振動を電気に変換するマイクロ・エナジー・ハーベスタを開発――機械的強度に優れるSUS基板を採用 東北大学と仙台スマートマシーンズ

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東北大学は2021年2月3日、同大学未来科学技術共同研究センターのグループが仙台スマートマシーンズと協力し、周辺の振動を電気エネルギーに変換する高出力マイクロ自立発電機(マイクロ・エナジー・ハーベスタ)を開発したと発表した。振動体として機械的な強度に優れるSUS(ステンレススティール)基板により構成されており、機械的特性、耐久性に優れる。

振動を電気エネルギーに変換する高性能小型発電機の開発に期待が集まっていることから、エナジー・ハーベスタやマイクロセンサーなどの性能を向上させつつ、実用化を目指して検討を進めてきたところ、性能の飛躍的な向上に成功した。

エナジー・ハーベスタは既存の振動発電デバイスよりも小さく、軽量になり、0.01G(~0.1m/s2)の低加速度で1mW以上の発電出力を達成。加速度1Gでは、10mW以上の発電出力を持つ。また、このエナジー・ハーベスタと同じ構造を用い、1Hz以下の帯域も測定できる超低周波マイクロ振動センサーを開発した。

今回開発した小型/軽量のエナジー・ハーベスタは、AlN(窒化アルミニウム)をベースとした圧電薄膜を用いて周辺の振動を電気エネルギーに変換するマイクロエナジー・ハーベスタデバイスとなる。容積1cc、振動加速度1Gで約10mW以上の発電出力、振動加速度0.01Gでも1mW以上の発電出力が得られる。

このデバイスは振動体が通常のMEMSデバイスで用いられるSi基板とは異なり、機械的な強度に優れるSUS基板により構成。耐久性に優れており、自動車や電車などの過酷な条件下でも使用できることが期待される。さらなる研究として、発電出力が100倍以上大きくなることが期待されるFerroelectric Dipole Electretも提案しており、100mW/cc以上を目指して研究開発を続けているという。

自動車、鉄道、工場などへの適用として、ネクスコ・エンジニアリング東北と共同で、一般自動車バネ下にセンサーを設置し、高速道路の路面状況をセンシングするシステムを開発。また、大型ビルディング、橋梁に代表される社会インフラへの適用も期待されており、提案活動を進めている。

今後、電池や商用電源に頼らずにセンサー等を駆動するセンサーノードとして、仙台スマートマシーンズにて商品化を図っていく。

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