JP2016213999A

JP2016213999A - 風の周波数成分変換装置および振動発電装置

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Publication number: JP2016213999A
Application number: JP2015097146A
Authority: JP
Inventors: 大西　健; Takeshi Onishi; 健大西; 博盛野村; Hiromori Nomura; 竜司宗次; Ryuji Soji
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2035-05-12
Also published as: JP5952939B1

Abstract

【課題】風の周波数成分を任意の周波数に変換可能な風の周波数成分変換装置およびその風の周波数成分変換装置を備えた振動発電装置を得る。
【解決手段】前段スリット（１０）の前段流入口（１４）に流入する風（Ｗ０）によって回転している前段羽根組（１１）の位置に応じて、後段スリット（２０）の後段流出口（２５）から流出する風の量が周期的に変化するように、前段羽根組（１１）および後段羽根組（２１）のそれぞれを構成する羽根の枚数および形状を設定することで、前段流入口（１４）に流入する風（Ｗ０）の周波数成分と、後段流出口（２５）から流出する風（Ｗ１）の周波数成分とを互いに異ならせるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風の周波数成分を変換する風の周波数成分変換装置およびその風の周波数成分変換装置を備えた振動発電装置に関するものである。

従来から、風力によって振動させた物体の振動エネルギーを取り出して発電する振動発電装置として、さまざまなものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の従来技術では、風等の流体の流れにさらされる位置に配されるとともに流体の流れによってはためき得る布製の可撓性平面体の揺れによる振動エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電するように構成されている。

特許第４５９０６４１号公報

しかしながら、従来技術には以下のような課題がある。
一般的に風の周波数成分では、数Ｈｚ以下の低周波成分が多く、数十Ｈｚの振動で動作する従来の振動発電装置では、風から十分にエネルギーを取り出すことができないので、風の周波数成分を任意の周波数に変換することが求められる。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、風の周波数成分を任意の周波数に変換可能な風の周波数成分変換装置およびその風の周波数成分変換装置を備えた振動発電装置を得ることを目的とする。

本発明における風の周波数成分変換装置は、風を周期的に標本化する手段を有し、風を通過させることにより、風の周波数成分を変換するものである。

また、本発明における振動発電装置は、風の周波数成分変換装置と、前記後段流出口から流出する前記風によって振動する物体と、前記物体の振動によって発生する振動エネルギーから発電する振動発電部と、を備えたものである。

本発明によれば、風を周期的に標本化する手段を有し、風を通過させることにより、風の周波数成分を変換するように構成することで、風の周波数成分を任意の周波数に変換可能な風の周波数成分変換装置およびその風の周波数成分変換装置を備えた振動発電装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１における風の周波数成分変換装置を備えた振動発電装置を示す側面図である。図１の前段スリットを正面からみたときの前段羽根組を示す平面図である。図１の後段スリットを正面から見たときの後段羽根組を示す平面図である。図２の前段羽根組がさらに回転した状態を示す平面図である。図１の後段スリットを正面から見たときの後段羽根組の別例を示す平面図である。図１の前段スリットを正面からみたときの前段羽根組の別例を示す平面図である。図１の後段スリットを正面から見たときの後段羽根組の別例を示す平面図である。図６の前段羽根組がさらに回転した状態を示す平面図である。本発明の実施の形態１において、車両走行時に発生する風について説明するために想定する道路を上から見たときの平面図である。図９のキロポストと、キロポストの裏面に取り付けられた振動発電部との間における振動モデルを示す説明図である。図９のキロポストに、トラックの走行時に発生する風があたるときの、キロポストおよび振動発電部の振動の挙動のシミュレーション結果を示す波形図である。図１１の時間応答に対応する周波数応答を示す波形図である。図１１に示す風の入力波形を標本化することで周波数成分を変換する概念を説明するための波形図である。図１３（ｂ）の時間応答に対応する周波数応答を示す波形図である。図１３（ａ）の風の入力波形のＦＦＴスペクトラムである。図１３（ｃ）の波形のＦＦＴスペクトラムである。本発明の実施の形態２における振動発電装置の振動発電部の構成例を示す概略断面図である。図１７の板バネの構成を示す平面図である。

本願発明においては、風から振動発電機を利用して効率よく発電する目的を、周期的に標本化を行う手段を用いることにより、風の周波数成分を変換して実現した。換言すると、本願発明では、風を周期的に標本化する手段を有し、風を通過させることにより、風の周波数成分を変換するという技術的特徴を有する。
また、風を周期的に標本化する手段の構成例として、風を周期的に標本化する手段は、重ね合わされた二つのスリットからなり、少なくとも一方のスリットが風により回転するように構成されている。
以下、上記の技術的特徴を有するように構成された本発明による風の周波数成分変換装置および振動発電装置の構成例を、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における風の周波数成分変換装置を備えた振動発電装置を示す側面図である。図２は、図１の前段スリット１０を正面からみたときの前段羽根組１１を示す平面図である。図３は、図１の後段スリット２０を正面から見たときの後段羽根組２１を示す平面図である。図４は、図２の前段羽根組１１がさらに回転した状態を示す平面図である。

図１において、振動発電装置は、前段スリット１０および後段スリット２０を備えて構成された重ね合わされた二つのスリットを有する風の周波数成分変換装置と、振動板３０と、振動発電部４０とを備える。

前段スリット１０は、前段羽根組１１、前段支持軸１２、前段スリット枠１３、前段流入口１４および前段流出口１５を有する。

前段羽根組１１は、図２に示すように、それぞれが周方向に等ピッチで配置された４枚の羽根で構成され、前段支持軸１２によって支持されている。前段スリット枠１３は、円筒形状の枠であり、内周面が前段羽根組１１の各羽根の外側と近接するように前段羽根組１１の外側に沿って前段羽根組１１を囲っている。

前段スリット枠１３の一方の開口は、風を流入する前段流入口１４であり、他方の開口は、風を流出する前段流出口１５である。前段羽根組１１は、前段流入口１４に流入する風の抗力によって、前段支持軸１２に対して時計回りに回転する。なお、風の抗力によって回転する前段羽根組１１の具体例として、形状がかざぐるま型となるように構成される羽根組が挙げられる。

後段スリット２０は、後段羽根組２１、後段支持軸２２、後段スリット枠２３、後段流入口２４および後段流出口２５を有する。

後段羽根組２１は、図３に示すように、前段羽根組１１と同様の形状であり、それぞれが周方向に等ピッチで配置された４枚の羽根で構成され、後段支持軸２２によって支持されている。後段スリット枠２３は、円筒形状の枠であり、内周面が後段羽根組２１の各羽根の外側と近接するように後段羽根組２１の外側に沿って後段羽根組２１を囲っている。

後段スリット枠２３の一方の開口は、風を流入する後段流入口２４であり、他方の開口は、風を流出する後段流出口２５である。後段羽根組２１は、後段支持軸２２に対して回転しないように位置が固定されている。

前段スリット枠１３の前段流出口１５側の端面と、後段スリット枠２３の後段流入口２４側の端面とが重ね合わされ、前段スリット１０と後段スリット２０とが連結されている。

このように前段スリット１０と後段スリット２０とを連結することで、前段流入口１４に流入する風Ｗ０によって前段羽根組１１が回転するとともに、風Ｗ０が前段流出口１５から流出する。前段流出口１５から流出する風Ｗ０は、後段流入口２４に流入し、後段羽根組２１を介して後段流出口２５から、風Ｗ１として流出する。

図２および図３に示すように、風Ｗ０によって回転している前段羽根組１１について、後段羽根組２１を構成する羽根と、前段羽根組１１を構成する羽根とが重なる位置にあるとき、前段流入口１４に流入する風Ｗ０の量の概ね半分の量の風Ｗ１が後段流出口２５から流出する。

また、図３および図４に示すように、風Ｗ０によって回転している前段羽根組１１について、後段羽根組２１を構成する羽根のうちの隣り合う羽根間に形成される隙間を、前段羽根組１１を構成する羽根が塞ぐ位置にあるとき、風Ｗ０の流れが遮断されるので、風Ｗ１が後段流出口２５から流出しない。

前段羽根組１１の回転によって、風Ｗ０の量の概ね半分の量（最大）の風Ｗ１が後段流出口２５から流出するタイミングと、後段流出口から流出する風の量が０（最小）となるタイミングとは交互に周期的に現れる。このように、回転している前段羽根組１１の位置に応じて後段流出口２５から流出する風の量を周期的に変化させることができる。なお、前段羽根組１１の回転数を調整すれば、風の量の変化の周期を調整することができる。

また、回転している前段羽根組１１の位置に応じて後段流出口２５から流出する風の量を周期的に変化させることで、前段流入口１４に流入する風Ｗ０の周波数成分と、後段流出口２５から流出する風Ｗ１の周波数成分とを互いに異ならせることができる。すなわち、風Ｗ０を前段スリット１０および後段スリット２０に順次通過させることで、風Ｗ０に対して周波数成分が変換された風Ｗ１を得ることができる。

なお、後段羽根組２１の別例として、図５に示すように、後段羽根組２１を構成することもできる。図５は、図１の後段スリット２０を正面から見たときの後段羽根組２１の別例を示す平面図である。

すなわち、図５に示すように、後段支持軸２２に対して、後段羽根組２１が、反時計回り、すなわち、前段羽根組１１の回転方向と逆方向に回転するように構成することもできる。この場合、前段羽根組１１および後段羽根組２１のそれぞれの回転数は、先の図２および図４に示す前段羽根組１１の回転数の半分でよいので、より風量の弱い風にも対応することができることとなる。なお、回転方向については、例えば、前段羽根組１１および後段羽根組２１のそれぞれを構成する羽根の形状を適宜設定することで容易に調整することができる。

なお、前段羽根組１１および後段羽根組２１のさらなる別例として、図６〜図８に示すように、前段羽根組１１および後段羽根組２１を構成することもできる。図６は、図１の前段スリット１０を正面からみたときの前段羽根組１１の別例を示す平面図である。図７は、図１の後段スリット２０を正面から見たときの後段羽根組２１の別例を示す平面図である。図８は、図６の前段羽根組１１がさらに回転した状態を示す平面図である。

すなわち、図６に示すように、前段羽根組１１の別例として、前段流入口１４に流入する風の揚力によって、前段支持軸１２に対して時計回りに回転するように、前段羽根組１１を構成することもできる。なお、風の揚力によって回転する前段羽根組１１の具体例として、形状がプロペラ型となるように構成される羽根組が挙げられる。後段羽根組２１は、図７に示すように、前段羽根組１１を重ねた状態で正面から見たときに、円から前段羽根組１１がくり抜かれたような形状となる。

図６および図７に示すように、風Ｗ０によって回転している前段羽根組１１について、後段羽根組２１を構成する羽根と、前段羽根組１１を構成する羽根とが重なる位置にあるとき、前段流入口１４に流入する風Ｗ０の量の概ね半分の量の風Ｗ１が後段流出口２５から流出する。

また、図７および図８に示すように、風Ｗ０によって回転している前段羽根組１１について、後段羽根組２１を構成する羽根のうちの隣り合う羽根間に形成される隙間を、前段羽根組１１を構成する羽根が塞ぐ位置にあるとき、風Ｗ０の流れが遮断されるので、風Ｗ１が後段流出口２５から流出しない。

したがって、前段羽根組１１および後段羽根組２１の別例においても、先と同様に、回転している前段羽根組１１の位置に応じて後段流出口２５から流出する風の量を周期的に変化させることができることとなる。

このように、前段羽根組１１および後段羽根組２１のそれぞれを構成する羽根の枚数および形状を適宜設定することで、回転している前段羽根組１１の位置に応じて後段流出口２５から流出する風の量を周期的に変化させることができる。

図１の説明に戻り、振動板３０は、後段流出口２５から流出する風Ｗ１があたるように、後段スリット２０と対向して配置される。振動板３０は、風Ｗ１があたることで、振動し、振動エネルギーを発生させる。振動発電部４０は、振動板３０と接触するように配置され、振動板３０の振動によって発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電する。なお、風があたることで振動エネルギーを発生させる物体であれば、このような物体を、振動板３０の代わりに用いることもできる。

次に、前段スリット１０および後段スリット２０に風を順次通過させることで実現される風の周波数変換について、図９〜図１６を参照しながら説明する。

図９は、本発明の実施の形態１において、車両走行時に発生する風について説明するために想定する道路を上から見たときの平面図である。なお、図９には、参考のために、キロポストＰを正面から見たときの平面図も併せて図示している。

図９では、道路上に車両進行方向と平行に設けられた路肩白線と、ガードレールとの間の距離を約３ｍとし、このガードレールにはキロポストＰが取り付けられているものとする。キロポストＰとは、高速道路などでよく見かけられる標識の一つである。図９に示す状況において、車両が道路を一定の速度で走行する場合、車両走行に起因した風が発生し、この風がキロポストＰの表面にあたることとなる。なお、キロポストＰのガードレール側の面を表面とし、表面に対向する面を裏面とする。

続いて、キロポストＰの裏面に振動発電部４０を取り付ける場合を考える。この場合、キロポストＰが振動板３０に相当することとなる。また、車両走行時に発生する風がキロポストＰの表面にあたることで、キロポストＰが振動し、キロポストＰの振動による振動エネルギーが振動発電部４０に伝達される。図１０は、図９のキロポストＰと、キロポストＰの裏面に取り付けられた振動発電部４０との間における振動モデルを示す説明図である。

なお、キロポストＰと振動発電部４０との間における振動モデルとして、図１０に示すように、キロポストＰにおいて、質量をｍ１、ばね定数をｋ１、減衰係数をｃ１とし、振動発電部４０において、質量をｍ２、ばね定数をｋ２、減衰係数をｃ２とする。また、キロポストＰおよび振動発電部４０の固有振動数は、数十Ｈｚ付近である。

続いて、車両としてトラックが時速８０ｋｍで走行し、トラックの走行時に発生する風がキロポストＰの表面にあたるときの、キロポストＰおよび振動発電部４０の振動の挙動を、図１０に示す振動モデルを用いて考える。

図１１は、図９のキロポストＰに、トラックの走行時に発生する風があたるときの、キロポストＰおよび振動発電部４０の振動の挙動のシミュレーション結果を示す波形図である。

図１１では、風の入力波形、キロポストＰの加速度波形および振動発電部４０の加速度波形のそれぞれの時間に対する変化が図示されている。換言すると、図１１では、トラックの走行によってキロポストＰの表面にあたる風の挙動が入力波形のようになるときの、キロポストＰおよび振動発電部４０の加速度の変化が、キロポストＰおよび振動発電部４０の振動の挙動として図示されている。

また、図１１に示す時間領域での応答波形を周波数領域での応答波形に変換すると、図１２に示すようになる。図１２は、図１１の時間応答に対応する周波数応答を示す波形図である。

図１１および図１２から分かるように、キロポストＰの表面にあたる風の周波数成分が数Ｈｚの低い領域に存在し、このような周波数成分に対応するパワーが０．３Ｎである。また、キロポストＰおよび振動発電部４０の固有振動数、すなわち数十Ｈｚ付近での加速度が１／１０００Ｇ程度と小さい。したがって、数十Ｈｚの振動で動作する振動発電部４０による発電効率が悪いといえる。

このような振動発電部４０による発電効率が悪いという問題に対して、キロポストＰの表面にあたる風の周波数成分を変換することを考える。図１３は、図１１に示す風の入力波形を標本化することで周波数成分を変換する概念を説明するための波形図である。

図１３（ａ）では、図１１の風の入力波形において、２．５秒から４秒までの時間領域の波形が拡大して示されている。

ここで、図１３（ａ）の波形に対して、２０Ｈｚのインパルスで標本化すれば、図１３（ｂ）に示す理論的な波形が得られる。

また、トラックの走行時に発生する風を前段スリット１０および後段スリット２０に順次通過させ、通過後の風がキロポストＰにあたる場合を考える。この場合、図１３（ａ）の波形に対して、前段スリット１０および後段スリット２０によって標本化されことで、図１３（ｃ）に示す概略波形が得られる。

なお、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）では、理解を容易にするために、エンベロープとして、標本化される前の元の波形、すなわち、図１３（ａ）に示す波形も併せて図示している。ただし、図１３（ｃ）のエンベロープの振幅は、図１３（ａ）の振幅より小さくなるが、図では波形が同一であることを示すために同じ大きさになるよう縦軸のスケールを変えて表示している。

図１３（ｂ）に示すように、図１３（ａ）の波形に対して、インパルスで標本化した場合、標本化定理によって、図１４に示す波形が得られる。図１４は、図１３（ｂ）の時間応答に対応する周波数応答を示す波形図である。図１４において、上のグラフが元の入力波形の周波数成分で、下のグラフが標本化した波形の周波数成分を示す。

図１４から分かるように、図１３（ａ）の波形に対してインパルスで標本化した場合の周波数応答では、２０Ｈｚの両側にスペクトラムが発生している。このような成分が存在する風をキロポストＰにあてることで、振動発電部４０の発電効率が向上するとも思われる。しかしながら、インパルスで標本化すれば、標本化に伴い風のパワーが下がってしまうので、実用的ではない。

これに対して、トラックの走行時に発生する風を前段スリット１０および後段スリット２０に順次通過させることで、図１３（ｃ）に示すように、パワーを有しつつ標本化されている波形が得られる。なお、前段スリット１０の前段羽根組１１の羽根の枚数が４枚であるので、回転数が毎秒５回転となるようにすれば、２０Ｈｚで標本化されることとなる。なお、回転数について、前段スリット１０の前段流入口１４に流入する風の風速および風量を考慮して、前段羽根組１１の形状を適宜設定することで、回転数を調整することができる。

図１５は、図１３（ａ）の風の入力波形のＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）スペクトラムである。図１６は、図１３（ｃ）の波形のＦＦＴスペクトラムである。なお、ＦＦＴは、１８０Ｈｚのサンプリングで行っているので、９０Ｈｚ以上の周波数成分が存在しない。

図１５および図１６のＦＦＴスペクトラムを比較すると、図１５では、数Ｈｚの周波数成分しか存在しないが、図１６では２０Ｈｚ付近の周波数成分が存在している。したがって、前段スリット１０および後段スリット２０に通過させた後の風は、２０Ｈｚ付近の周波数成分を有しており、この風をキロポストＰにあてることで、振動発電部４０の発電効率が飛躍的に向上する。

このように、本願発明における風の周波数成分変換装置では、前段スリット１０および後段スリット２０に風を順次通過させることで、風の入力波形の標本化が行われ、周波数成分が変換される。また、周波数成分が変換された風には、振動板３０の固有振動数が含まれるので、このような風を振動板３０にあてることで、効率的に振動エネルギーを発生させることができる。さらに、振動板３０の固有振動数と振動発電部４０の固有振動数を同じにすることで、振動発電部４０の発電効率が飛躍的に向上する。

なお、前述したように、前段羽根組１１および後段羽根組２１のそれぞれを構成する羽根の枚数および形状を適宜設定することで、回転している前段羽根組１１の位置に応じて後段流出口２５から流出する風の量を周期的に変化させることができる。したがって、前段羽根組１１および後段羽根組２１のそれぞれを構成する羽根の枚数および形状を適宜設定することで、前段スリット１０および後段スリット２０を通過した後の風に含まれる周波数成分に所望の周波数が含まれるように調整することができる。

以上、本実施の形態１によれば、前段スリットにおいて、前段羽根組は、前段支持軸に対して、前段流入口に流入する風によって回転するように構成される。また、後段スリットにおいて、後段羽根組は、後段支持軸に対して回転しないよう位置が固定されるように構成され、あるいは、後段流入口に流入する風によって、前段羽根組の回転方向と逆方向に回転するように構成される。

また、回転している前段羽根組の位置に応じて後段流出口から流出する風の量が周期的に変化するように、前段羽根組および後段羽根組のそれぞれを構成する羽根の枚数および形状を設定することで、前段流入口に流入する風の周波数成分と、後段流出口から流出する風の周波数成分とを互いに異ならせる。

これにより、前段羽根組および後段羽根組のそれぞれを構成する羽根の枚数および形状を調整するだけで、風の周波数成分を任意の周波数に変換することができる。また、数Ｈｚ以下が主要成分である風を、数十Ｈｚ成分を有する風へと変換することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２では、風の周波数成分変換装置を振動発電装置に適用した場合の、振動発電部４０の具体的な構成例について説明する。図１７は、本発明の実施の形態２における振動発電装置の振動発電部４０の構成例を示す概略断面図である。図１８は、図１７の板バネ４３ａ，４３ｂの構成を示す平面図である。

図１７において、振動発電装置は、先の実施の形態１における風の周波数成分変換装置（図示せず）と、振動板３０と、振動発電部４０とを備える。なお、図１７では、図面の簡略化のため、先の実施の形態１における風の周波数成分変換装置を図示せず、風の周波数成分変換装置によって周波数成分が変換された風Ｗ１を図示している。

また、振動発電部４０は、永久磁石４１ａ，４１ｂと、コイル４２、板バネ４３ａ，４３ｂと、ガイド棒４４ａ，４４ｂと、磁気バネ部４５ａ，４５ｂと、フレーム４６と、天板４７と、磁石取付け用上板４８と、中板４９と、磁石取付け用下板５０と、底板５１と、周波数調整機構部５２とを有する。

円柱あるいは円筒形をした永久磁石４１ａ，４１ｂは、同極を対向して配置されている。さらに、永久磁石４１ａ，４１ｂの周りを、コイル４２が囲む構成となっている。ここで、コイル４２は、中板４９に固定されており、コイル４２の中に配置された永久磁石４１ａ，４１ｂが振動することで、電気エネルギーが発生することとなる。

さらに、永久磁石４１ａは、ガイド棒４４ａを介して磁気バネ部４５ａと接続され、ガイド棒４４ａの中間部分は、板バネ４３ａにより保持されている。同様に、永久磁石４１ｂは、ガイド棒４４ｂを介して磁気バネ部４５ｂと接続され、ガイド棒４４ｂの中間部分は、板バネ４３ｂにより保持されている。なお、振動発電部４０の固有振動数を変える手法の一例として、板バネ４３ａ，４３ｂの固有振動数を変える手法がある。

図１８に示すように、板バネ４３ａ，４３ｂは、円形状のバネ部材に対して、渦巻き状の複数のスリットＳと、中心部の穴Ｈ１と、外周部の複数の穴Ｈ２とが形成されている。

中心部の穴Ｈ１は、図１７に示したガイド棒４４ａ，４４ｂとの接続部に相当し、外周部の複数の穴Ｈ２は、図１７に示したフレーム４６との接続部に相当する。

また、渦巻き状の複数のスリットＳは、可動部であるガイド棒４４ａ，４４ｂの横揺れを抑制する働きを有している。すなわち、図１７において、永久磁石４１ａ，４１ｂは、振動板３０に風Ｗ１があてられたときに発生する振動エネルギーによって、図１７の紙面上の上下方向には振動するが、上下方向と直交する横揺れに関しては、スリットＳの働きにより抑制されることとなる。

磁気バネ部４５ａ，４５ｂは、永久磁石４１ａ，４１ｂの振動方向（図１７の紙面上の上下方向）の両端に設けられている。より具体的には、磁気バネ部４５ａ，４５ｂのそれぞれは、同極が対向して配置された一対の磁石で構成されている。

磁気バネ部４５ａを構成する一対の磁石のうち、一方は、ガイド棒４４ａの端部に接続され、他方は、磁石取付け用上板４８に固定されている。同様に、磁気バネ部４５ｂを構成する一対の磁石のうち、一方は、ガイド棒４４ｂの端部に接続され、他方は、磁石取付け用下板５０に固定されている。

また、周波数調整機構部５２は、回転可能な軸を有し、磁石取付け用上板４８および磁石取付け用下板５０に接続されるとともに、天板４７と底板５１の間で固定されている。そして、周波数調整機構部５２に設けられた回転可能な軸は、回転に対して、上下に配置された磁石取付け用上板４８と磁石取付け用下板５０が反転動作を行うように、ねじを切る方向が逆となっている。

この結果、回転可能な軸を一方の方向に回すことで、磁気バネ部４５ａ，４５ｂのギャップ長をともに狭める方向に調整でき、逆に、回転可能な軸を逆の方向に回すことで、磁気バネ部４５ａ，４５ｂのギャップ長をともに広げる方向に調整できる。すなわち、周波数調整機構部５２により、磁気バネ部４５ａ，４５ｂのギャップ長（磁石間距離）を同時に、同じ方向（狭める方向、あるいは広げる方向）に調整することができる。

周波数調整機構部５２により、磁気バネ部４５ａ，４５ｂの磁石間距離を調整した際に、磁石間距離が狭くなった場合には、バネ定数が大きくなり、周波数が高くなる。一方、磁石間距離が広くなった場合には、バネ定数が小さくなり、周波数が低くなる。したがって、磁気バネ部４５ａ，４５ｂの磁極間距離を調整することで、振動発電部４０の固有振動数を調整することが可能となる。

このように、図１７で例示する振動発電部４０の構成では、振動板３０に風Ｗ１があてられたときに発生する振動エネルギーによって、板バネ４３ａ，４３ｂが振動することで、永久磁石４１ａ，４１ｂが上下に可動する。したがって、コイル４２に起電力が発生し、発電が行われることとなる。

また、振動板３０にあてられる風Ｗ１の周波数成分が、振動板３０および振動発電部４０の固有振動数付近に存在する場合、振動発電部４０による発電が効率的に行われ、結果として、振動発電部４０の発電効率を向上させることができる。

なお、本実施の形態２では、風の周波数成分変換装置を適用可能な振動発電部４０の一例として、図１７に示す構成を例示したが、これに限定されない。すなわち、振動エネルギーを取り出して発電可能な振動発電部であれば、どのような振動発電部に対しても、風の周波数成分変換装置を適用可能である。

以上、本実施の形態２によれば、風の周波数成分変換装置と、後段スリットの後段流出口から流出する風によって振動する物体と、物体の振動によって発生する振動エネルギーから発電する振動発電部を備えて振動発電装置を構成する。

また、物体の固有振動数に一致する周波数が、後段スリットの後段流出口から流出する風の周波数成分に含まれるように、前段スリットの前段羽根組を構成する羽根の枚数および形状と、後段スリットの後段羽根組を構成する羽根の枚数および形状とをそれぞれ設定する。

これにより、物体の固有振動数に一致する周波数成分が含まれるように変換された風がこの物体にあたることで、効率良く振動エネルギーを発生させることでき、その結果、この物体に取り付けられた振動発電部による発電も効率良く行うことができる。

なお、本実施の形態１では、風Ｗ０として車両通過時に一時的に発生する風を例示したが、これに限定されず、通常の自然の風を風Ｗ０とすることもできる。また、前段スリット１０および後段スリット２０の断面形状が円形状である場合を例示したが、これに限定されず、正方形等といった別の形状にすることもできる。さらに、振動板３０について、形状の制限はなく、周波数成分が変換された風Ｗ１があたるのであれば、どのような形状であってもよい。

また、風が発生するあらゆる場所に本願発明の風の周波数成分変換装置を備えた振動発電装置を設置することで、振動発電装置を電源として利用することができる。例えば、橋または道路脇での温湿度または雨量などの計測データを無線送信する電源として、振動発電装置を利用することもできる。また、ビルの空調機器付近での無線用電源として、振動発電装置を利用することもできる。

また、一般の風力発電機装置に本願発明を適用することも可能である。具体的には、風力発電装置のプロペラを前段スリット１０と考え、このプロペラの後方に後段スリット２０を設置することで、振動発電が可能になるとともに、さらには、後方への乱流を減らすことができる。

１０前段スリット、１１前段羽根組、１２前段支持軸、１３前段スリット枠、１４前段流入口、１５前段流出口、２０後段スリット、２１後段羽根組、２２後段支持軸、２３後段スリット枠、２４後段流入口、２５後段流出口、３０振動板、４０振動発電部、４１ａ，４１ｂ永久磁石、４２コイル、４３ａ，４３ｂ板バネ、４４ａ，４４ｂガイド棒、４５ａ，４５ｂ磁気バネ部、４６フレーム、４７天板、４８磁石取付け用上板、４９中板、５０磁石取付け用下板、５１底板、５２周波数調整機構部。

本発明における風の周波数成分変換装置は、風を周期的に所望の周波数で標本化する手段を有し、風を通過させることにより、通過させる風を、所望の周波数を含む周波数成分を持つ風に変換するものである。

Claims

風を周期的に標本化する手段を有し、風を通過させることにより、風の周波数成分を変換する
風の周波数成分変換装置。
前記風を周期的に標本化する手段は、重ね合わされた二つのスリットからなり、少なくとも一方のスリットが風により回転する
請求項１に記載の風の周波数成分変換装置。
前記重ね合わされた二つのスリットは、前段スリットおよび後段スリットを備えて構成され、
前記前段スリットは、
それぞれが周方向に配置された複数枚の羽根で構成された前段羽根組と、
前記前段羽根組を支持する前段支持軸と、
前記前段羽根組の外側に沿って囲う前段スリット枠と、
前記前段スリット枠の一方の開口であり、風を流入する前段流入口と、
前記前段スリット枠の他方の開口であり、前記前段流入口に流入する前記風を、前記前段羽根組を介して流出する前段流出口と、
を有し、
前記後段スリットは、
それぞれが周方向に配置された複数枚の羽根で構成された後段羽根組と、
前記後段羽根組を支持する後段支持軸と、
前記後段羽根組の外側に沿って囲う後段スリット枠と、
前記後段スリット枠の一方の開口であり、前記前段流出口から流出する前記風を流入する後段流入口と、
前記後段スリット枠の他方の開口であり、前記後段流入口に流入する前記風を、前記後段羽根組を介して流出する後段流出口と、
を有し、
前記前段羽根組は、
前記前段支持軸に対して、前記前段流入口に流入する前記風によって回転するように構成され、
前記後段羽根組は、
前記後段支持軸に対して回転しないよう位置が固定されるように構成され、あるいは、前記後段流入口に流入する前記風によって、前記前段羽根組の回転方向と逆方向に回転するように構成され、
回転している前記前段羽根組の位置に応じて前記後段流出口から流出する前記風の量が周期的に変化するように、前記前段羽根組および前記後段羽根組のそれぞれを構成する羽根の枚数および形状を設定することで、前記前段流入口に流入する前記風の周波数成分と、前記後段流出口から流出する前記風の周波数成分とを互いに異ならせる、
請求項２に記載の風の周波数成分変換装置。
前記後段羽根組を構成する羽根のうちの隣り合う羽根間に形成される隙間を、前記前段羽根組を構成する羽根が塞ぐことで、前記後段流出口から流出する前記風の量が最小となるタイミングが、前記前段羽根組の回転中に周期的に現れる
請求項３に記載の風の周波数成分変換装置。
前記前段羽根組は、前記風の抗力によって回転するかざぐるま型、または前記風の揚力によって回転するプロペラ型である
請求項３または４に記載の風の周波数成分変換装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の風の周波数成分変換装置と、
前記後段流出口から流出する前記風によって振動する物体と、
前記物体の振動によって発生する振動エネルギーから発電する振動発電部と、
を備えた振動発電装置。
前記物体の固有振動数が、前記後段流出口から流出する前記風の周波数成分に含まれるように、前記前段羽根組および前記後段羽根組のそれぞれを構成する羽根の枚数および形状を設定する
請求項６に記載の振動発電装置。