| 研究課題/領域番号 |
20K04354
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分20010:機械力学およびメカトロニクス関連
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| 研究機関 | 慶應義塾大学 |
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研究代表者 |
杉浦 壽彦 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70265932)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2020年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | 自己調整共振 / 非線形ダイナミクス / 衝突振動 / エネルギーハーベスティング |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では，両端を支持されたはりとその上を可動し得る付加質量とで構成される自己適応機構を製作し，周期的加振時の質量の動きとはりの応答を，高速度カメラによる動画撮影とレーザ変位計による振動数測定とから実験的に調べる．特に質量とはりの衝突と摩擦に起因する過渡的な非線形ダイナミクス現象の特徴を見出し，その非線形性を考慮した数学的モデリングに基づき，方程式の導出と解析を行って，自己共振メカニズムを明らかにする．次に，数値解析による機構パラメータ最適化を行い，さらに電気系まで連成させた広帯域振動エネルギーハーベスティング装置の実証を行う．
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| 研究実績の概要 |
本研究では，環境条件に応じて質量分布などを受動的に変化させて共振状態に至る自己適応機構の共振メカニズムの理論的解明とともに，その現象を応用した広帯域の振動エネルギーハーベスティングの実証を目的とする．対象とする機械システムは，外部から加振を受ける連続体と，それに沿ってスライドしうる可動性を有する付加質量とから成る．加振時には付加質量が過渡的に移動し，系の共振状態に達しうる．この種の問題の従来研究のほとんどは，可動条件を既知として与える．これに対して，自己共振現象では付加質量の並進運動は本体の振動と連成し，外部加振に対して受動的に決定する点，本質的に過渡的な動力学問題となる点，付加質量可動時に本体との摩擦と衝突という扱いの難しい非線形現象を本質的に含む点に，本研究課題の学術的独自性がある．
令和2年度には自己共振機構の製作・測定および数学的モデリングと解析，令和３年度にはギャップ長による運動の質的変化の調査，令和４年度には付加質量（スライダ）可動時の共振広帯域化，はりの幾何学的非線形性の共振への影響，電気回路系を連成させたシステムの製作と系の振動から電気エネルギーへの変換の検証を行った．これらに続き令和５年度においては，非接触支持により低減衰系となる超電導磁気浮上系（高温超電導材と永久磁石で構成）を振動系に用いて，共振時の振幅の増大を試みた．支持条件を両端固定から両端弾性支持に変更したことによる固有モードの振動数と形態への影響を理論的に調べ，数値解析および実験で検証した．この結果，比較的低い周波数帯で，共振周波数帯の広域化と振幅の増大が確認された．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
令和３年度までのコロナ禍の影響により活動制限期間が長期に渡っていたことから，当初予定していた解析や実験を当初の３年間は十分に進めて計画を達成しきることができなかったが，令和４年度に入ってコロナ禍の事態が改善し，大学キャンパス内研究室における研究活動の制限も緩和され，徐々に当初の目標を達成しつつある．
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| 今後の研究の推進方策 |
非接触支持により低減衰系となる超電導磁気浮上系（高温超電導材と永久磁石で構成）を振動系に用いた検討をさらに進め，より高周波数の帯域も含め，共振周波数帯域と振幅の大きさ，さらに電気エネルギーへの変換効率などを数値計算および実験により調べる．
また，エネルギーの効率的回収を目指して，電気回路系を機械振動系に連成させたシステムの最適化を検討する．以前までの圧電素子利用とは別の方法として．付加質量部に永久磁石を埋め込み，電気回路系にはコイルを用いて，付加質量の振動エネルギーを電磁誘導でコイルを含む電気回路側の交流に変換する方法も考慮する．
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