2018 Fiscal Year Annual Research Report
Device control and structure design for high conversion efficiency of MEMS vibratory energy harvesters with high Q-value in a wide band
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15K06016
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
山下 馨 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (40263230)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤田 孝之 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (50336830)
野田 実 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (20294168)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 圧電 / MEMS / 応力 / 共振周波数 / 振動モード / エネルギー変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ダイアフラム構造を有する圧電MEMS構造体において，圧電薄膜の物性とMEMS特有非線形歪みの効果を組み合わせて，デバイス全体としての変換能力の向上を図る。昨年度得られた圧電薄膜の製膜条件による最適化の追究を進めるとともに，逆圧電応力印加が振動モードに与える影響を詳細に吟味した。
1. PZT薄膜の結晶配向性と応力・圧電性能の関係について，これまで(111)相対配向比率が0～40%の範囲についてデータが得られていなかったので，ゲル膜を得る仮焼成温度を精密に調整し，この領域での応力と残留分極の変化を評価した。残留分極の値は相対配向比率の減少に対して単調に減少し，また応力を評価するためのダイアフラム撓みはほぼ単調に増加した。結果として得られたエネルギー変換効率は，この領域ではバラツキが大きいものの，全体として相対配向比率の減少に伴い減少した。これにより，配向比率50%付近が最適であることが明らかになったが，この低配向比率側での変換効率のは分極量の減少だけから説明できる以上に大きく減少しており，この原因を探るべく事業終了後も継続して研究を進めたい。
2. 逆圧電応力の印加によりダイアフラム撓み量を変化させてパルス応答振動モードを評価し，静的撓み量に対する昨年度の評価結果と比較した。これによると，印加応力が小さく撓み量が大きい領域では，従来の静的撓み量に対する挙動と一致した。これに対して撓み量の小さい領域では，従来のように多数のモードが分岐することが少なく，ごく少数のモードのみが現れた。これは大きな逆圧電応力により多数モードの生成が抑えられたものと考えられる。さらに応力印加に対する共振周波数変化が，従来のバタフライ形状のものとは異なる傾向が観測された。これは各モードの周波数がゆるやに変化しつつ，さらに支配的な振幅を示すモードが移り変わっている可能性を示しており，これも今後追究したい。
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