JP2017135806A - 振動発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】安価に入手できるアモルファス合金を磁歪薄帯として用いた振動発電素子であって、従来よりも起電力が大きい振動発電素子を提供する。【解決手段】振動から電力を生成する振動発電１０であって、アモルファス合金の磁歪材料からなる膜状の複数の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅと、複数の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅを積層させるように接合する接合剤１３ａ〜１３ｄと、接合された複数の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅを束ねて巻回するコイル１５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、振動から電力を生成する振動発電素子に関し、特に、磁歪材料を用いた振動発電素子に関する。

従来、磁歪材料による逆磁歪効果を利用して、振動から電力を生成する振動発電素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、逆磁歪効果とは、磁化させることで形状が歪む磁歪効果の逆の現象であり、形状を歪ませて磁化させる現象である。なお、磁歪効果及び逆磁歪効果を発揮する材料を磁歪材料と呼ぶ。

特許文献１には、磁歪材料からなる磁歪薄帯と、磁歪薄帯を巻回する導電性の配線パターンから構成されるコイルと、磁歪薄帯と配線パターンとの間に介在する絶縁層とを備え、磁歪薄帯及び絶縁層を含む厚みが５００μｍ以下のシート構造を有する磁歪発電薄膜片が開示されている。このような磁歪発電薄膜片を振動する構造物に貼り付けることで、振動が電力に変換され、コイルから電力を取り出すことができるというものである。

一方、近年、このような振動発電に好適で、かつ、安価な磁歪材料として、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス合金が提供されるようになってきた。

国際公開第２０１２／１７６４７５号

しかしながら、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス合金は、ロールに溶融メタルを吹き付けて急冷させる製法によって製造され、バルクではなく、薄帯としてだけ製造される。そのために、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス合金を上記特許文献１の磁歪発電薄膜片に適用しても、コイルで巻回された磁歪薄帯の断面積が十分ではなく、起電力が小さいという問題がある。コイルで巻回された磁歪薄帯から発生する起電力は、磁歪薄帯の振動周波数、コイルの巻数、磁束が通過する磁歪薄帯の断面積、及び、その磁束密度の変化率に比例するからである。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、安価に入手できるアモルファス合金を磁歪薄帯として用いた振動発電素子であって、従来よりも起電力が大きい振動発電素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る振動発電素子は、振動から電力を生成する振動発電素子であって、アモルファス合金の磁歪材料からなる膜状の複数の磁歪薄帯と、前記複数の磁歪薄帯を積層させるように接合する接合剤と、接合された前記複数の磁歪薄帯を束ねて巻回するコイルとを備える。

これにより、本発明に係る振動発電素子は、安価に入手できるが厚さに制限がある磁歪薄帯が複数、積層された構造を有するので、磁材材料の量がバルクのように増し、あるいは、磁界中に配置された場合に磁歪薄帯の断面積が大きくなり、従来よりも大きな起電力が発生する。

ここで、前記アモルファス合金は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス合金であってもよい。

これにより、広く普及し、安価なＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス合金を磁歪薄帯とする振動発電素子が実現される。

また、前記複数の磁歪薄帯のそれぞれの厚さは、１００μｍ未満であってもよい。

これにより、複数の磁歪薄帯が積層された積層構造体は、全体として非常に薄いシート構造なので、振動を受けて撓み易く、大きな起電力を生じ得る。

また、前記コイルは、絶縁材で被覆された導線であってもよい。

これにより、上記特許文献１の磁歪発電薄膜片が備える絶縁層が不要となり、製法が簡素化される。

また、前記接合剤は、エポキシ樹脂であってもよい。

これにより、複数の磁歪薄帯が強固に接合され、振動時には、振動構造物から複数の磁歪薄帯のそれぞれに対して引張応力と圧縮応力とが確実に加えられる。

また、振動発電素子は、さらに、前記複数の磁歪薄帯に、積層されるように貼り付けて固定される基板を備え、前記コイルは、積層された前記複数の磁歪薄帯と前記基板とを束ねるように巻回されていてもよい。

これにより、複数の磁歪薄帯に積層されるように基板が固定されるので、その基板を利用して振動構造物に取り付けることが容易となる。また、積層された複数の磁歪薄帯と基板とを束ねるようにコイルを巻回すればよいので、コイルの巻回が容易となり、振動発電素子の製造が効率化される。

また、前記基板の厚さは、前記複数の磁歪薄帯における厚さよりも大きくてもよい。

これにより、基板の厚さが複数の磁歪薄帯からなる積層構造体における厚さよりも大きいので、積層構造体と基板とを合わせた振動発電素子の厚さの中間（中心線）が積層構造体ではなく基板に存在することになる。よって、積層構造体と基板とを重ねて振動構造物に固定した場合に、振動している積層構造体の上層及び下層の一方で引張応力が生じ、他方で圧縮応力が生じることによる起電力の相殺という不具合が回避される。

また、振動発電素子は、さらに、前記複数の磁歪薄帯に対して磁界を印加する磁界発生部を備えてもよい。

これにより、複数の磁歪薄帯にはバイアス磁界が印加されるので、複数の磁歪薄帯を通過する磁束が大きくなり、大きな起電力が発生される。

また、前記振動発電素子は、片持ち梁となるように、一端が振動構造物に固定されてもよい。

これにより、振動発電素子が、片持ち梁として、その一端が振動構造物に固定されるので、振動構造物からの振動が拡大されて複数の磁歪薄帯に伝達され、高い効率で振動を電力に変換する振動発電素子が実現される。

本発明により、安価に入手できるアモルファス合金を磁歪薄帯として用いた振動発電素子であって、従来よりも起電力が大きい振動発電素子が提供される。

よって、本発明により、自動車、モータ、高架橋等で生じている振動を電力に変換することが可能となり、エネルギーの効率的利用が確保され、本発明の実用的価値は極めて高い。

実施の形態１における振動発電素子の外観図 実施の形態２における振動発電素子の外観図 実施の形態３における振動発電素子の外観図 実施の形態３における振動発電素子が振動によって撓んだ様子を示す図 実施の形態４における振動発電素子の外観図

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、工程、工程の順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１における振動発電素子について説明する。

図１は、実施の形態１における振動発電素子１０の外観図である。この振動発電素子１０は、逆磁歪効果を利用して振動から電力を生成する板状の素子であり、アモルファス合金の磁歪材料からなる膜状の複数の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅと、複数の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅを積層させるように接合する接合剤１３ａ〜１３ｄと、接合された複数の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅを束ねて巻回するコイル１５とで構成される。なお、接合剤１３ａ〜１３ｄで接合された磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅを、まとめて、積層構造体１４と呼ぶ。

磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅのそれぞれは、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス合金であり、例えば、Ｆｅ_７５Ｓｉ_１０Ｂ_１５、Ｆｅ_７３．５Ｓｉ_１３．５Ｂ_９Ｎｂ_３Ｃｕ_１等からなる厚さが１００μｍ未満のシート状の薄帯である。磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅのそれぞれのサイズは、例えば、長さ（Ｘ軸方向）が１０ｃｍ、幅（Ｙ軸方向）が５ｍｍ、厚さ（Ｚ軸方向）が２５μｍである。なお、本実施の形態では、積層構造体１４は、５層の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅで構成されているが、２層以上の磁歪薄帯で構成されればよい。積層構造体１４を構成する磁歪薄帯の層数は、１個の磁歪薄帯の厚み、発生させたい起電力の大きさ、及び、設置する環境等に応じて、適宜、決めればよい。

接合剤１３ａ〜１３ｄは、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅを積層させて強固に接合する部材であり、例えば、強力な接着力を有するエポキシ樹脂である。

コイル１５は、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅで生じる磁束密度の変化を検出して電力を発生す導線の一例であり、例えば、絶縁材で被覆された銅線（つまり、エナメル線）である。なお、コイル１５は、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅを束ねるように巻回されており、その巻き数や重ね巻きの度合いは、必要とする起電力に応じて適宜決められる。コイル１５の両端は、この振動発電素子１０で得られた起電力を供給する負荷（例えば、整流して直流電圧に変換する電源回路等）に接続される。また、コイル１５の材料は、銅線に限られず、金、銀、超電導材料等が用いられた導線であればよい。

以上のような構造を有する本実施の形態における振動発電素子１０の製造方法は、次の通りである。まず、形状の揃ったシート状の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅを準備する。次に、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅの積層構造において接触し合う磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅの面に接合剤１３ａ〜１３ｄを塗布し、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅを貼り合わせることで、積層構造体１４を作る。最後に、積層構造体１４に対してコイル１５を巻く。このようにして完成された振動発電素子１０を、振動を発生する構造物（つまり、振動構造物）に固定又は貼り付ける。

なお、振動発電素子１０は、必ずしも必要ではないが、より大きな起電力を発生させるためには磁界（バイアス磁界）中に配置するのが好ましい。磁界を発生する装置としては、振動発電素子１０（厳密には、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅ）に磁界を印加できるものであればなんでもよく、例えば、振動発電素子１０の近くに設置された永久磁石、あるいは、モータ等の磁界を発生する振動構造物であってもよい。

振動発電素子１０は、振動を受けると、次の原理によって発電する。つまり、振動発電素子１０に対して、振動構造物から引張応力と圧縮応力とが交互に加わり、逆磁歪効果によって、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅを通過する磁束の密度が交番状に変化する。このとき、電磁誘導の原理で、コイル１５に電圧（起電力）が発生する。

以上のように、本実施の形態における振動発電素子１０は、振動から電力を生成する素子であって、アモルファス合金の磁歪材料からなる膜状の複数の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅと、複数の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅを積層させるように接合する接合剤１３ａ〜１３ｄと、接合された複数の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅを束ねて巻回するコイル１５とを備える。これにより、本発明に係る振動発電素子は、安価に入手できるが厚さに制限がある磁歪薄帯が複数、積層された構造を有するので、磁材材料の量がバルクのように増し、あるいは、磁界中に配置された場合に磁歪薄帯の断面積が大きくなり、従来よりも大きな起電力が発生する。

また、アモルファス合金は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス合金である。これにより、広く普及し、安価なＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス合金を磁歪薄帯とする振動発電素子が実現される。

また、複数の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅのそれぞれの厚さは、１００μｍ未満である。これにより、複数の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅが積層された積層構造体１４は、全体として非常に薄いシート構造なので、振動を受けて撓み易く、大きな起電力を生じ得る。

また、コイル１５は、絶縁材で被覆された導線である。これにより、上記特許文献１の磁歪発電薄膜片が備える絶縁層が不要となり、製法が簡素化される。

また、接合剤１３ａ〜１３ｄは、エポキシ樹脂である。これにより、複数の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅが強固に接合され、振動時には、振動構造物から磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅのそれぞれに対して引張応力と圧縮応力とが確実に加えられる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における振動発電素子について説明する。

図２は、実施の形態２における振動発電素子１０ａの外観図である。この振動発電素子１０ａは、実施の形態１の振動発電素子１０に加えて、積層構造体１４（複数の磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅ）に積層されるように貼り付けて固定される基板３０が備えられている。なお、本図では、片持ち梁として、振動発電素子１０ａの一端が、ボルト４２によって、振動構造物の一例であるアンカー４０に固定されている様子が示されている。以下、実施の形態１と同じ構成要素には同じ符号を付してその説明を省略し、実施の形態１と異なる点を説明する。

基板３０は、積層構造体１４の面（ここでは、最下層の磁歪薄帯１２ａの下面）とエポキシ樹脂等の接合剤で接合され、片持ち梁として、一端が振動構造物に固定され、振動構造物からの振動を積層構造体１４に伝達する金属製の部材である。ここでは、基板３０の一端を貫通するボルト４２によって基板３０はアンカー４０に固定されている。

コイルは、積層構造体１４と基板３０とを束ねるように巻回されている。

このような構造を有する本実施の形態における振動発電素子１０ａによれば、基板３０を利用して振動構造物に取り付けることが容易となる。また、製造する際には、積層構造体１４と基板３０とを束ねるようにコイルを巻回すればよいので、コイルの巻回が容易となり、振動発電素子１０ａの製造が効率化される。

また、基板３０を、片持ち梁として、その一端を振動構造物に固定することで、振動構造物からの振動が基板３０で拡大されて磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅに伝達され、高い効率で振動を電力に変換する振動発電素子が実現される。つまり、図２に示される形態では、基板３０の自由端が上方（Ｚ軸の正方向）に撓んだ場合には、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅの全てに圧縮応力が加わり、一方、基板３０の自由端が下方（Ｚ軸の負方向）に撓んだ場合には、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅの全てに引張応力が加わり、振動発電素子１０ａに大きな歪みが生じ、効率的に発電される。

なお、本実施の形態では、基板３０の大きさ及び厚さは、任意でよい。ただし、基板３０と積層構造体１４とを束ねてコイル１５で巻回し易いように、基板３０の幅は、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅの幅と略同一にしておくのが好ましい。また、基板３０を振動構造物に取り付け易いように、基板３０の長さは、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅの長さよりも大きいのが好ましい。さらに、基板３０の厚さについては、片持ち梁として振動し易い厚さであるのが好ましい。

また、本実施の形態では、振動発電素子１０ａは、１個のボルト４２によって振動構造物に固定されたが、複数のボルトによって振動構造物に固定されてもよいし、ボルトとは異なる手法（溶接、圧着等）で振動構造物に固定されてもよい。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３における振動発電素子について説明する。

図３は、実施の形態３における振動発電素子１０ｂの外観図である。この振動発電素子１０ｂは、実施の形態２の振動発電素子１０ａと比べて、基板３０ａの大きさ及び厚さが異なる。以下、実施の形態２と同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略し、実施の形態２と異なる点を説明する。

基板３０ａは、実施の形態２の基板３０と同様に、積層構造体１４の面（ここでは、最下層の磁歪薄帯１２ａの下面）とエポキシ樹脂等の接合剤で接合され、片持ち梁として、一端が振動構造物に固定され、振動構造物からの振動を積層構造体１４に伝達する金属製の部材である。

ただし、本実施の形態の基板３０ａは、図３に示されるように、基板３０ａの長さが、積層構造体１４の長さと同程度である。そして、振動発電素子１０ｂの全体が片持ち梁となるように、基板３０と積層構造体１４の両方を貫通するボルト４２によって振動発電素子１０ｂの一端がアンカー４０に固定されている。

また、本実施の形態では、基板３０ａの厚さは、積層構造体１４の厚さよりも大きい。つまり、基板３０ａと積層構造体１４とを合わせた振動発電素子１０ｂの厚さの中間が積層構造体１４ではなく基板３０に存在する。これは、本実施の形態では、実施の形態２とは異なり、基板３０と積層構造体１４とが一体となって振動構造物に固定されるので、振動時において、積層構造体１４の上層及び下層の一方で引張応力が生じ、他方で圧縮応力が生じることによる起電力の相殺という不具合を回避するためである。

つまり、もし、基板３０ａを備えることなく、コイルが巻回された積層構造体だけを片持ち梁として一端を固定した場合には、振動時において、積層構造体の上層及び下層の一方で引張応力が生じ、他方で圧縮応力が生じることによって、起電力が相殺し合う。本実施の形態によれば、応力の中立線が積層構造体１４から外れるので、このような起電力の相殺が回避される。

図４は、本実施の形態における振動発電素子１０ｂが振動によって撓んだ様子を示す図である。ここでは、図３におけるＩＶ−ＩＶ線を含む面で振動発電素子１０ｂを切断したときの断面図が示されている。また、基板３０ａと積層構造体１４とを合わせた振動発電素子１０ｂの厚さの中間を通る線（中心線３２）も併せて図示されている。

本図に示されるように、本実施の形態の振動発電素子１０ｂでは、積層構造体１４よりも基板３０ａの厚さが大きいため、応力の中立線となる中心線３２は、基板３０ａを通る。その結果、振動発電素子１０ｂが片持ち梁として振動した場合に、積層構造体１４を構成する磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅの全てに引張応力又は圧縮応力が加わり、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅの全てに同じ応力が加えられ、確実に起電力が生じる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４における振動発電素子について説明する。

図５は、実施の形態４における振動発電素子１０ｃの外観図である。この振動発電素子１０ｃは、実施の形態２の振動発電素子１０ａに、積層構造体１４に対して磁界を印加する磁界発生部（連結ヨーク２０ａ及び２０ｂ、永久磁石２２ａ及び２２ｂ、並びに、バックヨーク２４からなる構造物）を追加した構造を有する。以下、実施の形態２と同じ構成要素には同じ符号を付してその説明を省略し、実施の形態２と異なる点を説明する。

連結ヨーク２０ａ及び２０ｂ、永久磁石２２ａ及び２２ｂ、並びに、バックヨーク２４は、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅにバイアス磁界を印加する構造物である。つまり、連結ヨーク２０ａ及び２０ｂは、Ｆｅを含む磁性材料で構成され、それぞれ、積層構造体１４の一端面及び他端面にエポキシ樹脂等で接合されている。永久磁石２２ａ及び２２ｂは、それぞれ、Ｓ極及びＮ極が連結ヨーク２０ａ及び２０ｂにエポキシ樹脂等で接合された永久磁石である。バックヨーク２４は、Ｆｅを含む磁性材料で構成され、永久磁石２２ａのＮ極と永久磁石２２ｂのＳ極とにエポキシ樹脂等で接合されている。

このような連結ヨーク２０ａ及び２０ｂ、永久磁石２２ａ及び２２ｂ、並びに、バックヨーク２４は、積層構造体１４（より厳密には、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅ）に対してバイアス磁界を印加する磁界発生部として機能する。つまり、永久磁石２２ａ、バックヨーク２４、永久磁石２２ｂ及び磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅによって磁束が通過する磁気ループが形成され、常時、積層構造体１４（より厳密には、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅ）に一定の磁界（バイアス磁界）が印加される。

このような構造を有する本実施の形態における振動発電素子１０ｃによれば、磁界発生部によって磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅに対してバイアス磁界が印加されるので、振動発電素子１０ｃが振動を受けた場合に、磁歪薄帯１２ａ〜１２ｅを通過する磁束が大きく変化し、大きな起電力が発生される。

なお、本実施の形態では、実施の形態２の振動発電素子１０ａに磁界発生部が追加されたが、実施の形態１の振動発電素子１０に磁界発生部が追加されてもよい。

以上、本発明の振動発電素子について、実施の形態１〜４に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上記実施の形態では、振動発電素子は、片持ち梁として設置されたが、このような設置例だけに限られず、振動構造物に貼り付けたり、ネジ等で締めつけたりして、固定されてもよい。

本発明は、磁歪材料を用いて振動から電力を生成する振動発電素子として、例えば、自動車、モータ、高架橋等で生じている振動を電力に変換する振動発電素子として、利用できる。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 振動発電素子
１２ａ〜１２ｅ 磁歪薄帯
１３ａ〜１３ｄ 接合剤
１４ 積層構造体
１５ コイル
２０ａ、２０ｂ 連結ヨーク
２２ａ、２２ｂ 永久磁石
２４ バックヨーク
３０、３０ａ 基板
４０ アンカー
４２ ボルト

Claims (9)

1. 振動から電力を生成する振動発電素子であって、
   アモルファス合金の磁歪材料からなる膜状の複数の磁歪薄帯と、
   前記複数の磁歪薄帯を積層させるように接合する接合剤と、
   接合された前記複数の磁歪薄帯を束ねて巻回するコイルと
   を備える振動発電素子。
2. 前記アモルファス合金は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス合金である
   請求項１記載の振動発電素子。
3. 前記複数の磁歪薄帯のそれぞれの厚さは、１００μｍ未満である
   請求項１又は２記載の振動発電素子。
4. 前記コイルは、絶縁材で被覆された導線である
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動発電素子。
5. 前記接合剤は、エポキシ樹脂である
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動発電素子。
6. さらに、前記複数の磁歪薄帯に、積層されるように貼り付けて固定される基板を備え、
   前記コイルは、積層された前記複数の磁歪薄帯と前記基板とを束ねるように巻回されている
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動発電素子。
7. 前記基板の厚さは、前記複数の磁歪薄帯における厚さよりも大きい
   請求項６記載の振動発電素子。
8. さらに、前記複数の磁歪薄帯に対して磁界を印加する磁界発生部を備える
   請求項６又は７記載の振動発電素子。
9. 前記振動発電素子は、片持ち梁となるように、一端が振動構造物に固定される
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の振動発電素子。

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