JP2001157433A

JP2001157433A - 流体による振動発電装置

Info

Publication number: JP2001157433A
Application number: JP33606999A
Authority: JP
Inventors: Masao Hiyane; 正雄比屋根
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2001-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】安全でコストがかからず、かつ保守負担が少
ない発電装置を提供するとともに、流速の変動に対応し
てロックイン範囲を広げられるようにすることでエネル
ギ受容効率を向上させる。【解決手段】振動体である円柱２０１に流体２００に
よって励起される振動をもとに、コイル２０５および永
久磁石２０６を用いた電磁誘導により直接発電を行うよ
うにすることにより、風力発電のような回転プロペラや
その他の複雑な機構を不要とする。また、円柱２０１を
バネ２０２，２０３で支持し、流体２００の力によって
バネ２０２，２０３を伸縮させ、その作用点を変化させ
ることによって、等価剛性を流体２００の流速に対応し
て変化させることにより、円柱２０１の機械共振周波数
を流速に応じて可変とすることにより、流体の流速が変
化しても、カルマン渦周波数と振動体自身が持つ機械共
振周波数とが一致する範囲を拡大させることができるよ
うにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は流体による振動発電
装置に関し、特に、風力あるいは水力等の自然エネルギ
を電気エネルギに変換するための装置に用いて好適なも
のである。

【０００２】

【従来の技術】身近にある自然エネルギを利用した発電
の中で、風力を利用した風車発電は、特に大型風車の分
野で性能、価格共に進展が著しく、火力発電に競合でき
ると評価されるまでになった。最近では、小型風車に関
しても効率の良いものが実現されつつあり、発電装置と
しての期待が高まっている。また、風車発電と並んで歴
史のある水力を利用した水車発電は、エネルギ密度では
風車発電を越えるものも存在する。

【０００３】ところで、風や水などの流体が物に当たる
と、その物の後ろにはカルマン渦と呼ばれる渦が生じ
る。そして、このカルマン渦や負性抵抗による自励振動
の空力ギャロッピング等の不安定が顕著な要因となっ
て、物が振動する。すなわち、図１４に示すように、流
体１５０４に曝される円柱１５０１の後ろには、両端か
ら交互に生成剥離する渦１５０２，１５０３，…が発生
する。これらはカルマン渦列として知られている。

【０００４】このように円柱１５０１の後ろにカルマン
渦１５０２，１５０３，…が交互に発生すると、円柱１
５０１の両側面では交互に圧力が変動し、流体１５０４
の流れの方向に対して直交方向に振動が起こる。例えば
凧糸や電線の唸りも、カルマン渦により励起される振動
によるものである。

【０００５】図１５は、その振動の様子を示した図であ
る。図１５において、円柱１６０１に流体１６０２が当
たると、円柱１６０１の後ろにはカルマン渦列１６０
３，１６０４，１６０５…が生じる。そして、これらカ
ルマン渦列のバランスによって、円柱１６０１の後ろ側
に生じる負の圧力１６０６，１６０７が左右非対称にな
り、一方の負圧が他方の負圧に対して大きくなる。

【０００６】これにより、円柱１６０１に対して一方に
力Ｆが働き、円柱１６０１がその方向に振れる。円柱１
６０１が振れると、カルマン渦列が変化して先程とは異
なる他方の負圧が大きくなって力Ｆが逆方向に働き、円
柱１６０１がその方向に振れる。この繰り返しにより、
円柱１６０１は流体１６０２の流れの方向に対して直交
方向に振動するようになる。

【０００７】このカルマン渦により円柱に励起される振
動の周波数（以下ではこれを「カルマン渦周波数」と呼
ぶ）が、柱自身が持つ機械共振周波数に合致すると、ロ
ッキングと呼ばれる大きな振動に成長する。そして、一
旦ロッキング状態に引き込まれると、カルマン渦周波数
が多少変動しても同期を維持する。

【０００８】この同期を維持する様子を示したのが、図
１６である。図１６において、ｆは柱の実際の振動周波
数、ｆ_nは柱の機械共振周波数、ｆ_sはカルマン渦周波
数である。機械共振周波数ｆ_nとカルマン渦周波数ｆ_s
とが一致するとき（ｆ_s／ｆ _n＝１のとき）にロッキン
グが生じ、ｆ／ｆ_n＝１となるが、カルマン渦周波数ｆ
_sが多少変動してｆ_s／ｆ_n≠１となっても、ｆ／ｆ_n
＝１のロッキング状態が維持されていることが分かる。

【０００９】流体機械では、一般に振動は好ましからぬ
事象であり、例えば煙突、熱交換器の管群、吊り橋ワイ
ヤ等の振動現象については、従来は主に振動防止対策の
観点から解析されてきた。これは、流体のエネルギが機
械振動に変換される事例の多いことを物語っている。そ
の長年の研究成果は、評価の定まったものだけでも多岐
に渡り、単純断面については励振器を設計できるほどの
データが“機械工学便覧日本機械学会編”に載せられ
ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述した風車発電、水
車発電の何れも小エネルギ源としては貴重であり、より
経済的な装置の開発が望まれる。しかしながら、総合的
経済性に着目すると、これらの発電にかかる費用は、そ
の装置価格と共に付帯設備の価格、保守費用の比率が非
常に高く、多大のコストがかかるという問題があった。

【００１１】例えば、風車発電で言えば、高効率の風車
の設計例をみると、高速３枚翼の場合では翼先端の周速
と風速との比率が６：１付近で最高効率になるとされ
る。これにより、１５ｍ／ｓの風速の下では翼先端の周
速は９０ｍ／ｓとなり、非常に高速となっている。その
ため、危険を避ける意味でプロペラは高い塔に設置され
る。よって、プロペラそのものよりも付帯設備である塔
が価格の相当部分を占め、また保守のために広大な設置
面積も要している。

【００１２】さらに、暴風時にはプロペラのピッチ角を
退避位置にしたり、軸を立ててプロペラを水平にしたり
して破損を避ける必要があり、風車発電には複雑な機構
やベアリング等の寿命有限の要素が多く含まれる。これ
により、風車発電装置には定期点検を前提とするものが
多く、そのためのメンテナンスコストが非常に大きなも
のとなっている。

【００１３】また、水車発電においては、落差を確保す
るダムや水路を専用に設ける形式では、工事費が莫大に
かかる。また、それらダムや水路による水害が発生した
場合の責任もあって適地が少なく、水車発電の実現が困
難な場合が多い。

【００１４】一方、風や水などの流体が柱などに当たる
とカルマン渦により柱が振動し、流体エネルギが振動エ
ネルギに変換されることが知られている。ところが従来
は、柱の破壊を防止する観点からこの振動エネルギを極
力抑える傾向にあり、振動エネルギを吸収するために油
圧シリンダや防振ゴムなどを使用する例が多かった。こ
のため、流体により発生した振動エネルギは、利用可能
なエネルギに変換されることなく、熱エネルギとして消
散されてしまう場合がほとんどであった。

【００１５】なお、振動エネルギをもとに発電しようと
する振動発電の発明として、特開平８−１７７７１０号
公報では、振動を一旦回転運動に変換し、回転発電機に
よって発電している。よって、回転プロペラを要する風
車発電や水車発電の場合と同様に、多くのコストと保守
労力を要するものである。

【００１６】また、振動吸収により直接発電する装置と
して、米国には Aeolian windmillUSP4,024,409 Payne;
Peter R.1975 がある。わが国では、例えば特開平５−
６４４１８号公報や特開平８−３２１６４２号公報に記
載の発明も提案されている。前者は、風によって生じる
樹木等の揺れを発電に用いるものであり、原理的に Pay
neに共通するところがある後者は、車両の振動を発電に
用いるものである。これらの発明では何れも、振動エネ
ルギから発電するための要素として、圧電素子を用いて
いる。

【００１７】振動エネルギから電気エネルギを効率的に
取り出すためには、振動体が壊れない範囲で振動の振幅
を大きくとることが重要になる。ここで、振動エネルギ
の吸収はダイナミックダンパと共通するところがあり、
流体のカルマン渦により円柱などの振動体に引き起こさ
れた振動の周波数（カルマン渦周波数）と、対象とする
振動体の機械共振周波数とが一致するとき、すなわち、
ロッキング状態のときに最も効果的にエネルギを吸収す
る。

【００１８】ところが、風などの流体によるカルマン渦
発生の条件は、レイノルズ数Ｒｅ＝Ｕ・Ｄ／ν（ν：動
粘度）が数十から数万となる広い範囲に渡るが、その一
方で振動体の機械共振はＱ値が高く鋭いピークを持つこ
とが特徴であるので、両周波数が一致してロッキングを
維持する範囲は、風速の脈動に比べると極めて狭いと言
える。

【００１９】また、流体の速度は常に一定とは限らず、
時間と共に変動するため、この流体によって引き起こさ
れるカルマン渦周波数も常に変動しているのが通例であ
る。つまり、カルマン渦周波数ｆ_sは、ストローハル数Ｓｔ＝ｆ_s・Ｄ／Ｕ ……(1) （Ｄ：円柱の直径等の代表長さ、Ｕ：流速）がほぼ一定
（Ｓｔ≒０．２１）であるという実験データから、流速
Ｕに比例して変化する。これに対し、振動体の機械共振
周波数は固定であり、その共振範囲は極めて狭い。

【００２０】したがって、従来の振動発電装置では、カ
ルマン渦周波数と機械共振周波数とが常に一致するとは
限らず、振動エネルギから電気エネルギを効率的に取り
出すことができないという問題があった。すなわち、Pa
yne が概括的に述べているように、振動型の発電装置は
風車型と帆掛け舟型に続く第３の方式として優れた特徴
を有するが、カルマン渦共振を条件としているので、風
速が脈動する環境では効率が維持できない。

【００２１】このための対策として、特開平８−３２１
６４２号公報に記載の発明では、厚みの異なる複数の圧
電素子を積層し、各々の機械共振周波数が異なるように
しているが、各々の圧電素子の機械共振周波数はその厚
みで決定付けられ、それぞれ固定である。したがって、
カルマン渦周波数が各圧電素子の厚みで決定される機械
共振周波数以外の周波数となったときは、カルマン渦周
波数と機械共振周波数とが一致せず、やはり電気エネル
ギを効率的に取り出すことはできなかった。

【００２２】本発明は、このような問題を解決するため
に成されたものであり、流体の運動エネルギを電気エネ
ルギに変換する自然エネルギの活用において、風力発電
および水力発電の多くが回転プロペラを流体エネルギの
受容器とするのに対し、振幅を制限された振動体を流体
エネルギの受容器とすることにより、安全でコストがか
からず、かつ保守負担が少ない発電装置を提供すること
を目的とする。

【００２３】また、本発明は、上述の振動体を流体エネ
ルギの受容器とした場合に、流速が変動しても、その流
速の変動に対応して、カルマン渦によって振動体に励起
される振動の周波数と振動体自身が持つ機械共振周波数
とが一致するロックイン範囲を広げられるようにするこ
とで、エネルギ受容効率を上げることができるようにす
ることをも目的としている。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明の流体による振動
発電装置は、流体によって振動体に励起される振動をも
とに電磁誘導あるいは圧電現象を用いて発電を行う流体
による振動発電装置であって、上記振動体を弾性体で支
持し、上記振動体に当たる上記流体の力による変位によ
って上記弾性体の復元剛性を等価的に可変とすることに
より、上記振動体の機械共振周波数を上記流体の流速に
対応して変化させるようにしたことを特徴とする。

【００２５】また、流体によって振動体に励起される振
動をもとに電磁誘導あるいは圧電現象を用いて発電を行
う流体による振動発電装置であって、上記振動体を二重
の殻で構成するとともに、この二重殻の一部に少なくと
も２つの穴を設けてそれぞれを水流および大気中に配置
し、一方の穴から上記二重殻の内部に入る上記流体の量
を上記流体の流速に応じて変化させ、これによって上記
振動体の質量を可変とすることにより、上記振動体の機
械共振周波数を上記流体の流速に対応して変化させるよ
うにしても良い。

【００２６】また、流体によって振動体に励起される振
動をもとに電磁誘導あるいは圧電現象を用いて発電を行
う流体による振動発電装置であって、複数の振動体を備
えた第１の振動体群と、複数の振動体を備えた第２の振
動体群とを連結部材で連結し、上記第１の振動体群と上
記第２の振動体群とを軸を中心として平行を維持しなが
ら回転可能なように構成し、上記振動体に当たる上記流
体の力によって上記第１の振動体群と上記第２の振動体
群とを軸を中心として平行を維持しながら回転させるこ
とでストローハル数を可変とし、これによって上記振動
体のカルマン渦周波数を上記流体の流速に対応して変化
させるようにしても良い。

【００２７】上記のように構成した本発明によれば、流
体によって振動体に引き起こされる振動に基づいて、電
磁誘導あるいは圧電現象により直接発電が行われる。こ
のとき、振動体を支持する弾性体の等価復元剛性、ある
いは振動体の慣性質量が流体の流速に対応して変化する
ことにより、振動体の機械共振周波数が変化してカルマ
ン渦周波数に一致するようになる。また、別の態様で
は、流速に対応して振動体自身の配置が変化することで
ストローハル数が変化し、これによってカルマン渦周波
数が適当に変化して振動体の機械共振周波数に一致する
範囲を広げることができるようになる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。現状の発電装置ではそのほとんど
が回転型発電機を必須としているが、本実施形態では、
流体の運動エネルギを機械的な振動エネルギに転換し、
その振動エネルギから直接発電する方式を対象としてい
る。すなわち、軸方向を流体の流れに直交させる柱など
の振動体に振動を励起し、振動体に取り付けた磁気ある
いは圧電のエネルギ変換器によって振動から直接発電を
行う。

【００２９】さらに、本実施形態では、その振動体の機
械共振周波数とカルマン渦周波数との同期範囲（ロック
イン状態の範囲）を広げるために、振動体あるいはそれ
を支持する弾性体の剛性、または振動体の慣性質量を流
体の流速に対応して変化させることにより、振動体の機
械共振周波数を可変としてカルマン渦周波数に一致させ
る。また、別の態様では、流体の流速に対応して振動体
自身の配置を変化させることにより、カルマン渦周波数
を可変として振動体の機械共振周波数に一致させる。

【００３０】まず最初に、図１を用いて、電磁誘導を用
いた振動発電の原理を説明する。図１（ａ）のように、
本実施形態の振動発電装置は、直立する煙突状の中空の
柱１０１の内部に剛性の高い固定の柱１０６を内蔵さ
せ、風の力により中空柱１０１をその下部を支点として
振動可能なように構成している。１０７は当該中空柱１
０１が振動した一状態を示している。中空柱１０１の振
動は、風の流れにほぼ直交する方向１０９に強く発生
し、流れ方向の振動成分は定常的な変位成分に比べて小
さいことが多い。本実施形態では、この振動する中空柱
１０１と固定柱１０６との相対位置の変化を利用して、
振動エネルギから電気エネルギを取り出す構成としてい
る。

【００３１】図１（ｂ）は、上記図１（ａ）に示した構
成の部分拡大図である。この図１（ｂ）に示すように、
固定柱１０６の頭部には、永久磁石１０２と、そのＮ極
から発せられる磁束のＳ極への帰路となる盆状のヨーク
１０３とが固定されている。一方、中空柱１０１の天井
１０５の下部には、上記永久磁石１０２に対向してコイ
ル１０４が取り付けられている。上記永久磁石１０２の
Ｎ極から発せられた磁束は、コイル１０４の内部を通
り、更にヨーク１０３を介して永久磁石１０２のＳ極へ
と帰還する。

【００３２】このような状態で、中空柱１０１が風の力
によって矢印１０９の方向に振動すると、当該中空柱１
０１に取り付けられたコイル１０４と、固定柱１０６に
取り付けられた永久磁石１０２との相対位置が変化し、
これによってコイル１０４の内部を通る磁束の量も変化
する。これにより、このような中空柱１０１の振動に基
づく磁気空隙の変化によって電磁誘導が発生し、コイル
１０４を通じて電流が流れるようになる。

【００３３】なお、電磁誘導では、空間を通過する磁束
の変化を利用して発電するので、空隙は必須であり、そ
こには磁気塵埃が付着しやすい。図１のような構成にお
いても、永久磁石１０２から発する磁束の一部が中空柱
１０１の天井１０５の外まで漏れ、風に乗ってくる磁気
塵埃が中空柱１０１に捕捉されてしまうことがある。そ
こで、本実施形態では、このような不都合を防止するた
めに、中空柱１０１の天井１０５に十分な厚みを持た
せ、その表面から外部への磁束漏洩を少なくできるよう
にする。

【００３４】また、流体の比重に対して中空柱１０１の
等価比重があまりにも重いと、中空柱１０１に流体が当
たってもあまり振動せず、振動による発電にとって不利
となる。そのため、中空柱１０１の殻厚は薄く設計され
る。ただし、過大な振幅の振動は、振動体自身が持つ機
械共振周波数とカルマン渦周波数とを一致させるために
当該振動体に設ける弾性体（図２以降で説明する）に無
理な応力を加えることになるので、振幅制約のために突
起状のストッパ１０８を設けている。

【００３５】中空柱１０１の殻厚を薄く設計すると、そ
の薄い殻自身に波打つ振動が励起されてしまい、それが
疲労破壊につながる場合もある。また、このような振動
によって騒音が懸念される場合もある。本実施形態で
は、このための対策として、中空柱１０１の殻を二重化
し、その殻間の空間に高圧の気体を封入することによっ
て、中空柱１０１の殻の波打ちを防止する。図１（ａ）
に示す１１０は高圧気体の封入口であり、ここには逆流
防止弁が設けられている。

【００３６】この図１のように構成した流体による振動
発電装置は、風などの流体が発生しやすい場所、例えば
煙突、高層ビル、橋などに取り付けられる。このとき、
中空柱１０１と固定柱１０６とから成る円柱を、１つの
固定台に対して複数取り付けて水平配置すると、テレビ
アンテナ型と類似の構成とすることができる。したがっ
て、１つの固定台に対して１つの風車しか取り付けられ
ない風力発電等と比べて、固定台のコストを削減するこ
とができる。

【００３７】このように、本実施形態では、回転プロペ
ラを流体エネルギの受容器とする風力発電や水力発電と
異なり、振動体を流体エネルギの受容器とすることによ
り、安全でコストがかからず、かつ保守負担が少ない発
電装置を提供することができる。すなわち、振動体の振
動速度は流速を越えることはなく、振動の振幅を制限す
るストッパも備えているので、風車や水車に比べて危険
は少ない。また、危険を避けるための付帯設備や、暴風
時などにプロペラの破損を避けるための複雑な機構、あ
るいはベアリング等のような寿命有限の要素が不要なの
で、設置コストやメンテナンスコストを大幅に削減する
ことができる。

【００３８】上述したように、流体により生じる振動エ
ネルギからより効率的に電気エネルギを得ることができ
るのは、当該流体によって振動体に励起される振動のカ
ルマン渦周波数と、振動体自身が持つ機械共振周波数と
が一致するロックイン状態のときである。ところが、流
体の流速変動幅（カルマン渦周波数の変動幅）に対して
機械共振周波数の共振範囲は極めて狭い。

【００３９】そこで、本実施形態では、流速が変動して
もロックイン状態を維持できるようにするために、流速
の変動に応じて振動体の機械共振周波数を変化させる
か、流速の変動に応じてカルマン渦周波数を変化させる
ようにしている。ここで、振動体の機械共振周波数ω
は、 ω＝（Ｋ／ｍ）^1/2 ……(2) （Ｋ：振動体の剛性、ｍ：振動体の質量）で表されるの
で、流速の変動に応じて振動体の機械共振周波数ωを変
化させるには、振動体の剛性Ｋあるいは質量ｍを流速の
変動に応じて変化させれば良いことになる。以下に、こ
れらの各実施形態を説明する。

【００４０】（第１の実施形態）図２は、振動体を支持
する弾性体の剛性を風速に対応して変化させることによ
って振動体の機械共振周波数を可変とし、これによって
ロックインの範囲を広げるようにした一構成例を示す図
である。

【００４１】図２（ａ）に示すように、円柱２０１の両
端はコイルバネ２０２，２０３等の弾性体で支持され、
これらのコイルバネ２０２，２０３が支持体２０７の上
下部分に固定される。この支持体２０７は、風などの流
体２００中に置かれ、円柱２０１が流体２００に曝され
るようになっている。この円柱２０１に流体２００が当
たると、それによって生じるカルマン渦により、円柱２
０１は流体２００の流れにほぼ直交する方向に振動す
る。

【００４２】円柱２０１に当たる流体２００の流速が増
えると、円柱２０１の正面圧力が増して、円柱２０１は
その流れに押されて矢印２０９の方向に移動する。図２
（ｂ）は、円柱２０１の上部とコイルバネ２０２の部分
を拡大して示した図であり、円柱２０１が流体２００の
流れに押されて移動したときの様子を示している。

【００４３】図２（ｂ）に示すように、円柱２０１が流
体２００に押されて平行移動すると、移動前に２１０の
位置にあったバネ支点は、ｙ方向に後退して２１１の位
置に移る。これにより、コイルバネ２０２は伸びて、そ
の伸びによりコイルバネ２０２には平均張力（戻り力）
が増す。また、円柱２０１が横振動してバネ支点が２１
３の位置に移るとき、そのときの変位ｘに対する復元力
は、平均張力の振動方向のｘ成分であり、平均張力に比
例する。したがって、円柱２０１が流体２００に押され
て移動すると、コイルバネ２０２，２０３の復元剛性が
増えたのと等価となる。

【００４４】一方、円柱２０１に対する正面圧力は、ベ
ルヌイの定理が示すように流速の二乗に比例する。ま
た、円柱２０１への正面圧力とその力によって移動する
円柱２０１の復元剛性とは比例関係にあるから、円柱２
０１の復元剛性の平方根は、流体２００の流速に比例す
ると言える。さらに、上述の式(1) から明らかなよう
に、カルマン渦周波数は流速に比例することから、カル
マン渦周波数は円柱２０１の復元剛性の平方根に比例す
ると言える。また、上述の式(2) から明らかなように、
円柱２０１の機械共振周波数も、復元剛性の平方根に比
例して高くなる。したがって、コイルバネ２０２，２０
３の剛性を適切に選べば、流速に比例して変化するカル
マン渦周波数に対応して、円柱２０１の機械共振周波数
の変化を一致させることが可能となる。

【００４５】円柱２０１の上部を支持するコイルバネ２
０２が取り付けられる支持体２０７の天井側の支持部
は、厚みの薄い板状の軟磁性体２０４により構成されて
いる。この軟磁性体２０４は、コイルバネ２０２の力に
よって垂直方向には弾性的に変形可能だが、水平方向の
剛性は高く形成され、容易に変形しないように構成され
ている。この軟磁性体２０４の内側にはコイル２０５と
永久磁石２０６とが配置され、永久磁石２０６のＮ極か
ら発せられる磁束がコイル２０５および軟磁性体２０４
を通ってＳ極へと循環する磁気回路が構成されている。

【００４６】このような状態で、コイルバネ２０２の力
が円柱２０１の振動により変動すると、軟磁性体２０４
は垂直方向に振動し、これにより軟磁性体２０４と永久
磁石２０６との間の磁気空隙長も変化する。そのため、
永久磁石２０６の周辺に巻回されたコイル２０５の内部
を通る磁束の量が変化し、磁気誘導電圧が発生すること
により、コイル２０５を通じて電流が流れるようにな
る。このような構造においては、磁気空隙は密閉された
状態となっているので、風に乗ってくる磁気塵埃が付着
してしまうという問題を回避することができ、メンテナ
ンスの負荷を軽減することができる。

【００４７】以上のように、第１の実施形態によれば、
振動体である円柱２０１の両端をコイルバネ２０２，２
０３で支持し、このコイルバネ２０２，２０３の剛性を
流速に対応して変化させることによって円柱２０１の機
械共振周波数を可変とするようにしたので、流体２００
の流速に応じて励起されるカルマン渦周波数に円柱２０
１の機械共振周波数を常に一致させることができ、流速
が変動してもロックイン状態を維持することができるよ
うになる。このとき、剛性変化の動力は、流体２００に
よる円柱２０１への正面圧力であり、受動素子のみを用
いて実現することができる。

【００４８】（第２の実施形態）図３は、振動体の質量
を流速に対応して変化させることによって振動体の機械
共振周波数を可変とし、これによってロックインの範囲
を広げるようにした一構成例を示す図である。本実施形
態は、流体が特に水などの液体である場合に適用して好
適なものである。

【００４９】図３に示すように、本実施形態による振動
発電装置は、図１に示したものと略同様の構造を有して
おり、二重殻で成る中空の円柱４０１を水の流れの中に
立てるように構成している。例えば、円柱４０１は、そ
の底部が川底４０９などに固定され、頭部は水面よりも
上に出るように立てられる。

【００５０】この円柱４０１は、矢印４０８の方向に流
れる水流４１０が当たることによって振動する。これに
より、この円柱４０１の天井側に取り付けられたコイル
４０６と、円柱４０１の内側に設けた固定柱４０２に取
り付けられた永久磁石４０４および図１のヨーク１０３
に相当する盆状の軟磁性体４０５との相対位置が変動
し、この相対位置の変動に基づく電磁誘導によって発電
を行う。

【００５１】上記円柱４０１を構成する二重殻の水面下
の部分には１つの穴４０３が設けられており、これが水
流の下流側に配置される。この穴４０３によって二重殻
の間隙は水流とつながり、穴４０３から二重殻内に水が
入っている。また、上記円柱４０１を構成する二重殻の
天井部にも穴４０７が設けられており、これが大気中に
配置される。これにより、二重殻内に入った水の水面
は、穴４０７を介して大気圧に開放されている。

【００５２】水面下の穴４０３が流れの下流側に配置さ
れることにより、この穴４０３にかかる水流の圧力は負
圧となる。そのため、円柱４０１の二重殻内の水面の高
さは、水流が強くなるほど低くなり、水流が弱くなるほ
ど高くなる。これにより、水流が強くなったときには、
円柱４０１の慣性質量は小さくなり、式(2) から分かる
ように円柱４０１の機械共振周波数は高くなる。逆に、
水流が弱くなったときには、円柱４０１の慣性質量は大
きくなり、円柱４０１の機械共振周波数は低くなる。

【００５３】このように、第２の実施形態によれば、水
の流れの中に立てる円柱４０１の二重殻の水面下となる
部分に穴４０３を設けるとともに、水面より上の部分に
穴４０７を設け、水面下の穴４０３を流れの下流側に配
置している。これにより、水流の強さに応じて円柱４０
１の慣性質量を変化させ、これによって円柱４０１の機
械共振周波数を可変とすることができる。したがって、
流速に比例して変化するカルマン渦周波数に対応して、
円柱４０１の機械共振周波数の変化を一致させることが
可能となり、ロックイン範囲の幅を広げることができる
ようになる。

【００５４】なお、上記図３では、円柱４０１は川底４
０９に固定されるが、図４に示すように、円柱を水面の
上から吊るすように構成しても良い。この図４の例で
は、１つの支持体５１０に２つの円柱５０１_-1，５０１
_-2を取り付けた構成を示している。この支持体５１０は
水面より上に配置され、この支持体５１０によって吊る
された２つの円柱５０１_-1，５０１_-2の下部が水面下に
曝されるようになっている。

【００５５】この例の場合、２つの円柱５０１_-1，５０
１_-2の構成は、それぞれ図３に示したものと同様である
が、図３に示した永久磁石４０４、軟磁性体４０５およ
びコイル４０６に相当する構成は、円柱５０１_-1，５０
１_-2の底部の内側に設けられる。また、図３に示した穴
４０３に相当する構成は、図３と同様に水面下の下流側
に設けられ、穴４０７に相当する構成も図３と同様に大
気中に設けられる。このように構成した場合には、川底
に工事を施すことなく振動発電装置を設置することがで
き、建設コストを削減することができる。

【００５６】また、この図４の例では、支持体５１０は
ピン５０３で支持され、これを軸として回動可能なよう
に構成されている。通常の状態では、この支持体５１０
の端部５０９は、固定された永久磁石５０８に吸着し
て、実線で示したように支持体５１０が水平の状態、す
なわち、この支持体５１０に垂直に取り付けられた各円
柱５０１_-1，５０１_-2が水流５０６の方向に対して垂直
の状態になっている。

【００５７】ところが、このような状態では、水中を流
れるゴミ５０５等が円柱５０１_-1，５０１_-2に絡み付い
て取れなくなることがある。このようにゴミ５０５が円
柱５０１_-1，５０１_-2に付着すると、円柱５０１_-1，５
０１_-2の慣性質量が大きくなってしまい、円柱自身が振
動しにくくなってしまうだけでなく、流速に比例して変
化するカルマン渦周波数と円柱４０１の機械共振周波数
とが一致しなくなってしまうことがある。

【００５８】絡み付いたゴミ５０５が少ない間は、支持
体５１０は水平姿勢を保つ。ところが、絡み付いたゴミ
５０５の量が限界を越えると、そのゴミ５０５に加わる
流体力が増えることによって支持体５１０の端部５０９
が永久磁石５０８から離れ、支持体５１０がピン５０３
を軸として大きく回動する。これにより、点線で示した
ように各円柱５０１_-1，５０１_-2が水流５０６の方向に
対して斜めの状態となり、水流５０６によってゴミ５０
５が払い落とされる。ゴミ５０５が払い落とされると、
水流５０６の抵抗が多少あっても、支持体５１０は自身
の重量によって確実に元の水平姿勢に復帰する。

【００５９】（第３の実施形態）図５は、振動体自体の
張力を風速の変動に対応して変化させることによって振
動体の機械共振周波数を可変とし、これによってロック
インの範囲を広げるようにした一構成例を示す図であ
る。

【００６０】上記第１、第２の実施形態では、振動体で
ある円柱は、ある程度の太さを持ったものであった。こ
れに対して、第３の実施形態では、振動体である円柱６
０１は細く、弾性を持って撓るように構成された弦型の
円柱を用いる。例えば、斜長橋の吊りワイヤや高圧電線
などが互いにショートするほどに揺れる最初の起振力
は、カルマン渦によるものとされており、本実施形態で
はこのような吊りワイヤや高圧電線などを円柱６０１と
することが可能である。

【００６１】図５において、円柱６０１の上部は支持体
６０７に固定されている。一方、円柱６０１の下部には
永久磁石６０２が取り付けられている。上記支持体６０
７の永久磁石６０２付近にはカバー６０５が設けられ、
このカバー６０５には、上記円柱６０１に取り付けられ
た永久磁石６０２に対向して、固定磁石６０３が設けら
れている。これらの永久磁石６０２と固定磁石６０３
は、互いのＮ極が対向するように配置されており、これ
によって生じる反発力により、円柱６０１に張力が与え
られている。

【００６２】円柱６０１に取り付けられた永久磁石６０
２は、希土類磁石と呼ばれるエネルギ積の大きい材料で
ある。また、支持体６０７のカバー６０５に取り付けら
れた固定磁石６０３は、フィライト磁石であり、抗磁力
は大きいが磁束密度の低い磁石である。両磁石６０２，
６０３共に抗磁力は大きく、近接して反磁界が大きくな
っても減磁させない設計が可能である。永久磁石６０２
の周辺にはコイル６０６が巻回されており、永久磁石６
０２のＮ極から発せられた磁束がコイル６０６を通って
Ｓ極へと循環する磁気回路が構成されている。

【００６３】円柱６０１に当たる流体の流速が増える
と、円柱６０１は点線で示すように等分布荷重の変形を
する。これにより、円柱６０１の軸端面間の距離は小さ
くなり、永久磁石６０２と固定磁石６０３との間の距離
も小さくなる。そのため、磁石間の反発力は強くなり、
これによってコイル６０６を通る磁束の量が変化する。
軸端面間距離の変化はわずかではあるが、磁束の変化は
大きく、電磁誘導によってコイル６０６には起電圧が発
生する。したがって、この起電圧の出力を外部インピー
ダンスに接続すれば発電機となる。

【００６４】また、上述のように磁石間の反発力が強く
なると、その反発力により円柱６０１に与えられている
張力も大きくなる。これは、第１の実施形態にて説明し
たバネの復元張力、つまり円柱の剛性が増すことに相当
する。したがって、本実施形態においても、第１の実施
形態と同様の作用により、円柱６０１に当たる流体の流
速の変動に応じて当該円柱６０１の機械共振周波数を可
変とすることができる。磁気反発力は磁石間の距離に対
して線形ではないが、限定された範囲内では、流速に比
例するカルマン渦周波数と円柱６０１の機械共振周波数
とを一致させる設計が可能である。

【００６５】以上のように、第３の実施形態によれば、
振動体である弦型の円柱６０１の一端を固定するととも
に他端に永久磁石６０２を取り付け、この永久磁石６０
２の対向する位置にＮ極が向かい合うように固定磁石６
０３を設けている。そして、この磁石間の反発力によっ
て円柱６０１に与えられる張力（円柱６０１の剛性）を
流速に対応して変化させることによって円柱６０１の機
械共振周波数を可変とするようにしたので、流体の流速
に応じて励起されるカルマン渦周波数に円柱６０１の機
械共振周波数を常に一致させることができ、流速が変動
してもロックイン状態を維持することができるようにな
る。

【００６６】また、本実施形態では、永久磁石６０２、
固定磁石６０３およびコイル６０６により構成される磁
気回路は、ベローズ６０４およびカバー６０５で密閉し
ているので、磁性塵埃の侵入を防止することができる。
磁性塵埃が侵入しないことにより、狭い磁気空隙とする
設計が可能となるとともに、メンテナンスの負荷を軽減
することができる。さらに、本実施形態によれば、第１
の実施形態のように機械的なコイルバネを設けなくても
良いので、制御性を向上させることができる。

【００６７】（第４の実施形態）図６は、振動体自体の
張力を風速の変動に対応して変化させることによって振
動体の機械共振周波数を可変とし、これによってロック
インの範囲を広げるようにした他の構成例を示す図であ
る。この図６に示す円柱７０１も、図５に示した円柱６
０１と同様に、斜長橋の吊りワイヤや高圧電線などのよ
うに細く、弾性を持って撓るように構成された弦型の円
柱である。

【００６８】図６（ａ）において、円柱７０１の上部は
支持体７０７に固定され、下部は薄い板状の軟磁性体７
０３により支持されている。この軟磁性体７０３は、そ
の大部分が永久磁石７０６に吸着されており、永久磁石
７０６の周囲にはコイル７０５が巻回されている。永久
磁石７０６のＮ極から発せられた磁束は、軟磁性体７０
３の内部を通ってコイル７０５を通過し、永久磁石７０
６のＳ極へと循環するようになっており、これによって
磁気回路が構成されている。

【００６９】また、本実施形態では、円柱７０１として
弦型の細い柱を用いているので、流体による正面圧力が
不足することも考えられる。そこで、円柱７０１の略中
央部分に球７０２を取り付ける。このようにすることに
より、図６（ａ）中に一点鎖線で示すように球７０２を
節として円柱７０１の振動は二分され、倍周波数の振動
成分が多くなり、エネルギ密度を高くすることができ
る。

【００７０】上記円柱７０１に当たる流体の流速が増え
て円柱７０１への正面圧力が大きくなると、円柱７０１
は一点鎖線で示すように、球７０２の両側で等分布荷重
の変形をする。これにより、円柱７０１の軸端面間の距
離は小さくなり、軟磁性体７０３は円柱７０１より上方
向の力を受けて、７０４で示すように上方に撓む。その
ため、軟磁性体７０３の永久磁石７０６への吸着が一部
解離していく。図６（ｂ）は、この状態を拡大して詳し
く示した図である。

【００７１】この状態で円柱７０１がカルマン渦による
振動を受けると、磁極空隙の変化が起こり、コイル７０
５を通る磁束の量が変化する。これにより、電磁誘導に
よってコイル７０５に起電圧が発生して発電する。この
とき、カルマン渦が発生する最低の流速までは永久磁石
７０６と軟磁性体７０３とが完全に吸着するように設計
すれば、弾性は高い状態を維持し、制御性を良好にする
ことができる。

【００７２】また、上述のように弦型の円柱７０１に当
たる流体の流速が増えると、円柱７０１は一点鎖線で示
すように撓んで張力が増加する。この張力の増加は、第
３の実施形態にて説明したように円柱７０１の剛性が増
すことに相当する。ここで、弦の振動の固有周波数は弦
に与えた張力の平方根に比例するから、本実施形態にお
いても、第１の実施形態と同様の作用により、円柱７０
１に当たる流体の流速の増加に応じて当該円柱７０１の
機械共振周波数を高くすることができる。

【００７３】すなわち、円柱７０１に当たる流体の流速
が大きくなればなるほど、ストローハル数一定の条件下
ではカルマン渦周波数は増加するが、これと同時に円柱
７０１の張力も増加し、円柱７０１の機械共振周波数が
高くなる。上述したように、流体の流速と円柱７０１の
機械共振周波数とは比例関係にあるので、カルマン渦周
波数と円柱７０１の機械共振周波数とが一致するロック
インの状態を流速が変わっても維持することができる。

【００７４】以上のように、第４の実施形態によれば、
振動体である弦型の円柱７０１の一端を固定するととも
に、他端を磁気回路の一部を構成する軟磁性体７０３で
支持し、この軟磁性体７０３の永久磁石７０６への吸着
状態を円柱７０１の振動に応じて変えるようにしてい
る。そして、円柱７０１に与えられる張力（円柱７０１
の剛性）を流速に対応して変化させることによって円柱
７０１の機械共振周波数を可変とするようにしたので、
流体の流速に応じて励起されるカルマン渦周波数に円柱
７０１の機械共振周波数を常に一致させることができ、
流速が変動してもロックイン状態を維持することができ
るようになる。

【００７５】なお、上記図６の例では、球７０２を境界
として一方にのみ磁気回路を設けているが、球７０２の
部分を固定端としてその両側に磁気回路を設けても良
い。このようにすれば、１つの磁気回路だけで発電する
場合に比べて発電効率を向上させることができる。ま
た、球７０２を複数個設けることにより、円柱７０１の
振動をより多くの振動に分割するようにしても良い。

【００７６】（第５の実施形態）図７は、第１の実施形
態のように振動体を支持する弾性体の剛性を風速に対応
して変化させることに加えて、回転振動する振動体の慣
性モーメントを風速に対応して変化させることによって
振動体の機械共振周波数を可変とし、これによってロッ
クインの範囲を広げるようにした一構成例を示す図であ
る。

【００７７】図７に示すように、円柱８０１の上下端は
コイルバネ８０４，８０５で支持され、これらのコイル
バネ８０４，８０５が支持体８１０，８１１に固定され
る。この円柱８０１は風などの流体８１２中に置かれ、
円柱８０１が流体８１２に曝される。この円柱８０１に
流体８１２が当たると、それによって生じるカルマン渦
により、円柱８０１は流体８１２の流れにほぼ直交する
方向に振動する。このようなカルマン渦による振動は、
円柱８０１に回転を与えることもある。

【００７８】上記円柱８０１の上下端面は薄い板８０
２，８０３で覆われている。これらの薄い板８０２，８
０３は、水平方向には剛性が高く形成されて容易に変形
しないが、垂直方向にはコイルバネ８０４，８０５の力
によって変形可能な弾性体により構成されている。ま
た、この円柱８０１の上下端面の薄板８０２，８０３の
内面には、所定の屈曲を持った部材８０６，８０７が取
り付けられ、その中央の屈曲点付近には錘８０８，８０
９が設けられている。

【００７９】また、図２に示した第１の実施形態と同様
に、円柱８０１の上部を支持するコイルバネ８０４が取
り付けられる支持体８１０の支持部は、厚みの薄い板状
の軟磁性体８１３により構成されている。この軟磁性体
８１３は、コイルバネ８０４の力によって垂直方向には
弾性的に変形可能だが、水平方向の剛性は高く形成さ
れ、容易に変形しないように構成されている。この軟磁
性体８１３の内側には永久磁石８１４とコイル８１５と
が配置され、永久磁石８１４のＮ極から発せられる磁束
がコイル８１５および軟磁性体８１３を通ってＳ極へと
循環する磁気回路が構成されている。

【００８０】このような状態で、コイルバネ８０４の力
が円柱８０１の振動により変動すると、軟磁性体８１３
は垂直方向に振動し、これにより軟磁性体８１３と永久
磁石８１４との間の磁気空隙長も変化する。そのため、
永久磁石８１４の周辺に巻回されたコイル８１５の内部
を通る磁束の量が変化し、磁気誘導電圧が発生すること
により、コイル８１５を通じて電流が流れるようにな
る。

【００８１】また、円柱８０１に当たる流体８１２の流
速が増えると、円柱８０１の正面圧力が増して、円柱８
０１はその流れに押されて点線で示すように平行移動す
る。このとき、コイルバネ８０４，８０５に働く平均張
力（復元力）が大きくなり、コイルバネ８０４，８０５
の復元剛性が増えたのと等価となる。これにより、第１
の実施形態で述べたように、流速の増加に対応して大き
くなるコイルバネ８０４，８０５の平均張力に比例し
て、円柱８０１の機械共振周波数を高くすることができ
る。

【００８２】さらに、上述のようにコイルバネ８０４，
８０５に働く平均張力（復元力）が大きくなると、円柱
８０１の両端面の薄板８０２，８０３は、当該コイルバ
ネ８０４，８０５に引かれて変形し、両端面間の軸方向
の距離が増す。このように薄板８０２，８０３間の距離
が増すと、その間に繋がれた屈曲部材８０６，８０７が
伸びてその屈曲の度合いが小さくなり、その中央部に設
けられた錘８０８，８０９が円柱８０１の断面方向の中
心寄りに移動する。これにより、円柱８０１の軸回りの
慣性モーメントは減少する。これは、円柱８０１の回転
剛性が増加することに相当する。

【００８３】ここで、円柱８０１の回転振動の機械共振
周波数は、円柱８０１に与えられる回転剛性の平方根に
比例して変化するから、回転振動の機械共振周波数は、
円柱８０１に当たる流体の流速の増加に応じて高くな
る。上述したように、流体の流速と円柱８０１の機械共
振周波数とは比例関係にあるので、カルマン渦周波数と
円柱８０１の機械共振周波数とが一致するロックインの
状態を流速が変わっても維持することができる。

【００８４】以上のように、第５の実施形態によれば、
振動体である円柱８０１の両端をコイルバネ８０４，８
０５で支持し、このコイルバネ８０４，８０５の剛性を
流体の流速に対応して変化させる。さらに、コイルバネ
８０４，８０５が取り付けられる円柱８０１の上下端面
を弾性的な薄板８０２，８０３で構成するとともに、そ
の両端面間に、所定の屈曲を有し中央部に錘８０８，８
０９を備えた屈曲部材８０６，８０７を取り付ける。そ
して、その屈曲度合いを流速に対応して変化させること
によって回転振動の回転モーメントを可変とし、これに
よって円柱８０１の機械共振周波数を変化させるように
している。これにより、流体の流速に応じて励起される
カルマン渦周波数に円柱８０１の機械共振周波数を常に
一致させることができ、流速が変動してもロックイン状
態を維持することができる。

【００８５】（第６の実施形態）図８は、発電の原理と
して電磁誘導と圧電現象との両方を用い、振動体を支持
する弾性体の振動長を風速に対応して変化させることに
よって振動体の機械共振周波数を可変とし、これによっ
てロックインの範囲を広げるようにした一構成例を示す
図である。

【００８６】図８（ａ）に示すように、本実施形態にお
いては、円柱９０１の上下を板バネ９０２，９０３で支
持し、当該板バネ９０２，９０３の固定部分には櫛歯状
の圧電素子９０７，９０８を接合させる。すなわち、圧
電変換器は振動体の微小変形部分に接合して出力を取り
出すのに適しているので、これらの圧電素子９０７，９
０８は板バネ９０２，９０３の固定部分に取り付けられ
る。

【００８７】また、上記円柱９０１は永久磁石を内蔵し
ており、その上方および下方にはコイル９０５，９０６
が所定の空隙を介して配置されている。これにより、円
柱９０１の永久磁石のＮ極から発せられた磁束がコイル
９０５および９０６を通ってＳ極へと循環する磁気回路
が構成されている。

【００８８】円柱９０１に流体９１０が当たってカルマ
ン渦が生じ、それによって円柱９０１に振動が生じる
と、コイル９０５，９０６と鎖交する磁束の量が変化
し、電磁誘導により起電圧が発生する。これにより、コ
イル９０５，９０６を通じて電流が流れるようになる。
また、円柱９０１に振動が生じると、それを支持する板
バネ９０２，９０３も振動し、その表皮伸縮応力によっ
て圧電素子９０７，９０８の櫛歯がせん断変形する。こ
のせん断変形により、櫛歯表面の電極には電圧が生じ、
電流を取り出すことができる。

【００８９】なお、この図８に示す板バネ９０２，９０
３の支持構造では、流体９１０の流れが板バネ９０２，
９０３の垂直方向から多少変動しても板バネ９０２，９
０３は追従するが、エネルギ変換効率を高く維持するた
めには、装置全体を常に風上に向けるように姿勢を変化
させる付属装置が必要となる。

【００９０】図８（ｂ）は、一方の圧電素子９０７の部
分を拡大して詳細に示す図であり、図８（ａ）に示した
振動発電装置を上方から見た状態を示している。この図
８（ｂ）に示すように、本実施形態では、圧電素子９０
７の櫛歯のそれぞれの長さを異ならせて、円柱９０１の
側に位置が近づくほど櫛歯の長さが短くなるように構成
している。他方の圧電素子９０８についても同様に構成
する。

【００９１】円柱９０１に当たる流体９１０の流速が小
さいときは、板バネ９０２，９０３は流体９１０に押さ
れて曲がることなく、図８（ｂ）の実線で示す状態とな
っている。このとき、板バネ９０２，９０３は、圧電素
子９０７，９０８の最も長い櫛歯の部分で接触してい
る。そのため、板バネ９０２，９０３が振動可能な長さ
は、その接触点から円柱９０１までの長さＬ₁となって
いる。

【００９２】一方、円柱９０１に当たる流体９１０の流
速が増えると、円柱９０１の正面圧力が増して、円柱９
０１はその流れに押されて点線で示す円柱９０４のよう
に移動する。これにより、板バネ９０２，９０３と圧電
素子９０７，９０８との接触点は円柱９０１側に移動
し、板バネ９０２，９０３が振動可能な長さはＬ₂と短
くなる。そのため、板バネ９０２，９０３により支持さ
れている円柱９０１の機械共振周波数は高くなる。

【００９３】したがって、圧電素子９０７，９０８の各
櫛歯の長さと間隔を適切に選べば、流速に比例して変化
するカルマン渦周波数に対応して、円柱９０１の機械共
振周波数の変化を一致させることが可能となり、流速が
変動してもロックイン状態を維持することができるよう
になる。

【００９４】なお、発電の原理として電磁誘導と圧電現
象との両方を用いる例として、ここでは図８のような構
成を示したが、例えば図１のような構成において、スト
ッパ１０８の部分に圧電素子を接合するようにしても良
い。

【００９５】（第７の実施形態）図９は、発電の原理と
して圧電現象を用い、振動体自体の振動長を風速に対応
して変化させることによって振動体の機械共振周波数を
可変とし、これによってロックインの範囲を広げるよう
にした一構成例を示す図である。

【００９６】図９に示すように、本実施形態において
は、円柱１００１の下部を台１００４に固定し、その固
定部に圧電素子１００５を接合している。また、円柱１
００１の上部には、Ｖ字型の溝を持った支持体１００３
が設けられ、流体１００９の影響を受けない通常の状態
では、円柱１００１はその頭部がこの支持体１００３に
接触して支持されている。この状態では、円柱１００１
が振動可能な長さは、円柱１００１の底部から頭部まで
の長さに相当する。

【００９７】円柱１００１に流体１００９が当たるとカ
ルマン渦が生じ、それによって円柱１００１は、流体１
００９の流れに直交する方向１０１０に振動する。円柱
１００１に振動が生じると、その伸縮応力によって圧電
素子１００５の櫛歯がせん断変形する。このせん断変形
により、櫛歯表面の電極には電圧が生じ、電流を取り出
すことができる。

【００９８】図１０は、円柱１００１の下部を台１００
４に固定し、その固定部に圧電素子１００５を接合した
状態を詳細に示す拡大図である。図１０（ａ）は、円柱
１００１が振動していない定常状態を示しており、圧電
素子１００５には変形が加えられていない。一方、図１
０（ｂ）は円柱１００１が点線のように振動している状
態を示している。この場合は、円柱１００１の曲げモー
メントが表皮応力で圧電素子１００５に伝達され、圧電
素子１００５はせん断応力により変形する。これによっ
て起電圧が生じ、そこから電流を取り出すことができ
る。

【００９９】また、本実施形態の円柱１００１は、それ
自体が弾性を持ち、流体１００１の力を受けて図９の点
線１００２で示すように変形可能なように構成されてい
る。これにより、上記円柱１００１に当たる流体１００
９の流速が増えると、円柱１００１の正面圧力が増し
て、円柱１００１はその流れに押されて点線で示す円柱
１００２のように変形する。

【０１００】上記支持体１００３のＶ字型の溝は、流体
１００９の流速が増して円柱１００１が点線１００２の
ように変形したときに、円柱１００１の支持体１００３
への接触点が下に下がるようなＶ溝の形にしておく。こ
れにより、円柱１００１が点線１００２のように変形す
ると、当該接触点と円柱１００１の固定端との距離が短
くなり、円柱１００１の振動可能な長さが短くなる。そ
のため、円柱１００１の機械共振周波数は高くなる。

【０１０１】したがって、支持体１００３のＶ字型の溝
の大きさや角度など適切に選べば、流速に比例して変化
するカルマン渦周波数に対応して、円柱１００１の機械
共振周波数の変化を一致させることが可能となり、流速
が変動してもロックイン状態を維持することができるよ
うになる。

【０１０２】なお、上述のように、カルマン渦によって
円柱１００１に励起される振動の方向は、流体１００９
の流れに直交する方向１０１０である。そのため、円柱
１００１の振動によって、円柱１００１と支持体１００
３との接触点が摺動し、Ｖ字溝が磨耗してしまうことが
ある。そこで、この摺動によるＶ字溝の磨耗を抑制する
ために、Ｖ字溝の後ろにゴムを介在させることにより、
接触点の摺動を緩和することができる。

【０１０３】（第８の実施形態）以上の第１〜第７の実
施形態は何れも、流速の変動に応じて振動体の機械共振
周波数を変化させることでこれをカルマン渦周波数に一
致させ、これによってロックインの範囲を広げるように
する例について説明してきた。第８の実施形態では、こ
れとは逆に、流速の変動に応じてカルマン渦周波数を適
当に変化させることによってロックインの範囲を広げる
ようにしている。図１１は、この第８の実施形態による
振動発電装置の構成例を示す図である。

【０１０４】図１１に示すように、本実施形態の振動発
電装置では、複数の円柱を備えた第１の柱群１２０１を
第１の支持板１２０２に搭載し、複数の円柱を備えた第
２の柱群１２０３を第２の支持板１２０４に搭載する。
そして、これら２つの支持板１２０２，１２０４をリン
ク１２０７で連結し、支持板１２０２，１２０４をその
端部に設けたピン１２０５，１２０６を軸として平行を
維持しながら回転可能なように構成する。それぞれの円
柱は、例えば図１に示したように構成する。

【０１０５】流体１２１０の力が弱いときには、図１２
（ａ）に示すように、第１の柱群１２０１および第２柱
群１２０３は、各円柱の配置が千鳥型で柱間の間隔Ｗ₁
が狭くなるような角度にバネ１２０９により引かれてい
る。一方、流体１２１０が矢印で示す方向に流れ、その
流速が大きくなると、各円柱に生じる正面圧力がバネ１
２０９の力に勝り、第１の柱群１２０１および第２柱群
１２０３は、図１２（ｂ）に示すような正方格子位置に
移行し、柱間の間隔Ｗ₂が広くなる。

【０１０６】上述したように、カルマン渦によって励起
される振動は、柱が１本でその太さが一定ならば流速に
比例して周波数が高くなるが、複数の柱を設けた場合に
は、柱間の間隔と位置関係によって変化するストローハ
ル数にも比例する。柱間の間隔が広いときには流速とス
トローハル数との比率は約０．２であり、千鳥型配列の
ように複数の柱が密集すると上記比率は約０．７になる
ことが機械工学便覧に示されている。

【０１０７】したがって、本実施形態によれば、風が弱
いときにはストローハル数は大きくなり、風が強いとき
にはストローハル数は小さくなるようにすることができ
る。これにより、流速の変動に応じてカルマン渦周波数
を適切に変化させ、円柱の機械共振周波数と近似するカ
ルマン渦周波数を得ることができるようになる。なお、
風が非常に強いときにはカルマン渦によらなくても振動
は強くなるので、広い範囲で振動を励起することができ
る。

【０１０８】なお、上記図１１の構成では、各柱の断面
が円形で、これらを２列に配置した場合について説明し
たが、これに限られるものではない。例えば、図１３
は、各柱の断面が正方形で、これらを３列に配置した場
合の例を示している。この場合にも同様に、流速の変動
に応じて、円柱の機械共振周波数と近似するカルマン渦
周波数を得ることができ、流速が変動してもロックイン
状態を維持することができるようになる。

【０１０９】なお、上記各実施形態において示した各部
の形状および構造は、何れも本発明を実施するにあたっ
ての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これら
によって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはな
らないものである。すなわち、本発明はその精神、また
はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実
施することができる。

【０１１０】

【発明の効果】本発明は上述したように、回転プロペラ
を流体エネルギの受容器とする風力発電や水力発電と異
なり、振動体を流体エネルギの受容器とすることによ
り、安全でコストがかからず、かつ保守負担が少ない発
電装置を提供することができる。また、本発明は、上述
の振動体を流体エネルギの受容器とした場合に、流体の
流速が変化しても、それに合わせてカルマン渦周波数と
振動体自身が持つ機械共振周波数とを一致させる範囲を
広くすることにより、流速の変動に対応してロックイン
範囲を広げることができ、エネルギ受容効率を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電磁誘導を用いた振動発電の原理を説明するた
めの図である。

【図２】第１の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。

【図３】第２の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。

【図４】第２の実施形態による振動発電装置の変形例を
示す図である。

【図５】第３の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。

【図６】第４の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。

【図７】第５の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。

【図８】第６の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。

【図９】第７の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。

【図１０】圧電現象を用いた振動発電の原理を説明する
ための図である。

【図１１】第８の実施形態による振動発電装置の構成例
を示す図である。

【図１２】第８の実施形態による柱の配置変化の例を示
す図である。

【図１３】第８の実施形態による柱の配置変化の他の例
を示す図である。

【図１４】カルマン渦の説明図である。

【図１５】カルマン渦によって振動が励起される原理の
説明図である。

【図１６】カルマン渦周波数が多少変動してもロッキン
グの同期を維持する様子を説明する特性図である。

【符号の説明】

２０１円柱（振動体）２０２，２０３コイルバネ（弾性体）２０４軟磁性体２０５コイル２０６永久磁石４０１中空柱４０２固定柱４０３穴４０４永久磁石４０５軟磁性体４０６コイル４０７穴６０１円柱６０２永久磁石（可動磁石）６０３固定磁石６０６コイル７０１円柱７０２球７０３軟磁性体７０５コイル７０６永久磁石８０１円柱８０２，８０３薄板８０４，８０５コイルバネ８０６，８０７屈曲部材８０８，８０９錘８１３軟磁性体８１４コイル８１５永久磁石９０１円柱９０２，９０３板バネ９０５，９０６コイル９０７，９０８圧電素子１００１円柱１００３Ｖ字型溝を有する支持体１００５圧電素子１２０１第１の円柱群１２０３第２の円柱群１２０５，１２０６ピン１２０７リンク（連結部材）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体によって振動体に励起される振動を
もとに電磁誘導あるいは圧電現象を用いて発電を行う流
体による振動発電装置であって、上記振動体を弾性体で支持し、上記振動体に当たる上記
流体の力による変位によって上記弾性体の復元剛性を等
価的に可変とすることにより、上記振動体の機械共振周
波数を上記流体の流速に対応して変化させるようにした
ことを特徴とする流体による振動発電装置。
【請求項２】上記振動体は、比較的比重の軽い二重の
殻構造を有し、この二重殻内の空間の少なくとも一部に
高圧気体を封入したことを特徴とする請求項１に記載の
流体による振動発電装置。
【請求項３】流体によって振動体に励起される振動を
もとに電磁誘導あるいは圧電現象を用いて発電を行う流
体による振動発電装置であって、上記振動体を、弾性を持って撓るように成された弦型の
部材で構成し、上記振動体の一端を固定するとともに他
端に可動磁石を設け、更に上記可動磁石の対向する位置
に同極が向かい合うように配置した固定磁石を設け、上記振動体に当たる上記流体の力によって上記振動体を
撓ませることで上記可動磁石と上記固定磁石との距離を
変動させ、これによって上記可動磁石と上記固定磁石と
の反発力により上記振動体に与えられる張力を可変とす
ることにより、上記振動体の機械共振周波数を上記流体
の流速に対応して変化させるようにしたことを特徴とす
る流体による振動発電装置。
【請求項４】流体によって振動体に励起される振動を
もとに電磁誘導あるいは圧電現象を用いて発電を行う流
体による振動発電装置であって、上記振動体を弾性体で支持し、上記弾性体が取り付けら
れる上記振動体の両端面を弾性的な薄板で構成するとと
もに、その両端面間に、所定の屈曲を有し中央部に錘を
備えた屈曲部材を設け、上記振動体に当たる上記流体の力によって上記弾性体を
伸縮させることで上記振動体の両端面間の距離を変化さ
せ、これによって上記屈曲部材の屈曲度合いを変化させ
ることで上記振動体の回転振動の回転モーメントを可変
とし、これによって上記振動体の機械共振周波数を上記
流体の流速に対応して変化させるようにしたことを特徴
とする流体による振動発電装置。