2015 Fiscal Year Research-status Report
広帯域の振動エネルギーをハーベスティング可能な非線形振動子と変換回路の開発
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26630176
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
引原 隆士 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70198985)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | エネルギーハーベスティング / 非線形振動子 / 乱流 / 同期現象 / 確率共鳴 / ワイドバンドギャップ半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は自然界に偏在する流体，構造系などの広帯域の連続パワースペクトルを有する流れ，振動から，微小な力学エネルギーを回収する技術に関する基礎研究である．従来振動に関するエネルギーハーベスティングは，線形振動子が外部励振により共振する振舞いを利用するものが大半であった．本研究は，自然界に存在する波動・振動が特定周波数だけではない点に着目し．広帯域に拡散したパワースペクトルからエネルギーの回収の実現を図る．特に，周波数スペクトルの広帯域のエネルギーが回収できる非線形振動子，およびその結合振動子を設計し，そのパワースペクトルから圧電素子等により電気出力に変換すると共に，オン抵抗の小さいワイドバンドギャップ(GaN, SiC)半導体を適用した高周波高効率変換回路を提案するものである．
本提案に関して本研究は，低次元の非線形振動系に生じる振動の同期，および確率共鳴の原理に基づき，広帯域のパワースペクトルを有する振動から，単一励振の共振と同じ原理でエネルギーを回収できるメカニズムを明らかにした．また，その際に位相が効率を決定する重要なパラメータであることを理論及び数値計算により明らかにした．加えて，高次元の乱流などの広帯域スペクトルの振動による励振を受けた際に，同期，確率共鳴の原理により，効率よくエネルギーを吸収する低次元振動子の構造を検討し，設計・製作している．平成27年度はこの構造の妥当性を理論的に検証を進め，論文を発表した．
以上の関連して，論文１編を現在投稿中である．また成果の一部を平成28年度8月に開催される4年に一度の力学系の国際会議ICTAM2016に投稿し，口頭発表論文として採択されている．
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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
提案課題に関して，本研究は従来に無い手法を提案している．まず，共振を用いた振動エネルギーの回収に関しては，振動子に非線形特性を付与し，非線形振動の同期の現象もしくは確率共鳴を利用した原理の適用を図った．非線形振動子は，外部励振に対して連続スペクトルを有する非線形振動を生じる．またこの振動子は，外部の同じクラスの力学系から得る非線形励振に対して，同期する特性もある．本研究ではそのような非線形振動子の製作を行った．次に確率共鳴の利用を検討していた．確率共鳴は微弱なノイズにより共振同様にエネルギーが集中する現象であって，共振同様に利用できる可能性がある．本研究は，これらの原理について理論及び数値計算により可能性を検討した．これらは，従来エネルギーハーベスティングにおいて，非線形振動子によるエネルギーの集中化の可能性を示したものであり，理論に基づき実証研究に撮すことができる状況にある．
一般に微小エネルギーの変換に，外部の電力で増幅するような回路は適用できず，受動回路のみから成る新しい変換回路が不可欠となる．これに対して，ワイドバンドギャップ半導体であるGaNの適用が適当であると判断し．デバイスの静特性および動特性に関する詳細な測定を実施し，GaN FET を用いた同期整流回路の製作等を試みた．これらの結果を踏まえて，平成28年度は変換回路のハーベスティング回路の設計を進める手がかりを得た．
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| Strategy for Future Research Activity |
エネルギーハーベスティングデバイスの小容量の出力から，電子回路の動作を保証する電力変換回路の製作が本研究の重要な課題であることがあきらかになった．これを受け，非線形振動子の振動周波数の帯域で最も発電効率の良い機械電気変換素子として電磁誘導を設定し，これに基づいて確率共鳴に基づくエネルギーハーベスティングの原理を検証する．合わせてGaN FET を用いた変換回路適用の可能性を検証して行く．
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| Causes of Carryover |
平成27年度は主として，平成26年度に実施した研究成果に関して，主として理論計算および実験結果の検証を中心としたため，実質的に実験に関わる費用およびそれに研究成果発表のための学会出張を見合わせた．平成28年度の研究成果を，平成28年度夏に開催際される4年に一回の国際応用力学会議において発表するとともに．検証実験にの集中的に使用することが研究遂行上適切と判断した．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度は，前年度の研究成果に基づき，国際会議における発表を実施すると共に，原理検証のために変換回路の製作などを実施する予定である．
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