2014 Fiscal Year Research-status Report
スマート材料のシステム論的モデル化による高効率エナジーハーベスティング
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26420174
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
高木 賢太郎 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (60392007)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安積 欣志 独立行政法人産業技術総合研究所, 関西センター健康工学研究部門, グループ長 (10184136)
井上 剛志 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70273258)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | スマート材料 / エナジーハーベスティング / イオン導電性高分子 / 誘電エラストマー / 電磁アクチュエータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題が対象とするトランスデューサはひとつではなく，高分子アクチュエータや圧電材料などのスマート材料と，電磁トランスデューサである．以下に，トランスデューサの種別ごとに研究実績の概要をまとめる．
IPMC(Ionic Polymer-Metal Composite)について：IPMCのインピーダンスモデリングと，エネルギー回生のために有効な駆動法に関して研究を行った．内部インピーダンスを正確にモデル化することは，微小な発電量を取り出すためには不可欠である．インピーダンスモデリングでは，制御工学の知見に基づき，モデル化誤差や湿潤の度合いが変動することを非構造的な動的な不確かさとして表すことを提案した．そして，日本ロボット学会学術講演会にて口頭発表を行った．エネルギー回生のために有効な駆動法に関しては論文投稿を準備中である．
誘電エラストマーについて：McKayらによって従来提案されている発電回路に注目した．しかしながら，過去の文献では動作原理の解析や最適設計などは行われていないようであった．そのため，可変キャパシタとしてモデル化を行い，動作原理の解明と最適設計を行っている．現在学会発表ならびに論文投稿を準備中である．
電磁アクチュエータについて：IPMCと同様，エナジーハーベスティングにおいてインピーダンスのモデル化は重要である．そのため，パラメータ推定を行う方法を検討し，その成果を国際会議SPIE Smart Structures/NDEにて発表した．さらに，エナジーハーベスティングの回路解析について，学会発表ならびに論文投稿を準備中である．
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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
研究概要の項目と同様，以下に，トランスデューサの種別ごとに達成度をまとめる．
IPMCについて：IPMCの発生電荷についてその物理モデリングと実験的計測については，研究分担者と連絡を取りながら，研究を進めているところである．今年度は，とくに，エナジーハーベスティングにおいて重要であるインピーダンスのモデル化，ならびに効率的な駆動方法に関する研究が進展した．当初の目的とはやや異なる内容ではあるが，有用性のある一般的な内容であり，今後の研究につながる重要な内容であると考えられる．
誘電エラストマーについて：２年目に行う予定であった誘電エラストマーの研究については，当初の予定に比べて大きく進展している．実験装置が別途用意できたためであり，その結果，発電回路の作製と，理論的な解析を行うことができた．とくに理論的な解析についてはこれまでに行われていないため，当初の予想以上に学術的な価値が高いものである．物理シミュレーションについてはまだ行っていないため，これから研究を進める予定である．
電磁アクチュエータについて：電磁アクチュエータは従来からあるアクチュエータではあるが，スマート材料を用いたエナジーハーベスティングにおいても，その特性のモデル化や制御手法は参考になることがわかってきた．重要なインピーダンスのモデリングをまず行い，新たな知見を得ることができた．さらに，発電回路について理論的な解析が進みつつあり，今後スマート材料への応用も期待できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究概要の項目と同様，以下に，トランスデューサの種別ごとに今後の研究の推進方策をまとめる．
IPMCについて：当初の予定通り，発生電荷の物理モデリングと計測実験は学術上重要と考えられるために引き続き研究を進める．さらに，きわめて微弱な発生電荷を有効に利用する検討として，センサとしての利用や，アクチュエータとして利用する際のエネルギー回生という観点が今後重要と考えている．
誘電エラストマーについて：当初の予想よりも研究が進展しつつある．発電回路の最適設計の実験による検証，さらには蓄電回路など，より実用的なエナジーハーベスティングを目指してさらに研究を進める．
電磁アクチュエータについて：エナジーハーベスティングのための回路設計を進める．従来すでにいくつかの回路が提案されているが，どのような回路が最もよいのか，十分に検討がなされているとはいえないようである．また，PWMなどのスイッチングによって電圧を制御するようであるが，その制御則についても十分には検討がされていないようである．回路と制御則の同時設計などを行い，さらにはスマート材料への適用も探りたい．．
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| Causes of Carryover |
トランスデューサのマルチフィジックスなシミュレーションのため，数式を用いた支配方程式のカスタマイズを行うことが可能とされる市販の有限要素シミュレーションソフトウェア(COMSOL)を購入した．しかし，初年度は使い方を習得するため，すべての機能を購入するのではなく，まずは基本モジュールと，変形を表すために必須と考えられる構造モジュールのみをオプションとして付加した．以上の理由で当初予定していたオプションモジュールをいくつか除いた． シミュレーション計算用パソコンについても，まずは中程度の性能のPCで動作を確認してからコストパフォーマンスのよいものを選定することを考え，検討している．また，今年度は海外への出張旅費を抑えることができた．
以上の理由により，次年度使用額が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
有限要素シミュレーションソフトに関しては，今後，電場と磁場を計算するモジュールが必要になると見込んでいる．また，大変形するアクチュエータの挙動を調べるため，他のモジュールの追加も新たに検討している．さらに，ソフトウェアの価格改定がなされたという情報があり，更新ライセンス料の値上がりが次年度以降見込まれる．また，実験に用いている計測制御装置が対応しているOSが古く更新もされなくなり不便であるため，刷新することを検討している．さらに，国際会議の出張旅費についても必要である．
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[Patent(Industrial Property Rights)] 発電装置2015
Inventor(s)
伊藤貴雅，他5名，高木賢太郎，小嶋宏紀
Industrial Property Rights Holder
住友理工株式会社，国立大学法人名古屋大学
Industrial Property Rights Type
特許2015-34770
Industrial Property Number
2015-34770
Filing Date
2015-02-25
