| 研究課題/領域番号 |
20K04347
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
浅沼 春彦 金沢大学, フロンティア工学系, 助教 (10757298)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 振動発電 / 非線形回路 / 機械－電気結合 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、高出力化と発電可能な周波数の広帯域化を両立する小型の振動発電素子の実現を目指し、機械－電気結合の強化現象を活用するマルチスイッチ非線形回路を開発する。2020年度は振動発電素子の機械－電気特性を正確に再現する支配方程式の導出と実験評価セットアップの構築を主に行った。支配方程式の導出では、実験を最も良く再現する非線形の圧電方程式を選定し、汎用的な解析ステップを考案した。
圧電素子に負荷される応力と歪の関係においてヒステリシス効果を取り込んだ非線形の圧電方程式に着目し、この圧電方程式と振動発電素子の構造を考慮して、ハミルトンの原理から新たな機械－電気支配方程式を導出した。導出した支配方程式は非線形項を含み、その物理パラメータを同定することは難しい。そこで、非線形項を含む物理パラメータを少ない計算負荷で算出する解析方法を考案した。加振セットアップ、レーザー変位計、オシロスコープを用いて、振動発電素子の変位、電圧、発電量、そして機械－電気結合係数など基礎的な物理量を評価するシステムを構築した。単４乾電池ほどの大きさの小型振動発電素子を製作し、評価システムを用いて導出した支配方程式の妥当性を検証した。線形の圧電方程式を基にした従来の解析手法では実験値を再現出来なかったが、導出した支配方程式は変位と電圧の周波数特性および加速度特性を再現した。また、予備的な検討ではあるが、低消費電力コンパレータを用いてスイッチを制御する発電回路を試作して発電量が向上する事を確認した。次年度は導出した支配方程式と発電回路を併せた解析と実験評価を進めて行く。
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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
2020年度の目標に定めた振動発電素子の機械－電気特性を正確に再現する支配方程式の導出、実験評価セットアップの構築は概ね達成できた。コロナ禍の影響で4月と5月に研究が大幅に遅延したが、その後は通常の研究活動が再開され何とか目標を達成する事が出来た。文献の調査と解析方法の検討に大幅な時間を費やしたが、特に、支配方程式を導出する汎用的な解析ステップを確立した事、非線形項を含む物理パラメータを少ない計算負荷で算出する解析方法を開発できた事は本研究の位置づけの中で大きな成果であった。本研究成果の一部をまとめ、日本機械学会機械力学・計測制御部門が主催する学会Dynamics and Design Conference 2020（D&D2020）で発表し、論文への投稿を進めている。また、実験評価システムも問題なく構築し、振動発電素子の変位、電圧、発電量、機械－電気結合係数の計測や算出も十分な精度で可能になった。実験評価システムの加振装置は他の競争資金で揃える事が出来たためこの研究のより進んだ評価を見据えて、実環境振動の加振評価が可能になる制御ソフトウェアを購入した。予備検討の段階ではあるが、低消費電力コンパレータを利用した自律駆動型のスイッチ発電回路を試作し、振動発電素子に接続して発電量の評価を行った。加振条件として、実環境で観測されるようなランダムな振動を負荷した。その結果、60%の発電量の向上を確認できた。次年度の目標は、高出力化と広帯域化を両立するスイッチ制御則を解明する。
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度以降では、導出した支配方程式と発電回路を併せた解析と実験評価を活用して、発電回路内のスイッチの最適配置とその制御則の解明、低消費電力で動作するスイッチ回路とそのタイミング調整回路の設計に取り組み、振動発電素子の高出力化と広帯域化の両立を目指す。
次年度は、支配方程式と回路の連成解析を手掛かりとして、発電回路のスイッチの配置とOn/Offのタイミングの最適化を検討する。初めに、より強い機械－電気結合状態が得られる振動発電素子の構造を設計する。圧電セラミック材で所望の機械－電気結合係数の達成が難しい場合は圧電単結晶材の利用も検討する。実験による実証確認では、スイッチの制御は高速信号制御装置を使用して、まずは基礎原理の確立を目指す。特に、変位と圧電電圧のピーク位置とスイッチを作動させるタイミングの時間のずれ、スイッチのOn時間、スイッチの回数またはスイッチをスキップする時間間隔、それらと発電量との関係を解明して最適化を検討する。同時に、低消費電力で自律的に最適制御を行うスイッチ発電回路の設計も進める。スイッチ発電回路は低消費電力コンパレータ回路、遅延回路、高効率整流回路などを組み合わせて設計する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
少額で調整が困難であったため。次年度の消耗品の購入に使用する。
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