特許 6758041 制振発電装置および制振発電装置を備えた高架橋

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6758041

(24)【登録日】2020年9月3日

(45)【発行日】2020年9月23日

(54)【発明の名称】制振発電装置および制振発電装置を備えた高架橋

(51)【国際特許分類】

   F03G 7/08 20060101AFI20200910BHJP

   H02K 35/02 20060101ALI20200910BHJP

   E01D 1/00 20060101ALI20200910BHJP

   F16F 15/02 20060101ALI20200910BHJP

【ＦＩ】

   F03G7/08 Z

   H02K35/02

   E01D1/00 Z

   F16F15/02 C

【請求項の数】4

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-222504(P2015-222504)

(22)【出願日】2015年11月12日

(65)【公開番号】特開2017-89559(P2017-89559A)

(43)【公開日】2017年5月25日

【審査請求日】2018年9月25日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （１）ＩＡＢＳＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｎａｒａ ２０１５（国際構造工学会２０１５年春季大会）レポート第４３２頁〜第４３３頁、国際構造工学会編 平成２７年５月１３日公開 （２）ＩＡＢＳＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｎａｒａ ２０１５（国際構造工学会２０１５年春季大会）、平成２７年５月１５日公開 （３）平成２７年度第１回技術研修会 平成２７年７月８日公開

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(73)【特許権者】

【識別番号】505398952

【氏名又は名称】中日本高速道路株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】507194017

【氏名又は名称】株式会社高速道路総合技術研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000224994

【氏名又は名称】特許機器株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】591132704

【氏名又は名称】スバル興業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】505160599

【氏名又は名称】株式会社ＩＴＭ

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100134359

【弁理士】

【氏名又は名称】勝俣 智夫

(74)【代理人】

【識別番号】100211122

【弁理士】

【氏名又は名称】白石 卓也

(74)【代理人】

【識別番号】100126664

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 慎吾

(74)【代理人】

【識別番号】100139686

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 史朗

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 栄一

(72)【発明者】

【氏名】竹谷 晃一

(72)【発明者】

【氏名】長船 寿一

(72)【発明者】

【氏名】岩吹 啓史

(72)【発明者】

【氏名】有田 洋平

(72)【発明者】

【氏名】片岡 藤嗣

(72)【発明者】

【氏名】加藤 久雄

(72)【発明者】

【氏名】洞 宏一

【審査官】 篠原 将之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１７２３５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０３−０７６０１３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００９−２４３１２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２１４３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 韓国公開特許第１０−２０１０−００３１３５７（ＫＲ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０７６４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０５３６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０４０６０３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｇ ７／０８

Ｅ０１Ｄ １／００

Ｆ１６Ｆ １５／０２

Ｈ０２Ｋ ３５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

構造物に生じた振動のエネルギーを電気エネルギーに変換するとともに前記構造物の制振を行う制振発電装置であって、
制振対象とする構造物に設置される基台と、
該基台上に第１の弾性体を介し上下に振動自在に支持された第１の付加質量体と、
前記第１の付加質量体の上に第２の弾性体を介し上下に振動自在に支持された第２の付加質量体と、
前記第１の付加質量体と前記第２の付加質量体の上下振動による相対移動により上下方向に振動されるピストン、該ピストンに取り付けられインナーヨークの外周に沿って複数の磁石を有する磁極部、前記ピストンをその軸方向に移動自在に収容するシリンダー、該シリンダーの内部に前記磁極部を囲むように設けられたアウターヨークにコイルを巻き付けて構成された起電コイルを具備してなるリニア発電機とを有し、
前記アウターヨークにおいて前記磁極部側の部分は前記起電コイルの中心軸を含む断面に沿ってＣ字型に形成されており、
前記シリンダーが前記第１の付加質量体と前記第２の付加質量体のどちらか一方に一体化されて上下振動自在に支持されるとともに、前記ピストンが前記第２の付加質量体と前記第１の付加質量体のどちらか他方に接続されて上下振動自在に支持されるとともに、
前記第１の付加質量体が、質量板と、基板と、周壁板と、複数枚の板を積層した積層板と、底板を重ねて構成され、前記質量板と前記基板の中央部を貫通して前記周壁板の底部に達する収容部が形成され、該収容部に、前記ピストンを上向きとして前記質量板と前記基板と前記周壁板を上下に貫通し、前記積層板の上に位置するように前記シリンダーが固定され、前記質量板とその下に重ねられた前記基板と前記周壁板と前記積層板と前記底板を上下に貫通する連結ボルトによりこれらが一体化され、前記第１の付加質量体として振動自在に支持され、前記ピストンの上端部が前記第２の付加質量体に接続され、
前記基台上に、前記第１の付加質量体の外周部を上下に貫通して前記第１の付加質量体の上下振動位置の上限と下限を規定するストッパー部材が立設され、
前記第１の付加質量体上に、前記第２の付加質量体の外周部を上下に貫通して前記第２の付加質量体の上下振動位置の上限と下限を規定するストッパー部材が立設されたことを特徴とする制振発電装置。

【請求項2】

複数の桁橋が直列配置されてなる高架橋の制振発電構造であって、
前記桁橋が橋軸直交方向に所定間隔をあけて配置された一対の主桁と、前記一対の主桁の間に橋軸方向に間隔をあけて複数配置された主横桁と、前記一対の主桁の上面に載置された床版を備えてなり、
前記橋軸方向に離間した複数の主横桁の間に前記橋軸方向に離間させて対になる支持横桁を前記主桁に支持させて設け、前記支持横桁に、付加質量体と弾性部材と減衰機構を備えたシングルダイナミックマス型の制振装置、および、２つの可動質量体と弾性部材とリニア発電機を備えた請求項１に記載のダブルダイナミックマス型の制振発電装置を設置したことを特徴とする制振発電装置を備えた高架橋。

【請求項3】

前記桁橋を構成する横桁の一部に前記シングルダイナミックマス型の制振装置と前記ダブルダイナミックマス型の制振発電装置を設置したことを特徴とする請求項２に記載の制振発電装置を備えた高架橋。

【請求項4】

高架橋の振動の節に当たる位置に前記支持横桁を設け、該支持横桁に前記シングルダイナミックマス型の制振装置と前記ダブルダイナミックマス型の制振発電装置を設置したことを特徴とする請求項２に記載の制振発電装置を備えた高架橋。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、制振発電装置および制振発電装置を備えた高架橋に関する。

【背景技術】

【0002】

橋梁の損傷を早期に発見するため、ワイヤレスセンサなどを用いた橋梁のヘルスモニタリングシステムが重要視されているが、システムの長期的な運用を図るためには、外部からの送電等に頼ることのないシステムへの長期的な電源供給が課題になっている。その解決方法の１つとして注目されているのが、近年様々な分野で研究開発が進められている環境発電（Energy Harvesting）である。
即ち、橋梁の振動を利用した環境発電によって、従来の課題となっているモニタリングシステムへの電源供給を行う他、発電エネルギーをバッテリーに蓄電することで様々な応用も期待することができる。
しかし、橋梁における固有振動数は一般に数Ｈｚ〜１０数Ｈｚ程度の低周波帯域であるため、この低周波振動を利用して簡単には発電エネルギーを取り出せない問題がある。

【0003】

このため従来、橋梁等に設ける振動発電装置の一例として、橋梁の振動に共振して上下運動する錘体を基台上に弾性支持し、この錘体に連動して上下移動する被駆動体と、この被駆動体の上下方向の運動を回転運動に変換する変換機構と、前記変換した回転運動の回転数を倍増する回転数倍増機構と発電機を１つの基台上に設けた振動発電装置が知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−２０７６４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

先の特許文献１に記載されている振動発電装置は、車両の通行に伴って橋梁に生じる振動のエネルギーを電気エネルギーに変換することができる新規な振動発電装置であった。
ところが、橋梁に生じる振動の振幅は数ｍｍ〜１０数ｍｍ程度のレベルであり、しかも数Ｈｚ〜１０数Ｈｚ程度の低周波数であるので、上下移動する被駆動体の移動距離として数ｍｍ〜１０数ｍｍを確保できたとしても、これから得られる回転運動エネルギーは大きなものではなく、発電機を充分には回転できないので、モニタリングシステムへの電源供給やバッテリーへの蓄電能力を確保することは難しかった。

【0006】

ところで、本願出願人は、橋梁の劣化や騒音の原因である橋梁の振動を制御するため、同調質量ダンパー（ＴＭＤ：Tuned Mass Damper）を備えた制振装置について研究を行っている。
この同調質量ダンパーは、通過車両による振動が伝播された場合、制振装置にコイルばねを介して設けたダイナミックマスが揺れ始め、ダイナミックマスが橋梁の固有振動数と同調し、それによって生じた反力で橋梁の振動を制振する装置である。
この同調質量ダンパーを設けた制振装置を橋梁に対し設置する場合、前述の環境発電に利用することを想定し研究開発を行った結果、制振作用を備えたまま発電に供することができる構造を発案することができ、本願発明に到達した。
例えば、発電機は磁石とコイルの相対運動において速度に比例した磁気的反力を発生するが、その減衰係数が同調質量ダンパーの最適同調のための減衰係数に相当すれば、制振して発電するための効率がよいことになる。しかしながら、発電機の発電に伴う減衰係数は発電機固有に決まっており、同調質量ダンパーの最適同調の減衰係数に合わせることは容易ではない。

【0007】

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高架橋を制振すると同時に、高架橋の振動を利用して発電し、発電エネルギーの蓄電も可能とする制振発電装置およびそれを備えた高架橋の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（１）本発明は、構造物に生じた振動のエネルギーを電気エネルギーに変換するとともに前記構造物の制振を行う制振発電装置であって、制振対象とする構造物に設置される基台と、該基台上に第１の弾性体を介し上下に振動自在に支持された第１の付加質量体と、前記第１の付加質量体の上に第２の弾性体を介し上下に振動自在に支持された第２の付加質量体と、前記第１の付加質量体と前記第２の付加質量体の上下振動による相対移動により上下方向に振動されるピストン、該ピストンに取り付けられインナーヨークの外周に沿って複数の磁石を有する磁極部、前記ピストンをその軸方向に移動自在に収容するシリンダー、該シリンダーの内部に前記磁極部を囲むように設けられたアウターヨークにコイルを巻き付けて構成された起電コイルを具備してなるリニア発電機とを有し、前記アウターヨークにおいて前記磁極部側の部分は前記起電コイルの中心軸を含む断面に沿ってＣ字型に形成されており、前記シリンダーが前記第１の付加質量体と前記第２の付加質量体のどちらか一方に一体化されて上下振動自在に支持されるとともに、前記ピストンが前記第２の付加質量体と前記第１の付加質量体のどちらか他方に接続されて上下振動自在に支持されるとともに、前記第１の付加質量体が、質量板と、基板と、周壁板と、複数枚の板を積層した積層板と、底板を重ねて構成され、前記質量板と前記基板の中央部を貫通して前記周壁板の底部に達する収容部が形成され、該収容部に、前記ピストンを上向きとして前記質量板と前記基板と前記周壁板を上下に貫通し、前記積層板の上に位置するように前記シリンダーが固定され、前記質量板とその下に重ねられた前記基板と前記周壁板と前記積層板と前記底板を上下に貫通する連結ボルトによりこれらが一体化され、前記第１の付加質量体として振動自在に支持され、前記ピストンの上端部が前記第２の付加質量体に接続され、前記基台上に、前記第１の付加質量体の外周部を上下に貫通して前記第１の付加質量体の上下振動位置の上限と下限を規定するストッパー部材が立設され、前記第１の付加質量体上に、前記第２の付加質量体の外周部を上下に貫通して前記第２の付加質量体の上下振動位置の上限と下限を規定するストッパー部材が立設されたことを特徴とする。

【0009】

高架橋などの構造物の振動を受けて第１の付加質量体または第２の付加質量体が上下に相対振動し、これらに連動してリニア発電機のシリンダー内の起電コイルに対しピストンに備えた磁石が上下に相対振動する。起電コイルの内部を上下に磁石が相対振動するので、起電コイルに電流が生じて発電エネルギーの取り出しができる。構造物の振動を受けて個々に上下に振動する第１の付加質量体または第２の付加質量体のそれぞれにシリンダーかピストンを支持させているので、構造物の振動に応じてシリンダーとピストンの両方が個々に振動し、両者の上下振動でもって相対振動できる結果、構造物の振動を利用した発電ができる。
構造物の振動と第１の付加質量体または第２の付加質量体の振動との関係から制振することができる。この制振内容については特開２００６−０７７８１２号に公開されている通りである。第１の付加質量体と第２の付加質量体の相対運動により、リニア発電機の起電コイルの内部を磁石が振動し発電する。その際に受ける磁気的反力によるダンパー作用によってダブルマス制振装置に必要な減衰を得ることができる。

【0011】

第１の付加質量体とともにリニア発電機のシリンダーが基台上で振動するが、通常の振動を超える大きな振動、例えば地震発生時などのように大きな振動が生じると、第１の付加質量体とシリンダーが基台に衝突するおそれがある。これらの衝突をストッパー部材が阻止する。また、リニア発電機において、シリンダー側の起電コイルに対しピストン側の磁石の可動域が狭い構造の場合、ストッパー部材がストロークの大きなピストンの移動を抑え、リニア発電機を保護する。

【0012】

（２）本発明の高架橋は、複数の桁橋が直列配置されてなる高架橋の制振発電構造であって、前記桁橋が橋軸直交方向に所定間隔をあけて配置された一対の主桁と、前記一対の主桁の間に橋軸方向に間隔をあけて複数配置された主横桁と、前記一対の主桁の上面に載置された床版を備えてなり、前記橋軸方向に離間した複数の主横桁の間に前記橋軸方向に離間させて対になる支持横桁を前記主桁に支持させて設け、前記支持横桁に、付加質量体と弾性部材と減衰機構を備えたシングルダイナミックマス型の制振装置、および、２つの可動質量体と弾性部材とリニア発電機を備えた（１）に記載のダブルダイナミックマス型の制振発電装置を設置したことを特徴とする。
先の（１）に記載の制振発電装置を備えた構成であるならば、高架橋の制振作用とともに効率のよい環境発電が可能となり、高架橋のヘルスモニタリングシステムなどに適用されるワイヤレスセンサなどの電子部品の電源として利用することができる。
また、発電した電気をバッテリーに蓄えておくならば、交通量の少ない時期のモニタリンスシステム用の電源として、あるは別用途の電源として安定的な電源の確保ができる。

【0013】

床版の上を走行する車輌により高架橋に振動が発生し、この振動によってシングルダイナミックマス型の制振装置およびダブルダイナミックマス型の制振発電装置の第１の付加質量体が上下に振動する。それぞれの第１の付加質量体は、高架橋の振動に応じて同期振動し、その反力により高架橋の振動を抑制し、制振する。このため、高架橋の制振ができる。
制振装置において第１の付加質量体が受けた振動は、減衰機構が減衰させる。また、制振発電装置において第１の付加質量体と第２の付加質量体が受けた振動は、リニア発電機の起電コイルの内部を磁石が振動し、発電する際に受ける磁気的反力による減衰作用によって減衰される。

【0014】

（３）本発明の高架橋において、前記桁橋を構成する横桁の一部に前記シングルダイナミックマス型の制振装置と前記ダブルダイナミックマス型の制振発電装置を設置することができる。
（４）本発明の高架橋において、高架橋の振動の節に当たる位置に支持横桁を設け、該支持横桁に前記シングルダイナミックマス型の制振装置と前記ダブルダイナミックマス型の制振発電装置を設置したことが好ましい。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、高架橋などの構造物の振動を受けて第１の付加質量体または第２の付加質量体が上下に相対振動し、これらに連動してリニア発電機のシリンダー内の起電コイルに対しピストンに備えた磁石が上下に相対振動する。起電コイルの内部を上下に磁石が相対振動するので、起電コイルに電流が生じて発電ができる。構造物の振動を受けて個々に上下に振動する第１の付加質量体または第２の付加質量体のそれぞれにシリンダーかピストンが支持されているので、構造物の振動に応じてシリンダーとピストンの両方が個々に振動し、両者の上下振動でもって確実に相対振動できる結果、構造物の振動を有効に利用した発電ができる。

【0016】

本発明によれば、構造物の振動と第１の付加質量体と第２の付加質量体の振動との関係から制振することができる。また、第１の付加質量体と第２の付加質量体の相対運動により、リニア発電機の起電コイルの内部を磁石が振動し発電する。その際に受ける磁気的反力によるダンパー作用によってダブルマス制振装置に必要な減衰を得ることができる。

【0017】

図１０は、ダブルマス制振装置の場合の発電量の等高線図であり、横軸は構造物の固有振動数に対する加振振動数の比を表し、縦軸は発電装置の磁気的反力によるダンパー作用の減衰係数を第２の付加質量体の減衰比として表したものである。また、図１１は、図１０と同じ縦軸、横軸における構造物の応答変位の等高線図である。
図１０に示すように本発明に係る制振発電装置は、縦軸の減衰比が０．５から４．０程度まで大きく変化しても発電量はそれほど変化していない。つまり、発電装置の仕様による発電時のダンパー作用の強さを幅広く設定できるので、幅広い仕様の発電装置を橋梁に用いることができる。このときの制振効果は、図１１の構造物の応答変位の等高線図に示す通り、発電装置の仕様によって大きく変化していない。
従って、本発明の制振発電装置は、広い範囲の減衰比に対応させて設置することができ、数Ｈｚ程度の低周波数の固有振動数を示す橋梁等の構造物であっても発電用と制振用の両方の用途として適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明に係る制振発電装置と制振装置が設置される高架橋の一例を示す側面図。

【図2】同高架橋の構造概要と制振発電装置および制振装置の設置位置の一例を示す説明図。

【図3】同高架橋に備えられるシングルダイナミックマス型の制振装置の一例に振動が付加された状態を示す構成図。

【図4】同制振装置の構成図。

【図5】同高架橋に備えられるダブルダイナミックマス型制振装置の一例を示す側面図。

【図6】同ダブルダイナミック型制振発電装置の一例を示す平面図。

【図7】同ダブルダイナミック型制振発電装置の一例にカバー部材を備えた状態を示す側面略図。

【図8】同ダブルダイナミック型制振発電装置の動作原理について説明する図。

【図9】同ダブルダイナミック型制振発電装置の解析モデルの一例を示す図。

【図10】同ダブルダイナミック型制振発電装置により得られる二質点系の減衰率と発電電力スペクトルの等高線図。

【図11】同ダブルダイナミック型制振発電装置により得られる二質点系の減衰率と変位振幅比の等高線図。

【図12】実施例においてシングルダイナミック型制振装置とダブルダイナミック型制振発電装置を取り付けた高架橋の一例を示す説明図。

【図13】同ダブルダイナミック型制振発電装置により実際に得られた発電エネルギー波形を示すグラフ。

【図14】同ダブルダイナミック型制振発電装置により最大の発電量を得たときの加速度波形の一例を示すグラフ。

【図15】図１４に示す波形が得られた際の第１の付加質量体の加速度波形と第２の付加質量体の加速度波形の一例を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0019】

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る制振発電装置とそれを備えた高架橋の一実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に制限されるものではない。
また、以下の各図に示す構造は、本発明の特徴をわかりやすくするため、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際の構成と同じであるとは限らない。
図１、図２は本発明に係る制振発電装置を備えた高架橋の一例を示す構成図、図３、図４は同高架橋に設置される制振装置の一例を示し、図５〜図７は同高架橋に設置される制振発電装置の一例を示す。

【0020】

図１、図２に示す高架橋１は、渓谷などに設置されたトラス梁構造の一例を示すもので、この高架橋（構造物）１は、高低差のある地盤Ｇに立設されたそれぞれ高さの異なる橋脚２、３、４、５によって鉛直に支持された構造を有している。
この例の高架橋１は、橋軸方向に沿う左右両端側の主桁１０が上弦材６と下弦材７を複数のウェブ材８を介し接合したトラス構造とされている。
また、図２に示すように高架橋１を平面視した場合の概略構造として、上り側の高架橋１Ａと下り側の高架橋１Ｂが並列され、高架橋１Ａ、１Ｂがそれぞれ幅方向左右に位置する主桁１０、１０と、それらの間に主桁１０に平行に架設された副桁１１と、これらの間に複数配置された複数の横桁１２と、横桁１２間に架設されたウェブ材１３を主体として構成されている。また、図２では略しているが、主桁１０、１０の上には床版が設置され、この床版の上面側が車輌走行用の車道とされている。主桁１０、副桁１１、横桁１２、ウェブ材１３はいずれもＨ型鋼あるいはＩ形鋼などの鋼材から構成されている。

【0021】

高架橋１Ａにおいて主桁１０、１０の間の適切な位置に支持横桁１５、１５が所定の間隔をあけて主桁１０、１０に対し直角に溶接やボルト止めなどの接合手段により固定され、これら支持横桁１５、１５に支持されて高架橋１Ａの幅方向に２基のダイナミックマス型の制振装置１６と１基のダイナミックマス型の制振発電装置１７が設置されている。また、高架橋１Ｂにおいても同等の位置に支持横桁１５、１５が固定され、これらに支持されて２基の制振装置１６と１基の制振発電装置１７が設置されている。高架橋１Ａ、１Ｂにおいて図２に示す構造では橋脚間の距離の約１／４の位置に制振装置１６と制振発電装置１７が位置するように支持横桁１５、１５が配置されている。
制振装置１６と制振発電装置１７の設置個数は特に制限されず目的とする制振効果と発電効果に合致するような設置個数を選択すればよい。この実施形態では２基の制振装置１６と１基の制振発電装置１７をセットとして高架橋１Ａ、１Ｂの幅方向にそれぞれ設置した例を示している。

【0022】

制振装置１６は一例として図３、図４に示すようにＨ型鋼材などを組み付けて構成した矩形枠状の金属製のベース基台２０の上に立設された４つの支持軸２１によって上下移動自在に矩形板状の第１の付加質量体２２が支持されている。第１の付加質量体２２の中央部側には錘体２２Ａが一体化され、第１の付加質量体２２の各コーナー部分を貫通するように支持軸２１が設けられている。
各支持軸２１において第１の付加質量体２２の下側には下部コイルばね（弾性体）２３が設けられ、各支持軸２１において付加質量体２２の上側には抜け止め板２５により抜け止めされて上部コイルばね（弾性体）２６が設けられている。付加質量体２２はその上下をコイルばね２３、２６により挟まれて弾性支持されているので、付加質量体２２に高架橋１Ａ、１Ｂの振動が伝達されると付加質量体２２は上下のコイルばねのばね力に抗しつつ支持軸２１に沿って上下に振動できるように構成されている。この例の制振装置１６は質量体として第１の付加質量体２２のみを有するのでシングルダイナミック型と称することができる。

【0023】

付加質量体２２の外側であってベース基台１０のコーナー部分にオイルダンパー（減衰機構）２８が設けられている。このオイルダンパー２８は、オイルを収容したシリンダー２８Ａに対しピストン２８Ｂが摺動自在に挿入され、シリンダー２８Ａの内部にオリフィスを伴うオイルの流路が構成されている。シリンダー２８Ａに対しピストン２８Ｂが相対摺動する際、オリフィスを通過するオイルの粘性抵抗により減衰作用が発揮され、付加質量体２２を振動させるエネルギーの一部が熱エネルギーに変換されて吸収される。
制振装置１６において、錐体２２Ａを備えた第１の付加質量体２２に作用した上下方向への振動エネルギーにより、第１の付加質量体２２はコイルばね２３、２６の弾性力に抗して上下に振動するが、第１の付加質量体２２は高架橋１Ａあるいは高架橋１Ｂの固有振動と同期して振動するので高架橋１Ａ、１Ｂの振動を減衰するとともに、オイルダンパー２８の作用によって前記振動エネルギーは熱エネルギーに変換されて消費される。
なお、図３、図４に符号２９で示すものは、付加質量体２２の上下移動量を規制するストッパー部材である。このストッパー部材２９には第１の付加質量体２２の上方に間隔をあけて位置する上部規制板２９ａと第１の付加質量体２２の下方に間隔をあけて位置する下部規制板２９ｂが設けられている。

【0024】

制振装置１６は、隣接する一対の支持横桁１５、１５の間に支持プレート３０を溶接などの接合方法により橋渡し状に接合し、この支持プレート３０の上にベース基台２０をボルト止めするなどの手段により取り付けられている。
図２に示す構造は制振装置１６、１６と制振発電装置１７を高架橋１Ａの幅方向に合計３基設置した例であるため、支持プレート３０は高架橋１Ａの幅方向ほぼ全長に延在する長方形状に形成されている。図２の例では支持プレート３０の上であって、副桁１１、１１の位置より若干外側の位置、即ち副桁１１の設置位置より若干主桁１０側よりの位置にそれぞれ制振装置１６が設けられている。また、制振発電装置１７は２基設けられた制振装置１６のうち、一方の制振装置１６に近い位置に設置されている。

【0025】

制振発電装置１７は、一例として図５〜図７に示すように矩形板状の金属製のベース基台３５の上に第１の付加質量体３６と第２の付加質量体３７とリニア発電機３８を備えた構成とされている。
ベース基台３５は図６に示す平面視横長の板状体からなり、ベース基台３５の４つの角部にそれぞれ取付ボルト挿通用の取付孔３５ａが形成されている。前述の支持プレート３０の上にこれらの取付孔３５ａを利用してベース基台３５をボルト止めすることが可能となる。
ベース基台３５上においてこれら取付孔３５ａより内側の部分に第１の付加質量体３６が支持されている。第１の付加質量体３６は、基板４０の上に板状の第１の質量板４１と第２の質量板４２を積み重ね、基板４０の中央底部側に収容部４３ａを備えた周壁板４３と複数枚の積層板４５と底板４６が重ねて一体化されている。図５、図７に示すように上から順に第２の質量板４２、第１の質量板４１、基板４０、周壁板４３、積層板４５、底板４６を上下に貫通するように連結ボルト４７が設けられ、これらが一体化されている。また、第２の質量板４２、第１の質量板４１、基板４０の中央部を貫通して周壁板４３の底部側に達する収容部４３ａが形成され、この収容部４３ａに以下に説明するリニア発電機３８が搭載されている。

【0026】

リニア発電機３８はシリンダー５０に対し上下に移動自在にピストン５１が設けられ、シリンダー５０内のピストン５１の一部に円環状に配置された永久磁石からなる磁極部５２が形成され、シリンダー５０の内部において磁極部５２の周囲側に起電コイル５３が設けられている。ピストン５１の上端部は第２の付加質量体の底部に連結されている。なお、ピストン５１において磁極部５２を構成する部分にインナーヨークが構成され、このインナーヨークの外周に沿って板状の永久磁石を複数配置することで磁極部５２が構成されている。また、シリンダー５０の内壁部分には図示略のアウターヨークが設けられ、このアウターヨークにコイルを巻き付けることで起電コイル５３が構成されている。
リニア発電機３８において、ピストン５１が上下方向に振動すると、起電コイル５３の内側において永久磁石からなる磁極部５２が上下移動するので電磁誘導により起電コイル５３に沿って電流が流れ、発電ができるようになっている。

【0027】

なお、起電コイル５３を装着するアウターヨークにおいて起電コイル５３を囲む部分は起電コイル５３の中心軸を含む断面に沿って断面Ｃ字型に形成されていて、磁極部５２側に隣接するアウターヨークの磁極先端側に磁束が集中しやすい構造とされている。この磁束が集中しやすい領域を永久磁石を備えた磁極部５２が通過することでリニア発電機３８は効率良く発電ができるように構成されている。このため、リニア発電機３８はピストン５１の移動ストロークが例えば１０ｍｍ（±５ｍｍ）程度で効率良く発電可能であり、ピストン５１の上下方向の振動に伴い磁極部５２が上述の領域を通過することで効率良く発電ができる。

【0028】

第１の付加質量体３６はそのコーナー部分４箇所を上下に貫通する支持軸５５により軸支されている。各支持軸５５において第１の付加質量体３６の底部側に配置された下部コイルばね（弾性体）５６と各支持軸５５において第１の付加質量体３６の上部側に配置された上部コイルばね（弾性体）５７により第１の付加質量体３６を吊り持ち支持することで第１の付加質量体３６が上下方向に振動できるように弾性支持されている。なお、下部コイルばね５６の下端がベース基台３５に望む部分と下部コイルばね５６の上端が基板４０に望む部分にはそれぞればね受け座金５８が設けられ、上部コイルばね５７の下端が第２の質量板４２に望む部分と上部コイルばね５７の上端側にばね受け座金５９が設けられている。

【0029】

第１の付加質量体３６の基板４０において支持軸設置位置の外側に延出部４０ａが形成され、これらの延出部４０ａを上下に貫通するようにストッパー部材６０が設けられている。このストッパー部材６０は、ベース基台３５上に立設され、延出部４０ａに形成されている透孔を貫通するとともに、延出部４０ａの上方に間隔をあけて位置された上部規制部材６１と、延出部４０ａの下方に間隔をあけて配置された下部規制部材６２を有している。
これらの規制部材６１、６２は基板４０の上下振動の際の上限位置と下限位置を規制する。

【0030】

次に、第１の付加質量体３６の上に２本の支持軸６３が立設され、これらの支持軸６３に両側を支持された状態で第２の付加質量体３７が上下に振動自在に支持されている。
支持軸６３、６３は図６に示すように平面視リニア発電機３８の左右を挟む位置であって、それぞれ支持軸５５、５５の近傍に立設され、第２の付加質量体３７の両端部分を支持軸６３が支持している。
第２の付加質量体３７は、図６に示すように平面視帯板状に形成され、下から順に第１の質量板３７ａと第２の質量板３７ｂと第３の質量板３７ｃが積層された構造とされている。支持軸６３はこれらを上下に貫通するように設けられ、各支持軸６３において第２の付加質量体３７の底部側に配置された下部コイルばね（弾性体）６６と各支持軸６３において第２の付加質量体３７の上部側に配置された上部コイルばね（弾性体）６７により第２の付加質量体３７を吊り持ち支持することで第２の付加質量体３７が上下方向に振動できるように弾性支持されている。なお、下部コイルばね６６の下端が第２の質量板４２に望む部分と下部コイルばね６６の上端が第１の質量板３７ａに望む部分にはそれぞればね受け座金６８が設けられ、上部コイルばね６７の下端が第３の質量板３７ｃに望む部分と上部コイルばね６７の上端側の部分にばね受け座金６９が設けられている。

【0031】

第２の付加質量体３７の両端側は支持軸５５、５５の間の領域まで延出され、この延出部分を上下に貫通するようにストッパー部材７０が設けられている。このストッパー部材７０は、第２の質量板４２上に立設され、第２の付加質量体３７を貫通するとともに、第２の付加質量体３７の上方に間隔をあけて位置された上部規制部材７１と、第２の付加質量体３７の下方に間隔をあけて配置された図示略の下部規制部材を有している。
これらの規制部材は第２の付加質量体３７の上下振動の際の上限位置と下限位置を規制する。

【0032】

図７において符号８０で示すものは、制振発電装置１７のカバー部材であり、このカバー部材８０はベース基台３０の取付孔３５ａを形成した部分に図７に示すように立設される支柱８１によって支持される。また、支柱８１の上端部にリングナット８２が取り付けられていて、これらのリングナット８２を介し制振発電装置１７の全体を吊り持ち移動することができる。これらのリングナット８２は制振発電装置１７の設置移動時に有用となる。
なお、図面では略しているが、リニア発電機３８のベース基台３５上には蓄電池を備えた蓄電装置が設置されていて、リニア発電機３８が発電した電気エネルギーを蓄電池に蓄電できるように構成されている。
この蓄電装置への蓄電量の変化をモニタリングできる装置を設け、発電した電力を利用して高架橋１のヘルスモニタリングが可能なシステムを構築することができる。また、このモニタリングシステムからの情報を送信する通信機を設け、この通信機から送信することで遠隔地における高架橋１のモニタリングが可能となる。
あるいは、蓄電装置への蓄電量の変化をモニタリングすることで蓄電量が所定時間無い場合や蓄電量が異常に多い場合等に異常と見なしてヘルスモニタリングが可能となる。

【0033】

高架橋１において床版の上を車輌が走行すると床版が振動する。この振動は主桁１０、１０、上弦材６、ウェブ材８などを介し支持横桁１５に伝達される。
支持横桁１５、１５に伝達された振動は、支持プレート３０を介し制振装置１６と制振発電装置１７に伝達される。制振装置１６に伝達された振動により第１の付加質量体２２がコイルばね２３、２６の弾性力に抗して上下に振動し、高架橋１の固有周期と同調し、それによって生じた反力により高架橋１を制振する。また、オイルダンパー２８が作動して第１の付加質量体２２の振動エネルギーを熱エネルギーに変換して振動エネルギーを減衰する。このため、高架橋１を効率良く制振することができ、特に２〜１５Ｈｚ程度の低周波音を低減できる。

【0034】

また、制振発電装置１７に伝達された振動により第１の付加質量体３６がコイルばね５６、５７の弾性力に抗して上下に振動し、高架橋１の固有周期と同調し、それによって生じた反力により高架橋１の振動を抑制する。また、制振発電装置１７において第１の付加質量体３６の振動に応じて第２の付加質量体３７も振動する。第１の付加質量体３６と第２の付加質量体３７の相対移動に応じ、リニア発電機３８のシリンダー５０に対しピストン５１が相対振動するので、起電コイル５３の内側において永久磁石を備えた磁極部５２が振動する結果、起電コイル５３に電流が流れて発電がなされる。
また、起電コイル５３の内側で永久磁石を備えた磁極５２が振動する際、磁気的反発力から減衰機能が発揮され、第１の付加質量体２２の振動エネルギーを減衰する。このため、制振発電装置１７によっても高架橋１を効率良く制振することができ、特に２〜１５Ｈｚ程度の低周波音を低減できる。

【0035】

以上説明のように、制振装置１６、１６と制振発電装置１７を備えた高架橋１であるならば、高架橋１が制振されているので、近隣地域に低周波振動の影響を与え難い。よって、高架橋１が居住地区に隣接して設置されていた場合であっても、近隣の建築物に低周波振動による騒音などの悪影響を与えることがない。
また、高架橋１にその状態をモニターする各種センサ機器を備える場合、制振発電装置１７のリニア発電機３８が発電した電気エネルギーを利用することが可能となり、道路用の送電網に頼ることなく車輌の走行に伴い振動を利用した環境発電による電気エネルギーで各種センサ機器の電源を確保することができる。

【0036】

なお、上述の実施形態においては、第１の付加質量体３６側にリニア発電機３８のシリンダー５０を取り付け、第２の付加質量体３７側にピストン５１を接続したが、リニア発電機３８は上下逆に設置してもよい。よって、第２の付加質量体３７側にリニア発電機３８のシリンダー５０を取り付け、第１の付加質量体３６側にピストン５１を接続してリニア発電機３８を設置してもよい。

【0037】

また、図４に示す構造のシングルマス構造の制振装置１６においてリニア発電機３８を搭載し、発電機として構成することもできる。その場合、オイルダンパー２８の代わりにリニア発電機３８を設け、リニア発電機３８の起電コイル５３の内部を磁極部５２が振動し、発電する際の磁気的反力によるダンパー作用を制振力として用いる。
この構造においても先のリニア発電機３８の構造と同様に、構造物の制振とともに振動発電を行うことができる。

【実施例】

【0038】

図８は第１の付加質量体と第２の付加質量体を備えた二質点系の同調質量系発電デバイスのモデル解析に用いる解析モデルを示し、図９はリニア発電機部分の等価回路を示す。
この解析モデルは、バネ常数κのバネと減衰定数Ｃ_Ｍのダンパーで支持された高架橋の等価質量をＭと設定し、バネ、電磁誘導型のリニア発電装置および２つの質量である第１の付加質量体ｍ_１と第２の付加質量体ｍ_２で構成された二質点系同調質量系に発電デバイスが付加された状態を示す。
質量Ｍの高架橋に調和外力Ｆ＝Ｆ_０sinωｔが作用した時、発電電力と高架橋変位の伝達関数を求める。

【0039】

Ｆｅは図８に示す電磁誘導式発電装置を用いたリニア発電装置の回路による減衰力であり、発電装置の誘導起電力定数をκｅｍｆ[Ｖｓ／ｍ]とすると、発電による減衰率はＦｅ＝κｅｍｆＩで表される。一般性を持たせるため、無次元量ξｅ＝κ^２_ｅｍｆ／｛２（ｍ_２κ_２）^１／２（ｒ＋Ｒ）｝を発電による減衰比とする。
静的変位Ｆ_０／κに対する定常振動状態の橋梁変位振幅の比を変位振幅比、振動系の仕事率Ｆ_０^２（Ｋ／Ｍ）^１／２に対する発電電力振幅の比を発電電力比と定義する。
以上定義した場合の加振力の振動比λと減衰率ξに対する発電電力比と変位振幅比の解析結果を図１０と図１１に示す。

【0040】

振動数比はλ＝ω／（κ／Ｍ）^１／２で示される無次元量である。ここでは、第１の付加質量体の高架橋（橋梁）に対する質量比μ１＝ｍ１／Ｍは０．００１（１％）としている。
図１０は、ダブルマス制振装置の場合の発電量の等高線図であり、横軸は構造物の固有振動数に対する加振振動数の比を表し、縦軸は発電装置の磁気的反力によるダンパー作用の減衰係数を第２の付加質量体の減衰比として表したものである。また、図１１は、図１０と同じ縦軸、横軸における構造物の応答変位の等高線図である。

【0041】

図１０の中央よりの小さな○印は、発電電力比の極大値の位置を示しており、破線はそのときの減衰率ξｅを示している。図１１の下側の小さな○印は振幅比の極大値の最小値を示しており。細線はそのときの減衰率ξｅを示している。
これらの結果から、大きな発電電力比スペクトルを与える減衰率ξｅと、小さな振幅比スペクトルを与えるξｅは一致しないことがわかる。即ち、二質点同調質量系デバイスにおいて、高架橋の振動抑制を目的とした設定と高架橋の振動発電を目的とした設定ではパラメーターの設定値が異なることを示している。

【0042】

しかし、図１０に示すように本発明に係る制振発電装置は、縦軸の減衰比が０．５から４．０程度まで大きく変化しても発電量はそれほど変化していない。つまり、発電装置の仕様による発電時のダンパー作用の強さを幅広く設定できるので、幅広い仕様の発電装置を橋梁に用いることができる。このときの制振効果は、図１１の構造物の応答変位の等高線図に示す通り、発電装置の仕様によって大きく変化していない。
従って、本発明の制振発電装置は、広い範囲の減衰比に対応させて設置することができ、数Ｈｚ程度の低周波数の固有振動数を示す橋梁等の構造物であっても発電用と制振用の両方の用途として適用することができる。
また、先の実施形態では、１つの高架橋１に対し３基の制振装置を設ける場合、全て制振発電装置とするのではなく、１基のみ制振発電装置として残り２基を制振装置とした例を望ましい例として示している。
以上の解析結果を踏まえ、パラメーターの設定について検討する。

【0043】

高架橋における対象振動に対する発電エネルギーを最大とする制振発電装置のパラメーターを決定するため、図８に示した高架橋−制振発電装置のモデルに自動車交通による等価加振力Ｆを解析モデルに加え、発電エネルギーを算出した。
等価加振力は大型車が単独で通過したと思われる代表的な加速度波形から算出した。
用いた制振発電装置の第１の付加質量体の質量を１０４ｋｇ、対象モードの高架橋等価質量２３３トンの約０．０４５％である。高架橋の発電対象振動モードの減衰率はバンドパスフィルターを通して得られる加速度の自由減衰波形より算出した。
制振発電装置の機械的な減衰率はハーフパワー法により同定した値を用いる。対象としたパラメーターは第１の付加質量体と第２の付加質量体の振動数ｆ１、ｆ２と発電による減衰率ξｅである。これら３つのパラメーターを変化させ、繰り返し計算によって最大の発電エネルギーとなるパラメーターを決定した。

【0044】

主なパラメーターを以下に示す。
第１付加質量体の質量１０４ｋｇ、第２付加質量体の質量３１ｋｇ、第１付加質量体の固有振動数ｆ_１＝６．９２Ｈｚ、第２付加質量体の固有振動数ｆ_２＝１０．２Ｈｚ、第１付加質量体の減衰率ξ_１＝０．００９、第２付加質量体の減衰率ξ_２＝０．００９、発電による減衰率ξｅ＝２０３８Ｎｓ／ｍ。
これらのパラメーター設定に従い、図１２に示すように高架橋１Ａ、１Ｂのそれぞれの径間の中央位置に支持横桁を設置し、支持横桁間に当初１基の制振発電装置を設置し、試験したところ、リニア発電機のストロークの１０ｍｍ（±５ｍｍ）を超えるストロークが第１付加質量と第２付加質量から与えられることがわかった。

【0045】

そこで、図１に示す構造の高架橋（中央高速道路、池ヶ谷橋三径間連続トラス橋の下り車線側）に実際に制振発電装置を取り付ける場合、２基の制振装置と１基の制振発電装置を組として高架橋に設置し、設置位置として、第１径間の１／４Ｌ地点の横桁に対しＨ型鋼を介し取り付け、２４時間の発電実験を行った。発電対象振動数を６．１Ｈｚとした。
２基の制振装置と１基の制振発電装置を組として高架橋に設置すると、１基の場合より個々の装置のストローク量を少なくすることができ、１／４Ｌ地点に設置することで、高架橋の振動の節の位置であって振幅のより小さい位置に設置することができると推定し試験に供した。
取り付け後、第１付加質量体の１〜８Ｈｚの振動数域において第１の付加質量体と第２の付加質量体が同位相で振動することを確認できた。

【0046】

図１３に２４時間計測した結果、１０分間毎の発電エネルギーの遷移を実線で示し、６０分移動平均を鎖線で示す。発電エネルギーは、交通状態により大きく変化するが、いずれにおいても充分な発電エネルギーを取り出し得ることが判明した。
例えば、一般市販のワイヤレス電圧ロガーにおいて消費電力約１．６ｍＷ、記録間隔１分のタイプであれば、２台分をまかなえる量の発電ができている。また、ワイヤレスの３軸加速度センサ、消費電力１００ｍＷ、サンプリングレート１３０あるいは２８０Ｈｚであるならば、約５時間毎に１０分間の計測が可能な発電量である。

【0047】

図１４は図１３に示すように２４時間の発電を行っている間、最大発電電力を得たときの振動発電機取り付け位置での加速度波形を示している。
このときの瞬間最大値は３．２Ｗ、加速度は瞬間的に２００ｇａｌを超えていた。また、この他の発電においても通常の大型車輌が通行した際に平均的に１００ｇａｌ程度が記録されているので、高架橋のヘルスモニタリングシステム用として優れた発電効果を得られることがわかった。

【0048】

図１５は、図１４で示した加速度波形と同時に計測した振動発電機の第１付加質量体の加速度波形及び発電電圧波形を用いて、高架橋と制振発電装置のエネルギー遷移を対比して示す。振動モードによって高架橋等価質量が異なるため、エネルギーの量比は１−３次振動モード（１次３Ｈｚ：３９４トン、２次６Ｈｚ：１４８トン、３次９Ｈｚ：１２３トン）の合計から求めた。
高架橋と振動発電機からなるシステムに与えられた合計エネルギーは９８．３Ｊで振動発電機はそのうちの３．３Ｊを電気エネルギーに変換したこととなる（エネルギー変換効率３．４％）。振動発電機が吸収したエネルギーは、減衰エネルギー（３．０Ｊ）と発電エネルギー（３．３Ｊ）の合計で表され、システムに与えられたエネルギーのうち、６．３Ｊ（６．４％）を振動発電機が吸収したこととなる。

【符号の説明】

【0049】

１、１Ａ、１Ｂ…高架橋（構造物）、１５…支持横桁、１６…制振装置、１７…制振発電装置、２０…ベース基台、２２…第１の付加質量体、３５…ベース基台、３６…第１の付加質量体、３７…第２の付加質量体、３８…リニア発電機、５０…シリンダー、５１…ピストン、５２…磁極部、５３…起電コイル、５５…支持軸、５６…下部コイルばね（弾性体）、５７…上部コイルばね（弾性体）、６０…ストッパー部材、６３…支持軸、６６…下部コイルばね（弾性体）、６７…上部コイルばね（弾性体）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】