2019 Fiscal Year Research-status Report
Study on method of monitoring facility condition using vibration power generation of high output piezoelectric elements as power source
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18K04030
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| Research Institution | Kanagawa University |
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Principal Investigator |
藤本 滋 神奈川大学, 工学部, 教授 (80386888)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
一木 正聡 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 総括研究主幹 (00267395)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 圧電素子 / ランタン / 振動発電 / 設備状態モニタリング / PZT素子 / 動荷重 / エナジーハーベスティング / 加速度センサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、産業施設や設備に発生する振動を、高出力圧電素子（以下PZT素子）を用いて電気変換し、これを電源として加速度センサを駆動し、離れた場所でモニタリングすることで対象とする機械設備を監視する手法を開発することである。
2019年度は、前年度開発した高出力発電素子であるLa添加11層積層PZT素子（以下La型積層PZT素子）を用いてこの素子の詳細な電気出力特性と加速御センサー駆動に関する検討を行った。
まず、周辺回路のインピーダンスがLa型積層PZT素子の発電特性に及ぼす影響について調べた。その結果、周辺回路のインピーダンスが0.25MΩの場合、最大出力が得られることがわかった。加重200N、振動数60Hzの場合、約6mWの出力であった。この結果から、La型積層PZT素子は、これまでにない大きな高出力性能を持つことが明らかになった。
次に、La型積層PZT素子を3体並列にした振動発電（振動台による動荷重）によるアナログ加速度センサ（有線型）の駆動実験を実施した。駆動回路としてこのセンサの駆動電圧範囲に制御する回路（定電圧回路とスイッチング回路）を開発した。実験の結果、アナログ加速度センサを駆動でき、正確に加速度が計測できることを確認した。一定の動荷重条件では連続駆動できることも確認できた。
さらに、La型積層積層PZT素子を3体並列にした振動発電（上記と同条件）による無線加速度センサの駆動実験を行った。ここでは、大きな電力が必要な無線加速度センサの駆動回路として、損失電力を極力抑えることのできる省電力型駆動回路を開発した。実験の結果、動荷重と蓄電回路容量の条件によって無線加速度センサを約0.3秒から13秒間駆動し、正確な加速度データを計測用PCに無線送信することができた。世界で初めての成果である。
以上の成果を、２つの学会にて発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
提出した調書の研究計画においては、2018年度と2019年度においては、まず、①PZT素子の発電特性発電特性の向上のために、最適なLa濃度を持つPZT素子を開発し、さらに、それを最適に積層したLa添加積層PZT素子を開発することである。また、このLa添加積層PZT素子の発電特性を把握することであった。次に②加速センサ駆動のための電力供給安定回路および省電力化された高効率の回路設計を開発することであった。
我々の2019年度の研究では、上記①、②の目標を達成するとともに、開発したLa添加積層PZT素子を用いた振動発電にて有線型のアナログ加速度センサおよび無線型加速度センサを駆動する実験を行い、駆動しただけでなく、正確な加速度計測を行うことに成功した。
さらに、これらの成果について、２つの学会において報告・発表を行ったことが理由である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度は、2019年度の成果を受けて、実際の振動する機械設備にLa添加積層PZT素子を組み込んだ振動発電により、有線型アナログ加速度センサおよび無線加速センサを駆動する実証試験を実施する予定である。これまでは、動荷重を振動台から得る振動発電実験装置を用いた振動発電による各種加速度センサーの駆動実験であったが、今年度は、小型コンプレサー稼働時の振動（動荷重）を利用した実験を行うともに、実際の産業施設や機械設備への適用性を評価する。このような実証実験を行うことで、我々が開発して来た加速度モニタリングシステムの実用性、実現性が実証できる。
さらに、得られた成果について学会発表を行うとともに各学会に論文投稿を行う。
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| Causes of Carryover |
今年度の無線加速度センサ用の省電力・高効率型駆動回路の開発費（回路製作費）が予定していた費用より少なくすんだことが大きな要因である。
2020年度は、2019年度の実験結果を踏まえて上記駆動回路の改良を行う予定である。また、La添加積層PZT素子の一部が破損したため、補修あるいは新規製作を行うことも予定している。2020年度は予算額が少ない（600,000円）ため、2019年度の余剰額を合わせて、上記の物品製作に充当したい。
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