JP5885314B2 - Vibration power generation wireless sensor - Google Patents
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Description
本発明は、自然風、あるいは車両の通過による風圧により生じる振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電磁誘導型の振動発電機を利用し、気象情報の収集、配信を行う振動発電無線センサに関するものである。 The present invention relates to a vibration power generation wireless sensor that collects and distributes weather information using an electromagnetic induction vibration generator that converts vibration energy generated by wind pressure caused by passage of a vehicle or natural wind into electric energy. .
さまざまな地域での気象情報をタイムリーに収集し、情報提供することが行われている。このような情報提供に当たっては、電源供給のための配線をなくす工夫がなされている。具体例として、太陽電池や風力発電機により得た電力により、気象情報を測定するもの（例えば、特許文献１参照）、あるいは圧電素子で雨滴落下により発電し、雨量を測定するもの（例えば、特許文献２参照）などがある。 Weather information in various regions is collected and provided in a timely manner. In providing such information, a contrivance has been made to eliminate wiring for power supply. As a specific example, one that measures weather information using electric power obtained by a solar cell or a wind power generator (for example, see Patent Document 1), or one that generates electricity by raindrop dropping with a piezoelectric element and measures the amount of rain (for example, a patent) Reference 2).
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
太陽電池は、電池表面の清掃等のメンテナンスが必要であり、かつ、夜間は発電できないといった問題がある。また、風力発電も、自然風に左右されるため、安定的に電力を得ることが難しい。さらに、圧電素子を利用した雨滴落下による発電も、降雨が少ない期間での電力回収は困難であり、不安定なシステムとなる。
However, the prior art has the following problems.
Solar cells require maintenance such as cleaning of the surface of the battery, and there is a problem that power cannot be generated at night. Moreover, since wind power generation is also influenced by natural wind, it is difficult to stably obtain electric power. Furthermore, power generation using raindrops using a piezoelectric element is also an unstable system because it is difficult to recover power during periods of low rainfall.
すなわち、従来の気象センサシステムでは、自然風や雨滴によるエネルギーにより気象観測を行うものであったため、安定的に電力を得ることが困難であり、観測の継続性に課題が多い。 That is, in the conventional weather sensor system, since the weather observation is performed by the energy of natural wind or raindrops, it is difficult to obtain power stably, and there are many problems in the continuity of observation.
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、気象情報を収集する拠点ごとに、電源供給のための配線をなくした上で安定的に電力を供給し、継続的に気象情報の収集・送信を可能とする振動発電無線センサを得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. For each base where weather information is collected, power is stably supplied after eliminating the wiring for power supply. Another object is to obtain a vibration power generation wireless sensor that can collect and transmit weather information.
本発明に係る振動発電無線センサは、円柱あるいは円筒形で構成された永久磁石と、永久磁石の外周に、間隔を有して固定配置されるコイルを有し、振動源である構造物に対して設置されることで、永久磁石が軸方向に振動することによる、永久磁石とコイルとの相対運動によって発電する振動発電機と、振動発電機により発電された電力により駆動され、あらかじめ設定された周期で起動状態とスリープ状態を繰り返し、起動状態の周期ごとに、外部の気象センサから気象データを収集する第１制御処理と、風速計および雨量計からの電力回収を制御する第２制御処理と、振動発電機により発電されて蓄電されている電力が、収集した気象データを無線送信するために必要な電力を確保できていると判断した場合には、収集した気象データを無線送信する第３制御処理とを実行し、スリープ状態においては第１制御処理、第２制御処理、および第３制御処理を実行せずに消費電力を抑制する制御回路部とを備える。 The vibration power generation wireless sensor according to the present invention includes a permanent magnet configured in a columnar shape or a cylindrical shape, and a coil that is fixedly disposed at an outer periphery of the permanent magnet with a space therebetween. Installed, the permanent magnet vibrates in the axial direction, and is driven by the vibration generator that generates power by the relative movement between the permanent magnet and the coil, and the electric power generated by the vibration generator. A first control process for collecting the weather data from an external weather sensor and a second control process for controlling the power recovery from the anemometer and the rain gauge for each period of the start state ; weather data power stored is generated, the collected meteorological data when it is determined that secured the necessary power to radio transmission is that collected by the vibration generator Run a third control process that wirelessly transmits, in the sleep state and a first control process, the second control process, and suppresses the control circuit unit power consumption without performing the third control process.
本発明によれば、道路に存在する既設の構造物に対して、電磁誘導型の振動発電機を設置して蓄電を可能とし、蓄電量に応じて気象情報の収集・送信を行う構成を備えることにより、気象情報を収集する拠点ごとに、電源供給のための配線をなくした上で安定的に電力を供給し、継続的に気象情報の収集・送信を可能とする振動発電無線センサを得ることができる。 According to the present invention, an electromagnetic induction type vibration power generator is installed on an existing structure existing on a road so that power can be stored, and weather information is collected and transmitted according to the amount of stored power. As a result, for each location where weather information is collected, a vibration power generation wireless sensor that can stably collect and transmit weather information can be obtained by supplying power stably after eliminating wiring for power supply be able to.
本発明は、システムの電力供給源として、電磁誘導型の振動発電機を利用して気象情報を定期的に収集するとともに、振動発電機による蓄電量が、気象情報の送信に必要な電力量を確保できている場合に、収集した気象情報を無線送信することを技術的特徴とするものである。 The present invention periodically collects weather information using an electromagnetic induction type vibration generator as a power supply source of the system, and the amount of power stored by the vibration generator determines the amount of power necessary for transmission of weather information. The technical feature is that the collected meteorological information is wirelessly transmitted when it is secured.
そこで、このような技術的特徴を備えた本発明の振動発電無線センサの好適な実施の形態につき、以下に、図面を用いて詳細に説明する。 Accordingly, a preferred embodiment of the vibration power generation wireless sensor of the present invention having such technical features will be described in detail below with reference to the drawings.
実施の形態１．
まず始めに、本発明の振動発電無線センサが設置される環境、および安定的な電力供給源となる電磁誘導型の振動発電機の構成について説明する。
First, the environment in which the vibration power generation wireless sensor of the present invention is installed, and the configuration of an electromagnetic induction vibration generator serving as a stable power supply source will be described.
導電性コイルの中を通過するように磁石を振動させると、コイルに誘導電流が生じ、起電力が発生する。この原理を利用したものとして、板バネを用いた電磁誘導型の振動発電機がある。このような振動発電機は、外部環境の振動エネルギーに基づいて、電気エネルギーを発生させることが可能である。 When the magnet is vibrated so as to pass through the conductive coil, an induced current is generated in the coil and an electromotive force is generated. As an example of utilizing this principle, there is an electromagnetic induction type vibration generator using a leaf spring. Such a vibration generator can generate electric energy based on vibration energy of the external environment.
さらに、振動発電機を用いることで、電源ケーブルや電池による電源供給を不要とした上で、電気エネルギーを発生できる。このような観点で、経済的な利点または操作上の利点が見込まれる多くの用途で、振動発電機が活用されることが期待される。 Furthermore, by using a vibration generator, it is possible to generate electric energy while eliminating the need for power supply by a power cable or a battery. From this point of view, vibration generators are expected to be used in many applications where economic advantages or operational advantages are expected.
そして、一般道や高速道路では、道路上のポイントごとで、雨、風、気温などの気象情報をタイムリーに伝える需要がある。このような用途には、電源ケーブルや電池による電源供給が不要な振動発電機を活用することが考えられる。さらに、設置場所となる振動源としては、道路に設けられた既設の距離標あるいは表示板といった構造物を利用することが考えられる。 In general roads and expressways, there is a demand for timely transmission of weather information such as rain, wind, and temperature at each point on the road. For such applications, it is conceivable to use a vibration generator that does not require power supply by a power cable or a battery. Furthermore, as a vibration source serving as an installation location, it is conceivable to use a structure such as an existing distance marker or a display board provided on the road.
図１は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサに適用される振動発電機の設置例を示した図であり、具体的には、道路に設置されている構造物である距離標（キロポスト）に振動発電機が設置された状態を例示している。振動発電機１０は、既設の距離標１の一部分に、ねじ等で固定設置することができる。なお、このような振動板となる構造物としては、距離標に限定されず、表示板なども含まれる。
FIG. 1 is a diagram showing an installation example of a vibration power generator applied to the vibration power generation wireless sensor according to
図２は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサに適用される振動発電機１０の構造を説明するための概略断面図である。図２に示した振動発電機１０は、永久磁石１１、コイル１２、板バネ１３ａ、１３ｂ、ガイド棒１４ａ、１４ｂフレーム１５、一対の端部板１６ａ、１６ｂ、および中板１７を備えて構成されている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of
図２においては、円柱あるいは円筒形をした永久磁石（以下磁石）１１の周りを、コイル１２が囲む構成となっている。ここで、コイル１２は、中板１７に固定されている。また、磁石１１は、一端が、ガイド棒１４ａを介して板バネ１３ａにより保持され、他端が、ガイド棒１４ｂを介して板バネ１３ｂにより保持されている。
In FIG. 2, a coil 12 surrounds a columnar or cylindrical permanent magnet (hereinafter referred to as a magnet) 11. Here, the coil 12 is fixed to the intermediate plate 17. Further, one end of the
さらに、板バネ１３ａ、１３ｂ、一対の端部板１６ａ、１６ｂ、中板１７のそれぞれは、フレーム１５に固定接続されている。このような構造を備える結果、コイル１２の中に配置された磁石１１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。
Further, the plate springs 13 a and 13 b, the pair of end plates 16 a and 16 b, and the intermediate plate 17 are fixedly connected to the
図３は、本発明の実施の形態１の振動発電無線センサが適用される気象センサシステムにおける構造物と振動発電機の振動モデルである。図３における各符号は、以下の内容を示している。
ｍ：振動発電機の質量
ｋ：振動発電機のバネ定数
ｃ：振動発電機の減衰係数
Ｍ：構造物の質量
Ｋ：構造物のバネ定数
Ｃ：構造物の減衰係数
FIG. 3 is a vibration model of the structure and the vibration generator in the weather sensor system to which the vibration power generation wireless sensor according to the first embodiment of the present invention is applied. Each code | symbol in FIG. 3 has shown the following contents.
m: Mass of vibration generator k: Spring constant of vibration generator c: Damping coefficient of vibration generator M: Mass of structure K: Spring constant of structure C: Damping coefficient of structure
また、図４は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサに適用される振動発電機の固有振動数に対する発電効率特性を示した図である。より具体的には、図３のモデルを用いて、
ｍ＝０．１ｋｇ
Ｍ＝２ｋｇ
構造物の固有振動数＝１２．６Ｈｚ
とした場合に、振動発電機の固有振動数を１１．５Ｈｚ〜２８．３Ｈｚの間で変化させた際の発電力を求めた特性結果をまとめたものである。
FIG. 4 is a graph showing power generation efficiency characteristics with respect to the natural frequency of the vibration power generator applied to the vibration power generation wireless sensor according to
m = 0.1kg
M = 2kg
Natural frequency of the structure = 12.6Hz
In this case, the characteristic results obtained for the power generation when the natural frequency of the vibration generator is changed between 11.5 Hz and 28.3 Hz are summarized.
振動発電機の固有振動数は、先の図２に示した構成における板バネ１３ａ、１３ｂのバネ定数と、磁石１１およびガイド棒１４ａ、１４ｂを含めた可動部の質量により決定している。また、振動発電機の減衰係数ｃは、振動発電機の電気的な負荷により変化する。そして、図４の特性を算出するに当たっては、減衰係数ｃを２Ｎｓ／ｍ、３Ｎｓ／ｍ、４Ｎｓ／ｍの３通りに変化させており、具体的には、ｍ＝０．１ｋｇ、磁石１１の直径＝２５ｍｍ、コイル１２の巻数＝１０００回として、電気的な負荷抵抗を変化させている。
The natural frequency of the vibration generator is determined by the spring constants of the leaf springs 13a and 13b and the mass of the movable part including the
図４の結果から、構造物の固有振動数（１２．６Ｈｚ）に対して、振動発電機の固有振動数を、約１．３倍（約１６Ｈｚ）〜約１．８倍（約２３Ｈｚ）とすることで、発電効率が高くなり、０．１Ｗ／Ｎ以上の所望の出力が得られることがわかった。 From the result of FIG. 4, the natural frequency of the vibration generator is about 1.3 times (about 16 Hz) to about 1.8 times (about 23 Hz) with respect to the natural frequency (12.6 Hz) of the structure. As a result, it was found that the power generation efficiency is increased and a desired output of 0.1 W / N or more can be obtained.
図５は、本発明の実施の形態１の振動発電無線センサが適用される気象センサシステムにおける構造物と振動発電機の、重量比および固有振動数比に対する発電効率特性をまとめた図である。具体的には、横軸の質量比は、主振動系である構造物の質量を分子、振動発電機の質量を分母とした場合の比率を示しており、０．８５〜２００で変化させている。また、固有振動数比に関しては、構造物の固有振動数を１２．６Ｈｚとし、それに対する振動発電機の固有振動数を以下のような１０通りの条件として、発電力を算出している。
（条件１） 振動発電機の固有振動数＝１１．３Ｈｚ（周波数０．９倍に相当）
（条件２） 振動発電機の固有振動数＝１２．６Ｈｚ（同一周波数に相当）
（条件３） 振動発電機の固有振動数＝１３．９Ｈｚ（周波数１．１倍に相当）
（条件４） 振動発電機の固有振動数＝１５．１Ｈｚ（周波数１．２倍に相当）
（条件５） 振動発電機の固有振動数＝１６．４Ｈｚ（周波数１．３倍に相当）
（条件６） 振動発電機の固有振動数＝１７．６Ｈｚ（周波数１．４倍に相当）
（条件７） 振動発電機の固有振動数＝１８．９Ｈｚ（周波数１．５倍に相当）
（条件８） 振動発電機の固有振動数＝２０．２Ｈｚ（周波数１．６倍に相当）
（条件９） 振動発電機の固有振動数＝２１．４Ｈｚ（周波数１．７倍に相当）
（条件１０）振動発電機の固有振動数＝２２．７Ｈｚ（周波数１．８倍に相当）
FIG. 5 is a table summarizing the power generation efficiency characteristics with respect to the weight ratio and the natural frequency ratio of the structure and the vibration generator in the weather sensor system to which the vibration power generation wireless sensor according to the first embodiment of the present invention is applied. Specifically, the mass ratio of the horizontal axis indicates the ratio when the mass of the structure that is the main vibration system is the numerator and the mass of the vibration generator is the denominator, and is varied from 0.85 to 200. Yes. Further, regarding the natural frequency ratio, the generated power is calculated under the condition that the natural frequency of the structure is 12.6 Hz and the natural frequency of the vibration generator is 10 conditions as follows.
(Condition 1) Natural frequency of vibration generator = 11.3 Hz (corresponding to 0.9 times the frequency)
(Condition 2) Natural frequency of vibration generator = 12.6 Hz (corresponding to the same frequency)
(Condition 3) Natural frequency of vibration generator = 13.9 Hz (corresponding to 1.1 times the frequency)
(Condition 4) Natural frequency of the vibration generator = 15.1 Hz (corresponding to 1.2 times the frequency)
(Condition 5) Natural frequency of the vibration generator = 16.4 Hz (equivalent to 1.3 times the frequency)
(Condition 6) Natural frequency of vibration generator = 17.6 Hz (corresponding to 1.4 times the frequency)
(Condition 7) Natural frequency of vibration generator = 18.9 Hz (corresponding to 1.5 times the frequency)
(Condition 8) Natural frequency of vibration generator = 20.2 Hz (equivalent to 1.6 times the frequency)
(Condition 9) Natural frequency of vibration generator = 21.4 Hz (equivalent to 1.7 times the frequency)
(Condition 10) Natural frequency of vibration generator = 22.7 Hz (equivalent to 1.8 times the frequency)
先の図１に例示した距離標（キロポスト）形状の構造物は、重量が非常に重い。そこで、質量比を１０倍以上（すなわち、構造物の質量に対して、振動発電機の質量が１／１０以下）と仮定すると、構造物の固有振動数に対して、振動発電機の固有振動数を１．３倍〜１．８倍（条件５〜条件１０に相当）にすることで、０．１２Ｗ／Ｎ以上の発電力が得られていることがわかる。また、仮に、質量比を２０倍とすると、構造物の固有振動数に対して、振動発電機の固有振動数を１．６倍とする条件８において、０．１８Ｗ／Ｎ相当の最大の発電量が得られている。
The structure of the distance mark (kilo post) shape illustrated in FIG. 1 is very heavy. Therefore, assuming that the mass ratio is 10 times or more (that is, the mass of the vibration generator is 1/10 or less with respect to the mass of the structure), the natural vibration of the vibration generator with respect to the natural frequency of the structure. It can be seen that power generation of 0.12 W / N or more is obtained by increasing the number from 1.3 times to 1.8 times (corresponding to
図６は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサに適用される振動発電機で最大の発電力を得るための、周波数比と質量比の対応をまとめた図である。具体的には、横軸は、条件１〜条件１０の周波数比に対応し、縦軸は、図５の横軸に示した質量比を対数目盛で表したものに相当し、それぞれの周波数比に対して最も発電力が得られた重量比を示したものである。
FIG. 6 is a table summarizing correspondences between frequency ratios and mass ratios for obtaining the maximum power generation by the vibration power generator applied to the vibration power generation wireless sensor according to
図６の結果からわかるように、重量比に合わせて適切な周波数比となるように、振動発電機の共振周波数を調整する（すなわち、板バネのバネ定数および可動部の質量を、最適値に選定する）ことで、設置環境や構造物に応じて、所望の発電力を得るための振動発電機を設計することが可能となる。 As can be seen from the results of FIG. 6, the resonance frequency of the vibration generator is adjusted so that the frequency ratio is appropriate for the weight ratio (that is, the spring constant of the leaf spring and the mass of the movable part are set to optimum values). It is possible to design a vibration generator for obtaining a desired power generation according to the installation environment and structure.
このように、自然風や車両による風圧によって振動する距離標または表示板状の既設の構造物に対して、設置環境および構造物の条件（質量および固有振動数）に応じて、適切な質量および固有振動数を有する振動発電機を設置することで、既設の構造物を振動源として利用し、振動から所望の電力を回収することができる。 In this way, for a distance indicator or a display plate-like existing structure that vibrates due to natural wind or the wind pressure of the vehicle, an appropriate mass and an appropriate mass according to the installation environment and the conditions of the structure (mass and natural frequency) By installing a vibration generator having a natural frequency, an existing structure can be used as a vibration source, and desired power can be recovered from vibration.
特に、道路に設置されている構造物である距離標や表示板は、重量が非常に重く、付加的に設置する振動発電機との重量比が大きいことが考えられる。このような場合にも、例えば、振動発電機の重量に対して、対象となる構造物の重量が１０倍以上の差があるときにも、振動発電機の固有振動数を構造物の固有振動数の１．３倍〜１．８倍程度とすることで、所望の電力を得ることができる。 In particular, distance markers and display boards, which are structures installed on the road, are very heavy and may have a large weight ratio with respect to the additionally installed vibration generator. Even in such a case, for example, when the weight of the target structure is 10 times or more than the weight of the vibration generator, the natural frequency of the vibration generator is set to the natural vibration of the structure. By setting the number to about 1.3 to 1.8 times the number, desired power can be obtained.
次に、このような振動発電機を適用した振動発電無線センサの具体的な構成、動作について、図面を用いて詳細に説明する。図７は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムの構成例を示す図である。図７に示した気象センサシステムは、道路に設置されている表示板２に取り付けられた振動発電無線センサ２０と、気象情報を収集するために振動発電無線センサ２０に接続された雨量計３０および風速計５０を備えて構成されている。
Next, a specific configuration and operation of a vibration power generation wireless sensor to which such a vibration power generator is applied will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of a weather sensor system to which the vibration power generation wireless sensor according to the first embodiment of the present invention is applied. The weather sensor system shown in FIG. 7 includes a vibration power
また、図８は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムの別の構成例を示す図である。図８に示した気象センサシステムは、道路に設置されている表示板２に取り付けられた振動発電無線センサ２０と、気象情報を収集するために振動発電無線センサ２０に接続された雨量計４０および風速計５０を備えて構成されている。
Moreover, FIG. 8 is a figure which shows another structural example of the weather sensor system to which the vibration electric power generation wireless sensor in
一方、図９は、本発明の実施の形態１において、振動源として用いられる構造物である表示板２に振動発電機を取り付けた場合に、車両通過に伴う風圧で得られる振動加速度を示した図である。車両の通過に伴って、局所的に大きな振動加速度が得られており、図９中の「Ａ部」では、大型車が通過したことで、より大きな振動加速度が得られている状態を示している。このような振動エネルギーが、振動発電無線センサ２０内に備えられた振動発電機により、電気エネルギーに変換されることとなる。
On the other hand, FIG. 9 shows the vibration acceleration obtained by the wind pressure accompanying the passage of the vehicle when the vibration generator is attached to the
図１０Ａは、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムに用いられる雨量計３０の具体的な構成図である。先の図７で示した雨量計３０は、図１０Ａに示すように、圧電素子３１、検出回路３２、および雨量計カバー３３を備えて構成されている。圧電素子３１は、雨滴落下により振動する膜の裏側に取り付けられており、雨滴により起電力を発生することができる。そして、検出回路３２は、圧電素子３１により発生した電圧を雨量として測定し、振動発電無線センサ２０に送信する。
FIG. 10A is a specific configuration diagram of
図１０Ｂは、本発明の実施の形態１における図１０Ａに示した雨量計３０の回路構成図である。検出回路３２は、圧電素子で発生した電圧を、ダイオードブリッジ３２ａで全波整流し、コンデンサ３２ｂに充電する。コンデンサ３２ｂに充電された電圧値は、雨量の測定結果として読み取られる。また、昇圧回路３２ｄは、振動発電無線センサ２０からの制御信号に応じて、コンデンサ３２ｂに蓄えられた電圧を放電するとともに、放電された電力を回収する。そして、昇圧回路３２ｄにより回収された回収電力は、振動発電無線センサ２０に送られる。
FIG. 10B is a circuit configuration diagram of
図１１Ａは、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムに用いられる雨量計４０の具体的な構成図である。先の図８で示した雨量計４０は、図１１Ａに示すように、磁石４１ａを有する転倒升４１、発電コイル４２、および検出回路４３を備えて構成されている。雨滴によって転倒升４１が転倒動作を繰り返すことで、磁石４１ａが移動する。一方、発電コイル４２は、磁石４１ａの揺動部分に設けられており、磁石の移動に伴う起電力を発生する。そして、検出回路４３は、発電コイル４２により発生した電圧を雨量として測定し、振動発電無線センサ２０に送信する。
FIG. 11A is a specific configuration diagram of
図１１Ｂは、本発明の実施の形態１における図１１Ａに示した雨量計４０の回路構成図である。検出回路４３は、発電コイル４２で発生した電圧を、ダイオードブリッジ４３ａで全波整流し、コンデンサ４３ｂに充電する。コンデンサ４３ｂに充電された電圧値は、雨量の測定結果として読み取られる。また、昇圧回路４３ｄは、振動発電無線センサ２０からの制御信号に応じて、コンデンサ４３ｂに蓄えられた電圧を放電するとともに、放電された電力を回収する。そして、昇圧回路４３ｄにより回収された回収電力は、振動発電無線センサ２０に送られる。
FIG. 11B is a circuit configuration diagram of
図１２Ａは、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサが適用される気象センサシステムに用いられる風速計５０の具体的な構成図である。先の図７、図８で示した風速計５０は、風杯型風速計であり、図１２Ａに示すように、回転軸５１、発電機５２、および検出回路５３を備えて構成されている。発電機５２は、風速に応じて回転軸５１が回転することで、起電力を発生する。そして、検出回路５３は、発電機５２により発生した電圧を風速として測定し、振動発電無線センサ２０に送信する。
FIG. 12A is a specific configuration diagram of an
図１２Ｂは、本発明の実施の形態１における図１２Ａに示した風速計５０の回路構成図である。検出回路５３は、発電機５２で発生した電圧を、ダイオードブリッジ５３ａで全波整流し、コンデンサ５３ｂに充電する。コンデンサ５３ｂに充電された電圧値は、風速の測定結果として読み取られる。また、昇圧回路５３ｄは、振動発電無線センサ２０からの制御信号に応じて、コンデンサ５３ｂに蓄えられた電圧を放電するとともに、放電された電力を回収する。そして、昇圧回路５３ｄにより回収された回収電力は、振動発電無線センサ２０に送られる。
FIG. 12B is a circuit configuration diagram of
次に、本実施の形態１における振動発電無線センサ２０の構成、動作について、具体的に説明する。図１３Ａは、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサの構成、および入出力信号を示す図である。図１３Ａに示す振動発電無線センサ２０は、電源回路２１、無線回路２２、およびアンテナ２３とともに、先の図２で説明した振動発電機１０を備えて構成されている。なお、電源回路２１と無線回路２２は、制御回路部として１つにまとめて構成することも可能である。
Next, the configuration and operation of the vibration power
ここで、振動発電無線センサ２０内の電源回路２１は、雨量計（３０、４０）と風速計５０から、回収電力を取得する。また、振動発電無線センサ２０内の無線回路２２は、雨量計（３０、４０）と風速計５０から測定結果を取得する一方で、雨量計（３０、４０）と風速計５０に制御信号を出力する。さらに、無線回路２２は、温湿度センサ６０から温湿度データを取得できる構成となっている。
Here, the
図１３Ｂは、本発明の実施の形態１における図１３Ａに示した振動発電無線センサ２０の回路構成図である。電源回路２１は、コイル１２で発生した電圧を、ダイオードブリッジ２１ａで全波整流し、昇圧回路２１ｂで昇圧する。さらに、電源回路２１は、昇圧回路２１ｂで昇圧された電力と、雨量計（３０、４０）と風速計５０から回収された回収電力とを、電力合成回路２１ｃで合成し、無線回路２２に電源供給を行う。
FIG. 13B is a circuit configuration diagram of vibration power
一方、無線回路２２は、マイクロコンピュータ２２ａ（以下、マイコン２２ａと称す）および無線通信部２２ｂを備えて構成されている。マイコン２２ａは、電源回路２１から供給される電力を使用して、あらかじめ設定された時間間隔で起動状態とスリープ状態を繰り返すように動作する。
On the other hand, the
そして、マイコン２２ａは、起動状態において、温湿度センサ６０から温湿度データを読み取り、雨量計（３０、４０）から雨量データを読み取り、風速計５０から風速データを読み取ることで、気象データの収集を行う。さらに、マイコン２２ａは、気象データの収集を行った後に、各測定器（３０、４０、５０）内の検出回路（３２、４３、５３）に対して制御信号を出力する。
The microcomputer 22a collects weather data by reading temperature / humidity data from the temperature /
この結果、制御信号を受信した各検出回路（３２、４３、５３）内の昇圧回路（３２ｄ、４３ｄ、５３ｄ）は、コンデンサ（３２ｂ、４３ｂ、５３ｂ）に蓄えられた電圧を放電するとともに、回収し、さらに、回収した回収電力を、振動発電無線センサ２０内の電源回路２１に送る。
As a result, the booster circuit (32d, 43d, 53d) in each detection circuit (32, 43, 53) that has received the control signal discharges and collects the voltage stored in the capacitor (32b, 43b, 53b). Further, the collected recovered power is sent to the
次に、本実施の形態１における振動発電無線センサの一連動作について、図１４のタイムチャート、および図１５のフローチャートを用いて、詳細に説明する。図１４は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサの一連動作を説明するためのタイムチャートである。図１４においては、以下の（ａ）〜（ｄ）の４つのデータの時間推移の状態が示されている。
（ａ）振動加速度：車両の通過に伴って表示板２に発生する振動加速度の推移
（ｂ）振動発電による蓄電電圧：表示板２に取り付けられた振動発電機１０により振動エネルギーから電気エネルギーに変換され、蓄電された電圧の推移
（ｃ）雨量計の検出回路の電圧：雨量計（３０、４０）の検出回路（３２、４３）内のコンデンサ（３２ｂ、４３ｂ）に蓄えられている電圧の推移
（ｄ）風速計の検出回路の電圧：風速計（５０）の検出回路（５３）内のコンデンサ（５３ｂ）に蓄えられている電圧の推移
Next, a series of operations of the vibration power generation wireless sensor according to the first embodiment will be described in detail with reference to the time chart of FIG. 14 and the flowchart of FIG. FIG. 14 is a time chart for explaining a series of operations of the vibration power generation wireless sensor according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 14, the time transition states of the following four data (a) to (d) are shown.
(A) Vibration acceleration: Transition of vibration acceleration generated in the
マイコン２２ａは、起動状態において、図１４中のステップＳ１〜ステップＳ６の処理を行うこととなる。まず、ステップＳ１において、マイコン２２ａは、温湿度センサ６０から温湿度データを取得し、この結果、振動発電による蓄電電圧が消費される。
In the activated state, the microcomputer 22a performs steps S1 to S6 in FIG. First, in step S1, the microcomputer 22a acquires temperature / humidity data from the temperature /
次に、ステップＳ２において、マイコン２２ａは、風速計５０の検出回路５３内のコンデンサ５３ｂに蓄えられた電圧を読み取ることで、風速を測定する。さらに、ステップＳ３において、マイコン２２ａは、風速計５０に対して制御信号を出力することで、コンデンサ５３ｂに蓄えられた風速検出電圧を放電させるとともに、その電力を回収する。
Next, in step S2, the microcomputer 22a measures the wind speed by reading the voltage stored in the capacitor 53b in the
次に、ステップＳ４において、マイコン２２ａは、雨量計（３０、４０）の検出回路（３２、４３）内のコンデンサ（３２ｂ、４３ｂ）に蓄えられた電圧を読み取ることで、雨量を測定する。さらに、ステップＳ５において、マイコン２２ａは、雨量計（３０、４０）に対して制御信号を出力することで、コンデンサ（３２ｂ、４３ｂ）に蓄えられた雨量検出電圧を放電させるとともに、その電力を回収する。 Next, in step S4, the microcomputer 22a measures the rainfall by reading the voltage stored in the capacitors (32b, 43b) in the detection circuit (32, 43) of the rain gauge (30, 40). Further, in step S5, the microcomputer 22a outputs a control signal to the rain gauge (30, 40), thereby discharging the rain detection voltage stored in the capacitors (32b, 43b) and collecting the power. To do.
最後に、ステップＳ６において、マイコン２２ａは、振動発電による蓄電電圧として、無線センサによる送信動作が可能な蓄電量を確保できていると判断した場合には、ステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ４で収集した気象データを、無線送信し、この結果、振動発電による蓄電電圧が消費される。以上のような一連動作が、マイコンが起動状態となるタイミングで繰り返し実行されることで、気象データの観測が可能となる。 Finally, in step S6, when the microcomputer 22a determines that the amount of stored power that can be transmitted by the wireless sensor is secured as the stored voltage by vibration power generation, the microcomputer 22a collects in step S1, step S2, and step S4. The meteorological data is transmitted wirelessly, and as a result, the stored voltage by vibration power generation is consumed. The series of operations as described above are repeatedly executed at the timing when the microcomputer is activated, so that weather data can be observed.
次に、フローチャートに基づいて、一連動作の流れを説明する。図１５は、本発明の実施の形態１における振動発電無線センサの一連動作を説明するためのフローチャートである。まず始めに、ステップＳ１０１において、振動発電の電力により、マイコン２２ａが起動される。そして、ステップＳ１０２において、マイコン２２ａは、あらかじめ設定されたＮ分間、マイコン２２ａをスリープ状態とし、消費電力を抑制する。 Next, a flow of a series of operations will be described based on a flowchart. FIG. 15 is a flowchart for describing a series of operations of the vibration power generation wireless sensor according to the first embodiment of the present invention. First, in step S101, the microcomputer 22a is activated by the power of vibration power generation. In step S102, the microcomputer 22a puts the microcomputer 22a in the sleep state for N minutes set in advance and suppresses power consumption.
次に、ステップＳ１０３において、マイコン２２ａは、あらかじめ規定された時間間隔であるＮ分が経過した後に起動状態となり、温湿度センサ６０を介して温湿度データを測定する。さらに、ステップＳ１０４において、マイコン２２ａは、温湿度データの測定結果を保存する。
Next, in step S <b> 103, the microcomputer 22 a enters an activated state after N minutes, which are predetermined time intervals, and measures temperature / humidity data via the temperature /
次に、ステップＳ１０５において、マイコン２２ａは、風速計５０の検出回路５３を介して取得した電圧値を風速データに変換する。また、ステップＳ１０６において、マイコン２２ａは、風速データの測定結果を保存する。さらに、ステップＳ１０７において、マイコン２２ａは、風速計５０の検出回路５３に対して制御信号を出力し、蓄電電圧のリセットおよび電力回収を行う。
Next, in step S105, the microcomputer 22a converts the voltage value acquired through the
次に、ステップＳ１０８において、マイコン２２ａは、雨量計（３０、４０）の検出回路（３２、４３）を介して取得した電圧値を雨量データに変換する。また、ステップＳ１０９において、マイコン２２ａは、雨量データの測定結果を保存する。さらに、ステップＳ１１０において、マイコン２２ａは、雨量計（３０、４０）の検出回路（３２、４３）に対して制御信号を出力し、蓄電電圧のリセットおよび電力回収を行う。 Next, in step S108, the microcomputer 22a converts the voltage value acquired through the detection circuit (32, 43) of the rain gauge (30, 40) into rain data. In step S109, the microcomputer 22a stores the rainfall data measurement result. Further, in step S110, the microcomputer 22a outputs a control signal to the detection circuit (32, 43) of the rain gauge (30, 40), and resets the storage voltage and recovers the power.
次に、ステップＳ１１１において、マイコン２２ａは、無線センサによる気象データの送信動作が可能な蓄電量として、振動発電による蓄電電圧が確保できているか否かを判断する。そして、ステップＳ１１１において、確保できていないと判断した場合には、マイコン２２ａは、今回は気象データの無線送信を行わずに、ステップＳ１０２の処理に戻り、それ以降の動作を繰り返す。 Next, in step S <b> 111, the microcomputer 22 a determines whether or not a storage voltage by vibration power generation can be secured as an amount of storage that can transmit weather data by the wireless sensor. If it is determined in step S111 that it has not been secured, the microcomputer 22a returns to the process of step S102 without repeating the weather data transmission this time, and repeats the subsequent operations.
一方、ステップＳ１１１において、確保できていると判断した場合には、ステップＳ１１２に進み、マイコン２２ａは、無線回路２２内の無線通信部２２ｂを起動する。そして、ステップＳ１１３において、マイコン２２ａは、無線通信部２２ｂおよびアンテナ２３を介して、温湿度データ、風速データ、雨量データからなる気象データを、無線送信する。さらに、ステップＳ１１４において、マイコン２２ａは、無線通信部２２ｂをスリープ状態とした後、ステップＳ１０２の処理に戻り、それ以降の動作を繰り返す。
On the other hand, if it is determined in step S111 that it has been secured, the process proceeds to step S112, and the microcomputer 22a activates the wireless communication unit 22b in the
以上のように、実施の形態１によれば、道路に設置されている構造物に振動発電機を設置することで、通過車両により得られる振動エネルギーから電気エネルギーを生成し、振動発電無線センサに必要な電力を得ることができる構成を備えている。そして、あらかじめ規定された時間間隔でマイコンを起動状態として、気象データの収集を行い。さらに、無線送信を行うのに十分な蓄電量が確保できている場合には、収集した気象データを無線送信する機能を有している。 As described above, according to the first embodiment, by installing a vibration generator on a structure installed on a road, electric energy is generated from vibration energy obtained by a passing vehicle, and the vibration power generation wireless sensor is used. It has a configuration that can obtain the necessary power. Then, the meteorological data is collected with the microcomputer activated at predetermined time intervals. Furthermore, when a sufficient amount of stored electricity can be secured for wireless transmission, it has a function of wirelessly transmitting collected weather data.
このような構成、機能を備えることで、気象情報を収集する拠点ごとに、電源供給のための配線をなくした上で安定的に電力を供給し、継続的に気象情報の収集・送信を可能とする振動発電無線センサを実現できる。 With this configuration and function, it is possible to collect and transmit meteorological information continuously by supplying power stably to each site that collects meteorological information, eliminating the power supply wiring. The vibration power generation wireless sensor can be realized.
さらに、気象データの測定用に蓄電された電気エネルギーを、測定結果を読み取った後に電力として回収する構成、機能を備えている。この結果、振動エネルギーから得られた電気エネルギーに加えて、雨や風に基づいて生成された電気エネルギーも無線システムの電源として有効活用することができ、より安定的に電力を供給することが可能となる。 Furthermore, it has a configuration and function of collecting electrical energy stored for measuring weather data as electric power after reading the measurement result. As a result, in addition to electrical energy obtained from vibration energy, electrical energy generated based on rain and wind can also be used effectively as a power source for wireless systems, enabling more stable power supply. It becomes.
１ 距離標（構造物）、２ 表示板（構造物）、１０ 振動発電機、１１ 永久磁石（磁石）、１２ コイル、１３ａ、１３ｂ 板バネ、１４ａ、１４ｂ ガイド棒、１５ フレーム、１６ａ、１６ｂ 端部板、１７ 中板、２０ 振動発電無線センサ、２１ 電源回路、２１ａ ダイオードブリッジ、２１ｂ 昇圧回路、２１ｃ 電力合成回路、２２ 無線回路、２２ａ マイクロコンピュータ（マイコン）、２２ｂ 無線通信部、２３ アンテナ、３０ 雨量計（気象センサ）、３１ 圧電素子、３２ 検出回路、３２ａ ダイオードブリッジ、３２ｂ コンデンサ、３２ｄ 昇圧回路、３３ 雨量計カバー、４０ 雨量計（気象センサ）、４１ 転倒升、４１ａ 磁石、４２ 発電コイル、４３ 検出回路、４３ａ ダイオードブリッジ、４３ｂ コンデンサ、４３ｄ 昇圧回路、５０ 風速計（気象センサ）、５１ 回転軸、５２ 発電機、５３ 検出回路、５３ａ ダイオードブリッジ、５３ｂ コンデンサ、５３ｄ 昇圧回路、６０ 温湿度センサ（気象センサ）。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記振動発電機により発電された電力により駆動され、あらかじめ設定された周期で起動状態とスリープ状態を繰り返し、前記起動状態の周期ごとに、外部の気象センサから気象データを収集する第１制御処理と、風速計および雨量計からの電力回収を制御する第２制御処理と、前記振動発電機により発電されて蓄電されている電力が、収集した前記気象データを無線送信するために必要な電力を確保できていると判断した場合には、収集した前記気象データを無線送信する第３制御処理とを実行し、前記スリープ状態においては前記第１制御処理、前記第２制御処理、および前記第３制御処理を実行せずに消費電力を抑制する制御回路部と
を備える振動発電無線センサ。 A permanent magnet having a columnar or cylindrical shape, and a coil fixedly arranged with a gap on the outer periphery of the permanent magnet, and being installed on a structure that is a vibration source, the permanent magnet A vibration generator that generates electric power by relative movement between the permanent magnet and the coil due to the vibration of the magnet in the axial direction;
A first control process that is driven by the electric power generated by the vibration generator, repeats an activation state and a sleep state at a preset period, and collects weather data from an external weather sensor for each period of the activation state ; The second control process for controlling the power recovery from the anemometer and rain gauge and the electric power generated and stored by the vibration generator ensure the electric power necessary for wirelessly transmitting the collected weather data If it is determined that the weather data has been collected, a third control process for wirelessly transmitting the collected weather data is executed. In the sleep state, the first control process, the second control process, and the third control process are performed. A vibration power generation wireless sensor comprising: a control circuit unit that suppresses power consumption without executing processing .
前記制御回路部は、前記外部の気象センサが、前記気象データに相当する測定値をコンデンサに蓄電するタイプである場合には、前記外部の気象センサから前記気象データを収集する前記第１制御処理を実行した後に、前記外部の気象センサに対して制御信号を出力することで前記コンデンサを放電させるとともに、放電させた電力を回収し、回収した前記電力を、前記振動発電機により発電された電力と合成して電気エネルギーとして蓄電する第４制御処理を実行する
振動発電無線センサ。 The vibration power generation wireless sensor according to claim 1,
When the external weather sensor is of a type in which a measurement value corresponding to the weather data is stored in a capacitor, the control circuit unit collects the weather data from the external weather sensor. After executing the above, the capacitor is discharged by outputting a control signal to the external weather sensor, the discharged power is recovered, and the recovered power is generated by the vibration generator. A vibration power generation wireless sensor that executes a fourth control process that is combined with and stored as electrical energy.
前記振動発電機により発電された電力により駆動され、あらかじめ設定された周期で起動状態とスリープ状態を繰り返し、前記起動状態の周期ごとに、外部の気象センサから気象データを収集するとともに、前記振動発電機により発電されて蓄電されている電力が、収集した前記気象データを無線送信するために必要な電力を確保できていると判断した場合には、収集した前記気象データを無線送信する制御回路部とDriven by the power generated by the vibration generator, repeats a start state and a sleep state at a preset cycle, collects weather data from an external weather sensor for each cycle of the start state, and When it is determined that the electric power generated and stored by the machine can secure the power necessary for wirelessly transmitting the collected weather data, the control circuit unit wirelessly transmits the collected weather data When
を備え、With
前記制御回路部は、前記外部の気象センサが、前記気象データに相当する測定値をコンデンサに蓄電するタイプである場合には、前記外部の気象センサから前記気象データを収集した後に、前記外部の気象センサに対して制御信号を出力することで前記コンデンサを放電させるとともに、放電させた電力を回収し、回収した前記電力を、前記振動発電機により発電された電力と合成して電気エネルギーとして蓄電するIn the case where the external weather sensor is a type in which a measurement value corresponding to the weather data is stored in a capacitor, the control circuit unit collects the weather data from the external weather sensor, and then The capacitor is discharged by outputting a control signal to the weather sensor, and the discharged power is recovered, and the recovered power is combined with the power generated by the vibration generator to be stored as electric energy. Do
振動発電無線センサ。Vibration power generation wireless sensor.
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