超小型磁歪式振動発電デバィスと高効率電力変換回路の提案

摘要

近年，工作機械や生産機械に無線センサを導入する気運が高まっている[1]。例えば金型の加工で，エンドミルの摩耗は，仕上げ面の粗さや精度を低下させるため，これをいち早く検知したいニーズがある。一般に，切削加工では工具の摩耗で特徴的な振動が発生する[2]。つまり，この振動の発生を即座に知らせることで，工具を適切なタイミングで交換できる。また生産機械では，不具合や異常で振動の発生や温度が上昇する場合が多く，このような状態変化を即座に知らせることで，機械の停止や故障を防ぐ対策が取れる。一方，これを行う無線センサは電池で動作し，これが運用上の課題である。電池は消費する度に交換が必要で，その寿命管理も面倒である。工場のようにセンサが十個，百個もある場合，この手間や作業は無視できない。これを解決するのが振動発電である。これら機械では，モータゃアクチュエータなどの過渡や周期的な力，変位で何らかの振動が発生している。これら振動を電源に利用することで電池不要な無線センサが実現する。 我々は，鉄系磁歪材料（F-Ga合金[3])を利用した振動発電デバイスを開発している[4][5]。デバイスはシンプルで堅牢，高感度，高出力の特徴を有する。これまでに4 × 0.5 × 16mm~3のFe-Ga合金を利用したデバイスにおいて30 Hzから100Hzの振動において，サブmWからmWの実効電力，また1億回の振動でも出力が劣化しないことを確認している。一般に工作機械や生産機械は堅牢に作られ，振動は概して小さく，その卓越周波数も高い。本論文では，スケール効果を考慮し，工作機械で発生する高周波数（200〜1kHz）の振動で共振するデバイスの設計指針と，その試作評価について述べる。また実際の利用においては，簡単な機械への設置，共振周波数の調整も重要で，これを行う実用構造を説明する。またデバイスが発生する小さな交流電圧を低損失で無線センサの入力電圧（直流3.3V）に適するよう変換する回路が必要である。本論文では，LC共振と半波整流回路で構成される電力変換回路を提案し，この動作と従来回路に対する比較を実験，シミュレーシヨンで検証したので報告する。