JP5904540B2 - エレクトレット型振動検出システム、外部振動情報の生成方法、外部振動に関する伝達関数情報を生成する方法、外部振動情報の生成プログラム、外部振動に関する伝達関数情報を生成するプログラム - Google Patents

Description

本発明は、エレクトレットを利用して外部振動により発電を行う振動発電装置を用いて外部振動に関する情報を生成する技術に関する。

昨今、橋梁や道路等の構造物に生じる外部振動を検出し、当該構造物のメンテナンスに利用したいとする要求が大きく顕在化している。例えば、構造物に作用する外部振動の振動変位は、構造物の強度変化等に大きな影響を与えることから、その検出要求は比較的高い。そこで、従来から、レーザ変位計や電磁エネルギーを利用した振動変位の検出が行われてきた（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に示す技術では、コイルと印加電源を用いて外部振動に応答する振動子の応答を制御することにより、外部振動の変位に関する情報が検出される。

一方で、外部振動により発電を行い得るエレクトレットを利用した振動発電装置が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。非特許文献１に示す技術では、エレクトレットを利用し振幅１ｍｍ、周波数１０Ｈｚの外部振動により、６μＷの発電を実現しているが、このエレクトレットを有し外部振動により振動発電を行う振動発電装置を用いて、その外部振動の速度や変位等に関する情報を好適に検出する構成は見出されない。

特開２０１０−４８７５１号公報 特開平９−７９９００号公報 特開平１１−１４８８１５号公報

Y. Arakawa, Y. Suzuki, and N. Kasagi, "Micro Seismic Power Generator Using Electret Polymer Film", Power MEMS 2004, November, 2004, p.187-190

従来、構造物等の検査対象物に作用する外部振動に関する情報を検出しようとする場合に、レーザ変位計等の光学機器を利用しようとすると、機器自体が大型であるため、その操作性は必ずしも良くなく、また機器の駆動に別途電源を用意しなければならず、検査対象物に関する多くの振動情報を計測するのは困難であった。一方で、外部振動により振動発電を行う振動発電装置を利用する場合、素子の出力を電源として利用できるものの、従来においては、その振動発電装置の出力を、好適に振動情報に結びつける構成は開示されていない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、エレクトレットを利用して外部振動情報を容易に且つ精度よく検出することを目的とする。

本発明においては、上記課題を解決するために、エレクトレットを有する振動発電装置
に作用する外部振動の振動速度（以下、「外部振動速度」ともいう。）と、振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報に着目し、本出願人は、振動発電装置に入力される外部振動の周波数ごとに、外部振動速度と出力発電電圧との間には、所定の比例関係が存在することを見出した。そして、この所定の比例関係に対応した伝達係数を利用して、外部振動の周波数に応じた伝達関数情報を準備することで、外部振動による振動発電装置の出力発電電圧の推移から、その外部振動の速度情報や変位情報を容易に且つ精度よく生成することができる。

詳細には、本発明は、外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極対を有する電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行い、電極対の電極間に発電電圧を出力する振動発電装置と、外部振動に含まれる所定の周波数範囲における、外部振動の振動速度と、前記振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報であって、該所定の周波数範囲に属する複数の周波数のそれぞれに応じて設定された、該外部振動の振動速度と該振動発電装置の出力発電電圧とを所定の比例関係に位置付けるための伝達係数を含む伝達関数情報を記憶する伝達関数記憶部と、所定期間における前記振動発電装置の出力発電電圧の推移情報をフーリエ変換し、該出力発電電圧の出力スペクトル情報を算出する出力スペクトル情報算出部と、前記出力スペクトル情報算出部によって算出された前記振動発電装置の出力発電電圧の出力スペクトル情報と、前記伝達関数記憶部に記憶された前記伝達関数情報とに基づいて、該所定期間における外部振動の振動速度情報を生成する振動速度情報生成部とを備える、エレクトレット型振動検出システムである。

本発明に係るエレクトレット型振動検出システムにおいては、振動発電装置が備えられ、当該振動発電装置は、電荷を半永久的に保持できるエレクトレットの性質を利用し、相対移動可能な電極群とエレクトレット群との間での外部振動に応じた電荷容量の変動を、電極対の電極間に出力発電電圧として出力する。したがって、この振動発電装置は、自己に作用する外部振動に応じた出力発電電圧を出力することになるが、ここで、本出願人は、この振動発電装置に作用する外部振動の振動速度と、出力発電電圧との間に、外部振動に関する情報を生成する上で極めて有用な相関を見出した。

すなわち、本出願人は、振動発電装置に入力される外部振動の周波数ごとに、外部振動速度と出力発電電圧との間に所定の比例関係を見出したものである。この所定の比例関係に関しては、振動発電装置に入力される外部振動の周波数ごとに当該比例関係を決定する比例定数に相当する伝達係数が導出でき、その伝達係数に基づいて外部振動に含まれる所定の周波数範囲における、外部振動の振動速度と、振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報が形成できる。このように伝達係数を含んで形成される伝達関数情報は、外部振動に含まれる所定の周波数範囲において、振動発電装置の出力発電電圧を外部振動の振動速度に変換する関数の情報でありながら、伝達関数情報を形成する伝達係数は、上記所定の比例関係における比例定数であるため、その変換は極めて効果的であり、故に当該変換を介した外部振動の振動速度の算出が容易に、且つ精度よく行い得る。

また、上記伝達関数情報は、外部振動に含まれる所定の周波数範囲における外部振動の振動速度と、振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定するものであるから、上記エレクトレット型振動検出システムでは、外部振動に含まれる周波数に応じて、容易に且つ精度よく上記変換を実行できる。一般に、外部振動には様々は周波数成分が含まれているため、このような伝達関数情報を利用する構成は実用的に有用なものと言える。したがって、上記所定の周波数は、想定される外部振動に含まれる周波数成分を踏まえて、設定されるのが好ましい。

そして、上記エレクトレット型振動検出システムは、出力スペクトル情報算出部を備え
ることで、振動発電装置の出力発電電圧の推移情報をフーリエ変換し、その周波数成分に対応した出力スペクトル情報が算出される。更に、当該システムは、振動速度情報生成部を備えることで、算出された出力スペクトル情報に、上記伝達関数情報を考慮することで、外部振動の振動速度に関する情報が生成される。なお、出力スペクトル情報算出部において出力発電電圧の推移情報のフーリエ変換が行われていることから、好ましくは、振動速度情報生成部によって外部振動の振動速度情報が生成される際には、逆フーリエ変換が施される。

このように本発明に係るエレクトレット型振動検出システムでは、本出願人が得た新たな知見である、「振動発電装置に入力される外部振動の周波数ごとに、外部振動速度と出力発電電圧との間に存在する所定の比例関係」を利用して伝達関数情報を準備することで、振動発電装置の出力から、容易に且つ精度よく外部振動の振動速度に関する情報を生成することが可能となる。

ここで、上記エレクトレット型振動検出システムにおいて、前記振動速度情報生成部によって生成された前記所定期間における外部振動の振動速度情報を積分し、該所定期間における外部振動の振動変位情報を生成する振動変位情報生成部を、更に備えるようにしてもよい。このような構成を採用することで、外部振動の振動速度情報を一度積分するだけで、当該外部振動の変位情報を生成することができる。積分回数が多くなるほどノイズの影響を受けやすくなるため、本発明のように少ない積分回数で外部振動の変位情報を生成できることは、実用的に極めて有用である。

また、上述までのエレクトレット型振動検出システムにおいて、前記振動発電装置は、前記エレクトレット群と前記電極群を収容する筐体部と、前記電極群が設けられるとともに、前記筐体部側に固定される固定部材と、前記エレクトレット群が設けられるとともに、前記固定部材に対して対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能とされる可動部材と、を有するように構成してもよい。その場合、前記可動部材が外部振動により振動した場合に想定される想定最大振幅において、相対移動方向に沿った前記エレクトレット群に含まれる各エレクトレットの端部が、前記電極群に形成される一の電極とそれに隣接する電極との間の電極側間隔を横切らないように構成されるのがよい。このような構成を有する振動発電装置を、「非横断型振動発電装置」と称する。

一般に、エレクトレットを利用した振動発電装置では、外部振動によってエレクトレット群に含まれる複数のエレクトレットが、電極群に含まれる電極群を多数横切ることで、比較的高い出力発電電圧が発生することになる。このような構成の振動発電装置を、上記非横断型振動発電装置と比較するために、横断型振動発電装置と称する。横断型振動発電装置では、電極群において各電極は所定の空隙、すなわち電極側間隔をもって離間しているため、エレクトレット群が電極群に対して相対移動すると、振動発電装置の出力発電電圧に、電極側間隔が影響し、外部振動に対応する発電電圧の推移に、電極側間隔の影響が及んだリップル電圧の推移が重ね合わされて出力発電電圧が生成されることになる。そのため、上記出力スペクトル情報算出部、振動速度情報生成部、および振動変位情報生成部による各処理に、このリップル電圧の推移が影響を及ぼす可能性がある。

一方で、上述した非横断型振動発電装置では、エレクトレット群が設けられた可動部材が外部振動により振動した場合に想定される想定最大振幅において、各エレクトレットの端部が電極側間隔を横切らないように構成されるため、振動発電装置の出力発電電圧に、電極側間隔に起因するリップル電圧が重ね合わされることがない。そのため振動発電装置の出力発電電圧の推移は、極めて良好に外部振動に対応し、以て、外部振動に関する情報生成の観点から不要なノイズが入り込む要因を可及的に排除することができる。

なお上記においては本発明に係るエレクトレット型振動検出システムに非横断型振動発電装置を適用することの有用性を述べたが、このことは当該システムへの横断型振動発電装置の適用を排除するものではない。当然に、当該システムへの横断型振動発電装置の適用も可能である。

ここで、本発明を外部振動に関する情報、例えば、外部振動の振動速度や振動変位等の外部振動情報を生成する方法の側面から捉えることも可能である。すなわち、本発明は、外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極対を有する電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行い、電極対の電極間に発電電圧を出力する振動発電装置から、所定期間における出力発電電圧の推移情報を取得するステップと、取得された出力発電電圧の推移情報をフーリエ変換し、該出力発電電圧の出力スペクトル情報を算出するステップと、算出された前記出力スペクトル情報と、外部振動に含まれる所定の周波数範囲における、外部振動の振動速度と、前記振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報であって、該所定の周波数範囲に属する複数の周波数のそれぞれに応じて設定された、該外部振動の振動速度と該振動発電装置の出力発電電圧とを所定の比例関係に位置付けるための伝達係数を含む伝達関数情報とに基づいて、該所定期間における外部振動の振動速度情報を生成するステップと、を含む、外部振動情報の生成方法である。更には、当該方法に、前記生成された前記所定期間における外部振動の振動速度情報を積分し、該所定期間における外部振動の振動変位情報を生成するステップを含めるようにしてもよい。

本発明に係る外部振動情報の生成方法においても、上記エレクトレット型振動検出システムと同じように、「振動発電装置に入力される外部振動の周波数ごとに、外部振動速度と出力発電電圧との間に存在する所定の比例関係」が反映された、「外部振動に含まれる所定の周波数範囲における、外部振動の振動速度と、振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報」を利用することで、振動発電装置の出力から、容易に且つ精度よく外部振動の振動速度に関する情報を生成することが可能となる。

また、上記外部振動情報の生成方法に用いられる振動発電装置に、上述の非横断型振動発電装置を適用してもよい。これにより、外部振動に関する情報生成の観点から不要なノイズが入り込む要因を可及的に排除することができる。

ここで、本発明を上述した外部振動に関する伝達関数情報を生成する方法の側面から捉えることも可能である。すなわち、本発明は、外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極対を有する電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行い、電極対の電極間に発電電圧を出力する振動発電装置の、外部振動に含まれる所定の周波数範囲における出力発電電圧と、該所定の周波数範囲における外部振動の振動速度との相関を規定する伝達関数情報を生成する方法である。前記振動発電装置は、前記エレクトレット群と前記電極群を収容する筐体部と、前記電極群が設けられるとともに、前記筐体部側に固定される固定部材と、前記エレクトレット群が設けられるとともに、前記固定部材に対して対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能とされる可動部材と、を有し、前記可動部材が外部振動により振動した場合に想定される想定最大振幅において、相対移動方向に沿った前記エレクトレット群に含まれる各エレクトレットの端部が、前記電極群に形成される一の電極とそれに隣接する電極との間の電極側間隔を横切らないように構成されている。そして、前記伝達関数情報を生成する方法は、前記振動発電装置に対して、前記所定の周波数範囲に属する複数の周波数の外部振動を加えるステップと、前記複数の周波数の外部振動を加えたときの、該複数の周波数のそれぞれに対応する前記振動発電装置の出力発電電圧の推移情報に基づいて、該それぞれの周波数に対応した、該外部振動の振動速度と該振動発電装置の出力発電電圧とを所定の比例関係に位置付けるための伝達係数を算出するステップと、前記それぞれの周波数に対応し
た前記伝達係数に基づいて、前記外部振動の振動速度と、前記振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報を生成するステップと、を含む。

すなわち、上記発明は、非横断型振動発電装置を用いて外部振動情報を生成する際に利用する伝達関数情報を生成するための方法である。当該方法によれば、外部振動に関する情報生成の観点から不要なノイズが入り込む要因を可及的に排除することを可能とする伝達関数情報が得られることになる。

ここで、本発明を、外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極対を有する電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行い、電極対の電極間に発電電圧を出力する振動発電装置に作用する外部振動に関する情報をコンピュータに生成させる、外部振動情報の生成プログラムの側面から捉えることもできる。その場合、当該プログラムは、前記コンピュータに、前記振動発電装置から、所定期間における出力発電電圧の推移情報を取得するステップと、取得された出力発電電圧の推移情報をフーリエ変換し、該出力発電電圧の出力スペクトル情報を算出するステップと、算出された前記出力スペクトル情報と、外部振動に含まれる所定の周波数範囲における、外部振動の振動速度と、前記振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報であって、該所定の周波数範囲に属する複数の周波数のそれぞれに応じて設定された、該外部振動の振動速度と該振動発電装置の出力発電電圧とを所定の比例関係に位置付けるための伝達係数を含む伝達関数情報とに基づいて、該所定期間における外部振動の振動速度情報を生成するステップと、を実行せしめるように構成される。更には、当該プログラムは、前記コンピュータに、前記生成された前記所定期間における外部振動の振動速度情報を積分し、該所定期間における外部振動の振動変位情報を生成するステップを、実行せしめるように構成されてもよい。

本発明に係る外部振動情報の生成プログラムにおいても、当該プログラムが実行されると、上記エレクトレット型振動検出システムと同じように、「振動発電装置に入力される外部振動の周波数ごとに、外部振動速度と出力発電電圧との間に存在する所定の比例関係」が反映された、「外部振動に含まれる所定の周波数範囲における、外部振動の振動速度と、振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報」が利用される。したがって、振動発電装置の出力から、容易に且つ精度よく外部振動の振動速度に関する情報を生成することが可能となる。

また、上記外部振動情報の生成プログラムの対象となる振動発電装置に、上述の非横断型振動発電装置を適用してもよい。これにより、当該プログラムにおいても、外部振動に関する情報生成の観点から不要なノイズが入り込む要因を可及的に排除することができる。

ここで、外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極対を有する電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行い、電極対の電極間に発電電圧を出力する振動発電装置の、外部振動に含まれる所定の周波数範囲における出力発電電圧と、該所定の周波数範囲における外部振動の振動速度との相関を規定する伝達関数情報を、コンピュータに生成させるプログラムの側面から捉えることもできる。前記振動発電装置は、前記エレクトレット群と前記電極群を収容する筐体部と、前記電極群が設けられるとともに、前記筐体部側に固定される固定部材と、前記エレクトレット群が設けられるとともに、前記固定部材に対して対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能とされる可動部材と、を有し、前記可動部材が外部振動により振動した場合に想定される想定最大振幅において、相対移動方向に沿った前記エレクトレット群に含まれる各エレクトレットの端部が、前記電極群に形成される一の電極とそれに隣接する電極との間の電極側間隔を横切らないように構成されている。そして、前記プログラムは、
前記コンピュータに、前記振動発電装置に対して、前記所定の周波数範囲に属する複数の周波数の外部振動を加えるステップと、前記複数の周波数の外部振動を加えたときの、該複数の周波数のそれぞれに対応する前記振動発電装置の出力発電電圧の推移情報に基づいて、該それぞれの周波数に対応した、該外部振動の振動速度と該振動発電装置の出力発電電圧とを所定の比例関係に位置付けるための伝達係数を算出するステップと、前記それぞれの周波数に対応した前記伝達係数に基づいて、前記外部振動の振動速度と、前記振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報を生成するステップと、を実行せしめる。

すなわち、上記発明は、非横断型振動発電装置を用いて、外部振動情報を生成する際に利用する伝達関数情報を生成するためのプログラムである。当該プログラムを実行することで、コンピュータを介して、外部振動に関する情報生成の観点から不要なノイズが入り込む要因を可及的に排除することを可能とする伝達関数情報が得られることになる。

エレクトレットを利用して外部振動情報を容易に且つ精度よく検出することが可能となる。

本発明の実施例に係る振動発電装置の概略構成を示す図である。 図１に示す振動発電装置を含み、外部振動に関する情報を生成するシステムの概略構成を示す図である。 図２に示すシステムで発揮される機能をイメージ化した機能ブロック図である。 図２に示すシステムに含まれるサーバが記憶する伝達関数情報を生成するための処理のフローチャートである。 図４に示す伝達関数情報生成処理が行われたときの、伝達関数情報が生成される過程を説明するための図である。 図２に示すシステムで実行される、振動発電装置に作用する外部振動の情報を生成するための処理のフローチャートである。 図６に示す外部振動情報生成処理が行われたときの、外部振動情報が生成される過程を説明するための図である。

以下に、図面を参照して外部振動の情報生成に関する本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態の構成は例示であり、本発明はこの実施の形態の構成に限定されるものではない。

図１は、本発明に係るエレクトレット型振動検出システム（以下、単に「振動検出システム」と称する。）１０で使用される振動発電装置１の概略構成、特に外部振動により発電を行う構成を、振動発電装置１を縦断面（ＺＸ平面）で切断したときの断面図である。なお、振動検出システム１０の全体構成については、図２および図３に基づいて後述する。

振動発電装置１は、不図示の筐体の内部に収納される可動部材３および固定部材５を備えている。可動部材３と固定部材５は、互いに対向した状態を保ったまま、Ｘ方向に沿って相対的に移動可能に構成されている。そして、本実施例においては、固定部材５は筐体に固定され、一方で、可動部材３は、その両端がそれぞれバネ４を介して筺体につながれている。そのため、可動部材３そのものは、振動発電装置１に作用する外部振動によって
筐体及び固定部材５に対して移動（振動）するように構成されている。

なお、可動部材３と固定部材５は、互いに対向した状態で、かつ互いに平行な状態を保ったまま、つまり対向する面の間隔が一定の状態を保ったまま、相対的に移動可能に構成されている。これにより、可動部材３側のエレクトレット２の作用によって固定部材５側の一対の電極６、７間に発電電圧が生成される。この発電電圧の生成原理については従来技術であることから、本明細書ではその詳細な説明は割愛する。また、可動部材３と固定部材５との間の間隔を保持する構成、すなわち両者の円滑な相対移動を維持するための構成は、外部振動による発電効率を高めるために重要ではあるが、本願発明の核心から外れるものであるから、本明細書では言及は控えることとする。

ここで、可動部材３側の構造について説明する。可動部材３における固定部材５との対向面側には、それぞれ導電体上に形成された複数のエレクトレット２が、振動方向（Ｘ方向）に等間隔で並べられている。なお、図１においては、振動発電装置１の構造を簡略化するために、エレクトレット２は１つのみ記載している。また、振動方向に沿ったエレクトレット２の幅はＷ１とされる。なお、本実施例においては、エレクトレット２はマイナスの電荷を半永久的に保持するように構成されている。次に、固定部材５側の構造について説明する。固定部材５おける可動部材３との対向面側には、電極６、７を一対として、電極６、７が振動方向（Ｘ方向）に等間隔で複数対並べられている。なお、図１においては、振動発電装置１の構造を簡略化するために、一対の電極６、７のみを記載している。また、振動方向に沿った電極６、７のそれぞれの幅はＷ２であり、電極６と電極７の間隔は全てにおいて等しくＷ３である。

ここで、エレクトレット２の幅Ｗ１は電極６、７の幅Ｗ２と等しく、電極６、７間の間隔Ｗ３は、Ｗ１、Ｗ２に対して十分に小さい。また、振動発電装置１に外部振動が作用していない場合、すなわち可動部材３が二つのばね４から受ける弾性力が等しく、固定部材５に対して静止している状態（以下、「静止状態」という。）では、エレクトレット２の幅Ｗ１の中心は、電極６、７間の間隔Ｗ３の中心と一致する。したがって、可動部材３が静止状態にある場合には、振動方向において、エレクトレット２は、電極６および電極７に対して均等に跨った状態となっている。そして、振動発電装置１に対して想定される最大の外部振動が作用したときの、可動部材３の最大振幅をＡ０とすると、エレクトレット幅Ｗ１と電極幅Ｗ２は、以下の関係を満たす。
Ｗ１ ＝ Ｗ２ ＞ ２×Ａ０

そのため、仮に外部振動により可動部材３が想定の最大振幅Ａ０で振動したとしても、可動部材２の振動方向の端部２ａが、その振幅の全過程にわたって電極間の間隔Ｗ３を横切ることはない。すなわち、可動部材３が想定の最大振幅Ａ０で振動する場合であっても、エレクトレット２は、電極６と電極７のそれぞれに重なり合う面積は変動するものの、常に電極６および電極７の両者に対して跨った状態が形成される。したがって、図１に示す振動発電装置１は、本発明に係る非横断型振動発電装置に相当する。そして、非横断型振動発電装置である振動発電装置１は、エレクトレット２の端部２ａが電極間の間隔Ｗ３を横切らない構成となっているため、その発電電圧にリップル電圧が重ならず、原理的には外部振動の周期に一致した発電電圧を出力する。

次に、上記のように構成される振動発電装置１を利用して、構造体に発生する外部振動の情報を生成、収集する振動検出システム１０について、図２および図３に基づいて説明する。図２は、振動検出システム１０の概略構成を示す図であり、図３は、振動検出システム１０を構成する振動発電装置１およびサーバ２０で所定の目的のために発揮される機能を、機能部としてイメージ化した機能ブロック図である。

具体的には、図２は、本発明に係る振動発電装置１を利用した、橋梁５０のメンテナンスのための振動情報を検出するシステムの概略構成を示す。橋梁５０は使用年月の経過とともに、強度等の性能が劣化していくため、適時、橋梁５０の性能変化を把握しておく必要がある。例えば、地震や度重なる大型車両の通行等によって生じる橋梁５０の劣化の進行に応じて、橋梁５０の振動に関する振動変位（振幅）や振動速度が変化していく。そこで、橋梁５０に上記振動発電装置１が数個、設置される。振動発電装置１が設置される場所としては、振動により橋梁５０の強度劣化等が懸念される個所などが挙げられる。また、振動発電装置１は、後述するように出力発電電圧の推移情報を、無線で基地局１５に送信する。この基地局１５はインターネット１６に接続されており、受信した情報は、インターネット１６を経由してサーバ２０に届けられる。

このサーバ２０は、取得した情報を利用して橋梁５０に発生する外部振動に関する情報の生成および収集に関する処理を行い、橋梁５０がどのような状態に置かれているか（たとえば、強度の低下の程度など）について判断などを行う。また、サーバ２０は、当該判断に必要なその他の情報（橋梁５０が存在している地域の気象データや橋梁５０の交通荷重データ等）を、インターネット１６に接続されているデータサーバ１７、１８等から取得することも可能である。

ここで、振動検出システム１０の中核をなす振動発電装置１およびサーバ２０が発揮する機能をイメージ化して表した機能ブロックを図３に示す。もちろん、振動発電装置１およびサーバ２０は、図３に示す機能部以外の機能部を有していても構わない。振動発電装置１内には、蓄電部１１、推移情報記憶部１２が形成される。なお、振動発電装置１は、ＣＰＵ、メモリ等を含むコンピュータにも相当し、そこで所定のプログラムが実行されることでこれらの機能部が形成される。蓄電部１１は、外部振動により電極間６、７に発生した電力を発電電力として蓄電する。蓄電部１１に蓄電された電力は、振動発電装置１内の様々な信号処理等に利用される。推移情報記憶部１２は、外部振動により電極間６、７に発生した出力発電電圧の推移に関する情報（以下、単に「推移情報」と称する。）を、振動発電装置１内のメモリに記憶する機能部であり、当該記憶に要する電力は、蓄電部１１から供給される。また、推移情報記憶部１２による推移情報の記憶は常時行ってもよいが、記憶に要する電力消費の抑制やメモリの記憶容量を考慮して、所定期間ごとに断続的に行うようにしてもよい。

更に、振動発電装置１内には、送信部１３が形成され、送信用電池１４が設けられている。送信部１３は、推移情報記憶部１２が記憶している推移情報を、基地局１５に送信する機能部である。なお、データを無線で基地局１５に送信するには、相応の電力が必要となるため、送信電力については、蓄電部１１の蓄電電力ではなく、送信用電池１４から供給を受ける。しかし、蓄電部１１の蓄電電力に余裕がある場合には、送信用電池１４に代えて蓄電部１１から情報送信のための電力供給を行ってもよい。

次に、サーバ２０内には、推移情報取得部２１、出力スペクトル情報算出部２２、振動速度情報生成部２３、振動変位情報生成部２４、伝達関数情報記憶部２５が形成される。なお、サーバ２０は、ＣＰＵ、メモリ等を含むコンピュータに相当し、そこで所定のプログラムが実行されることでこれらの機能部が形成される。先ず、推移情報取得部２１は、振動発電装置１から基地局１５を介して送信されてきた、振動発電装置１の出力発電電圧の推移情報を取得する。なお、図２に示すように、振動検出システム１０には複数の振動発電装置１が含まれる場合には、推移情報取得部２１は、取得した推移情報がどの振動検出装置１からのものであるか判別可能な状態で管理するのが好ましい。次に、出力スペクトル情報算出部２２は、推移情報取得部２１が取得した推移情報に対してフーリエ変換を施すことで、当該推移情報の出力スペクトル情報を算出する。当該出力スペクトル情報の算出については、後述する。

次に、振動速度情報生成部２３は、出力スペクトル情報算出部２２によって算出された出力スペクトル情報と、後述する伝達関数情報とに基づいて、上記推移情報の起源となった振動発電装置１に作用した外部振動に関する情報のうち、振動速度に関する情報を生成する機能部である。また、振動変位情報生成部２４は、当該外部振動に関する情報のうち、振動変位に関する情報を生成する機能部である。これらの外部振動に関する情報生成については、後述する。

次に、伝達関数情報記憶部２５は、振動速度情報生成部２３、振動変位情報生成部２４が、それぞれに対応する外部振動情報を生成するために利用する伝達関数情報を記憶する機能部である。当該伝達関数情報とは、振動発電装置１に入力される外部振動の周波数に応じて出現する、外部振動速度（ｍ／ｓ）と振動発電装置１の出力発電電圧（Ｖ）との間の所定の比例関係に基づいて形成されるものである。この所定の比例関係においては、外部振動の周波数ごとに、外部振動速度と出力発電電圧との間の比例関係を決定する比例定数である伝達係数を導出でき、そして、当該伝達係数と外部振動の周波数を相関づけることで、上記伝達関数情報が形成される。

ここで、図４および図５に基づいて、上記伝達関数情報の生成フローについて説明する。図４は、伝達関数情報を生成するための伝達関数情報生成処理のフローチャートを示す。当該伝達関数情報生成処理は、サーバ２０もしくはそれ以外のコンピュータ（振動検出システム１０に含まれるか否かにかかわらず、任意のコンピュータ）において所定のプログラムが実行されることで行われる処理であり、それにより生成された伝達関数情報が、伝達関数情報記憶部２５に記憶されることになる。そして、当該伝達関数情報生成処理は、振動検出システム１０における外部振動情報の生成処理（後述の図６に示す処理）とは独立に行われる処理であるが、外部振動情報の生成処理に対して事前に行われるか、同時並行して行われるかは問われない。後者の場合には、伝達関数情報記憶部２５に記憶される伝達関数情報は、逐次更新される形態が含まれる。

以下に図４に示す伝達関数情報生成処理の詳細について説明するが、以下の説明においては、当該処理は、振動検出システム１０における外部振動情報の生成処理（後述の図６に示す処理）に対して事前に行われることとする。先ず、Ｓ１０１では、振動発電装置１に対して特定の単一周波数の外部振動が振動発電装置１に入力され、Ｓ１０２において、その際の振動発電装置１の出力発電電圧と、入力された外部振動の振動速度との相関が計測される。なお、入力される外部振動の周波数は、振動検出システム１０で振動発電装置１によって検出を想定する外部振動の所定の周波数範囲に属する周波数である。本実施例では、当該所定の周波数を０〜２０Ｈｚに定め、Ｓ１０１では０．５Ｈｚ毎に外部振動の周波数を変化させていき、その際の外部振動速度と出力発電電圧との相関がＳ１０２で計測されていく。

次に、Ｓ１０３では、Ｓ１０２で計測された結果に基づいて伝達係数の算出が行われる。ここで、図５の（ａ）、（ｂ）図に基づいて伝達係数の算出について説明する。図５（ａ）は、振動発電装置１に対して１１Ｈｚの外部振動が入力されたときの出力発電電圧の推移を示し、図５（ｂ）は、複数の計測点（本実施離柄においては５点）での、入力された外部振動の振動速度と、計測された出力発電電圧の関係から、両者の比例関係を規定する直線Ｌ１を示す。なお、直線Ｌ１は、複数の計測点に基づいて、最小二乗法等の既知の手法により導出され、本実施例では、直線Ｌ１は以下の式１で定義される。
ｙ＝３．４４３３ｘ−０．００１１ ・・・（式１）
（ｘ：外部振動速度、ｙ：出力発電電圧）

このとき、式１における比例定数３．４４３３が、外部振動速度と出力発電電圧の間の
比例関係を決定する伝達係数とされる。なお、式１においては切片として−０．００１１が存在するが、理論的には外部振動速度が零であるときには出力発電電圧は零となるものであり、また当該切片の値も極めて微小であることから、上記式１は、外部振動速度と出力発電電圧との間に存在する所定の比例関係（伝達係数３．４４３３で規定される比例関係）を示すものとして扱うことができる。また、図５（ａ）、（ｂ）に示すのは入力された外部振動の周波数が１１Ｈｚのときのものであって、上記の通り、所定の周波数範囲（０〜２０Ｈｚ）の範囲における０．５Ｈｚ刻みの外部振動のそれぞれの入力に対して、図５（ｂ）に示すように外部振動速度と出力発電電圧の間の比例関係における伝達係数が算出される。

そして、Ｓ１０４で所定の周波数範囲（０〜２０Ｈｚ）での上記計測が完了したか否かが判定される。Ｓ１０４で肯定判定されるとＳ１０５へ進み、否定判定されると計測が行われていない周波数に関し、Ｓ１０１〜Ｓ１０３の処理が行われる。

Ｓ１０５では、Ｓ１０４で算出された伝達係数を、図５（ｃ）の上段に示すように、それぞれの伝達係数に対応する外部振動の周波数と関連付けてプロットすることで、所定の周波数範囲における外部振動の周波数と、伝達係数との相関からなる伝達関数情報が生成される。本実施例の伝達関数情報では、入力される外部振動の周波数が９Ｈｚ近傍であるときに、伝達係数がピーク値を迎える特性が見出せる。また、図５（ｃ）の下段には、入力される外部振動の周波数と、出力発電電圧に表れる位相遅れが示されており、外部振動の周波数が約９Ｈｚを超えると大きな位相遅れが発生する特性が見出せる。

このように伝達関数情報生成処理で生成される伝達関数情報は、振動発電装置１に入力される外部振動の周波数に対応した、振動発電装置の出力発電電圧を外部振動の振動速度に変換する関数の情報である。そこで、この伝達関数情報を利用して、振動検出システム１０に含まれる振動発電装置１の出力発電電圧から、当該振動発電装置１に作用した外部振動に関する情報、すなわち外部振動速度情報および外部振動変位情報を生成する処理について、図６および図７に基づいて説明する。なお、これらの処理が、図３に示す振動速度情報生成部２３および振動変位情報生成部２４によって実行されることになる。

ここで、図６は、上記の通り、振動検出システム１０に含まれる振動発電装置１に作用した外部振動の速度情報および変位情報を生成する外部振動情報生成処理のフローチャートである。Ｓ２０１では、推移情報取得部２１が取得した振動発電装置１からの推移情報のうち、所定期間の推移情報が抽出される。例えば、図７（ａ）に示される推移情報のうち、点線で囲まれた期間における推移情報が抽出される。この所定期間の設定については、外部振動情報生成処理に要するサーバ２０の負荷や、出力スペクトル情報の算出精度等を考慮して適宜設定される。Ｓ２０１の処理が終了すると、Ｓ２０２へ進む。

Ｓ２０２では、Ｓ２０１で抽出された電圧推移情報に対してフーリエ変換を施し、周波数成分に対する出力スペクトル情報が算出される（図７（ｂ）を参照）。この出力スペクトル情報の算出は、上述した所定の周波数範囲に対応する範囲で行えばよいが、図７（ｂ）では、所定の周波数範囲より広い０〜３０Ｈｚまでの範囲での出力スペクトル情報が示されている。図７（ｂ）に示す結果では、所定の周波数範囲内に大半の出力スペクトル情報が出現している。Ｓ２０２の処理が終了すると、Ｓ２０３へ進む。

Ｓ２０３では、伝達関数記憶部２５に記憶されている伝達関数情報の読み込みが行われ、Ｓ２０４へ進む。Ｓ２０４では、Ｓ２０２で算出された出力スペクトル情報、すなわち図７（ｂ）に示す出力スペクトル情報のうち所定の周波数範囲（０〜２０Ｈｚ）に対応する出力スペクトル情報と、Ｓ２０３で読み込まれた伝達関数情報に基づいて、外部振動の速度情報の生成が行われる。具体的には、周波数ごとの出力スペクトル情報値に当該周波
数に対応する伝達係数の逆数を乗じるとともに、当該周波数に対応する位相遅れを考慮し、更に逆フーリエ変換を施すことで、所定期間における外部振動速度情報が生成される。

また、Ｓ２０５において、Ｓ２０４で生成された外部振動速度情報を時間積分することで、外部振動変位情報が生成される。その生成された外部振動変位情報を、図７（ｃ）に示す。このように、振動検出システム１０では、外部振動変位情報は１度の時間積分によって算出されることになる。

上記の外部振動情報生成処理において使用される伝達関数情報は、外部振動に含まれる所定の周波数範囲において、振動発電装置１の出力発電電圧を外部振動の振動速度に変換する関数の情報でありながら、伝達関数情報に含まれる伝達係数は、出力発電電圧と外部振動速度との間の比例関係における比例定数であるため、伝達関数情報を用いた外部振動速度への変換は極めて効果的であり、故に当該変換を介した外部振動速度の算出を容易に、且つ精度よく実現することができる。特に、振動発電装置１が図１に示すように非横断型振動発電装置であることから、伝達関数情報にリップル電圧によるノイズが含まれておらず、高精度の外部振動速度の生成が期待される。

また、一般に橋梁５０に生じる振動（振動発電装置１に作用する振動）には様々な周波数成分が含まれているが、上記の通り、伝達関数情報記憶部２５が記憶する伝達関数情報は、外部振動に含まれる所定の周波数範囲における外部振動の振動速度と、振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定するものであるため、実際に振動発電装置１に作用する外部振動情報を、振動発電装置１の出力発電電圧に基づいて適切に算出することができる。

＜変形例１＞
図２に示す振動検出システム１０は、橋梁５０に設置された振動発電装置１とそれから離れて設置されたサーバ２０によって構成され、両者の間は無線通信およびインターネット通信を介して情報の送受信が可能となるように電気的に接続されている。そこで、図２に示す振動検出システム１０の構成に代えて、振動発電装置１に、サーバ２０側の出力スペクトル情報算出部２２、振動速度情報生成部２３、振動変位情報生成部２４、伝達関数情報記憶部２５の機能を持たせて、そこに振動検出システムを形成する構成を採用することもできる。すなわち、橋梁５０側に設けられた振動発電装置１内で上を記外部振動情報生成処理を行うものである。このような場合も、情報収集の観点から、振動発電装置１内で生成された外部振動速度情報等を、無線通信等を介してサーバ２０で集約するのが好ましい。

＜変形例２＞
図６に示す外部振動情報生成処理では、推移情報取得部２１が取得した推移情報のうちＳ２０１で抽出された部分的な推移情報から、外部振動速度情報、外部振動変位情報の生成が行われるが、それに代えて、推移情報取得部２１が取得した推移情報の全部に基づいて外部振動速度情報、外部振動変位情報を生成するようにしてもよい。この場合、Ｓ２０２においてフーリエ変換を行うために、処理の対象となる推移情報の時間範囲が比較的長い場合には、フーリエ変換の条件次第では、出力スペクトル情報の算出誤差が大きくなり得る。

そこで、推移情報取得部２１が取得した推移情報から、複数の部分的な推移情報であってその部分的な推移情報同士には重複する部分が存在するよう当該複数の部分的な推移情報を窓関数を用いて抽出する。そして、抽出された部分的な推移情報のそれぞれに対して、Ｓ２０２〜Ｓ２０５の処理を施し、部分的な推移情報に対応した部分的な外部振動速度情報、および部分的な外部振動変位情報を生成する。そして、部分的な推移情報における上記重複部分に対応する、部分的な外部振動速度情報および部分的な外部振動変位情報に
おける部分を、各部分的な情報ごとに重ね合わせることで、全部の推移情報に対応した、全部の外部振動速度情報および全部の外部振動変位情報を生成するようにしてもよい。このように各情報を生成することで、上述したフーリエ変換時の算出誤差の影響を軽減させることができる。

なお、部分的な外部振動速度情報同士の重ね合わせ、および部分的な外部振動変位情報の重ね合わせに関する処理は、情報同士の平均化、所定の重ね合わせ用の関数の利用等、様々な手法を用いることができる。

１・・・・振動発電装置
２・・・・エレクトレット
３・・・・可動部材
４・・・・バネ
５・・・・固定部材
６、７・・・・電極
１０・・・・振動検出システム
２０・・・・サーバ

Claims (11)

1. 外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極対を有する電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行い、電極対の電極間に発電電圧を出力する振動発電装置と、
   外部振動に含まれる所定の周波数範囲における、外部振動の振動速度と、前記振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報であって、該所定の周波数範囲に属する複数の周波数のそれぞれに応じて設定された、該外部振動の振動速度と該振動発電装置の出力発電電圧とを所定の比例関係に位置付けるための伝達係数を含む伝達関数情報を記憶する伝達関数記憶部と、
   所定期間における前記振動発電装置の出力発電電圧の推移情報をフーリエ変換し、該出力発電電圧の出力スペクトル情報を算出する出力スペクトル情報算出部と、
   前記出力スペクトル情報算出部によって算出された前記振動発電装置の出力発電電圧の出力スペクトル情報と、前記伝達関数記憶部に記憶された前記伝達関数情報とに基づいて、該所定期間における外部振動の振動速度情報を生成する振動速度情報生成部と、
   を備える、エレクトレット型振動検出システム。
2. 前記振動速度情報生成部によって生成された前記所定期間における外部振動の振動速度情報を積分し、該所定期間における外部振動の振動変位情報を生成する振動変位情報生成部を、更に備える、
   請求項１に記載のエレクトレット型振動検出システム。
3. 前記振動発電装置は、
   前記エレクトレット群と前記電極群を収容する筐体部と、
   前記電極群が設けられるとともに、前記筐体部側に固定される固定部材と、
   前記エレクトレット群が設けられるとともに、前記固定部材に対して対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能とされる可動部材と、を有し、
   前記可動部材が外部振動により振動した場合に想定される想定最大振幅において、相対移動方向に沿った前記エレクトレット群に含まれる各エレクトレットの端部が、前記電極群に形成される一の電極とそれに隣接する電極との間の電極側間隔を横切らないように構成されている、
   請求項１又は請求項２に記載のエレクトレット型振動検出システム。
4. 外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極対を有する電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行い、電極対の電極間に発電電圧を出力する振動発電装置から、所定期間における出力発電電圧の推移情報を取得するステップと、
   取得された出力発電電圧の推移情報をフーリエ変換し、該出力発電電圧の出力スペクトル情報を算出するステップと、
   算出された前記出力スペクトル情報と、外部振動に含まれる所定の周波数範囲における、外部振動の振動速度と、前記振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報であって、該所定の周波数範囲に属する複数の周波数のそれぞれに応じて設定された、該外部振動の振動速度と該振動発電装置の出力発電電圧とを所定の比例関係に位置付けるための伝達係数を含む伝達関数情報とに基づいて、該所定期間における外部振動の振動速度情報を生成するステップと、
   を含む、外部振動情報の生成方法。
5. 前記生成された前記所定期間における外部振動の振動速度情報を積分し、該所定期間における外部振動の振動変位情報を生成するステップを、更に含む、
   請求項４に記載の外部振動情報の生成方法。
6. 前記振動発電装置は、
   前記エレクトレット群と前記電極群を収容する筐体部と、
   前記電極群が設けられるとともに、前記筐体部側に固定される固定部材と、
   前記エレクトレット群が設けられるとともに、前記固定部材に対して対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能とされる可動部材と、を有し、
   前記可動部材が外部振動により振動した場合に想定される想定最大振幅において、相対移動方向に沿った前記エレクトレット群に含まれる各エレクトレットの端部が、前記電極群に形成される一の電極とそれに隣接する電極との間の電極側間隔を横切らないように構成されている、
   請求項４又は請求項５に記載の外部振動情報の生成方法。
7. 外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極対を有する電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行い、電極対の電極間に発電電圧を出力する振動発電装置の、外部振動に含まれる所定の周波数範囲における出力発電電圧と、該所定の周波数範囲における外部振動の振動速度との相関を規定する伝達関数情報を生成する方法であって、
   前記振動発電装置は、
   前記エレクトレット群と前記電極群を収容する筐体部と、
   前記電極群が設けられるとともに、前記筐体部側に固定される固定部材と、
   前記エレクトレット群が設けられるとともに、前記固定部材に対して対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能とされる可動部材と、を有し、
   前記可動部材が外部振動により振動した場合に想定される想定最大振幅において、相対移動方向に沿った前記エレクトレット群に含まれる各エレクトレットの端部が、前記電極群に形成される一の電極とそれに隣接する電極との間の電極側間隔を横切らないように構成され、
   前記伝達関数情報を生成する方法は、
   前記振動発電装置に対して、前記所定の周波数範囲に属する複数の周波数の外部振動を加えるステップと、
   前記複数の周波数の外部振動を加えたときの、該複数の周波数のそれぞれに対応する前記振動発電装置の出力発電電圧の推移情報に基づいて、該それぞれの周波数に対応した、該外部振動の振動速度と該振動発電装置の出力発電電圧とを所定の比例関係に位置付けるための伝達係数を算出するステップと、
   前記それぞれの周波数に対応した前記伝達係数に基づいて、前記外部振動の振動速度と、前記振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報を生成するステップと、
   を含む、外部振動に関する伝達関数情報を生成する方法。
8. 外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極対を有する電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行い、電極対の電極間に発電電圧を出力する振動発電装置に作用する外部振動に関する情報をコンピュータに生成させるプログラムであって、
   前記コンピュータに、
   前記振動発電装置から、所定期間における出力発電電圧の推移情報を取得するステップと、
   取得された出力発電電圧の推移情報をフーリエ変換し、該出力発電電圧の出力スペクトル情報を算出するステップと、
   算出された前記出力スペクトル情報と、外部振動に含まれる所定の周波数範囲における、外部振動の振動速度と、前記振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報であって、該所定の周波数範囲に属する複数の周波数のそれぞれに応じて設定された
   、該外部振動の振動速度と該振動発電装置の出力発電電圧とを所定の比例関係に位置付けるための伝達係数を含む伝達関数情報とに基づいて、該所定期間における外部振動の振動速度情報を生成するステップと、
   を実行せしめる、外部振動情報の生成プログラム。
9. 前記コンピュータに、
   前記生成された前記所定期間における外部振動の振動速度情報を積分し、該所定期間における外部振動の振動変位情報を生成するステップを、更に実行せしめる、
   請求項８に記載の外部振動情報の生成プログラム。
10. 前記振動発電装置は、
    前記エレクトレット群と前記電極群を収容する筐体部と、
    前記電極群が設けられるとともに、前記筐体部側に固定される固定部材と、
    前記エレクトレット群が設けられるとともに、前記固定部材に対して対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能とされる可動部材と、を有し、
    前記可動部材が外部振動により振動した場合に想定される想定最大振幅において、相対移動方向に沿った前記エレクトレット群に含まれる各エレクトレットの端部が、前記電極群に形成される一の電極とそれに隣接する電極との間の電極側間隔を横切らないように構成されている、
    請求項８又は請求項９に記載の外部振動情報の生成プログラム。
11. 外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極対を有する電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行い、電極対の電極間に発電電圧を出力する振動発電装置の、外部振動に含まれる所定の周波数範囲における出力発電電圧と、該所定の周波数範囲における外部振動の振動速度との相関を規定する伝達関数情報を、コンピュータに生成させるプログラムであって、
    前記振動発電装置は、
    前記エレクトレット群と前記電極群を収容する筐体部と、
    前記電極群が設けられるとともに、前記筐体部側に固定される固定部材と、
    前記エレクトレット群が設けられるとともに、前記固定部材に対して対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能とされる可動部材と、を有し、
    前記可動部材が外部振動により振動した場合に想定される想定最大振幅において、相対移動方向に沿った前記エレクトレット群に含まれる各エレクトレットの端部が、前記電極群に形成される一の電極とそれに隣接する電極との間の電極側間隔を横切らないように構成され、
    前記プログラムは、
    前記コンピュータに、
    前記振動発電装置に対して、前記所定の周波数範囲に属する複数の周波数の外部振動を加えるステップと、
    前記複数の周波数の外部振動を加えたときの、該複数の周波数のそれぞれに対応する前記振動発電装置の出力発電電圧の推移情報に基づいて、該それぞれの周波数に対応した、該外部振動の振動速度と該振動発電装置の出力発電電圧とを所定の比例関係に位置付けるための伝達係数を算出するステップと、
    前記それぞれの周波数に対応した前記伝達係数に基づいて、前記外部振動の振動速度と、前記振動発電装置の出力発電電圧との相関を規定する伝達関数情報を生成するステップと、
    を実行せしめる、外部振動に関する伝達関数情報を生成するプログラム。

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