無線センシングのための広帯域カオス振動発電デバイスの開発

本研究では，無線センサを自律動作させるに足る電力を，微小振動源から回収するための電磁誘導型振動発電(以降では振動発電と記す)を開発することである。振動発電は，電磁誘導現象を利用し，微小な振動から数十μW～数mWの電力を取り出す環境発電デバイスである。振動発電は高いメンテナンスフリー性を持つため，RFID等の小電力で駆動する電子機器の電源に用いることで，それらをバッテリ交換なしで長期間使用可能にでき，様々な新システムの構築が可能になると期待される。振動発電の実用化に当たっては，発電効率の改善と、発電可能な動作帯域を拡大する必要がある。すなわち，発電量・帯域幅の大きな新たな構造のデバイスを開発することが必要である。広帯域・高出力な新たなデバイスを設計するため，コイル内に磁性体を埋めこんだ新たな構造を提案した。この構造により，磁性体と磁石の間に生じる非線形な電磁力を利用することで，デバイスの挙動に非線形性を付与できる。これにより，デバイスが非線形振動をするため，従来の線形デバイスに比べて動作帯域を拡大することができる。さらに，コイル内に磁性体があることで，コイルに鎖交する磁束量が増加し，発電量の増加も同時に期待できる。提案した構造の特性を有限要素法により解析したところ，帯域幅が広いこと，カオス振動が発生し，帯域幅が拡大することが示された。そこでデバイスを試作し，加振器で一定の振動を加え，周波数を変更して負荷に生じる電圧を測定した。その結果，提案した構造では，約40Hzから70Hzまで，生じる電圧がほぼ一定値となっており，広帯域化が実現できることが実験からも示された。

本研究では，無線センサを自律動作させるに足る電力を，微小振動源から回収するための電磁誘導型振動発電(以降では振動発電と記す)を開発することである。振動発電は，電磁誘導現象を利用し，微小な振動から数十μW～数mWの電力を取り出す環境発電デバイスである。振動発電は高いメンテナンスフリー性を持つため，RFID等の小電力で駆動する電子機器の電源に用いることで，それらをバッテリ交換なしで長期間使用可能にでき，様々な新システムの構築が可能になると期待される。振動発電の実用化に当たっては，発電効率の改善と、発電可能な動作帯域を拡大する必要がある。すなわち，発電量・帯域幅の大きな新たな構造のデバイスを開発することが必要である。広帯域・高出力な新たなデバイスを設計するため，コイル内に磁性体を埋めこんだ新たな構造を提案した。この構造により，磁性体と磁石の間に生じる非線形な電磁力を利用することで，デバイスの挙動に非線形性を付与できる。これにより，デバイスが非線形振動をするため，従来の線形デバイスに比べて動作帯域を拡大することができる。さらに，コイル内に磁性体があることで，コイルに鎖交する磁束量が増加し，発電量の増加も同時に期待できる。提案した構造の特性を有限要素法により解析したところ，帯域幅が広いこと，カオス振動が発生し，帯域幅が拡大することが示された。そこでデバイスを試作し，加振器で一定の振動を加え，周波数を変更して負荷に生じる電圧を測定した。その結果，提案した構造では，約40Hzから70Hzまで，生じる電圧がほぼ一定値となっており，広帯域化が実現できることが実験からも示された。