2013 Fiscal Year Research-status Report
圧電素子の積層化による振動発電装置の高出力化に関する研究
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25420196
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
藤本 滋 東京都市大学, 工学部, 教授 (80386888)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
一木 正聡 独立行政法人産業技術総合研究所, 集積マイクロシステム研究センター, 研究チーム長 (00267395)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 圧電素子 / ピエゾ素子 / エネルギーハーベスト / 振動発電 / 積層構造 / 回路モデル / 構造物振動 / 振動試験 |
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| Research Abstract |
初年度の研究として、まず、試作した厚さ2.5mm，Nbを1.0Mol%添加したピエゾ素子（以下PZT素子）および、この素子を3，5，7層にした積層型PZT素子について、電気的特性と振動荷重に対する発電特性を実験的に詳細に把握した。さらに、積層型PZT素子の等価回路モデルを提案し、実験結果と比較した。その結果、①発電に関する電気的特性は積層数に比例すること、②振動荷重に対する発生電圧は,荷重振幅に対して積層数に比例して増加するが、振動数に対しては頭打ちになること、③発生電力は、7層PZT素子では実験範囲において約8mWと従来の素子に比べ大幅に向上すること、④等価回路モデルを用いた解析により、積層型PZT素子のこれらの発電特性が全て説明できることが確認された。
次に、等価回路モデルを用いてさらに発電特性を向上させる積層型PZT素子の最適設計を行い、厚さ2.5mmおよび3mm，Nbを1.0mol％添加した高効率の11層PZT素子を試作した。これらの素子では、振動荷重に対して発電信頼性を高める接着方法や電極構造の改良が行われた。その静電容量や圧電定数はPZT素子の約11倍となることが確認された。
その次に、7層PZT素子に試作した整流回路と消費電力3mWのLEDランプを接続して振動発電実験が実施された。その結果、LEDランプが連続的に点灯することが確認された。この結果より、積層型PZT素子を用いてランプ、センサーなどの電気素子を連続的に駆動できる見通しが得られた。
さらに、積層PZT素子の加速度センサーへの応用の可能性を調べるため、7層PZT素子を用いた加振試験を行い、その出力電圧を計測した。その結果、計測回路の最適化を行うことでアンプフリーの加速度計としての利用が可能であることが確認された。
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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
平成２５年度の主な研究目的は、これまでの振動発電の知見をもとにさらなる高効率で信頼性の高い積層型圧電素子を開発することと、その素子を効率的に利用するための周辺回路の検討および応用電気素子の見通しを得ることである。研究成果として、まず、回路モデルを用いた最適設計を行い、また、電極や圧電素子の接着方法の改良を行い、非常に発電効率の高い11層PZT素子を試作した。また、整流回路、蓄電回路、LEDランプを試作し、LEDランプを連続駆動させたことで、センサーなどの有用電気素子への適用が可能であることを示すことができた。さらに、積層素子自体の加速度センサー応用への可能性についても示すことができた。以上のことから、平成２５年度の研究成果は、研究目的に対して十分達成できたと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、平成２５年度に試作した高効率の11層PZT素子の振動発電実験を行い、その発電特性を詳細に評価するとともに、改良し製作した積層構造の信頼性や耐久性を評価する。この結果と回路モデルを用いた最適化検討より、最終的な最適積層素子を試作する。さらに、これらの積層素子の発電特性を最大限に引き出す周辺回路（整流、蓄電など）を検討・試作を行い、これらに実際のセンサー、例えば、加速度センサーや温度センサーを駆動させる。また、積層素子自体の加速度センサーへの応用についてもその可能性を周辺回路の最適化も含めて、検討を継続する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
平成25年度においては、非常に時間のかかる積層型PZT素子の振動発電特性の詳細評価と11層PZT素子の設計検討および試作を優先して実施したため、周辺回路や応用電気素子（センサーなど）の検討が不十分であった。このため、周辺回路の試作に必要な部品・資材や応用電気素子（センサー）を十分に購入することができなかったため、その購入費分が余った形となってしまった。
平成26年度は、平成25年度に購入しなかった周辺回路試作に必要な部品・資材や応用電気素子（センサーなど）の購入を未使用であった資金を充てたい。さらに、平成26年度の科研費については、平成26年度の計画実施のための部品・資材の購入に充てる予定である。
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