スマートマテリアルを用いた 環境発電デバイスに関する研究

スマートマテリアルを用いた 環境発電デバイスに関する研究

森 孝太郎

茨城大学 理工学研究科 機械システム工学専攻 材料力学研究室

工学部研究室訪問交流会プログラム グリーンデバイス教育研究センター

2021

年

12

月

22

日（水） 茨城大学工学部

W1

棟

410

室

発表内容

1

．スマートマテリアル，環境発電について

2

．圧電材料を用いた環境発電デバイス例紹介

3

．磁歪材料を用いた環境発電デバイス例紹介

4

．まとめ

2

1 ．スマートマテリアル、環境発電について

スマートマテリアル（知的材料）とは

周囲の環境（力，熱，光，電磁波等）に応答し機能を

発現する，自身でエネルギーの変換ができる材料．

3

圧電材料，磁歪材料

力学的エネルギーと電気的エネルギーや磁気的エ ネルギーを相互に変換する材料．

逆圧電効果 外力 誘電分極 圧電効果 電場 ひずみ

圧電材料

逆磁歪効果 外力 誘起磁場 磁歪効果 磁場 ひずみ

磁歪材料

代表例

PZT

，

BaTiO 3

，

PVDF

，水晶

代表例

Terfenol-D

，

Galfenol

，

FeCo

合金

環境発電

10nW 1mW 1mW 1W 1kW 1MW

環境発電

（デバイス組み込み）

センサ

0.1 mW

（ワイヤレスセンサ

1 mW

），

Bluetooth 10 mW

，

GPS 0.1 W

環境中の微小なエネルギー

（力，熱，光，電磁波等）

回収・変換

電気として再利用 スマートマテリアル

5

TOTO

エコリモコン

ウォシュレットのスイッチに利用され，スイッチを押すたびに 発電し，電波を飛ばす．

電源や配線が不要なので取り付けが簡単．

https://jp.toto.com/company/press/2015/06/17_001849.htm

環境発電を使った製品例

環境発電のメリット

・環境に対する負荷が小さい

発電の際に

CO 2

の排出を伴わない．また，電池の廃棄等が減らせる．

・電池交換が不要

1

回設置してしまえば故障しない限り交換の必要がない．

・外部からの電気供給が不要

有線による電気供給の必要がなく，重量軽減や設計の自由度が増す．

・半永久的に使用が可能

環境中の微小なエネルギーがエネルギー源であるため，無尽蔵．

6

どのような場所で環境発電を利用するのか

・電池交換が高コスト

消耗品，個数が多いなど（例：タイヤの空気圧センサ）

・電池交換が不可能

/

困難

構造物への埋め込み，危険箇所での使用（例：放射能・有害ガス下）

・電池が使用不可

高温・極低温環境のような電池が働かない環境（例：タービン）

圧電材料・磁歪材料を利用した環境発電

振動

衝撃

振動や衝撃など力学的エネルギーを利用

特に振動は継続的に得やすく，

共振を利用した大きな出力も 期待できる．

外部振動

片持はりの 固有周波数

一致

共振

周波数（Hz）

車体

運転席

25-80

ダッシュボード

10-160

ハブ（前輪）

30-200

日常生活での機器

回転式乾燥機

30-100

窓のフレーム

20-100

洗濯機

20-80

身の回りの振動

200Hz

以下の 周波数が多い

2 ．圧電材料を用いた

環境発電デバイス例紹介

2.1. 傾斜機能圧電複合材料の例

圧電複合材料（単層，

6

層）

振動負荷

/

温度変化 環境発電特性

・実験

・熱物性（線膨張係数）を考慮した解析 圧電複合材料

BaTiO 3 /

エポキシ層で構成 混合比を変化 単層，

6

層（傾斜機能材料）

物性値の温度依存性

圧電定数，線膨張係数および誘電率

背景

・力学的負荷

(

振動

,

衝撃

, …)

・熱的負荷（温度変化，

…

） 従来の圧電材料を使った発電

力学的負荷（振動，衝撃，

…

）を使用

F. Narita, et al.,

Smart. Mater. Struct. 26, 115027 (2017)

BaTiO 3

積層材料に温度変化 誘起電圧 最大

10V

発生

恒温器

圧電材料

BaTiO 3

割れやすい

圧電複合材料

（

BaTiO 3

＋エポキシ樹脂）

特性向上のため組成の傾斜化

10

試験片作製

BaTiO 3 /Epoxy

圧電複合材料（全

5

種）

・単層（3種） 異なる質量比

（BTO:EPO = 20:80, 50:50, 80:20）

・6層（2種） 積層パターンを厚さ方向に変化

（中心に行くほどBTO増加or減少）

実験

（

a

）振動負荷

入力加速度

a = 1 G

入力周波数

f = 200 ~ 600 Hz

（

b

）温度変化

液体窒素を使用 室温（

293K

） 低温（

77K

）

加振機を使用

固定端を振動

実験（ 2 種）

変位，誘起電圧

誘起電圧

変位 レーザー変位計を使用 誘起電圧 ウェブロガーを使用

12

有限要素解析

解析モデル

圧電複合材料モデル

単層（3種）

6層（傾斜機能材料，2種）

寸法 長さ

l

，幅

w

，厚さ

h

（ただし，対称性を考慮して解析モデルの幅は

w/2

） 分極方向 厚さ方向

厚さ方向に

6

等分し，各層に物性値を与え傾斜機能材料を表現

（上の層から層番号

k = 1,..., 6

）

誘電率

є 33

（

BaTiO 3

，計算値）

構成方程式に組み込み

100 200 300

0 100 200 300

T (K) d

33

( × 10

-12

m /V )

Test d = 0.89 mm, N

_d

= 0 ppm d = 1.03 mm, N

_d

= 0 ppm

圧電定数

d 33

（

BaTiO 3

，実測値，計算値）

120 0 180 240 300 360

100 200

T (K) Test BTO:EPO = 20:80

80:20

 ( × 10

-6

/ K )

線膨張係数



（

BaTiO 3 /epoxy

，実測値）

𝜀 𝑖𝑗 = 𝑠 𝑖𝑗𝑘𝑙 𝐸𝑇 𝜎 𝑘𝑙 + 𝑑 𝑘𝑖𝑗 𝑇 𝐸 𝑘 + 𝛼 𝑖𝑗 𝐸 (𝑇)∆𝑇 𝐷 𝑖 = 𝑑 𝑖𝑘𝑙 𝑇 𝜎 𝑘𝑙 + 𝜖 𝑖𝑘 𝜎 𝑇 𝐸 𝑘 + 𝑝 𝑖 𝜎 ∆𝑇

物性値（ d 33 ， є 33 ，  ）の温度依存性

（

a

）振動負荷

共振周波数で最大誘起電圧 約

30mV

圧電定数だけでなく弾性定数も影響

（

a

）振動負荷

a = 1 G

誘起電圧（実験）

結果および考察

200 0 300 400 500 600

10 20 30

f (Hz) V

in

( m V )

Test 20:80 50:50 80:20 Acceleration 1 G

BTO:EPO

200 0 300 400 500 600

10 20 30

f (Hz) V

in

( m V )

Test Type I Type II

Acceleration 1 G

（

b

）温度変化 室温

→ 77K

20:80, 50:50, 80:20 Type I Type II

単層

6層

単層

6層

（

b

）温度変化

振動負荷同様最大誘起電圧 約

30mV

最外層の

BaTiO 3

含有量に依存

低温

d 33

，

є 33

，



^{温度依存性 無}

物性値（

d 33

，

є 33

，



^{）の温度依存性}

単層（

50:50

）

物性値の温度依存性を考慮した解析

材料の選択に有効

誘起電圧（解析）

100 0 200 300

0.1 0.2 0.3 0.4

50:50

T (K) V

in

(V )

T dependence d33 const.

₃₃ const.

 const.

FEA

BTO:EPO

290 0 300 310 320 330 340 0.1

0.2 0.3

T (K) V

in

( V )

50:50 T dependence

d₃₃ const.

₃₃ const.

 const.

FEA

BTO:EPO

低温（室温

→ 100 K

）

高温（室温

→ 340 K

）

高温

d 33

温度依存性 無

є 33

，



^{温度依存性 有}

誘起電圧 増加

特に

低温 圧電定数の影響

高温 線膨張係数の影響 顕著

3 ．磁歪材料を用いた

環境発電デバイス例紹介

3.1. 磁歪材料カンチレバーの例

磁歪材料（

FeCo

） 振動負荷

環境発電特性

・実験

・解析

磁歪材料カンチレバー

FeCo/Ni

積層材料

おもりの重さ，位置および大きさを変化 共振周波数のおもりの依存性

センサへの利用についても検討

背景

①共振域を広げる

②次数の異なる共振の周波数を近づける

③デバイスの共振を外部振動に合わせる

振動を利用した発電 共振で発電効率上昇

特性向上のため様々な工夫

ただし，共振域を外れると発電効率が激減，外部振動は 複数の振動の重ね合わせである等，注意が必要．

周波数

f

①

②

③

カンチレバーの共振に影響するパラメータ

長さ，重さ，硬さ等

𝑓 0 = 1 2𝑙

𝐸

𝜌(1 − 𝜐 2 ) Δ𝑓 = − 𝑓 0 Δ𝑚 2𝜌𝑙𝑤ℎ

カンチレバーの共振 おもりによる共振の変化量

試験片

FeCo/Ni

磁歪材料カンチレバー おもり 重さ（5種）

1，2，4，7，10 mg

位置はカンチレバー先端

実験

振動負荷実験

入力加速度

a = 1 G

入力周波数

f = 99 ~ 110 Hz

共振周波数，誘起電圧

加振機を使用

固定端を振動

有限要素解析

解析モデル

寸法 長さ

l

，幅

w

，厚さ

h

磁化容易軸方向 長さ方向

FeCo/Ni

磁歪材料カンチレバー

おもり 重さ（5種）

1，2，4，7，10 mg

位置（5種）

長さを5等分した位置 大きさ（3種）

入力加速度

a = 1 G

入力周波数

f = 99 ~ 110 Hz

固定端に厚さ方向の強制変位 共振周波数，誘起電圧

解析

共振周波数

おもりの重さ 大

共振周波数 減

おもりの重さ

1，2，4，7，10 mg

おもり位置 先端

共振周波数，誘起電圧

結果および考察

おもりによる共振周波数のシフト 実験と解析間 傾向一致 誘起電圧

各おもり重さ 約

90 mV

おもりの影響 小

おもり位置および大きさの影響 おもりの重さ

10 mg

共振周波数の変動

（

a

）おもりの位置 （

b

）おもりの大きさ

おもり位置および大きさ 影響あり

※ D f

はおもりなしの共振周波数

（

106.5 Hz

）からの差分

共振周波数の変動の利用 誘起電圧

入力周波数 107 Hz

入力周波数を固定して，

誘起電圧の変動を見た場合，

質量センサとして機能

107 Hz

誘起電圧や共振周波数の大 きさや変動を利用することに より，自分で電源をまかなえ るセンサの開発が可能

??

4 ．まとめ

・環境発電の特性向上を考える場合，より良い 材料，もしくはメカニズムが必要．

→ 本研究紹介だと，圧電傾斜機能材料や FeCo/Ni 積層材料が材料，複数のエネルギー源の利用や おもりによるデバイスの共振周波数の制御がメカ ニズム．

・環境発電は付属技術．多くは何かと組み合 わせて，その電源として機能する．

→ 本研究紹介だと，工場や機械等の IoT デバイス，

スタンドアロン型のセンサなどを想定．

※上記はあくまで森個人の環境発電に対する考えです