2020 Fiscal Year Annual Research Report
Mechanical metamaterial design theory and its application to wearable vibration energy harvesting technology
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20H02095
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
鈴木 孝明 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (10378797)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / マイクロナノメカトロニクス / MEMS / メタマテリアル / 振動発電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、申請者の独自微細加工技術である３Dリソグラフィ法を用いて微細構造を組み合わせたメカニカルメタマテリアル構造を製作すると共に、その構造を用いて、デバイス外部環境の機械エネルギーをデバイス内部の振動、変形エネルギーに効率的に変換する圧電型振動発電デバイスを開発している。具体的には、人とその周りの環境の振動をターゲットとして、低周波数（数十Hz以下）・広帯域（インパルス、ランダム）な振動に対するボダン電池サイズの振動発電技術を、メタマテリアル構造を組み合わせたポリマーMEMS振動発電デバイスで実現する。
その実現方法として、本研究では、申請者の独自微細加工技術である3Dリソグラフィ法を用いて微細構造を組み合わせたメカニカルメタマテリアル構造を製作すると共に、その構造を用いて、デバイス外部環境の機械エネルギーをデバイス内部の振動、変形エネルギーに効率的に変換する圧電型振動発電デバイスを開発している。
研究項目は３つあり、①メカニカルメタマテリアル構造の検討、②振動発電デバイスの発電特性評価、③ウエアラブル応用検討からなる。本年度は、研究初年度して、①と②について、2Dメタマテリアル構造を対象とした弾性体の解析試作評価と、発電デバイスへの適用について、検討した。特に、項目①について、比較的構造がシンプルで製作も容易な2Dモデルの中から、機械的特性の高い構造として蝶型構造を抽出し、さらに圧電－構造連成解析により蝶型構造の寸法最適化を行い、設計指針を得ることができた。
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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
本研究は、3つの研究項目として、①メカニカルメタマテリアル構造の検討、②振動発電デバイスの発電特性評価、③ウエアラブル応用検討からなる。本年度は、特に研究初年度して、①と②について、2Dメタマテリアル構造を対象とした弾性体の解析試作評価と、発電デバイスへの適用について、検討した。
研究項目①については、メタ原子と呼ばれる周期的なメカニカルメタマテリアル構造を厚膜フォトレジストを材料として３Ｄリソグラフィ法により複数作製検討し、1)負のポアソン比、2)面内ひずみの均一性、3)柔軟性などについて、カンチレバー型や引張型などのモデルを使って有限要素法解析（構造解析、モーダル解析）と実験による試作評価を比較しながら、メカニカルメタマテリアル構造の設計原理を抽出、検討している。とくに本年度は、比較的構造がシンプルな2Dモデルの構築を開始し、寸法最適化に至り、計画していた設計指針が得られた。
研究項目②については、メカニカルメタマテリアル構造を含む振動発電デバイスとして、複数のデバイス形状（ユニモルフ型、バイモルフ型、ダイヤフラム型など）の検討を開始した。有限要素法による圧電－構造連成解析による発電量の予測に基づき、より最適な素子形状の検討を開始した。また、デバイスの試作においては、予備検討において、圧電膜の成膜再現性に課題があるため、分極処理の方法として、新たに導入した高電圧アンプを組み合わせた分極処理方法について、分極時に膜質を電気的に計測しながら処理する方法の検討を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究初年度で開始した、①メカニカルメタマテリアル構造の検討、②振動発電デバイスの発電特性評価について継続しながら、③ウエアラブル応用検討を開始する。
研究項目①については、本年度の研究の結果、比較的構造がシンプルな2Dモデル（蝶型構造）の寸法最適化がある程度得られたことから、最終年度に向けて、徐々に複雑な2Dモデルや3Dモデルへ設計原理を展開していく。
研究項目②については、引き続き、メカニカルメタマテリアル構造を含む振動発電デバイスとして、複数のデバイス形状（ユニモルフ型、バイモルフ型、ダイヤフラム型など）の検討を継続する。特に、初年度導入した高電圧アンプを用いた分極処理方法の検討を進めて、圧電膜の成膜再現性のさらなる向上を目指す。
研究項目③については、人の歩行振動による発電特性検証を開始し、小型無線モーションレコーダを用いて歩行振動を計測し、今後導入予定の振動制御器を組み合わせた加振器によって、デバイスを実環境に近い状態で振動評価する。
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