2019 Fiscal Year Research-status Report
磁気反発力による衝撃方向変換機構を用いた無指向性振動型MEMSエナジーハーベスタ
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19K04533
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
藤田 孝之 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (50336830)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | エナジーハーベスタ / MEMS / 磁性薄膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
MEMSと融合可能な独自のネオジム(NdFeB)スパッタ薄膜磁石を用いて磁気反発力による衝撃方向変換機構を考案し，面外方向（厚さ方向）の衝撃を，直交した面内方向衝撃に変換する低背エナジーハーベスタの実現と，無指向性振動型エナジーハーベスタの実現可能性を模索する。
本年度は，磁性体形状と付随するバネ構造を設計すれば効率よく衝撃を変向できるかを明らかにし，その成果をもとに低背構造の面外衝撃から面内減衰振動するエナジーハーベスタ，さらに多方向からの衝撃を単方向に変換する無指向性エナジーハーベスタ構造設計指針を明らかにする。まず薄膜磁石をSiスリット構造上にスパッタ成膜することで，磁束密度を向上させた先行研究の実験において，面外方向（z方向）への力が面内方向（x方向）に変向される現象を，定量的に評価するための基礎研究を行った。
NdFeB薄膜磁石を上下に正対させた状態から，片方の薄膜磁石を面内方向へとオフセットした状態で面外ギャップを変化させ，面内・面外方向への磁気反発力を積分要素法解析ソフトによって解析的に求めた。構造体をギャップ15 µmで対向させて，面内方向にオフセットした場合，初期位置で面外方向の磁気反発力Fzが最大の400 mNとなり，面内方向右向きの力Fxは0となる。オフセット25 µmにおいて，Fzが0，Fxが最大値の390 mNとなることを解析的に明らかにした。
実験的に解析結果を評価するため，微細磁石配列の磁気力評価のため図6に示すMEMSデバイスを製作した。スリット形状マスをx軸方向にのみ可動域をもつ微細ばねで支持し，マスの変位を光学的および電気的（くし歯電極による静電容量変化）に計測する。残念ながらスパッタ材料の都合により，磁性体の成膜には至っていないが，MEMS櫛歯構造の初期評価まで完了した。今後磁性体を含めた評価を行っていく予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
振動方エナジーハーベスタのための方向転換機構の定量測定デバイスをMEMS技術にて作製したが，年末に磁性体スパッッタ材料のエロージョン（局所的な消耗）によって，適切な磁性膜が成膜できない状況となった。急ぎで特注のターゲット材料を発注したが，納期がかかり完成には至らなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
ターゲット交換後のスパッタリング装置の成膜性能を確認後，磁気反発力の定量評価をおこなっていく。
面内方向へのMEMS構造体変位の計測には市販のCDC(容量ーデジタル変換）回路を用いるが，状況によっては断面方向からのレーザ測距なども検討する。また，衝撃に対する応答，SRS(ショック・レスポンス・スペクトラム）解析で，面外方向への衝撃でどの程度，面内方向への励振が得られるのか，有限要素解析ソフトだけでなく，磁気モーメント法ソフトも活用して，動解析にも取り組んでいく。
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| Causes of Carryover |
（理由）
研究グループで共有している装置について，建屋移設等の別予算で処理できたため予定よりも消費が少なかった。
（使用計画）
磁性体ターゲット材料は特注のため，実験での消耗具合を適切に見極めて計画的に発注，研究を遂行していく。
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Research Products
(4 results)
