WO2016121852A1 - 発電装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a power generation device that converts vibration energy of a vibration member into electric energy by a power generation element, and more particularly to a power generation device having a multi-degree-of-freedom vibration system.
- the first mass member (damper weight) is a first spring member.
- the 2nd spring member which elastically connects a 1st mass member and a 2nd mass member is comprised including the magnetostriction element as an electric power generation element, and the 1st mass at the time of vibration input is comprised. Vibration energy is converted into electric energy by the power generation element by the relative displacement between the member and the second mass member.
- the vibration power generator is generally tuned so that the resonance frequency of the first vibration system substantially matches the frequency of the main vibration of the vibration member, and the input vibration is amplified by the resonance of the first vibration system. Is transmitted to the second vibration system.
- the resonance frequency of the first vibration system is substantially matched with the vibration frequency of the vibration member. This is because the first vibration system reduces the vibration of the vibration member (base plate). It is clear from the fact that it is composed of dampers.
- An object of the present invention is to provide a power generator having a novel structure capable of generating power with high efficiency.
- the first mass member is elastically supported by the first spring member
- the second mass member is elastically supported by the second spring member.
- a second vibration system, and the first mass member and the second mass member are elastically connected to each other by the second spring member to form a multi-degree-of-freedom vibration system
- a power generating element is disposed between the one mass member and the second mass member, and the first mass member is attached to the vibration member by the first spring member, and the vibration member
- a resonance frequency of the first vibration system is generated from the vibration member.
- the vibration frequency input to the first vibration system is 1 / With there is a low frequency than twice, the loss factor of the first spring member in said first vibration system is 0.01 or more and 0.2 or less, and wherein.
- the vibration energy is converted into electric energy. It can be converted to obtain sufficient power. That is, by setting the resonance frequency of the first vibration system to a frequency lower than 1 / ⁇ 2 times the vibration frequency of the vibration member, the input from the vibration member is substantially less than the first vibration system. To act as an impact load. As a result, self-excited resonance with respect to the input from the vibration member is generated in the first vibration system, and vibration is effectively input to the second vibration system due to the resonance phenomenon of the first vibration system.
- the loss coefficient of the first spring member in the first vibration system is 0.2 or less, the vibration of the first vibration system due to the energy loss at the time of elastic deformation of the first spring member. The damping is reduced and the vibration of the first vibration system is sustained for a relatively long time. As a result, vibration energy is continuously input to the power generation element disposed between the first mass member and the second mass member, and the power generation amount with respect to the load input can be increased.
- the loss coefficient of the first spring member is not only 0.2 or less, but also 0.01 or more, the self-excited vibration of the first vibration system has a sufficiently wide frequency component.
- the vibration input to the second vibration system is broadened (the frequency at which a sufficient level of vibration is input is widened).
- the input from the first vibration system to the second vibration system at the resonance frequency of the second vibration system is stable.
- the target power generation amount can be obtained effectively while suppressing variations due to individual differences among the power generation devices.
- the resonance magnification of the first vibration system is prevented from becoming unnecessarily large, and the deformation amount of the power generation element is limited, so that sufficient power generation efficiency is obtained while ensuring the durability of the power generation element. can do.
- the resonance frequency of the second vibration system is 90% or more and 110% or less with respect to the resonance frequency of the first vibration system. It is tuned to the range.
- the resonance frequency of the first vibration system and the resonance frequency of the second vibration system are set to frequencies close to each other.
- This vibration system causes a resonance phenomenon, and sufficient vibration energy can be input to the power generation element. Therefore, the power generation efficiency of the power generation element disposed in the second vibration system can be increased, and the amount of power obtained by vibration power generation can be increased.
- the mass of the second mass member in the second vibration system is the first power in the first vibration system. It is set to 20% or less with respect to the mass of one mass member.
- the mass of the second mass member is sufficiently small relative to the mass of the first mass member, and the second vibration system is a dynamic damper with respect to the first vibration system. Since the damping effect exerted on the first vibration system by functioning is reduced, the self-excited vibration of the first vibration system is effectively induced to obtain a large amount of vibration energy input to the power generation element. Can do.
- the first spring member is a polymer elastic body
- the second spring The member is a metal spring
- the first spring member is made of a polymer elastic body, the loss factor of the first spring member can be easily adjusted, and the first spring member according to the purpose can be adjusted. Can be easily obtained. Furthermore, since the second spring member is a metal spring having a small loss coefficient, vibration energy input to the power generation element is prevented from being reduced by an energy damping effect due to elastic deformation of the second spring member. Efficient power generation can be realized.
- the first vibration system inputs an intermittent impact load to the first vibration system. It attaches with respect to the said vibration member.
- the impact load may be a vibration load that can be substantially regarded as an impact load at the time of input to the first vibration system.
- the impact load converges in a sufficiently short time with respect to the vibration cycle of the first vibration system. Includes high frequency vibration.
- the resonance frequency of the first vibration system is derived from the vibration member.
- the frequency is lower than 1 / ⁇ 2 times the vibration frequency input to the first vibration system, and the loss coefficient of the first spring member in the first vibration system is 0.01 or more and 0. 2 or less.
- FIG. 2 is a vibration model showing a two-degree-of-freedom vibration system of the power generator shown in FIG. 1.
- the graph which shows the correlation of the frequency and amplitude in the case of handling each vibration system which comprises the electric power generating apparatus shown by FIG. 1 as a one degree-of-freedom vibration system. It is a figure which shows the relationship between the input vibration and power generation amount in the electric power generating apparatus shown by FIG. 1, Comprising: (a) is a change of the amplitude of the input vibration with respect to time, (b) is a change of the power generation amount with respect to time, Each is shown.
- the longitudinal cross-sectional view which shows the electric power generating apparatus as 2nd embodiment of this invention in the mounting state to a vibration member.
- FIG. 1 shows a power generation apparatus 10 as a first embodiment of the present invention.
- the power generation apparatus 10 includes a first vibration system 14 attached to the vibration member 12 and a second vibration system 12 attached to the vibration member 12 via the first vibration system 14. And a multi-degree-of-freedom vibration system including the vibration system 16.
- the vertical direction refers to the vertical direction in FIG. 1 that is the main vibration input direction of the vibration member 12.
- the first vibration system 14 includes a first mass member 20 and a first spring member 22.
- the first mass member 20 is formed of a material having a large specific gravity such as iron, and has a hollow rectangular box shape in which the lower mass 24 and the upper mass 26 are combined.
- the lower mass 24 has a structure closed by a bottom wall 30 integrally formed with a lower opening portion of a cylindrical peripheral wall 28 extending vertically, and has a bottomed cylindrical shape that opens upward as a whole. .
- a support protrusion 32 that protrudes upward is integrally formed on the bottom wall 30 of the lower mass 24, and a screw hole that opens to the upper surface is formed in the support protrusion 32.
- the upper mass 26 has a substantially flat plate shape and has substantially the same outer shape as the peripheral wall 28 in a top view. Then, the upper mass 26 is overlapped so as to cover the opening of the lower mass 24 and fixed to each other, so that a hollow first mass member 20 is formed by the lower mass 24 and the upper mass 26, and is formed inside.
- a housing space 34 is formed.
- the first mass member 20 is elastically supported by the first spring member 22.
- the first spring member 22 is an elastic body formed of a polymer material such as rubber or resin elastomer, and is a rubber elastic body in the present embodiment, and is applied to the outer peripheral surface of the peripheral wall 28 of the lower mass 24. Sulfur bonded.
- the first spring member 22 may be provided continuously over the entire circumference in the circumferential direction, but in the present embodiment, it is provided at each of a plurality of locations in the circumferential direction.
- the first spring member 22 has an energy loss coefficient of 0.01 or more and 0.2 or less.
- the loss factor can be adjusted and set according to the forming material of the first spring member 22, and the first spring member 22 having the loss factor in the above numerical range is, for example, a rubber and resin elastomer having a small loss factor or a loss factor. It can be realized by a combination of a metal having a large loss coefficient, a polymer elastic body such as rubber having a large loss coefficient, and a metal spring such as spring steel having a small loss coefficient. In the present embodiment, since the first spring member 22 is formed of a rubber elastic body, it is easy to set the loss coefficient within the above numerical range.
- the first spring member 22 is fixed to an attachment member 36 fixed to the vibration member 12 with a bolt or the like, and elastically connects the vibration member 12 and the first mass member 20.
- the attachment member 36 is formed with a vertical wall structure that is separated from the first mass member 20 on the outer peripheral side, and the outer peripheral surface of the first mass member 20 is the main vibration input direction with respect to the attachment member 36. Are opposed to each other in a direction substantially perpendicular to the direction.
- the first mass member 20 is elastically supported by the mounting member 36 by disposing the first spring member 22 between the outer peripheral surface of the first mass member 20 and the mounting surface of the mounting member 36.
- the first vibration system 14 is attached to the vibration member 12 by bolting the attachment member 36 to the vibration member 12.
- the first spring member 22 is subjected to shear deformation with respect to the input in the main vibration input direction (vertical direction in FIG. 1), and the shear spring component of the first spring member 22 is the first. It acts as the main spring of the vibration system 14.
- the second vibration system 16 is accommodated in the accommodation space 34 of the first mass member 20.
- the second vibration system 16 includes a second mass member 38 and a second spring member 40, and the second mass member 38 is the second spring member 40 in the accommodation space 34 of the first mass member 20. It is elastically connected to the support protrusion 32 via
- the second mass member 38 is preferably formed of a high specific gravity material such as iron, and has a solid columnar shape or block shape.
- the second spring member 40 is a leaf spring formed of spring steel or the like, and can be elastically deformed up and down in the thickness direction. Furthermore, the loss coefficient of the second spring member 40 is smaller than that of the first spring member 22, and more preferably smaller than 0.01.
- the base end portion of the second spring member 40 is fixed to the support protrusion 32 of the first mass member 20 with a screw or the like, and the second mass member 38 is attached to the distal end portion of the second spring member 40.
- the second mass member 38 is connected to the first mass member 20 in a state where vertical displacement is allowed.
- the second vibration system 16 is attached to the first vibration system 14 to form a two-degree-of-freedom vibration system.
- the second mass member 38 is formed between the bottom wall 30 of the lower mass 24 and the upper mass 26 of the first mass member 20. Oppositely spaced apart from each other. A stopper rubber 42 is disposed between the upper and lower opposing surfaces of the second mass member 38 and the first mass member 20. Thereby, even when the second spring member 40 is excessively elastically deformed, the second mass member 38 is prevented from directly hitting the first mass member 20, and generation of a hitting sound is avoided. It has become so.
- the power generation element 44 is fixed to the second spring member 40 that connects the first mass member 20 and the second mass member 38.
- various elements that can convert vibration energy into electric energy can be employed.
- a piezoelectric element, a magnetostrictive element, or the like can be employed.
- a piezoelectric element is employed as the power generation element 44, and the piezoelectric element is overlapped and fixed on the upper surface of the second spring member 40, so that the second spring member 40 is increased in the thickness direction. It is deformed along with the bending deformation, and exhibits an energy conversion action by the positive effect of piezoelectricity.
- a piezoelectric element for example, a ceramic material or a single crystal material is employed as the forming material. More specifically, for example, any one of lead zirconate titanate, aluminum nitride, lithium tantalate, lithium niobate, and the like can be suitably used as the material for forming the piezoelectric element.
- the power generation element 44 is connected to an electric circuit 46, and is electrically connected to a device 48 that is a power consuming device such as a rectifier circuit, a power storage device, various sensors, and a wireless communication device by the electric circuit 46.
- the power generated by the power generating element 44 is supplied to the device 48.
- the power generation apparatus 10 having such a structure is configured such that vibration is input from the vibration member 12 in a mounted state on the vibration member 12, and the input vibration energy is converted into electric energy by the power generation element 44.
- the vibration input from the vibration member 12 to the power generation apparatus 10 has a frequency f 0 of about 500 Hz, and is input intermittently at a predetermined time interval.
- intermittent vibration for example, in the case of a road, a bridge, a track, or the like in which the vibration member 12 is connected by units separated by a predetermined length, the joint portion of the vehicle is The load input when passing through can be considered.
- the resonance frequency f 1 of the first vibration system 14 is 1 / ⁇ 2 times the frequency f 0 of vibration input from the vibration member 12 to the first vibration system 14.
- the frequency is set to about 100 Hz.
- the resonance frequency f 1 of the first vibration system 14 is set by adjusting the mass of the first mass member 20 and the spring constant of the first spring member 22 as is generally known.
- the vibration level and frequency characteristics are indicated by a solid line for the first vibration system 14, a dashed line for the second vibration system 16, and a broken line for the input vibration from the vibration member 12. Yes.
- the resonance frequency f 1 of the first vibration system 14, and the resonance frequency f 2 of the second vibration system 16 are set at substantially the same frequency. More specifically, the resonance frequency f 2 of the second vibration system 16 is set to be in the range of 0.9 to 1.1 times the resonance frequency f 1 of the first vibration system 14. Thus, the resonance phenomenon of the second vibration system 16 occurs in a frequency range where the vibration level is sufficiently large in the self-excited vibration of the first vibration system 14. In the present embodiment, since the resonance frequency f 1 of the first vibration system 14 is tuned to about 100 Hz, the resonance frequency f 2 of the second vibration system 16 is tuned in the range of 90 Hz to 110 Hz. Is desirable. The resonance frequency f 2 of the second vibration system 16 is set by adjusting the mass of the second mass member 38 and the spring constant of the second spring member 40 as is generally known.
- the mass of the second mass member 38 in the second vibration system 16 is 20% or less with respect to the mass of the first mass member 20 in the first vibration system 14, and the first mass member It is lighter than 20. More preferably, the mass of the second mass member 38 is set to 5% or more with respect to the mass of the first mass member 20, so that the resonance frequency of the second vibration system 16 is the first mass. It becomes easy to tune to a frequency range close to the resonance frequency of the vibration system 14.
- the high frequency vibration of 500 Hz input from the vibration member 12 to the power generation apparatus 10 converges in a remarkably short time with respect to the vibration period of the first vibration system 14 tuned to a frequency sufficiently lower than the input vibration. Therefore, the first vibration system 14 substantially acts as an impact load.
- the first vibration system 14 generates self-excited vibration by the input from the vibration member 12, and the first mass member 20 is displaced in the resonance state.
- mass-spring resonance of the second vibration system 16 is generated, and the second vibration is generated.
- the power generation element 44 attached to the second spring member 40 of the system 16 is deformed in the thickness direction.
- vibration power generation that converts vibration energy into electric energy is generated by the positive effect of the piezoelectric conversion action of the power generation element 44, and is supplied to the device 48 by the electric circuit 46.
- the vibration energy input to the power generation element 44 is energy attenuation caused when the first spring member 22 is elastically deformed. It can suppress that it reduces by an effect
- the second spring member 40 is a metal spring formed of general spring steel and has a very small loss coefficient. Reduction of vibration energy is also avoided, and an input to the power generation element 44 is advantageously obtained.
- the frequency of the input vibration from the vibration member 12 to the power generation device 10 is such that it is difficult to match the resonance frequencies of the vibration systems 14 and 16 in the power generation device 10. Even in the case of a high frequency, the vibration energy is effectively applied to the power generation element 44 by the self-excited vibration of the first vibration system 14, and power generation with sufficiently high efficiency can be realized.
- the input vibration from the vibrating member 12 to the power generation apparatus 10 is a thing that intermittently repeats a short time input that can be regarded as an impact load, the vibration state of the first vibration system 14 for each input. Is sufficiently long compared to the input time, so that excellent power generation efficiency is realized.
- the power generation action based on the vibration of the second vibration system 16 of the power generation apparatus 10 can be effectively exhibited by the input of the high frequency vibration.
- the resonance frequency f 2 of the second vibration system 16 is set so as to substantially match the resonance frequency f 1 of the first vibration system 14.
- the self-excited vibration of one vibration system 14 is efficiently amplified by the resonance of the second vibration system 16. Therefore, it is possible to obtain a large vibration magnification of the second vibration system 16 with respect to the input vibration from the first vibration system 14, and to realize high power generation efficiency.
- the resonance frequency f 2 of the second vibration system 16 is moved away from the resonance frequency f 1 of the first vibration system 14, the vibration magnification in the second vibration system 16 becomes smaller. The amount of deformation becomes smaller. Accordingly, the resonance frequency f 2 of the second vibration system 16 and the first frequency are set so that the power generation efficiency can be sufficiently secured while avoiding damage due to excessive deformation of the second spring member 40 and ensuring durability. It is desirable to appropriately adjust the difference from the resonance frequency f 1 of the vibration system 14. As apparent from the above description, when it is difficult to ensure the durability of the second spring member 40, the resonance frequency f2 of the second vibration system 16 is set to the resonance frequency of the first vibration system 14.
- the second spring member 40 It is also possible to reduce the size of the second spring member 40 by reducing the input to.
- the mass of the second mass member 38 in the second vibration system 16 is 20% or less with respect to the mass of the first mass member 20 in the first vibration system 14.
- the vibration damping effect exerted on the first mass member 20 from the vibration system 16 is sufficiently reduced. Therefore, the self-excited vibration of the first vibration system 14 is sufficiently generated without being reduced by the second vibration system 16, and vibration energy is efficiently transmitted to the power generation element 44 of the second vibration system 16. Entered.
- FIG. 5 shows a power generation device 50 as a second embodiment of the present invention.
- the first spring member 52 constituting the first vibration system 14 is a compression spring.
- part substantially the same as 1st embodiment description is abbreviate
- the first spring member 52 is vulcanized and bonded to the lower surface of the bottom wall 30 of the lower mass 24 constituting the first mass member 20 and is attached to the mounting member 54 disposed facing the bottom wall 30.
- the first mass member 20 and the mounting member 54 are elastically connected up and down.
- the attachment member 54 is bolted to the vibration member 12, whereby the first vibration system 14 is attached to the vibration member 12, and the power generation device 50 is attached to the vibration member 12.
- high-frequency vibration input from the vibration member 12 is self-excited by the first vibration system 14 as in the power generation device 10 of the first embodiment. Since it is amplified by vibration and continuously transmitted to the second vibration system 16 over a certain period of time, efficient power generation is realized.
- the first spring member 52 is mainly deformed in the compression and tension directions with respect to the vibration input from the vibration member 12, it is easy to ensure durability as compared with the case where shear deformation becomes dominant. become.
- the power generation element is not limited to the piezoelectric element shown in the embodiment, and for example, a magnetostrictive element or the like may be employed.
- the two-degree-of-freedom vibration system having the first vibration system 14 and the second vibration system 16 is exemplified, but the present invention can be applied to a multi-degree-of-freedom vibration system having three or more degrees of freedom. .
- first spring member 22 and the second spring member 40 exemplified in the embodiment are only examples, and for example, the first spring member 22 can be a metal spring,
- the second spring member 40 may be made of a polymer elastic body.
- the second vibration system 16 is not necessarily limited to a structure in which the second vibration system 16 is accommodated in the accommodation space 34 of the first mass member 20, and the second vibration system 16 is outside the first mass member 20. It may be attached to.
- the first mass member 20 does not need to have a hollow structure, and a compact structure can be achieved while securing a necessary mass mass by using a solid structure.
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Vibration Prevention Devices (AREA)
Abstract
入力振動が第一の振動系の共振周波数のチューニング可能領域よりも高周波であっても、高効率の発電を可能とできる、新規な構造の発電装置を提供すること。 振動入力によって発電する発電装置１０であって、以下の構成を有する。即ち、第一のマス部材２０が第一のばね部材２２で弾性支持された第一の振動系１４と、第二のマス部材３８が第二のばね部材４０で弾性支持された第二の振動系１６とを含んで多自由度振動系が構成されて、第一のマス部材２０と第二のマス部材３８の間に発電素子４４が配設されている。そして、振動部材１２から第一の振動系１４に入力された振動エネルギーが、発電素子４４によって電気エネルギーに変換される。また、第一の振動系１４の共振周波数が振動部材１２からの入力振動の周波数に対して１／√２倍よりも低周波とされていると共に、第一のばね部材２２の損失係数が０．０１以上且つ０．２以下とされている。
Description
本発明は、振動部材の振動エネルギーを発電素子によって電気エネルギーに変換する発電装置に係り、特に多自由度振動系を有する発電装置に関するものである。
昨今の省エネルギーへの高度な要求に対応するために、道路における高架や橋梁、或いは車両や洗濯機のボデー等といった振動部材において、振動エネルギーを電気エネルギーに変換して有効に利用する振動発電が試みられている。振動発電を実現するための発電装置としては、例えば、特開２０１４－１１８４３号公報（特許文献１）などに示されているように、第一のマス部材（ダンパーウェイト）が第一のばね部材（粘弾性部材）で弾性支持された第一の振動系（ダイナミックダンパ）と、第二のマス部材（磁歪部ウェイト）が第二のばね部材（平行梁）で弾性支持された第二の振動系（磁歪発電部）とによって構成された二自由度振動系を備えるものがある。そして、特許文献１では、第一のマス部材と第二のマス部材を弾性連結する第二のばね部材が発電素子としての磁歪素子を含んで構成されており、振動入力時の第一のマス部材と第二のマス部材の相対変位によって、振動エネルギーが発電素子によって電気エネルギーに変換されるようになっている。
ところで、振動発電装置は、一般的に、第一の振動系の共振周波数が振動部材の主たる振動の周波数に略一致するようにチューニングされて、入力振動が第一の振動系の共振によって増幅されて第二の振動系に伝達されるようになっている。これにより、第一のマス部材と第二のマス部材の相対変位量を共振状態で大きく得ることができて、発電素子の発電効率が高められる。なお、特許文献１においても、第一の振動系の共振周波数が振動部材の振動の周波数と略一致せしめられていることは、第一の振動系が振動部材（ベースプレート）の振動を低減するダイナミックダンパによって構成されていることから明らかである。
しかしながら、特許文献１のような従来の振動発電装置では、振動部材の振動周波数が第一の振動系における共振周波数のチューニング可能領域よりも大幅に高周波である場合には、振動部材から第一の振動系への振動入力時に、第一のマス部材と第二のマス部材を共振状態で大きく相対変位させることができず、第一のマス部材と第二のマス部材の相対変位量が十分に得られ難くなって、発電効率が低下するおそれがあった。
本発明は、上述の事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、入力振動の周波数が第一の振動系の共振周波数のチューニング可能領域よりも高周波であっても、十分に高い効率で発電することができる、新規な構造の発電装置を提供することにある。
以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。
すなわち、本発明の第一の態様は、第一のマス部材が第一のばね部材によって弾性支持された第一の振動系と、第二のマス部材が第二のばね部材によって弾性支持された第二の振動系とを備えており、該第一のマス部材と該第二のマス部材を該第二のばね部材で相互に弾性連結して多自由度振動系が構成されて、該第一のマス部材と該第二のマス部材の間には発電素子が配設されていると共に、該第一のマス部材が該第一のばね部材によって振動部材に取り付けられて、該振動部材から該第一の振動系および該第二の振動系に入力された振動エネルギーが発電素子によって電気エネルギーに変換されるようにした発電装置において、前記第一の振動系の共振周波数が前記振動部材から該第一の振動系へ入力される振動の周波数に対して１／√２倍よりも低周波とされていると共に、該第一の振動系における前記第一のばね部材の損失係数が０．０１以上且つ０．２以下とされていることを、特徴とする。
このような本発明に従う構造とされた発電装置の第一の態様によれば、第一の振動系の共振周波数を振動部材の振動周波数に合わせることが難しい場合にも、振動エネルギーを電気エネルギーに変換して十分な電力を得ることができる。即ち、第一の振動系の共振周波数を振動部材の振動周波数に対して１／√２倍よりも低周波に設定することで、振動部材からの入力が第一の振動系に対して実質的に衝撃荷重として作用せしめられる。その結果、第一の振動系において振動部材からの入力に対する自励共振が生ぜしめられて、第一の振動系の共振現象によって第二の振動系に振動が有効に入力される。
さらに、第一の振動系における第一のばね部材の損失係数が０．２以下とされていることにより、第一のばね部材の弾性変形時のエネルギー損失に起因する第一の振動系の振動減衰が低減されて、第一の振動系の振動が比較的に長い時間に亘って持続される。その結果、第一のマス部材と第二のマス部材の間に配される発電素子に対して振動エネルギーが持続的に入力されて、荷重入力に対する発電量を大きく得ることができる。
また、第一のばね部材の損失係数が、０．２以下であるだけでなく、０．０１以上とされていることにより、第一の振動系の自励振動が十分に広い周波数成分をもって生ぜしめられて、第二の振動系へ入力される振動のブロード化（十分なレベルの振動が入力される周波数の広帯域化）が図られる。これにより、部品の公差などによって第二の振動系の共振周波数に誤差が生じても、第二の振動系の共振周波数における第一の振動系から第二の振動系への入力が安定して、目的とする発電量を発電装置の個体差によるばらつきを抑えて有効に得ることができる。加えて、第一の振動系の共振倍率が必要以上に大きくなるのが回避されて、発電素子の変形量が制限されることにより、十分な発電効率を得ながら、発電素子の耐久性を確保することができる。
本発明の第二の態様は、第一の態様に記載の発電装置において、前記第二の振動系の共振周波数が、前記第一の振動系の共振周波数に対して９０％以上且つ１１０％以下の範囲にチューニングされているものである。
第二の態様によれば、第一の振動系の共振周波数と第二の振動系の共振周波数を相互に近い周波数に設定することにより、第一の振動系の自励振動に対して第二の振動系が共振現象を生じて、発電素子に十分な振動エネルギーを入力することができる。それ故、第二の振動系に配される発電素子の発電効率を高めることができて、振動発電によって得られる電力量を大きく得ることができる。
本発明の第三の態様は、第一又は第二の態様に記載された発電装置において、前記第二の振動系における前記第二のマス部材の質量が、前記第一の振動系における前記第一のマス部材の質量に対して２０％以下とされているものである。
第三の態様によれば、第二のマス部材の質量が第一のマス部材の質量に対して十分に小さくされており、第二の振動系が第一の振動系に対してダイナミックダンパとして機能することで第一の振動系に及ぼされる制振効果が低減されることから、第一の振動系の自励振動が有効に惹起されて、発電素子に入力される振動エネルギーを大きく得ることができる。
本発明の第四の態様は、第一～第三の何れか一つの態様に記載された発電装置において、前記第一のばね部材が高分子弾性体とされていると共に、前記第二のばね部材が金属ばねとされているものである。
第四の態様によれば、第一のばね部材が高分子弾性体とされていることで、第一のばね部材の損失係数を調整し易くなって、目的に応じた第一のばね部材を容易に得ることができる。更に、第二のばね部材が損失係数の小さい金属ばねとされていることで、発電素子に入力される振動エネルギーが第二のばね部材の弾性変形によるエネルギー減衰効果で低減されるのを防いで、効率的な発電を実現することができる。
本発明の第五の態様は、第一～第四の何れか一つの態様に記載された発電装置において、前記第一の振動系が、該第一の振動系へ断続的な衝撃荷重を入力する前記振動部材に対して取り付けられるものである。
第五の態様のように、振動部材から第一の振動系への入力が連続ではなく断続的であっても、第一の振動系の自励振動がある程度の時間幅で生じることから、効率的な発電が可能となる。なお、衝撃荷重とは、第一の振動系への入力時に実質的に衝撃荷重とみなせる振動荷重であっても良く、例えば第一の振動系の振動周期に対して十分に短い時間で収束する高周波振動などを含む。
本発明によれば、振動部材に取り付けられる第一の振動系と、第一の振動系に取り付けられる第二の振動系とを有する発電装置において、第一の振動系の共振周波数が振動部材から第一の振動系への入力される振動周波数の１／√２倍よりも低周波とされていると共に、第一の振動系における第一のばね部材の損失係数が０．０１以上且つ０．２以下とされている。これにより、第一，第二の振動系の共振周波数を振動部材の振動周波数に合わせることが難しい場合でも、第一の振動系の自励共振による十分な振動が、発電素子を備える第二の振動系にある程度の時間幅で入力されると共に、第二の振動系の共振周波数のずれに対する発電効率の差が低減されて、高効率の発電が安定して実現される。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１には、本発明の第一の実施形態としての発電装置１０が示されている。発電装置１０は、図２の振動モデルにも示されているように、振動部材１２に取り付けられる第一の振動系１４と、第一の振動系１４を介して振動部材１２に取り付けられる第二の振動系１６とを含む多自由度振動系を、備えている。なお、以下の説明において、特に説明がない限り、上下方向とは、振動部材１２の主たる振動入力方向である図１中の上下方向を言う。
より詳細には、第一の振動系１４は、第一のマス部材２０と第一のばね部材２２を備えている。第一のマス部材２０は、鉄などの比重の大きな材料で形成されており、下部マス２４と上部マス２６を組み合わせた中空の矩形箱状とされている。
下部マス２４は、上下に延びる筒状の周壁２８の下開口部が一体形成された底壁３０によって閉塞された構造を有しており、全体として上方に開口する有底筒状とされている。また、下部マス２４の底壁３０には、上方へ突出する支持突部３２が一体形成されており、支持突部３２には上面に開口するねじ穴が形成されている。上部マス２６は、略平板形状とされており、上面視において周壁２８と略同じ外形を備えている。そして、上部マス２６が下部マス２４の開口部を覆うように重ね合わされて相互に固定されることにより、下部マス２４と上部マス２６によって中空の第一のマス部材２０が形成されて、内部に収容空所３４が形成されている。
また、第一のマス部材２０は、第一のばね部材２２によって弾性支持されている。第一のばね部材２２は、ゴムや樹脂エラストマなどの高分子材料で形成された弾性体であって、本実施形態ではゴム弾性体とされており、下部マス２４の周壁２８の外周面に加硫接着されている。更に、第一のばね部材２２は、周方向全周に亘って連続して設けられていても良いが、本実施形態では、周方向の複数箇所にそれぞれ設けられている。
さらに、第一のばね部材２２は、エネルギーの損失係数が０．０１以上且つ０．２以下とされている。損失係数は、第一のばね部材２２の形成材料などによって調節設定可能であり、上記数値範囲の損失係数を有する第一のばね部材２２は、例えば、損失係数の小さなゴムおよび樹脂エラストマや損失係数の大きな金属、更には損失係数の大きなゴムなどの高分子弾性体と損失係数の小さなばね鋼などの金属ばねとを組み合わせたものなどによって、実現され得る。本実施形態では、第一のばね部材２２がゴム弾性体で形成されていることから、損失係数を上記の数値範囲に設定し易くなっている。なお、一般的なばね鋼で形成された金属ばね単体では、第一の振動系１４の共振周波数ｆ1 を実用上適切にチューニングしながら上記したエネルギー損失係数の数値範囲を実現することが難しく、第一のばね部材として金属ばねを単体で採用する場合には、マグネシウムなどの損失係数の大きな金属材料によるものが適宜に選択される。
第一のばね部材２２は、振動部材１２にボルトなどで固定された取付部材３６に固着されて、振動部材１２と第一のマス部材２０を弾性連結している。取付部材３６は、第一のマス部材２０に対して外周側に離隔した縦壁構造をもって形成されており、第一のマス部材２０の外周面が、取付部材３６に対して、主たる振動入力方向に略直交する方向で対向位置せしめられている。そして、第一のばね部材２２が第一のマス部材２０の外周面と取付部材３６との対向面間に配設されることにより、第一のマス部材２０が取付部材３６によって弾性支持されており、取付部材３６が振動部材１２にボルト固定されることで、第一の振動系１４が振動部材１２に取り付けられるようになっている。なお、主たる振動入力方向（図１中、上下方向）の入力に対して、第一のばね部材２２が剪断変形するようになっており、第一のばね部材２２の剪断ばね成分が第一の振動系１４の主たるばねとして作用するようになっている。
また、第一のマス部材２０の収容空所３４には、第二の振動系１６が収容配置されている。第二の振動系１６は第二のマス部材３８と第二のばね部材４０を備えており、第一のマス部材２０の収容空所３４において第二のマス部材３８が第二のばね部材４０を介して支持突部３２に弾性連結されている。
第二のマス部材３８は、好適には鉄などの高比重材料で形成されており、中実の柱状乃至はブロック状とされている。第二のばね部材４０は、ばね鋼などで形成された板ばねであって、厚さ方向上下に弾性変形可能とされている。更に、第二のばね部材４０の損失係数は、第一のばね部材２２よりも小さくされており、より好適には０．０１よりも小さくされている。そして、第二のばね部材４０の基端部が第一のマス部材２０の支持突部３２にねじ等で固定されると共に、第二のばね部材４０の先端部には第二のマス部材３８が接着や溶接、ねじ止め、機械的な係止などの手段によって固定されて、第二のマス部材３８が上下変位を許容された状態で第一のマス部材２０に連結されている。これにより、第二の振動系１６が第一の振動系１４に取り付けられて、二自由度の振動系が構成されている。
なお、第二の振動系１６が第一の振動系１４に取り付けられた状態において、第二のマス部材３８は、第一のマス部材２０の下部マス２４の底壁３０と上部マス２６との両方に対して上下に離隔して対向配置されている。そして、第二のマス部材３８と第一のマス部材２０の上下対向面間には、ストッパゴム４２がそれぞれ配設されている。これにより、第二のばね部材４０の過大な弾性変形時にも、第二のマス部材３８が第一のマス部材２０に直接的に打ち当てられるのが防止されて、打音の発生が回避されるようになっている。
また、第一のマス部材２０と第二のマス部材３８を繋ぐ第二のばね部材４０には、発電素子４４が固着されている。発電素子４４は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能な各種素子を採用可能であり、例えば、圧電素子や磁歪素子などが採用され得る。本実施形態では、発電素子４４として圧電素子が採用されており、圧電素子が第二のばね部材４０の上面に重ね合わされて固着されることで、第二のばね部材４０の厚さ方向への曲げ変形に伴って変形して、圧電の正効果によるエネルギー変換作用を発揮するようになっている。なお、発電素子４４として圧電素子を採用する場合には、形成材料として、例えば、セラミック材料や単結晶材料などが採用される。より具体的には、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどが、圧電素子の形成材料として何れも好適に採用され得る。
この発電素子４４は、電気回路４６に接続されており、電気回路４６によって整流回路や蓄電装置、各種センサ、無線通信装置などの電力使用機器であるデバイス４８に電気的に接続されており、後述する発電素子４４の発電電力がデバイス４８に供給されるようになっている。
かくの如き構造とされた発電装置１０は、振動部材１２への装着状態において振動部材１２から振動が入力されるようになっており、入力された振動エネルギーを発電素子４４で電気エネルギーに変換して取り出すようになっている。本実施形態では、振動部材１２から発電装置１０へ入力される振動は、周波数ｆ0 が５００Ｈｚ程度とされており、所定の時間間隔で断続的に入力されるようになっている。なお、このような断続的な振動としては、例えば、振動部材１２が所定の長さ毎に区切られたユニットを連結してなる道路や橋梁、線路などの場合に、それらの継ぎ目部分を車両が通過する際に入力される荷重などが考えられる。
また、図３に示すように、第一の振動系１４の共振周波数ｆ1 が、振動部材１２から第一の振動系１４へ入力される振動の周波数ｆ0 に対して、１／√２倍よりも低周波とされており、本実施形態では１００Ｈｚ程度に設定されている。第一の振動系１４の共振周波数ｆ1 は、一般的に知られているように、第一のマス部材２０の質量と第一のばね部材２２のばね定数を調節することで設定される。なお、図３では、振動レベルと周波数の特性が、第一の振動系１４について実線で、第二の振動系１６について一点鎖線で、振動部材１２からの入力振動について破線で、それぞれ示されている。
さらに、本実施形態では、第一の振動系１４の共振周波数ｆ1 と、第二の振動系１６の共振周波数ｆ2 とが、略同じ周波数に設定されている。より具体的には、第二の振動系１６の共振周波数ｆ2 が、第一の振動系１４の共振周波数ｆ1 に対して０．９倍～１．１倍の範囲となるように設定されて、第一の振動系１４の自励振動において振動レベルが十分に大きく得られる周波数域で、第二の振動系１６の共振現象が発生するようにされている。本実施形態では、第一の振動系１４の共振周波数ｆ1 が１００Ｈｚ程度にチューニングされていることから、第二の振動系１６の共振周波数ｆ2 は、９０Ｈｚ～１１０Ｈｚの範囲でチューニングされることが望ましい。第二の振動系１６の共振周波数ｆ2 は、一般的に知られているように、第二のマス部材３８の質量と第二のばね部材４０のばね定数を調節することで設定される。
加えて、第二の振動系１６における第二のマス部材３８の質量は、第一の振動系１４における第一のマス部材２０の質量に対して２０％以下とされて、第一のマス部材２０に比して軽量とされている。なお、より好適には、第二のマス部材３８の質量は、第一のマス部材２０の質量に対して５％以上とされることにより、第二の振動系１６の共振周波数を第一の振動系１４の共振周波数に対して近い周波数域にチューニングし易くなる。
ここにおいて、振動部材１２から発電装置１０へ入力される５００Ｈｚの高周波振動は、入力振動よりも十分に低い周波数にチューニングされた第一の振動系１４の振動周期に対して著しく短時間で収束することから、第一の振動系１４に対して実質的に衝撃荷重として作用する。これにより、第一の振動系１４は、振動部材１２からの入力によって自励振動を生じて、第一のマス部材２０が共振状態で変位する。そして、第一の振動系１４の自励振動が第二の振動系１６に伝達されて入力されることにより、第二の振動系１６のマス－バネ共振が生ぜしめられて、第二の振動系１６の第二のばね部材４０に取り付けられた発電素子４４が厚さ方向に変形する。その結果、発電素子４４の圧電変換作用の正効果によって振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電が生じて、電気回路４６によりデバイス４８に供給されるようになっている。
さらに、第一のばね部材２２の損失係数が０．２以下と十分に小さくされていることから、発電素子４４に入力される振動エネルギーが、第一のばね部材２２の弾性変形時に生じるエネルギー減衰作用によって低減されるのを抑えることができる。それ故、図４に示すように、第一の振動系１４において一度の入力に対する振動状態が入力時間に対してより長く持続して、振動エネルギーが発電素子に効率的に入力される。なお、本実施形態において、第二のばね部材４０は、一般的なばね鋼で形成された金属ばねとされており、損失係数が極めて小さいことから、第二のばね部材４０のエネルギー減衰作用による振動エネルギーの低減も回避されて、発電素子４４への入力が有利に得られるようになっている。
このように、本発明に係る発電装置１０によれば、振動部材１２から発電装置１０への入力振動の周波数が、発電装置１０における振動系１４，１６の共振周波数を一致させることが難しいほどに高周波の場合などにも、第一の振動系１４の自励振動によって振動エネルギーを発電素子４４に有効に作用させて、十分に高効率での発電が実現可能となる。特に、振動部材１２から発電装置１０への入力振動が、それぞれ衝撃荷重とみなすことができる短時間の入力を断続的に繰り返すものである場合に、各入力に対する第一の振動系１４の振動状態が入力時間に比して十分に長く持続することから、優れた発電効率が実現される。具体的には、例えば前述の道路における橋梁や高架の継ぎ目などに繰り返し及ぼされる通過車両の衝撃荷重により、道路構造物の大きな剛性のもとで高周波振動が断続的に惹起される場合でも、かかる高周波振動の入力により発電装置１０の第二の振動系１６の振動に基づく発電作用が有効に発揮され得るのである。
また、本実施形態の発電装置１０では、第二の振動系１６の共振周波数ｆ2 が、第一の振動系１４の共振周波数ｆ1 に対して、略一致するように設定されており、第一の振動系１４の自励振動が第二の振動系１６の共振によって効率的に増幅されるようになっている。従って、第一の振動系１４からの入力振動に対して、第二の振動系１６の振動倍率を大きく得ることができて、高い発電効率を実現することができる。
なお、第二の振動系１６の共振周波数ｆ2 を第一の振動系１４の共振周波数ｆ1 から離すに従って、第二の振動系１６における振動倍率が小さくなることから、第二のばね部材４０の変形量が小さくなる。従って、第二のばね部材４０の過大な変形による損傷を回避して耐久性を確保しながら、発電効率を十分に確保できるように、第二の振動系１６の共振周波数ｆ2 と第一の振動系１４の共振周波数ｆ1 との差を適宜に調節することが望ましい。上記の説明からも明らかなように、第二のばね部材４０の耐久性が確保され難い場合などには、第二の振動系１６の共振周波数ｆ2 を、第一の振動系１４の共振周波数ｆ1 の０．９～１．１倍の範囲から外れた高い周波数に設定することも可能である。また、発電量が必要以上に大きい場合などには、同様に第二の振動系１６の共振周波数ｆ2 を第一の振動系１４の共振周波数ｆ1 から離すことにより、第二のばね部材４０への入力を低減して、第二のばね部材４０の小型化などを実現することもできる。
更にまた、第二の振動系１６における第二のマス部材３８の質量が、第一の振動系１４における第一のマス部材２０の質量に対して２０％以下とされていることにより、第二の振動系１６から第一のマス部材２０に及ぼされる制振効果が十分に低減される。それ故、第一の振動系１４の自励振動が第二の振動系１６によって低減されることなく十分に生ぜしめられて、第二の振動系１６の発電素子４４に振動エネルギーが効率的に入力される。
図５には、本発明の第二の実施形態としての発電装置５０が示されている。発電装置５０では、第一の振動系１４を構成する第一のばね部材５２が圧縮ばねとされている。なお、以下の説明において、第一の実施形態と実質的に同一の部材および部位については、図中に同一の符号を付すことにより、説明を省略する。
すなわち、第一のばね部材５２は、第一のマス部材２０を構成する下部マス２４の底壁３０下面に加硫接着されていると共に、底壁３０と対向して配された取付部材５４に加硫接着されており、それら第一のマス部材２０と取付部材５４を上下に弾性連結している。この取付部材５４が振動部材１２にボルト固定されることにより、第一の振動系１４が振動部材１２に取り付けられて、発電装置５０が振動部材１２に取り付けられるようになっている。
このような本実施形態に従う構造とされた発電装置５０においても、第一の実施形態の発電装置１０と同様に、振動部材１２から入力される高周波振動が、第一の振動系１４の自励振動によって増幅されて、ある程度の時間に亘って持続的に第二の振動系１６に伝達されることから、効率的な発電が実現される。
しかも、振動部材１２からの振動入力に対して、第一のばね部材５２が主として圧縮および引張方向に変形することから、剪断変形が支配的となる場合に比して、耐久性の確保が容易になる。
以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、本発明はその具体的な記載によって限定されない。例えば、発電素子は、前記実施形態で示された圧電素子に限定されるものではなく、例えば磁歪素子なども採用され得る。
前記実施形態では第一の振動系１４と第二の振動系１６を有する二自由度振動系を例示したが、３自由度以上の多自由度振動系に本発明を適用することも可能である。
また、前記実施形態において例示した第一のばね部材２２と第二のばね部材４０は、何れもあくまで例示であって、例えば、第一のばね部材２２を金属ばねとすることもできるし、第二のばね部材４０を高分子弾性体で構成しても良い。
また、第二の振動系１６が第一のマス部材２０の収容空所３４に収容配置された構造に必ずしも限定されるものではなく、第二の振動系１６は第一のマス部材２０の外部に取り付けられていても良い。この場合には、第一のマス部材２０は中空構造である必要はなく、中実構造とすることで必要なマス質量を確保しながらコンパクト化が図られ得る。
１０，５０：発電装置、１２：振動部材、１４：第一の振動系、１６：第二の振動系、２０：第一のマス部材、２２，５２：第一のばね部材、３８：第二のマス部材、４０：第二のばね部材、４４：発電素子
Claims (5)
- 第一のマス部材が第一のばね部材によって弾性支持された第一の振動系と、第二のマス部材が第二のばね部材によって弾性支持された第二の振動系とを備えており、該第一のマス部材と該第二のマス部材を該第二のばね部材で相互に弾性連結して多自由度振動系が構成されて、該第一のマス部材と該第二のマス部材の間には発電素子が配設されていると共に、
該第一のマス部材が該第一のばね部材によって振動部材に取り付けられて、該振動部材から該第一の振動系および該第二の振動系に入力された振動エネルギーが発電素子によって電気エネルギーに変換されるようにした発電装置において、
前記第一の振動系の共振周波数が前記振動部材から該第一の振動系へ入力される振動の周波数に対して１／√２倍よりも低周波とされていると共に、
該第一の振動系における前記第一のばね部材の損失係数が０．０１以上且つ０．２以下とされていることを特徴とする発電装置。 - 前記第二の振動系の共振周波数が、前記第一の振動系の共振周波数に対して９０％以上且つ１１０％以下の範囲にチューニングされている請求項１に記載の発電装置。
- 前記第二の振動系における前記第二のマス部材の質量が、前記第一の振動系における前記第一のマス部材の質量に対して２０％以下とされている請求項１又は２に記載の発電装置。
- 前記第一のばね部材が高分子弾性体とされていると共に、前記第二のばね部材が金属ばねとされている請求項１～３の何れか一項に記載の発電装置。
- 前記第一の振動系が、該第一の振動系へ断続的な衝撃荷重を入力する前記振動部材に対して取り付けられる請求項１～４の何れか一項に記載の発電装置。
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