The Japan Society Sooiety of Meohanioal Mechanical Engineers 2s 日本機械学会論文集 (C 編 ) 76 巻 761 号 2 ユ 10 D 言侖文 No 機械共振式の圧電振動発電に関する基礎研究 * 安達和彦 APre 置

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くにひとあさぶき
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1 2 日本機械学会論文集 (C 編 ) 76 巻 761 号 2 ユ 10 D 言侖文 No 機械共振式の圧電振動発電に関する基礎研究 * 安達和彦 APre 置 iminary Study of CantileverType of Piezoeleetr 量 c VibrationPower Generator * 1, 田中亨 * 2 Kazuhiko ADACHI * 3 and Tohru TANAKA 半 3D pa t n t f M b rli I E i ee i g,g d t Sd 1 i FT 9t e,i, i9, K bo U i,,it } L lrokl {edai cho.nada ku,k め巳 hi Hyogo, Japan Rotating machinery i wide! y ued il ユ the indutrial plant,for example, p wer p!ant,chemicai pl L m P d t 正幽 t nd 1 d t n e afety ) P ti n f the t t g machinery,vibration condltion m nitoring of the Inachinery c 劼 11 play a crucialrole.in し hi tudy,the vibra 巨 on power genera し or uf the piczoelectric bimorph canti 旦 ever beam wa propoed f r vibration condi 亡 10n m nitoring applfcation of rotating machincry.prop }ed piezoelectric vibration p wer generat r conited of Macro Fiber Compoite ( MFC ) actuator wrhich i Ilexibleand durable pie2000mpoite type act ロ a 亡 or.the mechanica ]reonant frequency of the cantilever beam, a tur1 ピd t the, rotating peed of a typical4 pole inducti n motor driven rotating machine Thi tudy evaluate the p 帆 ver generation performance of the pr > poed power generator through lnulner 工 cal imulation a well a experjnlent whcn ubjegted to vil)ratirm ource nput rnagnitude of }.71 n 1rn, i (RMS val e f 1 ity) t th QIla t f eq n y f 丗 e can 吐 il,v beam by i g th, electrodynamic haker.the experinlental reult of tho vibration power gcnerator were g )od a 菖 reement with the numericah imulation reult uing 2 dof tnodel of th ピ vibratk n puwer generntor. Key 四〇 rd5 : VibrationEnergy Ilarveting Smart Structure,Piezocompoite,Rotating Machinery, Vibration CDnditiollMonitoring,StructuralHea th M mi し oring,mqdchng 1. 緒言運用中の機械構造物に生じる振動を抑制するため機械構造物に圧電素子を取り付けて電気的に減衰を強化する方法が 1990 年代始めに Hagood と FlotOWによって確立された 1 ). そこでは, 圧電素子の圧電効果によってエ機械的振動ネルギーを電気エネルギーに変換した後, 圧電素子の電極間に接続した電気回路の抵抗でジール熱損とュして熱力学的に散逸させ, 機械構造物の見かけの減衰能を増加させている. 圧電素子の圧電効果と逆圧電 2 ) 効果をそれぞれ利用して振動センサと制振アクチーュエタの機能を同一の素子で実現することが可能となることから, 機械構造の振動制御の分野では圧電素子を用いたスマート構造の研究がこれまでに数多く実施されている C31 4 ) スーマト構造は, その中に人間の筋肉, 神経, 頭脳に相当ーするアクチュエタ, センサ, コントーロラを備 t * コ i2 原稿受付 2 09 年 7 月 27 日. 正員. 神 ll 大学大学院工学研究科 ( 轟六甲台町 11 ). 学生員, 神戸大学大学院工学研究科, E inuil.kazuh 王 L 匚 lech.kobe. u.ac.jp 神戸市灘区えている構造であると定義される [ 5 ), その後, 機械構造物の健全性評価 ( ヘルスモニタリング, S 杜 uctural Health Monito 点 ng ) の研究が注目されるようになった. ヘルスモニタリングの研究は, 状態監視技術 (ConditionManitoring) や彡 P 破壊検査技術 (NondetmctiveEvaluationTechnique) とは別個に, ースマト構造の研究で独自に発展してきた. ヘルスモニタリング技術は, 橋梁など土木建築構造物や, 航空機, 工業プラントでの実用化を視野に多数の研究開発プロジェクトが進行している. 近年, 電磁誘導, 静電誘導や圧電素子をエネルギー変換 ( 機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換 ) に利用する Energy Harveting の研究が多数行なわれている 6 }.Energy Harvet g ( 6 の ( または Energ ソ Scavenging ) ) は, 太陽光風力水力熱 ( 温度差 ) 振動など広く環境中から小規模電力永久的に持続的に得る技術の総称として用い ( 微小電力 ) を半られている, 片持ちはりに圧電素子を貼り付け, 圧電素子の圧 a 電効果を利用して機械的な振動やひずみのエネルギーを電気エネルギーに変換する圧電発電の研究は従来から数多く試みられている 9 一 CI5}. 電磁誘導型や静一 28 一

2 機械共振式の圧電振動発電に関する幕礎研究 29 電誘導型の振動発電装置では, 振動機構の可動部のクリアランスの保持が発電量に対して重要となる. 一方, 圧電型の振動発電装置では, 機構上, クリアランスの保持は発電量と無関係となる, 産業界で動力源として広く用いられている回転機械では, 回転体の製造時の加工誤差, 稼動中の熱変形や経時変化による不つり合い振動が不可避となる揚合が多い,ISO 規 r 16 ) ベ { 17 ) では, 産業用回転機械の振動レルの監視が規定されるとともに, 軸あるいは軸受箱やケーシングでの振動許容値が設定され, 回転機械には許容値以下の振動が常に生じる. この振動を薪たなエネルギー源と考え, 電気エネルギーに変換することで, 微小電力を持続的に得ることが可能となる. 得られた微小電力を回転機械の振動状態監視用センサの電源に利用することが考えられる. 本論文では, 回転機械の振動状態監視用センサの電源への応用を目指し, 回転機械の不つり合い振動で駆動する片持ちはり型の機械共振式の圧電振動発電装置を提案する. 圧電振動発電装置の支配方程式を導出して発電シミュレーションモデルを構築し, モデルの妥当性を実験的に評価することを目的とする. 開発した圧電振動発電装置の発電特性を実測し, 回収可能な発電量を評価する. 2. 圧電振動発電装置 2 置圧電振動発電装置の構造図 1 に開発した片持ちはり型の圧電振動発電装置を示す. 圧電振動発電装置と圧電コンポジットの特性をそれぞれ表 1 に示す. 圧電振動発電装置は, 鋼製の片持ちはりの両面に cl31 型圧電コンポジット I ) ( g ) (SmartMaterial 枇 Macro FiberCompoite ( MFC ),M 2814P2) を二液性エポキシ樹脂接着剤で貼り付け, バイモルフ構造とした. 2 枚の圧電 n ンポジットは並列に接続した. 圧電セラミックスと異なり, 圧電コンポジットは柔軟性を有するだけでなく, 圧電材料や電極部分がカプトン皮膜で保護されているので圧電セラミックスよりも耐久性に優れているとされる 19 }. Sodanoら ( 20 } は,d33 型圧電コンポジット, B1 型と d33 型圧電セラミックスをアルミ合金製片持ちはりに貼り付けた振動発電装置を試作し, 発電性能を実験的に比較した. その結果, B3 型圧電コンポジットの電気インピーダンスが d31 型圧電セラミックスの電気インピーダンスに比べて非常に大きな値になり,d33 型圧電コンポジットを用いた振動発電装置の発電性能が d31 型圧電セラミックスよりも非常に小さくなることを指摘した. 圧電コンポジット開発当初は piezocompoite bimorph Table l Specificationofvibration energy harvetet Mechanical propertieef cantilever Ma mreonant xlO 3 [ kg ] fヤ equency プ } [ Hz ] (1tbenCling,open circuitcondition ) Damping ratio (ltbending )ζ 9.665x10 3 Length ofcanti 亘 ever beam t 49 25xlO 3 [ m ユ Thickneofcantilever beam t Piezocompoite Length ら Thicknetp Width ivp Young modu 旦 e レ齢 PiezOelectricconStant d31 Capacitance(rp * Reitance Rp *.e 1 3 圖 28.ODx 回.15 x IO13[m ] 14.OGxlO つ [ m ] 30.34x109 [ Pal 3.70x10 10 匸 CIN ] 56.60xl σ 9 [F] 8,20x103 [ Ω * meaured inerie configuration at the reonant ftequency of Hz d33 型しか入手できなかったが, 近年,d31 型圧電コンポジットが入手可能となった ( 19 ). 著者らは, d31 型と d33 型の圧電コンポジットを用いた 4 種類の片持ちはり型の圧電振動発電装置を試作し, 圧電コンポジットの種類 (d31 型と d33 型 ) と貼り付け方法 ( 両面テープと二液性エポキシ樹脂接着剤 ) が発電特性に及ぼす影響を加振実験により実験的に評価した. 加振実験の結果, 二液性エポキシ樹脂接着剤で d31 型圧電コンポジットを鋼製の片持ちはりに貼り付けた場合が, 試作した 4 種類の圧電振動発電装置の中で最も発電性能が高いことを示した ( 2 且 1, 本研究では, 圧電振動発電装置を構成する片持ちはりの曲げ振動の一次固有振動数が約 263Hz になるように先端質量を用いて調整した. この固有振動数の値は, 不つり合い振動が生じる回転機械の一例として, 4 一 29 一

3 30 機械共振式の圧電振動発電に閧する基礎研究極三相誘導電動機で駆動する回転機械を 60Hz の商用電源で駆動した時に発生すると予想される不つ振動応答の振動数に近レ値として設定した. り合い 2 2 圧電振動発電装置のモデル化圧電コンポジットを用いた片持ちはり型の圧電振動発電装置は, 図 2 に示すような一自由度ばね質量ダッシュポット系でモデル化する. 回転機械の不つによる圧電辰動発電装置の取り付け部定端 ) の変位を y, り合い振動応答 ( 片持ちはり固先端質量と加速度ピックアップを含む片持ちはり自由端の変位を x とする. 片持ちはりの曲げ変形による自由端での曲げ変位 x y で生じる応力とひずみを考える. 圧電素子に作用する応力 ap, ひずみの機械量と電界 E, 電気変位 ( 電束密度 )D の電気量に対して, 次式に示す d 形式の圧電基本式が成立する e ), 广 E σ, + d E D =d 1 σ P + IE ここで,y は電界 E が零の場合の圧電コンポジットの (1 ) (2) 弾性コンプライアンス, d31 は d31 型の圧電コンポジソトの圧電ひずみ定数,1 は応力 (7p が零の場合の圧電素 m 号 Vibration ERergyHarveter ;Cantilcve, beam MFC 一一一一一一一一藺 r 一, 置 m1 :1 :lllllll た c 闇昏 1 1 θ 丐 l l qpl :, 一 _ 一一一一一一 1 一一一一 _ 一一鹽 1_ 一一 _ 一一一一曽一關一闇一一 _ 齟一 _rr _ 一一一 1 ma ii iil ぺ : 瓦 Fig.2Schematic diagram of vibration energy harvetet and itequivalent 2 dofmodel 翌独一 η α 子の誘電率を示す. 圧電素子は強誘電体の一種であるためコンデンコサとして作用する. そこで, 圧電ンポジットを 2 枚の平行な導体板で構成されたコンデンサ唱躰 6. 噛冒恥 β 硬として考え, 圧電コンポジットに蓄えられる電荷 q と電極間に作用する電界 E には, 次式の関係が成り立っとする. q = t ρ CE (3 ) 式 3 ) で C は圧電コンポジットの静電容量 tp は 2 枚の電極間の距離を示す. 一方, 片持ちはり型構造物の応力 a とひずみ q の関係は, ヤング率を E とおくと, σ 5 = ES (4 ) となる. 図 3 に示すはり要素において, 固定端の変位アと先端変位 x の相対変位 z による曲げ変形が先端に生じる場合, 片持ちはりの上面と下面に生じる最大曲げ変位 u. ma は, t U = β (5 量 ) となる. 式て 5 ) で t と β は片持ちはりの厚さと断面の回転角を示す. はり要素に微小な曲げ変形が生じる場合, fi k α (6) と近似でき, 片持ちはりの固定端でのたわみ角 α は,, z α Nm α = 1 (7 } Fig.3Bending deflection Dfcantilever beam となる. 式 (7 ) で l は片持ちはりの中立面の長さを示す, 式 (5 ) 式 (7 ) より最大曲げ変位 u ua は, t z u 匍一一 max (8 ) 21 となり, 片持ちはりの両面に生じる最大曲げひずみが, ε max = U max t l = 一 = = z ( ) となる. 片持ちはりの上面では引張応力が, 下面では圧縮応力が生じる. 圧電コンポジットの曲げ変形鰯とひずみが, 圧電コンポジットを貼り付けている位置での片持ちはりの曲げ変形とひずみ q に等しいものとする. 圧電コンポジットを片持ちはりの中央に貼り付けた場合, 圧電コンポジットのひずみ変位関係式は, Sp 弾短一 (1. 30 一

4 機械共振式の圧電振動発電に関する基礎研究 31 N P = 彑 lt 213 (11 ) となるほ欺 10 ) で lp は圧電コンポジットの長さを示す. さらに,r を固定端からの片持ちはりの長手方向の距離とした場合, 片持ちはりのひずみ一変位関係式は, ε = 一 l rt? = 二 N.z (12 ) (13 ) となる. 先端に集中質量を有する片持ちはりと片持ちはりに貼り付けられた 2 枚の圧電コンポジットの運動エネル e vt. は, T = 1.2 mi Eil となる. ただし, m = m 十 m ma5 ac 去砂 2 喊嗣 (14 ) (15 ) となる. mu は片持ちはりの先端質量, M v は片持ちはりの先端に取り付けられている加速度ピックアップの質量,A とルは片待ちはりと圧電コンポジットの材料密度 K と Vp は片持ちはりと圧電コンポジットの体積を示す. 片持ちはりと片持ちはりに貼り付けられた 2 枚の圧電コンポジットの弾性歪みエネルギー輪は, 砺抑 ψ い曜ゆとなる. ここで, 抑 ψ 阜, dvp 歩 1 ゴ炉 1 跏工 1 1 = zkz z 鈎 2 2 (16 ) 械瓶聯い歩聯 (17 θ 一い論吻 (18 とする. 式 16) の θ は片持ちはりに貼り付けられた圧電コンポジットの電気一機械連成係数を示す. 片持ちはりと片持ちはりに貼り付けられた 2 枚の圧電コトから成る機械系の散逸関数瑞は, F. ンポジッ一圭 22 (19 となる. 式 19 ) で c は等価減衰を示す. 圧電コンポジットに負荷抵抗を接続した場合, 2 枚の圧電コンポジットに蓄えられる電界エネルギー 1eは一脾, ゆ = Ue = となる. ただし, θ 圭 q c 1 一練矧泌ル軸となる電気系の散逸関数凡は, il F (R ==. 富 ( 2 となる. 或 22 ) で Rp および RI は,2 枚の圧電コッンポジトを並列に接続した時の合成内部抵抗および圧電コンポジットの端子間に接続する負荷抵抗を示す. 前述の運動エネルギー Tm, ポテンシャルエネルギー Um と Ue および散逸関数臨と Fe を用いて, ラグランジュの運動方程式を導出し, 圧電素子を貼り付けた片持ちはりの電気機械連成系の支配方程式が得られる 22}. 厭 (t ) 噸 ( 瓦廟 c, 一一一 ) q 号 ( x ) 式 (23 ) および式 (24 ) の x,y および q は, 一号 (23 ) (24 ) 片持ちはりの先端変位, 固定端の変位および圧電コンポジットの電極での電荷を示す. 機械系の支配方程敵 23) の m,c および k は, 圧電コンポジットと加速度ピックアップおよび先端質量を含む片持ちはりの等価質量, 等価減衰, 等価剛性をそれぞれ示す. 圧電振動発電装置の等佃測性は, 等価質量を仮定して圧電コンポジットの端子を開放した状態での固有振動数から推定した. 等価減衰は, 圧電コンポジットの端子を開放した状態での減衰比を半値幅法で同定し, m と k の値を減衰比の定義式に与えて計算した. また, 電気系の支配方程式 (24 ) の Rl, 馬および Cp は, 圧電コンポジットの端子間に接続する負荷抵抗,2 枚の圧電コンポジットを並列接続した時の合成内部抵抗および合成静電容量を示す. 表 1 に示す圧電コンポジットの合成内部抵抗および合成静電容量の値は実瀏直を示す, 一 31

32 機械共振式の圧電振動発電に関する墓礎研究 3. 発電特性評価 3 1 加振入力のモデル化本研究では, 回転機械の不つり合い振動を加振源として片持ちはり型の機械共振式の圧電振動発電装置を駆動することを考える, したがって, 産業用回転機械で生じる振動弓鍍を用いた発電性能評価が必要となる.

5 32 機械共振式の圧電振動発電に関する墓礎研究 3. 発電特性評価 3 1 加振入力のモデル化本研究では, 回転機械の不つり合い振動を加振源として片持ちはり型の機械共振式の圧電振動発電装置を駆動することを考える, したがって, 産業用回転機械で生じる振動弓鍍を用いた発電性能評価が必要となる. そこで本論文では, ISO } で規定きれる新規に設置された 15kW 以下の回転機械の振動レベルの上限値 (RMS 値 ) :0.71 mm! (Zone A の上限 ) が産業用回転機械に常に発生している振動レベルであると仮定し, 圧電振動発電装置の発電性能評価をするための加振入力をモデル化した. 3 2 加振実験方法圧電振動発電装置は, 鋼製ブロックにボルトで固定し, 図 4 に示すように動電型加 Fig.4Prototype vibration energy harveterinta 堊 1ed on electrodynamic haker head fbr experimentally power goneration evaluation 振器 (EMIC 社製, 定格加振力 9,800N ( 正弦波加振, 無負荷最大 : 加振加速度 656.6m!z ( 正弦波力珀辰 ), 加振凋波数範囲 5Hz 2,500 Hz > を用いて, 速度振幅一定の振動を与えた. 片持ちはりの固定端と自由端の両方に取り付けた加速度ピックアソプ (PCB 社製, A353B15) で加速度を測定した. 伝達関数は,FFr アナライザ (ONO SOKKI 社製, CF 5210) で測定した. 負荷抵抗に発生する電圧および電流を図 5 に示す電力計 (HIOKI 社製 POWER. 田 TESTER 3332) で測定した, 圧電コンポジッ 1 の電気インピーダンスは,LCR メータ (HIOKI 社製,POWER HiTESTER 3522) で測定した. 圧電コンポジットの端子間に接続する負荷抵抗 Ri は, 図 6 に示すように電力計内の電圧計の入力インピーダンス R, = 2M [), 電流計の入力インピーダンス R 广 2m Ω と可変抵抗 RL の合成抵抗となる. 発電特性を実験的に評価するため, 表 2 に示す 5 種類の抵抗値 RL : 11.3,58.0,112.8,254.3 および 2587k Ω を可変抵抗で設定して, 5 種類の負荷抵抗の値曷を設定した. 本論文では, 可変抵抗 RL で消費ずる電力で回収可能な発電量を評価することとする. 3 3 加振実験結果片持ちはりの曲げ一次共振周波数 26.25Hz の正弦波で圧電振動発電装置を定常加振した時の自由端加速度, 可変抵抗 R 广 112.8k9 に生じる電圧および電流の実測結果を図 7 に実線で示す. このとき, 電力計と可変抵抗 RL を含めた負荷抵抗 Rl が圧電コンポジットの電気インピーダンスに等しくなるように, 可変抵抗 & 司 12.8 ks) を接続した. また, 速度振幅一定で加振周波数を変化させたときの可変抵抗 RL で消費する電力の実測結果を図 8 示す, 負荷抵抗 Rl = 106.8k Ω および加振周波数 26.2 Hz にて, 有効電力 94 μ W を実測した. 圧電振動発電装置は, 最大電力を Fig,5Power meter and electric 訓 IQadforexperimentally power generation evaluatioll MFCl R, i Fig.6 Elect cal circuit of vibration ytem RI 馬 1 : l Rv & + Rn } 浄烹 R + RL i Table 2 Load reitaiice energy harveter (DR ズ 11.3x103 [ Ω ] 1 ガ 1L3 x エ 03 [ Ω 1 (2 ) R パ 56,4x103 [Ω] R ガ 58.Ox103 [ Ω (3 ) R ズ 106.8xlO3 Ω 1R パ 112 8xlO3 Ω] (4 ) R x103 [ Ω] R ガ 254.3x103 [Ω] (5 ) R パ 112 言 xlo3 [ Ω ] R 乙 2587x103 [ Ω ] 一 32

6 機械共振式の圧電振動発電に関する基礎研究 [,3 10 丶 ε 匚福缶可ビく 9} 呂塁 o > 5 一 5 罰 10D0 5 0,05 0,1 0,15 e.2 Tlme ( e 匸ハユ耄 9 羹 8, 耄 6 竃 Freque 冂 cy ( 目 z) Fig 8 AC Po 罹脚 on 脚 1 t)of 伽 e energy harv ter Withrepeet toexcita 叛 quen ( ツ o 一 5 一 10 G ハ 6e き葛 4 菖 20 一 20 0,05 0,1 0,15 0,2 Time (5ec ) 冨鬘 50 羃 ξ 4 誉釐 30 毒羣 20 Σ ( 審巳田至 D qu O 一 40 一 D Time ( 5ec ) Fig.7AcoeleTaio 皿 repone of ficeend of prepoed vib 醜 on energy harveter and vo e a 皿 d cur (experiment amd irnutation) 取り出すために, 圧電コンポジットと負荷抵抗をイン lt 一ダンスマッチングさせるとともに, 圧電振動発電装置の片持ちはりの曲げ一次共振周波数の振動を与える必要があることが実験的に確認できた, 3 4 発電シミュレーション 5Hz 5e Hz の周波数範囲で速度振幅一定 (RMS 値 O.71 mm 差 ), 掃引時間 20 分のスイープ加振を行い, 圧電コンポジッ. トの端子を開放した状態での圧電振動発電装置の片持ちはりの固定端加速度から自由端加速度までの伝達関数を実測した. 図 9 に伝達関数の実測結果とシミュョン結果を示す. 両者は良好に一致した, 片持ちはりの曲げ一次共振周波数 26,25Hz レーシの正弦波で圧電振動発電装置を定常加振した時の自由端加速度, 可変抵抗に生じる電圧および電流のシミュレーション結果を図 7 に点線で示す. このとき, 電力計と可一 Frequency ( HZ ) Fig.9Accele 師 o 皿丘 equency repone vibi 洫血 1cdon of pmpoed rgy haveter atopen circuit ofmfc ac 加 ator 変抵抗 RL を含めた負荷抵抗 Rl が圧電コンポジットの電気インピーダンスに等しくなるように, 可変抵抗 R. ; ll2.8k Ω を接続した. 以上から, 提案した圧電振動発電装置に対する二自由度のシミュレーションモデルが構築でき, 実測結果とシミュレーション結果が良好に一致していることが確認できた. したがって, 数値シミュレーションによって, 発生電力の評価が可能となった. 電力計と可変抵抗 R, を含めた負荷抵抗島が圧電コンポジットとインピーダンスマッチングしている状態で, 片持ちはりの曲げ一次共振周波数 26.25Hz での負荷抵抗 RI で消費する電力のシミュレーション結果を図 10 に示す. 図 10 では, 負荷抵抗を変化させたときの可変抵抗 Rl. での消費電力と片持ちはりの固定端加速度から自由端加速度までの振幅倍率のシミュレーション結果を示す. 負荷抵抗 R ; = 95.2k Ω にて, 有効電一 33 一

34 機械共振式の圧電振動発電に関する基礎研究ハ 1 貔嵳鶸 1 耋出塁毳毳モ言隠豈龕毫 Σ Reitance 尺 1 (kω } Fig.IO Power genermionperfermanceand the magrlificadon rofthe energy harvetor with に peσttoel 衄 cal re 曲加 nce 力 100.

7 34 機械共振式の圧電振動発電に関する基礎研究ハ 1 貔嵳鶸 1 耋出塁毳毳モ言隠豈龕毫 Σ Reitance 尺 1 (kω } Fig.IO Power genermionperfermanceand the magrlificadon rofthe energy harvetor with に peσttoel 衄 cal re 曲加 nce 力 100.5pW の最大電力を消費し, 負荷抵抗 Rl = kω にて, 有効電力 99,7 μ W の電力を消費するシミュレーション結果を得た. 数値シミュレーションでは, 負荷抵抗と圧電コンポジットのインピーダンスマッチングにより, 圧電振動発電装置から最大電力が取り出せることが示された. このことは, 図 8 の実験結果と整合する. 一方, 加振実験では, 負荷抵抗 Rl = k Ω および加振周波数 2625Hz にて, 有効電力 89 ト LW を実測した. 図 10 のシミュレーション結果から, 負荷抵抗と圧電コンポジットのインピーダンスマッチングにより, 振幅倍率が最小となり, 減衰能が最大となる結果が得られた. 3 5 考察図 10 の結果から, 負荷抵抗と圧電コンポジットのインピーダンスマッチングにより振幅倍率が最小となるので, 共振によって圧電振動発電装置自身に生じる繰り返し曲げ応力のレベル低減をある程度図ることができる, また, 圧電振動発電装置を回転機械に取り付けることによって, センサ用の電力生成に加えて回転機械自身の振動低減の効果も併せて得られると考えられる, さらに, 図 8 は加振周波数の変動を発生電力量から推定できることを示しており, 圧電振動発電装置の自己診断機能 ( 片持ちはりの共振周波数の変化を推定する機鬮へ応用することが可能と考えられる. 本論文で示した圧電振動発電装 1 で回収可能な電力は微小であるが, 回転機械の規模が大きくなれば, 発生する振動レベルも増大し ( 例えば,ISO } で規定されている新規に設置されたクラス IV の大型回転機械の振動レベルの上限値 (RMS 値 ):2.8 mrrv (Z ea の上限 ) となる ), より大きな電力の回収が可能となると考えられる. 近年, 革新的な半導体技術の進展による超低消費電力の演算回路やセンサ回路の登場により, 例えば間欠的に振動状態監視を実施するこ Fig.11Schernatlc illutmdon ofvibra 桓 on condidon monito 血 g fbr otating machineiy uing w 鵬 1eenor ytem with vib 頗 on ergy harveter とで, 微小な発電量であっても図 ll に示すようなワイヤレスセンサシステムを利用した振動状態監視が可能となる. 具体的には, 圧電振動発電装置で回転機械に発生する振動エネルギーから回収した電力を二次電池や電気二重層コンデンサなどに蓄えることで, 各種振動センサを駆動させるための電源として利用できる. 各種センサが取得した振動情報あるいはその分析結果は, 無線通信を介して中央の制御室のコンピュータに入力され回転機械の振動状態を監視する. 4. 結言本論文では, 圧電コンポジットを利用した片持ちはり型の機械共振式の圧電振動発電装置を提案した圧電振動発電装置に対する二自由度の機械一電気連成系の支配方程式を導出し, 発電シミュレーションモデルを構築した, 片持ちはりの共振周波数での定常振動状態において, 圧電コンポジットに接続した抵抗での消費電力の値によって, 圧電振動発電装置が振動エネルギーから電気エネルギーに変換して回収する微小電力の値を評価した. 実験および数値シミ = レーションの結果, 負荷抵抗と圧電コンポジットのインピーダンスマッチングと, 片持ちはりの共振周波数での加振により, 圧電振動発電装置から最大電力が取り出せることを示した. また, 圧電振動発電装置を利用した振動状態監視システムの実現可能性を考察した. 本研究の一部は, 日本学術振興会平成量 9 2 年度科学研究費補助金 ( 基盤研究 (C), 課題番号 : ) の援助を受けた, ここに記して謝意を表す. 文 (1 ) Hagood,N.W.and von Flotow,A., Damping of StructuralVibration wlth PiezoelectricMaterial 献一 34 一

8 The JapanSociety Society ofmechanical of Mechanical Engineer and PaiveEleenicalNetwerk," Jowrnal ofsotind and P7bration,Vol,l46,No,2 (1991), pp (2)An American Nationat StandarclIEEE Standard on Piezoelectricity, ANSIAEEE Std (3) Ahmadian, M, and DeGuilio, A.P., "Recent AdvanceintheUe of PiezooeramicforVibration Suppreion;'flke Shock and "bration Diget, Vol.33,No.] (2001), pp.is-22. (4) Adachi, K., "Shunted PiezoelectricforStructural Damping," Jburnal of the Societyoflvtrument and Controt Engineer,Vot.42,Ne.9 (20e3), pp-, (injapanee), (5) Komatu, K., "Introduction to Smart Structure," Jburnal of the Japan Societyof A4lechanical Engineer, Vol.102, No.963 (1999),p.63 (in Japanee). (6) Beeby, S.P.,Tudor, M.J. and White, N.M, "Energy Harveting Vibration Source for Microytem Application," Adeaurement Strience and 7lechnolqgy, Vol.17,No. I2 (2006), pp. Rl75-Rl95. (7) Park,G,,Farrar.C.R., Todd, M.D., Hedgki, W, and Roing, T., `CEnergy Hhrveting for Structurat Health Monitoring SenorNet"(erk,"Lo Alamo Aibtional LaboratoryRepert,LA-143t4-MS (2007), pp. (8) Thoma, J.P.,Oidwai, M.A. and Kellogg, J,C,, "Energy Scavenging for Smal1-cale Unmanned Sytem,"Jburnalfor Power Source,Vol, i59, No, 2 (2eo6), pp , (9) Glynne-Jone, P., Beeby, S.P. and White, N,M,, "Toward a Piezoelectric Vibration Powered Microgeneratar," IEE Proeeeditlg - Science, Mbaurement and Tleehnolqgv,Vol. 148, No, 2 (2001), pp, (10)Roundy, S., Wright,P.K. dnd Rabaey, J.M., "Energy Scavenging forwirele Senor Network with a Special Focu on Vibration,"Kluwer Academic Publiher,(2004), pp , (11)Arm, S.W. Townend, C.P,, ChurchM, D.L., "Power Galbreath,JH and Mundell, S.W., Management for Energy Harveting Wirele Senor," Smart Structureand A4bterial2005: Sntart Eteetronic, MEu BioM]Eu and Nbnotechnology, Varadan, V,K,,Editor,Proc. of SPIE5763, <2005), pp (12)Mide TechnolegyCorporation. "Volture PEH25w PiezoelectricVibrationEnergy Harveter".(online), available from < (acceed ). (13)Lcfeuvre,E.,Badel,A.,Richard,C. and Guyomar, D., "Piezoerectric ewdi#.ttrtol.{valtfuee gtiwa6gadi}fc 35 Energy Harveting Device Optimization by Synchronou Electric Charge Extraction,"Jburnat ofltiteltigent MtiteriatSrtem andstructure, Vol. l6,no. 10 {2005), pp (14)Ng, T.H, and Liao,W,H., `"Senitivity Anaiyi and Energy HarvetingfbrA SelfipoweredPiezoelectrie Senor,"Journai ofhiteuigent imteriai ytem and Structure,Vel, 16,No. 10 (2005), pp, , (15)Song, H.J.,Chei,Y,T,, Wang, G. and Wereley, N.M., "Energy HarvetingUtilizing Single Cryta] PMN-PT Material,"ProceedingofASn4E 2008 ConjZirenceon Smart Mbterial,Adaptive Structure and lnieuigent Sytem,No. SMASIS (2oog-lo). (16)ISO 10g16-1:1995, Mechanicai Vibration - Evaluation of Machine Vibrationby Meaurement on Non-rotatingPart- Part 1:GeneralGuideline, (1995). (17)ISO :2001, Condition Monitoringand Diagnoiicof Machine - Vibration Condition Monitoring - Part1:GeneralPTocedure,(2001). (18)Wilkie,W.K., Bryant, R.G.,High, J.W.,Fox,R,L., Heilbaum, R.F.,Jalink,A.Jr.,Little,B.D, and Mirick, P.H., "Low-cot PiezocompoiteActuator for Structural Contro]Application,"Smart Stntcture and Adaterial2000: Indutrial and Commercial Anplication of Shoart &ructure 7lechnolagie, Jacgb, J.H.,Editor,Proc. of SPIE 3991, (200e), pp "Macro-Fiber (19)Smart Material Corporation. Compoite". (online), available from< mart-material.coml>,(acceecl ), <20)Sodano,H.A., Lloyd, J.M and Inman, D.J., "An ExperimentalComparion Between Several Active CompoiteActuatorforPower Generatien,"Smart tructure and MLiteriat 2004: ShiartStrztcture and intqgratedfytem, Flatau, A.B,, Editor,Prec, of SPIE 5390, (2004). pp (21)Adachi, K. and Tanaka, T., "A Preliminary Study of Piezoelectric Vibration Energy Harveter for Vibration Condition Monitoring Application of Rotating Machinery," Proceeding of ASME 2008 Co"erZirence on S)nartMtxterial, Atipptivetr"eture and lhtelligent ytem,no. SMASIS (2eo-lo). <22)Adachi, K., lobe,e. and Iwatube,T.. "Deign of Vibration Suppreion Sytem Qf Paive/Active Hybrid Type uing Piezo-element,"Tranaction of the Japan Socjetyof MechanicalEngineer,Ser.C, Vol, 65, No. 636 (1999),pp (in Japanee) NII-Electronic Library

スライド 1

スライド 1 センサー工学 2012 年 11 月 28 日 ( 水 ) 第 8 回知能情報工学科横田孝義 1 センサー工学 10/03 10/10 10/17 10/24 11/7 11/14 11/21 11/28 12/05 12/12 12/19 1/09 1/16 1/23 1/30 2 前々回から振動センサーを学習しています今回が最終回の予定 3 振動の測定教科書計測工学の 194 ページ二つのケースがある