JP2019514342A - 磁電変換装置を備える発電機およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
層のスタックに関する。
磁歪材料の層10を得るために、磁歪材料の棒1が、公知の方法、例えば垂直ゾーン溶融法(Free−Stand Zone MeltのFSZM)または「修正された Brigman」法を用いて、最初に形成される。図2aに示されるように、棒1の長手方向の軸線3は、棒1の変形の優先的な軸線(これはテルフェノール棒の軸線<112>である)と整列している。従来、先行技術によれば、層は、この軸線に平行な平面内に形成されている。しかしながら、本発明の一態様によれば、磁歪材料の層10は、好ましくは、図2bに示されるように、棒1の横断方向の切断から作られる。棒1の大部分は、このようにして、複数の層10、10’、10”・・・を形成するために使用される。各横断方向の切断は、要求される品質および寸法の層10を提供するべく、ラッピング、研磨、トリミング、エッジ処理によって、処理されてもよい。従って、磁歪材料の棒1は、複数の層10、10’、10”を提供することができ、その面11a、11bは、基準面(x、y)に本質的に平行である。棒1に由来する層10、10’、10”の各々の配向を識別するために、その形成に続いて、横断面を切断する前に、その長手方向軸線に沿って棒1に配向平坦部が形成されてもよい。
この問題を解決し、層10の整列されたアセンブリを許容するために、本発明は、異方性の磁歪材料の層10の処理を提供している。この層10は、前の段落で説明されたように、磁歪材料の棒1の横断切断から導き出され得る。処理は、最初に、層10によって画定される、すなわち、層10の面11aおよび11bに平行な基準面における少なくとも1つの磁化の優先的な軸線4、5(図4(a))を識別するステップを備えている。
・基準面内において所定の方向に配向されている磁場b内に層10を位置決めすること。層10は、回転運動の自由度を有しているので、それは磁化の優先的な軸線4、5の一方を磁場Bの方向に自然に整列させることになり、それにより、この位置は、第1の安定位置(図4(b)にP1で示されている)に対応する。
・基準面内で層10を回転させるのに必要とされるトルクを、複数の連続する角度位置において、計測すること。例えば、層10を、第1の安定位置P1(図4(b))から第2の安定位置P2(図4(c))に回転移動させるのに必要なトルクの計測が実行される。
・磁化の優先的な軸線を識別するために、トルクの極値に対応する少なくとも1つの角度位置を測定すること。安定位置は、磁化の優先的な軸線の識別を許容する。磁化の主軸線4に対応する安定位置P1から引き出すためには、磁化の副軸線5に対応する安定位置P2からよりも、より多くの努力が必要とされる。このトルクの差が、層10の平面内に数個存するときに優先的な軸線を区別することを可能にしている。
図1に関して見られるように、変換器200は、磁歪材料の第1の層10と圧電材料の第2の層20とを備えるスタックからなる。本発明の一態様によれば、既に言及した変換効率の理由から、第1の層10の変形の優先的な軸線4、5は、第2の層20の極性形成の軸線と15°でより良好に整列されている。
いくつかの接着剤材料の粘弾性挙動は、圧電材料の層20、30と磁歪材料の層10との間の熱膨張の差に適応するために有利であろう。より硬質でより硬い接着剤材料は、第1の層10から第2の層20および第3の層30への変形の有効な伝達を確実にするのに好ましい。層間の最小の滑りを許容する接着剤界面が、代替的に、組立てられる層を共焼結するか、またはさらに、接着剤材料の添加なく直接に接合することによって、作られてもよい。
本発明による磁電変換器200は、磁場の変化を2つの電気端子202、203の間の電位差に変換することができる。それは、上述したように、層のスタック100、101のいずれかを備えている。
発電機400を形成するためには、磁電変換器200が、磁場源300によって画定されるハウジング内に配置されてもよい。ハウジング内は、磁力線の一部が、変換器200の磁歪材料からなる第1の層10によって画定される基準面に含まれる状態で、磁場Bが支配的である。かくて、特にコンパクトな発電機400が形成される。磁場源300および変換器200は、基準面内の磁場Bの向きを変えるように、互いに対して回転することができる。
本発明の例示的な実施形態によれば、結晶テルフェノール−Dの層10は、長手方向軸線<112>の棒1から製造される。層10は、例えば、厚さ1mm、直径2cmである。
Claims (24)
- 2つの電気端子(202、203)を備え、磁場(B)の変化を2つの電気端子(202、203)の間の電位差に変換することができ、且つ基準面を規定する異方性磁歪材料の第1の層(10)と圧電材料の第2の層(20)のスタック(100、101)を含む変換器(200)、
基準面内で前記磁場(B)を発生させる磁場源(300)であって、磁場源(300)および変換器(200)は、基準面内の磁場(B)の向きを変えるべく互いに対して回転することができる磁場源(300)、を備える発電機(400)であって、
第1の層(10)は、基準面内に少なくとも1つの変形の優先的な軸線(4、5)を有し、且つ第2の層(20)は、第2の層(20)によって画定される平面内に、前記基準面に平行な極性形成の軸線を有し、そして、第1の層(10)の変形の優先的な軸線(4、5)は、第2の層(20)の極性形成の軸線(21)に15°以内に整列されており、磁場(B)の強さは、第1の層(10)の材料を磁気的に飽和させるには不十分であることを特徴とする発電機(400)。 - 磁場源(300)はハウジングを画定し、前記磁場(B)は、変換器(200)が前記ハウジング内に配置された状態で支配的であることを特徴とする請求項1に記載の発電機(400)。
- 磁場源(300)は、ハルバッハシリンダであることを特徴とする請求項1または2に記載の発電機(400)。
- 層(10)によって画定される平面内に少なくとも1つの変形の優先的な軸線(4、5)を備える異方性磁歪材料の層(10)であって、当該層は、変形の優先的な軸線(4、5)を識別する、少なくとも1つのマークを有するか、少なくとも1つのマーキング手段が設けられていることを特徴とする異方性磁歪材料の層(10)。
- マーク(12)は、前記層(10)の一方の縁部においての平坦部または刻み目、または前記層(10)の一方の面の彫刻であることを特徴とする請求項4に記載の異方性磁歪材料の層(10)。
- 2つの変形の優先的な軸線(4、5)、主軸線(4)と副軸線(5)とを備え、前記マーク(12)またはマーキング手段が主軸線(4)を識別させることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の異方性磁歪材料の層(10)。
- 層のスタック(100、101)であって、
請求項4ないし6のいずれか一項に記載の磁歪材料の第1の層(10)、
第1の層(10)によって画定される平面に平行に、第2の層(20)によって画定される平面内に第1の極性形成の軸線(21)を有する圧電材料の第2の層(20)であって、当該第1の極性形成の軸線(21)は第2のマーク(22)によって識別される第2の層(20)、を備え、
第1の極性形成の軸線(21)および変形の優先的な軸線(4、5)が、15°以内に整列されていることを特徴とする層のスタック(100、101)。 - 第1の層(10)と第2の層(20)との間に結合層(40)を備えていることを特徴とする請求項7に記載の層のスタック(100、101)。
- 第2の層(20)は、その面の少なくとも1つまたはその側縁部に、金属の電極(23、24)を備えていることを特徴とする請求項7または請求項8のいずれか一項に記載の層のスタック(100、101)。
- 極性形成の軸線(21)および変形の優先的な軸線(4、5)は、5°以内に整列されていることを特徴とする請求項7ないし請求項9のいずれか一項に記載の層のスタック(100、101)。
- 第3の層(30)によって画定される平面内に第2の極性形成の軸線(31)を有する圧電材料の第3の層(30)を備え、第1の層(10)は、第2の層(20)と第3の層(30)との間に配置され、そして、第2の極性形成の軸線(31)と変形の優先的な軸線(4、5)は、15°以内に整列されていることを特徴とする請求項7ないし請求項10のいずれか一項に記載の層のスタック(100、101)。
- 磁歪材料の第1の層(10)は、層(10)によって画定される平面内に、変形の主軸線(4)および変形の副軸線(5)を備え、
圧電材料の第2の層(20)の第1の極性形成の軸線(21)は、変形の主軸線(4)に15°以内に整列され、
圧電材料の第3の層(30)の第2の極性形成の軸線(31)は、変形の副軸線(5)に15°以内に整列されていることを特徴とする請求項11に記載の層のスタック(100、101)。 - 前記圧電材料は、PZT、PMN−PT、PVDF、BaTiO3またはAlNからなることを特徴とする請求項7ないし12のいずれか一項に記載の層のスタック(100、101)。
- 前記磁歪材料は、テルフェノール−D、ガルフェノール、テルビウム鉄または鉄 − コバルトで構成されていることを特徴とする請求項7ないし13のいずれか一項に記載の層のスタック(100、101)。
- 磁場(B)の変化を2つの電気端子(202、203)間の電位差に変換することができる変換器(200)であって、請求項7ないし14のいずれか一項に記載の層のスタック(100、101)を含むことを特徴とする変換器(200)。
- 前記スタックの圧電材料の少なくとも1つの層を両電気端子に接続するために、前記層のスタックに組み込まれたプリント回路層を備えることを特徴とする請求項15に記載の変換器(200)。
- 前記スタックと前記プリント回路層との間に配置され、その材料が吸音特性を有するバッファ層を備えることを特徴とする請求項16に記載の変換器(200)。
- 異方性磁歪材料からなる層(10)を処理する方法であって、
層(10)によって画定される基準面内に変形の優先的な軸線(4、5)を識別するステップ、
変形の優先的な軸線(4、5)を識別するために、層(10)にマーク(12)を形成するステップ、を備えることを特徴とする異方性磁歪材料からなる層(10)を処理する方法。 - 前記変形の優先的な軸線(4、5)を識別するステップは、
基準面内に配向された磁場(B)に層(10)を位置決めすること、
基準面内で層(10)を回転させるのに必要なトルクを、複数の角度位置で、計測すること、
変形の優先的な軸線(4、5)を識別するために、トルクの極値に対応する少なくとも1つの角度位置を測定すること、
を含むことを特徴とする請求項18に記載の異方性磁歪材料からなる層(10)を処理する方法。 - 層のスタック(100、101)を製造する方法であって、
異方性磁歪材料の第1の層(10)を提供するステップ、
第1の層(10)によって画定される基準面内に少なくとも1つの変形の優先的な軸線(4、5)を識別するステップ、
第2の層(20)によって画定され、そして第2のマーク(22)によって識別される平面内に第1の極性形成の軸線(21)を有する圧電材料の第2の層(20)を提供するステップ、
第1の層(10)の変形の優先的な軸線(4、5)を第2の層(20)の第1の極性形成の軸線(21)に整列させるステップ、
層のスタック(100、101)を形成するべく、第1の層(10)を第2の層(20)に組み込むステップ、
を含むことを特徴とする層のスタック(100、101)を製造する方法。 - 第3の層(30)によって画定され、そして第3のマーク(32)によって識別される平面内に第2の極性形成の軸線(31)を有する圧電材料の第3の層(30)を提供するステップ、
第1の層(10)の変形の優先的な軸線(4、5)を第3の層(30)の第2の極性形成の軸線(31)に整列させるステップ、
第1の層(10)を第3の層(30)に組み込むステップであって、ここで第1の層(10)が第2の層(20)と第3の層(30)との間に配置されているステップ、
を含むことを特徴とする請求項20に記載の層のスタック(100、101)を製造する方法。 - 圧電材料の第2の層(20)および第3の層(30)は、それぞれ、それらの面の少なくとも1つに金属の電極(23、24、33、34)を含んでいることを特徴とする請求項21
に記載の層のスタック(100、101)を製造する方法。 - 接合するステップは、接合されるべき層(10、20、30)の少なくとも1つの面に接着剤を付着させ、そして前記面を接触状態に置くことを備えることを特徴とする請求項20ないし22のいずれか一項に記載の層のスタック(100、101)の製造方法。
- 請求項20ないし23のいずれか一項に記載の方法により、第1の層(10)が基準面を画定する、層のスタック(100、101)を製造すること、
圧電材料の少なくとも1つの層(20、30)を2つの電気端子(202、203)に接続し、そして磁電変換器(200)を形成するために、層のスタック(100、101)をプリント回路層(50)に組み込むこと、
磁場源(300)によって画定され、磁場(B)が支配的であり磁力線の一部が基準面に含まれているハウジング内に変換器(200)を配置すること、
を備えることを特徴とする発電機(400)を組立てる方法。
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