| Project/Area Number |
22K04897
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 28050:Nano/micro-systems-related
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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, 先端医療工学研究所, 教授 (50336830)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
前中 一介 兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (70173721)
神田 健介 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (20446735)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | エナジーハーベスタ / MEMS / 電力伝送 |
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| Outline of Research at the Start |
外部からの与えられた交流磁界によって励振される振動型MEMSエナジーハーベスタの高性能化を図るものであるが，外部磁界による力の発生方向は，装着者（患者等）の姿勢に依存するため一義に規定できない。一方で振動型エナジーハーベスタは片持梁やバネ-マス振動機構を有する構造のため，励振加速度に対する発電方向を制限した設計が一般的である。このため本研究では，バネ構造の最適化により，無指向性の外部磁界によって単方向発電デバイスを動作させる無指向性振動型エナジーハーベスタを模索し，低周波磁界による励振をより高効率な高周波振動に変換する周波数アップコンバート機構の実装を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は外部からの与えられた交流磁界によって励振される振動型MEMSエナジーハーベスタの高性能化を図るものであるが，外部磁界による力の発生方向は，装着者（患者等）の姿勢に依存するため一義に規定できない。一方で振動型エナジーハーベスタは片持梁やバネ-マス振動機構を有する構造のため，励振加速度に対する発電方向を制限した設計が一般的である。このため本研究では，バネ構造の最適化により，無指向性の外部磁界によって単方向発電デバイスを動作させる無指向性振動型エナジーハーベスタを模索し，低周波磁界による励振をより高効率な高周波振動に変換する周波数アップコンバート機構の実装を目指す。
本年度は，シリコンと圧電PZTを融合した片持ち梁構造を２つ結合することで音叉バタフライ形状の圧電式エナジーハーベスタ（PZT薄膜10マイクロm厚，１ mm幅，3.3 mm長の短冊が８対の形状）をプロトタイプとして試作した。振動子の先端マスに4mm x 10mm x 2mmの直方体ネオジム磁石を固定した。バタフライ型素子ではPZTを4直列3並列接続している。外部から交流磁界で駆動するプロトタイプを作製した。駆動には空芯コイルを1アンペアrmsで周波数スイープして計測した。伝送距離に対して指数関数的に出力は低下するが，距離が50 mmの場合では，最適負荷抵抗(330 kオーム）接続で5.82 Vrmsの出力電圧，102 マイクロWの出力電力が得られた。
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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
プロトタイプでの電力伝送実験に成功しており概ね順調に進展している。昨年度の片持はり構造にくらべて音叉バタフライ形状とすることで機械的Q値が向上し，高出力化の可能性を示した。有限要素解析ソフトウェアによる磁界シミュレーションで，電力送信方式として空芯コイルおよび永久磁石を機械的に回転させ，強い交流磁界を生成する方式についても検討を続ける。
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| Strategy for Future Research Activity |
バタフライ構造により高Q値化から出力向上がみられたが，伝送距離の長距離化にはより高いダイナミックレンジでの磁界変化が必要である。コイル駆動は最大電流の関係から限界があるため，永久磁石の回転装置での磁界シミュレーション，実証実験を行っていく。さらに発電ハーベスタ機構についても，支持バネを傾斜バネ形状にすることで全方向からの磁界変化を単方向の共振振動に変換する機構を有限要素シミュレーションから検討していく。
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