2022.11.02

人の歩行運動からの発電性能を約90倍に高めることに成功 ―充電不要な小型ウェアラブル端末開発への応用が期待―

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Medical news

＜ポイント＞

・U 字型の振動増幅パーツを取り付けた 1 円玉サイズの小型の振動発電※1素子を開発。

・素子の面積を増大させることなく、発電性能を約 90 倍に高めることに成功。

・歩行運動を含む非定常的な振動から、小型電子機器を駆動可能な発電量を生み出す技術への応用が期待。

＜概要＞

大阪公立大学大学院工学研究科の SengsavangAphayvong 大学院生（博士後期課程 1 年）、吉村武准教授、兵庫県立大学大学院工学研究科の神田健介准教授、大阪産業技術研究所の村上修一室長らの研究グループは、U 字型の振動増幅パーツを取り付けた小型の振動発電素子を開発し、人の歩行運動で発生する振動からの発電性能を約 90 倍に増大させることに成功しました。

IoT の大規模な社会実装に向けて、近年、環境中に存在する熱や光などの微小なエネルギーから電力を取り出すエナジーハーベスティング※2と呼ばれる技術が注目を集めています。中でも、振動する物体が持つ運動エネルギーから電力を取り出す技術は振動発電※3と呼ばれ、天候や気象に左右されないという特徴を持ちます。本研究グループはこれまでに、圧電効果※4を使った振動発電素子の開発に取り組んでおり、これまでにモーターや洗濯機など周期が一定な機械的振動からはマイクロワットレベルの電力を得ることに成功していました。しかし、人の歩行運動等で発生する衝撃的な振動では、発電電力が大幅に低下するという問題がありました。

本研究では、振動エネルギーを電力に変換する振動発電素子に U 字型の構造を持つ振動増幅パーツを取り付けた 1 円玉サイズの素子を新たに開発し、衝撃的振動からの発電性能を約 90 倍に増大させることに成功しました。

本成果は、素子の面積を増大させることなく発電性能を向上できるものであり、歩行運動を含む非定常的な振動から、スマートフォンやワイヤレスイヤホンなどの小型ウェアラブル端末を駆動することが可能な発電量を生み出す技術への応用が期待されます。

本研究成果は、米国物理学協会が刊行する国際学術誌「Applied Physics Letters」に、2022 年10 月 26 日にオンライン掲載されました。

吉村武准教授

衝撃を利用する振動発電素子の性能向上に成功しました。現状では、この技術で動作させることができる電子機器は非常に限られていますが、今後、電子デバイスの省電力化も進んでいくと予想されることから、充電不要なウェアラブル端末の実現に貢献する成果になると期待しています。

＜研究の背景＞

私たちは現在、スマートフォンに加えてワイヤレスイヤホンや活動量計など複数の電子機器を携行して暮らしています。今後は、ウェアラブル端末と呼ばれる身に着ける電子機器が普及していくと予想されていますが、そのためには充電不要という機能を実現することが重要と考えられています。そこで、歩行などの人間の日々の活動を利用して発電する技術の研究が活発に行われています。

本研究チームでは、圧電効果を利用した小型の振動発電素子の研究に取り組んできました。周期が一定な人工的な振動を利用する場合では、40µW/cm2の発電性能を持つ素子を実証していますが、自然界の非定常な振動に対しては発電電力が大幅に低下するという課題がありました。

＜研究の内容＞

本研究では、非定常な振動の一例として衝撃に着目しました。人の歩行運動などでは衝撃的振動が多く発生することに加え、ゆっくりとした振動も周波数上方変換という技術を使えば衝撃的振動に変換できるからです。理論解析により、衝撃的振動を利用する場合では発電素子に蓄積できる運動エネルギーの量が少ないことが発電電力の低下の原因であることを明らかにしました。そこで、衝撃的振動から受け取れる運動エネルギーの量を増大させるとともに、一定時間蓄積することも可能な仕組みを利用することでこの課題の解決を目指しました。

単純な構造でありながら高いエネルギー蓄積性能を持つ U 字型の振動増幅パーツを考案し、複数のシミュレーション技術を組み合わせて最適構造の設計を行いました。MEMS※5技術を用いて作製した小型の圧電振動発電素子の下に U 字型振動増幅パーツを取り付けた（図 1）ところ、衝撃的な振動に対する発電性能を約 90 倍向上させることができました（図 2）。

図 1 開発した素子の模式図(左）と実物写真(右）

図 2 様々な時間幅の衝撃力を印加したときの発電電力の比較

＜期待される効果・今後の展開＞

振動発電素子では、小型化と発電電力の増大という、相反する要求に応えることが大きな課題になっています。本成果は、素子面積を増加させることなく発電性能を向上できるものであり、今後、非定常振動を衝撃的振動に変える機構など開発することで、歩行運動などからウェアラブル端末などの小型電子機器を駆動できるレベルの発電が可能になっていくと期待されます。