フレクソエレクトリック効果を用いた新しい複合振動発電素子の研究

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K03945
• 研究機関: 信州大学
• 研究代表者: 辺見 信彦 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (80256669)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: フレクソエレクトリック効果 / 電気分極 / 圧電材料 / チタン酸ジルコン酸鉛 / ねじり振動

研究実績の概要

2021年度から引き続き，方形断面の角柱構造のPZTセラミック材に対して，フレクソエレクトリック効果と圧電効果による電気分極の複合現象について調査した。比較的長尺の積層型圧電アクチュエータを2個用い，片端を固定した角柱素子の自由端側に並進動作と回転動作を与えた。前年度にはオープンループで操作していたため曲げとたわみの厳密な単一動作を与えることにはアクチュエータの駆動量に応じて1～3μ程度のヒステリシス量分の干渉動作が混在していた。本年度は，より詳細で干渉の無い独立したたわみとねじりを角柱素子に与えるために，アクチュエータの駆動にフィードバック制御系を構成し，たわみとねじりの単一動作及び複合動作の厳密化する制御器をアナログ回路とレーザ変位センサによるＰＩＤコントローラを自作し，駆動系のフィードバックコントロールシステムを実機により構築した。これにより素子に与えるたわみとねじりの独立駆動が可能となり，より詳細な検討を実施する体制を整えた。たわみとねじりの独立性を高めたことにより，前年度までに観察されたような，ねじり量を大きくしたときの波形の歪みの発生と，それによる分極出力電圧の低下傾向は解消した。結果として，ねじり変形のみの場合は，ねじりの方向によって出力の大きさが異なることが素子の特性によるものであったこと，曲げ変形のみの場合は比較的安定した出力が得られるが，曲げとねじりの複合変形の場合は，調査する素子によってややばらつきがあること，制御時のねじり方向の微振動が出力に影響するため，駆動系のフィードバック制御器の調整の重要性とが明らかとなり，最終年度に向けた検討項目が明らかになった。ねじり量の大きさによる非線形的ふるまいの原因調査の必要性も確認された。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初計画に基づき，ねじり及び曲げに対する単一変形及び複合変形の状況を，駆動系に対するフィードバック制御システムを構築したことにより，曲げとねじりの単一駆動条件および複合駆動条件に対して詳細な状況を検討することができた。実験的検討においては当初計画通り進展した。ただし，制御系の調整に難しさがあり，さらに素子の分極性能のバラツキにより，予定以上の時間が取られるとともに，新たな課題も明らかになった。そのため，当初計画していた検討事項のうち，発電素子としての周波数特性と出力増大のための予圧調整パラメータについては着手できなかった。また新たな制御システムによる実験検討により，ねじり変形の素子間でのばらつきと，ねじりに対する応答の非線形性が明らかになり，新たに検討すべき事項が明確にすることができた。ただし，実験と調整の検討に予定以上の時間と労力が取られてしまった。以上により，新たな課題が明確化できたものの，当初予定で検討していた項目に着手できなかったため，やや遅れていると判断した。

今後の研究の推進方策

まずは実験においてねじりを制御した場合の微振動の発生とノイズの影響の低減を図る。前年度に検討できなかった周波数応答や予圧に対する特性変化について検討する。素子のばらつきを考慮し，応答の再現性とばらつきの評価実験を実施する。計測する素子には複数の方向に電極を設けているが，その電極の組み合わせに対する分極応答の違いについても明らかにする。声までの実験により角柱の横断面から見て平行方向の電極間に対して交叉方向の電極間のほうが，分極量が小さいことが実験的に分かっており，そのことを考慮しつつ現時点までにさらにシミュレーションを援用してフレクソエレクトリック効果圧電効果を複合させた曲げ２方向とねじり１方向の固有振動数を調整した機能性素子について検討する。複合振動に対する応答を詳細に調査し，実用化に向けた課題を明らかにする。

次年度使用額が生じた理由

次年度の使用額が生じた理由は，制御系の構成と調整に時間が取られたため，いくつかの検討事項が次年度の検討に回さざるを得なかったため，それらの分の予算を次年度に持ち越す必要がでたため。