JPWO2016060065A1 - 回転系装着型圧電発電装置、自立無線通信端末、および無線通信システム - Google Patents
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Abstract
Description
(1)遠心力を考慮していないために、振動環境発電素子をタイヤのような回転系に直接装着して利用できない。
(2)振動環境発電素子が高Q値共振系であるために、特定の狭い周波数の振動でしか高い効率での発電ができない。
(3)無線通信手段としてアクティブ型(端末自身が電波を送信する)を用いているために、消費電力が大きく、間欠動作が不可欠で連続的な波形モニタリングができない。
(4)単極性AD変換器を用いて交流信号を直接観測しているために、振動波形の片局側が値ゼロとなってモニタリングできない。
図14に示す、駆動電源を必要とするセンサ8として、空気圧センサおよび温度センサを搭載した自立無線通信端末を、駆動回転系1としての車両タイヤのホイールに装着し、図15で示したリーダで各センサ情報をリアルタイムで読み取る。空気圧及び温度情報は、これまでのTPMSでも利用されており、タイヤバーストの前兆警告に利用できるが、この自立無線通信端末は、従来の観測サンプリング間隔(約5分程度)に比較して十分に短く(1秒当たり300回程度)連続観測できるため、タイヤ空気圧変化のタイヤ回転角度との相関から、ごく僅かなタイヤの変形等や急激なタイヤ温度の変化等を警告することもできる。
ベルトコンベアでは必ずしも輸送対象が一定しないため、負荷条件による異常共振等で装置に損傷を与える場合がある。図14に示す、駆動電源を必要としないセンサ9として圧電型振動センサを搭載した自立無線通信端末を、ベルトコンベアのローラやプーリーに装着し、図3に示した無線振動波形モニタリング用受信装置で振動波形情報を得る。複数設置点での振動波形の相関関数や周波数スペクトル解析結果から、一部局所的な振動か、装置の破損につながる異常共振かの判定と警告を行うと共に、共振現象を回避するための輸送速度の制御を行うこともできる。
風力発電用の大型風車では、ブレードの異常共振等が原因で、ブレードの損傷ばかりでなくタワーの倒壊の危険もある。図14に示す、駆動電源を必要としないセンサ9として圧電型振動センサを搭載した自立無線通信端末を、風車の各ブレードに装着し、各ブレードの振動波形をモニタリングする。このとき、図17に示すように、各ブレードからの無線伝送信号が重ならないように、サブキャリア信号周波数fsを異なる周波数fs1、fs2及びfs3のように設定し、図18に示すリーダ装置で各ブレードの振動波形を同時にモニタリングする。モニタリングされた振動波形から、破損につながる異常共振かの判断と警告を行うとともに、共振現象を回避するための各ブレードの角度の制御を行うこともできる。
1a 駆動回転の中心
2 バネ
2a バネの固定支持点
3 錘
4 圧電発電素子
5 整流及び蓄電手段
6 電源電圧安定化手段
7 無線接続制御手段
8 駆動電源を必要とするセンサ
9 駆動電源を必要としないセンサ
10 変調散乱応答アンテナ
11〜14 整流ダイオード
15〜19 キャパシタ
20〜24 抵抗
25 定電圧ダイオード
26 MOSFET
27 マイクロコントローラ
28 圧電型加速度センサ
では、無線通信手段にサブキャリアMPSK変調散乱を用いることにより、極めて小さい消費電力でかつ電波干渉を受け難く、連続的な振動波形等をリアルタイムでモニタリングできる自立無線通信端末およびこれを用いた無線通信システムを提供することを目的とする。また、単極性AD変換器を用いて交流信号をオフセットACカップリングで観測することにより、振動波形の±両局性信号をモニタリングすることができる自立無線通信端末および無線通信システムを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0013]
上記目的を達成するために、本発明に係る回転系装着型圧電発電装置は、全部または一部が圧電材料から成り、一端を回転系に設けた梁と、前記梁の他端に取り付けられた錘とを有するものであって、前記回転系が回転したとき、前記錘に加わる遠心力を当該遠心力以外の第2の力により変調させるよう前記梁が前記回転系の設置点から前記錘にかけて前記回転系の回転中心方向へ向かう折り返し構造を有しており、前記回転系から見た前記錘の運動自由度が2次元以上で、前記回転系の回転数によって変化する前記錘に加わる前記遠心力のベクトルと前記回転系の回転数に依存しない前記第2の力のベクトルとの和の変化に対して、常に前記梁が変形して前記回転系の回転数に応じて前記錘の回転中心が2次元以上の自由度で移動し、前記錘の軌道を変化可能であることによって、広い回転数範囲にわたって高い発電電力が得られることを特徴とする。
[0014]
本発明に係る回転系装着型圧電発電装置は、車両タイヤのような回転系に装着して、その回転系の回転エネルギーの一部を、圧電材料を用いて電気エネルギーに変換することができる。このとき、本発明に係る回転系装着型圧電発電装置では、全部または一部が圧電材料から成り、一端を回転系に設けた梁と、前記梁の他端に取り付けられた錘とを有するもので、回転系から見た錘の運動自由度が2次元以上で、錘に作用する力のベクトルの変化に対して、常に梁が変形可能な状態で、錘の軌道を容易に変えることができることが好ましい。
[0015]
本発明に係る回転系装着型圧電発電装置は、前記回転系が回転したとき、前記錘の運動軌跡が前記回転系の回転中心を中心点とする真円からずれるよう、前記梁を前記回転系の設置点と前記回転系の回転中心とを結ぶ線上に直径を有する円弧状としたときに、前記回転系の設置点から見た前記梁の円弧長さが120°から240°で構成されていることが好ましい。また、前記回転系が回転運動したとき、前記錘に働く遠心力以外の第2の力により、前記錘の運動軌跡が前記回転系の回転中心を中心点とする真円からずれて、前記回転系の回転数によって楕円状または動的閉ループ状に変化し、前記遠心力を変調させるこ
Claims (16)
- 全部または一部が圧電材料から成り、一端を回転系に設けた梁と、前記梁の他端に取り付けられた錘とを有する回転系装着型圧電発電装置であって、
前記回転系が回転したとき、前記錘に加わる遠心力を当該遠心力以外の第2の力により変調させるよう前記梁が折り返し構造で構成されており、前記回転系から見た前記錘の運動自由度が2次元以上で、前記錘に加わる前記遠心力のベクトルと前記第2の力のベクトルとの和の変化に対して、常に前記梁が変形して前記錘の軌道を変化可能であることを
特徴とする回転系装着型圧電発電装置。 - 前記回転系が回転運動したとき、前記第2の力により、前記錘の運動軌跡が前記回転系の回転中心を中心点とする真円からずれて、前記錘に作用する遠心力を変調させることを特徴とする請求項1記載の回転系装着型圧電発電装置。
- 前記第2の力は、錘に働く重力であることを特徴とする請求項1または2記載の回転系装着型圧電発電装置。
- 全部または一部が圧電材料から成り、一端を回転系に設けた梁と、前記梁の他端に取り付けられた錘とを有する回転系装着型圧電発電装置であって、
前記回転系が回転したとき、前記錘の運動軌跡が前記回転系の回転中心を中心点とする真円からずれるよう構成されていることを
特徴とする回転系装着型圧電発電装置。 - 前記梁は、スパイラル構造を有し、前記回転系の回転軸に垂直な平面上に配置されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の回転系装着型圧電発電装置。
- 前記錘の運動自由度を改善して振動モードを増やすよう、前記梁の一端が傾き可動バネ構造により前記回転系に固定されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の回転系装着型圧電発電装置。
- 前記錘は磁石または強磁性材料を有し、前記第2の力が磁力から成り、
前記錘に働く磁力の変化により前記錘に作用する遠心力を変調させることを
特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の回転系装着型圧電発電装置。 - 前記錘は流体抵抗体を有し、前記第2の力が流体抵抗力から成り、
前記錘に働く流体抵抗力の変化により前記錘に作用する遠心力を変調させることを
特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の回転系圧装着型電発電装置。 - AD変換器からのデジタルデータを送信する無線通信手段を有する自立無線通信端末であって、
請求項1乃至8のいずれか1項に記載の回転系装着型圧電発電装置を有し、
前記回転系装着型圧電発電装置で得られた交流電力を整流・蓄電し、降圧又は昇圧による電圧安定化を行って、前記AD変換器および前記無線通信手段の電源電圧とするよう構成されていることを
特徴とする自立無線通信端末。 - センサ出力を前記AD変換器に入力するよう、前記AD変換器に接続された圧電型センサと、
前記AD変換器と前記圧電型センサとの間に接続された容量性ACカップリングと、
前記圧電型センサの出力の感度と低域応答遮断周波数とを調整するよう、前記圧電型センサの出力に並列に接続された容量および抵抗とを有し、
前記圧電型センサのACカップリングされた出力電圧に前記電源電圧の抵抗分圧直流電圧を加えることにより、前記圧電型センサの出力電圧を直流電圧オフセットして前記AD変換器に入力するよう構成されていることを
特徴とする請求項9の自立無線通信端末。 - 前記無線通信手段は、サブキャリア多値位相符号化(MPSK)変調散乱通信方式を用いて無線通信を行うことを特徴とする請求項9または10記載の自立無線通信端末。
- 請求項9乃至11のいずれか1項に記載の自立無線通信端末と1以上のリーダとを有し、
前記リーダは、前記自立無線通信端末のアンテナと前記リーダのアンテナとの偏波の一致又は最短距離のタイミングで前記リーダの受信信号振幅が最大化することを利用して、前記回転系の瞬時回転角度を推定し、前記自立無線通信端末からの受信データに対する前記回転系の回転角度の相関関数評価と、前記回転系の回転角度による前記受信データの静止座標系への回転座標変換と、前記回転系の回転数のモニタリングとを行うよう構成されていることを
特徴とする無線通信システム。 - 前記リーダは2以上から成り、
各リーダは、それぞれ異なる質問キャリア信号周波数を使用することにより、電波干渉を回避しかつ、1以上の前記自立無線通信端末から同時連続的に送信情報を読み取り可能であることを
特徴とする請求項12記載の無線通信システム。 - 前記自立無線通信端末は2以上から成り、
各自立無線通信端末は、それぞれ異なる応答サブキャリア信号周波数を有しており、
各リーダは、各自立無線通信端末の応答サブキャリア信号周波数を利用することにより、電波干渉を回避しかつ、各自立無線通信端末から同時連続的に送信情報を読み取り可能であることを
特徴とする請求項12または13記載の無線通信システム。 - 解析手段を有し、
前記自立無線通信端末は2以上から成り、
前記解析手段は、各自立無線通信端末で観測されて前記リーダで受信したそれぞれの観測波形データX1(t),X2(t),・・・(ここで、tは経過時間)の相互相関関数Cn,m(τ)=∫Xn(t−τ)Xm(t)dtに基づいて、前記観測波形データの原因となる事象の大きさと位置関係とを特定するよう構成されていることを
特徴とする請求項12乃至14のいずれか1項に記載の無線通信システム。 - 解析手段を有し、
前記回転系が、他の構造体と接触する面に特定の凸凹パターンを有しており、
前記解析手段は、前記自立無線通信端末で観測されて前記リーダで受信した観測波形データの自己相関関数又は、前記特定の凸凹パターンと前記観測波形データとの相互相関関数に基づいて、前記回転系の回転周期情報と、前記回転系が前記他の構造体と接触している区間情報と、前記特定の凸凹パターンの高さ情報とを得るよう構成されていることを
特徴とする請求項12乃至14のいずれか1項に記載の無線通信システム。
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