JP6183160B2 - Vibration power generator - Google Patents

Vibration power generator Download PDF

Info

Publication number
JP6183160B2
JP6183160B2 JP2013226830A JP2013226830A JP6183160B2 JP 6183160 B2 JP6183160 B2 JP 6183160B2 JP 2013226830 A JP2013226830 A JP 2013226830A JP 2013226830 A JP2013226830 A JP 2013226830A JP 6183160 B2 JP6183160 B2 JP 6183160B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
power generation
vibration
pair
magnetic
support base
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2013226830A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2015089263A (en
Inventor
寧源 曹
寧源 曹
工藤 高裕
高裕 工藤
卓也 古市
卓也 古市
晃 森田
晃 森田
智 坂上
智 坂上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP2013226830A priority Critical patent/JP6183160B2/en
Publication of JP2015089263A publication Critical patent/JP2015089263A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6183160B2 publication Critical patent/JP6183160B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

本発明は、例えば高速道路や橋梁などに設置したセンサ類に電源を供給可能な振動によって発電する振動発電装置に関する。   The present invention relates to a vibration power generation apparatus that generates power by vibration capable of supplying power to sensors installed on, for example, an expressway or a bridge.

振動を利用した発電技術としては、圧電素子を利用した方法がよく知られている。この圧電素子を利用した発電方法の多くは、圧電素子に何らかの方法で外部から力を加えることにより、圧電素子を変形させて発電するものである。この圧電素子を利用した振動力発電装置としては、例えば特許文献1に記載れているものがある。この振動力発電装置は、圧電材料の少なくとも一方の面に複数の溝が形成されている圧電素子と、この圧電素子と接合され、前記圧電素子に振動を伝える振動板と、圧電素子の出力を整流する手段と、整流された電力を蓄積する手段とを備えている。   As a power generation technique using vibration, a method using a piezoelectric element is well known. Many of the power generation methods using this piezoelectric element are to generate electric power by deforming the piezoelectric element by applying external force to the piezoelectric element by some method. As a vibration power generation apparatus using this piezoelectric element, for example, there is one described in Patent Document 1. The vibration power generation apparatus includes a piezoelectric element having a plurality of grooves formed on at least one surface of a piezoelectric material, a vibration plate that is bonded to the piezoelectric element and transmits vibration to the piezoelectric element, and an output of the piezoelectric element. Means for rectifying and means for storing the rectified power are provided.

しかしながら、この圧電素子を使用した振動力発電装置は、圧電素子を構成する圧電材料は、脆性材料であり、曲げや衝撃に対して弱い材料である。そのため、過度な負荷を加えることはできず、発電量を増加するために大きな曲げや衝撃を加えることが困難であるという問題点がある。
また、圧電素子は低周波数でインピーダンスが高く、圧電素子より低いインピーダンスを有する負荷を接続した際に、負荷に発生する電圧が小さくなるため、発電により得られる電力が小さくなり、発電の効率が低いという問題点もある。
However, in the vibration power generation apparatus using this piezoelectric element, the piezoelectric material constituting the piezoelectric element is a brittle material and is weak against bending and impact. Therefore, an excessive load cannot be applied, and there is a problem that it is difficult to apply a large bending or impact in order to increase the power generation amount.
In addition, the piezoelectric element has a high impedance at a low frequency, and when a load having a lower impedance than that of the piezoelectric element is connected, the voltage generated in the load is small, so the power obtained by power generation is small and the power generation efficiency is low. There is also a problem.

このような圧電素子を使用した振動発電装置の問題点を解決するために、特許文献2に記載された磁歪素子を利用した振動発電装置が提案されている。この振動発電装置は、図9(a)及び(b)に示す発電素子100を備えている。この発電素子100は、連結ヨーク100aおよび100bと、連結ヨーク100aおよび100bに平行に支持された磁歪棒110aおよび110bと、各磁歪棒110aおよび110bに巻装されたコイル120aおよび120bと、連結ヨーク100a及び100bに永久磁石140aおよび140bを介して連結されたバックヨーク150とを備えている。   In order to solve the problems of the vibration power generation apparatus using such a piezoelectric element, a vibration power generation apparatus using a magnetostrictive element described in Patent Document 2 has been proposed. This vibration power generation apparatus includes a power generation element 100 shown in FIGS. 9A and 9B. The power generating element 100 includes coupling yokes 100a and 100b, magnetostrictive rods 110a and 110b supported in parallel to the coupling yokes 100a and 100b, coils 120a and 120b wound around the magnetostrictive rods 110a and 110b, and coupling yokes. A back yoke 150 connected to 100a and 100b via permanent magnets 140a and 140b is provided.

この発電素子100を図10に示すように、連結ヨーク100aを固定部に固定して方持ち梁構造とし、連結ヨーク100bに発電素子100の軸方向と直交する方向に曲げ応力Pを印加することにより、磁歪棒110aおよび110bが曲げ変形される。これにより磁歪棒110aおよび110bに発生する逆磁歪効果によって、コイル120aおよび120bを貫く磁束が変化することで、コイル120aおよび120bに誘導電圧(または誘導電力)が発生する。これにより発電素子100に振動を印加することで発電が可能となる。   As shown in FIG. 10, the power generating element 100 has a connecting yoke 100 a fixed to a fixed portion to form a cantilever beam structure, and a bending stress P is applied to the connecting yoke 100 b in a direction perpendicular to the axial direction of the power generating element 100. Thus, the magnetostrictive rods 110a and 110b are bent and deformed. As a result, the magnetic flux passing through the coils 120a and 120b changes due to the inverse magnetostrictive effect generated in the magnetostrictive rods 110a and 110b, thereby generating an induced voltage (or induced power) in the coils 120a and 120b. As a result, power can be generated by applying vibration to the power generation element 100.

磁歪棒110aおよび110bを構成する磁歪材料は延性材料であり、圧電材料に比べて曲げ変や衝撃に強いため、大きな曲げや衝撃を加えることで発電量を増加することが可能である。また、発電素子のインピーダンスが圧電材料よりも低いことから、インピーダンスの低い負荷の接続による発電効率の低下が少なく、前述した圧電材料の問題点を解決することができる。   The magnetostrictive material composing the magnetostrictive rods 110a and 110b is a ductile material, and is more resistant to bending deformation and impact than the piezoelectric material. Therefore, it is possible to increase the amount of power generation by applying large bending or impact. In addition, since the impedance of the power generation element is lower than that of the piezoelectric material, there is little reduction in power generation efficiency due to connection of a load with low impedance, and the above-described problems of the piezoelectric material can be solved.

特開2006−166694号公報JP 2006-166694 A 特許第4905820号公報Japanese Patent No. 4905820

しかしながら、上記特許文献2に記載された従来例にあっては、曲げと捩じれを伴う2次モードでの共振によって発電を行うため、発電効率が低下するという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、発電効率を高めることができる発電可能な振動発電装置を提供することを目的としている。
However, in the conventional example described in Patent Document 2, since power generation is performed by resonance in a secondary mode involving bending and twisting, there is an unsolved problem that power generation efficiency decreases.
Therefore, the present invention has been made paying attention to the unsolved problems of the above-described conventional example, and an object thereof is to provide a vibration power generation apparatus capable of generating power that can increase power generation efficiency.

上記目的を達成するために、本発明に係る振動発電装置の一態様は、振動が伝達される支持台と、該支持台に支持された振動電力変換部とを備え、前記振動電力変換部は、前記支持台に先端側が交差するように支持された一対の発電用ビームと、該一対の発電用ビームの交差位置に固定された錘体とを有し、前記一対の発電用ビームのそれぞれは、前記支持台に固定される取付部と、該取付部に振動の振幅方向に回動可能に支持された磁性体ビームと、該磁性体ビームと平行に配置された磁歪体ビームと、前記磁歪体ビームに巻装された磁気コイルとで構成され、前記磁性体ビームは、一端に前記支持台に枢着される基部が形成され、他端に前記錘体を固定する取付部が形成され、前記基部及び取付部間の長手方向と直行する端面の一方側に、前記磁気コイルを巻装した前記磁歪体ビームを収納する収納切欠部を長手方向に形成して可撓性棒部が形成されている。 In order to achieve the above object, an aspect of the vibration power generator according to the present invention includes a support base to which vibration is transmitted, and a vibration power conversion unit supported by the support base, the vibration power conversion unit being And a pair of power generation beams supported so that the tip side intersects the support base, and weights fixed at the intersecting positions of the pair of power generation beams, each of the pair of power generation beams A mounting portion fixed to the support, a magnetic beam supported on the mounting portion so as to be rotatable in an amplitude direction of vibration, a magnetostrictive beam arranged in parallel with the magnetic beam, and the magnetostriction A magnetic coil wound around a body beam, wherein the magnetic beam is formed with a base portion pivotally attached to the support base at one end and an attachment portion for fixing the weight body at the other end, On one side of the end surface perpendicular to the longitudinal direction between the base and the mounting portion Said housing notch for accommodating the magnetostrictive body beam magnetic coil is wound to form the longitudinally flexible rods portion.

本発明によれば、一対の発電用ビームが先端側で交差するように配置され、これら一対の発電用ビームの交差位置に錘体を固定するようにしたので、捩じれを伴わない1次モードの変位を磁歪体ビームに作用させることができ発電効率を向上させるができる。   According to the present invention, the pair of power generation beams are arranged so as to intersect at the front end side, and the weight body is fixed at the intersecting position of the pair of power generation beams, so that the primary mode without twisting is achieved. The displacement can be applied to the magnetostrictive beam, and the power generation efficiency can be improved.

本発明に係る振動発電装置の一実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows one Embodiment of the vibration electric power generating apparatus which concerns on this invention. 図1のA−A線上の一部を省略した断面図である。It is sectional drawing which abbreviate | omitted a part on the AA line of FIG. 振動電力変換部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a vibration electric power conversion part. 発電用ビームを示す平面図である。It is a top view which shows the beam for electric power generation. 発電用ビームの磁性体ビームおよび磁歪体ビームを示す側面図である。It is a side view which shows the magnetic body beam and magnetostrictive body beam of a power generation beam. 発電用ビーム間の角度と装置の共振周波数との関係を示す特性線図である。It is a characteristic diagram which shows the relationship between the angle between the beam for electric power generation, and the resonant frequency of an apparatus. 錘体質量と振動周波数との関係を示す特性線図である。It is a characteristic diagram which shows the relationship between a weight mass and a vibration frequency. 発電用ビームの磁性体ビーム及び磁歪体ビームの変形例を示す側面図である。It is a side view which shows the modification of the magnetic body beam of a power generation beam, and a magnetostriction beam. 従来の振動発電装置の発電素子を示す図であって、(a)は正面図、(b)は側面図である。It is a figure which shows the electric power generation element of the conventional vibration power generator, Comprising: (a) is a front view, (b) is a side view. 図9の発電素子の発電原理を示す図である。It is a figure which shows the electric power generation principle of the electric power generation element of FIG.

以下、本発明の実施の形態について図面を伴って説明する。
図1は、本発明に係る振動発電装置の一実施形態を示す平面図、図2は、図1のA−A線上の一部を省略した断面図、図3は、振動電力変換部を示す斜視図である。
本発明に係る振動発電装置10は、図1および図2に示すように、円筒状の支持台20と、この支持台20に支持される振動電力変換部30とで構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a vibration power generator according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view in which a part on the line AA in FIG. 1 is omitted, and FIG. 3 shows a vibration power converter. It is a perspective view.
As shown in FIGS. 1 and 2, the vibration power generation apparatus 10 according to the present invention includes a cylindrical support base 20 and a vibration power conversion unit 30 supported by the support base 20.

支持台20は、図2に示すように、円形基板21上にボルト22で取付けられた円筒体23とで構成され、円筒体23の上面に例えば24個の取付雌ねじ24が等間隔で形成されている。
振動電力変換部30は、図3とともに参照して明らかなように、支持台20に先端側が所定角度θで交差するように支持された一対の発電用ビーム31Aおよび31Bと、これら一対の発電用ビーム31Aおよび31Bの交差位置に取付けられた錘体41とを備えている。
As shown in FIG. 2, the support base 20 is composed of a cylindrical body 23 attached by bolts 22 on a circular substrate 21. For example, 24 mounting female screws 24 are formed on the upper surface of the cylindrical body 23 at equal intervals. ing.
As is apparent with reference to FIG. 3, the vibration power converter 30 includes a pair of power generation beams 31 </ b> A and 31 </ b> B supported by the support base 20 so that the tip side intersects at a predetermined angle θ, and the pair of power generation beams And a weight 41 attached at the intersection of the beams 31A and 31B.

一対の発電用ビーム31Aおよび31Bのそれぞれは、一端に形成された支持台20の円筒体23にボルト32で固定される取付部としての基部33と、この基部33にピン34によって回動可能に支持された磁性材料で構成される磁気ヨークとなる磁性体ビーム35と、この磁性体ビーム35に支持された磁歪材料で構成される磁歪体ビーム36とを備えている。   Each of the pair of power generating beams 31A and 31B is configured to be rotatable by a base 34 as a mounting portion fixed to the cylindrical body 23 of the support base 20 formed at one end by a bolt 32 and a pin 34 on the base 33. A magnetic beam 35 serving as a magnetic yoke made of a supported magnetic material and a magnetostrictive beam 36 made of a magnetostrictive material supported by the magnetic beam 35 are provided.

基部33は、図2〜図4に示すように、比較的厚みが薄い取付平板部33aと、この取付平板部33aの右端側に形成された比較的厚みが厚い支持部33bとで構成されている。取付平板部33aにはボルト32を挿通する貫通孔33cが形成されている。支持部33bには、右端側から磁歪体ビーム36を挿通する挿通凹部33dが上下に貫通して形成されている。また、支持部33bには図4に示すように挿通凹部33dと直交してピンを挿通する挿通孔33eが形成されている。   As shown in FIGS. 2 to 4, the base portion 33 is composed of a relatively thin mounting plate portion 33 a and a relatively thick support portion 33 b formed on the right end side of the mounting flat plate portion 33 a. Yes. A through hole 33c through which the bolt 32 is inserted is formed in the mounting flat plate portion 33a. An insertion recess 33d for inserting the magnetostrictive beam 36 from the right end side is formed in the support portion 33b so as to penetrate vertically. Further, as shown in FIG. 4, the support portion 33b is formed with an insertion hole 33e through which a pin is inserted perpendicularly to the insertion recess 33d.

磁性体ビーム35は、図5に示すように、細長い板状に形成され、一端に基部33に取付けられる基部取付部35aが形成され、他端に錘体41を取付ける錘体取付部35bが形成されている。基部取付部35aには、ピン34が挿通される挿通孔35dが形成されている。また、錘体取付部35bには長手方向に所定間隔を保って2本の雌ねじ35eが貫通形成されている。   As shown in FIG. 5, the magnetic beam 35 is formed in an elongated plate shape, a base mounting portion 35 a that is attached to the base portion 33 is formed at one end, and a weight body mounting portion 35 b that attaches the weight body 41 is formed at the other end. Has been. An insertion hole 35d through which the pin 34 is inserted is formed in the base attachment portion 35a. Further, two female screws 35e are formed through the weight mounting portion 35b at a predetermined interval in the longitudinal direction.

また、磁性体ビーム35には、基部取付部35aおよび錘体取付部35b間に下面側から切り欠かれた長手方向に延長する収納切欠部35fが形成されて細い可撓性棒部35gが形成されている。この収納切欠部35fは、長手方向の両端部が下端面から上方に延長する垂直辺部35hと、この垂直辺部35hの上端から外上方に傾斜延長する傾斜辺部35iとで形成され、両端部の垂直辺部35hにそれぞれ前後に貫通する嵌合凹部35jが形成されている。   Further, the magnetic beam 35 is formed with a storage cutout portion 35f extending in the longitudinal direction cut out from the lower surface side between the base attachment portion 35a and the weight attachment portion 35b to form a thin flexible rod portion 35g. Has been. The storage notch 35f is formed of a vertical side 35h whose both ends in the longitudinal direction extend upward from the lower end surface, and an inclined side 35i which extends obliquely upward and outward from the upper end of the vertical side 35h. Fitting recesses 35j penetrating in the front-rear direction are formed in the vertical side portions 35h of the respective portions.

一方、磁歪体ビーム36は、図3に示すように、断面長方形状の細長い角棒状に形成され、その両端部を所定長さ残して磁気コイル37が巻装され、さらに両端に扁平な直方体状の永久磁石38Aおよび38Bが固定されている。ここで、永久磁石38Aおよび38Bは、図5に示すように、ともに長手方向に左端側がS極、右端側がN極に着磁されている。   On the other hand, as shown in FIG. 3, the magnetostrictive beam 36 is formed in an elongated rectangular bar shape having a rectangular cross section, a magnetic coil 37 is wound around the both ends, leaving a predetermined length, and a flat rectangular parallelepiped shape at both ends. Permanent magnets 38A and 38B are fixed. Here, as shown in FIG. 5, the permanent magnets 38 </ b> A and 38 </ b> B are both magnetized in the longitudinal direction so that the left end side is an S pole and the right end side is an N pole.

この磁歪体ビーム36はその両端に固定された永久磁石38Aおよび38Bを磁性体ビーム35の嵌合凹部35jに嵌合させて収納切欠部35fに収納保持されている。このため、永久磁石38AのN極から出る磁束が磁歪体ビーム36を通って永久磁石38BのS極に達し、この永久磁石38BのN極から出る磁束が磁性体ビーム35の錘体取付部35b、可撓性棒部35g、基部取付部35aを通って永久磁石38AのS極に達する磁路が形成される。   The magnetostrictive beam 36 is housed and held in the housing cutout 35f by fitting the permanent magnets 38A and 38B fixed at both ends thereof into the fitting recess 35j of the magnetic beam 35. For this reason, the magnetic flux emitted from the N pole of the permanent magnet 38A reaches the S pole of the permanent magnet 38B through the magnetostrictive beam 36, and the magnetic flux emitted from the N pole of the permanent magnet 38B becomes the weight mounting portion 35b of the magnetic beam 35. A magnetic path that reaches the south pole of the permanent magnet 38A through the flexible rod portion 35g and the base mounting portion 35a is formed.

そして、上記構成を有する発電用ビーム31Aおよび31Bが支持台10の円筒体23の上面に形成された取付雌ねじ24に所定の交差角θとなるように取付けられている。ここで、交差角θは、図6に示すように、振動発電装置10が効率的に発電できる振動の共振周波数を決定する要素であり、本実施形態のように磁性体ビーム35を基部33に回動可能に支持するか固定支持するかによって共振周波数が異なる。本実施形態のように磁性体ビーム35を基部33に回動可能に支持する場合には、図6において特性曲線L1で示すように、交差角θが180°であるときに共振周波数が170Hz程度となり、交差角θが180°より小さくなるにしたがって指数関数的に減少し、交差角θが30°で共振周波数が2.5〜5Hzに低下する。   The power generation beams 31A and 31B having the above-described configuration are attached to an attachment female screw 24 formed on the upper surface of the cylindrical body 23 of the support base 10 so as to have a predetermined crossing angle θ. Here, as shown in FIG. 6, the crossing angle θ is an element that determines the resonance frequency of vibration that can be efficiently generated by the vibration power generation apparatus 10. The magnetic beam 35 is applied to the base 33 as in the present embodiment. The resonance frequency varies depending on whether it is supported rotatably or fixedly supported. When the magnetic beam 35 is rotatably supported on the base 33 as in the present embodiment, the resonance frequency is about 170 Hz when the crossing angle θ is 180 ° as shown by the characteristic curve L1 in FIG. As the crossing angle θ becomes smaller than 180 °, it decreases exponentially, and when the crossing angle θ is 30 °, the resonance frequency is lowered to 2.5 to 5 Hz.

一方、磁性体ビーム35を基部33に固定支持する場合には、図6において特性曲線L2で示すように、交差角θが180°であるときに共振周波数が190Hz程度となり、交差角θが180°より小さくなるにしたがって指数関数的に減少するが、全体として特性曲線L1より高い共振周波数となり、交差角θが30°であるときに55Hz程度となる。   On the other hand, when the magnetic beam 35 is fixedly supported on the base 33, as shown by the characteristic curve L2 in FIG. 6, when the crossing angle θ is 180 °, the resonance frequency is about 190 Hz, and the crossing angle θ is 180 °. Although it decreases exponentially as it becomes smaller than °, the resonance frequency as a whole becomes higher than the characteristic curve L1, and becomes about 55 Hz when the crossing angle θ is 30 °.

したがって、本実施形態のように磁性体ビーム35を基部33に回動可能に支持する場合の方が、共振周波数の選択範囲が広くなり、振動発電可能な振動の周波数範囲が広くなり、特に高速道路や橋梁等の車輛通過時の振動周波数が2.8〜3.7Hzであることから、この周波数範囲で共振させるには、磁性体ビーム35を基部33に回動可能に支持する必要がある。   Therefore, when the magnetic beam 35 is rotatably supported by the base 33 as in the present embodiment, the selection range of the resonance frequency is widened, the frequency range of vibration that can be generated by vibration is widened, and particularly high speed. Since the vibration frequency when passing through vehicles such as roads and bridges is 2.8 to 3.7 Hz, it is necessary to rotatably support the magnetic beam 35 on the base 33 in order to resonate in this frequency range. .

また、錘体41は、図1〜図3に示すように、中心円柱部42と、この中心円柱部42の上下端部に形成された円板状のフランジ部43及び44とで構成されている。フランジ部43及び44には、磁性体ビーム35の錘体取付部35bの雌ねじ35eに対応する2組の貫通孔45が円周方向に等間隔で24個形成されている。
そして、錘体41が図1及び図3に示すように、支持台20に支持された一対の発電用ビーム31A及び31Bの磁性体ビーム35の交差位置に取付けられている。この錘体41の取付けは、まず、錘体41のフランジ部43及び44間に一対の発電用ビーム31A及び31Bの磁性体ビーム35における錘体取付部35bを挿通する。そして、雌ねじ35eを貫通孔45と同心位置とした状態で、フランジ部43及び44の外側からそれぞれ貫通孔45を通じてボルト46を雌ねじ35eに螺合させて締め付けることより、一対の発電用ビーム31A及び31Bと錘体41とを一体化する。
As shown in FIGS. 1 to 3, the weight body 41 includes a central cylindrical portion 42 and disc-shaped flange portions 43 and 44 formed at the upper and lower ends of the central cylindrical portion 42. Yes. In the flange portions 43 and 44, 24 sets of through holes 45 corresponding to the female screw 35e of the weight mounting portion 35b of the magnetic beam 35 are formed at equal intervals in the circumferential direction.
As shown in FIGS. 1 and 3, the weight body 41 is attached to a position where the magnetic beam 35 of the pair of power generation beams 31 </ b> A and 31 </ b> B supported by the support base 20 intersects. To attach the weight body 41, first, the weight body attachment portion 35b of the magnetic body beam 35 of the pair of power generation beams 31A and 31B is inserted between the flange portions 43 and 44 of the weight body 41. Then, with the female screw 35e concentric with the through-hole 45, the bolt 46 is screwed into the female screw 35e through the through-hole 45 from the outside of the flange portions 43 and 44, and tightened, whereby a pair of power generation beams 31A and 31B and the weight body 41 are integrated.

この状態で、図1に示すように、錘体41の中心軸が支持台20の円筒体23の中心軸が一致するように一対の発電用ビーム31A及び31Bの長さが選定されている。
ここで、錘体41の質量と振動の共振周波数との関係は、錘体41の質量が10〔g〕から70〔g〕の範囲で測定したところ、図7に示すように、錘体41の質量が重くなる方が振動の共振周波数が低下することが判明した。しかしながら、錘体41の質量が重くなると加速度が大きくなることから加速度との兼ね合いで錘体41の質量を設定する。
In this state, as shown in FIG. 1, the lengths of the pair of power generation beams 31 </ b> A and 31 </ b> B are selected so that the center axis of the weight body 41 is aligned with the center axis of the cylindrical body 23 of the support base 20.
Here, the relationship between the mass of the weight body 41 and the resonance frequency of vibration was measured when the mass of the weight body 41 was measured in the range of 10 [g] to 70 [g], as shown in FIG. It was found that the resonance frequency of vibration decreases as the mass of the material increases. However, since the acceleration increases as the mass of the weight body 41 increases, the mass of the weight body 41 is set in consideration of the acceleration.

次に、上記実施形態の動作を説明する。
まず、振動発電装置10を設置する振動源の振動周波数に応じて一対の発電用ビーム31A及び31Bの交差角θを設定する。この交差角θの設定は、前述した図6の交差角θと振動の共振周波数との関係を示す特性曲線L1に基づいて振動発電装置10に入力される振動の周波数が共振周波数となるように交差角θを設定する。
Next, the operation of the above embodiment will be described.
First, the crossing angle θ of the pair of power generation beams 31A and 31B is set according to the vibration frequency of the vibration source in which the vibration power generation apparatus 10 is installed. The setting of the crossing angle θ is performed so that the vibration frequency input to the vibration power generation apparatus 10 becomes the resonance frequency based on the characteristic curve L1 indicating the relationship between the crossing angle θ and the vibration resonance frequency in FIG. Set the crossing angle θ.

例えば、高速道路や橋梁では、老朽化が進むことから、加速度センサ、振動センサ,腐食センサ等の構造ヘルスモニタリングセンサを配置して劣化傾向を把握する必要がある。
これら構造ヘルスモニタリングセンサには、電源を必要とするが、蓄電池では寿命があることから定期的な交換が必要となり、その管理が煩雑となる。このため、構造ヘルスモニタリングセンサの電源として振動発電装置10を適用する。
For example, on an expressway and a bridge, since aging progresses, it is necessary to arrange a structural health monitoring sensor such as an acceleration sensor, a vibration sensor, or a corrosion sensor to grasp a deterioration tendency.
These structural health monitoring sensors require a power source, but the storage battery has a limited life, and therefore needs to be replaced periodically, and its management becomes complicated. For this reason, the vibration power generation device 10 is applied as a power source of the structural health monitoring sensor.

この場合、高速道路や橋梁を車両が通過する際に生じる振動の周波数は2.8Hz〜3.7Hzの低周波数領域で加速度は0.15G〜0.5Gの範囲となっている。
このため、振動発電装置10としては低周波数領域に共振周波数を設定する必要があり、本実施形態では、図6の特性曲線L1に基づいて交差角θを30°に設定する。
このため、支持台20の円筒体23の上面に形成された雌ねじ24のうち交差角θに一致する一つ置きの2つの雌ねじ24を選択し、選択した雌ねじ24に一対の発電用ビーム31A及び31Bの基部33を個別に支持する。このとき、基部33の貫通孔33cを同心状に合わせた状態でボルト32を上側から貫通孔33cを通じて雌ねじ24に螺合させて基部33が多少回動する程度に仮締めする。
In this case, the frequency of vibration generated when the vehicle passes through a highway or a bridge is a low frequency region of 2.8 Hz to 3.7 Hz, and the acceleration is in a range of 0.15 G to 0.5 G.
For this reason, it is necessary for the vibration power generator 10 to set the resonance frequency in the low frequency region. In this embodiment, the crossing angle θ is set to 30 ° based on the characteristic curve L1 of FIG.
For this reason, of the female screws 24 formed on the upper surface of the cylindrical body 23 of the support base 20, every other two female screws 24 that coincide with the crossing angle θ are selected, and a pair of power generation beams 31A and The base portions 33 of 31B are individually supported. At this time, the bolt 32 is screwed into the female screw 24 from the upper side through the through-hole 33c with the through-hole 33c of the base 33 concentrically adjusted, and is temporarily tightened to such an extent that the base 33 is slightly rotated.

次いで、支持台20に仮締めした一対の発電用ビーム31A及び31Bの先端側の交差位置に錘体41を取付ける。この錘体41の取付けは、前述したように、錘体41のフランジ部43及び44に一対の発電用ビーム31A及び31Bを構成する磁性体ビーム35の錘体取付部35bを挿通し、フランジ部43及び44に形成した一つ置きの貫通孔45に錘体取付部35bに形成した雌ねじ35eを合わせた状態で上下方向からそれぞれ貫通孔45を介してボルト46を雌ねじ35eに螺合させる。   Next, the weight body 41 is attached to the crossing position on the tip end side of the pair of power generation beams 31A and 31B temporarily fastened to the support base 20. As described above, the weight body 41 is attached by inserting the weight body attachment portion 35b of the magnetic beam 35 constituting the pair of power generation beams 31A and 31B into the flange portions 43 and 44 of the weight body 41, and the flange portion. The bolts 46 are screwed into the female screws 35e from the upper and lower directions through the through holes 45 in a state in which the female screws 35e formed on the weight attaching portion 35b are aligned with the other through holes 45 formed in the holes 43 and 44, respectively.

その後、基部33のボルト32を本締めするとともに、錘体41側のボルト46を本締めして支持台20に一対の発電用ビーム31A及び31Bを所定の交差角θ(=30°)を保つとともに、錘体41を支持台20の円筒体23の中心軸に中心軸を一致させて配置し、振動電力変換部30を構成する。
この振動電力変換部30を構成した状態で、一対の発電用ビーム31A及び31Bのそれぞれは、基部33に磁性体ビーム35が回動可能に支持されているが、両発電用ビーム31A及び31Bの先端の交差位置に錘体41が取付けられている。一対の発電用ビーム31A及び31Bの回動面が異なるため、支持台20に振動が伝達されていない状態では、図2に示すように、一対の発電用ビーム31A及び31Bが重力によって下方に回動することなく水平状態に保持される。この水平状態では、磁歪体ビーム36には撓みが発生せず、磁力線が変化しないことにより、磁気コイル37から電圧(電力)は出力されることがない。
Thereafter, the bolt 32 of the base portion 33 is finally tightened, and the bolt 46 on the weight body 41 side is finally tightened to keep the pair of power generation beams 31A and 31B on the support base 20 at a predetermined crossing angle θ (= 30 °). At the same time, the weight body 41 is disposed so that the center axis thereof coincides with the center axis of the cylindrical body 23 of the support base 20, thereby constituting the vibration power converter 30.
In the state in which the vibration power conversion unit 30 is configured, each of the pair of power generation beams 31A and 31B is supported by the base 33 so that the magnetic body beam 35 is rotatable. A weight body 41 is attached at the intersection of the tips. Since the rotation surfaces of the pair of power generation beams 31A and 31B are different, as shown in FIG. 2, the pair of power generation beams 31A and 31B rotate downward due to gravity when vibration is not transmitted to the support base 20. It is held in a horizontal state without moving. In this horizontal state, the magnetostrictive beam 36 is not bent and the lines of magnetic force do not change, so that no voltage (electric power) is output from the magnetic coil 37.

この状態で、高速道路又は橋梁に車両が通過することにより支持台20に2.5〜4Hzの振動が伝達されると、一対の発電用ビーム31A,31Bの磁性体ビーム35に可撓性棒部35gが形成されていることにより、振動に応じて一対の発電用ビーム31A及び31Bの磁性体ビーム35が水平線を挟んで上下に繰り返し撓み、一対の発電用ビーム31A,31B及び錘体41が共振状態となる。これによって磁歪体ビーム36に伸びと圧縮が繰り返し作用することになり、磁力線が交番状に変化する。この磁力線の変化が電磁誘導の法則によって磁気コイル37に誘起電圧(誘起電力)を発生させ、振動発電を行うことができる。   In this state, when 2.5 to 4 Hz vibration is transmitted to the support base 20 by passing the vehicle through the highway or the bridge, the flexible rod is applied to the magnetic beam 35 of the pair of power generation beams 31A and 31B. By forming the portion 35g, the magnetic beam 35 of the pair of power generation beams 31A and 31B is repeatedly bent up and down across the horizontal line in response to vibration, and the pair of power generation beams 31A and 31B and the weight body 41 are formed. Resonant state. As a result, elongation and compression are repeatedly applied to the magnetostrictive beam 36, and the lines of magnetic force change alternately. This change in the lines of magnetic force generates an induced voltage (induced power) in the magnetic coil 37 according to the law of electromagnetic induction, and vibration power generation can be performed.

このとき、一対の発電用ビーム31A及び31Bは、交差配置されているとともに先端側の交差位置に錘体41が配置されているので、一対の発電用ビーム31A及び31Bを構成する磁性体ビーム35に捩じれが発生することはなく、撓みのみの1次モードで変位することになり、磁歪体ビーム36にも捩じれ力が伝達されることがない。このため、磁歪体ビーム36による発電効率を向上させることができ、2.5mW以上の電力を発電することができる。   At this time, since the pair of power generation beams 31A and 31B are arranged to intersect with each other and the weight body 41 is disposed at the intersection position on the front end side, the magnetic beam 35 constituting the pair of power generation beams 31A and 31B. Therefore, the twisting force is not generated, and the displacement is performed in the primary mode of only bending, and the twisting force is not transmitted to the magnetostrictive beam 36. For this reason, the power generation efficiency by the magnetostrictive beam 36 can be improved, and power of 2.5 mW or more can be generated.

しかも、支持台20に固定支持された基部33に対して磁性体ビーム35が振動の振幅方向に回動可能に支持されているので、図6から明らかなように、高速道路や橋梁で車両が通過したときに発生する周波数が2.5〜4Hzの低周波数領域の振動に対して共振現象を生じて確実に発電することができる。
さらに、磁歪体ビーム36は磁歪材料で構成され、この磁歪材料は延性材料であり、圧電材料に比べて曲げや衝撃に強いため、大きな曲げや衝撃を加えることで発電量を増加することが可能である。振動発電装置10のインピーダンスが圧電材料よりもひくいことから、インピーダンスの低い負荷の接続による発電効率の低下が少ない。
In addition, since the magnetic beam 35 is supported so as to be rotatable in the vibration amplitude direction with respect to the base portion 33 fixedly supported by the support base 20, as is clear from FIG. Resonance is generated with respect to vibration in a low frequency range of 2.5 to 4 Hz generated when passing, and power can be generated reliably.
Further, the magnetostrictive beam 36 is made of a magnetostrictive material, and this magnetostrictive material is a ductile material and is more resistant to bending and impact than a piezoelectric material. Therefore, it is possible to increase the amount of power generation by applying large bending or impact. It is. Since the impedance of the vibration power generator 10 is higher than that of the piezoelectric material, there is little decrease in power generation efficiency due to connection of a load with low impedance.

そして、振動発電装置10で発生された電力が環境ヘルスモニタリングセンサに動作電源として供給されてこれら環境ヘルスモニタリングセンサを作動させることができる。
また、振動発電装置10を設置する設置対象の振動の周波数が4Hzより高い場合には、図6の特性曲線L1にしたがって、一対の発電用ビーム31A及び31Bの交差角θを180度以内の範囲で選択すればよい。そして、選択した交差角θとなるように一対の発電用ビーム31A及び31Bの支持台20への支持位置を設定すれば、設置対象の振動周波数で共振させることができ、広範囲の振動周波数領域で振動発電を効率良く行うことができる。
Then, the electric power generated by the vibration power generation apparatus 10 is supplied as an operating power source to the environmental health monitoring sensor, and these environmental health monitoring sensors can be operated.
When the vibration frequency of the installation target where the vibration power generation apparatus 10 is installed is higher than 4 Hz, the crossing angle θ of the pair of power generation beams 31A and 31B is within a range of 180 degrees or less according to the characteristic curve L1 of FIG. Select with. Then, if the support position of the pair of power generation beams 31A and 31B on the support base 20 is set so as to have the selected crossing angle θ, it is possible to resonate at the vibration frequency of the installation target, and in a wide range of vibration frequencies. Vibration power generation can be performed efficiently.

また、磁性体ビーム35を、基部取付部35aおよび錘体取付部35b間に下面側から切り欠かれた長手方向に延長する収納切欠部35fを形成して細い可撓性棒部35gを形成するように構成すると、磁性体ビーム35への磁気コイル37を巻装した磁歪体ビーム36の装着を容易に行うことができ、一対の発電用ビーム31A及び31Bの組み立てを容易に行うことができる。   In addition, a storage cutout portion 35f extending in the longitudinal direction cut out from the lower surface side is formed between the base attachment portion 35a and the weight attachment portion 35b to form the thin flexible rod portion 35g. With this configuration, the magnetostrictive beam 36 around which the magnetic coil 37 is wound can be easily mounted on the magnetic beam 35, and the pair of power generation beams 31A and 31B can be easily assembled.

なお、上記実施形態では、高速道路や橋梁等で発生する2.5〜4Hz程度の低周波数の振動で発電可能なように、基部33に対して磁性体ビーム35を回動可能に支持する場合について説明した。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではなく、振動周波数領域60Hz以上である場合には、前述図6の特性曲線L2で表されるように、基部33に対して磁性体ビーム35を固定配置しても、低周波数領域を除く領域で振動発電を行うことができる。   In the above embodiment, when the magnetic beam 35 is rotatably supported with respect to the base 33 so as to be able to generate electric power with a low frequency vibration of about 2.5 to 4 Hz generated on a highway or a bridge. Explained. However, the present invention is not limited to the above-described configuration. When the vibration frequency region is 60 Hz or more, the magnetic material beam 35 is applied to the base 33 as represented by the characteristic curve L2 in FIG. Even with the fixed arrangement, vibrational power generation can be performed in a region other than the low frequency region.

また、上記実施形態では、磁性体ビーム35の下端側に収納切欠部35fを形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図5の構成で、磁性体ビーム35及び磁歪体ビーム36の上下を反転させて配置するようにしても、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
さらに、上記実施形態では、磁性体ビーム35の一つの磁歪体ビーム36を装着する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図8に示すように、磁性体ビーム35の上下両側に磁歪体ビーム36を装着することもできる。
In the above-described embodiment, the case where the storage cutout 35f is formed on the lower end side of the magnetic beam 35 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the configuration shown in FIG. Even if the beam 36 is arranged upside down, the same effect as in the above embodiment can be obtained.
Further, in the above-described embodiment, the case where one magnetostrictive beam 36 of the magnetic beam 35 is mounted has been described. However, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. A magnetostrictive beam 36 can also be mounted on the slab.

さらに、上記実施形態では、永久磁石38A及び38Bの着磁方向が左側をS極に右側をN極とした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、左側をN極に右側をS極に着磁するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、支持台20が円筒体23を有する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、一対の発電用ビーム31A及び31Bの交差角θが決まっている場合には、その交差角θに応じた円弧範囲のみの円弧状又は直線状に形成することができる。
Furthermore, in the above embodiment, the case where the magnetization directions of the permanent magnets 38A and 38B are the left side as the S pole and the right side as the N pole has been described. However, the present invention is not limited to this. The S pole may be magnetized.
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the support stand 20 had the cylindrical body 23, it is not limited to this, When the crossing angle (theta) of a pair of power generation beam 31A and 31B is decided. , It can be formed in an arc shape or a linear shape only in the arc range corresponding to the crossing angle θ.

10…振動発電装置、20…支持台、21…基板、23…円筒体、24…雌ねじ、30…振動電力変換部、31A,31B…発電用ビーム、32…ボルト、33…取付部、35…磁性体ビーム、35a…基部取付部、35b…錘体取付部、35f…収納切欠部、35g…可撓性棒部、36…磁歪体ビーム、37…磁気コイル、38A38B…永久磁石、41…錘体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Vibration power generation device, 20 ... Support stand, 21 ... Board | substrate, 23 ... Cylindrical body, 24 ... Female screw, 30 ... Vibration power conversion part, 31A, 31B ... Power generation beam, 32 ... Bolt, 33 ... Mounting part, 35 ... Magnetic body beam, 35a ... Base attachment part, 35b ... Weight body attachment part, 35f ... Storage notch part, 35g ... Flexible bar part, 36 ... Magnetostrictive body beam, 37 ... Magnetic coil, 38A , 38B ... Permanent magnet, 41 ... body

Claims (5)

振動が伝達される支持台と、
該支持台に支持された振動電力変換部とを備え、
前記振動電力変換部は、前記支持台に先端側が交差するように支持された一対の発電用ビームと、該一対の発電用ビームの交差位置に固定された錘体とを有し
前記一対の発電用ビームのそれぞれは、前記支持台に固定される取付部と、該取付部に振動の振幅方向に回動可能に支持された磁性体ビームと、該磁性体ビームと平行に配置された磁歪体ビームと、前記磁歪体ビームに巻装された磁気コイルとで構成され、
前記磁性体ビームは、一端に前記支持台に枢着される基部が形成され、他端に前記錘体を固定する取付部が形成され、前記基部及び取付部間の長手方向と直行する端面の一方側に、前記磁気コイルを巻装した前記磁歪体ビームを収納する収納切欠部を長手方向に形成して可撓性棒部が形成されている
ことを特徴とする振動発電装置。
A support base through which vibration is transmitted;
A vibration power converter supported by the support,
The vibration power conversion unit has a pair of power generation beams supported so that the tip side intersects the support base, and a weight body fixed at an intersection position of the pair of power generation beams ,
Each of the pair of power generation beams is disposed in parallel with the mounting portion fixed to the support base, the magnetic beam supported by the mounting portion so as to be rotatable in the amplitude direction of vibration, and the magnetic beam. A magnetostrictive beam and a magnetic coil wound around the magnetostrictive beam,
The magnetic beam has a base portion pivotally attached to the support base at one end, an attachment portion for fixing the weight body at the other end, and an end surface perpendicular to the longitudinal direction between the base portion and the attachment portion. A vibration power generating apparatus characterized in that a flexible bar portion is formed on one side by forming a storage notch for storing the magnetostrictive beam wound with the magnetic coil in the longitudinal direction .
前記錘体は、中心円柱部と、該中心円柱部の上下端部から半径方向に延長する上下フランジとで構成され、前記上下フランジ間に前記磁性体ビームの取付部が装着されて固定されることを特徴とする請求項1に記載の振動発電装置。 The weight body includes a central cylindrical portion and upper and lower flanges extending in the radial direction from the upper and lower ends of the central cylindrical portion, and the magnetic beam mounting portion is mounted and fixed between the upper and lower flanges. The vibration power generator according to claim 1. 前記支持台は、前記一対の発電用ビームの取付部を固定する前記錘体の中心を中心とする円弧状取付面を有し、前記一対の発電用ビームの取付位置及び交差角の少なくとも一方を選択可能に構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の振動発電装置。 The support base has an arcuate mounting surface centering on the center of the weight body for fixing the mounting portion of the pair of power generation beams, and at least one of the mounting position and the crossing angle of the pair of power generation beams. The vibration power generation apparatus according to claim 1 , wherein the vibration power generation apparatus is configured to be selectable . 前記支持台は、前記錘体の中心を中心とする円環状に形成され、前記一対の発電用ビームの取付位置及び交差角の少なくとも一方を選択可能に構成されていることを特徴とする請求項1からの何れか1項に記載の振動発電装置。 Claim wherein the support base is formed in an annular shape about the center of said weight body, characterized by Tei Rukoto be selectable forms at least one of the mounting position and angle of intersection of the pair of power generating beam 4. The vibration power generator according to any one of 1 to 3. 前記一対の発電用ビームの交差角は、共振を生じる振動周波数に応じて設定されていることを特徴とする請求項に記載の振動発電装置。 5. The vibration power generation apparatus according to claim 4 , wherein an intersection angle between the pair of power generation beams is set in accordance with a vibration frequency causing resonance .
JP2013226830A 2013-10-31 2013-10-31 Vibration power generator Expired - Fee Related JP6183160B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013226830A JP6183160B2 (en) 2013-10-31 2013-10-31 Vibration power generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013226830A JP6183160B2 (en) 2013-10-31 2013-10-31 Vibration power generator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015089263A JP2015089263A (en) 2015-05-07
JP6183160B2 true JP6183160B2 (en) 2017-08-23

Family

ID=53051518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013226830A Expired - Fee Related JP6183160B2 (en) 2013-10-31 2013-10-31 Vibration power generator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6183160B2 (en)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BR112012032264B8 (en) * 2010-06-18 2022-04-12 Univ Nat Corp Kanazawa Power conversion element and power generation apparatus including power conversion element
JP5931472B2 (en) * 2012-01-30 2016-06-08 株式会社ミツバ Power generator
JP5940344B2 (en) * 2012-03-29 2016-06-29 東洋ゴム工業株式会社 Power generation unit

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015089263A (en) 2015-05-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6036143B2 (en) Power generator
US10447135B2 (en) Device for generating electrical power from low frequency oscillations
JP2011217431A (en) Vibration generator using blade spring and blade spring for vibration generators
US20180191231A1 (en) Broadband Vibrational Energy Harvesting Device Combining Multiple Nonlinearity
JP5442406B2 (en) Coriolis type flow sensor system
US20140125151A1 (en) Power generator
JP3541996B2 (en) Magnetostrictive device
WO2014119202A1 (en) Magnetostrictive vibration power generation device
JP6758041B2 (en) Viaduct with damping power generation device and vibration damping power generation device
US8970092B2 (en) Electricity generator having recovery of energy from mechanical vibrations
JP6171992B2 (en) Power generator
JP6171991B2 (en) Power generator
JP6183160B2 (en) Vibration power generator
JP6287580B2 (en) Power generator
US20220085271A1 (en) Power generation element and power generation apparatus
JP2015220960A (en) Power generator
JP6155009B2 (en) Power generator
JP2017022958A (en) Vibration power generation device
JP2017184444A (en) Vibration generator
JP6209818B2 (en) Power generator
WO2015178049A1 (en) Base and electricity-generating device
JPWO2014168008A1 (en) Power generator
JP6028594B2 (en) Power generator
JP2021136826A (en) Power generation element and device using power generation element
WO2014168007A1 (en) Power generation device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160315

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20161122

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20161124

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170119

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170627

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170710

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6183160

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees