穴あき根部を持つバイモルファス・セルラー基板を備えた圧電カンチレバー・ハーベスター:分布パラメータモデリング、有限要素解析、および疲労制約設計

本論文では、圧電素子の下部に配置されたセルラー基板が振動エネルギーハーベスターの出力を向上させるが、その効果は一般的に異方性によるものとされ、穴あきによる耐久性の低下はほとんど定量化されていない。本研究では、電極下の高曲率根部に二重周期的な弓形(ダブルヘッド型)の貫通孔アレイを配置し、遠位部には固体部分を残した穴あき根部を持つ圧電カンチレバーを提案する。正の実効ポアソン比を持つセルを用いることで、出力増加は負のポアソン比ではなく、穴あきの位置と電極との相対位置によって決まる基板コンプライアンスとひずみ再配置効果によるものであることを示す。穴あき根部を均質化し、その縦方向実効弾性率E1*を介して梁に導入し、圧電結合を平面応力値に還元した区分分布パラメータモデルを導出し、ANSYS Parametric Design Language (APDL) で明示的な穴形状に対する3つの独立した有限要素測定値と比較検証した。2つの測定値は密接に一致し、直接引張試験ではE1*/Es=0.270対予測値0.268(0.7%)、基板のみの基本周波数は21.7 Hz対予測値21.5 Hz(1.0%)となった。3番目の測定値は一致せず、圧電素子が存在する場合、この低減は47.7 Hz対36.4 Hzと予測され、完全なデバイスの絶対周波数はまだ確立されておらず、ここでは傾向のみに依存している。全体寸法と圧電素子が等しい場合、ベースラインセルはピーク電力を固体梁の約14%(38.6から44.0μW)増加させ、共振周波数を57.6から50.7 Hzに低下させる。これらの効果は穴のサイズとともに増加し、調査した最大のセルではそれぞれ23%、46.5 Hzに達する。正味断面の連結部応力が使用可能な充填率を制限する疲労制約定式化により、1 gの励振下で充填率を約0.59に制限し、耐久性のある動作のための充填率-負荷設計マップが得られる。