JP2018074639A - 振動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】揺動運動を利用して発電するように構成された振動発電装置において、入力される振動加速度が低周波領域の振動加速度であってもコンパクトな構成で発電効率を高める。【解決手段】基準ユニット２０に対して、水平方向に延びる基準軸線Ａｘを中心にして揺動可能に支持された揺動ユニット３０を、基準軸線Ａｘが延びる方向と直交する水平方向に低周波領域の振動加速度が入力されたとき揺動する構成とする。その際、揺動時の振動波形には基本波だけでなくその奇数倍の周波数の振動成分も含まれており、特に３倍数の振動成分は発電に利用可能な振幅を有しているとの知見に基づき、揺動ユニット３０の固有振動数を、水平方向に入力される振動加速度の周波数の２．５〜３．５倍の範囲内の値に設定する。これにより、揺動ユニット３０の固有振動数の１／３程度である振動加速度の周波数に対しても、揺動ユニット３０の振幅を発電に利用可能な大きさとする。【選択図】図１

Description

本願発明は、揺動運動を利用して発電するように構成された振動発電装置に関するものである。

従来より、振動を利用して発電するように構成された振動発電装置として、揺動運動を利用したものが知られている。

例えば「特許文献１」には、ホイールに固定された基準ユニットと、この基準ユニットに対して揺動可能に支持された揺動ユニットとを備え、ホイールの回転に伴い揺動ユニットが揺動することによって発電を行うように構成された振動発電装置が記載されている。

特開２０１０−４１８１３号公報

上記「特許文献１」に記載された振動発電装置においては、発電効率を高めるため、揺動ユニットの固有振動数（すなわち基準ユニットに入力される振動加速度に対して揺動ユニットが共振する振動数）を、振動加速度の周波数と一致させるように構成されている。

しかしながら、振動発電装置の構成として、人や動物の歩行動作等に伴って発生する水平方向の振動を利用して発電を行うようにした場合には、その基準ユニットに入力される振動加速度の周波数はかなり低いものとなる。したがって、このような低周波領域の振動加速度に対して揺動ユニットが共振するように構成した場合には、振動発電装置が大型化してしまう。

一方、振動発電装置の小型化を図ろうとすると、揺動運動を利用した発電によって得られる電力は非常に小さいものとなってしまう。

本願発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、揺動運動を利用して発電するように構成された振動発電装置において、入力される振動加速度が低周波領域の振動加速度であってもコンパクトな構成で発電効率を高めることができる振動発電装置を提供することを目的とするものである。

本願発明は、揺動ユニットの構成に工夫を施すことにより、上記目的達成を図るようにしたものである。

すなわち、本願発明に係る振動発電装置は、
基準ユニットと、この基準ユニットに対して略水平方向に延びる基準軸線を中心にして揺動可能に支持された揺動ユニットとを備え、上記揺動ユニットの揺動運動によって発電を行うように構成された振動発電装置において、
上記揺動ユニットは、上記基準ユニットに対して上記基準軸線が延びる方向と直交する水平方向に低周波領域の振動加速度が入力されたとき、上記基準軸線を中心にして揺動するように構成されており、
上記揺動ユニットの固有振動数が上記振動加速度の周波数の２．５〜３．５倍の範囲内の値に設定されている、ことを特徴とするものである。

上記「基準軸線」は、略水平方向に延びていれば、必ずしも正確に水平方向に延びていなくてもよく、水平方向に対して２０°以下の傾斜角で延びる方向も「略水平方向」に含まれる。

上記「低周波領域」とは、周波数が５Ｈｚ以下の領域を意味するものである。

上記「揺動ユニット」は、水平方向の振動加速度が基準ユニットに入力されたとき、その周波数の２．５〜３．５倍の固有振動数で共振する構成となっているが、これを実現するための具体的な構成は特に限定されるものではない。

本願発明に係る振動発電装置は、略水平方向に延びる基準軸線を中心とする揺動ユニットの揺動運動によって発電を行う構成となっており、その際、揺動ユニットは、基準ユニットに対して基準軸線が延びる方向と直交する水平方向に低周波領域の振動加速度が入力されたとき揺動する構成となっているが、その固有振動数が振動加速度の周波数の２．５〜３．５倍の範囲内の値に設定されているので、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、人や動物が歩行する際に手や足を振ることによって発生する水平方向の振動は低周波領域の振動である。したがって、このような振動を利用して発電を行う場合には、水平方向に低周波領域の振動加速度が入力されたときに揺動ユニットの振幅が大きくなる構成とすることが発電効率を高める上で望まれる。

本願発明に係る発明者らは、水平方向に入力される振動加速度によって揺動ユニットが水平方向に延びる基準軸線を中心にして揺動する際、その揺動運動の振動波形には基本波だけでなくその奇数倍の周波数の振動成分も含まれており、特に３倍波の振動成分は発電に利用可能な振幅を有している、との知見を得た。

このような知見に基づき、本願発明に係る振動発電装置の構成として、揺動ユニットの固有振動数が、水平方向に入力される振動加速度の周波数の３倍程度（具体的には２．５〜３．５倍）の値に設定された構成としたので、その固有振動数の１／３程度である振動加速度の周波数に対しても、揺動ユニットの振幅を発電に利用可能な大きさにすることができることとなった。

そして、このように揺動ユニットの固有振動数を、入力される振動加速度の周波数よりもかなり高い値に設定することにより、振動発電装置を大型化することなく発電効率を高めることができる。

このように本願発明によれば、揺動運動を利用して発電するように構成された振動発電装置において、入力される振動加速度が低周波領域の振動加速度であってもコンパクトな構成で発電効率を高めることができる。

上記構成において、固有振動数が５〜７Ｈｚの範囲内の値に設定されたものとすれば、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、人の歩行動作等に伴って発生する水平方向の振動は、犬や猫等の動物の場合よりもさらに低い３Ｈｚ以下（例えば２Ｈｚ程度）の周波数の振動である。そこで、揺動ユニットの固有振動数を５〜７Ｈｚに設定しておくことにより、人の歩行動作等に伴って入力される水平方向の振動加速度に対して発電を効率良く行うことができる。

本願発明に係る振動発電装置は、基準ユニットに対して揺動ユニットが揺動することによって発電を行うように構成されていれば、その具体的な構成は特に限定されるものではないが、基準ユニットおよび揺動ユニットのうちの一方が導電コイルを有するとともに他方がマグネットを有する構成とし、揺動ユニットの揺動運動によって導電コイルに誘導起電力を生じさせる構成とすれば、発電効率をより一層高めることができる。

本願発明の一実施形態に係る振動発電装置を示す部分断面正面図 図１のII−II線断面図 上記振動発電装置の主要部を模式的に示す正面図 上記実施形態の作用を説明するための図であって、加振周波数と振幅との関係を示すグラフ 上記実施形態の作用を説明するための図であって、加振周波数と電力との関係を示すグラフ

以下、図面を用いて、本願発明の実施の形態について説明する。

図１は、本願発明の一実施形態に係る振動発電装置１０を示す部分断面正面図であり、図２は、図１のII−II線断面図である。

これらの図に示すように、本実施形態に係る振動発電装置１０は、基準ユニット２０と、この基準ユニット２０に対して水平方向（具体的には前後方向）に延びる基準軸線Ａｘを中心にして揺動可能に支持された揺動ユニット３０とを備えた構成となっており、水平方向（具体的には左右方向）に低周波領域の振動加速度が入力されたとき揺動ユニット３０が揺動して発電を行うようになっている。

この振動発電装置１０は、人や動物（例えば犬や猫等の愛玩動物）の手や足に装着された状態あるいは鞄等に収容された状態で使用されるようになっている。

基準ユニット２０は、略正方形の正面形状を有するケース２２と、このケース２２内において基準軸線Ａｘと直交する鉛直面に沿って延びるように配置された状態で該ケース２２に位置決め支持された板状のコイルホルダ２４と、このコイルホルダ２４における基準軸線Ａｘの真下に位置する部位に形成されたコイル収容部に収容された導電コイル２６と、この導電コイル２６のコイル端末２６ａと電気的に接続された状態でコイルホルダ２４の上端部に支持された回路基板２８とを備えている。

一方、揺動ユニット３０は、前後１対の金属板３２と、各金属板３２に支持されたマグネット３４とを備えており、基準軸線Ａｘに沿って延びるように配置された連結ピン４０および軸受け部材４２を介して基準ユニット２０に吊り支持されている。

各金属板３２は、下向きに拡がる略扇形の外形形状を有しており、その上端部において連結ピン４０および軸受け部材４２を介して一体化された構成となっている。

各マグネット３４は、円板状に形成されており、連結ピン４０の真下の位置において各金属板３２の内面（すなわち前方側の金属板３２の後面および後方側の金属板３２の前面）に支持されている。各金属板３２の内面には、各マグネット３４を位置決め支持するための凹部が形成されている。

揺動ユニット３０が揺動していない静止状態では、図１に実線で示すように、前後１対のマグネット３４が導電コイル２６の前後両側に位置しているが、基準ユニット２０に対して矢印Ａで示すように左右方向（すなわち基準軸線Ａｘが延びる方向と直交する水平方向）の振動加速度が入力されると、揺動ユニット３０が矢印Ｂで示すように基準軸線Ａｘを中心にして揺動して、図１に２点鎖線で示すように、前後１対のマグネット３４が導電コイル２６の前後両側の位置から左右方向に回動変位し、これにより導電コイル２６に誘導起電力を生じさせるようになっている。

本実施形態に係る振動発電装置１０においては、揺動ユニット３０の固有振動数が５〜７Ｈｚの範囲内の値（例えば６Ｈｚ程度の値）に設定されている。

これは、人の歩行動作等に伴って揺動ユニット３０に入力される水平方向の振動加速度が３Ｈｚ以下（例えば２Ｈｚ程度）のかなり低い周波数の振動加速度であることから、その２．５〜３．５倍の範囲内の値（例えば３倍程度の値）に固有振動数の値を設定するようにしたものであり、これにより振動発電装置１０を大型化することなく発電効率を高めるようにしたものである。

本実施形態においてこのような設定を行うようにした理由について説明すると以下のとおりである。

図３は、本実施形態に係る振動発電装置１０の主要部を模式的に示す正面図である。

図３において、揺動ユニット３０の質量をＭ、重心オフセット（基準軸線Ａｘから揺動ユニット３０の重心Ｇまでの距離）をＬ、揺動ユニット３０の基準軸線Ａｘ回りの慣性モーメントをＩ、重力加速度をｇ、揺動ユニット３０に入力される水平方向の振動加速度をａ、揺動ユニット３０の静止状態からの角度変位をθとする。

まず、揺動ユニット３０の揺動運動の振動波形に、基本波だけでなくその奇数倍の周波数の振動成分も含まれていることについて説明する。

揺動ユニット３０が揺動する際の運動方程式は、下式で表わされる。

・・・（１）
（１）式において、以下の置き換えを行う。

・・・（２）
これらを（１）式に代入し、

・・・（３）
ここで、回転変位を以下と置く（基本波と奇数倍波とする：この点については後述する）。

・・・（４）
これを（３）式に代入し、

・・・（５）
ここで、三角関数の性質より次式が成り立つ（積和変換、右辺に偶数次の高調波が現れない点がポイント）。

・・・（６）
これらを（５）式に代入すると、運動方程式は以下のようになる。

・・・（７）
（７）式の両辺は直交関数の和となっている。したがって、基底関数毎に等式が成り立つ。

各基底関数の係数から成る等式はθ_2n+1の積の高次連立方程式となる。これを解くことによりθ_2n+1が求められる。

以上より、運動方程式（上記（１）式）は、基本波および奇数倍波からなる連立方程式（上記（７）式）に書き換えられた。

このことから「基準ユニット２０に対して水平方向の振動加速度が入力されたとき、これに伴って揺動する揺動ユニット３０の角度変位には奇数倍の振動成分が含まれる」ことが分かった。

次に、数値例（解析値）を示す。

図４は、加振周波数（水平方向に入力される振動加速度の周波数）に対する角度変位（振幅）を、基本波、３倍波、５倍波の振動成分毎の角度変位スペクトルとして示すグラフである。なお、偶数倍波の振動成分は存在しない（その理由については後述する）。

ここでは、水平方向に入力される振動加速度の大きさを０．５Ｇとし、小振幅時の揺動ユニット３０の固有振動数は約１０Ｈｚとした。

図４において、基本波の振幅が最大となる周波数は約８Ｈｚに減少しているが、これは一般に「振り子の固有振動数は振幅が増大すると減少する」という性質によるものである。

図４に示すように、３倍波は、１０／３＝３．３Ｈｚの加振周波数において共振が起こり、その振幅が増大している。５倍波は、１０／５＝２Ｈｚの加振周波数において共振が起こり、その振幅が増大している。

また、基本波、３倍波、５倍波の振幅は、倍数が大きくなるほど小さくなる。

図４において、偶数倍波の振動成分が存在しない理由について説明すると以下のとおりである。

すなわち、θが奇数倍成分で構成されているとすると、

・・・（８）
（８）式を複素数に置き換えると、

・・・（９）
そして、（５）式において、

・・・（１０）
同様に、（５）式において、

・・・（１１）
（５）式において、左辺第１項および第２項も奇数倍成分から成ることより、運動方程式は奇数倍成分のみで構成される。

一方、θが偶数倍成分で構成されているとすると、左辺は偶数倍成分となるが右辺は奇数倍成分となる。これより偶数倍成分はゼロとなる。

以上のことから「θは奇数倍成分のみの和から成る」とすることができる。

次に、本実施形態に係る振動発電装置１０と同様の構成（本案）を採用した場合に発電される電力を、２つの比較例の場合と対比して説明する。

ここでは、人の歩行動作によって水平方向に入力される振動加速度による発電を目標とした例を示す。その際、水平方向に入力される振動加速度の主成分は２Ｈｚとする。なお、従来技術では２Ｈｚに固有振動数を設定することになる。

小振幅時の振り子振動（揺動運動）の固有振動数ｆは以下で求められる。

・・・（１２）
本案および比較例１、２の諸元を表１に示す。

本案（本実施形態と同様の構成）は、２Ｈｚで共振が起こるように、その約３倍の５．４Ｈｚに固有振動数ｆを設定した場合の構成である。

比較例１は、２Ｈｚで共振が起こるように、装置全体の大きさを調整した場合の構成である。

比較例２は、２Ｈｚで共振が起こるように、マグネットの配置を調整し、重心オフセットＬおよび慣性モーメントＩの値を変えた場合の構成である。

表１から明らかなように、比較例１の構成を採用した場合には、基準ユニットのサイズおよび揺動ユニットの質量が非常に大きくなり、現実的な値とはならなくなってしまう。

そこで、本案および比較例２について、加振周波数（水平方向に入力される振動加速度の周波数）とこれにより発電された電力との関係を解析し、その結果を図５のグラフに表わした。

図５に示すように、比較例２の構成を採用した場合には、２Ｈｚ付近に電力のピークが現れるものの、その値は０．０２９ｍＷであり、かなり小さいものとなってしまう。
一方、本案の構成を採用した場合には、固有振動数ｆである５．４Ｈｚ付近において大きな電力が得られるとともに、２Ｈｚ付近にも電力のピークが現れている。その際、２Ｈｚ付近で得られる電力は０．１１７ｍＷであり、比較例２の場合よりもかなり大きい値となっており、発電に利用可能であるものと考えられる。

次に本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態に係る振動発電装置１０は、前後方向（水平方向）に延びる基準軸線Ａｘを中心とする揺動ユニット３０の揺動運動によって発電を行う構成となっており、その際、揺動ユニット３０は、基準ユニット２０に対して左右方向（北基準軸線Ａｘが延びる方向と直交する水平方向）に低周波領域の振動加速度が入力されたとき揺動する構成となっているが、その固有振動数が振動加速度の周波数の２．５〜３．５倍の範囲内の値に設定されているので、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、人や動物が歩行する際に手や足を振ることによって発生する水平方向の振動は低周波領域の振動である。したがって、このような振動を利用して発電を行う場合には、水平方向に低周波領域の振動加速度が入力されたときに揺動ユニット３０の振幅が大きくなる構成とすることが発電効率を高める上で望まれる。

本実施形態に係る振動発電装置１０は、水平方向に入力される振動加速度によって揺動ユニット３０が基準軸線Ａｘを中心にして揺動する際、その振動波形には基本波だけでなくその奇数倍の周波数の振動成分も含まれており、特に３倍波の振動成分は発電に利用可能な振幅を有している、との発明者らの知見に基づき、揺動ユニット３０の固有振動数が振動加速度の周波数の３倍程度（具体的には２．５〜３．５倍）の値に設定されているので、その固有振動数の１／３程度である振動加速度の周波数に対しても、揺動ユニット３０の振幅を発電に利用可能な大きさにすることができる。

そして、このように揺動ユニット３０の固有振動数を、入力される振動加速度の周波数よりもかなり高い値に設定することにより、振動発電装置１０を大型化することなく発電効率を高めることができる。

このように本実施形態によれば、揺動運動を利用して発電するように構成された振動発電装置１０において、入力される振動加速度が低周波領域の振動加速度であってもコンパクトな構成で発電効率を高めることができる。

その際、本実施形態においては、固有振動数の値が５〜７Ｈｚの範囲内の値に設定されているので、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、人の歩行動作等に伴って発生する水平方向の振動は、犬や猫等の動物の場合よりもさらに低い３Ｈｚ以下（例えば２Ｈｚ程度）の周波数の振動である。そこで、揺動ユニット３０の固有振動数を５〜７Ｈｚに設定しておくことにより、人の歩行動作等に伴って入力される水平方向の振動加速度に対して発電を効率良く行うことができる。

また、本実施形態に係る振動発電装置１０は、基準ユニット２０が導電コイル２６を有するとともに揺動ユニット３０がマグネット３４を有する電磁誘導型の振動発電装置として構成されているので、発電効率をより一層高めることができる。

なお、上記実施形態の構成とは逆に、基準ユニット２０がマグネット３４を有するとともに揺動ユニット３０が導電コイル２６を有する構成とした場合においても、上記実施形態と略同様の作用効果を得ることができる。

上記実施形態においては、基準軸線Ａｘが水平方向に延びているものとして説明したが、振動発電装置１０を基準軸線Ａｘが水平方向に対して傾斜した方向に延びる状態で使用した場合であっても、その傾斜角が２０°以下であれば、上記実施形態と略同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記実施形態において諸元として示した数値は一例にすぎず、これらを適宜異なる値に設定してもよいことはもちろんである。

また、本願発明は、上記実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、これ以外の種々の変更を加えた構成が採用可能である。

１０ 振動発電装置
２０ 基準ユニット
２２ ケース
２４ コイルホルダ
２６ 導電コイル
２６ａ コイル端末
２８ 回路基板
３０ 揺動ユニット
３２ 金属板
３４ マグネット
４０ 連結ピン
４２ 軸受け部材
Ａｘ 基準軸線

Claims (3)

1. 基準ユニットと、この基準ユニットに対して略水平方向に延びる基準軸線を中心にして揺動可能に支持された揺動ユニットとを備え、上記揺動ユニットの揺動運動によって発電を行うように構成された振動発電装置において、
   上記揺動ユニットは、上記基準ユニットに対して上記基準軸線が延びる方向と直交する水平方向に低周波領域の振動加速度が入力されたとき、上記基準軸線を中心にして揺動するように構成されており、
   上記揺動ユニットの固有振動数が上記振動加速度の周波数の２．５〜３．５倍の範囲内の値に設定されている、ことを特徴とする振動発電装置。
2. 上記固有振動数が５〜７Ｈｚの範囲内の値に設定されている、ことを特徴とする請求項１記載の振動発電装置。
3. 上記基準ユニットおよび上記揺動ユニットのうちの一方が導電コイルを有しているとともに他方がマグネットを有しており、
   上記揺動ユニットの揺動運動によって上記導電コイルに誘導起電力を生じさせるように構成されている、ことを特徴とする請求項１または２記載の振動発電装置。

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