ピエゾ電気2重層を用いた静電誘導型の振動発電

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本年度は、前年度に開発したピエゾ電気2重層エレクトレットを用いて小型の静電誘導型の振動発電素子を作製し、実環境中の微振動(200 Hz、1G 以下)からセンサーノードの駆動に必要とされる発電密度～10 μW/㎤を得ることを目的に、以下の2点に取り組んだ。1. 高い機械信頼性と精密加工に優れる振動子の作製目標値の達成には、環境中の微振動から0.1-1mmの変位を起こす振動構造体、また、精密加工に優れ上述の変位下で破損しない堅牢な材料が求められる。従来のシリコン材は精密加工に優れるが、上述の変位下での機械信頼性に難点がある。そこで本研究では、堅牢かつ精密加工が適用可能な材料として「微結晶粒ステンレス(SUS)箔」材に着目した。微結晶粒SUS材へ両面フォトリソグラフィを処し、塩化第2鉄水溶液でウェットエッチングを行い振動子を作製した。作製した振動子は平滑な加工形状を有し、1.5mmの変位下でも破損しないことを確認した。2. 接触型非線形バネの開発ピエゾ電気2重層エレクトレットは静電引力が非常に強く、振動子とエレクトレットが張り付く「プルイン」が生じやすい。そこで、プルイン抑制機構として、接触型非線形バネを考案した。その機構は、振動子がエレクトレットに接近した際、フレームに設けられたストッパと振動子の梁が接触することでバネ反力が非線形に増大され、プルインを抑制する。FEMシミュレーションにより、振動子の共振周波数、振動子とストッパの最適な位置を求めた。フレームはABS樹脂を用いて切削加工により形成した。シミュレーションを基に実際に作製した振動発電素子の特性は、加振加速度1Gの条件で、共振周波数が130Hz、発電密度が34μW/㎤で有り、目標の3倍の発電密度を実現した。