荷抵抗を変化させている。

図４の結果から、構造物の固有振動数（１２．６Ｈｚ）に対して、振動発電機の固有振動数を、約１．３倍（約１６Ｈｚ）〜約１．８倍（約２３Ｈｚ）とすることで、発電効率が高くなり、０．１Ｗ／Ｎ以上の所望の出力が得られることがわかった。

図５は、本発明の実施の形態１の振動発電無線センサが適用される気象センサシステムにおける構造物と振動発電機の、重量比および固有振動数比に対する発電効率特性をまとめた図である。具体的には、横軸の質量比は、主振動系である構造物の質量を分子、振動発電機の質量を分母とした場合の比率を示しており、０．８５〜２００で変化させている。また、固有振動数比に関しては、構造物の固有振動数を１２．６Ｈｚとし、それに対する振動発電機の固有振動数を以下のような１０通りの条件として、発電力を算出している。
（条件１） 振動発電機の固有振動数＝１１．３Ｈｚ（周波数０．９倍に相当）
（条件２） 振動発電機の固有振動数＝１２．６Ｈｚ（同一周波数に相当）
（条件３） 振動発電機の固有振動数＝１３．９Ｈｚ（周波数１．１倍に相当）
（条件４） 振動発電機の固有振動数＝１５．１Ｈｚ（周波数１．２倍に相当）
（条件５） 振動発電機の固有振動数＝１６．４Ｈｚ（周波数１．３倍に相当）
（条件６） 振動発電機の固有振動数＝１７．６Ｈｚ（周波数１．４倍に相当）
（条件７） 振動発電機の固有振動数＝１８．９Ｈｚ（周波数１．５倍に相当）
（条件８） 振動発電機の固有振動数＝２０．２Ｈｚ（周波数１．６倍に相当）
（条件９） 振動発電機の固有振動数＝２１．４Ｈｚ（周波数１．７倍に相当）
（条件１０）振動発電機の固有振動数＝２２．７Ｈｚ（周波数１．８倍に相当）

先の図１に例示した距離標（キロポスト）形状の構造物は、重量が非常に重い。そこで、質量比を１０倍以上（すなわち、構造物の質量に対して、振動発電機の質量が１／１０以下）と仮定すると、構造物の固有振動数に対して、振動発電機の固有振動数を１．３倍〜１．８倍（条件５〜条件１０に相当）にすることで、０．１２Ｗ／Ｎ以上の発電力が得られていることがわかる。また、仮に、質量比を２０倍とすると、構造物の固有振動数に対して、振動発電機の固有振動数を１．６倍とする条件８において、０．１８Ｗ／Ｎ相当の最大の発電量が得られている。

図６は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサに適用される振動発電機で最大の発電力を得るための、周波数比と質量比の対応をまとめた図である。具体的には、横軸は、条件１〜条件１０の周波数比に対応し、縦軸は、図５の横軸に示した質量比を対数目盛で表したものに相当し、それぞれの周波数比に対して最も発電力が得られた重量比を示したものである。

図６の結果からわかるように、重量比に合わせて適切な周波数比となるように、振動発電機の共振周波数を調整する（すなわち、板バネのバネ定数および可動部の質量を、最適値に選定する）ことで、設置環境や構造物に応じて、所望の発電力を得るための振動発電機を設計することが可能となる。

このように、自然風や車両による風圧によって振動する距離標または表示板状の既設の構造物に対して、設置環境および構造物の条件（質量および固有振動数）に応じて、適切な質量および固有振動数を有する振動発電機を設置することで、既設の構造物を振動源として利用し、振動から所望の電力を回収することができる。

特に、道路に設置されている構造物である距離標や表示板は、重量が非常に重く、付加的に設置する振動発電機との重量比が大きいことが考えられる。このような場合にも、例えば、振動発電機の重量に対して、対象となる構造物の重量が１０倍以上の差があるときにも、振動発電機の固有振動数を構造物の固有振動数の１．３倍〜１．８倍程度とすることで、所望の電力を得ることができる。

次に、このような振動発電機を適用した振動発電無線センサの具体的な構成、動作について、図面を用いて詳細に説明する。図７は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムの構成例を示す図である。図７に示した気象センサシステムは、道路に設置されている表示板２に取り付けられた振動発電無線センサ２０と、気象情報を収集するために振動発電無線センサ２０に接続された雨量計３０および風速計５０を備えて構成されている。

また、図８は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムの別の構成例を示す図である。図８に示した気象センサシステムは、道路に設置されている表示板２に取り付けられた振動発電無線センサ２０と、気象情報を収集するために振動発電無線センサ２０に接続された雨量計４０および風速計５０を備えて構成されている。

一方、図９は、本発明の実施の形態１において、振動源として用いられる構造物である表示板２に振動発電機を取り付けた場合に、車両通過に伴う風圧で得られる振動加速度を示した図である。車両の通過に伴って、局所的に大きな振動加速度が得られており、図９中の「Ａ部」では、大型車が通過したことで、より大きな振動加速度が得られている状態を示している。このような振動エネルギーが、振動発電無線センサ２０内に備えられた振動発電機により、電気エネルギーに変換されることとなる。

図１０Ａは、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムに用いられる雨量計３０の具体的な構成図である。先の図７で示した雨量計３０は、図１０Ａに示すように、圧電素子３１、検出回路３２、および雨量計カバー３３を備えて構成されている。圧電素子３１は、雨滴落下により振動する膜の裏側に取り付けられており、雨滴により起電力を発生することができる。そして、検出回路３２は、圧電素子３１により発生した電圧を雨量として測定し、振動発電無線センサ２０に送信する。

図１０Ｂは、本発明の実施の形態１における図１０Ａに示した雨量計３０の回路構成図である。検出回路３２は、圧電素子で発生した電圧を、ダイオードブリッジ３２ａで全波整流し、コンデンサ３２ｂに充電する。コンデンサ３２ｂに充電された電圧値は、雨量の測定結果として読み取られる。また、昇圧回路３２ｄは、振動発電無線センサ２０からの制御信号に応じて、コンデンサ３２ｂに蓄えられた電圧を放電するとともに、放電された電力を回収する。そして、昇圧回路３２ｄにより回収された回収電力は、振動発電無線センサ２０に送られる。

図１１Ａは、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムに用いられる雨量計４０の具体的な構成図である。先の図８で示した雨量計４０は、図１１Ａに示すように、磁石４１ａを有する転倒升４１、発電コイル４２、および検出回路４３を備えて構成されている。雨滴によって転倒升４１が転倒動作を繰り返すことで、磁石４１ａが移動する。一方、発電コイル４２は、磁石４１ａの揺動部分に設けられており、磁石の移動に伴う起電力を発生する。そして、検出回路４３は、発電コイル４２により発生した電圧を雨量として測定し、振動発電無線センサ２０に送信する。

図１１Ｂは、本発明の実施の形態１における図１１Ａに示した雨量計４０の回路構成図である。検出回路４３は、発電コイル４２で発生した電圧を、ダイオードブリッジ４３ａで全波整流し、コンデンサ４３ｂに充電する。コンデンサ４３ｂに充電された電圧値は、雨量の測定結果として読み取られる。また、昇圧回路４３ｄは、振動発電無線センサ２０からの制御信号に応じて、コンデンサ４３ｂに蓄えられた電圧を放電するとともに、放電された電力を回収する。そして、昇圧回路４３ｄにより回収された回収電力は、振動発電無線センサ２０に送られる。

図１２Ａは、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムに用いられる風速計５０の具体的な構成図である。先の図７、図８で示した風速計５０は、風杯型風速計であり、図１２Ａに示すように、回転軸５１、発電機５２、および検出回路５３を備えて構成されている。発電機５２は、風速に応じて回転軸５１が回転することで、起電力を発生する。そして、検出回路５３は、発電機５２により発生した電圧を風速として測定し、振動発電無線センサ２０に送信する。

図１２Ｂは、本発明の実施の形態１における図１２Ａに示した風速計５０の回路構成図である。検出回路５３は、発電機５２で発生した電圧を、ダイオードブリッジ５３ａで全波整流し、コンデンサ５３ｂに充電する。コンデンサ５３ｂに充電された電圧値は、風速の測定結果として読み取られる。また、昇圧回路５３ｄは、振動発電無線センサ２０からの制御信号に応じて、コンデンサ５３ｂに蓄えられた電圧を放電するとともに、放電された電力を回収する。そして、昇圧回路５３ｄにより回収された回収電力は、振動発電無線センサ２０に送られる。

次に、本実施の形態１における振動発電無線センサ２０の構成、動作について、具体的に説明する。図１３Ａは、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサの構成、および入出力信号を示す図である。図１３Ａに示す振動発電無線センサ２０は、電源回路２１、無線回路２２、およびアンテナ２３とともに、先の図２で説明した振動発電機１０を備えて構成されている。なお、電源回路２１と無線回路２２は、制御回路部として１つにまとめて構成することも可能である。

ここで、振動発電無線センサ２０内の電源回路２１は、雨量計（３０、４０）と風速計５０から、回収電力を取得する。また、振動発電無線センサ２０内の無線回路２２は、雨量計（３０、４０）と風速計５０から測定結果を取得する一方で、雨量計（３０、４０）と風速計５０に制御信号を出力する。さらに、無線回路２２は、温湿度センサ６０から温湿度データを取得できる構成となっている。

図１３Ｂは、本発明の実施の形態１における図１３Ａに示した振動発電無線センサ２０の回路構成図である。電源回路２１は、コイル１２で発生した電圧を、ダイオードブリッジ２１ａで全波整流し、昇圧回路２１ｂで昇圧する。さらに、電源回路２１は、昇圧回路２１ｂで昇圧された電力と、雨量計（３０、４０）と風速計５０から回収された回収電力とを、電力合成回路２１ｃで合成し、無線回路２２に電源供給を行う。

一方、無線回路２２は、マイクロコンピュータ２２ａ（以下、マイコン２２ａと称す）および無線通信部２２ｂを備えて構成されている。マイコン２２ａは、電源回路２１から供給される電力を使用して、あらかじめ設定された時間間隔で起動状態とスリープ状態を繰り返すように動作する。

そして、マイコン２２ａは、起動状態において、温湿度センサ６０から温湿度データを読み取り、雨量計（３０、４０）から雨量データを読み取り、風速計５０から風速データを読み取ることで、気象データの収集を行う。さらに、マイコン２２ａは、気象データの収集を行った後に、各測定器（３０、４０、５０）内の検出回路（３２、４３、５３）に対して制御信号を出力する。

この結果、制御信号を受信した各検出回路（３２、４３、５３）内の昇圧回路（３２ｄ、４３ｄ、５３ｄ）は、コンデンサ（３２ｂ、４３ｂ、５３ｂ）に蓄えられた電圧を放電するとともに、回収し、さらに、回収した回収電力を、振動発電無線センサ２０内の電源回路２１に送る。

次に、本実施の形態１における振動発電無線センサの一連動作について、図１４のタイムチャート、および図１５のフローチャートを用いて、詳細に説明する。図１４は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサの一連動作を説明するためのタイムチャートである。図１４においては、以下の（ａ）〜（ｄ）の４つのデータの時間推移の状態が示されている。
（ａ）振動加速度：車両の通過に伴って表示板２に発生する振動加速度の推移
（ｂ）振動発電による蓄電電圧：表示板２に取り付けられた振動発電機１０により振動エネルギーから電気エネルギーに変換され、蓄電された電圧の推移
（ｃ）雨量計の検出回路の電圧：雨量計（３０、４０）の検出回路（３２、４３）内のコンデンサ（３２ｂ、４３ｂ）に蓄えられている電圧の推移
（ｄ）風速計の検出回路の電圧：風速計（５０）の検出回路（５３）内のコンデンサ（５３ｂ）に蓄えられている電圧の推移

マイコン２２ａは、起動状態において、図１４中のステップＳ１〜ステップＳ６の処理を行うこととなる。まず、ステップＳ１において、マイコン２２ａは、温湿度センサ６０から温湿度データを取得し、この結果、振動発電による蓄電電圧が消費される。

次に、ステップＳ２において、マイコン２２ａは、風速計５０の検出回路５３内のコンデンサ５３ｂに蓄えられた電圧を読み取ることで、風速を測定する。さらに、ステップＳ３において、マイコン２２ａは、風速計５０に対して制御信号を出力することで、コンデンサ５３ｂに蓄えられた風速検出電圧を放電させるとともに、その電力を回収する。

次に、ステップＳ４において、マイコン２２ａは、雨量計（３０、４０）の検出回路（３２、４３）内のコンデンサ（３２ｂ、４３ｂ）に蓄えられた電圧を読み取ることで、雨量を測定する。さらに、ステップＳ５において、マイコン２２ａは、雨量計（３０、４０）に対して制御信号を出力することで、コンデンサ（３２ｂ、４３ｂ）に蓄えられた雨量検出電圧を放電させるとともに、その電力を回収する。

最後に、ステップＳ６において、マイコン２２ａは、振動発電による蓄電電圧として、無線センサによる送信動作が可能な蓄電量を確保できていると判断した場合には、ステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ４で収集した気象データを、無線送信し、この結果、振動発電による蓄電電圧が消費される。以上のような一連動作が、マイコンが起動状態となるタイミングで繰り返し実行されることで、気象データの観測が可能となる。

次に、フローチャートに基づいて、一連動作の流れを説明する。図１５は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサの一連動作を説明するためのフローチャートである。まず始めに、ステップＳ１０１において、振動発電の電力により、マイコン２２ａが起動される。そして、ステップＳ１０２において、マイコン２２ａは、あらかじめ設定されたＮ分間、マイコン２２ａをスリープ状態とし、消費電力を抑制する。

次に、ステップＳ１０３において、マイコン２２ａは、あらかじめ規定された時間間隔であるＮ分が経過した後に起動状態となり、温湿度センサ６０を介して温湿度データを測定する。さらに、ステップＳ１０４において、マイコン２２ａは、温湿度データの測定結果を保存する。

次に、ステップＳ１０５において、マイコン２２ａは、風速計５０の検出回路５３を介して取得した電圧値を風速データに変換する。また、ステップＳ１０６において、マイコン２２ａは、風速データの測定結果を保存する。さらに、ステップＳ１０７において、マイコン２２ａは、風速計５０の検出回路５３に対して制御信号を出力し、蓄電電圧のリセットおよび電力回収を行う。

次に、ステップＳ１０８において、マイコン２２ａは、雨量計（３０、４０）の検出回路（３２、４３）を介して取得した電圧値を雨量データに変換する。また、ステップＳ１０９において、マイコン２２ａは、雨量データの測定結果を保存する。さらに、ステップＳ１１０において、マイコン２２ａは、雨量計（３０、４０）の検出回路（３２、４３）に対して制御信号を出力し、蓄電電圧のリセットおよび電力回収を行う。

次に、ステップＳ１１１において、マイコン２２ａは、無線センサによる気象データの送信動作が可能な蓄電量として、振動発電による蓄電電圧が確保できているか否かを判断する。そして、ステップＳ１１１において、確保できていないと判断した場合には、マイコン２２ａは、今回は気象データの無線送信を行わずに、ステップＳ１０２の処理に戻り、それ以降の動作を繰り返す。

一方、ステップＳ１１１において、確保できていると判断した場合には、ステップＳ１１２に進み、マイコン２２ａは、無線回路２２内の無線通信部２２ｂを起動する。そして、ステップＳ１１３において、マイコン２２ａは、無線通信部２２ｂおよびアンテナ２３を介して、温湿度データ、風速データ、雨量データからなる気象データを、無線送信する。さらに、ステップＳ１１４において、マイコン２２ａは、無線通信部２２ｂをスリープ状態とした後、ステップＳ１０２の処理に戻り、それ以降の動作を繰り返す。

以上のように、実施の形態１によれば、道路に設置されている構造物に振動発電機を設置することで、通過車両により得られる振動エネルギーから電気エネルギーを生成し、振動発電無線センサに必要な電力を得ることができる構成を備えている。そして、あらかじめ規定された時間間隔でマイコンを起動状態として、気象データの収集を行い。さらに、無線送信を行うのに十分な蓄電量が確保できている場合には、収集した気象データを無線送信する機能を有している。

このような構成、機能を備えることで、気象情報を収集する拠点ごとに、電源供給のための配線をなくした上で安定的に電力を供給し、継続的に気象情報の収集・送信を可能とする振動発電無線センサを実現できる。

さらに、気象データの測定用に蓄電された電気エネルギーを、測定結果を読み取った後に電力として回収する構成、機能を備えている。この結果、振動エネルギーから得られた電気エネルギーに加えて、雨や風に基づいて生成された電気エネルギーも無線システムの電源として有効活用することができ、より安定的に電力を供給することが可能となる。

１ 距離標（構造物）、２ 表示板（構造物）、１０ 振動発電機、１１ 永久磁石（磁石）、１２ コイル、１３ａ、１３ｂ 板バネ、１４ａ、１４ｂ ガイド棒、１５ フレーム、１６ａ、１６ｂ 端部板、１７ 中板、２０ 振動発電無線センサ、２１ 電源回路、２１ａ ダイオードブリッジ、２１ｂ 昇圧回路、２１ｃ 電力合成回路、２２ 無線回路、２２ａ マイクロコンピュータ（マイコン）、２２ｂ 無線通信部、２３ アンテナ、３０ 雨量計（気象センサ）、３１ 圧電素子、３２ 検出回路、３２ａ ダイオードブリッジ、３２ｂ コンデンサ、３２ｄ 昇圧回路、３３ 雨量計カバー、４０ 雨量計（気象センサ）、４１ 転倒升、４１ａ 磁石、４２ 発電コイル、４３ 検出回路、４３ａ ダイオードブリッジ、４３ｂ コンデンサ、４３ｄ 昇圧回路、５０ 風速計（気象センサ）、５１ 回転軸、５２ 発電機、５３ 検出回路、５３ａ ダイオードブリッジ、５３ｂ コンデンサ、５３ｄ 昇圧回路、６０ 温湿度センサ（気象センサ）。

本発明に係る振動発電無線センサは、円柱あるいは円筒形で構成された永久磁石と、永久磁石の外周に、間隔を有して固定配置されるコイルを有し、振動源である構造物に対して設置されることで、永久磁石が軸方向に振動することによる、永久磁石とコイルとの相対運動によって発電する振動発電機と、振動発電機により発電された電力により駆動され、あらかじめ設定された周期で起動状態とスリープ状態を繰り返し、起動状態の周期ごとに、外部の気象センサから気象データを収集する第１制御処理と、風速計および雨量計からの電力回収を制御する第２制御処理と、振動発電機により発電されて蓄電されている電力が、収集した気象データを無線送信するために必要な電力を確保できていると判断した場合には、収集した気象データを無線送信する第３制御処理とを実行し、スリープ状態においては第１制御処理、第２制御処理、および第３制御処理を実行せずに消費電力を抑制する制御回路部とを備える。

Claims (2)

1. 円柱あるいは円筒形で構成された永久磁石と、前記永久磁石の外周に、間隔を有して固定配置されるコイルを有し、振動源である構造物に対して設置されることで、前記永久磁石が軸方向に振動することによる、前記永久磁石と前記コイルとの相対運動によって発電する振動発電機と、
   前記振動発電機により発電された電力により駆動され、あらかじめ設定された周期で起動状態とスリープ状態を繰り返し、前記起動状態の周期ごとに、外部の気象センサから気象データを収集するとともに、前記振動発電機により発電されて蓄電されている電力が、収集した前記気象データを無線送信するために必要な電力を確保できていると判断した場合には、収集した前記気象データを無線送信する制御回路部と
   を備える振動発電無線センサ。
2. 請求項１に記載の振動発電無線センサにおいて、
   前記制御回路部は、前記外部の気象センサが、前記気象データに相当する測定値をコンデンサに蓄電するタイプである場合には、前記外部の気象センサから前記気象データを収集した後に、前記外部の気象センサに対して制御信号を出力することで前記コンデンサを放電させるとともに、放電させた電力を回収し、回収した前記電力を、前記振動発電機により発電された電力と合成して電気エネルギーとして蓄電する
   振動発電無線センサ。

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