JP6196549B2

JP6196549B2 - 発電機構及びセンサー

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Publication number: JP6196549B2
Application number: JP2013268466A
Authority: JP
Inventors: 豊人田淵; 茂樹向井
Original assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2017-09-13
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: JP2015126584A

Description

本発明は、発電機構及びセンサーに係り、特に、振動によって発電を行う発電機構及びその発電機構を利用したセンサーに関する。

鉄道や交通の分野においては振動が発生する場所が多く、その振動を利用する技術が模索されてきた。例えば、振動を電力に変換する技術（以下、「振動発電」ともいう）がある。そのような技術として、圧電型の発電機構で電力を発生させる技術において、振動による圧電のために外部から作用する力に対して高効率で発電を試みる技術がある（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。

一般に、特許文献１や特許文献２に示されるように、振動発電のシステムは、いわゆる１自由度系の構造を有し、１つの固有振動数をより強めることで発電している。ここで図６に振動系をモデル化したもの及び固有振動数に関する式を示す。図６（ａ）は１自由度系に関するもので、図６（ｂ）は２自由度系に関するものである。

図６（ａ）の式（１）からも分かるように、１自由度系においては、質量ｍやバネ定数ｋを変化させることで固有振動数を変化させる。しかし、低い周波数に対応するには、バネ部分を長くしたり、錘を大型化させる必要がある。

また、「Research of Wideband Vibration System of Energy Harvest System for Wireless Sensor（非特許文献１）」は、２自由度系を用いて複数の振動数に対応させた発電装置について開示している。しかし、当該文献の技術は、２つの固有振動数を持つが１Ｈｚでも周波数がずれると発電が出来なくなってしまう（センシングが不可能になってしまう）。ここで、非特許文献１に開示の技術の２自由度系は一般的に以下の図６（ｂ）に示す簡略図で示され、固有振動数は図中の式（２）及び式（３）の連立方程式で示される。この連立方程式を用いて２つの質量（ｍ１、ｍ２）とバネ定数（ｋ１、ｋ２）を決める。

特開２００６−１５８１１２号公報特開平１１−１３６９６４号公報 Kibong Han et al.、「Research of Wideband Vibration System of Energy Harvest System for Wireless Sensor」、International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering、Volume 2、12 December 2012、p.49-53 蒲地秀矢等、「振動発電デバイスを用いた簡易な列車振動監視方法の基礎的検討」、２０１２年８月、土木学会第６７回年次学術講演会講演概要集第ＶＩ部、ｐ．５１５−５１６「鉄道線路の軌道に生ずる振動の解析」、１９７０年７月、土木学会論文集報告集第１７９号

ところで、鉄道の枕木振動は、列車の車軸間隔や車輪が枕木を通過する速度により枕木や路盤の固有振動数が変化することが知られている（例えば非特許文献３参照）。

１自由度系の振動発電装置を取り付けると１つの固有振動数のみの発電となってしまい、様々な条件下での発電が困難であって新たな技術の導入が求められていた。また、広い周波数範囲で発電を行うには個々の周波数に適合した固有振動数の装置を取り付ける必要があるので大型化してしまうという課題があった。さらに、事前に設置する車両通過速度による枕木固有振動数を調査し、調整しなければならない。

本発明は、以上のような状況に鑑みなされたものであって、上記課題を解決する技術を提供することにある。

本発明の発電機構は、機械的な外力を受けてその外力を電力に変換する磁歪式の発電部と、一端が回動自在であり、他端が自由端であって、振動により揺動する梁状の振動部と、前記振動部の自由端側に設けられ、揺動に伴い前記発電部に前記機械的な外力を作用させる力作用部と、前記振動部に設けられた錘と、前記振動部と、設置物と連動して変位する部材とを連結するように取り付けられた弾性部材と、を有し、前記錘は、固定位置を変更可能であって、前記弾性部材はバネであって、前記錘の固定位置と前記振動部の回動自在の一端の間に取り付けられるとともに、その取付位置及び初期のばね定数が調整可能であって、前記錘及び前記弾性部材の取付態様を調整することで、前記発電部における電力変換可能な周波数領域を広帯域化している。
本発明のセンサーは、枕木に設置された上述の発電機構と、列車が通過した場合に前記発電機構が出力する電力をもとに振動状態を検出する判断部と、前記電力の電力量を継続して記憶する記憶部と、を備え、前記判断部は、前記記憶部で記憶している前記電力量が増加している場合に、路盤の空洞が発生したと判断する。
本発明のセンサーは、枕木に設置された上述の発電機構と、前記発電機構が出力する電力をもとに周波数を算出する算出部と、列車の車軸間隔を記憶する記憶部と、を備え、前記算出部は、列車が通過した場合に記憶部で記憶している車軸間隔と前記周波数から前記列車の速度を算出する。

本発明によると、振動発電において発電可能とする周波数領域を拡大して効果的に発電可能とする技術を提供することができる。

本実施形態に係る、振動発電装置の構成を簡易的に示す図である。本実施形態に係る、振動発電装置の構成を示す正面図である。本実施形態に係る、振動発電装置の構成を示す右側面図である。本実施形態に係る、振動発電装置の構成を示す左側面図である。本実施形態に係る、本振動発電装置と１自由度系の振動発電装置の発電量（蓄電量）を比較した図である。本実施形態に係る、１自由度系及び２自由度系のモデル及び固有振動数に関する式を示した図である。

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。

図１は本実施形態に係る振動発電装置１０の概略構成を示す図である。また、図２は、振動発電装置１０に関して実際に試作し後述する発電実験を行った構造の正面図を示している。図３は、図２に対応する振動発電装置１０の右側面図（図２の矢印Ｘ２）である。図４は、図２に対応する振動発電装置１０の左側面図（図２の矢印Ｘ１）である。

振動発電装置１０は、筐体部２０と、発電機３０と、振動打撃部４０と、弾性調整部５０と、バネ６０とを備える。この振動発電装置１０は、線路の枕木９０等に設置され、振動によって揺動した振動打撃部４０が発電機３０を打撃する。発電機３０は、磁歪式発電機であって、振動打撃部４０による打撃を受けて発電する。

筐体部２０は、枕木９０等のように実際に振動する構造物に固定されるとともに、発電機３０と、振動打撃部４０と、弾性調整部５０と、バネ６０を所定の位置に配置する。

具体的には、筐体部２０は、例えばステンレス鋼で出来ており、ベース部２１と、第１の支柱部２２と、第２の支柱部２３と、発電機支持フレーム部２４とを備える。

ベース部２１は、図示では所定厚さの長方形の板状部材であって、枕木９０等の振動する構造物に固定される。ベース部２１の図示左側端部には垂直に延出する第１の支柱部２２が固定される。また、図示右側端部には、同様に垂直に延出する第２の支柱部２３が固定される。

第１の支柱部２２の上端には第２の支柱部２３側に延びる発電機支持フレーム部２４が所定長さで固定されている。発電機支持フレーム部２４には、発電機３０が吊り下げるように固定されている。

第２の支柱部２３の上端から上下方向の略中央部分までの範囲に、第１の支柱部２２側に延びる弾性調整部５０が位置調整可能に固定されている。位置調整のために、図３に示すように、高さ調整用開口２５が複数形成されている。バネ支持フレーム５１は、図２の実線では、一番上側に固定された状態を示しており、２点破線では一番下側に固定された状態と成っている。

弾性調整部５０は、筐体部２０と同様に例えばステンレス鋼材である。弾性調整部５０には、バネ６０の一方の端部を取り付ける為のバネ調整固定用穴５２が複数水平に所定間隔で並んで形成されている。ここでは、６つのバネ調整固定用穴５２が形成されている。

第２の支柱部２３の上下方向の中央より若干下側の位置には、振動打撃部４０が回動軸４２で上下に揺動自在に取り付けられている。

振動打撃部４０は、打撃用フレーム４１と、打撃部４３と、錘４４と、位置調整用穴４５と、バネスライド部４６とを備える。

打撃用フレーム４１は、ステンレス鋼材で形成された梁状の細長い四角柱であって、図示左側の端部が回動軸４２によって回動自在に第２の支柱部２３に取り付けられている。

打撃用フレーム４１の他方の端部（図示左側の自由端側）には、打撃部４３が上向きに取り付けられている。打撃部４３は、発電機に強い打撃力を加えるために、一点で発電機と接する形状が望ましい。本実施形態では、上端が半球状に形成された円柱の部材であるが上端は円錐状や三角錐状などでもよい。打撃部４３の下側部分が打撃用フレーム４１に固定されている。図２の構成では、打撃部４３の上側の半球部分は、打撃用フレーム４１が水平の状態で、発電機３０（被打撃部３２）に対向するように配置されているが発電する振動周波数やバネ定数により斜めの状態で配置されてもよい。打撃用フレーム４１が揺動した場合に、打撃部４３の先端部分が被打撃部３２に当たる。

打撃用フレーム４１の自由端側の近くには錘４４が、交換可能に取り付けられている。また、打撃用フレーム４１の側面で錘４４より回動軸４２側の所定の位置には、横方向に貫通する複数の位置調整用穴４５が延伸方向（横方向）に所定間隔で並んで形成されている。このように、錘４４は取り付け態様が調整可能となっている。

位置調整用穴４５には、バネ６０の一端を固定するために用いられるバネスライド部４６が取り付けられている。バネスライド部４６は、ボルトによって所望の位置調整用穴４５に固定されるようになっている。バネスライド部４６の上側部分にはバネ６０の一端を固定する為の開口４７が形成されている。

つまり、バネ調整固定用穴５２とバネスライド部４６の開口４７とにバネ６０の端部が固定される。取り付けるバネ調整固定用穴５２とバネスライド部４６の開口４７を選択したり、バネ支持フレーム５１の高さを調整することで、バネ６０の初期長さを調整することができ、運用時のバネ定数を調整したり、打撃用フレーム４１の傾きや先端部分の移動量、つまり打撃部４３の移動量を調整することができる。当然にバネ６０自体を取り替えることでも対応することができる。このように、バネ６０は、取り付け態様が調整可能になっている。

発電機３０は、コイル部３１と被打撃部３２とを備える。コイル部３１は、発電機支持フレーム部２４に下向きに固定される。被打撃部３２は、コイル部３１の下側に取り付けられる。コイル部３１は、磁歪素子と呼ばれる材料の外周に銅線をコイル状に巻いた発電素子で構成されている。磁歪素子は、逆磁歪を発現する材料に外部より応力を加え金属結晶歪みを加えると、磁歪材料外周に巻いたコイルに起電力が発生する逆磁歪効果（Villari効果）によって発電する部材である。ここでは、振動によって揺動した打撃部４３が被打撃部３２を打撃する。打撃による応力が被打撃部を介してコイル部に伝達されることによって、コイル部３１に起電力が生じる。この起電力を取り出すことで発電機３０は電力を出力することができる。

ところで、１自由度系の構造を採用した場合、打撃部４３に相当する部材が、固有振動数ｆから僅かでも外れて振動した場合、十分な振動が得られない。結果として、被打撃部３２を打撃する力が弱くなってしまい、発電量が小さくなってしまう。

そこで、本実施形態では、上述の様な構造を採用することで、良好に振動する周波数を広帯域化した。なお、ここで周波数が低い帯域は振幅幅が大きいことが知られている。この振動発電装置１０はその振幅幅を利用している。

振動発電装置１０が上下振幅を受けると、錘４４がついている梁（打撃用フレーム４１）には、次の式（４）で示される力Ｆが加えられる。ここで、ｘはバネ６０の初期位置（振動ゼロの状態での位置を伸びゼロとする）からの伸び量である。

バネ６０には復元力（ｋｘ）が作用し、錘４４の相対変位を小さくする力が発生するのでＦ＝−ｋｘと表される。よって、次の式（５）が成り立つ。ここで、ｍは錘４４の質量、ｕは静止地盤変位を示す。右辺の大きさは、慣性力と呼ばれ動く枕木９０を動かないものと仮定したときのみかけの力である。

本実施形態では、低い周波数に対応するために、錘４４を元に戻す力（復元力）を小さくすることで、梁（打撃用フレーム４１）をゆっくりと揺動させている。その結果、広帯域周波数で発電機３０の被打撃部３２に対して十分に打撃を加えることができる。つまり、コイル部３１の内部（磁歪素子）に対して良好に応力を作用させることができ、良好な発電が可能となる。

参考例として１自由度系の振動発電装置と本実施形態の振動発電装置１０を用いた発電量比較試験の結果を示す。試験方法として加振機により加速度０．１Ｇで振動させて双方の装置で発電させる。発電させた電圧は整流回路で整流した後にコンデンサに３０秒間蓄電させ、その時の蓄電電圧をオシロスコープで観測した。蓄電電圧を測定後に、
発電量Ｗ（Ｊ）＝ＣＶ^２／２
により算出した。
ここでＣはコンデンサ容量（Ｆ）、Ｖは蓄電電圧（Ｖ）である。
計測した周波数は、２Ｈｚ〜１０Ｈｚまで１Ｈｚ間隔である。

錘４４の質量は５０ｇとした。それに伴い、バネ６０を選択し、その取付状態を調整した。比較対象として同等の錘を持った１自由度の振動系の振動発電装置を用いた。錘４４の質量を上記値としたのは、枕木９０等に現実的に取り付ける場合を想定したもので、それ以上の質量では大型化してしまいその他の部分を振動に耐えるように設計しなければならなくなり、実用化の点で現実的な範囲としたものである。なお、図２〜４で示した振動発電装置１０の試作機では、図２においては幅約１８ｃｍ、高さ約１５ｃｍであり、一般的に鉄道の線路に設置可能として許容される範囲に収まっている。また、実際の製品化にあたっては、上記質量の錘４４を採用した場合でも、さらに小型化する余地が大きいことは明白である。

計測した周波数毎の発電量を図５のグラフに示す。図示のように１自由度系では、固有振動数と想定される８Ｈｚにおいて大きな発電量（蓄電量）となっている。しかし、１Ｈｚずれただけで発電量が低下し、２〜５、９、１０Ｈｚでは発電量がゼロで、発電可能な範囲が非常に狭いことが分かる。３０秒の発電量は９２．５μＪである。

一方、発電可能領域を広帯域化した本実施形態の振動発電装置１０では、５Ｈｚにピークがあるものの、ずれた場合でも発電量の低下が大きくない。１自由度系と比較して、幅広く発電がなされているのが分かる。３０秒の発電量は２２１．３μＪである。

なお、本実施形態の振動発電装置１０は、枕木９０等に設置され列車通過に伴う振動によっていわゆる振動発電を行う。発電によって得られた電力を用いて、外部の監視装置に所定のデータを送信するといったアプリケーションに使用することできる。特に、近年では、小出力通信であっても十分な通信距離及び通信品位が確保できるようになったので、上記の発電量であっても十分に通信を行うことができる。また、所定のセンサーを駆動させるといった使用方法も可能である。

また、振動発電装置１０をセンサー（検出装置）として機能させることもできる。例えば、路盤の空洞を検知するセンサーとして用いることができる。振動発電装置１０が設置されている近傍において、空洞等が発生した場合には、振動状態に変化が生じることが想定される。路盤空洞は空洞により枕木９０の振幅幅が大きくなることにより、発電量が増加すると想定される。したがって発電のみでなく、空洞のセンシングも可能になる。発電量を継続して記録しておき、異なる傾向が生じたら、空洞発生の可能性アリと判断し、所定の監視装置に対して警告を出力してもよい。

橋梁の振動による老朽化を監視する装置に適用することが考えられる。橋梁は老朽化により振幅が大きくなると考えられるので発電量が増加するだけで無く老朽化のセンシングも可能になる。

また、発電量が増えることにより無線による送信も可能になる。つまり、上述の様に空洞化や老朽化にともなって発電量が増加した場合に限って、通信可能となるような通信装置を設けておけば、振動発電装置１０から送信がなされたことで、異常発生の可能性ありと判断することができる。

また、通過する車両の種類によって振動のパターンがある程度同じような傾向を示す。鉄道の場合、通過する車両は特定できるので、通過した車両によって発生した振動が想定される振動と異なるパターンを示した場合であって、他の車両の時の振動のパターンに変化が見られない場合、車両に問題が発生している可能性があると判断することもできる。

また、振動発電装置１０を速度検出器として用いることができる。列車の車軸間隔をＬ（ｍ）として、振動発電装置１０の発電周波数をｆ（Ｈｚ）とすると列車速度Ｖ（ｍ／秒）は、Ｖ＝Ｌ×ｆ（ｍ／秒）で計算できる。この列車速度Ｖ（ｍ／秒）が、あらかじめ設定した規定値または外部から指令した許容速度を越える場合は列車の速度超過として警告出力を出力してもよい。

以上、本実施形態では、低い周波数に対応する為に錘を元に戻す力（復元力）を小さくすることで梁（打撃用フレーム４１）をゆっくりと振動（揺動）させることができる。その結果、より広帯域周波数において、発電機３０に対して揺動する打撃部４３で応力を加えることにより発電が可能である。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１０振動発電装置
２０筐体部
２１ベース部
２２第１の支柱部
２３第２の支柱部
２４発電機支持フレーム部
２５高さ調整用開口
３０発電機
３１コイル部
３２被打撃部
４０振動打撃部
４１打撃用フレーム
４２回動軸
４３打撃部
４４錘
４５位置調整用穴
４６バネスライド部
５０弾性調整部
５１バネ支持フレーム
５２バネ調整固定用穴
６０バネ
９０枕木

Claims

機械的な外力を受けてその外力を電力に変換する磁歪式の発電部と、
一端が回動自在であり、他端が自由端であって、振動により揺動する梁状の振動部と、
前記振動部の自由端側に設けられ、揺動に伴い前記発電部に前記機械的な外力を作用させる力作用部と、
前記振動部に設けられた錘と、
前記振動部と、設置物と連動して変位する部材とを連結するように取り付けられた弾性部材と、
を有し、
前記錘は、固定位置を変更可能であって、
前記弾性部材はバネであって、前記錘の固定位置と前記振動部の回動自在の一端の間に取り付けられるとともに、その取付位置及び初期のばね定数が調整可能であって、
前記錘及び前記弾性部材の取付態様を調整することで、前記発電部における電力変換可能な周波数領域を広帯域化したことを特徴とする発電機構。
枕木に設置された請求項１に記載の発電機構と、
列車が通過した場合に前記発電機構が出力する電力をもとに振動状態を検出する判断部と、
前記電力の電力量を継続して記憶する記憶部と、
を備え、
前記判断部は、前記記憶部で記憶している前記電力量が増加している場合に、路盤の空洞が発生したと判断する
ことを特徴とするセンサー。
枕木に設置された請求項１に記載の発電機構と、
前記発電機構が出力する電力をもとに周波数を算出する算出部と、
列車の車軸間隔を記憶する記憶部と、
を備え、
前記算出部は、列車が通過した場合に記憶部で記憶している車軸間隔と前記周波数から前記列車の速度を算出する
ことを特徴とするセンサー。