特殊形状の圧電体を用いた発電デバイスの開発

使用特殊形状压电材料开发发电装置

基本信息

批准号：
16H04324
负责人：
大橋雄二
金额：
$ 10.73万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-01 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

近年、あらゆるものがインターネットにつながるInternet of Things(IoT)関連技術への関心が高まっており、これらを無給電・メンテナンスフリー、かつ無線で情報発信できる自立型のワイヤレスセンサーネットワークへ展開していくために、クリーンな環境エネルギーから電源供給を行なう発電デバイスの開発が注目されている。本研究では、比較的高いエネルギー密度で昼夜問わず発生している低周波振動を用いた発電デバイスを実現するため、低周波振動を効率よく電気エネルギーに変換できる特殊形状を有する３次元構造単結晶の作製技術を構築し、その材料や結晶形状、育成方位、電極配置等を最適化し、より低周波で高効率・小型の発電デバイスを開発することを目的とする。初年度となる平成28年度は、特殊形状としてスプリング形状の場合を取り上げ、単結晶発電素子として最適な圧電材料、結晶方位を探索するために、既存圧電材料定数を用いて有限要素解析によるスプリング振動と発電量の結晶方位依存性を検討した。既存圧電材料の一つである三方晶、点群３２に属するCTGS単結晶の定数を用いた解析で、断面が円形のスプリング構造を有する圧電体振動に対する発電量について結晶方位依存性および各定数寄与度を調べた。結果として、Z軸方向がスプリングの巻き軸に平行になる方位で発電量が最大となること、および定数の中で特に圧電定数e14が発電量の増加への寄与が大きいことを明らかにした。また、単結晶3次元形状制御が可能な結晶育成機構を実現するために、独自結晶育成技術であるマイクロ引き下げ装置に回転軸とX/Yステージの移動機構を導入し、さらにその制御ソフトを構築した。構築した装置・制御ソフトの動作実証として、比較的作製が容易なサファイア単結晶を取り上げてスプリング状結晶の作製を試み、その作製に成功した。

近年来，人们对将一切事物连接到互联网的物联网（IoT）相关技术越来越感兴趣，我们的目标是将这些技术开发成无电源、免维护、能够传输数据的自主无线传感器网络。利用清洁环境能源提供电力的发电装置的开发正在引起人们的关注。在这项研究中，为了实现利用日夜发生的低频振动且能量密度相对较高的发电装置，我们将开发一种具有特殊形状的三维结构单晶，可以有效地转换低频振动。该项目的目的是开发该材料的制造技术，优化材料、晶体形状、生长方向、电极排列等，开发出高效、紧凑的低频发电装置。第一年2016年度，我们将重点关注作为特殊形状的弹簧形状的情况，为了寻找单晶发电元件的最佳压电材料和晶体取向，我们将进行有限元研究使用现有压电材料常数分析弹簧振动以及发电对晶体方向的依赖性。使用 CTGS 单晶（现有压电材料之一，属于三角晶系和点群 32）的常数进行分析，显示了晶体取向的依赖性以及每个常数对振动响应产生的功率量的贡献我检查了具有圆形横截面的弹簧结构的压电体的度数。结果表明，Z轴方向与弹簧卷绕轴平行的方向上的发电量最大，并且在这些常数中，特别是压电常数e14做出了很大的贡献。以增加发电量。此外，为了实现可以控制单晶三维形状的晶体生长机制，我们在微拉装置中引入了旋转轴和X/Y平台移动机构，这是一种独特的晶体生长机制。技术，还创建了控制软件。为了演示所构建的设备和控制软件的操作，我们尝试使用相对容易制造的蓝宝石单晶来制造弹簧形晶体，并成功制造了它。