Elucidation of self-tuning resonance phenomena in mechanical systems and their application to broadband energy harvesting

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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年度における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年度におけるギャップ長による運動の質的変化の調査に続き，令和４年度は，加振周波数，加振振幅をパラメータとして，付加質量（スライダ）固定時と比較して，スライダ可動時，共振周波数帯域が広域化する様子を数値解析と実験で調べた．また，はりの幾何学的非線形性に起因するハードスプリング性とそれに伴う共振時のヒステリシス性を数値解析と実験で確認した．次に，広帯域に対応した振動エネルギーハーベスティング装置の実証とエネルギーの効率的回収を目指して，振動を電気エネルギーに変換するための電気回路系を連成させたシステムを製作して実験を実施した．具体的には，抵抗を含む電気回路に接続した圧電素子をはりに圧着して，機械振動を電気回路側の交流に変換した．これによって，自己共振の広帯域化に応じた発電電力応答の広帯域化を確認するとともに，圧電素子の位置と発電効率の関係を調べ，数値計算との対応を確認した．