JP5860929B2 - 振動発電機 - Google Patents

Description

本発明は、車両の通過による道路、橋梁などの振動および、自然風、あるいは車両の通過による風圧によって振動する振動板と、振動発電機とを組合せることで、電力を得て、無線センサなどを動作させる電磁誘導型の振動発電機に関するものである。

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、このような技術を活用した従来例としては、支持体に支持される振動体に設置することなく、この振動体から発生する振動を利用して発電ができる発電装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、振動体としての構造物としてダクトを例示し、振動発電機を、構造物本体ではなく、構造物を支持する部材に設置している。そして、構造物と振動発電機のそれぞれの質量、あるいは固有振動数に着目し、発電効率を高める条件を示している。より具体的には、構造物の質量に対して、振動発電機の質量を２０％とした際に、振動による発電効率を高めるための、振動発電機の固有振動数と構造物の固有振動数との関係が記載されている。

特開２０１１−１６０５４８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。
一般道や高速道路では、その設置場所ごとで、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、遮音板といった構造物を利用することが考えられる。

このような構造物は、その重量が非常に重く、構造物の重量に対して振動発電機の重量は、例えば１／１０以下になる。従って、重量差が大きい既設の構造物に対して振動発電機を設置する際に、所望の電力を得るための適切な条件を求めることが重要となる。さらに、振動発電機を設置する場合には、支持部材ではなく、既存の構造物そのものに設置することとなる。

しかしながら、引用文献１は、重量差が大きい既設の構造物を振動源の対象としておらず、このような用途の振動発電機に関する重量や共振周波数の条件については、何ら開示あるいは示唆されていない。

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、道路に設置されている比較的重量の重い既設の構造物の振動を利用し、設置環境に応じて所望の発電効率を実現する振動発電機を得ることを目的とする。

本発明に係る振動発電機は、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とを備え、道路に設置された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であって、構造物の質量をＭ（ｋｇ）、構造物の固有振動数をＦ（Ｈｚ）、振動発電機の質量をｍ（ｋｇ）、振動発電機の固有振動数をｆ（Ｈｚ）とした場合に、
条件１：ｍ／Ｍが、１／１０以下となるように、振動発電機の質量ｍを設定
条件２：ｆ／Ｆが、１．３〜１．８の範囲内となるように、振動発電機のバネ定数を設定
という２条件を満たすことで、振動エネルギーから所望の電気エネルギーを生成するものである。

本発明によれば、既設の構造物の固有振動数および重量に応じて、所望の電力量を得るための振動発電機の重量と共振周波数を規定することにより、道路に設置されている比較的重量の重い既設の構造物の振動を利用し、設置環境に応じて所望の発電効率を実現する振動発電機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。

本発明は、振動源となる構造物として、道路に設置されている距離標あるいは表示板を対象とし、このような既設の構造物の固有振動数および重量に応じて、所望の電力量を得るための振動発電機の重量と共振周波数を規定するための設計条件を明確にした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機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．
図１は、本発明の実施の形態１におけ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。本実施の形態１における振動発電機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、遮音板なども含まれる。

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に示した本実施の形態１における振動発電機は、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２０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１／２０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、車両の通過による道路、橋梁などの振動および、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倍以上といった差があるときにも、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。

さらに、振動発電機の電気的な負荷を調整することで、減衰係数を調整でき、振動発電機を設置することにより、構造物の振動を抑制する制振効果も、付加的に得ることができる。

なお、このような振動発電機は、以下のような用途で、広く活用することができる。
（用途１）道路の脇に一定距離で設置される距離標や表示板などの既存の構造物に対して、振動発電機を付加することで、風圧による振動から電力を回収できる。そして、回収した電力により、電源ケーブルや電池による電源供給を不要とした上で、無線センサを動作させることで、当該地点の温湿度や雨量、風速など、周辺環境の情報を収集することが可能となる。

（用途２）遮音板に振動板を設け、その振動板に振動発電機を取付けることで、電力を回収できる。さらに、電力回収による制動を行い、振動を抑制することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、構造物の固有振動に対して、振動発電機の共振周波数をずらすことで、一次振動モードの制振効果を抑えつつ、効率のよい振動発電が実現できる。さらに、電磁誘導方式の振動発電機を用いるため、発電素子自体の変形を伴わず、長寿命の振動発電機が実現できる。

１ 構造物（距離標、表示板、遮音板）、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。

Claims (1)

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と
   を備え、道路に設置された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であって、
   前記構造物の質量をＭ（ｋｇ）、前記構造物の固有振動数をＦ（Ｈｚ）、前記振動発電機の質量をｍ（ｋｇ）、前記振動発電機の固有振動数をｆ（Ｈｚ）とした場合に、
   条件１：ｍ／Ｍが、１／１０以下となるように、前記振動発電機の質量ｍを設定
   条件２：ｆ／Ｆが、１．３〜１．８の範囲内となるように、前記振動発電機のバネ定数を設定
   という２条件を満たすことで、振動エネルギーから所望の電気エネルギーを生成する
   振動発電機。

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