JP2019029502A

JP2019029502A - 振動発電用磁歪材料

Info

Publication number: JP2019029502A
Application number: JP2017147325A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　茂; Shigeru Suzuki; 鈴木　　茂; 透川又; Toru Kawamata; 直樹五来; Naoki Gorai
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2019-02-21

Abstract

【課題】デバイスを効率的に製造可能で、振動発電素子を小型化することができ、振動により発生する電圧が著しく高い振動発電用磁歪材料を提供する。【解決手段】室温において強磁性であり、厚さが0.22mmから0.40mmの板状である。また、振動方向の結晶粒の９０％以上の結晶方位が、＜１００＞方向から１０°以内であることが好ましい。また、Fe基合金であることが好ましく、Gaを11質量％〜21質量％含むFe-Ga基合金であることが特に好ましい。【選択図】図２

Description

本発明は、振動発電用磁歪材料に関する。

周囲環境の微小エネルギーを利用して発電する技術は、エネルギーハーベスティング（環境発電）と呼ばれ、発電に用いるエネルギー源としては、光、熱、振動、電波などがある。その発生電力は、比較的小さいが、モノのインターネット（ＩｏＴ）社会に使われる無線通信などのための電源へ利用されることが期待されている（例えば、非特許文献１参照）。特に、低炭素社会の実現に向けて、様々な環境情報の計測や省エネルギー制御のための埋め込み型センサーネットワーク用の電源へ、エネルギーハーベスティング技術を適用することが必要となっている。

エネルギーハーベスティングのため発電方法としては、圧電素子による発電、磁石の電磁誘導による発電、磁歪材料による発電などがある（例えば、非特許文献１参照）。たとえば、圧電素子を用いた振動発電モジュールは、圧電素子により発電された電力を蓄電し、それにより物体の動きを監視する技術が報告されている（例えば、特許文献１または非特許文献１参照）。

圧電素子による発電では、圧電素子に振動を加えることにより、素子の両端の電極に電圧が発生することを利用する（例えば、特許文献１または非特許文献１参照）。その電圧は、電荷の分極が応力によって変化するために発生し、電圧の大きさは、圧電材料の誘電率や加える力等によって変化する。

磁石の電磁誘導による発電においては、コイルの中で磁石を振動させることにより、コイルに電圧を発生させる（例えば、特許文献２または非特許文献１参照）。その発生する電圧は、磁束の時間変化とコイルの巻数とに比例するというファラデーの法則によって与えられる。

磁歪材料による発電では、磁歪材料の逆磁歪特性を利用し、外部からの周期的な弾性ひずみにより、磁歪材料での磁束を周期的に変化させ、電磁誘導により周囲に巻いたコイルに電圧を発生させる。その材料としては、Fe-Ga合金やCo-Fe合金などが提供されている（例えば、特許文献３または４参照）。

振動発電に用いる磁歪材料としては、多結晶や単結晶の合金があるが、特に磁歪が大きい＜１００＞方向に向いたFe-Ga合金などを、大きな磁歪を示す材料に用いることができる（例えば、非特許文献２または３参照）。

特開２０１５−０７７０４７号公報特開２０１３−１４６１７５号公報特開２０１５−０４４１６５号公報特開２０１４−０８４４８４号公報

S.Priya, D.J.Inman edited, "Energy Harvesting Technologies", Springer, 2009 T. Ueno and S. Yamada, "Performance of Energy Harvester Using Iron-Gallium Alloy in Free Vibration", IEEE Trans. Magn., 2011, Vol.47, Issue 10, p.2407-2409 T. Ueno, "Performance of improved magnetostrictive vibrational power generator, simple and high power output for practical applications", J. Apply. Phys., 2015, Vol. 117, Issue 17, 17A740

特許文献１や非特許文献１に記載のような圧電材料は、通常セラミックスでできており、金属に比べ加工性が劣るため、デバイスを作りにくいという課題があった。特許文献２や非特許文献１に記載のような磁石の電磁誘導による発電モジュールでは、磁石を動かすことにより周囲のコイルに誘導電圧を発生させるため、モジュールのサイズが大きくなるという課題があった。特許文献３や４に記載のような磁歪材料を用いた振動発電では、代表的な磁歪材料のFe-Ga合金やCo-Fe合金などが多結晶であるため、大きな磁歪を得るには限界があるという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、デバイスを効率的に製造可能で、振動発電素子を小型化することができ、振動により発生する電圧が著しく高い振動発電用磁歪材料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、本発明に係る振動発電用磁歪材料は、室温において強磁性であり、厚さが0.22mmから0.40mmの板状であることを特徴とする。

本発明に係る振動発電用磁歪材料は、振動方向の結晶粒の９０％以上の結晶方位が、＜１００＞方向から１０°以内であることが好ましい。また、本発明に係る振動発電用磁歪材料は、Fe基合金であることが好ましい。Fe基合金としては、例えば、Fe-Si基合金、Fe-Al基合金などであり、さらに望ましくは、Gaを11質量％〜21質量％含むFe-Ga基合金であることが好ましい。このとき、Fe-Ga基合金は単結晶であることが好ましい。単結晶または高い結晶配向性を有するFe-Ga合金は、大きい磁歪を示すため、振動発電用の磁歪材料として非常に有効である。

本発明によれば、デバイスを効率的に製造可能で、振動発電素子を小型化することができ、振動により発生する電圧が著しく高い振動発電用磁歪材料を提供することができる。本発明に係る振動発電用磁歪材料を用いると、大型の振動発電モジュールを作製するときでも、板状材料を積層することにより、モジュールを構成することができる。すなわち、板状材料の積層により、様々なサイズのモジュールに合わせて最終製品を作ることができるため、効率的に製品（デバイス）を製造できるという効果が得られる。

本発明の実施の形態の振動発電用磁歪材料の製造方法を示すフロー図である。本発明の実施の形態の振動発電用磁歪材料に関し、異なる厚さのFe-19％Ga合金単結晶の試験片を、異なる加速度（0.2G〜0.6G）で振動させたときに発生した磁束密度の変化を示すグラフである。

以下、試験に基づいて、本発明の実施の形態の振動発電用磁歪材料について説明する。
試験に用いる振動発電用磁歪材料は、厚さの異なる＜１００＞方向に配向したFe-19％Ga合金単結晶から成っている。振動発電用磁歪材料の各試験片は、以下の手順で製造した。すなわち、図１に示すように、チョクラルスキー法（CZ法）により作製したFe-19％Ga合金単結晶のインゴットを素材として、そのインゴットの中からほぼ＜１００＞方向を長さ方向に持つ結晶を切り出し、厚さが0.2mmから0.5mmの板状の試験片を切り出した。

これらFe-Ga合金から成る試験片は、厚さが0.2mmから0.5mm、長さが16mm、幅が6mmの板状であり、巻数で960回のコイルの中に入れた。その両端2mmを、振動発電用デバイスに取り付け、振動発電用デバイスごと加振器に装着した。この形態は、特許文献３に準じている。その後に、加振器を、所定の加速度で、約250Hzの共振振動の状態で振動させた。こうして各試験片に引張りと圧縮の交互の弾性的な応力変化を加えることにより、磁歪材料から成る各試験片の周期的な磁束を変化させ、各試験片の周囲に巻いたコイルに交流の電圧を発生させることができる。このときに発生する電圧の振幅（上向きのピークと下向きのピークとの間の電圧）を測定した。なお、比較のため、純鉄（Fe）多結晶から成り、厚さ0.5mm、長さ16mm、幅6mmの板状の試験片についても、同様の試験を行っている。

表１に、0.2mmから0.5mmの異なる厚さの＜１００＞方向に±２°以内に配向したFe-19％Ga合金単結晶、及び純鉄の多結晶の板状の試験片を、異なる加速度（0.2G〜0.6G）で振動させたときの発生電圧を示す。また、異なる加速度（0.2G〜0.6G）で振動させたときの、各厚さのFe-19％Ga合金単結晶で発生した磁束密度の変化を測定し、図２に示す。

表１に示すように、厚さ0.3mmの＜１００＞方向に±２°以内に配向したFe-19％Ga合金単結晶の試験片を用いたデバイスで発生する電圧は、0.2mmと0.5mmの厚さの合金単結晶や純鉄多結晶の試験片を用いたデバイスで発生する電圧よりも高いことが確認された。また、図２に示すように、厚さ0.3mmのFe-19％Ga合金単結晶で発生する磁束密度の変化は、0.2mmと0.5mmの厚さのものよりも大きいことが確認された。

ここで、厚さ0.3mmのFe-Ga基合金の化学組成は、Fe-19質量％Gaのものを用いたが、Ga量が12質量％から21質量％の間の組成であればよい。さらに、その他、１質量％以上のSiやAlなどの第三元素、および不可避的不純物が入っていても良く、室温で体心立方構造の強磁性体であればよい。

本発明により、出力電圧が高いエネルギーハーベストが実現可能になる。

Claims

室温において強磁性であり、厚さが0.22mmから0.40mmの板状であることを特徴とする振動発電用磁歪材料。
振動方向の結晶粒の９０％以上の結晶方位が、＜１００＞方向から１０°以内であることを特徴とする請求項１記載の振動発電用磁歪材料。
Fe基合金であることを特徴とする請求項１または２記載の振動発電用磁歪材料。
Gaを11質量％〜21質量％含むFe-Ga基合金であることを特徴とする請求項１または２記載の振動発電用磁歪材料。